基于ANSYS 的拉削定位面優化設計

趙文昌，任聰

（陜西法士特齒輪有限責任公司，陜西 西安 710119）

前言

數值模擬技術是將計算機科學和現代數學、力學的發展成果及新的計算方法結合起來，而發展起來的一門新興技術。隨著計算機處理速度的迅速提高，計算機模擬已經和實驗觀察、理論分析并列成為本世紀科學研究的三種方法。通過數值模擬技術，可以代替需要大量費用的工藝實驗。近年來，有限元方法在切削工藝中的應用表明，切削工藝和切屑形成的有限元模擬對了解切削機理、提高切削質量是很有幫助的。

直齒輪拉削過程中有時會產生嚴重的喇叭口問題，工件出口端與進口端的跨棒距相差0.1mm 以上，嚴重影響拉削工件的質量。針對這一問題，本文以某型直齒輪拉削為例，通過運用ANSYS 對該工件在不同定位面情況下，進行拉削中工件變形仿真分析，從而更改卡具定位平面，改善了工件喇叭現象。

1 ANSYS 拉削過程模擬仿真

有限元法就是一種計算機模擬分析技術，它能夠用計算機模擬出一個工程問題的發生過程而無須把實物實際做出來。有限元軟件ANSYS 是美國ANSYS 公司開發的一款專業的CAE 軟件，具有完善且強大的前后處理及分析計算能力。

1.1 拉削力計算

拉削時，雖然拉刀的每一個刀齒只切去很薄的一層金屬，但由于同時參加工作的切削刃總長很長，因此拉削力很大。在金屬切削刀具設計手冊[1]中拉刀的切削力計算公式為：

其中：F 為拉削力；Fc’為單位刀刃長度切削力，N/mm；∑b 為每個刀齒切削刃寬度，mm；Zi為同時工作齒數；N 為花鍵齒數；Kγ、Kα、Kδ、Kω分別為前角、后角、刀齒鋒利程度、切削液對拉削力影響的修正系數，一般亦可忽略不計。

針對某型直齒輪，根據其材料、拉削時的齒升量和拉削參數等，可知Fc’=207N/mm、∑b=7.77mm、N=18，Zi=4；因此，F=115804N。

1.2 創建有限元模型

1.2.1 建立三維實體模型

ANSYS 是最流行的有限元分析軟件，但實體和曲面造型功能較弱。因此，運用UG 對分析對象進行實體建模，然后將建好的三維模型導入ANSYS 軟件進行有限元分析。本文所探討的是拉削過程，切削層的厚度遠遠小于工件花鍵的寬度，為了簡化計算，可將花鍵簡化為圓孔拉削。

1.2.2 定義材料

在Geometry 中設置模型材料。已知某型直齒輪的材料為20CrMnTiH，在軟件中簡化設置為Structural Steel。

1.2.3 劃分網格

有限元網格的劃分有限元網格質量的好壞和數量的多少將直接影響到計算結果的精度和計算規模的大小。網格劃分密度過于粗糙，結果可能包含嚴重的錯誤；過于細致，將花費過多的計算時間，浪費計算機資源，而且可能導致不能運行。某型直齒輪形狀比較規則，故其網格劃分通過手動定義單元大小，自動網格劃分。

1.2.4 約束邊界及施加載荷

根據工件的拉削狀況，模型的載荷和約束考慮如下：①忽略重力的影響，由于切削力遠遠大于重力，因此這里忽略重力的影響；②切削力作用在軸向，均分布在內圓孔上；③約束工件的定位面，見圖1，該工件底部有不在同一平面的兩個環面，故在模擬仿真時，每次仿真定位一個環狀面為定位面，定義以圖中黃色標記面為定位時為方案一，以紅色標記面定位，為方案二。

圖1 工件兩個不同定位面

1.2.5 計算結果分析

運用ANSYS 軟件進行模擬，可得仿真模擬結果：若定位面選擇圖1 中黃色標記的面為定位面，即方案一，則得到上下端面在徑向變化量，見圖2(a)，可見拉削后工件上端面收縮嚴重，而下端面有輕微的擴張，相差約為0.02mm；若定位面選取圖1 中紅色標記面，即方案二，則模擬結果見圖2(b)，拉削后工件上端面處嚴重收縮，下端面嚴重擴張，上下端面變形量約為0.08mm。由此可見，根據模擬分析結果，采用內孔端面定位方式更合理。

圖2 仿真模擬圖

2 某型直齒輪拉削喇叭孔現象明顯改善

某型直齒輪，現場拉削定位面選用方案二，采用平面定位的卡具，圖3 中（a）所示，拉削后測量工件上下端跨棒相差0.09mm；將卡具法蘭盤的平面修改為帶錐面的平面，圖3中（b）所示，拉削定位面選用方案一，試拉工件，測量工件上下端面的跨棒距，則其相差0.02mm，工件拉削喇叭口現象明顯得到改善，處在工藝要求的范圍。

圖3 拉削卡具二維圖

3 總結

本文針對某型直齒輪拉削后產生的喇叭口問題，通過建立其三維幾何模型，選取不同定位面，運用ANSYS 軟件進行拉削過程虛擬仿真分析，得到了在選取不同拉削定位面時，工件變形程度，從而指導現場卡具更改，解決了某型直齒輪拉削過程中出現的嚴重喇叭口問題，為后續拉削工藝的設計與優化提供有力的依據。