ANSYS下的机床夹具静动态特性研究黄建勇

ANSYS下的机床夹具静动态特性研究黄建勇

黄建勇

（上海宁远精密机械有限公司201107）

摘要：在机械加工中，机床夹具的性能直接影响着零件加工的质量和精度，而夹具静动态特性则关系着夹具的整体性能。因此，为了对机床夹具进行深入研究，判断其设计是否合理，本文利用ANSYS有限元分析软件，结合Pro/E构建三维模型，针对机床夹具的静动态特性进行了分析和研究。

关键词：ANSYS；机床夹具；静动态特性

Abstract：inmechanicalmachining，theperformanceofmachinetoolfixturedirectlyaffectsthequalityandaccuracyofthepartsprocessing，andfixturestaticanddynamiccharacteristicsarerelatedtotheoverallperformanceofthefixture.Therefore，inordertomakeathoroughresearchonthefixture，determinewhetherthedesignisreasonable，thispaperusingANSYSfiniteelementanalysissoftwaretoconstructthree-dimensionalmodelwithPro/E，accordingtothestaticanddynamiccharacteristicsofmachinetoolareanalyzedandstudied.

Keywords：ANSYS；machinetoolfixture；staticanddynamiccharacteristics

前言：工业化进程的持续加快，带动了我国机械制造业的发展。作为机械制造中一个非常重要的内容，机床夹具对于机械制造意义重大，保证机床夹具的质量，有助于企业降低成本、提高效率。在传统机床夹具设计中，设计方法虽然成熟，但是周期过长，无法满足现代设计的需求，在这种情况下，可以引入计算机软件来为设计工作提供技术支撑。

1、建立夹具实体模型

在夹具模型分析中，采用的是ANSYS有限元分析软件，该软件具备丰富的分析功能和良好的求解能力，在工程方面有着非常广泛的应用。ANSYS有限元分析法可以将工程系统问题转化为有限元系统，通过离散的方式将连续求解区域分割成一组按照特定方式连接的单元组合体，然后将有限元系统转化为数学模式，结合节点数值以及插值函数，计算出近似未知常函数。当单元数目增加时，函数的近似程度也会持续改进，显示出更加准确的结果[1]。

想要利用ANSYSY软件针对机床夹具进行有限元分析，首先要做的就是构建夹具的实体模型。以SKH系列数控环模深孔钻机床为例，对其机床夹具模型进行分析，包括了夹具体（支撑作用）、液压传动装置、传力机构齿轮以及与待加工工件直接接触的夹紧元件板等。要求技术人员做好不同元件的合理装配，得到准确的夹具装配图。以此为基础，还应该针对装配好的实体模型进行运动仿真测试，对干涉情况进行观察，待确认不存在干涉问题之后，才能切实保证模型的准确性和可靠性。

2、建立夹具有限元模型

2.1实体模型导入

在完成实体模型构建后，需要将其导入到ANSYS软件中。从提升计算效率的角度，在模型导入前，可以对其进行适当简化，去除诸如圆角、倒角以及小直径孔等对夹具整体刚度影响不大的结构。在模型导入操作中，可以选择两种不同的导入方式，一是Pro/E与ANSYS无缝连接，以实现不同软件之间的数据共享。操作人员可以直接在Pro/E窗口中，点击ANSYSWorkBench按钮，实现模型导入；二是可以将Pro/E中构建的实体模型保存在计算机中，保存的格式可以自主选择，如SAT、Stp/Step等，然后在ANSYSY中将模型打开[2]。

2.2添加模型材料属性

夹具模型采用的是结构钢，密度为7850kg/m³，弹性模量200GPa，泊松比取值0.3.

