基于UG建模的數(shù)控加工夾具設(shè)計(jì)及有限元分析

盧小波

LU Xiao-bo

（廣西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南寧 530007）

基于UG建模的數(shù)控加工夾具設(shè)計(jì)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(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南寧 530007）

數(shù)控加工夾具是加工中最常用的一種工藝裝備?；赨G建模的夾具設(shè)計(jì)，可以快速有效地提高數(shù)控機(jī)床夾具設(shè)計(jì)過(guò)程，同時(shí)，通過(guò)UG的裝配模塊、運(yùn)動(dòng)仿真模塊及結(jié)構(gòu)分析模塊，可以對(duì)夾具進(jìn)行可行性分析，為夾具的制造加工提供可靠的數(shù)據(jù)。本文以泵體零件的夾具設(shè)計(jì)為例，探討數(shù)控加工夾具設(shè)計(jì)及有限元分析的方法。

數(shù)控加工；夾具設(shè)計(jì)；有限元分析；UG

0 引言

數(shù)控加工夾具作為現(xiàn)代制造系統(tǒng)中的一個(gè)重要的組成部分，對(duì)零件的加工質(zhì)量、生產(chǎn)率和產(chǎn)品成本有著直接的影響?；ㄙM(fèi)在夾具設(shè)計(jì)和制造的時(shí)間在整個(gè)生產(chǎn)周期中占有較大的比重。因此，如何縮短夾具設(shè)計(jì)的周期、提高夾具設(shè)計(jì)的可靠性、增加夾具的柔性是現(xiàn)代制造中的一個(gè)重要課題。作為最常用的工藝裝備，數(shù)控機(jī)床夾具還必須適應(yīng)數(shù)控機(jī)床的高精度、高效率、多方向同時(shí)加工、數(shù)字程序控制及單件小批生產(chǎn)的特點(diǎn)。本文探討了數(shù)控加工夾具設(shè)計(jì)的特點(diǎn)、方法技巧以及加工質(zhì)量分析，并建立數(shù)學(xué)模型。

1 數(shù)控加工夾具設(shè)計(jì)

1.1 數(shù)控加工夾具的特點(diǎn)

與普通機(jī)床的夾具相比，數(shù)控加工工夾具設(shè)計(jì)有它本身的特點(diǎn)：

1）數(shù)控加工的夾具應(yīng)具有柔性，經(jīng)過(guò)適當(dāng)調(diào)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(chǎn)。

2）適應(yīng)數(shù)控多方面加工，要避免夾具結(jié)構(gòu)包括夾具上的組件對(duì)刀具運(yùn)動(dòng)軌跡的干涉[1]，夾具結(jié)構(gòu)不要妨礙刀具對(duì)工件各部位的多面加工。減少刀具干涉。

3）夾具本身應(yīng)有足夠的剛度，以適應(yīng)大切削用量切削。滿足在工件的一次裝夾中既要進(jìn)行切削力很大的粗加工，又要進(jìn)行達(dá)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(jié)構(gòu)力求簡(jiǎn)單，并便于在機(jī)床工作臺(tái)上裝夾。

1.2 數(shù)控加工夾具的設(shè)計(jì)過(guò)程

夾具設(shè)計(jì)過(guò)程包括信息輸入、設(shè)計(jì)中的決策、夾具設(shè)計(jì)校驗(yàn)和夾具設(shè)計(jì)結(jié)果的輸出等。信息輸入就是輸入零件工序加工信息、工藝規(guī)劃信息等；設(shè)計(jì)決策是指通過(guò)對(duì)信息分析，決策出定位/夾緊方案、夾具其它結(jié)構(gòu)，并完成裝配圖及零件的三維建模；設(shè)計(jì)校驗(yàn)則是對(duì)夾具結(jié)構(gòu)進(jìn)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(guān)工藝文件等設(shè)計(jì)結(jié)果。

數(shù)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(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)用UG軟件進(jìn)行夾具實(shí)體建模會(huì)使整個(gè)設(shè)計(jì)工作變得簡(jiǎn)單，又因?yàn)閁G軟件具有強(qiáng)大的參數(shù)化功能，有利于夾具的設(shè)計(jì)修改。

