基于裝夾方案的夾緊力及加工變形仿真*

鄭耀輝，王江濤，王明海,2，李曉鵬

(1.沈陽航空航天大學 航空制造工藝數字化國防重點學科試驗室，沈陽 110136；2.北京航空航天大學 能源與動力工程學院，北京 100191)

基于裝夾方案的夾緊力及加工變形仿真*

鄭耀輝1，王江濤1，王明海1,2，李曉鵬1

(1.沈陽航空航天大學 航空制造工藝數字化國防重點學科試驗室，沈陽 110136；2.北京航空航天大學 能源與動力工程學院，北京 100191)

夾具裝夾引起的變形是影響薄壁件加工精度的重要因素。針對大型薄壁回轉體車削加工過程中工件易變形的問題，應用有限元分析軟件，討論了工件裝夾有限元模型中的接觸方式、切削力加載以及材料去除方式等關鍵問題，建立了大型薄壁回轉體車削裝夾有限元模型。運用所建立模型，分析了夾緊件數量、接觸面積以及輔助支撐等因素對夾緊力和工件變形量的影響規(guī)律。結果表明，該有限元模型可以有效地預測薄壁件的夾緊力大小和工件變形量，并為薄壁件裝夾方案的優(yōu)化提供可靠的數據支持。

裝夾方案；夾緊力；加工變形；有限元仿真

0 引言

航空制造業(yè)中，薄壁件的加工變形問題一直以來是影響提高零件加工質量的難題。在加工過程的所有環(huán)節(jié)中，夾具裝夾引起的加工變形是影響零件加工精度的重要因素，尤其是對于航空零件，通常尺寸大，壁厚薄，剛性弱，裝夾問題尤為突出。合理的裝夾方式可以有效地控制夾緊力的大小和分布，進而抑制零件的加工變形。

目前，對于薄壁件的裝夾變形問題主要有兩種研究方法。一種是采用數學方法建模，這種方法通常將工件變形用表示為夾緊力大小、作用點、作用順序等因素的函數，用有限元方法針對裝夾系統(tǒng)建立數學建模，將切削過程分解從而求出工件變形量，最后用線性規(guī)劃、遺傳算法等方法優(yōu)化夾緊力、裝夾作用點等因素，從而得到最優(yōu)夾緊方案[1-3]。秦國華、張衛(wèi)紅[4-6]等研究了在定位件和夾緊件作用下工件夾緊力及切削力作用下建立了數學模型，求解了夾緊系統(tǒng)不同裝夾點、裝夾順序、夾緊力大小的工件最小變形量。陳蔚芳、倪麗君[7-9]等以變形量最小化和變形均勻化為目標，優(yōu)化了夾具布局和夾緊力大小，提出了采用變夾緊力夾具減小加工變形的方法。另一種方法是應用有限元分析軟件建立工件的裝夾及切削模型，通過模擬計算求解出夾具的夾緊力及工件變形量，從而得到最優(yōu)裝夾方案。董躍輝[10]應用abaqus等軟件模擬了薄壁件銑削加工中各種裝夾方案的加工變形。路冬[11]研究了銑削過程中工件變剛度的裝夾變形問題。

由于工件-夾具接觸模型復雜，考慮切削力、材料能去除等問題時更增加了建模難度及計算量，研究難度較大且效率不高。隨著有限元技術的應用越來越廣泛，應用成熟的有限元軟件分析計算已經成為研究切削加工問題的有效手段。而在當前裝夾變形的有限元研究中大多存在工件模型過于簡化、裝夾方式大多簡化為6點定位、切削力加載路徑理想化等問題。本文針對大型薄壁回轉體的車削加工過程，綜合考慮了裝夾方式、走刀路徑、工件-夾具的接觸方式以及輔助支撐的作用，建立了車削裝夾有限元模型，討論了7種走刀路徑的夾緊力及工件變形量大小，優(yōu)化了工件的裝夾方式。

1 裝夾有限元模型的建立

1.1 夾緊力及接觸模型

工件和夾具的接觸可類型以分為彈性接觸，半彈性接觸和剛性接觸[12]。通常大變形問題采用彈性接觸以提高計算精度，而當局部彈性變形相對整體加工變形可以忽略不計時可以采用剛性接觸以提高計算效率。由于大型薄壁回轉體是典型弱剛性零件，而壓板輔助支撐元件剛性遠大于工件，因此將工件設為彈性體，整個裝夾裝置設為剛性體。夾具和工件的法向接觸為剛性接觸，切向接觸為庫倫摩擦。

1.2 切削力的施加及材料去除方式

薄壁件的加工過程中，切削力和夾緊力的綜合作用是決定加工變形量的主要因素，而隨著切削進程中材料的去除，工件剛性和幾何形狀變化也影響變形規(guī)律。在切削加工有限元模擬中，通常將切削過程分解為許多連續(xù)靜態(tài)分析步，通過對相應節(jié)點或節(jié)點中心點施加集中力的方式將切削力施加到工件上。在切削力施加到單元后，應用軟件的“單元生死”模擬材料去除的效果。