2.3网格划分

在模型计算中，网格密度与计算结果精度有着直接关联，理想状态的网格密度应该能够保证继续加密也不会导致计算结果的改变，不过需要注意的时，网格密度越大，占用的存储空间以及CPU资源也越大。考虑计算机性能，这里选择尺寸控制方法，通过对ElementSize参数的设置来划分网格[3]。网格划分后的夹具模型如图1所示。

图1网格划分后的夹具模型

3、夹具模型的静态分析

在针对夹具模型进行静态分析的过程中，主要是针对各种载荷在结构构件上作用所引发的应力应变以及位移等的研究和计算，计算过程中应该忽略惯性和阻尼效应。针对之前已经导入到ANSYSWorkBench中的夹具实体模型，在已经完成材料属性田间以及网格划分的基础上，还需要针对得到的夹具模型进行更加深入的分析，为其施加相应的载荷以及边界约束，使得其能够更加贴近真实。而在施加载荷与边界约束的过程中，技术人员应该具备一定的实践经验，依照实际工况进行操作，以切实保障最终结算结果的准确性和可靠性[4]。

从机床运行的实际工况分析，为夹具下表面施加固定约束，这对其在上下左右各个方面的自由度进行限定，对于夹具中的四个用于传力的杆件，同样需要施加相应的位移约束，对杆件在Y轴和Z轴方向上的自由度进行严格限制。边界约束施加完成后，需要进行必要的检查工作，查看约束是否合理，约束条件是否有效，确认无误后，才能继续对夹具模型施加载荷约束。结合实际工况考虑，夹具压板对于工件所施加的力可以分为两种，分别是铣削操作和钻削操作时产生的夹紧力。以轴类零件为例，可以依照相应的夹具夹紧力计算公式，得到夹具压板对于工件所施加的两种力的具体数值，而通过对两者的对比，可以看出，在对零件进行铣削加工时，夹具压板对于工件所产生的夹紧力要小于钻削加工时的夹紧力。因此，选择其中较大的数值（钻削加工时夹具压板的夹紧力）作为荷载，施加在夹具模型压板的压头上。在每一个压板压头上分配的夹紧力为4742N，夹紧力作用的方向与压板压头垂直。边界约束和载荷约束全部施加完成后，针对夹具模型进行静力学求解，就能够得到模型总变形分析云图，如图2所示。结合图2上分析，如果不考虑惯性和阻尼效应，仅仅参考实际工况对夹具施加夹紧力，则压板位置的变形最大[5]。对此，在针对夹具进行设计时，应该做好夹具压板和压头部分的改进和优化，以保证夹具整体设计的合理性和科学性。

图2夹具模型总变形分析云图

4、夹具模型的模态分析

模态分析主要是针对结构振动特性值进行计算，以此来明确结构在正常运行时的振动情况，结构的振动特性主要包括了振型以及固有频率。作为一种基本的动力学分析，模态分析对于其他动力学分析而言是基础也是参考，事实上，在实际应用中，无论是随机振动分析、响应谱分析还是谐响应分析，都需要以模态分析为基础才能顺利实现。因此，模态分析虽然在动力学分析中属于最简单最浅显的内容，但是其实用性不容忽视，结合模态分析，设计人员能够更好地对结构的振型及固有频率进行确定，从而有效规避共振问题[6]。在设计初期，构建设计对象的动力学模型，可以实现动态设计，分析对象的动态特性，找出其中存在的薄弱环节，做好相应的优化改进；而即使是已经制造出来的机械机构，通过构建动力学模型，开展相应的有限元分析，同样能够得到固有频率、振型、动刚度等指标，对于改进设计方案，优化生产工艺都有着非常积极的作用。

为了方便进行分析，这里针对夹具下表面设置固定约束，规定静态分析和材料属性完全相同，考虑低阶固有振型对于动态特性所能够发挥的作用是决定性的，选择前六阶模态进行分析研究。夹具本身的固有频率如表1所示。

