鐘形殼球面溝槽新型精磨夾具的設(shè)計(jì)與分析

趙青青，朱永偉，楊庭飛，孫繼欣，張宇

(揚(yáng)州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127)

0 引言

隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展,等速萬向節(jié)的市場需求日益增加,產(chǎn)量逐年增長[1]。等速萬向節(jié)作用是等速傳遞扭矩和改變傳動方向，使汽車平穩(wěn)行駛[2]。鐘形殼是等速萬向節(jié)主要組成部分,其內(nèi)球面溝槽形狀特殊復(fù)雜，零件的生產(chǎn)批量大[3]。目前，國內(nèi)有關(guān)鐘形殼的制造行業(yè)發(fā)展比較緩慢，存在生產(chǎn)成本較高，生產(chǎn)效率較低的缺陷[4]。因此，設(shè)計(jì)一種提高鐘形殼質(zhì)量和生產(chǎn)效率的精磨夾具并對其進(jìn)行分析具有重要的研究意義。

夾具的設(shè)計(jì)質(zhì)量直接影響到工件的生產(chǎn)效率和加工精度[5]。關(guān)于鐘形殼精磨夾具的研究，金建平[6]介紹了一種鐘形殼球面溝槽的數(shù)控機(jī)床改造方法，在主軸內(nèi)部加入自動定心和液壓松緊機(jī)構(gòu)，提高了鐘形殼的定位精度。吳光明[7]根據(jù)薄壁圓筒狀工件的加工要求研制了一種彈性夾頭夾具，該彈性夾頭結(jié)構(gòu)簡單，夾持力均勻。這些研究沒有實(shí)現(xiàn)鐘形殼工件加工的全自動化，在提高鐘形殼生產(chǎn)效率問題上有待改進(jìn)。

本文設(shè)計(jì)一種新型鐘形殼球面溝槽的精磨夾具，并對夾具的定位元件彈性夾頭進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。根據(jù)受力情況對彈性夾頭和鐘形殼的變形量進(jìn)行理論計(jì)算。運(yùn)用ANSYS有限元法對彈性夾頭進(jìn)行靜力特性分析，分析得到的最大變形量與理論值一致，驗(yàn)證有限元分析的正確有效性和夾具設(shè)計(jì)的的合理性。運(yùn)用此夾具能實(shí)現(xiàn)快速裝夾，自動頂出工件，縮短鐘形殼上下料時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。

1 夾具設(shè)計(jì)的方案分析

鐘形殼模型如圖1所示，圖中可以看出鐘形殼外殼形狀比較復(fù)雜，6個(gè)球面溝槽平均分布在鐘形殼內(nèi)表面，要達(dá)到鐘形殼的加工精度、生產(chǎn)效率，就需要對加工設(shè)備提出較高的要求。根據(jù)鐘形殼工件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及加工要求，采用彈性夾頭自動定心夾緊裝置，定心精度高，考慮到工件在夾具中取出耗時(shí)較長及工件尺寸存在偏差，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了工件自動彈出機(jī)構(gòu)和適用不同尺寸零件加工輔助機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖2和圖3所示，圖4為新型夾具結(jié)構(gòu)總圖。

圖1 鐘形殼模型

圖2 自動彈出結(jié)構(gòu)示意圖

鐘形殼加工完成后，彈性夾頭松開，但是工件大部分還留在夾具內(nèi)部，如靠人工取出比較麻煩，降低生產(chǎn)效率。為解決上述實(shí)際問題，設(shè)計(jì)了自動彈出機(jī)構(gòu)。導(dǎo)向套的存在，保證頂尖在中心線的位置移動，提高夾具定位精度。圓柱銷使頂尖固定在原來的位置，也能起預(yù)緊彈簧的作用。精磨完成后，彈性夾頭在油缸的作用下松開，工件在螺旋彈簧的作用下被頂出，減少取件時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。

加工不同外圓直徑的鐘形殼時(shí)，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)是更換彈性夾頭，操作繁瑣，耗時(shí)長，降低了工件生產(chǎn)效率。為了節(jié)省時(shí)間，提高效率，本文對此的改進(jìn)設(shè)計(jì)見圖3，定位塊1可有效地調(diào)節(jié)鐘形殼和夾具之間的徑向間距，定位塊2可以調(diào)節(jié)軸向間距，能加工不同尺寸的鐘形殼，達(dá)到提高夾具通用性和工件生產(chǎn)效率的目的。

