基于ANSYS的无心外圆磨床砂轮架系统热变形研究.pdf

2 0 1 0年 8 月 第3 8 卷 第 1 6期 机床与液压 MACHI NE T O0L HYDRAULI C S Au g 2 01 0 Vo 1 3 8 No 1 6 D OI 1 0 3 9 6 9 j is s n 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 1 6 0 1 2 基于 A N S Y S的无心外圆磨床砂轮架系统热变形研究 冯渊 范圣耀 无锡职业技术学院 江苏无锡 2 1 4 1 2 1 摘要 运用三维软件 P r o E建立了砂轮架系统模型 并将 C A D模型转成有限元模型 通过定义系统热载荷和边界条 件 获得砂轮架稳态和瞬态温度分布 采用间接热结构耦合法对砂轮架系统进行热变形分析 为改善磨削工件的加工精度 指明了方向 关键词 无心外圆磨削 热变形 A N S Y S 中图分类号 T G 5 8 1 3 文献标识码 A 文章编 号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 J 1 6 0 3 2 3 The Re s e a r ch o f He a t Dis t o r t io n o f t he Cy lind r ica l Ce n t e r le s s t y p e Gr ind ing M a ch ine Ho u s ing Ba s e o n ANS YS FENG Yu a n F AN S h e n g y a o Wu x i I n s t it u t e T e ch n o lo g y J ia n g s u Wu x i 2 1 4 1 2 1 C h in a Ab s t r a ct T h e mo d e l o f g r in d in g ma ch in e h o u s in g is ca r r ie d o u t wit h P r o E a n d t h e fi n it e e le me n t mo d e l is co n s t r u ct e d Af t e r t h e t h e r ma l l o a d a n d b o u n d a r y co n d i t i o n s a r e d e fi n e d t h e s t e a d y s t a t e t e mp e r a t u r e a n d t r a n s i e n t t e mp e r a t u r e d is t r ib u t i o n a r e o b t a in e d B y u s i n g in d ir e ct t h e rm al s t ruct u r e co u p li n g me t h o d h e a t d is t o r t i o n o f t h e g r i n d i n g ma ch i n e h o u s i n g i s fi n i s h e d w h i ch wi ll h e lp the wo r k pie ce imp r o v e t h e ma ch in e p r e cis ion Ke y wor ds Cy lin d r ica l ce nt e r le s s t y p e n din g He a t d is t o r t io n ANS YS 无心外圆磨削作为一种获得高精度 低粗糙 度 的精加 工 工 艺 方法 在 汽 车 零 件 制造 领 域 占有 重要地位 例 如 气 门 喷 油 嘴 针 阀 的成 形 磨 削 活塞 销 的高 精度 磨 削 薄壁 缸 套 的 切入 磨 削 喷 油泵 柱塞 的配磨 等 在 磨 削 时 工 件 直 接 放 在 砂 轮 导 轮之 间 用 托 板 支 承 以被 磨 削 的外 圆 面 作为定位面 如 图 1所示 由于其 特殊 的加工方 式 因此无心外圆磨床的动态性能对工件 的加工 精度有很大影响 作者对无锡某企业 的无 心外 圆磨 床砂 轮架 系统 进行 了稳态和 瞬态热 分析 并 通过 间接热结 