龔肖新，盧 強(qiáng)，席晨飛，許 萍

(1.蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，江蘇蘇州 215104;2.紐威數(shù)控裝備有限公司蘇州紐威機(jī)床設(shè)計(jì)研究院，江蘇蘇州 215163)

基于ANSYS Workbench的球面磨床磨頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案分析*

龔肖新1，盧 強(qiáng)2，席晨飛2，許 萍1

(1.蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，江蘇蘇州 215104;2.紐威數(shù)控裝備有限公司蘇州紐威機(jī)床設(shè)計(jì)研究院，江蘇蘇州 215163)

磨頭屬于精密數(shù)控球面磨床的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)形式會(huì)直接影響到磨頭動(dòng)力部件的剛度，從而影響到加工工件的精度及表面質(zhì)量。針對(duì)SMG63H球面磨床磨頭結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)的三種方案，運(yùn)用ANSYS Workbench對(duì)磨頭動(dòng)力部件加載工況進(jìn)行靜態(tài)特性分析，通過分析不同設(shè)計(jì)方案的磨頭、主軸、主軸箱以及磨頭動(dòng)力部件整體的變形量和應(yīng)力大小，選出靜態(tài)特性最優(yōu)方案。此方法為精密數(shù)控球面磨床關(guān)鍵部件有限元分析及設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化提供技術(shù)支持，為改善機(jī)床結(jié)構(gòu)性能和提高機(jī)床精度奠定了基礎(chǔ)。

球面磨床;磨頭;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);有限元分析

0 引言

精密數(shù)控球面磨床是為了滿足高精度球閥加工需要而設(shè)計(jì)的一種新型加工設(shè)備，在機(jī)床研發(fā)過程中，需要綜合考慮整機(jī)性能的改善和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化。為了適應(yīng)高精度、高效率加工需求，球面磨床應(yīng)具有較高的剛度和良好的結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)，而磨頭屬于精密數(shù)控球面磨床的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)形式會(huì)直接影響到磨頭動(dòng)力部件的剛度，從而影響到加工工件的精度及表面質(zhì)量。為了提高機(jī)床性能指標(biāo)，縮短研制周期，降低成本，本文運(yùn)用ANSYS Workbench對(duì)SMG63H型球面磨床磨頭不同結(jié)構(gòu)形式在相同約束條件和載荷作用下的變形量和應(yīng)力進(jìn)行分析，最終確定優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

1 磨頭動(dòng)力部件結(jié)構(gòu)形式與設(shè)計(jì)方案

SMG63H數(shù)控立式球面磨床的結(jié)構(gòu)模型如圖1所示，采用球閥球體工件立式安裝結(jié)構(gòu)形式，磨頭動(dòng)力部件為臥式安裝，其結(jié)構(gòu)組成主要包括磨頭、主軸、主軸箱、驅(qū)動(dòng)電機(jī)等。為了滿足 φ260mm～φ630mm球體的高效磨削加工，要求主軸最大輸出扭矩不小于200N·m，機(jī)床應(yīng)具有高剛性、高穩(wěn)定性和高可靠性，通過實(shí)際生產(chǎn)情況和振動(dòng)試驗(yàn)測(cè)定，發(fā)現(xiàn)影響系統(tǒng)剛性的關(guān)鍵部位是磨頭動(dòng)力部件，磨頭的結(jié)構(gòu)形式和性能好壞對(duì)磨頭動(dòng)力部件的剛度產(chǎn)生直接影響，從而影響機(jī)床的加工精度。在綜合考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性、安裝調(diào)試方便性等諸多因數(shù)的前提下，提出了三種磨頭結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)方案，如圖2所示，方案A為砂條垂直安裝圓盤式結(jié)構(gòu);方案B為砂條傾斜安裝錐形套筒式結(jié)構(gòu);方案C為砂條垂直安裝柱形套筒式。

圖1 數(shù)控立式球面磨床結(jié)構(gòu)模型

圖2 球面磨床磨頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

針對(duì)不同設(shè)計(jì)方案，如何準(zhǔn)確地建立球面磨床磨頭動(dòng)力部件的力學(xué)模型，利用有限元方法對(duì)加載情況下的靜態(tài)特性進(jìn)行分析，通過比較確定最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，對(duì)提高機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平，具有科學(xué)的指導(dǎo)意義。

