冷滚打机床多功能夹具设计

I冷滚打机床多功能夹具设计摘要：冷滚打成形是一种新型的近净塑性成形技术，其具有生产效率高、材料消耗少、加工成本低等优点。但在成形过程中，工件固定困难，导致成形件精度和表面质量难以控制。本文欲设计一款多功能夹具，以保证成形过程中工件的精度和表面质量。分析了冷滚打成形的基本原理，成形过程中，齿条夹具的设计采用普通压板固定于冷滚打机床的加工平面上，齿轮夹具的设计采用两个半截的轴对齿轮进行夹紧与固定，后期为了适应不同内径齿轮的加工，采用阶梯轴对工件进行固定，丝杠和花键成形时工件采用三爪卡盘与顶尖固定，为了满足丝杠加工时与滚打轮的角度要求，增加角度测量装置；为了实现多功能夹具设计，后期对夹具进行中整合。为了检验多功能夹具设计的合理性，对两侧板及整合后的夹具整体进行有限元分析，获得了与冷滚打成形时相同载荷条件下夹具的受力及变形情况，有效的说明了本文所设计的多功能夹具能满足冷滚打成形的需要。关键词：多功能夹具；夹紧与固定；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 录1 绪论 .11.1 目的和意义 .11.2 国内外发展状况 .11.2.1 国外的高速冷滚打机床发展现状及前景 .11.2.2 国内的高速冷滚打机床发展现状及前景 .21.3 研究内容 .22 冷滚打成形零件夹装特点 .42.1 冷滚打成形的基本原理 .42.1.1 齿轮冷滚打成形 .42.1.2 齿条冷滚打成形 .52.1.3 丝杠冷滚打成形 .62.1.4 花键冷滚打成形 .72.2 冷滚打成形零件夹装分析 .82.3 小结 .93 冷滚打机床多功能夹具设计 .103.1 成形齿轮齿条时夹具三维模型设计 .103.2 成形丝杠时夹具三维模型设计 .133.3 成形花键时夹具三维模型 .153.4 小结 .154 夹具主要零部件的有限元分析及装配 .164.1 零件有限元分析的概念与作用 .164.1.1 有限元分析概念 .164.1.2 有限元分析的作用 .164.2 侧板的有限元分析 .174.2.1 左侧板（顶尖侧）有限元分析 .174.2.2 右侧板（三爪卡盘）有限元分析 .174.3 夹具零件进行三维模型组装与运动仿真 .184.4 对夹具整体有限元分析 .195 结论与展望 .21IV参考文献 .22致 谢 .2411 绪论1.1 目的和意义冷滚打技术是一种具有代表性的无污染、精密度高、成形效率高的加工技术。该技术具有高效、材料使用率高、加工成本低等优点，而且可以提高被加工件的表面质量，延长产品的生命周期。但在高速冷滚打成形齿轮、齿条、花键、丝杠过程中，被加工件固定困难，导致加工成形的工件精度和表面质量难以达到需求，为了解决这一问题，设计高速冷滚打机床多功能夹具，以保证加工精度和加工质量。本设计的主旨在于设计一种冷滚打机床多功能夹具，对在加工过程中的工件进行夹紧与固定，设计此系统需要对冷滚打机床成形技术的基本原理、工作方式等有所理解，并对三维软件有熟悉的运用。设计多功能夹具在冷滚打成形过程中可以对工件进行有效的夹紧和定位，保证工件的成形精度，缩短辅助时间，提高生产率以及夹具的使用率，减轻工人的劳动强度，降低了对工人技术水平的要求，保证了安全生产。通过设计本课题，要对冷滚打成形基本原理由深刻的认识，多功能夹具的设计，为以后冷滚打机床成形齿轮、齿条、花键与丝杠等齿形打下基础，多功能夹具的使用，保证了被加工件的表面质量，减少了夹装固定的时间，提高了冷滚打机床的成形效率。