脹套芯軸夾具的結(jié)構(gòu)分析與改進(jìn)

沈陽(yáng)機(jī)床(集團(tuán))有限責(zé)任公司 沈陽(yáng) 110142

1 研究背景

近年來(lái),鋁合金電機(jī)殼由于具有體積小、質(zhì)量輕、性能強(qiáng)和散熱快等良好特性,被廣泛應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備、新能源電動(dòng)汽車等領(lǐng)域。筆者單位承接了某鋁合金電機(jī)殼兩端面和兩端止口加工的夾具設(shè)計(jì)任務(wù)。在生產(chǎn)加工該電機(jī)殼時(shí),將定子壓入電機(jī)殼后,需車削電機(jī)殼兩端孔口,并保證兩端同軸度為0.02 mm,以防止最終裝配后因電機(jī)定子和端蓋的同軸度差而使電機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生機(jī)械不平衡,進(jìn)而在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中引起大噪聲、發(fā)熱等,最終影響產(chǎn)品質(zhì)量[1]。

針對(duì)此類電機(jī)殼,目前大部分均采用脹套芯軸夾具進(jìn)行加工,一次性裝夾即可完成電機(jī)殼兩端面和兩端止口的加工,保證精度要求,并能夠提高生產(chǎn)效率[2]。但由于脹套芯軸夾具材料及結(jié)構(gòu)上的特殊性,脹套自身存在問(wèn)題。為降低設(shè)計(jì)成本,筆者引入有限元分析軟件,對(duì)脹套芯軸夾具結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析與改進(jìn),保證結(jié)構(gòu)的合理性。

2 脹套芯軸夾具結(jié)構(gòu)

脹套芯軸夾具結(jié)構(gòu)如圖1所示。夾具主體左端通過(guò)過(guò)渡盤與機(jī)床主軸連接,右端連接錐度芯軸。拉桿部分穿過(guò)主軸通孔,左端與油缸連接,右端通過(guò)三個(gè)導(dǎo)向套與脹套連接在一起。夾具右端為導(dǎo)向部分,外圓為圓錐體,方便工件裝夾。軸向定位部分為獨(dú)立液壓結(jié)構(gòu),通過(guò)活塞伸出,實(shí)現(xiàn)工件的軸向定位[3]。

圖1 脹套芯軸夾具結(jié)構(gòu)

3 脹套芯軸夾具原理

脹套芯軸夾具的工作原理如下:自然狀態(tài)下,脹套不受外力作用,直徑尺寸略小于定子內(nèi)孔尺寸;處于工作狀態(tài)時(shí),軸向定位部分在液壓作用下伸出至工作位置,將電機(jī)殼及定子一同推入脹套芯軸夾具中,直至接觸到軸向定位部分為止;之后在液壓作用下,拉桿拖動(dòng)脹套向左移動(dòng),脹套在錐體作用下實(shí)現(xiàn)彈性變形,從而脹緊工件;此時(shí),軸向定位部分在液壓反向驅(qū)動(dòng)下反向退回油缸內(nèi),刀具即可按照加工軌跡實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)殼兩端面和兩端止口的加工[4]。

4 存在的問(wèn)題

由于脹套的材料及結(jié)構(gòu)特性,脹套芯軸夾具在使用之后會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)題,如加工工件同軸度超差,無(wú)法滿足使用要求。筆者經(jīng)過(guò)檢查發(fā)現(xiàn),脹套芯軸夾具自身存在問(wèn)題,主要是脹套剛性很差,在自然狀態(tài)下由于受重力影響,就已經(jīng)超差1.5 mm左右,進(jìn)而使脹套芯軸夾具無(wú)法達(dá)到使用要求。由此可見(jiàn),需要對(duì)脹套進(jìn)行改進(jìn)。

5 結(jié)構(gòu)分析與改進(jìn)

5.1 要求

針對(duì)脹套芯軸夾具出現(xiàn)的問(wèn)題,筆者對(duì)脹套進(jìn)行分析,提出三點(diǎn)要求:

(1) 保證脹套在自然狀態(tài)下不能產(chǎn)生過(guò)大的變形,保證其剛性;

(2) 保證工件的同軸度達(dá)到要求;

(3) 對(duì)脹套芯軸夾具的使用、防護(hù)進(jìn)行具體說(shuō)明,防止脹套芯軸夾具損壞。

5.2 自然狀態(tài)下有限元分析

由于彈性材料自身的特殊性,很難根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷變形量的大小,因此應(yīng)用有限元分析軟件對(duì)脹套進(jìn)行自然狀態(tài)及受力情況下的模擬分析,幫助確定結(jié)構(gòu)的合理性。

應(yīng)用SolidWorks軟件對(duì)原有脹套進(jìn)行三維建模,材料為65Mn,利用SolidWorks Simulation進(jìn)行靜應(yīng)力分析。選擇連接零部件接觸且不能穿透,約束為固定幾何體,外部載荷只受重力作用。生成曲率網(wǎng)格,網(wǎng)格大小設(shè)置為20 mm,最小網(wǎng)格大小設(shè)置為4 mm。運(yùn)行生成結(jié)果[5-6],脹套變形云圖如圖2所示,實(shí)物如圖3所示。對(duì)于脹套受自身重力而產(chǎn)生的變形,數(shù)據(jù)顯示最大變形量產(chǎn)生于頭部深色區(qū)域,為1.524 mm。與脹套實(shí)際變形量進(jìn)行對(duì)比,情況基本相符[7]。

