基于ABAQUS的叶片精密数控加工夹具的优化设计

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在机械加工中，夹具是保证被加工工件在机床上获得正确的位置，并在加工中防止由于切削力造成的位置改变及工件变形的-种重要工艺设备。夹具的基本功能是对工件进行定位并施加相应的夹紧力，选择合理的定位方式及夹紧力大小能够控制工件的装夹变形，减小工件的定位误差，从而提高工件的加工精度和表面质量。因此，夹具的优化-直是国内外学着研究的热点问题。文献 利用遗传算法对夹具布局进行了优化，从而有效的减小了被加工表面在整个加工过程中的弹性变形。但是在其研究中并没有考虑夹具元件与工件之间的接触变形以及夹具元件的变形，为了弥补该优化方法的不足，文献日以降低工件加工中的 l生变形以及夹具元件与工件的接触变形为目标，基于遗传算法提出了同步优化夹具布局和夹紧力的方法。文献昵 出了-种减小工件定位误差的方法，方法采用了离散的弹性接触模型处理工件和夹具之间的接触关系，并基于ANSYS软件在长方体工件上进行了实例验证。而文献呗0主要对夹具的预夹紧力进行了研究，并建立了阻止工件在加工过程中产生滑移的最小预夹紧力模型。目前，通过各种算法及理论模型对夹具优化的研究较多，并在-些形状规则的零件上进行了实例验证，但是这些优化方法在复杂曲面零件的装夹中却有很大的局限陛。因此，结合某大型航空叶片精密数控加工技术的研究，利用有限元分析方法对常用的顶尖式叶片夹具的夹紧力大邪定位方式进行了优化，并通过加工实验对优化后的夹具l生能进行了验证。

2有限元模型的建立顶尖式夹具是-种在叶片数控加工中常用的定位夹具，具有结构简单 ，装夹方便的特点，在加工汽轮机叶片时得到广泛的应用。该型夹具在叶片榫根端通过销轴限制叶片在夹具定位槽中的滑动，并用螺栓对叶片榫根施加夹紧力；而在叶尖工艺台端则通过顶尖的顶紧来实现叶尖的定位。由于航空发动机叶片属于复杂曲面类零件，在有限元分析软件中难以快速方便的建立模型，故先采用UG软件建立叶片和夹具定位块的三维模型，并对叶片橼板处的结构进行适当的简化，然后再导人 ABAQUS中建立有限元分析模型。夹具和叶片的材料属性以及有限元网格的单元类型如表 1所示。其中，C3D20R为 20节点六面体二次减缩积分单元，C3D8R为 8节点六面体线性减缩积分单元。

表 1材料属性及单元类型Tab.1 Material Properties and the Unit Type在夹具优化中，可以假设夹具与工件之间的接触为无摩擦来稿日期：2012-04-12作者简介：成宏军，(1986-)，男，陕西，在读硕士研究生，主要研究方向：计算机辅助技术，薄壁件数控加工变形控制技术；刘维伟，(1970-)，男，陕西，博士，硕士生导师，主要研究方向：计算机辅助制造技术、航空发动机复杂零部件研制、难加工材料切削技术第2期 成宏军等：基于ABAQUS的叶片精密数控加工夹具的优化设计 堑接触，因为若夹具在无摩擦状态能满足装夹要求的话，在有摩擦状态同样可以满足要求171。因此 ，在叶片榫根与夹具定位面之间定义无摩擦的接触关系，并划分叶片和夹具定位块的有限元网格，如图 1所示(图中的红点为后续分析的载荷施加节点)。

图 1划分的叶片和夹具定位块有限元网格Fig.1 The Finite-Element Mesh Generation of Model3叶片夹具的优化设计3.1夹紧力大小的优化常用的顶尖式叶片夹具在榫根端通过夹具定位槽的楔形面进行定位，并用螺栓对叶片榫根施加夹紧力，如图 2所示。其中，日表示夹具定位块的高度，其大小为60ram。在装夹的过程中，当夹紧力过小时，整个装夹系统的稳定 .j交差，在加工过程中易产生振动，不利于叶片型面的加工；而当夹紧力过大时，夹具会发生变形 ，导致叶片沿着夹紧力方向产生滑移，从而使叶片的实际装夹位置与理论位置产生偏差 ，同样会影响叶片的加工精度[8]。因此 ，利用ABAQUS软件对叶片榫根端施加的夹紧力大续行优化。

31.叶片榫根 2.夹具定位块 3.螺栓图 2叶片榫根端的定位Fig.2 The location of blade tenon根据叶片的装夹过程 ，设置相应的分析步：(1)首先完全固定夹具定位块，模拟夹具在机床旋转工作台的装夹过程，然后限制叶片榫根在夹具定位槽中的平移自由度，模拟夹具上的销轴对叶片榫根的定位。(2)在叶片榫根底面上施加两个同样大小的集中力，用来模拟螺栓对榫根的夹紧力，因为螺栓底面与榫根的接触面比较小，故可以用集中力来简化。从 100N开始，不断增加夹紧力的大小，并提交相应的分析作业，经过分析计算可以得到叶片在不同夹紧力下的定位误差(通过叶片工艺台中心节点处沿夹紧力方向的位移衡量)，如图3所示。

