侯運豐，張龍波，廖秋巖

（蘭州理工大學(xué) a.數(shù)字制造技術(shù)與應(yīng)用省部共建教育部重點實驗室；b.機(jī)電工程學(xué)院，蘭州730050）

大型雙進(jìn)給珩磨頭磨頭體的拓?fù)鋬?yōu)化*

侯運豐a，b，張龍波a，b，廖秋巖a，b

（蘭州理工大學(xué) a.數(shù)字制造技術(shù)與應(yīng)用省部共建教育部重點實驗室；b.機(jī)電工程學(xué)院，蘭州730050）

大型雙進(jìn)給珩磨頭具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、質(zhì)量大的特點，其自身重量對珩磨加工精度有重要影響。以加工直徑為φ400mm的雙進(jìn)給珩磨頭作為研究對象，使用SolidWorks軟件建模，采用ANSYS軟件對其進(jìn)行靜力學(xué)分析，并根據(jù)分析結(jié)果使用拓?fù)鋬?yōu)化對磨頭體進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。結(jié)果表明，在保證加工精度的同時磨頭體質(zhì)量減輕了3.89kg，為大孔徑珩磨機(jī)裝備優(yōu)化提供參考。

珩磨頭；磨頭體；拓?fù)鋬?yōu)化

0 引言

珩磨作為一種磨削加工的特殊形式，是指采用一組裝配在珩磨頭體上的油石，給油石沿徑向?qū)ぜ┘右欢ǖ膲毫?，并通過旋轉(zhuǎn)運動和往復(fù)運動進(jìn)行加工的精密加工方法［1］。對于加工直徑為φ400mm的雙進(jìn)給珩磨頭，通過測量可知珩磨頭質(zhì)量為149.34kg，磨頭體的質(zhì)量為68.52kg，磨頭體的質(zhì)量占珩磨頭質(zhì)量的45.88%。磨頭體作為連接傳動軸及支撐整個珩磨頭零件的工件，同時引導(dǎo)油石座徑向漲出并起支撐和導(dǎo)向的作用，在加工過程中主要受自身重力和承受油石所受的軸向珩磨力，相對受力較小，因此將磨頭體作為珩磨頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化輕量化的首選零件。在大功率船用柴油發(fā)動機(jī)缸套加工過程中，珩磨頭在主軸帶動下做高速旋轉(zhuǎn)運動的同時做上下的往復(fù)運動，換向時大質(zhì)量的珩磨頭及其慣性會對珩磨機(jī)主軸產(chǎn)生沖擊，進(jìn)而影響到珩磨網(wǎng)紋質(zhì)量，因此，在珩磨頭設(shè)計時，應(yīng)考慮在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和功能的前提下，盡量減小珩磨頭的質(zhì)量。

近年來也有不少對切削工具分析優(yōu)化的例子，如王宏亮［2］等以深孔鏜刀作為研究對象，通過分析其運動過程和受力情況，設(shè)計出滿足工作要求的刀具；韓偉鋒［3］等對盾構(gòu)刀盤進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變分析，重新配置刀盤設(shè)計參數(shù)，從而使其在滿足整體安全性能的前提下，提高材料的使用率，減輕了刀盤的質(zhì)量。本文基于ANSYS有限元法，應(yīng)用拓?fù)鋬?yōu)化對加工直徑為φ400mm的雙進(jìn)給珩磨頭進(jìn)行分析與優(yōu)化，為大型雙進(jìn)給珩磨頭的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供一定的參考。

1 珩磨頭工況及載荷計算

1.1 工況分析

在珩磨加工過程中主軸帶動珩磨頭在孔內(nèi)做旋轉(zhuǎn)運動，同時珩磨頭做直線往復(fù)運動。如圖1所示為大型雙進(jìn)給珩磨頭的結(jié)構(gòu)剖面圖，在運動過程中，由活塞桿推動珩磨頭上的頂桿，使錐體下移漲開油石座進(jìn)行切削，在整個運動過程中，大頂桿與小頂桿的受力情況、大錐體與小錐體的受力情況、粗珩油石座與精珩油石座的受力情況相似，并且在整個運動過程中磨頭體不直接受到珩磨力的作用，因此，在受力分析時為了更加真實準(zhǔn)確反應(yīng)出磨頭體的受力情況，應(yīng)當(dāng)以整個珩磨頭作為研究對象進(jìn)行分析，并單獨查看磨頭體的受力情況，以提高實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

