被動式木窗雙端銑削加工定位夾緊裝置的設(shè)計(jì)與研究

任長清，孫永超，楊春梅，丁禹程

摘要：為滿足歐式木窗定制化尺寸變化的需求，設(shè)計(jì)一種尺寸自適應(yīng)定位夾緊裝置，應(yīng)用有限元軟件對木窗夾緊過程進(jìn)行靜力學(xué)分析，在滿足木窗夾緊的要求下，使木窗彈性變形在合理范圍。同時(shí)為了滿足輕量化設(shè)計(jì)要求對壓輥連接架進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果改進(jìn)壓輥連接架結(jié)構(gòu)，對優(yōu)化后的模型進(jìn)行靜力學(xué)分析驗(yàn)證，最終得到優(yōu)化后的工件。結(jié)果表明，優(yōu)化后壓輥連接架重量明顯下降，滿足相關(guān)使用要求。

關(guān)鍵詞：歐式木窗；雙端銑削；定位加工；靜力學(xué)分析；拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號：S文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1006-8023（2024）01-0122-06

Design and Research of Positioning Clamping Device for Double?End Milling of Passive Wooden Windows

REN Changqing， SUN Yongchao， YANG Chunmei*， DING Yucheng

（College of Mechanical and Electrical Engineering， Northeast Forestry University， Harbin 150040， China）

Abstract：In order to meet the needs of European wood windows customized size change， a size adaptive positioning clamping device was designed， and the finite element software was used to carry out static analysis of the clamping process of wood windows， ensuring that the elastic deformation of wooden windows was within a reasonable range while meeting the clamping requirements. At the same time， in order to meet the lightweight design requirements， the topology optimization design of the press roller connecting frame was carried out. The structure of the press roller connecting frame was improved according to the topology optimization results， and the static analysis and verification of the optimized model were carried out， and the optimized workpiece was finally obtained. The results showed that the weight of the press roller connecting frame decreased obviously after optimization， which meets the relevant requirements.

Keywords：European wooden windows; double end milling; positioning processing; statics analysis; topology optimization design

0引言

歐式木窗由于美觀、材料可再生、良好的保溫性等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于室內(nèi)設(shè)計(jì)。2019年，我國林業(yè)產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值達(dá)7.56萬億元，已成為林產(chǎn)品生產(chǎn)、貿(mào)易和消費(fèi)大國[1]。雖然近幾年我國木門窗銷量持續(xù)上升，但市場占有率仍然較低，與歐式木窗的市場份額相比仍有較大差距[2-3]。現(xiàn)有的多數(shù)木門窗生產(chǎn)企業(yè)在加工歐式木窗的過程中都存在加工精度低、人工成本高等問題。國家“十四五”規(guī)劃和“中國制造2025”對智能制造做出了重要指示，轉(zhuǎn)型升級是傳統(tǒng)制造業(yè)的必然發(fā)展趨勢，為提高歐式木窗加工精度、生產(chǎn)效率，有必要根據(jù)歐式木窗生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)一種尺寸自適應(yīng)加工定位夾緊裝置。

現(xiàn)有的歐式木窗加工方式是人工推著木窗在銑床上進(jìn)行加工作業(yè)，此方式不僅耗費(fèi)人工，而且對于歐式木窗加工精度有一定的影響。隨著國內(nèi)木門窗行業(yè)的不斷發(fā)展，木門窗生產(chǎn)企業(yè)對高效率、高精度的門窗材加工設(shè)備產(chǎn)生了巨大需求[4]。針對歐式木窗加工過程自動化程度低、加工精度低的情況，設(shè)計(jì)一種被動式木窗雙端銑削加工定位夾緊裝置，旨在歐式木窗銑削加工過程中，隨歐式木窗尺寸變化調(diào)整工作臺，在減少人工投入的同時(shí)提高歐式木窗加工精度，實(shí)現(xiàn)歐式木窗自動化加工。

1被動式木窗雙端銑削加工定位夾緊裝置整體布局與關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

1.1被動式木窗雙端銑削加工定位夾緊裝置總體布局

定制化歐式木窗尺寸變化較大，歐式木窗尺寸見表1。為提高歐式木窗銑削加工過程的自動化程度，減少人工投入，根據(jù)歐式木窗生產(chǎn)工藝，設(shè)計(jì)一種尺寸自適應(yīng)的被動式木窗雙端銑削加工定位夾緊裝置，如圖1所示。該裝置主要由進(jìn)料小車、鏈傳動電機(jī)、絲杠、左夾緊裝置、鏈傳動、機(jī)床和右夾緊裝置7部分組成。工作過程中歐式木窗由進(jìn)料小車進(jìn)入鏈傳動，銑削過程中根據(jù)歐式木窗尺寸自動調(diào)整絲杠位置完成歐式木窗裝夾，由左夾緊裝置和右夾緊裝置共同完成歐式木窗前進(jìn)和垂直方向固定。

