（机械电子工程专业论文）双进给珩磨头的结构优化.pdf

硕十学位论文 摘要 制造业是国民经济的基础和支柱，而制造业的发展离不开先进制造装备。以珩磨机 为代表的装备制造业，对国民经济发展和增强国防实力具有极为重要的影响，因此，研 制满足我国国民经济和装备制造技术发展需要的高档数控珩磨机，具有重要的战略和现 实意义。 珩磨工艺主要用于孔的精整加工，作为珩磨机上的切削工具，珩磨头的结构及尺寸 对珩磨精度影响很大，加工对象不同，珩磨头的结构也不一样。高精度双进给珩磨头设 计与制造技术的研究是提高珩磨工艺质量的重要途径，也是提升珩磨机产品竞争力的重 要环节。珩磨头刚度对珩磨加工质量有着重要的影响，而高精度双进给磨头不同结构、 不同尺寸，以及间隙、摩擦特性等因素对珩磨头刚度都有影响。 本文利用有限元法，在理论研究的基础上，首先运用三维建模软件p r o e 和有限元 分析软件a n s y sw o r k b e n c h 建立了高精度双进给珩磨头的有限元模型，在此基础上， 对珩磨头装配体进行了静力分析、模态分析，分析了珩磨头装配体的主要薄弱环节并提 出优化建议。 在对结果深入分析的基础上，对原有珩磨头的不合理结构进行初步改进，同时选择 双进给珩磨头几个重要尺寸进行灵敏度分析，然后对灵敏度大的尺寸进行了优化。 最后，通过对优化前后计算结果的对比，可以看出，变形量明显减小，刚度得到显 著提高，说明优化后的结果是合理的。 关键词：珩磨头；有限元法；静力分析；模态分析；结构优化 a b s t r a c t m a n u f a c t u r i n gi s t h ef o u n d a t i o na n dt h ep i l l a ro ft h en a t i o n a le c o n o m y t h e d e v e l o p m e n to ft h em a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y c a n n o tl e a v ea d v a n c e dm a n u f a c t u r i n g e q u i p m e n t r e p r e s e n t e db yh o n i n gm a c h i n e s ，t h ee q u i p m e n tm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y h a sv e r yi m p o r t a n ti n f l u e n c ef o rt h ed e v e l o p m e n to fn m i o n a le c o n o m ya n dt h e i n c r e a s eo ft h en a t i o n a ld e f e n s ec a p a b i l i t i e s t h e r e f o r e ，d e v e l o p i n gh i g h g r a d e n u m e r i c a lc o n t r o lh o n i n g m a c h i n ew h i c hm e e tt h en a t i o n a le c o n o m y a n d m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yh a si m p o r t a n ts t r a t e g i ca n dr e a l i s t i cs i g n i f i c a n c e h o n i n gp r o c e s si su s e df o rf i n i s hm a c h i n i n go fh o l e a st h ec u t t i n gt o o l o n h o n i n gm a c h i n e ，t h es t r u c t u r ea n ds i z eo fh o n i n gh e a dh a v eag r e a ti n f l u e n c eo nt h e p r e c i s i o no fh o n i n g d i f f e r e n tp r o c e s s i n go b j e c tn e e dd i f f e r e n th o n i n gh e a dw h o s e s t r u c t u r ei sd i f f e r e n t t h er e s e a r c ho ft h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yo f h i g hp r e c i s i o na n dd o u b l ef e e dh o n i n gh