郭靜靜 左旭芬

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卡盤自動夾緊頭架的結(jié)構(gòu)設(shè)計及分析

郭靜靜 左旭芬

(上海機(jī)床廠有限公司 上海200093)

介紹了外圓磨床頭架結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀，設(shè)計了可自動夾緊并帶動工件旋轉(zhuǎn)的頭架，運用有限元分析軟件對頭架結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的分析，并驗證了設(shè)計的合理性。應(yīng)用solidworks軟件對其進(jìn)行靜力學(xué)和模態(tài)分析。結(jié)果表明，理論計算和實踐檢驗都在可接受的范圍內(nèi)。此種頭架已經(jīng)應(yīng)用于實際生產(chǎn)中，并取得了良好的效果。

卡盤自動夾緊頭架 靜態(tài)分析 模態(tài)分析

磨削加工作為一種高精度加工技術(shù)，在機(jī)械加工中發(fā)揮著重要的作用。隨著工業(yè)的發(fā)展，企業(yè)對生產(chǎn)效率的要求不斷提高，因此對磨床的自動化程度要求也越來越高。頭架是數(shù)控外圓磨床的一個重要部件，它與尾架組合對工件起支承、定心、夾持及帶動回轉(zhuǎn)等作用。

在磨床頭架結(jié)構(gòu)中，工件的夾緊定位及回轉(zhuǎn)運動共有兩種方式，一種是依靠頭架和尾架間的頂緊，工件靠近頭架端裝夾頭，頭架上裝撥桿。工件在轉(zhuǎn)動時，頭架撥桿撥動夾頭帶動工件旋轉(zhuǎn)，工作臺作橫向移動，砂輪架作縱向進(jìn)退；另一種頭架結(jié)構(gòu)是采用卡盤夾緊并帶動工件回轉(zhuǎn)，但在裝夾時需要手動夾緊，自動化程度不高。所設(shè)計的卡盤能夠自動夾緊的頭架結(jié)構(gòu)，能夠同時滿足自動夾緊和帶動工件回轉(zhuǎn)的雙重要求。

有限元是現(xiàn)代結(jié)構(gòu)設(shè)計和輔助分析的常用技術(shù)，其基本思想是將整個連續(xù)的求解區(qū)域離散成有限個按一定方式相互連接在一起的單元組合體，然后利用每一個單元體內(nèi)假設(shè)的近似函數(shù)來分片表示求解域上待求的未知場函數(shù)。近年來，人們逐漸認(rèn)識到有限元軟件對結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要性，不再僅僅采用經(jīng)驗設(shè)計[1]，而是運用有限元分析軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的分析，驗證設(shè)計的合理性，以改進(jìn)結(jié)構(gòu)中的不合理之處。

1 卡盤自動夾緊頭架的結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 傳動系統(tǒng)設(shè)計

頭架傳動系統(tǒng)要求結(jié)構(gòu)簡單緊湊，而且要有很高的傳動精度和效率。結(jié)構(gòu)中采用了變頻電動機(jī)，電動機(jī)通過二級皮帶降速，主軸與皮帶輪通過螺釘連接，由皮帶帶動一起旋轉(zhuǎn)。第一級皮帶通過移動電動機(jī)機(jī)座來調(diào)節(jié)皮帶輪的中心距，第二級皮帶通過轉(zhuǎn)動偏心套來調(diào)節(jié)帶輪之間的中心距，以改變皮帶的張緊力。

1.2 主軸系統(tǒng)設(shè)計

卡盤采用B-208型中空強(qiáng)力卡盤，其特點是可以通過將軸向力轉(zhuǎn)化成徑向力，帶動卡爪徑向運動來夾緊工件?？ūP通過螺釘與主軸連接，所以主軸系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵是給卡盤一個軸向的力并通過液壓油提供動力。

圖1所示為頭架主軸結(jié)構(gòu)。油缸通過連接拉桿與連桿和卡盤連接，通過這種方式，油缸就和卡盤連接在一起。在空心主軸內(nèi)部，卡盤通過螺紋與連桿連接，而連桿另一端和螺釘頭安裝在連接拉桿的螺紋孔中，連接拉桿與油缸內(nèi)部通過螺紋連接。

圖1 頭架主軸結(jié)構(gòu)

在油缸進(jìn)油時，油缸向卡盤的反方向運動，連桿將卡盤的三個爪徑向收緊，直到夾緊工件，油缸不再進(jìn)油。在選用卡盤和油缸時，工件的外圓尺寸的范圍應(yīng)在油缸拉緊卡爪的范圍之內(nèi)?？ūP僅與油缸內(nèi)部連接，油缸外部是固定的。在尾架頂尖頂緊工件進(jìn)行加工，加工完畢后，通過控制面板點擊頭架后退按鈕，啟動油路使卡爪松開工件。

2 頭架主軸的靜態(tài)分析

靜態(tài)分析是在不考慮慣性和阻尼的前提下、在不隨時間變化的載荷作用下對結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變和位移分析。靜態(tài)分析主要是分析和比較結(jié)果是否超過給定的精度要求。線性靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析位移{}由下面的矩陣方程解出：

[]{}={}；

[]是一個常量矩陣；

{}是靜態(tài)加在模型上、不隨時間變化的力。

主軸是通過皮帶既與電動機(jī)連接，又與油缸連接，是連接動力和工件的零件。主軸的變形量將影響到工件加工的精度和磨削穩(wěn)定性，進(jìn)而影響到工件的加工精度。主軸剛度是影響回轉(zhuǎn)精度的主要因素，是保證回轉(zhuǎn)精度的關(guān)鍵，因此通過對頭架的主軸做靜力學(xué)分析來判斷是否滿足要求。

