[ 摘要] 零件在外圓磨床上加工時受兩個力的作（zuò）用，一是受零件磨削力的影響，二是受外圓磨床尾座對頂力的影響（xiǎng），尤其細（xì）長杆零（líng）件受力變形較為（wéi）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 對零（líng）件進（jìn）行有限元分（fèn）析，控製兩個方向力的（de）大小，並對這兩個方向力進行逐一分析，並配合高（gāo）速磨削加工，確（què）定進刀量（liàng）、磨削速度、零件轉速及對（duì）頂力（lì）等磨削參數，並對上述分析方法進行延伸擴展。
 

     在航空（kōng）航天領域中，細長杆類零件的應用非常廣泛，經常作為活塞杆、間（jiān）隙活門及計量油針使（shǐ）用，它們在燃油調節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（dà）困難。麵（miàn）對高精度的要求，一般采用數控高精（jīng）外圓磨床加工，但在加工調（diào）試過程中，常常為了保證加（jiā）工精度，需要一次或多（duō）次（cì）試加工，同時數控加工參數也需要不斷調（diào）試，直到確認數控程序能夠完成預定的加工要求。為了提（tí）高加工（gōng）效率，保證加工精度，使用（yòng）ANSYS 受（shòu）力分析軟件，對零件進行預加（jiā）工分析，並計算加工（gōng）參數。

      零件在外圓磨床上加工（gōng）時，受磨削力和對頂力的影響（xiǎng），零件受力方向如圖1 所示。磨削力的大小由進刀量、磨削速度、零件轉速及砂輪線速度決定（dìng），對（duì）頂力的（de）大（dà）小與尾座中彈簧（huáng）的（de）壓縮變形有關。磨削力和對頂力過大都會（huì）造成零件（jiàn）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。

                              圖1 零件受（shòu）力分析圖

     1 、兩個方（fāng）向力對變（biàn）形量（liàng）的影響

     1.1 磨削力（lì）的分析（xī）

     以航空零（líng）件活塞杆（gǎn）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（liào）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（què）地分（fèn）析零件磨削力與變形量之間的關係，基於ANSYS 對零（líng）件進行（háng）1∶1 比例建模並進行有限（xiàn）元分析，利用UG 建模方便快（kuài）捷的優點，使用UG 先按照設計圖1∶1 比例畫好圖形（xíng），並（bìng）將模型導入ANSYS 生成（chéng）。首先，對（duì）導入的模型進行編輯，根據零件材（cái）料為4Cr13，輸入上述查閱的材料密度、彈性模（mó）量等主要性能參數，添加到建好的模型中。其次，對模型進行網格劃分，劃分單位（wèi）為1mm，即把模型劃分（fèn）為N 個體（tǐ）積為1mm3 的（de）小方格再進行（háng）受力分析，如果想得到更精確的分析結果，則把劃分單位縮小即可。最後，對（duì）模型添加約束及受（shòu）力要（yào）求，根據外圓磨床定位加工方式，對模型（xíng）兩端中心孔添加固（gù）定約束，再根據磨削力方（fāng）向在被加工外圓施加力F ，接下來用ANSYS 進行有限元分析，並生成零件（jiàn）變形量圖形，按圖2 中要求零件圓柱度為0.0015mm，所以將變形量控製在0.0015mm 範圍內（nèi），並不斷更改外力大小，直（zhí）到變形（xíng）量為0.0015mm，此時的力可以確定為精（jīng）加工時的磨削力上限值， 如圖3 所示（shì），對零件施（shī）加4N 磨削力時零件總變形量為0.0015mm，所以在磨削過程中，磨（mó）削力不應大於4N。

