基于 Hyper Mesh 铣床夹具的静态和模态有限元分析
2019-1-11 来源：柳州职业技术学院 作者：毛丹丹
摘要：以一种铣床夹具的结构设计为研究对象，建立了其本体结构的有限元计算模型，在具体工况下对其进行静力学分析，得到其应力、位移云图和静刚度；通过模态分析，得到铣床夹具前5阶模态固有频率和主振型，证明该夹具设计合理，能够满足工作需要。同时找出本体的薄弱环节，为该夹具结构优化提供了依据。
关键词：铣床夹具；有限元；静力学；模态分析
0 引 言
针对某特殊结构零件（见图 1），传统的工件安装无法达到加工要求，耗时费力且效率低。为了减小加工时人工装夹引起的误差，缩短生产周期，提高工件的加工精度，拟设计一种铣床专用夹具，加工直径 19 mm 孔的两端面，使工件尺寸精度和表面粗糙度达到要求，并使工序集中，提高生产效率和降低生产成本。铣床专用夹具的优良程度直接影响整个工件的加工质量，夹具能使工件快速正确的定位，能避免工件安装不到位的现象，而夹具变形则会影响已安装工件的位置准确性，进而影响工件的加工质量和使用性能。另外，铣床专用夹具在加工时会产生振动，在一定程度上也会影响工件的加工质量。为保证高质、高效地完成零件加工，通过有限元软件对夹具进行静态和模态分析，为夹具的结构设计和优化提供了技术支持.
1 、铣床夹具结构设计
铣床专用夹具的夹紧装置和定位装置是整个夹具设计中的重要环节。夹紧装置主要由压紧杠杆、加载螺纹孔、螺母、铰链中心轴、铰链支撑座等组成，其中关键尺寸主要包括压紧杠杆的长和宽、加载螺纹孔的大小。定位装置主要由定位方套、弹性撑开装置、支撑钉组成，其中关键尺寸主要包括支撑钉分布尺寸、定位方套的长宽高等。夹具底座的组成部分主要包括：斜面底座、12 个 M10 的螺纹孔、1个M20的加载螺纹孔及6个 12 mm的定位销通孔，利用定位螺钉将定位装置、夹紧装置和底座固定在一起，如图2所示。
2 、有限元模型的建立
2.1 有限元网格的划分
通过 UG6.0 软件进行夹具体三维建模，然后导入 Hyper Mesh 软件，在有限元分析软件的研究对象中存在一些对分析结果不产生影响但影响网格划分的细小结构，如在建模时常忽略倒角、沉头孔、螺纹孔等结构。为方便网格划分，将倒角、倒圆角去除，沉头孔改为通孔，螺纹孔改为简单孔。由于铣床夹具的结构较复杂，一些过渡曲线、曲面以及不规则面会影响有限元网格划分和计算，在建模时要对其进行合理简化，夹具体三维建模如图 3（a）所示。网格化分时选用计算精度高、能够更好逼近结构曲线和曲面边界的四面体单元，得到的有限元网格模型如图3（b）所示。
2.2 静力学分析参数的确定
根据铣削力经验公式有：
3 、结果分析
3.1 静力学分析
夹具材料为45钢，查手册知45钢的弹性模量、泊松比、密度、屈服强度如表1所示。
在夹具机构上分别施加上述计算的 2 个水平分力和2个垂直分力（见图3），通过计算得其关键部件定位套的应力云图和变形云图，如图4所示。
通过图4可知，最大变形量为0.002 4 mm，最大应力为1.97 MPa，最大应力发生在支承座与底板接触的螺栓连接处，而其他区域的应力都很小，说明定位套的安全系数高，满足设计要求。刚度方面，整个定位套的上表面都有变形，并呈 45°对角方向逐渐增大，定位套在定位过程中，楔块处于工作状态，楔块与楔孔端面之间有一定的距离，造成楔孔
左端（加工厚度为5 mm）处变形最大。但变形后离初始位置的位移较小，故总体变形较小。
3.2 模态分析
模态分析是结构设计的重要依据，可以提高机械结构的振动性能，避免在动载荷作用下出现共振现象，需要利用有限元法根据数学模型求解系统特征向量初始特征值，有限元模型的自由振动方程[4-6]：
分析如下：夹具整体有一定的抗振能力，一阶、二阶振型主要在压紧杠杆上，发生Z方向摆动，即以压紧杠杆连接处为中心，绕其上下摆动，会加快连接处的磨损，影响使用寿命。三阶、四阶、五阶振型为弹性撑开装置的整体扭转，扭转以中部为中心，发生疲劳，引起破坏，这些都影响到夹具的强度和刚度。由于铣削过程不是连续切削，铣削时极易产生振动，在加工过程中，应减少盘铣刀的齿数，以达到预防共振，提高加工精度的目的。
4 、结束语
通过对夹具进行静力学和模态分析，找到关键部件定位套的薄弱环节，最大应力发生在支承座与底板接触的螺栓连接处，最大变形发生在楔孔左端（加工厚度为5 mm）处；提取了前5阶的固有频率和主振型，找出其振动位移相对较大的部位，并分析其原因，为夹具进一步的结构分析和优化提供了参考依据。
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