（机械制造及其自动化专业论文）真空吸附夹具的有限元分析和优化设计.pdf

摘要 真空吸附夹具的有限元分析和优化设计 研究生姓名：梅飞 导师姓名：汤文成教授 学校名称：东南大学 摘要 研究关于真空吸附夹具的设计方法，引入c a e 方法，对真空吸附夹具进行静力变形分 析和优化等，能够有效降低产品的开发成本，缩短产品的研制周期，提高产品的质量和可靠 性。本文利用通用化有限元分析软件a n s y s 作为分析工具，对不同零件板大小情况r 对应 的真空吸附夹具进行了有限元静力分析和优化。 分析了真空吸附夹具的系统结构，介绍了其设计方法。采用基于a p d l 语言的参数化 建模方法，以壳单元和块单元为主，分别建立其有限元模型。通过静力分析给出了不同规格 的真空吸附夹具其零件扳变形情况。 以真空吸附夹具的密封槽宽b 、槽深h 和零件板边缘到密封槽外侧距离c 这三个量为 设计变量，进行形状尺寸的优化设计提高其工作性能。并考察了加装加强筋时对真空吸附 夹具性能的影响。 研究薄板零什的变形原理，通过建立不同的模型并进行有限元计算，得到不同规格真空 吸附夹具其零件扳的翘曲值，最终推导山满足真空吸附夹具吸附要求的零件板人小，厚度之 间的关系。 最后，分析零件板切削力的产生原理，简要计算真空吸附夹具在： 作状态下产生的切削 力，将其加载到原始模型上，研究切削力对零什板加工变形的影响。 关踺词：真空吸附夹具有限元分析结构优化切削力 a b s t r a c t f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n ds t r u c t u r eo p t i m i z a t i o nf o r v a c u u ma d s o r p t i o nc l a m p c a n d i d a t ef o rm a s t e r ：m e ii ? 亡i a d v i s e r ：p r o f f a n gw e n c h c n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a b s t r a c t am e t h o do fd e s i g n i n ga b o u tv a c u u ma d s o r p t i o nc l a m pi sp r o p o s e di nt h i sp a p e r u s i n gc a e m e t h o dt oa n a l y z ea n do p t i m i z es t a t i cd e f o r m a t i o no fv a c u u ma d s o r p t i o nc l a m pw i l le f f i c i e n t l yr e d u c e d e v e l o p m e n tc o s t a b b r e v i a t ed e v e l o p m e n tc y c l e a n da d v a n c et h eq u a l i t ya n dc r e d i b i l i t yo fp r o d u c t s i n t h i sp a p e r , d i f f e r e n ts i z e so fp l a t e sw i l lb ea n a l y z e da n do p t i m i z e du s i n gf i n i t ee l e m e n tm e t h o d a n dt h e s o f t w a r e ，a n s y s w i l lh e l pt oi m p l e m e n t i t a tf i r s t ，t h e s y s t e ms t r u c t u r ew i l l b ei n t r o d u c e d ，a n dt h et w ok i n d so ff i n i t ee l e m e n tm o d e l s ， r e s p e c t i v e l ym e s h e di ns h e l lo ri ns o l i d w i l lb em o d e l e du s i n ga p e ll a n g u a g e ，o n ek i n do fp a r a m e t e r l a n g u a g e t h e nt h es t a t i cd e f o r m a t i o n so fd i f f e r e n tk i n d so fp l a t e sw i l lb ec a l c u l a t e du s i n gs t a t i ca n a l y s i s t h e no p t i m i z et h eg e o m e t r yo fv a c u u ma d s o r p t i o nc l a m pw i t ht h ed e s i g nv a r i a b l e so