快換式研磨機(jī)外筒體軌道設(shè)計(jì)及應(yīng)力仿真

夏維臣，楊權(quán)，吳波，孫飛，西成才

（1.宿州學(xué)院高端微納研磨裝備校企協(xié)同創(chuàng)新工程中心，安徽宿州 234000；2.安徽儒特實(shí)業(yè)有限公司，安徽宿州 234000；）

在工業(yè)飛速發(fā)展的當(dāng)前社會(huì)，精細(xì)化研磨加工也在快速發(fā)展，安徽儒特實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的RTSM-0.2 臥式研磨機(jī)研磨顆粒目前已達(dá)到微米級，有效提高了研磨墨水材料的研磨水平[1]。哈爾濱商業(yè)大學(xué)的李鷺通過對砂磨機(jī)研磨過程的研究，以研磨過程為研究對象，再對其進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模和仿真分析，得到了磨砂機(jī)在研磨過程中有待改善的地方，為研究研磨過程提供了一定的參考[2]。

研磨設(shè)備作為工業(yè)發(fā)展過程中的重要內(nèi)容，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)已成為包括工程機(jī)械在內(nèi)的制造業(yè)的發(fā)展趨勢[3]。

陳建通過試驗(yàn)探討了研磨過程中磨料粒度，研磨壓力和研磨速度等工藝參數(shù)對工件表面粗糙度及殘余應(yīng)力的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，磨料粒度和研磨壓力對工件表面粗糙度的影響較大，而研磨速度的影響較小，研磨使工件表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，殘余壓應(yīng)力隨磨料粒度、研磨壓力及研磨速度的增大而增大[4]。

1 運(yùn)行軌道建模與有限元分析

1.1 筒體建模、設(shè)計(jì)軌道建模

根據(jù)測量數(shù)據(jù)，利用Soildworks2019 建立研磨體模型，保存為x-t 格式，導(dǎo)入到Workbench 中，分別賦予模型不同零部件材料屬性，利用軟件計(jì)算筒體質(zhì)量，筒體三維模型示意圖見圖1。

圖1 筒體三維模型示意圖

為了得到設(shè)計(jì)軌道所需要的承受力量，此處利用軟件求得整個(gè)筒體質(zhì)量為79.993 kg，在筒體的日常維護(hù)和清洗過程中，由于筒體質(zhì)量較大，不容易進(jìn)行拆卸保養(yǎng)，因此，進(jìn)行軌道設(shè)計(jì)，具備快速拆卸，重量輕便的特點(diǎn)。設(shè)計(jì)思路如下：在筒體四個(gè)底座部分，設(shè)計(jì)滑塊結(jié)構(gòu)，滑塊弧面30 mm，滑塊下面連接實(shí)心圓柱導(dǎo)軌，導(dǎo)軌直徑30 mm，長度500 mm，軌道見圖2。四個(gè)滑塊的長均為64 mm，寬為40 mm，高度為15 mm，滑塊見圖3。將前文設(shè)計(jì)的零件和筒體依次進(jìn)行裝配得到以下整裝圖，整裝見圖4：

圖2 軌道三維模型示意圖

圖3 滑塊三維模型示意圖

圖4 整裝模型示意圖

1.2 軌道受力分析及有限元分析結(jié)果

筒體的質(zhì)量通過滑塊傳遞到軌道，考慮到筒體是對稱結(jié)構(gòu)，單個(gè)軌道承受筒體質(zhì)量的一半，因此只需要對單軌道進(jìn)行應(yīng)力分析即可。

軟件ANSYS workbench 有結(jié)構(gòu)力學(xué)分析功能。建立單軌道模型，把三維模型轉(zhuǎn)化為x-t 格式，導(dǎo)入到Workbench 靜力學(xué)模塊，對軌道進(jìn)行網(wǎng)格劃分，產(chǎn)生網(wǎng)格2573 個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)473 個(gè)，見圖5。通過受力分析，得到軌道受力399.965 N，在軌道平面施加載荷，同時(shí)考慮軌道底部固定在研磨機(jī)座，對地面施加固定約束，見圖6。

圖5 軌道網(wǎng)格劃分示意圖

圖6 軌道變形示意圖

從圖中可以看到，軌道變形最大量5.9645E-10 m，發(fā)生在軌道中心，符合實(shí)際情況。但是變形量相對于軌道尺寸太小，不會(huì)對軌道產(chǎn)生影響。得到應(yīng)力結(jié)果示意圖見圖7。從圖中可以看出，軌道最大應(yīng)力為0.30933 MPa，最大應(yīng)力產(chǎn)生在軌道兩端，因?yàn)閮啥斯潭?，發(fā)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象?？紤]到選用的材料為不銹鋼，屈服應(yīng)力310MPa，產(chǎn)生的應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度，不會(huì)造成損壞。但是該軌道質(zhì)量較大，不方便人工拆卸和安裝，為了減輕質(zhì)量，方便拆裝，則需要進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。

圖7 實(shí)心軌道變形示意圖

2 軌道輕量化設(shè)計(jì)

