CN101393582A - 无支撑磨削的高刚度的主轴系统仿真解析方法 - Google Patents

无支撑磨削的高刚度的主轴系统仿真解析方法 Download PDF

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汪中厚
姚俊
黄海涛
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University of Shanghai for Science and Technology
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Shanghai Machine Tool Factory Co Ltd
University of Shanghai for Science and Technology
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Abstract

本发明涉及一种无支撑磨削的高刚度的主轴系统仿真解析方法，是基于三维设计软件Pro/E对该主轴系统进行三维几何建模，并完成装配，形成数字样机，利用Pro/E的分析子模块Pro/MECHANICA软件，实现无缝连接。在子模块Pro/MECHANICA中，定义约束，载荷与接触区域，执行计算后，输出多种相关零件的应力与变形的结果。本发明可以考虑到影响该主轴系统刚度的多种因素，比如，顶尖与工件的中心孔的接触长度的影响、中心孔的锥度的影响、螺钉的直径，布置方式与预紧力的大小的影响、锥套的锥度的影响、锥套的过盈量的大小的影响等，为高性能的无支撑磨削的高刚度的主轴系统的设计与制造提供了有力的技术支持。

Description

无支撑磨削的高刚度的主轴系统仿真解析方法
技术领域
本发明涉及一种主轴系统仿真解析方法，尤其是一种用于无支撑磨削的高刚度的主轴系统的仿真解析方法。
背景技术
随着钢铁汽车行业科技的发展，高效、高精度的磨削技术越来越迫切。由于液体静压轴承的刚度比传统的滚子轴承的刚度高，因而回转精度就高，这对加工高精度零件非常有利。另一方面，采用传统的滚子轴承支撑的主轴系统，由于刚度不足，在磨削工件时，工件必须有支撑机构。采用支撑机构的磨削系统，要想达到高精度，必须反复磨削，再加上调整时间，效率很低。要想达到高精度与高效率，必须采用无支撑磨削。因此，为了达到无支撑磨削的目的，开发一种液体静压技术无支撑磨削的高刚度的主轴系统。
但是，影响主轴系统的刚度不仅是液体静压轴承，存在各种影响因素，比如，顶尖与工件的中心孔的接触长度的影响；中心孔的锥度的影响；顶尖固定螺钉的直径，布置方式与预紧力的大小的影响；锥套的锥度的影响；锥套的过盈量的大小的影响；后座顶紧力的大小的影响；接触处(中心孔处，锥套过盈配合处)摩擦系数的影响；液体静压轴承的支撑刚度的影响等诸多复杂因素。利用传统的力学进行手工计算是非常困难，甚至是无法进行的工作。而且利用实验手段由于受到时间与成本的限制，无法得到一个满意的优化结果。
目前，一般采用虚拟样机的仿真策略是采用Pro/E或其他三维软件进行几何建模，而运动学或强度仿真则利用另一种仿真软件包。这样的处理方式的缺点是联动性不强，即如果改变某一尺寸，只有必须回到Pro/E去修改，然后又回到另一程序进行操作，效率非常低，更不易进行优化设计。
发明内容
本发明是要提供一种无支撑磨削的高刚度的主轴系统仿真解析方法，用于无支撑磨削工件时候的主轴系统的仿真分析，从而可以得到主轴系统的变形(刚度)、应力(强度)等信息，从而得到一个优化的主轴系统。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种无支撑磨削的高刚度的主轴系统仿真解析方法，包括如下步骤：
1.主轴系统的几何模型三维建模及装配
利用Pro/E软件，建立包括主轴、顶尖、垫片、工件的多种零部件模型，并按照实际要求进行虚拟装配；
2.物理模型及力学模型的建立
在Pro/MECHANICA集成子模块中，完成材料特性参数，约束，接触区域与载荷的定义；
3.网格划分
在Pro/MECHANICA模块中，进行有限元网格划分；
4.仿真计算
在Pro/MECHANICA模块中，进行有限元计算处理；
5.结果评价
根据计算处理结果对主轴系统进行的评价，在Pro/E软件中对相关几何参数，或在Pro/MECHANICA模块中进行物理及力学参数进行修改，继续重复以上步骤计算直到达到优化结果。
在Pro/MECHANICA集成子模块中，完成零件间产生接触面的定义，其中，主轴孔与顶尖锥套定义为过盈接触配合。
在Pro/MECHANICA集成子模块中，顶尖与工件的中心孔的接触长度定义为任意长度。
在Pro/MECHANICA集成子模块中，定义主轴的约束方法：a)在轴线方向，轴自由移动，b)根据实测主轴的刚度来控制主轴约束长度，或者直接把箱体考虑进去。
