汽車實(shí)木扶手正面加工專用機(jī)床夾具設(shè)計(jì)分析?

李 博 夏子鈞 任長清 馬 巖

隨著制造業(yè)的高速發(fā)展，應(yīng)用專用機(jī)床進(jìn)行批量生產(chǎn)成為工業(yè)產(chǎn)品加工的重要方式之一，與之相匹配的機(jī)床夾具也在不斷發(fā)展變化[1]。夾具機(jī)構(gòu)是機(jī)床必不可缺的組成部分，其設(shè)計(jì)直接影響到機(jī)床的加工精度、生產(chǎn)效率、安全性以及產(chǎn)品的質(zhì)量和成本[2]。對于專用機(jī)床來講，夾具的設(shè)計(jì)尤為重要，專用機(jī)床上的夾具是專為零件的某一工序的加工而設(shè)計(jì)和制造，注重零件的形狀、尺寸和特點(diǎn)，具有針對性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)緊湊、適合大批量生產(chǎn)等特點(diǎn)[3]。21世紀(jì)初，國內(nèi)外在夾具設(shè)計(jì)方面研究了應(yīng)用遺傳算法和有限元方法優(yōu)化夾具布局和夾緊力等，雖然目前的夾具設(shè)計(jì)均實(shí)現(xiàn)了虛擬裝配，但仍無法對夾具機(jī)構(gòu)進(jìn)行定位精度、夾緊穩(wěn)定性、工件變形等性能進(jìn)行估算評價(jià)[4]。因此，夾具機(jī)構(gòu)的有限元分析和運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真對于夾具機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有重要意義。筆者設(shè)計(jì)的夾具機(jī)構(gòu)是汽車實(shí)木扶手正面加工專用機(jī)床的夾緊機(jī)構(gòu)，用于定位夾緊汽車實(shí)木扶手工件，便于機(jī)床刀具對汽車實(shí)木扶手工件的上表面進(jìn)行加工，該研究能夠促進(jìn)汽車實(shí)木扶手批量化生產(chǎn)的實(shí)現(xiàn)，降低汽車實(shí)木扶手的造價(jià)，提高生產(chǎn)效率。

1 夾具機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與工作原理

1.1 夾具機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原則

1）保證工件的定位準(zhǔn)確。加工前，確保工件相對于機(jī)床和刀具的位置準(zhǔn)確，減少誤差；加工過程中，確保工件在切削力等外力的作用下，不發(fā)生位置變化[5]。

2）減少工件產(chǎn)生的形變和表面損傷。木材相對于金屬、合成材料等硬度較低，易產(chǎn)生形變或造成損傷，夾具的設(shè)計(jì)應(yīng)確保工件在裝夾過程中不受到損壞，影響表面質(zhì)量。

3）具有足夠的穩(wěn)定性和可靠性。夾具應(yīng)該具有一定的強(qiáng)度和剛度，保證工件在加工過程中的安全性。

4）具有良好的結(jié)構(gòu)工藝性。夾具的設(shè)計(jì)應(yīng)盡量結(jié)構(gòu)簡單，方便裝夾和除塵，便于維護(hù)和修理，并降低制造成本[6]。

1.2 汽車實(shí)木扶手工件的定位

為方便區(qū)分汽車實(shí)木扶手的各表面，定義扶手與手臂接觸的曲面為汽車實(shí)木扶手的正面，與正面相對的面為反面。筆者設(shè)計(jì)的夾具應(yīng)用于汽車實(shí)木扶手正面加工專用機(jī)床，該機(jī)床是汽車實(shí)木扶手生產(chǎn)線上的其中一臺機(jī)床，在汽車實(shí)木扶手工件進(jìn)入該機(jī)床加工前，已經(jīng)完成了對工件反面的加工，因此將工件反面作為夾具裝夾的定位基準(zhǔn)面。汽車實(shí)木扶手實(shí)物如圖1所示，工件正面如圖2所示。

圖1 汽車實(shí)木扶手實(shí)物圖Fig.1 Real picture of solid wood car armrest

圖2 汽車實(shí)木扶手工件正面圖Fig.2 Front view of solid wood car armrest workpiece

1.3 夾具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)汽車實(shí)木扶手正面的加工要求以及專用機(jī)床的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)專用機(jī)床的夾具機(jī)構(gòu)。汽車實(shí)木扶手正面加工專用機(jī)床的夾具主要由夾具底座、側(cè)面定位板、底面定位板、側(cè)面夾板、導(dǎo)向桿支撐板、氣缸支撐板、氣缸、導(dǎo)向桿、彈簧、端面定位板、定位銷等組成，如圖3所示。

