基于有限元分析多件裝夾夾具體結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

張國政,周元枝,柯 偉,王 甫

(1.安徽機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機械工程學(xué)院,安徽 蕪湖 241000;2.蕪湖市球精汽車部件鑄模有限公司 技術(shù)部,安徽 蕪湖 241006)

0 引言

汽車零部件生產(chǎn)是當(dāng)前智能制造生產(chǎn)的主體,面向大規(guī)模定制化批量生產(chǎn)模式,諸如汽車制動裝置中各類制動泵體零件的數(shù)控加工,采用三軸數(shù)控加工中心是主流,其中配套的多件裝夾夾具設(shè)計應(yīng)用成為研究重點,可降低生產(chǎn)成本、提高加工效率。夾具精度影響裝夾工件的加工質(zhì)量,其中20%至60%的加工誤差是由裝夾造成的[1-5]。工件定位和夾緊是夾具的兩大功能,也是影響裝夾精度的重要因素,研究工件裝夾的定位和夾緊變形都是夾具裝置設(shè)計的核心,尤其是高精度薄壁件裝夾變形分析。為解決裝夾變形問題,可建立裝夾數(shù)學(xué)模型,研究裝夾布局、裝夾順序、裝夾位置和裝夾變形等[2-14]。在工程實踐中,變形問題可用UG或SolidWorks等軟件對結(jié)構(gòu)對象進行建模,借助有限元分析軟件進行分析比較來解決,如ANSYS或ABAQUS有限元軟件等常用軟件[15-16]。張國政等[17]和楊磊等[18]提出了多件裝夾思想,以某軸承套裝夾為例,運用ANSYS有限元軟件分析軸承套的裝夾應(yīng)力應(yīng)變,比較得出最小變形裝夾方式,優(yōu)化了裝夾布局,設(shè)計了多件裝夾的數(shù)控夾具裝置。多件裝夾可以很好地適應(yīng)批量生產(chǎn)模式中利用數(shù)控加工的工序集中特點,在批量生產(chǎn)模式下,多件裝夾的夾具精度亟待進一步研究。結(jié)合某汽車制動泵缸體件多件裝夾設(shè)計剛性問題,比較幾種多件裝夾夾具體結(jié)構(gòu),提出對稱式夾具體結(jié)構(gòu),為企業(yè)實際生產(chǎn)應(yīng)用提供技術(shù)方案。

1 夾具設(shè)計

1.1 裝夾工序設(shè)計

根據(jù)參考文獻[19]的圖論方法進行裝夾工序設(shè)計,確定面向三軸數(shù)控加工中心所要加工的工序內(nèi)容。為了利用圖論原理進行裝夾工序設(shè)計,首先需要明確零件上加工特征面,然后根據(jù)每個特征面精度要求確定加工方法,最后根據(jù)工序順序設(shè)計原則,利用圖論的DMMT(即“工件-基準-加工-機床”)關(guān)系圖規(guī)劃裝夾工序。某車用制動泵缸體件主視圖如圖1所示,主視圖上所標注的帶方框字母是每個特征加工面(即含有精度要求的加工特征表面)。

圖1 某車用制動泵缸體件主視圖

根據(jù)單位法向矢量判別法[20],零件特征加工面F、G、H、I以及F′、G′、H′、I′的法向矢量的方向是相同的方向,故而,以上八個特征加工面可以在一次裝夾中完成加工,使用機床為中檔三軸加工中心,主要完成工序為銑、鉆和切槽。零件的定位基準分別是端面A、圓柱孔B和B′,采用典型的“一面兩孔”定位方案。圖1中特征加工面J和J′的定位方案,以及特征加工面K、L、M、N的定位方案都可采用端面A、圓柱孔B和B′作為定位基準,但需要在一次裝夾過程中.夾具裝置具備旋轉(zhuǎn)功能,包括其他特征加工面的定位方案等,這些不是本文討論的內(nèi)容。結(jié)合圖論原理,規(guī)劃以上八個特征加工面的定位方案,建立其基準加工特征關(guān)系圖,基準加工特征關(guān)系圖如圖2所示。

圖2 基準加工特征關(guān)系圖

1.2 多件裝夾夾具

多件裝夾夾具設(shè)計是現(xiàn)代數(shù)控夾具設(shè)計應(yīng)用的主流,以下通過UG NX10.0版本軟件完成設(shè)計建模,并將其保存成“*.x_t”或“*.stp”格式,以便導(dǎo)入到ANSYS12.0版本軟件中進行有限元分析。結(jié)合以上裝夾工序分析,根據(jù)企業(yè)實際批量生產(chǎn)需求,可將單個夾具裝置進行陣列,分別設(shè)計裝夾5個制動泵缸體件的夾具和裝夾6個制動泵缸體件的夾具。5件裝夾夾具和6件裝夾夾具分別如圖3、圖4所示。5件裝夾夾具和6件裝夾夾具在實際生產(chǎn)中都得到應(yīng)用,圖3所示的是沒有設(shè)計拉桿的多件裝夾夾具,其夾具體結(jié)構(gòu)呈U形;圖4所示是設(shè)計兩根拉桿的多件裝夾夾具,其U形夾具體結(jié)構(gòu)兩端設(shè)計了兩根拉桿。以下運用有限元分別分析裝夾5件、裝夾6件的夾具體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形,通過比較分析確定其優(yōu)劣性。

圖3 五件裝夾夾具

2 夾具體結(jié)構(gòu)分析

2.1 多件裝夾夾具體有限元模型

導(dǎo)入以上所建立的三維夾具設(shè)計模型到ANSYS12.0版本軟件中,夾具體使用45#鋼,采用液壓或氣動夾緊,每處夾緊力為4.9 kN,5件裝夾夾具加載模型如圖5所示,夾緊處為A、B、C、D、E五處。6件裝夾夾具加載模型如圖6所示,夾緊處為A、B、C、D、E、F六處。以夾具體底面為約束面,以六面體網(wǎng)格進行劃分。

