劉瑩蘋(píng)，王慶濤，楊忠德，邢進(jìn)鑫，冷冶

（1.大連創(chuàng)新零部件制造公司，遼寧 大連 116620；2.大連華銳重工集團(tuán)有限公司，遼寧 大連 116041）

0 引言

在設(shè)計(jì)工裝夾具時(shí)，待加工零件定位和夾緊的設(shè)置很重要，對(duì)于加工的質(zhì)量、可靠性、穩(wěn)定性及工裝的使用壽命起著關(guān)鍵的作用。定位和夾緊的位置，直接影響尺寸和公差參照基準(zhǔn)是否合理、零件變形可否避免。如果夾緊力過(guò)小，加工中不能有效夾緊零件，會(huì)造成加工振動(dòng)，甚至造成脫件；如果夾緊力過(guò)大，會(huì)使零件夾緊變形，在撤掉夾緊力后出現(xiàn)變形回彈、零件超差。本文以數(shù)控立車車削箱體直口密封槽的工裝為例，以箱體零件為分析對(duì)象，基于CATIA有限元分析的基本流程對(duì)夾具定位和夾緊進(jìn)行分析和優(yōu)化。

1 三維模型初步設(shè)計(jì)

首先完成箱體零件和工裝組件的初步三維模型設(shè)計(jì)，然后對(duì)箱體進(jìn)行材料設(shè)置，材料為HT250，其材料特性參數(shù)在[1]中設(shè)置，總結(jié)零件材料特性參數(shù)、刀具參數(shù)、零件加工尺寸和公差要求信息（如表1）。零件材料特性參數(shù)為：彈性模量為120 GPa，泊松比為0.291，密度為7350 kg/cm3，熱膨脹系數(shù)為1.04×10-5℃-1，屈服強(qiáng)度為310 MPa，抗拉強(qiáng)度250 MPa，硬度為180～225 HB（取225 HB），零件槽寬為4.8 mm，槽深單邊為2.7 mm，對(duì)直口外徑同軸度為0.1 mm。選用刀具參數(shù)為：京瓷刀片，PVD涂層硬質(zhì)合金，型號(hào)為GBA43L300，刀寬為3 mm，前角為12°，主偏角為80°，刃傾角為0°，直口外徑為135 mm，底徑為129.6 mm，粗糙度為Rz12.5 μm。

加工槽的尺寸、公差、表面質(zhì)量等要求如圖1所示。加工設(shè)備采用立式數(shù)控車床，加工刀具為切槽車刀，刀片材料為硬質(zhì)合金，加工路線如圖1所示，先切槽寬3 mm，然后退刀，下移刀1.8 mm 再切槽，在槽底回切實(shí)現(xiàn)槽底直徑φ129.6 mm平滑，最后退刀，完成切槽。加工參數(shù)如表1所示。

表1 切削工藝參數(shù)

圖1 加工槽尺寸、公差要求和加工路線

為此工序設(shè)計(jì)夾緊工裝，初步方案如圖2左圖，箱體后端面由定位套端面定位，φ86 mm后軸孔由定位套軸限位，φ42 mm前軸孔由脹套實(shí)現(xiàn)自定心脹緊，脹緊力為主要夾緊力?？紤]到在零件加工的高速旋轉(zhuǎn)中脹緊力不足會(huì)造成無(wú)法正常加工，增加了左右輔助支撐，支撐點(diǎn)設(shè)置在水道孔位置；增加了缸筒面支撐來(lái)抵消零件幾何形狀造成的自身重心偏離影響；增加了配重塊，并經(jīng)CATIA屬性中質(zhì)量慣性中心計(jì)算，保證工裝質(zhì)心在回轉(zhuǎn)中心上。

圖2 工裝設(shè)計(jì)初步方案

2 劃分網(wǎng)格、施加約束和載荷

完成模型后進(jìn)入創(chuàng)成式結(jié)構(gòu)分析模塊，引入箱體零件數(shù)模，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，施加約束和載荷。

2.1劃分網(wǎng)格

2.2 施加約束

圖3 施加約束和荷載

在此說(shuō)明一下，在工裝夾緊后約束4和5以支撐力和壓緊力的形式施加到箱體上，這3個(gè)力是有初始大小的預(yù)緊力，但是零件隨工裝運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)后，這3個(gè)力大小和方向會(huì)周期性變化。只要是在螺紋預(yù)緊力范圍內(nèi)可以認(rèn)為是約束，不產(chǎn)生位移和變形。

2.3 施加載荷

圖4 切槽和外圓切削時(shí)的分解力

其中摩擦力、旋轉(zhuǎn)慣性力是經(jīng)常被忽略的，需要注意。載荷1、2、5、6、7需要計(jì)算，下面對(duì)各力進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算。

