气缸盖气门座圈与导管加工夹具的有限元分析

韦海燕

（柳州五菱柳机动力有限公司，广西柳州545005）

气缸盖气门座圈与导管加工夹具的有限元分析

韦海燕

（柳州五菱柳机动力有限公司，广西柳州545005）

夹具是零件加工工艺系统的关键部件，夹具的设计对零件的加工精度产生很大的影响。利用simlab与abaqus软件对加工夹具进行有限元分析，结果表明加工夹具受力比较均匀，没有局部应力大的区域，可满足加工要求。通过有限元分析，提高了夹具设计的效率。

夹具；simlab；abaqus；有限元分析

气缸盖的气门座圈及导管，设计要求非常的高。在加工的过程中，一些很小的原因及变化都会对其精度造成很大的影响。对于加工气门座圈及导管孔的加工夹具，由于设计的原因导致引起的变形，很难在加工现场进行修正及解决，需要重新改造夹具，严重的时候需要重新设计。这对于生产来说，既造成生产成本的浪费，又大大影响了加工的进度。

有限元分析是一种新型的技术，能够进行动态的模拟仿真并进行分析，可以模拟夹具在加工过程中有可能发生的变形及变形的情况，设计人员可以根据有限元分析的结果，对夹具进行改造或优化，选择合理可靠的结构。这样可以减少设计失误，降低成本投资，对气门座圈和导管孔的加工工艺系统的设计开发有很大的作用，是对传统夹具设计方法的一种革新，可以为企业创造更好的效益。

1 夹具设计

1.1 定位方式的选择

加工气门座圈及导管孔的加工夹具，查阅资料可知，根据加工类型不同，通常所采用的定位夹紧方式也不同，根据现场实际需要，采用圆柱销配合菱形销的“一面两销”的定位方式，即通过限制一个平面、两个定位销来对零件的三个自由度进行限制，从而保证零件的状态是加工时的正确位置。

1.2 切削力及夹紧力计算

使用刀具：复合成型刀（刀体：合金钢，刀片：钨钢，铣铰刀：硬质合金，φ5.5 mm），刀具结构示意如图1所示。

图1 复合成型刀结构示意图

切削力的计算公式为：

Fx=420D1.2f0.75Kp（见《金属切削机床夹具设计手册》[1]表3-71）

其中，D为钻头直径，为φ5.5 mm；f为每转进给量，为0.05 mm/r；Kp为修正系数，查《金属切削机床夹具设计手册》[1]表3-72可知，Kp取1.0.

因此，由此计算得出：

Fx=420×5.51.2×0.050.75×1.0=343.49 N

在计算加工的切削力时，需要把安全系数也考虑在计算里。而安全系数K=K1K2K3K4.

其中：K1是基本的安全系数，为1.5；K2是加工的性质系数，为1.1；K3是刀具的钝化系数，为1.1；K4是继续切削系数，为1.1；

夹紧力为：

气缸选用φ100 mm，气缸的效率85%.

当压缩空气单位压力：

P=0.6 MPa=0.6×10.332 3 kg/cm2

1个缸径100 mm的面积:

100/2×100/2×3.14/100=78.5 cm2

根据工件的形状特点及加工要求，选用4个气缸夹紧。

4个缸径100 mm的面积：78.5×4=314 cm2气缸推力N气=0.6×10.332 3×157×0.85% =1 654.61 N＞685.78 N

因此，本夹具可安全工作。

1.3 夹具装配图

在生产实际中，加工气门座圈及导管孔的加工夹具采用圆柱销配合菱形销的“一面两销”的定位方式，根据工件的形状特点及加工要求，选用4个气缸进行夹紧。根据生产现场情况，采用单件手工气缸夹紧，通过第四轴旋转，实现零件加工。夹具装配图示意图如图2所示。

图2 夹具装配示意图

1.4 夹具各部件及装配模型的建立

通过理论的计算，可以得出夹具的一些主要的参数，使用三维模型软件（在本文中，所选用的三维软件是UG 6.0）来建立夹具详细的实体模型。利用实体模型来导入至选定的有限元软件中。在最开始首先需要建立夹具的实体模型。在建立实体模型的时候，需要注意选用正确的结构形式，这个实体模型建立的好坏决定了有限元分析的结果，因此实体模型的建立是一项非常重要并且有意义的工作。

本文在进行夹具实体建模的时候，在一些细节上采用简化处理，比如夹具上的一些倒角与圆角，还有一些螺丝孔的等，都进行了忽略处理，这是因为这些结构对于这个夹具来说，不会发生结构上的变化，它们不会对有限元分析的结果产生决定性的影响，即使忽略了，也是完全可以保证分析结果的准确性的。

利用UG软件进行三维实体建模，得到夹具结构的模型如图3所示。

图3 夹具的实体模型图

2 夹具有限元分析

在一般的情况下，建立夹具的有限元模型，可以分成以下几个步骤：

2.1 导入模型

使用三维实体软件UG来完成夹具的实体结构模型的建立以后，因为UG软件与simlab软件可以通过接口来进行数据的交换，所以可以把三维实体模型（通过parasolid格式）导入至simlab软件当中。首先，在UG软件中，把实体模型转化成step格式的模型，然后在simlab软件中，打开此格式的模型即可。

