趙東宏，盧章平，王庭俊，王武林

(1.江蘇大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2. 揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127)

軸承套圈等環(huán)形薄壁件通過(guò)熱加工工藝獲得的毛坯表面通常呈不規(guī)則曲面形狀，進(jìn)一步加工裝夾時(shí)，毛坯與夾具在徑向和軸向上接觸不均勻，導(dǎo)致局部夾緊應(yīng)力和變形較大，由此產(chǎn)生的殘余應(yīng)力在熱處理時(shí)會(huì)導(dǎo)致較大的局部變形，即使通過(guò)后續(xù)多道工序也難以完全消除。而且殘余應(yīng)力在使用過(guò)程中會(huì)持續(xù)釋放，顯著降低工件的精度壽命。

目前圍繞薄壁件變形問(wèn)題的研究很多，文獻(xiàn)[1]通過(guò)有限元分析研究裝夾位置、裝夾順序及加載方式對(duì)薄壁殼體變形的影響；文獻(xiàn)[2]研究了自由曲面定位點(diǎn)選取的算法與夾緊點(diǎn)選取策略；文獻(xiàn)[3]采用工藝優(yōu)化控制變形；文獻(xiàn)[4-6]則以變形預(yù)測(cè)和補(bǔ)償為研究對(duì)象。目前的這些研究重點(diǎn)集中在變形預(yù)測(cè)和工藝優(yōu)化方面，下文則以薄壁套圈為對(duì)象，研制多點(diǎn)式自適應(yīng)環(huán)形夾具，在增加曲面接觸點(diǎn)的同時(shí)保證各接觸點(diǎn)處夾緊力的均勻性。

1 傳統(tǒng)環(huán)形零件夾具

薄壁軸承套圈鍛件毛坯表面多為不規(guī)則形狀。首道工序?yàn)閵A外圓車內(nèi)孔，使用三爪自定心卡盤直接夾緊(圖1a)，環(huán)形薄壁毛坯會(huì)產(chǎn)生三棱形(圖1b)，車內(nèi)孔(圖1c)后卡盤松開，內(nèi)孔會(huì)由于彈性變形的恢復(fù)而形成如圖1d所示的三棱形。

圖1 三爪卡盤裝夾變形示意圖

針對(duì)薄壁套圈特點(diǎn)，目前生產(chǎn)中廣泛使用浮動(dòng)夾具夾持毛坯，其中圓弧式浮動(dòng)夾具(圖2a)和卡爪式浮動(dòng)夾具(圖2b)與工件為6點(diǎn)接觸，前者剛性好、夾持牢固，但浮動(dòng)性較差，后者浮動(dòng)性好，但由于是懸壁梁結(jié)構(gòu)夾持牢固性稍差。圖2c所示為卡爪式雙浮動(dòng)夾具[7-8]，其與工件的接觸點(diǎn)增加到12個(gè)，夾緊力比較均勻，但受結(jié)構(gòu)限制夾持直徑較小零件時(shí)局部的浮動(dòng)性不夠理想，沿軸線方向單點(diǎn)接觸狀態(tài)也沒(méi)有改變。

2 多點(diǎn)式環(huán)形自適應(yīng)夾具

曲面夾具設(shè)計(jì)原則是夾緊點(diǎn)應(yīng)盡可能多而分散，環(huán)形毛坯在徑向和軸向上都應(yīng)該有分布均勻的接觸點(diǎn)。多點(diǎn)式環(huán)形自適應(yīng)夾具[9]綜合了機(jī)械結(jié)構(gòu)和液壓結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，在接觸點(diǎn)均布的同時(shí)，還能保證各接觸點(diǎn)處夾緊力的均勻性。

研制設(shè)計(jì)的多點(diǎn)式環(huán)形自適應(yīng)夾具如圖3所示，選用三爪自定心卡盤作為動(dòng)力裝置，弧形液壓座分別固定在卡盤的3個(gè)基爪上，可以同步向心移動(dòng)。每組弧形液壓座內(nèi)都有容納液體的空腔及若干個(gè)與空腔相連的卡爪孔，卡爪孔與卡爪滑動(dòng)配合。3組弧形液壓座內(nèi)的空腔通過(guò)軟管相連，從而保證空腔內(nèi)壓強(qiáng)一致。卡爪與毛坯外表面接觸，其數(shù)量和排布方式以?shī)A緊點(diǎn)分散均勻?yàn)樵瓌t，軸向長(zhǎng)度較大的毛坯應(yīng)該在軸向上安排多組卡爪。圖3中設(shè)置有2組軸向卡爪，而目前常用的浮動(dòng)夾具由于結(jié)構(gòu)的限制軸向只能有1組卡爪。