 
                         圖3 零件應力雲圖（tú）
 

     1.2 對頂（dǐng）力的（de）分析

     使用上（shàng）述相同方法進（jìn）入ANSYS 軟件對零件進行真實的（de）受力分析，根據外圓磨床對頂加工工（gōng）作原理，更改固定約束和施（shī）加（jiā）力的方向，假設零件產生0.0015mm 的變形量，則分析零件（jiàn）承受的對（duì）頂（dǐng）力為20N。1.3 磨削力與對頂（dǐng）力對變形量的綜合影響為了更準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（fèn）析，對零件左端添加固定約束，並對零件施加對頂力和磨削力，力的大小分別為20N 和4N。施加兩個（gè）方向力後的零件變形，變形量為0.005mm。
 

     根據有（yǒu）限（xiàn）元分析，同時施加磨削力和對頂力時，零（líng）件（jiàn）產生疊加變形，造成零件變形量增大，為了更準確地了解零（líng）件受力變形情（qíng）況，下一步進行（háng）實際加工，看零件是（shì）否滿足圖紙要求。

      2 、確定磨削參數

     由（yóu）上述模型理論分析得出，同時施（shī）加磨削力和對頂力時會增大零件變形，但考慮（lǜ）到實（shí）際加工過程中零件（jiàn）處於轉動狀態，受力會出現互相抵消的現象，對圖（tú）2 所示零件進行實際加工，磨削力控製在4N 以下，對頂力控製在20N 以下，並選擇合理的進給量、進給速度和零件轉速等磨削參數。

      2.1 對頂力的（de）控製

      根據上述分析得知（zhī），對頂力不能大於20N，經查閱資料（liào），可以依據（jù）加壓調整螺釘的位移和彈（dàn）簧係數計算出對頂力的大小。圖4 為外圓磨床（chuáng）尾座簡易圖，對頂（dǐng）力（lì）F 1=83-（X -Y ）×3.3（此對頂力公式僅適合於本公司某型號磨床，不同機床對頂力計算公式不同，主要取決（jué）於（yú）尾座內部彈簧（huáng）的彈簧係數），通過調節X 和Y 的距離控製對頂力在20N 以下即可。

     圖4 外（wài）圓磨（mó）床尾座示意圖

     2.2 確定零件轉速

     零件的轉速主要與零件本（běn）身（shēn）的直徑、砂輪線速度有關，取（qǔ）決於它們之間的比例關係。選擇合理的砂輪速度和零件速度（dù）之間的比值，當砂輪（lún）速度提高時，零件速（sù）度也要相應的提高，否則會影響加（jiā）工效率，但不能提高過多。

     機床的砂（shā）輪線速度為45m/s，零件直徑（jìng）為φ 11，根（gēn）據計算公式n =1000V 1×60/250×π×D [3]，其中，n 為零件轉速；V 1 為砂輪線速度；D 為零件直徑。將各數值帶入公式得出零件轉速（sù）n =312r/min（加工時選用300r/min）。

     2.3 確定進給量和磨削速度
 

     在磨削過程中，在磨削力和砂輪線速度不變的情（qíng）況下，增大進給量（liàng）時應相應降低磨削速度，根（gēn）據（jù）磨削力經驗公式F 2 = 453a0.9f 0.62V 0.76[4] 來確定進給量和磨削速度
之間的關係。其中，F 2 為磨削力；a 為進（jìn）給量；f 為磨削速（sù）度；V 2 為（wéi）零件（jiàn）的線（xiàn）速度。

     根據（jù）加工細長杆（gǎn）類的加工經（jīng）驗，一（yī）般最後一次加工進給量為0.001mm 或（huò）0.002mm，圖（tú）2 中零件（jiàn）實際加工時最後一（yī）次進給量選擇0.001mm，零（líng）件的（de）磨削力控（kòng）製在4N 以下，零件的線速度（dù）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（xuē）參數（shù），對零件進行實際加工，加工後零件（jiàn）圓柱度（dù）保（bǎo）持在0.0015mm 以內，滿足圖紙要求，所以根據磨削力和對頂力的模型分析可（kě）以運用到實際加工中。

      3 、結論

     根據上述分析得出，對頂力為20N 以內；砂輪線速度為45m/s ；零件轉速為300r/min; 精加工進給量為0.001mm；磨削速度為40mm/min。