薄壁套筒零件装夹方案的有限元分析

□ 储晓猛

1.江苏高创机电制造有限公司 江苏镇江 212013 2.江苏大学基础工程训练中心 江苏镇江 212013

1 分析背景

鉴于结构功能的需要,薄壁零件广泛应用于工程中。然而,薄壁零件的加工生产对传统的切削工艺和装夹方式均提出了巨大挑战,刚度较差的薄壁零件在刀具切削力的作用下,容易产生振动和残余应力变形,并且还会受到来自装夹工具的夹紧力而产生变形,引起形位公差和表面粗糙度的不可控偏差,造成废品率的上升[1-3]。在加工误差中,由于装夹变形所产生的偏差占比为20%～60%,可见控制装夹变形对薄壁零件整体加工质量显得尤为重要[4]。

在这一背景下,越来越多的学者开展对工艺基础理论和装夹技术的研究与积累,并取得了丰硕的研究成果。Elsheikh等[5]借助激光位移传感器测得的试验数据,通过数值分析及后续算法调整,对薄壁金属圆盘工件的专用夹具进行改进优化,实现提升旋转工件在车削加工中装夹精度的目标。Xiong Li等[6]结合遗传算法和有限元分析的手段,深入对航空航天某柔性薄壁工件用夹具系统进行研究,最终提出了一种N-2-1-1新型夹具设计原理,并通过了实例的仿真验证。李卫清[7]分别从薄壁零件加工问题、装夹方法和车削加工技巧三个方面阐述薄壁件在车削加工过程的相关技术参数值,该研究成果为相关零件的生产和夹具设计提供了经验指导。张国政等[8]以某精密轴套件为研究对象,借助有限元分析软件,分别对单件和批量两种生产模式下的装夹工具进行研究分析,通过装夹工具的调整控制薄壁件的加工精度,经现场实测,最终加工结果显示设计的三爪卡盘与芯轴相组合的装夹方案拥有可靠的加工精度与效益。

上述研究结果表明,在相同切削加工条件下,采用不同装夹方式对薄壁件的制造精度有较大程度的影响。因此,为了解决某薄壁套筒类零件的外圆车削加工易产生工件变形的情况,笔者以装夹方案作为研究切入点,对其采用不同方案下工件的变形规律进行探究,以获得最优装夹方案,提升薄壁套筒类零件的加工质量,从而提高制程能力指数。

2 工艺分析

笔者以某薄壁套筒零件为研究对象,属于典型的薄壁结构,如图1所示。该零件材料为45号钢,除了需保证外圆及内孔尺寸精度为0.02～0.03 mm以内外,还要达到相应的形位公差,如同轴度φ0.03 mm、粗糙度Ra1.6 μm等技术要求。结合上述技术分析,可知加工难点为装夹过程中容易导致外圆柱及内孔装夹变形,从而造成加工误差超过设计所规定的技术要求。

▲图1 薄壁套筒零件

考虑到该零件要求按批量生产的方式进行工艺规划和装夹设计,结合零件结构及目前笔者所在单位的设备现状,拟采用数控车床与车削中心相组合的混合加工模式。根据加工面的不同,设计出该零件的加工工艺流程如下:OP10工序采用三爪卡盘夹持毛坯外圆,车加工左端面、内孔、内锥孔及其外圆、外螺纹等;OP20工序采用专用夹具夹持,车加工右端面、外锥面,并且铣削外圆表面处的梅花扳手槽。具体加工流程见表1。

表1 薄壁套筒零件加工流程

3 装夹方案设计

笔者以OP20工序为研究对象,参照上述对薄壁套筒零件的工艺分析可知,该工序所涉及的装夹方案优劣对零件的加工精度影响较大。为了满足薄壁套筒零件的相关技术要求,设计了轴向定位夹紧与径向定位夹紧两种不同的装夹定位方案。薄壁套筒零件的径向定位装夹方案如图2所示,其半剖视图显示主要由短芯轴、弹簧套、螺钉和锥度套组成。该方案通过短芯轴左侧阶梯外圆及端面对零件进行定位,通过弹簧套的膨胀内撑,实现对零件径向夹紧,夹具的工作原理及细节不再赘述。

▲图2 薄壁套筒零件径向定位装夹方案

薄壁套筒零件的轴向定位装夹方案如图3所示,半剖视图显示这一方案主要由长芯轴、开口垫片及螺钉组成。采用轴向定位装夹方案,通过长芯轴阶梯外圆及端面对零件进行定位,通过开口垫片及螺钉实现零件的轴向夹紧。夹具的工作原理及细节在此处同样不再展开。

▲图3 薄壁套筒零件轴向定位装夹方案

从薄壁套筒零件可加工角度分析,上述两种方案均可实现对OP20工序的车削及铣削加工,然而从加工质量与制程能力指数角度考虑,这两种装夹方案所带来的结果却迥然不同,为了能够从上述两种装夹方案中筛选出最优方案,笔者对此开展两种方案下的静力学分析,通过对薄壁套筒零件的位移变形与应力大小进行综合评比,即可获知方案的优劣。

