基于SolidWorks的機(jī)床專用夾具設(shè)計(jì)

李 斌，耿向前，陳世豪

(河南工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，河南 鄭州 451191)

機(jī)床專用夾具是裝夾工件和引導(dǎo)刀具的裝置，是工藝系統(tǒng)中必不可少的組成部分，對提高生產(chǎn)效率、保證加工質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。一直以來，為縮短夾具的設(shè)計(jì)周期、提高設(shè)計(jì)效率，研究人員對機(jī)床專用夾具的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了不斷的研究。在定位誤差分析方面，李大磊等[1]利用SoildWorks設(shè)計(jì)庫建立了非標(biāo)準(zhǔn)件的特征庫，并結(jié)合案例研究建立了元件庫，在分析常規(guī)定位誤差的基礎(chǔ)上，提出了運(yùn)用SolidWorks裝配尺寸測量工具輔助計(jì)算定位誤差的方法。在夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，王丹等[2]通過分析銑削夾具的功能和工件的定位和夾緊，最終確定了夾具的整體結(jié)構(gòu)，提升加工效率的同時(shí)也保障了加工精度。李雙躍等[3]運(yùn)用基于加工特征的工藝設(shè)計(jì)與夾具設(shè)計(jì)的集成模型，利用特征技術(shù)建立了夾具設(shè)計(jì)的工藝模型與夾緊模型。Zhao 等[4]利用Pro/E軟件，以專用夾具的卸荷機(jī)構(gòu)為例，研究了專用夾具的設(shè)計(jì)方法，從零件的三維建模、機(jī)構(gòu)模型建立與運(yùn)動(dòng)仿真等方面探討了專用夾具設(shè)計(jì)。

本研究以銑削撥桿臂端面專用夾具設(shè)計(jì)為例，在分析撥桿臂結(jié)構(gòu)和工序的基礎(chǔ)上提出了總體方案，利用SolidWorks軟件強(qiáng)大的建模功能，建立了各夾具元件的三維模型，組裝了虛擬樣機(jī)，對相關(guān)夾緊元件進(jìn)行了有限元分析，為機(jī)床專用夾具的高效設(shè)計(jì)提供了參考。

1 零件分析

撥桿臂是保證機(jī)械正常運(yùn)行的重要零部件之一，其主要作用是連接與傳動(dòng)，如圖1所示。撥桿臂的質(zhì)量不僅影響到機(jī)械的裝配精度與運(yùn)動(dòng)精度，還會(huì)對機(jī)械的工作精度產(chǎn)生影響。如果加工質(zhì)量有問題，則會(huì)影響機(jī)械的使用性能甚至縮短使用壽命[5]。

撥桿臂的材料通常為球墨鑄鐵，屬于輕型零件，可大量生產(chǎn)。其工藝過程如下：鑄造、清理—時(shí)效處理—粗銑上、下端面—精銑上、下端面—鉆中心孔—擴(kuò)中心孔—倒角—去毛刺—檢驗(yàn)，其上、下端面并沒有嚴(yán)格的相對位置要求，表面粗糙度Ra為6.3,在銑床上就能完成加工并保證精度。

2 方案設(shè)計(jì)

工件尺寸較小，可多件同時(shí)加工以提高生產(chǎn)效率，夾緊方案如圖2所示。采用8件同時(shí)加工的方式，以活動(dòng)V型塊作為夾緊元件，為保證夾緊時(shí)各V型塊受力均勻，采用液性塑料作為傳力介質(zhì)。夾緊時(shí)僅需要手動(dòng)擰緊螺母，夾緊桿內(nèi)腔中的液性塑料就會(huì)推動(dòng)活動(dòng)V型塊后部的柱塞，即可同時(shí)且均勻地把夾緊力分別施加在8個(gè)工件上，完成夾緊動(dòng)作。

