基于ANSYS的系列铜管夹具优化设计.pdf
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1、Modeling and Simulation 建模与仿真建模与仿真,2023,12(5),4488-4498 Published Online September 2023 in Hans.https:/www.hanspub.org/journal/mos https:/doi.org/10.12677/mos.2023.125409 文章引用文章引用:张银龙,袁嫣红,刘晨,陈天杰,李正军.基于ANSYS的系列铜管夹具优化设计J.建模与仿真,2023,12(5):4488-4498.DOI:10.12677/mos.2023.125409 基于基于ANSYS的系列铜管夹具优化设计的系列铜管
2、夹具优化设计 张银龙张银龙1,2,袁嫣红袁嫣红1,2,刘刘 晨晨1,2,陈天杰,陈天杰1,李正军,李正军3 1浙江理工大学机械工程学院,浙江 杭州 2浙江理工大学新昌技术创新研究院,浙江 绍兴 3浙江勇峰智能科技有限公司,浙江 绍兴 收稿日期:2023年7月17日;录用日期:2023年9月5日;发布日期:2023年9月12日 摘摘 要要 针对针对四通阀铜管在四通阀铜管在管端倒角管端倒角作业作业中的中的装夹问题,装夹问题,设计了一种采用设计了一种采用外圆定位外圆定位装夹装夹的系列铜管握夹的系列铜管握夹夹具夹具,实,实现了对于系现了对于系列列铜管内管铜管内管面面无损伤的定位无损伤的定位装夹。夹具结
3、构初步装夹。夹具结构初步设计后,对夹具设计后,对夹具装夹装夹的铜管进行静力学分析的铜管进行静力学分析。验证验证出出铜管变形未超出工艺要求铜管变形未超出工艺要求,证明证明了夹具结构的可了夹具结构的可行性行性。之后针对各设计参数。之后针对各设计参数进行灵敏度分析,通进行灵敏度分析,通过响应面过响应面法法优化设计参数,优化设计参数,保证在保证在不不增大增大夹具整体质量的夹具整体质量的情况情况下,下,铜管铜管所产生的静变形量和最大等效应所产生的静变形量和最大等效应力最小。结果表明力最小。结果表明:在保证夹具:在保证夹具整体质量的情况下整体质量的情况下,铜管,铜管所受最大变形量减少了所受最大变形量减少了
4、24.4%,最大等效应力,最大等效应力降低了降低了28.5%。关键词关键词 系列铜管,外圆系列铜管,外圆定位定位,静静力学力学分析分析,响应面响应面法法 Optimization Design of Series Copper Pipe Fixture Based on ANSYS Yinlong Zhang1,2,Yanhong Yuan1,2,Chen Liu1,2,Tianjie Chen1,Zhengjun Li3 1Faculty of Mechanical Engineering,Zhejiang Sci-Tech University,Hangzhou Zhejiang 2Xin
5、chang Zhejiang Sci-Tech University Technology Innovation Research Institute Co.LTD.,Shaoxing Zhejiang 3Zhejiang Yongfeng Intelligent Technology Co.,Ltd.,Shaoxing Zhejiang Received:Jul.17th,2023;accepted:Sep.5th,2023;published:Sep.12th,2023 Abstract Aiming at the clamping problem of four-way valve co
6、pper pipe in the chamfering operation,a series of copper pipe clamping fixture with cylindrical positioning is designed to realize the non-damaging positioning clamping of the inner tube surface of the series copper pipe.After the preliminary de-张银龙 等 DOI:10.12677/mos.2023.125409 4489 建模与仿真 sign of
7、the fixture structure,the static analysis of the clamping copper pipe is carried out.It is ve-rified that the deformation of the copper pipe does not exceed the technological requirements,which proves the feasibility of the fixture structure.Then the sensitivity analysis of each design parameter is
8、carried out,and the response surface method is used to optimize the design para-meters to ensure that the static deformation and the maximum equivalent stress of the copper tube are minimized without increasing the overall mass of the fixture.The results show that the maximum deformation of the copp
