0076-工藝夾具-銑床尾座頂尖套雙件銑雙槽夾具設計
0076-工藝夾具-銑床尾座頂尖套雙件銑雙槽夾具設計,工藝,夾具,銑床,頂尖,套雙件銑雙槽,設計
學位論文
附錄二 ：中文翻譯
通過夾具布局設計和夾緊力的優(yōu)化控制變形
摘 要
工件變形必須控制在數值控制機械加工過程之中。夾具布局和夾緊力是影響加工變形程度和分布的兩個主要方面。在本文提出了一種多目標模型的建立，以減低變形的程度和增加均勻變形分布。有限元方法應用于分析變形。遺傳算法發(fā)展是為了解決優(yōu)化模型。最后舉了一個例子說明，一個令人滿意的結果被求得， 這是遠優(yōu)于經驗之一的。多目標模型可以減少加工變形有效地改善分布狀況。
關鍵詞：夾具布局；夾緊力； 遺傳算法；有限元方法
1 引言
夾具設計在制造工程中是一項重要的程序。這對于加工精度是至關重要。一個工件應約束在一個帶有夾具元件，如定位元件，夾緊裝置，以及支撐元件的夾具中加工。定位的位置和夾具的支力，應該從戰(zhàn)略的設計，并且適當的夾緊力應適用。該夾具元件可以放在工件表面的任何可選位置。夾緊力必須大到足以進行工件加工。通常情況下，它在很大程度上取決于設計師的經驗，選擇該夾具元件的方案，并確定夾緊力。因此，不能保證由此產生的解決方案是某一特定的工件的最優(yōu)或接近最優(yōu)的方案。因此，夾具布局和夾緊力優(yōu)化成為夾具設計方案的兩個主要方面。 定位和夾緊裝置和夾緊力的值都應適當的選擇和計算，使由于夾緊力和切削力產生的工件變形盡量減少和非正式化。
夾具設計的目的是要找到夾具元件關于工件和最優(yōu)的夾緊力的一個最優(yōu)布局或方案。在這篇論文里， 多目標優(yōu)化方法是代表了夾具布局設計和夾緊力的優(yōu)化的方法。 這個觀點是具有兩面性的。一，是盡量減少加工表面最大的彈性變形； 另一個是盡量均勻變形。 ANSYS軟件包是用來計算工件由于夾緊力和切削力下產生的變形。遺傳算法是MATLAB的發(fā)達且直接的搜索工具箱，并且被應用于解決優(yōu)化問題。最后還給出了一個案例的研究，以闡述對所提算法的應用。
2 文獻回顧
隨著優(yōu)化方法在工業(yè)中的廣泛運用，近幾年夾具設計優(yōu)化已獲得了更多的利益。夾具設計優(yōu)化包括夾具布局優(yōu)化和夾緊力優(yōu)化。King 和 Hutter提出了一種使用剛體模型的夾具-工件系統(tǒng)來優(yōu)化夾具布局設計的方法。DeMeter也用了一個剛性體模型，為最優(yōu)夾具布局和最低的夾緊力進行分析和綜合。他提出了基于支持布局優(yōu)化的程序與計算質量的有限元計算法。李和melkote用了一個非線性編程方法和一個聯(lián)絡彈性模型解決布局優(yōu)化問題。兩年后， 他們提交了一份確定關于多鉗夾具受到準靜態(tài)加工力的夾緊力優(yōu)化的方法。他們還提出了一關于夾具布置和夾緊力的最優(yōu)的合成方法，認為工件在加工過程中處于動態(tài)。相結合的夾具布局和夾緊力優(yōu)化程序被提出，其他研究人員用有限元法進行夾具設計與分析。蔡等對menassa和devries包括合成的夾具布局的金屬板材大會的理論進行了拓展。秦等人建立了一個與夾具和工件之間彈性接觸的模型作為參考物來優(yōu)化夾緊力與，以盡量減少工件的位置誤差。Deng和melkote 提交了一份基于模型的框架以確定所需的最低限度夾緊力，保證了被夾緊工件在加工的動態(tài)穩(wěn)定。
大部分的上述研究使用的是非線性規(guī)劃方法，很少有全面的或近全面的最優(yōu)解決辦法。所有的夾具布局優(yōu)化程序必須從一個可行布局開始。此外，還得到了對這些模型都非常敏感的初步可行夾具布局的解決方案。夾具優(yōu)化設計的問題是非線性的，因為目標的功能和設計變量之間沒有直接分析的關系。例如加工表面誤差和夾具的參數之間（定位、夾具和夾緊力）。
以前的研究表明，遺傳算法（ GA ）在解決這類優(yōu)化問題中是一種有用的技術。吳和陳用遺傳算法確定最穩(wěn)定的靜態(tài)夾具布局。石川和青山應用遺傳算法確定最佳夾緊條件彈性工件。vallapuzha在基于優(yōu)化夾具布局的遺傳算法中使用空間坐標編碼。他們還提出了針對主要競爭夾具優(yōu)化方法相對有效性的廣泛調查的方法和結果。這表明連續(xù)遺傳算法取得最優(yōu)質的解決方案。krishnakumar和melkote 發(fā)展了一個夾具布局優(yōu)化技術，用遺傳算法找到夾具布局，盡量減少由于在整個刀具路徑的夾緊和切削力造成的加工表面的變形。定位器和夾具位置被節(jié)點號碼所指定。krishnakumar等人還提出了一種迭代算法，盡量減少工件在整個切削過程之中由不同的夾具布局和夾緊力造成的彈性變形。Lai等人建成了一個分析模型，認為定位和夾緊裝置為同一夾具布局的要素靈活的一部分。Hamedi 討論了混合學習系統(tǒng)用來非線性有限元分析與支持相結合的人工神經網絡（ ANN ）和GA。人工神經網絡被用來計算工件的最大彈性變形，遺傳算法被用來確定最佳鎖模力。Kumar建議將迭代算法和人工神經網絡結合起來發(fā)展夾具設計系統(tǒng)。Kaya用迭代算法和有限元分析，在二維工件中找到最佳定位和夾緊位置，并且把碎片的效果考慮進去。周等人。提出了基于遺傳算法的方法，認為優(yōu)化夾具布局和夾緊力的同時，一些研究沒有考慮為整個刀具路徑優(yōu)化布局。一些研究使用節(jié)點數目作為設計參數。一些研究解決夾具布局或夾緊力優(yōu)化方法，但不能兩者都同時進行。 有幾項研究摩擦和碎片考慮進去了。
