夹具优化（精选8篇）
夹具优化 篇1
1 引言
车床夹具是在车床上用来固定加工对象、使之占有正确加工位置的工艺装备。其作用是将工件定位, 以便工件获得相对于车床和刀具的正确位置, 并把工件可靠地夹紧。在机械加工中, 车床夹具作为工艺装备的一个重要部分, 直接关系到零件加工的精度、生产效率和制造成本。车床夹具设计也是机械制造工艺装备设计的一项重要工作。其重要作用如下: (1) 缩短辅助时间, 提高劳动生产率; (2) 保证加工精度、稳定、产品质量; (3) 降低对工人技术等级的要求和减轻工人劳动强度。
Pro/E是当今流行的以参数化为基础的三维软件, 应用Pro/E对车床夹具进行设计、分析和优化, 既具有图解法形象直观的优点, 又具有解析法精度较高的优点, 便于对机构进行深入研究, 而且既可克服图解法作图繁琐的缺点, 又可克服解析法数学推导和计算抽象、复杂的缺点;还可将复杂的数学方程式转化为形象直观的图形加以表示, 通过对车床夹具进行敏感度分析、可行性分析和优化设计, 可得到满意的设计结果。
2 体车床夹具的设计
在本工序前, 阀体的准47孔、118底端面已加工过, 要求以此为基准加工准45、准96及118上端面 (阀体材料FCD600) 。阀体加工图如图1所示。
此装夹方法, 不需要进行划线就可把阀体直接放入夹具中进行机械加工, 阀体的内孔与端面与夹具上定位主体相接触, 这样就确定了阀体在夹具中的位置, 然后旋紧螺母通过压板把阀体夹紧, 可调顶杆把阀体顶紧, 完成阀体的装夹过程。夹具装配图如图2所示。
1.连接安装盘2.夹具定位主体3.阀体4.夹具勾形压板5.夹具支撑柱6.夹具固定柱7.压紧六角法兰面螺母8.夹具压力弹簧9.可调顶杆10.锁紧螺母11.可调顶杆座12.平衡块
2.1 定位分析
圆柱定位心轴方法定位, 如图2所示。阀体以准47外圆表面定心定位而限制了两个自由度, 以勾形压板限制了两个自由度, 又以可调顶杆限制了两个自由度, 满足六点定位原理:要使工件沿某方向的位置确定, 就必须限制该方向的自由度。当工件的六个自由度在夹具中都被限定时, 工件在夹具中的位置就被完全确定了, 实现完全定位。
2.2 定位误差分析
在阀体的加工中, 还会因夹具在制造与安装、阀体的夹紧、车床的工作精度、刀具的精度、受力变形、热变形等因素而产生误差, 定位误差仅是加工误差的一部分。一般限定定位误差不超过阀体加工公差T的1/5~1/3。基准位置误差Δjw, 定位元件的制造误差;工件的制造误差 (定位基准面) ;定位元件和工件之间的配合间隙。基准不重合误差Δjb, 定位基准与设计基准不重合导致的误差。计算定位误差时, 主要把这两项限制在工件公差的1/3范围内, 把2/3留给其他 (安装误差、夹紧变形、热变形、磨损等) 误差:Δdw=Δjw+Δjb≤T/3。
工件内孔以过盈配合在刚性心轴上定位, (1) 过盈配合, 孔与轴无间隙, 孔与轴的同轴度误差等于零, 即Δjw=0; (2) 孔中心线作定位基准, 在心轴上定位, 即Δjb=0;所以Δdw=0; (3) 过盈配合时, 孔在心轴上定位的定心精度是最高的。
内孔直径准47±0.0095mm, 心轴直径准470+0.015mm, 设计尺寸的起点为中心, Δjb=0, Δdw=Δjw=|Dmax-d1min|=|47.0095-47.015|=0.0055mm, 加工孔准960+0.04mm, 最大允许公差T=0.04-0=0.04mm。此夹具满足加工要求。
2.3 夹紧装置的组成
阀体在定位主体定位后, 必须采用一定的装置将阀体压紧夹实, 使其在加工过程中不会因切削力、惯性力或离心力作用而发生振动或位移, 从而保证加工质量和生产安全。综合考虑, 本夹具采用手动螺旋压紧机构。在压紧阀体时, 首先拧动勾形压板4的压紧螺母7, 使阀体靠紧在定位主体上的平面上, 锁紧压紧螺母7, 实现阀体的压紧;为防止夹具因受扭力而转动, 在阀体两侧安装可调顶杆9, 压紧阀体后调节可调顶杆, 并锁紧螺母10。松夹时, 先松开锁紧螺母10, 将可调顶杆退回到原位;再拧松勾形压板4的压紧螺母7, 在压力弹簧8的作用下, 使勾形压板离开阀体, 即可装卸阀体。
螺旋夹紧机构的特点:夹紧力大, W≈ (60~120) Q, 自锁性能好, 工作安全可靠。
必须指出:“定位”与“夹紧”的任务是不同的, 两者不能相互取代。夹紧是阀体定位后发生的, 夹紧不能代替定位。
2.4 确定与车床主轴连接方式
夹具与车床主轴的联接方式, 主要取决于夹具径向尺寸的大小和车床主轴前端的结构形式: (1) 夹具以锥柄与车床主轴的锥孔连接。这种连接方式, 用于径向尺寸D<140mm或D< (2~3) d。夹具通过锥柄安装在车床主轴的锥孔中, 并用螺杆拉紧。这种安装方式的安装误差小, 定心精度较高, 适用于小型夹具。 (2) 夹具通过连接安装盘与车床主轴的轴颈连接。这种连接方式适用于径向尺寸较大的夹具。夹具以其上口按M6/h7的配合精度安装在连接安装盘的凸缘上, 然后用螺钉紧固。在车床上安装夹具时, 要按夹具体上的找正圆校正夹具与主轴的同轴度;以三爪卡盘固定连接安装盘;用百分表测量夹具定位主体平面及圆表面, 保证此平面的平面度0.01mm、圆表面的同轴度0.01mm。
3 夹具的平衡设计
Pro/E优化设计的功能, 可以结合夹具进行多种分析, 以确定平衡块的重量及最佳位置。其具体流程如图3所示。
3.1 分析特征
测量该夹具的质量属性, 创建质心点;测量质心点与旋转主轴之间的距离, 参数如图4所示。
3.2 敏感度分析
敏感度分析以图像形式表示追求目标与设计变量间的函数关系, 从而确定设计变量的取值范围。初步设计平衡块重量为:1.0kg, 调整平衡块的位置, 通过Pro/E敏感度分析选中平衡块所在的x、y位置值, 通过黄金分割法:黄金分割法也称0.618法, 是通过对黄金分割点函数值的计算和比较, 将初始区间逐次进行缩小, 直到满足给定的精度要求, 得到近似的最优解。黄金分割法是建立在区间消去法原理基础上的试探方法。利用区间消去法, 使搜索区间缩小, 通过迭代计算, 使搜索区间无限缩小, 从而得到极小点的数值近似值, 分析出质心点与旋转轴之间的距离最小的曲线图。参数如图5所示。
3.3 可行性分析与最优化设计
可行性分析是在设计变量的取值范围内找出能实现约束条件的可行方案;最优化设计是在可行方案的基础上, 找出满足追求目标的最优方案。可行性分析, 研究类型:可行性;设计约束:质心点和主轴距离设置为0;增加设计变量值:平衡块所在的x、y位置值。经一系列测试参数迭代运算后, 信息区提示:“已找到可行解决方案”, 同时配重的尺寸已经发生变化。因为使用可行性, 所以此时找到的一组解并不是最优解, 单击撤销按钮, 撤销尺寸的变化。最优化设计, 研究类型:优化;优化的目标:平衡块质量为最小化;增加设计变量值:平衡块所在的x、y位置值, 平衡块的直径及高度。优化后尺寸:d140-166、d141-108、d138-45、d139-45;平衡块重量为:0.75kg。查看质心点与主轴距离为:0。
在设计变量的取值范围里, 实现约束条件的可行方案有多个, 计算机进行可行性分析得到的方案是其中之一。在可行性方案的基础上, 找到满足追求目标的最优方案是局部最优, 并非全局最优。改变设计变量的取值范围, 会改变可行方案和最优案。因此, 设计变量的设置和取值范围的确定是非常重要的, 要认真分析“敏感度分析”所得到的结果, 才能取得好的结果。另外, 不同的计算机就同一问题求出的可行性方案和最优方案可能有小的差异。
4 结论
Pro/E的优化设计是将最优化技术和计算技术应用于设计领域, 为车床夹具设计提供一种基于定量分析择优的设计方法。强大的分析功能与基于行为的建模技术所设计制造出的阀体车床夹具, 加工阀体合格率可达到98%, 通过预先在车床上调整好的夹具, 阀体相对车床占有正确位置;保证阀体在夹具中迅速定位;阀体通过对刀、导引装置, 相对刀具占有正确位置;对批量生产效率尤为显著。
参考文献
[1]张策, 陈树昌, 孟彩芳.机械原理与机械设计[M].北京:机械工业出版社, 2004.