2.3.1 計(jì)算脹套脹緊力和摩擦力

油缸拉動(dòng)拉桿，拉桿頂端與脹套內(nèi)孔有配對(duì)倒錐面，拉桿下移撐開(kāi)脹套上的夾爪，夾爪外圈12 mm長(zhǎng)度脹緊箱體φ42 mm孔。初步設(shè)定油缸拉力為2 MPa（1.5～3.5 MPa)，傳遞到零件上為脹套脹緊壓強(qiáng)2 MPa，則脹套對(duì)φ42 mm孔正壓力（即脹緊力）FN=2×π×42×12=3166.725 N。取摩擦因數(shù)μ=0.25，則脹套處的扭轉(zhuǎn)摩擦力Ff1=μ·FN=0.25×3166.725 =791.68125 N，產(chǎn)生的摩擦轉(zhuǎn)矩Mf1=Ff1·r=791.68125×42÷2=16.63 N·m。

脹緊力和摩擦力分別以正壓力和扭轉(zhuǎn)阻力的方式施加在箱體φ42 mm孔、12 mm長(zhǎng)的圓環(huán)上，并不是施加在孔徑全長(zhǎng)上，此處創(chuàng)建12 mm長(zhǎng)而薄的圓環(huán)凸臺(tái)受力。

2.3.2 計(jì)算后端面摩擦力

取摩擦因數(shù)μ=0.25，則箱體后端面與定位套的摩擦力Ff2=μ·G=0.25×9.8×10.09=24.7205 N，Mf2=Ff2·r=24.7205×52.2=1.29 N·m。

摩擦力以扭轉(zhuǎn)阻力的方式抵消切削力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，后端面和φ86 mm孔面上對(duì)箱體零件的其他作用力以約束的形式表達(dá)。

2.3.3 計(jì)算切削力及其產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩

綜上，進(jìn)行切槽加工時(shí)切削力最大，只要工裝的定位、夾緊滿足此時(shí)要求，就滿足整個(gè)工序的需要。

切槽力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩[3]M=Fc·L=457.7×135÷2=30.89 N·m。

脹套摩擦阻力矩為16.63 N·m，后端面的摩擦阻力矩為1.29 N·m，仍需要12.97 N·m由左右輔助支撐承受。如圖2左圖所示，工裝輔助支撐的力臂長(zhǎng)為110 mm，支撐力FM=12.97÷110=117.9 N。此處手動(dòng)擰緊，取安全系數(shù)A=1.7，需要手的擰緊力矩[3]Mh=0.5FM·A·d·μ=0.5×117.9×1.7×12×0.2=0.24 N·m。

假設(shè)一般工人提供的單手指力78.4～147 N，取為98 N；手柄直徑為32 mm，則螺桿的頂緊力矩Mh=98×32=3.136 N·m。能夠提供的頂緊力[3]為Fh=2Mh/（d·μ)=2×3.136÷（12×0.2）=2613.3 N。

手動(dòng)擰緊能提供的預(yù)緊力遠(yuǎn)大于需要的支撐力，手動(dòng)擰緊力矩不小于0.24 N·m即可滿足需要。將上述計(jì)算的力添加到載荷設(shè)置的對(duì)話框中，完成分析模型的網(wǎng)格劃分，以及約束和載荷的施加。

3 進(jìn)行求解計(jì)算和后處理設(shè)置

圖5 求解結(jié)果（應(yīng)力和位移云圖）

圖5中，最大應(yīng)力為63 MPa，最大變形量為0.007 21 mm，出現(xiàn)在刀具的切削點(diǎn)。考慮到立車設(shè)備的定位精度、工裝的定位精度、刀具加工誤差等，切削力造成的變形能夠滿足零件尺寸和形位公差要求。

現(xiàn)對(duì)脹緊力進(jìn)行分析，排除其他約束和載荷的影響，單施加后端面固定和脹套脹緊力，分析在壓強(qiáng)2～5 MPa不同載荷下，箱體零件的應(yīng)力和變形量如圖6所示。并且脹套脹緊力造成的零件變形量和應(yīng)力狀態(tài)還可以在材料的允許應(yīng)力和變形的基礎(chǔ)上調(diào)整。如果設(shè)備也允許，可以考慮加大脹套脹緊力，來(lái)盡量抵消切削力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，合理分配主夾緊力與輔助夾緊力。

圖6 脹套壓強(qiáng)2～5 MPa下應(yīng)力和應(yīng)變

圖7是輔助支撐下移施加在毛坯臺(tái)面時(shí)求解的結(jié)果，可見(jiàn)最大應(yīng)力為63 MPa，最大變形量為0.007 27 mm。與圖5輔助支撐施加在水道孔端面時(shí)比較可得：支撐點(diǎn)接近切削位置會(huì)降低變形量，但變化微小。支撐點(diǎn)越高，裝卸零件越不方便，支撐座剛度也會(huì)降低，并且需要避免損傷水道孔已加工端面，因此考慮將輔助支撐下移到毛坯面，工裝調(diào)整如圖2中右圖所示。

