基于ANSYS的薄壁包裝件加工分析

汪 程， 潘鐘鍵

（九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院，九江 332007）

0 引言

薄壁包裝件在現(xiàn)代生活運(yùn)用廣泛，大多數(shù)的包裝件中采用薄壁件。但大多數(shù)薄壁件在加工過(guò)程中，普遍存在加工變形過(guò)大、失真、加工精度不能保證等問(wèn)題。這是由于在銑削加工時(shí)，薄壁工件受夾具的夾緊力、刀具的切削力共同作用而發(fā)生一定程度的變形，為此在加工過(guò)程中，必須采用一定的方法來(lái)控制工件變形，以達(dá)加工的效果。通常通過(guò)合理選擇切削參數(shù)、優(yōu)化裝夾方案，或者合理選擇刀具、優(yōu)化刀具路徑等，其中，優(yōu)化裝夾方案是最重要的一項(xiàng)。

機(jī)械制造工藝中規(guī)定，工件的安裝包括兩大部分，夾緊和定位。工件的安裝是將被加工的零件正確合理的放置到夾具中，利用機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)工件進(jìn)行夾緊，一般情況下采用虎鉗裝夾，保證在加工過(guò)程中不會(huì)因?yàn)槭艿角邢髁Φ扔绊懚l(fā)生位置上的改變。工件的安裝一般都是通過(guò)夾具來(lái)實(shí)現(xiàn)，夾具在安裝過(guò)程中起到的主要作用是對(duì)定位、對(duì)工件約束并且支撐，為此需要合理的設(shè)計(jì)布局夾具才能達(dá)到好的裝夾效果。薄壁箱體件在安裝過(guò)程中主要是受到夾具的夾緊力作用，隨著銑削的進(jìn)行，工件逐漸變薄，然后夾緊力沒(méi)有發(fā)生變化，進(jìn)而使其發(fā)生局部變形，從而影響了工件的加工精度，工件的局部變形使得銑削刀具與工件的相對(duì)坐標(biāo)發(fā)生改變，從而大大影響零件的精度。工件的加工過(guò)程中，決大部分的加工誤差都是由于裝夾所引起的，因此，對(duì)于薄壁件的裝夾尤為重要，減小裝夾所引起的彈性變形是提高零件加工精度的重要技術(shù)手段。本文使用ANAYS軟件對(duì)薄壁包裝件進(jìn)行分析，優(yōu)化裝夾方案。

1 三維建模

利用Pro/E軟件進(jìn)行三維建模，工件尺寸為150mm×150mm×20mm,銑削內(nèi)腔后壁厚為5mm，加工工藝要求型腔內(nèi)表面平面度為0.02，內(nèi)表面與圓柱孔的垂直度公差為0.003，如果裝夾使工件變形過(guò)大，加工精度將不能滿(mǎn)足要求，三維模型如圖1所示。

圖1 薄壁件三維模型

通過(guò)對(duì)薄壁件進(jìn)行分析，周邊最薄處和底部壁厚均為5mm，采用虎鉗裝夾，可能會(huì)對(duì)工件產(chǎn)生變形，下面通過(guò)ANAYS軟件對(duì)其進(jìn)行分析。

2 有限元分析

Pro/E中的機(jī)械設(shè)計(jì)模塊比較容易操作，它可繪制比較復(fù)雜的模型。與Pro/E相比，ANSYS的建模相對(duì)比較困難。通過(guò)ANSYS和Pro/E的接口，能解決在ANSYS中建模難的困難。本產(chǎn)品的材料為45號(hào)鋼，其彈性模量為210Gpa，泊松比為0.3。將模型導(dǎo)入ANSYS中，利用ANSYS對(duì)其設(shè)定參數(shù)，劃分單元網(wǎng)格，劃分后其圖形如圖2所示。

圖2 工件單元的劃分

2.1 虎鉗裝夾分析

虎鉗裝夾是數(shù)控加工中最常見(jiàn)的一個(gè)裝夾工具，首先用虎鉗對(duì)其裝夾進(jìn)行加工，利用ANSYS進(jìn)行分析。通過(guò)對(duì)其約束加載，在工件的側(cè)面和底面進(jìn)行約束，裝置的虎鉗夾最小夾緊力為280KG，折合成夾緊力F，其值為:

