吳明明

(安徽三聯(lián)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

活塞桿車削過程有限元分析與試驗(yàn)驗(yàn)證

吳明明

(安徽三聯(lián)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

活塞桿長徑比大，車削過程中由于車削力的作用容易產(chǎn)生振動(dòng)和彎曲變形，在粗車過程中產(chǎn)生的彎曲變形較大時(shí)，需要多次小進(jìn)給量車削，從而降低其生產(chǎn)效率，影響生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性。是否能探索出理論分析與試驗(yàn)分析相結(jié)合的方法，對(duì)活塞桿車削進(jìn)行變形定量研究和誤差分析，尋求降低尺寸誤差的生產(chǎn)工藝措施，這對(duì)活塞桿的車削具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

活塞桿；有限元法；車削試驗(yàn)

本文以配套SC125×800型氣缸配套使用的活塞桿為研究對(duì)象，其長徑比達(dá)到25，屬于典型的細(xì)長軸零件。細(xì)長軸零件由于本身剛度原因，很難獲得理想的加工尺寸，[1] 41-44被認(rèn)為是車削加工中的工藝難題。目前，國內(nèi)外對(duì)細(xì)長軸車削加工精度提高的研究主要分為兩類，即：(1)改變工件裝夾方式；(2)改變切削力等加工工藝參數(shù)。本文對(duì)活塞桿車削及中心架的使用開展研究，通過ANSYS有限元法[2]106-108對(duì)各自車削過程的仿真分析，并開展試驗(yàn)驗(yàn)證，從而找出中心架的使用對(duì)活塞桿車削加工質(zhì)量的影響。

1 活塞桿車削彎曲變形分析[3]44-47

對(duì)于活塞桿零件，其車削裝夾方式通常選用典型的卡盤—頂尖方式裝夾，這樣車削系統(tǒng)可以簡化成求解一次超靜定梁問題，[4]其力學(xué)模型如圖1所示。車削時(shí)，切削分力Fx使工件受壓，這對(duì)于活塞桿類細(xì)長軸零件會(huì)產(chǎn)生比較明顯的彎曲變形；Fy使工件產(chǎn)生徑向彎曲變形，影響工件加工誤差。

根據(jù)工程力學(xué)基本理論，B點(diǎn)支反力可以寫為：

再根據(jù)力學(xué)平衡方程ΣY=0，求得A點(diǎn)支反力為：

圖1 活塞桿車削受力分析

根據(jù)圖1所設(shè)的坐標(biāo)，繞度向下為負(fù)。因此，規(guī)定Fx使工件受壓時(shí)為正，則可得到距A端距離x的截面上的彎矩方程為：

M(x)=FAx-Fxy,(0≤x≤1/2)

撓曲線y(x)的近似微分方程為：

y''(x)=d2y/dx2=M(x)/EI

式中，E為材料彈性模量；I為截面對(duì)x軸的慣性矩；整理得到：

得到：y''(x)=k2y=Tx4-px3+Qx

(1)

方程(1)的通解為：

(2)

代入邊界條件：

當(dāng)x=0，y=0時(shí)，

C1=-24T/k6

當(dāng)x=1，y=0時(shí)，

故方程(2)的特解為：

根據(jù)上述方程特解可知，車削時(shí)影響活塞桿車削徑向彎曲變形的外在主要因素為車削力，在影響車削力的眾多因素中，選取影響較大的背吃刀量和刀具幾何參數(shù)。選取背吃刀量為2mm，刀具幾何參數(shù)及其車削力修正系數(shù)如表1所示。

表1 刀具幾何參數(shù)及對(duì)應(yīng)修正系數(shù)

2 活塞桿車削有限元分析

已知條件：SC125×800型氣缸配套活塞桿長為800mm，活塞桿直徑為32mm，選用材料為45號(hào)鋼。本次仿真分析中，為了后續(xù)分析方便，將活塞桿沿軸向離散成80個(gè)節(jié)點(diǎn)，利用ANSYS軟件，分別對(duì)切削時(shí)刀具作用在細(xì)長軸1/4、1/2、3/4處進(jìn)行分析，[6]242-245得到的細(xì)長軸彎曲變形圖，如圖3所示。

