一種調(diào)整保壓治具的研發(fā)設(shè)計(jì)

朱德山,孫　亞,吳天水

(蘇州富強(qiáng)科技，江蘇　蘇州　215010)

0　引言

隨著工業(yè)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，德國(guó)已經(jīng)進(jìn)入了工業(yè)4.0，而我國(guó)也在2015年發(fā)布了關(guān)于“中國(guó)制造2025”的相關(guān)文件，提出大力發(fā)展智能制造。自動(dòng)化行業(yè)極大地推進(jìn)了“中國(guó)制造2025”的進(jìn)程。治具是自動(dòng)化設(shè)備中的核心部分，其設(shè)計(jì)的合理性決定了工藝的質(zhì)量。治具包含工裝治具、檢測(cè)治具兩種，前者是為了方便加工、滿足精度要求而設(shè)計(jì)的，一般用于機(jī)加工、焊接、裝配等工藝；后者用于檢測(cè)，由于某些機(jī)構(gòu)形狀復(fù)雜，尺寸難以測(cè)量，只能設(shè)計(jì)專門的治具。本文基于國(guó)家項(xiàng)目某生產(chǎn)流水線的需求，設(shè)計(jì)了一種調(diào)整保壓治具，介紹了其機(jī)構(gòu)和工作流程，最后用ANSYS軟件對(duì)調(diào)整塊進(jìn)行了有限元分析，校核其剛度和強(qiáng)度，以確保整個(gè)治具的合理可靠。

1　保壓調(diào)整治具的結(jié)構(gòu)

本文針對(duì)于某流水線生產(chǎn)需求，設(shè)計(jì)了一款操作簡(jiǎn)便快捷、調(diào)整效果良好的保壓治具。利用數(shù)字化建模軟件SolidWorks建立其3D模型，如圖1所示。其主要包含門鎖聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)和保壓機(jī)構(gòu)。

1.1　門鎖聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)

門鎖聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)包含門開(kāi)合機(jī)構(gòu)和連桿聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

門開(kāi)合機(jī)構(gòu)主要包含門、本體、門鉸和卡扣，如圖2所示。當(dāng)產(chǎn)品放入腔體，通過(guò)一個(gè)仿型的卡扣將門鎖上，門和型腔內(nèi)貼有1 mm的硅膠，其目的是為了緩沖和保護(hù)產(chǎn)品不受刮傷?？鄣谋趁嫜b有一個(gè)彈簧，輕輕一按即可解鎖。

連桿聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)包含推塊1、桿1、連桿、桿2和推塊2，如圖3所示。當(dāng)門關(guān)合時(shí)，門鉸截面是一個(gè)扇形，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)通過(guò)滾輪與推塊1形成線面接觸，推塊1向左壓住產(chǎn)品。推塊1向左移動(dòng)的同時(shí)也帶動(dòng)桿1向左平移；向左移動(dòng)的桿1通過(guò)連桿傳動(dòng)將桿2向上拉動(dòng)，從而帶動(dòng)推塊2向上壓住產(chǎn)品。通過(guò)推塊1向左的力、推塊2向上的力和門關(guān)合的壓力限制了產(chǎn)品X、Y、Z三個(gè)方向的移動(dòng)自由度，即可將產(chǎn)品鎖在腔體內(nèi)。整個(gè)平移部分要求配合公差為0.01 mm～0.02 mm，對(duì)桿和槽的加工精度要求較高，這樣才能保證桿在槽里順暢地移動(dòng)，不發(fā)生卡死或松動(dòng)的現(xiàn)象。

圖1保壓治具3D模型圖2門開(kāi)合機(jī)構(gòu)

圖3　連桿聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)

整個(gè)門鎖聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)只需合上門，即可實(shí)現(xiàn)鎖門、鎖死產(chǎn)品的功能，簡(jiǎn)化了操作動(dòng)作，提高了生產(chǎn)效率。

1.2　保壓機(jī)構(gòu)

