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                        一種汽車輪轂柔性夾具的設計與研究

                        添加時間:2021/06/16 來源:未知 作者:樂楓
                        通過本文的工作,設計了一種裝夾可靠的汽車輪轂一序柔性加工夾具,可以實現在無 需更換夾具的情況下,實現對不同規格尺寸輪轂的可靠裝夾。節約了輪轂加工成本,為構 建汽車輪轂柔性生產線提供了技術支持。
                        以下為本篇論文正文:

                        摘 要

                          汽車輪轂質量的好壞對行車過程中的操縱性、平穩性和舒適性,甚至乘員的安全,具 有重要的影響。作為輪轂加工工藝裝備的重要組成部分,汽車輪轂夾具關系著輪轂的加工 質量、生產率及加工成本。傳統夾具,裝夾尺寸單一,裝夾過程復雜繁瑣,需要人工進行 調整或者更換不同的夾具才能加工不同型號輪轂的狀況,已無法勝任當今多樣化和個性化 輪轂的柔性加工需要。因此,設計一種能夠滿足不同規格尺寸輪轂加工的柔性夾具,對提 高輪轂的加工質量、生產率以及減少加工成本具有重要意義。 本文通過對輪轂加工生產線一序中輪轂的加工工藝進行分析,研究設計了一種適用于 不同規格尺寸輪轂一序加工的汽車輪轂柔性夾具。論文的主要工作和結論如下:

                          1、對汽車輪轂一序加工中的工藝要求進行分析,明確夾具的工作目的和工作原理, 確定夾具的定位方案和夾緊方案,完成了夾具的結構設計;

                          2、提出了一種夾具誤差映射模型,針對所設計的汽車輪轂柔性加工夾具的定位誤差 進行分析。根據汽車輪轂給定的加工精度,基于誤差映射模型運用 matlab 軟件對夾具定 位元件的位置誤差及姿態誤差進行計算;

                          3、對輪轂柔性加工夾具的關鍵參數進行設計,明確了夾具的夾緊行程和有效夾緊力 范圍,為夾具實現可靠的柔性裝夾提供保證;

                          4、通過 ANSYS Workbench 軟件中的有限元仿真模擬的方式,對所設計的夾具結構 分別進行了靜力學仿真和模態分析。通過靜力學分析驗證夾具結構是否安全,通過模態分 析獲得其固有頻率和對應振型,為避免夾具在使用過程中產生共振現象提供參考; 通過本文的工作,設計了一種裝夾可靠的汽車輪轂一序柔性加工夾具,可以實現在無 需更換夾具的情況下,實現對不同規格尺寸輪轂的可靠裝夾。節約了輪轂加工成本,為構 建汽車輪轂柔性生產線提供了技術支持。

                          關鍵詞: 汽車輪轂;柔性加工夾具;誤差分析;夾具關鍵參數;有限元仿真

                        Abstract

                          The quality of automobile wheels has an important influence on the maneuverability, stability and comfort during driving, and even the safety of occupants. As an important part of the hub processing technology equipment, automobile hub clamps are related to the processing quality, productivity and processing cost of the hub. Traditional fixtures have a single clamping size, and the installation process is complicated and cumbersome. It requires manual adjustment or replacement of different fixtures to process different types of wheels. It is no longer suitable for the flexible processing needs of today's persified and personalized wheels. Therefore, designing a flexible fixture that can meet the processing of hubs of different specifications and sizes is of great significance for improving the processing quality and productivity of the hub and reducing the processing cost.

                          In this paper, through the analysis of the processing technology of the hub in the first sequence of the hub processing production line, we researched and designed a flexible clamp for automobile hubs that was suitable for the sequential processing of hubs of different sizes. The main work and conclusions of the paper are as follows:

                          1 、 Analyze the technological requirements in the sequential processing of automobile wheels, clarify the working purpose and working principle of the fixture, determine the positioning plan and clamping plan of the fixture, and complete the structural design of the fixture;

                          2、A fixture error mapping model is proposed to analyze the positioning errors of the designed flexible machining fixture for automobile wheels. According to the given machining accuracy of the automobile wheel hub, the position error and attitude error of the fixture positioning element are calculated based on the error mapping model using matlab software;

                          3、Design the key parameters of the hub's flexible machining fixture, clarify the clamping stroke and effective clamping force range of the fixture, and provide guarantee for the fixture to achieve reliable flexible clamping;

                          4 、 Through the finite element simulation in ANSYS Workbench software, the static structure simulation and modal analysis of the designed fixture structure were carried out respectively. Verify whether the fixture structure is safe through static analysis, and obtain its natural frequency and corresponding vibration mode through modal analysis, to provide a reference for avoiding resonance phenomenon during the use of the fixture; Through the work in this paper, a kind of flexible machining fixture for automobile hubs with reliable clamping is designed, which can realize the reliable clamping of hubs with different sizes without changing the clamps. It saves the processing cost of the wheel hub and provides technical support for the construction of a flexible production line for automobile wheels.

