环形薄壁件加工时的装夹变形研究

目 录

摘要......................................................................1 关键词 ...................................................................1 Abstract .................................................................1 Key words ................................................................1 引言......................................................................1 第一章 绪论...............................................................2 1.1 课题研究依据和意义 ...................................................2 1.2 薄壁零件装夹研究的现状.................................................2 1.2.1 薄壁零件装夹的特点 1.2.2 薄壁零件装夹研究的现状 1.2.3 薄壁零件装夹研究的不足

第二章 薄壁零件的装夹变形研究.........................................2 2.1 环形薄壁件装夹变形概述 2.1.1 概述

2.1.2 装夹变形的区分 2.1.3 装夹变形的计算方法

2.2 薄壁零件的定位研究..............................................2 2.2.1 定位的基本原理 2.2.2 定位约束分析 2.2.3 定位方案的分类

2.3 薄壁零件的夹紧.....................................................3 2.3.1 夹紧设计的基本要求 2.3.2 夹紧力方向的合理确定 2.3.3 夹紧力作用点的合理确定 2.3.4 夹紧力的计算及相关实例

2.3.5 夹紧力作用点与夹紧变形的关系

2.3.6 薄壁件变形量与夹紧力的关系

2.4 定位 夹紧和辅助支承方案的综合.........................................3 2.5 三爪卡盘的proe建模

第三章 卡盘爪宽与环形薄壁件填充物对装夹变形的影响.................................10 3.1 使用ansys分析装夹变形................................................16 3.1.1 ansys分析装夹变形的概述

3.1.2 ansys装夹变形的分析流程..............................27

3.2 利用ansys研究爪宽对环形薄壁件装夹变形的影响..................27 3.3 填充物对环形薄壁件装夹变形的影响................................28

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第四章 总结与展望....................................................28 4.1 总结...............................................................29 4.2 展望...................................................................30 参考文献

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环形薄壁件加工时的装夹变形研究

摘要：在航空航天领域有许多精密薄壁零件，它们的结构复杂、加工精度要求高。由于精密薄壁零件刚性差，在切削力的作用下容易产生较大的让刀变形，在过大的夹紧力作用下又易产生较大的装夹变形，用传统的装夹方法难以保证其加工精度要求。本文旨在研究航空航天精密薄壁零件加工中的装夹变形问题，具体研究内容如下：

首先，提出了针对航空精密薄壁零件装夹方案设计的原则；在理论上分析了各种装夹方法和切削参数对精密薄壁零件变形的影响；并利用提出的原则，考虑各种影响，重点研究了夹紧力与装夹变形的关系，建立力学模型，画出夹具；其次，对薄壁零件装夹变形的分析作了研究，提出使用有限元方法作为分析和计算变形的方法，提出将薄壁零件的装夹变形按重要性划分为主要和次要变形，便于分析和研究。对有限元方法使用中的关键技术进行了阐述，且进行了实例应用；最后，使用ansys分析三爪卡盘爪宽度对装夹变形的影响，以及填充物对装夹变形的影响。

关键词：薄壁件 装夹方案 装夹变形 有限元 填充物

The research of the thin-walled parts clamping deformation

when they are woking

Student majoring in Mechanical Engineering and Automation Yang Chao

Tutor Xiao Maohua

Abstract：Among the precision parts in aeronautical and astronautical engineering, many parts have thin-wall, complex structure, and high tolerance requirements. Because of the poor rigidity, they are easy to deform when the cutting forces and clamping forces are employed. It is difficult to ensure the machining accuracy using the traditional machining techniques. The purpose of this thesis is to study the deformation problems of precision thin-walled components in the process of clamping and machining. The main work is as follows.

Firstly, the principles of fixture-design scheme for precision thin-walled parts were put forward. The influence degree on the deformation of thin-walled parts was theoretically studied with several different fixtures. Secondly, the clamping deformation of the thin-walled parts was studied.Clamping deformations are divided into main deformation and minor deformation.FEM (Finite Element Method) was used to analyze the clamping deformation.And establish the mechanical model. Key technologies in FEM was studied and testified.Lastly,using FEM to analysis the affect of the width of the claw which in the three jaw chuck,and the affect of the filler.

Key words: Thin-walled part Fixture scheme Clamping deformation Finite element Filler

第一章 绪论

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1.1课题研究依据和意义

现代社会，计算机科学技术的飞速发展带动了社会各个行业都与计算机科学相结合技术的迅猛发展，促进了各行各业在效率上的极大提高、成本上大幅降低，也使行业内部之间区域之间的产品竞争更加的激烈和白热化，总体利润反而下降，制造业更是如此。 制造业的发展必须适应全球化市场竞争的快速响应能力，也就是能够随市场的变换快速的调节自己的生产能力或者生产产品的类型。市场的变化是由用户的需求变化引起的。当今时代，用户的需求总体趋势是由大众化消费转为个性化、多样化的消费，对产品的质量、样式、功能和服务的要求越来越高。因而转变为制造业对产品和生产的要求就是：产品的生产批量变小、甚至是单件订货生产；产品的种类成级数增长，要求成品的设计能够快速灵活的应变和转换，产品样式的更新开发要求周期短；产品的功能要求越来越全面要求产品设计考虑的更加全面，制造技术的精密度要求更高；产品的售后服务成为现代社会竞争的最后一张王牌，高效便捷的售后服务是用户购买本产品的一大驱动力；产品的质量是重中之重，是企业和产品长期竞争信誉保证的关键。因而，制造企业如何快速、敏捷和柔性的响应这种市场变化对企业的要求，成为提高企业竞争能力的关键技术之一。

为了提高企业的竞争能力，制造业提出了很多实用的制造业理论和可行的实际方法。理论方面有：现代集成制造(CIM)，敏捷制造(AM)，柔性制造系统(FMS)，并行工程(CE)，虚拟制造(VM)，人工智能(AI)，成组技术(GT)，虚拟现实(VR)，等等。把这些理论应用到实际中发展起来的制造设备和各种方法手段有：柔性加工中心，产品设计并行工作小组，计算机辅助技术(CAX)包括 CAD、CAFD、CAPP、CAM、CAE，等等。 目前精密薄壁零件的制造技术是制造业发展的一个重要的方向。精密薄壁零件的装夹是其制造的一个极其重要的环节，其装夹技术分两个步骤的考虑：一是根据零件的几何结构(假设零件纯刚性)设计出符合结构理论的装夹方案；二是对于精密零件，基于已知装夹方案、切削力、预载荷以及约束，根据各项参数计算出零件在装夹和加工过程中的变形，进而评估这种变形对加工结果精密度影响，由此选定几种备选装夹方案中的最优方案。如何在精密薄壁零件的夹具设计和制造过程中应用上述的各种制造理论和各种方法手段，成为精密零件制造的一个核心研究课题。为了充分利用已有的制造业设备(如加工中心)，节约购买新设备的成本，最大化的利用已有的计算机辅助技术(CAX)，改善和优化对精密零件的装夹技术成为提高加工产品的质量的相关方法中可行性较高的一种出路。

