有限元分析在加工轮毂液压夹具柔性化设计中的应用

第６期　２０１１年６月　组合机床与自动化加Ｔ技术　Ｍｏｄｕｌａｒ　Ｍａｃｈｉｎｅ　Ｔｏｏｌ＆Ａｕｔｏｍａｔｉｃ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ＮＯ．６　Ｊｕｎ．２０１１　文章编号：１００１—２２６５（２０１１）０６—００３３—０４　有限元分析在加工轮毂液压夹具柔性化设计中的应用　王海军，陈红霞，董书文，朱振芬，吴彦芬　（中航工业哈尔滨发动机（集团）有限　司，啥冬滨　１　５００６６）　摘要：轮毂是汽车工业中种类繁多、形状复杂、安全性能要求高、市场需求量大的一类关键零部件。　随着市场需求的不断扩大，轮毂产品要在保证精度和产品使用性能的前提下，不断提高其生产效率，　所以柔性化的、装夹快捷的工装夹具的使用是及其必要的。针对轮毂的特点，论文利用有限元分析　方法，研究了轮毂夹具的特点及其材料的选用，分析了夹具关键零部件的力学性能，模拟计算出零件　的屈服强度及最大应力　优化的设计方法和全面的分析计算，保证了轮毂液压夹具的实用性及优越　性。　关键词：柔性化；强度分析；有限元；屈服强度；最大应力　中图分类号：ＴＨ１６１．１２：ＴＧ７５１．９　文献标识码：Ａ　Ｆｉｎｉｔｅ　Ｅｌｅｍｅｎｔ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｉｎ　Ｆｌｅｘｉｂｌｅ　Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　Ｆｉｘｔｕｒｅ　Ｄｅｓｉｇｎ　ＷＡＮＧ　Ｈａｌ—ｉｕｎ，ＣＨＥＮ　Ｈｏｎｇ—ｘｉａ，ＤＯＮＧ　Ｗｅｎ—ｓｈｕ，ＺＨＵ　Ｚｈｅｎ—ｆｅｎ，ＷＵ　Ｙａｎ—ｆｅｎ　（ＡＶＩＣ　Ｈａｒｂｉｎ　Ｄｏｎｇ’ａｎ　Ｅｎｇｉｎｅ（Ｇｒｏｕｐ）Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ　ＬＴＤ．，Ｈａｒｂｉｎ　１　５００６６，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｈｅｅｌｓ　ｉｓ　ａ　ｃｌａｓｓ　ｏｆ　ｋｅｙ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ　ｉｎｄｕｓｔｒｙ，ｉｔ　ｈａｓ　ａ　ｗｉｄｅ　ｒａｎｇｅ　ｏｆ　ｃｏｍｐｌｅｘ　ｓｈａｐｅ，ｄｅｍａｎｄｓ　ｏｆ　ｈｉ【ｇｈ　ｓａｆｅｔｙ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｗｉｔｈ　ｂｉｇ　ｍａｒｋｅｔ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　Ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｍａｒｋｅｔ　ｄｅｍａｎｄ　ｃｏｎｔｉｎ。　ｕｅｓ　ｔｏ　ｅｘｐａｎｄ，ｔｈｅ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｅｆｉｃｉｆｅｎｃｙ　ｍｕｓｔ　ｂｅ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ａｎｄ　ａｌｓｏ　ｅｎｓｕｒｅ　ｔｈｅ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ａｎｄ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，　ＳＯ　ｉｔ　ｉｓ　ｎｅｃｅｓｓａｒｙ　ｔｏ　ｕｓｅ　ｆｌｅｘｉｂｌｅ　ａｎｄ　ｆａｓｔ　ｃｌａｍｐ　ｉｎｇ　ｆｉｘｔｕｒｅ．Ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ　Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｗｈｅｅｌ，ｗｅ　ｕｓｅ　ｔｈｅ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙ　ｓｉｓ　ｔｏ　ｓｔｕｄｙ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｗｈｅｅｌ　ｃｌａｍｐ　ｓ　ａｎｄ　ｈｏｗ　ｔＯ　ｓｅｌｅｃｔ　ｔｈｅ　ｍａｔｅｒｉａ１．Ｗｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｔｈｅ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｋｅｙ　ｐａｒｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｉｘｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｃａｌｃｕｌａｔｅ　ｔｈｅ　ｙｉｅｌｄ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｓｔｒｅｓｓ　ｂｙ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ　ｄｅｓｉｇｎ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ａｎｄ　ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｋｅｅｐ　ｔｈｅ　ｈｙ。　ｄｒａｕｌｉｃ　ｆｉｘｔｕｒｅ　ｂｅ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ａｎｄ　ｓｕｐｅｒｉｏｒｉｔｙ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｆｌｅｘｉｂｌｅ；ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ａｎａｌｙ　ｓｉｓ；ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ；ｙｉｅｌｄ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ；ｍａｘｉｍｕｍ　ｓｔｒｅｓｓ　０　引言　随着市场经济的不断发展，专一化和单一化的　丁装夹具已经无法满足市场商品多样化的要求。同　时，机械化生产方式也逐渐被数控智能化生产方式　所代替，因此通用性强、柔性化高的工装夹具也应运　而生，柔性化和模块化设计也随之成为工装夹具设　量和数量的有效途径。所以，机械制造业欲适应这　种变化就必须具备较高的柔性。国外已把柔性制造　系统作为开发新产品的有效手段，并将其作为机械　制造业的主要发展方向：柔性化的着眼点主要在机　床和工装两个方面，而夹具又是工装柔性化的重点。　轮毂数控液压生产线夹具的设计就是在某些零部件　高度标准化、规格化、系列化的基础上发展起来的，　由预先制造好的一整套各种形状、规格、具有互换性　和耐磨性的原件组装而成　计的发展方向　。其中，车辆轮毂的生产线即是一　个典型的范例。由于轮毂的形状复杂，精度要求高、　种类繁多，市场需求量大，并且将打入囝际市场与知　名的车厂配套，市场对轮毂的质量要求越来越高。　缩短工艺装配的设计、制造周期以及产品换型后对　原有Ｔ装夹具的利用，都是提高轮毂产品的生产质　收稿日期：２０１０一Ｉ１—０９　１　零件结构工艺分析及夹具设计方案　如图１所示，完整的轮毂轮廓加＿Ｔ至少分两个　工序。Ｔ序１用毛坯断面及内锥度面进行定位；　作者简介：于海军（１９７ｌ一）男，中航　业哈尔滨发动机（集团）有限公司高级工程师，主要研究方向为机械一１　装设计，（Ｅ—ｍａｉｌ）ｄａｇｊ４０ｌ＠　１６３　ｆｆｏｎｌ。　・３４・　组合机床与自动化加工技术　第６期　序２以加工过的内孑Ｌ作为径向基准，端面作为轴向　基准。夹紧均利用两侧的轮缘。　换式压爪销轴结构，都可以更换成不同级别、不同　规格的标准件，实现同一套工装夹具加工１３—１８　英寸不同型号的轮毂。柔性化夹具的设计，使其使　用范围大大扩大，提高了轮毂的生产效率和降低了　工装夹具的制造成本，同时也满足了市场对轮毂的　多样化需求。　１．２工序Ⅱ结构及原理　如图３所示，第Ⅱ工序时，拉杆带动螺纹套（件　１）向右运动时，压爪沿滑槽逐渐打开，端盖（件１１）　顶住底套（件１４）带动锥杆（件１８）向右运动，此时弹　图１轮毂定位基准图　簧涨套恢复自由状态，安装待加工的零件。