fg r o o v ew i d t h ， s l o td e p t ha n dd i s t a n c eb e t w e e nt h ee d g eo fp l a t ea n do u t e rf l a n ko fs e a lg r o o v e ，a n di tw i l la d v a n c et h e w o r k i n gp e r f o r m a n c et h e e f f e c to fq u a i l t y , w h e nt h er e i n f o r c i n gr i bi sb e i n gu s e d ，w i l lb er e v i e w e da tt h e s a m et i m e l a t e r , t h ep r i n c i p l eo fd e f o r m a t i o no fp l a t e si ss t u d i e db ym o d e l i n ga n dc a l c u l a t i n gd i f f e r e n tk i n d so f f i n i t ee l e m e n tr n o d e l so fp l a t e s ，t h ew a r p i n gv a l u e sw i l lb eo b t a i n e d a n dt h er e l a t i o nb e t w e e nt h es i z e a n dt h i c k n e s s ，s a t i s f y i n gt h ea d s o r p t i o nd e m a n do fv a c u u ma d s o r p t i o nc l a m p 。c o u l db ei n f e r r e d a tl a s t ，a n a l y z et h ep r i n c i p l eo fc u t t i n gf o r c eo fp l a t e s s i m p l yc a l c u l a t et h ec u t t i n gf o r c ew h e nt h e v a c u u ma d s o r p t i o nc l a m pi s w o r k i n g ，a n dt h e nl o a d i to nt h em o d e lt oi n v e s t i g a t et h ee f f e c tt ot h e d e f o r m a t i o no fp l a t e s k e y w o r d ：v a c u u ma d s o r p t i o nc l a m p f i n i t ee l e m e n tm e t h o ds t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o nc u f f i n gf o r c e 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：煎：邕日期：垫竺：坚7 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：趱兰导师签名伽务吆日期2 0 0 5 , 1 d 、7 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着科学技术的发展，被加工零件变的越米越轻巧，面积大，材料为铝的薄板零件越米 越得到广泛的应用。由于零件板本身很薄，加上表面不可能很平整，大部分零件材料又是铝 板，给零件的加工造成了很大的困难。如果采用一般的夹具结构，则要么加工零件不能达到 图纸所提出的要求，要么效率低f 。为了解决上述问题，即省时，省力，提高效率，又能满 足零件的技术要求，就要设计一种新型的真空吸附夹具。 真空吸附夹具可以平稳、可靠地夹紧物体，又不易损坏所抓取物件的表面。以真空压力 为动力源，作为机械加工的一种重要手段，已在电子、搬运机械、轻工机械、食品机械、医 疗机械、印刷机械、塑料制品机械、包装机械、锻压机械、机器人等许多行业得到广泛应用。 总之对任何具有较光滑表面的物体，特别是非铁、非金属且不适合夹取的物体。如薄而表面 光滑的铜金属制品、铝金属制品和其他非金属制品，都可使用真空吸附，完成切削、打磨、 抛光等各种机械加i 任务。1 c a e ( c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g ) ，从字面上讲是计算机辅助工程，其概念很广，可 以包括工程和制造业信息化的所有方面。但传统的c a e 主要是指工程设计中的分析计算和 分析仿真，其核心是基于现代计算力学的有限单元分析技术。c a e 起始于2 0 世纪5 0 年代 中期，而真正的c a e 软什诞生于7 0 年代初期，到8 0 年代中期，逐步形成了商品化的通用 和专用c a e 软件。