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y c 4 1i o q 气缸盖气门座、导管孑l 加工的 夹具分析及工艺改进 摘要 缸盖是构成柴油机的主要部件。气门头部与缸盖座圈锥面配合的紧密 程度是实现柴油机进气和排气过程的关键，此配合反映到气缸盖上，就是 导管底孔、导管孔、座圈锥面的加工精度。因此，在缸盖加工中，导管孔、 座圈孔加工是缸盖加工的关键工序，如何在批量生产中保证缸盖加工的精 度，是一个迫切需要解决的问题。在以往加工4 1 1 0 0 气缸盖的过程中，即 使在卧式加工中心上加工，导管孔座圈锥面仍不能满足产品要求，特别是 导管内外圆的同轴度经常超差。为了加工出高质量的气缸盖产品，查明加 工导管孔、座圈锥面工序精度超差原因，决定从夹具入手，分析、解决此 超差问题，并研究一种适合4 1l o q 气缸盖的导管孔座圈孔加工工艺方法。 为此将解决此问题作为工程硕士毕业研究课题。 本文运用现场调查、有限元分析等技术、方法，通过对4 1 1 0 0 气缸盖 加工工艺方法、夹具定位方式、定位精度及夹具变形等方面的分析，对夹 具及加工工艺进行了改进。在研究现代国内外导管孔座圈锥面加工的先进 技术的基础上，找出造成导管内外圆同轴度超差的主要原因：工件在夹具 上加工的精度不足，工艺加工方法不合理等。并在4 11 0 0 气缸盖新生产线 组建设计项目中，根据分析得出的结论，制定并采用了相应的改进措施。 1 、文中运用有限元方法对加工导管孔用夹具进行应力及变形分析， 校验夹具改进的效果，预知夹具使用的变形情况，使夹具设计更完善、合 理。并将有限元的分析结果运用到工序的工艺系统分析中，研究更适合 4 1i o q 气缸盖导管孔座圈锥面的加工方法。 2 、 阐述了在夹具设计中引入工件在夹具上的加工精度校核步骤的 关键性及校核的条件，并通过对4 1i o q 加工导管孔用夹具进行工件在夹具 上的精度校核，分析该工序的加工工艺，找出产生问题的关键，并进行改 进。 3 、 通过对目前国内外气门座、导管孔的加工工艺技术的研究及对 比，综合夹具有限元分析、工件精度校核等结果，从中得出4 1 i o q 气缸盖 加工导管孔、座圈锥面工序最有效的工艺方案：采用以单个导管外圆定位 枪铰导管孔、精车座圈锥面的加工工艺及使用专用枪铰机的加工方式。 经过对改进措施的跟踪验证，证明课题分析正确、流程清晰、整改措 施有效。在有限的投资情况下，最终有效解决了4 1 i o q 气缸盖加工中导管 内外圆的同轴度经常超差的问题，保证了产品加工精度，并优化了导管孔、 座圈加工工艺。 关键词：导管孔座圈锥面导管内外圆同轴度有限元分析 i i f i x t u r ea n a l y s i sa n dt e c h n i c si m p r o v e m e n t i n 【a c h i n i n gv a l v es e a ta n dv a l u e g u i d e h o l e o fy c 4 1l o qc y l i n d e rh e a d a bs t r a c t t h ec y l i n d e rh e a di so n eo ft h em a i nc o m p o n e n t so fd i e s e le n g i n e t h e c l o s ec o p u l a t ed e g r e ei st h ek e yo fa c h i e v i n gd i e s e le n g i n ei n t a k ea n de x h a u s t p r o c e s s i ft h ec o p u l a t ed e g r e ei sr e f l e c t e di nc y l i n d e rb l o c k ，i ti st h ep r e c i s i o n o fm a c h i n i n gp o s i t i o n s ，s u c ha st h eh o l eo ff i x i n gv a l v eg u i d e ，v a l v e g u i d e _ h o l e a n dc o n es e a ts oo n a sar e s u l t ，d u r i n gm a c h i n i n gc y l i n d e rb l o c k ，m a c h i n i n g v a l v e g u i d e - h o l ea n dc o n e s e a t - h o l ei sp i v o t a lw o r k i n gp r o c e d u r e h o wt o e n s u r et h ep r e c i s i o nw h e nl a r g eg r o u p so fc y l i n d e rh e a d sa r em a c h i n e d ，t h a ti sa s t r i n g e n to fr e q u i r e m e n t d u r i n gm a c h i n i