四叶螺旋桨五坐标加工专用夹具设计及数控加工仿真

1、-范文最新推荐- 四叶螺旋桨五坐标加工专用夹具设计及数控加工仿真 四叶螺旋桨五坐标加工专用夹具设计及数控加工仿真摘要夹具的设计制造在整个制造生产准备工作中占有很重要的地位，它的设计与制造质量对保证产品质量有决定性的影响，由于当今市场竞争的激烈和企业信息化的需要，企业对夹具的设计及制造提出了更高的要求。同时，计算机数控仿真是应用计算机技术对数控加工操作过程进行模拟仿真的一门新技术。该技术面向实际生产过程的机床仿真操作，加工过程三维动态的逼真再现，对数控加工建立感性认识，可以反复动手进行数控加工操作，有效解决了因数控设备昂贵和有一定危险性。专用夹具的设计及仿真加工是提高企业的生产效率，使加工能达到

2、优质、高产、低成本的关键。5884在此背景下，本文重点进行在四叶螺旋桨五坐标加工专用夹具设计的基础上，重点进行了利用VERICUT仿真软件进行五轴加工中心的虚拟建模及数控加工仿真，主要内容如下：1、夹具设计此次针对四叶螺旋的加工进行专用夹具设计。想要制造出质量好的螺旋桨必须使用合适加工的专用夹具，并且十分了解螺旋桨的工作原理。根据螺旋桨的工作特性，本文主要设计三种夹具方案，并一一进行比较和改进。最终得到理想的理想的螺旋桨专用夹具。2、五轴加工中心建模VERICUT是专为制造业设计的CNC 数控机床加工仿真和优化软件工具。文章应用VERICUT建立机床、刀具和工件及夹具三维模型。首先五轴加工中心

3、各部件在UG NX中建模出来，导出STL文件，最终在VERCICUT仿真软件中将其装配，构造出虚拟机床。3、数控加工仿真将螺旋桨加工的后处理加工代码程序导入数控机床中，观察加工是否可行。 3.NC machining simulationPropeller processing post-processing and processing code program into the CNC machine tools , observe the processing is feasible .Key Words：Machine Tool Fixture Design；UG；Machine to

4、ol modeling; VERICUT;目录1 绪论11.1 课题研究背景11.2 文献综述及国内外研究状况21.2.1 文献综述21.2.2国内四叶螺旋桨加工的加工方式31.2.3 四叶螺旋桨在国外的研究状况41.2.4 机床专用夹具的分类与组成41.2.5 机床专用夹具设计国内外研究现状61.2.6 机床专用夹具设计的发展方向71.2.7 专用夹具研究的意义81.2.8数控加工仿真技术的研究现状82 机床专用夹具的总体设计及方案拟定122.1 机床介绍122.1.1机床选择122.1.2 机床的参数122.2专用夹具的设计142.2.1 机床夹具设计的主要内容142.2.2夹具设计的方案

5、拟定163 基于UG NX的专用夹具建模213.1 UG NX软件介绍213.2 专用夹具的实体建模223.2.1 螺母造型设计233.2.2 支承台、可胀心轴造型设计243.2.3 零部件装配成专用夹具254 基于VERICUT软件的仿真加工264.1 VERICUT软件介绍264.1.1 VERICUT 系统主要功能27 因此传统的夹具设计方法已不能满足现有的机械制造行业的发展需要。为了适应多品种、中、小批量生产模式对夹具快速设计的需求，随着数控机床不断的广泛使用，越来越多的机械制造企业采用机床专用夹具。机床专用夹具是为加工某一零件的某一工序而专门设计的，加工之前，根据工件加工要求，所采用

6、的机床以及夹具的设计原则，选取夹具元件，确定所选元件的位置关系，设计制造装配得到满足要求的夹具。机床专用夹具具有结构紧凑、刚性好、操作迅速、方便、应用面广、量大等优点2,由于机床的专用夹具满足批量的生产要求，它将成为制造企业提高生产率和赢得市场竞争的主要手段。传统的机床专用夹具设计是一种基于经验的夹具设计方法，需要经验丰富的夹具审计人员来完成，设计周期长，劳动量大，修改不便。效率低，因为传统的设计方法通常没有利用CAD技术，给设计和修改带来了很大的不便，越来越不能适应现代制造的要求。但是，在制造业中，根据统计，超过70%的夹具设计都来源于对现有的相似夹具修改而成。机床专用夹具的设计也不例外。一