1.2關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

歐式木窗銑削加工過程中的定位夾緊主要由左夾緊裝置運(yùn)動完成，左夾緊裝置如圖2所示。裝置主要由側(cè)壓輥、上氣缸、連接板、軸承、壓輥活動架、壓輥、鏈傳動、滑軌1、絲杠、滑軌2和底座等組成。上氣缸型號為FY-MAL-CA32×50，穩(wěn)定氣壓為0.5 MPa，通過調(diào)整上氣缸的氣壓完成歐式木窗垂直方向定位夾緊，絲杠在2條滑軌的輔助下調(diào)整夾緊尺寸，使用雙滑軌裝置可以增加尺寸調(diào)整精度。

2歐式木窗銑削加工過程受力分析

銑削是木材切削加工領(lǐng)域一種重要的、高效率的加工方法，可用來加工多種工作面，如曲面、平面和溝槽等[5]。歐式木窗在銑削加工過程中受到銑刀銑削力的作用，其中銑削力包括切削力（Fx）和法向力（Fy），如圖3所示。木材切削力的影響因素有很多，如木材本身性質(zhì)、刀具參數(shù)和刃口鋒利程度等。切削力的計(jì)算公式分為理論公式和經(jīng)驗(yàn)公式[6-7]。前者對一些影響因素和工作條件進(jìn)行了簡化處理，因此切削力理論公式的應(yīng)用較少，從業(yè)人員在計(jì)算木材銑削力時(shí)更多選擇切削力經(jīng)驗(yàn)公式。切削力經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式是將試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，并做了一定的理論假設(shè)而得到的[8]。

2.1切削力

木窗在整個加工過程中，受到銑刀銑削力、上氣缸的壓力、側(cè)壓輥的推力作用。木材含水率為15%，厚切屑情況下，平均切削力Fx為

Fx=p·b·h·U60V。（1）

U=Uz·n·z1 000。（2）

V=π·D·n6×104。（3）

式中：p為單位切削力，N/mm2;b為銑削寬度，mm;h為銑削深度，mm;U為進(jìn)給速度，m/min;V為銑削速度，m/s;Uz為每齒進(jìn)給量mm/z;D為銑刀切削圓直徑，mm;z為參加切削的齒數(shù)；n為銑刀轉(zhuǎn)速，r/min。

歐式木窗材質(zhì)為松木，采用縱向銑削加工，在銑刀切削角55°，銑削寬度（b）為100 mm，最大銑削深度（h）為2 mm，單位切削力（p）為18.34? N/mm2，每齒進(jìn)給量（Uz）為1.5? mm/z，銑刀轉(zhuǎn)速（n）為12 000? r/min，銑刀切削圓直徑（D）為80? mm，計(jì)算得到切削力（Fx）為43.8? N。

2.2法向力

歐式木窗在銑削加工中法向力（Fy）為

Fy=Faxμa－Fyxtan（90°－δ－β0）。（4）

式中：Fyx為前刀面切削力，N；Fax為后刀面切削力，N；μa為摩擦系數(shù)；δ為切削角，（°）；β0為摩擦角，（°）；

前刀面切削力（Fyx）為37.3 N，后刀面切削力（Fax）為6.49 N，摩擦系數(shù)（μa）為1.1，摩擦角（β0）為23 °，計(jì)算得進(jìn)給力（Fy）為-2 N。

3木窗靜力學(xué)分析

在有限元軟件ANSYS中，對零件進(jìn)行靜力學(xué)分析時(shí)首先要對零件進(jìn)行前處理[9]。歐式木窗模型已在SolidWorks軟件中建立，保存為ANSYS Workbench可以識別的x_t文件，將歐式木窗x_t文件導(dǎo)入ANSYS Workbench 19.2中進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析。歐式木窗材料設(shè)置為松木，通過ANSYS工程材料數(shù)據(jù)庫設(shè)置木窗材料參數(shù)。對零件進(jìn)行有限元分析時(shí)，需要對建立好的零件模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分[10-12]。Ansys Workbench有多種網(wǎng)格劃分方法，但是網(wǎng)格劃分的尺寸越小，運(yùn)算時(shí)間也相應(yīng)增加[13]。由于歐式木窗結(jié)構(gòu)較為簡單，將網(wǎng)格劃分尺寸設(shè)置為5 mm，在ANSYS Workbench的前處理軟件Mechanical中的Mesh模塊插入四面體網(wǎng)格劃分方法。