1.3 裝夾有限元模型

在綜合考慮上述影響因素的基礎上，應用ABAQUS軟件，建立了車削加工有限元仿真模型，對不同的裝夾方案及走刀路徑計算。裝夾模型根據某航空發(fā)動機短筒機匣裝夾三維圖經過適當的簡化得到，主要包括工件和夾具兩部分。工件半徑395.5mm，高90mm，壁厚1.5mm。通過壓板裝夾，配合輔助支撐增加工件加工過程中的剛度，有限元模型如圖1所示。

圖1 裝夾模型

工件為C3D8R單元，材料為GH4196高溫合金，壓板和輔助支撐元件均為剛體。工件由壓板夾緊固定在工作臺上，將壓板和工件和壓板間的摩擦力帶動工件旋轉，輔助支撐元件和工件接觸但不產生作用力，在切削中起增加工件剛性減小變形的作用。

2 模擬分析

應用上述所建立有限元模型，依次在如圖2所示的七條走刀路徑上施加切削力，進行仿真計算。以工件所受夾緊力大小和工件的變形量為優(yōu)化目標，分別針對夾緊件數量、夾緊件接觸面積，以及輔助支撐的作用設計仿真實驗方案。

圖2 走刀路徑

2.1 壓板數量對加工變形的影響

2.1.1 夾緊力

為了揭示夾緊元件數量對夾緊力的影響規(guī)律，以壓板數量為控制因素，分別計算工件的切向夾緊力和軸向夾緊力。壓板寬度為80mm，壓板數量分別為6、8、10、12個。

壓板切向夾緊力(垂直于壓板螺栓軸線)即為夾具需要克服的摩擦力，工件和夾緊件的接觸摩擦因數為0.15，切向夾緊力和軸向夾緊力的有限元仿真預測結果如表分別如表1、表2所示。

表1 壓板切向夾緊力

表2 壓板軸向夾緊力

將所得數據用曲線表示如圖3、圖4所示。

圖3 壓板切向夾緊力

圖4 壓板軸向夾緊力

從圖表中可以得出以下結論：

(1)壓板軸向夾緊力和切向夾緊力在7條走刀路徑上的大小變化趨勢是一致的。這是由于壓板軸向力是軸向切削力和傾覆力矩的合力，壓板所受切向力與壓板軸向夾緊力成正比，因此切向力大小隨著軸向力的大小變化而變化。

(2)隨著壓板數量的增加，夾緊力減小，但減小幅度不大,并不是按正比例變化。其原因為：切削力并不是平均分配到每個壓板上，所以最大夾緊力不是按照壓板數量層比例遞減。

(3)按照走刀路徑7切削時需要的壓板夾緊力最大。其原因為：外圓徑向支撐采用中部支撐，走刀路徑7在支撐位置下方，更靠近壓緊部位(小端端面)，切削時產生的切削力相對較多的傳遞到壓緊位置。

2.1.2 加工變形

從上述仿真方案的計算結果中分別提取不同壓板數量的7條走刀路徑的節(jié)點最大位移，以此來測量不同壓板數量對加工變形的影響，所得數據結果如表3和圖5所示。

表3 不同壓板數量的加工變形量

圖5 不同壓板數量的加工變形量

從圖表中的測量結果可知：

(1)切削走刀路徑7時，壓板數量對加工變形影響不大。

(2)切削走刀路徑1、2時，壓板數量增加，加工變形減小。

2.2 夾緊件接觸面積對加工變形的影響

仿真試驗方案和數據處理方法與分析夾緊件數目對加工變形的影響的方法相同。夾緊件數量和輔助支撐元件均為12個，壓板寬度分別為80mm，100mm和120mm。由2.1仿真結果可以看出，軸向夾緊力和切向夾緊力的計算結果變化規(guī)律一致，因此以下僅對切向力大小討論，如表4。測得的夾緊件與工件不同接觸面積的切向夾緊變形量仿真計算結果如表5，圖6所示。

表4 壓板切向夾緊力

表5 不同壓板接觸面積的加工變形量

圖6 不同壓板接觸面積的加工變形量

從表4所示數據可知，壓板接觸面積的改變，夾緊力的變化不大，而隨著壓板接觸面積的增大，加工變形減小。分析其原因：仿真過程中，壓板作為剛體存在模型中，計算支反力時以壓板上的某一點作為參考點，因而其面積大小并不影響其力的計算，因此接觸面積對壓板總體受力影響不大。實際加工過程中，雖然壓板的剛度遠大于工件，但是若夾具面積太小，容易造成工件局部壓力過大而導致變形，這從表5中工件最大變形量也可以看出，壓板面積增大，變形減小。然而在實際加工中若壓板面積太大，容易導致夾具和工件不貼合，并且增加夾具制造成本和裝夾時間，因此選擇適當的接觸面積即可。