[2]王启平.机床夹具设计[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社, 2005.
夹具翻转机构 篇2
摘 要：本文主要通过CAD模拟和几何计算的方式分析夹具设计过程中翻转定位销与板件干涉的原因，指导，规范夹具设计过程。
关键词：试制夹具翻转机构；定位销；钣金干涉
中图分类号： U46 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）10-156-2
0 引言
随着汽车工业的发展，汽车已经进入千家万户，人们的眼光越来越挑剔，人们对汽车的外观质量及乘坐舒适性的要求也越来越严格。由于车身焊接精度直接影响着整车的外观质量及零件的装配性能，因而车身焊接精度成为评定汽车产品品质的一个重要因素。
汽车白车身焊接精度主要靠夹具进行保证，在试制阶段使用的试制焊装夹具为适应试制阶段车身精度的需要，同时为降低成本，在设计时会减少夹具数量，增加夹具复杂性，故很多制件需要用翻转结构进行定位，因而对夹具的设计也提出了更高的要求。
如果设计不合理会造成带定位销的翻转机构在开闭时，定位销与钣金件发生干涉的现象，如图1所示。
1 翻转机构运动轨迹分析
在CAD中对工装翻转机构上的定位销进行运动轨迹模拟。如图2所示（位置1、2、3分别代表在不同位置的旋转轴）。当快卡的旋转轴到定位销的距离一定时，快卡的旋转轴与图3中定位销A—A截面的延伸面越接近时，产生干涉的可能性越小。
通过在CAD中对定位销与钣金件的相对运动过程进行模拟，发现产生干涉的临界点为下面两种情况（如图4所示）：①定位销的F点与钣金件的E点产生干涉；②定位销的B点与钣金件的C点产生干涉。
2 翻转机构干涉原因分析
将快卡旋转轴与定位销的A—A截面延伸面重合，通过改变快卡旋转轴到定位销的距离，发现当旋转轴到定位销中心线的距离小到一定程度后，会发生第①种干涉情况，即定位销的F点与钣金件的E点干涉，当旋转轴到定位销中心线的距离越大时，干涉的可能性越小。
当F点与E点产生临界干涉条件时，确定定位销中心线与旋转轴的最小距离（最小转动半径）：
连接E、F两点，做EF连接线的中垂线HI，与定位销A-A截面交于一点H，以交点为圆心，做通过E、F两点的圆，图4所示。该圆的半径与定位销的半径相加，即为定位销的最小转动半径。
由于带有定位的压紧结构，其旋转轴到定位销中心线的距离均在200mm以上，远大于表1中得出的最小转动半径的要求。故当旋转轴设计在定位销A-A截面的延伸面上时，定位销与钣金件之间不会产生干涉现象，因此干涉的发生只能是第②种“定位销的B点与钣金件的C点产生干涉”。
现假设旋转轴到定位销中心线的距离为d（图5所示），在产生临界干涉的情况下，确定旋转轴相对于定位销A-A截面上下偏移量（以定位销为BZX-10-4为例）。
①旋转轴向上偏移，如图5，可以看出图6中的A点是产生干涉的临界点。
连结AB，做AB连接线的中垂线，定位销运动轨迹的圆心在AB连线的中垂线上。将定位销的中心线偏移d，与AB连接线的中垂线相交于一点N，该点即为定位销运动轨迹的圆心。计算定位销旋转轴的上偏移量NK：（LA=0.05mm，LB为定位销的定位长度4mm，M为AB的中点，设定位销半径为r，α为旋转轴上偏时NM与MK的角度）
② 旋转轴向下偏移，如图7，可以看出图8中的C点是产生干涉的临界点。
连结CD，做CD连接线的中垂线，定位销运动轨迹的圆心在CD连线的中垂线上。将定位销的中心线偏移d，与CD连接线的中垂线相交于一点H，该点即为定位销运动轨迹的圆心。计算定位销旋转轴的下偏移量HI：（CE=0.05mm，ED为定位销的定位长度4mm，F为CD的中点，设定位销半径为r，β为旋转轴下偏时HF与IF的角度）
即当定位销的定位长度一定时，根据旋转轴到定位销中心线的距离不同，定位销的旋转中心偏移位置的连线形成一条直线，这条直线与定位销的A-A截面的延伸面存在一定的角度（偏移角），该角度只与钣金件與定位销之间的单边间隙和定位销的定位长度有关，且旋转轴上偏所形成的角度（上偏角）和旋转轴下偏所形成的角度（下偏角）相等。当旋转轴的圆心在上偏角与下偏角之间时，不会产生干涉，图9中阴影部分所示。
③通过以上计算得出影响翻转机构中定位销与钣金件干涉的原因。由于各汽车厂在设计夹具时，夹具定位销与钣金件定位孔之间的间隙均为定值，故翻转机构中影响定位销与钣金件干涉的原因为定位销的定位长度。
偏移角与定位销的定位长度存在如下关系：定位销的定位长度越长，偏移角越小，越容易产生干涉；定位销的定位长度越短，偏移角越大，越不容易产生干涉。
其中，R为钣金件上定位孔的半径，r为定位销的定位半径，L为定位销的定位长度。
3 总结
通过CAD模拟和几何计算相结合的方式，确定了造成夹具翻转结构中定位销与钣金件干涉的原因，并通过理论与计算相结合的方式得出设计参考数据，提高夹具设计的合理性。
某型产品振动试验夹具优化设计 篇3
振动环境试验夹具是保障环境试验成功的重要因素之一。理想的振动夹具是近似刚性的,能模拟试件实际使用状态下的连接条件,保证夹具与试件连接界面上各点的运动是完全一致的,并且把振动台的运动不失真的传递给试件。但对于试验条件比较特殊或边界条件复杂的试件,依据经验公式设计夹具就无法满足要求[1]。
介绍了某型产品振动夹具的设计思路:基于UG三维软件建立夹具的三维模型,经后处理生成Parasolid文件导入ANSYS中进行振动特性分析。根据提取的固有频率、振型和响应位移等数据对原夹具进行材料、结构等多方面的优化设计,使其满足产品的试验要求[2]。
1 振动夹具设计的预期目标[3]
1)夹具本身固有频率在试验要求频率(15~2 000 Hz)范围外。即振动试验中夹具体本身无共振现象。
2)当试验时夹具体本身的共振不可避免时,应尽可能降低产品装夹部位的响应位移。即追求尽可能小的放大因子。
3)在满足刚度、频率、位移约束条件时,最大限度的降低夹具体本身的质量。
4)夹具能模拟试件在装机状态的安装方式,并能方便地与振动台面连接。
5)夹具工艺性好,成本低廉,设计加工的周期短。
2 振动夹具的模型设计及有限元模型的建立
2.1 夹具的设计
a)工艺方案
1)材料的选择
振动试验的高频特性,要求设计时一般考虑材料的刚度、阻尼性。
根据公式:
式中:f—响应频率,k—刚度,m—质量。
分析得出,提高响应频率,就要尽量减少夹具质量。通常夹具材料是钢、铝、镁等。从成本考虑,夹具选用45号钢[4]。