1.2 薄壁零件装夹研究的现状 1.2.1 薄壁零件装夹的特点

薄壁零件的基本定义是：在一定条件下,把物体内各处不同的温度值归缩成同一个值。也就是说，当物体由一个温度环境进入另一个温度环境时，在一定时间内，当物体表面与内部温度最大差值所造成的误差影响在工程应用中可以忽略时，可以将物体的表面温度作为物体内外的一致温度值。其大致形状如图1所示，其特点有：

1) 加工中，切削力和夹紧力使工件极易产生很大的变形，影响零件的加工精度； 2) 零件的外形结构复杂，尤其是表面造型复杂，多有流线型外表； 3) 零件的重量较小，装夹过程中容易导致翻转、移位等。

环形薄壁件件是指加工精度要求较高的薄壁零件。环形薄壁件件装夹方案的设计原则与普通零件相似，也分为定位、夹紧和辅助支承三个步骤，主要的设计参数有：基准面的选择，定位点、夹紧点的位置，初始夹紧力大小的计算，辅助支承点的位置。但环形薄壁件的精度要求高，加上薄壁件零件以上的一些特点，所以在环形薄壁件的装夹方

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案及夹具的设计中应该着重遵循以下几项原则：

1) 尽量减小工件加工过程中由于夹紧力和切削力引起的最大变形；

2) 可以多提出几种装夹方案，提出一定的评判标准评价各种方案的优劣； 3) 装夹方案中应该体现夹紧力施加的顺序。

图1

1.2.2 薄壁零件装夹研究的现状

当前国际国内对装夹技术以及精密零件的装夹技术皆有不少相关的研究。

国内：华中科技大学金闻瑞等人对工件装夹特征进行了系统的分类与定义，明确分了用于装夹的工件表面类型，为装夹规划提供了操作对象的特征范围，并成为夹具结构设计的理论依据。清华大学唐东等人对零件表面形状为自由曲面零件的装夹技术进行了研究，是为具有专有形素特征的零件的装夹技术研究。西南科技大学李双跃等人提出了自动装夹设计中支承位置与工件变形的几何推理方法，为装夹方案的设计和工件、夹具变形的计算提供了方法论。浙江大学董辉跃等人针对精密薄壁件刚性差、制造过程中容易产生装夹变形的工艺难题采用有限元分析方法对加工过程中的薄壁件装夹方案进行了优选，其考虑了三个因素的影响：装夹位置、装夹顺序以及加载方式，可称是有限元方法在精密薄壁件变形分析领域的有效应用。在此之前浙江大学董辉跃柯映林等人也使用有限元分析方法讨论了基于残余应力分布的框类零件装夹方案的优选问题，也是有限元方法与装夹方案优选的集成利用。广东工业大学的陈洪军等提出了组合夹具装配虚拟设计，开发了一种基于 PC 的组合夹具虚拟装配设计系统(VDMFS)，此系统能够为组合夹具的设计提供一个虚拟现实的环境。关于零件的可制造性，浙江大学吴玉光讨论了面向并行工程的计算机辅助零件可制造性的评价方案，其精髓是把产品的设计过程和可制造性并行考虑，可制造性考虑了零件的结构工艺性、零件精度设计的合理性和经济性、可装夹性、可装配性等。关于夹具装夹方案，南航欧志球的硕士论文中详细论述了基于并行工程的计算机辅助夹具设计，给出了装夹方案评价和获取最佳方案的有效方法。南京航空航天大学武凯、何宁等人对航空薄壁零件的加工变形进行了研究，改进了相关的铣削力计算模型，并建立了薄壁件腹板变形分析的有限元模型。研究航空薄壁件加工变形的还有南京航空航天大学的余伟、王珉等，主要研究了残余应力对加工变形的影响。 国外：新加坡国立大学 AY C Nee 等人基于切削加工过程中动约束力的存在提出了在夹具中加入可根据工件夹具变形程度自动调节夹紧力大小的动态夹持装置，其中涉及的关键技术有变形测量及相对应的应施加夹紧力大小的计算，为精密薄壁零件的夹紧提供了有效的方法手段。M R Behzadi 等人基于表面粗糙度和平面精度建立了描述支承位置效果的动静态分析模型，为找到最佳的支承位置提供了理论依据。J. Cecil 提出了一

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种用于自动化夹具设计时确定工件夹紧面夹紧点的设计方法，这种方法能够与传统的设计方法同步使用，传统的设计方法是：在加工过程中确定工件的夹持和支承，根据切削刀具正确地定位工件。T. S. Kow 等人在 UG 平台上建立了夹具模块数据库，把常用的夹具模块和选择夹具模块的规则录入数据库，通过人机交互的方式使用这些资料，实现夹具设计的自动半自动化，使夹具设计更高效。B. Li 等人把工件和夹具的每个接触点都模型化为弹性的，能够承受分解为切向和法向的约束力，并能利用牛顿欧拉运动方程式计算有动态切削力的情况下工件在切削点处的最大偏移，通过变换定位点和夹紧点取得最大偏移的最小值，达到了优化夹具布局的目的。Zheng Li, Shun Yun, Liang Steven Y 等人对与装夹变形相关的切削力的估算作了深入的研究，提出了一系列的估算端铣削、侧壁铣削时切削力的估算模型。

对于装夹变形的控制，国内外也有不少相关的研究。南京航空航天大学王志刚，何宁等人在文献中提出使用数控补偿技术，通过数控走刀补偿让刀误差，以达到控制加工精度的目的。同种情况 Budak E 和 Altintas Y 采用变进给控制方法，Devor R E 只提出了优化思想，没有具体提出精度控制方案。同时，M B Behzadi 和 B Arezoo 提出在零件加工中使用辅助固定支承对提高工件刚度具有显著效果。

1.2.3 薄壁零件装夹研究的不足

目前国内外对装夹技术的研究仍然集中在装夹方案的理论分析以及基础理论的研究，着重于在装夹技术中添加新的元件以期达到较好的装夹效果。在传统的方案分析和夹具设计中，主要依靠设计人员的经验和知识面的宽广度，分析和设计结果的可传承性比较低，同样的劳动多次执行、分析设计周期长、效率低，且有些设计错误只能够在产品投入测试阶段之后才能够发现，增加了返工次数。对于装夹方案的测试和评价主要依靠的仍然是实际制造出初步设计的夹具，在现实中对夹具进行各项测试试验，采集所需的评测数据，进而分析和评价装夹方案的优劣。这种使用试验的方法评价装夹方案极其耗费时间，不利于缩短夹具设计周期，从而延长产品的加工制造周期、影响产品的快捷上市、不利于整个产品全生命周期的缩短。由于试验是多方案比较，必定会报废夹具零组件，因而增加产品设计初期的投资成本。有时由于和时间平衡不力，评价试验次数较少，导致对装夹方案的评测不够准确和全面，或者由于采样点的离散性较大导致实验结果的不精确，影响装夹方案评价的准确度。对于一个工件的装夹方案的设计和评价，还需要多人、多部门配合进行，耗费人力物力和财力。目前，精密薄壁零件的夹具设计过程也类似于上述的设计流程，因而也存在相同的缺陷。现行夹具设计流程总结起来有以下一些方面的缺点：

