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加工中心夾具是機械制造中一項非常重要的工藝裝備,也是機械加工工藝系統的一個重要組成部分¹^]。對于機械制造企業，提高夾具設計效率和質量，對于縮短生產周期、降低生產成本,提高企業的競爭力具有至關重要的作用^Ul。

如何判斷一款已設計的加工中心夾具的好壞一直是設計者關心的話題。傳統的設計方法周期太長，已不能滿足現在設計的要求。如今各種強大的計算機軟件已為設計帶來了便利。本文以汽車變速箱輸出軸軸頭雙面統鉆組合加工中心的專用夾具為例，對其進行特性分析。首先利用Pre/E三維軟件建立夾具的實體模型，然后利用ANSYSWorkbench進行有限元分析,得到其靜態特性變形圖和前6階振型模態特性圖。通過分析結果可找出原設計中結構的薄弱環節，作為進一步改進的依據³¹。

1夾具實體模型的建立

對夾具進行實體建模是進行有限元分析的第一步，本文中的夾具模型主要包括起支撐作用的夾具體、提供壓緊動力源的液壓傳動裝置、傳力機構齒輪齒條、直接與工件接觸的夾緊元件壓板壓塊以及其他零件。然后將各個零件按著相應的約束進行裝配，組成裝配圖。但這并不能保證裝配的正確性，還必須對裝配好的實體進行運動仿真，觀察裝配體的干涉情況。當檢測到沒有干涉問題時,夾具的實體模型才建立完畢。夾具的實體模型如圖1所示。

2夾具的有限元模型的建立

2.1夾具實體模型導入ANSYS Workbench

當夾具實體模型建立完成后，就可以導人到有限元軟件ANSYS Workbench中進行特性分析。為了節省分析時間，提高計算效率，在導入之前可以對建立的實體模型進行簡化，去掉一吟對整體結構剛度影響較小的結構，例如倒角、圓角、螺紋孔、小直徑孔等^:⁴^]。一般有兩種導人方法：（1)建立Pro/E與ANSYS的無縫連接，從而實現Pr〇/E與ANSYS的數據共享和交換。在Pro/E窗口中直接點擊ANSYS下的ANSYS Workbench按鈕,就可將建好的模型導入ANSYS Workbench中。

(2) 將Pro/E中的模型以實體的形式保存為SAT、IGS/IGES、x _ t/x _ b、Stp/Step 等格式，然后在ANSYS Workbench中打開。本文采用第二種方法。

2.2添加模型材料屬性

材料為結構鋼：彈性模量￡ = 200 GPa,泊松比 /a = 0. 3 ,密度 p = 7 850 kg/m³。

2.3劃分網格

網格的疏密程度直接影響到計算結果的精度，計算結果不再隨網格的加密而改變的密度為理想的網格密度,但是網格加密會增加計算機CPU的計算時間并且需要很大的存儲空間。結合實驗計算機的性能，本文中應用尺寸控制方法M過設置Element Size的參數進行網格劃分。共劃分了 151 103個節點，83 195個單元。劃分網格后的夾具模型如圖2所示。

₃夾具模型的靜態分析

靜態分析是計算不包括慣性和阻尼效應的載荷在結構或部件上引起的位移、應力、應變等^^]。前面已經對導入ANSYS Workbench中的模型進行了材料屬性的設置以及網格劃分，下一步就要對夾具模型施加邊界約束和載荷。施加約束和載荷時，應盡量按照實際工況進行，這樣才能保證計算結果更準確。

根據實際工況需對夾具體下表面施加固定約束，限定其各個方向的自由度，對四個傳力的桿施加位移約束，限制其F軸和Z軸方向的自由度。然后對模型施加載荷約束，在實際工況中,夾具的壓板對工件施加兩種力：一是對工件在銑削時產生的夾緊力,另一種是對工件在鉆削時產生的夾緊力。工況中工件是軸類零件，根據夾具夾緊力計算公式^M計算出鉆削時和銑削時的夾緊力，并比較兩者的大小，得出鉆削時壓板產生的夾緊力比銑削時壓板產生的夾緊力大，故而按照鉆削時壓板產生的夾緊力在壓板的壓頭上施加載荷。分配到每個壓頭上的夾緊力為4742 N,方向垂直于壓頭。最后對設置好約束及載荷的模型進行靜力學求解，得到其總變形分析云圖，如圖3所示。

從夾具模型靜態分析的總變形云圖中可以清楚地看到:在不考慮慣性和阻尼效應的情況下，對夾具只施加壓緊力，夾具變形最大的位置在四個壓板處。因此，這就為設計人員在設計時提供了參考的依據,要注重對于夾具四個壓板及壓頭的改進，從而確保整個設計的合理性。

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結束語：

利用有限元分析軟件ANSYS Workbench對夾具進行三維模型的特性分析，得出了夾具的靜態變形圖以及6階固有頻率和振型圖，找出了夾具設計中的薄弱環節.為下一步的優化設計指明了方向。針對分析的結果,提出以下改進方案。

從一至四階振型圖可以看出，前后兩個壓板壓塊的變形不是同步的，這說明在設計的過程中兩者的受力分布不同，而在設計圖中也可以看出支撐兩壓板壓塊的夾具體并不是對稱的，這有可能影響力的分布，所以要改進夾具體，使其對稱。另外，利用ANSYS Workbench的優化設計版塊對前后壓板壓塊進行優化，計算出兩壓板壓塊的厚度、長度、寬度以及與其接觸的桿的直徑，從而減小在低階頻率下壓板壓塊的變形情況。

在固有頻率增高的情況下夾具模型的缸體也發生了變形,在不影響夾具整體工作性能的情況下，可減小缸體的體積，這也可以利用ANSYSWorkbench的優化設計版塊進行計算。在后續的優化過程中仍需要對改進后的模型進行有限元分析，使設計達到最優化。

基于ANSYS的加工中心夾具的靜動態特性分析

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