基于有限元分析的電極座車削夾具設計研究

摘"要：為解決某款汽車車架在焊接系統中的電極座零件車削加工的夾具定位精度問題，通過電極座零件加工工藝分析制定可行的夾具結構方案，設計相應工序的偏心專用夾具。為保證夾具整體精度及其力學性能，借助NX有限元分析方法系統研究影響夾具定位元件精度的轉速、偏心質量、偏心距離3個因素的影響程度及其變化規律，進而實現對夾具精度和可靠性的評估，為同類夾具的開發和改進設計提供了理論依據。

關鍵詞：電極座；車削加工；偏心夾具；NX有限元

中圖分類號：TH122；TG751.1""文獻標志碼：B""文章編號：1671-5276（2024）02-0087-05

Research on Design of Electrode Holder Turning Fixture

Based on Finite Element Analysis

CHU Xiaomeng

（Jiangsu Aviation Technical College，Zhenjiang 212134，China）

Abstract：In order to solve the turning fixture positioning accuracy of the electrode base part in the welding system of an automobile frame， the feasible fixture structure scheme is worked out through the analysis of the processing technology of the electrode base part， and the special eccentric fixture of the corresponding working procedure is designed. To further ensure the overall accuracy and mechanical properties of the fixture， the influence degree and its change rule of three factors affecting the accuracy of fixture positioning element， such as rotating speed， eccentric quality and eccentric distance， are studied systematically by means of NX finite element method， and the accuracy and reliability of fixture are evaluated. The design and reserch provide a theoretical basis for the development and improvement of the same kind of fixture.

Keywords：electrode holder；turning；eccentric fixture；NX finite element

0"引言

在夾具設計過程中其定位精度、裝夾可靠性、設計合理性都將直接影響產品的加工質量、工作效率和生產成本。由于夾具設計的關聯因素諸多，且傳統的夾具設計方案主要依賴于工程師的經驗，因而在面臨復雜結構的零件時，不可避免地需要通過多輪現場試驗的方法來完成夾具的不斷調整與逐步改進，造成了其設計周期長、效率低和試制費用高等諸多弊病，成為行業領域亟待解決的設計難題［1-2］。

伴隨著科技水平的不斷發展，CAE技術（computer aided engineering）作為一項貫穿于前期產品開發和后期優化驗證整個過程的虛擬仿真試驗技術，因其兼具強大的核心優勢而逐步應用到工裝夾具的開發中，能夠及時地發現設計前期的問題，顯著地減少了對經驗的依賴，受到了廣大設計人員的青睞［3-4］。

本文根據某款汽車車架焊接系統中的電極座零件車削工序的加工要求，制定出偏心車削夾具的設計方案，在完成理論設計后，利用CAD/CAE一體化軟件NX1899對夾具進行數字化建模和力學性能分析［5］，以該夾具的定位元件作為對象，從夾具（機床）轉速、偏心質量、偏心距離這3個不同的維度，系統研究影響該偏心夾具定位精度的諸多因素，為其結構優化、詳細設計和試用改進提供理論依據。

1"零件分析和夾具設計

1.1"零件加工工藝

圖1所示為某款汽車車架在電阻點焊機器人內部焊接系統中的電極座零件，為某司委托開發加工的產品，要求按批量生產的方式進行工藝規劃和夾具設計。結合零件結構及設備現狀，擬采用加工中心與數控車床相組合的混合加工模式，定位方式選用“一面兩銷”方式，依照上述要求制定出該電極座零件的加工工藝流程如表1所示。

表1中工序10加工出1處平面、4-11通孔及2-18沉孔（深度30），完成零件對應型面加工的同時，也作為工序20的定位基準，如圖1所示。工序20為在數控車床上完成34圓柱凸臺、R5圓弧過渡角、7內孔、M18×1.5及M8×1內螺紋等型面的加工，且該部分的結構與四方零件中心在y方向上偏心9mm，此外各相關尺寸還存在一定的形狀和位置公差要求，要求如圖2所示，工序20的加工簡圖如圖3所示。

