夹紧力的施加顺序对薄壁机匣件装夹变形的影响

航空发动机机匣是典型的复杂薄壁件,具有尺寸大、壁厚小和零件的结构刚性较差等特点。为了保证工件加工过程的顺利进行,通常需要采用多个夹具。当夹紧元件对工件施加夹紧力时,由于施加夹紧力的顺序不同可能导致定位元件、夹紧元件与工件接触处发生变化,从而使工件变形。以航空发动机薄壁机匣件为研究对象,利用数学建模的方法分析夹紧力的施加顺序与工件产生变形的关系,建立有限元装夹模型,进一步分析对其变形的影响,运用实际装夹试验验证有限元模型的准确性。结果表明,施加夹紧力的顺序对薄壁件的装夹变形存在明显影响,且对与夹紧力直接接触表面的变形影响较大。     

基于有限元方法的陀螺框架装夹变形分析

基于ANSYS建立了陀螺框架装夹变形的有限元分析模型,对工件装夹方案、夹紧位置与变形的关系以及夹紧力与变形的关系进行了仿真优化分析。基于有限元分析结果,给出了最优的装夹方案、夹紧力的大小范围和施加位置。这种基于有限元的工件装夹变形分析方法对夹具的设计有一定的指导意义。     

弱刚性零件夹紧顺序禁忌搜索优化方法研究

对于弱刚性零件精密加工而言,夹紧顺序对加工精度有很大的影响.针对夹具元件的夹紧顺序优化问题,建立了夹紧顺序与工件-夹具系统变形量之间的数学模型,并将夹紧顺序作为设计变量,基于禁忌搜索算法,对夹紧顺序的选择进行优化,达到减小夹具-工件系统的变形的目的,并给出实现所提方法的夹紧顺序优化的具体实例.结果表明,该方法对夹具元件夹紧顺序的合理选择有指导意义.     

基于多岛遗传算法的薄壁齿圈装夹变形优化研究

针对薄壁齿圈装夹时装夹变形的问题,对夹具元件的结构参数和施加的夹紧力进行了优化,提出了采用多岛遗传算法对夹具结构参数和夹紧力的同步优化方案。通过ABAQUS软件对齿圈装夹变形进行了有限元分析,得出了变形量,将ABAQUS软件优化算法在Isight中进行了集成;以装夹变形量最小为目标函数,装夹过程中夹紧力和夹具结构参数为变量,通过多岛遗传算法对薄壁齿圈夹紧力和夹具结构进行了同步优化,得出了使薄壁齿圈装夹变形最小的夹紧力及夹具结构参数。研究结果表明:优化后装夹变形量减小93.38%,有效地降低了因夹紧力施加不当以及夹具结构不合理引起的变形,对于后续的加工精度有了明显的改善,验证了多岛遗传算法对于齿圈装夹变形优化的可行性。     

平口虎钳装夹下零件受力分析和变形控制

平口虎钳装夹是机械铣削加工中最常用的一种装夹方式.这种装夹方式简便、通用性强,但是在夹紧过程中容易导致零件弯曲变形,特别是厚度薄、宽度大的零件.文中主要分析平口虎钳装夹下钳口和铣刀对零件的作用力,以及这两种力的相互关系,探讨了在平口虎钳装夹下影响零件变形的因素和控制零件变形的措施.     

基于神经网络与遗传算法的薄壁件多重装夹布局优化

在多重装夹元件装夹过程中,由于装夹顺序、夹紧力、定位元件位置等装夹布局参数的不同,薄壁件的装夹变形程度也不一样。单个装夹布局参数引起的工件装夹变形规律能够通过有限元方法获得。但是,若同时考虑多个装夹布局参数的影响,仅仅利用有限元方法难以揭示装夹布局参数与装夹变形之间的关系。为此,针对薄壁件的装夹布局方案建立三维有限元模型,以便利用有限元法获取神经网络的训练样本。借助神经网络的非线性映射能力,通过有限的训练样本构建装夹变形的预测模型。以减小工件的最大装夹变形为目标,并根据每一代装夹布局中工件的最大装夹变形定义个体的适应度,建立装夹布局方案的优化模型及其遗传算法求解技术。试验结果表明,网络预测值与相应的有限元仿真值、试验数据之间的相对误差均不超过3%。提出的基于神经网络与遗传算法的装夹变形"分析-预测-控制"方法,不仅能够提高装夹变形的计算效率,而且为薄壁件装夹布局方案的合理设计提供基础理论。     

