浅论薄壁液压缸筒精加工夹紧变形问题.pdf

精密制造与 自动化 2 0 1 0年第 3期 。 ∈ 。。O 言} 。。≥ ． O ◇O ◇o O 工艺与装备 ◇ 浅论薄壁液压缸筒精加工夹紧变形 问题 胡增 荣 南京铁道职业技术学院 2 1 5 1 3 7 摘要 薄壁液压缸筒是工程机械 中常用的零件 ，在精加 工中受夹紧力变形 ，一直是影 响其加工 精度 的一个主 要 原因，采用有 限元 软件 A B AQ US对 薄壁液压缸简 的加紧变形进行 了模拟 ，并对 不同夹紧方法进行 了比较，提 出了改进建 议。 关键词 薄壁液压缸筒夹紧变形A B AQ US 有 限元模 拟 工程机械用液压缸筒越来越趋 向于薄壁和超 长，内径与壁厚 比可达到1 0 ～1 6 ． 5 mm，长度和 内 径 比可达到4 0 ～7 0 J 。这类零件 由于本身壁厚小、 长度大、加工精度要求高，在精加工中保持设计精 度 比较困难 。本文重点讨论其在加工中受夹紧力变 形对加工精度的影响和改进建议。 薄壁液压缸筒加工时一般用中心架与三爪或四 爪卡盘上配合使用安装在机床上，液压缸简在卡盘 夹紧后发生弹性变形，此时液压缸筒内外径都 已经 失圆， 其内孔经镗孔后呈圆形， 外径形状保持不变， 当从卡盘 中取 出工件后 ， 套筒会恢复成原来的外形， 而内孔变成失圆的形状，如图1 所示I 引 。 所产生误 差的大小与套筒本身的形状 、材料和夹紧力大小有 关，正确预测变形的大小，对改进加工工艺，提高 产品质量有很大的现实意义 。 图 l 工件的夹紧变形 要精确得到变形量可以进行试验及理论计算 ， 也可 以运用有限元模拟的方法求得。随着计算机技 术的飞速发展，解决工程 问题应用有 限元法 已经越 来越普遍了。本文运用有限元模拟的方法解决这一 问题，模拟工具使用的是有限元软件 AB AQ US 。 1 A B A Q U S简介 A B AQUS是一套功能强大的工程模拟的有限 元软件，其解决 问题 的范围从相对简单的线性分析 到许多复杂的非线性 问题 。 AB AQ US包括一个丰 富的、可模拟任意几何形状的单元库。并拥有各种 类型的材料模型库 ， 可以模拟典型工程材料 的性能。 AB AQ US 虽然功能广泛 ，但使用起来却非常简单。 用户通过准确 的定义参数就能很好 的控制数值计算 结果 。 2 建立有限元模型 今 以长 6 0 0 mm，外径 1 2 0 mm，内径 1 0 0 1T n T I 的液压缸筒一端被三爪卡盘夹持的情况讨论 。如 图 2所示，三爪成 1 2 0 。均匀分布 ，夹紧时，工件受均 匀分布的三处径 向力挤压。为简化处理过程作如下 假设 1 夹持力是均匀作用在夹持面上的径 向力 ， 忽略导致夹持力不均的各种影响； 2 假设夹持力只使工件产生弹性变形； 3 假设材料组织均匀 ，各 向同性； 4 假设液压缸筒的另一端是完全固定的。因 为现在 只考虑夹 紧力产 生 的变形， 不考虑加工等 的影 响。 三 爪卡 盘 的卡爪 与工 件接触面积近似 为长方形， 接触长度是 4 0 mm， 接触宽 度是 1 0 n “l lT l ， 有效接触面积 每爪是 4 0 0 mm 。 夹紧扭矩 图 2 三爪夹持示意 5 3 精密制造与 自动化 2 0 1 0年第 3期 是 3 5 0 N m。 产生 4 5 0 MP a压力 。 坯料用 4 5钢精密 冷拔钢管，其弹性模量 E 2 ． 1 1 0 MP a ，泊松 比 v 0_ 3。 根据 以上参数 ，在 AB AQUS的 C A E集成环境 下，建立如图 3所示的模型。 图3 液压缸筒模型 3 分析与比较 对模型赋予 4 5钢的材料属性 ， 一端施加完全固 定的边界条件 ，另一端施加 1 2 0 。分布的 3处均布 载荷如图 4所示。 图4 载荷与约束 选择合适 的单元类型并 自动划分 网格 ，在有限 元分析中，一般说来网格划分得越密，在其他条件 不变 的情况下 ，模拟结果就越精确，但网格密度 的 增加将会成倍地增加模拟的时间。在此选单元类型 为 C 3 D 4 ，单元大小为 O ． 0 1 ton i 。模拟结果如图 5 所示。 图5 三爪卡盘夹紧的变形模拟结果 由图 5可见最大变形量发生在加载方向上，其 峰值为 0 ． 3 5 mm，3处变形均等，变形趋势与预期 形状相一致 ，使用不同的夹紧力 ，可得到不同的变 形值。变形随夹紧力 的增大而增大。运用 同样的载 荷条件做试验，测得变形为 0 ． 3 4 0 5 mm。试验得到 的数据 比模拟的值小， 是因为模拟 时候所做 的假设， 在实际情况 中有的根本不可能存在，有的可能与实 际情况有出入。如对冷拔钢管而言，材料不可能组 织均匀各向同性 。而夹持力也不是均匀分布在夹持 面上。