圖3 適用不同尺寸零件加工輔助結(jié)構(gòu)示意圖

1.鎖緊螺母 2.碟形彈簧 3.拉桿 4.端齒盤 5.油缸 6.螺旋彈簧 7.頂尖 8.同步帶 9.彈性夾頭 10.定位塊圖4 新型夾具總體結(jié)構(gòu)示意圖

工作原理：調(diào)節(jié)鎖緊螺母1使碟型彈簧2產(chǎn)生一定變形量，彈簧片徑向脹開產(chǎn)生的軸向力使彈性夾頭9將鐘形殼夾緊；分度時(shí)，油缸5松開，同時(shí)端齒盤4的移動齒與固定齒松開，同步帶8帶動鐘形殼轉(zhuǎn)動分度，分度結(jié)束后，油缸夾緊，端齒盤進(jìn)行定位；工件完成加工后，彈性夾頭松開，在螺旋彈簧6的作用下，頂尖7將鐘形殼頂出；調(diào)節(jié)定位塊10可加工不同外徑尺寸規(guī)格的鐘形殼。夾具能實(shí)現(xiàn)快速裝夾，自動定心夾緊鐘形殼工件，定位精度高，加工完成后，自動頂出工件，縮短上下料時(shí)間，提高鐘形殼工件生產(chǎn)效率。

2 彈性夾頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與變形計(jì)算

2.1 彈性夾頭參數(shù)設(shè)計(jì)

彈性夾頭自動定心裝置是利用圓錐形套筒的彈性變形引導(dǎo)工件自動定心夾緊的裝置，彈性夾頭是主要應(yīng)用元件[8]。

設(shè)計(jì)彈性夾頭時(shí)，彈性部分的瓣數(shù)、厚度及直徑都會對工作性能起決定性影響[9]。為了保證其工作性能良好，應(yīng)根據(jù)鐘形殼工件參數(shù)合理地設(shè)計(jì)彈性夾頭的各主要尺寸。鐘形殼工件外徑d為90mm，圖5為一般標(biāo)準(zhǔn)的彈性夾頭結(jié)構(gòu)。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)彈性夾頭結(jié)構(gòu)示意圖

(1)夾頭瓣數(shù)n

根據(jù)表1可知當(dāng)所夾工件直徑>80mm時(shí)，選用6瓣。鐘形殼直徑為90mm，故夾頭瓣數(shù)取6。

表1 彈性夾頭瓣數(shù)選取

(2)彈性部分的厚度b

通常情況，彈性夾頭的彈性部分厚度取1.5～3mm,由于鐘形殼直徑較大，為保證彈性夾頭的彈性與強(qiáng)度，取厚度為3mm。

(3)彈性部分的直徑D

根據(jù)彈性部分厚度及夾具結(jié)構(gòu)允許的條件確定彈性部分直徑。根據(jù)D=d+2b，初步設(shè)計(jì)彈性部分的直徑為90+3×2=96mm，考慮彈性夾頭與鐘形殼之間需留5mm空隙放定位塊以方便加工直徑尺寸存在偏差的工件，最終彈性部分直徑為106mm。

其余彈性夾頭設(shè)計(jì)參數(shù)：夾爪根部至錐面中點(diǎn)的距離l為55mm，夾爪與工件的徑向間隙△為1mm，夾爪錐角之半α為14.5°。圖6為彈性夾頭模型。

圖6 彈性夾頭模型示意圖

2.2 彈性夾頭夾緊力的計(jì)算

加工過程中，彈性夾頭需提供足夠的夾緊力來夾緊鐘形殼工件。以下為計(jì)算彈性夾頭的理論夾緊力過程，如圖5所示W(wǎng)為夾緊力。

(1)確定摩擦角φ

當(dāng)摩擦條件為彈簧夾頭夾緊時(shí)，夾爪與套筒間的摩擦因數(shù)范圍是0.12～0.30[9]。取摩擦因數(shù)為0.12。算出摩擦角為6.84°。

(2)確定安全系數(shù)K

根據(jù)公式[9]:

K=K0K1K2K3K4K5

(1)

式中，K0為工件材料安全系數(shù)，取1.0；K1為加工性質(zhì)安全系數(shù)，取1.0；K2為刀具鈍化程度安全系數(shù)，取1.0；K3為切削特點(diǎn)安全系數(shù)，取1.2；K4為夾緊力穩(wěn)定性安全系數(shù)，取1.0；K5為接觸情況安全系數(shù)，取1.0。