碎片的移動和摩擦接觸的影響對于實現(xiàn)更為現(xiàn)實和準確的工件夾具布局校核分析來說是不可忽視的。因此將碎片的去除效果和摩擦考慮在內以實現(xiàn)更好的加工精度是必須的。
在這篇論文中，將摩擦和碎片移除考慮在內，以達到加工表面在夾緊和切削力下最低程度的變形。一多目標優(yōu)化模型被建立了。一個優(yōu)化的過程中基于GA和有限元法提交找到最佳的布局和夾具夾緊力。最后，結果多目標優(yōu)化模型對低剛度工件而言是比較單一的目標優(yōu)化方法、經驗和方法。
3 多目標優(yōu)化模型夾具設計
一個可行的夾具布局必須滿足三限制。首先，定位和夾緊裝置不能將拉伸勢力應用到工件；第二，庫侖摩擦約束必須施加在所有夾具-工件的接觸點。夾具元件-工件接觸點的位置必須在候選位置。為一個問題涉及夾具元件-工件接觸和加工負荷步驟，優(yōu)化問題可以在數學上仿照如下：
這里的△表示加工區(qū)域在加工當中j次步驟的最高彈性變形。
其中
是△的平均值；
是正常力在i次的接觸點；
μ是靜態(tài)摩擦系數；
fhi是切向力在i次的接觸點；
pos(i)是i次的接觸點；
是可選區(qū)域的i次接觸點；
整體過程如圖1所示，一要設計一套可行的夾具布局和優(yōu)化的夾緊力。最大切削力在切削模型和切削力發(fā)送到有限元分析模型中被計算出來。優(yōu)化程序造成一些夾具布局和夾緊力，同時也是被發(fā)送到有限元模型中。在有限元分析座內，加工變形下，切削力和夾緊力的計算方法采用有限元方法。根據某夾具布局和變形，然后發(fā)送給優(yōu)化程序，以搜索為一優(yōu)化夾具方案。
圖1 夾具布局和夾緊力優(yōu)化過程
4 夾具布局設計和夾緊力的優(yōu)化
4.1 遺傳算法
遺傳算法（ GA ）是基于生物再生產過程的強勁，隨機和啟發(fā)式的優(yōu)化方法?；舅悸繁澈蟮倪z傳算法是模擬“生存的優(yōu)勝劣汰“的現(xiàn)象。每一個人口中的候選個體指派一個健身的價值，通過一個功能的調整，以適應特定的問題。遺傳算法，然后進行復制，交叉和變異過程消除不適宜的個人和人口的演進給下一代。人口足夠數目的演變基于這些經營者引起全球健身人口的增加和優(yōu)勝個體代表全最好的方法。
遺傳算法程序在優(yōu)化夾具設計時需夾具布局和夾緊力作為設計變量，以生成字符串代表不同的布置。字符串相比染色體的自然演變，以及字符串，它和遺傳算法尋找最優(yōu)，是映射到最優(yōu)的夾具設計計劃。在這項研究里，遺傳算法和MATLAB的直接搜索工具箱是被運用的。
收斂性遺傳算法是被人口大小、交叉的概率和概率突變所控制的 。只有當在一個人口中功能最薄弱功能的最優(yōu)值沒有變化時，nchg達到一個預先定義的價值ncmax ，或有多少幾代氮，到達演化的指定數量上限nmax， 沒有遺傳算法停止。有五個主要因素，遺傳算法，編碼，健身功能，遺傳算子，控制參數和制約因素。 在這篇論文中，這些因素都被選出如表1所列。
表1 遺傳算法參數的選擇
由于遺傳算法可能產生夾具設計字符串，當受到加工負荷時不完全限制夾具。這些解決方案被認為是不可行的，且被罰的方法是用來驅動遺傳算法，以實現(xiàn)一個可行的解決辦法。1夾具設計的計劃被認為是不可行的或無約束，如果反應在定位是否定的。在換句話說，它不符合方程（2）和（3）的限制。罰的方法基本上包含指定計劃的高目標函數值時不可行的。因此，驅動它在連續(xù)迭代算法中的可行區(qū)域。對于約束（4），當遺傳算子產生新個體或此個體已經產生，檢查它們是否符合條件是必要的。真正的候選區(qū)域是那些不包括無效的區(qū)域。在為了簡化檢查，多邊形是用來代表候選區(qū)域和無效區(qū)域的。多邊形的頂點是用于檢查。“inpolygon ”在MATLAB的功能可被用來幫助檢查。
4.2 有限元分析
ANSYS軟件包是用于在這方面的研究有限元分析計算。有限元模型是一個考慮摩擦效應的半彈性接觸模型，如果材料是假定線彈性。如圖2所示，每個位置或支持，是代表三個正交彈簧提供的制約。
圖2 考慮到摩擦的半彈性接觸模型
在x ， y和z 方向和每個夾具類似，但定位夾緊力在正常的方向。彈力在自然的方向即所謂自然彈力，其余兩個彈力即為所謂的切向彈力。接觸彈簧剛度可以根據向赫茲接觸理論計算如下：
隨著夾緊力和夾具布局的變化，接觸剛度也不同，一個合理的線性逼近的接觸剛度可以從適合上述方程的最小二乘法得到。連續(xù)插值，這是用來申請工件的有限元分析模型的邊界條件。在圖3中說明了夾具元件的位置，顯示為黑色界線。每個元素的位置被其它四或六最接近的鄰近節(jié)點所包圍。
圖3 連續(xù)插值
這系列節(jié)點，如黑色正方形所示，是（37，38，31和30 ），（9，10 ，11 ， 18，17號和16號）和（ 26，27 ，34 ， 41，40和33 ）。這一系列彈簧單元，與這些每一個節(jié)點相關聯(lián)。對任何一套節(jié)點，彈簧常數是：
這里，
kij 是彈簧剛度在的j -次節(jié)點周圍i次夾具元件，
