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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(zhì)量。這種效應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(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(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(guān)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(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(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(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?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(zhuǎn)，由于部隊輪換往往是相當小[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(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(diào)整。因此，總能量最小化的形式為補充的夾緊力優(yōu)化的第二個目標函數(shù)，并給出： 最小化 （10） 其中代表機構(gòu)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(quán)系數(shù)計算確定的基礎(chǔ) 內(nèi)蒙古科技大學本科生畢業(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(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(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(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(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(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?shù)卦诘趇幀相聯(lián)系的全球坐標系和是一個旋轉(zhuǎn)矩陣確定工件相對于全球的坐標系的定位坐標系。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(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(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，則夾緊力需相應設(shè)置，有比相當大的加權(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(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： 1、J. 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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(shè)計”方案優(yōu)化，設(shè)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。 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。 畢業(yè)設(shè)計論文 論文題目：銷接連接板零件加工工藝及鉆孔夾具 班 級： 專 業(yè)： 學生姓名： 指導教師： 日 期: III 摘 要 本文主要介紹銷接連接板工藝及鉆孔專用夾具設(shè)計。通過CAD軟件完成對鉆床夾具的設(shè)計制造。 設(shè)計的重點是選定零件鉆孔夾具，通過CAD設(shè)計軟件對鉆床夾具進行繪制設(shè)計，然后將各零件進行裝配，完成設(shè)計，以及利用對夾具進行虛擬制造。因此本文要全面的多方位的介紹cad軟件，并詳細對各個零件的設(shè)計與繪制的過程。進行專 用夾具的設(shè)計，選擇設(shè)計出夾具的各個組成部件，如定位元件、夾緊元件、引導元件、夾具體與機床的連接部件以及其它部件；計算出夾具定位時產(chǎn)生的定位誤差，分析夾具結(jié)構(gòu)的合理性與不足之處，并在以后設(shè)計中注意改進。 關(guān)鍵詞：工藝、工序、切削用量、夾緊、定位、誤差。 