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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(xué)院，佐治亞理工學(xué)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(chǎn)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(zhì)量。這種效應(yīng)可通過最小化夾具設(shè)計優(yōu)化，夾緊力是一個重要的設(shè)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(zhǔn)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(xué)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(biāo)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(guān)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(guān)鍵因素。要實現(xiàn)夾具的這些功能，需將工件定位到一個合適的基準(zhǔn)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(chǎn)生的移動。然而，過度的夾緊力可誘導(dǎo)工件產(chǎn)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(zhì)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(lǐng)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(chǔ)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(shù)的有限元基礎(chǔ)研究人員一直重點關(guān)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(shù)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(diào)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(shè)，獨特的三維夾具可以處理超過6個自由度的裝夾，復(fù)和倪[14]也提出迭代搜索方法，通過假設(shè)已知摩擦力的方向來推導(dǎo)計算最小夾緊力，該剛體分析的主要限制因素是當(dāng)出現(xiàn)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。
這種限制可以通過計算夾具——工件系統(tǒng)[15]的彈性來克服，對于一個相對嚴(yán)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(jīng)驗的接觸力變形的關(guān)系（稱為元功能），解決由于夾緊和準(zhǔn)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(shè)計參數(shù)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(yīng)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(xué)解決由于在加載夾具夾緊點彈性變形產(chǎn)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(guān)于multiclamp系統(tǒng)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(tǒng)受到準(zhǔn)靜態(tài)加載的最佳夾緊力為基礎(chǔ)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(tǒng)優(yōu)化夾緊力的一部分定位精度。接觸力學(xué)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(biāo)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(lián)系模型
1．1 模型假設(shè)
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(tǒng)由于夾緊和加工受到準(zhǔn)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(shè)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(shè)總觸剛度（見圖1）第i夾具接觸力局部變形如下：
(1) 其中（j=x，y，z）表示，在當(dāng)?shù)刈幼鴺?biāo)系切線和法線方向的接觸剛度
第 19 頁 共 15 頁
圖1 彈簧夾具——
工件接觸模型。
表示在第i個
接觸處的坐標(biāo)系
（j=x，y，z）是對應(yīng)沿著xyz方向的彈性變形，分別 （j= x，y，z）的代表和切向力接觸 ，法線力接觸。
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：
（2）
其中式中 和是工件和夾具的彈性模量，、分別是工件和材料的泊松比。
切向變形沿著和切線方向）硅業(yè)切力距有以下形式[文獻23第217頁]
（3）
其中、 分別是工件和夾具剪切模量
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(chǎn)生了以下線性化接觸剛度值：在計算上述的線性近似，
（4）
(5)
正常的力被假定為從0到1000N，且最小二乘擬合相應(yīng)的R2值認定是0.94。
2．夾緊力優(yōu)化
我們的目標(biāo)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(zhǔn)靜態(tài)加工過程中夾具——工件系統(tǒng)平衡，工件的位移減少，從而減少定位誤差。實現(xiàn)這個目標(biāo)是通過制定一個多目標(biāo)約束優(yōu)化問題的問題，如下描述。
2.1 目標(biāo)函數(shù)配方
工件旋轉(zhuǎn)，由于部隊輪換往往是相當(dāng)小[17]的工件定位誤差假設(shè)為確定其剛體翻譯基本上，其中 、、和 是 沿，和三個正交組件（見圖2）。
圖2 工件剛體平移和旋轉(zhuǎn)
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(shù)計算如下：
（6）
其中表示一個向量二級標(biāo)準(zhǔn)。
但是作用在工件的夾緊力會影響定位誤差。當(dāng)多個夾緊力作用于工件，由此產(chǎn)生的夾緊力為,有如下形式：
（7）
其中夾緊力是矢量，夾緊力的方向矩陣，是夾緊力是矢量的方向余弦，、和 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）。
