長軸表面滾壓加工過程數值模擬的研究

黃國權 郝 卓

（哈爾濱工程大學機電工程學院，黑龍江哈爾濱 150001）

使用磨削加工細長軸時，由于其剛性差、熱變形大等原因，切削過程中極易產生彎曲和振動，因此常常得不到理想的表面粗糙度和形狀精度，特別是圓柱度誤差過大或產生多邊形、竹節等疵病。為了克服傳統磨削加工的缺點，采用滾壓加工的方法對長軸表面進行光整加工，以便減小長軸的表面粗糙度值。這種方法可同時達到光整加工及強化兩種目的。對長軸采用雙滾輪滾壓加工的方法。雙滾輪滾壓加工時兩個滾輪成水平對置，滾輪與長軸截面的圓心在同一條直線上。由于是兩個滾輪徑向均勻分布，對于傳動軸而言，合力總是為零，因此不會傷害到長軸。雙滾輪滾壓加工的原理如圖1所示。

本文使用ANSYS/LS－DYNA顯式非線性動力學分析程序對不同形狀滾輪的滾壓加工過程進行數值模擬，并對產生的結果進行分析，從而比較出較佳的加工方法。

1 滾輪的設計

滾輪選取材料為T10A碳素工具鋼。通過分析，并結合經驗公式，設計了以下3種形狀的滾輪進行數值模擬分析，如圖2所示。滾輪的最外圈直徑都為100 mm，最大寬度都為25 mm，中心孔直徑都為30 mm。1號滾輪工作面為圓弧形，圓弧半徑為12.5 mm;2號滾輪工作面為一段直線，其中一端為圓角，直線部分長度為10 mm，錐面上的傾角為3°，過渡圓角半徑為3 mm;3號滾輪工作面為直線形，直線長度為19 mm，兩端的圓角半徑為3 mm。

2 不同形狀滾輪對滾壓效果的數值模擬

單元類型在很大程度上影響著求解時間和求解精度，同時對單元網格的劃分和再劃分也有重要影響。首先確定有限元模型的單元類型，在三維金屬成形模擬有限元軟件分析中，常用到的單元主要有八節點六面體單元。

長軸的材料選用45鋼，單元選用SOLID164實體單元。該單元由8個節點構成，它支持所有許可的非線性特性。使用該單元時無需定義實常數。

滾輪的材料模型選用剛性體。由于定義了一個剛體之后，剛體內所有節點的自由度都耦合到剛體的質量中心處，從而大大縮短了顯式分析的計算時間。滾輪材料選用T10A碳素工具鋼。滾輪與長軸所采用的材料及其力學性能如表1所示。

表1 長軸及滾輪的力學性能參數

在有限元分析中，單元網格的質量直接影響著求解的效率和精度。當單元類型確定后，網格質量取決于網格劃分的精度等級和單元邊長等因素。對滾壓加工的有限元模型進行單元網格劃分后的結果，滾輪滾壓長軸的有限元模型如圖3所示。

接觸類型選用Surface to Surf和ASTS即自動面對面接觸，兩者之間的靜摩擦系數為0．3，動摩擦系數為0．2;對被加工長軸在總體柱坐標（Global Cylindrical）下約束其UX、UY方向自由度，使其只能繞Z軸旋轉。對于滾輪在總體笛卡爾坐標系（Global Cartesian）下約束其沿Y軸方向位移以及繞X軸、Y軸方向的轉動。

兩個滾輪同時沿X軸方向和X軸負方向壓緊長軸，然后沿Z軸方向做勻速水平移動，長軸做勻速轉動，憑借滾輪與長軸之間的摩擦力帶動滾輪轉動，最終完成整個滾壓加工過程。具體的載荷施加條件如表2所示。

表2 載荷的施加條件

3 不同形狀滾輪滾壓效果的對比

3．1 3種形狀滾輪產生的等效塑性應變場的對比

采用滾輪1、滾輪2、滾輪3分別對長軸表面進行模擬加工，3種不同形狀的滾輪加工過后的節點等效塑性應變場的差異如圖4、圖5和圖6所示。通過觀察3種不同形狀滾輪在長軸加工過程中等效塑性應變場隨時間步數的變化趨勢，以及加工過后長軸表面變形區在最后時間步的節點等效塑性應變場可以得出以下結論:

（1）2號滾輪由于在加工時與長軸的接觸面積較大，在加工時產生的塑性變形區域要明顯大于1號和3號滾輪。

（2）3號滾輪的加工效果和2號滾輪類似，但是由于其與長軸的接觸面積小于2號滾輪，加工時產生的塑性變形也相對減小。

（3）1號滾輪由于形狀的原因在加工過程中與長軸的接觸面積最小，加工時產生的應力有可能過于集中，在數值模擬分析中出現了滾輪與工件粘連的現象。

（4）2號滾輪引起的軸向塑性變形較1號滾輪和3號滾輪大。使用2號滾輪進行加工時，滾輪和長軸在軸向進給方向的寬度較大，滾輪每轉一周的滾壓寬度也就越大。說明2號滾輪在加工中可以使用相對較大的進給量，工作效率要高于另外兩種滾輪。

3．2 不同形狀滾輪與長軸接觸力的對比

在ANSYS時間歷程后處理器（POST26）中觀察3種滾輪在加工過程中滾輪和長軸之間接觸力的變化情況，如圖7、圖8和圖9所示。圖中的橫坐標都表示時間。對縱坐標做如下定義:在時間歷程變量對話框中添加反作用力結果數據，FX表示滾輪對長軸施加的壓力，FY表示滾輪在滾壓加工過程中沿軸向進給時產生的力。由于滾輪與長軸之間的滾動摩擦力比較小，在這里不作為主要的研究對象。通過觀察比較，得出以下結論:

（1）在滾輪滾壓長軸的過程中，與滾壓力的大小有最直接關系的是滾輪和長軸的接觸面積。由于滾輪自身形狀的因素，2號滾輪在加工過程中和長軸的接觸面積最大，因此產生的滾壓力FX也明顯大于1號和3號滾輪。1號滾輪產生的滾壓力在3種形狀的滾輪里是最小的。

（2）3號滾輪在滾壓加工過程中做軸向進給時產生的力要稍大于1號和3號滾輪，最大值在0．3 kN左右。其他兩種形狀的滾輪在軸向進給過程中也產生了不同程度的軸向力。由于滾輪靠液壓缸提供卡緊力，液壓缸的活塞桿只可承受很小的徑向力。為保證長軸滾壓加工的精度，在設計時應該對活塞桿采取保護措施，減小其因受外力引起的彎曲變形。

3．3 長軸表面節點位移的對比

由于長軸在滾壓加工之后表面會產生微小的回彈變形，這對長軸加工后的表面粗糙度具有很大影響。為此，需要觀察比較給定壓下量和最終實際壓下量之間的關系。沿滾輪軸向進給方向選取長軸表面的若干個節點，比較它們在X方向的位移量，可以看出在相同的初始條件下，3種形狀滾輪滾壓加工過后長軸表面節點沿X方向的真實位移量。表3是3種形狀滾輪加工過后表面節點位移量的對比情況。

表3 長軸表面節點實際位移對比

在長軸的軸線方向均勻選取若干個點，用以表示不同形狀滾輪加工過后表面節點在長軸軸線方向實際位移量的分布情況，圖10～12。圖中，橫坐標表示節點號（也即軸向位置），縱坐標表示節點實際位移。通過觀察圖10～12可以得出以下結論:

（1）在滾壓加工長軸的初始階段，當滾輪與長軸發生接觸，開始滾壓的時刻，由于滾輪壓入長軸的表面有一定的沖擊作用，使長軸端部的節點位移明顯大于其他位置。

（2）除滾壓加工初始位置以外，長軸表面節點實際位移值的的分布比較均勻，大致在0．07～0．078 mm這個范圍以內。3種形狀的滾輪中，2號和3號滾輪的回彈率處于同一水平，1號滾輪的回彈率相對較高。

4 結語

本文采用滾壓加工的方法對長軸的表面進行光整加工，設計了3種形狀的滾輪，用有限元法對長軸的滾壓加工進行了數值模擬分析。為了考察不同形狀滾輪對長軸表面加工質量的影響，分別選用了3種形狀的滾輪進行數值模擬分析。通過比較3種形狀的滾輪對長軸的加工效果，可以看出:2號滾輪相比其他兩種形狀的滾輪，它的加工效率較高，可以采取較大的軸向進給量進行滾壓加工;而且加工后產生的回彈變形也相對較小，回彈率較低，說明使用2號滾輪時的加工精度較高。其缺點是由于形狀的原因，2號滾輪與長軸的接觸面積較大，在進行滾壓加工時所需的滾壓力也相對較大。

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