汽车木壳档位面板数控专用加工机床夹具设计分析

， ， ， 任长清， 杨春梅， 顿国强

(东北林业大学林业与木工机械工程技术中心，黑龙江 哈尔滨 150040)

研究与设计

汽车木壳档位面板数控专用加工机床夹具设计分析

王慧，姬广磊，马岩*， 任长清， 杨春梅， 顿国强

(东北林业大学林业与木工机械工程技术中心，黑龙江 哈尔滨 150040)

提出了汽车木壳档位面板数控专用机床所用夹具的设计方法，通过对工件结构及工艺分析确定了该机床的夹具定位和夹紧方案。初步分析夹具设计方案后，运用Solid Works软件中Simulation的有限元对夹具进行了变形分析和计算，分析结果表明设计的夹具在使用过程中受到的应力和产生的位移均在材料的许用范围内，其强度能够满足要求。该结论可为后续的夹具设计及改进提供理论依据。

木壳档位面板；夹具设计；静力学分析

Abstract：The design method of fixtures for a special CNC machine tool for machining of wooden-shell gear panels of automobiles is put forward.Through the analysis of workpiece structure and process，the fixture positioning and clamping scheme of this machine tool are determined.After the preliminary analysis of the design of the fixture，the finite element of Simulation in SolidWorks software is used to conduct fixture deformation analysis and calculation，with the analysis result showing that the stress received by the designed fixture and the displacement generated in the fixture use process are within the allowed scope of materials，with the strength meeting the requirements.This conclusion can provide theoretical basis for the follow-up fixture design and improvement.

Keywords：wooden-shell gear panel；fixture design；statics analysis

随着科学技术及生活水平的提高，用户对汽车档位面板的要求也越来越高，不仅要求质量，同时对其工艺性也有了更高的要求。提高我国数控加工设备在汽车零部件加工机械中的比例是提高档位面板机械加工水平及整个汽车行业发展的需要，为此研发出一种木壳档位面板专用数控加工机床，该机床加工效率及精度高、成本低，具有很强的实用性。对于专用加工机床来说，工件夹具的设计非常重要，其是根据工件的形状、尺寸及加工工序专门设计制造的，该类夹具具有针对性强、结构紧凑、适合大批量生产等特点[1]。

本文分析了档位面板工件的结构及尺寸特点，并结合现有设备设计了档位面板的加工工艺流程，同时还对其进行了相应的夹具设计。该设计能够促进汽车木壳档位面板的批量化生产，降低生产成本，提高生产效率[2]。

1 夹具的夹紧设计与工作原理

1.1夹具结构设计

汽车档位面板结构如图1所示，其总体尺寸为455 mm×192 mm×4 mm。由图1可知该工件的主要加工位置是档位面板上的孔，然后再加工曲边。从其结构图中可以看出该档位面板具有以下结构特点：① 结构不复杂，只是中间孔较多，且孔的尺寸较大，曲边相对简单；②材料为木壳，刚度较差。

图1 汽车档位面板

为完成工件铣削孔及曲边的加工，需要设计出合理且定位精度高的夹具。夹具对工件的定位应准确，所产生的定位误差要尽量小。根据该工件的结构及刚性的特殊性，在设计夹具时需要找到适合工件安装夹紧定位的方法。根据六点定位的原理，该工件的定位方式初定为上下两个面夹紧。上表面的压紧机构为随动式，在压紧工件的同时还要随着刀具的移动而移动。因为这样无论刀具在哪个位置加工，夹具都能将工件夹紧，保证工件的加工精度。

夹具夹紧方案的设计包括夹紧方式、夹紧位置及夹紧力的确定，夹具的设计主要包括夹具稳定性和夹具变形这两方面的要求。由于工件较薄，所以采用的夹紧方式是通过压辊与工作台面之间的夹紧力和摩擦力来对工件进行夹紧[3]。

考虑实际加工时的操作问题，工件只有一个随动夹具还满足不了定位的要求，还需要一个固定的压辊将工件的一端压紧，这样就能防止工件在加工过程中出现定位不完全的问题。确定工件的定位夹紧方案后，即可用Solid Works三维软件对夹具的定位结构、夹紧装置等进行具体的三维设计。夹具夹紧定位方案结构简图如图2所示。

