自定心滾動(dòng)支撐中心架優(yōu)化設(shè)計(jì)

孫金海, 張超彥，張麗霞

(徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，江蘇 徐州221140)

摘要：為進(jìn)一步優(yōu)化自定心滾動(dòng)支撐中心架的結(jié)構(gòu)，分析了中心架在細(xì)長(zhǎng)軸車削過程中的受力情況，并利用ANSYS對(duì)卡爪進(jìn)行了靜力學(xué)分析和模態(tài)分析，進(jìn)而對(duì)卡爪的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后卡爪的最大等效應(yīng)力滿足要求、變形量減少、固有頻率提高、整體質(zhì)量減輕47.8%，優(yōu)化效果顯著。

關(guān)鍵詞：優(yōu)化設(shè)計(jì)；自定心滾動(dòng)支撐中心架； ANSYS

文章編號(hào)：1001-2265(2015)09-0145-03

收稿日期：2015-05-18;修回日期：2015-05-28

作者簡(jiǎn)介：孫金海(1965—)，男，河北正定人，徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)與制造，(E-mail)sunjh@mail.xzcit.cn。

中圖分類號(hào)：TH133.2 ；TG506

Optimal Design of Centering and Rolling Supporting Steady Rest

SUN Jin-hai，ZHANG Chao-yan，ZHANG Li-xia

(Department of Mechatronic Engineering, Xuzhou College of Industrial Technology, Xuzhou Jiangsu 221140, China)

Abstract：To optimize the structure of a centering and rolling supporting steady rest, analyze the stress of steady rest during the shaft turning processes, and analyze the static and modal of the jack catch by ANSYS, and then optimize the structure of jack catch. After optimization, the maximum equivalent stress meets the requirements, the deformation is reduced, the natural frequency is improved, and the quantity is reduced by 47.8%, so the optimization effect is obvious.

Key words： optimal design；centering and rolling supporting steady rest；ANSYS

0引言

軸的剛度隨長(zhǎng)度和直徑之比的增大而減小，在車削過程中，受切削力、離心力等因素影響，細(xì)長(zhǎng)軸易產(chǎn)生彎曲、振動(dòng)，影響加工質(zhì)量。使用中心架可以增強(qiáng)細(xì)長(zhǎng)軸的剛度，降低變形，提高加工精度和表面粗糙度[1-2]。針對(duì)傳統(tǒng)中心架的不足之處，作者設(shè)計(jì)了一款自定心滾動(dòng)支撐中心架?？ㄗψ鳛橹饕獋髁Σ考?，其結(jié)構(gòu)能對(duì)中心架的工作性能有直接的影響。本文利用ANSYS有限元分析軟件分析了卡爪的動(dòng)靜態(tài)性能，改進(jìn)了卡爪的結(jié)構(gòu)，以確保卡爪在滾輪支撐處的變形量不超過0.3μm以及在車削過程中卡爪不發(fā)生共振。

1受力分析

如圖1所示，該中心架包括固定機(jī)構(gòu)、夾緊機(jī)構(gòu)、支撐機(jī)構(gòu)、限位鎖死機(jī)構(gòu)。卡爪內(nèi)側(cè)的上、下端分別固定連接有4個(gè)滾輪，用來(lái)夾緊工件[3]。

在車削加工過程中，作用在工件上的車削力[4-5]分為主切削力Fe、背向力Fp、進(jìn)給力Ff，其中主切削力和背向力主要引起工件彎曲變形。以車直徑為φ40的45號(hào)鋼軸為例，切削技術(shù)參數(shù)?。呵邢魉俣葀c=54m/min，背吃到量ap=3mm，進(jìn)給量f=0.9mm/r，計(jì)算得Fe=5922N，F(xiàn)p=2280N。卡爪所受載荷主要是切削力通過工件傳遞而來(lái)的，在ANSYS中建立模型，模擬車削過程中工件的受力。工件左端由車床卡盤進(jìn)行全約束[6]，右端加載車削分力，距離右端100mm處施加Fx，F(xiàn)z約束中心架，可得中心架的受力為Fx=-2952.7N，F(xiàn)z=7589.6N。單刀車削過程中，與車刀相對(duì)的卡爪的受力最大，故只分析左側(cè)卡爪的變形情況即可。左卡爪中上下滾輪受力情況如圖2，計(jì)算得出Fx1=Fx2=-1476.4N,Fz1=3794.8N,Fz2=0N。

1.導(dǎo)軌壓板 2.螺栓 3.滑動(dòng)導(dǎo)軌 4.側(cè)板 5.限位板 6.T型螺桿 7.滾動(dòng)軸承 8.螺套 9.滑塊 10.螺釘 11.卡爪 12.滾輪 13.右側(cè)板 14.右側(cè)板端蓋 15.手輪 16.工件

圖1自定心滾動(dòng)支撐中心架結(jié)構(gòu)示意圖

圖2　滾輪受力情況

2有限元分析

利用UG軟件，建立卡爪的三維模型，建模過程中應(yīng)考慮細(xì)小的實(shí)體結(jié)構(gòu)對(duì)網(wǎng)格化分的影響，且忽略螺紋、倒角等對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不大的特征，然后導(dǎo)入ANSYS生成有限元模型，并作如下設(shè)置：材料采用45號(hào)鋼，彈性模量E=210GPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7.8×103kg/m3。有限元模型采用SOLID185單元，網(wǎng)格自由劃分后包括2853個(gè)節(jié)點(diǎn)、21745個(gè)單元[7]。

