郎福嘉，龔 旺，劉 毅，唐靈聰，石 剛,2

(1.寧波吉利羅佑發(fā)動機(jī)零部件有限公司，浙江 寧波 315336；2. 浙江吉利動力總成有限公司，浙江 寧波 315800)

0 引 言

隨著我國工業(yè)水平的快速發(fā)展，各行各業(yè)的生產(chǎn)線自動化程度也越來越高。然而對于汽車發(fā)動機(jī)的缸體、缸蓋、曲軸、凸輪軸等生產(chǎn)線的自動化程度在制造業(yè)中也是位居前列，這歸結(jié)于高柔性、高精度、高數(shù)字化、高自動化的加工機(jī)床被廣泛的應(yīng)用。目前隨著終端客戶對于汽車油耗、質(zhì)量、安全、NVH及多樣化的車型配置等方面要求變的日趨嚴(yán)苛，各大汽車制造商更加關(guān)注汽車的“心臟”——發(fā)動機(jī)的制造過程。

為了滿足消費(fèi)者對于多樣化的動力總成配置需求，這就要求主機(jī)廠能夠同時生產(chǎn)多種機(jī)型。所以就需要發(fā)動機(jī)生產(chǎn)線具備高柔性化的生產(chǎn)能力，能夠?qū)崿F(xiàn)不同機(jī)型之間的快速換型，引進(jìn)具備快速換型功能的加工機(jī)床變的非常重要。同時隨著CAE仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，計算機(jī)仿真軟件不僅在汽車各種零部件的設(shè)計、開發(fā)等領(lǐng)域廣泛使用，另外也為發(fā)動機(jī)生產(chǎn)線加工機(jī)床的設(shè)計、選型及柔性化工藝方案規(guī)劃等方面提供了非常有效的仿真工具。筆者結(jié)合某款發(fā)動機(jī)生產(chǎn)線柔性化加工機(jī)床的回轉(zhuǎn)料叉為研究對象，通過機(jī)床的回轉(zhuǎn)料叉可以實(shí)現(xiàn)不同機(jī)型快換夾具的自動更換，保證多機(jī)型共線生產(chǎn)。通過利用有限元仿真技術(shù)，借助仿真分析軟件Hyperworks對料叉在承受夾具載荷作用下的強(qiáng)度進(jìn)行校核，為評估機(jī)床回轉(zhuǎn)料叉設(shè)計方案及工藝換型方案的可行性及合理性提供重要評判依據(jù)。

1 機(jī)床回轉(zhuǎn)料叉有限元模型建立

1.1 機(jī)床回轉(zhuǎn)料叉三維模型建立

機(jī)床料叉的主要作用就是負(fù)責(zé)接收來自桁架機(jī)械手抓取的工件，通過自動回轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)工件的姿態(tài)轉(zhuǎn)換，然后運(yùn)送到機(jī)床工作臺的夾具上實(shí)現(xiàn)工件的自動裝夾定位，為后續(xù)的加工做好準(zhǔn)備。機(jī)床料叉設(shè)計的另外一個重要的作用則是通過料叉將不同機(jī)型的夾具輸送至機(jī)床工作臺，通過夾具的快換功能實(shí)現(xiàn)多機(jī)型兼容生產(chǎn)。文中通過在CATIA三維軟件中建立機(jī)床回轉(zhuǎn)料叉的三維模型，并轉(zhuǎn)換成Step格式。通過Step格式導(dǎo)入Hypermesh軟件[1]，完成有限元模型的建立。

圖1 機(jī)床回轉(zhuǎn)料叉三維模型

1.2 機(jī)床回轉(zhuǎn)料叉有限元模型建立

1.2.1 幾何模型清理

利用前處理軟件Hypermesh建立機(jī)床料叉的有限元模型，首先對料叉模型一些非關(guān)鍵部位的細(xì)小特征進(jìn)行幾何清理，這些些小特征對于仿真模型的計算結(jié)果基本沒有影響，但是如果不進(jìn)行清理將會嚴(yán)重影響網(wǎng)格劃分質(zhì)量。例如模型中的細(xì)小倒角、圓角、小孔、小的凸臺、傳感器及其支架等，使其在網(wǎng)格劃分時能夠保證較好的網(wǎng)格質(zhì)量。

