低应力装夹加工变形研究及工艺参数优化  顺德路灯维修车出租, 路灯维修车出租, 顺德路灯维修车租赁  铝合金薄壁结构件因其比强度高、质量轻、可塑性好等特点，广泛应用于现代高精端技术领域。新一代的航天产品，以高精度、轻量化、高可靠性为典型技术特征，以短研发周期、高研制质量、低生产成本为典型市场特征。薄壁结构件由于零件刚度差，在生产中非常容易发生变形，主要因素包括：夹具夹紧力和切削载荷。因此，制定合理的薄壁零件定位和夹紧方式，对于提高薄壁结构件的加工精度和表面质量具有显著的理论与工程价值，研究装夹工装的设计对薄壁件加工变形是一个重要的方向。分析了工件—工装系统在装夹过程中的变形情况，建立综合工件-工装的刚度分析模型，利用变形仿真技术，对工装进行完善优化，并采用卸荷式工装的工作原理，在保证零件刚性的同时，卸除工装的多余束缚，减小零件的变形，实现变形仿真技术在工装设计优化上的工程应用。建立了基于有限元的导轨全过程仿真模型之后，对三个主要艺参数进行优化取值，并对比相应的导轨变形和应力，通过改进工艺参数以达到减小加工变形量以及应力值的效果。

      目前制造业的主要发展方向是薄壁零件的精密加工技术。而装夹技术又是生产环节中的关键所在，主要从两个方面进行了研究：一是依据零件的结构形状设计出满足使用要求的工装；二是对于精密零件，基于已知装夹方案、切削力、预载荷以及约束，根据各项参数计算出零件在装夹加工过程中的变形，进而评估这种变形对加工结果精密度影响，根据此原则选出其中的最优方案。精密薄壁零件装夹方案的设计原则包括定位、加紧和辅助支承三个部分。主要设计参数有：基准面的选择，定位点、夹紧点的位置，初始加紧力大小的计算，辅助支承点的位置。但其对机构件质量要求高，以及其在使用中的一些特殊要求，因此在设计装夹方案及夹具中应该重点遵循以下几项基本原则:（1）尽量减少工件加工过程中由于加紧力和切削力引起的最大变形；（2）提出多种设计方案，根据一定规则分析方案的优劣；（3）装夹方案中应该体现夹紧力施加的顺序。本章对于细长薄壁导轨低应力装夹技术研究，首先根据零件的几何特征及加工精度的要求，然后根据主要影响因素如定位夹紧形式、装夹布局及夹紧力大小等，初步制定装夹方案。导轨结构件由于长度方向尺寸大，整体刚度低，尤其是在横截面上局部刚度弱，因此如果装夹没有考虑到装夹力的影响，会导致装夹变形严重，影响加工精度。为了减少装夹力引起的内应力和变形，需要结合卸荷式装夹的工作原理，综合工件—工装的刚度分析模型，提高薄弱部位的局部刚度，保障导轨结构件加工精度。

    低应力装夹技术控制变形实施过程,  低应力装夹技术实施过程主要分为如下步骤：首先利用经验公式以及仿真分析对比了切削力的大小，验证了装夹结构仿真模型的有效性，为后续的分析奠定基础；其次，提出了三种装夹方式，并通过仿真进行了对比分析，给出了优化的装夹方案设计，然后进行各个加工面的铣削试验。

      定量获得切削力值为了有效进行低应力装夹分析，首先需要获取的是加工过程中的切削力。通过切削力公式和有限元仿真结果，获取了导轨铣削上表面时的切削力。由金属切削手册，可知铣削力的经验公式如下 其中pa为背吃刀量，wa为铣削切削层公称宽度，fa为每齿进给量，0d为铣刀直径，n为铣刀转速。通过查阅资料及实际加工情况获得铣削力有关参数：即可求得切削力大小为214.8N。