圖2 脹套變形云圖

5.3 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

脹套位移較大的主要原因是自身重力過(guò)大,開(kāi)槽尺寸過(guò)大,導(dǎo)致彈性變形處比較薄弱。對(duì)此,筆者進(jìn)行了四步改進(jìn),并在每一步改進(jìn)后進(jìn)行受力分析。

圖3 脹套實(shí)物

第一步，脹套前端增加止口,用于減小自身重力。同時(shí)減小開(kāi)槽尺寸,大槽尺寸由25 mm改為5 mm,小槽尺寸由6 mm改為2 mm。

第二步，大槽處內(nèi)部空刀由φ107 mm改為φ97 mm。

第三步，大槽及空刀前移35 mm。

第四步，大槽及空刀再前移5 mm,并使大槽長(zhǎng)度減小5 mm。

改進(jìn)后脹套的變形云圖如圖4所示,變形量依次減小,最終達(dá)到所要求的尺寸范圍。

圖4 改進(jìn)后脹套變形云圖

5.4 受力分析及夾緊力計(jì)算

脹套受力分析如圖5所示。對(duì)于脹套在拉力作用下的受力,可以按照斜楔式夾緊的原理來(lái)分析。圖5中,P為脹套所加的拉力,Q為工件產(chǎn)生的夾緊力,f為錐度芯軸與脹套之間的摩擦力,N為錐度芯軸的反作用力。

根據(jù)夾緊力分析,有:

(1)

式中:α為1/2脹套圓錐角;φ1為脹套與錐度芯軸之間的摩擦角[8]。

圖5 脹套受力分析

脹套芯軸夾具的脹套圓錐角為16°,則α為8°。假設(shè)脹套與錐度芯軸之間的摩擦因數(shù)μ約為0.2,根據(jù)摩擦力公式μ=tanφ1,推出φ1為11.3°。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)脹套施加15 kN的拉力,則工件所產(chǎn)生的夾緊力Q約為42 kN。

5.5 夾緊力校核

為了便于計(jì)算夾緊力,往往將工件和夾具作為一個(gè)整體剛性系統(tǒng)。根據(jù)工件所受切削力及夾緊力的不同作用情況,按加工過(guò)程中對(duì)夾緊最不利狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算。利用靜力平衡原理,先計(jì)算出理論夾緊力Q1,再將理論夾緊力乘以安全因數(shù)K,作為實(shí)際所需夾緊力Q2,并作為夾緊力校核的依據(jù)。粗加工時(shí)安全因數(shù)K一般取2.5～3,精加工時(shí)安全因數(shù)K一般取1.5～2[9]。

切削時(shí),若要保證工件不發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)或移動(dòng),則要求切削力小于工件夾緊時(shí)所產(chǎn)生的摩擦力。阻止工件轉(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)的力為脹套夾緊力所產(chǎn)生的摩擦力F:

F=μ1Q

(2)

式中:μ1為脹套與工件之間的摩擦因數(shù),μ1取0.2。

通過(guò)上述計(jì)算得出F為8 400 N。由于切削力的計(jì)算比較復(fù)雜,筆者根據(jù)實(shí)際切削參數(shù),通過(guò)切削力計(jì)算軟件,得出切削時(shí)安全車削力為3 000 N。該值遠(yuǎn)小于夾緊時(shí)產(chǎn)生的摩擦力8 400 N,因此脹套芯軸夾具的夾緊力是安全的,切削時(shí)不會(huì)引起工件轉(zhuǎn)動(dòng)或移動(dòng)。

5.6 工作狀態(tài)下有限元分析

脹套在30 kN拉力作用下的應(yīng)力云圖如圖6所示。由圖6可見(jiàn),脹套最大應(yīng)力主要產(chǎn)生于大槽根部位置處,這與應(yīng)力在尖角、圓孔處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中的原理是一致的。材料65Mn的屈服應(yīng)力為430 MPa,考慮到脹套的使用壽命、疲勞強(qiáng)度及可靠性等要求,取安全因數(shù)為2,則脹套的許用應(yīng)力為215 MPa。脹套最大應(yīng)力為122 MPa,該值小于許用應(yīng)力,因此脹套在使用時(shí)不會(huì)發(fā)生塑性變形,可以滿足使用要求。

圖6 工作狀態(tài)下脹套應(yīng)力云圖

6 應(yīng)用實(shí)例

目前,改進(jìn)后的脹套芯軸夾具已經(jīng)通過(guò)客戶驗(yàn)收,并已投入生產(chǎn)使用。經(jīng)客戶反饋,工件加工精度滿足要求,脹套芯軸夾具使用狀態(tài)良好,現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用跳動(dòng)檢測(cè)如圖7所示。

圖7 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用跳動(dòng)檢測(cè)

7 結(jié)束語(yǔ)

在對(duì)脹套芯軸夾具結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析的基礎(chǔ)上,對(duì)脹套芯軸夾具進(jìn)行了改進(jìn)[11]。改進(jìn)后的脹套芯軸夾具滿足使用要求,能夠保證工件加工精度,應(yīng)用效果良好。