基于3D打印技術(shù)的多向調(diào)節(jié)夾具的設(shè)計(jì)及其仿真分析

楊志鋒 林金忠 莊學(xué)文

基于3D打印技術(shù)的多向調(diào)節(jié)夾具的設(shè)計(jì)及其仿真分析

楊志鋒 林金忠 莊學(xué)文

（莆田學(xué)院 工程實(shí)訓(xùn)中心，福建 莆田 351100）

多向調(diào)節(jié)夾具是一種能夠快速準(zhǔn)確定位、提高作業(yè)效率的夾具。針對(duì)目前工件多面復(fù)合銑削的實(shí)際需要，設(shè)計(jì)了一款可以多向調(diào)節(jié)的夾具，介紹了這一夾具的整體結(jié)構(gòu)和工作原理，對(duì)其兩個(gè)極限位置進(jìn)行了有限元分析，驗(yàn)證受力分布的合理性，并通過3D打印技術(shù)驗(yàn)證其裝配性和轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)性能。通過有限元分析，得到夾具的兩個(gè)極限位置的最大變形量分別為0.004 mm和0.003 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。3D打印模型驗(yàn)證了夾具裝配可靠，運(yùn)動(dòng)部件之間沒有干涉，可以實(shí)現(xiàn)快捷多向調(diào)節(jié)定位、自動(dòng)定心功能。

多向調(diào)節(jié)；自動(dòng)定心；3D打印

隨著加工工藝的不斷進(jìn)步，人們對(duì)專用夾具的要求也越來越高[1]。傳統(tǒng)的夾具由于自身的結(jié)構(gòu)限制，一般只具有夾緊功能，無法自動(dòng)定心，也無法進(jìn)行多角度調(diào)節(jié)。當(dāng)加工零件有多角度加工需求時(shí)，每完成一個(gè)表面的加工，都需要重新調(diào)整加工表面，再次對(duì)刀夾緊，無法保證重復(fù)精度，在反復(fù)的操作中可能導(dǎo)致零件加工錯(cuò)誤或者達(dá)不到加工要求，會(huì)耗費(fèi)較多的加工時(shí)間和資源，效率低下，無法滿足經(jīng)濟(jì)性的要求。目前，如何進(jìn)行快速夾具設(shè)計(jì)并保證夾具有效可靠是研究人員一直研究的方向，李斌等[2]混合運(yùn)用SolidWorks軟件里的建模、裝配、干涉檢查、有限元分析設(shè)計(jì)模塊設(shè)計(jì)了一款專用機(jī)床夾具，有效縮短了設(shè)計(jì)周期。王丹等[3]在保證夾具功能的基礎(chǔ)上，提出一種簡(jiǎn)化的提升設(shè)計(jì)效率的夾具設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)。

有限元仿真技術(shù)和3D打印技術(shù)都是能有效縮短設(shè)計(jì)時(shí)間的技術(shù)，前者偏向于虛擬模型的結(jié)構(gòu)受力分析，后者偏向于實(shí)體模型的結(jié)構(gòu)驗(yàn)證，兩者的結(jié)合使用使得夾具的設(shè)計(jì)周期大大縮短，兩者配合反復(fù)驗(yàn)證優(yōu)化夾具結(jié)構(gòu)，使夾具的受力分布趨于合理，裝配空間適當(dāng)，避免各運(yùn)動(dòng)部件之間干涉[4-5]。

本文提出一種可翻轉(zhuǎn)、自動(dòng)定心夾緊的專用夾具，用于小批量加工鋁合金及代木。首先，利用UG.NX11進(jìn)行三維模型構(gòu)建；其次，利用軟件中的有限元分析模塊對(duì)關(guān)聯(lián)FEM裝配體模型進(jìn)行受力分析；最后，利用3D打印技術(shù)進(jìn)一步進(jìn)行實(shí)體模型驗(yàn)證，結(jié)果顯示多向調(diào)節(jié)夾具變形小，可以進(jìn)行快捷翻轉(zhuǎn)定位、自動(dòng)定心，是一種能夠有效提升經(jīng)濟(jì)性的新型夾具。

