殼體精車裝夾優(yōu)化設(shè)計(jì)

王彩鋒， 侯 建， 王長(zhǎng)峰， 郭士新， 李 邁

（1.超精密航天控制儀器技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，北京100039；2.北京航天控制儀器研究所，北京100039）

0 引言

殼體是陀螺加速度計(jì)的重要零件,其加工精度影響了陀螺加速度計(jì)浮子組件和軸系組件的裝配精度,進(jìn)而影響了陀螺加速度計(jì)的工作精度。殼體的重要作用決定了其精度要求高、工藝流程長(zhǎng)、裝夾次數(shù)多,已成為影響陀螺加速度計(jì)產(chǎn)品研制和生產(chǎn)進(jìn)度的瓶頸零件。

殼體為薄壁圓筒類結(jié)構(gòu)件,該類零件強(qiáng)度低、剛性差、裝夾難度較大［1-2］：1）常規(guī)卡盤與工件為點(diǎn)接觸,容易存在應(yīng)力集中,使工件在未加工前就存在整體變形；2）若裝夾定位裝置剛性不足,工件與刀具之間容易產(chǎn)生自激振動(dòng),影響零件的尺寸精度、形位精度和表面粗糙度。工程領(lǐng)域通常從工藝流程、夾具設(shè)計(jì)、刀具參數(shù)和切削參數(shù)等方面保證其尺寸精度、形位精度和表面質(zhì)量［3-6］。

在對(duì)殼體的內(nèi)孔進(jìn)行精密車削時(shí),使用彈性?shī)A套夾持殼體最大外圓,由于夾緊力僅僅施加在孔口處,其余部分幾乎處于懸空狀態(tài),工件產(chǎn)生顫振導(dǎo)致內(nèi)孔有明顯振紋,不滿足表面質(zhì)量要求。本文通過(guò)分析殼體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),在現(xiàn)有裝夾系統(tǒng)的基礎(chǔ)上提出了兩種改進(jìn)方案以提高裝夾系統(tǒng)剛性,然后利用有限元模擬的方法分析了殼體裝夾受力變形情況,并進(jìn)行工藝試驗(yàn)對(duì)比,最終確定了最優(yōu)裝夾方案。

1 裝夾理論

裝夾系統(tǒng)必須保證加工工件位置以及工件與刀具之間相對(duì)位置的固定,其力平衡方程和力矩平衡方程分別為［7］

式（1）～式（2）中,Ri為支撐i處的反作用力,Pj為夾緊件j處的夾緊力,Ffk為夾具的元件與k工件之間的摩擦力,Fc為切削力,G為工件重力,T為切削力矩,m為支撐個(gè)數(shù),n為夾緊力個(gè)數(shù),rc、rg分別為切削力、工件重力的位置矢量,rri、rpj、rfk分別為第i個(gè)支撐處、第j個(gè)夾緊力及第k個(gè)夾具元件的位置矢量。因此,優(yōu)質(zhì)的裝夾系統(tǒng)應(yīng)該保證工件有足夠的支撐數(shù)量和夾緊力數(shù)量,以便保留足夠的夾緊力裕度和力矩裕度。

2 殼體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

殼體為階梯狀薄壁圓筒類零件,其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。經(jīng)過(guò)半精加工后,零件總長(zhǎng)60mm,外圓直徑38mm,內(nèi)孔直徑。對(duì)工件內(nèi)孔進(jìn)行精密車削時(shí),需要將加工至,表面粗糙度要求為Ra0.4,該零件壁厚小于0.8mm部分的總長(zhǎng)度達(dá)到34mm。與此同時(shí),下一道工序需要使用膨脹芯軸緊貼該內(nèi)孔進(jìn)行定位,故內(nèi)孔應(yīng)具有較高的圓柱度,以保證裝夾精度。

圖1 殼體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the shell

3 裝夾系統(tǒng)優(yōu)化

現(xiàn)有彈性?shī)A套對(duì)殼體最大外圓處施加徑向夾緊力,同時(shí)殼體最小外圓端面貼緊工裝內(nèi)端面,如圖2（a）所示。分析可知,雖然零件大外圓處受力夾緊,然而工裝對(duì)零件左側(cè)的夾持不足,故薄壁部分幾乎處于懸空狀態(tài),裝夾系統(tǒng)剛性不足。為了提高工藝裝置的整體剛性,提出以下兩種設(shè)計(jì)方案。

圖2 殼體裝夾系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the shell clamping system

（1）改進(jìn)方案一

最簡(jiǎn)單有效的方法是直接對(duì)殼體薄壁部分設(shè)置點(diǎn)支撐,如圖2（b）所示。在圓周方向上設(shè)計(jì)4個(gè)均布的螺紋通孔,使用4個(gè)螺釘對(duì)稱加力夾緊零件薄壁部分。

（2）改進(jìn)方案二

考慮到方案一可能會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中情況,在方案一的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一對(duì)形狀一致的半圓瓦式墊片,使用半圓瓦式墊片包裹工件薄壁部分,同時(shí)使用4個(gè)螺釘對(duì)稱加力夾緊半圓瓦式墊片,如圖2（c）所示。半圓瓦式墊片的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示,材料為45鋼,厚度為1.4mm,內(nèi)弧面直徑與殼體外圓直徑一致,兼具強(qiáng)度和彈性。該方案的裝配實(shí)物圖如圖4所示。

圖3 半圓瓦式墊片F(xiàn)ig.3 Schematic diagram of the semicircle tile-shaped gasket

圖4 殼體裝配實(shí)物圖Fig.4 Physical drawing of the shell assembly

4 有限元裝夾模擬

為了對(duì)比兩種改進(jìn)方案對(duì)工件的影響,采用有限元軟件ABAQUS進(jìn)行靜力學(xué)模擬,分析殼體的受力變形和應(yīng)力分布情況。

