对称式夹具体结构设计的多件装夹方法应用研究.pdf

第 35 卷第 3 期湖南文理学院学报(自然科学版)Vol.35 No.32023 年 9 月Journal of Hunan University of Arts and Science(Science and Technology)Sep.2023doi:10.3969/j.issn.16726146.2023.03.008对称式夹具体结构设计的多件装夹方法应用研究张国政1,周元枝1,柯伟2(1.安徽机电职业技术学院 机械工程学院,安徽 芜湖,241000;2.芜湖市球精汽车部件铸模有限公司,安徽芜湖,241006)摘要:为提高夹具整体刚性,保证工件在大规模定制批量数控加工中的质量,研究了如何合理设计多件装夹的夹具体结构。以某制动泵体件夹具设计为例,通过三维有限元分析方法,比较无拉杆式、两根拉杆式、三根拉杆式的夹具体结构,得出有拉杆式夹具体结构比无拉杆式夹具体结构的夹具整体刚性好,且三根拉杆式夹具体结构的夹具刚性最好。提出一种对称式夹具体结构设计的多件装夹方法,可避免三根拉杆式结构的复杂性,比较拉杆式和对称式装夹加工工件质量可得:采用对称结构的夹具装夹工件,其加工质量最优,能更好地保证加工质量。关键词:对称结构;夹具体;多件装夹;三维有限元中图分类号:TH 164文献标志码:A文章编号:16726146(2023)03004404Research on the application of multipiece clamping method for the structuredesign of symmetrical clampZhang Guozheng1,Zhou Yuanzhi1,Ke Wei2(1.Mechanical Engineering College,Anhui Technical College of Mechanical&Electrical Engineering,Wuhu241000,China;2.Wuhu QiujingAutomobile Parts Casting Mold Co.,Ltd,Wuhu 241006,China)Abstract:In order to improve the overall rigidity of the clamp,and ensure the quality of the workpiece in masscustomization batch CNC machining,the design of fixture structure of multipiece clamping is studied.Taking abrake pump body fixture design as an example,through the three-dimensional finite element analysis method,thefixture structures of clamps without pull rod,with two pull rods and with three pull rods are compared,and it isconcluded that the overall rigidity of the clamp with pull rod clamp structure is better than that without pull rodclamp,and the clamp with three pull rod clamp structure is the best.Amultipiece clamping method for symmetricalfixture structure design is proposed,which can avoid the complexity of three pull rod structures.By comparing thequality of the workpiece processed by the pull rod type and symmetrical clamp,it is concluded that the processingquality of the workpiece clamped by symmetrical structure is the best,which can better guarantee the processingquality.Key words:symmetrical structure;fixture body;multipiece clamping;threedimensional finite element夹具精度是工件加工精度的重要影响因素之一,其中 20%60%的加工误差是由装夹造成的1。