1　夾具設(shè)計(jì)方案

多向調(diào)節(jié)夾具的設(shè)計(jì)思路如圖1所示。

圖1　多向調(diào)節(jié)夾具設(shè)計(jì)思路

首先，運(yùn)用UG.NX11建立多向調(diào)節(jié)夾具的各個(gè)組件并約束裝配。其次，導(dǎo)入前后處理模塊進(jìn)行一系列的有限元分析驗(yàn)證，有限元分析結(jié)果不滿足要求則需根據(jù)分析結(jié)果調(diào)整模型的結(jié)構(gòu)，直至符合設(shè)計(jì)變形量要求。最后，通過3D打印實(shí)體模型進(jìn)行驗(yàn)證，若翻轉(zhuǎn)、定心夾緊機(jī)構(gòu)運(yùn)行不良，裝配性差則需要進(jìn)一步修改模型，重新進(jìn)行仿真分析，通過3D打印模型進(jìn)行驗(yàn)證，直至結(jié)構(gòu)合理。在保證設(shè)計(jì)效率的同時(shí)，保證多向調(diào)節(jié)夾具的設(shè)計(jì)可靠性。

1.1 夾具整體結(jié)構(gòu)

利用UG.NX11構(gòu)建多向調(diào)節(jié)夾具的各個(gè)組件，并約束裝配成型，多向調(diào)節(jié)夾具的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由底座、半月齒條、托盤、傳動(dòng)箱、轉(zhuǎn)盤、工作臺(tái)以及相應(yīng)的夾緊與轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，設(shè)計(jì)的時(shí)候需要充分考慮各零部件的可裝配性以及拆裝便利性，避免運(yùn)動(dòng)組件之間互相干涉。

1—平口鉗滑塊；2—雙向絲桿；3—單向絲桿；4—夾板；5—夾塊；6—傘齒輪；7—錐齒輪；8—底座；9—調(diào)節(jié)手輪；10—壓塊；11—凸輪手柄；12—半月齒條；13—托盤；14—轉(zhuǎn)盤；15—工作臺(tái)；16—傳動(dòng)箱；17—蝸桿。

1.2 夾具原理

1.2.1 定心原理

軸的自動(dòng)定心夾緊是由圖2中的“雙向絲桿”“夾塊”配合實(shí)現(xiàn)，通過內(nèi)六角扳手轉(zhuǎn)動(dòng)圖2中“雙向絲桿”可以使圖2中的“夾塊”同步反向移動(dòng)夾緊物料，達(dá)到軸定心夾緊作用。軸的自動(dòng)定心夾緊是通過圖2中的“單向絲桿”“傘齒輪”和“錐齒輪”配合實(shí)現(xiàn)，通過內(nèi)六角扳手調(diào)節(jié)圖2中的“單向絲桿”，帶動(dòng)圖2中的“錐齒輪”從而帶動(dòng)圖2中的“傘齒輪”傳遞到另一個(gè)錐齒輪，使兩根單向絲桿同步轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)圖2中的“平口鉗滑塊”同步移動(dòng)夾緊，實(shí)現(xiàn)軸的自動(dòng)定心夾緊。夾緊之后物塊自動(dòng)放置在中心位置，實(shí)現(xiàn)待加工鋁塊或者代木塊的自動(dòng)定心，保證每次工件裝夾后的工件坐標(biāo)在夾具的中心位置，有利于加工多面零件的時(shí)候減少對(duì)刀次數(shù)。同時(shí)也可保證，旋轉(zhuǎn)夾具的時(shí)候中心位置不變。

1.2.2 翻轉(zhuǎn)原理

多向調(diào)節(jié)夾具分別繞Y軸和Z軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的示意圖如圖3所示。繞軸旋轉(zhuǎn)是通過托盤底部的傳動(dòng)箱中的蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，運(yùn)用內(nèi)六角扳手調(diào)節(jié)蝸桿，帶動(dòng)蝸輪，從而帶動(dòng)與蝸輪相連的轉(zhuǎn)盤進(jìn)行相應(yīng)的角度調(diào)節(jié)。XY平面的翻轉(zhuǎn)是通過調(diào)節(jié)手輪調(diào)節(jié)半月齒條的轉(zhuǎn)動(dòng)，使半月齒條轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)夾具工作臺(tái)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，到達(dá)預(yù)定的角度之后，使用凸輪手柄壓緊壓塊進(jìn)行定位。