圖1 φ400mm雙進(jìn)給珩磨頭結(jié)構(gòu)圖

1.2 載荷計算

根據(jù)經(jīng)驗公式對珩磨力進(jìn)行計算［3］：

式中：切削系數(shù)f=0.3，加工缸套類零件網(wǎng)紋角θ= 60。，油石工作面積A=8000mm2，油石的工作壓強(qiáng)P=5MPa。

由以上公式計算可知，周向切削力：F圓周= 10392 N，軸向切削力：F軸向=6000 N。

2 結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析

2.1 創(chuàng)建有限元分析模型

有限元模型的建立，可以在ANSYSWorkbench中實現(xiàn)，但由于其建模功能有限，建模過程工作量大，過程復(fù)雜，故選用SolidWorks軟件進(jìn)行三維建模，并以面面匹配的方式組裝模型［4］。如圖2所示，完成模型的建立與裝配，為保證零件質(zhì)量及裝配屬性，將零件模型以IGES格式（即.igs格式）導(dǎo)入ANSYSWorkbench中對其進(jìn)行有限元分析［5］。

圖2 φ400mm雙進(jìn)給珩磨頭三維模型

2.2 模型靜態(tài)分析

按照設(shè)計要求，珩磨頭的磨頭體和粗精油石座材料為40Cr，大小錐體的材料為20Cr，大小頂桿的材料為45號鋼。其材料信息如表1所示［6］。

表1 材料性能參數(shù)

珩磨頭在工作過程中，頂部橫向孔為全約束，粗珩加工時始終是八個粗珩油石通過粗珩油石座及粗珩油石座推桿傳遞給珩磨頭受力。因此，實驗時按最差工況將徑向力（即壓強(qiáng)5MPa）和軸向力6000N施加在油石座的正接觸面上，將圓周力10392N施加在油石座的側(cè)向接觸面上，約束和加載如圖3所示。

圖3 約束和載荷加載簡圖

在ANSYSWorkbench的接觸選項中，粗精油石座與大小錐體、磨頭體之間的接觸設(shè)置為“Frictional（有摩擦）”，摩擦系數(shù)設(shè)為0.12；大小頂桿與大小錐體、磨頭體之間的接觸設(shè)置為“Rough（粗糙）”；選用中等精度自動劃分網(wǎng)格以減少不必要的計算時間，網(wǎng)格劃分完成后，共生成282317個節(jié)點和127307個單元，再進(jìn)行靜力學(xué)分析。

磨頭體的靜力學(xué)分析結(jié)果如圖4，隱藏珩磨頭其他零部件，選中文章所研究的磨頭體查看，其最大應(yīng)力位于第一層筋板與磨頭體基體連接部分的上端，其最大數(shù)值為68.33MPa，遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度785MPa。而且從圖中可以看出在第一層筋板以下應(yīng)力減小，其應(yīng)力值在22 MPa以下，磨頭體的底端、油石座槽及筋板上梯形減重孔處的應(yīng)力分布較小，因此，可以將磨頭體下端支撐部位及磨頭體上的梯形孔的部位作為優(yōu)化的對象進(jìn)行優(yōu)化。

圖4 磨頭體靜態(tài)分析載荷云圖

3 拓?fù)鋬?yōu)化及結(jié)果分析驗證

3.1 創(chuàng)建有限元模型和加載求解

拓?fù)鋬?yōu)化是指形狀優(yōu)化，有時也稱為外型優(yōu)化。拓?fù)鋬?yōu)化的目標(biāo)是在受到給定約束的情況下，為了使某個目標(biāo)量最小化或最大化而尋求實體材料的最佳使用方案。尋找承受單載荷或多載荷的物體的最佳材料分配方案［7］。

