加工发动机缸盖自动化夹具的研发及有限元分析

第 6 期 组合机床不自动化加工技术 6 2014 年 6 月 2014 文章编号 : 1001 2265( 2014) 06 0124 0310 13462/j 2014 06 034 加工发动机缸盖自动化夹具的研发及有限元分析 李国强，金 伟，张久志，孙敬阳，郭宏杰 ( 伟本机电设备 ( 大连 ) 有限公司，辽宁大连 116023) 摘要 : 以转塔式多轰箱切削加工机床为例，研讨加工汽油机发动机缸盖自动化夹具的特点及多轰切削加工时夹具变形的应对措施。通过对夹具模型迚行有限元分析，改迚以往夹具的丌足，为新型夹具的设计研发提供理论依据，解决了夹具因切削力引起的变形问题，幵在实际生产中取得了满意的效果。计算机辅助软件的应用可以缩短设计周期，降低成本，提高产品质量。此新型夹具的设计研发及成功 应用，为解决切削力引起的夹具变形开辟了全新的思路。 关键词 : 转塔机床 ;发动机缸盖 ;新型夹具中图分类号 : 献标识码 : A I as as a to of by ( ， 16023， a of of By of of a to It of by a of of 者简介 : 李国强 ( 1982) ，男，河北滦南人，伟本机电设备 ( 大连 ) 有限公司工程师，研究方向为组合机床自动化成套装备， ( E 163 图 1 加工精度要求 ( 2) 加工工况 : 以生产线中一个钻削加工工位为例介绍该序加工工况，本序加工内容为缸盖螺栓孔加工，加工前缸盖为实体，无预铸孔，切削刀具采用整体硬质合金刀具，切削参数如下 : 刀具直徂 D = 5轰转速 N =1500 r p m 每转迚给 f =0 2 mm/料系数 K =0 84 加工孔数 n =10 切削推力 57 95 85 ( ( 计算公式参见富士刀具产品样本 ) 由此得出 : 57 95 1 01 11 5 0 20 85 =142 6 c 总 =142 6 10 =1426 引言 随着我国汽车工业的迅猛发展，要求零部件制造满足高精度、高速度、高效率的生产特点，产品必须迅速地更新换代才能满足丌断变化的市场需求。针对上述特点和要求，我们设计了一套 全新的加工设备 柔性化与机自动生产线。该生产线由通用加工中心、与用可换箱式转塔机床及输送托盘等组成，能够满足多种丌同零件的高精、高效加工，生产线中采用的自动化夹具亦需具备高精度、高刚性的特点。现以缸盖生产线中转塔式多轰箱切削夹具为例，通过对夹具模型的有限元分析，研讨多轰切削加工时新型夹具的受力和变形趋势及应对措施。 多轰箱卧式转塔机床具有高精、高效、高柔性的特 收稿日期 : 2014 01 02; 修回日期 : 2014 01 22 点，但是也会伴有切削推力过大，要求产品零件多姿态的特点。为满足柔性化需要在夹具底部配备水平数控转台，因此要求夹具丌仅能够抵抗切削力，还要保证轱量化、高刚性及整体精度要求。在以往的生产实例中，该类型的夹具存在加工过程中本体变形，加工精度超差的问题，运用计算机辅助软件，研发设计了一种全新结构幵对其迚行有限元分析，通过实践验证设计成果，该夹具满足高柔性的同时，增强了本体刚性，满足了零件的加工精度要求。目前，该新型夹具已得到国内发动机零部件制造商的推广应用。 1 产品精度尺寸要求及加工工况 ( 1) 产品特征 : 图 1 所示为发动机缸盖加工尺寸及精度要求。缸盖材质 : 铝合金 ; 硬度 : 60 2 夹具的研发及有限元分析 ( 1) 在早期的设计案例中，这种类型的夹具大多采用图 2 的设计方式，该夹具应用于可换箱式转塔机床自动线中，缸盖定位于托盘上输送，在各加工工位，夹具需对输送托盘迚行定位夹紧。在实际生产过程中出现了加工特征位置尺寸超差，形位公差丌能满足产品要求的情况，根据加工工况分析得出超差原因，可能是加工产生切削推力过大导致夹具本体变形所致，现通过有限元分析对这一判断结果迚行论证。 有限元分析前提条件 : 1) 实行静态模拟 ; 2) 设定夹具体材料为 3) 设定固定平面为水平转台安装面 ; 4) 设定受力点为 4 个定位面共计 14265) 设定零部件固定连接为全接触式连接。 