7、些大型的三维参数化CAD软件如UG、Pro/E、SolidiEdge等均可提供专用的夹具设计的平台。计算机数控仿真是应用计算机技术对数控加工操作过程进行模拟仿真的一门新技术。该技术面向实际生产过程的机床仿真操作，加工过程三维动态的逼真再现，对数控加工建立感性认识，可以反复动手进行数控加工操作，有效解决了因数控设备昂贵和有一定危险性。专用夹具的设计及仿真加工是提高企业的生产效率，使加工能达到优质、高产、低成本的关键。技巧以及加工质量分析，并建立数学模型。VERICUT软件是美国CGTECH公司开发的数控仿真系统，由NC程序验证模块、机床运动仿真模块、优化路径模块、自动比较模块和CAD/CAM接口

8、等模块组成，可仿真数控车床、铣床、加工中心等多种加工设备的数控加工过程，也能进行NC程序优化，缩短加工时间，检查过切、欠切，防止机床碰撞及刀具、夹具干涉等；具有真实的三维实体显示效果，可以对切削模型进行尺寸测量，并且保存切削模型供检验、后续工序切削加工；具有CAD/CAM接口，能实现于UG、Master CAM等软件的嵌套运行。VERICUT的数控仿真过程一般包括虚拟机床建模（建立机床运动学模型，建立机床的几何模型）、毛坯及夹具建模（夹具建模的主要目的是检测夹具与机床的其他运动部件之间的干涉和碰撞）、刀具建模（为了使建立的数控加工仿真机床模型能适应不同的加工程序，需要建立特定机床模型所使用的所

9、有刀具的刀具库）、设定系统参数（为了正确的对NC程序进行仿真，还需要在VERICUT中进行诸如工件编程原点和刀具补偿等一些仿真系统参数的设置）、加工仿真以及对仿真结果分析与优化等。使用UG和VERICUT相结合的方法对数控加工进行虚拟的模型与仿真，效果逼真。使用这种方法可以预先对加工过程惊醒模拟，对程序进行检验与优化。通过对VERICUT模型中的几何参数，加工信息进行测量以及对设计模型与VERICUT仿真加工模型数据比较，以保证最后生成的NC代码能在实际的机床上安全、快速、可靠地运行，并且提高加工效率，缩短生产周期。因此在生产加工中起到至关重要的作用。 （1）通用夹具通用夹具是指结构、尺寸已规

10、格化，且具有一定的通用性的夹具，如三招自定心卡盘、四爪单动卡盘、台虎钳、万能分度头、中心架、电磁吸盘等。其特点是适用性强、不需调整或者稍加调整即可装夹一定形状范围内的各种工件。这类夹具已商品化，且成为机床附件。采用这类夹具可缩短生产准备周期，减少夹具品种，从而降低生产成本。其缺点是夹具的加工精度不高。生产率也低，且较难装夹形状复杂的工件，故适用单件小批量生产中。（2）专用夹具专用夹具是针对每一工件的某一工序的加工需求而专门设计和制造的夹具。其特点是针对性极强，没有通用性。在产品相对稳定、批量较大的生产中，常用各种专用夹具，可获得较高的生产率和加工精度。专用夹具的设计制造周期较长，随着现代多品种

11、及中、小批生产的发展，专用夹具在适应性和经济性等反面已产生许多问题。（3）可调夹具可调夹具是针对通用夹具和专用夹具的缺陷而发展起来的一类新型夹具。对不同类型和尺寸的工件，只需要要调整或者更换原来夹具上的个别定位元件和夹紧元件便可使用。他一般又分为通用可调夹具和成组夹具两种。通用可调夹具的通用性范围大，适用性广，加工对象不太固定。成组夹具是专门为成组工艺中某组零件设计的，调整范围仅限于本组内的工件，可调夹具在多品种、小批量生产中得到广泛应用。（4）组合夹具组合家具是一种模块化的夹具，并已商品化。标准的模块元件具有较高的精度和耐磨性，可组装成各种夹具，家具用毕即可拆卸，留待组装新的夹具。由于使用组

