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夾具夾緊力的優(yōu)化及對工件定位精度的影響 B Li 和 S N Mellkote 布什伍德拉夫機械工程學院 佐治亞理工學院 格魯吉亞 美國研究所 由于夾緊和加工 在工件和夾具的接觸部位會產生局部彈性變形 使工件 尺寸發(fā)生變化 進而影響工件的最終加工質量 這種效應可通過最小化夾具設 計優(yōu)化 夾緊力是一個重要的設計變量 可以得到優(yōu)化 以減少工件的位移 本文提出了一種確定多夾緊夾具受到準靜態(tài)加工部位的最佳夾緊力的新方法 該方法采用彈性接觸力學模型代表夾具與工件接觸 并涉及制定和解決方案的 多目標優(yōu)化模型的約束 夾緊力的最優(yōu)化對工件定位精度的影響通過 3 2 1 式 銑夾具的例子進行了分析 關鍵詞 彈性 接觸 模型 夾具 夾緊力 優(yōu)化 前言 定位和夾緊的工件加工中的兩個關鍵因素 要實現夾具的這些功能 需將 工件定位到一個合適的基準上并夾緊 采用的夾緊力必須足夠大 以抑制工件 在加工過程中產生的移動 然而 過度的夾緊力可誘導工件產生更大的彈性變 形 這會影響它的位置精度 并反過來影響零件質量 所以有必要確定最佳夾 緊力 來減小由于彈性變形對工件的定位誤差 同時滿足加工的要求 在夾具 分析和綜合領域上的研究人員使用了有限元模型的方法或剛體模型的方法 大 量的工作都以有限元方法為基礎被報道 參考文獻 1 8 隨著得墨忒耳 8 這種 方法的限制是需要較大的模型和計算成本 同時 多數的有限元基礎研究人員 一直重點關注的夾具布局優(yōu)化和夾緊力的優(yōu)化還沒有得到充分討論 也有少數 的研究人員通過對剛性模型 9 11 對夾緊力進行了優(yōu)化 剛型模型幾乎被近似為 一個規(guī)則完整的形狀 得墨忒耳 12 13 用螺釘理論解決的最低夾緊力 總的 問題是制定一個線性規(guī)劃 其目的是盡量減少在每個定位點調整夾緊力強度的 法線接觸力 接觸摩擦力的影響被忽視 因為它較法線接觸力相對較小 由于 這種方法是基于剛體假設 獨特的三維夾具可以處理超過 6 個自由度的裝夾 復和倪 14 也提出迭代搜索方法 通過假設已知摩擦力的方向來推導計算最小 夾緊力 該剛體分析的主要限制因素是當出現六個以上的接觸力是使其靜力不 確定 因此 這種方法無法確定工件移位的唯一性 第 1 頁 共 15 頁 這種限制可以通過計算夾具 工件系統 15 的彈性來克服 對于一個相 對嚴格的工件 該夾具在機械加工工件的位置會受夾具點的局部彈性變形的強 烈影響 Hockenberger 和得墨忒耳 16 使用經驗的接觸力變形的關系 稱為元功 能 解決由于夾緊和準靜態(tài)加工力工件剛體位移 同一作者還考察了加工工件 夾具位移對設計參數的影響 17 桂 18 等 通過工件的夾緊力的優(yōu)化定位精 度彈性接觸模型對報告做了改善 然而 他們沒有處理計算夾具與工件的接觸 剛度的方法 此外 其算法的應用沒有討論機械加工刀具路徑負載有限序列 李和 Melkote 19 和烏爾塔多和 Melkote 20 用接觸力學解決由于在加載夾具夾 緊點彈性變形產生的接觸力和工件的位移 他們還使用此方法制定了優(yōu)化方法 夾具布局 21 和夾緊力 22 但是 關于 multiclamp 系統及其對工件精度影響的 夾緊力的優(yōu)化并沒有在這些文件中提到 本文提出了一種新的算法 確定了 multiclamp 夾具工件系統受到準靜態(tài)加 載的最佳夾緊力為基礎的彈性方法 該法旨在盡量減少影響由于工件夾緊位移 和加工荷載通過系統優(yōu)化夾緊力的一部分定位精度 接觸力學模型 用于確定 接觸力和位移 然后再用做夾緊力優(yōu)化 這個問題被作為多目標約束優(yōu)化問題 提出和解決 通過兩個例子分析工件夾緊力的優(yōu)化對定位精度的影響 例子涉 及的銑削夾具 3 2 1 布局 1 夾具 工件聯系模型 1 1 模型假設 該加工夾具由 L 定位器和帶有球形端的 c 形夾組成 工件和夾具接觸的地 方是線性的彈性接觸 其他地方完全剛性 工件 夾具系統由于夾緊和加工 受到準靜態(tài)負載 夾緊力可假定為在加工過程中保持不變 這個假設是有效的 在對液壓或氣動夾具使用 在實際中 夾具工件接觸區(qū)域是彈性分布 然而 這種模式的發(fā)展 假設總觸剛度 見圖 1 第 i 夾具接觸力局部變形如下 1 iijjFkd 其中 j x y z 表示 在當地子坐標系切線和法線方向的接觸剛度ij 第 2 頁 共 15 頁 圖1 彈簧夾具 工件接觸模型 表示在第i個ixyz 接觸處的坐標系 j x y z 是對應沿著 xyz方向的彈性變形 分別 j x y z 的代表ijd 和 切向力接觸 法線力接觸 ixFiyizF 1 2 工件 夾具的接觸剛度模型 集中遵守一個球形尖端定位 夾具和工件的接觸并不是線性的 因為接觸 半徑與隨法線力呈非線性變化 23 由于法線力 接觸變形作用于半徑 和平iPiR 面工件表面之間 這可從封閉赫茲的辦法解決縮進一個球體彈性半空間的問題 對于這個問題 是法線的變形 在 文獻 23 第 93 頁 中給出如下 in 2 1 3296 iiniPRE 其中 式中 和 是工件和夾具的彈性模量 22 11fw wEf w 分別是工件和材料的泊松比 f 切向變形 沿著 和 切線方向 硅業(yè)切力距ity iittx 或 者 ixiy 有以下形式 文獻 23 第 217 頁 iyQiix或 者 3 t28 ifi wiaG 其中 分別是工件和夾具剪切模量 1 3134ifi wPRE fGw 一個合理的接觸剛度的線性可以近似從最小二乘獲得適合式 2 這就 產生了以下線性化接觸剛度值 在計算上述的線性近似 第 3 頁 共 15 頁 4 1 32 68 9iizREk 5 1 24jii iwxy zf kG 正常的力被假定為從 0 到 1000N 且最小二乘擬合相應的 R2 值認定是 0 94 2 夾緊力優(yōu)化 我們的目標是確定最優(yōu)夾緊力 將盡量減少由于工件剛體運動過程中 局 部的夾緊和加工負荷引起的彈性變形 同時保持在準靜態(tài)加工過程中夾具 工件系統平衡 工件的位移減少 從而減少定位誤差 實現這個目標是通過制 定一個多目標約束優(yōu)化問題的問題 如下描述 2 1 目標函數配方 工件旋轉 由于部隊輪換往往是相當小 17 的工件定位誤差 假設為確定其剛體翻譯基本上 其中 和TwwdXYZ wX wY 是 沿 和 三個正交組件 見圖 2 Zxgygz 圖 2 工件剛體平移和旋轉 工件的定位誤差歸于裝夾力 然后可以在該剛體位移的 范數計算如下 2L 第 4 頁 共 15 頁 6 222wwwdXYZ 其中 表示一個向量二級標準 但是作用在工件的夾緊力會影響定位誤差 當多個夾緊力作用于工件 由 此產生的夾緊力為 有如下形式 TRRCXYZP 7 RC 其中夾緊力 是矢量 夾緊力的方向 矩陣 1 TLCC 1 TCLCRn 是夾緊力是矢量的方向余弦 和 coscosLiLiiin i i Li 是第 i 個夾緊點夾緊力在 和 方向上的向量角度 i 1 2 3 C gXYgZ 在這個文件中 由于接觸區(qū)變形造成的工件的定位誤差 被假定為受的作 用力是法線的 接觸的摩擦力相對較小 并在進行分析時忽略了加緊力對工件 的定位誤差的影響 意指正常接觸剛度比 是通過 i 1 2 L 和最小zkii 的所有定位器正常剛度 相乘 并假設工件 取決于 zks xNyzgXY 的方向 各自的等效接觸剛度可有下式 計算gZ 111 XYZNNssszizizikk 和 得出 見圖 3 工件剛體運動 歸于夾緊行動現在可以寫成 wd 8 111XYZ TRRRwNNNsssziziziPPdkk 工件有位移 因此 定位誤差的減小可以通過盡量減少產生的夾緊力向量 范數 因此 第一個目標函數可以寫為 2L 最小化 XYZ 222RRERCNNw111PP iii 9 