夾具對(duì)箱體加工變形影響研究

朱海波，盧繼平，樊紅麗，孫 健

（北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081）

0 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)箱體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，壁薄多孔，加工易變形，其加工質(zhì)量直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，所以，發(fā)動(dòng)機(jī)箱體件的加工工藝一直是研究重點(diǎn)，其中箱體夾具設(shè)計(jì)是其工藝的重要組成部分，也是工藝技術(shù)革新和改造的一個(gè)主要方向［1］。研究表明，夾具引起的誤差占工件加工誤差的20 %～60 %［2］。在實(shí)際生產(chǎn)中引起工件加工變形的影響因素有很多，而切削力、夾緊力以及毛坯的殘余應(yīng)力是影響加工誤差的主要因素［3］。在箱體加工中，夾緊力使箱體發(fā)生變形，不合理的裝夾使箱體產(chǎn)生加工誤差［4］。

本研究首先建立了箱體銑削力模型，計(jì)算銑削力，采用3－2－1 定位方式［5］，通過有限元法，仿真分析了不同夾緊位置和不同夾緊力對(duì)箱體加工變形的影響。

1 箱體模型簡(jiǎn)化

研究對(duì)象為某發(fā)動(dòng)機(jī)的上曲軸箱體，如圖1所示，所選加工工序?yàn)殂娤鹘Y(jié)合面。

由于該箱體模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在有限元分析時(shí)，對(duì)其模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化。在箱體加工中，假定工藝系統(tǒng)是剛性的，切削過程是穩(wěn)定的。則夾緊力計(jì)算公式［6］：

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)箱體模型

式中μ1為夾具元件與工件間的摩擦系數(shù)；μ2為夾具支撐面與工件間的摩擦系數(shù)；K 為安全系數(shù)，若安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果K 小于2.5 時(shí)，取2.5；F 為銑削力。

銑削力計(jì)算公式［7］：

箱體定位采用3－2－1 完全定位方式，由箱體底面的4 個(gè)凸臺(tái)組成平面為第一定位面，如圖2所示，限制3 個(gè)自由度；選如圖3 所示側(cè)面為第二定位面，由側(cè)面上的一條水平線上選取對(duì)稱的兩點(diǎn)（關(guān)于垂直線對(duì)稱）限制2 個(gè)自由度；選如圖4所示端面為第三定位面，其上兩線交點(diǎn)為定位點(diǎn)，限制1 個(gè)自由度。

圖2 底面4 凸臺(tái)組成定位面

圖3 側(cè)面定位點(diǎn)位置

圖4 端面定位點(diǎn)

根據(jù)公式（1）計(jì)算可知其側(cè)向夾緊力825 N，端面夾緊力為309 N，由于其相對(duì)較小，所以，其對(duì)工件的裝夾變形影響不大。由于該箱體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了便于計(jì)算，簡(jiǎn)化了箱體模型，如圖5 所示。具體簡(jiǎn)化如下。

1）箱體結(jié)構(gòu)對(duì)稱，且荷載基本對(duì)稱，所以取箱體一部分進(jìn)行分析。

2）忽略箱體受載較小或影響甚微的局部區(qū)域，如油孔、螺栓孔、某些凸臺(tái)等。

圖5 箱體簡(jiǎn)化模型

該箱體為鑄件，箱體各面連接處倒圓角過多，在有限元分析之前對(duì)圖5 所示模型進(jìn)一步進(jìn)行簡(jiǎn)化，如圖6 所示。

圖6 去倒角后簡(jiǎn)化模型

刀具對(duì)工件的加工過程是連續(xù)的。但是，在本研究中假定刀具與工件在某工況下其銑削力對(duì)工件的作用為準(zhǔn)靜態(tài)，即刀具對(duì)箱體的作用過程可由一系列的工況進(jìn)行描述；同時(shí)假定刀具相對(duì)于工件為剛性，銑削力在刀具與工件加工面接觸線上均勻分布；不考慮工件加工變形前后工件形狀的變化，同時(shí)選擇加工后的工件為本次工件有限元分析的建模對(duì)象；對(duì)箱體不考慮其加工過程中的剛度變化，同時(shí)假定在單工序切削過程中，切削力在刀具移動(dòng)過程中，只會(huì)發(fā)生位置和作用方向的變化，其值大小始終保持不變。

2 箱體有限元分析

采用有限元分析軟件HyperMesh［9］，將圖6 所示箱體模型輸入到軟件中，定義對(duì)象的材料參數(shù)，其彈性模量為72. 4 GPa，泊松比為0. 31，密度為2. 68 g/cm3，并劃分箱體的單元網(wǎng)格，如圖7所示。銑削力可以施加于箱體結(jié)合面的中間位置及兩側(cè)位置，如圖8 所示。

圖7 有限元網(wǎng)格劃分

圖8 切削力的施加方式

2.1 夾具布局對(duì)工件加工變形的影響

假定夾緊力為825 N，保持大小不變。將夾緊力的位置分別定義在距側(cè)面中心線左右兩側(cè)200、300、400 mm 處，如圖9 所示，分析不同工況下夾具對(duì)加工變形產(chǎn)生的影響。

