加工發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋自動(dòng)化夾具的研發(fā)及有限元分析

李國(guó)強(qiáng)，金 偉，張久志，孫敬陽(yáng)，郭宏杰

(偉本機(jī)電設(shè)備(大連)有限公司，遼寧 大連 116023)

加工發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋自動(dòng)化夾具的研發(fā)及有限元分析

李國(guó)強(qiáng)，金 偉，張久志，孫敬陽(yáng)，郭宏杰

(偉本機(jī)電設(shè)備(大連)有限公司，遼寧 大連 116023)

以轉(zhuǎn)塔式多軸箱切削加工機(jī)床為例，研討加工汽油機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋自動(dòng)化夾具的特點(diǎn)及多軸切削加工時(shí)夾具變形的應(yīng)對(duì)措施。通過(guò)對(duì)夾具模型進(jìn)行有限元分析，改進(jìn)以往夾具的不足，為新型夾具的設(shè)計(jì)研發(fā)提供理論依據(jù)，解決了夾具因切削力引起的變形問(wèn)題，并在實(shí)際生產(chǎn)中取得了滿意的效果。計(jì)算機(jī)輔助軟件的應(yīng)用可以縮短設(shè)計(jì)周期，降低成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。此新型夾具的設(shè)計(jì)研發(fā)及成功應(yīng)用，為解決切削力引起的夾具變形開(kāi)辟了全新的思路。

轉(zhuǎn)塔機(jī)床；發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋；新型夾具

0 引言

隨著我國(guó)汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，要求零部件制造滿足高精度、高速度、高效率的生產(chǎn)特點(diǎn)，產(chǎn)品必須迅速地更新?lián)Q代才能滿足不斷變化的市場(chǎng)需求。針對(duì)上述特點(diǎn)和要求，我們?cè)O(shè)計(jì)了一套全新的加工設(shè)備——柔性化專機(jī)自動(dòng)生產(chǎn)線。該生產(chǎn)線由通用加工中心、專用可換箱式轉(zhuǎn)塔機(jī)床及輸送托盤等組成，能夠滿足多種不同零件的高精、高效加工，生產(chǎn)線中采用的自動(dòng)化夾具亦需具備高精度、高剛性的特點(diǎn)?，F(xiàn)以缸蓋生產(chǎn)線中轉(zhuǎn)塔式多軸箱切削夾具為例，通過(guò)對(duì)夾具模型的有限元分析，研討多軸切削加工時(shí)新型夾具的受力和變形趨勢(shì)及應(yīng)對(duì)措施。

多軸箱臥式轉(zhuǎn)塔機(jī)床具有高精、高效、高柔性的特點(diǎn)，但是也會(huì)伴有切削推力過(guò)大，要求產(chǎn)品零件多姿態(tài)的特點(diǎn)。為滿足柔性化需要在夾具底部配備水平數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)，因此要求夾具不僅能夠抵抗切削力，還要保證輕量化、高剛性及整體精度要求。在以往的生產(chǎn)實(shí)例中，該類型的夾具存在加工過(guò)程中本體變形，加工精度超差的問(wèn)題，運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助軟件，研發(fā)設(shè)計(jì)了一種全新結(jié)構(gòu)并對(duì)其進(jìn)行有限元分析，通過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證設(shè)計(jì)成果，該夾具滿足高柔性的同時(shí)，增強(qiáng)了本體剛性，滿足了零件的加工精度要求。目前，該新型夾具已得到國(guó)內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)零部件制造商的推廣應(yīng)用。

1 產(chǎn)品精度尺寸要求及加工工況

(1)產(chǎn)品特征：圖1所示為發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋加工尺寸及精度要求。缸蓋材質(zhì)：鋁合金；硬度：HRB60-72。

圖1 加工精度要求

(2)加工工況：以生產(chǎn)線中一個(gè)鉆削加工工位為例介紹該序加工工況，本序加工內(nèi)容為缸蓋螺栓孔加工，加工前缸蓋為實(shí)體，無(wú)預(yù)鑄孔，切削刀具采用整體硬質(zhì)合金刀具，切削參數(shù)如下：

刀具直徑D=φ11.5mm

主軸轉(zhuǎn)速N=1500 r.p.m

每轉(zhuǎn)進(jìn)給f=0.2 mm/rev

材料系數(shù)K=0.84

加工孔數(shù)n=10

切削推力Tc=57.95KDf0.85(kgf)

(計(jì)算公式參見(jiàn)富士刀具產(chǎn)品樣本)

由此得出：

Tc=57.95×1.01×11.5×0.20.85=142.6 kgf

Tc總=142.6×10=1426kgf

2 夾具的研發(fā)及有限元分析

(1)在早期的設(shè)計(jì)案例中，這種類型的夾具大多采用圖2的設(shè)計(jì)方式，該夾具應(yīng)用于可換箱式轉(zhuǎn)塔機(jī)床自動(dòng)線中，缸蓋定位于托盤上輸送，在各加工工位，夾具需對(duì)輸送托盤進(jìn)行定位夾緊。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)了加工特征位置尺寸超差，形位公差不能滿足產(chǎn)品要求的情況，根據(jù)加工工況分析得出超差原因，可能是加工產(chǎn)生切削推力過(guò)大導(dǎo)致夾具本體變形所致，現(xiàn)通過(guò)有限元分析對(duì)這一判斷結(jié)果進(jìn)行論證。