第 5 頁 共 15 頁 要注意 加權因素是與等效接觸剛度成正比的在 和 方向上 通gXYgZ 過使用最低總能量互補參考文獻 15 23 的原則求解彈性力學接觸問題得出 A 的組成部分是唯一確定的 這保證了夾緊力和相應的定位反應是 真正的 解 決方案 對接觸問題和產生的 真正 剛體位移 而且工件保持在靜態(tài)平衡 通過夾緊力的隨時調整 因此 總能量最小化的形式為補充的夾緊力優(yōu)化的第 二個目標函數 并給出 最小化 10 222iiiL CL CL Cx 111FFUW kkyziii TQ 其中 代表機構的彈性變形應變能互補 代表由外部力量和力矩配合 W 完成 是遵守對角矩陣的 和Q1 LCxyzxyzcc 1iijjck 是所有接觸力的載體 TxyzzFF 如圖 3 加權系數 計算確定的基礎2L 2 2 摩擦和靜態(tài)平衡約束 在 10 式優(yōu)化的目標受到一定的限制和約束 他們中最重要的是在每個 接觸處的靜摩擦力約束 庫侖摩擦力的法律規(guī)定 是 22iiixyszFF is 靜態(tài)摩擦系數 這方面的一個非線性約束和線性化版本可以使用 并且 19 有 內蒙古科技大學本科生畢業(yè)設計 外文翻譯 第 6 頁 共 15 頁 11 iiixyszF 假設準靜態(tài)載荷 工件的靜力平衡由下列力和力矩平衡方程確保 向量形式 12 0F 0M 其中包括在法線和切線方向的力和力矩的機械加工力和工件重量 2 3 界接觸力 由于夾具 工件接觸是單側面的 法線的接觸力 只能被壓縮 這通過iP 以下的 的約束表 i 1 2 L C 13 iP0i 它假設在工件上的法線力是確定的 此外 在一個法線的接觸壓力不能超過壓 工件材料的屈服強度 這個約束可寫為 yS i 1 2 L C 14 iyiPSA 如果 是在第 i 個工件 夾具的接觸處的接觸面積 完整的夾緊力優(yōu)化i 模型 可以寫成 最小化 15 12fTRCwQP 3 模型算法求解 式 15 多目標優(yōu)化問題可以通過求解約束 24 這種方法將確定的目標 作為首要職能之一 并將其轉換成一個約束對 該補充 的主要目的是處1f 理功能 并由此得到夾緊力 作為約束的加權范數 最小化 對 為主要2f 2L1f 目標的選擇 確保選中一套獨特可行的夾緊力 因此 工件 夾具系統驅動 到一個穩(wěn)定的狀態(tài) 即最低能量狀態(tài) 此狀態(tài)也表示有最小的夾緊力下的加權 范數 的約束轉換涉及到一個指定的加權范數 小于或等于 其中 是 2Lf 2L 的約束 假設最初所有夾緊力不明確 要確定一個合適的 在定位和夾緊f 點的接觸力的計算只考慮第一個目標函數 即 雖然有這樣的接觸力 并不1f 內蒙古科技大學本科生畢業(yè)設計 外文翻譯 第 7 頁 共 15 頁 一定產生最低的夾緊力 這是一個 真正的 可行的解決彈性力學問題辦法 可完全抑制工件在夾具中的位置 這些夾緊力的加權系數 通過計算并作為2L 初始值與 比較 因此 夾緊力式 15 的優(yōu)化問題可改寫為 最小化 16 12TfQ 由 11 14 得 RCwP 類似的算法尋找一個方程根的二分法來確定最低的 上的約束 通過盡RCwP 可能降低 上限 由此產生的最小夾緊力的加權范數 迭代次數 K 終止搜 2L 索取決于所需的預測精度 和 有參考文獻 15 TwxyzTiiiziidrXYZ 2Klog 17 其中 表示上限的功能 完整的算法在如圖 4 中給出 內蒙古科技大學本科生畢業(yè)設計 外文翻譯 第 8 頁 共 15 頁 內蒙古科技大學本科生畢業(yè)設計 外文翻譯 第 9 頁 共 15 頁 圖 4 夾緊力的優(yōu)化算法 在示例 1 中使用 圖 5 該算法在示例 2 使用 4 加工過程中的夾緊力的優(yōu)化及測定 上一節(jié)介紹的算法可用于確定單負載作用于工件的載體的最佳夾緊力 然 而 刀具路徑隨磨削量和切割點的不斷變化而變化 因此 相應的夾緊力和最 佳的加工負荷獲得將由圖 4 算法獲得 這大大增加了計算負擔 并要求為選擇 的夾緊力提供標準 將獲得滿意和適宜的整個刀具軌跡 用保守的辦法來解 決下面將被討論的問題 考慮一個有限的數目 例如 m 沿相應的刀具路徑設 置的產生 m 個最佳夾緊力 選擇記為 在每個采樣點 1optP2t3optPopt 考慮以下四個最壞加工負荷向量 內蒙古科技大學本科生畢業(yè)設計 外文翻譯 第 10 頁 共 15 頁 max1axTXYZF 2maxaxTYXYZF 3maxaxTXYZF 4aTrXYZF 18 和 表示在 和 方向上的最大值 和 上gg 的數字 1 2 3 分別代替對應的 和 另外兩個正交切削分力 而且maxXYmaxZ 有 222maxrXYZFF 雖然 4 個最壞情況加工負荷向量不會在工件加工的同一時刻出現 但在每 次常規(guī)的進給速度中 刀具旋轉一次出現一次 負載向量引入的誤差可忽略 因此 在這項工作中 四個載體負載適用于同一位置 但不是同時 對工件進 行的采樣 夾緊力的優(yōu)化算法圖 4 對應于每個采樣點計算最佳的夾緊力 夾 緊力的最佳形式有 i 1 2 m j x y z r 19 max12 TiiijjcjPC 其中 是最佳夾緊力的四個情況下的加工負荷載體 C 1 2 C 是每ij ikjC 個相應的夾具在第 i 個樣本點和第 j 負荷情況下力的大小 是計算每個負maxijP 載點之后的結果 一套簡單的 最佳 夾緊力必須從所有的樣本點和裝載條件 里發(fā)現 并在所有的最佳夾緊力中選擇 這是通過在所有負載情況和采樣點排 序 并選擇夾緊點的最高值的最佳的夾緊力 見于式 20 maxkC k 1 2 C 20 maxikkjC 只要這些具備 就得到一套優(yōu)化的夾緊力 驗證這Tmaxax12C optP 些力 以確保工件夾具系統的靜態(tài)平衡 否則 會出現更多采樣點和重復上述 程序 在這種方式中 可為整個刀具路徑確定 最佳 夾緊力 圖 5 總結optP 了剛才所描述的算法 請注意 雖然這種方法是保守的 它提供了一個確定的 夾緊力 最大限度地減少工件的定位誤差的一套系統方法 5 影響工件的定位精度 它的興趣在于最早提出了評價夾緊力的算法對工件的定位精度的影響 工 件首先放在與夾具接觸的基板上 然后夾緊力使工件接觸到夾具 因此 局部 內蒙古科技大學本科生畢業(yè)設計 外文翻譯 第 11 頁 共 15 頁 變形發(fā)生在每個工件夾具接觸處 使工件在夾具上移位和旋轉 隨后 準靜態(tài) 加工負荷應用造成工件在夾具的移位 工件剛體運動的定義是由它在 和gXY 方向上的移位 和自轉 見圖 2 gZTdwwXYZ Twxyz 如前所述 工件剛體位移產生于在每個夾緊處的局部變形 假設Tiiixyzd 為相對于工件的質量中心的第 i 個位置矢量定位點 坐標變換定理 TiirXYZ 可以用來表達在工件的位移 以及工件自轉idwwXYZ 如下 21 wxyz 1Tii iiRrd 其中 表示旋轉矩陣 描述當地在第 i 幀相聯系的全球坐標系和 是一個1iR wcR 旋轉矩陣確定工件相對于全球的坐標系的定位坐標系 假設夾具夾緊工件旋轉 由于旋轉 很小 故 也可近似為 w wcR 22 w 1R1zyzxyx 方程 21 現在可以改寫為 23 TiiidRBq 其中 是經方程 21 重新編排后變換得到的矩 ii ii10YBZ0Xi 陣式 是夾緊和加工導致的工件剛體運動矢量 yqTwwxzX 工件與夾具單方面接觸性質意味著工件與夾具接觸處沒有拉力的可能 因此 在第 i 裝夾點接觸力 可能與 的關系如下 iFid 24 0 iiiKdzFotherws 其中 是在第 i 個接觸點由于夾緊和加工負荷造成的變形 意 Tiz 0iz 味著凈壓縮變形 而負數則代表拉伸變形 是表示在本地坐標iixyzKdagk 內蒙古科技大學本科生畢業(yè)設計 外文翻譯 第 12 頁 共 15 頁 系第 i 個接觸剛度矩陣 是單位向量 在這項研究中假定液壓 氣 01Tze 