沈偉平， 王成， 賈超凡,

（1.南通百盛精密機械有限責任公司（南通大學研究生工作站），江蘇 南通226300；2.南通大學 機械工程學院，江蘇 南通226019）

0 引 言

作為野外狩獵和射擊運動等槍械的主要組成部分之一，光學瞄準鏡是決定槍支瞄準精確度的重要部件之一，而鏡身零件（如圖1）作為光學瞄準鏡的關鍵零部件，加工質量的好壞直接影響到光學瞄準鏡的精度及檔次[1-2]。由于鏡身零件加工精度要求高，要想加工出高精度的光學瞄準鏡鏡身，涉及到基礎工業(yè)能力的各個方面：金屬材料和工藝、刀具種類和結構、加工方式等[3-5]。同時，光學瞄準鏡鏡身零件屬于薄壁件，在裝夾過程中極易發(fā)生不同程度的加工變形，使得設計夾具時必須考慮零件變形問題。

在國外，光學瞄準鏡鏡身的加工已擁有較為成熟的技術。如德國Hensoldt、Schmidt & Bender、日本尼康、美國RNO等公司，采用高檔的數(shù)控專用設備加工光學瞄準鏡鏡身，加工精度、生產(chǎn)效率和柔性化程度高，適應于光學瞄準鏡多品種小批量的市場需求特點[6]。同時，國外廠家已研發(fā)出光學瞄準鏡鏡身精密加工專用金剛石刀具及其工藝技術，實現(xiàn)切削過程中小尺寸空間內的自動導出和斷屑，保證了工件加工表面質量[7-9]。

圖1 光學瞄準鏡鏡身零件

在國內，光瞄鏡的產(chǎn)量已占世界民用光瞄鏡產(chǎn)量的70%，但目前該產(chǎn)業(yè)的繼續(xù)發(fā)展受到了兩大突出問題的制約：一是該產(chǎn)品為低精度的中低檔瞄準鏡，其附加值較低；二是鏡身零件加工的生產(chǎn)自動化水平和效率低。其原因是國內在高精密光瞄鏡鏡身的切削刀具、加工工藝及適應不同系列規(guī)格鏡身的柔性化制造裝備方面存在瓶頸，高精度光瞄鏡加工裝備落后等[10-11]。因此，提高國內光瞄鏡鏡身高精密制造水平已經(jīng)迫在眉睫。

基于上述問題，本文以光學瞄準鏡鏡身零件為研究對象，結合南通市應用研究項目，設計一種光學瞄準鏡鏡身關鍵工序的專用夾具，并基于拓撲優(yōu)化對夾具結構中的關鍵部件進行優(yōu)化。通過分析鏡身零件關鍵工序的結構特點及加工工藝，結合專用夾具的設計方法，設計零件關鍵工序目鏡端的定位與夾緊方案，完成專用夾具結構方案的設計；基于ANSYS Workbench軟件對夾具中關鍵部件夾緊彈性件進行有限元靜力學分析，并在此基礎上進行拓撲優(yōu)化設計，從而減少整個夾具系統(tǒng)的質量，有利于提升夾具穩(wěn)定性，縮短零件的加工流程，提高鏡身零件的加工效率及表面質量。

1 鏡身關鍵工序專用夾具設計

光學瞄準鏡鏡身零件屬于薄壁件，且目鏡端工序的加工內容多、節(jié)拍短、精度要求高，而傳統(tǒng)的“工序分散”已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)高精度產(chǎn)品的需求[12]。為此，設計一種目鏡端專用夾具，既能合理集中加工工序，又能使得工件在加工過程中始終保持正確的位置，從而提高工件生產(chǎn)效率和加工精度。

