薄壁零件剛度低，加工工藝性差，夾緊力、切削力都容易使零件產(chǎn)生變形，造成加工誤差.合理的夾具可以保證工件準(zhǔn)確定位和穩(wěn)定夾緊，把工件的變形和位移控制在精度要求范圍之內(nèi)，是確保薄壁件加工精度的關(guān)鍵.

　　1計(jì)算機(jī)輔助夾具設(shè)計(jì)

　　在目前的生產(chǎn)制造中，CAD技術(shù)使產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、工裝以及相關(guān)信息實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，在企業(yè)數(shù)字化、信息化過(guò)程中起著舉足輕重的作用.計(jì)算機(jī)輔助夾具設(shè)計(jì)(Computer Aided Fixture Design，CAFD)的夾具設(shè)計(jì)計(jì)算、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、總裝圖和零件圖的繪制，以及制定夾具零件的數(shù)控加工程序等工作，都是通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件程序來(lái)完成的.

　　在通用CAD系統(tǒng)環(huán)境下，計(jì)算機(jī)輔助夾具設(shè)計(jì)的過(guò)程一般要經(jīng)歷總體設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)3個(gè)階段.總體設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括分析零件的設(shè)計(jì)與工藝信息、進(jìn)行夾具形式選擇、定位導(dǎo)向裝置設(shè)計(jì)、夾緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和夾緊力與定位誤差的計(jì)算等，初步確定夾具元件的主要設(shè)計(jì)參數(shù)及夾具總體結(jié)構(gòu).技術(shù)設(shè)計(jì)是將總體設(shè)計(jì)階段所確定的方案具體化的過(guò)程，即在三維設(shè)計(jì)環(huán)境下完成零件的具體設(shè)計(jì)和裝配圖設(shè)計(jì)，進(jìn)行干涉檢驗(yàn)和裝夾分析，從而檢驗(yàn)概念設(shè)計(jì)的正確與否，并糾正概念設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤和不合理之處.詳細(xì)設(shè)計(jì)是夾具設(shè)計(jì)的最后階段，主要工作是完成零件二維圖紙的設(shè)計(jì).

　　2 SolidWorks軟件環(huán)境下的夾具設(shè)計(jì)

　　SolidWorks是目前廣泛應(yīng)用的通用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，其參數(shù)化設(shè)計(jì)、裝配模擬、干涉檢驗(yàn)和有限元分析等功能，為計(jì)算機(jī)輔助夾具設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持，可實(shí)現(xiàn)夾具管理、工藝分析與設(shè)計(jì)、夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及夾具裝配全過(guò)程一體化.SolidWorks提供了基于三維模型的強(qiáng)大設(shè)計(jì)工具，可以完成設(shè)計(jì)過(guò)程中的許多工作.其中，COSMOSMotion可以模擬夾具裝配體的機(jī)械運(yùn)作以及它們產(chǎn)生的作用力.通過(guò)確定各種相關(guān)因素(如能量消耗、運(yùn)動(dòng)零件之間的干涉)，判斷設(shè)計(jì)方案是否會(huì)失效，零件將在何時(shí)斷裂，以及它們是否存在安全隱患.COSMOSWorks可進(jìn)行應(yīng)力和變形分析等研究，識(shí)別薄弱區(qū)域，為夾具結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供數(shù)據(jù);也可以通過(guò)去除多余的材料，或盡可能減少物理原型機(jī)的需求，節(jié)省資金和時(shí)間、增加設(shè)計(jì)方案可信度和降低產(chǎn)品研發(fā)成本.

　　3 薄壁零件夾具設(shè)計(jì)的方法和過(guò)程

　　薄壁件外形復(fù)雜，剛性比較小，容易變形，加工較為困難.近年來(lái)，隨著自動(dòng)化水平的不斷提高，基于通用CAD系統(tǒng)的薄壁件夾具設(shè)計(jì)方法，使得薄壁件的加工技術(shù)得到了大幅度的提升，品質(zhì)也有了極大的改善.

　　從圖1可見(jiàn)，在基于通用CAD系統(tǒng)薄壁件夾具設(shè)計(jì)過(guò)程中，夾具CAD系統(tǒng)根據(jù)產(chǎn)品的CAD幾何信息和CAPP加工工藝信息，進(jìn)行夾具的方案設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、精度分析、剛度分析、夾具總體裝配，以及二維工程圖的生成，并在此階段對(duì)CAPP加工工藝中的有關(guān)定位誤差，夾緊力進(jìn)行計(jì)算和夾具綜合評(píng)價(jià)、反饋，保證了工藝設(shè)計(jì)和夾具方案設(shè)計(jì)的合理性.各模塊相對(duì)獨(dú)立、信息相對(duì)集中;信息流動(dòng)簡(jiǎn)單明了，可靠性高;各信息有機(jī)結(jié)合，為夾具CAD/CAE/CAM/CAPP等數(shù)據(jù)模型的共享提供了條件.夾具設(shè)計(jì)流程如圖2所示.

