基于SolidWorks的薄壁零件夹具设计方法与应用

　薄壁零件刚度低，加工工艺性差，夹紧力、切削力都容易使零件产生变形，造成加工误差.合理的夹具可以保证工件准确定位和稳定夹紧，把工件的变形和位移控制在精度要求范围之内，是确保薄壁件加工精度的关键.

　　1计算机辅助夹具设计

　　在目前的生产制造中，CAD技术使产品设计、制造、工装以及相关信息实现了数字化，在企业数字化、信息化过程中起着举足轻重的作用.计算机辅助夹具设计(Computer Aided Fixture Design，CAFD)的夹具设计计算、结构设计、总装图和零件图的绘制，以及制定夹具零件的数控加工程序等工作，都是通过计算机软件程序来完成的.

　　在通用CAD系统环境下，计算机辅助夹具设计的过程一般要经历总体设计、技术设计和详细设计3个阶段.总体设计的内容包括分析零件的设计与工艺信息、进行夹具形式选择、定位导向装置设计、夹紧机构设计和夹紧力与定位误差的计算等，初步确定夹具元件的主要设计参数及夹具总体结构.技术设计是将总体设计阶段所确定的方案具体化的过程，即在三维设计环境下完成零件的具体设计和装配图设计，进行干涉检验和装夹分析，从而检验概念设计的正确与否，并纠正概念设计中的错误和不合理之处.详细设计是夹具设计的最后阶段，主要工作是完成零件二维图纸的设计.

　　2 SolidWorks软件环境下的夹具设计

　　SolidWorks是目前广泛应用的通用计算机辅助设计软件，其参数化设计、装配模拟、干涉检验和有限元分析等功能，为计算机辅助夹具设计提供了强有力的技术支持，可实现夹具管理、工艺分析与设计、夹具结构设计及夹具装配全过程一体化.SolidWorks提供了基于三维模型的强大设计工具，可以完成设计过程中的许多工作.其中，COSMOSMotion可以模拟夹具装配体的机械运作以及它们产生的作用力.通过确定各种相关因素(如能量消耗、运动零件之间的干涉)，判断设计方案是否会失效，零件将在何时断裂，以及它们是否存在安全隐患.COSMOSWorks可进行应力和变形分析等研究，识别薄弱区域，为夹具结构优化提供数据;也可以通过去除多余的材料，或尽可能减少物理原型机的需求，节省资金和时间、增加设计方案可信度和降低产品研发成本.

　　3 薄壁零件夹具设计的方法和过程

　　薄壁件外形复杂，刚性比较小，容易变形，加工较为困难.近年来，随着自动化水平的不断提高，基于通用CAD系统的薄壁件夹具设计方法，使得薄壁件的加工技术得到了大幅度的提升，品质也有了极大的改善.

　　从图1可见，在基于通用CAD系统薄壁件夹具设计过程中，夹具CAD系统根据产品的CAD几何信息和CAPP加工工艺信息，进行夹具的方案设计、结构设计、精度分析、刚度分析、夹具总体装配，以及二维工程图的生成，并在此阶段对CAPP加工工艺中的有关定位误差，夹紧力进行计算和夹具综合评价、反馈，保证了工艺设计和夹具方案设计的合理性.各模块相对独立、信息相对集中;信息流动简单明了，可靠性高;各信息有机结合，为夹具CAD/CAE/CAM/CAPP等数据模型的共享提供了条件.夹具设计流程如图2所示.

　　图1 基于通用CAD系统的夹具设计功能框架

　　图2基于通用CAD系统薄壁件夹具设计流程

　　4基于SolidWorks薄壁零件夹具设计案例

　　1)零件建模.根据零件加工图纸绘制三维模型，该零件为典型的薄壁零件，如图3所示.

　　图3零件三维模型

　　2)夹具初步方案设计.在车削工序中，一般将零件装夹在三爪卡盘中，在SolidWorks中绘制三爪卡盘的三维装配模型，并模拟实际的装夹过程，如图4所示.

　　图4夹具装配模型

　　3)薄壁零件刚度分析.由于该零件壁厚很小，在受到卡爪的径向夹紧力时，容易产生变形，影响加工精度;在应力超过其材料屈服应力时，甚至会导致零件的损坏.所以，有必要对夹紧力产生的零件变形进行分析.SolidWorks提供的COSMO—Sworks有限元分析模块，可以直接使用零件三维模型，并根据分析结果修改模型，实现CAD和CAE的无缝接合，使得分析过程迅速、准确、有效.具体过程如图5所示.

　　图5零件刚度分析

　　分析结果显示，零件在卡爪径向夹紧力的作用下，变形量最大达到0.05 mm，超过该零件允许的误差范围，所以，此夹具装夹方案不可行，必须经过修正和优化.

　　4)夹具优化方案设计.卡爪与零件为线接触，且数量较少，可以增大接触面积和增加夹紧元件数量来减小局部应力，使零件均匀变形，达到减小局部变形量的目的.在SolidWorks中，绘制夹具优化方案的三维装配模型，并模拟实际的装夹过程，如图6所示.

　　图6优化方案装配模型

　　图6中，主要夹紧功能由夹紧内凸轮实现.其内表面加工有4道圆周均匀分布的凸轮曲线，通过旋转夹紧手柄，带动环状内凸轮转动，推动径向均布的4个夹紧元件沿径向同时移动，最终夹紧零件.夹紧元件加工成与零件外径一致的圆弧面，由此达到均化压力的作用.由于内凸轮曲线为复杂曲线，只能通过数控加工完成.可以在SolidWorks环境中进行设计，然后，通过其CAM功能模块生成数控加工代码，实现CAD和CAM的高效连接，如图7所示.

　　图7夹紧凸轮模型

　　5)优化方案分析验证.通过对优化后的夹具方案进行分析，验证其可行性和有效性，如图8、9所示.分析结果显示，零件的径向变形量和应力都大大减小，其变形量在零件允许的误差范围之内.至此，夹具方案设计完成，说明基于SolidWorks的薄壁零件夹具设计方法是切实可行的.

　　图8结点位移云图

　　图9 VonMises应力云图

　　5 结语

　　1)通用CAD系统集CAD/CAE/CAM于一体，能够在零件设计的基础上进行产品的模拟装配、有限元分析计算、机构运动仿真和计算机辅助制造等，把设计、分析和制造集于一体.

　　2)通用CAD系统为薄壁件夹具设计提供了传统设计方法所不能比拟的优势，为薄壁件夹具设计质量提供了技术保障.

　　3)经过验证，该方法在薄壁件夹具设计过程中的应用情况良好，能高效、稳定地完成夹具功能的设计和分析工作，在缩短夹具研制时间、提高夹具研制质量等方面可以作为参考.