動夾具 根據對外加工負荷 故在法線方向的夾緊力的強度保持不變 因此 必須對方程 24 的夾緊點進行修改為 25 TyiiixFp 其中 是在第 i 個夾緊點的夾緊力 讓 表示一個對外加工力量和載體的 6 1i EF 矢量 并結合方程 23 25 與靜態(tài)平衡方程 得到下面的方程組 26 1L C1 0iEiiiRFfr 其中 其中 表示相乘 由于夾緊和加工工件剛體移動 q 可通過求解式 26 得到 工件的定位誤差向量 見圖 6 rrTXYZmm 現在可以計算如下 27 rmBq 其中 是考慮工件中心加工點的位置向量 且rTmXYZ 100mmYBX 6 模擬工作 較早前提出的算法是用來確定最佳夾緊力及其對兩例工件精度的影響例如 1 適用于工件單點力 2 應用于工件負載準靜態(tài)銑削序列 內蒙古科技大學本科生畢業(yè)設計 外文翻譯 第 13 頁 共 15 頁 如左圖 7 工件夾具配置中使用的模 擬研究 工件夾具定位聯系 16L 和 全球坐標系 gXYgZ 3 2 1 夾具圖 7 所示 是用來定位并控制 7075 T6 鋁合金 127 毫米 127 毫米 38 1 毫米 的柱狀塊 假定為球形布局傾斜硬鋼定位器 夾具在表 1 中給出 工件 夾具材料的摩擦靜電對系數為 0 25 使用伊利諾伊大學開發(fā) EMSIM 程序 參考文獻 26 對加工瞬時銑削力條件進行了計算 如表 2 給出例 1 應 用工件在點 109 2 毫米 25 4 毫米 34 3 毫米 瞬時加工力 圖 4 中表 3 和表 4 列出了初級夾緊力和最佳夾緊力的算法 該算法如圖 5 所示 一個 25 4 毫 米銑槽使用 EMSIM 進行了數值模擬 以減少起步 0 0 毫米 25 4 毫米 34 3 毫米 和結束時 127 0 毫米 25 4 毫米 34 3 毫米 四種情況下加工負荷載體 內蒙古科技大學本科生畢業(yè)設計 外文翻譯 第 14 頁 共 15 頁 內蒙古科技大學本科生畢業(yè)設計 外文翻譯 第 15 頁 共 15 頁 見圖 8 模擬計算銑削力數據在表 5 中給出 圖 8 最終銑削過程模擬例如 2 內蒙古科技大學本科生畢業(yè)設計 外文翻譯 第 16 頁 共 15 頁 表 6 中 5 個坐標列出了為模擬抽樣調查點 最佳夾緊力是用前面討論過的排序 算法計算每個采樣點和負載載體最后的夾緊力和負載 7 結果與討論 例如算法 1 的繪制最佳夾緊力收斂圖 9 圖 9 對于固定夾緊裝置在圖示例假設 見圖 7 由此得到的夾緊力加權范數 有如2L 下形式 結果表明 最佳夾緊力所述加工 222 3RRRCXYZPP 條件下有比初步夾緊力強度低得多的加權范數 最初的夾緊力是通過減少工2L 件的夾具系統補充能量算法獲得 由于夾緊力和負載造成的工件的定位誤差 如表 7 結果表明工件旋轉小 加工點減少錯誤從 13 1 到 14 6 不等 在這 種情況下 所有加工條件改善不是很大 因為從最初通過互補勢能確定的最小 化的夾緊力值已接近最佳夾緊力 圖 5 算法是用第二例在一個序列應用于銑削 負載到工件 他應用于工件銑削負載一個序列 最佳的夾緊力 對應列表 6 每個樣本點 隨著最后的最佳夾緊 maxaxmax iiiiij yzrPP 力 在每個采樣點的加權范數 和最優(yōu)的初始夾緊力繪圖 10 在每個采樣opt 2L 內蒙古科技大學本科生畢業(yè)設計 外文翻譯 第 17 頁 共 15 頁 點的加權范數 的 和 繪制 2LmaxiPaxiymaxizaxirP 結果表明 由于每個 組成部分是各相應的最大夾緊力 它具有最高的加opt 權范數 如圖 10 所示 如果在每個夾緊點最大組成部分是用于確定初步夾2 緊力 則夾緊力需相應設置 有比 相當大的加權范數 故 是一個inPopt 2LoptP 完整的刀具路徑改進方案 上述模擬結果表明 該方法可用于優(yōu)化夾緊力相對 于初始夾緊力的強度 這種做法將減少所造成的夾緊力的加權范數 因此將2 提高工件的定位精度 圖 10 8 結論 該文件提出了關于確定多鉗夾具 工件受準靜態(tài)加載系統的優(yōu)化加工夾緊力 的新方法 夾緊力的優(yōu)化算法是基于接觸力學的夾具與工件系統模型 并尋求 盡量減少應用到所造成的工件夾緊力的加權范數 得出工件的定位誤差 該2L 整體模型 制定一個雙目標約束優(yōu)化問題 使用 約束的方法解決 該算法通 過兩個模擬表明 涉及 3 2 1 型 二夾銑夾具的例子 今后的工作將解決在動 態(tài)負載存在夾具與工件在系統的優(yōu)化 其中慣性 剛度和阻尼效應在確定工件 夾具系統的響應特性具有重要作用 9 參考資料 內蒙古科技大學本科生畢業(yè)設計 外文翻譯 第 18 頁 共 15 頁 1 J D Lee 和 L S Haynes 柔性夾具系統的有限元分析 交易美國 ASME 工程雜志工業(yè) 134 139 頁 2 W Cai S J Hu 和 J X Yuan 柔性鈑金夾具 原理 算法和模擬 交 易美國 ASME 制造科學與工程雜志 1996 318 324 頁 3 P Chandra S M Athavale R E DeVor 和 S G Kapoor 負載對表面平 整度的影響 工件夾具制造科學研討會論文集 1996 第一卷 146 152 頁 4 R J Menassa 和 V R DeVries 適用于選拔夾具設計與優(yōu)化方法 美國 ASME 工業(yè)工程雜志 113 412 414 1991 5 A J C Trappey C Su 和 J Hou 計算機輔助夾具分析中的應用有限元 分析和數學優(yōu)化模型 1995 ASME 程序 MED 777 787 頁 6 S N Melkote S M Athavale R E DeVor S G Kapoor 和 J Burkey 基于加工過程仿真的加工裝置作用力系統研究 NAMRI SME 207 214 頁 1995 7 考慮工件夾具 夾具接觸相互作用布局優(yōu)化模擬的結果 341 346 1998 8 E C DeMeter 快速支持布局優(yōu)化 國際機床制造 碩士論文 1998 9 Y C Chou V Chandru M M Barash 加工夾具機械構造的數學算法 分析和合成 美國 ASME 工程學報工業(yè) 1989 299 306 頁 10 S H Lee 和 M R Cutkosky 具有摩擦性的夾具規(guī)劃 美國 ASME 工業(yè)工程學報 1991 320 327 頁 11 S Jeng L Chen 和 W Chieng 最小夾緊力分析 國際機床制造 碩 士論文 1995 年 12 E C DeMeter 加工夾具的性能的最小 最大負荷標準 美國 ASME 工業(yè)工程雜志 1994 13 E C DeMeter 加工夾具最大負荷的性能優(yōu)化模型 美國 ASME 工 業(yè)工程雜志 1995 14 JH 復和 AYC 倪 核查和工件夾持的夾具設計 方案優(yōu)化 設計和制 造 4 碩士論文 307 318 1994 內蒙古科技大學本科生畢業(yè)設計 外文翻譯 第 19 頁 共 15 頁 15 T H Richards 埃利斯 霍伍德 1977 應力能量方法分析 1977 16 M J Hockenberger and E C DeMeter 對工件準靜態(tài)分析功能位移在加 工夾具的應用程序 制造科學雜志與工程 325 331 頁 1996 機械加工工藝過程卡片 產品型號 零件圖 號 西南科技大學 機械加工工藝過程卡片 產品名稱 齒輪泵 零件名 稱 泵蓋 共 1 頁 第 1 頁 材料牌 號 HT200 毛坯種 類 鑄件 毛坯外型尺 寸 89mm 60mm 23mm 每毛坯可制作 件數 1 每臺件數 1 備注 工 時工序號 工序名 稱 工序內容 車 間 工 段 設 備 工藝裝備 準終 單件 1 鑄造 鑄造毛坯 鑄造車間 一 2 時效 時效熱處理 鑄造車間 一 3 粗銑 粗銑右端面至 21mm 