无心外圆磨削特性的有限元建模与数值模拟

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无心外圆磨削作为一种获得高精度、低粗糙的精加工工艺方法,在机械制造领域占有重要地位。无心磨削系统中的动态特性和热特性对工件加工精度均有很大影响,所以深入研究结构的动态特性和热特性是提高加工性能的关键。本课题是无锡光洋机械工业株式会社无心磨床成圆过程模拟项目的一个子课题,结合国内外磨削技术发展现状,进行了以下几方面研究。首先从简化的单个磨粒的切削状态入手,建立了外圆三阶段横向磨削的切向和法向磨削力理论模型,通过Matlab6.5仿真,获得了磨削力仿真曲线,依据实验数据对经验常数q进行修正,使仿真结果与实验数据趋于一致,表明本文所建理论模型的合理性与可行性。在此基础上,得到了工件稳态运动时整个无心外圆磨削系统动力学分析及仿真结果,为后面有限元分析的力载荷模型奠定基础。运用三维软件Pro/E建立了砂轮架系统模型,并将CAD模型转成有限元模型,通过定义系统热载荷和边界条件,获得了砂轮架稳态和瞬态温度分布,采用间接热结构耦合法对砂轮架系统进行热变形分析,结果表明:砂轮架主轴从左至右变形逐渐减小,且最大变形发生在上端盖前端部分。为改善磨削工件的加工精度指明了方向。分别建立了导轮架和托板的Pro/E模型和ANSYS有限元模型,通过对它们进行瞬态动力学分析,得到了系统的等效位移场、应变场和应力场分布等值线图,以及导轮架和托板在整个磨削过程中随时间的变形图,并根据变形原理提出了减小托板变形的几点建议。最后,通过比较发现,导轮架系统变形对工件加工精度的影响相对较小。
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