2)加工工艺
夹具的加工方法有焊接、螺接、铸造、整体加工及其他方法[5]。综合试验条件及夹具要求,选定分组加工,焊接的加工方法。
b)结构设计
该型产品振动试验条件及有关振动环境试验夹具设计规范,在分析产品的结构和振动试验台选型的基础上,依据经验公式进行了夹具的初始结构设计。夹具结构如图1,底板上12个均布光孔用于固定夹具体到固定座上;另一端4个均布光孔用以连接被测吊舱[6,7]。
夹具建模在UG8.5软件中实现。
图1 振动试验夹具的初始模型
2.2 有限元模型的建立
有限元法的基本思路是:1)把很复杂的结构拆分为若干个形状简单的单元,这些单元一般要小到可以用简单的数学模型来描述特性参数在其中的分布;2)通过对单元的研究来建立各特性参数之间的关系方程;3)在单元分析的基础上,利用平衡条件和连续条件,将各个单元拼装成整体结构。对整体在确定边界条件下进行分析,从而得到整体的参数关系方程组,即矩阵方程;4)解这样的矩阵方程,即可得到各种参数在整体结构中的分布。在确定夹具基本结构后,利用ANSYS有限元分析软件进行分析[8]。
a)实体建模
在ANSYS中,建模是将一个物理原型准确的用一个数学模型来表达,即用节点和单元表示空间体域及实际系统连接的生成过程。ANSYS中的各种分析都是在数学模型的基础上进行计算,因此模型的准确性直接关系到分析的可行性和结果的准确性。但是由于系统资源大小的限制,ANSYS中建模应在不影响全局及关键部位分析结果的条件下尽量理想化、简单化、典型化。对模型进行简单化需要忽略倒角,去除螺纹孔。然后在ANSYS前处理模块直接生成实体模型[9]。
b)网格划分
网格的划分要能够有效的反映原几何形体,充分考虑其物理特性,使实际处理中采用较少的或者简单的单元形态以提高运算速度。
该振动夹具采用标准形式,用solid tet 10node 187单元,采用该方案划分出来的单元符合要求。夹具体材料特性:弹性模量,EX=2×1011N/m2;泊松比PRXY=0.3;密度DENS=7.8×103kg/m3;划分有限元网格的夹具如图2所示。
图2 初始模型的网格划分
c)边界条件的设定
振动试验时夹具通过12个螺钉固定在振动台上,因此对夹具的12个光孔施加固定约束,如图2所示。
3 仿真分析及优化设计
应用ANSYS有限元分析软件中的模态分析对模型分析,得到前四阶固有频率、振型、响应位移[10]。初始模型的一阶固有频率为1 186.7 Hz,振型如图3所示;二阶固有频率为1 189 Hz,振型如图4所示;三阶固有频率为2 850 Hz,振型如图5所示;四阶固有频率为3 058 Hz,振型如图6所示。由仿真结果可以看到前两阶固有频率在20-2 000 Hz范围内。说明夹具本身在振动过程中会产生共振,传递振动给产品时会失真,甚至还会对产品造成破坏,因此需要对夹具进行改进。
图3 初始模型的一阶振型
图4 初始模型的二阶振型
图5 初始模型的三阶振型
图6 初始模型的四阶振型
材料的固定频率跟材料的密度与刚度有关。根据实际情况,先从夹具的刚度上进行改进。在UG中对原模型中影响刚度的部位进行相应的改进。导入ANSYS分析后得到一阶固有频率为1 547 Hz,振型如图7。结果可知,改进后夹具固有频率有所提高,但仍在试验频率内,共振仍不可避免。
图7 改进后的一阶振型
图8 最终模型的一阶振型
在结构的改进不能完全消除问题的情况下,再次回到UG软件中,对模型空心圆柱连接部分进行尺寸协调的方法加强刚性。再次导入ANSYS中分析最终得到优化后的振型。如图8,一阶固有频率为2 068 Hz。即改进后,夹具本身固有频率完全在产品试验频率外,表明夹具满足试验要求。
4 结语
通过上述方法对夹具进行设计,在实际试验中效果良好,而且避免了夹具制造出来后不符合要求的情况,减少了浪费,提高了生产效率。利用UG和ANSYS有限元分析软件的结合,以仿真验证设计,极大的改进了设计方式。成为快速解决实际问题,提高设计品质的有效手段。
摘要：根据该型产品振动试验条件及有关振动环境试验夹具设计规范,在分析该型装置结构和试验平台性能的基础上,基于UG三维软件进行夹具的实体建模,并利用ANSYS有限元软件对其进行了模态分析,得到夹具的固有频率和振型。从夹具的固有频率、振型和响应位移等仿真数据(夹具上各点的"能量"放大云图)分析夹具的不足,并依此对夹具结构进行优化设计。
关键词：振动试验,夹具设计,模态分析,有限元,优化设计
参考文献
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车身焊装夹具的设计研讨 篇4
关键词：车身；夹具；定位基准；RoboGate
中图分类号： U466 文献标志码：A 文章编号：1005-2550（2011）04-0064-07
Study on Cab Welding Fixture Design
YUAN Zheng-tao，YUAN Bo
（1.Senior Scientists and Technicians Association Expert Committee of DFM，Shiyan 442000，China；
2. Cab Plant of Dongfeng Commercial Vehicle Corporation，Shiyan 442040，China）
Abstract:This paper firstly try to refer to the classify methods of welding fixture in automotive industry. According to the characteristic of shell cab，it should set at six rules correctly and do a reasonable choice on location datum and clamping focus in fixture designing. To meet the welding size of cab，it must know how to control fixture accuracy. And do the general introduction from using“RoboGate”system in multi-species production.
