新型基于柔性薄壁材料的自動(dòng)定心夾具研究

康淇鈞　李德震　周威龍　雷相國(guó)　陳楊

摘 要：針對(duì)易變形柔性薄壁材料，本文設(shè)計(jì)了一種內(nèi)錐形自動(dòng)定心夾具。經(jīng)受力分析和精度檢測(cè)可知，該夾具能在較高定位精度下極大減少對(duì)柔性薄壁材料的破壞，大大提高生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率。希望本文的研究能為同類型柔性薄壁材料夾具設(shè)計(jì)提供研究方向。

關(guān)鍵詞：柔性薄壁材料;自動(dòng)定心;高定位精度

中圖分類號(hào)：TG751 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）25-0060-03

A New Type of Automatic Centering Fixture Based on Floatation Material

KANG Qijun LI Dezhen ZHOU Weilong LEI Xiangguo CHEN Yang

（Northeastern University at Qinhuangdao，Qinhuangdao Hebei 066000）

Abstract： A cone-shaped automatic centering fixture was designed for flexible thin-walled materials with easy deformation. Through force analysis and precision testing， the fixture can greatly reduce the damage to the flexible thin-walled materials with high positioning accuracy， and greatly improve the production quality and efficiency. It is hoped that the research of this paper can provide research direction for the design of the same type of flexible thin-walled material fixture.

Keywords： flexible thin-wall material;automatic centering;high positioning accuracy

1 柔性薄壁材料夾具行業(yè)現(xiàn)狀

隨著生活水平日益提高，人們?cè)跐M足基本物質(zhì)需要的同時(shí)，對(duì)休閑活動(dòng)的要求也不斷高，釣魚(yú)便是一項(xiàng)參與度較高的運(yùn)動(dòng)。魚(yú)漂在漁釣活動(dòng)中扮演著不可或缺的角色。在眾多魚(yú)漂材料中，皮薄、有韌性而且自重輕的蘆葦成為大多數(shù)垂釣者的首選。市面上60%的魚(yú)漂都采用蘆葦作為原材料。本文以蘆葦材料為基礎(chǔ)研究針對(duì)柔性薄壁材料的夾具。

隨著我國(guó)工業(yè)化水平逐步提高，自動(dòng)化生產(chǎn)逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手工業(yè)生產(chǎn)，魚(yú)漂行業(yè)同樣如此。在利用機(jī)器自動(dòng)化生產(chǎn)魚(yú)漂時(shí)，一般先將材料一側(cè)裝夾進(jìn)與電機(jī)同軸轉(zhuǎn)動(dòng)的夾具中，然后將材料另一側(cè)裝夾進(jìn)單獨(dú)的夾具中，通過(guò)雙側(cè)裝夾來(lái)實(shí)現(xiàn)夾緊的效果。雖然這樣生產(chǎn)出的魚(yú)漂規(guī)格較為統(tǒng)一，但由于蘆葦類材料柔性大、壁薄，在被傳統(tǒng)機(jī)器夾具夾持加工時(shí)，夾具很有可能會(huì)對(duì)其內(nèi)部的纖維組織造成破壞，致使同等材質(zhì)和大小的魚(yú)漂與手工加工的魚(yú)漂相比浮力要略微小一些。除此之外，由于蘆葦是自然產(chǎn)物，形狀并不是標(biāo)準(zhǔn)圓柱形，易衍生定心誤差，造成魚(yú)漂質(zhì)量不佳。因此，市面上缺少一款能良好夾持蘆葦這一類柔性薄壁材料的夾具。

2 新型柔性薄壁材料夾具

2.1 設(shè)計(jì)原理

在夾持柔性薄壁材料時(shí)，關(guān)鍵是要盡可能減少對(duì)材料本身的破壞。因此，設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)是保護(hù)材料。采用增加受力點(diǎn)以使受力更加均勻的方法實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。增加受力點(diǎn)不可避免地要增加夾持爪數(shù)量，同時(shí)要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定心，故本夾具設(shè)計(jì)思路為雙側(cè)固定，可同時(shí)達(dá)到保護(hù)材料和自動(dòng)定心的目的。

