对称式夹具体结构设计的多件装夹方法应用研究.pdf
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1、第 35 卷第 3 期湖南文理学院学报(自然科学版)Vol.35 No.32023 年 9 月Journal of Hunan University of Arts and Science(Science and Technology)Sep.2023doi:10.3969/j.issn.16726146.2023.03.008对称式夹具体结构设计的多件装夹方法应用研究张国政1,周元枝1,柯伟2(1.安徽机电职业技术学院 机械工程学院,安徽 芜湖,241000;2.芜湖市球精汽车部件铸模有限公司,安徽芜湖,241006)摘要:为提高夹具整体刚性,保证工件在大规模定制批量数控加工中的质量,研究了
2、如何合理设计多件装夹的夹具体结构。以某制动泵体件夹具设计为例,通过三维有限元分析方法,比较无拉杆式、两根拉杆式、三根拉杆式的夹具体结构,得出有拉杆式夹具体结构比无拉杆式夹具体结构的夹具整体刚性好,且三根拉杆式夹具体结构的夹具刚性最好。提出一种对称式夹具体结构设计的多件装夹方法,可避免三根拉杆式结构的复杂性,比较拉杆式和对称式装夹加工工件质量可得:采用对称结构的夹具装夹工件,其加工质量最优,能更好地保证加工质量。关键词:对称结构;夹具体;多件装夹;三维有限元中图分类号:TH 164文献标志码:A文章编号:16726146(2023)03004404Research on the applicat
3、ion of multipiece clamping method for the structuredesign of symmetrical clampZhang Guozheng1,Zhou Yuanzhi1,Ke Wei2(1.Mechanical Engineering College,Anhui Technical College of Mechanical&Electrical Engineering,Wuhu241000,China;2.Wuhu QiujingAutomobile Parts Casting Mold Co.,Ltd,Wuhu 241006,China)Abs
4、tract:In order to improve the overall rigidity of the clamp,and ensure the quality of the workpiece in masscustomization batch CNC machining,the design of fixture structure of multipiece clamping is studied.Taking abrake pump body fixture design as an example,through the three-dimensional finite ele
5、ment analysis method,thefixture structures of clamps without pull rod,with two pull rods and with three pull rods are compared,and it isconcluded that the overall rigidity of the clamp with pull rod clamp structure is better than that without pull rodclamp,and the clamp with three pull rod clamp str
6、ucture is the best.Amultipiece clamping method for symmetricalfixture structure design is proposed,which can avoid the complexity of three pull rod structures.By comparing thequality of the workpiece processed by the pull rod type and symmetrical clamp,it is concluded that the processingquality of t
7、he workpiece clamped by symmetrical structure is the best,which can better guarantee the processingquality.Key words:symmetrical structure;fixture body;multipiece clamping;threedimensional finite element夹具精度是工件加工精度的重要影响因素之一,其中 20%60%的加工误差是由装夹造成的1。研究人员大多从工件定位、夹紧两大方面来研究分析夹具精度。“321”定位准则2和“N21”定位准则(N3)3