1.2"夾具方案設計

從上述分析可知，采用車削加工所需的專用夾具設計難度較大，為了完成工序20的車削加工要求，工序10已經預先加工出4-11通孔和1個大面（底面），且其中兩個孔已預做沉孔。根據六點定位原理，定位元件選擇一組2-11孔（非沉孔）及1個大面作為定位基準，采用“一面兩銷”的定位方式、夾緊裝置擬采用螺旋壓緊方式，通過2個緊固螺釘實現零件的夾緊。該偏心車削夾具設計如圖4所示，其中花盤端面和定位銷作為定位元件（圓柱銷、菱形銷）實現了完全定位。

根據電極座零件的定位方式，工件只需要沿軸線方向上夾緊?？紤]綜合成本，本夾具可采用螺旋夾緊機構，即利用M10的內六角螺釘。能否可靠地夾緊工件需要經過理論驗算，在此需計算工序20中車削34外圓的切削力大小。采用相關切削力計算軟件，計算出其主切削力約為560N。在此切削力基礎上乘以安全系數K（一般取值1.5～3）［6］。本文中安全系數選取最大值，則夾緊力F要大于1 680N。

利用扳手旋緊內六角螺釘的夾緊力計算方法，查閱《金屬機械加工工藝人員手冊》，螺釘的公稱直徑為M10時的螺紋中徑d1=9.026mm，手柄長度L=120mm，手柄上的作用力P=47N。經計算單個螺釘的夾緊力W=1 230N［7］。零件夾緊時需要2個M10螺釘，其總的夾緊力為2460N＞F（1680N），可見夾緊力大于3倍的主切削力，本車削夾具可安全使用。進一步通過三維軟件幾何體分析可知，理論上該夾具（包括配重）的質心在回轉體的軸心線上，可實現夾具的平穩回轉。本夾具設計的其他相關內容及過程在此不作贅述。

綜上分析所述，車削夾具的方案設計通過了初步理論公式計算，但為了能夠更加深入地評判夾具設計方案的合理性與回轉過程中的可靠性，還需要進一步借助CAE對其進行力學性能分析。

2"有限元分析方法及步驟

2.1"模型簡化處理

鑒于整體夾具采用的是“一面兩銷”定位方式和螺釘夾緊連接，簡化處理的模型主要分成三類，即兩個銷釘、花盤和其他部件的簡化模型，簡化后進一步構建整體裝配模型并以花盤底面圓心作為原點，垂直底面向上為z軸建立裝配模型的直角坐標系，如圖5所示。

2.2"材料的選擇

夾具由不同材料的零部件組成，所用材料及其物理參數如表2所示。

2.3"仿真前處理設置

在NX仿真的FEM操作界面中依次進行材料屬性、物理屬性和網格屬性這“三大屬性”的定義，其中材料屬性的定義參照表2進行。在網格劃分基礎上對連接處進行網格細化［8］，劃分完成后的夾具模型效果圖如圖6所示。

完成FEM條件設置后即可進入SIM設置，進行約束與載荷的施加如圖7所示。在此之前由于夾具裝置是一個整體，且各零件在使用過程中保持緊密貼合，因此可運用“面面黏連”命令進行連接，以確保邊界條件數據可以在不同零件之間的有效傳遞。

由于夾具體依靠花盤安裝在機床上，因此運用“自定義約束”將花盤除繞z軸的回轉自由度釋放外其余均固定，再以花盤端面圓心為回轉中心，添加數值大小為1 000r/min的旋轉載荷；此外重力的影響因素也不容忽視，需再添加一個沿花盤徑向上的重力載荷；最后參照空轉下的花盤變形情況，在危險區域節點上添加一個幅值為560N主切削力，用以模擬在極限工況下的夾具受力情況，圖7為最終完成所有仿真前處理后的效果圖。

2.4"定位銷仿真結果及分析

為了多維度地評估本夾具設計方案在面對不同工況下的數值計算結果，依次對夾具轉速、偏心質量和偏心距離這3個主要因素進行仿真，其中夾具轉速的對比是在原設計的基礎上將花盤轉速從1000r/min調整到4000r/min進行仿真對比分析；而偏心質量的驗證是將配重塊沿y軸正方向依次進行加厚增重，以便于凸顯其變化的范圍幅值。經計算對于采用45鋼的配重塊其側面每增加1mm，質量增重約14g，而增重的范圍是7g～49g；最后針對偏心距離的仿真則是將配重塊沿x軸負方向（銷釘位移量大的方向）等差數值移動，移動范圍是2mm～14mm。參照上述對比仿真解算方案進行數模的調整，最終完成所有仿真設置后求解并經數據處理得到的結果如下。

