張森

（200093 上海市 上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院）

0 引言

隨著汽車(chē)行業(yè)的快速發(fā)展，汽車(chē)的各個(gè)零部件開(kāi)始逐步大規(guī)模生產(chǎn)，汽車(chē)的撥叉作為變速箱的重要零部件，其加工精度往往會(huì)對(duì)汽車(chē)變速箱的整體性能產(chǎn)生一定的影響[1]。由于汽車(chē)的撥叉零件外形比較復(fù)雜，加工難度較大，為此在大批量生產(chǎn)過(guò)程中，為了能夠提高零件加工的生產(chǎn)效率，降低勞動(dòng)成本，保證加工質(zhì)量和加工精度，則需專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)針對(duì)該工序的專(zhuān)用夾具[2]。對(duì)于機(jī)床加工，夾具是工藝裝備制造的重要組成，加工工件需要通過(guò)它固定，從而實(shí)現(xiàn)零部件的快速夾緊和定位[3]。專(zhuān)用夾具在夾緊工件的過(guò)程中，夾緊作用力的大小將會(huì)直接影響工件的質(zhì)量。若夾緊作用力過(guò)小，則會(huì)造成工件移位，無(wú)法保證加工精度；若夾緊作用力過(guò)大，則會(huì)造成夾具體與工件的變形，無(wú)法保證加工質(zhì)量。為了保證設(shè)計(jì)的專(zhuān)用夾具滿(mǎn)足工件加工的使用要求，本文主要研究某汽車(chē)變速撥叉零件加工所用的鉆孔專(zhuān)用夾具，并通過(guò)ABAQUS 仿真軟件分析了夾具體在加工過(guò)程中的應(yīng)力變化與位移變化，為實(shí)際撥叉零件的大批量生產(chǎn)制造提供參考。

1 某汽車(chē)撥叉專(zhuān)用夾具模型的建立

本次所加工的零件為某汽車(chē)的變速撥叉零件，遵循六點(diǎn)定位原則并同時(shí)對(duì)零件進(jìn)行夾緊[5]，定位方式與鉆孔加工部位如圖1 所示。

圖1 撥叉零件定位與加工示意圖Fig.1 Schematic diagram of positioning and machining of a fork part

根據(jù)加工工序的要求，通過(guò)SolidWorks 三維軟件設(shè)計(jì)出符合鉆孔工序的專(zhuān)用夾具，通過(guò)圓柱銷(xiāo)、活動(dòng)V 型塊、鉆孔夾具體等對(duì)撥叉零件進(jìn)行自由度限制，同時(shí)通過(guò)旋轉(zhuǎn)手柄對(duì)工件進(jìn)行夾緊。夾具體裝配圖如圖2 所示。

圖2 鉆孔夾具體三維裝配圖Fig.2 Three-dimensional assembly drawing of drilling fixture

2 鉆孔專(zhuān)用夾具體受力分析

2.1 鉆孔切削力估算

在加工過(guò)程中，刀具所采用的材料為高速鋼的鉆頭，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式[5]可知，鉆孔時(shí)所需切削力Ff為

式中：D——鉆頭刀具的直徑，D=15 mm；f——每轉(zhuǎn)進(jìn)給量，f=0.22 mm/r；Kp——鉆頭刀具的修正系數(shù)，Kp=0.16。

將數(shù)值代入式（1）可估算出鉆孔時(shí)所需切削力Ff=955.08 N。

2.2 夾緊力估算

機(jī)床在加工過(guò)程中，工件的夾緊力會(huì)受到鉆孔時(shí)切削力的影響，夾緊力與切削力方向垂直，則根據(jù)夾緊力的經(jīng)驗(yàn)公式[5]可知

式中：μ1——撥叉工件已加工面與夾具體之間的摩擦系數(shù)；μ2——夾緊元件與撥叉夾緊表面之間的摩擦系數(shù)，分別取μ1=0.16，μ2=0.7；K——安全系數(shù)，取值K=1.56。

