基于CAD/CAE技術的車床小刀架加工工藝裝備設計

穆天開，張子雄，盧帥龍，林立，林權

（武夷學院 機電工程學院，福建 武夷山 354300）

基于CAD/CAE技術的車床小刀架加工工藝裝備設計

穆天開，張子雄，盧帥龍，林立，林權

（武夷學院 機電工程學院，福建 武夷山 354300）

車床小刀架加工精度要求高，利用CAD/CAE技術可以快速有效提高加工工藝裝備設計過程，通過運用SolidWorks 創建鏜削、銑削加工工藝裝備三維模型，并進行可行性分析，為裝備制造加工提供可靠依據。通過利用Ansys創建鏜削和銑削加工工藝裝備有限元分析模型，獲得應力與變形分布。結果表明模型達到了設計要求，此工裝穩定、可靠。

車床小刀架；CAD/CAE；有限元分析；加工工藝；機械設計

1 零件結構工藝分析

小刀架零件是車床中的一個重要部件，位于中拖板之上，主要作用是安裝方刀架，并帶動刀架作進給運動，轉動小刀架還可以用來車削圓錐、倒角等，有了它車床才能夠對零件進行切削加工。圖1為車床小刀架零件三維結構，從圖中可以看出刀架零件主要加工部位是平面和孔，為引導小刀架在中刀架上移動，刀架零件底部設計有一對燕尾導軌，它們之間有一定的位置要求。燕尾導軌主要用來導向，所以其加工精度較高，由于是狹小的平面，故應采用刮削來保其精度。由于小刀架零件生產批量大，需要專門進行加工規程編制及工藝裝備設計，以保證加工質量，提高生產率。

圖1 小刀架零件三維模型

2 加工工藝規程編制

小刀架零件材料為HT200，考慮到零件的材料是鑄鐵，生產類型為大批生產，形狀比較復雜，選用普通砂型鑄造。小刀架零件加工尺寸長×寬×高=365mm×138 mm×46．54mm，為簡化鑄造毛坯的外形，取加工長度為400mm，寬度為143mm，高度為50．59mm，除特殊幾個表面加工質量要求高，其余表面粗糙度值為12．5μm，綜合考慮表面加工余量取Z＝4mm，已能夠滿足加工要求。

基面的選擇是工藝規程設計中的重要工作之一，基面的選擇正確與合理，可以使加工質量得到保證，生產率得以提高，否則，加工工藝過程中會出現問題，還會造成零件大批報廢，使生產無法正常進行。首先按照基準選擇原則，以要求加工余量均勻的重要表面為粗基準，小刀架零件的燕尾形導軌面適合作為粗基準，精基準選擇需要考慮基準重合問題，選取燕尾形導軌的中心線和底面作為精基準，符合“基準重合”的原則，可以避免尺寸換算和發生定位誤差。

制訂工藝路線的出發點，應當是使零件的幾何形狀、尺寸精度、位置精度等技術要求得到合理保證，在大批生產的條件下，可以考慮采用通用機床配以專用工夾具，并盡量使工序集中來提高生產率。除此以外，還應考慮選擇經濟效果，以便使生產成本盡量下降，最后確定小刀架零件加工工藝過程如表1所示。

3 加工工藝裝備設計

3.1 銑床加工工藝裝備設計

圖2 工序20銑床加工工藝裝備

表1 小刀架零件機械加工工藝過程

在一般情況下先加工面后加工孔，為了提高勞動生產率，保證加工質量，降低勞動強度，對工序20進行專用加工工藝裝備設計。由于銑削加工是多刃斷續切削，切削用量和切削力較大，且切削力方向不斷變化，加工時也容易產生振動，定位裝置設計應盡量使定位支承面積大些，夾緊力應作用在工件剛度較大的部位上，且需要設置對刀塊，由于對刀塊存在標準的互相垂直的面，可以快捷準確的來確認刀具位置，檢驗刀具是否垂直于加工面，即對刀塊起到一個基準的作用。圖2為工序20銑床加工工藝裝備，從圖2中可以獲知，銑削加工小刀架頂面的定位基準選取底面及兩平行長側面，與其設計基準重合。