新型柔性薄壁夾具為兼顧材料性能和加工成本，所有部件均采用45鋼制作。整體夾具由夾片、卡盤(pán)和卡簧三部分組成?？ūP(pán)通過(guò)數(shù)銑加工制作，夾片通過(guò)電火花線切割制作，共8片，整體呈內(nèi)錐形，均勻分布在卡盤(pán)上。通過(guò)對(duì)卡盤(pán)進(jìn)行開(kāi)槽處理，將夾片嵌入卡盤(pán)內(nèi)定位，最后用卡簧將二者固定?？ūP(pán)分為主動(dòng)卡盤(pán)和從動(dòng)卡盤(pán)，其中主動(dòng)卡盤(pán)與電機(jī)直接相連并提供動(dòng)力，帶動(dòng)材料旋轉(zhuǎn);從動(dòng)卡盤(pán)只與支撐座相連，起到固定和輔助定位作用。夾具整體效果圖如圖1所示。

2.2 卡盤(pán)設(shè)計(jì)

夾具的卡盤(pán)采用圓盤(pán)設(shè)計(jì)，分為主動(dòng)和從動(dòng)卡盤(pán)兩種?？ūP(pán)均垂直于盤(pán)面，均勻開(kāi)出8道溝槽，用于和夾片相連。中間軸為滾動(dòng)支撐軸，通過(guò)軸承與支撐座相配合?？ūP(pán)沿側(cè)面圓周中線開(kāi)出寬1mm、深1mm的卡簧槽，用于和卡簧相配合。

主動(dòng)卡盤(pán)需要與電機(jī)連接，形成過(guò)盈配合，故滾動(dòng)支撐軸設(shè)計(jì)有開(kāi)孔，孔徑應(yīng)根據(jù)選取的ZD6209-V2的39步進(jìn)電機(jī)定為5mm。

從動(dòng)卡盤(pán)只與支撐座相連，故在滾動(dòng)支撐軸上設(shè)計(jì)一階梯軸，用于支撐座定位。主、從動(dòng)卡盤(pán)階梯軸末端均設(shè)計(jì)2mm倒角。主、從動(dòng)卡盤(pán)外形如圖2所示。

2.3 夾片設(shè)計(jì)

為了達(dá)到自動(dòng)定心的效果，把夾片組設(shè)計(jì)成倒錐形，單個(gè)夾片設(shè)計(jì)成類三角形。采用增加受力面積的辦法來(lái)解決對(duì)被夾材料的損傷，從傳統(tǒng)的三片式改為八片式。同時(shí)，為使自動(dòng)定心的范圍更大，夾片夾持端的傾斜角設(shè)計(jì)為60°，可夾持直徑在0～34mm內(nèi)的材料。

3 新型柔性薄壁材料夾具優(yōu)勢(shì)

為保證同一批柔性薄壁材料與刀具、床身的相對(duì)位置固定，常采用夾具定位與夾緊材料等工藝步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)，新型柔性薄壁夾具不僅可以實(shí)現(xiàn)上述基本功能，較傳統(tǒng)夾具還具有以下優(yōu)點(diǎn)。

3.1 自動(dòng)定心

柔性薄壁材料在自由狀態(tài)下可通過(guò)夾具的倒錐形實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定心與夾緊的效果，通過(guò)控制卡槽相對(duì)于夾具卡盤(pán)的同軸度，以及夾片和卡盤(pán)兩者各自的垂直度來(lái)確保較高的定心精度。

