□ 張明艷 □ 張化平 □ 馬延斌

蘭州石化職業(yè)技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 蘭州 730060

1 分析背景

在車削加工中,通常使用三爪或四爪卡盤夾持零件。此種裝夾方式應(yīng)用于細(xì)長(zhǎng)軸零件加工時(shí),由于零件的剛性較差,在切削力的作用下,零件自由端產(chǎn)生較大的撓度變形,并且變形隨著刀具與零件相對(duì)位置的變化而變化,從而影響零件的加工精度。為了提高細(xì)長(zhǎng)軸零件切削時(shí)的剛性,有人采用卡拉工具拉緊零件并反向走刀,也有人通過(guò)改變刀具幾何角度來(lái)減小切削力,或者采用雙刀車削法來(lái)抵消切削徑向力,以減小彎曲變形,但是這些方法需要使用專用夾具或刀具,從而提高加工成本[1-7]。對(duì)于細(xì)長(zhǎng)軸零件,通常在車床加工時(shí)采用通用夾具一夾一頂或兩頂尖方式來(lái)裝夾,以提高細(xì)長(zhǎng)軸零件切削時(shí)的剛性,減小切削變形對(duì)細(xì)長(zhǎng)軸零件精度的影響。筆者基于Unigraphics軟件有限元分析方法,定量分析相同切削條件下,兩種不同裝夾方式對(duì)細(xì)長(zhǎng)軸零件車削加工精度的影響。

2 約束

細(xì)長(zhǎng)軸零件采用一夾一頂裝夾時(shí),卡盤夾持零件長(zhǎng)度遠(yuǎn)小于零件總長(zhǎng),可視為短套定位。加工時(shí)卡盤夾持零件一端,使之與卡盤一起旋轉(zhuǎn),限制零件沿徑向移動(dòng)和繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的三個(gè)自由度。零件另一端使用死頂尖裝夾,限制零件三個(gè)方向的移動(dòng)自由度。

采用兩頂尖裝夾細(xì)長(zhǎng)軸零件,在通常情況下,頂尖一端是固定的,與細(xì)長(zhǎng)軸零件中心孔錐面配合,限制零件三個(gè)方向的移動(dòng)自由度。另一個(gè)頂尖是活動(dòng)的,可沿零件軸向微小移動(dòng),只限制零件沿徑向移動(dòng)的兩個(gè)自由度[8]。

3 切削力

車削加工時(shí),車刀作用于零件的切削力是多個(gè)因素綜合作用的結(jié)果,通常使用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。為了便于分析,在切削主運(yùn)動(dòng)速度方向、切深方向、進(jìn)給方向建立空間直角坐標(biāo)系,將切削合力F在坐標(biāo)系中分解為三個(gè)分力,即主切削力Fc(切向力)、吃刀抗力Fp(徑向力)、進(jìn)給抗力Ff(軸向力),如圖1所示[9]。

▲圖1 零件受力分析

4 變形

根據(jù)約束分析可知,兩種裝夾方式均使細(xì)長(zhǎng)軸零件成為超靜定結(jié)構(gòu),零件兩端面理論上不可能產(chǎn)生徑向位移,零件其它位置的徑向位移與車刀位置有關(guān)。當(dāng)車刀移動(dòng)至細(xì)長(zhǎng)軸零件中點(diǎn)時(shí),彎矩最大,此時(shí)細(xì)長(zhǎng)軸零件具有最大的撓度變形。

5 有限元分析

Unigraphics是集計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、制造、工程等應(yīng)用模塊于一體的軟件,其仿真功能模塊集成有限元分析功能,提供線性靜力分析、線性屈服分析、穩(wěn)態(tài)分析。利用Unigraphics軟件進(jìn)行有限元結(jié)構(gòu)力學(xué)分析時(shí),通過(guò)對(duì)模型施加載荷進(jìn)行數(shù)值模擬,分析應(yīng)力與應(yīng)變,從而達(dá)到有限元分析的目的。