1) 试验评价需要报废非最优或不合格夹具体，导致成本增加； 2) 夹具设计周期长，产品加工制造时间延后，产品全生命周期长；

3) 每次新的装夹方案设计都要重复劳动并比较，经验和劳动成果可重复利用率低； 4) 由于时间关系，对装夹方案的评价不够完全； 5) 试验结果不够精确和全面；

6) 耗费人力、物力和财力。因而迫切需要一种简易、可行、敏捷和实用的装夹方案设计流程和评价体系。

现行夹具设计流程图如图2所示

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图2

第二章 薄壁零件的定位与夹紧研究

2.1 环形薄壁件装夹变形概述 2.1.1 概述

在外力的作用下，固体改变形状，这是固体基本性质之一。固体有抵抗改变其质点间相互位置的能力。当外力作用停止时，固体能消除由外力所引起的变形，这一种特性称之为弹性。当外力作用停止时，固体一般具有较大的永久变形的这一特性称之为塑性。在外力作用除去后，能完全消失的变形称为弹性变形，消失不掉的变形称为永久变形、残余变形或塑性变形。对结构的变形进行矫正，就是使工件的整体结构产生额外变形以消除原有变形的影响，或使结构产生符合所要求的形状、尺寸的变化。装夹变形也就是工件在被装夹的整个过程种所发生的一系列变形。产生装夹变形的外界因素很多，主要有零件的装夹方案、零件加工的切削用量、切削用刀具的参数等。与装夹变形相关的零件内部因素就是零件材料的弹性和塑性，反应为材料参数就是零件材料的弹性模量和泊松比。环形薄壁零件的装夹变形也包括弹性变形和塑性变形。但是由于工件较薄的厚度，沿厚度方向的变形也相对比较大，因而在初期的弹性变形之后产生塑性变形对工件的精度是一个较大的冲击，再加上起初的弹性变形造成的过切或者让刀使工件的加工精度已经严重降低，不能够再经受塑性变形了。为了保证环形薄壁零件的较高的加工精度，应首先考虑零件的零件变形初期的弹性变形，因而本研究主要基于工件弹性变形的范围内对环形薄壁零件的装夹变形进行分析。

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2.1.2 装夹变形的区分

(一) 主要和次要变形的区分原则

工件的变形包括多方面的变形，比如弹性变形、塑性变形。而且这些变形在具体的坐标轴上也可以分解为沿坐标轴方向的变形。对于直角坐标可以分为x、y、z 向的变形，对于柱坐标，可以分为径向变形和切向变形。无论对工件变形的分解如何，分解的主要目的也是为了更好的理清变形对工件加工精度的影响。

根据变形对工件加工精度的影响，把变形分为主要变形和次要变形。主要变形是指那些对工件加工精度影响较大的变形。很多情况下，工件的主要变形是沿加工表面的法向的。工件沿加工表面法向的变形直接影响加工面的加工精度，具体受影响表面参数有：工件实际尺寸、表面平面度、粗糙度，如果是孔面或者轴外表面，则影响的参数有：圆度，跳动公差等。

次要变形是指那些对工件加工精度影响较小的变形。一般情况下加工平面 的工件的次要变形是沿加工面的切向的。

根据以上对于变形的主要和次要变形的分类可知，在一般情况下对装夹变形进行研究时，应该着重于对工件主要变形进行研究，也就是研究沿工件加工面法向的变形。 (二) 变形区分的优点

主要变形和次要变形的区分在研究变形对工件加工精度的影响上有重要意义，能够节约变形分析和计算的时间。在使用数值方法，比如有限元法，单一计算工件的变形时，只需要计算工件的主要变形即可，可以大大降低计算时间，提高计算效率。在有限元方法计算变形过程中，对于复杂零件划分网格生成的节点单元数以万计，计算一次变形耗费时间已经很长，在以变形大小作为目标函数的优化运算中，每生成一组新的设计变量，就需要做一次变形计算，可想而知在优化运算中多次计算变形需要的计算时间。主次要变形的划分则可能很好的解决这个问题。运算中只生成和保存主要变形，次要变形在失去中间变量的作用后直接删除，最大限度的除去冗余数据，提高计算效率，降低时间消耗。

2.1.3 装夹变形的计算方法

工程和机械结构的力学分析方法可分为解析法和数值法两类，它们都可以用于计算精密薄壁零件的变形，常见的分析方法如图3所示。

解析法是经典理论的求解方法，其解法是首先建立工程问题的微分连续方程，然后通过解方程得出工程问题的解析解。解析解在系统的任何点上都是精确的。但是由于在众多的工程问题中，越是复杂的问题越是难以建立连续的微分方程。解决方法之一就是，建立微分方程之前首先设法简化结构物的外形等，使它能达到用解析法求解的地步，求得线性近似解之后，再引入一定的安全系数以确保结构物安全。但这样的解决办法远离了结构物真正的变形情况，所求得的解析解只是近似解。为了求得更加准确的这些复杂问题的解，通常采用更为有效的数值计算方法来解决工程问题。

数值方法是通过拟合离散的点代替原连续空间的值从而简化求解的建模，便于求解所需要的值，比如位移、应变应力、场等问题。任何数值解法的第一步都是离散化，也就是说，将求解的对象分为若干小的区域和节点。数值解只是在节点上才近似于解析解，在离开节点的任何点都需要使用插值函数来计算近似解。数值解常分为两大类：有限差分法和有限元方法。

有限差分法，需要针对每一节点写出微分方程，并且用差分方程代替偏微分方程，从而得到一组联立的线性方程组，求解此方程组即可得到节点的数值解。有限差分方法对于较简单的问题是易于理解和应用的，但是使用该方法难以解决带有复杂几何条件和复杂边界条件的问题，对于具有各向异性特性的问题也是如此。相比之下，有限单元方法

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是使用积分方法而不是微分方程来建立系统的代数方程组。而且，该方法用一个连续的函数来近似描述每一个单元的解。由于内部单元的边界是连续的，因而整个问题的解就可以通过单个解连接或组装起来，实现解的近似连续性。使用有限元方法分析和计算精密薄壁零件的变形，既可以解决有限差分方法对于复杂边界条件的不适应，也可以避免建立工件连续微分方程的困难性，同时可以充分利用有限元方法数值解的连续性，使复杂工件解值更加贴近实际值。