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）和最小的所有定位器正常剛度相乘，并假設(shè)工件、、取決于、、的方向，各自的等效接觸剛度可有下式計算得出（見圖3），工件剛體運動，歸于夾緊行動現(xiàn)在可以寫成：
(8)
工件有位移，因此，定位誤差的減小可以通過盡量減少產(chǎn)生的夾緊力向量 范數(shù)。因此，第一個目標(biāo)函數(shù)可以寫為：
最小化 （9）
要注意，加權(quán)因素是與等效接觸剛度成正比的在、和 方向上。通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(xué)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(yīng)的定位反應(yīng)是“真正的”解決方案，對接觸問題和產(chǎn)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(diào)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(biāo)函數(shù)，并給出：
最小化 （10）
其中代表機構(gòu)的彈性變形應(yīng)變能互補，代表由外部力量和力矩配合完成，是遵守對角矩陣的， 和是所有接觸力的載體。
如圖3 加權(quán)系數(shù)計算確定的基礎(chǔ)
內(nèi)蒙古科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（外文翻譯）
2.2 摩擦和靜態(tài)平衡約束
在（10）式優(yōu)化的目標(biāo)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（是靜態(tài)摩擦系數(shù)）,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：
（11）
假設(shè)準(zhǔn)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)
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(cè)面的，法線的接觸力只能被壓縮。這通過以下的的約束表（i=1，2…,L+C） （13）
它假設(shè)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：
（i=1，2，…,L+C） (14)
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)化模型，可以寫成：最小化 (15)
3．模型算法求解
式（15）多目標(biāo)優(yōu)化問題可以通過求解約束[24]。這種方法將確定的目標(biāo)作為首要職能之一，并將其轉(zhuǎn)換成一個約束對。該補充（）的主要目的是處理功能，并由此得到夾緊力（）作為約束的加權(quán)范數(shù)最小化。對為主要目標(biāo)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(tǒng)驅(qū)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(quán)范數(shù)。 的約束轉(zhuǎn)換涉及到一個指定的加權(quán)范數(shù)小于或等于，其中是 的約束，假設(shè)最初所有夾緊力不明確，要確定一個合適的。在定位和夾緊點的接觸力的計算只考慮第一個目標(biāo)函數(shù)（即）。雖然有這樣的接觸力，并不一定產(chǎn)生最低的夾緊力，這是一個“真正的”可行的解決彈性力學(xué)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(quán)系數(shù)，通過計算并作為初始值與比較，因此，夾緊力式（15）的優(yōu)化問題可改寫為:
最小化 （16）
由： (11)–(14) 得。
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, 通過盡可能降低上限，由此產(chǎn)生的最小夾緊力的加權(quán)范數(shù)。 迭代次數(shù)K，終止搜索取決于所需的預(yù)測精度和，有參考文獻[15]：
（17）
其中表示上限的功能，完整的算法在如圖4中給出。
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(yīng)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(dān)，并要求為選擇的夾緊力提供標(biāo)準(zhǔn)， 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(shù)目（例如m）沿相應(yīng)的刀具路徑設(shè)置的產(chǎn)生m個最佳夾緊力，選擇記為， ， …,在每個采樣點，考慮以下四個最壞加工負荷向量：
(18)、和表示在、和方向上的最大值，、和上的數(shù)字1，2，3分別代替對應(yīng)的和另外兩個正交切削分力，而且有：
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(xiàn)，但在每次常規(guī)的進給速度中，刀具旋轉(zhuǎn)一次出現(xiàn)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(yīng)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)
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)是每個相應(yīng)的夾具在第i個樣本點和第j負荷情況下力的大小。是計算每個負載點之后的結(jié)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(xiàn)，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）：
（k=1，2，…，C） （20）
只要這些具備，就得到一套優(yōu)化的夾緊力，驗證這些力，以確保工件夾具系統(tǒng)的靜態(tài)平衡。否則，會出現(xiàn)更多采樣點和重復(fù)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(jié)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(tǒng)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(zhuǎn)。隨后，準(zhǔn)靜態(tài)加工負荷應(yīng)用造成工件在夾具的移位。工件剛體運動的定義是由它在、和方向上的移位和自轉(zhuǎn)（見圖2），
如前所述，工件剛體位移產(chǎn)生于在每個夾緊處的局部變形，假設(shè)為相對于工件的質(zhì)量中心的第i個位置矢量定位點，坐標(biāo)變換定理可以用來表達在工件的位移，以及工件自轉(zhuǎn)如下: (21)
其中表示旋轉(zhuǎn)矩陣,描述當(dāng)?shù)卦诘趇幀相聯(lián)系的全球坐標(biāo)系和是一個旋轉(zhuǎn)矩陣確定工件相對于全球的坐標(biāo)系的定位坐標(biāo)系。假設(shè)夾具夾緊工件旋轉(zhuǎn)，由于旋轉(zhuǎn)很小，故也可近似為：
