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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(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，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(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
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(zhuǎn)，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(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(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（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。
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沈陽理工大學學士學位論文
摘 要
本篇說明書中，主要是介紹了我這次設計的主要設計思路及設計過程。包括了兩套專用夾具的設計和刀具、量具的設計思路和設計過程，以及在致謝和參考文獻。
我的設計課題是機床支架的工藝工裝設計。設計的主要內(nèi)容有：繪制零件圖、設計夾具、刀具、量具等。由目錄可詳細了解論文的內(nèi)容。此次設計，綜合運用了本專業(yè)的各方面的專業(yè)知識，如《機械制圖》、《機械制造工藝學》、《機床夾具設計》……在這整個設計過程中進一步加深并鞏固了我這兩年所學的知識，令我感到受益匪淺，收獲頗豐。
由于個人能力和經(jīng)驗有限，設計中會出現(xiàn)很多不足之處，希望各位老師給予指教。
關(guān)鍵詞：專用夾具；刀具；量具；機械制圖
Abstract
In brief this instruction booklet, mainly was introduced my design main design mentality and the design process. In addition two sets of jigs supposing with cutting tool, measuring instrument design mentality and design process, as well as appendix and reference booklist, concluding remark.
My design topic is machine tool support, s technological design. May in detail understand the paper by the table of contents the content. This design, the synthesis has utilized this specialized various aspects of specialized knowledge, like "Mechanical drawing", "Machine manufacture Technology", "Engine bed Jig Design"... ... Further deepened and has consolidated the knowledge which I studied in this instituted during recent two years. Because individual ability and the experience are limited, in the design must appear very many deficiency, hoping fellow teachers give advice.
Keyword：special fixture; measure; holding device; machining drawing
目 錄
引言……………………………………………………………………………………………1
第1章工藝規(guī)程設計…………………………………………………………………………2
1.1 零件分析 ………………………………………………………………………………2
1.2 確定毛坯、畫毛坯圖 …………………………………………………………………2
1.3 工藝規(guī)程設計 …………………………………………………………………………3
第2章工藝裝備設計…………………………………………………………………………14
2.1 夾具的概念 …………………………………………………………………………15
2.2 夾具的基本要求 ……………………………………………………………………15
2.3 夾具的設計方法和步驟 ……………………………………………………………15
第3章量具設計 ……………………………………………………………………………20
3.1 量規(guī)的種類和作用 …………………………………………………………………23
3.2 量規(guī)設計 ……………………………………………………………………………23
3.3 量規(guī)的技術(shù)要求 ……………………………………………………………………24
結(jié)論 …………………………………………………………………………………………25
致謝 …………………………………………………………………………………………26
參考文獻 ……………………………………………………………………………………27
附錄A（英文原文）…………………………………………………………………………28
附錄B（中文翻譯）…………………………………………………………………………33
III
沈陽理工大學學士學位論文
引 言