图3 力学分析方法关系列表

2.2 薄壁零件的定位研究

工件的定位就是使工件多次重复放置到夹具中时都能占据同一位置。对一批工件来说，就是每个工件放置到夹具中时都能占据同一位置。如何保证一批工件在夹具中位置的一致性，是工件定位的实质问题。工件在夹具中的位置由定位件决定。工件在定位时应解决两个问题：首先应解决工件位置“定与不定”的问题，也就是根据工序的加工要求，如何使工件在夹具中占有一确定的位置。这个问题可以根据六点定位原理，通过消除工件相应的“自由度”来解决；其次是解决工件定位中的“准与不准”的问题，也就是如何保证工件有足够的定位精度，使一批工件逐个放置夹具中的实际位置能保证足够的一致性。这个问题需要通过选择合理的定位基准、选择和设计相应的定位元件来解决。 精密薄壁零件装夹方案中的定位与一般工件的定位是相同的，都需要解决工件的“定与不定”和“准与不准”的问题。需要注意的是由于精密薄壁零件局部刚度较小，在“准与不准”的问题上需要综合考虑定位基准、定位元件以及定位后的夹紧力的施加等因素，从而通过优化等手段配置定位、夹紧和支承元件的最佳组合。

2.2.1定位的基本原理

由理论力学可知，一个在空间处于自由状态的刚体，具有六个自由度，即：沿三个互相垂直的坐标轴的移动自由度和绕此三轴的转动自由度。当对工件没有采取定位措施时，工件在夹具中的位置将是任意的。因此，对一个工件来说，其位置将是不正确的，对一批工件来说，其位置将是变动的、不一致的。定位的首要任务，在于消除工件的这种代表位置不定的自由度，也就是说要使工件在夹具中的位置按照一定的要求确定下来，将必须限制的自由度一一予以限制。六点定位原理是工件定位最基本的定位方式之一。由于工件的定位就是要使工件在夹具中占有一确定的正确的加工位置，因此工件的六点定位就是要使工件在夹具中占有一确定的位置，也就是在空间直角坐标系中确定刚体的六个坐标参数。其基本原理是：用按一定要求的分布在三个相互垂直平面上的定位 支承点或相当于支承点的定位件与工件紧密贴合或配合，以限制工件在空间的六个自由

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度，使工件在夹具中占有一确定的位置。当用定位支承点去限制工件在空间的自由度时，定位支承点必须与工件定位基准始终保持紧密贴合(接触)精密薄壁零件装夹变形的分析与控制研究或配合，不得脱离。若二者一旦脱离，就表示定位支承点失去了限制自由度的作用(也即失去定位作用)。

2.2.2定位的约束分析

定位约束是用于限制工件六个自由度的。根据定位元件对工件六个自由度的限制，可以将定位划分为完全定位、不完全定位、欠定位和过定位四个种类。

工件在夹具中定位，若六个自由度都被限制时，称为完全定位。很多情况下，工件在加工中的定位都需要限制六个自由度，即应该采用完全定位。

工件在夹具中定位，若六个自由度未被完全限制时，称为不完全定位。根据工件加工前的结构形状特点和工序加工要求，又可分为两种情况：第一种是由于工件的加工要求，工件在定位时允许保留某些方面的自由度不被限制。第二种情况是由于工件加工前的结构形状特点，无法也没有必要限制某些方面的自由度。在保证工件位置精度的前提下，不完全定位可以减少夹具元件，简化夹具结构。

工件在夹具中定位时，若几个定位支承点重复限制同一个或几个自由度时，称为过定位。在过定位情况下，被加工工件在夹具中以两个或两个以上的组合表面作为定位基准定位，由于工件各定位基准面之间存在误差，夹具上各定位件之间的位置也不可能绝对准确，因而过定位就会造成不良后果：使工件位置不确定，增加了同批工件在夹具中位置的不一致性；使工件和夹具产生夹紧变形，影响加工精度；导致部分工件无法安装而不能进行加工，因此，在确定工件定位方案时，应尽量避免采用过定位。

虽然工件在夹具中定位时，一般情况下要避免产生过定位，但是如果工件定位基准和夹具定位件都具有较高的形状和位置精度，过定位不仅是允许的，而且还会带来一定的好处，因而在实际生产中亦可以合理应用。尤其对于刚度较差的工件，为了减小切削力和夹紧力造成的变形，经常采用过定位。精密薄壁零件的特点就是刚度差，在切削力和夹紧力的作用下极易产生大变形，影响工件的加工精度。因而使用过定位对精密薄壁零件来说会带来一定的好处：增强了工件在加工中的刚度，减小了由切削力和夹紧力作用下产生的变形，提高了加工精度。根据文献的研究，精密薄壁零件采用过定位不仅是可行的，而且有时还很必要。

工件在夹具中定位时，如果一个夹具的定位结构所限制的工件自由度，少于位置精度必需要限制的自由度，就会产生定位不足，称为欠定位。欠定位情况下，工件位置精度不能保证，欠定位是不允许的。欠定位和不完全定位是有区别的。不完全定位情况下，不需要限制的自由度并不影响工件加工的位置精度。比如在图4中，在圆形工件距离轴线 25mm 处加工一孔。由于圆形对称，零件不需要限制绕 Z 轴的转动，因而工件只要限制五个自由度，这种定位方式仍然能够满足加工孔的精度要求，这就是不完全定位。如果工件需要限制五个自由度 X、 Y 、Z、X、Y，但是实际的装夹只限制了四个自由度 X 、Y 、Z、X，少限制了自由度Y ，这种情况即是欠定位。由于欠定位的Y 自由度没有限制，因而不能保证孔的轴线与零件轴线的平行度，所以欠定位是不允许的。

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图4

2.2.3定位方案的分类

薄壁件的定位主要包括两个方面，一是零件在夹具中的定位，二是夹具在机床上的定位。本文主要研究的是精密薄壁件在夹具中的定位及其夹紧。

(一)精密薄壁件常用的定位方法

根据常用的定位基准的分类，精密薄壁零件件的常用的定位方法有：零件以平面定位、零件以圆柱孔定位、零件以外圆表面定位等。

1) 以平面定位。平面定位的形式主要是支承定位。支承定位的元件分为固定支承、可调支承、自位支承和辅助支承四种。支承位置固定的支承称为固定支承。固定支承有支承钉和支承板的形式。固定支承板多用于工件上已加工表面的定位，有时可用一块支承板代替两个支承钉。支承位置可以调整的支承称为可调支承。当工件定位表面不平整以及工件批与批之间毛坯尺寸变化比较大时，常使用可调支承。有时可调支承也可用作成组夹具的调整元件。自位支承在定位过程中，支承本身可以随工件定位基准面的变化而自动调整并与之相适应。自位支承一般只起一个自由度的定位作用，即一点定位。辅助支承是在工件定位后才参与支承的元件，它不起定位作用。辅助支承主要用来在加工过程中加强被加工部位的刚度。

