費(fèi) 非 張 銳

(1.吉林省吉林市第二人民醫(yī)院放療科，吉林132002；2.蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅730050)

基于ANSYS的機(jī)床夾具的靜動態(tài)特性分析

費(fèi) 非1張 銳2

(1.吉林省吉林市第二人民醫(yī)院放療科，吉林132002；2.蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅730050)

機(jī)床夾具對機(jī)械零件的加工精度與質(zhì)量有著非常重要的影響，夾具靜動態(tài)特性的好壞直接反應(yīng)了所設(shè)計夾具的性能。為了確定機(jī)床夾具各部分設(shè)計的合理性，利用Pro/E軟件建立其三維模型，導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS中，對其進(jìn)行靜動態(tài)特性分析，找出設(shè)計的薄弱環(huán)節(jié)，提出相應(yīng)改進(jìn)意見，進(jìn)而為夾具設(shè)計的后續(xù)優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。

夾具；有限元；動靜態(tài)特性分析

機(jī)床夾具是機(jī)械制造中一項(xiàng)非常重要的工藝裝備，也是機(jī)械加工工藝系統(tǒng)的一個重要組成部分[1]。對于機(jī)械制造企業(yè)，提高夾具設(shè)計效率和質(zhì)量，對于縮短生產(chǎn)周期、降低生產(chǎn)成本，提高企業(yè)的競爭力具有至關(guān)重要的作用[2]。

如何判斷一款已設(shè)計的機(jī)床夾具的好壞一直是設(shè)計者關(guān)心的話題。傳統(tǒng)的設(shè)計方法周期太長，已不能滿足現(xiàn)在設(shè)計的要求。如今各種強(qiáng)大的計算機(jī)軟件已為設(shè)計帶來了便利。本文以汽車變速箱輸出軸軸頭雙面銑鉆組合機(jī)床的專用夾具為例，對其進(jìn)行特性分析。首先利用Pro/E三維軟件建立夾具的實(shí)體模型，然后利用ANSYS Workbench進(jìn)行有限元分析，得到其靜態(tài)特性變形圖和前6階振型模態(tài)特性圖。通過分析結(jié)果可找出原設(shè)計中結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，作為進(jìn)一步改進(jìn)的依據(jù)[3]。

1 夾具實(shí)體模型的建立

對夾具進(jìn)行實(shí)體建模是進(jìn)行有限元分析的第一步，本文中的夾具模型主要包括起支撐作用的夾具體﹑提供壓緊動力源的液壓傳動裝置﹑傳力機(jī)構(gòu)齒輪齒條﹑直接與工件接觸的夾緊元件壓板壓塊以及其他零件。然后將各個零件按著相應(yīng)的約束進(jìn)行裝配，組成裝配圖。但這并不能保證裝配的正確性，還必須對裝配好的實(shí)體進(jìn)行運(yùn)動仿真，觀察裝配體的干涉情況。當(dāng)檢測到?jīng)]有干涉問題時，夾具的實(shí)體模型才建立完畢。夾具的實(shí)體模型如圖1所示。

2 夾具的有限元模型的建立

2.1 夾具實(shí)體模型導(dǎo)入ANSYS Workbench

當(dāng)夾具實(shí)體模型建立完成后，就可以導(dǎo)入到有限元軟件ANSYS Workbench中進(jìn)行特性分析。為了節(jié)省分析時間，提高計算效率，在導(dǎo)入之前可以對建立的實(shí)體模型進(jìn)行簡化，去掉一些對整體結(jié)構(gòu)剛度影響較小的結(jié)構(gòu)，例如倒角、圓角、螺紋孔、小直徑孔等[4]。一般有兩種導(dǎo)入方法：(1)建立Pro/E與ANSYS的無縫連接，從而實(shí)現(xiàn)Pro/E與ANSYS的數(shù)據(jù)共享和交換。在Pro/E窗口中直接點(diǎn)擊ANSYS下的ANSYS Workbench按鈕，就可將建好的模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中。(2)將Pro/E中的模型以實(shí)體的形式保存為SAT、IGS/IGES、x_t/x_b、Stp/Step等格式，然后在ANSYS Workbench中打開。本文采用第二種方法。

圖1 夾具的實(shí)體模型Figure 1 Solid model of fixture

2.2 添加模型材料屬性

材料為結(jié)構(gòu)鋼：彈性模量E=200 GPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7 850 kg/m3。