例如在设计设计多功能夹具时，要根据零件的不同和冷滚打机床的原理，对零件进行定位与夹紧。这对冷滚打成形零件具有非常重要的意义。1.2 国内外发展状况1.2.1 国外的高速冷滚打机床发展现状及前景冷滚打机床作为众多机床中的之一，国内外对其的研究历史已久，最早的时间可以追溯到 1940s 年代，其主要研究内容为：如何提高轮齿的成形质量。历经百年之久，一种为 WPM1方法被波兰的研究学家创立，在该方法中为了将零件的齿形包络出来，我们用一对扇形的齿轮的成型加工工具使其围绕两个轴旋转运动，最终加工出零件的齿形。众多研究表明：为了延长刀具的使用寿命，可以减小刀具与零件之间的相对加工速度和接触面积。在冷滚打机床的发展中，国外的发展较为前列，具体的发展成就有三个公司，其中主要包含一下几个方面：随着冷滚打机床的发展，Ernst 2公司提出了机床加工时可以结合花键等定位件加工，并且2得到了 Smirnov-Alyaev.G A3等众多科学家的数据分析以及认证，确立了花键冷滚打的加工可行性，从研究的分析中可以获得变形程度以及应力分布不均匀以及复杂性的数据分析报告 4。针对滚打轮的安装倾角问题国外科学家采用添加止推环使得滚打轮与滚压头的联结处形成倾斜平面，从而提高零件的加工精度。随着科学技术的进步以及零件批量生产的要求，Kurz. N 5公司利用有限元分析以及高速运转下的塑性变形建立加工零件的加工模拟和仿真模型，并且通过相关的应力应变值对比，确认了仿真模拟的可行性。研究国外的冷滚打机床发展历程后，随着加工零件技术要求的不断提高，对其加工机床也提出新的挑战和给予。1.2.2 国内的高速冷滚打机床发展现状及前景在国内的高速冷滚打成型技术的研究中，我们主要的研究成果体现在冷滚打加工方法、设计理论以及加工时的运动分析方法。在国内产品的加工过程中，我们都没有掌握关键的技术，因此国内的高速冷滚打成形技术发展较慢，产品的使用性能较差。近年来国内只有少数企业引进了较为先进的花键高速冷滚打加工，这对于我国研究其机床的结构以及运动提供先进的研究价值。使得我国的冷滚打工艺有经济效益方面的进步和提高。在花键高速冷滚打技术的研究中，花键的成形仿真发展较为迅速，最开始时科学家采用有限元分析对于 花键高速冷滚打过程进行了模拟，并且针对花键轴前端塌陷进行了力学分析，但是我们对于机床的研究也只限于经验知识的储备。随性和科研力量的增强以及技术的进步，我们逐渐完成渐开线花键高速冷滚打运动关系及数学模型 6，并且从宏观的角度总结金属流动规律和变形机理。所有的研究为我国后期对于冷滚打丝杠研究有了进一步的理论支撑，随后我们经过实际的生产中验证金属流动最小阻力定律，并且建立基于 ABAQUS 的有限元模型，由此了解机床的变形力随着时间的变化程度。近几年中，在滚打轮 CAD 系统的发展中，我们使得滚打轮磨削仿真系统以及滚打轮廓形设计模型的相结合的同满足生产的实际性以及经济高效性。1.3 研究内容本文根据冷滚打成形的特点，针对成形不同工件时夹装困难的问题，设计一种多功能夹具，使其适用于多种冷滚打成形零件的定位与夹紧，提高了夹具的使用率，同时提高了冷滚打成形零部件的生产效率。主要内容有： 1) 根据冷滚打成形的基本原理，分析了冷滚打成形的特点，及成形过程中零件夹装存在的困难。