n g4 1lo qc y l i n d e rh e a do nh o r i z o n t a l m a c h i n i n gc e n t e ri nt h ep a s t ，w ef o u n dt h a tt h ep r e c i s i o no fv a l v e g u i d e h o l e a n dc o n e s e a t h o l ec a nn o ts a t i s f yt h ep r o d u c tr e q u i r e m e n t s i np a r t i c u l a r ， e s p e c i a l l yt h ec o n c e n t r i c i t yb e t w e e ni n s i d ec y l i n d e ra n do u t s i d ec y l i n d e ro f v a l u eg u i d eo f t e ng ob e y o n dt o l e r a n c e i no r d e rt oi m p r o v et h ec y l i n d e rb l o c k s q u a l i t y a n df i n do u tt h er e a s o no fo v e r t a k i n gt o l e r a n c ei nm a c h i n e v a l v e g u i d e h o l ea n dc o n e s e a t h o l e ，w ed e c i d et h a tw e s t a r tf r o mt h ef i x t u r et o a n a l y z ea n dr e s o l v et h i sp r o b l e mo f o v e rt o l e r a n c e ，a n da tl a s t ，s t u d yt h es u i t a b l e m e t h o do fa c y l i n d e rh e a do fm a c h i n ev a l v e g u i d e - h o l ea n dc o n e - - s e a t - h o l e i n 4110 qc y l i n d e rh e a d t h i sp r o b l e mw a sc h o s e na so u rs t u d y q u e s t i o nf o r d is c u s s i o no fm a s t e ro f e n g i n e e r i n g i nt h i sp a p e r ，l o c a l ei n v e s t i g a t i o n ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i st e c h n i q u e sa n d m e t h o d sa r em a n a g e d a f t e ra n a l y z i n gp r o c e s s i n gm e t h o d s ，f i x t u r ep o s i t i o n i n g m o d e ，p o s i t i o n i n ga c c u r a c ya n df i x t u r e sa n do t h e ra s p e c t s o fd e f o r m a t i o ni n y c 4110 qc y l i n d e rh e a d w ei m p r o v eo nf i x t u r ed e s i g na n dp r o c e s s i n gm e t h o d s b a s e do ns t u d y i n ga d v a n c e dt e c h n o l o g yo fm a c h i n i n gv a l v e - g u i d e h o l ea n d c o n e s e a t h o l ea th o m ea n da b r o a d ，t h em a i ng o i n gb e y o n dt o l e r a n c ec a u s e so f c o n c e n t r i c i t yw e r ef o u n d t h ec a u s e sa r et h a tt h ep r e c i s i o no fm a c h i n i n g w o r k p i e c ei nt h ef i x t u r ei sn o te n o u g h ，a n dm a c h i n i n gm e t h o di s n tr e a s o n a b l e i nt h ef o r m a t i o no ft h en e wc y l i n d e rh e a dd e s i g no ft h ey c 41lo ql i