王海軍，陳紅霞，董書文，朱振芬，吳彥芬

(中航工業(yè)哈爾濱發(fā)動(dòng)機(jī)(集團(tuán))有限公司，哈爾濱 150066)

有限元分析在加工輪轂液壓夾具柔性化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

王海軍，陳紅霞，董書文，朱振芬，吳彥芬

(中航工業(yè)哈爾濱發(fā)動(dòng)機(jī)(集團(tuán))有限公司，哈爾濱 150066)

輪轂是汽車工業(yè)中種類繁多、形狀復(fù)雜、安全性能要求高、市場(chǎng)需求量大的一類關(guān)鍵零部件。隨著市場(chǎng)需求的不斷擴(kuò)大，輪轂產(chǎn)品要在保證精度和產(chǎn)品使用性能的前提下，不斷提高其生產(chǎn)效率，所以柔性化的、裝夾快捷的工裝夾具的使用是及其必要的。針對(duì)輪轂的特點(diǎn)，論文利用有限元分析方法，研究了輪轂夾具的特點(diǎn)及其材料的選用，分析了夾具關(guān)鍵零部件的力學(xué)性能，模擬計(jì)算出零件的屈服強(qiáng)度及最大應(yīng)力。優(yōu)化的設(shè)計(jì)方法和全面的分析計(jì)算，保證了輪轂液壓夾具的實(shí)用性及優(yōu)越性。

柔性化;強(qiáng)度分析;有限元;屈服強(qiáng)度;最大應(yīng)力

0 引言

隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，專一化和單一化的工裝夾具已經(jīng)無(wú)法滿足市場(chǎng)商品多樣化的要求。同時(shí)，機(jī)械化生產(chǎn)方式也逐漸被數(shù)控智能化生產(chǎn)方式所代替，因此通用性強(qiáng)、柔性化高的工裝夾具也應(yīng)運(yùn)而生，柔性化和模塊化設(shè)計(jì)也隨之成為工裝夾具設(shè)計(jì)的發(fā)展方向［1］。其中，車輛輪轂的生產(chǎn)線即是一個(gè)典型的范例。由于輪轂的形狀復(fù)雜，精度要求高、種類繁多，市場(chǎng)需求量大，并且將打入國(guó)際市場(chǎng)與知名的車廠配套，市場(chǎng)對(duì)輪轂的質(zhì)量要求越來(lái)越高?？s短工藝裝配的設(shè)計(jì)、制造周期以及產(chǎn)品換型后對(duì)原有工裝夾具的利用，都是提高輪轂產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量和數(shù)量的有效途徑。所以，機(jī)械制造業(yè)欲適應(yīng)這種變化就必須具備較高的柔性。國(guó)外已把柔性制造系統(tǒng)作為開發(fā)新產(chǎn)品的有效手段，并將其作為機(jī)械制造業(yè)的主要發(fā)展方向。柔性化的著眼點(diǎn)主要在機(jī)床和工裝兩個(gè)方面，而夾具又是工裝柔性化的重點(diǎn)。輪轂數(shù)控液壓生產(chǎn)線夾具的設(shè)計(jì)就是在某些零部件高度標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)格化、系列化的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，由預(yù)先制造好的一整套各種形狀、規(guī)格、具有互換性和耐磨性的原件組裝而成［2］。

1 零件結(jié)構(gòu)工藝分析及夾具設(shè)計(jì)方案

如圖1所示，完整的輪轂輪廓加工至少分兩個(gè)工序。工序1用毛坯斷面及內(nèi)錐度面進(jìn)行定位;工序2以加工過(guò)的內(nèi)孔作為徑向基準(zhǔn)，端面作為軸向基準(zhǔn)。夾緊均利用兩側(cè)的輪緣。

