基于裝夾布局的環(huán)形薄壁零件柔性夾具研究

韓 軍 沈偉東 趙震堯 董冰洋 邵 帥 龐楠楠

（內(nèi)蒙古科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

薄壁零件具有重量輕、強(qiáng)度高和加工余量少等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用[1]。但不合理的裝夾方式會(huì)引起薄壁零件的裝夾變形，使其質(zhì)量得不到保證。

裝夾方案影響薄壁零件的加工質(zhì)量，為減少零部件的變形，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)不合理裝夾導(dǎo)致零件變形問題進(jìn)行了大量的研究。王東[2]利用液壓系統(tǒng)控制多個(gè)柔性夾具單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)具有不同裝夾面的結(jié)構(gòu)件快速自動(dòng)定位、夾緊。馬鵬舉等[3]根據(jù)有限元模態(tài)分析和頻率響應(yīng)分析設(shè)計(jì)了一種基于調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的抑振輔助夾具，提高了固有頻率、降低振動(dòng)幅值。汪際雄等[4]采用設(shè)計(jì)專用夾具，優(yōu)化了飛機(jī)薄壁支座零件加工工藝的方案。Yu J H 等[5]提出了一種能夠?qū)ぜM(jìn)行零應(yīng)力裝夾，能夠消除工件的殘余應(yīng)力，減少工件的加工變形。

本文利用有限元軟件Abaqus 仿真分析不同裝夾布局下零件的變形量，探討最優(yōu)裝夾布局，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一款專用夾具，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。通過制定合理的工序，進(jìn)行仿真加工和實(shí)際銑削，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的專用夾具能夠減少零件變形。

1 環(huán)形薄壁零件結(jié)構(gòu)及裝夾方案分析

環(huán)形薄壁件圖如圖1 所示。

圖1 環(huán)形薄壁件圖

環(huán)形薄壁零件外徑為514 mm，徑向厚度最小為3 mm，6 個(gè)?10 mm 的盲孔、12 個(gè)支耳和6 個(gè)工藝凸臺(tái)沿圓周均勻分布。

針對(duì)零件，傳統(tǒng)裝夾如圖2 所示，傳統(tǒng)加工零件尺寸見表1。傳統(tǒng)裝夾多采用軟三爪卡盤，夾具與零件近似于線接觸，受力面積小，接觸點(diǎn)應(yīng)力集中，零件承受較大的徑向擠壓應(yīng)力，零件變形較大，加工精度難以保證。

表1 傳統(tǒng)裝夾零件尺寸比較

圖2 傳統(tǒng)裝夾圖

本文以減小零件裝夾變形為目標(biāo)，進(jìn)行裝夾布局優(yōu)化。新設(shè)計(jì)裝夾布局如圖3 所示，夾緊元件由軟三爪調(diào)整為與零件外徑相同的扇形元件，通過在Ai（i=1,2,3,···）上施加徑向力Ri（i=1,2,3,···）夾緊工件，這種裝夾布局增大了夾具與工件的接觸面積，零件的受力分散[6]。

2 裝夾布局變形有限元分析

2.1 幾何模型

使用 UG 三維軟件建立環(huán)形薄壁零件與扇形元件的幾何模型，并將其輸入Abaqus 中，對(duì)其進(jìn)行了應(yīng)力模擬和計(jì)算[7-8]。

2.2 材料屬性

環(huán)形薄壁件的材料為2A12 鋁合金，扇形元件材料為碳鋼。室溫下零件的材料屬性見表2。

表2 材料屬性

2.3 接觸設(shè)置

扇形元件和零件采用面接觸模型，夾緊元件與零件之間接觸的切向行為采用罰摩擦公式，摩擦系數(shù)設(shè)置為0.2。

2.4 網(wǎng)格劃分

此次仿真選擇單元類型為八結(jié)點(diǎn)線性六面體單元（C3D8R），共劃分17 840 個(gè)單元。

2.5 銑削力計(jì)算

零件加工過程中受到銑削力的作用會(huì)發(fā)生變形，因此對(duì)精加工、半精加工階段的不同裝夾布局方案進(jìn)行有限元分析，計(jì)算環(huán)形薄壁零件的變形量。保證設(shè)計(jì)的裝夾布局方案能夠滿足零件加工精度要求，銑削力的通用公式為[9-10]

