薄壁殼體零件加工夾具設計

張智森，許永強，陸海桃，戴延豐

(1. 中航工業(yè)金城南京機電液壓工程研究中心 工藝工程部，南京　211106；2. 中航工業(yè)航空機電系統(tǒng)綜合航空科技重點實驗室，南京　211106)

薄壁殼體零件加工夾具設計

張智森1,2，許永強1,2，陸海桃2，戴延豐1,2

(1. 中航工業(yè)金城南京機電液壓工程研究中心 工藝工程部，南京211106；2. 中航工業(yè)航空機電系統(tǒng)綜合航空科技重點實驗室，南京211106)

摘要：為實現(xiàn)對某型薄壁殼體零件加工變形的控制，文章從零件的加工工藝技術條件出發(fā)，結合刀具的切削力以及產品裝夾時的夾緊力對產品變形的影響。通過有限元軟件分析其變形狀態(tài)，并依據(jù)理論分析結論改進設計夾具。實踐證明，該型夾具結構簡單，操作便捷，極大地減少了該型產品夾具因素對加工變形的影響，對類似弱剛度產品加工夾具設計提供了參考。

關鍵詞：夾具設計；弱剛度；有限元分析；加工變形

0引言

薄壁殼體零件廣泛應用于航空航天工業(yè)中，由于其弱剛度、易變形的特點，導致對其加工變形的控制一直是個難點。國內外對該類型變形的研究主要集中在：工件力學特性與結構特點、加工進給參數(shù)選擇、加工殘余應力對產品形變的影響等[1]。

本文主要從刀具切削力以及夾具定位支撐與裝夾機構對產品的靜態(tài)形變影響方面出發(fā)，利用有限元軟件分析從理論上找出零件裝夾薄弱部位，針對此類問題來設計夾具。從而減少刀具切削力因素與裝夾問題對產品靜態(tài)變形的影響，為提高產品的加工合格率，加快弱剛度類零件的夾具設計效率提供了參考。

1薄壁殼體零件工藝性分析

該型薄壁殼體零件是航空機電殼體零，由上下兩個半殼體組合而成，其材料為鑄造鋁合金，代號是ZL114A—T6，材料牌ZAlSi7Mg1A[2]。其結構示意圖如圖1所示。

該零件為薄壁殼體類零件，最小厚度為3mm，其外形結構復雜，內部空腔跨度尺寸大。在整體加工時，由于切削量較大，切削熱易引起熱變形。另外加工部位缺乏可靠的結構性支撐，以致在軸位待加工孔加工完成后，在夾具拆卸前后孔對定位面的位置度計量值誤差較大。本文選擇產品加工最后一道工序的精加工作為案例。

圖1　某型機電殼體示意圖

2夾具設計

2.1產品定位

根據(jù)零件加工工藝技術要求結合產品結構特性，該零件加工時以測量基準面作為定位面，以經過預加工的殼體零件安裝螺栓孔作為定位孔安裝菱形銷與圓柱銷，這就限制住了產品的六個自由度，實現(xiàn)完全定位。

2.2夾具設計步驟

該夾具設計從工藝技術要求出發(fā)，將夾具設計分為兩個階段：①分析薄壁殼體零件模型(包括圖紙審核和CAD模型分析)，初步設計出符合定位和夾緊原理的裝夾方案；②基于上述裝夾方案，根據(jù)定位位置、夾緊位置和夾緊力的大小計算出薄壁殼體件的裝夾變形，并驗證該方案是否滿足所有的約束條件，再根據(jù)變形量大小計算出產品形位位移，并通過對比比較，從幾種備選方案中選出最優(yōu)方案[3]。裝夾方案優(yōu)選流程圖如圖2所示。

圖2　優(yōu)選裝夾方案示意圖

2.3夾緊力對零件靜態(tài)變形的影響

夾緊力大小不僅與切削力和零件自重有關，而且還與作用點和作用方向有關。其大小對零件的靜態(tài)變形有較大的影響。依據(jù)設計步驟，結合零件外形特征，初步設置六塊壓板以均布的方式來保證壓緊力平均分配[4-6]。

2.3.1銑削力計算

根據(jù)銑削力經驗公式[7]結合本案例實際情況，得到銑削力經驗公式：

(1)

其中，銑刀直徑D=2.6mm，銑削速度vc=1382.3mm/min，每齒進給量fz=0.1mm，進給速度vf=300mm/min，軸向切深ap=0.5mm，徑向切深ae=0.5mm。

得：

(2)

由上述結論可知，刀具切削時刀具對工件Z方向的力最大，這會加大產品的切削彈性變形。在夾具設計時需要考慮Z方向力的影響。

2.3.2壓緊力計算

零件的固定主要是靠夾具體上的壓板來保證的，壓緊力需要與切削力和零件自重保持平衡。

根據(jù)壓緊力計算公式(3)所示：

(3)

