加工發動機缸蓋自動化夾具的研發及有限元分析

李國強，金 偉，張久志，孫敬陽，郭宏杰

(偉本機電設備(大連)有限公司，遼寧 大連 116023)

加工發動機缸蓋自動化夾具的研發及有限元分析

李國強，金 偉，張久志，孫敬陽，郭宏杰

(偉本機電設備(大連)有限公司，遼寧 大連 116023)

以轉塔式多軸箱切削加工機床為例，研討加工汽油機發動機缸蓋自動化夾具的特點及多軸切削加工時夾具變形的應對措施。通過對夾具模型進行有限元分析，改進以往夾具的不足，為新型夾具的設計研發提供理論依據，解決了夾具因切削力引起的變形問題，并在實際生產中取得了滿意的效果。計算機輔助軟件的應用可以縮短設計周期，降低成本，提高產品質量。此新型夾具的設計研發及成功應用，為解決切削力引起的夾具變形開辟了全新的思路。

轉塔機床；發動機缸蓋；新型夾具

0 引言

隨著我國汽車工業的迅猛發展，要求零部件制造滿足高精度、高速度、高效率的生產特點，產品必須迅速地更新換代才能滿足不斷變化的市場需求。針對上述特點和要求，我們設計了一套全新的加工設備——柔性化專機自動生產線。該生產線由通用加工中心、專用可換箱式轉塔機床及輸送托盤等組成，能夠滿足多種不同零件的高精、高效加工，生產線中采用的自動化夾具亦需具備高精度、高剛性的特點。現以缸蓋生產線中轉塔式多軸箱切削夾具為例，通過對夾具模型的有限元分析，研討多軸切削加工時新型夾具的受力和變形趨勢及應對措施。

多軸箱臥式轉塔機床具有高精、高效、高柔性的特點，但是也會伴有切削推力過大，要求產品零件多姿態的特點。為滿足柔性化需要在夾具底部配備水平數控轉臺，因此要求夾具不僅能夠抵抗切削力，還要保證輕量化、高剛性及整體精度要求。在以往的生產實例中，該類型的夾具存在加工過程中本體變形，加工精度超差的問題，運用計算機輔助軟件，研發設計了一種全新結構并對其進行有限元分析，通過實踐驗證設計成果，該夾具滿足高柔性的同時，增強了本體剛性，滿足了零件的加工精度要求。目前，該新型夾具已得到國內發動機零部件制造商的推廣應用。

1 產品精度尺寸要求及加工工況

(1)產品特征：圖1所示為發動機缸蓋加工尺寸及精度要求。缸蓋材質：鋁合金；硬度：HRB60-72。

圖1 加工精度要求

(2)加工工況：以生產線中一個鉆削加工工位為例介紹該序加工工況，本序加工內容為缸蓋螺栓孔加工，加工前缸蓋為實體，無預鑄孔，切削刀具采用整體硬質合金刀具，切削參數如下：

刀具直徑D=φ11.5mm

主軸轉速N=1500 r.p.m

每轉進給f=0.2 mm/rev

材料系數K=0.84

加工孔數n=10

切削推力Tc=57.95KDf0.85(kgf)

(計算公式參見富士刀具產品樣本)

由此得出：

Tc=57.95×1.01×11.5×0.20.85=142.6 kgf

Tc總=142.6×10=1426kgf

2 夾具的研發及有限元分析

(1)在早期的設計案例中，這種類型的夾具大多采用圖2的設計方式，該夾具應用于可換箱式轉塔機床自動線中，缸蓋定位于托盤上輸送，在各加工工位，夾具需對輸送托盤進行定位夾緊。在實際生產過程中出現了加工特征位置尺寸超差，形位公差不能滿足產品要求的情況，根據加工工況分析得出超差原因，可能是加工產生切削推力過大導致夾具本體變形所致，現通過有限元分析對這一判斷結果進行論證。