构耦 合 法对砂轮架系统进行 热变形 分析 为 进一步 的结 构 优化 性能提高提供 了改进 的依据 从 而提 高磨 削 加工精度 1 砂轮架系统有限元模型 1 1 砂轮 主轴 系统 砂轮主轴系统 中 如图 1 所示 有一对型号为 7 2 1 4 C的角 接 触 球 轴 承 背 对 背 安 装 和 一 个 型 号 为 N N 3 0 1 4 K的双 列短 圆 柱滚 子 轴承 安装 在 主 轴左 端 一 个 同型号的双列短 圆柱滚子轴 承安装在 主轴 右端 1 2 为一对角接触球轴承 3 4 为双列短 圆柱滚 子轴承 轴承均采用 克鲁博 A s o n i c H Q 7 2 1 0 2润滑脂 进行润滑 上 c D E 图 1 砂轮主轴系统 1 2 单元类型和材料属性 由于砂轮主轴在工作过程中受到轴承摩擦发热的 影响 因此需要对砂轮架进行热结构耦合分析 作者 采用间接耦 合 的分析 方法 考 虑到模 型本身 的复 杂 性 在对其进行热分析时 选用三维十节点四面体热 实体 S O L I D 8 7单元 划 分 网格 研 究其 热 变形 时 将 单元类型转变为等效的结构单 元 S O L I D 9 2 砂轮架 系 收稿 日期 2 0 1 0 0 4 0 1 基金项 目 无锡市科技基础设施项 目 C M E S 0 9 1 3 作者简介 冯渊 1 9 6 3 一 男 副教授 主要研究 方向为 汽车制造 技术 电话 0 5 1 0 8 5 9 1 6 0 9 8 E m a il lu ck y f y h o t ma il co no 第 1 6期 冯渊 等 基于 A N S Y S的无心外圆磨床砂轮架系统热变形研究 3 3 统在 A N S Y S 1 0 0中的 有 限元 网格 模 型 如 图 3所 示 在 4个轴承处 单元划分较密 因为此处是热量产 生 的地方 较 密的 网格 可 以得 到较好 的计 算 精度 和 结 果 在 图 2的有 限元模 型 中 一共 生成 了 6 6 6 9 7个 实体单元 图 2 砂轮架 系统 的有 限元 网格模 型 在砂轮架有限元模型 中 将上端盖 砂轮 机架及 轴瓦定义为铸铁材料 主轴定义为钢材料 砂 轮定义 为金刚石磨粒砂轮 轴承 1 2 定 义为 G C r l5 轴承 3 4 定义 为 S i 3 N 4 1 3 热载荷和边界条件的定义 I 3 1 轴承发热量 在磨床 工作过程 中 由于电机热量极少传人磨床 内部 液压 系统产生 的热量少并及时散发掉 而切削 热被 切屑和冷却液带走 因此一般 只考虑主轴 系统 中 轴承的摩擦 发热 同时 相对于导轮主轴而言 砂 轮主轴的转速远远高于导轮主轴 一般为导轮主轴的 7 0 8 0倍 故 磨床 工作 时 砂轮 主轴 系统 的发热对 磨床加工精度影响较大 其热变形也是影响磨床加工 精度 的主要 因素 作者考虑整体轴承 利用 P A L MG R E N经验公式 来计算轴承的发热量大小 并结合轴承材料参数 可 得各个轴承的发热功率如表 1 所示 表 1 各轴承的发热功率 w 根据表 1的发热 功率 和轴 承 型号 对应 的几 何 尺 寸 分别得到 4个轴承在 不 同温度 时的生 热率载 荷 如表 2所示 在有限元 分析的过程中 将生 热率载 荷 作 为体载荷进行施加 表 2 各轴 承的生热 率 m 温度 轴承号 1 样 2 3 4 撑 1 3 2 对流换热系数和温度边界条件 系统中的表 面对 流换热 系数 h为 h Nu k n 一 i a 1 一 l l J 式中 k n i d 是周 围空 气 的导 热 系数 N u为 努谢 尔 特 数 d为主轴平均直径 磨床在加工时 由于主轴的高速旋 转 会加快其 与空气 的对流 尤其是主轴前后端部分 其努谢尔特 准则方程 为 N u 0 1 3 3 R e P r 2 式 中 为雷诺数 P r 为普 朗特数 式 2 仅适用 于 R e 4 3 1 0 0 7 P r 6 7 0的情形 文 中砂 轮主 轴工作转速为 1 1 0 0 r m in 环境温度为 2 5 对于 自 由换热表面 取换热系数 h为 9 7 W m K 由于 砂轮架机架底 面与床身接触 故定义底 面的表 面温度 为 T 2 5 2 砂轮架系统温度场分析 2 1 砂轮 架稳 态热 分析 在前述基础上 对 