高精度球體加工機床加壓系統的研究*

余龍芬　袁巨龍　周芬芬　趙　萍　張傳通

(浙江工業大學機械工程學院，浙江 杭州 310014)

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高精度球體加工機床加壓系統的研究*

余龍芬袁巨龍周芬芬趙萍張傳通

(浙江工業大學機械工程學院，浙江 杭州 310014)

為解決傳統高精度球體加工機床無法實現加工載荷精確控制的問題，提出了一種新型機械加壓系統，并通過優化結構設計，確定合理的參數，使加壓系統從原有的加壓精度12%F·S提升到0.67%F·S，滿足系統所需的加壓精度2.6%F·S。

加工載荷；加壓系統；加壓精度

高精度球體是高精度軸承的關鍵零件之一，廣泛應用于精密機床設備和檢測設備中[1-2]。高精度球體加工機床用于球體精研、超精研以及拋光等工序；機床精度對最終成球質量有著至關重要的作用[3]。洛陽軸承研究所的郭靜芬[4]結合大量的生產實驗，總結了加工過程中加工機床各參數對最終成球質量的影響，具體因素的影響程度如表1所示。

表1　加工機床對成球質量的影響程度

從表1中可以看出，球體加工的最終質量受到眾多工藝參數的影響，其中加工載荷(工作壓力)是最主要的工藝參數之一，因此做到加工過程中加工載荷的精確可控，對生產高精度球體有著重大意義[5-7]。所以本文針對傳統V型槽機床的加壓系統進行分析研究。

1　傳統V型槽式機床加壓系統所需加壓精度

所謂加壓系統所需的加壓精度，即球體加工機床的最小壓力分辨率與加壓系統加壓范圍之比，其單位為%F·S, 即滿量程百分比。球體加工機床所需的最小壓力分辨率即為單球最小壓力與球體總數之積。單球的最小壓力可以等效為球體加工過程中能夠確保球體做無打滑研磨運動的最小壓力[8]。

對于磨盤直徑為800mm的傳統V型槽式加工機床，加工對象為直徑10mm氮化硅陶瓷球，經過實驗測量計算，單球的最小壓力0.13N。根據機床所需最小壓力分辨率定義，計算得機床所需的加壓精度為2.6%F·S(加壓系統加壓范圍為0～15kN)。

2　新型加壓系統

2.1加壓系統組成

所提出的新型機械加壓系統的主要結構如圖1所示：

2.2加壓系統加壓性能測試

測量磨盤直徑為800mm的傳統V型槽式加工機床所需的加壓精度，以上磨盤自重4 000N為分界點，兩邊各取8～10個點(加壓系統加壓范圍為0～15kN)，計算所取加壓點的實際加壓誤差，實際測量結果如圖2示。從圖2可以看出：在量程范圍內，其最大加壓誤差為1 800N，加壓精度為12%F·S，無法滿足加壓精度2.6%F·S的要求。

3　加壓系統的改進

3.1機床上磨盤重心計算及調平

V型槽式球體加工機床，其上磨盤(圖3所示)具有一個入料口，使上磨盤重心位置偏離其幾何中心，而設計方案中絲桿裝配位置并未精確測定偏心位置，影響了加壓精度。因此需要計算V型槽式機床上磨盤的重心位置。

計算得上磨盤的重心坐標為(0，33.39)，即其重心位置為y軸方向上偏離其幾何中心33.39mm，與上磨盤絲桿裝配位置的偏心量62.5mm相差較大。

原有的加壓系統,彈簧組的調平作用已經無法修正偏移量所帶來的誤差，因此需要在適當位置上增加配重塊以保持上磨盤的重力平衡來進行調平。配重塊裝配位置距離其原上磨盤絲桿裝配位置300mm，根據重力矩平衡的原理，可以列出方程：

P配重(300+62.5-33.39)=P上磨盤(62.5-33.39)

(1)

其中P上磨盤為上磨盤的重量，為4 108N，根據公式(1)可得P配重=363.43N， 其質量為m配重=37.1kg。安裝配重塊后的上磨盤如圖4所示。

3.2加壓系統彈簧組計算優化及有限元分析

3.2.1彈簧組計算

對于V型槽式加工機床，考慮上磨盤自重，要求其上彈簧組最大工作載荷12kN，工作行程25mm，下彈簧組最大工作載荷6kN，工作行程15mm。要求所有彈簧組變載荷循環次數達到10 000次，并且考慮到彈簧組的彈簧數量影響著加壓系統的加壓均勻性，彈簧組彈簧參數如表2所示。

3.2.2結構靜力學分析

針對所設計的3組加壓彈簧，設置5個對比實驗組，對加壓系統在彈簧組最大工作載荷下的加壓均勻性進行了有限元分析，實驗條件列于表3。

表2　傳統V型槽式球體加工機床上、下彈簧組單根彈簧參數

表3　仿真對比組實驗條件

基于有限元分析軟件ANSYS，對彈簧組建立模型，加工球坯作為加壓系統的最終受力物體，起到支撐作用，將球坯簡化為一塊內徑450mm，外徑770mm，高10mm的圓環體，加壓系統采用的材料特性如表4所示。

表4　實體單元材料特性

網格劃分后的模型如圖5所示，施加載荷以及約束后的模型如圖6所示。

加壓系統的總體變形圖如圖7所示，工件表面所受的應力如圖8所示。

根據仿真所得的工件受力云圖，可以得到以下結論：

(1)對比圖8中的a、b、c，在相同的安裝直徑條件下，工件的表面應力分布情況較為相近，只是所受應力的極值有所差異。在4根彈簧情況下應力最大，6根彈簧情況下應力最小，兩者相差不超過3.6%，幾乎可以忽略。這是由于彈簧在圓周均勻分布，在相同壓力條件下，向工件施加的壓力也近似相等。

