改善汽車變速器殼體端面波紋度的優化路徑分析

徐衛權, 張露青, 李永祥, 毛 瑋, 楊建國

(1.浙江萬里揚股份有限公司,金華 321025；2.浙江師范大學行知工學院, 金華 321004；3.上海交通大學機械工程學院,上海 200214)

在金屬切削加工中,由于機床精度不良、夾緊定位誤差或各種振動等因素影響,使得切削加工出的機械零件會出現波紋度等幾何形狀誤差[1]。表面波紋度是在生產過程中產生的一種加工紋理缺陷,直接影響零件表面的機械性能, 如零件的接觸剛度、疲勞強度、振動與噪聲、密封性等, 是影響產品質量的一項重要指標,因此,找出機床加工工件波紋度產生的原因對機床加工精度的提高至關重要[2-3]。已有研究表明機床工藝系統的振動會直接影響加工工件的面形精度,是產生表面波紋度的主要原因之一。機械加工過程中經常會出現振動現象,當切削力的激勵頻率等于或約等于整數倍的工件固有頻率,就會發生共振現象。隨著振動加劇,將會使工藝系統的正常切削過程受到干擾和破壞,使已加工表面粗糙度增加、零件精度降低、刀具磨損加劇、機床的極限加工能力受到限制以及工作環境受到噪聲污染等問題,對零件的加工質量和加工效率產生重要影響[4]。

由于在金屬切削過程中振動現象是不可避免的,解決振動問題前提是進行分析切削振動產生的影響規律。一般而言,根據振動產生的不同方式和機理特征,在機械加工過程中產生的振動形式主要是受迫振動和自激振動。其中,受迫振動產生的原因是從外部引起的一種周期性交替激發力將會激發結構系統產生周期性的振動[5-6]。銑削過程中的振動現象主要為受迫振動,這是由切削過程零件本身的不均勻性造成的。由于銑削力為周期性的激振力,每次銑刀切削工件,由于不同數量的刀齒同時參與了銑削過程,將生成沖擊和振動,此時結構振動量的大小將會影響加工件表面的光滑程度及波紋度[7]。因此,銑削振動是影響汽車變速器殼體加工質量和切削效率的關鍵因素之一。

目前,波紋度的影響因素及其產生機理已受到中外學者的廣泛關注,對波紋度的研究日趨深入。文獻[8-11]中對表面波紋度控制的研究多集中于滾動軸承及導軌系統領域,在汽車變速器殼體加工中考慮波紋度影響研究的相關文獻較少。隨著汽車工業的不斷發展,對汽車變速器的性能需求越來越高,進而對汽車變速器殼體的銑削表面形貌加工精度和加工工藝要求也越來越高。現針對目前實際生產案例中某款汽車變速器明顯存在的殼體端面加工波紋度問題,通過借助LabVIEW數據采集程序設計平臺,采用加速度傳感器與PCI(peripheral component interconnect)外設部件互連采集卡進行現場數據采集,實現該變速器殼體端面在加工過程中的各振動參數測量；運用現代設計方法,對該汽車變速器殼體及工裝夾具結構進行三維實體建模,通過對模型有效簡化和修補,并完成實際工況下的載荷計算,進而采用有限元軟件對其進行結構強度分析和模態分析,再通過諧響應分析對該汽車變速器殼體在加工振動頻率范圍內的激勵響應分析,與模態分析相結合得出汽車變速器殼體在加工過程中的振動分布；然后結合實際加工情況,對該汽車變速器殼體加工裝夾定位模式進行優化改進,改變該汽車變速器殼體的加工振動特性,使其固有頻率偏移加工振動頻率以達到減小加工振動的目的,通過進一步實證分析比較發現在新定位模式下,該汽車變速器殼體的加工振動有了較大幅度減少,從而保證了機加工環境下,該汽車變速器殼體的表面質量與加工性能。本研究旨在提出一種較為實用的優化方法面向于易產生加工振動的零部件結構,通過采用實驗檢測手段與現代有限元仿真計算相結合,可以較為便捷、準確地診斷出零部件加工出現波紋度的故障特征,從而為處理零部件加工波紋度問題提出解決方案。

