多點式環形自適應夾具的應用分析

趙東宏，盧章平，王庭俊，王武林

(1.江蘇大學 機械工程學院，江蘇 鎮江 212013；2. 揚州工業職業技術學院，江蘇 揚州 225127)

軸承套圈等環形薄壁件通過熱加工工藝獲得的毛坯表面通常呈不規則曲面形狀，進一步加工裝夾時，毛坯與夾具在徑向和軸向上接觸不均勻，導致局部夾緊應力和變形較大，由此產生的殘余應力在熱處理時會導致較大的局部變形，即使通過后續多道工序也難以完全消除。而且殘余應力在使用過程中會持續釋放，顯著降低工件的精度壽命。

目前圍繞薄壁件變形問題的研究很多，文獻[1]通過有限元分析研究裝夾位置、裝夾順序及加載方式對薄壁殼體變形的影響；文獻[2]研究了自由曲面定位點選取的算法與夾緊點選取策略；文獻[3]采用工藝優化控制變形；文獻[4-6]則以變形預測和補償為研究對象。目前的這些研究重點集中在變形預測和工藝優化方面，下文則以薄壁套圈為對象，研制多點式自適應環形夾具，在增加曲面接觸點的同時保證各接觸點處夾緊力的均勻性。

1 傳統環形零件夾具

薄壁軸承套圈鍛件毛坯表面多為不規則形狀。首道工序為夾外圓車內孔，使用三爪自定心卡盤直接夾緊(圖1a)，環形薄壁毛坯會產生三棱形(圖1b)，車內孔(圖1c)后卡盤松開，內孔會由于彈性變形的恢復而形成如圖1d所示的三棱形。

圖1 三爪卡盤裝夾變形示意圖

針對薄壁套圈特點，目前生產中廣泛使用浮動夾具夾持毛坯，其中圓弧式浮動夾具(圖2a)和卡爪式浮動夾具(圖2b)與工件為6點接觸，前者剛性好、夾持牢固，但浮動性較差，后者浮動性好，但由于是懸壁梁結構夾持牢固性稍差。圖2c所示為卡爪式雙浮動夾具[7-8]，其與工件的接觸點增加到12個，夾緊力比較均勻，但受結構限制夾持直徑較小零件時局部的浮動性不夠理想，沿軸線方向單點接觸狀態也沒有改變。

2 多點式環形自適應夾具

曲面夾具設計原則是夾緊點應盡可能多而分散，環形毛坯在徑向和軸向上都應該有分布均勻的接觸點。多點式環形自適應夾具[9]綜合了機械結構和液壓結構的優點，在接觸點均布的同時，還能保證各接觸點處夾緊力的均勻性。

研制設計的多點式環形自適應夾具如圖3所示，選用三爪自定心卡盤作為動力裝置，弧形液壓座分別固定在卡盤的3個基爪上，可以同步向心移動。每組弧形液壓座內都有容納液體的空腔及若干個與空腔相連的卡爪孔，卡爪孔與卡爪滑動配合。3組弧形液壓座內的空腔通過軟管相連，從而保證空腔內壓強一致。卡爪與毛坯外表面接觸，其數量和排布方式以夾緊點分散均勻為原則，軸向長度較大的毛坯應該在軸向上安排多組卡爪。圖3中設置有2組軸向卡爪，而目前常用的浮動夾具由于結構的限制軸向只能有1組卡爪。

1—軟管；2—弧形液壓座；3—卡盤座；4—卡爪；5—基爪；6—環形薄壁毛坯

與傳統夾具明顯不同的是，多點式環形自適應夾具增加了柔性粗定位功能，如圖4所示。每個卡爪都有一根過軸線的粗定位彈簧鋼絲，其兩端與弧形液壓座上的孔為間隙配合，裝夾前可以保證每根卡爪都有相對一致的徑向位置，裝夾過程中隨著3個弧形液壓座同步向心運動，每根卡爪移動的距離受曲面形狀影響并不相同，即每根卡爪都是浮動的；另一方面由于每根卡爪尾部都在同一個液壓腔內，壓強相等，與工件的接觸力相等，因此多點式環形自適應夾具與工件為多點等力接觸狀態，夾緊力導致的殘余應力數值會明顯減小，分布更加均勻。

1—彈簧鋼絲堵頭螺釘;2—粗定位彈簧鋼絲；3—卡爪；4—弧形液壓座

多點式環形自適應夾具與傳統浮動夾具的操作步驟相同，使用方便。具體工作過程為：環形毛坯端面定位→啟動三爪自定心卡盤→固定在3個基爪上的弧形液壓座同步向心移動→毛坯部分表面與卡爪接觸→毛坯在彈簧鋼絲彈力作用下向心移動完成粗定心→每根卡爪克服彈簧鋼絲彈力繼續向心移動，其移動距離與接觸點毛坯表面形狀直接相關→完成浮動夾緊過程。

3 環形夾具的有限元分析與對比

為了獲得夾緊變形和應力分布的數據，以名義外徑120 mm，高40 mm，壁厚1.5 mm的薄壁套圈毛坯作為Nastran有限元分析的對象。用6點式浮動夾具模擬目前廣泛使用的圓弧式浮動夾具和卡爪式浮動夾具，建立6點式和多點式夾具和毛坯的三維裝配模型，分別如圖5、圖6所示。毛坯除了釋放徑向自由度外其他方向的自由度全部限制；對于長方形卡爪采用滑塊約束僅允許徑向移動，而圓柱卡爪采用圓柱形約束釋放軸向移動。

圖5 6點式夾具有限元模型

圖6 多點式夾具有限元模型

卡爪頭部端面與毛坯設為平面與曲面(面面接觸)接觸，過盈量為0。在圓周上取150個單元，軸向上取20個單元為計算對象，以毛坯等效應力值及其分布情況作為指標進行對比。6點式夾具與多點式夾具的周向、軸向應力數據對比見表1。由表可知，雖然2種夾具的平均接觸應力非常接近，但多點式夾具最大接觸應力和標準差顯著下降，說明由于接觸點的增多夾緊應力減小，夾緊應力的分布也更加均勻，這對減小薄壁套圈的變形和殘余應力非常有利。

表1 工件周向、軸向接觸應力對比

4 結束語

針對環形薄壁毛坯研制的多點式環形自適應夾具綜合了機械結構和液壓結構的優點，成倍增加了夾具與曲面接觸點數量，同時還能保證各接觸點處夾緊力的均勻性，從而實現了多點浮動的功能。有限元分析和生產實踐證明，夾具能在不影響裝夾效率的同時，顯著減小夾緊變形和殘余應力，增加曲面夾具的夾持穩定性和可靠性，為減小熱處理變形和使用過程中的殘余應力釋放創造了良好的條件。