冷滾打機床多功能夾具設(shè)計說明書

冷滾打機床多功能夾具設(shè)計說明書,冷滾打,機床,多功能,夾具,設(shè)計,說明書,仿單 I冷滾打機床多功能夾具設(shè)計摘要：冷滾打成形是一種新型的近凈塑性成形技術(shù)，其具有生產(chǎn)效率高、材料消耗少、加工成本低等優(yōu)點。但在成形過程中，工件固定困難，導致成形件精度和表面質(zhì)量難以控制。本文欲設(shè)計一款多功能夾具，以保證成形過程中工件的精度和表面質(zhì)量。分析了冷滾打成形的基本原理，成形過程中，齒條夾具的設(shè)計采用普通壓板固定于冷滾打機床的加工平面上，齒輪夾具的設(shè)計采用兩個半截的軸對齒輪進行夾緊與固定，后期為了適應不同內(nèi)徑齒輪的加工，采用階梯軸對工件進行固定，絲杠和花鍵成形時工件采用三爪卡盤與頂尖固定，為了滿足絲杠加工時與滾打輪的角度要求，增加角度測量裝置；為了實現(xiàn)多功能夾具設(shè)計，后期對夾具進行中整合。為了檢驗多功能夾具設(shè)計的合理性，對兩側(cè)板及整合后的夾具整體進行有限元分析，獲得了與冷滾打成形時相同載荷條件下夾具的受力及變形情況，有效的說明了本文所設(shè)計的多功能夾具能滿足冷滾打成形的需要。關(guān)鍵詞：多功能夾具；夾緊與固定；仿真；有限元分析IICold Rolling Machine Multifunctional Fixture DesignAbstract: Cold roll forming is a new type of near net plastic forming technology, which has the advantages of high production efficiency, less material consumption, and low processing cost. However, during the forming process, the workpiece is difficult to fix, resulting in difficult control of the precision and surface quality of the formed part. This article wants to design a multifunctional fixture to ensure the accuracy and surface quality of the workpiece during the forming process.The basic principle of cold roll forming was analyzed. During the forming process, the design of the rack fixture was fixed on the processing plane of a cold roll machine using a common press plate. The gear fixture was designed to use two half shafts to clamp and fix the gears. At the later stage, in order to adapt to the processing of different internal diameter gears, the use of stepped shafts to fix the workpiece; when the screw and spline forming the workpiece using three-jaw chuck and the top fixed, in order to meet the angle of the screw processing and rolling wheel requirements, Increase the angle measurement device; In order to achieve multi-functional fixture design, the fixture will be integrated later.In order to test the rationality of the multi-functional fixture design, finite element analysis was performed on both sides of the fixture and the integrated fixture, and the force and deformation of the fixture under the same load conditions as in the cold roll forming were obtained, effectively illustrating this article. The designed multifunctional fixture can meet the need of cold roll forming.Keywords：Multi-function jig, Clamping and fixing , simulation, finite element analysisIII目 錄1 緒論 ...................................................................................................................................................11.1 目的和意義 .................................................................................................................................11.2 國內(nèi)外發(fā)展狀況 .........................................................................................................................11.2.1 國外的高速冷滾打機床發(fā)展現(xiàn)狀及前景 .........................................................................11.2.2 國內(nèi)的高速冷滾打機床發(fā)展現(xiàn)狀及前景 .........................................................................21.3 研究內(nèi)容 .....................................................................................................................................22 冷滾打成形零件夾裝特點 ...............................................................................................................42.1 冷滾打成形的基本原理 .............................................................................................................42.1.1 齒輪冷滾打成形 ..................................................................................................................42.1.2 齒條冷滾打成形 ..................................................................................................................52.1.3 絲杠冷滾打成形 ..................................................................................................................62.1.4 花鍵冷滾打成形 ..................................................................................................................72.2 冷滾打成形零件夾裝分析 .........................................................................................................82.3 小結(jié) .............................................................................................................................................93 冷滾打機床多功能夾具設(shè)計 .........................................................................................................103.1 成形齒輪齒條時夾具三維模型設(shè)計 .......................................................................................103.2 成形絲杠時夾具三維模型設(shè)計 ...............................................................................................133.3 成形花鍵時夾具三維模型 .......................................................................................................153.4 小結(jié) ...........................................................................................................................................154 夾具主要零部件的有限元分析及裝配 .........................................................................................164.1 零件有限元分析的概念與作用 ...............................................................................................164.1.1 有限元分析概念 ................................................................................................................164.1.2 有限元分析的作用 ............................................................................................................164.2 側(cè)板的有限元分析 ...................................................................................................................174.2.1 左側(cè)板（頂尖側(cè)）有限元分析 .......................................................................................174.2.2 右側(cè)板（三爪卡盤）有限元分析 ...................................................................................174.3 夾具零件進行三維模型組裝與運動仿真 ...............................................................................184.4 對夾具整體有限元分析 ...........................................................................................................195 結(jié)論與展望 .....................................................................................................................................21IV參考文獻 .............................................................................................................................................22致 謝 .................................................................................................................................................2411 緒論1.1 目的和意義冷滾打技術(shù)是一種具有代表性的無污染、精密度高、成形效率高的加工技術(shù)。該技術(shù)具有高效、材料使用率高、加工成本低等優(yōu)點，而且可以提高被加工件的表面質(zhì)量，延長產(chǎn)品的生命周期。但在高速冷滾打成形齒輪、齒條、花鍵、絲杠過程中，被加工件固定困難，導致加工成形的工件精度和表面質(zhì)量難以達到需求，為了解決這一問題，設(shè)計高速冷滾打機床多功能夾具，以保證加工精度和加工質(zhì)量。本設(shè)計的主旨在于設(shè)計一種冷滾打機床多功能夾具，對在加工過程中的工件進行夾緊與固定，設(shè)計此系統(tǒng)需要對冷滾打機床成形技術(shù)的基本原理、工作方式等有所理解，并對三維軟件有熟悉的運用。設(shè)計多功能夾具在冷滾打成形過程中可以對工件進行有效的夾緊和定位，保證工件的成形精度，縮短輔助時間，提高生產(chǎn)率以及夾具的使用率，減輕工人的勞動強度，降低了對工人技術(shù)水平的要求，保證了安全生產(chǎn)。通過設(shè)計本課題，要對冷滾打成形基本原理由深刻的認識，多功能夾具的設(shè)計，為以后冷滾打機床成形齒輪、齒條、花鍵與絲杠等齒形打下基礎(chǔ)，多功能夾具的使用，保證了被加工件的表面質(zhì)量，減少了夾裝固定的時間，提高了冷滾打機床的成形效率。例如在設(shè)計設(shè)計多功能夾具時，要根據(jù)零件的不同和冷滾打機床的原理，對零件進行定位與夾緊。這對冷滾打成形零件具有非常重要的意義。1.2 國內(nèi)外發(fā)展狀況1.2.1 國外的高速冷滾打機床發(fā)展現(xiàn)狀及前景冷滾打機床作為眾多機床中的之一，國內(nèi)外對其的研究歷史已久，最早的時間可以追溯到 1940s 年代，其主要研究內(nèi)容為：如何提高輪齒的成形質(zhì)量。歷經(jīng)百年之久，一種為 WPM[1]方法被波蘭的研究學家創(chuàng)立，在該方法中為了將零件的齒形包絡(luò)出來，我們用一對扇形的齒輪的成型加工工具使其圍繞兩個軸旋轉(zhuǎn)運動，最終加工出零件的齒形。眾多研究表明：為了延長刀具的使用壽命，可以減小刀具與零件之間的相對加工速度和接觸面積。在冷滾打機床的發(fā)展中，國外的發(fā)展較為前列，具體的發(fā)展成就有三個公司，其中主要包含一下幾個方面：隨著冷滾打機床的發(fā)展，Ernst [2]公司提出了機床加工時可以結(jié)合花鍵等定位件加工，并且2得到了 Smirnov-Alyaev.G A[3]等眾多科學家的數(shù)據(jù)分析以及認證，確立了花鍵冷滾打的加工可行性，從研究的分析中可以獲得變形程度以及應力分布不均勻以及復雜性的數(shù)據(jù)分析報告 [4]。針對滾打輪的安裝傾角問題國外科學家采用添加止推環(huán)使得滾打輪與滾壓頭的聯(lián)結(jié)處形成傾斜平面，從而提高零件的加工精度。