摘 要：通過分析目前生產中外（wài）圓磨床尾架對工件精度的影響，設計了調錐尾架結構，並介紹（shào）了其調錐原理，通過對（duì）調錐（zhuī）尾架進（jìn）行受力分析，利用ANSYS Workbench 對其（qí）進行靜力（lì）結構分析（xī）和模態分析，得出了調錐尾架結（jié）構能滿足要求的結論（lùn）。

 
 
      磨（mó）床在磨削工件時，尾架對工（gōng）件（jiàn）起到支承和定心的作用。尾架結構設（shè）計不合理，會（huì）導致尾架（jià）剛度不足、振動大等問題，最終影響工件的加工精度。因此，對外圓磨床尾架結構的研究就顯得（dé）尤（yóu）為重要。在磨（mó）削高精度（dù）外圓柱麵（miàn）時，要求頭尾架頂尖（jiān）中心線與砂輪橫（héng）向進給方向平行，由於磨削時頭架與尾（wěi）架的熱變（biàn）形不一（yī）致，從而（ér）使兩頂尖中心線與砂輪橫向
進給方向的平行度發生變化。而且，尾架在使用過程中（zhōng），尾架體殼基部與導軌存在摩擦，長此以往，接觸麵的（de）磨損也會使（shǐ）兩頂尖中心的偏移，導致加工的工件圓（yuán）柱度達不到要求。因此，磨床擁有一個具有（yǒu）調錐功能的尾架就（jiù）很有必要。

      1、 調錐尾架設計

      1.1 調（diào）錐（zhuī）尾架結構

     調錐（zhuī）尾（wěi）架的結構如圖1 所示，其特點是：在體殼內裝有襯套，襯套內裝著尾架套筒，頂尖裝在套筒內（nèi），襯套和套筒之間有兩個密植軸承，通過密植軸承小鋼球的滾動減小了摩擦力。前、後密（mì）植軸承的位置由體殼側麵（miàn）的一（yī）個擋銷（圖1 為正視圖，看不見此擋銷）限製。

                            圖1 調錐尾架剖視圖

     在後蓋板外（wài）部設有油缸，油缸（gāng）的柱塞（sāi）杆與連接套通過螺紋連接緊固在一起；連接套與（yǔ）套筒通過螺栓及側麵的鍵連接在一起。連接套和外套之間有上、下兩個（gè）精密交叉（chā）滾柱直線滑動導軌副，可以減小連接套軸（zhóu）向運動時的摩擦，同時能夠將外套（tào）的（de）轉（zhuǎn）動傳給連接套和尾架（jià）套筒，從（cóng）而實現其調錐功能。在（zài）磨削工件時，打開油缸開關，此時，油缸中的柱塞杆伸出，將套筒和頂尖頂出，支撐並定心工件，配合頭架實現磨削（xuē）。

      1.2 調錐尾架調錐原理（lǐ）

      調錐尾架實現調錐的原理如圖2 所示。當旋轉豎直小軸1 時，由於螺紋副的作用，通過水平小軸2 繞O 點旋轉（zhuǎn），從而帶動尾架套筒轉動，由於頂尖（jiān）錐孔的中心線與尾架套筒外圓柱麵（miàn）的中心線存在5.2 mm 的偏心（xīn）距，因此，在尾架套筒旋轉的過程中，頂尖中心線會有一個水平方（fāng）向的偏移量，從而實現調錐的功能。

                          圖（tú）2 尾架（jià）調錐（zhuī）功能原理簡圖

     從圖中可看出，若將（jiāng）各零部（bù）件視為剛體（tǐ），並且接觸無間隙，則各零部件（除套筒外）是完全定義的，即所有自由度（dù）均被限定。但是由（yóu）於間隙的存在，以及各零部件受力時會有微量的（de）變（biàn）形，故連（lián）接座能夠（gòu）繞O 點轉（zhuǎn）動一（yī）個微小的角度。