（22）
方程（21）現(xiàn)在可以改寫為： （23）
其中是經(jīng)方程（21）重新編排后變換得到的矩陣式，是夾緊和加工導(dǎo)致的工件剛體運動矢量。工件與夾具單方面接觸性質(zhì)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(guān)系如下：
（24）
其中是在第i個接觸點由于夾緊和加工負荷造成的變形，意味著凈壓縮變形，而負數(shù)則代表拉伸變形; 是表示在本地坐標(biāo)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/氣動夾具，根據(jù)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）
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6×1矢量。并結(jié)合方程（23）—（25）與靜態(tài)平衡方程，得到下面的方程組：
（26）
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），
現(xiàn)在可以計算如下： （27）
其中是考慮工件中心加工點的位置向量，且
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(yīng)用于工件負載準(zhǔn)靜態(tài)銑削序列
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(lián)系; 、和全球坐標(biāo)系。
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(shù)為0.25。使用伊利諾伊大學(xué)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(yīng)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(shù)值模擬，以減少起步（0.0毫米，25.4毫米，34.3毫米）和結(jié)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，
（見圖8）。模擬計算銑削力數(shù)據(jù)在表5中給出。
圖8最終銑削過程模擬例如2。
表6中5個坐標(biāo)列出了為模擬抽樣調(diào)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(jié)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(shè)（見圖7），由此得到的夾緊力加權(quán)范數(shù)有如下形式：.結(jié)果表明，最佳夾緊力所述加工條件下有比初步夾緊力強度低得多的加權(quán)范數(shù)，最初的夾緊力是通過減少工件的夾具系統(tǒng)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(jié)果表明工件旋轉(zhuǎn)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(yīng)用于銑削負載到工件，他應(yīng)用于工件銑削負載一個序列。最佳的夾緊力，，對應(yīng)列表6每個樣本點，隨著最后的最佳夾緊力，在每個采樣點的加權(quán)范數(shù)和最優(yōu)的初始夾緊力繪圖10，在每個采樣點的加權(quán)范數(shù)的，，和繪制。
結(jié)果表明，由于每個組成部分是各相應(yīng)的最大夾緊力，它具有最高的加權(quán)范數(shù)。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緊力，則夾緊力需相應(yīng)設(shè)置，有比相當(dāng)大的加權(quán)范數(shù)。故是一個完整的刀具路徑改進方案。上述模擬結(jié)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(quán)范數(shù)，因此將提高工件的定位精度。
圖10
8．結(jié)論
該文件提出了關(guān)于確定多鉗夾具，工件受準(zhǔn)靜態(tài)加載系統(tǒng)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(xué)的夾具與工件系統(tǒng)模型，并尋求盡量減少應(yīng)用到所造成的工件夾緊力的加權(quán)范數(shù)，得出工件的定位誤差。該整體模型，制定一個雙目標(biāo)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(tǒng)的優(yōu)化，其中慣性，剛度和阻尼效應(yīng)在確定工件夾具系統(tǒng)的響應(yīng)特性具有重要作用。
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xx學(xué)院
本科生畢業(yè)設(shè)計
1P52QFMI曲軸箱蓋加工工藝規(guī)程設(shè)計及夾具設(shè)計
學(xué)生姓名
學(xué) 號
專業(yè)班級
指導(dǎo)老師
2015年 3 月 28 日
摘 要
要設(shè)計此零件的加工工藝，首先是零件的分析；其次是確定毛坯的制造形式以及制訂工藝路線，翻閱《切削余量手冊》，確定機械加工余量、工序尺寸、毛坯尺寸、切削用量及基本工時的確定。專用夾具的設(shè)計，首先要想好設(shè)計方案，找準(zhǔn)定位面及各個定位元件所限制的自由度。翻閱《夾具設(shè)計手冊》及《機械制造工藝手冊》確定各個夾具體零件的具體尺寸。
關(guān)鍵詞：工藝;夾具;夾緊; 定位
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Abstract
To design parts of this processing, the first parts of the analysis; secondly, to determine the blank forms and the development of manufacturing process line, read "Cutting cushion manual," setting machinery allowance, processes size, rough size, cutting parameters and the basic hours of work identified. Special fixture design, the design must first consider good programs, pinpoint positioning face and positioning components of the various restrictions of freedom. Read "Fixture Design Manual" and "Machinery Manufacturing Technology Handbook" establish specific folder size of the specific components.
