面向精密面形零件磨料流光整加工的装夹工艺结构优化设计*

兰　萌，张建军，班永华，韩雪松

(1.河北工业大学 机械工程学院，天津　300130；2.特种车辆及其传动系统智能制造国家重点实验室，内蒙古 包头　014000；3.天津大学 机械工程学院，天津　300072)

0　引言

目前，随着各种机械朝着智能化、自动化的方向发展，机械零件呈现出复杂化、多样化，有平面形零件、球面形零件、曲面形零件，对其要求的表面精度也越来越高。精密面形零件是要求表面具有较高精度的复杂结构零件。加工过程中夹具直接影响零件的加工质量和精度，有接近40%的不合格零件是由夹具设计的不合理所造成的尺寸偏差[1]。磨料流光整加工过程中，三爪卡盘夹紧零件时，易产生脱落、表面损伤等问题，因此，需设计一种适合该类零件装夹的专用夹具。目前，国内外大部分有关夹具的研究只针对装夹定位内容[2-6]，没有涉及装夹定位导致精密零件的附加损伤。

本文根据磨料流光整工艺和零件的结构特性确定了零件的定位、夹紧方式，设计了整体式和组合式两种装夹结构，通过有限元仿真进行了光整工艺校核，并对整体式装夹结构进行了参数优化和轻量化设计，最终得到了满足加工工艺要求、避免零件表面损伤、具有一定加工稳定性的整体式装夹结构。

1　磨料流光整工艺概述

本文要加工的是一个经精密磨削后需较高表面精度的阀芯零件，用于航空领域，如图1所示。零件尺寸较小，质量0.38kg，表面有宽0.5mm的窄槽，传统机械光整不能达到所需的表面精度和去除槽内毛刺的目的。

图1　阀芯

20世纪60年代美国最早提出了挤压磨料流技术，最早用于航空领域中的阀体、模具等表面的去毛刺加工[7]。磨料流光整加工具有流动性、易成形性的工艺特点，在对薄壁件、复杂型腔、大尺寸复杂曲面零件抛光过程中显示出独特的优势[8]。流体磨料光整加工技术主要通过单独或附加控制场的方式使磨料相对工件运动，从而使磨粒与工件碰撞，实现去除工件表面毛刺的目的[9]。

本文采用流体磨料光整加工技术，利用光整机带动零件在流体磨料中做螺旋进给运动，往复运动速度0.02～0.06m/s,最高转速3000r/min。实验结果表明，在只有往复运动时零件不会脱落，而只有旋转运动时，由于转速较高，三爪卡盘轴向夹持长度有限，零件易产生表面损伤、甩出的情况，因此需要设计一种适合该类零件光整加工的专用夹具。

2　夹具结构的概念设计

夹具设计一般包括安装规划、夹具规划和夹具构型设计[10]。夹具设计时首先考虑加工时的定位装夹次数，属于安装规划；夹具规划指的是确定加工时工件上的定位点、定位面及夹紧面、夹紧点；夹具构型设计就是选择夹具元件，组装成夹具的过程。安装规划和夹具规划都属于夹具工艺规划。

2.1　装夹工艺的确定

由于是在高速旋转条件下对零件表面光整加工，为防止加工过程中产生摆动，损伤零件表面，因此本文采用轴向夹紧、定位的装夹工艺。

2.2　夹具构型设计

根据装夹工艺初步设计了两种装夹结构，如图2所示。两种装夹结构都是以顶尖和圆孔进行定位，依靠拧紧螺母或螺杆产生较大摩擦力来夹紧零件，属于螺旋夹紧装置。螺旋夹紧具有结构简单，夹紧力大，自锁性好等优点。在截面面积不变的条件下，槽形、梯形、工字形截面比矩形、圆形截面有更大的惯性矩，因此整体式装夹结构的连杆选用工字形截面。

1.夹紧头 2.螺母 3.螺栓杆 4.支撑　1.夹紧头 2.连杆 3.螺杆 4.支撑板(a)组合式装夹结构　　　　　　　　　(b)整体式装夹结构图2　装夹结构

3　工艺过程的建模与分析

由于往复运动的速度和加速度很小，装夹结构夹紧零件时的轴向刚度较大，所以不考虑上下往复运动的影响。装夹结构周向质量分布不均匀，转速较大时由于离心力作用连杆容易产生向外的挠曲变形，因此利用ANSYS Workbench软件对夹具和零件在一定转速时进行力学分析[11-12]。

3.1　工艺过程的有限元建模

对装置几何模型简化并定义材料属性(见表1[14])，将零件与顶尖设置为摩擦接触(系数为0.15[13])，其它设置为绑定接触，施加3000r/min的转速。夹紧力主要是为了克服零件的重力G，考虑装夹结构对零件的原始作用力F。

