趙旭東，李衛(wèi)民

(遼寧工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，錦州 121001)

現(xiàn)今，在汽車零部件設(shè)計(jì)過程中，為滿足其輕量化設(shè)計(jì)的需求，往往軸類零件多采用空心結(jié)構(gòu).在零件加工過程中，多數(shù)企業(yè)摒棄了原有的深孔鉆削以及埋弧焊接的加工方法，而改用更加經(jīng)濟(jì)、綠色、高效的摩擦焊接技術(shù)[1-2].相關(guān)產(chǎn)品以活塞桿、石油鉆桿、花鍵軸和汽車輪胎扳手等為代表，觀察上述產(chǎn)品外形可以得出，其外形特征主要表現(xiàn)為直徑多變、成品長度不一，但均為長軸類零件.因此，為實(shí)現(xiàn)以上產(chǎn)品的摩擦焊接加工，設(shè)計(jì)具有一定通用性的焊接夾具是極為必要的.文獻(xiàn)[3]中設(shè)計(jì)了一種焊接有色金屬的防夾傷移動(dòng)夾具.文獻(xiàn)[4]中設(shè)計(jì)了一種用于焊接過程中手工上料時(shí)防夾傷移動(dòng)夾具.文獻(xiàn)[5-6]中焊機(jī)移動(dòng)端夾具主要采用成型V型塊或是與焊接件形狀相同的專用夾具.

本文綜合了國內(nèi)外摩擦焊接移動(dòng)端夾具的應(yīng)用現(xiàn)狀，對(duì)移動(dòng)端夾具進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并依據(jù)夾緊力大小運(yùn)用有限元分析軟件對(duì)夾具體進(jìn)行了剛度與強(qiáng)度的校核.而后依據(jù)其靜力學(xué)結(jié)果對(duì)夾具體進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化分析，對(duì)冗余結(jié)構(gòu)進(jìn)行了去除，完成了夾具體的輕量化設(shè)計(jì).

1 焊機(jī)移動(dòng)端夾具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在摩擦焊接工藝中，旋轉(zhuǎn)側(cè)零件通常采用液壓夾盤或彈簧夾頭夾持，而移動(dòng)端零件多采用V型塊進(jìn)行裝夾.當(dāng)采用V型塊夾持較長的焊件時(shí)，夾具與焊件的接觸面積較小，在焊接過程中當(dāng)摩擦扭矩及頂鍛壓力較大時(shí)，容易出現(xiàn)夾緊力不足的現(xiàn)象.同時(shí)，當(dāng)焊接材料選用有色金屬時(shí)，極易使產(chǎn)品外圓表面出現(xiàn)較深的夾痕，從而影響產(chǎn)品質(zhì)量.為保證長軸類零件焊接時(shí)對(duì)夾緊力的要求，并滿足夾具對(duì)系列化產(chǎn)品生產(chǎn)的通用性需求，將焊機(jī)的移動(dòng)端夾具設(shè)計(jì)為裝配結(jié)構(gòu)，主要由夾塊和支撐體兩大部分組成，夾塊與焊件的接觸面與焊件外形保持一致，這樣的構(gòu)造可增大夾塊與焊件的接觸面積，有利于獲得較大的夾緊力并避免工件夾傷現(xiàn)象的出現(xiàn).此外，在夾緊裝置設(shè)計(jì)上，選擇在同一夾具支撐體上對(duì)稱布置2個(gè)夾緊塊，以保證夾具對(duì)中性的需求.當(dāng)需要焊接不同直徑的系列化產(chǎn)品時(shí)，可保持在夾具支撐體外形不變的前提下，只將夾塊與焊件的接觸面半徑根據(jù)所加工產(chǎn)品的直徑做出替換即可，這種設(shè)計(jì)可提高夾具的利用率，實(shí)現(xiàn)“一具多用”的通用性需求.夾具的三維虛擬裝配如圖1所示.