     假設豎直小軸（zhóu） 1 旋轉（zhuǎn）一個角度α（0 <α <=π）時，由於小軸1 軸向固定（dìng）無位（wèi）移，螺（luó）紋副螺距為（wéi）2mm,則水平小軸2 沿小軸1 軸向移動（dòng）的距離為（wéi）h，

     2 、調（diào）錐尾架受（shòu）力（lì）分析

     2.1 磨削力的確定

     砂輪與工件接觸進行磨削，其磨削過程一般分為三個階段：第一階段是滑擦階段，砂輪磨粒的切削刃與工件表麵開始接觸，工件發（fā）生彈性變形；第二階段為耕犁階段，切削刃壓入工件的塑性基體，經過塑性變（biàn）形之後，金（jīn）屬（shǔ）基體被推向砂輪磨粒的一側，導致工件的表麵金屬顆粒從（cóng）基體（tǐ）上隆起；第三階段為切屑形成階段，此階段，隆起的表麵金屬顆粒被砂（shā）輪切削刃從基體上切除。而（ér）磨削力（lì）就是起源於工件與砂輪接觸（chù）後引起的彈性變形（xíng）、塑性變形、切屑形成以（yǐ）及磨粒和結合劑與表麵之間的（de）磨擦作用。為方便理解及計算，一般將磨削力（lì）沿著三個相互垂直的方向分解為三個分力：砂輪旋轉切線方向（xiàng）的切向力（lì）Ft，砂輪和工件（jiàn）接觸麵（miàn）法線方向的法向力Fn，縱向進給方（fāng）向的軸向力Fa，如圖3 所示。

                  圖3 工件（jiàn）所受磨削力分解示意圖

     軸向力Fa一般比較小，可以忽略（luè）不計。

     2.2 工件重力及頂緊力的確定

     該調錐尾架（jià）適用的外圓磨床能加工的工件最大直徑320 mm，最大長度為750 mm，最大質量150 kg。磨床（chuáng）的工況為兩頂尖共同頂持工（gōng）件磨削，因此，作用在尾架頂尖的重力為（wéi）工（gōng）件總重（chóng）力的（de）1/2，即150×9.8×1/2＝735 N對於兩頂尖支承工件的機床係統，根（gēn）據實際經驗可知，其對工（gōng）件的頂緊（jǐn）力一般為工件自重的70%～80%。考慮（lǜ）尾架在極限工況下仍必須具備良好的性能，分（fèn）析時取（qǔ）頂緊力為工件自（zì）重的80%。所以，對於該磨（mó）床所能加工的工件最（zuì）大自重，其頂緊力（lì）為：150×9.8×80％N=1176 N

 
     3 、調錐尾架（jià）靜力結構分析

     3.1 模型分析時的（de）假設
 

    由於尾架結構複（fù）雜，受多方麵因素的影響，進行有限元分析時，為簡（jiǎn）化（huà）計算（suàn），進行如下假設（shè）：

     （1）認定尾架是由相同材料組成，密度均勻分布，在工作過程中始終處於彈性階段；
 
     （2）假（jiǎ）定位移和變形都是微小的 。

     3.2 材料物理參數

    金屬材料的物理性能參數如比熱容、導（dǎo）熱係數、彈（dàn）性模量、屈（qū）服應力等一般都（dōu）隨溫度（dù）的變化而（ér）變化，當溫度變（biàn）化範圍不大時，可采（cǎi）用物理性能（néng）參（cān）數的平均（jun1）值來進行計算。因此，可選用室溫（wēn）下（xià）材料的物理參數值進行模型的靜（jìng）態分析和模態分析。

    分（fèn）析的磨床尾架所（suǒ）使用（yòng）的材料及其常溫下的物（wù）理性能參數，如表1 所示（shì）。

               表1 尾架所用零件材料常溫下的物理性能參數

     3.3 靜力結構分析

    調錐尾架是由許多零件裝配而成的（de）大型複（fù）雜結構，主要由頂（dǐng）尖、體殼、後體（tǐ）殼及安裝在體殼和後體殼的眾多零（líng）部件（jiàn）組成，且存在多處零件間的接觸連接。若不對模型進行簡化處理，將很大程度上影響計算速度，甚至會（huì）引起（qǐ）計算結果不收斂等嚴重錯誤（wù）。因此，在（zài）將（jiāng）模型導入有限元分析軟（ruǎn）件之前，首（shǒu）先（xiān）對尾架的CAD 模型進行簡化，如去除（chú）不直接承受力的零件、忽略零件上小（xiǎo）的螺栓孔、銷孔、凸台、倒角以及退刀槽等對分析結果影響不大的局（jú）部細節結構。