                          Keywords: Automobile wheel hub; Flexible processing fixture; Error analysis; Key parameters of fixture; Finite element simulation

                        汽車輪轂柔性夾具

                        目錄

                          第一章 緒論

                          1.1 課題背景及研究意義

                          1.1.1 課題背景

                          本課題來源于江蘇省重點研發計劃資助項目"汽車輪轂加工高端裝備研制及其柔性自 動化生產線開發"(BE2017026)。輪轂的自動化生產單元可以分為三個工序,即:一序、 二序和三序。每道工序的加工內容和所用設備有所不同,一序在雙刀塔立車上完成,車削 部位為輪轂的下半圓面(占整個半圓面的 2/3)、內壁面、法蘭面以及中心孔;二序在單 刀塔立車上完成,加工部位為輪轂的上半圓面(占整個半圓面的 1/3);三序是在立式加 工中心上完成,加工部位為輪轂的裝飾孔和氣門孔;經過三道工序即可以完成對輪轂毛坯 的加工。以往的自動化生產單元由于受到機床夾具的限制,在沒有人工干預的情況下只能 夠完成對某一規格尺寸輪轂的加工,不具備柔性化,為滿足自動化生產和提高生產率要求, 研制一種可以實現對不同規格尺寸輪轂進行自動裝夾的柔性夾具是當前加工生產中急需 解決的問題。 由于時代的進步,生產方式發生了翻天覆地的變化。之前的機械化作業模式逐漸被智 能化的數控機床所替代,隨著機械行業多樣化和個性化的生產需求不斷凸顯,傳統的工裝 夾具在機加工中越來越受到限制。因此,在機床夾具的設計研究方面,模塊化和柔性化正 在成為夾具的發展趨勢[1].

                          眾所周知,輪轂為汽車上的重要零部件之一,如圖 1-1 所示。輪轂主要有鋼質輪轂和 鋁制輪轂之分,其質量的好壞對行車過程中的操縱性、平穩性、舒適性和車輛的美觀等性 能,以及車上人員的安全都具有重要影響[2-3].輪轂在機加工中需要用到夾具對其進行裝 夾,夾具的定位精度以及質量的好壞是對輪轂加工質量和生產效率的重要保證。近年來, 由于汽車行業的繁榮發展,客戶對汽車輪轂的需求越來越高,主要體現在輪轂的多樣化和 新穎性要求方面;車輪種類在持續的增加,在加工過程中所需要進行裝夾的夾具種類也同 時在不斷的增多。傳統的夾具在對輪轂進行裝夾時,裝夾過程復雜繁瑣,裝夾尺寸比較單 一,在機床需要加工型號不同的輪轂時,夾具能夠裝夾的尺寸往往需要人為的進行更替, 或者換成不同的夾具來符合加工的需要。這樣就必然增加了現場工人的勞動強度,而且大 大的降低了企業的生產效率[4],會造成生產成本的浪費,不具有經濟性,而且無法適應輪 轂柔性加工發展的趨勢。

                          當下,境內現有的公開技術表明,根據汽車輪轂夾具的夾持半徑是否可調,輪轂夾具 可以分為兩種:夾持半徑可調的輪轂夾具和夾持半徑不可調的輪轂夾具。夾持半徑不可調 的輪轂夾具:如參考文獻[5]中發明了一種改進后的汽車輪轂夾具。該夾具的動力源采用 的是氣缸,工作時齒條頂桿在氣缸活塞桿的作用下做直線運動,使齒嚙合齒條頂桿帶動齒 輪的轉軸開始轉動。然后,夾具夾爪在銷軸中旋轉進行夾緊輪轂,以此來達到對輪轂進行 夾緊的目的。這種裝夾方式雖然能夠實現對輪轂的可靠裝夾,但夾爪在支架上的位置是無 法變化的,為固定連接,只可以完成對某一種規格汽車輪轂的夾持任務,不具備柔性化。 夾持半徑可調的輪轂夾具:如在參考文獻[6]中,設計人員發明了一種可調的輪轂夾具, 該夾具在準備工作時,車間工人首先需要得知輪轂的尺寸,之后依據輪轂尺寸的大小對拉 臂的位置進行調試而后固定,然后通過在夾具的相關部位插入銷釘完成定位操作,最后實 現夾具對輪轂的夾緊。該夾具的設計體現出了一定程度的靈活性,但是夾具在即將使用時, 其前期準備工作太過麻煩;當面臨著多規格尺寸輪轂的生產任務時,其前期準備工作又需 要重新進行,會浪費大量的時間,不符合現代企業爭分奪秒的生產模式。因此,在汽車輪 轂柔性加工夾具設計領域,還需要相關技術人員投入更多的精力,加大對輪轂夾具的研究。 鑒于以上背景,設計一種合理的汽車輪轂夾具,保證汽車輪轂在一序機加工生產中能 夠對不同型號輪轂的自動定心和夾緊是本文的主要研究目的。

                          1.1.2 研究意義

                          近年來,汽車行業迅速發展,在愈發嚴苛的行業要求下,實現汽車輪轂柔性化生產日 益受到汽車廠商的關注。對汽車輪轂夾具來說,在其結構強度、剛度和可靠性得以確保的 條件下,能夠完成在不停機的狀態下對汽車輪轂的柔性裝夾,一方面可以大幅度的減小企 業生產制造所需要的成本,提高企業在市場需求中的競爭力;另一方面因為不需要更換夾 具,避免了人工安裝誤差的累積,對保證輪轂的加工質量也會大有裨益。

