光学瞄准镜镜身关键工序夹具优化设计

沈伟平， 王成， 贾超凡,

（1.南通百盛精密机械有限责任公司（南通大学研究生工作站），江苏 南通226300；2.南通大学 机械工程学院，江苏 南通226019）

0 引 言

作为野外狩猎和射击运动等枪械的主要组成部分之一，光学瞄准镜是决定枪支瞄准精确度的重要部件之一，而镜身零件（如图1）作为光学瞄准镜的关键零部件，加工质量的好坏直接影响到光学瞄准镜的精度及档次[1-2]。由于镜身零件加工精度要求高，要想加工出高精度的光学瞄准镜镜身，涉及到基础工业能力的各个方面：金属材料和工艺、刀具种类和结构、加工方式等[3-5]。同时，光学瞄准镜镜身零件属于薄壁件，在装夹过程中极易发生不同程度的加工变形，使得设计夹具时必须考虑零件变形问题。

在国外，光学瞄准镜镜身的加工已拥有较为成熟的技术。如德国Hensoldt、Schmidt & Bender、日本尼康、美国RNO等公司，采用高档的数控专用设备加工光学瞄准镜镜身，加工精度、生产效率和柔性化程度高，适应于光学瞄准镜多品种小批量的市场需求特点[6]。同时，国外厂家已研发出光学瞄准镜镜身精密加工专用金刚石刀具及其工艺技术，实现切削过程中小尺寸空间内的自动导出和断屑，保证了工件加工表面质量[7-9]。

图1 光学瞄准镜镜身零件

在国内，光瞄镜的产量已占世界民用光瞄镜产量的70%，但目前该产业的继续发展受到了两大突出问题的制约：一是该产品为低精度的中低档瞄准镜，其附加值较低；二是镜身零件加工的生产自动化水平和效率低。其原因是国内在高精密光瞄镜镜身的切削刀具、加工工艺及适应不同系列规格镜身的柔性化制造装备方面存在瓶颈，高精度光瞄镜加工装备落后等[10-11]。因此，提高国内光瞄镜镜身高精密制造水平已经迫在眉睫。

基于上述问题，本文以光学瞄准镜镜身零件为研究对象，结合南通市应用研究项目，设计一种光学瞄准镜镜身关键工序的专用夹具，并基于拓扑优化对夹具结构中的关键部件进行优化。通过分析镜身零件关键工序的结构特点及加工工艺，结合专用夹具的设计方法，设计零件关键工序目镜端的定位与夹紧方案，完成专用夹具结构方案的设计；基于ANSYS Workbench软件对夹具中关键部件夹紧弹性件进行有限元静力学分析，并在此基础上进行拓扑优化设计，从而减少整个夹具系统的质量，有利于提升夹具稳定性，缩短零件的加工流程，提高镜身零件的加工效率及表面质量。

1 镜身关键工序专用夹具设计

光学瞄准镜镜身零件属于薄壁件，且目镜端工序的加工内容多、节拍短、精度要求高，而传统的“工序分散”已经不能满足生产高精度产品的需求[12]。为此，设计一种目镜端专用夹具，既能合理集中加工工序，又能使得工件在加工过程中始终保持正确的位置，从而提高工件生产效率和加工精度。

1.1 加工工艺分析

光学瞄准镜镜身材料为铝合金7075系列，该材料具有高强度、高硬度、良好的力学性能等特点，适用于制造要求强度高、抗腐蚀性能强的高应力结构体，已经成为军用、民用飞机的首选材料[13]。图2所示为光学瞄准镜镜身结构示意图，其中零件的右侧部分为目镜端。该零件的结构特征是：镜身外圆柱面上切割一个与轴心线平行的凹槽；目镜端的内孔为直线短圆柱段；目镜端的壁厚较薄。该零件的特点是材料刚性差、薄壁，加工过程中的变形是最大的问题。零件加工中产生的径向夹紧力将导致径向变形，并且切削力将导致零件的局部变形。