圖7 輔助支撐下移求解結(jié)果（應(yīng)力和位移云圖）

4 分析中存在問(wèn)題

4.1 旋轉(zhuǎn)約束施加問(wèn)題

施加轉(zhuǎn)矩時(shí)多次出現(xiàn)圖8中前3條警告（譯為“3D網(wǎng)格沒(méi)有考慮旋轉(zhuǎn)約束”）。3D網(wǎng)格的單元節(jié)點(diǎn)沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，只有3個(gè)平移自由度。如果把旋轉(zhuǎn)邊界條件或載荷設(shè)置到3D單元的節(jié)點(diǎn)上，轉(zhuǎn)矩不會(huì)向其它單元格傳遞。在此主要遇到兩種情況：1）切削力集中施加到某點(diǎn)上，求解時(shí)出現(xiàn)此警告；2）施加完2.3節(jié)中第5項(xiàng)和第6項(xiàng)載荷，沒(méi)有施加第7項(xiàng)載荷，求解時(shí)出現(xiàn)此警告。

圖8 警告界面

4.2 切削力的施加方式

延續(xù)4.1節(jié)問(wèn)題的第一種情況，切削力施加在網(wǎng)格單元節(jié)點(diǎn)上出現(xiàn)警告，圖9給出2種解決方式：1）方式一。根據(jù)加工工藝參數(shù)模擬切斷面，在切斷面上施加載荷。此方法解決了上述警告，但是又出現(xiàn)了圖8中后2條警告，所以要局部細(xì)化網(wǎng)格，調(diào)整切槽加工的進(jìn)給量為0.1 mm/r，網(wǎng)格要細(xì)化到小于0.05 mm，方可解決問(wèn)題。但是網(wǎng)格過(guò)密會(huì)出現(xiàn)計(jì)算量大，運(yùn)算速度慢，對(duì)于一般計(jì)算機(jī)會(huì)出現(xiàn)圖10所示運(yùn)算空間不足警告。2）方式二。在切削點(diǎn)位置創(chuàng)建一個(gè)小凸臺(tái)，在凸臺(tái)上施加切削力。此種解決方法不需要額外細(xì)化網(wǎng)格，但不及方式一更貼近實(shí)際情況。

圖9 切削力施加方式

圖10 運(yùn)算空間不足警告

4.3 模型系統(tǒng)不平衡

如果只施加2.3節(jié)中第1項(xiàng)～第4項(xiàng)載荷，計(jì)算時(shí)會(huì)出現(xiàn)圖11所示的模型系統(tǒng)不平衡警告。分析得出忽略了摩擦力，增加φ42 mm孔與脹套的摩擦力矩、后端面與定位套的摩擦力矩和切削力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，再進(jìn)行求解，警告解除。如果在2.2節(jié)的約束和2.3節(jié)的載荷中去掉左右輔助支撐約束和缸孔端面輔助壓緊約束，也會(huì)出現(xiàn)圖11所示的警告，可見(jiàn)輔助支撐不可或缺，正好校驗(yàn)了上述計(jì)算中得出的如果油缸施加2 MPa拉力，還有12.97 N·m的轉(zhuǎn)矩需要輔助支撐提供。

圖11 模型系統(tǒng)不平衡警告

5 優(yōu)化工裝的定位和夾緊

綜上分析，優(yōu)化建議如下：1）在設(shè)備允許的基礎(chǔ)上可適當(dāng)加大脹套脹緊力來(lái)提高主夾緊力，如增加拉桿的拉力，增大接觸面積，增大摩擦因數(shù)；2）輔助支撐的位置從水道孔端面下移到毛坯臺(tái)面上，如圖2中右圖所示；3）增加定位套與箱體零件后端面的接觸面積，增大摩擦因數(shù)；4）手動(dòng)擰緊輔助支撐和缸孔面壓塊時(shí)，要保證手動(dòng)擰緊力矩不小于0.24 N·m；5）合理分配抵消切削力矩的脹套摩擦阻力矩、輔助支撐的限位力矩和后端面摩擦阻力矩。

6 結(jié)語(yǔ)

采用上述分析結(jié)果指導(dǎo)工裝的設(shè)計(jì)優(yōu)化，可使工裝在零件的切槽加工時(shí)穩(wěn)定可靠，切削變形量小，切削中無(wú)振動(dòng)，便于操作。優(yōu)化后的工裝制造完成后，進(jìn)行小批量試加工，滿足上述要求。經(jīng)測(cè)量，槽尺寸、表面質(zhì)量和形位公差滿足設(shè)計(jì)要求。分析過(guò)程中邊界條件的設(shè)置與實(shí)際情況是否吻合，是影響計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵因素，要合理地施加約束和載荷，結(jié)合軟件知識(shí)準(zhǔn)確地表達(dá)邊界條件。