余志偉

（江漢大學智能制造學院，湖北 武漢 430056）

0 引言

虎鉗是機械加工中比較常見的一種用于快速裝夾工件的部件。在工件加工過程中，可以快捷、高效、準確的固定工件的位置，以確保工件的加工精度。虎鉗由螺桿、墊圈、鉗身、鉗口板、螺釘、圓螺釘、活動鉗口、方螺母、調整墊圈、銷和擋圈共11 種零件組成[1]?；Q裝配示意圖如圖1 所示。

圖1 虎鉗裝配軸測圖

工作時，螺桿固定在鉗身上，方螺母與活動鉗口用圓螺釘連接在一起，形成一個整體。轉動螺桿使活動鉗口與鉗身發(fā)生相對移動，滿足不同尺寸工件的裝夾要求，以夾緊或松開工件。虛擬設計是利用計算機技術，以計算機輔助設計軟件為平臺的一種先進設計技術。SolidWorks（簡稱為“SW”）軟件以參數化特征造型為基礎，操作簡單、易于使用[2]，特別適合機械產品設計者使用。

1 虎鉗零件三維建模

虎鉗由11 種零件組合而成（見圖1），其中5 號螺釘和10 號銷屬于標準件，SolidWorks 軟件帶有標準件庫，根據國標號選擇對應的零件庫，輸入零件的規(guī)格尺寸即可生成零件的三維實體[2]。除了標準件外，其余9 種零件都屬于一般零件，其中2 號墊圈、4號鉗口板、6 號圓螺釘、7 號活動鉗口、9 號調整墊圈和11 號擋圈都屬于盤蓋類零件。1 號螺桿屬于軸套類零件。3 號鉗身和8 號方螺母屬于箱體類零件[3]。以活動鉗口、螺桿和鉗身為例，介紹典型零件的三維建模方法。

1.1 活動鉗口的三維建模

活動鉗口屬于盤蓋類零件。該類零件的特點是主體結構是回轉體圓柱，其徑向尺寸較大，軸向尺寸較小。零件內部一般具有孔、槽結構?；顒鱼Q口軸測圖如圖2 所示。

圖2 活動鉗口軸測圖（單位：mm）

根據零件結構特點，其三維建模的具體方法如下：取上視基準面作為草圖繪制平面，繪制Φ74 mm 高度18 mm 的凸臺草圖，通過“拉伸凸臺”命令生成凸臺1 實體；凸臺1 上頂面作為草圖繪制基準面，繪制R30 mm 的凸臺和Φ28 mm 孔的草圖，通過“拉伸凸臺”命令生成凸臺2 實體；Φ28 mm 孔的底面作為草圖繪制基準面，繪制Φ20 mm 孔的草圖，通過“拉伸切除”命令生成孔。取2×M6 螺紋孔所在左端面作為草圖繪制基準面，繪制底部凹槽草圖，通過“拉伸凸臺”命令，選擇雙向拉伸選項，生成凹槽實體。取2×M6螺紋孔所在左端面作為草圖繪制基準面，選擇“異型孔向導”命令，其中孔類型選擇直螺紋孔，螺紋孔深度12 mm，光孔深度軸測圖里面沒有給出，根據經驗公式，取M6 直徑的一半即可，即光孔深度為15 mm。最后選擇“鏡像”命令生成對稱的螺紋孔。通過“倒角”命令生成倒角?；顒鱼Q口實體如圖3 所示。

圖3 活動鉗口實體

1.2 螺桿的三維建模

螺桿屬于軸套類零件，該零件的主體結構是圓柱體。螺桿由多節(jié)直徑和長度不一的圓柱組成。螺桿還有孔、螺紋等結構，軸端有倒角。螺桿軸測圖如圖4 所示。常見的建模方式有兩種分式，第一種方法是根據零件的外形尺寸，繪制草圖，然后使用“旋轉”命令一次性生成整個零件的實體外形。但是這種方法對于節(jié)數較多的零件而言，草圖繪制比較麻煩，尺寸修改起來也比較繁瑣，一般適用于節(jié)數少的情況。第二種方法是利用“拉伸”命令來生成實體。根據每一節(jié)圓柱的直徑和長度，分別建立單個圓柱實體，連接起來組成整個零件。這種方式的優(yōu)點是建模速度快，草圖編輯修改起來比較簡單方便。下面按照第二種方法，其三維建模的具體方法如下：取“右視基準面”作為草圖繪制平面，選擇左視方向，繪制螺桿最右端的Φ18 mm、長度28 mm 的圓柱草圖，通過“拉伸凸臺”命令生成凸臺1 實體。以右端面為草圖基準面，繪制14 mm×14 mm 正方形草圖，通過“拉伸切除”命令，反向切除生成實體；凸臺1 實體左端面作為草圖繪制基準面，繪制Φ22 mm 圓柱草圖，通過“拉伸凸臺”命令生成凸臺2 實體；依此類推，依次生成剩下各節(jié)圓柱實體。在“上視基準面”繪制左端圓柱上Φ4 mm小孔的草圖，通過“拉伸切除”命令生成孔。螺紋圓柱左端面，偏移5 mm 創(chuàng)建草圖基準面，通過“螺旋線”命令生成螺旋線，繪制螺紋牙型斷面，通過“旋轉切除”命令生成螺紋實體。通過“倒角”命令生成倒角。螺桿實體如圖5所示。