图3为镜身零件目镜端局部放大示意图。目镜端外径D2=（30±0.05）mm，内径d2=（26±0.05）mm，槽的左侧外径D1=（26±0.05）mm，内径d1=（24±0.05）mm，d1、d2内孔与联合基准A-B的同轴度要求为φ0.06 mm，目镜右端面与参考基准面B的垂直度要求为0.05 mm。目镜端右侧的短圆柱段孔的壁厚为2 mm，靠近槽左侧的长圆柱段孔壁厚为1 mm。由零件图可知，工件目镜端精车工序的主要加工表面为d2的内表面、D2的外表面、目镜端右端面及车削D2表面上M32×0.6-6h的螺纹。由零件的加工技术要求可知，既要保证零件的同轴度、壁厚，又要尽可能地防止加工变形，这是零件切削过程中的最大难点。

图2 光学瞄准镜镜身结构示意图

图3 零件目镜端局部放大示意图

因此，针对本道工序，在加工之前，应设计合理的专用夹具并选择合适的切削用量进行切削加工。刀具选择硬质合金涂层车刀，车削切削用量的选择参考《切削用量手册》并结合实际生产的加工经验来确定，具体工艺参数如表1所示[14]。

表1 目镜端精车工艺参数

1.2 定位方案设计

由于零件结构特殊，属于薄壁件，定位时既要保证零件有正确的位置，还应增加零件的整体刚度，以满足零件的加工需求。因此，工件定位方案采用定心、夹紧机构的原理，以光学瞄准镜镜身物镜端内孔的圆锥面、目镜端外圆及端面为工件的定位基准，以定位套、定位心轴、夹紧弹性件等为定位元件，同时实现工件的定位与夹紧。其中，夹紧弹性件与工件表面接触，属于定位和夹紧元件。图4为镜身零件目镜端专用夹具定位夹紧结构示意图，图5为光学瞄准镜目镜端夹具与主轴装配关系图。

夹具定位方案采用定位套与夹紧弹性件以锥面相配合的方式，在一定程度上可以保证定位元件与工件的同心度。同时工件左端设有定位心轴，为保证零件的壁厚均匀，达到加工零件同轴度φ0.06 mm的设计要求，后定位轴的整个圆柱表面与镜身部分的物镜端的内圆柱表面接触，以增加该部件的整体加工刚度。后定位轴末端与后定位弹簧套配合，弹簧套左侧外壁上设有台阶，内部具有圆锥面，且弹簧套左端紧靠后定位锥套，锥套设于定位锥座内。

图4 工件目镜端定位和夹紧结构示意图

图5 光学瞄准镜目镜端夹具与主轴装配关系

1.3 夹紧方案设计

工件定位后，还应确保在切削过程中不会产生振动或者位置变化，因此有必要设计相应的夹紧机构，以确保工件位置牢固可靠[15-16]。由于光学瞄准镜镜身是一个薄壁件，在夹紧过程中容易发生变形，因此，采用夹紧位置包容性夹持的方式来防止零件的变形。夹紧方案采用弹性套夹紧工件、压紧螺母不脱开等一系列方法，来实现工件目镜端夹紧动作的完成。目镜端夹紧装置的结构如图4、图5所示。

夹紧机构的动力源来自于机床主轴旋转的动力，当机床通过带动夹具体向左移动时，带动压紧螺母压紧与其接触的夹紧弹性件圆锥面以产生垂直于圆锥面的压力，该压力产生的径向分力使夹紧弹性构件压紧工件。

1.4 专用夹具结构设计

光学瞄准镜镜身目镜端内孔、外圆、螺纹等工序加工时以物镜端外圆、目镜端外圆和目镜端端面为定位基准。专用夹具三维模型及实物如图6所示，由套筒、套筒螺母、主轴短锥套、定位套、夹紧弹性件、压紧螺母及定位心轴等部分组成。其中，套筒与套筒螺母采用螺栓连接，主轴短锥套与套筒相配合连接在主轴上，套筒螺母通过卡口销与压紧螺母上的径向槽相配合，压紧螺母与夹紧弹性件通过圆锥面A相配合，同时，弹簧心轴、定位套弹簧安装在定位套上，定位套与夹紧弹性件通过锥面相配合，实现对工件的包容性夹持。

图6 目镜端专用夹具三维模型及实物图

1.5 专用夹具工作原理

工件在装夹的过程中，光学瞄准镜目镜端专用夹具依靠主轴提供动力，通过夹具套筒螺母上的卡口销与压紧螺母上的径向槽配合，定位套锥面与套筒锥面配合，主轴正转带动套筒螺母旋转一定弦长后带动压紧螺母向左移动，后定位装置利用后定位弹簧套的轴向推力变形特性，实现工件物镜端的预定位。当主轴继续正转时，带动压紧螺母压紧夹紧弹性件的圆锥面A，并产生垂直于该圆锥面的压力。该压力产生的轴向分力会带动工件紧靠物镜端内置弹性件的台阶，同时对后定位弹性件产生轴向推力实现零件的轴向定位；其产生的径向分力会迫使夹紧弹性件压紧工件，且夹紧力的大小可精确控制。

