薄壁套筒零件机加工夹具设计及工艺研究.pdf

Products&Technology产品与技术WMEM2023年 第4期薄壁套筒零件机加工夹具设计及工艺研究宁波海天精工股份有限公司 中航工业集团公司金城南京机电液压工程研究中心 陈小光李文博【摘要】针对在加工薄壁套筒零件时产生的装夹变形以及加工变形的难加工属性问题，通过对比分析传统多爪卡盘夹具存在的不足，设计一种在加工毛坯零件内外表面时均可进行定位的装夹与内撑一体式夹具；并对改进后夹具卡爪进行有限元分析，验证夹持稳定性；最终给定薄壁套筒零件的加工工艺方案，为加工其他薄壁套筒零件提供参考。薄壁套筒类零件具有结构简单、推重比大、材料利用率高和质量轻等优点，可以满足航空航天以及汽车制造领域对零部件轻量化及质量的严格要求，因而在这些领域受到广泛应用。但由于壁薄，导致零件抗压、抗形变能力差，在加工过程中极易产生变形，造成尺寸结构差、内应力集中等缺陷1。针对该问题，有人设计多点式环形夹具2，可减少零件变形量，但液压与机械双结构使生产及维护难度增加；还有一种内涨式夹具3，可减小加工工件震颤产生的变形。上述研究虽减小薄壁件变形量，但仅可适应加工单个表面时零件的定位。本文设计一种适用于零件内、外壁加工的装夹内撑一体式夹具，在减少零件变形基础上，提高夹具利用率，加快加工效率。1.传统三爪卡盘夹具装夹特点三爪卡盘作为机械加工中常见的夹紧及定位工件的机床附件，具有可自动定心、装夹力大、装夹适用零件种类多等优点。然而在装夹薄壁套筒(如图1所示)这类刚度差、易变形的零件时，极易产生装夹以及内撑时使薄壁零件变形的问题。以薄壁套筒零件加工为例，第一道工序为对棒料进行粗钻孔加工，对外圆进行夹持，使用三爪卡盘进行夹紧，此时由于工件壁薄，卡爪与工件接触受力面积小，在其作用下受力变形，如图2a所示；在后续车外圆工序中，使用卡爪内撑薄壁工件，产生的受力变形图如图2b所示。为减少工件受力变形量，在保证夹紧力的前提下，采用增大卡爪与工件的接触面积方法对夹具进行设计。2.扇形一体式卡盘夹具为改善上述问题，对卡盘结构进行改进，曲面夹具的设计原则是与工件接触的夹紧点尽可能多且分散，改进后的卡盘夹具如图3所示。卡爪部分采用大扇面软爪结构，软爪由于硬度较低，可在加工时根据工件需求改变爪面圆弧尺寸与形状，同时可减少零件碰伤，提高定位精度。改进后夹具方案如图4所示，装配关系为：螺纹杆2与楔形块3螺纹连接；楔形块3底部与中心齿轮4轮齿啮合；楔形块3顶部滑道与卡爪基座5凹槽啮合；卡爪连接块6位于基座内部与卡爪7通过螺钉连接固定。工作过程为：需要对零件进行夹持时，螺纹杆顺时针转动，带动楔形块移动，与楔形块啮合的中心大齿轮转动，齿轮带动啮合的其他两个楔形块同步移动，三个楔形块顶部滑道推动图1 薄壁套筒类零件 (a)夹持变形 (b)内撑变形图2 零件装夹变形初稿.indd 74初稿.indd 742023/8/23 16:22:552023/8/23 16:22:55Products&Technology产品与技术2023年 第4期WMEM 卡爪基座连带卡爪一同向轴心运动，完成同轴夹持零件效果；对零件内撑时，同理只需将螺杆逆时针转动，卡爪反向运动，达到对零件的涨紧效果。夹外圆示意图如图5所示，观察图5b夹持轴向视图可知，卡爪对直径尺寸在一定范围内的棒料进行夹持时，每个卡爪与棒料均有两个大面积接触点；撑内孔示意图如图6所示，由图6b可知，卡爪采用大弧面扇型结构，在内撑零件时，每个卡爪与内孔壁均有两弧面接触，保证载荷分布均匀。3.有限元分析对比由于卡爪为悬臂梁结构，在内撑零件时，会在卡爪与零件之间产生静态夹紧抗力，过大的夹紧力可能会造成卡爪的移位、倾斜甚至断裂，因此，需要对卡爪强度进行分析。卡爪材料选用为6061-T651铝合金，屈服强度为55.2MPa、抗拉强度为205MPa；设单个卡爪内撑夹紧力为5kN，单卡爪双扇面接触面积为0.048m2。卡盘在CATIA三维软件中预先已经进行三维建模并完成装配，取其中一个卡爪零件作为有限元分析对象，将零件进行网格划分，得到4136个划分节点以及17748个单元；除保留卡爪径向自由度外，对其余自由度全部约束，对底座部分采用固定约束；经计算对双扇面施加52083.3N/m2的压强；对其求解，得出的等效应力云图及位移图如图6所示。其中最大应力为2.77105N/m2，位于卡爪对工件的轴向定位面与扇面之间。最大位移量为1.5110-3mm，位于扇面顶端外侧边缘。通过对比铝图3 改进后卡盘 图4 夹具方案示意图(a)夹持零件 (b)内撑零件图5 装夹示意图合金材料的强度极限值，可知设计的卡爪满足强度条件。4.加工工艺过程为避免反复装夹造成的零件受力变形问题，特制定加工工艺方案如下：（1）毛坯件下料。（2）粗加工内孔。（3）车内孔，车一侧端面。（4）磨内孔，磨端面。（5）按内孔找正，调头，车外圆，车另一侧端面。（6）磨外圆，磨端面。加工特点为：首先以毛坯外圆为基准，对内孔进行加工，随后以内孔为基准，对外圆进行加工，互为基准但不反复加工，减小装夹变形量。5.结语本文针对薄壁套筒类零件加工过程中可能会产生的变形问题，在传统多爪卡盘夹具的基础上，设计出一种夹持与内撑一体式夹具，并对卡爪进行有限元强度验证。实验结果表明所设计夹具满足要求。最后给定套筒零件加工路线，为加工该类零件提供一些借鉴作用，具有一定的实际应用价值。图6 卡爪强度分析(a)应力云图(b)位移图初稿.indd 75初稿.indd 752023/8/23 16:22:552023/8/23 16:22:55