下面以泵體孔系加工的夾具設(shè)計(jì)為例，分析其設(shè)計(jì)的方法。本工序中，主要技術(shù)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(shù)控銑床上完成。

1.2.1 定位裝置的設(shè)計(jì)

定位裝置是夾具的重要組成部分。設(shè)計(jì)中，首先根據(jù)零件的工序要求，遵循六點(diǎn)定位原理，分析零件所需限制的自由度。并根據(jù)工序要求中確定的定位基準(zhǔn)選擇相應(yīng)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(duì)定位裝置進(jìn)行實(shí)體建模設(shè)計(jì)，完成定位裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

圖1 泵體零件工序圖

對(duì)于一些批量較大的面孔系類零件的加工,如箱體類、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的一些附件,常采用一面兩銷定位夾具[2]。經(jīng)分析，本實(shí)例零件采用完全定位方式，限制六個(gè)自由度。由于定位基準(zhǔn)為泵體底面及其兩對(duì)角孔，故采用一面兩銷定位。建模時(shí)以泵體零件作為裝配基礎(chǔ)件，在裝配模塊中創(chuàng)建定位元件，完成定位裝置的設(shè)計(jì)。其中，定位元件可以在裝配模塊中創(chuàng)建，或者事先創(chuàng)建好夾具元件庫(kù)，直接調(diào)用即可。

1.2.2 夾緊裝置的設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)裝置之前，首先要計(jì)算加工時(shí)的切削力，然后對(duì)零件進(jìn)行受力分析，確定夾緊方案及相應(yīng)的夾緊元件。應(yīng)用UG建模時(shí)，由于夾緊裝置相對(duì)復(fù)雜，可以在建模模塊中創(chuàng)建各夾緊元件，然后再通過(guò)裝配模塊將夾緊元件裝配到夾具裝配圖中。設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)注意在確定夾緊元件的尺寸及位置時(shí)，不能與本道工序各表面加工時(shí)所使用的刀具干涉。本夾具采用螺旋夾緊，并使一個(gè)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(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的專用夾具具有定位、夾緊、導(dǎo)向和對(duì)刀四種功能，而數(shù)控機(jī)床上一般都配備有接觸試測(cè)頭、刀具預(yù)調(diào)儀及對(duì)刀部件等設(shè)備，可以由機(jī)床解決對(duì)刀問(wèn)題。數(shù)控機(jī)床上由程序控制的準(zhǔn)確的定位精度，可實(shí)現(xiàn)夾具中的刀具導(dǎo)向功能。因此數(shù)控加工中的夾具一般不需要導(dǎo)向和對(duì)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(jiǎn)化夾具的結(jié)構(gòu)。

本夾具的特點(diǎn)是：具備數(shù)控加工夾具的特點(diǎn)。具有較好的柔性，可以通過(guò)更換或調(diào)整定位元件和夾緊元件，可以加工結(jié)構(gòu)相似、尺寸在一定范圍之內(nèi)的泵體零件。

1.4 數(shù)控加工夾具的加工精度分析

機(jī)械加工精度是評(píng)價(jià)機(jī)械加工裝備性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一[3]。夾具總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，應(yīng)進(jìn)行性能評(píng)價(jià)。加工精度的分析是夾具保證零件加工精度的前提。

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

式子中，產(chǎn)生?T的主要因素有夾具安裝表面和機(jī)床工作臺(tái)的制造誤差與連接誤差。?G與夾具結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)無(wú)直接關(guān)系，可根據(jù)加工方法在相應(yīng)手冊(cè)中查找。?D是夾具最重要的性能指標(biāo)，它等于定位基準(zhǔn)位移誤差ΔB與基準(zhǔn)不重合誤差?Y的矢量和：采用基準(zhǔn)重合時(shí)，?B=0。設(shè)加工表面某點(diǎn)（x,y,z），由于基準(zhǔn)位移產(chǎn)生偏移后的坐標(biāo)值為（x’,y’,z’）,則沿直角坐標(biāo)系3個(gè)坐標(biāo)方向的定位誤差分別用

