基于Pro/E的組合夾具設(shè)計及結(jié)構(gòu)分析

劉冬梅，陳冰冰

（東華大學(xué) 機械工程學(xué)院，上海 201620）

0 引言

組合夾具是在夾具的元件和合件完全標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)上，由一整套預(yù)先制定好的標(biāo)準(zhǔn)元件和合件，按照組合化的原理，針對不同的工件迅速組裝成各種專用夾具，使用完畢后再拆散成元件和合件，如此不斷重復(fù)使用[1]。組合夾具以其柔性好，可方便地重新組裝和局部調(diào)整，可節(jié)約夾具設(shè)計工時和材料，成為與加工中心、FMS配套的主要裝備，成為當(dāng)代柔性夾具的主流。目前大多數(shù)工廠的組合夾具是根據(jù)工藝人員設(shè)計的工序圖由組合夾具組裝站進(jìn)行組裝，由于大多沒有詳細(xì)的裝配圖，組裝時往往需要經(jīng)過多次安裝、調(diào)整才能達(dá)到要求，比較費時費力。如果將Pro/E應(yīng)用到組合夾具設(shè)計中，則可以使組合夾具的設(shè)計非常快捷，裝配生產(chǎn)率顯著提高。

在工藝系統(tǒng)中，夾具是保證加工精度的一個重要環(huán)節(jié)。在外力（如切削力、夾緊力、傳動力等）作用下，夾具會因剛度不足而引起變形或位移，這就要破壞工件相對于刀具的正確位置，造成加工誤差。夾具誤差包括夾具各元件之間的位置誤差和夾具中各定位元件的磨損，夾具的制造誤差對工件的加工精度（特別是位置精度）有很大影響。因此利用Pro/E對組合夾具進(jìn)行設(shè)計和有限元分析，可有效地保證工件的加工精度、提高夾具的設(shè)計水平、提高經(jīng)濟效益；進(jìn)一步擴大組合夾具的應(yīng)用范圍。

1 組合夾具設(shè)計

1.1 創(chuàng)建組合夾具標(biāo)準(zhǔn)件圖形庫

由于組合夾具的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化程度高，所以特別適合利用Pro/E中族表(Family Table)、用戶定義特征(UDF)兩個工具開發(fā)組合夾具標(biāo)準(zhǔn)件圖形庫。族表就是本質(zhì)上相似零件（或組件或特征）的集合，但它們在規(guī)格方面稍有不同，諸如尺寸大小或詳細(xì)特征等。所以非常適合用來制作具有不同規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)零件。而族表中的零件也稱為“表驅(qū)動零件”。用戶定義特征，是將若干個系統(tǒng)特征融合為一個自定義特征，使用時作為一個整體出現(xiàn)。UDF適用特定產(chǎn)品中的特定結(jié)構(gòu)，有利于設(shè)計者根據(jù)產(chǎn)品特征快速生成幾何模型。本文以JB3930-85標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，創(chuàng)建槽系中型組合夾具標(biāo)準(zhǔn)件庫。

1.1.1 創(chuàng)建用戶定義特征

組合夾具的標(biāo)準(zhǔn)件由基礎(chǔ)件、支承件、定位件、導(dǎo)向件、夾緊件、緊固件、其他件和合件8部分構(gòu)成。在同一系列的各個標(biāo)準(zhǔn)件上，都設(shè)計有尺寸相同、間隔均勻的T形槽、長方槽、螺紋孔等結(jié)構(gòu)，用來實現(xiàn)各個標(biāo)準(zhǔn)件在裝配時彼此的定位和聯(lián)接。一般根據(jù)組合夾具系列的不同，把標(biāo)準(zhǔn)件上都具有的T形槽、螺紋孔等特征建立UDF。在創(chuàng)建各標(biāo)準(zhǔn)件時只需把UDF特征加載到基本幾何體上，就可以快捷地創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)件[2]。

1.1.2 創(chuàng)建族表

對于重復(fù)性高、相似性大的零件或標(biāo)準(zhǔn)件，不需要每個規(guī)格都建立一個零件，可以使用一個原始樣本零件（Generic part）及對應(yīng)族表，即可自動產(chǎn)生一個按族表所示尺寸比例的實例零件。例如中型系列基礎(chǔ)板共有九組，每組形狀類似，而規(guī)格不一。那么，可以創(chuàng)建九個原始模型，來生成其他件。如圖1所示，根據(jù)長方形基礎(chǔ)板原始模型通過創(chuàng)建族表所開發(fā)的一組標(biāo)準(zhǔn)件。圖2所示為創(chuàng)建的中型組合夾具的長方形基礎(chǔ)板族表，其原始模型為圖1中最大的長方形基礎(chǔ)板。

