胡俊平，鄭貞平，李潤海

0 引言

在現(xiàn)代機械制造業(yè)、機械加工批量生產(chǎn)中，數(shù)控加工中心夾具的主要作用是保證零件的加工精度，提高勞動生產(chǎn)率[1]，減輕操作工人的勞動強度，擴大機床加工范圍和降低對操作工人技術(shù)要求。因此，夾具的設(shè)計及制造在數(shù)控加工中心使用中起到非常重要的作用[2]。

簡單的夾具設(shè)計主要依靠人工完成，常采用二維CAD設(shè)計軟件設(shè)計，這不能滿足現(xiàn)代數(shù)控機床制造系統(tǒng)靈活、快速、自動裝夾、生產(chǎn)及搬運自動化的要求。單一工序多個面加工需要多次更換夾具，工件多次裝夾[2]，每次裝夾的定位方式和夾緊方式可能都不一樣，以致工件的加工精度低，也不適合實現(xiàn)工件輸送、搬運及裝夾的自動化，發(fā)揮不了加工中心的優(yōu)勢，也不能適應工業(yè)自動化的發(fā)展要求。隨著各種機械三維設(shè)計軟件如 CATIA、NX、CREO、SolidWorks、Solidedge等的應用，使得夾具設(shè)計和制造周期更短、效率更高，并能實現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計，大大推動了夾具設(shè)計領(lǐng)域的新革命。

本設(shè)計基于SolidWorks軟件，針對調(diào)溫器體的多道工序的第四軸液壓夾具設(shè)計，依照數(shù)控加工中心夾具設(shè)計流程，標準件直接從SolidWorks設(shè)計庫中調(diào)取，非標準件在虛擬裝配環(huán)境中自上而下設(shè)計。構(gòu)建了夾具虛擬安裝情境，對夾具裝配模型進行零件干涉檢查、間隙驗證、模型質(zhì)量屬性計算、總體尺寸測量等分析，最后生成夾具總裝配圖、第四軸轉(zhuǎn)臺裝配圖和零件圖。

1 加工中心的工藝特點

加工中心是在數(shù)控機床的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，與數(shù)控機床相比，加工中心具有刀庫和自動換刀裝置。加工中心加工工藝范圍廣泛，可以完成銑削、鉆削、鉸削、鏜削、攻螺紋和切螺紋等加工，適用于加工形狀復雜、工序多、精度高的零件。加工中心工序高度集中，一次裝夾可加工零件的多個甚至全部表面，減少了多次裝夾工件所需的時間，避免了因工件多次裝夾所產(chǎn)生的裝夾誤差，因此，加工表面之間能獲得較高的位置精度[3]。加工中心的主軸轉(zhuǎn)速和各軸進給量均是無級調(diào)速，有的甚至具有自適應控制功能，能隨刀具和工件材質(zhì)及刀具參數(shù)的變化，把切削參數(shù)調(diào)整到最佳數(shù)值，從而可以加工出質(zhì)量較高的加工表面。整個加工過程由程序自動控制，不受機床的操作者人為因素的影響，加上機床的位置補償功能和較高的定位精度和重復定位精度，加工出的零件尺寸一致性好[4]。

數(shù)控轉(zhuǎn)臺屬于機床的附件，它主要為加工中心提供回轉(zhuǎn)運動，常用于將三軸加工中心改造程四軸或者五軸加工中心。加工中心利用第四軸和第五軸的運動可以加工復雜曲面的工件，也可以利用第四軸轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)一定角度，加工多個表面。本夾具設(shè)計就是利用第四軸轉(zhuǎn)臺，加工一個面后，旋轉(zhuǎn)90°角度加工另一個面。

2 機械加工夾具設(shè)計基本流程

機械加工夾具設(shè)計基本流程一般包括設(shè)計前的準備工作、夾具總體方案的確定、具體的夾具設(shè)計并出工程圖、夾具制造、夾具安裝調(diào)試等。