Unigraphics軟件有限元分析的主要步驟為創(chuàng)建有限元模型,施加載荷并求解,查看分析結(jié)果。

(1) 參數(shù)設(shè)置。某細(xì)長(zhǎng)軸零件長(zhǎng)度為750 mm,直徑為30 mm,材料為45號(hào)鋼,材料密度為7.8 g/cm3,泊松比為0.3。設(shè)車削加工切削速度vc為100 m/min,進(jìn)給速度f(wàn)為0.5 mm/r,背吃刀量ap為1.5 mm,采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出主切削力Fc為1 322 N,吃刀抗力FP為423 N,進(jìn)給抗力Ff為170 N。

(2) 創(chuàng)建工件模型,劃分網(wǎng)格。在Unigraphics軟件建模模塊中創(chuàng)建圓柱形零件實(shí)體模型后,進(jìn)入高級(jí)仿真模塊。在該模塊中為零件指派材料為鋼,使模型具有材料屬性。以圓柱體底面為源面,通過(guò)三維掃掠網(wǎng)格將模型劃分為邊長(zhǎng)5 mm的六面體網(wǎng)格單元。

(3) 添加邊界約束條件。將裝夾方式的約束分析結(jié)果以用戶自定義的方式分別添加到細(xì)長(zhǎng)軸零件的左側(cè)或右側(cè),構(gòu)成所有約束方式的集合,邊界約束條件將顯示在約束容器中,如圖2所示。

▲圖2 邊界約束條件

(4) 添加載荷。將細(xì)長(zhǎng)軸零件車削加工時(shí)的三個(gè)切削力分別添加到細(xì)長(zhǎng)軸零件中點(diǎn)截面的某一外圓點(diǎn)處,所有切削力將顯示在載荷容器中,如圖3所示。

(5) 有限元解算。以網(wǎng)格模型為基礎(chǔ),新建仿真文件,在仿真文件中創(chuàng)建兩種約束條件下的解算方案,完成兩種裝夾方式下的有限元求解,如圖4所示。

(6) 后處理及分析。打開后處理導(dǎo)航器,設(shè)置結(jié)果選項(xiàng)中的布局方式為多個(gè)窗口,點(diǎn)擊兩種裝夾方式下解算結(jié)果中的位移-節(jié)點(diǎn)項(xiàng)目,并將節(jié)點(diǎn)位移云圖顯示在工作區(qū)域,如圖5所示。從圖5中可以看到,用一夾一頂裝夾方式加工細(xì)長(zhǎng)軸零件時(shí),最大位移量為0.738 mm,而用兩頂尖裝夾方式時(shí)的最大位移量為0.736 mm,最大位移量差值為0.002 mm。

▲圖3 切削力▲圖4 有限元求解

在結(jié)果標(biāo)示中選擇全部節(jié)點(diǎn)為分析對(duì)象,分析計(jì)算兩種裝夾方式下細(xì)長(zhǎng)軸零件整體的變形量,如圖6所示。從圖6中可以看出,一夾一頂裝夾方式時(shí)平均撓度為0.409 mm,而兩頂尖裝夾方式時(shí)平均撓度為0.408 mm,兩者相差0.001 mm。

在兩種裝夾方式下的結(jié)果標(biāo)示中選擇變形最大的100個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析,分別計(jì)算平均撓度,如圖7所示。從圖7中可以看出,對(duì)于變形量最大100個(gè)節(jié)點(diǎn)的平均撓度,一夾一頂裝夾方式比兩頂尖裝夾方式大0.003 mm。

6 結(jié)束語(yǔ)

一夾一頂和兩頂尖裝夾方式用于細(xì)長(zhǎng)軸零件車削加工時(shí),就車削加工精度而言,兩頂尖裝夾方式稍高于一夾一頂裝夾方式,但沒有顯著優(yōu)勢(shì),車削加工精度更多地由定位元件及零件定位基準(zhǔn)精度決定。

▲圖5 節(jié)點(diǎn)位移云圖▲圖6 整體變形量▲圖7 平均撓度

因此,在一般情況下,可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)加工條件選擇裝夾方式,當(dāng)細(xì)長(zhǎng)軸零件加工精度要求很高而定位精度相同時(shí),推薦選用兩頂尖裝夾方式。