精密軸套件裝夾變形有限元分析與控制

張國政，趙文英，孫 灝，周元枝

（安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 數(shù)控系，蕪湖 241002）

0 引言

工件在加工過程中不僅受夾緊力變形，還受到刀具切削力、切削熱以及殘余應(yīng)力等多種因素產(chǎn)生的變形，其中20%～60%的加工誤差是由裝夾變形引起的，因此，控制裝夾變形就十分必要[1～3]。針對(duì)工件裝夾變形分析研究都側(cè)重于建立數(shù)學(xué)模型，根據(jù)數(shù)學(xué)模型對(duì)裝夾布局、裝夾順序、裝夾位置和夾緊力大小等方面進(jìn)行優(yōu)化，如Prabhaharan G等[4]通過GA算法和蟻群算法對(duì)夾具裝夾布局進(jìn)行優(yōu)化；Molfino R等[5]運(yùn)用GA算法優(yōu)化柔性航空零件夾具布局；Chen等[6]結(jié)合GA算法和FEM方法優(yōu)化夾具布局及夾緊力模型；秦國華等[7]通過GA算法結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)薄壁件多重裝夾布局進(jìn)行優(yōu)化等。這些裝夾優(yōu)化結(jié)合了智能算法等方法提高了裝夾變形量的計(jì)算控制精度，但存在數(shù)學(xué)模型和求解技術(shù)復(fù)雜，很難在實(shí)際生產(chǎn)制造工程中得到推廣應(yīng)用。本文提出三維有限元方法可直接對(duì)不同裝夾方案中裝夾變形分析，通過分析比較可直接選取最佳裝夾工藝方案，在工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

基于以上方法闡述，文中所提的某核工業(yè)用精密軸套件由于壁薄，其外圓柱面精度要求高，在裝夾過程中容易導(dǎo)致外圓柱面裝夾變形誤差超過設(shè)計(jì)要求。考慮實(shí)際應(yīng)用中有單件與批量生產(chǎn)兩種模式需求，在比較分析了兩種生產(chǎn)模式下的裝夾工藝方案，對(duì)外圓柱面裝夾變形問題進(jìn)行分析，提出運(yùn)用三維有限元方法分析裝夾變形，可有效控制其裝夾變形量，保證精密軸套件在最后磨削加工過程不受前道裝夾變形的影響。

1 單件與批量生產(chǎn)的裝夾工藝

1.1 精密軸套零件工藝分析

精密軸套零件如圖1所示，材料為45#，為了便于裝夾工藝方案設(shè)計(jì)，根據(jù)加工面特征及其方位，將零件加工面進(jìn)行定義和工藝路線設(shè)計(jì)，如表1所示。表1中，零件的44外圓柱面的設(shè)計(jì)公差為0.012mm（IT5～I(xiàn)T6），表面粗糙度為0.8um，相對(duì)于孔35具有同軸度要求為0.03mm，其工藝路線是粗車、精車到磨削，因此該表面的加工工藝路線是零件的關(guān)鍵加工 工序。

圖1 精密軸套零件圖

表1中，各加工面分別以fi（i=1，2，…，11）定義，以便于在后面裝夾工藝自動(dòng)規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)采用。每個(gè)加工表面的工藝路線在實(shí)際生產(chǎn)中涉及到不同加工工藝方法時(shí)，不可能在相同機(jī)床設(shè)備上或相同工裝夾具上完成，需要根據(jù)生產(chǎn)模式并結(jié)合機(jī)床設(shè)備及工藝裝備按照裝夾工藝規(guī)則重新規(guī)劃，例如，表1中所定義的f3和f4的工藝路線，至少分別需要使用車床和磨床兩種設(shè)備，故該零件至少需要完成兩次裝夾。

1.2 單件與批量生產(chǎn)裝夾工藝

根據(jù)文獻(xiàn)[8,9]提出外單位矢量判別工位的方法，可將零件各加工面劃分為三個(gè)工位，分別以P1、P2和P3表示，如式(1)所示。

相同工位的加工面可采用一次裝夾完成加工，考慮到機(jī)床設(shè)備及功能的不同，結(jié)合式(1)的工位劃分，在一般數(shù)控加工中，其裝夾工藝方案如圖2所示。