圖3 細(xì)長軸正向車削時(shí)彎曲變形圖

使用相同的切削工藝參數(shù)，利用ANSYS軟件對(duì)活塞桿使用中心架的情況下進(jìn)行車削模擬，分析其徑向彎曲變形情況，結(jié)果如圖4所示。

圖4 活塞桿使用中心架車削時(shí)彎曲變形圖

將上述仿真結(jié)果進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，得到活塞桿車削彎曲變形參數(shù)表，如表2所示。

表2 活塞桿車削模擬彎曲變形參數(shù)表

根據(jù)表2 所示的數(shù)據(jù)，將有限元分析的活塞桿彎曲變形量做成點(diǎn)線圖，如圖5所示。

圖5 活塞桿車削模擬彎曲圖

3 實(shí)驗(yàn)論證

3.1 實(shí)驗(yàn)條件

車床：CE6136；坯料：Φ40×800mm(45號(hào)鋼)；刀具：硬質(zhì)合金鋼YT15(主偏角90度)；測量工具：V型鐵，帶磁力座的百分表等。

3.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

裝夾方式：卡盤—頂尖安裝；主軸轉(zhuǎn)速：600r/min；背吃刀量：2mm；進(jìn)給速度：0.3mm/r，車削過程如圖6所示。

圖6 活塞桿車削試驗(yàn)圖

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果測量

利用百分表等測量工具，通過軸彎測量方法，測量結(jié)果如表3所示。

表3 實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果記錄一覽表

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)對(duì)比可知，活塞桿使用中心架車削，其平均彎曲變形量能減小50%—60%，因而能取得更好的加工精度，與有限元分析結(jié)果基本一致。

4 結(jié)論

仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，中心架的使用能夠使活塞桿的車削取得更高的精度，這為活塞桿車削過程中中心架的使用提供了理論和試驗(yàn)依據(jù)，也驗(yàn)證了有限元法在活塞桿車削分析中的可靠性。

[1]吳能章.軸類零件加工的鼓形誤差預(yù)報(bào)與補(bǔ)償[J].西華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2005,24(1).

[2]李婭.有限元網(wǎng)格自動(dòng)剖分及優(yōu)化方法[J].西華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2003,22(3).

[3]吳明明.基于ANSYS的細(xì)長軸車削加工分析[J].唐山學(xué)院學(xué)報(bào)，2016,29(6).

[4]劉洪文.材料力學(xué)[M].北京：人民教育出版社，1979.

[5]鄧志平.機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2008.

[6]楊紅義.基于ANSYS的細(xì)長軸車削過程中的模態(tài)分析[J].遼寧工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008,28(4).

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(責(zé)任編輯：宋瑞斌)

Finite Element Analysis of Piston Rod Turning Process and Test Verification

Wu Mingming

(School of Mechanical Engineering, Anhui Sanlian University, Hefei, Anhui 230601，China)

The length diameter ratio of piston rod , due to turning force vibration and bending deformation, can bend deform in the crude process, need many small feed turning ,which led to production efficiency decrease. If we can combine the experiments with the measures to reduce the production process error, it would have an important theoretical significance and practical value for the piston rod of turning.

slender shaft; reverse turning; finite element

吳明明，碩士，講師，安徽三聯(lián)學(xué)院。研究方向：機(jī)械加工工藝、數(shù)控技術(shù)。

安徽省質(zhì)量工程項(xiàng)目“機(jī)械工程教學(xué)團(tuán)隊(duì)”(編號(hào)：2015jxtd045)；安徽三聯(lián)學(xué)院現(xiàn)代制造工程技術(shù)研究中心重點(diǎn)項(xiàng)目“活塞桿車削過程有限元分析與試驗(yàn)驗(yàn)證”。

1672-6758(2017)05-0054-4

TH161+.5

A