圖1 夾具的三維虛擬裝配

圖2 夾緊裝置的三維虛擬裝配

目前，多數(shù)焊機(jī)移動(dòng)端焊件在裝夾驅(qū)動(dòng)方式上主要是采用液壓驅(qū)動(dòng)，即采用1個(gè)動(dòng)夾塊向1個(gè)定夾塊移動(dòng)的方式來實(shí)現(xiàn)移動(dòng)端焊件的裝夾.由于在實(shí)際的應(yīng)用中，采用動(dòng)夾塊向定夾塊移動(dòng)的方式，會(huì)因?yàn)槠湟苿?dòng)距離相對(duì)較長，而造成夾緊速度較慢，加工效率較低的現(xiàn)象出現(xiàn).同時(shí)液壓驅(qū)動(dòng)方式常伴有管路漏油的現(xiàn)象發(fā)生，致使環(huán)境受到嚴(yán)重污染.因此在本次設(shè)計(jì)中，選擇了將液壓驅(qū)動(dòng)的方式改進(jìn)為由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式完成移動(dòng)端焊件的裝夾，并且主要利用變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)正反一體的滾珠絲杠螺母副結(jié)構(gòu)帶動(dòng)兩夾塊進(jìn)行相向運(yùn)動(dòng)，來實(shí)現(xiàn)移動(dòng)端焊件的裝夾.夾緊裝置的三維虛擬裝配如圖2所示.

在進(jìn)行電機(jī)選型過程中，需要以電機(jī)所需要的最大扭矩以及扭矩的有效值為依據(jù)，在滾珠絲杠螺母副結(jié)構(gòu)上配套使用伺服電機(jī)時(shí)，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)扭矩經(jīng)由彈性聯(lián)軸器施加給絲杠，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)經(jīng)由滾珠螺母轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng).應(yīng)當(dāng)注意的是，在不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，伺服電機(jī)所需要的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩是存在差異的.因此，在選用電機(jī)時(shí)就需要同時(shí)滿足2個(gè)條件：①伺服電機(jī)的瞬時(shí)最大輸出轉(zhuǎn)矩必須大于電機(jī)所需的最大驅(qū)動(dòng)扭矩；②伺服電機(jī)的額定輸出扭矩必須大于電機(jī)所需的驅(qū)動(dòng)扭矩的有效值.在進(jìn)行電機(jī)選型時(shí)應(yīng)注意，不同的伺服電機(jī)制造商所生產(chǎn)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量會(huì)有一定區(qū)別，此外需要把計(jì)算出的負(fù)載折算成電機(jī)上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，通常情況下經(jīng)折算后，必須保證電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不低于折算到電機(jī)上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的1/10.綜上，應(yīng)綜合對(duì)比伺服電機(jī)瞬時(shí)最大輸出扭矩、伺服電機(jī)額定輸出扭矩以及伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量3個(gè)技術(shù)參數(shù)來進(jìn)行伺服電機(jī)的選型.

圖3 夾緊裝置封裝

在夾緊裝置設(shè)計(jì)過程中，因滾珠絲杠螺母副結(jié)構(gòu)為高精密傳動(dòng)件，所以為了防止加工廢料進(jìn)入螺母副中，在夾緊裝置設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)其進(jìn)行了封裝處理(圖3).在整套移動(dòng)夾緊裝置裝配上，交流伺服電機(jī)主要通過螺栓固定在夾緊機(jī)構(gòu)支撐體右側(cè)并通過聯(lián)軸器與絲杠直連.焊機(jī)移動(dòng)端夾具在整個(gè)焊接過程中既要避免焊件沿切向方向轉(zhuǎn)動(dòng)，又需保證其在軸線方向不能發(fā)生移動(dòng)，因此，在夾具設(shè)計(jì)中為了滿足軸向夾緊力的需求，同時(shí)也為避免整個(gè)夾緊機(jī)構(gòu)體積過于龐大，在軸向上主要通過限位塊與夾具配合使用的方式來限制工件沿著軸線方向的移動(dòng).

2 夾具靜力學(xué)分析

2.1 夾緊力的計(jì)算

摩擦焊機(jī)噸位為14 t，即頂鍛壓力取整為140 kN，根據(jù)《焊接手冊(cè)》[7]中推薦的摩擦壓力取值方法可知，其數(shù)值大小通常為頂鍛壓力的1/2～1/3.這里取焊機(jī)摩擦壓力為70 kN.焊機(jī)加工時(shí)摩擦扭矩計(jì)算式為

T0=μ0F1Rμ

(1)

式中：T0為工件摩擦轉(zhuǎn)矩；μ0為工件摩擦系數(shù)；F1為摩擦壓力；Rμ為當(dāng)量摩擦半徑，通常取工件半徑的2/3，本文中焊接最大直徑為35 mm.