ABSTRCT This paper mainly introduces the pin connecting plate technology and drilling special fixture design. Through the CAD software to complete the design and manufacture of drilling fixture. The design focuses on selected parts of drilling fixture, drilling fixture drawing design through the CAD design software, and then the part assembly, complete the design, and the use of virtual manufacturing fixture. This paper introduces the multidimensional should fully CAD software, and the detailed design of each part and drawing process. Special fixture design, fixture for the various components of the design, such as the connecting part positioning device, clamping device, a guide element, clamp and the machine tool and other components; calculate fixture positioning errors when positioning, reasonableness and shortcomings of fixture structure, pay attention to improving and will design in. Keywords: process, process, cutting, clamping, positioning. 目 錄 摘 要 I ABSTRCT II 序 言 - 1 - 1 零件的分析 - 2 - 1.1零件的作用 - 2 - 1.2 零件的工藝分析 - 2 - 2 工藝規(guī)程設(shè)計 - 3 - 2.1確定毛坯的制造形式 - 3 - 2.2基面的選擇的選擇 - 3 - 2.3制定工藝路線 - 3 - 2.4機械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的確定 - 3 - 2.5確定切削用量及基本工時 - 4 - 3 夾具設(shè)計 - 1 - 3.1夾具的夾緊裝置和定位裝置 - 1 - 3.2夾具的導向 - 1 - 3.3定位方案分析與比較（列舉了3種方案） - 2 - 3.4鉆孔與工件之間的切屑間隙 - 4 - 3.5鉆模板 - 5 - 3.6定位誤差的分析 - 5 - 3.7鉆套設(shè)計與選用 - 5 - 3.8確定夾具體結(jié)構(gòu)和總體結(jié)構(gòu) - 7 - 3.9夾具設(shè)計及操作的簡要說明 - 8 - 總 結(jié) - 9 - 致 謝 - 10 - 參 考 文 獻 - 11 - 序 言 機械加工工藝規(guī)程是規(guī)定零件機械加工工藝過程和操作方法等的工藝文件之一，它是在具體的生產(chǎn)條件下，把較為合理的工藝過程和操作方法，按照規(guī)定的形式書寫 成工藝文件，經(jīng)審批后用來指導生產(chǎn)。機械加工工藝規(guī)程一般包括以下內(nèi)容：工件加工的工藝路線、各工序的具體內(nèi)容及所用的設(shè)備和工藝裝備、工件的檢驗項目及 檢驗方法、切削用量、時間定額等。 制訂工藝規(guī)程的步驟 1) 計算年生產(chǎn)綱領(lǐng)，確定生產(chǎn)類型。 2) 分析零件圖及產(chǎn)品裝配圖，對零件進行工藝分析。 3) 選擇毛坯。 4) 擬訂工藝路線。 5) 確定各工序的加工余量，計算工序尺寸及公差。 6) 確定各工序所用的設(shè)備及刀具、夾具、量具和輔助工具。 7) 確定切削用量及工時定額。 8) 確定各主要工序的技術(shù)要求及檢驗方法。 9) 填寫工藝文件。 在制訂工藝規(guī)程的過程中，往往要對前面已初步確定的內(nèi)容進行調(diào)整，以提高經(jīng)濟效益。在執(zhí)行工藝規(guī)程過程中，可能會出現(xiàn)前所未料的情況，如生產(chǎn)條件的變化，新技術(shù)、新工藝的引進，新材料、先進設(shè)備的應用等，都要求及時對工藝規(guī)程進行修訂和完善。 銷接連接板零件加工工藝及鉆孔鉆床夾具設(shè)計是在學完了機械制圖、機械制造技術(shù)基礎(chǔ)、機械設(shè)計、機械工程材料等的基礎(chǔ)下，進行的一個全面的考核。正確地解決一個零件在加工中的定位，夾緊以及工藝路線安排，工藝尺寸確定等問題，并設(shè)計出專用夾具，保證零件的加工質(zhì)量。本次設(shè)計水平有限，其中難免有缺點錯誤，敬請老師們批評指正。 -- 11 -- 1 零件的分析 1.1零件的作用 銷接連接板是整體裝置的重要零件，它支撐中心部分，承受著部分靜載荷，因為銷接連接板與整個銷接連接板連接，并且中心部分與該零件是孔連接，因而該零件的承受著一定載荷，以及一定的沖擊力，所以該零件承受著靜、動載荷。 1.2 零件的工藝分析 銷接連接板有2個加工面他們有位置度要求。這三個加工面的分別為： 1，以四周輪廓為基準的加工面，這組加工面包括四周輪廓。 2：以直徑為25孔的軸線為基準 2 工藝規(guī)程設(shè)計 2.1確定毛坯的制造形式 零件的材料為Q235，根據(jù)生產(chǎn)綱領(lǐng)以及零件在工作過程中所受的載荷情況，選用圓鋼。 2.2基面的選擇的選擇 基面的選擇是工藝規(guī)程設(shè)計中的重要工作之一?；孢x擇的正確合理，可以使加工質(zhì)量得到保證，生產(chǎn)率得到提高。否則，加工工藝過程中會問題百出。 粗基準的選擇：對銷接連接板這樣的零件來說，選擇好粗基準是至關(guān)重要。以零件的上端面加工平面作為粗基準。選取已加工的內(nèi)圓為精基準。 2.3制定工藝路線 制訂工藝路線的出發(fā)點，應當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。通過仔細考慮零件的技術(shù)要求后，制定以下兩種工藝方案： 方案一 工序1：材料符合Q235（16mm鋼板）的質(zhì)量要求，并具有質(zhì)保書。 工序2：用剪板機下料，確保100×126.5外形尺寸。 工序3：以圖示端面為基準，用PJ0025-G02工裝進行鉆孔?25，確保距離邊界尺寸80和38，修毛刺 工序4：按圖紙技術(shù)要求，對本零件的尺寸、形狀、位置和表面質(zhì)量等要素進行全面檢查。 2.4機械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的確定 銷接連接板零件材料為Q235，，生產(chǎn)類型為大批量生產(chǎn)，采型材毛坯。 1、 不加工表面毛坯尺寸 不加工表面毛坯按照零件圖給定尺寸為自由度公差，由鑄造可直接獲得。 2、 銷接連接板的四周輪廓 由于銷接連接板四周輪廓精度要求不高，粗糙度要求是12.5，可采用剪板機裁剪可以實現(xiàn)。 3、銷接連接板的孔直徑為25、孔毛坯為實心?？椎木纫蠼橛贗T7—IT8之間，參照參數(shù)文獻，確定工藝尺寸余量為 鉆 孔 2.5確定切削用量及基本工時 工序1：材料符合Q235（16mm鋼板）的質(zhì)量要求，并具有質(zhì)保書。 工序2：用剪板機下料，確保100×126.5外形尺寸。 工序3：以圖示端面為基準，用PJ0025-G02工裝進行鉆孔?25，確保距離邊界尺寸80和38，修毛刺 3 夾具設(shè)計 3.1夾具的夾緊裝置和定位裝置 夾具中的裝夾是由定位和夾緊兩個過程緊密聯(lián)系在一起的。定位問題已在前面研究過，其目的在于解決工件的定位方法和保證必要的定位精度。 僅僅定好位在大多數(shù)場合下，還無法進行加工。只有進而在夾具上設(shè)置相應的夾緊裝置對工件進行夾緊，才能完成工件在夾具中裝夾的全部任務。 夾緊裝置的基本任務是保持工件在定位中所獲得的即定位置，以便在切削力、重力、慣性力等外力作用下，不發(fā)生移動和震動，確保加工質(zhì)量和生產(chǎn)安全。有時工件的定位是在夾緊過程中實現(xiàn)的，正確的夾緊還能糾正工件定位的不正確。 一般夾緊裝置由動源即產(chǎn)生原始作用力的部分。夾緊機構(gòu)即接受和傳遞原始作用力，使之變?yōu)閵A緊力，并執(zhí)行夾緊任務的部分。他包括中間遞力機構(gòu)和夾緊元件。 考慮到機床的性能、生產(chǎn)批量以及加工時的具體切削量決定采用手動夾緊。 螺旋夾緊機構(gòu)是斜契夾緊的另一種形式，利用螺旋桿直接夾緊元件，或者與其他元件或機構(gòu)組成復合夾緊機構(gòu)來夾緊工件。是應用最廣泛的一種夾緊機構(gòu)。 螺旋夾緊機構(gòu)中所用的螺旋，實際上相當于把契繞在圓柱體上，因此他的作用原理與斜契是一樣的。也利用其斜面移動時所產(chǎn)生的壓力來夾緊工件的。不過這里上是通過轉(zhuǎn)動螺旋，使繞在圓柱體是的斜契高度發(fā)生變化來夾緊的。 典型的螺旋夾緊機構(gòu)的特點： （1）結(jié)構(gòu)簡單； （2）擴力比大； （3）自瑣性能好； （4）行程不受限制； （5）夾緊動作慢。 夾緊裝置可以分為力源裝置、中間傳動裝置和夾緊裝置，在此中心軸夾具中，中間傳動裝置和夾緊元件合二為一。力源為機動夾緊，通過螺栓夾緊移動壓板。達到夾緊和定心作用。 工件通過定位銷的定位限制了繞Z軸旋轉(zhuǎn)，通過螺栓夾緊移動壓板，實現(xiàn)對工件的夾緊。并且移動壓板的定心裝置是與工件外圓弧面相吻合的移動壓板，通過精確的圓弧定位，實現(xiàn)定心。此中心軸移動壓板制作簡單，便于手動調(diào)整。通過松緊螺栓實現(xiàn)壓板的前后移動，以達到壓緊的目的。壓緊的同時，實現(xiàn)工件的定心，使其定位基準的對稱中心在規(guī)定位置上。 