何強(qiáng)，李向東，李安玲，張偉，張勇

(1.安陽工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，安陽河南455000;2.安陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南安陽455000)

隨著大型船舶工業(yè)的快速發(fā)展，活塞作為船舶發(fā)動(dòng)機(jī)的心臟，由于活塞自身材料分布不均勻，受熱易產(chǎn)生不規(guī)則變形，通常將大功率高速發(fā)動(dòng)機(jī)活塞在常溫下設(shè)計(jì)成中凸變橢圓形狀［1］。這種活塞徑向截面近似于橢圓，軸向截面輪廓的型線為中凸曲線，中凸變橢圓活塞可以有效地減少和缸壁間的摩擦，提高活塞的使用壽命［2－5］。由于中凸變橢圓活塞的型面復(fù)雜，使得其加工成為活塞制造的關(guān)鍵難題，20世紀(jì)90年代以來，歐、美、日各國(guó)競(jìng)相開發(fā)和應(yīng)用新一代活塞加工車床，加快了活塞車床的高速發(fā)展步伐，國(guó)外產(chǎn)品不但價(jià)格昂貴，而且對(duì)于我國(guó)用于艦船的大功率活塞專用數(shù)控車床還受到進(jìn)口限制。近年來，我國(guó)雖然通過產(chǎn)學(xué)研、合資合作、引進(jìn)技術(shù)等渠道，使國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床有了明顯的進(jìn)步，卻大而不強(qiáng)。大功率船用柴油機(jī)活塞加工用變橢圓車床在大型船舶、重型機(jī)車、汽車、航空航天、工程機(jī)械等行業(yè)發(fā)揮著極為重要的作用，已成為國(guó)家重要的戰(zhàn)略設(shè)備［6－9］。

目前國(guó)內(nèi)外活塞夾具以臥式居多，并配有尾座與頂針，活塞車床主要以小規(guī)格活塞車床為主，用于汽車以及摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞加工，一種車床只能車削一種直徑的活塞。車削直徑φ550 mm 以上的大功率船用柴油機(jī)活塞加工用變橢圓車床國(guó)外尚未發(fā)現(xiàn)相關(guān)報(bào)道。受國(guó)家科技重大專項(xiàng)的支持為解決目前國(guó)內(nèi)大功率活塞加工的難題，設(shè)計(jì)了以下專用夾具，并對(duì)其性能進(jìn)行了仿真分析。

1 專用夾具設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的大功率活塞夾具為立式結(jié)構(gòu)，略去了尾座與頂針，便于機(jī)床加工。采用可更換夾具體，可分別用于加工直徑φ200 ～φ550 mm，實(shí)現(xiàn)了在一臺(tái)車床中加工不同種類與直徑的活塞，采用平面定位盤技術(shù)和固體液壓技術(shù)，實(shí)現(xiàn)夾具的穩(wěn)定性和可靠性夾具采用液壓加載式試驗(yàn)機(jī)的上述缺點(diǎn)，圖1 為該夾具的總裝圖。

圖1 夾具總裝圖

該大功率活塞夾具裝置，主要由液壓油缸、皮帶主軸、拉桿連接盤、夾具體、滑塊、拉環(huán)、銷孔拉桿構(gòu)成。由于大功率船用柴油機(jī)活塞加工用變橢圓車床所涉及的產(chǎn)品缸徑較大，質(zhì)量較重，所使用的工裝夾具，必須保證產(chǎn)品的自動(dòng)定心、安裝牢固可靠，同時(shí)要求有一定的位置調(diào)整余地，以便于與機(jī)床相互配合完成加工，并適當(dāng)考慮大尺寸活塞的自動(dòng)裝夾問題。同時(shí)，在工裝設(shè)計(jì)過程中，考慮工裝的通用性和穩(wěn)定性，材料的選用以ZG310-570 和ZG450 為主。圖2 為夾具內(nèi)部三維圖。

圖3 夾具體組件裝配模型

圖2 夾具內(nèi)部三維圖

對(duì)裝配體進(jìn)行分析的過程中，所有零件全局接觸，不允許有縫隙的情況，不允許有干涉。網(wǎng)格劃分及詳細(xì)信息如圖4所示，采用的網(wǎng)格類型為實(shí)體網(wǎng)格，最大單元14 mm，最小單元2.5 mm，節(jié)點(diǎn)總數(shù)604 543 個(gè)，單元總數(shù)397 816 個(gè)。

