有限元分析在加工轮毂液压夹具柔性化设计中的应用

王海军，陈红霞，董书文，朱振芬，吴彦芬

(中航工业哈尔滨发动机(集团)有限公司，哈尔滨 150066)

有限元分析在加工轮毂液压夹具柔性化设计中的应用

王海军，陈红霞，董书文，朱振芬，吴彦芬

(中航工业哈尔滨发动机(集团)有限公司，哈尔滨 150066)

轮毂是汽车工业中种类繁多、形状复杂、安全性能要求高、市场需求量大的一类关键零部件。随着市场需求的不断扩大，轮毂产品要在保证精度和产品使用性能的前提下，不断提高其生产效率，所以柔性化的、装夹快捷的工装夹具的使用是及其必要的。针对轮毂的特点，论文利用有限元分析方法，研究了轮毂夹具的特点及其材料的选用，分析了夹具关键零部件的力学性能，模拟计算出零件的屈服强度及最大应力。优化的设计方法和全面的分析计算，保证了轮毂液压夹具的实用性及优越性。

柔性化;强度分析;有限元;屈服强度;最大应力

0 引言

随着市场经济的不断发展，专一化和单一化的工装夹具已经无法满足市场商品多样化的要求。同时，机械化生产方式也逐渐被数控智能化生产方式所代替，因此通用性强、柔性化高的工装夹具也应运而生，柔性化和模块化设计也随之成为工装夹具设计的发展方向［1］。其中，车辆轮毂的生产线即是一个典型的范例。由于轮毂的形状复杂，精度要求高、种类繁多，市场需求量大，并且将打入国际市场与知名的车厂配套，市场对轮毂的质量要求越来越高。缩短工艺装配的设计、制造周期以及产品换型后对原有工装夹具的利用，都是提高轮毂产品的生产质量和数量的有效途径。所以，机械制造业欲适应这种变化就必须具备较高的柔性。国外已把柔性制造系统作为开发新产品的有效手段，并将其作为机械制造业的主要发展方向。柔性化的着眼点主要在机床和工装两个方面，而夹具又是工装柔性化的重点。轮毂数控液压生产线夹具的设计就是在某些零部件高度标准化、规格化、系列化的基础上发展起来的，由预先制造好的一整套各种形状、规格、具有互换性和耐磨性的原件组装而成［2］。

1 零件结构工艺分析及夹具设计方案

如图1所示，完整的轮毂轮廓加工至少分两个工序。工序1用毛坯断面及内锥度面进行定位;工序2以加工过的内孔作为径向基准，端面作为轴向基准。夹紧均利用两侧的轮缘。

图1 轮毂定位基准图

1.1 工序结构及原理

如图2所示，第Ⅰ工序时，主轴拉杆在液压的控制下拉动螺纹套，螺纹套带动支点座在三个带有关节轴承的导柱上实现轴向运动。此时支点座上的三个压爪正好在两个销轴的作用下实现打开和闭合。螺纹套与支点座采用关节球面式连接可自动调心［3］。由于零件的中心定位基准是未加工过的带有角度毛坯面，因此选用带有浮动锥度的定位面可以消除定位间隙，以提高定位精度。弹力的大小完全由12个弹簧经过效力来实现。支点座导柱关节轴承的使用直接改善了由于毛坯表面质量引起的压力不均衡造成的压爪受力不一致现象。保险机构的安装也大大的增加了此套工装的安全性能，提高了安全指数。浮动基准环上的两组环槽、夹具主体底板上六组安装轴向定位座的螺纹孔、快换式压爪销轴结构，都可以更换成不同级别、不同规格的标准件，实现同一套工装夹具加工13－18英寸不同型号的轮毂。柔性化夹具的设计，使其使用范围大大扩大，提高了轮毂的生产效率和降低了工装夹具的制造成本，同时也满足了市场对轮毂的多样化需求。

1.2 工序Ⅱ结构及原理

如图3所示，第Ⅱ工序时，拉杆带动螺纹套(件1)向右运动时，压爪沿滑槽逐渐打开，端盖(件11)顶住底套(件14)带动锥杆(件18)向右运动，此时弹簧涨套恢复自由状态，安装待加工的零件。安装结束后，在程序控制下拉杆向左运动，端盖与底套脱离，在弹簧力的作用下，锥杆向左运动此时零件自动定心。压爪又沿槽向左滑动实现了工件夹紧。涨套自动定心机构大大的提高了定位精度，消除了零件自身的公差对精度的影响［4］。压爪上安装的保护垫，降低了磕、打、压伤的情况，提高了产品的表面质量。该工程同样，通过更换不同型号和级别的压爪、轴向定位座、涨套，即可实现对不同型别轮毂的加工。该工程中心定位机构的使用大大提高了第一工程和第二工程对接的质量，极大的改善了轮毂外壁的质量［5］。

