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深孔内圆磨床内圆磨具刚度分析及补偿方法（完整版）实用资料
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试验与研究
深孔内圆磨床内圆磨具刚度分析及补偿方法
上海机床厂(200093夏萍周晓琴
上海理工大学(200093周晓玲汪中厚
摘要在计算机上建立与物理样机具有相同实验功能的虚拟样机模型、并进行动态性能仿真分析是现代机械设计与制造的核心技术之一。本文利用三维软件Pro/E与其中的Pro/MECHANICA模块,对深孔内圆磨床内圆磨具机构进行了精确建模,同时对其进行了变形刚度仿真分析,并提出了变形的补偿方法。关键词磨床Pro/MECHANICA虚拟样机仿真刚度分析
引言
深孔内圆磨床内圆磨具的刚度是影响磨削加工表面质量的主要因素之一,如何提高它的刚度来避免表面磨削质量的缺陷是一个值得关注的问题。由于内圆磨具的结构特点是支撑臂长,内部结构也比较复杂,而且其外部尺寸还受到限制,依靠传统的方法不易计算出其刚度变形以及改善其刚度特性。
虚拟样机仿真技术有以下几个特点。首先,是在建造物理样机之前,即在设计阶段,就在计算机上建立其机械系统的数字化模型。第二,每个零部件都给予物理特性,而且,每个零件间可以定义出是接触,还是刚性或弹性连接。第三,虚拟样机具有与物理样机同样的实验功能。也就是说,虚拟样机是一种计算机模型,它能够反映实际产品的几何、物理与力学特性,也就是说包括外观、空间关系以及运动学和动力学的特性。借助于这项技术,设计人员可以在计算机上建立机械系统的三维模型,模拟在真实环境下系统的运动和动力特性,并根据仿真结果不断改进设计,来优化机械系统。它在三维CAD模型的基础上,把虚拟技术与仿真方法相结合,为产品的研发提供了一个全新的设计方法。应用该项技术,可以大量减少实验费用与开发周期,提高产品质量,适应现代产品的少量、多品种、周期短与高性能的要求。
在本文中,就是通过有限元仿真与分析可以找出磨杆、内圆磨具、支架整体静刚度和动刚度的薄弱
环节,并加以改进,使得当砂轮正常转动且切削力在给定的条件下,砂轮端的变形量可以优化到最小,并得到固定端部的补偿数据。1几何及特理建模
利用三维软件Pro/E对深孔内圆磨床内圆磨具进行了精确几何建模,其几何模型如图1所示。该图表示了整体剖面图与局部断面图。由图可以看出,它的结构特点是,支持托臂长,托臂内有6对轴承支撑着主轴。这是一个相对较复杂的机构,传统的材料力学的刚度计算方法比较难处理这种问题

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图1三维几何建模
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01・《精密制造与自动化》
几何模型完成以后,必须给每个零件定义材料特性。该机构除砂轮以外全部采用45号钢。因此,做仿真解析时,使用钢材的密度、弹性模量、泊松比等物理特性材料。砂轮的密度可用其重量反算得出,在这里,可认为砂轮变形较小,故对其的弹性模量可设定较大值

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图2载荷情况
在受载方面,该机构受到以下的力:砂轮的切削力、皮带轮的拉力以及重力。对于切入磨削过程,砂轮端的径向力为20kg,切向力为6kg;皮带轮端的径向力为5kg,切向力为1.6kg。重力是仿真软件系统根据几何形状以及密度自动算出重心以及其作用位置

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图3约束情况
由于该机构的大端面采用了螺栓固定,所以对于大端面进行全约束设定,也就是说大端面不产生任何变形。
在几何模型上,定义了物理特性、载荷条件以及约束条件后,就可以利用Pro/E中的Pro/MECHANI2CA模块进行刚度仿真分析了。在该机构的刚度仿真分析中,做了以下几个特别处理:1.轴承的径向刚度依靠改变其滚珠的径向弹性模量使其刚度与预紧时的刚度保持一致。2.滚珠材料的周向弹性模量设定为很小,以模拟滚动轴承只受较小的周向阻力。Pro/MECHANICA的仿真分析的流程可参见文献2。2解析结果
Pro/MECHANICA仿真模块的最大特点是,解析
精度高,单元要素自动化分。尽管该仿真模块采用的是四面体要素,而且比较粗大,但由于它采用了P型有限元素法,在解析过程中,仿真系统内部会自动拉升位移函数的阶数来提高其解析精度,故可以保持很高的解析精度。同时,Pro/E与Pro/MECHANI2
CA之间,采用的是无缝连接,不存在数据丢失问题。
特别值得一提的是,他们之间数据是采用动态连接,Pro/E中几何尺寸改变后,直接反映到Pro/ME2CHANICA中,其它如载荷、约束等设定都保留着,不
需要重新设定。这样,

设计人员就可以方便地进行
机构的优化设计。图4
解析结果图4是表示了内圆磨具的刚度的解析结果。从该结果中,可以直观地看出该机构的薄弱环节,从而在结构设计上不断加以改进与完善。在以上载荷与边界条件下的砂轮前端的最大变形量为:重力方向为64微米,切削力方向为34微米。3设计改善及其结果
根据仿真结果,找出了结构设计中的薄弱环节。
并在设计中,作了以下改善:1.砂