深孔内圆磨床闭式中心架的设计与优化分析.pdf

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1、精密制造与自动化2014年第4期◇30设计与开发30深孔内圆磨床闭式中心架的设计与优化分析王均涛(上海机床厂有限公司上海200093)摘要设计一套用于深孔内圆磨床的中心架结构，利用Solidworks建立了三维模型装配体，并运用有限元分析软件对其结构进行了静力学和模态分析。分析结果表明，根据经验设计的闭式中心架的结构静态和动态性能较好，只是变形量超差。通过采取改变和增加筋板以及将翻砂孔的形状由方形改为圆形等措施，使中心架最大应力降低了62．8％，变形量减小了53．0％，固有频率有了小幅度地提高，中心架的综合性能得到了提高，实现了优化设计的目的。关

2、键词闭式中心架变形量模态结构优化闭式中心架是深孔内圆磨床的一个重要部件，当母、导向销及支承块组成的支承机构，可以通过旋卡盘夹持较长工件磨削时，另一端就需要用中心架托转丝杆，使套筒和支承块伸出或者缩回，从而实现持，可以起到支承和定心的作用，从而保证磨削精了支承和定心不同规格工件的功能。度。闭式中心架的结构形式决定了本身的各种特性，包括静刚度和振动特性。若中心架结构设计不合理，就会导致其刚度不足和容易产生共振。中心架在工件重力的作用下就会产生较大的变形和受外界激励产生的振动，不能很好的起到支承和定心作用，降低了零件的加工精度。因此，对深孔内圆磨床中心

3、架的优化研究就显得尤为重要。随着CAE技术广泛地运用到机械设计中，产品的设计周期大大缩短，效率大幅度提高。通过有限元软件可以对设计的产品结构进行分析、优化，及时发现问题进行改进。运用有限元分析软件对设计的闭式中心架装配体进行静力学和模态分析，优化结构，提高刚性，达到了最优的设计目的。图1中心架结构视图1结构设计按照经验和传统的方法，设计了一套完整的闭式中心架结构，如图1、图2所示。中心架主要由上体壳、下体壳、端盖、导向销、螺母、丝杆、支撑块、T型槽螺栓、齿轮轴及压板等组成。其特点是上体壳与下体壳通过右端的销轴连接在一起，可以绕销轴开闭。当上体壳与

4、下体壳闭合时，用螺钉、螺画图帽、手柄将其锁死。在上体壳的顶部中间位置和下体壳的左右两侧设有3个由六角螺钉、端盖、螺19精密制造与自动化2014年第4期2闭式中心架的静力学分析置，防止有限元分析中相互穿透，这样才能将施加2．1静力学分析理论与模型的建立的力传递给各个零件进行受力分析。接触主要有所谓静力学分析就是结构在给定静力载荷作用绑定、不分离、光滑无摩擦、粗糙和摩擦五种类下的响应。因此主要关注结构的变形量、约束反型。前两种是线性接触，计算时仅需要迭代一次；力、应力以及应变等，而不考虑随时问变化的载其余三种是非线性接触，计算时需要多次迭代。因荷、惯

5、性和阻尼的影响。其静力学方程为此将上体壳和下体壳之间的接触设置成摩擦，用[M](6)=(F】(1)销钉将两者固定连接；下体壳前端设置两个螺栓式(1)中，[M]为刚度矩阵；(6)各节点的位移：(F)为连接，其他零件都设置成绑定。静力载荷。2．3边界条件的定义和载荷的加载根据设计的中心架图纸，按照实际尺寸在中心架通过压板固定在上工作台台面上，从而Solidworks中建立各个零件的三维模型并进行装限制了X、Y、Z的自由度。通过3个圆周方向均布配，忽略小孔、凸台、螺栓等细节的影响。上体壳的支承块支承和定心工件，上体壳的支承块主要起和下体壳的材料为灰铸铁

6、，其它均为合金钢，相关夹紧和固定作用，工件的重力主要作用在下体壳两参数见表1。个夹角在120。的支承块上，最大工件重力为G=It，由于工件一端用卡盘固定支承，因此作用在中心架表1所用材料属性上的力为1／2G，受力分析如图4所示，可得材料名称弹性模量E／(N／m2)泊松比u密度9／(kg·lit)N1=lv=z=1／2G=5000N合金钢2．1×10’0287700灰铸铁6．617×100_2772002．2网格划分和接触的设置N2网格的疏密程度直接影响着求解的精度和难度。单元越小，离散误差越低，但网格划分和求解时间会越长。一般情况下，可以将装配体

7、中受力和接触的关键部位的网格细化，这样既能保证求解精度，又不会因为整个部件网格太密而导致计算费时。图4闭式中心架的受力分析图选择基于曲率的网格、最大单元为58．52mm，最小单元为11．7mm，雅可比点位4点进行网格划2．4应力和变形结果分，如图3所示。利用有限元软件对中心架装配体和下体壳进行有限元分析求解，提取计算结果，可以查看应力和变形结果，如图5(a)、(b)、(c)、(d)所示。从图5(a)、(b)图中可以看出，中心架装配体的最大应力和最大变形量分别为13．058x10。N／m2、8．789~10～flrfl，并且都集中在下体壳，因此有必

8、要对其单独进行分析。图5(c)所示为下体壳的应力云图，最大应力出现在底座的结合部位，其材料为灰铸铁，最大应力远小于灰铸铁的抗拉强度(1．