夹具结构分析（精选7篇）
夹具结构分析 篇1
0 引言
手动换电设备作为自动换电设备的重要备份, 在电池的日常保养维护以及电池箱起火等紧急情况下发挥着不可替代的作用。手动换电设备夹具 (后文简称夹具) 作为在换电过程中承载固定电池箱的主要部件, 研究其在特定工况下的应力和位移分布并优化刚度和强度薄弱部位十分重要。国内外针对电动汽车电池快速更换技术的研究主要集中在快换电池箱箱体、锁止机构和连接器上, 对换电设备的结构仿真分析还较少。本文通过对夹具进行仿真分析, 得出夹具在特定工况下的受力分布与模态特性参数, 为后续的优化设计提供依据。
1 有限元分析模型的建立
1.1 三维几何模型的简化
夹具用于在换电的过程中承载和固定电池箱, 它由整体框架、锁止机构盒和一些导向定位组件组成, 如图1所示。在Pro/E中对原有的设计模型进行初步的简化, 去除一些非承力部件和一些小尺寸特征, 得到简化后的模型, 如图2所示。
1.2 基于Hypermesh的夹具前处理
Hypermesh是一个高效的有限元前后处理器, 能够建立各种复杂模型的有限元模型, 与多种CAD和CAE软件有良好的接口并具有高效的网格划分功能。将简化后的几何模型以Parasolid格式导入Hypermesh后, 抽取各个部件的中面, 并进一步进行几何清理, 对各个部件进行必要的切分以改善模型的拓扑结构。切分完成后, 进行分块网格划分, 得到176 568个四边形单元和181 180个单元节点, 夹具的有限元模型如图3所示。然后对网格进行连续性检查和单元质量检查, 检查结果如表1所示。
不同零部件之间的网格是不连续的, 因此需要模拟焊接、胶接或者螺栓连接等连接方式。ANSYS提供了两种解决不同类型单元自由度不连续问题的方法, 即节点耦合法与MPC接触装配法[1]。在此次分析中, 使用节点耦合法来模拟部件之间的焊接, 即在焊接位置使用Rbe3单元将两个部件的单元节点耦合起来[2]。
根据后续计算分析的需要, 选择与ANSYS相对应的Shell181壳单元、Beam188单元、Mass21单元, 并创建Q235钢的材料属性, 设置密度为7.98×10-9t/mm3, 弹性模量为2.11×105MPa, 泊松比为0.3。在Component Manager中将单元类型、材料属性、截面属性赋给相应的单元[3]。
2 结构强度分析
2.1 边界条件的施加
Hypermesh做前处理的目标是创建一个可以直接提交求解器求解的文件, 因此此次分析边界条件的施加也将在Hypermesh里进行。夹具通过夹具上的4个螺栓孔与换电设备相连接, 因此选用Beam188单元、Mass21单元和Rbe3单元来模拟螺栓连接, 约束Beam188单元的3个平动自由度和沿x, y方向的转动自由度, 如图4所示。
参考换电设备企业标准选取结构强度分析的工况:电池箱对夹具的作用力为沿-y方向7 644N (3g过载) ;电池箱对锁止机构的作用力为沿-x方向2 548N (1g过载) 。电池箱的质量大约为260kg, 电池箱对夹具的作用以分布力的方式加载在中间梁和锁止机构盒的相关节点上, 分布方式如图5所示。将相应的cdb文件用Read input from功能读入ANSYS, 并在ANSYS里添加必要的求解控制选项, 完成求解, 得到的夹具的变形和应力云图如图6和图7所示。
2.2 结构强度分析的结论
由图6、图7可以看出, 夹具的最大变形出现在夹具两侧的中部, 最大变形量为0.690mm, 这反映出夹具在z方向上的刚度相对较差。最大应力出现在锁止机构盒处, 最大应力为181.2MPa, 此外中间梁加强筋、框架纵梁的应力也较大, 但均未超出材料的屈服极限235MPa, 因此满足设计要求。
3 夹具的模态分析
一个N自由度振动系统的运动微分方程可以表示为:
其中:{δ}, 和分别为系统的位移矩阵、速度矩阵和加速度矩阵;{F (t) }为激振力矩阵;[M], [K]和[C]分别为系统的质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵[4,5]。
由于模态分析是分析结构在自由振动下的振动特性且系统阻尼影响较小可以忽略不计, 故将式 (1) 简化为:
弹性体自由振动的振型可转化成为一系列简谐振动的组合, 为得到自由振动的各阶固有频率和各阶的振型, 设其解为:
将式 (3) 代入到式 (2) 中得到:
求解式 (2) 和式 (4) 的过程, 就是对结构进行模态分析的过程, 通过求解这两个方程, 可以得到结构的固有频率ω和固有振型。
ANSYS提供了7种模态提取方法, 本文利用分块兰索斯法 (Block Lanczos) 计算了夹具的固有频率和振型, 夹具的前6阶固有频率如表2所示, 各阶模态的振型图如图8~图13所示。
结合表2和图8~图13可知, 夹具前6阶模态的振型主要表现为夹具台面的局部振动与夹具整体框架绕x轴的弯曲、扭转。这再一次反映了夹具整体框架在z方向上的刚度相对较差, 同时, 夹具台面中部的刚度也不理想, 设计时应注意加强这两处的刚度。
4 结论
(1) 在企业标准规定的工况下, 夹具的最大应力出现在锁止机构盒处, 最大应力为181.2MPa, 此外中间梁加强筋、框架纵梁的应力也较大, 但均未超出材料的屈服极限235MPa, 因此满足设计要求。