e a di sa ni m p o r t a n tw a y t oi m p r o v i n gt h e q u a l i t yo fh o n i n gp r o c e s sa n dc o m p e t i t i v e n e s so f m a c h i n ep r o d u c t i th a sa ni m p o r t a n t e f f e c tt oh o n i n gp r o c e s s i n gq u a l i t yf o rh o n i n gh e a ds t i f f n e s s m a n yf a c t o r so nh o n i n g h e a dw o u l da f f e c ts t i f f n e s ss u c ha sd i f f e r e n ts t r u c t u r e ，d i f f e r e n ts i z e ，c l e a r a n c e ， f r i c t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n ds oo n t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o di su s e di nt h i sp a p e r o nt h e b a s i so ft h e o r e t i c a l a n a l y s i s , 3 dm o d e l i n gs o f t w a r ep r o ea n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y s w o r k b e n c ha r eu s e dt oe s t a b l i s ht h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo fh i g hp r e c i s i o na n d d o u b l ei c e dh o n i n gh e a d s t a t i ca n a l y s i sa n dm o d a la n a l y s i s a r em a d ef o rt h e a s s e m b l yb o d yo fh o n i n gh e a da f t e rm o d e l i n g a n a l y z e s t h em a i nw e a kl i n k so f h o n i n gh e a da n dp u t sf o r w a r ds u g g e s t i o n so n h o wt oo p t i m i z e ap r e l i m i n a r yi m p r o v e m e n ti sm a d ef o rt h eu n r e a s o n a b l es t r u c t u r eo ft h eo r i g i n a l h o n i n gh e a do nt h eb a s i so ft h ed e e pa n a l y s i s m e a n w h i l e ，s e l e c ts e v e r a li m p o r t a n t s i z e so fh o n i n gh e a da n dm a k es e n s i t i v i t ya n a l y s i s t h es i z e so f t h eb i gs e n s i t i v i t ya r e o p t i m i z e da f t e rs e n s i t i v i t ya n a l y s i s f i n a l l y ，i t i so b s e r v e dt h a td e f o r m a t i o nr e d u c e ds i g n i f i c a n t l y a n ds t i f f n e s s d r a m a t i c a l l yi m p r o v e dt h r o u g h c o n t r a s t i n g t h ec a l c u l a t i o nb e f o r ea n da f t e r o p t i m i z a t i o n a l lo ft h e s ee x p l a i nt h a tt h eo p t i m a lr e s u l ti sr e a s o n a b l e k e yw o r d s ：h o n i n gh e a d ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ；s t a t i ca n a l y s i s ；m o d e la n a l y s i s ； s t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n 硕卜学位论文 插图索引 图1 1 多条油石珩磨头1 图1 2 单条油石珩磨头一l 图1 3 大切削面积珩磨头2 图1 4 大调整量珩磨头。