基于有限元分析的氣門搖臂軸支座夾具的設(shè)計研究

耿立陽，路光普，葉金鐸，趙永政

（1.天津理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津市先進(jìn)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計與智能控制重點實驗室，天津 300384；2.機(jī)電工程國家級實驗教學(xué)示范中心（天津理工大學(xué)），天津 300384）

0 引言

機(jī)械加工是制造業(yè)的核心，優(yōu)化的加工工藝可以提高零部件的加工精度、降低加工成本和提高加工效率。夾具體是機(jī)械加工工藝中不可缺少的工件，夾具的合理性直接影響到產(chǎn)品的加工質(zhì)量和成本，據(jù)統(tǒng)計，工裝夾具的設(shè)計與制造成本占整個產(chǎn)品研發(fā)費用的10%～20%[1]。并且，約40%的部件質(zhì)量問題是由夾具的誤差引起[2]，因此，夾具的合理化設(shè)計一直是制造業(yè)的目標(biāo)。由于夾具設(shè)計關(guān)聯(lián)因素諸多，設(shè)計周期較長，而且設(shè)計方案主要依賴于設(shè)計者的經(jīng)驗和技術(shù)[3]，本文根據(jù)氣門搖臂軸支座的工作特點，確定夾具的設(shè)計方案，根據(jù)定位方式選擇定位元件，然后選擇合理的導(dǎo)向裝置和夾緊裝置。最后進(jìn)行誤差分析，設(shè)計改進(jìn)和有限元仿真，使設(shè)計后的夾具在加工過程中具有操作方便，定位準(zhǔn)確，夾緊穩(wěn)定的特點。

1 氣門搖臂軸支座的作用

氣門搖臂軸支座是柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)裝置的重要組成部件，決定產(chǎn)品的質(zhì)量[4]。直徑為Φ18孔主要用來安裝進(jìn)、排氣的氣門搖臂，支撐的作用。Φ11的通孔與螺栓連接，使零件固定在柴油機(jī)上與Φ16孔相配合的是一個減壓軸，主要是為了降低缸內(nèi)部的壓力。三維模型如圖1所示。

圖1 氣門搖臂軸支座三維模型

2 氣門搖臂軸支座夾具的設(shè)計

2.1 確定夾具的結(jié)構(gòu)方案

氣門搖臂軸支座為批量生產(chǎn)的產(chǎn)品，企業(yè)追求產(chǎn)品的加工精度和效率。本文選擇對氣門搖臂軸支座的專用夾具進(jìn)行設(shè)計，加工通孔和通孔，使用工具為T68臥式鏜床，高速鋼直柄麻花鉆，擴(kuò)鉆和機(jī)用鉸刀。

2.2 確定定位方式，選擇定位元件

根據(jù)六點定位原理，選取合理的的定位方式和定位元件。選擇Φ11孔和工件下端面為主要定位基準(zhǔn)，限制工件的五個自由度，在工件底座進(jìn)行打孔，用一個削邊銷限制另外一個自由度。定位方案結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 工序定位結(jié)構(gòu)圖

2.3 確定導(dǎo)向裝置

由于鉆Φ18和Φ16的孔需要很多工步，即需要通過鉆擴(kuò)鉸才能達(dá)到要求，我們選擇快換鉆套做為導(dǎo)向原件。襯套與快換鉆套之間的配合尺寸為襯套與鉆模板之間的配合尺寸為裝置如3圖所示。

圖3 導(dǎo)向裝置結(jié)構(gòu)圖

2.4 確定夾緊機(jī)構(gòu)

本文選用螺旋夾緊裝置。在鉆模板上留有一個螺紋孔，通過雙頭螺柱與鉸鏈壓板相連，最后將帶肩六角螺母壓緊。由于鉆模板較高，我們在定位芯軸上添加一個壓緊墊片，使其與鉆模板相平，從而達(dá)到壓緊工件的效果。裝夾工件時，先將工件裝入定位芯軸，達(dá)到準(zhǔn)確定位效果，然后轉(zhuǎn)動鉸鏈壓板，最后擰緊螺母壓緊工件。加緊裝置如圖4所示。

圖4 夾緊裝置

根據(jù)支座工件的定位方式，工件只需沿軸向夾緊。本夾具采用螺旋夾緊機(jī)構(gòu)，工作原理使用帶肩六角螺母夾緊工件，夾緊機(jī)構(gòu)是否能夠夾緊工件需經(jīng)過驗算，在此我們驗算工序中鉆Φ15通孔的夾緊力是否可以達(dá)到要求。采用高速鋼直柄麻花鉆，鉆孔的軸向力=804.7N，當(dāng)工件材料為HT200時，軸向力修正系數(shù)K=1.18。故軸向力F=F1×K=1712.1N。