(2) 由最大变形出现的部位以及后来的模态分析可以看出, 夹具在z方向上的刚度相对较差, 因此, 在后续的优化设计中可以适当增加框架横梁的数量或壁厚, 以提高整体刚度。
(3) 由模态分析可以看出, 夹具台面中部的局部刚度较差, 因此, 在后续的优化设计中可以适当布置一些加强筋, 以提高台面中部的局部刚度。
参考文献
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夹具结构分析 篇2
如图1所示为一铸铁托架的零件图,生产规模为中等批量生产。零件的Φ35H8孔和左侧平面B已在前面工序按图纸要求加工完毕,本道工序要求在铣床上加工顶面C,需要设计一专用铣床夹具以便满足零件图上的各项尺寸精度要求及形位公差要求[1]。
2 零件的加工工艺分析
零件图对顶面C加工的精度要求如下:
(1)顶面C至Φ35H8孔轴线的距离精度为(20±0.06)mm;
2)顶面C对Φ35H8孔轴线的平行度公差为0.06mm;
3)顶面C对侧平面B的垂直度公差为0.1mm;
4)顶面C的表面粗糙度Ra为6.3μm。
加工顶面时工件对垂直向下的切削力支承刚度较差,前工序已对Φ35H8和侧平面B加工完毕,工件的其他部位均为毛面,所以在选择精基准时只能以Φ35H8孔和侧平面B作为精基准[2]。
3 定位夹紧方案的确定
根据工序加工要求分析,工件定位时只需限制五个自由度,沿工件宽度方向的自由度可不必予以限制,现有两种定位夹紧方案可供选择。
方案一:工件以侧平面B作为第一位基准,限制三个自由度(沿X方向移动,绕Y、Z轴转动),可保证被加工平面C与侧平面B的垂直要求,以Φ35H8孔作为第二定位基准,用长削边销限制工件的两个自由度(绕X轴转动、沿Z轴移动),可保证C面的高度尺寸(20±0.06)mm及C面对Φ35H8孔轴线的平行度要求。根据主要夹紧力应作用于第一定位基准面的原则,主要夹紧力W1的方向垂直于侧面B,为防止工件在加工过程中发生振动,在铣削平面C时,为了提高其稳定性,在加工面C的下方需增加一个辅助支承,以提高工件的刚度,辅助支承不限制工件的自由度。如图2所示。
方案二:工件以孔Φ35H8作为第一定位基准,用长圆柱销定位,限制工作的四个自由度(沿X、Z方向移动,沿X、Z轴转动),以保证高度尺寸(20±0.06)mm及待加工面C与孔Φ35H8轴线的平行度要求。以侧平面B的下端靠在一固定支承上定位,限制其沿Y轴转动的自由度,保证C面与B面的垂直度要求。为防止工件在加工过程中发生振动,还需在加工面附近增加夹紧力W2,作用于工件的宽度方向上,为使工件稳定,采用两点式夹紧,为避免过定位现象,采用自位支承。在本方案中主要夹紧力为W2,而W1为辅助夹紧力,只要保证工件与支承点接触即可,因此只需单点夹紧[3]。如图3为该定位夹紧方案。
比较上述两种方案可以看出它们各有优缺点。
方案二的结构图如图4所示。其夹紧机构因为W1是单点夹紧,夹紧力又小,W1与W2可采用联动夹紧,虽然操作方便,但是结构复杂,零件较多,加工困难,生产周期长,制造成本高,而且B面上只有一点定位,垂直度的定位误差较大。
方案一的定位基准与设计基准重合,因而C面与B面的垂直度定位误差为零,这是它的主要优点。此外还具有结构简单,夹具零件加工简单,生产成本低,故采用方案一的夹具结构。
4 铣床夹具结构初步设计
图5所示为该铣床夹具的定位夹紧部分的三维结构图。
设计简要说明如下。
(1)铣夹具定位销设计:本夹具采用固定式削销边,销的一端以Φ18H7/r6过盈配合压入支承板。定位销直径选项用Φ35g6与工件孔Φ35H8形成小间隙配合,销的精度等级为IT6,比配合孔高两级,其长度与配合孔长度基本相同,端部做成15°大倒角,倒角部分长度为6mm,以便能方便地套装工件。
(2)支承板的设计:支承板用来限制工件绕削边销轴转动的自由度,它用两个M8×20内六角螺钉固定在夹具体中,为保证夹具的装配尺寸,在夹具装配图的技术要求中,保证定位板的装配面与支承板Φ18H7距离精度要求为(18±0.015)mm。
(3)辅助支承的设计:采用M10螺钉,可调辅助支承。
(4)夹紧机构的设计:为使夹具的结构紧凑,操作迅速方便,采用M24螺栓,头部进行加工,头部车有R3的环槽,用于装配3的圆柱销,使螺栓旋转时保证压板不旋转。
(5)铣夹具在机床工作台上的定位:在铣夹具的底面槽中,设计有两个定位键,夹具的底平面装在机床工作台台面,定位键安装在T形槽中,以保证夹具在机床工作台上正确位置[4]。
5 结束语
本文在对铸铁托架加工工艺及生产应用实际的分析情况下,得出了结构、加工简单,生产成本低的夹具零件的设计方案。其中本方案设计的突出特点是利用切边销来对包含圆筒形零件的装夹。
摘要：为中批生产的铸铁托架设计了一个专用铣床夹具,使其能够在铣床上进行某一难加工平面的加工。通过对该零件加工面加工工艺的分析得出两种夹具的设计方案,并结合实际生产的需要对两种方案的优缺点进行比较,选择了结构简单、夹具零件加工方便、生产成本较低的方案。
关键词：加工工艺分析,定位夹紧方案,夹具结构分析
参考文献
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[3]哈尔滨工业大学,哈尔滨市教育局.专用机床夹具设计与制造[M].哈尔滨:黑龙江人民出版社,1979.
