劉德偉，劉紅軍，周宗明，陳云，劉波，張乃慶，李長河

1青島理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院；2機(jī)械工業(yè)信息研究院；3漢能(青島)潤滑科技有限公司；4成都工具研究所有限公司；5四川明日宇航工業(yè)有限責(zé)任公司；6上海金兆節(jié)能科技有限公司

1 引言

輪轂是用來支承輪胎的圓筒形金屬部件，根據(jù)材料不同分為鋼輪轂和鋁合金輪轂[1]。雖然鋁合金輪轂較鋼輪轂具有高精度、輕量化優(yōu)勢，但這也決定了鋁合金輪轂復(fù)雜的加工工藝和高成本。隨著市場經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，鋁合金輪轂因其優(yōu)良的性能和多樣化的形式深受消費(fèi)者青睞，需求量猛烈增長[2，3]。由此造成我國市場對(duì)鋁合金輪轂產(chǎn)能需求的增加與企業(yè)加工模式落后和生產(chǎn)效率低的矛盾，以及對(duì)鋁合金輪轂多樣性、個(gè)性化需求與生產(chǎn)產(chǎn)品單一的矛盾。隨著矛盾的不斷凸顯以及“中國制造2025”等相關(guān)政策的要求，鋁合金輪轂由傳統(tǒng)人工配合機(jī)床生產(chǎn)模式向智能化生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變勢在必行[4]。

鋁合金輪轂生產(chǎn)加工智能化對(duì)其工藝裝備提出了柔性化和精密化要求[5]。其中，鋁合金輪轂夾具的柔性化是決定鋁合金輪轂生產(chǎn)智能化水平以及提高鋁合金輪轂生產(chǎn)質(zhì)量的重要工藝裝備之一?，F(xiàn)有鋁合金輪轂夾具只能適應(yīng)一種尺寸或小范圍尺寸鋁合金輪轂的定位裝夾，頻繁更換夾具耗時(shí)耗力，同時(shí)產(chǎn)生較大的安裝誤差影響鋁合金輪轂的加工精度。因此，在鋁合金輪轂生產(chǎn)模式向智能化轉(zhuǎn)變的趨勢下，現(xiàn)有單一化且專一化的鋁合金輪轂夾具已經(jīng)不能滿足需求[6]。為了適應(yīng)鋁合金輪轂生產(chǎn)智能化，鋁合金輪轂夾具的柔性化設(shè)計(jì)已是大勢所趨。因此，許多學(xué)者針對(duì)鋁合金輪轂夾具的柔性化設(shè)計(jì)與優(yōu)化開展了大量研究工作：李玉東[7]把原輪轂夾具的徑向定位連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)改為斜楔傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種拉動(dòng)板以解決不同夾盤尺寸變化帶來的影響，在徑向塊設(shè)計(jì)上采用固定尺寸加浮動(dòng)尺寸設(shè)計(jì)，雖然該夾具實(shí)現(xiàn)了定位方式的柔性化設(shè)計(jì)，但通過加裝拉動(dòng)板來實(shí)現(xiàn)不同尺寸輪轂的裝夾需要停機(jī)并通過人工完成；鄭偉等[8]設(shè)計(jì)了一種通過旋轉(zhuǎn)直線組合式液壓缸帶動(dòng)三個(gè)拉爪徑向移動(dòng)實(shí)現(xiàn)定位夾緊的柔性輪轂夾具，盡管該夾具實(shí)現(xiàn)了自定位，但是其夾爪的弧形面不能適應(yīng)不同尺寸的輪轂曲面，會(huì)產(chǎn)生夾緊不可靠以及對(duì)輪轂產(chǎn)生應(yīng)力集中的影響；麻柏慧[9]在原輪轂夾具端面塊和徑向塊上做出高低平臺(tái)以適應(yīng)不同大小尺寸輪轂的定位，但也僅將原夾具由夾緊一個(gè)尺寸的輪型改進(jìn)為兩種尺寸的輪型，柔性化程度較低；楊小燕等[10]設(shè)計(jì)了一種輪轂夾具，通過電動(dòng)伸縮缸帶動(dòng)承載板支承輪轂中部起到限位支撐的作用，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺桿實(shí)現(xiàn)兩個(gè)側(cè)部夾緊機(jī)構(gòu)相向運(yùn)動(dòng)進(jìn)而對(duì)輪轂夾緊。但是該夾具僅通過兩個(gè)側(cè)部夾緊機(jī)構(gòu)無法定位輪轂圓心，嚴(yán)重的定位誤差會(huì)極大影響輪轂的加工精度。