畢業(yè)設計是大學學習過程中的重要環(huán)節(jié),也是學生在學校學習的最后一個重要環(huán)節(jié)。這次設計是為了進一步檢驗學生在學校期間的學習情況，培養(yǎng)學生綜合運用所學的專業(yè)知識和基礎(chǔ)理論知識的能力，獨立解決一般機械類技術(shù)問題的能力，樹立正確的設計思想和工作作風。經(jīng)過將近歷時一個學期的畢業(yè)設計，我學到了許多課堂上學不到的知識，使所學的理論知識與動手設計有機結(jié)合，提高了自己的設計能力和實踐能力。
本論文設計中主要包括工藝規(guī)程和專用夾具設計兩大部分。在設計時，主要以專用夾具設計為重點。此次設計，本著力求使所設計的工件實際、實用的原則來指導設計。在整個設計過程中，盡量是設計內(nèi)容向?qū)嶋H靠攏，使設計更具科學性，更具合理性，其中所用的很多數(shù)據(jù)與參數(shù)均來自工廠一線的工具用書。通過系統(tǒng)的動手設計，本人已初步掌握了一般工藝路線的擬訂，并掌握了工藝規(guī)程和一般專用夾具的設計方法。
在此次畢業(yè)設計過程中，得到了宋書漢老師的悉心指導與幫助，還有很多同學對我的設計也提出了許多寶貴的意見。在此，對宋老師的指導以及同學的幫助一并表示衷心的感謝。
由于編者水平有限，且此次設計涉及面廣，內(nèi)容覆蓋面廣，時間倉促，錯誤和不足之處在所難免，懇請老師批評指正。
編者
2006.6.16
機床支架工藝工裝設計
１ 工藝規(guī)程設計
1.1 零件分析
1.1.1 零件的作用
本零件來源于沈陽第一機床廠，是機床上的某個重要的部件該部件通過安裝平面和側(cè)面的螺紋孔與其它部件聯(lián)接，通過支架上的Ф55n6孔與其它部件配合，其中Ф55孔和兩側(cè)面都作為配合表面，有很高的表面粗糙度要求和高的加工精度，在加工時要特別注意以及進行必要的熱處理來保證工件的技術(shù)要求，從而使工件達到精度要求，從而實現(xiàn)正確的聯(lián)接。
1.1.2 零件工藝分析
由零件圖可知，其材料為HT150，該材料強度較低，脆性較大抗缺口敏感性，減震性和耐磨性優(yōu)良，切削性能也極好，抗壓σb(565---785Mpa)彈性模量E（69-----98Gpa）
抗拉σb≥130 Mpa。
工作條件
1、承受中等應力，彎曲應力至10MPa
2、摩擦面間的壓力不大于0.5Mpa
3、較弱的腐蝕性介質(zhì)，該零件上的主要加工面為Ф55N6孔，Ф58槽4—M6，4--M12螺紋孔，兩側(cè)面底面以及底面2-Ф12槽，4—M6和4—M12用于聯(lián)接的表面，在加工它們時有一定的精度要求同樣有一定的精度要求，其中Ф55N6孔和兩側(cè)面是該零件中精度要求要求最高的表面，因而具有較高的加工精度要求。
4、由參考文獻《機械加工工藝手冊》表1-10，表1-11表1-12有關(guān)面和孔加工的經(jīng)濟精度及機床能達到的位置精度可知上述技術(shù)要求是可以達到的，零件的結(jié)構(gòu)工藝性也可行的。
1.2 確定毛坯、畫毛坯圖
根據(jù)零件材料確定毛坯為鑄件，又由設計任務書已知零件的生產(chǎn)綱領(lǐng)綱領(lǐng)為3000—5000件/年，該零件質(zhì)量約為3.57kg。由參考文獻《機械加工工藝人員手冊》可知，其生產(chǎn)類型為大批生產(chǎn)，毛坯的鑄造方法選用礦型機器造型，又由于支件零件的內(nèi)腔孔要鑄出，故要放型芯。此外為消除系統(tǒng)參與應力，鑄造后要安排時效處理。由參考文獻《實用加工工藝手冊》表3-12表3-13可知，該種鑄件的尺寸公差等級IT8---10級，加工余量等級為G級,故取C7為10級。
各主要表面的加工余量等級
表1.1
加工表面
基本尺寸
加工等級
加工余量
說明
底面
20
9
5
底面單側(cè)加工
ф55孔
ф47
H
4
孔降一級雙側(cè)加工
兩側(cè)面
82
G
4.5
雙側(cè)加工
注：上表已包含預留孔和被加工的平面輪廓尺寸
圖1-1
圖1-2
此圖為零件毛坯圖 具體請參看零件圖以及毛坯圖
1.3 工藝規(guī)計
1.3.1 定位基準的選擇
1 粗加工基準的選擇
在選擇粗基準時，要考慮到以下幾點要求：
（1）保證各個加工表面均有加工余量的前提下,使主要加工表面加工余量均勻。
（2）保證工件上加工表面與不加工表面之間的位置要求,要以不加工表面為粗基準。
（3）選做粗基準的表面,要平整沒有澆口冒口或飛邊等缺陷,以使定位可靠,該鑄件為支架類零件同時頂面的面積較大且平整。
綜合考慮第二和第三條要求,選擇頂面為粗基準。
2 精基準的選擇
零件在加工時,首先以頂面的非加工表面作為粗基準加工底面,因此作為底面精基準,由此精基準加工ф55N6孔,進而通過ф55N6孔加工了底面上槽,實現(xiàn)了互為基準。.
在選擇精基準時應滿足以下幾點要求：
（1）用工序基準作為精基準,實現(xiàn)基準重合,以免產(chǎn)生基準不重合的誤差。
（2）當工件以某一組精基準可以方便地加工其它表面時,應盡可能在多次工序中采用此粗精基準定位,實現(xiàn)基準統(tǒng)一,以減少工裝設計制造費用,提高生產(chǎn)率避免基準轉(zhuǎn)換誤差。
（3）為了獲得均勻的加工余量或較高的位置精度,可遵循自為基準的原則。
（4）精加工或完整加工工序要求余量盡可能小而均勻時,應選擇加工表面本身作為精基準,即自為基準原則,,而選擇底面為精基準,正是符合第一第二條要求,同時在加工底面槽時,底面又與ф55N6孔之間互為基準,滿足了加工精度。
最先進行機械加工的表面是底面和兩側(cè)面,這時可能有兩種定位夾緊方案
方案一:采用側(cè)面上的通孔定位,限制四個自由度,再在D面采用兩個支承釘定位,但此種方法不適于大批量生產(chǎn),加工穩(wěn)定性不高。
方案二:在D面采用面定位限制三個自由度,而與B面配合限制了五個自由度,配合E面采用一個支承釘,從而達到完全定位,且可以同時加工兩個件,這種加工方法夾緊可靠,減少了定位夾緊等方面的誤差,且結(jié)構(gòu)簡單,適宜大批生產(chǎn),因此該方案可行。具體方安請參看工序簡圖。
1.3.2 制造工藝路線
分析零件圖,依據(jù)各個表面加工要求精度形位公差配合關(guān)系以及技術(shù)要求,還有各種加工方法能達到的經(jīng)濟精度,以及基準的合理選擇確定了以下兩種工藝路線方案:
方案一
工序號 工序內(nèi)容
鑄造
時效
涂漆
5 粗銑底面,精銑底面
10 粗銑側(cè)面
15 半精銑側(cè)面
20 精銑側(cè)面
25 粗銑ф55孔ф58槽,半精銑ф55孔
30 銑底面槽
