陶丽++刘善民
摘 要：齿轮泵一类技术含量高的传动产品，它以其结构简单、紧凑、扁平化、重量轻等优点广泛应用于AT、CVT等汽车上。该泵的零部件均为薄壁、异型且精度高的零件，如果在APQP产品设计和开发阶段，对夹具设计考虑不当，易发生工件被夹持变形导致产品不合格的现象，若不及时对夹具进行调整则很难完成产品的PPAP。计算机仿真软件ANSYS恰能对零件进行模拟加载并记录零件在加载作用下的变形情况以及外力卸载后零件的回弹情况。文章应用FEA对某产品油泵体车削夹具的进行变形分析，找出了有利于零件加工的装夹位置以及大小合适的夹持力，取得了很好的加工效果。
关键词：FEA；FEA分析；夹具设计；油泵体
引言
油泵体，是转子泵的安装基础件，其作用是将有关的零件联成有机整体，使之保持正确的相对位置，其精度直接影响转子泵的性能、寿命和可靠性。油泵体的主要结构特点是：体积和尺寸小，装夹易变形，难加工；本文应用FEA对某产品油泵体车削夹具的进行变形分析，找出了有利于零件加工的装夹位置以及大小合适的夹持力，确定有利于零件加工的装夹位置及夹持力大小。
1 工艺性分析
某产品油泵体产品结构及关键尺寸如图1，其中由于变形导致难保证的尺寸很多，选择两个代表性的尺寸为例：0.03mm的跳动， 0.02mm的平行度。
（1）0.03mm的跳动：0.03mm的跳动，精度很高，要整体考虑形状和位置，假设它的圆度为0，这要求被测要素与基准要素的同轴最大值为0.015mm，实际上，由于设备主轴跳动，刀具刚性，材质不均匀性，夹持变形等因素存在，要使外圆圆度为0是不可能的，其中影响最大的是夹持变形，若前期夹持方法考虑不当，当产品加工时，产品根本无法满足客户要求，综合考虑各种因素，为保证0.03mm的跳动，考虑如下两种工艺路线：
a.以？准42N7内孔为中心基准，采用弹簧涨套涨紧的装夹方式，加工？准133g6和？准50k6外圆；由于？准42N7内孔底部、？准88.1的底部分别与基准A都有0.02mm和0.01mm的平行度要求，且内孔？准42N7与内孔？准88.1不同心，只能分序加工，在两次装夹下保证这两个平行度，是不现实的，这种工艺方案不可行。
b.以？准157外圆为中心基准，三爪夹持基准外圆，端面贴平A面：加工？准133g6、？准50k6外圆和？准42N7内孔。这种装夹方式，从根本上解决了装夹误差，系统累计误差带来的影响；由于A、B基准不是同时加工，在分序加工的过程中，0.03mm的跳动值需缩小，在过程控制中将其定为0.018mm。
（2）0.02mm的平行：P面是夹具与零件的贴合面，为了保证0.02mm的平行度，将P面的平面度定位0.01mm。
（3）实际加工情况：此种工艺方案理论可行，在实际加工遇到不小的麻烦；由于外圆不规则，壁厚不均匀，在夹持过程中，零件易变形且回弹，加工完，在夹持力不卸载的情况下，0.018mm的跳动约为0.006mm，P面0.01mm平面度约为0.004mm，一旦外力卸载后，很难达到要求，0.018mm的跳动达到0.025mm，P面0.01mm平面度約为0.015mm。
通过实际加工结果摸索零件变形情况，是不现实的，不仅浪费设备成本、刀具成本、人员成本，还延误了生产，推迟了产品的交货，影响很大；基于此原因，我们是不是可以在零件加工前，先将它的受力状态、变形情况模拟出来，将这些风险全部排除，虽然这种风险无法通过理论公式计算，但可以借助计算机仿真技术，模拟零件的夹持状态，找出最佳夹持位置，夹持力。
2 夹具装夹变形分析
2.1 夹持变形的预测
夹持变形是零件机械加工过程中不可避免的，是夹具设计时需要考虑的重要因素。很显然，轻微的不良变形会影响零件的几何尺寸精度，进而影响定位精度，而严重的变形将可能导致产品报废。FEA能较好的预测在给定条件下工件可能产生的变形位置及变形量：将零件三维数模导入计算机仿真软件并给出零件受力部位，如图2，图中红色表示的对称三个区域；将零件加压过程建立计算机仿真模型并进行仿真计算，可得到零件变形轮廓图，如图3：
从图3可以看出，零件在加载后，端面和外圆均发生了不均匀的变形，变形大小见左边的光谱图：红色区域变形最大，蓝色区域变形最小，变形区域见加载后的3D数模；由于车床的最低压力都有规定，在加载力等于车床最低压力时，如果计算机仿真结果显示零件的变形量仍超过产品要求，此时应完善装夹方案和装夹位置，再次进行仿真分析，直至计算机仿真结果显示零件的变形满足产品图纸要求。
2.2 回弹的计算
零件在卸载后的回弹是不可避免的物理现象。由于回弹现象的存在，零件的实物状态会发生改变，如加工面的平面度，在卸载过程中，零件所受夹持力渐渐减小，工件也就随之回弹，计算机同样对工件回弹中的变形进行计算，并按给定的指令定期存储回弹中的变形状态。零件完全脱离夹持后就得到了它的最后形状，并被计算机存储下来。通过比较卸载前工件的形状和卸载后工件的形状，便可得出工件在卸载过程中产生的回弹总量。
2.3 夹持力的确定
夹持力实际上是与零件变形紧密相关的。夹持力太小，零件夹持不稳，夹持力太大，零件变形的风险更大。当夹具方案确定后，可根据经验粗选夹持力大小，再利用计算机对零件加紧过程进行仿真：若零件能转动，则加大压力。若零件弯曲，则减小压力，直到找到一个合适的夹持力为止。
3 夹具应用效果
通过FEA软件，对零件不同部位施加相同的压力，零件受力变形大小明显不一样，经过反复验证，最终确认如下状态零件受力变形最小，与实际加工情况完全相符。
通过计算机仿真技术在夹具设计中的应用，可以得出：
（1）节省时间：应用仿真技术，找出了零件夹持的最佳位置，得出了工艺路线的最佳方案，避免了零件返工，确保产品进度。
（2）节省费用：用计算机仿真技术，夹具方案一次通过，节约了夹具的设计成本、制造成本，减少夹具的报废率。
（3）提高产品质量：通过仿真计算，可以有效地保证产品的形状和尺寸精度，产品报废率减低，提高了产品合格率。
（4）支持新产品的并行工程：通过对制造工程的计算机仿真，帮助优化夹具设计，从而获得最佳经济效益和社会效益。
参考文献
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