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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(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(xiàn)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(chǎn)生的移動。然而，過度的夾緊力可誘導工件產(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(shù)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(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(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(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(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(tǒng)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(lián)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(tǒng)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) 其中（j=x，y，z）表示，在當?shù)刈幼鴺讼登芯€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(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(shù)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 是 沿，和三個正交組件（見圖2）。
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(shù)計算如下：
（6）
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(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，第一個目標函數(shù)可以寫為：
最小化 （9）
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(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(shù)，并給出：
最小化 （10）
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 加權系數(shù)計算確定的基礎
內(nèi)蒙古科技大學本科生畢業(yè)設計（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)
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。這通過以下的的約束表（i=1，2…,L+C） （13）
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：
（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（）的主要目的是處理功能，并由此得到夾緊力（）作為約束的加權范數(shù)最小化。對為主要目標的選擇，確保選中一套獨特可行的夾緊力，因此，工件——夾具系統(tǒng)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(shù)。 的約束轉換涉及到一個指定的加權范數(shù)小于或等于，其中是 的約束，假設最初所有夾緊力不明確，要確定一個合適的。在定位和夾緊點的接觸力的計算只考慮第一個目標函數(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(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范數(shù)。 迭代次數(shù)K，終止搜索取決于所需的預測精度和，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(shù)目（例如m）沿相應的刀具路徑設置的產(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。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、和方向上的移位和自轉（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，坐標變換定理可以用來表達在工件的位移，以及工件自轉如下: (21)
其中表示旋轉矩陣,描述當?shù)卦诘趇幀相聯(lián)系的全球坐標系和是一個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：
（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，是夾緊和加工導致的工件剛體運動矢量。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：
（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．應用于工件負載準靜態(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(shù)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，
（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(shù)有如下形式：.結果表明，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力，在每個采樣點的加權范數(shù)和最優(yōu)的初始夾緊力繪圖10，在每個采樣點的加權范數(shù)的，，和繪制。
結果表明，由于每個組成部分是各相應的最大夾緊力，它具有最高的加權范數(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，則夾緊力需相應設置，有比相當大的加權范數(shù)。故是一個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(shù)，因此將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(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的夾具與工件系統(tǒng)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(shù)，得出工件的定位誤差。該整體模型，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(tǒng)的優(yōu)化，其中慣性，剛度和阻尼效應在確定工件夾具系統(tǒng)的響應特性具有重要作用。
9．參考資料：
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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。
15、T. H. Richards、埃利斯 霍伍德.1977,《應力能量方法分析》，1977。
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拖拉機半軸殼銑床夾具設計
學校代碼：10410
序 號：050453
本 科 畢 業(yè) 設 計
題目： 拖拉機半軸殼銑床夾具設計
學 院： 工 學 院
姓 名： 謝 李 華
學 號： 20050453
專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化
年 級： 機制05（2）班
指導教師： 曾一凡
二OO九年 五 月
摘 要
機床夾具是在金屬切削加工中,用以準確地確定工件位置,并將其牢固地夾緊,以接受加工的工藝設備. 本著夾得快,夾得牢,夾得準的設計原則和在經(jīng)濟,高效的市場觀念指導下進行本次畢業(yè)設計。 汽車半軸殼是汽車的重要部件之一。它既要承受車體和車載的全部質量，還要承受汽車在行駛過程中由于道路不平而引起的沖擊力和扭矩，并要保證在行駛過程中不發(fā)生變形，而半軸在其內(nèi)旋轉自如。由拖拉機半軸殼零件圖可知零件的基本結構和加工要求。該工件鑄成后要達到圖紙所示的加工要求要分三階段完成，第一階段需車削四個端面和兩個外圓；車削后第二階段銑削三個端面，其中兩個是為了鉆孔而做的前期工作，而有10度傾角要求的端面是零件結構的要求。完成前兩階段加工后再對兩個端面鉆通孔，各端面孔的位置要求為均布。據(jù)些分析設計銑床夾具。
關鍵詞： 銑削 夾具 工件 定位 精度
Tractor rear axle shaft housing milling jig design
The engine bed jig is in the metal machining, with by accurately the definite work piece position, and its clamps reliably, accepts the processing the process unit. In line with clamps quickly, clamps the jail, clamps the accurate principle of design and in the economy, under the highly effective market idea instruction carries on this graduation project. The automobile rear axle shaft housing is one of automobile important parts.It already must withstand the complete quality which the chassis and the vehicle carry, but also must withstand the automobile in the travel process because the path does not put down the impulse and the torque which causes, and must guarantee does not have the distortion in the travel process, but the rear axle revolves in among them freely.May know the components by the tractor half axle sleeve detail drawing the basic structure and the processing request.After this work piece casts must achieve the blueprint shows the processing request must divide three stages to complete, the first stage needs the turning four end surfaces and two outer annuluses. After the turning the second stage milling three end surfaces, but has 10 degree inclination angle request end surface is the components structure request.After completes the first two stage processing to drill through the hole again to two end surfaces, various ends face position request is the even cloth.According to analysis design milling jig.
