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(duì)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(duì)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(duì)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(píng)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(jiǎn)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(duì)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(tái)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(duì)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(jiǎn)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(duì)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(duì)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(tái)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(duì)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(jí)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(duì)SolidWorks建立的三維模型去除氣缸和部分標(biāo)準(zhǔn)件后，將簡(jiǎn)化的三維模型存儲(chǔ)為Parasolid格式，導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件中，對(duì)材料屬性進(jìn)行定義，各參數(shù)如表2所示。然后對(duì)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(duì)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(duì)夾具的影響。在夾具底座底面添加固定約束，并根據(jù)對(duì)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(duì)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(huì)產(chǎn)生形變。夾具機(jī)構(gòu)的主體材料選用Q235A級(jí)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(jiǎn)化后導(dǎo)入Adams軟件中，對(duì)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(duì)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(cè)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(huì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(huì)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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