3.2 精度誤差較低

夾具的精度誤差由四方面引起，分別為定位誤差、夾緊誤差、磨損造成的加工誤差和夾具相對(duì)刀具位置誤差。本文主要研究的是新型柔性薄壁材料夾具的設(shè)計(jì)，后三項(xiàng)誤差由于主要受材料以及加工機(jī)床的實(shí)際操作數(shù)據(jù)影響，與夾具本身無(wú)關(guān)，不予考慮。而定位誤差是最主要的誤差來(lái)源，同軸度與垂直度共同影響。

3.2.1 同軸度誤差分析。同軸度誤差是指在直徑為[Φt]的圓柱面內(nèi)，被測(cè)軸線與基準(zhǔn)軸線的同軸程度[1]。本文考慮的是夾具上放置各夾片的卡槽相對(duì)于夾具卡盤(pán)的同軸度。由于被測(cè)工作截面很短，因此，用改測(cè)直線度替代同軸度的方法進(jìn)行測(cè)量。在這種情況下，卡盤(pán)軸的傾斜對(duì)裝夾影響較小，而軸心偏移影響較大，測(cè)量軸心偏移實(shí)際上就是測(cè)量軸心連線的直線度[2]。具體實(shí)現(xiàn)方法為：分別在連接電機(jī)轉(zhuǎn)軸的夾具卡盤(pán)孔的圓柱體與8個(gè)卡槽頂部圍成的虛擬圓柱體上測(cè)量6個(gè)截面圓，對(duì)每個(gè)截面圓分別測(cè)量5次，得到當(dāng)前截面圓的均值圓心，然后選取這6個(gè)圓的均值圓心擬合一條三維直線，該直線的直線度的2倍可近似替代同軸度。直線度法測(cè)量結(jié)果如表1所示。

根據(jù)公式（1）求得各截面圓處直線度均值，確定直線度誤差值為0.003 2mm，因此同軸度誤差為0.006 4mm。

[x=x1+x2+…+xnn=i=1nxin]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

3.2.2 垂直度誤差分析。垂直度（面對(duì)面）誤差是指垂直于基準(zhǔn)平面距離為公差值[t]的兩平行平面之間的區(qū)域。本文考慮的有兩方面：一是夾具卡槽相對(duì)于卡盤(pán)表面的垂直度;二是夾具夾片（與卡盤(pán)面配合的部位）的垂直度。測(cè)量時(shí)，用一個(gè)工作面安裝在卡盤(pán)與夾片基準(zhǔn)面上，并把相應(yīng)的測(cè)量定位觸頭推頂?shù)酱怪泵嫔?，分別進(jìn)行5次記錄器劃線和測(cè)量，求取平均值作為實(shí)際垂直度誤差[3]。測(cè)量結(jié)果如表2和表3所示。

根據(jù)公式（1）求得卡盤(pán)端與夾片端的垂直度誤差值0.008mm/0.009mm，滿足精度要求。

綜上所述，同軸度與垂直度誤差控制在較小范圍內(nèi)，因此該夾具可以達(dá)到較高的定心精度，在實(shí)際使用中可以較好地完成自動(dòng)定心。

3.3 減少對(duì)柔性薄壁材料的破壞

對(duì)于薄壁且材質(zhì)偏軟的柔性材料的加工，因?yàn)閭鹘y(tǒng)裝夾方式的夾緊力不易控制，易產(chǎn)生變形，對(duì)材料本身造成破壞，新型夾具由于分集在各夾片上的變形量相同，使受力較為均勻，對(duì)材料的外表面支承性能好，減少對(duì)材料本身的破壞。

3.3.1 夾緊力分析。選擇夾緊力需要確定三個(gè)要素：夾緊力方向、作用點(diǎn)的選擇以及夾緊力的大小。夾緊力方向與夾具上定位表面的位置、夾持材料的重力方向及刀具切削力方向有關(guān)。夾緊力作用點(diǎn)的選擇是指在夾緊力方向已知的情況下，確定夾緊力作用點(diǎn)的位置和數(shù)目。本文采用的是柔性薄壁材料的專用夾具，因此夾緊力的方向應(yīng)盡可能與材料重力和刀具切削力方向重合，并采用多點(diǎn)夾持使夾緊點(diǎn)分散，從而減小加工所需的夾緊力[4]。柔性薄壁材料受力分析如圖3所示。