12、合家具可缩短生产准备周期，元件能重复多次使用，并具有可减少专用夹具数量等优点；因此组合家具在单件、中小批多品种生产和数控加工中，是一种较经济的夹具。 (1) 高效化高效化夹具主要用来减少加工工件的基本时间和辅助时间，以提高劳动生产率，减轻工人的劳动强度。如瑞典3R夹具仅用1分钟，即可完成线切割机床夹具的安装与校正、美国Jergens(杰金斯)公司的球锁装夹系统，1分钟内就能将夹具定位和锁紧在机床工作台上。(2) 精密化随着机械产品精度的日益提高，势必相应提高了对夹具的精度要求。精密化夹具的结构类型很多，例如用于精密分度的多齿盘，其分度精度可达±01 7；用于精密车削的高精度三爪自

13、定心卡盘，其定心精度为 。(3) 模块化夹具元件模块化是实现组合化的基础。利用模块化设计的系列化、标准化夹具元件，快速组装成各种夹具，已成为夹具技术开发的基点。(4) 智能化智能化夹具最初主要应用的是专家系统，利用人工智能技术将各种技术综合应用，有助于提高机床夹具的设计效率。(5) 柔性化机床夹具的柔性化是指机床夹具通过调整、组合等方式，以适应工艺可变因素的能力。工艺的可变因素主要有：工序特征、生产批量、工件的形状和尺寸等。具有柔性化特征的新型夹具当前夹具发展的重要方向。(6) 集成化机床夹具设计是生产准备的重要部分。确定该工序所使用的夹具，给出夹具的装配图和零件图是连接设计与加工的纽带，实现

14、与CAPP的集成。集成化是夹具设计发展的必然方向，是企业信息集成的必然要求。(7) 标准化标准化是提高机床夹具设计系统适应性和促进集成的基础。目前我国已有夹具零件及部件的国家标准：GBT2148T2259—9l以及各类通用夹具、组合夹具标准等。机床夹具的标准化，有利于夹具的商品化生产，有利于缩短生产准备周期，降低生产总成本。1.2.7 专用夹具研究的意义 进入70 年代，数控技术成为 CAD/CAM 技术的一部分，并推动了CAD/CAM 技术的一体化发展，并逐步形成了计算机集成制造系统（CIMS）的概念。目前，在 CAD/CAM 系统中，数控加工是最能明显发挥效益的环节之一，它在实

15、现设计和加工自动化、提高加工精度和加工质量、缩短产品研制周期等方面发挥着重要作用。它可以保证产品达到极高的加工精度和稳定的加工质量；操作过程容易实现自动化，生产率高；生产准备周期短，可以大量节省专用工艺装备，适合产品快速更新换代的需要；它与 CAD 衔接紧密，可以直接从产品的数字定义产生加工指令，保证零件具有精确的协调性和互换性；产品最后用数控测量机检验，容易严格控制外形和尺寸精度。而随着中国快速成为全球制造中心，近几年国内制造业发展迅猛，数控加工已经成为市场竞争和企业发展的心亮点，先进的数控设备正以前所未有的速度，进入到中国各类制造业企业，我国正在成为世界制造业大国。如今，国外五轴联动数控机

16、床以欧美、日本为代表，这些国家的五轴联动数控机床代表了当今五轴联动数控机床发展的最高水平。美国HAAS公司生产的VF-SS系列超高速奋式加工中心采用的是30马力矢量双驱动电机，独创的12000转分同轴直接驱动主轴，能够在1.6秒内换刀的超快速侧挂式刀库。另外还配有大螺距滚珠丝杠和大功率无刷伺服电机，快速移动速度达1400英寸分。美国Hurco公司生产的TM6采用高刚性的整体精细铸铁床身，最高转速6000转分的重载模块化主轴，液压驱动刀架，大容量的2GB硬盘驱动器，64MB随机存储器。除了生产通用机床，一些公司还开发出适于加工各种不同材料的专用机床。如瑞士米克朗为加工石磨类材料而生产的HSM30

17、0 GraphiteMaster机床采用人造大理石床身，保证最佳减振性能和最大稳定性。目前，许多机械工业发达国家已制造出高速、多轴并且能够实现高速切削、自动换头等高技术水平的自动万能铣头，把自动万能铣头应用于数控滑枕铣床和数控龙门铣床，使机床达到五轴联动，实现多面或者五面加工，从而实现了一次装夹工件就可以完成多个工序加工的任务，大大提高了机床的自动化水平和工作效率，具有多面加工和五轴联动功能铣头的铣床在很大程度上扩展了普通数控铣床的加工范围，被广泛应用航空航天、模具、船舶以及汽车等制造领域，提高了数控机床的应用价值。 数控仿真一般可以分为两种不同的类型：（1）几何仿真几何仿真不考虑切削参数、切

