鋁合金曲面薄壁件柔性工裝夾具的加工性能研究*

張壯志，孔 嘯，梁建光，孔 飛

(1.上海交通大學(xué) 模具CAD 國家工程研究中心，上海 200030;2.上海申模模具制造有限公司，上海 200012)

0 引言

在汽車主模型檢具(圖1)中，許多零件屬于大型鋁合金復(fù)雜薄壁結(jié)構(gòu)件，厚度遠(yuǎn)小于長寬尺寸，薄壁整體結(jié)構(gòu)件材料切除率高達(dá)90%以上，平均厚度4mm，局部區(qū)域厚度小于1mm。由于薄壁零件剛性差、強度弱，加工中極易變形，導(dǎo)致加工難度較大，難以保證零件的加工質(zhì)量［1-2］。傳統(tǒng)裝夾采用的輔助支承為代木(圖1)，代木是一種復(fù)合樹脂材料，具有良好的切削性能［3］，比較容易加工成各種高度的支承條。代木支承條的頂端用小的楔形代木塊墊上，然后再將代木頂端與工件之間、代木底端與工作臺之間用502 膠水粘結(jié)起來，防止加工的時候發(fā)生移動。裝夾時間會影響整個零件的加工效率［4-5］，由于代木粘結(jié)時間較長，尤其針對復(fù)雜的零件，因此采用柔性工裝系統(tǒng)會較大的提高加工效率。

針對汽車主模型檢具中引擎蓋的尺寸大小，設(shè)計出如下圖2 所示的初步工裝系統(tǒng)模型，該模型并非柔性工裝系統(tǒng)的布局圖，僅體現(xiàn)出柔性工裝系統(tǒng)應(yīng)包括的結(jié)構(gòu)特征，含有:底座結(jié)構(gòu)、滑動結(jié)構(gòu)、支承結(jié)構(gòu)、夾緊結(jié)構(gòu)、計算機控制系統(tǒng)。其中，滑動結(jié)構(gòu)由液壓控制系統(tǒng)驅(qū)動，包括相關(guān)的液壓控制機構(gòu)等。夾緊結(jié)構(gòu)通過真空吸附方式進(jìn)行吸附夾緊，包括真空泵等真空動力源。

圖1 汽車主模型和引擎蓋模擬塊部分加工時的輔助支承

圖2 柔性工裝系統(tǒng)整體構(gòu)思圖和實物照片

1 切削對比試驗

1.1 試驗方案

由于汽車主模型檢具曲面薄壁件的最薄部分厚度一般在1 ～4mm 之間，懸臂長度在30mm 左右，因此設(shè)計了如圖3(左)所示的試樣工件，懸臂長度30mm。然后又根據(jù)主模型中引擎蓋檢具的曲面曲率，設(shè)計了150mm 的曲面半徑。圖3(右)是試樣加工后的示意圖，加工后試樣厚度僅為2mm，整個試樣滿足曲面薄壁件的要求。試樣材料為LY12 鋁合金。

圖3 試樣加工前后示意圖

本試驗共準(zhǔn)備兩個相同的試樣，分別進(jìn)行兩組對比銑削試驗:試樣一用原始的代木粘結(jié)方式進(jìn)行支承裝夾(如圖4 所示);試樣二用柔性夾具進(jìn)行支承裝夾(如圖5 所示)。對比內(nèi)容主要為加工精度和裝夾效率。

圖4 代木支承方案

圖5 柔性夾具支承方案

在兩組試驗中，除了支承方式不同，其他試驗參數(shù)完全一致。銑削加工分為兩個步驟進(jìn)行，先用半徑R=6mm 的兩齒HSS 高速鋼球頭銑刀進(jìn)行粗銑加工，然后換成半徑R =3mm 球頭銑刀進(jìn)行半精和精加工，銑削參數(shù)見表1。

表1 銑削參數(shù)

1.2 試驗結(jié)果

試樣加工后拿到三坐標(biāo)測量儀［6］上測量加工精度，在加工面上選擇7 個位置點，得到兩種裝夾方案下的逼近矢量方向偏差T(如圖6，圖7 所示)。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)我們可以得出以下結(jié)論:

(1)柔性夾具滿足工件加工表面精度要求。

圖6 三坐標(biāo)測量數(shù)據(jù)

