基于CROE的加工中心夾具設(shè)計(jì)及有限元分析

任 昭 姚萬(wàn)軍

（1.陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造學(xué)院，西安 710300；2.西安永邦精密機(jī)械有限公司，西安 710077）

制造業(yè)的飛速發(fā)展推動(dòng)著工裝設(shè)計(jì)制造的轉(zhuǎn)型升級(jí)。傳統(tǒng)的機(jī)床夾具設(shè)計(jì)方式主要借助機(jī)床夾具設(shè)計(jì)手冊(cè)，采用手工計(jì)算和平面畫(huà)圖的方式，設(shè)計(jì)過(guò)程復(fù)雜煩瑣，效率低。隨著數(shù)字化制造技術(shù)的發(fā)展，可借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)/計(jì)算機(jī)輔助工程（Computer Aided Design/Computer Aided Engineering，CAD/CAE）技術(shù)對(duì)工裝設(shè)計(jì)進(jìn)行過(guò)程優(yōu)化，使設(shè)計(jì)的夾具具有可視化功能，在計(jì)算機(jī)上獲取工件的受力狀態(tài)，可提高制造的生產(chǎn)效率，降低設(shè)計(jì)成本。

文章以某企業(yè)典型零件為例，將CAD/CAE技術(shù)引入傳統(tǒng)的機(jī)床夾具設(shè)計(jì)過(guò)程，縮短夾具設(shè)計(jì)周期，提高夾緊裝置的設(shè)計(jì)精度[1]。

1 液壓夾具設(shè)計(jì)

1.1 零件分析

零件圖如圖1所示。該零件為法蘭類(lèi)零件，零件工藝較為簡(jiǎn)單，材料為35鋼。本道工序?yàn)樵诹⑹郊庸ぶ行纳香@Φ11 mm的孔。前期已完成主要表面加工，根據(jù)零件特點(diǎn)及相關(guān)工藝文件，分析該零件的定位方案，采用一面兩銷(xiāo)定位，采用杠桿液壓缸作為夾緊動(dòng)力源，以類(lèi)比設(shè)計(jì)夾緊裝置、連接裝置以及夾具體等夾具零件，從而設(shè)計(jì)出一套立式加工中心夾具。

圖1 零件二維圖（單位：mm）

1.2 夾具設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，定位元件采用4個(gè)支撐塊過(guò)定位。較高的平面精度可以共同確定一個(gè)基準(zhǔn)平面，以此限制工件的3個(gè)自由度。利用一個(gè)短圓柱銷(xiāo)定位工序基準(zhǔn)所在的Φ9 mm孔，限制2個(gè)移動(dòng)自由度。利用一個(gè)短的菱形銷(xiāo)定位第二個(gè)Φ9 mm孔，限制1個(gè)自由度，從而實(shí)現(xiàn)工件的完全定位[2]。夾緊裝置采用2個(gè)杠桿液壓缸，通過(guò)底板的油路供油。設(shè)計(jì)2個(gè)非標(biāo)壓板作為夾緊元件完成工件的夾緊。

圖2 液壓夾具三維模型

2 有限元分析

夾緊裝置設(shè)計(jì)時(shí)，夾緊力不能過(guò)大也不能過(guò)小。過(guò)大會(huì)將工件壓變形，過(guò)小會(huì)壓不住工件。為獲得工件在工作時(shí)受到液壓缸壓板夾緊時(shí)的準(zhǔn)確狀態(tài)，利用CROE 5.0中的結(jié)構(gòu)有限元分析模塊對(duì)工件進(jìn)行靜態(tài)有限元分析。為方便計(jì)算分析，省去夾具的定位部分、夾緊部分和其他夾具體，進(jìn)入Simulate模塊。

2.1 靜態(tài)分析

該零件材料為35鋼，具體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 材料力學(xué)參數(shù)

根據(jù)傳統(tǒng)夾具設(shè)計(jì)中的理論夾緊力計(jì)算方法，將理論夾緊力乘以系數(shù)2作為實(shí)際夾緊力的大小，計(jì)算獲得每個(gè)壓板對(duì)工件的夾緊力為226 N。受力面積為壓板與工件的接觸面積，同時(shí)對(duì)工件的兩個(gè)Φ9 mm孔內(nèi)孔壁和底部施加固定約束。

零件為法蘭零件，網(wǎng)格圖元主要由四面體構(gòu)成，最小邊角為5.38 mm，最大長(zhǎng)寬比為6.82，共劃分6 553個(gè)元素和1 713個(gè)節(jié)點(diǎn)[3]。劃分好的網(wǎng)格如圖3所示。

根據(jù)第四強(qiáng)度理論，分析結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力和最大位移，有限元分析結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖3 工件網(wǎng)格劃分結(jié)果

圖4 靜態(tài)分析云圖

根據(jù)圖4可知：工件在液壓缸的夾緊力作用下，所受的最大等效應(yīng)力為1.61 331 MPa，發(fā)生在Φ50 mm內(nèi)孔與端面交匯處，遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度，故符合工作要求；最大位移為1.027×10-4mm，發(fā)生在工件與壓板的接觸面，最大變形符合剛度要求。

2.2 模態(tài)分析

為分析工件在受到夾緊力作用下的頻率變化，利用Simulate模塊中的模態(tài)分析功能，得出前4階固有頻率，見(jiàn)表2。通過(guò)多通道自適應(yīng)分析，相應(yīng)的模態(tài)振型云圖如圖5所示[4]。

圖5 模態(tài)振型云圖

表2 模型前4階固有頻率 單位：Hz

由圖5可知，前4階固有頻率逐漸增大，遠(yuǎn)大于立式加工中心鉆孔時(shí)50～300 Hz的固有頻率，可以避免共振，使得表面夾緊力大小符合設(shè)計(jì)要求[5]。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)某法蘭零件孔加工工序設(shè)計(jì)了一套加工中心夾具，在CROE 5.0中建立三維模型，基于有限元技術(shù)對(duì)工件受到夾緊力時(shí)的狀態(tài)進(jìn)行靜態(tài)分析和模態(tài)分析，結(jié)果顯示表面夾緊力大小符合要求，完成了加工中心夾具的數(shù)字化設(shè)計(jì)，對(duì)夾具的設(shè)計(jì)制造具有一定的參考意義。