FEA分析在油泵體車削夾具設計中的應用

陶麗++劉善民

摘 要：齒輪泵一類技術含量高的傳動產品，它以其結構簡單、緊湊、扁平化、重量輕等優點廣泛應用于AT、CVT等汽車上。該泵的零部件均為薄壁、異型且精度高的零件，如果在APQP產品設計和開發階段，對夾具設計考慮不當，易發生工件被夾持變形導致產品不合格的現象，若不及時對夾具進行調整則很難完成產品的PPAP。計算機仿真軟件ANSYS恰能對零件進行模擬加載并記錄零件在加載作用下的變形情況以及外力卸載后零件的回彈情況。文章應用FEA對某產品油泵體車削夾具的進行變形分析，找出了有利于零件加工的裝夾位置以及大小合適的夾持力，取得了很好的加工效果。

關鍵詞：FEA；FEA分析；夾具設計；油泵體

引言

油泵體，是轉子泵的安裝基礎件，其作用是將有關的零件聯成有機整體，使之保持正確的相對位置，其精度直接影響轉子泵的性能、壽命和可靠性。油泵體的主要結構特點是：體積和尺寸小，裝夾易變形，難加工；本文應用FEA對某產品油泵體車削夾具的進行變形分析，找出了有利于零件加工的裝夾位置以及大小合適的夾持力，確定有利于零件加工的裝夾位置及夾持力大小。

1 工藝性分析

某產品油泵體產品結構及關鍵尺寸如圖1，其中由于變形導致難保證的尺寸很多，選擇兩個代表性的尺寸為例：0.03mm的跳動， 0.02mm的平行度。

（1）0.03mm的跳動：0.03mm的跳動，精度很高，要整體考慮形狀和位置，假設它的圓度為0，這要求被測要素與基準要素的同軸最大值為0.015mm，實際上，由于設備主軸跳動，刀具剛性，材質不均勻性，夾持變形等因素存在，要使外圓圓度為0是不可能的，其中影響最大的是夾持變形，若前期夾持方法考慮不當，當產品加工時，產品根本無法滿足客戶要求，綜合考慮各種因素，為保證0.03mm的跳動，考慮如下兩種工藝路線：

a.以？準42N7內孔為中心基準，采用彈簧漲套漲緊的裝夾方式，加工？準133g6和？準50k6外圓；由于？準42N7內孔底部、？準88.1的底部分別與基準A都有0.02mm和0.01mm的平行度要求，且內孔？準42N7與內孔？準88.1不同心，只能分序加工，在兩次裝夾下保證這兩個平行度，是不現實的，這種工藝方案不可行。

b.以？準157外圓為中心基準，三爪夾持基準外圓，端面貼平A面：加工？準133g6、？準50k6外圓和？準42N7內孔。這種裝夾方式，從根本上解決了裝夾誤差，系統累計誤差帶來的影響；由于A、B基準不是同時加工，在分序加工的過程中，0.03mm的跳動值需縮小，在過程控制中將其定為0.018mm。

（2）0.02mm的平行：P面是夾具與零件的貼合面，為了保證0.02mm的平行度，將P面的平面度定位0.01mm。

（3）實際加工情況：此種工藝方案理論可行，在實際加工遇到不小的麻煩；由于外圓不規則，壁厚不均勻，在夾持過程中，零件易變形且回彈，加工完，在夾持力不卸載的情況下，0.018mm的跳動約為0.006mm，P面0.01mm平面度約為0.004mm，一旦外力卸載后，很難達到要求，0.018mm的跳動達到0.025mm，P面0.01mm平面度約為0.015mm。

通過實際加工結果摸索零件變形情況，是不現實的，不僅浪費設備成本、刀具成本、人員成本，還延誤了生產，推遲了產品的交貨，影響很大；基于此原因，我們是不是可以在零件加工前，先將它的受力狀態、變形情況模擬出來，將這些風險全部排除，雖然這種風險無法通過理論公式計算，但可以借助計算機仿真技術，模擬零件的夾持狀態，找出最佳夾持位置，夾持力。

2 夾具裝夾變形分析

2.1 夾持變形的預測

夾持變形是零件機械加工過程中不可避免的，是夾具設計時需要考慮的重要因素。很顯然，輕微的不良變形會影響零件的幾何尺寸精度，進而影響定位精度，而嚴重的變形將可能導致產品報廢。FEA能較好的預測在給定條件下工件可能產生的變形位置及變形量：將零件三維數模導入計算機仿真軟件并給出零件受力部位，如圖2，圖中紅色表示的對稱三個區域；將零件加壓過程建立計算機仿真模型并進行仿真計算，可得到零件變形輪廓圖，如圖3：

從圖3可以看出，零件在加載后，端面和外圓均發生了不均勻的變形，變形大小見左邊的光譜圖：紅色區域變形最大，藍色區域變形最小，變形區域見加載后的3D數模；由于車床的最低壓力都有規定，在加載力等于車床最低壓力時，如果計算機仿真結果顯示零件的變形量仍超過產品要求，此時應完善裝夾方案和裝夾位置，再次進行仿真分析，直至計算機仿真結果顯示零件的變形滿足產品圖紙要求。

2.2 回彈的計算

零件在卸載后的回彈是不可避免的物理現象。由于回彈現象的存在，零件的實物狀態會發生改變，如加工面的平面度，在卸載過程中，零件所受夾持力漸漸減小，工件也就隨之回彈，計算機同樣對工件回彈中的變形進行計算，并按給定的指令定期存儲回彈中的變形狀態。零件完全脫離夾持后就得到了它的最后形狀，并被計算機存儲下來。通過比較卸載前工件的形狀和卸載后工件的形狀，便可得出工件在卸載過程中產生的回彈總量。

2.3 夾持力的確定

夾持力實際上是與零件變形緊密相關的。夾持力太小，零件夾持不穩，夾持力太大，零件變形的風險更大。當夾具方案確定后，可根據經驗粗選夾持力大小，再利用計算機對零件加緊過程進行仿真：若零件能轉動，則加大壓力。若零件彎曲，則減小壓力，直到找到一個合適的夾持力為止。

3 夾具應用效果

通過FEA軟件，對零件不同部位施加相同的壓力，零件受力變形大小明顯不一樣，經過反復驗證，最終確認如下狀態零件受力變形最小，與實際加工情況完全相符。

通過計算機仿真技術在夾具設計中的應用，可以得出：

（1）節省時間：應用仿真技術，找出了零件夾持的最佳位置，得出了工藝路線的最佳方案，避免了零件返工，確保產品進度。

（2）節省費用：用計算機仿真技術，夾具方案一次通過，節約了夾具的設計成本、制造成本，減少夾具的報廢率。

（3）提高產品質量：通過仿真計算，可以有效地保證產品的形狀和尺寸精度，產品報廢率減低，提高了產品合格率。

（4）支持新產品的并行工程：通過對制造工程的計算機仿真，幫助優化夾具設計，從而獲得最佳經濟效益和社會效益。

參考文獻

[1]梁炳文.機械加工工藝與竅門精選[M].機械工業出版社，2004.

[2]李洪.機械加工技術手冊[M].北京出版社，1991.

[3]蔡蘭.機械零件工藝性手冊[M].機械工業出版社，2006.

[4]殷國富，徐雷，等.機床夾具設計手冊[M].機械工業出版社，2004.

[5]上海柴油機廠工藝設備研究所.金屬切削機床夾具設計手冊[M].機械工業出版社，1986.