薄壁液压缸筒夹紧变形的有限元模拟

　　0 引 言

　　在薄壁液压缸筒加工过程中，一般用中心架与三爪或四爪卡盘配合使用将其安装在机床上。液压缸筒在卡盘夹紧后发生弹性变形，此时其内外径都已经失圆，其内孔经镗孔后呈圆形，外圈形状保持不变，当从卡盘中取出工件后，缸筒会恢复成原来的外形，而内孔会变成失圆的形状，如图 1 所示。

　　由经验可知，所产生误差的大小与套筒本身的形状、材料和夹紧力大小有关。正确预测变形的大小，对改进加工工艺，提高产品质量有重要的现实意义。精确的变形量可运用有限元模拟的方法获取。本文采用大型有限元软件 ABAQUS，就是对利用有限元模拟的方法解决这一问题进行探讨。

　　1 ABAQUS 简介

　　ABAQUS 是目前国际上最先进的大型通用有限元软件之一，具有强大的计算功能和模拟性能，该软件具有丰富的、可模拟任意几何形状的单元库以及各种类型的材料模型库。可以模拟典型工程材料的性能，包括金属、橡胶、高分子材料、复合材料等。

　　ABAQUS 功能广泛，使用简单，用户通过准确地定义参数就能很好地控制数值计算结果。在分析复杂的固体力学结构力学系统中，由于其优秀的分析能力和模拟复杂系统的可靠性，被各国的工业机构和研究所广泛采用。

　　2 建立有限元模型

　　加工薄壁零件的关键是变形问题，工件产生变形的原因是：夹紧力、切削力、切削热、定位误差和弹性变形等。其中，影响变形最大的是夹紧力和切削力。一方面，通过合理地选择切削用量、合理选择刀具几何角度及材料以及使用切削液来减少切削力和切削热对工件变形的影响;另一方面，通过改善或改变夹紧力对零件的作用来减小零件的变形。

　　薄壁液压缸筒是典型的薄壁零件。现以长 600mm、外径 120 mm、内径 100 mm 的液压缸筒一端被三爪卡盘夹持的情况讨论，三爪成 120°均匀分布，夹紧时，工件受均匀分布的 3 处径向力挤压，为简化处理过程作如下假设：

　　⑴夹持力是均匀作用在夹持面上的径向力，忽略导致夹持力不均的各种影响。

　　⑵夹持力只是使工件产生弹性变形。

　　⑶材料组织均匀，各向同性。

　　⑷液压缸筒的另一端是完全固定的。因为现在只研究夹紧产生的变形，不考虑加工等的影响。

　　三爪卡盘的卡爪与工件接触面积可近似认为是长方形，其接触长度是 40 mm，接触宽度是 10 mm，每爪有效接触面积是 400 mm2，夹紧扭矩是 350 N·m，产生 450 MPa 压力。坯料用 45# 钢精密冷拔钢管，其弹性模量 E=2.1×105 MPa，泊松比 v=0.3。据以上参数，在 ABAQUS的 CAE 集成环境下，建立如图 2所示的模型。