劉建剛，杜風(fēng)嬌

(1.武夷學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，福建 南平 354300;2.浙江理工大學(xué) 機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院，浙江 杭州 310018)

0 引言

薄壁零件在磨削外圓加工過程中，因其剛度低，易產(chǎn)生變形，從而影響薄壁零件的加工精度.為了保證薄壁類零件的加工精度，一些研究者提出了使用夾具的方法.例如：黃華賓[1]針對(duì)異形腔薄壁殼體零件的加工特征,制作了一種工裝夾具,該夾具可有效提高裝卸工件的效率.張珂等[2]提出了一種用于線束接插件的自動(dòng)化夾具的優(yōu)化方法，該方法可將原加工中0.2 mm的變形量降低到0.1 mm以下.杜風(fēng)嬌等[3]利用蛇形彈簧設(shè)計(jì)了一套薄壁套筒類零件磨削夾具，但作者未對(duì)該方案開展動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)，因此采用該方案加工的零件表面有可能產(chǎn)生振動(dòng)波紋.楊志源等[4]通過設(shè)計(jì)多自由度夾具有效地解決了薄壁類零件加工時(shí)裝夾定位困難的問題.目前為止，學(xué)者對(duì)液性塑料夾具方面的研究大多僅限于理論分析和輔助測(cè)量等[5-8]，而對(duì)其具體設(shè)計(jì)和可靠性研究得較少.如文獻(xiàn)[9]設(shè)計(jì)了一款液性塑料夾具用于加工連桿零件，該夾具方案雖能夠保證零件的位置尺寸，但當(dāng)壓力過大時(shí)會(huì)有少許液性塑料從活塞與芯軸的間隙中漏出.基于上述研究，本文以液壓鑿巖機(jī)套閥閥芯為例，利用液性塑料設(shè)計(jì)一種薄壁套筒類零件外圓磨削夾具，并通過仿真驗(yàn)證本文提出方法的可行性.

1 夾具設(shè)計(jì)

1.1 工藝要求

圖1為套閥閥芯的設(shè)計(jì)圖.由圖1可知,Φ 36、Φ 40、Φ 42、Φ 44的外圓表面需要有較高的同軸度和較低的粗糙度.Φ 36、Φ 40、Φ 42、Φ 44表面的加工工藝圖如圖2所示.由圖2可知，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求為：以套閥閥芯內(nèi)徑(Φ 42)為定位基準(zhǔn)A，Φ 40和Φ 44的外圓相對(duì)A基準(zhǔn)的同軸度為Φ 0.01 mm，Φ 40、Φ 44 的外圓表面粗糙度為0.4 μm.

圖1 套閥閥芯的設(shè)計(jì)圖

圖2 套閥閥芯的加工工藝圖

1.2 夾具的設(shè)計(jì)原理和組裝

圖3為本文設(shè)計(jì)的夾具裝配示意圖，其工作方式為：在薄壁套筒內(nèi)，由芯軸、芯軸II、柱塞、薄壁套和加壓螺釘形成一個(gè)密封腔；液性塑料將其在密封腔內(nèi)受到的壓強(qiáng)(由柱塞擰緊力壓迫而產(chǎn)生的)均勻地傳遞給薄壁套，薄壁套受到擠壓后產(chǎn)生徑向變形并擠壓套閥閥芯，從而達(dá)到限制套閥閥芯旋轉(zhuǎn)的目的.

圖3 夾具裝配示意圖

薄壁套(見圖4)為夾具的關(guān)鍵零件，其最大外徑尺寸為Φ 36.為保證夾具使用的穩(wěn)定性，本文在設(shè)計(jì)薄壁套時(shí)，將其左、右端面的平行度和粗糙度設(shè)置為0.4 μm，內(nèi)圓的粗糙度設(shè)置為0.4 μm，外圓Φ 36處的圓跳動(dòng)值設(shè)置為0.02 mm.

圖4 薄壁套示意圖

1.3 夾具使用步驟

夾具的使用步驟為：①通過圓柱銷將薄壁套、芯軸及芯軸Ⅱ固定,并形成一個(gè)開放的容積腔；②通過芯軸Ⅱ內(nèi)孔將液性塑料注入至開放的容積腔內(nèi)；③通過加壓螺釘和柱塞使液性塑料所在的容積腔變成一個(gè)密封腔；④通過擰緊加壓螺釘使柱塞軸向移動(dòng)，以此壓緊液性塑料.

2 理論計(jì)算與仿真

2.1 理論計(jì)算

薄壁套選取65Mn，套閥閥芯選取40Cr，假設(shè)套閥閥芯外圓磨削產(chǎn)生的摩擦力為200 N(經(jīng)驗(yàn)值)[3].通過對(duì)薄壁套進(jìn)行有限元仿真(結(jié)果見圖5 —圖7)可知，當(dāng)密封腔內(nèi)的壓強(qiáng)達(dá)到7.44 MPa時(shí)，薄壁套與套閥閥芯接觸產(chǎn)生過盈配合，此時(shí)的薄壁套外表面最大應(yīng)力值為101.78 MPa，套閥閥芯內(nèi)的表面最大應(yīng)力值為25.22 MPa.根據(jù)文獻(xiàn)[11]，本文將套閥閥芯與薄壁套之間的摩察系數(shù)設(shè)置為0.2，由此可得薄壁套與套閥閥芯之間的摩擦力Ff=25.22×π×0.182×0.04=205.3 N>200 N，此時(shí)擰緊螺塞所需的軸向力為F=P×S=186 N.

