大型雙進給珩磨頭的結構靜力學分析

□ 廖秋巖 □ 翁 捷 □ 王亞杰

1.蘭州理工大學 機電工程學院 蘭州 730050

2.蘭州理工大學 數字制造技術與應用省部共建教育部重點實驗室 蘭州 730050

珩磨作為一種高效率的加工方法,不僅能去除較大的加工余量,而且是提高工件精度和降低表面粗糙度的有效加工方法［1-2］。珩磨頭作為珩磨機的刀具，對珩磨機加工質量和被加工工件的精度有著重要的影響。在珩磨加工過程中，精珩加工與粗珩加工方法類似，但精珩加工時對被加工工件的質量有直接影響。本文通過有限元軟件ANSYS Workbench［3］對大型雙進給珩磨頭進行精珩加工時的靜力學分析，確定大型雙進給珩磨頭整體及各部件的剛度變形，從而揭示影響雙進給珩磨頭剛度的關鍵因素，并提出結構改進方案，進而保證珩磨頭的加工精度［4-6］。

1 珩磨頭有限元模型的建立

1.1 幾何模型的建立

▲圖1 珩磨頭幾何模型及內部結構

建立珩磨頭模型時，在不影響珩磨頭應力分布以及變形的前提下，為了減小計算規模，可對結構作適當的簡化處理：省略非承載構件，將構件之間很小的圓弧過渡簡化為直角過渡，將構件表面上的凸部、孔等進行圓滑處理。本文是在三維軟件SolidWorks中建立珩磨頭的三維模型，然后把建立好的實體模型導入到有限元分析軟件ANSYS Workbench中，建好的幾何模型如圖1所示。

建立珩磨頭有限元模型的關鍵是選擇合適的單元，為了計算準確，用線體和面體建模的方法，本文建立有限元模型時，面體采用四邊形單元（Shell181），線體采用梁單元（Beam 188）。

1.2 材料屬性

大型雙進給珩磨頭及部件的材料參數見表1。

1.3 網格劃分

網格劃分是進行有限元數值模擬分析重要的一步，它直接影響后續數值計算分析結果的精確性。本文在ANSYS Workbench模塊中，根據實體模型大小對珩磨頭有限元模型進行精確網格劃分，劃分后的有限元模型如圖2所示，共有337 386個節點，150 074個單元。

▲圖2 劃分網格后的珩磨頭有限元模型

表1 珩磨頭各部件的材料及材料性能

1.4 約束處理

進行珩磨頭模態分析時，模擬結構真實的約束狀態，能夠得到結構實際約束狀態下振動模態，提高了結果的精確性，本文對珩磨頭的兩個連接孔和頂桿施加固定約束。

2 靜力學分析

2.1 珩磨力計算

在設計計算中，根據經驗公式對珩磨力進行計算：

式中：f為切削因數，取0.3；θ為加工缸套類零件的網紋角，θ=50°；A 為粗珩油石工作面積，A=32 000 mm2；P為油石工作壓強，P=1 MPa。

▲圖3 總變形圖

由以上公式可以計算出圓周切削力：F圓周=8 701 N，軸向切削力：F軸向=4 057 N。

2.2 粗珩時應力分析

根據實際情況對大型雙進給珩磨頭進行約束：將珩磨頭頂部的兩個連接孔及大頂桿固定，加載后進行分析，珩磨頭各部分受力變形如圖3～圖8所示。

3 結果分析

由圖3～圖8分析可知：大型雙進給珩磨頭的主要加工誤差來自于珩磨頭的剛度變形，而珩磨頭的剛度總變形主要體現在加工油石的剛度變形上，珩磨頭油石的最大變形為0.008 5mm，出現在油石的下端（如圖8）；小頂桿的最大變形為0.001 1 mm，出現在小頂桿的下端（如圖4）；小錐體的最大變形為0.001 7mm，出現在小錐體的下端（如圖5）；導向推桿的最大變形為0.006 7mm，出現在導向推桿的外端（如圖6）；油石座的最大變形為0.007 8 mm，出現在油石座的下端（如圖7）。由分析可知：①油石的變形最大，其次為油石座和導向推桿，因此考慮可以對油石、油石座及導向推桿的結構進行改進或采用剛度更好的材料；②從實驗結果可以觀察到，油石座、油石的最大變形均出現在其下端，分析可知，小錐體從上到下受到油石座的均勻作用力，但小錐體的上端有小頂桿的支撐，因此越往下小錐體的變形越大，并對油石座和油石的變形有一定影響。

▲圖4 小頂桿變形圖

▲圖5 小錐體變形圖

▲圖6 導向推桿變形圖

▲圖7 油石座變形圖

▲圖8 油石變形圖

4 結束語

本文采用有限元軟件ANSYS Workbench對大型雙進給珩磨頭進行靜力學分析，得到了影響珩磨頭加工精度的主要原因是珩磨頭的剛度，最大變形出現在油石和油石座的下端，此分析結論與某數控機床廠的加工經驗一致，為大型雙進給珩磨頭的進一步分析提供了重要的依據。

［1］ 熊元一,郭建忠,侯軍麗.珩磨工藝原理簡介［J］.機械工人（冷加工）,2004（5）:29-30.

［2］ 蘇達智.珩磨工藝技術［Z］.銀川：寧夏機械工程學會,2006.

［3］ 高耀東,宿福存,李震,等.ANSYS Workbench機械工程應用精華30例［M］.北京：電子工業出版社,2013.

［4］ 侯運豐,張志萬.珩磨頂桿的有限元分析及結構優化［J］.機械設計與制造,2012（8）:23-25.

［5］ 侯運豐,陳剛.基于ANSYS Workbench的高精度雙進給珩磨頭的剛度優化 ［J］.組合機床與自動化加工技術,2012（12）：53-55.

［6］ 毛劍,辛舟.2MK2250+150高檔數控珩磨機立柱有限元靜動態分析［J］.機械與電子,2012 （11）:36-38.