金工 二 X52K 端面銑刀 游標卡尺 4 精銑 精銑右端面至 20mm 金工 二 X52K 端面銑刀 游標卡尺 5 鉆鉸 鉆鉸 16 孔深 13mm盲孔 粗鉸 精鉸鉆 金工 二 Z525 專用夾具 內徑千分尺 6 鉆鉸 鉆鉸 2x 5 圓錐銷孔通孔 金工 二 Z525 5 麻花鉆 鉸刀 游標卡尺 7 鉆 鉆 6x 6 5 通孔 金工 二 Z525 直柄短麻花鉆 鍯鉆 鉸刀 游 標卡尺 8 鉆 鉆 11 孔深 6mm 金工 二 Z525 直柄短麻花鉆 鍯鉆 鉸刀 游 標卡尺 設計 日期 審核 日 期 標準化 日 期 會簽 日 期 標記 處數 更改文件 號 簽字 日期 標記 處數 更改文 件號 簽字 日期 機械加工工藝過程卡片 產品型號 零件圖 號 西南科技大學 機械加工工藝過程卡片 產品名稱 齒輪泵 零件名 稱 泵蓋 共 1 頁 第 1 頁 材料牌 號 HT200 毛坯種 類 鑄件 毛坯外型尺 寸 89mm 60mm 23mm 每毛坯可制作 件數 1 每臺件數 1 備注 工 時工序號 工序名 稱 工序內容 車 間 工 段 設 備 工藝裝備 準終 單件 9 鉗工 去毛刺 金工 鉆工臺 平銼 10 終檢 檢驗各尺寸 塞規(guī) 卡尺等 設計 日期 審核 日 期 標準化 日 期 會簽 日 期 標記 處數 更改文件 號 簽字 日期 標記 處數 更改文 件號 簽字 日期 0 西南科技大學高等教育自學考試 畢業(yè)設計 論文 泵蓋工藝編制及夾具設計 所 在 學 院 專 業(yè) 班 級 姓 名 學 號 指 導 老 師 年 月 日 摘 要 本文是對泵蓋零件加工應用及加工的工藝性分析 主要包括對零件圖的分析 毛 坯的選擇 零件的裝夾 工藝路線的制訂 刀具的選擇 切削用量的確定 加工工藝 文件的填寫 選擇正確的加工方法 設計合理的加工工藝過程 此外還對填料箱蓋零 件的兩道工序的加工設計了專用夾具 機床夾具的種類很多 其中 使用范圍最廣的通用夾具 規(guī)格尺寸多已標準化 并且有專業(yè)的工廠進行生產 而廣泛用于批量生產 專為某工件加工工序服務的專用 夾具 則需要各制造廠根據工件加工工藝自行設計制造 本論文夾具設計的主要內容 是設計銑對接面手動夾具設計 關鍵詞 泵蓋 加工工藝 加工方法 工藝文件 夾具 目 錄 摘 要 1 第 1 章 緒論 4 1 1 課題研究的意義及現狀 4 1 2 課題主要研究內容 4 1 3 研究方法和手段 5 1 4 研究目標 5 1 5 方案可行性分析 5 第 2 章 零件的分析 6 2 1 零件的作用 6 2 2 零件的工藝分析 6 2 3 審查零件的工藝性 7 第 3 章 泵蓋零件的加工工藝規(guī)程設計 8 3 1 零件的生產類型 8 3 2 毛坯的選擇及鑄造方法 8 3 3 基準的選擇 9 3 3 1 粗基準的選擇 9 3 3 2 精基準的選擇 9 3 4 零件各表面的加工方法 10 3 5 各工序間加工余量 10 3 5 泵蓋加工主要工序安排 11 3 6 確定切削用量及基本工時 機動時間 12 第 4 章 加工 6 個螺栓孔夾具設計 15 4 1 夾具的分類和作用 15 4 2 工件在夾具中的定位 16 4 3 夾具的組成 18 4 4 夾具設計 19 4 4 1 定位基準的選擇 19 4 4 2 切削力及夾緊力的計算 19 4 5 定位誤差的分析 21 4 6 鉆套 襯套 鉆模板設計與選用 22 4 7 確定夾具體結構和總體結構 24 4 8 夾具設計及操作的簡要說明 25 總 結 27 參考文獻 28 致 謝 29 4 第 1 章 緒論 1 1 課題研究的意義及現狀 當前 我國中小零部件機械產業(yè)正處于穩(wěn)步發(fā)展的成熟期 國外進口設備一統天 下的局面已經結束 國產零部件機械已經成為主力 主要表現如下 一 國產機械的技術水平已接近或達到世界先進水平 大規(guī)?？恳M技術發(fā)展的 時代已經結束 吸收 學習國外先進技術的渠道和方法大為增強 自身開發(fā)能力大大 提升 大型機械開發(fā)周期一般不超過一年 二 行業(yè)格局發(fā)生很大變化 一是國外著名的機械企業(yè)紛紛在中國建廠 改變了 機械生產企業(yè)的結構 它們在機械方面具有雄厚的技術和經濟實力 代表著世界領先 水平 今后將對中國機械行業(yè)的生產格局產生深遠影響 其在產品開發(fā) 制造及知識 產權保護等許多方面給中國企業(yè)提供了學習機會 二是國內著名大企業(yè)成功介入機械 產品的生產 并向多品種方向發(fā)展 憑借大廠在經驗 技術 經濟 制造方面的實力 其機械產品在銷售市場上已經占據了主導地位 這些變化 極大增強了我國機械行業(yè) 的實力 對中小企業(yè)的發(fā)展也有很大影響 三 一批民營中小企業(yè)迅速成長壯大 規(guī)模和技術實力大增 尚存問題有待解決 在看到我國零部件機械行業(yè)獲得長足發(fā)展的同時 一些潛在的問題也不容忽視 首先 我國多數機械企業(yè)規(guī)模偏小 抵抗風險能力有限 回款率低 流動資金不足 其次 也如同其他產品一樣 我國零部件機械存在著科技投入不足 創(chuàng)新能力偏低等問題 對基本研發(fā)的投入很少 采用挖人才 偷 技術的方式很普遍 所以各家的產品都是 大同小異 很少有標志性的技術 原始創(chuàng)新很少 第三 零部件機械廠家正面臨著水 電 鋼材等原材料持續(xù)上漲的壓力 利潤損失較大 不利于進一步擴大生產 第四 對出口歐洲 美國等發(fā)達國家和地區(qū)的產品 由于不熟悉其市場準入和標準 經常遭 遇 專利門檻 問題 對產品出口產生不利影響 認清趨勢促進發(fā)展 針對上述問題 相關企業(yè)要重視創(chuàng)新 主動加大科技投入 樹立尊重知識 保護知識產權的法律意識 企業(yè)對技術骨干要有留人和防挖辦法 可 在市場接受的范圍內 適當進行漲價 以促進生產發(fā)展 1 2 課題主要研究內容 泵蓋零件的分析包括 零件用途 安裝使用 零件圖的加工工藝 材料毛坯以及 技術要求等的分析 確定加工方法 填寫加工工藝過程 1 依據國家有關標準 根據需要標注泵蓋裝配圖的尺寸公差 形位公差等 5 2 根據泵蓋的裝配圖 根據需要標注零件表面的尺寸公差 形位公差和粗糙度等 3 綜合運用所學知識 參考有關資料 按大批生產 安排產品的加工工藝 設計 加工孔夾具 1 3 研究方法和手段 1 調研 消化原始資料 收集整理有關機械零件設計 裝配工藝 機械加工工藝 制造技術等有關資料 供設計時使用 消化零件制件圖 了解零件的用途 分析零件的工藝性 尺寸精度等 技術要求 分析工藝資料 了解所用材料性能 零件特性以及工藝參數 2 完成泵蓋的零件圖及裝配圖 3 確定工藝方案 制定加工工藝文件 4 設計加工孔夾具 5 完成零件圖及裝配圖的制作 1 4 研究目標 通過課題的設計鍛煉和培養(yǎng)自己的工藝文件的編制能力 熟悉常用材料的使用性 能 正確選用材料 掌握夾具設計的基本方法和機械零部件設計的基本程序和方法 掌握機械加工工藝的制定過程 對一般的制造過程和方法有初步的了解 了解常用的 零部件設計軟件 并能熟練運用二維及三維軟件進行設計 定的機械加工工藝所加工 的產品能達到圖紙的各項技術要求 使自己在大學四年所學的知識得到全面總結和鞏 固 對以前所學的知識得以溫故而知新 更好的掌握學過的知識 為將來的工作奠定 一個良好基礎 1 5 方案可行性分析 1 查閱相關文獻 搜集有關資料 2 了解泵蓋的結構以及工作原理的了解 并了解夾具的結構 3 通過老師指導 同學討論確定方案 4 根據國家有關標準 設計產品 6 第 2 章 零件的分析 2 1 零件的作用 題目給出的零件是泵蓋 泵蓋的主要作用是支承傳動軸 保證各軸之間的中心距 及平行度 并保證部件正確安裝 因此泵蓋零件的加工質量 不但直接影響的裝配精 度和運動精度 而且還會影響工作精度 使用性能和壽命 2 2 零件的工藝分析 由泵蓋零件圖可知 泵蓋是一個泵蓋零件 齒 輪 油 泵 泵 蓋 的 材 料 是 HT200 毛 