Keywords : Process Fixture Synchronizing Location
目 錄
第1章 緒 論 1
1.1定位裝置 1
1.2夾緊裝置 1
1.3對刀－引導(dǎo)裝置 1
1.4其他元件及裝置 1
1.5夾具體 1
第2章 零件的分析 3
2.1零件的作用 3
2.2 零件的工藝分析 3
第3章 工藝規(guī)程設(shè)計 5
3.1確定毛坯的制造形式 5
3.2基面的選擇 5
3.3基準(zhǔn)的選擇 5
3.3.1粗基準(zhǔn)的選擇 5
3.3.2精基準(zhǔn)的選擇 6
3.4制訂工藝路線 6
第4章 曲軸箱蓋工藝過程 7
第5章 確定切削和用量及基本工時 9
第6章 夾具設(shè)計 18
6.1 機床夾具的作用及其分類 18
6.2 機床夾具的組成 20
6.3 機床夾具的多工位加工 20
6.4 鉆12-M8孔夾具設(shè)計 21
. 6.4.1 研究原始質(zhì)料 21
6.4.2 定位基準(zhǔn)的選擇 21
6.4.3 夾具方案的設(shè)計選擇 21
6.4.4 切削力及夾緊力的計算 21
6.4.5 誤差分析與計算 22
6.4.6 夾具設(shè)計及操作的簡要說明 23
6.5銑上端平面床夾具的設(shè)計 24
6.5.1定位基準(zhǔn)的選擇 24
6.5.2切削力及夾緊力的計算 24
6.5.3定位誤差的分析 28
6.5.4 確定夾具體結(jié)構(gòu)和總體結(jié)構(gòu) 29
6.5.6 夾具設(shè)計及操作的簡要說明 30
結(jié)論 32
參考文獻 33
致謝 34
第1章 緒 論
機床夾具是在金屬切削加工中，用以準(zhǔn)確地確定工件位置，并將其牢固地夾緊，以接受加工的工藝裝備。它的主要作用是：可靠地保證工件的加工位置，提高加工效率，以減輕勞動強度，充分發(fā)揮和擴大機床的工藝性性。因此，機床夾具在機械制造中占有重要的地位。而專用夾具是指專為某一工件的某一道工序的加工而專門設(shè)計的夾具，具有結(jié)構(gòu)緊湊，操作迅速、方便等優(yōu)點。專用夾具通常由使用廠根據(jù)要求自行設(shè)計和制造，適用于產(chǎn)品固定且批量較大的生產(chǎn)中。
專用夾具由定位裝置、夾緊裝置、對刀－引導(dǎo)裝置、其他元件及裝置、夾具體。
1.1定位裝置
這種裝置包括定位元件及其組合，其作用是確定工件在夾具中的位置，即通過它使工件加工時相對于刀具及切削成形運動處于正確的位置，如支承釘、支承板、V形塊、定位銷等。
1.2夾緊裝置
它的作用是將工件壓緊夾牢，保證工件在定位時所占據(jù)的位置在加工過程中不因受重力、慣性力以及切削力等外力作用而產(chǎn)生位移，同時防止或減小振動。它通常是一種機構(gòu)，包括夾緊元件（如夾爪、壓板等），增力及傳動裝置（如杠桿、螺紋傳動副、斜楔，凸輪等）以及動力裝置（如氣缸、油缸）等。
1.3對刀－引導(dǎo)裝置
它的作用是確定夾具相對于刀具的位置，或引導(dǎo)刀具進行加工，如對刀塊、鉆套、鏜套等。
1.4其他元件及裝置
如定位件、操作件以及根據(jù)夾具特殊功用需要設(shè)置的一些裝置，如分度裝置、工件頂出裝置、上下料裝置等。
1.5夾具體
用于連接夾具各元件及裝置，使其成為一個整體的基礎(chǔ)件，并與機床有關(guān)
部位連接，以確定夾具相對于機床的裝置。
就我而言，我希望能通過這次做畢業(yè)設(shè)計對自己未來將從事的工作進行一次適應(yīng)性訓(xùn)練，從中鍛煉自己分析問題，解決問題的能力。由于能力有限，設(shè)計尚有許多不足之處，懇請各位老師給予指教。
第2章 零件的分析
2.1零件的作用
曲軸箱蓋和箱體是一個整體，它將有關(guān)零件（軸、套、齒輪）連接在一起，保證它們之間有正確的相對位置關(guān)系，使它們能按一定的傳動關(guān)系協(xié)調(diào)的運動。因此，箱蓋的加工質(zhì)量對機械精度、性能和使用壽命都有直接關(guān)系。
