基于Pro/Engineer的薄壁套加工變形仿真與驗證實驗

王鐵流

(浙江水利水電學院，浙江杭州310018)

薄壁套是一種常用的機械零件，主要要求一般為內、外圓直徑的尺寸精度、形狀精度以及相對位置精度。這類零件因其剛性差，加工時受切削力、夾緊力、殘余應力和切削熱的影響，容易產生變形，是機械加工中一個較難解決的問題［1－3］。在影響薄壁套類零件加工精度的因素中，因夾緊方式不當產生的夾緊變形、因切削參數不合理導致的切削變形以及因切削熱引起的熱變形是影響尺寸精度和形狀精度的主要因素［1－4］，因此，選擇合理的裝夾方式與切削參數是保證薄壁套類零件加工質量的關鍵。實際生產中，為了確定合理的裝夾方案和切削參數往往需要設計制造夾具，并通過實際切削加工進行驗證，有時要進行幾種方案對比才能確定最終方案，需要花費較高的成本和較長的時間。利用CAD 和有限元分析軟件模擬、評估并優化加工方案，能夠有效地降低制造成本、提高生產效率。

文中利用應用較為廣泛的Pro/Engineer 軟件，對圖1 所示零件進行了不同裝夾方式和切削參數的有限元車削模擬變形分析與對比，進而選出了可行的加工方案。

圖1 薄壁套簡圖

1 工件建模

在Pro/Eng oneer 的零件界面下，根據工件的形狀和尺寸(包括加工余量在內的實際工藝尺寸)建立工件的實體模型。為減少非分析區域的單元個數以減少求解計算時間，可對倒角、圓角等進行簡化處理。其中切削區的局部結構按切削層形狀和尺寸建立，如圖2 所示。

圖2 切削區與載荷添加

2 夾緊力與切削力的計算

2.1 夾緊力的計算

夾緊力計算公式為

式中:Fj為夾緊力;

K 為安全系數;

d 為切削直徑;

D 為夾持直徑;

μ 為卡爪與工件之間的摩擦因數;

Fc為主切削力。

2.2 切削力的計算

切削力經驗公式為

式中:Fc為主切削力;Ff為進給力;Fp為背向力;加工材料和切削條件的系數CFc、CFf、CFp與切削用量的指數xFc、yFc、zFc、xFf、yFf、zFf、xFp、yFp、zFp可在有關資料［5］中查到。

3 有限元變形分析

利用Pro/Engineer 集成模式下結構分析模塊的基本模式進行夾緊變形分析。該模式系統使用自身的Mechanica 適配型P 碼元素來將模型網格化，并使用自己的解算器提出解決問題［6］。

(1)材料定義與分配。進入結構分析模塊的Mechanica (M)界面，對工件進行材料定義和分配;確定失效準則、材料種類、表面粗糙度等，并設置比重、拉伸屈服應力、抗張極限應力，失效強度衰減因子等參數。

(2)施加約束。按照工件裝夾的實際工藝要求，在工件三維模型的對應位置施加約束。

(3)施加載荷。根據計算出的夾緊力Fj和卡爪對工件的夾持面積Ajc，計算出載荷面的壓強pj=Fj/Ajc，把pj添加到工件的夾持區域;切削力Fc、Ff、Fp在切削區按實際方向添加，如圖2 所示。

(4)仿真分析

在“Mechanic 分析/研究”界面，建立靜態分析，選擇“Displacement”輸出選項，通過運算可得到工件在夾緊力和切削力作用下的仿真模擬變形結果。

4 仿真與實驗對比

薄壁套材料為40Cr，調質處理HB300 ～340。內、外徑尺寸分別為和同軸度誤差不大于φ0.015 mm，圓柱度誤差不大于0.008 μm，表面粗糙度為Ra1.6 μm。壁厚為4 mm，相對尺寸較大。用數控車床精加工φ2100