有限元分析前提條件：

1)實行靜態模擬；

2)設定夾具體材料為HT250；

3)設定固定平面為水平轉臺安裝面；

4)設定受力點為4個定位面共計1426kgf；

5)設定零部件固定連接為全接觸式連接。

有限元分析結果如圖3所示：

圖2 早期夾具簡圖

名稱類型最小最大位移URES:合位移0mm0.259467mm

圖3 夾具變形分析

由圖3可以得出在1426kgf的作用下，夾具的最大變形量為0.259mm。綜上得出最終結論為缸蓋加工精度的超差確為夾具本體變形所致，也印證了上述判斷的正確性。

(2)從早期案例對夾具整體結構進行分析，由于夾具整體高度尺寸過大，并且加工零件缸蓋所處的位置又在夾具的中上方，所以在加工過程中夾具所受的整體力矩過大，從而導致了夾具的整體變形。從圖3也不難看出夾具變形量最大的位置正好處在夾具最頂端，所以加強夾具頂部的整體剛性為解決夾具變形的關鍵所在。

新型夾具在參照有限元分析結果的基礎上進行優化設計，考慮到夾具上方過于薄弱的環節，新型設計方案既要實現夾具上方固定，又要滿足夾具可通過數控轉臺實現任意回轉的要求。因此在夾具上方增加固定回轉軸，并通過夾具固定支架與回轉軸相連接，增加了夾具整體剛性，具體結構如圖4、圖5所示。

圖4 新型夾具簡圖

圖5 夾具上方回轉部分詳細

由圖4、圖5可以看出，夾具在工作過程中，加工產生的切削推力將由夾具體和夾具固定支架共同承擔，所以將大幅減小夾具體的變形量，現通過有限元分析對這一設計理念進行論證。

有限元分析前提條件：

1)實行靜態模擬；

2)設定夾具體、固定支架材料為HT250；

3)設定固定平面為水平轉臺安裝面和夾具固定支架安裝面；

4)設定受力點為4個定位面共計1426kgf；

5)設定零部件固定連接為全接觸式連接。

有限元分析結果如圖6所示。

名稱類型最小最大位移URES:合位移0mm0.0275589mm

由圖6可以得出在1426kgf的作用下，夾具的最大變形量為0.028mm，通過數據對比可以看出，新型夾具在同等加工工況下的變形量較早期夾具案例縮小了近10倍，極大地提高了夾具整體剛性。同時，圖1缸蓋螺栓孔的位置尺寸精度要求為±0.1mm，該夾具在正常工況下完全可以滿足缸蓋的產品加工精度要求。

該新型夾具已應用于發動機零部件制造商的批量化生產中，夾具的實體照片如圖7所示。

圖6 夾具變形分析

圖7 新型夾具實體照片

3 結束語

隨著計算機技術的飛速發展，計算機輔助工程得到了廣泛地應用。機械工程師在設計過程中運用3D設計軟件，對復雜多變的零部件進行有限元分析，縮短了設計周期，提高了產品質量，直接去除設計中可能出現的失誤環節，其設計理念已廣泛應用到機械零部件的設計當中，并在實際生產中收到了良好的效果。

新型缸蓋夾具正是運用3D設計軟件對其進行模擬仿真，通過有限元分析找出夾具設計過程中的薄弱環節，有針對性地研發新型結構，解決夾具變形問題，滿足了產品的加工精度要求。其設計理念及結構構思可為機械工程師在機床及夾具設計過程中提供借鑒。

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(編輯 趙蓉)

Development and FEM Analysis of Fixture Used for Cylinder Head Cutting

LI Guo-qiang, JIN Wei, ZHANG Jiu-zhi, SUN Jing-yang, GUO Hong-jie

(Weiben Mechanical and Electrical Equipment (Dalian) Ltd., Co.Dalian Liaoning 116023,China)

Illustrating with a multiple spindle head turret machine tool, this article has studied the features of automated fixture used for processing cylinder head of gasoline engine, and the countermeasures for fixture deformation during multi-axis machining. By means of finite element method (FEM) analysis of the fixture module, this study ameliorates the former fixtures and provides a theoretic basis to develop and design new type fixture. It has also solved the problem of fixture deformation caused by cutting force and got a satisfied result during practical production. The application of computer assisted software has shortened the design cycle, reduced the costs and improved the product quality. The designing and development of this new type fixture, as well as its successful application, provides a revolutionary new way to deal with the problem of fixture deformation caused by cutting force.

turret machine tool, cylinder head, new type fixture

1001-2265(2014)06-0124-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.06.034

2014-01-02；

2014-01-22

李國強(1982—)，男，河北灤南人，偉本機電設備(大連)有限公司工程師，研究方向為組合機床自動化成套裝備，(E-mail)dlwecangroup@163.com。

TH122；TG65

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