基于SW 的虎钳虚拟设计技术研究

余志伟

（江汉大学智能制造学院，湖北 武汉 430056）

0 引言

虎钳是机械加工中比较常见的一种用于快速装夹工件的部件。在工件加工过程中，可以快捷、高效、准确的固定工件的位置，以确保工件的加工精度。虎钳由螺杆、垫圈、钳身、钳口板、螺钉、圆螺钉、活动钳口、方螺母、调整垫圈、销和挡圈共11 种零件组成[1]。虎钳装配示意图如图1 所示。

图1 虎钳装配轴测图

工作时，螺杆固定在钳身上，方螺母与活动钳口用圆螺钉连接在一起，形成一个整体。转动螺杆使活动钳口与钳身发生相对移动，满足不同尺寸工件的装夹要求，以夹紧或松开工件。虚拟设计是利用计算机技术，以计算机辅助设计软件为平台的一种先进设计技术。SolidWorks（简称为“SW”）软件以参数化特征造型为基础，操作简单、易于使用[2]，特别适合机械产品设计者使用。

1 虎钳零件三维建模

虎钳由11 种零件组合而成（见图1），其中5 号螺钉和10 号销属于标准件，SolidWorks 软件带有标准件库，根据国标号选择对应的零件库，输入零件的规格尺寸即可生成零件的三维实体[2]。除了标准件外，其余9 种零件都属于一般零件，其中2 号垫圈、4号钳口板、6 号圆螺钉、7 号活动钳口、9 号调整垫圈和11 号挡圈都属于盘盖类零件。1 号螺杆属于轴套类零件。3 号钳身和8 号方螺母属于箱体类零件[3]。以活动钳口、螺杆和钳身为例，介绍典型零件的三维建模方法。

1.1 活动钳口的三维建模

活动钳口属于盘盖类零件。该类零件的特点是主体结构是回转体圆柱，其径向尺寸较大，轴向尺寸较小。零件内部一般具有孔、槽结构。活动钳口轴测图如图2 所示。

图2 活动钳口轴测图（单位：mm）

根据零件结构特点，其三维建模的具体方法如下：取上视基准面作为草图绘制平面，绘制Φ74 mm 高度18 mm 的凸台草图，通过“拉伸凸台”命令生成凸台1 实体；凸台1 上顶面作为草图绘制基准面，绘制R30 mm 的凸台和Φ28 mm 孔的草图，通过“拉伸凸台”命令生成凸台2 实体；Φ28 mm 孔的底面作为草图绘制基准面，绘制Φ20 mm 孔的草图，通过“拉伸切除”命令生成孔。取2×M6 螺纹孔所在左端面作为草图绘制基准面，绘制底部凹槽草图，通过“拉伸凸台”命令，选择双向拉伸选项，生成凹槽实体。取2×M6螺纹孔所在左端面作为草图绘制基准面，选择“异型孔向导”命令，其中孔类型选择直螺纹孔，螺纹孔深度12 mm，光孔深度轴测图里面没有给出，根据经验公式，取M6 直径的一半即可，即光孔深度为15 mm。最后选择“镜像”命令生成对称的螺纹孔。通过“倒角”命令生成倒角。活动钳口实体如图3 所示。

图3 活动钳口实体

1.2 螺杆的三维建模

螺杆属于轴套类零件，该零件的主体结构是圆柱体。螺杆由多节直径和长度不一的圆柱组成。螺杆还有孔、螺纹等结构，轴端有倒角。螺杆轴测图如图4 所示。常见的建模方式有两种分式，第一种方法是根据零件的外形尺寸，绘制草图，然后使用“旋转”命令一次性生成整个零件的实体外形。但是这种方法对于节数较多的零件而言，草图绘制比较麻烦，尺寸修改起来也比较繁琐，一般适用于节数少的情况。第二种方法是利用“拉伸”命令来生成实体。根据每一节圆柱的直径和长度，分别建立单个圆柱实体，连接起来组成整个零件。这种方式的优点是建模速度快，草图编辑修改起来比较简单方便。下面按照第二种方法，其三维建模的具体方法如下：取“右视基准面”作为草图绘制平面，选择左视方向，绘制螺杆最右端的Φ18 mm、长度28 mm 的圆柱草图，通过“拉伸凸台”命令生成凸台1 实体。以右端面为草图基准面，绘制14 mm×14 mm 正方形草图，通过“拉伸切除”命令，反向切除生成实体；凸台1 实体左端面作为草图绘制基准面，绘制Φ22 mm 圆柱草图，通过“拉伸凸台”命令生成凸台2 实体；依此类推，依次生成剩下各节圆柱实体。在“上视基准面”绘制左端圆柱上Φ4 mm小孔的草图，通过“拉伸切除”命令生成孔。螺纹圆柱左端面，偏移5 mm 创建草图基准面，通过“螺旋线”命令生成螺旋线，绘制螺纹牙型断面，通过“旋转切除”命令生成螺纹实体。通过“倒角”命令生成倒角。螺杆实体如图5所示。