薄壁件加工变形控制快速仿真平台开发

为控制薄壁件装夹变形和加工变形,建立了集装夹优化、加工变形预测、切削参数优化及误差补偿功能为一体的快速仿真平台.在平台实现中,装夹方案的优化采用基于形位公差控制的方法,通过多种装夹方案的比较,确定优化方案.加工变形预测时考虑了前-层变形对后-层切削深度的影响,并使切削力和加工变形达到动态平衡.为获得优化切削参数,建立了以变形控制为目标的优化模型.采用有限元法计算加工变形,采用遗传算法求解优化模型.为解得优化补偿量,仿真时考虑了变形与力的耦合效应.完成了基于ABAQUS的快速仿真平台开发.以镜座零件为例进行仿真,求得了优化的装夹方案和切削参数,验证了平台的可行性.     

基于TOPSIS和MOEA/D的装夹布局方案规划方法

作为整个夹具设计中最为复杂和抽象的环节，装夹布局方案的规划直接影响着工件的加工质量、生产效率和制造成本。为此，在前期关于基于层次分析法与定位确定性的工件定位方案规划算法的研究基础上，进一步建立了一种基于逼近理想解排序法(TOPSIS)和基于分解的多目标进化算法(MOEA/D)的夹紧方案设计方法。首先，通过建立选择夹紧表面的层次结构模型，提出了计算候选夹紧表面贴近度的TOPSIS方法。其次，考虑到工件稳定性和装夹变形的双重因素，建立了同时满足夹紧阶段和加工阶段的装夹布局多目标优化模型，在利用切比雪夫方法对多目标函数进行正对性分解的基础上，构建了夹紧方案多目标优化模型的MOEA/D求解方法。最后，利用建立的方法设计出非规则零件钻孔用的装夹布局方案，并与现有夹具结构方案进行对比和分析，结果表明设计方案与现有方案完全吻合。基于TOPSIS和MOEA/D的夹紧方案规划算法易于编程实现，既能为任意工件合理地规划出夹紧方案，也能为计算机辅助夹具设计系统的开发提供理论支持。     

多件装夹铣具的夹紧力计算

铣削较小工件常采用多件装夹铣具,如图1所示就是利用夹具弹性变形来同时夹紧4个如图2所示零件的铣具。铣具被安装在卧式铣床上,用两把三面刃铣刀一次将零件加工到尺寸13±0.09,夹具的结构如图1所示。该夹具装夹方便,夹紧力分布合理(两处同时压紧),夹具的设计参数及作用于扳手的力都恰到好处,因此该夹具使用起来省力,零件也被夹得牢固。设计该夹具主要技术问题是要对夹紧力进行计算。本文将对夹紧力作用于扳手的力的计算作详细介绍。 一、夹具的作用原理 首先将零件分别装入夹具中,操作者用扳手作用于右牙螺母齿轮上。右牙螺母齿轮6转动并沿右牙螺     

弱刚度工件夹紧顺序与夹具布局的同步优化

针对弱刚度工件在定位、夹紧过程中易变形的问题,建立了夹紧顺序与接触力及节点位移增量之间关系的数学模型,给出了各夹紧步骤中工件夹具系统的静力平衡方程;在此基础上,根据最小余能原理及库仑摩擦定律,构建了装夹方案优化模型,提出了基于遗传算法的夹具布局与夹紧顺序同步优化方法。算例结果表明,该方法有效降低了由于装夹所引起的工件变形。提高了加工精度。     

Computer-Aided Fixture Design Verification. Part 3. Stability Analysis

In fixture design, a workpiece is required to remain stable throughout the fixturing and machining processes in order to achieve safety and machining accuracy. This requirement is verified by a function of the computer-aided fixture design verification (CAFDV) system. This paper presents the methodologies of fixturing stability analysis in CAFDV. A kinetic fixture model is created to formulate the stability problem, and a fixture stiffness matrix (FSM) is derived to solve the problem. This approach not only verifies fixturing stability, but also finds the minimum clamping forces, fixture deformation, and fixture reaction forces. The clamping sequence can also be verified with this approach.     

