蔡國英

（上海機床廠有限公司 上海 200093）

重型軋輥磨床頭架主軸頂尖是直接承受工件重力以及頂持反作用力的重要組件，頂尖和工件依靠中心孔內(nèi)錐面的接觸，來保證工件中心與頭尾架中心的一致性。對于不同重量的工件，所使用頂尖的角度以及頂緊力是不一樣的。如何對這兩個技術參數(shù)進行選擇，長期以來都是在現(xiàn)場按照經(jīng)驗數(shù)據(jù)來解決的。利用Pro/E軟件子模塊Pro/MECHANICA對頭架頂尖進行有限元分析，可以在產(chǎn)品設計之初就能得到相關的數(shù)據(jù)，用來指導磨床的生產(chǎn)和制造。

1 建立幾何模型

首先采用軟件 Pro/ ENGINEERING建立重型軋輥磨床頭架主軸頂尖組件的幾何模型。在建立幾何模型時，考慮到工件頂持在頭尾架中間，頭尾架的頂尖的受力情況呈對稱型，在建立幾何模型時，為了加快運算速度，分析時只取工件的一半進行分析。利用Pro/E軟件子模塊Pro/ ENGINEERING建立起頂尖與軋輥工件的幾何模型，如圖1所示。

圖1 頭架主軸頂尖組件幾何模型

2 建立物理模型

建立好幾何模型后，在設置好頭架主軸頂尖組件的物理屬性、邊界約束條件和載荷之后就可以進入求解器進行有限元分析求解，計算頭架主軸頂尖組件模型的應力和應變。建立一個由頂尖彈簧壓力、螺栓預緊力、頂尖錐面過盈配合量及摩擦力、軋輥工件自重、中心孔之間的摩擦力進行綜合考慮的物理模型，如圖2所示。

圖2 頭架主軸頂尖組件物理模型

3 頭架主軸頂尖組件的分析結果

計算完成后，在Pro/MECHANICA后處理窗口中，就可以提取計算結果，查看到頭架主軸頂尖組件及各個零部件的應力、應變等分析結果。頭架主軸頂尖在工作狀態(tài)下的變形情況如圖3所示。

圖3 頭架主軸頂尖組件變形圖

從圖3中可以看出，在頭架主軸頂尖組件的工作狀態(tài)中，由于受到工件重量和負載的聯(lián)合作用，頂尖與頂尖套之間會出現(xiàn)間隙，頂尖中心與理論中心之間產(chǎn)生誤差，這樣就會造成工件旋轉精度的降低。

1)頭架頂尖角度

頭架頂尖的角度是頭架頂尖的一個技術參數(shù)，其大小決定了頭架主軸在工作狀態(tài)時二 負載在徑向和軸向上的分力。在實際運用中，通常采用60o和75o兩種形式的頂尖。當工件重量為73 t時，軸向過盈為0.25 mm，頂尖角度為60o，頂尖接觸孔的接觸長度為1/4全長時，隨著頂緊力的不同，頂尖與頂尖套之間間隙的具體數(shù)值見表1。

表1 60o 頂尖變形量

當工件重量為73 t時，軸向過盈量為0.25 mm，頂尖角度為75°，頂尖接觸孔的接觸長度為1/4全長時，隨著頂緊力的不同，頂尖與頂尖套之間間隙的具體數(shù)值見表2。

表2 軸向過盈量為0.25 mm時75°頂尖變形量

從表1、表2中可以看出，當工件為73 t，其他技術參數(shù)相同時，75o的頂尖較 60o頂尖的上部頂點處的間隙量變小，而上部頂點的過盈量都在增大。相對而言，在頭架主軸頂尖組的工作狀態(tài)中，角度為75o的頂尖的變形量更小。