保壓機(jī)構(gòu)包含彈簧套筒、壓頭、調(diào)整塊、推桿、滾輪等，如圖4所示，具有預(yù)壓和保壓功能。

整個(gè)預(yù)壓和保壓過(guò)程見(jiàn)圖5，通過(guò)一個(gè)帶有兩段弧線的推桿來(lái)實(shí)現(xiàn)：①當(dāng)推桿處于最右邊位置時(shí)，壓頭在彈簧的彈力作用下和調(diào)整塊分離，此時(shí)彈簧的壓力等于壓頭的重力；②當(dāng)推桿往左運(yùn)行到第二段弧線位置時(shí)，滾輪向下運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)壓頭向下移動(dòng)，彈簧套筒壓住調(diào)整塊，由于套筒內(nèi)裝有彈簧，調(diào)整塊沒(méi)有完全壓死，此時(shí)治具處于預(yù)壓階段，調(diào)整塊可以在夾頭的夾持力下進(jìn)行X向、Y向平移和繞Z軸的旋轉(zhuǎn)，將調(diào)整塊調(diào)到標(biāo)準(zhǔn)位置(該流程需要夾頭和CCD來(lái)實(shí)現(xiàn))；③待位置調(diào)整好后，推桿繼續(xù)往左運(yùn)動(dòng)，壓頭也繼續(xù)往下運(yùn)動(dòng)，彈簧受力壓縮，直到壓頭和調(diào)整塊完全接觸，調(diào)整塊完全壓死，自由度為0，此時(shí)處于保壓階段。整個(gè)動(dòng)作流程完整連貫、可靠便捷。

圖4　保壓機(jī)構(gòu)

圖5　整個(gè)預(yù)壓和保壓過(guò)程

2　調(diào)整壓頭的有限元分析

調(diào)整保壓治具主要靠調(diào)整塊來(lái)調(diào)整產(chǎn)品，調(diào)整塊壓頭較細(xì)且受到產(chǎn)品對(duì)其10 N的壓力，所以需要對(duì)調(diào)整壓頭進(jìn)行靜力學(xué)分析，以校核其剛度和強(qiáng)度是否滿足要求。

調(diào)整塊壓頭的材料為Q235，其力學(xué)性能見(jiàn)表1。對(duì)調(diào)整塊壓頭建立實(shí)體模型，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分得到有限元模型，網(wǎng)格大小1 mm，共劃分得到195 195個(gè)節(jié)點(diǎn)、132 204個(gè)單元，平均網(wǎng)格質(zhì)量為0.9，這說(shuō)明網(wǎng)格質(zhì)量?jī)?yōu)良。最后在兩端施加固定約束和負(fù)載F，如圖6所示。

表1　Q235鋼力學(xué)性能

對(duì)模型進(jìn)行有限元分析后，得到總變形和應(yīng)力云圖，如圖7和圖8所示。由圖7可知，最大變形量發(fā)生在調(diào)整塊插頭的肩部，最大變形量為0.002 mm,檢測(cè)機(jī)要求測(cè)量精度為0.02 mm,故插頭的形變量能夠滿足剛度要求。由圖8可知，最大等效應(yīng)力為55.87 MPa,小于材料的屈服強(qiáng)度，故可滿足強(qiáng)度要求。

圖6添加約束和載荷圖7調(diào)整塊變形云圖

圖8　調(diào)整塊等效應(yīng)力云圖

3　結(jié)束語(yǔ)

該保壓治具設(shè)計(jì)合理可靠，通過(guò)多次試驗(yàn)測(cè)試，現(xiàn)在已經(jīng)運(yùn)用到實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，大大地提高了生產(chǎn)效率，降低了企業(yè)成本。用ANSYS有限元對(duì)調(diào)整塊的分析結(jié)果顯示，最大變形量發(fā)生在調(diào)整塊尖頭的肩部，變形量為0.002 mm,最大等效應(yīng)力為55.87 MPa,滿足強(qiáng)度和剛度要求。

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