n ei t e m s ， b a s e do na na n a l y s i so ft h ec o n c l u s i o n s ，t h ea p p r o p r i a t er e c t i f i c a t i o nm e a s u r e s a r ee s t a b l i s h e d ： 1 、t h eu s eo ff i n i t ee l e m e n tm e t h o df o rs t r e s sa n a l y s i sa n ds t r e n g t ho f f i x t u r ea n a l y s i s ，i no r d e rt op r e d i c tt h ee f f e c to ft h eu s eo ff i x t u r e a n dt h e r e s u l t so ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa r ea p p l i e di nt e c h n o i c s ，w er e s e a r c h e dt h e b e t t e rs u i t a b l em e t h o do fac y l i n d e rh e a do fm a c h i n ev a l v e - g u i d e h o l ea n d c o n e s e a t h o l ei ny c 4110 qc y l i n d e rh e a d 2 、t h r o u g ht h ep r e c i s i o nc a l i b r a t i o no fm a c h i n i n gw o r k p i e c ei nt h ef i x t u r e ， w eh a di m p r o v e dt h et e c h n o l o g ym e t h o d 1 v 3 、w h e nf i n er e a m i n gv a l v e - g u i d e - h o l ea n df i n et u r n i n gp r e s s u r i z i n gb e l t o fc o n e - s e a ta d o p t e do u t s i d e c y l i n d e rf a c e o f v a l v e g u i d ep o s i t i o n t h e p r o b l e mt h a tt h ev a l v e - g u i d e sc o n c e n t r i c i t yw a so v e rb e t w e e nt h eo u t s i d ea n d i n s i d ec y l i n d e ri sr e s o l v e de f f e c t i v e l y , a n dt h em a c h i n i n gp r e c i s i o na c h i e v et h e d e s i g nr e q u i r e m e n t so f4 1 10 qc y l i n d e rh e a d a f t e rf o l l o w i n g u pa n dv a l i d a t i n gr e c t i f i c a t i o nm e a s u r e s ，w ep r o v e dt h a t t h ea n a l y s i si sc o r r e c t ，t h ep r o c e s si sc l e a r , m e a s u r e si se f f e c t i v e u n d e rt h e c i r c u m s t a n c e so fl i m i t e di n v e s t m e n t ，t h ep r o b l e mo fo v e rc o n c e n t r i c i t y t o l e r a n c eb e t w e e nt h eo u t s i d ea n di n s i d ec y l i n d e rf a c ea r er e s o l v e de f f e c t i v e l y , a n dt h et e c h n i c so fm a c h i n i n gv a l v e - - g u i d e - h o l ea n dc o n e - s e a t - h o l ea r e o p t i m i z e d k e y w o r d s ：v a l v e g u i d e - h o l e ；c o n ef a c eo fs e a t ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ； t h ev a l v e g u i d e sc o n c e n t