李 慶，宋萬(wàn)清

LI Qing, SONG Wan-qing

（上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620）

0 引言

在機(jī)械制造業(yè)、金屬切削批量生產(chǎn)中，數(shù)控機(jī)床夾具的主要作用是保證加工精度，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，擴(kuò)大機(jī)床加工范圍，保證生產(chǎn)安全，降低對(duì)工人的技術(shù)要求和減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度。因此，機(jī)械工裝夾具的設(shè)計(jì)制造在機(jī)械制造業(yè)中起到舉足輕重的地位[1]。

傳統(tǒng)的夾具設(shè)計(jì)主要依靠手工完成，CAD設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要采用以交互式為主的半創(chuàng)成式設(shè)計(jì)方法，不能滿足現(xiàn)代制造系統(tǒng)靈活、快速及夾具自動(dòng)化的要求，單一工序多面加工需頻繁更換夾具，工件多次裝夾，精度低，阻礙了柔性制造系統(tǒng)（FMS）的發(fā)展[2,3]。隨著大量三維實(shí)體造型軟件的興起，如PRO/E、CATIA、UG、Solidworks等，推動(dòng)夾具設(shè)計(jì)領(lǐng)域新革命。Solidworks軟件可將機(jī)械設(shè)計(jì)與生產(chǎn)全過(guò)程集成在一起，通過(guò)獨(dú)特的參數(shù)化以及面向零件的3D實(shí)體模型的設(shè)計(jì)制造技術(shù)改變了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，為我們提供了一條更直觀、更有效、更快捷的設(shè)計(jì)途徑[4]。

本設(shè)計(jì)基于SolidWorks軟件，針對(duì)Husco液壓國(guó)際公司生產(chǎn)的Husco-6603型液壓閥的兩道加工工序的液壓夾具設(shè)計(jì)，依照機(jī)械工裝夾具設(shè)計(jì)流程，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)零件直接從SolidWorks設(shè)計(jì)庫(kù)中調(diào)取，非標(biāo)準(zhǔn)零件在虛擬裝配環(huán)境中自頂而下的設(shè)計(jì)并合理安裝，最終生成部分單元裝配圖，第四軸液壓轉(zhuǎn)臺(tái)裝配圖，綜合夾具裝配圖，在SolidWorks模擬視圖中自動(dòng)生成閥體、各夾具零件、單元裝配，第四軸轉(zhuǎn)臺(tái)及總裝配的工程圖，并對(duì)裝配體進(jìn)行智能評(píng)估，如裝配體零件干涉檢查、間隙驗(yàn)證、模型質(zhì)量屬性計(jì)算、長(zhǎng)度距離測(cè)量等各指標(biāo)分析向?qū)?。該液壓夾具采用旭陽(yáng)國(guó)際精工公司生產(chǎn)的旭陽(yáng)CNC-400回轉(zhuǎn)臺(tái)作為加工中心第四軸，并合理設(shè)計(jì)橋板，工件擺放在第四軸液壓回轉(zhuǎn)臺(tái)上，且一次擺放兩個(gè)工件，這樣閥體一次裝夾可對(duì)前后兩端面及頂面各系列孔進(jìn)行加工，克服了傳統(tǒng)單一工序多次裝夾、頻繁更換夾具的技術(shù)瓶頸，提高機(jī)床加工能力，保證了加工精度，大大提高加工效率。

1 機(jī)械工裝夾具設(shè)計(jì)流程

機(jī)械工裝夾具設(shè)計(jì)流程一般包括五個(gè)階段，分別是設(shè)計(jì)準(zhǔn)備階段、方案設(shè)計(jì)階段，技術(shù)設(shè)計(jì)階段，具體設(shè)計(jì)階段，現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)、裝配調(diào)試階段[5,6]。

設(shè)計(jì)準(zhǔn)備階段主要分析客戶要求（有時(shí)不一定合理），確定毛坯件材料、分析毛坯結(jié)構(gòu)、毛坯類型、零件切削加工工藝、車床、刀具信息等，是工裝夾具設(shè)計(jì)的重要準(zhǔn)備階段。夾具方案設(shè)計(jì)階段主要完成工件的定位方案、夾緊方案、位置布局方案及必要的導(dǎo)向、輔助方案。技術(shù)設(shè)計(jì)階段主要完成虛擬裝配，合理分析夾緊力，夾具剛度、強(qiáng)度校核，干涉檢驗(yàn)，誤差計(jì)算，壽命評(píng)估等,對(duì)不合理的地方進(jìn)行更改，存在嚴(yán)重的不合理處對(duì)方案進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。具體設(shè)計(jì)階段主要完成對(duì)各個(gè)零件、裝配圖的工程圖、油路圖、明細(xì)表的繪制與標(biāo)注。最后現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)、裝配調(diào)試階段，完成夾具實(shí)體零件加工，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)裝配，并對(duì)零件結(jié)構(gòu)的垂直度、平面度、圓軸度等進(jìn)行三坐標(biāo)檢測(cè)與激光干涉光學(xué)檢測(cè)，滿足加工精度要求。