坯 制 造 完 成 后 需 進 行 時 效 處 理 消 除 毛 坯 制 造 和 機 械 加 工 中 產 生 的 內 應 力 泵 蓋 有 下 列 幾 組 加 工 表 面 1 以 泵 蓋 左 端 蓋 20 為 基 準 的 加 工 表 面 這 一 組 加 工 表 面 包 括 對 右 端 面 的 加 工 2 以 中 心 距 為 28 76 0 016 為 定 為 基 準 的 兩 個 盲 孔 經 過 對 以 上 加 工 表 面 的 分 析 我 們 可 以 選 定 粗 基 準 加 工 精 粗 基 準 所 在 的 加 工 表 面 然 后 借 用 專 用 夾 具 對 其 它 加 工 表 面 進 行 加 工 保 證 它 們 的 位 置 精 度 表 1 泵蓋技術要求表 加工表面 尺寸及偏 差 公差 mm 及精度等級 表面粗糙度 um 形位公差 mm 7 mm 泵蓋右端 面 20 0 033 IT8 6 3 6 6 5 沉頭孔 6 5 11 0 090 IT11 12 5 2 5銷孔 5 0 018 IT8 1 6 16 盲01 孔 16 01 0 011 IT6 1 6 16 盲01 孔 16 01 0 011 IT6 1 6 2 3 審查零件的工藝性 根 據 老 師 發(fā) 給 的 零 件 圖 審 查 了 零 件 的 結 構 工 藝 性 零 件 圖 上 的 視 圖 尺 寸 公 差 和 技 術 要 求 較 統 一 不 必 做 大 的 修 改 仔 細 閱 圖 后 了 解 到 此 工 件 結 構 較 簡 單 通 過 鑄 造 再 加 工 即 可 獲 得 表 面 的 精 度 要 求 不 高 只 是 在 右 端 面 的 接 觸 處 要 求 具 有 較 高 的 精 度 以 保 證 密 封 性 泵 蓋 上 的 沉 頭 孔 和 銷 孔 用 一 般 鉆 床 夾 具 可 加 工 出 來 而 盲 孔 可 利 用 設 計 的 專 用 夾 具 加 工 總 體 來 說 此 工 件 還 是 比 較 容 易 加 工 其 零 件 圖 見 電 子 版 附 圖 8 第 3 章 泵蓋零件的加工工藝規(guī)程設計 3 1 零件的生產類型 零 件 的 生 產 類 型 是 指 企 業(yè) 或 車 間 工 段 班 組 工 作 地 等 生 產 專 業(yè) 化 程 度 的 分 類 它 對 工 藝 規(guī) 程 的 制 訂 具 有 決 定 性 的 影 響 生 產 類 型 一 般 可 分 為 大 量 生 產 成 批 生 產 和 單 件 生 產 三 種 類 型 不 同 的 生 產 類 型 有 著 完 全 不 同 的 工 藝 特 性 零 件 的 生 產 類 型 是 按 零 件 的 年 生 產 綱 領 和 產 品 特 征 來 確 定 的 生 產 綱 領 是 指 企 業(yè) 在 計 劃 期 內 應 當 生 產 的 產 品 產 量 和 進 度 計 劃 年 生 產 綱 領 是 包 括 備 品 和 廢 品 在 內 的 某 產 品 的 年 產 量 零 件 的 年 生 產 綱 領 N 可 按 下 式 計 算 1 NQmab 其 中 是 零 件 的 生 產 綱 領 件 年 產 品 的 年 產 量 臺 輛 年 每 臺 輛 產 品 中 該 零 件 的 數 量 件 臺 輛 備 品 率 一 般 取 2 4 a 廢 品 率 一 般 取 0 3 0 7 b 根 據 上 式 結 合 題 目 給 定 數 據 即 可 算 出 泵 蓋 的 生 產 綱 領 進 而 確 定 出 其 生 產 類 型 年產量 20 萬套 200000 臺 年 1 件 臺 取 取 0 6 Qma3b 由 公 式 1 1 有 泵 蓋 零 件 的 2071 6 3 年件 N 重 量 為 3 16 查 表 1 3 可 知 泵 蓋 為 輕 型 零 件 由 此 再 查 表 1 4 可 知 Kg 該 泵 蓋 的 生 產 類 型 為 大 批 生 產 3 2 毛坯的選擇及鑄造方法 選擇毛坯時候應該考慮一下幾點因素 1 零件的力學性能要求 相同的材料采用不同的毛坯制造方法 其力學性能有所 不同 離心澆注的鑄件 壓力澆注的鑄件 金屬型澆注的鑄件 砂型澆筑的鑄件 其 力學性能一次遞減 2 零件的結構形狀和外廓尺寸 直徑相差不大的階梯軸宜采用棒料 相差較大時 宜采用鍛件 形狀復雜 力學性能要求不高可采用鑄鋼件 形狀復雜和薄壁的毛坯不 宜采用金屬型鑄造 尺寸較大的毛坯不宜采用模鍛 壓鑄和精鑄 多采用砂型鑄造和 自由鍛造 外形復雜的小零件宜采用精密鍛造方法 以避免機械加工 9 3 生產綱領和批量 生產綱領大時宜采用高精度和高生產率的毛坯制造方法 生 產綱領小時宜采用設備投資小的毛坯制造方法 4 現場生產條件要求 現場生產條件和發(fā)展應經過技術經濟分析和論證 經過分析考慮 零件材料選取 HT200 由于零件結構一般 生產類型為中 小批 生產 在機床運行過程中所受沖擊不大 力學性能要求不高 考慮零件在機床運行過 程中所受沖擊不大 零件結構又比較簡單 零件屬于中批生產 零件的輪廓尺寸不大 根據參考文獻 8 中表 3 1 選擇金屬型澆注鑄件毛坯 查 機械制造工藝設計簡明手冊 第 41 頁表 2 2 5 選用鑄件尺寸公差等級為 9 級 這對提高生產率 保證產品質量有幫 助 此外為消除殘余應力還應安排人工時效 3 3 基準的選擇 定位選擇是工藝規(guī)程設計中重要的工作之一 定位選擇的正確與合理可以使加工 質量得到保證 生產率得以提高 否則加工工藝過程中會問題百出 更有甚者 還會 造成零件的大批報廢 使生產無法進行 3 3 1 粗基準的選擇 選擇粗基準時 主要要求保證各加工面有足夠的余量 使加工面與不加工面間的 位置符合圖樣要求 并特別注意要盡快獲得精基面 1 加工泵蓋上蓋時應選擇上蓋螺栓孔的上表面為粗基準 加工上蓋分合面 我選 擇粗基準的根據如下 選擇上蓋螺栓孔的上表面為基準 能保證泵蓋上蓋其他表面加 工余量小二均勻 符合選擇重要表面為粗基準的原則 泵蓋上蓋只有螺栓孔上表面不 需要進行加工 符合選擇不加工表面為粗基準的原則 制造毛坯的時候上表面的加工 余量留的最少 符合選擇加工余量量最小的表面為粗基準的原則 上表面能滿足方便 定位 加緊的需求 符合選擇較為平整光潔 加工面積較大的表面為粗基準的原則 螺栓孔上表面只用一次 加工出精基準面就不需要使用 符合粗基準在同一尺寸方向 上只能使用一次的原則 2 按照粗基準的選擇原則 同理我們可以選擇出泵蓋底泵蓋的底孔的上表面為粗 基準 加工底泵蓋的底面 3 3 2 精基準的選擇 精基準的選擇應從保證零件加工精度出發(fā) 同時考慮裝夾方便 夾具結構簡單 1 選擇上蓋的分合面為精基準 加工上蓋端面和油杯螺紋孔的上表面 我選擇精 基準的根據如下 精基準的以 基準重合 基準統一 自為基準 互為基準 為選擇原則 并且需要保證工件定位精準 加緊可靠 操作方便 選擇上蓋的分合面 為精基準可以簡化操作 能夠準確定位 加緊可靠 滿足加工表面對設計基準的相對 10 位置精度要求 方便加工其他表面 2 按照精基準的選擇原則 選擇泵蓋底泵蓋的底面為精基準 加工底泵蓋的端面 及內孔分合面 3 按照精基準的選擇原則 選擇泵蓋的底面與為精基準 加工泵蓋的內孔 3 4 零件各表面的加工方法 當 零 件 的 加 工 質 量 要 求 較 高 時 一 般 要 經 過 粗 加 工 半 精 加 工 和 精 加 工 三 個 階 段 如 果 零 件 的 加 工 精 度 要 求 特 別 高 表 面 粗 糙 度 特 別 小 時 還 要 經 過 光 整 加 工 階 段 通 過 對 泵 蓋 的 各 加 工 表 面 的 分 析 選 擇 前 面 一 系 列 的 預 備 工 序 的 加 工 方 法 和 順 序 表 2 各加工表面加工方案 加工表面 精度要求 um 加工方案 泵蓋右端面 6 3 粗銑 精銑 5銷孔 1 6 鉆 鉸 孔5 6 12 5 鉆 16 孔01 1 6 鉆 粗鉸 精鉸 3 5 各工序間加工余量 根 據 表 1 6 至 1 11 和 2 15 至 2 40 將 各 加 工 表 面 的 工 藝 路 線 工 序 或 工 步 余 量 工 序 或 工 