基于Pro/Engineer的薄壁套加工变形仿真与验证实验

王铁流

(浙江水利水电学院，浙江杭州310018)

薄壁套是一种常用的机械零件，主要要求一般为内、外圆直径的尺寸精度、形状精度以及相对位置精度。这类零件因其刚性差，加工时受切削力、夹紧力、残余应力和切削热的影响，容易产生变形，是机械加工中一个较难解决的问题［1－3］。在影响薄壁套类零件加工精度的因素中，因夹紧方式不当产生的夹紧变形、因切削参数不合理导致的切削变形以及因切削热引起的热变形是影响尺寸精度和形状精度的主要因素［1－4］，因此，选择合理的装夹方式与切削参数是保证薄壁套类零件加工质量的关键。实际生产中，为了确定合理的装夹方案和切削参数往往需要设计制造夹具，并通过实际切削加工进行验证，有时要进行几种方案对比才能确定最终方案，需要花费较高的成本和较长的时间。利用CAD 和有限元分析软件模拟、评估并优化加工方案，能够有效地降低制造成本、提高生产效率。

文中利用应用较为广泛的Pro/Engineer 软件，对图1 所示零件进行了不同装夹方式和切削参数的有限元车削模拟变形分析与对比，进而选出了可行的加工方案。

图1 薄壁套简图

1 工件建模

在Pro/Eng oneer 的零件界面下，根据工件的形状和尺寸(包括加工余量在内的实际工艺尺寸)建立工件的实体模型。为减少非分析区域的单元个数以减少求解计算时间，可对倒角、圆角等进行简化处理。其中切削区的局部结构按切削层形状和尺寸建立，如图2 所示。

图2 切削区与载荷添加

2 夹紧力与切削力的计算

2.1 夹紧力的计算

夹紧力计算公式为

式中:Fj为夹紧力;

K 为安全系数;

d 为切削直径;

D 为夹持直径;

μ 为卡爪与工件之间的摩擦因数;

Fc为主切削力。

2.2 切削力的计算

切削力经验公式为

式中:Fc为主切削力;Ff为进给力;Fp为背向力;加工材料和切削条件的系数CFc、CFf、CFp与切削用量的指数xFc、yFc、zFc、xFf、yFf、zFf、xFp、yFp、zFp可在有关资料［5］中查到。

3 有限元变形分析

利用Pro/Engineer 集成模式下结构分析模块的基本模式进行夹紧变形分析。该模式系统使用自身的Mechanica 适配型P 码元素来将模型网格化，并使用自己的解算器提出解决问题［6］。

(1)材料定义与分配。进入结构分析模块的Mechanica (M)界面，对工件进行材料定义和分配;确定失效准则、材料种类、表面粗糙度等，并设置比重、拉伸屈服应力、抗张极限应力，失效强度衰减因子等参数。

(2)施加约束。按照工件装夹的实际工艺要求，在工件三维模型的对应位置施加约束。

(3)施加载荷。根据计算出的夹紧力Fj和卡爪对工件的夹持面积Ajc，计算出载荷面的压强pj=Fj/Ajc，把pj添加到工件的夹持区域;切削力Fc、Ff、Fp在切削区按实际方向添加，如图2 所示。

(4)仿真分析

在“Mechanic 分析/研究”界面，建立静态分析，选择“Displacement”输出选项，通过运算可得到工件在夹紧力和切削力作用下的仿真模拟变形结果。

4 仿真与实验对比

薄壁套材料为40Cr，调质处理HB300 ～340。内、外径尺寸分别为和同轴度误差不大于φ0.015 mm，圆柱度误差不大于0.008 μm，表面粗糙度为Ra1.6 μm。壁厚为4 mm，相对尺寸较大。用数控车床精加工φ2100

－0.020mm 外圆。

4.1 切削变形对比

首先，用前角γo=0°、刀尖角ε=55°、κr=90°、rε=0.4 mm 的硬质合金刀片精车φ2100－0.020mm 外圆。外径工艺尺寸为φ210.6 mm，背吃刀量αp=0.3 mm、进给量f =0.11 mm/r、切削速度vc=235 m/min。切削变形模拟的最大值为0.002 7 mm，如图3 所示。加工后实测5 件工件的外圆圆柱度误差平均值为0.003 mm，两者结果基本一致。变形仿真的最大变形量占工件圆柱度公差要求的33.75%。

图3 rε =0.4 mm，f=0.11 mm/r 切削变形仿真结果

改用γo=0°、ε =35°、κr=90°、rε=0.2 mm 的硬质合金刀片车削。外径工艺尺寸同上，αp= 0.3 mm、f=0.08 mm/r、vc=235 m/min。切削变形模拟结果如图4 所示，最大变形量为0.002 5 mm，加工后实测5 件工件的外圆圆柱度平均误差为0.002 6 mm。与仿真结果也基本相同，仿真的最大变形量占工件圆柱度公差要求的31.3%。

图4 rε =0.2 mm，f=0.08 mm/r 切削变形仿真结果

从上述两种方案的模拟和实测结果可以看出:后者的切削变形较小，更有利于保证产品的质量要求。

4.2 夹紧变形对比

用三爪液压动力卡盘夹持φ(210 ±0.015)mm 外圆，以凸缘左端面轴向定位。建立实体模型后、在Mechanica 模式下定义分配材料、施加载荷和约束。其中载荷按动力卡盘的实际夹紧力施加，可参照计算出的夹紧力Fj调整油压确定实际夹紧力Fsj，并使Fsj＞Fj。

首先，采用宽度为35 mm 的标准宽度卡爪夹紧，模拟仿真的最大夹紧变形量为0.006 1 mm，如图5 所示。加工后实测5 件工件夹持端内孔的圆柱度平均误差为0.006 4 mm，与模拟结果接近，仿真模拟的变形量已占工件圆柱度公差要求的76.3%，考虑残余应力、切削热等其他因素对变形的影响，该装夹方案难以保证产品的圆柱度要求。

图5 宽35 mm 卡爪夹紧变形仿真结果

改用宽度为80 mm 的非标卡爪，增大夹持面积，模拟仿真的最大夹紧变形量为0.003 4 mm，如图6 所示。加工后实测5 件夹持端平均最大圆柱度误差为0.003 5 mm，与模拟结果基本相符。仿真模拟变形量占工件圆柱度公差要求的42.5%，能够保证产品的质量要求。

图6 宽80 mm 卡爪夹紧变形仿真结果

5 结论

利用Pro/Engineer 软件，对薄壁套类零件进行加工变形的有限元建模仿真，可以较为准确地对夹紧力和切削力影响的加工变形进行定量分析，在薄壁套类零件加工的夹具设计和工艺方案制定与优化方面，改变了凭经验或通过试切调整确定工件装夹方式和切削参数的传统方法，缩短了生产周期，降低了生产成本。

［1］曲中兴，张立武．超高强度钢薄壁件车削变形控制［J］．航天制造技术，2008(5):1－5．

［2］仝西琳，张明魁．薄壁零件的车削加工精度概述［J］．机械制造与自动化，2007，36(3):66－68．

［3］李付有，贾亚雷，杨敬娜，等．薄壁零件的车削工艺研究［J］．煤矿机械，2012，33(7):134－136．

［4］宋理敏，吴永钢．薄壁零件的数控车削加工工艺研究［J］．机床与液压，2013，41(7):69－70．

［5］周泽华．金属切削原理［M］．上海:上海科学技术出版社，1993:79－89．

［6］乔建军，王保平，胡仁喜．Pro/Engineer Wildfire5．0 动力学与有限元分析从入门到精通［M］．北京:机械工业出版社，2010．