自定心滾動支撐中心架優(yōu)化設計

自定心滾動支撐中心架優(yōu)化設計

孫金海, 張超彥，張麗霞

(徐州工業(yè)職業(yè)技術學院 機電工程系，江蘇 徐州221140)

摘要：為進一步優(yōu)化自定心滾動支撐中心架的結構，分析了中心架在細長軸車削過程中的受力情況，并利用ANSYS對卡爪進行了靜力學分析和模態(tài)分析，進而對卡爪的結構進行了優(yōu)化設計，優(yōu)化后卡爪的最大等效應力滿足要求、變形量減少、固有頻率提高、整體質量減輕47.8%，優(yōu)化效果顯著。

關鍵詞：優(yōu)化設計；自定心滾動支撐中心架； ANSYS

文章編號：1001-2265(2015)09-0145-03

收稿日期：2015-05-18;修回日期：2015-05-28

作者簡介：孫金海(1965—)，男，河北正定人，徐州工業(yè)職業(yè)技術學院副教授，高級工程師，研究方向為機械設計與制造，(E-mail)sunjh@mail.xzcit.cn。

中圖分類號：TH133.2 ；TG506

Optimal Design of Centering and Rolling Supporting Steady Rest

SUN Jin-hai，ZHANG Chao-yan，ZHANG Li-xia

(Department of Mechatronic Engineering, Xuzhou College of Industrial Technology, Xuzhou Jiangsu 221140, China)

Abstract：To optimize the structure of a centering and rolling supporting steady rest, analyze the stress of steady rest during the shaft turning processes, and analyze the static and modal of the jack catch by ANSYS, and then optimize the structure of jack catch. After optimization, the maximum equivalent stress meets the requirements, the deformation is reduced, the natural frequency is improved, and the quantity is reduced by 47.8%, so the optimization effect is obvious.

Key words： optimal design；centering and rolling supporting steady rest；ANSYS

0引言

軸的剛度隨長度和直徑之比的增大而減小，在車削過程中，受切削力、離心力等因素影響，細長軸易產(chǎn)生彎曲、振動，影響加工質量。使用中心架可以增強細長軸的剛度，降低變形，提高加工精度和表面粗糙度[1-2]。針對傳統(tǒng)中心架的不足之處，作者設計了一款自定心滾動支撐中心架。卡爪作為主要傳力部件，其結構能對中心架的工作性能有直接的影響。本文利用ANSYS有限元分析軟件分析了卡爪的動靜態(tài)性能，改進了卡爪的結構，以確?？ㄗυ跐L輪支撐處的變形量不超過0.3μm以及在車削過程中卡爪不發(fā)生共振。

1受力分析

如圖1所示，該中心架包括固定機構、夾緊機構、支撐機構、限位鎖死機構?？ㄗ葌鹊纳稀⑾露朔謩e固定連接有4個滾輪，用來夾緊工件[3]。

在車削加工過程中，作用在工件上的車削力[4-5]分為主切削力Fe、背向力Fp、進給力Ff，其中主切削力和背向力主要引起工件彎曲變形。以車直徑為φ40的45號鋼軸為例，切削技術參數(shù)?。呵邢魉俣葀c=54m/min，背吃到量ap=3mm，進給量f=0.9mm/r，計算得Fe=5922N，F(xiàn)p=2280N?？ㄗλ茌d荷主要是切削力通過工件傳遞而來的，在ANSYS中建立模型，模擬車削過程中工件的受力。工件左端由車床卡盤進行全約束[6]，右端加載車削分力，距離右端100mm處施加Fx，F(xiàn)z約束中心架，可得中心架的受力為Fx=-2952.7N，F(xiàn)z=7589.6N。單刀車削過程中，與車刀相對的卡爪的受力最大，故只分析左側卡爪的變形情況即可。左卡爪中上下滾輪受力情況如圖2，計算得出Fx1=Fx2=-1476.4N,Fz1=3794.8N,Fz2=0N。

1.導軌壓板 2.螺栓 3.滑動導軌 4.側板 5.限位板 6.T型螺桿 7.滾動軸承 8.螺套 9.滑塊 10.螺釘 11.卡爪 12.滾輪 13.右側板 14.右側板端蓋 15.手輪 16.工件

圖1自定心滾動支撐中心架結構示意圖

圖2　滾輪受力情況

2有限元分析

利用UG軟件，建立卡爪的三維模型，建模過程中應考慮細小的實體結構對網(wǎng)格化分的影響，且忽略螺紋、倒角等對計算結果影響不大的特征，然后導入ANSYS生成有限元模型，并作如下設置：材料采用45號鋼，彈性模量E=210GPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7.8×103kg/m3。有限元模型采用SOLID185單元，網(wǎng)格自由劃分后包括2853個節(jié)點、21745個單元[7]。

