裝夾方式對細長軸零件車削加工精度影響的分析*

□ 張明艷 □ 張化平 □ 馬延斌

蘭州石化職業(yè)技術大學 機械工程學院 蘭州 730060

1 分析背景

在車削加工中,通常使用三爪或四爪卡盤夾持零件。此種裝夾方式應用于細長軸零件加工時,由于零件的剛性較差,在切削力的作用下,零件自由端產(chǎn)生較大的撓度變形,并且變形隨著刀具與零件相對位置的變化而變化,從而影響零件的加工精度。為了提高細長軸零件切削時的剛性,有人采用卡拉工具拉緊零件并反向走刀,也有人通過改變刀具幾何角度來減小切削力,或者采用雙刀車削法來抵消切削徑向力,以減小彎曲變形,但是這些方法需要使用專用夾具或刀具,從而提高加工成本[1-7]。對于細長軸零件,通常在車床加工時采用通用夾具一夾一頂或兩頂尖方式來裝夾,以提高細長軸零件切削時的剛性,減小切削變形對細長軸零件精度的影響。筆者基于Unigraphics軟件有限元分析方法,定量分析相同切削條件下,兩種不同裝夾方式對細長軸零件車削加工精度的影響。

2 約束

細長軸零件采用一夾一頂裝夾時,卡盤夾持零件長度遠小于零件總長,可視為短套定位。加工時卡盤夾持零件一端,使之與卡盤一起旋轉(zhuǎn),限制零件沿徑向移動和繞軸線轉(zhuǎn)動的三個自由度。零件另一端使用死頂尖裝夾,限制零件三個方向的移動自由度。

采用兩頂尖裝夾細長軸零件,在通常情況下,頂尖一端是固定的,與細長軸零件中心孔錐面配合,限制零件三個方向的移動自由度。另一個頂尖是活動的,可沿零件軸向微小移動,只限制零件沿徑向移動的兩個自由度[8]。

3 切削力

車削加工時,車刀作用于零件的切削力是多個因素綜合作用的結(jié)果,通常使用經(jīng)驗數(shù)據(jù)。為了便于分析,在切削主運動速度方向、切深方向、進給方向建立空間直角坐標系,將切削合力F在坐標系中分解為三個分力,即主切削力Fc(切向力)、吃刀抗力Fp(徑向力)、進給抗力Ff(軸向力),如圖1所示[9]。

▲圖1 零件受力分析

4 變形

根據(jù)約束分析可知,兩種裝夾方式均使細長軸零件成為超靜定結(jié)構(gòu),零件兩端面理論上不可能產(chǎn)生徑向位移,零件其它位置的徑向位移與車刀位置有關。當車刀移動至細長軸零件中點時,彎矩最大,此時細長軸零件具有最大的撓度變形。

5 有限元分析

Unigraphics是集計算機輔助設計、制造、工程等應用模塊于一體的軟件,其仿真功能模塊集成有限元分析功能,提供線性靜力分析、線性屈服分析、穩(wěn)態(tài)分析。利用Unigraphics軟件進行有限元結(jié)構(gòu)力學分析時,通過對模型施加載荷進行數(shù)值模擬,分析應力與應變,從而達到有限元分析的目的。

Unigraphics軟件有限元分析的主要步驟為創(chuàng)建有限元模型,施加載荷并求解,查看分析結(jié)果。

(1) 參數(shù)設置。某細長軸零件長度為750 mm,直徑為30 mm,材料為45號鋼,材料密度為7.8 g/cm3,泊松比為0.3。設車削加工切削速度vc為100 m/min,進給速度f為0.5 mm/r,背吃刀量ap為1.5 mm,采用經(jīng)驗公式計算出主切削力Fc為1 322 N,吃刀抗力FP為423 N,進給抗力Ff為170 N。

(2) 創(chuàng)建工件模型,劃分網(wǎng)格。在Unigraphics軟件建模模塊中創(chuàng)建圓柱形零件實體模型后,進入高級仿真模塊。在該模塊中為零件指派材料為鋼,使模型具有材料屬性。以圓柱體底面為源面,通過三維掃掠網(wǎng)格將模型劃分為邊長5 mm的六面體網(wǎng)格單元。

(3) 添加邊界約束條件。將裝夾方式的約束分析結(jié)果以用戶自定義的方式分別添加到細長軸零件的左側(cè)或右側(cè),構(gòu)成所有約束方式的集合,邊界約束條件將顯示在約束容器中,如圖2所示。

▲圖2 邊界約束條件

(4) 添加載荷。將細長軸零件車削加工時的三個切削力分別添加到細長軸零件中點截面的某一外圓點處,所有切削力將顯示在載荷容器中,如圖3所示。

(5) 有限元解算。以網(wǎng)格模型為基礎,新建仿真文件,在仿真文件中創(chuàng)建兩種約束條件下的解算方案,完成兩種裝夾方式下的有限元求解,如圖4所示。

(6) 后處理及分析。打開后處理導航器,設置結(jié)果選項中的布局方式為多個窗口,點擊兩種裝夾方式下解算結(jié)果中的位移-節(jié)點項目,并將節(jié)點位移云圖顯示在工作區(qū)域,如圖5所示。從圖5中可以看到,用一夾一頂裝夾方式加工細長軸零件時,最大位移量為0.738 mm,而用兩頂尖裝夾方式時的最大位移量為0.736 mm,最大位移量差值為0.002 mm。

▲圖3 切削力▲圖4 有限元求解

在結(jié)果標示中選擇全部節(jié)點為分析對象,分析計算兩種裝夾方式下細長軸零件整體的變形量,如圖6所示。從圖6中可以看出,一夾一頂裝夾方式時平均撓度為0.409 mm,而兩頂尖裝夾方式時平均撓度為0.408 mm,兩者相差0.001 mm。

在兩種裝夾方式下的結(jié)果標示中選擇變形最大的100個節(jié)點進行分析,分別計算平均撓度,如圖7所示。從圖7中可以看出,對于變形量最大100個節(jié)點的平均撓度,一夾一頂裝夾方式比兩頂尖裝夾方式大0.003 mm。

6 結(jié)束語

一夾一頂和兩頂尖裝夾方式用于細長軸零件車削加工時,就車削加工精度而言,兩頂尖裝夾方式稍高于一夾一頂裝夾方式,但沒有顯著優(yōu)勢,車削加工精度更多地由定位元件及零件定位基準精度決定。

▲圖5 節(jié)點位移云圖▲圖6 整體變形量▲圖7 平均撓度

因此,在一般情況下,可根據(jù)現(xiàn)場加工條件選擇裝夾方式,當細長軸零件加工精度要求很高而定位精度相同時,推薦選用兩頂尖裝夾方式。