夹具结构分析 篇3
鉴于市场强大的需求, 手机产品如雨后春笋, 更新换代频繁。手机中板作为手机的基础和核心零部件, 其生产质量的好坏, 对于手机质量的优劣、生产商在市场竞争中地位的高低起着举足轻重的作用。而手机中板上螺母的焊接, 作为生产中的基础环节, 更需要严格确保其加工质量与精度, 以免为后续加工带来不必要的麻烦。
焊接工装夹具是焊接加工生产中的辅助装备, 它的作用就是把焊接的各个零件组装到一起, 减少焊接过程中产生的失真, 有助于降低生产损失, 也为产品的焊接、定位和压紧节省时间[1]。而且夹具焊接质量的好坏直接影响产品外观、强度和刚度, 甚至威胁到后续使用的可靠性和安全性。随着中国制造业的迅猛发展, 焊接工装夹具在制造业中已经得到广泛应用。目前关于焊接工装夹具的研究主要集中在:1) 针对不同的焊接对象进行夹具设计;2) 对夹具的关键零部件和执行机构进行有限元分析、运动仿真和结构优化;3) 对减小夹具误差的技术和方法的研究。目前计算机辅助夹具设计, 例如参数设计和虚拟样机技术是当前减少设计失误、提高设计效率的一种先进方法[2,3]。周志华[4]针对现有手机锂电池焊接夹具的定位问题以电池的理论中心面定位, 改善了现有工艺过度依赖电池外形尺寸精度的问题;刘志盛、代小军等[5,6]就超级电容器下集流体与壳体激光焊接和带式输送机上托辊架焊接, 通过实现焊接轨迹最优化、增加焊接面接触紧密性, 设计出相应焊接夹具, 同时对受力较大部件做了有限元分析, 使设计更贴近实际;湖南大学王祖建[7]采用高精度激光焊接机器人, 通过自行设计的柔性夹具对汽车白车身进行焊接, 同时依靠试验, 探讨了激光光束入射角对车身常用镀锌板焊接质量影响进行了研究。何改云等[8]通过获取夹具系统综合误差参数模型, 根据坐标变换理论建立夹具系统综合误差补偿模型, 借助补偿运算确定刀具运动轨迹各点的机床三个方向的补偿值, 发明了一种实现夹具系统综合误差提取及确定补偿值的方法, 从而提高了夹具的加工精度。
本文以手机中板为对象, 针对焊接螺母的结构特性确定定位、夹紧机构, 运用一体化技术设计了一套螺母焊接专用夹具。针对人工手工上螺母费时、低效问题, 又设计了一款仿弹夹辅助上螺母机构。通过ANSYS分析了手机中板夹紧后的工作状态, 得到其应力大小和形变结果。最后通过中板焊接采样, 分析了本文夹具设计的优缺点。
1 手机中板及加工技术要求
1) 手机中板螺母规格及焊接位置。焊接螺母位置分布如图1所示, 产品规格参数:手机中板材料为SUS304, 厚度为0.25 mm;1号焊接螺母的规格为M1.2×0.3, 外径2.5 mm;2~5号焊接螺母的规格为M1.2×0.25, 外径2.5 mm。5颗螺母需要焊接在手机中板的内侧, 1号螺母焊接在中板的底面, 2~5号螺母焊接在中板的两侧, 且互为不对称分布。
2) 加工技术要求。焊接两种规格的5颗螺母, 产品摆放先后顺序不限;夹具便于放入DD马达旋转平台进行激光焊接;焊接后产品不得有明显变形、划伤等瑕疵;采用手工上料方式, 整个焊接周期小于30 s;焊接精度为±0.08 mm, 加工要求的管控尺寸如图2所示。
2 手机中板螺母焊接夹具
1) 焊接夹具总体结构。焊接夹具总体结构如图3所示。焊接夹具主要结构包含底座、焊接夹具主体、上盖板;焊接夹具辅助结构包括弹壳、手柄、上螺母夹具主体。使用时, 把焊接夹具主体放到底座上, 放入1号螺母并装上手机中板;盖好上盖板, 通过焊接夹具辅助结构装入2~5号螺母;最后取下底座将夹具放入激光焊接平台进行焊接。
1.上螺母夹具主体2.弹壳3.手柄4.弹簧5.手机中板6.侧盖板7.底座8.焊接夹具主体9.上盖板
2) 焊接夹具主要结构设计。如图4, 鉴于手机中板的结构特征, 选取Ф3的环形孔和Ф3的圆孔通过销钉定位;1号螺母放置在设计的凹槽内, 通过下面的弹性柱销机构压紧螺母;2~5号螺母放入螺母定位块上的定位槽内, 依靠中板侧面的小挡片和弹性柱销机构控制螺母空间位置。为避免螺母装配时发生干涉, 将侧面4个弹性柱销机构整体设计成运动块。装配中板和螺母时, 机构处于收缩状态, 以避免干涉;装配完, 机构处于伸展状态, 通过弹簧变形压紧螺母。
底座上的4个梯形销与夹具体配合, 改变运动块的位移;上盖板和侧压板主要考虑螺母放置孔、定位孔、强磁孔和避位孔的设计。
3) 焊接夹具辅助结构设计。针对人工上螺母费时、低效、易疲劳等问题, 附加设计了仿弹夹辅助上螺母机构。鉴于1号螺母易于装配、数量少, 所以只考虑2~5号螺母上料结构。如图5, 定位销给“弹壳”定位, 球头柱塞用于锁紧“弹壳”。螺母落料口仿上盖板喇叭口结构, 便于落料定位。螺母分离片由上下两片组成, 自然状态上面分离片缺口右端阻碍了“弹壳”中第一颗螺母的下落;按动手柄, 当上面分离片移动到缺口处, 第一颗螺母自动下落并被下面分离片挡住, 第二颗螺母也顺势下落;松开手柄, 第二颗螺母被挡在分离片上方, 第一颗螺母落下, 到达指定位置。如此反复, 实现效用。
弹壳内部仿照螺母结构设计落料槽, 为便于拆卸清理, 上盖板用有机玻璃加工成可拆卸式结构。弹壳采用振动盘自动上料, 这样既可以保证速度又可以保证螺母方向一致。结合人体工程学知识, 弹夹左侧设计出手持部位。
3 手机中板夹紧工作状态分析
夹具的使用或多或少会对产品焊接时的应力和形变产生影响, 由于加工过程中焊接范围和时间太小, 因此只考虑装夹夹紧后中板的受力状态。
手机中板材料为SUS304, 弹性模量为1.9E11MPa, 泊松比0.305;上盖板材料AL6061, 重量为3.32 N;激光焊接机平台上用于压紧夹具肘夹型号为米思米MC01H-3, 闭合压力为900 N。