图2 夹具夹紧定位方案结构简图1.固定压辊；2.工件及原料；3.随动压辊；4.齿条；5.工作台

1.2 夹具的工作原理

自动上料机将原料放到工作台上，固定压辊自动将工件的一端夹紧，同时随动压辊也移动到设定的位置将工件压紧。工作台为木制，台面有一定的粗糙度，而压辊外层为橡胶，这样可以增加工件与夹具之间的摩擦力，有利于对工件进行定位和固定，使工件固定的更稳定。压辊将工件压紧后，通过压辊及台面的夹紧力完成对工件的定位。

铣刀工作时固定压辊不动，随动压辊随铣刀的移动而移动，使正在加工的部分一直处于压紧状态。工件加工完成后，随动压辊撤到空位，固定压辊也同时撤下，自动下料机随即将加工完成的工件取走，等待下一个待加工的工件。本文设计的夹紧机构一次夹紧的原料能够加工出3个工件，该夹具不仅能够缩短工件的装夹时间，还能够做到一次装夹完成3个工件，提高了专用机床的工作效率[4]。

2 夹具夹紧力计算

确定夹具的夹紧方式及夹紧位置后，通常将夹具与工件视为刚性系统，再根据工件所受到的切削力P和夹紧力Q之间静力平衡的条件，计算出理论夹紧力F，再乘以系数k即可得到实际的夹紧力Q=kF。专用机床的相关参数见表1。

表1 专用机床参数

项目数值刀具主轴转速/r·min-115000刀头直径/mm8刀具进给速度/m·min-11.5刀具齿数/个2

汽车木壳档位面板数控曲线铣边专用机床刀具主轴的切削速度v为：

(1)

式中：D为刀具直径(mm)；n为刀具主轴转速(r/min)。

每齿进给量uz为：

(2)

式中：u为刀具进给速度(m/s)；z为刀齿个数；n为刀具主轴转速(r/min)。

刀具在加工木壳档位面板时的切削厚度较薄，工件的平均厚度e=4～5 mm≥0.05 mm，所以刀具的单位切削力K为：

(3)

(4)

式中：aw为木材含水率修正系数；q为主切削力与切削厚度曲线的斜率；aq为q的刀具锐利程度修正系数；H为主切削力与切屑厚度曲线的截距；ah为H的刀具锐利程度修正系数；θp为平均运动遇角(0°)；hx为切削深度(mm)。

木壳的含水率一般为8%～12%，这里取平均值10%。当含水率取10%时：aw=0.95，q=3.8，aq=1.1，H=0.8，ah=1.45。将这些参数及式(4)带入式(3)即可得到刀具的单位切削力K=255.09 MPa。由此可得刀具的平均切削力Fx为：

(5)

切削时产生的扭矩M为：

(6)

式中：b为切削宽度(mm)；d为刀头直径(mm)，d=D=8 mm。

为使工件定位更准确且加工时不滑动，要求工件与夹具压辊之间的摩擦力必须大于切削力在水平方向上的分力。计算时为了简化且不影响计算结果，可将切削力在水平方向上的分力近似等于切削力，可得夹具压辊与工件之间的摩擦力必须大于切削力。摩擦力主要为压辊与工件及台面与工件之间产生的力[5]。

f=2kQ

(7)

Fx=f

(8)

式中：f为夹紧力提供的摩擦力(N)；Q为夹具的理论夹紧力(N)；k为夹具与工件间的摩擦系数。

台面材料为木制，压辊外层材料为橡胶，夹具与工件之间的摩擦系数取0.4。通过式(7)和式(8)可得理论夹紧力Q=609.291 N。但夹具的实际夹紧力要大于理论夹紧力，因此实际夹紧力F：

F=aQ

(9)

式中：a为安全系数。

根据夹具的受力情况，取安全系数a=1.5，可得夹具的实际夹紧力为913.937 N。

3 基于Solid Works Simulation的静力学分析

应用Solid Works三维软件对该夹具按照所设计的尺寸进行三维模型的建立，其效果图如图3所示。为了提高软件的计算效率，我们在对三维软件进行Solid Works simulation分析时去除了步进电机及部分标准件，并定义了材料属性，见表2。然后再对夹具三维模型进行网格划分，三维模型网格共划分为15 062个单元，29 937个节点，如图4所示。

