一種液性塑料的薄壁類零件磨削夾具的設計

劉建剛，杜風嬌

(1.武夷學院 機電工程學院，福建 南平 354300;2.浙江理工大學 機械與自動控制學院，浙江 杭州 310018)

0 引言

薄壁零件在磨削外圓加工過程中，因其剛度低，易產生變形，從而影響薄壁零件的加工精度.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的方法.例如：黃華賓[1]針對異形腔薄壁殼體零件的加工特征,制作了一種工裝夾具,該夾具可有效提高裝卸工件的效率.張珂等[2]提出了一種用于線束接插件的自動化夾具的優(yōu)化方法，該方法可將原加工中0.2 mm的變形量降低到0.1 mm以下.杜風嬌等[3]利用蛇形彈簧設計了一套薄壁套筒類零件磨削夾具，但作者未對該方案開展動平衡實驗，因此采用該方案加工的零件表面有可能產生振動波紋.楊志源等[4]通過設計多自由度夾具有效地解決了薄壁類零件加工時裝夾定位困難的問題.目前為止，學者對液性塑料夾具方面的研究大多僅限于理論分析和輔助測量等[5-8]，而對其具體設計和可靠性研究得較少.如文獻[9]設計了一款液性塑料夾具用于加工連桿零件，該夾具方案雖能夠保證零件的位置尺寸，但當壓力過大時會有少許液性塑料從活塞與芯軸的間隙中漏出.基于上述研究，本文以液壓鑿巖機套閥閥芯為例，利用液性塑料設計一種薄壁套筒類零件外圓磨削夾具，并通過仿真驗證本文提出方法的可行性.

1 夾具設計

1.1 工藝要求

圖1為套閥閥芯的設計圖.由圖1可知,Φ 36、Φ 40、Φ 42、Φ 44的外圓表面需要有較高的同軸度和較低的粗糙度.Φ 36、Φ 40、Φ 42、Φ 44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：以套閥閥芯內徑(Φ 42)為定位基準A，Φ 40和Φ 44的外圓相對A基準的同軸度為Φ 0.01 mm，Φ 40、Φ 44 的外圓表面粗糙度為0.4 μm.

圖1 套閥閥芯的設計圖

圖2 套閥閥芯的加工工藝圖

1.2 夾具的設計原理和組裝

圖3為本文設計的夾具裝配示意圖，其工作方式為：在薄壁套筒內，由芯軸、芯軸II、柱塞、薄壁套和加壓螺釘形成一個密封腔；液性塑料將其在密封腔內受到的壓強(由柱塞擰緊力壓迫而產生的)均勻地傳遞給薄壁套，薄壁套受到擠壓后產生徑向變形并擠壓套閥閥芯，從而達到限制套閥閥芯旋轉的目的.

圖3 夾具裝配示意圖

薄壁套(見圖4)為夾具的關鍵零件，其最大外徑尺寸為Φ 36.為保證夾具使用的穩(wěn)定性，本文在設計薄壁套時，將其左、右端面的平行度和粗糙度設置為0.4 μm，內圓的粗糙度設置為0.4 μm，外圓Φ 36處的圓跳動值設置為0.02 mm.

圖4 薄壁套示意圖

1.3 夾具使用步驟

夾具的使用步驟為：①通過圓柱銷將薄壁套、芯軸及芯軸Ⅱ固定,并形成一個開放的容積腔；②通過芯軸Ⅱ內孔將液性塑料注入至開放的容積腔內；③通過加壓螺釘和柱塞使液性塑料所在的容積腔變成一個密封腔；④通過擰緊加壓螺釘使柱塞軸向移動，以此壓緊液性塑料.

