基于NX Nastran仿真分析的壓鑄件裝夾改進

楊小軍

（駐沈陽地區第四軍事代表室，遼寧 沈陽 110031）

1 問題的提出

某壓鑄框架為典型的結構復雜鏤空結構件，材料毛坯為金屬型壓鑄鋁合金ZL101，底部圓環端面上設計有2處澆鑄冒口，其尺寸為Ф10mm×2mm。零件主要技術要求有：底部外圓Ф47.7（+0.0620）mm、外廓外圓Ф50（0～ 0.062）mm、設計基準A軸承內孔Ф16（+0.006～0.005）mm、軸承孔底面垂直度0.012mm、止口外圓Ф48（-0.025～ 0.041）mm、同軸度Ф0.02mm、垂直度0.03mm。

技術要求及鑄造毛坯模型如圖1所示。

圖1 主要技術要求及毛坯三維模型

工件內腔側壁及底面為非加工面，同時為了保證上述多處外圓、止口、內孔及同軸度要求。其中前兩道工序為后兩道工序留車削余量0.2mm，同時控制粗加工尺寸公差在0mm～0.02mm范圍內。

為滿足批量生產要求，原粗加工方案的工裝設計采用快裝快卸結構[1]。該工裝采用限位式彈簧壓板，借助現有內側凸耳結構進行壓緊，并設計有躲避澆筑冒口的腰形凹槽。利用該快裝快卸工裝，能夠實現快速裝夾的同時一次裝夾定位加工所有外圓及端面，但在檢驗過程中也發現了加工質量問題，即口部外圓尺寸及圓度超差，即使僅加工用于后續工序定位的外圓Ф47.7mm部分仍存在超差現象，影響后續工序的定位和加工精度保證，返修率達30%。

2 基于NX Nastran高級仿真的問題分析

經分析，排除加工工藝參數的問題，初步定位為裝夾變形。采用NX Nastran高級仿真對壓緊后的工件進行變形仿真，對于裝夾固定狀態的夾具、毛坯模型進行夾緊變形仿真流程如圖2所示[2]。

金屬型壓鑄鋁合金ZL101固溶處理加不完全人工時效（T5）的材料特性如表1所列。

表1 ZL101材料特性

工裝的主體部分通過三爪卡盤固定在機床主軸上，因此設定約束為作用在外圓上的固定約束；壓板用兩處普通M6螺釘緊固，施加載荷力為10000N。通過仿真結果可以看出，受壓的內側凸耳結構及其附近的外圓存在較大變形，其中外圓最大變形量為0.191mm。同時結果顯示，遠離裝夾位置的外圓和底端面上變形量較小，變形量均在0.01mm以內。因此可以確定加工尺寸超差的原因在于施加裝夾力的平面存在懸空狀態，引起較大的口部外圓裝夾變形。

3 問題改進及拓展

為避免出現裝夾部分為懸空狀態，改進方案將壓緊部位設計為圓環面實體部位，同時在工裝本體上設計兩個圓形凹槽用于避讓零件端面的兩處澆鑄冒口，同時也起到了零件圓周方向的初始定位作用。首先對該方案進行仿真分析，壓緊部位為兩處扇形圓環面。設定約束類型同樣為作用在外圓上的固定約束；壓板用兩處M6螺釘緊固，施加載荷力為10000N，仿真變形及外型節點變形量結果如圖3所示。

圖3 改進方案仿真變形結果

圖2 仿真流程

通過仿真結構可以看出，壓板施加壓力處存在較大變形，其中外圓最大變形量為0.0125mm，相比于施加裝夾力處為懸空狀態的原方案，該壓板施加裝夾力的平面底部為工裝實體，零件變形量大幅減小。同時結果顯示，遠離裝夾位置的外圓和端面上變形量同樣較小，均在0.01mm以內。