Dij 是i次夾具元件和的J -次節(jié)點周圍之間的距離，
ki是彈簧剛度在一次夾具元件位置,
ηi 是周圍的i次夾具元素周圍的節(jié)點數量
為每個加工負荷的一步，適當的邊界條件將適用于工件的有限元模型。在這個工作里，正常的彈簧約束在這三個方向（X ， Y ， Z ）的和在切方向切向彈簧約束，（X ， Y ）。夾緊力是適用于正常方向（Z）的夾緊點。整個刀具路徑是模擬為每個夾具設計計劃所產生的遺傳算法應用的高峰期的X ，Y ，z切削力順序到元曲面，其中刀具通行證。在這工作中，從刀具路徑中歐盟和去除碎片已經被考慮進去。在機床改變幾何數值過程中，材料被去除，工件的結構剛度也改變。
因此，這是需要考慮碎片移除的影響。有限元分析模型，分析與重點的工具運動和碎片移除使用的元素死亡技術。在為了計算健身價值，對于給定夾具設計方案，位移存儲為每個負載的一步。那么，最大位移是選定為夾具設計計劃的健身價值。
遺傳算法的程序和ANSYS之間的互動實施如下。定位和夾具的位置以及夾緊力這些參數寫入到一個文本文件。那個輸入批處理文件ANSYS軟件可以讀取這些參數和計算加工表面的變形。 因此， 健身價值觀，在遺傳算法程序，也可以寫到當前夾具設計計劃的一個文本文件。
當有大量的節(jié)點在一個有限元模型時，計算健身價值是很昂貴的。因此，有必要加快計算遺傳算法程序。作為這一代的推移，染色體在人口中取得類似情況。在這項工作中，計算健身價值和染色體存放在一個SQL Server數據庫。遺傳算法的程序，如果目前的染色體的健身價值已計算之前，先檢查；如果不，夾具設計計劃發(fā)送到ANSYS，否則健身價值觀是直接從數據庫中取出。嚙合的工件有限元模型，在每一個計算時間保持不變。每計算模型間的差異是邊界條件，因此，網狀工件的有限元模型可以用來反復“恢復”ANSYS 命令。
5 案例研究
一個關于低剛度工件的銑削夾具設計優(yōu)化問題是被顯示在前面的論文中，并在以下各節(jié)加以表述。
5.1 工件的幾何形狀和性能
工件的幾何形狀和特點顯示在圖4中，空心工件的材料是鋁390與泊松比0.3和71Gpa的楊氏模量。外廓尺寸152.4mm×127mm*76.2mm.該工件頂端內壁的三分之一是經銑削及其刀具軌跡，如圖4 所示。夾具元件中應用到的材料泊松比0.3和楊氏模量的220的合金鋼。
圖4 空心工件
5.2 模擬和加工的運作
舉例將工件進行周邊銑削，加工參數在表2中給出?；谶@些參數，切削力的最高值被作為工件內壁受到的表面載荷而被計算和應用，當工件處于330.94 n（切）、398.11 N （下徑向）和22.84 N （下軸） 的切削位置時。整個刀具路徑被26個工步所分開，切削力的方向被刀具位置所確定
表2加工參數和條件
。
5.3 夾具設計方案
夾具在加工過程中夾緊工件的規(guī)劃如圖5所示。
圖5 定位和夾緊裝置的可選區(qū)域
一般來說， 3-2-1定位原則是夾具設計中常用的。夾具底板限制三個自由度，在側邊控制兩個自由度。這里，在Y=0mm截面上使用了4個定點（L1，L2 ， L3和14 ），以定位工件并限制2自由度；并且在Y=127mm的相反面上，兩個壓板（C1,C2）夾緊工件。在正交面上，需要一個定位元件限制其余的一個自由度，這在優(yōu)化模型中是被忽略的。在表3中給出了定位加緊點的坐標范圍。
表3 設計變量的約束
由于沒有一個簡單的一體化程序確定夾緊力，夾緊力很大部分（6673.2N）在初始階段被假設為每一個夾板上作用的力。且從符合例5的最小二乘法，分別由4.43×107 N/m 和5.47×107 N/m得到了正常切向剛度。
5.4 遺傳控制參數和懲罰函數
在這個例子中，用到了下列參數值：Ps=30, Pc=0.85, Pm=0.01, Nmax=100和Ncmax=20.關于f1和σ的懲罰函數是
這里fv可以被F1或σ代表。當nchg達到6時，交叉和變異的概率將分別改變成0.6和0.1.
5.5 優(yōu)化結果
連續(xù)優(yōu)化的收斂過程如圖6所示。且收斂過程的相應功能（1）和（2）如圖7、圖8所示。優(yōu)化設計方案在表4中給出。
圖6 夾具布局和夾緊力優(yōu)化程序的收斂性遺傳算法 圖7 第一個函數值的收斂
圖8第二個函數值的收斂性
表4 多目標優(yōu)化模型的結果 表5 各種夾具設計方案結果進行比較，
5.6 結果的比較
從單一目標優(yōu)化和經驗設計中得到的夾具設計的設計變量和目標函數值，如表5所示。單一目標優(yōu)化的結果，在論文中引做比較。在例子中，與經驗設計相比較，單一目標優(yōu)化方法有其優(yōu)勢。最高變形減少了57.5 ％，均勻變形增強了60.4 ％。最高夾緊力的值也減少了49.4 ％ 。從多目標優(yōu)化方法和單目標優(yōu)化方法的比較中可以得出什么呢？最大變形減少了50.2％ ，均勻變形量增加了52.9 ％，最高夾緊力的值減少了69.6 ％ 。加工表面沿刀具軌跡的變形分布如圖9所示。很明顯，在三種方法中，多目標優(yōu)化方法產生的變形分布最均勻。
與結果比較，我們確信運用最佳定位點分布和最優(yōu)夾緊力來減少工件的變形。圖10示出了一實例夾具的裝配。
圖9沿刀具軌跡的變形分布
圖10 夾具配置實例
6 結論
本文介紹了基于GA和有限元的夾具布局設計和夾緊力的優(yōu)化程序設計。優(yōu)化程序是多目標的：最大限度地減少加工表面的最高變形和最大限度地均勻變形。ANSYS軟件包已經被用于