薄壁零件的定位基准面一般都是法向变形较大的面，因而在定位面确定之后，布置定位元件于定位面上时应考虑尽可能增大定位面的刚度。如果是点定位，可以考虑在必要的定位点个数之外增加辅助支承点；如果工件的定位面是经过精加工，且能够使用基础板或者使用面接触代替定位点作为定位元件，应该尽可能的使用基础板或具有面接触的定位元件进行定位。

2) 以圆柱孔定位。工件以圆柱孔定位大多属于定心定位(定位基准为孔的轴线)，夹具上相应的定位元件是心轴和定位销。

i. 心轴定位。心轴为四点定位，即限制工件除绕心轴转动和沿心轴自身轴线移动以外的 4 个自由度。某些心轴还能够在定位的同时将工件夹紧，使用方便。由于精密薄壁零件刚度差，在使用这些心轴同时进行定位和夹紧时，心轴的尺寸公差应比普通工件更加严格，以防止过大的心轴误差产生较大的夹紧力，使薄壁工件的孔沿径向产生较大变形，从而影响加工表面的加工精度。

ii. 定位销 定位销分为圆柱定位销、菱形销和圆锥定位销。圆柱定位销限制工件 2 个移动自由度，菱形定位销限制 1 个移动自由度，而圆锥定位销限制工件 3 个移动自由度。精密薄壁零件中使用定位销的孔轴线一般在工件厚度方向，因而定位销对精密薄壁零件的影响等同于普通零件。

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3) 以外圆表面定位。工件以外圆表面定位有两种形式：一种是定心定位，另一种是支承定位。工件以外圆表面定心定位的情况与以圆柱孔定位的情况相似，只是定位元件不一样，使用套筒或者卡盘代替心轴或柱销，以锥套代替了锥销。薄壁工件外圆表面定心定位尽量使用接触面较大的套筒和锥销，若使用卡盘定位，可以在卡盘和工件的接触之间垫一块具有一定精度的垫块，垫块与工件外圆接触面积应大于卡盘与工件外圆的接触面积。工件以外圆表面支承定位的常用元件是 V形块。 (二)正确配置定位基准、支承点，以提高定位的精度和稳定性

在确定定位方案时，除了将所需要限制的自由度予以恰当的限制外，还要保证工件定位的稳定性和必要的定位精度。为此，一方面要正确地选择工件的定位基准，另一方面要合理地配置定位支承点。合理地配置定位基准和支承点是精密薄壁工件定位方案设计中装夹变形分析的重点。对于普通工件，尤其是刚度较大的工件，定位点、支承点的配置对工件加工过程中的稳定性影响较大，而对工件刚度的影响微乎其微，在工件刚度足够的情况下甚至需要校核夹具的刚度，比如螺栓旋紧情况下校核 T 型槽的刚度。但是对于精密薄壁零件，夹具的刚度一般都是大于工件刚度，因而在对工件和夹具系统进行校核的时候，主要校核的就是工件的稳定性和刚度。而对工件刚度校核的一个主要要求就是：在特定的定位基准和支承点配置下，施加适当的夹紧力(包括初始夹紧力和切削过程中的夹紧力)和估算的切削力时，工件加工面的装夹变形和让刀变形最大值不能大于加工要求的规定值。 2.3 薄壁零件的夹紧 2.3.1 夹紧设计的基本要求

环形薄壁件属于低刚性工件，若对其内控在车床上进行车削加工，应用普通的三爪自定心卡盘进行径向夹紧时，容易发生工件的夹紧变形，如图5a所示。若用普通三爪自定心卡盘直接夹紧薄壁套筒，会将套筒夹成如图5b所示的三棱形；若在夹紧变形的情况下将内孔车圆，如图5c所示，则当卡爪松开后，套筒的内孔会由于弹性回复变形而形成三棱形状的内孔，如图5d所示，所以有必要对其进行夹紧研究。

图5

加工过程中，工件受到切削力、惯性力、离心力等各种力的作用，为了保证工件可靠地夹紧在定位元件上，工件除定位外，还必须将之夹紧，对夹具中夹紧机构的基本要求是：a)夹紧后不能破坏工件在夹具中的正确位置；

b)夹紧力要足够使工件在加工过程中不致产生移动、转动或发生振动，不能过大导致工件表面压坏(尤其是经过加工的表面不能出现印痕)或使工件产生变形； c)夹紧机构要操作方便，节省操作工人劳力，保证安全；

10

d)夹紧机构的复杂程度和自动化程度应与工件的产量和批量相适应。针对薄壁零件刚度差的特点，特别要求：

a)夹紧力大小除了普通要求的不使工件产生移动、转动的下限或引发振动的区域外，应该增加不能使工件过大变形的夹紧力上限；

b)夹紧位置应该与定位位置、支承位置相对应，以期达到最佳配置，从而最小化工件加工中的装夹变形；

c)夹紧力的方向应该尽量避免与装夹变形方向一致，最好是与之相反以抵消变形量。 2.3.2 夹紧力方向的合理确定

确定夹紧力的方向时，一般应掌握以下要点： 1，

主要夹紧力的方向应尽量指向工件的主要定位基准表面：

工件在定位中常选择幅面较大，安装稳定的表面作为主要定位基准面。夹紧力的方向指向工件主要定位基准面有助于工件在此基准面上的稳固接触，保证工件的定位质量。夹紧力指向主要定位基准面，也可以增大工件与定位基面间的摩擦力，有利于工件的夹紧可靠性。

2，夹紧力的方向应尽量与切削力，重力方向保持一致：

使夹紧力的方向与切削力，重力方向尽量相一致，可以借助于切削力和工件的重力承担一部分夹持力作用，此时所需的夹紧力最小。当切削力P和工件重力G使工件压向安装基面时，可在此表面上产生一部分摩擦力，有助于工件所需夹紧力的减小。 3, 夹紧力的方向应尽量施于工件刚性较强的方向：

不同结构及形状的工件，其不同方向上的刚性不同，为尽量减小夹紧变形，应尽量选择工件刚性较强的施力方向夹紧工件。特别是对于刚性较差的薄壁件，细长件等，更应注意。

4，夹紧力的作用线应分布于工件有效支撑面范围以内，以防止工件发生倾覆： 如图6所示，当夹紧力的方向掌握不好，使其作用线分布于工件有效支撑面范围以外时，如图6a所示，会引起工件的失稳和倾覆。应把力的作用线调至工件支撑范围内，即可保证工件的稳定安装。图7a所示的夹紧力施加在工件有效支承面的范围之外，会造成工件倾覆。如果把夹紧力施加在工件的支承范围之内，如图7b所示，工件的夹紧就比较稳固。

