基于SolidWorks的調溫器體四軸加工中心轉臺夾具設計

胡俊平，鄭貞平，李潤海

0 引言

在現代機械制造業、機械加工批量生產中，數控加工中心夾具的主要作用是保證零件的加工精度，提高勞動生產率[1]，減輕操作工人的勞動強度，擴大機床加工范圍和降低對操作工人技術要求。因此，夾具的設計及制造在數控加工中心使用中起到非常重要的作用[2]。

簡單的夾具設計主要依靠人工完成，常采用二維CAD設計軟件設計，這不能滿足現代數控機床制造系統靈活、快速、自動裝夾、生產及搬運自動化的要求。單一工序多個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，也不適合實現工件輸送、搬運及裝夾的自動化，發揮不了加工中心的優勢，也不能適應工業自動化的發展要求。隨著各種機械三維設計軟件如 CATIA、NX、CREO、SolidWorks、Solidedge等的應用，使得夾具設計和制造周期更短、效率更高，并能實現參數化設計，大大推動了夾具設計領域的新革命。

本設計基于SolidWorks軟件，針對調溫器體的多道工序的第四軸液壓夾具設計，依照數控加工中心夾具設計流程，標準件直接從SolidWorks設計庫中調取，非標準件在虛擬裝配環境中自上而下設計。構建了夾具虛擬安裝情境，對夾具裝配模型進行零件干涉檢查、間隙驗證、模型質量屬性計算、總體尺寸測量等分析，最后生成夾具總裝配圖、第四軸轉臺裝配圖和零件圖。

1 加工中心的工藝特點

加工中心是在數控機床的基礎上發展起來的，與數控機床相比，加工中心具有刀庫和自動換刀裝置。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甚至全部表面，減少了多次裝夾工件所需的時間，避免了因工件多次裝夾所產生的裝夾誤差，因此，加工表面之間能獲得較高的位置精度[3]。加工中心的主軸轉速和各軸進給量均是無級調速，有的甚至具有自適應控制功能，能隨刀具和工件材質及刀具參數的變化，把切削參數調整到最佳數值，從而可以加工出質量較高的加工表面。整個加工過程由程序自動控制，不受機床的操作者人為因素的影響，加上機床的位置補償功能和較高的定位精度和重復定位精度，加工出的零件尺寸一致性好[4]。

數控轉臺屬于機床的附件，它主要為加工中心提供回轉運動，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動可以加工復雜曲面的工件，也可以利用第四軸轉臺的旋轉一定角度，加工多個表面。本夾具設計就是利用第四軸轉臺，加工一個面后，旋轉90°角度加工另一個面。

2 機械加工夾具設計基本流程

機械加工夾具設計基本流程一般包括設計前的準備工作、夾具總體方案的確定、具體的夾具設計并出工程圖、夾具制造、夾具安裝調試等。

設計前的準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。具體的夾具設計主要在SolidWorks軟件中完成，需要進行夾具的總裝模型設計（虛擬裝配），分析其夾緊力，干涉檢查和誤差計算等，對結構不合理的地方重新設計，最后輸出夾具裝配圖、零件圖、液壓原理圖和零件的明細表等。根據設計的零件明細表對非標零件進行加工，標準件和液壓元件需要采購，最終進行現場裝配并進行調試和試運行，試運行過程中重點檢查夾具是否滿足加工精度的要求。

3 調溫器體工藝分析和定位、夾緊方案的選擇

3.1 調溫器體工藝分析

本文需要加工的調溫器體是將調溫器聯結到柴油機機體上的一個中間零件，其內部有水道與調溫器安裝型腔，與機體相聯結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。

（續下圖）

（續上圖）

圖1 調溫器體零件圖

調溫器體的形狀結構較不規則，表面結構復雜、孔系非均勻分別并在不同的表面、有些孔之間有嚴格的相互位置要求，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的內孔、Φ55的內孔、Φ65的內孔及倒角的加工。