2.2 零件的工藝分析
曲軸箱蓋結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、加工面多、技術(shù)要求高、機械加工的勞動量大。因此箱蓋結(jié)構(gòu)工藝性對保證加工質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本有重要意義。
曲軸箱蓋幾個加工表面它們之間有一定的位置要求，現(xiàn)分述如下：
尺寸300兩平面要保證一定的平行度要求平行度公差為0.05mm。
箱蓋底面與側(cè)端面都有一定的垂直度要求垂直度公差為0.05mm。
鉆2-φ100與底平面有一定的角度要求度公差為0.05mm；且有一定的位置要求。
第3章 工藝規(guī)程設(shè)計
3.1確定毛坯的制造形式
箱蓋零件材料為HT200，考慮到零件的材料是鑄鐵，形狀比較復(fù)雜，所以選用砂型鑄造。
3.2基面的選擇
基面的選擇是工藝規(guī)程設(shè)計中的重要工作之一，基面的選擇是正確與合理，可以使加工質(zhì)量得到保證，生產(chǎn)率得以提高，否則，加工工藝過程中會問題百出，更有甚者，還會造成零件報廢，使生產(chǎn)無法正常進行。
3.3基準(zhǔn)的選擇
3.3.1粗基準(zhǔn)的選擇
按照有關(guān)粗基準(zhǔn)的選擇原則（即當(dāng)零件有不加工表面時，應(yīng)以這些不加工表面作粗基準(zhǔn)；若零件有若干個不加工表面時，則應(yīng)以與加工表面要求相對位置精度較高的不加工表面作為粗基準(zhǔn)）。
由于此零件的精度要求較高，每個面都需要加工，按照粗基準(zhǔn)選擇原則：以要求加工余量均勻的重要加工表面作為粗基準(zhǔn)，所以選擇該零件上的平面為粗基準(zhǔn)。
3.3.2精基準(zhǔn)的選擇
主要考慮基準(zhǔn)重合的問題，當(dāng)定位基準(zhǔn)與工序基準(zhǔn)不重合時，應(yīng)該進行尺寸換算。在加工2-φ100、鏜結(jié)合面φ100孔時，用底面和底面孔φ16作為精基準(zhǔn)，這樣，符合“基準(zhǔn)重合”的原則，可以避免定位誤差。
3.4制訂工藝路線
制訂工藝路線的出發(fā)點，應(yīng)當(dāng)是使零件的幾何形狀，尺寸精度及位置精度等技術(shù)要求能得到合理的保證，在生產(chǎn)綱領(lǐng)已確定為大批生產(chǎn)的條件下，可以考慮采用通用機床配以專用工夾具，并盡量使工序集中來提高生產(chǎn)率，除此以外，還應(yīng)考慮選擇經(jīng)濟效果，以便使生產(chǎn)成本盡量下降。
第4章 曲軸箱蓋工藝過程
零件機械加工工藝過程是工藝規(guī)程的中心問題，其內(nèi)容包括確定定位基準(zhǔn)、選擇各加工表面的加工方法、安排加工順序及組織整個加工工藝過程中各個工序的內(nèi)容、確定各個工序所采用機床設(shè)備和工藝裝備等。設(shè)計時應(yīng)同時考慮幾個方案，經(jīng)過分析比較，選擇出比較合理的方案。根據(jù)曲軸箱蓋零件為中批生產(chǎn)，所以采用通用機床，并配以專用的夾具、刀具，并考慮工序集中，以提高生產(chǎn)率，減少機床數(shù)量，降低生產(chǎn)成本。經(jīng)零件工藝分析，零件毛坯為砂型機械造型，并經(jīng)人工時效處理消除鑄件內(nèi)應(yīng)力，改善工件的可切削性。先確定工藝路線如下：
方案一
工序號
工序名稱
工序內(nèi)容
1
鑄件
2
熱處理
時效處理
3
銑
銑底面，保證尺寸18mm
4
鉆
鉆斜面2-φ100孔端孔12-M8孔
5
銑
銑兩側(cè)面，保證尺寸296mm
6
鏜
鏜φ100孔
7
鉆
鉆底平面12-φ16
8
鉆
鉆底平面各孔及攻絲，保證各尺寸要求
10
銑
銑2-φ100孔端面，保證尺寸28mm及45度
11
鉆
鉆結(jié)合面φ100孔端孔6-M8孔
12
銑
銑上端平面保證尺寸230mm
13
鏜
