双进给珩磨头的结构优化
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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Pro/E和有限元分析软件ANSYS Workbench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。
Manufacturing is the foundation and the pillar of the national economy. Thedevelopment of the manufacturing industry cannot leave advanced manufacturingequipment. Represented by honing machines, the equipment manufacturing industryhas very important influence for the development of national economy and theincrease of the national defense capabilities. Therefore, developing high-gradenumerical control honing machine which meet the national economy andmanufacturing technology has important strategic and realistic significance.
Honing process is used for finish machining of hole. As the cutting tool onhoning machine, the structure and size of honing head have a great influence on theprecision of honing. Different processing object need different honing head whosestructure is different. The research of the design and manufacturing technology ofhigh precision and double feed honing head is an important way to improving thequality of honing process and competitiveness of machine product. It has an importanteffect to honing processing quality for honing head stiffness. Many factors on honinghead would affect stiffness such as different structure, different size, clearance,friction characteristics and so on.
The finite element method is used in this paper. On the basis of theoreticalanalysis,3d modeling software Pro/E and finite element analysis software ANSYSWorkbench are used to establish the finite element model of high precision anddouble feed honing head. Static analysis and modal analysis are made for theassembly body of honing head after modeling. Analyzes the main weak links ofhoning head and puts forward Suggestions on how to optimize.
A preliminary improvement is made for the unreasonable structure of the originalhoning head on the basis of the deep analysis. Meanwhile, select several importantsizes of honing head and make sensitivity analysis. The sizes of the big sensitivity areoptimized after sensitivity analysis.
Finally, it is observed that deformation reduced significantly and stiffnessdramatically improved through contrasting the calculation before and afteroptimization. All of these explain that the optimal result is reasonable.
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Pro/E和有限元分析软件ANSYS Workbench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。
Manufacturing is the foundation and the pillar of the national economy. Thedevelopment of the manufacturing industry cannot leave advanced manufacturingequipment. Represented by honing machines, the equipment manufacturing industryhas very important influence for the development of national economy and theincrease of the national defense capabilities. Therefore, developing high-gradenumerical control honing machine which meet the national economy andmanufacturing technology has important strategic and realistic significance.
Honing process is used for finish machining of hole. As the cutting tool onhoning machine, the structure and size of honing head have a great influence on theprecision of honing. Different processing object need different honing head whosestructure is different. The research of the design and manufacturing technology ofhigh precision and double feed honing head is an important way to improving thequality of honing process and competitiveness of machine product. It has an importanteffect to honing processing quality for honing head stiffness. Many factors on honinghead would affect stiffness such as different structure, different size, clearance,friction characteristics and so on.
The finite element method is used in this paper. On the basis of theoreticalanalysis,3d modeling software Pro/E and finite element analysis software ANSYSWorkbench are used to establish the finite element model of high precision anddouble feed honing head. Static analysis and modal analysis are made for theassembly body of honing head after modeling. Analyzes the main weak links ofhoning head and puts forward Suggestions on how to optimize.
A preliminary improvement is made for the unreasonable structure of the originalhoning head on the basis of the deep analysis. Meanwhile, select several importantsizes of honing head and make sensitivity analysis. The sizes of the big sensitivity areoptimized after sensitivity analysis.
Finally, it is observed that deformation reduced significantly and stiffnessdramatically improved through contrasting the calculation before and afteroptimization. All of these explain that the optimal result is reasonable.
引文
[1]祝锡晶.功率超声振动珩磨技术的基础与应用研究[D]:[南京航空航天大学博士学位论文].南京：南京航空航天大学,2007
[2]苏达智.珩磨工艺技术[M].宁夏机械工程学会《宁夏机械》编辑部.
