基于SolidWorks的銑床夾具設(shè)計(jì)及有限元分析

孫淑婷

(太原工業(yè)學(xué)院 機(jī)械工程系, 山西 太原 030008)

0 引言

在機(jī)械加工中銑削是一種常見的平面加工方法，銑床夾具也是最常用的機(jī)床夾具之一。銑削加工中的切削力較大，是斷續(xù)切削，加工中易產(chǎn)生振動(dòng)，因此要求銑床夾具的受力元件要有足夠的剛度和強(qiáng)度。在傳統(tǒng)的夾具設(shè)計(jì)中,為了保證銑床夾具工作時(shí)安全可靠,往往選用較大的安全系數(shù),導(dǎo)致設(shè)計(jì)出的夾具結(jié)構(gòu)笨重。本文采用SolidWorks軟件設(shè)計(jì)了銑軸端方頭夾具，并對(duì)其關(guān)鍵零件進(jìn)行了有限元分析。

1 銑軸端方頭夾具設(shè)計(jì)

圖1為需要加工的零件。零件上方為18 mm×18 mm×6 mm 的四棱柱,加工四棱柱的4個(gè)面時(shí)以Φ30外圓面作為定位表面，定位元件選V形塊。為了提高生產(chǎn)效率考慮多件同時(shí)加工，采用聯(lián)動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)。

圖1 需要加工的零件

圖2為采用SolidWorks軟件設(shè)計(jì)的銑軸端方頭夾具，一次安裝4個(gè)工件同時(shí)進(jìn)行加工。為了保證各工件獲得均勻一致的夾緊力，夾具采用了聯(lián)動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)并設(shè)置了相應(yīng)的浮動(dòng)環(huán)節(jié)(球面墊圈與壓板)。加工時(shí)采用4把三面刃銑刀同時(shí)銑削4個(gè)工件方頭的兩個(gè)側(cè)面，銑削完成后，取下楔鐵將回轉(zhuǎn)座旋轉(zhuǎn)90°，再用楔鐵將回轉(zhuǎn)座定位并夾緊，即可銑削工件的另外兩個(gè)側(cè)面，實(shí)現(xiàn)了一次裝夾完成兩個(gè)工位的加工。該夾具操作方便，生產(chǎn)效率高。圖3為夾具中主要零件的三維模型。

圖2 銑軸端方頭夾具

圖3 夾具中主要零件三維模型

2 夾具關(guān)鍵零件的有限元分析

夾具中壓板是主要的夾緊元件，為了保證夾具能夠安全可靠地工作，對(duì)其進(jìn)行有限元分析。

2.1 夾緊力大小的估算

2.1.1 銑削力的計(jì)算

加工時(shí)采用硬質(zhì)合金面銑刀，其銑削力FC的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式為：

FC=7 753ap1.0fZ0.75ae1.1Zd0-1.3n-0.2KFC.

(1)

其中：ap為背吃刀量，ap=3 mm；fZ為每齒進(jìn)給量，fZ=0.07 mm；ae為銑削寬度，ae=7 mm；Z為銑刀齒數(shù)，Z=14；d0為銑刀直徑，d0=125 mm；n為銑刀轉(zhuǎn)速，n=150 r/min；KFC為銑削力修正系數(shù)，KFC=KmFCKγFCKkFC，KmFC為工件材料系數(shù)，KmFC=1.03,KγFC為刀具前角系數(shù)，KγFC=0.89，KkFC為刀具主偏角系數(shù)，KkFC=1.15。將上述數(shù)值代入式(1)求得：FC=274 N。