35 鉆4---M12螺紋孔,攻絲
40 鉆4---M6螺紋孔,攻絲
45 鉆4---M10螺紋孔,攻絲
50 磨ф55孔
55 成品檢驗
方案二:
工序號 工序內(nèi)容
鑄造
時效
涂漆
5 粗銑底面,精銑底面
10 粗銑側(cè)面
15 半精銑側(cè)面
20 精銑側(cè)面
25 粗鏜ф55孔,半精鏜ф55孔
20 磨ф55孔
30 鏜ф58槽
35 銑底面槽
40 鉆4---M12螺紋孔,攻絲
45 鉆4---M6螺紋孔,攻絲
50 鉆4---M10螺紋孔,攻絲
55 成品檢驗
方案二,雖然大部分遵循工藝路線擬訂的一般原則,但某些工序有些問題,如在磨ф55孔時,精加工應安排在最后,而鏜ф58槽時的表面粗糙度的要求并不高,如果安排在磨ф55孔之后,會使精加工表面受到損傷。由于頂面為非加工表面,而且工序基準為ф55孔的中心線,所以達不到加工精度要求,而且會產(chǎn)生基準不重合誤差。造成工件的加工達不到要求。
而方案一,,充分考慮了這些問題,而且也遵循了先面后孔,先主要表面后次要表面,先粗加工后精加工的原則，主要的是再加工兩側(cè)面時和內(nèi)孔時的基準確定避免基準不從合誤差的產(chǎn)生而達不到加工要求，而將鉆4—M12、4—M6、M10孔等次要表面放在后面,將磨內(nèi)孔放在最后的工藝路線擬訂原則,也保證了加工精度。因此,方案是比較合理且可行的，所以選用第一套方安。
1.3.3 選擇加工設備及刀具，夾具，量具
該工件的生產(chǎn)綱領(lǐng)為3000—5000件/年，作為年產(chǎn)量為5000件，除去休息日一年中的工作時間約為200天，那么一天產(chǎn)量為5000/200＝258件，屬于大批量生產(chǎn)。故加工設備易以通用機床為主，加工刀具也以通用設備為主工件在各機床上的裝卸及各機床間的傳送均由人工完成。
下面分析各個主要工序中選用的加工設備及刀具，夾具，量具
1、銑表面,作為本工藝方案的第一道序,考慮到工件的定位夾緊方案及夾具結(jié)構(gòu)設計等問題采用立式銑床選擇X5032式銑床，選擇d=80mm的立銑刀,采用專用夾具和游標卡尺,參考《金屬切削手冊》。
2、銑兩側(cè)面,兩側(cè)面的表面粗糙度為Ra=1.6,且有公差要求,同時也是本工件中的一個重要表面與其它工件相配合,所以加工精度較高,我們采用X6132A式臥式銑床,選用兩把d=250mm的三面刃銑刀裝在同一把刀桿上,對兩側(cè)面同時加工,而且采用設計專用夾具和用長度量規(guī)來進行測量。
3、鏜ф55孔和ф58槽,此孔在鑄造時已預鑄出,且工件的尺寸為ф55N6,與其他工件配合時為小過盈,是支架與其它工件配合的另一個重要表面。Ra=1.6為6級精度,加工精度很高,我們在此道序中首先采用臥式鏜床T611進行加工,同時留出磨削余量,采用專用夾具塞規(guī)進行測量。
4、銑底面槽,本道工序需要保證兩側(cè)面中心線之間尺寸以及與側(cè)面之間等尺寸，是支架與其它工件安裝時的一個較重要部分。Ra=3.2，采用立式銑床X5032，選用D=8mm的高速鋼立銑刀，采用專用夾具和游標卡尺來測量。
5、鉆、攻絲4—M6螺紋孔，加工精度一般，且均勻分布，采用搖臂鉆床Z35，選用直徑d=4.9mm的椎柄麻花鉆，在鉆床上攻絲，采用M6機用絲錐、專用夾具、螺紋量規(guī)、游標卡尺。
6、鉆、攻絲4—M12螺紋孔，加工精度一般，且均勻分布，采用搖臂鉆床Z35，選用直徑d=10.1mm的椎柄麻花鉆，在鉆床上攻絲，采用M12機用絲錐、專用夾具、螺紋量規(guī)、游標卡尺。
7、鉆、攻絲4—M10螺紋孔，加工精度一般，且均勻分布，采用搖臂鉆床Z35，選用直徑d=8.4mm的椎柄麻花鉆，在鉆床上攻絲，采用M10機用絲錐，專用夾具，螺紋量規(guī)，游標卡尺。
8、磨ф55孔，作為光整平面，本工序的加工余量小，采用內(nèi)圓磨床M2110A，加工精度可達到6級，滿足加工精度要求，采用專用夾具，磨削工具為砂輪，量具為光滑極限量規(guī)和百分表。
9、最終檢查，檢查尺寸、位置精度、磨削表面粗糙度、選擇游標卡尺螺紋量規(guī)和角度尺等
1.3.4 確定加工余量和表面的工序尺寸（兩側(cè)面，底面，ф55N6孔）
根據(jù)參考文獻《機械制圖手冊》第三版表5—6表5—8《金屬切削手冊》《實用機械加工工藝手冊》表3—9，3—10表4—7根據(jù)《機械加工工藝手冊》第一卷表3.2-2～3.2-48確定各主要工序的加工余量及偏差；由表4.1-9～4.1-29確定各主要工序的經(jīng)濟精度；由表4.2-4確定各種加工方法所能達到的表面粗糙度。
可確定各加工表面的加工余量，公差等級和加工方法所達到的表面粗糙度：
1、銑平面：
（1）粗銑底面 Ra = 6.3μm 加工余量2Z = 4mm IT=10級
半粗銑底面 Ra = 3.2μm 加工余量2Z =1mm IT=9級
（2）粗銑兩側(cè)面 Ra = 6.3μm 加工余量2Z = 6mm IT=10—9級
（3）半精銑兩側(cè)面 Ra = 3.2μm 加工余量2Z = 2mm IT=9—8級
（4）精銑兩側(cè)面 Ra = 1.6μm 加工余量2Z = 1mm IT=8—7級
2、鏜孔：
粗鏜孔至ф52，Ra = 6.3μm 加工余量2Z = 5mm IT=10—9級
半粗鏜孔至ф54，Ra = 3.2μm 加工余量2Z =3mm IT=9—8級
精鏜孔至ф54.8，Ra = 1.6μm 加工余量2Z = 2.8mm IT=8—7級
鏜槽至ф58，Ra =6.3μm 加工余量2Z = 3.2mm IT=10—9級
3、底面槽（銑兩次）
第一次 Ra=6.3μm 加工余量Z=15mm IT=10級
第二次 Ra=3.2μm 加工余量Z=15mm IT=9級
4、鉆攻螺紋孔
（1）鉆攻4—M6螺紋孔 Ra=6.3μm 加工余量Z=15mm IT=11級
（2）鉆攻4—M12螺紋孔 Ra=6.3μm 加工余量Z=28mm IT=11級
（3）鉆攻M10螺紋孔 Ra=6.3μm 加工余量Z=10mm IT=11級
5、磨內(nèi)孔
磨削內(nèi)孔至ф55N6，Ra=1.6—0.8μm 加工余量2Z=0.2mm IT=6級
1.3.5 加工工序設計
1 粗銑底面，半精銑底面
（1）選擇刀具
鑲齒套式面銑刀 d = 80mm Z = 10 參照《金屬切削手冊》第二版
（2）確定切削用量
