基于有限元分析的氣門搖臂軸支座夾具的設計研究

耿立陽，路光普，葉金鐸，趙永政

（1.天津理工大學 機械工程學院，天津市先進機電系統設計與智能控制重點實驗室，天津 300384；2.機電工程國家級實驗教學示范中心（天津理工大學），天津 300384）

0 引言

機械加工是制造業的核心，優化的加工工藝可以提高零部件的加工精度、降低加工成本和提高加工效率。夾具體是機械加工工藝中不可缺少的工件，夾具的合理性直接影響到產品的加工質量和成本，據統計，工裝夾具的設計與制造成本占整個產品研發費用的10%～20%[1]。并且，約40%的部件質量問題是由夾具的誤差引起[2]，因此，夾具的合理化設計一直是制造業的目標。由于夾具設計關聯因素諸多，設計周期較長，而且設計方案主要依賴于設計者的經驗和技術[3]，本文根據氣門搖臂軸支座的工作特點，確定夾具的設計方案，根據定位方式選擇定位元件，然后選擇合理的導向裝置和夾緊裝置。最后進行誤差分析，設計改進和有限元仿真，使設計后的夾具在加工過程中具有操作方便，定位準確，夾緊穩定的特點。

1 氣門搖臂軸支座的作用

氣門搖臂軸支座是柴油機配氣機構裝置的重要組成部件，決定產品的質量[4]。直徑為Φ18孔主要用來安裝進、排氣的氣門搖臂，支撐的作用。Φ11的通孔與螺栓連接，使零件固定在柴油機上與Φ16孔相配合的是一個減壓軸，主要是為了降低缸內部的壓力。三維模型如圖1所示。

圖1 氣門搖臂軸支座三維模型

2 氣門搖臂軸支座夾具的設計

2.1 確定夾具的結構方案

氣門搖臂軸支座為批量生產的產品，企業追求產品的加工精度和效率。本文選擇對氣門搖臂軸支座的專用夾具進行設計，加工通孔和通孔，使用工具為T68臥式鏜床，高速鋼直柄麻花鉆，擴鉆和機用鉸刀。

2.2 確定定位方式，選擇定位元件

根據六點定位原理，選取合理的的定位方式和定位元件。選擇Φ11孔和工件下端面為主要定位基準，限制工件的五個自由度，在工件底座進行打孔，用一個削邊銷限制另外一個自由度。定位方案結構如圖2所示。

圖2 工序定位結構圖

2.3 確定導向裝置

由于鉆Φ18和Φ16的孔需要很多工步，即需要通過鉆擴鉸才能達到要求，我們選擇快換鉆套做為導向原件。襯套與快換鉆套之間的配合尺寸為襯套與鉆模板之間的配合尺寸為裝置如3圖所示。

圖3 導向裝置結構圖

2.4 確定夾緊機構

本文選用螺旋夾緊裝置。在鉆模板上留有一個螺紋孔，通過雙頭螺柱與鉸鏈壓板相連，最后將帶肩六角螺母壓緊。由于鉆模板較高，我們在定位芯軸上添加一個壓緊墊片，使其與鉆模板相平，從而達到壓緊工件的效果。裝夾工件時，先將工件裝入定位芯軸，達到準確定位效果，然后轉動鉸鏈壓板，最后擰緊螺母壓緊工件。加緊裝置如圖4所示。

圖4 夾緊裝置

根據支座工件的定位方式，工件只需沿軸向夾緊。本夾具采用螺旋夾緊機構，工作原理使用帶肩六角螺母夾緊工件，夾緊機構是否能夠夾緊工件需經過驗算，在此我們驗算工序中鉆Φ15通孔的夾緊力是否可以達到要求。采用高速鋼直柄麻花鉆，鉆孔的軸向力=804.7N，當工件材料為HT200時，軸向力修正系數K=1.18。故軸向力F=F1×K=1712.1N。

用扳手的六角螺母的夾緊力計算：查《金屬機械加工工藝人員手冊》[5]，螺母的公稱直徑為M=12時螺紋中徑為d1=10.86mm。手柄長度為L=140mm，手柄上作用的力為P=70N，夾緊力為W=2420N＞F。由于夾緊力大于鉆攻力，即本夾具可安全使用。