2 夾具體仿真分析

在有限元分析中，模型簡(jiǎn)化的正確與否直接影響到最終的計(jì)算結(jié)果，原則上認(rèn)為網(wǎng)格劃分得越細(xì)，單元越多、節(jié)點(diǎn)數(shù)目越多則得到的計(jì)算結(jié)果越為精確。但過細(xì)的網(wǎng)格劃分和對(duì)模型的不必要的精細(xì)處理將會(huì)花費(fèi)大量的時(shí)間和精力，但對(duì)實(shí)際結(jié)果并無太大影響。因此在充分考慮到計(jì)算的經(jīng)濟(jì)性，故而在實(shí)際操作中適當(dāng)、合理地簡(jiǎn)化夾具體組件模型。其整體模型如圖3所示。

圖4 夾具體及活塞單元?jiǎng)澐?/p>

通過對(duì)該夾具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，定義材料、劃分網(wǎng)格、施加約束、施加載荷并進(jìn)行求解計(jì)算。從而得到了夾具體組件的位移變形量云圖和應(yīng)變?cè)茍D，如圖5、6所示。

圖5 整體結(jié)構(gòu)位移云圖

由圖可知，整體結(jié)構(gòu)合位移在0 ～0.041 854 1 mm 范圍變化，最小位移為0 在夾具體約束處，最大位移為0.041 854 1 mm，位于拉桿下端即液壓缸提供動(dòng)力處，符合設(shè)計(jì)需要。

圖6 整體結(jié)構(gòu)應(yīng)變?cè)茍D

由圖可知，整體結(jié)構(gòu)對(duì)等應(yīng)變?cè)?.487 01 ×10－10～9.932 24 ×10－5范圍變化，最大對(duì)等應(yīng)變?yōu)?.932 ×10－5在拉桿扳手處，最小對(duì)等應(yīng)變?yōu)?.487 ×10－10在連接盤處，符合設(shè)計(jì)需要。

3 結(jié)論

(1)夾具體組件應(yīng)力在6.428 96×10－5～30.819 5 MPa 范圍內(nèi)變化，最小應(yīng)力出現(xiàn)在活塞與夾具體接觸附近為6.428 96 ×10－5MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在液壓缸提供動(dòng)力面上為30.819 5 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的屈服應(yīng)力395 MPa，滿足其應(yīng)力要求。

(2)整體結(jié)構(gòu)合位移在0 ～0.041 854 1 mm 范圍變化，最小位移為0 在整體結(jié)構(gòu)約束處，即缸體上端;最大位移為0.041 854 1 mm，位于拉桿下端即液壓缸提供動(dòng)力處，最大位移小于設(shè)計(jì)極限位移，符合設(shè)計(jì)要求。

(3)應(yīng)變?cè)?.487 01 ×10－10～9.932 24 ×10－5范圍內(nèi)變化，可知其應(yīng)變?cè)诳山邮芊秶鷥?nèi)，可采用滲碳淬火處理增加拉桿的強(qiáng)度。

［1］黃曉明，張伯霖，肖曙紅，等.高速電主軸熱態(tài)特性的有限元分析［J］.航空制造技術(shù)，2003(10):20－23.

［2］何強(qiáng).納米粒子作為潤(rùn)滑油脂添加劑的研究進(jìn)展［J］.徐州工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2011(3):45－49.

［3］JIN Kuyng Choi，DAI GilLee.Thermal Charaeteristie of the Spindle Bearing System with a Gear Loeated on the Bearing Span［J］.International Journal of Machine Tools ＆ Manufaeture，1998，38:1017－1030.

［4］BERN Bossmanns，JAY F Tu.A Thermal Model for High Speed Motorized spindles［J］.International Journal of Machine Tools ＆ Manufacture，1999，39:1345－1366.

［5］SUN minKim，KANG JaeLee，SUN kyuLee.Effect of Bearing Support Strueture on the High Speed Spindle Bearing Complianee［J］.International Journal of Machine Tools ＆Manufacture，2002，42:365－373.

［6］何強(qiáng).高速列車軸承的發(fā)展趨勢(shì)［J］.徐州工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2011(3):58－62.

［7］黃曉明.高速電主軸熱態(tài)特性的有限元分析［D］.廣州:廣東工業(yè)大學(xué)，2003.

［8］何強(qiáng).基于ANSYS 陶瓷球軸承電主軸動(dòng)力學(xué)仿真與實(shí)驗(yàn)研究［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2009(6):67－70.