2 图1 5 顺序珩磨头一3 图1 6 特殊表面专用珩磨头3 图2 1 珩磨运动过程图1 0 图2 2 珩磨头装配体1 2 图2 3 珩磨头三维模型1 2 图2 4w o r k b e n c h 启动界面1 9 图2 5s i m u l a t i o n 模块的主界面2 0 图3 1 珩磨头有限元网格模型。2 3 图3 2 珩磨头轴向变形一2 5 图3 3 珩磨头径向变形2 5 图3 4 珩磨头切向变形2 6 图3 5 珩磨头总变形2 6 图3 6 珩磨头应力图2 7 图4 1 第1 阶振型位移云图3 5 图4 2 第2 阶振型位移云图3 6 图4 3 第3 阶振型位移云图3 6 图4 4 第4 阶振型位移云图3 6 图4 5 第5 阶振型位移云图3 7 图4 6 第6 阶振型位移云图3 7 图5 1 珩磨头轴向变形4 3 图5 2 珩磨头径向变形4 3 图5 3 珩磨头切向变形一4 4 图5 4 珩磨头总变形4 4 图5 5 不同尺寸对频率加权值的影响4 6 图5 6 不同尺寸对轴向变形的影响4 6 图5 7 不同尺寸对径向变形的影响4 7 图5 8 不同尺寸对切向变形的影响4 7 图5 9 珩磨头轴向变形4 8 m 双进给珩磨头的结构优化 图5 10 珩磨头径向变形j 4 8 图5 1 1 珩磨头切向变形4 9 图5 1 2 珩磨头总变形4 9 i v 硕l 学位论文 附表索引 表3 1 不同接触类型的特点2 2 表3 2 珩磨头各部件的材料及材料性能2 4 表3 3 各部件接触设置如表所示2 4 表4 1 珩磨头前六阶固有频率3 5 表5 1 初步优化后珩磨头的前六阶固有频率4 4 表5 2 珩磨头不同尺寸的分析结果4 5 表5 3 优化后珩磨头的尺寸4 8 表5 4 优化后珩磨头的前六阶固有频率4 9 表5 5 优化前后珩磨头的比较5 0 v 硕l 学位论文 量曼鼍曼曼曼曼舅舅曼曼曼皇量皇量皇曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼舅舅曼曼l i i i i i 曼曼曼曼曼量量曼曼曼曼皇曼曼曼量曼 第1 章绪论 珩磨作为一种磨削加工的特殊形式，是用镶嵌在珩磨头上的油石对工件表面 施加一定压力，珩磨工具或工件同时作相对旋转和轴向直线往复运动，切除工件 上极小余量的精加工方法，是提高零件的尺寸、几何形状精度和表面质量的有效 加工方法。 1 1 珩磨头研究现状 珩磨机上安装油石的切削具，称为珩磨头，其结构、尺寸对加工精度有非常 大的影响。针对不同的加工件，应选用不同结构的珩磨头。目前，珩磨头的结构 主要有以下几种1 2 j ： ( 1 ) 多条油石磨头( 图1 1 ) ：油石自锐和切削性能好，加工范围大，适用于 巾1 0 1 5 0 0 r a m 孔加工。 接杆旗芯弹簧顶销油石 锥体油石座 磨头体护板斜销压力弹簧 罪酹剥 添沁& 心心邋 ( 斜销式收缩) 图1 1 多条油石珩磨头 磨头结构采用双锥体涨芯结构时，油石座平行受力均匀，对孔的柱度修正能 力强。护板是在油石缩回时，防止磨头体划伤工件，一般采用夹布胶木材料。油 石座收缩采用弹簧或斜销，前者用于大直径，后者适于小孔或盲孔对直径特小时， 也有采用簧片收缩油石的结构。 ( 2 ) 单条油石磨头( 图1 2 ) -只有一根油石靠斜楔涨开，涨缩范围小，适用于 咖3 巾6 0 m m 小孔。长油石及导向键有利于改善细长孔的直线度和圆度，因切削时， 磨削合力不通过磨头中心，故导向键不对称分布。被加工材料不同时导向键有黄 铜、淬火钢、硬质合金、电镀金刚石等。 辅助导向条主导阿条 油石座 涨便 磨头体 图1 2 单条油石珩磨头 双进给珩磨头的结构优化 ( 3 ) 大切削面积珩磨头( 图1 3 ) ：磨具的油石部分制成轴式、套式或扇形块式， 一般采用树脂结合剂或金属结合剂。这种磨头切削面积大，对圆度的修正能力好。 缺点是排屑不好，油石易堵塞，适用于有轴向槽的中、小孔珩磨。 轴式 矽2 一矽2 5 l 春寸 j 扇形块式 矽8 - j 2 5 5 0矽8 - 矽2 5 0 图1 3 大切削面积珩磨头 ( 4 ) 大调整量珩磨头( 图1 4 ) ：一般油石涨缩中心通过磨头体中心的结构，因 受油石座配合长度的限制，单个磨头的涨缩量较小，齿条式或摆杆式珩磨头改善 了油石座的配合状况，适合于大调整量( 如维修型机床需要) 及大孔珩磨。 油石 导向块摆杆 图1 4 大调整量珩屠头 ( 5 ) 顺序珩磨头( 金刚石铰刀) ( 图1 5 ) ：在固定或可调整尺寸的金属体上电镀金 刚石或立方氮化硼磨料。