基于多件裝夾方法的數(shù)控夾具設(shè)計(jì)研究

楊 磊，張國(guó)政

(安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241002)

面向當(dāng)前制造裝備制造業(yè)發(fā)展，絕大多數(shù)生產(chǎn)型企業(yè)都普遍使用數(shù)控機(jī)床，數(shù)控加工是一種柔性好、功能強(qiáng)且適用于單件小批量生產(chǎn)的加工方式。在大規(guī)模批量加工的情況下，為充分發(fā)揮數(shù)控機(jī)床的性能，采用多件裝夾設(shè)計(jì)方法研制的數(shù)控夾具裝置，可提高數(shù)控機(jī)床的加工效率。研究人員根據(jù)加工中心機(jī)床的類型及實(shí)際應(yīng)用現(xiàn)狀和加工中心工序集中對(duì)夾具設(shè)計(jì)的要求，給出加工中心夾具設(shè)計(jì)的基本流程；通過(guò)分析加工中心夾具應(yīng)滿足多件裝夾、多工位與多工序裝夾的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，分別提出采用一體多件裝夾夾具設(shè)計(jì)方法和多工位旋轉(zhuǎn)定位夾具設(shè)計(jì)方法，并給出了企業(yè)相關(guān)夾具的設(shè)計(jì)實(shí)例。[1]利于多件裝夾設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的一體多件裝夾夾具和多工位旋轉(zhuǎn)夾具，在一定程度上解決了數(shù)控加工工序集中對(duì)夾具柔性化要求。[2-6]以被裝夾工件為對(duì)象進(jìn)行有限元分析，觀察工件上夾緊要素是否合適，若不考慮定位誤差的影響，其裝夾變形量可控制在其工序公差的(1/3～1/5)。[7]若考慮整個(gè)裝夾布局的合理性，在有限元分析基礎(chǔ)上，結(jié)合計(jì)算機(jī)相關(guān)智能算法可進(jìn)一步優(yōu)化裝夾布局。史冊(cè)等[8]運(yùn)用ANSYS進(jìn)行建模并與遺傳算法進(jìn)行接口的操作，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法選擇更好的遺傳算法參數(shù)，多種方法融合進(jìn)行裝夾優(yōu)化。

以上文獻(xiàn)均分析了裝夾設(shè)計(jì)及優(yōu)化，但未考慮采用多件裝夾設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)數(shù)控夾具的情況。當(dāng)夾緊力為水平方向作用夾緊時(shí)，可導(dǎo)致夾具體結(jié)構(gòu)因應(yīng)力集中而變形，進(jìn)而影響工件裝夾精度，若工件加工精度要求高時(shí)會(huì)影響零件關(guān)鍵工序精度。為此，本文采用三維有限元方法，分析幾種拉桿式夾具體結(jié)構(gòu)，并提出對(duì)稱式夾具結(jié)構(gòu)來(lái)解決此類問(wèn)題。

1 有關(guān)多件裝夾方法及問(wèn)題

1.1 多件裝夾設(shè)計(jì)方法

多件裝夾設(shè)計(jì)方法應(yīng)用在數(shù)控夾具設(shè)計(jì)中主要是滿足數(shù)控加工中心機(jī)床工序集中的要求。周太平等[9]設(shè)計(jì)了一種可以一次性裝夾6個(gè)和8個(gè)工件的數(shù)控加工中心夾具裝置。張國(guó)政等[1]根據(jù)此夾具裝置分析，提出了多件裝夾設(shè)計(jì)方法要點(diǎn)，并針對(duì)三軸聯(lián)動(dòng)、四軸聯(lián)動(dòng)等分別給出了一體多件裝夾和多工序、多工位旋轉(zhuǎn)裝夾等設(shè)計(jì)要點(diǎn)，這些要點(diǎn)成為多件裝夾設(shè)計(jì)方法研制數(shù)控夾具所參考的基本原則，在生產(chǎn)實(shí)際和工程實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用。為此，多件裝夾設(shè)計(jì)方法就是設(shè)計(jì)的數(shù)控夾具可以裝夾多個(gè)工件進(jìn)而滿足一道或多道加工工序的方法。為了進(jìn)一步闡明多件裝夾設(shè)計(jì)方法，以下通過(guò)一個(gè)實(shí)例來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明。如圖1所示的某軸承套件，針對(duì)該件圓柱表面徑向孔?13鉆、鉸工序的裝夾問(wèn)題，在文獻(xiàn)[10]中，比較分析了三種類型裝夾方案，并通過(guò)三維有限元方法對(duì)被裝夾工件進(jìn)行分析，得出徑向夾緊力方向可降低工件夾緊變形而導(dǎo)致的裝夾誤差，以V型塊定位取代了傳統(tǒng)芯軸定位，并在此基礎(chǔ)上運(yùn)用多件裝夾方法設(shè)計(jì)了多件裝夾夾具裝置，如圖2所示：