将手机中板的三维模型导入ANSYS进行有限元分析。选取合适的单元类型, 根据工作参数设置材料弹性模量、泊松比。划分网格, 对Ф2的环形孔、侧面4个挡片处施加X方向的约束, 准3的圆孔施加X和Y方向约束, 中板背面施加Z方向约束。在中板正面施加903.32 N的均布载荷, 其中包含了上盖板自重和肘夹的闭合压力。效果如图6所示。
经求解得到中板的位移云图和应力云图, 如图7所示。从图中可以清楚地看到中板最大变形为0.303E-9 mm, 符合行业标准要求。整个中板受到的最大应力为3 029 Pa, 而SUS304的许用应力为137 MPa, 所以满足使用要求。因此使用此套夹具焊接螺母能满足生产要求。
4 夹具焊接结果分析
根据本文的设计方法, 加工出手机中板螺母焊接夹具, 并将其应用于实际的手机中板螺母焊接生产中, 如图8所示。焊接状态显示, 夹具使用简单方便, 焊点分布均匀, 中板不存在变形, 适用于大批量的生产。
随机选取500个中板作为焊接样本, 记录发现有9个残次品, 其中包含了6个焊接精度不达标, 3个焊点不牢固, 结果说明夹具的定位精度和压紧方法还有待进一步提高。但总体上, 焊接精度基本满足要求, 表面没有明显划伤, 焊接质量牢靠, 良好率达到98%以上。试验过程中平均焊接周期小于20 s, 比预计时间节约了33%, 工人劳动强度明显得到改善。综合评估, 此套夹具设计方案可靠, 生产效果良好, 应用于手机中板的螺母焊接加工中完全切实可行。
5结语
本文在充分研究了夹具设计原理及优化技术的基础上, 设计了一套手机中板螺母焊接夹具, 采用ANSYS分析了中板夹紧状态的受力和变形, 验证了此焊接方法的合理性。针对使用过程手工上螺母时间长, 又附加设计了仿弹夹辅助上螺母机构。
使用结果表明, 此套夹具焊接螺母对中板的形变影响非常小, 焊接精度能够达到要求, 并且节约很大一部分时间。夹具操作方便、简单易用, 大大提高了生产效率, 产生了良好的经济效益。
但本文的方法还停留在半自动化生产阶段, 对于进一步缩短焊接周期、改善定位精度和压紧方法还有待深入探讨。
参考文献
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夹具结构分析 篇4
组合夹具是在夹具的元件和合件完全标准化的基础上,由一整套预先制定好的标准元件和合件,按照组合化的原理,针对不同的工件迅速组装成各种专用夹具,使用完毕后再拆散成元件和合件,如此不断重复使用[1]。组合夹具以其柔性好,可方便地重新组装和局部调整,可节约夹具设计工时和材料,成为与加工中心、FMS配套的主要装备,成为当代柔性夹具的主流。目前大多数工厂的组合夹具是根据工艺人员设计的工序图由组合夹具组装站进行组装,由于大多没有详细的装配图,组装时往往需要经过多次安装、调整才能达到要求,比较费时费力。如果将Pro/E应用到组合夹具设计中,则可以使组合夹具的设计非常快捷,装配生产率显著提高。
在工艺系统中,夹具是保证加工精度的一个重要环节。在外力(如切削力、夹紧力、传动力等)作用下,夹具会因刚度不足而引起变形或位移,这就要破坏工件相对于刀具的正确位置,造成加工误差。夹具误差包括夹具各元件之间的位置误差和夹具中各定位元件的磨损,夹具的制造误差对工件的加工精度(特别是位置精度)有很大影响。因此利用Pro/E对组合夹具进行设计和有限元分析,可有效地保证工件的加工精度、提高夹具的设计水平、提高经济效益;进一步扩大组合夹具的应用范围。
1 组合夹具设计
1.1 创建组合夹具标准件图形库
由于组合夹具的标准化、系列化、通用化程度高,所以特别适合利用Pro/E中族表(Family Table)、用户定义特征(UDF)两个工具开发组合夹具标准件图形库。族表就是本质上相似零件(或组件或特征)的集合,但它们在规格方面稍有不同,诸如尺寸大小或详细特征等。所以非常适合用来制作具有不同规格的标准零件。而族表中的零件也称为“表驱动零件”。用户定义特征,是将若干个系统特征融合为一个自定义特征,使用时作为一个整体出现。UDF适用特定产品中的特定结构,有利于设计者根据产品特征快速生成几何模型。本文以JB3930-85标准为依据,创建槽系中型组合夹具标准件库。
1.1.1 创建用户定义特征
组合夹具的标准件由基础件、支承件、定位件、导向件、夹紧件、紧固件、其他件和合件8部分构成。在同一系列的各个标准件上,都设计有尺寸相同、间隔均匀的T形槽、长方槽、螺纹孔等结构,用来实现各个标准件在装配时彼此的定位和联接。一般根据组合夹具系列的不同,把标准件上都具有的T形槽、螺纹孔等特征建立UDF。在创建各标准件时只需把UDF特征加载到基本几何体上,就可以快捷地创建标准件[2]。
1.1.2 创建族表
对于重复性高、相似性大的零件或标准件,不需要每个规格都建立一个零件,可以使用一个原始样本零件(Generic part)及对应族表,即可自动产生一个按族表所示尺寸比例的实例零件。例如中型系列基础板共有九组,每组形状类似,而规格不一。那么,可以创建九个原始模型,来生成其他件。如图1所示,根据长方形基础板原始模型通过创建族表所开发的一组标准件。图2所示为创建的中型组合夹具的长方形基础板族表,其原始模型为图1中最大的长方形基础板。
通过以上所述的方法可以对组合夹具的八种类别标准件建立标准件库。对于三维CAD软件Pro/E而言,利用其强大的特征造型功能构建三维模型,同时利用其族表功能,可以很好地解决在基本模型建立后的多个参数的驱动问题,从而实现了Pro/E三维参数化功能的扩展。
1.2 组合夹具的模拟装配