研究人员大多从工件定位、夹紧两大方面来研究分析夹具精度。“321”定位准则2和“N21”定位准则(N3)3,旨在得到最优的装夹定位方案;若工件自身刚性差,如薄壁件等,必须在满足定位要求的前提通信作者:周元枝,。收稿日期:20230215基金项目:芜湖市科技成果转化计划项目(2022cg21);安徽省高校学科(专业)拔尖人才学术资助项目(gxbjZD2020108)。第 3 期张国政,等:对称式夹具体结构设计的多件装夹方法应用研究45下,这就需要采用“N21”定位准则(N3),通过增加辅助支撑点或采用过定位方式来提高定位刚性,进而减小装夹变形,这种方法在航空、航天、汽车等零部件生产中被广泛应用。工件的夹紧所产生的误差是受力变形造成的,因此夹紧力的大小、方向和作用点是其研究重点,方向和作用点是装夹布局优化的核心,尤其是作用点的位置布局。秦国华等4以7075铝合金薄壁件装夹为研究对象,采用有限元方法,结合“321”定位准则分析优选得出夹紧力大小、作用点及夹紧顺序对工件装夹变形的影响规律。有限元法是当前分析装夹变形的重要方法,可以结合优化算法,如遗传算法、蚁群算法等,对装夹定位布局优化、夹具夹持布局及夹具布局优化,控制工件变形量56。在满足大规模定制化生产方面,多件装夹的夹具精度分析亟待进一步研究,结合某汽车制动泵体件多件装夹设计问题,以夹具体为对象进行受力分析,提出对称式夹具体结构的多件装夹设计方法,通过有限元分析比较,得出对称结构设计方案最佳,可为企业实际生产应用提供借鉴方案。1多件装夹夹具设计定位装置、夹紧机构、夹具体是夹具的 3 个基本组成部分,故夹具设计主要包括定位方案设计、夹紧装置设计和夹具体构形设计等主要环节7。装夹优化设计主要是以优化工件定位和夹紧等元件布局,进而最终形成夹具体结构构形,但很少有文献对夹具体结构构形进行受力分析。加工中心夹具设计需要满足工序集中原则,多件装夹夹具设计方法在文献8中有详细论述。本文以某车用制动泵体件加工为例,以其一次装夹完成多个特征加工面的工序为主所设计的多件装夹夹具为研究对象,通过分析其多件装夹的夹具体受力情况,进而提出对称式夹具体结构的多件装夹设计方法。某车用制动泵体工件的工程图如图 1 所示。工件特征加工面分别以 A、B、B、F1、F2、F3、F4 在图中表示,根据单位法矢量判别法9,特征加工面 F1F4(F1:28 端面及倒角面;F2:190.1 台 阶 孔 面;F3:17 0.1 孔面;F4:3 孔面)的方位都是+Z 向,因此,F1F4 可通过一次装夹在三轴加工中心机床中完成铣、钻、铰等工序。根据图论原理,可设计基准加工特征关系图,如图 2 所示,A、B、B(如图 1 中粗实线所示的表面,其中 A 是平面,B、B分别是 2 个11 的孔面)是 F1F4 和G(表面粗糙度为 12.5 m 的4 孔面)等特征加工面的定位基准。这里的特征加工面 G 的加工工序不能直接在三轴加工中心机床上完成,需要装夹夹具具有旋转功能,将其方位绕 Y 轴逆时针旋转 50变换为+Z 向即可实现,或者采用五轴加工中心机床,但这种方案成本高;或以 A、B、B为定位基准绕 Y 轴逆时针旋转 50后,重新设计装夹布局,可在钻床上完成钻加工,这种方案在大规模批量生产中被广泛应用。根据以上分析,该件 F1F4 面的多件装夹夹具装置如图 3 所示。考虑到夹具元件的可重构性,传统铸造夹具体以 45#钢代替,材料经热处理后,其硬度和耐磨性高,但夹具体因缺少加强肋板,故采用图 3 所示的拉杆替代,进而使夹具体结构更加紧凑。2多件装夹夹具体结构分析2.1夹具体结构受力分析在实际生产应用中,采用图3 所示的拉杆式多件装夹夹具安装工件加工后,会出现处于中间 2个所图 1某车用制动泵体件工程图图 3拉杆式多件装夹夹具实物图图 2基准加工特征关系图F1F2F3F446湖南文理学院学报(自然科学版)2023 年装夹的工件加工后的孔位置对照图纸有较大误差,根据悬臂梁和基本梁受力所受弯矩理论,如图4所示,分别分析不设计加强肋板时的受力情况和设置拉杆时的受力情况。如图 4(a)所示的悬臂梁受力情况,当该梁下端约束后,在梁上所受力 F 后,整个梁所受弯矩类似三角形分布,其梁所承受的弯矩 M 最大位置在其下端的约束位置,因此,在夹具体受力面的对称面上设计三角形加强肋板就是抵消此受力而产生的弯矩,这就是传统铸造夹具体结构设计常采用的方法。