摘"要：為解決某款汽車(chē)車(chē)架在焊接系統(tǒng)中的電極座零件車(chē)削加工的夾具定位精度問(wèn)題，通過(guò)電極座零件加工工藝分析制定可行的夾具結(jié)構(gòu)方案，設(shè)計(jì)相應(yīng)工序的偏心專(zhuān)用夾具。為保證夾具整體精度及其力學(xué)性能，借助NX有限元分析方法系統(tǒng)研究影響夾具定位元件精度的轉(zhuǎn)速、偏心質(zhì)量、偏心距離3個(gè)因素的影響程度及其變化規(guī)律，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)夾具精度和可靠性的評(píng)估，為同類(lèi)夾具的開(kāi)發(fā)和改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：電極座；車(chē)削加工；偏心夾具；NX有限元

中圖分類(lèi)號(hào)：TH122；TG751.1""文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B""文章編號(hào)：1671-5276（2024）02-0087-05

Research on Design of Electrode Holder Turning Fixture

Based on Finite Element Analysis

CHU Xiaomeng

（Jiangsu Aviation Technical College，Zhenjiang 212134，China）

Abstract：In order to solve the turning fixture positioning accuracy of the electrode base part in the welding system of an automobile frame， the feasible fixture structure scheme is worked out through the analysis of the processing technology of the electrode base part， and the special eccentric fixture of the corresponding working procedure is designed. To further ensure the overall accuracy and mechanical properties of the fixture， the influence degree and its change rule of three factors affecting the accuracy of fixture positioning element， such as rotating speed， eccentric quality and eccentric distance， are studied systematically by means of NX finite element method， and the accuracy and reliability of fixture are evaluated. The design and reserch provide a theoretical basis for the development and improvement of the same kind of fixture.

Keywords：electrode holder；turning；eccentric fixture；NX finite element

0"引言

在夾具設(shè)計(jì)過(guò)程中其定位精度、裝夾可靠性、設(shè)計(jì)合理性都將直接影響產(chǎn)品的加工質(zhì)量、工作效率和生產(chǎn)成本。由于夾具設(shè)計(jì)的關(guān)聯(lián)因素諸多，且傳統(tǒng)的夾具設(shè)計(jì)方案主要依賴于工程師的經(jīng)驗(yàn)，因而在面臨復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件時(shí)，不可避免地需要通過(guò)多輪現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法來(lái)完成夾具的不斷調(diào)整與逐步改進(jìn)，造成了其設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、效率低和試制費(fèi)用高等諸多弊病，成為行業(yè)領(lǐng)域亟待解決的設(shè)計(jì)難題［1-2］。

伴隨著科技水平的不斷發(fā)展，CAE技術(shù)（computer aided engineering）作為一項(xiàng)貫穿于前期產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和后期優(yōu)化驗(yàn)證整個(gè)過(guò)程的虛擬仿真試驗(yàn)技術(shù)，因其兼具強(qiáng)大的核心優(yōu)勢(shì)而逐步應(yīng)用到工裝夾具的開(kāi)發(fā)中，能夠及時(shí)地發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)前期的問(wèn)題，顯著地減少了對(duì)經(jīng)驗(yàn)的依賴，受到了廣大設(shè)計(jì)人員的青睞［3-4］。

本文根據(jù)某款汽車(chē)車(chē)架焊接系統(tǒng)中的電極座零件車(chē)削工序的加工要求，制定出偏心車(chē)削夾具的設(shè)計(jì)方案，在完成理論設(shè)計(jì)后，利用CAD/CAE一體化軟件NX1899對(duì)夾具進(jìn)行數(shù)字化建模和力學(xué)性能分析［5］，以該夾具的定位元件作為對(duì)象，從夾具（機(jī)床）轉(zhuǎn)速、偏心質(zhì)量、偏心距離這3個(gè)不同的維度，系統(tǒng)研究影響該偏心夾具定位精度的諸多因素，為其結(jié)構(gòu)優(yōu)化、詳細(xì)設(shè)計(jì)和試用改進(jìn)提供理論依據(jù)。

1"零件分析和夾具設(shè)計(jì)

1.1"零件加工工藝

圖1所示為某款汽車(chē)車(chē)架在電阻點(diǎn)焊機(jī)器人內(nèi)部焊接系統(tǒng)中的電極座零件，為某司委托開(kāi)發(fā)加工的產(chǎn)品，要求按批量生產(chǎn)的方式進(jìn)行工藝規(guī)劃和夾具設(shè)計(jì)。結(jié)合零件結(jié)構(gòu)及設(shè)備現(xiàn)狀，擬采用加工中心與數(shù)控車(chē)床相組合的混合加工模式，定位方式選用“一面兩銷(xiāo)”方式，依照上述要求制定出該電極座零件的加工工藝流程如表1所示。

