基于UG建模的數控加工夾具設計及有限元分析

盧小波

LU Xiao-bo

（廣西機電職業技術學院，南寧 530007）

基于UG建模的數控加工夾具設計及有限元分析

UG-based modeling of fixture design and FEA in NC machining

盧小波

LU Xiao-bo

（廣西機電職業技術學院，南寧 530007）

數控加工夾具是加工中最常用的一種工藝裝備。基于UG建模的夾具設計，可以快速有效地提高數控機床夾具設計過程，同時，通過UG的裝配模塊、運動仿真模塊及結構分析模塊，可以對夾具進行可行性分析，為夾具的制造加工提供可靠的數據。本文以泵體零件的夾具設計為例，探討數控加工夾具設計及有限元分析的方法。

數控加工；夾具設計；有限元分析；UG

0 引言

數控加工夾具作為現代制造系統中的一個重要的組成部分，對零件的加工質量、生產率和產品成本有著直接的影響。花費在夾具設計和制造的時間在整個生產周期中占有較大的比重。因此，如何縮短夾具設計的周期、提高夾具設計的可靠性、增加夾具的柔性是現代制造中的一個重要課題。作為最常用的工藝裝備，數控機床夾具還必須適應數控機床的高精度、高效率、多方向同時加工、數字程序控制及單件小批生產的特點。本文探討了數控加工夾具設計的特點、方法技巧以及加工質量分析，并建立數學模型。

1 數控加工夾具設計

1.1 數控加工夾具的特點

與普通機床的夾具相比，數控加工工夾具設計有它本身的特點：

1）數控加工的夾具應具有柔性，經過適當調整即可夾持多種形狀和尺寸的工件夾具，以滿足多品種、中小批量生產。

2）適應數控多方面加工，要避免夾具結構包括夾具上的組件對刀具運動軌跡的干涉[1]，夾具結構不要妨礙刀具對工件各部位的多面加工。減少刀具干涉。

3）夾具本身應有足夠的剛度，以適應大切削用量切削。滿足在工件的一次裝夾中既要進行切削力很大的粗加工，又要進行達到工件最終精度要求的精加工，因此夾具的剛度和夾緊力都要滿足大切削力的要求。

4）裝夾方便，結構力求簡單，并便于在機床工作臺上裝夾。

1.2 數控加工夾具的設計過程

夾具設計過程包括信息輸入、設計中的決策、夾具設計校驗和夾具設計結果的輸出等。信息輸入就是輸入零件工序加工信息、工藝規劃信息等；設計決策是指通過對信息分析，決策出定位/夾緊方案、夾具其它結構，并完成裝配圖及零件的三維建模；設計校驗則是對夾具結構進行加工精度分析、夾緊力校核等；最后輸出夾具裝配圖、零件圖及相關工藝文件等設計結果。

數控加工夾具主要由定位裝置、夾緊裝置、夾具體三部分組成。在設計過程中，應用UG軟件進行夾具實體建模會使整個設計工作變得簡單，又因為UG軟件具有強大的參數化功能，有利于夾具的設計修改。

下面以泵體孔系加工的夾具設計為例，分析其設計的方法。本工序中，主要技術要求為平面、孔系精度及平面與孔系之間的位置精度（圖1）。全部加工均在數控銑床上完成。

1.2.1 定位裝置的設計

定位裝置是夾具的重要組成部分。設計中，首先根據零件的工序要求，遵循六點定位原理，分析零件所需限制的自由度。并根據工序要求中確定的定位基準選擇相應的定位元件。使定位元件所限制的自由度與工序要求相符合。最后采用UG的裝配模塊對定位裝置進行實體建模設計，完成定位裝置的結構設計。

圖1 泵體零件工序圖

對于一些批量較大的面孔系類零件的加工,如箱體類、汽車發動機的一些附件,常采用一面兩銷定位夾具[2]。經分析，本實例零件采用完全定位方式，限制六個自由度。由于定位基準為泵體底面及其兩對角孔，故采用一面兩銷定位。建模時以泵體零件作為裝配基礎件，在裝配模塊中創建定位元件，完成定位裝置的設計。其中，定位元件可以在裝配模塊中創建，或者事先創建好夾具元件庫，直接調用即可。

1.2.2 夾緊裝置的設計

在設計裝置之前，首先要計算加工時的切削力，然后對零件進行受力分析，確定夾緊方案及相應的夾緊元件。應用UG建模時，由于夾緊裝置相對復雜，可以在建模模塊中創建各夾緊元件，然后再通過裝配模塊將夾緊元件裝配到夾具裝配圖中。設計過程中，應注意在確定夾緊元件的尺寸及位置時，不能與本道工序各表面加工時所使用的刀具干涉。本夾具采用螺旋夾緊，并使一個輔助支承以增加其安裝剛性定位夾緊方案如圖2所示。

圖2 定位/夾緊裝置

1.3 其他裝置的設計

傳統的專用夾具具有定位、夾緊、導向和對刀四種功能，而數控機床上一般都配備有接觸試測頭、刀具預調儀及對刀部件等設備，可以由機床解決對刀問題。數控機床上由程序控制的準確的定位精度，可實現夾具中的刀具導向功能。因此數控加工中的夾具一般不需要導向和對刀功能，只要求具有定位和夾緊功能，就能滿足使用要求，這樣可簡化夾具的結構。