表1 精密軸套零件加工面的定義與工藝路線

表2 精密軸套零件的裝夾工藝

表2中，裝夾次序1、2和3分別與式(1)相對(duì)應(yīng)，其車床設(shè)備多為中低檔數(shù)控車床。

在單件生產(chǎn)模式下，以工序集中為原則，要最大限度減少裝夾次數(shù)及使用機(jī)床設(shè)備和夾具裝置的數(shù)量，該件的單件生產(chǎn)模式下的裝夾工藝方案如表3所示。表3中，充分利用了數(shù)控車銑復(fù)合中心機(jī)床的車、銑、鉆和鏜孔功能，利用三爪卡盤對(duì)棒料毛坯所預(yù)留工藝凸臺(tái)進(jìn)行一次裝夾，待工件所有表面加工預(yù)留了磨削余量后，再利用另一頭三爪卡盤裝夾，通過切斷車刀切斷工藝凸臺(tái)和鏜孔后，即可在磨床上進(jìn)行第2次裝夾，整個(gè)加工工藝路線短、效率高。

表3 單件生產(chǎn)模式的裝夾工藝

在批量生產(chǎn)模式下，與單件生產(chǎn)模式相比，其毛坯選用鑄件，而單件生產(chǎn)選用棒料，因此35孔面的工藝路線在單件生產(chǎn)時(shí)是采用鉆、粗鏜和精鏜。批量生產(chǎn)模式下，其35孔面的工藝路線是粗鏜和精鏜，f4的粗車和精車工藝路線要分兩道工序完成，是以工序分散為原則，具體裝夾工藝規(guī)劃方案如表4所示。

表4 批量生產(chǎn)模式的裝夾工藝

根據(jù)以上單件和批量生產(chǎn)模式的裝夾工藝方案進(jìn)行分析比較，為進(jìn)一步分析44外圓柱面裝夾變形問題，下面通過三維有限元對(duì)其裝夾變形進(jìn)行分析，以便得出合理的裝夾工藝方案。

2 三爪卡盤裝夾變形有限元分析

2.1 300N裝夾變形有限元分析

在數(shù)控車銑復(fù)合中心機(jī)床上采用氣動(dòng)三爪卡盤，每個(gè)卡爪平均夾緊力為300N，其裝夾模型如圖2所示。圖2中，A、B、C和D是施加夾緊力，其中A處是對(duì)應(yīng)13孔施加150N的鉆削力，B、C和D三處分別對(duì)應(yīng)的是三個(gè)卡爪施加的300N，E面是端面約束面。該件的網(wǎng)格劃分如圖3所示，后面的網(wǎng)格劃分都按照此方式進(jìn)行。

圖2 三爪卡盤300N裝夾模型

圖3 精密軸套零件網(wǎng)格劃分

精密軸套零件的材料定義分別為楊氏模量（Ex）E=209GPa，泊松比（NUXY）v=0.269，密度（DENS）ρ=7890kg/m3，經(jīng)ANSYS12.0軟件對(duì)其應(yīng)變分析，如圖4所示。

圖4 300N裝夾變形應(yīng)變?cè)茍D

2.2 400N裝夾變形有限元分析

在中低檔數(shù)控車床和C6132車床上采用手動(dòng)三爪卡盤，其夾緊力只能預(yù)估，假設(shè)每個(gè)卡爪按照400N力施加，如圖5所示。

圖5 三爪卡盤400N裝夾模型

圖6 400N裝夾應(yīng)變?cè)茍D

2.3 三爪卡盤裝夾分析

根據(jù)以上300N和400N的裝夾變形分析，三爪卡盤的裝夾變形量遠(yuǎn)小于被裝夾表面的設(shè)計(jì)精度要求，故在單件生產(chǎn)模式中無需預(yù)留工藝凸臺(tái)，可直接采用三爪卡盤裝夾。44外圓柱面相對(duì)于孔35軸線的同軸度0.03mm，無論是單件還是批量生產(chǎn)模式都是由最后一道工序磨削時(shí)芯軸夾具來保證。

3 鉆夾具裝夾變形分析與控制

3.1 V型塊裝夾變形分析

圖7 V型塊定位徑向裝夾模型

圖8 V型塊定位徑向裝夾變形應(yīng)變?cè)茍D

圖8中，施加在f3和f4的半圓表面625N夾緊力的裝夾變形應(yīng)變量為0.0098734mm，該值已大于該面設(shè)計(jì)精度要求的1/3，故采用V型塊定位徑向夾緊不滿足該件裝夾要求。

