利用有限元法預測夾具系統(tǒng)的工件變形 Shane P. Siebenaler, Shreyes N. Melkote* 喬治 W伍德拉夫機械工程學院，技術，亞特蘭大， GA 30332-0405 ，美國佐治亞理工學院 Received 25 August 2004； accepted 7 April 2005 Available online 23 May 2005 摘 要 裝載工件夾具系統(tǒng)引起的工件變形的知識是重要的，以確保質量的一部分生產。合適的方法，準確地預測這種變形是必不可少的裝置的設計和操作 。在這方面 ,有限元模型已被廣泛應用于然而 ,這些研究普遍忽視遵守的作用夾具工件變形體。也缺乏知識是不同的有限元模型參數(shù)的影響工件變形。本研究采用有限元分析（ FEA）模擬工件夾具系統(tǒng)，并探討影響遵守夾具工件變形體。此外 ,某些有限元模型參數(shù)對預測的影響精度還審查。FEA 模型預測工件變形和定位反應部隊的實驗驗證，在 5 的實驗數(shù)據(jù)顯示協(xié)議，在這項研究中分析的工件夾具系統(tǒng) ,結果發(fā)現(xiàn) 98 系統(tǒng)符合被捕獲建模工件和夾具的接觸技巧。余下的變形發(fā)生在其他夾具元件。各種夾具模型的精度和計算時間的權衡。 關鍵詞： 夾具工件系統(tǒng) ；有限元分析 ；變形 1. 介紹 分析裝置的方法是必不可少的實踐加工和經濟學，尤其是能力模型。準確預測工件變形誘導夾具負載或預測未知的夾具工件。接觸力是關鍵設計功能的裝置。最常見的用于建模和分析方法。夾具 - 工件系統(tǒng)包括剛體方法 ,聯(lián)系力學為基礎的方法和有限元建模方法。這些建模方法 1-3 是無法通過的定義預測工件變形，因此不適宜夾具對零件質量的影響分析。 聯(lián)系力學的方法 ,雖然從一個具有吸引力，計算努力的立場 ,零件可以是有限的，近似為彈性半空間。這種方法能夠準確地預測未知，定位反應部隊和本地化的接觸變形 4 - 6。然而 ,他們不適用兼容的零部件。另一方面，有限元模型是非常強大的，會計能為所有符合和非線性系統(tǒng)中存在。雖然利用有限元模型已 beenwidely文獻報道，受雇于在實踐中 ,明確了不同的作用的認識 .預測精度對工件的夾具符合變形是缺乏。也是知識的影響 .不同的有限元模型參數(shù)對工件變形缺乏。 在應用中的一個共同的假設的有限元分析（ FEA）分析工件夾具系統(tǒng)是夾具 是完全剛性的，因為它是遠遠高于圍追堵截。在許多應用中的工件。在大多數(shù)這種情況下 ,是仿照工件夾具的位置和節(jié)點聯(lián)系被完全抑制。這一提法普遍被稱為單點接 觸 7-12 。夾具元件不允許帳戶模型遵守夾具和忽略摩擦接觸效果夾具和工件之間，其他研究人員 13-16 利用線性彈簧，近似夾具部件的剛度。然而 ,這種方法需要剛度測量或近似 ,添加時間和引入潛在的錯誤分析。 最近的工作 17-19 探索的表面使用接觸單元。這種做法使摩擦為藍本的影響。這種方法被用于本文報道的工作等。 17 使用有限元分析接觸單元來模擬多接觸夾具系統(tǒng)。然而 ,沒有調查摩擦的影響嚙合參數(shù)的結果 18,19。工作僅限于一個單一夾具 - 工件接觸。更多重要的 ,這些研究中沒有分析的 貢獻夾具的身體符合整體變形。 本文探討各種有限的影響元建模參數(shù) ,如摩擦和網密度工件變形。除了造型工件和夾具的秘訣 ,是常見的的效果。如支持符合其他夾具元件塊底座工件變形等也是檢查工件變形的有限元分析預測實驗驗證和定位反應。 