基于3D打印技術的多向調節夾具的設計及其仿真分析

楊志鋒 林金忠 莊學文

基于3D打印技術的多向調節夾具的設計及其仿真分析

楊志鋒 林金忠 莊學文

（莆田學院 工程實訓中心，福建 莆田 351100）

多向調節夾具是一種能夠快速準確定位、提高作業效率的夾具。針對目前工件多面復合銑削的實際需要，設計了一款可以多向調節的夾具，介紹了這一夾具的整體結構和工作原理，對其兩個極限位置進行了有限元分析，驗證受力分布的合理性，并通過3D打印技術驗證其裝配性和轉向調節性能。通過有限元分析，得到夾具的兩個極限位置的最大變形量分別為0.004 mm和0.003 mm，滿足設計要求。3D打印模型驗證了夾具裝配可靠，運動部件之間沒有干涉，可以實現快捷多向調節定位、自動定心功能。

多向調節；自動定心；3D打印

隨著加工工藝的不斷進步，人們對專用夾具的要求也越來越高[1]。傳統的夾具由于自身的結構限制，一般只具有夾緊功能，無法自動定心，也無法進行多角度調節。當加工零件有多角度加工需求時，每完成一個表面的加工，都需要重新調整加工表面，再次對刀夾緊，無法保證重復精度，在反復的操作中可能導致零件加工錯誤或者達不到加工要求，會耗費較多的加工時間和資源，效率低下，無法滿足經濟性的要求。目前，如何進行快速夾具設計并保證夾具有效可靠是研究人員一直研究的方向，李斌等[2]混合運用SolidWorks軟件里的建模、裝配、干涉檢查、有限元分析設計模塊設計了一款專用機床夾具，有效縮短了設計周期。王丹等[3]在保證夾具功能的基礎上，提出一種簡化的提升設計效率的夾具設計總體結構。

有限元仿真技術和3D打印技術都是能有效縮短設計時間的技術，前者偏向于虛擬模型的結構受力分析，后者偏向于實體模型的結構驗證，兩者的結合使用使得夾具的設計周期大大縮短，兩者配合反復驗證優化夾具結構，使夾具的受力分布趨于合理，裝配空間適當，避免各運動部件之間干涉[4-5]。

本文提出一種可翻轉、自動定心夾緊的專用夾具，用于小批量加工鋁合金及代木。首先，利用UG.NX11進行三維模型構建；其次，利用軟件中的有限元分析模塊對關聯FEM裝配體模型進行受力分析；最后，利用3D打印技術進一步進行實體模型驗證，結果顯示多向調節夾具變形小，可以進行快捷翻轉定位、自動定心，是一種能夠有效提升經濟性的新型夾具。

1　夾具設計方案

多向調節夾具的設計思路如圖1所示。

圖1　多向調節夾具設計思路

首先，運用UG.NX11建立多向調節夾具的各個組件并約束裝配。其次，導入前后處理模塊進行一系列的有限元分析驗證，有限元分析結果不滿足要求則需根據分析結果調整模型的結構，直至符合設計變形量要求。最后，通過3D打印實體模型進行驗證，若翻轉、定心夾緊機構運行不良，裝配性差則需要進一步修改模型，重新進行仿真分析，通過3D打印模型進行驗證，直至結構合理。在保證設計效率的同時，保證多向調節夾具的設計可靠性。

1.1 夾具整體結構

利用UG.NX11構建多向調節夾具的各個組件，并約束裝配成型，多向調節夾具的整體結構如圖2所示，主要由底座、半月齒條、托盤、傳動箱、轉盤、工作臺以及相應的夾緊與轉動機構組成，設計的時候需要充分考慮各零部件的可裝配性以及拆裝便利性，避免運動組件之間互相干涉。

1—平口鉗滑塊；2—雙向絲桿；3—單向絲桿；4—夾板；5—夾塊；6—傘齒輪；7—錐齒輪；8—底座；9—調節手輪；10—壓塊；11—凸輪手柄；12—半月齒條；13—托盤；14—轉盤；15—工作臺；16—傳動箱；17—蝸桿。