表1中工序10加工出1處平面、4-11通孔及2-18沉孔（深度30），完成零件對(duì)應(yīng)型面加工的同時(shí)，也作為工序20的定位基準(zhǔn)，如圖1所示。工序20為在數(shù)控車(chē)床上完成34圓柱凸臺(tái)、R5圓弧過(guò)渡角、7內(nèi)孔、M18×1.5及M8×1內(nèi)螺紋等型面的加工，且該部分的結(jié)構(gòu)與四方零件中心在y方向上偏心9mm，此外各相關(guān)尺寸還存在一定的形狀和位置公差要求，要求如圖2所示，工序20的加工簡(jiǎn)圖如圖3所示。

1.2"夾具方案設(shè)計(jì)

從上述分析可知，采用車(chē)削加工所需的專(zhuān)用夾具設(shè)計(jì)難度較大，為了完成工序20的車(chē)削加工要求，工序10已經(jīng)預(yù)先加工出4-11通孔和1個(gè)大面（底面），且其中兩個(gè)孔已預(yù)做沉孔。根據(jù)六點(diǎn)定位原理，定位元件選擇一組2-11孔（非沉孔）及1個(gè)大面作為定位基準(zhǔn)，采用“一面兩銷(xiāo)”的定位方式、夾緊裝置擬采用螺旋壓緊方式，通過(guò)2個(gè)緊固螺釘實(shí)現(xiàn)零件的夾緊。該偏心車(chē)削夾具設(shè)計(jì)如圖4所示，其中花盤(pán)端面和定位銷(xiāo)作為定位元件（圓柱銷(xiāo)、菱形銷(xiāo)）實(shí)現(xiàn)了完全定位。

根據(jù)電極座零件的定位方式，工件只需要沿軸線方向上夾緊?？紤]綜合成本，本夾具可采用螺旋夾緊機(jī)構(gòu)，即利用M10的內(nèi)六角螺釘。能否可靠地夾緊工件需要經(jīng)過(guò)理論驗(yàn)算，在此需計(jì)算工序20中車(chē)削34外圓的切削力大小。采用相關(guān)切削力計(jì)算軟件，計(jì)算出其主切削力約為560N。在此切削力基礎(chǔ)上乘以安全系數(shù)K（一般取值1.5～3）［6］。本文中安全系數(shù)選取最大值，則夾緊力F要大于1 680N。

利用扳手旋緊內(nèi)六角螺釘?shù)膴A緊力計(jì)算方法，查閱《金屬機(jī)械加工工藝人員手冊(cè)》，螺釘?shù)墓Q(chēng)直徑為M10時(shí)的螺紋中徑d1=9.026mm，手柄長(zhǎng)度L=120mm，手柄上的作用力P=47N。經(jīng)計(jì)算單個(gè)螺釘?shù)膴A緊力W=1 230N［7］。零件夾緊時(shí)需要2個(gè)M10螺釘，其總的夾緊力為2460N＞F（1680N），可見(jiàn)夾緊力大于3倍的主切削力，本車(chē)削夾具可安全使用。進(jìn)一步通過(guò)三維軟件幾何體分析可知，理論上該夾具（包括配重）的質(zhì)心在回轉(zhuǎn)體的軸心線上，可實(shí)現(xiàn)夾具的平穩(wěn)回轉(zhuǎn)。本夾具設(shè)計(jì)的其他相關(guān)內(nèi)容及過(guò)程在此不作贅述。

綜上分析所述，車(chē)削夾具的方案設(shè)計(jì)通過(guò)了初步理論公式計(jì)算，但為了能夠更加深入地評(píng)判夾具設(shè)計(jì)方案的合理性與回轉(zhuǎn)過(guò)程中的可靠性，還需要進(jìn)一步借助CAE對(duì)其進(jìn)行力學(xué)性能分析。

2"有限元分析方法及步驟

2.1"模型簡(jiǎn)化處理

鑒于整體夾具采用的是“一面兩銷(xiāo)”定位方式和螺釘夾緊連接，簡(jiǎn)化處理的模型主要分成三類(lèi)，即兩個(gè)銷(xiāo)釘、花盤(pán)和其他部件的簡(jiǎn)化模型，簡(jiǎn)化后進(jìn)一步構(gòu)建整體裝配模型并以花盤(pán)底面圓心作為原點(diǎn)，垂直底面向上為z軸建立裝配模型的直角坐標(biāo)系，如圖5所示。