－0.020mm 外圓。

4.1 切削變形對比

首先，用前角γo=0°、刀尖角ε=55°、κr=90°、rε=0.4 mm 的硬質合金刀片精車φ2100－0.020mm 外圓。外徑工藝尺寸為φ210.6 mm，背吃刀量αp=0.3 mm、進給量f =0.11 mm/r、切削速度vc=235 m/min。切削變形模擬的最大值為0.002 7 mm，如圖3 所示。加工后實測5 件工件的外圓圓柱度誤差平均值為0.003 mm，兩者結果基本一致。變形仿真的最大變形量占工件圓柱度公差要求的33.75%。

圖3 rε =0.4 mm，f=0.11 mm/r 切削變形仿真結果

改用γo=0°、ε =35°、κr=90°、rε=0.2 mm 的硬質合金刀片車削。外徑工藝尺寸同上，αp= 0.3 mm、f=0.08 mm/r、vc=235 m/min。切削變形模擬結果如圖4 所示，最大變形量為0.002 5 mm，加工后實測5 件工件的外圓圓柱度平均誤差為0.002 6 mm。與仿真結果也基本相同，仿真的最大變形量占工件圓柱度公差要求的31.3%。

圖4 rε =0.2 mm，f=0.08 mm/r 切削變形仿真結果

從上述兩種方案的模擬和實測結果可以看出:后者的切削變形較小，更有利于保證產品的質量要求。

4.2 夾緊變形對比

用三爪液壓動力卡盤夾持φ(210 ±0.015)mm 外圓，以凸緣左端面軸向定位。建立實體模型后、在Mechanica 模式下定義分配材料、施加載荷和約束。其中載荷按動力卡盤的實際夾緊力施加，可參照計算出的夾緊力Fj調整油壓確定實際夾緊力Fsj，并使Fsj＞Fj。

首先，采用寬度為35 mm 的標準寬度卡爪夾緊，模擬仿真的最大夾緊變形量為0.006 1 mm，如圖5 所示。加工后實測5 件工件夾持端內孔的圓柱度平均誤差為0.006 4 mm，與模擬結果接近，仿真模擬的變形量已占工件圓柱度公差要求的76.3%，考慮殘余應力、切削熱等其他因素對變形的影響，該裝夾方案難以保證產品的圓柱度要求。

圖5 寬35 mm 卡爪夾緊變形仿真結果

改用寬度為80 mm 的非標卡爪，增大夾持面積，模擬仿真的最大夾緊變形量為0.003 4 mm，如圖6 所示。加工后實測5 件夾持端平均最大圓柱度誤差為0.003 5 mm，與模擬結果基本相符。仿真模擬變形量占工件圓柱度公差要求的42.5%，能夠保證產品的質量要求。

圖6 寬80 mm 卡爪夾緊變形仿真結果

5 結論

利用Pro/Engineer 軟件，對薄壁套類零件進行加工變形的有限元建模仿真，可以較為準確地對夾緊力和切削力影響的加工變形進行定量分析，在薄壁套類零件加工的夾具設計和工藝方案制定與優化方面，改變了憑經驗或通過試切調整確定工件裝夾方式和切削參數的傳統方法，縮短了生產周期，降低了生產成本。

［1］曲中興，張立武．超高強度鋼薄壁件車削變形控制［J］．航天制造技術，2008(5):1－5．

［2］仝西琳，張明魁．薄壁零件的車削加工精度概述［J］．機械制造與自動化，2007，36(3):66－68．

［3］李付有，賈亞雷，楊敬娜，等．薄壁零件的車削工藝研究［J］．煤礦機械，2012，33(7):134－136．

［4］宋理敏，吳永鋼．薄壁零件的數控車削加工工藝研究［J］．機床與液壓，2013，41(7):69－70．

［5］周澤華．金屬切削原理［M］．上海:上海科學技術出版社，1993:79－89．

［6］喬建軍，王保平，胡仁喜．Pro/Engineer Wildfire5．0 動力學與有限元分析從入門到精通［M］．北京:機械工業出版社，2010．