長軸表面滾壓加工過程數(shù)值模擬的研究

黃國權(quán) 郝 卓

（哈爾濱工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001）

使用磨削加工細(xì)長軸時(shí)，由于其剛性差、熱變形大等原因，切削過程中極易產(chǎn)生彎曲和振動(dòng)，因此常常得不到理想的表面粗糙度和形狀精度，特別是圓柱度誤差過大或產(chǎn)生多邊形、竹節(jié)等疵病。為了克服傳統(tǒng)磨削加工的缺點(diǎn)，采用滾壓加工的方法對(duì)長軸表面進(jìn)行光整加工，以便減小長軸的表面粗糙度值。這種方法可同時(shí)達(dá)到光整加工及強(qiáng)化兩種目的。對(duì)長軸采用雙滾輪滾壓加工的方法。雙滾輪滾壓加工時(shí)兩個(gè)滾輪成水平對(duì)置，滾輪與長軸截面的圓心在同一條直線上。由于是兩個(gè)滾輪徑向均勻分布，對(duì)于傳動(dòng)軸而言，合力總是為零，因此不會(huì)傷害到長軸。雙滾輪滾壓加工的原理如圖1所示。

本文使用ANSYS/LS－DYNA顯式非線性動(dòng)力學(xué)分析程序?qū)Σ煌螤顫L輪的滾壓加工過程進(jìn)行數(shù)值模擬，并對(duì)產(chǎn)生的結(jié)果進(jìn)行分析，從而比較出較佳的加工方法。

1 滾輪的設(shè)計(jì)

滾輪選取材料為T10A碳素工具鋼。通過分析，并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式，設(shè)計(jì)了以下3種形狀的滾輪進(jìn)行數(shù)值模擬分析，如圖2所示。滾輪的最外圈直徑都為100 mm，最大寬度都為25 mm，中心孔直徑都為30 mm。1號(hào)滾輪工作面為圓弧形，圓弧半徑為12.5 mm;2號(hào)滾輪工作面為一段直線，其中一端為圓角，直線部分長度為10 mm，錐面上的傾角為3°，過渡圓角半徑為3 mm;3號(hào)滾輪工作面為直線形，直線長度為19 mm，兩端的圓角半徑為3 mm。

2 不同形狀滾輪對(duì)滾壓效果的數(shù)值模擬

單元類型在很大程度上影響著求解時(shí)間和求解精度，同時(shí)對(duì)單元網(wǎng)格的劃分和再劃分也有重要影響。首先確定有限元模型的單元類型，在三維金屬成形模擬有限元軟件分析中，常用到的單元主要有八節(jié)點(diǎn)六面體單元。

長軸的材料選用45鋼，單元選用SOLID164實(shí)體單元。該單元由8個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，它支持所有許可的非線性特性。使用該單元時(shí)無需定義實(shí)常數(shù)。

滾輪的材料模型選用剛性體。由于定義了一個(gè)剛體之后，剛體內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的自由度都耦合到剛體的質(zhì)量中心處，從而大大縮短了顯式分析的計(jì)算時(shí)間。滾輪材料選用T10A碳素工具鋼。滾輪與長軸所采用的材料及其力學(xué)性能如表1所示。

表1 長軸及滾輪的力學(xué)性能參數(shù)

在有限元分析中，單元網(wǎng)格的質(zhì)量直接影響著求解的效率和精度。當(dāng)單元類型確定后，網(wǎng)格質(zhì)量取決于網(wǎng)格劃分的精度等級(jí)和單元邊長等因素。對(duì)滾壓加工的有限元模型進(jìn)行單元網(wǎng)格劃分后的結(jié)果，滾輪滾壓長軸的有限元模型如圖3所示。

接觸類型選用Surface to Surf和ASTS即自動(dòng)面對(duì)面接觸，兩者之間的靜摩擦系數(shù)為0．3，動(dòng)摩擦系數(shù)為0．2;對(duì)被加工長軸在總體柱坐標(biāo)（Global Cylindrical）下約束其UX、UY方向自由度，使其只能繞Z軸旋轉(zhuǎn)。對(duì)于滾輪在總體笛卡爾坐標(biāo)系（Global Cartesian）下約束其沿Y軸方向位移以及繞X軸、Y軸方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。

兩個(gè)滾輪同時(shí)沿X軸方向和X軸負(fù)方向壓緊長軸，然后沿Z軸方向做勻速水平移動(dòng)，長軸做勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，憑借滾輪與長軸之間的摩擦力帶動(dòng)滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)，最終完成整個(gè)滾壓加工過程。具體的載荷施加條件如表2所示。

表2 載荷的施加條件

3 不同形狀滾輪滾壓效果的對(duì)比

3．1 3種形狀滾輪產(chǎn)生的等效塑性應(yīng)變場的對(duì)比

采用滾輪1、滾輪2、滾輪3分別對(duì)長軸表面進(jìn)行模擬加工，3種不同形狀的滾輪加工過后的節(jié)點(diǎn)等效塑性應(yīng)變場的差異如圖4、圖5和圖6所示。通過觀察3種不同形狀滾輪在長軸加工過程中等效塑性應(yīng)變場隨時(shí)間步數(shù)的變化趨勢(shì)，以及加工過后長軸表面變形區(qū)在最后時(shí)間步的節(jié)點(diǎn)等效塑性應(yīng)變場可以得出以下結(jié)論:

（1）2號(hào)滾輪由于在加工時(shí)與長軸的接觸面積較大，在加工時(shí)產(chǎn)生的塑性變形區(qū)域要明顯大于1號(hào)和3號(hào)滾輪。

（2）3號(hào)滾輪的加工效果和2號(hào)滾輪類似，但是由于其與長軸的接觸面積小于2號(hào)滾輪，加工時(shí)產(chǎn)生的塑性變形也相對(duì)減小。

