铝合金薄壁件装夹变形分析和控制*

邓 吟，杨昌林，景 玲

(重庆红宇精密工业有限责任公司，重庆 402760)

0 引 言

铝合金薄壁零件的加工，一直是机械加工的难题之一，特别是一些铝合金薄壁件结构复杂多样，具有独特的性能和工艺特点，而且对零件的尺寸及形位精度要求较高，若夹具设计不合理，容易造成零件在装夹过程中变形，严重影响加工精度,同时导致加工不稳定。

目前，国外的许多专家与技术人员对薄壁零件变形问题也进行了大量研究。 例如，Ratchev 等建立了刀具/工件变形耦合效应的柔性预测方法[1]，Deng 等研究了满足动态装夹稳定性的最小夹紧力确定方法，建立了动态装夹模型[2],Kaya 等采用遗传算法对装夹布局进行了优化[3],但针对铝合金薄壁件的装夹方式分析和研究比较少。

油泵作为自动变速箱核心功能部件，是自动变速器执行机构的动力装置和箱内各摩擦副的润滑装置，因此，油泵盖的加工质量直接影响到油泵的性能，笔者以某压铸铝合金自动变速箱油泵盖作为研究对象，其分布具有较多的油槽，壁薄且刚性差，端面平面度要求高，制造难度大，通过运用有限元仿真分析，获得零件在两种装夹方式下的受力情况及变形趋势，根据计算结果选择最优的装夹方式，优化夹具，最终通过实际零件加工生产进行验证，确保零件实现稳定可靠生产。

1 有限元模型的建立

油泵作为自动变速箱的核心零部件，结构复杂多样，本文是基于UGNX 8.0软件，根据实际的铝合金油泵盖结构及尺寸建立三维模型，如图1所示。

图1 油泵盖在车削加工过程中的装夹情况

如图1所示，该油泵盖需加工大端面和内孔，且平面度精度要求较高，外圆圆整适合车削加工。在车削加工过程中是通过外部三个卡爪进行外圆装夹，但是卡爪装夹油泵盖外圆上的位置会影响油泵盖的受力情况以及变形情况，一旦装夹不合理，零件受力不均匀，直接导致零件加工质量不稳定。为了简化计算，文中假设卡爪与油泵盖外圆都是面接触，即卡爪装夹力是均匀作用在油泵盖外圆6个接触面上。油泵盖两个端面上均存在深浅不一的凹槽，导致泵盖外圆是薄壁(如图2所示)，厚薄不一致，刚性差，卡爪的夹持距离将会影响泵盖的受力变形。因此，文中建立了油泵盖在两种装夹方式下的有限元计算模型，设定的夹紧压力均为480 N，如图3、4所示。

图2 油泵盖结构

2 网格划分

网格划分均采用10节点SOLID92四面体结构实体单元，最大网格长度为2 mm，总网格量为94 387，网格模型如图5所示。

图4 避开薄壁装夹

3 边界条件及材料参数

根据油泵盖的两种装夹位置，卡爪夹紧力为480 N，但是因为装夹距离不同，因此均布到接触面的压力不同(见图3、4)：

油泵盖材料为铝合金，铝合金材料参数见表1所列。

表1 铝合金6061 T6材料参数

4 计算结果

未装夹油槽缺口和未避开薄壁如图6所示。基于以上的参数值，通过有限元分析方法对油泵盖的两种装夹方式(见图7、8)分别进行变形量计算，并与未优化前的装夹方式进行对比研究，得出以下结果：

从图6～8可得出，三种状态的最大变形量分别0.006 968 mm、0.005 551 3 mm和0.003 089 6 mm。由此可知，装夹油槽缺口和同时避开薄壁的装夹效果显著，零件变形小。根据上述结果，对车削夹具优化设计，将卡爪内圆根部进行切槽处理，从而避让零件薄壁持，夹持在外圆刚性好的位置。同时，在夹具上增加防转块，固定零件径向装夹方向，保证油槽缺口装夹在卡爪内，夹具优化最终方案，如图9。夹具优化后，通过实际加工生产验证，并连续批量生产，使用CMM对平面度进行检测，并开展过程能力分析，抽取125件计算其CPK值超过1.67，可见夹具优化后过程能力稳定可靠，满足平面度要求。

图6 未优化前

图8 避开薄壁处

图9 最终夹具图

5 总 结

利用有限元方法分析了某铝合金自动变速箱油泵盖在不同装夹方式下的受力情况和变形量计算，研究结果表明：对于结构复杂的铝合金薄壁件，夹具的夹持作用点对工件变形具有重要影响，需选择在刚性较好的表面进行夹持，尽量避开薄弱位置，从而避免零件受力不均导致变形，满足产品精度要求。因此，通过此分析方法，对类似形状铝合金薄壁零件的装夹方式有理论指导价值与工程实践意义，同时适用于类似产品的批量生产。