   將尾（wěi）架裝配體所分的各部分的（de）三維模型分別導入到ANSYS Workbench 中，添加各零件的材料屬性，定義、修改（gǎi）接觸對。在劃分網格時，將定（dìng）義了不同接觸類型的（de）零件區分對待，定義了摩（mó）擦接（jiē）觸（Frictional）的兩零件盡量（liàng）采用Sweep 或MultiZone的網格劃分方法，並適當地將（jiāng）網格（gé）劃分的比較小；定義了綁定接觸（Bonded）及不分離接觸（NoSeparation）的零件（jiàn），則可由（yóu）計算機內部程序自動（dòng）控製劃分方法。劃分之後的有限元模型，如圖4 所示。

    
                   圖4 網格劃分
 

    添加相應的載荷（hé）及（jí）約束；設置求解項並求解，結果如圖5、圖（tú）6 及圖7 所（suǒ）示。

               圖5 前體殼部（bù）分分析結果

           圖6 後（hòu）體殼部分分析結果

            圖7 油缸部分分析結果
 

    將（jiāng）分析結果匯總整理，如表 2 所示。

                    表2 現有尾架（jià）靜態結構分析結果匯（huì）總

    由表（biǎo）2 可知，該尾架在工作過程（chéng）中，產（chǎn）生的最大應力不足100 MPa，而各零件所用材料的許用應力均大於100 MPa，故其（qí）強度（dù）滿足要（yào）求。

    變形也都在許可範圍內，所以剛（gāng）度不成問題。對於比較關心的頂尖，其變形量也不足15μm，是滿足要求（qiú）的。

    4 、模（mó）態分析結果

    以靜力分析的求解為輸（shū）入（rù）數據，這樣我們省去了修改材料（liào）屬性，定義接（jiē）觸類型、網格劃（huá）分和添加載荷（hé）及約束，直接設置求解項並求解（jiě），在工（gōng）程應用中，通常關注前4 階低階的固有頻率已經（jīng）足夠，結果如圖8（前體殼部（bù）分）、圖9（後體（tǐ）殼部分）、圖10（油缸部分）所示。

                   圖（tú）8 前體（tǐ）殼部分模態分析結果

                         圖（tú）9 後體殼（ké）部分模（mó）態分析結（jié）果

                      圖10 油缸部分模態分（fèn）析結果

      將分析結（jié）果匯總（zǒng），如表 3 所示。

                         表3 現（xiàn）有尾架（jià）模態分析結果匯總（Hz）

    該尾架各部分的（de）各階固（gù）有頻率（lǜ）均在 400 Hz 以（yǐ）上（shàng），可（kě）以得出尾架整體，其各階固有頻率至少（shǎo）也在400 Hz 以上。而該磨床砂輪驅（qū）動電機額定轉速為1 400 r/min，砂輪轉速1 520 r/min，頭架（jià）主軸轉速（sù）30~300 r/min，故磨床各振源的頻率為0.5~5 Hz、23.3 Hz 和25.3 Hz，所以不會產生共振。

  
      5、 結語

     應用分（fèn）析軟件對調錐（zhuī）尾架進行分析，該尾架在工作過（guò）程中，產生的（de）最大應力小於各零件的許用應力（lì），故其強度滿足要求；變（biàn）形量也都在許可範圍內，所以剛度滿足（zú）要求（qiú）。頂（dǐng）尖變形量（liàng）也在設計範圍內。而且，該（gāi）尾架（jià）動態性能良好，不存在共（gòng）振的問題。