2 夹具关键部件的优化设计

有限元静力分析用于计算固定载荷下结构的响应，如位移、应力、应变等。对于固定载荷，结构静态分析也是固定的。静态分析中的固定载荷和响应是基于它们随时间变化非常缓慢的一种假设。通常，静态分析处理的载荷通常包括位移载荷、稳定的惯性力、外部施加的力、温度载荷和能量流载荷[16-19]。

由于车床专用夹具部件结构复杂且数量多，因此不可能对夹具中的每个部件都进行静态分析与优化，所以选取夹具的关键部件夹紧弹性件作为研究对象，它的结构性能直接影响着夹具的加工精度、效率和可靠性。

2.1 夹紧弹性件的静力学分析

基于SolidWorks软件构建夹紧弹性件的模型，再将其导入Workbench分析软件，三维模型及实物图如图7所示。设置夹紧弹性件的材料为弹簧钢，其弹性模量E=2.06×105MPa，泊松比μ=0.29，密度ρ=7.81 g/cm3,屈服极限为σs=784 MPa。考虑到分析的计算时间、精度和网格划分能力，设置单元数量单位类型是Solid186(3D20N)。ANSYS Workbench提供的三维几何网络划划分主要包括自动划分方法、四面体划分法和多区划分方法。对夹紧弹性件网格划分时需要注意网格密度、分析精度、求解速度、网格质量等，夹紧弹性件的网格划分如图8所示。

在ANSYS Workbench对夹紧弹性件施加载荷和约束条件。当夹具安装在车床的工作台时，刀具车削光学瞄准镜镜身零件目镜端端面及内轮廓等工序时，受到切削力作用。

图7 夹紧弹性件三维模型及实物图

图8 夹紧弹性件网格划分示意图

切削力的计算主要采用如下所示经验公式：

根据车削指数公式及切削用量手册，获得上述指数和系数的取值，并把vc=210 m/min，f=0.01 mm/r，ap=0.5 mm及上述系数的值代入公式中，得到：Fc=71.25 N, FP=35.63 N, Ff=22.96 N，F=82.91 N。

车削过程中，夹紧弹性件的内表面直接与工件接触，是受到冲击力最大的区域，这也是产生变形的主要原因。最后，全约束夹紧弹性件与压紧螺母接触面，并求解有限元模型。

夹紧弹性件的应力分析。夹紧弹性件等效应力如图9所示。由图9可看出，当零件目镜端专用夹具处于极限工作状态时，夹紧弹性件的最大等效应力是159.23 MPa。由于夹紧弹性件的材料为弹簧钢，屈服强度为784 MPa，它的最大等效应力远小于材料本身的屈服强度。因此，夹紧弹性件不会因此发生损坏，这为后续的优化设计提供了很大的设计空间。

图9 夹紧弹性件等效应力图

夹紧弹性件的刚度分析。夹紧弹性件的等效位移图如图10所示。从夹紧弹性件的变形云图可得到，夹紧弹性件的最大位移为0.002 242 7 mm，并且仅有夹紧弹性件圆锥面边缘处的变形是相对较高的值。因此，当车床专用夹具处于极端工作状态时，夹紧弹性件与工件接触面的边缘处变形程度最大。从图10中可以看出，在车床专用夹具加工过程中夹紧弹性件所引起的弯曲变形与强度分析结果一致。

图10 夹紧弹性件变形云图

2.2 夹紧弹性件的优化设计

从上述的静力学分析结果可以看出：夹紧弹性件在进行加工时的强度和刚度均满足要求，其强度和刚度都存在很大的冗余，设计相对保守，有很大的优化空间。因此，利用ANSYS Workbench软件中的拓扑优化模块，对夹紧弹性件结构进行优化，可达到提高夹具性能和轻量化设计的目的。

