氣缸蓋氣門座圈與導(dǎo)管加工夾具的有限元分析

韋海燕

（柳州五菱柳機(jī)動(dòng)力有限公司，廣西柳州545005）

氣缸蓋氣門座圈與導(dǎo)管加工夾具的有限元分析

韋海燕

（柳州五菱柳機(jī)動(dòng)力有限公司，廣西柳州545005）

夾具是零件加工工藝系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，夾具的設(shè)計(jì)對(duì)零件的加工精度產(chǎn)生很大的影響。利用simlab與abaqus軟件對(duì)加工夾具進(jìn)行有限元分析，結(jié)果表明加工夾具受力比較均勻，沒(méi)有局部應(yīng)力大的區(qū)域，可滿足加工要求。通過(guò)有限元分析，提高了夾具設(shè)計(jì)的效率。

夾具；simlab；abaqus；有限元分析

氣缸蓋的氣門座圈及導(dǎo)管，設(shè)計(jì)要求非常的高。在加工的過(guò)程中，一些很小的原因及變化都會(huì)對(duì)其精度造成很大的影響。對(duì)于加工氣門座圈及導(dǎo)管孔的加工夾具，由于設(shè)計(jì)的原因?qū)е乱鸬淖冃危茈y在加工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行修正及解決，需要重新改造夾具，嚴(yán)重的時(shí)候需要重新設(shè)計(jì)。這對(duì)于生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，既造成生產(chǎn)成本的浪費(fèi)，又大大影響了加工的進(jìn)度。

有限元分析是一種新型的技術(shù)，能夠進(jìn)行動(dòng)態(tài)的模擬仿真并進(jìn)行分析，可以模擬夾具在加工過(guò)程中有可能發(fā)生的變形及變形的情況，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)有限元分析的結(jié)果，對(duì)夾具進(jìn)行改造或優(yōu)化，選擇合理可靠的結(jié)構(gòu)。這樣可以減少設(shè)計(jì)失誤，降低成本投資，對(duì)氣門座圈和導(dǎo)管孔的加工工藝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)有很大的作用，是對(duì)傳統(tǒng)夾具設(shè)計(jì)方法的一種革新，可以為企業(yè)創(chuàng)造更好的效益。

1 夾具設(shè)計(jì)

1.1 定位方式的選擇

加工氣門座圈及導(dǎo)管孔的加工夾具，查閱資料可知，根據(jù)加工類型不同，通常所采用的定位夾緊方式也不同，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需要，采用圓柱銷配合菱形銷的“一面兩銷”的定位方式，即通過(guò)限制一個(gè)平面、兩個(gè)定位銷來(lái)對(duì)零件的三個(gè)自由度進(jìn)行限制，從而保證零件的狀態(tài)是加工時(shí)的正確位置。

1.2 切削力及夾緊力計(jì)算

使用刀具：復(fù)合成型刀（刀體：合金鋼，刀片：鎢鋼，銑鉸刀：硬質(zhì)合金，φ5.5 mm），刀具結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 復(fù)合成型刀結(jié)構(gòu)示意圖

切削力的計(jì)算公式為：

Fx=420D1.2f0.75Kp（見(jiàn)《金屬切削機(jī)床夾具設(shè)計(jì)手冊(cè)》[1]表3-71）

其中，D為鉆頭直徑，為φ5.5 mm；f為每轉(zhuǎn)進(jìn)給量，為0.05 mm/r；Kp為修正系數(shù)，查《金屬切削機(jī)床夾具設(shè)計(jì)手冊(cè)》[1]表3-72可知，Kp取1.0.

因此，由此計(jì)算得出：

Fx=420×5.51.2×0.050.75×1.0=343.49 N

在計(jì)算加工的切削力時(shí)，需要把安全系數(shù)也考慮在計(jì)算里。而安全系數(shù)K=K1K2K3K4.

其中：K1是基本的安全系數(shù)，為1.5；K2是加工的性質(zhì)系數(shù)，為1.1；K3是刀具的鈍化系數(shù)，為1.1；K4是繼續(xù)切削系數(shù)，為1.1；

夾緊力為：

氣缸選用φ100 mm，氣缸的效率85%.

