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了數字化，在企業數字化、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系統環境下，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，識別薄弱區域，為夾具結構優化提供數據;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，節省資金和時間、增加設計方案可信度和降低產品研發成本.

　　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系統薄壁件夾具設計過程中，夾具CAD系統根據產品的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等數據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系統的夾具設計功能框架

　　圖2基于通用CAD系統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，并根據分析結果修改模型，實現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，必須經過修正和優化.

　　4)夾具優化方案設計.卡爪與零件為線接觸，且數量較少，可以增大接觸面積和增加夾緊元件數量來減小局部應力，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優化方案裝配模型

　　圖6中，主要夾緊功能由夾緊內凸輪實現.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，只能通過數控加工完成.可以在SolidWorks環境中進行設計，然后，通過其CAM功能模塊生成數控加工代碼，實現CAD和CAM的高效連接，如圖7所示.

　　圖7夾緊凸輪模型

　　5)優化方案分析驗證.通過對優化后的夾具方案進行分析，驗證其可行性和有效性，如圖8、9所示.分析結果顯示，零件的徑向變形量和應力都大大減小，其變形量在零件允許的誤差范圍之內.至此，夾具方案設計完成，說明基于SolidWorks的薄壁零件夾具設計方法是切實可行的.

　　圖8結點位移云圖

　　圖9 VonMises應力云圖

　　5 結語

　　1)通用CAD系統集CAD/CAE/CAM于一體，能夠在零件設計的基礎上進行產品的模擬裝配、有限元分析計算、機構運動仿真和計算機輔助制造等，把設計、分析和制造集于一體.

　　2)通用CAD系統為薄壁件夾具設計提供了傳統設計方法所不能比擬的優勢，為薄壁件夾具設計質量提供了技術保障.

　　3)經過驗證，該方法在薄壁件夾具設計過程中的應用情況良好，能高效、穩定地完成夾具功能的設計和分析工作，在縮短夾具研制時間、提高夾具研制質量等方面可以作為參考.