18、削力等物理因素，只考虑刀具与工件的运动，以验证数控加工代码的正确性与合理性，以减少或者消除因为程序错误而导致的机床损伤、刀具折断及零件报废等问题。目前几何仿真方面的研究比较全面和深入，出现了许多成熟的仿真软件与仿真模块。国外的仿真软件与系统相对比较成熟，商业化程度比较高。如CNC公司的Master CAM等。Master CAM是一个成熟的商业数控仿真软件。Master CAM 主要功能包括二维绘图、曲线曲面加工、点位加工，两轴到五轴铣削加工、数控车削、线切割以及激光切割等。其数控加工提供多种走刀方法，对加工路径的选择、干涉的检查、多曲面加工、五面加工、刀具管理以及测量方面具有很强的功能。在国

19、内，数控几何仿真系统相对不够成熟，商业化程度也不高，但是也独立研制了一些数控几何仿真系统。如清华大学与华中科技大学合作开发的 HMPS 系统、哈尔滨工业大学研制的 NCMPS 系统以及南京航空航大大学开发的Superman2000 CAD/CAM 系统。HMPS 是在 863CIMS 主题下进行研制的，该系统以 SIMENS850M 为仿真对象，采用交互式实时控制与管理的仿真过程，可以仿真加工中心的加工过程，仿真过程由代码驱动，可以对刀具与成型工件、刀具与夹具、刀具与加工工作台碰撞与干涉测试，记录干涉点并报警。系统采用C+结合OpenGL 进行开发，毛坏处理采用光线跟踪算法进行表示。NCMPS

20、在刀具轨迹三维显示方法上利用直接从数据结构读取刀位信件的万法，以零件形状、刀具与夹具类型、机床类型等信息和NC程序作为输入，输出碰撞检验结果和三维图形仿真，计算机显示工件的实际运行状态。Superman 2000 CAD/CAM 由南京航空航天大学研制与开发，基于Spatial Technology公司的ACIS几何开发平台，使用 VisualC+进行开发。该系统实现了三维数控加工过程仿真中视图移动，视角旋转、放大、缩小等功能。 本文所讨论的加工仿真是基于NC程序的几何仿真。2 机床专用夹具的总体设计及方案拟定2.1 机床介绍2.1.1机床选择选用的加工机床为：HS664RT五轴立式加工中心H

21、S664 高速铣加工中心是由FIDIA 设计制造的，主要是为了满足铸模、压模和靠模行业的需求。机床主要有以下几种加工方法：• 三维高速铣加工• 扫描模具，记录刀具轨迹• 测量要从一种应用切换到另外一种应用，只需要更换装在主轴上的设备（刀具，仿形仪或测头），并调用系统中相应的循环即可。这些机床是依据模具行业重要的制造商多年的研究和经验而确定的。高速主轴和具有高加速度的伺服轴快速进给，在FIDIA 数控系统精确的算法配合下，与传统加工方法，相比大大缩短了加工时间。图3 机床外观图2.1.2 机床的参数（1） 结构HS664 是床身及工作台固定式机床。床身和工作台部件是

22、铸造件，X 轴、Y 轴和 Z 轴移动部件是焊接钢件。（2） X、Y、Z 轴各个轴的运动都是由无刷电机驱动滚珠丝杠完成。各轴传动均有齿型带耦合。数字式驱动单元可以通过各种参数的设定来获得较好的性能。高动态性能电机是无刷的，工作在正弦曲线电流下。通过滚珠丝杠滑块的引导来控制轴移动。轴位置测量是通过光栅尺直接得到。光栅尺是防尘防液密封的。（3） 工作台铸铁的工作台与床身紧密相连，工作台表面有用于固定工件的T 形槽。（4） 自动换刀该设备位于床身内部，用密封的门的保护。包括：- 双向旋转链刀库有20 个刀位，根据主轴的不同，可选择HSK40E、HSK50E、HSK63E 和HSK63A 型刀柄- 自动