隨著科學技術(shù)的進步以及零件批量生產(chǎn)的要求，Kurz. N [5]公司利用有限元分析以及高速運轉(zhuǎn)下的塑性變形建立加工零件的加工模擬和仿真模型，并且通過相關(guān)的應力應變值對比，確認了仿真模擬的可行性。研究國外的冷滾打機床發(fā)展歷程后，隨著加工零件技術(shù)要求的不斷提高，對其加工機床也提出新的挑戰(zhàn)和給予。1.2.2 國內(nèi)的高速冷滾打機床發(fā)展現(xiàn)狀及前景在國內(nèi)的高速冷滾打成型技術(shù)的研究中，我們主要的研究成果體現(xiàn)在冷滾打加工方法、設(shè)計理論以及加工時的運動分析方法。在國內(nèi)產(chǎn)品的加工過程中，我們都沒有掌握關(guān)鍵的技術(shù)，因此國內(nèi)的高速冷滾打成形技術(shù)發(fā)展較慢，產(chǎn)品的使用性能較差。近年來國內(nèi)只有少數(shù)企業(yè)引進了較為先進的花鍵高速冷滾打加工，這對于我國研究其機床的結(jié)構(gòu)以及運動提供先進的研究價值。使得我國的冷滾打工藝有經(jīng)濟效益方面的進步和提高。在花鍵高速冷滾打技術(shù)的研究中，花鍵的成形仿真發(fā)展較為迅速，最開始時科學家采用有限元分析對于 花鍵高速冷滾打過程進行了模擬，并且針對花鍵軸前端塌陷進行了力學分析，但是我們對于機床的研究也只限于經(jīng)驗知識的儲備。隨性和科研力量的增強以及技術(shù)的進步，我們逐漸完成漸開線花鍵高速冷滾打運動關(guān)系及數(shù)學模型 [6]，并且從宏觀的角度總結(jié)金屬流動規(guī)律和變形機理。所有的研究為我國后期對于冷滾打絲杠研究有了進一步的理論支撐，隨后我們經(jīng)過實際的生產(chǎn)中驗證金屬流動最小阻力定律，并且建立基于 ABAQUS 的有限元模型，由此了解機床的變形力隨著時間的變化程度。近幾年中，在滾打輪 CAD 系統(tǒng)的發(fā)展中，我們使得滾打輪磨削仿真系統(tǒng)以及滾打輪廓形設(shè)計模型的相結(jié)合的同滿足生產(chǎn)的實際性以及經(jīng)濟高效性。1.3 研究內(nèi)容本文根據(jù)冷滾打成形的特點，針對成形不同工件時夾裝困難的問題，設(shè)計一種多功能夾具，使其適用于多種冷滾打成形零件的定位與夾緊，提高了夾具的使用率，同時提高了冷滾打成形零部件的生產(chǎn)效率。主要內(nèi)容有： 1) 根據(jù)冷滾打成形的基本原理，分析了冷滾打成形的特點，及成形過程中零件夾裝存在的困難。32) 根據(jù)冷滾打機床成形工件的原理及特點設(shè)計能同時對齒輪、齒條、絲杠和花鍵進行夾裝的多功能夾具。3) 對夾具主要零件進行有限元分析、三維模型組裝與運動仿真。42 冷滾打成形零件夾裝特點2.1 冷滾打成形的基本原理2.1.1 齒輪冷滾打成形齒輪冷滾打成形是采用了 3 個沿螺旋線均勻分布的滾打輪對被加工件進行不連續(xù)循環(huán)往復高速度的運轉(zhuǎn)擊打，從而最終形成局部加載的多點累積變形的成形方法，齒輪冷滾打的成形過程具有接觸時間短、速度快、沖擊力大、大變形等特點。對冷滾打成形齒輪夾具進行設(shè)計，冷滾打成形齒輪原理如圖 2.1 所示。它是將 3 個沿著螺旋線均勻分布滾打輪安裝在打頭座上，且每個滾打輪可以環(huán)繞自身軸線做自由轉(zhuǎn)動，從而帶動滾打軸進行高速旋轉(zhuǎn)，當打頭座每旋轉(zhuǎn)一周，齒坯將會被 3 個滾打輪依次進行高速度的擊打，而在毛坯與滾打輪接觸的瞬間，能促使?jié)L打輪做自轉(zhuǎn)運動的是滾打輪與工件之間的摩擦作用力。因此滾打過程中，在摩擦作用力的帶動下打頭軸每轉(zhuǎn)動一周，工件分度為一個齒；當工件轉(zhuǎn)過完整的一周時，打頭軸軸向移動距離為 V。陳雨沼 [14]用 C 語言對 PRO/E 進行軟件二次開發(fā)，完成了對齒輪冷滾打運動學仿真插件的設(shè)計；運用 MATLAB 軟件對仿真結(jié)果進行處理，得到成形齒廓與標準齒廓之間的誤差。同時對滾打輪的公轉(zhuǎn)半徑及滾打輪直徑對廓形的影響規(guī)律進行研究分析。利用自制的滾打輪在 Y3150E 型滾齒機上進行了齒輪冷滾打?qū)嶒?，實驗對仿真結(jié)果進行了有利驗證。楊帆等研究了銅齒輪冷滾打成形過程中溫度的分布 [18]。圖 2.1 齒輪加工原理5因此，冷滾打成形齒輪的過程主要靠的是固有塑性的材料，在被成形工件與滾打輪之間具有不同步運動的時候，滾打輪通過不連續(xù)的往復運動對旋轉(zhuǎn)的被成形件進行快速打擊，而在毛坯與滾打輪接觸的瞬間，滾打輪依靠滾打輪與被成形工件之間的摩擦力做自轉(zhuǎn)運動。2.1.2 齒條冷滾打成形齒條冷滾打的成形和我們經(jīng)常見的具有切割加工的齒條有很大的不同，齒條冷滾打的工作原理如圖 2.2 所示。它充分利用了自身具有塑性的齒條毛坯，采用特別定制的齒條外廓以及快速旋轉(zhuǎn)的滾打輪來對齒坯進行打擊和持續(xù)不斷的滾壓，從而在齒坯表層形成一種塑性流動，最終獲得我們所需要的齒廓形。當三個滾打輪在芯軸的作用下被均勻的安裝在支撐軸上的時候，就可以繞自身的軸線去轉(zhuǎn)動。而中心主軸把支撐軸帶動的做高速度旋轉(zhuǎn)的時候，就達到了滾打輪的公轉(zhuǎn)運動。在滾打輪與工件不產(chǎn)生相互作用的時候，滾打輪只做公轉(zhuǎn)運動；當滾打輪與工件相互作用的時候，滾打輪和齒坯之間會有摩擦力的產(chǎn)生，這時滾打輪會進行自轉(zhuǎn)，而工件的作業(yè)速度和兩者相互作用的摩擦力來確定滾打輪的自轉(zhuǎn)速度的大小，滾打輪與被成形工件之間沒有相對運動，使?jié)L打輪的使用周期大大延長，同時也提高了齒條表面的加工質(zhì)量。趙曉明 [1]采用自行設(shè)計的齒條冷滾打?qū)Ｓ醚b置在逆打和順打方式下，從工作效率、工件的表面質(zhì)量、綜合經(jīng)濟效益等方面進行對比分析。在臥式銑床改造的冷滾打設(shè)備上進行齒條冷滾打?qū)嶒?