在Pro/MECHANICA模块中，主轴系统采用对称设置或者整机进行分析。
在Pro/MECHANICA模块中进行仿真分析计算。
本发明的有益效果是，本发明的方法是基于先进的三维设计软件Pro/E对该主轴系统进行三维几何建模，并完成装配，形成数字样机。利用Pro/E的分析子模块Pro/MECHANICA软件，实现无缝连接。在子模块Pro/MECHANICA中，定义约束，载荷与接触区域。执行计算后，可以输出多种相关零件的应力与变形的结果。该发明的积极效果是，可以考虑到影响该主轴系统刚度的多种因素，比如，顶尖与工件的中心孔的接触长度的影响、中心孔的锥度的影响、螺钉的直径，布置方式与预紧力的大小的影响、锥套的锥度的影响、锥套的过盈量的大小的影响、顶尖顶紧力的大小的影响、接触处(中心孔处，锥套过盈配合处)摩擦系数的影响、液体静压轴承的支撑刚度的影响等，为高性能的无支撑磨削的高刚度的主轴系统的设计与制造提供了有力的技术支持。
因此，本发明具有以下特点：
1.几何物理参数全覆盖：该模型几乎包括了所有的几何尺寸与物理力学参数，有利于讨论各种情况组合变化的情况下，主轴刚度大小的变化，有利于优化设计。
2.参数化设计功能：该虚拟样机可以利用表达式功能则可以很方便的将尺寸关联起来以实现参数化。只要改变所需要的尺寸数据，该模型就可以自动生成虚拟样机，直接进行计算就可以了。
3.几何模型与物理力学模型无缝连接：即一旦其物理模型建立了以后，如果改变了其几何尺寸，其边界条件与物理特性都保持不便，就可以直接进行仿真分析。这样，可以大大提高仿真系统的运算速度与效率。
4.良好的人工界面：人工界面的操作性非常好。几何数据与物理力学修改与输入的时候，数据显示在屏幕上，方便确认，不会轻易出错。
5.自动收敛功能：由于计算采用自适应收敛的方式，计算结果自动收敛。非常适合设计人员操作与使用。
6.批处理计算功能：本访真系统不仅可以对尺寸进行优化处理，而且还可以同时进行批处理不同尺寸、不同边界条件与不同物理属性的计算任务，其优点是可以在短时间内得到大量计算结果，从而更方便优化设计。
通过本发明的仿真分析，可以得到主轴系统的变形(刚度)、应力(强度)等信息，从而得到一个优化的主轴系统。
附图说明
图1是本发明方法的流程图；
图2是一个主轴系统装配图的一个实例；
图3是有较小缝隙的结果的例子示意图，右边的数字是表示变形云图的等高线数值大小(单位毫米)，以下同。
(a)整体变形图，(b)存在小缝隙的局部放大图；
图4是刚度很差情况的结果的例子示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示，本发明的无支撑磨削的高刚度的主轴系统仿真解析方法：
首先，建立主轴系统的三维虚拟样机的虚拟装配图。如图2所示，是利用Pro/E软件，建立包扩主轴、顶尖、垫片(没有也可)与工件的模型，并按照要求进行装配的一个模型的例子。
物理模型及力学模型的建立步骤：在Pro/MECHANICA集成子模块中，完成材料特性参数，约束，接触区域与载荷的定义；
网格划分步骤：在Pro/MECHANICA模块中，进行有限元网格划分；
仿真计算步骤：在Pro/MECHANICA模块中，进行有限元计算处理；
结果评价步骤：可以根据结果对主轴系统对进行合理的评价，可以在Pro/E软件中对相关几何参数，或在Pro/MECHANICA模块中进行物理及力学参数进行修改，继续重复以上步骤计算直到达到优化结果。
作为结果的一个例子，图3表示了有较小缝隙的结果的例子，图4表示了刚度很差情况的结果的例子。
该仿真模型除了可以适应不同加工零件、不同几何尺寸、不同材料等基本因素外，还考虑了以下非常全面的因素：
1.顶尖与工件的中心孔的接触长度的影响；
2.中心孔的锥度的影响；
3.螺钉的直径，布置方式与预紧力的大小的影响；
4.锥套的锥度的影响；
5.锥套的过盈量的大小的影响；
6.顶紧力的大小的影响；
7.接触处(中心孔处，锥套过盈配合处)摩擦系数的影响；
8.液体静压轴承的支撑刚度的影响；
由于该模型全面考虑了影响主轴刚度的影响因素，所以可以快速全面优化各种影响因素，达到提高加工精度的目的。
通过大量的实验与仿真解析建立了液体静压技术无支撑磨削的主轴系统设计仿真系统，并在实际设计中得到了非常良好的应用。仿真结果与实际中的结果非常符合，对快速高效地设计出高品质的磨床具有重要的指导意义与应用价值。
1.仿真系统具有很高的可靠性
由于本仿真系统与实验结果进行了大量地计算对比与比较，得出了非常一致的结果，而且在实际中也运用得非常好。实践证明，该系统具有非常好的可靠性。
2.可以在计算机上进行实际都无法做的实验
本仿真系统的确立，可以低成本与快速地对液体静压技术无支撑磨削的主轴系统进行各种计算机实验，从而得到性能优越的主轴系统。
3.可以应用到其他的主轴系统也有帮助
本仿真系统的确立，对其他的主轴系统也有很大的指导作用与应用价值。