步 尺 寸 及 其 公 差 表 面 粗 糙 度 填 入 表 3 中 3 各工序間加工余量 12 加工表面 工步名稱 工步余量 基本尺寸 公差等級 精度公差 工步偏差 粗糙度 粗銑 1 20 IT8 0 033 20 03 6 3 精銑 2 18 6 IT12 0 21 21 21 12 5泵蓋右端 面 毛坯 3 23 2 4 23 鉸 0 2 5 0 IT8 0 018 5 0181 6 鉆 0 8 4 8 IT12 0 120 4 8 2 6 3 5 銷孔 毛坯 4 4 2 4 1 鉆 2 6 5 IT11 0 090 6 5 09 12 5 6 5 孔 毛坯 4 5 4 5 2 4 5 1 16 01 精鉸 0 05 16 IT6 0 011 16 0 1 6 11 粗鉸 0 95 15 95 IT8 0 027 15 95 027 6 3 鉆 1 2 15 IT11 0 110 15 1 12 5 毛坯 13 8 13 8 2 4 13 8 1 2 3 5 泵蓋加工主要工序安排 對于大批量生產的零件 一般總是首先加工出統一的基準 泵蓋加工的第一個工 序也就是加工統一的基準 具體安排是先以孔定位粗 精加工頂平面 第二個工序是 加工定位用的兩個工藝孔 由于頂平面加工完成后一直到泵蓋加工完成為止 除了個 別工序外 都要用作定位基準 因此 頂面上的螺孔也應在加工兩工藝孔的工序中同 時加工出來 后續(xù)工序安排應當遵循粗精分開和先面后孔的原則 先粗加工平面 再粗加工孔 系 螺紋底孔在多軸組合鉆床上鉆出 因切削力較大 也應該在粗加工階段完成 對 于泵蓋 需要精加工的是支承孔前后端平面 按上述原則亦應先精加工平面再加工孔 系 但在實際生產中這樣安排不易于保證孔和端面相互垂直 因此 實際采用的工藝 方案是先精加工支承孔系 然后以支承孔用可脹心軸定位來加工端面 這樣容易保證 零件圖紙上規(guī)定的端面全跳動公差要求 各螺紋孔的攻絲 由于切削力較小 可以安 排在粗 精加工階段中分散進行 加工工序完成以后 將工件清洗干凈 清洗是在 的含 0 4 1 1 蘇打及c 908 0 25 0 5 亞硝酸鈉溶液中進行的 清洗后用壓縮空氣吹干凈 保證零件內部雜質 鐵屑 毛刺 砂粒等的殘留量不大于 mg20 根據以上分析過程 現將泵蓋加工工藝路線確定如下 工藝路線 1 鑄造 鑄造毛坯 2 時效 時效熱處理 3 粗銑 粗銑右端面至 21mm 4 精銑 精銑右端面至 20mm 5 鉆鉸 鉆鉸 16 孔深 13mm 盲孔 粗鉸 精鉸鉆 6 鉆鉸 鉆鉸 2x 5 圓錐銷孔通孔 7 鉆 鉆 6x 6 5 通孔 8 鉆 鉆 11 孔深 6mm 9 鉗工 去毛刺 10 終檢 檢驗各尺寸 12 3 6 確定切削用量及基本工時 機動時間 工序 3 4 粗 精銑泵蓋右端面 機床 銑床 X52K 刀具 硬質合金端銑刀 面銑刀 齒數 10 mdw40 14 Z 1 粗銑泵蓋右端面 銑削深度 pam2 每齒進給量 根據 機械加工工藝手冊 表 2 4 73 取f Zmaf 25 0 銑削速度 參照 機械加工工藝手冊 表 2 4 81 取V sV 4 機床主軸轉速 取n in 1940 3610rdV inr 實際銑削速度 smn 20 進給量 fVZaff 671 125 工作臺每分進給量 m in 2 0 sVf 根據 機械加工工藝手冊 表 2 4 81 a a4 被切削層長度 由毛坯尺寸可知l ml31 刀具切入長度 1D2 5 02 刀具切出長度 取2l 走刀次數為 1 機動時間 1jt min5 02 743121 mjfl 2 精銑泵蓋右端面 銑削深度 pam 每齒進給量 根據 機械加工工藝手冊 表 2 4 73 取f Zaf 15 0 銑削速度 參照 機械加工工藝手冊 表 2 4 81 取V smV 6 機床主軸轉速 取n in 28401 360rdV in3r 實際銑削速度 sn 0 進給量 fVmZaff 56 5 13 工作臺每分進給量 mf min 630 5 10sVf 被切削層長度 由毛坯尺寸可知ll4 刀具切入長度 精銑時1Dl1 刀具切出長度 取2l 走刀次數為 1 機動時間 2jt min18 63024121 mjfl 本工序機動時間 in7 8 501 jjj 工序 5 鉆鉸 16 孔深 13mm 盲孔 粗鉸 精鉸鉆 機床 組鉆床 Z525 刀具 麻花鉆 擴孔鉆 鉸刀 切削深度 pam8 進給量 根據 機械加工工藝手冊 表 2 4 39 取f rmf 25 0 切削速度 參照 機械加工工藝手冊 表 2 4 41 取V sV43 機床主軸轉速 取n in 967814 3001rdV in 8r 實際切削速度 sn 3 0 被切削層長度 lm2 刀具切入長度 1 mctgctgkDr 5 42105 8 2 1 刀具切出長度 2l0 走刀次數為 1 機動時間 jt in12 0825 41 fnlj 工序 6 鉆鉸 2x 5 圓錐銷孔通孔 機床 組鉆床 Z525 鉆孔選用機床為 Z525 搖臂機床 刀具選用 GB1436 85 直柄短麻花鉆 機械加工 工藝手冊 第 2 卷 根據 機械加工工藝手冊 第 2 卷表 10 4 2 查得鉆頭直徑小于 10 的鉆孔進給m 量為 0 20 0 35 rm 14 則取 rmf30 確定切削速度 根據 機械加工工藝手冊 第 2 卷表 10 4 9 切削速度計算公式為 3 in0kfaTdcvvyxpmzv 20 查得參數為 刀具耐用度 T 35125 0 0 25 1 8 myxzcvvvv min 則 1 65 0125 0 2 337 in 所以 72n4 6ir 選取 mi120r 所以實際切削速度為 2 64 7 3 vin 確定切削時間 一個孔 t s20 8 工序 7 8 鉆 6x 6 5 通孔 鉆 11 孔深 6mm 機床 組鉆床 Z525 刀具 麻花鉆 擴孔鉆 鉸刀 切削速度 參照 機械加工工藝手冊 表 2 4 105 取Vmin 8 14 0s 機床主軸轉速 取min 283104 310rdV in 250r 絲錐回轉轉速 取0in 25rn 實際切削速度 s 3 6015 0 被切削層長度 lm1 刀具切入長度 mf 43 刀具切出長度 2l0 機動時間 1jt min1 025 1405 02121 fnlflj 15 第 4 章 加工 6 個螺栓孔夾具設計 4 1 夾具的分類和作用 1 按專業(yè)程度劃分 1 通用夾具 通用夾具是指已經標準化的 在一定范圍內可用于加工不同工件的夾具 例如 車 床上三爪卡盤和四爪單動卡盤 銑床上的平口鉗 分度頭和回轉工作臺等 這類夾具 一般由專業(yè)工廠生產 常作為機床附件提供給用戶 其特點是適應性廣 生產效率低 主要適用于單件 小批量的生產中 2 專用夾具 專用夾具是指專為某一工件的某道工序而專門設計的夾具 其特點是結構緊湊 操 作迅速 方便 省力 可以保證較高的加工精度和生產效率 但設計制造周期較長 制造費用也較高 當產品變更時 夾具將由于無法再使用而報廢 只適用于產品固定 且批量較大的生產中 3 通用可調夾具和成組夾具 其特點是夾具的部分元件可以更換 部分裝置可以調整 以適應不同零件的加工 用于相似零件的成組加工所用的夾具 稱為成組夾具 通用可調夾具與成組夾具相比 加工對象不很明確 適用范圍更廣一些 4 組合夾具 組合夾具是指按零件的加工要求 由一套事先制造好的標準元件和部件組裝而成的 夾具 由專業(yè)廠家制造 其特點是靈活多變 萬能性強 制造周期短 元件能反復使 用 特別適用于新產品的試制和單件小批生產 5 隨行夾具 隨行夾具是一種在自動線上使用的夾具 該夾具既要起到裝夾工件的作用 又要與 工件成為一體沿著自動線從一個工位移到下一個工位 進行不同工序的加工 2 按使用的機床分類 由于各類機床自身工作特點和結構形式各不相同 對所用夾具的結構也相應地提出 了不同的要求 按所使用的機床不同 夾具又可分為 車床夾具 銑床夾具 鉆床夾 具 鏜床夾具 磨床夾具 齒輪機床夾具和其他機床夾具等 3 按夾緊動力源分類 16 