近4 0 年来，c a e 技术结合迅速发展中的计算力学、计算数学、相关的 工程科学、工程管理学与现代计算技术，从低效检验到高效仿真，从线性静力求解到非线性、 动力仿真分析、多物理场耦合，取得了巨大的发展与成就。i 真空吸附夹具的生产过程大致可分为初步设计、详细设计、生产准备和制造四个阶段。 c a e 指的是初步设计和详细设计两个阶段中的模拟分析计算。c a e 系统所具有的主要功能： 1 基于几何模型的c a e 系统可以很容易地计算零件的各种参数 2 具有机构分析功能的c a e 系统，可以检查系统的运动是否与设想的一致，以及在 运动过程中是否发生碰撞，即进行干涉效验； 3 基于数理模型的c a e 系统，利用有限元法、边界元法和模态分析法，可以对真空 吸附夹具进行强度分析、变形分析和其它分析。 4 利川c a e 技术中的结构优化功能对真空吸附夹具进行优化殴计，提高整个系统的 工作质量。1 1 】 真空吸附夹具的设计参数对夹具的t 作性能有着很大的影响，为了提高夹具体的t 作性 能，在夹具制造出来之后，要进行多次试验，通过试验数据对夹具体进行改进。改进之后的 夹具体再做试验米进行进一步的优化，如此循环。这样，一方面设计的周期很睦，设计效率 不高；另一方面就会产生材料资源的浪费。因此，在设计阶段就引入c a e 技术十分必要。 东南大学硕士论文 1 2c a e 技术的研究现状 随着计算机技术的高速发展，极大地推动了相关学科研究和产业的进步。有限元、有限 条、有限体积以及有限差分等方法与计算机技术的结合，诞生了新兴的跨专业和跨行业的学 科分支。计算机辅助丁程( c a e ) 作为一项跨学科的数值模拟分析技术，越来越受到科技界 和工程界的重视。现在，国外在科学研究和工业化应用方面，计算机辅助工程技术己达到了 较高的水平，许多大型的通用分析软什已相当成熟并己商品化。计算机模拟分析不仅在科学 研究中普遍采用，而且在二r = 程上也已达到了实用化阶段。通过多年的不懈努力，我国在c a e 仿真分析方面也取得了k 足进步，建立了自己的计算机辅助工程科技队伍，在许多领域开展 了c a e 技术的研究和应用。但目前我们的c a e 技术与发达国家相比仍存在一定的著距，特 别是在具有自主知识产权的大型通用分析软件的开发和c a e 技术的工业化应用方面，这种 差距还相当明显。二十一世纪，是信息和网络的时代。随着计算机技术向更高速和更小型化 的发展和分析软件的不断开发和完善，c a e 技术的应用将愈来愈广泛并成为衡量一个国家 科学技术水平和工业现代化程度的重要标志。大力推进我国计算机辅助工程技术的科学研究 和工业化应用势在必行。p j 【” 1 2 1 有限元技术研究现状 许多工程分析问题，如固体力学中的位移场和虑力场分析、电磁学中的电磁场分析、振 动特性分析、传热学中的温度场分析、流体力学中的流场分析等，都可归结为在给定条件下 求解其控制方程( 常微分方程或偏微分方程) 的问题。但能用解析方法求出精确解的只是方 程性质比较简单，且几何边界相当规则的少数问题。对于大多数的上程技术问题，由于物体 的儿何形状比较复杂或者问题的某些特征是非线性的，则很少有解析解。这类问题的解决通 常是引入简化假设，将方程和边界条件简化为能够处理的问题，从而得到它的简化状态的解。 这种方法只在有限的情况下是可行的，因为过多的简化将可能导致不正确的甚至错误的解。 因此，人们在j 。泛吸收现代数学、力学理论的基础上，借助于现代科学技术的产物一计算机 米获得满足工程要求的数值解，这就是数值模拟技术，它是现代 程学形成和发展的重要推 动力之一。目前在工程技术领域内常用的数值模拟方法有：有限元法、边界元法、离散单元 法羽i 有限差分法，但就其实用性和应用的广泛性来说，主要还是有限元法。1 7 l 有限元方法作为求解数学物理问题的一种数值方法，已经历5 0 余年的发展。2 0t 址纪5 0 年代，它作为处理固体力学问题的方法出现。1 9 4 3 年，c o u r a n t 第一次提出单元概念。1 9 4 5 1 9 5 5 年，a r g y r i s 等人在结构矩阵分析方面取得了很大进展。1 9 5 6 年，t u r n e r 、c l o u g h 等 人把刚架位移法的思路推广应用于弹性力学平面问题。1 9 6 0 年，c l o u g h 首先把解决弹性力 学平面问题的方法称为“有限元法”( f e m ：f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) ，并描绘为“有限元法 = r a y l e i g hr i z e 法+ 分片函数”。几乎与此同时，我国数学家冯康也独立提出了类似方法。 有限元理论硼f 究的重大进展，引起了数学界的高度重视。白2 0 世纪6 0 年代以来，人_ f f j j u 强 了对有限元法数学基础的研究，如大型线性方程组和特征值问题的数值方法、离散误差分析、 解的收敛性和稳定性等。有限元理论研究成果为其应用奠定了基础，计算机技术的发展为其 提供了条件。