用扳手的六角螺母的夾緊力計算：查《金屬機(jī)械加工工藝人員手冊》[5]，螺母的公稱直徑為M=12時螺紋中徑為d1=10.86mm。手柄長度為L=140mm，手柄上作用的力為P=70N，夾緊力為W=2420N＞F。由于夾緊力大于鉆攻力，即本夾具可安全使用。

2.5 定位誤差分析

本文設(shè)計的夾具要保證的位置精度主要是Φ18和Φ16兩孔的中心距是（56±0.05）mm以及與底面的平行度公差是0.05mm。Φ18孔軸線和Φ16孔軸線與底面尺寸是（24±0.03）mm和（49±0.05）mm。該定位元件選擇一個長定位芯軸，定位芯軸與定位孔的配合尺寸為（定位孔的尺寸是定位芯軸的尺寸是定位芯軸的下端與夾具底板孔的配合尺寸為（底板孔定位芯軸底端對于工序尺寸（56±0.05）mm而言，定位基準(zhǔn)與工序基準(zhǔn)重合誤差Δjb=0，基準(zhǔn)位移誤差Δjw=0.018+0.017=0.035，該工序尺寸（56±0.05）mm的制造公差為0.10mm。因此定位誤差小于制造公差的1/2，因此上述方案可行。

2.6 夾具體的設(shè)計

夾具體的設(shè)計是復(fù)雜的，全面的考量，夾具體是將各部分工件有機(jī)的聯(lián)系起來，形成一個穩(wěn)定可靠的整體。對于此夾具來言，夾具體與鏜床通過兩個螺栓相連，此外，夾具體上部用四個螺栓連接有兩個凸臺，用來焊接鉆模板，夾具體的的底銑槽，減少接觸面積，提高其穩(wěn)定性。

1）根據(jù)零件圖可知，兩孔的中心距為（56±0.05）mm，為了保證較高的精度，我們將設(shè)計的兩鉆套的公差進(jìn)行縮小，取其公差的1/2，即兩鉆套軸線的中心距為（56±0.025）mm；

2）在夾具的優(yōu)化設(shè)計中，為保證孔與工件底面的平行度公差為0.05，取鉆套軸線與夾具的底板上端面的平行度為0.05；

2.7 基于SolidWorks的夾具三維建模

SolidWorks是一款三維建模軟件，通過創(chuàng)建夾具體的三維模型，使我們可以直觀的檢測所設(shè)計的尺寸是否合理，零件之間是否存在干涉，更加直觀的顯示夾具體的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，有利于設(shè)計結(jié)構(gòu)的修改。

3 夾具體的有限元仿真

3.1 建立有限元模型

夾具體的設(shè)計除了能夠滿足剛度要求外，還應(yīng)該提高夾具體的疲勞強(qiáng)度，具有較長的使用壽命。因此，需要對關(guān)鍵零件進(jìn)行有限元分析，判斷其在何種鉆攻條件下能滿足正常加工要求，是否安全可靠?？紤]到鉆攻過程中對定位芯軸產(chǎn)生較大的剪切力?？紤]鉆攻加工順序的不同，分析鉆攻載荷對夾具體和零件的影響程度，從而保障零件的精度和加工成本。本文選用ANSYS軟件模擬車床的鉆攻過程，鉆攻載荷對夾具體作用的進(jìn)行強(qiáng)度分析。

模型前處理：將夾具的三維裝配模型以X-T的格式導(dǎo)入到ANSYS軟件中，在ANSYS軟件設(shè)置好對應(yīng)的參數(shù)。單元類型：solid45。所有材料考慮為線彈性和各向同性；削邊銷、定位芯軸、壓緊墊片為45號鋼E=2.10×105MPa，泊松比μ=0.3；零件體為灰鑄鐵HT200，E=1.22×105MPa，泊松比μ=0.25[6]。計算模型采用四面體網(wǎng)格的劃分，有限元網(wǎng)格夾具體模型如圖5所示。

圖5 夾具網(wǎng)格模型

邊界條件的設(shè)定：按照夾具的使用要求，對底板進(jìn)行全約束，對定位芯軸和壓緊墊片的頂端進(jìn)行全約束，進(jìn)行雙孔同鉆仿真模擬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)Φ16孔繞y軸產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩，導(dǎo)致零件失效損壞，說明夾具存在不合理性。

改進(jìn)夾具對零件的約束設(shè)定：在模擬鉆攻載荷加工過程中，Φ16孔繞y軸產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩，需要添加夾具對零件的z軸方向進(jìn)行約束，釋放定位芯軸上端的全約束。對底板下端和壓緊墊片的頂端進(jìn)行全約束。在鉆孔的位置施加鉆攻載荷，計算中考慮了幾何非線性，合適的載荷子步，采用殘余力收斂準(zhǔn)則，收斂精度設(shè)為0.1%。