[3] WeberC A,Current JR, BentonW C. Vendor selection criteria and methods [J].European Journal of Operational Research,1991,50(1):2-18
[4] Tam M C Y,Tummala V M R.An application of the AHP in vendor selection of atelecommunications system [J]. Omega,2001,29(2):171-182
[5]徐继付.混凝土搅拌楼皮带传送机结构优化设计研究[D]:[中南大学硕士学位论文].长沙:中南大学,2006
[6] Leonard spunt.Optimum Structural Design．Prentice—Hall,1971:1-27
[7] R．B．Gallagher and0．C．Zienkiewicz．Optimum Structural Design Theory andApplication[J].John Weiley and Sons,1973:10—20
[8]戴进.齿轮齿根动应力分析及其结构优化设计[D]:[中南大学硕士学位论文].长沙:中南大学,2008
[9]黄琳.起重机伸缩臂结构优化研究[D]:[大连理工大学硕士学位论文].大连:大连理工大学,2007
[10]徐金帅.履带起重机超起装置结构优化设计与仿真[D]:[大连理工大学硕士学位论文].大连:大连理工大学,2008
[11]汪树玉,刘国华.结构优化设计的现状与发展[J].基建优化,1999,(4):3-14
[12]汪树玉,刘国华.结构优化设计的现状与发展(续)[J].基建优化,1999,NoS:53-7
[13]李芳,凌道盛.工程结构优化设计发展综述[J].工程设计学报,2002,2:229-235
[14]郑永强.工程机械结构现代强度设计方法的研究[J].工程机械,1995,10:11-16
[15]孙宝元,钱敏,劳伟民.三向压电式车削测力仪结构的优化设计[J].机械工程学报,1990,26(3):65-71
[16]汤文成.机械结构件拓扑优化设计的研究[D]:[东南大学博士学位论文].南京：东南大学,2003
[17]韩昌满.缸孔珩磨工艺的发展与应用[D]:[哈尔滨工程大学硕士学位论文].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2006
[18]曲听.缸套珩研加工技术研究[D]:[天津大学硕士学位论文].天津:天津大学,2003
[19]潘铭跃.高精度立式珩磨机控制系统及试验研究[D]:[上海交通大学硕士学位论文].上海:上海交通大学机械与动力工程学院,2006
[20]李涛.MB4250-高精度立式珩磨机床的动态特性分析[D]:[上海交通大学硕士学位论文].上海:上海交通大学机械与动力工程学院,2008
[21]熊元一,郭建忠,侯军丽等.珩磨工艺原理简介[J].机械工人(冷加工),2004,(5):29-30
[22]史俊领.浅析发动机零部件加工中的珩磨技术[J].机械制造,2010,(23)：275-276
[23]朱伯芳.有限单元法原理与应用[M].北京:水利电力出版社,1979
[24]王勖成,邵敏编.有限单元法基本原理和数值方法(第2版)[M].北京:清华大学出版社,1997.03:1-2
[25]江克斌,屠义强,邵飞编.结构分析有限元原理及ANSYS实现[M].北京:国防工业出版社,2005.06:3-9
[26]马治国,夏毅敏.ANSYS软件应用介绍[J].凿岩机械气动工具,2005,(2):6-9
[27] CourantR, Variational Method for Solutions of Problems of Equilibrium andVibrations[J].Bull.Am.Math．See,1943,49:1-23
[28]李文涛.基于ANSYS的ATM自动柜员机结构的研究[D]:[武汉理工大学硕士学位论文].武汉:武汉理工大学,2009
[29]王津.自行式高空作业车作业臂有限元分析与优化设计[D]:[长安大学硕士学位论文].西安:长安大学,2009
[30]黄建民.有限元技术的发展及其在装备制造业中的应用[J].上海电机学院学报,2010,13(3):177-181
[31]卫巍.冲击夯箱体的结构优化设计[D]:[北京建筑工程学院硕士学位论文].北京:北京建筑工程学院,2008
[32]胡桃华.全液压履带装载机车架结构有限元分析及优化设计[D]:[同济大学机械工程学院硕士学位论文].上海:同济大学机械工程学院,2009
[33]刘洪波.动臂塔式起重机结构优化设计研究[D]:[东北大学硕士学位论文].沈阳:东北大学,2006
[34]李兵,何正嘉,陈学峰. ANSYS Workbench设计、仿真与优化[M].北京:清华大学出版社,2008
[35]张应迁,张洪才.ANSYS有限元分析从入门到精通[M].北京:人民邮电出版社,2010
[36]浦广益.ANSYS Workbench12基础教程与实例详解[M].北京:中国水利水电出版社,2010
[37]廖伯瑜,周新民,尹志宏.现代机械动力学及其工程应用[M].北京:机械工业出版社,2004
[38]韩清凯,于涛,孙伟.机械振动系统的现代动态设计与分析[M].北京:科学出版社,2010
[39]吴昌凤,任斌斌.基于刚度灵敏度分析的客车结构优化的研究[J].制造业信息化,2009,(1):95-97
