顶磨式数控轧辊磨床较传统的托磨式数控轧辊磨床,因其高效率、高精度和高可靠度而受到轧辊使用客户的青睐,具有更广阔的市场前景和发展空间。主轴系统及顶尖组件是大重型顶磨式数控轧辊磨床支顶结构中最关键的部分,其结构的强度、刚度影响着机床的整体性能,将直接反应到工件磨削精度上。本文以险峰机床厂正研发的MK84型顶磨式数控轧辊磨床为主体,取其顶尖组件和主轴系统及100t轧辊为对象,以有限元软件ABAQUS为工具,有限元法为理论支撑展开分析研究工作。主要研究工作及成果有以下5个方面:(1)分析顶尖承载能力与其影响因素的关系。以磨床顶尖为对象,运用控制变量法,采用多组CAE分析模型分析顶尖角度、顶尖与顶尖孔配合长度和顶尖摩擦副间摩擦因数3个因素对顶尖承载能力的影响规律。以应力、变形量、应变和接触力等为承载能力指标,将指标数据拟合出对应的趋势曲线,对各指标曲线进行研究并得出各影响因素的最佳设计区间。(2)分析顶尖在100吨轧辊工况下的受力变形情况。创建顶尖承载100吨轧辊的动态接触仿真分析模型,模拟轧辊以10r/min速度旋转,分析顶尖的应力应变、变形受力等情况,得出顶尖头部悬伸端变形量较大,在工况下承受交变应力,应力集中于砂轮越程槽,是顶尖的断裂危险截面。(3)顶尖结构优化。对顶尖静力学结果进行分析,现有顶尖存在应力集中和变形量过大等问题,薄弱环节为砂轮越程槽和悬伸端长度。以顶尖直径、砂轮越程槽处倒圆半径和悬伸长度为设计变量,采用等步长搜索优化方法,对顶尖进行结构优化,改善了砂轮越程槽应力集中分布的情况,将最大变形量降低了48.54%。(4)主轴系统静力学分析。以轧辊磨床主轴为对象,研究主轴在承载100t轧辊时应力分布及变形规律,应力较大区域位于前端,后段实心区域应力较小,存在较大优化空间。主轴中部、后端固定的支撑方式,导致了前弯曲、后上翘的变形形态。(5)主轴拓扑优化。采用ABAQUS基于条件的优化算法,对主轴后段强度贡献较小的内部材料区域进行拓扑优化。优化后,得到了刚度最佳的空心主轴结构,质量(3吨)减少了27.6%,约0.83吨。主轴的拓扑优化结构可为后续的结构优化及二次开发提供参考。