基于NX Nastran仿真結果設計了工裝：將零件內壁鑄造非加工面作為徑向基準、口部端面作為軸向基準；工裝本體上設計兩個圓形凹槽用于避讓零件端面的兩處澆鑄冒口，同時也起到了零件圓周方向的初始定位作用；壓板設計為一端開槽結構，提高裝卸的操作效率。

底部端面在粗加工后可作為內腔粗加工時的定位基準面，按上述改進方案思路設計了圖4所示的內腔加工工裝：將零件已加工端面作為軸向基準、已加工端部外圓作為徑向基準；兩處壓板設計有快卸長槽的螺釘通孔；壓板與零件壓緊部位根據零件尺寸做成臺階圓弧形狀，以增大壓緊作用平面、減小局部裝夾變形量。

圖4 內腔加工工裝及壓板

同樣對該工裝的裝夾方案進行壓緊模擬仿真，工裝的主體部分通過三爪卡盤固定在機床主軸上，設定約束為固定約束其外圓；兩處壓板分別用M6螺釘緊固，各施加載荷力為5000N。

通過仿真結構可以看出，壓板施加壓力處存在較大變形，但軸承孔及止口等加工部位變形量較小，其中軸承孔處變形量為0.001mm～0.002mm、止口處變形量為0.002mm～0.004mm，均滿足加工精度要求。

4 試驗驗證

上述兩種改進裝夾方式，其仿真裝夾變形量均滿足粗加工精度0.02mm要求，精加工階段借鑒其裝夾方式，同時以已加工止口端面、止口外圓作為外圓及底部端面精加工定位基準，以精加工后的外圓及底部端面為軸承孔、止口外圓最終加工的定位基準。

通過多次裝夾仿真分析結果可以看出，工件上遠離壓板作用的部位其夾緊變形量更小。內腔精加工裝夾方案中，壓板作用在底部端面，工件上內腔軸承孔及止口均遠離壓緊作用區域，因此適合進行最終的加工工序。同時，根據工件技術指標要求，軸承孔及止口尺寸精度指標較高且存在形位精度要求，在工序設計方案時采取一次定位裝夾加工，減少定位基準轉換造成的誤差累積。

此外，當以精加工外圓及底部端面為定位基準時，定位間隙減小、工裝對工件外圓起到限位作用，在裝夾仿真進行劃分網格時對零件外圓面與工裝內孔面進行網格配對，仿真結果如圖5所示。仿真結果顯示，雖然圓周方向各點的變形量仍存在較大差異，但零件在外圓限位作用下止口的裝夾變形量由0.002mm～0.004mm降低至0.0005mm～0.0009mm，進一步保證了止口部位IT6級的尺寸精度及形位精度要求。

圖5 外圓網格配對后內腔裝夾方案仿真變形結果

采用上述的4種改進工裝裝夾，對壓鑄框架零件進行了小批量加工試驗，按工藝流程對主要技術指標進行各工序檢驗，檢驗結果顯示粗加工一次合格率100%、返修率由30%降為零、精加工精度由原來的IT6級控制到IT5級以內，結果證明裝夾方案合理，零件加工精度滿足技術指標要求、質量穩定性大幅提高。

5 結語

零件的裝夾可靠性和裝夾變形直接影響加工精度，在制定和分析裝夾方案時應把握零件結構特點、產生裝夾變形的原因。NX Nastran高級仿真模塊采用有限元原理，對工裝、零件進行網格劃分、網格配對，模擬工裝、零件的約束和載荷形式，根據工裝、零件的材料屬性，仿真出裝夾產生的形變，有助于裝夾方案的設計及問題分析。

針對該壓鑄框架零件的結構特點，借助NX Nastran高級仿真裝夾變形輔助設計，確定了四種裝夾工裝，并通過加工試驗滿足技術指標要求。粗加工階段降低了返修率，精加工階段提高了加工精度等級。同時，各工裝的設計制造簡單，操作簡便、勞動強度低，提高了勞動效率。