(2)對比圖8中c、d、e，可以看到在相同的彈簧個數的條件下，工件表面應力分布的均勻性受彈簧組安裝直徑的影響較大。隨著彈簧組安裝直徑減小，工件表面的應力分布越均勻。在所受應力極值上來看，彈簧組安裝直徑越小，其所受的應力極值越大，但其應力極值相差不超過3.5%，亦可忽略不計。從加壓系統的總體變形圖(圖7所示)可以看到，彈簧組安裝直徑越大，加壓系統整體的變形也越大。這是由于上磨盤入料口處去除了大量材料，使系統加壓時，加壓點離加料口越近，造成的變形越大，從而引起了工件更大的應力變化。

3.2.3彈簧組動力學分析

采用機械動力學分析軟件ADAMS，為減少仿真的計算量，對加壓系統模型進行簡化：

(1)將工件簡化為均布于圓周上的，共8顆直徑為10mm的球坯。

(2)將球體的振動信號的幅值轉化為球體圓度誤差引起的振動，即球坯為橢球，長軸比短軸長0.043mm；在研磨盤轉速為15r/min的條件下，球坯自轉角速度根據ADAMS單位制轉化為外溝道角速度2 340°/s，內溝道角速度1 470°/s。

加壓系統的材料特性如表4所示，加載完的模型如圖9所示。根據加壓系統動力學分析模型，將接觸力結果分為兩組討論：①相同彈簧個數下球坯接觸力的變化比較，結果如圖10所示；②相同安裝直徑下接觸力的變化比較，結果如圖11所示。圖中，0.5s之前波形的波動是球從啟動到達到標定速度對上磨盤的沖擊造成的，因此主要對0.5s以后的波動圖像進行對比。

根據圖10與圖11，可以得出以下結論：

(1)在具有相同彈簧個數的情況下，根據圖10可以看出，不同的安裝直徑對球體接觸力的波動影響不大。這是由于不同安裝直徑對加壓系統的主要影響表現為對上磨盤變形的影響，而根據靜力學仿真的結果(如圖7所示)，其變形量的極大值也小于0.01mm，這些變形量對于彈簧組而言產生的變形力較小，因此在具有相同彈簧剛度以及彈簧阻尼系數的條件下，安裝直徑對于球坯表面的接觸力影響也并不明顯。

(2)在彈簧組具有相同安裝直徑的條件下，由圖11可以看出，在4根彈簧的條件下，出現了幾個接觸力的劇烈波動；對比6根彈簧與8根彈簧的接觸力，發現兩者的接觸力波動差別并不明顯。因此對于加壓系統而言，考慮加工成本的情況下，6根彈簧為最優彈簧個數。

綜上所述，彈簧安裝直徑越小，所加工的工件受力越均勻；而彈簧組的彈簧個數是影響球體振動下球體與上研磨盤之間接觸力的主要因素，6根彈簧屬于最優解。在綜合考慮靜力學與動力學分析的情況下，安裝直徑180mm，彈簧個數6為最優的設計組。

4　改進后加壓系統精度測量

改進后的加壓誤差結果如圖12所示。

從圖中可以看到加工機床的加壓誤差在±100N內，重復誤差小于100N，并且其加壓誤差呈現隨機分布，加壓穩定性良好。就加壓誤差的精度而言，已經達到了0.67%F·S，滿足了2.6%F·S的精度要求。

5　結語

本文主要對加壓系統進行了兩個方面的改進：

(1)針對現有的傳統V型槽式機床加壓系統上磨盤未調平的問題，對加壓系統的上磨盤重心位置進行了精確計算，并根據計算結果，對現有的上磨盤采用配重塊的形式進行調平處理。

(2)對加壓系統的彈簧組進行優化設計，并對設計結果進行靜力學和動力學仿真分析，根據分析結果，在6根彈簧，安裝直徑180mm的情況下加壓系統的加壓均勻性最好。在對加壓系統進行相應改進后，加壓系統的加壓誤差精度達到了0.67%F·S，能夠滿足系統所需的2.6%F·S的精度要求。

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[3]張永乾, 吳朝陽. 我國鋼球加工工藝設備的現狀及發展趨勢[J]. 軸承, 2011(4): 59-62.

[4]郭靜芬.G3鋼球批量制造工藝實施要點分析[J]. 軸承, 2003(3): 20-23.

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(編輯孫德茂)

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Studyontheloadingsystemofprecisionballprocessingmachinetool

YULongfen,YUANJulong,ZHOUFenfen,ZHAOPing,ZHANGChuantong

(SchoolofMechanicalEngineering,ZhejiangUniversityofTechnology,Hangzhou310014，CHN)

Toovercomelimitationsthatintraditionalprecisionballprocessingmachinetool’sloadingsystem,processingloadcannotbeaccuratelycontrolled,soanewmechanicalloadingsystemisdevelopedinthispaper.Andoptimizingthestructureoftheloadingsystemtomakeitsoriginalloadingprecision12%F·Sincreaseto0.67%F·S,meetingtherequiredloadingprecision2.6%F·S.

processingload;loadingsystem;loadingprecision

2015-08-05)

160208

*國家自然科學基金(51375455)