钛浩机械关于高精度重型回转顶尖承载能力的研究

钛浩机械关于高精度重型回转顶尖承载能力的研究高精度重型回转顶尖是为P60S滚齿机加工大型高精度齿轮所专门研制，本文围绕该顶尖承载性能进行，主要研究内容包括运用有限元法对顶尖的承载能力进行深入研究，计算顶尖在径向作用力作用下的挠度；分析顶尖主要部件对顶尖挠度的影响，并对其分析结果进行实验验证；对径向支撑轴承的预紧与轴承刚度关系进行深入研究；针对影响顶尖挠度的主要原因提出了具体改进方案。利用ABAQUS有限元分析软件建立顶尖的有限元模型，详细讨论了顶尖对称模型和材料模型的建立方法；并就接触问题的有限元法进行了详细研究；运用辅助作用力解决了由于轴承滚子与滚道脱离接触而导致的收敛问题。分析得出顶尖的作用力一挠度关系曲线和顶尖各主要部件变形对顶尖挠度影响的大小。对顶尖承载能力的有限元分析结果进行实验验证。特别讨论了实验中加载系统的设计，解决了由于顶尖前端部为锥面而造成径向负载力加载困难的难题。实验结果验证了对顶尖承载能力有限元分析的正确性。针对轴承预紧量与轴承刚度关系，运用赫兹接触理论建立了计算圆柱滚子轴承径向刚度的数学模型，用VB.NET编程语言编制了计算圆柱滚子轴承径向刚度的程序并进行实例计算。运用ABAQUS有限元软件建立圆杜滚子轴承的有限元模型，并进行分析计算，得出在不同预紧量下轴承的刚度。对两种分析方法得出的结果进行了对比分析。根据有限元分析和实验结果，针对原顶尖体悬臂梁结构易变形而导致顶尖挠度过大的问题，提出了顶尖的具体改进方案，并对方案进行了有限元分析，验证改进后顶尖的性能。关键词挠度；有限元；ABAQUS;回转顶尖哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-H-AbstractThehighprecisionheavy-dutyrotatedcenterisspeciallydesignedformanufacturinglargegearbyP60Srollgearmachine.Themainlycontentinthispaperinclude:researchthecarryingcapacityofthecenterbyFiniteElementmethod(FEM),calculatetheflexibleofthecenterontheradialforce,analysistheinfluenceofthemainpartsforflexible,andtestoutanalysisresultbyexperiment,bringforwardtheimprovedplanaccordingtothemainfactorsaffectingtheflexibleofcenterAFiniteElementAnalysis(FEA)modelisbuiltforthecenterbyABAQUSsoftware,andmakeadetailedresearchforthecontactproblemofFEMandtheloadingprocessofradialload,resolvetheconvergenceproblembyreasonofnon-contactbetweentheballandroadofbearingbyusingtheassistantforce.Byanalysis，getarelationcurveforforceandflexible，andtheaffectofmainpartsdeformationtotheflexible.DoaexperimentfortestingtheFEAresultfortheloadcapacityofcenterEspeciallydiscussthedesignforexperimentloadsystem,resolvetheradialloaddifficultproblembecausetheforwardendofthecenterisacone.TheexperimentalresultconfirmtheresultbytheFEA.Accordingtorelationbetweenpre-loadofthebearingandtheloadcapacity.ThemathmodelfortheradialandaxisbearingsrigidityisbuiltbyHertzContactTheory,AprocessisprogrammingforcalculatingtheradialandaxisbearingsrigiditybyVB^NETsoftwareandisusedforcalculation.AFEAmodelforcylindrical-rollerbearingisbuiltbyABAQUSsoftwareandisusedforcalculationandanalysis,andlastgettherigiditybelowdifferentpreload,wecomparethetworesultsbythetwodifferentmethods.AccordingtheFEAresultandexperimentalresult,weputforwardan哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-H-improvedplftntoresolvetheproblemthatthecantileverstructureiseasytodeformandlc^dtothelargerigidity.Atlastwctestth&planbytheFEM,andconfirmthatitcanimprovethecapacityofcenter.Keywordsrigidity,FiniteElementAnalysis,ABAQUS,rotatedcenter第丨章绪论顶尖的实物外形和结构分别如图1-1、图1-2所示。