Key words: cab; fixture; location datum；“RoboGate”system
1 焊接装配夹具概论
焊接装配夹具设计技术发展得比较晚，国内外相关的专著也较少见。随着我国汽车工业的发展，焊接技术在汽车生产中的应用越来越多，生产效率和产品质量要求越来越高，焊接装配夹具及各种机械化、半自动化和自动化的焊接装配生产线也随之发展起来。随着生产的需要，国内较大的汽车厂都有了专门从事焊接装配夹具设计的专业人员，这门处于机制和焊接专业边缘的专业技术，正在实践中得到发展。
在汽车零件的焊接中，除飞轮齿环、轮辋等个别情况是将一个环状和其他封闭体自身的某道焊缝接起来外，大多数情况都是把几个不同形状的工件焊接到一起，组成一个焊接合件，因此，焊接和装配一般是联系在一起的，故通常把焊接过程中所用的夹具称为焊接装配夹具。所谓焊接装配夹具，是指在焊接工艺过程中，根据工件结构的要求，用来保证被焊工件的正确相对位置及形状，并籍以得到牢固的焊接接头而使用的除焊接设备本身以外的附加装置，统称为焊接装配夹具，并简称为焊接夹具。焊接夹具中的消耗件易损件和独立起导电作用的一些工具，称为焊接辅具。
1.1 焊接装配夹具的分类
1.1.1 按汽车零部件结构特点分类
1）薄壳体装焊夹具：以车身为代表的薄板冲压件焊接夹具，有它特定的设计、制造方法和结构特点，是设计、制造、调整工作量最大的一部分。
2）薄板箱筒型及特殊组件装焊夹具：如燃油箱、储气筒、液压变速箱中泵轮总成和涡轮总成等，其夹具结构就又是一种风格。
3）中厚板冲压件，机加件和刚性较好的其他焊接件装焊夹具：如传动轴、焊接桥壳、焊接车架、减震器、车轮、刹车蹄片、变速箱齿轮与轴等焊接用夹具。在结构上也有它的特点，这类夹具除有的需要导电外，结构上与机加夹具比较接近。
1.1.2 按焊接工艺方法和焊接接头形式综合分类
1.2 对焊接夹具的一般要求
1）满足产品结构、工艺和生产纲领要求；有可靠的定位夹紧机构；处于焊接回路内的夹具应有良好的导电通路；能减少焊接变形或能适应变形的需要；对夹具上急剧受热的部位要进行通水冷却；要根据生产纲领选择夹具结构，产量低用简易结构，高产量用气动和自动化程度高的夹具。
2）容易制造和便于维修。
3）操作方便和安全：要便于装卸工件，特别注意防止焊接后工件从夹具中取不出来；能使焊缝处于最佳施焊位置；防止机构压手和松开打手。
4）结构简单合理，降低制造成本：大型焊接夹具价格很贵，要充分利用工件的装配关系，了解焊接件的作用，简化结构，降低成本。焊接夹具设计中的一个通病，是结构不必要复杂化，很多机构实际上是不需要的。
2 车身焊装夹具设计研讨
2.1 汽车车身的结构特点和一般精度要求
设计夹具时，要了解产品结构，吃透工艺要求。车身一般由外复盖件、内复盖件和骨架件组成。复盖件的板厚一般在0.8～1.2 mm范围内，骨架件多为1.2～2.5 mm，也就是说它们大都为薄板件，对夹具设计来说，有以下特点。
1）结构形状复杂，构图困难
车身都是由薄板冲压件经过装配焊接而成的空间壳体。为了造型美观和壳体具有一定的刚性，组成车身的零件通常是经拉延成型的空间曲面体，结构形状相当复杂。
2）刚性差、易变形
3）以空间三坐标标注尺寸
车身产品图以空间三个坐标来标注尺寸，各种车型对坐标原点和坐标间隔的规定略有不同。在设计车身夹具时只要记住，凡是在夹具上要标注坐标尺寸的地方，都必须与产品图上的坐标体系完全一致。
车身复盖件图纸只标注外形的某些限定尺寸，因此在设计夹具时，有时要用到产品设计的主样板、线图和主模型。主模型是汽车车身形状的原始数据，也是制造冲模、焊接夹具、检验夹具和辅具以及检查复盖件形状和尺寸的依据。
4）车身的一般精度要求
由于车身门框与车门间有门锁、密封件，前后风窗要装玻璃，因此这些部位的装配精度都比较高，加上市场竞争和用户对车身外观要求的提高，特别是轿车车身。现在，载重车驾驶室的装配精度实际上也是向轿车车身靠近的。其型面与轮廓允差一般控制在±1 mm以内，车门与支柱内外间隙允差为±2 mm，门洞轮廓偏移允差±2 mm，前风窗轮廓偏移允差±2 mm，腰线错位3 mm以下。实际检查车身，用车身指定的定位基准，放置在三相坐标仪上进行测量，主要测量点的位置偏移允差一般都应控制在±2 mm以内，对车身精度来说，这个数值具有普遍意义。表面上看，允差数值不小，但对车身制造来说，要求是很严的。因为，车身从设计时的线图—主样板—主模型—冲模—冲压件—焊接夹具等，每一个子系统中都有偏差，只有在子系统得到严格控制的情况下，最终才能生产出合格产品。
对车身焊接夹具、辅具设计者来说，对产品要求的控制精度应以客户提供的产品图纸要求为准。在焊接夹具设计这个子系统中，夹具的定位精度，一般取产品控制精度的1/3～1/5的允差数值。
2.2 六点定位原则在车身焊装夹具上的应用
六点定则在一般的夹具设计书上都有详细的讲解，此处就不再重复。但在车身焊装夹具设计时，常有两种误解：一是认为六点定则对薄板装焊夹具不适用；二是看到薄板装焊夹具有非可调的超定位，而不加分析的认为是定位原则错误。
应该肯定六点定则对车身焊装夹具是适用的，设计时应遵守这个原则，另一方面还需要分析车身冲压件的特点，只有正确认识其生产特点，同时又正确理解了六点定则，才能正确应用这个原则。
1）薄板冲压件刚性差，在储存和运输时会产生弹性变形。在装配过程中，为了克服弹性变形，必须用外力使有弹性的工件与夹具的定位件紧紧地靠在一起，与定位件一起形成一个刚性体，然后才能焊接成刚性较强、尺寸合格的空间壳体——车身总成。而刚性体工件在夹具中定位，其超定位的支承可以采用浮动或可调支承去适应，如果对有弹性的工件也把超定位的支承设计成浮动的，那就是在弹性体上装弹性工件，永远得不到一个确定的装配尺寸。
2）车身冲压件有的长或宽达1～2 m，尺寸允差和形状允差相对较大，由于定位件与工件的间隙，使大零件的装配位置变化在边界部位表现得较明显。为了纠正装配中的错位现象，以使装配误差能均衡分布，在大型焊装夹具的重要部位适当增设工艺定位件，以防止装配误差向某一方向集中，冲压件的精度越低，这种工艺定位越有必要。但这样做无疑又增加了超定位现象。
3）由于薄板件易变形，所以凡是夹紧力的作用点，都必须有相应的支承块。由于工件的结构限制，夹紧力的作用点往往又不能直接落到原定位支承点上，这时必须增加支承点。从定位原则看，这种支承是多余的，但对薄板件是必不可少的。超定位会使接触点不稳定，产生装配位置上的干涉，应该尽量避免，但并非在任何情况下均不允许出现超定位，只要超定位所产生的不良后果没有超出工件装配要求所允许的范围，超定位是允许存在的，对薄板冲压件来说，超定位有时是必要的。
现在，有的汽车厂家对车身零部件装焊过程的定位基准用指导文件的形式做了明文规定，这对基准的统一及质量的提高是有好处的。如图1所示，根据六点定则制定了六个定位基准，在图中以实心箭头表示，它们限制了该件在空间的六个自由度。由于工件大，为防上偏差向前侧集中，在上部增加了一个工艺支承点，其裙部刚性差，为防止弹性变形，又增加了两个工艺支承，就是图中以空心箭头所示的部位。这样在工件被夹紧后，才能与所有定位支承一起形成一个尺寸合格的刚性体，并最终焊接成合格部件。
根据我们自己的实践以及从国外的指导文件中的例子都能说明，薄板件定位应遵守六点定则，但同时又有它的特点，不同质的矛盾用不同质的方法去解决，这就是理论联系实际。