4 有限元分析

有限元分析共分三步:仿真预处理、前处理设置、仿真结果分析。仿真预处理用于了解并掌握已有数模对象相互之间的几何位置关系及装配关系,并对相关模型进行简化处理,而其中的一些细微特征,如微小倒角、圆角、螺纹特征等,对静力学仿真分析结果影响不大,如果直接纳入数值计算,那么网格划分质量降低的同时,计算时间也会较冗长,并且对计算机硬件会存在较大的挑战,因此需要对细微特征进行简化处理,并在模型简化处理完成之后进行整体装配和绝对坐标系的建立[9]。参照上述步骤,完成两种装夹方案在仿真计算前的模型简化处理步骤。

然而,在仿真前还需对各零件的材料及力学性能参数进行查阅,由于这两种装夹方案在设计之初重点关注可行性与加工成本,因此除弹簧套选用65Mn弹簧钢外,其余材料均为45号钢,两种材料的力学性能参数见表2。

表2 材料参数

在NX软件有限元分析模块中,进行FEM与SIM仿真设置。FEM设置主要是定义仿真对象的三大属性及网格单元的划分,鉴于两种装夹方案涉及到的零件较多,为提高计算数据在不同模型之间的有效传递,所有零件模型均采用四面体网格划分,同时参照相关仿真设置要求进行接触面的网格细化,完成后即可进入SIM设置,进行约束与载荷的施加[10]。

为了筛选出最优装夹方案,以车削φ45外圆为例,参考薄壁外圆车削工艺参数的相关设计经验和数据计算,合理有效地拟定六种不同工况下的加工切削参数及各自对应的切削力仿真试验切削参数,见表3。

表3 仿真试验切削参数

对照上述数据及两种装夹方案的连接方式,进行科学有效的约束及载荷施加。第一,采用面面黏连命令,将各零件进行有效连接,形成计算数据可以传递的整体。第二,考虑到两种装夹方案均通过芯轴的右端面与机床三爪卡盘进行固定安装,两种装夹方案的约束施加均采用用户自定义约束,芯轴右端除绕轴线回转的DOF6自由度释放外,其余均限制。第三,施加载荷,两种装夹方案均受到重力作用,方向竖直向下。第四,参照各试验方案数据进行对应的旋转转速及主切削力设定,施加完成后的两种装夹方案SIM界面效果图分别如图4和图5所示。

▲图4 轴向装夹方案效果▲图5 径向装夹方案效果

两种装夹方案在六种试验下的位移变形曲线如图6所示。由图6可见,两种装夹方案的位移变形随切削力的增大均呈现出相同的递增趋势,但是相比于径向装夹方案,轴向方案的位移变形量更小,并随着切削力的增大,二者差距也逐渐扩大。两种装夹方案的等效应力曲线如图7所示。由图7可见,应力值也随着切削力的增大呈现出上升趋势,但两种装夹方案的曲线基本吻合。

▲图6 两种装夹方案位移变形曲线▲图7 两种装夹方案等效应力曲线

经过更深层次的数据分析可知,径向装夹方案的位移变形数值均高于轴向装夹方案的40%以上,伴随着切削力的增大,该数值也逐渐增大,而这将会导致薄壁套筒零件加工精度与质量的严重降低,不能有效保证生产的高效性与经济性。可见,采用轴向装夹方案,不仅所需零部件数量较少,而且还能保证薄壁套筒零件的加工精度,故更加受到青睐。

造成上述现象的原因是,对于精密基座套筒零件而言,其轴向尺寸比径向尺寸更大,因此轴向的刚性更强,轴向夹紧所产生的变形量更小,可更加有效地控制外圆表面车削所带来的变形位移,故采用轴向装夹方案可满足该零件的加工生产要求。由此可判定,在理论仿真分析下,轴向装夹方案效果更优。

5 实际加工

根据上述两种装夹方案的分析结果,采用轴向装夹方案的加工工艺,以表3中试验号3的切削参数进行实际加工,最终薄壁套筒零件满足设计要求,轴向装夹方案被企业广泛应用,可以较好地满足批量生产模式要求,所加工的实物如图8所示。

▲图8 加工实物

6 结论

笔者通过对薄壁套筒零件加工工艺方案进行研究,并结合NX软件结构静力学仿真分析,得出结论。

(1) 在已知零件结构、切削参数和装夹方案的情况下,借助有效的参数化模型建立,采用有限元软件模拟计算薄壁套筒零件切削过程中的加工变形是可行的,并且可以得到变形过程中零件的位移数值及应力分布,这是一种高效可行的理论分析方法。

(2) 薄壁套筒零件的车削加工装夹方案选择,对于零件的加工质量与精度至关重要,即采用径向装夹方案的薄壁套筒零件整体加工变形数值相比于轴向装夹方案高出40%以上,这对薄壁套筒零件的加工精度而言将会造成难以估量的严重后果。因此,笔者针对薄壁套筒零件的外圆车削加工所采用的最优装夹方案为轴向装夹方案。

(3) 对标实际生产加工,轴向装夹方案更满足于轻量化的设计要求,在保证车削精度的同时,较少的装配零件与简单的安装方法更适合企业的大规模自动化生产流水线。因此,笔者的研究成果与设计方案为同类型工作要求与装夹方案的零件变形研究提供了重要参考,具有实用及推广意义。