， ， ， 任長(zhǎng)清， 楊春梅， 頓國(guó)強(qiáng)

(東北林業(yè)大學(xué)林業(yè)與木工機(jī)械工程技術(shù)中心，黑龍江 哈爾濱 150040)

研究與設(shè)計(jì)

汽車木殼檔位面板數(shù)控專用加工機(jī)床夾具設(shè)計(jì)分析

王慧，姬廣磊，馬巖*， 任長(zhǎng)清， 楊春梅， 頓國(guó)強(qiáng)

(東北林業(yè)大學(xué)林業(yè)與木工機(jī)械工程技術(shù)中心，黑龍江 哈爾濱 150040)

提出了汽車木殼檔位面板數(shù)控專用機(jī)床所用夾具的設(shè)計(jì)方法，通過(guò)對(duì)工件結(jié)構(gòu)及工藝分析確定了該機(jī)床的夾具定位和夾緊方案。初步分析夾具設(shè)計(jì)方案后，運(yùn)用Solid Works軟件中Simulation的有限元對(duì)夾具進(jìn)行了變形分析和計(jì)算，分析結(jié)果表明設(shè)計(jì)的夾具在使用過(guò)程中受到的應(yīng)力和產(chǎn)生的位移均在材料的許用范圍內(nèi)，其強(qiáng)度能夠滿足要求。該結(jié)論可為后續(xù)的夾具設(shè)計(jì)及改進(jìn)提供理論依據(jù)。

木殼檔位面板；夾具設(shè)計(jì)；靜力學(xué)分析

Abstract：The design method of fixtures for a special CNC machine tool for machining of wooden-shell gear panels of automobiles is put forward.Through the analysis of workpiece structure and process，the fixture positioning and clamping scheme of this machine tool are determined.After the preliminary analysis of the design of the fixture，the finite element of Simulation in SolidWorks software is used to conduct fixture deformation analysis and calculation，with the analysis result showing that the stress received by the designed fixture and the displacement generated in the fixture use process are within the allowed scope of materials，with the strength meeting the requirements.This conclusion can provide theoretical basis for the follow-up fixture design and improvement.

Keywords：wooden-shell gear panel；fixture design；statics analysis

隨著科學(xué)技術(shù)及生活水平的提高，用戶對(duì)汽車檔位面板的要求也越來(lái)越高，不僅要求質(zhì)量，同時(shí)對(duì)其工藝性也有了更高的要求。提高我國(guó)數(shù)控加工設(shè)備在汽車零部件加工機(jī)械中的比例是提高檔位面板機(jī)械加工水平及整個(gè)汽車行業(yè)發(fā)展的需要，為此研發(fā)出一種木殼檔位面板專用數(shù)控加工機(jī)床，該機(jī)床加工效率及精度高、成本低，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。對(duì)于專用加工機(jī)床來(lái)說(shuō)，工件夾具的設(shè)計(jì)非常重要，其是根據(jù)工件的形狀、尺寸及加工工序?qū)ｉT設(shè)計(jì)制造的，該類夾具具有針對(duì)性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)緊湊、適合大批量生產(chǎn)等特點(diǎn)[1]。

本文分析了檔位面板工件的結(jié)構(gòu)及尺寸特點(diǎn)，并結(jié)合現(xiàn)有設(shè)備設(shè)計(jì)了檔位面板的加工工藝流程，同時(shí)還對(duì)其進(jìn)行了相應(yīng)的夾具設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)能夠促進(jìn)汽車木殼檔位面板的批量化生產(chǎn)，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率[2]。

1 夾具的夾緊設(shè)計(jì)與工作原理

1.1夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

汽車檔位面板結(jié)構(gòu)如圖1所示，其總體尺寸為455 mm×192 mm×4 mm。由圖1可知該工件的主要加工位置是檔位面板上的孔，然后再加工曲邊。從其結(jié)構(gòu)圖中可以看出該檔位面板具有以下結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：① 結(jié)構(gòu)不復(fù)雜，只是中間孔較多，且孔的尺寸較大，曲邊相對(duì)簡(jiǎn)單；②材料為木殼，剛度較差。

圖1 汽車檔位面板

為完成工件銑削孔及曲邊的加工，需要設(shè)計(jì)出合理且定位精度高的夾具。夾具對(duì)工件的定位應(yīng)準(zhǔn)確，所產(chǎn)生的定位誤差要盡量小。根據(jù)該工件的結(jié)構(gòu)及剛性的特殊性，在設(shè)計(jì)夾具時(shí)需要找到適合工件安裝夾緊定位的方法。根據(jù)六點(diǎn)定位的原理，該工件的定位方式初定為上下兩個(gè)面夾緊。上表面的壓緊機(jī)構(gòu)為隨動(dòng)式，在壓緊工件的同時(shí)還要隨著刀具的移動(dòng)而移動(dòng)。因?yàn)檫@樣無(wú)論刀具在哪個(gè)位置加工，夾具都能將工件夾緊，保證工件的加工精度。