圖3　多向調(diào)節(jié)夾具繞Y軸和Z軸旋轉(zhuǎn)示意圖

2　關(guān)鍵零部件有限元分析

本文的有限元分析通過UG11.0里面的裝配體FEM模塊實(shí)現(xiàn)，以該模塊為基礎(chǔ)，簡(jiǎn)化對(duì)分析結(jié)果影響不大的零部件和幾何要素，運(yùn)用NX Nastran求解器分析兩個(gè)不同角度下各個(gè)零部件在不同工況下的變形和應(yīng)力情況[6]。

2.1 分析總體思路及步驟

夾具模型的各個(gè)零部件的材料定義不同，連接方式也不同，采用裝配FEM分析方法，創(chuàng)建裝配夾具FEM模型，賦予每個(gè)組件不同的材料參數(shù)及網(wǎng)格參數(shù)，隨后將各個(gè)組件通過不同類型的仿真對(duì)象連接起來，最后增加約束條件及邊界條件，建立仿真SIM模型進(jìn)行仿真求解。夾具不同狀態(tài)位置設(shè)置獨(dú)立的FEM及SIM模型，方便對(duì)比[6]。

2.2 分析設(shè)定

本文的仿真分析基于鋁合金的銑削力分析進(jìn)行開展，銑削力的設(shè)定參考實(shí)際測(cè)得鋁合金切削時(shí)的切削力，分為3個(gè)不同的銑削力分配方案[7]，列于表1。分別對(duì)簡(jiǎn)化后的夾具模型進(jìn)行靜態(tài)力仿真分析。

表1　不同銑削力方案設(shè)定 單位：N

2.3 分析結(jié)果

靜態(tài)力仿真分析獲得的結(jié)果如圖4和圖5所示，圖4為三種不同載荷方案下獲取的夾具變形位移云圖，顯示各個(gè)零部件的變形情況，圖5為三種不同載荷方案下獲取的夾具應(yīng)力云圖，顯示各個(gè)零部件應(yīng)力分布及應(yīng)力集中的情況。由圖4和圖5可知：隨著載荷的增加，僅有半月齒條支撐的區(qū)域的變形位移（圖中圓圈區(qū)域）逐漸變大，應(yīng)力集中的區(qū)域沒有發(fā)生改變，夾具整體的受力和變形分布比較均勻，沒有存在突變。在最大載荷下（方案C）夾具最大變形量為0.004 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4　三種不同載荷下位移云圖

圖5　三種不同載荷下應(yīng)力云圖

圖6為三種不同載荷方案下夾具的關(guān)鍵零部件半月齒條的位移-節(jié)點(diǎn)圖。

圖6　三種不同載荷下半月齒條位移-節(jié)點(diǎn)圖

圖7為三種不同載荷方案下夾具的關(guān)鍵零部件半月齒條的應(yīng)力-單元圖。由圖6和圖7可知：隨著載荷的增加，半月齒條的變形和應(yīng)力波動(dòng)幅值逐步增加，沒有劇烈的突變，結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，隨著節(jié)點(diǎn)增加的方向位移逐漸增大，應(yīng)力呈現(xiàn)波動(dòng)狀態(tài)，即在半月齒條沒有底座支持的位置變形量較大，在半月齒條中部以及半月齒條與托盤相接觸的位置應(yīng)力集中比較明顯，符合位移云圖和應(yīng)力云圖顯示的狀態(tài)，在后續(xù)的優(yōu)化過程中應(yīng)考慮在應(yīng)力集中的峰值單元位置給予結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，在變形位移最大節(jié)點(diǎn)也應(yīng)給予相應(yīng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

圖7　三種不同載荷下半月齒條應(yīng)力-單元圖

2.4 翻轉(zhuǎn)90°分析結(jié)果

多向調(diào)節(jié)夾具翻轉(zhuǎn)90°后的位移及應(yīng)力分布云圖分別如圖8和圖9所示，由圖8可知：變形最大區(qū)域依舊是僅有半月齒條支撐位置的區(qū)域，在最大載荷下（方案C）夾具最大變形量為0.003 mm。由圖9可知，應(yīng)力集中的區(qū)域由半月齒條轉(zhuǎn)移到托盤與底座接觸的位置。

