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基於 Hyper Mesh 銑床夾（jiá）具的靜態和模態有限（xiàn）元分析

2019-1-11 來源：柳州職業技術學院作（zuò）者：毛丹丹

摘要：以（yǐ）一種銑床夾具的結構設計為研究對象，建立了其本體結構的有限元計算模型，在具體工（gōng）況下對其進行靜力學（xué）分析，得到其應（yīng）力、位移雲圖和靜剛度；通過模態分析，得到銑床夾具前5階模態固有頻率和主振型，證明該夾具設計合理，能夠（gòu）滿足工作需要。同時找出（chū）本體的薄弱環節，為（wéi）該夾具（jù）結構優化提供了依據。

關鍵詞：銑床夾具；有限（xiàn）元；靜力學；模態分（fèn）析

0 引言

針對（duì）某特殊結構零件（見圖 1），傳統的工件安裝無法達到加工要求，耗時費力且效率（lǜ）低。為了減小加工時人（rén）工裝（zhuāng）夾引起的誤差，縮短生產周期，提（tí）高工件的加工精度，擬設計一種銑床專用夾具（jù），加（jiā）工直徑 19 mm 孔的兩端麵（miàn），使工件尺寸精度和表麵（miàn）粗糙度達到（dào）要求，並使工序集中，提高（gāo）生產效率和降低生產（chǎn）成（chéng）本。銑床專用夾具的優良程度直接影響整個工件的加工質量，夾具能使工件快速（sù）正確的定位，能（néng）避免工件安裝不到（dào）位的（de）現象，而夾具變形則會影響已安裝工件（jiàn）的位置準確（què）性，進而影（yǐng）響工件的加工質量和使用性能。另外（wài），銑床專用夾具在加工時會產生振動，在一（yī）定程度上也會影響工（gōng）件的加工質量。為保證高質、高效地完成零（líng）件加（jiā）工，通過（guò）有限元軟件對夾具進（jìn）行靜態和模態分析，為夾具的結（jié）構設計和優化提供（gòng）了技術支持.

1 、銑床夾具結構設計

銑床專用夾具的夾（jiá）緊（jǐn）裝置和定位裝（zhuāng）置是整個夾具設計中（zhōng）的重要環節。夾緊裝置主要（yào）由壓（yā）緊杠杆（gǎn）、加載螺紋孔、螺母、鉸鏈中心軸、鉸鏈支撐座等組成，其中關鍵尺寸主要包括壓緊杠杆的長和寬、加載螺紋孔的大小。定位裝（zhuāng）置主要由定位方套、彈性撐開（kāi）裝置、支（zhī）撐釘組成，其中關鍵尺寸主要包括支撐釘分布尺寸、定位方套的長寬高等。夾具底座的組成部（bù）分（fèn）主要包括（kuò）：斜麵底座（zuò）、12 個（gè） M10 的螺紋孔、1個M20的加（jiā）載螺紋孔及6個 12 mm的定位銷通孔，利用定位螺（luó）釘（dìng）將定位裝置、夾緊裝置和底座（zuò）固定在一起，如圖2所示。

2 、有限元模型的建立

2.1 有限（xiàn）元網格（gé）的劃分

通過 UG6.0 軟件（jiàn）進行夾具體三維建模，然後導入 Hyper Mesh 軟件，在有限元分析軟件的研究對象中存在一些對分析結果不產生影響但影響（xiǎng）網格劃分的細小結構，如在建模時常忽（hū）略倒角、沉頭孔（kǒng）、螺紋孔等（děng）結構。為方便網（wǎng）格劃分，將倒（dǎo）角、倒圓角去除，沉頭孔（kǒng）改為通孔，螺紋孔改為簡單孔。由（yóu）於銑床夾具的結構較複雜，一些過渡曲線、曲麵以及不規則（zé）麵會影響有限元網格劃（huá）分和計算（suàn），在建模（mó）時要對其進行合理簡化，夾具體三（sān）維建模如圖 3（a）所（suǒ）示（shì）。網格化分時選用計算精度高、能夠更（gèng）好逼近（jìn）結構曲線和曲麵（miàn）邊界的四麵體單元，得到的有限元網格模型如圖3（b）所示。

2.2 靜力學分析（xī）參數的確定

根據銑削（xuē）力經驗公式有：

3 、結果分析

3.1 靜力學分析

夾（jiá）具（jù）材料為45鋼，查手冊知45鋼的彈性模量、泊鬆比（bǐ）、密度、屈服強度如表1所（suǒ）示。

在夾具機構上分（fèn）別施加上述計算（suàn）的 2 個水平分（fèn）力和（hé）2個垂直分力（見圖3），通過計算得其（qí）關鍵部件定位套的應力雲圖和（hé）變形雲圖，如（rú）圖4所示。

通過圖4可知，最大（dà）變形量為0.002 4 mm，最大（dà）應力為1.97 MPa，最大應（yīng）力發生在支承座（zuò）與底板接觸的螺栓連接處，而其他區域的（de）應力（lì）都很小，說明定位套的安全係數高，滿足設計（jì）要求。剛度方麵，整個定（dìng）位套的上表麵都有變形（xíng），並呈 45°對角方向逐漸增（zēng）大，定位套在（zài）定位過程中，楔塊處於工作狀態，楔塊（kuài）與楔（xiē）孔端麵之間有一定的（de）距離，造成楔孔

左端（加工厚度（dù）為5 mm）處變形最大。但變形後離初始位置的位移較小，故總體變形較小。

3.2 模態分析

模態分析是結構（gòu）設計的（de）重要依據，可以提高機械結構的振動性能，避（bì）免在動載荷作（zuò）用下出現共（gòng）振現（xiàn）象，需要利用（yòng）有（yǒu）限元法根據數學模型求解係統特征向（xiàng）量（liàng）初始特（tè）征值，有限元模（mó）型的自由振動方程[4-6]：

分析如下：夾具整體（tǐ）有一定的抗（kàng）振（zhèn）能力，一階（jiē）、二階（jiē）振型主要在壓緊杠杆上（shàng），發生Z方向擺動，即以壓緊杠杆連接處為中心，繞其上下擺動，會加快連接處的磨損，影響使用壽命。三階、四階、五階振型為彈性撐開裝置的整體扭轉，扭轉（zhuǎn）以中部為中心，發生疲勞，引起破壞，這些都影響到夾具的強度和剛度。由於銑削過程不是連續切削，銑削時極易產生振動，在加（jiā）工過程中，應減少盤銑刀的齒數，以達到預防共振，提高加工精度的目的。

4 、結束語

通過對夾具進行（háng）靜力學和模態分析（xī），找到關鍵（jiàn）部件定位（wèi）套的薄弱環（huán）節，最大應力發生在支承座與底板（bǎn）接觸的螺栓連接處，最大（dà）變（biàn）形發生在楔孔左端（加工厚度為5 mm）處；提（tí）取了前5階的固有頻率和主振型，找出其振動位移（yí）相對較大的部位，並分（fèn）析其原因，為夾具進一步的結構分析和優（yōu）化提供了參考（kǎo）依（yī）據。

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