从工序Ⅰ、工序Ⅱ的结构原理图中我们可以看出，该生产线实现了夹具基体的共用，实现了中心机构的互换和各零组件的配合使用，提高了轮毂产品生产的标准化、系列化和规格化程度。

图2 工序Ⅰ夹具结构图

图3 工序Ⅱ夹具结构图

2 夹具标准配件(13－18寸轮毂适用)及安装方式

图4所示是适用于13－18寸不同尺寸轮毂的压爪。压爪的使用性能的好坏直接影响着整套工装的使用寿命和安全可靠性。它的材料采用抗拉强度大、淬透性好、强度高的42CrMo。该材料在电加工过程中易出现表面龟裂等质量缺陷，形成应力集中点，降低使用寿命。为避免压爪断裂发生安全事故，在设计的过程中要通过受力分析和强度校核来确定液压缸的功率和型号。

图4 适用于13－18寸不同尺寸轮毂的压爪

3 夹具关键件受力分析及强度校核

3.1 计算方法与程序

采用ANSYS10.0软件进行分析计算。所使用的几何实体模型由UG软件建立，根据计算需要进行必要的修复和简化后读入几何模型，如图5所示，完成前处理建模工作并划分网格，施加边界条件。

图5 几何模型

3.2 有限元网格模型

计算模型使用六面体单元进行有限元网格划分，共生成176407个节点，39164个体单元。有限元网格模型见图6所示。

图6 有限元网格模型

3.3 计算的原始数据

(1)材料

(2)边界条件

为分析其断裂原因，分析5种不同油压载荷下的情况，载荷及边界情况见图7所示。各不同工况下的油缸的压强为P，详见表1。拉动油缸面积为290cm2，由3个压爪等分油压拉力，压紧部分固定及基准座Ⅰ固定。

表1 不同工况下的油压及其等效拉力

4 计算结果与结论

经过计算得出，危险截面为压爪靠近根部位置如图8所示，各种不同工况下的应力如图9～图13所示，其最大应力σmax以及工作状态下的安全因数如表2所示。

表2 最大应力σmax及安全因数表

5 液压缸的功率和型号

当油压达到20个大气压时，其最大应力就已经超过材料的屈服极限(屈服极限σs=930MPa)，当油压达到22个大气压时其最大应力为1030Mpa，与断裂极限非常接近(断裂极限σb=1080MPa)。为了确保压爪具有足够的安全裕度，须保证工作状态下油缸的压强不高于15个大气压。

该生产线经实践使用，各项性能指标均很好，产品精度明显提高，生产率也有了很大的提高。

6 生产线工装特性及优点

(1)轻型化的设计，减轻机台的负荷，以增长机台的寿命。

(2)高速回转高稳定性是本夹具的优势。它的动平衡精度等级为G2.5，推荐的最大转速为 n=1500rpn。

(3)在高速旋转的状态下，由于设有保险爪，安全指数高。

(4)多样的定位方式，可以依据加工件不同的工序选择适当的定位方式。

(5)加工范围广，适应性强，通过互换(定位盘、定位座、夹爪)标准件，可加工13－18英寸轮毂的全部外形。

7 结束语

数控生产柔性液压夹具的优化设计，将使轮毂生产水平上一个台阶，并可将该套工装的设计思路进行推广，值得其它技术领域的学习借鉴。

［1］曾正明.机械工程材料手册(金属材料)［S］.北京:机械工业出版社，2003.

［2］航空制造工程手册［S］.北京:航空工业出版社，1995.

［3］成大先.机械设计手册［S］.北京:化工工业出版社，2008.

［4］李增志.组合夹具组装技术手册［S］.北京:中国航空工业出版社，1997.

［5］张松林.轴承手册［S］.江西:江西科学技术出版社，2004.

(编辑 李秀敏)

Finite Element Analysis in Flexible Hydraulic Fixture Design

WANG Hai-jun，CHEN Hong-xia，DONGWen-shu，ZHU Zhen-fen，WU Yan-fen
(AVIC Harbin Dong’an Engine(Group)Corporation LTD.，Harbin 150066，China)

Wheels is a class ofkey components in the automotive industry,it has aw ide range of complex shape,demands of high safety performance w ith big market requirements W ith the market demand continues to expand,the production efficiency must be improved and also ensure the accuracy and performance,so it is necessary to use flexible and fast clamping fixture.Considered Characteristics of the wheel,we use the finite element analysis to study the characteristics ofwheel clamps and how to select thematerial.We analysis themechanical properties of the key parts of the fixture and calculate the yield strength and themaximum stress by simulation.The optimized designmethods and comprehensive analysis keep the hydraulic fixture be practical and superiority.

flexible;strength analysis;finite element analysis;yield strength;maximum stress

TH161.12;TG751.9

A

1001－2265(2011)06－0033－04

2010－11－09

王海军(1971—)男，中航工业哈尔滨发动机(集团)有限公司高级工程师，主要研究方向为机械-工装设计，(E－mail)dagj401@163.com。