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編號(hào)：
采用遺傳算法優(yōu)化加工夾具定位和加緊位置
Necmettin Kaya*
Department of Mechanical Engineering, Uludag University, Go¨ru¨kle, Bursa 16059, Turkey Received 8 July 2004; accepted 26 May 2005
Available online 6 September 2005
摘 要
工件變形的問(wèn)題可能導(dǎo)致機(jī)械加工中的空間問(wèn)題。支撐和定位器是用于減少工件彈性變形引起的誤差。支撐、定位器的優(yōu)化和夾具定位是最大限度的減少幾何在工件加工中的誤差的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。本文應(yīng)用夾具布局優(yōu)化遺傳算法（GAs）來(lái)處理夾具布局優(yōu)化問(wèn)題。遺傳算法的方法是基于一種通過(guò)整合有限的運(yùn)行于批處理模式的每一代的目標(biāo)函數(shù)值的元素代碼的方法，用于來(lái)優(yōu)化夾具布局。給出的個(gè)案研究說(shuō)明已開(kāi)發(fā)的方法的應(yīng)用。采用染色體文庫(kù)方法減少整體解決問(wèn)題的時(shí)間。已開(kāi)發(fā)的遺傳算法保持跟蹤先前的分析設(shè)計(jì)，因此先前的分析功能評(píng)價(jià)的數(shù)量降低大約93%。結(jié)果表明，該方法的夾具布局優(yōu)化問(wèn)題是多模式的問(wèn)題。優(yōu)化設(shè)計(jì)之間沒(méi)有任何明顯的相似之處，雖然它們提供非常相似的表現(xiàn)。
關(guān)鍵詞：夾具設(shè)計(jì)；遺傳算法；優(yōu)化
1. 引言
夾具用來(lái)定位和束縛機(jī)械操作中的工件，減少由于對(duì)確保機(jī)械操作準(zhǔn)確性的夾緊方案和切削力造成的工件和夾具的變形。傳統(tǒng)上，加工夾具是通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)法來(lái)設(shè)計(jì)和制造的，這是一個(gè)既造價(jià)高又耗時(shí)的制造過(guò)程。為確保工件按規(guī)定尺寸和公差來(lái)制造，工件必須給予適當(dāng)?shù)亩ㄎ缓蛫A緊以確保有必要開(kāi)發(fā)工具來(lái)消除高造價(jià)和耗時(shí)的反復(fù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。適當(dāng)?shù)墓ぜㄎ缓蛫A具設(shè)計(jì)對(duì)于產(chǎn)品質(zhì)量的精密度、準(zhǔn)確度和機(jī)制件的完飾是至關(guān)重要的。
從理論上說(shuō)，3-2-1定位原則對(duì)于定位所有的棱柱形零件是很令人滿意的。該方法具有最大的剛性與最少量的夾具元件。從動(dòng)力學(xué)觀點(diǎn)來(lái)看定位零件意味著限制了自由移動(dòng)物體的六自由度（三個(gè)平動(dòng)自由度和三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度）。在零件下部設(shè)置三個(gè)支撐來(lái)建立工件在垂直軸方向的定位。在兩個(gè)外圍邊緣放置定位器旨在建立工件在水平x軸和y軸的定位。正確定位夾具的工件對(duì)于制造過(guò)程的全面準(zhǔn)確性和重復(fù)性是至關(guān)重要的。定位器應(yīng)該盡可能的遠(yuǎn)距離的分開(kāi)放置并且應(yīng)該放在任何可能的加工面上。放置的支撐器通常用來(lái)包圍工件的重力中心并且盡可能的將其分開(kāi)放置以維持其穩(wěn)定性。夾具夾子的首要任務(wù)是固定夾具以抵抗定位器和支撐器。不應(yīng)該要求夾子反抗加工操作中的切削力。
對(duì)于給定數(shù)量的夾具元件，加工夾具合成的問(wèn)題是尋找?jiàn)A具優(yōu)化布局或工件周圍夾具元件的位置。本篇文章提出一種優(yōu)化夾具布局遺傳算法。優(yōu)化目標(biāo)是研究一個(gè)二維夾具布局使工件不同位置上最大的彈性變形最小化。ANSYS程序以用于計(jì)算工件變形情況下夾緊力和切削力。本文給出兩個(gè)實(shí)例來(lái)說(shuō)明給出的方法。