式中：C為銑削條件系數(shù)；v為銑削速度；ap為銑削深度；f為進(jìn)給量；ae為銑削寬度；d為刀具直徑。

將式（1）等號(hào)兩邊取對(duì)數(shù)并轉(zhuǎn)換為線性方程可得：

按照四元線性模型轉(zhuǎn)化可得線性方程為

通過數(shù)據(jù)回歸分析得到銑削力在x軸、y軸、z軸3 個(gè)方向分力的指數(shù)公式：

半精加工零件時(shí)易發(fā)生變形，在此處分析不同裝夾布局零件的變形量，將此時(shí)的v=68 m/min、ap=6 mm、f=780 mm/min、ae=1.6 mm、d=10 mm、切削液k=1 代入式（4），計(jì)算得到Fx=107 N，F(xiàn)y=179.3 N，F(xiàn)z=36.1 N。

實(shí)際加工中，約束力為銑削力乘以安全系K，實(shí)際約束力公式為

式中：鋁合金切削系數(shù)CF=167；修正系數(shù)kF=1.0；ae=0.05；d=0.5 mm；每齒進(jìn)給量af=0.08 mm；d=10 mm；齒數(shù)z=4；ap=6 mm；鋁合金材料的基本安全系數(shù)K0=1.5；加工性質(zhì)因數(shù)K1=1.2；刀具鈍化因數(shù)K2=1.3；切削特點(diǎn)因數(shù)K3=1.0。將數(shù)據(jù)代入式（5）中求得實(shí)際約束力為F=115.8 N。

2.6 仿真結(jié)果

有限元仿真結(jié)果如圖4～圖7 所示，不同裝夾布局變形量見表3。從夾具的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度、夾緊變形量滿足加工精度要求、便于拆卸考慮，選擇六點(diǎn)裝夾布局。

表3 裝夾元件數(shù)量和變形量

圖4 三卡爪變形量

圖5 四卡爪變形量

圖6 五卡爪變形量

圖7 六卡爪變形量

3 專用夾具設(shè)計(jì)及分析

3.1 夾具機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)有限元仿真得到的裝夾布局方案，設(shè)計(jì)一款專用夾具來抑制零件變形。設(shè)計(jì)專用夾具如圖8 所示。

圖8 專用夾具爆炸視圖

圓環(huán)平臺(tái)開有定位槽，借助螺母、壓板、墊鐵將夾具固定在工作臺(tái)上。圓環(huán)平臺(tái)沿圓周均勻分布六個(gè)T 形槽導(dǎo)軌，在其上有環(huán)形墊塊和扇形定位爪，定位爪的下表面形狀與零件毛坯外圓同心。轉(zhuǎn)盤上開有橢圓槽導(dǎo)軌和矩形花鍵孔，在下部有推力球軸承，支撐轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，圓環(huán)平臺(tái)底部有氣缸和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，連桿之間采用銷軸連接，利用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)將氣缸直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)為圓周運(yùn)動(dòng)。

3.2 夾具工作原理

專用夾具裝夾零件簡(jiǎn)圖如圖9 所示。

圖9 專用夾具裝夾零件簡(jiǎn)圖

T 形柱從圓環(huán)平臺(tái)上的T 形槽穿過，其外側(cè)頂部與定位爪相連，內(nèi)側(cè)有圓柱軸，圓柱軸滑動(dòng)設(shè)置在轉(zhuǎn)盤橢圓槽導(dǎo)軌中，矩形花鍵軸穿過轉(zhuǎn)盤上的矩形花鍵孔，使得矩形花鍵軸、轉(zhuǎn)盤、T 形柱和扇形定位爪成為一個(gè)整體。當(dāng)夾具裝夾環(huán)形毛坯時(shí)，氣缸通過曲柄滑塊機(jī)構(gòu)推動(dòng)矩形花鍵軸旋轉(zhuǎn)，在牽引力作用下帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，使定位爪和T 形柱沿著T型槽導(dǎo)軌向中心靠近，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)形毛坯的夾緊；松開環(huán)形毛坯時(shí)，氣缸活塞桿反方向工作，帶動(dòng)矩形花鍵軸和轉(zhuǎn)盤反方向旋轉(zhuǎn)，定位爪和T 形柱在推力的作用下沿著T 形槽導(dǎo)軌往遠(yuǎn)離中心的方向運(yùn)動(dòng)，解除環(huán)形毛坯的夾緊，扇形夾具元件回到裝夾前的位置，準(zhǔn)備下一次裝夾定位。

3.3 氣缸的計(jì)算選型

氣缸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠適應(yīng)惡劣環(huán)境，本次夾具執(zhí)行元件選擇氣缸。零件在裝夾的過程中，裝夾零件需要?dú)鈩?dòng)增壓和減壓動(dòng)作，在裝夾過程中要保證動(dòng)作平穩(wěn)，選擇單活塞桿雙作用氣缸作為執(zhí)行元件。