3.2 鏜床加工工藝裝備設計

圖3 工序60鏜床加工工藝裝備

鏜床加工工藝裝備簡稱鏜模，主要用來加工殼體類零件上的精密孔或孔系，用導向元件鏜套引導支承鏜桿，以保證孔及孔系的加工精度。采用鏜模后，鏜孔精度可以不受鏜床精度的影響，而主要取決于鏜模精度，鏜模不僅廣泛用于一般鏜床和高效的組合鏜床，小刀架零件工序60需要用到專用鏜床加工工藝裝備，如圖3所示。鏜模導向裝置主要分為單鏜套與雙鏜套，單鏜套布置方式有單面前鏜套、單面后鏜套，在此選擇單面前鏜套，在刀具加工時的前方鏜桿前端有導向部分，由鏜套引導并支承，而后端與機床剛性連接，此方式適用于加工較大的通孔，且孔的長度較小，正適合小刀架零件。由圖3鏜床加工工藝裝備裝配圖，可以獲知加工小刀架零件側孔（φ32H7）采用的定位基準是燕尾槽，且與其設計基準重合。

4 受力計算分析

在切削加工工藝裝備設計中，除了夾緊機構的夾緊力大于切削力之外，還需要保證夾緊元件在夾緊力的作用下不會發生強度問題或者太大的形變，從而影響工件的加工精度。有限元方法是求解工程問題常用的一種數值計算方法，在此首先進行各主要工序的切削力與夾緊力計算校核分析，再運用SolidWorks建立小刀架主要受力零部件的三維模型，然后將受力零部件導入ANSYS進行有限元數值模擬分析，獲取有限元靜力穩態分析結果，從而判斷此工藝裝備工作時穩定性與可靠性。

4.1 鏜削加工作用力計算及數值模擬校核

由表1與圖3可知，以燕尾導軌面定位，鏜側孔（φ32H7）時，鏜削加工時的作用力有圓周力、徑向力、軸向力，根據參考文獻[6]表1-2-3，可知圓周力Pz=902ts0.75Kp， 徑 向 力 PY=530t0.9s0.75Kp， 軸 向 力PX= 451ts0.4Kp，再根據參考文獻[6]表1-2-5，小刀架零件可取切削深度 t = 0.1mm，每轉進給量s=0．1mm，修正系數Kp=1．25，因此 Pz= 20.05N ，PY= 14.83N，PX=22．44N。但在計算切削力時，需要考慮安全系數，在此選取基本安全系數為 K1= 1.5，加工性質系數為 K2= 1.1，刀具鈍化系數為 K3= 1.1，斷續切削系數為 K4= 1.1，總安全系數 K =K1K2K3K4= 1.9965，所以鏜削加工各方向 的 切削力為： FZ= KPZ= 39.90N , FY= KPY= 29.51N,FX= KPX= 44.66N ， 所 需 克 服 的 切 削 力

工件以兩平面定位，夾緊力與切削力方向垂直，根據參考文獻[6]表1-2-11,獲知夾緊力的計算公式為：式中u表示夾緊元件與工件間的摩擦系數，由于工件為已加工過的表面，摩擦系數可取0．16，因 此 需 要 夾 緊 力另外由圖3可知，該工藝裝備主要夾緊受力件是燕尾壓緊塊，夾緊力主要來自螺柱拉力，螺柱抗拉強度計算主要是指材料所能承受的最大拉應力，它表征了抵抗斷裂的能力，計算公式為表示試樣在斷裂前的最大載荷，單位為N， F0表示試樣原始橫截面積，單位為 m2。在此螺桿的材料為45鋼，抗拉強度為 δb= 600MPa ，取安全系數2．5，則許用拉應力為而本工藝裝備需要的抗拉強度為，故螺栓安全可用，所以主要檢驗分析燕尾壓緊塊是否滿足使用要求。