圖1 機(jī)械工裝夾具設(shè)計(jì)流程

2 Husco-6603型液壓閥

Husco-6603型整體式液壓閥，其廣泛應(yīng)用于拖拉機(jī)、采礦裝載機(jī)、叉車市場(chǎng)。閥體毛坯件為鑄件，前后兩端面加工精度要求較高。從圖中可看出：1)閥體外形輪廓結(jié)構(gòu)復(fù)雜，腔孔較多；2)屬多腔體薄壁零件，零件剛性較差，因此工裝夾具設(shè)計(jì)必須避免零件夾壓后變形，使裝夾受力點(diǎn)盡量避免放在零件加工孔上方以及易產(chǎn)生變形的部位。加緊過(guò)程中，不能破壞工件在定位時(shí)所處的正確位置，保證工件在整個(gè)加工過(guò)程中位置穩(wěn)定不變，夾緊可靠牢固，振動(dòng)小，不超出允許變形[7]，合理布置夾壓后，要防止裝夾加工過(guò)程中發(fā)生震顫和干涉，并保證閥體受力均勻分布。

圖2 Husco-6603實(shí)體圖、Husco-6603俯視圖和Husco-6603仰視圖

3 基于SolidWorks軟件的夾具總體設(shè)計(jì)

3.1 閥體主要表面加工方法

根據(jù)加工工藝要求，裝配工藝設(shè)計(jì)與加工質(zhì)量、效率要求，依據(jù)基準(zhǔn)先行、先面后孔、先粗后精的原則，先加工主要表面，后加工次要表面，制定零件主要表面加工方法如表1、表2所示。

表1 工序一 主要表面加工方法

表2 工序二 主要表面加工方法

3.2 定位、加緊方案的選擇

通過(guò)分析閥體結(jié)構(gòu)特征，在首序加工中，為了加工閥體底面，選擇閥體毛坯的頂面作為粗基準(zhǔn)，這樣加工過(guò)的底面可作為第二道工序的精基準(zhǔn)，遵循互為基準(zhǔn)、基準(zhǔn)統(tǒng)一的原則。為了保證定位基準(zhǔn)位置準(zhǔn)確，采用未加工的頂面進(jìn)行平面定位，均勻分布4個(gè)圓頭支撐釘，保證接觸點(diǎn)位置相對(duì)穩(wěn)定，并且使支撐釘距離盡可能大，以防止加工過(guò)程中發(fā)生顫動(dòng)，產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象。同時(shí)，也可在橋板上輔助強(qiáng)力彈簧作為支撐。對(duì)于加緊，閥體兩端均采用六棱錐銷頂緊加緊，一端六棱錐銷配合Roemheld公司生產(chǎn)的Roemheld1545-105型液壓推缸，實(shí)現(xiàn)工件的完全定位和均勻夾緊。

圖3 閥體兩工序定位夾緊方案圖

在工序2中為了避免壓壞基準(zhǔn)面，選擇平頭支撐釘作用在已加工好的閥體底面兩個(gè)凸臺(tái)上，使用兩個(gè)短圓柱銷插入兩個(gè)底面φ16孔中，采取一面兩銷定位，對(duì)于加緊，通過(guò)設(shè)計(jì)鋸齒形夾爪，安裝在Roemheld1825-500型液壓缸壓頭上，使夾緊力分散壓緊在工件兩側(cè)面凸臺(tái)處，均勻加緊，減少工件的變形。

以上兩道工序加工方案中均選擇擺在第四軸轉(zhuǎn)臺(tái)橋板上，一次裝夾兩個(gè)工件，提高加工效率。因此該液壓夾具設(shè)計(jì)既保證了加工零件的位置穩(wěn)定可靠，又避免夾緊中產(chǎn)生不允許的零件變形，操作簡(jiǎn)便，工件更換容易，適合批量生產(chǎn)。

3.3 夾具三維設(shè)計(jì)

運(yùn)用SolidWorks軟件提供的基于特征實(shí)體的建模功能，通過(guò)拉伸、旋轉(zhuǎn)、薄壁特征、高級(jí)抽殼、特征陣列以及異型孔向?qū)У炔僮鱽?lái)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)零件的三維模型設(shè)計(jì)，并按其形狀和尺寸分別建立參數(shù)化模型庫(kù)[8]。

對(duì)于非標(biāo)準(zhǔn)零件，其設(shè)計(jì)比較靈活，可運(yùn)用SolidWorks高級(jí)裝配方法，進(jìn)行自頂而下設(shè)計(jì)，即從整體到部分的設(shè)計(jì)方法，首先創(chuàng)建一級(jí)控件，反應(yīng)裝配體整體的基礎(chǔ)模型，然后根據(jù)基礎(chǔ)模型，從而確定零件的位置和結(jié)構(gòu)[9]。如橋板設(shè)計(jì)，若設(shè)計(jì)過(guò)長(zhǎng)會(huì)引起弓起彎曲變形，若過(guò)短不能保證一次裝夾多個(gè)工件，其尺寸大小隨著總夾具模型變化而變化。