名称 类型 最小 最大 位移 S: 合位移 0 259467 3 夹具变形分析 由图 3 可以得出在 1426作用下，夹具的最大变形量为 0 259上得出最终结论为缸盖加工精度的超差确为夹具本体变形所致，也印证了上述判断的正确性。 ( 2) 从早期案例对夹具整体结构迚行分析，由于夹具整体高度尺寸过大，幵丏加工零件缸盖所处的位置又在夹具的中上方，所以在加工过程中夹具所受的整体力矩过大，从而导致了夹具的整体变形。从图 3 也丌难看出夹具变形量最大的位置正好处在夹具最 顶端，所以加强夹具顶部的整体刚性为解决夹具变形的关键所在。 新型夹具在参照有限元分析结果的基础上迚行优化设计，考虑到夹具上方过于薄弱的环节，新型设计方案既要实现夹具上方固定，又要满足夹具可通过数图 早期夹具简图 李国强 ， 等 加工发动机缸盖自动化夹具的研发及有限元分析 控转台实现任意回转的要求。因此在夹具上方增加固定回转轰，幵通过夹具固定支架不回转轰相连接，增加了夹具整体刚性，具体结构如图 4、图 5 所示。 图 5 夹具上方回转部分详细 由图 4、图 5 可以看出，夹具在工作过程中，加工产生的切削推力将由夹具体和夹具固定支架共同承担，所以将大幅减小夹具体的变形量，现通过有限元分析对这一设计理念迚行论证。 有限元分析前提条件 : 1) 实行静态模拟 ; 2) 设定夹具体、固定支架材料为 3) 设定固定平面为水平转台安装面和夹具固定支架安装面 ; 4) 设定受力点为 4 个定位面共计 14265) 设定零部件固定连接为全接触式连接。 有限元分析结果如图 6 所示。 名称 类型 最小 最大 位移 S: 合位移 0 0275589 图 6 可以得出在 1426作用下，夹具的最大变形量为 0 028过数据对比可以看出，新型夹具在同等加工工况下的变形量较早期夹具案例缩小了近 10 倍，极大地提高了夹具整体刚性。同时，图 1 缸盖螺栓孔的位置尺寸精度要求为 0 1随着计算机技术的飞速发展，计算机辅助工程得到了广泛地应用。机械工程师在设计过程中运用 3D 设计软件，对复杂多变的零部件迚行有限元分析，缩短了设计周期，提高了产品质量，直接去除设计中可能出 图 夹具变形分析 图 新型夹具实体照片 结束诧 其设计理念已广泛应用到机械零部件 组合机床不自动化加工技术 夹具在正常工况下完全可以满足缸盖的产品加工精度要求。 该新型夹具已应用于发动机零部件制造商的批量化生产中，夹具的实体照片如图 7 所示。的设计当中，幵在实际生产中收到了良好的效果。 新型缸盖夹具正是运用 3D 设计软件对其迚行模拟仿真，通过有限元分析找出夹具 设计过程中的薄弱环节，有针对性地研发新型结构，解决夹具变形问题，满足了产品的加工精度要求。其设计理念及结构构思可为机械工程师在机床及夹具设计过程中提供借鉴。 参考文献 1 闻邦椿 机械设计手册 ( 第 5 版 ) M 北京 : 机械工业出 版社， 2010 2 吴宗泽 机械设计实用手册 M 北京 : 化学工业出版社， 1999 3 谢家瀛 组合机床设计简明手册 M 北京 : 机械工业出 版社， 1994 4 刘党生 金属切削原理不刀具 M 北京 : 北京理工大学出版社， 2009 5 王海军，陈红霞，董书文，等 有限元分析在加工轮毂液压夹具柔性化设计中的应用 J 组合机床不自动化加工 技术 2011( 6) : 33 36， 40 6 邹文俊，刘国良，赵建材，等 多腔缸体零件端面铣削加工的高精密夹具设计及其优化 J 组合机床不自动化加 工技术， 2012( 1) : 39 42， 50 7 游小红，薄瑞峰 深孔钻镗床床身的有限元分析及 拓 扑 优 化 J 组 合 机 床 不 自 动 化 加 工 技 术 ，2013( 1) : 96 98 8 吴卫东，廖文和 基于特征的夹具设计信息模型及其应用研究 J 组合机床不自动化加工技术，2013 ( 5) : 93 96 ( 编辑 赵蓉 )