1—軟管；2—弧形液壓座；3—卡盤座；4—卡爪；5—基爪；6—環(huán)形薄壁毛坯

與傳統(tǒng)夾具明顯不同的是，多點(diǎn)式環(huán)形自適應(yīng)夾具增加了柔性粗定位功能，如圖4所示。每個(gè)卡爪都有一根過(guò)軸線的粗定位彈簧鋼絲，其兩端與弧形液壓座上的孔為間隙配合，裝夾前可以保證每根卡爪都有相對(duì)一致的徑向位置，裝夾過(guò)程中隨著3個(gè)弧形液壓座同步向心運(yùn)動(dòng)，每根卡爪移動(dòng)的距離受曲面形狀影響并不相同，即每根卡爪都是浮動(dòng)的；另一方面由于每根卡爪尾部都在同一個(gè)液壓腔內(nèi)，壓強(qiáng)相等，與工件的接觸力相等，因此多點(diǎn)式環(huán)形自適應(yīng)夾具與工件為多點(diǎn)等力接觸狀態(tài)，夾緊力導(dǎo)致的殘余應(yīng)力數(shù)值會(huì)明顯減小，分布更加均勻。

1—彈簧鋼絲堵頭螺釘;2—粗定位彈簧鋼絲；3—卡爪；4—弧形液壓座

多點(diǎn)式環(huán)形自適應(yīng)夾具與傳統(tǒng)浮動(dòng)夾具的操作步驟相同，使用方便。具體工作過(guò)程為：環(huán)形毛坯端面定位→啟動(dòng)三爪自定心卡盤→固定在3個(gè)基爪上的弧形液壓座同步向心移動(dòng)→毛坯部分表面與卡爪接觸→毛坯在彈簧鋼絲彈力作用下向心移動(dòng)完成粗定心→每根卡爪克服彈簧鋼絲彈力繼續(xù)向心移動(dòng)，其移動(dòng)距離與接觸點(diǎn)毛坯表面形狀直接相關(guān)→完成浮動(dòng)夾緊過(guò)程。

3 環(huán)形夾具的有限元分析與對(duì)比

為了獲得夾緊變形和應(yīng)力分布的數(shù)據(jù)，以名義外徑120 mm，高40 mm，壁厚1.5 mm的薄壁套圈毛坯作為Nastran有限元分析的對(duì)象。用6點(diǎn)式浮動(dòng)夾具模擬目前廣泛使用的圓弧式浮動(dòng)夾具和卡爪式浮動(dòng)夾具，建立6點(diǎn)式和多點(diǎn)式夾具和毛坯的三維裝配模型，分別如圖5、圖6所示。毛坯除了釋放徑向自由度外其他方向的自由度全部限制；對(duì)于長(zhǎng)方形卡爪采用滑塊約束僅允許徑向移動(dòng)，而圓柱卡爪采用圓柱形約束釋放軸向移動(dòng)。

圖5 6點(diǎn)式夾具有限元模型

圖6 多點(diǎn)式夾具有限元模型

卡爪頭部端面與毛坯設(shè)為平面與曲面(面面接觸)接觸，過(guò)盈量為0。在圓周上取150個(gè)單元，軸向上取20個(gè)單元為計(jì)算對(duì)象，以毛坯等效應(yīng)力值及其分布情況作為指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比。6點(diǎn)式夾具與多點(diǎn)式夾具的周向、軸向應(yīng)力數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表1。由表可知，雖然2種夾具的平均接觸應(yīng)力非常接近，但多點(diǎn)式夾具最大接觸應(yīng)力和標(biāo)準(zhǔn)差顯著下降，說(shuō)明由于接觸點(diǎn)的增多夾緊應(yīng)力減小，夾緊應(yīng)力的分布也更加均勻，這對(duì)減小薄壁套圈的變形和殘余應(yīng)力非常有利。

表1 工件周向、軸向接觸應(yīng)力對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)環(huán)形薄壁毛坯研制的多點(diǎn)式環(huán)形自適應(yīng)夾具綜合了機(jī)械結(jié)構(gòu)和液壓結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，成倍增加了夾具與曲面接觸點(diǎn)數(shù)量，同時(shí)還能保證各接觸點(diǎn)處夾緊力的均勻性，從而實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)浮動(dòng)的功能。有限元分析和生產(chǎn)實(shí)踐證明，夾具能在不影響裝夾效率的同時(shí)，顯著減小夾緊變形和殘余應(yīng)力，增加曲面夾具的夾持穩(wěn)定性和可靠性，為減小熱處理變形和使用過(guò)程中的殘余應(yīng)力釋放創(chuàng)造了良好的條件。