鏜結(jié)合面φ100孔
14
去毛刺
去除銳毛剌
15
終檢
對零件各尺寸進行完工檢測
16
防銹
用毛刷沾防銹油為零件防銹
17
入庫
按照倉庫標(biāo)識進行擺放
方案二
工序號
工序名稱
工序內(nèi)容
1
鑄件
2
熱處理
時效處理
3
銑
銑底面，保證尺寸18mm
4
銑
銑2-φ100孔端面，保證尺寸28mm及45度
5
銑
銑兩側(cè)面，保證尺寸296mm
6
銑
銑上端平面保證尺寸230mm
7
鉆
鉆底平面12-φ16
8
鉆
鉆底平面各孔及攻絲，保證各尺寸要求
10
鉆
鉆斜面2-φ100孔端孔12-M8孔
11
鉆
鉆結(jié)合面φ100孔端孔6-M8孔
12
鏜
鏜φ100孔
13
鏜
鏜結(jié)合面φ100孔
14
去毛刺
去除銳毛剌
15
終檢
對零件各尺寸進行完工檢測
16
防銹
用毛刷沾防銹油為零件防銹
17
入庫
按照倉庫標(biāo)識進行擺放
工藝方案的比較與分析
上述兩個工藝方案的特點在于：方案一是，面和孔加工順序比較混亂；方案二則與一有所不同，采用先面后孔的原則，先加工面再以面為基準(zhǔn)加工孔；兩者比較可以看出，第二方案比第一方案合理，位置精度也較易保證，定位及夾緊等都比較方便；但方案二也有不合適的地方，面可以一起加工減少裝夾次數(shù)及夾具設(shè)計，因此可以合為一道工序，從上述分析可知，采用方案二比較合理。
第5章 確定切削和用量及基本工時
工序：粗銑上端平面，同時檢驗機床功率。
加工材料——HT200，200HBS鑄件
加工要求——用標(biāo)準(zhǔn)錐齒圓柱銑刀粗銑，加工余量h=3,用乳化液冷卻。機床X52K
1.選擇刀具
1)銑刀直徑的大小直接影響切削力、扭矩、切削速度和刀具材料的消耗，不能任意選取，《切削用量簡明手冊》表3.1可作為參考，根據(jù)表3.1,銑削寬度ae<5mm時，直徑為d0＝80mm,ap≤70mm. (由于高速剛圓柱銑刀最大銑削深度為小于100,本工序的銑削深度為138,所以分兩次銑削)由于采用標(biāo)準(zhǔn)鑲齒圓柱銑刀，故齒數(shù)為Z=6(表3.9)； (2)銑刀幾何形狀（表3.2）：ra=15°,a0=12°。
2．選擇切削用量
(1)決定銑削寬度ae,由于加工余量不大，故可在一次走刀內(nèi)切完，則ae=h=3mm.
(2)決定每齒進給量fz 根據(jù)銑床說明書，其功率為7.5kw,中等系統(tǒng)剛度。根
據(jù)表3.3,fz=0.20～0.30mm/z,現(xiàn)取Fz=0.30mm/z
(3)選擇銑刀磨鈍標(biāo)準(zhǔn)及刀具壽命，根據(jù)表3.7,銑刀刀齒后刀面最大磨損量為 0.6mm,
鑲齒銑刀(do=80mm),刀具壽命T＝180min,(表3.8)；
(4)決定切削速度vc和每分鐘進給量vr 切削速度vc可根據(jù)表3.27中的公式計算，也
可直接由表中查出。根據(jù)表3.9,當(dāng)do=80mm時，z=6,ap= 41～130mm,,ae=3mm,fz≤0.2～
0.3mm時,vc=18m/min ,nt=72r/min vri=91mm/min。
各修正系數(shù)為：kmv=kmn=kmvf=1.0
Kbv=kbn=kvb=0.8～0.85，取0.8
故： vc=vikv=18×1.0×0.8＝14.4m/min
n=nikn=72×1.0×0.8＝57.6r/min
vi=vrikv=91×1.0×0.8＝72.8mm/min
根據(jù)X52K機床說明書，選擇nc=60r/min,vfc=75mm/min 因此，切削速度和每齒進給量為：
vc=∏d0nc/1000=3.14×80×60÷1000＝15m/min
fxc=vfc/ncz=75/(60×6)mm/z=0.21mm/z
(5)檢驗機床功率根據(jù)表3.28,當(dāng),ap=41～130mm,,ae=3mm,fz≤0.2～0.3mm時,vi=18m/min ,nt=72r/min vri=91mm/min時，Pct=1.1kw.