健身價值的有限元計算。對于夾具設計優(yōu)化的問題，GA和有限元分析的結合被證明是一種很有用的方法。
在這項研究中，摩擦的影響和碎片移動都被考慮到了。為了減少計算的時間，建立了一個染色體的健身數值的數據庫，且網狀工件的有限元模型是優(yōu)化過程中多次使用的。
傳統(tǒng)的夾具設計方法是單一目標優(yōu)化方法或經驗。此研究結果表明，多目標優(yōu)化方法比起其他兩種方法更有效地減少變形和均勻變形。這對于在數控加工中控制加工變形是很有意義的。
參考文獻
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62
機械制造技術基礎
課 程 設 計
題 目：機床尾座頂尖套銑槽夾具設計
一、 緒論 2
（一）設計的目的 2
（二）設計任務及要求 2
（三）設計的內容及步驟 2
1.工藝規(guī)程的設計 2
2.專用夾具設計 3
二、機械加工工藝規(guī)程的制定 5
（一）零件的工藝分析 5
1. 尺寸精度 5
2. 形位精度 5
3. 表面粗糙度 5
4. 熱處理 5
（二）毛坯的制造方式 5
1. 零件的生產綱領 5
2. 毛坯材料及制造方法 6
三、擬訂零件機械加工工藝路線 6
（一） 制定工藝路線 6
（二） 基準的選擇 7
（三） 機床及工、夾、量、刃具 9
（四） 公差的計算 10
四、頂尖套銑槽的夾具設計 11
（一） 設計夾具目的 11
（二) 設計方案 12
1. 定位方案的選擇 12
2. 對定位方案的確定 13
3. 夾緊方案的選擇及夾緊機構設計 13
4. 對刀方案 14
5. 設計夾具體 14
（三）確定夾具的主要尺寸、公差和技術要求 14
1. 加工精度分析 16
（四） 夾緊力計算（估算） 18
結 論 20
參考文獻 21
致 謝 22
一、 緒論
（一）設計的目的
能熟練的運用機械制造工藝學的基本理論和夾具設計原理的知識，正確的解決一個零件在加工中的定位、夾緊以及合理制定工藝規(guī)程等問題的方法，培養(yǎng)分析問題和解決問題的能力。通過對零件某道工序的夾具的設計夾具的訓練，提高結構設計的能力。本次設計也是理論聯(lián)系實踐的過程，并學會用手冊、資料等，增加解決工程實際問題的獨立工作能力。
（二）設計任務及要求
制作成批量生產（10000臺）中等復雜程度零件（車床尾座頂尖套）的機械加工工藝規(guī)程和銑槽工序中所需要的專用夾具的設計。
設計任務要求：1.夾具裝配圖和零件圖
2.設計說明書
（三）設計的內容及步驟
1.工藝規(guī)程的設計
1）對零件進行工藝分析。
（1）對零件機器結構中的作用及零件圖上技術要求進行分析。
（2）對零件主要加工表面尺寸，形狀及相對位置精度，表面粗糙度及主要技術條件進行分析。
（3）對零件的材質、熱處理及工藝性進行分析。通過以上分析，以便在工藝過程中切實加以保證。
2）選擇毛坯的制造方式，繪制零件毛坯綜合示意圖。
選擇毛坯應以生產批量的大小來確定，跟據批量大小的生產規(guī)模決定毛坯形式及制造方法，根據有關資料確定各個加工表面的總余量，并把各余量加在零件圖各有關位置上，在毛坯圖上標出相關尺寸。
3）制定零件的機械加工工藝路線
（1）制定工藝路線，在對零件和毛坯進行分析的基礎上制定零件的加工工藝，它包括確定加工方法、確定安排加工順序、確定定位夾緊方法，以及安排熱處理、檢驗以及其他輔助工序等。
（2）選擇定位基準，合理選定各工序的定位基準，當工序定位基準與設計基準不重合時，需要對它的工序尺寸進行換算。
（3）選擇機床及夾具、刀具、量具。機床設備及工藝裝備的選用應當既要保證加工質量，還要經濟合理。
（4）加工余量及工序間尺寸與公差的確定。根據工藝路線的安排，計算銑槽相關工序加工余量。其工序間尺寸公差按經濟精度確定。
（5）確定切削用量機動時間。用公式計算各工序的切削用量，其余各工序的切削用量可由切削手冊查到。然后計算該工序的時間定額。
（6）繪制零件的機械加工工藝過程卡片，及銑槽工序的工序卡片。
2.專用夾具設計
在該加工過程中需要設計銑槽專用夾具。
夾具結構設計的方法和步驟：
1）確定夾具設計方案、繪制結構原理圖。
確定夾具設計方案應遵循幾個原則：
（1）保證工序加工精度和技術要求。
（2）結構簡單、制造容易。
（3）造作方便、省力安全。
（4）滿足零件在生產中高效低成本。
確定夾具設計方案的主要內容為：
（1）確定工件的定位方案。
（2）確定刀具的對刀或引導方式。
（3）確定刀具的夾緊方案。
（4）確定夾具其他組成部分的結構形式。
（5）確定夾具體。
最后繪制出結構原理示意圖
2）選擇定位原件，計算定位誤差。
在確定設計方案的基礎上，應按照加工精度的高低，根據六點定位原理。約束自由度的數目以及確定所需的定位元件。選擇好定位原件后，應計算定位誤差。
3）計算夾緊力，決定夾緊機構及其主要尺寸
夾緊是按照靜力平衡條件，從具體定位夾緊力方案和切削條件出發(fā)進行分析，主要根據切削力決定理論夾緊力，但由于在加工過程中有沖擊震蕩存在，為了保障安裝穩(wěn)定理論夾緊力還要乘以一個安全系數K，K值可以在相關手冊中查到。
計算出夾緊力后，根據所確定的加緊機構決定其主要尺寸。
4）繪制夾具裝配圖：
（1）要求夾具裝配圖按照比例繪制。
（2）要有必要的視圖和剖面圖。
5）在裝配圖上標注各部位尺寸、公差配合和技術條件參考《機床夾具設計》或其他有關手冊。