，驗證了仿真結(jié)果的正確性，同時分析了實驗中出現(xiàn)的表面缺陷。袁啟龍，楊明順，李玉璽等對塊體材料冷滾打過程中產(chǎn)生的變形力進行了研究，分析了塊體材料冷滾打變形過程中變形力的變化情況及各工藝參數(shù)對變形力的影響規(guī)律，并用冷滾打?qū)嶒烌炞C了仿真結(jié)果的正確性 [23]。張璐等 [14]運用主應力法對變形力進行了解析求解，并應用仿真軟件對其進行數(shù)值仿真，最后通過實驗進行驗證及對變形力進行測量。圖 2.2 齒條加工原理62.1.3 絲杠冷滾打成形絲杠高速冷滾打成形是一個斷續(xù)、沖擊、滾壓、局部變形、不斷累積的復雜成形過程，絲杠冷滾打加工是采用特定的滾打輪來對絲杠毛坯的一些部位進行持續(xù)滾壓和打擊，從而使毛坯表層達到塑性變形，再加上累積作用，在工件上就會形成絲杠螺旋的滾道。當滾打輪被安裝在快速運作的滾打軸上時，其可以繞著自身的軸線做自轉(zhuǎn)運動。在滾打輪和工件相互作用的時候，它們之間會形成一種摩擦力，由于在摩擦力的帶動下，滾打輪會產(chǎn)生自轉(zhuǎn)，并且達到滾打輪與工件之間滾動的效果，原理如圖 2.3 所示，β 為絲杠螺旋升角。在滾打輪和工件相互作用的情況下，由工件公轉(zhuǎn)速度和相互作用產(chǎn)生的摩擦力來決定滾動輪的自轉(zhuǎn)速度，滾打輪與工件之間沒有相對運動的情況下，即增強了絲杠成形件的表面質(zhì)量同時也延長滾打輪的使用壽命。通過冷滾打的原理我們可知，絲杠冷滾打的主要運動有：滾打軸的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)速 ns，工件的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)速nw，滾打輪的自轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)速 nr，滾打輪相對于工件的軸向進給運動 ns。在滾打的過程中，滾打軸沿軸帶動滾打輪以一定的速度持續(xù)運轉(zhuǎn)，工件以轉(zhuǎn)速 nw 轉(zhuǎn)動，通過固定位置持續(xù)轉(zhuǎn)動。圖 2.3 絲杠加工原理2.1.4 花鍵冷滾打成形花鍵軸冷滾打工藝是采用金屬材料在常溫的作用下能夠形成一定塑性變形能力的特點，利用外形和花鍵齒吻合的滾打輪對工件進行持續(xù)的滾打，在滾磨和擊打的作用下促使工件產(chǎn)生塑性變形從而形成齒形工藝的過程。本文運用連續(xù)分度打制為研究對象，其工作原理如圖 2.4 所示。我們可將一對滾打輪安裝在滾打輪中心軸上，在安裝的過程中位置要與工件相對稱，工作軸線要與滾打7輪軸線互相垂直。在滾打過程中，滾打輪繞中心軸做快速運轉(zhuǎn)并且打入軸坯使二者相互侵蝕，軸坯外圓部分金屬在滾打輪的作用下會產(chǎn)生相應局部凸起的等分為移，此時，滾打輪在相互作用下產(chǎn)生的摩擦力可使其繞自身的軸心做自轉(zhuǎn)運動，工件也沿著軸向做進給運動。滾打輪繞中心軸每旋轉(zhuǎn)一周，滾打工件一次，循環(huán)往復滾打，最終在齒坯上形成均勻齒槽。 圖 2.4 冷滾打機床工作原理2.2 冷滾打成形零件夾裝分析1. 齒輪冷滾打成形時夾具安裝及零件的夾裝在加工齒輪時，需要夾具能夠為被加工件提供動力，使被加工件能夠隨夾具一起發(fā)生轉(zhuǎn)動，與滾打輪既有相對的運動，并且要求被加工件在夾具上不能周向轉(zhuǎn)動和軸向的滑動，滾打輪對被加工件的斷續(xù)往復高速擊打由機床加工平面帶著家具和被加工件往復運動能夠來實現(xiàn)，以保證被加工件的加工精度。2. 齒條冷滾打成形時夾具安裝及零件的夾裝由齒條的加工原理可知，齒條加工時，冷滾打輪與被加工件之間需要兩個方向的相對移動，為此，采用壓板將被加工件固定在冷滾打機床的加工平面上，由機床加工平面的移動來實現(xiàn)滾打輪與被加工件的相對移動，采用這種方法，同時也防止了被加工件在加工過程中由于沖擊和發(fā)熱導致的零件變形問題。3. 絲杠冷滾打成形時夾具安裝及零件的夾裝由絲杠的加工原理可知，在加工絲杠時，需要被加工件與滾打輪發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，被加工件與滾打輪之間的移動，同時要求在加工過程中滾打輪與被加工件之間有一定的角度。被加工件與滾打輪的相對轉(zhuǎn)動由電機帶動三爪卡盤上的被加工件來實現(xiàn)，被加工件與滾打輪的相對移動由冷滾打機床的加工平面帶動8夾具一起移動來實現(xiàn)，被加工件與滾打輪的角度由夾具在加工平面的安裝位置確定。4. 花鍵冷滾打成形時夾具安裝及零件的夾裝由花間的工作原理可知，在加工絲杠時，需要被加工件與滾打輪發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，被加工件與滾打輪之間的移動，被加工件與滾打輪的相對轉(zhuǎn)動由電機帶動三爪卡盤上的被加工件來實現(xiàn)，被加工件與滾打輪的相對移動由冷滾打機床的加工平面帶動夾具一起移動來實現(xiàn)。2.3 小結(jié)本章主要分析了冷滾打成形齒輪、齒條、絲杠和花鍵時的基本原理，以及成形過成中工件與所需夾具之間的關(guān)系；對成形齒輪、齒條、絲杠和花鍵時夾具的設(shè)計和安裝進行了初步的構(gòu)思，為夾具的設(shè)計打下基礎(chǔ)。93 冷滾打機床多功能夾具設(shè)計冷滾打機床主要用于成形齒輪、齒條、花鍵和絲杠等齒類零件，根據(jù)冷滾打機床加工各零件的原理，建立多功能夾具簡易的模型如圖 3.1 所示：加工齒條時，將被加工件用壓板固定在機床上；加工絲杠時，用三爪卡盤與頂尖固定，在三爪卡盤出添加電機，為被加工件提供動力；加工齒輪時，將被加工件固定在軸上，并為軸和被加工件提供動力；加工花鍵時，將花鍵固定在三爪卡盤上，同時為其提供動力。