基于ANSYS軟件的輪轂柔性夾具防疲勞研究

許亞威

摘 要：鋁合金輪轂在機(jī)加工制造中多使用柔性夾具。機(jī)加工自動(dòng)化生產(chǎn)線的產(chǎn)品特點(diǎn)是多品種、小批量[2]，這就要求現(xiàn)場(chǎng)的自動(dòng)化單元需要頻繁的更換輪型夾具，而頻繁的更換夾具元件以及不同工況下的持續(xù)生產(chǎn)極易造成夾具元件的疲勞損傷，延長夾具壽命成為非常重要的研究課題。借助ANSYS 軟件針對(duì)夾具的結(jié)構(gòu)及受力進(jìn)行全面仿真模擬，分析出夾具元件最易疲勞損壞的位置，并進(jìn)行針對(duì)性的強(qiáng)化和增加防護(hù)措施，從而避免出現(xiàn)因夾具零件疲勞斷裂產(chǎn)生的撞車事故，延長夾具的使用壽命。

關(guān)鍵詞：輪轂夾具;有限元分析;防疲勞

一、柔性夾具的特征

柔性夾具元件分三個(gè)系列：槽系列夾具元件、孔系列夾具元件、光面系列夾具元件[1]。其特征如下：

（1） 管理方式柔性，即管理方式靈活。夾具備件具有較高的柔性能夠適應(yīng)不同種類工件的裝夾。

（2） 生產(chǎn)能力柔性。當(dāng)生產(chǎn)量發(fā)生改變時(shí)，系統(tǒng)也能高效經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行。對(duì)于目前根據(jù)訂貨而組織生產(chǎn)的制造系統(tǒng)而言，這一點(diǎn)尤為重要。

（3） 人力資源柔性，所需的維護(hù)人員較少。勞動(dòng)強(qiáng)度較低，勞動(dòng)條件好，設(shè)備簡(jiǎn)易，易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化。夾具的保養(yǎng)檢修人員數(shù)量實(shí)現(xiàn)少量化。

（4） 供應(yīng)鏈柔性。夾具傳動(dòng)部件少、拆卸方便，且能夠適應(yīng)工件的形狀和尺寸在一定范圍內(nèi)的變化的夾具。

二、夾具疲勞現(xiàn)象

生產(chǎn)過程中機(jī)床夾具是在變動(dòng)載荷的情況下工作的，夾具疲勞就是指夾具零件在循環(huán)應(yīng)力或循環(huán)應(yīng)變作用下，在一處或幾處逐漸產(chǎn)生局部永久性累積損傷，經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)后產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的過程。 應(yīng)變是表征疲勞問題的主要參量之一，具有廣泛的實(shí)用性[3]。當(dāng)材料和結(jié)構(gòu)受到多次重復(fù)變化的載荷作用后，應(yīng)力值雖然始終沒有超過材料的強(qiáng)度極限，甚至比彈性極限還低的情況下就可能發(fā)生破壞，這種在交變載荷重復(fù)作用下材料和結(jié)構(gòu)的破壞現(xiàn)象，就叫做夾具的疲勞破壞。

疲勞的夾具零件在實(shí)際生產(chǎn)中會(huì)發(fā)生斷裂或脫離裝配面的危險(xiǎn)情況，導(dǎo)致工件夾緊失效，最終發(fā)生撞車事故，造成設(shè)備財(cái)產(chǎn)重大損失。借助ANSYS 軟件對(duì)輪轂的柔性夾具做有限元分析，識(shí)別夾具零件中最易疲勞的部位，從而對(duì)易疲勞部位進(jìn)行針對(duì)性的強(qiáng)化并加強(qiáng)維護(hù)保養(yǎng)有重大意義。

三、基于ANSYS 軟件的夾具疲勞分析

ANSYS Workbench就是在這種環(huán)境下誕生的有限元仿真軟件。ANSYS Workbench軟件的工程虛擬仿真技術(shù)能夠整合電場(chǎng)參數(shù)、磁場(chǎng)參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)等于一體，也可以更好的與多數(shù)CAD軟件接口適應(yīng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享與交換，滿足工程技術(shù)要求。