3.2 定位芯軸的有限元仿真結(jié)果

在機(jī)加工過程中，為了保證零件的精度和同軸度，需要同時對多個孔進(jìn)行一次鉆攻。模擬Φ16孔和Φ18孔同時進(jìn)行鉆攻加工得到仿真計算結(jié)果，定位芯軸的等效應(yīng)力場如圖6(a)所示，定位芯軸受到的等效應(yīng)力相對較小，其所受的最大應(yīng)力為21.5MPa，發(fā)生在定位芯軸軸肩處，這是由于在加載后，定位芯軸的軸肩容易產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中。在鉆攻的同時，零件有沿y軸的轉(zhuǎn)矩，壓緊墊片也會對定位芯軸產(chǎn)生作用力。定位芯軸的最大等效應(yīng)力21.5MPa，其應(yīng)力低于零件的屈服強(qiáng)度183MPa和材料的屈服強(qiáng)度355MPa[7]。定位芯軸在z軸方向的位移場，從圖6(b)可以看出，定位芯軸的最大位移為0.27×10-5mm。定位芯軸發(fā)生滑動的位移量較小，在誤差允許范圍之內(nèi)。從仿真結(jié)果來看，定位芯軸強(qiáng)度可靠，位移偏差小，可以滿足使用要求。

圖6 定位芯軸仿真計算結(jié)果

3.3 削邊銷的有限元仿真結(jié)果

削邊銷的等效應(yīng)力場如圖7(a)所示，削邊銷的最大應(yīng)力為0.41MPa，發(fā)生在軸肩連接處，這是由于在加載后，零件有沿y軸的轉(zhuǎn)矩，使零件發(fā)生運(yùn)動趨勢，削邊銷的軸肩連接處容易產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中。削邊銷的位移場從圖7(b)可以看出，削邊銷的最大位移為0.23×10-7mm。削邊銷發(fā)生滑動的位移量較小，在誤差允許范圍之內(nèi)。

圖7 削邊銷仿真計算結(jié)果

3.4 壓緊墊片的有限元仿真結(jié)果

壓緊墊片的等效應(yīng)力場如圖8(a)所示，壓緊墊片的最大應(yīng)力為26.7MPa。在定位芯軸與壓緊墊片的連接處，零件有沿y軸的轉(zhuǎn)矩容易產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中。定位芯軸在z軸方向的最大位移為0.28×10-5mm，如圖8(b)所示。壓緊墊片發(fā)生滑動的位移量較小，在誤差允許范圍之內(nèi)。

3.5 零件的位移計算結(jié)果

在采用雙孔同時鉆攻的機(jī)械加工工藝過程中，零件的精度和表面粗糙度是質(zhì)量保證的前提。如果零件在鉆孔時，發(fā)生較大的位移量，零件的尺寸精度和表面粗糙度就不能保證，降低零件的合格率，提高生產(chǎn)成本。因此，零件沿z軸的位移量也是檢驗夾具是否合格的標(biāo)準(zhǔn)。如圖9所示，在采用雙孔同時鉆攻的加工工藝，零件的最大位移量為0.23×10-4mm，在零件的允許加工誤差范圍內(nèi)。

圖8 壓緊墊片仿真計算結(jié)果

圖9 零件的位移分布云圖/Uz

3.6 其他鉆攻方式的仿真結(jié)果

上述根據(jù)實際加工過程，模擬同時鉆Φ16/Φ18孔的仿真計算結(jié)果，夾具設(shè)計合理，滿足鉆攻加工的強(qiáng)度要求，而且結(jié)構(gòu)簡單，定位精確，固定零件方便可靠。另模擬單一鉆Φ16孔和單一鉆Φ18孔兩種鉆攻順序的加工過程，得到夾具體的仿真計算結(jié)果如表1、表2所示。

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表1 夾具體等效應(yīng)力仿真結(jié)果最大值 (/MPa)

表2 夾具體位移仿真結(jié)果最大值/Uz (/mm)

4 結(jié)論

本文對氣門搖臂軸支座的專用夾具體進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計研究，改進(jìn)夾具體對零件的約束方式，在加工過程中提高零件的合格率；考慮鉆攻加工順序的不同，分析三種鉆攻過程中鉆攻載荷對夾具體和對零件精度的影響，通過夾具體的強(qiáng)度分析和加載過程中工件的偏轉(zhuǎn)位移量，設(shè)計最佳的鉆攻順序，從而保障零件的精度和加工成本。

運(yùn)用SolidWorks軟件創(chuàng)建氣門搖臂軸支座三維模型，基于ANSYS有限元軟件對軸進(jìn)行機(jī)械強(qiáng)度分析，對夾具體進(jìn)行設(shè)計研究，在雙孔同時鉆攻的過程中，所選定位芯軸能滿足強(qiáng)度要求，且優(yōu)化后的夾具結(jié)構(gòu)簡單，定位精確，固定零件方便可靠，具有較強(qiáng)的實用性，能實現(xiàn)零件一次裝夾，可以同步實現(xiàn)對兩個通孔進(jìn)行鉆攻。

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