2 0 世纪7 0 年代以来，相继出现r 一些通用的有限元分析( f e a ：f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s ) 系统，如s a p 、a s k a 、n a s t r a n 等，这些f e a 系统可进行航空航天领域的结 构强度、刚度分析，从而推动了f e m 在工程中的实际应用。2 0 世纪8 0 年代以来，随着_ 程工作站的出现和广泛应用，原米运行于大中型机上的f e a 系统得以在其上运行，同时也 第一章绪论 出现了一批通用的f e a 系统，如a n s y s p c 、n i s a 、s u p e r s a p 等。2 0 世纪9 0 年代以来， 随着微机性能的显著提高，大批f e a 系统纷纷向微机移植，出现了基于w i n d o w s 的微机 版f e a 系统。经过半个多世纪的发展，f e m 已从弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳 问题；从静力问题扩展到动力问题、稳定问题和波动问题；从线性问题扩展到非线性问题； 从固体力学领域扩展到流体力学、传热学、电磁学等其他连续介质领域；从单一物理场计算 扩展到多物理场的耦合计算。它经历了从低级到高级、从简单到复杂的发展过程，目前已成 为工程计算最有效的方法之一。p 1 衡量c a e 技术水平的重要标忐之一是分析软件的开发和应用。目前，一些发达国家在 这方面己达到了较高的水平，仅以有限元分析软件为例，国际上不少先进的大型通用有限元 计算分析软件的开发已达到较成熟的阶段并已商品化，如美国的a b a q u s 、a n s y s 、 n a s t r a n 、m a r c 、1 - d e a s 和s a p ，德国的a s k a ，英国的p a f e c ，法国的s y s t u s 等 软件。这些软件具有良好的前后处理界面、静态和动态过程分析以及线性和非线性分析等多 种强大的功能，都通过了各种不同行业的大量实际算例的反复验证，其解决复杂问题的能力 和效率，已得到学术界和工程界的公认。在北美、欧洲和洲一些国家的机械、化工、土木、 水利、材料、航空、船舶、冶金、汽车和电气工业设计等许多领域中得到了广泛的应用。就 c a e 技术的工业化应用而言，西方发达国家目前已经达到实用化阶段。我国的计算力学软 件起步也比较甲，第一个自行开发的软件系统当推上世纪7 0 年代大连理工大学钟万勰院士 组织开发的j i g f e x ( 现在最新版本为j i f e xv 3 0 ) ，先后还出现过航空工业部6 2 3 所开发 的h a j i f 以及s a p 8 4 等，但目前还没有出现过一个比较有影响的软件系统，工程实际使用 的大多是引进的国外商品化软件。5 1 2 2 结构优化的研究现状 现代结构优化( 亦称结构综台) ，主要指数值结构优化或计算机结构优化，其研究内容 是把数学规划理论与力学分析方法结合起来，以计算机为工具，建立一套科学的、系统的、 可靠而又高效的方法和软件，自动地改进和优化受各种条件限制的承载结构设计。 优化设计是2 0 世纪6 0 年代初发展起米的一门新兴学科，它将数学中的最优化理论与工 程设计领域相结合，使人们在解决工程殴计问题时，可以从无数设计方案中找到最优或尽可 能完善的设计方案，大大提高了工程的设计效率和设计质量。目前优化设计是工程设计中 的一种重要方法，已经广泛于各个工程领域：航空航天、机械、船舶、交通、电子、通讯、 建筑、纺织、冶金、石油、管理等，并产生了巨大的经济效益和社会效益。特别是由于现代 国家、地区和企业之间的激烈竞争，各种原材料、能源的短缺，优化设计越来越受到人们广 泛的重视，并成为2 1 世纪工程设计人员必须掌握的一种设计方法。l l ” 从m a x w e l l ( 1 8 9 0 年) 和m i c h e l l ( 1 9 0 5 年) 的铰链平面桁架结构优化上作开始，结构 优化设计已经有了一卣多年的历史。作为最优准则法的先驱，在2 0 【壁纪4 0 年代到5 0 年代 初，s h a n l e y 在飞机结构的重量一强度分析著作和其他研究人员的研究t 作中提出了同 步失效设计法。这一时期的结构优化设计工作仅限于经典微分法和变分法，一般成为“经典 优化方法”。 d a n t z i g 和h e y m a n 在数学规划方面的丁作开始了数学规划法在结构优化设计中的应用， 特别是计算机技术的出现。2 0 世纪6 0 年代，s c h m i t 首先综合描述了_ i = | j 数学规划法来求解一 东南大学硕士论文 个弹性结构的非线性不等式约束结构优化问题，而且利用有限元法进行结构分析。s c h m i t 的研究推动了数学规划法在结构优化设计中的广泛应用，为结构优化设计的发展和应用起到 了很大的促进作用。而现代计算机技术的飞速发展，也为数学规划法在结构优化设计中的应 用提供了更为高效、准确的计算工具，从而使数学规划法得以在结构优化设计中广泛地推广 应用。 在结构优化设计发展过程中，2 0 世纪7 0 年代曾经出现了两大学派，即以满应力等设计 准则的准则法和以数学规划法为理论支柱的数学规划法。优化准则法的特点是收敛快，要求 重分析的次数一般跟变量的数目没有多大关系，但是不同性质的约束有不同的准则，准则又 多又复杂，准则法处理非常困难，而且结构优化的目标只限于重量或体积。