上述方法對(duì)鋁合金輪轂夾具做了大量柔性化設(shè)計(jì)，但定位和夾緊方式仍然存在柔性化不足、定位誤差大和夾緊不可靠等問題。針對(duì)鋁合金輪轂夾具現(xiàn)有技術(shù)瓶頸，設(shè)計(jì)了一種鋁合金輪轂柔性夾具，通過舵機(jī)驅(qū)動(dòng)的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自定位和夾緊尺寸調(diào)節(jié)，通過斜楔傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)鋁合金輪轂的夾緊；分析計(jì)算夾具的定位誤差和夾緊可靠性；通過有限元仿真分析夾具在三種工況下的應(yīng)力、應(yīng)變情況，為鋁合金輪轂加工智能化提供理論支持。

2 鋁合金輪轂加工工藝分析

鋁合金輪轂結(jié)構(gòu)剖視圖如圖1所示，盡管鋁合金輪轂形式多樣，但其基本結(jié)構(gòu)都由輪輞、輪緣、輪輻和胎圈座組成。鋁合金輪轂外形近似為階梯狀且?guī)в屑訌?qiáng)筋，可將其歸結(jié)為盤套類零件，所以車削加工為其主要加工方式[11]。

1.輪輞 2.輪輻 3.安裝孔 4.中心孔 5.輪輻風(fēng)口 6.輪緣 7.胎圈座圖1 鋁合金輪轂結(jié)構(gòu)

針對(duì)鋁合金輪轂形狀復(fù)雜且生產(chǎn)批量大的加工特點(diǎn)，使用數(shù)控車床和數(shù)控加工中心對(duì)其進(jìn)行加工，在數(shù)控機(jī)床上加工零件應(yīng)遵循工序集中的原則，有利于提高生產(chǎn)效率、減少操作工人數(shù)。同時(shí)，鋁合金輪轂工序安排需要遵循“基準(zhǔn)先行、先主后次、先粗后精、先面后孔”的加工原則。鋁合金輪轂加工工藝如表1所示。

表1 鋁合金輪轂加工工藝

3 夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鋁合金輪轂在機(jī)床上的定位夾緊直接關(guān)系到輪轂的生產(chǎn)質(zhì)量。由表1可知，工序10是保證整個(gè)鋁合金輪轂加工質(zhì)量的基礎(chǔ)，只有控制工序10中鋁合金輪轂的加工誤差，才能使最終的產(chǎn)品精度達(dá)標(biāo)。因此，針對(duì)工序10中所使用的鋁合金輪轂夾具進(jìn)行設(shè)計(jì)[12]。

3.1 夾具結(jié)構(gòu)分析

鋁合金輪轂柔性夾具剖視圖如圖2所示，三個(gè)L形支架安裝在上層安裝板方形槽內(nèi)的直線導(dǎo)軌滑塊上，每兩個(gè)L形支架呈120°安裝。第一舵機(jī)安裝在上層安裝板中心的槽內(nèi)，L形支架通過第一連桿與安裝在舵機(jī)臂上的第一連接件相連。第一舵機(jī)、第一連接件、第一連桿、L形支架和直線導(dǎo)軌滑塊共同組成曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，第一舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為三個(gè)L形支架的徑向移動(dòng)。當(dāng)三個(gè)L形支架從內(nèi)向外沿徑向運(yùn)動(dòng)時(shí)，L形支架上帶螺桿球頭與鋁合金輪轂內(nèi)圓表面相接觸實(shí)現(xiàn)自定位。三個(gè)夾頭安裝在上層安裝板的方形通槽槽壁上的直線導(dǎo)軌滑塊上，夾頭前端和后端分別與直線導(dǎo)軌滑塊和復(fù)位緩沖裝置鉸接。復(fù)位緩沖裝置安裝在上層安裝板的方形導(dǎo)軌槽內(nèi)，通過第二連桿與安裝在第二舵機(jī)臂軸盤上的主動(dòng)架連接，由此，第二舵機(jī)、軸盤、主動(dòng)架、第二連桿、復(fù)位緩沖裝置、夾頭和直線導(dǎo)軌滑塊共同組成曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，第二舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為復(fù)位緩沖裝置和夾頭由外向內(nèi)的徑向移動(dòng)，以此來調(diào)節(jié)夾緊范圍以適應(yīng)不同尺寸鋁合金輪轂的裝夾。安裝有夾頭的方形通槽外沿安裝有U形塊作為定位元件。三個(gè)楔形塊安裝在下層安裝板通槽槽壁上的直線導(dǎo)軌滑塊上，楔形塊通過第三連桿與第二連接件相連，第二連接件安裝在下層安裝板的圓柱凸臺(tái)上，可繞圓柱凸臺(tái)中心轉(zhuǎn)動(dòng)，氣缸安裝在下層安裝板上并與其中一個(gè)楔形塊連接，氣缸、楔形塊、直線導(dǎo)軌滑塊和第二連接件共同組成曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，氣缸推動(dòng)其中一個(gè)楔形塊沿直線導(dǎo)軌徑向移動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)另外兩個(gè)楔形塊同時(shí)沿直線導(dǎo)軌做同行程徑向移動(dòng)。為防止氣缸的偏心質(zhì)量導(dǎo)致夾具在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)動(dòng)不平衡，還需要在下層安裝板上安裝配重塊。下層安裝板下端安裝有法蘭盤用于與機(jī)床主軸連接。