ANSYS軟件主要分成三個(gè)部分： 前處理模塊，主要通過網(wǎng)格劃分實(shí)現(xiàn)構(gòu)造有限元模型;分析仿真模塊，主要是模擬多物理介質(zhì)的相互作用;后處理模塊，主要是將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。

輪轂柔性夾具應(yīng)用ANSYS軟件的仿真分析：

簡(jiǎn)化仿真夾具的材料統(tǒng)一設(shè)置為鋼材料，所其彈性模量為2.06E+10，泊松比為0.3。搭建有限元模型的一個(gè)重要環(huán)節(jié)是劃分網(wǎng)格，為了建立能夠符合實(shí)際情況的有限元模型，需要綜合考慮網(wǎng)格的數(shù)量、質(zhì)量、疏密、分界面和分界點(diǎn)、布局、單元階次、位移協(xié)調(diào)性等因素。鑒于分析對(duì)象結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，使用自由網(wǎng)格劃分的方式對(duì)其進(jìn)行劃分，單元的大小統(tǒng)一設(shè)置成為10mm。

選取單元壓爪壓力平均值取F=766N，工件重量15KG進(jìn)行軟件模擬仿真。當(dāng)夾具在裝夾輪轂的時(shí)候，對(duì)有限元模型中的3個(gè)壓爪施加數(shù)值為766N的集中力載荷。對(duì)3個(gè)端面塊施加豎直向下的集中力，大小為816N。夾具三個(gè)方位的徑向塊主要是在徑向約束輪轂的位移，所以要對(duì)其施加300N的預(yù)緊力。當(dāng)夾具在高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，離心力對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響較大。對(duì)模型整體施加慣性載荷，角速度為157rad/s，實(shí)現(xiàn)離心力的加載。最后還要在夾盤外殼的表面進(jìn)行全約束，防止夾具發(fā)生位移。

下圖載入?yún)?shù)之后整體的位移模擬云圖，從圖中可以看出壓爪和徑向夾緊機(jī)構(gòu)在集中力載荷和離心力的作用下，均發(fā)生了一定的形變。由圖可見在壓爪上部分的邊緣處出現(xiàn)了最大位移。

由圖可知夾具等效應(yīng)力最大的位置出現(xiàn)在螺旋軸上，左圖為螺旋軸的等效應(yīng)力云圖。在外加集中力載荷和離心力的雙重作用下，螺旋軸發(fā)生一定的變形，致使在螺旋軸與軸套的接觸位置產(chǎn)生較大的作用力，同時(shí)由于該接觸面較小，根據(jù)彈性力學(xué)的原理，從而會(huì)產(chǎn)生較大的集中應(yīng)力。右圖為螺旋軸位移云圖，其最大的位移量為0.287mm，出現(xiàn)在螺旋軸的最頂端。

為了減小螺旋軸處應(yīng)力集中，可以適當(dāng)?shù)膶?duì)其進(jìn)行倒角處理。與螺旋軸連接的壓爪螺栓也是應(yīng)力集中區(qū)域，建議定期及時(shí)更換以免螺栓疲勞發(fā)生連接件斷裂事故。

四、總結(jié)

鋁合金輪轂機(jī)床夾具的防疲勞分析對(duì)實(shí)際生產(chǎn)有非常大的指導(dǎo)意義，而對(duì)夾具的結(jié)構(gòu)和內(nèi)部零件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和受力分析是當(dāng)前最大的難點(diǎn)。借助ANSYS 軟件可以對(duì)夾具的結(jié)構(gòu)及受力實(shí)現(xiàn)全方位的仿真模擬，找出最易疲勞的夾具元件位置進(jìn)行針對(duì)性的強(qiáng)化和增加防護(hù)措施，從而避免出現(xiàn)因夾具零件疲勞斷裂產(chǎn)生的撞車事故，延長夾具的使用壽命，降低生產(chǎn)成本從而增加經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1] 方和平.柔性夾具的發(fā)展與應(yīng)用[M].文章編號(hào)：1671-3133（2002）0055-03.

[2] 崔金嶺.柔性夾具的研究與創(chuàng)新設(shè)計(jì)[D].蘇州大學(xué)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化，2008.

[3] 趙永翔. 應(yīng)變疲勞可靠性分析的現(xiàn)狀與展望[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2001，37（11）：1-6.