夾具夾緊方案的設(shè)計(jì)包括夾緊方式、夾緊位置及夾緊力的確定，夾具的設(shè)計(jì)主要包括夾具穩(wěn)定性和夾具變形這兩方面的要求。由于工件較薄，所以采用的夾緊方式是通過(guò)壓輥與工作臺(tái)面之間的夾緊力和摩擦力來(lái)對(duì)工件進(jìn)行夾緊[3]。

考慮實(shí)際加工時(shí)的操作問(wèn)題，工件只有一個(gè)隨動(dòng)夾具還滿足不了定位的要求，還需要一個(gè)固定的壓輥將工件的一端壓緊，這樣就能防止工件在加工過(guò)程中出現(xiàn)定位不完全的問(wèn)題。確定工件的定位夾緊方案后，即可用Solid Works三維軟件對(duì)夾具的定位結(jié)構(gòu)、夾緊裝置等進(jìn)行具體的三維設(shè)計(jì)。夾具夾緊定位方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 夾具夾緊定位方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖1.固定壓輥；2.工件及原料；3.隨動(dòng)壓輥；4.齒條；5.工作臺(tái)

1.2 夾具的工作原理

自動(dòng)上料機(jī)將原料放到工作臺(tái)上，固定壓輥?zhàn)詣?dòng)將工件的一端夾緊，同時(shí)隨動(dòng)壓輥也移動(dòng)到設(shè)定的位置將工件壓緊。工作臺(tái)為木制，臺(tái)面有一定的粗糙度，而壓輥外層為橡膠，這樣可以增加工件與夾具之間的摩擦力，有利于對(duì)工件進(jìn)行定位和固定，使工件固定的更穩(wěn)定。壓輥將工件壓緊后，通過(guò)壓輥及臺(tái)面的夾緊力完成對(duì)工件的定位。

銑刀工作時(shí)固定壓輥不動(dòng)，隨動(dòng)壓輥隨銑刀的移動(dòng)而移動(dòng)，使正在加工的部分一直處于壓緊狀態(tài)。工件加工完成后，隨動(dòng)壓輥撤到空位，固定壓輥也同時(shí)撤下，自動(dòng)下料機(jī)隨即將加工完成的工件取走，等待下一個(gè)待加工的工件。本文設(shè)計(jì)的夾緊機(jī)構(gòu)一次夾緊的原料能夠加工出3個(gè)工件，該夾具不僅能夠縮短工件的裝夾時(shí)間，還能夠做到一次裝夾完成3個(gè)工件，提高了專用機(jī)床的工作效率[4]。

2 夾具夾緊力計(jì)算

確定夾具的夾緊方式及夾緊位置后，通常將夾具與工件視為剛性系統(tǒng)，再根據(jù)工件所受到的切削力P和夾緊力Q之間靜力平衡的條件，計(jì)算出理論夾緊力F，再乘以系數(shù)k即可得到實(shí)際的夾緊力Q=kF。專用機(jī)床的相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 專用機(jī)床參數(shù)

項(xiàng)目數(shù)值刀具主軸轉(zhuǎn)速/r·min-115000刀頭直徑/mm8刀具進(jìn)給速度/m·min-11.5刀具齒數(shù)/個(gè)2

汽車木殼檔位面板數(shù)控曲線銑邊專用機(jī)床刀具主軸的切削速度v為：

(1)

式中：D為刀具直徑(mm)；n為刀具主軸轉(zhuǎn)速(r/min)。

每齒進(jìn)給量uz為：

(2)

式中：u為刀具進(jìn)給速度(m/s)；z為刀齒個(gè)數(shù)；n為刀具主軸轉(zhuǎn)速(r/min)。

刀具在加工木殼檔位面板時(shí)的切削厚度較薄，工件的平均厚度e=4～5 mm≥0.05 mm，所以刀具的單位切削力K為：

(3)

(4)

式中：aw為木材含水率修正系數(shù)；q為主切削力與切削厚度曲線的斜率；aq為q的刀具銳利程度修正系數(shù)；H為主切削力與切屑厚度曲線的截距；ah為H的刀具銳利程度修正系數(shù)；θp為平均運(yùn)動(dòng)遇角(0°)；hx為切削深度(mm)。

木殼的含水率一般為8%～12%，這里取平均值10%。當(dāng)含水率取10%時(shí)：aw=0.95，q=3.8，aq=1.1，H=0.8，ah=1.45。將這些參數(shù)及式(4)帶入式(3)即可得到刀具的單位切削力K=255.09 MPa。由此可得刀具的平均切削力Fx為：

(5)

切削時(shí)產(chǎn)生的扭矩M為：

(6)

式中：b為切削寬度(mm)；d為刀頭直徑(mm)，d=D=8 mm。

為使工件定位更準(zhǔn)確且加工時(shí)不滑動(dòng)，要求工件與夾具壓輥之間的摩擦力必須大于切削力在水平方向上的分力。計(jì)算時(shí)為了簡(jiǎn)化且不影響計(jì)算結(jié)果，可將切削力在水平方向上的分力近似等于切削力，可得夾具壓輥與工件之間的摩擦力必須大于切削力。摩擦力主要為壓輥與工件及臺(tái)面與工件之間產(chǎn)生的力[5]。

f=2kQ

(7)