2.5 定位誤差分析

本文設計的夾具要保證的位置精度主要是Φ18和Φ16兩孔的中心距是（56±0.05）mm以及與底面的平行度公差是0.05mm。Φ18孔軸線和Φ16孔軸線與底面尺寸是（24±0.03）mm和（49±0.05）mm。該定位元件選擇一個長定位芯軸，定位芯軸與定位孔的配合尺寸為（定位孔的尺寸是定位芯軸的尺寸是定位芯軸的下端與夾具底板孔的配合尺寸為（底板孔定位芯軸底端對于工序尺寸（56±0.05）mm而言，定位基準與工序基準重合誤差Δjb=0，基準位移誤差Δjw=0.018+0.017=0.035，該工序尺寸（56±0.05）mm的制造公差為0.10mm。因此定位誤差小于制造公差的1/2，因此上述方案可行。

2.6 夾具體的設計

夾具體的設計是復雜的，全面的考量，夾具體是將各部分工件有機的聯系起來，形成一個穩定可靠的整體。對于此夾具來言，夾具體與鏜床通過兩個螺栓相連，此外，夾具體上部用四個螺栓連接有兩個凸臺，用來焊接鉆模板，夾具體的的底銑槽，減少接觸面積，提高其穩定性。

1）根據零件圖可知，兩孔的中心距為（56±0.05）mm，為了保證較高的精度，我們將設計的兩鉆套的公差進行縮小，取其公差的1/2，即兩鉆套軸線的中心距為（56±0.025）mm；

2）在夾具的優化設計中，為保證孔與工件底面的平行度公差為0.05，取鉆套軸線與夾具的底板上端面的平行度為0.05；

2.7 基于SolidWorks的夾具三維建模

SolidWorks是一款三維建模軟件，通過創建夾具體的三維模型，使我們可以直觀的檢測所設計的尺寸是否合理，零件之間是否存在干涉，更加直觀的顯示夾具體的結構優化設計，有利于設計結構的修改。

3 夾具體的有限元仿真

3.1 建立有限元模型

夾具體的設計除了能夠滿足剛度要求外，還應該提高夾具體的疲勞強度，具有較長的使用壽命。因此，需要對關鍵零件進行有限元分析，判斷其在何種鉆攻條件下能滿足正常加工要求，是否安全可靠?？紤]到鉆攻過程中對定位芯軸產生較大的剪切力?？紤]鉆攻加工順序的不同，分析鉆攻載荷對夾具體和零件的影響程度，從而保障零件的精度和加工成本。本文選用ANSYS軟件模擬車床的鉆攻過程，鉆攻載荷對夾具體作用的進行強度分析。

模型前處理：將夾具的三維裝配模型以X-T的格式導入到ANSYS軟件中，在ANSYS軟件設置好對應的參數。單元類型：solid45。所有材料考慮為線彈性和各向同性；削邊銷、定位芯軸、壓緊墊片為45號鋼E=2.10×105MPa，泊松比μ=0.3；零件體為灰鑄鐵HT200，E=1.22×105MPa，泊松比μ=0.25[6]。計算模型采用四面體網格的劃分，有限元網格夾具體模型如圖5所示。

圖5 夾具網格模型

邊界條件的設定：按照夾具的使用要求，對底板進行全約束，對定位芯軸和壓緊墊片的頂端進行全約束，進行雙孔同鉆仿真模擬，結果發現Φ16孔繞y軸產生較大的轉矩，導致零件失效損壞，說明夾具存在不合理性。

改進夾具對零件的約束設定：在模擬鉆攻載荷加工過程中，Φ16孔繞y軸產生較大的轉矩，需要添加夾具對零件的z軸方向進行約束，釋放定位芯軸上端的全約束。對底板下端和壓緊墊片的頂端進行全約束。在鉆孔的位置施加鉆攻載荷，計算中考慮了幾何非線性，合適的載荷子步，采用殘余力收斂準則，收斂精度設為0.1%。

3.2 定位芯軸的有限元仿真結果

在機加工過程中，為了保證零件的精度和同軸度，需要同時對多個孔進行一次鉆攻。模擬Φ16孔和Φ18孔同時進行鉆攻加工得到仿真計算結果，定位芯軸的等效應力場如圖6(a)所示，定位芯軸受到的等效應力相對較小，其所受的最大應力為21.5MPa，發生在定位芯軸軸肩處，這是由于在加載后，定位芯軸的軸肩容易產生較大的應力集中。在鉆攻的同時，零件有沿y軸的轉矩，壓緊墊片也會對定位芯軸產生作用力。定位芯軸的最大等效應力21.5MPa，其應力低于零件的屈服強度183MPa和材料的屈服強度355MPa[7]。定位芯軸在z軸方向的位移場，從圖6(b)可以看出，定位芯軸的最大位移為0.27×10-5mm。定位芯軸發生滑動的位移量較小，在誤差允許范圍之內。從仿真結果來看，定位芯軸強度可靠，位移偏差小，可以滿足使用要求。

