氣缸蓋氣門座圈與導管加工夾具的有限元分析

韋海燕

（柳州五菱柳機動力有限公司，廣西柳州545005）

氣缸蓋氣門座圈與導管加工夾具的有限元分析

韋海燕

（柳州五菱柳機動力有限公司，廣西柳州545005）

夾具是零件加工工藝系統的關鍵部件，夾具的設計對零件的加工精度產生很大的影響。利用simlab與abaqus軟件對加工夾具進行有限元分析，結果表明加工夾具受力比較均勻，沒有局部應力大的區域，可滿足加工要求。通過有限元分析，提高了夾具設計的效率。

夾具；simlab；abaqus；有限元分析

氣缸蓋的氣門座圈及導管，設計要求非常的高。在加工的過程中，一些很小的原因及變化都會對其精度造成很大的影響。對于加工氣門座圈及導管孔的加工夾具，由于設計的原因導致引起的變形，很難在加工現場進行修正及解決，需要重新改造夾具，嚴重的時候需要重新設計。這對于生產來說，既造成生產成本的浪費，又大大影響了加工的進度。

有限元分析是一種新型的技術，能夠進行動態的模擬仿真并進行分析，可以模擬夾具在加工過程中有可能發生的變形及變形的情況，設計人員可以根據有限元分析的結果，對夾具進行改造或優化，選擇合理可靠的結構。這樣可以減少設計失誤，降低成本投資，對氣門座圈和導管孔的加工工藝系統的設計開發有很大的作用，是對傳統夾具設計方法的一種革新，可以為企業創造更好的效益。

1 夾具設計

1.1 定位方式的選擇

加工氣門座圈及導管孔的加工夾具，查閱資料可知，根據加工類型不同，通常所采用的定位夾緊方式也不同，根據現場實際需要，采用圓柱銷配合菱形銷的“一面兩銷”的定位方式，即通過限制一個平面、兩個定位銷來對零件的三個自由度進行限制，從而保證零件的狀態是加工時的正確位置。

1.2 切削力及夾緊力計算

使用刀具：復合成型刀（刀體：合金鋼，刀片：鎢鋼，銑鉸刀：硬質合金，φ5.5 mm），刀具結構示意如圖1所示。

圖1 復合成型刀結構示意圖

切削力的計算公式為：

Fx=420D1.2f0.75Kp（見《金屬切削機床夾具設計手冊》[1]表3-71）

其中，D為鉆頭直徑，為φ5.5 mm；f為每轉進給量，為0.05 mm/r；Kp為修正系數，查《金屬切削機床夾具設計手冊》[1]表3-72可知，Kp取1.0.

因此，由此計算得出：

Fx=420×5.51.2×0.050.75×1.0=343.49 N

在計算加工的切削力時，需要把安全系數也考慮在計算里。而安全系數K=K1K2K3K4.

其中：K1是基本的安全系數，為1.5；K2是加工的性質系數，為1.1；K3是刀具的鈍化系數，為1.1；K4是繼續切削系數，為1.1；

夾緊力為：

氣缸選用φ100 mm，氣缸的效率85%.

當壓縮空氣單位壓力：

P=0.6 MPa=0.6×10.332 3 kg/cm2

1個缸徑100 mm的面積:

100/2×100/2×3.14/100=78.5 cm2

根據工件的形狀特點及加工要求，選用4個氣缸夾緊。

4個缸徑100 mm的面積：78.5×4=314 cm2氣缸推力N氣=0.6×10.332 3×157×0.85% =1 654.61 N＞685.78 N

因此，本夾具可安全工作。

1.3 夾具裝配圖

在生產實際中，加工氣門座圈及導管孔的加工夾具采用圓柱銷配合菱形銷的“一面兩銷”的定位方式，根據工件的形狀特點及加工要求，選用4個氣缸進行夾緊。根據生產現場情況，采用單件手工氣缸夾緊，通過第四軸旋轉，實現零件加工。夾具裝配圖示意圖如圖2所示。

圖2 夾具裝配示意圖

1.4 夾具各部件及裝配模型的建立

通過理論的計算，可以得出夾具的一些主要的參數，使用三維模型軟件（在本文中，所選用的三維軟件是UG 6.0）來建立夾具詳細的實體模型。利用實體模型來導入至選定的有限元軟件中。在最開始首先需要建立夾具的實體模型。在建立實體模型的時候，需要注意選用正確的結構形式，這個實體模型建立的好壞決定了有限元分析的結果，因此實體模型的建立是一項非常重要并且有意義的工作。

本文在進行夾具實體建模的時候，在一些細節上采用簡化處理，比如夾具上的一些倒角與圓角，還有一些螺絲孔的等，都進行了忽略處理，這是因為這些結構對于這個夾具來說，不會發生結構上的變化，它們不會對有限元分析的結果產生決定性的影響，即使忽略了，也是完全可以保證分析結果的準確性的。

利用UG軟件進行三維實體建模，得到夾具結構的模型如圖3所示。

圖3 夾具的實體模型圖

2 夾具有限元分析

在一般的情況下，建立夾具的有限元模型，可以分成以下幾個步驟：

2.1 導入模型

使用三維實體軟件UG來完成夾具的實體結構模型的建立以后，因為UG軟件與simlab軟件可以通過接口來進行數據的交換，所以可以把三維實體模型（通過parasolid格式）導入至simlab軟件當中。首先，在UG軟件中，把實體模型轉化成step格式的模型，然后在simlab軟件中，打開此格式的模型即可。