登000 200 400 600 800 1000 1200夹紧力(N)图 3不同夹紧力下叶片的定位误差Fig-3 The Locating Error of Blade Under Different Clamping Force从图 3可得，随着夹紧力的增大，夹具定位块的变形就越大，叶片沿夹紧力方向的定位误差也就越大。为了把叶片的定位精度控制在0.Olmm以内191，选择了500N的夹紧力。由于传统叶片夹具的夹紧力 函过操作工 手动鹏螺栓施力1的，故无法精确控制夹紧力大小，并难以保证安装下-个叶片时夹紧力的-致性。为了解决 E述问题，且实现夹紧力沲加的自动化，在榫根端的定位中引入了液日 I构。为了进-步提高夹具的 瀚度，按照E述分析迂明星，把夹紧力确定为500N，改变夹具定位块的高度，提交分析作业，可以得到叶片在不同定位块高度下的定位误差(通过叶片工艺台中心节点处沿夹紧力方向的位移衡量)，如图4所示。从图4可得，当夹具榫根端夹紧力确定后，叶片的定位精度随着夹具定位块高度的增加而增大，并且当榫根定位块的高度 H100mm时，已经明显改善了整个装夹系统的刚性，再增加夹具定位块的高度，对叶片定位精度的影响已经不再明显。因此 ，根据分析结果及机床旋转工作台的实际情况，把夹具定位块高度增加至 100mm。

皇旨j1lI夹具定位块高度(mm)图4不同定位块高度下叶片的定位误差Fig.4 The Lo cating Eror of Blade Under Different Height of Fixture3.2工艺台端定位方式的优化F l! 量壅 I沿进气边至排气边方向(m)图5不同定位方式下叶片各节点的变形量Fig.5 The Deformation of Blade s Nods Under Different Locating Modes利用 ABAQUS分析叶片工艺台端不同定位方式对铣削加工中叶片弹性变形的影响。根据叶片的装夹过程，设置多个分析步：(1)完全固定夹具定位块并限制榫根在夹具榫根定位槽中的平移 自由度。(2)在榫根底面上施力I： 500N的夹紧力。(3)由于顶尖式夹具在工艺台端的定位是通过顶尖来实现的，且目前多采用无应力顶尖，因此在顶尖定位方式的分析中限制了叶片工艺台中心节点处除沿轴向旋转自由度之外的其它所有自由度，而没有施加预应力。而另-种定位方式则改为限制整个叶尖工艺台除沿轴向旋转自由度之外的其它所有自由度。以上两种定位方式分别进行分析。(4)模拟铣削加工过程，假设切削力的大小在加工中保持不变，且沿刀轴方向的切削力对叶片的弹性变形影响最大，故采用 40N的集中256 机械 设 计 与制造No.2Feb.2O1 3力来模拟球头刀加工叶片时沿刀轴方向的切削力，并依次施加在叶片叶尖附近网格上的相应节点上 (从进气边到排气边依次施加，如图1红点所示)。当榫根端的锁紧力F500N，夹具定位块的高度日100mm时，在两种不同定位方式下，叶片的变形量，如图5所示。从图 5可得，在叶尖工艺台端采用固定式约束，能够明显减小叶片在铣削加工中的弹性变形。基于此，在叶尖工艺台端采用夹具夹紧方法固定工艺台，该种方法提高了叶尖工艺台定位的刚性，使定位非常稳固，克服了顶尖式夹具在叶片工艺台端定位面小，定位刚性差的缺陷。基于以上分析结果，得到-种新型的叶片数控加工夹具。该新型夹具在叶尖工艺台端采用夹具夹紧方法定位工艺台；在榫跟端把定位块的高度增加至 lOOmm，并利用液压机构对叶片榫根施加 500N的夹紧力。

4新型夹具的实验验证沿进气边至排气边方向(m)图6加工实验中叶片的变形量Fig.6 The Deformation of Blade in Machining Experiment表2两种不同装夹方法的误差分析Tab.2 Error Analysis of the Two DiferentClamping Methods为了验证新型夹具的性能，在 VMC-850数控铣床上对长度约 600mm的大型航空叶片进行加工实验。铣削加工中选用直径为 10mm、螺旋角为3O。的3齿yS2T整体硬质合金球头铣刀，为了跟仿真结果进行对比分析，采用的铣削参数为：a，-0.4mm， 0.4mm，n，1000rmp，5 0.25mm，此时沿刀轴(z轴)方向的切削力约为 40N。在叶片加工完成之后，通过三坐标测量机测量与上述有限元分析位置相同的叶片截面线处的变形情况，如图6所示。

从图6可以看出，有限元分析的结果相对于实际的测量值偏大，且在进排气边端的偏差非常明显。分析其原因是：由于有限元分析的模型是基于叶片的理论模型之上的，没有考虑材料的去除过程以及切削力与叶片弹性变形的耦合关系，且理论模型在进排气边端的厚度非常薄，其缘头半径只有0.3mm，故导致有限元分析的结果在进排气边端产生了比较大的偏差。为了更加全面的验证该新型夹具的使用性能，通过三坐标测量机的测量数据分析了优化前后的夹具对叶片轮廓度误差的影响，如表 2所示。从表 2可得，通过顶尖式装夹方法很难满足大型航空叶片精密数控加丁的要求，而当采用该新型液压固定式夹具时，能够把叶片的加工误差控制在 0.08ram以内，很好的解决了大型叶片在铣削加工过程中所面临的弹性变形量过大的问题。

5总结(1)采用顶尖式叶片夹具装夹大悬伸风扇叶片时，叶片在铣削加工中的弹性变形较大。(2)通过有限元分析方法对顶尖式夹具进行了优化设计，优化后的夹具定位块高度为 100mm，且在榫根端采用液压机构把锁紧力控制在 500N，在叶尖工艺台端采用夹具夹紧方法定位工艺台。(3)通过加工试验得到：新型夹具的应用提高了大型航空叶片在铣削加工中的定位精度及整个装夹系统的刚性 ，使叶片的加1二误差控制在 0.08mm以内。