r i c i t yb e t w e e nt h eo u t s i d ea n di n s i d ec y l i n d e r v 广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说明 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究 成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮 助的个人和集体，均己在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：问超易卅年6 月钌同 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容； 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文： 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时问： 口即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：降楚磊导师签名穆巴中叶石月矿日 广西大掌工程硕士掌位论文y c 4 11 0 0 气缸盖气门座、导管孔加工的夹具分析及工艺改进 第一章绪论 玉柴是全球最大的内燃机生产基地，拥有很多先进的生产加工设备，工艺的加工水 平在国内处于全国先进行列，取得了较好的经济效益和社会效益。但随着市场的发展， 中型机的需求越来越大，玉柴决定组建y c 4 1i o q ( 下文简称4 1i o q ) 气缸盖批量生产专线。 气缸盖加工的关键是解决气缸盖中气门座、导管孔加工的一系列问题。 1 1气门导管子l 加工精度及对柴油机性能的影响 气门导管部分是4 1 1 0 q 柴油机配气系统的重要组成部件，它包括气门导管、气门座 圈等，其加工质量直接影响柴油机的性能。 1 1 14 11 0 q 柴油机配气系统结构及工作原理 1 、配气系统结构： 气缸盖主要是连接及支承柴油机的配气系统的。根据柴油机气缸数、布置型式的不 同，各柴油机配气系统的结构型式也是多种多样。下面以4 1i o q 柴油机的配气系统为例， 介绍其结构。其结构如图1 1 所示。 l 、气缸体；2 、凸轮轴；3 、推杆； 4 、摇臂；5 、摇臂轴；6 、锁片； 7 、气门弹簧座；8 、气门副弹簧； 9 、气门主弹簧；1 0 、气门； l l 、气门导管；1 2 、缸盖 图1 1配气系统结构示意图 f i g u r el 一1 d i e s e le n g i n ev a l v es y s t e ms t r u c t u r es k e t c h 广西大掌工程硕士掌位论文y c 4 1i o q 气缸盖气门座、导管孔加工的夹具分析及工艺改进 2 、配气系统工作原理： 柴油机在工作时，凸轮轴( 件2 ) 旋转，当凸轮轴转到进气凸轮的凸起部位，顶起 挺柱及摇臂( 件4 ) ，摇臂在摇臂轴的杠杆作用下摆动，右端向下压缩气门弹簧，促使 进气门( 件l o ) 在导管孔内向下运动，进气门开启，开始进气过程。随着凸轮轴的不停 转动，当凸轮轴转到凸轮基圆位置时，挺柱和推杆随者凸轮的升程变小而下落，气门弹 簧涨开，进气门向上运动，直到与座圈锥面( 即密封带面) 完全接触并密封后，进气过 程结束。同样原理，在凸轮轴排气凸轮的凸起部位，排气门向下运动，柴油机的排气过 程开始；当凸轮轴转到凸轮基圆位置时，排气门向上运动，直到与排气座圈锥面( 即密 封带面) 完全接触并密封后，柴油机的排气过程结束。 由配气系统的工作原理可见，气门( 件l o ) 头部与座圈锥面的紧密配合的程度是实 现柴油机进气和排气过程的关键【1 1 。 1 1 2 缸盖导管孔加工精度对柴油机性能的影响 1 、加工精度差会造成柴油机的气门漏气故障，影响柴油机的性能实现。其主要起 因是气门头部与座圈锥面的配合有间隙，在柴油机进气、排气过程中不能紧密配合。 2 、加工精度差会导致柴油机的机油故障，造成机油损耗、柴油机排放增大、噪音 加大等缺陷。造成此故障的主要原因是气门导管孔和气门导管外圆的同轴度超差，此同 轴度超差使装在导管上的油封与气门之间存在间隙而漏油。 总之，导管孔和气门座孔锥面的加工精度对柴油机的性能有着直接的影响，其加工 精度的好坏直接影响到柴油机的工作状态和性能的实现。 1 1 3 柴油机性能对导管孔加工提出的要求 以4 1 l o q 型柴油机缸盖为例，说明气门导管孔设计要求。4 1 1 0 q 缸盖的导管内孔、 座圈锥面加工精度列表如1 1 。 为了保证柴油机配气机构正常高质量工作，在导管孔加工方面，必须保证的具体加 工精度是导管孔的圆柱度、导管孔与底面的垂直度、导管内外圆同轴度、座圈锥面对导 管孔的跳动度等。 2 - - 西大掌工程硕士学位论文y c 4 11 0 q 气缸盖气门座、导管孔加工的夹具分析及工艺改进 表1 1 导管内孔、座圈锥面精度表 导管孔径 巾8 h 7 ( 0 1 5 ) 密封带表面粗糙度 r a l 6 导管孔表面粗糙度 r a l 6 进气密封带宽度 1 2 2 5 导管孔位置度巾o 2 5 排气密封带宽度 1 2 2 5 导管孔圆柱度0 0 0 5 进气密封带角度 3 5 。