1.1 加工工藝分析

光學瞄準鏡鏡身材料為鋁合金7075系列，該材料具有高強度、高硬度、良好的力學性能等特點，適用于制造要求強度高、抗腐蝕性能強的高應力結構體，已經(jīng)成為軍用、民用飛機的首選材料[13]。圖2所示為光學瞄準鏡鏡身結構示意圖，其中零件的右側部分為目鏡端。該零件的結構特征是：鏡身外圓柱面上切割一個與軸心線平行的凹槽；目鏡端的內孔為直線短圓柱段；目鏡端的壁厚較薄。該零件的特點是材料剛性差、薄壁，加工過程中的變形是最大的問題。零件加工中產(chǎn)生的徑向夾緊力將導致徑向變形，并且切削力將導致零件的局部變形。

圖3為鏡身零件目鏡端局部放大示意圖。目鏡端外徑D2=（30±0.05）mm，內徑d2=（26±0.05）mm，槽的左側外徑D1=（26±0.05）mm，內徑d1=（24±0.05）mm，d1、d2內孔與聯(lián)合基準A-B的同軸度要求為φ0.06 mm，目鏡右端面與參考基準面B的垂直度要求為0.05 mm。目鏡端右側的短圓柱段孔的壁厚為2 mm，靠近槽左側的長圓柱段孔壁厚為1 mm。由零件圖可知，工件目鏡端精車工序的主要加工表面為d2的內表面、D2的外表面、目鏡端右端面及車削D2表面上M32×0.6-6h的螺紋。由零件的加工技術要求可知，既要保證零件的同軸度、壁厚，又要盡可能地防止加工變形，這是零件切削過程中的最大難點。

圖2 光學瞄準鏡鏡身結構示意圖

圖3 零件目鏡端局部放大示意圖

因此，針對本道工序，在加工之前，應設計合理的專用夾具并選擇合適的切削用量進行切削加工。刀具選擇硬質合金涂層車刀，車削切削用量的選擇參考《切削用量手冊》并結合實際生產(chǎn)的加工經(jīng)驗來確定，具體工藝參數(shù)如表1所示[14]。

表1 目鏡端精車工藝參數(shù)

1.2 定位方案設計

由于零件結構特殊，屬于薄壁件，定位時既要保證零件有正確的位置，還應增加零件的整體剛度，以滿足零件的加工需求。因此，工件定位方案采用定心、夾緊機構的原理，以光學瞄準鏡鏡身物鏡端內孔的圓錐面、目鏡端外圓及端面為工件的定位基準，以定位套、定位心軸、夾緊彈性件等為定位元件，同時實現(xiàn)工件的定位與夾緊。其中，夾緊彈性件與工件表面接觸，屬于定位和夾緊元件。圖4為鏡身零件目鏡端專用夾具定位夾緊結構示意圖，圖5為光學瞄準鏡目鏡端夾具與主軸裝配關系圖。

夾具定位方案采用定位套與夾緊彈性件以錐面相配合的方式，在一定程度上可以保證定位元件與工件的同心度。同時工件左端設有定位心軸，為保證零件的壁厚均勻，達到加工零件同軸度φ0.06 mm的設計要求，后定位軸的整個圓柱表面與鏡身部分的物鏡端的內圓柱表面接觸，以增加該部件的整體加工剛度。后定位軸末端與后定位彈簧套配合，彈簧套左側外壁上設有臺階，內部具有圓錐面，且彈簧套左端緊靠后定位錐套，錐套設于定位錐座內。

圖4 工件目鏡端定位和夾緊結構示意圖

圖5 光學瞄準鏡目鏡端夾具與主軸裝配關系

1.3 夾緊方案設計

工件定位后，還應確保在切削過程中不會產(chǎn)生振動或者位置變化，因此有必要設計相應的夾緊機構，以確保工件位置牢固可靠[15-16]。由于光學瞄準鏡鏡身是一個薄壁件，在夾緊過程中容易發(fā)生變形，因此，采用夾緊位置包容性夾持的方式來防止零件的變形。夾緊方案采用彈性套夾緊工件、壓緊螺母不脫開等一系列方法，來實現(xiàn)工件目鏡端夾緊動作的完成。目鏡端夾緊裝置的結構如圖4、圖5所示。