本夾具的特點是：具備數控加工夾具的特點。具有較好的柔性，可以通過更換或調整定位元件和夾緊元件，可以加工結構相似、尺寸在一定范圍之內的泵體零件。

1.4 數控加工夾具的加工精度分析

機械加工精度是評價機械加工裝備性能優劣的重要指標之一[3]。夾具總體結構設計完成后，應進行性能評價。加工精度的分析是夾具保證零件加工精度的前提。

夾具對零件加工誤差ΔK的影響主要以下三項誤差：工件的定位誤差ΔD、與夾具在機床上安裝有關的誤差?T、與加工過程中各種藝因素有關的加工誤差?G。為了保證工件的加工精度，上述誤差應滿足不等式：

式子中，產生?T的主要因素有夾具安裝表面和機床工作臺的制造誤差與連接誤差。?G與夾具結構及設計無直接關系，可根據加工方法在相應手冊中查找。?D是夾具最重要的性能指標，它等于定位基準位移誤差ΔB與基準不重合誤差?Y的矢量和：采用基準重合時，?B=0。設加工表面某點（x,y,z），由于基準位移產生偏移后的坐標值為（x’,y’,z’）,則沿直角坐標系3個坐標方向的定位誤差分別用

?x0= x’-x、?y0= y’-y 、?z0= z’-z表示，此時，用定位誤差表達式為:

（?x0，?y0，?z0，1）=（x,y,z,1）*RL

上式中，矩陣RL是通用定位誤差矩陣，可用以計算工件加工表面上任一點的定位誤差，它是空間誤差的矢量和[4]。

在實際生產中，多數情況下，只計算工序尺寸的定位誤差。只有在計算形位誤差時，才需要作矩陣計算。

本例中，泵體零件主要的技術要求為孔徑精度、孔距精度。而這些誤差均由數控機床保證，故定位誤差與調整誤差均對主要技術要求影響可忽略。

2 數控加工夾具的有限元分析

夾具除了包括有足夠高的定位精度外，還應該保證夾緊可靠及加工的穩定性。因此，根據加工條件對工件或相關的夾緊元件進行有限元分析，可以分析工件加工中變形情況及夾具剛度。

進入UG的高級仿真模塊，首先對零件進行優化處理，并賦予零件一定的材料，采用3D四體網格（10節點）對其進行三維網格劃分如圖3所示。選擇零件的定位基準作為固定約束，并根據零件的受力情況添加載荷如圖4所示。

圖3 零件的有限元模型

圖4 施加載荷

完成有限元模型的建立后，采用UG的求解模塊進行求解。最后利用UG的后處理模塊查看零件的變形結果。一般是通過后處理視圖觀察零件的變形情況、最大變形量、最大應變、應力等。也可以通過后處理中的動畫操作模擬零件的不同變形過程。同理，其它夾緊件也可以通過相同的方法得到其變形的結果。從而判斷夾緊機構的夾緊可靠性。

3 夾具設計的干涉檢查

切削刀具與夾具組件之間不發生干涉以及各夾具組件之間沒有干涉是夾具設計的一項主要要求。夾具總體建模設計完成后應該進行干涉檢查。常用的干涉檢查方法有三種：觀察法、夾具的裝配仿真及加工仿真。觀察法就是利用設計者的經驗，通過對夾具總體模型進行觀察與分析，判斷夾具是否存在干涉的可能。裝配仿真則是利用UG的裝配和運動仿真模塊，制作夾具的裝配過程，以判斷元件之間是否干涉，特別是工件的裝夾過程是否干涉。加工仿真則是利用UG的加工模塊設計其加工路徑，并進行加工模擬，以判斷刀具與夾具之間是否干涉。

4 結論

應用UG軟件進行的數控夾具設計及有限元分析的全過程，找到了應用UG的建模模塊進行夾具設計的方法及技巧。同時，通過UG的裝配模塊、運動仿真模塊及結構分析模塊，對夾具進行可行性分析，為夾具的制造加工提供可靠的數據。對企業快速有效地縮短數控機床夾具設計周期、提高企業的產品設計質量與制造效率起到了推動作用。相信基于UG建模的數控夾具設計及有限元分析的方法在夾具設計中有很大的用武之地。

[1] 吳霞,周太平.數控加工中的工藝與夾具設計若干問題探討[J].煤礦機械2010,31(02):96-98.

[2] 馬進中.數控加工中夾具設計對零件加工精度的影響[J].機械制造與自動化,2007,(05):72-74.

[3] 黃美蓮.超長分流錐的數控加工工藝與夾具設計[J].裝備制造技術,2009 (7):125-127.

[4] 融亦鳴,朱耀祥,羅振壁,計算機輔助夾具設計[M].機械工業出版社,2002,1-150.

N945.13

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1009-0134(2010)11(下)-0138-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.11(下).48

2010-09-19

盧小波（1965 -），女，廣西玉林人，講師，工學士，主要從事機械CAD技術方面的研究與教學工作。