錐筒數(shù)控銑床零點(diǎn)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

張 雪，朱祥龍，董志剛，康仁科，屈星河

(1.大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116000；2.昌河飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司， 江西 景德鎮(zhèn) 333000)

0 引言

火箭的箭體基本上是一個(gè)薄壁圓錐狀殼體，箭體由一系列錐筒通過螺釘連接而成，在錐筒的大端和小端均需加工方形向心窗口用于螺釘安裝，錐筒上的窗口在數(shù)控銑床上進(jìn)行加工，窗口的加工精度直接影響火箭的氣動(dòng)外形。窗口加工前，錐筒通過專用定心夾具或壓板等通用夾具進(jìn)行定位鎖緊，定位裝夾精度較低，手動(dòng)調(diào)整和裝夾過程復(fù)雜、自動(dòng)化水平低，嚴(yán)重影響了錐筒窗口加工質(zhì)量的一致性。此外，不同系列錐筒尺寸不同，而且錐筒大端和小端尺寸不同，需要多個(gè)專用夾具，夾具結(jié)構(gòu)多樣，需要大量時(shí)間找正，占機(jī)時(shí)間過長(zhǎng)，降低了數(shù)控銑床的加工效率。如何提高定位裝夾精度、有效縮短換裝時(shí)間，保證加工精度和加工效率，對(duì)促進(jìn)錐筒自動(dòng)化加工具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。

零點(diǎn)定位系統(tǒng)是一種采用夾頭的定位和鎖緊裝置，可保證工件在裝夾過程定位和鎖緊，減少零件裝夾誤差和基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換誤差，實(shí)現(xiàn)工裝的精密快速裝夾，有效減少重新找正零點(diǎn)的輔助時(shí)間[1-2]。國(guó)內(nèi)已經(jīng)有學(xué)者研究了基于零點(diǎn)定位系統(tǒng)的定位裝夾技術(shù)。唐林等[3]針對(duì)中小航空結(jié)構(gòu)件提供了一種采用零點(diǎn)定位技術(shù)和柔性?shī)A具設(shè)計(jì)思路，裝夾效率提高10%，實(shí)現(xiàn)了零件快速換裝。陳思濤等[4]將零點(diǎn)系統(tǒng)應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床中，減少了機(jī)床60%～80%的停機(jī)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)加工機(jī)床在生產(chǎn)周期內(nèi)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。但是尚未檢索到采用零點(diǎn)定位系統(tǒng)進(jìn)行火箭錐筒定位裝夾的文獻(xiàn)。錐筒在定位夾緊過程中，錐筒窗口加工區(qū)在銑削力和裝夾力作用下的產(chǎn)生變形量要求小于0.02 mm，因此需要設(shè)計(jì)錐筒加工的快速換裝零點(diǎn)定位系統(tǒng)。建立了錐筒零點(diǎn)定位系統(tǒng)三維模型，采用有限元法分析了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的薄弱環(huán)節(jié)，著重分析了錐筒加工區(qū)在切削力和夾緊力作用下的變形規(guī)律，以錐筒加工區(qū)變形量小于0.02 mm為優(yōu)化目標(biāo)，定位器安裝位置、拉緊力為設(shè)計(jì)變量，運(yùn)用Ansys Workbench進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 錐筒零點(diǎn)定位方案

1.1 錐筒裝夾定位原理

錐筒為錐柱狀回轉(zhuǎn)體，最大長(zhǎng)度為2600 mm，最大直徑為900 mm，重量約為250 kg屬于大尺寸結(jié)構(gòu)件。錐筒軸向跨距大，剛度低，筒身裝夾極易變形，因此采用豎直方式裝夾錐筒。錐筒兩端部?jī)?nèi)側(cè)均設(shè)有止口，采用“一面兩銷”定位方式對(duì)錐筒進(jìn)行定位。錐筒小端定位基準(zhǔn)選擇錐筒端面、內(nèi)圓柱面和定位銷；錐筒大端定位基準(zhǔn)選擇定位銷所在止口平面、內(nèi)圓柱面和定位銷。機(jī)外裝夾時(shí)，錐筒的兩端分別安裝隨行的大連接盤和小連接盤，并用螺栓及壓板拉緊固定，大小連接盤外側(cè)端面分別安裝了4個(gè)拉釘，當(dāng)錐筒大端朝下時(shí)，大連接盤通過拉釘與工作臺(tái)上的零點(diǎn)定位器配合裝夾；當(dāng)錐筒小端朝下時(shí)，小連接盤通過拉釘與工作臺(tái)上的零點(diǎn)定位器配合裝夾，如圖1所示。