當(dāng)壓縮空氣單位壓力：

P=0.6 MPa=0.6×10.332 3 kg/cm2

1個(gè)缸徑100 mm的面積:

100/2×100/2×3.14/100=78.5 cm2

根據(jù)工件的形狀特點(diǎn)及加工要求，選用4個(gè)氣缸夾緊。

4個(gè)缸徑100 mm的面積：78.5×4=314 cm2氣缸推力N氣=0.6×10.332 3×157×0.85% =1 654.61 N＞685.78 N

因此，本夾具可安全工作。

1.3 夾具裝配圖

在生產(chǎn)實(shí)際中，加工氣門座圈及導(dǎo)管孔的加工夾具采用圓柱銷配合菱形銷的“一面兩銷”的定位方式，根據(jù)工件的形狀特點(diǎn)及加工要求，選用4個(gè)氣缸進(jìn)行夾緊。根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)情況，采用單件手工氣缸夾緊，通過(guò)第四軸旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)零件加工。夾具裝配圖示意圖如圖2所示。

圖2 夾具裝配示意圖

1.4 夾具各部件及裝配模型的建立

通過(guò)理論的計(jì)算，可以得出夾具的一些主要的參數(shù)，使用三維模型軟件（在本文中，所選用的三維軟件是UG 6.0）來(lái)建立夾具詳細(xì)的實(shí)體模型。利用實(shí)體模型來(lái)導(dǎo)入至選定的有限元軟件中。在最開(kāi)始首先需要建立夾具的實(shí)體模型。在建立實(shí)體模型的時(shí)候，需要注意選用正確的結(jié)構(gòu)形式，這個(gè)實(shí)體模型建立的好壞決定了有限元分析的結(jié)果，因此實(shí)體模型的建立是一項(xiàng)非常重要并且有意義的工作。

本文在進(jìn)行夾具實(shí)體建模的時(shí)候，在一些細(xì)節(jié)上采用簡(jiǎn)化處理，比如夾具上的一些倒角與圓角，還有一些螺絲孔的等，都進(jìn)行了忽略處理，這是因?yàn)檫@些結(jié)構(gòu)對(duì)于這個(gè)夾具來(lái)說(shuō)，不會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)上的變化，它們不會(huì)對(duì)有限元分析的結(jié)果產(chǎn)生決定性的影響，即使忽略了，也是完全可以保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性的。

利用UG軟件進(jìn)行三維實(shí)體建模，得到夾具結(jié)構(gòu)的模型如圖3所示。

圖3 夾具的實(shí)體模型圖

2 夾具有限元分析

在一般的情況下，建立夾具的有限元模型，可以分成以下幾個(gè)步驟：

2.1 導(dǎo)入模型

使用三維實(shí)體軟件UG來(lái)完成夾具的實(shí)體結(jié)構(gòu)模型的建立以后，因?yàn)閁G軟件與simlab軟件可以通過(guò)接口來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換，所以可以把三維實(shí)體模型（通過(guò)parasolid格式）導(dǎo)入至simlab軟件當(dāng)中。首先，在UG軟件中，把實(shí)體模型轉(zhuǎn)化成step格式的模型，然后在simlab軟件中，打開(kāi)此格式的模型即可。

2.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是建立有限元模型的重要環(huán)節(jié)之一，它是有限元分析的基礎(chǔ)。把網(wǎng)格進(jìn)行劃分，目的是把連續(xù)體在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行離散化，把連續(xù)體劃分為很多個(gè)單元的集合。網(wǎng)格劃分決定了有限元分析的速度和精度，把網(wǎng)格劃分得越細(xì)，得出的結(jié)果就越接近真實(shí)的值。這樣不代表說(shuō)網(wǎng)格劃分得越細(xì)越好，因?yàn)榫W(wǎng)格越細(xì)，計(jì)算的時(shí)候需要更多的時(shí)間，而且對(duì)計(jì)算機(jī)提出更高的要求，并且這樣會(huì)降低工作的效率[2]。但是如果采用當(dāng)前的密度所求得的解已經(jīng)很接近理論解，再把劃分的網(wǎng)格分得更細(xì)就沒(méi)有什么大的意義了，并且由此會(huì)大量耗費(fèi)計(jì)算機(jī)的資源，大量的延長(zhǎng)計(jì)算時(shí)間，反而降低了效率。

網(wǎng)格劃分密度需注意的兩個(gè)原則[3]：

(1)對(duì)應(yīng)變和應(yīng)力比較敏感的區(qū)域應(yīng)該劃分細(xì)一些；

(2)如果分析中涉及非線性的因素，在劃分網(wǎng)格的時(shí)候應(yīng)劃分到能夠反應(yīng)非線性因素的程度。

網(wǎng)格劃分密度的兩個(gè)原則表達(dá)的就是在分析的精度和分析過(guò)程中所需要的時(shí)間上找到一個(gè)最佳的平衡點(diǎn)。

本文對(duì)夾具進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分時(shí)，將夾具主要區(qū)域的網(wǎng)格設(shè)為5.為了保證網(wǎng)格劃分的質(zhì)量，在夾具模型的網(wǎng)格劃分好之后還需要對(duì)模型所劃分得網(wǎng)格進(jìn)行檢查。經(jīng)過(guò)對(duì)網(wǎng)格的重復(fù)單元、重復(fù)節(jié)點(diǎn)、自由的單元邊及長(zhǎng)寬比等各個(gè)方面進(jìn)行全面的檢查之后，就可以得到夾具的有限模型。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，通過(guò)創(chuàng)建RBE2剛性單元，夾具上的工件用質(zhì)心（通過(guò)UG測(cè)算出）表示，最終得到夾具的有限元模型如圖4所示。