2夾具 - 工件系統(tǒng) 在這項研究中使用的工件夾具系統(tǒng) .包括限制在一個 3-2-1夾具布局塊空心的矩形截面壁厚。如圖。 1。鋁 6061- T6 （ EZ70 GPA,新西蘭 .0.334）工件測量 153毫米， 127毫米， 76 毫米 .并有一個固定的壁厚（圖 1 噸）從 6.至 10 毫米。兩個夾子采用按 工件對六個定位：三個主平面上 ,上的兩個輔助平面 ,第三平面上。球形和平面硬化 AISI 1144鋼（ EZ206 GPA,新西蘭 .0.296 ）與黑色氧化處理的夾具技巧被用來定位和夾緊工件。 3模型開發(fā) 有限元模型構建使用 ANSYSw.版本 5.7。實體模型組裝的棱柱塊夾具提示。系統(tǒng)中的所有組件為各向同性彈性體建模。夾具的秘訣顯示圖。 2 無論是平面建模作為氣瓶 .（夾具和定位圓形接觸面積的 60和 127 mm2的分別）或球（ 35毫米的曲率半徑）結束上限。平面和球面提示軸向長度分別為： 6.4 和 10.2 毫米 , 10 節(jié)點的四面體 .元素SOLID92用于所有實體網格。 工件和夾具之間的接觸進行了數(shù)值模擬使用二次曲面表面接觸 .元素 TARGE170 和CONTA174 。恒定的靜態(tài)摩擦系數(shù)是用來建立聯(lián)系的屬性在接口。到模擬地方的定位器 ,每個定位器尖端對面的表面接觸被限制在所有三個平移度自由。適用于一個均勻分布的壓力超過雙方夾相反的接觸面模擬所需的鎖模力 工件變形 ,分析了隨后的章節(jié) ,被發(fā)現(xiàn)在兩個點上工件。這兩點正方向 DC1 和 DC2,如圖。 3點的選擇 .根據(jù)工件的位置，經歷了因為要夾緊大部分變形。 3.1 摩擦系數(shù)的敏感性 Satyanarayana 18 進行的實驗室測試 .相同的工件夾具系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)平均靜態(tài)和工件之間的摩擦系數(shù)為 0.18 （米）夾具的提示。在實驗范圍內的平均值從 0.15至 0.25 。為了測試摩擦的影響 .工件變形預測 ,有限元模型構建工件壁的厚度 6-10毫米在前面所述的夾具抑制。頻譜從 0.15到 0.30 m的測試結合各種墻體的厚度。變形摘要結果列于表 2 。 3.1的平均差異在變形預測中被發(fā)現(xiàn)為一米的變化 0.05。這些結果表明，在小的變化的影響對工件變形的摩擦系數(shù)相當小。 3.2 治療的主要平面定位 構 建了一系列車型確定主平面定位的影響。對于正確 .設計的 3-2-1布局，工件旋轉阻止 ,三個主要采取的正常負荷平面定位工件的重量。摩擦這樣一個小負載所產生的力量往往相形見絀更大的夾持負荷。進行了分析，確定是否必須在這些定位器的摩擦效應占建模方法。 兩套邊界條件被應用到塊與壁厚 7,8,9毫米。第一組 ,案件一 ,包括所有三個主要的飛機受到定位 .先前所描述的表面到表面的接觸邊界條件。被指定為 M 值 0.18 。 第二個配置 ,案例 B,刪除了所有三主平面定位，只是抑制了在翻譯的工件表面底部 z方向。 表 3給出了一個結果摘要。有限元 分析結果顯示，預測變形之間的不同兩個邊界條件設置由平均只有 1.31 。這小的沖擊，使有限元分析的底部定位無主平面定位將建造的模型從而節(jié)省了大量的計算時間。這個（案例 B ）邊界條件設置使用的只有 77和69 。完成平面模型的計算時間和球技巧 ,分別遺漏的三個加上主平面與制約的底部定位 .工件表面是用于配置隨后模型。應當指出，這逼近未必有效加工負載時還考慮到。 