螺栓擰緊力矩-軸向力關(guān)系的表達(dá)式[11]為

(1)

式中：M為螺栓擰緊力矩(N·m)；F為螺栓軸向力(N)；d2為M12粗牙螺紋中徑，d2=10.86 mm；λ為螺紋升角(°)，λ=arctg(t/d2)，t為螺距(mm)，λ=60°；f為螺母與被連接件支撐面間的摩擦系數(shù)，f=0.2；ρ為螺旋副的當(dāng)量摩擦角,ρ=24.8°;tgρ為螺旋副的當(dāng)量摩擦系數(shù)，tgρ=f′/cosβ，其中β為三角型螺紋半角(β=30°),f′為螺旋副間的摩擦系數(shù)；R為M10粗牙螺紋大徑，R=12 mm；r為M10粗牙螺紋小徑，r=10.11 mm.由式(1)計(jì)算可得，芯軸Ⅱ右端面的加壓螺釘?shù)臄Q緊力矩M為2.58 N·m時(shí)，柱塞產(chǎn)生的軸向力為186 N，密封腔內(nèi)液性塑料承受的壓強(qiáng)為7.44 MPa.

2.2 仿真分析

對(duì)薄壁套進(jìn)行仿真得到的應(yīng)力圖、變形圖和應(yīng)變圖如圖5 —圖7所示.由圖5 —圖7可知：薄壁套的應(yīng)力峰值為101.78 MPa，薄壁套的變形峰值為0.007 7 mm，薄壁套的應(yīng)變值為0.000 51 mm.由薄壁套所用材料(65Mn)的屈服極限(430 MPa)可知，薄壁套不會(huì)發(fā)生塑性破壞，即材料滿足設(shè)計(jì)要求.

圖5 薄壁套的應(yīng)力圖

圖6 薄壁套的總變形圖

圖7 薄壁套的應(yīng)變圖

對(duì)套閥閥芯進(jìn)行仿真得到的應(yīng)力圖、變形圖和應(yīng)變圖如圖8 —圖10所示.由圖8 —圖10可知：套閥閥芯的應(yīng)力峰值出現(xiàn)在套閥閥芯與薄壁套(Φ 36)的配合處，為25.22 MPa；套閥閥芯的徑向變形峰值為0.002 1 mm，套閥閥芯的徑向應(yīng)變峰值為0.000 13 mm.由套閥閥芯所用材料(40Cr)的屈服極限(785 MPa)可知，材料滿足設(shè)計(jì)要求.

圖8 套閥閥芯的應(yīng)力圖

圖9 套閥閥芯的變形圖

圖10 套閥閥芯的應(yīng)變圖

3 夾具可靠性分析

3.1 套閥閥芯磨削的可靠性分析

根據(jù)2.1中的計(jì)算可知，套閥閥芯與薄壁套之間的摩擦力(205.3 N)大于外圓磨削時(shí)產(chǎn)生的摩擦力(經(jīng)驗(yàn)值為200 N)，因此磨削過程不會(huì)產(chǎn)生打滑現(xiàn)象，即套閥閥芯磨削夾具的磨削力滿足設(shè)計(jì)要求.

3.2 薄壁套應(yīng)力的可靠性分析

薄壁套應(yīng)力的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的計(jì)算公式[12]為

(2)

式中：μF為材料的許用強(qiáng)度[14]，μF=430 MPa；μS為薄壁套所受應(yīng)力值，μS=11.9～101.78 MPa；σS為應(yīng)力分布標(biāo)準(zhǔn)差，為6.1 MPa(由文獻(xiàn)[12]中的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算所得)；σF為強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差，σF=26.24.由式(2)計(jì)算得z=-12.2.根據(jù)正態(tài)分布表[14]可知，薄壁套的應(yīng)力可靠度為100%，失效率為0.

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于液性塑料的薄壁類零件磨削夾具，對(duì)其進(jìn)行理論計(jì)算顯示，密封腔內(nèi)的壓強(qiáng)達(dá)到7.44 MPa時(shí)即可克服套閥閥芯外圓磨削所產(chǎn)生的摩擦力，此時(shí)加壓螺釘所需的扭矩為2.58 N·m.對(duì)薄壁套及套閥閥芯的可靠度進(jìn)行仿真驗(yàn)證表明，本文設(shè)計(jì)的薄壁套筒類零件磨削夾具的應(yīng)力可靠度為100%，因此本文方法對(duì)提高薄壁類零件的制造精度具有很好的參考價(jià)值.本文在研究中因條件限制，未能對(duì)裝配后的夾具進(jìn)行動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)，且未能考慮液性塑料的熱膨脹對(duì)夾緊力的影響，因此今后我們將對(duì)本文方案開展動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)，并對(duì)液性塑料的熱膨脹進(jìn)行研究，以提高本文方法的可靠性和適用性.