基于Solidworks的扇形卡爪夾緊薄壁件的變形分析

趙興仁

摘 要 通過Solidworks有限元分析可知，在施加相同夾緊力的情況下，采用扇形卡爪和硬三爪兩種方法夾緊工件時，硬三爪對工件產生的最大應力值是扇形卡爪的12倍，最大變形位移值是扇形卡爪的24倍，應力和變形位移值相差很大，說明扇形卡爪更適合夾緊易變形的薄壁件。由于扇形卡爪的夾緊力分布均勻，選取多個夾緊位置運形算例，得出的位移值接近相等，所以，夾緊位置對變形的影響可以忽然不計。

關鍵詞 扇形卡爪 有限元分析 薄壁件 變形

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A

有限元分析是夾具設計與分析中一項不可忽視的指導性原則，它能合理確定夾緊力的大小、作用點、夾緊順序，以使工件變形最小，從而提高工件的加工精度。在實際加工中，工件的裝夾總是伴隨著不同的變形。工件在機床上裝夾精度是影響加工精度的重要因素。20%-60%加工誤差是由裝夾引起的。特別是薄壁件，由于剛性差，受到切削力、夾持力等載荷作用極易發生變形。典型薄壁回轉體零件通常采用車削加工。在三爪夾緊力集中作用下，容易發生彈性變形，在距卡爪60的地方變形最大，向外突起。即使在夾緊狀態下車削或鏜削出的孔為正圓，一旦松開卡爪，零件彈性恢復使內孔變成三棱形，出現圓度誤差。

1扇形卡爪的使用

常用的硬三爪夾緊工件會使其產生“三棱形”變形，而軟爪可以成倍地增大與工件的夾緊面積，均勻多點的夾緊會減少工件的變形。市場上出售能拆卸更換的扇形卡爪就是一種使用簡單方便的軟爪，使用時用螺絲把扇形卡爪固定在三爪卡盤的卡爪基體上，根據工件的直徑精車卡爪內孔，使其內孔比工件外徑大0.01mm，再夾緊工件外徑加工，這是內扇形卡爪，還有一種撐住內孔加工外圓的外扇形卡爪，內扇形卡爪與外扇形卡爪不同之處在于前者保證了工件的圓度，而后者保證了內外援的同軸度公差，同時由于受力均勻，在自由狀態下圓度仍保持不變。必須指出，在加工三個卡爪的弧面時一定要使三爪要有預緊力，使它與漲緊工件的內孔或壓緊工件的外圓受力方向一致，只有這樣加工工件時，才能使扇形卡爪的三個弧面回轉中心、工件內孔軸心線、機床主軸回轉中心三者是一致的。

我們以加工薄壁管子為例，借助Solidworks有限元分析內扇形卡爪和普通三爪卡盤夾緊工件時的受力變形情況，以及加持位置不同對工件變形的影響，看看內扇形卡爪有什么特點。

2裝夾方案的確定

對于筒形工件，一般夾在工件中間或夾持工件一端。有時夾緊力過大產生微X小的變形看不出來，通過有限元分析從微觀上辨別工件變形的趨向，有利于采用更加合理的生產工藝，減少變形提高加工精度。我們選取兩種夾緊方案向工件施加相同的夾緊力，比較它們的應力值和位移值的大小，分析運算結果選擇最佳的夾持方案。

第一種方案是兩種卡爪都夾持工件的中間，這是常用的一種方法。

第二種方案是扇形卡爪夾持工件的中間和工件的一端。

3三維solidworks薄壁筒模型的建立

Solidworks是一種應用廣泛的三維制圖軟件，在制圖方面表現力強，受力分析簡單準確，利用該軟件可以對裝夾中存在的變形問題進行模擬分析，指導我們確定合理的裝夾方案，減少裝夾誤差，縮短生產周期。生產中的薄壁件種類多樣，形狀各異，由于裝夾不當極易造成工件的變形。我們以薄壁件為例來分析裝夾對變形的影響，為了便于分析和提高有限元的運算速度，把薄壁件簡化設計成一種簡單的圓筒，其參數是：工件直徑為80 mm，長90 mm，壁厚2.5mm，圓度誤差是0.03mm，工件材料為304不銹鋼，泊松比為0.29，屈服強度為206.8MPa。

4分析過程

4.1對薄壁件添加夾具

前面我們已經創建了一個薄壁件，在solidworks有限元分析中，只有對工件施加約束固定住后才能進行受力分析，這一步也就是添加夾具。實際車削時，三爪卡盤是夾持工件的外圓再加工內孔或端面，或者撐著內孔加工外圓，因此，外園和內孔既是固定面也是變形面。如果在solidworks有限元分析中，按實際工況固定工件的外圓或者內孔，受力變形嚴重失真，不符合實際變形情況，所以，選取工件內孔端面或端面的邊線作為夾具的固定面最合理，沒固定的一端較準確地反映出工件的實際變形情況。

4.2對薄壁件施加外部載荷

使用扇形卡爪時，三個卡爪之間的周向距離最好小于1mm，因此，其中一個薄壁件外圓上三個扇形面間的周向距離設置為1mm，扇形面的徑向寬度為38 mm，每個扇形面上均勻施加200N的壓力模擬夾緊力。創建另一個薄壁件，在它外圓的三個窄面上分別施加200N的壓力模擬三爪卡盤夾緊力，窄面的徑向長為46mm寬度為6 mm。

4.3網格劃分

位移是有限元分析中的主要未知量，同時總是比應變和應力更加準確。相對粗的網格也可以得到滿意的位移結果，然而要得到滿意的應力結果，就需要更加精細的網格。為了更加準確地反映薄壁件的變形，我們把上述兩個薄壁件的網格設置在[高]品質單元。

4.4運行分析過程

設置solidworks有限元參數作出薄壁件的三維圖。模擬步驟：（1）選取薄壁件材料為304不銹鋼，屈服強度為206.8MPa。（2）夾具設置為固定內孔端面的邊線。（3）每個扇形面上施加200N的壓力。（4）網格劃分取高，這樣模擬的結果準確度要高些。（5）單擊運行。

5結語

通過solidworks有限元分析對比兩種夾緊方案，從應力和位移的數值變化上看出，扇形卡爪比硬三爪夾緊力分布均勻，工件變形小的多，所以，扇形卡爪最合適裝夾易變形的薄壁件。由于扇形卡爪的夾緊力分布均勻，夾緊位置對工件的變形影響不大。雖然，solidworks有限元分析的結果與實際工況存在一定的誤差，但它能幫助我們選擇出合理的生產工藝以提高加工精度，提高生產效率，對裝夾方案的選定有很大的指導意義。

參考文獻

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