基于SolidWorks的調(diào)溫器體四軸加工中心轉(zhuǎn)臺夾具設(shè)計(jì)

胡俊平，鄭貞平，李潤海

0 引言

在現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)、機(jī)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(dòng)生產(chǎn)率[1]，減輕操作工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，擴(kuò)大機(jī)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(jì)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(jì)主要依靠人工完成，常采用二維CAD設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)，這不能滿足現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床制造系統(tǒng)靈活、快速、自動(dòng)裝夾、生產(chǎn)及搬運(yùn)自動(dòng)化的要求。單一工序多個(gè)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(shí)現(xiàn)工件輸送、搬運(yùn)及裝夾的自動(dòng)化，發(fā)揮不了加工中心的優(yōu)勢，也不能適應(yīng)工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展要求。隨著各種機(jī)械三維設(shè)計(jì)軟件如 CATIA、NX、CREO、SolidWorks、Solidedge等的應(yīng)用，使得夾具設(shè)計(jì)和制造周期更短、效率更高，并能實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)，大大推動(dòng)了夾具設(shè)計(jì)領(lǐng)域的新革命。

本設(shè)計(jì)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(jì)，依照數(shù)控加工中心夾具設(shè)計(jì)流程，標(biāo)準(zhǔn)件直接從SolidWorks設(shè)計(jì)庫中調(diào)取，非標(biāo)準(zhǔn)件在虛擬裝配環(huán)境中自上而下設(shè)計(jì)。構(gòu)建了夾具虛擬安裝情境，對夾具裝配模型進(jìn)行零件干涉檢查、間隙驗(yàn)證、模型質(zhì)量屬性計(jì)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(diǎn)

加工中心是在數(shù)控機(jī)床的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，與數(shù)控機(jī)床相比，加工中心具有刀庫和自動(dòng)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(fù)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(gè)甚至全部表面，減少了多次裝夾工件所需的時(shí)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(jìn)給量均是無級調(diào)速，有的甚至具有自適應(yīng)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(gè)加工過程由程序自動(dòng)控制，不受機(jī)床的操作者人為因素的影響，加上機(jī)床的位置補(bǔ)償功能和較高的定位精度和重復(fù)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(jī)床的附件，它主要為加工中心提供回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，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(yùn)動(dòng)可以加工復(fù)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(gè)表面。本夾具設(shè)計(jì)就是利用第四軸轉(zhuǎn)臺，加工一個(gè)面后，旋轉(zhuǎn)90°角度加工另一個(gè)面。

2 機(jī)械加工夾具設(shè)計(jì)基本流程

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

設(shè)計(jì)前的準(zhǔn)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(jì)主要在SolidWorks軟件中完成，需要進(jìn)行夾具的總裝模型設(shè)計(jì)（虛擬裝配），分析其夾緊力，干涉檢查和誤差計(jì)算等，對結(jié)構(gòu)不合理的地方重新設(shè)計(jì)，最后輸出夾具裝配圖、零件圖、液壓原理圖和零件的明細(xì)表等。根據(jù)設(shè)計(jì)的零件明細(xì)表對非標(biāo)零件進(jìn)行加工，標(biāo)準(zhǔn)件和液壓元件需要采購，最終進(jìn)行現(xiàn)場裝配并進(jìn)行調(diào)試和試運(yùn)行，試運(yùn)行過程中重點(diǎn)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(jī)機(jī)體上的一個(gè)中間零件，其內(nèi)部有水道與調(diào)溫器安裝型腔，與機(jī)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(fù)雜、孔系非均勻分別并在不同的表面、有些孔之間有嚴(yán)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(gè)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(gè)Φ9和兩個(gè)Φ14的孔為一組的加工表面。這一組包括四個(gè)Φ9和兩個(gè)Φ14孔的端面加工，四個(gè)Φ9和兩個(gè)Φ14的內(nèi)孔加工。

圖3 加工表面2

（3）如圖4所示，以兩個(gè)Φ71和兩個(gè)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(gè) Φ71、兩個(gè) Φ61、兩個(gè) 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(shí)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(zhǔn)位置準(zhǔn)確，采用毛坯未加工的平面和圓柱面進(jìn)行定位。定位方案如圖5所示，安裝三個(gè)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(jìn)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(jìn)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(dòng)力源不同，夾緊方式有手動(dòng)夾緊、氣動(dòng)夾緊、液壓夾緊、氣液夾緊和電動(dòng)夾緊等。加工中心中常采用全自動(dòng)裝夾夾具，因此本設(shè)計(jì)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(diǎn)位置相對穩(wěn)定，采用推動(dòng)液壓缸先推動(dòng)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(dòng)；然后通過轉(zhuǎn)角缸實(shí)現(xiàn)壓緊，以防止工件在加工過程中出現(xiàn)顫動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)加工工件的完全定位和均勻夾緊，如圖6所示。夾緊動(dòng)作通過順序閥控制，實(shí)現(xiàn)推動(dòng)缸先推動(dòng)，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(jì)

4.1 夾具的三維模型設(shè)計(jì)

使用SolidWorks三維設(shè)計(jì)軟件提供的實(shí)體建模功能，通過相關(guān)的功能命令來實(shí)現(xiàn)夾具的三維模型設(shè)計(jì)。對于非標(biāo)零部件，設(shè)計(jì)過程非常靈活，可采用SolidWorks軟件中的高級裝配設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行自上而下的設(shè)計(jì)，先完成夾具的整體設(shè)計(jì)，然后進(jìn)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(dòng)缸和轉(zhuǎn)角缸的尺寸和型號，創(chuàng)建推動(dòng)缸和轉(zhuǎn)角缸模型，同時(shí)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(jì)后，需要檢查是否存在裝配不當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)件庫在模型中添加所有的標(biāo)準(zhǔn)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(dá)清楚夾具裝配和零件加工的所有設(shè)計(jì)參數(shù)，尤其非標(biāo)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(jì)完后還需完成非標(biāo)零件的二維工程圖的設(shè)計(jì)。

SolidWorks軟件具有非常強(qiáng)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(dòng)更新，不需要修改，節(jié)省了設(shè)計(jì)時(shí)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(biāo)準(zhǔn)，對工程圖進(jìn)行尺寸標(biāo)準(zhǔn)，在標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)、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(jìn)行注釋或標(biāo)記，完整表達(dá)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(jìn)行批量加工，完全實(shí)現(xiàn)了一次裝夾、三處孔系的自動(dòng)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(zhǔn)確，自動(dòng)化程度高，能夠較方便地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(jìn)行設(shè)計(jì)，發(fā)揮軟件的強(qiáng)大功能，可以縮短設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)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(jì)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)，2015（3）：126.

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

[3]田春霞.加工中心加工工件的安裝[J].機(jī)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(jī)械工業(yè)出版社，2009.