切削功率的修正系數(shù)kmpo=1.故實際的切削功率為：
Pcc=pct=1.1kw
根據(jù)X52K型銑床說明書，機床主軸允許的功率為：
Pcm＝7.5×0.75kw=5.63kw
故pcc
50
工作壓力/MPa
< 0.8~1
1.5~2
2.5~3
3~4
4~5
≥5
表5-2 各種機械常用的系統(tǒng)工作壓力[1]
機械類型
機 床
農(nóng)業(yè)機械
小型工程機械
建筑機械
液壓鑿巖機
液壓機大中型挖掘機
重型機械
起重運輸機械
磨床
組合
機床
龍門
刨床
拉床
工作壓力/MPa
0.8~2
3~5
2~8
8~10
10~18
20~32
由于鉆削力為4239N，往往要取大一些，在這取負載約為10000N，初選液壓缸的設(shè)計壓力P1=3MPa，為了滿足工作這里的液壓缸課選用單桿式的，并在快進時差動連接，則液壓缸無桿腔與有桿腔的等效面積A1與A2應(yīng)滿足A1=2A2（即液壓缸內(nèi)徑D和活塞桿直徑d應(yīng)滿足：d=0.707D。為防止切削后工件突然前沖，液壓缸需保持一定的背壓，暫取背壓為0.5MPa，并取液壓缸機械效率。則液壓缸上的平衡方程
故液壓缸無桿腔的有效面積：
液壓缸直徑
液壓缸內(nèi)徑：
按GB/T2348-1980，取標(biāo)準(zhǔn)值D=80mm；因A1=2A，故活塞桿直徑d=0.707D=56mm（標(biāo)準(zhǔn)直徑）
則液壓缸有效面積為：
2.缸體壁厚的校核
查機械設(shè)計手冊，取壁厚為10mm。則
根據(jù)時； （4-2）
可算出缸體壁厚為：
<10mm
則液壓缸的外徑
式中 ————許用應(yīng)力；（Q235鋼的抗拉強度為375-500MPa，取400MPa，為位安全系數(shù)取5，即缸體的強度適中），P-缸筒試驗壓力。
3.缸筒結(jié)構(gòu)設(shè)計
缸筒兩端分別與缸蓋和缸底鏈接，構(gòu)成密封的壓力腔，因而它的結(jié)構(gòu)形式往往和缸蓋及缸底密切相關(guān)[6]。因此，在設(shè)計缸筒結(jié)構(gòu)時，應(yīng)根據(jù)實際情況，選用結(jié)構(gòu)便于裝配、拆卸和維修的鏈接形式，缸筒內(nèi)外徑應(yīng)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進行圓整。
活塞桿是液壓缸傳遞力的主要零件，它主要承受拉力、壓力、彎曲力及振動沖擊等多種作用，必須有足夠的強度和剛度。其材料取Q235鋼。
1.活塞桿直徑的計算[1]
由=2 可知活塞桿直徑：
按GB/T2348—1993將所計算的d值圓整到標(biāo)準(zhǔn)直徑，以便采用標(biāo)準(zhǔn)的密封裝置。圓整后得：
d=56mm
按最低工進速度驗算液壓缸尺寸，查產(chǎn)品樣本，調(diào)速閥最小穩(wěn)定流量，因工進速度v=0.4m/min為最小速度，則由式
（4-3）
本例=78.5>1.25，滿足最低速度的要求。
2.活塞桿強度計算：
<56mm （4-4）
式中 ————許用應(yīng)力；（Q235鋼的抗拉強度為375-500MPa，取400MPa，為位安全系數(shù)取5，即活塞桿的強度適中）
3．活塞桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計
活塞桿的外端頭部與負載的拖動電機機構(gòu)相連接，為了避免活塞桿在工作生產(chǎn)中偏心負載力，適應(yīng)液壓缸的安裝要求，提高其作用效率，應(yīng)根據(jù)負載的具體情況，選擇適當(dāng)?shù)幕钊麠U端部結(jié)構(gòu)。
4.活塞桿的密封與防塵
活塞桿的密封形式有Y形密封圈、U形夾織物密封圈、O形密封圈、V形密封圈等[6]。采用薄鋼片組合防塵圈時，防塵圈與活塞桿的配合可按H9/f9選取。薄鋼片厚度為0.5mm。為方便設(shè)計和維護，本方案選擇O型密封圈。
由上述計算易得：
由計算可知所需實際夾緊力不是很大，為了使其夾具結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，決定選用液壓缸夾緊機構(gòu)。
夾具在裝夾時，由在定位時造成圓周上存在定位誤差；夾具體在零件的內(nèi)孔端面上定位時，也存在定位誤差，從而會造成由原來的面接觸變成點接觸，從而使零件在定位時發(fā)生。
6.5.3定位誤差的分析
該夾具以一個平面和一個定位銷和兩個左右調(diào)節(jié)支撐定位，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(dāng)以任意邊接觸時
通過分析可得：
因此：當(dāng)以任意邊接觸時
2 夾緊誤差 ：
其中接觸變形位移值：
⑶ 磨損造成的加工誤差：通常不超過
⑷ 夾具相對刀具位置誤差：取
誤差總和：
6.5.4 確定夾具體結(jié)構(gòu)和總體結(jié)構(gòu)
對夾具體的設(shè)計的基本要求
（1）應(yīng)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(yīng)該采用鑄造，時效處理，退火等處理方式。
（2）應(yīng)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(yīng)有足夠的厚度，剛度可以適當(dāng)加固。
