被動式木窗雙端銑削加工定位夾緊裝置的設計與研究

任長清，孫永超，楊春梅，丁禹程

摘要：為滿足歐式木窗定制化尺寸變化的需求，設計一種尺寸自適應定位夾緊裝置，應用有限元軟件對木窗夾緊過程進行靜力學分析，在滿足木窗夾緊的要求下，使木窗彈性變形在合理范圍。同時為了滿足輕量化設計要求對壓輥連接架進行拓撲優化設計，根據拓撲優化結果改進壓輥連接架結構，對優化后的模型進行靜力學分析驗證，最終得到優化后的工件。結果表明，優化后壓輥連接架重量明顯下降，滿足相關使用要求。

關鍵詞：歐式木窗；雙端銑削；定位加工；靜力學分析；拓撲優化設計

中圖分類號：S文獻標識碼：A文章編號：1006-8023（2024）01-0122-06

Design and Research of Positioning Clamping Device for Double?End Milling of Passive Wooden Windows

REN Changqing， SUN Yongchao， YANG Chunmei*， DING Yucheng

（College of Mechanical and Electrical Engineering， Northeast Forestry University， Harbin 150040， China）

Abstract：In order to meet the needs of European wood windows customized size change， a size adaptive positioning clamping device was designed， and the finite element software was used to carry out static analysis of the clamping process of wood windows， ensuring that the elastic deformation of wooden windows was within a reasonable range while meeting the clamping requirements. At the same time， in order to meet the lightweight design requirements， the topology optimization design of the press roller connecting frame was carried out. The structure of the press roller connecting frame was improved according to the topology optimization results， and the static analysis and verification of the optimized model were carried out， and the optimized workpiece was finally obtained. The results showed that the weight of the press roller connecting frame decreased obviously after optimization， which meets the relevant requirements.

Keywords：European wooden windows; double end milling; positioning processing; statics analysis; topology optimization design

0引言

歐式木窗由于美觀、材料可再生、良好的保溫性等優點，被廣泛應用于室內設計。2019年，我國林業產業總產值達7.56萬億元，已成為林產品生產、貿易和消費大國[1]。雖然近幾年我國木門窗銷量持續上升，但市場占有率仍然較低，與歐式木窗的市場份額相比仍有較大差距[2-3]?，F有的多數木門窗生產企業在加工歐式木窗的過程中都存在加工精度低、人工成本高等問題。國家“十四五”規劃和“中國制造2025”對智能制造做出了重要指示，轉型升級是傳統制造業的必然發展趨勢，為提高歐式木窗加工精度、生產效率，有必要根據歐式木窗生產工藝設計一種尺寸自適應加工定位夾緊裝置。

現有的歐式木窗加工方式是人工推著木窗在銑床上進行加工作業，此方式不僅耗費人工，而且對于歐式木窗加工精度有一定的影響。隨著國內木門窗行業的不斷發展，木門窗生產企業對高效率、高精度的門窗材加工設備產生了巨大需求[4]。針對歐式木窗加工過程自動化程度低、加工精度低的情況，設計一種被動式木窗雙端銑削加工定位夾緊裝置，旨在歐式木窗銑削加工過程中，隨歐式木窗尺寸變化調整工作臺，在減少人工投入的同時提高歐式木窗加工精度，實現歐式木窗自動化加工。

1被動式木窗雙端銑削加工定位夾緊裝置整體布局與關鍵部件設計

1.1被動式木窗雙端銑削加工定位夾緊裝置總體布局

定制化歐式木窗尺寸變化較大，歐式木窗尺寸見表1。為提高歐式木窗銑削加工過程的自動化程度，減少人工投入，根據歐式木窗生產工藝，設計一種尺寸自適應的被動式木窗雙端銑削加工定位夾緊裝置，如圖1所示。該裝置主要由進料小車、鏈傳動電機、絲杠、左夾緊裝置、鏈傳動、機床和右夾緊裝置7部分組成。工作過程中歐式木窗由進料小車進入鏈傳動，銑削過程中根據歐式木窗尺寸自動調整絲杠位置完成歐式木窗裝夾，由左夾緊裝置和右夾緊裝置共同完成歐式木窗前進和垂直方向固定。

1.2關鍵部件設計

歐式木窗銑削加工過程中的定位夾緊主要由左夾緊裝置運動完成，左夾緊裝置如圖2所示。裝置主要由側壓輥、上氣缸、連接板、軸承、壓輥活動架、壓輥、鏈傳動、滑軌1、絲杠、滑軌2和底座等組成。上氣缸型號為FY-MAL-CA32×50，穩定氣壓為0.5 MPa，通過調整上氣缸的氣壓完成歐式木窗垂直方向定位夾緊，絲杠在2條滑軌的輔助下調整夾緊尺寸，使用雙滑軌裝置可以增加尺寸調整精度。

2歐式木窗銑削加工過程受力分析

銑削是木材切削加工領域一種重要的、高效率的加工方法，可用來加工多種工作面，如曲面、平面和溝槽等[5]。歐式木窗在銑削加工過程中受到銑刀銑削力的作用，其中銑削力包括切削力（Fx）和法向力（Fy），如圖3所示。木材切削力的影響因素有很多，如木材本身性質、刀具參數和刃口鋒利程度等。切削力的計算公式分為理論公式和經驗公式[6-7]。前者對一些影響因素和工作條件進行了簡化處理，因此切削力理論公式的應用較少，從業人員在計算木材銑削力時更多選擇切削力經驗公式。切削力經驗計算公式是將試驗得到的數據作為基礎，并做了一定的理論假設而得到的[8]。