二、機械加工工藝規(guī)程的制定
（一）零件的工藝分析
1. 尺寸精度
Φ50mm、Φ70.8mm都是配合尺寸，要求有較高的尺寸精度，尺寸精度都為IT7級公差，鍵槽長度282±0.4mm槽深控制尺寸64.8mm油槽半徑3mm油槽長度170mm，加工中都需加以保證。
2. 形位精度
加工中要求鍵槽與油槽的對稱面應在同一平面上且對稱度為0.1mm鍵槽對A的平行度誤差為0.08mm。
3. 表面粗糙度
配合面表面粗糙度要求較高，鍵槽、油槽的粗糙度為Ra3.2um，Φ33mm、Φ51mm孔的粗糙度為Ra6.3um。
4. 熱處理
為了消除毛坯鍛件中的殘余應力，進一步改善切削性能，毛坯鍛造后應安排去應力退火或時效處理。
（二）毛坯的制造方式
1. 零件的生產綱領
機器產品在計劃期內應當生產的產品產量和進度計劃稱為該產品的生產綱領。零件的生產綱領可按下式計算：
=Q·n·(1+α%+β%)
式中
—— 零件的生產綱領（件/年）
Q —— 產品的年產量（臺/年）
n —— 每臺中該零件的數量（件/臺）
α% —— 備品的百分率
β% —— 廢品的百分率
其中，產品的年產量Q=10000臺/年，每臺產品中該零件的數量n=1件/每臺，備品率α%=4%，平均廢品率β%=3%。
N=5000*1*(1+4%+3%)=10700件
從計算結果可知，生產類型為中批生產，生產周期性變換。
2. 毛坯材料及制造方法
頂尖套同套筒的毛坯選擇與其材料、結構、尺寸及生產批量有關。該零件材料為45鋼。考慮到車床在車銷外圓工作中要經常正、反向旋轉，該零件在工作過程中則經常承受交變載荷及沖擊性載荷，因此應該選用鍛件，以使金屬纖維盡量不被切斷，保證零件工作可靠。由于零件年產量為10700件，屬批量生產，而且零件的輪廓尺寸不大，故可采用模鍛成形。這從提高生產率、保證加工精度上考慮，也是應該的?？讖叫〉奶淄惨话氵x擇焊接或冷拔棒料，也可采用實心棒料；孔徑大的套筒選擇無縫鋼管或帶孔的鑄鐵或鍛件。大批量生產時，常采用冷擠壓和粉末冶金等先進毛坯制造方法，既可節(jié)約用材又可提高毛坯的精度及生產率。冷擠壓的加工方法適用于小型零件，而且結構簡單，非合金鋼、合金鋼、有色金屬，大批生產，加工公差等級為6～7級，表面粗超度為0.8～1.6，毛坯公差尺寸為0.02～0.05 ,生產率高，用于精度較高的小零件，需要機械加工。
因此考慮到零件是成批生產，而且軸向尺寸變化不大，且尺寸較小，該零件起支撐作用，所以選用45鋼，直徑為80mm。的棒料，采用鍛造的方法。
三、擬訂零件機械加工工藝路線
（一） 制定工藝路線
技術條件先確定終加工方法，接著再確定一系列準備工序的加工方法，然制定工藝路線的出發(fā)點，應當是使零件的幾何形狀、尺寸精度和位置精度技術要求等能得到合理的保證。在生產綱領已確定為大批生產的條件下，可以考慮采用萬能性機床配以專用夾具，并盡量使工序集中來提高生產率。除此以外，還應當考慮經濟效果，以便使生產成本盡量下降。
制定工藝路線主要是確定加工方法和劃分加工階段。
⑴選擇加工方法應以零件加工表面的技術條件為依據，主要是加工面的尺寸精度、形狀精度、表面粗超度，并綜合考慮各方面工藝因素的影響。一般是根據主要表面的后再確定其它次要表面的加工方法。
⑵在各表面的加工方法選定以后，就需要進一步考慮這些加工方法在工藝路線中的大致順序，以定位基準面的加工為主線，妥善安排熱處理工序及其他輔助工序。
車床尾座頂尖套的加工工藝路線一般是先下料，再進行外圓的加工。還包括端面及鉆孔、銑鍵槽等。按照先加工基準面及先粗后精的原則，參照頂尖套筒的工藝路線，結合生產條件和大批生產的生產綱領，初步擬訂頂尖套筒工藝過程：
1 以毛坯外圓定位，銑削端面，鉆中心孔，去毛刺。
2 以外圓中心孔定位，車削外圓。
3 熱處理，調質至220-240HBS。
4 以外圓中心孔定位，車削外圓。
5 以外圓，端面定位，鉆削深孔，去毛刺。
6 以外圓，端面定位，車削內錐孔。
7 熱處理，高頻淬火morseNO.5錐孔，45-50HRC。
8 錐堵中心孔定位，精車外圓。
9 錐堵中心孔定位，磨削外圓，留余量。
10以外圓定位，粗磨morseNO.5錐孔，留磨量。
11以中心孔定位，粗、精銑鍵槽及油槽。
12以錐堵中心孔定位，粗、精磨外圓。
13以外圓定位，精磨morseNO.5內錐孔。
14檢驗。
（二） 基準的選擇
（１）選擇定位基準
工件的加工部位和各表面相對位置的準確性，取決于工件在機床上相對刀具位置的準確性，也就是取決于工件在夾具中定位的準確性，定位的準確與否，又與定位基準選擇的好壞直接相關，因此定位基準選擇合理與否不僅影響到零件的加工位置精度，而且對工件各表面加工順序也有很大影響。首先考慮保證空間位置精度，再考慮保證尺寸精度；其次應盡量選擇零件的主要表面為定位基準，因為主要表面是決定該零件其它表面的基準，選主要表面為定位基準可使設計基準與定位基準重合；最后，定位基準應有利于夾緊，在加工過程中穩(wěn)定可靠。
（２）選擇粗基準
粗基準選擇應是使所需加工各表面，尤其是重要表面能分配到必須而又盡可能均勻的加工余量，能保證工件加工與不加工面間的相互位置精度。
粗基準選擇的原則為① 用不加工的面作為粗基準，以保證不加工表面相對于加工表面有較高的加工精度，當工件有幾個不加工表面時，選其中與加工表面相對于位置精度要求較高的不加工表面作為粗基準②選擇重要表面作為粗基準，且保證各加工表面都有足夠的加工余量③應選擇平整光潔的表面作為粗基準，以使工件定位加緊可靠④粗基準一般不得重復使用。
