基于ABAQUS的撥叉鉆孔專用夾具有限元分析與結構優(yōu)化

張森

（200093 上海市 上海理工大學 機械工程學院）

0 引言

隨著汽車行業(yè)的快速發(fā)展，汽車的各個零部件開始逐步大規(guī)模生產，汽車的撥叉作為變速箱的重要零部件，其加工精度往往會對汽車變速箱的整體性能產生一定的影響[1]。由于汽車的撥叉零件外形比較復雜，加工難度較大，為此在大批量生產過程中，為了能夠提高零件加工的生產效率，降低勞動成本，保證加工質量和加工精度，則需專門設計針對該工序的專用夾具[2]。對于機床加工，夾具是工藝裝備制造的重要組成，加工工件需要通過它固定，從而實現(xiàn)零部件的快速夾緊和定位[3]。專用夾具在夾緊工件的過程中，夾緊作用力的大小將會直接影響工件的質量。若夾緊作用力過小，則會造成工件移位，無法保證加工精度；若夾緊作用力過大，則會造成夾具體與工件的變形，無法保證加工質量。為了保證設計的專用夾具滿足工件加工的使用要求，本文主要研究某汽車變速撥叉零件加工所用的鉆孔專用夾具，并通過ABAQUS 仿真軟件分析了夾具體在加工過程中的應力變化與位移變化，為實際撥叉零件的大批量生產制造提供參考。

1 某汽車撥叉專用夾具模型的建立

本次所加工的零件為某汽車的變速撥叉零件，遵循六點定位原則并同時對零件進行夾緊[5]，定位方式與鉆孔加工部位如圖1 所示。

圖1 撥叉零件定位與加工示意圖Fig.1 Schematic diagram of positioning and machining of a fork part

根據(jù)加工工序的要求，通過SolidWorks 三維軟件設計出符合鉆孔工序的專用夾具，通過圓柱銷、活動V 型塊、鉆孔夾具體等對撥叉零件進行自由度限制，同時通過旋轉手柄對工件進行夾緊。夾具體裝配圖如圖2 所示。

圖2 鉆孔夾具體三維裝配圖Fig.2 Three-dimensional assembly drawing of drilling fixture

2 鉆孔專用夾具體受力分析

2.1 鉆孔切削力估算

在加工過程中，刀具所采用的材料為高速鋼的鉆頭，根據(jù)經(jīng)驗公式[5]可知，鉆孔時所需切削力Ff為

式中：D——鉆頭刀具的直徑，D=15 mm；f——每轉進給量，f=0.22 mm/r；Kp——鉆頭刀具的修正系數(shù)，Kp=0.16。

將數(shù)值代入式（1）可估算出鉆孔時所需切削力Ff=955.08 N。

2.2 夾緊力估算

機床在加工過程中，工件的夾緊力會受到鉆孔時切削力的影響，夾緊力與切削力方向垂直，則根據(jù)夾緊力的經(jīng)驗公式[5]可知

式中：μ1——撥叉工件已加工面與夾具體之間的摩擦系數(shù)；μ2——夾緊元件與撥叉夾緊表面之間的摩擦系數(shù)，分別取μ1=0.16，μ2=0.7；K——安全系數(shù)，取值K=1.56。

經(jīng)計算，可估算出撥叉零件所需夾緊力大小為1 732.47 N。

3 有限元仿真分析

3.1 夾具體網(wǎng)格劃分

通過SolidWorks 建立完夾具體三維模型之后，導入到ABAQUS，對該模型進行材料屬性的賦予，材料屬性如表1 所示。需要對夾具體模型進行網(wǎng)格劃分，為提高網(wǎng)格質量，本次模型采用四面體網(wǎng)格劃分,劃分網(wǎng)格的單元類型為C3D10，單元總數(shù)為54 216，結點總數(shù)為83 466，鉆孔專用夾具體網(wǎng)格劃分如圖3 所示。

表1 夾具體材料屬性Tab.1 Fixture material properties

圖3 鉆孔專用夾具網(wǎng)格劃分示意圖Fig.3 Schematic diagram of meshing of drilling fixture

3.2 夾具體載荷及邊界約束

專用鉆孔夾具體在工件與定位元件接觸并且夾緊撥叉工件時，也會受到方向相反、大小相等的同等載荷力，該載荷力均勻分布在工件與V 形塊和圓柱銷的接觸面上，夾具體上的載荷力分布如圖4 所示。夾具體通過導軌裝配固定在機床上，需要對夾具體的底部位置進行固定約束，夾具體的邊界約束如圖5 所示。

