文档介绍：夹具夹紧力的优化及对工件定位精度的影响
和
布什伍德拉夫机械工程学院,佐治亚理工学院,格鲁吉亚,美国研究所
由于夹紧和加工,在工件和夹具的接触部位会产生局部弹性变形,使工件尺寸发生变化,进而影响工件的最终加工质量。这种效应可通过最小化夹具设计优化,夹紧力是一个重要的设计变量,可以得到优化,以减少工件的位移。本文提出了一种确定多夹紧夹具受到准静态加工部位的最佳夹紧力的新方法。该方法采用弹性接触力学模型代表夹具与工件接触,并涉及制定和解决方案的多目标优化模型的约束。夹紧力的最优化对工件定位精度的影响通过3-2-1式铣夹具的例子进行了分析。
关键词:弹性接触模型夹具夹紧力优化
前言
定位和夹紧的工件加工中的两个关键因素。要实现夹具的这些功能,需将工件定位到一个合适的基准上并夹紧,采用的夹紧力必须足够大,以抑制工件在加工过程中产生的移动。然而,过度的夹紧力可诱导工件产生更大的弹性变形,这会影响它的位置精度,并反过来影响零件质量。所以有必要确定最佳夹紧力,来减小由于弹性变形对工件的定位误差,同时满足加工的要求。在夹具分析和综合领域上的研究人员使用了有限元模型的方法或刚体模型的方法。大量的工作都以有限元方法为基础被报道[参考文献1-8]。随着得墨忒耳[8],这种方法的限制是需要较大的模型和计算成本。同时,多数的有限元基础研究人员一直重点关注的夹具布局优化和夹紧力的优化还没有得到充分讨论,也有少数的研究人员通过对刚性模型[9-11]对夹紧力进行了优化,刚型模型几乎被近似为一个规则完整的形状。得墨忒耳[12,13]用螺钉理论解决的最低夹紧力,总的问题是制定一个线性规划,其目的是尽量减少在每个定位点调整夹紧力强度的法线接触力。接触摩擦力的影响被忽视,因为它较法线接触力相对较小,由于这种方法是基于刚体假设,独特的三维夹具可以处理超过6个自由度的装夹,复和倪[14]也提出迭代搜索方法,通过假设已知摩擦力的方向来推导计算最小夹紧力,该刚体分析的主要限制因素是当出现六个以上的接触力是使其静力不确定,因此,这种方法无法确定工件移位的唯一性。
这种限制可以通过计算夹具——工件系统[15]的弹性来克服,对于一个相对严格的工件,该夹具在机械加工工件的位置会受夹具点的局部弹性变形的强烈影响。Hockenberger和得墨忒耳[16]使用经验的接触力变形的关系(称为元功能),解决由于夹紧和准静态加工力工件刚体位移。同一作者还考察了加工工件夹具位移对设计参数的影响[17]。桂[18] 等通过工件的夹紧力的优化定位精度弹性接触模型对报告做了改善,然而,他们没有处理计算夹具与工件的接触刚度的方法,此外,其算法的应用没有讨论机械加工刀具路径负载有限序列。李和Melkote [19]和乌尔塔多和Melkote [20]用接触力学解决由于在加载夹具夹紧点弹性变形产生的接触力和工件的位移,他们还使用此方法制定了优化方法夹具布局[21]和夹紧力[22]。但是,关于multiclamp系统及其对工件精度影响的夹紧力的优化并没有在这些文件中提到。
本文提出了一种新的算法,确定了multiclamp夹具工件系统受到准静态加载的最佳夹紧力为基础的弹性方法。该法旨在尽量减少影响由于工件夹紧位移和加工荷载通过系统优化夹紧力的一部分定位精度。接触力学模型,用于确定接触力和位移,然后再用做夹紧力优化,这个问题被作为多目标约束优化问题提出和解决。通过两个例子分析工件夹紧力的优化对定位精度的影响,例子涉及的铣削夹具3-2-1布局。
1. 夹具——工件联系模型
模型假设
该加工夹具由L定位器和带有球形端的c形夹组成。工件和夹具接触的地方是线性的弹性接触,其他地方完全刚性。工件——夹具系统由于夹紧和加工受到准静态负载。夹紧力可假定为在加工过程中保持不变,这个假设是有效的,在对液压或气动夹具使用。在实际中,夹具工件接触区域是弹性分布,然而,这种模式的发展,假设总触刚度(见图1)第i夹具接触力局部变形如下:
(1) 其中(j=x,y,z)表示,在当地子坐标系切线和法线方向的接触刚度
图1 弹簧夹具——
工件接触模型。
表示在第i个
接触处的坐标系
(j=x,y,z)是对应沿着xyz方向的弹性变形,分别(j= x,y,z)的代表和切向力接触,法线力接触。
工件——夹具的接触刚度模型
集中遵守一个球形尖端定位,夹具和工件的接触并不是线性的,因为接触半径与随法线力呈非线性变化[23]。由于法线力接触变形作用于半径和平面工件表面之间,这可从封闭赫兹的办法解决缩进一个球体弹性半空间的问题。对于这个问题, 是法线的变形,在[文献23 第93页]中给出如下:
(2)
其中式中和是工件和夹具的弹性模量,、分别是工件和材料的