2 有限元建模與邊界條件加載

2.1 有限元模型建立與網(wǎng)格劃分

利用Pro/ENGINEER軟件建立SMG63H球面磨床磨頭動(dòng)力部件設(shè)計(jì)方案的實(shí)體模型，并對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，在不影響分析精度的前提下，去除尺寸較小的圓孔、螺栓孔、臺(tái)階和凹槽等細(xì)小結(jié)構(gòu)，以便于進(jìn)行網(wǎng)格劃分建立有限元模型。將實(shí)體模型導(dǎo)入CAE分析軟件ANSYS Workbench。進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，設(shè)定網(wǎng)格相關(guān)度“Relevance”為90，網(wǎng)格尺寸“Sizing”控制平均單元邊長(zhǎng)25mm，生成網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格模型

2.2 材料屬性確定

磨頭動(dòng)力部件的磨頭、主軸等部件各主要參數(shù):材料45鋼，彈性模量2.0×1011Pa，泊松比0.3，密度7850kg/m3;主軸箱箱體各主要參數(shù):材料HT300，彈性模量1.1×1011Pa，泊松比0.28，密度7200kg/m3。

2.3 裝配體結(jié)合部處理

在磨頭動(dòng)力部件中各組成部分并不是孤立工作的，連接部件之間存在結(jié)合面，結(jié)合面的處理方式如下:電機(jī)、電機(jī)安裝板及主軸箱之間采用綁定連接，主軸與軸承、軸承與主軸箱之間分別采用摩擦接觸，主軸與磨頭、磨頭與砂條之間采用綁定連接，這樣各部件之間的連接情況與實(shí)際結(jié)構(gòu)非常相似，仿真結(jié)果更加準(zhǔn)確。

2.4 邊界條件及載荷設(shè)定

對(duì)磨頭動(dòng)力部件進(jìn)行靜態(tài)分析時(shí)，關(guān)鍵是約束和力加載的位置及方向的選擇是否符合實(shí)際情況，這關(guān)系到有限元計(jì)算的精度，直接影響到分析結(jié)果正確性。通過對(duì)磨頭動(dòng)力部件工作特點(diǎn)進(jìn)行分析，約束主軸箱后端面上四個(gè)安裝滑塊面的前后、左右方向位移，約束螺母座安裝孔的上下方向位移。

球面磨床工作時(shí)，磨頭圍繞水平軸線作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，工件圍繞豎直安裝軸線作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，依據(jù)展成法加工原理，實(shí)現(xiàn)工件球面磨削加工。切削力主要作用在圓周方向均布的每個(gè)砂條的端部，正壓力和摩擦力綜合作用，受力情況比較復(fù)雜。另外磨削力數(shù)值不大，則動(dòng)力部件自重和電機(jī)力矩對(duì)主軸和磨頭的影響比較大。因此，綜合考慮工件和砂條的材料、磨削加工切削用量等因素，按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算確定每個(gè)砂條受力大小，求得正壓力30N，摩擦力10N，并對(duì)每個(gè)砂條端面施加正壓力和摩擦力，同時(shí)施加電機(jī)軸力矩90Nm、主軸力矩200Nm和重力，各方案加載情況如圖4所示。

圖4 加載示意圖

3 有限元分析求解與方案選擇

3.1 有限元分析與求解

針對(duì)不同磨頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，如上述圖4所示在相同正壓力、摩擦力、重力加速度、電機(jī)軸力矩和主軸力矩載荷條件下，運(yùn)用 ANSYS Workbench，在Mechanical的后處理中得到各種分析結(jié)果，可以觀察結(jié)構(gòu)變形形態(tài)以及獲得變形量，并找到最大變形位置;另外還可以觀察應(yīng)力分布情況，獲得應(yīng)力值和最大應(yīng)力位置。對(duì)磨頭動(dòng)力部件三種設(shè)計(jì)方案的關(guān)鍵部件包括磨頭、主軸、主軸箱和動(dòng)力部件整體等進(jìn)行變形量和應(yīng)力大小的求解，磨頭變形云圖如圖5所示，動(dòng)力部件總體變形云圖如圖6所示，其它部件的變形云圖和應(yīng)力云圖在此略。

3.2 方案比較及選擇

在各位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分布云圖中，可得到每種設(shè)計(jì)方案磨頭動(dòng)力部件各組成部分所對(duì)應(yīng)的最大變形量和最大應(yīng)力值，如表1和表2所示。

圖5 磨頭變形云圖

表1 磨頭動(dòng)力部件最大變形量(μm)