固定式结构简单、精度高，但使用寿命短，一般只用于 小孔。可调式精度受铰刀套刚性及调整变形影响，但刀具寿命长，工件尺寸容易 控制，故应用广泛。近年来，刀具结构改进，涨芯做成三个锥度，使调整尺寸后 锥度接触面积加大，提高刚性。 2 旧可不点盥诹经直 硕十学位论文 1 ：4 6 1 ：5 0 1 ：5 2 图1 5 顺序珩厝头 ( 6 ) 特殊表面的专用珩磨头( 图1 6 ) ：对一些特殊表面，应根据其特点，设计专 用珩磨头。如径向间断孔，可加多油石的条数。长孔，可采用短油石多锥体，相 邻一排的油石错开分布，以提高磨头体刚性。盲孔，可采用短油石，平行式涨出 或摆动式涨出。锥孔，可在磨头体中加与工件孔锥度相同的锥体，磨头往复时该 锥体不运动，使油石沿锥面运动，对长锥孔还可以采用铰轴连接油石座，不但油 石座在往复中可改变直径，而且采用进给油缸前加压力弹簧，以弥补不同直径时， 进给分力的变化。曲轴孔，可采用长油石多锥体，油石应保证能同时加工三个孔 台。周向间断更大的孔，可考虑采用螺旋斜槽油石座。外圆用磨头，则是将油石 套到轴上，油石的进给动作，变成由外向内。 - 一一- - - 一。一 曲轴孔用 1 2 结构优化设计概述 国 图1 6 特殊表面专用珩磨头 c 驴h 圈力工用 1 2 1 优化设计概念 机械设计与制造是机械工程领域中最重要的内容，而机械设计又是机械制造 的前提。随着市场经济的发展尤其是市场竞争的日益加剧，工程人员和产品设计 人员需要采取更系统、更科学的设计思想和方法，在保证结构几何构造、强度、 3 双进给珩膊头的结构优化 刚度、稳定和自振频率等满足规范要求的前提下，通过改变结构的几何尺寸，材 料类型等某些设计交量，在工程系统内合理分配设计资源，充分发挥材料的性能， 一方面节省了材料用量和施工费用，使结构最轻，另一方面减少节点最大等效应 力，使工程结构体系的受力情况和疲劳强度都能达到最期望的目标。结构优化设 计是实现这些目的的有力手段p 1 。 优化设计方法h 1 是数学规划、有限元法和计算机技术相结合的产物，它是一 种将设计变量表示为产品性能指标、结构指标或运动参数指标的函数( 称为目标函 数) ，然后在产品规定的性态、几何和运动等其它条件的限制( 称为约束条件) 的范 围内，寻找满足一个目标函数或多个目标函数最大或最小的设计变量组合的数学 方法。优化过程本质上是一个分析一一评估一一修正的迭代过程，需要对不同的 设计序列进行结构效应的有限元分析，并进行优化参数评价，逐步逼近最优设计 序列。优化设计方法已成为解决复杂设计问题的一种有效工具。 1 2 2 结构优化技术发展 早在1 8 世纪，牛顿、欧拉、柯西和拉格朗日等就建立了优化的基础，但在本 世纪6 0 年代以前，用于解决最优化问题的数学方法仅限于解无约束极值问题的古 典微分法和变分法，以及解等式约束极值问题的拉格朗日乘子法p 1 。由于这些方 法本身的复杂性及计算工具的限制，最优化没有得到发展。近代最优化方法成为 一门独立的学科要算是在1 9 4 7 年d a n t z i g 发表了求解线性优化问题的单纯形法， 至今仍是线性规划中最成功的算法之一。无约束优化算法在5 0 年代和6 0 年代的 发展尤为迅速，共轭梯度法、直接利用函数值方法、拟牛顿法、方向加速法以及 共轭方向法等大量有效的算法，都是在这个时期提出的。其后虽然也有一些新的 方法提出，但可以说，这时无约束优化方法理论比较完善了1 6 - 7 1 。1 9 5 1 年，k u h n 和t u n k e r 发表了非线性规划的基本定理，b e l l m a n 的动态规划( 1 9 5 7 年) ，c h a r n e s 和c o o p e r 提出的目的规划( 1 9 6 1 年) 和六十年代中z o u t e n d 和r o s e n 对非线性规划 的贡献，d u f f i n 、z e n e r 和p e t e r s o n 发展的几何规划，g e m o r y 对整数规划的开拓， d a n t z i g 、c h a r n e s 和c o o p e r 发展了随机规划方法等都是最具有影响的研究成果。 七十年代是最优化的兴旺发展时期，这时与最优化有关的著作、杂志和专门研究 机构大量地涌现，这一时期最优化不论在解线性规划、非线性规划以及随机规划、 非光滑规划、多目标规划、几何规划、整数规划等各种最优化问题理论或方法都 有了新的进展，同时也开始出现一些优化方法软件，像面向航空结构的高效率结 构优化程序系统a c c e s s 的发表是七十年代非线性规划的最好成就。八十年代来 除最优化理论与方法有所发展外，在针对复杂工程实际应用研究、软件开发、多 学科交叉应用、优化新方法探讨和提高优化质量和效率等方面都取得了不少的进 展。四十多年来的最优化发展，使最优化理论与方法在工程设计、计划管理、科 4 坝t ：学位论文 学实验以及军事科学等得到了广泛应用。