圖1 長方形基礎(chǔ)板系列

圖2 中型組合夾具的長方形基礎(chǔ)板族表

通過以上所述的方法可以對組合夾具的八種類別標(biāo)準(zhǔn)件建立標(biāo)準(zhǔn)件庫。對于三維CAD軟件Pro/E而言，利用其強大的特征造型功能構(gòu)建三維模型，同時利用其族表功能，可以很好地解決在基本模型建立后的多個參數(shù)的驅(qū)動問題，從而實現(xiàn)了Pro/E三維參數(shù)化功能的擴展。

1.2 組合夾具的模擬裝配

首先要創(chuàng)建出工件的三維實體模型，分析工件的結(jié)構(gòu)形狀特征及本道工序的加工要求。在分析工序圖時，初步確定定位、夾緊及導(dǎo)向、對刀方案。然后，在標(biāo)準(zhǔn)件庫中直接選取合適的定位、夾緊、導(dǎo)向和對刀元件。同時，要選擇合適的基礎(chǔ)板來支撐這些元件。接下來便可進(jìn)行組合夾具的模擬裝配。在模擬裝配時應(yīng)注意裝配的順序：首先在基礎(chǔ)夾具體上安裝定位元件，工件實現(xiàn)定位后，再安裝夾緊元件及導(dǎo)向?qū)Φ对Ｑb配完成后可利用Analysis命令，檢查組合夾具元件之間的干涉現(xiàn)象，以便及時糾正裝配中存在的問題。

1.3 創(chuàng)建裝配圖和明細(xì)表

Pro/E有大量的功能用于裝配圖的繪制。在三維空間實現(xiàn)了組合夾具模擬裝配后，就可以快捷地創(chuàng)建二維裝配圖和零件明細(xì)表，從而完成了利用Pro/E軟件進(jìn)行組合夾具設(shè)計的全過程。

2 Pro/MECHANICA有限元分析

本文利用美國PTC開發(fā)的有限元軟件Pro/MECHANICA對組合夾具的結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。與其他有限元分析軟件比起來，Pro/M的優(yōu)勢就在于，它是一個有CAD模塊為支援的結(jié)構(gòu)/熱力分析軟件。通過Pro/E所構(gòu)建的幾何模型可以完全轉(zhuǎn)到Pro/M里來做結(jié)構(gòu)熱力分析，而無兼容性的問題。因為絕大多數(shù)有限元分析軟件在建模方面的功能比較弱，使用普及率也不高，所以工作圖形文件通常都必須通過IGES或STEP等格式進(jìn)行圖形格式的交換；在這種情況下，就會因為不完全兼容，而經(jīng)常需要花費大量的時間和精力來進(jìn)行模型的修補工作[3]。本文使用Pro/M恰好可以克服這一點。

運用Pro/MECHANICA進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時，首先，要在Pro/E中創(chuàng)建幾何模型，并將幾何模型導(dǎo)入Pro/M中，此步驟需要用戶確定模型的類型，默認(rèn)的模型類型是實體類型；其次，設(shè)定模型的材料，約束和載荷，并檢查有限元網(wǎng)格的劃分：Pro/M可以自動幫助完成網(wǎng)格劃分工作，同時也支持使用Auto GEM工具來分割模型；然后，建立分析任務(wù)并運行；最后圖形顯示計算結(jié)果，可以顯示變形情況、應(yīng)力分布等計算結(jié)果。

3 組合夾具的結(jié)構(gòu)分析

本節(jié)以一銑床組合夾具為例，具體講解使用Pro/MECHANICA軟件進(jìn)行組合夾具結(jié)構(gòu)分析的具體流程。首先利用Pro/E軟件建立組合夾具元件、組件等標(biāo)準(zhǔn)件實體模型，然后進(jìn)行虛擬裝配，裝配后的組合夾具整體模型如圖3所示。在本組合夾具中，其工序是銑削工件頂端的槽。由于本組合夾具體都是在Pro/E中建模和裝配的，因此有利于利用Pro/E中的Pro/MECHANICA模塊對其進(jìn)行有限元分析。