夾緊機構的動力源來自于機床主軸旋轉的動力，當機床通過帶動夾具體向左移動時，帶動壓緊螺母壓緊與其接觸的夾緊彈性件圓錐面以產(chǎn)生垂直于圓錐面的壓力，該壓力產(chǎn)生的徑向分力使夾緊彈性構件壓緊工件。

1.4 專用夾具結構設計

光學瞄準鏡鏡身目鏡端內孔、外圓、螺紋等工序加工時以物鏡端外圓、目鏡端外圓和目鏡端端面為定位基準。專用夾具三維模型及實物如圖6所示，由套筒、套筒螺母、主軸短錐套、定位套、夾緊彈性件、壓緊螺母及定位心軸等部分組成。其中，套筒與套筒螺母采用螺栓連接，主軸短錐套與套筒相配合連接在主軸上，套筒螺母通過卡口銷與壓緊螺母上的徑向槽相配合，壓緊螺母與夾緊彈性件通過圓錐面A相配合，同時，彈簧心軸、定位套彈簧安裝在定位套上，定位套與夾緊彈性件通過錐面相配合，實現(xiàn)對工件的包容性夾持。

圖6 目鏡端專用夾具三維模型及實物圖

1.5 專用夾具工作原理

工件在裝夾的過程中，光學瞄準鏡目鏡端專用夾具依靠主軸提供動力，通過夾具套筒螺母上的卡口銷與壓緊螺母上的徑向槽配合，定位套錐面與套筒錐面配合，主軸正轉帶動套筒螺母旋轉一定弦長后帶動壓緊螺母向左移動，后定位裝置利用后定位彈簧套的軸向推力變形特性，實現(xiàn)工件物鏡端的預定位。當主軸繼續(xù)正轉時，帶動壓緊螺母壓緊夾緊彈性件的圓錐面A，并產(chǎn)生垂直于該圓錐面的壓力。該壓力產(chǎn)生的軸向分力會帶動工件緊靠物鏡端內置彈性件的臺階，同時對后定位彈性件產(chǎn)生軸向推力實現(xiàn)零件的軸向定位；其產(chǎn)生的徑向分力會迫使夾緊彈性件壓緊工件，且夾緊力的大小可精確控制。

2 夾具關鍵部件的優(yōu)化設計

有限元靜力分析用于計算固定載荷下結構的響應，如位移、應力、應變等。對于固定載荷，結構靜態(tài)分析也是固定的。靜態(tài)分析中的固定載荷和響應是基于它們隨時間變化非常緩慢的一種假設。通常，靜態(tài)分析處理的載荷通常包括位移載荷、穩(wěn)定的慣性力、外部施加的力、溫度載荷和能量流載荷[16-19]。

由于車床專用夾具部件結構復雜且數(shù)量多，因此不可能對夾具中的每個部件都進行靜態(tài)分析與優(yōu)化，所以選取夾具的關鍵部件夾緊彈性件作為研究對象，它的結構性能直接影響著夾具的加工精度、效率和可靠性。

2.1 夾緊彈性件的靜力學分析

基于SolidWorks軟件構建夾緊彈性件的模型，再將其導入Workbench分析軟件，三維模型及實物圖如圖7所示。設置夾緊彈性件的材料為彈簧鋼，其彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比μ=0.29，密度ρ=7.81 g/cm3,屈服極限為σs=784 MPa?？紤]到分析的計算時間、精度和網(wǎng)格劃分能力，設置單元數(shù)量單位類型是Solid186(3D20N)。ANSYS Workbench提供的三維幾何網(wǎng)絡劃劃分主要包括自動劃分方法、四面體劃分法和多區(qū)劃分方法。對夾緊彈性件網(wǎng)格劃分時需要注意網(wǎng)格密度、分析精度、求解速度、網(wǎng)格質量等，夾緊彈性件的網(wǎng)格劃分如圖8所示。

在ANSYS Workbench對夾緊彈性件施加載荷和約束條件。當夾具安裝在車床的工作臺時，刀具車削光學瞄準鏡鏡身零件目鏡端端面及內輪廓等工序時，受到切削力作用。