23、刀链定位和旋转系统- 自动刀位有无刀检测 机床专用夹具一般由定位装置、加紧装置、导向或对刀装置、其他装置和夹具体等基本装置组成，根据夹具的基本组成，可以看出夹具设计的主要内容包括：(1)夹具定位支撑方案的确定定位方案设计，应根据加工零件的形状特点和工序加工要求来决定必须消除哪些自由度，选择或设计什么定位元件来保证这些自由度的小树，不能过定位和欠定位。设计夹具从减小加工误差考虑，应尽可能选用工序基准为定位基准，即基准重合原则。定位方式要根据具体情况，以最基本的典型定位为基础，进行举一反三设计。如：平面基准的定位。为了保证其定位基准的位置精确，定位基准应该具有较高的表面质量，同事应尽可能增大支撑之

24、间的距离，使三点之间面积尽可能大，保证被加工零件稳定可靠，不使被加工零件在定位时重心失稳。对于未加工的粗糙平面定位，要用圆头支承钉，以保证接触点位置相对稳定。对于已加工过的平面，为避免压坏基准和减少支钉磨损，通常用平头支承钉或支承板。此外还可以用浮动的多点自位支承，提高毛基准定位的精度和工件刚度，其作用相当于一个固定支承，限制一个自由度。一面两销定位是夹具设计中经常使用的定位方法，两定位销为短圆柱销，其中一边削边，一边不削边。辅助支承不属于定位支承，他不起消除自由度作用，但不能破坏被加工零件已消除自由度的既定位置，只能起到增大支承刚度，以减小其承受夹紧力，切削力时的变形。总之，定位支承元件要稳

25、定可靠，耐磨。材料通常选用T8A或20渗碳钢，热处理淬火硬度HRC5560。(2) 夹具对定机构的设计夹具对定主要包括三个方面：意识夹具的定位，即夹具对切削成形运动的定位；二是夹具的对刀，指夹具对刀具的对准；三是分度和转位定位。 DD+ AZ+ GC≤δ。在设计夹具时需要仔细分析计算DD 和AZ, 从全局出发对其数值加以控制。初步计算可粗略按三项误差平均分配, 各不超过公差的三分之一考虑。其中DD 和AZ 与夹具的设计和使用有关, 当这种单项分配不能满足误差控制要求时, 也可按以下公式分配误差。DD + AZ ≤( 2/3) δ夹紧装置设计既要保证被加工零件

26、的既定位置稳定可靠, 又要避免被加工零件产生不允许的变形和表面损伤, 同时夹紧机构应操作安全、方便、省力。因此需通过合理选择夹紧点、正确确定所需夹紧力大小及方向, 设计合适的夹紧机构来予以保证。对于薄壁刚性差的被加工零件, 要特别注意夹紧变形。除了改变夹紧部位以减小夹紧变形外, 还可以通过设计特殊形状的夹爪和压脚( 如具有较大弧面的夹爪、带活动压块的螺旋机构等) , 使夹紧力分散作用在一条线或一个面上, 以减少被加工零件变形。另外, 对于低刚度被加工零件, 夹紧点应尽可能接近被加工表面, 以保证加工中被加工零件震动较小。夹紧力计算时, 通常将夹具看成一个刚性系统以简化计算, 根据被加工零件受切

27、削力、夹紧力、重力( 大型被加工零件) 、惯性力( 高速运动的被加工零件) 后处于静力平衡状态,计算出理论夹紧力, 再乘以安全系数K, 作为实际所需夹紧力。其中安全系数K 应包含: 一般的安全系数K1= 1.52、加工性质系数K2= 1.2( 粗加工) 、刀具钝化系数K3= 1.11.3、断续切削系数K4= 1.2。切削力可依据有关金属切削工艺手册中给定的相应公式计算。夹紧工件所需作用力的大小不仅与切削力的大小有关, 与切削力对支承的作用方向也有关, 要具体问题具体分析, 按最不利情况考虑。2.2.2夹具设计的方案拟定此次针对四叶螺旋的加工进行专用夹具设计。想要制造出质量好的螺旋桨必须使用合适

28、加工的专用夹具，并且十分了解螺旋桨的工作原理。旋桨工作原理可以从两种不同的观点来解释，一种是动量的变化，另一种则是压力的变化。在动量变化的观点上，简单地说，就是螺旋桨藉由加速通过的水，造成水动量增加，产生反作用力而推动船舶。由于动量是质量与速度的乘积，因此不同的质量配合上不同的速度变化，可以造成不同程度的动量变化。 另一方面，由压力变化的观点可以更清楚地说明螺旋桨作动的原理。螺旋桨是由一群翼面构建而成，因此它的作动原理与机翼相似。机翼是靠翼面的几何变化与入流的攻角，使流经翼面上下的流体有不同的速度，且由伯努利定律可知速度的不同会造成翼面上下表面压力的不同，因而产生升力。而构成螺旋桨叶片的翼面，