由于表面粗糙度為3.2，我們采用粗半精加工 經(jīng)查表可知，單邊余量為5mm，這里取粗銑加工余量為4mm
確定切削深度 可走刀一次完成 粗銑= 4mm 半精銑= 1mm
確定進給量f 粗銑fz = 0.5r/min 半精銑fz = 0.4r/min
參照《金屬切削手冊》第二版 表9—12
（3）確定切削速度Vc
由《金屬切削手冊》第二版表9—14可知 粗銑時Vc = 16m/min
半精銑時Vc = 20m/min
由公式 （1.1）
則n粗銑 = 1000Vc粗/πd = 68r/min
由《機械加工工藝手冊》表4—16—1可知
標準轉(zhuǎn)數(shù)可取 n粗銑 = 75r/min
n半精銑 = 000Vc半精/πd = 80r/min
由《機械加工工藝手冊》 表4—16—1
可取n半精銑 = 95 r/min
（4）選擇銑刀壽命
根據(jù)《機械加工工藝手冊》第一卷表9.4—7
T = 120min
（5）銑削力功率計算
由《機械加工工藝手冊》 表3—25可知
（1.2）
— 銑削寬度
— 銑削力系數(shù)
— 每齒進給量
— 銑刀半徑
— 銑削深度
— 齒數(shù)
由表3—25可知 = 50 = 76 = 0.5 = 80 = 4 = 10
則 = 11007N
（6）校核機床功率（一般不校核粗加工工序）
由《機械加工工藝手冊》表3—25可知修正系數(shù)
則實際的圓周切削力應為Fz = 110071.057=11634.189N
銑削功率Pm為
Pm = FzV （1.3）
Pm = 3.1Rw
由《機械加工工藝手冊》第一卷表9.1—7得X5032的機床功率為9.09Kw，若取效率為0.85 則9.090.85 = 7.7265Kw > 3.1Kw 故機床功率足夠，同時X5032最高加工表面粗糙度可達= 1.6mm，則滿足加工要求。
（7）時間定額計算
機動時間 由《機械加工工藝手冊》 P248 可知
基本時間 （1.4）
fm = fzZn （1.5）
— 工作臺每分鐘進給量（mm/min）
z — 銑刀齒數(shù)
fz — 銑刀每齒進給量（mm/z）
n — 銑刀每分鐘轉(zhuǎn)數(shù) （r/min）
— 銑削深度
— 行程次數(shù)
— 水平進給量（mm/min）
當Kr主偏角=90o時，根據(jù)《機械加工工藝手冊》
（1.6）
=
Fm = fzZn
= 70
= 0.5（80-25）+1=28.5
= 2
i = 1
所以 粗銑 = 0.284min
半精銑 = 0.28
故此 基本時間=T粗銑+T半精銑 = 0.284min+0.28min = 0.564min
輔助時間：由 《機械加工工藝手冊》表7—29
可知：工作時裝上及取下零件所需輔助時間為0.47min
再由表7—30可知有關(guān)定程的輔助時間為
0.23+0.04+1.40 = 2.27min
2 銑兩側(cè)面
（1）選擇刀具
選用由前面可知的d = 250mm的三面刃銑刀對兩側(cè)面同時進行加工
參見《機械加工工藝人員手冊》
（2）選擇切削用量
經(jīng)查表可知，由于采用兩面同時加工，所以粗銑雙邊為4mm，半精銑雙邊為1mm，精銑雙邊為0.5mm
參見《金屬切削手冊》
（3）確定每齒進給量f
粗銑f = 0.25mm/r，半精銑f = 0.15mm/r，精銑f = 0.07mm/r
參見《金屬切削手冊》表9—12
（4）選擇銑刀壽命
T = 120min
參見《機械加工工藝手冊》第一卷表9.4—7
（5）確定切削速度
V粗銑 = 16m/min
V粗銑 = 16m/min ，V半精銑 = 18m/min，V精銑 = 20m/min
參見《金屬切削手冊》表9—14
（6）切削力計算（此處只計算粗銑切削力）
（1.7）
其式中 — 切削寬度 取為80
— 切削力系數(shù) 取為50
— 每齒進給量
d — 銑刀外徑
— 銑削深度
— 齒數(shù)
由 《機械制造工藝設計手冊》表3—25可知：
= 30， = 80，af = 0.25， = 250， = 4， = 22
則F=778N，由于是雙邊切削則F=1556N
又由表3—25可知修正系數(shù)K = 1.057
則實際圓周切削力為F = 1644.5N
（7）切削功率
Pm = FzV = 0.44km
校驗機床功率：由 《機械制造工藝設計手冊》第二卷中X6132型銑床技術(shù)參數(shù)可知電動機總功率為P總=10kw>Pm，則機床功率足夠，滿足加工要求。
3 鏜ф55N6孔
（1）選擇刀具
由《刀具課程設計指導書》查得
鏜桿為Φ36200，刀頭為101036
由《機械加工工藝手冊》第二卷表11.2—17可知
選臥式鏜床T611，主軸轉(zhuǎn)速范圍為20—1000轉(zhuǎn)
（2）選擇切削用量
由 《機械制造工藝設計手冊》可知
V粗鏜 = 22m/min
V半精鏜 = 28m/min
V精鏜 = 28m/min
（3）選擇計算轉(zhuǎn)速
由公式（1.1）可得
n粗 = 1000V粗/πd = 149r/min
n半精 = 1000V半精/πd = 171r/min
n精 = 1000V精/πd = 383r/min
又由《機械制造工藝設計手冊》4.7—1選擇標準轉(zhuǎn)速分別為
n粗 = 160r/min
n半精 = 200r/min
n精 = 400r/min
4 磨ф55N6孔
（1）選擇磨具
根據(jù)加工條件，選擇代號為P的平行砂輪
由《機械加工工藝手冊》第二卷表13.2—18可知其外徑為35mm，厚度為3.2mm
（2）選擇磨削用量
合理選擇磨削用量，對磨削加工質(zhì)量生產(chǎn)率均有影響
①確定砂輪轉(zhuǎn)速Vs由公式（1.1）得
Vs = πdsns/1000
由《機械加工工藝手冊》第二卷表13—5
其中ds — 砂輪直徑mm
ns — 砂輪速度r/min
又由《機械加工工藝手冊》第二卷表13.4—16可知
Vs = 24m/s
ns = 1400r/min
②工件速度Vw與砂輪速度有關(guān)，其速度比公式為
q = Vs/Vw (1.8)
內(nèi)圓磨床q=40—80，取q=60，見《機械加工工藝手冊》第二卷表13—71
Vw = 0.4m/s
（3）縱向進給量
一般根據(jù)經(jīng)驗公式，縱向進給量公式
= （0.7—0.8）bs （1.9）
bs為砂輪寬度，bs取3.2
則 = 2.24mm
（1.10）
則 = 0.09m/min
（4）磨削深度