因此，优化准则 法一般适用于薄壁构造的航空结构。而数学规划法有着更坚实的理论基础和广泛的适用性， 使媚方便，尤其是现代计算机运算速度和存储能力的高速增长，迭代次数多的问题已经趋于 淡化，这就为数学规划法在结构优化设计中的广泛应用提供了强大的动力。2 0 世纪8 0 年代 以米，优化准则法和数学规划法相互渗透，并吸收对方的优点，形成了序列近似的概念和对 应的序列近似规划法，在结构优化设计中取得了很大成功，例如序列二次规划法就是一种重 要的方法，有许多成功应用的工程实例。l 】“ 结构优化有3 个基础，一是计算机技术；二是结构分析的方法；三是数学规划的理论。 计算机的技术经过儿十年的发展，无论是硬件还是软件水平都有很大提高，而且迅速发展， 为结构分析与优化提供了越来越好的实现环境；结构分析主要采用有限元分析方法，有限元 比结构优化略早，但几乎是同时发展的，但有限元方法相当完美的变分原理理论基础及其趄 好的数值性质使它很快地被工程界所接受，并早已广泛应用，现已成为结构力学等领域主要 的分析工具。有限元技术为结构优化提供了可靠、强大的分析手段；数学规划为结构优化奠 定了良好的数学基础。” 结构优化研究的范围十分广泛，从研究层次上看可有尺寸优化问题、形状优化问题及材 料选择、拓扑优化问题；从问题的复杂程度看已经从简单的桁架设计发展到梁、板、壳等多 种复杂元素的结构设计；设计变量有连续性、离散性；约束从最初的应力、位移发展到稳定、 动力特性等。随着对工程设计概念例如可靠性、模糊等不确定性的因素的认识，相应的优化 模型也已提出，基丁可靠性概念的优化设计，结构模糊优化；目标函数有单目标、多目标等； 目前在航空航天领域考虑控制因素的结构优化问题也得到了广泛的注意。 结构优化设计克服了以往采用经验、类比或者采用许多假设和简化导出的计算公式进行 结构设计在校核方面的诸多局限，使结构设计由消极的校验设计变为主动的改善设计，提高 了设计的快速性和准确性，从而火大缩短了产品的设计周期，提高了产品的质量水平。现在， 结构优化设计已经广泛应用到各种工程领域，并取得了巨大的成功，创造了巨大的经济效益， 并推动了j 二程设计方法与技术的发展。旧 1 3 课题的背景及研究意义 中国电子科技集团第十四研究所是我国电子系统工程领域中历史最久、规模最大、专 业覆盖面最广、研发力量最强、技术成果最为丰富的大型综合性高科技研发基地，从事专 、止和开发产品覆盖了雷达、通讯、信息系统、天线微波、高功率设备、软件、信号处理、射 4 第一章绪论 频仿真、电子对抗、应用磁学、微电子、电子仪器仪表、交通电子、显示系统工程、工业自 动化、特种元器件等数十个专业领域。 由于该研究所制造的产品都是一些精密的雷达，通讯类产品，对产品的) j 1 a ：精度要求 很高。零件材料大部分都采用铝板，而铝的强度又较低给加工制造带来了一定的困难。以 往的夹具一方面在加工精度方面不能满足要求，另一方面无法实现夹具的通用化。在加工不 同的零件扳时需要使用不同的夹具，这样就造成了资源的重复浪费，不同夹具加工出米的零 件的加工质量也不能保持一致。为了解决上述的困难，就要设计一种新的真空吸附夹具。传 统的夹具设计方法是通过试误法来进行，这种方法设计周期长，设计成本高，浪费严重，已 经严重制约了产品的生产制造。为了实现夹具的通用化设计，需要对真空吸附夹具零部件进 行有限元分析，实现相关参数的优化，以规范夹具的设计。所以，在夹具的设计阶段就引入 c a e 技术，对于缩短夹具的研发周期，减少样品试制次数。提高夹具质量，降低研发成本 都具有十分重要的意义。 1 4 本文的研究内容及章节安排 幽1 - 1 论文章节安排示意图 本课题的研究内容拟大概包括以下几个方面 简要介绍真空吸附夹具的结构，设计过程以及有限元方法在真空吸附夹具漫计、制造中 的应用。 2 分析真空吸附夹具在8 8 0 8 8 0 1 m m ，6 0 0 6 0 0 l m m ，2 9 0 x 2 9 0 1 m m 三种不同的 零件板情况f ，夹具体及零件板整体系统的儿何形状，约束状态和受载情况，利用a n s y s 软件中的a p d l 语言建立参数化有限元模型，再利用a n s y s 的分析功能进行非线性静力求 解，并对计算结果进行一定的分析。 东南大学硕士论文 3 研究结构优化方法，选择夹具体的密封槽深h ，槽宽b ，零件板边缘到槽的外侧距离c 这三个参数作为优化参数进行优化设计。 4 以8 8 0 8 8 0 l m m 零件板真空夹具系统为例，检验在零什板上安装加强筋对零件板翘 曲的影响。建立三维模型并计算求解。 5 研究零什扳变形的原理。通过建立不同的模型并计算，得到不同大小零件板的翘曲值 最终推导出在满足零件板吸附条件下的零件板大小，厚度之间的关系。 6 分析零件扳切削力的产生原理，简要计算切削力，加载到原始模型上，研究切削力对零 件板加工变形的影响。 6 第二章真空吸附夹具的设计 第二章真空吸附夹具的设计 2 1 真空吸附夹具介绍 目前，加工硬脆材料零件的方法，大多采用粘结法，即采用某种胶性物质将零件粘在平 板的基准平面上，然后，再将平板固定在机床的工作台上加工，切削完毕后，再用某种方法 使其脱落。