2. 回顧相關(guān)工程結(jié)構(gòu)
最近幾年夾具設(shè)計(jì)問(wèn)題受到越來(lái)越多的重視。然而，很少有注意力集中于優(yōu)化夾具布局設(shè)計(jì)。Menassa和Devries用FEA計(jì)算變形量使設(shè)計(jì)準(zhǔn)則要求的位點(diǎn)的工件變形最小化。設(shè)計(jì)問(wèn)題是確定支撐器位置。Meyer和Liou提出一個(gè)方法就是使用線性編程技術(shù)合成動(dòng)態(tài)編程條件中的夾具。給出了使夾緊力和定位力最小化的解決方案。Li和Melkote用非線性規(guī)劃方法解決布局優(yōu)化問(wèn)題。這個(gè)方法使工件位置誤差最小化歸于工件的局部彈性變形。Roy和Liao開(kāi)發(fā)出一種啟發(fā)式方法來(lái)計(jì)劃最好的支撐和夾緊位置。Tao等人提出一個(gè)幾何推理的方法來(lái)確定最優(yōu)夾緊點(diǎn)和任意形狀工件的夾緊順序。Liao和Hu提出一種夾具結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)這個(gè)系統(tǒng)基于動(dòng)態(tài)模型分析受限于時(shí)變加工負(fù)載的夾具—工件系統(tǒng)。本文也調(diào)查了夾緊位置的影響。Li和Melkote提出夾具布局和夾緊力最優(yōu)合成方法幫我們解釋加工過(guò)程中的工件動(dòng)力學(xué)。本文提出一個(gè)夾具布局和夾緊力優(yōu)化結(jié)合的程序。他們用接觸彈性建模方法解釋工件剛體動(dòng)力學(xué)在加工期間的影響。Amaral等人用ANSYS驗(yàn)證夾具設(shè)計(jì)的完整性。他們用3-2-1方法。ANSYS提出優(yōu)化分析。Tan等人通過(guò)力鎖合、優(yōu)化與有限建模方法描述了建模、優(yōu)化夾具的分析與驗(yàn)證。
以上大部分的研究使用線性和非線性編程方式這通常不會(huì)給出全局最優(yōu)解決方案。所有的夾具布局優(yōu)化程序開(kāi)始于一個(gè)初始可行布局。這些方法給出的解決方案在很大程度上取決于初始夾具布局。他們沒(méi)有考慮到工件夾具布局優(yōu)化對(duì)整體的變形。
GAs已被證明在解決工程中優(yōu)化問(wèn)題是有用的。夾具設(shè)計(jì)具有巨大的解決空間并需要搜索工具找到最好的設(shè)計(jì)。一些研究人員曾使用GAs解決夾具設(shè)計(jì)及夾具布局問(wèn)題。Kumar等人用GAs和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)夾具。Marcelin已經(jīng)將GAs用于支撐位置的優(yōu)化。Vallapuzha等人提出基于優(yōu)化方法的GA，它采用空間坐標(biāo)來(lái)表示夾具元件的位置。夾具布局優(yōu)化程序設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)是使用MATLAB和遺傳算法工具箱。HYPERMESH和MSC / NASTRAN用于FE模型。Vallapuzha等人提出一些結(jié)果關(guān)于一個(gè)廣泛調(diào)查不同優(yōu)化方法的相對(duì)有效性。他們的研究表明連續(xù)遺傳算法提出了最優(yōu)質(zhì)的解決方案。Li和Shiu使用遺傳算法確定了夾具設(shè)計(jì)最優(yōu)配置的金屬片。MSC/NASTRAN已經(jīng)用于適應(yīng)度值評(píng)價(jià)。Liao提出自動(dòng)選擇最佳夾子和夾鉗的數(shù)目以及它們?cè)诮饘倨系膴A具中的最優(yōu)位置。Krishnakumar和Melkote開(kāi)發(fā)了一種夾具布局優(yōu)化技術(shù)，它是利用遺傳算法找到了夾具布局，由于整個(gè)刀具路徑中的夾緊力和加工力使加工表面變形量最小化。通過(guò)節(jié)點(diǎn)編號(hào)使定位器和夾具位置特殊化。一個(gè)內(nèi)置的有限元求解器研制成功。