2.2"材料的選擇

夾具由不同材料的零部件組成，所用材料及其物理參數(shù)如表2所示。

2.3"仿真前處理設(shè)置

在NX仿真的FEM操作界面中依次進(jìn)行材料屬性、物理屬性和網(wǎng)格屬性這“三大屬性”的定義，其中材料屬性的定義參照表2進(jìn)行。在網(wǎng)格劃分基礎(chǔ)上對(duì)連接處進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化［8］，劃分完成后的夾具模型效果圖如圖6所示。

完成FEM條件設(shè)置后即可進(jìn)入SIM設(shè)置，進(jìn)行約束與載荷的施加如圖7所示。在此之前由于夾具裝置是一個(gè)整體，且各零件在使用過(guò)程中保持緊密貼合，因此可運(yùn)用“面面黏連”命令進(jìn)行連接，以確保邊界條件數(shù)據(jù)可以在不同零件之間的有效傳遞。

由于夾具體依靠花盤(pán)安裝在機(jī)床上，因此運(yùn)用“自定義約束”將花盤(pán)除繞z軸的回轉(zhuǎn)自由度釋放外其余均固定，再以花盤(pán)端面圓心為回轉(zhuǎn)中心，添加數(shù)值大小為1 000r/min的旋轉(zhuǎn)載荷；此外重力的影響因素也不容忽視，需再添加一個(gè)沿花盤(pán)徑向上的重力載荷；最后參照空轉(zhuǎn)下的花盤(pán)變形情況，在危險(xiǎn)區(qū)域節(jié)點(diǎn)上添加一個(gè)幅值為560N主切削力，用以模擬在極限工況下的夾具受力情況，圖7為最終完成所有仿真前處理后的效果圖。

2.4"定位銷(xiāo)仿真結(jié)果及分析

為了多維度地評(píng)估本夾具設(shè)計(jì)方案在面對(duì)不同工況下的數(shù)值計(jì)算結(jié)果，依次對(duì)夾具轉(zhuǎn)速、偏心質(zhì)量和偏心距離這3個(gè)主要因素進(jìn)行仿真，其中夾具轉(zhuǎn)速的對(duì)比是在原設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上將花盤(pán)轉(zhuǎn)速?gòu)?000r/min調(diào)整到4000r/min進(jìn)行仿真對(duì)比分析；而偏心質(zhì)量的驗(yàn)證是將配重塊沿y軸正方向依次進(jìn)行加厚增重，以便于凸顯其變化的范圍幅值。經(jīng)計(jì)算對(duì)于采用45鋼的配重塊其側(cè)面每增加1mm，質(zhì)量增重約14g，而增重的范圍是7g～49g；最后針對(duì)偏心距離的仿真則是將配重塊沿x軸負(fù)方向（銷(xiāo)釘位移量大的方向）等差數(shù)值移動(dòng)，移動(dòng)范圍是2mm～14mm。參照上述對(duì)比仿真解算方案進(jìn)行數(shù)模的調(diào)整，最終完成所有仿真設(shè)置后求解并經(jīng)數(shù)據(jù)處理得到的結(jié)果如下。

1）夾具（機(jī)床）轉(zhuǎn)速對(duì)定位銷(xiāo)的影響

為了能夠得出本夾具的切削轉(zhuǎn)速最佳值，保持原夾具設(shè)計(jì)中的偏心質(zhì)量和偏心距離不變，調(diào)整夾具（機(jī)床）轉(zhuǎn)速，所得到的有限元仿真結(jié)果數(shù)據(jù)如圖8所示。

由圖8可以看出，夾具（機(jī)床）轉(zhuǎn)速改變對(duì)定位銷(xiāo)產(chǎn)生的影響較大，伴隨著機(jī)床轉(zhuǎn)速的升高，定位銷(xiāo)位移（變形）及應(yīng)力呈現(xiàn)出線性上升的趨勢(shì)。如圖9所示，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到2000r/min時(shí)，此時(shí)定位銷(xiāo)的最大位移是1.067μm，Von Mises應(yīng)力為2.978MPa；而當(dāng)夾具轉(zhuǎn)速為2500r/min時(shí)，其位移量最高達(dá)1.371μm，Von Mises應(yīng)力為3.849MPa。結(jié)合對(duì)定位銷(xiāo)精度設(shè)計(jì)要求和切削用量參數(shù)，初步綜合評(píng)估夾具（機(jī)床）轉(zhuǎn)速為2000r/min時(shí)，為最佳轉(zhuǎn)速（切削參數(shù)），此工況下夾具整體剛度和強(qiáng)度足夠，定位銷(xiāo)精度也能得到保證。