圖1 某軸承套件工程圖

圖2中，傳統(tǒng)單件裝夾的夾具裝置是典型的鉆夾具，該夾具可安裝在普通鉆床，如立式鉆床、搖臂式鉆床等，由工人操作鉆床完成相應(yīng)工序的加工工作，該方式勞動(dòng)強(qiáng)度大，且生產(chǎn)效率低。采用多件裝夾設(shè)計(jì)方法，將傳統(tǒng)單件裝夾改進(jìn)為多件裝夾數(shù)控夾具，可以滿足數(shù)控機(jī)床多工序集中加工要求，單件裝夾可以設(shè)計(jì)成兩件甚至更多件裝夾，數(shù)控機(jī)床可以按程序自動(dòng)完成鉆、鉸等多工位、多工序的加工。

圖2 多件裝夾設(shè)計(jì)示意圖

1.2 夾具體應(yīng)力集中變形問(wèn)題

多件裝夾夾具的設(shè)計(jì)方法能夠提高實(shí)際生產(chǎn)效率，但多件裝夾的夾具體結(jié)構(gòu)變形問(wèn)題常不被重視，如圖2所示的水平夾緊力方向所導(dǎo)致夾具體支撐板部分變形，通過(guò)在夾具體支撐板后背設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋，增強(qiáng)夾具體支撐板的強(qiáng)度，可降低因夾具體支撐板變形而導(dǎo)致的裝夾誤差，從而保證所裝夾工件的精度。在傳統(tǒng)夾具體設(shè)計(jì)中，夾具體是以灰鑄鐵材料通過(guò)鑄造方式為主，加強(qiáng)筋也是夾具體零件的一部分，夾具體作為一個(gè)重要零件，其結(jié)構(gòu)、形狀、尺寸及精度等特征屬性是無(wú)法更改的，如果裝夾工件不處于加工狀態(tài)，那么夾具體就不能夠重復(fù)使用到其他夾具裝置中，造成一定的浪費(fèi)。在現(xiàn)代數(shù)控夾具設(shè)計(jì)中，為了考慮夾具可重構(gòu)性，夾具體不適合采用鑄造結(jié)構(gòu)，而盡量采用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，如常見(jiàn)的45#鋼，這些材料表面熱處理后，其硬度和耐磨性提高很多，適用于組合夾具的各個(gè)功能元件，可以根據(jù)裝夾工藝要求進(jìn)行拆卸、保存及重復(fù)使用，這是現(xiàn)代數(shù)控夾具設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)。夾具體作為非標(biāo)準(zhǔn)零部件，不能看成是一個(gè)整體，應(yīng)該由可拆卸的支撐板、加強(qiáng)筋、底板等部分零件裝配而成，采用專門安裝的加強(qiáng)筋不利于增加支撐板處的強(qiáng)度，且安裝不方便。

2 基于多件裝夾方法的數(shù)控夾具設(shè)計(jì)

2.1 拉桿式多件裝夾夾具

拉桿的作用與加強(qiáng)筋的作用理論上是一樣的，但在夾具體上安裝時(shí)比設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋要方便得多，但拉桿設(shè)計(jì)的根數(shù)對(duì)夾具體結(jié)構(gòu)變形影響較大。以下將從2件裝夾夾具和6件裝夾夾具裝置進(jìn)行比較分析，通過(guò)ANSYS軟件分析其應(yīng)力應(yīng)變情況，進(jìn)而闡明拉桿設(shè)計(jì)個(gè)數(shù)的特征和重要性。

技術(shù)人員在其基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了2根拉桿，拉桿和夾具體材料都選用45#鋼，夾具裝置的2處設(shè)置安裝部位給定同樣的夾緊力后(其每處施加的夾緊力大小為1760 N)，用ANSYS軟件分析其應(yīng)力應(yīng)變情況，如圖3所示，其最大應(yīng)力值為11.8994 MPa，主要集中在夾具體支撐板和夾具體底座之間的連接處。采用以上同樣大小作用的夾緊力后，通過(guò)對(duì)增設(shè)2個(gè)拉桿后的夾具體結(jié)構(gòu)件進(jìn)行有限元分析，其最大應(yīng)力值為9.468 MPa，如圖4所示。為此，當(dāng)裝夾2個(gè)工件的夾緊裝置采用2根拉桿可以有效降低夾具體支撐板的應(yīng)力應(yīng)變，從而提高夾具體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛性，降低夾具體變形而導(dǎo)致的裝夾誤差，這與夾具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋的作用相同。

圖3 裝夾2件夾具體結(jié)構(gòu)有限元分析

圖4 設(shè)置2根拉桿式的2件裝夾夾具體結(jié)構(gòu)有限元分析

在多件裝夾中，如果裝夾工件數(shù)量是2個(gè)以上時(shí)還通過(guò)2根拉桿是否也能有效降低夾具體結(jié)構(gòu)應(yīng)力大小，這是工程實(shí)踐中還沒(méi)有具體分析的問(wèn)題。為此，以裝夾6個(gè)工件的夾具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，夾具裝置上6處的夾緊力大小及夾具體材料等條件與裝夾2件時(shí)相同，通過(guò)三維有限元方法分別對(duì)不設(shè)置拉桿、設(shè)置2根拉桿及設(shè)置3根拉桿進(jìn)行分析比較。