图6 夹紧力作用线应分布于支承范围内

11

图7 夹紧力的作用部位选择 2.3.3 夹紧力作用点的合理确定

1，夹紧力作用点应选择工件刚性较好的部位：

夹紧力的作用点应选择在使工件夹紧变形小的凸缘，耳座，肋，隔板等刚性较好的部位。只有选择这些部位，才能使工件夹得实，压得牢；同时，所产生的夹紧变形也较小，图8a的夹紧方案把作用点选在工件刚性最差的薄壁空腔顶部的中央，会造成工件顶部较大的压紧变形；图8b把夹紧点设置在工件底部的凸缘处，夹紧变形就很小；图8c表示工件无压紧凸缘可利用时，可以利用浮动压板，把夹紧点分散到肋板和箱壁厚度较大处，可以有效减小压紧变形。

图8 夹紧力的作用点要合理选择 2，

夹紧力的作用点应尽量靠近工件要加工部位：

夹紧力作用点越靠近加工部位，加工振动越小，切削越平稳，加工质量越高。如图9所示的工件在夹具角铁上定位进行镗孔加工。由于被镗孔的轴线相对工件左端面有较严的垂直度公差要求，工件的定位选择左端面A作为主要定位基准面，并且使夹紧力W保持

12

垂直于工件的左端面，而把工件压紧在夹具角铁的垂直表面A上，如图8a所示，可以保证刀具镗孔走刀路线相对A面的垂直精度，从而保证镗孔轴线相对工件左端面垂直度的公差要求。图8a表示夹紧力保持水平方向，将工件压紧在夹具的垂直定位面上，从而保证了镗出的孔轴线与工件侧面间的垂直度。若夹紧力未设置在此方向，而是采用图8b中的垂直方向，把工件直接压紧在夹具角铁的底板表面上，使夹紧力W不再指向工件的左端面，则由于工件底面与左端面间不可避免的垂直度误差，会造成被压紧后的工件的左端面不再与夹具B面保持垂直状态，而具有一定的误差。在这种条件下镗出的孔，其轴线可与夹具B面（即工件底面）保持良好的平行关系，但却不能保证孔轴线相对左端面的垂直度公差要求。

图9 夹紧力方向的选择

2.3.4 夹紧力的计算及相关实例

夹紧力的计算方法一般是将工件作为一受力体进行受力分析，根据静力平衡条件列出平衡方程，求解保持工件平衡所需的最小夹紧力。在受力分析时，考虑在工件的加工过程中，工件承受的力有切削力，夹紧力，重力，惯性力等，其中切削力是一个主要力，计算夹紧力时，一般先根据金属切削原理的相关理论计算出加工过程中可能产生的最大切削力（或切削力矩），并找出切削力对夹紧力影响最大的状态，按静力平衡求出夹紧力的大小。

实际夹紧力的计算公式为：Fj?kFj0

安全系数k值的取值范围为1.5～3.5，视具体情况而定。精加工，连续切削，切削刀具锋利等加工条件好时，取k?1.5～2；粗加工，断续加工，刀具刃口钝化等加工条件差时，取k?2.5～3.5.

下面以车削为例，计算其典型加工情况下常见夹紧方式的夹紧力。

图10是在车床上用三爪自定心卡盘定位夹紧加工外圆柱面的情况。以工件为受力单元体并且在垂直工件轴线的平面内求力矩平衡（设主切削力为Fc，每个卡爪的径向夹紧力为Fj0，则卡爪与工件之间的摩擦力为fFj0）,于是有平衡方程：

13

3fFj0?d12?Fc?d22

解方程得 Fj0?Fcd23fd1d23fd1

则实际夹紧力为 Fj?kFc

式中：Fj————实际所需夹紧力，N

k————安全系数。精加工k=1.5～2,粗加工k=2.5～3.5 Fc————主切削力，N

d2————卡盘夹持端工件直径，mm d1————工件切削后直径，mm

f————卡爪与工件之间的摩擦系数，一般取0.1～0.3。工件定位表面与夹具定位元件工作表面间的摩擦系数取0.1～0.2，工件的夹紧表面与夹紧元件间的摩擦系数取0.2～0.3。

图10 车削夹紧力计算

14

根据以上相关理论，用一个实例来计算夹紧力： 如图11所示，求车削时所需的夹紧力。

图11

1-三爪自定心卡盘； 2-工件； 3-车刀；

解：

工件用三爪自定心卡盘夹紧，车削时受切削分力Fz与Fx和Fy的作用。主切削力Fz形成的切削转矩为Fz（d/2），使工件相对卡盘顺时针转动；Fz和Fy还一起以工件为杠杆，力图搬动卡爪；Fx与卡盘端面反力相平衡。为简化计算，工件较短时只考虑切削转矩的影响。根据静力平衡条件并考虑安全系数，需要每一个卡爪实际输出的夹紧力为：

Fzd02?3Fwfd2(当d?d0时）

Fw?KFz3f

当工件的悬伸长L与夹持直径d之比L/d〉0.5时,Fy等力对夹紧的影响不能忽略,可乘以修正系数K’补偿，K’值按L/d的比值可在表1所示范围内选取。 L/d K’ 0.5 1.0 1.0 1.5 表1

15

1.5 2.5 2.0 4.0

2.3.5 夹紧力作用点与夹紧变形的关系

如图12所示的薄壁套筒类工件，在径向夹紧时，作用点数目与夹紧变形有着很大的关系。

若采用三点夹紧时变形量?R为： ?R?WR332EJ

若采用四点夹紧时变形量?R为： ?R?WR386EJ

若采用六点夹紧时变形量?R为： ?R?WR3300EJ

式中：E————材料的弹性模量，（Pa） J————工件断面的惯性矩，（m4） R————工件半径，（m） W————夹紧力，（N）

图12 夹紧力作用点数目与工件变形的关系

由此可知，作用点由三点增为六点，其径向变形就减小了约10倍。因此，为了减小环形薄壁件的装夹变形，可适当增加夹紧力作用点的数目，即增加卡盘数。

2.3.6 薄壁件变形量与夹紧力的关系

如图13所示，常规夹持中，介于圆环和卡爪间的作用，一个径向固定力作用于圆环上。在没有切割力的情况下，用相同数量的和卡爪力相等的径向固定力

作用在圆

。

环上，取代原来等间距布置的每个卡爪。由于平衡，卡爪处将不产生切向作用力然而，由于卡头中的几何误差，

将不同，并且由此将产生切向力

。当卡爪数

16

量等于2或3，切向作用力可以通过平衡条件较容易的得出，如下：

?F?Fx???C?cli?1insin?i???T?cli?1incos?i?0

y???C?cli?1inncos?i???T?cli?1insin?i?0

?Mz???T?rcli?1iout?0

图13

当卡爪数量n大于3，由于问题的超静定，切向力难以求出。将为指定力，只考虑平衡，有无数组适合的对应于

看做

的解。此外，n-3个切

向力可以看做是多余力，因为去除这些力，体系仍能保持平衡。从纯粹的静态角度看，将

中哪些看成是多余力是无所谓的。在本文中，将

看

17

成是多余力。为解决这些问题，需要考虑圆环变形。因此，应用Castigliano变形理论求解超静定问题中需要判定的多余未知力，理论公式如下：

?U??Tcl?j?0

，U为应变能。可求出切向力，该式中，

222?2?Q?r1?N?rU???d??k?d??2?EAGA0?02??0M?rEI2?d?? ??该式中，N?,Q?,M?分别为任意角位置处的内环力，横向力和弯矩，如图12所示，

图14

然而，据Timoshenko研究，对于薄壁曲梁，内部环向力，径向力可以忽略，所以上式可以简化如下：

2?U??0M?rEI2d?