Fx=f

(8)

式中：f為夾緊力提供的摩擦力(N)；Q為夾具的理論夾緊力(N)；k為夾具與工件間的摩擦系數(shù)。

臺(tái)面材料為木制，壓輥外層材料為橡膠，夾具與工件之間的摩擦系數(shù)取0.4。通過(guò)式(7)和式(8)可得理論夾緊力Q=609.291 N。但夾具的實(shí)際夾緊力要大于理論夾緊力，因此實(shí)際夾緊力F：

F=aQ

(9)

式中：a為安全系數(shù)。

根據(jù)夾具的受力情況，取安全系數(shù)a=1.5，可得夾具的實(shí)際夾緊力為913.937 N。

3 基于Solid Works Simulation的靜力學(xué)分析

應(yīng)用Solid Works三維軟件對(duì)該夾具按照所設(shè)計(jì)的尺寸進(jìn)行三維模型的建立，其效果圖如圖3所示。為了提高軟件的計(jì)算效率，我們?cè)趯?duì)三維軟件進(jìn)行Solid Works simulation分析時(shí)去除了步進(jìn)電機(jī)及部分標(biāo)準(zhǔn)件，并定義了材料屬性，見(jiàn)表2。然后再對(duì)夾具三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，三維模型網(wǎng)格共劃分為15 062個(gè)單元，29 937個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖4所示。

圖3 夾具Solid Works三維模型效果圖

表2 夾具材料特性

材料彈性模量/N·m-1泊松比密度/kg·m-3Q235A2.1×10110.37850

圖4 夾具有限元網(wǎng)格劃分模型

為了計(jì)算簡(jiǎn)便，對(duì)三維模型添加約束和力時(shí)一般都忽略工件的自身質(zhì)量(自身質(zhì)量對(duì)夾具最終的分析結(jié)果影響不大)。分析時(shí)首先在夾具底座添加固定約束，然后將夾具機(jī)構(gòu)在加工過(guò)程中所受到的力添加到夾具上，添加約束與力及扭矩的情況如圖5所示。

圖5 添加約束與力及扭矩效果圖

用Solid Works Simulation軟件對(duì)夾具機(jī)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析，計(jì)算夾緊機(jī)構(gòu)在工件加工過(guò)程中的應(yīng)力和位移。其應(yīng)力及位移云圖如圖6、圖7所示。由圖6可知受力比較集中的是夾具壓輥支撐架中間位置及支撐架切割角處，最大應(yīng)力值為0.542 747 MPa。由圖7中可以看出壓輥中間位置的變形量最大，變形最嚴(yán)重，最大變形量為0.000 305 09 mm，夾具在正常工作情況下提供的壓緊力大于夾緊工件所需的夾緊力，中間壓輥也不會(huì)產(chǎn)生形變。該夾具的主體材料為Q235A鋼，由以上數(shù)據(jù)可知該夾具所受到的最大等效應(yīng)力和產(chǎn)生的最大位移量均小于材料的極限值，表明該夾具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

4 結(jié)論

(1)工件的加工質(zhì)量與夾具設(shè)計(jì)的是否合理有很大關(guān)系，夾具設(shè)計(jì)制約著工件加工的質(zhì)量和效率[6]。

圖6 夾具機(jī)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖7 夾具機(jī)構(gòu)位移云圖

(2)對(duì)夾具進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析，得到了夾具機(jī)構(gòu)在工作時(shí)的應(yīng)力和位移云圖，其最大等效應(yīng)力和最大位移量均在所選材料的允許范圍內(nèi)，說(shuō)明夾具的強(qiáng)度和剛度都能滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)也為夾具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及改進(jìn)提供了理論依據(jù)[7]。

(3)該數(shù)控銑床夾具的設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)夾具有所不同，根據(jù)加工工件及加工工藝的特點(diǎn)，采用一次性加工多個(gè)工件的方案，以充分利用機(jī)床的加工潛力，提高機(jī)床的生產(chǎn)效率。

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(責(zé)任編輯 張雅芳)

DesignandAnalysisofFixturesforaSpecialCNCMachineToolfor
MachiningofWooden-shellGearPanelsofAutomobiles

WANGHui，JIGuang-lei，MAYan*，RENChang-qing，YANGChun-mei，DUNGuo-qiang

(Forestry and Woodworking Machinery Engineering Technology Center，Northeast Forestry University， Harbin Heilongjiang 150040，China，Harbin Heilongjiang 150040，China)

2017-07-17

黑龍江省應(yīng)用技術(shù)研究與開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目 “木材數(shù)控微米刨銑加工及智能控制裝備研究”(GA14A401)

王 慧(1965-)，女，副教授，博士，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)及理論，E-mail：wanghui90527@126.com。

*通訊作者：馬 巖(1954-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，碩士，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)及理論，E-mail：mayan@vip.163.com。

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2095-2953(2017)10-0030-04