基于有限元方法的陀螺框架装夹变形分析

要对 陀螺 框 架 的装 夹 变 形 进行 有 限元分 析 ， 首 先 要建 立 零件 的几 何模 型 。 由于陀螺 框架 的几 何模 型较 为复 杂 ， 虑 有 限 元 分 析 软 件 ＡＮ ＹＳ的 实体 考 Ｓ 建 模 功能 不是很 强 大 ， 陀螺框 架 的几何 模 型 在 Ｃ ｔ ａｉ ａ
形， 是用 一 种静 力 学 分 析方 法 计 算 在 装 夹 约 束 条 件 下 工件 的 最大 变形 ， 以此作 为评 价 参 数 和 比较 装 夹
方 案 的优劣 。
２ ）材料 类 型 ： 据陀 螺框 架采 用 的材料 输 入 弹 根 性模 量 Ｅ一７ ０ ａ 泊 松 比 ０ ３ 密 度 为 ２ ７ ００ ０ＭＰ ， ．， ．×
ｌ 陀 螺 框 架 的 加 工
陀螺 框 架 为 陀螺 仪 的重 要 组 成 部件 ， 件 如 图 零 １ 示 。陀螺 框架 主要 加工 表 面 为 ２对 相互 垂 直 的 所
根 据 精 密 陀螺 框 架零 件 的结构 和工 艺要 求 ， 研 究 适合 复合 加工 的 装夹 方 案 ， 设计 陀 螺 框 架 的精 镗
图 １ 陀螺 框 架 零 件 图
・
同装 夹方 式下 陀螺 框架 的变形 情况 和其 他 的一些 后
４ ・ ８
《 技术 新工 艺》・ 新 数字 技 术与机 械加 工工 艺装 备 ２ １ ０ １年 第 ５期
处 理结 果 ， 出最 优 的装 夹 方 案 和各 种 工 艺 因素 对 提
过 程 的关 键环 节 进 行 有 限元 仿 真计 算 成 为 可能 。 ］
针 对零 件 产生加 工 变 形 的 主要 工 艺 环 节 ， 用 有 限 采 元 技术 进行 分析 计 算 ， 过 对 工 件 制造 过 程 的有 限 通
元仿 真分 析 ， 工件 的加 工质 量进行 预 测｜ ， 对 ＿ 以便 采 ４ ］ 取相 应 的工艺措 施 ， 高其制 造精 度 。 提
Ｇｙ ｏ ｃ ｐ ａ ｅ Ｃｌ ｍ ｐｉ ｇ Ｄ ｅ ｏ ｍ ａ ｉ ｎ Ａｎａ ｙ ｉ ａ ｅ ｎ Ｆｉ ｔ ｅ ｅ ｅ ｈｏ ｒ ｓ ｏ ｅ Ｆｒ ｍ ａ ｎ ｆ ｒ ｔｏ ｌ ｓｓｂ ｓ ｄ ｏ ｎｉｅ Ｅｌｍ ｎｔＭ ｔ ｄ ＺＨＯＵ ｉｎ ｕ ，Ｗ ＡＮＧ Ｑｉｇ ｎ Ｊａ ｈ ｉ ｎ ｗｅ ，ＧＡＯ ｉｎ ｎ Ｊａ ｍｉｇ ，Ｍ Ａ ｉｇ ｈ ｎ ，ＩＩＸｉｇ Ｍ ｎ ｓａ。 ． ｎ
Ａｂｓｒ ｔ Ｆｉ ｉｅ ｅｅ ｅ ｔｍ ｅ ｈｏｄ ｗ ａ ｅ ｏ ｓｍ ｕｌｔ ｎｄ ａ ｌ ｅｔ ｌｍ ｐｎｇ ｄｅ ｏｒ ａ ｉ ｙｒ ｃ ｐｅ ｆａ ｅ Ｃｌ ｍ ｔａｃ ： ｎｔ ｌ ｍ ｎ ｔ ｓｕｓ ｄ ｔ ｉ ａ ｅ ａ ｎａｙｚ ｈｅ ｃａ ｉ ｆ ｍ ｔｏｎ ｏｆｇ ｏｓ ｏ ｒ ｍ ． ａ ｐｉ ｃ ｍ ｅ ｃａ ｐｉｇ ｏｒ ｅ ｎ ｌｍ ｐｉ ｇ ｐｏ ｉｉ ｎｓ ｏ ｉ ｉａ ｉ ｎｓ ｗｅ ｅ ｃ ｒ ｉｄ ｏｕ ＡＮ ＳＹＳ． Ｔ ｈ ｏ ｉ ｉｅ ｌｍ ｐｉ ｎｇ ｓ ｈｅ ｓ， ｌｍ ｎ ｆ ｃ ｓ ａ ｄ ｃａ ｎ ｓｔｏ ｐｔｍ ｚ ｔｏ ｒ ａ ｒｅ ｔ ｂｙ ｅ ｐｔｍ ｚ ｄ ｃａ ｎｇ ｓ ｈｅ ｅ ｗａ ｏｐ ｓ ｄ ｂ ｓ ｄ ｏ ｔ Ｔｈｉ ｉ ｄ ｏ ａ ｙ ｉ ｅ ｈｏ ａ ｈｅ ｇｕｄｉ ａ ｎｇ ｆ ｈ ｓｇ ｆｆｘｔ ｒ ｓ ｃ ｍ ｓ ｐｒ ｏ ｅ ａ ｅ ｎ ｉ． ｓ ｋ ｎ ｆａｎ ｌ ｓｓ ｍ ｔ ｄ ｈ ｓ ｔ ｉ ｎｇ ｍｅ ｎｉ ｏｒ ｔ ｅ ｄｅ ｉ ｎ ｏ ｉ ｕ ｅ ． Ｋ ｅ ｒ ｓ： ｒ ｓ ｏ ｒ ｍ ｅ， Ｆｉ ｕｒ ｃ ｍ ｅ， Ｃｌ ｍ ｐｉ ｏ ｃ ｙ ｗｏ ｄ Ｇｙ ｏ ｃ ｐｅ ｆａ ｘｔ ｅ ｓ ｈｅ ａ ｎｇ ｆ ｒ ｅ，Ｆｉ ｔ ｌｍ ｅ ｅ ｈ ｎｉｅ ｅｅ ｎｔｍ ｔ ｏｄ，Ｃｌｍ ｐｉ ｆ ｒ ａ ｉｎ ａ ｎｇ ｄｅ ｏ ｍ ｔｏ
１ ）单元类 型选择 ： 限元 分 析 过 程 中单 元 的 选 有 择对计算 的精 度有 很 大影 响 。为 了获得 较好 的计 算 精度 ， 各种 Ｃ ／ ＡＭ 系 统 生成 的模 型 常 选 用 单 对 ＡＤ Ｃ
元类型为 Ｓ Ｌ Ｄ ２ 为 ３ ０节 点 四面 体 实体 单 元 ， Ｏ Ｉ９、 Ｄ１
在 同一 位置 施 加 不 同大 小 的 载荷 ， 别 计 算 出 分 零 件 的变形 大小 ， 结合 计算 出的夹 紧力 ， 出在满 足 给 某一精 度条 件下 的加 夹 紧力 大小 的范 围 。 对 装 夹变形 进行 有 限元分 析 的关键 是要 依据设 计 的装夹 方案 ， 针对 不 同的定 位和 夹 紧方式 ， 建立 装 夹变形 分 析 的有 限元 模 型 ， 过仿 真计算 ， 出在 不 通 得
紧 ， 夹方 案 ３如 图 ３ 所 示 。 装 ｅ
…分 流 如 ２律 陀 架 夹 形 有 元 螺 架 夹 有 元 模 力 响 ，］ 框 装 变 的 限 ４陀 框 装 的 限 建 Ⅱ 耋 图 螺 析 三程 所ｌ 示 ６
。
４ １ 几 何 建 模 ．
１～ ／ ０ 。ｇ ｍｍ。 。
３ ）网格 划分 ： 利用 网格划分 工 具 Ｍｅｈ Ｔ ｏ 对 ｓ ｏ ｌ
３ 陀 螺 框 架 装 夹 方 案
由图 １陀 螺框 架 的零 件 结构 图可 以看 出 ， 螺 陀
框 架可 选择 的主要 定位 表 面有 大 圆柱 面 、 圆柱 面 、 小
几何模 型 进 行 自由 网格 划 分 ， 中 ｓ ｒ ｓ ｉｇ进 选 ｍａｔ ｉ ｎ ｚ
夹 具 ， 析不 同装 夹方 案下 零件 的变 形情 况 ， 出较 分 找
优 的装 夹方 案 。 ２ ）夹 紧 位 置 与 变 形 的 关 系 分 析
对 较优 的装夹方案 ， 分别在零件 的一 系列 不 同位
置加载 ， 分析零 件的变形情况 ， 找出最优 的夹 紧位置 。 ３ ）夹 紧力 与变 形 的关系分 析
基 于 有 限 元方 法的 陀螺框 架 装夹 变形 分析
周 建 慧 王庆 文 高 建 明。 马 明 山 李 星 ， ， ， ，
（． 京 航 空航 天 大 学 机 械 工程 及 自动 化 学 院 ， 京 １Ｏ ９ ；． 津 航 海 仪 器 研 究 所 ， 津 ３ ０ ３ １北 北 Ｏ ｌ ｌ２ 天 天 ０ ｌ １）
同轴 孔 。陀螺 框架 的毛 坯 为 铝 合金 精 密 铸 造 件 ， 其 结构 为 薄壁框 架 。 由于轻 合 金 框 架 的结 构 刚度 差 ， 装 夹过 程 中容易 导 致 翻转 和 移 位 ， 夹 紧 力 的作 用 在
