夹具静动态误差的综合分析

摘 要：在夹具设计过程中，如何提高装夹系统的精度一直为人们所关注。本文提出了夹具综合分析的方法，以一个典型夹具为例进行了静态误差与动态误差综合分析，通过系列具体分析计算，校验和改进了夹具的设计。本文为夹具误差分析提供了工程分析方法。

关键词：夹具设计； 装夹系统； 夹具误差分析

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.10.227

0 引言

根据分类，目前将夹具所具有的误差分为动态误差和静态误差两种。其中，由于刀具的磨损、温度场的变化等因素引起的误差叫做动态误差。而因为机床等定位方式引起的误差称为静态误差。在传统夹具中，对于其进行的精度分析不够全面，具有一定的局限性，具体表现在只是对于这种夹具的动态误差或者静态误差中的一方面进行分析，但是现实中需要综合考虑这两种误差。本文旨在提出一种分析计算方法，结合静态误差与动态误差提出对加工精度影响较大的因素。通过这些能够分析出相应的结果，利用这些将对夹具的调整、定位、夹紧等方面提供进一步帮助。

1 相关误差的理论分析

零件在加工后所具有的形状、尺寸、位置等几何参数和设定的理想参数的相符程度称为加工精度，而其中实际与理想设定之间的偏差被称为加工误差。加工误差是加工精度中重要的评价指标。

在实际加工过程中，影响加工精度的因素有很多方面，但是通过对每一种影响因素分别分析、优化太过于繁琐，所以，利用模拟分析并分别计算出各种因素对于精度的影响，从而找出对于加工精度影响的最关键的因素。一旦出现加工精度没有达到设定要求时，利用这一计算分析的过程，就能够针对于初始设计的结构进行是否需要重新设计的判断，或者作出调整其他例如力、环境等动态因素的选择，从而达到提高精度的目的。以上，我们可以看出，这种模拟分析的适当运用是具有事半功倍的作用。

现以是否夹紧为标定，对于加工前具有的初始状态的误差定义为静态误差；加紧后以及在加工过程中由于工艺而引起的的误差定义为动态误差，考虑的误差用以下列公式进行表示：

现在选择某叶片厂所用的一套钻中心孔夹具，应用上述静态误差与动态误差理论进行分析。对夹具和叶片进行三维建模。

定位方式：对叶冠处的规则表面进行定位；夹紧方式：将叶冠定位处夹紧，同时在靠叶根处用4个顶尖顶紧，这是为防止叶片过长而造成过大的形变。现在针对于钻孔精度进行分析，只针对于在XOY平面中存在的误差进行分析，也就是只分析对于孔位置精度产生影响的各因素。之所以排除Z方向，这是因为在加工过程中，Z方向上造成的误差较小，同时夹具中没有得到精确的定位，这里不做分析。

2 静态误差分析

此处选取夹具误差、工件装夹误差和原理误差三项因素进行分析，因为这三项因素易于修正，而其它三项因其修正工作量大和难于实现这里暂先不予考虑。1夹具所具有的误差（），这里选择的是在夹具制造在过程中所带有的原始误差。钻套孔中所具有的制造误差表示为 ，误差方向为半径任意方向。其次，定位件在底板上的安装，其安装孔有制造误差为X向0.025，Y向 0.01。

3 动态误差分析

3.1 夹具系统受力变形带来的误差

在这项误差分析中，主要针对于在夹带组装过程中出现的变形，也就是因为夹紧后所表现出的力使的定位原件产生的形变，在这项分析中，利用有限元分析的方法进行分析模拟。

由分析可以得到定位元件在X、Y两个方向的形变分别为、

3.2 由于受力变形造成的误差

利用网格对于加工叶片进行划分，之后将底面进行固定约束，只在上端的顶部有三个自由度分别为手动限制水平方向的一个转动自由度与两个可移动的自由度，同时在顶端的加工孔的位置存在有两个力，分别为纵向力、回转扭转力。工件本身处于受力状态时在X、Y两个方向上时，表现出的位移分别为0.01665、0.0145。

3.3 由于热变形造成的误差

在不同的分析模块中，温度因素表现出不同的因素。温度因素在UG的[NLSCSH 153]热分析模块中是为约束因素中的一种，而在[SETATIC 101-单约束]静力学分析中是以一种热载荷的影响因素参与计算的。但是温度在这些分析模块中的本质是相通的，在本文中的方法是将温度作为热载荷的类型进行计算的。

由此可得：在本夹具系统中，工件本身在各上方向相均匀，仅仅是因为在热胀中产生了细微的影响，所以由于加工造成的温度变化而对于加工精度造成的影响可以忽略不计。

4 综合分析与修改方案

加工误差是评价加工精度的指标。由于不稳定性，其中如果一个定位部件的位置发生了细微的变化，就会对于工件位置、方位等造成相对复杂的影响。通过与理想设计的状态进行对比，可以发现定位误差对于工件位置的不同是由于改变定位基准而造成的。通过确定出定位基准的变化规律，就能够确认出在加工工件的表面上每一点所可能表现出的位置变化。所以通过对于这些误差进行分析估算，得出的结果就能够对于夹具进行改良设计。

通过以上的模拟分析出的到的结果，将不同的误差进行综合考虑后进行的夹具改良的设计方案是可行的，并由此提出修改意见。改进可以从静态与动态两个角度出发，静态方面建议提高下端定位装置的安装精度；动态方面，通过加强X向定位板的强度，改进结构以提高精度方面有一定空间。

5 小结

本文旨在提出一种对于夹具模型全面的分析方法，通过利用UG内部的高级仿真模拟的功能，分析、设计出偏差更小的夹具模型。同时，通过这种分析思路、方法的提出，可以对于读者更多的启发，从而在今后对于夹具的精度进行分析过程中有更大的帮助。

参考文献：

[1]沈春根，王贵成，王树林.UG NX7.0有限元分析入门与实例精讲[M].北京：机械工业出版社，2010.

[2]龚定安，赵孝昶，高化.机床夹具设计[M].西安：西安交通大学出版社，1992.

[3]王键石.机床夹具和辅具速查手册[M].北京：机械工业出版社，2008.

[4]殷国富，陈永华.计算机辅助设计技术与应用[M].北京：科学出版社，2002.