摘（zhāi） 要：通過分析目前生產中外圓磨床尾（wěi）架（jià）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（zhuī）原理，通過對調錐尾架進（jìn）行受（shòu）力分析，利用ANSYS Workbench 對其進行靜力結構分析和模態分析，得出了調錐尾架結構能滿足要（yào）求的結論。

 
 
      磨床在磨（mó）削工件時，尾架對工件起（qǐ）到支承和定（dìng）心的（de）作用。尾架結構（gòu）設計不合理，會導致尾架剛（gāng）度不足、振動大等問題，最終影響（xiǎng）工件的加工精度（dù）。因此，對外圓磨床尾架結構的研（yán）究就顯得尤為重要。在磨削高精度外圓柱麵時，要求頭尾（wěi）架頂尖中心線與砂輪（lún）橫向進給方向平行（háng），由於磨削時頭架與尾架的熱變形不一致，從而（ér）使兩（liǎng）頂尖中心線與砂輪橫（héng）向
進給方（fāng）向的平行度發生變化。而且，尾架（jià）在使用過程中，尾架體殼基部與導軌存在摩擦，長此以往，接觸麵的磨損也會使兩頂尖中心的偏移（yí），導致加工的工件圓柱度（dù）達不到要求。因此，磨床擁有一個具有調錐功能的尾架（jià）就很有必要。

      1、 調錐尾架（jià）設計

      1.1 調錐尾架（jià）結構（gòu）

     調錐尾架的結構如圖1 所示，其特點是：在體殼內裝有襯套，襯套內（nèi）裝著尾架套筒（tǒng），頂尖裝在套筒內，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（hòu）密植軸承的位置由體殼側麵（miàn）的一（yī）個擋銷（圖1 為（wéi）正視圖，看不見此（cǐ）擋銷）限製（zhì）。

                            圖1 調錐尾架剖視（shì）圖

     在（zài）後蓋板（bǎn）外部設（shè）有油缸，油缸的柱塞杆（gǎn）與連接套通過（guò）螺紋（wén）連（lián）接（jiē）緊（jǐn）固在一起；連接套與套筒通過螺栓及側麵的鍵（jiàn）連（lián）接在一起。連接套和外套之（zhī）間有上、下兩個精密交叉滾（gǔn）柱直線（xiàn）滑動導軌副，可以減小連接套軸向運動時的摩擦，同時能夠將外套的轉動傳給連接套和尾架套筒，從而（ér）實現其調錐功能（néng）。在磨削工件時，打開油缸開關，此時（shí），油缸中的柱（zhù）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。

      1.2 調錐尾架調錐原理

      調錐尾架實現調錐的原理如圖2 所示。當旋轉（zhuǎn）豎直小軸（zhóu）1 時，由於（yú）螺紋副的作用，通過水（shuǐ）平小軸2 繞O 點旋轉，從而帶動尾架套筒轉動，由於頂尖錐孔的中心線與尾架套筒外圓柱麵的中心線（xiàn）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（xiàn）會有一個水平方向的偏移量，從而實現調錐的功能。

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

     從圖中（zhōng）可看出，若將各（gè）零（líng）部件視為剛體，並且接觸無間隙，則各零部件（除（chú）套筒外）是完全定義的，即所有自（zì）由度均被限定。但是由於間隙的存在（zài），以（yǐ）及各零（líng）部件受（shòu）力時會有微量的變形，故連接座能（néng）夠繞O 點轉動（dòng）一個微小的角度。

     假（jiǎ）設豎直小軸 1 旋轉一個角度α（0 <α <=π）時，由於小軸（zhóu）1 軸向（xiàng）固定無位（wèi）移，螺紋副螺距（jù）為2mm,則水平小軸2 沿小軸1 軸向移動的距離（lí）為h，

     2 、調錐尾架受力分析

     2.1 磨削力的確定

     砂輪（lún）與工（gōng）件接觸進行（háng）磨削，其磨削過程一（yī）般分為三個階段：第一階段是滑擦階段，砂輪磨粒的切（qiē）削刃與工件表（biǎo）麵開始接觸，工件發生彈性變形；第二階段為（wéi）耕犁階段，切削刃壓入（rù）工（gōng）件的塑性基體（tǐ），經（jīng）過塑性變形（xíng）之後，金（jīn）屬基體被推向砂輪磨粒的一側，導致工件的表麵金（jīn）屬顆粒從基體上隆起；第三階段為（wéi）切屑形成階段，此階段，隆起的（de）表麵金屬顆（kē）粒被砂輪（lún）切削刃從基體上切除。而磨削力（lì）就是起（qǐ）源於工（gōng）件與（yǔ）砂輪接觸後引起的彈性變形、塑性變形、切屑形（xíng）成以及磨粒和（hé）結合劑與表麵之間的磨擦作（zuò）用。為方便理解及計算，一般將磨削（xuē）力（lì）沿著三個（gè）相互垂（chuí）直的方向分解（jiě）為三（sān）個分力：砂輪旋轉切線（xiàn）方向的（de）切（qiē）向力Ft，砂輪和工件接觸麵法線方向的法向力Fn，縱（zòng）向進給方向的軸向力Fa，如圖3 所示。