                          中國汽車工業協會早前對輪轂銷售量進行了分析,2018 年度汽車市場的銷售數目為 2808.1 萬輛,未來 3 年,中國汽車消費曲線將會維持 L 形發展態勢[7].每年汽車市場對汽 車龐大的需求量,間接的導致了汽車廠商對輪轂的巨大需求,為汽車鋁合金輪轂生產企業 的成長提供了肥沃的土壤,F有的輪轂制造廠商在組件輪轂生產線時,普遍采用的是一臺數控加工中心、兩臺數控立式車床和一臺自動搬運輪轂的機器人等構成[8].然而,我國在 著手組建這條輪轂加工生產線時遇到了諸多問題,主要可以分為以下兩個方面。首先,缺 乏屬于自己的知識產權,許多核心技術仍需由國外引進。國內許多輪轂制造企業在構建加 工生產線時,加工設備均采用從國外引進的方法來達到生產的需求,這就導致生產成本巨 大,費用之昂貴讓大多數企業難以接受。其次,設備的柔性化程度低下。對于不同規格尺 寸的輪轂在加工時往往要有不同的加工設備來滿足其對加工的需要,隨著輪轂種類的增 加,對設備的需求也在隨之增加,從而造成對生產成本的嚴重浪費。眼下,汽車輪轂正朝 著多樣化、新穎化方向發展,所以,迫切需要構建一條可以實現對多規格、多尺寸、變批 量的輪轂毛坯進行加工的自動化生產線以滿足實際生產的需要。而設計一款汽車輪轂柔性 車削夾具是實現輪轂柔性化生產的關鍵。在輪轂加工生產線上采用可以對輪轂實現柔性裝 夾的夾具,不僅可以增加輪轂的產品質量,還可以使企業的生產效率有所提高,減少因更 換夾具而帶來的時間消耗,對輪轂柔性加工自動化生產線的構建具有重要意義。

                          1.2 機床夾具國內外研究現狀與分析

                          1.2.1 夾具設計

                          夾具誕生于 18 世紀后期,起初作為一種簡易的輔助工具被用于機械加工中,其功用 是保證工件在機械加工中始終處于正確的位置。如今,機床夾具作為一種重要的機械設備, 被廣泛的用于各類機加工場合,對工件的加工質量以及企業的生產成本都具有極其重要的 影響。隨著工程技術的持續發展,技術人員在對機床夾具進行設計時日益趨于完善,對夾 具設計方案的可行性、實用性、精確性等問題越來越關注[9],好的夾具設計方案也是提高 工件加工質量的關鍵。近年來,在夾具設計領域,許多學者付出了許多心血和努力,為機 床夾具的設計工作做出了貢獻。 王玲等[10]基于結構矩陣的集成理論和公理化設計方法,想出了一種可以對機床夾具 進行模塊化設計的辦法,該辦法具有可重構的特點,通過該辦法可以快速的對機床夾具進 行設計,完成相關的設計工作。

                          秦國華等[11]對夾具進行裝夾時使工件產生形變的原因進 行了總結,一是夾緊副變形導致工件的實際位置與理論位置不符產生的誤差;二是夾緊力 引起的工件變形。后通過分析,得出了夾緊副變形與工件毛坯位置誤差兩者間的函數模型, 并通過以工件位置誤差最小為目的,完成了夾緊力的優化設計工作。劉俊成[12]在對機床 夾具進行設計時,結合應用實例,對夾具模型進行簡化后根據靜力平衡原理求出了理論夾 緊力,然后為了防止理論夾緊力無法滿足實際加工的需求,與安全系數相乘得出了機加工 中所需的實際夾緊力的數值,為計算夾緊力提供了參考。李國棟等[13]對工件毛坯在剛度 條件不是很強的條件下,當對其開始定位、夾緊時,工件容易發生形變的情況進行了相關 研究。創建了夾具與工件之間的接觸力、夾具夾緊元件的夾緊順序和節點位移增量它們三 者之間的數學關系。同時,借助這種數學關系,提出了夾具對工件進行裝夾時的優化模型。 研究結果顯示,提出的優化模型對減小夾具在對工件進行裝夾時的工件變形大有裨益,工 件的加工質量有所增加。謝友寶等[14]對夾具在進行夾緊操作時造成加工誤差的不同影響 因素及其影響途徑進行了全面分析,并根據產生影響的形式對工件出現夾緊變形的緣由進 行了總結。得出其誤差形成的原因可以分為兩個方面,一個是因為夾緊副發生塑性形變造 成的工件在夾具中的實際位置與理論位置不符;另一個是工件在外載荷的作用下發生了變過使工件位置誤差達到最小為目的,創建了一種數學模型,該模型可以對夾緊力進行優化 設計。由其發現的可以對夾緊力進行改進的設計方法對減小工件的加工誤差和提高企業的 生產效率具有重要作用,同時在機床夾具設計領域也為后人提供了借鑒和參考。劉冬梅等 [15]的研究對象主要面向于組合夾具領域,通過 Pro/E 對夾具的三維模型進行繪制,然后利 用Pro/MECHANICA有限元軟件對在實際車間加工環境下夾具產生變形的情況展開模擬。