Key words: Milling jig work piece pointing accuracy
目錄
1緒論 1
1.1前 言 1
1.2 課題總體任務概述 1
2 工件的加工工藝分析 4
3.夾具的結構設計 5
3.1定位方案選擇及定位元件設計 5
3.2定位誤差分析 7
3.3夾具對定方案的確定 8
4.繪制夾具總圖(見圖紙) 9
4.1銑削力的計算 9
4.1.1圓盤銑刀…………………………………………………………………………….9
4.1.2粗齒錐柄立銑刀…………………………………………………………………...10
4.2夾緊力的計算 10
5. 確定夾具的主要尺寸,公差及技術要求 12
5.1 夾具總圖上應標尺寸,公差 12
5.2 夾具總圖應標注的技術條件 12
6.總結 13
7.參考文獻 14
8．致謝 15
- iv -
1緒論
1.1前 言
機床夾具是在金屬切削加工中,用以準確地確定工件位置,并將其牢固地夾緊,以接受加工的工藝設備.它的主要作用是:可靠地保證工件的加工質量,提高加工效率,減輕勞動強度,充分發(fā)揮和擴大機床的工藝性能.因此,機床夾具在機械制造中占有重要的地位.
夾具是機械加工不可缺少的部件，在機床技術向高速、高效、精密、復合、智能、環(huán)保方向發(fā)展的帶動下，夾具技術正朝著高精、高效、模塊、組合、通用、經(jīng)濟方向發(fā)展。
本著夾得快,夾得牢,夾得準的設計原則和在經(jīng)濟,高效的市場觀念指導下進行本次畢業(yè)設計.在滿足生產(chǎn)技術要求和現(xiàn)有生產(chǎn)設備配置的前提下,合理,優(yōu)化設計夾具裝置.使得所設計的夾具簡便,快捷,低廉,高效.
“工欲善其事，必先利其器”，這是我國歷史上勞動人民在生產(chǎn)斗爭中對工具重要性所作的結論。在現(xiàn)代化生產(chǎn)中，工具（工裝夾具）的作用也是如此。
在機械制造工業(yè)中，為了達到保證產(chǎn)品質量、改善勞動條件、提高勞動生產(chǎn)率及降低成本的目的，在工藝過程中，除機車等設備外，還大量使用這種工藝裝備。它包括機具、模具、刀具、輔助工具及測量工具等。因此，廣義地說，夾具是一種保證產(chǎn)品質量并便利和加速工藝過程的一種工藝裝備。不同的夾具，其結構形式、工作情況、設計原則都不相同，但就其數(shù)量和在生產(chǎn)中所占的位置來說，應以“機床夾具”為先。
所謂機車夾具就是機車上所使用的一種輔助設備，用它來準確地確定工件與刀具的相對位置，即將工件定位和夾緊，以完成加工所需要的相對運動。所以機床夾具是用以使工件定位和夾緊的機床附加裝置。
鑒于目前機械加工中大多是采用通用的機床加上各種夾具、輔助工具及刀具等進行產(chǎn)品的生產(chǎn)，工藝準備工作比較繁重，夾具設計和制造的工作量顯得更為突出，往往成為生產(chǎn)準備工作的關鍵。因此，提高夾具設計水平，縮短設計時間，就成為生產(chǎn)準備中的一個重要問題。要做好夾具設計工作，應當具備必要的基本知識，掌握合理的設計方法，了解產(chǎn)品的具體條件。此外，還應考慮到夾具的制造工藝，并與產(chǎn)品工藝規(guī)程和刀具、輔助工具和測量工具設計相聯(lián)系。
1.2 課題總體任務概述
汽車半軸殼是汽車的重要部件之一，汽車的行駛是由發(fā)動機通過中間傳動軸，將動力傳送到汽車后橋的后半軸，再有后半軸帶動車輪完成的。后橋上，左右兩側各有一支半軸殼管，其一端與后橋殼壓配成一體，另一端安裝有輪轂軸承。它既要承受車體和車載的全部質量，還要承受汽車在行駛過程中由于道路不平而引起的沖擊力和扭矩，并要保證在行駛過程中不發(fā)生變形，而半軸在其內(nèi)旋轉自如。因此，對半軸殼在重要配合表面的精度和整體結構的剛度和強度要求較高。