2 理論計算與仿真

2.1 理論計算

薄壁套選取65Mn，套閥閥芯選取40Cr，假設套閥閥芯外圓磨削產生的摩擦力為200 N(經(jīng)驗值)[3].通過對薄壁套進行有限元仿真(結果見圖5 —圖7)可知，當密封腔內的壓強達到7.44 MPa時，薄壁套與套閥閥芯接觸產生過盈配合，此時的薄壁套外表面最大應力值為101.78 MPa，套閥閥芯內的表面最大應力值為25.22 MPa.根據(jù)文獻[11]，本文將套閥閥芯與薄壁套之間的摩察系數(shù)設置為0.2，由此可得薄壁套與套閥閥芯之間的摩擦力Ff=25.22×π×0.182×0.04=205.3 N>200 N，此時擰緊螺塞所需的軸向力為F=P×S=186 N.

螺栓擰緊力矩-軸向力關系的表達式[11]為

(1)

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=10.86 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，其中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M10粗牙螺紋大徑，R=12 mm；r為M10粗牙螺紋小徑，r=10.11 mm.由式(1)計算可得，芯軸Ⅱ右端面的加壓螺釘?shù)臄Q緊力矩M為2.58 N·m時，柱塞產生的軸向力為186 N，密封腔內液性塑料承受的壓強為7.44 MPa.

2.2 仿真分析

對薄壁套進行仿真得到的應力圖、變形圖和應變圖如圖5 —圖7所示.由圖5 —圖7可知：薄壁套的應力峰值為101.78 MPa，薄壁套的變形峰值為0.007 7 mm，薄壁套的應變值為0.000 51 mm.由薄壁套所用材料(65Mn)的屈服極限(430 MPa)可知，薄壁套不會發(fā)生塑性破壞，即材料滿足設計要求.

圖5 薄壁套的應力圖

圖6 薄壁套的總變形圖

圖7 薄壁套的應變圖

對套閥閥芯進行仿真得到的應力圖、變形圖和應變圖如圖8 —圖10所示.由圖8 —圖10可知：套閥閥芯的應力峰值出現(xiàn)在套閥閥芯與薄壁套(Φ 36)的配合處，為25.22 MPa；套閥閥芯的徑向變形峰值為0.002 1 mm，套閥閥芯的徑向應變峰值為0.000 13 mm.由套閥閥芯所用材料(40Cr)的屈服極限(785 MPa)可知，材料滿足設計要求.

圖8 套閥閥芯的應力圖

圖9 套閥閥芯的變形圖

圖10 套閥閥芯的應變圖

3 夾具可靠性分析

3.1 套閥閥芯磨削的可靠性分析

根據(jù)2.1中的計算可知，套閥閥芯與薄壁套之間的摩擦力(205.3 N)大于外圓磨削時產生的摩擦力(經(jīng)驗值為200 N)，因此磨削過程不會產生打滑現(xiàn)象，即套閥閥芯磨削夾具的磨削力滿足設計要求.

3.2 薄壁套應力的可靠性分析

薄壁套應力的標準正態(tài)分布的計算公式[12]為

(2)

式中：μF為材料的許用強度[14]，μF=430 MPa；μS為薄壁套所受應力值，μS=11.9～101.78 MPa；σS為應力分布標準差，為6.1 MPa(由文獻[12]中的經(jīng)驗公式計算所得)；σF為強度標準差，σF=26.24.由式(2)計算得z=-12.2.根據(jù)正態(tài)分布表[14]可知，薄壁套的應力可靠度為100%，失效率為0.

4 結論

本文設計了一種基于液性塑料的薄壁類零件磨削夾具，對其進行理論計算顯示，密封腔內的壓強達到7.44 MPa時即可克服套閥閥芯外圓磨削所產生的摩擦力，此時加壓螺釘所需的扭矩為2.58 N·m.對薄壁套及套閥閥芯的可靠度進行仿真驗證表明，本文設計的薄壁套筒類零件磨削夾具的應力可靠度為100%，因此本文方法對提高薄壁類零件的制造精度具有很好的參考價值.本文在研究中因條件限制，未能對裝配后的夾具進行動平衡實驗，且未能考慮液性塑料的熱膨脹對夾緊力的影響，因此今后我們將對本文方案開展動平衡實驗，并對液性塑料的熱膨脹進行研究，以提高本文方法的可靠性和適用性.