[40]彭志苗,赵小由.结构敏度分析简介[J].广西交通科技,1996,21(4):21-23
[41]王超逸,汤盈盈.形状敏度及水平集在结构优化中的运用[J].山西建筑,2008,34(7):94-95
[42]宋保维,刘旭琳.基于灵敏度分析的鱼雷联接结构稳健设计[J].系统仿真学报,2009(9):2746-2752
[43]李建福.灵敏度分析方法及其在机械优化设计中的应用[D]:[烟台大学硕士学位论文].烟台:烟台大学,2010
[44]李睿.Sobol'灵敏度分析方法在结构动态特性分析中的应用研究[D]:[湖南大学硕士学位论文].长沙:湖南大学,2003
[45]马迅,过学迅,赵幼平等.基于有限元法的结构优化与灵敏度分析[J].机械科学与技术,2002,21(4):558-561
[46]周玉昌.珩磨机理的分析调查报告[J].磨床与磨削,1990,(2):30-35
[47] Ueda,Takashi. Influence of honing head design on out of roundness[J].NipponKikai Gakkai Ronbunshu,C Hen／Transactions of the Japan Society ofMechanical Engineers,Part C,1990,56(528):2279-2284
[48]黄敏.外筒工件内孔的珩磨加工[J].机械工人(冷加工),2002,(1):17-18
[49]何兆太,王澄宇.珩磨技术在高精度内孔加工中的应用[J].黄石理工学院学报,2005,21(3):18-20
[50] Dirk Biermann, Kay Marschalkowski, Kai-Uwe Paffrath. Development of ahoning process for the combination machining of hardened axisymmetric parts[J]. Production Engineering,2010,4(2-3):147-155
[51]傅红珍.珩磨头结构的改进[J].金属加工,2008,(7):35
[52]卢相青.浅谈气缸套珩磨工艺[J].内燃机配件,2000,(1):31-33
[53] Singh, R.V., Raghav, A.K.. Experimental study and modeling of the effect ofprocess parameters on surface roughness during honing process [J]. Journal ofthe Institution of Engineers,2010,90(5):3-7
[54]赵伟.浅谈柴油机汽缸套珩磨技术[J].内蒙古科技与经济,2003,(4):92
[55] Troglio, Anthony. Applying CAD technologies to honing machine development
[N].Technical Paper-Society of Manufacturing Engineers,2002,4(23):1-20
[56]朱林郑,挺军.深孔珩磨刀具CAD的研究[J].机械设计与制造,2006,(10):60-62
[57]徐辉.改进发动机缸孔珩磨质量[J].金属加工工艺,2008,(3):27-29
[58] Alexander M. Gouskov, Sergey A. Voronov, Eric A. Butcher, S.C. Sinha.Non-conservative oscillations of a tool for deep hole honing[J]. Communicationsin Nonlinear Science and Numerical Simulation,2006,11(6):685-708
[59] E. Saljé, M. von See. Process-Optimization in Honing[J].CIRP Annals-Manufacturing Technology,1987,36(1):235-239
[60]黄雄健,欧艺.轻型货车变速器优化设计[J].广西工学院学报,2000,(9):81-84
[61]张毅,高创宽.基于ANSYS的渐开线直齿圆柱齿轮有限元分析[J].机械工程与自动化,2007,(2):70-71
[62] Pawlus, P., Cieslak, T., Mathia, T.. The study of cylinder liner plateau honingprocess[J]. Journal of Materials Processing Technology,2009,209(20):6078-6086
[63]王勇,赖思琦,郭磊.基于CAXA软件的珩磨头三维造型设计[J].煤矿机械,2009,30(11):230-231
[64]郝钟雄.ANSYS与CAD软件的接口问题研究[J].机械设计与制造,2007,(7):75-76
[65]高咏涛,原军令,王占奎.ANSYS在结构分析中的应用及与CAD的连接[J].机械工程师,2005,(8):77-78
[66]韩静,方亮,孙甲鹏等.基于Pro/E与ANSYS Workbench的复杂装配件协同仿真及优化[J].机械设计与制造,2010,(1):190-192
[2]苏达智.珩磨工艺技术[M].宁夏机械工程学会《宁夏机械》编辑部.