4網格密度的影響 雖然一些公開發(fā)表的文獻使用的有限元分析分析工件變形 ,嚴謹?shù)膶W風的影響夾具，工件建模的網格密度符合缺乏。在確定的一個關鍵因素本次調查 的適當有限元模型是選擇理想的網格密度?？赡軙a生一個粗網格不準確的結果。然而 ,可能是太細網狀不必要的以及計算成本為本研究 ,SMRT 的智能網格功能 ANSYSw 利用構建了堅實的網狀。離散值從 1 （最密集的網狀）至 10 （至少密集目）被分配到各種固體部分。寬組合夾具和工件網格譜 .大小來確定最佳網目尺寸。為了測試結果的準確性 ,變形工件 ,DC1和 DC2,在兩個夾子的位置是計算。 實驗結果被用來作為基準評估模擬結果的有效性。測試夾具與尺寸相同的模型構建。這項研究的工件的壁厚均勻 .7毫米。夾具元件固定 15毫米 .厚鋼板底座 。上螺紋夾具提示主要飛機直接被擰成底座。 擰入鋼支撐塊等定位在打開每個固定在底板上，通過四個螺栓兩個定位銷壓接。 兩個夾子 ,同樣被固定在通過鋼支撐塊底板 ,驅動由液壓手動泵。鉗驅動的順序影響工件的撓度為由 otherresearchers顯示 20,21，作者在以往的工作 22。然而 ,在目前的研究 ,兩個夾子同時由一個單一的液壓泵驅動。被視為驅動倍差異的兩個夾子是微不足道的。在每一個點的變形使用電渦流探頭測量。改變目標補丁的磁性檢測通量傳感器數(shù)據(jù)轉換為位移值采集系統(tǒng)。超過五年的平均變形結果表 4給出每個尖端和負 載對試驗。測量標準偏差為 0.43毫米。 5和 6之間的百分比誤差 .實驗測量值和有限元分析結果平面和球形尖端案件 ,分別。圖 250鉗 1 N 在負載的情況下，球形和平面 .提示給每個墻厚度測試。類似的趨勢被發(fā)現(xiàn)在 2鉗變形，以及為加載 350 N。作為描繪在圖 ,工件的網格密度對模型精度的主導作用。粗糙的網格密度可產生高達 20 的錯誤結果。然而 ,圖中可以觀察。 6影響結果的準確性夾具尖上的網格密度要少得多。 工件和夾具 SMRT的密度水平平面的情況下 ,提供最準確的結果 ,為五，兩 ,分別。沒有有限元網格密度比這個組合改變預測的 變形。對球形尖端案 ,1 SMRT的網狀 6個密度水平工件和夾具元件 waschosen 。表 5 總結了這些結果。由于表表演 ,有限元模型提供解決方案指定的網格密度小于 5 的誤差水平。選定的網格密度，適用于所有隨后的分析。元素屬性摘要選定的網格密度水平相對應的是載于表 6。 5驗證選定的網格參數(shù) 一般的有限元網格的有效性以上參數(shù)獲得工件夾具系統(tǒng)成立由申請到一個相同的網格指引不同的負載壁厚組合。相同的在第 4節(jié)被用作實驗裝置。塊的壁厚是 8毫米和375列印夾緊負荷被利用。表 7給出了相應的實驗有限元分析結果。正如上 表所示 ,有少有限元分析與實驗值之間的誤差超過 5 ,從而確立了選定的網格充足為給定的工件夾具系統(tǒng)的參數(shù)。 6反應力預測 另一點是利益之間的反作用力 .定位和工件。反應部隊的知識重要的是確保系統(tǒng)的穩(wěn)定和平衡。使用所示的設置了一系列的實驗運行圖 4 ，以確定在 1-3定位器反應部隊。壓力敏感（富士前級）薄膜被用來在每個三個定位工件的接觸，以產生一種顏色烈度圖。個人圖像映射到 .密度陣列通過回歸分析，以確定接觸壓力 23 。印記的地區(qū)被發(fā)現(xiàn)使用照片編輯程序 ,導致的決心反應部隊。網格參數(shù)在第 5 和建立的 0.18were 摩擦系數(shù)用來預測反應部隊，在同一地點。表 8給出了分析結果?？梢钥闯觯瑥谋碛邢拊治龅念A測是在 5 的實驗值，從而進一步驗證模型。 