長軸表面滾壓加工過程數(shù)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(chǎn)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(chǎn)生多邊形、竹節(jié)等疵病。為了克服傳統(tǒng)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(shù)值模擬，并對產(chǎn)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(jīng)驗公式，設計了以下3種形狀的滾輪進行數(shù)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(shù)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(wǎng)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(jié)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(jié)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(shù)。

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(jié)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(shù)

在有限元分析中，單元網(wǎng)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(wǎng)格質量取決于網(wǎng)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(wǎng)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(shù)為0．3，動摩擦系數(shù)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(chǎn)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(jié)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(shù)的變化趨勢，以及加工過后長軸表面變形區(qū)在最后時間步的節(jié)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(chǎn)生的塑性變形區(qū)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(chǎn)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(chǎn)生的應力有可能過于集中，在數(shù)值模擬分析中出現(xiàn)了滾輪與工件粘連的現(xiàn)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(shù)據(jù)，F(xiàn)X表示滾輪對長軸施加的壓力，F(xiàn)Y表示滾輪在滾壓加工過程中沿軸向進給時產(chǎn)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(chǎn)生的滾壓力FX也明顯大于1號和3號滾輪。1號滾輪產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(jié)點位移的對比

由于長軸在滾壓加工之后表面會產(chǎn)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(jié)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(jié)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(jié)點位移量的對比情況。

表3 長軸表面節(jié)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(jié)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(jié)點號（也即軸向位置），縱坐標表示節(jié)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(fā)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(jié)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(jié)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(shù)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(shù)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(chǎn)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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