圖1 撥桿臂Fig.1 The shifter lever arm

圖2 定位與夾緊方案Fig.2 The diagram positioning and clamping scheme

圖3 夾具設(shè)計(jì)流程Fig.3 Fixture design process

3 詳細(xì)設(shè)計(jì)

SolidWorks是基于Windows系統(tǒng)開發(fā)的三維CAD軟件[6],該軟件以參數(shù)化特征造型為基礎(chǔ)，具有零件建模、裝配、運(yùn)動(dòng)分析、干涉檢測、有限元分析等功能，在夾具的詳細(xì)設(shè)計(jì)階段引入SolidWorks軟件可有效提高設(shè)計(jì)效率。

3.1 設(shè)計(jì)流程

夾具設(shè)計(jì)流程見圖3。在總體方案的基礎(chǔ)上，首先設(shè)計(jì)定位元件和夾緊元件，按照裝配關(guān)系完成定位和夾緊機(jī)構(gòu)的裝配，然后在SolidWorks裝配圖的環(huán)境下提取相關(guān)尺寸進(jìn)行夾具體的設(shè)計(jì)，最終完成虛擬樣機(jī)。這樣能充分利用已建模元件的尺寸和位置關(guān)系，最大限度地避免裝配尺寸的沖突。在虛擬樣機(jī)中完成結(jié)構(gòu)尺寸的干涉檢測，利用SolidWorks軟件的Simulation插件，對夾緊機(jī)構(gòu)中的相關(guān)元件進(jìn)行有限元分析，使不能滿足要求的零件返回零件建模階段，對結(jié)構(gòu)尺寸重新設(shè)計(jì)、優(yōu)化，直到校核通過。

3.2 零件建模及裝配

定位機(jī)構(gòu)如圖4所示。由于被加工工件較小，又是多件加工，為節(jié)約空間，將固定V型塊和支承板設(shè)計(jì)為一體，利用拉伸特征和陣列特征，可以很方便地繪出。在工件小端，還需要厚、薄兩塊支撐板(圖4中未顯示)，以滿足輔助支撐的需要。

夾緊機(jī)構(gòu)如圖5所示，鉸鏈塊1和3分別固定在夾具體上，壓桿通過圓柱銷與鉸鏈塊連接，活動(dòng)V型塊通過定位鍵與壓桿連接，保證在液性塑料的壓力下只沿著工件方向移動(dòng)而不發(fā)生扭轉(zhuǎn)。鎖緊螺桿通過圓柱銷與鉸鏈塊3連接，用螺母壓緊壓桿，完成夾具的夾緊。

裝配時(shí)按照“可拆即可裝”的原則來規(guī)劃裝配順序，若零部件的裝配和拆卸順序互為可逆過程，則可通過求解零部件的拆卸順序來得到其裝配順序[7]。這樣獲得的裝配順序，可以避免已裝零件影響未裝零件的裝配。按照以上原則，定位機(jī)構(gòu)(圖4)的裝配順序?yàn)楸患庸すぜ潭╒型塊→固定V型塊陣列→支承板；夾緊機(jī)構(gòu)(圖5)的裝配順序?yàn)閴簵U→活動(dòng)V型塊→活動(dòng)V型塊陣列→鉸鏈塊1→鎖緊螺桿4→鉸鏈塊3。

圖4 定位機(jī)構(gòu)Fig.4 Positioning mechanism

圖5 夾緊機(jī)構(gòu)Fig.5 Clamping mechanism

在完成虛擬樣機(jī)的裝配后，利用SolidWorks軟件的“干涉檢查”選項(xiàng)，即可完成對夾具各零件結(jié)構(gòu)是否重合的干涉檢查，以確保各零件配合尺寸的正確。

