薄壁零件內孔加工變形研究*

□ 侯學元 □ 王 鐸

1.內蒙古科技大學工程訓練中心 內蒙古包頭 014010

2.內蒙古一機集團 內蒙古包頭 014010

1 問題的提出

薄壁零件已日益廣泛應用在各產業產品中，具有質量輕、節省材料、節約能源、結構緊湊等特點。但是另一方面，薄壁零件在切削加工中是比較棘手的。薄壁零件的剛性差，加工時極易變形，使零件的形位公差增大，很難保證零件的加工質量［1-2］。內蒙古某企業是生產礦用汽車零部件的單位，負責軸承端蓋的加工。軸承端蓋屬薄壁零件，如圖1所示。在軸承端蓋零件加工過程中，存在內孔圓柱度超差現象。通過精度分析，認為夾緊變形是一個主要的因素。筆者以經典力學為基礎，推導出車床四爪卡盤夾緊力的計算公式，得出加工時需要的理論夾緊力。通過ANSYS Workbench有限元軟件仿真試驗，對產生的夾緊力及其引起的變形進行分析，尋找規律，進而解決實際生產問題。

2 零件產生超差原因分析

軸承端蓋零件材料為45號鋼，出現超差的工序為車床車削工序。之所以將φ192孔放在車削工序，是由于該企業普通車床相對有空閑，而且車床采用四爪卡盤裝夾方便，生產效率較高。從零件首件試加工開始，就出現如下現象：加工到圖紙尺寸要求后，零件在車床上進行內孔測量時，圓柱度在公差范圍內；零件卸下后再進行測量，則出現超差現象。分析原因，認為四爪卡盤在夾緊零件時出現變形，導致零件加工不合格。零件經四爪卡盤夾緊后，發生彈性變形，如圖2（a）所示。零件內孔加工后形狀如圖2（b）所示。從四爪卡盤中取出零件后，零件被解除受力，內孔形狀如圖2（c）所示，可見此時內孔產生了圓柱度誤差。誤差的大小與軸承端蓋本身的形狀、材料，以及夾緊力大小有關。

▲圖1 軸承端蓋零件

▲圖2 軸承端蓋零件夾緊變形示意圖

3 四爪卡盤夾緊力計算

在普通臥式車床上加工軸承端蓋端面及內孔，增加墊塊進行端面定位，人工找正，利用四爪卡盤夾緊零件四面，車削端面時軸承端蓋零件的受力情況如圖3所示。

▲圖3 軸承端蓋零件受力示意圖

由于車端面開始時切削力矩最大，因此以此作為計算夾緊力的主要依據。在車削端面時，對零件產生Fx、Fy和Fz三個切削分力，其中Fx為徑向切削力，產生的彎矩與夾緊力無關，而Fz和Fy則可能引起零件在卡爪中相對轉動和軸向移動，為此設理論夾緊力FJ與切削分力Fz及Fy平衡［3-4］，即可計算出夾緊力的大小。為簡化計算，假設每個卡爪的理論夾緊力大小相等，均為FJ。在每個卡爪處使工件轉動的力為MFz/（4r），其中MFz為單爪作用下Fz所產生的力矩，r為工件最大接觸半徑。使工件軸向移動的力為Fy/4，以上兩個力的合力應由每個卡爪對工件夾緊時所產生的摩擦力Fμ來平衡，即有：

考慮安全因數k，一般取k=1.5～3，粗加工時取k=2.5～3，精加工時取 k=1.5～2，本文取 k=2，則所需的夾緊力為：

式中：μ為卡爪與工件之間的摩擦因數，取μ=0.15。

MFz=Fzr，則夾緊力為：

在實際生產中，廣泛使用指數公式來計算切削力F。常用的指數公式為以切削深度和進給速度為變量的冪函數［5］：

式中：CF為由工件材料和切削條件決定的因數；b1、b2、b3依次為切削深度ap、進給速度f和切削速度v的指數；KF為修正因數。

對式（4）兩邊取對數，得：

令 y=lg F，x1=lg ap，x2=lg f，x3=lg v，b0=lg CF+lg KF，

則y=b0+b1x1+b2x2+b3x3。

建立多元回歸方程：

式中：ε為試驗隨機變量誤差中的參數。

取16組試驗數據，通過最小二乘法對參數β0、β1、β2、β3進行估計，從而得到切削分力Fy和Fz與切削深度、切削速度、進給速度之間的線性回歸模型：

4 零件靜力場有限元仿真

4.1 有限元建模

根據切削的加工原理和實際仿真加工要求，采用CAXA三維造型軟件生成軸承端蓋零件的三維實體模型，然后導入ANSYS Workbench有限元軟件，得到軸承端蓋零件的三維實體模型及網格劃分，分別如圖4、圖5所示。

▲圖4 軸承端蓋零件三維實體模型

▲圖5 軸承端蓋零件網格劃分

4.2 加載與求解

筆者對軸承端蓋零件有限元網格劃分后的四個薄壁面施加夾緊力，將零件的一個端面作為固定約束［7］。根據前文建立的線性回歸模型，采用單因素試驗法［6］，考慮零件圓柱度公差要求，選取合理的切削參數，計算出切削力和夾緊力，逐一進行加載求解［8-9］。表1～表3為不同切削條件下夾緊力的計算值。

表1 v=200 m/min、f=300 mm/min時夾緊力計算值

表2 ap=0.4 mm、v=200 m/min時夾緊力計算值

表3 ap=0.4mm、f=300 mm/min時夾緊力計算值

5 結果分析

加載后進行有限元求解，得到不同切削條件下軸承端蓋零件的變形云圖，如圖6所示。

切削參數對軸承端蓋零件的最大變形影響規律如圖7所示。從圖7中可以看出，零件的最大變形量隨切削深度和進給速度的增大而增大，隨切削速度的增大而減小。

▲圖6 軸承端蓋零件變形云圖

▲圖7 切削參數對軸承端蓋零件最大變形的影響規律

端蓋零件圖要求圓柱度公差不大于0.05 mm，因此切削深度的合理取值為ap≤0.5 mm，進給速度的合理取值為f≤600 mm/min，切削速度的選取可根據實際的生產效率適當提高，應高于500 m/min，即增大主軸轉速，這同時符合高速切削高轉速、快進給、小切深的特點［10］。

另一方面，四爪卡盤為螺旋夾緊機構，根據文獻［11］，其實際產生的夾緊力FJ為：

式中：Q為手柄作用力；L為卡盤鑰匙手柄長度，一般取L=240 mm；d1為螺紋中徑，若螺紋為M20，則d1=18.376 mm；φ為螺紋摩擦角，取φ=6.56°；α為螺紋升角，取 α=5.56°；d為夾緊處接觸面直徑，d=200 mm。

摩擦因數 μ=0.15，將參數代入式（8），可得：

從式（9）可以看出，夾緊力與手柄作用力成線性正比關系。實際操作過程中手柄作用力很難控制，所以要使用數顯扭力扳手，這樣可以精確控制夾緊力。