圖7 夾緊彈性件三維模型及實物圖

圖8 夾緊彈性件網(wǎng)格劃分示意圖

切削力的計算主要采用如下所示經(jīng)驗公式：

根據(jù)車削指數(shù)公式及切削用量手冊，獲得上述指數(shù)和系數(shù)的取值，并把vc=210 m/min，f=0.01 mm/r，ap=0.5 mm及上述系數(shù)的值代入公式中，得到：Fc=71.25 N, FP=35.63 N, Ff=22.96 N，F(xiàn)=82.91 N。

車削過程中，夾緊彈性件的內表面直接與工件接觸，是受到?jīng)_擊力最大的區(qū)域，這也是產(chǎn)生變形的主要原因。最后，全約束夾緊彈性件與壓緊螺母接觸面，并求解有限元模型。

夾緊彈性件的應力分析。夾緊彈性件等效應力如圖9所示。由圖9可看出，當零件目鏡端專用夾具處于極限工作狀態(tài)時，夾緊彈性件的最大等效應力是159.23 MPa。由于夾緊彈性件的材料為彈簧鋼，屈服強度為784 MPa，它的最大等效應力遠小于材料本身的屈服強度。因此，夾緊彈性件不會因此發(fā)生損壞，這為后續(xù)的優(yōu)化設計提供了很大的設計空間。

圖9 夾緊彈性件等效應力圖

夾緊彈性件的剛度分析。夾緊彈性件的等效位移圖如圖10所示。從夾緊彈性件的變形云圖可得到，夾緊彈性件的最大位移為0.002 242 7 mm，并且僅有夾緊彈性件圓錐面邊緣處的變形是相對較高的值。因此，當車床專用夾具處于極端工作狀態(tài)時，夾緊彈性件與工件接觸面的邊緣處變形程度最大。從圖10中可以看出，在車床專用夾具加工過程中夾緊彈性件所引起的彎曲變形與強度分析結果一致。

圖10 夾緊彈性件變形云圖

2.2 夾緊彈性件的優(yōu)化設計

從上述的靜力學分析結果可以看出：夾緊彈性件在進行加工時的強度和剛度均滿足要求，其強度和剛度都存在很大的冗余，設計相對保守，有很大的優(yōu)化空間。因此，利用ANSYS Workbench軟件中的拓撲優(yōu)化模塊，對夾緊彈性件結構進行優(yōu)化，可達到提高夾具性能和輕量化設計的目的。

拓撲優(yōu)化法是一種基于已知約束解決給定區(qū)域內的材料分布問題的結構設計方法，從而最大化結構的剛度或使輸出位移、應力等滿足規(guī)定要求[20]?；谶B續(xù)體拓撲優(yōu)化理論，建立優(yōu)化數(shù)學模型，利用ANSYS Workbench軟件進行求解，不僅可以縮短設計周期，還可以解決傳統(tǒng)設計方法無法解決的復雜夾具結構設計問題[21]。拓撲優(yōu)化的主要步驟如下：

1）建立拓撲優(yōu)化分析模塊。對于結構優(yōu)化分析，首先對其進行靜態(tài)分析。從Workbench界面左側工具欄中雙擊靜態(tài)分析模塊，然后將拓撲優(yōu)化模塊拖到靜態(tài)分析模塊的“Model”項中，如圖11所示。

圖11 拓撲優(yōu)化分析模塊

2）施加載荷和約束。夾緊彈性件的三維模型在SolidWorks軟件建立完成后導入ANSYS Workbench中，設置單元類型、材料屬性等參數(shù)，點擊Setup進入拓撲優(yōu)化界面后，在左側結構樹中找到Shape Optimization，并且對夾緊彈性件施加的載荷和約束，如圖12所示。

3）定義優(yōu)化目標。在拓撲優(yōu)化界面左側結構樹中找到Shape Finder，選中模型后，在target reduction中設置優(yōu)化目標，如圖13所示。