                          考慮到三維軟件 Pro/E 與 Pro/MECHANICA 可以實現無縫對接而不會造成信息丟失,因此 在進行分析時采用讓這兩種軟件相結合,可以省略中間過渡環節如模型修補等,增強了有 限元分析技術在夾具設計中的應用和設計過程的科學化。崔同軍[16]借助夾具的相關模型 對實例系統進行了編碼,對夾具系統所具有的內容和特點進行了詳細的分析和研究,以當 下 CAFD(Computer Aided Fixture Design)中留存的不足為出發點和目標,借助 VB6.0 平臺 設計系統,對 CAFD 中的內容進行了一系列的優化和改進,使其能夠更好的服務于夾具 設計人員。鄭蘭蕊等[17]在對生產 KC80 系列前置驅動橋的機械加工車間進行生產檢查時發 現,輪轂生產存在加工效率低,夾具使用不便的問題;谳嗇灥募庸み^程,經過一系列 的研究設計了一套輪轂專用夾具,該夾具相比于原夾具在裝夾時更加流暢,提高了車間的 生產效率。 在國外,Li 等[18]經過多年的研究,創建了工件-夾具之間接觸的數學模型,并基于此 模型,根據車間工件的加工要求對機加工工件的接觸剛度進行了計算。與此同時,借助該 模型完成了夾具夾緊力的優化設計工作,對工件-夾具系統的研究具有促進作用和參考價 值。Rajan[19]一直致力于對機床組合夾具的研究,在組合夾具的裝配方面,其借助人機工 程學的相關理論可以快速的對夾具進行裝配,推動了組合夾具的發展。Hunter[20]在柔性夾 具設計領域取得了豐碩的研究成果,其借助于知識工程,使柔性夾具元件發生了巨大改變, 讓單一柔性的夾具元件變得更加智能化,可以對設計知識進行繼承,推動了智能柔性夾具 元件的發展。

                          1.2.2 夾具定位誤差

                          夾具的定位誤差是影響汽車輪轂加工精度的主要原因之一,最終會反映到輪轂的加工 質量上,對產品的合格率產生巨大影響。輪轂夾具的定位元件在生產的過程中會有制造誤 差的存在,在進行組裝時存在安裝調整誤差,因此輪轂在夾具定位的過程中,在所難免的 產生了定位誤差[21].近年來,許多研究學者對機床夾具的定位誤差進行了分析,為機床 夾具定位誤差的發展做出了不可磨滅的貢獻。 韓變枝等[22]應用 ADAMS 軟件建立了工序夾具機構的數學模型,他提出桿件的運動 位置可以反映出夾具的定位誤差,夾具在定位裝夾時,可以用定位誤差范圍來代替桿件的 運動范圍,通過對桿件的相對運動位置進行求解即可以獲得夾具的定位誤差大小。吳玉光 等[23]將工件-夾具系統進行了相關的簡化,他認為接觸副工件-夾具系統可以簡化成若干機 構的組合,如接觸副等價機構、公差關系等價機構和工序尺寸等價機構,簡化成機構組合 后便可以運用機構學的方法去求解機床夾具的定位誤差。Cai 等[24]通過使用變分法,提出 了一種數學模型,該數學模型可以反映出定位元件的尺寸偏差與工件加工誤差兩者之間一 一對應的函數關系,對減小工件的加工誤差合理分配夾具定位元件的公差范圍具有重要意 義。

                          朱麗敏[25]認真考慮了工件定位基準產生的誤差、機床夾具引入的誤差和機加工誤差三者對工件位置偏差和姿態偏差的作用,利用齊次坐標變換技術得到了多階段加工生產狀 態下的誤差傳遞數學關系。王凱[26]在對工件加工誤差進行研究時發現機床夾具所引入的 誤差占工件加工總誤差的比重極大,通過對誤差傳遞規律進行分析,提出了可以表征由夾 具所引入的誤差而造成的工件加工誤差之間關系的數學模型,并通過該模型對工件的加工 精度進行了預測,后又使用實驗的手段對模型的準確性進行了驗證,實驗結果表明,該模 型是正確的。

                          Wang[27]在對機床夾具的定位誤差進行相關研究時,借助 D-Optimal 方法獲 得了最優的夾具結構,而后通過分析發現,夾具的定位元件、工件定位基準和最終工件的 加工誤差三者之間存在著重要的依存關系,為了使夾具誤差最小,工件的加工誤差符合企 業的生產需求,創建了三者之間的關系模型并得出了數學表達式。Djurdjanovic 等[28]分析 了在加工過程中機床夾具的定位方式對工件加工精度的影響,由工件自身存在的基準不準 確對工件表面特征誤差的作用,推導了在非單一階段機加工過程中的誤差流傳遞模型。 Marin 等[29]提出了針對夾具在定位過程中而導致工件毛坯特征誤差的函數關系,通過該數 學模型對夾具的定位精度開展了相關計算,可以有效的避免工件加工誤差過大的情況發 生,為提高工件的加工質量具有重要意義。Bai.Y 等[30-36]在對引起工件特征表面誤差的原 因進行分析時發現,夾具定位元件的定位方式以及自身的制造誤差是造成工件特征表面誤 差的關鍵因素。之后建立了二者之間的函數關系,基于所建立的關系式可以有效的降低工 件誤差。

                          Weifang. Chen 等[37]考量了夾具夾緊力以及在對工件進行定位和夾緊時夾緊元件 的布局方式和定位元件的分布情況對工件加工誤差的影響,分析后發現夾緊力的大小和夾 具夾緊元件、定位元件的布局是影響工件加工誤差的兩個重要方面;為了使工件的加工誤 差得以減小,其對夾具的布局方式和夾緊力的大小進行了相關優化。Ratchev. S 等[38]考量 了具有低剛度特征的毛坯在銑削過程中刀具銑削力的大小對毛坯誤差的作用,建立了銑削 力大小與偏差模型,基于此關系成功的對毛坯在銑削過程中所產生的誤差進行了估算。 Huang 等[39]在研究銑削加工產生的熱量給工件毛坯誤差的貢獻過程中,他發現熱量的大小 對毛坯變形具有重要的影響,通過研究找到了兩者之間的有限元模型,減小了工件的變形 誤差。Li. B 等[40]找到了一種可以使夾具定位誤差減小的方法,他通過對夾具動態效應進 行研究后發現優化夾具結構布局和夾緊力是兩個有效手段。