圖4 夾具的有限元模型

2.3 創(chuàng)建接觸

創(chuàng)建接觸的具體步驟如下：

（1）選擇主動(dòng)面，從動(dòng)面；

（2）選擇接觸類型；

（3）設(shè)置摩擦系數(shù)；

（4）創(chuàng)建面與面的接觸；

（5）輸入調(diào)整容差。

經(jīng)過(guò)上述步驟后，創(chuàng)建了夾具的接觸，如圖5所示。

圖5 夾具接觸示意圖

2.4 創(chuàng)建材料

夾具的底板采用灰鑄鐵HT250鑄成，其余部件采用45#鋼。其力學(xué)參數(shù)如表1所列。分別按照這兩種材料的力學(xué)性能創(chuàng)建材料屬性。

表1 材料力學(xué)參數(shù)表

2.5 定義屬性

完成材料創(chuàng)建后，將上步所定義材料的屬性賦予夾具各零部件（創(chuàng)建的RBE2單元也必須定義）。

2.6 定義約束

考慮在夾具使用過(guò)程中的實(shí)際情況，將夾具底板（body1）的底面，夾具左右側(cè)支撐板（body2，body2-1）的外側(cè)面進(jìn)行全約束，對(duì)旋轉(zhuǎn)軸（主動(dòng)端：X軸旋轉(zhuǎn)，從動(dòng)端：全約束）進(jìn)行約束，如圖6所示。

圖7 定義夾具約束

2.7 施加載荷

在夾具的主動(dòng)部件（body3-1）的外表面施加X(jué)方面旋轉(zhuǎn)的扭矩（最大扭矩850 N·m），在工件的質(zhì)心點(diǎn)處施加質(zhì)量（mass=0.006 33 t），如圖7所示。

圖7 夾具施加載荷后示意圖

2.8 導(dǎo)出inp文件

在施加載荷與創(chuàng)建分析步后，從simlab導(dǎo)出abaqus的inp文件，初始分析步設(shè)為0.1，打開(kāi)非線性non-linear。

2.9 提交計(jì)算

本文采用abaqus command來(lái)執(zhí)行imp腳本。

經(jīng)過(guò)對(duì)夾具進(jìn)行有限元分析，夾具等效應(yīng)力云圖如圖8所示。從圖中可以看出，最大等效應(yīng)力為14.71 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度（250 MPa），夾具的受力在安全的范圍之內(nèi)，并且?jiàn)A具的安全系數(shù)也在設(shè)計(jì)要求之內(nèi)，故本夾具滿足設(shè)計(jì)要求。

圖8 夾具等效應(yīng)力云圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)氣缸蓋的氣門座圈及導(dǎo)管加工夾具進(jìn)行了設(shè)計(jì)，還引入有限元分析，利用simlab與abaqus軟件對(duì)加工夾具進(jìn)行受力分析，經(jīng)過(guò)分析，發(fā)現(xiàn)加工夾具受力均勻，沒(méi)有局部應(yīng)力特別大的區(qū)域，最大等效應(yīng)力比材料的屈服強(qiáng)度小很多，在安全的范圍內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)和加工的要求。通過(guò)有限元分析，可以提前預(yù)知加工過(guò)程中出現(xiàn)的情況，可以減少失誤，降低成本投資，對(duì)氣門座圈和導(dǎo)管孔的加工工藝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)有很大的作用，是對(duì)傳統(tǒng)夾具設(shè)計(jì)的一種革新，可以為企業(yè)創(chuàng)造更好的效益，值得大范圍推廣。

[1]浦林祥.金屬切削機(jī)床夾具設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995.

[2]齊孟雷.基于ANSYS球頭銑刀建模與靜力、模態(tài)分析[J].裝備制造技術(shù)，2014（01）：8-10.

[3]王醒華，陳顯鋒，劉整社，等.飛行控制系統(tǒng)的一體化仿真軟件SIMLAB[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，1996（03）：19-21.

Finite Element of Cylinder Head Valve Seat and Guide Machining Fixture Analysis

WEI Hai-Yan
（Liuzhou Wuling Limited Company Co.，Ltd.，Liuzhou Guangxi 545005，China）

Fixture is the key part of the process system of the parts，the design of the fixture has a great influence on the machining precision of the parts.Use of SIMLAB and ABAQUS software to analyze the machining fixture. The results show that the stress of the machining fixture is uniform，and there is no area of local stress，which can meet the processing requirements.Through the finite element analysis，the efficiency of fixture design is improved.

fixture；simlab；abaqus；the finite element analysis

U463

：A

：1672-545X（2017）01-0046-04

2016-10-10

韋海燕（1984-），女，廣西南寧人，工程師，研究生，工程碩士，研究方向：機(jī)電一體化、先進(jìn)制造。