精密轴套件装夹变形有限元分析与控制

张国政，赵文英，孙 灏，周元枝

（安徽机电职业技术学院 数控系，芜湖 241002）

0 引言

工件在加工过程中不仅受夹紧力变形，还受到刀具切削力、切削热以及残余应力等多种因素产生的变形，其中20%～60%的加工误差是由装夹变形引起的，因此，控制装夹变形就十分必要[1～3]。针对工件装夹变形分析研究都侧重于建立数学模型，根据数学模型对装夹布局、装夹顺序、装夹位置和夹紧力大小等方面进行优化，如Prabhaharan G等[4]通过GA算法和蚁群算法对夹具装夹布局进行优化；Molfino R等[5]运用GA算法优化柔性航空零件夹具布局；Chen等[6]结合GA算法和FEM方法优化夹具布局及夹紧力模型；秦国华等[7]通过GA算法结合BP神经网络对薄壁件多重装夹布局进行优化等。这些装夹优化结合了智能算法等方法提高了装夹变形量的计算控制精度，但存在数学模型和求解技术复杂，很难在实际生产制造工程中得到推广应用。本文提出三维有限元方法可直接对不同装夹方案中装夹变形分析，通过分析比较可直接选取最佳装夹工艺方案，在工程领域应用广泛。

基于以上方法阐述，文中所提的某核工业用精密轴套件由于壁薄，其外圆柱面精度要求高，在装夹过程中容易导致外圆柱面装夹变形误差超过设计要求。考虑实际应用中有单件与批量生产两种模式需求，在比较分析了两种生产模式下的装夹工艺方案，对外圆柱面装夹变形问题进行分析，提出运用三维有限元方法分析装夹变形，可有效控制其装夹变形量，保证精密轴套件在最后磨削加工过程不受前道装夹变形的影响。

1 单件与批量生产的装夹工艺

1.1 精密轴套零件工艺分析

精密轴套零件如图1所示，材料为45#，为了便于装夹工艺方案设计，根据加工面特征及其方位，将零件加工面进行定义和工艺路线设计，如表1所示。表1中，零件的44外圆柱面的设计公差为0.012mm（IT5～IT6），表面粗糙度为0.8um，相对于孔35具有同轴度要求为0.03mm，其工艺路线是粗车、精车到磨削，因此该表面的加工工艺路线是零件的关键加工 工序。

图1 精密轴套零件图

表1中，各加工面分别以fi（i=1，2，…，11）定义，以便于在后面装夹工艺自动规划设计时采用。每个加工表面的工艺路线在实际生产中涉及到不同加工工艺方法时，不可能在相同机床设备上或相同工装夹具上完成，需要根据生产模式并结合机床设备及工艺装备按照装夹工艺规则重新规划，例如，表1中所定义的f3和f4的工艺路线，至少分别需要使用车床和磨床两种设备，故该零件至少需要完成两次装夹。

1.2 单件与批量生产装夹工艺

根据文献[8,9]提出外单位矢量判别工位的方法，可将零件各加工面划分为三个工位，分别以P1、P2和P3表示，如式(1)所示。

相同工位的加工面可采用一次装夹完成加工，考虑到机床设备及功能的不同，结合式(1)的工位划分，在一般数控加工中，其装夹工艺方案如图2所示。

表1 精密轴套零件加工面的定义与工艺路线

表2 精密轴套零件的装夹工艺

表2中，装夹次序1、2和3分别与式(1)相对应，其车床设备多为中低档数控车床。

在单件生产模式下，以工序集中为原则，要最大限度减少装夹次数及使用机床设备和夹具装置的数量，该件的单件生产模式下的装夹工艺方案如表3所示。表3中，充分利用了数控车铣复合中心机床的车、铣、钻和镗孔功能，利用三爪卡盘对棒料毛坯所预留工艺凸台进行一次装夹，待工件所有表面加工预留了磨削余量后，再利用另一头三爪卡盘装夹，通过切断车刀切断工艺凸台和镗孔后，即可在磨床上进行第2次装夹，整个加工工艺路线短、效率高。

表3 单件生产模式的装夹工艺

在批量生产模式下，与单件生产模式相比，其毛坯选用铸件，而单件生产选用棒料，因此35孔面的工艺路线在单件生产时是采用钻、粗镗和精镗。批量生产模式下，其35孔面的工艺路线是粗镗和精镗，f4的粗车和精车工艺路线要分两道工序完成，是以工序分散为原则，具体装夹工艺规划方案如表4所示。