有限元分析前提條件：

1)實(shí)行靜態(tài)模擬；

2)設(shè)定夾具體材料為HT250；

3)設(shè)定固定平面為水平轉(zhuǎn)臺(tái)安裝面；

4)設(shè)定受力點(diǎn)為4個(gè)定位面共計(jì)1426kgf；

5)設(shè)定零部件固定連接為全接觸式連接。

有限元分析結(jié)果如圖3所示：

圖2 早期夾具簡(jiǎn)圖

名稱類型最小最大位移URES:合位移0mm0.259467mm

圖3 夾具變形分析

由圖3可以得出在1426kgf的作用下，夾具的最大變形量為0.259mm。綜上得出最終結(jié)論為缸蓋加工精度的超差確為夾具本體變形所致，也印證了上述判斷的正確性。

(2)從早期案例對(duì)夾具整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，由于夾具整體高度尺寸過(guò)大，并且加工零件缸蓋所處的位置又在夾具的中上方，所以在加工過(guò)程中夾具所受的整體力矩過(guò)大，從而導(dǎo)致了夾具的整體變形。從圖3也不難看出夾具變形量最大的位置正好處在夾具最頂端，所以加強(qiáng)夾具頂部的整體剛性為解決夾具變形的關(guān)鍵所在。

新型夾具在參照有限元分析結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，考慮到夾具上方過(guò)于薄弱的環(huán)節(jié)，新型設(shè)計(jì)方案既要實(shí)現(xiàn)夾具上方固定，又要滿足夾具可通過(guò)數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)任意回轉(zhuǎn)的要求。因此在夾具上方增加固定回轉(zhuǎn)軸，并通過(guò)夾具固定支架與回轉(zhuǎn)軸相連接，增加了夾具整體剛性，具體結(jié)構(gòu)如圖4、圖5所示。

圖4 新型夾具簡(jiǎn)圖

圖5 夾具上方回轉(zhuǎn)部分詳細(xì)

由圖4、圖5可以看出，夾具在工作過(guò)程中，加工產(chǎn)生的切削推力將由夾具體和夾具固定支架共同承擔(dān)，所以將大幅減小夾具體的變形量，現(xiàn)通過(guò)有限元分析對(duì)這一設(shè)計(jì)理念進(jìn)行論證。

有限元分析前提條件：

1)實(shí)行靜態(tài)模擬；

2)設(shè)定夾具體、固定支架材料為HT250；

3)設(shè)定固定平面為水平轉(zhuǎn)臺(tái)安裝面和夾具固定支架安裝面；

4)設(shè)定受力點(diǎn)為4個(gè)定位面共計(jì)1426kgf；

5)設(shè)定零部件固定連接為全接觸式連接。

有限元分析結(jié)果如圖6所示。

名稱類型最小最大位移URES:合位移0mm0.0275589mm

由圖6可以得出在1426kgf的作用下，夾具的最大變形量為0.028mm，通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，新型夾具在同等加工工況下的變形量較早期夾具案例縮小了近10倍，極大地提高了夾具整體剛性。同時(shí)，圖1缸蓋螺栓孔的位置尺寸精度要求為±0.1mm，該夾具在正常工況下完全可以滿足缸蓋的產(chǎn)品加工精度要求。

該新型夾具已應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)零部件制造商的批量化生產(chǎn)中，夾具的實(shí)體照片如圖7所示。

圖6 夾具變形分析

圖7 新型夾具實(shí)體照片

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助工程得到了廣泛地應(yīng)用。機(jī)械工程師在設(shè)計(jì)過(guò)程中運(yùn)用3D設(shè)計(jì)軟件，對(duì)復(fù)雜多變的零部件進(jìn)行有限元分析，縮短了設(shè)計(jì)周期，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，直接去除設(shè)計(jì)中可能出現(xiàn)的失誤環(huán)節(jié)，其設(shè)計(jì)理念已廣泛應(yīng)用到機(jī)械零部件的設(shè)計(jì)當(dāng)中，并在實(shí)際生產(chǎn)中收到了良好的效果。

新型缸蓋夾具正是運(yùn)用3D設(shè)計(jì)軟件對(duì)其進(jìn)行模擬仿真，通過(guò)有限元分析找出夾具設(shè)計(jì)過(guò)程中的薄弱環(huán)節(jié)，有針對(duì)性地研發(fā)新型結(jié)構(gòu)，解決夾具變形問(wèn)題，滿足了產(chǎn)品的加工精度要求。其設(shè)計(jì)理念及結(jié)構(gòu)構(gòu)思可為機(jī)械工程師在機(jī)床及夾具設(shè)計(jì)過(guò)程中提供借鑒。

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(編輯 趙蓉)

Development and FEM Analysis of Fixture Used for Cylinder Head Cutting

LI Guo-qiang, JIN Wei, ZHANG Jiu-zhi, SUN Jing-yang, GUO Hong-jie

(Weiben Mechanical and Electrical Equipment (Dalian) Ltd., Co.Dalian Liaoning 116023,China)

Illustrating with a multiple spindle head turret machine tool, this article has studied the features of automated fixture used for processing cylinder head of gasoline engine, and the countermeasures for fixture deformation during multi-axis machining. By means of finite element method (FEM) analysis of the fixture module, this study ameliorates the former fixtures and provides a theoretic basis to develop and design new type fixture. It has also solved the problem of fixture deformation caused by cutting force and got a satisfied result during practical production. The application of computer assisted software has shortened the design cycle, reduced the costs and improved the product quality. The designing and development of this new type fixture, as well as its successful application, provides a revolutionary new way to deal with the problem of fixture deformation caused by cutting force.

turret machine tool, cylinder head, new type fixture

1001-2265(2014)06-0124-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.06.034

2014-01-02；

2014-01-22

李國(guó)強(qiáng)(1982—)，男，河北灤南人，偉本機(jī)電設(shè)備(大連)有限公司工程師，研究方向?yàn)榻M合機(jī)床自動(dòng)化成套裝備，(E-mail)dlwecangroup@163.com。

TH122；TG65

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