1.夾頭 2.U形塊 3.三角擋板 4.第一舵機(jī) 5.第一連接件 6.第一連桿 7.帶螺桿球頭 8.L形支架 9.上層安裝板 10.下層安裝板 11.第二連桿 12.氣缸 13.法蘭盤 14.第二連接件 15.第二舵機(jī) 16.軸盤 17.主動(dòng)架 18.第三連桿 19.安裝板 20.楔形塊 21.緩沖復(fù)位裝置圖2 鋁合金輪轂柔性夾具結(jié)構(gòu)

緩沖復(fù)位裝置如圖3所示，外頂桿套裝在內(nèi)頂桿上，彈簧套裝在外頂桿上并通過內(nèi)頂桿和端蓋限位，端蓋上安裝有滾輪，可將導(dǎo)軌與端蓋的滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，內(nèi)頂桿底部同樣安裝有滾輪，可將內(nèi)頂桿與楔形面之間的滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦。彈簧可緩沖內(nèi)頂桿對(duì)外頂桿的推力并同時(shí)起到復(fù)位作用。

1.端蓋 2.外頂桿 3.滾輪 4.彈簧 5.滾輪 6.內(nèi)頂桿 7.外殼體圖3 緩沖復(fù)位裝置

3.2 夾具定位與夾緊方式分析

夾具上視圖如圖4所示。

1.夾頭 2.U形塊 6.第一連桿 8.L形支架 9.上層安裝板 21.緩沖復(fù)位裝置圖4 夾具上視圖

3.2.1 夾具定位方式分析

鋁合金輪轂最大直徑的輪緣端面為主要定位基面，U形塊與裝在L形支架上的帶螺桿球頭作為定位元件。U形塊上表面與鋁合金輪轂最大直徑輪緣端面接觸，以限制鋁合金輪轂沿X和Y軸的旋轉(zhuǎn)以及Z軸方向的移動(dòng)，三個(gè)L形支架上的帶螺桿球頭與鋁合金輪轂內(nèi)圓表面相接觸，限制鋁合金輪轂沿X和Y軸方向移動(dòng)。在工序10中，鋁合金輪轂沿Z軸方向的自由度無須限制，定位方式為不完全定位。

3.2.2 夾具夾緊方式分析

裝夾鋁合金輪轂時(shí)，第二舵機(jī)通過第二連桿拉動(dòng)緩沖復(fù)位裝置從而帶動(dòng)夾頭由外向內(nèi)徑向移動(dòng)到合適位置，氣缸推動(dòng)楔形塊由內(nèi)向外徑向移動(dòng)，楔形塊與緩沖復(fù)位裝置底部的滾輪相接觸，并使緩沖復(fù)位裝置的內(nèi)頂桿推動(dòng)外頂桿豎直向上運(yùn)動(dòng)，因夾頭前端與后端分別與直線導(dǎo)軌滑塊和緩沖復(fù)位裝置鉸接，故夾頭順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)并完全壓緊在輪轂上。此時(shí)，輪轂被夾緊。

