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(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

3 M3 n( x: f" D- a

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，降低將來的維護(hù)費(fèi)用等,。

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),。

8 d! j4 v. U2 W4 \1 T

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程中的表現(xiàn)狀態(tài)時(shí),，只需少量數(shù)據(jù)：

/ {. t# m: s. Y+ `. d

•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(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,。

+ S  v8 o( f. J" g

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(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程中的表現(xiàn)狀態(tài),。

在經(jīng)過初步計(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,，說明何種徑向或軸向變形將會(huì)發(fā)生。

7 @7 c5 y. i& Z& Y# J4 ~

超過所述延伸極限的塑性變形非常重要,，因?yàn)樗�在加工結(jié)束之后無法恢復(fù),。此外，可以根據(jù)模擬結(jié)果來評(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)域在夾持過程中特別受力

模擬不同的夾持效果

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(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）,。

, U1 _* N& A. i+ n) W- k5 t, T

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,。

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,。

% p0 U7 }0 K/ ?3 C$ ~0 B

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,，則在材料上的自夾持有時(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