薄壁套筒零件裝夾方案的有限元分析

□ 儲(chǔ)曉猛

1.江蘇高創(chuàng)機(jī)電制造有限公司 江蘇鎮(zhèn)江 212013 2.江蘇大學(xué)基礎(chǔ)工程訓(xùn)練中心 江蘇鎮(zhèn)江 212013

1 分析背景

鑒于結(jié)構(gòu)功能的需要,薄壁零件廣泛應(yīng)用于工程中。然而,薄壁零件的加工生產(chǎn)對(duì)傳統(tǒng)的切削工藝和裝夾方式均提出了巨大挑戰(zhàn),剛度較差的薄壁零件在刀具切削力的作用下,容易產(chǎn)生振動(dòng)和殘余應(yīng)力變形,并且還會(huì)受到來(lái)自裝夾工具的夾緊力而產(chǎn)生變形,引起形位公差和表面粗糙度的不可控偏差,造成廢品率的上升[1-3]。在加工誤差中,由于裝夾變形所產(chǎn)生的偏差占比為20%～60%,可見(jiàn)控制裝夾變形對(duì)薄壁零件整體加工質(zhì)量顯得尤為重要[4]。

在這一背景下,越來(lái)越多的學(xué)者開(kāi)展對(duì)工藝基礎(chǔ)理論和裝夾技術(shù)的研究與積累,并取得了豐碩的研究成果。Elsheikh等[5]借助激光位移傳感器測(cè)得的試驗(yàn)數(shù)據(jù),通過(guò)數(shù)值分析及后續(xù)算法調(diào)整,對(duì)薄壁金屬圓盤(pán)工件的專用夾具進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)提升旋轉(zhuǎn)工件在車(chē)削加工中裝夾精度的目標(biāo)。Xiong Li等[6]結(jié)合遺傳算法和有限元分析的手段,深入對(duì)航空航天某柔性薄壁工件用夾具系統(tǒng)進(jìn)行研究,最終提出了一種N-2-1-1新型夾具設(shè)計(jì)原理,并通過(guò)了實(shí)例的仿真驗(yàn)證。李衛(wèi)清[7]分別從薄壁零件加工問(wèn)題、裝夾方法和車(chē)削加工技巧三個(gè)方面闡述薄壁件在車(chē)削加工過(guò)程的相關(guān)技術(shù)參數(shù)值,該研究成果為相關(guān)零件的生產(chǎn)和夾具設(shè)計(jì)提供了經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)。張國(guó)政等[8]以某精密軸套件為研究對(duì)象,借助有限元分析軟件,分別對(duì)單件和批量?jī)煞N生產(chǎn)模式下的裝夾工具進(jìn)行研究分析,通過(guò)裝夾工具的調(diào)整控制薄壁件的加工精度,經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè),最終加工結(jié)果顯示設(shè)計(jì)的三爪卡盤(pán)與芯軸相組合的裝夾方案擁有可靠的加工精度與效益。

上述研究結(jié)果表明,在相同切削加工條件下,采用不同裝夾方式對(duì)薄壁件的制造精度有較大程度的影響。因此,為了解決某薄壁套筒類零件的外圓車(chē)削加工易產(chǎn)生工件變形的情況,筆者以裝夾方案作為研究切入點(diǎn),對(duì)其采用不同方案下工件的變形規(guī)律進(jìn)行探究,以獲得最優(yōu)裝夾方案,提升薄壁套筒類零件的加工質(zhì)量,從而提高制程能力指數(shù)。

2 工藝分析

筆者以某薄壁套筒零件為研究對(duì)象,屬于典型的薄壁結(jié)構(gòu),如圖1所示。該零件材料為45號(hào)鋼,除了需保證外圓及內(nèi)孔尺寸精度為0.02～0.03 mm以內(nèi)外,還要達(dá)到相應(yīng)的形位公差,如同軸度φ0.03 mm、粗糙度Ra1.6 μm等技術(shù)要求。結(jié)合上述技術(shù)分析,可知加工難點(diǎn)為裝夾過(guò)程中容易導(dǎo)致外圓柱及內(nèi)孔裝夾變形,從而造成加工誤差超過(guò)設(shè)計(jì)所規(guī)定的技術(shù)要求。

▲圖1 薄壁套筒零件

考慮到該零件要求按批量生產(chǎn)的方式進(jìn)行工藝規(guī)劃和裝夾設(shè)計(jì),結(jié)合零件結(jié)構(gòu)及目前筆者所在單位的設(shè)備現(xiàn)狀,擬采用數(shù)控車(chē)床與車(chē)削中心相組合的混合加工模式。根據(jù)加工面的不同,設(shè)計(jì)出該零件的加工工藝流程如下:OP10工序采用三爪卡盤(pán)夾持毛坯外圓,車(chē)加工左端面、內(nèi)孔、內(nèi)錐孔及其外圓、外螺紋等;OP20工序采用專用夾具夾持,車(chē)加工右端面、外錐面,并且銑削外圓表面處的梅花扳手槽。具體加工流程見(jiàn)表1。