就机械优化设计而言，开展了以提高机 构性能的机构参数优化：为了减轻结构重量或降低结构成本或延长结构使用寿命 的机械结构优化：各种传动系统的参数优化及机械系统的隔振与减振优化等应用 研究。同时像工程结构拓扑优化设计、连续体结构的形状优化，设计灵敏度分析、 离散变量优化、多目标优化、模糊优化、大系统的分解优化、复杂结构的动力优 化、商用软件出现及优化方法软件的不断完善及优化技术与大型有限元分析程序 的软件集成化都是八十年代来的研究热点。值得提出随着优化技术研究的深入， 出现多学科交叉优化问题。像人工神经网络方法、遗传算法、并行计算技术引入 结构优化设计，也是在近十来年间发展起来的。总之，关于结构优化设计的研究 与应用已日趋成熟并在不断发展中。 在我国，四十年代后就有人从事最优化的研究，直到电子计算机出现后的六 十年代初，中国的结构力学工作者敏锐地意识到自己研究应从被动的结构分析扩 大到主动的结构优化设计的转折，并在差分法、有限元法、极限分析和设计等方 面进行了研究，但是那时计算机的条件很差，研究工作的进展还是比较缓慢。接 着十年文革期间正是国际上计算力学与结构优化发展极为迅速的十年，我们损失 了这极为宝贵的光阴，这期间的条件虽然困难，还是有不少学者在坚持工作，对 国际上的发展也有所了解，1 9 7 3 年在中国科学院召开的一次关于力学发展的座谈 会上，力学前辈们关于结构优化设计的发展概况的介绍和讨论，引起工程师和数 学力学工作者们注意，直至1 9 7 7 年才逐渐有比较好的条件重新开展工作。1 9 7 8 年全国科学大会的召开，科学春天的到来，加上教育部科学规划和全国科学规划 都将结构优化设计列为计算力学研究中的重要项目，极大的鼓舞了大家的研究热 情。1 9 7 9 年是结构优化受到各行业重视起来的一年，航空、国防、土建、造船系 统都分别召开优化设计的学术交流会或讲习班。到8 0 年代中后期起我国优化设计 的研究和应用工作更为活跃，结构优化设计方面的论文、报告数量迅速增长，优 化方法和结构优化软件相继问世和完善。应用研究工作也从早期普遍采用较为现 成的最优化方法，逐渐注意结合优化问题的特点研究更为有效的方法，除了研究 确定性的优化外，人们开始注意考虑不确定因素的影响，研究基于可靠度的优化 设计，考虑健壮性的优化设计等。在软件研制方面，在六五、七五期间，由华中 理工大学等校开发的o p b 是优化方法软件包的优秀代表，而由大连理工大学开发 的多单元、多工况、多约束的结构优化程序d d d u ，则是工程结构优化的一个优 秀软件。这个时期出版的优化著作逐渐增加，优化的教材大量出现，在全国高校 中已普遍开设有优化课程，以优化设计为研究方向的研究生学位论文不断增加。 有关优化设计的学术论文、研讨会也相应增加，我国学者也经常出席这方面的国 际会议。程耿东院士还兼任国际英文杂志“工程优化 、“结构优化 、“工程 分析和设计 等的编委，也为我国学者了解和掌握国际优化动态提供了有利条件 5 双进给珩磨头的结构优化 【钔。三十几年来，全国各高等院校、科研单位与设计部门等在工程结构设计的优 化设计方面做了大量工作，优化设计的对象已涉及土木、建筑、机械、航空与造 船等领域。大连理工大学的钱令希、钟万姗、程耿东、隋允康等学者，在吸收国 外研究成果的基础上，在国内率先从事结构优化设计的研究。他们注意到数学规 划和准则优化这两条途径之间的联系和汇合的趋势，所以并没有只选择其中一种 途径来进行研究，而是扬长避短，不断地丰富和完善各种优化方法，取得了一系 列的成果。华中理工大学的周济、余俊、王建华、王志刚等人在组合结构优化设 计等方面也进行了大量的研究。哈尔滨工业大学的孙靖民、清华大学的刘惟信等 学者在机械结构优化设计理论和应用方面也作了大量的研究，并取得了一些成果 5 1 。 1 2 3 结构优化技术层次 结构优化设计可以根据设计变量的类型分为不同的层次，由低到高依次为： ( 1 ) 结构截面尺寸的优化；( 2 ) 结构几何优化：( 3 ) 结构拓扑的优化；( 4 ) 结构布局的 优化等。优化问题层次越高，优化的范围和裕度就越大，优化效率就越高；另一 方面，数学模型和解法也就越复杂，求解也就越困难。目前对较低层次优化问题 的研究相对成熟，高层次优化问题的研究也在逐渐深入。从解决问题的复杂程度 上来看，己由简单的析架结构设计发展到由梁板壳等组成的航空、航天飞行器以 及船舶建筑等领域的复杂结构设计。所能考虑约束种类由最初的应力、位移约束 发展到稳定性、动特性及振颤约束等。设计变量由连续性变量发展到离散性变量 的优化。目前多数研究工作仅限于单目标的局部优化问题，而工程结构优化往往 是多目标的，这方面优化问题也在研究之中 9 - 1 0 l 。 1 2 4 结构优化技术算法 目前，结构优化设计理论方面取得的丰硕成果，集中表现在优化算法方面， 这些算法大致可以归纳为三类：数学规划法，最优准则法和仿生学方法。数学规 划法和准则法是发展最早也最成熟的两种算法o h 4 。 ( 1 ) 数学规划法 数学规划法是把优化问题抽象成数学规划形式求解，它有严格地理论基础， 适用面广，且收敛性稳定证。其缺点是：计算量较大，收敛速度较慢。对于大型 的结构优化问题，算法收敛性不好且迭代次数过多，将使结构重分析的工作量过 大，效率不高。 ( 2 ) 准则法 准则法是通过力学概念和工程经验预先建立某些准则，通过相应的迭代方法， 获得满足准则的设计方案。与数学规划法的普遍适用性不同，准则法利用了结构 优化问题的物理特征，聚焦于最优解处的已知的或假设的形态，不同约束有不同 6 硕i ：学位论文 的准则，故应用局限性较大，但其物理意义明确，方法相对简便，优化中结构重 分析次数少，收敛快，计算效率高。这两种方法以长补短、结合使用是目前结构 优化方法发展的一个方向。 ( 3 ) 仿生学方法 仿生学方法是模拟自然界进化的算法，例如模拟退火过程和神经元网络等。 应用广泛的是遗传算法，它既可适用于连续变量亦可应用于整数或离散变量，甚 至非数值型变量，已经成为求解复杂优化问题的很有前途的方法但遗传算法迭代 次数和计算工作量非常庞大，对于结构优化设计，由于性能约束是设计变量的隐 函数，需通过结构分析( 如有限元法) 才能获得，需要过多的结构重分析次数便成 为遗传算法的一个致命的弱点。w m j e n k i n s 等用遗传算法成功地处理过杆梁组 合屋顶和薄壁结构的优化问题；ph a j e l a 研究具有分离的设计空间，导致不连续 的扭转轴的优化设计问题，遗传算法亦能给出满意的结果；等等。随着并行算法 与并行计算机的出现与发展，这一缺点有望得到克服。 1 2 5 结构优化技术应用现状 但是总体来说，结构优化设计的发展偏重于理论和方法的研究，实际应用却 远远落后于理论，目前国内外应用优化设计的主要是飞机结构，大型的输电塔和 拱坝，至于其他结构则应用很少，究其原因有【”j ： ( 1 ) 优化的数学模型不符合设计规范的要求； ( 2 ) 一些设计工程师对优化设计的理论和方法不熟悉，不完全了解优化设计 对工程设计的作用和意义； ( 3 ) 设计工程师对一些常用的结构类型，凭借多年的设计经验可以设计出基 本符合优化设计标准的结构，为了省事或者保险，不愿意采用优化设计； ( 4 ) 优化设计对高层次的设计还不完善，仍然需要依靠设计工程师的理论知 识和工程设计经验来完成。 1 2 6 结构优化技术发展趋势 保证结构质量的前提下，降低结构的成本，减轻结构重量，这是结构优化设 计追求的基本目标。可是，在保证结构具有较大安全系数情况下，轴件断裂、轮 齿崩溃的事实仍时有发生。因此，近几十年来，工程结构分析方面发展的两大标 志是：由单纯的应力、应变分析转向结构和材料的失效即破坏分析；走出宏 观层次，把力学和材料科学结合起来，把材料的微观组织和材料的力学性能联系 起来。结构的破坏分析是以结构动力分析为基础的，而结构动力优化设计与结构 静态优化设计问题相比，在理论和方法方面目前尚不够完善，这主要有以下两方 面问题亟待解决g ( 1 ) 在结构动力优化设计的各种模型中，运用由研究弦、杆、板壳等振动而 7 双进给珩磨头的结构优化 形成的数学物理方法中的谱理论，设计各类复杂结构( 如高速切削机床、高速运输 工具等) ，使其在各种工况( 冲击、循环载荷、潮湿、温度变化等) 下达到可靠，实 现复杂系统响应的优化设计。振动理论以及机械动力学为机械工业发展解决了众 多问题，为分析运动平稳性以及动力系统行为而形成的摄动学、分岔理论、非线 性振动方法等为消除各种机械的有害振动和噪声提供了理论基础，但是，其目标 函数以及约束函数的非线性程度较高、性态复杂，且常为设计变量的隐式和复台 函数，从而导致函数的处理、动力灵敏度分析以及优化求解等等都相当困难； ( 2 ) 工程结构特别是大型复杂得多自由度结构体系，其动力特性或响应的计 算几乎包含了结构有限元分析中的各个方面。基于参数识别、结合面建模、可靠 性定义的系统动力学方法是在常规分析建模方法基础上发展起来的结构分析方 法，它的基本框架产生于结构的模式识别、接触处理、可靠性理论与的有机结合， 计算代价大，即占用了大量的机时且要求高性能的计算机。此时，结构的重分析 次数成为影响计算效率的关键因素，因为结构动力优化中的每一轮迭代都必须进 行一次乃至数多次的结构动力重分析，其计算量往往很大1 1 6 。 1 3 课题意义及来源 发动机是将其他形式的能量转变为机械能的一种动力装置，是各种移动式机 械的主要配套动力。气缸体是组成发动机的一个关键零件，缸套又是发动机的主 要易损件之一，除了考虑缸套的选材，及有着合理的制造成本的前提下，那么如 何改善缸套的加工工艺，保证缸套的表面质量，提高缸套的使用性能，以提高发 动机的使用性能是发动机制造商十分关注的问题。因此，国内外对缸套内表面的 精加工工艺的研究非常重视，人们正努力发展各种新的工艺方法，用来保证零件 的制造精度和生产效率。在这种背景下，各种先进的制造技术应运而生，高精度 的制造设备，独特的工艺方法，正被广泛地应用于汽车制造业1 1 7 - 1 s 。 