2.3 车身分块和定位基的选择
载重车驾驶室总成（不包括车门）一般由地板、前围、后围、侧围和顶盖几大分总成组成；轿车车身多由地板总成，包括发动机仓、行李箱隔板、侧围、顶盖等分总成组成。在选择定位基准时，首先要了解该车型是否有车身装配过程的定位基准指导性文件。如果有，则全过程应按指导文件的规定执行，以保证冲压件、装焊夹具、检验夹具等基准的统一性；如无指导文件，应根据车身的功能要求和特性按以下原则确定。
1）保证门洞的装配尺寸
门洞内要装车门、门锁等，其装配尺寸是要求最高的部位，不保证装配精度就会出现门锁不上、打不开等情况。如东汽早期车型的驾驶室、门洞由前、后支柱、底板门槛、门上梁等部件组成，结构比较零散，因此在驾驶室总成装焊时，门洞的定位就比较复杂，如图2所示，其中符号 为门洞的定位基准，符号为夹紧的着力点。
随着技术的进步，现在载重车的驾驶室和小轿车的车身都采用了侧围总成。侧围外板都是整体冲压件，门洞的尺寸精度就由冲压件决定了。装焊侧围总成时，只需解决内加强板与侧围外板的相对位置，夹具结构简单，门洞还更加精准。在总成装焊时，先用侧围总成底部和底板上预留的工艺孔，在预装工位上用塑料柱塞把侧围初步固定在底板上，其他分总成装配直接靠侧围定位，然后送入车身主装夹具中定位，夹紧并点定成型，再进入后续焊接工位补焊，在后续焊接工位上只有底板定位夹具。
2）保证底板悬置孔位置精度
载重车驾驶室装焊完成后，要装到车架上，因此，底板上有悬置孔，该孔一般冲压在底板加强梁上，装焊时一定要用悬置孔作定位基准，轿车底板上最重要的是车轮独立悬挂用孔，因此，底板总成装焊时要以该孔组定位，保证车轮悬挂位置正确。
3）保证前、后风窗口的装配尺寸
前、后风窗口一般由外复盖件和内复盖件组成。有的是在前、后围总成上形成，在分装夹具上要注意解决其定位；有的是窗口在总装夹具上形成，一般有专门的窗口定位装置对风窗口精确定位，以保证风窗玻璃的装配。
抓住了以上主要矛盾，车身装焊的基准选择问题就基本解决了。
2.4 定位夹紧方法及其元件的单元组合
2.4.1 关于定位方法的几个特殊问题
车身焊接夹具大多以冲压件的曲面外型，在曲面上经过整形的平台、拉延和压弯成型的台阶，经过修边的窗口和外部边缘，装配用孔和工艺孔定位，这就在很大程度上决定了它的定位元件形状比较特殊，很少能用上机加夹具通用的标准定位元件。
焊接夹具上要分别对各被焊工件进行定位，并使其不互相干涉。在设置定位元件时，要充分利用工件装配的相互依赖关系作为自然的定位支承。有的工件焊接成封闭体，无法设置定位支承，可要求产品设计时预冲凸台、翻边作为定位控制点。有的工件仅起加强作用，装配位置要求不严格，可在与之相配的工件上冲出位置标记，只要按标记放在规定位置上焊牢即可，在定位方法上采取这些措施，可大大简化夹具结构。如车身上有不少电线束卡子，有的夹具上为之设计了很复杂的活动定位装置，这是对车身零件的作用不了解造成的一种浪费。
车身焊接夹具上，板状定位件较多，定位板一般用A3钢板，厚度12～16 mm。定位板的位置除有特殊要求外，最好选在坐标网格线上，因为这些地方一般有主样板，加工时可借用样板划线。定位件按坐标标注位置尺寸，不注公差，但不是没有要求，另外还有一套精度标准和检查、验收管理办法。
2.4.2 关于工件的夹紧
1）不使用夹紧机构的条件
车身冲压件装配后，多使用电阻焊焊接，工件不受扭转力矩，当工件的重力与点焊时加压方向一致，焊接压力足以克服工件的弹性变形，并仍能保持正确的装配位置，而与定位基准贴合时，可以省去夹紧机构。另外，在固定式点焊机上用焊接样板定位焊接时，要尽可能用焊工的双手控制被焊工件，而不用夹紧机构。
2）高效快速、多点联动夹紧
焊接通常在两个以上工件间进行，夹紧点一般都比较多，电阻焊是一种高效焊接工艺，为减少装卸工件的辅助时间，夹紧应采用高效快速装置和多点联动夹紧机构。
3）夹紧力作用点的安排
对于薄板冲压件，夹紧力作用点应作用在支承点上，只有对刚性很好的工件才允许作用在几个支承点所组成的平面内，以免夹紧力使工件弯曲或脱离定位基准。
4）夹紧力大小的确定
对车身焊接夹具，夹紧力主要用于保持工件装配的相对位置，克服工件的弹性变形，使其与定位支承或导电电极贴合。对于板状结构，夹紧力应使装配件之间或使工件与电极之间的贴合间隙不大于0.8 mm；对于刚性冲压焊接件，要使其缝隙不大于0.15 mm，才能使焊接不发生困难，避免因夹紧不好而使焊点不牢或工件烧穿。夹紧力的大小与冲压件的质量、导电块的调整位置和磨损情况有很大关系，现在还提不出一个夹紧力的计算公式，根据经验，1.2 mm厚度以下的钢板冲压件，每个夹紧点的夹紧力一般选在300～750 N范围内，钢板厚度在1.5～2.5 mm之间的冲压件，每个夹紧点的夹紧力大致可在500～5 000 N范围内。
5）常用的夹紧机构及夹紧力计算
焊接夹具常用各种手动铰链夹紧器和气动铰链夹紧器等。
图3是标准铰链夹紧器的计算示意图，可按下面的公式计算夹紧力。
式中，Q为手的作用力（一般按80 N考虑）；F为夹紧力；β为摩擦角。备用行程长度S可按下式计算：
S=l（1-cosα）（2）
α角在夹紧时一般应调在5°～10°的范围内。气动铰链夹紧机械也可仿上式计算。
2.4.3 定位、夹紧元件的单元组合
焊接夹具的定位夹紧元件设计有两种模式：一种是非标准的定位、夹紧和其他联接机械，这种形式结构一般比较紧凑，但设计和制造周期较长；另一种是单元组合式，如图4、图5所示。图4中的定位销较长是为了能伸进焊钳。图5中除定位板和压板要按工件形状设计外，其余都由标准件组合，设计、装配和调整都比较方便。
2.5 夹具结构及精度控制
2.5.1 焊接夹具结构设计简介
如图6所示，驾驶室总成装焊夹具体积庞大，结构也相当复杂，为了便于制造、装配、检测和维修，必须对夹具结构进行分解，否则将无法进行测量。图6中有三个装配基准，就是底板1、右侧板2和左侧板3。在它们的平面上都加工有基准槽和坐标线，定位、夹紧组合单元4、5，分别按左右侧板和底板1上的基准槽进行装配。各单元的内部结构和尺寸另有单元组合图，并按单元检测合格，最后将三大部分组合起来，成为一套完整的夹具。
2.5.2 焊接夹具的精度控制
1）夹具精度标准由设计单位制订。图7是对夹具底板上基准槽的形状和尺寸要求，槽宽10 mm，深5 mm，图上标明加工要求，两槽互相垂直。在槽的两侧每200 mm或400 mm还要刻上坐标网格线，线的形状各设计单位都有各自的标准。基准槽是夹具精度的唯一测量基准，其他网格线只能作部件装配时找相对坐标位置用。一般定位销的位置精度允差±0.2 mm，定位板的形状允差±0.3 mm。
2）夹具精度检查表
夹具设计完后，由设计师将夹具全部定位件上要求检测的数值绘简图填入表1中，承制单位必须对表中要求数值逐个进行检测，并将实测数值填入夹具精度检查表中，然后按设计单位制订的精度标准判定是否合格，并进行调整，合格后打定位销。
3）夹具装配过程的测量
在夹具装配中，通常用方箱、高度仪、特制量块以底板上的基准槽为测量基准进行装配测量，如图8所示。
夹具装配完成后，要用三坐标仪测量夹具精度表中要求的各组数值，合格后交使用单位验收。
2.6 车身系列化和多品种生产
