有限元技術(shù)在貼合機(jī)軸承座加工工藝裝備設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

林 權(quán)

(武夷學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，福建 武夷山 354300)

1 零件工藝分析

圖1 零件圖

軸承座在貼合機(jī)中用于支撐和保護(hù)傳動(dòng)軸，不但需要承擔(dān)載荷同時(shí)也傳遞力矩，軸承座的加工質(zhì)量對(duì)貼合機(jī)其他零件的裝配精度影響顯著，貼合機(jī)上貼合鼓的擴(kuò)展伸縮的運(yùn)動(dòng)精度也受到軸承座的影響。圖1 為軸承座零件圖，零件主要加工要求分析如下:(1)零件有三個(gè)通孔，主要尺寸為25mm、32mm、11mm，其中 25mm、32mm 兩個(gè)孔有平行度要求，平行度誤差不超過(guò)0.03mm;且32mm 孔內(nèi)多個(gè)凹槽需要加工;(2)零件左右兩端面都需要加工，且要求與42mm 的圓柱體軸線保證垂直，垂直度誤差不超過(guò)0.04mm;(3)零件32mm 內(nèi)孔和42mm 外圓有同軸度要求，加工要求誤差不超過(guò)0.015mm;(4)零件右端面有深15mm 的M6 半螺紋孔，配作要求;(5)主要粗糙度要求如下:32mm 內(nèi)孔為1.6um，左右端面分別為12.5um 與6.3um，42mm 外圓為1.6um，25mm 內(nèi)孔為1.6um，左右端面分別為1.6um 與3.2um;(6)軸承座材料為HT200，批量生產(chǎn)。

通過(guò)分析可知，該零件機(jī)械加工存在一定的難度，需要對(duì)軸承座的加工工藝方案以及工藝裝備進(jìn)行設(shè)計(jì)，方能保證加工過(guò)程的順利進(jìn)行，并提高加工效率。

2 車床夾具設(shè)計(jì)分析

通過(guò)審查零件的結(jié)構(gòu)形狀尺寸等，可知該零件形狀較不規(guī)則，軸承座以25mm、32mm 兩孔與兩端平面及一外圓為主要加工部位，不僅內(nèi)孔自身精度要求較高，而且孔與端平面間的位置精度也不能忽略。制訂工藝路線的出發(fā)點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)是使零件的幾何形狀、尺寸精度及位置精度等技術(shù)要求能得到合理的保證。［1－3］

本工序主要加工零件右端平面與42mm 外圓、32mm 內(nèi)孔，車床夾具主要用于零件的旋轉(zhuǎn)表面以及端面，本工序符合車床夾具加工對(duì)象工藝性要求，圖2 為工序簡(jiǎn)圖。從圖中可以看出，使用零件已加工的左端平面和25mm 圓柱孔為主要定位基準(zhǔn)，以軸承座外圓輪廓面為輔并加以?shī)A緊的定位方案。

在設(shè)計(jì)車床夾具時(shí)，需要注意以下幾點(diǎn):首先，必須使用零件的回轉(zhuǎn)加工面的軸線為夾具的回轉(zhuǎn)中心，且要保證與車床軸線重合;其次，由零件分析可知 42mm 外圓與 32mm 有同軸度要求，因此42mm 外圓與32mm 內(nèi)孔的加工必須在一次裝夾內(nèi)完成加工，才能保證同軸度誤差最小;再次，由零件分析可知32mm 內(nèi)孔軸線與 25mm內(nèi)孔軸線有平行度要求，需要遵守互為基準(zhǔn)的原則，在此選擇圓柱銷作為定位元件，使用25mm內(nèi)孔面為限位面，有利于保證兩孔的平行度，另外以25mm 內(nèi)孔軸線為夾具安裝基準(zhǔn)，也符合基準(zhǔn)統(tǒng)一原則。

夾緊考慮使用活動(dòng)V 型塊加螺栓的螺旋夾緊機(jī)構(gòu)，但是車床上的夾具與零件在加工時(shí)是同時(shí)旋轉(zhuǎn)，并且速度較高，在切削加工中，零件除了受到切削力外還受到其他相關(guān)的離心力、摩擦力、重力等，在這些力綜合作用下，會(huì)削弱夾具的夾緊力，引起零件相對(duì)定位元件的位移，或者促使零件變形等。因此在設(shè)計(jì)夾具之前，應(yīng)該對(duì)夾具的定位元件、夾緊元件、夾具體進(jìn)行切削受力評(píng)估，防止加工中工件發(fā)生移動(dòng)導(dǎo)致質(zhì)量問(wèn)題，或發(fā)生安全事故。

圖2 工序簡(jiǎn)圖

2.1 切削力計(jì)算

軸承座工件材料為灰鑄鐵HT200，硬度HBS187～220，用端面車刀車削，進(jìn)給量取f =0.2mm/r，背吃刀量取ap =1.0mm，車床轉(zhuǎn)速選取n =630r/min，則切削速度v =31.7m/min，在此計(jì)算第一刀的切削力就可以進(jìn)行切削力與夾緊力校驗(yàn)。