根據以上原則，結合該零件的特點選擇粗基準如下：
對于一般的軸類零件而言，以外圓作為粗加工的基準。本零件首先要進行外圓的粗車和平端面，以外圓為粗基準是合理的。在粗車外圓和端面后，加工直徑為33mm的孔，粗精加工都是在一次裝夾中完成。
（３）精基準的選擇
應保證各表面的相互位置精度，使夾具結構簡單，安裝方便，采用基準統(tǒng)一原則，即設計基準與定位基準相統(tǒng)一原則。
一般是用已經加工過的表面作為精基準。選擇原則為①基準重合原則，即用設計基準作為定位基準，以免產生基準不重合誤差。②基準統(tǒng)一原則，以免產生基準轉換誤差③互為基準，反復加工的原則④應遵循自為基準原則，即當精加工或光整加工工序要求加工余量小而且均勻時，常以加工表面自身為精基準。⑤應選擇定位基準、加緊可靠的表面作為精基準。
根據以上原則選擇精基準：
該零件對于外圓和孔的同軸度要求很高，因此為了保證它們的位置精度要求，選擇已經加工過的孔作為精加工的基準，以心軸作為定位元件，以此來保證它們的位置精度。在銑削直槽時，以外圓作為精基準，用v形塊來定位。
（４）此外還應考慮到工序加工時工序基準，以及保證裝配質量的裝配基準。
（三） 機床及工、夾、量、刃具
（1）選擇機床
a: 粗車和精車，工序的工步數不多，成批生產不要求很的生產率，故選用臥式車床就能滿足要求。本零件外廓尺寸不大，精度要求不是很高，選用最常用的CA6140型臥式車床即可。
b：鉆孔，粗鏜孔，精鏜孔。由于加工的零件外廓尺寸不大，又是回轉體，故宜在車床上鉆孔，鏜孔。由于要求的精度較高，表面粗糙度數值較小，需選用較精密的車床才能滿足要求，因此選用C616A型臥式車床。
c:切斷、車端面。選用CA6140d車床。
d:研磨技術要求，表面粗糙度要求較高，因此選用。
d:鍵槽是用三面刃銑刀粗銑及精銑槽，應選用臥式銑床。考慮本零件屬成批生產。所選機床使用范圍較廣為宜，故選常用的X62型銑床能滿足加工要求。
（2）選擇夾具
以上工序中本零件除粗銑及精銑槽等工序需要專用夾具外，其它各工序使用通用夾具即可。車床工序用三爪自定心卡盤和頂尖。在外圓的精車中使用心軸定位，然后是一夾一頂式裝夾，這樣可以保證外圓和孔的同軸度。
（3）選擇刀具 根據不同的工序選擇刀具。
在車床上加工時一般都選用硬質合金車刀和鏜刀。加工鋼質類零件采用YT類硬質合金，粗加工用YT15，半精加工YT15,精加工用YT30。為提高生產率及經濟性可以使用轉位車刀。切槽刀宜選用高速鋼。
銑刀選鑲齒三面刃銑刀。零件要求銑切深度為6mm，銑刀的直徑應為160～200mm。因此所選銑刀：半精銑工序銑刀直徑d＝125mm,寬L＝8mm,孔徑D＝32mm,齒數Z＝20。
（4）選擇量具
本零件屬于成批生產，一般情況下盡量選用通用量具。根據零件表面的精度要求、尺寸和形狀特點，參考有關資料。選擇量具的方法有兩種：一是按計量器具的不確定度選擇；二是按計量器具的測量方法極限誤差選擇。
a 選擇各外圓加工面的量具。加工外圓Φ70.8mm按計量器具的不確定擇量具。該尺寸公差為0.019。按工藝人員手冊，計量器具不確定度允許值，選擇測量范圍為50～75，分度值為0.01的外徑千分尺。
b 選擇加工孔用量具。莫氏6號錐孔及55mm尺寸的孔經粗鏜、精鏜、磨削三次加工。粗鏜至55mm精鏜至55mm。按計量器具的測量極限誤差選擇其量具。
粗鏜孔55mm公差等級為IT11,有參考資料選讀數值0.01mm、測量范圍50～125mm的內徑千分尺即可。
精鏜、磨削孔及莫氏6號錐孔，由于精度要求高，加工時每個工件都需進行測量，故宜選用極限量規(guī)。根據孔徑可選三牙鎖緊式圓柱塞規(guī)。
c 選擇軸向尺寸用量具。由于尺寸精度要求不高，故選用分度值為0.02。
d 選擇加工槽用量具。槽經粗銑、半精銑兩次加工。槽寬的尺寸公差等級為IT9，槽深的尺寸公差等級為IT12，切可選用分度值為0.01mm,測量工具用內徑千分尺及深度千分尺即可。
（四） 公差的計算
1. 工序尺寸換算
公式
ESA=
EIA=
A
A1增環(huán) A2減環(huán) A0封閉環(huán)
A1=70.8
A=64.8
A=A1-A=70.8-64.8=6mm
ES=0-0=0
EI=-0.019-0=-0.019
=6mm
最大單邊余量值為0.902mm。
根據《金屬機械加工工藝人員手冊》可得，此余量可進行擴孔加工。
四、頂尖套銑槽的夾具設計
（一） 設計夾具目的
機床夾具是在切削加工中，用以準確的確定工件位置，并將其牢固的加緊的工藝裝備。它可靠的保證工件的加工精度，提高加工效率，減輕勞動強度。充分發(fā)揮機床的工藝性能。為了提高生產率，對頂尖套銑槽的加工，有必要采用專用夾具來滿足生產率及合理的經濟要求，減輕工人勞動強度。
由于銑槽加工比其它表面要復雜的多，加工環(huán)境條件差，刀具尺寸受被加工的槽限制，致使刀桿細長而剛性差，以至于影響槽的加工精度。如果采用一般的方法加工有一定位置精度的槽時；不僅生產效率低，而且加工質量也不高。有必要采用銑槽夾具。設計該銑槽夾具，有利于保證加工精度，提高生產率，保證定位準確，保證夾緊可靠，并盡可能使夾具結構簡單合理，降低成本。
（二) 設計方案
1. 定位方案的選擇