3.2夾具的導向 在鉆床上加工孔時，大都采用導向元件或?qū)蜓b置，用以引導刀具進入正確的加工位置，并在加工過程中防止或減少由于切削力等因素引起的偏移，提高刀具的剛性，從而保證零件上孔的精度，在鉆床上加工的過程中，導向裝置保證同軸各孔的同軸度、各孔孔距精度、各軸線間的平行度等，因此，導向裝置如同定位元件一樣，對于保證工件的加工精度有這十分重要的作用。 導向元件包括刀桿的導向部分和導向中心軸。 在這中心軸鉆床夾具上用的導向中心軸是鉆中心軸。 鉆中心軸按其結(jié)構(gòu)可分為固定鉆中心軸，可換鉆中心軸，快換鉆中心軸及特殊鉆中心軸。 因此中心軸鉆夾具加工量不大，磨損較小，孔距離精度要求較高，則選用固定鉆中心軸。如圖4.2。直接壓入鉆模板或夾具體的孔中。 圖4.2 鉆中心軸 鉆模板與固定鉆中心軸外圓一般采用H7/h6的配合。且必須有很高的耐磨性，材料選擇20Mn2。淬火HRC35。我選擇的鉆中心軸:12.5F7*22K6*35 GB2264-1980。 相同的，為了防止定位銷與模板之間的磨損，在模板定位孔之間中心軸上兩個固定襯中心軸。選取的標準件代號為12*18 GB2263-1980。材料仍選取T10A， 淬火HRC35。公差采用H7/p6的配合。 3.3定位方案分析與比較（列舉了3種方案） 方案Ⅰ： 首先必須明確其加工時應如圖所示，這樣水平放置，便于鉆床加工。那么要使其完全定位，可以采用:一面加固定V型塊和滑動V型塊定位，這樣既簡單又方便。如上圖所示，一底面限制的自由度有3個，一個固定V型塊限制兩個自由度，一個滑動V型塊限制限制一個自由度，為使定位可靠，加工穩(wěn)定，我所設(shè)計的定位方案，總共限制了工件的全部6個自由度，屬于完全定位。 方案2： 選底平面一面、V型塊定位，夾緊方式選用螺旋夾緊機構(gòu)夾緊。 方案3： 一面加固定V型塊和固定V型塊定位，這樣既簡單。如上圖所示，一底面限制的自由度有3個，一個固定V型塊限制兩個自由度，一個固定V型塊限制限制一個自由度，為使定位可靠，加工穩(wěn)定，我所設(shè)計的定位方案，總共限制了工件的全部6個自由度，屬于完全定位?？墒沁@種方案無法調(diào)節(jié)。如果毛坯超差還得通過螺絲調(diào)節(jié)。 在該定位方案中，一個支撐面頂住，限制了z軸的移動，z軸的旋轉(zhuǎn)，y軸的旋轉(zhuǎn)三個移動自由度。一個固定V型塊限制了y軸的移動，x軸的移動，一個滑動V型塊限制了z軸的旋轉(zhuǎn)，這樣6個自由度全部被限制 綜合上面所述，方案是根據(jù)外圓輪廓進行的定位，方案一和方案三不如方案二方便操作，根據(jù)上面敘述選擇方案二。 3.4鉆孔與工件之間的切屑間隙 鉆中心軸的類型和特點: 1、固定鉆中心軸：鉆中心軸直接壓入鉆模板或夾具體的孔中，鉆模板或夾具體的孔與鉆中心軸外圓一般采用H7/n6配合，主要用于加工量不大，磨損教小的中小批生產(chǎn)或加工孔徑甚小，孔距離精度要求較高的小孔。 2、可換鉆中心軸：主要用在大批量生產(chǎn)中，由于鉆中心軸磨損大，因此在可換鉆中心軸和鉆模板之間加一個襯中心軸，襯中心軸直接壓入鉆模板的孔內(nèi)，鉆中心軸以F7/m6或F7/k6配合裝入襯中心軸中。 3、快換鉆中心軸：當對孔進行鉆鉸等加工時，由于刀徑不斷增大，需要不同的導中心軸引導刀具，為便于快速更換采用快換鉆中心軸。 4、特殊鉆中心軸：尺寸或形狀與標準鉆中心軸不同的鉆中心軸統(tǒng)稱特殊鉆中心軸。 鉆中心軸下端面與工件表面之間應留一定的空隙C，使開始鉆孔時，鉆頭切屑刃不位于鉆中心軸的孔中，以免刮傷鉆中心軸內(nèi)孔，如圖4.3。 圖4.3 切屑間隙 C=(0.3～1.2)d。 在本次夾具鉆模設(shè)計中考慮了多方面的因素，確定了設(shè)計方案后，選擇了C=8。因為此鉆的材料是鑄件，所以C可以取較小的值。 3.5鉆模板 在導向裝置中，導中心軸通常是安裝在鉆模板上，因此鉆模板必須具有足夠的剛度和強度，以防變形而影響鉆孔精度。鉆模板按其與夾具體連接的方式，可分為固定式鉆模板、鉸鏈式鉆模板、可卸式鉆模板、滑柱式鉆模板和活動鉆模板等。 在此中心軸鉆模夾具中選用的是可卸式鉆模板，在裝卸工件時需從夾具體上裝上或卸下，鉆模板在夾具體上采用定位銷一面雙孔定位，螺栓緊固，鉆模精度較高。[4] 3.6定位誤差的分析 制造誤差ZZ （1）中心線對定位件中心線位置精度 . 取. （2）V型塊同軸度誤差（查表P297） .故，. 則. 知此方案可行。 3.7鉆套設(shè)計與選用 工藝孔的加工只需鉆切削就能滿足加工要求。故選用可換鉆中心軸（其結(jié)構(gòu)如下圖所示）以減少更換鉆中心軸的輔助時間。 為了減少輔助時間采用可換鉆孔，以來滿足達到孔的加工的要求。 表 d D D1 H t 基本 極限 偏差F7 基本 極限 偏差D6 ＞0～1 +0.016 +0.006 3 +0.010 +0.004 6 6 9 -- 0.008 ＞1～1.8 4 +0.016 +0.008 7 ＞1.8～2.6 5 8 ＞2.6～3 6 9 8 12 16 ＞3～3.3 +0.022 +0.010 ＞3.3～4 7 +0.019 +0.010 10 ＞4～5 8 11 ＞5～6 10 13 10 16 20 ＞6～8 +0.028 +0.013 12 +0.023 +0.012 15 ＞8～10 15 18 12 20 25 ＞10～12 +0.034 +0.016 18 22 ＞12～15 22 +0.028 +0.015 26 16 28 19 ＞15～18 26 30 0.012 ＞18～22 +0.041 +0.020 30 34 20 19 HT200 ＞22～26 35 +0.033 +0.017 39 ＞26～30 42 46 25 HT200 56 ＞30～35 +0.050 +0.025 48 52 ＞35～42 55 +0.039 +0.020 59 30 56 67 ＞42～48 62 66 ＞48～50 70 74 0.040 鉆模板選用固定鉆模板，用沉頭螺釘錐銷定位于夾具體上。 