8、,旨在得到最优的装夹定位方案;若工件自身刚性差,如薄壁件等,必须在满足定位要求的前提通信作者:周元枝,。收稿日期:20230215基金项目:芜湖市科技成果转化计划项目(2022cg21);安徽省高校学科(专业)拔尖人才学术资助项目(gxbjZD2020108)。第 3 期张国政,等:对称式夹具体结构设计的多件装夹方法应用研究45下,这就需要采用“N21”定位准则(N3),通过增加辅助支撑点或采用过定位方式来提高定位刚性,进而减小装夹变形,这种方法在航空、航天、汽车等零部件生产中被广泛应用。工件的夹紧所产生的误差是受力变形造成的,因此夹紧力的大小、方向和作用点是其研究重点,方向和作用点是装夹布局
9、优化的核心,尤其是作用点的位置布局。秦国华等4以7075铝合金薄壁件装夹为研究对象,采用有限元方法,结合“321”定位准则分析优选得出夹紧力大小、作用点及夹紧顺序对工件装夹变形的影响规律。有限元法是当前分析装夹变形的重要方法,可以结合优化算法,如遗传算法、蚁群算法等,对装夹定位布局优化、夹具夹持布局及夹具布局优化,控制工件变形量56。在满足大规模定制化生产方面,多件装夹的夹具精度分析亟待进一步研究,结合某汽车制动泵体件多件装夹设计问题,以夹具体为对象进行受力分析,提出对称式夹具体结构的多件装夹设计方法,通过有限元分析比较,得出对称结构设计方案最佳,可为企业实际生产应用提供借鉴方案。1多件装夹夹
10、具设计定位装置、夹紧机构、夹具体是夹具的 3 个基本组成部分,故夹具设计主要包括定位方案设计、夹紧装置设计和夹具体构形设计等主要环节7。装夹优化设计主要是以优化工件定位和夹紧等元件布局,进而最终形成夹具体结构构形,但很少有文献对夹具体结构构形进行受力分析。加工中心夹具设计需要满足工序集中原则,多件装夹夹具设计方法在文献8中有详细论述。本文以某车用制动泵体件加工为例,以其一次装夹完成多个特征加工面的工序为主所设计的多件装夹夹具为研究对象,通过分析其多件装夹的夹具体受力情况,进而提出对称式夹具体结构的多件装夹设计方法。某车用制动泵体工件的工程图如图 1 所示。工件特征加工面分别以 A、B、B、F1
11、、F2、F3、F4 在图中表示,根据单位法矢量判别法9,特征加工面 F1F4(F1:28 端面及倒角面;F2:190.1 台 阶 孔 面;F3:17 0.1 孔面;F4:3 孔面)的方位都是+Z 向,因此,F1F4 可通过一次装夹在三轴加工中心机床中完成铣、钻、铰等工序。根据图论原理,可设计基准加工特征关系图,如图 2 所示,A、B、B(如图 1 中粗实线所示的表面,其中 A 是平面,B、B分别是 2 个11 的孔面)是 F1F4 和G(表面粗糙度为 12.5 m 的4 孔面)等特征加工面的定位基准。这里的特征加工面 G 的加工工序不能直接在三轴加工中心机床上完成,需要装夹夹具具有旋转功能,将
12、其方位绕 Y 轴逆时针旋转 50变换为+Z 向即可实现,或者采用五轴加工中心机床,但这种方案成本高;或以 A、B、B为定位基准绕 Y 轴逆时针旋转 50后,重新设计装夹布局,可在钻床上完成钻加工,这种方案在大规模批量生产中被广泛应用。根据以上分析,该件 F1F4 面的多件装夹夹具装置如图 3 所示。考虑到夹具元件的可重构性,传统铸造夹具体以 45#钢代替,材料经热处理后,其硬度和耐磨性高,但夹具体因缺少加强肋板,故采用图 3 所示的拉杆替代,进而使夹具体结构更加紧凑。2多件装夹夹具体结构分析2.1夹具体结构受力分析在实际生产应用中,采用图3 所示的拉杆式多件装夹夹具安装工件加工后,会出现处于中
13、间 2个所图 1某车用制动泵体件工程图图 3拉杆式多件装夹夹具实物图图 2基准加工特征关系图F1F2F3F446湖南文理学院学报(自然科学版)2023 年装夹的工件加工后的孔位置对照图纸有较大误差,根据悬臂梁和基本梁受力所受弯矩理论,如图4所示,分别分析不设计加强肋板时的受力情况和设置拉杆时的受力情况。如图 4(a)所示的悬臂梁受力情况,当该梁下端约束后,在梁上所受力 F 后,整个梁所受弯矩类似三角形分布,其梁所承受的弯矩 M 最大位置在其下端的约束位置,因此,在夹具体受力面的对称面上设计三角形加强肋板就是抵消此受力而产生的弯矩,这就是传统铸造夹具体结构设计常采用的方法。如图 4(b)所示的基
14、本梁受力情况,当梁的两端都约束后,即对应夹具体采用 2 个拉杆约束,此时弯矩最大处于两杆间的受力点位置,若只装夹 2 个工件时,此受力弯矩较小;若装夹 2个以上工件时,因夹紧力作用点至拉杆约束处力臂长而导致其弯矩变大,装夹 6 个工件后,夹具体中间部位由于受力弯矩大而造成变形,使得工件装夹位置有偏移而造成加工误差。为此,在文献10的结论中给出,当多件装夹有 3 个以上的工件时,应该在其夹具体中间部位设置第 3 根拉杆,从而有效降低夹具体结构弯曲应力,但在文献中并没有给出具体分析,本文将在此基础上进行进一步分析,并指出存在的主要缺陷,给出对称式夹具体结构设计的多件装夹设计方法,为各类大规模定制化
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