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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