圖 3.1 多功能夾具簡易示意圖3.1 成形齒輪齒條時夾具三維模型設(shè)計齒輪加工時的夾裝固定：被加工件固定于兩個軸 4 中，防止被加工件在加工過程中軸向移動；在齒輪的內(nèi)部和軸的內(nèi)部，貫穿一根帶有鍵的軸，目的是防止被加工件在加工過程中發(fā)生周向轉(zhuǎn)動；兩側(cè)板起支撐作用，由于冷滾打加工時，對工件的沖擊較大，為了降低軸和側(cè)板的壓力，設(shè)計了兩個支撐件。初期設(shè)計齒輪、齒條加工夾具三維圖如圖 3.2 所示。齒條加工時的裝夾固定：加工齒輪時，將被加工件用夾板固定在冷滾打機床的加工平面上，采用這種固定方式，可以防止在加工過程中由于沖擊力過大和加工過程中產(chǎn)生的熱導致被加工件發(fā)生變形。101—機床加工平面，2 和 7—側(cè)板，3 和 6—支撐件，5—未加工齒條模型4—用于固定未加工的齒輪的軸，8—未加工的齒輪模型 圖 3.2 齒輪、齒條加工夾具三維圖側(cè)板，用于固定零件，防止零件在加工時發(fā)生移動；支撐件，用于支撐零件，防止零件在加工過程中發(fā)生彎曲變形，減輕軸的壓力，保證加工的零件精度。未加工的齒條模型，用機床普通壓板固定。上述成形齒輪齒條時夾具存在一定的不足：無法適應不同內(nèi)徑的齒輪加工，加工不同內(nèi)徑齒輪時，需要更換夾具；加工齒輪時無法轉(zhuǎn)動，致使加工齒輪的過程較為麻煩，需要進行改進。改進的齒輪加工模型圖如圖 3.3 所示，為了適應不同內(nèi)徑軸的加工，采用階梯軸進行固定；為了使裝夾更加方便，采用三角卡盤與頂尖的固定方式，同時可以在三爪卡盤出添加電機，以滿足滾打輪與被加工件的相對轉(zhuǎn)動；在頂尖與側(cè)板、三爪卡盤與側(cè)板之間采用軸承支撐，減小了摩擦力，降低了對電機要求。111—頂尖側(cè)側(cè)板，2—頂尖，3—階梯軸，4 和 6—支撐件5—未加工的齒輪模型，7—三爪卡盤，8—三爪卡盤側(cè)側(cè)板圖 3.3 齒輪加工夾具三維圖階梯軸—可以適應不同內(nèi)徑齒輪的加工，減少更換夾具所需的時間。改進后的夾具與之前相比，可以適應不同內(nèi)徑齒輪的加工，當加工不同內(nèi)徑的齒輪時，不需要更換夾具，更方便快捷；采用三爪卡盤，頂尖和齒輪，可以實現(xiàn)加工過程中的轉(zhuǎn)動，在三爪卡盤的一側(cè)加步進電機，實現(xiàn)更精準的轉(zhuǎn)動，保證了齒輪的加工精度。但采用此種方法加工，無法阻止在加工過程中齒輪向頂尖側(cè)移動，為了解決此問題，可以在階梯軸靠近頂尖的一側(cè)設(shè)置卡槽，當加工齒輪時，用卡環(huán)固定，防止加工過程中軸承向頂尖側(cè)滑動，或設(shè)置套筒，在加工過程中，用套筒頂住未加工的齒輪，然后用螺釘固定。套筒三維圖如圖 3.4 所示。利用卡環(huán)固定時，安裝卡環(huán)時較為費力，尤其是當階梯軸的直徑越來越大時，安裝卡環(huán)時更為費力；用套筒固定時，當階梯軸很光滑時，利用套筒加螺釘固定時，螺釘與階梯軸是線接觸，造成固定不穩(wěn)定，致使套筒滑動。圖 3.4 套筒三維示意圖123.2 成形絲杠時夾具三維模型設(shè)計初期設(shè)計絲杠加工夾具三維圖如圖 3.5 所示，被加工件 1 由兩側(cè)板支撐，由于加工時被加工件所受的沖擊力較大，導致兩側(cè)板所受的壓力較大，為了減輕兩側(cè)板的壓力，增加支撐件；在加工絲杠過程中，要求滾打輪沿被加工件螺旋移動，這就需要滾打輪與被加工件有相對的角度，為了實現(xiàn)較為準確的角度控制，在絲杠加工時，在冷滾打機床的加工平面上增加角度測量裝置，以滿足在裝配時的角度測量。 1 和 6—側(cè)板，2—未加工絲杠模型，3 和 4—支撐件，5—角度測量圖 3.5 絲杠加工夾具三維圖角度測量—在加工絲杠時，絲杠與滾打輪有相對的角度偏移，用角度偏移可以看出角度偏移的大小。上述加工的缺點：該種設(shè)計方法無法將轉(zhuǎn)動傳入絲杠中致使加工無法進行；無法加工不同直徑的絲杠加工。改進后的絲杠加工夾具三維圖如圖 3.6 所示，改進后的夾具不僅可以適應不同直徑的絲杠加工，三爪卡盤和頂尖的組合使用，使加工時被加工件的裝夾固定更加方便快捷；在三爪卡盤出添加電機，可以滿足絲杠與滾打輪的同步轉(zhuǎn)動，加工時被加工件的移動由冷滾打機床的加工平面帶動夾具移動來實現(xiàn)。131—頂尖側(cè)側(cè)板，2—頂尖，3 和 5—支撐件，4—未加工絲杠模型6—角度測量，7—三爪卡盤，8—三爪卡盤側(cè)側(cè)板圖 3.6 絲杠加工夾具三維圖改進之后與改進前相比，具有以下優(yōu)點：采用三爪卡盤和頂尖固定，可以使用不同直徑的絲杠加工；加入軸承，在三爪卡盤出加步進電機控制轉(zhuǎn)速，可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的控制，使加工更加精確。為了實現(xiàn)被加工件與滾打輪之間存在的角度安裝，對側(cè)板進行了設(shè)計，在夾緊與固定絲杠時，被加工件（絲杠）需要傾斜一定的角度，這對側(cè)板與機床加工平面之間的安裝造成了一定的困難，為了解決這一現(xiàn)狀，側(cè)板與機床加工平面之間的連接孔采用長的方槽代替，在兩者安裝時，側(cè)板與機床加工平面之間傾斜的角度可用螺釘在方槽中的位置彌補，側(cè)板三維圖如圖 3.7 所示。圖 3.7 側(cè)板三維示意圖143.3 成形花鍵時夾具三維模型根據(jù)冷滾打機床花鍵加工原理，設(shè)計出花鍵加工夾具三維圖如圖 3.8 所示，在加工花鍵過程中，被加工件由三爪卡盤固定，在三爪卡盤出添加電機，為其提供動力，實現(xiàn)被加工件與滾打輪的相對轉(zhuǎn)動，為了防止被加工件在加工過程中發(fā)生彎曲變形，在被檢工件與機床加工平面之間加支撐。