若先銑鍵槽后銑油槽，按加工要求，銑鍵槽時應限制5個自由度，銑油槽時應限制6個自由度。因為是大批生產，為了提高生產率，可在銑床主軸上安裝兩把直徑相等的銑刀，同時對兩個工件銑鍵槽和油槽，每進給一次，即能看到一個鍵槽和油槽均已加工好的工件，這類夾具稱多工位加工銑床夾具。如圖4-1所示為頂尖套銑雙槽的兩種定位方案。
方案1：工件以Φ70.8mm外圓在兩個互相垂直的平面上定位，端面加止推銷，如圖4-1（a）所示。
方案2：工件以Φ70.8mm外圓在v形塊上定位，端面加止推銷，如圖4-1（b）所示。為保證油槽和鍵槽的對稱面在同一平面內，兩方案中的第二工位（銑油槽工位）都需要一短銷與已銑好的鍵槽配合，限制工件繞軸線的角度自由度。由于鍵槽和油槽的長度不等，要同時進給完畢，需將兩個止推銷沿工件軸線方向錯開適當的距離。
圖4-1
2. 對定位方案的確定
比較以上兩種方案，方案1使加工尺寸為64.8mm的定位誤差為零，方案2則使對稱度的定位誤差為零。由于64.8mm未注公差，加工要求低，而對稱度的公差較小，故選用方案2的較好，從承受切削力的角度看，方案2也較可靠。
3. 夾緊方案的選擇及夾緊機構設計
根據加緊力的方向應朝向主要限位面以及作用點應落在定位元件的支承范圍內的原則，如圖4-2所示，夾緊力的作用線應落在Ｂ區(qū)域內（為接觸點），加緊力與垂直方向的夾角應盡量小，以保證加緊穩(wěn)定可靠。鉸鏈壓板的兩個弧形面的曲率半徑應大于工件的最大半徑。
圖4-2
由于頂尖套較長，須用兩塊壓板在兩處加緊。如果采用手動加緊，工件裝所花的時間較多，不能適應大批生產的要求；若用氣動加緊，則夾具體積太大，不便安裝在銑床工作臺上。因為采用動夾緊機構使兩塊壓板7同時均勻地夾緊工件。液壓缸的結構型式和活塞直徑可參考夾具手冊。銑削時各支承面上受力良好。該夾緊機構操作簡便，工件的裝卸迅速、方便，穩(wěn)定性好。
4. 對刀方案
鍵槽銑刀需兩個方向對刀，故應采用側裝直角對刀塊6。由于兩銑刀的直徑相等，油槽深度由兩工位v形塊定位高度之差保證。兩銑刀的距離（）mm則由兩銑刀間的軸套長度確定。因此，只需設置一個對刀塊即能滿足鍵槽和油槽的加工要求。
5. 設計夾具體
夾具體應能保證夾具的整體剛度和強度，在此前提下，要盡量減輕重量。因此，夾具體大部分采用鑄件，以便能根據需要鑄出各種形狀的筋條和邊框、銑床、磨床等機床夾具通常是開式或半開式的，以便刀具通過。
為了提高夾具制造的工藝性，夾具體很少做成整體的，而是分成座底立柱，模板等零件，它們之間用螺釘和銷釘進行聯(lián)接定位。
為了在夾具體上安裝液壓缸和聯(lián)動夾緊機構，夾具體應有適當高度，中部應有較大的空間。為保證夾具在工作臺上安裝穩(wěn)定，應按照夾具體的高寬比不大于1.25的原則確定其寬度，并在兩端設置耳座，以便固定。
為了保證槽的對稱度要求，夾具體底面應設置定位鍵，兩定位鍵的側面應與v形塊的對稱面平行。為減小夾具的安裝誤差，宜采用B型定位鍵。
（三）確定夾具的主要尺寸、公差和技術要求
（1）夾具最大輪廓尺寸為570mm、230mm、270mm。
（2）影響工件定位精度的尺寸和公差。為兩組v形塊的設計心軸直徑Φ70.79mm、兩止推銷的距離（112）mm、定位銷12與工件上鍵槽的配合尺寸Φ12h8mm。
（3）影響夾具在機床上安裝精度的尺寸和公差。為定位鍵與銑床工作臺T形槽的配合尺寸18h8(T形槽為18h8)。
(4)影響夾具精度的尺寸和公差。為兩組v形塊的定位高度(64)mm、(61)mm；1工位v形塊8、10設計心軸軸線對定位鍵側面B的平行度0.03mm；1工位v形塊設計心軸軸線對夾具底面A的平行度0.05mm；1工位與2工位v形塊的距離尺寸(125)mm；1工位與2工位v形塊設計心軸軸線間的平行度0.03mm。對刀塊的位置尺寸mm、mm(或（）mm、（）mm)。
對刀塊的位置尺寸h為限位基準（v形塊的設計心軸的軸線）到對刀塊表面的距離。計算時，要考慮定位基準在加工尺寸方向的最小位移量。
當最小位移使加工尺寸增大時
h=
當最小位移量使加工尺寸縮小時
h=
式中 h----對刀塊的位置尺寸；
H-----定位基準至加工表面的距離；
S----- 塞尺厚度。
當工件以圓孔在心軸上定位或者以圓柱面在定位并在外力作用下單邊接觸時
式中 ----圓柱面與圓孔的最小配合間隙，當工件以圓柱在v形塊上定位時=0。
按照尺寸鏈，將各環(huán)轉化為平均尺寸（對稱偏差的基本尺寸），分別算出和的平均尺寸，然后取工件相應尺寸公差的1/5～?作為h和h的公差，即可確定對刀塊的位置尺寸和公差。
由于工件定位基面直徑Φ70.8h6=Φmm=Φ(70.7905)mm,塞尺厚s=5h8=mm=(4.91)mm,鍵槽寬12H11=mm=（12.055）mm,槽深控制尺寸64.8h12=（64.8）mm。
所以對刀塊水平方向的位置尺寸為
mm
=(6.0275+4.91)mm=10.938mm(基本尺寸)
對刀塊垂直方向的位置尺寸為
取工件相應尺寸公差的1/5～?得
（5）影響對刀精度的尺寸和公差s:塞尺的厚度尺寸5h8=。
（6）夾具總圖上應標注下列技術要求：鍵槽刀與油銑刀的直徑相等。
1. 加工精度分析
尖套銑雙槽工序中，鍵槽兩側面對Φ70.8h6軸線的對稱度和平行度要求較高，應進行精度分析，其他加工要求未注公差或公差很大，可不進行精度分析。
1、 鍵槽側面對Φ70.8h6軸線的對稱度的加工精度