根據夾具所采用的夾緊動力源不同 可分為 手動夾具 氣動夾具 液壓夾具 氣 液夾具 電動夾具 磁力夾具 真空夾具等 夾具的作用 1 縮短輔助時間 提高勞動生產率 夾具的使用一般包括兩個過程 其一是夾具本身在機床上的安裝和調整 這個過程 主要是依靠夾具自身的定向鍵 對刀塊來快速實現 或者通過找正 試切等方法來實 現 但速度稍慢 其二是被加工工件在夾具中的安裝 這個過程由于采用了專用的定 位裝置 如 V 形塊等 因此能迅速實現 2 確保并穩(wěn)定加 I 精度 保證產品質量 加工過程中 工件與刀具的相對位置容易得到保證 并且不受各種主觀因素的影 響 因而工件的加工精度穩(wěn)定可靠 3 降低對操作工人的技術要求和工人的勞動強 由于多數專用夾具的夾緊裝置只需廠人操縱按鈕 手柄即可實現對工件的夾緊 這在很大程度上減少了工人找正和調整工件的時間與難度 或者根本不需要找正和調 整 所以 這些專用夾具的使用降低了對工人的技術要求并減輕了工人的勞動強度 4 2 工件在夾具中的定位 一 機床夾具定位元件 工件定位方式不同 夾具定位元件的結構形式也不同 這里只介紹幾種常用的基本 定位元件 實際生產中使用的定位元件都是這些基本定位元件的組合 一 工件以平面定位常用定位元件 1 支承釘 常用支承釘的結構形式如圖6 1所示 平頭支承釘 圖 a 用于支承精基準面 球頭 支承釘 圖 b 用于支承粗基準面 網紋頂面支承釘 圖 c 能產生較大的摩擦力 但 網槽中的切屑不易清除 常用在工件以粗基準定位且要求產生較大摩擦力的側面定位 場合 一個支承釘相當于一個支承點 限制一個自由度 在一個平面內 兩個支承釘 限制二個自由度 不在同一直線上的三個支承釘限制三個自由度 圖6 1 常用支承釘的結構形式 2 支承板 常用的支承板結構形式如圖6 2所示 平面型支承板 圖 a 結構簡單 但沉頭螺釘 17 處清理切屑比較困難 適于作側面和頂面定位 帶斜槽型支承板 圖 b 在帶有螺釘 孔的斜槽中允許容納少許切屑 適于作底面定位 當工件定位平面較大時 常用幾塊 支承板組合成一個平面 一個支承板相當于兩個支承點 限制兩個自由度 兩個 或 多個 支承板組合 相當于一個平面 可以限制三個自由度 圖6 2 常用支承板的結構形式 3 可調支承 常用可調支承結構形式如圖6 3所示 可調支承多用于支承工件的粗基準面 支承高 度可以根據需要進行調整 調整到位后用螺母鎖緊 一個可調支承限制一個自由度 圖6 3 常用可調支承的結構形式 4 自位支承 常用自位支承的結構形式如圖6 4所示 由于自位支承是活動的或是浮動的 無論結 構上是兩點或三點支承 其實質只起一個支承點的作用 所以自位支承只限制一個自 由度 使用自位支承的目的在于增加與工件的接觸點 減小工件變形或減少接觸應力 圖6 4 自位支承的結構形式 二 工件以孔定位常用定位元件 1 定位銷 圖6 6是幾種常用固定式定位銷的結構形式 當工件的孔徑尺寸較小時 可選用圖 a 所示的結構 當孔徑尺寸較大時 選用圖 b 所示的結構 當工件同時以圓孔和端面組 合定位時 則應選用圖 c 所示的帶有支承端面的結構 用定位銷定位時 短圓柱銷限 制二個自由度 長圓柱銷可以限制四個自由度 短圓錐銷 圖 d 限制三個自由度 18 圖6 6 固定式定位銷的結構形式 2 心軸 心軸的結構形式很多 圖6 7是幾種常用的心軸結構形式 圖 a 為過盈配合心軸 限 制工件四個自由度 圖 b 為間隙配合心軸 限制工件五個自由度 心軸外圓部分限制 四個自由度 軸肩面限制一個自由度 圖 c 為小錐度 1 5000 1 1000 心軸 裝 夾工件時 通過工件孔和心軸接觸表面的彈性變形夾緊工件 使用小錐度心軸定位可 獲得較高的定位精度 它可以限制五個自由度 圖6 7 定位心軸 四 工件以組合表面定位常用定位元件 在實際生產中 為滿足加工要求 有時采用幾個定位面相組合的方式進行定位 常 見的組合形式有 兩頂尖孔 一端面一孔 一端面一外圓 一面兩孔等 與之相對應 的定位元件也是組合式的 例如 長軸類零件采用雙頂尖組合定位 箱體類零件采用 一面雙銷組合定位 幾個表面同時參與定位時 各定位基準 基面 在定位中所起的作用有主次之分 例如 軸以兩頂尖孔在車床前后頂尖上定位的情況 前頂尖孔為主要定位基面 前頂 尖限制三個自由度 后頂尖只限制兩個自由度 4 3 夾具的組成 1 定位元件 定位元件保證工件在夾具中處于正確的位置 2 夾緊裝置 夾緊裝置的作用是將工件壓緊夾牢 保證工件在加工過程中受到外力 切削力 等 作用時不離開已經占據的正確位置 圖 3 3 中的螺桿 8 與圓柱銷合成一個零件 螺母 7 和開口墊圈 6 就起到了上述作用 19 3 對刀或導向裝置 對刀或導向裝置用于確定刀具相對于定位元件的正確位置 如圖 3 3 中鉆套 l 和鉆模板 2 組成導向裝置 確定了鉆頭軸線相對定位元件的正確位置 銑床夾具上的 對刀塊和塞 尺為對刀裝置 4 連接元件 連接元件是確定夾具在機床上正確位置的元件 如圖 3 3 中夾具體 3 的底面 為安裝基面 保證了鉆套 1 的軸線垂直于鉆床工作臺以及圓柱銷 5 的軸線平行于鉆床 工作臺 因此 夾具體可兼作連接元件 車床夾具上的過渡盤 銑床夾具上的定位鍵 都是連接元件 5 夾具體 夾具體是機床夾具的基礎件 如圖 3 3 中的件 3 通過它將夾具的所有元件 連接成一個整體 6 其它裝置或元件 它們是指夾具中因特殊需要而設置的裝置或元件 4 4 夾具設計 4 4 1 定位基準的選擇 為了提高加工效率及方便加工 決定材料使用高速鋼 用于對進行加工 準 備采用手動夾緊 由零件圖可知 在對進行加工前 底平面進行了粗 精銑加工 進行了粗 精加 工 因此 定位 夾緊方案有 方案 選底平面 和側面定位夾緊方式用操作簡單 通用性較強的移動壓板來 夾緊 方案 選一面兩銷定位方式 2 面用擋銷 夾緊方式用操作簡單 通用性較強的 移動壓板來夾緊 分析比較上面二種方案 方案 中的定位是不正確的 擋銷的位置是固定 且定 位與夾緊應分開 因夾緊會破壞定位 通過比較分析只有方案 滿足要求 孔其加工與孔的軸線間有尺寸公差 選擇小 頭孔和大頭孔來定位 從而保證其尺寸公差要求 為了使定位誤差達到要求的范圍之內 這種定位在結構上簡單易操作 4 4 2 切削力及夾緊力的計算 刀具 鉆頭 20 則軸向力 見 工藝師手冊 表 28 4 F C d f k 3 1F0zFy 式中 C 450 Z 1 0 y 0 8 f 0 35FF k 07 1 92 103 nHB F 450 1 0 8635723 N 轉矩 T C d f kT0ZTy 式中 C 0 506 Z 2 0 y 0 8TT T 0 506 34 170 35 18 02 MN 功率 P mKWdV26 90 在計算切削力時 必須考慮安全系數 安全系數 K K K K K1234 式中 K 基本安全系數 1 5 K 加工性質系數 1 1 2 K 刀具鈍化系數 1 1 3 K 斷續(xù)切削系數 1 14 則 F KF 1 5 42391 1 N 鉆削時 T 17 34 N M 切向方向所受力 F 1L T2670534 取 f F 4416f 1N F Ff1 所以 時工件不會轉動 故本夾具可安全工作 根據工件受力切削力 夾緊力的作用情況 找出在加工過程中對夾緊最不利的瞬 間狀態(tài) 按靜力平衡原理計算出理論夾緊力 最后為保證夾緊可靠 再乘以安全系數 作為實際所需夾緊力的數值 即 21 FKW 安全系數 K 可按下式計算有 6543210 式中 為各種因素的安全系數 查參考文獻 5 表 可得 6 12 01 310 56C 25223PK f 所以有 19308 KCWFN 76 P 5 f 該孔的設計基準為中心軸 故以回轉面做定位基準 實現 基準重合 原則 參考文獻 因夾具的夾緊力與切削力方向相反 實際所需夾緊力 F 夾與切削力 之間 的關系 F 夾 KF 軸向力 F 夾 KF N 扭距 Nm93 103 24 05 14 3108 90 MYFXKfdC 在計算切削力時必須把安全系數考慮在內 安全系數 2K 由資料 