在本次畢業(yè)設計中, 所要求加工的工件為一鑄鐵拖拉機半軸殼零件，其材料為QT400-15鑄鐵材料。
由拖拉機半軸殼零件圖可知零件的基本結構和加工要求。該工件鑄成后（工件零件圖參見附錄）要達到圖紙所示的加工要求要分三階段完成，第一階段需車削四個端面和兩個外圓，并滿足各端面的平面度和垂直度的要求及前后兩外圓的同軸度要求,作為后面加工的主要定位基準；車削后第二階段銑削三個端面，其中兩個是為了鉆孔而做的前期工作，而有10度傾角要求的端面是零件結構的要求。完成前兩階段加工后再對兩個端面鉆通孔，各端面孔的位置要求為均布，并且為了保證連接緊湊，法蘭面不光滑平整的情況下需要在通孔周圍刮深0.5Φ18的孔。在前期車好端面和鉆好孔的情況下，可以方便的利用其對鉆兩排孔進行定位。
整個加工工藝過程可用下表表示
工序號
工序名稱
工序內(nèi)容
設備
1
粗車端面、外圓
粗車左端面、外圓
車床
2
粗車端面、外圓
粗車右端面、外圓
車床
3
半精車端面、外圓
半精車左右端面、外圓
車床
4
銑圓柱面
銑4個Φ28mm的端面
銑床
5
銑圓柱面
銑Φ36mm的端面
銑床
6
銑斜面
銑10度傾角的端面
銑床
7
鉆孔
鉆左端面6個Φ10.5mm的均布通孔
鉆床
8
鉆孔
鉆右端面8個Φ10.5mm的均布通孔
鉆床
9
鉆孔
鉆4個Φ11深24的孔
鉆床
10
攻絲
在Φ11的孔中攻M12-6H深20的螺紋
鉆床
加工該零件的夾具設計由我和其它兩位同學負責設計。其中本人負責銑床夾具的設計。.在同學完成上道車削加工工序的基礎上,工件已達到的尺寸,位置精度如圖1-2-1所示：可以看出，左右兩端面和外圓的尺寸，位置精度要求高，為重要的配合表面。也可作為本道工序的參考定位基準。在銑削加工中,對，4-的端面進行銑削,并在端面銑削出斜面.在設計過程中,夾具特點必須與機床相匹配。
圖1-1位置精度圖
銑床專用夾具的設計特點
(1) 由于銑削過程不是連續(xù)切削,且加工余量較大,切削力較大而方向隨時都可能在變化。所以夾具應有足夠的剛度和強度,夾具的重心應盡量低,夾具的高度和寬度之比應為1~1.25,并應有足夠的排屑空間。
(2) 夾緊裝置要有足夠的剛度和強度,保證必需的夾緊力,并有良好的自鎖功能,一般在銑床夾具上特別是粗銑,不宜采用偏心夾緊。
(3) 夾緊力應作用在工件剛度較大的部位上,工件與主要定位元件的定位表面接觸剛度要大。當從側面壓緊工件時,壓板在側面的著力點應低于工件的側面支承點。
(4) 為了調整和確定夾具與銑刀的相對位置,應正確選用對刀裝置,對刀裝置在使用塞尺方便和易于觀察的位置,并應在銑刀開始切入的一側。
(5) 切屑和冷卻液應能順利排出,必要是要開排屑空。
(6) 為了調整和確定夾具與機床工作臺軸線的相對位置,在夾具體的底面應具有兩個定向鍵,定向鍵與工作臺型槽宜用單面貼合,當工作臺型槽平整時可采用圓柱銷,精度高的或重型夾具宜采用夾具體上的找正基面。
根據(jù)上述特點結合實際設計本道工序的夾具,具體步驟如下所述。
2 工件的加工工藝分析
分析圖紙可知，工件在上道車削工序中已加工并達到要求的尺寸包括的外圓，表面粗糙度為6.3。的外圓尺寸，表面粗糙度為3.2。兩外圓的端面的表面粗糙度均為6.3，且左右兩外圓的同軸度為。與的外圓端面的平面度為0.06，且與兩外圓的中心線的垂直度要求均為0.08，為了方便描述，今設A代表的外圓表面，B代表的端面，C代表的端面，D代表的外圓表面，如圖2-1所示。
