高精度球體加工機(jī)床加壓系統(tǒng)的研究*

余龍芬　袁巨龍　周芬芬　趙　萍　張傳通

(浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310014)

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高精度球體加工機(jī)床加壓系統(tǒng)的研究*

余龍芬袁巨龍周芬芬趙萍張傳通

(浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310014)

為解決傳統(tǒng)高精度球體加工機(jī)床無法實現(xiàn)加工載荷精確控制的問題，提出了一種新型機(jī)械加壓系統(tǒng)，并通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，確定合理的參數(shù)，使加壓系統(tǒng)從原有的加壓精度12%F·S提升到0.67%F·S，滿足系統(tǒng)所需的加壓精度2.6%F·S。

加工載荷；加壓系統(tǒng)；加壓精度

高精度球體是高精度軸承的關(guān)鍵零件之一，廣泛應(yīng)用于精密機(jī)床設(shè)備和檢測設(shè)備中[1-2]。高精度球體加工機(jī)床用于球體精研、超精研以及拋光等工序；機(jī)床精度對最終成球質(zhì)量有著至關(guān)重要的作用[3]。洛陽軸承研究所的郭靜芬[4]結(jié)合大量的生產(chǎn)實驗，總結(jié)了加工過程中加工機(jī)床各參數(shù)對最終成球質(zhì)量的影響，具體因素的影響程度如表1所示。

表1　加工機(jī)床對成球質(zhì)量的影響程度

從表1中可以看出，球體加工的最終質(zhì)量受到眾多工藝參數(shù)的影響，其中加工載荷(工作壓力)是最主要的工藝參數(shù)之一，因此做到加工過程中加工載荷的精確可控，對生產(chǎn)高精度球體有著重大意義[5-7]。所以本文針對傳統(tǒng)V型槽機(jī)床的加壓系統(tǒng)進(jìn)行分析研究。

1　傳統(tǒng)V型槽式機(jī)床加壓系統(tǒng)所需加壓精度

所謂加壓系統(tǒng)所需的加壓精度，即球體加工機(jī)床的最小壓力分辨率與加壓系統(tǒng)加壓范圍之比，其單位為%F·S, 即滿量程百分比。球體加工機(jī)床所需的最小壓力分辨率即為單球最小壓力與球體總數(shù)之積。單球的最小壓力可以等效為球體加工過程中能夠確保球體做無打滑研磨運動的最小壓力[8]。

對于磨盤直徑為800mm的傳統(tǒng)V型槽式加工機(jī)床，加工對象為直徑10mm氮化硅陶瓷球，經(jīng)過實驗測量計算，單球的最小壓力0.13N。根據(jù)機(jī)床所需最小壓力分辨率定義，計算得機(jī)床所需的加壓精度為2.6%F·S(加壓系統(tǒng)加壓范圍為0～15kN)。

2　新型加壓系統(tǒng)

2.1加壓系統(tǒng)組成

所提出的新型機(jī)械加壓系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)如圖1所示：

2.2加壓系統(tǒng)加壓性能測試

測量磨盤直徑為800mm的傳統(tǒng)V型槽式加工機(jī)床所需的加壓精度，以上磨盤自重4 000N為分界點，兩邊各取8～10個點(加壓系統(tǒng)加壓范圍為0～15kN)，計算所取加壓點的實際加壓誤差，實際測量結(jié)果如圖2示。從圖2可以看出：在量程范圍內(nèi)，其最大加壓誤差為1 800N，加壓精度為12%F·S，無法滿足加壓精度2.6%F·S的要求。

3　加壓系統(tǒng)的改進(jìn)

3.1機(jī)床上磨盤重心計算及調(diào)平

V型槽式球體加工機(jī)床，其上磨盤(圖3所示)具有一個入料口，使上磨盤重心位置偏離其幾何中心，而設(shè)計方案中絲桿裝配位置并未精確測定偏心位置，影響了加壓精度。因此需要計算V型槽式機(jī)床上磨盤的重心位置。

計算得上磨盤的重心坐標(biāo)為(0，33.39)，即其重心位置為y軸方向上偏離其幾何中心33.39mm，與上磨盤絲桿裝配位置的偏心量62.5mm相差較大。

原有的加壓系統(tǒng),彈簧組的調(diào)平作用已經(jīng)無法修正偏移量所帶來的誤差，因此需要在適當(dāng)位置上增加配重塊以保持上磨盤的重力平衡來進(jìn)行調(diào)平。配重塊裝配位置距離其原上磨盤絲桿裝配位置300mm，根據(jù)重力矩平衡的原理，可以列出方程：