表2 磨頭動(dòng)力部件最大應(yīng)力值(MPa)

通過列表數(shù)據(jù)可知，磨頭動(dòng)力部件組合體的各主要部件和整體部件的最大位移量和最大應(yīng)力值，可以發(fā)現(xiàn)主軸和主軸箱的最大變形量變化較小，對(duì)整體變形影響不大，而磨頭的最大變形量和應(yīng)力值差異較大，也就是說，磨頭在整個(gè)磨頭動(dòng)力部件的變形中對(duì)剛度的影響比較大，因此減小磨頭變形量對(duì)提高磨頭動(dòng)力部件整體剛度有很大的作用。由表1可見方案C的磨頭和動(dòng)力部件整體的最大變形量分別為1.3038μm和19.674μm，明顯小于方案A和方案B的相應(yīng)值，能可靠地保證球面磨削精度;由表2可見方案C磨頭的最大應(yīng)力值也明顯小于方案A和方案B，且總體應(yīng)力值較小，完全滿足強(qiáng)度要求，這與磨削加工時(shí)切削力較小的實(shí)際情況相吻合。由此確定方案C為可供優(yōu)先選擇的優(yōu)化方案，該方案應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際取得了很好的效果。運(yùn)用方案C設(shè)計(jì)的磨頭加工球面實(shí)圖如圖7所示。

圖6 磨頭動(dòng)力部件總體變形圖

圖7 球面加工實(shí)圖

4 結(jié)束語

本文基于ANSYS Workbench軟件，提出了一種精密數(shù)控球面磨床磨頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案對(duì)比分析和優(yōu)選方法。分析不同結(jié)構(gòu)形式磨頭動(dòng)力部件在相同約束條件和載荷作用下的變形量和應(yīng)力值，實(shí)現(xiàn)了磨頭動(dòng)力部件的靜力學(xué)分析與比較，判定靜態(tài)特性優(yōu)劣，最終確定優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。該方法縮短了機(jī)床設(shè)計(jì)與研制周期，降低了成本，為改善機(jī)床性能和提高機(jī)床精度提供了技術(shù)支持。

［1］浦廣益.ANSYS Workbench 12基礎(chǔ)教程與實(shí)例詳解［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2010.

［2］商躍進(jìn).有限元原理與ANSYS應(yīng)用指南［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2005.

［3］劉超峰，張淳，張功學(xué).基于ANYSY的高速加工中心主軸箱有限元分析及優(yōu)化［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2010(7):26-34.

［4］楊曉京，陳子辰，劉劍雄，等.基于ANSYS靜剛度分析的XK640數(shù)控銑床關(guān)鍵零部件優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.機(jī)床與液壓，2007(9):42-45.

［5］張憲棟，徐燕申，林漢元.基于FEM的數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)部件靜動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)，2005(5):46-48.

［6］崔中，文桂林，陳桂平.高速磨床整機(jī)動(dòng)態(tài)特性研究［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2010(7):782-787.

Analysis on Structural Design for the Grinding Head of Spherical Grinder Based on ANSYS Workbench

GONG Xiao-xin1，LU Qiang2，XI Chen-fei2，XU Ping1
(1.Suzhou Institute of Industrial Technology，Department of Mechanical and Electrical Engineering，Jiangsu Suzhou 215104，China;2.Neway CNC Equipment Co.，Ltd，Suzhou Neway Machine Tool Design and Research Institute，Jiangsu Suzhou 215163，China)

Grinding head is key component of precision CNC spherical grinding machine.Its structure directly affects the stiffness of grinding head power.For the three designs of grinding head structure of SMG63H spherical grinder，ANSYS Workbench is used to static characteristics analysis for the grinding head power under loading.The optimization program of the static characteristics is selected by analyzing different design options of grinding head，spindle，spindle box and the whole grinding power unit.This method provides technical support for finite element analysis and design optimization for key components of precision CNC spherical grinder.It is the basis to improve the performance of the machine structure and the accuracy of machine tools.

spherical grinder;grinding head;structural design;finite element analysis

TG580.2

A

1001-2265(2012)02-0098-04

2011-07-19;

2011-08-25

蘇州市科技計(jì)劃項(xiàng)目(SYG201120)

龔肖新(1965—)，女，江蘇無錫人，蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系副教授，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)與制造、數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面的研究，(E-mail)gongxx@siit.cn。

(編輯 趙蓉)