根據(jù)參考文獻(xiàn)［4］主切削力F 按下列公式計(jì)算:

參閱參考文獻(xiàn)［4］，相關(guān)參數(shù)取值如下:

所以:FC= 2795 ×1.5 ×0.50.75×79－0.15×0.94

在計(jì)算切削力時(shí)應(yīng)考慮安全系數(shù)。安全系數(shù):

其中:K0－基本安全系數(shù)，粗加工取大值1.5;K1－加工性質(zhì)系數(shù)，粗加工取1.2;K2－刀具鈍化系數(shù)，取1.2;K3－切削特點(diǎn)系數(shù)，連續(xù)切削取1.0。

所以修正后的切削力為:

2.2 螺旋夾緊機(jī)構(gòu)夾緊力計(jì)算

在V形塊螺旋夾緊機(jī)構(gòu)夾緊狀態(tài)下夾緊力計(jì)算:［4］

式中:FJ—夾緊力(N)，F(xiàn)Q—作用力(N)，L—作用力臂(mm)，d0—螺桿直徑，α—螺紋升角，φ1—螺紋處摩擦角，φ2—螺桿端部與工件間的摩擦角，γ'—螺桿端部與工件間的當(dāng)量摩擦半徑(mm)。

顯然，F(xiàn)J= 3075.73N ＞2187N，故本夾具可安全工作。

3 應(yīng)用有限元技術(shù)模擬分析

夾具設(shè)計(jì)符合要求，除了夾緊機(jī)構(gòu)的夾緊力大于切削力之外，還需要保證定位元件在夾緊力的作用下不會(huì)發(fā)生強(qiáng)度問(wèn)題或者太大的形變，［5］從而影響工件的加工精度。有限元方法是求解工程問(wèn)題常用的一種數(shù)值計(jì)算方法，［6］在此引入有限元分析技術(shù)，利用SolidWorks 軟件對(duì)夾具進(jìn)行三維建模并進(jìn)行數(shù)值分析。

3.1 模型建立

SolidWorks 是集CAD/CAE 為一體的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)，在此對(duì)受載狀態(tài)下的夾具元件進(jìn)行模擬。由于模型屬于實(shí)體，材料選取普通碳鋼，彈性模量為E = 2 ×1011Pa，泊松比為0.28，屈服強(qiáng)度為240MPa，采用標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格對(duì)其進(jìn)行劃分，網(wǎng)格類型為實(shí)體網(wǎng)格，單元大小為17.43mm，公差為0.87mm，節(jié)總數(shù)106039，單元總數(shù)68462。

為了使模型分析結(jié)果更加接近實(shí)際工作情況，在確保夾具體與各定位元件聯(lián)接可靠的前提下，在SolidWorks 中可以把夾具體與V 形塊、定位銷等定位元件視為一個(gè)整體。夾緊力主要是通過(guò)手柄作用于螺桿上，再通過(guò)螺桿與V 形塊的螺紋副作用在V形塊上進(jìn)而壓緊工件，透過(guò)工件夾緊力止于圓柱定位銷，其他部件的受力相對(duì)較小，可以忽略，具體有限元分析模型，如圖3 所示。

圖3 有限元分析模型

3.2 有限元分析求解

經(jīng)過(guò)模型建立、參數(shù)設(shè)定及約束載荷施加之后就可以對(duì)該模型進(jìn)行分析求解。圖4 為有限元求解得到夾具應(yīng)力云圖，從云圖中可以看到最大應(yīng)力為5.4MPa，位于定位銷與工件的接觸面上，并且其應(yīng)力小于其材料的許用擠壓應(yīng)力。圖5 為有限元求解得到夾具靜變形云圖，圖中顯示定位元件的最大靜變形量為0.00163mm，不超過(guò)0.002mm，符合設(shè)計(jì)要求，因此，本夾具可以保證其使用時(shí)穩(wěn)定、可靠。

圖4 夾具應(yīng)力分析

圖5 夾具靜變形分析

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)相同的方法對(duì)其他工序的機(jī)床專用夾具進(jìn)行了計(jì)算設(shè)計(jì)分析，所得結(jié)果都在加工允許范圍內(nèi)，結(jié)合車間的實(shí)際情況，最后制造出來(lái)的機(jī)床夾具不但結(jié)構(gòu)緊湊可靠，而且操作方便，編制的加工工藝方案也符合現(xiàn)場(chǎng)需求。機(jī)床夾具設(shè)計(jì)屬非標(biāo)設(shè)計(jì)，在此應(yīng)用現(xiàn)代機(jī)械制造工藝技術(shù)，通過(guò)利用CAD/CAE 軟件，再結(jié)合工廠實(shí)際情況，對(duì)加工工藝與工藝裝備設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行消化吸收創(chuàng)新，事實(shí)證明該方法能更好地為實(shí)際生產(chǎn)服務(wù)，避免了個(gè)人經(jīng)驗(yàn)的不確定性，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

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