4.1 有限元模型建立

1）幾何模型建立。使用三維CAD軟件ProE建立彈性?shī)A套、殼體和半圓瓦式墊片的三維實(shí)體模型,然后導(dǎo)入ABAQUS軟件中。各零件均采用8節(jié)點(diǎn)六面體線性非協(xié)調(diào)模式單元C3D8I,該單元對(duì)于接觸問(wèn)題計(jì)算精度較高,并兼顧了時(shí)間成本。使用掃略法進(jìn)行網(wǎng)格劃分,彈性?shī)A套、殼體和半圓瓦式墊片的單元數(shù)分別為13236、9440和1056。各零件的材料和網(wǎng)格特性詳細(xì)參數(shù)如表1所示。

表1 零件材料及網(wǎng)格參數(shù)Table 1 Parameters of material and mesh

2）約束及夾緊力的施加。彈性?shī)A套與車床夾盤固定一端的外圓設(shè)置為完全固定約束,彈性?shī)A套與殼體的裝夾定位面之間設(shè)置為面-面小滑移接觸,摩擦系數(shù)為0.15,方案二中半圓瓦式墊片內(nèi)弧面與殼體外圓面之間設(shè)置為同樣的接觸,施加4處按90°均勻分布、沿著徑向幅值為5N的集中力。

4.2 模擬結(jié)果分析

由于殼體為回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu),為方便觀察,后處理中僅展示殼體模型的1/2。圖5所示為殼體的裝夾變形云圖,圖6所示為殼體的應(yīng)力分布云圖。

圖5 殼體變形云圖Fig.5 Deformation nephogram of the shell

圖6 殼體應(yīng)力云圖Fig.6 Stress nephogram of the shell

由圖5、圖6可知,改進(jìn)方案一中殼體最大變形為5.121×10-6mm,最大應(yīng)力為9.587×10-2MPa,改進(jìn)方案二中殼體最大變形為6.957×10-7mm,最大應(yīng)力為4.553×10-3MPa。與改進(jìn)方案一相比,改進(jìn)方案二中殼體的最大變形和最大應(yīng)力都較小。同時(shí),由于4個(gè)螺釘?shù)拇嬖?方案一中殼體內(nèi)孔在螺釘接觸位置的變形量和應(yīng)力水平比其它部位均較高,而方案二中由于加設(shè)了半圓瓦式墊片,明顯分散緩沖了夾緊力,減小了螺釘接觸位置的變形和應(yīng)力,使內(nèi)孔的變形和應(yīng)力分布更加均勻。

5 試驗(yàn)對(duì)比

為了對(duì)比裝夾方案的實(shí)施效果,分別選取5件半精加工工件使用現(xiàn)裝夾方案、改進(jìn)方案一和改進(jìn)方案二進(jìn)行工藝試驗(yàn)。如圖7所示,在40倍光學(xué)顯微鏡下觀察殼體內(nèi)孔表面,可見現(xiàn)裝夾方案車削振紋比較明顯,而兩種改進(jìn)裝夾方案中的車削振紋均已消除,內(nèi)孔表面質(zhì)量顯著提高。表2為內(nèi)孔直徑、圓柱度和粗糙度的實(shí)測(cè)結(jié)果。

圖7 殼體內(nèi)孔表面實(shí)測(cè)放大圖Fig.7 Enlarged views of the inner bore surface for the shell

表2 殼體內(nèi)孔實(shí)測(cè)結(jié)果Table 2 Test results of the inner bore for the shell

由表2可知,三種裝夾方案的尺寸都合格；現(xiàn)裝夾方案的粗糙度為0.92μm～1.21μm,改進(jìn)方案一的粗糙度為0.37μm～0.39μm,改進(jìn)方案二的粗糙度為0.36μm～0.39μm,現(xiàn)裝夾方案的粗糙度不合格,兩種改進(jìn)方案的粗糙度均滿足要求；進(jìn)一步地,改進(jìn)方案一的圓柱度為0.004mm～0.008mm,改進(jìn)方案二的圓柱度為0.001mm～0.002mm,故改進(jìn)方案二中內(nèi)孔的圓柱度精度更高。

6 結(jié)論

本文針對(duì)殼體內(nèi)孔精車的振紋問(wèn)題,對(duì)現(xiàn)有彈性?shī)A套進(jìn)行優(yōu)化,提出了兩種提高裝夾剛性的改進(jìn)方案。在有限元模擬和工藝對(duì)比試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,得出如下結(jié)論：

1）現(xiàn)裝夾方案的內(nèi)孔尺寸滿足要求,表面粗糙度為0.92μm～1.21μm,不符合Ra0.4的要求。加設(shè)螺釘方案（改進(jìn)方案一）、加設(shè)螺釘及半圓瓦式墊片方案（改進(jìn)方案二）的內(nèi)孔尺寸滿足要求,表面粗糙 度 分 別 為 0.37μm ～ 0.39μm、 0.36μm ～0.39μm,均滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。

2）加設(shè)螺釘方案（改進(jìn)方案一）、加設(shè)螺釘及半圓瓦式墊片方案（改進(jìn)方案二）的內(nèi)孔圓柱度分別為0.004mm～0.008mm、0.001mm～0.002mm,后者圓柱度精度更高,更容易提高下一道工序的裝夾精度。

因此,加設(shè)螺釘及半圓瓦式墊片的裝夾方式更優(yōu),顯著提高了內(nèi)孔的加工精度,值得借鑒推廣。