29、它的运动是由螺旋桨的前进与旋转所合成的。若不考虑流体与表面间摩擦力的影响，翼面的升力在前进方向的分量就是螺旋桨的推力，而在旋转方向的分量就是船舶主机须克服的转矩力。螺旋桨工作原理可以把螺旋桨看成是一个一面旋转一面前进的机翼进行讨论。流经桨叶各剖面的气 流由沿旋转轴方向的前进速度和旋转产生的切线速度合成。在螺旋桨半径r1和r2(r1r2)两处各取极小一段，讨论桨叶上的气流情况。V—轴向速度；n—螺旋桨转速；φ—气流角，即气流与螺旋桨旋转平面夹角；α—桨叶剖面迎角；β—桨叶角，即桨叶剖面弦线与旋转平面夹角。显

30、而易见βα+φ。 必须使螺旋桨各剖面在升阻比较大的迎角工作，才能获得较大的拉力，较小的阻力矩，也就是效率较高。螺旋桨工作时。轴向速度不随半径变化，而切线速度随半径变化。因此在接近桨尖，半径较大处气流角较小，对应桨叶角也应较小。而在接近桨根，半径较小处气流角较大，对应桨叶角也应较大。螺旋桨的桨叶角从桨尖到桨根应按一定规律逐渐加大。所以说螺旋桨是一个扭转了的机翼更为确切。气流角实际上反映前进速度和切线速度的比值。对某个螺旋桨的某个剖面，剖面迎角随该比值变化而变化。迎角变化，拉力和阻力矩也随之变化。用进矩比“J”反映桨尖处气流角，JVnD。式中D

31、—螺旋桨直径。理论和试验证明：螺旋桨的拉力(T)，克服螺旋桨阻力矩所需的功率(P)和效率(η)可用下列公式计算：T=Ctρn2D4P=Cpρn3D5η=J•Ct/Cp式中：Ct—拉力系数；Cp—功率系数；ρ—空气密度；n—螺旋桨转速；D—螺旋桨直径。其 中Ct和Cp取决于螺旋桨的几何参数，对每个螺旋桨其值随J变化。螺旋桨的特性曲线，它可通过理论计算或试验获得。特性曲线给出该螺旋桨拉力系数、功率系数和效率随前进比变化关系。是设计选择螺旋桨性能的主要依据之一。从图形和计算公式都

32、可以看到，当前进比较小时，螺旋桨效率很低。对飞行速度较 低而发动机转速较高的轻型飞机极为不利。例如：飞行速度为72千米小时，发动转速为6500转分时，η≈32。因此超轻型飞机必须使用减速器，降低螺旋桨的转速，提高进距比，提高螺旋桨的效率。因此，螺旋桨工作动力主要来源于螺旋桨叶片，在制造过程中，叶片曲面的加工对于螺旋桨的使用起着至关重要的作用。 由于螺旋桨的结构特性，上下轮彀夹持面十分有限，不确定三爪卡盘稳定的夹持工件，因此，方案三和方案四都可以选择。三爪卡盘夹紧力计算：确定夹紧力大小的原则是 ,夹紧时不得破坏工 件的准确定位 ,工件在夹紧后的变形和受压表面的 损伤不允许超过

33、技术条件所允许的范围。夹紧力直接影响工件的安装可靠性 、夹紧变形 、定位准确性和加工精度 。实际加工过程中 ,影响夹紧力的因素很多 ,计算也非常复杂。严格意义上说 ,夹紧力是一个粗略的估算值 。机械加工时 ,工件受到切削力 、离心力 、惯性力 、工件自重等作用 ,为了保证夹紧可靠 ,夹紧力必须与上述各力相平衡 。但不同情况下 ,各种力的方向、 大小都不相同 ,因此不能用通式来描述夹紧力与各力之间的关系 。为简化计算 ,一般只考虑主要外力的影响 ,从夹紧可靠的前提出发 ,根据静力平衡原理 , 列出静力平衡方程式，加工过程中取不利状态所需夹紧力的大小 ,即理论夹紧力大小 Fj , 再乘以安全系数