圖1 錐筒裝夾原理圖

1.2 錐筒裝夾定位方案設(shè)計(jì)

錐筒具有剛度低，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工時(shí)極易引起誤差變形等特點(diǎn)，特別是當(dāng)零件的形狀及孔系尺寸精度要求較高時(shí)，對(duì)振動(dòng)，切削力大小及裝夾方式等均十分敏感，往往未加工到規(guī)定尺寸，零件已經(jīng)超出精度要求，裝夾定位既要滿足精度又要滿足簡(jiǎn)化工裝夾具、快速換裝的要求。大小連接盤通過拉釘與零點(diǎn)定位器配合使用將錐筒裝夾在工作臺(tái)上，連接盤結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及剛度將影響零件的加工精度，故錐筒裝夾定位方案設(shè)計(jì)不僅要確定零點(diǎn)定位器的安裝位置還要進(jìn)行連接盤及相關(guān)零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證連接盤不會(huì)在切削力和拉緊力作用下松脫或變形。為使連接盤與錐筒的裝配面不發(fā)生滑移或產(chǎn)生間隙，壓板作為緊固件采用槽鋼結(jié)構(gòu)并利用螺栓將連接盤與錐筒壓緊，通過仿真分析確定螺栓的數(shù)量和安裝位置。零點(diǎn)定位器重復(fù)定位精度為0.005 mm滿足錐筒加工精度小于0.02 mm的加工要求，另外，錐筒方形向心窗口加工具有角度要求，需要周向定位，故選擇一個(gè)零點(diǎn)定位器的安裝位置作為基準(zhǔn)點(diǎn)并使其位置與機(jī)床零點(diǎn)重合，其余零點(diǎn)定位器相對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)沿工作臺(tái)圓周方向非均勻布置以使定位系統(tǒng)不對(duì)稱安裝。因連接盤上拉釘與定位器配合，為易于建模仿真，主要分析大連接盤上拉釘?shù)陌惭b位置，其安裝位置包括分布圓半徑r，安裝夾角θ，其中分布圓半徑r大于295 mm時(shí)將與定位銷的安裝位置發(fā)生干涉，分布圓半徑r小于285 mm時(shí)將導(dǎo)致整體剛度過小，故分布圓半徑r取值范圍為285～295 mm。為便于連接盤與工作臺(tái)快速換裝和視覺辨別安裝夾角θ上限值為85°，安裝夾角θ下限值為與基準(zhǔn)定位器位置發(fā)生干涉時(shí)的臨界值31°，則安裝夾角θ取值范圍35°～85°，如圖 2所示。按照單一變量設(shè)計(jì)，確定各影響因素與錐筒加工區(qū)最大變形的關(guān)系，設(shè)計(jì)步驟如圖 3a所示，以分布圓半徑r、安裝夾角θ及拉緊力F為參數(shù)，錐筒加工區(qū)變形量小于0.02 mm為優(yōu)化目標(biāo)通過Design Exploration模塊進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)求解使加工區(qū)最大變形量最小時(shí)的參數(shù)組合如圖3b所示。

圖2 拉釘安裝位置圖

(a) 單一變量設(shè)計(jì) (b) 優(yōu)化設(shè)計(jì)圖3 設(shè)計(jì)流程

2 基于零點(diǎn)定位技術(shù)的夾具仿真分析

2.1 錐筒零點(diǎn)系統(tǒng)建模、材料定義、網(wǎng)格劃分、施加載荷、插入求解

根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)尺寸，應(yīng)用Creo軟件進(jìn)行錐筒零點(diǎn)系統(tǒng)建模并完成裝配。拉釘，定位銷等零件對(duì)整體影響較小，建模時(shí)將其忽略，簡(jiǎn)化后模型主要由錐筒、連接盤、擋板和螺栓組成，各個(gè)零件所用材料的屬性如表 1所示。定義各零件之間的接觸類型，螺栓連接采用綁定接觸，其余接觸對(duì)采用摩擦接觸，摩擦系數(shù)在0.1～0.4范圍內(nèi)。在網(wǎng)格劃分中，采用10節(jié)點(diǎn)4面體網(wǎng)格劃分實(shí)體，對(duì)某些重要區(qū)域 (如結(jié)合面處、加工區(qū))的網(wǎng)格進(jìn)行局部細(xì)化[5]，細(xì)化網(wǎng)格效果如圖 4所示，網(wǎng)格質(zhì)量檢查以網(wǎng)格平均質(zhì)量值是否大于0.7為判斷標(biāo)準(zhǔn)，若網(wǎng)格平均質(zhì)量值小于0.7則需進(jìn)行網(wǎng)格優(yōu)化[6]。