圖6 定位芯軸仿真計算結果

3.3 削邊銷的有限元仿真結果

削邊銷的等效應力場如圖7(a)所示，削邊銷的最大應力為0.41MPa，發生在軸肩連接處，這是由于在加載后，零件有沿y軸的轉矩，使零件發生運動趨勢，削邊銷的軸肩連接處容易產生較大的應力集中。削邊銷的位移場從圖7(b)可以看出，削邊銷的最大位移為0.23×10-7mm。削邊銷發生滑動的位移量較小，在誤差允許范圍之內。

圖7 削邊銷仿真計算結果

3.4 壓緊墊片的有限元仿真結果

壓緊墊片的等效應力場如圖8(a)所示，壓緊墊片的最大應力為26.7MPa。在定位芯軸與壓緊墊片的連接處，零件有沿y軸的轉矩容易產生較大的應力集中。定位芯軸在z軸方向的最大位移為0.28×10-5mm，如圖8(b)所示。壓緊墊片發生滑動的位移量較小，在誤差允許范圍之內。

3.5 零件的位移計算結果

在采用雙孔同時鉆攻的機械加工工藝過程中，零件的精度和表面粗糙度是質量保證的前提。如果零件在鉆孔時，發生較大的位移量，零件的尺寸精度和表面粗糙度就不能保證，降低零件的合格率，提高生產成本。因此，零件沿z軸的位移量也是檢驗夾具是否合格的標準。如圖9所示，在采用雙孔同時鉆攻的加工工藝，零件的最大位移量為0.23×10-4mm，在零件的允許加工誤差范圍內。

圖8 壓緊墊片仿真計算結果

圖9 零件的位移分布云圖/Uz

3.6 其他鉆攻方式的仿真結果

上述根據實際加工過程，模擬同時鉆Φ16/Φ18孔的仿真計算結果，夾具設計合理，滿足鉆攻加工的強度要求，而且結構簡單，定位精確，固定零件方便可靠。另模擬單一鉆Φ16孔和單一鉆Φ18孔兩種鉆攻順序的加工過程，得到夾具體的仿真計算結果如表1、表2所示。

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表1 夾具體等效應力仿真結果最大值 (/MPa)

表2 夾具體位移仿真結果最大值/Uz (/mm)

4 結論

本文對氣門搖臂軸支座的專用夾具體進行結構設計研究，改進夾具體對零件的約束方式，在加工過程中提高零件的合格率；考慮鉆攻加工順序的不同，分析三種鉆攻過程中鉆攻載荷對夾具體和對零件精度的影響，通過夾具體的強度分析和加載過程中工件的偏轉位移量，設計最佳的鉆攻順序，從而保障零件的精度和加工成本。

運用SolidWorks軟件創建氣門搖臂軸支座三維模型，基于ANSYS有限元軟件對軸進行機械強度分析，對夾具體進行設計研究，在雙孔同時鉆攻的過程中，所選定位芯軸能滿足強度要求，且優化后的夾具結構簡單，定位精確，固定零件方便可靠，具有較強的實用性，能實現零件一次裝夾，可以同步實現對兩個通孔進行鉆攻。

[1]Z. M. Bi,W.J.Zhang. Flexible fixture designandautomation:Review, issues and future directions[J].International Journal of Production Research,2001,39(13):2867-2894.

[2]Wang H, Rong Y, Li H, et al. Computer aided fixture design:Recent research and trends[J].Computer-Aided Design,2010,42(12):1085-1094.

[3]羅晨,王欣,蘇春,吳澤.基于案例推理的夾具設計案例表示與檢索[J].機械工程學報,2015,51(07):136-143.

[4]馬洪杰.柴油機氣門搖臂潤滑油道堵塞引發的故障[J].工程機械與維修,2013,(07):189-190.

[5]趙如福.金屬機械加工工藝人員手冊[M].上?？茖W技術出版社,2009.

[6]王三民.機械設計計算手冊[M].化學工業出版社,2009.

[7]濮良貴.機械設計[M].高等教育出版社,1989.