7夾具身體遵守的影響 在前面的章節(jié)中所描述的模型只用了考慮到工件和夾具的秘訣。最夾具公布的分析認為是剛性夾具相比，由于其相當高的剛度工件。從而 ,這些研究沒有模擬夾具本身并不能占到任何的變形效果夾具元件。本文 ,然而 ,尋求探討夾具遵守的貢獻的整體工件變形預測建模各種夾具要素。組件除了接觸提示仿照夾具支撐塊 ,底座 ,和鉗支持所示圖 7。一系列車型納入構建這些組件的各種組合。 支持 塊和底座構造堅實的棱形塊匹配那些在尺寸物理設置。支持塊有尺寸 63.5 毫米， 50.8毫米， 73.8毫米。鋼底板尺寸 305毫米， 305毫米， 15毫米。平面和球形尖端夾具元件尺寸相同前面提到的文件。夾具提示建模為固定支撐塊通過的 vglue 命令的ANSYSw 。同樣是支持塊 .貼于底板和螺栓和銷釘孔 werenot 藍本。模型，包括底板使用。 vglue 命令追究主要平面定位元素板。對于包括支持塊模式，但不是底座 ,塊的底面限制自由，所有這三個平移度模擬被牢牢地固定在底板上的塊。為藍本的固體圓柱鉗支持氣瓶只能沿軸的翻譯夾緊力 。所產生的夾緊壓力液壓泵是仿照作為一個均勻分布整個區(qū)域的壓力鉗背面。 FEA模型工件壁的厚度 7,8,和 9毫米，用于分析。加載條件使用表 5中的相同。工件變形也被評估在相同的位置網格密度的研究。平面尖端案件的結果在表 9給出。 2的預測誤差 ,平均超過負荷條件和變形位置 ,是給予包括各種夾具元件的有限元分析模型。表中還給出了計算時間 .含夾具的技巧和模型相對工件。這是顯而易見的，造型的額外個別夾具元件提高了精度有限元只有輕微。完整的夾具模型顯示模擬結果的顯著改善 ,屈服結果在實驗值的 1 。然而 ,完整的模型需要 653 的計算時間需要的只是工件和模型夾具的提示。對于球形提示夾具 ,建模夾具元件沒有改善的準確性結果。 額外的夾具元件建模了更準確地反映夾具，工件為平面接觸的情況下的相互作用。變形燈具本身 ,而小的比較工件 ,影響整體系統(tǒng)符合。有限元分析表明， 2.4 的測量變形。 實際上變形的夾具。仿真結果表明：遵守夾具的 22.7 發(fā)生在提示其余 77.3的支持系統(tǒng)。從而 ,原模型只包含工件和夾具提示捕獲 98.1 的整體系統(tǒng)符合。 7.1 支持塊遵守的意義 進行了分析，看到在如何改變夾具遵守改變整體系統(tǒng)的初始配置夾具 模型以及作為案件的支持塊有不同的深度 e,被運行。最初的深度 ,D0的 ,如圖。 8。圖 9地塊的百分比在發(fā)生系統(tǒng)變形夾具本身的各種歸 D 的值，這將是預計更薄塊量比較大的偏轉的 ,把更多的變形夾具。這假設被證實的陰謀。 8結論 本文側重于影響因素利用有限時，工件變形的預測有限元方法。特別 ,它分析的影響如接觸不同的有限元模型參數(shù)摩擦 ,網格密度和夾具機構遵守有關預測工件變形。 實驗驗證。模擬研究表明，模型工件和夾具的接觸面到面的基礎上 .接觸單元可以預測工件變形和反應部隊，在實驗值的 5 。網密度的工件被認為是更重要 的模型的準確性比夾具尖端密度。為夾具本文分析了工件系統(tǒng) ,所有超過 98 變形系統(tǒng)可以捕獲包含模型。 工件和夾具的提示。余系統(tǒng)的變形，是目前在夾具本身。 遵守捕捉建模整個夾具身體。然而 ,一個完整的夾具模型需要超過 6倍的計算時間。 9.致謝 這項工作是由部分由卡特彼勒技術中心和一個從格魯吉亞的配對補助金研究聯(lián)盟。 10.參考文獻 1 Y.C. 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