表1 各零件材料屬性

圖4 網(wǎng)格劃分

連接盤與拉釘通過螺紋連接，因此對(duì)螺紋孔施加固定約束。施加載荷主要包括銑削力的分力軸向力Fx、切向力Fy、進(jìn)給力Fz，拉緊力F，螺栓預(yù)緊力Fv，其中，F(xiàn)x為20 N，F(xiàn)y為45 N，F(xiàn)z為50 N。

預(yù)緊力是螺栓結(jié)構(gòu)模擬的重要參數(shù)。為增強(qiáng)螺栓連接件的剛性、緊密性、防松能力，以及防止在橫向載荷作用下螺栓連接的滑移,螺栓連接在裝配時(shí)需要加以預(yù)緊[7]。螺栓選用8.8級(jí)高強(qiáng)度螺栓，屈服極限σs為640 MPa。通常螺栓所承受的預(yù)緊力不超過其材料屈服極限的80%，即：

Fv≤ 0.8×σs×A

(1)

式中，σs為屈服極限；A為對(duì)應(yīng)公稱應(yīng)力截面積[8]。

螺栓規(guī)格為M16×1.5，螺栓公稱應(yīng)力截面積為167.2 mm2，最大預(yù)緊力Fvmax為85 606 N，單個(gè)螺栓預(yù)緊力Fv取為1500 N。

施加載荷以及約束后加載求解得到大連接盤和錐筒加工區(qū)變形云圖如圖5和圖6所示。

圖5 大連接盤變形云圖

圖6 錐筒加工區(qū)變形云圖

通過大連接盤和錐筒加工區(qū)變形云圖得出，大連接盤最大變形發(fā)生在連接盤、錐筒和壓板緊固的位置，拉釘安裝位置變形較小，錐筒最大變形發(fā)生在銑削力載荷施加的窗口位置，小端窗口的變形量遠(yuǎn)小于加工區(qū)最大變形量，靠近錐筒大端窗口加工區(qū)的筒身部分出現(xiàn)的橢圓狀變形區(qū)，在加工或夾具設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮該部分的夾持狀態(tài)以避免變形過大影響窗口加工。

2.2 單一變量設(shè)計(jì)

錐筒大小端連接盤均通過拉釘與工作臺(tái)上的零點(diǎn)定位器適配，兩連接盤上的拉釘安裝位置相同，以大端連接盤為研究對(duì)象進(jìn)行靜力學(xué)分析。零點(diǎn)定位器的安裝位置(分布圓半徑r、安裝夾角θ)和拉緊力為設(shè)計(jì)變量，由于錐筒加工區(qū)最大變形與設(shè)計(jì)變量沒有明顯表達(dá)式，用仿真模擬直接選優(yōu)法求解加工區(qū)最大變形的最小值，以分布圓半徑r1=285 mm、r2=290 mm和r3=295 mm分別建模，且各模型中其余變量相同，錐筒加工區(qū)最大變形如圖7a所示。由分布圓半徑r與加工區(qū)最大變形的關(guān)系圖得出，分布圓半徑r由小到大增加時(shí)，錐筒加工區(qū)最大變形呈線性減小且依次降低了15%和26%，在滿足錐筒加工區(qū)變形量小于0.02 mm的要求下，分布圓半徑r取上限值295 mm時(shí)加工區(qū)最大變形量最小。

以安裝夾角θ1=75°、θ2=80°和θ3=85°分別建模進(jìn)行靜力學(xué)分析，錐筒加工區(qū)最大變形如圖7b所示。由安裝夾角θ與加工區(qū)最大變形的關(guān)系圖得出，定位器非均勻布置且安裝夾角θ由小到大增加時(shí)，錐筒加工區(qū)最大變形呈線性減小依次降低了18%和9.5%，在滿足錐筒加工區(qū)變形量小于0.02 mm的要求下，安裝夾角θ取上限值85°時(shí)加工區(qū)最大變形量最小。

以分布圓半徑r取295 mm，安裝夾角θ取85°建模，拉緊力F1=10 kN、F2=15 kN和F3=20 kN分別施載進(jìn)行模擬分析，錐筒加工區(qū)最大變形如圖7c所示。由拉緊力F與加工區(qū)最大變形的關(guān)系圖得出，拉緊力F由小到大增加時(shí)，錐筒加工區(qū)最大變形呈線性減小且依次降低了3%和1.8%，拉緊力對(duì)加工區(qū)最大變形影響較小，而拉緊力增大將導(dǎo)致螺栓預(yù)緊力增加和連接盤變形增大，零點(diǎn)定位系統(tǒng)成本增加，故在滿足錐筒加工區(qū)變形量小于0.02 mm的要求并考慮經(jīng)濟(jì)和實(shí)際加工狀況下，拉緊力F取15 kN。