經(jīng)計(jì)算得到焊接時(shí)摩擦扭矩大小為122.85 N·m.

為防止工件繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)所需的夾緊力可由式(2)求得

(2)

式中：Wk1為限制焊件繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)所需的夾緊力；K為安全系數(shù)；T為焊接時(shí)所產(chǎn)生的摩擦扭矩；α為夾塊夾角，夾塊為半圓柱面，取180°；D為焊件直徑；μ為夾具與工件摩擦系數(shù).

經(jīng)計(jì)算得到焊接時(shí)所需的切向夾緊力為21 060 N.

為防止工件在軸向力(摩擦壓力)Px作用下移動(dòng)所需的夾緊力可由式(3)求得

(3)

式中：Wk2為限制焊件沿軸向移動(dòng)所需的夾緊力；K為安全系數(shù)；Px為摩擦壓力；α為夾塊夾角；μ為夾具與工件摩擦系數(shù).

經(jīng)計(jì)算得到焊接時(shí)為防止焊件沿軸向移動(dòng)所需的夾緊力為210 000 N.

通過上述相關(guān)計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，在摩擦階段為防止焊件在軸向力作用下發(fā)生移動(dòng)所需的夾緊力(210 kN)是頂鍛壓力(140 kN)的1.5倍，然而在頂鍛階段，將頂鍛壓力帶入式(3)中，經(jīng)計(jì)算后可得出為防止工件在軸向力作用下移動(dòng)所需的夾緊力為420 kN.如果按照頂鍛階段計(jì)算得到的夾緊力進(jìn)行焊機(jī)夾具設(shè)計(jì)，必然會(huì)造成所選擇的電機(jī)功率過大，導(dǎo)致整個(gè)夾緊機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)和停止過程中所需的準(zhǔn)備時(shí)間出現(xiàn)延長，因此，正如前面所提到的，在移動(dòng)端焊件的夾緊裝置設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)選擇以防止工件繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的夾緊力為夾緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)依據(jù)；為了防止焊件在摩擦階段和頂鍛階段沿著軸線方向移動(dòng)，可通過在動(dòng)力滑臺(tái)上配合安裝軸向限位裝置來解決這一問題，經(jīng)轉(zhuǎn)化后夾具為防止工件在軸向力(摩擦壓力)Px作用下移動(dòng)所需的夾緊力大小為7020 N.

2.2 有限元模型的建立

表1 45鋼材料屬性

夾塊及夾塊支撐體材料均選用45鋼，材料的屬性及部分力學(xué)性能如表1所示.

為減少有限元分析過程中的計(jì)算量，在建立夾具有限元模型時(shí)做出了適當(dāng)簡化，忽略了夾塊和夾塊支撐體上的倒圓、倒角等細(xì)小特征，并對(duì)兩者在裝配時(shí)所需的螺栓及螺栓孔特征予以簡化.待材料屬性設(shè)置完成后，定義夾塊與支撐體之間的配合面的接觸方式為綁定接觸，利用ANSYS Workbench中Mesh模塊下的網(wǎng)格工具對(duì)簡化后的夾具有限元模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分.進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)選用高階四面體單元，同時(shí)設(shè)置網(wǎng)格相關(guān)中心為精細(xì)(Fine)；并將網(wǎng)格平滑度設(shè)置為高級(jí)(High)；為保證網(wǎng)格彼此間過渡的光滑性，將臨近單元過渡設(shè)置為光滑過渡(Slow)；定義網(wǎng)格尺寸為3 mm，待網(wǎng)格劃分完成后對(duì)其質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估.在結(jié)構(gòu)分析中，一般選擇基本網(wǎng)格質(zhì)量(Element Quality)下的平均網(wǎng)格質(zhì)量及扭曲度(Skewness)下的平均扭曲度2個(gè)準(zhǔn)則對(duì)網(wǎng)格劃分質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估.根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)平均網(wǎng)格質(zhì)量數(shù)值>0.75，平均扭曲度<0.5時(shí)，即認(rèn)為網(wǎng)格劃分質(zhì)量達(dá)到求解標(biāo)準(zhǔn).經(jīng)檢驗(yàn)平均網(wǎng)格質(zhì)量為0.84，平均扭曲度為0.22，網(wǎng)格劃分質(zhì)量較好地滿足了靜力學(xué)求解要求，經(jīng)網(wǎng)格劃分后得到的有限元模型如圖4所示.