圖7 銑削精度對比

汽車主模型檢具工件的表面加工精度要求是±0.05mm，從圖7 中可以看出，兩種裝夾方案均滿足工件精度要求。其中用柔性夾具進(jìn)行支承的方案B更是達(dá)到了±0.04mm 以內(nèi)。表2 給出了兩種不同裝夾方式的綜合情況對比，從表中可以看到，柔性裝夾方案在7 個測量點的最大偏差和平均偏差［7］上明顯要低于原來用代木的支承方案。

表2 兩種支承方案對比

(2)柔性夾具裝夾效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于代木支承。

在裝夾時間上，代木由于需要不斷調(diào)整、粘結(jié)等，用時14min，而柔性夾具僅需微調(diào)高度，用時5min，為代木裝夾時間的35.7%，裝夾效率明顯提高。

(3)柔性夾具支承剛度較大。

由圖4、5 裝夾的支承方位，以及圖6 中測量點的分布，可以看出點1、3、7 是在柔性夾具的支承點附近，點2、4、6 是在懸臂根部。根據(jù)一般規(guī)律，越靠近懸臂外緣變形應(yīng)越大，但是我們可以從圖7 中看到，兩種方案的折線方向不一致，方案A 中用代木支承的試樣是越靠近外緣變形量越大，而方案B 中用柔性夾具支承的試樣反而是越靠近懸臂外緣變形越小。出現(xiàn)這種情況的原因是柔性夾具支承剛度與支承力比較大，而且薄壁件銑削過程中會發(fā)生讓刀誤差［8］，因此在柔性夾具支承點附近的點1、3、7 的變形量明顯要小于同在邊緣處點5 的變形量，而代木是“塞”進(jìn)去的，因此不可能對工件有著很大的支承力。

2 基于HyperWorks 的模態(tài)分析

2.1 有限元前處理

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展、計算技術(shù)的提高，利用有限元進(jìn)行振動狀態(tài)的預(yù)測越來越成為銑削參數(shù)優(yōu)化的有力手段［9］。

鑒于銑削精加工時余量較小，可忽略加工后表面的壁厚差以及工件剛度的影響，直接使用工件加工后的幾何尺寸建立模型，這樣可以進(jìn)一步降低工件的剛性，實際考慮應(yīng)該是偏安全的。經(jīng)研究，采用六面體單元以達(dá)到較高的精度。工件材料彈性模量為68GPa，泊松比為0.3，密度為2.7，吸盤材料采用丁晴橡膠，彈性模量為5MPa，泊松比為0.499，密度為1g/cm3，阻尼系數(shù)為0.3。根據(jù)試驗工件裝夾情況的分析，使用柔性工裝夾具，工件后部和吸盤底部施加六個自由度約束，頂珠跟工件為點接觸，忽略三個方向的平移，施加三自由度約束;使用代木支承，則只是在接觸點施加三自由度約束。

圖8 兩種裝夾方案邊界對比

2.2 有限元后處理

運用HyperWorks［10］自帶的求解器Radioss 求解得到試驗工件的前10 階模態(tài)。柔性工裝夾具如表3所示，代木支承時如表4 所示。

2.3 結(jié)果分析

當(dāng)物體受到某一頻率的策動時，振動幅度會達(dá)到最大值的性質(zhì)不變，這個頻率就是它的固有頻率。固有頻率可以是多階的，當(dāng)外激頻率和固有頻率接近時會產(chǎn)生共振現(xiàn)象，而一階固有頻率產(chǎn)生的共振能量(幅度)最大。

根據(jù)表3，表4 可以看出，柔性工裝各階固有頻率均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于代木支承的情況，隨著現(xiàn)代工藝的不斷發(fā)展，機械加工中采用高速切削也越來越多，工件固有頻率的降低更有利于遠(yuǎn)離刀具的頻率，從而避免了共振的發(fā)生。

表3 柔性工裝方案固有頻率表

表4 代木支承方案固有頻率表

3 結(jié)束語

本文介紹了柔性工裝夾具的可行性對比試驗，在對曲面薄壁試樣工件的銑削加工中，試驗結(jié)果表明柔性工裝夾具在試樣表面精度和裝夾效率上明顯優(yōu)于原來的代木支承方式。在模態(tài)分析中也可以證明柔性工裝有較低的固有頻率，避免了加工中共振的危害。因此，柔性工裝夾具可以較好的用于鋁合金曲面薄壁件的加工中。

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