2.1切削力

木窗在整個加工過程中，受到銑刀銑削力、上氣缸的壓力、側壓輥的推力作用。木材含水率為15%，厚切屑情況下，平均切削力Fx為

Fx=p·b·h·U60V。（1）

U=Uz·n·z1 000。（2）

V=π·D·n6×104。（3）

式中：p為單位切削力，N/mm2;b為銑削寬度，mm;h為銑削深度，mm;U為進給速度，m/min;V為銑削速度，m/s;Uz為每齒進給量mm/z;D為銑刀切削圓直徑，mm;z為參加切削的齒數；n為銑刀轉速，r/min。

歐式木窗材質為松木，采用縱向銑削加工，在銑刀切削角55°，銑削寬度（b）為100 mm，最大銑削深度（h）為2 mm，單位切削力（p）為18.34? N/mm2，每齒進給量（Uz）為1.5? mm/z，銑刀轉速（n）為12 000? r/min，銑刀切削圓直徑（D）為80? mm，計算得到切削力（Fx）為43.8? N。

2.2法向力

歐式木窗在銑削加工中法向力（Fy）為

Fy=Faxμa－Fyxtan（90°－δ－β0）。（4）

式中：Fyx為前刀面切削力，N；Fax為后刀面切削力，N；μa為摩擦系數；δ為切削角，（°）；β0為摩擦角，（°）；

前刀面切削力（Fyx）為37.3 N，后刀面切削力（Fax）為6.49 N，摩擦系數（μa）為1.1，摩擦角（β0）為23 °，計算得進給力（Fy）為-2 N。

3木窗靜力學分析

在有限元軟件ANSYS中，對零件進行靜力學分析時首先要對零件進行前處理[9]。歐式木窗模型已在SolidWorks軟件中建立，保存為ANSYS Workbench可以識別的x_t文件，將歐式木窗x_t文件導入ANSYS Workbench 19.2中進行有限元靜力學分析。歐式木窗材料設置為松木，通過ANSYS工程材料數據庫設置木窗材料參數。對零件進行有限元分析時，需要對建立好的零件模型進行網格劃分[10-12]。Ansys Workbench有多種網格劃分方法，但是網格劃分的尺寸越小，運算時間也相應增加[13]。由于歐式木窗結構較為簡單，將網格劃分尺寸設置為5 mm，在ANSYS Workbench的前處理軟件Mechanical中的Mesh模塊插入四面體網格劃分方法。

分析歐式木窗銑削加工過程中作用力最大的瞬間，上氣缸和側壓輥的作用力以均布力形式作用在木窗上，木窗運動方向采用固定約束。求解得到木窗銑削加工過程中變形云圖，如圖4所示，木窗銑削加工過程中最大變形量為0.006 mm，木窗彈性變形在合理范圍內。木窗銑削過程中應力云圖如圖5所示，木窗銑削加工過程中等效應力為0.088 MPa，應力小于松木屈服強度。

4壓輥連接架的拓撲優化設計

4.1優化參數設置

作為一種概念設計方法，拓撲優化在工業設計中得到大量應用[14]。拓撲優化以材料分布為優化對象，可在均勻分布材料的設計空間中找到最佳分布方案[15-17]。被動式木窗雙端銑削加工定位夾緊裝置中壓輥數量較多，對壓輥連接架進行有限元拓撲優化是提升性能和改進結構的重要手段，壓輥連接架整體結構如圖6所示。

1.氣缸;2.連接架;3.帶菱形座軸承;4.電機;5. 聯軸器;6.壓輥連接架;7.壓輥。

1.Cylinder; 2.Connecting frame; 3.Bearing with diamond seat; 4.Motor; 5.Coupling; 6.Press roller connection frame; 7.Press roller.

對壓輥連接架進行拓撲優化，約束條件為應力，材料的屈服極限為235 MPa，根據相關使用要求，設置應力上限為150 MPa，設定整個壓輥連接架為需要優化的結構范圍，優化排除區域為銷孔內外表面，設置優化響應為質量，以質量為優化目標，拓撲優化目標留存率設置為60%，經過15次迭代計算求解后，得到拓撲優化后的壓輥連接架結構如圖7所示。

4.2查看拓撲優化結果及分析

將優化設計中必要的參數和約束條件設置完成后進行優化計算。在三維軟件中對壓輥連接架模型進行刪減和修整，建立優化后的模型，優化后的模型如圖8所示。對改進后的壓輥連接架進行靜力學分析驗證，設置與優化前相同的參數和邊界約束條件，優化后的模型變形和應力云圖如圖9和圖10所示。拓撲優化結果表明在滿足工件相關使用要求，其重量下降了3.6%。對于提高被動式木窗雙端銑削加工定位夾緊裝置工作效率和結構輕量化有重要作用。

5結論

通過計算分析，該被動式木窗雙端銑削加工定位夾緊裝置具有以下優勢。1）木窗加工所需夾緊力由氣缸提供，可隨木窗尺寸變化調整氣缸夾緊力的大小。2）通過絲杠調整側壓輥位置實現木窗左右固定，可以根據實際生產需要，快速調節左右夾緊間距，提高木窗生產效率。3）鏈傳動提供木窗前進動力的同時，鏈傳動上的卡槽固定木窗的2個側邊，實現木窗與鏈傳動同步運動。

應用該被動式木窗雙端銑削加工定位夾緊裝置解決了歐式木窗裝夾調整難控制的問題，實現了歐式木窗銑削加工過程的自適應定位夾緊，裝置利用率高，對于同類型工件的自適應定位夾緊裝置的設計研發有一定的參考價值。

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