圖1 輪轂定位基準(zhǔn)圖

1.1 工序結(jié)構(gòu)及原理

如圖2所示，第Ⅰ工序時(shí)，主軸拉桿在液壓的控制下拉動(dòng)螺紋套，螺紋套帶動(dòng)支點(diǎn)座在三個(gè)帶有關(guān)節(jié)軸承的導(dǎo)柱上實(shí)現(xiàn)軸向運(yùn)動(dòng)。此時(shí)支點(diǎn)座上的三個(gè)壓爪正好在兩個(gè)銷軸的作用下實(shí)現(xiàn)打開和閉合。螺紋套與支點(diǎn)座采用關(guān)節(jié)球面式連接可自動(dòng)調(diào)心［3］。由于零件的中心定位基準(zhǔn)是未加工過(guò)的帶有角度毛坯面，因此選用帶有浮動(dòng)錐度的定位面可以消除定位間隙，以提高定位精度。彈力的大小完全由12個(gè)彈簧經(jīng)過(guò)效力來(lái)實(shí)現(xiàn)。支點(diǎn)座導(dǎo)柱關(guān)節(jié)軸承的使用直接改善了由于毛坯表面質(zhì)量引起的壓力不均衡造成的壓爪受力不一致現(xiàn)象。保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的安裝也大大的增加了此套工裝的安全性能，提高了安全指數(shù)。浮動(dòng)基準(zhǔn)環(huán)上的兩組環(huán)槽、夾具主體底板上六組安裝軸向定位座的螺紋孔、快換式壓爪銷軸結(jié)構(gòu)，都可以更換成不同級(jí)別、不同規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)件，實(shí)現(xiàn)同一套工裝夾具加工13－18英寸不同型號(hào)的輪轂。柔性化夾具的設(shè)計(jì)，使其使用范圍大大擴(kuò)大，提高了輪轂的生產(chǎn)效率和降低了工裝夾具的制造成本，同時(shí)也滿足了市場(chǎng)對(duì)輪轂的多樣化需求。

1.2 工序Ⅱ結(jié)構(gòu)及原理

如圖3所示，第Ⅱ工序時(shí)，拉桿帶動(dòng)螺紋套(件1)向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，壓爪沿滑槽逐漸打開，端蓋(件11)頂住底套(件14)帶動(dòng)錐桿(件18)向右運(yùn)動(dòng)，此時(shí)彈簧漲套恢復(fù)自由狀態(tài)，安裝待加工的零件。安裝結(jié)束后，在程序控制下拉桿向左運(yùn)動(dòng)，端蓋與底套脫離，在彈簧力的作用下，錐桿向左運(yùn)動(dòng)此時(shí)零件自動(dòng)定心。壓爪又沿槽向左滑動(dòng)實(shí)現(xiàn)了工件夾緊。漲套自動(dòng)定心機(jī)構(gòu)大大的提高了定位精度，消除了零件自身的公差對(duì)精度的影響［4］。壓爪上安裝的保護(hù)墊，降低了磕、打、壓傷的情況，提高了產(chǎn)品的表面質(zhì)量。該工程同樣，通過(guò)更換不同型號(hào)和級(jí)別的壓爪、軸向定位座、漲套，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同型別輪轂的加工。該工程中心定位機(jī)構(gòu)的使用大大提高了第一工程和第二工程對(duì)接的質(zhì)量，極大的改善了輪轂外壁的質(zhì)量［5］。

從工序Ⅰ、工序Ⅱ的結(jié)構(gòu)原理圖中我們可以看出，該生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)了夾具基體的共用，實(shí)現(xiàn)了中心機(jī)構(gòu)的互換和各零組件的配合使用，提高了輪轂產(chǎn)品生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和規(guī)格化程度。

圖2 工序Ⅰ夾具結(jié)構(gòu)圖

圖3 工序Ⅱ夾具結(jié)構(gòu)圖

2 夾具標(biāo)準(zhǔn)配件(13－18寸輪轂適用)及安裝方式

圖4所示是適用于13－18寸不同尺寸輪轂的壓爪。壓爪的使用性能的好壞直接影響著整套工裝的使用壽命和安全可靠性。它的材料采用抗拉強(qiáng)度大、淬透性好、強(qiáng)度高的42CrMo。該材料在電加工過(guò)程中易出現(xiàn)表面龜裂等質(zhì)量缺陷，形成應(yīng)力集中點(diǎn)，降低使用壽命。為避免壓爪斷裂發(fā)生安全事故，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中要通過(guò)受力分析和強(qiáng)度校核來(lái)確定液壓缸的功率和型號(hào)。

圖4 適用于13－18寸不同尺寸輪轂的壓爪

3 夾具關(guān)鍵件受力分析及強(qiáng)度校核

3.1 計(jì)算方法與程序

采用ANSYS10.0軟件進(jìn)行分析計(jì)算。所使用的幾何實(shí)體模型由UG軟件建立，根據(jù)計(jì)算需要進(jìn)行必要的修復(fù)和簡(jiǎn)化后讀入幾何模型，如圖5所示，完成前處理建模工作并劃分網(wǎng)格，施加邊界條件。

圖5 幾何模型

3.2 有限元網(wǎng)格模型

計(jì)算模型使用六面體單元進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，共生成176407個(gè)節(jié)點(diǎn)，39164個(gè)體單元。有限元網(wǎng)格模型見圖6所示。

圖6 有限元網(wǎng)格模型

3.3 計(jì)算的原始數(shù)據(jù)