近年来，珩磨已成为发动机汽缸套、汽缸体孔以及工程机械中重要的液压缸 等精密偶件孔加工必不可少的工艺技术。通过良好的珩磨工艺，在发动机方面， 大大缩短了跑合时间，减少了燃料消耗，避免了孔的拉毛划伤。国产珩磨机无论 在加工精度、制造水平、还是控制方式等方面，与国外珩磨机相比，存在很大差 距，整体珩磨工艺技术水平较低；国内对珩磨加工技术的研究，仍然局限于对珩 磨头制作以及砂条选材研究等较低层次。作为珩磨机上的切削工具，珩磨头的结 构及尺寸对珩磨精度影响很大，加工对象不同，珩磨头的结构也不一样。目前国 内市场上能够实现自动测量及双进给功能的珩磨头已有销售，但是由于设计制造 等方面的原因，这种珩磨头还不能满足珩磨工艺高精度加工的要求。因此，对高 精度双迸给自动测量珩磨头设计与制造技术的研究是提高珩磨工艺质量的重要途 径，也是提升珩磨机产品竞争力的重要环节。 8 硕十学位论文 本课题由宁夏银川大河数控机床有限公司牵头，兰州理工大学、北京机械工 业自动化研究所、扬州五亭桥缸套有限公司参加，采取“产、学、研、用 相结 合的组织方式。组成以企业为主体的产学研用相结合的技术开发与创新团队，构 建可持续的高精密珩磨机床的理论研究、实验检测与新产品开发的综合优势平 台。本课题属于“高档数控机床及基础制造装备科技重大专项一一高档数控珩 磨机，编号：2 0 1 0 z x 0 4 0 0 1 一1 8 1 。 1 4 研究内容 本文根据课题要求，对珩磨头进行结构优化设计，主要开展如下工作： ( 1 ) 研究目前珩磨头的设计现状、结构优化设计的发展现状； ( 2 ) 对现有珩磨头的结构以及工作原理进行深入的研究与分析； ( 3 ) 用机械设计软件对现有珩磨头进行三维实体建模，并完成动态仿真分析； ( 4 ) 利用有限元分析软件对现有珩磨头进行静、动力学分析，在此基础上， 揭示影响珩磨头刚度的关键因素，提出设计制造中保证珩磨头刚度的控制措施， 包括磨头体、大椎体、小椎体、大推杆、小推杆、油石座等主要零件； ( 5 ) 在有限元分析的基础上，对珩磨头进行优化设计： 1 ) 双进给锥体、锥套及油石座的结构优化设计； 2 ) 油石座的支承位置优化设计。 对全文进行总结，并对本课题后续研究工作进行阐述。 9 双进给珩磨头的结构优化 第2 章双进给珩磨头建模及分析方法 珩磨( h o n i n g ) 是磨削的一种特殊形式【1 9 1 。它是用颗粒很细的油石( 也称磨条) 和适当的冷却液，利用可涨缩的磨头，使油石对被加工零件作综合运动( 旋转和往 复) ，来加工圆柱内表面的一种精整加工方法。珩磨和磨削、研磨和超精加工方法 区别在于，它是一种高效的精加工方法，不仅能改善孔的几何形状精度和表面结 构，而且可以去除钻削、铰削和内圆磨所产生的残余应力。珩磨是一种快速高效 的内孔精加工工艺，应用范围十分广泛，从发动机汽缸、喷油嘴到阀等零件。 2 1 珩磨技术介绍 2 1 1 珩磨的加工原理 珩磨的加工原理是利用安装于珩磨头周围的若干条油石，由涨开机构( 有机械 式和液压式) 将油石沿径向涨开，使其压向工件孔壁以便产生一定的面接触，同时 使珩磨头作旋转和往复运动c i ：件不动) ，由此而实现对孔的低速磨削。珩磨过程 中，珩磨头由机床主轴带动相对工件作旋转和直线往复运动，同时油石对被加工 表面作径向进给运动。前两种运动构成珩磨的主运动，并使油石形成螺旋运动， 因此，油石上大量的磨粒就在加工表面上刻划下螺旋形交叉网纹的珩磨条纹，图 2 1 是单个油石在孔中完成一个双行程运动后所刻划的条痕展开示意图，图中兀 d w 为孔长；l w 为孔的周长；0 为网纹交叉角。i ，分别是油石在一个双 行程中转折时顺次的位置。并且，为了避免每条油石的运动轨迹重复，即不让油 石上的磨粒仍在原先刻出的条痕上刻划，应使油石在一个双行程终了时的位置， 相对其行程的初始位置i ，在圆周方向上有一个附加的偏移量s 。 - - - - s 一 i 缸! 侏- r jl v 3 r j l 造多歹 1 r 图2 1 珩磨运动过程图 1 0 硕十学位论文 此外，珩磨头每转一转，油石与前一转的切削轨迹在轴向上有一段重叠长度， 使前后磨削轨迹的衔接更平滑均匀。这样，在整个珩磨过程中，孔壁和油石面的 每一点相互干涉的机会差不多相等。因此，随着珩磨的进行孔表面和油石表面不 断产生干涉点，不断将这些干涉点磨去并产生新的更多的干涉点，又不断磨去， 使孔和油石表面接触表面不断增加，互相干涉的程度和切削作用不断减弱，孔和 油石的圆度和圆柱度也不断提高，最后完成孔表面的创制过程。为了得到更好的 圆柱度，在可能的情况下，珩磨中经常使零件掉头，或者改变珩磨头与工件轴向 的相互位置瑚l 。 2 1 2 珩磨加工特点 珩磨加工与一般切削加工相比，具有下列特点： ( 1 ) 可获得高的加工精度 中小型的通孔加工，其圆柱度可达0 0 0 1 m m 以内。一些壁厚不均匀的零件， 如连杆，其圆度能达到0 0 0 2 m m 。