珩磨头油石刚度变形的影响因素分析 - 石油石化物资采购杂志社投稿

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珩磨头油石刚度变形的影响因素分析

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1 引言

作为一种高效率的加工方法，珩磨不仅能去除较大的加工余量，而且是一种提高工件的尺寸、几何形状精度和降低表面粗糙度的有效加工方法［1，2］。珩磨头作为磨机上的切削工具对被加工工件的精度有重要影响。而珩磨油石条本身作为珩磨头的加工部分，其刚度［3］变形对珩磨头的质量和被加工工件的精度都有着极为重要的影响。因此有必要对珩磨油石刚度变形的影响因素进行深入研究。

2 最佳油石压力的确定

油石表面压力简称油石压力，它对珩磨头的加工质量和加工效率有很大的影响。一般情况下油石压力越大，珩磨加工效率越高，因此从提高加工效率的角度应该尽可能大的提高油石压力。而油石压力越大，油石的刚度变形越大，从而珩磨头的刚度变形越大，珩磨加工精度越低，珩磨加工质量越差。因此找到珩磨油石的最佳油石压力是非常重要的。

本文采用ANSYS Workbench［4］对大型双进给珩磨头进行模拟实验。首先进行大型双进给珩磨头的三维建模［5］如图1 所示。

图1 珩磨头

对珩磨头油石进行加载，如图2 所示。因为大型双进给珩磨头的粗珩加工过程和精珩加工过程类似，在此只进行粗珩加工试验。粗珩油石采用的是金刚石材料，金刚石材料的粗珩油石压力推荐值为3－8MPa［6］，因此加载2－9MPa。珩磨头各部件的材料属性如表1 所示。

分别对珩磨头进行2－9MPa 共8 次加载试验，观察试验，同时记录试验数据如表2 所示。

图2 珩磨头加载示意图

表1 珩磨头各部件的材料及材料性能材料性能部件及材料弹E(性G模P a量)泊松μ比ρ(k密g/度m3)屈σ(服M极P a限)磨头体40Cr 211 0.277 7870 785油石座40Cr 211 0.277 7870 785锥体20Cr 207 0.254 7830 540顶杆45 209 0.269 7890 355

表2 试验数据(油压M P石强a)轴(向N)力圆(周N)力大(应M顶P力a杆)大(应M锥P力a体)粗(石应M珩P座力a油)(油应M P石力a)体(磨M应P头a力)2 507 1088 14 14 150 117 162 3 761 1631 21 21 223 174 240 4 1014 2175 28 29 301 234 323 5 1268 2719 34 36 374 291 402 6 1522 3263 40 41 430 334 426 7 1775 3806 47 49 515 401 554 8 2029 4350 55 57 601 468 647 9 2282 4895 63 65 687 535 739

由珩磨头各部件材料属性可知，取塑性材料的安全系数为1.2－2.5，再结合表1 和表2，经过计算得45 钢的安全应力范围为142－296MPa，大顶杆的最大应力为63MPa 小于296 MPa，符合要求。20Cr的安全应力范围为216－450MPa，大锥体的最大应力为65MPa 小于450MPa，符合要求。40Cr 的安全应力范围为314－654MPa，粗珩油石座的最大应力为687MPa 大于654MPa，此时油石压力为9MPa。当油石压力为8MPa 时粗珩油石座的最大应力为601MPa 小于654MPa。考虑到油石压力越大，珩磨效率越高，因此应选油石压力为8MPa。磨头体的粗珩油石座的最大应力为739MPa 大于654MPa。同理可知，应选油石压力为8MPa。

由图3 可知，最大应力出现在磨头体的上端。通过分析可知，磨头体上端与主轴连接处受力较大，并容易产生应力集中，因此出现了最大应力。珩磨油石的最佳压力为8MPa，符合金刚石材料的油石压力推荐值。

图3 珩磨头最大应力示意图

3 锥体对油石刚度变形的影响

大型双进给珩磨头在加工时，由于油石表面上的磨粒与工件表面发生切削、耕犁及摩擦等作用，因此在其之间产生珩磨力。珩磨力可分为法向力、切向力、轴向往复力三部分［7］，如图4 所示。

图4 珩磨头受力分析图

Fn、Ft、F0 分别表示法向压力、切向压力及往复压力，Fs 为Ft 和F0 的合压力。切向力主要影响珩磨时的主轴动力消耗及磨粒的磨损状况;轴向往复力也对往复系统的动力消耗及油石磨损有重要影响;而法向力则对油石和工件间的接触变形和加工质量有重要影响，并对其它两个分力有决定性的作用。法向力即为油石压力，因此法向力对油石及装配体各部件的刚度变形有直接的影响。磨头体主要是起到固定油石座的作用，而顶杆和锥体起到的作用类似。因此可以主要研究大锥体，油石座和油石在油石压力的作用下所产生的刚度变形。大锥体、油石座和油石的三维组合建模如图5 所示。

为了减少ANSYS Workbench 的计算量，同时更方便与观察，截取组合模型的最小单元对模型进行加载，实验结果如图6 和图7 所示。

由图可知，组合体的最大变形发生在油石座的最下端，最大应力出现在大锥体的下端。这是因为随着大锥体由上而下逐渐变长，刚度的累积变形越来越大，而且在大锥体的最下端没有支撑，使得大锥体的刚度变形达到最大，应力值同时亦达到最大。在大锥体向里倾斜的同时，油石座和油石同时和大锥体一同向里倾斜，并导致油石上下端出现锥形的现象，同时导致加工缸体的圆柱度［8］。实验中圆柱度为0.047mm，超过加工要求0.008mm，因此需要对大锥体的结构［9］改进，保证油石的圆柱度，进而保证被加工工件的圆柱度。

文章来源：《石油石化物资采购》网址: http://www.syshwzcg.cn/qikandaodu/2021/0504/610.html