(a) 分布圓半徑r與加工區(qū)最大變形的關(guān)系

(b) 安裝夾角θ與加工區(qū)最大變形的關(guān)系

(c) 拉緊力F與加工區(qū)最大變形的關(guān)系圖7 設(shè)計(jì)變量對(duì)錐筒加工區(qū)最大變形的影響

以上為單個(gè)設(shè)計(jì)變量對(duì)錐筒加工區(qū)最大變形的影響，其中分布圓半徑r對(duì)錐筒加工區(qū)最大變形影響顯著，安裝夾角θ次之，拉緊力F最小。錐筒零點(diǎn)定位系統(tǒng)初始設(shè)計(jì)分布圓半徑r取295 mm，安裝夾角θ取85°，拉緊力F均取15 kN，靜力學(xué)分析得出錐筒加工區(qū)最大變形量為0.009 mm。

2.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

單變量設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)計(jì)參數(shù)在一定范圍內(nèi)只能選取有限設(shè)計(jì)點(diǎn)，通過不斷改變?cè)O(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行循環(huán)計(jì)算，確定各影響因素與錐筒加工區(qū)最大變形的關(guān)系，計(jì)算量較大且結(jié)果不一定完全正確。以分布圓半徑r、安裝夾角θ及拉緊力F為設(shè)計(jì)變量，錐筒加工區(qū)變形量小于0.02 mm為優(yōu)化目標(biāo)，運(yùn)用Ansys Workbench優(yōu)化設(shè)計(jì)求解出一組使錐筒加工區(qū)最大變形量最小的參數(shù)組合?；鶞?zhǔn)點(diǎn)拉釘所在分布圓半徑對(duì)應(yīng)參數(shù)P1，P2～P4為第2～第4個(gè)拉釘所在分布圓半徑的參數(shù)，P5為第4個(gè)拉釘與基準(zhǔn)點(diǎn)之間的安裝夾角參數(shù)，P6～P9為拉緊力對(duì)應(yīng)的參數(shù)，設(shè)定各參數(shù)值取值范圍[9]，其中P6～P9參數(shù)的上下限值為10 kN和20 kN，求解得出三個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)點(diǎn)如表2所示。

表2 優(yōu)化結(jié)果

由優(yōu)化結(jié)果得出設(shè)計(jì)點(diǎn)3對(duì)應(yīng)的錐筒加工區(qū)最大變形量最小，由于拉緊力從11.318 kN～14.763 kN取值范圍較大且拉緊力對(duì)錐筒加工區(qū)最大變形影響程度不顯著，故P6～P9均取值15 kN并將設(shè)計(jì)點(diǎn)3重新生成裝配模型再次仿真計(jì)算[10]，優(yōu)化前后結(jié)果對(duì)比如表3所示。

表3 優(yōu)化前后對(duì)比

通過優(yōu)化前后結(jié)果的對(duì)比可以看出錐筒加工區(qū)最大變形量降低了11%，滿足了錐筒加工區(qū)最大變形量小于0.02 mm的要求并得出一組使錐筒加工區(qū)最大變形量最小的設(shè)計(jì)參數(shù)組合。

3 結(jié)論

運(yùn)用ANSYS Workbench的有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)功能，對(duì)影響錐筒加工區(qū)最大變形的多個(gè)因素進(jìn)行了分析，通過單一變量設(shè)計(jì)確定各影響因素與加工區(qū)最大變形的關(guān)系，初步確定錐筒零點(diǎn)定位系統(tǒng)的安裝位置。闡述了以分布圓半徑r、安裝夾角θ及拉緊力F等多個(gè)參數(shù)為設(shè)計(jì)變量，錐筒加工區(qū)變形量小于0.02 mm為優(yōu)化目標(biāo)求解出一組使錐筒加工區(qū)最大變形量最小為0.008 mm的參數(shù)組合，相對(duì)于單一變量設(shè)計(jì)，采用優(yōu)化設(shè)計(jì)極大減少了運(yùn)算量且求解結(jié)果準(zhǔn)確度高為采用零點(diǎn)定位系統(tǒng)的相似部件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一種高效、可行的方法。零點(diǎn)定位系統(tǒng)重復(fù)定位精度為0.005 mm提高了錐筒裝夾定位精度，錐筒大端與小端之間換裝采用同一標(biāo)準(zhǔn)接口解決了專用工裝數(shù)量多，換裝過程復(fù)雜等問題。