首先要创建出工件的三维实体模型,分析工件的结构形状特征及本道工序的加工要求。在分析工序图时,初步确定定位、夹紧及导向、对刀方案。然后,在标准件库中直接选取合适的定位、夹紧、导向和对刀元件。同时,要选择合适的基础板来支撑这些元件。接下来便可进行组合夹具的模拟装配。在模拟装配时应注意装配的顺序:首先在基础夹具体上安装定位元件,工件实现定位后,再安装夹紧元件及导向对刀元件。装配完成后可利用Analysis命令,检查组合夹具元件之间的干涉现象,以便及时纠正装配中存在的问题。
1.3 创建装配图和明细表
Pro/E有大量的功能用于装配图的绘制。在三维空间实现了组合夹具模拟装配后,就可以快捷地创建二维装配图和零件明细表,从而完成了利用Pro/E软件进行组合夹具设计的全过程。
2 Pro/MECHANICA有限元分析
本文利用美国PTC开发的有限元软件Pro/MECHANICA对组合夹具的结构进行有限元分析。与其他有限元分析软件比起来,Pro/M的优势就在于,它是一个有CAD模块为支援的结构/热力分析软件。通过Pro/E所构建的几何模型可以完全转到Pro/M里来做结构热力分析,而无兼容性的问题。因为绝大多数有限元分析软件在建模方面的功能比较弱,使用普及率也不高,所以工作图形文件通常都必须通过IGES或STEP等格式进行图形格式的交换;在这种情况下,就会因为不完全兼容,而经常需要花费大量的时间和精力来进行模型的修补工作[3]。本文使用Pro/M恰好可以克服这一点。
运用Pro/MECHANICA进行结构分析时,首先,要在Pro/E中创建几何模型,并将几何模型导入Pro/M中,此步骤需要用户确定模型的类型,默认的模型类型是实体类型;其次,设定模型的材料,约束和载荷,并检查有限元网格的划分:Pro/M可以自动帮助完成网格划分工作,同时也支持使用Auto GEM工具来分割模型;然后,建立分析任务并运行;最后图形显示计算结果,可以显示变形情况、应力分布等计算结果。
3 组合夹具的结构分析
本节以一铣床组合夹具为例,具体讲解使用Pro/MECHANICA软件进行组合夹具结构分析的具体流程。首先利用Pro/E软件建立组合夹具元件、组件等标准件实体模型,然后进行虚拟装配,装配后的组合夹具整体模型如图3所示。在本组合夹具中,其工序是铣削工件顶端的槽。由于本组合夹具体都是在Pro/E中建模和装配的,因此有利于利用Pro/E中的Pro/MECHANICA模块对其进行有限元分析。
槽系组合夹具的基本连接形式是槽用螺栓和T型槽的连接,实际使用中螺栓施加的紧固力,使得各元件在整个分析过程中均处于接触状态,因此可以将整个夹具视为一个整体。这里采用Pro/M默认的零件之间接触方式bond interface来模拟零件之间的力传递,进而分析整个夹具的受力变形。本例是在集成模式下,采用基本模式(Native Model),即使用P码元素将模型网格化,并使用Pro/M自己的解算器来提出解决方案。
3.1 定义材料属性和约束
组合夹具的基础件、定位件、槽用螺栓等一般采用40 Cr材料,工件材料为45号钢,由机械设计手册查得,40 Cr和45号钢的弹性模量为206GPa,泊松比为0.3。本例中的约束主要指的是夹具体的基础板与机床工作台的连接,也就是要在基础板的底部约束六个自由度,即三个移动自由度和三个转动自由度。
3.2 载荷的确定
为了方便施加载荷,本例将工件和夹具一并考虑进行分析,主要考虑切削力和夹紧力对夹具体的影响。需加工的工件顶端槽的尺寸为:长30mm,宽10mm,高100mm。设工件的加工方式为立式铣削,采用高速钢立铣刀,工件的材料为45号钢,铣刀转速约为150r/min,则铣削力的计算公式[4]:
式中:FZ—切向铣削力,N;CF—铣削力系数;Z—铣刀齿数;KFz—材料修正系数;d—铣刀直径,mm;ap—铣削深度,mm;ae—铣削宽度,mm;af—每齿进给量,mm/z。
各铣削参数确定如下:CF=669;取af=0.1mm/z;d=10mm;Z=4;KFz=1;ap=10;ae=30mm;把上述参数代入铣削力公式可求出铣削力FZ=7226.4N。
由工件的静力平衡原理得到理论夹紧力,计算公式如下:
式中f为静摩擦系数,对于组合夹具的基础板和支承件等光洁的表面来说,取f=0.10.2,此处取f=0.15,经计算得W1=48176N,为安全起见,将理论夹紧力W1再乘上安全系数K作为实际需要的夹紧力,K值一般为1.52.3,此处取K=2。
3.3 建立静态分析任务并运行
静态分析将根据模型中指定的约束和载荷来计算模型中变形、应力和应变。先定义一个静态分析,然后为此分析选择相应的约束和载荷,并在Method中选择Single-Pass Adaptive收敛方式,从而完成静态分析任务的定义,最后运行此静态分析。
3.4 显示计算结果
夹具体的应力和位移的云纹图如图4所示。图中显示夹具体的最大应力为247.1MPa,最大变形为0.01616mm。图中显示的变形是经过放大的,经分析,这样的结果是符合常理的,是能够满足设计要求的。
4 结束语
机床组合夹具由于能满足多种精度零件的加工,目前在生产中得到广泛的应用,是今后夹具技术发展的一个重要方向。它的主要作用是可靠地保证工件的加工精度,提高加工效率,减轻劳动强度,充分发挥和扩大机床的工艺性能。本文首先在Pro/E软件中完成组合夹具元件、组件等标准件的建模,并进行虚拟装配,生成装配体;再利用Pro/MECHANICA有限元分析模块对组合夹具体进行结构分析,模拟夹具在加工过程中的变形。采用这种分析方法可以使组合夹具设计工作提高到一个新的水平,而且更适合现代化的制造需求。
参考文献
[1]朱耀祥.组合夹具:组装、应用、理论[M].北京:机械工业出版社,1990.
[2]张斌.Pro/E在计算机辅助组合夹具设计中的应用[J].机械制造,2002,(12).