                          Choudhuri 等[41]在對如何提高 夾具定位精度的研究過程中,想到了一種可以將夾具定位銷公差和工件定位基準偏差進行 關聯的方法。通過使用有限元分析軟件形象的刻畫出了兩者之間的關系,對合理選擇夾具 定位零部件具有重要價值。Liao 等[42]在對發動機剛體的加工過程進行研究時發現,銑削 力的大小以及夾具在裝夾時對缸體的夾緊力是造成缸體加工產生誤差的主要原因,對缸體 的精加工過程具有重要的影響。Kang 等[43]在機床夾具的定位精度進行研究時,采用了對 毛坯表面偏差進行采樣的方法,針對夾具上的零部件定位銷研究其對誤差的靈敏性,根據 分析結果,對夾具定位銷的公差分配進行了擬定,有助于技術人員開展合理的設計工作, 為夾具設計給出了參考。

                          Rong 等[44]在剛體假設的條件下,根據在夾具設計時的公差需求、 所要滿足的幾何約束以及夾具的可達性要求,提出了一種夾具校驗技術,該校驗技術可以 與計算機進行精密結合,為工程設計提供方便。Kang[45]在研究夾具定位誤差時,借助了 平面定位的手段,他認為工件加工誤差的產生與機床夾具在定位時所引入的誤差以及工件 自身存在的定位基準誤差密不可分;之后又提出了一種誤差計算方法,通過該方法可以有 效的減小工件平行度、位置度和線輪廓度等形位誤差。王士豪[46]在對機床夾具進行研究時基于蒙特卡洛模擬方法,通過對相關統計數據進行統計分析,得到了工作臺定位精度的 變化范圍和公差值。

                          1.2.3 夾具有限元分析

                          有限元分析法作為解決現代工程實際問題的一種科學方法,將其使用在夾具設計的過 程中可以在很大程度上提高技術人員的夾具設計水平,規避在設計過程中出現的強度剛度 等結構有待完善的問題,使夾具設計更加合理[47].對于有限元分析技術在機床夾具設計 中的應用,許多學者對此付出了巨大努力。

                          宋玉宇[48]針對傳統設計方法下數控車床夾具尺寸與重量偏大、外型不合理,使夾具 的材料與應用成本增大的問題,在機床夾具的設計過程中巧妙的運用了拓撲優化理論去解 決夾具設計中的相關問題,建立了夾具拓撲優化的數學模型,應用 ANSYS 中的相關設計 模塊,以一種典型輪轂夾具為目標對其拓撲優化設計,給出了夾具外型和聯接螺釘的布置 區域,得到了夾具更為合理的結構,為各類數控車床夾具的輕量化設計提供了新的思路與 參考。孫小文等[49]在對模具電極的生產加工的研究中發現,裝夾模具電極的機床夾具存 在很明顯的共振現象,使模具電極的生產無法繼續進行。其為了再次避免夾具共振現象的 發生,在夾具設計過程運用有限元分析軟件對夾具的模態進行了分析,分別開展了有預緊 力的模態分析和自由狀態下的模態分析工作,為規避夾具共振提供了寶貴的經驗,便于后 人進行參考。鄒文俊等[50]從事發動機專用夾具的研究時發現,夾具的共振現象時有發生, 一旦夾具的自振頻率與機床外界的輸入頻率達到一致時,夾具結構會遭到破壞且極易產生 疲勞等現象,后果十分嚴重。其后來將有限元分析技術使用到夾具設計過程中,有限元分 析模塊中的動力學分析為避免工程結構發生共振現象提供了解決方法,通過動力學分析, 找到了夾具結構中的薄弱位置,為研發高精密的缸體加工夾具提供了參考,可以為技術人 員所借鑒,同時為企業的生產加工提供了技術保證。

                          潘耀庭[51]在對 ZMW 風電機輪轂的 自動化專用夾具進行設計時,使用了 ANSYS 對關鍵部件分別進行了靜力學和動力學分 析,分析結果表明,所設計的夾具結構安全合理,在外載荷的作用下仍然能夠完成加工生 產任務;為得到更優的夾具結構提供了保證,同時,也證明了所設計夾具結構的合理性和 實用性,經驗設計方法在某些方面仍然是可靠的。王海軍等[52]使用 ANSYS 軟件對輪轂夾 具的重要零部件夾爪進行了靜應力分析,分析得出了夾爪最大等效應力值,為以液壓缸為 動力源的輪轂夾具提供了技術保證。譚曉芳[53]基于 ABAQUS 軟件,對薄壁艙體工件毛坯 在夾具夾緊的狀態下的接觸問題進行了研究,通過對艙體毛坯進行網格劃分,得到了其在 裝夾狀態下的有限元模型,獲得了艙體零件在夾緊狀態下的應力應變云圖,從分析結果中 可知,在夾緊力的作用下薄壁零件沒有發生破壞,夾緊力大小范圍合理。劉凱等[54]通過 ABAQUS 建立了有限元三維分析模型,對某車燈用振動夾具進行了固有頻率和振動模態 分析,依據模態分析結果得出了夾具結構的優化方案,使夾具的在一階狀態下的固有頻率 遠離外載荷信號的頻率避免了共振。賀甲甲[55]借助 Solidworks Simulation 模塊對機床夾具 中的重要零件夾具體和夾具固定夾在載荷作用下開展了有限元模擬,得到了相應的應力結 果圖、位移結果圖和應變結果圖,得到了關鍵零件在載荷作用下的薄弱部位;并開展了對 關鍵零部件的優化設計工作,使夾具總質量得到下降。劉建坤[56]使用 ANSYS Workbench 對其所設計的焊接夾具中可能存在應力磨損和疲勞的零部件進行了靜力學分析,并得到了 相關的應力應變云圖,對夾具結構的安全性和合理性進行了相關驗證。李念沖[57]利用有限元分析軟件 ANSYS Workbench 中的強度分析模塊對焊接夾具在夾緊工件時的情況進行 了模擬,從應力云圖和動畫中可以清楚的看到工件毛坯的變形情況和夾具夾緊元件的應力 分布,并基于此得出了夾具的優化方案,完成了優化工作,使夾具結構更加趨于完善。