结合相应的振型图分析，1）在一阶振型中，夹具后方压块和压板位置的变形最大，此时在X轴正方向，压块与压板呈现出弯曲振动的趋势；2）在二阶振型中，夹具后方压块和压板位置依然为最大变形，此时在Y轴正方向，压块和压板呈现出弯曲振动的趋势；3）在三阶振型中，最大变形发生在夹具前方压块与压板位置，此时在Y轴正方向，压块和压板呈现出弯曲振动[7]；4）在四阶振型中，最大变形同样发生在夹具前方压块与压板位置，此时在X轴正方向，压块与压板呈现出弯曲振动；5）在五阶振型中，夹具模型右半部分缸体位置出现最大变形，在Y轴正方向，缸体整体呈现弯曲振动，与缸体存在直接接触的夹具同样存在轻微变形现象；6）在六阶振型中，夹具模型右半部分缸体位置出现最大变形，在Z轴正方向缸体呈现弯曲振动，与之接触的夹具和与夹具主体接触的压板同时出现轻微振动变形。

对上述结论进行综合，可以看出，当固有频率较低时，夹具前后压块与压板存在较大变形，而伴随着固有频率的增加，变形开始从压板和压块向夹具模型的缸体发生转移。六阶振型中，夹具主体的变形相对较小，也表明其本身的刚度可靠。综合夹具静动态特性，在对机床夹具进行设计的过程中，应该将关注的重点放在压块压板和缸体方面，通过改进和创新来提升整体设计效果[8]。

结束语

总而言之，结合ANSYS有限元分析软件，可以构建相应的机床夹具三维模型，通过静动态特性分析得到夹具静态变形图以及六阶阵型图，也能够总结出夹具的固有频率，以此为依据，找出了机床夹具的薄弱环节，为夹具优化提供了指导和参考。而结合振型图分析，在夹具中，前后两个压块压板的变形并非同时进行，这也表明了其在设计过程中存在着不同的受力分布，对于夹具整体的均匀性和刚度可能造成一定影响，需要做好改进工作。结合ANSYSY的优化设计，能够得到夹具压块压板的相关参数，包括长、宽、厚及接触杆直径等，可以实现对低阶频率下压块压板变形状况的有效控制。考虑到伴随着固有频率的增大，夹具模型缸体会出现变形问题，可以适当缩减缸体的体积，当然这是以不影响机床夹具的性能为前提。在得到改进模型后，需要继续开展有限元分析，使得机床夹具的设计可以达到最优。

参考文献：

[1]赵万军.基于ANSYS的滚珠丝杠进给系统静动态特性分析[J].机械传动，2010，34（5）：68-70.

[2]文怀兴，崔康.基于ANSYSWorkBench的高速电主轴静动态性能分析[J].组合机床与自动化加工技术，2012，（12）：49-52.

[3]张行，陶征，汪玉平，等.基于ANSYS的铣削电主轴静动态性能分析[J].制造技术与机床，2011，（1）：70-74.

[4]毕庆，侯志松，王同乐，等.基于ANSYS的裁板机主轴系统静动态特性研究[J].组合机床与自动化加工技术，2014，（1）：17-19.

[5]王羿.基于ANSYS的枪钻机床主轴静动态性能的分析和优化[D].上海交通大学，2014.

[6]卢萍.基于ANSYS的复合材料机床主轴静动态性能的分析[D].山东科技大学，2015.

[7]费非，张锐.基于ANSYS的机床夹具的静动态特性分析[J].中国重型装备，2017，（2）：5-8.

[8]孙江艳，吴庆晨，周田，等.基于ANSYS的9m天线静动态特性分析[J].机械工程与自动化，2015，（3）：93-95.

作者简介：

姓名：黄建勇（1976.1.25），男，汉族，山西省临汾市人，大连理工大学机械设计制造及其自动化专业。从事数控深孔钻机床设计与研究工作近10年；带领公司研发团队，负责、参与了上海市多个科研项目的数控深孔钻机床的设计和开发，所设计的机床已广泛应用于油泵油嘴、医疗器械、生物燃料、石油核电、航空航天、模具等行业。