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      摘 要：通過分析目前生產(chǎn)中外圓磨床尾架對工件精度的影響，設(shè)計了調(diào)錐尾架結(jié)構(gòu)，并介紹了其調(diào)錐原理，通過對調(diào)錐尾架進(jìn)行受力分析，利用ANSYS Workbench 對其進(jìn)行靜力結(jié)構(gòu)分析和模態(tài)分析，得出了調(diào)錐尾架結(jié)構(gòu)能滿足要求的結(jié)論。

 
 
      磨床在磨削工件時，尾架對工件起到支承和定心的作用。尾架結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，會導(dǎo)致尾架剛度不足、振動大等問題，最終影響工件的加工精度。因此，對外圓磨床尾架結(jié)構(gòu)的研究就顯得尤為重要。在磨削高精度外圓柱面時，要求頭尾架頂尖中心線與砂輪橫向進(jìn)給方向平行，由于磨削時頭架與尾架的熱變形不一致，從而使兩頂尖中心線與砂輪橫向
進(jìn)給方向的平行度發(fā)生變化。而且，尾架在使用過程中，尾架體殼基部與導(dǎo)軌存在摩擦，長此以往，接觸面的磨損也會使兩頂尖中心的偏移，導(dǎo)致加工的工件圓柱度達(dá)不到要求。因此，磨床擁有一個具有調(diào)錐功能的尾架就很有必要。

      1、 調(diào)錐尾架設(shè)計

      1.1 調(diào)錐尾架結(jié)構(gòu)

     調(diào)錐尾架的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，其特點是：在體殼內(nèi)裝有襯套，襯套內(nèi)裝著尾架套筒，頂尖裝在套筒內(nèi)，襯套和套筒之間有兩個密植軸承，通過密植軸承小鋼球的滾動減小了摩擦力。前、后密植軸承的位置由體殼側(cè)面的一個擋銷（圖1 為正視圖，看不見此擋銷）限制。

                            圖1 調(diào)錐尾架剖視圖

     在后蓋板外部設(shè)有油缸，油缸的柱塞桿與連接套通過螺紋連接緊固在一起；連接套與套筒通過螺栓及側(cè)面的鍵連接在一起。連接套和外套之間有上、下兩個精密交叉滾柱直線滑動導(dǎo)軌副，可以減小連接套軸向運動時的摩擦，同時能夠?qū)⑼馓椎霓D(zhuǎn)動傳給連接套和尾架套筒，從而實現(xiàn)其調(diào)錐功能。在磨削工件時，打開油缸開關(guān)，此時，油缸中的柱塞桿伸出，將套筒和頂尖頂出，支撐并定心工件，配合頭架實現(xiàn)磨削。

      1.2 調(diào)錐尾架調(diào)錐原理

      調(diào)錐尾架實現(xiàn)調(diào)錐的原理如圖2 所示。當(dāng)旋轉(zhuǎn)豎直小軸1 時，由于螺紋副的作用，通過水平小軸2 繞O 點旋轉(zhuǎn)，從而帶動尾架套筒轉(zhuǎn)動，由于頂尖錐孔的中心線與尾架套筒外圓柱面的中心線存在5.2 mm 的偏心距，因此，在尾架套筒旋轉(zhuǎn)的過程中，頂尖中心線會有一個水平方向的偏移量，從而實現(xiàn)調(diào)錐的功能。

                          圖2 尾架調(diào)錐功能原理簡圖

     從圖中可看出，若將各零部件視為剛體，并且接觸無間隙，則各零部件（除套筒外）是完全定義的，即所有自由度均被限定。但是由于間隙的存在，以及各零部件受力時會有微量的變形，故連接座能夠繞O 點轉(zhuǎn)動一個微小的角度。

     假設(shè)豎直小軸 1 旋轉(zhuǎn)一個角度α（0 <α <=π）時，由于小軸1 軸向固定無位移，螺紋副螺距為2mm,則水平小軸2 沿小軸1 軸向移動的距離為h，

     2 、調(diào)錐尾架受力分析

     2.1 磨削力的確定

     砂輪與工件接觸進(jìn)行磨削，其磨削過程一般分為三個階段：第一階段是滑擦階段，砂輪磨粒的切削刃與工件表面開始接觸，工件發(fā)生彈性變形；第二階段為耕犁階段，切削刃壓入工件的塑性基體，經(jīng)過塑性變形之后，金屬基體被推向砂輪磨粒的一側(cè)，導(dǎo)致工件的表面金屬顆粒從基體上隆起；第三階段為切屑形成階段，此階段，隆起的表面金屬顆粒被砂輪切削刃從基體上切除。而磨削力就是起源于工件與砂輪接觸后引起的彈性變形、塑性變形、切屑形成以及磨粒和結(jié)合劑與表面之間的磨擦作用。為方便理解及計算，一般將磨削力沿著三個相互垂直的方向分解為三個分力：砂輪旋轉(zhuǎn)切線方向的切向力Ft，砂輪和工件接觸面法線方向的法向力Fn，縱向進(jìn)給方向的軸向力Fa，如圖3 所示。

                  圖3 工件所受磨削力分解示意圖

     軸向力Fa一般比較小，可以忽略不計。

     2.2 工件重力及頂緊力的確定

     該調(diào)錐尾架適用的外圓磨床能加工的工件最大直徑320 mm，最大長度為750 mm，最大質(zhì)量150 kg。磨床的工況為兩頂尖共同頂持工件磨削，因此，作用在尾架頂尖的重力為工件總重力的1/2，即150×9.8×1/2＝735 N對于兩頂尖支承工件的機(jī)床系統(tǒng)，根據(jù)實際經(jīng)驗可知，其對工件的頂緊力一般為工件自重的70%～80%。考慮尾架在極限工況下仍必須具備良好的性能，分析時取頂緊力為工件自重的80%。所以，對于該磨床所能加工的工件最大自重，其頂緊力為：150×9.8×80％N=1176 N