松開鋁合金輪轂時(shí)，氣缸活塞桿將楔形塊沿直線導(dǎo)軌拉回，緩沖復(fù)位裝置的內(nèi)頂桿在彈簧的彈力下復(fù)位從而帶動(dòng)外頂桿復(fù)位，外頂桿將夾頭拉正。此時(shí)，輪轂被放松。

4 夾具定位誤差分析

在該自定心夾具上裝夾鋁合金輪轂毛坯時(shí)的定位誤差，是與夾具定位元件相接觸的毛坯表面形狀誤差[13]。

如圖5所示，以O(shè)為圓心、R為半徑的圓是理想狀態(tài)下(無圓度誤差)的鋁合金輪轂毛坯內(nèi)圓，此時(shí)毛坯圓心與夾具中心重合。若毛坯內(nèi)圓存在圓度誤差Tt，當(dāng)帶螺桿球頭與毛坯內(nèi)圓實(shí)際表面相接觸時(shí)，毛坯圓心與夾具中心不再重合，會(huì)偏移到O′處，偏移量為Δ(即定位誤差)。假設(shè)帶螺桿球頭與毛坯內(nèi)圓的接觸點(diǎn)分別為點(diǎn)A、點(diǎn)B、點(diǎn)C，根據(jù)帶螺桿球頭與毛坯內(nèi)圓接觸點(diǎn)圓度誤差不同，偏移量Δ也不同，以下分為兩種情況分析不同偏移量Δ。

如圖5a所示，當(dāng)兩個(gè)帶螺桿球頭與毛坯內(nèi)圓實(shí)際表面點(diǎn)A和點(diǎn)B(圓度誤差最大處)相接觸時(shí)，三個(gè)帶螺桿球頭形成以O(shè)為圓心、R1為半徑的圓?？汕蟮么藭r(shí)的偏移量Δ為

Δ=R-R1

(1)

式中，Δ為鋁合金輪轂毛坯圓心相對(duì)夾具中心偏移量(mm)；R為鋁合金輪轂毛坯內(nèi)圓半徑(mm)；R1為帶螺桿球頭與鋁合金輪轂毛坯內(nèi)圓接觸點(diǎn)到夾具中心的距離(mm)。

分別延長OA和OB，與以O(shè)′為圓心、R為半徑的圓相交于點(diǎn)A′和點(diǎn)B′。并以圓心O′為原點(diǎn)建立平面直角坐標(biāo)系，則B′點(diǎn)的坐標(biāo)可以表示為

(2)

(3)

將式(2)和式(3)代入以O(shè)′為圓心、R為半徑的理想毛坯內(nèi)圓方程中，有

(4)

可得

(5)

因此當(dāng)兩個(gè)帶螺桿球頭與毛坯內(nèi)圓實(shí)際表面點(diǎn)A和點(diǎn)B(圓度誤差最大處)相接觸時(shí)，會(huì)產(chǎn)生Δ=0.25Tt的定位誤差。

如圖5b所示，當(dāng)一個(gè)帶螺桿球頭與鋁合金輪轂毛坯內(nèi)圓實(shí)際表面C點(diǎn)(圓度誤差最大處)相接觸時(shí)，三個(gè)帶螺桿球頭形成以O(shè)為圓心、R1為半徑的圓?？汕蟮么藭r(shí)的偏移量Δ為

Tt-Δ=R-R1

(6)

式中，Δ為毛坯圓心相對(duì)夾具中心偏移量(mm)；R為毛坯內(nèi)圓半徑(mm)。

以圓心O′為原點(diǎn)建立平面直角坐標(biāo)系，點(diǎn)B的坐標(biāo)可以表示為

X=(R1cos30°)2

(7)

Y=(R1sin30°+Δ)2

(8)

將式(2)和式(3)代入以O(shè)′為圓心，R為半徑的理想毛坯內(nèi)圓方程中，有

(R1sin30°+Δ)2+(R1cos30°)2=R2

(9)

可以得出

(10)

可使Δ≈0.67Tt，因此當(dāng)一個(gè)帶螺桿球頭與毛坯內(nèi)圓實(shí)際表面上C點(diǎn)(圓度誤差最大處)接觸時(shí)，會(huì)產(chǎn)生Δ≈0.67Tt的定位誤差。