1.2.2 幾何模型結(jié)構(gòu)及約束簡化

此次模型重點(diǎn)關(guān)注的是機(jī)床料叉的強(qiáng)度是否滿足要求，考慮到有限元模型創(chuàng)建的效率及周期故對于夾具的模型就不再進(jìn)行詳細(xì)建模，通過等效質(zhì)量配平的方法在模型中等效代替。通過CATIA三維軟件測量出夾具在模型中的質(zhì)心坐標(biāo)，然后在Hypermesh軟件中利用測得坐標(biāo)數(shù)據(jù)建立質(zhì)心位置的Node節(jié)點(diǎn)，然后通過1D面板中的RBE3剛性單元將夾具的各個定位孔及支撐面與質(zhì)心Node節(jié)點(diǎn)進(jìn)行柔性耦合約束，利用RBE3單元不會給系統(tǒng)引入額外的剛度。如圖2所示在質(zhì)心位置利用Mass單元[2]建立質(zhì)量點(diǎn)，從而代替夾具的實(shí)際質(zhì)量，大大提高了建模效率，縮短建模周期。

機(jī)床料叉模型中各部件之間的螺栓連接和焊接由于不是詳細(xì)研究的部位，所以本次建模不對螺栓及焊接進(jìn)行詳細(xì)建模，焊接采用Cweld焊接單元進(jìn)行模擬，如圖3所示。螺栓采用rbe2-cbar-rbe2的形式進(jìn)行剛性連接，模擬實(shí)際的螺栓，如圖4所示。

圖2 Mass單元建立質(zhì)量點(diǎn) 圖3 焊接單元

1.2.3 網(wǎng)格劃分

在Hypermesh中對于模型中厚度比較薄的板材及中間的工字型的梁結(jié)構(gòu)均抽取中性面[2]，在抽取的幾何中性面上劃分二維面網(wǎng)格,并對中性面上的螺栓孔進(jìn)行washer處理[3-4]。對于形狀比較規(guī)則的零件劃分六面體網(wǎng)格，其余零件劃分四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格基本尺寸為6 mm，模型中不同的部位將根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行相應(yīng)的放大或者縮小，最終保證所有單元的質(zhì)量滿足劃分要求。模型中共劃分了1 908 232個單元，有限元模型如圖5所示。

圖4 rbe2-cbar-rbe2單元 圖5 機(jī)床回轉(zhuǎn)料叉有限元模型

1.2.4 材料參數(shù)

料叉的材料為Q235B，其材料屬性相關(guān)的數(shù)據(jù)見表1所列。

表1 材料屬性數(shù)據(jù)

2 載荷及邊界條件

針對此次研究對象機(jī)床回轉(zhuǎn)料叉，雖然在其抬起夾具到完成換型的整個流程是一個動態(tài)的過程，但可以將其簡化為靜力學(xué)問題進(jìn)行處理。其承載荷主要考慮垂直方向上的快速換型夾具的總質(zhì)量。根據(jù)料叉的實(shí)際工作情況，由于機(jī)床為雙主軸設(shè)備，故每次換型時料叉的兩個支架需同時承載兩個夾具，每個夾具重量為200 kg。回轉(zhuǎn)料叉通過底座與機(jī)床床身固定，底座有12顆M12的螺栓，利用RBE2剛性單元對螺栓孔的內(nèi)表面節(jié)點(diǎn)進(jìn)行剛性耦合約束，并約束耦合點(diǎn)123 456自由度。在Hypermesh中通過1D面板中的Mass單元將夾具的質(zhì)量加載到創(chuàng)建好的質(zhì)量點(diǎn)處，完成載荷的創(chuàng)建。