2)軸向過盈量的影響

在頭架主軸頂尖組件中，頂尖與頂尖套依靠1:10的錐度定中心，為了保證裝配后的幾何精度，兩者之間1:10錐度采取過盈配合，如圖4所示。在實際運用中，為了便于測量，采用錐度大端直徑處的軸向過盈量表示錐度配合的過盈程度，當過盈量分別取值為0.25 mm 、0.15 mm、0.2 mm時，該參數(shù)對頂尖變形量的影響見表3和表4。

表3 軸向過盈量為0.15 mm時75o頂尖變形量

表4 軸向過盈量為0.20 mm時接觸長度為全長的 1/4時75°頂尖變形量

當工件為73 t，在其它參數(shù)相同時，頂尖上部頂點間隙量與上部頂點過盈量和軸向過盈量并不呈線性關系。軸向過盈量為0.2 mm時，頂尖上部頂點間隙量與上部頂點過盈量和徑向過盈量最小。

圖4 頂尖上部頂點的間隙和下部頂點的過盈配合

3)頂尖中心孔的接觸長度的影響

頂尖軸心孔與工件的接觸長度決定了工作狀態(tài)時工件重量在頂尖上的分布區(qū)域、頂尖受力部分面積的單位載荷的大小，決定了工作狀態(tài)時頂尖的強度及變形量。

在其它技術參數(shù)相同情況下，當頂尖與工件中心孔的接觸長度分別為全長的1/3和1/4，在這兩種情況下頂尖的變形量如表4、表5所示。

表5 軸向過盈量為0.20 mm時接觸長度為全長的1/3時的頂尖變形量

從分析數(shù)據(jù)可以看出，頂尖與工件中心孔的接觸長度為全長的1/3時，頂尖的變形量較小。

4 頭架主軸頂尖組件的優(yōu)化方案

從以上分析可以發(fā)現(xiàn)，頂尖角度、頂尖的預緊力、軸向過盈量和頂尖中心孔的接觸長度這4項技術參數(shù)會影響頭架主軸頂尖的變形。

綜合以上各個影響因素，當工件為 73 t時，采用75o 頂尖、軸向過盈量為0.2 mm、頂尖中心孔與工件長度為全長的 1/3、頂緊力為工件重量時，頂尖的變形量為最小，具體數(shù)值是頂尖上部間隙量為2.09 μm，下部過盈量為 2.48 μm。

5 結語

通過對重型軋輥磨床頭架主軸頂尖組件的有限元分析，綜合得出頭架主軸頂尖組件的優(yōu)化方案。在選擇設計變量時，確定目標函數(shù)，通過大量的靈敏度分析可以找到影響頭架主軸頂尖組件剛度的主要因素，即頂尖角度、頂尖的預緊力、軸向過盈量和頂尖中心孔的接觸長度。最終通過各技術參數(shù)的優(yōu)化配置，將頂尖的變形量減小到2.09 μm，比原始設計精度提高了10倍。

[1]孫靖民, 梁迎春, 陳時錦.機械結構優(yōu)化設計[M].哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學出版社, 2004 .

[2]陳奕.機械結構優(yōu)化研究與實踐[J].組合機床與自動化加工技術, 2007(6): 35?38 .

[3]叢明, 房波, 周資亮.車-車拉數(shù)控機床拖板有限元分析及優(yōu)化設計[J].中國機械工程,2008,19(2):207?213.

[4]徐燕申, 張學玲.基于FEM的機械結構靜、動態(tài)性能優(yōu)化設計[J].西南交通大學學報,2003, 38(5):517?520.

[5]翟靜, 黎新.機械優(yōu)化設計綜述[J].機械2006增刊,2006(33): 4?5.

[6]楊英,趙光耀,孟凡亮.某轎車白車身結構靈敏度分析及結構優(yōu)化[J].東北大學學報(自然科學版),2008,29(8): 1159?1163.

[7]葉勇,朱若艷.基于有限元分析的結構優(yōu)化設計方法[J].機械, 2004, 31(11): 18?20 .