有限元法在工装优化设计中的应用

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1、栏目主持棒峰黪有限元法在工装优化设计中的应用北京航空制造工程研究所(100024)王海涛李初晔ANSYS软件作为一个功能强大、应用广泛的有限元工要求，这在其他产品生产加工中已得到很好的验证。分析软件，具有数据统一、良好的优化功能以及建模、排除了加工设备的问题，我们将重点集中在了工装上，求解和非线性分析功能强大等优点，在国内得到越来越通过深人现场调研了解到，在加工该批次活塞时，车间多的认可和使用。包括工装等的零部件设计或改进，完工艺人员直接借用了其同型号活塞的工装，虽尺寸大小全可以利用有限元软件，针对设计的工艺要求或生产中不

2、存在问题，但鉴于QY4108型活塞设计结构较特殊，出现的问题，进行相应的分析和判断，通过对比筛选，不能直接借用其他产品的工装，而应进行重新设计。找到一种切实可行或者最佳的实施方案，以保证设计件研究论证后最终将焦点集中在容易出问题的镗杆和功能的可靠性和合理性。夹具部分。实施方案简要概括如下：将镗杆和夹具相关1．问题的出现零件做成三维实体模型，然后利用ANSYS软件，模拟镗削活塞销孔属于精密加工，QY4108型活塞又是生产中的实际受力状态，加上适当的载荷，进行变形分一种对各项精度相对要求较高的产品，断面图如图1所析，根据生成的

3、数据和结果，判断对活塞销孔加工时的示，在其技术参数中，销孔的圆度≤0．0015mm，圆柱影响程度。对工装进行改进设计，再一次使用ANSYS度≤0．002mm，表面粗糙度值R=0．41,zm，像这类高精软件进行分析，重复以上步骤，使整个优化设计形成一度产品的加工，除对个“闭环控制”的工工装装数控设备有严格要求过程，如图2所示，设生计产外，对于工装等方面经过一次或多次，改应进用的要求也同样苛刻。直到达到理想的设在该型号活塞初计目标。按照最后生产过程中，出现了的结构和尺寸，将图2工装优化设计流程活塞销孑L圆度、圆柱—{--I_《

4、l，工装生产出来，应用到加工中进行加工检验。]r度和表面粗糙度检测3．有限元分析判断数值不稳定的现象，活塞销孔的镗削加工属于精密加工，有时哪怕是一图lQY4108型活塞有时甚至超差，进而1．头部燃烧室2．环槽3．腔体点小小的影响，都会对销孔的精度产生副作用，甚至是产生了不可控废品，4．活塞销孔5．定位止口废品。对镗杆和夹具进行有限元分析，只是初步判断，其几率之高，在其他类型活塞生产中未有先例。带有一定程度的主观性，最终还必须要用事实和数据来2．根源产生分析验证判断的正确与否。加工该型号活塞销孔的数控镗床，是公司的专利产工装

5、的有限元分析分成两步：先对原来借用的工装品，经过多年的试验、改进和使用，已完善定型，且在进行分析，得出相应的数据和结果；根据第一步的结生产中一直比较稳定，没有此类问题发生。论，对工装进行设计改进，再进行有限元分析、验证。虽然QY4108型活塞销孔精度指标高于其他产品，通过这样一个过程，使工装优化，达到最佳设计要求。但加工设备的原始设计参数完全能够满足产品精度的加(1)镗杆切削受力状态镗杆的结构设计和刚性与参磊工冷加工!笪!!塑_WWWmeta1working1950．com销孔的精密加工密切相关，而且因之引发的镗杆变形会型

6、号活塞的结构不无关系。直接降低销孔的加工精度。4．改进方案实施利用ANSYS软件分析借用镗杆的变形情况。分析(1)镗杆的分析和改进镗杆的改进主要针对结构时，所施加载荷相当于镗削销孑L时的理论切削力值，约来进行，将原来镗杆中心的减重孔直径减小或直接去为0．5N，镗杆的变掉，相应增大镗杆的外径的尺寸；通过校核计算，缩短形如图3所示，其镗杆的长度；薄弱处以圆弧过渡。另外，还可改换镗杆中最大变形量为6的热处理方式，由原来的调质处理改为淬火处理，以提■■■■■●■鹭匿曩鬣l-=0．021mm，已超一高镗杆的整体强度。出工艺要求的偏移

7、通过改进，利用有限元分析，结果如图6所示，改量。进后的镗杆变形量大大减小，最大变形量仅为6=0．0008因镗削时镗杆mm，还不到1I,Lm，说明镗杆的综合力学性能有了显著图3改进前镗杆受切削力变形受切削力的作用，提高。变形量较大，这种情况下，即使没有其他不可控因素的影响，也很容易使销孔的精度要求超差。而其他影响因素已为加工设备所固有，F是难以消除的。因此，要／1减轻镗杆变形，必须改进／lI／2结构，重新设计，步骤按图2的流程进行。_(三／(2)工件压紧状态／图6改进后镗杆受切削力变形／，5镗削活塞销孔时的加工I／＼／(2)

8、压块的分析和改进夹具主要针对压块进行结状态如图4所示。加工过／构上的改进，改进前后的结构如图7所示。改进有两程中，活塞顶面和夹具的处，一是在原来压块底面上车出一个D×的圆柱孔，压块紧密接触，两者之间图4镗削销孔状态尽量减少压块与活塞顶面的接触面积；二是再在压块底的作用力大小相等，方向l压块2．活塞3．活