基于SolidWorks的机床专用夹具设计

李 斌，耿向前，陈世豪

(河南工程学院 机械工程学院，河南 郑州 451191)

机床专用夹具是装夹工件和引导刀具的装置，是工艺系统中必不可少的组成部分，对提高生产效率、保证加工质量起着至关重要的作用。一直以来，为缩短夹具的设计周期、提高设计效率，研究人员对机床专用夹具的设计方法进行了不断的研究。在定位误差分析方面，李大磊等[1]利用SoildWorks设计库建立了非标准件的特征库，并结合案例研究建立了元件库，在分析常规定位误差的基础上，提出了运用SolidWorks装配尺寸测量工具辅助计算定位误差的方法。在夹具结构设计中，王丹等[2]通过分析铣削夹具的功能和工件的定位和夹紧，最终确定了夹具的整体结构，提升加工效率的同时也保障了加工精度。李双跃等[3]运用基于加工特征的工艺设计与夹具设计的集成模型，利用特征技术建立了夹具设计的工艺模型与夹紧模型。Zhao 等[4]利用Pro/E软件，以专用夹具的卸荷机构为例，研究了专用夹具的设计方法，从零件的三维建模、机构模型建立与运动仿真等方面探讨了专用夹具设计。

本研究以铣削拨杆臂端面专用夹具设计为例，在分析拨杆臂结构和工序的基础上提出了总体方案，利用SolidWorks软件强大的建模功能，建立了各夹具元件的三维模型，组装了虚拟样机，对相关夹紧元件进行了有限元分析，为机床专用夹具的高效设计提供了参考。

1 零件分析

拨杆臂是保证机械正常运行的重要零部件之一，其主要作用是连接与传动，如图1所示。拨杆臂的质量不仅影响到机械的装配精度与运动精度，还会对机械的工作精度产生影响。如果加工质量有问题，则会影响机械的使用性能甚至缩短使用寿命[5]。

拨杆臂的材料通常为球墨铸铁，属于轻型零件，可大量生产。其工艺过程如下：铸造、清理—时效处理—粗铣上、下端面—精铣上、下端面—钻中心孔—扩中心孔—倒角—去毛刺—检验，其上、下端面并没有严格的相对位置要求，表面粗糙度Ra为6.3,在铣床上就能完成加工并保证精度。

2 方案设计

工件尺寸较小，可多件同时加工以提高生产效率，夹紧方案如图2所示。采用8件同时加工的方式，以活动V型块作为夹紧元件，为保证夹紧时各V型块受力均匀，采用液性塑料作为传力介质。夹紧时仅需要手动拧紧螺母，夹紧杆内腔中的液性塑料就会推动活动V型块后部的柱塞，即可同时且均匀地把夹紧力分别施加在8个工件上，完成夹紧动作。

图1 拨杆臂Fig.1 The shifter lever arm

图2 定位与夹紧方案Fig.2 The diagram positioning and clamping scheme

图3 夹具设计流程Fig.3 Fixture design process

3 详细设计

SolidWorks是基于Windows系统开发的三维CAD软件[6],该软件以参数化特征造型为基础，具有零件建模、装配、运动分析、干涉检测、有限元分析等功能，在夹具的详细设计阶段引入SolidWorks软件可有效提高设计效率。

3.1 设计流程

夹具设计流程见图3。在总体方案的基础上，首先设计定位元件和夹紧元件，按照装配关系完成定位和夹紧机构的装配，然后在SolidWorks装配图的环境下提取相关尺寸进行夹具体的设计，最终完成虚拟样机。这样能充分利用已建模元件的尺寸和位置关系，最大限度地避免装配尺寸的冲突。在虚拟样机中完成结构尺寸的干涉检测，利用SolidWorks软件的Simulation插件，对夹紧机构中的相关元件进行有限元分析，使不能满足要求的零件返回零件建模阶段，对结构尺寸重新设计、优化，直到校核通过。

3.2 零件建模及装配

定位机构如图4所示。由于被加工工件较小，又是多件加工，为节约空间，将固定V型块和支承板设计为一体，利用拉伸特征和阵列特征，可以很方便地绘出。在工件小端，还需要厚、薄两块支撑板(图4中未显示)，以满足辅助支撑的需要。

