穆天開，張子雄，盧帥龍，林立，林權(quán)

（武夷學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，福建 武夷山 354300）

基于CAD/CAE技術(shù)的車床小刀架加工工藝裝備設(shè)計(jì)

穆天開，張子雄，盧帥龍，林立，林權(quán)

（武夷學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，福建 武夷山 354300）

車床小刀架加工精度要求高，利用CAD/CAE技術(shù)可以快速有效提高加工工藝裝備設(shè)計(jì)過程，通過運(yùn)用SolidWorks 創(chuàng)建鏜削、銑削加工工藝裝備三維模型，并進(jìn)行可行性分析，為裝備制造加工提供可靠依據(jù)。通過利用Ansys創(chuàng)建鏜削和銑削加工工藝裝備有限元分析模型，獲得應(yīng)力與變形分布。結(jié)果表明模型達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，此工裝穩(wěn)定、可靠。

車床小刀架；CAD/CAE；有限元分析；加工工藝；機(jī)械設(shè)計(jì)

1 零件結(jié)構(gòu)工藝分析

小刀架零件是車床中的一個(gè)重要部件，位于中拖板之上，主要作用是安裝方刀架，并帶動(dòng)刀架作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)小刀架還可以用來車削圓錐、倒角等，有了它車床才能夠?qū)α慵M(jìn)行切削加工。圖1為車床小刀架零件三維結(jié)構(gòu)，從圖中可以看出刀架零件主要加工部位是平面和孔，為引導(dǎo)小刀架在中刀架上移動(dòng)，刀架零件底部設(shè)計(jì)有一對(duì)燕尾導(dǎo)軌，它們之間有一定的位置要求。燕尾導(dǎo)軌主要用來導(dǎo)向，所以其加工精度較高，由于是狹小的平面，故應(yīng)采用刮削來保其精度。由于小刀架零件生產(chǎn)批量大，需要專門進(jìn)行加工規(guī)程編制及工藝裝備設(shè)計(jì)，以保證加工質(zhì)量，提高生產(chǎn)率。

圖1 小刀架零件三維模型

2 加工工藝規(guī)程編制

小刀架零件材料為HT200，考慮到零件的材料是鑄鐵，生產(chǎn)類型為大批生產(chǎn)，形狀比較復(fù)雜，選用普通砂型鑄造。小刀架零件加工尺寸長×寬×高=365mm×138 mm×46．54mm，為簡化鑄造毛坯的外形，取加工長度為400mm，寬度為143mm，高度為50．59mm，除特殊幾個(gè)表面加工質(zhì)量要求高，其余表面粗糙度值為12．5μm，綜合考慮表面加工余量取Z＝4mm，已能夠滿足加工要求。

基面的選擇是工藝規(guī)程設(shè)計(jì)中的重要工作之一，基面的選擇正確與合理，可以使加工質(zhì)量得到保證，生產(chǎn)率得以提高，否則，加工工藝過程中會(huì)出現(xiàn)問題，還會(huì)造成零件大批報(bào)廢，使生產(chǎn)無法正常進(jìn)行。首先按照基準(zhǔn)選擇原則，以要求加工余量均勻的重要表面為粗基準(zhǔn)，小刀架零件的燕尾形導(dǎo)軌面適合作為粗基準(zhǔn)，精基準(zhǔn)選擇需要考慮基準(zhǔn)重合問題，選取燕尾形導(dǎo)軌的中心線和底面作為精基準(zhǔn)，符合“基準(zhǔn)重合”的原則，可以避免尺寸換算和發(fā)生定位誤差。

制訂工藝路線的出發(fā)點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)是使零件的幾何形狀、尺寸精度、位置精度等技術(shù)要求得到合理保證，在大批生產(chǎn)的條件下，可以考慮采用通用機(jī)床配以專用工夾具，并盡量使工序集中來提高生產(chǎn)率。除此以外，還應(yīng)考慮選擇經(jīng)濟(jì)效果，以便使生產(chǎn)成本盡量下降，最后確定小刀架零件加工工藝過程如表1所示。

3 加工工藝裝備設(shè)計(jì)

3.1 銑床加工工藝裝備設(shè)計(jì)

圖2 工序20銑床加工工藝裝備

表1 小刀架零件機(jī)械加工工藝過程

在一般情況下先加工面后加工孔，為了提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，保證加工質(zhì)量，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，對(duì)工序20進(jìn)行專用加工工藝裝備設(shè)計(jì)。由于銑削加工是多刃斷續(xù)切削，切削用量和切削力較大，且切削力方向不斷變化，加工時(shí)也容易產(chǎn)生振動(dòng)，定位裝置設(shè)計(jì)應(yīng)盡量使定位支承面積大些，夾緊力應(yīng)作用在工件剛度較大的部位上，且需要設(shè)置對(duì)刀塊，由于對(duì)刀塊存在標(biāo)準(zhǔn)的互相垂直的面，可以快捷準(zhǔn)確的來確認(rèn)刀具位置，檢驗(yàn)刀具是否垂直于加工面，即對(duì)刀塊起到一個(gè)基準(zhǔn)的作用。圖2為工序20銑床加工工藝裝備，從圖2中可以獲知，銑削加工小刀架頂面的定位基準(zhǔn)選取底面及兩平行長側(cè)面，與其設(shè)計(jì)基準(zhǔn)重合。

