基于有限元法的高精度重型回转顶尖挠度的研究_产品创新数字化(PLM)_CAE_1316
基于有限元法的高精度重型回转顶尖挠度的研究_产品创新
数字化(PLM)_CAE
高精度重型回转顶尖应用于P60S滚齿机中，主要用于加工重型高精度齿轮，加工精度要求高，且被加工齿轮的结构尺寸和自重都很大。在加工大型齿轮时，由于工件自重和切削力作用，使顶尖前端部挠度过大，导致齿坯轴线偏离齿轮回转中心，产生几何偏心，对齿轮加工精度影响很大。机床尾座顶尖是影响被加工齿轮齿向精度的关键因素，为了提高齿轮加工精度，需要对顶尖结构进行改进以提高顶尖的承载能力，减小顶尖前端部的挠度。
1 回转顶尖挠度的有限元计算
顶尖结构如图1所示。顶尖主要由2部分构成:顶尖体、顶尖轴和轴承。顶尖径向支承采用一对双列圆柱滚子轴承，承受顶尖轴的径向力。中间推力球轴承主要承受轴向力。顶尖体尾部安装在滚齿机尾座锥孔内，形成悬臂梁结构。
由于顶尖采用一对双列圆柱滚子轴承做径向支承，涉及到复杂的接触和非线性问题，基于有限元软件ABAQUS(优秀的非线性能力，所以采用ABAQUS(有限元软件分析在静态径向力作用下，顶尖前端部挠度与作用力的关系。
由于在加工齿轮时，顶尖受工件自重力和切削力作用，主要是径向方向力，因而在分析顶尖挠度时，忽略主要承受轴向力的推力球轴承。利用ABAQUS(可得顶尖三维简化模型。顶尖模型由顶尖体、顶尖轴和前后支承轴承构成。同时选择三维一阶长方体单元作为主要单元类型，以改进二阶四面体单元作为顶尖端部的单元类型;将轴承内外圈表面与顶尖轴和顶尖体的接触设为小滑移接触，顶尖体和顶尖轴接触为主面，滚子与滚道间接触设为一般接触，轴承内外圈接触面为主面，建立顶尖的有限元模型。
在顶尖最前端施加径向力计算顶尖的挠度。在实际工作中，加工不同的工件和采用不同的切削用量会使顶尖受力不同，根据实际工作中取得的受载数据，取最大作用力F=，相应的顶尖体和顶尖轴应力分布和变形情况如图2所示。图2(a)中顶尖体的根部产生了应力集中，最大应力达到31.61MPa，变形比较明显，导致整个顶尖沿受力方向上翘，在前支承轴承处变形较大，两者都会引起顶尖前端部较大偏移。图2(b)中顶尖轴也产生了较大的上翘变形，主要是由于顶尖体变形导致前支承轴承跟随顶尖体的接触面向上位移，前支承轴承对顶尖轴的支承刚度不足。
图3所示为作用力与顶尖前端部挠度δ的关系。由图3可见，随着F的增大，顶尖前端挠度近似线性增大;当F增大到时，顶尖前端部挠度δ高达0.08mm。
2 影响回转顶尖挠度的因素
为研究顶尖体对顶尖挠度的影响，将顶尖体后端部固定在机床顶尖架上，施加固定约束计算顶尖挠度。由图3可见，顶尖体加上固定约束后，顶尖前端部挠
度δ大幅减小:由加约束前的0.08mm减小到加约束后的0.035mm，减小了大约56%，说明顶尖体的变形占顶尖挠度的56%，是影响顶尖挠度的最大因素。并且顶尖体加上固定约束后，顶尖体根部应力集中消除，在加固定约束前的上翘现象得到抑制，其变形基本消除。
在两个双列圆柱滚子轴承的内圈同时加上轴向固定约束，计算顶尖在力F=作用下的挠度，来确定顶尖轴变形对顶尖挠度的影响，如图4所示。由图4可见，轴承内圈加固定约束后，顶尖在力F作用下的挠度为S2，顶尖轴变形引起顶尖挠度占整个顶尖挠度的1.5%左右。顶尖挠度的其它42.5%由双列圆柱滚子轴承变形引起。
3 回转顶尖结构的改进
由于在力的作用下顶尖前端部挠度δ达到了0.08mm，较大的挠度使齿轮加工时产生较大误差，为了消除顶尖刚度不足带来的齿轮加工误差，需要对回转顶尖结构进行改进。
由于顶尖前端部挠度过大的主要原因是顶尖刚度不足，其中顶尖体对顶尖的刚度影响最大，其次是轴承。所以，要提高顶尖刚度主要应减小顶尖体和轴承的变形，尤其应减小顶尖体的变形。
顶尖体为一前端部开口的悬臂梁结构。在顶尖承受径向载荷时，这种结构的顶尖体根部附近会产生应力集中，弯曲变形严重，导致整个顶尖前端部挠度增加。为了减小或消除顶尖体变形，可以将顶尖体外表面设计成与P60S滚齿机尾座孔匹配的锥形，将顶尖体直接全部安装在机床尾座孔内，如图5所示，实现顶尖体的径向完全固定。这种结构在
工程
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上也是容易实现的。
对改进后的回转顶尖建立有限元模型并进行计算，在顶尖前端部施加F=S1的最大径向作用力，得出改进后回转顶尖前端部挠度δ与作用力关系曲线，如图6所示。改进后顶尖前端部挠度大幅减小，在F=时，由改进前的0.08mm下降为0.043mm,下降幅度达46.25/%，说明改进后顶尖承载能力得到大幅度提高，改进
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是有效的。
4 结论
利用ABAQUS有限元软件建立了回转顶尖的有限元模型，并计算了顶尖前端部挠度。
1)当作用力为时，顶尖前端部挠度达到0.08mm顶尖承载能力不足，造成齿轮加工误差过大。
2)顶尖的挠度主要是由顶尖体、顶尖轴和轴承变形引起的，其中顶尖体和轴承影响较大。
3)顶尖改进主要是减小顶尖体外形尺寸，将顶尖体完全固定在机床尾座孔内，减小其变形以达到减小顶尖前端部挠度的目的。
4)顶尖改进后，由于结构上原因选用基本尺寸较小的轴承代替原轴承，使得径向支承轴承刚度下降，造成顶尖前端部挠度没有完全消除。
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