機床夾具設計手冊 查表 可得 7 切削力公式 式 2 17 PffD75 02 14 式中 5mr 3 查表 得 821 9 10 6 HBKp 即 69 0NFf 實際所需夾緊力 由參考文獻 16 機床夾具設計手冊 表 得 12 WfK 安全系數 K 可按下式計算 由式 2 5 有 6543210 式中 為各種因素的安全系數 見參考文獻 16 機床夾具設計手0 冊 表 可得 25 01 32 1 21 K 22 所以 5 462 69180NFKWf 由計算可知所需實際夾緊力不是很大 為了使其夾具結構簡單 操作方便 決定 選用螺旋夾緊機構 4 5 定位誤差的分析 該夾具以一個平面和 2 個定位銷定位 要求保證孔軸線間的尺寸公差 為了滿足 工序的加工要求 必須使工序中誤差總和等于或小于該工序所規(guī)定的尺寸公差 由 5 和 6 可得 1 定位誤差 當以任意邊接觸時 minDWd 2 通過分析可得 0 5Dm 1dmin0 因此 當以任意邊接觸時 0 63DW 2 夾緊誤差 cos minaxyj 其中接觸變形位移值 SNcHBKRkmnZaZy 014 8 9 1 cos0 3jy 23 磨損造成的加工誤差 通常不超過Mj m05 夾具相對刀具位置誤差 取AD 1 誤差總和 0 96 5jwm 從以上的分析可見 所設計的夾具能滿足零件的加工精度要求 4 6 鉆套 襯套 鉆模板設計與選用 工藝孔的加工只需鉆切削就能滿足加工要求 故選用可換鉆套 其結構如下圖所 示 以減少更換鉆套的輔助時間 圖 6 1 可換鉆套 表 d D D1 H t 基本 極限 偏差 F7 基本 極限 偏差 D6 0 1 3 0 010 0 004 6 1 1 8 4 7 1 8 2 6 5 8 6 9 2 6 3 0 016 0 006 3 3 3 0 022 6 0 016 0 008 9 8 36 16 0 008 24 3 3 4 7 10 4 5 8 11 5 6 0 010 10 0 019 0 010 13 6 8 36 15 10 16 50 8 10 0 028 0 013 15 18 10 36 18 0 023 0 036 22 36 50 25 36 15 22 26 15 18 0 034 0 016 26 30 16 28 36 18 22 30 0 028 0 015 34 22 26 35 39 50 36 HT 500 26 30 0 041 0 050 42 46 30 35 48 0 033 0 017 52 25 HT500 56 35 42 55 59 42 48 62 66 0 036 48 50 0 050 0 025 70 0 039 0 050 74 30 56 67 0 040 鉆模板選用鉆模板 用沉頭螺釘錐銷定位于夾具體上 4 7 確定夾具體結構和總體結構 對夾具體的設計的基本要求 25 1 應該保持精度和穩(wěn)定性 在夾具體表面重要的面 如安裝接觸位置 安裝表面的刀塊夾緊安裝特定的 足 夠的精度 之間的位置精度穩(wěn)定夾具體 夾具體應該采用鑄造 時效處理 退火等處 理方式 2 應具有足夠的強度和剛度 保證在加工過程中不因夾緊力 切削力等外力變形和振動是不允許的 夾具應有 足夠的厚度 剛度可以適當加固 3 結構的方法和使用應該不錯 夾較大的工件的外觀 更復雜的結構 之間的相互位置精度與每個表面的要求高 所以應特別注意結構的過程中 應處理的工件 夾具 維修方便 再滿足功能性要求 剛度和強度 前提下 應能減小體積減輕重量 結構應該簡單 4 應便于鐵屑去除 在加工過程中 該鐵屑將繼續(xù)在夾在積累 如果不及時清除 切削熱的積累會破 壞夾具定位精度 鐵屑投擲可能繞組定位元件 也會破壞的定位精度 甚至發(fā)生事故 因此 在這個過程中的鐵屑不多 可適當增加定位裝置和夾緊表面之間的距離增加的 鐵屑空間 對切削過程中產生更多的 一般應在夾具體上面 5 安裝應牢固 可靠 夾具安裝在所有通過夾安裝表面和相應的表面接觸或實現的 當夾安裝在重力的 中心 夾具應盡可能低 支撐面積應足夠大 以安裝精度要高 以確保穩(wěn)定和可靠的 安裝 夾具底部通常是中空的 識別特定的文件夾結構 然后繪制夾具布局 圖中所 示的夾具裝配 加工過程中 夾具必承受大的夾緊力切削力 產生沖擊和振動 夾具的形狀 取 決于夾具布局和夾具和連接 在因此夾具必須有足夠的強度和剛度 在加工過程中的 切屑形成的有一部分會落在夾具 積累太多會影響工件的定位與夾緊可靠 所以夾具 設計 必須考慮結構應便于鐵屑 此外 夾點技術 經濟的具體結構和操作 安裝方 便等特點 在設計中還應考慮 在加工過程中的切屑形成的有一部分會落在夾具 切 26 割積累太多會影響工件的定位與夾緊可靠 所以夾具設計 必須考慮結構應便排出鐵 屑 4 8 夾具設計及操作的簡要說明 用手搖動手柄 手柄帶動一對齒輪齒條傳動 齒條進行上升運動 上升到螺旋夾 緊機構固定的位置 卸下工件時只需要將手柄向反方向進行螺旋運動 整個機構操作 方便 快捷迅速 由于是大批大量生產 主要考慮提高勞動生產率 因此設計時 需要更換零件加 工時速度要求快 本夾具設計 用移動夾緊的大平面定位三個自由度 定位兩個自由 度 用定位銷定位最后一個轉動自由度 27 總 結 這次畢業(yè)設計使我收益不小 為我今后的學習和工作打下了堅實和良好的基礎 但是 查閱資料尤其是在查閱切削用量手冊時 數據存在大量的重復和重疊 由于經 驗不足 在選取數據上存在一些問題 不過我的指導老師每次都很有耐心地幫我提出 寶貴的意見 在我遇到難題時給我指明了方向 最終我很順利的完成了畢業(yè)設計 這次畢業(yè)設計成績的取得 與指導老師的細心指導是分不開的 在此 我衷心感 謝我的指導老師 特別是每次都放下他的休息時間 耐心地幫助我解決技術上的一些 難題 她嚴肅的科學態(tài)度 嚴謹的治學精神 精益求精的工作作風 深深地感染和激 勵著我 從題目的選擇到項目的最終完成 他都始終給予我細心的指導和不懈的支持 多少個日日夜夜 他不僅在學業(yè)上給我以精心指導 同時還在思想 生活上給我以無 微不至的關懷 除了敬佩指導老師的專業(yè)水平外 他的治學嚴謹和科學研究的精神也 是我永遠學習的榜樣 并將積極影響我今后的學習和工作 在此謹向指導老師致以誠 摯的謝意和崇高的敬意 參考文獻 28 參考文獻 1 李益民主編 機械制造工藝設計簡明手冊 北京 機械工業(yè)出版社 1994 2 機床夾具設計手冊 北京 中國科學技術出版社 3 趙家齊主編 機械制造工藝學畢業(yè)設計指導書 北京 機械工業(yè)出版社 2000 4 吳拓 方瓊珊主編 機械制造工藝與機床夾具畢業(yè)設計指導書 北京 機械工 業(yè)出版社 2005 5 曾志偉 呂明主編 機械制造技術基礎 武漢理工大學出版社 2001 年 6 肖詩綱主編 切削用量手冊 機械工業(yè)出版社 1993 年 7 曾東建主編 汽車制造工藝學 機械工業(yè)出版社 8 機械設計手冊 上冊 機械設計手冊 聯合編寫組編 化學工業(yè)出版社 29 致 謝 經過了的很長時間 終于比較圓滿完成了設計任務 回顧這日日夜夜 感覺經過 了一場磨練 通過圖書 網絡 老師 同學等各種可以利用的方法 鞏固了自己的專 業(yè)知識 對所學知識的了解和使用都有了更加深刻的理解 此時此刻 我要特別感謝我的導師的精心指導 不僅指導我們解決了關鍵性技術 難題 更重要的是為我們指引了設計的思路并給我們講解了設計中用到的實際工程設 計經驗 從而使我們設計中始終保持著清晰的思維也少走了很多彎路 也使我學會綜 合應用所學知識 提高分析和解決實際問題的能力 不僅如此 老師的敬業(yè)精神更是 深深的感染了我 鞭策著我在以后的工作中愛崗敬業(yè) 導師是真真正正作到了傳道 授業(yè) 解惑 同時也要感謝其他同學 老師和同事的熱心幫助 感謝院系領導對我們畢業(yè)設計 的重視和關心 為我們提供了作圖工具和場所 使我們能夠全身心的投入到設計中去 為更好 更快的完成畢業(yè)設計提供了重要保障