3.2 鏜床加工工藝裝備設(shè)計(jì)

圖3 工序60鏜床加工工藝裝備

鏜床加工工藝裝備簡稱鏜模，主要用來加工殼體類零件上的精密孔或孔系，用導(dǎo)向元件鏜套引導(dǎo)支承鏜桿，以保證孔及孔系的加工精度。采用鏜模后，鏜孔精度可以不受鏜床精度的影響，而主要取決于鏜模精度，鏜模不僅廣泛用于一般鏜床和高效的組合鏜床，小刀架零件工序60需要用到專用鏜床加工工藝裝備，如圖3所示。鏜模導(dǎo)向裝置主要分為單鏜套與雙鏜套，單鏜套布置方式有單面前鏜套、單面后鏜套，在此選擇單面前鏜套，在刀具加工時(shí)的前方鏜桿前端有導(dǎo)向部分，由鏜套引導(dǎo)并支承，而后端與機(jī)床剛性連接，此方式適用于加工較大的通孔，且孔的長度較小，正適合小刀架零件。由圖3鏜床加工工藝裝備裝配圖，可以獲知加工小刀架零件側(cè)孔（φ32H7）采用的定位基準(zhǔn)是燕尾槽，且與其設(shè)計(jì)基準(zhǔn)重合。

4 受力計(jì)算分析

在切削加工工藝裝備設(shè)計(jì)中，除了夾緊機(jī)構(gòu)的夾緊力大于切削力之外，還需要保證夾緊元件在夾緊力的作用下不會(huì)發(fā)生強(qiáng)度問題或者太大的形變，從而影響工件的加工精度。有限元方法是求解工程問題常用的一種數(shù)值計(jì)算方法，在此首先進(jìn)行各主要工序的切削力與夾緊力計(jì)算校核分析，再運(yùn)用SolidWorks建立小刀架主要受力零部件的三維模型，然后將受力零部件導(dǎo)入ANSYS進(jìn)行有限元數(shù)值模擬分析，獲取有限元靜力穩(wěn)態(tài)分析結(jié)果，從而判斷此工藝裝備工作時(shí)穩(wěn)定性與可靠性。

4.1 鏜削加工作用力計(jì)算及數(shù)值模擬校核

由表1與圖3可知，以燕尾導(dǎo)軌面定位，鏜側(cè)孔（φ32H7）時(shí)，鏜削加工時(shí)的作用力有圓周力、徑向力、軸向力，根據(jù)參考文獻(xiàn)[6]表1-2-3，可知圓周力Pz=902ts0.75Kp， 徑 向 力 PY=530t0.9s0.75Kp， 軸 向 力PX= 451ts0.4Kp，再根據(jù)參考文獻(xiàn)[6]表1-2-5，小刀架零件可取切削深度 t = 0.1mm，每轉(zhuǎn)進(jìn)給量s=0．1mm，修正系數(shù)Kp=1．25，因此 Pz= 20.05N ，PY= 14.83N，PX=22．44N。但在計(jì)算切削力時(shí)，需要考慮安全系數(shù)，在此選取基本安全系數(shù)為 K1= 1.5，加工性質(zhì)系數(shù)為 K2= 1.1，刀具鈍化系數(shù)為 K3= 1.1，斷續(xù)切削系數(shù)為 K4= 1.1，總安全系數(shù) K =K1K2K3K4= 1.9965，所以鏜削加工各方向 的 切削力為： FZ= KPZ= 39.90N , FY= KPY= 29.51N,FX= KPX= 44.66N ， 所 需 克 服 的 切 削 力

工件以兩平面定位，夾緊力與切削力方向垂直，根據(jù)參考文獻(xiàn)[6]表1-2-11,獲知夾緊力的計(jì)算公式為：式中u表示夾緊元件與工件間的摩擦系數(shù)，由于工件為已加工過的表面，摩擦系數(shù)可取0．16，因 此 需 要 夾 緊 力另外由圖3可知，該工藝裝備主要夾緊受力件是燕尾壓緊塊，夾緊力主要來自螺柱拉力，螺柱抗拉強(qiáng)度計(jì)算主要是指材料所能承受的最大拉應(yīng)力，它表征了抵抗斷裂的能力，計(jì)算公式為表示試樣在斷裂前的最大載荷，單位為N， F0表示試樣原始橫截面積，單位為 m2。在此螺桿的材料為45鋼，抗拉強(qiáng)度為 δb= 600MPa ，取安全系數(shù)2．5，則許用拉應(yīng)力為而本工藝裝備需要的抗拉強(qiáng)度為，故螺栓安全可用，所以主要檢驗(yàn)分析燕尾壓緊塊是否滿足使用要求。