1.2 夾具原理

1.2.1 定心原理

軸的自動定心夾緊是由圖2中的“雙向絲桿”“夾塊”配合實現，通過內六角扳手轉動圖2中“雙向絲桿”可以使圖2中的“夾塊”同步反向移動夾緊物料，達到軸定心夾緊作用。軸的自動定心夾緊是通過圖2中的“單向絲桿”“傘齒輪”和“錐齒輪”配合實現，通過內六角扳手調節圖2中的“單向絲桿”，帶動圖2中的“錐齒輪”從而帶動圖2中的“傘齒輪”傳遞到另一個錐齒輪，使兩根單向絲桿同步轉動，實現圖2中的“平口鉗滑塊”同步移動夾緊，實現軸的自動定心夾緊。夾緊之后物塊自動放置在中心位置，實現待加工鋁塊或者代木塊的自動定心，保證每次工件裝夾后的工件坐標在夾具的中心位置，有利于加工多面零件的時候減少對刀次數。同時也可保證，旋轉夾具的時候中心位置不變。

1.2.2 翻轉原理

多向調節夾具分別繞Y軸和Z軸進行旋轉的示意圖如圖3所示。繞軸旋轉是通過托盤底部的傳動箱中的蝸輪蝸桿機構實現，運用內六角扳手調節蝸桿，帶動蝸輪，從而帶動與蝸輪相連的轉盤進行相應的角度調節。XY平面的翻轉是通過調節手輪調節半月齒條的轉動，使半月齒條轉動帶動夾具工作臺進行翻轉，到達預定的角度之后，使用凸輪手柄壓緊壓塊進行定位。

圖3　多向調節夾具繞Y軸和Z軸旋轉示意圖

2　關鍵零部件有限元分析

本文的有限元分析通過UG11.0里面的裝配體FEM模塊實現，以該模塊為基礎，簡化對分析結果影響不大的零部件和幾何要素，運用NX Nastran求解器分析兩個不同角度下各個零部件在不同工況下的變形和應力情況[6]。

2.1 分析總體思路及步驟

夾具模型的各個零部件的材料定義不同，連接方式也不同，采用裝配FEM分析方法，創建裝配夾具FEM模型，賦予每個組件不同的材料參數及網格參數，隨后將各個組件通過不同類型的仿真對象連接起來，最后增加約束條件及邊界條件，建立仿真SIM模型進行仿真求解。夾具不同狀態位置設置獨立的FEM及SIM模型，方便對比[6]。

2.2 分析設定

本文的仿真分析基于鋁合金的銑削力分析進行開展，銑削力的設定參考實際測得鋁合金切削時的切削力，分為3個不同的銑削力分配方案[7]，列于表1。分別對簡化后的夾具模型進行靜態力仿真分析。

表1　不同銑削力方案設定 單位：N

2.3 分析結果

靜態力仿真分析獲得的結果如圖4和圖5所示，圖4為三種不同載荷方案下獲取的夾具變形位移云圖，顯示各個零部件的變形情況，圖5為三種不同載荷方案下獲取的夾具應力云圖，顯示各個零部件應力分布及應力集中的情況。由圖4和圖5可知：隨著載荷的增加，僅有半月齒條支撐的區域的變形位移（圖中圓圈區域）逐漸變大，應力集中的區域沒有發生改變，夾具整體的受力和變形分布比較均勻，沒有存在突變。在最大載荷下（方案C）夾具最大變形量為0.004 mm，滿足設計要求。

圖4　三種不同載荷下位移云圖

圖5　三種不同載荷下應力云圖

圖6為三種不同載荷方案下夾具的關鍵零部件半月齒條的位移-節點圖。

圖6　三種不同載荷下半月齒條位移-節點圖

圖7為三種不同載荷方案下夾具的關鍵零部件半月齒條的應力-單元圖。由圖6和圖7可知：隨著載荷的增加，半月齒條的變形和應力波動幅值逐步增加，沒有劇烈的突變，結構相對穩定，隨著節點增加的方向位移逐漸增大，應力呈現波動狀態，即在半月齒條沒有底座支持的位置變形量較大，在半月齒條中部以及半月齒條與托盤相接觸的位置應力集中比較明顯，符合位移云圖和應力云圖顯示的狀態，在后續的優化過程中應考慮在應力集中的峰值單元位置給予結構加強，在變形位移最大節點也應給予相應的結構優化。

