吳明明

(安徽三聯(lián)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，合肥 230601)

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基于ANSYS的細(xì)長軸車削加工分析

吳明明

(安徽三聯(lián)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，合肥 230601)

在對細(xì)長軸傳統(tǒng)車削(正向)彎曲變形分析的基礎(chǔ)上，提出細(xì)長軸逆向車削的加工方法，并對細(xì)長軸的逆向車削進(jìn)行彎曲變形分析，再利用有限元法分別對兩種車削方案的加工精度進(jìn)行仿真，最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證逆向車削可以在一定程度上提高細(xì)長軸類零件的車削加工精度。

細(xì)長軸；逆向車削；有限元法

在機(jī)械加工中，把長徑比大于20的軸類零件統(tǒng)稱為細(xì)長軸。細(xì)長軸零件由于本身剛度原因，在車削時容易產(chǎn)生彎曲變形，從而改變車削刀具的實(shí)際走刀線路，車削加工精度低，很難獲得理想的加工尺寸[1]，因此被認(rèn)為是車削加工中的工藝難題。目前，國內(nèi)外對提高細(xì)長軸車削加工精度的研究主要分為兩類：一是改變工件裝夾方式，將傳統(tǒng)的卡盤-頂尖裝夾改進(jìn)為兩頂尖裝夾；二是改變切削力等加工工藝參數(shù)。本文在對細(xì)長軸傳統(tǒng)車削方法進(jìn)行力學(xué)建模和受力分析的基礎(chǔ)上，提出逆向車削的加工方法，并建立逆向車削力學(xué)模型，以分析其加工特性。通過ANSYS有限元法[2]對兩種車削方法加工精度的仿真結(jié)果進(jìn)行分析比較。

1 細(xì)長軸車削彎曲變形分析

1.1 正向車削彎曲變形分析

工件采用傳統(tǒng)的卡盤-頂尖裝夾方式裝夾，這種裝夾方式可以簡化為求解一次超靜定梁問題[3]，其力學(xué)模型如圖1所示。正向車削時，車刀從機(jī)床圍座向卡盤方向進(jìn)給，切削分力Fx使工件受壓，細(xì)長軸會產(chǎn)生比較明顯的彎曲變形；Fy使工件產(chǎn)生彎曲，使工件加工產(chǎn)生誤差。

圖1 細(xì)長軸正向車削受力分析

根據(jù)材料力學(xué)基本理論，B點(diǎn)支反力為：

再根據(jù)力學(xué)平衡方程∑Y=0，求得A點(diǎn)支反力為：

根據(jù)圖1所設(shè)的坐標(biāo)，繞度向下為負(fù)。因此，規(guī)定Fx使工件受壓時為正，則可得到距A端距離為x的截面上的彎矩方程為：

M(x)=FAx-Fxy，(0≤x≤1/2)。

撓曲線y(x)的近似微分方程為：

y″(x)=d2y/dx2=M(x)/EI。

上式中，E為材料彈性模量，I為截面對x軸的慣性矩。整理得到：

y″(x)+k2y=Tx4-px3+Qx。

(1)

方程(1)的通解為：

(2)

代入邊界條件：

當(dāng)x=0，y=0時，C1=-24T/k6；

故方程(2)的特解為：

1.2 逆向車削彎曲變形分析

細(xì)長軸逆向車削的力學(xué)模型如圖2所示。逆向車削時，車刀從機(jī)床卡盤向尾座方向進(jìn)給，此時走刀方向切削力Fx使工件受拉，不會產(chǎn)生徑向彎曲變形，此時工件的彎曲變形可看作僅僅是由Fy所引起的，可得到工件撓曲線方程為：

圖2 細(xì)長軸逆向車削受力分析

2 細(xì)長軸車削的有限元分析

已知條件：工件長為800 mm，直徑為30 mm，長徑比為26.67(長徑比大于20，工件屬于細(xì)長軸)。工件材料為45號鋼，密度為7 800 kg/m3，泊松比為0.3，彈性模量E=210 GPa。本次仿真分析中，將細(xì)長軸沿軸向離散成80個節(jié)點(diǎn)，利用ANSYS軟件，分別對正向切削時刀具作用在細(xì)長軸1/4，1/2，3/4處的受力進(jìn)行分析[4]，得到的細(xì)長軸彎曲變形圖，如圖3所示。