1 汽車變速器殼體振動測試分析

虛擬儀器是由計算機硬件資源、模塊化儀器硬件和用于數據分析、過程通信及圖形化用戶界面的軟件組成的模塊化儀器系統。它將測試儀器的功能、面板及控件均以相應的軟件實現,同時在計算機總線槽內配備可實現數據交換的模塊化硬件接口卡。通過圖形化編程平臺,使儀器測試軟件、控件軟件、輸出軟件以及實時采集數據等操作,可以在計算機集成系統管理的統一指揮和協調下運行,完成虛擬測試儀器特定的邏輯分析處理功能[12]。設計并搭建了基于LabVIEW的虛擬振動測試分析系統,通過大量的集成化功能模塊,可以實現對振動信號進行實時采集、處理和分析。采集過程主要是用加速度傳感器和多功能PCI采集卡完成現場數據收集。通過布置在工件加工部位的加速度傳感器,來獲得工件受迫振動的加速度信號。這些采集數據再經過虛擬儀器環境中的可視化程序處理分析,便可獲得所需要的振動測試數據。整個數據采集過程如圖1所示。

從圖1中可以看出,整個數據采集程序劃分為四個部分。第一部分主要用于信號采集,其功能是協調PCI采集卡獲取來自加速度傳感器的測量數據；第二部分主要是用作信號濾波器,其功能是對獲得的數據執行預處理,過濾掉明顯偏離所測振動信號的外界干擾信號；第三部分主要是用作積分處理,其功能是通過積分運算單元,將來自加速度傳感器的已分析數據轉化成工件的位移數據；第四部分主要用作信號存儲,其功能是存儲數據信號在Excel表格中以便于分析。根據上述振動測試分析方法,對汽車變速器殼體實地測試,最終獲得了經過數據處理后的工件振動譜分析,如圖2所示,可以清晰地發現汽車變速器殼體端面在加工過程中的振動頻率主要集中在205～210 Hz。

圖2 汽車變速器殼體端面振動譜分析Fig.2 Vibration spectrum in the end surface of the automobile transmission housing

2 汽車變速器殼體振動特性分析

模態分析是解決復雜結構振動問題的主要方式,整個分析過程首先要構建三維實體模型,進而采用Block Lanczos法進行模態提取,然后以模態分析結果為基礎進行后續諧響應分析。考慮到Ansys作為當前主流有限元分析的軟件之一,其不僅本身具有強大建模和分析能力,還可以與其他3D建模軟件如SolidWorks、UG、Pro/E等建立數據接口,從而實現CAD和CAE之間無縫連接,將借助Ansys軟件的精確網格劃分和優化仿真功能來完成汽車變速器殼體端面的振動特性分析。

2.1 汽車變速器殼體三維實體建模

考慮到SolidWorks軟件的強大建模功能和多模塊集成分析,基于汽車變速器殼體幾何結構設計參數,采用SolidWorks軟件進行汽車變速器殼體三維造型實體建模,如圖3所示。

圖3 汽車變速器殼體的三維實體建模Fig.3 3D solid modeling of the automobile transmission housing

2.2 汽車變速器殼體模態分析

在獲得工件的加工振動譜和三維實體模型后,將對汽車變速器殼體的振動特性進行模態分析。通常,模態分析可以分為以下過程:模型導入、材料設置、網格生成、邊界條件設置和求解分析結果。通過模態分析,可以得到整個機械結構的固有振動頻率和振動模態,將作為后續動態特性和優化分析的研究基礎。

由SolidWorks軟件生成三維實體模型直接導入Ansys Workbench中,然后設置汽車變速器殼體模型材料HT200以及其他相關材料屬性,進入汽車變速器殼體網格生成的分析界面。考慮到整個汽車變速器殼體模態分析,采用自適應網格劃分方法,主要由四面體結構組成,包含96 354個四面體和164 719個節點,如圖4所示。

在機械零件的加工過程中,采用一面兩銷定位易于實現工藝過程中的基準統一,保證工件各加工表面的相互位置精度,且具有支承面大、支承剛度好、結構簡單可靠、裝卸工件方便等優點,所以廣泛應用于箱體、支架、蓋板等零件的加工工藝中[13]。因此,按照基準統一原則,汽車變速器殼體在實際加工過程中主要采用一面兩銷組合定位方式,其工件裝夾結構如圖5所示。

圖4 汽車變速器殼體網格生成Fig.4 Meshing of automobile transmission housing

圖5 汽車變速器殼體裝夾結構Fig.5 The workpiece fixture structure of automobile transmission housing