Claims (6)

1.一种无支撑磨削的高刚度的主轴系统仿真解析方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)主轴系统的几何模型三维建模及装配
利用Pro/E软件，建立包括主轴、顶尖、垫片、工件的多种零部件模型，并按照实际要求进行虚拟装配；
(2)物理模型及力学模型的建立
在Pro/MECHANICA集成子模块中，完成材料特性参数，约束，接触区域与载荷的定义；
(3)网格划分
在Pro/MECHANICA模块中，进行有限元网格划分；
(4)仿真计算
在Pro/MECHANICA模块中，进行有限元计算处理；
(5)结果评价
根据计算处理结果对主轴系统进行的评价，在Pro/E软件中对相关几何参数，或在Pro/MECHANICA模块中对物理及力学参数进行修改，继续重复以上步骤计算直到达到优化结果。
2.根据权利要求1所述的无支撑磨削的高刚度的主轴系统仿真解析方法，其特征在于，在Pro/MECHANICA集成子模块中，完成零件间产生接触面的定义，其中，主轴孔与顶尖锥套定义为过盈接触配合。
3.根据权利要求1所述的无支撑磨削的高刚度的主轴系统仿真解析方法，其特征在于，在Pro/MECHANICA集成子模块中，顶尖与工件的中心孔的接触长度定义为任意长度。
4.根据权利要求1所述的无支撑磨削的高刚度的主轴系统仿真解析方法，其特征在于，在Pro/MECHANICA集成子模块中，定义主轴的约束方法：a)在轴线方向，轴自由移动，b)根据实测主轴的刚度来控制主轴约束长度，或者直接把箱体考虑进去。
5.根据权利要求1所述的无支撑磨削的高刚度的主轴系统仿真解析方法，其特征在于，在Pro/MECHANICA模块中，主轴系统采用对称设置或者整机进行分析。
6.根据权利要求1所述的无支撑磨削的高刚度的主轴系统仿真解析方法，其特征在于，在Pro/MECHANICA模块中进行仿真分析计算。
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