[3]二代龙震工作室.Pro/MECHANICA Wildfire3.0/4.0结构、热力分析[M].北京:电子工业出版社,2008.
汽车焊接夹具的结构设计略论 篇5
一、汽车焊接夹具的发展现状及工艺设计的要求
1.汽车焊接夹具的发展现状。由于企业产业的不断优化,在汽车生产的过程中,其焊接技术的应用也应该得到可持续的发展。随着生产及设计的厂家不断增多,其设计内容在数量上占有一定的优势性,但是,在技术实施的过程中仍然存在着一定的缺陷, 很多厂家的焊接夹具技术不能到达理想的程度,从而为整个设计技术的优化造成严重的影响。而且,对于一些汽车生产、制造的厂家而言,在技术应用的过程中并不能满足技术设计的合理需求,一些大型的汽车生产厂家会选择进口焊接夹具,这一现象的出现会给汽车的设计造成成本的提高, 从而导致汽车售价的增高,为消费者带来了经济压力。因此,在现阶段焊接夹具设计的过程中,应该保证技术设计的合理性,提高产品质量,从而为汽车行业的发展奠定良好的基础。
2.焊接夹具设计的基本要求。随着汽车制造行业的不断发展,要想在汽车设计的过程中,实现有效性焊接夹具的设计,就应该充分遵守以下几点原则。
(1)为了实现夹具制造的便利性以及维修的有效性,应该尽量选择通用化、标准化的夹具的标准结构,保证焊件焊接之后的正确尺寸及形状,特别是对于车身门窗以及空洞的尺寸而言,当出现在配装的状况时,应该尽量保证夹具配件的灵活性及正确性, 防止焊接时出现变形的现象。
(2)在技术应用的过程中,应该实现“夹紧可靠,刚度适当”的技术理念,当焊件夹紧时应该尽量避免出现破坏,在夹紧之后可以保证焊件不出现松动滑移的现象。
(3)焊接夹具的过程中,应该保证焊件的动作迅速、操作方便,保证处理位置时人工方便接近的地方。尤其是对于手动夹具而言,在操作的过程中,力度不宜过大,技术操作不应过于频繁。
(4)焊接夹具时应具有足够的装配空间,主要是为了不影响焊接的操作技术,优化焊件的技术处理理念。 对于不同的定位组件以及夹紧装置而言,都应该时刻保持位置的适当,优化焊件技术的应用,保证夹紧装置在执行组件的过程中,其伸缩转位得到合理应用。
二、焊接夹具设计中计算机的辅助流程
由于汽车焊接夹具在汽车制造的过程中,占据着很重要的地位,因此, 通过其计算机辅助流程的分析,旨在为焊接夹具的设计提供科学化的依据。
工艺书是在夹具设计之前,设计人员应该对工艺进行合理分析,通过数据、产品图以及参考车工艺的分析,制定出定位孔并有效编写MCP。 夹具设计的过程中,也应该根据焊接的位置特点,将各类约束条件进行有效处理,画出清晰的三维图。BASE基板的设计,基座面的车像方向应该将方便焊接零件作为设计原则,尽量选择焊接轮廓及尺寸较大的定位基准。 焊枪的选择应注意进枪打点以及打点后退枪的方便,在整个过程中,打点电极应该与板件垂直。 夹具3维设计后检查,在设计完成之后,需要检查工艺技术与设计理念的统一性,取件、房建是否可行、作业高度是否有效,都应该进行有效分析。绘制2维图时,零件图以及工艺要求都应该按照国家的规定进行合理分析。 出气路图、电路图的设计中,不仅应该明确技术操作的顺序,气路的基本原理, 更应该将按钮图、三联件等进行合理排版。
三、汽车焊接夹具的结构设计略论
1.汽车焊接材料及结构分析。在汽车焊接的过程中,材料的选择存在一定的局限性,主要是由于汽车所要求的性能及材料的物理性质较为苛刻, 从而导致所使用的材料存在限制。因此,在汽车制造行业中,其焊接技术主要可以分为三种,第一,是低碳钢构成的冷轧钢板;第二是镀锌钢板; 第三,是热轧钢板。对于者三种材料而言,其可焊接性极强,同时也可以适用大多数的焊接技术。但是,由于这几种材料的板件较薄,所以,在焊接的过程中容易出现变形的现象。
2.焊接夹具作业中焊接方法分析。 随着汽车制造行业的不断发展,其焊接技术出现了多样化的技术设计理念,通常情况下,主要会采用两种工作形式,第一种是在二氧化碳气体的保护之下,所从事焊接工作;第二类主要是电阻焊接。其中的二氧化碳气体保护装置是在技术应用的范围之内的,因此,对于这种技术而言,其要求相对较低,同时也没有太多的技术要求,但是,对于焊接夹具技术的应用较为严苛。所以,在实际技术操作的过程中,其技术的应用较为普遍。
汽车白车身焊装夹具结构设计综述 篇6
关键词：焊装,夹具设计,生产规划,定位元素
汽车工装夹具是伴随着汽车行业的兴起而迅猛发展的一个新兴行业。汽车的焊装夹具是整车四大工艺之一焊装工艺中的重要装备, 焊装夹具的设计水平直接关系到白车身总成的焊接质量和生产节拍。另外据统计, 在汽车焊接流水线上, 真正用于焊接操作的工作量仅占30%~40%, 而60%~70%为工件的上件夹紧工作。合理的设计焊装夹具是保证焊接质量、提高劳动生产率、减轻工人劳动强度、降低车身制造成本的根本途径。因此, 提高焊装夹具的设计质量, 缩短设计周期, 降低设计成本, 对新车型的开发、提高流水线生产节拍都具有非常重要的意义。
1 白车身焊装夹具设计一般方法
分析汽车焊装工艺特点:
汽车车身的组成零件主要由外覆盖件、内覆盖件和白车身整体骨架件组成。一般来说, 覆盖件钣金厚度在0.8~1.2mm以内, 车身骨架件一般由1.2~2.5mm的钢板材料制作而成, 它们大多为薄板件, 从焊装夹具设计的角度来看, 可以归纳出如下特点:
(1) 钣金件结构相对复杂, 三维设计有一定难度。
汽车白车身大部分是由薄板冲压件经过焊装, 最终形成的空间壳体, 为了达到车身造型美观的效果, 同时又保证壳体具有符合要求的刚度, 白车身零件大多采用拉延成型工艺, 其空间结构比较复杂。
(2) 钣金件刚度小, 容易变形
虽然钣金件在前期设计的时候考虑过保证一定的刚度, 但它相对机加工件来说刚度受它的板材厚度, 结构形状影响, 相对就比较小。另外, 单个的白车身件因为刚性较差, 在转移, 拿取, 运输等方面很容易变形, 只有经过焊装总成后, 整体刚度才会提高。所以总的来说, 钣金件比较容易变形。
(3) 以空间三维坐标标注尺寸
