[ 摘要] 零件在外圓磨床上加工時受兩個力的作用，一是受零件磨削力的影響，二是受外圓磨床尾座對頂力的影響，尤其細長桿零件受力變形較為明顯。為了在加工過程中避免零件變形而影響加工精度，通過使用ANSYS 對零件進行有限元分析，控制兩個方向力的大小，并對這兩個方向力進行逐一分析，并配合高速磨削加工，確定進刀量、磨削速度、零件轉速及對頂力等磨削參數，并對上述分析方法進行延伸擴展。
在航空航天領域中，細長桿類零件的應用非常廣泛，經常作為活塞桿、間隙活門及計量油針使用，它們在燃油調節器中起著十分重要的作用，但是它的高精度要求也給加工帶來了很大困難。面對高精度的要求，一般采用數控高精外圓磨床加工，但在加工調試過程中，常常為了保證加工精度，需要一次或多次試加工，同時數控加工參數也需要不斷調試，直到確認數控程序能夠完成預定的加工要求。為了提高加工效率，保證加工精度，使用ANSYS 受力分析軟件，對零件進行預加工分析，并計算加工參數。
零件在外圓磨床上加工時，受磨削力和對頂力的影響，零件受力方向如圖1 所示。磨削力的大小由進刀量、磨削速度、零件轉速及砂輪線速度決定，對頂力的大小與尾座中彈簧的壓縮變形有關。磨削力和對頂力過大都會造成零件變形，而變形量 的大小也與零件本身的長度、直徑尺寸、材料的密度和彈性模量 有關。
圖1 零件受力分析圖
1 、兩個方向力對變形量的影響
1.1 磨削力的分析
以航空零件活塞桿為例，如圖2 所示，單位為mm。零件材料為4Cr13，在常溫20℃下此種材料的彈性模量為215GPa，密度為7.75g/cm3。
圖2 零件工序圖紙
為了明確地分析零件磨削力與變形量之間的關系，基于ANSYS 對零件進行1∶1 比例建模并進行有限元分析，利用UG 建模方便快捷的優點，使用UG 先按照設計圖1∶1 比例畫好圖形，并將模型導入ANSYS 生成。首先，對導入的模型進行編輯，根據零件材料為4Cr13，輸入上述查閱的材料密度、彈性模量等主要性能參數，添加到建好的模型中。其次，對模型進行網格劃分，劃分單位為1mm，即把模型劃分為N 個體積為1mm3 的小方格再進行受力分析，如果想得到更精確的分析結果，則把劃分單位縮小即可。最后，對模型添加約束及受力要求，根據外圓磨床定位加工方式，對模型兩端中心孔添加固定約束，再根據磨削力方向在被加工外圓施加力F ，接下來用ANSYS 進行有限元分析，并生成零件變形量圖形，按圖2 中要求零件圓柱度為0.0015mm，所以將變形量控制在0.0015mm 范圍內，并不斷更改外力大小，直到變形量為0.0015mm，此時的力可以確定為精加工時的磨削力上限值， 如圖3 所示，對零件施加4N 磨削力時零件總變形量為0.0015mm，所以在磨削過程中，磨削力不應大于4N。
圖3 零件應力云圖
1.2 對頂力的分析
使用上述相同方法進入ANSYS 軟件對零件進行真實的受力分析，根據外圓磨床對頂加工工作原理，更改固定約束和施加力的方向，假設零件產生0.0015mm 的變形量，則分析零件承受的對頂力為20N。1.3 磨削力與對頂力對變形量的綜合影響為了更準確地分析零件的受力變形量，使用ANSYS軟件模擬加工過程中的受力分析，對零件左端添加固定約束，并對零件施加對頂力和磨削力，力的大小分別為20N 和4N。施加兩個方向力后的零件變形，變形量為0.005mm。
根據有限元分析，同時施加磨削力和對頂力時，零件產生疊加變形，造成零件變形量增大，為了更準確地了解零件受力變形情況，下一步進行實際加工，看零件是否滿足圖紙要求。
2 、確定磨削參數
由上述模型理論分析得出，同時施加磨削力和對頂力時會增大零件變形，但考慮到實際加工過程中零件處于轉動狀態，受力會出現互相抵消的現象，對圖2 所示零件進行實際加工，磨削力控制在4N 以下，對頂力控制在20N 以下，并選擇合理的進給量、進給速度和零件轉速等磨削參數。
2.1 對頂力的控制
根據上述分析得知，對頂力不能大于20N，經查閱資料，可以依據加壓調整螺釘的位移和彈簧系數計算出對頂力的大小。圖4 為外圓磨床尾座簡易圖，對頂力F 1=83-（X -Y ）×3.3（此對頂力公式僅適合于本公司某型號磨床，不同機床對頂力計算公式不同，主要取決于尾座內部彈簧的彈簧系數），通過調節X 和Y 的距離控制對頂力在20N 以下即可。
圖4 外圓磨床尾座示意圖
2.2 確定零件轉速
零件的轉速主要與零件本身的直徑、砂輪線速度有關，取決于它們之間的比例關系。選擇合理的砂輪速度和零件速度之間的比值，當砂輪速度提高時，零件速度也要相應的提高，否則會影響加工效率，但不能提高過多。
機床的砂輪線速度為45m/s，零件直徑為φ 11，根據計算公式n =1000V 1×60/250×π×D [3]，其中，n 為零件轉速；V 1 為砂輪線速度；D 為零件直徑。將各數值帶入公式得出零件轉速n =312r/min（加工時選用300r/min）。
2.3 確定進給量和磨削速度
在磨削過程中，在磨削力和砂輪線速度不變的情況下，增大進給量時應相應降低磨削速度，根據磨削力經驗公式F 2 = 453a0.9f 0.62V 0.76[4] 來確定進給量和磨削速度
之間的關系。其中，F 2 為磨削力；a 為進給量；f 為磨削速度；V 2 為零件的線速度。
根據加工細長桿類的加工經驗，一般最后一次加工進給量為0.001mm 或0.002mm，圖2 中零件實際加工時最后一次進給量選擇0.001mm，零件的磨削力控制在4N 以下，零件的線速度為10.4m/s。代入上述公式得出磨削速度f = 40mm/min。
通過上述分析得出零件的磨削參數，對零件進行實際加工，加工后零件圓柱度保持在0.0015mm 以內，滿足圖紙要求，所以根據磨削力和對頂力的模型分析可以運用到實際加工中。
3 、結論
根據上述分析得出，對頂力為20N 以內；砂輪線速度為45m/s ；零件轉速為300r/min; 精加工進給量為0.001mm；磨削速度為40mm/min。
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