32) 根据冷滚打机床成形工件的原理及特点设计能同时对齿轮、齿条、丝杠和花键进行夹装的多功能夹具。3) 对夹具主要零件进行有限元分析、三维模型组装与运动仿真。42 冷滚打成形零件夹装特点2.1 冷滚打成形的基本原理2.1.1 齿轮冷滚打成形齿轮冷滚打成形是采用了 3 个沿螺旋线均匀分布的滚打轮对被加工件进行不连续循环往复高速度的运转击打，从而最终形成局部加载的多点累积变形的成形方法，齿轮冷滚打的成形过程具有接触时间短、速度快、冲击力大、大变形等特点。对冷滚打成形齿轮夹具进行设计，冷滚打成形齿轮原理如图 2.1 所示。它是将 3 个沿着螺旋线均匀分布滚打轮安装在打头座上，且每个滚打轮可以环绕自身轴线做自由转动，从而带动滚打轴进行高速旋转，当打头座每旋转一周，齿坯将会被 3 个滚打轮依次进行高速度的击打，而在毛坯与滚打轮接触的瞬间，能促使滚打轮做自转运动的是滚打轮与工件之间的摩擦作用力。因此滚打过程中，在摩擦作用力的带动下打头轴每转动一周，工件分度为一个齿；当工件转过完整的一周时，打头轴轴向移动距离为 V。陈雨沼 14用 C 语言对 PRO/E 进行软件二次开发，完成了对齿轮冷滚打运动学仿真插件的设计；运用 MATLAB 软件对仿真结果进行处理，得到成形齿廓与标准齿廓之间的误差。同时对滚打轮的公转半径及滚打轮直径对廓形的影响规律进行研究分析。利用自制的滚打轮在 Y3150E 型滚齿机上进行了齿轮冷滚打实验，实验对仿真结果进行了有利验证。杨帆等研究了铜齿轮冷滚打成形过程中温度的分布 18。图 2.1 齿轮加工原理5因此，冷滚打成形齿轮的过程主要靠的是固有塑性的材料，在被成形工件与滚打轮之间具有不同步运动的时候，滚打轮通过不连续的往复运动对旋转的被成形件进行快速打击，而在毛坯与滚打轮接触的瞬间，滚打轮依靠滚打轮与被成形工件之间的摩擦力做自转运动。2.1.2 齿条冷滚打成形齿条冷滚打的成形和我们经常见的具有切割加工的齿条有很大的不同，齿条冷滚打的工作原理如图 2.2 所示。它充分利用了自身具有塑性的齿条毛坯，采用特别定制的齿条外廓以及快速旋转的滚打轮来对齿坯进行打击和持续不断的滚压，从而在齿坯表层形成一种塑性流动，最终获得我们所需要的齿廓形。当三个滚打轮在芯轴的作用下被均匀的安装在支撑轴上的时候，就可以绕自身的轴线去转动。而中心主轴把支撑轴带动的做高速度旋转的时候，就达到了滚打轮的公转运动。在滚打轮与工件不产生相互作用的时候，滚打轮只做公转运动；当滚打轮与工件相互作用的时候，滚打轮和齿坯之间会有摩擦力的产生，这时滚打轮会进行自转，而工件的作业速度和两者相互作用的摩擦力来确定滚打轮的自转速度的大小，滚打轮与被成形工件之间没有相对运动，使滚打轮的使用周期大大延长，同时也提高了齿条表面的加工质量。赵晓明 1采用自行设计的齿条冷滚打专用装置在逆打和顺打方式下，从工作效率、工件的表面质量、综合经济效益等方面进行对比分析。在卧式铣床改造的冷滚打设备上进行齿条冷滚打实验，验证了仿真结果的正确性，同时分析了实验中出现的表面缺陷。袁启龙，杨明顺，李玉玺等对块体材料冷滚打过程中产生的变形力进行了研究，分析了块体材料冷滚打变形过程中变形力的变化情况及各工艺参数对变形力的影响规律，并用冷滚打实验验证了仿真结果的正确性 23。张璐等 14运用主应力法对变形力进行了解析求解，并应用仿真软件对其进行数值仿真，最后通过实验进行验证及对变形力进行测量。图 2.2 齿条加工原理62.1.3