顶尖径向支撑采用第1章绪论1.1课题背景在滚齿加工中，机床尾座顶尖是影响被加工齿轮齿向精度的一项关键因素。作为一类机床附件产品，顶尖已形成了标准系列规格，根据其结构形式，大体可分为固定顶尖和回转顶尖两大类。固定顶尖结构简单、精度较高、承载能力强，多用于对定位精度要求较高的回转切削加工中，但使用时易发生研死、拉毛等现象，从而破坏其定位精度。回转顶尖的高速转动性能好、不易研死，但定位精度和承载能力不如固定顶尖，多用于高转速、低精度的回转切削加工中。P60S滚齿机主要用于加工重型高精度齿轮，工作转速较低，加工精度要求高，且被加工齿轮的结构尺寸和自重很大。因此，该机床所用顶尖应兼具高精度、高承载能力。为此，专门研制了高精度重型回转顶尖（本文后面一般简称为顶尖），并在P60S滚齿机上成功实现了加工应用[卜3]。该顶尖在P60S滚齿机上的应用，使齿轮加工精度得到了很大提高。在研制时，提出了顶尖的技术指标为顶尖前端部径向跳动小于〇.〇〇5mm。在该顶尖的实际应用中，顶尖在无负载和静载时前端部径向跳动满足了设计要求，但发现顶尖在加工大型齿轮时，在工件自重和切削力作用下顶尖前端部挠度过大，导致齿坯轴线偏离齿轮回转中心，产生几何偏心14]。齿轮几何偏心对齿轮误差的影响甚大，不容忽视〖5〜81。在定位和装夹齿坯时，顶尖前端部的作用力主要来自工件自重，方向固定，导致径向跳动在有载荷和空载时变化非常小，因而反映不出顶尖挠度。为了进一步提高齿轮加工精度，提高顶尖的承载能力，需要对顶尖进行改进。本文正是在上述工程背景下提出来，目的就分析顶尖在外载荷作用下的前端部挠度，找出产生挠度过大的原因和影响因素，进而提出改进方案，为顶尖下一步改进提供理论依据。1.2顶尖的结构哈尔滨工业大学工学硕士学位论文双列圆柱滚子轴承，前支撑为NN3017K，后支撑为NN3012K-顶尖主要由三部分构成：顶尖体、顶尖轴和轴承。图1-2高精度重型回转顶尖结构图^顶尖的前后支撑轴承承受顶尖轴的径向力，中间234417B轴承主要承受_向力。顶尖体尾部安装在滚齿机尾座锥孔内，形成悬臂梁结构。顶尖总长650mm,其中悬臂部分长360mm。1.3课鼷研究目的和意义P60S滚齿机滚齿工作过程如图1-3所示，工件为卧式安装。工件的自重和切削力主要由机床卡盘和顶尖承担，P60S滚齿机加工工件一般为大型齿轮，工件自重最大达2X103Kg以上，顶尖承受的径向作用力很大。如顶图1-1高精度重型回转顶尖实物图第1章绪论图1-5不同类型的辅助支撑尖承载能力不足，顶尖前端部就会产生过大挠度，引起齿坯的轴线与顶尖回转轴线不重合，即产生几何偏心。当齿坯存在几何偏心时，切出的齿廓位置相对于齿轮工作轴线位置就产生沿齿轮径向的位置误差[9]。顶尖在实际使用时，为了消除顶尖承载能力不足带来的齿轮加工误差，采取在工件两端加辅助支撑的办法减小顶尖径向作用力，以达到减小顶尖前端部挠度的目的，这等同于在工件两端增加了一对滑动轴，如图1-4所示。辅助支撑采用如图1-5所示结构形式承。图1-4齿坯两端加辅助支撑a)b)哈尔滨工业大学工学硕士学位论文从图1-4可以看出，增加辅助支撑后，一方面使工件实际上处于过定位状态，过定位可能会造成工件定位干涉、定位不稳、増大加工误差、使工件或定位元件产生受力变形，甚至出现部分工件不能正常装夹的情况，这就使得齿轮加工精度得不到完全保证191;另一方面为了适应不同外形工件坯料，需要做多种不同的辅助支撑，对于批量较小的大型齿轮来说十分麻烦。从P60S型滚齿机加工齿轮的实际出发，需要对顶尖进一步进行改进以提高其承载能力。在进行改进工作时，必须仔细分析顶尖工作时前端部产生的挠度、影响挠度的因素以及顶尖各主要部件对顶尖前端部挠度影响程度，找出影响顶尖前端部挠度的主要因素和部件，再在此基础上对顶尖进行改进。因而研究高精度重型回转顶尖在径向载荷作用下的挠度及其影响因素具有较大实际意义。本文研究的顶尖径向支撑在结构上采用二轴承支撑结构（如图1-2所示），前后支撑轴承均釆用承载能力较强的双列圆柱滚子轴承。其径向支撑结构形式和一般机床主轴径向支撑结构形式类似，本文的研究结论对研究机床主轴的刚度、优化主轴结构也有一定的参考价值。本文所研究的顶尖虽是为P60S滚齿机专门研制，在经过分析其结构刚度并进行改进优化后，可以进一步应用到类似的机床上，研制出系列产品，具有十分广阔的应用前景。1.4有限元分析方法和软件简介1.4.1有限元分析方法发展和应用状况随着计算机技术和计算方法的发展，复杂的工程问题可以采用离散化的数值计算方法并借助计算机得到满足工程要求的数值解，数值模拟技术是现代工程学形成和发展的重要动力之一[1G]。有限元法是在变分法理论基础上吸收了有限差分法的基本思想而发展起来的，是对古典的近似计算的归纳和回归。它通过将复杂几何模型分成各个相对简单单元，进行单元分析，然后再将各个单元合成结构整体进行整体分析。1943年Courant首先提出有限元的基本思想[11],20世纪50年代Turner和Clough等人第一次成功应用于平面应力问题〖12】。到I960年Clough又进一步应用有限元法处理了平面弹性问题并题出有限单元（FiniteElement)的名称[13]，此后有限元的理论和应用都得到了迅速发展。如今有限元法在许多学科都第1章绪论得到广泛的应用，成为不可缺少的分析计算手段11^^。对于许多工程问题，不可能获得解析解，以前为了得到解析解，人们不得不做多到难以承受的假设和简化，以致于得到的结果只能适用于最简单的情况[21]。隨着计算机技术的不断进步，计算能力不断提高，有限元分析方法得到了广泛的应用。对于材料性质和边界条件复杂的问题，人们可以依靠有限元方法得到近似的、较令人满意的答案。当今国际上有限元方法的发展呈现出以下一些趋势特征：1)从单纯的结构力学计算发展到求解许多物理场问题有限元分析方法最早是从结构化矩阵分析发展而来，逐步推广到板、壳和实体等连续体固体力学分析，实践证明这是一种非常有效的数值分析方法[22]。而且从理论上也已经证明，只要用于离散求解对象的单元足够小，