1 0 1 0 导管孔对底面的垂直度 1 0 0 ：中0 1 0 排气密封带角度 4 5 。l o 4 - 1 0 导管内外圆同轴度 o o 2 0进气密封带量规点深度4 1 9 0 1 0 导管孔直线度 a o 。0 l 排气密封带量规点深度 4 3 2 o 。l o 座圈锥面对导管孔的跳 o 0 5密封带连续无断痕连续无断痕 动 1 2 课题提出的背景 但随着市场的发展，中型机的需求越来越大，2 0 0 3 年开始，公司决定组建4 1l o q 气缸盖批量生产专线。总结以往试制的情况，在新组线时，需要解决两个问题： l 、加工导管孔、座圈孔是缸盖加工的关键工序。导管孔的加工属于细长孔加工， 长径比达到8 3 ，同时导管孔、座圈孔精度高且尺寸要求较多。如何在工序中同时保证 尺寸要求是一个难度较大的问题。当时公司试制4 1 l o q 气缸盖时，使用立式加工中心来 加工导管底孔及导管孔、座圈锥面，节拍长，加工精度不稳定，工艺方法已不能满足产 品设计及批量生产要求，因此必须寻求适合玉柴现有条件的导管底孔、座圈孔及导管孔、 座圈锥面的加工工艺方法。 2 、在组建生产线时，由于是首次使用卧式加工中心作为批产设备，加工中心批产 用夹具的设计也是首次尝试，没有经验可借鉴。而在传统的设计中，夹具的结构、参数 设计多是查表及根据企业的历史经验而得，很难判断夹具的变形，变形量更是难以确定， 在设计后、夹具使用前，无法对夹具的技术合理性、可靠性进行预先判断。如果出现严 重错误，夹具不能使用，必将延误商机，对企业造成很大的损失。在进行4 1i o q 气缸盖 导管孔座圈锥面夹具设计时，对夹具底座的侧板厚度的选取，夹紧点的设置，设计者也 产生过疑惑，不能确定所设计的夹具是否能达到工艺要求。如何实现在夹具设计过程实 现预先分析，预先将使用情况呈现给设计者，让设计者能在设计中避免失误，这对夹具 的设计是必要的。 广西大学工程硕士掌位论文y c 4 11 气缸盖气门座、导管孔加工的夹具分析及工艺改进 1 - 3 选题与研究的意义 1 、缸盖是柴油机的重要件，其导管孔、座圈锥面的加工质量直接影响整机的性能， 如何保证缸盖加工精度是柴油机加工的一个关键问题。 如上所述，在柴油机里，气门头部与缸盖座圈锥面的紧密程度是实现柴油机进气和 排气过程的关键，直接影响柴油机的工作状态和性能的实现，特别是影响柴油机运行初 期的压缩比、燃烧状况、起动性能等一系列指标。如果导管孔与导管底孔的同轴度不好， 将会使气门油封的作用降低或丧失，使柴油机的机油损耗，增大柴油机的排放，造成气 门漏气，并有爆震噪音等现象。这些因素反映在产品上就是要保证导管孔的圆柱度、与 底面的垂直度、导管内外圆的同轴度、座圈锥面的密封带跳动等尺寸精度。如果这些尺 寸精度超差，对柴油机带来的危害是严重的。 如何在批产加工保证缸盖导管孔密封带的加工精度，是缸盖加工的关键问题。 2 、由于柴油机对缸盖的设计要求愈来愈高，加工中使用高精设备、专机加工已成 为一种趋向，如何在实践中引入并推广导管加工先进技术，因此研究一种适合本公司的 高精的加工工艺方法是十分有意义的。 3 、在缸盖加工的工艺设计过程中，特别是导管孔座圈锥面等关键工序的设计过程 中，引入、研究、利用有限元分析，将它运用于夹具的设计、加工分析，可以提前预知 加工情况，对工艺系统的设计开发是很有利的。 导管底孔、导管孔座圈锥面设计要求高，在加工中，一些很微小的变化都会造成精 度超差。对于一些误差，可以在出现问题后逐一分析，直接纠正、解决。而对于由夹具 设计缺陷而引起变形，及加工系统加工中出现动态变形，则很难在现场快速地纠正及排 除，需要改造夹具，严重的甚至必须重新设计夹具。而在新夹具到位前只能停厂或降低 工艺要求，将就使用旧夹具。有限元分析是一种动态的模拟仿真分析，可模拟分析夹具 或工艺系统在加工过程中产生的变形情况，进而设计者可根据有限元分析的结果进行夹 具改进设计，选择合理的夹具结构，甚至整个工艺系统的各个切削参数优化等。 因此在缸盖导管孔加工关键工序的工艺设计过程中，引入、研究、利用有限元分析， 将它运用于夹具的设计、加工分析，对工艺系统的设计开发是很有利的，可以减少失误， 降低成本投资；是对传统夹具设计的革新，可以为企业创造更好的效益。 1 4 论文研究的主要内容 4 广西大掌工程硕士掌位论文 y c 4 1i o q 气缸盖气门座、导管孔加工的夹具分析及工艺改进 本课题的研究目的是： 如何利用有限元方法进行机加工关键工序的夹具的变形分析及改进，同时寻找一个 适合4 1l o q 柴油机的气缸盖导管底孔、导管孔座圈锥面的机加工工艺方案，有效地保证 导管底孔、导管孔、座圈锥面加工尺寸精度，解决4 1l o q 气缸盖加工中导管壁厚差异较 大，导管内外圆的同轴度经常超差等问题。 主要研究内容和研究方法如下： 1 、系统地对有限元分析法的理论知识进行深入学习，包括有限元的基本操作，前 处理过程、加载及求解、后处理等理论知识，并对结构静力分析、非线性结构分析、动 力学分析等进行系统的学习； 2 、运用有限元软件对导管孔夹具进行受力及变形分析，改进夹具结构。 