圖9 側(cè)面夾緊力在模型中的分布位置

當(dāng)夾緊力位于中心線左右兩側(cè)200 mm 時(shí)，計(jì)算箱體在不同銑削力作用下變形，結(jié)果如圖10所示。

由圖10 和表1 可知，當(dāng)銑削力施加于箱體加工面左側(cè)時(shí)其最大變形為5.010 μm，當(dāng)銑削力施加于加工面右側(cè)時(shí)其最大變形為9. 432 μm，當(dāng)銑削力施加于箱體加工面中部時(shí)其最大變形為7.058 μm。

改變夾緊力的施加位置，計(jì)算得到不同工件變形。表1列出了夾具在不同位置時(shí)工件變形量。

由表1 可知，當(dāng)銑削力作用于加工面左側(cè)位置時(shí)工件的加工變形量最小，而當(dāng)銑削力作用于加工面右側(cè)位置時(shí)工件的加工變形量最大，中間位置次之，表明工件的加工變形量在切削力及夾緊一定的情況下，隨加工位置變化。在加工位置一定的情況下，隨夾緊位置的變化，各切削位置的加工變形量也會(huì)發(fā)生變化，且各加工位置的變形量的變化規(guī)律也存在差異，加工面左側(cè)位置變形量隨夾緊點(diǎn)位置的變化先增大后減小，中間位置處變形量隨夾緊點(diǎn)位置的變化逐漸增大，右側(cè)位置處變形量隨夾緊點(diǎn)位置的變化先增大后減小。

圖10 不同銑削條件下工件變形

表1 不同裝夾位置的工件變形/μm

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)夾具位于箱體側(cè)面中心線兩側(cè)200 mm 處時(shí)，箱體加工變形最小。

2.2 夾緊力對(duì)工件加工變形的影響

假定工件的夾具分別位于200、300、400 mm處，夾緊力分別取700、950、1 100、1 300 N，計(jì)算箱體加工變形，結(jié)果如表2 ～表4 所示。

分析表中數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)：在夾緊力位置固定的情況下，各加工工況下銑削力作用點(diǎn)的工件加工變形隨夾緊力的變化都比較小，其中，當(dāng)銑削力位于加工面左側(cè)和中間位置時(shí)，隨夾緊力的增大其加工變形呈逐漸減小的趨勢(shì)，而當(dāng)銑削力位于加工面右側(cè)位置處，隨夾緊力的變化工件的加工變形基本未發(fā)生變化。當(dāng)銑削力位于加工面左側(cè)和中間位置時(shí)，隨夾緊位置距側(cè)面中心線距離的增大，夾緊力對(duì)加工變形的影響越來越大。通過增大或減小工件的夾緊力可以減小工件加工位置的加工變形。

表2 夾具位于中心線兩側(cè)200 mm 處工件的加工變形

表3 夾具位于中心線兩側(cè)300 mm 處工件的加工變形

表4 夾具位于中心線兩側(cè)400mm 處工件的加工變形

3 結(jié)語

在發(fā)動(dòng)機(jī)的上曲軸箱體結(jié)合面的銑削加工中，合理的布置夾具布局和施加夾緊力，對(duì)于控制加工變形有重要意義。

建立夾具布局和夾緊力模型，采用有限元方法，分析不同夾具布局和夾緊力對(duì)加工變形的影響，可有效地減小工件的加工變形，提高零件的加工精度。

在該箱體結(jié)合面銑削加工中，為了使工件加工變形最小，夾具位置選擇在距側(cè)面中心線200 mm處，夾緊力大小為825 N。

［1］ 李昌年.機(jī)床夾具設(shè)計(jì)與制造［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［2］ Wu N H，Chan K C，Leong S S. Static interactions of surface contacts in a fixture－workpiece system［J］.Internal Journal of Computer Applications in Technology，1997，10（3/4）：133－151.

［3］ 徐琰. 箱體數(shù)控銑削加工變形原因分析及控制對(duì)策研究［J］.價(jià)值工程，2011，30（21）：47.

［4］ 譚愛紅. 面向箱體類零件加工質(zhì)量控制方法的研究［D］.南京：東南大學(xué)，2006.

［5］ 吳玉光，傅強(qiáng). 一種擴(kuò)展的3－2－1 組合夾具定位方法［J］.河海大學(xué)常州分校學(xué)報(bào)，2003，17（3）：47－50.

［6］ 楊叔子. 機(jī)械加工工藝手冊(cè)［M］. 2 版. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011：2－55.

［7］ 王先逵. 機(jī)械加工工藝手冊(cè)：第2 卷［M］. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［8］ 武文革，辛志杰. 金屬切削原理及刀具［M］. 北京：國防工業(yè)出版社，2009.

［9］ 熊珍兵，羅會(huì)信. 基于HyperMesh 的有限元前處理技術(shù)［J］.排灌機(jī)械，2006，24（3）：35－38.