（3）1號(hào)滾輪由于形狀的原因在加工過程中與長軸的接觸面積最小，加工時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力有可能過于集中，在數(shù)值模擬分析中出現(xiàn)了滾輪與工件粘連的現(xiàn)象。

（4）2號(hào)滾輪引起的軸向塑性變形較1號(hào)滾輪和3號(hào)滾輪大。使用2號(hào)滾輪進(jìn)行加工時(shí)，滾輪和長軸在軸向進(jìn)給方向的寬度較大，滾輪每轉(zhuǎn)一周的滾壓寬度也就越大。說明2號(hào)滾輪在加工中可以使用相對(duì)較大的進(jìn)給量，工作效率要高于另外兩種滾輪。

3．2 不同形狀滾輪與長軸接觸力的對(duì)比

在ANSYS時(shí)間歷程后處理器（POST26）中觀察3種滾輪在加工過程中滾輪和長軸之間接觸力的變化情況，如圖7、圖8和圖9所示。圖中的橫坐標(biāo)都表示時(shí)間。對(duì)縱坐標(biāo)做如下定義:在時(shí)間歷程變量對(duì)話框中添加反作用力結(jié)果數(shù)據(jù)，F(xiàn)X表示滾輪對(duì)長軸施加的壓力，F(xiàn)Y表示滾輪在滾壓加工過程中沿軸向進(jìn)給時(shí)產(chǎn)生的力。由于滾輪與長軸之間的滾動(dòng)摩擦力比較小，在這里不作為主要的研究對(duì)象。通過觀察比較，得出以下結(jié)論:

（1）在滾輪滾壓長軸的過程中，與滾壓力的大小有最直接關(guān)系的是滾輪和長軸的接觸面積。由于滾輪自身形狀的因素，2號(hào)滾輪在加工過程中和長軸的接觸面積最大，因此產(chǎn)生的滾壓力FX也明顯大于1號(hào)和3號(hào)滾輪。1號(hào)滾輪產(chǎn)生的滾壓力在3種形狀的滾輪里是最小的。

（2）3號(hào)滾輪在滾壓加工過程中做軸向進(jìn)給時(shí)產(chǎn)生的力要稍大于1號(hào)和3號(hào)滾輪，最大值在0．3 kN左右。其他兩種形狀的滾輪在軸向進(jìn)給過程中也產(chǎn)生了不同程度的軸向力。由于滾輪靠液壓缸提供卡緊力，液壓缸的活塞桿只可承受很小的徑向力。為保證長軸滾壓加工的精度，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該對(duì)活塞桿采取保護(hù)措施，減小其因受外力引起的彎曲變形。

3．3 長軸表面節(jié)點(diǎn)位移的對(duì)比

由于長軸在滾壓加工之后表面會(huì)產(chǎn)生微小的回彈變形，這對(duì)長軸加工后的表面粗糙度具有很大影響。為此，需要觀察比較給定壓下量和最終實(shí)際壓下量之間的關(guān)系。沿滾輪軸向進(jìn)給方向選取長軸表面的若干個(gè)節(jié)點(diǎn)，比較它們?cè)赬方向的位移量，可以看出在相同的初始條件下，3種形狀滾輪滾壓加工過后長軸表面節(jié)點(diǎn)沿X方向的真實(shí)位移量。表3是3種形狀滾輪加工過后表面節(jié)點(diǎn)位移量的對(duì)比情況。

表3 長軸表面節(jié)點(diǎn)實(shí)際位移對(duì)比

在長軸的軸線方向均勻選取若干個(gè)點(diǎn)，用以表示不同形狀滾輪加工過后表面節(jié)點(diǎn)在長軸軸線方向?qū)嶋H位移量的分布情況，圖10～12。圖中，橫坐標(biāo)表示節(jié)點(diǎn)號(hào)（也即軸向位置），縱坐標(biāo)表示節(jié)點(diǎn)實(shí)際位移。通過觀察圖10～12可以得出以下結(jié)論:

（1）在滾壓加工長軸的初始階段，當(dāng)滾輪與長軸發(fā)生接觸，開始滾壓的時(shí)刻，由于滾輪壓入長軸的表面有一定的沖擊作用，使長軸端部的節(jié)點(diǎn)位移明顯大于其他位置。

（2）除滾壓加工初始位置以外，長軸表面節(jié)點(diǎn)實(shí)際位移值的的分布比較均勻，大致在0．07～0．078 mm這個(gè)范圍以內(nèi)。3種形狀的滾輪中，2號(hào)和3號(hào)滾輪的回彈率處于同一水平，1號(hào)滾輪的回彈率相對(duì)較高。

4 結(jié)語

本文采用滾壓加工的方法對(duì)長軸的表面進(jìn)行光整加工，設(shè)計(jì)了3種形狀的滾輪，用有限元法對(duì)長軸的滾壓加工進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。為了考察不同形狀滾輪對(duì)長軸表面加工質(zhì)量的影響，分別選用了3種形狀的滾輪進(jìn)行數(shù)值模擬分析。通過比較3種形狀的滾輪對(duì)長軸的加工效果，可以看出:2號(hào)滾輪相比其他兩種形狀的滾輪，它的加工效率較高，可以采取較大的軸向進(jìn)給量進(jìn)行滾壓加工;而且加工后產(chǎn)生的回彈變形也相對(duì)較小，回彈率較低，說明使用2號(hào)滾輪時(shí)的加工精度較高。其缺點(diǎn)是由于形狀的原因，2號(hào)滾輪與長軸的接觸面積較大，在進(jìn)行滾壓加工時(shí)所需的滾壓力也相對(duì)較大。

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