圖4 夾具體載荷分布Fig.4 Fixture load distribution

圖5 夾具體邊界約束Fig.5 Fixture boundary constraints

3.3 仿真結果分析

3.3.1 夾具體應力分析

機床在加工的過程中，專用夾具體受到載荷力之后，應力分布云圖如圖6 所示。

圖6 專用夾具受力分布示意圖Fig.6 Schematic diagram of force distribution of the fixture

從圖6 可以看出，鉆孔專用夾具上主要是圓柱銷與V 形塊所受到的應力最為集中，夾具體在定位夾緊工件時，各個部件都需要具有較強的承受壓力的能力，這樣才不會導致夾具體因為夾緊力等作用而受到破壞。觀察該夾具體的應力分布狀況可知，定位元件所受到的最大應力為177.2 MPa，其應力值低于夾具體灰鑄鐵材料的屈服強度，夾具體上其他部件也都不會因為夾緊力作用而發(fā)生損壞，故本次所用的專用夾具體符合設計強度要求。

3.3.2 夾具體位移分析

工件在定位夾緊過程中，夾具體往往會產生相對的位移變形，位移變形會影響零件的加工精度，從而影響加工質量，其位移分布云圖如圖7 所示。

由圖7 可知，鉆孔專用夾具的最大變形是發(fā)生在移動V 形塊上的，其最大位移變形量為1.728×10-8mm，圓柱銷的位移變形量也很小，滿足撥叉零件的孔加工要求。

圖7 專用夾具位移分布示意圖Fig.7 Schematic diagram of displacement distribution of fixture

3.3.3 夾具體模態(tài)分析

在設計撥叉零件專用鉆孔專用夾具體過程中，需要確保夾具體在受到切削力與夾緊力等外力作用下，不會產生過大的振動，因此在設計夾具體結構時需要合理，避免其受力而產生不良的振動影響，保證在加工過程中的穩(wěn)定。ABAQUS 中模態(tài)分析可以計算出夾具體的固有頻率振動特性，可以使得夾具體在結構設計中避免共振[6]，提高機床加工的穩(wěn)定性。本文通過約束夾具體，得到夾具體的前六階固有頻率如表2 所示，夾具體的一階振型圖如圖8所示。

表2 前6 階夾具體的固有頻率Tab.2 Specific natural frequencies of the first six orders of fixture

圖8 1 階固有頻率振型示意圖Fig.8 Schematic diagram of the first-order natural frequency oscillation

由表2 和圖8 可知，鉆孔專用夾具體的1 階固有頻率為182.9 Hz，其振型特點是鉆模板向上變形。一般鉆孔粗加工或者精加工過程中，切削力與夾緊力等力的作用所產生的振動頻率一般在10～50 Hz 左右[7]，而本次仿真計算得出夾具體的固有頻率，都遠大于粗加工或加工過程中作用力所造成的振動頻率，故本次設計的鉆孔專用夾具體結構合理，在加工過程中不會發(fā)生共振，具有較為良好的吸振特性。

4 夾具體結構優(yōu)化設計

4.1 優(yōu)化結構設計

一般的優(yōu)化結構設計原理都是將工程問題轉變?yōu)閿?shù)學問題來進行解決，它可以為工程設計提供合適的優(yōu)化方案[8]。

為提高鉆孔夾具體的剛度特性及整個夾具體的抗震性能，本文在不改變夾具體整體結構的狀況下對鉆模板進行了優(yōu)化設計，在倒L 型的支撐板之間設計了2 個板筋，通過板筋的固定使得夾具體能夠穩(wěn)定地進行加工。設計方案如圖9 所示。

圖9 優(yōu)化方案示意圖Fig.9 Schematic diagram of optimization scheme

4.2 優(yōu)化結果分析

通過對優(yōu)化方案的模態(tài)分析，可以得到優(yōu)化之后夾具體的固有頻率值，如表3 所示。

表3 優(yōu)化方案的6 階固有頻率Tab.3 6th order natural frequency of optimized solution

對比之前設計方案的6 階固有頻率結果，可以知道在對鉆模板設計了2個對稱的加強筋之后，鉆孔夾具體的整體的固有頻率都有所增加，優(yōu)化之后的1 階固有頻率增加了12.28%，2 階固有頻率增加了0.91%，3 階固有頻率增加了3.4%，4 階固有頻率增加了2.1%，5 階固有頻率增加了0.53%，6 階固有頻率增加了10.7%。由此通過局部的優(yōu)化設計提高了整體的固有頻率，使得夾具體在夾緊加工中，避免產生共振，大大提高了夾具體的剛度性能。

5 結論

基于ABAQUS，對所設計的某汽車撥叉零件鉆孔專用夾具進行了應力、位移以及模態(tài)分析，結果表明夾具體所受到的最大應力值177.2 MPa 小于夾具體材料的屈服強度，工件在定位夾緊過程中產生的最大位移變形量為1.728×10-8mm，不會對零件的加工精度產生影響。同時，通過對撥叉零件鉆孔專用夾具體進行模態(tài)分析，得到本次所設計的夾具體的固有頻率和振型，分析出在鉆孔加工過程中作用力產生的振頻不會與夾具體產生共振。通過優(yōu)化設計，提高了夾具體的整體固有頻率，大大提高了夾具體的穩(wěn)定性。