大型雙進(jìn)給珩磨頭油石座的結(jié)構(gòu)優(yōu)化*

侯運(yùn)豐，廖秋巖，張龍波，樊思敏

（蘭州理工大學(xué) a.數(shù)字制造技術(shù)與應(yīng)用省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.機(jī)電工程學(xué)院，蘭州730050）

大型雙進(jìn)給珩磨頭油石座的結(jié)構(gòu)優(yōu)化*

侯運(yùn)豐a，b，廖秋巖a，b，張龍波a，b，樊思敏a，b

（蘭州理工大學(xué) a.數(shù)字制造技術(shù)與應(yīng)用省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.機(jī)電工程學(xué)院，蘭州730050）

對于大型珩磨機(jī)的珩磨頭，珩磨頭的剛度大小主要依靠油石座等零件的剛度大小來衡量。文章以大型雙進(jìn)給珩磨頭油石座為研究對象，運(yùn)用ANSYS軟件對直徑為φ400mm的大型珩磨頭油石座進(jìn)行剛度模擬計(jì)算，在保證油石座基本尺寸不變的惰況下，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并通過材料力學(xué)的理論計(jì)算驗(yàn)證其正確性，進(jìn)而采用模擬計(jì)算與理論計(jì)算對比的方法，得出最佳油石座導(dǎo)向支柱數(shù)量為四個(gè)的結(jié)論，最終得出剛度優(yōu)化方案，為大型珩磨頭油石座剛度優(yōu)化設(shè)計(jì)研究提供了參考。

珩磨頭；油石座；剛度變形；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

0 引言

珩磨作為一種磨削加工的特殊形式，是用鑲嵌在珩磨頭上的油石對工件表面施加一定壓力，珩磨工具或工件同時(shí)作相對旋轉(zhuǎn)和軸向直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，切除工件上極小余量的精加工方法，是提高零件的尺寸、幾何精度和表面質(zhì)量的有效加工方法［1］。珩磨頭作為珩磨機(jī)的重要部件，對加工工件的質(zhì)量有重要的影響，珩磨頭由：大頂桿、小頂桿、大錐體、小錐體、粗珩油石座、精珩油石座、油石等零件組成，珩磨頭的主要內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖1，大型珩磨頭加工直徑φ400mm；珩缸套孔長度：1500mm；主軸轉(zhuǎn)速：30～300rpm；主軸往復(fù)速度：5～20m/min；珩磨加工精度：圓柱度≤0.02mm、圓度≤0.002mm；珩磨頭系統(tǒng)作為珩磨機(jī)的核心部件其剛度［2］是影響磨削效率和磨削質(zhì)量的關(guān)鍵因素，對于大型珩磨頭，在保證珩磨頭剛度的同時(shí)，減小珩磨頭質(zhì)量，從而優(yōu)化珩磨頭性能，降低制造成本和提高加工精度是目前大型珩磨頭的發(fā)展趨勢［3］。

近年來為了實(shí)現(xiàn)機(jī)床加工刀具的結(jié)構(gòu)優(yōu)化［4］；寧會峰［5］等利用ANSYS軟件對雙進(jìn)給珩磨頭小頂桿及小錐體進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，得到小錐體在整體受力下的變形量與長度之間的關(guān)系；張春來［6］運(yùn)用ANSYS參數(shù)優(yōu)化技術(shù)對刀具結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)出滿足工作要求的刀具。由于傳統(tǒng)的中小型珩磨頭油石座導(dǎo)向支柱為片狀結(jié)構(gòu)，運(yùn)用到大型珩磨頭上會出現(xiàn)較多問題，因此本文基于ANSYS有限元法，對大型珩磨頭油石座進(jìn)行初步分析與優(yōu)化，為大型珩磨頭的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供一定的參考。

1 油石座的受力分析

珩磨頭的剛度大小主要依靠油石座等零件的剛度大小來衡量。

圖1 雙進(jìn)給珩磨頭

為了計(jì)算油石座的剛度大小，將受到載荷的油石座簡化成梁桿結(jié)構(gòu)，如圖2：將下面導(dǎo)向支柱A、B固定，A、B之間的距離為330mm，在上方施加2MPa的壓強(qiáng)q并按材料力學(xué)公式計(jì)算簡支梁的彎曲變形計(jì)算，依據(jù)最大彎曲撓度值計(jì)算其彎曲變形。FA和FB為AB兩點(diǎn)的支撐反力，由受力平衡和力矩平衡可知：

