杜風嬌， 劉建剛

( 武夷學院 機電工程學院， 福建 南平 354300 )

薄壁零件在磨削外圓加工過程中，因其剛度較低，易產(chǎn)生變形，因而質(zhì)量難以保證.為了保證薄壁類零件的加工精度，一些研究者提出了使用夾具來保證其加工精度的方法.例如：馬廷輝[1]設(shè)計了一種普通車床磨削加工薄壁通用脹套式簡易心軸自動定心夾具,該夾具可有效提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量；黃華賓[2]針對異形腔薄壁殼體零件的加工特征,設(shè)計了一種新型的工裝夾具, 該夾具可有效提高裝卸工件的效率.目前，研究者對薄壁套筒類零件磨削夾具的研究大多只是針對其設(shè)計方案和效率等方面[3-4]，而對螺栓的擰緊力矩及其可靠度研究得較少.基于此，本文以液壓鑿巖機套閥閥芯的某一薄壁類零件為研究對象，設(shè)計一套薄壁類零件夾具，并通過仿真驗證本文方法的可靠性.

1 夾具設(shè)計

1.1 工藝要求

圖1為套閥閥芯產(chǎn)品示意圖.由圖1可知,Φ36、Φ40、Φ42、Φ44的外圓表面需要有較高的同軸度和較低的粗糙度.Φ36、Φ40、Φ42、Φ44表面的加工工藝圖如圖2所示.由圖2可知，產(chǎn)品的設(shè)計要求為：套閥閥芯內(nèi)徑(Φ42)為定位基準A，Φ40和Φ44的外圓相對A基準的同軸度為0.01，Φ40和Φ44的外圓表面粗糙度為0.4 μm.

圖1 套閥閥芯產(chǎn)品示意圖

1.2 夾具的設(shè)計原理和組裝

本文設(shè)計夾具的原理[5-6]為：蛇形彈簧受軸向力產(chǎn)生徑向膨脹，徑向膨脹使蛇形彈簧與套閥閥芯內(nèi)孔產(chǎn)生過盈配合，以此達到夾緊工件的目的.夾具的組成主要包括：芯軸、墊塊1、墊塊2、蛇形彈簧、墊塊3、螺母M12、壓板.其中芯軸的材料為45#鋼，經(jīng)熱處理后其硬度為38～43 HRC；墊塊1、墊塊2、墊塊3和壓板的材料為45#鋼，熱處理后其硬度為35～40 HRC；蛇形彈簧為65Mn的優(yōu)質(zhì)彈簧鋼，經(jīng)熱處理后其達到45～48 HRC的硬度.夾具的裝配示意圖如圖3所示.

圖2 套閥閥芯加工工藝圖

圖3 夾具裝配示意圖

蛇形彈簧(圖4)為夾具的關(guān)鍵零件，其最大外徑尺寸為Φ36.為保證夾具使用的穩(wěn)定性，本文在設(shè)計蛇形彈簧時，將其左、右兩端面的平行度和粗糙度分別設(shè)置為0.002 mm和1.6 μm，將內(nèi)圓的粗糙度設(shè)置為0.4 μm，外圓Φ36處的圓跳動值設(shè)置為0.02 mm.

圖4 蛇形彈簧示意圖

1.3 夾具使用步驟

夾具的使用步驟如下： ①將墊塊3、蛇形彈簧、墊塊2和墊塊1，依次裝夾在芯軸直徑為Φ22的位置上； ②將步驟1安裝好的芯軸總成(墊塊3、墊塊1、墊塊2和芯軸)與套閥閥芯進行裝配，壓板安裝在芯軸左端； ③利用扭力扳手設(shè)置所需的力矩，向右鎖緊螺母M12； ④使蛇形彈簧與工件之間達到過盈配合，保證薄壁芯軸的加工精度.

2 仿真分析

根據(jù)夾具的使用方法，本文首先利用三維軟件Creo3.0對夾具進行建模，然后將模型導入Workbench軟件中進行有限元仿真[7-8].仿真步驟為：添加材料屬性，添加約束、載荷，分析計算，結(jié)果分析.

2.1 添加材料屬性

在Workbench軟件中，將蛇形彈簧設(shè)置為65Mn[9]，將套閥閥芯設(shè)置為40Cr，其他零件設(shè)置為45#鋼.

2.2 添加約束、載荷

螺栓擰緊力矩-軸向力的關(guān)系表達式[10]為：

式中：M為螺栓擰緊力矩(N·m)；F為螺栓軸向力(N)；d2為M12粗牙螺紋中徑，d2=10.863 mm；λ為螺紋升角(°)，λ=arctg(t/d2)，t為螺距(mm)，λ=60°；f為螺母與被連接件支撐面間的摩擦系數(shù)，f=0.2;ρ為螺旋副的當量摩擦角,ρ=24.8°； tgρ為螺旋副的當量摩擦系數(shù)， tgρ=f′/cosβ;β為三角型螺紋半角,β=30°;f′為螺旋副間的摩擦系數(shù)；R為M12粗牙螺紋大徑，R=12 mm；r為M12粗牙螺紋小徑，r=10.106 mm.

