黃國權(quán) 郝 卓
(哈爾濱工程大學(xué)機電工程學(xué)院,黑龍江哈爾濱 150001)
使用磨削加工細長軸時,由于其剛性差、熱變形大等原因,切削過程中極易產(chǎn)生彎曲和振動,因此常常得不到理想的表面粗糙度和形狀精度,特別是圓柱度誤差過大或產(chǎn)生多邊形、竹節(jié)等疵病。為了克服傳統(tǒng)磨削加工的缺點,采用滾壓加工的方法對長軸表面進行光整加工,以便減小長軸的表面粗糙度值。這種方法可同時達到光整加工及強化兩種目的。對長軸采用雙滾輪滾壓加工的方法。雙滾輪滾壓加工時兩個滾輪成水平對置,滾輪與長軸截面的圓心在同一條直線上。由于是兩個滾輪徑向均勻分布,對于傳動軸而言,合力總是為零,因此不會傷害到長軸。雙滾輪滾壓加工的原理如圖1所示。
本文使用ANSYS/LS-DYNA顯式非線性動力學(xué)分析程序?qū)Σ煌螤顫L輪的滾壓加工過程進行數(shù)值模擬,并對產(chǎn)生的結(jié)果進行分析,從而比較出較佳的加工方法。
滾輪選取材料為T10A碳素工具鋼。通過分析,并結(jié)合經(jīng)驗公式,設(shè)計了以下3種形狀的滾輪進行數(shù)值模擬分析,如圖2所示。滾輪的最外圈直徑都為100 mm,最大寬度都為25 mm,中心孔直徑都為30 mm。1號滾輪工作面為圓弧形,圓弧半徑為12.5 mm;2號滾輪工作面為一段直線,其中一端為圓角,直線部分長度為10 mm,錐面上的傾角為3°,過渡圓角半徑為3 mm;3號滾輪工作面為直線形,直線長度為19 mm,兩端的圓角半徑為3 mm。
單元類型在很大程度上影響著求解時間和求解精度,同時對單元網(wǎng)格的劃分和再劃分也有重要影響。首先確定有限元模型的單元類型,在三維金屬成形模擬有限元軟件分析中,常用到的單元主要有八節(jié)點六面體單元。
長軸的材料選用45鋼,單元選用SOLID164實體單元。該單元由8個節(jié)點構(gòu)成,它支持所有許可的非線性特性。使用該單元時無需定義實常數(shù)。
滾輪的材料模型選用剛性體。由于定義了一個剛體之后,剛體內(nèi)所有節(jié)點的自由度都耦合到剛體的質(zhì)量中心處,從而大大縮短了顯式分析的計算時間。滾輪材料選用T10A碳素工具鋼。滾輪與長軸所采用的材料及其力學(xué)性能如表1所示。
表1 長軸及滾輪的力學(xué)性能參數(shù)
在有限元分析中,單元網(wǎng)格的質(zhì)量直接影響著求解的效率和精度。當(dāng)單元類型確定后,網(wǎng)格質(zhì)量取決于網(wǎng)格劃分的精度等級和單元邊長等因素。對滾壓加工的有限元模型進行單元網(wǎng)格劃分后的結(jié)果,滾輪滾壓長軸的有限元模型如圖3所示。
接觸類型選用Surface to Surf和ASTS即自動面對面接觸,兩者之間的靜摩擦系數(shù)為0.3,動摩擦系數(shù)為0.2;對被加工長軸在總體柱坐標(Global Cylindrical)下約束其UX、UY方向自由度,使其只能繞Z軸旋轉(zhuǎn)。對于滾輪在總體笛卡爾坐標系(Global Cartesian)下約束其沿Y軸方向位移以及繞X軸、Y軸方向的轉(zhuǎn)動。
兩個滾輪同時沿X軸方向和X軸負方向壓緊長軸,然后沿Z軸方向做勻速水平移動,長軸做勻速轉(zhuǎn)動,憑借滾輪與長軸之間的摩擦力帶動滾輪轉(zhuǎn)動,最終完成整個滾壓加工過程。具體的載荷施加條件如表2所示。
表2 載荷的施加條件
采用滾輪1、滾輪2、滾輪3分別對長軸表面進行模擬加工,3種不同形狀的滾輪加工過后的節(jié)點等效塑性應(yīng)變場的差異如圖4、圖5和圖6所示。通過觀察3種不同形狀滾輪在長軸加工過程中等效塑性應(yīng)變場隨時間步數(shù)的變化趨勢,以及加工過后長軸表面變形區(qū)在最后時間步的節(jié)點等效塑性應(yīng)變場可以得出以下結(jié)論:
(1)2號滾輪由于在加工時與長軸的接觸面積較大,在加工時產(chǎn)生的塑性變形區(qū)域要明顯大于1號和3號滾輪。