3 、分析4 1 i o q 气缸盖的关键工序一导管孔、座圈锥面的加工工艺系统，对影响 精度的各个因素进行分析，并根据机械加工专业知识，提出改进方案，并组织实施验证 效果； 4 、通过对导管孔加工发展的技术研究，并与实际项目结合实施的结果，总结出适 合4 1l o q 气缸盖的导管孔加工工艺，解决在加工中导管孔尺寸精度超差问题。 广西大掌工程硕士掌位论文y o l l1 0 0 气缸盖气门座、导管孔j u - r 的夹具分析及工艺改进 第二章加工气门导管子l 用夹具设计及受力分析 夹具是零件加工工艺系统的关键部件，夹具的误差对零件的加工精度产生很大的影 响。4 11 0 q 气缸盖的导管孔座圈锥面加工安排在卧式加工中心上加工，夹具用为一面两 销定位，单件手工夹紧方式。由于加工中心这种设备具有与普通设备不同的独特性，使 加工中心用夹具的设计与一般的夹具不同。 2 14 110 q 缸盖加工导管子l 用夹具的改造设计 2 1 1试制阶段用的夹具设计方案及存在问题 在4 1i o q 缸盖试制阶段时，加工气门导管底孔座圈底孔工序和加工导管孔座圈锥面 工序，均是在卧式加工中心上，采用工件以底面及底面两销孔定位，夹紧工件顶面，用 的是同一套夹具图纸。夹具与机床见连接没有使用定位销，夹具校准后用压板夹紧。夹 具如下图2 1 所示( 图中为侧面示意图) 。 喜斗 主铂头爱逸绘方囱 图2 1 夹具侧面示意图 f i g u r e2 1 s k e t c ho ft h es i d eo ff i x t u r e 在加工中发现，夹具底座的侧板往工件装夹方向倾斜变形比较严重，最大变形量达 到了0 1 5 m m ，且加工后导管孔与底面的垂直度、导管内外圆同轴度严重超差。 6 广西大掌工二l l 硕士掌位论文 y e a l1 0 0 气缸盖气门座、导管孔j n - r 的夹具分析及工艺改进 经过分析，我们判定底座变形的主要原因是底座强度不够，表现为：底座的厚度不 够( 为3 0 m m ) ；底座9 0 。让刀槽尺寸设计过大( 为5 m m ) ；为避让主轴头与工作台 的干涉而将底座设计过高：同时底座两侧没有设置加强筋等。因此，必须改进夹具，以 适应大批量生产的需要。 2 1 2 j n r 导管孔用夹具改进设计方案 在4 11 0 q 缸盖批产阶段设计夹具时，仍沿用试制加工的定位及夹紧方案，针对存在 问题，夹具进行了改进，改进如下： ( 1 ) 加大底座厚度，从原3 0 r a m 改为4 5 m m ； ( 2 ) 减少底座9 0 。处的让刀槽尺寸，让刀槽宽度改为2r t l m ； ( 3 ) 因为此夹具是装夹在m c ph 2 5 0 卧式加工中心上，主轴头与工作台的干涉区 高度为1 2 0m m ，在设计时选择避让高度为1 3 0m i l l ，尽可能降低夹具底座高度。 ( 4 ) 在底座两侧增加设置加强筋。因为加工导管底孔工序时同时需要加工顶面及 底面的孔系，工件需要在机床加工区域内回转。由于m c ph 2 5 0 的最大加工回转直径 为8 0 0 m m 。受回转半径限制，夹具只能在底座背后两侧增加设置加强筋。 ( 5 ) 在底座下平面设置圆柱销和菱形销，用来定位夹具与机床工作台位置。 改进后夹具如图2 2 。 i工上l、 一 t1 一 恳褊 ；i ，i 幽鑫筇么 图2 2 改进后夹具设计图 f i g u r e2 - 2 t h ef i x t u r ed e s i g no fb e i n gi m p r o v e d 7 广西大掌工程硕士掌位嵌? 文y 0 4 11 0 0 气缸盖气门座、导管孑l 加工的夹具分析及工艺改进 2 2 有限元分析法及对改进后夹具的受力分析 2 2 1 有限元分析法概述及基本思路 有限单元分析法，是将问题的求解域划分为一系列的单元，各单元之间靠节点相连， 而单元内部的待求量则是由单元节点量通过选定的函数关系插值而得到的一种数值分 析方法。有限单元法作为一种数值分析的工具，随着计算机的应用，借助于高速计算机 的配合，使得像求解偏微分方程精确解析解这样难以处理的工程技术问题，都可以得到 一个近似的计算机解。有限元法被认为是一种有效的数值分析方法，广泛地应用于固体 力学、流体力学、热传导以及电磁学等连续介质和场问题领域。在机械设计中，采用有 限元法计算，小到齿轮、轴等通用的零部件，大到机床、汽车、飞机等复杂结构件的应 力和应变分析( 包括热应力和热应变分析) ，都可以获得一个足够精确的近似解来满足工 程实际的需要。在机械领域，科学研究者和工程设计者正日益强烈地把有限元与疲劳损 伤寿命估算相结合起来。随着技术的发展，有限元法将变得更简洁、更有效、更广泛、 更方面、规模更庞大、解决能力更全面。 有限元法的基本思路可以归结为：将连续系统分割成有限个分区或单元，对每个单 元提出一个近似解，再将所有单元按标准方法组合成一个与原有系统近似的系统，从而 将一个连续域中的无限自由度问题化为离散域中的有限自由度问题【2 】。 2 2 2a n s y s 软件概述 a n s y s 是当前国内外最为流行的大型通用有限元分析软件之一，它覆盖了多门学 科，在各个学科和领域中发挥了巨大的作用，如国防、交通、汽车工程、机械工程、土 木水利工程、电子工程等领域。