基于Pro／E發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱體45°面專用機(jī)床夾具設(shè)計(jì)及有限元分析

（長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，武漢 430212）

V型發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱體45°面專用機(jī)床是一種可以通過一次裝夾，兩個(gè)面銑刀同時(shí)在兩個(gè)45°面上進(jìn)行粗、精銑加工的組合機(jī)床，如圖1為V型發(fā)動(dòng)機(jī)箱體的零件圖。

傳統(tǒng)夾具在加工V型發(fā)動(dòng)機(jī)箱體兩個(gè)45°面時(shí)存在諸如結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高等問題。通過Pro／E零件造型、裝配和工程圖生成設(shè)計(jì)了一套新型專用夾具。該新型夾具能夠滿足結(jié)構(gòu)簡單、定位準(zhǔn)確、夾緊牢靠、操作方便等要求。

圖1 V型發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱體零件圖

1 新型機(jī)床專用夾具設(shè)計(jì)

螺旋機(jī)構(gòu)具有夾緊力大，自鎖性好、操作方便等特點(diǎn)。因此，擬采用雙鉗口夾具，即將兩個(gè)相互垂直的臺(tái)虎鉗疊加放置，鉗口各由一根螺桿帶動(dòng)，一端為左旋螺紋，另一端為右旋螺紋，通過旋轉(zhuǎn)螺桿來實(shí)現(xiàn)鉗口的開合，如圖2所示的夾緊方案。圖1中B、C兩面（參見圖4）由左右方向鉗口夾緊，由于夾緊力小，可以在螺桿一端安裝一個(gè)手柄；D、E兩面（參見圖4）由前后方向鉗口夾緊，由于夾緊力大，可以采用杠桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行操作，如圖3所示的夾緊機(jī)構(gòu)原理圖，各部件尺寸計(jì)算及校核略。

圖2 夾緊方案

夾緊機(jī)構(gòu)工作原理：將零件放在4個(gè)鉗口之間，底面與夾具定位面接觸。將杠桿機(jī)構(gòu)手柄壓下，拉動(dòng)齒條并帶動(dòng)與之嚙合的齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)使螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)前后鉗口收縮夾緊；反之，將杠桿機(jī)構(gòu)手柄放下，拉動(dòng)齒條并帶動(dòng)與之嚙合的齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)使螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)前后鉗口放松解除夾緊。左右方向鉗口的夾緊或放松是通過轉(zhuǎn)動(dòng)螺桿一端的手柄來實(shí)現(xiàn)，夾具裝配圖如圖4所示。

圖3 夾緊機(jī)構(gòu)原理圖

圖4 夾具裝配圖

由圖4可以看出，新型夾具只有14個(gè)部件且只需手動(dòng)便可實(shí)現(xiàn)V型發(fā)動(dòng)機(jī)箱體的可靠夾緊，結(jié)構(gòu)簡單、可操作性強(qiáng)。

2 關(guān)鍵部件的有限元分析

由于V型發(fā)動(dòng)機(jī)箱體兩個(gè)45°面在銑削時(shí)，前后方向的銑削力比較大。因此，要保證零件能夠在夾具上可靠地夾緊，順利完成加工過程，就必須在ANSYS軟件中對其受力最大的關(guān)鍵部件—壓板進(jìn)行有限元分析，觀察其在受力狀態(tài)下的應(yīng)力分布情況及工作時(shí)的振動(dòng)頻率大小，判斷零件的可靠性，從而為新型夾具的廣泛應(yīng)用提供依據(jù)。壓板的Pro／E三維造型如圖5所示。

2.1 靜態(tài)特性分析

靜態(tài)特性分析主要包括強(qiáng)度和剛度兩個(gè)方面。

（1）強(qiáng)度分析

圖5 壓板的Pro／E三維造型

圖6 壓板總體應(yīng)力云圖

強(qiáng)度分析的重點(diǎn)是壓板在靜壓力載荷下抵抗塑性變形的能力。首先將壓板的Pro／E三維造型導(dǎo)入到ANSYS中，并通過建模、受力分析、劃分網(wǎng)格并加載完成以后，得到如圖6所示的壓板總體應(yīng)力云圖。

由圖6可以看出，中間孔邊緣位置的應(yīng)力最大，其值為6.0184MPa。壓板材料：45鋼，取安全系數(shù)n=2.5。查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》：45鋼的屈服極限σs=353MPa，則許用應(yīng)力為：

由于壓板的最大等效應(yīng)力6.0184 MPa遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力141MPa，故壓板強(qiáng)度合格，不會(huì)發(fā)生塑性變形。

（2）剛度分析

剛度分析的重點(diǎn)是壓板在受力時(shí)抵抗彈性變形的能力，如圖7所示的壓板總體位移云圖。

圖7 壓板總體位移云圖

由圖7可知，當(dāng)壓板受力時(shí)，鉤頭右端面和下底面交線的中點(diǎn)處位移最大，即最易發(fā)生彈性滑動(dòng)。但其最大的位移值僅為0.0016247mm，接近為0，可忽略不計(jì)。因此，壓板剛度合格，不會(huì)發(fā)生不可允許的彈性滑移。

2.2 動(dòng)態(tài)特性分析

（1）計(jì)算振動(dòng)頻率

（2）分析結(jié)果

用ANSYS對壓板進(jìn)行模態(tài)分析，取1～10階進(jìn)行處理，觀察各階的固有頻率和振型，壓板十階固有頻率及振型如圖8所示。

圖8 壓板十階固有頻率及振型

壓板的1～10階固有頻率如表1所示。其頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于粗、精銑時(shí)的脈沖振動(dòng)頻率13.27Hz和21.23Hz，所以，在對發(fā)動(dòng)機(jī)45°面加工時(shí)，不會(huì)引起共振。

表1 壓板前1～10階的固有頻率

3 結(jié)束語

專用機(jī)床夾具是專門為零件的某一道工序加工而設(shè)計(jì)制造的，能夠有效地降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率并獲得較高的加工精度。此項(xiàng)設(shè)計(jì)中的雙鉗口夾具是在深入分析零件圖紙和加工要求的基礎(chǔ)上，結(jié)合Pro／E造型、裝配和工程圖生成功能而設(shè)計(jì)完成的。該夾具結(jié)構(gòu)簡單，只手動(dòng)即可輕松完成兩個(gè)方向的夾緊操作，可操作性強(qiáng)。

通過對關(guān)鍵部件—壓板進(jìn)行有限元分析，得出該新型夾具無論從靜態(tài)還是動(dòng)態(tài)角度分析，都是安全可靠的，為在市場上推廣這項(xiàng)新技術(shù)成果提供了依據(jù)。

[1]許愛玲.機(jī)床夾具設(shè)計(jì)方法探討[J].裝備制造技術(shù)，2008，（08）.

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[3]于秀文.專用機(jī)床夾具設(shè)計(jì)[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì)，2011，（01）.