虛擬加工的意義：以大型薄壁件為例

一往冇前

工件在夾持過程中會產生多大的變形？不同的夾持方案怎樣確保工件維持原有尺寸？現(xiàn)有的夾持器械如何可以得到最佳的運用？對于此類問題，虛擬加工可能是一種有效的模擬方法。

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圖1 模擬可以快速反映出一個環(huán)狀工件必須如何接受夾持

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很多人設計師面臨超大部件和超大尺度系統(tǒng)的加工，大多比較重視安全系數(shù)。但如今，企業(yè)為了保持競爭力，研發(fā)和設計人員所面臨的要求更多——必須縮短設計和生產時間，降低重量和節(jié)約能源，同時提高部件和整個系統(tǒng)的精度、耐用性和使用壽命，降低將來的維護費用等。

對大尺寸薄壁或特別復雜工件的精確加工往往是一項具有挑戰(zhàn)性的任務。一方面夾持力不得超過一定的限度，以免工件發(fā)生變形或損壞，另一方面夾持必須要安全可靠，以便抵抗住切削力的作用。采用有限元方法（FEM），可以看出工件在夾持和加工過程中的具體表現(xiàn)。

圖2 為了檢測工件的狀況，在工件上設置一個網(wǎng)

模擬工件的加工狀態(tài)

在模擬的基礎上，可以設計出夾具、卡鉗、夾持高度、夾持力和轉速之間的最佳搭配。它可以提供工件的破斷機理、剛性、壽命和振動特性等要素。尤其是針對復雜外形的工件和很高精度的要求（如軸承、齒輪、渦輪機外殼、油缸端頭和制動環(huán)等），早期模擬具有很大的好處。在模擬工件在夾具上和在加工過程中的表現(xiàn)狀態(tài)時，只需少量數(shù)據(jù)：

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•工件的3D模型，例如CAD數(shù)據(jù)；

•有關材質的說明；

•切削參數(shù)和最大加工轉速；

•帶有夾持點位的夾持示意圖；

•夾持力和夾鉗力的設定值；

•夾鉗幾何外形，例如光滑夾鉗和瓷磚等；

•機器設備數(shù)據(jù)，有關夾持油缸和心軸分布的特別說明。

根據(jù)這些數(shù)據(jù)，首先要在CAD程序里建立起相應于夾持任務的3D模型。然后在FEM程序中對材料和夾持接觸面做出定義，同時設定包含起始和終止節(jié)點在內的各個節(jié)點網(wǎng)絡（圖2）。在后續(xù)的加載步驟中定義出各項邊緣條件。

例如在第一步加載過程中，模擬工件在特定夾持力作用到特定點位上時的表現(xiàn)狀態(tài)。在第二加載步驟中，探究當工件處于旋轉卡盤上作高速旋轉時載荷的變化。第三個加載步驟則模擬工件在加工過程中的表現(xiàn)狀態(tài)。

在經(jīng)過初步計算之后，可以對電網(wǎng)的瓶頸部位進行細化，以改善模擬結果表述質量。3D概觀圖或動畫圖片可以清晰闡述每一個加載步驟，說明何種徑向或軸向變形將會發(fā)生。

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超過所述延伸極限的塑性變形非常重要，因為它在加工結束之后無法恢復。此外，可以根據(jù)模擬結果來評判采用某種夾持方案是否可以達到特定的圓度。

圖3 GG25鑄鐵驅動籠子的紅色區(qū)域在夾持過程中特別受力

模擬不同的夾持效果

采用FEM可以對不同夾持和加工參數(shù)，甚至對在工件上力的不同導入點位均可進行模擬。諸如零位夾持螺栓可以直接擰到工件上的夾持方案也可以被模擬。在這里，F(xiàn)EM可以對螺栓的穩(wěn)定性和工件的變形性做出表述。

通過一則例子可以表明，借助于FEM都可以做到什么：通過模擬可以對GG25鑄鐵材質的驅動籠子的夾持狀況進行研究：所要檢驗的是迄今為止均采用三道工序加工的泵的驅動部件是否也可以只采用兩道加工。對此，在一個標準的六鉗擺動平衡卡盤上進行徑向夾持試驗（圖3）。

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第一次模擬結果顯示，218f7配合直徑上的圓度誤差（公差范圍為0.048mm）在夾持、高速車削和加工之后達到了0.054mm，即超出了公差范圍。

在第二次模擬試驗中提高了轉速并對切削數(shù)據(jù)進行了匹配，這次試驗則成功了。僅僅通過變動加工參數(shù)，即可在現(xiàn)有的標準夾具上實現(xiàn)對驅動燈具的加工，這確是一個極大的成本節(jié)約。如果沒有進行這樣詳細的FEM分析，則是很難達到這個目標的。

由于FEM總還只是一種理論上的計算，可以建議在模擬的基礎上進行一次實際的試驗。在大多數(shù)情況下，實際結果往往不會偏離所計算的結果。但如果是淬火工件或帶有砂皮的鑄件，則在材料上的自夾持有時會導致較大的差異。

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學習學習

大蘿卜

既然已經(jīng)模擬了，為何不模擬完直接加工比較