下 极易 产生 变形 ， 常使工 件变 差甚 至报废 。 经
２ 装 夹 变 形 分 析 方 案
行 智 能单 元尺 寸控 制 ， 考虑 计 算 时 间和 计算 精 度 后
取 ５ 。
横 梁平 面 和孑 的 自身 定 位 等 ， 紧表 面 有 外 圆面 和 Ｌ 夹 横 梁平 面 等 。陀螺 框架 精镗 孔加 工 的前 一道 工序 为
车 削外 圆 柱面 ， 镗 孔 工艺 以车 削后 的外 圆柱 面 为 精
精密薄壁零件 由于结构 刚度差 ， 精度要求高 ， 在夹 紧力 、 切削力等的作 用下 ， 易产生加 工变形 ， 极 经常使
工件变差甚至报废ｌ 。如今加 工变形 问题 已经成为薄 】 ｊ 壁结构件加工过程 中的“ 瓶颈” 问题 。在影 响加工变形 的众多 因素 中， 装夹引起 的变形 占较 大比重＿ 。 ２ ］ 随着 计 算 机技 术 和 有 限元 技 术 的发 展 ， 加 工 对
图 ２ 陀 螺 框 架 装 夹 变 形 的有 限 元 分 析 流 程 图
是常 用 的结 构 静 力 学 分 析 单 元 。对 于 体 模 型 单 元
Ｓ Ｌ Ｄ ２应为首选 ， Ｏ Ｉ９ 特别是边界不 大规则 的模 型 。
使 用 有 限 元 方 法 分 析 精 密 陀 螺 框 架 的 装 夹 变
Ｖ５ＲＩ 环 境下 建立 ， 除对 有 限元分 析影 响较 小 的 ５ 去
特征 如倒 角 、 圆角 和 小 孔 等 ， 化 分 析模 型 ， 后 通 简 然 过 ＡＮＳ Ｉ ． ＹＳ Ｏ ０的 Ｃ ｔ ａｉ 用 接 口将 在 Ｃ ｔ ａ专 ａｉ 境 ａ环
下生 成 的・ ｄ ｌ ｍｏ ｅ 文件 导入 到 ＡＮＳ ＹＳ环 境 中 。
在 陀 螺框 架 装 夹 的过 程 中 ， 响变 形 的 因素 很 影
多， 如定 位基 准 的选择 、 定位 方式 、 紧方式 、 紧力 夹 夹 的大小 和夹 紧位 置等 。为 Ｊ更好 地 分析各 个 凶素 ］ ， 对 陀螺 框架 变形 的影 响情 况 ， 没计分 析方 案如 下 。 １ ）装 夹方 案 的优化
摘 要 ： 于 ＡＮＳ 基 ＹＳ建 立 了陀螺框 架 装 夹变形 的有 限元 分析 模 型 ， 工件 装 夹 方案 、 紧位 置 与 变 对 夹 形的 关 系以及 夹 紧力与 变形 的 关 系进 行 了仿 真 优 化 分 析 。基 于有 限元 分 析 结 果 ， 出 了最 优 的装 夹方 给
（ ． ｃ ｏ ｌｏ ｅ ｈ ｎｃｌＥｎ ｉｅ ｒｎ ｎ ｔ ｍａｉｎ，Ｂ ｉ ｎ ｉｅｓｔ １ Ｓ ｈ ｏ ｆＭ ｃ ａ ｉａ ｇｎ ｅｉｇ ａ ｄ Ａｕｏ ｔ ｏ ｅＨａ ｇＵｎｖ ｒｉ ｙ，Ｂｅ ｉｇ １ ０ ８ ｉｎ ０ ０ ３，Ｃｈｎ ； ｊ ｉａ ２ Ｔｉｎｉ ｖｇ ｔ ｎＩ ｓｒ ｍｅ ｔＲｅ ｅｒ ｈＩ ｓｉ ｔ ，Ｔｉｎｉ ０ １ １ ｈｎ ） ． ａ ｊ Ｎａ ｉａｉ ｎ ｔｕ ｎ ｓａ ｃ ｎ ｔｔ ｅ ｎ ｏ ｕ ａ ｊｎ３ ０ ３ ，Ｃ ｉａ
案 １如 图 ３ ａ所示 。
零件 的结 构 和精度 要求 特点 ， 对不 同 的装 夹方 案 ， 针 分别 建立 合理 的边 界条 件 。夹 紧力 的计算 与约 束 的
施加 如下 。 １ ）夹 紧力大 小 的计算
夹 紧力 的计算 通 常是将 夹具 和工 件视 为 刚性 系