式中：M—切削扭矩；f—壓板與產品的摩擦系數(shù)，此處為壓板與毛坯面的摩擦系數(shù)選取0.3。由式(3)可知，壓緊力大小還與作用力的方向和作用點有關。

另外在實際生產中還需保留一定的安全系數(shù)K，精加工時K取值為1.5～2.5。在本案例中取值K=2。

綜合公式(1)、(3)計算出六個分布式壓板實際夾緊力大小如表1所示。

表 1　各壓板受力數(shù)據(jù)(單位　N)

2.3.3壓緊力對產品靜態(tài)變形的影響

夾緊力對零件靜態(tài)變形的影響，會直接影響到零件加工的最終精度。因此，在零件加工前，對其受力進行模態(tài)分析，并找出對其變形影響較大的因素。再從改進夾具或者加強產品本身剛性上進行優(yōu)化[8]。

圖3為采用表2中數(shù)據(jù)分析出的產品靜態(tài)變形圖。

圖3　產品靜態(tài)變形示意圖

從圖3可知，零件下殼體軸環(huán)處加工變形較大，結合零件結構特征分析，零件內腔跨度較大，殼體在該部位剛性較弱，需要在夾具上額外增加支撐或者直接增強零件的剛度。夾具經過調整后再次進行仿真，見圖4。

圖4　改進后產品靜態(tài)變形示意圖

零件靜態(tài)下的變形問題已得到極大的改善。

2.4夾具設計

本文采用增加輔助支撐的方式來解決裝夾變形問題[9-11]。根據(jù)2.3節(jié)仿真結果設計夾具最終裝配圖如圖5所示。

1.基體 2.吊環(huán)螺釘 3.壓板 4.壓縮彈簧 5.雙頭螺柱 6.調節(jié)支承 7.菱形銷 8.螺母 9.圓柱銷 10.六角螺母 11.壓板 12.墊圈 13.緊定螺釘 14.雙頭螺柱 15.壓縮彈簧 16.墊圈 17.調節(jié)支撐 18.薄六角螺母

圖5夾具示意圖

圖5為夾具裝配圖，以夾具基體1為基礎進行裝配，產品放置在基體1的上工作面，其放置方向根據(jù)夾具上菱形銷7與圓柱銷9的位置而定。然后依次壓緊各壓板，壓緊螺母初次擰緊為計算壓緊力的50%，待六塊壓板全部安裝好后，再逐步擰緊到計算壓力的80%。然后在腔體內部加工孔側面安裝調節(jié)支承，支承面逐步調整到接觸產品。此時再將壓板調整到計算壓力值。并檢查調節(jié)支承狀態(tài)。

在加工狀態(tài)下，刀具對零件上表面切削的銑削力通過調節(jié)支承傳遞到夾具基體上，避免產品在此發(fā)生彈性變形。

3結束語

本文主要針對薄壁殼體零件的結構特征以及裝夾特點，設計了該型夾具。依據(jù)該款夾具的設計思路，對多型號薄壁殼體零件進行夾具設計，不但縮短了設計周期，而且很大程度上解決了零件裝夾靜態(tài)變形問題，為提高生產效率和經濟效益，作出了很好的探索。

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(編輯趙蓉)

Design of Fixture for Thin-walled Shell

ZHANG Zhi-sen1,2,XU Yong-qiang1,2,LU Hai-tao2, DAI Yan-feng1,2

(1.Engineering Department，Nanjing Engineering Institute of Aircraft Systems, Jincheng,AVIC,Nanjing 211106,China;2. Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Aero Electromechanical System Integration,Nanjing 211106, China)

Abstract：In order to control the deformation of a thin-walled shell parts, this paper is based on the processing technology of the parts, and the influence of the cutting force and the clamping force on the deformation of the product. The deformation state is analyzed by finite element software, and the design fixture is improved according to the analysis conclusion. Practice has proved that the fixture structure is simple and easy to operate. It greatly reduces the influence of the fixture on the machining deformation. It provides a reference for the design of similar products.

Key words：fixture design;low-rigidity ; finite element analysis ; machining distortion

文章編號：1001-2265(2016)06-0155-02 1001-2265(2016)06-0157-04

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.06.043 10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.06.044

收稿日期：2015-07-17；修回日期：2015-08-17

作者簡介：張智森(1982—)，男，湖北荊州人，中航工業(yè)金城南京機電液壓工程研究中心工程師，研究方向為航空精密零件加工工藝裝備設計，(E-mail)15851852796@163.com。

中圖分類號：TH122;TG65

文獻標識碼：A