夹紧机构如图5所示，铰链块1和3分别固定在夹具体上，压杆通过圆柱销与铰链块连接，活动V型块通过定位键与压杆连接，保证在液性塑料的压力下只沿着工件方向移动而不发生扭转。锁紧螺杆通过圆柱销与铰链块3连接，用螺母压紧压杆，完成夹具的夹紧。

装配时按照“可拆即可装”的原则来规划装配顺序，若零部件的装配和拆卸顺序互为可逆过程，则可通过求解零部件的拆卸顺序来得到其装配顺序[7]。这样获得的装配顺序，可以避免已装零件影响未装零件的装配。按照以上原则，定位机构(图4)的装配顺序为被加工工件→固定V型块→固定V型块阵列→支承板；夹紧机构(图5)的装配顺序为压杆→活动V型块→活动V型块阵列→铰链块1→锁紧螺杆4→铰链块3。

图4 定位机构Fig.4 Positioning mechanism

图5 夹紧机构Fig.5 Clamping mechanism

在完成虚拟样机的装配后，利用SolidWorks软件的“干涉检查”选项，即可完成对夹具各零件结构是否重合的干涉检查，以确保各零件配合尺寸的正确。

4 夹紧元件的有限元分析

图6 螺杆应力分析Fig.6 Screw stress analysis

铣削是多刃加工，切削力比其他机床大得多，这就对铣床夹具的夹紧机构提出了更高的要求。如果采用类比的方法确定夹紧机构的尺寸，再通过实验检验其是否满足要求，为保证锁紧，结构尺寸一般较大，这样做费时费力。在SolidWorks软件的Simulation插件中，利用有限元分析可以有效地解决这个问题。锁紧螺杆应力分析见图6。由图6可知，使用屈服应力为220 MPa的普通碳钢为材料的锁紧螺杆，在提供8 000 N夹紧力的情况下，最大应力(1.65 MPa)发生在螺杆销孔处，远远低于普通碳钢的屈服强度，锁紧螺杆的尺寸还可以进一步缩小。

5 工程图与图纸管理

虽然近二十年三维软件在机械设计中得到了大量应用，但在指导生产和技术交流时，仍然以二维工程图为主。SolidWorks提供了三维转二维工程图的模块，极大方便了夹具设计人员以三维进行设计、以二维指导生产。

为提高出图效率，设计人员可以在SolidWorks软件中依据GB/T 14689—2008《技术图图纸幅面和格式》[8]创建自己的工程图模板，预先定义图纸的图幅、图框、线型、线宽、字体、字号等，以备使用。图7为自定义的标题栏和明细表，标题栏中的材料、公司名称、图样名称等属于零件自定义属性，保存在零件或装配体中，在转换工程图时可自动填入，设计、审核等相关人员签名及日期等属于工程图自定义属性保存在工程图中，以方便用户修改。

图7 标题栏与明细表模板Fig.7 Template of title bar and BOM

在夹具的虚拟样机中，SolidWorks软件能够自动创建材料明细表，用户对零部件的修改可以自动反映到工程图的明细表中，明细表中的其他属性(如国标代号、数量等)可以通过修改零件属性自动添加，也可手动添加。建立的模板以*.drwdot格式保存在用户自定义的文件夹中，以便调用。SolidWorks软件采用统一的数据库，用户在三维工程图中对夹具的修改都会自动同步到二维工程图中，为设计人员提供了极大的方便。

6 结语

利用SolidWorks软件在夹具详细设计阶段对零件进行快速建模并组装虚拟样机，有利于设计人员快速完成各元件结构的初步设计；利用其自带的干涉检查功能，可对样机中的零件进行尺寸和结构检验，有效防止了夹具零件间，特别是配合零件之间出现尺寸错误和结构干涉；通过Simulation插件对夹紧元件的夹紧动作进行模拟仿真，获得精确的应力与应变相关数据，在不经过实物验证的情况下，可以迅速对夹紧机构进行优化；完成夹具零部件设计后，可方便地生成二维图纸用于指导生产和进行备件的图纸管理。