薄壁套筒類零件磨削夾具的設計及其可靠性分析

杜風嬌， 劉建剛

( 武夷學院 機電工程學院， 福建 南平 354300 )

薄壁零件在磨削外圓加工過程中，因其剛度較低，易產生變形，因而質量難以保證.為了保證薄壁類零件的加工精度，一些研究者提出了使用夾具來保證其加工精度的方法.例如：馬廷輝[1]設計了一種普通車床磨削加工薄壁通用脹套式簡易心軸自動定心夾具,該夾具可有效提高生產效率和產品質量；黃華賓[2]針對異形腔薄壁殼體零件的加工特征,設計了一種新型的工裝夾具, 該夾具可有效提高裝卸工件的效率.目前，研究者對薄壁套筒類零件磨削夾具的研究大多只是針對其設計方案和效率等方面[3-4]，而對螺栓的擰緊力矩及其可靠度研究得較少.基于此，本文以液壓鑿巖機套閥閥芯的某一薄壁類零件為研究對象，設計一套薄壁類零件夾具，并通過仿真驗證本文方法的可靠性.

1 夾具設計

1.1 工藝要求

圖1為套閥閥芯產品示意圖.由圖1可知,Φ36、Φ40、Φ42、Φ44的外圓表面需要有較高的同軸度和較低的粗糙度.Φ36、Φ40、Φ42、Φ44表面的加工工藝圖如圖2所示.由圖2可知，產品的設計要求為：套閥閥芯內徑(Φ42)為定位基準A，Φ40和Φ44的外圓相對A基準的同軸度為0.01，Φ40和Φ44的外圓表面粗糙度為0.4 μm.

圖1 套閥閥芯產品示意圖

1.2 夾具的設計原理和組裝

本文設計夾具的原理[5-6]為：蛇形彈簧受軸向力產生徑向膨脹，徑向膨脹使蛇形彈簧與套閥閥芯內孔產生過盈配合，以此達到夾緊工件的目的.夾具的組成主要包括：芯軸、墊塊1、墊塊2、蛇形彈簧、墊塊3、螺母M12、壓板.其中芯軸的材料為45#鋼，經熱處理后其硬度為38～43 HRC；墊塊1、墊塊2、墊塊3和壓板的材料為45#鋼，熱處理后其硬度為35～40 HRC；蛇形彈簧為65Mn的優(yōu)質彈簧鋼，經熱處理后其達到45～48 HRC的硬度.夾具的裝配示意圖如圖3所示.

圖2 套閥閥芯加工工藝圖

圖3 夾具裝配示意圖

蛇形彈簧(圖4)為夾具的關鍵零件，其最大外徑尺寸為Φ36.為保證夾具使用的穩(wěn)定性，本文在設計蛇形彈簧時，將其左、右兩端面的平行度和粗糙度分別設置為0.002 mm和1.6 μm，將內圓的粗糙度設置為0.4 μm，外圓Φ36處的圓跳動值設置為0.02 mm.

圖4 蛇形彈簧示意圖

1.3 夾具使用步驟

夾具的使用步驟如下： ①將墊塊3、蛇形彈簧、墊塊2和墊塊1，依次裝夾在芯軸直徑為Φ22的位置上； ②將步驟1安裝好的芯軸總成(墊塊3、墊塊1、墊塊2和芯軸)與套閥閥芯進行裝配，壓板安裝在芯軸左端； ③利用扭力扳手設置所需的力矩，向右鎖緊螺母M12； ④使蛇形彈簧與工件之間達到過盈配合，保證薄壁芯軸的加工精度.

2 仿真分析

根據(jù)夾具的使用方法，本文首先利用三維軟件Creo3.0對夾具進行建模，然后將模型導入Workbench軟件中進行有限元仿真[7-8].仿真步驟為：添加材料屬性，添加約束、載荷，分析計算，結果分析.

2.1 添加材料屬性

在Workbench軟件中，將蛇形彈簧設置為65Mn[9]，將套閥閥芯設置為40Cr，其他零件設置為45#鋼.

2.2 添加約束、載荷

螺栓擰緊力矩-軸向力的關系表達式[10]為：

式中：M為螺栓擰緊力矩(N·m)；F為螺栓軸向力(N)；d2為M12粗牙螺紋中徑，d2=10.863 mm；λ為螺紋升角(°)，λ=arctg(t/d2)，t為螺距(mm)，λ=60°；f為螺母與被連接件支撐面間的摩擦系數(shù)，f=0.2;ρ為螺旋副的當量摩擦角,ρ=24.8°； tgρ為螺旋副的當量摩擦系數(shù)， tgρ=f′/cosβ;β為三角型螺紋半角,β=30°;f′為螺旋副間的摩擦系數(shù)；R為M12粗牙螺紋大徑，R=12 mm；r為M12粗牙螺紋小徑，r=10.106 mm.