当今，为满足人们对汽车的多样化，特别是车身外部造型结构新颖的要求，厂家不得不频繁推出新产品。为使产品具有竞争力，就必须要用最少种类的车身冲压件、最少的生产装备，生产出质优价廉的汽车，以获得更好的经济效益，为此必须实现多品种混流生产。混流生产的先决条件是产品的系列化和实现计算机管理。
2.6.1 使用RoboGate系统
1）“RoboGate”一词，由Robot和Gate组成，前者是机器人，后者可译成门框式，就是由机器人和门框式定位夹具组成的柔性生产线。它是意大利Fiat公司首创，直到今天还是车身生产柔性化的中心议题。
2）该系统的组成
现以车身总成焊装线为例，如图9、10所示，它由台车、焊接机器人、门框式定位夹具、车身底板定位托盘和计算机控制系统构成，其中门框式定位夹具是系统的基础，计算机控制是系统的灵魂。
台车：是地面行走的无轨车，以电池为动力，沿埋在地下的感应电缆运动。其运行路线由计算机预设程序决定。
底板定位托盘：靠定位销装在台车上，可根据生产的不同车型更换。
门框式定位夹具：它是车身主要尺寸和形状的定位依据，不同的车身都有一套不同的夹具。
3）该系统的工作过程
在装配工位，将带发动机仓的底板总成装到托盘上，再装上侧围、顶盖等分总成，用卡子夹牢。由台车按不同车型送到不同的门框式定位夹具内。当车身到达后，夹具上的定位夹紧机构从侧面伸入车身，控制各洞口尺寸，并进行强力夹紧，以防止变形。再由机器人焊接约50个焊点，形成车身壳体。然后，按计算机的指令，送到各后续焊接工位进行300～400个焊点的补焊，直到车身壳体装焊完成。
4）该系统的不足之处
该系统的全过程是自动的，结构很复杂，操作工人虽少，但需要较多经过充分培训的技工维护，弄得不好，故障增多；由于系统复杂，造价比较昂贵。
2.6.2 采用直线往返式传送装焊线
为简化结构，降低造价和维护成本，现采用直线往复传送装置的车身焊装线的情况更多一些。线上也是只有一台门框式定位夹具，车身壳体的装配也是在预备工位的托盘中进行，生产过程中和用台车的RoboGate系统基本是一致的。只是托盘的传送是往返、升降传送机构，顶盖也一般在主装夹具的后面工位装焊。
装配时，用侧围下部预冲的刺头直接插入地板下预冲的槽孔中，然后将刺头打弯，使两者连在一起；或者两者都预冲有圆孔，装配时用特制的弹性柱塞将两者初步联在一起。
在门框式定位夹具这一工位的焊接上，有用机器人的，也有用挂在夹具框架上的自动焊钳焊接的，后者更经济一些。当然，要根据车身结构来决定。
为了实现多品种生产，布线时一般在主装夹具的前后各留一空工位，并在其中一个工位上预装有另一个车型的夹具，当换车型时，启动相关程序，导电电缆、压缩空气管路、液压油管、冷却水管等自动断开，原夹具自动移出，新夹具进入装焊工位，并将电缆等接通，机器人按计算机指令进行调整，完成后就可生产新的车身品种。
3 结束语
根据汽车车身的结构特点，对车身焊接夹具的设计进行了必要的研讨。对定位基准的选择方法、薄板冲压件的定位特点、超定位的形成等因素进行了分析说明。结论是：有弹性的冲压件，只有进行正确的定位夹紧后，才能在夹具中形成一个相对的刚性体，并最终焊接成合格的车身壳体。这方面是与机加夹具的设计原理不同的。根据作者本人的设计实践，给出了一些夹紧力的数据，仅供初学者参考。
文中给出的一些车身精度数据，仅为说明车身是有精度要求的，而且其要求是很严的，只有按规定控制了夹具精度才能生产出合格产品。
最后，通过对“RoboGate”系统的介绍，简单说明了车身焊接生产线的发展趋势。
参考文献：
［1］ 东汽车身厂关于夹具底板上基准槽和夹具精度检查表的有关标准［S］.
不停车带压堵漏法兰夹具优化设计 篇5
不停车带压堵漏作业过程中, 理想标准安装的法兰情况几乎不存在, 总是有两法兰不同轴和法兰面不平行的情况。在夹具测绘过程中, 较难保证两法兰同轴度测量的准确性, 也就影响密封间隙的控制。由于不同轴度的存在, 给机械加工和夹具安装定位带来困难且降低堵漏作业的成功率。
二、优化设计
1. 两片法兰不同轴问题
如图1所示, 两片外径不同的法兰同轴度问题。对此种法兰密封面的泄漏, 采用传统的凸型夹具 (图2) 进行封堵成功率很低。对照图1、图2可知, 法兰端面与夹具凸台两侧面间隙形成第一道密封, 夹具凸台两侧肩与法兰外径间隙形成第二道密封。如果测量的同轴度尺寸不准确, 封堵就很难成功。根据设计优化原则, 改进凸型夹具, 将凸型夹具一侧法兰环面密封改为法兰的端面密封 (图3) , 这样设计的法兰夹具, 可以消除两片法兰不同轴度对封堵效果的影响, 使常规的法兰夹具得到优化。
2. 法兰端面不平行问题
法兰安装时应尽量保证法兰开口一致性, 以保证密封垫处在最有效状态, 但实际操作中总会存在一定开口量, 其原因可能是安装时热紧螺栓的预紧力不同、温度不均匀等因素所致。法兰存在开口影响法兰夹具自密封情况, 在上述 (图3) 优化改进法兰夹具的基础上, 在夹具侧端面密封处开设一道应力槽, 目的是让系统压力和注胶产生的作用力在内侧端面产生变形, 以补偿法兰开口间隙, 实现夹具对法兰开口间隙的自密封作用, 法兰夹具的整体强度并未降低, 使法兰夹具再度得到优化。图4为法兰单边夹具组装示意图。
3. 改进效果
夹具优化 篇6
零件的加工工艺是根据零件结构、精度要求、现有设备、工装夹具和刀具等因素制定的。部分零件的加工工艺是以前制定的,属于小批量生产的试制工艺,为保证加工质量与进度,很多工艺采取了较保守的加工路线或工艺方案。通过了解,某些零件之所以加工困难,主要是没有夹具或者夹具不合适,所以设计合理的工装夹具就成为解决这些难点以及提高零件的加工质量和效率的关键。
1轴类零件原加工工艺分析
图1为一轴类零件图,零件左端是所要加工的渐开线花键,其模数为2.5 mm,齿数17,压力角30°,平齿根。此零件基本属于一个光轴,其加工外圆也比较小,插花键存在一定困难。轴类零件一般采用两端中心孔定位,但该零件分度圆直径比较小,而需要插齿刀的分度圆直径较大(插齿刀直径须大于等于Φ165才能加工此零件,否则上顶尖立柱会干涉),而分度圆太大的插齿刀齿数太多,制造困难,价格昂贵,且精度不好。
原加工工艺方案为:采用粗精车留工艺定位台阶,磨定位基准、磨校直基准、磨找正基准,插花键(不带上顶尖的盘类插花键机床),最后车去工艺台阶。其中插花键采用的是三爪卡盘找正法加工,如图2所示。该方案主要存在以下问题:①加工效率低,工人劳动强度大,采用卡盘抱紧,百分表找正外圆加工,装夹时间大大地超过了机动时间,人工找正,加工质量与操作人员的经验有较大的关系,经常产生不合格工件;②加工工艺繁琐,需要磨定位基准和找正外圆基准,插完花键后要重新回到车工班组,将工艺台阶车掉,物流路线加长,不利于工艺路线的安排。
2加工方案分析
通过对零件结构和原有加工工艺分析,认为此零件工艺的关键在插花键工序,而插花键工序的关键在于夹具的设计。此零件夹具设计有如下两种方案:
(1) 采用原定位基准定位,即留工艺台阶,采用弹性筒夹自动夹紧磨后的校直外圆,进行零件的夹紧。本方案的优点是:①零件定位可靠,装卸方便,液压自动夹紧;②磨后的校直外圆作为抱紧基准,使磨校直外圆具有了双重作用,不用再单独地磨一个抱紧外圆了。缺点是:车齿坯还要留工艺用的定位台阶,在插花键以后重新把定位台阶车掉,零件走了回头路,增加了物流距离和工序。