在此應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)燕尾壓緊塊進(jìn)行有限元靜力穩(wěn)態(tài)分析，通過對(duì)燕尾壓緊塊模型進(jìn)行單元類型及材料屬性定義、網(wǎng)格的劃分、施加約束條件及載荷，獲得有限元靜力穩(wěn)態(tài)模擬分析結(jié)果如圖4與圖5所示。圖4為有限元求解得到燕尾壓緊塊應(yīng)力云圖，從云圖中可以看到最大應(yīng)力為2．54MPa，位于螺栓柱面與燕尾壓緊塊的中心孔面上，并且其應(yīng)力遠(yuǎn)小于其材料的許用擠壓應(yīng)力。圖5為有限元求解得到燕尾壓緊塊變形云圖，圖中顯示壓緊塊的最大變形量為0.8436Emm?，位于燕尾壓緊塊與工件接觸的首末位置，符合設(shè)計(jì)要求，因此工藝裝備可以保證其使用時(shí)穩(wěn)定、可靠要求。

圖4 燕尾壓緊塊應(yīng)力分析

圖5 燕尾壓緊塊變形分析

4.2 銑削加工作用力計(jì)算及數(shù)值模擬校核

由表1與圖2可知，工件定位選取底平面及兩平行長側(cè)面，夾緊力通過螺桿旋轉(zhuǎn)作用于側(cè)面，工序30銑工件頂面，根據(jù)參考文獻(xiàn)[6]表3-19、3-92，可知銑削時(shí)所受的力：，其中系數(shù)CP= 38.9，背吃刀量 aP= 32mm，每齒進(jìn)給量 ar= 0.13mm ，銑刀直徑 D 32mm，銑削寬度aw=17mm，銑刀齒數(shù)z=6，系數(shù) kP= 1.029，因此需克服的切削力為 P0= 6927.83N 。但計(jì)算實(shí)際切削力時(shí)，需要考慮安全系數(shù)，在此選取基本安全系數(shù)為 K1= 1.5，加工性質(zhì)系數(shù)為 K2= 1.1，刀具鈍化系數(shù)為 K3= 1.1，斷續(xù)切削系數(shù)為 K4= 1.1，總安全系數(shù) K =K1K2K3K4= 1.9965，所以實(shí)際切削力P= KP0= 13831.4N。由參考文獻(xiàn)[7]表3-26可知當(dāng)螺桿大徑 DM= 20mm，其許用夾緊力為16080N，明顯滿足要求，在此主要檢驗(yàn)分析夾具體擋板應(yīng)力及變形是否滿足使用要求。

在此應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)夾具體擋板進(jìn)行有限元靜力穩(wěn)態(tài)分析，通過對(duì)夾具體擋板模型進(jìn)行單元類型及材料屬性定義、網(wǎng)格的劃分、施加約束條件及載荷，獲得有限元靜力穩(wěn)態(tài)模擬分析結(jié)果如圖6與圖7所示。圖6為有限元求解得到夾具體擋板應(yīng)力云圖，從云圖中可以看到最大應(yīng)力為101MPa，位于夾具體擋板根部，但其應(yīng)力遠(yuǎn)小于其材料的許用擠壓應(yīng)力。圖7為有限元求解得到夾具體擋板變形云圖，圖中顯示夾具體擋板的最大變形量為0.2064Emm?，位于夾具體擋板上部，符合設(shè)計(jì)要求，因此該工藝裝備可以保證其使用時(shí)穩(wěn)定、可靠要求。

圖6 夾具體擋板應(yīng)力分析

圖7 夾具體擋板變形分析

5 結(jié)語

小刀架零件是車床中的一個(gè)重要部件，其加工精度以及生產(chǎn)效率直接影響了制造業(yè)的生產(chǎn)力，傳統(tǒng)加工工藝規(guī)程設(shè)計(jì)以及工藝裝備設(shè)計(jì)繁瑣，在此通過運(yùn)用 SolidWorks創(chuàng)建工藝裝備三維模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用Ansys對(duì)主要工藝裝備元件進(jìn)行有限元力學(xué)分析，獲取了可靠的分析數(shù)據(jù)。生產(chǎn)實(shí)踐證明，小刀架零件鏜削銑削加工工藝裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)科學(xué)合理。因此應(yīng)用CAD/CAE技術(shù)進(jìn)行加工工藝裝備設(shè)計(jì)，不僅能減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且可以提高產(chǎn)品的質(zhì)量和效率。

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TG51

A

1671-0711（2017）10（下）-0119-04

福建省大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目（201610397028、201710397045），武夷學(xué)院科技項(xiàng)目（XD201707）。