圖4 夾具有限元模型

2.3 外載及邊界條件的確定

夾緊裝置在工作的過程中，夾緊力和摩擦扭矩主要是作用在夾塊與焊件相接觸的外表面上，所以在夾塊的內(nèi)圓面上施加一個(gè)垂直于接觸面大小為21 060 N的面力，其方向指向夾具一側(cè)，用來模擬防止焊件繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的夾緊力.同樣地，沿軸線方向施加一個(gè)大小為7020 N的面力，用來模擬防止工件在軸向力(摩擦壓力)作用下移動(dòng)所產(chǎn)生的夾緊力.由于在加工過程中接觸面受到摩擦扭矩的作用，所以在焊件與夾塊兩者之間的接觸面上施加大小為122.85 N·m的扭矩載荷，并考慮重力影響.由于夾塊固定在工作臺(tái)上，所以對(duì)夾具支撐體上的4個(gè)螺栓孔施加固定約束，同時(shí)對(duì)支撐體下表面施加位移約束.經(jīng)求解后的夾具變形云圖及等效應(yīng)力分布云圖，如圖5所示.

圖5 夾具體靜力學(xué)分析結(jié)果

由圖5可知，夾具上出現(xiàn)最大變形位置在夾塊的外圓面的邊緣處，數(shù)值大小為3 μm，在靠近約束的加載位置附近基本無形變發(fā)生.夾具的最大等效應(yīng)力為32.248 MPa，這一數(shù)值遠(yuǎn)小于45鋼的屈服強(qiáng)度，因此在考慮應(yīng)力集中現(xiàn)象發(fā)生的情況下，夾具的設(shè)計(jì)仍然是較為安全的.為了校驗(yàn)計(jì)算結(jié)果的正確性，選擇對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)解檢驗(yàn)，通過對(duì)圖5靜力學(xué)結(jié)果云圖進(jìn)行觀察后，選擇對(duì)夾具結(jié)構(gòu)上應(yīng)力出現(xiàn)較大變化的位置進(jìn)行單元細(xì)化(Refinement)操作，在原來網(wǎng)格劃分相關(guān)設(shè)置不變的情況下，選擇相應(yīng)的面及邊進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化操作，并設(shè)置細(xì)化等級(jí)數(shù)為1，刷新網(wǎng)格后再次進(jìn)行求解，求解后得到的應(yīng)力結(jié)果為32.254 MPa.前后2次求解應(yīng)力變化幅度為(32.254/32.248-1)×100%=0.018%.可見2次求解結(jié)果差別很小，原網(wǎng)格劃分是合理的，同時(shí)求解結(jié)果也具有一定的可信度.通過圖5可知，夾具在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上存在較大冗余量，為了合理利用夾具材料，并能夠有效提高夾具在工作過程中的響應(yīng)速度，對(duì)夾具適當(dāng)?shù)刈龀鲚p量化設(shè)計(jì)是具有一定積極意義的.

3 夾具輕量化設(shè)計(jì)

在產(chǎn)品的初始設(shè)計(jì)階段，僅憑借著設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)或是主觀想象來完成產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的開發(fā)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的.在設(shè)計(jì)中根據(jù)產(chǎn)品的實(shí)際外載及約束條件進(jìn)行結(jié)構(gòu)校核與優(yōu)化，并結(jié)合相關(guān)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)才能得到滿足設(shè)計(jì)要求與加工工藝要求的產(chǎn)品.