1）夾具（機床）轉速對定位銷的影響

為了能夠得出本夾具的切削轉速最佳值，保持原夾具設計中的偏心質量和偏心距離不變，調整夾具（機床）轉速，所得到的有限元仿真結果數據如圖8所示。

由圖8可以看出，夾具（機床）轉速改變對定位銷產生的影響較大，伴隨著機床轉速的升高，定位銷位移（變形）及應力呈現出線性上升的趨勢。如圖9所示，當轉速達到2000r/min時，此時定位銷的最大位移是1.067μm，Von Mises應力為2.978MPa；而當夾具轉速為2500r/min時，其位移量最高達1.371μm，Von Mises應力為3.849MPa。結合對定位銷精度設計要求和切削用量參數，初步綜合評估夾具（機床）轉速為2000r/min時，為最佳轉速（切削參數），此工況下夾具整體剛度和強度足夠，定位銷精度也能得到保證。

2）偏心質量對定位銷的影響

為了能夠得出本夾具的偏心質量極限值，保持夾具（機床）轉速2000r/min和偏心距離不變，調整配重塊的偏心質量，得到的有限元仿真結果數據如圖10所示。

從圖10可以得出，偏心質量的改變對定位銷會造成一定的影響。隨著配重塊沿y軸正方向的逐步增重，定位銷位移（變形）及應力整體上也以線性上升的趨勢增長。而圖11顯示了當夾具轉速為2000r/min、偏心質量達21g的條件下，定位銷的最大位移是1.077μm，Von Mises應力為2.987MPa，該數值已接近定位銷容許偏差范圍的臨界值，可見針對配重塊沿y軸方向的增重極限值是21g。在此數值以下的夾具整體剛度和強度足夠，定位銷精度也得到保證。

3）偏心距離對定位銷的影響

為了能夠得出本夾具的偏心距離極限值，保持夾具（機床）轉速2000r/min及偏心質量不變，調整配重塊的偏心距離，得到的有限元仿真結果數據見圖12所示。

由圖12可以看出，沿x軸偏心距離的改變會引起定位銷力學性能的變化。在配重塊沿著x軸負方向的逐步偏移過程中，定位銷位移（變形）及應力亦呈現出線性上升的趨勢。而圖13示出了夾具轉速為2000r/min、偏心距離6mm的條件下，定位銷的最大位移是1.076μm，Von Mises應力為2.995MPa。該數值也已接近定位銷容許偏差范圍的臨界值，可見針對配重塊沿x軸方向的偏移極限值是6mm，在此數值以下的夾具整體剛度和強度足夠，定位銷精度也得到保證。

在上述研究的指導下詳細設計和制造了車削偏心夾具，試用近6個月的生產實踐表明：該夾具加工過程穩定，加工零件主要尺寸的一致性較好，完全達到了預期的設計目標。

3"結語

本文對電極座車削加工的偏心專用夾具進行了設計研究，借助NX軟件進行靜力學仿真分析與驗證，其中以夾具的定位元件為研究對象，著重研究了機床轉速、偏心質量、偏心距離對其精度大小的影響程度及其變化規律。通過設置多組不同變量的對比分析后得出該偏心車削夾具在機床主軸轉速為2000r/min、y軸方向偏心質量誤差21g以內以及x軸偏心距離誤差6mm以內時，夾具的定位精度和使用效果最佳。

綜上所述可知：運用有限元對夾具性能（精度和可靠性）進行分析，不僅能夠有效克服在傳統夾具設計過程中的一些不確定性因素，提供精確、高效的輔助分析，還可及時評估夾具整體性能，提出夾具改進方案，顯著提高了設計效率和質量，節約設計成本，為同類車削偏心夾具的設計提供重要參考，具有一定的推廣價值。

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收稿日期：20220915