P配重(300+62.5-33.39)=P上磨盤(62.5-33.39)

(1)

其中P上磨盤為上磨盤的重量，為4 108N，根據(jù)公式(1)可得P配重=363.43N， 其質(zhì)量為m配重=37.1kg。安裝配重塊后的上磨盤如圖4所示。

3.2加壓系統(tǒng)彈簧組計算優(yōu)化及有限元分析

3.2.1彈簧組計算

對于V型槽式加工機(jī)床，考慮上磨盤自重，要求其上彈簧組最大工作載荷12kN，工作行程25mm，下彈簧組最大工作載荷6kN，工作行程15mm。要求所有彈簧組變載荷循環(huán)次數(shù)達(dá)到10 000次，并且考慮到彈簧組的彈簧數(shù)量影響著加壓系統(tǒng)的加壓均勻性，彈簧組彈簧參數(shù)如表2所示。

3.2.2結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析

針對所設(shè)計的3組加壓彈簧，設(shè)置5個對比實驗組，對加壓系統(tǒng)在彈簧組最大工作載荷下的加壓均勻性進(jìn)行了有限元分析，實驗條件列于表3。

表2　傳統(tǒng)V型槽式球體加工機(jī)床上、下彈簧組單根彈簧參數(shù)

表3　仿真對比組實驗條件

基于有限元分析軟件ANSYS，對彈簧組建立模型，加工球坯作為加壓系統(tǒng)的最終受力物體，起到支撐作用，將球坯簡化為一塊內(nèi)徑450mm，外徑770mm，高10mm的圓環(huán)體，加壓系統(tǒng)采用的材料特性如表4所示。

表4　實體單元材料特性

網(wǎng)格劃分后的模型如圖5所示，施加載荷以及約束后的模型如圖6所示。

加壓系統(tǒng)的總體變形圖如圖7所示，工件表面所受的應(yīng)力如圖8所示。

根據(jù)仿真所得的工件受力云圖，可以得到以下結(jié)論：

(1)對比圖8中的a、b、c，在相同的安裝直徑條件下，工件的表面應(yīng)力分布情況較為相近，只是所受應(yīng)力的極值有所差異。在4根彈簧情況下應(yīng)力最大，6根彈簧情況下應(yīng)力最小，兩者相差不超過3.6%，幾乎可以忽略。這是由于彈簧在圓周均勻分布，在相同壓力條件下，向工件施加的壓力也近似相等。

(2)對比圖8中c、d、e，可以看到在相同的彈簧個數(shù)的條件下，工件表面應(yīng)力分布的均勻性受彈簧組安裝直徑的影響較大。隨著彈簧組安裝直徑減小，工件表面的應(yīng)力分布越均勻。在所受應(yīng)力極值上來看，彈簧組安裝直徑越小，其所受的應(yīng)力極值越大，但其應(yīng)力極值相差不超過3.5%，亦可忽略不計。從加壓系統(tǒng)的總體變形圖(圖7所示)可以看到，彈簧組安裝直徑越大，加壓系統(tǒng)整體的變形也越大。這是由于上磨盤入料口處去除了大量材料，使系統(tǒng)加壓時，加壓點離加料口越近，造成的變形越大，從而引起了工件更大的應(yīng)力變化。

3.2.3彈簧組動力學(xué)分析

采用機(jī)械動力學(xué)分析軟件ADAMS，為減少仿真的計算量，對加壓系統(tǒng)模型進(jìn)行簡化：

(1)將工件簡化為均布于圓周上的，共8顆直徑為10mm的球坯。

(2)將球體的振動信號的幅值轉(zhuǎn)化為球體圓度誤差引起的振動，即球坯為橢球，長軸比短軸長0.043mm；在研磨盤轉(zhuǎn)速為15r/min的條件下，球坯自轉(zhuǎn)角速度根據(jù)ADAMS單位制轉(zhuǎn)化為外溝道角速度2 340°/s，內(nèi)溝道角速度1 470°/s。

