图1所示为简化结构的气缸盖，该零件是某单位L4R01型柴油发动机上的一个很重要的零件，工艺要求先镗铰图中白色加亮的两个f 45mm孔，后续加工工序需要以其作为两个定位销孔做准备，为此必须先设计一套供镗铰孔所用的夹具，其导向套内径与刀具直径的配合关系、导向套外径与模板的配合关系等等要求都很高，若使用“自底向上”的设计方法，分别设计完成各个零件，难免在装配时出现装配面配合不良的现象，或者说，当产品上f 45mm的孔一旦有所调整，与其相关的导向套及模板上的孔就需要重新绘制。另一方面，该单位有大大小小不同型号的柴油机100多种，两个定位销孔的间距与孔径各不相同，但它们的夹具结构很相似，如果一一重复大小不同零件的绘制，就会占用设计人员大量的设计时间。这时，就应该使用“自顶向下”的设计方法，一套完整的夹具设计完成后，通过修改其中几个参数，就会完成另一套相似结构夹具的设计。
1. L4R01气缸盖铰孔夹具的三维设计
自顶向下设计是一种设计方法，也是一种对整个产品设计过程的管理工具。
（1）自顶向下设计，首先设计最顶层的产品结构，如产品的整体外形或各零件的组成框架；然后通过一定的方法将这个产品结构传递到每个部件或零件中；最后，再从顶层传递下来的产品结构的基础上，完成零件的设计。如图2所示，在这套夹具的设计过程中，首先在Pro/E的组件模块下，根据气缸体的外形尺寸选择Pro/E中的偏移工具按钮，设计其夹具体的整体外形、配合面及螺钉孔位置，然后将此模型传递到各个零件模型中，得到最终的零件模型。下面通过“使用边界”按钮，以夹具体的外形为基准，创建模板的外形，确定尺寸190mm和740mm的边界位置与夹具体一致，通过偏移工具按钮，以气缸体上两个f 45mm孔边界为基准，单边偏移10mm，确定模板上镗削导向套孔2个f 65H7的位置和大小（见图3）。
用同样的方法，在Pro/E的组件模块下，“插入”→“元件”→“创建新零件”，利用旋转特征创建导套，通过“使用边界”按钮，以模板上2个f 65H7孔的棱边为基准，创建导套的外形，导套的壁厚确定后，就可确定内孔的尺寸；再以导套的内孔尺寸为基准分别创建工件气缸盖上孔加工时所需要的定位销和进气门铰刀的外径尺寸。在进行自顶向下设计时，底层的零件数据由顶层的结构控制，尤其是需要相互配合的表面，其形状可以得到精确的控制。在上面的设计过程中，夹具体的总长总高尺寸就受到气缸盖总长总高尺寸的控制；模板总长总宽尺寸就受到夹具体总长总宽尺寸的控制，模板上2个f 65H7孔的大小位置受到气缸体上2个f 45mm孔大小位置的控制；导套与模板配合的外径大小受到模板上f 65H7孔的大小控制；
定位销和铰刀的外径均受导套内孔的控制。这样如果换一种型号的气缸体，需要设计一套新的铰孔夹具时，只要将上面这套夹具中的气缸体的外形尺寸及两定位销孔的大小、位置尺寸修改一下，点击Pro/E中的再生管理器按钮，选择“文件”→“保存副本”，定义一个新夹具的名称，一套新夹具就这样快速地创建完成了，大大节省了设计人员的设计时间，提高了工作效率。 经过一系列的Pro/E三维造型，该套夹具的整体布局已经完成，如图4所示。
（2）自顶向下设计是一种对整个产品设计过程的管理工具， 在初始的顶层设计中， 建立了产品的整个结构框架及装配关系。在后面的组件细化过程中，逐渐将产品划分为组件，组件再细化为零件。在这个过程中，初期的结构框架不但向下传递零件设计信息，同时还是整个产品所有零件的目录树，从上面可以清楚地看到各零件间的组织关系及装配关系。自顶向下设计是交互式画图的一大特色，这一点Pro/E做得尤为精彩，方法多种多样，但归根结底，都是参考某一个零件或某几个零件来创建与其相关的其他各个附属零件。接下来的工作是根据已有的产品整体布局进行细化的设计，在导向套的法兰边上设计3个均布的螺钉孔，再以这3个均布的螺钉孔为基准，在模板上创建相应的螺纹孔，这样导套与模板的联接孔的位置大小相互制约。同样方法，先在模板上创建与夹具体联接的螺钉孔和圆锥定位销孔，再以其为基准，在夹具体上创建相应的螺纹孔和定位销孔。在组件上创建安装好相应的螺钉和圆锥定位销，至此已经基本完成夹具的三维设计，结果如图5所示。
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2. 夹具的结构特点与工作过程
图6所示为该套夹具的二维结构图。此夹具有3个特点：
（1）在工件气缸盖与夹具体的接触面之间增加设计了3根支承条，这样避免了工件与夹具体的整个下底面接触，减少了夹具体加工时的磨削面积，另一方面，在使用该夹具的装夹过程中，也减小了操作工推动工件所需要的操作力。
（2）该夹具创新设计了一种滚动式导套组件(见图7)，取代了老式夹具中的固定式导套。过去该单位使用紫铜材料的固定式导套，由于加工过程中磨损比较快，平均每使用一天或两天其内孔尺寸就超差，就需要更换上一套新的导套，因此导套的消耗量特别大。现在创新设计成滚动式导套，分为内、外圈，且在内、外圈之间沿轴向采用上下两圈滚针紧密排列，在内外圈的法兰之间采用钢球，内、外圈的材料均更改为20Cr钢，渗碳0.6～0.8mm，淬火硬度58～63HRC，另一方面，内圈与铰刀间采用H7/f6的配合关系，在使用过程中，内圈除了起到导向的作用，如果间隙偏小时，也可跟随着铰刀一起旋转，而外圈固定在模板上，内外圈之间是完全的滚动，这样就避免了导套内孔与铰刀之间的强行挤压滑动，大大减小了摩擦力，减小了磨损量，现在的导套使用两个月也不需要更换，为公司节约了一笔夹具的成本。
（3）该夹具压紧部分采用如图8所示的压紧组件，压板采用45钢，调质硬度28～32HRC，压板的头部淬火硬度40～45HRC，压板头部伸出的长度要确保能压紧工件的同时不碰撞模板；复位弹簧采用65Mn，热处理硬度40 ～45HRC， 调节螺钉6的长度要适当，太长太短都会影响夹紧效果。
夹具的工作过程：夹具先放置在立式镗床的工作台上，将工件气缸盖先搬放到图6所示支承条的伸出部分长度上，再推进到模板下适当的位置，手动插入图6中所示的两个工件定位销5，用扳手旋转压紧左右两侧的压板，再拔出两个工件定位销5，将夹具推到适当的位置，滚动导套孔对准已经安装好铰刀的镗床主轴，就可进行铰孔的加工，铰刀的结构如图9所示。
3. 结语
本文主要论述了在Pro/E中进行自顶向下夹具设计的方法，使夹具中相关零件的设计参数在零件中实现自顶向下地传递，还可实现相似结构夹具的快速设计，大大提高了设计人员的工作效率，为公司节约了成本。