拓扑优化法是一种基于已知约束解决给定区域内的材料分布问题的结构设计方法，从而最大化结构的刚度或使输出位移、应力等满足规定要求[20]。基于连续体拓扑优化理论，建立优化数学模型，利用ANSYS Workbench软件进行求解，不仅可以缩短设计周期，还可以解决传统设计方法无法解决的复杂夹具结构设计问题[21]。拓扑优化的主要步骤如下：

1）建立拓扑优化分析模块。对于结构优化分析，首先对其进行静态分析。从Workbench界面左侧工具栏中双击静态分析模块，然后将拓扑优化模块拖到静态分析模块的“Model”项中，如图11所示。

图11 拓扑优化分析模块

2）施加载荷和约束。夹紧弹性件的三维模型在SolidWorks软件建立完成后导入ANSYS Workbench中，设置单元类型、材料属性等参数，点击Setup进入拓扑优化界面后，在左侧结构树中找到Shape Optimization，并且对夹紧弹性件施加的载荷和约束，如图12所示。

3）定义优化目标。在拓扑优化界面左侧结构树中找到Shape Finder，选中模型后，在target reduction中设置优化目标，如图13所示。

4）对优化过程进行定义和控制。通常，ANSYS中优化计算的主要过程如下：a.定义优化函数；b.定义优化目标或约束条件；c.初始化优化过程；d.执行优化计算。

5）后处理。拓扑密度值的范围为0～1.0。其中，高数值区域表示材料应被保留下来，低数值区域则表示材料可以被移除，且不会影响零件的强度或固有特性等指标。基于所选的阈值可以得到零件拓扑优化后的质量、体积和原始体积、质量之间的比较，以便帮助用户进一步确定“更优化”拓扑结构。拓扑优化后的计算结果如图14所示。

图12 拓扑优化分析设置示意图

图13 拓扑优化目标的设置

2.3 夹紧弹性件的优化结果

根据拓扑优化结果（如图14）及夹紧弹性件在加工中的使用情况，对原来的夹紧弹性件的结构做出以下改动：挖空夹紧弹性件与定位套之间的前端部分接触面，优化后的夹紧弹性件的设计模型如图15所示。静力分析验证结果如图16、图17所示。

从上述静力分析验证结果可以得到，改进后夹紧弹性件的最大应力从原方案的159.23 MPa 增加到185.8 MPa，最大变形量变化不大。夹紧弹性件在优化前的质量为0.337 45 kg，如图18所示。通过优化后，在SolidWorks软件中重新建模，其质量为0.301 07 kg，总体质量减少了10.8%，减小了夹具的惯性矩并改善了夹具的整体性能。

图14 拓扑优化求解示意图

图15 优化后的设计模型

图16 夹紧弹性件的应力云图

图17 夹紧弹性件的变形云图

图18 夹紧弹性件优化前的质量

优化后的夹紧弹性件在固定载荷作用下的最大应力为185.8 MPa，远小于其许用应力，满足强度要求。通过优化使夹紧弹性件的应力分布更加均匀、合理，且在保持原强度和刚度的情况下减少了约10.8%的质量。通过拓扑优化，减轻了镜身零件目镜端专用夹具的整体质量，有利于提高夹具的整体稳定性和最大的材料利用率，从而保证零件的加工质量。

3 结 论

1）本文以光学瞄准镜镜身为研究对象，针对零件刚性差、加工易变形和精度难以保证等问题，设计出零件目镜端专用夹具，采用有限元法对夹具关键零部件夹紧弹性件进行分析，在此基础上对其进行拓扑优化。

2）分析了光学瞄准镜镜身目镜端的结构特点和加工要求，采用定心、对中夹紧装置的原理设计相应的专用夹具。其中，采用夹紧弹性件作为工件的定位、夹紧元件，同时后定位轴采用全圆柱面接触，提高零件的整体刚度。

3）基于ANSYS Workbench平台对专用夹具的关键部件夹紧弹性件进行有限元分析，得到夹紧弹性件的应力和位移分别为98.892 MPa和2.2427×10-3mm，符合夹具的设计要求。

4）基于ANSYS Workbench中的Shape Optimization模块对夹紧弹性件进行拓扑优化，优化后的夹紧弹性件在固定载荷作用下的最大应力为185.8 MPa，远小于其许用应力，满足强度要求，且应力分布更加均匀、合理。在保持原强度和刚度的情况下，优化后的夹紧弹性件质量减少了约10.8%，减轻了镜身零件目镜端专用夹具的整体质量，提高了夹具的整体稳定性和材料利用率。