9、er pipe is reduced by 24.4%and the maximum equivalent stress is reduced by 28.5%when the whole quality of the fixture is guaranteed.Keywords Series Copper Pipe,Outer Circle Positioning,Static Analysis,Response Surface Method Copyright 2023 by author(s)and Hans Publishers Inc.This work is licensed un
10、der the Creative Commons Attribution International License(CC BY 4.0).http:/creativecommons.org/licenses/by/4.0/1.引言引言 图 1 为某企业的制冷四通阀,其专用铜管采用 TP2 磷脱氧铜制成,作为四通阀的重要组成部件,在市场上需求量巨大1。铜管的倒角作业有两种方法:一种是将铜管装夹在倒角机工作台上进行倒角加工处理,另一种将其安装在三爪卡盘上利用车床进行倒角作业2。因为两种装夹方式目前大都采用人工作业,所以装夹时间比较长,自动化改造成本较高。且在多次装夹后会产生一定的误差,形位精度和
11、加工质量难以保证。此外,其在空间布局以及自动化加工工艺上也无法满足新型倒角设备的加工需求3 4。因此本文根据系列铜管的形状结构特点,进行详细的工艺分析,综合分析同系列不同型号的接管尺寸,设计了一种适用于系列铜管倒角加工的专用夹具,并通过 ANSYS 有限元分析软件对其进行仿真优化来提高系列铜管握夹装置的可靠性。Figure 1.Refrigeration four-way valve 图图 1.制冷四通阀 2.四通阀铜四通阀铜管管装夹装夹方案方案 专用铜管为变口径管状结构,两端面直径不同。铜管小口径端面根据工艺要求需要倒出 45 度斜角以Open AccessOpen Access张银龙 等
12、DOI:10.12677/mos.2023.125409 4490 建模与仿真 便于提高后续铜管与阀体的装配效率。在类似管状结构的倒角加工过程中,通常会采用双涨式夹具或三角卡盘进行装夹作业,这两种装夹方式在手工作业时可操作性高,具有一定的工作效率。但经过综合分析后发现,铜管零件加工小口径端面时,采用上述方式装夹铜管时会有以下几个问题。1)在进行双涨式夹具装夹时,定位所需的定位杆在插入铜管零件内径中时,不可避免的损伤铜管内表面,从而加剧铜管内制冷媒介对于铜管的腐蚀作用。2)由于铜管为变口径管状结构,大口径端面较短,在装夹铜管端面时双涨式夹具的定位杆与铜管整体之间无法实现完全配合。在对管端进行倒角
13、作业时,由于切削力等因素会使铜管零件振动,从而影响加工的精度和安全5。3)在采用三爪卡盘进行铜管装夹时,考虑到铜管大口径端面可装夹长度短小,从而导致装夹面积减小,相应夹紧力增大,产生装夹部位过大变形的现象。针对以上问题,系列铜管夹具采用外圆定位的外表面装夹方式避免了铜管内径表面的损伤,同时装夹铜管较长的小口径端可以增大装夹面积,限制了装夹部位过大变形的现象,系列铜管夹具装夹示意图如图 2 所示。(a)正视图 (b)轴测图 Figure 2.Clamping diagram 图图 2.装夹示意图 3.夹具结构夹具结构设计设计 根据上述系列铜管的装夹方式分析,夹具结构采用图 3 所示的 A 基准平
14、面定位,B 基准外圆定位与夹手夹紧的结构形式,同时设置定位块来限定夹持压力大小。铜管到达堆料区后,推杆推动铜管大端,将其 A 基准平面顶靠在定位板上,完成 X 轴的定位。然后夹具夹手夹紧 B 基准外圆表面,由夹手夹紧力实现那对于铜管的完全固定。夹具整体结构简单、由液压油缸推动夹具实现夹紧和放松,通过夹具与铜管外表面的静摩擦力提供作业时的夹紧力,进行装夹作业。图 4 为系列铜管夹具的整体结构图。Figure 3.Schematic diagram of copper pipe positioning 图图 3.铜管定位示意图 张银龙 等 DOI:10.12677/mos.2023.125409
15、4491 建模与仿真 1夹具底座;2夹具夹手;3夹手导轨;4液压油缸;5限位块;6滑块;7定位板 Figure 4.Series copper pipe fixture structure diagram 图图 4.系列铜管夹具结构图 4.夹具装夹静力学分析夹具装夹静力学分析 4.1.模型导入及模型导入及材料添加材料添加 夹具的总体结构设计完成后,将所设计三维模型导入到有限元分析软件 ANSYS 中进行参数优化。模型导入后进行材料的选择,经查阅材料选择 TP2 磷脱氧铜,密度为 915.7 Kg/m3,弹性模量为 132 GPa,泊松比为 0.34 6。4.2.网格划分网格划分 在网格划分时,
16、为进一步提高网格质量且兼顾计算精度和速度,将网格最小尺寸限制定义为 1 mm。网格划分图与网格质量分布柱状图如图 5 所示,通过对柱状图的分析可知,铜管的元素数量大都集中在0.75 左右,说明划分的网格质量良好。(a)网格划分图 张银龙 等 DOI:10.12677/mos.2023.125409 4492 建模与仿真 (b)网格质量柱状图 Figure 5.Detailed grid division 图图 5.网格划分详细图 4.3.载荷和载荷和约束施加约束施加 在铜管的作业过程中,铜管主要受的载荷有夹具的夹紧力和刀具作业时对铜管产生的切削力,经过理论计算夹具用于固定铜管的夹紧力 P=45
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