2.1靜態(tài)分析

卡爪的靜力分析主要是分析卡爪在固定載荷下的應力和應變，為卡爪結構優(yōu)化設計提供參考依據(jù)[8]。在對滾輪施加載荷和約束后，進行有限元計算，得出了卡爪的應力分布圖量(見圖3)和變形量(見表1)。

由表1可以看出，卡爪的最大位移量約為0.14μm，其位置在卡爪頂部，這是因為卡爪通過燕尾槽與滑軌結合，其受力情況如同懸臂梁。上滾輪與工件接觸處的位移約為0.13μm，下滾輪與工件接觸處位移約為0.11μm，小于設計目標值0.5μm?？梢?，卡爪的整體剛度較好，可以大大減少細長軸車削過程中由于車削力引起的變形量。

由卡爪的應力分布圖可以看出，在V型頂點、下部圓孔和燕尾上部應力較大，這主要是由于應力集中造成的，其等效應力值約為37~43MPa，小于材料的抗拉強度600MPa?？ㄗΦ拇蟛糠纸Y構的應力值約為20MPa，頂部不承受載荷作用，其應力值基本為零。

表1　優(yōu)化前卡爪的變形量

圖3　優(yōu)化前卡爪的等效應力圖

2.2模態(tài)分析

通過模態(tài)分析可以確定卡爪的固有頻率和振型，為結構設計提供依據(jù)，避免在車削過程中卡爪與工件發(fā)生共振，以提高卡爪結構的抗振性能[9]。在單刀車削過程中細長軸工件在車削力的作用下彎曲，其振動頻率較低，一般為主軸轉速的1/60，約為20~30Hz，因而高階的固有頻率對加工的影響不大，只有低階的模態(tài)固有頻率才有可能與工件的激振頻率重合。表2列出了卡爪的前6階固有頻率，都比常用車削細長軸的頻率高，不會發(fā)生共振。由振型可以看出，主要振動部位發(fā)生在V型上部。

表2　優(yōu)化前卡爪固有頻率和振型

3卡爪結構優(yōu)化

由卡爪的有限元分析得出，卡爪的最大應力遠小于材料的強度極限，最大變形量也低于設計目標，故可以通過改變卡爪的支撐結構，減輕重量，以實現(xiàn)卡爪結構的優(yōu)化。

3.1優(yōu)化后卡爪的靜力學分析

根據(jù)圖3的應力云圖，結合卡爪的安裝和固定方式，對卡爪中應力不大的結構進行優(yōu)化。圖4是優(yōu)化后卡爪的結構和應力分布圖，表3是卡爪的與工件接觸處變形量。

由圖4可知，優(yōu)化后卡爪的最大等效應力在支撐臂的凹槽下部，約為91.2MPa，這是由于中心架在工作過程中，卡爪上滾輪處受力較大，而支撐臂凹槽處的截面為最小，相當于一個懸臂梁結構。其它受力較大部位分別為支撐臂的右表面、下部孔位置，等效應力約為30MPa，其它結構等效應力都在20MPa以下，遠小于材料的許用強度。

由表3可知，優(yōu)化后卡爪的最大位移量約為0.12μm，其位置在卡爪頂部，比原卡爪位移縮小了0.02μm，同時上滾輪接觸處變形量由0.12μm減小至0.11μm。由于整體結構和安裝需要，卡爪下部形狀改動量較小，故優(yōu)化前后下滾輪接觸處變形量基本不發(fā)生變化。

圖4　優(yōu)化后卡爪等效應力圖

3.2優(yōu)化后卡爪模態(tài)分析

優(yōu)化后的卡爪固有頻率和振型見表4。比較表2和表4可知，優(yōu)化后卡爪的固有頻率有所提升，增強了抗振能力，這是由于優(yōu)化后的結構避免了V型頂部截面突變的情況，而且減輕了卡爪上部的整體質量。

表3　優(yōu)化后卡爪變形量

表4　優(yōu)化后卡爪固有頻率和振型

4結束語

(1)分析了車削細長軸時卡爪的受力情況，對卡爪進行動靜態(tài)分析，得到卡爪的應力分布、變形情況以及固有頻率，得出V型頂點處截面為優(yōu)化重點。

(2)基于動靜態(tài)分析結果，優(yōu)化了卡爪的結構，優(yōu)化后卡爪的最大等效應力為91.2MPa，滿足設計要求、變形量減少0.02μm、固有頻率提升、質量減少47.8%，可見優(yōu)化效果顯著。

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(編輯李秀敏)