砂轮架系统分别进行稳态热分 析 得到砂轮架 热平衡过程 中稳态温度 场的分布 如 图 3所示 图 3 砂轮架系统稳态温度场分布 从 图3整体 上来 看 砂轮架左侧部 分的温度 明显 比右侧 的高 最 高温度发生在 轴承处 为 3 9 1 9 6 主要是因为砂轮主轴左端有 3个轴承 总发热量 比右 端大 门 L m m 觎 L m m m 3 5 6 l 1 m m m 3 5 6 勰 l 1 加 3 4 机床与液压 第 3 8卷 2 2 砂轮 架瞬态热分析 在砂轮架系统 的瞬态热分析求解过程 中 考虑到 最终热平衡的时间问题 以 3 0 0 0 0 S 作 为热平衡终止 时间 得到最终的子步数为 n 6 3 在瞬态热分析的时间历程后处理 中 定义 图 1中 砂轮架左侧面 6个点处的温度值 如 图 4所示 并得 出 6 个点的温度随时间的上升规律 如图 5 I h 1 尊 t 鼻 r 静 T 一 雅 蕾 t 一憎 墨 l f 摊 l I 呻 hh I t 矗 g 悄 慧 7 研 l H h d a r I h 1l r l 一 一 一 鲤l鬣蓄 警 i毫 l鏊 i 誊 誓 0 0 翌 37 34 4 31 8 2 9 2 26 6 2 4 3 蓍 2 赠 图4 6个点温度值的定义 0 6 1 2 1 8 2 4 3 0 时 间 1 0 s O 6 l2 1 8 24 30 时间 1 0 s 37 34 4 2 3 1 8 篝 26 6 2 4 37 34 4 辩 26 6 24 37 34 4 31 8 2 6 6 2 4 0 6 1 2 l8 24 3 0 时 间 1 0 s 0 6 1 2 l8 2 4 30 时间 1 0 s 0 6 I 2 1 8 2 4 30 时 间 1 0 0 s f 点 图5 典型位置6个节点温度 一 时间关系曲线 由图5的 a 一 f 可见 这 6个点的温升曲 线在最初 的时间里上升比较缓慢 尤其是点 D E F 这一趋势较明显 在很短一段 时间之后 这 6个点 的 温度急剧增加 但不久它们的温度都趋于稳定 升幅 很小 3 砂轮架系统热变形分析 根据热结构耦合理论 在稳态温度场求解结果的 釜 基础上 对砂 轮架 系统 中 砂轮与工件 的接触部 分施 加图 6所 示 的大 小 相 等 方 向相反 的切 向磨削力 和 图6 磨削力曲线图 法向磨 削力 并 设置 砂轮 机架 底 面的位 移 方向均 固定 通过热结构耦合场的分析 得到砂轮架系统热变 形如图 7所示 可以看 出 砂轮架 系统的最大变形发 生在上端盖左边的前端部分 因为整个系统左侧部分 的热量较右侧的高 使得砂轮机架左边热膨胀比较 大 导致与 机架结合 的上端 盖前端 呈现 上翘 状 态 同时砂轮主轴左端也发生较大变形 这对磨床的 加工精度有很严重 的影响 图7 热变形分析结果 表 3为图 2 所取 6 个点 的位移值 比较 6个点在 l z方向上 的位 移大 小可 知 在 y方 向上产 生 的位移 大于在 z方 向上 的位移 且在点 A处位 移 最大 对于横 向进给 磨削 由于 方 向上 的位移对 加工精度的影响不大 y和 z方 向上的位移 才是研究 的重点 表 3 砂轮主轴上点的位移 m 位移 X方向 Y 方向 z方向 总位移 一 2 2 4 5 8 1 5 1 4 5 5 8 41 4 4 3 2 3 8 4 6 2 1 9 8 6 7 2 4 51 3 2 4 4 8 5 1 9 5 0 1 1 6 5 9 3 5 l3 6 8 5 5 1 0 7 6 6 1 5 9 3 7 0 8 1 0 7 9 7 5 8 3 8 l 7 7 O 6 1 7 5 7 41 7 4 4 0 5 6 5 3 4 6 71 31 2 6 2 2 3 3 4 1 9 1 7 5 1 6 0 9 6 l4 7 3 7 5 而 l 和 z方 向的较大移 动就导 致前端呈 现 上 翘 的现象 这将会 直接影响工件径 向尺寸的磨削 对磨床的加工精度产生直接的影响 而热变形后 砂 轮主轴左端呈现上翘 向前倾的状态 砂轮在 方 向上 的位移对工件 的加工精度 形位公差也会产生一 定的影响 4结束 语 作者运用三维建模 软件 P r o E n g i n e e r 建立 了砂轮 架系统 的三维 C A D模 型 通过 P r o E与 A N S Y