槽系組合夾具的基本連接形式是槽用螺栓和T型槽的連接，實際使用中螺栓施加的緊固力，使得各元件在整個分析過程中均處于接觸狀態(tài)，因此可以將整個夾具視為一個整體。這里采用Pro/M默認(rèn)的零件之間接觸方式bond interface來模擬零件之間的力傳遞，進(jìn)而分析整個夾具的受力變形。本例是在集成模式下，采用基本模式（Native Model），即使用P碼元素將模型網(wǎng)格化，并使用Pro/M自己的解算器來提出解決方案。

圖3 組合夾具實例圖

3.1 定義材料屬性和約束

組合夾具的基礎(chǔ)件、定位件、槽用螺栓等一般采用40 Cr材料，工件材料為45號鋼，由機械設(shè)計手冊查得，40 Cr和45號鋼的彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3。本例中的約束主要指的是夾具體的基礎(chǔ)板與機床工作臺的連接，也就是要在基礎(chǔ)板的底部約束六個自由度，即三個移動自由度和三個轉(zhuǎn)動自由度。

3.2 載荷的確定

為了方便施加載荷，本例將工件和夾具一并考慮進(jìn)行分析，主要考慮切削力和夾緊力對夾具體的影響。需加工的工件頂端槽的尺寸為：長30mm，寬10mm，高100mm。設(shè)工件的加工方式為立式銑削，采用高速鋼立銑刀，工件的材料為45號鋼，銑刀轉(zhuǎn)速約為150r/min，則銑削力的計算公式[4]：

式中：FZ—切向銑削力，N；CF—銑削力系數(shù)；Z—銑刀齒數(shù)；KFz—材料修正系數(shù)；d—銑刀直徑，mm；ap—銑削深度，mm；ae—銑削寬度，mm；af—每齒進(jìn)給量，mm/z。

各銑削參數(shù)確定如下：CF＝669；取af＝0.1mm/z；d＝10mm；Z＝ 4；KFz＝ 1； ap＝10；ae＝30mm；把上述參數(shù)代入銑削力公式可求出銑削力FZ＝7226.4N。

由工件的靜力平衡原理得到理論夾緊力，計算公式如下：

式中f為靜摩擦系數(shù)，對于組合夾具的基礎(chǔ)板和支承件等光潔的表面來說，取f＝0.1 0.2，此處取f＝0.15，經(jīng)計算得W1＝48176N，為安全起見，將理論夾緊力W1再乘上安全系數(shù)K作為實際需要的夾緊力，K值一般為1.5 2.3，此處取K＝2。

3.3 建立靜態(tài)分析任務(wù)并運行

靜態(tài)分析將根據(jù)模型中指定的約束和載荷來計算模型中變形、應(yīng)力和應(yīng)變。先定義一個靜態(tài)分析，然后為此分析選擇相應(yīng)的約束和載荷，并在Method中選擇Single-Pass Adaptive收斂方式，從而完成靜態(tài)分析任務(wù)的定義，最后運行此靜態(tài)分析。

3.4 顯示計算結(jié)果

夾具體的應(yīng)力和位移的云紋圖如圖4所示。圖中顯示夾具體的最大應(yīng)力為247.1MPa，最大變形為0.01616mm。圖中顯示的變形是經(jīng)過放大的，經(jīng)分析，這樣的結(jié)果是符合常理的，是能夠滿足設(shè)計要求的。

4 結(jié)束語

機床組合夾具由于能滿足多種精度零件的加工，目前在生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用，是今后夾具技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。它的主要作用是可靠地保證工件的加工精度，提高加工效率，減輕勞動強度，充分發(fā)揮和擴大機床的工藝性能。本文首先在Pro/E軟件中完成組合夾具元件、組件等標(biāo)準(zhǔn)件的建模，并進(jìn)行虛擬裝配，生成裝配體；再利用Pro/MECHANICA有限元分析模塊對組合夾具體進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，模擬夾具在加工過程中的變形。采用這種分析方法可以使組合夾具設(shè)計工作提高到一個新的水平，而且更適合現(xiàn)代化的制造需求。

[1] 朱耀祥. 組合夾具: 組裝、應(yīng)用、理論[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 1990.

[2] 張斌.Pro/E在計算機輔助組合夾具設(shè)計中的應(yīng)用[J].機械制造, 2002, (12).

[3] 二代龍震工作室. Pro/MECHANICA Wildfire 3.0/4.0結(jié)構(gòu)、熱力分析[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2008.

[4] 陸劍中, 孫家寧. 金屬切削原理與刀具[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 1985.