a n s y s 的结构静力分析是用来求解外载荷引起的位移、 应力和力，适合求解惯性及阻尼的时间相关作用对结构响应的影响不显著的类似问题， 广泛应用于机械工程和结构工程。 在我国，很多大型土木工程都利用a n s y s 进行分析，如：国家大剧院、上海浦东 二十一世纪中心大厦、8 8 层楼的上海金茂大厦、上海科技馆太空城、深圳南湖路花园 大厦等。在工程设计中，利用a n s y s ，可以有效地保证工程的设计和施工质量、缩短 周期、降低工程成本，提高设计和施工能力，增强行业竞争力。国内外很多工程设计研 究单位的实践证明，越早引进工程分析软件、培养工程分析人才、越早应用于工程设计 8 广西大掌工程硕士掌位论文 y c 4 11 气缸盖气门座、导管孔力n - t 的夹具分析及工艺改进 项目，就会越早受益。从竞争和技术发展的角度来看，采用计算机辅助工程分析( c a e ) 技术是大势所趋。 a n s y s 软件功能很强大，能实现多场及多场耦合分析，具有强大的非线性分析功 能和求解器适用环境广泛等技术特点。 2 2 3a n s y s 分析步骤 l 、创建有限元模型 a n s y s 提供了两种创建方法：一、首先创建或导入实体模型，然后进行网格划分， 以生成有限元模型；其具体流程为：创建或读入有限元模型一定义材料属性一划分网格。 二、直接用单元、节点生成有限元模型。 2 、加载和求解 具体流程为：施加载荷及设定约束条件一求解。 3 、结果查看或结果后处理 具体流程为：查看分析结果一检查结果是否正确 2 3 建立夹具有限元模型及求解 2 3 1 夹具各部件及装配模型的建立 有限元分析的目的是对一个实际工程系统的数学行为特征进行还原，即必须针对一 个物理原型准确的数学模型进行分析。实体建模方法有两种，分别为自底向上建模、自 顶向下建模。广义上讲，建模包括所有节点、单元、材料属性、实常数、边界条件，以 及其他用来表现这个物理系统的特征。 在应用a n s y s 软件对夹具的分析过程中，将各零件组装完毕，最终完成组装图( 如 图2 - 3 ) 。 9 广西大掌工程硕士掌位论文 y c 4 11 0 q 气缸盖气门座、导管孔加工的夹具分析及工艺改进 5 1 、夹具座；2 、粗支承块；3 、定位销；4 、钩形压板；5 、定位块 图2 3夹具装配图 f i g u r e2 3 f i x t u r ea s s e m b l y 2 3 2 创建有限元模型、加载及求解 在a n s y s 中，实体模型是以数学的方式表达的各种结构的几何形状，但其是几何 实体模型不参与有限元分析。实体模型并不等于有限元模型，它的作用在于往里面填充 节点和单元，从而建立有限元模型。它可以在几何边界上方便的施加载荷和约束。所有 这些施加的载荷或约束，必须最终传递到有限元模型的节点和单元上进行求解。 建立有限元时，就是要对分析对象进行网格划分。网格划分的参数有网格密度、单 元最小的角度、单元疏密过渡的梯度等1 2 1 。在通常情况下，这些参数是由设计者设定。 有限元的计算过程运用的是数值近似的计算方法，因此，对分析对象划分的网格越密， 计算的结果一般越能收敛于精确解，但如果当前的网格密度求解结果已非常接近理论 解，再次加密网格对计算精度提高意义不大，并且会大量耗费计算机的资源，大量延长 计算时间，反而降低了效率。 网格划分密度需注意两个原则： ( 1 ) 对应力、应变感兴趣的区域单元应该细分； ( 2 ) 如果分析中包含非线性因素，网格应划分到能够反应非线性因素的程度1 2 j 。 即就是在分析的精度和分析的时间上找到一个最佳的平衡点【2 】。 由于4 1l o q 导管孔夹具的底座采用灰铸铁h t 2 5 0 铸成，其力学参数如表2 。2 。对参 与有限元分析计算的央具零件进行网格划分，结果如图2 4 所示。 l o f 坠兰三兰竺主兰兰兰三! 坚1 1 0 0 皇塑苎兰! ! 壁：量墅! l m 碘* 具h 折垦三苎整堡 表2 2 扶铸铁i 2 5 0 力学参数表 i i 材科 抗拉强度 抗压强度弹性模量泊松比接触面 m p am p am p a 摩擦系数 扶铸铁 2 1 6 9 8 12 x 1 0 5030l 图2 - 4 刚格划分图 f i g u r e2 - 4d i v i d e di n t og r i d 2 4 加载、求解及分析 a n s y s 具有功能有：三维实体建模功能及强大的计算分析功能。它的核心功能是 有限元分析功能。它能够精确的计算出各节点的应力，并显示整个系统中各个零件或者 某个零件各处的应力，变形，使设计者对所设计机构的受力情况做到一目了然，方便设 计者时构件的应力和强度进行校核，帮助设计者提出更合理的改进方案。 为了真实反映分析对象实际物理情况，a n s y s 中将载荷分为六大类：自由度d o f 、 蝗叶1 力找付、而裁衙、体积载荷、惯性载荷和耦合场载荷。 y f a i ，0 0 h = 1 9 、 管n m i 的* 具* 析工艺& 进 托23 小肯对要分析的必其进行实体建模、网格划分、址市接触单兀之后，必须对 史体模型加约柬、加载荷。这个步骤必须根据要分析的央具的实际工作情况进行，否则 会导致计算的错误，得出错误的分析结果。