夾具對箱體加工變形影響研究

朱海波，盧繼平，樊紅麗，孫 健

（北京理工大學 機械與車輛學院，北京 100081）

0 引言

發動機箱體結構復雜，壁薄多孔，加工易變形，其加工質量直接影響發動機的性能，所以，發動機箱體件的加工工藝一直是研究重點，其中箱體夾具設計是其工藝的重要組成部分，也是工藝技術革新和改造的一個主要方向［1］。研究表明，夾具引起的誤差占工件加工誤差的20 %～60 %［2］。在實際生產中引起工件加工變形的影響因素有很多，而切削力、夾緊力以及毛坯的殘余應力是影響加工誤差的主要因素［3］。在箱體加工中，夾緊力使箱體發生變形，不合理的裝夾使箱體產生加工誤差［4］。

本研究首先建立了箱體銑削力模型，計算銑削力，采用3－2－1 定位方式［5］，通過有限元法，仿真分析了不同夾緊位置和不同夾緊力對箱體加工變形的影響。

1 箱體模型簡化

研究對象為某發動機的上曲軸箱體，如圖1所示，所選加工工序為銑削結合面。

由于該箱體模型結構復雜，在有限元分析時，對其模型進行適當簡化。在箱體加工中，假定工藝系統是剛性的，切削過程是穩定的。則夾緊力計算公式［6］：

圖1 發動機箱體模型

式中μ1為夾具元件與工件間的摩擦系數；μ2為夾具支撐面與工件間的摩擦系數；K 為安全系數，若安全系數計算結果K 小于2.5 時，取2.5；F 為銑削力。

銑削力計算公式［7］：

箱體定位采用3－2－1 完全定位方式，由箱體底面的4 個凸臺組成平面為第一定位面，如圖2所示，限制3 個自由度；選如圖3 所示側面為第二定位面，由側面上的一條水平線上選取對稱的兩點（關于垂直線對稱）限制2 個自由度；選如圖4所示端面為第三定位面，其上兩線交點為定位點，限制1 個自由度。

圖2 底面4 凸臺組成定位面

圖3 側面定位點位置

圖4 端面定位點

根據公式（1）計算可知其側向夾緊力825 N，端面夾緊力為309 N，由于其相對較小，所以，其對工件的裝夾變形影響不大。由于該箱體結構復雜，為了便于計算，簡化了箱體模型，如圖5 所示。具體簡化如下。

1）箱體結構對稱，且荷載基本對稱，所以取箱體一部分進行分析。

2）忽略箱體受載較小或影響甚微的局部區域，如油孔、螺栓孔、某些凸臺等。

圖5 箱體簡化模型

該箱體為鑄件，箱體各面連接處倒圓角過多，在有限元分析之前對圖5 所示模型進一步進行簡化，如圖6 所示。

圖6 去倒角后簡化模型

刀具對工件的加工過程是連續的。但是，在本研究中假定刀具與工件在某工況下其銑削力對工件的作用為準靜態，即刀具對箱體的作用過程可由一系列的工況進行描述；同時假定刀具相對于工件為剛性，銑削力在刀具與工件加工面接觸線上均勻分布；不考慮工件加工變形前后工件形狀的變化，同時選擇加工后的工件為本次工件有限元分析的建模對象；對箱體不考慮其加工過程中的剛度變化，同時假定在單工序切削過程中，切削力在刀具移動過程中，只會發生位置和作用方向的變化，其值大小始終保持不變。

2 箱體有限元分析

采用有限元分析軟件HyperMesh［9］，將圖6 所示箱體模型輸入到軟件中，定義對象的材料參數，其彈性模量為72. 4 GPa，泊松比為0. 31，密度為2. 68 g/cm3，并劃分箱體的單元網格，如圖7所示。銑削力可以施加于箱體結合面的中間位置及兩側位置，如圖8 所示。

圖7 有限元網格劃分

圖8 切削力的施加方式

2.1 夾具布局對工件加工變形的影響

假定夾緊力為825 N，保持大小不變。將夾緊力的位置分別定義在距側面中心線左右兩側200、300、400 mm 處，如圖9 所示，分析不同工況下夾具對加工變形產生的影響。