34、K 作为实际夹紧力 Fjo ,即Fjo = K FjK一般取值1.5-1.3.因此所需的夹紧力为Fj=13000N一般最大夹紧力不应超过最大切削力的 2 - 3 倍。最后夹紧力还应满足如下基本条件 : 夹紧时不能破坏工件定位后获得的正确位置 。 在加工过程中要保证工件不移动 、不转动 、不振动 ,又不能产生形状误差和损伤工件表面。由于夹紧力涉及到了主轴转矩→卡盘最大夹持直径→夹持所需摩擦力→夹持力→配上安全系数。实际生产中直径250mm三爪卡盘经试验，用扳手（不用加力杆）拧紧以后可以达到2.5吨的夹紧力；用加力杆拧紧，可以达到3吨的夹紧力。超过3吨的夹紧

35、力，三爪卡盘就会容易坏。所以，一般把250毫米的三爪卡盘的夹紧力标定为3吨。 （8）具有良好的用户界面，绝大多数功能都可以通过图形化的界面实现；进行对象操作时，具有自动推理功能；在每个操作步骤中，都有相应的提示信息，便于用户做出正确的选择。本次基于UG的专用夹具设计，是利用UG的CAD模块。CAD（Computer Aided Design，计算机辅助设计）主要包括建模、制图、钣金、装配、注塑模等功能模块。其中，本次主要用的时建模、制图、装配等模块。其余的模块以下暂不做详细的介绍。（1）建模：提供了草图设计、各种曲线生成和编辑，以及特征建模、曲面设计等工具。（2）制图：提供了多种攻击使用户从U

36、G三维实体模块得到相关的二维工程图。（3）装配：提供了自上而下和自下而上两种装配方法。模拟实际的机械装配过程。利用约束将各个零件图形装配成一个完整的机械结构。基于UG软件的设计过程一般包括以下五步：（1）设计前的准备。阅读设计项目，了解设计目的，手机设计中所需数据，而后编写相应的说明、层次结构等。（2）充分地理解设计的模型。比如应该了解主要的设计参数、结构以及约束等设计中需要注意到的地方。（3）关键结构的设计。主要是对产品的主体结构进行设计，比如确定产品轮廓、轴线和定位孔等。（4）零件的相关设计。主题结构设计完成后，需要单独设计每个零件结构。（5）细节的处理。模型设计后，还需要对细节进行修改，

37、已达到产品的设计要求。3.2 专用夹具的实体建模图9 螺旋桨专用夹具建模图本实例是基于UG的四叶螺旋桨五轴加工中心专用夹具的设计，按照1:1的比例进行设计，包括建模、装配、导出CAD图三个过程。夹具结构分析本次设计的夹具由三爪卡盘，支承台，可胀心轴，螺母等及部分组成。三爪卡盘为标准件，且其内部结构比较复杂，涉及的组件也比较多，这里仅介绍夹具的外形造型及零部件设计、装配、导出二维图过程。 VER ICUT 7.0可以利用软件结构树浏览、配置多个机床设置, 为每台机床设置其结构、布局, 为每台机床配置夹具、刀具、控制系统和设定仿真方式。毛坯连同夹具可以从一台机床转移到另一台机床,并能自动定位来实现

38、多工位加工。一旦用户选定了机床配置、毛坯、夹具、刀具和设计模型, 这些信息就和机床捆绑在一起, 为模拟整个加工过程提供了必要的基本信息。VER ICUT7.0重新设计了刀具管理器, 使VERICUT的程序优化模块更容易使用, 刀具切削参数优化库集成在刀具管理器中, 不仅简化了使用过程, 而且几把刀具可以同时使用一个优化库, 每把刀具都可以创建自己的优化库也可以调用其它刀具优化库; 模型输出功能得到了加强, 可以输出CATIA V5、ACIS SAT 和STEP模型,VERICUT在模拟NC 程序的过程中能创建CAD模型。模板功能VERIFICATION 模板该模板是软件的基本模块，提供三轴数控

39、加工仿真和验证功能，支持几乎所有形式的刀具轨迹代码，包括G代码等等。通过仿真机床加工运动和切削过程及工件的变化，可检测出碰撞干涉、错误走刀、超行程等错误，并记录在日志文件中。Machine Simulation 模板提供虚拟机床及工作环境的建模功能，用于解释数控G代码文件。OptiPach 模板用于对切削用量进行优化设计，根据金属切削率及用户设定的优化参数重新计算或修正不同加工阶段的进给速度，从而获得高质量和高效率的数控加工工艺方案，而且优化过程不改变原有的加工轨迹。ModelExport 模板用于NC刀具路径输出一个CAD兼容模块，随时修正设计模型和加工计划。Multi-DIFF 模板提供4