模拟结果与试验结果只差 0 ． 0 0 9 5 IT I 1 T I 。这个 值对于液压缸筒这类零件的精度要求来说是完全可 以忽略不计的。 由不同夹紧力作用下模拟的结果可见，减小夹 紧力对减小变形具有直接的效果，是因为变形处在 弹性范围内，但夹紧力的减小是有一定限度 的，它 必须保证切削加工 的顺利进行并具一定 的生产效 率 。运用有限元模拟可以确定适宜生产过程的最小 夹紧力。如果使用最小夹紧力所产生的变形依然使 工件加工后不能达到精度要求，那么就要另找解决 办法。分析工件夹持处受力情况及变形图可以自然 地想到，假如不是 3处局部受力而是夹持力均匀分 布到夹持的圆周区域上，那么情况一定会好很多。 照这样的思路，可用多齿卡盘 ，扇形软爪卡盘 或在工件夹紧处外周增加一个开口过渡环，夹紧力 通过过渡环夹紧工件 ，使夹紧力在工件周围均匀分 布 ，将夹紧变形减小到最小值 ，以提高加工精度。 用加过渡圆环改进方法为例 ，为简化模拟过程，现 在直接用作用在整个夹紧圆周上的均布力代替3 处 局部夹紧力 。这样在相同的夹紧扭矩作用下产生的 加紧压力将变为原来得0 ． 0 7 9 倍。模拟结果如图6 所 不。 图 6 加过渡环夹紧的变形模拟结果 胡增荣浅论薄壁液压缸筒精加工夹紧变形问题 模拟结果显示变形最大值为0 ． 0 7 6 8 n l i i 1 。仅有 未改进前变形 的1 ／ 4 左右。 可见改进措施减小变形作 用是明显的。 4 结语 在弹性范围内利用有限元分析软件可以方便准 确地分析夹紧的变形情况，指导薄壁液压缸筒精加 工。通过几种加紧方案的对 比，可见 1 夹紧变形与夹紧力和夹紧方式有直接关 系，适当地使用夹紧力和正确地使用夹紧方式对减 小液压缸简的夹紧变形有明显效果。 2 采用有 限元模拟 的方法可以方便地确定各 种作用情况下的夹紧变形 ，容易取得最佳方案 。 3 有限元模拟 的结果与实际试验结果略有出 入。这就要求我们在做模拟的时候尽可能地给 出符 合实际的边界条件及载荷状况 。薄壁液压缸筒精加 工的夹紧变形是影 响最终加 工精度 的一个主要 因 素，采用有限元分析的方法有利于 问题 的解决 。 参考文献 郭维斌 ．薄壁超长液压缸筒 的加工[ J ] ．机械制造， 2 0 0 0 4 4 0 4 1 ． 陈树峰，马伏波．薄壁工件在夹紧力作用下变形量的 计算[ J ] ． 煤矿机械， 2 0 0 5 2 7 0 7 1 ． 王保 明，焦承 尧，杜 金凤，等．薄 壁类 零件加 工 中圆 度超差问题的探讨[ J ] ． 煤矿机电， 2 0 0 1 4 1 6 1 8 ． 王志刚，何宁，张兵，等．航空薄壁零件加工变形的 有限元分析[ J ] ． 航空精密制造技术， 2 0 0 0 6 7 ． 1 1 ． AB AQ US I NC． A B AQ US 有限元软件 6 ． 4版入 门指南 [ M】 ． 庄 茁，译 ． 北京清华大 学出版社 ， 2 0 0 4 ． 上接第 3 2页 而不是一条线 ，这时我们可以在砂轮端面修整时， 走一段直线插补 。把砂轮的断面稍微修斜，产生斜 度。如图 4所示。 图 4 砂轮直线插补示意图 2 在生产过程 中，考虑到用户安全，则在手 动量仪进、对刀进 时， 我们在 P L C中加上延时导通 继电器 T MR B，延时导通 5 S 保证用户操作安全性 ， 如图 5所示。 3 工作台 z轴运行过程中出现振动问题 。 电气原因电动机地线没接好会导致驱动器相 位及输出电压不稳引起振荡；当伺服驱动的速度增 益过大、 速度积分时间常数过大、响应时间过小时， 控制环也会引起 电机振荡 。机械原因在 Z轴方向 安装丝杠和电动机时，由于两者不 同心产生振荡。 调整伺服驱动速度 、位置 比例增益 ，加减速时 间后，振荡减弱说明是 电气原因。反之将 电动机和 丝杠脱开，震荡减弱则说明电动机与丝杠不 同心是 其振荡的主要原因。 5 结语 使用经济型数控系统改造普通磨床，不仅为企 业利用有 限资源 ，节约成本，而且会大大提高机床 的加工精度、可靠性和 自动化程度 ，从根本上提高 企业的制造 能力和制造水平，提升企业的整体竞争 能力，增强企业的社会效益和经济效益 。这也是重 工企业响应 国家提倡的节能减材～个很好的方式 。 参考文献 ⋯ 1 余英良． 机床数控改造设计与实例[ M】 ．北京机械工 业 出版 社， 1 9 9 8 ． [ 2 】 王侃夫主编 ． 机床数控技术基础 [ M】 ． 北京 机械 工业 出版社． 2 0 0 4 ． [ 3 ] 张振国主编． 数控机床的结构与应用[ M] ． 北京 机械 工业 出版社， 1 9 9 5 ． [ 4 ] 张新义主编．经济型数控机床系统设计[ M】 ． 北京 机 械工业出版社， 1 9 9 4 ． 55 Ⅲ