虛擬加工的意義：以大型薄壁件為例

一往冇前

工件在夾持過程中會產(chǎn)生多大的變形？不同的夾持方案怎樣確保工件維持原有尺寸？現(xiàn)有的夾持器械如何可以得到最佳的運用？對于此類問題，虛擬加工可能是一種有效的模擬方法。

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圖1 模擬可以快速反映出一個環(huán)狀工件必須如何接受夾持

很多人設(shè)計師面臨超大部件和超大尺度系統(tǒng)的加工，大多比較重視安全系數(shù)。但如今，企業(yè)為了保持競爭力，研發(fā)和設(shè)計人員所面臨的要求更多——必須縮短設(shè)計和生產(chǎn)時間，降低重量和節(jié)約能源，同時提高部件和整個系統(tǒng)的精度、耐用性和使用壽命，降低將來的維護(hù)費用等。

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對大尺寸薄壁或特別復(fù)雜工件的精確加工往往是一項具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。一方面夾持力不得超過一定的限度，以免工件發(fā)生變形或損壞，另一方面夾持必須要安全可靠，以便抵抗住切削力的作用。采用有限元方法（FEM），可以看出工件在夾持和加工過程中的具體表現(xiàn)。

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圖2 為了檢測工件的狀況，在工件上設(shè)置一個網(wǎng)

模擬工件的加工狀態(tài)

在模擬的基礎(chǔ)上，可以設(shè)計出夾具、卡鉗、夾持高度、夾持力和轉(zhuǎn)速之間的最佳搭配。它可以提供工件的破斷機理、剛性、壽命和振動特性等要素。尤其是針對復(fù)雜外形的工件和很高精度的要求（如軸承、齒輪、渦輪機外殼、油缸端頭和制動環(huán)等），早期模擬具有很大的好處。在模擬工件在夾具上和在加工過程中的表現(xiàn)狀態(tài)時，只需少量數(shù)據(jù)：

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•工件的3D模型，例如CAD數(shù)據(jù)；

•有關(guān)材質(zhì)的說明；

•切削參數(shù)和最大加工轉(zhuǎn)速；

•帶有夾持點位的夾持示意圖；

•夾持力和夾鉗力的設(shè)定值；

•夾鉗幾何外形，例如光滑夾鉗和瓷磚等；

•機器設(shè)備數(shù)據(jù)，有關(guān)夾持油缸和心軸分布的特別說明。

根據(jù)這些數(shù)據(jù)，首先要在CAD程序里建立起相應(yīng)于夾持任務(wù)的3D模型。然后在FEM程序中對材料和夾持接觸面做出定義，同時設(shè)定包含起始和終止節(jié)點在內(nèi)的各個節(jié)點網(wǎng)絡(luò)（圖2）。在后續(xù)的加載步驟中定義出各項邊緣條件。

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例如在第一步加載過程中，模擬工件在特定夾持力作用到特定點位上時的表現(xiàn)狀態(tài)。在第二加載步驟中，探究當(dāng)工件處于旋轉(zhuǎn)卡盤上作高速旋轉(zhuǎn)時載荷的變化。第三個加載步驟則模擬工件在加工過程中的表現(xiàn)狀態(tài)。

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在經(jīng)過初步計算之后，可以對電網(wǎng)的瓶頸部位進(jìn)行細(xì)化，以改善模擬結(jié)果表述質(zhì)量。3D概觀圖或動畫圖片可以清晰闡述每一個加載步驟，說明何種徑向或軸向變形將會發(fā)生。

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超過所述延伸極限的塑性變形非常重要，因為它在加工結(jié)束之后無法恢復(fù)。此外，可以根據(jù)模擬結(jié)果來評判采用某種夾持方案是否可以達(dá)到特定的圓度。

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圖3 GG25鑄鐵驅(qū)動籠子的紅色區(qū)域在夾持過程中特別受力

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模擬不同的夾持效果

采用FEM可以對不同夾持和加工參數(shù)，甚至對在工件上力的不同導(dǎo)入點位均可進(jìn)行模擬。諸如零位夾持螺栓可以直接擰到工件上的夾持方案也可以被模擬。在這里，F(xiàn)EM可以對螺栓的穩(wěn)定性和工件的變形性做出表述。

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通過一則例子可以表明，借助于FEM都可以做到什么：通過模擬可以對GG25鑄鐵材質(zhì)的驅(qū)動籠子的夾持狀況進(jìn)行研究：所要檢驗的是迄今為止均采用三道工序加工的泵的驅(qū)動部件是否也可以只采用兩道加工。對此，在一個標(biāo)準(zhǔn)的六鉗擺動平衡卡盤上進(jìn)行徑向夾持試驗（圖3）。

第一次模擬結(jié)果顯示，218f7配合直徑上的圓度誤差（公差范圍為0.048mm）在夾持、高速車削和加工之后達(dá)到了0.054mm，即超出了公差范圍。

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在第二次模擬試驗中提高了轉(zhuǎn)速并對切削數(shù)據(jù)進(jìn)行了匹配，這次試驗則成功了。僅僅通過變動加工參數(shù)，即可在現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)夾具上實現(xiàn)對驅(qū)動燈具的加工，這確是一個極大的成本節(jié)約。如果沒有進(jìn)行這樣詳細(xì)的FEM分析，則是很難達(dá)到這個目標(biāo)的。

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由于FEM總還只是一種理論上的計算，可以建議在模擬的基礎(chǔ)上進(jìn)行一次實際的試驗。在大多數(shù)情況下，實際結(jié)果往往不會偏離所計算的結(jié)果。但如果是淬火工件或帶有砂皮的鑄件，則在材料上的自夾持有時會導(dǎo)致較大的差異。

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學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)

大蘿卜

既然已經(jīng)模擬了，為何不模擬完直接加工比較