4 夾緊元件的有限元分析

圖6 螺桿應(yīng)力分析Fig.6 Screw stress analysis

銑削是多刃加工，切削力比其他機(jī)床大得多，這就對銑床夾具的夾緊機(jī)構(gòu)提出了更高的要求。如果采用類比的方法確定夾緊機(jī)構(gòu)的尺寸，再通過實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)其是否滿足要求，為保證鎖緊，結(jié)構(gòu)尺寸一般較大，這樣做費(fèi)時(shí)費(fèi)力。在SolidWorks軟件的Simulation插件中，利用有限元分析可以有效地解決這個(gè)問題。鎖緊螺桿應(yīng)力分析見圖6。由圖6可知，使用屈服應(yīng)力為220 MPa的普通碳鋼為材料的鎖緊螺桿，在提供8 000 N夾緊力的情況下，最大應(yīng)力(1.65 MPa)發(fā)生在螺桿銷孔處，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于普通碳鋼的屈服強(qiáng)度，鎖緊螺桿的尺寸還可以進(jìn)一步縮小。

5 工程圖與圖紙管理

雖然近二十年三維軟件在機(jī)械設(shè)計(jì)中得到了大量應(yīng)用，但在指導(dǎo)生產(chǎn)和技術(shù)交流時(shí)，仍然以二維工程圖為主。SolidWorks提供了三維轉(zhuǎn)二維工程圖的模塊，極大方便了夾具設(shè)計(jì)人員以三維進(jìn)行設(shè)計(jì)、以二維指導(dǎo)生產(chǎn)。

為提高出圖效率，設(shè)計(jì)人員可以在SolidWorks軟件中依據(jù)GB/T 14689—2008《技術(shù)圖圖紙幅面和格式》[8]創(chuàng)建自己的工程圖模板，預(yù)先定義圖紙的圖幅、圖框、線型、線寬、字體、字號(hào)等，以備使用。圖7為自定義的標(biāo)題欄和明細(xì)表，標(biāo)題欄中的材料、公司名稱、圖樣名稱等屬于零件自定義屬性，保存在零件或裝配體中，在轉(zhuǎn)換工程圖時(shí)可自動(dòng)填入，設(shè)計(jì)、審核等相關(guān)人員簽名及日期等屬于工程圖自定義屬性保存在工程圖中，以方便用戶修改。

圖7 標(biāo)題欄與明細(xì)表模板Fig.7 Template of title bar and BOM

在夾具的虛擬樣機(jī)中，SolidWorks軟件能夠自動(dòng)創(chuàng)建材料明細(xì)表，用戶對零部件的修改可以自動(dòng)反映到工程圖的明細(xì)表中，明細(xì)表中的其他屬性(如國標(biāo)代號(hào)、數(shù)量等)可以通過修改零件屬性自動(dòng)添加，也可手動(dòng)添加。建立的模板以*.drwdot格式保存在用戶自定義的文件夾中，以便調(diào)用。SolidWorks軟件采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫，用戶在三維工程圖中對夾具的修改都會(huì)自動(dòng)同步到二維工程圖中，為設(shè)計(jì)人員提供了極大的方便。

6 結(jié)語

利用SolidWorks軟件在夾具詳細(xì)設(shè)計(jì)階段對零件進(jìn)行快速建模并組裝虛擬樣機(jī)，有利于設(shè)計(jì)人員快速完成各元件結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計(jì)；利用其自帶的干涉檢查功能，可對樣機(jī)中的零件進(jìn)行尺寸和結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)，有效防止了夾具零件間，特別是配合零件之間出現(xiàn)尺寸錯(cuò)誤和結(jié)構(gòu)干涉；通過Simulation插件對夾緊元件的夾緊動(dòng)作進(jìn)行模擬仿真，獲得精確的應(yīng)力與應(yīng)變相關(guān)數(shù)據(jù)，在不經(jīng)過實(shí)物驗(yàn)證的情況下，可以迅速對夾緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化；完成夾具零部件設(shè)計(jì)后，可方便地生成二維圖紙用于指導(dǎo)生產(chǎn)和進(jìn)行備件的圖紙管理。