(2) 采用下端中心孔和中间磨校直外圆定位,弹性筒夹抱紧此磨校直外圆,进行零件的定位和夹紧。本方案除了具备方案(1)的优点外,还有无需再用磨床单独精加工定位基准、精车齿坯无需再留工艺台阶的优点,简化了工艺路线。
3夹具设计
通过分析决定采用设计方案(2),其夹具装配结构示意图如图3所示。 原来的弹性筒夹一般直接和拉杆相连接,但本夹具方案,由于要用下顶尖定位,显然不能按一般的筒夹进行设计,这就是此夹具结构上的难点。设计中将弹簧夹头、连接螺母、支撑杆、连接螺栓、过渡连接盘组合为一体,避开顶尖的干涉,从而完成零件的定位和拉紧;采用O型橡胶密封圈防止铁屑等杂物进入夹具体内。此夹具用4个螺钉固定在机床底座上,首先用一个加工精度很高的标准件装在初始固定后的夹具上,在拉紧的状态下校正标准件,然后固定好夹具。
1-过渡连接盘;2-顶尖;3-支撑杆;4-下本体;5-连接螺母;6-导向螺钉;7-上本体;8-弹簧夹头;9-防尘盖
设计时需要对机床液压缸拉力和螺钉强度进行校核。该液压缸拉力为15 000 N,机床原配液压缸拉杆为M16×1.5-6g普通螺纹,现采用6-M10与6-M8两组螺钉,经校核所选螺钉满足强度要求。
4夹具的使用效果
表1为夹具使用前、后对照表。
使用此夹具必须要有相应的工艺匹配,因为下端中心孔不但起着定位作用,还起着限制轴向尺寸的作用,而插花键的退刀槽非常小(4 mm),为防止刀具干涉,首先在铣端面打中心孔工序必须对中心孔大小进行控制,在工艺上增加了对中心孔大小的测量;其次为了防止零件在装夹时干涉,必须对精车齿坯和磨校直基准进行控制,保证磨校直外圆大于其余外圆,不干涉。此时磨校直外圆具有三重作用,即定位、夹紧、热后校直。通过对工艺的调整,使工艺路线最优化。
5结语
通过夹具的优化设计,保证了产品质量,提升了加工效率,达到了工艺的整体优化。本夹具方案为轴类插齿夹具的优化设计提供了一个参考方案。
参考文献
[1]王启平.机床夹具设计[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1995.
夹具优化 篇7
设计是产品研制的第一道工序，设计工作的质量和水平，直接关系到产品的质量、性能、研制周期和技术经济效益[1]。随着计算机技术的飞速发展，仿真分析和优化方法逐渐被引入到设计过程中，在一定程度上使产品设计的质量和效率得到了提高。设计优化可视化采用图形或图表方式来表现设计优化模型、过程和结果，使原来抽象的数据空间关系易于表达和理解，并可有效融入设计人员的知识、经验和创造力，提高设计质量和优化效率[2]。
悬挂夹具是某侧送机构的关键部件，其性能好坏直接影响侧送机构的质量和装校效率。同时，由于侧送机构工作环境洁净度要求高，不能采用易生锈材料，因此对它的结构可靠性和材料提出了较高的要求。传统的设计方法一般是通过对相关结构设计经验的方法取得设计参数，然后进行整体结构设计。传统设计方法往往受经验的影响比较大，而且经验设计有时与实际情况有很大差异，常常要对参数和结构进行多次修改，费时费力。因此，采用现代设计方法对悬挂夹具的结构进行较系统的、较为精确的分析及计算十分必要，同时可提高设计水平及设计质量。
2 悬挂夹具结构
悬挂夹具结构主要由挂板、连接板、支撑杆和连接座等部分组成，如图1所示。悬挂夹具的功能主要是支撑侧送物体，其中支撑杆是用来支撑侧送物体保持水平状态，而挂板是用来支撑悬挂夹具自身和侧送物体共同保持水平状态。在不降低工作性能的前提条件下，设计应尽量使悬挂夹具的结构紧凑，并尽可能降低悬挂夹具自身重量和设计成本，而这些在很大程度上取决于悬挂夹具挂板、连接板、支撑杆结构和质量的大小。本文主要对支撑杆材料和质量进行化优。
现代设计优化要求准确、直观、可交互，能快速处理及分析设计优化中产生的大量数据。由计算机技术和数值分析方法支持发展起来的有限元分析(FEA,Finite Element Analysis)方法是有效解决复杂工程分析计算问题的一种途径。集结构、流体、电场、磁场和声场分析于一体的ANSYS Workbench软件是一种大型通用有限元分析软件，它拥有丰富和完善的单元库、材料模型库及求解器，在合理的边界条件下可获得问题的精确求解。而Pro/E三维实体造型软件功能强大，通用性强，可进行多种图形格式的输出。在实体造型后，可方便地被后继工程分析软件所利用[3,4,5]。本文先对悬挂夹具采用Pro/E wildfire4.0建立三维模型，然后导入到ANSYS Workbench11.0中完成有限元分析工作。
3 悬挂夹具有限元分析
悬挂夹具的结构和材料选取是否合理，是确定侧送机构的关键。由于影响工作性能的参数有很多，如悬挂夹具自身结构参数、工艺参数、物理参数及间隙等。而且这些参数常常相互影响，因此对悬挂夹具的受力进行有限元分析就十分有必要。
3.1 有限元分析前处理
(1)实体建模。悬挂夹具是一个比较复杂的结构，建模时应尽量简化模型的规模，如线路板、制动器、倒角等对分析影响不大的部件或特征都可被忽略掉[6,7]。在Pro/E软件中建立三维模型，简化后模型如图1所示。
(2)模型导入。将实体模型通过与ANSYS Workbench软件的接口导入ANSYS Workbench中进行分析。通过对导入前后的模型进行分析，可以看出悬挂夹具中支撑杆的点、线、面均存在，没有出现扭曲、丢面或多面等现象，也就是说实现了从Pro/E软件到ANSYS Workbench软件的无损导入，这就可将设计和分析紧密结合起来，如图2所示。
1.连接座2.支撑杆3.连接板4.挂板
(3)支撑杆材料属性的设置。支撑杆材料按不锈钢和铝合金两类选取，分析时按下列两种情况在材料属性对话框中，分别设置夹具的材料属性：(a)各零件全部采用不锈钢(弹性模量E=206GPa，泊松比为μ=0.3，密度为ρ=7800kg/m3);(b)各零件全部采用铝合金(弹性模量E=71GPa，泊松比为μ=0.33，密度为ρ=2770kg/m3);
当材料为不锈钢时，安全系数取2.5，许用应力为
当材料为铝硬时，安全系数取3，许用应力为
(4)单元类型及网格划分。悬挂夹具采用SOLID187实体单元;由于该夹具有些不规则的面和体，采用自由网格(free)进行网格划分，得到了有限元模型单元数为8241个，节点数17299个。其网格图见图3。
(5)指定约束方式。实际工况是悬挂夹具挂板与侧送机构的前端挂板配合联接处施加固定约束。
(6)指定加载方式。悬挂夹具在合理的变形内要能承受120kg的模块，所以加载时，在四个承压面上均分120kg的压力，每个承压面上承受30kg的压力。
3.2 有限元分析后处理
有限元分析后处理是对求解结果的检查及分析，也是分析中最重要的环节之一。悬挂夹具分析结果如表1、表2所示。
3.3 结果分析
(1)当支撑杆轴径为φ30mm，支撑质量为120kg时，由表1中应变和应力分布图可初步判定并得出如下结论：(a)当夹具材料全为不锈钢时，总体质量为17.79kg，最大变形发生在支杆最前端，大小约为2.3mm，小于最大变形不超过2.5mm的要求;最大应力发生在连接板上孔的边缘，大小为72MPa，小于许用应力，合格。(b)当夹具材料全为铝合金时，总体质量为6.32kg，最大变形发生在支杆最前端，大小约为7.2mm，超过最大变形2.5mm的要求;最大应力发生在连接板上孔的边缘，大小为71MPa，小于许用应力，但由于变形太大，不合格。