汽车车身产品图以空间三维坐标来标注尺寸, 为了表示覆盖件在汽车上的位置和便于标注尺寸, 我国的汽车车身一般每隔200mm或400mm划一坐标网线 (也简称车线) , 3个坐标的基准是:前后方向 (x向) ——以汽车前轮中心为0, 往前为负值, 向后为正值;左右方向 (y向) ——以汽车对称中心为原点, 面向车行驶方向, 向右为正, 向左为负;上下方向 (Z向) ——以纵梁上平面为0, 往上为正值, 往下为负值。车线图及整车参考方向简图如图1, 图2所示。
1.2 分析焊接方法
汽车白车身焊接中主要使用电阻焊和CO2保护焊, 针对具体的零件选择合适的焊接方法。
1.3 选择定位基准
分析车身数据, 根据数据中的相关基准孔, 定位夹紧信息, 确定所要设计的焊装夹具相关信息, 确保夹具的设计基准与零件的设计基准一致, 便于后续的检验及分析改进。
1.4 夹具结构方案选择
这一部分主要包括定位方案选择, 确定辅助支撑方式, 夹紧方案选择, 其他部分结构形式的选择, 以及结构经济性分析。
1.5 具体的夹具结构设计
在确定了基准以后, 根据零件的焊接方法, 及零件结构特点选择合适的夹具结构, 并对主要夹具零件加以设计。
2 焊接夹具设计必需满足的要求
2.1 夹具设计要满足定位和焊接的要求
对于焊接夹具的设计, 首先必需满足对零件定位的要求保证良好的焊接质量。因而在设计的时候, 就必需严格按照主机厂提供的数模及定位夹紧信息 (RPS) 去设计。其次要满足焊接的要求。汽车白车身是经过焊接, 将各单件, 总成通过焊装后而形成。所以满足焊接要求是夹具设计比较重要的要求。要达到这一要求也即是必需考虑焊接操作高度, 焊钳的通过性以及操作者位置等因素的要求。焊接操作高度是指工人站立位置到焊枪操作把手的高度。考虑到操作者高度会有不同, 我们一般取操作者身高为175cm, 焊钳立放的操作在200-1500mm范围内。焊钳通过性主要是指焊钳不能和夹具干涉, 各压紧块要避开焊钳;操作者的位置主要取决于焊枪的分布, 一般来说, 我们会根据零件结构和RPS信息来设置操作位置实现焊接, 在最利于焊接操作的位置设置操作者位置;当一个零件需要实现两侧焊接时, 我们有必要将夹具改为旋转结构, 这样就便于操作者更快更方便地焊接。满足焊接必需考虑防止零部件错放问题。具体的如图3后围板, 及图4后围板在夹具上的夹紧状态示意图。
如图4所示, 针对实际工作中遇见的某车型的后围板焊接夹具, 后保险杠安装支架其左右两件在夹具上的定位孔位置及大小完全一致, 而上件的左右两件区别较小, 这就造成工人操作上可能产生误操作, 将两件放错, 在量产的时候放错将造成后围板大量报废或是返修, 经济损失较大, 针对这一夹具问题, 我们判定夹具结构必须加以改进, 在右件定位孔附近增加防错结构, 让零件在放错的情况下无法夹紧, 作为一种被动保护, 从而保证焊接工作的正确进行。
2.2 夹具设计要满足汽车生产的规划要求
夹具的设计要满足汽车生产的规划要求。生产的节拍, 焊点的分配, 车身各零部件的焊接工艺流程, 夹具在生产车间的位置分布, 这些对生产规划来说都比较重要。因为我们设计的夹具是为了最终的汽车生产而设计的, 无论是试制还是量产, 它都必需满足生产规划的要求。当夹具设计与规划的中的一些因素有冲突的时候, 我们要能够及时地同他们部门沟通, 在条件允许的情况下, 各自做出适当的更改以满足夹具设计和生产规划的要求, 从而最终将工作干好。
3 夹具设计的定位元素
3.1 定位销
定位销是用于零部件定位的重要元素。在设计车身零件的焊接夹具时, 通常我们会设计一组由一个圆形定位销和菱形销组成的定位销组来进行定位, 保证在焊接过程中零件定位的精度, 和放取件的方便性。定位销我们根据使用形式可分为固定销, 伸缩销, 和摆动销。我们将使用方式为固定安装的销称为固定销。因为固定销易于安装, 并且制造加工比较方便所以在夹具设计时常常会使用到。但它的数量也不能太多。因为我们知道, 零部件都是通过销孔和定位销的销体接触, 形成定位。当一个零部件上的固定销太多时, 虽然在短期内易于保证精度, 但是由于定位销太多, 钣金件加工质量一致性难于保证, 而设计时设计的定位孔和销的公差范围比较小, 造成工人焊接上件, 和焊接完取件不方便, 经过多次的拿取操作后会造成定位销的磨损, 定位销的刚度也会受一定影响, 从而影响定位精度。因此, 我们设计的时候, 一套夹具的固定销数量一般不超过两个。伸缩销和摆动销也是用的比较多的一种定位销。当一套夹具需要多个定位销时, 而固定销的数量又受到限制, 我们就考虑设计时增加伸缩销或者摆动销。当然, 改变销的结构形式也需考虑零件的结构, 和预留的操作空间, 不能与零件有干涉。当定位销由于受到零件结构限制而不是水平的, 而是带有一定角度或者垂直于BASE板, 考虑到取放件的便易性, 我们也应将定位销设计成摆动或伸缩的。
3.2 定位块及压块
定位块和压块在夹具设计中也用的比较多, 他们分别起定位和压紧作用。定位块主要用于对面的定位, 它能保证一些重要的型面和功能面的尺寸。在设计的时候, 我们要根据工艺上要求的RPS并结合自己的经验来设计定位块的结构形式进行定位块的设计。压块主要是用于保证零件的压紧。它的设计主要考虑因素是能不能在保证压紧零件的同时, 又能保证焊枪良好的操作性。它的结构形式因而也会因为零件和其他夹具结构体的形式而不同。
结语
汽车白车身焊装夹具设计不仅涉及到夹具设计的基本理论和方法, 他同时与车辆工程, 车辆理论的相关知识密切相关。我们在设计焊装夹具的时候, 不仅要考虑夹具结构是否能满足准确定位零件, 我们还得考虑我们的夹具是否能保证重要功能尺寸, 在优先保证我们需要控制的尺寸的情况下, 满足其他的定位精度。要做到这一点, 我们就需要了解RPS的设置经验, 白车身零件的总装相关用途。另外, 对于在夹具设计中使用的定位销, 定位块和压紧块等元素也必需根据经验和相关标准进行分类选取和设计, 保证零部件的质量要求, 保证最大程度地满足生产要求。
参考文献
[1]杨握拴.汽车装焊技术及夹具设计[M].北京:北京理工大学出版社出版社, 1997.