根據(jù)《實用機械加工工藝手冊》表3—94可知，
= 0.4mm
（5）切向磨削力F1，徑向磨削力F2
（1.11）
— 磨頭電動機實測輸出功率（取3.2）
— 電動機傳動效率（取0.98）
— 砂輪轉(zhuǎn)速r/s
— 砂輪直徑mm
= 2.2N
= 3
則 = 66N
參見《機械加工工藝手冊》第二卷表P13—6
（6）內(nèi)圓磨砂輪常用合理耐用度
T = 600（s）
參見《機械制造工藝設計手冊》表3—12
（7）校驗機床功率Pm
主運動所消耗的功率為
（1.12）
= 0.054kw
根據(jù)M211A型磨床的技術(shù)參數(shù)，
電動機總功率 P總 = 4.6kw，
參見《機械加工工藝手冊》，所以P總>Pm，因此磨削ф55N6孔時確定的磨削量可以采用。
2 機床夾具設計（工藝裝備設計）
2.1 機床夾具概論
2.1.1 機床夾具概念
在機械制造廠的生產(chǎn)過程中用來安裝工件使之固定在正確位置上，完成切削加工，檢驗，裝配，焊接等工作，所使用的工藝裝備稱為夾具。
2 1.2 工件的安裝
在機床上加工工作時，為了保證工件被加工表面的尺寸，幾何形狀及相互位置精度方面的要求，事先必須將工件正確的安裝到機床加工位置上去。工件安裝一般包括定位和夾緊兩個過程：即首先應使工件相對于機床及刀具占有一個正確位置，這就是工件的定位。然后將工件緊固在這一即定位置上，使之不受切削力重力離心力和慣性力作用而發(fā)生位置改變，這就是工件的夾緊。工件的安裝一般用兩種方式：直接在機床工作臺或通用夾具上安裝，采用專用夾具安裝。
2.1.3 機床夾具的功用
（1）保證產(chǎn)品加工精度，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量
（2）提高生產(chǎn)率，降低加工成本
（3）改善工人勞動條件
（4）擴大機床的工藝范圍
2.1.4 機床夾具的組成
機床夾具因被加工工件的加工表面不同或使用機床種類不同而用各種不同的結(jié)構(gòu)形式，但就機床夾具具體結(jié)構(gòu)而言，大致分為以下幾個部分：定位元件，夾緊裝置，導向?qū)Φ对B接元件，其它裝置和元件，夾具體。
2.2 夾具設計的基本要求
穩(wěn)定的保證工件的加工技術(shù)要求
提高機械加工的勞動生產(chǎn)率，降低工件成本
結(jié)構(gòu)簡單，便于制造和維修
操作安全方便
2.3 夾具設計方法和步驟
銑床夾具主要用于加工工件上的平面，凹槽，直線成型面和齒輪等。而一般的銑削過程都是銑床工作臺和夾具一起做進給運動的。根據(jù)進給方向的方向不同，通常將銑床夾具分為直線進給式，圓周進給式和靠模進給式，其中以直線進給式應用最多。銑床夾具的特點，銑削加工過程不是連續(xù)的加工，切削用量和切削力都較大，而且切削力大小和方向都是變化的，因而，切削過程中容易產(chǎn)生震動。所以，再設計銑床夾具時，要特別注意工件在夾具上的定位穩(wěn)定性和加緊的可靠性。整個夾具要有足夠的剛性。為此，再設計和布置定位元件時，應盡量使支撐面大些，定位元件的兩個支撐之間要盡量的遠些。再設計加緊裝置時，為防止工件在加工過程中因震動而松動，夾進裝置要有足夠的夾緊力和自鎖能力。為了提高銑床夾具的剛性，再確保夾具有足夠的排屑空間的前提下，要盡量降低夾具的高度；注意施力方向和作用點的位置。只有注意了這些才能很好的進行夾具的設計。
2.3.1 銑兩側(cè)面夾具設計
1 、研究原始資料，明確設計任務
由任務書可知，此零件生產(chǎn)綱領(lǐng)為3000—5000件/年，屬于大批量生產(chǎn)，從零件圖和工藝過程簡表上知，兩側(cè)面表面要求為Ra=1.6μm，且用公差要求，所以需要進行精加工，同時此表面是作為安裝配合表面，以上這些在夾具設計時都要注意，同時夾具設計時要注意到本道工序為兩把刀同時切削進給。
2 、 確定設計方案
由于該道工序并不是機械加工的第一道工序，是用以加工的表面做定位基準進行加工的，無須進行粗基準的選擇，其定位表面有較高的精度夾具設計必須遵循夾具設計結(jié)構(gòu)方案的原則，即：在確保加工質(zhì)量的前提下，結(jié)構(gòu)盡可能簡單操作省力高效安全，經(jīng)濟合理，并盡量采用標準元件，同時夾具的定位，導引，加緊裝置再夾具體上，成為一體，并準確的并能準確的。
在此前提下，要遵循以下兩點：
（1）保證各加工表面均有足夠的加工余量的前提下，保證主要表面的余量盡量均勻。
（2）保證定位，夾緊可靠，操作方便。
根據(jù)以上兩點，擬定方案如下：
銑兩側(cè)面，采用雙向同時銑削，有機床工作臺進給方向和所受切削力可知在方向不受限制，再這里首先采用底面大端面定位限制，，再用定位塊上的一個支撐釘限制了，同考慮到銑床夾具在銑削加工過程中所受力的特點配合定位塊同時限制了，，所以，實際實現(xiàn)了完全定位，定位方安滿足了零件的加工要求。具體定位夾緊方安請參看工序簡圖
圖 ２.１
3 、 確定設計定向和對刀裝置
（1）銑床夾具采用定向鍵把夾具體安放在機床上，一般采用兩個相距較遠的定向鍵，安裝在夾具體底部，通過與銑床工作臺的T行槽配合，使夾具上的定位元件的工作面相對銑床工作臺的進給方向有確定的位置關(guān)系。本夾具采用矩形定向鍵。
（2）對刀裝置的設置，對刀裝置是用來調(diào)整和確定銑刀相對夾具位置的。為了防止對刀時碰傷切削刃和對刀塊，一般在刀具和對刀塊之間塞一規(guī)定尺寸的塞規(guī)（3mm），根據(jù)接觸的松緊程度來確定刀具的最終位置，本夾具采用板裝對刀塊，安裝在支架上，對刀時將塞規(guī)靠在對刀塊上，用塞尺來校準銑刀的位置，而本道工序就是采用了在板裝對刀板上配合使用3mm的塞尺來對刀的，從而實現(xiàn)加工要求。
4 、夾緊力的計算
首先確定夾緊機構(gòu)和夾緊力的分析，由于工件不大，主要承受切削力，通過地面定位時，以承受其中很大部分切削力。采用手動裝置夾緊，同時遵循夾緊裝置的基本要求：加緊過程可靠，夾緊力的大小適宜，結(jié)構(gòu)性好，使用性好。同時根據(jù)夾緊力的作用點及方向的要求：夾緊力的方向應盡可能朝向主要限位面；夾緊力的作用點應施于工件鋼度好的方向和部位上；夾緊力的作用點應在定位支撐范圍內(nèi)以及夾緊力的作用點應靠近工件的加工表面。所以通過兩根螺栓和彈簧與夾板配合夾緊工件，同時在主要切削部位采用螺栓夾緊機構(gòu)，通過螺桿，在圓頭部位安裝平頭的壓塊來與壓板配合夾緊工件，夾緊方便可靠同時也滿足以上要求。
