中凸變橢圓機床夾具設計與仿真分析

何強，李向東，李安玲，張偉，張勇

(1.安陽工學院機械工程學院，安陽河南455000;2.安陽職業(yè)技術學院，河南安陽455000)

隨著大型船舶工業(yè)的快速發(fā)展，活塞作為船舶發(fā)動機的心臟，由于活塞自身材料分布不均勻，受熱易產生不規(guī)則變形，通常將大功率高速發(fā)動機活塞在常溫下設計成中凸變橢圓形狀［1］。這種活塞徑向截面近似于橢圓，軸向截面輪廓的型線為中凸曲線，中凸變橢圓活塞可以有效地減少和缸壁間的摩擦，提高活塞的使用壽命［2－5］。由于中凸變橢圓活塞的型面復雜，使得其加工成為活塞制造的關鍵難題，20世紀90年代以來，歐、美、日各國競相開發(fā)和應用新一代活塞加工車床，加快了活塞車床的高速發(fā)展步伐，國外產品不但價格昂貴，而且對于我國用于艦船的大功率活塞專用數(shù)控車床還受到進口限制。近年來，我國雖然通過產學研、合資合作、引進技術等渠道，使國產數(shù)控機床有了明顯的進步，卻大而不強。大功率船用柴油機活塞加工用變橢圓車床在大型船舶、重型機車、汽車、航空航天、工程機械等行業(yè)發(fā)揮著極為重要的作用，已成為國家重要的戰(zhàn)略設備［6－9］。

目前國內外活塞夾具以臥式居多，并配有尾座與頂針，活塞車床主要以小規(guī)格活塞車床為主，用于汽車以及摩托車發(fā)動機活塞加工，一種車床只能車削一種直徑的活塞。車削直徑φ550 mm 以上的大功率船用柴油機活塞加工用變橢圓車床國外尚未發(fā)現(xiàn)相關報道。受國家科技重大專項的支持為解決目前國內大功率活塞加工的難題，設計了以下專用夾具，并對其性能進行了仿真分析。

1 專用夾具設計

所設計的大功率活塞夾具為立式結構，略去了尾座與頂針，便于機床加工。采用可更換夾具體，可分別用于加工直徑φ200 ～φ550 mm，實現(xiàn)了在一臺車床中加工不同種類與直徑的活塞，采用平面定位盤技術和固體液壓技術，實現(xiàn)夾具的穩(wěn)定性和可靠性夾具采用液壓加載式試驗機的上述缺點，圖1 為該夾具的總裝圖。

圖1 夾具總裝圖

該大功率活塞夾具裝置，主要由液壓油缸、皮帶主軸、拉桿連接盤、夾具體、滑塊、拉環(huán)、銷孔拉桿構成。由于大功率船用柴油機活塞加工用變橢圓車床所涉及的產品缸徑較大，質量較重，所使用的工裝夾具，必須保證產品的自動定心、安裝牢固可靠，同時要求有一定的位置調整余地，以便于與機床相互配合完成加工，并適當考慮大尺寸活塞的自動裝夾問題。同時，在工裝設計過程中，考慮工裝的通用性和穩(wěn)定性，材料的選用以ZG310-570 和ZG450 為主。圖2 為夾具內部三維圖。

圖3 夾具體組件裝配模型

圖2 夾具內部三維圖

對裝配體進行分析的過程中，所有零件全局接觸，不允許有縫隙的情況，不允許有干涉。網(wǎng)格劃分及詳細信息如圖4所示，采用的網(wǎng)格類型為實體網(wǎng)格，最大單元14 mm，最小單元2.5 mm，節(jié)點總數(shù)604 543 個，單元總數(shù)397 816 個。

2 夾具體仿真分析

在有限元分析中，模型簡化的正確與否直接影響到最終的計算結果，原則上認為網(wǎng)格劃分得越細，單元越多、節(jié)點數(shù)目越多則得到的計算結果越為精確。但過細的網(wǎng)格劃分和對模型的不必要的精細處理將會花費大量的時間和精力，但對實際結果并無太大影響。因此在充分考慮到計算的經(jīng)濟性，故而在實際操作中適當、合理地簡化夾具體組件模型。其整體模型如圖3所示。

圖4 夾具體及活塞單元劃分

通過對該夾具體結構進行有限元分析，定義材料、劃分網(wǎng)格、施加約束、施加載荷并進行求解計算。從而得到了夾具體組件的位移變形量云圖和應變云圖，如圖5、6所示。

圖5 整體結構位移云圖

由圖可知，整體結構合位移在0 ～0.041 854 1 mm 范圍變化，最小位移為0 在夾具體約束處，最大位移為0.041 854 1 mm，位于拉桿下端即液壓缸提供動力處，符合設計需要。

圖6 整體結構應變云圖

由圖可知，整體結構對等應變在2.487 01 ×10－10～9.932 24 ×10－5范圍變化，最大對等應變?yōu)?.932 ×10－5在拉桿扳手處，最小對等應變?yōu)?.487 ×10－10在連接盤處，符合設計需要。

3 結論

(1)夾具體組件應力在6.428 96×10－5～30.819 5 MPa 范圍內變化，最小應力出現(xiàn)在活塞與夾具體接觸附近為6.428 96 ×10－5MPa，最大應力出現(xiàn)在液壓缸提供動力面上為30.819 5 MPa，遠遠小于材料的屈服應力395 MPa，滿足其應力要求。

(2)整體結構合位移在0 ～0.041 854 1 mm 范圍變化，最小位移為0 在整體結構約束處，即缸體上端;最大位移為0.041 854 1 mm，位于拉桿下端即液壓缸提供動力處，最大位移小于設計極限位移，符合設計要求。

(3)應變在2.487 01 ×10－10～9.932 24 ×10－5范圍內變化，可知其應變在可接受范圍內，可采用滲碳淬火處理增加拉桿的強度。

［1］黃曉明，張伯霖，肖曙紅，等.高速電主軸熱態(tài)特性的有限元分析［J］.航空制造技術，2003(10):20－23.

［2］何強.納米粒子作為潤滑油脂添加劑的研究進展［J］.徐州工程學院學報，2011(3):45－49.

［3］JIN Kuyng Choi，DAI GilLee.Thermal Charaeteristie of the Spindle Bearing System with a Gear Loeated on the Bearing Span［J］.International Journal of Machine Tools ＆ Manufaeture，1998，38:1017－1030.

［4］BERN Bossmanns，JAY F Tu.A Thermal Model for High Speed Motorized spindles［J］.International Journal of Machine Tools ＆ Manufacture，1999，39:1345－1366.

［5］SUN minKim，KANG JaeLee，SUN kyuLee.Effect of Bearing Support Strueture on the High Speed Spindle Bearing Complianee［J］.International Journal of Machine Tools ＆Manufacture，2002，42:365－373.

［6］何強.高速列車軸承的發(fā)展趨勢［J］.徐州工程學院學報，2011(3):58－62.

［7］黃曉明.高速電主軸熱態(tài)特性的有限元分析［D］.廣州:廣東工業(yè)大學，2003.

［8］何強.基于ANSYS 陶瓷球軸承電主軸動力學仿真與實驗研究［J］.制造技術與機床，2009(6):67－70.