珩磨头三维设计与仿真分析

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珩磨是对工件表面进行光整和精整的超精加工方法fl。而珩磨头要根据孔的大续行设计，设计过程频繁 ，结构合理与否以及运动参数的选择直接影响加工质量，因此采用参数化三维设计和计算机仿真分析有很大的必要性。在设计阶段可以容易的观察到运行情况和载荷大小，方便修改设计，大大提高设计效率和质量。

以圆柱珩磨头为例，采用大型 CAD/CAM软件 Pro/E，对珩磨头进行三维建模和装配，用软件中的机构”工具完成珩磨头的运动分析、动力学分析，对珩磨头的设计和仿真进行了探索。

2珩磨头设计常见的珩磨头结构形式有通用珩磨头、凶珩磨头、大孔珩磨头等。中等孔径通用珩磨头，由基体、锥体涨芯、油石、油石座、导向头、弹簧圈等组成，如图1所示。当锥体涨芯移动时，油石便可涨开或收缩。珩磨头为棱圆柱体，油石座直接与进给涨芯接触，中间不用顶销与过渡板 ，结构简单进给系统刚性好。

现以加工直径 440mm，长 180mm的钢件孔为例，设计出该珩磨头基体外径尺寸为 dp38mm，油石长度为90mm，油石槽数为4。轴向移动距离为 200mm，用半浮动连接头与主轴的进给轴连接起来。导向装置采用前导向头。珩磨头基体、涨锥等主要零件要求有较高的强度和硬度，选用 CrWMn、CrMn、9SiCr或者 T8A材料，要求硬度达62HRC以上。

1.本体前导向 2.弹簧圈 3进给涨锥 4油石座图 1通用珩磨头结构Fig.1 Structure of General Homing Head若油石工作压力为2MPa，取珩磨系数为0.3，根据推荐珩磨网纹角取45。，则可计算出珩磨力田。则圆周切削力201.6N，轴向切削力 79.2N41。

3珩磨头三维建模与装配设计为进行珩磨头的仿真分析，必须首先建立珩磨头的三维模型。在Pro/E零件建模环境下，采用公制模板，应用拉伸、旋转、螺纹孑L等命令建立基体的三维模型，保存。再建立涨锥、连接头、油石座、前导向头、油石、连接环的三维模型。

来稿日期：2012-05-15基金项目：陕西省重点实验室项目(05JS14)作者简介：孙 伏，(1969-)，女，陕西省富平县人，工学硕士，副教授，研究方向为机械设计与理论，CAD/CAM，机构设计第3期 孙 伏：珩磨头三维设计与仿真分析 189零件建模完成后，就可进行零件装配。Pro/E的组件拈为用户提供了基于三维模型的装配工具和手段。由于珩磨头的零件数 目较少，在装配过程中不需要组装-个子组件 ，可直接进行组件装配。珩磨头的装配体，如图2所示。

图 2珩磨头装配体Fig.2 Homing Head Assembly4珩磨头动态机构仿真分析Pro/E系统提供了机构仿真分析功能。应用程序中的分析模块机构”，可以进行装配体的运动学、动力学分析和仿真，非常直观和易于修改，大大简化机构的设计开发过程。缩短开发周期，减少开发费用，同时提高产品质量。仿真结果既可以动画、图形的形式表现，数据还能以Excel格式输出。

进行机构设计前，要先设置机构设计、仿真、分析时的-些环境参数。包括相对公差、特征长度、装配失败、运行优先选项等。

再设置元件与元件之间的连接条件。然后进人机构”应用程序 ，此时可以拖动-些特定的元件，使整个机构运动起来 ，测试机构运动的正确性 ，也可用快照功能将机构的配制记录下来，以作为以后进行机构分析时的初始条件。

4.1珩磨头运动学分析机构运动学分析的目的是获得机构运动时各个元件及连接的位置、速度、加速度，元件之间的干涉、元件的轨迹曲线及运动包络区域。在运动学分析时，仅能使用伺服电机，不能使用动力电机 ，且不考虑外力 、重力、力矩、弹簧、阻尼器等。