由上面公式可得：

圖2 油石座受力分析簡化圖

兩個(gè)支點(diǎn)將梁桿分為三部分，其中AB部分和兩端受力情況不同，其剪力和彎矩都不能由同一個(gè)方程式來表示，因此分為兩部分考慮，兩端內(nèi)的剪力和彎矩方程分別為：

依據(jù)撓曲線的近似微分方程：

帶入整理，可得到各段的最大撓度。當(dāng)（0≤x≤al）時(shí)的撓曲線方程和最大撓度為

當(dāng)（al≤x≤l-al）時(shí)的撓曲線方程和最大撓度為：

從撓曲線的近似微分方程及其積分可以看出，油石座的彎曲變形與油石座長、油石座支點(diǎn)之間的距離、彎矩大小、支座條件、油石座截面的慣性矩、材料的彈性模量有關(guān)。所以要提高彎曲剛度，就應(yīng)該從考慮以上各因素入手。以直徑為φ400mm大型珩磨頭為例，并按照設(shè)計(jì)要求將珩磨頭的粗精油石座的材料設(shè)定為40Cr。其材料信息如表1。

表1 備材料參數(shù)表

2 油石座剛度的模擬計(jì)算

珩磨頭的彎曲剛度主要是通過油石座的彎曲剛度來體現(xiàn)，而粗珩油石座因其受力要遠(yuǎn)大于精珩油石座，所以此處選擇粗珩油石座進(jìn)行彎曲剛度模擬計(jì)算。將粗珩油石座進(jìn)行載荷施加和邊界條件約束設(shè)置，粗珩油石座的基本尺寸為：油石座底端矩形塊的長為420mm，寬為20mm，高為25mm，油石座導(dǎo)向支柱的直徑為φ10mm，長為110mm等，當(dāng)導(dǎo)向支柱為兩個(gè)時(shí)，此時(shí)它們之間的距離為330mm，經(jīng)ANSYS模擬計(jì)算得到油石座的最大變形為0.254mm，最大變形出現(xiàn)在中間A位置（如圖3所示）。用材料力學(xué)計(jì)算的最大變形為0.249mm，結(jié)論基本一致，誤差小于2%，進(jìn)而證明了ANSYS模擬計(jì)算的正確性。

圖3 油石座總變形云圖

3 油石座的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

油石座的結(jié)構(gòu)優(yōu)化［7］主要是通過改變導(dǎo)向支柱的數(shù)量來減少油石座的最大彎曲變形。因此，將油石座的個(gè)數(shù)X=［2，3，4，5，6］作為設(shè)計(jì)變量，目標(biāo)變量為彎曲變形D，優(yōu)化目標(biāo)［8］為油石座的最小彎曲變形，約束條件為將導(dǎo)向支柱固定，施加載荷為在油石座上施加2MPa的壓強(qiáng)，優(yōu)化方法為通過ANSYS模擬計(jì)算得到Dmin即：油石座的最小彎曲變形［9］。由實(shí)驗(yàn)可知：當(dāng)導(dǎo)向支柱為三個(gè)時(shí)，油石座的其他尺寸不變，兩個(gè)導(dǎo)向支柱之間的距離變?yōu)?65mm，經(jīng)過模擬計(jì)算，油石座的最大彎曲變形為0.022mm，最大變形區(qū)域有兩處，出現(xiàn)在兩個(gè)油石座之間的A、B位置（如圖4所示）。

圖4 油石座總變形云圖

同理當(dāng)導(dǎo)向支柱變?yōu)樗膫€(gè)時(shí)，油石座其他尺寸不變，此時(shí)兩個(gè)導(dǎo)向支柱之間的距離變?yōu)?10mm，加載后，經(jīng)過模擬計(jì)算，此時(shí)油石座的最大彎曲變形為0.015mm，最大變形區(qū)域有兩處，出現(xiàn)在油石座底端矩形上下邊緣的A、B位置（如圖5所示）。