由上式計算，可得芯軸右端面螺母的擰緊力矩為M=309.46 N·m，軸向力為5 000 N.在芯軸與磨床安裝的圓柱面(Φ22)上添加固定約束，在右端面螺母與蛇形彈簧的接觸面上添加軸向力5 000 N，同時將蛇形彈簧分別與套閥閥芯和芯軸建立接觸對，如圖5所示.

圖5 添加約束、載荷的示意圖

3 仿真結果與分析

仿真所得的蛇形彈簧的應力圖、變形圖、應變圖如圖6—圖8所示.由圖6—圖8可知：蛇形彈簧(Φ25軸徑處)的應力峰值為101.79 MPa，蛇形彈簧過盈配合處(Φ36內徑)的變形峰值為0.007 mm,蛇形彈簧的脹套應變值為0.000 51.蛇形彈簧脹套所使用材料(65Mn)的屈服極限為430 MPa；因此，可知蛇形彈簧所使用的材料(65Mn)不會發(fā)生塑性破壞，即材料滿足設計要求.

圖6 蛇形彈簧應力圖

圖7 蛇形彈簧總變形圖

圖8 蛇形彈簧應變圖

仿真所得的套閥閥芯的應力圖、變形圖、應變圖如圖9—圖11所示.由圖9—圖11可知，套閥閥芯的應力峰值出現(xiàn)在套閥閥芯與蛇形彈簧的(Φ36)配合處，其值為25.22 MPa；套閥閥芯的徑向變形峰值為0.002 1，套閥閥芯的徑向應變峰值為0.000 13.套閥閥芯所用材料(40Cr)的屈服極限為430 MPa，套閥閥芯所用材料(40Cr)的應變峰值允許范圍為0～0.17，因此可知材料滿足設計要求.

圖9 套閥閥芯應力圖

圖10 套閥閥芯變形圖

圖11 套閥閥芯應變圖

由圖7和圖10可知，當蛇形彈簧受到309.46 N·m的螺栓擰緊力矩時，其與套閥閥芯(Φ36)處產生過盈配合，此時蛇形彈簧產生的徑向變形量為0.007，套閥閥芯產生的徑向變形量為0.002 1.由于蛇形彈簧與套閥閥芯之間本身擁有0.003的配合間隙，再加上蛇形彈簧還存在微量的軸向變形，所以使得蛇形彈簧的徑向變形量比套閥閥芯的徑向變形量大0.001 9，這與實際工況相符.

4 夾具可靠性分析

4.1 套閥閥芯磨削的可靠性分析

由套閥閥芯過盈配合時產生的應力為25.22 MPa(圖9)，套閥閥芯與蛇形彈簧的接觸面面積為1 583.36 mm2(圖4),可計算出蛇形彈簧與套閥閥芯膨脹夾緊時的徑向壓力F(脹緊力)為15.93×103N.依據(jù)文獻[11]，本文將套閥閥芯與蛇形彈簧之間的摩察系數(shù)設置為0.2，由此得到套閥閥芯與蛇形彈簧之間的摩擦力為3.19×103N.當套閥閥芯磨削量為0.001 mm時，外圓磨削產生的磨削力僅為200 N(經驗值).因套閥閥芯與蛇形彈簧之間的摩擦力遠大于外圓磨削時產生的摩擦力，所以磨削過程不會產生打滑現(xiàn)象.

4.2 蛇形彈簧應力的可靠性分析

蛇形彈簧應力的標準正態(tài)分布的計算公式[12]為：

式中：μF為材料的許用強度，μF=430 MPa；μS為零件的所受應力，μS=41.99～36.35 MPa；σS為應力分布標準差(σS=0.08μS=3.359 2 MPa[14])；σF為標準差，σF=26.24.由上式可得z=-14.91.根據(jù)正態(tài)分布表[13]可知，蛇形彈簧的應力可靠度為100%，失效率為0.

5 結論

對螺栓擰緊力矩與軸向力之間的關系進行計算表明，當蛇形彈簧所受軸向力為5 000 N時，螺栓所需擰緊的力矩為309.46 N·m.對夾具模型進行仿真實驗表明，本文設計的薄壁套筒類零件

磨削夾具的應力可靠度為100%,因此本文結果對保證薄壁類零件的制造精度具有很好的參考價值.因條件限制本文在研究中未能在夾具裝配之后進行動平衡實驗，因此今后我們將對本文方案開展動平衡實驗，以檢驗夾具在工作中是否會因振動而使套閥閥芯表面產生波紋，進而對其進行相應改進.