2.2 网格划分

网格划分是建立有限元模型的重要环节之一，它是有限元分析的基础。把网格进行划分，目的是把连续体在结构上进行离散化，把连续体划分为很多个单元的集合。网格划分决定了有限元分析的速度和精度，把网格划分得越细，得出的结果就越接近真实的值。这样不代表说网格划分得越细越好，因为网格越细，计算的时候需要更多的时间，而且对计算机提出更高的要求，并且这样会降低工作的效率[2]。但是如果采用当前的密度所求得的解已经很接近理论解，再把划分的网格分得更细就没有什么大的意义了，并且由此会大量耗费计算机的资源，大量的延长计算时间，反而降低了效率。

网格划分密度需注意的两个原则[3]：

(1)对应变和应力比较敏感的区域应该划分细一些；

(2)如果分析中涉及非线性的因素，在划分网格的时候应划分到能够反应非线性因素的程度。

网格划分密度的两个原则表达的就是在分析的精度和分析过程中所需要的时间上找到一个最佳的平衡点。

本文对夹具进行有限元网格划分时，将夹具主要区域的网格设为5.为了保证网格划分的质量，在夹具模型的网格划分好之后还需要对模型所划分得网格进行检查。经过对网格的重复单元、重复节点、自由的单元边及长宽比等各个方面进行全面的检查之后，就可以得到夹具的有限模型。为了简化计算，通过创建RBE2刚性单元，夹具上的工件用质心（通过UG测算出）表示，最终得到夹具的有限元模型如图4所示。

图4 夹具的有限元模型

2.3 创建接触

创建接触的具体步骤如下：

（1）选择主动面，从动面；

（2）选择接触类型；

（3）设置摩擦系数；

（4）创建面与面的接触；

（5）输入调整容差。

经过上述步骤后，创建了夹具的接触，如图5所示。

图5 夹具接触示意图

2.4 创建材料

夹具的底板采用灰铸铁HT250铸成，其余部件采用45#钢。其力学参数如表1所列。分别按照这两种材料的力学性能创建材料属性。

表1 材料力学参数表

2.5 定义属性

完成材料创建后，将上步所定义材料的属性赋予夹具各零部件（创建的RBE2单元也必须定义）。

2.6 定义约束

考虑在夹具使用过程中的实际情况，将夹具底板（body1）的底面，夹具左右侧支撑板（body2，body2-1）的外侧面进行全约束，对旋转轴（主动端：X轴旋转，从动端：全约束）进行约束，如图6所示。

图7 定义夹具约束

2.7 施加载荷

在夹具的主动部件（body3-1）的外表面施加X方面旋转的扭矩（最大扭矩850 N·m），在工件的质心点处施加质量（mass=0.006 33 t），如图7所示。

图7 夹具施加载荷后示意图

2.8 导出inp文件

在施加载荷与创建分析步后，从simlab导出abaqus的inp文件，初始分析步设为0.1，打开非线性non-linear。

2.9 提交计算

本文采用abaqus command来执行imp脚本。

经过对夹具进行有限元分析，夹具等效应力云图如图8所示。从图中可以看出，最大等效应力为14.71 MPa，远远小于材料的屈服强度（250 MPa），夹具的受力在安全的范围之内，并且夹具的安全系数也在设计要求之内，故本夹具满足设计要求。

图8 夹具等效应力云图

3 结束语

本文对气缸盖的气门座圈及导管加工夹具进行了设计，还引入有限元分析，利用simlab与abaqus软件对加工夹具进行受力分析，经过分析，发现加工夹具受力均匀，没有局部应力特别大的区域，最大等效应力比材料的屈服强度小很多，在安全的范围内，满足设计和加工的要求。通过有限元分析，可以提前预知加工过程中出现的情况，可以减少失误，降低成本投资，对气门座圈和导管孔的加工工艺系统的设计开发有很大的作用，是对传统夹具设计的一种革新，可以为企业创造更好的效益，值得大范围推广。

[1]浦林祥.金属切削机床夹具设计手册[M].2版.北京：机械工业出版社，1995.

[2]齐孟雷.基于ANSYS球头铣刀建模与静力、模态分析[J].装备制造技术，2014（01）：8-10.

[3]王醒华，陈显锋，刘整社，等.飞行控制系统的一体化仿真软件SIMLAB[J].系统仿真学报，1996（03）：19-21.

Finite Element of Cylinder Head Valve Seat and Guide Machining Fixture Analysis

WEI Hai-Yan
（Liuzhou Wuling Limited Company Co.，Ltd.，Liuzhou Guangxi 545005，China）

Fixture is the key part of the process system of the parts，the design of the fixture has a great influence on the machining precision of the parts.Use of SIMLAB and ABAQUS software to analyze the machining fixture. The results show that the stress of the machining fixture is uniform，and there is no area of local stress，which can meet the processing requirements.Through the finite element analysis，the efficiency of fixture design is improved.

fixture；simlab；abaqus；the finite element analysis

U463

：A

：1672-545X（2017）01-0046-04

2016-10-10

韦海燕（1984-），女，广西南宁人，工程师，研究生，工程硕士，研究方向：机电一体化、先进制造。