基于ANSYS 的拉削定位面優(yōu)化設(shè)計(jì)

趙文昌，任聰

（陜西法士特齒輪有限責(zé)任公司，陜西 西安 710119）

前言

數(shù)值模擬技術(shù)是將計(jì)算機(jī)科學(xué)和現(xiàn)代數(shù)學(xué)、力學(xué)的發(fā)展成果及新的計(jì)算方法結(jié)合起來(lái)，而發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新興技術(shù)。隨著計(jì)算機(jī)處理速度的迅速提高，計(jì)算機(jī)模擬已經(jīng)和實(shí)驗(yàn)觀察、理論分析并列成為本世紀(jì)科學(xué)研究的三種方法。通過(guò)數(shù)值模擬技術(shù)，可以代替需要大量費(fèi)用的工藝實(shí)驗(yàn)。近年來(lái)，有限元方法在切削工藝中的應(yīng)用表明，切削工藝和切屑形成的有限元模擬對(duì)了解切削機(jī)理、提高切削質(zhì)量是很有幫助的。

直齒輪拉削過(guò)程中有時(shí)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的喇叭口問(wèn)題，工件出口端與進(jìn)口端的跨棒距相差0.1mm 以上，嚴(yán)重影響拉削工件的質(zhì)量。針對(duì)這一問(wèn)題，本文以某型直齒輪拉削為例，通過(guò)運(yùn)用ANSYS 對(duì)該工件在不同定位面情況下，進(jìn)行拉削中工件變形仿真分析，從而更改卡具定位平面，改善了工件喇叭現(xiàn)象。

1 ANSYS 拉削過(guò)程模擬仿真

有限元法就是一種計(jì)算機(jī)模擬分析技術(shù)，它能夠用計(jì)算機(jī)模擬出一個(gè)工程問(wèn)題的發(fā)生過(guò)程而無(wú)須把實(shí)物實(shí)際做出來(lái)。有限元軟件ANSYS 是美國(guó)ANSYS 公司開(kāi)發(fā)的一款專(zhuān)業(yè)的CAE 軟件，具有完善且強(qiáng)大的前后處理及分析計(jì)算能力。

1.1 拉削力計(jì)算

拉削時(shí)，雖然拉刀的每一個(gè)刀齒只切去很薄的一層金屬，但由于同時(shí)參加工作的切削刃總長(zhǎng)很長(zhǎng)，因此拉削力很大。在金屬切削刀具設(shè)計(jì)手冊(cè)[1]中拉刀的切削力計(jì)算公式為：

其中：F 為拉削力；Fc’為單位刀刃長(zhǎng)度切削力，N/mm；∑b 為每個(gè)刀齒切削刃寬度，mm；Zi為同時(shí)工作齒數(shù)；N 為花鍵齒數(shù)；Kγ、Kα、Kδ、Kω分別為前角、后角、刀齒鋒利程度、切削液對(duì)拉削力影響的修正系數(shù)，一般亦可忽略不計(jì)。

針對(duì)某型直齒輪，根據(jù)其材料、拉削時(shí)的齒升量和拉削參數(shù)等，可知Fc’=207N/mm、∑b=7.77mm、N=18，Zi=4；因此，F(xiàn)=115804N。

1.2 創(chuàng)建有限元模型

1.2.1 建立三維實(shí)體模型

ANSYS 是最流行的有限元分析軟件，但實(shí)體和曲面造型功能較弱。因此，運(yùn)用UG 對(duì)分析對(duì)象進(jìn)行實(shí)體建模，然后將建好的三維模型導(dǎo)入ANSYS 軟件進(jìn)行有限元分析。本文所探討的是拉削過(guò)程，切削層的厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于工件花鍵的寬度，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，可將花鍵簡(jiǎn)化為圓孔拉削。

1.2.2 定義材料

在Geometry 中設(shè)置模型材料。已知某型直齒輪的材料為20CrMnTiH，在軟件中簡(jiǎn)化設(shè)置為Structural Steel。

1.2.3 劃分網(wǎng)格

有限元網(wǎng)格的劃分有限元網(wǎng)格質(zhì)量的好壞和數(shù)量的多少將直接影響到計(jì)算結(jié)果的精度和計(jì)算規(guī)模的大小。網(wǎng)格劃分密度過(guò)于粗糙，結(jié)果可能包含嚴(yán)重的錯(cuò)誤；過(guò)于細(xì)致，將花費(fèi)過(guò)多的計(jì)算時(shí)間，浪費(fèi)計(jì)算機(jī)資源，而且可能導(dǎo)致不能運(yùn)行。某型直齒輪形狀比較規(guī)則，故其網(wǎng)格劃分通過(guò)手動(dòng)定義單元大小，自動(dòng)網(wǎng)格劃分。

1.2.4 約束邊界及施加載荷

根據(jù)工件的拉削狀況，模型的載荷和約束考慮如下：①忽略重力的影響，由于切削力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于重力，因此這里忽略重力的影響；②切削力作用在軸向，均分布在內(nèi)圓孔上；③約束工件的定位面，見(jiàn)圖1，該工件底部有不在同一平面的兩個(gè)環(huán)面，故在模擬仿真時(shí)，每次仿真定位一個(gè)環(huán)狀面為定位面，定義以圖中黃色標(biāo)記面為定位時(shí)為方案一，以紅色標(biāo)記面定位，為方案二。

圖1 工件兩個(gè)不同定位面

1.2.5 計(jì)算結(jié)果分析

運(yùn)用ANSYS 軟件進(jìn)行模擬，可得仿真模擬結(jié)果：若定位面選擇圖1 中黃色標(biāo)記的面為定位面，即方案一，則得到上下端面在徑向變化量，見(jiàn)圖2(a)，可見(jiàn)拉削后工件上端面收縮嚴(yán)重，而下端面有輕微的擴(kuò)張，相差約為0.02mm；若定位面選取圖1 中紅色標(biāo)記面，即方案二，則模擬結(jié)果見(jiàn)圖2(b)，拉削后工件上端面處嚴(yán)重收縮，下端面嚴(yán)重?cái)U(kuò)張，上下端面變形量約為0.08mm。由此可見(jiàn)，根據(jù)模擬分析結(jié)果，采用內(nèi)孔端面定位方式更合理。

圖2 仿真模擬圖

2 某型直齒輪拉削喇叭孔現(xiàn)象明顯改善

某型直齒輪，現(xiàn)場(chǎng)拉削定位面選用方案二，采用平面定位的卡具，圖3 中（a）所示，拉削后測(cè)量工件上下端跨棒相差0.09mm；將卡具法蘭盤(pán)的平面修改為帶錐面的平面，圖3中（b）所示，拉削定位面選用方案一，試?yán)ぜ瑴y(cè)量工件上下端面的跨棒距，則其相差0.02mm，工件拉削喇叭口現(xiàn)象明顯得到改善，處在工藝要求的范圍。

圖3 拉削卡具二維圖

3 總結(jié)

本文針對(duì)某型直齒輪拉削后產(chǎn)生的喇叭口問(wèn)題，通過(guò)建立其三維幾何模型，選取不同定位面，運(yùn)用ANSYS 軟件進(jìn)行拉削過(guò)程虛擬仿真分析，得到了在選取不同拉削定位面時(shí)，工件變形程度，從而指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)卡具更改，解決了某型直齒輪拉削過(guò)程中出現(xiàn)的嚴(yán)重喇叭口問(wèn)題，為后續(xù)拉削工藝的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供有力的依據(jù)。