鋁合金薄壁件裝夾變形分析和控制*

鄧 吟，楊昌林，景 玲

(重慶紅宇精密工業(yè)有限責(zé)任公司，重慶 402760)

0 引 言

鋁合金薄壁零件的加工，一直是機(jī)械加工的難題之一，特別是一些鋁合金薄壁件結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，具有獨(dú)特的性能和工藝特點(diǎn)，而且對零件的尺寸及形位精度要求較高，若夾具設(shè)計(jì)不合理，容易造成零件在裝夾過程中變形，嚴(yán)重影響加工精度,同時(shí)導(dǎo)致加工不穩(wěn)定。

目前，國外的許多專家與技術(shù)人員對薄壁零件變形問題也進(jìn)行了大量研究。 例如，Ratchev 等建立了刀具/工件變形耦合效應(yīng)的柔性預(yù)測方法[1]，Deng 等研究了滿足動態(tài)裝夾穩(wěn)定性的最小夾緊力確定方法，建立了動態(tài)裝夾模型[2],Kaya 等采用遺傳算法對裝夾布局進(jìn)行了優(yōu)化[3],但針對鋁合金薄壁件的裝夾方式分析和研究比較少。

油泵作為自動變速箱核心功能部件，是自動變速器執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動力裝置和箱內(nèi)各摩擦副的潤滑裝置，因此，油泵蓋的加工質(zhì)量直接影響到油泵的性能，筆者以某壓鑄鋁合金自動變速箱油泵蓋作為研究對象，其分布具有較多的油槽，壁薄且剛性差，端面平面度要求高，制造難度大，通過運(yùn)用有限元仿真分析，獲得零件在兩種裝夾方式下的受力情況及變形趨勢，根據(jù)計(jì)算結(jié)果選擇最優(yōu)的裝夾方式，優(yōu)化夾具，最終通過實(shí)際零件加工生產(chǎn)進(jìn)行驗(yàn)證，確保零件實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠生產(chǎn)。

1 有限元模型的建立

油泵作為自動變速箱的核心零部件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，本文是基于UGNX 8.0軟件，根據(jù)實(shí)際的鋁合金油泵蓋結(jié)構(gòu)及尺寸建立三維模型，如圖1所示。

圖1 油泵蓋在車削加工過程中的裝夾情況

如圖1所示，該油泵蓋需加工大端面和內(nèi)孔，且平面度精度要求較高，外圓圓整適合車削加工。在車削加工過程中是通過外部三個(gè)卡爪進(jìn)行外圓裝夾，但是卡爪裝夾油泵蓋外圓上的位置會影響油泵蓋的受力情況以及變形情況，一旦裝夾不合理，零件受力不均勻，直接導(dǎo)致零件加工質(zhì)量不穩(wěn)定。為了簡化計(jì)算，文中假設(shè)卡爪與油泵蓋外圓都是面接觸，即卡爪裝夾力是均勻作用在油泵蓋外圓6個(gè)接觸面上。油泵蓋兩個(gè)端面上均存在深淺不一的凹槽，導(dǎo)致泵蓋外圓是薄壁(如圖2所示)，厚薄不一致，剛性差，卡爪的夾持距離將會影響泵蓋的受力變形。因此，文中建立了油泵蓋在兩種裝夾方式下的有限元計(jì)算模型，設(shè)定的夾緊壓力均為480 N，如圖3、4所示。

圖2 油泵蓋結(jié)構(gòu)

2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分均采用10節(jié)點(diǎn)SOLID92四面體結(jié)構(gòu)實(shí)體單元，最大網(wǎng)格長度為2 mm，總網(wǎng)格量為94 387，網(wǎng)格模型如圖5所示。

圖4 避開薄壁裝夾

3 邊界條件及材料參數(shù)

根據(jù)油泵蓋的兩種裝夾位置，卡爪夾緊力為480 N，但是因?yàn)檠b夾距離不同，因此均布到接觸面的壓力不同(見圖3、4)：

油泵蓋材料為鋁合金，鋁合金材料參數(shù)見表1所列。

表1 鋁合金6061 T6材料參數(shù)

4 計(jì)算結(jié)果

未裝夾油槽缺口和未避開薄壁如圖6所示?；谝陨系膮?shù)值，通過有限元分析方法對油泵蓋的兩種裝夾方式(見圖7、8)分別進(jìn)行變形量計(jì)算，并與未優(yōu)化前的裝夾方式進(jìn)行對比研究，得出以下結(jié)果：

從圖6～8可得出，三種狀態(tài)的最大變形量分別0.006 968 mm、0.005 551 3 mm和0.003 089 6 mm。由此可知，裝夾油槽缺口和同時(shí)避開薄壁的裝夾效果顯著，零件變形小。根據(jù)上述結(jié)果，對車削夾具優(yōu)化設(shè)計(jì)，將卡爪內(nèi)圓根部進(jìn)行切槽處理，從而避讓零件薄壁持，夾持在外圓剛性好的位置。同時(shí)，在夾具上增加防轉(zhuǎn)塊，固定零件徑向裝夾方向，保證油槽缺口裝夾在卡爪內(nèi)，夾具優(yōu)化最終方案，如圖9。夾具優(yōu)化后，通過實(shí)際加工生產(chǎn)驗(yàn)證，并連續(xù)批量生產(chǎn)，使用CMM對平面度進(jìn)行檢測，并開展過程能力分析，抽取125件計(jì)算其CPK值超過1.67，可見夾具優(yōu)化后過程能力穩(wěn)定可靠，滿足平面度要求。

圖6 未優(yōu)化前

圖8 避開薄壁處

圖9 最終夾具圖

5 總 結(jié)

利用有限元方法分析了某鋁合金自動變速箱油泵蓋在不同裝夾方式下的受力情況和變形量計(jì)算，研究結(jié)果表明：對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鋁合金薄壁件，夾具的夾持作用點(diǎn)對工件變形具有重要影響，需選擇在剛性較好的表面進(jìn)行夾持，盡量避開薄弱位置，從而避免零件受力不均導(dǎo)致變形，滿足產(chǎn)品精度要求。因此，通過此分析方法，對類似形狀鋁合金薄壁零件的裝夾方式有理論指導(dǎo)價(jià)值與工程實(shí)踐意義，同時(shí)適用于類似產(chǎn)品的批量生產(chǎn)。