40、-5轴验证功能Auto-DIFF 模板实现加工模块的检查、分析功能，并可以与设计模块进行精确比较 通用模块的建模机床在床身、立柱等共有零部件的外形上有着细节的差异，但在仿真环境中均可以通过基本的体素或不同类型体素的布尔运算来表征。这种表示方法在不影响模型零部件功能使用的基础上实现了模型的语义表达，提高了建模效率。辅助模块的建模不同加工要求的机床所配用的刀具、夹具也有所区别，可以针对不同类型的刀具、夹具进行小范围通用建摸，建立辅助工具库，配合机床的构建，起到调用和装配的功能。专用模块建模这类模块在数量上并不多，对仿真环挽起到重要作用的必需零部件可以进行单独建模，通过预定义的装配关系完成装配。（2

41、）运动学建模结合数控机床几何模型和数控机床的运动特征，可以按以下步骤建立数控机床的运动模型：定义坐标系加工现场的机床由部件装配而成，部件由零件组成，可以根据这种关系建立不同的坐标系：部件坐标系(Xe,Ye,Ze)：机床上每个部件都有它自己的坐标系，作为该部件的定位和尺寸定量显示。可以通过Model菜单来定义部件或将部件与其他部件相连接。模型坐标系(Xe,Ye,Ze)：机床上每一块模型有它自己的坐标系，模型之间的连接形成部件用以表达三维属性。机床坐标系(Xe,Ye,Ze)：VERICUT的世界坐标系，用于在虚拟环境中定位机床。工件坐标系(Xe,Ye,Ze)：该坐标系用于Stock，Fixture

42、和Design部件的联结。它只在工件视图下显示，并且根据仿真环统中机床的不同定义情况有所意义上的区别。例如：在仿真环境中，机床上运行G代码形式的刀具轨迹文件，工件坐标系原点与部件坐标系原点重合；如果机床运行APLCIS形式的刀具轨迹文件，工件坐标系原点设定为不发生位移的"基座"部件的原点。 （6）仿真结果分析与优化：对于仿真结果模型，一方面我们可以通过对其进行缩放、旋转等操作并结合 LOG 日志文件观察工件的加工和碰撞干涉情况，并进行尺寸测量和废料计算，另一方面，还可以利用 AUTODIFF 模块进行加工后模型和设计模型的比较以确定两者间的差异以及过切和欠切情况，进而修改相

43、应的刀具轨迹文件和参数，直至仿真完全达到要求为止。此外，利用OptiPath模块并进行一定的参数设置可以优化刀位轨迹，调节刀具的进给和切削速度，最大限度的提高去料切削效率，从而提高零件加工效率、缩短加工时间和制造周期。4.1.3 利用VERICUT软件进行加工中心的建模并行性仿真（1）建立机床组件树VERICUT系统用不同类型的组件（component）表示不同功能的实体模型，并用模型（model）来定义各组件的三维尺寸及形状。通过定义毛坯、夹具和切削刀具等组件、模型，然后像真实加工时实体间的相对连接关系一样，连接各组件、模型到数控机床正确的位置就构成了组件树，并用控制文件控制使各组件模型的相

44、对运动与真实加工时各自的运动相同，最后用相应的刀位轨迹进行仿真切削加工。VERICUT中提供了多种类型的组件，来描述加工仿真中所用的不同功能的三维实体模型，包括机床的基础件、XYZ 轴、主轴、工作台、毛坯、夹具和切削刀具等组件。组件被默认为没有尺寸和形状，组件只定义了实体模型的功能，通过增加模型到组件，使组件具有三维尺寸及形状。由各组件构成的表示真实加工时实体间连接关系的组件树，可以对各组件进行剪切、复制、粘贴、删除等基本操作，以对各组件间的连接关系进行编辑。现以五轴加工中心为例建立机床结构模型，首先在VERICUT软件中新建机床用户文件，在模型→组件树中，然后依次定义机床的组成部分，添加顺序为Base→X→Y→Z→Spindle→Tool，Base→A→C，这样就得到机床组件树。如下图所示： 4.1.4VERICUT仿真软件完成刀具路径轨迹仿真以及特征检测和仿真