加壓系統(tǒng)的材料特性如表4所示，加載完的模型如圖9所示。根據(jù)加壓系統(tǒng)動力學(xué)分析模型，將接觸力結(jié)果分為兩組討論：①相同彈簧個數(shù)下球坯接觸力的變化比較，結(jié)果如圖10所示；②相同安裝直徑下接觸力的變化比較，結(jié)果如圖11所示。圖中，0.5s之前波形的波動是球從啟動到達(dá)到標(biāo)定速度對上磨盤的沖擊造成的，因此主要對0.5s以后的波動圖像進(jìn)行對比。

根據(jù)圖10與圖11，可以得出以下結(jié)論：

(1)在具有相同彈簧個數(shù)的情況下，根據(jù)圖10可以看出，不同的安裝直徑對球體接觸力的波動影響不大。這是由于不同安裝直徑對加壓系統(tǒng)的主要影響表現(xiàn)為對上磨盤變形的影響，而根據(jù)靜力學(xué)仿真的結(jié)果(如圖7所示)，其變形量的極大值也小于0.01mm，這些變形量對于彈簧組而言產(chǎn)生的變形力較小，因此在具有相同彈簧剛度以及彈簧阻尼系數(shù)的條件下，安裝直徑對于球坯表面的接觸力影響也并不明顯。

(2)在彈簧組具有相同安裝直徑的條件下，由圖11可以看出，在4根彈簧的條件下，出現(xiàn)了幾個接觸力的劇烈波動；對比6根彈簧與8根彈簧的接觸力，發(fā)現(xiàn)兩者的接觸力波動差別并不明顯。因此對于加壓系統(tǒng)而言，考慮加工成本的情況下，6根彈簧為最優(yōu)彈簧個數(shù)。

綜上所述，彈簧安裝直徑越小，所加工的工件受力越均勻；而彈簧組的彈簧個數(shù)是影響球體振動下球體與上研磨盤之間接觸力的主要因素，6根彈簧屬于最優(yōu)解。在綜合考慮靜力學(xué)與動力學(xué)分析的情況下，安裝直徑180mm，彈簧個數(shù)6為最優(yōu)的設(shè)計組。

4　改進(jìn)后加壓系統(tǒng)精度測量

改進(jìn)后的加壓誤差結(jié)果如圖12所示。

從圖中可以看到加工機(jī)床的加壓誤差在±100N內(nèi)，重復(fù)誤差小于100N，并且其加壓誤差呈現(xiàn)隨機(jī)分布，加壓穩(wěn)定性良好。就加壓誤差的精度而言，已經(jīng)達(dá)到了0.67%F·S，滿足了2.6%F·S的精度要求。

5　結(jié)語

本文主要對加壓系統(tǒng)進(jìn)行了兩個方面的改進(jìn)：

(1)針對現(xiàn)有的傳統(tǒng)V型槽式機(jī)床加壓系統(tǒng)上磨盤未調(diào)平的問題，對加壓系統(tǒng)的上磨盤重心位置進(jìn)行了精確計算，并根據(jù)計算結(jié)果，對現(xiàn)有的上磨盤采用配重塊的形式進(jìn)行調(diào)平處理。

(2)對加壓系統(tǒng)的彈簧組進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，并對設(shè)計結(jié)果進(jìn)行靜力學(xué)和動力學(xué)仿真分析，根據(jù)分析結(jié)果，在6根彈簧，安裝直徑180mm的情況下加壓系統(tǒng)的加壓均勻性最好。在對加壓系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)后，加壓系統(tǒng)的加壓誤差精度達(dá)到了0.67%F·S，能夠滿足系統(tǒng)所需的2.6%F·S的精度要求。

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(編輯孫德茂)

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Studyontheloadingsystemofprecisionballprocessingmachinetool

YULongfen,YUANJulong,ZHOUFenfen,ZHAOPing,ZHANGChuantong

(SchoolofMechanicalEngineering,ZhejiangUniversityofTechnology,Hangzhou310014，CHN)

Toovercomelimitationsthatintraditionalprecisionballprocessingmachinetool’sloadingsystem,processingloadcannotbeaccuratelycontrolled,soanewmechanicalloadingsystemisdevelopedinthispaper.Andoptimizingthestructureoftheloadingsystemtomakeitsoriginalloadingprecision12%F·Sincreaseto0.67%F·S,meetingtherequiredloadingprecision2.6%F·S.

processingload;loadingsystem;loadingprecision

2015-08-05)

160208

*國家自然科學(xué)基金(51375455)