結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的本質(zhì)就是在追求給定外載、約束條件和性能指標(biāo)的前提下，得出給定區(qū)域內(nèi)結(jié)構(gòu)的材料具有最優(yōu)布局的一種數(shù)學(xué)方法.在拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)變量、約束條件以及目標(biāo)函數(shù)是求解過程中較為關(guān)鍵的3個(gè)要素，由這3個(gè)要素所組成的拓?fù)鋬?yōu)化的數(shù)學(xué)表達(dá)式為[8]

(4)

在對(duì)夾具進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化前需對(duì)優(yōu)化區(qū)域進(jìn)行設(shè)置，如圖6所示.圖中紅色區(qū)域不參與優(yōu)化.優(yōu)化函數(shù)主要是基于上文中的靜力學(xué)求解結(jié)果進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì).定義結(jié)構(gòu)的柔順度(Compliance)為優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，當(dāng)優(yōu)化目標(biāo)為最小值時(shí)意味著系統(tǒng)擁有最大化的結(jié)構(gòu)剛度.定義優(yōu)化約束為：質(zhì)量約束范圍為70%～85%；等效應(yīng)力最大約束上限為100 MPa；施加制造約束為默認(rèn)值；對(duì)稱優(yōu)化約束為沿Y軸對(duì)稱.在求解項(xiàng)中定義最大迭代次數(shù)為500次，收斂精度為0.1%.經(jīng)拓?fù)鋬?yōu)化求解后的夾具拓?fù)涿芏确植荚茍D如圖7所示.

圖7 夾具結(jié)構(gòu)拓?fù)涿芏仍茍D

圖8 重構(gòu)后的夾具結(jié)構(gòu)

由圖7可知，夾具支撐體的兩筋板和兩筋板中間位置具有較大的冗余量，綜合考慮夾具拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果以及整個(gè)移動(dòng)夾緊裝置對(duì)于封閉性的需求，設(shè)計(jì)得到夾具最終結(jié)構(gòu)如圖8所示.夾具初始設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)質(zhì)量為7.1 kg，經(jīng)拓?fù)溆?jì)算后重構(gòu)的夾具總質(zhì)量為5.38 kg，經(jīng)對(duì)比可得出，與最初結(jié)構(gòu)相比，重構(gòu)后的夾具減輕了1.72 kg，從而整套夾具減輕了3.66 kg.

對(duì)重構(gòu)后的夾具再次進(jìn)行相同條件下的靜力學(xué)校核，夾具經(jīng)網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)后的變形云圖及等效應(yīng)力云圖分別如圖9、圖10所示.由圖9、圖10可知夾具的最大變形位置仍發(fā)生在夾塊的外圓面邊緣處，數(shù)值大小為4.5 μm；雖然重構(gòu)后的夾具的最大等效應(yīng)力略有上升，但其數(shù)值仍然遠(yuǎn)小于45鋼的屈服強(qiáng)度，因此經(jīng)輕量化設(shè)計(jì)后的夾具是仍能滿足使用要求的.

圖9 夾具變形云圖

圖10 夾具等效應(yīng)力云圖

4 結(jié)論

1) 本文以連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊機(jī)移動(dòng)端夾緊裝置為研究對(duì)象，將夾具設(shè)計(jì)為由夾塊及支撐體組成的裝配結(jié)構(gòu)，并將夾具驅(qū)動(dòng)方式由液壓驅(qū)動(dòng)更改為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，有效改善了因液壓系統(tǒng)存在泄露現(xiàn)象造成的環(huán)境污染.

2) 根據(jù)實(shí)際工況對(duì)焊機(jī)夾具進(jìn)行了靜力學(xué)校核，經(jīng)驗(yàn)證夾具結(jié)構(gòu)滿足使用要求，但依據(jù)靜力學(xué)結(jié)果可知夾具結(jié)構(gòu)具有較大冗余量，還需進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì).

3) 對(duì)夾具結(jié)構(gòu)二次設(shè)計(jì)中，使整個(gè)夾緊裝置減輕3.66 kg，對(duì)重設(shè)計(jì)后的夾具結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相同條件下的靜力學(xué)校核，經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)輕量化后的夾具最大等效應(yīng)力數(shù)值雖略有上升，但仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度.

通過此次研究，驗(yàn)證了焊機(jī)夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，并能夠?yàn)槲覈Σ梁附庸ぱb的多樣化發(fā)展提供有利的參考.