2.3 劃分網(wǎng)格

網(wǎng)格的疏密程度直接影響到計算結(jié)果的精度，計算結(jié)果不再隨網(wǎng)格的加密而改變的密度為理想的網(wǎng)格密度，但是網(wǎng)格加密會增加計算機(jī)CPU的計算時間并且需要很大的存儲空間。結(jié)合實(shí)驗(yàn)計算機(jī)的性能，本文中應(yīng)用尺寸控制方法通過設(shè)置Element Size的參數(shù)進(jìn)行網(wǎng)格劃分。共劃分了151 103個節(jié)點(diǎn)，83 195個單元。劃分網(wǎng)格后的夾具模型如圖2所示。

圖2 劃分網(wǎng)格后的夾具模型Figure 2 The fixture model after meshing

3 夾具模型的靜態(tài)分析

靜態(tài)分析是計算不包括慣性和阻尼效應(yīng)的載荷在結(jié)構(gòu)或部件上引起的位移、應(yīng)力、應(yīng)變等[5]。前面已經(jīng)對導(dǎo)入ANSYS Workbench中的模型進(jìn)行了材料屬性的設(shè)置以及網(wǎng)格劃分，下一步就要對夾具模型施加邊界約束和載荷。施加約束和載荷時，應(yīng)盡量按照實(shí)際工況進(jìn)行，這樣才能保證計算結(jié)果更準(zhǔn)確。

根據(jù)實(shí)際工況需對夾具體下表面施加固定約束，限定其各個方向的自由度，對四個傳力的桿施加位移約束，限制其Y軸和Z軸方向的自由度。然后對模型施加載荷約束，在實(shí)際工況中，夾具的壓板對工件施加兩種力：一是對工件在銑削時產(chǎn)生的夾緊力，另一種是對工件在鉆削時產(chǎn)生的夾緊力。工況中工件是軸類零件，根據(jù)夾具夾緊力計算公式[6]計算出鉆削時和銑削時的夾緊力，并比較兩者的大小，得出鉆削時壓板產(chǎn)生的夾緊力比銑削時壓板產(chǎn)生的夾緊力大，故而按照鉆削時壓板產(chǎn)生的夾緊力在壓板的壓頭上施加載荷。分配到每個壓頭上的夾緊力為4742 N，方向垂直于壓頭。最后對設(shè)置好約束及載荷的模型進(jìn)行靜力學(xué)求解，得到其總變形分析云圖，如圖3所示。

圖3 夾具模型的總變形分析云圖Figure 3 Analysis nephogram of total deformation of fixture model

從夾具模型靜態(tài)分析的總變形云圖中可以清楚地看到：在不考慮慣性和阻尼效應(yīng)的情況下，對夾具只施加壓緊力，夾具變形最大的位置在四個壓板處。因此，這就為設(shè)計人員在設(shè)計時提供了參考的依據(jù)，要注重對于夾具四個壓板及壓頭的改進(jìn)，從而確保整個設(shè)計的合理性。

4 夾具模型的模態(tài)分析

模態(tài)分析是計算結(jié)構(gòu)振動特性的數(shù)值技術(shù)，結(jié)構(gòu)振動特性包括固有頻率和振型。模態(tài)分析是最基本的動力學(xué)分析，也是其他動力學(xué)分析的基礎(chǔ)，如響應(yīng)譜分析、隨機(jī)振動分析、諧響應(yīng)分析等都需要在模態(tài)分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行。

(a)一階振型(b)二階振型(c)三階振型(d)四階振型(e)五階振型(f)六階振型

表1 夾具固有頻率Table 1 Natural frequency of fixture

模態(tài)分析雖然是最簡單的動力學(xué)分析，但卻有著非常實(shí)用的價值，模態(tài)分析可以幫助設(shè)計人員確定結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型[7]，從而使結(jié)構(gòu)設(shè)計避免共振。

本文對夾具體的下表面進(jìn)行固定約束，材料的屬性與靜態(tài)分析相同。由于低階固有振型對動態(tài)特性起決定作用，故取前6階模態(tài)進(jìn)行分析。獲得夾具的固有頻率(如表1所示)以及6階振型圖，如圖4所示。