4）對優(yōu)化過程進行定義和控制。通常，ANSYS中優(yōu)化計算的主要過程如下：a.定義優(yōu)化函數(shù)；b.定義優(yōu)化目標或約束條件；c.初始化優(yōu)化過程；d.執(zhí)行優(yōu)化計算。

5）后處理。拓撲密度值的范圍為0～1.0。其中，高數(shù)值區(qū)域表示材料應被保留下來，低數(shù)值區(qū)域則表示材料可以被移除，且不會影響零件的強度或固有特性等指標?；谒x的閾值可以得到零件拓撲優(yōu)化后的質量、體積和原始體積、質量之間的比較，以便幫助用戶進一步確定“更優(yōu)化”拓撲結構。拓撲優(yōu)化后的計算結果如圖14所示。

圖12 拓撲優(yōu)化分析設置示意圖

圖13 拓撲優(yōu)化目標的設置

2.3 夾緊彈性件的優(yōu)化結果

根據(jù)拓撲優(yōu)化結果（如圖14）及夾緊彈性件在加工中的使用情況，對原來的夾緊彈性件的結構做出以下改動：挖空夾緊彈性件與定位套之間的前端部分接觸面，優(yōu)化后的夾緊彈性件的設計模型如圖15所示。靜力分析驗證結果如圖16、圖17所示。

從上述靜力分析驗證結果可以得到，改進后夾緊彈性件的最大應力從原方案的159.23 MPa 增加到185.8 MPa，最大變形量變化不大。夾緊彈性件在優(yōu)化前的質量為0.337 45 kg，如圖18所示。通過優(yōu)化后，在SolidWorks軟件中重新建模，其質量為0.301 07 kg，總體質量減少了10.8%，減小了夾具的慣性矩并改善了夾具的整體性能。

圖14 拓撲優(yōu)化求解示意圖

圖15 優(yōu)化后的設計模型

圖16 夾緊彈性件的應力云圖

圖17 夾緊彈性件的變形云圖

圖18 夾緊彈性件優(yōu)化前的質量

優(yōu)化后的夾緊彈性件在固定載荷作用下的最大應力為185.8 MPa，遠小于其許用應力，滿足強度要求。通過優(yōu)化使夾緊彈性件的應力分布更加均勻、合理，且在保持原強度和剛度的情況下減少了約10.8%的質量。通過拓撲優(yōu)化，減輕了鏡身零件目鏡端專用夾具的整體質量，有利于提高夾具的整體穩(wěn)定性和最大的材料利用率，從而保證零件的加工質量。

3 結 論

1）本文以光學瞄準鏡鏡身為研究對象，針對零件剛性差、加工易變形和精度難以保證等問題，設計出零件目鏡端專用夾具，采用有限元法對夾具關鍵零部件夾緊彈性件進行分析，在此基礎上對其進行拓撲優(yōu)化。

2）分析了光學瞄準鏡鏡身目鏡端的結構特點和加工要求，采用定心、對中夾緊裝置的原理設計相應的專用夾具。其中，采用夾緊彈性件作為工件的定位、夾緊元件，同時后定位軸采用全圓柱面接觸，提高零件的整體剛度。

3）基于ANSYS Workbench平臺對專用夾具的關鍵部件夾緊彈性件進行有限元分析，得到夾緊彈性件的應力和位移分別為98.892 MPa和2.2427×10-3mm，符合夾具的設計要求。

4）基于ANSYS Workbench中的Shape Optimization模塊對夾緊彈性件進行拓撲優(yōu)化，優(yōu)化后的夾緊彈性件在固定載荷作用下的最大應力為185.8 MPa，遠小于其許用應力，滿足強度要求，且應力分布更加均勻、合理。在保持原強度和剛度的情況下，優(yōu)化后的夾緊彈性件質量減少了約10.8%，減輕了鏡身零件目鏡端專用夾具的整體質量，提高了夾具的整體穩(wěn)定性和材料利用率。