顶磨式轧辊磨床顶尖接触分析及优化

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1、顶磨式轧辊磨床顶尖接触分析及优化　　1引言　　从近几年的市场需求看，进口大型轧辊磨床的价格要高出国产磨床的(3～6)倍。随着钢铁、船舶、航天等工业的发展，国内对重载高精度数控轧辊磨床的研究受到了各轧辊磨床生产厂家的重视，都先后投入到了重型轧辊磨床的研发中。轧辊磨床的磨削方式可分为托架支承磨削和顶尖支承磨削两种，简称托磨和顶磨。顶磨式轧辊磨床因其高效而受到轧辊生产厂家的青睐，但随着百吨级重量、微米级精度轧辊成为生产的需要，对机床结构的强度、刚度和稳定性也有了更严格的要求。　　在国外，利用CAD及CAE软件，直观高效设计出具有工程特性的三维功能模型，可以实现真正的虚拟设计和优化设计。大幅度

2、提升设计效率，快速响应市场需求，满足市场和用户需求的新型产品。在进行新机器的开发设计时，只需对其中部分零部件进行重新设计和制造，其余的这可继承以往的信息，使设计效率提高了(3~5)倍。借助CAE分析软件，完成新型机器投产前的仿真及优化，及时发现并改进产品的不足之处，从而在开发期间减少样机制造成本。贵州险峰机床厂作为国内为数不多研发重型高精度数控轧辊磨床厂家之一，根据多年经验，在现有的托磨机床结构基础上进行重型轧辊顶磨机床的研发，这样可以大大地降低研发的成本和周期。有限元法是目前广为采用的复杂零部件、机床床身、箱体结构、主轴系统等应力、应变、变形等的预测方法，分析结果可为磨床投产前的结构

3、设计和优化提供参考指导。　　在重型数控轧辊磨床顶磨机床中，顶尖直接承受轧辊重力，是整个机床中受力和变形最大的部件。以险峰机床厂正研发的某型号顶磨机床顶尖为研究对象，如所示，运用有限元仿真接触分析研究在104t轧辊旋转作用下顶尖的受力状态以及锥面接触应力情况，并分析其薄弱环节，为顶尖的改进提供新的思路。　　2建立接触分析模型　　ABAQUS被称为国际上最先进的大型通用非线性有限元分析软件。顶尖与轧辊顶尖孔的接触问题是一种典型的边界条件非线性问题，接触区域大小和相互位置以及接触状态事先都是未知的，而是随时间变化、在计算过程中确定的，同时还需考虑接触面间的摩擦行为。　　2.1X格模型及赋予材

4、料　　顶尖与顶尖支体通过过盈配合联接，顶尖支体与固定主轴通过双列圆柱滚子轴承联接。在轧辊磨削加工中，由头尾架两相同顶尖支承轧辊重量，顶尖随着轧辊同步旋转，载荷及边界都关于轧辊中心面对称，为节省计算时间取一半为分析模型。　　轧辊总长度为l=4000mm，辊面直径d1=2000mm，总质量m=104t;顶尖直径d2=125mm，顶尖角α=90°。各部件材料属性，如所示。　　六面体X格单元具有X格质量好、同部件所需X格数量更少、计算结果精度高和易收敛等优点。利用ABAQUS的剖分功能对将部件剖为可以利用扫掠技术划分X格的区域，为部件划分六面体单元。在顶尖砂轮越程槽的位置，

5、结构有突变，需对其划分更精细的X格。　　2.2接触关系　　顶尖的锥面与顶尖孔完全配合，在两个锥面上划分完全相同的单元X格，令其结点可以一一对应，接触力可以得到精确的传递而得到准确的分析结果。　　法向行为采用ABAQUS默认的硬接触，允许接触后分离，其含义为：接触面之间能够传递的接触压力大小不受限制;当接触压力变为零或负值时，两个接触面分离，并且去掉相应结点上的接触约束。切向行为在接触面间添加摩擦因数为0.1的罚摩擦行为。如所示。ABAQUS/Standard中，在粘结(sticking)和滑移(slipping)两种状态之间的不连续性会导致收敛困难，使用一个允许弹性滑移的罚摩擦公式，即

6、粘结的接触表面之间可以发生微小的相对运动，软件自动选择罚刚度(中斜线斜率)，这样便很好地解决了摩擦模型收敛难的问题。　　2.3边界条件及载荷　　工厂磨削轧辊时，在头架拨盘的带动下，轧辊自身旋转速度为10r/min。创建一动力，隐式分析步，为轧辊和顶尖支体施加绕中心线的旋转约束，角速度ω=1.04667rad/s(10r/min)，时间长度为6s(轧辊旋转一周时间)。目的是为了仿真分析顶尖在旋转工作状态下的受力情况。工况下，顶尖主要载荷于轧辊重力，为轧辊添加竖直向下的重力加速度，施加重力载荷。　　3有限元分析结果　　3.1应力分布情况　　应力是判断顶尖强度的重要标准。轧辊未转

7、动时，顶尖的应力分布，如所示。　　由云图可知，顶尖的最大综合应力Mises=530.4MPa，是压应力，位于砂轮越程槽内，节点编号963，根据第四强度理论判断，最大应力小于屈服强度750MPa，强度足够。从整体来看，应力分布不均匀，主要集中在砂轮越程槽，这种应力集中问题需要改善。　　以越程槽内结点963为研究对象，导出其旋转一周的轴向应力，如所示。　　拉应力为正，压应力为负，由图可以看出，顶尖在工况情况下，应力随时间呈正弦关系循环，交替承受拉应