公式求得K為1.2，安全系數(shù)K計(jì)算結(jié)果小于2.5時(shí)，取安全系數(shù)K為2.5。取K=2.5。

(3)確定彈性變形系數(shù)k

表2 k值的選取

由表2可以看出k的取值取決于瓣數(shù)本彈性夾頭瓣數(shù)為6，所以取k=400。

(4)確定夾爪的變形阻力R

根據(jù)夾爪的變形阻力公式[9]：

(2)

式中，k為彈性變形系數(shù)；h為夾頭厚度；D為夾頭外徑；△為夾爪與工件的徑向間隙；l為夾爪根部至錐面中點(diǎn)的距離。求得夾頭變形阻力R=8590N。

(5)確定夾緊力W

根據(jù)無軸向定位的彈性夾頭夾緊力計(jì)算公式[9]：

(3)

式中，a為彈性夾爪錐角之半，φ為摩擦角，Q為軸向作用力3350N，求得夾緊力W=833N，再乘以安全系數(shù)K求得實(shí)際所需夾緊力為2083N。

2.3 彈性夾頭和鐘形殼變形量的理論計(jì)算

加工過程中作用在工件上夾緊力過大會使工件容易產(chǎn)生變形而降低加工精度[10]。根據(jù)受力情況對彈性夾頭和鐘形殼變形量進(jìn)行理論計(jì)算。

彈性夾頭受夾緊力時(shí)，每瓣夾爪受力相等，變形量也相等，取一瓣夾爪等效為左端固定右端受夾緊力的懸臂梁，設(shè)彈性部分最左端到右端錐面中部距離為懸臂梁長度l，夾爪任一點(diǎn)到原點(diǎn)距離為x，變形量為w，彎矩為M[11]，簡化得到如圖7所示。

圖7 一瓣夾爪簡化示意圖

用截面法求得彎矩方程[11]：

M(x)=-F(l-x)

(4)

撓曲線近似微分方程[11]：

(5)

(6)

采用同樣方法對鐘形殼工件在夾緊力下進(jìn)行變形量計(jì)算，取一瓣夾爪接觸的鐘形殼部分為懸臂梁長度l1，鐘形殼材料為55鋼。彈性模量E′為2.07×108Pa，l1為30mm。

求得工件最大變形量為2.1×10-3mm，變形量較小，在加工過程中可以忽略不計(jì)。

3 彈性夾頭的靜力結(jié)構(gòu)分析

由于夾緊力產(chǎn)生的細(xì)微夾具變形和工件變形都會影響到工件的加工精度[12]。鐘形殼球面溝槽精磨屬于高精度加工，對夾具抗變形力有較高要求。通過ANSYS Workbench對彈性夾頭進(jìn)行靜力學(xué)分析，分以下幾個(gè)步驟：

(1)模型的建立：在Solid Works中建立彈性夾頭和鐘形殼的模型，進(jìn)行裝配，然后導(dǎo)入ANSYS Workbench中進(jìn)行有限元分析。

(2)參數(shù)的設(shè)定：采用六面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，最后生成的模型包含64048個(gè)單元，232690個(gè)節(jié)點(diǎn)。彈性夾頭參數(shù)如表3所示。

表3 彈性夾頭材料參數(shù)

(3)約束和載荷的施加：在彈性夾頭的彈性部分均勻施加夾緊力2083N，選擇除彈性部分的桿作為固定支承。

具體的應(yīng)力圖和變形圖如圖8和圖9所示。

圖8 彈性夾頭應(yīng)力圖

圖9 彈性夾頭變形圖

從圖中可以看出，彈性夾頭的最大應(yīng)力為5.76MPa，發(fā)生在彈性夾頭內(nèi)側(cè)底部，滿足材料強(qiáng)度、剛度條件；彈性夾頭的變形量最大為0.0129mm，發(fā)生在彈性夾頭的彈性部分頂部，變形量從大端到小端依次變小，與以上求得的彈性夾頭理論變形量0.0138mm相接近，驗(yàn)證有限元分析的正確有效性。

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種新型鐘形殼球面溝槽精磨夾具，并對彈性夾頭和鐘形殼變形量進(jìn)行理論計(jì)算，得出彈性夾頭在夾緊力作用下最大變形量為0.0138mm，鐘形殼最大變形量為2.1×10-3mm。通過ANSYS Workbench靜力結(jié)構(gòu)分析，得出彈性夾頭最大變形量為0.0129mm，與理論值相接近，驗(yàn)證夾具設(shè)計(jì)的合理性及有限元分析的正確性。運(yùn)用此新型夾具，減少上下料時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，夾具抗變形能力好，定位穩(wěn)定，減小夾緊誤差，適用于大批量的鐘形殼球面溝槽精密磨削。