2.2 網格劃分

網格劃分是建立有限元模型的重要環節之一，它是有限元分析的基礎。把網格進行劃分，目的是把連續體在結構上進行離散化，把連續體劃分為很多個單元的集合。網格劃分決定了有限元分析的速度和精度，把網格劃分得越細，得出的結果就越接近真實的值。這樣不代表說網格劃分得越細越好，因為網格越細，計算的時候需要更多的時間，而且對計算機提出更高的要求，并且這樣會降低工作的效率[2]。但是如果采用當前的密度所求得的解已經很接近理論解，再把劃分的網格分得更細就沒有什么大的意義了，并且由此會大量耗費計算機的資源，大量的延長計算時間，反而降低了效率。

網格劃分密度需注意的兩個原則[3]：

(1)對應變和應力比較敏感的區域應該劃分細一些；

(2)如果分析中涉及非線性的因素，在劃分網格的時候應劃分到能夠反應非線性因素的程度。

網格劃分密度的兩個原則表達的就是在分析的精度和分析過程中所需要的時間上找到一個最佳的平衡點。

本文對夾具進行有限元網格劃分時，將夾具主要區域的網格設為5.為了保證網格劃分的質量，在夾具模型的網格劃分好之后還需要對模型所劃分得網格進行檢查。經過對網格的重復單元、重復節點、自由的單元邊及長寬比等各個方面進行全面的檢查之后，就可以得到夾具的有限模型。為了簡化計算，通過創建RBE2剛性單元，夾具上的工件用質心（通過UG測算出）表示，最終得到夾具的有限元模型如圖4所示。

圖4 夾具的有限元模型

2.3 創建接觸

創建接觸的具體步驟如下：

（1）選擇主動面，從動面；

（2）選擇接觸類型；

（3）設置摩擦系數；

（4）創建面與面的接觸；

（5）輸入調整容差。

經過上述步驟后，創建了夾具的接觸，如圖5所示。

圖5 夾具接觸示意圖

2.4 創建材料

夾具的底板采用灰鑄鐵HT250鑄成，其余部件采用45#鋼。其力學參數如表1所列。分別按照這兩種材料的力學性能創建材料屬性。

表1 材料力學參數表

2.5 定義屬性

完成材料創建后，將上步所定義材料的屬性賦予夾具各零部件（創建的RBE2單元也必須定義）。

2.6 定義約束

考慮在夾具使用過程中的實際情況，將夾具底板（body1）的底面，夾具左右側支撐板（body2，body2-1）的外側面進行全約束，對旋轉軸（主動端：X軸旋轉，從動端：全約束）進行約束，如圖6所示。

圖7 定義夾具約束

2.7 施加載荷

在夾具的主動部件（body3-1）的外表面施加X方面旋轉的扭矩（最大扭矩850 N·m），在工件的質心點處施加質量（mass=0.006 33 t），如圖7所示。

圖7 夾具施加載荷后示意圖

2.8 導出inp文件

在施加載荷與創建分析步后，從simlab導出abaqus的inp文件，初始分析步設為0.1，打開非線性non-linear。

2.9 提交計算

本文采用abaqus command來執行imp腳本。

經過對夾具進行有限元分析，夾具等效應力云圖如圖8所示。從圖中可以看出，最大等效應力為14.71 MPa，遠遠小于材料的屈服強度（250 MPa），夾具的受力在安全的范圍之內，并且夾具的安全系數也在設計要求之內，故本夾具滿足設計要求。

圖8 夾具等效應力云圖

3 結束語

本文對氣缸蓋的氣門座圈及導管加工夾具進行了設計，還引入有限元分析，利用simlab與abaqus軟件對加工夾具進行受力分析，經過分析，發現加工夾具受力均勻，沒有局部應力特別大的區域，最大等效應力比材料的屈服強度小很多，在安全的范圍內，滿足設計和加工的要求。通過有限元分析，可以提前預知加工過程中出現的情況，可以減少失誤，降低成本投資，對氣門座圈和導管孔的加工工藝系統的設計開發有很大的作用，是對傳統夾具設計的一種革新，可以為企業創造更好的效益，值得大范圍推廣。

[1]浦林祥.金屬切削機床夾具設計手冊[M].2版.北京：機械工業出版社，1995.

[2]齊孟雷.基于ANSYS球頭銑刀建模與靜力、模態分析[J].裝備制造技術，2014（01）：8-10.

[3]王醒華，陳顯鋒，劉整社，等.飛行控制系統的一體化仿真軟件SIMLAB[J].系統仿真學報，1996（03）：19-21.

Finite Element of Cylinder Head Valve Seat and Guide Machining Fixture Analysis

WEI Hai-Yan
（Liuzhou Wuling Limited Company Co.，Ltd.，Liuzhou Guangxi 545005，China）

Fixture is the key part of the process system of the parts，the design of the fixture has a great influence on the machining precision of the parts.Use of SIMLAB and ABAQUS software to analyze the machining fixture. The results show that the stress of the machining fixture is uniform，and there is no area of local stress，which can meet the processing requirements.Through the finite element analysis，the efficiency of fixture design is improved.

fixture；simlab；abaqus；the finite element analysis

U463

：A

：1672-545X（2017）01-0046-04

2016-10-10

韋海燕（1984-），女，廣西南寧人，工程師，研究生，工程碩士，研究方向：機電一體化、先進制造。