基于有限元分析的微型磨料流機(jī)床研究*

劉 慧，宋桂珍，李金羽

(太原理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，太原 030024)

0 引言

上世紀(jì)八十年代，磨料流加工機(jī)床隨著鋁型材成型設(shè)備被一同引進(jìn)到國(guó)內(nèi)，引起國(guó)內(nèi)學(xué)者和技術(shù)人員的廣泛關(guān)注[1-2]，開(kāi)展相關(guān)研究并取得了一批理論成果[3-6]，同時(shí)在模具﹑結(jié)構(gòu)零件﹑液壓元件﹑齒輪等的加工中獲得成功應(yīng)用[7-10]。磨料流加工的關(guān)鍵因素在于粘彈性流體磨料，它具有流動(dòng)性，在窄縫﹑微孔﹑曲面及異形孔腔等的加工中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。粘彈性磨料屬于高粘度的兩相流體，針對(duì)其在窄縫﹑微孔道中的流動(dòng)研究多為流場(chǎng)分布和工藝參數(shù)影響的研究，關(guān)于其流動(dòng)特性至今尚未被業(yè)內(nèi)透徹掌握[11-12]。國(guó)外的相關(guān)研究也一直在不斷深入之中[13-14]。

為了深入研究磨料流加工中的流動(dòng)特性﹑材料去除機(jī)理，同時(shí)從經(jīng)濟(jì)適用的角度考慮，研發(fā)微型磨料流加工機(jī)床，以便開(kāi)展充分的實(shí)驗(yàn)和微小零件的應(yīng)用研究。高粘度流體磨料被擠壓流過(guò)窄縫﹑微孔時(shí)的阻力很大，所以機(jī)床的負(fù)載很大，但是工件上被加工孔道或利用夾具構(gòu)造的孔道越窄小，加工效率越高，效果越好。因此，磨料流機(jī)床無(wú)論規(guī)格多大，都必須承受很大的工作載荷。為了預(yù)測(cè)微型磨料流加工機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的合理性，以及在加載條件下床身的變形情況和應(yīng)力分布情況,進(jìn)行了有限元分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化,使得機(jī)床滿足使用要求[15-16]。

1 磨料流加工原理

圖1所示為磨料流加工原理，加工之前將粘彈性流體磨料裝入下料缸，用夾具夾持固定工件，然后置于上、下料缸之間，啟動(dòng)機(jī)床使得上下料缸將夾具鎖緊，上下料缸及工件、夾具就構(gòu)成密閉通道。然后，通過(guò)外力驅(qū)動(dòng)下料缸活塞擠壓流體磨料，流經(jīng)密閉通道進(jìn)入上料缸。

粘彈性載體帶動(dòng)磨粒流經(jīng)工件加工表面的過(guò)程中與工件表面存在擠壓摩擦作用，所以，經(jīng)過(guò)數(shù)次循環(huán)加工以后，工件的被加工表面質(zhì)量有所提高。

圖1 磨料流加工原理

2 微型磨料流加工機(jī)床設(shè)計(jì)方案

在分析磨料流加工機(jī)床的工作特點(diǎn)和受力狀況的基礎(chǔ)上，根據(jù)磨料流加工原理做了如圖2所示的設(shè)計(jì)方案。微型磨料流機(jī)床的推料力和夾緊力均由液壓力提供。為了使液壓能得到充分利用，將定梁設(shè)置在上，動(dòng)梁設(shè)置在下，而且?jiàn)A緊缸活塞桿在工作過(guò)程中受壓，無(wú)桿腔能夠提供更大的工作載荷。

圖2 磨料流機(jī)床原理圖

3 整機(jī)力學(xué)分析

3.1 結(jié)構(gòu)模型

微型磨料流機(jī)床的三維裝配模型在UG軟件中用拉伸、旋轉(zhuǎn)等命令完成建模和裝配，螺栓﹑螺母等標(biāo)準(zhǔn)件從標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)中調(diào)取。

微型磨料流機(jī)床的主要技術(shù)參數(shù)：

微型料缸直徑：63mm；

推料行程：100mm；

推料缸直徑：100mm；

鎖緊缸直徑：80mm；

動(dòng)梁行程：280mm；

系統(tǒng)工作壓力：16MPa。

3.2 靜力學(xué)分析

3.2.1 模型導(dǎo)入

微型磨料流機(jī)床的三維模型如圖3所示，用UG8.0軟件導(dǎo)出微型磨料流機(jī)床的三維模型，然后導(dǎo)入ANSYS WORKBENCH軟件中進(jìn)行有限元分析。為了減小計(jì)算量，對(duì)三維模型做了簡(jiǎn)化，有限元模型中將圓角、銷(xiāo)軸、螺紋以及非重要受力部件省略。

