基于DOE和有限元法的弹性材料钻削夹具优化设计
S Selvakumar , K.M Arunraja , P Praveen
助理教授，机械工程系，Kongu工程学院，perundurai–638052，Tamil Nadu，印度。
助理教授，机械工程系，该技术研究所，coimbatore-641032，Tamil Nadu，印度。
助理教授，机械工程系，软件工程学院，Sankariwest–637303，Tamil Nadu，印度。
摘要
弹性材料是一种具有粘弹性特性的聚合物，与其他材料相比通常具有较低的杨氏模量和屈服应变。我们的项目使用的弹性材料是丁苯橡胶。弹性材料工件的钻孔是不容易的，因为它容易变形，所以很难得到我们需要的形状。通过设计合适的夹具布局，可以精确地进行弹性材料的钻孔。夹具设计要求精确的定位元件和夹紧元件，减少钻削过程中工件的形变。在这项工作中使用六个定位器和三个夹具。完成原设计布局并用ANSYS软件进行分析找到工件变形点。MINITAB软件利用L27正交阵列形成各种可能的设计布局，然后使用ANSYS分析所有布局的变形量。通过输入各种变量，使用MINITAB Software的DOE - Taguchi方法找到最佳布局。从获得的SN比例图，找到使工件变形最小的布局方案。
关键词：弹性材料、丁苯橡胶、钻削、变形、聚合。
1、简介
夹具设计包括：根据材料类型放置定位元件和夹紧元件。在这里我们将看到有关材料选择以及夹具的各种类型。
1.1弹性材料及其用途
弹性材料是一种聚合物，应变与其他材料相比具有显著低杨氏模量和屈服应变。连接形成聚合物的每个单体通常由碳，氢，氧和/或硅制成。
弹性材料是存在于它们的玻璃化转变温度以上的非晶聚合物，因此可以产生相当大的节段运动。在环境温度下，橡胶较软易变形，其主要用途是用于密封件，粘合剂和模制的柔性部件。我们所使用的弹性材料是苯乙烯 - 丁二烯橡胶。丁苯橡胶是一种由苯乙烯和丁二烯组成的合成橡胶共聚物。 它在用添加剂保护时具有良好的耐磨性和良好的老化稳定性，并且广泛用于可以与天然橡胶共混的汽车轮胎中。它最初是在德国第二次世界大战之前开发的。
SBR可以通过两种基本上不同的方法制备：在第一种情况下，反应是离子聚合。在乳液聚合情况下，反应是通过自由基聚合， 在该方法中，需要低压反应容器，通常装有苯乙烯和丁二烯，两种单体，自由基发生剂和链转移剂如烷基硫醇和水。 硫醇控制分子重量和高粘度产品的成型。阴离子聚合方法由不涉及的烷基锂和水引发。高苯乙烯橡胶更硬却不如丁苯橡胶有弹性。
弹性材料广泛应用于气动轮胎、鞋跟、鞋底、垫片等，它是与天然橡胶竞争的商品材料。 乳胶SBR广泛用于涂料纸，是结合着色涂料的最具成本效益的树脂之一，它也用于建筑应用中作为密封和粘合剂后面的渲染，当做PVA的替代品，但是更昂贵。在后者的应用中，它提供更好的耐久性，降低收缩率和增加柔性，以及在潮湿条件下的抗乳化性。SBR可用于潮湿的房间或表面，使整个表面形成连续、无缝防潮衬垫。
1.2夹具及其类型
夹具是在制造业中使用的工件夹持或支撑装置。 夹具的主要目的是在加工操作期间定位并保持工件。夹具通常为特定工件和操作单独设计和制造。典型的夹具元件是定位装置、夹紧装置和基板。
1.2.1夹具的类型
夹具的类型有许多种比如板夹具、角板夹具、钳口夹具、分度夹具、多工位夹具、仿形夹具。这些夹具应用于各种操作，如钻孔，珩磨，装配、扩孔、检测、热处理、攻丝、试验等。
1.3 DOE-Taguchi技术
MINITAB是一个强大的统计软件程序，提供广泛的基本和高级功能的统计分析。它以行和列的形式与数据一起工作。 MINITAB有许多统计分析，如ANOVA，DOE，控制图，质量工具等。在我们的项目中，我们使用DOE-Taguchi 3级别作为优化工具。这里选择变量数为9的L27的正交数组。田口的技术已经广泛应用于工程设计。它最被称道的能力是参数设计，这是一种专注于确定产品或工艺设计参数设置使其质量特性达到最佳的工程方法。为了确定最佳设计，它需要用到公开了各层次设计参数的处理的战略性的设计实验。Taguchi的实验设计方法易于被有一些统计知识的用户接受，因此它在工程界和科学界中得到了广泛的欢迎。此外，用户可根据多种因素的相互作用及其水平选择想要的正交数组。Taguchi用信号噪声比作为选择质量特性的依据，S / N比被用作可测量值而不是标准偏差，这是因为随着平均值的降低，标准偏差也减小，反之亦然。换句话说，标准偏差不能首先被最小化，且S / N比可通过可变性降低和测量的改进来改进质量。当特性是连续的，信噪比特点可分为三种类别。理论上较小的和较大的是最好的，在这里，我们使用较小的作为优化选择。