                  圖3 工件所受磨削力分解示意圖（tú）

     軸向力Fa一般比較小，可以忽略不計（jì）。

     2.2 工件重（chóng）力及頂緊力的確定

     該調錐尾架適（shì）用的外圓磨床能加工（gōng）的工件最大直徑320 mm，最大長度為750 mm，最大質量150 kg。磨床的工況（kuàng）為兩頂尖共同頂持工件磨削，因此（cǐ），作用（yòng）在尾架頂尖的重力為工（gōng）件總重力的1/2，即150×9.8×1/2＝735 N對於兩頂尖支承工件的機床係（xì）統，根據實際經驗（yàn）可知，其對（duì）工件的頂緊力一般為工件自（zì）重（chóng）的（de）70%～80%。考慮尾架在極限工況下仍（réng）必須具備良好的性能（néng），分析時取頂緊力為工件自重的80%。所以（yǐ），對於該（gāi）磨床所能加工的工件最大自重，其頂緊力為：150×9.8×80％N=1176 N

 
     3 、調錐（zhuī）尾架靜（jìng）力結構分析

     3.1 模型分（fèn）析時的假設
 

    由於尾架結構（gòu）複雜，受多方（fāng）麵（miàn）因素的影響，進行有限元分析時，為簡化計（jì）算，進行如下假設：

     （1）認定尾架是由（yóu）相同材料組成，密度均勻分布，在（zài）工作過（guò）程中始終處於彈性階段；
 
     （2）假定位移（yí）和變形都是微（wēi）小的 。

     3.2 材料物理參數

    金屬材料的物理性（xìng）能參數如比熱容、導熱係數、彈（dàn）性模量、屈服應力等一般都隨溫度的變化而變化，當溫度（dù）變化範圍不大時，可采用物理性能參數的平均（jun1）值來進行計算（suàn）。因此，可選用室溫下材料的（de）物理參數值進行模型的靜態分析和（hé）模態分析。

    分析的磨床尾架所使用的材料及其常溫下的物理（lǐ）性能參數，如（rú）表（biǎo）1 所（suǒ）示（shì）。

               表1 尾架所用零件材（cái）料常溫下的物理性能參數

     3.3 靜力（lì）結構分析

    調錐尾架是由許多零件裝配而成的（de）大型複雜結構，主要由頂尖、體殼、後體殼及安裝在體殼和後（hòu）體殼的眾多零部（bù）件組成，且存在多處零件間的接觸連接。若不對模型進行簡化（huà）處理，將很大程（chéng）度上影響計算速度，甚至會引（yǐn）起計算結果（guǒ）不收斂等嚴重錯誤。因此，在將（jiāng）模型導入（rù）有限（xiàn）元分析軟件之前，首先對尾架的CAD 模型進行簡化，如去除不直接承受力的零件、忽略零（líng）件上小的螺栓孔、銷孔、凸台（tái）、倒角以及退（tuì）刀槽等對分析結果影響（xiǎng）不大的局部細節結構。

   將尾架（jià）裝配（pèi）體所分的各部分的（de）三維（wéi）模（mó）型分別導入到ANSYS Workbench 中，添加各零件的材料（liào）屬性，定義、修改接觸對。在劃分網格時，將定義了不同接觸類型的零（líng）件區分對待，定義了摩擦接（jiē）觸（Frictional）的兩零件盡量采用Sweep 或MultiZone的網格劃分方法（fǎ），並（bìng）適當地將網格劃分的比（bǐ）較小；定義了綁定接觸（Bonded）及不（bú）分離接觸（NoSeparation）的零（líng）件，則可由計算機內部程序自動控製劃分方法。劃分之後的有限元模型，如圖4 所示。

    
                   圖（tú）4 網格劃分
 

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

               圖5 前體殼部分分析結果

           圖6 後體殼部分分析結果

            圖7 油缸部分分析結果（guǒ）
 

    將分析結果匯（huì）總整（zhěng）理，如表 2 所示。

                    表2 現有尾架靜（jìng）態結構分析結果匯總

    由表2 可知（zhī），該尾架在工作過程中（zhōng），產生的最大應（yīng）力不足100 MPa，而（ér）各零件所用材料的許用應（yīng）力均（jun1）大於100 MPa，故其強度滿足要（yào）求。

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

    4 、模態分析（xī）結果

    以靜力分析的求解為輸（shū）入數據，這樣我們省去了修改材料屬性，定義接觸類型、網格劃分和添加（jiā）載荷（hé）及約束，直（zhí）接設置（zhì）求解（jiě）項（xiàng）並求解，在工程應用中，通常關注前4 階低階的固有頻率已經足夠，結果如圖8（前體殼部分）、圖9（後體殼部分）、圖10（油缸部分（fèn））所示。

                   圖8 前體殼部分模態分析（xī）結果

                         圖9 後體殼（ké）部分模態分析（xī）結果

                      圖10 油缸（gāng）部（bù）分模態分析結果

      將分析結果匯總，如表 3 所示。

                         表3 現有尾架模態分析結果匯（huì）總（Hz）

    該尾架各部分的各階固有頻率均在 400 Hz 以上，可以得出尾（wěi）架整體，其各階固有頻率至少也在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，頭架主軸轉速30~300 r/min，故磨（mó）床各振源（yuán）的頻率為0.5~5 Hz、23.3 Hz 和25.3 Hz，所以不會產生共振（zhèn）。

  
      5、 結語

     應用分析軟件對調錐尾架進行分（fèn）析，該（gāi）尾（wěi）架在工作（zuò）過程中，產生的最大應力小於各零件（jiàn）的許（xǔ）用應力，故其強度滿足要求；變形量也都在許可範圍內，所以剛度滿足要求（qiú）。頂尖（jiān）變形量也在設計範圍內。而且，該尾架動態性能（néng）良好，不存在共振的問題。