基于CROE的加工中心夾具設計及有限元分析

任 昭 姚萬軍

（1.陜西國防工業職業技術學院 智能制造學院，西安 710300；2.西安永邦精密機械有限公司，西安 710077）

制造業的飛速發展推動著工裝設計制造的轉型升級。傳統的機床夾具設計方式主要借助機床夾具設計手冊，采用手工計算和平面畫圖的方式，設計過程復雜煩瑣，效率低。隨著數字化制造技術的發展，可借助計算機輔助設計/計算機輔助工程（Computer Aided Design/Computer Aided Engineering，CAD/CAE）技術對工裝設計進行過程優化，使設計的夾具具有可視化功能，在計算機上獲取工件的受力狀態，可提高制造的生產效率，降低設計成本。

文章以某企業典型零件為例，將CAD/CAE技術引入傳統的機床夾具設計過程，縮短夾具設計周期，提高夾緊裝置的設計精度[1]。

1 液壓夾具設計

1.1 零件分析

零件圖如圖1所示。該零件為法蘭類零件，零件工藝較為簡單，材料為35鋼。本道工序為在立式加工中心上鉆Φ11 mm的孔。前期已完成主要表面加工，根據零件特點及相關工藝文件，分析該零件的定位方案，采用一面兩銷定位，采用杠桿液壓缸作為夾緊動力源，以類比設計夾緊裝置、連接裝置以及夾具體等夾具零件，從而設計出一套立式加工中心夾具。

圖1 零件二維圖（單位：mm）

1.2 夾具設計

根據設計要求，定位元件采用4個支撐塊過定位。較高的平面精度可以共同確定一個基準平面，以此限制工件的3個自由度。利用一個短圓柱銷定位工序基準所在的Φ9 mm孔，限制2個移動自由度。利用一個短的菱形銷定位第二個Φ9 mm孔，限制1個自由度，從而實現工件的完全定位[2]。夾緊裝置采用2個杠桿液壓缸，通過底板的油路供油。設計2個非標壓板作為夾緊元件完成工件的夾緊。

圖2 液壓夾具三維模型

2 有限元分析

夾緊裝置設計時，夾緊力不能過大也不能過小。過大會將工件壓變形，過小會壓不住工件。為獲得工件在工作時受到液壓缸壓板夾緊時的準確狀態，利用CROE 5.0中的結構有限元分析模塊對工件進行靜態有限元分析。為方便計算分析，省去夾具的定位部分、夾緊部分和其他夾具體，進入Simulate模塊。

2.1 靜態分析

該零件材料為35鋼，具體力學參數見表1。

表1 材料力學參數

根據傳統夾具設計中的理論夾緊力計算方法，將理論夾緊力乘以系數2作為實際夾緊力的大小，計算獲得每個壓板對工件的夾緊力為226 N。受力面積為壓板與工件的接觸面積，同時對工件的兩個Φ9 mm孔內孔壁和底部施加固定約束。

零件為法蘭零件，網格圖元主要由四面體構成，最小邊角為5.38 mm，最大長寬比為6.82，共劃分6 553個元素和1 713個節點[3]。劃分好的網格如圖3所示。

根據第四強度理論，分析結構的最大等效應力和最大位移，有限元分析結果見圖4。

圖3 工件網格劃分結果

圖4 靜態分析云圖

根據圖4可知：工件在液壓缸的夾緊力作用下，所受的最大等效應力為1.61 331 MPa，發生在Φ50 mm內孔與端面交匯處，遠小于材料的屈服強度，故符合工作要求；最大位移為1.027×10-4mm，發生在工件與壓板的接觸面，最大變形符合剛度要求。

2.2 模態分析

為分析工件在受到夾緊力作用下的頻率變化，利用Simulate模塊中的模態分析功能，得出前4階固有頻率，見表2。通過多通道自適應分析，相應的模態振型云圖如圖5所示[4]。

圖5 模態振型云圖

表2 模型前4階固有頻率 單位：Hz

由圖5可知，前4階固有頻率逐漸增大，遠大于立式加工中心鉆孔時50～300 Hz的固有頻率，可以避免共振，使得表面夾緊力大小符合設計要求[5]。

3 結語

針對某法蘭零件孔加工工序設計了一套加工中心夾具，在CROE 5.0中建立三維模型，基于有限元技術對工件受到夾緊力時的狀態進行靜態分析和模態分析，結果顯示表面夾緊力大小符合要求，完成了加工中心夾具的數字化設計，對夾具的設計制造具有一定的參考意義。