表4 批量生产模式的装夹工艺

根据以上单件和批量生产模式的装夹工艺方案进行分析比较，为进一步分析44外圆柱面装夹变形问题，下面通过三维有限元对其装夹变形进行分析，以便得出合理的装夹工艺方案。

2 三爪卡盘装夹变形有限元分析

2.1 300N装夹变形有限元分析

在数控车铣复合中心机床上采用气动三爪卡盘，每个卡爪平均夹紧力为300N，其装夹模型如图2所示。图2中，A、B、C和D是施加夹紧力，其中A处是对应13孔施加150N的钻削力，B、C和D三处分别对应的是三个卡爪施加的300N，E面是端面约束面。该件的网格划分如图3所示，后面的网格划分都按照此方式进行。

图2 三爪卡盘300N装夹模型

图3 精密轴套零件网格划分

精密轴套零件的材料定义分别为杨氏模量（Ex）E=209GPa，泊松比（NUXY）v=0.269，密度（DENS）ρ=7890kg/m3，经ANSYS12.0软件对其应变分析，如图4所示。

图4 300N装夹变形应变云图

2.2 400N装夹变形有限元分析

在中低档数控车床和C6132车床上采用手动三爪卡盘，其夹紧力只能预估，假设每个卡爪按照400N力施加，如图5所示。

图5 三爪卡盘400N装夹模型

图6 400N装夹应变云图

2.3 三爪卡盘装夹分析

根据以上300N和400N的装夹变形分析，三爪卡盘的装夹变形量远小于被装夹表面的设计精度要求，故在单件生产模式中无需预留工艺凸台，可直接采用三爪卡盘装夹。44外圆柱面相对于孔35轴线的同轴度0.03mm，无论是单件还是批量生产模式都是由最后一道工序磨削时芯轴夹具来保证。

3 钻夹具装夹变形分析与控制

3.1 V型块装夹变形分析

图7 V型块定位径向装夹模型

图8 V型块定位径向装夹变形应变云图

图8中，施加在f3和f4的半圆表面625N夹紧力的装夹变形应变量为0.0098734mm，该值已大于该面设计精度要求的1/3，故采用V型块定位径向夹紧不满足该件装夹要求。

3.2 轴向夹紧装夹变形分析

根据V型块定位径向装夹变形量过大问题，提出采用轴向夹紧方式。轴向装夹可采用约束对f1的端面和f5孔面，如芯轴夹具；或同样采用f1的端面及f3和f4的半圆表面的约束，其夹紧力施加如图9所示，经有限元分析后装夹变形应变云图如图10所示。

图9 轴向夹紧力施加模型

图10 轴向夹紧力装夹变形应变云图

图10中，施加在f2的端面夹紧力1250N装夹变形应变量为0.00091419mm装夹变形应变量，该值远小于该面设计精度要求的1/3，故采用芯轴夹具或V型块定位的轴向夹紧满足该件装夹要求。这是由于精密轴套件的轴向尺寸比径向尺寸大，故而刚性强，轴向夹紧端面产生变形量小可有效控制钻夹具装夹变形。

4 实验验证

根据三爪卡盘和钻夹具装夹变形分析，经分析三爪卡盘可满足装夹需求，钻夹具装夹的径向夹紧装夹变形量大而不满足要求，故采用可控制的轴向夹紧装夹变形量的钻夹具装夹。以表2装夹工艺方案为实验对象，最终该件加工满足图纸设计要求，表2装夹工艺方案被企业广泛应用，可适用于单件和批量生产两种模式，该件加工实物如图11所示。

图11 精密轴套件加工实物

5 结论

根据单件和批量生产模式装夹工艺方案比较分析，通过三维有限元分析方法，分别对三爪卡盘装夹和钻夹具两种方案装夹变形分析，进而得出以下结论：

1）三爪卡盘从每个卡爪300N夹紧力增加到400N夹紧力时，通过三维有限元对精密轴套件被夹紧的关键外圆柱表面装夹变形分析，其装夹变形应变量只增加0.4um，故而在单件和批量模式下三爪卡盘都满足装夹要求。

2）在钻夹具装夹分析过程中，在同样施加夹紧力的前提下，采用轴向夹紧力方向比径向夹紧力方向的装夹变形量小于近10倍左右，径向夹紧装夹变形量大而不能满足装夹要求，轴向夹紧变形量小可满足装夹要求。

3）采用中低档数控车床三爪卡盘、轴向夹紧钻夹具完成磨削前的装夹工艺方案，适用于当前企业单件和批量生产两种模式。

参考文献：

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