2.文献综述
本章涉及有关用于弹性材料钻孔的夹具布局的各种期刊和文章。被提及的期刊都是为了找出用于工件钻孔的最佳夹具布局设计，这些期刊的要点在这里描述。
2.1钻削夹具设计变形板件-第一部分
[1]在本研究中，有限元法的用途为工件变形计算和钻削荷载诱导。据了解，实际的钻削过程可以通过渗透钻和工件变形的非线性相互作用来管理。例如，去除材料期间，钻孔改变工件几何形状，从而改变工件的结构刚度，都会反过来导致更高的变形，无论是近钻接近还是在偏远地区钻。除了材料去除的局部和全局效应，非线性近钻头附近的损伤演化也有望增加局部变形，这决定了钻削的质量。这可能包括几种损伤类型：比如陶瓷中的微裂纹等损伤，在纤维增强复合材料中，复合材料层合板，塑性分层在金属、纤维中脱粘和拔出及其他损坏形式。综上所述，一个强大的非线性有限元模型需要被开发，这样的非线性和计算密集型模型将需要嵌入迭代优化方案。这种优化方案用来评估钻削过程的质量，内置识别最佳约束夹具配置的能力。而这样的具有深远意义的建模目标正在构思当中，在这项研究中，我们在模拟钻削中采用了简单方法—有限元法。边值问题与发展中使用的假设有限元模型是这项研究的下一个目标。
正如前面讨论的，钻削过程是高度非线性的几何与接触非线性[2]物质支配现象。为了准确地模拟这样的过程，需要采用增量有限元格式嵌入迭代优化算法。因此，为了完成最优化钻削模拟，需要成千上万种优化方案。这项工作在未来的研究中是有可能实现的，在这项工作中，通过模拟钻削过程为线性过程来得到有用的优化夹具方案。
[3]更具体地说，为了使钻削推力集中和钻削扭矩成线性分布，假定在钻削过程中没有任何形式的损坏发生，钻头和弹性变形板之间的接触产生恒定的钻削负荷。假设圆柱形孔板的孔的直径等于钻头的直径来模拟钻削过程，材料去除就被集中在一步，大大减少了所需计算。钻削的推力和力矩作用在工件表面而施加载荷作用在孔的底部，如图B1所示。
在模拟报告中，孔的平均深度为0.9h，这个选择的依据是孔深函数的监测研究。有的人可能会认为钻削过程建模中使用预先存在的孔会降低整体工件的刚度，这是不准确的。对国家来说开发一步钻模型是非常重要的，上述问题被发现是不相关的，因为在钻削过程最后，工件刚度会削弱得和原有孔洞模型一样。
2.2钻削夹具设计变形板件-第二部分
[4]根据有限元夹具造型和连材料去除开发工具及第一部分的函数分析，通过可变性板形成最优钻削夹具模型。计算机模拟对寻找最佳夹具有很大的帮助。之前呈现模拟的细节在本节中讨论，第一部分中每个涉及上述五个目标之一的模拟都很重要且它是在相当苛刻的条件下进行的迭代计算。在第一部分中介绍了如下案列：弹性板被初始约束与装载和限制几何边界条件，先输入上述条件，然后使用ABAQUS FE软件解决问题。三维有限元素提取相关信息根据需要改变钻孔的形状来评估相关联的目标函数。约束边界条件与夹具定位器相关联然后是工件的下表面扰动与模拟一致用于提取全局最小值来选择目标函数。本文说道的模拟，通过模拟优化算法目标函数最小值和相关最优夹具配置经常需要2000到4000次迭代操作。因此，在一台R10000 SGI多处理器机上每个最佳夹具配置报告在本研究中所需大约30到48小时的计算时间。对于给定的几何形状和钻削条件，总计算时间大约需要150小时获得五种不同的最佳夹具配置，用Delta;i来表示，i = 1~5目标功能。
测试推荐的夹具方案，计算机模拟试验四种不同的钻井情景（情况I，II，III和IV）相应的有限元网格如图B2所示。
案例I确定最佳夹具布局钻一个1/2英寸孔，中心在（2.5，0.5）;案例II确定最优夹具布局用于钻3/4英寸孔，孔中心在（1.0,3.0）；在案例III中，分别使用单个夹具钻孔，在案件I和II中钻出1/2和3/4英寸的孔。这样设置减少了50%的设置时间，但是需要评估加工精度。在案例IV中，1/2和3/4英寸孔为同时钻孔，这样做加工时间仍然缩短但工件处于于高负载状态，并且预期加工表面的精度最低。在这些模拟中，铝板的弹性模量E = 1.0E 07（p si），泊松比Ɣ=0.3，长度，宽度和厚度为4，3，和1/4英寸，分别使用各自的钻削最佳夹具配置。在案例I中，分别使用五个最佳夹具FIX1，FIX2，FIX3，FIX4和FIX5，以（2.5,0.5）为中心钻1/2英寸的孔，寻找最佳夹具配置，如图B3所示。