圖2-1
1.在銑削斜面和端面時，應該保證的中心線垂直于設計基準，且該中心線是鉆孔加工工序中的工序基準，銑削端面是為便于鉆孔，因此，在銑削加工過程中，位置度要求較高，而兩待加工表面的粗糙度要求較低。
2.銑削4--時，工序圖上并未就平面度和位置度作嚴格要求，表面粗糙度為12.5。說明此項形位要求較低，只要加工到一定程度便于下道工序鉆孔即可，因此，不必做重點要求。
3.夾具的結構設計
3.1定位方案選擇及定位元件設計
分析零件的結構及尺寸要求可知，在加工4—28的高度90時應以兩孔之間的軸線為工序基準；在加工26是的斜面時應以C面為工序基準，高度120時應以兩孔之間的軸線為工序基準；在加工36是高度53時應以兩孔之間的軸線為工序準。所以在加工時兩孔之間的軸線是非常重要的工序基準。根據(jù)基準重合的原則，可以用外圓面D為定位基準，這樣在加工尺寸90、120、53時，定位基準與工序基準重合；在加工斜面時用C面為定位基準，則工序基準與定位基準重合。
定位方案1如圖3-1-1所示:
圖3-1定位方案一
定位方案2如圖3-2所示：
圖3-2定位方案二
定位方案分析分析及選擇：
分析方案一可知：圖3-1-1所示為一環(huán)行工件銑床專用夾具典型結構，工件以已加工端面C,D為定位基準進行定位，從該工件的零件圖可知，C面作為定位表面可實現(xiàn)與的工序基準重合：D面作為另一定位基準也可實現(xiàn)基準重合。在對4--銑削時，雖然基準不重合，但由于是對4個圓柱端面進行銑削，造成的誤差方向不一致，故基準不重合誤差可忽略，所以這樣選擇定位基準是可行的?？上拗乒ぜ奈鍌€自由度。再通過擋位柱控制工件的繞中心線的轉動自由度。從而實現(xiàn)完全定位。
分析方案二可知：圖3-1-2所示，工件通過兩V型塊的相對位置實現(xiàn)對工件的主要定位。V型塊有很好的對中性，可保證工件的中心線與夾具體正確的位置關系。但由于工件A，D兩外圓端面與V型塊的接觸長度較小，只是限制工件的四個自由度，工件在軸向方向上的移動自由度并沒有得到限制，擋位柱可控制工件的繞中心線的轉動自由度。故第二種方案限制了工件的5個自由度，為不完全定位。
綜合分析上述兩種方案，選擇第一種方案作為定位方案。
考慮到加工時裝卸方便,生產(chǎn)高效,及經(jīng)濟性,產(chǎn)品為中批量生產(chǎn),采用一次裝夾完成加工.選用X53T立式銑床,銑削4-的圓柱端面時用圓柱銑刀（D＝80,Z＝8），銑削的端面和銑削斜面時采用粗齒錐柄立銑刀(D=30,Z=4)。在銑削的端面后，調整夾具體與輔助底板的相對位置。進而實現(xiàn)與銑刀端面的正確位置。 銑削斜面。調整方案如圖3-3所示。
圖3-3銑斜面定位圖
3.2定位誤差分析
分析此夾具定位方案可知,由于該工件是通過兩外圓柱面和端面與夾具的接觸來定位,再加上軸向尾架頂尖的螺旋壓緊力,保證軸向不移動. 由于工件在上道加工工序中的精度已足夠滿足本道工序的定位加工,且本道加工工序對尺寸精度和位置度要求并不高,只是尺寸上的界定。且定位基準和工序基準重合。故影響其定位誤差的因素只有一項：工件外圓柱面和夾具體內(nèi)孔的配合引起的誤差，即基準位置誤差。在此基礎上進行定位誤差分析。
定位誤差的計算公式為：
；
其中=0；
工件外圓柱面和夾具體內(nèi)孔的配合引起的誤差：
；
其中:TD=0.019,Td=0.022, =0.028
所以=0.049<-- 滿足加工要求。
3.3夾具對定方案的確定
