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(guò)程中會(huì)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(yùn)用？對(duì)于此類問(wèn)題，虛擬加工可能是一種有效的模擬方法。

圖1 模擬可以快速反映出一個(gè)環(huán)狀工件必須如何接受夾持

很多人設(shè)計(jì)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(jìng)爭(zhēng)力，研發(fā)和設(shè)計(jì)人員所面臨的要求更多——必須縮短設(shè)計(jì)和生產(chǎn)時(shí)間，降低重量和節(jié)約能源，同時(shí)提高部件和整個(gè)系統(tǒng)的精度、耐用性和使用壽命，降低將來(lái)的維護(hù)費(fèi)用等。

4 F4 Q$ I1 b: V2 U5 P$ {( G

對(duì)大尺寸薄壁或特別復(fù)雜工件的精確加工往往是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。一方面夾持力不得超過(guò)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(guò)程中的具體表現(xiàn)。

& a" D) |- x2 T0 p% Z

圖2 為了檢測(cè)工件的狀況，在工件上設(shè)置一個(gè)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(jì)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(jī)理、剛性、壽命和振動(dòng)特性等要素。尤其是針對(duì)復(fù)雜外形的工件和很高精度的要求（如軸承、齒輪、渦輪機(jī)外殼、油缸端頭和制動(dòng)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(guò)程中的表現(xiàn)狀態(tài)時(shí)，只需少量數(shù)據(jù)：

" F% E) T0 z% t

•工件的3D模型，例如CAD數(shù)據(jù)；

•有關(guān)材質(zhì)的說(shuō)明；

•切削參數(shù)和最大加工轉(zhuǎn)速；

•帶有夾持點(diǎn)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(jī)器設(shè)備數(shù)據(jù)，有關(guān)夾持油缸和心軸分布的特別說(shuō)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(duì)材料和夾持接觸面做出定義，同時(shí)設(shè)定包含起始和終止節(jié)點(diǎn)在內(nèi)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)（圖2）。在后續(xù)的加載步驟中定義出各項(xiàng)邊緣條件。

例如在第一步加載過(guò)程中，模擬工件在特定夾持力作用到特定點(diǎn)位上時(shí)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(shí)載荷的變化。第三個(gè)加載步驟則模擬工件在加工過(guò)程中的表現(xiàn)狀態(tài)。

% z# i- Z0 F+ B' k7 f6 N  y

在經(jīng)過(guò)初步計(jì)算之后，可以對(duì)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(dòng)畫圖片可以清晰闡述每一個(gè)加載步驟，說(shuō)明何種徑向或軸向變形將會(huì)發(fā)生。

5 w/ L" {/ C+ b- g) y

超過(guò)所述延伸極限的塑性變形非常重要，因?yàn)樗�在加工結(jié)束之后無(wú)法恢復(fù)。此外，可以根據(jù)模擬結(jié)果來(lái)評(píng)判采用某種夾持方案是否可以達(dá)到特定的圓度。

圖3 GG25鑄鐵驅(qū)動(dòng)籠子的紅色區(qū)域在夾持過(guò)程中特別受力

, O1 m1 k) F! v

模擬不同的夾持效果
' E0 b0 J2 e' A4 V6 f

采用FEM可以對(duì)不同夾持和加工參數(shù)，甚至對(duì)在工件上力的不同導(dǎo)入點(diǎn)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(duì)螺栓的穩(wěn)定性和工件的變形性做出表述。

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

' G$ I! _) W  h* \" U2 o

在第二次模擬試驗(yàn)中提高了轉(zhuǎn)速并對(duì)切削數(shù)據(jù)進(jìn)行了匹配，這次試驗(yàn)則成功了。僅僅通過(guò)變動(dòng)加工參數(shù)，即可在現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)夾具上實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)燈具的加工，這確是一個(gè)極大的成本節(jié)約。如果沒(méi)有進(jìn)行這樣詳細(xì)的FEM分析，則是很難達(dá)到這個(gè)目標(biāo)的。

$ L. Z" s2 Q* i0 s/ p: U" K9 D

由于FEM總還只是一種理論上的計(jì)算，可以建議在模擬的基礎(chǔ)上進(jìn)行一次實(shí)際的試驗(yàn)。在大多數(shù)情況下，實(shí)際結(jié)果往往不會(huì)偏離所計(jì)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?shī)A持有時(shí)會(huì)導(dǎo)致較大的差異。

18137630758

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