3.8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(jié)構(gòu)的方法和使用應該不錯 夾較大的工件的外觀，更復雜的結(jié)構(gòu)，之間的相互位置精度與每個表面的要求高，所以應特別注意結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(chǎn)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?qū)崿F(xiàn)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(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)應便排出鐵屑。 3.9夾具設(shè)計及操作的簡要說明 由于是大批大量生產(chǎn)，主要考慮提高勞動生產(chǎn)率。因此設(shè)計時，需要更換零件加工時速度要求快。本夾具設(shè)計，用底部大平面定位三個自由度， V型塊定位兩個自由度，再用一個壓塊限制最后一個自由度。 總 結(jié) 通過此次設(shè)計，使我們基本掌握了零件的加工過程分析、工藝文件的編制、專用夾具設(shè)計的方法和步驟等。學會了查相關(guān)手冊、選擇使用工藝裝備等等。 總的來說，這次設(shè)計，使我們在基本理論的綜合運用及正確解決實際問題等方面得到了一次較好的訓練。提高了我們的思考、解決問題創(chuàng)新設(shè)計的能力，為以后的設(shè)計工作打下了較好的基礎(chǔ)。 加工工藝的編制和專用夾具的設(shè)計，使對零件的加工過程和夾具的設(shè)計有進一步的提高。在這次的設(shè)計中也遇到了不少的問題，如在編寫加工工藝時，對所需加工面的先后順序編排，對零件的加工精度和勞動生產(chǎn)率都有相當大的影響。在對某幾個工序進行專用夾具設(shè)計時，對零件的定位面的選擇，采用什么方式定位，夾緊方式及夾緊力方向的確定等等都存在問題。這些問題都直接影響到零件的加工精度和勞動生產(chǎn)率，為達到零件能在保證精度的前提下進行加工，而且方便快速，以提高勞動生產(chǎn)率，降低成本的目的。通過不懈努力和指導老師的精心指導下，針對這些問題查閱了大量的相關(guān)資料。最后，將這些問題一一解決，并夾緊都采用了手動夾緊，由于工件的尺寸不大，所需的夾緊力不大。因此手動夾緊滿足夾緊要求。 通過做這次的設(shè)計，使對專業(yè)知識和技能有了進一步的提高，為以后從事本專業(yè)技術(shù)的工作打下了堅實的基礎(chǔ)。 致 謝 經(jīng)過了的很長時間，終于比較圓滿完成了設(shè)計任務。回顧這日日夜夜，感覺經(jīng)過了一場磨練，通過圖書、網(wǎng)絡(luò)、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(guān)鍵性技術(shù)難題，更重要的是為我們指引了設(shè)計的思路并給我們講解了設(shè)計中用到的實際工程設(shè)計經(jīng)驗，從而使我們設(shè)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(lǐng)導對我們畢業(yè)設(shè)計的重視和關(guān)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(shè)計中去，為更好、更快的完成畢業(yè)設(shè)計提供了重要保障。 參 考 文 獻 [1] 陳宏鈞．實用金屬切削手冊［Ｍ］．北京：機械工業(yè)出版社，2005．1． [2] 強 毅．設(shè)計制圖實用標準手冊［Ｍ］．北京：科學出版社，2000．1． [3] 李 洪．機械加工工藝手冊［Ｍ］．北京出版社，1996．1． [4] 陳宏鈞．實用機械加工工藝手冊［Ｍ］．北京：機械工業(yè)出版社，2003．1． [5] 楊叔子．機械加工工藝師手冊［Ｍ］．北京：機械工業(yè)出版社，2001．8． [6] 馬賢智．機械加工余量與公差手冊［Ｍ］．中國標準出版社，1994．12． [7] 王先逵．機械制造工藝學［Ｍ］．北京：機械工業(yè)出版社，1995．11． [8] 莫雨松．互換性與技術(shù)測量［Ｍ］．中國計量出版社，2000．1． [9] 何玉林，賀元成．機械制圖［Ｍ］．重慶大學出版社，2000．8． [10] 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