图4 螺杆轴测图（单位：mm）

图5 螺杆实体

1.3 钳身的三维建模

钳身属于箱体类零件。该类零件形状结构复杂，主体结构由阶梯状的长方体组成，中间有H 形通孔，左右有圆形通孔。前后对称有两个带通孔的U 形凸台，右侧凸起部分有2 个螺纹孔。钳身轴测图如图6所示。根据零件结构特点，其三维建模的具体方法如下：取“前视基准面”作为草图绘制平面，绘制钳身阶梯外形草图，通过“拉伸凸台”命令生成钳身实体；取左侧长方体上顶面作为草图基准面，绘制H 形通孔草图，通过“拉伸切除”命令生成H 形通孔；取立体左端面作为草图基准面，绘制后面台阶外形草图，通过“拉伸切除”命令生成台阶，再利用“镜像”命令生成前面对称台阶。取下底面作为草图基准面，绘制U 形凸台外形草图，通过“拉伸凸台”命令生成凸台实体。再通过“拉伸切除”命令生通孔；取2×M6 螺纹孔所在左端面作为草图绘制基准面，通过“异型孔向导”命令生成直螺纹孔。再选择“镜像”命令生成对称的螺纹孔。通过“倒角”命令生成倒角。钳身实体如图7 所示。

图6 钳身轴测图（单位：mm）

图7 钳身实体

2 虎钳虚拟装配

通过对虎钳进行虚拟装配和干涉检查，能及时发现设置和处理出现的问题，优化产品的设计。装配体设计中，常见有自下而上或者自上而下两种装配方法[4]。这里采用自下而上的装配方式，将各个零件依次插入到装配体中，符合实际零件装配习惯，操作简单易用。

虎钳的虚拟装配过程是：通过“新建”命令，选择“装配体”，生成装配体文件。选择钳身作为第一零件，默认状态是“固定”，插入到装配体中。保证设计原点和装配体原点重合，这样钳身和装配体的基准面也会重合。沿着钳身左右孔的轴线，根据装配关系，依次插入各个零件。插入顺序是钳口板、螺钉、方螺母、活动钳口、圆螺钉、钳口板、螺钉、垫圈、螺杆、调整垫圈、挡圈和销。插入零件时，特别注意各个零件之间的装配连接方式，添加同心、同轴、平行和重合等约束关系，完成虎钳的虚拟装配。装配体完成以后，进行干涉检查，及时发现和解决问题，确保各零件的准确装配。虎钳虚拟装配如图8 所示。

图8 虎钳虚拟装配

爆炸视图是通过显示分散但已定位的装配体，来说明零部件在装配时的装配方式和装配次序。可以通过在图形区域中，选择和拖动零件来生成爆炸视图，从而生成爆炸步骤。在爆炸视图中可以实现以下操作：零部件的均匀等距爆炸堆叠；拖动并自动调整多个组件间距；围绕轴径向爆炸组件；附加新的零部件到另一个零部件的现有爆炸步骤。添加爆炸直线以表示零部件关系。在更高级别的装配体中，可以重复使用子装配体中的爆炸视图。虎钳爆炸图如图9 所示。

图9 虎钳爆炸图

3 干涉检查

干涉检查的目的是及时发现装配体中零件之间的装配连接关系是否正确。如果出现干涉情况，应该从两个方面进行检查。首先检查零件在装配过程中，零件之间的约束方式和定位尺寸是否正确，比如平面接触面是否共面，回转体的轴线是否同轴，球面接触面是否重合等。其次是检查装配体中，单个零件的设计尺寸是否存在错误。如果零件尺寸出现错误，则需要先修改零件设计草图，重新生成正确的零件实体，再重新进行干涉检查，直到没有干涉问题为止。具体操作方法如下：选择“工具-评估-干涉检查”命令，干涉区域在装配体中会红色显示，点击装配体中干涉零件，找到具体的问题，修改零件尺寸或者调整定位约束方式，最终达到设计要求。干涉检查如图10所示。

图10 干涉检查

4 结语

虚拟设计是利用CAD 软件，对产品进行三维建模和虚拟装配的一种先进设计技术。按照制图标准对虎钳零件进行了分类，并详细讲解了各类零件的三维建模方法。通过虚拟装配、爆炸视图和干涉检查，能够发现和解决设计过程中出现的问题，提高设计效率，缩短开发周期，达到优化产品设计的目的。