[Fjn]與[Fjr]是夾緊力的軸向與徑向分力，[Fn]與[Ft]是切削力的軸向與周向分力，[P]是材料的重力。圖中右視圖為八個(gè)夾片分別形成的夾緊力。

3.3.2 夾緊力大小的計(jì)算與校核。夾緊力需要與材料重力和刀具切削力平衡。

[F=KMLμ]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

[K=K0K1K2K3K4]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

式中：[F]為夾具總夾緊力;[K]為夾緊力裕度系數(shù);[M]為刀具切削力與材料重力合成的綜合力矩;[L]為夾持材料的長(zhǎng)度;[μ]為接觸面的摩擦因數(shù);[K0]為基本安全系數(shù);[K1]為動(dòng)力源波動(dòng)系數(shù);[K2]為復(fù)合加工系數(shù);[K3]為切削狀況及刀具鈍化系數(shù);[K4]為加工性質(zhì)系數(shù)。

本文選用電機(jī)型號(hào)為ZD6209-V2的39步進(jìn)電機(jī)，因此刀具的切削扭矩為0.8N·m，最終綜合力矩[M]經(jīng)測(cè)算約為1N·m;夾持的柔性薄壁材料長(zhǎng)度[L]約為0.2m;摩擦系數(shù)[μ]取0.3;[K0]取2.0;[K1]取1.5;[K2]、[K3]、[K4]都取1;最終夾緊力裕度系數(shù)[K]為3。

根據(jù)公式（2）求得夾緊力為50N。

用ANSYS繪制材料裝夾應(yīng)力云圖，如圖4所示。

分析圖4可知，應(yīng)力主要分布在材料與八個(gè)夾片點(diǎn)的接觸區(qū)域以及刀具在材料上的切削區(qū)域，其中最大應(yīng)力在夾片與材料的接觸點(diǎn)，而切削區(qū)域受力遠(yuǎn)小于此力，因此只需要校核夾緊力的大小即可確定材料是否會(huì)發(fā)生破壞。

經(jīng)過(guò)查驗(yàn)，材料的彈性模量[E]為9.49GPa，泊松比[μ]為0.35。夾緊力如式（4）所示，擠壓應(yīng)力如式（5）所示。

[Fj=F8sin30°°]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

[σj=FjA]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）

經(jīng)過(guò)式（4）計(jì)算得，單個(gè)夾片夾緊力[Fj]為12.48N，其軸向分力[Fjn]為6.25N，徑向分力[Fjr]為10.8N，最終由式（5）求得擠壓應(yīng)力[σj]為4.4MPa。查驗(yàn)得材料許用擠壓應(yīng)力[σ]為20MPa，遠(yuǎn)大于求得的擠壓應(yīng)力，因此材料不會(huì)發(fā)生破壞。

綜上所述，在50N夾緊力的作用下，材料既可以被夾緊，不會(huì)發(fā)生自行旋轉(zhuǎn)，又能防止材料發(fā)生擠壓變形，減少對(duì)材料本身的破壞。

3.4 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工藝成本低

與傳統(tǒng)定心夾具相比，該夾具可分步加工，然后通過(guò)卡簧將各部分組裝起來(lái)，成本低廉，是一種可批量生產(chǎn)的通用型夾具。

4 結(jié)語(yǔ)

本文研究了一種新型的柔性薄壁材料夾具，在保持定位高精度的同時(shí)可以很好地自動(dòng)定心、保護(hù)材料。新型夾具應(yīng)該得到廣泛關(guān)注，通過(guò)不斷改進(jìn)，有效提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，促進(jìn)機(jī)械行業(yè)長(zhǎng)足發(fā)展。

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