夾具機(jī)構(gòu)的具體結(jié)構(gòu)為：氣缸通過氣缸支撐座固定在夾具底座上，并通過氣缸的連接接頭與側(cè)面夾板相連；導(dǎo)向桿固定在導(dǎo)向桿支撐板和相近的底面定位板上，側(cè)面夾板位于導(dǎo)向桿支撐板和底面定位板之間，并通過板孔套固定在導(dǎo)向桿上；導(dǎo)向桿上套有彈簧，位于側(cè)面夾板及其鄰近的底面定位板之間；兩個(gè)底面定位板位于側(cè)面定位板和側(cè)面夾板之間，且底面定位板的頂端有橡膠支撐墊；側(cè)面定位板焊接在夾具底座上，其外側(cè)焊有筋板增加側(cè)面定位板的強(qiáng)度；端面定位板固定在夾具底座的端部，定位銷位于端面定位板上部。筆者設(shè)計(jì)的夾具機(jī)構(gòu)尺寸為570 mm×570 mm×175 mm。

圖3 夾具結(jié)構(gòu)簡圖Fig.3 Structural diagram of fixture

1.4 夾具的工作原理

加工過程中，將工件正面向上置于兩個(gè)底面定位板上方，使工件的側(cè)面和端面分別與夾具的側(cè)面定位板和端面定位板上的定位銷靠緊。底面定位板頂端有橡膠支撐墊，能夠起到增加摩擦力、方便對工件定位和固定的作用，并且能夠防止在加工過程中由于切削力在垂直方向上的分力對工件反面的損傷。

工作時(shí)，氣缸通過連接接頭與側(cè)面夾板連接，推動(dòng)側(cè)面夾板沿導(dǎo)向桿向前運(yùn)動(dòng)，直至夾緊工件，氣缸的行程為10 mm。待工件正面加工完畢，氣缸松開并在彈簧的輔助作用下復(fù)位，等待下一次夾緊工件。筆者設(shè)計(jì)的夾緊機(jī)構(gòu)，在每臺汽車實(shí)木扶手正面加工專用機(jī)床上設(shè)有兩套夾具，工作時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)對兩個(gè)工件的同時(shí)夾緊與松開，能夠縮短裝夾時(shí)間，進(jìn)而提高專用機(jī)床的工作效率。

2 夾具機(jī)構(gòu)夾緊力計(jì)算分析

汽車實(shí)木扶手毛坯尺寸為550 mm×148 mm×35 mm，根據(jù)工藝要求，切削的平均深度為5 mm，專用機(jī)床的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

汽車實(shí)木扶手正面加工專用機(jī)床刀具主軸的切削速度v為：

式中：D——刀具直徑，mm；

n——刀具轉(zhuǎn)速，r/min。

每齒進(jìn)給量uz為：

式中：u——刀具進(jìn)給速度，m/s；

z——刀齒個(gè)數(shù)；

n——刀具主軸轉(zhuǎn)速，r/min。

由于加工過程中平均切削的厚度e=5 mm≥0.1 mm，刀具的單位切削力K為：

式中：aw——木材含水率修正系數(shù)；

q——主切削力與切屑厚度曲線的斜率；

aq——q的刀具銳利程度修正系數(shù)；

H——主切削力與切屑厚度曲線的截距；

ah——H的刀具銳利程度修正系數(shù)；

θp——平均運(yùn)動(dòng)遇角，°；

hx——切削深度，mm。

當(dāng)木材含水率取15%時(shí)：aw=1.0，q=3.7，aq=1.0，H=0.8，ah=1.0。將以上參數(shù)及式（4）的計(jì)算結(jié)果代入式（3）計(jì)算可得，K=356.192 7 MPa。那么，刀具的平均切削力Fx為：

式中：b——切削寬度，mm。

為了保證工件在加工過程中不產(chǎn)生滑動(dòng)，夾具與工件間的靜摩擦力必須大于切削力在水平方向上的分力。計(jì)算過程中，切削力在水平方向上的分力可以近似等于切削力，即夾具與工件間的靜摩擦力必須大于切削力。夾具與工件間的靜摩擦力主要是由夾緊力提供。

式中：f——夾緊力提供的靜摩擦力，N；

F0——夾具的理論夾緊力，N；

μ——夾具與工件間的摩擦系數(shù)。

夾具的側(cè)面夾板和側(cè)面定位板的材料是Q235A級鋼，則夾具與工件間的摩擦系數(shù)取μ=0.3。經(jīng)計(jì)算可知，夾具的理論夾緊力為：F0=485.87 N。夾具的實(shí)際夾緊力必須要大于理論夾緊力，夾具的實(shí)際夾緊力F為：