分析歐式木窗銑削加工過程中作用力最大的瞬間，上氣缸和側(cè)壓輥的作用力以均布力形式作用在木窗上，木窗運(yùn)動方向采用固定約束。求解得到木窗銑削加工過程中變形云圖，如圖4所示，木窗銑削加工過程中最大變形量為0.006 mm，木窗彈性變形在合理范圍內(nèi)。木窗銑削過程中應(yīng)力云圖如圖5所示，木窗銑削加工過程中等效應(yīng)力為0.088 MPa，應(yīng)力小于松木屈服強(qiáng)度。

4壓輥連接架的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)

4.1優(yōu)化參數(shù)設(shè)置

作為一種概念設(shè)計(jì)方法，拓?fù)鋬?yōu)化在工業(yè)設(shè)計(jì)中得到大量應(yīng)用[14]。拓?fù)鋬?yōu)化以材料分布為優(yōu)化對象，可在均勻分布材料的設(shè)計(jì)空間中找到最佳分布方案[15-17]。被動式木窗雙端銑削加工定位夾緊裝置中壓輥數(shù)量較多，對壓輥連接架進(jìn)行有限元拓?fù)鋬?yōu)化是提升性能和改進(jìn)結(jié)構(gòu)的重要手段，壓輥連接架整體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

1.氣缸;2.連接架;3.帶菱形座軸承;4.電機(jī);5. 聯(lián)軸器;6.壓輥連接架;7.壓輥。

1.Cylinder; 2.Connecting frame; 3.Bearing with diamond seat; 4.Motor; 5.Coupling; 6.Press roller connection frame; 7.Press roller.

對壓輥連接架進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，約束條件為應(yīng)力，材料的屈服極限為235 MPa，根據(jù)相關(guān)使用要求，設(shè)置應(yīng)力上限為150 MPa，設(shè)定整個壓輥連接架為需要優(yōu)化的結(jié)構(gòu)范圍，優(yōu)化排除區(qū)域?yàn)殇N孔內(nèi)外表面，設(shè)置優(yōu)化響應(yīng)為質(zhì)量，以質(zhì)量為優(yōu)化目標(biāo)，拓?fù)鋬?yōu)化目標(biāo)留存率設(shè)置為60%，經(jīng)過15次迭代計(jì)算求解后，得到拓?fù)鋬?yōu)化后的壓輥連接架結(jié)構(gòu)如圖7所示。

4.2查看拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果及分析

將優(yōu)化設(shè)計(jì)中必要的參數(shù)和約束條件設(shè)置完成后進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。在三維軟件中對壓輥連接架模型進(jìn)行刪減和修整，建立優(yōu)化后的模型，優(yōu)化后的模型如圖8所示。對改進(jìn)后的壓輥連接架進(jìn)行靜力學(xué)分析驗(yàn)證，設(shè)置與優(yōu)化前相同的參數(shù)和邊界約束條件，優(yōu)化后的模型變形和應(yīng)力云圖如圖9和圖10所示。拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果表明在滿足工件相關(guān)使用要求，其重量下降了3.6%。對于提高被動式木窗雙端銑削加工定位夾緊裝置工作效率和結(jié)構(gòu)輕量化有重要作用。

5結(jié)論

通過計(jì)算分析，該被動式木窗雙端銑削加工定位夾緊裝置具有以下優(yōu)勢。1）木窗加工所需夾緊力由氣缸提供，可隨木窗尺寸變化調(diào)整氣缸夾緊力的大小。2）通過絲杠調(diào)整側(cè)壓輥位置實(shí)現(xiàn)木窗左右固定，可以根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要，快速調(diào)節(jié)左右夾緊間距，提高木窗生產(chǎn)效率。3）鏈傳動提供木窗前進(jìn)動力的同時(shí)，鏈傳動上的卡槽固定木窗的2個側(cè)邊，實(shí)現(xiàn)木窗與鏈傳動同步運(yùn)動。

應(yīng)用該被動式木窗雙端銑削加工定位夾緊裝置解決了歐式木窗裝夾調(diào)整難控制的問題，實(shí)現(xiàn)了歐式木窗銑削加工過程的自適應(yīng)定位夾緊，裝置利用率高，對于同類型工件的自適應(yīng)定位夾緊裝置的設(shè)計(jì)研發(fā)有一定的參考價(jià)值。

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