 
     3 、調(diào)錐尾架靜力結(jié)構(gòu)分析

     3.1 模型分析時的假設(shè)
 

    由于尾架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，受多方面因素的影響，進(jìn)行有限元分析時，為簡化計算，進(jìn)行如下假設(shè)：

     （1）認(rèn)定尾架是由相同材料組成，密度均勻分布，在工作過程中始終處于彈性階段；
 
     （2）假定位移和變形都是微小的 。

     3.2 材料物理參數(shù)

    金屬材料的物理性能參數(shù)如比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、彈性模量、屈服應(yīng)力等一般都隨溫度的變化而變化，當(dāng)溫度變化范圍不大時，可采用物理性能參數(shù)的平均值來進(jìn)行計算。因此，可選用室溫下材料的物理參數(shù)值進(jìn)行模型的靜態(tài)分析和模態(tài)分析。

    分析的磨床尾架所使用的材料及其常溫下的物理性能參數(shù)，如表1 所示。

               表1 尾架所用零件材料常溫下的物理性能參數(shù)

     3.3 靜力結(jié)構(gòu)分析

    調(diào)錐尾架是由許多零件裝配而成的大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)，主要由頂尖、體殼、后體殼及安裝在體殼和后體殼的眾多零部件組成，且存在多處零件間的接觸連接。若不對模型進(jìn)行簡化處理，將很大程度上影響計算速度，甚至?xí)鹩嬎憬Y(jié)果不收斂等嚴(yán)重錯誤。因此，在將模型導(dǎo)入有限元分析軟件之前，首先對尾架的CAD 模型進(jìn)行簡化，如去除不直接承受力的零件、忽略零件上小的螺栓孔、銷孔、凸臺、倒角以及退刀槽等對分析結(jié)果影響不大的局部細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)。

   將尾架裝配體所分的各部分的三維模型分別導(dǎo)入到ANSYS Workbench 中，添加各零件的材料屬性，定義、修改接觸對。在劃分網(wǎng)格時，將定義了不同接觸類型的零件區(qū)分對待，定義了摩擦接觸（Frictional）的兩零件盡量采用Sweep 或MultiZone的網(wǎng)格劃分方法，并適當(dāng)?shù)貙⒕W(wǎng)格劃分的比較小；定義了綁定接觸（Bonded）及不分離接觸（NoSeparation）的零件，則可由計算機(jī)內(nèi)部程序自動控制劃分方法。劃分之后的有限元模型，如圖4 所示。

    
                   圖4 網(wǎng)格劃分
 

    添加相應(yīng)的載荷及約束；設(shè)置求解項并求解，結(jié)果如圖5、圖6 及圖7 所示。

               圖5 前體殼部分分析結(jié)果

           圖6 后體殼部分分析結(jié)果

            圖7 油缸部分分析結(jié)果
 

    將分析結(jié)果匯總整理，如表 2 所示。

                    表2 現(xiàn)有尾架靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析結(jié)果匯總

    由表2 可知，該尾架在工作過程中，產(chǎn)生的最大應(yīng)力不足100 MPa，而各零件所用材料的許用應(yīng)力均大于100 MPa，故其強(qiáng)度滿足要求。

    變形也都在許可范圍內(nèi)，所以剛度不成問題。對于比較關(guān)心的頂尖，其變形量也不足15μm，是滿足要求的。

    4 、模態(tài)分析結(jié)果

    以靜力分析的求解為輸入數(shù)據(jù)，這樣我們省去了修改材料屬性，定義接觸類型、網(wǎng)格劃分和添加載荷及約束，直接設(shè)置求解項并求解，在工程應(yīng)用中，通常關(guān)注前4 階低階的固有頻率已經(jīng)足夠，結(jié)果如圖8（前體殼部分）、圖9（后體殼部分）、圖10（油缸部分）所示。

                   圖8 前體殼部分模態(tài)分析結(jié)果

                         圖9 后體殼部分模態(tài)分析結(jié)果

                      圖10 油缸部分模態(tài)分析結(jié)果

      將分析結(jié)果匯總，如表 3 所示。

                         表3 現(xiàn)有尾架模態(tài)分析結(jié)果匯總（Hz）

    該尾架各部分的各階固有頻率均在 400 Hz 以上，可以得出尾架整體，其各階固有頻率至少也在400 Hz 以上。而該磨床砂輪驅(qū)動電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為1 400 r/min，砂輪轉(zhuǎn)速1 520 r/min，頭架主軸轉(zhuǎn)速30~300 r/min，故磨床各振源的頻率為0.5~5 Hz、23.3 Hz 和25.3 Hz，所以不會產(chǎn)生共振。

  
      5、 結(jié)語

     應(yīng)用分析軟件對調(diào)錐尾架進(jìn)行分析，該尾架在工作過程中，產(chǎn)生的最大應(yīng)力小于各零件的許用應(yīng)力，故其強(qiáng)度滿足要求；變形量也都在許可范圍內(nèi)，所以剛度滿足要求。頂尖變形量也在設(shè)計范圍內(nèi)。而且，該尾架動態(tài)性能良好，不存在共振的問題。