2.1靜態(tài)分析

卡爪的靜力分析主要是分析卡爪在固定載荷下的應(yīng)力和應(yīng)變，為卡爪結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)[8]。在對(duì)滾輪施加載荷和約束后，進(jìn)行有限元計(jì)算，得出了卡爪的應(yīng)力分布圖量(見圖3)和變形量(見表1)。

由表1可以看出，卡爪的最大位移量約為0.14μm，其位置在卡爪頂部，這是因?yàn)榭ㄗνㄟ^燕尾槽與滑軌結(jié)合，其受力情況如同懸臂梁。上滾輪與工件接觸處的位移約為0.13μm，下滾輪與工件接觸處位移約為0.11μm，小于設(shè)計(jì)目標(biāo)值0.5μm?？梢姡ㄗΦ恼w剛度較好，可以大大減少細(xì)長(zhǎng)軸車削過程中由于車削力引起的變形量。

由卡爪的應(yīng)力分布圖可以看出，在V型頂點(diǎn)、下部圓孔和燕尾上部應(yīng)力較大，這主要是由于應(yīng)力集中造成的，其等效應(yīng)力值約為37~43MPa，小于材料的抗拉強(qiáng)度600MPa?？ㄗΦ拇蟛糠纸Y(jié)構(gòu)的應(yīng)力值約為20MPa，頂部不承受載荷作用，其應(yīng)力值基本為零。

表1　優(yōu)化前卡爪的變形量

圖3　優(yōu)化前卡爪的等效應(yīng)力圖

2.2模態(tài)分析

通過模態(tài)分析可以確定卡爪的固有頻率和振型，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)，避免在車削過程中卡爪與工件發(fā)生共振，以提高卡爪結(jié)構(gòu)的抗振性能[9]。在單刀車削過程中細(xì)長(zhǎng)軸工件在車削力的作用下彎曲，其振動(dòng)頻率較低，一般為主軸轉(zhuǎn)速的1/60，約為20~30Hz，因而高階的固有頻率對(duì)加工的影響不大，只有低階的模態(tài)固有頻率才有可能與工件的激振頻率重合。表2列出了卡爪的前6階固有頻率，都比常用車削細(xì)長(zhǎng)軸的頻率高，不會(huì)發(fā)生共振。由振型可以看出，主要振動(dòng)部位發(fā)生在V型上部。

表2　優(yōu)化前卡爪固有頻率和振型

3卡爪結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由卡爪的有限元分析得出，卡爪的最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的強(qiáng)度極限，最大變形量也低于設(shè)計(jì)目標(biāo)，故可以通過改變卡爪的支撐結(jié)構(gòu)，減輕重量，以實(shí)現(xiàn)卡爪結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。

3.1優(yōu)化后卡爪的靜力學(xué)分析

根據(jù)圖3的應(yīng)力云圖，結(jié)合卡爪的安裝和固定方式，對(duì)卡爪中應(yīng)力不大的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。圖4是優(yōu)化后卡爪的結(jié)構(gòu)和應(yīng)力分布圖，表3是卡爪的與工件接觸處變形量。

由圖4可知，優(yōu)化后卡爪的最大等效應(yīng)力在支撐臂的凹槽下部，約為91.2MPa，這是由于中心架在工作過程中，卡爪上滾輪處受力較大，而支撐臂凹槽處的截面為最小，相當(dāng)于一個(gè)懸臂梁結(jié)構(gòu)。其它受力較大部位分別為支撐臂的右表面、下部孔位置，等效應(yīng)力約為30MPa，其它結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力都在20MPa以下，遠(yuǎn)小于材料的許用強(qiáng)度。

由表3可知，優(yōu)化后卡爪的最大位移量約為0.12μm，其位置在卡爪頂部，比原卡爪位移縮小了0.02μm，同時(shí)上滾輪接觸處變形量由0.12μm減小至0.11μm。由于整體結(jié)構(gòu)和安裝需要，卡爪下部形狀改動(dòng)量較小，故優(yōu)化前后下滾輪接觸處變形量基本不發(fā)生變化。

圖4　優(yōu)化后卡爪等效應(yīng)力圖

3.2優(yōu)化后卡爪模態(tài)分析

優(yōu)化后的卡爪固有頻率和振型見表4。比較表2和表4可知，優(yōu)化后卡爪的固有頻率有所提升，增強(qiáng)了抗振能力，這是由于優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)避免了V型頂部截面突變的情況，而且減輕了卡爪上部的整體質(zhì)量。

表3　優(yōu)化后卡爪變形量

表4　優(yōu)化后卡爪固有頻率和振型

4結(jié)束語(yǔ)

(1)分析了車削細(xì)長(zhǎng)軸時(shí)卡爪的受力情況，對(duì)卡爪進(jìn)行動(dòng)靜態(tài)分析，得到卡爪的應(yīng)力分布、變形情況以及固有頻率，得出V型頂點(diǎn)處截面為優(yōu)化重點(diǎn)。

(2)基于動(dòng)靜態(tài)分析結(jié)果，優(yōu)化了卡爪的結(jié)構(gòu)，優(yōu)化后卡爪的最大等效應(yīng)力為91.2MPa，滿足設(shè)計(jì)要求、變形量減少0.02μm、固有頻率提升、質(zhì)量減少47.8%，可見優(yōu)化效果顯著。

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(編輯李秀敏)