表2 分析工況及載荷

3 結(jié)果分析

利用Optistruct求解器計算后[5]，回轉(zhuǎn)料叉兩個支架同時承受200 kg載荷時的應(yīng)力及位移狀態(tài)如圖6、7所示。

圖6 回轉(zhuǎn)料叉Von Mises應(yīng)力云圖

圖7 回轉(zhuǎn)料叉位移云圖

根據(jù)其Von Mises應(yīng)力云圖可知，最大等效應(yīng)力為σmax=349.75 MPa，由于料叉的材料為Q235B屬于塑性材料，通常以屈服的形式失效，其屈服強(qiáng)度σs=235 MPa，故采用第四強(qiáng)度理論進(jìn)行校核。其最大Von Mises應(yīng)力遠(yuǎn)大于其材料屈服強(qiáng)度，在此負(fù)載下料叉會發(fā)生嚴(yán)重的塑性變形甚至破壞，載荷撤銷后回轉(zhuǎn)料叉無法恢復(fù)原有狀態(tài)，不滿足強(qiáng)度要求。所以需要對料叉的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化，以提高料叉整體的承載能力。

4 回轉(zhuǎn)料叉結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

4.1 機(jī)床回轉(zhuǎn)料叉結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)其應(yīng)力云圖可知，最大應(yīng)力出現(xiàn)在工字型橫梁與支架加強(qiáng)筋連接處，見圖8所示位置。

圖8 工字型橫梁應(yīng)力集中位置(優(yōu)化前)

又因為料叉工字型的主梁為厚度為5 mm的型鋼，從安全角度考慮需要對其厚度進(jìn)行加強(qiáng)，經(jīng)過分析本次主梁優(yōu)化后的厚度為10 mm。在此優(yōu)化的基礎(chǔ)上試算后發(fā)現(xiàn)叉齒根部用于固定支撐塊的螺紋孔變成新的應(yīng)力集中部位，主要原因是由于其位置太靠近叉齒邊沿造成，具體見圖9所示。同時叉齒加強(qiáng)筋的厚度從8 mm，加強(qiáng)到12 mm。四個叉齒支撐塊固定螺紋孔一側(cè)寬度均增加3 mm。經(jīng)過以上三處的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。

圖9 支撐塊固定孔應(yīng)力集中位置(優(yōu)化前)

圖10 支撐塊固定螺紋孔處叉齒厚度結(jié)構(gòu)對比圖 圖11 支架加強(qiáng)筋處結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后對比圖

4.2 優(yōu)化后的結(jié)果分析

利用Optistruct求解器對結(jié)構(gòu)加強(qiáng)后的有限元模型進(jìn)行重新計算，輸出相應(yīng)的應(yīng)力及位移，具體見圖12、13所示。

圖12 回轉(zhuǎn)料叉Von Mises應(yīng)力云圖(優(yōu)化后)

圖13 回轉(zhuǎn)料叉位移云圖(優(yōu)化后)

由圖12可知，結(jié)構(gòu)加強(qiáng)后的料叉在同樣的負(fù)載下的最大等效應(yīng)力σmax=205.13 MPa，屈服強(qiáng)度σs=235 MPa，安全系數(shù)大于1，滿足第四強(qiáng)度理論[6]。結(jié)合料叉實(shí)際工作環(huán)境及發(fā)動機(jī)換型的頻次并出于對設(shè)備成本及安全的綜合考慮，所以優(yōu)化的回轉(zhuǎn)料叉結(jié)構(gòu)可以滿足夾具換型要求，為全線工藝方案的規(guī)劃提供了重要依據(jù)。

5 結(jié) 論

(1) 通過Hyerworks軟件以發(fā)動機(jī)生產(chǎn)線加工機(jī)床內(nèi)部的換型料叉為研究對象，并利用有限元的方法進(jìn)行強(qiáng)度校核。在識別出風(fēng)險部位后并利用Optistruct模塊進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最終保證了優(yōu)化后的料叉結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足夾具承載的要求，為設(shè)備選型及工藝方案規(guī)劃提供了重要依據(jù)。

(2) 隨著有限元技術(shù)的不斷發(fā)展，有限元仿真技術(shù)在發(fā)動機(jī)產(chǎn)線設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用，也為當(dāng)下的設(shè)計人員、設(shè)備人員、工藝人員在進(jìn)行潛在風(fēng)險識別、減少決策失誤、降低生產(chǎn)成本、縮短項目周期[7]等方面提供了新的工作思路。