經(jīng)計(jì)算，可估算出撥叉零件所需夾緊力大小為1 732.47 N。

3 有限元仿真分析

3.1 夾具體網(wǎng)格劃分

通過(guò)SolidWorks 建立完夾具體三維模型之后，導(dǎo)入到ABAQUS，對(duì)該模型進(jìn)行材料屬性的賦予，材料屬性如表1 所示。需要對(duì)夾具體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為提高網(wǎng)格質(zhì)量，本次模型采用四面體網(wǎng)格劃分,劃分網(wǎng)格的單元類(lèi)型為C3D10，單元總數(shù)為54 216，結(jié)點(diǎn)總數(shù)為83 466，鉆孔專(zhuān)用夾具體網(wǎng)格劃分如圖3 所示。

表1 夾具體材料屬性Tab.1 Fixture material properties

圖3 鉆孔專(zhuān)用夾具網(wǎng)格劃分示意圖Fig.3 Schematic diagram of meshing of drilling fixture

3.2 夾具體載荷及邊界約束

專(zhuān)用鉆孔夾具體在工件與定位元件接觸并且?jiàn)A緊撥叉工件時(shí)，也會(huì)受到方向相反、大小相等的同等載荷力，該載荷力均勻分布在工件與V 形塊和圓柱銷(xiāo)的接觸面上，夾具體上的載荷力分布如圖4 所示。夾具體通過(guò)導(dǎo)軌裝配固定在機(jī)床上，需要對(duì)夾具體的底部位置進(jìn)行固定約束，夾具體的邊界約束如圖5 所示。

圖4 夾具體載荷分布Fig.4 Fixture load distribution

圖5 夾具體邊界約束Fig.5 Fixture boundary constraints

3.3 仿真結(jié)果分析

3.3.1 夾具體應(yīng)力分析

機(jī)床在加工的過(guò)程中，專(zhuān)用夾具體受到載荷力之后，應(yīng)力分布云圖如圖6 所示。

圖6 專(zhuān)用夾具受力分布示意圖Fig.6 Schematic diagram of force distribution of the fixture

從圖6 可以看出，鉆孔專(zhuān)用夾具上主要是圓柱銷(xiāo)與V 形塊所受到的應(yīng)力最為集中，夾具體在定位夾緊工件時(shí)，各個(gè)部件都需要具有較強(qiáng)的承受壓力的能力，這樣才不會(huì)導(dǎo)致夾具體因?yàn)閵A緊力等作用而受到破壞。觀察該夾具體的應(yīng)力分布狀況可知，定位元件所受到的最大應(yīng)力為177.2 MPa，其應(yīng)力值低于夾具體灰鑄鐵材料的屈服強(qiáng)度，夾具體上其他部件也都不會(huì)因?yàn)閵A緊力作用而發(fā)生損壞，故本次所用的專(zhuān)用夾具體符合設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。

3.3.2 夾具體位移分析

工件在定位夾緊過(guò)程中，夾具體往往會(huì)產(chǎn)生相對(duì)的位移變形，位移變形會(huì)影響零件的加工精度，從而影響加工質(zhì)量，其位移分布云圖如圖7 所示。

由圖7 可知，鉆孔專(zhuān)用夾具的最大變形是發(fā)生在移動(dòng)V 形塊上的，其最大位移變形量為1.728×10-8mm，圓柱銷(xiāo)的位移變形量也很小，滿(mǎn)足撥叉零件的孔加工要求。

圖7 專(zhuān)用夾具位移分布示意圖Fig.7 Schematic diagram of displacement distribution of fixture

3.3.3 夾具體模態(tài)分析

在設(shè)計(jì)撥叉零件專(zhuān)用鉆孔專(zhuān)用夾具體過(guò)程中，需要確保夾具體在受到切削力與夾緊力等外力作用下，不會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的振動(dòng)，因此在設(shè)計(jì)夾具體結(jié)構(gòu)時(shí)需要合理，避免其受力而產(chǎn)生不良的振動(dòng)影響，保證在加工過(guò)程中的穩(wěn)定。ABAQUS 中模態(tài)分析可以計(jì)算出夾具體的固有頻率振動(dòng)特性，可以使得夾具體在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中避免共振[6]，提高機(jī)床加工的穩(wěn)定性。本文通過(guò)約束夾具體，得到夾具體的前六階固有頻率如表2 所示，夾具體的一階振型圖如圖8所示。