式中：a——安全系數(shù)。

安全系數(shù)取a=2.0，則夾具的實(shí)際夾緊力F=971.74 N。

3 基于ANSYS Workbench的靜力學(xué)分析

應(yīng)用SolidWorks軟件能夠方便快捷地按照設(shè)計(jì)尺寸建立三維模型，夾具機(jī)構(gòu)的三維模型效果如圖4所示[7]。為了提高軟件的運(yùn)算效率，對SolidWorks建立的三維模型去除氣缸和部分標(biāo)準(zhǔn)件后，將簡化的三維模型存儲為Parasolid格式，導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件中，對材料屬性進(jìn)行定義，各參數(shù)如表2所示。然后對三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將網(wǎng)格大小設(shè)置為10 mm，三維模型共劃分得到40 895個(gè)單元和103 530個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖5 所示[8-10]。

圖4 夾具機(jī)構(gòu)SolidWorks三維模型Fig.4 3D models of fixture with SolidWorks

圖5 有限元網(wǎng)格劃分模型Fig.5 The finite element mesh model

表2 夾具材料特性

對三維模型添加約束和力，為了便于計(jì)算，忽略工件自身質(zhì)量對夾具的影響。在夾具底座底面添加固定約束，并根據(jù)對夾具機(jī)構(gòu)在加工過程中所受力的分析，分別在氣缸連接頭處添加夾緊力、側(cè)面定位板和側(cè)面夾板處添加夾緊力的反作用力、端面定位板上的定位銷處添加切削力，約束和力的添加情況如圖6所示。

圖6 力和約束添加效果圖Fig.6 The design sketch of adding load and constraint

通過ANSYS Workbench軟件對夾具機(jī)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析，計(jì)算夾具機(jī)構(gòu)在加工過程中受到的應(yīng)力情況和位移情況。如圖7的應(yīng)力云圖所示，可以知道夾具機(jī)構(gòu)的端面定位板和側(cè)面夾板與氣缸接頭的連接處所受的應(yīng)力較為集中，最大應(yīng)力值為12.921 MPa。如圖8的位移云圖所示，夾具機(jī)構(gòu)的端面定位板在加工過程中的形變較為嚴(yán)重，最大位移量為0.028 786 mm，這里最大位移是假設(shè)出現(xiàn)夾具的氣缸失效不能提供夾緊力，切削力全部加載于定位銷上的特殊情況,正常工作情況下，氣缸提供的夾緊力大于夾緊工件所需的夾緊力，端面定位板不會產(chǎn)生形變。夾具機(jī)構(gòu)的主體材料選用Q235A級鋼，因此夾具機(jī)構(gòu)所受的最大等效應(yīng)力和產(chǎn)生的最大位移量均小于材料的極限值，計(jì)算結(jié)果表明夾具機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

圖7 夾具機(jī)構(gòu)應(yīng)力云圖Fig.7 The stress nephogram of fixture

圖8 夾具機(jī)構(gòu)位移云圖Fig.8 The displacement nephogram of fixture

4 基于ADAMS的仿真分析

將SolidWorks軟件建立的三維模型簡化后導(dǎo)入Adams軟件中，對三維模型添加約束和力[11,12]。在夾具底板和地面之間添加固定鉸，在導(dǎo)桿和與其相連的底面定位板以及導(dǎo)向桿支撐板之間添加固定鉸，在側(cè)面夾板和導(dǎo)向桿之間添加滑動(dòng)副，然后在側(cè)面夾板和與其鄰近的底面定位板之間添加彈簧，最后在側(cè)面夾板處添加力，其大小等于夾緊力。約束和力的添加情況如圖9所示。全部添加完畢后，對三維模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，設(shè)置時(shí)間為0.015 s，步長為300 mm，測量彈簧的受力情況，如圖10所示。由于所得到的彈簧受力曲線光滑，表明側(cè)面夾板在氣缸推動(dòng)側(cè)面夾板夾緊工件的夾緊過程中活動(dòng)平穩(wěn)，不會發(fā)生停滯和卡死現(xiàn)象。

圖9 約束和力添加效果圖Fig.9 The design sketch of adding constraint and load

圖10 彈簧受力情況圖Fig.10 The spring force diagram

5 結(jié)論

1）針對汽車實(shí)木扶手正面加工工藝，設(shè)計(jì)了汽車實(shí)木扶手正面加工專用機(jī)床夾具機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)，并對夾具機(jī)構(gòu)在加工過程中所受的切削力和夾緊力進(jìn)行計(jì)算。

2）對夾具機(jī)構(gòu)進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析，得到夾具機(jī)構(gòu)在工作過程中的應(yīng)力云圖和位移云圖，并且最大等效應(yīng)力和最大位移量均在材料的允許范圍之內(nèi)，說明夾具機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度均能滿足要求，同時(shí)也為夾具機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的改進(jìn)提供依據(jù)。

3）對夾具機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，表明夾具機(jī)構(gòu)在夾緊過程中不會發(fā)生卡死現(xiàn)象，能夠滿足工作要求，此方案合理。

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