2.1 建立有限元模型

應(yīng)用solidworks建立主軸的三維模型，最主要的工作是簡化模型。對于主軸，忽略尺寸較小的、不作為主要支承力部分的開孔和尺寸較小的退刀槽等，清除外圓角、圓邊等不重要的幾何特征，如圖2所示。經(jīng)過這樣的簡化，保持了實際模型的主要特點，縮短了建模的過程，而且簡化網(wǎng)格并且節(jié)省了計算的時間。

圖2 簡化后的主軸模型

2.2 劃分網(wǎng)格、邊界條件的應(yīng)用及載荷的加載

劃分網(wǎng)格的質(zhì)量影響求解的速度和準(zhǔn)確度。在完成三維模型后就要對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。主軸要求剛性高、耐磨性好、疲勞強(qiáng)度高，而且熱處理變形小，所以主軸材料選擇38CrMOAlA，屈服強(qiáng)度為835 MPa并加載材料。

頭架主軸除承受自身重力外，還有工件的重力。以數(shù)控外圓磨床H234為例，頭、尾架支承的最重工件的質(zhì)量為200 kg，工件重力的一半加載在頭架上，即為1 000 N。

2.3 應(yīng)力和應(yīng)變的結(jié)果

圖3 主軸應(yīng)力圖

圖4 主軸應(yīng)變圖

圖5 主軸位移圖

應(yīng)用solidworks的插件simulation分析出主軸的應(yīng)力，如圖3所示。主軸的最大應(yīng)力是出現(xiàn)在主軸靠近卡盤的端面及莫氏孔內(nèi)，為1.11 MPa，遠(yuǎn)小于屈服強(qiáng)度835 MPa。主軸的應(yīng)變量如圖4所示，最大變形量在主軸的端面靠近卡盤處，為0.8 μm，而頭架要求的主軸端軸向竄動為1.5 μm，變形在設(shè)計要求的范圍內(nèi)，如圖5所示。因此主軸的設(shè)計是安全的。

3 頭架的模態(tài)分析

有限元的模態(tài)分析是一個建立模態(tài)模型并進(jìn)行數(shù)值分析的過程，實質(zhì)就是求解具有有限個自由度的無阻尼線彈性系統(tǒng)運動方程，因結(jié)構(gòu)的阻尼對其模態(tài)頻率及振型的影響很小(可以忽略)，其矩陣表達(dá)式為：

其解的形式為

(2)

將式(2)代入式(1)后得到方程(有非零解的條件是其系數(shù)行列式的值為零)為

求解式(3)可得到其特征值及對應(yīng)的特征向量(即模態(tài)頻率和振型)[2]。

在對結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析時，因為大型矩陣特征值計算的精度問題和高階頻率隨模型簡化分析的敏感變化，其中高階固有頻率沒有太多的參考價值。在振型中，作用相對較大的為低階振型，所以在工程應(yīng)用中關(guān)注前4階低階的固有頻率已經(jīng)足夠[3]。

數(shù)控外圓磨床在磨削工件時，如果頭架與外界的頻率一致而產(chǎn)生振動，就會產(chǎn)生彎曲、扭曲等共振，從而導(dǎo)致工件的表面光潔度和精度降低[4]。在對頭架進(jìn)行模態(tài)分析時，首先應(yīng)確定頭架的固有頻率，以避免頭架的自然頻率與外力頻率一致，產(chǎn)生共振現(xiàn)象。頭架體殼是頭架的重要部位，此時應(yīng)對體殼做模態(tài)分析(體殼材料為灰鑄鐵HT250)。在軟件中對體殼進(jìn)行了模態(tài)分析，第1階模態(tài)的最大變形量在體殼頂部，沿著軸方向做搖擺變形，如圖6所示。

圖6 第1階振型圖（564.85 Hz）

第2階模態(tài)的最大變形量在體殼頂部的兩端，沿著軸方向作搖擺變形，如圖7所示。

圖7 第2階振型圖（616.72 Hz）

第3階模態(tài)的最大變形量在體殼頂部，沿著軸方向作扭轉(zhuǎn)變形，如圖8所示。

圖8 第3階振型圖（850.06 Hz）

第4階模態(tài)的最大變形量在體殼頂部的兩端，沿著軸方向作搖擺變形，如圖9所示。

圖9 第4階振型圖（957.01 Hz）

與頭架產(chǎn)生共振的外力頻率主要發(fā)生在砂輪主軸轉(zhuǎn)動時，砂輪主軸的最高轉(zhuǎn)速為1 150 r/min，最大頻率為50 Hz。當(dāng)機(jī)構(gòu)的固有頻率大于干擾頻率的倍時(50×=70.7 Hz)，不會發(fā)生共振[5]。頭架的1階頻率為564.85 Hz，遠(yuǎn)大于砂輪主軸的頻率，這樣就不會發(fā)生共振。

4 結(jié)語

應(yīng)用solidwork分析軟件對設(shè)計的卡盤自動夾緊頭架主軸做了靜力學(xué)分析。結(jié)果表明，主軸的應(yīng)力小于材料的屈服應(yīng)力，主軸的變形量在設(shè)計的安全范圍之內(nèi)。通過對體殼做模態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)其固有頻率遠(yuǎn)大于干擾頻率，不會產(chǎn)生共振。將這種頭架結(jié)構(gòu)應(yīng)用于實際生產(chǎn)中，工件的加工精度可滿足用戶的要求，并通過了的驗收。

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