(a)

綜上所述，在保證夾具定位元件加工精度的前提下，該鋁合金輪轂柔性夾具的定位誤差是由鋁合金輪轂毛坯內(nèi)圓圓度誤差決定的。實(shí)際加工中可以通過控制鋁合金輪轂毛坯內(nèi)圓圓度誤差獲得較高的加工精度。

5 夾具夾緊力計(jì)算與分析

夾具夾緊力對(duì)鋁合金輪轂的加工質(zhì)量有重要影響:夾緊力過大會(huì)導(dǎo)致鋁合金輪轂或夾具變形；夾緊力過小會(huì)導(dǎo)致鋁合金輪轂在加工時(shí)相對(duì)夾具發(fā)生位置改變而影響鋁合金輪轂加工精度。因此，確定夾具夾緊力范圍可以為夾具設(shè)計(jì)提供理論支撐。

夾緊機(jī)構(gòu)可簡化為如圖6a所示的機(jī)構(gòu)簡圖。其中，楔形塊簡化為構(gòu)件1，緩沖復(fù)位裝置底部的滾輪簡化為構(gòu)件2，緩沖復(fù)位裝置的外頂桿和內(nèi)頂桿簡化為構(gòu)件3，緩沖復(fù)位裝置的外殼體簡化為機(jī)架4，夾頭簡化為構(gòu)件5，與夾頭配合安裝的直線導(dǎo)軌滑塊簡化為構(gòu)件6，下層安裝板簡化為機(jī)架7。

如圖6b所示，由構(gòu)件1的力三角原則可得

(11)

(12)

式中，R71為機(jī)架7對(duì)構(gòu)件1的總反力(N)；R21為構(gòu)件2對(duì)構(gòu)件1的總反力(N)；P為氣缸對(duì)楔形塊的推力(N)。

將構(gòu)件2和構(gòu)件3看成一個(gè)整體進(jìn)行分析，根據(jù)力平衡原則和力矩平衡原則，得到以下三個(gè)平衡方程，有

(13)

(14)

(15)

式中，R4a，R4b為機(jī)架4對(duì)構(gòu)件3的支反力(N)；ψ1，ψ2，ψ3為摩擦角；R12為構(gòu)件1對(duì)構(gòu)件2的總反力(N)；l為復(fù)位緩沖裝置外殼體的高度(mm)；Q為構(gòu)件3受到的豎直向下的阻力(N)；d為緩沖復(fù)位裝置外頂桿直徑(mm)；b為復(fù)位緩沖裝置滾輪與楔形塊斜面切點(diǎn)到復(fù)位緩沖裝置外殼體底面的垂直距離(mm)。

(a)

根據(jù)式(11)～式(15)可求得

(16)

假設(shè)構(gòu)件5對(duì)于鋁合金輪轂毛坯輪緣表面產(chǎn)生的壓緊力FN豎直向下，運(yùn)用力矩平衡原則對(duì)構(gòu)件5在A點(diǎn)處進(jìn)行分析，構(gòu)件5在B點(diǎn)處受到的力Q′與Q大小相等，方向相反，則

(17)

由此可求得

(18)

式中，Q′為構(gòu)件5在B點(diǎn)處受到的與阻力Q大小相等方向相反的力(N)；S2為定位緩沖裝置與夾頭連接點(diǎn)到夾頭與直線導(dǎo)軌鉸接處的距離(mm)；S1為壓緊力FN作用點(diǎn)到夾頭與直線導(dǎo)軌鉸接處的距離(mm)。

根據(jù)式(16)～式(18)，一個(gè)夾頭對(duì)鋁合金輪轂毛坯的壓緊力FN為

(19)

鋁合金輪轂毛坯在加工時(shí)，刀具對(duì)其產(chǎn)生的切削力矩為M。為使鋁合金輪轂在加工過程中不會(huì)因?yàn)榈毒邔?duì)其產(chǎn)生的切削力矩而產(chǎn)生相對(duì)夾具位置的偏移，則需要夾頭對(duì)鋁合金輪轂產(chǎn)生的摩擦力矩應(yīng)大于等于刀具對(duì)鋁合金輪轂的切削力矩M。假設(shè)刀具對(duì)鋁合金輪轂毛坯中心產(chǎn)生的最大切削力矩為Mmax。則