捕获千分之一英寸偏差大小同时保持形状畸变管理效应，比例因子250被选择用于呈现数字钻钻削模拟，侧面和顶部（虚线）和钻孔表面（实线）通过FIX1，FIX2，FIX3，FIX4和FIX5在B4显示。注意模拟钻孔表面的高精度，模拟值和标称值之间的偏差为0.0001英寸。
2.3工件的形变预测
为了确保工件的重要部分和工件的形变在夹具中装监测系统是很必要的。[5]适当的方法精确计算这种变形对设计和配置夹具是非常重要的，在这种情况下，有限元建模被研究者和从业者广泛使用。然而，在本研究中部分夹具不考虑变形，也有知识的影响，各种有限元模型参数使工件变形非常有限。本研究采用有限元分析（FEA）建模夹具工件系统和探讨夹具对工件变形的影响，有限元模型参数对预测精度的影响会被审查。由FEA模型得出定位反应的实验验证力和工件变形预测显示的实验数据在规定的5%以内。在夹具工作系统研究中，发现建模工件和夹具的接触遵守系统规则达到98%，其余变形发生在其他夹具模块。[7]计算时间权衡和准确性已经给出了各种夹具模型，检查夹具的技术是机械加工实践与经济学基础必不可少的。模型准确预测加载或释放工件引起的工件装夹变形的能力--接触力预测对于夹具设计是至关重要的功能。[8]基于接触力学方法，刚体方法和有限元素建模方法的方法，广泛用于夹具工件系统中。在这些方法中，刚体建模方法不能预测工件变形，因此不适合研究夹具对零件质量的影响。虽然接触力学方法从计算量的角度说是惊人的，但它只适用于可以估计为弹性半空间的零件。
[9,10]在本研究中使用的夹具工件系统包括一个3-2-1壁厚分布均匀的矩形截面空心砌块如图B5所示。铝6061-T6（E = 70GPa，v = 0.334）工件测量为153mmtimes;127mmtimes;76mm，具有固定壁厚度（图B1中的t）范围从6至10mm。两个夹具用于将工件压靠六个定位器：三个在主平面上，两个在二级平面，一个在三级平面。球形和平面硬化AISI1144钢（E = 206GPa，v = 0.296）夹具使用具有黑色氧化物涂层的尖端定位并夹紧工件。
而一些发表的文献包括[ 11，12，13，14 ]使用有限元分析研究工件变形，网格密度对检测结果的影响。确定合适的有限元模型是调查是理想网格的一个重要因素。粗糙的网格可能会产生不准确的结果，另一方面太细的网格也是不必要，因为性价比太低。在这项研究中，ANSYS的SMRT智能网格功能用于构建实心网格。离散值范围从1（最稠密的网格）到10（最小密度网）分配给各种固体部分。使用宽光谱的夹具和工件网孔尺寸的组合来找到最佳网孔尺寸。为了检查结果的精度，计算在两个夹具的位置处的工件的变形，dc1和dc2。
实验结果被用来作为一个基准，用于评估模拟结果的有效性，尺寸相似的模型构建。用于该研究的工件具有7mm的均匀壁厚，固定元件固定到15mm厚的钢基板上，将主平面上的螺纹夹具尖端直接拧入基板中，其他定位器被拧入钢支撑块中，钢支撑块又通过四个螺栓和两个压配合定位销固定到基板。
两个相似的夹具通过钢支撑块固定到基板，由液压手动泵致动。夹具致动的顺序可以影响工件偏转，如其他研究人员和以前的作品所示。在当前的研究中，两个夹具由单个液压泵同时致动，两者的致动时间的差异被认为是可忽略的。使用涡流接近探针测量每个点处的变形，由传感器识别的目标补片的磁通量的变化转换为位移值。对于每个尖端和负载对，平均五次变形试验的结果。
3.问题定义
弹性材料，也被认为是橡胶，是不同材料性质的长链聚合物，它们是独特的，并且弹性材料的部件通过模制过程制造。聚合物材料与不同的添加剂混合，在模制过程中加热，熔化并压制成模具的形状，然后将聚合物材料暴露于模具内受温度 - 压力 - 时间影响控制。材料被固化，硫化和冷却以获得预期的性能和几何形状，需要一套模
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