夾緊力計算
分析在本工序所有的銑削工序中，粗銑時，徑向切削力Py為最大
由《機床夾具設計手冊》查得夾緊件為螺釘時的夾緊力（螺桿端面為球面配合壓塊）
（2.1）
— 夾緊力N
— 原始作用力N（一般取80—100N）
— 作用力臂mm（一般取L≈14d0）
— 螺紋中徑（mm）
— 螺紋角度（一般取α=3°）
— 螺紋處摩擦角?。ㄒ话闳?20°）
— 螺紋端部與件的摩擦角
— 螺桿端部與工件（或壓角的當量摩擦半徑mm）
螺桿端部為球面時r1=0
又由《金屬機械加工工藝人員手冊》表9—27可知
β = 180°，f = 0.1
則W≈ 153N
當保證工件裝夾安全可靠，根據(jù)《機床夾具設計手冊》，將理論夾緊力乘以安全系數(shù)，考慮到切削力的變化程度和工藝系統(tǒng)變形等因素，一般取K=1.5 3，那么實際所須的夾緊力W實際=K*W=307N由于夾緊力為手動夾緊力提供，且夾緊力不大，工件也不大，通過以上計算所得夾緊力和手動夾緊力能夠滿足要求，故夾緊力適宜。
5 、 壓板處夾緊力
由《金屬切削機床夾具設計手冊》P326查得
W = PK1 （2.2）
K1 = L/L11/ （2.3）
— 各種摩擦損失的系數(shù)
由P328查得
L1/L = 0.2
= 0.9
K = 0.926
W = 0.926100 = 92N
則實際 W為184N
由于工件尺寸不大，且夾緊力不大，同時加工方法為銑削，主要承受軸向力，在安裝時夾具底面以承受部分切削力，因此本工件由手動方式提供夾緊力，通過計算，完全能夠滿足此夾緊力的要求，故夾緊力合適。
6 、 夾具體設計
夾具的結(jié)構(gòu)形式在很大程度上取決于定位裝置和夾緊裝置及其元件的結(jié)構(gòu)和布置。為使夾具結(jié)構(gòu)緊湊，保證夾具之機床上安裝穩(wěn)定，并使工件的加工表面盡可能靠近工作臺面，降低夾具重心，夾具體的高度比應限制在H/B≤1—1.25范圍內(nèi)。此外，還要設計耳座。同時由于工件形狀不復雜，且比較規(guī)則，夾緊選用夾緊，故選擇鑄造夾具體為主，底座設有兩個鉸鏈杠桿螺旋夾緊，用T型螺栓固定于工作臺上，在中間最遠距離處裝有兩個定向鍵，用以確定夾具和刀具的正確位置。
7 、 繪制夾具裝配總圖
此銑床夾具裝配總圖上將定位元件，支承，導向，對刀，夾緊元件，以及輔助支承，與夾具體的聯(lián)接表達清楚，裝配總圖中的定位襯套與夾具體采用過度配合，夾具裝置中一部分采用壓板通過鉸鏈杠桿夾緊，另一部分，采用螺旋夾緊，采用螺栓和螺釘與夾具體相連接，壓板采用螺栓和定位銷與鉸鏈杠桿連接通過螺釘與夾具連接。對刀快對稱放置，裝配調(diào)整的整體位置最后用螺釘緊定
8 、 標注尺寸和公差配合
定向鍵與T型槽配合H7/h6
定位銷與工件基準孔配合H7/h6
固定支承釘定位銷配合精度H7/n6
定位心軸的定位基面一般按h6制造
2.3.2 銑底面2—Ф12槽夾具設計
1 、 研究原始材料，明確設計任務
分析零件圖和工序圖，根據(jù)加工內(nèi)容以及銑床夾具的特點，初步確定夾具體的形狀，定位夾緊元件，以及定位方式。
2 、定位基準的選擇與定位元件的確定
由于工件一般不是直接放置在夾具體上的，而是放在定位元件上的，工件與定位元件直接接觸。因此，定位元件應滿足以下要求：
足夠的精度 由于工件的定位是通過定位副的接觸或配合實現(xiàn)的，定位元件限位基面的精度直接工件的定位精度，既直接影響工件的加工精度，因此，定位元件上的限位基面應有足夠的精度。耐磨性好 定位元件上的限位基面因與工件定位基面接觸容易磨損，為此要求限位基面要耐磨，以便長期使用保持定位精度。足夠的強度和剛度 再工件重力，加緊力和切削力等作用下，定位元件可能發(fā)生較大的變形，從而影響加工精度，或因強度不夠而損壞定位元件，為此，定位元件應有足夠的強度和剛度。對于承受教大的沖擊和外力的定位元件，一般應內(nèi)韌外硬。工藝性好 定位元件要有良好的工藝性，要容易制造，方便裝配，容易修理或更換。便于清除切削 定位元件上限位基面的形狀應有利于清除切屑，否則，會因切屑而影響定位精度，而且切屑還會損壞工件的定位基面。
再由工序簡圖可知，支架底面槽與側(cè)面有尺寸要求，同時又對稱布置在底面上，因此選取孔和側(cè)面組合定位，采用短銷大平面的定位心軸來定位，心軸與工件為間隙配合，限制了工件的 六點完全定位，增加夾緊的剛度，減少工件在加工時的沖擊，理論上可以不限制，為了避免由于剛度不夠使工件出現(xiàn)斷裂，也滿足了工件的加工要求，采用六點完全定位。夾緊方安如圖所示
圖２.２
3 、 對定裝置的選擇
在進行機床夾具總體設計時，還要考慮夾具在機床上的定位和固定，才能保證夾具（含工件）相對于機床主軸（或刀具）機床運動導軌由準確的位置和方向。夾具在機床上的定位有兩種基本方式，一種是安裝在機床工作臺上，如銑床刨床和鏜床夾具，另一種是安裝在機床主軸上，如車床夾具。
銑床類夾具，夾具體底面是夾具的主要基準面，要求底面經(jīng)過比較精密加工，夾具的各定位元件相對于此底平面應有較高的位置精度要求。為了保證夾具具有相對切削運動的準確的方向，夾具體底平面的對稱中心線上開有定向鍵槽，安裝上兩個定向鍵，家具靠著兩個定向鍵定位在工作臺面中心線上的T形槽內(nèi)，采用良好配合，一般選為H7/h6，再用T形槽螺釘固定夾具。
4 、夾緊裝置的確定和選擇
本道序加工為采用立式銑刀加工槽，工件主要承受軸向銑削力，同時由銑床夾具結(jié)構(gòu)特點可知，在設計夾緊機構(gòu)時，我們綜合考慮了加緊力以及加緊方式的合理性以及夾具設計的要求，同時為了防止工件在加工過程中因振動而松動，夾緊裝置要有足夠的夾緊力和自鎖能力，所以選則基本的加緊機構(gòu)圓偏心機構(gòu)。采用偏心的擴力和自鎖性能實現(xiàn)夾緊作用的機構(gòu)，它具有夾緊動作迅速操作方便的特點，同時配以螺栓和夾緊螺釘輔助夾緊。
由于采用圓偏心夾緊機構(gòu)，則圓偏心夾緊力
由《金屬切削機床夾具設計手冊》查得圓偏心夾緊機構(gòu)的加緊力為
（2.4）
L — 手柄的長度（mm）
Q — 作用于手柄上的力（取80—100）
— 回轉(zhuǎn)中心距夾緊點的距離，即回轉(zhuǎn)半徑（mm）
— 偏心輪上夾緊角的升角
— 偏心輪對夾緊表面的摩擦角，通常取=8°30ˊ（此時tan=0.15）
—偏心輪對回轉(zhuǎn)軸的摩擦角，通常取=5°43ˊ（此時tan=0.15）