2.3 輔助支撐元件對加工變形的影響

為了研究輔助支撐在大型薄壁回轉體加工中的作用，按照研究不同壓板數量的實驗方案，針對使用輔助支撐條件下進行仿真計算，仿真實驗條件為：

(1)外圓輔助支撐元件數量為12個；

(2)壓板寬度為80mm，位置與輔助支撐元件位置相同；

(3)壓板數量分別為6、8、10、12個。

計算所得軸向夾緊力和加工變形量的數據分別如表6、表7所示。

表6 壓板切向夾緊力

表7 輔助支撐條件下的加工變形量

為了便于直觀的對比不同輔助支撐條件下的變形量大小，將輔助支撐條件下的加工變形量用曲線圖表示如圖7所示。

圖7 輔助支撐條件下的加工變形量

從表6、表7所示數據可知：

(1)單獨分析表中的數據可知，軸向夾緊力和加工變形量與表1、表3中數據變化規(guī)律基本一致，即隨著壓板數量的增加夾緊力和變形量減小、走刀路徑7所需壓板夾緊力最大等結論。

(2)與表1、表3中的數據對比，可知小端附近施加外圓輔助支撐條件下，走刀路徑1～7的壓板夾緊力都更小，特別是靠近小端位置的走刀路徑6和走刀路徑7，夾緊力減小尤為顯著。對比變形量大小同樣可以看出走刀路徑1～7的加工變形量整體都減小，這說明施加外圓輔助支撐在切削過程中起到了減小夾緊力，減小工件變形量的作用。

(3)夾緊力最大發(fā)生在一組(個)外圓徑向輔助支撐元件的中間位置，如圖8所示。

3 結論

通過對薄壁件裝夾加工變形問題的研究及其有限元仿真模型的討論，以及對不同裝夾方案夾緊力和變形量仿真結果及數據分析，可以得出以下結論：

(1)由不同夾緊件數量和接觸面積的裝夾模型計算結果可以看出，增加壓板數量和接觸面積可以減小夾緊力，但減小幅度不大，對于靠近輔助支撐切削位置影響尤其小。因此裝夾工件時，可以適當增大夾緊壓板的夾緊力，減少壓板數量，以節(jié)省夾具成本和裝夾時間。

(2)輔助支撐元件可以有效地降低夾緊力，減小薄壁件加工變形量，在小端附近結構剛性小的位置施加輔助支撐，可以顯著減小壓板夾緊力。并且在徑向輔助支撐與壓板在相同圓周位置時，工件夾緊力和變形量明顯減小，因此壓板圓周布置位置應該與徑向輔助支撐布置位置相同。

(3)對于薄壁件變形量及夾具夾緊力大小預測等問題的研究，與數學建模的方法相比，運用有限元分析軟件計算變形量只需要設置相關模塊的參數值，建立有效的有限元模型就可以直觀明了地為技術人員提供數據信息，減少了大量人工計算。但是仍需更深入的研究切削有限元理論，例如工件與夾緊元件的摩擦模型、切削力的施加方式等問題，以進一步提高有限元計算結果的精度。

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(編輯 李秀敏)

The Clamping Force and Machining Deformation Simulation Based on Clamping Scheme

ZHENG Yao-hui1，WANG Jiang-tao1，WANG Ming-hai1,2，LI Xiao-peng1

(1.Key Laboratory of Fundamental Science for National Defense of Aeronautical Digital Manufacturing Process，Shenyang Aerospace,Shenyang 110136,China；2.Energy and Power Engineering Academy, Beihang University, Beijing 100191, China)

The deformation caused by clamping is an important factor which affects the machining accuracy of thin-wall component. To research the deformation problem, the key factors include the contact mode, the cutting force loading mode and the material remove mode were discussed with finite element analysis software，and the large-scale cylinder turning clamping model was developed. Using the model developed，the influences of the clamping element number，the contact area，and the assistant support to the clamping force and the deformation were analyzed. The results show that， the clamping force and the deformation of the thin-wall parts can be effectively predicted by the finite element model，and which can provide reliable data support for optimization of the clamping scheme.

clamping scheme；clamping force；machining deformation；finite element analysis

1001-2265(2016)12-0133-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.12.036

2016-01-24；

2016-03-01

中航工業(yè)產學研專項項目(cxy2014SH20)

鄭耀輝(1975—)，男，遼寧鐵嶺人，沈陽航空航天大學副教授，工學碩士，研究方向為數控、精密與超精密加工技術，(E-mail)wangjiangtao2013@163.com。

TH122;TG501

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