1—支撐件，2—未加工絲杠，3—三爪卡盤，4—三爪卡盤側(cè)側(cè)板圖 3.8 花鍵加工夾具三維圖根據(jù)冷滾打機床花鍵加工原理，設(shè)計如圖所示夾具，此夾具采用三爪卡盤固定，用支撐增加零件的強度，防止在加工過程中零件發(fā)生變形，在三爪卡盤出添加電機，可以實現(xiàn)被加工件與滾打輪的相對轉(zhuǎn)動。3.4 小結(jié)本章主要是對冷滾打機床多功能夾具進行設(shè)計，根據(jù)冷滾打機床成形齒輪、齒條、花鍵和絲杠的加工原理，設(shè)計多功能夾具。在成形不同類型的工件時，不需要很大程度的拆裝夾具，方便快捷，同時也保證了被成形零件的質(zhì)量，對以后的加工生產(chǎn)具有非常重要的意義。154 夾具主要零部件的有限元分析及裝配4.1 零件有限元分析的概念與作用4.1.1 有限元分析概念有限元分析，英文簡稱為 FEA，是使用數(shù)學近似的方式對幾何與載荷工況模擬下現(xiàn)實生活中的情況。用相互的約束和關(guān)系等元素，就可以用現(xiàn)實生活中的有限數(shù)量的未知量去逼近無限未知量的真實情況 [14]。有限元分析用于使用數(shù)學近似來模擬幾何和負載條件。而且還使用簡單和互動的元素，即單位，可以使用有限數(shù)量的未知數(shù)來近似無限的未知數(shù)量的真實系統(tǒng)。有限元分析是一個簡單的問題來代替復雜的問題，然后解決。它將域稱為稱為有限元的小互連子域，假設(shè)對每個元素進行適當（更簡單）的近似，然后導出域的總體滿足條件（例如，均衡條件的結(jié)構(gòu)） ，以獲得解決問題 [14]。這樣的方案是一個不精確的方案，只是一個近似量，因為現(xiàn)實生活中我們可以用很多簡單問題去解決一個現(xiàn)實生活中的實際的問題。很多現(xiàn)實生活之中的問題由于有很多影響因素，所以都很難得到準確的答案，有限元分析的建立，可以適應很多復雜的情況，而且具有效率高，速度快等優(yōu)點，是工程分析的有效手段。4.1.2 有限元分析的作用有限元分析縮寫：CAE，即計算機輔助工程，主要作用有以下七方面 [14]：1. 可以借助計算機進行輔助設(shè)計，使產(chǎn)品設(shè)計更加合理，節(jié)約了設(shè)計成本；2. 縮短設(shè)計和分析的循環(huán)周期；3. CAE 分析起到的“虛擬樣機”作用，在較大程度上替代了傳統(tǒng)設(shè)計中資源消耗極大的“物理樣機驗證設(shè)計”過程，虛擬機可以模擬產(chǎn)品在一個生命周期內(nèi)的可靠性；4. 可以進行優(yōu)化設(shè)計，使產(chǎn)品設(shè)計找到最佳的解決方法，大大降低了成本，提高了材料的使用率；5. 在產(chǎn)品制造或工程施工前預先發(fā)現(xiàn)潛在的問題； 6. 模擬各種試驗方案，減少試驗時間和經(jīng)費；7. 進行機械事故分析，查找事故原因。164.2 側(cè)板的有限元分析4.2.1 左側(cè)板（頂尖側(cè)）有限元分析冷滾打機床加工零件時，工件受到的瞬時沖擊力約為 3t，經(jīng)計算可知：若沒有支撐件，左側(cè)板受力為 15000N，對側(cè)板進行有限元分析，其分析結(jié)果如圖 4.1所示圖 4.1 側(cè)板有限元分析圖圖 4.1 中對多功能夾具支撐件有限元分析的網(wǎng)格劃分結(jié)果，圖中采用自動劃分，根據(jù)更細致的網(wǎng)格劃分，能更清楚的得出有限元分析的結(jié)果，由此可以看出加工工件時，左側(cè)板所受存在應力集中現(xiàn)象，但它在安全許可的應力范圍內(nèi)，不影響該側(cè)板的安全使用。4.2.2 右側(cè)板（三爪卡盤側(cè)）有限元分析由上分析得知，當冷滾打輪加工工件時，工件受力為 3t，由此可知，右側(cè)板受力大約為 15000N，右側(cè)板的材料為 45 號鋼，對右側(cè)板進行有限元分析，有限元分析結(jié)果如圖 4.2 所示：17圖 4.2 右側(cè)板有限元分析結(jié)果根據(jù)有限元分析結(jié)果可知，右側(cè)板存在應力集中現(xiàn)象，但在許可范圍之內(nèi)，且在加工過程中有支撐件的作用，降低了對側(cè)板的要求，不影響該側(cè)板的安全使用，符合生產(chǎn)需求。4.3 夾具零件進行三維模型組裝與運動仿真使用 Creo2.0 機構(gòu)仿真模塊對機構(gòu)進行運動運動仿真，機構(gòu)運動仿真可以驗證結(jié)合設(shè)計動作的合理性，檢驗機械動作銜接的干涉，還可以研究運動的速度分析?？傊瑱C構(gòu)運動仿真可以為后期的結(jié)構(gòu)優(yōu)化做準備，是結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵部分。機構(gòu)運動仿真的方法步驟：①進入 Creo2.0 裝配模塊 ②定義裝配零件運動副③定義運動副電機④確定運動副電機時間，仿真分析⑤捕捉仿真視頻。對部分零件夾具裝配如圖 4.3 所示：圖 4.3 機構(gòu)約束裝配圖18機構(gòu)運動電機添加圖如圖 4.4 所示：圖 4.4 機構(gòu)運動電機添加圖機構(gòu)運動仿真的首要條件是正確的裝配，機構(gòu)零件的裝配要確定各零件裝配的運動副，如圖 4.3 機構(gòu)約束圖所示，氣缸與氣缸桿活塞的裝配選擇移動副，其他零部件完全約束，這樣才能為后期的運動仿真做準備。定義好了運動副，作為運動仿真，使運動件運動也需要動力，那么給運動副添加伺服電機便是機構(gòu)運動仿真的第二步，如圖 4.4 機構(gòu)運動件電機添加圖，定義各運動副伺服電機。4.4 對夾具整體有限元分析對兩側(cè)板進行有限元分析，側(cè)板可以滿足冷滾打機床生產(chǎn)加工的需要，為了進一步的確保多功能夾具的可靠性，對多功能夾具整體進行有限元分析，絲杠加工夾具分析結(jié)果如圖 4.5 所示。