采用粘结法时，零件与基准平面间有一层很薄的胶层，胶层厚度虽然可以做到薄 而均匀，但从微米和亚微米数量级来考察时，它仍然是一个不能准确控制的未知量。何况粘 结过程中还有人为因素的影响。因而，在进行精密切削加工时，有可能影响, h n - r 精度。粘结 法在使用中还有不够方便之处，不能在加工过程中即时装卸零件。为此，在硬脆材料零什加 工时，采用气体真空吸附法夹持工件，可以避免上述缺点。此法具有装卸零件快、定位精度 高等优点。1 1 6 1 真空吸附夹具是通过真空泵将工件与夹具接触面间的空气抽山，形成真空，在大气压的 作用下将工件夹紧在夹具上。它适用于有较大定位平面或具有较大可密封面积的工件。常用 _ 丁加工板类、箱体、壳体、缸体等零件的加工，在这些零件中很多都适于使用真空夹具。1 1 7 1 真空吸附夹具的大致结构如图2 一l 所示。真空吸附夹具主要由夹具体，零件板和橡胶密 封绳这三个部分组成。零件板是正方形表面平整的铝板，夹具体就是装夹用的工作台，工作 台上分布着许多交叉的密封槽，密封绳采用闭合的橡皮圈。在工作时，选择与零件板大小适 合的密封槽范围，在密封槽中安装橡胶密封绳，然后将零件板放置于密封绳之上，再通过夹 具体边上的管口抽成真空，利用大气压力将零什板夹紧在夹具体上。从图中可以清楚的看到 真空吸附夹具这几个主要部件的装配关系。在安装零件板的时候要注意以下几点：一是选择 合理的密封槽范围。密封槽的范围过大，密封效果不好，容易引起泄露；密封槽范围过小， 在相同的真空度f ，真空吸附力较小，不能有效地夹紧零件板。二是在安装密封绳的时候最 好将密封绳在润滑油中浸泡一段时间，一方面可以使密封绳膨胀，截面积增大，与零件板的 接触面积增大；另一方面，密封绳上附有润滑油之后，可以提高密封效果。 从图2 - 1 中还可以看到，真空吸附夹具的主要结构参数有以下几个：密封槽宽度b ，密 封槽深度h ，零件板边缘到密封槽外侧的距离c ，密封绳直径r ，零件板厚度等。 真空吸附夹具的优点： 1 一次装夹可加工虽多的工件表面，生产效率高： 2 夹具开敞，待加工表面充分暴露在外，加工方便、安全； 3 夹具的刚性与稳定性好； 4 装夹方便，效率高，不仅减少了装夹占机时间，而且减轻了操作的劳动强度 5 夹具设计简单，造价低。 东南大学硕士论文 图2 - 1 真空吸附夹具结构图 2 2 真空吸附系统的结构 真空系统就是用米获得有特定要求的真空度的抽气系统。真空系统设计的基本内容是 根据被抽容器对真空度的要求，选择适当的真空系统设计方案，进行选、配泵计算确定导 管、阀门、捕集器、真空测量元件等，进行台理配置，最后划出真空系统装配图和零部件图。 总体来说，一个较完善的真空系统由下列元件组成： 1 抽气设备：例如各种真空泵； 2 真空阀门； 3 连接管道； 4 真空测量装置：例如真空压力表、各种规管； 5 其它元件：例如捕集器、除尘器、真空继电器规头、储气罐等。 真空系统最重要的性能参数是其所能获得的极限真空度和对容器的有效抽速。所说的 真空系统的极限真空度是指在没有外加负荷的情况下，经过足够长时间的抽气后，系统所能 达到的最低压力。真空系统对容器的有效抽迷是指在容器山口处的压力下，单位时间内真空 系统能够从被抽容器中所抽除的气体体积。真空系统对容器的有效抽速不仅取决于真空泵的 抽速，也取决于真空系统管路对气体的导通性能，即所说的流导。流导的定义是：在单位压 差下，流经管路的气流量的大小。用一个数学式子来表示，即是： c ：j lm 3 s p l p 2 ( 2 ，1 ) 式中：c 一管路的流导，m 3 s ：q 一流经管路的气流量，p a m 3 s ；p 1 、p 2 一分别是管路 的入口压力和山口压力，p a 。 8 第二章真空吸附夹具的设计 如果用s 。来表示真空系统对容器的有效抽速，用s 。表示真空泵的抽速，c 表示真空容 器出口到真空泵入口之间管路的流导，则有： 拣s c 一是 l1l = 牟 s 。cs 。 铲彘 c s 。= 专 l + s p ( 2 2 ) ( c ) 这个方程在真空系统设计中是一个非常重要的方程，如果知道泵的抽速s 。和管路的流 导c ，就可以计算山系统对容器有效抽速，这个方程被称为真空技术基本方程。从方程( b ) 可以看出：如果管路的流导c 远大于泵的抽速s 。，则s j c 的值远小于1 ，此时真空系统对 容器的有效抽速s 。* s 。这就是说为了充分发挥泵对容器的抽气作用，在设计真空系统管路 时，应使管路的流导尽可能大一些。因此真空管路应该粗而短，切不可细而长。这是设计连 接管道时的一条重要原则。相反，如果管路的流导c 远小于泵的抽速s 。，则c s 。的值远小于 1 ，从方程( c ) 可以看出，此时真空系统对容器的有效抽速s 。c ，这就是说，在这种情况下， 选择多大的泵都没有用，都不能提高泵对容器的有效抽速。u w 根据真空系统的设计原则，设计真空吸附系统结构方框阕如下所示： 自 同 真 空 手 动 碟 阀 图2 - 2 真空吸附系统结构图 下面介绍真空吸附系统的主要元件 1 真空泵：真空泵是真空系统最基本的元件，它作为真空系统的动力源，直接提供系 统所需的真空度。选真空泵要考虑两个方面，是选择主泵的类型，二是确定主泵抽速的大 小。 