2.1.2 夾緊力的估算

圖4為銑削時(shí)夾緊力的估算。其中,FC為主銑削力，也稱作切向力；Fcn為法向銑削力,又稱作徑向力；Fa為切向力FC與法向力Fcn的合力；Fj為夾緊力。在銑削加工中，F(xiàn)cn遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于FC，故在夾緊力的估算中只考慮主銑削力FC。建立理論夾緊力Fj與銑削力的靜平衡方程，考慮實(shí)際夾緊力,本設(shè)計(jì)取安全系數(shù)k=1.5，經(jīng)計(jì)算得出作用在壓板上的夾緊力Fj=420 N(求解過(guò)程略)。

圖4 夾緊力的估算

2.2 壓板靜態(tài)特性分析

2.2.1 強(qiáng)度分析

在SolidWorks軟件下對(duì)壓板進(jìn)行三維實(shí)體建模，如圖5所示。壓板材料選用45鋼，對(duì)壓板整體進(jìn)行自動(dòng)網(wǎng)格劃分，為了生成高質(zhì)量的網(wǎng)格，對(duì)壓板中心孔周圍進(jìn)行了局部網(wǎng)格加密。對(duì)壓板底部進(jìn)行固定約束，在壓板上表面中部施加420 N的夾緊力。采用Simulation模塊對(duì)壓板進(jìn)行靜態(tài)特性分析，進(jìn)入求解器求解 ，得到在靜載荷作用下壓板的應(yīng)變?cè)茍D，如圖6所示。

圖5 壓板的SolidWorks三維模型

由圖6可知：壓板應(yīng)變最大處在中心孔邊緣上，應(yīng)

變最大值為1.283×10-5，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于45鋼的許用應(yīng)變，故壓板在受到靜載荷的作用下強(qiáng)度合格，不會(huì)發(fā)生塑性變形。

2.2.2 剛度分析

剛度分析就是研究壓板在載荷作用下抵抗彈性變形的能力。剛度分析和強(qiáng)度分析方法類似，求解結(jié)束后，在菜單中選結(jié)果→位移,得到在靜載荷作用下壓板的位移云圖。其最大位移為0.007 25 mm，該值趨近于0，可以忽略不計(jì)，即壓板在受到外力作用的情況下不會(huì)發(fā)生不可恢復(fù)的彈性變形，所以壓板的剛度足夠。

2.3 壓板動(dòng)態(tài)特性分析

根據(jù)切削用量及相關(guān)資料計(jì)算出粗銑時(shí)由銑削力引起的振動(dòng)頻率為11.67 Hz，精銑時(shí)引起的振動(dòng)頻率為35 Hz。采用Simulation模塊對(duì)壓板進(jìn)行模態(tài)分析，在Simulation設(shè)計(jì)樹中,右擊“頻率分析”按鈕,在彈出的菜單中選擇“屬性”。在“頻率”對(duì)話框設(shè)“頻率數(shù)”為5，即計(jì)算前5階固有頻率。在模態(tài)分析后處理模塊中得出壓板前5階固有頻率及振型。壓板的第1階振型云圖如圖7所示，壓板前5階固有頻率如表1所示。由表1可知，壓板1階～5階的固有頻率遠(yuǎn)大于粗、精銑削時(shí)由于銑削力造成的振動(dòng)頻率，故粗、精銑削時(shí)不會(huì)發(fā)生共振。

圖6壓板應(yīng)變?cè)茍D 圖7壓板第1階振型云圖

表1 壓板前5階固有頻率

3 結(jié)語(yǔ)

本文采用SolidWorks軟件完成了銑軸端方頭的夾具設(shè)計(jì)，該夾具操作方便，一次安裝4個(gè)工件同時(shí)進(jìn)行加工，生產(chǎn)效率高。通過(guò)SolidWorks下的Simulation模塊對(duì)夾緊元件——壓板進(jìn)行了有限元分析，得出其強(qiáng)度和剛度都滿足要求。通過(guò)動(dòng)態(tài)分析，得到壓板前5階的固有頻率，它們遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于粗、精銑削時(shí)由于銑削力造成的振動(dòng)頻率，故粗、精銑削時(shí)不會(huì)發(fā)生共振。