安装结　束后，在程序控制下拉杆向左运动，端盖与底套脱　１．１　工序结构及原理　如图２所示，第１工序时，主轴拉杆在液压的　控制下拉动螺纹套，螺纹套带动支点座在三个带有　关节轴承的导柱上实现轴向运动。此时支点座上　的三个压爪正好在两个销轴的作用下实现打开和　离，在弹簧力的作用下，锥杆向左运动此时零件自动　定心。压爪又沿槽向左滑动实现了工件夹紧。涨套　自动定心机构大大的提高了定位精度，消除了零件　自身的公差对精度的影响　。压爪上安装的保护　垫，降低了磕、打、压伤的情况，提高了产品的表面质　量。该工程同样，通过更换不同型号和级别的压爪、　闭合。螺纹套与支点座采用关节球面式连接可自　动调心　。由于零件的中心定位基准是未加工过　的带有角度毛坯面，因此选用带有浮动锥度的定位　面可以消除定位间隙，以提高定位精度。弹力的大　小完全由１２个弹簧经过效力来实现。支点座导柱　关节轴承的使用直接改善了由于毛坯表面质量引　起的压力不均衡造成的压爪受力不一致现象。保　轴向定位座、涨套，即可实现对不同型别轮毂的加　工。该工程中心定位机构的使用大大提高了第一工　程和第二工程对接的质量，极大的改善了轮毂外壁　的质量　。　从工序Ｉ、工序Ⅱ的结构原理图中我们可以看　出，该生产线实现了夹具基体的共用，实现了中心机　构的互换和各零组件的配合使用，提高了轮毂产品　生产的标准化、系列化和规格化程度。　险机构的安装也大大的增加了此套工装的安全性　能，提高了安全指数。浮动基准环上的两组环槽、　夹具主体底板上六组安装轴向定位座的螺纹孑Ｌ、快　位盘配合止口　图２工序Ｉ夹具结构图　２０１１年６月　王海军，等：有限元分析在液压夹具柔性化设计中的应用　・３５・　图３工序Ⅱ夹具结构图　２　夹具标准配件（１３一ｌ８寸轮毂适用）及安　装方式　图４所示是适用于ｌ３—１８寸不同尺寸轮毂的压　爪。压爪的使用性能的好坏直接影响着整套工装的　使用寿命和安全可靠性。它的材料采用抗拉强度　大、淬透性好、强度高的４２ＣｒＭｏ。该材料在电加工过　程中易出现表面龟裂等质量缺陷，形成应力集中点，　降低使用寿命。为避免压爪断裂发生安全事故，在　设计的过程中要通过受力分析和强度校核来确定液　压缸的功率和型号。　１８寸配件图　１７寸配件图１６寸配件图　压爪的安装　１５寸配件图　ｌ４寸配件图　１３寸配件图　保险爪的安装　蛹　轴向定位座的安装　图４适用于ｌ３—１８寸不同尺寸轮毂的压爪　３夹具关键件受力分析及强度校核　３．１计算方法与程序　采用ＡＮＳＹＳ１０．０软件进行分析计算。所使用的　几何实体模型由ＵＧ软件建立，根据计算需要进行必　要的修复和简化后读入几何模型，如图５所示，完成　前处理建模工作并划分网格，施加边界条件。　图ｓ几何模型　爨３．２有限元网格模型　计算模型使用六面体单元进行有限元网格划　分，共生成１７６４０７个节点，３９１６４个体单元。有限元　网格模型见图６所示。　图６有限元网格模型　３．３计算的原始数据　（１）材料　材料为４２ＣｒＭｏ。　计算温度为常温，材料特性如下：　材料的弹性模量Ｅ＝１９６ＧＰａ　泊松比　：０．３３　屈服极限　＝９３ＯＭＰａ　断裂极限　＝１０８０ＭＰａ。　（２）边界条件　为分析其断裂原因，分析５种不同油压载荷下　的情况，载荷及边界情况见图７所示。各不同工况　下的油缸的压强为Ｐ，详见表ｌ。拉动油缸面积为　２９０ｃｍ　，由３个压爪等分油压拉力，压紧部分固定及　基准座Ｉ固定。　图７不同油压载荷下，载荷及边界情况　・４０・　组合机床与自动化加工技术　第６期　ＷＡＬＤＲＩＣＨ　ＣＯＢＵＲＧ公司生产的，２００７年因为带防　护罩的全长２３０００ｍｍ的三节床身导轨的润滑油路精　料。例如福建南安三井机械厂有限公司将花岗石　材料经加工装嵌在机床上作为机床导轨使用可望比　传统的金属导轨大大提高机床导轨的寿命、刚性和　精度，用于各种类型的精密机床。机床导轨的结构　过滤器堵塞而监控精滤芯堵塞的压差发讯器报警线　路封掉，造成床身导轨无润滑油”　使机床工作台不　能开动，１１０。Ｖ形主导轨内侧贴塑板部分严重研伤宽　设计对其使用寿命有很大的影响，建议消化吸收国　外在大型精密机床导轨结构技术。机床的用户应严　格按照机床企业制定的说明书操作机床，尤其是机　床导轨面的润滑剂。