薄壁零件装夹变形的有限元分析

薄壁零件装夹变形的有限元分析
摘要：本文应用分析软件ABAQUS的接触功能，从薄壁零件装夹简化模型面—面接触模型入手，建立了三维接触模型，进行了有限元分析，并以薄壁零件的变形量为评价指标，得出有限元分析结果，以全面了解和掌握精密薄壁零件装夹变形情况，为实际加工过程提供参考依据。

关键词：薄壁零件；精车夹具；装夹变形；有限元分析
目前对装夹技术的研究主要集中在装夹方案的理论分析和装夹过程的误差分析，而工程技术人员在进行具体工装设计时，主要依靠设计人员的经验进行定位和夹紧方案的设计[1]。

由于经验设计所取安全系数比较大，造成夹具材料消耗多，夹紧变形大，设计周期长。

随着轻量化设计技术的推广，有限元分析工具在产品工装设计中的应用将越来越广。

薄壁零件是一类生产中常见的典型零件，其结构特点是刚性差，对夹紧力要求非常严格，既要保证夹紧可靠，同时又要保证夹紧变形小。

为实现薄壁零件加工夹具的快速设计和轻量化设计，本文以某薄壁舱体精车夹具为例，应用有限元方法，分析了双锥涨簧夹具机构的夹紧力、夹紧变形，为薄壁类回转零件的夹具设计提供了参考依据。

2.加工夹具设计
[2]根据零件形状特征及精车要求，内孔dl采用双锥涨簧结构定位夹紧，右端内孔d2采用单锥涨簧结构定位夹紧，如图2所示。

两套涨簧全线支承薄壁加工零件内孔，使零件加工处于正确的理想尺寸状态。

根据大直径薄壁件刚性弱的特点，为保证零件1.8mm的壁厚均匀，达到加工零件的同轴度Ф0.06 mm 设计要求，涨簧设计采用全圆柱面接触，以增加零件整体加工刚性。

如图3所示为螺母旋紧带动活动锥体挤压双锥涨簧、涨簧变形而夹紧工件的过程。

1.轴2固定锥本3.销 4.双锥涨簧 5.活动锥体Ⅰ
6.导向键7单锥涨簧8.活动锥体Ⅱ9.螺母
3.装夹变形接触问题分析中有限元方法的应用
在机械结构设计中，零件间的接触和配合是很常见的。

对于精密薄壁零件的装夹过程而言，螺母旋紧带动活动锥体挤压双锥涨簧、涨簧变形而夹紧工件的过程即是典型的接触问题。

目前，在解决接触问题方面已广泛采用有限元方法来确定接触表面上的应力、变形以及接触区域的大小。

分析过程是：首先假设接触状态和可能的接触区域，然后按这些状态所对应的边界条件，依照两接触体间的接触面积和压力分布随外载荷变化而变化的特点来建立方程并求解；其结果应满足假定接触状态对应的判定条件，否则需要修改接触状态，继续求解，直到满足相应的判定条件为止。

所以接触问题的求解是一个迭代求解过程，需要较大的计算资源，为进行有效的计算，理解问题的特性和建立合理的模型是很重要的。

最近几年，商业有限元软件在求解接触问题上取得了很大的发展，使用有限元分析方法目前已经成功的解决了点对线、线对线和面对面等的接触问题，应用有限元分析软件的模拟仿真功能，可以缩短产品的开发和研制时间，降低成本，为新产品的开发过程提供有利的技术支持。

ABAQUS是国际上先进的大型通用有限元计算分析软件之一，特别是它的非线性力学（几何、材料、接触）分析是国际上公认的最优秀的非线性有限元分析软件，其分析接触问题的功能尤其强大，应用此软件，使得该类接触问题的简便求解成为可能。

下面以薄壁零件装夹变形分析来说明该软件的应用过程：
3.1.模型建立及简化
3.1.1.零件模型的建立及简化：根据精车加工尺寸图，结合装夹的形式，判断零件变形的主要区域位于圆柱段，其斜台阶孔凹槽和4个轴向长凸台即属于非变形区域，将其模型简化为图4所示。

3.1.2.双锥涨簧的简化：根据图2和图3单、双锥涨簧及其装夹情况，由于涨簧两端和内壁面有小倒角和倒圆存在，导致在有限元分析中侧壁及底面划分网格不规则，由于该部位对变形的结果影响不大，因此可以简化，同时将固定锥体和活动锥体简化成如图5所示的离散刚体。

3.2.材料和截面属性
通过特性（Property）模块来创建材料和定义材料的参数。

本文假设材料均为线弹性，如薄壁零件的材料为铝，其杨氏模量为70000MPa，泊松比为0.33；涨簧的材料为钢，其杨氏模量为210000MPa，泊松比为0.27。

3.3.网格划分
网格剖分是建立有限元模型的一个重要环节，网格数量的多少和大小将影响计算结果的精度和计算规模。

由于本文分析的是接触问题，接触面上不能用3D20R和C3D20单元，否则会出现不收敛的情况，所以使用C3D8R单元进行网格划分，结果如图6所示。

3.4.定义分析步及输出要求
定义分析步：尽管装夹过程是一个动态过程，但此问题所关心的是薄壁零件在涨簧作用下的结构静态响应，所以设置分析步类型为Static，General（使用ABAQUS/Standard作为求解器）。

3.5.边界条件的设定和载荷的施加
根据模型的装夹特点，薄壁零件和涨簧是三维柔体，唯一可能出现的刚体位移是轴向位移U1，所以在薄壁零件的底边上施加边界条件U1=0；涨簧的轴向刚体位移通过固定锥体和活动锥体的边界条件来消除。

3.6.定义接触相互作用
3.6.1.活动锥体与涨簧的接触：选择活动椎体的接触面为主面，涨簧的接触面为从面。

3.6.2.固定锥体与涨簧的接触：选择固定椎体的接触面为主面，涨簧的接触面为从面。

3.6.3. 涨簧与薄壁零件的接触。

4.分析结果讨论
从图7可以看出工件的变形区域位于与涨簧两端的接触面上，最大应力为240MPa，小于工件的材料许用应力值。

而中心区域的应变值近似为零，说明该区域在装夹过程中未与双锥涨簧发生接触。

图8中可以看出涨簧在锥体的挤压下呈马鞍形的变形方式，由此分析可知涨簧与工件并不是以全圆柱面接触的装夹方式。

由以上分析可知，如果没有控制好活动锥体的移动量，工件就会出现如上图所示的变形，从而导致在车削外圆时出现过切的情况，因而，有必要采取措施控制好活动锥体的移动量。

图9是工件最大变形量随活动锥体位移的变化图。

为保证工件加工精度，需要对活动锥体偏移量进行控制5.结语
经加工实验研究和加工精度检测证明，采用有限元软件对精密薄壁零件装夹变形情况进行分析，并以薄壁零件的变形量为评价指标，对缩短夹具设计周期及有效控制夹紧力，提高零件加工质量提供了理论依据。

参考文献：
[1]周小兵.精密薄壁零件装夹变形的分析与控制研究[学位论文]2006
[2]谭晓芳，杨建贺.大型涨簧定位夹紧装置设计[J] .科技创新导报.2013。