5 、 夾具體結(jié)構(gòu)的擬定
夾具的結(jié)構(gòu)形式在很大程度上取決于定位裝置和夾緊裝置及其元件的結(jié)構(gòu)和布置。為使夾具結(jié)構(gòu)緊湊，保證夾具之機床上安裝穩(wěn)定，并使工件的加工表面盡可能靠近工作臺面，降低夾具重心，夾具體的高度比應限制在H/B≤1—1.25范圍內(nèi)。此外，還要設計耳座。同時由于工件形狀不復雜，且比較規(guī)則，夾緊選用夾緊，故選擇鑄造夾具體為主，在中間最遠距離處裝有兩個定向鍵，用以確定夾具和刀具的正確位置。
6、繪制夾具裝配總圖
此銑床夾具裝配總圖上將定位元件，支承，導向，對刀，夾緊元件，以及輔助支承，與夾具體的聯(lián)接表達清楚，裝配總圖中的定位襯套與夾具體采用過度配合，本道夾具中首先采用定位心軸定位采用螺母夾緊，同時采用偏心夾緊機構(gòu)通過壓板來夾緊工件，對刀塊對稱放置，裝配調(diào)整的整體位置最后用螺釘緊定
7、 標注尺寸和公差配合
定向鍵與T型槽配合H7/h6
定位銷與工件基準孔配合H7/h6
固定支承釘定位銷配合精度H7/n6
定位心軸的定位基面一般按h6制造
3 量具的設計
檢查零件是否合格，必須通過檢驗和測量才能判斷，測量時測出工件的尺寸和角度登記和量值的大小。將測量結(jié)果與圖樣上的技術(shù)要求進行比對，從而判斷工件是否合格的過程叫做交檢驗。顯然，檢驗具有測量或計量和驗收的雙重意義。測量工件的尺寸，角度等幾何量所用的工具叫卓量具或計量器具。列如，測量長度的千分尺，測量水平位置和垂直位置使用的水平議等。量具按其用途結(jié)構(gòu)及用途，通常分為以下四種：
（1）基準量具 測量中用作票準量的量具，成為基準量具，如基準米尺，量塊，角度尺，90度角尺和線紋尺等
（2）通用量具 有刻度，能量出一定范圍內(nèi)孔幾何量的具體數(shù)值的量具為通用量具。如游標卡尺，游標量角器，內(nèi)外景千分尺，機械式量議，光學量儀，氣動和電動量儀等。
極限量規(guī) 極限量規(guī)是一種沒有刻度的，用來檢驗工件的尺寸，形狀和位置誤差的專用（3）檢驗工具 它不能測出工件具體的尺寸的大小，但可以確定工件的幾何形量是否在規(guī)定的公差的極限范圍之內(nèi)，從而判斷其是否合格。如光滑極限量規(guī)，位置量規(guī)，樣板量規(guī)，鍵槽量規(guī)，圓錐量規(guī)，羅紋量規(guī)和花鍵綜合量規(guī)等。
（4）檢驗夾具 檢驗夾具是在專門為測量工件上某一個參數(shù)或某些特定參數(shù)，用來提高檢驗效率而設計的專用檢驗工具。在大量合成批生產(chǎn)中用的較多。
在生產(chǎn)中，對光滑零件尺寸有兩種不同類型的檢驗方法，即光滑量規(guī)檢驗和用極限指示計或普通計量器具進行檢驗
為了保證零件的互換性，任何檢驗方法都必須驗收的基本原則——泰勒原則，即孔和軸的體外作用尺寸不允許超過最大實體尺寸，在任何位置上的實際尺寸不允許超過最小實體尺寸，因為量規(guī)是一種沒有刻度的量具，用它來檢驗工件時，只能確定工件的尺寸是否在極限范圍內(nèi)，不能側(cè)出工件的實際尺寸 ，又因為量規(guī)的結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，使用方便和能保證被檢驗，工件在裝配中的互換性，所以在成批生產(chǎn)中被廣泛使用。
3.1 量規(guī)的種類及其作用
我們要檢查φ55N6的孔是否合格，所以要設計檢查孔的工作量規(guī)（即塞規(guī)）要根據(jù)《互換性與測量技術(shù)》可知孔用工作量規(guī)為塞規(guī)分別為塞規(guī)和止規(guī)，檢驗工件時，只要通規(guī)能通過工件，止規(guī)不能通過工件，認為該工件合格
3.2 量規(guī)設計
由于我們要檢查φ55N6的孔，查《互換性與測量技術(shù)》由表7—9得 孔的公差等級為6級，公差值為0.019mm
ES=+0.019
EI=0
再由表7-9可知孔的工作量
3.1.1 通規(guī)（T）:
上偏差 EI+Z+T/2 = 0+3.4+1.4 = 4.8mm （3.1）
下偏差 EI+Z-T/2 = 0+3.4-1.4 = 2mm （3.2）
所以工作尺寸（毫米）φ55孔的上下偏差為φ55.0048，上偏差為0，下偏差為-0.0028
3.1.2 止規(guī)（Z）
上偏差： ES = 19μm （3.3）
下偏差： ES-T = 19-2.8 = 16.2μm （3.4）
所以φ55孔的上偏差為0.019，下偏差為+0.0162，即φ550.19的上偏差為0，下偏差為-0.0028（以上都按刀體原則標準）
量規(guī)圖樣標準尺寸
通規(guī) φ55.0048，上偏差為0，下偏差為-0.0028
止規(guī) φ550.19的上偏差為0，下偏差為-0.0028
根據(jù)表7-11可知IT6級孔用量規(guī)，其基本尺寸<120mm表面粗糙度Ra的值為0.04mm
3.3 量規(guī)的技術(shù)要求
量規(guī)測量面的材料可用淬硬鋼（合金工具鋼，碳素工具鋼，滲碳鋼）或硬質(zhì)合金等材料制造，也可在測量面上鍍上厚度大于磨損量的鍍鉻層，炭化層等耐磨材料。
結(jié) 論
通過這次畢業(yè)設計，我覺得自己在很多方面都得到了很大的提高：
1．我首先更深刻地鞏固了AUTOCAD，對于計算機的使用更加熟練。
2．這次設計提高了自己的實踐和理論水平。通過設計，查閱了各種資料，擴大了知識面，開闊了視野，是自己具有一定的獨立設計的能力，為以后的工作和學習都奠定了基礎(chǔ)。
3．我也從這次設計中培養(yǎng)了一種科學、嚴謹?shù)膶W習態(tài)度，養(yǎng)成了對待工作認真的態(tài)度，為順利走上工作崗位養(yǎng)成了良好的習慣。
綜上所述，畢業(yè)設計是我在校完成的最后一個課題，也是最后一次學習的機會，我會努力做好這次設計，證明自己的能力，結(jié)合所學到的各門知識，完善地完成本次設計任務，上好畢業(yè)的最后一門課！
致 謝
此次畢業(yè)設計是在宋書漢老師的悉心指導下完成的。此次畢業(yè)設計將近歷時一個學期。在這段時間里，在資料收集以及說明書編寫、圖紙繪制的過程中，宋書漢老師給予了細致而詳盡的指導，給予了我莫大的幫助。同時，宋書漢老師嚴格要求我們，對于在設計過程中出現(xiàn)的問題與錯誤，宋老師總是及時指出并予以指正，使我所學過的知識得到進一步洗練與鞏固。宋書漢老師嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度給了我很深的印象。在宋書漢老師的指導與幫助下，此次畢業(yè)設計最終圓滿完成，在此向宋書漢老師致以衷心的感謝！