此外，合适的修复技术也可以　约９０ｒａｍ，最深处２ｍｍ，长约３０００ｍｍ，其余拉毛。某　公司Ｂ６０９０牛头刨床由于Ｒ１３—１型柱塞式油泵柱塞　磨损造成刨床导轨发生研磨事故。．导轨面覆盖着氧　化膜及气体或液体的吸附膜，当导轨局部压强或剪　力过高而排除这些膜时，裸露的金属表面因原子力　延长机床导轨的使用寿命。　［参考文献］　作用而吸附在一起，导致出现冷焊现象，当导轨面相　对移动时，自然会出现咬裂现象。严重的粘着磨损　容易使２个导轨面无法运动。含腐蚀性成分的润滑　［１］白秀云，张景华．Ｂ２１５３重型龙门刨床床身修复方案　［Ｊ］．包钢科技，２００８，３４（２）：５８，６５．　［２］李明岩．ＣＥ７１２０型半自动仿形车床导轨快速修复［Ｊ］．　设备管理与维修，２０１０（１）：２６．　剂、切削液等润滑和冷却的导轨面还会出现腐蚀磨　损。　在车床床身导轨承受较大的切削载荷时，导轨　［３］张立群．利用贝尔佐纳修补剂修复双端铣床导轨［Ｊ］．　林业机械与木工设备，２００８，３６（３）：４９．　［４］尹玉生，陈亚菊．静压导轨制造中采用涂层导轨的优越　性［Ｊ］．金属加工（冷加工），２００８（２１）：３３—３５．　表面发生粘着之后又被剪断的磨损即属于粘着磨　损。中国第一重型机械集团公司维修分公司的１６７０　车床　是前苏联２０世纪５０年代生产的机床，刀架　下滑板原设计为镶装夹布胶木板。该机床承担着轧　辊的加工，多年的超负荷运转，造成刀架下滑板镶　［５］范超毅，范巍．加工中心总体布局与导轨设计分析［Ｊ］．　机械设计与制造，２００８（９）：２２０—２２２．　［６］周宝强．动梁式龙门铣床导轨精度修复工艺［Ｊ］．机械　管理开发，２０１０，２５（４）：１２０—１２０，１２３．　装的夹布胶木板严重磨损，使下滑板快速和进给运　行阻力大，低速爬行严重。在机床工作过程中，导轨　［７］曹恒斌，张巨宝，曹蝾方，等．重型机械装备环形导轨磨　损后修复工艺设计［Ｊ］．新技术新工艺，２００９（１２）：１２６—　１２８．　承受的运动部件及工件的重量和切削力等载荷与速　度变化范围较广，由于载荷分布不均匀，可能造成局　［８］刘明放．填充聚四氟乙烯导轨软带在机床维修中的应用　［Ｊ］．中国设备工程，２００８（１０）：４３．　部过载。长期使用的机床，由于基础与床身水平度　有变化，使导轨局部单位面积负荷过大而研伤。长　期加工短工件或承受过分集中的负荷，也会使导轨　局部磨损严重。某学院数控系ＣＡ６１４０车床长期使　用后，出现了导轨前端局部磨损，而中段和尾部导轨　［９］杨书根，杨莲，崔海斌，等．机床滑动导轨耐磨涂层工艺　的研究［Ｊ］．组合机床与自动化加工技术，２００９（４）：９０—　９１，９５．　［１Ｏ］王武．Ｂ１０１６Ａ单臂刨床导轨复合修复工艺及其应用　［Ｊ］．设备管理与维修，２０１０（４）：３０—３１．　［１１］田雨林．用热喷焊和电刷镀技术修复Ｔ６１１２床身导轨　［Ｊ］．山西冶金，２０１０（５）：７１—７２．　［１２］姜金文．德国科堡３０—１５￥４０４０导轨磨床故障修理［Ｊ］．　设备管理与维修，２０１０（１）：２５．　状况较好。原因是：其加工的工件是用于学生训练　的短件，前端导轨使用频率最高。某厂生产阀门过　程中，由于机床切削负荷重，因此置于床身的导轨之　上的溜板Ｖ形导轨及平导轨常用部位的磨损尤为严　重，经常发生溜板下沉的故障。　［１３］张永刚．粘接修复大型卧车滑板一例［Ｊ］．粘接，２００８，　２９（８）：５１．　３　建议　［１４］林泮水．花岗石机床导轨：ＣＮ１０１７３３６４４Ａ［Ｐ］．２０１０—　０６—１６．　（编辑赵蓉）　机床的用户和制造商应该关注机床导轨的新材　（上接第３６页）　工业出版社，２００３．　７　结束语　数控生产柔性液压夹具的优化设计，将使轮毂　生产水平上一个台阶，并可将该套工装的设计思路　［２］航空制造工程手册［ｓ］．北京：航空工业出版社，１９９５．　［３］成大先．机械设计手册［ｓ］．北京：化工工业出版社，　２００８．　［４］李增志．组合夹具组装技术手册［ｓ］．北京：中国航空工　业出版社，１９９７．　进行推广，值得其它技术领域的学习借鉴。　［参考文献］　［１］曾正明．机械工程材料手册（金属材料）［Ｓ］．北京：机械　［５］张松林．轴承手册［ｓ］．江西：江西科学技术出版社，　２００４．　（编辑李秀敏）