根據實際加工條件,在設置完邊界條件后,開始進行汽車變速器殼體的有限元分析,獲得前六階模態分布如圖6所示。從模態分析結果可以看出,汽車變速器殼體的一階模態固有頻率為212 Hz,非常接近上述實驗分析結果。因此可以認為導致汽車變速器殼體端面加工質量下降的影響因素,可能是汽車變速器殼體在加工過程中所受激振力的激勵頻率接近其固有頻率,進而產生共振,并導致殼體端面出現數值較大的共振動載荷,從而影響加工表面質量。

2.3 汽車變速器殼體諧響應分析

為了進一步確定汽車變速器殼體端面的振動特性分析,采用諧響應分析來深入分析汽車變速器殼體的振動特征。諧響應分析主要是用于確定在受簡諧變化的載荷影響時,線性結構的物體所產生的穩態響應[14]。在諧響應分析過程中通常只計算結構的穩態受迫振動,而不需考慮激振開始時物體所擁有的瞬態振動,有限元分析軟件Ansys內置的諧響應模塊可以通過分析得出物體在一定頻率范圍內對簡諧載荷的響應值,從而使變速器產品設計人員能準確預測殼體結構在不同外部激勵作用下的動力特性,驗證該殼體設計是否能克服共振效應、疲勞失效以及其他受迫振動所引起的不良效果,并通過理論分析提出解決方案。

3 汽車變速器殼體的優化設計

3.1 汽車變速器殼體的原定位模式

通過施加一個諧波激勵在汽車變速器殼體端面上,然后分析工件反饋情況。由于諧響應分析主要是與頻率關系密切,同時考慮到實際加工環境,為了便于分析測試結果顯示,將所施加簡諧振動載值設為10 000 N,檢測頻率設置為150～300 Hz,頻率間隔為15 Hz。

通過諧響應分析,可以看到最大振幅1.13 mm出現在振動頻率為210 Hz處,如圖7所示,說明汽車變速器殼體在原有定位方式下,很容易造成其殼體端面在加工過程中產生振動干擾,將降低工件表面質量和影響加工性能。

圖7 初定位模式下的諧響應分析Fig.7 Harmonic response analysis under the original positioning mode

3.2 汽車變速器殼體定位模式優化

由于不同布局的裝夾方案獲得的零件加工質量差別很大,針對上述裝夾存在的問題,試圖改變工件裝夾和定位模式來調整汽車變速器殼體在加工過程中的振動特征,使其固有頻率偏離激勵頻率來達到降低共振影響。

通過對變速器殼體工件的工藝分析,發現將整個汽車變速器殼體反轉180°后,采用相對的另一端面作為定位面,同時配合一面兩銷的定位方式以限制工件的六自由度,有助于改進裝夾布局優化效果。根據殼體端面結構特點,平面定位元件采用了四個特制支承柱,兩孔定位也是采用特制的圓柱銷和菱形銷來實現,這需要對定位銷的相關尺寸精確計算,并進行定位系統誤差分析,以有效提高定位精度。該裝夾要與機床工作臺采用旋轉中心定位銷及一側定位鍵配合定位,可以實現定位精度高、方式簡單、便于調整。修改后夾具的定位方式要與諧響應分析時所添加的邊界條件相同,同時考慮到加工效率的問題,夾緊裝置采用凸輪夾緊方案,夾緊點要選在工件的法蘭邊上,這樣可以保證工件在夾緊時不會因受夾緊力作用而產生夾緊變形,并且便于拆卸,提高工作效率。汽車變速器殼體定位模式的初步改進方案如圖8所示。

圖8 汽車變速器殼體的定位裝夾方案優化Fig.8 Optimization of positioning and clamping for the automobile transmission housing

在獲取定位與裝夾布局方案后,對汽車變速器殼體定位模式調整后再次進行模態分析和諧響應分析。從模態分析結果可以看出,汽車變速器殼體的固有頻率已經有了明顯提高,如圖9所示。因此,在網格劃分和其他參數設置不變的情況下,仍然施加10 000 N的簡諧載荷作用在汽車變速器殼體端面,以獲得汽車變速器殼體的諧響應分析結果。

圖9 裝夾定位調整后的模態分析Fig.9 Modal analysis after modification of the positioning mode

汽車變速器殼體在重新裝夾定位后的諧響應波譜具有明顯變化,如圖10所示。汽車變速器殼體在加工頻率210 Hz處的變形量只有0.131 mm,相對于原裝夾定位模式下的1.13 mm來說,下降了一個數量級。所以,通過改變汽車變速器殼體的裝夾定位模式,可以有效改善加工性能。