從夾具6階振型圖中可以得到如下信息：

(1)一階振型最大變形主要在后方的壓塊和壓板處，壓塊和壓板沿著X軸正方向發(fā)生彎曲振動。

(2)二階振型的最大變形仍是在后方的壓塊和壓板處，壓塊和壓板沿著Y軸正方向發(fā)生彎曲振動。

(3)三階振型的最大變形主要在前方的壓塊和壓板處，壓塊和壓板沿著Y軸正方向發(fā)生彎曲振動。

(4)四階振型的最大變形也是發(fā)生在前方的壓塊和壓板處，壓塊和壓板沿著X軸正方向發(fā)生彎曲振動。

(5)五階振型的最大變形發(fā)生在模型右半部分的缸體處，缸體整體沿著Y軸正方向發(fā)生彎曲振動，與缸體接觸的夾具體也發(fā)生輕微的變形。

(6)六階振型的最大變形同樣發(fā)生在夾具模型的右半部分的缸體處，缸體沿著Z軸正方向發(fā)生彎曲振動，與缸體接觸的夾具體以及與夾具體主體接觸的兩個壓板發(fā)生輕微的振動變形。

從以上的6階振型圖中可以看出，在低階固有頻率下，前后兩個壓塊和壓板變形較大，隨著固有頻率的增加，變形主要集中在夾具模型的缸體部分。在6階振型中夾具體主體的變形較小，說明夾具體主體具有良好的剛度。根據(jù)對夾具的靜動態(tài)特性分析，在以后的設(shè)計中需對壓板壓塊及缸體進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)。

5 結(jié)論

利用有限元分析軟件ANSYS Workbench對夾具進(jìn)行三維模型的特性分析，得出了夾具的靜態(tài)變形圖以及6階固有頻率和振型圖，找出了夾具設(shè)計中的薄弱環(huán)節(jié)，為下一步的優(yōu)化設(shè)計指明了方向。針對分析的結(jié)果，提出以下改進(jìn)方案。

從一至四階振型圖可以看出，前后兩個壓板壓塊的變形不是同步的，這說明在設(shè)計的過程中兩者的受力分布不同，而在設(shè)計圖中也可以看出支撐兩壓板壓塊的夾具體并不是對稱的，這有可能影響力的分布，所以要改進(jìn)夾具體，使其對稱。另外，利用ANSYS Workbench的優(yōu)化設(shè)計版塊對前后壓板壓塊進(jìn)行優(yōu)化，計算出兩壓板壓塊的厚度、長度、寬度以及與其接觸的桿的直徑，從而減小在低階頻率下壓板壓塊的變形情況。

在固有頻率增高的情況下夾具模型的缸體也發(fā)生了變形，在不影響夾具整體工作性能的情況下，可減小缸體的體積，這也可以利用ANSYS Workbench的優(yōu)化設(shè)計版塊進(jìn)行計算。在后續(xù)的優(yōu)化過程中仍需要對改進(jìn)后的模型進(jìn)行有限元分析，使設(shè)計達(dá)到最優(yōu)化。

[1] 趙建平，汪永超，夏吉兵，等．面向綠色制造的機(jī)床夾具優(yōu)化選擇研究[J]．組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)，2013(12)：126-129．

[2] 張勝文，蘇延浩．計算機(jī)輔助夾具設(shè)計技術(shù)發(fā)展綜述[J]．制造技術(shù)與機(jī)床，2015(4)：50-55．

[3] 李煜．針對機(jī)械制造裝備的有限元靜、動態(tài)分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D]．天津：天津大學(xué)，2013．

[4] 孫小文，劉斌．模具電極用夾具的模態(tài)分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J]．模具工業(yè)，2013，39(8)：67-72．

[5] 王永．銑鉆夾具三維造型及構(gòu)件有限元分析[D]．濟(jì)南：山東大學(xué)，2012．

[6] 吳拓．現(xiàn)代機(jī)床夾具設(shè)計[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008：106-111．

[7] 孫曉潔，陳俊，王安柱，等．大型振動臺夾具的模態(tài)分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)[J]．蘇州大學(xué)學(xué)報(工科版)，2011，31(5)：56-59

編輯 李韋螢

Analysis on the Static and Dynamic Characteristics of Machine Tool Fixture Based on ANSYS

Fei Fei,Zhang Rui

Machine tool fixture has a very important influence on the machining precision and quality of mechanical parts,and the static and dynamic characteristics of the fixture directly reflect the performance of the designed fixture.In order to determine the design rationality of the various parts of machine tool fixture,Pro/E software is used to build its three-dimensional model,and it is led in the finite element analysis software ANSYS to analyze the static and dynamic characteristics.The weaknesses of the design are found out and the corresponding improvement suggestions are put forward.And the foundation is laid for the subsequent optimization of fixture design.

fixture; finite element; analysis of dynamic and static characteristics

2016—10—27

費(fèi)非(1987—)，男，碩士研究生，助理工程師，主要從事醫(yī)療器械優(yōu)化設(shè)計工作； 張銳(1986—)，女，碩士研究生，主要從事機(jī)床精度誤差分析工作。

TH164

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