單個(gè)實(shí)心軌道質(zhì)量2.7744 kg，考慮到受力對軌道影響較小，因此采用輕量化設(shè)計(jì)，湯歷平研究表明當(dāng)固定圓桿橫截面積時(shí)，設(shè)計(jì)桿件的橫截面可使其具有較強(qiáng)的抵抗失效與破壞的能力，針對這一問題，通過研究拉壓、扭轉(zhuǎn)和彎曲等載荷形式，分析了截面形狀對圓桿強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明，桿件截面形狀與尺寸的變化對其強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性具有很大的影響[5]。圓形軌道空心化處理，圓環(huán)直徑應(yīng)滿足圓柱直徑的10%，具體設(shè)計(jì)見圖8：

圖8 軌道輕量化設(shè)計(jì)

為了便于筒體清洗，延伸軌道長度500 mm，同時(shí)設(shè)計(jì)了支撐軌道。建立了軌道，延伸軌道，支撐架并進(jìn)行了裝配。具體示意見圖9 所示；其中軌道，延伸軌道采用套裝結(jié)構(gòu)，支撐架采用圓角處理。裝配后模型見圖10 所示。軌道輕量化后的質(zhì)量為21.209 kg，而輕量化前質(zhì)量27.7216 kg。輕量化后軌道的重量減輕了6.5126 kg，得到輕量化的程度達(dá)到了23.5%。

圖9 支撐軌道模型圖

圖10 軌道裝配模型圖

3 軌道輕量化結(jié)果分析對比

在經(jīng)過輕量化后，對整體裝配軌道進(jìn)行靜力學(xué)特性分析，依舊使用ANSYS 軟件workbench 模塊中的靜力學(xué)分析。將三維模型保存為x-t 格式導(dǎo)入到workbench 靜力學(xué)分析中，對整體裝配軌道進(jìn)行網(wǎng)格劃分，產(chǎn)生網(wǎng)格59595 個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)12998個(gè)?？梢缘弥?，單元格和節(jié)點(diǎn)相對于輕量化之前有所增加，主要原因是輕量化后產(chǎn)生很多比較小的邊界尺寸，網(wǎng)格更加細(xì)化造成的，見圖11。

圖11 軌道網(wǎng)格劃分示意圖

筒體主要在水平軌道上進(jìn)行滑動(dòng)，軌道受力不變，為軌道上表面的力載荷，方向垂直向下，在平行軌道表面分別添加承受力399.965 N，對地腳和水平軌道右端面施加固定約束，見圖12。添加軌道變形和應(yīng)力，進(jìn)行求解通過計(jì)算，得到變形結(jié)果見圖13：從圖中可以看到，裝配軌道變形最大量6.1472E-6 m，發(fā)生在延伸軌道與支撐架連接處。變形量相對于軌道尺寸太小，不會(huì)對筒體在軌道上的運(yùn)行產(chǎn)生影響。得到應(yīng)力結(jié)果示意圖見圖14。從圖中可以看出，軌道最大應(yīng)力為2.0738 MPa，最大應(yīng)力產(chǎn)生在軌道右端，因?yàn)閮啥斯潭?，發(fā)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象?？紤]材料為不銹鋼，屈服應(yīng)力310 MPa，產(chǎn)生的應(yīng)力還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度，不會(huì)造成安全損壞。

圖12 施加載荷示意圖

圖13 軌道變形示意圖

圖14 整體應(yīng)力示意圖

分析結(jié)果表明，裝配后的軌道所承受的應(yīng)力為2.0738 MPa，產(chǎn)生的應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

（1）參考實(shí)物研磨機(jī)和筒體的結(jié)構(gòu)，對研磨機(jī)筒體進(jìn)行了改造，對此進(jìn)行設(shè)計(jì)出軌道。利用Soildwoks2019 建立了軌道和軌道支架的三維模型，包括筒體軌道、筒體地腳滑塊和整體裝配的模型圖。

（2）對研磨機(jī)筒體軌道靜力學(xué)分析，結(jié)果表明：軌道在使用過程中，軌道變形最大量5.9645E-10 m，軌道最大應(yīng)力為0.30933 MPa，最大應(yīng)力產(chǎn)生在軌道兩端，因?yàn)閮啥斯潭?，發(fā)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象?？紤]到選用的材料為不銹鋼，屈服應(yīng)力310MPa，產(chǎn)生的應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度，不會(huì)造成安全損壞。

（3）為安裝和拆卸軌道方便，對軌道進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)。主要對軌道進(jìn)行通孔處理，軌道輕量化后的質(zhì)量為21.209 kg。為了便于筒體清洗，延伸軌道長度500 mm，同時(shí)設(shè)計(jì)了支撐軌道。建立了軌道，延伸軌道，支撐架并進(jìn)行了裝配。輕量化后的軌道力學(xué)特性表現(xiàn)為：裝配后研磨機(jī)筒體軌道最大應(yīng)力為2.0738 MPa，裝配軌道變形最大量6.1472 E-6 m。產(chǎn)生的應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度，不會(huì)造成損壞。