其中，在?=0处，如图14所示，Biezeno 和 Grammel采用Castigilian原

18

理得到与上述变量有关的如下表达式：

nN0??i?1n?i2?nPisin?i??i?1n?i2?nTicos?i??i?1n?2?Tisin?

Q0??i?1?i2?Picos?i??i?1n?i2?Tisin?i??i?1?2?Ticos?i

nM0??rN0??i?1Pir2???i?1?i2?Tir

其中，?定义为如下常量：

?1EA1EA?k?k1GA1GA??1EI1EIzzrr22??

E、G分别为弹性模量和剪切模量，K为与环形截面有关的变量因子。采用上述表达式，任意角位置θ处的环向力

，径向力

，弯矩

的值，都可以由=0处

值以及由于外荷载作用引起的N?，Q?，M?叠加：

N??N0cos??Q0sin??N?Q??N0sin??Q0cos??Q?M??N0r?1?cos???Q0rsin??M0

?M?

?i处固定力，净径向力

，净切向力

?i对

?i?i0产生的增量值分别为

?0，因此对

同时，

N?i0，N0?Q0?M。

，有：

??Pisin????i??Ticos????i?Q0?Picos????i??Tisin????i?M?i0?i

?Pirsin????i??Tir?1?cos????i??根据Castigliano理论，由于外荷载P，圆环的变形量值y，可以对与外荷载有关的圆环变形应变能U求导得到，理论如下式

y??U?P

19

为得出除施加荷载位置外圆环的挠度，需要假设一个虚拟力。随后，可以通过对虚拟力求导得到应变能表达式，然而由于虚拟力并不对圆环结构产生作用，因此虚拟力的值要归为零，随后可以求解出挠度。要得到整个圆环的变形量，需要在角度变化为00到3600的范围内，移动虚拟力并应用于不同角度处。

2.4 定位 夹紧和辅助支承方案的综合

定位、夹紧和辅助支承最终构成夹具的装夹方案。在装夹方案的设计中，需要综合考虑影响定位、夹紧和支承的各种因素以及它们之间的相互影响。总的说来，装夹方案确定后的工件夹具系统必须满足强度要求(即在载荷作用下工件不至于破坏)、刚度要求(即在载荷作用下工件所产生的变形应不超过工程上允许的范围)和稳定性要求(即在承受载荷作用时，工件在其原有形状下的平衡应保持为稳定的平衡)。

1，强度要求 强度要求分为两类：脆断和屈服。精密薄壁零件在装夹及加工过程中对强度的校核很重要，本研究在后续使用变夹紧力曲线夹紧工件时，应该保证曲线上最大夹紧力夹紧工件时，工件的最大应力不能超过其许用拉应力条件。最大拉应力理论的根据是：当作用在工件上的外力过大时，其危险点处的材料就会沿最大拉应力所在截面发生脆断破坏。其许用拉应力条件为：??????, 不等式中??表示工件内任意点处的三个主应力中最大的拉应力，????的极限拉应力，通过实验测得，k表示材料安全系数。

2，刚度要求 由弹性力学理论可知工件在力和扭矩的作用下会产生变形，变形的最大值不能超过工程允许的范围值，即umax?ulim

式中umax——最大位移； ulim——工程允许的变形范围。

3，稳定性要求 工件承受的载荷包括力和力矩，工件的约束边界条件在求解的过程中可以使用力和扭矩代替。所有对工件施加的外力包括代替约束边界的外力必须满足平衡条件：?Fi??nk，?n为材料

?Mi?0

式中Fi——作用于工件的力矢量，包括约束边界转化的矢量； Mi——作用于工件的转矩，包括约束边界转化成的力产生的转矩。

2.5 三爪卡盘的proe建模

第三章 卡盘爪宽与环形薄壁件填充物对装夹变形的影响

3.1 使用ansys分析装夹变形 3.1.1 ansys分析装夹变形的概述

20

ANSYS 软件是集结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元商用 CAE 分析软件，功能强大，可以广泛应用于各种工业领域及科学研究领域。其主要特点有集前后处理、分析求解及多场分析于一体，具有强大的非线性性分析功能，能够快速多方法求解，与大多数 CAD 软件有集成接口，可以进行智能网格划分，最后，它具有良好的用户开发环境并提供参数化设计语言。

尽管 ANSYS 程序功能强大，涉及范围广，但它友好的图形用户界面 GUI及其优秀的程序构架使其易学易用。该程序使用了基于 Motif 标准的易于理解的GUI。通过 GUI 可方便地交互访问程序的各种功能、命令、用户手册和参考材料，并可一步一步地完成整个分析，因而使 ANSYS 易于使用。同时，该程序提供了完整的在线说明和状态途径的超文本帮助系统， 以协助有经验的用户进行高级应用。

在用户界面中，ANSYS 程序提供了四种通用方法输入命令：菜单、对话框、工具栏、直接输入命令。菜单由运行 ANSYS 程序时相关的命令和操作功能组成，位于各自的窗口中。ANSYS 命令根据其功能分组，保证了用户快速访问到合适的命令。 (一) 图形

完全交互式图形是 ANSYS 程序不可分割的组成部分，图形对于校验前处理数据和在后处理中检查求解结果都是非常重要的。

ANSYS 的 PowerGraphics 能够迅速完成 ANSYS 几何图形及计算结果的显示，对于其几何图形是以对象而不是以需重新组合的数据来贮存的。PowerGraphics 的显示特性保证了单元和等值线的显示，并且既可用于 p 单元也可用于 h 单元。PowerGraphics 的显示特性加速了等值面显示、断面/覆盖/Q-切片显示。

ANSYS 图形功能包括以下内容：在实体模型和有限元模型上的边界条件显示，计算结果的彩色等值线显示，随时间或模型中的一条轨迹而变化的结果图形，通用显示操作，用于实体体素的橡皮筋技术多窗口显示，隐藏线剖面及透视显示，软件实现的 Z-buffering(阴影光滑及加速显示)，光源阴影图像，边缘显示，收缩显示，变形比率控制显示，多图元组合显示，多达 256 种颜色显示等。 (二) 处理器