在此應用ANSYS軟件對燕尾壓緊塊進行有限元靜力穩態分析，通過對燕尾壓緊塊模型進行單元類型及材料屬性定義、網格的劃分、施加約束條件及載荷，獲得有限元靜力穩態模擬分析結果如圖4與圖5所示。圖4為有限元求解得到燕尾壓緊塊應力云圖，從云圖中可以看到最大應力為2．54MPa，位于螺栓柱面與燕尾壓緊塊的中心孔面上，并且其應力遠小于其材料的許用擠壓應力。圖5為有限元求解得到燕尾壓緊塊變形云圖，圖中顯示壓緊塊的最大變形量為0.8436Emm?，位于燕尾壓緊塊與工件接觸的首末位置，符合設計要求，因此工藝裝備可以保證其使用時穩定、可靠要求。

圖4 燕尾壓緊塊應力分析

圖5 燕尾壓緊塊變形分析

4.2 銑削加工作用力計算及數值模擬校核

由表1與圖2可知，工件定位選取底平面及兩平行長側面，夾緊力通過螺桿旋轉作用于側面，工序30銑工件頂面，根據參考文獻[6]表3-19、3-92，可知銑削時所受的力：，其中系數CP= 38.9，背吃刀量 aP= 32mm，每齒進給量 ar= 0.13mm ，銑刀直徑 D 32mm，銑削寬度aw=17mm，銑刀齒數z=6，系數 kP= 1.029，因此需克服的切削力為 P0= 6927.83N 。但計算實際切削力時，需要考慮安全系數，在此選取基本安全系數為 K1= 1.5，加工性質系數為 K2= 1.1，刀具鈍化系數為 K3= 1.1，斷續切削系數為 K4= 1.1，總安全系數 K =K1K2K3K4= 1.9965，所以實際切削力P= KP0= 13831.4N。由參考文獻[7]表3-26可知當螺桿大徑 DM= 20mm，其許用夾緊力為16080N，明顯滿足要求，在此主要檢驗分析夾具體擋板應力及變形是否滿足使用要求。

在此應用ANSYS軟件對夾具體擋板進行有限元靜力穩態分析，通過對夾具體擋板模型進行單元類型及材料屬性定義、網格的劃分、施加約束條件及載荷，獲得有限元靜力穩態模擬分析結果如圖6與圖7所示。圖6為有限元求解得到夾具體擋板應力云圖，從云圖中可以看到最大應力為101MPa，位于夾具體擋板根部，但其應力遠小于其材料的許用擠壓應力。圖7為有限元求解得到夾具體擋板變形云圖，圖中顯示夾具體擋板的最大變形量為0.2064Emm?，位于夾具體擋板上部，符合設計要求，因此該工藝裝備可以保證其使用時穩定、可靠要求。

圖6 夾具體擋板應力分析

圖7 夾具體擋板變形分析

5 結語

小刀架零件是車床中的一個重要部件，其加工精度以及生產效率直接影響了制造業的生產力，傳統加工工藝規程設計以及工藝裝備設計繁瑣，在此通過運用 SolidWorks創建工藝裝備三維模型結構設計，利用Ansys對主要工藝裝備元件進行有限元力學分析，獲取了可靠的分析數據。生產實踐證明，小刀架零件鏜削銑削加工工藝裝備結構設計科學合理。因此應用CAD/CAE技術進行加工工藝裝備設計，不僅能減輕工人的勞動強度，而且可以提高產品的質量和效率。

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[7]朱耀祥,浦林祥．現代夾具設計手冊[M]．北京:機械工業出版社,2010．

TG51

A

1671-0711（2017）10（下）-0119-04

福建省大學生創新訓練項目（201610397028、201710397045），武夷學院科技項目（XD201707）。