圖3 磨料流機(jī)床三維模型微型

3.2.2 定義材料屬性

有限元分析時(shí)活塞用HT350，導(dǎo)套用錫青銅，其余部件用45鋼，需要在WORKBENCH中定義這幾種材料。材料屬性如表1所示。

表1 材料屬性

3.2.3 劃分網(wǎng)格

微型磨料流機(jī)床的網(wǎng)格由軟件自動(dòng)劃分，劃分完成以后網(wǎng)格單元數(shù)量為188024，節(jié)點(diǎn)數(shù)為382885。

3.2.4 設(shè)置邊界條件

考慮到磨料流加工的實(shí)際情況，對(duì)機(jī)床的底座下底面施加固定約束。

重要位置的螺栓施加預(yù)緊力，查手冊(cè)得M8螺栓的預(yù)緊力為7750N，按照50%施加。

根據(jù)薄壁圓筒的計(jì)算公式求得磨料的最大工作壓力為38MPa,鎖緊液壓缸活塞最大壓力為11.5MPa,推料液壓缸活塞最大壓力為15.5MPa。上﹑下料缸工作載荷為115552N。

3.2.5 結(jié)果分析

有限元分析整體變形量云圖如圖4所示,當(dāng)上、下推料缸推料時(shí)靜梁和動(dòng)梁均會(huì)發(fā)生沿Z軸方向的撓曲變形，導(dǎo)致上、下推料缸和料缸發(fā)生沿Z軸方向的位移。當(dāng)下推料缸活塞向上推料時(shí)，上料缸和上推料缸的位移量較大。動(dòng)、靜梁的變形均不利于對(duì)夾具的夾持和磨料流通道的密封。微型磨料流機(jī)床的導(dǎo)柱在Z軸方向所受拉力較大，導(dǎo)柱的變形會(huì)導(dǎo)致動(dòng)梁導(dǎo)向精度下降和運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定。圖5所示為有限元分析等效應(yīng)力云圖，最大應(yīng)力234.7MPa出現(xiàn)在導(dǎo)柱一端的鎖緊螺母上,超出了許用應(yīng)力，工作過(guò)程中屬于危險(xiǎn)部分。

圖4 磨料流機(jī)床位移分布云圖(m)

圖5 磨料流機(jī)床應(yīng)力分布云圖(MPa)

3.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為了使微型磨料流機(jī)床在工作時(shí)對(duì)于磨料通道的密封效果更好﹑對(duì)夾具的夾持效果更好﹑動(dòng)梁的運(yùn)動(dòng)更穩(wěn)定，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。動(dòng)梁沿Z軸方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，用如圖6所示的直線導(dǎo)軌導(dǎo)向代替導(dǎo)柱導(dǎo)向，導(dǎo)軌一部分固定在機(jī)架一側(cè)，另一部分固定于動(dòng)梁一側(cè)。優(yōu)化后的位移云圖如圖7所示，等效應(yīng)力云圖如圖8所示，總體位移有微量減小，最大應(yīng)力由234.7MPa降到220MPa。優(yōu)化后最大應(yīng)力220MPa出現(xiàn)在料缸的拉桿頭部位置，其余位置應(yīng)力都小于許用應(yīng)力，所以需要選擇性能等級(jí)為5.6級(jí)、最小直徑為12mm的拉桿即可避免工作中拉桿被破壞。

1.導(dǎo)軌 2.滑塊 3.反向器 4.防塵密封端蓋 5.油杯圖6 直線導(dǎo)軌

圖7 優(yōu)化后磨料流機(jī)床位移分布云圖(m)

圖8 優(yōu)化后磨料流機(jī)床應(yīng)力分布云圖(MPa)

3.4 承載極限評(píng)估分析

為了預(yù)測(cè)微型磨料流機(jī)床在工作過(guò)程中的承載范圍，以磨料流拋光毛細(xì)管的壓力分布模擬結(jié)果為例進(jìn)行加載，得到如圖9所示的壓力-最大變形量曲線圖和壓力最大等效應(yīng)力曲線圖。從圖中可以看出當(dāng)壓力低于35MPa時(shí)，微型磨料流機(jī)床均可以正常工作。

圖9 微型磨料流機(jī)床壓力-最大應(yīng)力和壓力-最大變形量曲線圖

4 結(jié)論

圍繞微小零件的光整和實(shí)驗(yàn)，以小型、高效、節(jié)能等為目標(biāo)開(kāi)展了微型磨料流加工機(jī)床的研究開(kāi)發(fā)。通過(guò)應(yīng)用有限元分析對(duì)整機(jī)結(jié)構(gòu)的合理性及優(yōu)化做到了預(yù)測(cè)、預(yù)評(píng)。研究結(jié)果表明：電液聯(lián)合控制的微型磨料流機(jī)床料缸直徑63mm,液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的壓力16MPa，流體磨料壓力可達(dá)35MPa,機(jī)床的最大變形僅0.4mm。動(dòng)梁的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向用直線導(dǎo)軌比導(dǎo)柱更穩(wěn)定，料缸兩端端蓋的拉桿性能等級(jí)為5.6級(jí)，最小直徑需要12mm。

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