?x0= x’-x、?y0= y’-y 、?z0= z’-z表示，此時(shí)，用定位誤差表達(dá)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(jì)算工件加工表面上任一點(diǎn)的定位誤差，它是空間誤差的矢量和[4]。

在實(shí)際生產(chǎn)中，多數(shù)情況下，只計(jì)算工序尺寸的定位誤差。只有在計(jì)算形位誤差時(shí)，才需要作矩陣計(jì)算。

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

2 數(shù)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(yīng)該保證夾緊可靠及加工的穩(wěn)定性。因此，根據(jù)加工條件對(duì)工件或相關(guān)的夾緊元件進(jìn)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(jìn)入U(xiǎn)G的高級(jí)仿真模塊，首先對(duì)零件進(jìn)行優(yōu)化處理，并賦予零件一定的材料，采用3D四體網(wǎng)格（10節(jié)點(diǎn)）對(duì)其進(jìn)行三維網(wǎng)格劃分如圖3所示。選擇零件的定位基準(zhǔn)作為固定約束，并根據(jù)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(jìn)行求解。最后利用UG的后處理模塊查看零件的變形結(jié)果。一般是通過(guò)后處理視圖觀察零件的變形情況、最大變形量、最大應(yīng)變、應(yīng)力等。也可以通過(guò)后處理中的動(dòng)畫操作模擬零件的不同變形過(guò)程。同理，其它夾緊件也可以通過(guò)相同的方法得到其變形的結(jié)果。從而判斷夾緊機(jī)構(gòu)的夾緊可靠性。

3 夾具設(shè)計(jì)的干涉檢查

切削刀具與夾具組件之間不發(fā)生干涉以及各夾具組件之間沒(méi)有干涉是夾具設(shè)計(jì)的一項(xiàng)主要要求。夾具總體建模設(shè)計(jì)完成后應(yīng)該進(jìn)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(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)夾具總體模型進(jìn)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(yùn)動(dòng)仿真模塊，制作夾具的裝配過(guò)程，以判斷元件之間是否干涉，特別是工件的裝夾過(guò)程是否干涉。加工仿真則是利用UG的加工模塊設(shè)計(jì)其加工路徑，并進(jìn)行加工模擬，以判斷刀具與夾具之間是否干涉。

4 結(jié)論

應(yīng)用UG軟件進(jìn)行的數(shù)控夾具設(shè)計(jì)及有限元分析的全過(guò)程，找到了應(yīng)用UG的建模模塊進(jìn)行夾具設(shè)計(jì)的方法及技巧。同時(shí)，通過(guò)UG的裝配模塊、運(yùn)動(dòng)仿真模塊及結(jié)構(gòu)分析模塊，對(duì)夾具進(jìn)行可行性分析，為夾具的制造加工提供可靠的數(shù)據(jù)。對(duì)企業(yè)快速有效地縮短數(shù)控機(jī)床夾具設(shè)計(jì)周期、提高企業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量與制造效率起到了推動(dòng)作用。相信基于UG建模的數(shù)控夾具設(shè)計(jì)及有限元分析的方法在夾具設(shè)計(jì)中有很大的用武之地。

[1] 吳霞,周太平.數(shù)控加工中的工藝與夾具設(shè)計(jì)若干問(wèn)題探討[J].煤礦機(jī)械2010,31(02):96-98.

[2] 馬進(jìn)中.數(shù)控加工中夾具設(shè)計(jì)對(duì)零件加工精度的影響[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化,2007,(05):72-74.

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

[4] 融亦鳴,朱耀祥,羅振壁,計(jì)算機(jī)輔助夾具設(shè)計(jì)[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2002,1-150.

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1009-0134(2010)11(下)-0138-03

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2010-09-19

盧小波（1965 -），女，廣西玉林人，講師，工學(xué)士，主要從事機(jī)械CAD技術(shù)方面的研究與教學(xué)工作。