基于Solidworks的扇形卡爪夹紧薄壁件的变形分析

赵兴仁

摘 要 通过Solidworks有限元分析可知，在施加相同夹紧力的情况下，采用扇形卡爪和硬三爪两种方法夹紧工件时，硬三爪对工件产生的最大应力值是扇形卡爪的12倍，最大变形位移值是扇形卡爪的24倍，应力和变形位移值相差很大，说明扇形卡爪更适合夹紧易变形的薄壁件。由于扇形卡爪的夹紧力分布均匀，选取多个夹紧位置运形算例，得出的位移值接近相等，所以，夹紧位置对变形的影响可以忽然不计。

关键词 扇形卡爪 有限元分析 薄壁件 变形

中图分类号：TP39 文献标识码：A

有限元分析是夹具设计与分析中一项不可忽视的指导性原则，它能合理确定夹紧力的大小、作用点、夹紧顺序，以使工件变形最小，从而提高工件的加工精度。在实际加工中，工件的装夹总是伴随着不同的变形。工件在机床上装夹精度是影响加工精度的重要因素。20%-60%加工誤差是由装夹引起的。特别是薄壁件，由于刚性差，受到切削力、夹持力等载荷作用极易发生变形。典型薄壁回转体零件通常采用车削加工。在三爪夹紧力集中作用下，容易发生弹性变形，在距卡爪60的地方变形最大，向外突起。即使在夹紧状态下车削或镗削出的孔为正圆，一旦松开卡爪，零件弹性恢复使内孔变成三棱形，出现圆度误差。

1扇形卡爪的使用

常用的硬三爪夹紧工件会使其产生“三棱形”变形，而软爪可以成倍地增大与工件的夹紧面积，均匀多点的夹紧会减少工件的变形。市场上出售能拆卸更换的扇形卡爪就是一种使用简单方便的软爪，使用时用螺丝把扇形卡爪固定在三爪卡盘的卡爪基体上，根据工件的直径精车卡爪内孔，使其内孔比工件外径大0.01mm，再夹紧工件外径加工，这是内扇形卡爪，还有一种撑住内孔加工外圆的外扇形卡爪，内扇形卡爪与外扇形卡爪不同之处在于前者保证了工件的圆度，而后者保证了内外援的同轴度公差，同时由于受力均匀，在自由状态下圆度仍保持不变。必须指出，在加工三个卡爪的弧面时一定要使三爪要有预紧力，使它与涨紧工件的内孔或压紧工件的外圆受力方向一致，只有这样加工工件时，才能使扇形卡爪的三个弧面回转中心、工件内孔轴心线、机床主轴回转中心三者是一致的。

我们以加工薄壁管子为例，借助Solidworks有限元分析内扇形卡爪和普通三爪卡盘夹紧工件时的受力变形情况，以及加持位置不同对工件变形的影响，看看内扇形卡爪有什么特点。

2装夹方案的确定

对于筒形工件，一般夹在工件中间或夹持工件一端。有时夹紧力过大产生微X小的变形看不出来，通过有限元分析从微观上辨别工件变形的趋向，有利于采用更加合理的生产工艺，减少变形提高加工精度。我们选取两种夹紧方案向工件施加相同的夹紧力，比较它们的应力值和位移值的大小，分析运算结果选择最佳的夹持方案。

第一种方案是两种卡爪都夹持工件的中间，这是常用的一种方法。

第二种方案是扇形卡爪夹持工件的中间和工件的一端。

3三维solidworks薄壁筒模型的建立

Solidworks是一种应用广泛的三维制图软件，在制图方面表现力强，受力分析简单准确，利用该软件可以对装夹中存在的变形问题进行模拟分析，指导我们确定合理的装夹方案，减少装夹误差，缩短生产周期。生产中的薄壁件种类多样，形状各异，由于装夹不当极易造成工件的变形。我们以薄壁件为例来分析装夹对变形的影响，为了便于分析和提高有限元的运算速度，把薄壁件简化设计成一种简单的圆筒，其参数是：工件直径为80 mm，长90 mm，壁厚2.5mm，圆度误差是0.03mm，工件材料为304不锈钢，泊松比为0.29，屈服强度为206.8MPa。

4分析过程

4.1对薄壁件添加夹具

前面我们已经创建了一个薄壁件，在solidworks有限元分析中，只有对工件施加约束固定住后才能进行受力分析，这一步也就是添加夹具。实际车削时，三爪卡盘是夹持工件的外圆再加工内孔或端面，或者撑着内孔加工外圆，因此，外园和内孔既是固定面也是变形面。如果在solidworks有限元分析中，按实际工况固定工件的外圆或者内孔，受力变形严重失真，不符合实际变形情况，所以，选取工件内孔端面或端面的边线作为夹具的固定面最合理，没固定的一端较准确地反映出工件的实际变形情况。

4.2对薄壁件施加外部载荷

使用扇形卡爪时，三个卡爪之间的周向距离最好小于1mm，因此，其中一个薄壁件外圆上三个扇形面间的周向距离设置为1mm，扇形面的径向宽度为38 mm，每个扇形面上均匀施加200N的压力模拟夹紧力。创建另一个薄壁件，在它外圆的三个窄面上分别施加200N的压力模拟三爪卡盘夹紧力，窄面的径向长为46mm宽度为6 mm。

4.3网格划分

位移是有限元分析中的主要未知量，同时总是比应变和应力更加准确。相对粗的网格也可以得到满意的位移结果，然而要得到满意的应力结果，就需要更加精细的网格。为了更加准确地反映薄壁件的变形，我们把上述两个薄壁件的网格设置在[高]品质单元。

4.4运行分析过程

设置solidworks有限元参数作出薄壁件的三维图。模拟步骤：（1）选取薄壁件材料为304不锈钢，屈服强度为206.8MPa。（2）夹具设置为固定内孔端面的边线。（3）每个扇形面上施加200N的压力。（4）网格划分取高，这样模拟的结果准确度要高些。（5）单击运行。

5结语

通过solidworks有限元分析对比两种夹紧方案，从应力和位移的数值变化上看出，扇形卡爪比硬三爪夹紧力分布均匀，工件变形小的多，所以，扇形卡爪最合适装夹易变形的薄壁件。由于扇形卡爪的夹紧力分布均匀，夹紧位置对工件的变形影响不大。虽然，solidworks有限元分析的结果与实际工况存在一定的误差，但它能帮助我们选择出合理的生产工艺以提高加工精度，提高生产效率，对装夹方案的选定有很大的指导意义。

参考文献

[1] 田辉，郭辉，沈勇.薄壁典型回转体零件加工工艺改进[J].工具技术，2014（12）：69-71.

[2] 张超，郭辉，沈勇.扇形卡爪在机械加工中的应用[J].制造技术与机床，2007（02）：59-60.endprint