圖9 側面夾緊力在模型中的分布位置

當夾緊力位于中心線左右兩側200 mm 時，計算箱體在不同銑削力作用下變形，結果如圖10所示。

由圖10 和表1 可知，當銑削力施加于箱體加工面左側時其最大變形為5.010 μm，當銑削力施加于加工面右側時其最大變形為9. 432 μm，當銑削力施加于箱體加工面中部時其最大變形為7.058 μm。

改變夾緊力的施加位置，計算得到不同工件變形。表1列出了夾具在不同位置時工件變形量。

由表1 可知，當銑削力作用于加工面左側位置時工件的加工變形量最小，而當銑削力作用于加工面右側位置時工件的加工變形量最大，中間位置次之，表明工件的加工變形量在切削力及夾緊一定的情況下，隨加工位置變化。在加工位置一定的情況下，隨夾緊位置的變化，各切削位置的加工變形量也會發生變化，且各加工位置的變形量的變化規律也存在差異，加工面左側位置變形量隨夾緊點位置的變化先增大后減小，中間位置處變形量隨夾緊點位置的變化逐漸增大，右側位置處變形量隨夾緊點位置的變化先增大后減小。

圖10 不同銑削條件下工件變形

表1 不同裝夾位置的工件變形/μm

根據計算結果可知，當夾具位于箱體側面中心線兩側200 mm 處時，箱體加工變形最小。

2.2 夾緊力對工件加工變形的影響

假定工件的夾具分別位于200、300、400 mm處，夾緊力分別取700、950、1 100、1 300 N，計算箱體加工變形，結果如表2 ～表4 所示。

分析表中數據，可以發現：在夾緊力位置固定的情況下，各加工工況下銑削力作用點的工件加工變形隨夾緊力的變化都比較小，其中，當銑削力位于加工面左側和中間位置時，隨夾緊力的增大其加工變形呈逐漸減小的趨勢，而當銑削力位于加工面右側位置處，隨夾緊力的變化工件的加工變形基本未發生變化。當銑削力位于加工面左側和中間位置時，隨夾緊位置距側面中心線距離的增大，夾緊力對加工變形的影響越來越大。通過增大或減小工件的夾緊力可以減小工件加工位置的加工變形。

表2 夾具位于中心線兩側200 mm 處工件的加工變形

表3 夾具位于中心線兩側300 mm 處工件的加工變形

表4 夾具位于中心線兩側400mm 處工件的加工變形

3 結語

在發動機的上曲軸箱體結合面的銑削加工中，合理的布置夾具布局和施加夾緊力，對于控制加工變形有重要意義。

建立夾具布局和夾緊力模型，采用有限元方法，分析不同夾具布局和夾緊力對加工變形的影響，可有效地減小工件的加工變形，提高零件的加工精度。

在該箱體結合面銑削加工中，為了使工件加工變形最小，夾具位置選擇在距側面中心線200 mm處，夾緊力大小為825 N。

［1］ 李昌年.機床夾具設計與制造［M］.北京：機械工業出版社，2007.

［2］ Wu N H，Chan K C，Leong S S. Static interactions of surface contacts in a fixture－workpiece system［J］.Internal Journal of Computer Applications in Technology，1997，10（3/4）：133－151.

［3］ 徐琰. 箱體數控銑削加工變形原因分析及控制對策研究［J］.價值工程，2011，30（21）：47.

［4］ 譚愛紅. 面向箱體類零件加工質量控制方法的研究［D］.南京：東南大學，2006.

［5］ 吳玉光，傅強. 一種擴展的3－2－1 組合夾具定位方法［J］.河海大學常州分校學報，2003，17（3）：47－50.

［6］ 楊叔子. 機械加工工藝手冊［M］. 2 版. 北京：機械工業出版社，2011：2－55.

［7］ 王先逵. 機械加工工藝手冊：第2 卷［M］. 北京：機械工業出版社，2006.

［8］ 武文革，辛志杰. 金屬切削原理及刀具［M］. 北京：國防工業出版社，2009.

［9］ 熊珍兵，羅會信. 基于HyperMesh 的有限元前處理技術［J］.排灌機械，2006，24（3）：35－38.