2）偏心質(zhì)量對(duì)定位銷(xiāo)的影響

為了能夠得出本夾具的偏心質(zhì)量極限值，保持夾具（機(jī)床）轉(zhuǎn)速2000r/min和偏心距離不變，調(diào)整配重塊的偏心質(zhì)量，得到的有限元仿真結(jié)果數(shù)據(jù)如圖10所示。

從圖10可以得出，偏心質(zhì)量的改變對(duì)定位銷(xiāo)會(huì)造成一定的影響。隨著配重塊沿y軸正方向的逐步增重，定位銷(xiāo)位移（變形）及應(yīng)力整體上也以線性上升的趨勢(shì)增長(zhǎng)。而圖11顯示了當(dāng)夾具轉(zhuǎn)速為2000r/min、偏心質(zhì)量達(dá)21g的條件下，定位銷(xiāo)的最大位移是1.077μm，Von Mises應(yīng)力為2.987MPa，該數(shù)值已接近定位銷(xiāo)容許偏差范圍的臨界值，可見(jiàn)針對(duì)配重塊沿y軸方向的增重極限值是21g。在此數(shù)值以下的夾具整體剛度和強(qiáng)度足夠，定位銷(xiāo)精度也得到保證。

3）偏心距離對(duì)定位銷(xiāo)的影響

為了能夠得出本夾具的偏心距離極限值，保持夾具（機(jī)床）轉(zhuǎn)速2000r/min及偏心質(zhì)量不變，調(diào)整配重塊的偏心距離，得到的有限元仿真結(jié)果數(shù)據(jù)見(jiàn)圖12所示。

由圖12可以看出，沿x軸偏心距離的改變會(huì)引起定位銷(xiāo)力學(xué)性能的變化。在配重塊沿著x軸負(fù)方向的逐步偏移過(guò)程中，定位銷(xiāo)位移（變形）及應(yīng)力亦呈現(xiàn)出線性上升的趨勢(shì)。而圖13示出了夾具轉(zhuǎn)速為2000r/min、偏心距離6mm的條件下，定位銷(xiāo)的最大位移是1.076μm，Von Mises應(yīng)力為2.995MPa。該數(shù)值也已接近定位銷(xiāo)容許偏差范圍的臨界值，可見(jiàn)針對(duì)配重塊沿x軸方向的偏移極限值是6mm，在此數(shù)值以下的夾具整體剛度和強(qiáng)度足夠，定位銷(xiāo)精度也得到保證。

在上述研究的指導(dǎo)下詳細(xì)設(shè)計(jì)和制造了車(chē)削偏心夾具，試用近6個(gè)月的生產(chǎn)實(shí)踐表明：該夾具加工過(guò)程穩(wěn)定，加工零件主要尺寸的一致性較好，完全達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

3"結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)電極座車(chē)削加工的偏心專(zhuān)用夾具進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究，借助NX軟件進(jìn)行靜力學(xué)仿真分析與驗(yàn)證，其中以?shī)A具的定位元件為研究對(duì)象，著重研究了機(jī)床轉(zhuǎn)速、偏心質(zhì)量、偏心距離對(duì)其精度大小的影響程度及其變化規(guī)律。通過(guò)設(shè)置多組不同變量的對(duì)比分析后得出該偏心車(chē)削夾具在機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速為2000r/min、y軸方向偏心質(zhì)量誤差21g以內(nèi)以及x軸偏心距離誤差6mm以內(nèi)時(shí)，夾具的定位精度和使用效果最佳。

綜上所述可知：運(yùn)用有限元對(duì)夾具性能（精度和可靠性）進(jìn)行分析，不僅能夠有效克服在傳統(tǒng)夾具設(shè)計(jì)過(guò)程中的一些不確定性因素，提供精確、高效的輔助分析，還可及時(shí)評(píng)估夾具整體性能，提出夾具改進(jìn)方案，顯著提高了設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量，節(jié)約設(shè)計(jì)成本，為同類(lèi)車(chē)削偏心夾具的設(shè)計(jì)提供重要參考，具有一定的推廣價(jià)值。

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收稿日期：20220915