圖 4.5 多功能夾具整體有限元分析19由圖 4.5 可知，絲杠冷滾打成形夾具有應力集中現(xiàn)象，但應力都在許用應力應力范圍內(nèi)，因此可以滿足生產(chǎn)加工的需要。從有限元分析結(jié)果可知，該夾具符合要求。205 結(jié)論與展望在本次對冷滾打機床多功能夾具的設(shè)計中，查閱了大量的國內(nèi)外的冷滾打機床的相關(guān)知識，了解國內(nèi)外的冷滾打機床的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢，確定多功能夾具的研究內(nèi)容，做出設(shè)計方案。深刻了解冷滾打機床成形齒輪、齒條、花鍵和絲杠的加工原理，并根據(jù)冷滾打機床成形不同零件的工作原理，并對其進行分析，構(gòu)思被加工件的夾裝方法及及夾具的夾裝方法。對多功能夾具構(gòu)思，設(shè)計冷滾打機床多功能夾具，分析冷滾打機床加工不同零件時被加工件及夾具的安裝方法，并設(shè)計對多功能夾具時遇到的問題進行解決與優(yōu)化，使多功能夾具越來越符合生產(chǎn)加工的需要。為了確保多功能夾具各零件的可靠性，對夾具比分零件及整體夾具進行有限元分析，觀察分析結(jié)果，確保夾具給部分的安全可靠性；并對夾具進行三維裝配及運動仿真。冷滾打機床多功能夾具的設(shè)計具有以下優(yōu)點：⑴保證加工精度工件的加工過程通過夾具進行定位與夾緊、定位，保證了加工便面的位置精度。⑵縮短輔助時間，提高生產(chǎn)率家具的使用，提高了生產(chǎn)效率。⑶減輕工人的勞動強度，降低了對工人技術(shù)水平的要求，保證了安全生產(chǎn)。展望：但該多功能夾具自動化程度不高，裝夾工件時需要人為手動裝夾固定，后期仍需要不斷優(yōu)化與改進，實現(xiàn)自動化裝夾過程，進一步縮短裝夾固定所需的輔助時間。本次畢業(yè)設(shè)計，是機械專業(yè)很好的工程實踐機會，本課題設(shè)計可以運用豐富的機械原理、機械設(shè)計知識，明確機械設(shè)計的思路，學會機械設(shè)計的方法，定研究設(shè)計方案，到最終的結(jié)構(gòu)設(shè)計，掌握了結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，一款三維設(shè)計軟件Creo2.0，完成冷滾打機床多功能夾具三維結(jié)構(gòu)設(shè)計、機構(gòu)運動仿真、零件有限元分析。總之通過此次設(shè)計，既檢驗了所學的機械知識，又開發(fā)了機械創(chuàng)新思路，還學到了機械設(shè)計方法，熟練掌握一款機械設(shè)計軟件。21參考文獻[1] 孔祥健,張敬沖,姚遠,朱金婷,李言.紫銅材料齒條冷滾打金屬變形行為研究[J].西安理工大學學報,2016,32(04):379-387.[2] 許鑫.一種可調(diào)整夾持力的多功能夾具設(shè)計[J].機械工程與自動化,2017(01):136-137.[3] 梁小明,李言,魏凡智,姚遠,吳學亮,袁啟龍,楊明順.冷滾打成形中滾打深度與回彈規(guī)律的仿真[J].中國機械工程,2016,27(22):3054-3060.[4] 崔鳳奎,凌遠非,薛進學,李玉璽,李言,解克各.花鍵冷滾打成形表層加工硬化研究[J].兵工學報,2017,38(02):358-366.[5] 徐紅玉,劉玉會,卜敏,崔鳳奎.高速冷滾打成形花鍵表面加工硬化試驗[J].鍛壓技術(shù),2017,42(03):165-169.[6] 封靜敏,李言,楊明順,梁小明.摩擦因數(shù)對冷滾打成形件表面鱗紋的影響研究[J]. 機械強度,2017,39(02):347-352.[7] 梁小明,李言,楊明順,袁啟龍,吳學亮,封靜敏,李龍.冷滾打成形件表面鱗紋主要影響因素的仿真研究[J].機械強度,2017,39(03):608-614.[8] 卜祥正.可調(diào)整夾持力的多功能夾具設(shè)計[J].中國設(shè)備工程,2017(12):111-113.[9] 李龍,李言,崔蒞沐,黃賡,楊明順.冷滾打成形力及金屬變形的有限元數(shù)值模擬[J]. 中國機械工程,2017,28(16):1951-1959.[10]李玉璽,李言,崔蒞沐,楊明順,肖繼明,崔鳳奎.絲杠冷滾打成形參數(shù)控制研究[J]. 中國機械工程,2017,28(19):2388-2393.[11]王曉強,劉佳,卜敏,韓坤鵬.冷滾打花鍵表面粗糙度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預測模型建立[J].機床與液壓,2017,45(17):99-104.[12]柴成杰,查敏超,韓正銅.高效多功能銑床夾具的設(shè)計[J].工具技術(shù),2015,49(03):51-52.[13]李玉璽,李言,楊明順,崔鳳奎,何選景.滾珠絲杠冷滾打的齒形理論誤差研究[J].兵工學報,2015,36(08):1594-1600.[14]楊帆,謝歆鑫,陳荷.齒輪冷滾打成形關(guān)鍵技術(shù)及有限元分析研究現(xiàn)狀[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā),2015,34(33):3+5.[15]梁小明,李言,楊明順,袁啟龍,封靜敏,張睿媛.冷滾打成形件表面鱗紋表征參數(shù)的解析及修正研究[J].機械科學與技術(shù),2016,35(04):606-613.22[16]王曉強,王宇,崔鳳奎,李春梅,韓坤鵬.加工參數(shù)對高速冷滾打中擊打力的影響[J]. 河南科技大學學報( 自然科學版 ),2016,37(05):16-19+4.[17]Hongyu Xu,Yanyi Huang,Yuhui Liu,Fengkui Cui. 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