[3] WeberC A,Current JR, BentonW C. Vendor selection criteria and methods [J].European Journal of Operational Research,1991,50(1):2-18
[4] Tam M C Y,Tummala V M R.An application of the AHP in vendor selection of atelecommunications system [J]. Omega,2001,29(2):171-182
[5]徐继付.混凝土搅拌楼皮带传送机结构优化设计研究[D]:[中南大学硕士学位论文].长沙:中南大学,2006
[6] Leonard spunt.Optimum Structural Design．Prentice—Hall,1971:1-27
[7] R．B．Gallagher and0．C．Zienkiewicz．Optimum Structural Design Theory andApplication[J].John Weiley and Sons,1973:10—20
[8]戴进.齿轮齿根动应力分析及其结构优化设计[D]:[中南大学硕士学位论文].长沙:中南大学,2008
[9]黄琳.起重机伸缩臂结构优化研究[D]:[大连理工大学硕士学位论文].大连:大连理工大学,2007
[10]徐金帅.履带起重机超起装置结构优化设计与仿真[D]:[大连理工大学硕士学位论文].大连:大连理工大学,2008
[11]汪树玉,刘国华.结构优化设计的现状与发展[J].基建优化,1999,(4):3-14
[12]汪树玉,刘国华.结构优化设计的现状与发展(续)[J].基建优化,1999,NoS:53-7
[13]李芳,凌道盛.工程结构优化设计发展综述[J].工程设计学报,2002,2:229-235
[14]郑永强.工程机械结构现代强度设计方法的研究[J].工程机械,1995,10:11-16
[15]孙宝元,钱敏,劳伟民.三向压电式车削测力仪结构的优化设计[J].机械工程学报,1990,26(3):65-71
[16]汤文成.机械结构件拓扑优化设计的研究[D]:[东南大学博士学位论文].南京：东南大学,2003
[17]韩昌满.缸孔珩磨工艺的发展与应用[D]:[哈尔滨工程大学硕士学位论文].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2006
[18]曲听.缸套珩研加工技术研究[D]:[天津大学硕士学位论文].天津:天津大学,2003
[19]潘铭跃.高精度立式珩磨机控制系统及试验研究[D]:[上海交通大学硕士学位论文].上海:上海交通大学机械与动力工程学院,2006
[20]李涛.MB4250-高精度立式珩磨机床的动态特性分析[D]:[上海交通大学硕士学位论文].上海:上海交通大学机械与动力工程学院,2008
[21]熊元一,郭建忠,侯军丽等.珩磨工艺原理简介[J].机械工人(冷加工),2004,(5):29-30
[22]史俊领.浅析发动机零部件加工中的珩磨技术[J].机械制造,2010,(23)：275-276
[23]朱伯芳.有限单元法原理与应用[M].北京:水利电力出版社,1979
[24]王勖成,邵敏编.有限单元法基本原理和数值方法(第2版)[M].北京:清华大学出版社,1997.03:1-2
[25]江克斌,屠义强,邵飞编.结构分析有限元原理及ANSYS实现[M].北京:国防工业出版社,2005.06:3-9
[26]马治国,夏毅敏.ANSYS软件应用介绍[J].凿岩机械气动工具,2005,(2):6-9
[27] CourantR, Variational Method for Solutions of Problems of Equilibrium andVibrations[J].Bull.Am.Math．See,1943,49:1-23
[28]李文涛.基于ANSYS的ATM自动柜员机结构的研究[D]:[武汉理工大学硕士学位论文].武汉:武汉理工大学,2009
[29]王津.自行式高空作业车作业臂有限元分析与优化设计[D]:[长安大学硕士学位论文].西安:长安大学,2009
[30]黄建民.有限元技术的发展及其在装备制造业中的应用[J].上海电机学院学报,2010,13(3):177-181
[31]卫巍.冲击夯箱体的结构优化设计[D]:[北京建筑工程学院硕士学位论文].北京:北京建筑工程学院,2008
[32]胡桃华.全液压履带装载机车架结构有限元分析及优化设计[D]:[同济大学机械工程学院硕士学位论文].上海:同济大学机械工程学院,2009
[33]刘洪波.动臂塔式起重机结构优化设计研究[D]:[东北大学硕士学位论文].沈阳:东北大学,2006
[34]李兵,何正嘉,陈学峰. ANSYS Workbench设计、仿真与优化[M].北京:清华大学出版社,2008
[35]张应迁,张洪才.ANSYS有限元分析从入门到精通[M].北京:人民邮电出版社,2010
[36]浦广益.ANSYS Workbench12基础教程与实例详解[M].北京:中国水利水电出版社,2010
[37]廖伯瑜,周新民,尹志宏.现代机械动力学及其工程应用[M].北京:机械工业出版社,2004
[38]韩清凯,于涛,孙伟.机械振动系统的现代动态设计与分析[M].北京:科学出版社,2010