不設(shè)置拉桿時(shí)的最大應(yīng)力值為20.9531 MPa，其最大應(yīng)力發(fā)生在夾具體支撐板與夾具體底座之間連接處；設(shè)置2根拉桿時(shí)的最大應(yīng)力值為21.1507 MPa，其最大應(yīng)力還是發(fā)生在夾具體支撐板與夾具體底座之間連接處，這充分說(shuō)明所設(shè)置的2根拉桿沒(méi)有起到降低夾具體支撐板承受力的作用，反而導(dǎo)致了夾具體支撐板與夾具體底座之間連接處應(yīng)力更加集中；設(shè)置3根拉桿時(shí)的最大應(yīng)力值為23.5184 MPa，但其最大應(yīng)力由設(shè)置的中間拉桿所承受，而夾具體支撐板與夾具體底座之間連接處的最大應(yīng)力不超過(guò)15.6804 MPa，這說(shuō)明增加了拉桿數(shù)量導(dǎo)致了夾具體承受力更大，但主要應(yīng)力集中在中間拉桿上，而夾具體支撐板的整體承受力在減小。以此類推，多件裝夾工件的個(gè)數(shù)越多，設(shè)置的拉桿數(shù)也要增加，進(jìn)而可提高夾具體結(jié)構(gòu)整體剛性。

2.2 對(duì)稱式多件裝夾夾具

以上分析了拉桿式多件裝夾夾具的夾具體結(jié)構(gòu)應(yīng)力問(wèn)題，但隨著裝夾工件的數(shù)量增加，所要設(shè)置的拉桿數(shù)量也要相應(yīng)增加，而設(shè)置在中間的拉桿必然會(huì)干涉刀具的運(yùn)行，若裝夾的工件較大時(shí)，必然會(huì)增加夾具體的整體尺寸，反而不如設(shè)置加強(qiáng)筋的夾具體結(jié)構(gòu)緊湊，這也不符合數(shù)控夾具的設(shè)計(jì)要求。為此，本文提出一種對(duì)稱式多件裝夾夾具，可避免采用拉桿及加強(qiáng)筋，可有效提高夾具體整體剛性。如圖5所示的一種對(duì)稱式多件裝夾夾具裝置，該裝置在其夾具體支撐板兩側(cè)對(duì)稱設(shè)計(jì)所要裝夾定位的工件，對(duì)稱裝夾的工件其夾緊力作用在夾具體支撐板兩側(cè)，利用其受力的作用力和反作用力原理，使得夾具體支撐板受力平衡，夾具體整體受力大小因相互抵消為零，對(duì)稱式多件裝夾夾具裝置為批量生產(chǎn)的精密工件的數(shù)控加工提供了良好的方案，同時(shí)配備氣動(dòng)或液壓夾緊可有效控制夾緊力平衡，提高裝夾效率。

圖5 對(duì)稱式多件裝夾夾具示例

3 結(jié)論

多件裝夾夾具是現(xiàn)代數(shù)控夾具設(shè)計(jì)的典型裝置，它能有效解決大規(guī)模定制批量生產(chǎn)時(shí)工件裝夾問(wèn)題，在多件裝夾過(guò)程中充分發(fā)揮數(shù)控機(jī)床的加工能力，從而提高工件數(shù)控加工的生產(chǎn)效率。為了提高多件裝夾夾具的可重構(gòu)性，改變傳統(tǒng)鑄造式夾具體結(jié)構(gòu)，采用拉桿替代鑄造的加強(qiáng)筋，在水平方向夾緊力作用下的夾具體結(jié)構(gòu)應(yīng)力變形問(wèn)題，具有以下幾方面情況：

(1)在裝夾2個(gè)工件時(shí)，設(shè)置2根拉桿的夾具體結(jié)構(gòu)可降低其應(yīng)力，拉桿與夾具體上鑄造的加強(qiáng)筋效果相同。

(2)在裝夾2個(gè)以上工件時(shí)，設(shè)置2根拉桿的夾具體結(jié)構(gòu)會(huì)增加夾具體支撐板與夾具體底座之間連接處應(yīng)力，需通過(guò)在其中間部位設(shè)置第3根拉桿可有效降低夾具體結(jié)構(gòu)應(yīng)力。

(3)采用對(duì)稱式夾具體結(jié)構(gòu)可有效解決水平方向夾緊力導(dǎo)致的應(yīng)力集中變形，使得夾具體結(jié)構(gòu)緊湊，提升了多件裝夾后的生產(chǎn)效率，為企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)提供可借鑒的設(shè)計(jì)方案。