F=280Kg×9.8N/Kg=2744N

將2744N的作用力，作用在裝夾的兩個(gè)側(cè)面上。裝夾受力如圖3所示。

圖3 虎鉗裝夾受力示意圖

通過(guò)網(wǎng)格劃分，兩側(cè)面一共有98個(gè)節(jié)點(diǎn)，將2800N的作用力均勻加載在98個(gè)節(jié)點(diǎn)上，則每個(gè)節(jié)點(diǎn)受力為F1

將28N的作用力作用在工件的兩側(cè)，通過(guò)ANSYS對(duì)其進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)工件在虎鉗裝夾力的作用下發(fā)生了變形，如圖4所示。圖5所示為X向的應(yīng)力曲線。

圖4 工件在虎鉗裝夾作用下的受力分析

圖5 裝夾時(shí)X方向應(yīng)力曲線

工件在虎鉗裝夾的作用下，由于加工過(guò)程中側(cè)壁越來(lái)越薄，最終在虎鉗的作用力下發(fā)生了較為嚴(yán)重的變形，嚴(yán)重影響了工件的加工精度。

2.2 壓板裝夾分析

壓板裝夾是薄壁件加工中常用的一個(gè)工裝，多用于數(shù)控銑削加工。采用4個(gè)工裝壓板，壓住工件的四個(gè)角，再對(duì)工件的型腔進(jìn)行加工。壓板由螺栓擰緊，產(chǎn)生壓緊力，設(shè)計(jì)的螺栓產(chǎn)生的壓緊力為30KG，對(duì)4個(gè)角均進(jìn)行壓緊，則總的壓緊力為F2

單元?jiǎng)澐謱⒐ぜ乃膫€(gè)角劃分節(jié)點(diǎn)為105個(gè)，則每個(gè)節(jié)點(diǎn)受到向下的壓力為F3

在該作用力下，工件產(chǎn)生的變形很小，為0.008mm，其變形量與螺栓的擰緊力大小有關(guān)，故擰緊力不宜過(guò)大，在本次加工中變形可以忽略不計(jì)，其ANSYS分析的圖形如圖5所示。

圖5 在工裝下的受力分析

2.3 數(shù)學(xué)模型的建立與分析

該尺寸的設(shè)計(jì)與優(yōu)化與傳統(tǒng)算法過(guò)程一致，以尋找一個(gè)最佳的裝夾方案。通過(guò)修改變量和約束條件改變函數(shù)關(guān)系，該工件裝夾方案的數(shù)學(xué)模型為：

在上式中：工件的長(zhǎng)寬高為L(zhǎng)、H，整體結(jié)構(gòu)的最大當(dāng)量應(yīng)力強(qiáng)度σea，V1是目標(biāo)變量，可以建立工件尺寸大小與變形之間的關(guān)系模型。

按第四強(qiáng)度理論，要求等效應(yīng)力≤屈服極限，即

式中： σz—軸向應(yīng)力分量；

σr—徑向應(yīng)力分量；

σθ—周向應(yīng)力分量；

τxy—剪切應(yīng)力分量。

通過(guò)計(jì)算，采用工裝狀態(tài)下的應(yīng)力最大值小于材料的應(yīng)力。

3 結(jié)論

利用有限元分析軟件，對(duì)工件的兩種狀態(tài)加工進(jìn)行了分析，得出薄壁件在加工前應(yīng)充分考慮加工工藝。在用壓板進(jìn)行裝夾時(shí)，擰緊力過(guò)大容易產(chǎn)生變形，過(guò)小在銑削過(guò)程中容易產(chǎn)生振動(dòng)。在整個(gè)加工過(guò)程中，首先采用虎鉗裝夾，利用大得切削量銑削，消除大部分余量，但必須為精加工留下足夠的加工余量，再利用壓板進(jìn)行裝夾，進(jìn)行精加工，達(dá)到規(guī)定的精度。

加工前可以利用ANSYS進(jìn)行初步分析，為精加工提供一個(gè)合適的余量，這樣不僅保證了加工的精度，也提高了加工效率。

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