对于大孔( 孔径在2 0 0 m m 以上) ，圆度也可达 0 0 0 5 m m ，如果没有环槽或径向孔等，直线度可达到o 0 1 m m m 以内 2 1 - 2 2 。 ( 2 ) 可以获得高的表面质量 1 ) 珩磨的加工表面具有交叉网纹，有利于润滑油的存储及油膜的保持，能承 受较大的载荷，工件耐磨性好； 2 ) 珩磨表面粗糙度r a 值可小于1 u m ； 3 ) 珩磨的加工表面几乎没有热损伤、变质层或冷硬现象。但存在高的残余压 应力，这些都有利于零件的使用寿命的提高； 4 ) 加工范围广。能加工内孔、平面、球面等： 5 ) 具有较高的生产效率p t ! 。 ( 3 ) 加工范围广 可加工各种圆柱形孔：通孔、轴向和径向有间断的孔，如有径向孔或槽的孔、 键槽孔、花键孔、盲孔、多台阶孔等。另外，用专用珩磨头，还可加工圆锥孔、椭 圆孔等。珩磨几乎可以加工任何材料，特别是金刚石和立方氮化硼磨料的应用， 迸一步拓展了珩磨的运用领域，同时也大大提高了珩磨加工的效率。 ( 4 ) 纠孔能力强 采用珩磨工艺加工可以通过去除最少加工余量而极大地改善孔和外圆的尺寸 精度、圆度、直线度、圆柱度和表面粗糙度 2 2 1 。 2 2 珩磨头的三维模型 参照宁夏大河机床厂提供的资料，在深入研究珩磨加工原理的基础上，利用 二维软件a u t o c a d 画出珩磨头装配体二维图形( 图2 2 ) ，再利用三维造型软件 双进给珩磨头的结构优化 p r o e 对高精度双进给珩磨头进行了建模( 图2 3 ) 。 图2 2 珩磨头装配体 2 3 有限元法概述 图2 3 珩磨头三维模型 2 3 1 有限元法概念 我国制造业已经进入全球性的经济竞争大环境，企业之间的竞争日趋激烈。 企业要想在激烈的竞争中立于不败之地，求得生存和发展，就必须不断地快速开 发出满足用户需求、技术上过硬、市场竞争力强和经济效益好的新产品。面临这 种严峻挑战，要求不断地发展和应用先进的生产制造技术来适应这一需求，而有 限元分析技术就是实现重大工程与工业产品的建模、计算分析、模拟仿真与优化 设计、支持工程技术人员进行创新研究和工程师进行创新设计的重要工具和手段。 随着计算机性能的不断提高，有限元分析技术在装备产品的设计和制造中得到了 更加广泛的重视，已成为解决复杂工程问题的有效途径，其在核电、火电、风电、 机床、纺机、印刷包装机械等领域的广泛使用已使装备产品的设计水平发生了质 的飞跃2 3 1 。 有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 是一种应用最为广泛的数值解法，其基本思 想是将连续的求解域离散为有限个通过节点相互连接在一起的单元的组合体，由 于单元形状规则简单，比较容易通过平衡关系和能量关系建立单元节点量之间的 1 2 硕十学位论文 函数关系式，所以先对单元进行分析，然后将各个单元方程“组集一在一起而形 成总体代数方程组，加入边界条件后对方程组求解，也就是整体分析 2 4 - 2 5 。由于 是用较简单的问题代替实际问题，所以这个解不是准确解，而是近似解。但是只 要所研究的问题本身有解，并且对其建立了合理的数学模型，那么就可以通过提 高网格划分的细密程度来提高这个近似解的精确程度，但与此同时，计算的复杂 程度和所需耗费的时间也会相应提高。 2 3 2 有限元法的发展 有限元最初是2 0 世纪5 0 年代作为处理固体力学问题的方法出现的。有限元 分析的最终目的是还原一个实际工程系统的行为特征，即分析必须针对一个物理 原型准确的数学模型，模型包括所有节点、单元、材料属性、实常数、边界条件 以及其他用来表现这个物理系统的特征1 2 6 。现代有限元方法的起源可以追溯到2 0 世纪的早期，当时一些研究者应用离散的等价杆拟合模态的弹性体。从应用数学 角度来看，有限元的基本思想可以追溯至1 9 4 3 年c o u r a n t ( 库朗) 所进行的研究中， 他首先应用定义在三角形区域上的分片连续函数和最小位能原理相结合，假想翘 曲函数为线性分布，获得s t v e n a n t 扭转问题的近似解 2 7 1 。5 0 年代初， j h a r g y r i s ( 阿吉里斯) 、r w c l o u g h ( 克拉犬) 等人从复杂结构分析的需要出 发，提出了有限元的雏型，他们把平面连续划分成若干三角形单元和矩形单元， 使连续体变成离散体，仅在单元节点处相连：然后对单元体应用几何、物理及平 衡三方面条件，导出单元刚度矩阵，即单元节点力与单元节点位移的矩阵关系式； 在应用单元间位移的连续性和节点的平衡条件，建立结构的总刚度方程，即结构 的节点位移和节点载荷问的矩阵关系式：然后根据结构的边界位移条件来修改总 刚度方程，由此方程求得结构节点位移值，最后应用物理方程求出各单元的应力。 1 9 6 0 年，r w c l o u g h 首次引入“有限元法 这一名词，并发表了平面应力问 题的有限元法论文。o c z i e n k i e w i c z ( 辛凯维奇) 等许多学者对有限元方法的发 展做出了重要的贡