(1)材料

(2)邊界條件

為分析其斷裂原因，分析5種不同油壓載荷下的情況，載荷及邊界情況見圖7所示。各不同工況下的油缸的壓強(qiáng)為P，詳見表1。拉動(dòng)油缸面積為290cm2，由3個(gè)壓爪等分油壓拉力，壓緊部分固定及基準(zhǔn)座Ⅰ固定。

表1 不同工況下的油壓及其等效拉力

4 計(jì)算結(jié)果與結(jié)論

經(jīng)過(guò)計(jì)算得出，危險(xiǎn)截面為壓爪靠近根部位置如圖8所示，各種不同工況下的應(yīng)力如圖9～圖13所示，其最大應(yīng)力σmax以及工作狀態(tài)下的安全因數(shù)如表2所示。

表2 最大應(yīng)力σmax及安全因數(shù)表

5 液壓缸的功率和型號(hào)

當(dāng)油壓達(dá)到20個(gè)大氣壓時(shí)，其最大應(yīng)力就已經(jīng)超過(guò)材料的屈服極限(屈服極限σs=930MPa)，當(dāng)油壓達(dá)到22個(gè)大氣壓時(shí)其最大應(yīng)力為1030Mpa，與斷裂極限非常接近(斷裂極限σb=1080MPa)。為了確保壓爪具有足夠的安全裕度，須保證工作狀態(tài)下油缸的壓強(qiáng)不高于15個(gè)大氣壓。

該生產(chǎn)線經(jīng)實(shí)踐使用，各項(xiàng)性能指標(biāo)均很好，產(chǎn)品精度明顯提高，生產(chǎn)率也有了很大的提高。

6 生產(chǎn)線工裝特性及優(yōu)點(diǎn)

(1)輕型化的設(shè)計(jì)，減輕機(jī)臺(tái)的負(fù)荷，以增長(zhǎng)機(jī)臺(tái)的壽命。

(2)高速回轉(zhuǎn)高穩(wěn)定性是本夾具的優(yōu)勢(shì)。它的動(dòng)平衡精度等級(jí)為G2.5，推薦的最大轉(zhuǎn)速為 n=1500rpn。

(3)在高速旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)下，由于設(shè)有保險(xiǎn)爪，安全指數(shù)高。

(4)多樣的定位方式，可以依據(jù)加工件不同的工序選擇適當(dāng)?shù)亩ㄎ环绞健?/p>

(5)加工范圍廣，適應(yīng)性強(qiáng)，通過(guò)互換(定位盤、定位座、夾爪)標(biāo)準(zhǔn)件，可加工13－18英寸輪轂的全部外形。

7 結(jié)束語(yǔ)

數(shù)控生產(chǎn)柔性液壓夾具的優(yōu)化設(shè)計(jì)，將使輪轂生產(chǎn)水平上一個(gè)臺(tái)階，并可將該套工裝的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行推廣，值得其它技術(shù)領(lǐng)域的學(xué)習(xí)借鑒。

［1］曾正明.機(jī)械工程材料手冊(cè)(金屬材料)［S］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

［2］航空制造工程手冊(cè)［S］.北京:航空工業(yè)出版社，1995.

［3］成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［S］.北京:化工工業(yè)出版社，2008.

［4］李增志.組合夾具組裝技術(shù)手冊(cè)［S］.北京:中國(guó)航空工業(yè)出版社，1997.

［5］張松林.軸承手冊(cè)［S］.江西:江西科學(xué)技術(shù)出版社，2004.

(編輯 李秀敏)

Finite Element Analysis in Flexible Hydraulic Fixture Design

WANG Hai-jun，CHEN Hong-xia，DONGWen-shu，ZHU Zhen-fen，WU Yan-fen
(AVIC Harbin Dong’an Engine(Group)Corporation LTD.，Harbin 150066，China)

Wheels is a class ofkey components in the automotive industry,it has aw ide range of complex shape,demands of high safety performance w ith big market requirements W ith the market demand continues to expand,the production efficiency must be improved and also ensure the accuracy and performance,so it is necessary to use flexible and fast clamping fixture.Considered Characteristics of the wheel,we use the finite element analysis to study the characteristics ofwheel clamps and how to select thematerial.We analysis themechanical properties of the key parts of the fixture and calculate the yield strength and themaximum stress by simulation.The optimized designmethods and comprehensive analysis keep the hydraulic fixture be practical and superiority.

flexible;strength analysis;finite element analysis;yield strength;maximum stress

TH161.12;TG751.9

A

1001－2265(2011)06－0033－04

2010－11－09

王海軍(1971—)男，中航工業(yè)哈爾濱發(fā)動(dòng)機(jī)(集團(tuán))有限公司高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械-工裝設(shè)計(jì)，(E－mail)dagj401@163.com。