通過觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：隨著導(dǎo)向支柱的數(shù)量不斷增加時(shí)，油石座最大變形區(qū)域明顯減少，而且最大變形的位置由中間轉(zhuǎn)移到兩邊，減少了因油石座變形而導(dǎo)致珩磨頭變形過大，進(jìn)而影響珩磨頭加工精度并導(dǎo)致加工質(zhì)量降低的結(jié)果。當(dāng)繼續(xù)增加導(dǎo)向支柱為5個(gè)、6個(gè)時(shí)油石座的最大彎曲變形分別為0.013mm和0.012mm，與導(dǎo)向支柱為4個(gè)時(shí)的最大彎曲變形相差不大。因此可以看出繼續(xù)增加導(dǎo)向支柱的數(shù)量對提高油石座剛度并減少油石座的最大變形影響不大，反而增加了油石座的重量和加工工藝的復(fù)雜性，因此四個(gè)為油石座導(dǎo)向支柱的最佳數(shù)量。

圖5 油石座總變形云圖

4 結(jié)論

在不改變油石座基本尺寸的情況下，通過增加油石座導(dǎo)向支柱的個(gè)數(shù)，用ANSYS模擬計(jì)算出油石座的最大彎曲變形，得出最佳油石座導(dǎo)向支柱數(shù)量為4個(gè)的結(jié)論，從而完成油石座的結(jié)構(gòu)優(yōu)化的初步分析，為下一步即將對油石座導(dǎo)向支柱直徑大小及其之間的距離進(jìn)行優(yōu)化和以后對珩磨頭其他零件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供方向和參考。

［1］蘇達(dá)智.珩磨工藝技術(shù)［M］.寧夏：寧夏機(jī)械工程學(xué)會，2006.

［2］姜蘭蘭.提高機(jī)床剛度的措施［J］.考試周刊，2014（52）：115-116.

［3］張?jiān)齐?現(xiàn)代珩磨技術(shù)［M］.北京：科學(xué)技術(shù)出版社，2007.

［4］秦東晨，陳江義，胡濱生，等.機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的綜述與展望［J］.中國科技信息，2005（9）：90-91.

［5］寧會峰，麻秦凡，龔俊.雙進(jìn)給珩磨頭小頂桿及小錐體靜力學(xué)分析［J］.機(jī)械制造，2012，50（7）：15-17.

［6］張春來.刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)的ANSYS優(yōu)化研究［J］.機(jī)床與液壓，2007，35（2）：199-200，204.

［7］韓偉鋒，李鳳遠(yuǎn)，周建軍，等.盾構(gòu)刀盤有限元分析優(yōu)化研究［J］.工程機(jī)械，2014，45（3）：31-36.

［8］侯運(yùn)豐，陳剛，李隆.基于ANSYS Workbench的高精度雙進(jìn)給珩磨頭的剛度優(yōu)化［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2012（12）：53-54，59.

［9］張松，艾興，趙軍.高速主軸刀具聯(lián)結(jié)的參數(shù)化有限元法優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2004，40（2）：83-86，91.

（編輯 趙蓉）（編輯 趙蓉）

Structure optimization of Large Double Feed Honing Stone Bridge

HOU Yun-fenga，b，LIAO Qiu-yana，b，ZHANG Long-boa，b，F(xiàn)AN Si-mina，b
（a.Digital Manufacturing Technology and the Application of the Ministry of Education Key Laboratory；b.College of Mechanical and Electrical Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China）

For large honing head of honing machine，the rigidity of the honing head size mainly rely on oil-stone seat stiffness measured size.Based on the large double feed honing stone bridge as the research object，by using the ANSYS software to a diameter of400mm large honing stone stiffness simulation calculation，in guarantee under the condition of invariable oilstone seat basic size，structure optimization，and its correctness is proved by the theory of mechanics of materials，then adopt the method of simulation compared with the theoretical calculation，it is concluded that the best oilstone seat number for the four pillars of the conclusion，finally concluded that stiffness optimization scheme，for large honing stone bridge rigidity as reference for optimizing design and research.

honing-head；oilstone seat；elastic stiffness；structure optimization

TH123；TG659

A

1001-2265（2015）04-0112-03 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.04.029

2014-07-20；

2014-11-20

高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備科技重大專項(xiàng)（2011ZX04002-122）；甘肅省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（1112RJZA025）

侯運(yùn)豐（1971—），男，太原人，蘭州理工大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樘胤N裝備設(shè)計(jì)，（E-mail）liaoqiuyanln@163.com。