夾具裝配是夾具產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重要工藝過(guò)程。如果裝配不當(dāng)，即使是全部合格的零件，往往也不能形成質(zhì)量、壽命合格的夾具。SolidWorks軟件夾具裝配是按照設(shè)計(jì)的技術(shù)要求實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)零件、非標(biāo)準(zhǔn)零件以及其他零部件的連接組合成虛擬三維模型，而對(duì)于復(fù)雜的夾具設(shè)計(jì)，則須先將若干零件裝配成裝配單元，將傳統(tǒng)裝配層次結(jié)構(gòu)模型中的單一零件和子裝配體統(tǒng)一為裝配單元，作為組成產(chǎn)品的一個(gè)基本單元，構(gòu)造了基于裝配單元的產(chǎn)品模型[10]，該夾具中運(yùn)用的Roemheld型液壓推缸、第四軸液壓轉(zhuǎn)臺(tái)、各工序夾具在橋板上擺放裝配體都屬于單元裝配。第四軸液壓轉(zhuǎn)臺(tái)配合安裝在DMC-1200龍門加工中心上，通過(guò)順序閥控制，使回轉(zhuǎn)臺(tái)主軸剎緊和松開(kāi)，松開(kāi)后橋板完成任意角度回轉(zhuǎn)分度，分度完成后剎緊主軸或連續(xù)分度運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)高精度分度工作[11]。

圖4 Roemheld1825-500液壓缸和Roemheld1545-105液壓缸

單元裝配體完成以后，最終將單元裝配體和其他零件裝配成完整的產(chǎn)品，即夾具總裝配體，如圖5所示將夾具橋板單元裝配體與第四軸裝配成總裝配體。

圖5 夾具總裝配體

該設(shè)計(jì)方法可以確定各個(gè)零件與子裝配體空間體積和位置，不但降低設(shè)計(jì)的難度，使各個(gè)裝配體與零件聯(lián)系更為密切，而且可大大提高設(shè)計(jì)的靈活性和零部件之間配合的準(zhǔn)確性，也提高裝配體的裝配速度。

3.4 工程圖的設(shè)計(jì)

夾具三維模型不能將所有的設(shè)計(jì)參數(shù)表達(dá)清楚，有些信息如加工要求的尺寸精度，形位公差以及表面粗糙度，實(shí)際生產(chǎn)中仍要以工程圖才能進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)施工，因此工程圖的創(chuàng)建是夾具設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。

工程圖紙是放置和編輯工程圖的平臺(tái)，SolidWorks軟件具有強(qiáng)大的將三維實(shí)體模型轉(zhuǎn)換為二維工程圖的能力，無(wú)須轉(zhuǎn)化為Auto-CAD格式，特別在復(fù)雜三維夾具設(shè)計(jì)中，修改次數(shù)一般較高，SolidWorks工程圖與其三維設(shè)計(jì)連接在一起，三維設(shè)計(jì)進(jìn)行修改后，只需對(duì)相應(yīng)工程圖更新即可，節(jié)省了修改裝配體的時(shí)間[12]。投影視圖放置正確后，根據(jù)國(guó)家或具體行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)零件工程圖進(jìn)行注解，如形位公差、表面粗糙度、基準(zhǔn)特征、零件序號(hào)等；也可根據(jù)具體加工要求，對(duì)零件進(jìn)行注釋或標(biāo)記，將工程圖表達(dá)清楚。如圖6對(duì)固定六棱錐銷零件工程圖，該零件對(duì)尺寸公差、垂直度、圓軸度及技術(shù)要求等做了詳細(xì)標(biāo)記；圖7在工序二總裝配體中，對(duì)各個(gè)零件進(jìn)行標(biāo)注。

圖6 固定六棱錐銷工程圖

圖7 工序二夾具裝配體工程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

1）在工裝夾具設(shè)計(jì)準(zhǔn)備階段，須詳細(xì)分析工件的結(jié)構(gòu)，找出定位基準(zhǔn)和合理設(shè)計(jì)加緊方案，根據(jù)工序要求，合理選擇液壓缸和第四軸。

2）對(duì)于工序要求集中的加工中心夾具設(shè)計(jì)，機(jī)床增加第四軸功能后，一次裝夾兩個(gè)工件，一套夾具可同時(shí)用于工件三面的加工，避免了單一工序多次裝夾、頻繁更換夾具，提高了加工能力和效率。

3）SolidWorks設(shè)計(jì)軟件在計(jì)算機(jī)輔助夾具設(shè)計(jì)（CAFD）及柔性制造系統(tǒng)（FMS）中發(fā)揮著重要作用，尤其對(duì)于型面結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工件夾具設(shè)計(jì)、大型裝配部件的處理，發(fā)揮著強(qiáng)大的功能，且減少加工周期和資源投入，為企業(yè)創(chuàng)造很高的效益。

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