(2)3號滾輪的加工效果和2號滾輪類似,但是由于其與長軸的接觸面積小于2號滾輪,加工時產(chǎn)生的塑性變形也相對減小。
(3)1號滾輪由于形狀的原因在加工過程中與長軸的接觸面積最小,加工時產(chǎn)生的應(yīng)力有可能過于集中,在數(shù)值模擬分析中出現(xiàn)了滾輪與工件粘連的現(xiàn)象。
(4)2號滾輪引起的軸向塑性變形較1號滾輪和3號滾輪大。使用2號滾輪進行加工時,滾輪和長軸在軸向進給方向的寬度較大,滾輪每轉(zhuǎn)一周的滾壓寬度也就越大。說明2號滾輪在加工中可以使用相對較大的進給量,工作效率要高于另外兩種滾輪。
在ANSYS時間歷程后處理器(POST26)中觀察3種滾輪在加工過程中滾輪和長軸之間接觸力的變化情況,如圖7、圖8和圖9所示。圖中的橫坐標都表示時間。對縱坐標做如下定義:在時間歷程變量對話框中添加反作用力結(jié)果數(shù)據(jù),F(xiàn)X表示滾輪對長軸施加的壓力,F(xiàn)Y表示滾輪在滾壓加工過程中沿軸向進給時產(chǎn)生的力。由于滾輪與長軸之間的滾動摩擦力比較小,在這里不作為主要的研究對象。通過觀察比較,得出以下結(jié)論:
(1)在滾輪滾壓長軸的過程中,與滾壓力的大小有最直接關(guān)系的是滾輪和長軸的接觸面積。由于滾輪自身形狀的因素,2號滾輪在加工過程中和長軸的接觸面積最大,因此產(chǎn)生的滾壓力FX也明顯大于1號和3號滾輪。1號滾輪產(chǎn)生的滾壓力在3種形狀的滾輪里是最小的。
(2)3號滾輪在滾壓加工過程中做軸向進給時產(chǎn)生的力要稍大于1號和3號滾輪,最大值在0.3 kN左右。其他兩種形狀的滾輪在軸向進給過程中也產(chǎn)生了不同程度的軸向力。由于滾輪靠液壓缸提供卡緊力,液壓缸的活塞桿只可承受很小的徑向力。為保證長軸滾壓加工的精度,在設(shè)計時應(yīng)該對活塞桿采取保護措施,減小其因受外力引起的彎曲變形。
由于長軸在滾壓加工之后表面會產(chǎn)生微小的回彈變形,這對長軸加工后的表面粗糙度具有很大影響。為此,需要觀察比較給定壓下量和最終實際壓下量之間的關(guān)系。沿滾輪軸向進給方向選取長軸表面的若干個節(jié)點,比較它們在X方向的位移量,可以看出在相同的初始條件下,3種形狀滾輪滾壓加工過后長軸表面節(jié)點沿X方向的真實位移量。表3是3種形狀滾輪加工過后表面節(jié)點位移量的對比情況。
表3 長軸表面節(jié)點實際位移對比
在長軸的軸線方向均勻選取若干個點,用以表示不同形狀滾輪加工過后表面節(jié)點在長軸軸線方向?qū)嶋H位移量的分布情況,圖10~12。圖中,橫坐標表示節(jié)點號(也即軸向位置),縱坐標表示節(jié)點實際位移。通過觀察圖10~12可以得出以下結(jié)論:
(1)在滾壓加工長軸的初始階段,當(dāng)滾輪與長軸發(fā)生接觸,開始滾壓的時刻,由于滾輪壓入長軸的表面有一定的沖擊作用,使長軸端部的節(jié)點位移明顯大于其他位置。
(2)除滾壓加工初始位置以外,長軸表面節(jié)點實際位移值的的分布比較均勻,大致在0.07~0.078 mm這個范圍以內(nèi)。3種形狀的滾輪中,2號和3號滾輪的回彈率處于同一水平,1號滾輪的回彈率相對較高。
本文采用滾壓加工的方法對長軸的表面進行光整加工,設(shè)計了3種形狀的滾輪,用有限元法對長軸的滾壓加工進行了數(shù)值模擬分析。為了考察不同形狀滾輪對長軸表面加工質(zhì)量的影響,分別選用了3種形狀的滾輪進行數(shù)值模擬分析。通過比較3種形狀的滾輪對長軸的加工效果,可以看出:2號滾輪相比其他兩種形狀的滾輪,它的加工效率較高,可以采取較大的軸向進給量進行滾壓加工;而且加工后產(chǎn)生的回彈變形也相對較小,回彈率較低,說明使用2號滾輪時的加工精度較高。其缺點是由于形狀的原因,2號滾輪與長軸的接觸面積較大,在進行滾壓加工時所需的滾壓力也相對較大。
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