所以不能随便加约束、加载荷，一定要经过 具体分析，确保与实际工作情况相符合。 在a n s y s 中，载荷的加载方式有两种：可在实体模型或直接施加到有限元模型上。 但最终，a n s y s 在求解i i z ，会将施加的载荷自动转化到有限元模型上，即自动转化到 订限元模型的节点或单元上。 4 1 】0 q 夹县川时使用于两道一i 。序：导管底孔座圈底- f e n 【、导管孔密封带加工。由 于加j 一导管底孔、座圈孔时，切削余量较大，其切削力最大，所以在此夹具受力变形分 析中采用切削座厨孔时的切削数据。 由于机床具有自动计算切削力的功能，机床显示，加工座圈孔时灾具只承受轴向力， 为l3 1 5 k n 。 在加工日j 由于央具足安装在卧式加工中心上，缸盖的进、排气导管孔为单轴加工， 可以确定缸盖靠中间位置的进气座圈底孔的受力最大，由此进行静强度分析。该进气鹰 圈底孔直径为5 05 m r n ，加1 时刀具的切削力测量值为l3 1 5 k n 经计算，刀具对该座 圈底孔断的压应力为o6 7 n m i n l ，即对该座圈面施加一个大小为o6 7 n mm 2 的压应力。 同2 - 5 为央县的约束及加载图。 夹具 图2 - 5 夹具的约束及加载图 f i g u r e 2 - 5f i x t u r e b e i n gb o u n da n d l o a d e d 广西大掌工程硕士掌位论文y 6 4 11 0 ( 3 气缸盖气t - 垄、导管孔加工的夹具分析及工艺改进 2 4 1 夹具的应力分析 4 1l o q 导管孔用夹具的夹具座材料为灰铸铁，应运用第二强度理论，即最大拉应变 理论进行应力分析。 第二强度理论认为：不论材料处于何种应力状态，只要达到材料单向拉伸断裂时的 最大拉应变，材料即发生断裂，引起材料断裂的主要因素是最大拉应变。故材料的断裂 条件为占i = q “。 材料在应力作用下的破坏形式有屈服和断裂。当材料处于单向应力状态时，正应力 达到屈服极限时出现屈服现象；当材料应力超过某一强度极限时，就会产生断裂。对于 灰口铸铁这类脆性材料，其应力应变关系基本符合胡克定律。因此： 1 由于：( 1 ) 在复杂应力状态下，最大拉应变为：q2 砉h - 4 0 - ：一q ( 2 1 ) ( 2 ) 材料在单向拉伸断裂时的主应力为q = ( 2 - 2 ) 吒= = o ，( 2 3 ) ：笠 所以，相应的最大拉应变为：”e(2-4) ( 2 1 ) 、( 2 4 ) 两式结合，得到用主应力表示的断裂破坏条件： q 一( q + 吒) 2 吒，( 2 5 ) 试验表明，在双向拉伸压缩应力状态下，且压应力值超过拉应力值时，脆性材 料拉应变理论与试验结果大致符合。由此在考虑安全系数后，得相应的强度条件为 0 5 一( 吒+ o - 3 ) 纠 ( 2 6 ) 式子表明，当根据强度理论建立复杂应力状态下构件的强度条件时，形式上是将主 应力的某一综合值与材料单向拉伸许用应力相比较，即用单向应力状态强度问题表示复 杂应力状态强度问题。主应力的上述综合值称为相当应力，即在促使材料破坏或失效方 面，与复杂应力状态应力等效的单向应力。 下面进行夹具座的受力情况分析。 ( 1 ) 、第一主应力分析： $ 删士芈位论文y c 4 t l o o 气盖气门座、导管n 日i * 具# 析i & 避 i 鬻蒸漆瀚黧鬻鬻鬻 图2 - 6 第主应力分布图 f i g u r e2 - 6 f h ef i r s tp r i n c i p a ls t r e s sd i s t r i b u t i o n - 豳 口 口 口 口 口 口 口 _ 闫2 - 6 为第一主应力分析图。由图可知，由于央具座上部受拉，底部用螺栓连接， 会产生倾覆力矩，其底部螺栓连接处受力大，即该夹具座所受到的堆大拉应力发生在夹 具座底部螺栓连接处，所受到的虽大拉应力为68 2 m p a 。对比表2 - 2 灰铸铁h t 2 5 0 力学 参数表，可知，夹具座底部所受到的最大拉应力远远小于材料的抗拉极限值2 1 6 m p a ， 可判定夹具座抗拉强度足够。 ( 2 ) 、第二主应力分析： 骶蚤 i 臻； 图2 7 第二主庖力分布罔 f i g u r e 2 - 7 t i l es e c o n dp r i n c i p a ls t r e s sd i s t r i b u t i o n 图27 为第一主应力分析图，兴具廊受到的最大应力也技生在夹具座底部螺栓连接 2 6 警l | i | 愀删砸士芈 y c 4 l i o q n n & 、# 管n m 工女具# 析工2 & 进 处，山30 8 7 m p a ，其余部位所受应力均比较小 ( 3 ) 、第三主应力分析： 曷f-篓；7 = 27 7 量：嚣鬻 宣臻, 2 7 图2 - 8 第三主应力分布图 f i g u r e2 - 8t h et h i r dp r i n c i p a ls l r e s sd i s t r i b u t i o n 图2 8 为第三主应力分析图。由图可知道，该央具座所受到的最大压应力同样发生 在j 】具座底部螺栓连接处，与第一、第二主应力最_ 大值发生的位置大致相当，为 47 2 9 m p