夾具的設計除了考慮工件在夾具上的定位之外,還要考慮夾具如何在機床上定位,以及刀具相對夾具的位置如何確定,針對本方案銑床夾具在機床上的定位是以夾具體的底面與輔助底板接觸,再由輔助底板與機床工作臺的接觸;再通過兩個定向鍵與機床工作臺的型槽相連接來實現(xiàn)的。在銑斜面時, 調整夾具體與銑床工作臺的相對位置。刀具的對刀位置視工序而定。
對刀方案：在進行4-的圓柱端面銑削時，把夾具體左端的A面高度加工成與定位時4-的圓柱端面的理論位置高度一致，從而實現(xiàn)對4-的加工對刀，在加工時可采用圓盤端面銑刀，立式銑床X53T。
對于端面和斜面的銑削定位：從零件圖及定位方案上分析可以看出，的圓柱高出中心線的距離與工件表面差不多平齊，且工件在該周向的半徑較大，右側與4-的軸向距離又不是很大，左側又與加強筋靠近，因此，用普通的立式銑床進行對刀加工很容易發(fā)生干涉，難以滿足加工要求。對于銑削斜面時也容易發(fā)生這樣的情況，因此需從與基面垂直的方向進行端面?zhèn)让驺娤?，這對銑床和銑刀提出較高的要求，銑刀由于伸出的長度比較大，所以刀桿的剛度較大，宜用高速鋼銑刀，為減少加工時對工藝系統(tǒng)的穩(wěn)定性，每次銑削量較小，分多次走刀完成,由于X53T立式銑床的技術參數(shù)可滿足這些要求,因此,可選用該立式銑床。銑削端面的對刀定位采用以夾具體左側的定位塊右表面B為對刀位置.如圖3-4所示:(加工時對刀后周向移動27mm,軸向移動167.5mm.)。
圖 3-4對刀示意圖
在銑削好端面后,移動工作臺,再裝夾一次,通過夾具體底面的弧型槽調整好角度,通過止位銷來防止工件在加工時的轉動,對刀是通過計算工作臺的移動量來確定對刀位置。
4.繪制夾具總圖(見圖紙)
工件裝夾方案確定后,進行銑削力,夾緊力的計算:
4.1銑削力的計算
4.1.1圓盤銑刀
工件材料: 球墨鑄鐵 刀具材料:硬質合金鋼 銑刀類型: 圓盤銑刀
P=52z
根據(jù)<<金屬切削機床夾具設計手冊>>查表得:
P=1330N
式中 P---銑削力；
t--銑削深度(mm),指銑刀刀齒切入和切出工件過程中, 接觸弧在垂直走刀方向平面中測得的投影長度,取值5mm；
--每齒進給量,取0.2mm；
D—銑刀直徑80mm；
B--銑削寬度56mm；
z—銑刀的齒數(shù)8。
4.1.2粗齒錐柄立銑刀
工件材料: 球墨鑄鐵 刀具材料:高速鋼 銑刀類型:粗齒錐柄立銑刀
P=
根據(jù)<<機床夾具設計手冊>>查表得:
P=1126 N
式中 P---銑削力
--在用高速鋼(W18Cr4V)銑刀銑削時,考慮工件材料及銑刀類型的參數(shù),本式中取30；
t--銑削深度(mm),只銑刀刀齒切入和切出工件過程中, 接觸弧在垂直走刀方向平面中測得的投影長度取值3mm；
--每齒進給量0.2mm；
D—銑刀直徑30mm；
B--銑削寬度36mm；
z—銑刀的齒數(shù)4；
--用高速鋼(W18Cr4V)銑刀銑削時,考慮工件材料機械性能不同的修正參數(shù).對于灰鑄鐵: =；
HB—工件材料的布氏硬度值（取最大值）。
4.2夾緊力的計算
夾緊力的確定:
計算夾緊力時,通常將夾具和工件看成是一個剛性系統(tǒng).根據(jù)工件受切削力,夾緊力(大型工件還應考慮工件重力,運動的工件還應考慮慣性力等)的作用情況,找出在加工過程中對夾緊最不利的瞬時狀態(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,再乘于安全系數(shù)作為實際所需夾緊力的數(shù)值.即:
=WK
式中, --實際所需夾緊力(N);
W----在一定條件下,由靜力平衡計算出的理論夾緊力(N);
K---安全系數(shù).
