某型薄壁件磨內孔工裝優化設計研究

李穎，王彤，靳蕊

（哈爾濱廣瀚動力傳動有限公司，黑龍江 哈爾濱 150078）

該零件為某型機械產品中的關鍵零件之一，該類零件一般特點體積小、重量輕，以薄壁類零件居多，而薄壁類零件加工時容易受到徑向夾緊力的作用，易產生彈性變形，加工過程中工裝夾具的應用是必不可少的，工裝的效果直接影響零件的加工精度，本文從實際加工效果出發，對工裝夾具進行優化設計，并用仿真分析的方法進行驗證，最終達到滿足圖紙要求。

1 零件結構分析

零件總厚56（+0.1/0），最薄壁厚為4.15mm，壁厚比圓周為0.018，屬于薄壁件。如圖1所示，內孔需要磨削加工，其公差為（+0.046/0），磨削內孔時，零件裝夾易產生變形，增加了內孔加工的難度，因此，加工過程中磨內孔工裝的作用就顯得尤為重要。

圖1 零件實物圖

2 工裝使用效果分析

薄壁件磨內孔時，需要利用工裝解決裝夾問題，以免工件因徑向夾緊力作用而產生變形。工裝如圖2所示，為軸向壓緊工裝。

圖2 現場使用工裝

該工裝是由1個胎盤，1個壓環、3個把緊螺栓和3組起支撐調節作用的螺釘、螺母組成，通過工件大端端面及外圓與工裝止口接觸實現定位，壓環內圈壓住工件，壓環外圈安裝3組螺釘和螺母，螺釘頭部與胎盤接觸對齊，通過旋轉螺釘調節工件與壓環的接觸效果，用螺母鎖死固定，3個螺栓在壓環內圈與外圈之間穿過壓環，將工件安裝固定在工裝上。四爪卡盤裝夾工裝，即可加工。

利用該工裝進行磨內孔加工，獲得的加工效果如下表所示，帶工裝加工狀態下，內孔檢測結果均合格，卸下工裝后，自由狀態下內孔檢測普遍存在超差現象。為了解決磨內孔超差問題，采用排除法查找原因，分析過程如下所述。

首先，將超差最嚴重的2#工件置于工作平臺上進行檢測。檢測方法如圖4所示，工件兩端面平面度檢測結果分別是0.01mm，壓環壓緊處端面平面度檢測結果為0.015mm。

表1 內孔尺寸檢測數據

圖3 工裝工作狀態圖

圖4 檢測照片

同時，也對工件的軸向及徑向其他尺寸進行了檢測，并沒有發現異常，從而推出工件自身條件很好。排除工件自身原因。隨后，將加工好的2_#工件重新安裝在工裝上，用四爪卡盤輕夾工裝，調節卡盤四爪進行工件內孔及端面找正，如圖5所示，內孔跳動+0.02/+0.015，端面跳動0.005，夾緊工裝后，復查內孔及端面跳動，有0.01mm的變化。因人工施加的夾緊力沒有量化的控制，所以，每次作用在工裝上的力不同。

圖5 內孔及端面跳動檢查

在此基礎上，如圖6所示，重新找正工件夾緊后，跳動值不變，重新測量工件的內孔，其尺寸公差又恢復至帶工裝加工狀態下的檢測的數據，即尺寸公差合格。說明作用在工裝上的徑向夾緊力，傳遞到了工件上。

圖6 加工狀態下內孔公差檢測

將工裝連同工件一同卸下，工裝上的壓緊螺栓拆與不拆，復測工件內孔公差相同，均超差。說明工件螺栓把緊一端的結構狀態良好，不會影響磨內孔尺寸公差。

針對多個工件，進行了重復的試驗，得到的結果一致，說明工裝的胎盤結構是導致工件內孔磨削加工超差的關鍵因素。工裝胎盤在裝夾力作用的影響下發生了一定程度的變形，進而導致工件彈性變形，加工狀態下能滿足圖紙公差要求，但工裝連同工件從機床上卸下后，工件彈性恢復，原本合格的內孔卻超差了。因此，為滿足工件磨削加工精度，需要對工裝胎盤進行優化設計。

3 工裝優化設計

3.1 UG模型建立

原工裝材料45鋼，其胎盤厚度為30mm，為減少因裝夾力帶來的工裝變形，進而導致的工件彈性變形[1-2]，通過理論分析得知，影響結構變形的兩大關鍵因素是材料和結構。因此，新工裝選擇HT200作為工裝胎盤材料，并將其厚度從30增加至90。

3.2 ANSYS仿真分析

考慮系統內存解算問題，僅對新舊工裝胎盤UG模型進行網格劃分，設置邊界條件，包括固定約束、裝夾力、離心力，模擬加工狀態，獲得的仿真結果如圖8、9所示。

圖7 新舊工裝UG模型

圖8 新舊工裝胎盤全變形云圖

從圖8新舊胎盤全變形云圖可以看出，舊工裝的最大變形量為1.6616e-7m，且集中在端面安放工件的止口位置，徑向方向占據了整個胎盤1/3的體積，而新工裝的最大變形量為1.6137e-9m，比舊工裝的變形量減少了2個數量級，最大變形位置遠離端面安放工件的止口位置，徑向方向占據了整個胎盤1/10的體積。

綜上仿真結果的對比，可以發現新工裝胎盤在夾緊力作用下的變形不會傳遞到工件上，某種程度上可以明確新工裝胎盤的有效性，對新工裝胎盤進行了實體加工，并與原工裝中除工裝胎盤以外的其余零件進行裝配，如圖9所示。

圖9 磨序新工裝照片

如圖10所示，將新工裝應用到磨削內孔加工過程中。裝夾、找正、磨削。經過多次加工，驗證了該工裝有效可行，能夠保證棘輪內孔公差尺寸及粗糙度要求。

圖10 新工裝照片

4 結語

優化后的工裝解決了磨削內孔尺寸超差的問題，實現磨序合格率達100%。利用UG軟件建模及ANSYS仿真軟件進行分析的方法，可驗證新工裝的可行性，對生產加工其他類似零件具有一定的指導意義。