有限元法的高精度重型回轉(zhuǎn)頂尖撓度的研究

2013-06-17 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來(lái)源:仿真在線

高精度重型回轉(zhuǎn)頂尖應(yīng)用于P60S滾齒機(jī)中,主要用于加工重型高精度齒輪,加工精度要求高,且被加工齒輪的結(jié)構(gòu)尺寸和自重都很大。在加工大型齒輪時(shí),由于工件自重和切削力作用,使頂尖前端部撓度過(guò)大,導(dǎo)致齒坯軸線偏離齒輪回轉(zhuǎn)中心,產(chǎn)生幾何偏心,對(duì)齒輪加工精度影響很大。機(jī)床尾座頂尖是影響被加工齒輪齒向精度的關(guān)鍵因素,為了提高齒輪加工精度,需要對(duì)頂尖結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)以提高頂尖的承載能力,減小頂尖前端部的撓度。

1 回轉(zhuǎn)頂尖撓度的有限元計(jì)算

頂尖結(jié)構(gòu)如圖1所示。頂尖主要由2部分構(gòu)成:頂尖體、頂尖軸和軸承。頂尖徑向支承采用一對(duì)雙列圓柱滾子軸承,承受頂尖軸的徑向力。中間推力球軸承主要承受軸向力。頂尖體尾部安裝在滾齒機(jī)尾座錐孔內(nèi),形成懸臂梁結(jié)構(gòu)。

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由于頂尖采用一對(duì)雙列圓柱滾子軸承做徑向支承,涉及到復(fù)雜的接觸和非線性問(wèn)題,基于有限元軟件ABAQUS(優(yōu)秀的非線性能力,所以采用ABAQUS(有限元軟件分析在靜態(tài)徑向力作用下,頂尖前端部撓度與作用力的關(guān)系。

由于在加工齒輪時(shí),頂尖受工件自重力和切削力作用,主要是徑向方向力,因而在分析頂尖撓度時(shí),忽略主要承受軸向力的推力球軸承。利用ABAQUS(可得頂尖三維簡(jiǎn)化模型。頂尖模型由頂尖體、頂尖軸和前后支承軸承構(gòu)成。同時(shí)選擇三維一階長(zhǎng)方體單元作為主要單元類型,以改進(jìn)二階四面體單元作為頂尖端部的單元類型;將軸承內(nèi)外圈表面與頂尖軸和頂尖體的接觸設(shè)為小滑移接觸,頂尖體和頂尖軸接觸為主面,滾子與滾道間接觸設(shè)為一般接觸,軸承內(nèi)外圈接觸面為主面,建立頂尖的有限元模型。

在頂尖最前端施加徑向力計(jì)算頂尖的撓度。在實(shí)際工作中,加工不同的工件和采用不同的切削用量會(huì)使頂尖受力不同,根據(jù)實(shí)際工作中取得的受載數(shù)據(jù),取最大作用力F=,相應(yīng)的頂尖體和頂尖軸應(yīng)力分布和變形情況如圖2所示。圖2(a)中頂尖體的根部產(chǎn)生了應(yīng)力集中,最大應(yīng)力達(dá)到31.61MPa,變形比較明顯,導(dǎo)致整個(gè)頂尖沿受力方向上翹,在前支承軸承處變形較大,兩者都會(huì)引起頂尖前端部較大偏移。圖2(b)中頂尖軸也產(chǎn)生了較大的上翹變形,主要是由于頂尖體變形導(dǎo)致前支承軸承跟隨頂尖體的接觸面向上位移,前支承軸承對(duì)頂尖軸的支承剛度不足。

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圖3所示為作用力與頂尖前端部撓度δ的關(guān)系。由圖3可見(jiàn),隨著F的增大,頂尖前端撓度近似線性增大;當(dāng)F增大到時(shí),頂尖前端部撓度δ高達(dá)0.08mm。

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2 影響回轉(zhuǎn)頂尖撓度的因素

為研究頂尖體對(duì)頂尖撓度的影響,將頂尖體后端部固定在機(jī)床頂尖架上,施加固定約束計(jì)算頂尖撓度。由圖3可見(jiàn),頂尖體加上固定約束后,頂尖前端部撓度δ大幅減小:由加約束前的0.08mm減小到加約束后的0.035mm,減小了大約56%,說(shuō)明頂尖體的變形占頂尖撓度的56%,是影響頂尖撓度的最大因素。并且頂尖體加上固定約束后,頂尖體根部應(yīng)力集中消除,在加固定約束前的上翹現(xiàn)象得到抑制,其變形基本消除。

在兩個(gè)雙列圓柱滾子軸承的內(nèi)圈同時(shí)加上軸向固定約束,計(jì)算頂尖在力F=作用下的撓度,來(lái)確定頂尖軸變形對(duì)頂尖撓度的影響,如圖4所示。由圖4可見(jiàn),軸承內(nèi)圈加固定約束后,頂尖在力F作用下的撓度為S2,頂尖軸變形引起頂尖撓度占整個(gè)頂尖撓度的1.5%左右。頂尖撓度的其它42.5%由雙列圓柱滾子軸承變形引起。

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3 回轉(zhuǎn)頂尖結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

由于在力的作用下頂尖前端部撓度δ達(dá)到了0.08mm,較大的撓度使齒輪加工時(shí)產(chǎn)生較大誤差,為了消除頂尖剛度不足帶來(lái)的齒輪加工誤差,需要對(duì)回轉(zhuǎn)頂尖結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

由于頂尖前端部撓度過(guò)大的主要原因是頂尖剛度不足,其中頂尖體對(duì)頂尖的剛度影響最大,其次是軸承。所以,要提高頂尖剛度主要應(yīng)減小頂尖體和軸承的變形,尤其應(yīng)減小頂尖體的變形。

頂尖體為一前端部開(kāi)口的懸臂梁結(jié)構(gòu)。在頂尖承受徑向載荷時(shí),這種結(jié)構(gòu)的頂尖體根部附近會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中,彎曲變形嚴(yán)重,導(dǎo)致整個(gè)頂尖前端部撓度增加。為了減小或消除頂尖體變形,可以將頂尖體外表面設(shè)計(jì)成與P60S滾齒機(jī)尾座孔匹配的錐形,將頂尖體直接全部安裝在機(jī)床尾座孔內(nèi),如圖5所示,實(shí)現(xiàn)頂尖體的徑向完全固定。這種結(jié)構(gòu)在工程上也是容易實(shí)現(xiàn)的。

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對(duì)改進(jìn)后的回轉(zhuǎn)頂尖建立有限元模型并進(jìn)行計(jì)算,在頂尖前端部施加F=S1的最大徑向作用力,得出改進(jìn)后回轉(zhuǎn)頂尖前端部撓度δ與作用力關(guān)系曲線,如圖6所示。改進(jìn)后頂尖前端部撓度大幅減小,在F=時(shí),由改進(jìn)前的0.08mm下降為0.043mm,下降幅度達(dá)46.25/%,說(shuō)明改進(jìn)后頂尖承載能力得到大幅度提高,改進(jìn)方案是有效的。