数控成型磨床砂轮修整器的优化.pdf

精密制造与自动化
2012年第2期
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试验与研究
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数控成型黁床砂轮修整器的优化
朱晓君
(上海机床厂有限公司上海200093)
摘要利用 Solidworks建立了数控成型砂轮修整器的三维模型,并以 ANSYS软件对修整器进行结构刚度和模
心进行分析。介绍了修整器材料的物理特性、边界条件的定义、计算模型应力和应变等分析,确保了 ANSYS软
件进行模态分析的正确性。并对修整器结构进行了优化设计,保证了修整器的优良性能。
关键词优化分析磨床修整器结构度模态分析
成形磨削技术作为当前磨削技术发展的重要领
域之,近年来得到了快速的发展。但是目前成形
砂轮修整技术还存在一定的局限性,例如:采用车
削法修整和杯形砂轮修整肘修整工具捩耗较快。虽
然金刚石滚轮修整效率高、精度高,但是修整速度
较慢。新开发设计的数控成形砂轮修整器弥补了上
述修整器的不足,但是由于刚度、振动等因素降低
了其性能和使用寿命。
运用 ANSYS软件,对数控成型臍床砂轮修整
图1砂轮修整器结构有限元模型
器(简称修整器)进行了结构刚度和模态的有限元
分析,对其结构进行优化,为设计出性能优良、成件的耐磨性,在结构设计中修整器底座及各个托板铸
本低廉的修整器提供了技术支持。
件均采用灰铸铁HI200。为了合理简化力学模型其它
结构材料,采用45钢材。材料的物理常数见表1。
1修躉器的结构刚度分析
1.1有限元模型的建立
表1所用材料物理常数
首先,根据已有的图纸按照实际结构尺利用
材料物理常数
Solidworks建立三维模型,然后把结构中的零件及
名称
弹性模量E/GPa
泊松比
密度p(Kgm)
些接触组合体构成修整器的力学模型。将此模型Hr0
7200
格式转换后导入 ANSYS:网格划分时,先将模型
钢
0.3
7800
中的几个体粘结起来,然后对各个体进行属性分配
(包括每种体的单元类型及材料特性),最后通过自1.3边界条件的定义
由体扫描划分网格,以网格的疏密程度来决定求解
该修整器结构,是通过底座安装在砂轮架体壳
的难度和精确度。一般情况下,选择适当的网格疏上的。在工作过程中边界约束可以简化为底座地面
密程度,既能保证求解的精度,又不会因为网格太固定全约束形式。整个修整器受到重力作用,在模型
密而导致计算费时。使用 Solid95来选择实体单中施压有沿Y轴正方向的重力加速度。对砂轮修整的
元,并进行单元划分,如图1所示。
过程是金刚石笔与砂轮的相互切削过程,对修整器
1.2物理模型材料的定义
而言,砂轮对金刚笔的反作用力就是主动外力。这
机床选材的主要目标是保证刚度和摩擦副中零个外力类似于砂轮磨削に.件时的切削力,它的大小
朱晓君数控成型磨床砂轮修整器的优化
也与修整量、砂轮材料和砂轮的磨削特性等有关。而工作频率,这样可以避免修整器发生共振。
且相对于修整器的自重而言,修整力可以暂时不考
由于固有频率是一种内在属性,与零部件的材
虑,故模型的外力作用仅为重力。
料、结构特性及约東有关,而与工作过程中所受的
1.4计算模型的应力和应变
切削力无关,不需要添加外界载荷,因此对修整器进
置修整器的物理属性,边界约東条件和载荷行模态分析时可以采用静力分析时的有限元模型
后就可以进入求解器进行有限元分析求解。计算完2.2求解结果分析
成后,在 ANSYS后处理窗口中,提取计算结果,可
在进行模态分析时,需要在进行分析前定义模
以査看整个修整器及各个零部件的应力、应变等分态的阶数和收敛百分比。由于低阶模态对振动系统
析结果。变形和应力情况如图2所示。从图2中可的影响较大,并且阶数越低影响越大,所以对修整
以看出即使忽略了一些重量,整个修整器的变形对器进行模态分析,通常并不是求出振动系统的全部
于金刚笔修正还是很严重的。修整器3轴的每个层固有频率和振型,而是求出其前几阶就能满足模态
次基座的刚度对变形起到了很重要的作用,为了减分析的要求。为了更好地观察计算结果,可以选择
小变形,必须加强基座的刚度。另外,从图2中可不同的输出结果和控制变形显示比例输出动画的帧
以看出最大应力相对于材料的极限应力来讲是很小数。由分析结果可以得到每一阶模态所对应的变形
的,因此可以不用考虑材料的寿命问题。
和固有频率,模态分析的前6阶固有频率为:35.962
Hz、63.243HZ、176.623Hz、222.293Hz、236.005Hz
和291.116Hz
为了避免外界激振对修整器的动态影响,外载
荷的激振力频率要远小于一阶固有频率。该修整器3
轴选用的电机转速参数均为6000r/min,如果电机动
平衡效果不是很好,对于修整器来说就相当于施加
了100Hz的外力激振。而从修整器模态分析结果看,
图2应力应变图
前两阶固有频率均小于100Hz,如果电机工作时
在0~6000rmin范围内进行无级调速,那么很有可
2修蓬器的模态分析
能覆盖前两阶固有频率而引起共振。前两阶固有频率
2.1 ANSYS模态分析方法选择
对应的振型,如图3所示。从图3(a)中可以看出第一阶
修整器是由若干零部件组成的质量分布连续的振型主要是修整器沿Z轴方向的变形;从图3(b)中
弹性体结构,具有无限多个自由度。对于多自由度可以看出第二阶振型主要是修整器沿X轴方向的变
系统的自由振动可以分解为n个单自由度简谐振动形。这两个方向的变形就是修整器进给修整的Z轴
的叠加,或者说系统的自由振动是n个固有频率振和X轴方向。因此,该修整器的动态性能很差。要
动的线性组合。即对于多自由度系统来说不是作某避免上述题,一方面可以改进结构继续提高修整
一固有频率的自由振动,而是作多个固有频率的简器的刚度;另一面可以重新选择电机型号,在保证所
谐振动的合成振动。然而对于像修整器这样的大型需功率的前提条件下,选择较小的额定转速参数
复杂系统,求解其全部固有频率非常复杂和困难。故
只需研究对结构的动怣特性起决定作用的系统的低
阶固有频率和振型
采用 Block Lanczos法。通过有限元法对整体修
整器模型进行离散化,建立系统特征值问题的数学
模型,并求解系统特征值和特征向量。在忽略系统
阻尼的状态下,求解得到的特征值使是修整器本身
的聞有频率。修整器的固有频率就是修整器自由振
(a)一阶振型
(b)二阶振型
动的频率,必须使修整器的固有频率远离修整器的
图3模态振型