（3）結(jié)構(gòu)的方法和使用應(yīng)該不錯
夾較大的工件的外觀，更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，之間的相互位置精度與每個表面的要求高，所以應(yīng)特別注意結(jié)構(gòu)的過程中，應(yīng)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(yīng)能減小體積減輕重量，結(jié)構(gòu)應(yīng)該簡單。
（4）應(yīng)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(dāng)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(chǎn)生更多的，一般應(yīng)在夾具體上面。
（5）安裝應(yīng)牢固、可靠
夾具安裝在所有通過夾安裝表面和相應(yīng)的表面接觸或?qū)崿F(xiàn)的。當(dāng)夾安裝在重力的中心，夾具應(yīng)盡可能低，支撐面積應(yīng)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(jié)構(gòu)，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(chǎn)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(shè)計，必須考慮結(jié)構(gòu)應(yīng)便于鐵屑。此外，夾點技術(shù)，經(jīng)濟的具體結(jié)構(gòu)和操作、安裝方便等特點，在設(shè)計中還應(yīng)考慮。在加工過程中的切屑形成的有一部分會落在夾具，切割積累太多會影響工件的定位與夾緊可靠，所以夾具設(shè)計，必須考慮結(jié)構(gòu)應(yīng)便排出鐵屑。
6.5.6 夾具設(shè)計及操作的簡要說明
在夾緊機構(gòu)設(shè)計中，常常遇到工件需要多點同時夾緊，或多個工件同時夾緊，有時需要使工件先可靠定位再夾緊，或者先鎖定輔助支承再夾緊等等，這是為了操作方便、迅速、提高生產(chǎn)率，減輕勞動強度，就需要采用聯(lián)動夾緊機構(gòu)。如圖4所示。
聯(lián)動夾緊有夾緊和松開兩種狀態(tài)，由電磁鐵控制油缸來實現(xiàn)。
鉸鏈夾緊機構(gòu)是一種增力機構(gòu)，增力倍數(shù)較大，應(yīng)用廣泛。鉸鏈夾緊機構(gòu)的特點是動作迅速，增力比大，易于改變力的作用方向。缺點是自鎖性能差。如圖5所示。
鉸鏈夾緊有夾緊和松開兩種狀態(tài)，由電磁鐵控制油缸來實現(xiàn)。
如前所述，該工件為提高生產(chǎn)率，經(jīng)過方案的認真分析和比較，選用了液動夾緊方式。這類夾緊機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、夾緊可靠、通用性大，在機床夾具中很廣泛的應(yīng)用。
此外，當(dāng)夾具有制造誤差，工作過程出現(xiàn)磨損，以及零件尺寸變化時，影響定位、夾緊的可靠。為防止此現(xiàn)象，選用可換定位銷。以便隨時根據(jù)情況進行調(diào)整換取。
該夾具方案符合生產(chǎn)要求，效率高，做了可活動銷，滿足保持正確的加工位置
結(jié)論
通過這次畢業(yè)設(shè)計，使我對零件制造過程、加工工藝和夾具設(shè)計都有了更進一步的認識，也加深了對大學(xué)四年中所學(xué)基礎(chǔ)知識的學(xué)習(xí)和理解。畢業(yè)設(shè)計是理論聯(lián)系實際的最有效方法。在具體設(shè)計過程中，必須考慮到方方面面的問題，在理論上正確無誤的設(shè)計，在實際中往往存在各種問題。這樣，在設(shè)計時就必須考慮所設(shè)計的機構(gòu)是否合理，在實際運用中能否正常工作，而不僅僅考慮理論上的可行性，畢業(yè)設(shè)計使我學(xué)會了從實際出發(fā)加工零件和設(shè)計夾具。
在本次設(shè)計中，考慮到零件的加工難易、材料、成本等問題，所選用的零、部件都是操作簡單，通用性較強的標(biāo)準(zhǔn)件，從現(xiàn)時以最低的成本實現(xiàn)最先進的加工。本次設(shè)計從零件的毛坯生產(chǎn)到最終成品，中間經(jīng)過了銑、鉆等工序。在夾具設(shè)計中，先確定工件的基準(zhǔn)，然后通過一面兩銷定位，將工件固定夾緊在夾具上。在設(shè)計過程中計算了刀具的切削力、夾具的夾緊力等，最后再通過autoCAD進行零件圖和裝配圖的繪制。整個設(shè)計過程將我以前學(xué)過的機械制造工藝與裝備、公差與配合、機械制圖、工程材料與熱處理工藝等知識很好的串聯(lián)了起來，鞏固了所學(xué)知識，提高了我的學(xué)習(xí)能力。在本次設(shè)計中已無大的問題，基本達到了要求。但是也有存在一些不足之處：
（1）對工藝規(guī)程相關(guān)知識了解欠缺，許多知識學(xué)習(xí)不到位；
（2）在夾具的設(shè)計中沒有能提出多中方案進行分析比較，有所不足。
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