設(shè)計前的準備工作分析需要分析待加工零件的零件圖和毛坯圖，確定加工工藝、工藝參數(shù)和刀具信息等。夾具總體方案確定包含工件的定位方案、工件夾緊方案、位置布局方案及夾具的形式。具體的夾具設(shè)計主要在SolidWorks軟件中完成，需要進行夾具的總裝模型設(shè)計（虛擬裝配），分析其夾緊力，干涉檢查和誤差計算等，對結(jié)構(gòu)不合理的地方重新設(shè)計，最后輸出夾具裝配圖、零件圖、液壓原理圖和零件的明細表等。根據(jù)設(shè)計的零件明細表對非標零件進行加工，標準件和液壓元件需要采購，最終進行現(xiàn)場裝配并進行調(diào)試和試運行，試運行過程中重點檢查夾具是否滿足加工精度的要求。

3 調(diào)溫器體工藝分析和定位、夾緊方案的選擇

3.1 調(diào)溫器體工藝分析

本文需要加工的調(diào)溫器體是將調(diào)溫器聯(lián)結(jié)到柴油機機體上的一個中間零件，其內(nèi)部有水道與調(diào)溫器安裝型腔，與機體相聯(lián)結(jié)并用密封圈防止泄漏，具體零件圖如圖1所示。零件的材料為ZL104，該材料的鑄造性能好，無熱裂傾向，氣密性高，線收縮小，切削加工性和焊接性一般。

（續(xù)下圖）

（續(xù)上圖）

圖1 調(diào)溫器體零件圖

調(diào)溫器體的形狀結(jié)構(gòu)較不規(guī)則，表面結(jié)構(gòu)復雜、孔系非均勻分別并在不同的表面、有些孔之間有嚴格的相互位置要求，部分孔不便加工，其主要加工表面可以分為以下三個部分。

（1）如圖2所示，以Φ42的孔中心為一組的加工表面。這一組包括端面加工，Φ42的內(nèi)孔、Φ55的內(nèi)孔、Φ65的內(nèi)孔及倒角的加工。

圖2 加工表面1

（2）如圖3所示，以四個Φ9和兩個Φ14的孔為一組的加工表面。這一組包括四個Φ9和兩個Φ14孔的端面加工，四個Φ9和兩個Φ14的內(nèi)孔加工。

圖3 加工表面2

（3）如圖4所示，以兩個Φ71和兩個Φ24的孔為一組的加工表面。這一組包括Φ71、Φ22和Φ9孔的端面加工，兩個 Φ71、兩個 Φ61、兩個 Φ24、Φ22和Φ9的內(nèi)孔加工。

圖4 加工表面3

3.2 定位方案

通過對調(diào)溫器體的工藝分析，選擇在四軸數(shù)控加工中心中加工該零件，為了充分發(fā)揮四軸加工中心的優(yōu)勢，需要實現(xiàn)一次裝夾即可完成三處的全部加工。為了保證定位基準位置準確，采用毛坯未加工的平面和圓柱面進行定位。定位方案如圖5所示，安裝三個固定在橋板上的定位銷座，定位銷座與待加工零件之間設(shè)有定位銷，用于定位定位面1；定位銷頂住圓柱面定位面3，用于對待加工零件進行縱向定位；定位銷頂住平面定位面2，用于對待加工零件進行橫向定位。

圖5 定位方案

3.3 夾緊方案

根據(jù)夾具所采用的夾緊動力源不同，夾緊方式有手動夾緊、氣動夾緊、液壓夾緊、氣液夾緊和電動夾緊等。加工中心中常采用全自動裝夾夾具，因此本設(shè)計選用液壓夾緊方式，在裝夾過程中有一定余量，為了保證定位精度，接觸點位置相對穩(wěn)定，采用推動液壓缸先推動工件，確保精確定位，并避免加工過程中發(fā)生水平面上的移動；然后通過轉(zhuǎn)角缸實現(xiàn)壓緊，以防止工件在加工過程中出現(xiàn)顫動，以實現(xiàn)加工工件的完全定位和均勻夾緊，如圖6所示。夾緊動作通過順序閥控制，實現(xiàn)推動缸先推動，轉(zhuǎn)角缸后旋轉(zhuǎn)并向下壓緊。

