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      [ 摘要] 零件在外圓磨床上加工時(shí)受兩個(gè)力的作用，一是受零件磨削力的影響，二是受外圓磨床尾座對(duì)頂力的影響，尤其細(xì)長桿零件受力變形較為明顯。為了在加工過程中避免零件變形而影響加工精度，通過使用ANSYS 對(duì)零件進(jìn)行有限元分析，控制兩個(gè)方向力的大小，并對(duì)這兩個(gè)方向力進(jìn)行逐一分析，并配合高速磨削加工，確定進(jìn)刀量、磨削速度、零件轉(zhuǎn)速及對(duì)頂力等磨削參數(shù)，并對(duì)上述分析方法進(jìn)行延伸擴(kuò)展。
 

     在航空航天領(lǐng)域中，細(xì)長桿類零件的應(yīng)用非常廣泛，經(jīng)常作為活塞桿、間隙活門及計(jì)量油針使用，它們?cè)谌加驼{(diào)節(jié)器中起著十分重要的作用，但是它的高精度要求也給加工帶來了很大困難。面對(duì)高精度的要求，一般采用數(shù)控高精外圓磨床加工，但在加工調(diào)試過程中，常常為了保證加工精度，需要一次或多次試加工，同時(shí)數(shù)控加工參數(shù)也需要不斷調(diào)試，直到確認(rèn)數(shù)控程序能夠完成預(yù)定的加工要求。為了提高加工效率，保證加工精度，使用ANSYS 受力分析軟件，對(duì)零件進(jìn)行預(yù)加工分析，并計(jì)算加工參數(shù)。

      零件在外圓磨床上加工時(shí)，受磨削力和對(duì)頂力的影響，零件受力方向如圖1 所示。磨削力的大小由進(jìn)刀量、磨削速度、零件轉(zhuǎn)速及砂輪線速度決定，對(duì)頂力的大小與尾座中彈簧的壓縮變形有關(guān)。磨削力和對(duì)頂力過大都會(huì)造成零件變形，而變形量  的大小也與零件本身的長度、直徑尺寸、材料的密度和彈性模量 有關(guān)。

                              圖1 零件受力分析圖

     1 、兩個(gè)方向力對(duì)變形量的影響

     1.1 磨削力的分析

     以航空零件活塞桿為例，如圖2 所示，單位為mm。零件材料為4Cr13，在常溫20℃下此種材料的彈性模量為215GPa，密度為7.75g/cm3。

                                 圖2 零件工序圖紙

     為了明確地分析零件磨削力與變形量之間的關(guān)系，基于ANSYS 對(duì)零件進(jìn)行1∶1 比例建模并進(jìn)行有限元分析，利用UG 建模方便快捷的優(yōu)點(diǎn)，使用UG 先按照設(shè)計(jì)圖1∶1 比例畫好圖形，并將模型導(dǎo)入ANSYS 生成。首先，對(duì)導(dǎo)入的模型進(jìn)行編輯，根據(jù)零件材料為4Cr13，輸入上述查閱的材料密度、彈性模量等主要性能參數(shù)，添加到建好的模型中。其次，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分單位為1mm，即把模型劃分為N 個(gè)體積為1mm3 的小方格再進(jìn)行受力分析，如果想得到更精確的分析結(jié)果，則把劃分單位縮小即可。最后，對(duì)模型添加約束及受力要求，根據(jù)外圓磨床定位加工方式，對(duì)模型兩端中心孔添加固定約束，再根據(jù)磨削力方向在被加工外圓施加力F ，接下來用ANSYS 進(jìn)行有限元分析，并生成零件變形量圖形，按圖2 中要求零件圓柱度為0.0015mm，所以將變形量控制在0.0015mm 范圍內(nèi)，并不斷更改外力大小，直到變形量為0.0015mm，此時(shí)的力可以確定為精加工時(shí)的磨削力上限值， 如圖3 所示，對(duì)零件施加4N 磨削力時(shí)零件總變形量為0.0015mm，所以在磨削過程中，磨削力不應(yīng)大于4N。