如图 4(b)所示的基本梁受力情况,当梁的两端都约束后,即对应夹具体采用 2 个拉杆约束,此时弯矩最大处于两杆间的受力点位置,若只装夹 2 个工件时,此受力弯矩较小;若装夹 2个以上工件时,因夹紧力作用点至拉杆约束处力臂长而导致其弯矩变大,装夹 6 个工件后,夹具体中间部位由于受力弯矩大而造成变形,使得工件装夹位置有偏移而造成加工误差。为此,在文献10的结论中给出,当多件装夹有 3 个以上的工件时,应该在其夹具体中间部位设置第 3 根拉杆,从而有效降低夹具体结构弯曲应力,但在文献中并没有给出具体分析,本文将在此基础上进行进一步分析,并指出存在的主要缺陷,给出对称式夹具体结构设计的多件装夹设计方法,为各类大规模定制化批量生产的数控夹具设计提供可借鉴的技术方法。2.2多件装夹夹具体三维有限元分析悬臂梁和基本梁受力所受弯矩理论不能全面而直观地分析多件装夹夹具体结构的受力情况,以下借助于 ANSYS 软件进行三维有限元分析,可进行静力学分析和处理11。以同时装夹 6 个工件的夹具体结构为研究对象(如图 3 所示),分别分析此夹具体无拉杆结构、两根拉杆结构、三根拉杆结构 3 种情况,具体三维有限元分析如图 5、图 6 和图 7 所示。图 5 所示无拉杆时的最大应力值为 20.953 1 MPa,发生在夹具体支撑板与夹具体底座连接处,这与悬臂梁受力分析所产生的最大弯矩处相同;图 6 所示两根拉杆的最大应力值为 21.150 7 MPa,发生在夹具体支撑板与夹具体底座连接处,但明显比无拉杆时夹具体结构受力所产生的应力大,而且图形中显示夹具体中间部位产生弯曲变形,这与基本梁受力所产生弯矩最大处在中间受力点位置相同,进而说明设计两根拉杆对 3 个以上工件装夹反而造成弯曲应力更加集中,这就是文中提出的中间部位装夹的工件出现加工误差的具体形成原因;图 7 所示三根拉杆的最大应力值为 23.518 4 MPa,但其最大应力由中间拉杆承受,而夹具体中间部位的底座处应力明显比其他2种情况低,且中间部位与两端之间的夹具体底座应力也明显偏低,按照图示不超过15.680 4 MPa,但这同时说明了增加拉杆数量会导致夹具体承受力增大,主要作用在中间拉杆上,夹具体结构本身的整体承受力会减小。通过以上三维有限元分析可知,增加拉杆数量可以降低夹具体底座约束处弯曲应力,从而提高夹具整体刚性。拉杆的增加会产生两大缺陷:一方面,为了避免拉杆与被装夹工件的干涉,夹具体整体尺寸将增加,导致夹具结构更加复杂;另一方面,增加拉杆必然影响刀具的空行程路线,其空行程路线需要避让拉杆位置,出现抬刀次数增加,空行程时间增加,导致刀具走刀路线增长,不利于数控加工效率的提升。为了避免出现以上 2 种情况,需要将各工件装夹力抵消,而根据作用力和反作用力的原理,2(a)悬臂梁(b)基本梁图 4悬臂梁和基本梁受力弯矩图图 5无拉杆夹具体结构三维有限元分析图 6两根拉杆夹具体结构三维有限元分析图 7三根拉杆夹具体结构三维有限元分析最大应力发生处第 3 期张国政,等:对称式夹具体结构设计的多件装夹方法应用研究47个工件若对称装夹时,其装夹力刚好相互抵消。为此,本文提出了对称式夹具体结构的多件装夹设计方法,满足了数控夹具设计的多件装夹要求,且解决了拉杆设计所产生的问题。2.3对称式夹具体结构的多件装夹夹具对称式夹具体结构确保装夹工件对称安装,夹具体两侧受力平衡而消除弯矩,文中所述某车用泵体件上的特征加工面 F1F4 的对称式多件装夹夹具如图 8 所示。图 8 中,虚线表示空行程路线,实线表示刀具进给路线,F1F4 的 4 个特征加工面分别需要在三轴加工中心上自动更换面铣刀、钻头、铰刀等,按照图 2 所示的工艺流程完成加工。为保证对称装夹的工件所受夹紧力相同,采用液压或气压快速夹紧,可通过液压或气压阀调整两边对称的夹紧力保持相等,因此,对称式夹具体结构无需设置拉杆。通过对称式夹具体结构的多件装夹设计方法,可保证夹具整体刚性,既可以避免采用铸造方法制造的夹具体,也可以消除工件装夹力所产生的弯曲变形,在实际数控加工生产中得到广泛应用,其多件装夹夹具满足加工中心的工序集中原则,可大幅度提高数控加工效率,此类方法可推广应用到其他零部件大规模定制批量生产中。2.4工件加工质量分析F2F4 的孔加工面主要定位基准是 A 面,设计尺寸 500.1 mm 是其主要加工所要保证的尺寸及精度,分别将拉杆式和对称式进行装夹加工,对每组(每副夹具装夹 6 个工件)加工后的工件进行尺寸精度检测,结果如表 1 所示。