圖7　三種不同載荷下半月齒條應力-單元圖

2.4 翻轉90°分析結果

多向調節夾具翻轉90°后的位移及應力分布云圖分別如圖8和圖9所示，由圖8可知：變形最大區域依舊是僅有半月齒條支撐位置的區域，在最大載荷下（方案C）夾具最大變形量為0.003 mm。由圖9可知，應力集中的區域由半月齒條轉移到托盤與底座接觸的位置。

圖8　翻轉90°后三種不同載荷下位移云圖

圖9　翻轉90°后三種不同載荷下應力云圖

圖10為翻轉90°后三種不同載荷方案下夾具的關鍵零部件半月齒條的位移-節點圖，圖11為翻轉90°后三種不同載荷方案下夾具的關鍵零部件半月齒條的應力-單元圖。由圖10和圖11可知：在翻轉90°的情況下，隨著載荷的增加，半月齒條的變形趨勢沒有較大變化，但是應力變化趨勢發生較大改變，應力峰值主要集中在于底座接觸的頭部區域，應力值較小對整體結構影響不大。

圖10　翻轉90°后三種不同載荷下半月齒條位移-節點圖

圖11　翻轉90°后三種不同載荷下半月齒條應力-單元圖

3　3D打印技術驗證

利用SLA激光打印機對設計的多向調節夾具模型進行快速成型制作，材料選用光敏樹脂，將所有的零部件導出為STL格式，導出模型時應注意調整模型的精度及步長。運用專用的切片軟件進行支撐加載以及合理位置擺放，防止兜料，避免支撐放置于裝配面，調整參數進行切片處理后導入設備進行打印。打印過程中，注意觀察打印件是否成型，不成型需要暫停打印并分析原因，如支撐不夠或者零件擺放角度不合理導致的。打印完成后，將成品用鏟刀鏟下來，去除支撐，并采用工業酒精進行清洗，清洗分粗洗和精洗兩步，防止工件表面有殘留的樹脂，影響裝配。清洗后，在紫外線固化箱里進行固化，然后對零部件的裝配表面進行打磨拋光，并進行最后的裝配定型[8-9]。成品夾具如圖12所示。

圖12　3D打印夾具模型及翻轉示意

圖12(續)

由圖12可知：夾具的旋轉、翻轉機構運行良好，各零部件之間沒有干涉，夾具結構設計合理、裝配性能好，各翻轉傳動機構運行良好，自動定心功能可以實現，符合預定設計目標。

4　結 論

1）設計了夾具的整體結構及分析了夾具結構翻轉、自動定心夾緊的原理。

2）對夾具關鍵零部件在不同位置以及不同載荷工況下進行了有限元分析，結果顯示，兩個極限位置的最大變形量分別為0.004 mm和0.003 mm，滿足設計要求，同時有限元應力云圖顯示夾具受力分布均勻，沒有突變。

3）對夾具進行3D打印實體模型，驗證其翻轉機構可行性以及夾具的裝配性，驗證了翻轉機構設計合理、運行良好、便于裝配，能實現自動定心夾緊。

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[3]王丹,黃秋實.銑床專用夾具的設計與研究[J].科技創新與應用,2017(6):142.

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[5]蔣龍,姚曉彤.淺析3D打印成形方法及在機械加工制造中的優勢[J].內燃機與配件,2020(23):112-113.

[6]沈春根,孔維忠,關天龍.UG NX 11.0有限元分析基礎實戰[M].北京:機械工業出版社,2018.

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[8]夏會芳,劉怡來,朱鳳霞,等.基于逆向工程的肥皂盒設計及快速成型[J].機械工程與自動化,2020(6):43-45.

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TH122

A

1673-2219（2021）03-0037-04

2021-01-10

福建省本科高校教育教學改革項目（項目編號FBJG20190104）。

楊志鋒（1990－），男，福建莆田人，碩士，助理實驗師，研究方向為機械設計制造及其自動化。

林金忠（1972－），男，福建莆田人，碩士，正高級實驗師，研究方向為機械電子。莊學文（1993－），男，福建泉州人，助理實驗師，研究方向為測控技術。

（責任編校：宮彥軍）