确定真空泵类型的依据是 ( 1 ) 根据被抽容器所要求达到的极限真空度和工作真空度。般选取真空泵的极限真 空度稍高丁被抽容器所要求的极限真空度( 如高二p 个数量级) 。 9 一真空泵工消音器 东南大学硕士论文 ( 2 ) 根据被抽气体的种类，每种气体所占的比例以及气体中所夹杂的灰尘情况。 ( 3 ) 根据初次投资和日常运转维护费用。 真空泵的类型选定之后，接f 来就是要具体地确定真空泵抽速的大小规格。真空泵抽速 大小的确定主要根据被抽容器的工作真空度和其最大排气流量，以及被抽容器的容积和所要 求的抽气时问。 根据需要，选择真空泵型号x z - 8 ，主要参数如下 极限真空5 1 0 - 2 m m h g ；抽气速率8 l s ； 泵转速1 4 0 0 r m i n ；配套电动机功率0 7 5 k w 。 2 电磁压差真空阀：在真空系统中，用来改变气流方向，调 ，气流量大小，切断或接 通管路的真空系统元件称为真空阀门。真空阀门在真空系统中的作用是：开关气路、控制气 流大小调节真空度、定量充气。电磁压差真空阀安装在真空泵的入口处，自动向泵内放气 保护真空系统，防止真空泵返汕。 3 高真空手动碟阀及真空表：考虑到有时需要临时关闭真空泵，但是又要求零件被吸 住。因此，在真空系统中，安装了高真空手动碟阀。该种阀门的主要优点是体积小，结构简 单。 4 真空阱：真空阱又称作冷凝捕集器，是利用低温冷壁来捕集可凝性蒸气的一种低温 冷凝捕集器。真空阱被广泛应用于高真空和超高真空系统中，安装在主泵入口和真空宝之间 的管路i 二。真空阱不仅能有效地捕集来自蒸汽流泵的返流蒸汽和部分裂解物，而且还可抽除 来自真空室内的可凝性蒸汽。真空阱的效果除了取决于其结构之处，还取决于所使用的冷壁 温度，低温冷壁的温度愈低效果愈好。使用真空阱应遵守一定规则：在加入冷剂前，麻将容 器抽空剑足够低的压强，使可凝性气体被大量排除后再加入冷剂。在使用过程中，由于冷剂 的损耗而使冷剂液面不断下降，露出无冷剂接触的壁面，这些表面的温度回升，使已被冷凝 的蒸汽重新蒸发，所以要设法使冷剂的液面尽量处于恒定位置。” 在加工完一个零件之后，真空槽内留有一些切削和冷却液。为了除去杂质，净化管内空 气，需要在真空系统中安装一个真空阱。真空阱的主要作用是用来阻挡和吸附油蒸汽和存储 杂质，它利用低温壁来吸附油蒸汽。冷剂的温度越低，它的效果就越好，但是成本就越高。 因此，选用含冰盐水作为冷剂，它在1 1 0 5 p a 下，致冷温度为1 8 。 2 3 真空吸附夹具的设计 由于被加工板本身很薄，表面不可能很平整，材料又是强度较低的铝板，给零件的加工 带来了很大的困难。传统的粘结法又才：合适，在这种情况下，需要设计新型的真空吸附夹具。 为了解决上述问题，对夹具体的结构设计必须满足如卜- 的要求： 1 设计的夹具必须使零件的整个底面固定在夹具平面上，以满足尺寸h o 1 的要求。 2 零件的加工表面不应该有另外附加的东西，否则会影响零件的加： ，降低工效。 o 第二章真空吸附夹具的设计 夹具体必须具有足够的强度，重量轻，为了使零什均匀地附在夹具体上，夹具体必须 开有均匀的真空腔。另外，为了满足零件尺寸h o1 的要求，夹具体上下表面必须有一定 的平面度，两平面问有一定的平行度。夹具体材料为l f 2 1 。 橡胶密封绳采用d = 6 m m ，材料为e p d m ( 三元乙丙) 。为了使密封绳方便地放入夹具 体密封槽，取槽宽b 为7 2 m m ，槽深h 为5 8 r a m ，这样，在放入密封绳之后，零件板和夹 具体之间就有0 2 m m 的间隙，见图2 1 。零件板边缘到密封槽外侧边距离c 为1 0 m m 。 2 4 本章小结 本章主要介绍了真空吸附系统的基本原理，给出了真空系统设计的一般原则，并结合具 体实际叙述了一套完整的真空吸附系统。最后简要介绍了真空吸附夹具的具体设计。 第三章真空吸附央具的静力分析 第三章真空吸附夹具的静力分析 3 1 静力分析的主要任务 目前在工程领域内常用的数值模拟方法有：有限元法，边界元法，离散单元法和有限 差分法。就其j 、泛性来说，有限元法在结构分析中的地位是不可代替的。它的基本思想是将 问题的求解域划分为一系列有限大小的单元，单元之间通过节点连接，每个单元被看作是一 个整体。单元内部任意位置的待求量只能够由单元节点上的求解值通过选定的函数关系插值 得到。由于设定的单元形状简单，因此易丁从平衡关系和能量关系建立节点量的方程式，通 过求解所有这些单元方程组合成的一个总体代数平衡方程组，最终获得复杂模型的近似数值 解。显然，单元越小结果也就越接近实际，却同时需要更多的计算量。1 2 1 真空吸附夹具的c a e 分析主要采用有限元软件a n s y s 来进行，利用a n s y s 的强大 功能完成建模，静力分析，优化设计，切削力分析等一系列工作。得到的结果能够为以后的 分析工作提供有效的数据和资料。 静力分析计算是在固定不变的载荷作用下结构的效应，它不考虑惯性和阻尼的影响。 可是，静力分析可以计算那些列定不变的惯性载荷对结构的影响( 如重力和离心力) ，以及 那些可以近似为等价静力作用的随时间变化载荷。静力分析可以是线性的也可以是非线性 的。