另外，在設計過程中也得到了很多同學的幫助，在此也一并向他們表示感謝！
參 考 文 獻
［1］ 孟少農(nóng)主編.《機械加工工藝手冊》.第1卷、第2卷、第3卷.機械工業(yè)出版社.1991；
［2］ 陳宏鈞主編.《實用機械加工工藝手冊》.機械工業(yè)出版社.1997；
［3］ 金屬機械加工工藝人員手冊修訂組. 《金屬機械加工工藝人員手冊》. 上海科學技術(shù)出版社.1982；
［4］ 上海市金屬切削技術(shù)協(xié)會編.《金屬切削手冊》（第3版）. 上海科學技術(shù) 出版社.2001；
［5］ 艾興、肖詩綱主編.《切削用量簡明手冊》. 機械工業(yè)出版社.1994；
［6］ 中國第一汽車集團公司編寫組編.《機械工程材料手冊——金屬材料》（第5版）.機械工業(yè)出版社.1998；
［7］ 徐發(fā)仁主編.《機床夾具設計》.重慶大學出版社.1993；
［8］ 王啟平主編.《機床夾具設計》.哈爾濱工業(yè)大學出版社.1996；
［9］ 李儒荀主編.《刀具設計原理與計算》.江蘇科學技術(shù)出版社.1985；
附錄A
英文原文
HEAT TREATMENT OF METAL
Annealing
The word anneal has been used before to describe heat-treating processes for softening and regaining ductility in connection with cold working of material. It has a similar meaning when used in connection with the heat treating of allotropic materials. The purpose of full annealing is o decrease hardness, increase ductility, and sometimes improve machinability of high carbon steels that might otherwise be difficult to cut. The treatment is also used to relieve stresses,refine grain size, and promote uniformity of structure throughout the material.
Machinability is not always improved by annealing. The word machinability is used to describe several interrelated factors, including the ability of a material to be cut with a good surface finish. Plain low carbon steels, when fully annealed, are soft and relatively weak , offering little resistance to cutting, but udually having sufficient ductility and toughness that acut chip tends to pull and tear the surface from which it is removed, leaving a comparatively poor quality surface, which results in a poor machinability rating.1 For such steels annealing may not be the most suitable treatment. The machinability of many of the higher plain carbon and most of the alloy steels can usually be greatly improyed by annealing, as they are often too hard and strong to be easily cut at any but their softest condition.2
The procedure for annealing hypoeutectoid steel is to heat slowly to approximately 60 above the Ac3 line,3 °°to soak for a long enough period that the temperature equalizes throughout the material and homogeneous austenite is formed, and then to allow the steel to cool very slowly by cooling it in the fumace or burying it in lime ot some other insulating material. The slow cooling is easential to the precipitation of the maximum ferrite and the coarsest pearlite to place the steel in its softest, most ductile, and least strained condition.
Normalizing
The purpose of normalizing is somewhat similar to that of annealing with the exceptions that the steel is not reduced to its softest condition and the pearlite is left rath