4 基于SolidWorks軟件的夾具三維模型設(shè)計

4.1 夾具的三維模型設(shè)計

使用SolidWorks三維設(shè)計軟件提供的實體建模功能，通過相關(guān)的功能命令來實現(xiàn)夾具的三維模型設(shè)計。對于非標零部件，設(shè)計過程非常靈活，可采用SolidWorks軟件中的高級裝配設(shè)計方法，進行自上而下的設(shè)計，先完成夾具的整體設(shè)計，然后進行夾具局部優(yōu)化。

以夾具總裝配體模型為基礎(chǔ)模型，首先在Solid－Works軟件中依次裝配數(shù)控加工中心工作臺和第四軸模型文件，再將加工工件模型裝配至總裝配體中的大概位置；其次根據(jù)定位方案和加工過程中的受力分析確定定位元件的大小和安裝位置，并在軟件中重新調(diào)整加工工件模型的位置；接下來取得夾緊元件的尺寸和位置，確定推動缸和轉(zhuǎn)角缸的尺寸和型號，創(chuàng)建推動缸和轉(zhuǎn)角缸模型，同時創(chuàng)建其安裝底座模型，確定夾緊元件的裝配位置。

完成夾具的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計后，需要檢查是否存在裝配不當并通過干涉檢查檢查裝配體中是否有干涉，夾具總裝配模型如圖7所示。最終利用Solid－Works軟件中的標準件庫在模型中添加所有的標準件，從而完成夾具的總裝配體模型。

圖7 夾具總裝配體模型

4.2 生成二維工程圖

三維模型不能完全表達清楚夾具裝配和零件加工的所有設(shè)計參數(shù)，尤其非標零件的生產(chǎn)必須按照工程圖加工，一些加工要求如尺寸公差、形位公差以及表面結(jié)構(gòu)（表面粗糙度）等只能在工程圖中體現(xiàn)，因此，夾具的三維模型設(shè)計完后還需完成非標零件的二維工程圖的設(shè)計。

SolidWorks軟件具有非常強大的將三維模型轉(zhuǎn)換為二維工程圖的功能，SolidWorks二維工程圖還可以保存為AutoCAD格式文件。SolidWorks二維工程與三維模型是有關(guān)聯(lián)的，如果三維模型有修改，二維工程圖將自動更新，不需要修改，節(jié)省了設(shè)計時間。

在SolidWorks軟件中出工程圖，根據(jù)視圖布局功能生成正確的工程二維視圖，然后參照國家或者行業(yè)標準，對工程圖進行尺寸標準，在標準過程中有公差要求的尺寸需要添加公差，然后添加注釋，如基準、形位公差、表面結(jié)構(gòu)、技術(shù)要求和零件序號等；也可以根據(jù)夾具中零件的具體加工要求，對零件進行注釋或標記，完整表達零件的二維工程圖。裝配圖工程圖與零件圖出圖方法大體相同，最終生成的夾具裝配圖如圖8所示。

圖8 夾具總裝配體工程圖

5 結(jié)束語

通過夾具試制、裝配并在四軸數(shù)控加工中心對調(diào)溫器體進行批量加工，完全實現(xiàn)了一次裝夾、三處孔系的自動加工，相關(guān)尺寸精度和表面質(zhì)量完全符合要求。夾具定位準確，自動化程度高，能夠較方便地實現(xiàn)自動裝夾，提高了調(diào)溫器體的加工效率，減少人工成本，提高了加工精度。通過采用SolidWorks軟件進行設(shè)計，發(fā)揮軟件的強大功能，可以縮短設(shè)計周期，提高設(shè)計效率，最終減少夾具的制造周期和資源投入，為企業(yè)創(chuàng)建較高的效益。

[1]譚許彬.數(shù)控加工氣缸體組件夾具設(shè)計[J].科技創(chuàng)新與應，2015（3）：126.

[2]李 慶，宋萬清.一種液壓閥的第四軸夾具設(shè)計[J].制造業(yè)自動化，2013，35（9）：109-112.

[3]田春霞.加工中心加工工件的安裝[J].機床與液壓，2009，37（7）：274-275.

[4]王 駿，鄭貞平.數(shù)控編程與操作[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.