在珩磨头运动学分析时要创建三部电机：(1)在连接头的圆柱连接副上设置旋转伺服电机，为 90desec的速度电机。

(2)以几何的方式创建珩磨头的往复运动电机，为余弦运动的位置电机q60xcos[(360xt/T)90]；通过改变 来选择合适的交叉网纹。

(3)在涨锥调节部位的滑杆连接副上设置油石扩胀的电机 ，为用户 自定义的位置电机，参数是：q2xt (0<<2)q-4 (2

由图 3分析得知，在给定电机的转速下，(0～2)s和(32-34)s珩磨头的运动为油石的径向进给，不进行珩磨 ，速度较小，在(2-32)s珩磨头做轴向的往复运动和周向的圆周运动，从设定的初始位置开始进行珩磨。

通过修改往复运动的周期，显示油石上-点的运动轨忌以获得交叉网纹的情况。当珩磨头旋转和匀速上下往复运动时的轨迹曲线 ，如图4所示∩见，当珩磨头的圆周运动和往复运动同周期时，它们的轨迹重复，这样的轨迹不能形成交叉网纹，当它们不同周期时，可以形成交叉网纹。通过合理选鳃床主轴的往复运动速度和圆周运动速度，就能形成较为合理的网纹，以达到加工要求。

26024022020ol8O160140120. A0.00 5.[ lO.0O 15.00 2O.oo 25.o0 30.0o 35.o0图3珩磨头位置曲线Fig.3 Homing HeadS Position Curve图4珩磨头轨迹曲线Fig.4 Homing HeadS Locus Curve4.2珩磨头动力学分析通过动态分析可以分析重力及外力对珩磨头中各个元件的影响。对珩磨过程可分两阶段 ，即油石扩涨和珩磨切削。

4.2.1油石扩涨动态分析166.O0164.0o162.00鉴160.0毒158.0156.00l54.0o152.00/ ， /：/U.UU 2.UU 4.O0 6.UU .UU lU.UU时间(S)图 5油石扩涨时调节螺母的调节力Fig.5 Adjusting Screw NutS Adjusting Force While Oilstone Diverging给微调涨锥添加速度伺服电机，速度为 0.2mm/s；油石座之问设置弹簧 .冈0度为 10N/mm，原长 15mm；油石座和油石的滑动接触斜面和涨锥调节螺母连接副上设置阻尼器，阻尼系数 c10N·s/ram。选择分析类型为动态分析，启用快照”为初始条件，19O 机 械 设计 与制 造No.3Mar.2013运行时间为 10s，启用所有摩擦力。运行后，可测量出弹簧力和调节螺母的静负荷等，调节螺母所需的调节力曲线，如图5所示。

由分析可见在调节涨锥时，O形弹簧受力在(62～69)N之间，调节螺母受力在(162-165)N之间，受力较小，手动调节很方便。

4.2.2珩磨头旋转动态分析在机构分析时，如果设置珩磨头的旋转速度为30。 ，油石添加 200N阻力；启用快照”为初始条件，运行时间为 20S，启用所有摩擦力，进行动力学分析∩测量出电机转矩和油石座对机体的转矩等，测量的电机转矩曲线，如图6所示。

0.0o 4.0o 8.00 12.oo 16.O0 20.o0时间(s)图6电机转矩曲线Fig.6 MotorS Torque Curve由图 6可以看出，当在珩磨头上施加额定的转矩，连接副添加阻尼后，在伺服电机的带动下，测得伺服电机所提供的输出转距应为 10000mm·N，但是由于阻尼器所提供的阻尼跟转速有关，其正比于速度，因此珩磨头伺服电机所提供的转矩为-变化的转矩。

5总结针对珩磨头要根据被加工孔的大续行设计，设计过程频繁，结构合理与否以及运动参数的选择直接影响加工质量等问题，而大型CAD/CAM软件Pro/E可以进行参数化建模，方便设计人员修改设计，具有运动学、动力学等的仿真分析功能，可以进行干涉、碰撞检验，观察各个零件的运行过程，得到运动参数和载荷的大校首先设计了圆柱珩磨头，进行三维参数化建模，然后应用运动学分析进行了干涉、碰撞检验，观察整个运动过程，测量出油石上-点的位置变化曲线，证明了设计的合理l生，通过改变上下往复周期，观察油石的轨迹曲线，获得交叉网纹的情况；再通过模拟珩磨时的载荷和运动，进行动力学分析，获得电机所需的转矩和关键零件的受力大大提高设计效率和质量。