由上式計算，可得芯軸右端面螺母的擰緊力矩為M=309.46 N·m，軸向力為5 000 N.在芯軸與磨床安裝的圓柱面(Φ22)上添加固定約束，在右端面螺母與蛇形彈簧的接觸面上添加軸向力5 000 N，同時將蛇形彈簧分別與套閥閥芯和芯軸建立接觸對，如圖5所示.

圖5 添加約束、載荷的示意圖

3 仿真結(jié)果與分析

仿真所得的蛇形彈簧的應力圖、變形圖、應變圖如圖6—圖8所示.由圖6—圖8可知：蛇形彈簧(Φ25軸徑處)的應力峰值為101.79 MPa，蛇形彈簧過盈配合處(Φ36內(nèi)徑)的變形峰值為0.007 mm,蛇形彈簧的脹套應變值為0.000 51.蛇形彈簧脹套所使用材料(65Mn)的屈服極限為430 MPa；因此，可知蛇形彈簧所使用的材料(65Mn)不會發(fā)生塑性破壞，即材料滿足設(shè)計要求.

圖6 蛇形彈簧應力圖

圖7 蛇形彈簧總變形圖

圖8 蛇形彈簧應變圖

仿真所得的套閥閥芯的應力圖、變形圖、應變圖如圖9—圖11所示.由圖9—圖11可知，套閥閥芯的應力峰值出現(xiàn)在套閥閥芯與蛇形彈簧的(Φ36)配合處，其值為25.22 MPa；套閥閥芯的徑向變形峰值為0.002 1，套閥閥芯的徑向應變峰值為0.000 13.套閥閥芯所用材料(40Cr)的屈服極限為430 MPa，套閥閥芯所用材料(40Cr)的應變峰值允許范圍為0～0.17，因此可知材料滿足設(shè)計要求.

圖9 套閥閥芯應力圖

圖10 套閥閥芯變形圖

圖11 套閥閥芯應變圖

由圖7和圖10可知，當蛇形彈簧受到309.46 N·m的螺栓擰緊力矩時，其與套閥閥芯(Φ36)處產(chǎn)生過盈配合，此時蛇形彈簧產(chǎn)生的徑向變形量為0.007，套閥閥芯產(chǎn)生的徑向變形量為0.002 1.由于蛇形彈簧與套閥閥芯之間本身擁有0.003的配合間隙，再加上蛇形彈簧還存在微量的軸向變形，所以使得蛇形彈簧的徑向變形量比套閥閥芯的徑向變形量大0.001 9，這與實際工況相符.

4 夾具可靠性分析

4.1 套閥閥芯磨削的可靠性分析

由套閥閥芯過盈配合時產(chǎn)生的應力為25.22 MPa(圖9)，套閥閥芯與蛇形彈簧的接觸面面積為1 583.36 mm2(圖4),可計算出蛇形彈簧與套閥閥芯膨脹夾緊時的徑向壓力F(脹緊力)為15.93×103N.依據(jù)文獻[11]，本文將套閥閥芯與蛇形彈簧之間的摩察系數(shù)設(shè)置為0.2，由此得到套閥閥芯與蛇形彈簧之間的摩擦力為3.19×103N.當套閥閥芯磨削量為0.001 mm時，外圓磨削產(chǎn)生的磨削力僅為200 N(經(jīng)驗值).因套閥閥芯與蛇形彈簧之間的摩擦力遠大于外圓磨削時產(chǎn)生的摩擦力，所以磨削過程不會產(chǎn)生打滑現(xiàn)象.

4.2 蛇形彈簧應力的可靠性分析

蛇形彈簧應力的標準正態(tài)分布的計算公式[12]為：

式中：μF為材料的許用強度，μF=430 MPa；μS為零件的所受應力，μS=41.99～36.35 MPa；σS為應力分布標準差(σS=0.08μS=3.359 2 MPa[14])；σF為標準差，σF=26.24.由上式可得z=-14.91.根據(jù)正態(tài)分布表[13]可知，蛇形彈簧的應力可靠度為100%，失效率為0.

5 結(jié)論

對螺栓擰緊力矩與軸向力之間的關(guān)系進行計算表明，當蛇形彈簧所受軸向力為5 000 N時，螺栓所需擰緊的力矩為309.46 N·m.對夾具模型進行仿真實驗表明，本文設(shè)計的薄壁套筒類零件

磨削夾具的應力可靠度為100%,因此本文結(jié)果對保證薄壁類零件的制造精度具有很好的參考價值.因條件限制本文在研究中未能在夾具裝配之后進行動平衡實驗，因此今后我們將對本文方案開展動平衡實驗，以檢驗夾具在工作中是否會因振動而使套閥閥芯表面產(chǎn)生波紋，進而對其進行相應改進.