 
                         圖3 零件應(yīng)力云圖
 

     1.2 對(duì)頂力的分析

     使用上述相同方法進(jìn)入ANSYS 軟件對(duì)零件進(jìn)行真實(shí)的受力分析，根據(jù)外圓磨床對(duì)頂加工工作原理，更改固定約束和施加力的方向，假設(shè)零件產(chǎn)生0.0015mm 的變形量，則分析零件承受的對(duì)頂力為20N。1.3 磨削力與對(duì)頂力對(duì)變形量的綜合影響為了更準(zhǔn)確地分析零件的受力變形量，使用ANSYS軟件模擬加工過程中的受力分析，對(duì)零件左端添加固定約束，并對(duì)零件施加對(duì)頂力和磨削力，力的大小分別為20N 和4N。施加兩個(gè)方向力后的零件變形，變形量為0.005mm。
 

     根據(jù)有限元分析，同時(shí)施加磨削力和對(duì)頂力時(shí)，零件產(chǎn)生疊加變形，造成零件變形量增大，為了更準(zhǔn)確地了解零件受力變形情況，下一步進(jìn)行實(shí)際加工，看零件是否滿足圖紙要求。

      2 、確定磨削參數(shù)

     由上述模型理論分析得出，同時(shí)施加磨削力和對(duì)頂力時(shí)會(huì)增大零件變形，但考慮到實(shí)際加工過程中零件處于轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，受力會(huì)出現(xiàn)互相抵消的現(xiàn)象，對(duì)圖2 所示零件進(jìn)行實(shí)際加工，磨削力控制在4N 以下，對(duì)頂力控制在20N 以下，并選擇合理的進(jìn)給量、進(jìn)給速度和零件轉(zhuǎn)速等磨削參數(shù)。

      2.1 對(duì)頂力的控制

      根據(jù)上述分析得知，對(duì)頂力不能大于20N，經(jīng)查閱資料，可以依據(jù)加壓調(diào)整螺釘?shù)奈灰坪蛷椈上禂?shù)計(jì)算出對(duì)頂力的大小。圖4 為外圓磨床尾座簡易圖，對(duì)頂力F 1=83-（X -Y ）×3.3（此對(duì)頂力公式僅適合于本公司某型號(hào)磨床，不同機(jī)床對(duì)頂力計(jì)算公式不同，主要取決于尾座內(nèi)部彈簧的彈簧系數(shù)），通過調(diào)節(jié)X 和Y 的距離控制對(duì)頂力在20N 以下即可。

     圖4 外圓磨床尾座示意圖

     2.2 確定零件轉(zhuǎn)速

     零件的轉(zhuǎn)速主要與零件本身的直徑、砂輪線速度有關(guān)，取決于它們之間的比例關(guān)系。選擇合理的砂輪速度和零件速度之間的比值，當(dāng)砂輪速度提高時(shí)，零件速度也要相應(yīng)的提高，否則會(huì)影響加工效率，但不能提高過多。

     機(jī)床的砂輪線速度為45m/s，零件直徑為φ 11，根據(jù)計(jì)算公式n =1000V 1×60/250×π×D [3]，其中，n 為零件轉(zhuǎn)速；V 1 為砂輪線速度；D 為零件直徑。將各數(shù)值帶入公式得出零件轉(zhuǎn)速n =312r/min（加工時(shí)選用300r/min）。

     2.3 確定進(jìn)給量和磨削速度
 

     在磨削過程中，在磨削力和砂輪線速度不變的情況下，增大進(jìn)給量時(shí)應(yīng)相應(yīng)降低磨削速度，根據(jù)磨削力經(jīng)驗(yàn)公式F 2 = 453a0.9f 0.62V 0.76[4] 來確定進(jìn)給量和磨削速度
之間的關(guān)系。其中，F(xiàn) 2 為磨削力；a 為進(jìn)給量；f 為磨削速度；V 2 為零件的線速度。

     根據(jù)加工細(xì)長桿類的加工經(jīng)驗(yàn)，一般最后一次加工進(jìn)給量為0.001mm 或0.002mm，圖2 中零件實(shí)際加工時(shí)最后一次進(jìn)給量選擇0.001mm，零件的磨削力控制在4N 以下，零件的線速度為10.4m/s。代入上述公式得出磨削速度f = 40mm/min。

      通過上述分析得出零件的磨削參數(shù)，對(duì)零件進(jìn)行實(shí)際加工，加工后零件圓柱度保持在0.0015mm 以內(nèi)，滿足圖紙要求，所以根據(jù)磨削力和對(duì)頂力的模型分析可以運(yùn)用到實(shí)際加工中。

      3 、結(jié)論

     根據(jù)上述分析得出，對(duì)頂力為20N 以內(nèi)；砂輪線速度為45m/s ；零件轉(zhuǎn)速為300r/min; 精加工進(jìn)給量為0.001mm；磨削速度為40mm/min。