基于提高大型精密零件刮削精度的有限元法應用*

王海濤 李初曄 丁立欣

（北京航空制造工程研究所，北京 100024）

刮削在精密制造領(lǐng)域應用比較普遍，是鉗工重要的基本操作技能之一，屬于微量切削、精密和光整加工方法。雖然刮削勞動強度較大，但受零部件結(jié)構(gòu)、配合精度和加工設(shè)備等因素的限制，刮削具有磨削等加工方式所不能替代的作用和意義。特別是針對機床設(shè)備的一些主要的加工和配合面，例如導軌面、滑行面的精密加工，這類關(guān)鍵的工序，刮削質(zhì)量的高低，將直接影響機床設(shè)備的裝配精度、加工精度和運行穩(wěn)定性。

1 問題的提出

某大型立式加工設(shè)備，整體結(jié)構(gòu)復雜，體積大，關(guān)鍵件的強度和精度要求高。其中的大型承載零件立柱（如圖1所示）是該設(shè)備的重要組件，其外型尺寸為:3 325 mm×3 050 mm ×7 420 mm，質(zhì)量約46 000 kg，上面有豎直方向的8個靜壓導軌面。其表面粗糙度、尺寸精度以及形位公差要求較高。

導軌面主要指標如下:

（1）平面度:0．01 mm/1 000 mm，≤0.02 mm/全長;

（2）對底面的垂直度:≤0.025 mm/1 000 mm;

（3）對應面的平行度:0．01 mm/1 000 mm，≤0.03 mm/全長。

只有控制在以上精度范圍內(nèi)，才能保證與之配合滑動的部件的運行精度和穩(wěn)定性，從而確保機床設(shè)備最終加工出合格的產(chǎn)品。由于受立柱自身結(jié)構(gòu)和加工設(shè)備等條件的限制，只能通過刮削加工的方式來實現(xiàn)。

2 刮削方式的確定

以往的生產(chǎn)實踐證明，工件的支承位置和支承方式嚴重影響刮削精度。一般中小型工件的刮削，由于體積質(zhì)量適中，刮削時的支承方式較容易確定和操作，相應的精度也好控制和保證;而對于外形不規(guī)則，尺寸、體積和質(zhì)量大的大型工件，如果選擇的支承方式和支承位置不正確，工件本身所引起的變形就無規(guī)律可循。這種“盲目”狀態(tài)下的刮削加工，除浪費人力、物力和財力外，還不能保證刮削件的精度和質(zhì)量;另外，由此造成生產(chǎn)周期的拖延，其損失難以用金錢衡量。

3 有限元分析計算

在進行有限元分析之前，通過研究論證刮削方案實施的有效性，確定了立柱刮削的放置狀態(tài)（如圖2所示）。以刮削后導軌面，采用支承前導軌面的方式為例，計算分析前導軌面的變形，在刮削時留出預留量。刮削前導軌面時，實施方法相同。

該支承狀態(tài)有如下優(yōu)點:

（1）支承可靠，便于刮削工作的進行;

（2）對應的研具便于生產(chǎn)制造;

（3）易于測量;

（4）能最大限度地保證刮削精度。

不足之處是支承距離跨度大，變形量難以估算。

針對支承變形量的估算問題，經(jīng)過討論，決定以ANSYS軟件為工具，對刮削時的狀態(tài)進行模擬。通過有限元分析的方法，計算出立柱的變形量。

把立柱刮削時支承位置分三種情況進行分析計算，從中選出最佳者。支承位置一和支承位置二的方式主要是考慮盡量縮短兩支承點之間的距離，以期減小支承點間的變形量;而支承位置三這種方式，是為了與前兩種在變形量大小和變形狀況上做一個全面的比較。分析計算時所施加載荷為立柱的自重，其余因素影響很小，可忽略不計。