                          1.2.4 現狀分析

                          以上的研究工作雖然取得了較大的進展,為夾具研究工作積累了寶貴的經驗,但在汽 車輪轂加工領域,夾具研究工作仍然存在著不足:

                          1、夾具柔性化程度欠缺、關鍵參數設計模糊 在夾具結構方面,常用的生產模式需要配備多種類型的夾具來滿足對不同尺寸型號汽 車輪轂毛坯的加工;隨著輪轂種類的增加,對設備的需求也在隨之增加,從而造成對生產 成本的嚴重浪費;隨著生產線自動化程度的不斷升級,原機加工單元內雙刀塔 CNC 數控 立車一序中的夾具已經越來越跟不上汽車輪型多樣化、柔性加工需求的發展趨勢。在機加 工生產中,當需要更換不同型號的汽車輪轂進行加工時,需要停機更換夾具或者更換夾具 配件,做出手動調整才能滿足對下一個型號輪轂的可靠裝夾,夾具的柔性化程度較低,在 企業爭分奪秒的加工狀態中,消耗了時間,使企業的生產效率受到了限制。 在夾具關鍵參數方面,夾緊力和夾緊行程不管是在對柔性夾具進行設計時,還是在實 際的加工生產中,都是我們需要考慮的一個重要因素。目前,有許多科研工作者對夾具在 不同工況下的夾緊力進行了計算,何琳[58]通過夾緊力估算軟件對夾緊力進行了計算,在 不同的工況條件下,輸入相應的工況參數,利用該軟件可以計算得出夾具的夾緊力大小。 劉俊成[12]在對機床夾具進行設計時,結合應用實例,對夾具模型進行簡化后根據靜力平 衡原理求出了夾具的夾緊力。但是在輪轂加工過程中,夾具需要提供多大范圍的夾緊力才 能夠實現對輪轂的可靠裝夾,還一直處于一個模糊不清的狀態,技術工人大多還是根據以 往的加工經驗來給定實際工況,缺乏明確的理論計算。

                          2、夾具誤差分析不具備通用性 在輪轂的加工生產中,市場對輪轂的加工精度要求極高,而夾具的定位精度是影響輪 轂加工精度的重要因素之一,最終會反映到輪轂的加工質量上。所以,在夾具的研究設計 工作中,夾具定位誤差分析也是一項不可忽視的重要內容。前人的諸多研究工作盡管對夾 具定位誤差分析取得了較大的進展,但多是針對于某一特定的夾具結構對定位誤差進行計 算,不具有通用性;且誤差計算過程復雜繁瑣,模型簡化程度要求較高,對夾具設計人員 具有較高的專業要求。由此可見,對夾具定位誤差的分析還需要更多深入的研究,以期建 立更好的誤差分析模型,對輪轂夾具的定位誤差進行計算,從而提高輪轂的加工質量。

                          3、有限元分析技術的使用 有限元分析技術作為夾具設計中對結構的一種檢驗和優化手段,也越來越受到加工企 業設計人員的重視。針對夾具的設計工作而言,使用有限元計算可以找出夾具結構中所存 在的不足,使夾具關鍵零部件的強度、剛度和安全性得到保證。另外,有限元分析技術的 使用可以協助設計人員完成結構優化工作,使夾具結構更為合理、輕量化,進而減小對機 床的損傷程度,增加設備的使用壽命。然而由于輪轂夾具作為一個復雜的加工輔助裝備, 其自身存在著零件多、構成復雜、零件材料多樣、部件之間接觸多等特點。設計研發人員 在用有限元軟件對夾具進行輔助設計時,對其進行建立有限元模型、邊界條件設置等步驟 不僅復雜繁瑣導致錯誤頻發,而且浪費了設計人員大量的設計時間和精力。所以,有限元 分析技術在企業中的使用在一定程度上受到了限制,經驗設計的方法仍占有很大的主導地 位,使有限元軟件的分析技術在機床夾具設計中的優勢未能得到充分發揮。

                          1.3 本文的主要研究內容

                          針對以上出現的問題,本文研究的主要目標是設計一種可以實現對不同規格尺寸輪轂 進行裝夾的柔性車削夾具。同時,提出一種誤差映射模型,對夾具的定位誤差進行計算, 保證夾具的定位精度。另外,使用有限元軟件 ANSYS Workbench 分別對汽車輪轂夾具進 行靜力學分析和動力學分析。根據本文的技術路線(圖 1-2),本文的主要研究內容是:

                         。1)對夾具結構進行總體設計。明確夾具的工作目的和工作原理,根據汽車輪轂在 加工生產線一序加工中的工藝要求,確定夾具的定位方案和夾緊方案,對輪轂夾具的總體 結構進行設計,實現可以對不同規格尺寸的汽車輪轂進行裝夾。

                         。2)提出一種通用誤差映射模型,針對所設計的輪轂夾具進行定位誤差分析,對給 定加工精度要求的汽車輪轂,運用 matlab 軟件對輪轂夾具定位元件存在的安裝調整誤差 和生產制造誤差進行了計算。

                         。3)設計輪轂柔性加工夾具的關鍵參數。分析了夾具的夾緊行程和夾緊力范圍,一 方面可以明確所設計夾具的輪轂實際裝夾尺寸;另一方面,可以保證夾具在輪轂一序加工 過程中實現對汽車輪轂安全可靠的有效裝夾。

                         。4)通過 ANSYS 軟件分別從靜力學和模態兩個方面對輪轂夾具進行分析。通過靜 力學分析能夠驗證夾具結構是否安全,找出夾具在結構上的薄弱位置,和應力集中點;而 通過模態分析能夠獲得其固有頻率和對應振型情況,不僅可以避免夾具與外界激勵發生共 振,并且為夾具的動態特性提供參考。

                          第二章輪轂加工工藝分析與夾具設計

                          2.1輪轂加工要求

                          2.2加工工藝分析

                          2.3夾具方案設計

                          2.3.1基本設計要求

                          2.3.2柔性夾具設計要求

                          2.4夾具結構設計

                          2.5本章小結

                          第三章夾具定位誤差分析

                          3.1誤差映射模型

                          3.1.1建立誤差映射模型

                          3.1.2計算

                          3.2建立坐標系

                          3.2.1工件坐標系

                          3.2.2夾具定位元件坐標系

                          3.3定位誤差

                          3.4本章小結

                          第四章輪轂柔性加工夾具關鍵參數設計

                          4.1夾具行程計算與分析

                          4.2夾緊力分析

                          4.2.1最小夾緊力計

                          4.2.2最大夾緊力計算

                          4.3本章小結

                          第五章輪轂柔性加工夾具有限元仿真分析

                          5.1結構分析概述,

                          5.1.1有限元法

                          5.1.2動力學分析

                          5.1.3靜力學分

                          5.2建立有限元模型

                          5.2.1單元類型

                          5.2.2定義材料屬性

                          5.2.3有限元模型的建立

                          5.3輪轂柔性加工夾具靜力學分析

                          5.3.1靜力學分析的評價指標

                          5.3.2給定邊界條

                          5.3.3靜力學分析結果

                          5.4輪轂柔性加工夾具模志分

                          5.4.1 模態分析簡介

                          5.4.2模態分析基本理論

                          5.4.3前處理

                        第六章 總結與展望

                          6.1 總結

                          本論文以構建汽車輪轂柔性自動化生產線,一序機加工的實際需求為出發點,基于汽 車輪轂的加工工藝,設計研發了一種結構簡單、可以實現對多種規格尺寸的汽車輪轂毛坯 進行裝夾的柔性夾具。論文的主要工作內容包括:在分析輪轂毛坯加工要求的基礎上對汽 車輪轂柔性加工夾具進行了整體結構設計;利用 UG 三維建模軟件將夾具進行虛擬建模及 裝配;提出了一種誤差映射模型,分析了夾具的定位誤差,并通過 matlab 軟件以 19 英寸 的輪轂為例對夾具的定位誤差進行了計算;對夾具的關鍵參數進行了設計,確定了夾具的 夾緊行程及夾緊力的范圍;利用 ANSYS Workbench 軟件對夾具整體結構進行了靜力學以 及動力學分析。通過本文的研究,所取得的主要研究成果如下:

                          1、對汽車輪轂毛坯的加工要求和加工工藝進行了分析,對柔性夾具設計進行了理論 研究與方案論證,明確了本文所設計的輪轂柔性加工夾具所要滿足的設計要求。從夾具對 輪轂毛坯的定位和夾緊兩個工作角度出發,確定了夾具設計方案,通過三維軟件對夾具結 構進行了設計,創建出夾具的三維模型;

                          2、在忽略其他因素(如切削加工產生的溫度、變形、刀具幾何參數和機床精度等) 對輪轂加工精度影響的條件下,構建了一種夾具定位誤差映射模型,通過該模型,推導出 了汽車輪轂柔性加工夾具定位元件公差和輪轂位姿誤差ΔX 之間的函數關系。在給定輪轂 加工精度的條件下,通過 matlab 軟件計算得到了夾具各定位元件的公差范圍;

                          3、以 18~20 英寸尺寸范圍的輪轂為夾具設計的行程目標,對所設計的柔性加工夾具 的夾緊行程進行校驗,確定了夾具的裝夾行程;為便于分析,在其他因素忽略不計(如: 刀具切削時對輪轂毛坯產生的振動和沖擊等),只考慮刀具在切削加工過程中產生的切削 力矩對夾具夾緊產生影響的條件下,通過模型簡化進行理論計算和借助 ANSYS 有限元分 析的方法,明確了在夾緊過程中夾具總的有效夾緊力大小范圍為 7307.3~30000 N;

                          4、運用 ANSYS 軟件對所設計的汽車輪轂柔性加工夾具進行了有限元分析。通過分 析可知,夾具在外載荷的作用下,夾具的最大應力位置位于夾具的 U 型墊塊與定位爪接 觸的位置,大小為 376.85 MPa,小于材料的屈服極限值,滿足結構設計的強度要求,夾 具結構安全可靠。通過對夾具結構進行模態分析,得出最小的一階頻率的數值大小為 99.63 Hz,其值要大于在實際加工過程中外界給夾具的激勵 25 Hz,由此可以說明夾具結構是安 全可靠的,在機加工過程中不會發生共振現象。