表1　装夹结构和需光整零件各部分材料及属性

F=K·W

(1)

式中，W—理论计算的夹紧力，本文中W近似等于阀芯的重力G；K—安全系数，一般取1.5～3.0(粗加工时，K=2.5～3.0；精加工时，K=1.5～2.0)，本文中由于所加工的零件为精密阀芯零件，K取1.8，求得F为6.08N。

3.2　结果与分析

得到两种装夹结构的变形、应力分析云图，如图3所示。由图3分析可知，两种装夹结构的最大变形位于螺栓杆和连杆上，最大应力都集中在阀芯与顶尖接触处。组合式装夹结构的最大应力超过了阀芯材料的屈服极限。整体式比组合式变形量小，稳定性好。

对于组合式装夹结构，零件装夹过程中支撑和夹紧头两端螺母拧紧力矩大小不相等时，易导致支撑不平衡，零件甩出的后果，因此选用整体式装夹结构。

(a)变形分析云图　　　　(b)应力分析云图

(c)变形分析云图　　　　 (d)应力分析云图图3　变形及应力分析云图

4　结构优化

4.1　工字形截面尺寸参数优化

为减小结构变形δ、应力σ和质量g，提高刚度，增加零件光整加工时的稳定性，对工字形截面尺寸进行优化。所需优化的截面参数，如图4所示。

图4　简化后的工字形截面

对连杆做受力分析，连杆受到的轴向力为3.04N,受到的离心力为192N。变形主要是由连杆离心力引起的，因此可以转化为对连杆应力、变形、和质量的优化问题。连杆弯曲变形与简支梁受力弯曲情况相同，由材料力学相关知识构建函数模型。

(2)

显然，数学模型(2)是一个多目标优化问题，根据加权系数法将其转化为单目标优化问题进行求解，取

F(B,H,t1,t2)=0.4f1+0.6f2

(3)

基于MATLAB优化设计工具箱进行求解，解得B=6mm，H=13mm，t1=3.2mm，t2=2.5mm。采用优化后的参数，进行分析，得到图5所示的变形、应力分析云图。

(a)变形分析云图　　　　　　　(b)应力分析云图图5　变形及应力分析云图

由图5分析，优化后的最大变形量是优化前的50.6%，最大应力是优化前的74.5%，整个装夹结构的加工稳定性和刚度明显提高，可以满足光整加工的需要。

4.2　轻量化设计

夹具设计准则要求在满足加工要求时应尽量减小夹具质量，以节省材料，减小能耗。梁弯曲变形时的挠度公式为：

(4)

式中，F—作用在梁上的载荷，N；l—梁的跨度，mm；E—弹性模量，N·m-2；I—截面惯性矩，mm4；a、n—是与梁的抗弯刚度EI、跨度l、载荷F相关的常数。

跨度l由零件的长度决定。离心力是连杆产生挠曲变形的主要因素，其大小与质量成正比，因此可以在保证加工稳定性的前提下减小连杆质量。

其它类型的孔有尖角，应力集中更明显，因此在零件轴向方向上，设计一定大小和数目的圆孔。孔中心距一定前提下，采用ANSYS Workbench中的曲面响应优化方法对孔的个数和大小进行优化[15]。以变形δ≤0.10611mm、应力σ≤268.5mm为约束条件，整体式装夹结构质量M最小为优化目标，孔的个数n和直径R为参数进行优化，其中2≤n≤14、5mm≤R≤10mm。得到关于参数与最大变形量的空间关系，如图6所示。

图6　孔的个数、直径与最大变形关系

经过筛选得到最优参数值，直径为8.5mm，孔数为14。对优化后的装夹结构进行分析，得到变形、应力分析云图，如图7所示。

(a)变形分析云图　　　　　　 (b)应力分析云图图7　变形及应力分析云图

从图7可以看出，装夹结构轻量化设计后，最大变形和应力都有所减小。整体式装夹结构优化前后相关数据对比如表2所示。

从表中可以看出，优化后整体式装夹结构的质量、最大变形量、最大应力都有明显减小。因此，优化后的整体式装夹结构降低了动力消耗，提高了加工稳定性。

表2　整体式装夹结构优化前后对比

5　结束语

(1)采用轴向夹紧、定位的夹具结构设计方法，避免了对复杂精密阀芯零件表面的损伤。

(2)螺旋进给磨料流光整加工长径比较大的精密轴类零件时，整体式装夹结构较组合式具有更高的刚度和加工稳定性。

(3)通过对工字形截面尺寸优化和孔的布局、大小设计，实现了夹具结构的轻量化设计，降低了动力消耗。

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(编辑李秀敏)