圖5 五件裝夾夾具加載模型

圖6 六件裝夾夾具加載模型

2.2 多件裝夾夾具體有限元分析

在ANSYS12.0軟件中定義夾具體45#材料的參數(shù)后,經(jīng)軟件分析可分別得出以上兩種模型的應(yīng)力云圖(見圖7和圖8)和變形云圖(見圖9和圖10)。以上兩種夾具是基于企業(yè)實際使用情況分析,為了提高對比分析結(jié)果的可信度,以同樣的方法對未設(shè)置拉桿的6件裝夾夾具體結(jié)構(gòu)進行分析,見圖11和圖12所示。

圖7 五件裝夾(無拉桿)夾具體應(yīng)力云圖

圖8 六件裝夾(有拉桿)夾具體應(yīng)力云圖

圖9 五件裝夾(無拉桿)夾具體變形云圖

圖10 六件裝夾(有拉桿)夾具體變形云圖

圖11 六件裝夾(無拉桿)夾具體應(yīng)力云圖

圖12 六件裝夾(無拉桿)夾具體變形云圖

圖7所示的5件裝夾夾具體的最大應(yīng)力為21.705 MPa,最大應(yīng)力點在夾具體豎直板和底面板連接的中間部位;圖8所示的6件裝夾(有拉桿)夾具體的最大應(yīng)力為27.112 MPa;圖11分析所示的6件裝夾(無拉桿)夾具體最大應(yīng)力為27.733 MPa,兩者最大應(yīng)力位置與圖7相同,應(yīng)力最大值6件裝夾(無拉桿)最大、6件裝夾(有拉桿)次之、5件裝夾(無拉桿)最小,主要原因是5件裝夾增至6件裝夾后,夾具體多增加了4.9 kN而導(dǎo)致的最大應(yīng)力增加,且6件裝夾設(shè)置拉桿比未設(shè)置拉桿應(yīng)力略有減小。由此可見,6件裝夾夾具體設(shè)置的兩根拉桿對夾具體的應(yīng)力減小效果不明顯。

圖9所示的5件裝夾夾具體的最大變形量為0.020 092 mm,最大變形位置在夾具體豎直板中間部位;圖10所示的6件裝夾(有拉桿)夾具體的最大變形量為0.018 205 mm,最大變形位置也在夾具體豎直板中間部位;圖12所示的6件裝夾(無拉桿)夾具體的最大變形量為0.018 439 mm。由此可見,在增加了一個裝夾零件后,設(shè)置兩根拉桿的夾具體結(jié)構(gòu),雖然最大應(yīng)力沒有減小,但其變形量變小,說明設(shè)置拉桿(其作用類似于鑄造的加強肋板)可降低夾具體變形,拉桿式夾具體結(jié)構(gòu)剛度好。

2.3 對稱式夾具體結(jié)構(gòu)設(shè)計

對稱受力是對稱式夾具體結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要思想,由于對稱受力可以相互抵消彎矩,使得夾具體豎直板不會受到彎矩而變形,夾具體結(jié)構(gòu)整體緊湊,剛度好,6件對稱式裝夾夾具三維設(shè)計圖如圖11所示。該夾具特點是裝夾的零件對稱分布在夾具體兩側(cè),因此,夾具體受對稱力而產(chǎn)生的變形微小,其裝夾的零件自身變形是影響裝夾變形的最大因素。由于每個零件所受夾緊力相同,為了分析被裝夾零件的變形情況,以其單個零件受力進行有限元分析。

某制動泵缸體件材料為HT190,采用圖13所示的對稱式裝夾后,每個零件受力 4.9 kN,將零件三維設(shè)計模型導(dǎo)入到有限元分析軟件進行分析,制動泵缸體件變形云圖如圖14所示,最大變形量為0.012 393 mm,具體分布在圖1所示的K、L、M、N等特征加工面。由此可見,在無拉桿和設(shè)置拉桿的夾具體結(jié)構(gòu)中,除了夾具體本身變形以外,還要疊加被裝夾零件的變形,而對稱式夾具體結(jié)構(gòu)設(shè)計只需考慮零件變形,可更加有效地控制裝夾變形。

圖13 六件對稱式裝夾夾具三維設(shè)計圖

圖14 制動泵缸體件變形云圖

3 結(jié)論

面向中小型生產(chǎn)企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型改造,傳統(tǒng)夾具設(shè)計已不能滿足現(xiàn)代數(shù)控加工要求,為了充分發(fā)揮三軸數(shù)控加工中心效率,采用多件裝夾夾具是主流,為了控制多件裝夾夾具體結(jié)構(gòu)變形,提高夾具的整體剛性,采用有限元方法分析比較無拉桿、有拉桿兩種夾具體結(jié)構(gòu)設(shè)計變形情況,并設(shè)計一種對稱式夾具體結(jié)構(gòu),得出以下結(jié)論:(1)設(shè)置拉桿式的夾具體結(jié)構(gòu)比無拉桿式夾具體結(jié)構(gòu)裝夾受力變形量小,其夾具的整體剛性得到提高;(2)在對稱式夾具體結(jié)構(gòu)設(shè)計中,無需考慮夾具體裝夾變形,只需關(guān)注被裝夾零件的變形;(3)多件裝夾夾具設(shè)計適用于數(shù)控加工裝夾需求,應(yīng)優(yōu)先采用對稱式夾具體結(jié)構(gòu)設(shè)計,其次是拉桿式夾具體結(jié)構(gòu)設(shè)計。