使用相同的方法利用ANSYS軟件對細(xì)長軸進(jìn)行逆向車削分析，得到細(xì)長軸逆向車削彎曲變形圖，如圖4所示。

(a)1/4處彎曲變形圖

(b)1/2處彎曲變形圖

(c)3/4處彎曲變形圖圖3 細(xì)長軸正向車削時彎曲變形圖

(a)1/4處彎曲變形圖

(b)1/2處彎曲變形圖

(c)3/4處彎曲變形圖圖4 細(xì)長軸逆向車削時彎曲變形圖

將上述仿真結(jié)果進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，得到細(xì)長軸正向、逆向車削彎曲變形參數(shù)表，詳見表1。

表1 細(xì)長軸正向、逆向車削彎曲變形參數(shù)

由表1看出，不論正向車削或是逆向車削，細(xì)長軸最大彎曲變形量都出現(xiàn)在軸長的1/2附近[5]；比較正向、逆向參數(shù)發(fā)現(xiàn)，不論在細(xì)長軸長的1/4處、1/2處還是3/4處，逆向車削相比正向車削的彎曲變形量都要小約5%，可見逆向車削方案能在一定程度上提高細(xì)長軸車削的加工精度。

3 實(shí)驗(yàn)論證

3.1 實(shí)驗(yàn)條件

機(jī)床：CK360；試件：45號鋼，工件尺寸Φ32×800 mm；車刀：硬質(zhì)合金鋼YT15；測量工具：V型鐵、百分表、磁力架等。

3.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

裝夾方式：卡盤-頂尖安裝；主軸轉(zhuǎn)速：600 r/min；背吃刀量：1 mm；進(jìn)給速度：80 mm/min。為了消除正反向車削時由手動進(jìn)給速度差異造成的誤差，實(shí)驗(yàn)采用同一臺數(shù)控車床，均使用相同的切削參數(shù)完成對細(xì)長軸的車削加工。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果測量

(1)測量時，將軸頸兩端支承在V型鐵上；

(2)將軸沿著長度方向等分為4測量段，測量點(diǎn)表面必須選在沒有毛刺、麻點(diǎn)、鼓包、凹坑的光滑軸段或機(jī)加工面；

(3)將軸端面分成8等份作為測量點(diǎn)，起始“1”為軸上鍵槽等的標(biāo)志點(diǎn)；

(4)將百分表裝在軸向長度各測量位置上，測量桿要垂直于軸表面，其中心通過軸心，將百分表小指針調(diào)整到量程中間，大指針調(diào)到“0”，將軸緩慢轉(zhuǎn)動1周，各百分表指針應(yīng)回到起始值；

(5)逐點(diǎn)測量并記錄各百分表讀數(shù)。根據(jù)記錄，計(jì)算同一斷面內(nèi)軸的晃動值，并取其1/2值為斷面的彎曲值，測量結(jié)果見表2。

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)對比可知，細(xì)長軸逆向車削能取得更好的加工精度，與有限元分析結(jié)果基本一致。

表2 實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果

4 結(jié)論

仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，逆向車削加工細(xì)長軸的方法能在一定程度上提高細(xì)長軸的車削加工精度。這為細(xì)長軸的逆向車削提供了理論依據(jù)，也驗(yàn)證了有限元法在細(xì)長軸車削分析中的可靠性。

[1] 吳能章.軸類零件加工的鼓形誤差預(yù)報與補(bǔ)償[J].西華大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2005，24(1)：41-44.

[2] 李婭.有限元網(wǎng)格自動剖分及優(yōu)化方法[J].西華大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2003，22(3)：106-108.

[3] 劉洪文.材料力學(xué)[M].北京：人民教育出版社，1979.

[4] 楊紅義.基于ANSYS的細(xì)長軸車削過程中的模態(tài)分析[J].遼寧工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2008，28(4)：242-245.

[5] 郭建亮.基于切削力測量的細(xì)長軸加工誤差在線補(bǔ)償[J].機(jī)床與液壓，2009，37(12)：66-67.

(責(zé)任編校：夏玉玲)

An ANSYS-Based Analysis of Slender Shaft Turning

WU Ming-ming

(School of Mechanical Engineering，Anhui Sanlian University，Hefei 230601， China)

Based on the analysis of the bending and deformation in the traditional turning (positive) of slender shaft， the author of this paper has put forward the reverse turning method for slender shafts，analyzed the bending and deformation in the reverse turning， and simulated the turning precisions of the two methods with the finite element method. The results show that the reverse turning method can improve the machining accuracy for slender shafts.

slender shaft； reverse turning；finite element

安徽省質(zhì)量工程項(xiàng)目(2015jxtd045)

吳明明(1984-)，男，安徽廬江人，講師，碩士，主要從事機(jī)械加工工藝、數(shù)控技術(shù)研究。

TH161+.5

A

1672-349X(2016)06-0044-04

10.16160/j.cnki.tsxyxb.2016.06.012