非线性静力分析包括所有的非线性类型：大变形、塑性、蠕变、应力刚化、接触( 间隙) 单元、超弹性单元等。1 2 2 1 真空吸附夹具的静力分析主要任务是：建立真空吸附夹具吸附状态力学模型，用有限 元软f l ：a n s y s 对模型进行分析。零4 1 二扳有三种：8 8 0 8 8 0 1 m m ，6 0 0 6 0 0 i m m ，2 9 0 2 9 0 i m m 。分别计算在这三种情况下的零件板边缘的最人翘曲。由于加工精度的需要， 零件板边缘的翘曲不能大于0 1 m m 。 3 2 有限元接触算法 接触问题是一种高度非线性行为，需要大量的计算机资源。在处理和计算中存在两个 较大的难点：其一，在用户求解问题之前，用户不知道接触区域。随着载荷、利料、边界条 件和其他因素的不同，表面之间是接触还是分开是未知的，而且还有可能是突然变化的；其 二，大多数的接触问题需要考虑计算摩擦，有儿种摩擦定律和模型可供选择，它们都是非线 性的。摩擦效应可能是混乱的，所以摩擦使问题的收敛性变得更加困难。在真空吸附夹具中 有二处需要川到接触方式，从图2 - 1 中可以清楚的看出：一是橡胶密封绳和零件板的接触； 二是是橡胶密封绳利夹具体密封槽的接触；第三个是零件板和夹具体表面之间的接触。 3 2 1 接触问题概述 2 第三章真空吸附夹具的静力分析 在工程中的接触问题是多种多样的，一般包括以下几类 1 弹性体的接触：主要研究弹性体之间或者弹性体与刚性之间的相互接触，该种情况 下，虽然对于分析对象来说，其材料本构关系是线性的，但是存在着表面非线性。本课题中 研究的真空吸附夹具零件板和夹具体的接触状态就属丁- 这种情况。 2 塑性体的接触：主要研究弹塑性接触、刚性物体和塑性物体之间的接触以及塑性物 体和塑性物体的接触问题等等。在这种情况下，材料发生屈服，应力应变之间的本构关系非 常复杂，属于材料非线性和表面非线性的耦合范畴。本课题中，橡胶密封绳和夹具体、零件 板之间的接触属于塑性体的接触。 3 粘弹性体的接触：主要研究粘弹性体同刚性体的接触、粘弹体与粘弹体的接触问题。 在粘弹性体接触过程中，尽管应力应变是线性的，但是其系数和时间、速率有关系。 4 变形固体和液体之间的接触：研究固体和液体的耦合问题。例如润滑油膜和机械零 件的接触问题等。 对于上述接触问题，一般来说有两种解法：解析法和数值法。对于接触问题的解析法， 常称为经典接触力学，经典的赫兹接触问题可以求解位移势函数，拉普位移函数等来进行求 解。但是经典的接触力学只能求解一些儿何形状比较规j l ! l j 的物体，应用范用非常的有限，不 过它能给出封闭的解，揭示一般规律。随着计算机和数值计算理论的发展特别是有限元理论 的迅速发展，大型的专用有限元商品软件的应用，人们开始尝试用数值解来研究接触问题。 虽然用数值解不能得出接触问题一般性的函数关系，但用数值解可以求解很多复杂的接触问 题，使得用数值解在工程运用中具有很大的实用价值，并且取得了很多重要的成果。口“ 3 2 2 接触问题的有限元算法 接触问题的研究很早就引起了人们的重视早在1 8 8 2 年，h h e r z 就比较系统地研究了 弹性体的接触问题，并提出经典的h e r z 接触理论。随着数值解法的兴起和发展，出现了许 多求解接触问题的非经典方法，有限单元法作为解决复杂丁程问题的最有效的数值方法，也 成为求解接触问题的一种主要方法。以有限元为基础的接触问题数值解法，主要可分为亩接 迭代法、接触约束算法和数学规划法等。 1 直接迭代法 迭代法是解决非线性问题的常用方法，它在接触问题的研究中也首先得到了应用。在用 有限元位移法求解接触问题时，首先假设初始接触状态形成系统刚度矩阵，求得位移和接触 力后，根据接触条件不断修改接触状态，重新形成刚度矩阵求解，反复迭代直至收敛。在上 述方法中，每次迭代都要重新形成刚度矩阵，求解控制方程。而实际上接触问题的非线性主 要反映在接触边界上，因此，通常采用静力凝聚技术，使得每次迭代只是对接触点进行，大 大提高了求解效率。 有限元混合法在弹性接触问题的求解中也得到较广泛的应用。它以结点位移和接触力 东南大学硕士论文 未知量，并采用有限元形函数插值，将接触区域的位移约束条件和接触力约束条件均反映到 刚度矩阵中去，构成有限元混合法控制方程： 矧州升 ( 3 ，1 ) 其中，k 、u 、f 分别为通常有限元位移法中的刚度矩阵、未知结点1 j ：) ：移向量和结点荷 载向量：j 、l 、c 分别为接触力约束矩阵、位移约束矩阵和接触力向量。对弹塑性接触问 题，在求解过程中接触非线性和材料非线性都需要迭代求解。通常是利用系统刚度矩阵的变 化来反映材料非线性的影响，在每次塑性修正迭代过程中都要结合对接触状态的判断进行接 触迭代计算。 拟弹性叠加双重迭代法是模拟弹性叠加原理建立有限元方程，再利用内外循环迭代求出 方程的近似解，在整个计算过程中不改变接触体刚度阵，仅增加平衡力修正项，在一定程度 上提高了计算效率。 2 接触约束算法 接触问题可描述为求区域内位移场，使得系统的势能n ( u ) 在接触边界条件的约束下达 到晟小，即： m i n 兀( u ) = 圭u 7 k u u 7 f l 。一：， s j g 0 i ( 1 ) 罚函数方法 罚函数