（1）定位誤差。由于對稱度的工序基準是Φ70.8h6軸線，定位基準也是此軸線，故。由于v形塊的對中性，因此，對稱度的定位誤差為零。
（2）安裝誤差。定位鍵在T形槽中有兩種位置，如圖5-20所示。
圖5-20
因加工尺寸在兩定位鍵之間，若按如圖5-20（a）所示計算
=
若加工尺寸在兩定位鍵之外，則應按如圖5-20（b）所示計算
（3）對刀誤差。對稱度的對刀誤差等于塞尺厚度的公差，即=0.018mm。
（4）夾具誤差。影響對稱度的誤差有：1工位v形塊設計心軸軸線對定位鍵側面B的平行度0.03mm、對刀塊水平位置尺寸11mm的公差，所以=（0.03+0.03）mm=0.06mm。
2、鍵槽側面對Φ70.8h6軸線的平行度的加工誤差
（1）定位誤差。由于兩v形塊8、10一般在裝配后一起精加工v形面，它們的相互位置誤差極小，可視為一長v形塊，所以=0。
（2）安裝誤差。當定位鍵的位置如圖5-20（a）所示時，工件的軸線相對工作臺導軌平行，所以=0。
當定位鍵的位置如圖5-20（b）所示時，工件的軸線相對工作臺導軌有轉角誤差，使鍵槽側面對Φ70.8h6軸線產生平行度誤差，故
（3）對刀誤差。由于平行度不受塞尺厚度的影響，所以=0。
（4）夾具誤差。影響平行度的制造誤差是1工位v形塊設計心軸軸線與定位鍵側面B的平行度0.03mm，所以=0.03mm。
（四） 夾緊力計算（估算）
實際設計中常采用類比法、估算法、實驗法確定所需的夾緊力。當采用估算法確定夾緊力的大小時，為了簡化計算，通常將夾具和工件看成一個剛性系統(tǒng)。根據工件所受切削力、夾緊力、摩擦力等的作用情況，找出加工過程中對夾緊最不利的狀態(tài)，按靜力平衡原理計算出理論夾緊力，再乘以安全系數k作為實際所需夾緊力，即
安全系數k的選擇應根據切削的具體情況和所用夾緊機構的特點來選取。一般粗加工或斷續(xù)切削時取k=2.5～3；精加工和連續(xù)切削時取k=1.5～2。如果夾緊力的方向和切削力的方向相反，為了保證夾緊可靠，k值可取2.5～3。
工件以外圓定位，用v形塊和鉸鏈壓板夾緊，加工鍵槽及油槽，工件承受切削轉矩及軸向力，加工時，主要應考慮如何保證兩端面的表面粗糙度，尺寸公差。由于粗銑時，切削深度較精銑時大，所以粗銑時切削力最大。切削時，銑刀切槽深為6mm，槽寬12mm。刀具材料高速鋼三面刃銑刀。
切削力的計算，查表
防止工件轉動
防止工件移動
式中 f1-----工件與壓板間的圓周方向摩擦系數
f1-----工件與v形塊間的圓周方向摩擦系數
f1-----工件與壓板間的軸向方向摩擦系數
f1-----工件與v形塊間的軸向方向摩擦系數
當用兩把刀銑削時壓板的靜力平衡夾緊力，=980(N)
在計算切削力時，必須把安全系數考慮在內，查表，基本安全系數=3, 加工性質系數＝1.2，刀具鈍化系數＝1.3，斷續(xù)切削系數＝1.2，手動夾緊系數＝1.3。安全系數：
3.16
∴F= +
=3250（N）
（N）
查《金屬機械加工工藝人員手冊》第664頁表9－33，選用M12mm。當螺紋直徑為12mm，手柄長度為119mm，作用力為60N時，其夾緊力為N螺=3250N。
此時N螺已大于所需的2450N的夾緊力，故本夾具可安全工作。
結 論
通過對車床夾具的設計，首先進行的是毛坯的分析確定，在分析的過程中，參考了有建設性的資料，達到設計的要求。其次是對加工工藝的分析，分析的過程中有多種方案的進行比較，找到較合理的方案，為后期的夾具設計做好充分的準備，在分析的基礎上，進行了夾具的設計，確定夾具的結構，如何定位，夾緊。在分析時，也查看了手冊，防止夾緊時有干涉現(xiàn)象，定位誤差大等。
在設計的過程中，遇到了很多問題，尤其是在對定位方案的選擇，夾緊方案的選擇等方面，費了很多周折，也走了一些彎路。而在裝配圖的繪制中，也遇到一些問題。經過仔細的思考和查閱大量的資料。本次設計過程中還涉及到了液壓夾緊，因為液壓缸的體積比較小，夾緊效果也比較好，還可以有減震的作用。所以也查找了很多有關液壓的書籍，最終才成功的完成了本套夾具的設計。
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致 謝
致此課程設計完成之際，向所有給予過我關心和幫助的老師、同學表示忠心的感謝。
首先要向我的指導老師謝偉東老師以及機械教研室的所有老師表示深深的敬意。設計過程中我查找大量的資料和相關內容,遇到不懂或者不能理解的問題及時請教指導老師,尋求解決方法。在課程設計的整個過程中指導老師盡心盡責，為了使我們更快地進入設計，在整個課程設計過程都是在指導老師的親切他們?yōu)槲覀兲峁┵Y料,對問題進行詳細的解答與細致的指導。每次都會給我們很大的幫助，糾正了很多我們在設計上的不夠科學的地方，使我們的設計能順利地完成?？傊?，是在指導老師的關懷和悉心指導下完成的，指導老師嚴謹認真的治學態(tài)度、執(zhí)著的科研精神將使我們受益終生。
其次感謝在研究過程中給予我?guī)椭睦蠋熀屯瑢W。給予了科學的指導和春雨般的幫助，并提出了很多建設性的意見，沒有你們的幫助，我們的設計就不夠合理不夠完善，所以，對你們再次表示忠心的感謝和敬意同時也感謝學校的教學環(huán)節(jié)為我們準備的課程設計，使我們得到了鍛煉和理論結合實踐的學習。一同做課程設計的同學給予了熱情的幫助，在此一并感謝!
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