Mmax≤3μFND

(20)

式中，μ為夾頭與鋁合金輪轂毛坯輪緣上表面之間的摩擦系數(shù)；FN為單個(gè)夾頭對(duì)鋁合金輪轂的壓緊力(N)；D為摩擦力作用點(diǎn)到鋁合金輪轂內(nèi)孔中心的距離(mm)。

根據(jù)式(19)和式(20)可以得出氣缸對(duì)楔形塊的推力P為

(21)

同時(shí)，可以得到該夾緊機(jī)構(gòu)的增力比為

(22)

在不考慮摩擦力的情況下，可以得到理想狀態(tài)下的夾緊力FN0為

(23)

此時(shí)，傳動(dòng)效率為

(24)

令η≤0，即可得自鎖條件為

(25)

6 夾具靜力學(xué)分析

通過ANSYS Workbench仿真軟件對(duì)夾具進(jìn)行靜力學(xué)分析，從而判斷該夾具結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能在相關(guān)加工工況下能否達(dá)標(biāo)[14]。

6.1 仿真前處理

6.1.1 參數(shù)處理

假定工序10中的裝夾零件為21英寸汽車鋁合金輪轂毛坯，直徑533.4mm，重約18kg。切削參數(shù)為主軸轉(zhuǎn)速1800r/min，切削深度1.5mm，進(jìn)給速率0.5mm/s。工件在切削過程中受到刀具對(duì)其施加的切削力，根據(jù)加工參數(shù)，可以計(jì)算出機(jī)床刀具對(duì)工件施加的切削力和最大切削力矩為

(26)

Mmax=FcL

(27)

式中，F(xiàn)c為切削力(N)；CFc為取決于工件材料和切削條件的系數(shù)；XFc，YFc，ZFc為背吃刀量ap、進(jìn)給量f和切削速度Vc的指數(shù)；Mmax為最大切削力矩(N·m)；L為刀具最大作用點(diǎn)與工件中心距離，可近似為輪轂毛坯半徑(mm)

根據(jù)式(26)和式(27)可求出切削力Fc約為1420.67N，最大切削力矩Mmax約為378.892N·m。

根據(jù)式(20)可以得出單個(gè)夾頭最小壓緊力FNmin=1052.3N，其中，μ=0.45，D近似為鋁合金輪轂半徑(mm)。

鋁合金輪轂毛坯材料為A356鋁合金，其屈服強(qiáng)度為216.64MPa，據(jù)此可以求得輪轂毛坯所能承受的單個(gè)夾頭的最大壓緊力為

FNmax=Aσs=193379.3N

(28)

式中，F(xiàn)Nmax為最大壓緊力(N)；σs為A356鋁合金屈服強(qiáng)度(MPa)；A為夾頭與鋁合金輪轂毛坯的接觸面積(mm2)。

6.1.2 材料設(shè)置

設(shè)置夾具材料為超高強(qiáng)度鋼42CrMo，材料密度7850kg/m3，彈性模量E=196GPa，泊松比μ=0.33，屈服強(qiáng)度σs=930MPa，剪切模量80800MPa[15]。

6.1.3 模型設(shè)置與接觸設(shè)置

夾具裝配體復(fù)雜，各零件間接觸繁多導(dǎo)致計(jì)算量龐大。考慮到在高速切削狀態(tài)下，夾具的夾緊力較大，易發(fā)生變形或斷裂危險(xiǎn)。因此，為保證仿真結(jié)果盡可能接近真實(shí)情況的前提下降低計(jì)算機(jī)運(yùn)算負(fù)荷，在建立夾具模型時(shí)取消螺釘和螺栓等連接件，去掉舵機(jī)和氣缸等動(dòng)力元件。在設(shè)置接觸時(shí)將除夾緊元件外其他零部件間的接觸設(shè)置為Bonded接觸，并采用Augmented Lagrange算法進(jìn)行分析計(jì)算。將夾頭與其鉸接的銷軸間的接觸設(shè)置為Revolute；復(fù)位緩沖裝置的外頂桿與外殼體間的接觸設(shè)置為translational；滾輪與其鉸接的銷軸間的接觸設(shè)置為Revolute；夾頭側(cè)面與導(dǎo)軌滑塊表面的接觸設(shè)置為Frictionless。