（1）支承位置一（圖3a）

左支承位于立柱導軌面左端處，右支承距離導軌面右端800 mm。

對該支承狀態(tài)進行有限元分析計算，結(jié)果如圖3b所示。立柱導軌面最大變形量為0.02 mm，該處位于導軌面最右端;兩支承點之間最大變形量為0.01 mm，由此可知，右端下垂較嚴重。這樣在整個導軌面方向上出現(xiàn)兩個下凹（變形）處，即使采取相應措施，也難以控制刮削的預留量。

（2）支承位置二（圖4a）

左支承距離導軌面左端800 mm，右支承位于立柱導軌面右端處。

該支承狀態(tài)與上一種相類似，通過進行有限元分析計算，結(jié)果如圖4b所示。立柱導軌面最大變形量為0.024 mm，該處位于導軌面最左端;兩支承點之間最大變形量為0.008 mm，由此可知，左端下垂較嚴重。這樣在整個導軌面方向上也同樣出現(xiàn)兩個下凹（變形）處，即便采取相應措施，照樣不好控制刮削的預留量。

（3）支承位置三（如圖5a）

左、右支承分別位于立柱導軌面左、右端處。

該支承狀態(tài)使得立柱重心接近兩支承點中間位置，支承穩(wěn)定性較好。通過進行有限元分析計算，結(jié)果如圖5b所示，立柱左、右兩端沒發(fā)生下垂現(xiàn)象;立柱的整體最大變形量約為0.012 mm，位于立柱導軌面的中間位置。即在導軌面整個方向上，只有一處下凹（變形）點。這樣，根據(jù)變形量的大小，在進行刮削時，可在導軌面長度方向上預留出刮削量，從而在刮削工作完成后，能夠保證刮削的形狀和位置精度。

通過對以上分析結(jié)果的比較，在選擇刮削支承位置方式時，可以排除前兩種而選擇第三種，因為前兩種無形中都增加了一個較大的下垂變形量;另外，兩支承點之間的最大變形量相差無幾，最關(guān)鍵的是第三種支承便于刮削量的預留。

立柱其他各導軌面的變形分析過程與上面的前導軌面的分析相似。在選擇支承點時，可以綜合考慮之前的支承位置，以節(jié)省時間，提高有限元分析的效率。

4 刮削實施和驗證

經(jīng)過刮削前的分析和其他準備工作，接下來對立柱各導軌面、底面以及頂部油缸安裝面進行刮削加工。

仍以刮削后導軌面為例，根據(jù)支承前導軌面時兩支承點之間發(fā)生的變形量，其相對應的后導軌面各位置留出相應的刮削余量。這樣在刮削完成后，立柱恢復豎直狀態(tài)后，前、后導軌面之間的距離尺寸、兩面的平行度以及導軌面的平面度都能夠得到保證，將各項精度指標控制在允許的范圍之內(nèi)。

另外，在進行刮削時，不能忽略環(huán)境溫度的影響。刮削工作和其間的測量盡量在恒溫廠房中實施。

以上刮削工作結(jié)束后，對立柱所有刮削面進行了測量和精度檢驗，如表1所示。從檢測結(jié)果看，刮削加工后的各項技術(shù)指標均符合圖紙的設(shè)計要求。

表1 立柱導軌面精度檢驗數(shù)值表 mm

實踐證明:該刮削方案是切實可行的。特別是借助有限元軟件對立柱變形的分析，較為準確地把握了變形量，避免了刮削加工中預留刮削量的不確定性和盲目性，大大降低了人力、物力及時間的浪費，起到了事半功倍的作用。

5 結(jié)語

通過這次對大型件立柱的刮削加工，結(jié)合整個生產(chǎn)流程，得到以下幾點啟示:

（1）大型件的刮削加工，需要通過認真分析，理順思路，才能制定出行之有效的實施方案;

（2）利用有限元分析軟件配合刮削工作，可大大提高加工的可靠性和效率，既節(jié)約了繁瑣計算和加工時間，又可降低制造成本，可謂一舉多得;

（3）在刮削過程中，必須采取正確的操作和測量方法，盡量消除或降低不利因素的影響，例如環(huán)境溫度的變化等。

（4）該刮削的方式和方法，可為其他大型精密工件的加工和制造提供思路和借鑒。

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