表1 薄壁套筒零件加工流程

3 裝夾方案設(shè)計(jì)

筆者以O(shè)P20工序?yàn)檠芯繉?duì)象,參照上述對(duì)薄壁套筒零件的工藝分析可知,該工序所涉及的裝夾方案優(yōu)劣對(duì)零件的加工精度影響較大。為了滿足薄壁套筒零件的相關(guān)技術(shù)要求,設(shè)計(jì)了軸向定位夾緊與徑向定位夾緊兩種不同的裝夾定位方案。薄壁套筒零件的徑向定位裝夾方案如圖2所示,其半剖視圖顯示主要由短芯軸、彈簧套、螺釘和錐度套組成。該方案通過(guò)短芯軸左側(cè)階梯外圓及端面對(duì)零件進(jìn)行定位,通過(guò)彈簧套的膨脹內(nèi)撐,實(shí)現(xiàn)對(duì)零件徑向夾緊,夾具的工作原理及細(xì)節(jié)不再贅述。

▲圖2 薄壁套筒零件徑向定位裝夾方案

薄壁套筒零件的軸向定位裝夾方案如圖3所示,半剖視圖顯示這一方案主要由長(zhǎng)芯軸、開(kāi)口墊片及螺釘組成。采用軸向定位裝夾方案,通過(guò)長(zhǎng)芯軸階梯外圓及端面對(duì)零件進(jìn)行定位,通過(guò)開(kāi)口墊片及螺釘實(shí)現(xiàn)零件的軸向夾緊。夾具的工作原理及細(xì)節(jié)在此處同樣不再展開(kāi)。

▲圖3 薄壁套筒零件軸向定位裝夾方案

從薄壁套筒零件可加工角度分析,上述兩種方案均可實(shí)現(xiàn)對(duì)OP20工序的車(chē)削及銑削加工,然而從加工質(zhì)量與制程能力指數(shù)角度考慮,這兩種裝夾方案所帶來(lái)的結(jié)果卻迥然不同,為了能夠從上述兩種裝夾方案中篩選出最優(yōu)方案,筆者對(duì)此開(kāi)展兩種方案下的靜力學(xué)分析,通過(guò)對(duì)薄壁套筒零件的位移變形與應(yīng)力大小進(jìn)行綜合評(píng)比,即可獲知方案的優(yōu)劣。

4 有限元分析

有限元分析共分三步:仿真預(yù)處理、前處理設(shè)置、仿真結(jié)果分析。仿真預(yù)處理用于了解并掌握已有數(shù)模對(duì)象相互之間的幾何位置關(guān)系及裝配關(guān)系,并對(duì)相關(guān)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理,而其中的一些細(xì)微特征,如微小倒角、圓角、螺紋特征等,對(duì)靜力學(xué)仿真分析結(jié)果影響不大,如果直接納入數(shù)值計(jì)算,那么網(wǎng)格劃分質(zhì)量降低的同時(shí),計(jì)算時(shí)間也會(huì)較冗長(zhǎng),并且對(duì)計(jì)算機(jī)硬件會(huì)存在較大的挑戰(zhàn),因此需要對(duì)細(xì)微特征進(jìn)行簡(jiǎn)化處理,并在模型簡(jiǎn)化處理完成之后進(jìn)行整體裝配和絕對(duì)坐標(biāo)系的建立[9]。參照上述步驟,完成兩種裝夾方案在仿真計(jì)算前的模型簡(jiǎn)化處理步驟。

然而,在仿真前還需對(duì)各零件的材料及力學(xué)性能參數(shù)進(jìn)行查閱,由于這兩種裝夾方案在設(shè)計(jì)之初重點(diǎn)關(guān)注可行性與加工成本,因此除彈簧套選用65Mn彈簧鋼外,其余材料均為45號(hào)鋼,兩種材料的力學(xué)性能參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 材料參數(shù)

在NX軟件有限元分析模塊中,進(jìn)行FEM與SIM仿真設(shè)置。FEM設(shè)置主要是定義仿真對(duì)象的三大屬性及網(wǎng)格單元的劃分,鑒于兩種裝夾方案涉及到的零件較多,為提高計(jì)算數(shù)據(jù)在不同模型之間的有效傳遞,所有零件模型均采用四面體網(wǎng)格劃分,同時(shí)參照相關(guān)仿真設(shè)置要求進(jìn)行接觸面的網(wǎng)格細(xì)化,完成后即可進(jìn)入SIM設(shè)置,進(jìn)行約束與載荷的施加[10]。

為了篩選出最優(yōu)裝夾方案,以車(chē)削φ45外圓為例,參考薄壁外圓車(chē)削工藝參數(shù)的相關(guān)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)計(jì)算,合理有效地?cái)M定六種不同工況下的加工切削參數(shù)及各自對(duì)應(yīng)的切削力仿真試驗(yàn)切削參數(shù),見(jiàn)表3。

表3 仿真試驗(yàn)切削參數(shù)