6.1.4 網(wǎng)格劃分

考慮到夾具的復(fù)雜性和不規(guī)則性，采用自動(dòng)劃分方式對(duì)夾具進(jìn)行網(wǎng)格劃。單元大小設(shè)置為7mm，跨度角中心設(shè)置為Medium，最終得到有限元模型共有362150個(gè)單元，658530個(gè)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)格質(zhì)量平均值為0.7。夾具網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖7所示。

6.2 施加約束條件

在夾緊狀態(tài)下，夾具夾頭受到壓緊力FN的反力，U形塊受到壓緊力FN以及毛坯重力G的合力。同時(shí)還需要考慮夾具高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)離心力對(duì)鋁合金輪轂夾具結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響，故對(duì)夾具整體施加慣性載荷，角速度188rad/s，在夾具與機(jī)床主軸安裝面施加固定約束，防止鋁合金輪轂夾具發(fā)生位移。施加約束的輪轂夾具模型如圖8所示。分別設(shè)置三種不同工況條件，如表2所示，分析夾具在三種不同夾緊力工況下各零部件的應(yīng)力值和變形情況。

圖7 夾具有限元模型

圖8 輪轂夾具約束條件

表2 三種不同工況下單個(gè)夾頭的壓緊力

6.3 仿真結(jié)果分析

仿真結(jié)果如圖9～圖11所示。為確保夾具結(jié)構(gòu)的安全性，夾具所受的最大應(yīng)力值不能超過材料的許用應(yīng)力，通過查找設(shè)計(jì)手冊[16]可知，夾具設(shè)計(jì)安全系數(shù)為1.5，通過許用應(yīng)力計(jì)算公式可得該夾具使用材料的許用應(yīng)力為630MPa。

(a)輪轂夾具應(yīng)力分析

(a)輪轂夾具應(yīng)力分析

(a)輪轂夾具應(yīng)力分析

由圖9～圖11可知：夾具在高速切削狀態(tài)下，所受應(yīng)力最大的零件是與滾輪鉸接的銷軸。該零件不僅受到楔形塊對(duì)其產(chǎn)生的推力，也受到壓緊反力對(duì)其產(chǎn)生的豎直向下的阻力，與實(shí)際情況相符合。夾具的最大變形發(fā)生在夾頭與輪轂相接觸部分。在工況1壓緊力條件下，夾具零件所受最大應(yīng)力為410MPa，最大變形為0.74mm，說明夾具在滿足最小夾緊力條件下能夠安全工作；在工況2壓緊力條件下，夾具零件所受最大應(yīng)力為629.39MPa，接近該夾具材料的許用應(yīng)力，并且該工況下零件發(fā)生較大的變形；在工況3壓緊力條件下，夾具所受最大應(yīng)力值超過該夾具材料的許用應(yīng)力，無法安全工作。

結(jié)合三種工況分析結(jié)果，可以確定該夾具在安全狀態(tài)下工作時(shí)，單個(gè)夾頭對(duì)輪轂施加的壓緊力范圍為1052.3～7300N。

7 結(jié)語

通過對(duì)鋁合金輪轂柔性夾具的設(shè)計(jì)，得到以下結(jié)論。

(1)結(jié)合鋁合金輪轂加工工藝要求，設(shè)計(jì)了一種通過舵機(jī)驅(qū)動(dòng)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自定位，使用同樣的機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)夾緊尺寸調(diào)整，通過斜楔機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)鋁合金輪轂夾緊的柔性化鋁合金輪轂夾具。該夾具具有自定位、柔性化和夾緊可靠的優(yōu)勢。

(2)分析了鋁合金輪轂柔性夾具的定位誤差。在保證定位元件具有高加工精度情況下，該夾具定位誤差取決于鋁合金輪轂毛坯內(nèi)圓圓度誤差。

(3)分析了鋁合金輪轂柔性夾具的夾緊可靠性。通過對(duì)夾緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行受力分析，得出在滿足最小夾緊力的情況下，氣缸推力應(yīng)滿足的條件以及該夾緊機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率和自鎖條件。

(4)通過ANSYS Workbench軟件對(duì)鋁合金輪轂柔性夾具進(jìn)行靜力學(xué)分析，結(jié)果表明夾具在高速切削狀態(tài)下安全工作時(shí)，單個(gè)夾頭對(duì)鋁合金輪轂施加壓緊力范圍在1052.3～7300N。