3.2 軸向夾緊裝夾變形分析

根據(jù)V型塊定位徑向裝夾變形量過大問題，提出采用軸向夾緊方式。軸向裝夾可采用約束對(duì)f1的端面和f5孔面，如芯軸夾具；或同樣采用f1的端面及f3和f4的半圓表面的約束，其夾緊力施加如圖9所示，經(jīng)有限元分析后裝夾變形應(yīng)變?cè)茍D如圖10所示。

圖9 軸向夾緊力施加模型

圖10 軸向夾緊力裝夾變形應(yīng)變?cè)茍D

圖10中，施加在f2的端面夾緊力1250N裝夾變形應(yīng)變量為0.00091419mm裝夾變形應(yīng)變量，該值遠(yuǎn)小于該面設(shè)計(jì)精度要求的1/3，故采用芯軸夾具或V型塊定位的軸向夾緊滿足該件裝夾要求。這是由于精密軸套件的軸向尺寸比徑向尺寸大，故而剛性強(qiáng)，軸向夾緊端面產(chǎn)生變形量小可有效控制鉆夾具裝夾變形。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)三爪卡盤和鉆夾具裝夾變形分析，經(jīng)分析三爪卡盤可滿足裝夾需求，鉆夾具裝夾的徑向夾緊裝夾變形量大而不滿足要求，故采用可控制的軸向夾緊裝夾變形量的鉆夾具裝夾。以表2裝夾工藝方案為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，最終該件加工滿足圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求，表2裝夾工藝方案被企業(yè)廣泛應(yīng)用，可適用于單件和批量生產(chǎn)兩種模式，該件加工實(shí)物如圖11所示。

圖11 精密軸套件加工實(shí)物

5 結(jié)論

根據(jù)單件和批量生產(chǎn)模式裝夾工藝方案比較分析，通過三維有限元分析方法，分別對(duì)三爪卡盤裝夾和鉆夾具兩種方案裝夾變形分析，進(jìn)而得出以下結(jié)論：

1）三爪卡盤從每個(gè)卡爪300N夾緊力增加到400N夾緊力時(shí)，通過三維有限元對(duì)精密軸套件被夾緊的關(guān)鍵外圓柱表面裝夾變形分析，其裝夾變形應(yīng)變量只增加0.4um，故而在單件和批量模式下三爪卡盤都滿足裝夾要求。

2）在鉆夾具裝夾分析過程中，在同樣施加夾緊力的前提下，采用軸向夾緊力方向比徑向夾緊力方向的裝夾變形量小于近10倍左右，徑向夾緊裝夾變形量大而不能滿足裝夾要求，軸向夾緊變形量小可滿足裝夾要求。

3）采用中低檔數(shù)控車床三爪卡盤、軸向夾緊鉆夾具完成磨削前的裝夾工藝方案，適用于當(dāng)前企業(yè)單件和批量生產(chǎn)兩種模式。

參考文獻(xiàn)：

[1]秦國華,吳竹溪,張衛(wèi)紅.薄壁件的裝夾變形機(jī)理分析與控制技術(shù)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2007,43(4):211-216+223.

[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]王軍,耿世民,張遼遠(yuǎn),等.薄壁殼體件裝夾變形機(jī)理有限元分析與控制[J].兵工學(xué)報(bào),2011,32(8):1008-1013.

[4]Prabhaharan G, Padmanaban K P, Krishanakumar R. Maching fixture layout optimization using FEM and evolutionary techniques[J].International Journal Advanced Manufacturing Technology,2007,32(11):1090-1103.

[5]Li X, Molfino R, Zoppi M. Fixture layout optimization for flexible aerospace parts based on self-reconfigurable swarm intelligent fixture system[J].International Journal of Machine Tool and Manufacture,2013,66(9):1305-1313.

[6]Chen W F, Ni L J, Xue J B. Deformation control through fixture layout design and clamping force optimization[J].International Journal Advanced Manufacturing Technology,2008,38(9):860-867.

[7]秦國華,趙旭亮,吳竹溪.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與遺傳算法的薄壁件多重裝夾布局優(yōu)化[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2015,51(1):203-212.

[8]張國政,韓江.多工序加工系統(tǒng)的數(shù)控夾具設(shè)計(jì)應(yīng)用研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì),2012,29(11):75-79.

[9]G Z ZHANG, Y Z ZHOU, J HAN, et al. The design of tutn- mill process planning for mass customization wheel rim[J].Key Engineering Materials,2016(693)2:936-943.