圖2 加工表面1

（2）如圖3所示，以四個Φ9和兩個Φ14的孔為一組的加工表面。這一組包括四個Φ9和兩個Φ14孔的端面加工，四個Φ9和兩個Φ14的內孔加工。

圖3 加工表面2

（3）如圖4所示，以兩個Φ71和兩個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 Φ71、兩個 Φ61、兩個 Φ24、Φ22和Φ9的內孔加工。

圖4 加工表面3

3.2 定位方案

通過對調溫器體的工藝分析，選擇在四軸數控加工中心中加工該零件，為了充分發揮四軸加工中心的優勢，需要實現一次裝夾即可完成三處的全部加工。為了保證定位基準位置準確，采用毛坯未加工的平面和圓柱面進行定位。定位方案如圖5所示，安裝三個固定在橋板上的定位銷座，定位銷座與待加工零件之間設有定位銷，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行橫向定位。

圖5 定位方案

3.3 夾緊方案

根據夾具所采用的夾緊動力源不同，夾緊方式有手動夾緊、氣動夾緊、液壓夾緊、氣液夾緊和電動夾緊等。加工中心中常采用全自動裝夾夾具，因此本設計選用液壓夾緊方式，在裝夾過程中有一定余量，為了保證定位精度，接觸點位置相對穩定，采用推動液壓缸先推動工件，確保精確定位，并避免加工過程中發生水平面上的移動；然后通過轉角缸實現壓緊，以防止工件在加工過程中出現顫動，以實現加工工件的完全定位和均勻夾緊，如圖6所示。夾緊動作通過順序閥控制，實現推動缸先推動，轉角缸后旋轉并向下壓緊。

4 基于SolidWorks軟件的夾具三維模型設計

4.1 夾具的三維模型設計

使用SolidWorks三維設計軟件提供的實體建模功能，通過相關的功能命令來實現夾具的三維模型設計。對于非標零部件，設計過程非常靈活，可采用SolidWorks軟件中的高級裝配設計方法，進行自上而下的設計，先完成夾具的整體設計，然后進行夾具局部優化。

以夾具總裝配體模型為基礎模型，首先在Solid－Works軟件中依次裝配數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，確定推動缸和轉角缸的尺寸和型號，創建推動缸和轉角缸模型，同時創建其安裝底座模型，確定夾緊元件的裝配位置。

完成夾具的整體結構設計后，需要檢查是否存在裝配不當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軟件中的標準件庫在模型中添加所有的標準件，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清楚夾具裝配和零件加工的所有設計參數，尤其非標零件的生產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構（表面粗糙度）等只能在工程圖中體現，因此，夾具的三維模型設計完后還需完成非標零件的二維工程圖的設計。

SolidWorks軟件具有非常強大的將三維模型轉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聯的，如果三維模型有修改，二維工程圖將自動更新，不需要修改，節省了設計時間。

在SolidWorks軟件中出工程圖，根據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標準，對工程圖進行尺寸標準，在標準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、形位公差、表面結構、技術要求和零件序號等；也可以根據夾具中零件的具體加工要求，對零件進行注釋或標記，完整表達零件的二維工程圖。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 結束語

通過夾具試制、裝配并在四軸數控加工中心對調溫器體進行批量加工，完全實現了一次裝夾、三處孔系的自動加工，相關尺寸精度和表面質量完全符合要求。夾具定位準確，自動化程度高，能夠較方便地實現自動裝夾，提高了調溫器體的加工效率，減少人工成本，提高了加工精度。通過采用SolidWorks軟件進行設計，發揮軟件的強大功能，可以縮短設計周期，提高設計效率，最終減少夾具的制造周期和資源投入，為企業創建較高的效益。

[1]譚許彬.數控加工氣缸體組件夾具設計[J].科技創新與應，2015（3）：126.

[2]李 慶，宋萬清.一種液壓閥的第四軸夾具設計[J].制造業自動化，2013，35（9）：109-112.

[3]田春霞.加工中心加工工件的安裝[J].機床與液壓，2009，37（7）：274-275.

[4]王 駿，鄭貞平.數控編程與操作[M].北京：機械工業出版社，2009.