圖10 裝夾定位調整后的諧響應分析Fig.10 Harmonic response analysis after modification of the positioning mode

4 實驗驗證

為了驗證裝夾布局優化的有效性,對重新裝夾布局進行現場加工診斷測試,現場裝夾結構如圖11所示。所用振動測試系統主要包括了機床、刀具、夾具、工件以及振動信號采集與分析系統等,如圖12所示。其中,試驗所用機床為日本大隈Okuma MA-600HB臥式加工中心,該機床主軸電機功率為30 kW,最高轉速為6 000 r/min,雙面旋轉式自動交換工作臺。試驗刀具為硬質合金面銑刀(φ100 mm),汽車變速器殼體試件材料為灰鑄鐵HT200,采用端面立銑刀輪廓順銑干切削方式加工。該試驗所用銑削振動信號采集與分析系統由LabVIEW虛擬儀器完成,其通過外接PCI采集卡與加速度傳感器,可以采集殼體端面銑削過程中主軸和工件的振動信號,借助濾波放大器實現采集信號轉換與放大,然后由LabVIEW虛擬儀器所配置的頻譜分析功能模塊對振動信號進行特征提取分析。結合該試驗所使用的數控加工中心及實際切削加工所選用的切削參數設置,選擇B&W14105型號加速度傳感器進行數據采集,其主要性能指標包括電荷靈敏度10 mV/ms-2,量程±50 g,可用頻率范圍0.1 Hz～7 kHz,分辨率0.000 1 g。汽車變速器殼體端面銑削加工的外載荷激振力主要來自端面立銑刀的切削過程。切削力通過刀齒作用在工件上,相當于頻率為z×n/60的脈沖力(z為刀具齒數,n為機床主軸轉速)。加工時主軸轉速控制在800 r/min左右,所用銑刀為6刃可轉位端面立銑刀,每齒進給量fz=0.05 mm/z,軸向切深ap=3 mm,徑向切深ae=0.5 mm。在進行諧響應分析時,主要考慮刀具切削點處工件的動態響應。現場裝夾測試環境及測試樣件如圖13所示。

圖11 現場裝夾結構視圖Fig.11 On-site clamping structure

圖12 虛擬振動測試分析系統Fig.12 Virtual vibration testing system

圖13 現場裝夾測試環境及測試樣件Fig.13 On-site clamping test environment and test samples

加工后的變速器殼體端面采用三坐標復合式掃描測量儀進行測量后,發現加工表面質量得到明顯改善,無顯著振紋,符合預期效果,能夠滿足加工精度要求,同時,采用LMS(learning management system)系統測量定位裝夾優化前后的汽車變速器殼體端面加工過程中的振動信號,結果顯示重新裝夾優化后的振動信號強度減弱了許多,說明裝夾布局方案優化后能有效降低由于切削力和裝夾引起的最大局部彈性變形對汽車變速器殼體端面加工振動的影響,驗證了該模擬裝夾方案的可行性。

5 結 論

通過試驗檢測方法和有限元仿真技術的綜合應用,提出了一種切實有效改善汽車變速器殼體端面在加工中容易產生波紋度的優化方法。該方法首先通過LabVIEW數據采集平臺,借助于加速度傳感器與PCI采集卡進行現場數據采集,實現該變速器殼體端面的加工振動參數測量；然后借助于三維造型軟件SolidWorks和有限元分析完成了汽車變速器殼體的幾何實體建模和模態分析以及諧響應分析,獲取不同裝夾布局可能對汽車變速器殼體結構動態特性造成的不良影響,進而通過裝夾定位結構優化設計,以選出最優的裝夾布局方案,并與試驗測試結果具有良好的一致性,最終使汽車變速器殼體在銑削加工過程中所受到的外載激勵頻率,能夠偏離其固有頻率,從而避免了共振現象發生,明顯減弱了汽車變速器殼體端面的波紋度,有效改善了產品加工質量。因此,所提出的研究方法通過實驗研究和仿真計算探究加工表面波紋度激振機理,不僅保證了試驗研究在某種程度上的可靠性,而且對實驗檢測設備儀器要求低,更便于針對零部件加工振動問題提出有效解決方案,可為系統故障識別與定量診斷提供理論依據。