圖8　翻轉(zhuǎn)90°后三種不同載荷下位移云圖

圖9　翻轉(zhuǎn)90°后三種不同載荷下應(yīng)力云圖

圖10為翻轉(zhuǎn)90°后三種不同載荷方案下夾具的關(guān)鍵零部件半月齒條的位移-節(jié)點(diǎn)圖，圖11為翻轉(zhuǎn)90°后三種不同載荷方案下夾具的關(guān)鍵零部件半月齒條的應(yīng)力-單元圖。由圖10和圖11可知：在翻轉(zhuǎn)90°的情況下，隨著載荷的增加，半月齒條的變形趨勢(shì)沒有較大變化，但是應(yīng)力變化趨勢(shì)發(fā)生較大改變，應(yīng)力峰值主要集中在于底座接觸的頭部區(qū)域，應(yīng)力值較小對(duì)整體結(jié)構(gòu)影響不大。

圖10　翻轉(zhuǎn)90°后三種不同載荷下半月齒條位移-節(jié)點(diǎn)圖

圖11　翻轉(zhuǎn)90°后三種不同載荷下半月齒條應(yīng)力-單元圖

3　3D打印技術(shù)驗(yàn)證

利用SLA激光打印機(jī)對(duì)設(shè)計(jì)的多向調(diào)節(jié)夾具模型進(jìn)行快速成型制作，材料選用光敏樹脂，將所有的零部件導(dǎo)出為STL格式，導(dǎo)出模型時(shí)應(yīng)注意調(diào)整模型的精度及步長(zhǎng)。運(yùn)用專用的切片軟件進(jìn)行支撐加載以及合理位置擺放，防止兜料，避免支撐放置于裝配面，調(diào)整參數(shù)進(jìn)行切片處理后導(dǎo)入設(shè)備進(jìn)行打印。打印過程中，注意觀察打印件是否成型，不成型需要暫停打印并分析原因，如支撐不夠或者零件擺放角度不合理導(dǎo)致的。打印完成后，將成品用鏟刀鏟下來，去除支撐，并采用工業(yè)酒精進(jìn)行清洗，清洗分粗洗和精洗兩步，防止工件表面有殘留的樹脂，影響裝配。清洗后，在紫外線固化箱里進(jìn)行固化，然后對(duì)零部件的裝配表面進(jìn)行打磨拋光，并進(jìn)行最后的裝配定型[8-9]。成品夾具如圖12所示。

圖12　3D打印夾具模型及翻轉(zhuǎn)示意

圖12(續(xù))

由圖12可知：夾具的旋轉(zhuǎn)、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)行良好，各零部件之間沒有干涉，夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、裝配性能好，各翻轉(zhuǎn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行良好，自動(dòng)定心功能可以實(shí)現(xiàn)，符合預(yù)定設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4　結(jié) 論

1）設(shè)計(jì)了夾具的整體結(jié)構(gòu)及分析了夾具結(jié)構(gòu)翻轉(zhuǎn)、自動(dòng)定心夾緊的原理。

2）對(duì)夾具關(guān)鍵零部件在不同位置以及不同載荷工況下進(jìn)行了有限元分析，結(jié)果顯示，兩個(gè)極限位置的最大變形量分別為0.004 mm和0.003 mm，滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)有限元應(yīng)力云圖顯示夾具受力分布均勻，沒有突變。

3）對(duì)夾具進(jìn)行3D打印實(shí)體模型，驗(yàn)證其翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可行性以及夾具的裝配性，驗(yàn)證了翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、運(yùn)行良好、便于裝配，能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定心夾緊。

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TH122

A

1673-2219（2021）03-0037-04

2021-01-10

福建省本科高校教育教學(xué)改革項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)FBJG20190104）。

楊志鋒（1990－），男，福建莆田人，碩士，助理實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化。

林金忠（1972－），男，福建莆田人，碩士，正高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)闄C(jī)械電子。莊學(xué)文（1993－），男，福建泉州人，助理實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)闇y(cè)控技術(shù)。

（責(zé)任編校：宮彥軍）