基于通用CAD系統(tǒng)的薄壁零件夾具設計方法與應用

時間:2011-04-10 18:19:29 來源:未知

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生變形，造成加工誤差．合理的夾具可以保證工件準確定位和穩(wěn)定夾緊，把工件的變形和位移控制在精度要求范圍之內，是確保薄壁件加工精度的關鍵．

1計算機輔助夾具設計

在目前的生產制造中，CAD技術使產品設計、制造、工裝以及相關信息實現(xiàn)了數(shù)字化，在企業(yè)數(shù)字化、信息化過程中起著舉足輕重的作用．計算機輔助夾具設計(Computer Aided Fixture Design，CAFD)的夾具設計計算、結構設計、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，都是通過計算機軟件程序來完成的．

在通用CAD系統(tǒng)環(huán)境下，計算機輔助夾具設計的過程一般要經歷總體設計、技術設計和詳細設計3個階段．總體設計的內容包括分析零件的設計與工藝信息、進行夾具形式選擇、定位導向裝置設計、夾緊機構設計和夾緊力與定位誤差的計算等，初步確定夾具元件的主要設計參數(shù)及夾具總體結構．技術設計是將總體設計階段所確定的方案具體化的過程，即在三維設計環(huán)境下完成零件的具體設計和裝配圖設計，進行干涉檢驗和裝夾分析，從而檢驗概念設計的正確與否，并糾正概念設計中的錯誤和不合理之處．詳細設計是夾具設計的最后階段，主要工作是完成零件二維圖紙的設計．

2 SolidWorks軟件環(huán)境下的夾具設計

SolidWorks是目前廣泛應用的通用計算機輔助設計軟件，其參數(shù)化設計、裝配模擬、干涉檢驗和有限元分析等功能，為計算機輔助夾具設計提供了強有力的技術支持，可實現(xiàn)夾具管理、工藝分析與設計、夾具結構設計及夾具裝配全過程一體化．SolidWorks提供了基于三維模型的強大設計工具，可以完成設計過程中的許多工作．其中，COSMOSMotion可以模擬夾具裝配體的機械運作以及它們產生的作用力．通過確定各種相關因素(如能量消耗、運動零件之間的干涉)，判斷設計方案是否會失效，零件將在何時斷裂，以及它們是否存在安全隱患．COSMOSWorks可進行應力和變形分析等研究，識別薄弱區(qū)域，為夾具結構優(yōu)化提供數(shù)據(jù)；也可以通過去除多余的材料，或盡可能減少物理原型機的需求，節(jié)省資金和時間、增加設計方案可信度和降低產品研發(fā)成本．

3 薄壁零件夾具設計的方法和過程

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

從圖1可見，在基于通用CAD系統(tǒng)薄壁件夾具設計過程中，夾具CAD系統(tǒng)根據(jù)產品的CAD幾何信息和CAPP加工工藝信息，進行夾具的方案設計、結構設計、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CAPP加工工藝中的有關定位誤差，夾緊力進行計算和夾具綜合評價、反饋，保證了工藝設計和夾具方案設計的合理性．各模塊相對獨立、信息相對集中；信息流動簡單明了，可靠性高；各信息有機結合，為夾具CAD／CAE／CAM／CAPP等數(shù)據(jù)模型的共享提供了條件．夾具設計流程如圖2所示．

圖1 基于通用CAD系統(tǒng)的夾具設計功能框架

圖2基于通用CAD系統(tǒng)薄壁件夾具設計流程

4基于SolidWorks薄壁零件夾具設計案例

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)夾具初步方案設計．在車削工序中，一般將零件裝夾在三爪卡盤中，在SolidWorks中繪制三爪卡盤的三維裝配模型，并模擬實際的裝夾過程，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，容易產生變形，影響加工精度；在應力超過其材料屈服應力時，甚至會導致零件的損壞．所以，有必要對夾緊力產生的零件變形進行分析．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)分析結果修改模型，實現(xiàn)CAD和CAE的無縫接合，使得分析過程迅速、準確、有效．具體過程如圖5所示．

圖5零件剛度分析

分析結果顯示，零件在卡爪徑向夾緊力的作用下，變形量最大達到0．05 mm，超過該零件允許的誤差范圍，所以，此夾具裝夾方案不可行，必須經過修正和優(yōu)化．

4)夾具優(yōu)化方案設計．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)量來減小局部應力，使零件均勻變形，達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，并模擬實際的裝夾過程，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凸輪實現(xiàn)．其內表面加工有4道圓周均勻分布的凸輪曲線，通過旋轉夾緊手柄，帶動環(huán)狀內凸輪轉動，推動徑向均布的4個夾緊元件沿徑向同時移動，最終夾緊零件．夾緊元件加工成與零件外徑一致的圓弧面，由此達到均化壓力的作用．由于內凸輪曲線為復雜曲線，只能通過數(shù)控加工完成．可以在SolidWorks環(huán)境中進行設計，然后，通過其CAM功能模塊生成數(shù)控加工代碼，實現(xiàn)CAD和CAM的高效連接，如圖7所示．

圖7夾緊凸輪模型