表2 前6 階夾具體的固有頻率Tab.2 Specific natural frequencies of the first six orders of fixture

圖8 1 階固有頻率振型示意圖Fig.8 Schematic diagram of the first-order natural frequency oscillation

由表2 和圖8 可知，鉆孔專(zhuān)用夾具體的1 階固有頻率為182.9 Hz，其振型特點(diǎn)是鉆模板向上變形。一般鉆孔粗加工或者精加工過(guò)程中，切削力與夾緊力等力的作用所產(chǎn)生的振動(dòng)頻率一般在10～50 Hz 左右[7]，而本次仿真計(jì)算得出夾具體的固有頻率，都遠(yuǎn)大于粗加工或加工過(guò)程中作用力所造成的振動(dòng)頻率，故本次設(shè)計(jì)的鉆孔專(zhuān)用夾具體結(jié)構(gòu)合理，在加工過(guò)程中不會(huì)發(fā)生共振，具有較為良好的吸振特性。

4 夾具體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

一般的優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理都是將工程問(wèn)題轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)學(xué)問(wèn)題來(lái)進(jìn)行解決，它可以為工程設(shè)計(jì)提供合適的優(yōu)化方案[8]。

為提高鉆孔夾具體的剛度特性及整個(gè)夾具體的抗震性能，本文在不改變夾具體整體結(jié)構(gòu)的狀況下對(duì)鉆模板進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，在倒L 型的支撐板之間設(shè)計(jì)了2 個(gè)板筋，通過(guò)板筋的固定使得夾具體能夠穩(wěn)定地進(jìn)行加工。設(shè)計(jì)方案如圖9 所示。

圖9 優(yōu)化方案示意圖Fig.9 Schematic diagram of optimization scheme

4.2 優(yōu)化結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)優(yōu)化方案的模態(tài)分析，可以得到優(yōu)化之后夾具體的固有頻率值，如表3 所示。

表3 優(yōu)化方案的6 階固有頻率Tab.3 6th order natural frequency of optimized solution

對(duì)比之前設(shè)計(jì)方案的6 階固有頻率結(jié)果，可以知道在對(duì)鉆模板設(shè)計(jì)了2個(gè)對(duì)稱(chēng)的加強(qiáng)筋之后，鉆孔夾具體的整體的固有頻率都有所增加，優(yōu)化之后的1 階固有頻率增加了12.28%，2 階固有頻率增加了0.91%，3 階固有頻率增加了3.4%，4 階固有頻率增加了2.1%，5 階固有頻率增加了0.53%，6 階固有頻率增加了10.7%。由此通過(guò)局部的優(yōu)化設(shè)計(jì)提高了整體的固有頻率，使得夾具體在夾緊加工中，避免產(chǎn)生共振，大大提高了夾具體的剛度性能。

5 結(jié)論

基于ABAQUS，對(duì)所設(shè)計(jì)的某汽車(chē)撥叉零件鉆孔專(zhuān)用夾具進(jìn)行了應(yīng)力、位移以及模態(tài)分析，結(jié)果表明夾具體所受到的最大應(yīng)力值177.2 MPa 小于夾具體材料的屈服強(qiáng)度，工件在定位夾緊過(guò)程中產(chǎn)生的最大位移變形量為1.728×10-8mm，不會(huì)對(duì)零件的加工精度產(chǎn)生影響。同時(shí)，通過(guò)對(duì)撥叉零件鉆孔專(zhuān)用夾具體進(jìn)行模態(tài)分析，得到本次所設(shè)計(jì)的夾具體的固有頻率和振型，分析出在鉆孔加工過(guò)程中作用力產(chǎn)生的振頻不會(huì)與夾具體產(chǎn)生共振。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了夾具體的整體固有頻率，大大提高了夾具體的穩(wěn)定性。