模型的創(chuàng)建與靜力學(xué)分析相同，分析類型選擇“Shape Optimization”，約束設(shè)置與靜力學(xué)分析相同，在珩磨頭的頂部橫向孔施加全約束，在八個粗珩油石座正接觸面上施加徑向力（即壓強(qiáng)5MPa）和軸向力6000N，在油石座的側(cè)向接觸面上施加圓周力10392N。并設(shè)置以質(zhì)量作為優(yōu)化目標(biāo)，設(shè)置優(yōu)化值為30%，并進(jìn)行求解運算，結(jié)果如圖5所示，圖中灰色所示為建議保留的部分，紅色所示的區(qū)域是可以進(jìn)行優(yōu)化刪除的部分。

圖5 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

3.2 根據(jù)分析結(jié)果改進(jìn)模型

圖5中顯示的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果為不規(guī)則形狀，而在實際珩磨頭設(shè)計中，由于珩磨頭是圓柱體形狀并且在工作過程中做往復(fù)旋轉(zhuǎn)運動，考慮到珩磨頭的運動穩(wěn)定性與受力情況及其支撐導(dǎo)向的作用，不能切除所有紅色區(qū)域，根據(jù)磨頭體的受力情況和載荷分布，按規(guī)則形狀進(jìn)行切除，即圖中標(biāo)記A的區(qū)域加大磨頭體四個筋板上梯形減重孔的面積以及圖中標(biāo)記B的區(qū)域減小磨頭體下部伸出的部分，最終得出磨頭體模型，如圖6所示。

圖6 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

3.3 優(yōu)化結(jié)果驗證

按照靜力學(xué)分析的步驟，對拓?fù)鋬?yōu)化后得出的模型進(jìn)行靜力學(xué)分析，優(yōu)化后的結(jié)果如圖7所示，其最大應(yīng)力位于第一層筋板與磨頭體基體連接部分的上端，優(yōu)化后的磨頭體受力情況有所增大，其最大值為79.51MPa，遠(yuǎn)小于磨頭體材料的屈服強(qiáng)度，最大位移也有所增大，但變形量在可控范圍之內(nèi)，仍然滿足設(shè)計要求，而且磨頭體的質(zhì)量有所減小。將優(yōu)化前與優(yōu)化后的分析結(jié)果進(jìn)行對比，對比結(jié)果如表2所示。優(yōu)化后磨頭體的質(zhì)量減小了3.89kg，

圖7 優(yōu)化后磨頭體載荷云圖

表2 磨頭體優(yōu)化前后各性能結(jié)果

4 結(jié)論

在對φ400mm的雙進(jìn)給珩磨頭結(jié)構(gòu)和受力分析的基礎(chǔ)上，采用ANSYSWorkbench對珩磨頭進(jìn)行靜力學(xué)分析，并用ANSYSWorkbench的拓?fù)鋬?yōu)化模塊進(jìn)行優(yōu)化，并對磨頭體結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，使其在保證加工精度的前提下，質(zhì)量減小了5.6%，為今后珩磨頭其他零部件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了依據(jù)。

［1］張云電.現(xiàn)代珩磨技術(shù)［M］.北京：科學(xué)技術(shù)出版社，2007.

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（編輯 李秀敏）

Topological Optim ization of Grinding Head of Large Double Feed Honing Head

HOU Yun-fenga，b，ZHANG Long-boa，b，LIAO Qiu-yana，b
（a.DigitalManufacturing Technology and the Application of the Ministry of Education Key Laboratory；b.Mechanical and Electrical Engineering College，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China）

Large double-feed honing head has a complex structure，large volume，high quality features，its own weight has a significant impact on honingmachining accuracy.In processingφ400mm dual feed honing head as the research object，using SolidWorks softwaremodeling，using ANSYS software，its static analysis，and the use of topology optimization based on the analysis carried outon the grinding body structure optimized.The results showed thatensure precision grinding bodymasswhile reducing 3.89kg，provide a reference for large diameter honing machines and equipment optimization.

honing head；grinding head；topological optim ization

TH16；TG580.67

A

1001-2265（2015）07-0026-03 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.07.008

2014-09-26；

2014-10-25

“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”科技重大專項（2011ZX04002-122）

侯運豐（1971-），男，太原人，蘭州理工大學(xué)教授，博士，研究方向為特種裝備設(shè)計與制造，（E-mail）jygzhanglb@163.com。