                          6.2 展望

                          汽車輪轂柔性夾具是構建汽車輪轂柔性自動化生產線的重要組成部分,是一個系統而 復雜的課題。夾具在機加工單元中所承擔的作用不言而喻,它關系著工件的加工質量和生 產效率。由于國內外尚無針對實現汽車輪轂自動裝夾的柔性夾具結構與資料可以借鑒,本 文中所設計的柔性夾具難免會存在不足,它仍有一些問題需要進一步去解決和完善,主要 包括如下幾個方面:

                          1、 本文設計的汽車輪轂柔性夾具在結構設計上尚且存在優化的空間,由于個人精力有限,這部分工作有待后續進行研究;

                          2、由于硬件設施的限制,并未對所設計的夾具結構搭建試驗平臺,研制出夾具樣機 在機床上進行實際加工試驗,去驗證夾具結構的性能。希望以后可以將這一部分工作進行 補充,通過試驗的手段來驗證夾具性能;

                          3、本文中對夾具定位誤差的分析是在一種在理想化的情況下進行的。所提出的夾具 誤差映射模型忽略了切削溫度、毛坯在加工過程中的變形、刀具和機床加工精度等因素。 而在實際的加工過程中這些因素是必然存在的,所以對于多因素共同作用下的夾具定位誤 差與輪轂加工精度之間的關系還有待更加深入的研究。

                          4、在對夾具夾緊力范圍進行研究的過程中,對刀具主切削力的計算采用的是使用傳 統估算公式進行計算的方法,計算數值與實際切削力的大小多少會存在少許的誤差。

                          參考文獻

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                        致 謝

                          彈指一揮間,三年的讀研時光即將過去。在這三年的時間里,從剛剛接觸汽車輪轂柔 性加工夾具設計的課題到今天即將畢業,在實驗室里發生的一切還都歷歷在目。三年的求 學時光,讓我收獲了許多也成長了許多。本文是對以往學習工作的總結,也是未來繼續努 力的開始;厥兹甑膶W習時光和成長歷程,一路走來離不開諸多良師益友和親人同門的 幫助。首先感謝我的導師孫見君教授,本論文是在我的導師孫見君教授的悉心指導下完成 的。從論文的選題、研究方案的定制、論文的修改和定稿,無一不傾注著導師大量的心血。

                          孫見君教授嚴謹的治學態度和科學的工作方法不管是在學習上還是在生活上都給了我極 大的幫助和影響。經師易遇,人師難遇。孫見君教授認真負責的科研精神,孜孜不倦的工 作作風,寬厚的待人胸懷,一直激勵著我不斷的向前。孫老師嚴格要求自己的學生,不僅 鍛煉了學生的科研能力,也培養了學生嚴于律己的好習慣。三年的教導,讓學生發自肺腑 的欽佩老師嚴謹認真的科研態度和學識,這一切將深深的伴隨著我今后的學習和成長。

                          在 此,謹向尊敬的孫老師表示衷心的感謝和崇高的敬意。 其次感謝課題組馬晨波教授、涂橋安教授、張玉言老師、於秋萍老師、呂海生老師和 鄧亞玲老師,感謝你們在平時的科研學習中給予我的深切關心和指導,為我論文工作的順 利開展和學術論文的發表提供了極大的幫助,在此深表感謝。感謝合作單位速力達精密科 技有限公司的牛韜總經理、李易嘯工程師、馮海龍工程師、張自元工程師、虞婧以及其他 工作人員對我課題工作給予的支持和幫助。讓我有機會親身實地的參與公司的研發調研工 作,培養了我解決問題的動手能力、吃苦耐勞的精神,開拓了眼界,使我對汽車輪轂自動 化生產線有了更加清楚的認識,對后期的課題工作起到了促進作用。

                          然后感謝實驗室的孫電峰、董鶴、王衍、胡瓊、嵇正波、嚴彥、陸建花、陳國旗、張 凌峰、李東志、段衍筠等師兄師姐們,因為有了你們的幫助和在學習上的寶貴建議,使得 我更好更快的適應了研究生生活、融入實驗室的大家庭,少走了許多的彎路,你們的鼓勵 使我不斷的進步。 還要感謝實驗室的同窗陳群、劉思源、嚴峰、倪興雅,師弟狄玉鵬、葛誠、王帥、姚 利、嵇道揚等在平日里對我的幫助,你們使我收獲了友誼,也獲得了后援和支持。感謝室 友楊少輕、劉冠華、陳旻鵬、王志、倪興雅、沈璐祥、陳志靈和范佳楠,相聚即是緣分, 謝謝你們在生活中給予我的關照和理解。

                          感謝父母的養育之恩,從小至今,不管是在學業上還是生活上,父母始終給我堅定不 移的支持和無私的愛。能夠走到今天,是他們給了我莫大的鼓勵和支持。 感謝我的母校南京林業大學,是母校提供了我學習的平臺,讓我在三年里不斷的成長, 有機會開拓眼界,提升自己,收獲了終身受益的知識和難以割舍的友誼。 最后,謹向在我求學的道路上所有給予過我幫助、關懷和指導的老師、前輩、親人、 朋友和同學致以最誠摯的謝意!

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