計(jì)算氣缸缸徑[11]：

式中：η=0.6；P=0.3 MPa。

氣缸要推動(dòng)花鍵軸旋轉(zhuǎn)，理論上：

因此求得氣缸內(nèi)徑為28.62 mm，查閱手冊(cè)取標(biāo)準(zhǔn)值為40 mm，活塞桿直徑為14 mm。

換向閥計(jì)算：

氣缸的耗氣量為

氣壓缸速度太高，氣缸密封圈摩擦生熱，導(dǎo)致磨損，縮短氣壓缸壽命；氣壓缸速度過小，因氣體具有壓縮性，活塞桿移動(dòng)不平穩(wěn)。通過查表選擇氣缸的平均速度V=50 mm/s。

根據(jù)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)確定氣缸的行程。氣缸運(yùn)動(dòng)軌跡如圖10 所示。F點(diǎn)為滑塊，連桿之間用銷軸連接。A點(diǎn)氣缸被完全固定在圓環(huán)平臺(tái)上，ED點(diǎn)連桿繞轉(zhuǎn)軸點(diǎn)D旋轉(zhuǎn)，OB點(diǎn)連桿繞花鍵軸點(diǎn)O旋轉(zhuǎn)。氣缸通過推動(dòng)ED點(diǎn)連桿使OB點(diǎn)連桿運(yùn)動(dòng)到OB′。AF為氣壓缸未工作時(shí)的行程，AF'為工作行程，通過在UG 中測(cè)量，氣缸的行程距離為

圖10 氣缸運(yùn)動(dòng)軌跡

氣缸運(yùn)動(dòng)軌跡如圖10 所示。

綜合考慮氣缸內(nèi)徑、活塞桿直徑、氣缸的運(yùn)動(dòng)速度，選擇亞德克SCF40×80SCB-08A作為夾具氣缸。

3.4 夾具定位分析

定位爪、環(huán)形墊塊構(gòu)成夾具的定位裝置。6 個(gè)沿圓周均布的扇形定位爪保證了對(duì)環(huán)形零件徑向定位，環(huán)形墊塊固定在圓環(huán)平臺(tái)上來保證軸向定位精度。環(huán)形墊塊限制了零件繞X軸和Y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，沿Z軸方向的移動(dòng)；扇形定位爪則限制了環(huán)形薄壁件繞Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，沿X軸和Y軸方向的移動(dòng)。零件的6 個(gè)自由度被完全限制。

3.5 夾具行程計(jì)算與分析

圓柱軸在橢圓槽里移動(dòng)帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤和扇形元件前進(jìn)或者后退，圓柱軸圓心到扇形元件下表面的距離為120 mm。轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖11 所示。

圖11 轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

OA線為橢圓大徑，長(zhǎng)度為150 mm，橢圓小徑為80 mm，角AOB為60°。當(dāng)T 形柱上的圓柱軸在點(diǎn)A時(shí)，此時(shí)為夾具的最大行程，用S1 表示。

點(diǎn)當(dāng)圓環(huán)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)60°，A點(diǎn)旋轉(zhuǎn)到A'點(diǎn)、B點(diǎn)旋轉(zhuǎn)到B'點(diǎn)，此時(shí)T 形柱上的圓柱軸在B'點(diǎn)，為夾具最小行程，OB'=88.144 mm。轉(zhuǎn)盤的最小行程為

4 加工工藝設(shè)計(jì)

4.1 刀具選擇

選用高速鋼刀具，加工時(shí)盡量減少換刀次數(shù)。刀具卡見表4。

表4 加工刀具卡

4.2 加工工序安排

遵循“先面后孔，先粗后精，先主后次，基面先行”的原則安排零件加工的工藝過程[12]。加工工序見表5。

4.3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

使用 DMU50 加工中心加工環(huán)形薄壁零件。采用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x對(duì)零件易變形區(qū)域檢測(cè)，結(jié)果見表6。銑削后的零件如圖12 所示。

表6 零件尺寸比較

采用專用裝夾方式加工出的零件均滿足圖紙公差要求，最大變形量控制在0.05 mm 之內(nèi)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明采用設(shè)計(jì)的專用夾具能夠減小零件變形。

5 結(jié)語

對(duì)于環(huán)形薄壁零件的加工，變形控制變得格外重要。本文通過有限元模擬分析不同裝夾布局的變形情況，設(shè)計(jì)了一款針對(duì)環(huán)形薄壁結(jié)構(gòu)的柔性專用夾具，該夾具可以通過氣缸和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)裝夾不同尺寸的能力，夾緊行程為416.29～540 mm。加工出的零件精度控制在0.05 mm 之內(nèi)，滿足零件公差要求，解決了加工零件變形較大的問題。