ANSYS 按功能分为若干个处理器：包括一个前处理器，一个求解器，两个后处理器，几个辅助处理器，如设计优化器等。ANSYS 前处理器用于生成有限元模型，指定随后求解中所需的选择项。ANSYS 求解器用于施加载荷及边界条件，选择求解的各种控制选项(比如求解类型、迭代算法、收敛条件等)，然后完成求解运算。ANSYS 后处理器用于获取求解结果。 (三) 数据库

ANSYS 程序使用统一的集中式数据库来储存所有模型数据及求解结果。模型数据(包括实体模型和有限元模型，材料属性参数等)通过前处理器写入数据库，载荷和求解结果通过求解器写入数据库，后处理结果通过后处理器写入数据库。数据一旦通过某一处理器写入数据库中，其他数据库皆可调用。 (四) 文件格式

文件可用于将数据从程序的一部分传输到另一部分，存储数据库以及存储程序输出。这些文件包括数据库文件，计算结果文件，图形文件等。

3.1.2 ansys装夹变形的分析流程

有限元分析是对物理现象(几何及载荷工况)的模拟，是对真实情况的数值近似。通过将对象划分网格，求解有限个数值来近似模拟真实环境的无限个未知量。ANSYS 装夹变形分析主要包括以下几个步骤：

1. 问题描述和抽象。分析对象的装夹方案是形式多样的，分析之前必须确定是那种方

21

案，方案中包括：定位位置、夹紧位置以及某些情况下还有辅助支承的位置，多个夹紧力的情况下夹紧力的施加循序，初始夹紧力的大小等。确定分析对象的各种属性参数，这些参数包括材料的弹性模量 E，泊松比 λ，对于非线性材料需要确定弹性模量－应变曲线，一些特殊的材料类型确定转动惯量、截面面积、密度等参数。 2. 前处理部分。前处理的过程可以分为三步： a) 创建或读入几何模型； b) 定义材料属性；

c) 划分网格结点及单元。

目前较多的有限元分析模型都使用实体建模，且可以从其他的 CAD 软件建立好实体模型，存储为标准格式(比如 STEP、IGES 格式)，ANSYS 软件再从这些标准格式导入即可，有时也需要做一些相应的简化处理，当然也可以在 ANSYS 软件中直接创建分析对象的实体模型。

实体建模成功之后必须对对象进行有限个单元的离散化，即网格划分。网格划分对最终的求解精度和求解时间有很到影响。一般说来，网格划分的越是细密，最终的求解精度越高，同时耗费的时间也越长。但是网格细密到一定的程度之后求解精度提高幅度明显减小，而耗费时间却呈级数增加。因此找到网格细密程度和时间消耗的最佳切合点显得极其重要。ANSYS 软件提供了智能划分网格的功能，使网格划分可以即满足求解精度要求，也节约时间消耗。在装夹变形分析中，本研究选择的单元是 Solid95 单元。ANSYS 的 Solid95单元为三维固体结构单元，由 20 个节点组成。在单元每一个节点上有三个自由度，即分别沿着三个坐标轴方向。此单元可以进行塑性、蠕变、应力硬化、大变形以及大应变分析，精确度比 8 节点三维单元 Solid45 高，因为 Solid95 单元的插值函数是二阶，而 Solid45 单元只是一阶。 3. 施加载荷并求解。求解阶段设置过程为： a) 求解类型及选项设置；

b) 位移约束、力约束及自然约束(如对称约束)施加； c) 求解。

对于载荷和边界条件的施加，由于有限元分析中，只是对单元和节点做分析，实体模型并不参与，因而施加在实体模型(如线素、面素、体素)上的载荷与约束，ANSYS 都会自动把它们传递到相对应的单元和节点上。 载荷向节点移置。为了便于分析，需把不直接作用在单元节点上的载荷向节点移置(分解)而变成节点载荷。移置按照静力等效原则进行。等效原则也就是虚功原理(圣维南原理)，是指作用在单元上的原载荷与移置后的节点载荷在任何虚位移上所做的虚功相等。根据圣维南原理，移置只影响局部性的应力分布，而不影响整体结构的应力，并且随单元的细分，影响逐渐减小。求解器的功能是求解关于结构自由度的联立线性方程组ANSYS 提供了两个直接求解器：波前求解器和稀疏矩阵求解器。同时提供了三个迭代求解器： PCG、JCG 和 ICCG，两个直接求解器和 PCG 求解器均可用于非线性问题。对模态分析，ANSYS 提供了六种不同的特征值提取法。 4. 查看结果的后处理器。其步骤为： a) 查看分析结果； b) 检验结果。

ANSYS 有两个后处理器。通用后处理器 POST1 和时间历程处理器 POST26。通用后处理器只能观看整个模型在某一时刻的结果，观看的结果包括常规的XYZ 位移(直角坐标和极坐标)，提取指定部分节点和单元的位移、应力、应变数值等。时间历程后处理器 POST26 可观看模型在不同时段上的结果，常用于处理瞬态或动力分析结果。

22

3.2 利用ansys研究爪宽对环形薄壁件装夹变形的影响

环形薄壁件外径为71mm，内径58mm，深度18.5mm，三个径向力，大小都为2281N，分别位于00,1200,2400，杨氏模量E=202GPa，剪切模量G=79.2GPa,受力面积分别是

10cm到50cm，材料为45号钢，弹性模量=202GPa, 泊松比为0.31。其中网格大小为

220.002，精度为1.如下图所示

23

24

(1)当受力面积为10cm2时，压强为228.1Ncm2?228.1?104pa，宽度为经ansys分析可得到四张图如下，分别是内应力，X位移，Y位移1018.5?0.54mm。和综合位移：

25

26

（2） 当受力面积为30cm2时，压强为228.1N30cm2?76.02?104pa，宽度为同理可得到如下四张图： 3018.5?1.622mm。

27

28

29

（3）当受力面积为40cm2时，压强为228.1N40cm2?57.025?104pa，宽度为4018.5?2.162mm。同理可得到如下四张图：

30

31

4）当受力面积为50cm2时，压强为228.1N50cm2?45.62?104pa，宽度为5018.5?2.703mm。同理可得到如下四张图： 32

（

33

34

将以上相关数据制成如下表格： 受力面积 最大应力 最小应力 形变量 10 -261E+07 10267 -309E-06 30 -173E+07 15385 -298E-06 40 -159E+07 12752 -294E-06 50 -138E+07 17519 -290E-06 从以上数据可以看出，随着受力面积的变大，薄壁件受力更加均匀，变形量也越来越小。所以可得出结论，即如果三爪卡盘爪宽变宽，可以有效的减小环形薄壁件加工时的装夹变形。

3.3 填充物对环形薄壁件装夹变形的影响

第四章 总结与展望

参考文献

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