基于力的存在性与可行性的夹紧力变向增量递减规划算法

根据工件的静力平衡条件与工件-装夹元件之间接触力的方向约束,建立工件装夹方案的力学模型。进一步结合线性规划技术,构建力的存在性分析模型及其求解方法,实现夹紧力是否有解的判断。针对夹紧力有解这一条件,由装夹方案力学模型与线性规划技术推导出力的可行性分析模型及其判断标准,实现给定的夹紧力是否合理的判断。考虑夹紧力的取值范围,以一定步长正向从最小值开始取值,根据当前值与上一次取值之间可行性的差异,确定下一次取值的步长及其方向;若可行性相同则以相同步长继续正向取值,否则以一半步长、反向取值,直至步长的绝对值在阈值范围之内,构建夹紧力变向增量递减的规划算法。该算法将连续型的夹紧力设计问题转化为离散型,不仅利于计算机实现夹紧力的自动化设计,而且还适合于形状复杂的工件。     

A combined contact elasticity and finite element-based model for contact load and pressure distribution calculation in a frictional workpiece-fixture system

Contact forces between workpiece and fixture define fixture stability during clamping and influence workpiece accuracy during machining. In particular, forces acting in the contact region are important for understanding deformation of the workpiece at the contact region. This paper presents a model that combines contact elasticity with finite element methods to predict the contact load and pressure distribution at the contact region in a workpiece-fixture system. The objective is to determine how much clamp forces can be applied to generate adequate contact forces to keep the workpiece in position during machining. The model is able to predict the normal and tangential contact forces as well as the pressure distribution at each workpiece-fixture contact in the fixturing system. Model prediction is shown to be in good agreement with known industry practice on clamp force determination. The presented method has no limits on the types of materials that can be analyzed.     

基于表面网格离散化与遗传算法的复杂工件装夹布局规划方法

装夹是工件加工过程中首先面临的问题,而稳定装夹则是保证工件加工质量与生产安全的必要条件。为此系统地提出了基于稳定性指标与稳定量度的工件装夹布局优化模型及其遗传算法求解技术。根据静力平衡条件与线性规划技术,提出装夹稳定性的判断依据及其解算方法,实现装夹时工件"稳不稳"的定量描述;依据力的超椭球方程,将超椭球体积定义为装夹稳定量度,用以描述工件装夹稳定时"有多稳"的问题;引入离散化思想,构建了以使装夹稳定量度达到最大为目标的复杂工件装夹布局规划模型,根据每一代的装夹稳定性,定义个体的适应度评价函数,提出装夹布局规划模型的遗传算法求解技术。提出的基于稳定性指标与稳定量度的装夹布局规划方法,由于只涉及接触点的坐标及其法矢量信息,不仅适用于具有复杂表面的工件,而且能够避免工件处于非稳定状态下优化模型的求解过程,提高了计算效率,为复杂工件装夹布局方案的合理设计提供了基础理论。     

基于多重夹紧的工件-夹具间接触力的预测方法

在夹具设计过程中,工件-夹具之间的接触力是工件稳定性分析和加工精度估算的关键因素.为此,根据多重夹紧力对工件的作用过程,建立了接触力与多重夹紧力的大小、作用点以及夹紧顺序之间的接触力模型.基于总余能原理,提出了接触力模型的求解算法.最后通过典型实例,详细说明了接触力的分析预测过程.     