[39]吴昌凤,任斌斌.基于刚度灵敏度分析的客车结构优化的研究[J].制造业信息化,2009,(1):95-97
[40]彭志苗,赵小由.结构敏度分析简介[J].广西交通科技,1996,21(4):21-23
[41]王超逸,汤盈盈.形状敏度及水平集在结构优化中的运用[J].山西建筑,2008,34(7):94-95
[42]宋保维,刘旭琳.基于灵敏度分析的鱼雷联接结构稳健设计[J].系统仿真学报,2009(9):2746-2752
[43]李建福.灵敏度分析方法及其在机械优化设计中的应用[D]:[烟台大学硕士学位论文].烟台:烟台大学,2010
[44]李睿.Sobol'灵敏度分析方法在结构动态特性分析中的应用研究[D]:[湖南大学硕士学位论文].长沙:湖南大学,2003
[45]马迅,过学迅,赵幼平等.基于有限元法的结构优化与灵敏度分析[J].机械科学与技术,2002,21(4):558-561
[46]周玉昌.珩磨机理的分析调查报告[J].磨床与磨削,1990,(2):30-35
[47] Ueda,Takashi. Influence of honing head design on out of roundness[J].NipponKikai Gakkai Ronbunshu,C Hen／Transactions of the Japan Society ofMechanical Engineers,Part C,1990,56(528):2279-2284
[48]黄敏.外筒工件内孔的珩磨加工[J].机械工人(冷加工),2002,(1):17-18
[49]何兆太,王澄宇.珩磨技术在高精度内孔加工中的应用[J].黄石理工学院学报,2005,21(3):18-20
[50] Dirk Biermann, Kay Marschalkowski, Kai-Uwe Paffrath. Development of ahoning process for the combination machining of hardened axisymmetric parts[J]. Production Engineering,2010,4(2-3):147-155
[51]傅红珍.珩磨头结构的改进[J].金属加工,2008,(7):35
[52]卢相青.浅谈气缸套珩磨工艺[J].内燃机配件,2000,(1):31-33
[53] Singh, R.V., Raghav, A.K.. Experimental study and modeling of the effect ofprocess parameters on surface roughness during honing process [J]. Journal ofthe Institution of Engineers,2010,90(5):3-7
[54]赵伟.浅谈柴油机汽缸套珩磨技术[J].内蒙古科技与经济,2003,(4):92
[55] Troglio, Anthony. Applying CAD technologies to honing machine development
[N].Technical Paper-Society of Manufacturing Engineers,2002,4(23):1-20
[56]朱林郑,挺军.深孔珩磨刀具CAD的研究[J].机械设计与制造,2006,(10):60-62
[57]徐辉.改进发动机缸孔珩磨质量[J].金属加工工艺,2008,(3):27-29
[58] Alexander M. Gouskov, Sergey A. Voronov, Eric A. Butcher, S.C. Sinha.Non-conservative oscillations of a tool for deep hole honing[J]. Communicationsin Nonlinear Science and Numerical Simulation,2006,11(6):685-708
[59] E. Saljé, M. von See. Process-Optimization in Honing[J].CIRP Annals-Manufacturing Technology,1987,36(1):235-239
[60]黄雄健,欧艺.轻型货车变速器优化设计[J].广西工学院学报,2000,(9):81-84
[61]张毅,高创宽.基于ANSYS的渐开线直齿圆柱齿轮有限元分析[J].机械工程与自动化,2007,(2):70-71
[62] Pawlus, P., Cieslak, T., Mathia, T.. The study of cylinder liner plateau honingprocess[J]. Journal of Materials Processing Technology,2009,209(20):6078-6086
[63]王勇,赖思琦,郭磊.基于CAXA软件的珩磨头三维造型设计[J].煤矿机械,2009,30(11):230-231
[64]郝钟雄.ANSYS与CAD软件的接口问题研究[J].机械设计与制造,2007,(7):75-76
[65]高咏涛,原军令,王占奎.ANSYS在结构分析中的应用及与CAD的连接[J].机械工程师,2005,(8):77-78
[66]韩静,方亮,孙甲鹏等.基于Pro/E与ANSYS Workbench的复杂装配件协同仿真及优化[J].机械设计与制造,2010,(1):190-192