[2]李丽霞.LG-1汽车车身焊装系统夹具的开发[D].天津:天津大学硕士学位论文, 2007 (07) .
夹具结构分析 篇7
需要加工的零件为薄壁环形件, 壁厚为0.5mm~0.8mm, 外圆为φ351mm, 其圆周上分布800余个φ2小孔 (如图1所示) , 需要在五坐标激光机床上加工。
夹具结构采用胀块涨紧结构, 下端是基础座, 上面安装圆盘, 圆盘上有4处槽, 胀块在槽中滑动, 上端为盖板, 起限位作用, 中心为圆锥体, 圆锥体上端为螺母;工作时, 旋转螺母, 圆锥体向下运动, 推动胀块向外运动, 进而将待加工的薄壁环形件固定到胀块外圆上, 随着胀块向外运动, 实现加工零件胀紧定位;其中胀块沿周设计有一圈熔屑槽, 保证加工中存储熔屑。
2 夹具使用中出现的问题
激光加工薄壁环形件上各孔时, 会有大部分材料被切割掉, 形成大量的熔屑, 熔屑随保护氩气流动, 粘结到夹具胀块的熔屑槽内;随着零件不断加工, 夹具胀块的熔屑槽空间不断缩小, 同时熔屑会随氩气气流, 重新粘结到加工零件上, 零件需要加工后进行清理, 降低了零件表面的完整性。熔屑堆积在胀块熔屑槽内, 材料硬度非常高, 采用手工或机械手段清理熔屑非常困难;当胀块被熔屑堵死后, 就需要进行工装返修, 更换新胀块, 大大影响了加工效率。
3 夹具结构改进
通过对夹具结构分析及现场使用过程中出现问题的分析, 确定了如何有效的清理熔屑, 提高夹具的使用寿命是夹具结构改进的关键。
3.1 胀块结构改进
胀块为定位件, 在外圆定位面中间设计了熔屑槽 (如图3所示) , 现场使用过程中需要现场工人不定期的清理熔屑, 胀块熔屑槽9mm宽, 尺寸小, 清理时费时费力, 加工一段时间后熔屑很容易堵死环槽。
针对现场加工时出现的问题, 在胀块带有熔屑槽的基础上, 每块胀块中又增加了4处排屑槽 (如图4所示) , 使激光切割时零件的熔屑能够随着保护氩气排到胀块内部, 保证胀块不被堵塞, 同时防止熔屑粘结到加工零件上。
3.2 圆盘结构改进
由于夹具体的胀块与圆盘之间的间隙小, 所以如何加大胀块排屑槽与夹具体之间的间隙就成为了要解决的首要问题;圆盘的上平面设计了4处滑槽, 控制胀块的滑动角向, 圆盘没有容屑空间, 如图5所示。
为了能够增大胀块与夹具体之间的空隙, 在保证能够压紧胀块的前提下, 尽可能把圆盘上端面做出容屑空间, 并要求容屑空间区域尽量开放, 熔屑排到容屑空间里, 钳工可以通过扁铲清理堆积的熔屑;同时, 在做容屑空间时要注意圆盘中间部分要连接, 不能铣通, 防止熔屑排到中间位置, 粘到圆锥体上, 如图6所示, 改进后可以发现夹具上的空隙变大了。
3.3 盖板结构改进
通过以上改进, 增加了容屑空间, 通过分析夹具结构发现, 盖板采用圆饼结构, 直接将圆盘与胀块压紧, 盖板与圆盘形成一个密闭空间, 如图7所示, 激光切割后产生的熔屑排到容屑空间里, 密闭的空间结构, 不利于工人清理熔屑。
如果将空间开放, 必须对盖板进行结构改进, 由于盖板主要作用是与圆盘形成方槽, 用于胀块前后滑动, 将圆形盖板结构改为4块压板结构, 通过螺钉和销子与圆盘固定, 保证胀块在其中滑动, 这样就可以把圆盘上增加的容屑空间完全开放, 当加工完零件后, 熔屑会排到圆盘的容屑空间内, 工人会很容易在开放的空间, 用扁铲清理熔屑。如图8所示, 图9为夹具装配后效果图。
结语
夹具结构改进后, 容屑空间大大增加, 并实现容屑空间对外开放, 有利于清理激光加工中产生的熔屑, 延长了夹具的使用寿命, 经过生产验证, 改进后的夹具, 加工的零件数量是改进前加工数量的3~5倍。
参考文献
[1]邱兆峰.激光切割技术在航空发动机制造中的应用[J].金属加工 (热加工) , 2015 (02) .