圖4 螺桿軸測圖（單位：mm）

圖5 螺桿實體

1.3 鉗身的三維建模

鉗身屬于箱體類零件。該類零件形狀結構復雜，主體結構由階梯狀的長方體組成，中間有H 形通孔，左右有圓形通孔。前后對稱有兩個帶通孔的U 形凸臺，右側凸起部分有2 個螺紋孔。鉗身軸測圖如圖6所示。根據零件結構特點，其三維建模的具體方法如下：取“前視基準面”作為草圖繪制平面，繪制鉗身階梯外形草圖，通過“拉伸凸臺”命令生成鉗身實體；取左側長方體上頂面作為草圖基準面，繪制H 形通孔草圖，通過“拉伸切除”命令生成H 形通孔；取立體左端面作為草圖基準面，繪制后面臺階外形草圖，通過“拉伸切除”命令生成臺階，再利用“鏡像”命令生成前面對稱臺階。取下底面作為草圖基準面，繪制U 形凸臺外形草圖，通過“拉伸凸臺”命令生成凸臺實體。再通過“拉伸切除”命令生通孔；取2×M6 螺紋孔所在左端面作為草圖繪制基準面，通過“異型孔向導”命令生成直螺紋孔。再選擇“鏡像”命令生成對稱的螺紋孔。通過“倒角”命令生成倒角。鉗身實體如圖7 所示。

圖6 鉗身軸測圖（單位：mm）

圖7 鉗身實體

2 虎鉗虛擬裝配

通過對虎鉗進行虛擬裝配和干涉檢查，能及時發(fā)現設置和處理出現的問題，優(yōu)化產品的設計。裝配體設計中，常見有自下而上或者自上而下兩種裝配方法[4]。這里采用自下而上的裝配方式，將各個零件依次插入到裝配體中，符合實際零件裝配習慣，操作簡單易用。

虎鉗的虛擬裝配過程是：通過“新建”命令，選擇“裝配體”，生成裝配體文件。選擇鉗身作為第一零件，默認狀態(tài)是“固定”，插入到裝配體中。保證設計原點和裝配體原點重合，這樣鉗身和裝配體的基準面也會重合。沿著鉗身左右孔的軸線，根據裝配關系，依次插入各個零件。插入順序是鉗口板、螺釘、方螺母、活動鉗口、圓螺釘、鉗口板、螺釘、墊圈、螺桿、調整墊圈、擋圈和銷。插入零件時，特別注意各個零件之間的裝配連接方式，添加同心、同軸、平行和重合等約束關系，完成虎鉗的虛擬裝配。裝配體完成以后，進行干涉檢查，及時發(fā)現和解決問題，確保各零件的準確裝配?；Q虛擬裝配如圖8 所示。

圖8 虎鉗虛擬裝配

爆炸視圖是通過顯示分散但已定位的裝配體，來說明零部件在裝配時的裝配方式和裝配次序?？梢酝ㄟ^在圖形區(qū)域中，選擇和拖動零件來生成爆炸視圖，從而生成爆炸步驟。在爆炸視圖中可以實現以下操作：零部件的均勻等距爆炸堆疊；拖動并自動調整多個組件間距；圍繞軸徑向爆炸組件；附加新的零部件到另一個零部件的現有爆炸步驟。添加爆炸直線以表示零部件關系。在更高級別的裝配體中，可以重復使用子裝配體中的爆炸視圖?；Q爆炸圖如圖9 所示。

圖9 虎鉗爆炸圖

3 干涉檢查

干涉檢查的目的是及時發(fā)現裝配體中零件之間的裝配連接關系是否正確。如果出現干涉情況，應該從兩個方面進行檢查。首先檢查零件在裝配過程中，零件之間的約束方式和定位尺寸是否正確，比如平面接觸面是否共面，回轉體的軸線是否同軸，球面接觸面是否重合等。其次是檢查裝配體中，單個零件的設計尺寸是否存在錯誤。如果零件尺寸出現錯誤，則需要先修改零件設計草圖，重新生成正確的零件實體，再重新進行干涉檢查，直到沒有干涉問題為止。具體操作方法如下：選擇“工具-評估-干涉檢查”命令，干涉區(qū)域在裝配體中會紅色顯示，點擊裝配體中干涉零件，找到具體的問題，修改零件尺寸或者調整定位約束方式，最終達到設計要求。干涉檢查如圖10所示。

圖10 干涉檢查

4 結語

虛擬設計是利用CAD 軟件，對產品進行三維建模和虛擬裝配的一種先進設計技術。按照制圖標準對虎鉗零件進行了分類，并詳細講解了各類零件的三維建模方法。通過虛擬裝配、爆炸視圖和干涉檢查，能夠發(fā)現和解決設計過程中出現的問題，提高設計效率，縮短開發(fā)周期，達到優(yōu)化產品設計的目的。