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机床工装变形仿真分析

  有限元分析作为一种较为成熟的数值计算方法,其在机床零部件的结构强度、刚度以及模态分析等领域得到了广泛的应用。本文利用ANSYS有限元分析软件对调平工装夹持工件后的静态和动态变形情况进行了仿真分析。图2所示为工装夹持口径为Φ400 mm元件的外形图。

  仿真分析时,涉及到的载荷主要包括重力、大气压力、真空吸附力、工装旋转产生的离心力以及调节螺钉球面端和嵌环之间的相互作用力,在调节过程中,由于锁紧螺钉只起到联结上盘和下盘的作用,其螺纹拉力较小,计算时不予考虑。调平工装各零部件的制备材料为硬铝,调节螺钉和锁紧螺钉均由不锈钢制作,工件为K9玻璃.各种材料的相关参数如表1所示。

  该调平工装的工作平面为上盘表面,主要承受竖直轴向载荷,因此工装的径向变形十分微小,可以忽略。计算时重力加速度取9. 8 m/s2,工装旋转速度为400 r/min,换算成角速度为41.9 rad/s,根据实际经验,调节螺钉压力定为100 N,真空吸具工作时内部压强为48 kPa,则工件所受的内外压强差为58 kPa。工装在静态即只在重力作用下的变形云图,显然

  静态情况下工装的最大变形量发生在调节螺钉处,这是由于该区域处于工装上盘的边缘,厚度较薄,且此时调节螺钉所受嵌环的压力为所有载荷中的主要载荷,因此导致该处出现相对较大的变形。但由变形云图可知其最大变形量小于0.6 5m,变形量较小,这表明该调平工装具有良好的静态刚度。图4为工装旋转时即在离心力作用下的变形云图,最大变形依然发生在4个调节螺钉处且变形量为1. 1 5m,变形量仍然较小,这应该归功于工装良好的结构特性及其减重措施,保证了工装在运动过程中具有较强的抵抗变形的能力。

  调平工装在使用过程中,主要依靠真空吸附夹持工件,由于工装的上盘设计有多条气路,因此工装在真空吸附力的作用下会产生一定程度的变形。很明显,此两种情况下工装的变形很类似,最大变形均产生在工装上盘的中心区域,可以推断该变形主要是由真空吸附造成的,即真空吸附力是造成工装相对较大变形的最关键因素。由变形云图可知,考虑所有载荷的影响,工装在动态下的最大变形量仅为11.9 5m,且以工装中心点为圆心的各同心圆在圆周上的变形量基本一致,工件的调平精度几乎不会受到影响,因此能够满足精密加工中的使用要求。即便在超精密加工过程中,亦可以根据工件的加工精度需要灵活调整真空度的大小,或者采取其他补偿措施来减小工装和工件的吸附变形,确保该调平工装在超精密加工中的使用性能。

  本文提出了一种新型结构的调平工装,既可采用真空吸附方式夹持工件,又可采用机械夹持方式夹持工件,能够实现对多种规格圆形及方形工件的可靠装夹。工装的调平原理基于升高低点调平技术,使用过程中发现该方法较好地避免了不同调节方向的相互干扰,能够快速地完成对工件加工表面的调平。利用A NSYS有限元分析软件对调平工装在静态和动态下的变形情况进行了仿真分析,仿真结果显示该工装的变形量较小,这与实际的使用情况相吻合,表明该工装具有优良的静态和动态刚度。

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