對(duì)照上述數(shù)據(jù)及兩種裝夾方案的連接方式,進(jìn)行科學(xué)有效的約束及載荷施加。第一,采用面面黏連命令,將各零件進(jìn)行有效連接,形成計(jì)算數(shù)據(jù)可以傳遞的整體。第二,考慮到兩種裝夾方案均通過(guò)芯軸的右端面與機(jī)床三爪卡盤(pán)進(jìn)行固定安裝,兩種裝夾方案的約束施加均采用用戶自定義約束,芯軸右端除繞軸線回轉(zhuǎn)的DOF6自由度釋放外,其余均限制。第三,施加載荷,兩種裝夾方案均受到重力作用,方向豎直向下。第四,參照各試驗(yàn)方案數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速及主切削力設(shè)定,施加完成后的兩種裝夾方案SIM界面效果圖分別如圖4和圖5所示。

▲圖4 軸向裝夾方案效果▲圖5 徑向裝夾方案效果

兩種裝夾方案在六種試驗(yàn)下的位移變形曲線如圖6所示。由圖6可見(jiàn),兩種裝夾方案的位移變形隨切削力的增大均呈現(xiàn)出相同的遞增趨勢(shì),但是相比于徑向裝夾方案,軸向方案的位移變形量更小,并隨著切削力的增大,二者差距也逐漸擴(kuò)大。兩種裝夾方案的等效應(yīng)力曲線如圖7所示。由圖7可見(jiàn),應(yīng)力值也隨著切削力的增大呈現(xiàn)出上升趨勢(shì),但兩種裝夾方案的曲線基本吻合。

▲圖6 兩種裝夾方案位移變形曲線▲圖7 兩種裝夾方案等效應(yīng)力曲線

經(jīng)過(guò)更深層次的數(shù)據(jù)分析可知,徑向裝夾方案的位移變形數(shù)值均高于軸向裝夾方案的40%以上,伴隨著切削力的增大,該數(shù)值也逐漸增大,而這將會(huì)導(dǎo)致薄壁套筒零件加工精度與質(zhì)量的嚴(yán)重降低,不能有效保證生產(chǎn)的高效性與經(jīng)濟(jì)性?？梢?jiàn),采用軸向裝夾方案,不僅所需零部件數(shù)量較少,而且還能保證薄壁套筒零件的加工精度,故更加受到青睞。

造成上述現(xiàn)象的原因是,對(duì)于精密基座套筒零件而言,其軸向尺寸比徑向尺寸更大,因此軸向的剛性更強(qiáng),軸向夾緊所產(chǎn)生的變形量更小,可更加有效地控制外圓表面車(chē)削所帶來(lái)的變形位移,故采用軸向裝夾方案可滿足該零件的加工生產(chǎn)要求。由此可判定,在理論仿真分析下,軸向裝夾方案效果更優(yōu)。

5 實(shí)際加工

根據(jù)上述兩種裝夾方案的分析結(jié)果,采用軸向裝夾方案的加工工藝,以表3中試驗(yàn)號(hào)3的切削參數(shù)進(jìn)行實(shí)際加工,最終薄壁套筒零件滿足設(shè)計(jì)要求,軸向裝夾方案被企業(yè)廣泛應(yīng)用,可以較好地滿足批量生產(chǎn)模式要求,所加工的實(shí)物如圖8所示。

▲圖8 加工實(shí)物

6 結(jié)論

筆者通過(guò)對(duì)薄壁套筒零件加工工藝方案進(jìn)行研究,并結(jié)合NX軟件結(jié)構(gòu)靜力學(xué)仿真分析,得出結(jié)論。

(1) 在已知零件結(jié)構(gòu)、切削參數(shù)和裝夾方案的情況下,借助有效的參數(shù)化模型建立,采用有限元軟件模擬計(jì)算薄壁套筒零件切削過(guò)程中的加工變形是可行的,并且可以得到變形過(guò)程中零件的位移數(shù)值及應(yīng)力分布,這是一種高效可行的理論分析方法。

(2) 薄壁套筒零件的車(chē)削加工裝夾方案選擇,對(duì)于零件的加工質(zhì)量與精度至關(guān)重要,即采用徑向裝夾方案的薄壁套筒零件整體加工變形數(shù)值相比于軸向裝夾方案高出40%以上,這對(duì)薄壁套筒零件的加工精度而言將會(huì)造成難以估量的嚴(yán)重后果。因此,筆者針對(duì)薄壁套筒零件的外圓車(chē)削加工所采用的最優(yōu)裝夾方案為軸向裝夾方案。

(3) 對(duì)標(biāo)實(shí)際生產(chǎn)加工,軸向裝夾方案更滿足于輕量化的設(shè)計(jì)要求,在保證車(chē)削精度的同時(shí),較少的裝配零件與簡(jiǎn)單的安裝方法更適合企業(yè)的大規(guī)模自動(dòng)化生產(chǎn)流水線。因此,筆者的研究成果與設(shè)計(jì)方案為同類型工作要求與裝夾方案的零件變形研究提供了重要參考,具有實(shí)用及推廣意義。