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      铣削力有限元仿真求解,  通过有限元分析可以有效获取薄壁件的加工变形规律，同时进行大量的试验模拟，再辅以试验验证，即可建立准确的数学模型，指导结构件的加工方法。针对本次有限元仿真试验，本文采取真实刀具尺寸模拟切削，工件的材料选择按实际加工材料，对结构件的一部分进行分析研究。加工中采用端铣刀，端铣刀主要用于加工工件表面，本文建立了典型的端铣刀三维模型，材料为硬质合金，硬质合金端铣刀的切削效率及加工质量均比高速钢铣刀高，工件材料为2A12铝合金。针对本文分析的结构件特点，选取Johnson-Cook材料模型，因为在切削过程中，在高温、大应变作用下易发生弹塑性变形，且切削过程中各处的应变、应变速率及温度29变化情况很大，而在现有的材料本构模型中只有Johnson-Cook材料模型能够有效的模拟材料在高应变速率下的热粘塑性变形行为，Johnson—Cook模型中A、B、C、n、m是与材料有关的待定数据，它们分别表示屈服应力、应变硬化常数、应变速率强化系数、应力硬化系数和热软化系数，σ为材料应力，ε为材料应变，ε为材料应变率，0ε为参考应变率；t、rt和mt分别为材料温度、参考温度和熔点温度。通过查阅资料获得了2A12铝合金Johnson-Cook材料模型的有关参数。

    低应力装夹设计低应力装夹的设计要点在于既保障了工件的局部刚度，又能使工装产生的装夹力对工件的变形以及内应力影响最小。根据以往积累的经验可知其设计原则如下：（1）提高局部刚度，减少因局部刚度产生的让刀变形；（2）尽可能减小装夹力以及因装夹而产生的初始内应力；（3）通过装夹产生的变形与内应力尽可能补偿加工过程产生变形和内应力。结合生产实际及研究工件的结构特点，本文首先针对性的提出了三种装夹方式进行研究对比分析，三种装夹方式：用以对比分析的三种装夹方式三种装夹方式中所示为加工上表面时，在导轨横截面上的三种装夹方式，第一种装夹仅有压板固定（以下称装夹一），第二种装夹在侧边添加了两个支撑（以下称装夹二），第三种装夹在中部添加了支撑（以下称装夹三）。需要保障上表面尺寸误差不大于0.1mm。通过低应力装夹分析，我们可以分析出这三种装夹方式的优缺点。在上表面选取5个分析点，两侧上表面取中点，中间上表面取三等分点。将切削力依次施加于三种装夹方式上的5个分析点，获取最大变形量以及最大应力，规定正方向为垂直上表面向上。通过在仿真软件中对模型施加切削力，可以获取在三种装夹方式下的仿真分析云图。通过分析仿真数据结果可以得出以下结论：（1）两侧装夹在加工过程中能减少0.077mm的侧翼变形，效果明显；（2）中间装夹在加工过程中能减少0.012mm的中间变形；（3）无两侧装夹会导致加工侧翼时肋板应力过大；（4）有中间装夹会增加8.85%的加工应力，且应力比较集中。

    对比试验中得出的数据可以看出：（1）装夹力产生的变形和内应力随着装夹力的增加而增大；（2）装夹力产生的内应力远小于加工过程中的内应力；（3）如果装夹力选取合适，装夹产生的变形可与加工过程产生的变形相互抵消。如果采用两侧支撑，装夹力应选取5Nm附近，可以有效抵消87%加工误差，如果采用中间支撑，装夹力应选取10N附近，可以有效抵消97%加工误差。通过以上研究分析最后可以得出以下结论：（1）如果添加两侧支撑，能有效避免侧翼肋板的应力集中，且能减小0.077mm的加工误差，因此应当添加两侧支撑，且两侧拧紧力矩选取5可有效抵消加工误差；（2）如果添加中间支撑，能减少0.012mm的中间变形，但会增加0.6MPa的加工应力，且应力比较集中，从低应力装夹角度考虑，不应添加中间装夹。（3）综合对比仿真和试验得出的数据，最终选取装夹的方式进行加工导轨的中间断面。

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