图3 夹具Solid Works三维模型效果图

表2 夹具材料特性

材料弹性模量/N·m-1泊松比密度/kg·m-3Q235A2.1×10110.37850

图4 夹具有限元网格划分模型

为了计算简便，对三维模型添加约束和力时一般都忽略工件的自身质量(自身质量对夹具最终的分析结果影响不大)。分析时首先在夹具底座添加固定约束，然后将夹具机构在加工过程中所受到的力添加到夹具上，添加约束与力及扭矩的情况如图5所示。

图5 添加约束与力及扭矩效果图

用Solid Works Simulation软件对夹具机构进行静力学分析，计算夹紧机构在工件加工过程中的应力和位移。其应力及位移云图如图6、图7所示。由图6可知受力比较集中的是夹具压辊支撑架中间位置及支撑架切割角处，最大应力值为0.542 747 MPa。由图7中可以看出压辊中间位置的变形量最大，变形最严重，最大变形量为0.000 305 09 mm，夹具在正常工作情况下提供的压紧力大于夹紧工件所需的夹紧力，中间压辊也不会产生形变。该夹具的主体材料为Q235A钢，由以上数据可知该夹具所受到的最大等效应力和产生的最大位移量均小于材料的极限值，表明该夹具的结构设计合理。

4 结论

(1)工件的加工质量与夹具设计的是否合理有很大关系，夹具设计制约着工件加工的质量和效率[6]。

图6 夹具机构应力云图

图7 夹具机构位移云图

(2)对夹具进行有限元静力学分析，得到了夹具机构在工作时的应力和位移云图，其最大等效应力和最大位移量均在所选材料的允许范围内，说明夹具的强度和刚度都能满足设计要求，同时也为夹具的结构设计及改进提供了理论依据[7]。

(3)该数控铣床夹具的设计与传统夹具有所不同，根据加工工件及加工工艺的特点，采用一次性加工多个工件的方案，以充分利用机床的加工潜力，提高机床的生产效率。

[1] 李博，夏子钧，任长清，等.汽车实木扶手正面加工专用机床夹具设计分析[J].林产工业，2017(4)：45-48.

[2] 龚运息，朱林.基于振动试验要求的汽车组合开关夹具设计与模态分析[J].桂林理工大学学报，2015(3)：611-615.

[3] 邹文俊，刘国良，赵建材，等.多腔缸体零件端面铣削加工的高精密夹具设计及其优化[J].组合机床与自动化加工技术，2012(1)：39-42+50.

[4] 周太平，康志成，夏翔.数控铣床与加工中心夹具设计[J].现代制造工程，2011(2)：91-95.

[5] 马士伟，任长清，马岩.沙发扶手曲边成型数控铣床专用均衡梁夹具设计[J].林业机械与木工设备，2008(5)：48-50.

[6] 张国政，韩江.多工序加工系统的数控夹具设计应用研究[J].机械设计，2012(11)：75-79.

[7] 杨家武，刘梦龙.数控车床附加主轴设计及有限元分析[J].森林工程，2015，31(3)：63-66.

(责任编辑 张雅芳)

DesignandAnalysisofFixturesforaSpecialCNCMachineToolfor
MachiningofWooden-shellGearPanelsofAutomobiles

WANGHui，JIGuang-lei，MAYan*，RENChang-qing，YANGChun-mei，DUNGuo-qiang

(Forestry and Woodworking Machinery Engineering Technology Center，Northeast Forestry University， Harbin Heilongjiang 150040，China，Harbin Heilongjiang 150040，China)

2017-07-17

黑龙江省应用技术研究与开发计划项目 “木材数控微米刨铣加工及智能控制装备研究”(GA14A401)

王 慧(1965-)，女，副教授，博士，研究方向为机械设计及理论，E-mail：wanghui90527@126.com。

*通讯作者：马 岩(1954-)，男，教授，博士生导师，硕士，研究方向为机械设计及理论，E-mail：mayan@vip.163.com。

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2095-2953(2017)10-0030-04