安全系數(shù)K可按下式計算:
=
查表得: --考慮工件材料及加工余量均勻性的基本安全系數(shù),取1.3；
--加工性質(粗加工)取1.2；
--刀面鈍化程度(端面銑削,粗銑,含碳量高于0.3%.故選1.3；
--切削特點.斷續(xù)切削.取1.2；
--夾緊力的穩(wěn)定性,手動夾緊.取1.3；
--手動夾緊時的手柄位置.取1.0；
--僅有力矩使工件回轉時工件與支承接觸的情況,接觸點不確定.取1.5；
其中本夾具機構采用的夾緊裝置是螺旋夾緊機構:該類夾緊機構結構簡單,夾緊可靠,通用性大,故在機床夾具中得到廣泛應用。它的主要缺點是與液壓機構相比該機構在夾緊和松開工件時比較費時和費力；
單個螺旋夾緊時產(chǎn)生的夾緊力按下列計算: = (N)
式中 ---原始作用力；
---作用力臂；
---螺桿端部與工件間的當量摩擦半徑（mm）,其值視螺桿端部的結構形式而定，查表可得：
---螺桿端部與工件間的摩擦角；
---螺紋中徑之半；
---螺紋升角，查表可得；
經(jīng)計算的：
=1250
=3250 經(jīng)校核，滿足強度和剛度要求。
夾具裝配圖: 見圖紙
夾具元件零件圖: 見圖紙
具體裝夾方式: 見圖紙
5. 確定夾具的主要尺寸,公差及技術要求
5.1 夾具總圖上應標尺寸,公差
(1).夾具的最大輪廓尺寸: 560mm ×280mm ×209mm；
(2).定位鍵的定位表面精度及兩定位鍵的位置公差分別為0.8,；
(3)夾具體定向槽與定向鍵的配合為20或；
(4)輔助底板與定位元件的配合為18；
(5) 輔助底板與止位銷的配合為。
5.2 夾具總圖應標注的技術條件
(1)夾具體的六個凸臺的表面粗糙度為1.6,平面度為0.01；
(2)輔助底板的平行度公差為0.03/100；
(3)夾具體與輔助底板的轉動是通過弧型槽實現(xiàn)的,弧型槽與固定定位銷的配合為。
6.總結
通過此次畢業(yè)設計，使我在資料的準備、設計的規(guī)劃、思維創(chuàng)新和自學能力等方面都有了較大的提高。并且在畢業(yè)前使個人能力有了一個飛躍。
設計期間，我多次到工廠參觀學習，對夾具的設計和工作用途有了較為深刻的認識，并熟悉了多種應用軟件，為這次畢業(yè)設計提供了較豐富的實踐經(jīng)驗。設計過程中，通過查找資料、方案設計、工藝分析、軟件應用（PRO/E、CAD、UG）等使得我對夾具的設計和圖紙的繪制有了更加深刻的認識和了解，為我今后工作學習提供了寶貴的經(jīng)驗。
鑒于本人的知識水平和實踐經(jīng)驗所限，在設計和裝配這套銑床夾具上存在有許多不足的地方，如夾緊機構的連動性、底板的強度、夾緊的穩(wěn)定性等方面都比較粗糙和不完善，懇請各位老師批評指正。
7.參考文獻
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13.金屬切削手冊(第二版) 上?？茖W技術出版社,1984.4
14金屬機械加工工藝人員手冊.上?？茖W技術出版社
8．致謝
在設計過程中,感謝曾一凡老師對我的論文不厭其煩的細心指點。曾一凡老師首先細致地為我解題；當我迷茫于眾多的資料時，他又為我提綱挈領，梳理脈絡，使我確立了本文的框架。論文寫作中，每周都得到曾一凡老師的指點。從框架的完善，到內(nèi)容的擴充；從行文的用語，到格式的規(guī)范，曾一凡老師都嚴格要求，力求完美。我再次為曾一凡老師的付出表示感謝。
此次論文的完成還與眾多老師在這四年對我的教導和幫助是分不開的。在此，一并感謝。
值此論文完成之際,我只能用拙筆來表達我誠摯的謝意和由衷的感謝之情,并祝愿多年來在學習、工作、生活等方面給予的關心支持和幫助的眾多領導、老師、同學身體健康、工作順利、萬事如意!
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