　　圖1 基于通用CAD系統(tǒng)的夾具設(shè)計(jì)功能框架

　　圖2基于通用CAD系統(tǒng)薄壁件夾具設(shè)計(jì)流程

　　4基于SolidWorks薄壁零件夾具設(shè)計(jì)案例

　　1)零件建模.根據(jù)零件加工圖紙繪制三維模型，該零件為典型的薄壁零件，如圖3所示.

　　圖3零件三維模型

　　2)夾具初步方案設(shè)計(jì).在車削工序中，一般將零件裝夾在三爪卡盤(pán)中，在SolidWorks中繪制三爪卡盤(pán)的三維裝配模型，并模擬實(shí)際的裝夾過(guò)程，如圖4所示.

　　圖4夾具裝配模型

　　3)薄壁零件剛度分析.由于該零件壁厚很小，在受到卡爪的徑向夾緊力時(shí)，容易產(chǎn)生變形，影響加工精度;在應(yīng)力超過(guò)其材料屈服應(yīng)力時(shí)，甚至?xí)?dǎo)致零件的損壞.所以，有必要對(duì)夾緊力產(chǎn)生的零件變形進(jìn)行分析.SolidWorks提供的COSMO—Sworks有限元分析模塊，可以直接使用零件三維模型，并根據(jù)分析結(jié)果修改模型，實(shí)現(xiàn)CAD和CAE的無(wú)縫接合，使得分析過(guò)程迅速、準(zhǔn)確、有效.具體過(guò)程如圖5所示.

　　圖5零件剛度分析

　　分析結(jié)果顯示，零件在卡爪徑向夾緊力的作用下，變形量最大達(dá)到0.05 mm，超過(guò)該零件允許的誤差范圍，所以，此夾具裝夾方案不可行，必須經(jīng)過(guò)修正和優(yōu)化.

　　4)夾具優(yōu)化方案設(shè)計(jì).卡爪與零件為線接觸，且數(shù)量較少，可以增大接觸面積和增加夾緊元件數(shù)量來(lái)減小局部應(yīng)力，使零件均勻變形，達(dá)到減小局部變形量的目的.在SolidWorks中，繪制夾具優(yōu)化方案的三維裝配模型，并模擬實(shí)際的裝夾過(guò)程，如圖6所示.

　　圖6優(yōu)化方案裝配模型

　　圖6中，主要夾緊功能由夾緊內(nèi)凸輪實(shí)現(xiàn).其內(nèi)表面加工有4道圓周均勻分布的凸輪曲線，通過(guò)旋轉(zhuǎn)夾緊手柄，帶動(dòng)環(huán)狀內(nèi)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，推動(dòng)徑向均布的4個(gè)夾緊元件沿徑向同時(shí)移動(dòng)，最終夾緊零件.夾緊元件加工成與零件外徑一致的圓弧面，由此達(dá)到均化壓力的作用.由于內(nèi)凸輪曲線為復(fù)雜曲線，只能通過(guò)數(shù)控加工完成.可以在SolidWorks環(huán)境中進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后，通過(guò)其CAM功能模塊生成數(shù)控加工代碼，實(shí)現(xiàn)CAD和CAM的高效連接，如圖7所示.

　　圖7夾緊凸輪模型

　　5)優(yōu)化方案分析驗(yàn)證.通過(guò)對(duì)優(yōu)化后的夾具方案進(jìn)行分析，驗(yàn)證其可行性和有效性，如圖8、9所示.分析結(jié)果顯示，零件的徑向變形量和應(yīng)力都大大減小，其變形量在零件允許的誤差范圍之內(nèi).至此，夾具方案設(shè)計(jì)完成，說(shuō)明基于SolidWorks的薄壁零件夾具設(shè)計(jì)方法是切實(shí)可行的.

　　圖8結(jié)點(diǎn)位移云圖

　　圖9 VonMises應(yīng)力云圖

　　5 結(jié)語(yǔ)

　　1)通用CAD系統(tǒng)集CAD/CAE/CAM于一體，能夠在零件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行產(chǎn)品的模擬裝配、有限元分析計(jì)算、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真和計(jì)算機(jī)輔助制造等，把設(shè)計(jì)、分析和制造集于一體.

　　2)通用CAD系統(tǒng)為薄壁件夾具設(shè)計(jì)提供了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法所不能比擬的優(yōu)勢(shì)，為薄壁件夾具設(shè)計(jì)質(zhì)量提供了技術(shù)保障.

　　3)經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，該方法在薄壁件夾具設(shè)計(jì)過(guò)程中的應(yīng)用情況良好，能高效、穩(wěn)定地完成夾具功能的設(shè)計(jì)和分析工作，在縮短夾具研制時(shí)間、提高夾具研制質(zhì)量等方面可以作為參考.