Machining Fixture Verification for Nonlinear Fixture Systems

This paper presents a fixture configuration verification methodology for nonlinear fixture systems, which is developed on the basis of optimal clamping forces and total restraint. This method can be applied for validating the feasibility of a fixture with point, line and area contacts in two stages: fixturing and machining. The "∞-∞-∞" principle for nonlinear fixture location is proposed. The automatic fixture verification system is modelled as a nonlinear optimisation problem with respect to minimum clamping forces. The method provides a simple and effective means for: (a) verifying whether a particular fixturing configuration is valid with respect to locating stability, deterministic workpiece location, clamping stability and total restraint and (b) determining minimum variable clamping forces over the entire machining time. Two case studies are presented to demonstrate the effectiveness and the capabilities of the methodology. ID="A1"Correspondance and offprint requests to: Prof. D. R. Strong, Department of Mechanical and Industrial Engineering, The University of Manitoba, Winnipeg, Manitoba, Canada R3T 5V6. E-mail: strong@ms.umanitoba.ca     

Fixture Clamping Force Optimisation and its Impact on Workpiece Location Accuracy

Workpiece motion arising from localised elastic deformation at fixture-workpiece contacts owing to clamping and machining forces is known to affect significantly the workpiece location accuracy and, hence, the final part quality. This effect can be minimised through fixture design optimisation. The clamping force is a critical design variable that can be optimised to reduce the workpiece motion. This paper presents a new method for determining the optimun clamping forces for a multiple clamp fixture subjected to quasu-static machining forces. The method uses elastic contact mechanics models to represent the fixture-workpiece contact and involves the formulation and solution of a multi-objective constrained oprimisation model. The impact of clamping force optimisation on workpiece location accuracy is analysed through examples involving a 3-2-1 type milling fixture.     

夹具中接触力的计算

以无摩擦的点接触假设为前提，建立夹具中工件与定位元件和夹紧元件之间接触力计算模型，并针对欠定位、完全定位和过定位等不同的定位模式，讨论接触力的计算方法问题。利用提出的接触力计算模型可以检验工件夹紧的封闭性，并为定位元件和夹紧元件的结构设计提供理论指导。最后，给出一个事例验证导出的计算模型。     

Modeling and analysis of workpiece stability based on the linear programming method

After being located on a machine bed, a workpiece will be subject to gravity and cutting forces during the machining operation. In order to keep the locating precision as well as the production safety, it is necessary to maintain the workpiece stability. In this paper, a linear programming method is proposed for stability analysis of the workpiece. Based on the linear approximation of the friction cone, a quantitative criterion is established to verify the workpiece stability in association with the rationality of the clamping sequence, magnitude of clamping forces and clamping placement. This criterion allows designers to plan reasonably the clamping sequence, magnitude of clamping forces as well as clamping placement. Compared with existing methods, the main advantage of this approach lies in that the sophisticated computing of contact forces between fixture elements and the workpiece is avoided. In this work, both friction and frictionless cases can be easily taken into account in stability analysis. Mathematical formulations of the method are given and some numerical tests are finally demonstrated to validate the proposed method.     

基于线性不等式方程组解的存在性及其通解的工件可达/可离性分析算法

工件的可达/可离性反映了将工件安装到/脱离出夹具装夹布局的可能性,分析可达/可离性有助于在工件上正确选择装夹表面和装夹点。为此依据工件与装夹元件的实际接触或装配情况,利用泰勒定理提出了工件可达/可离性模型。通过将工件安装到/脱离出装夹布局的可能性等价于可达/可离性模型的解的存在性,借助任意数可表达为两个非负数之差这一数学技巧作为桥梁,将工件可达/可离性模型的解的存在性问题转化为线性规划问题,提出了工件可达/可离性的判断方法。尤其是在判断可达/可离性模型有解的情况下,继而考虑了工件安装到/脱离出装夹布局的方向性。在此基础上,进一步将可达/可离的方向性转化为可达/可离性模型的通解,由此构建了求解线性不等式方程组的Γ-算法。这个“先有解-再求解”的算法仅涉及到装夹元件在工件表面处的位置与单位法矢量信息,不仅适用于形状复杂的工件,而且避免了可达/可离性模型无解情况下依旧求解的局限性,同时也拓展和丰富了自动化夹具设计的理论基础。