由表 1 可知,对称式夹具体结构进行多件装夹后,工件的加工尺寸最优,其次是三根拉杆式夹具体结构,两根拉杆式夹具体结构最差,特别是两根拉杆式装夹有 50.099 和 50.091 两个检测结果逼近了 500.1 的临界值,如果批量生产模式下,考虑到刀具磨损等影响,工件产生废品的几率将增大。由此可见,对称式夹具体无需设计拉杆和加强肋板,且结构简单,由于对称排列布置提高了夹具体刚性,进而更好地保证工件加工质量。3结论在大规模定制化批量生产过程中,中小型企业因面临着数字化改造转型,传统的夹具设计已经不能满足现代数控加工特点,采用 45#常用材料制造夹具已经成为数控夹具的主流,本文所述的工件夹紧是在其自身轴向水平夹紧力方向,因其刚性好,故在不考虑工件自身变形的基础上,分析当前采用的拉杆式多件装夹夹具体结构受力问题,为了更好地保证工件加工质量,采用对称式夹具体结构的多件装夹设计方法,既可以满足多件装夹要求,同时避免当前采用拉杆代替加强肋板的夹具体结构,简化了夹具体结构,在考虑数控机床工作台面的尺寸及行程基础上,这种对称排列、并行装夹的夹具体结构设计方法非常适合于中小零件装夹,此类设计方法将在中小型生产型企业中得到广泛应用。参考文献:1WU N H,CHAN K C,LEONG S S.Static interactions of surface contacts in a fixtureworkpiece system J.InternalJournal of ComputerApplications in Technology,1997,10(3/4):133151.2KANG Y,RONG J C,YANG J,et al.Computer aided fixture design verification,assembly J.Automation,2002,22(4):350359.(下转第 63 页)表 1几种夹具体结构多件装夹后加工尺寸序号夹具体结构形式检测结果(6 个工件)/mm1两根拉杆式50.063,50.079,50.099,50.091,50.081,50.0662三根拉杆式50.031,50.053,50.044,50.041,50.050,50.0323对称式50.007,49.978,50.010,50.014,50.016,49.983图 8对称结构的多件装夹夹具换刀点第3期蒋龙云,等:750 kV变电站雷击过电压仿真研究63仿真计算,结果表明,750 kV变电站750 kV侧遭受260 kA雷电流的作用时各设备上的过电压水平不高,除了变压器绝缘裕度仅为6.23%,其它设备绝缘裕度均达20.21%以上,且避雷器放电电流不大,满足雷电冲击耐受要求,研究结果为超、特高压 GIS 结构及参数的设计提供了理论支撑。参考文献:1陈思敏.紧凑型 GIS 变电站雷电过电压及防护研究D.西安:西安理工大学,2021.2胡京,张敦晶,周龙武等.考虑雷击过电压分布特性的特高压直流线路避雷器装设策略研究J.电瓷避雷器,2022,308(4):177184.3黄中华,方炯,杨先进,张阳阳.220 kV GIS 变电站雷击过电压分布特征仿真研究J.电工技术,2020(7):126128.4张普.特高压 GIS 中快速暂态过电压的仿真与分析D.镇江:江苏大学,2021.5蔡双,蔡明山,曹文辉.1000kV 特高压系统雷击保护的建模与仿真分析J.湖南文理学院学报(自然科学版),2012,24(3):5053.6席楚妍,郝捷,程雪婷.智能变电站防雷电侵入波的仿真研究J.山西电力,2018(3):1014.7范懿,常湧,蓝天.500KV 同线路 AIS 及 GIS 变电站雷电过电压对比仿真研究J.科技创业月刊,2014,27(7):191193.8谭永杰.雷击过电压影响下发电厂变电站避雷器配置优化研究J.机械管理开发,2021,36(3):100101,119.9王婷,王娜.500kV 变电站雷电过电压仿真与分析J.东北电力技术,2020,41(7):3437.10 高雅琦.变电站雷电过电压仿真研究J.内蒙古科技与经济,2018(9):90,117.(责任编校:张艳燕)3CAI W,HU S J,YUAN J X.Deformable sheet metal fixturing:Principles,algorithms,and simulations J.Journal ofManufacturing Science and Engineering Transactions of 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