S 软件 下转第 1 2页 鲫 博 n 6 时 0 1 2 机床与液压 第3 8卷 从测量分析的结果可判断 工件略微欠切 第四次试切 仅减小 向偏置值 0 0 0 1 5 1 T n T I 安装工件并找正后 重新切削对刀件 测量工件结果 如图 2 d 所示 全轮廓的面形误差 P 0 0 7 3 0 tx m 工件球径 R 4 0 6 3 7 9 I z m 从测量分析的结果 可判 断 工件 面形精度以及球冠半径均满足要求 通过以上的4次试切 完成了刀具的精确对刀 表 3 列出了4 次切削的对刀参数修改和对应的检测结果 表3 试切对刀参数修改和加工对刀件测量结果 一 W 0 均匀 0 0 3 M 0 均匀 一 0 0 6 6 4 0 1 4 4 9 1 5 03 9 一 O 0 0l 4 0 61 0 2 0 O 9 5 7 O 0 0 3 4 0 6 3 7 1 0 0 9 7 8 0 4 0 6 3 7 9 0 0 7 3 0 3加工工件 s q y4 6 I nnl t t u l qo a 1 1 V 上接第 9页 传递的力矩也有一定影响 2 内 外筒之间间隙 h对磁流变液传动机构的 凋速范围影响也很大 选择大的h有利于提高调速范 围 但太大又不利于提高系统 的动态 品质并增大 系统 的黏性功率损失 因此 为改善圆筒式磁流变传动机构性能 应合理 设计结构参数r 和h 并选择合适的M R F 使机构的调 速范 围 动态品质和功率损耗均得到较好 的兼顾 参考文献 1 K o r d o n s k y W E l e m e n t s a n d d e v ice s o n m a g n e t o r h co l o g i ca l e f f e ct J I n t e l 1 Ma t e r S y s t e ms a n d s t r u ct 1 9 9 3 4 1 6 5 6 9 2 C h o i S B K i m S L L e e H G P o s it io n co n t r o l o f a m o v in g t a b l e u s in g E R clu ck a n d E R b r a k e C P r o ce e d i n g s o f t h e 6 I n t e r n a t io n a l C o n f e r e n ce o n E le ct r o e o lo g ical F lu id s Ma g n e t o r h e o lo g ica l S u s p e n s i o n s a n d T h e i r Ap p li ca t i o n s J a pa n 1 9 9 7 6 61 6 6 9 3 C h o i S e u n g B o k N a m M o o H o L e e B y o u n g K y u V ib r a t i o n co n t r o l o f a MR s e a t d a m p e r f o r co m m e r ci a l v e h i cl e c P r o ce e d in g o f S P I E in S ma r t S t r u ct u r e a n d Ma t e r ia l S ma r t S t r u ct u r e s a n d I n t e g r a t e d S y s t e ms 2 0 0 0 4 9 1 4 9 6 4 黄宜坚 黄豪彩 朱石沙 圆筒式电流变传动机构的研究 J 机床与液压 2 0 0 2 4 4 2 4 5 上接 第 3 4页 的接 口 将 C A D模 型转成 A N S Y S有限元模型 并定 义了砂轮架系统的热载荷和边界条件 进行 了砂轮架 稳态和瞬态热分析 并通过问接热结构耦合法对砂轮 架系统进行热变形分析 结果表明 砂轮架温度沿主 轴方 向从左至右呈现明显的梯度 并逐 渐减小 为提 高磨削工件的加工精度提供了改进的途径 参考文献 1 赵恒华 王颖 磨削加工技术的发展及现状 J 机械制 造与 自动化 2 0 0 7 3 6 2 5 7 2 徐建宁 屈文涛 赵宁 滚动轴承的温度场和热变形分析 J 轴承 2 0 0 6