易变形薄壁零件的CNC加工中心夹具设计与静动态分析_CNC加工中心

前言：

CNC加工中心专用夹具作为机械产品CNC加工中的一种重要的工艺装备，对于保证机械产品质量、提高加工效率、扩大加工中心使用范围起着重要的作用。不同结构的零部件，加工工工艺不同，夹具结构也各异。薄壁类零件是用途十分广泛的零部件,该类零件在数控加工中心上进行加工时容易出现变形等现象，从而严重影响了零件的加工精度^[|]。因此，在进行薄壁类零件夹具设计时要特别注意这种问题。

薄壁类零件夹具的设计符合夹具设计的一般原理与步骤，即要满足工件定位与夹紧原则。同时，为防止零件在加工过程中出现弯曲、扭转等变形现象，还要对工件夹具系统进行强度分析与计算，从而确定合理的夹紧力，同时避免过大的切削用量产生的切削力带来的工件夹具系统的过大变形。

薄壁类零件和夹具作为一个整体,在进行加工中还要具有良好的抗振性，防止因振动所产生的工件表面质量降低、刀具损坏、切削过程无法进行等问题。为此，需要对夹具进行振动分析。在确定合理的切削参数之后,可通过改变夹具结构以提高固有频率避免

共振现象的产生^[2]。

根据工件在夹具中的定位与夹紧原则，结合某薄壁类零件的加工特点，设计了专用CNC加工中心气动夹具，对工件切削过程进行了受力分析与计算,并利用有限兀分析软件ANSYS Workbench进行了强度分析与模态分析，以验证夹具设计的合理性，保证夹具具有良好的静动态特性。

1夹具结构设计

在进行夹具设计之前，首先要分析被加工工件的结构及加工工艺，确定定位基准面及夹紧面。其次利用六点定位原理和夹紧装置设计原则设计定位和夹紧装置,并设计夹具体、连接元件等，将夹具固定在机床上^[>^4]。图1为用UG软件建立的工件三维模型图，其中零件左侧两平面为定位面，零件右侧为夹紧部位，该部位面为略微向上凸起的曲面，与夹紧压板接触时为线接触。该工件要在上方两凸台部位完成

平面铣削和钻孔加工。图2为所设计的夹具工件系统结构图,工件定位面侧立在定位板上，四个孔和定位板上的四个立柱（其中两个圆柱面立柱，两个圆锥面立柱)接触。考虑到定位板在加工时因受力产生的弯曲变形及夹紧气缸的放置，在定位板后面又放置了一块与其平行的支撑大板，该板与定位板之间用10个立柱与两板上的孔以过盈配合的方式进行连接,用来施加夹紧力的四个气缸分别用四个螺栓固定在支撑板上。底板用两块压板固定在加工中心上,并考虑到支撑板的弯曲变形，在其后面增加了两块三角肋板，支撑板与三角肋板、底板之间通过螺栓进行连接。夹紧压板通过销钉、侧板分别与气缸活塞杆、气缸体进行连接，从而组成平面四杆机构。夹紧时,活塞杆向上施加推力，夹紧压板夹紧工件;松开时，活塞杆向下运动,夹紧压板松开工件。

2夹具强度分析

在夹具设计过程中，涉及到的尺寸参数包括各个板的长宽高及其相对位置、支撑立柱的直径、长度及其分布位置、气缸的分布位置等，这些尺寸参数是凭经验确定的，在进行结构设计完成之后还要对其进行强度分析，验算夹具是否满足受力、变形要求。为此,首先对工件平面铣削和钻孔铣削时的受力情况进行了分析与计算，然后利用有限元软件ANSYS Work-bench 分析了工件夹具系统的应力变形分布规律。

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结束语：

(1) 通过对工件结构及加工工艺分析，设计了针对薄壁件的CNC加工中心夹具。

(2) 通过对工件夹具系统进行平面铣削和钻孔受力分析和计算，完成了平面铣和钻孔强度计算。计算结果表明，平面铣削过程中，夹具强度足够,总体变形也符合要求;钻孔过程中，夹具强度也足够,但由于轴向力过大，夹具变形相对较大，为此,在增加了横向支撑板，重新分析后，结果表明变形减小。

模态分析结果表明，夹具工件系统刚度足够。为提高系统刚度，提出了在夹具系统模态变形较大处进行结构改进的方案。

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易变形薄壁零件的CNC加工中心夹具设计与静动态分析

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