以外胀式液涨芯轴夹具设计计算和应用为实例，阐述液涨芯轴夹具的工作原理、关键零部件强度理论计算校核和有限元分析。

　　有限元计算结果表明，正常工况下膨胀套最大等效应力为128.41MPa，有限元结果与理论计算结果的相对误差仅为2.9%。

　　基于模糊评判理论完成液涨芯轴夹具使用风险分析研究，研究结果表明液涨芯轴夹具使用风险等级为“Ⅱ级”，能够满足日常企业生产要求。研究成果为解决汽车行业高精度齿轮等工件的加工精度问题和高精度检具制作等提供了有益的参考。 

　　引 言

　　液涨芯轴夹具因其定位精度高、操作简便等优点，广泛应用在齿轮加工和量检具中。

　　在齿轮加工工序中，通常需要根据齿轮毛坯的内孔采用芯轴对齿轮进行准确的夹持，国外制造的静压膨胀芯轴已应用于滚齿、磨齿等齿轮加工中。

　　在汽车企业生产中，经常会遇到一些同步带轮(其外圆跳动要求为0.03～0.05mm)等产品或高精度量检具等，使用普通膨胀芯轴难以满足高精度产品加工和质量检验的要求。

　　为了有效解决这一问题，以外胀式液涨芯轴夹具设计计算和应用为实例，阐述液涨芯轴夹具的工作原理、关键零部件强度计算校核和有限元分析。建立液涨芯轴夹具应用风险模糊评价体系，采用模糊数学理论及其综合评判法对液涨芯轴夹具使用风险进行研究和评价，研究结果表明液涨芯轴夹具应用风险等级为Ⅱ级，能够满足日常企业生产要求。 

　　液涨芯轴结构原理

　　液涨芯轴夹具就是利用静压传递原理，施加载荷后使薄壁膨胀套向外均匀膨胀，利用外圆筒薄壁的膨胀变形就可以实现对工件内孔的胀紧。

　　由于此时薄壁是各处均匀受压，所以它是向四周均匀膨胀，内孔夹紧后的夹持精度很高。图1为静压液涨芯轴夹具的结构原理图。

　　图1 液涨芯轴夹具结构原理图

　　液涨芯轴关键零部件计算

　　膨胀套强度理论计算：

　　设计的液涨芯轴夹具的膨胀套外径为φ63.5mm、内径为58.5 mm，长度为96mm，加持工件内孔尺寸为φ63.5mm。工作时，膨胀套的变形为0.04mm，计算公式如下：

　　此时，应力为

 

　　根据材料力学第四强度理论

　　式中，tmin为膨胀套最小壁厚，单位为mm;D□为膨胀套最小外径，单位为mm。

　　膨胀套强度有限元计算：

　　建立膨胀套有限元分析模型。采用Ansys有限元软件，根据膨胀套具体工况进行加载和边界约束，对膨胀套左右两端进行固定约束，中间内筒部分施加式(3)计算得到的内部工作压力为10.34MPa，图2为等效应力云图，图3为径向变形云图。

　　结果表明，正常工况下膨胀套最大等效应力为128.41MPa，该应力值远远小于膨胀套65Mn材料的屈服强度785MPa，所以膨胀套强度校核通过。将有限元结果与理论计算结果比较，两者相对误差仅为2.9%。膨胀套单侧径向变形为0.018mm、双侧径向变形为 0.036mm。

　　图2 膨胀套等效应力云图

 

　　图3 膨胀套径向变形云图

　　液涨芯轴夹具产品使用风险研究

　　液涨芯轴夹具风险评价体系：

　　建立液涨芯轴夹具风险模糊评价体系，该体系的二级影响因素分为产品因素和管理因素两大类，每个二级影响因素都有4个三级影响因素，所建立的风险模糊评价体系如图4所示。

　　第三级因素选取8个风险因素组成指标层C，第二级因素准则层B包含产品因素和管理2个因素，第一级因素为目标层液涨芯轴夹具应用风险A。

图4 液涨芯轴夹具风险模糊评价体系

　　模糊综合评价矩阵：

　　(1)评价集

　　依据相关方法，风险因素危险程度可划分为5个等级，即Ⅰ级(很低)、Ⅱ级(较低)、Ⅲ级(一般)、Ⅳ级(较高)、Ⅴ级(很高)，级别越低安全风险越小，越有利于企业日常安全生产。

　　(2)模糊评价矩阵

　　采用大数据统计方法，在企业中分别邀请设计、工艺、操作和管理等部门5位人员进行等级进行模糊评价。

　　计算得到准则层B各因素的模糊评价矩阵如下：

　　层次分析法得到的权重值分别如下：

　　(3) 一级模糊评价

　　B1的评判集为：

　　B2的评判集为：

　　(4)模糊综合评价

　　计算得到模糊评判集为：

　　对上式进行归一化处理，得到：

　　依据最大隶属度原则可得：

　　根据风险评判集，可知液涨芯轴夹具应用风险为Ⅱ级(较低)，即该夹具能够满足企业日常使用要求。

　　结论与建议

　　阐述液涨芯轴夹具的工作原理、关键零部件强度理论计算校核和有限元分析。计算结果表明，有限元结果与理论计算结果的相对误差仅为2.9%。

　　建立液涨芯轴夹具应用风险模糊评价体系，采用模糊数学理论及其综合评判法对液涨芯轴夹具使用风险进行研究和评价，研究结果表明液涨芯轴夹具应用风险等级为Ⅱ级，能够满足日常企业生产要求。

　　研究成果为解决汽车行业高精度齿轮等工件的加工精度问题和高精度检具制作等提供了有益的参考。

　　作者简介：姚美丽，女，1980年出生，山西省运城市人，工程师，2003年毕业于中国农业大学，获学士学位，现从事汽车零部件夹具研究工作。