(2)当支撑杆轴径为φ40mm，支撑质量为120kg时，由表2中应变和应力分布图可初步判定并得出如下结论：(a)当夹具材料全为不锈钢时，总体质量为20.11kg，最大变形发生在支杆最前端，大小约为2.2mm，小于最大变形不超过2.5mm的要求;最大应力发生在连接板上孔的边缘，大小为75MPa，小于许用应力，合格。(b)当夹具材料全为铝合金时，总体质量为7.09kg，最大变形发生在支杆最前端，大小约为6.1mm，超过最大变形2.5mm的要求;最大应力发生在连接板上孔的边缘，大小为75MPa，小于许用应力，但由于变形太大，不合格。
(3)通过对表1和表2分析可知：在结构变化不大的情况下，夹具符合要求的材料为全部零件采用不锈钢。在支撑质量为120kg时，支撑杆轴径为φ30mm，变形约为2.3mm;支撑杆轴径为φ40mm，变形约为2.2mm;支撑杆轴径增大后，支撑杆变形虽小了0.1mm，但变形相差不大，因此可选用支撑杆轴径为φ30mm，通过减小夹具总体质量，相对减少制作成本。
4 结论
本文应用Pro/E实体建模和ANSYS Workbench结构分析功能，对某侧送机构的悬挂夹具进行结构优化分析，通过不同材料和截面形状的分析对比，在满足整体强度要求的前提下，减轻了悬挂夹具的总体质量，提供了一种高效、可行的结构优化设计方法，使设计和分析过程紧密结合、融为一体。
参考文献
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浅析合理规划夹具前提的条件 篇8
关键词：夹具；结构；零件；规划
中图分类号：TG759 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）24-0080-02
1 规划和夹具的概念
①规划是指整理收集数据和准则，以便对是否需要、需要何种类型的工装或重新设计、制造做出决定。
②首先考虑的是技术可行性、经济性和进度情况。规划工作的规模应与加工件的批量大小、要求的质量和预计的加工成本和工装成本相结合。
③夹具是工装的类型之一，夹具是用于金属切削加工的装置，其组成主要有定位元件、夹紧元件、支撑元件、连接元件和控制元件。
收集收据和准则，如图1所示。
2 周边条件的规划
2.1 加工流程和进度
由工艺员根据年生产批量，装配规模的大小和工装设计人员合作确定加工流程、设备、装夹类型和数量，刀具和夹具类型定出规划概要，在制定规划概要过程中，加工工艺编制和工装设计之间有了最初的合作这样就可以尽早开始工装设计从而缩短直至夹具完成的整个时间。
根据产品装配进度出发，可往回计算出夹具的设计、制造或采购进度要求。最终的计划可在夹具开始设计的同时进行制订。
2.2 符合加工性和夹具工作要求的工件结构
在产品设计时注意工件的结构设计与生产条件和夹具条件相匹配，那么在工装规划阶段便可为生产节约可观的夹具费用及后续发生的费用。同时也可排除产品设计中的过高要求。因此在进行工艺和工装规划时，判定工件结构是否方便生产起着很重要的。
3 夹具类型
3.1 简单的夹紧工具和定位元件
虎钳，紧固角铁，挡块及可调支架等。
3.2 标准夹具
平行虎钳，多用钻模，可转动、可倾翻的爪式卡盘，回转工作台等。
3.3 已有夹具进行补充
在标准夹具或系列加工的夹具上增加一些可调节的夹具构件，实现新工件装卡最迅速最经济的途径之一。
3.4 组合式夹具
短期需求，适合小批量或批量不明确以及尚未成熟的产品
3.5 简单的专用夹具
是针对某类工件专门设计的，操作简单适用于中小批量。
3.6 为加工中心设计夹具用于加工
①一种或多种工件。
②相同或不同工件。
③相同或不同的加工位置。
这类夹具可达到减少刀具更换时间，稳定的加工质量。此类夹具通常采用液压夹紧。可以实现很高的均匀的夹紧力，通过一些附加功能还可实现在精加工时调低夹紧力；通过夹具的倾斜或翻转实现斜孔或斜面的加工等。但做这类夹具时应基于经济性核算。
4 夹具成本的估算
①简单夹具、标准夹具以及对已有夹具进行补充的夹具的成本费用可以从供应商提供的价格表中获得，或对补充件进行估算。
②组合夹具不需要设计工时成本，其的装配工作量通常不超过6小时，装配成本可直接算出
③简单专用夹具和数控加工专用夹具的成本估算。
其一，通过与已经设计制造的类似夹具直接进行比较。
其二，通过对夹具各个构件的费用的估算累加获得。夹具构件分自制或外购。估算夹具成本时，成本包括以下内容：加工工时、装配工时、材料成本，外购件费用，调试返工工时，设计工时。
每个企业都有针对要生产零件的类型优先使用专门的夹具构件并对其进行标准化；这些构件的费用一般情况下是已知的，如图2所示。
焊接底座按零件的形式，可按体积、和数量进行估算；
液压夹紧夹具还包括液压元件及连接件的费用；
调试及返工工时（大约为制造工时的10%）；
设计工时（大约制造工时的30%～40%）。
5 经济性评估
进行经济性评估所需的数据。
C=工装成本（人民币元）；
t=单件加工时间（分钟）；
tr=装备时间（分钟）；
L=批量件数；
lc=小时工资含可变成本（元/小时）；
m=成本相同时的生产批量（件）；
N=年需求量（件）；
X=折旧年限（年）；
St=节约工时（分钟）；
Sc=节约成本（元）；
Fc=固定成本（元）；
s=附加成本系数（管理成本）；
D=年工作天数；
APR=年利率（%）；
Pr=年维修费占投资成本的比例（%）
5.1 两种加工方法成本相同时的生产批量数
已知：C1=1 000 RMB，C2=24 000 RMB，t1=20 min， t2=10 min，tr1=240分钟，tr2=150 min，L1=L2=1 000件，lc1=lc2=100 RMB/h
求：成本相同时的批量数
m=（C1-C2）/[（t1+tr1/L1）×lc1/60-（t2+tr2/L2）×lc2/60]
=（24 000-1 000）/[（18+240/1000）×100/60-（12+150/1 000）×
100/60]
=23 000/[（18.24-12.15）×100/60]
=2 266件
5.2 工装经济性估算
已知：N=6 000件/年，X=5年，s=1.4，APR=0.35，Pr=0.1， D=230天
求：St， Sc， Fc
St=[（tl1+trl/L1）-（tl2+tr2/L2）]×6 000/230
=[（18+240/1 000）-（12+150/1 000）]×6 000/230=159 min/d
Sc=St×lc2/60×s=159×100/60×1.4=371 元/d
F= [C2+C2（APR+Pr）×X]/D×X=（24 000+24 000×0.45×5）/230×5=68 RMB/d
结论：节约的成本大于或等于固定成本时，投资夹具有经济性
6 工装申请单的数据要求
①项目名称；
②设计、制造的进度要求；
③年生产批量；
④零件号，零件名称，经加工性评估讨论确定的图纸；
⑤加工工序名称；
⑥加工范围；
⑦定位的位置；
⑧夾具类型（如钻孔工装，使用快速夹紧机构）；
⑨夹紧的类型（手动或自动）；
⑩机床数据，切削数据及机床的功率；
11使用的刀具、刀杆和刀柄；
12工装夹具的预算。
参考文献：
[1] Rationelle Planung von Vorrichtungen VDI-Verlag-T83.