一些研究沒(méi)考慮到整個(gè)刀具路徑的優(yōu)化布局以及磨屑清除。一些研究采用節(jié)點(diǎn)編號(hào)作為設(shè)計(jì)參數(shù)。
在本研究中，開(kāi)發(fā)GA工具用于尋找在二維工件中的最優(yōu)定位器和夾緊位置。使用參考邊緣的距離作為設(shè)計(jì)參數(shù)而不是用FEA節(jié)點(diǎn)編號(hào)。真正編碼遺傳算法的染色體的健康指數(shù)是從FEA結(jié)果中獲得的。ANSSYS用于FEA計(jì)算。用染色體文庫(kù)的方法是為了減少解決問(wèn)題的時(shí)間。用兩個(gè)問(wèn)題測(cè)試已開(kāi)發(fā)的遺傳算法工具。給出的兩個(gè)實(shí)例說(shuō)明了這個(gè)開(kāi)發(fā)的方法。本論文的主要貢獻(xiàn)可以概括為以下幾個(gè)方面：
(1)開(kāi)發(fā)了遺傳算法編碼結(jié)合商業(yè)有限元素求解；
(2)遺傳算法采用染色體文庫(kù)以降低計(jì)算時(shí)間；
(3)使用真正的設(shè)計(jì)參數(shù)，而不是有限元節(jié)點(diǎn)數(shù)字；
(4)當(dāng)工具在工件中移動(dòng)時(shí)考慮磨屑清除工具。
3. 遺傳算法概念
遺傳算法最初由John Holland開(kāi)發(fā)。Goldberg出版了一本書(shū)，解釋了這個(gè)理論和遺傳算法應(yīng)用實(shí)例的詳細(xì)說(shuō)明。遺傳算法是一種隨機(jī)搜索方法，它模擬一些自然演化的機(jī)制。該算法用于種群設(shè)計(jì)。種群從一代到另一代演化，通過(guò)自然選擇逐漸提高了適應(yīng)環(huán)境的能力，更健康的個(gè)體有更好的機(jī)會(huì)，將他們的特征傳給后代。
該算法中，要基于為每個(gè)設(shè)計(jì)計(jì)算適合性，所以人工選擇取代自然環(huán)境選擇。適應(yīng)度值這個(gè)詞用來(lái)指明染色體生存幾率，它在本質(zhì)上是該優(yōu)化問(wèn)題的目標(biāo)函數(shù)。生物定義的特征染色體用代表設(shè)計(jì)變量的字符串中的數(shù)值代替。
被公認(rèn)的遺傳算法與傳統(tǒng)的梯度基礎(chǔ)優(yōu)化技術(shù)的不同主要有如下四種方式：
(1)遺傳算法和問(wèn)題中的一種編碼的設(shè)計(jì)變量和參數(shù)一起工作而不是實(shí)際參數(shù)本身。
(2)遺傳算法使用種群—類型研究。評(píng)價(jià)在每個(gè)重復(fù)中的許多不同的設(shè)計(jì)要點(diǎn)而不是一個(gè)點(diǎn)順序移動(dòng)到下一個(gè)。
(3)遺傳算法僅僅需要一個(gè)適當(dāng)?shù)幕蚰繕?biāo)函數(shù)值。沒(méi)有衍生品或梯度是必要的。
(4)遺傳算法以用概率轉(zhuǎn)換規(guī)則來(lái)發(fā)現(xiàn)新設(shè)計(jì)為探索點(diǎn)而不是利用基于梯度信息的確定性規(guī)則來(lái)找到這些新觀點(diǎn)。
4. 方法
4.1 夾具定位原則
加工過(guò)程中，用夾具來(lái)保持工件處于一個(gè)穩(wěn)定的操作位置。對(duì)于夾具最重要的標(biāo)準(zhǔn)是工件位置精確度和工件變形。一個(gè)良好的夾具設(shè)計(jì)使工件幾何和加工精度誤差最小化。另一個(gè)夾具設(shè)計(jì)的要求是夾具必須限制工件的變形?？紤]切削力以及夾緊力是很重要的。沒(méi)有足夠的夾具支撐，加工操作就不符合設(shè)計(jì)公差。有限元分析在解決這其中的一些問(wèn)題時(shí)是一種很有力的工具。
棱柱形零件常見(jiàn)的定位方法是3-2-1方法。該方法具有最大剛體度以及最小夾具元件數(shù)。在三維中一個(gè)工件可能會(huì)通過(guò)六自由度定位方法快速定位為了限制工件的九個(gè)自由度。其他的三個(gè)自由度通過(guò)夾具元件消除了?；?-2-1定位原理的二位工件布局的例子如圖4。
圖4 3-2-1對(duì)二維棱柱工件定位布局
定位面得數(shù)量不得超過(guò)兩個(gè)避免冗余的位置?；?-2-1的夾具設(shè)計(jì)原則有兩種精確的定位平面包含于兩個(gè)或一個(gè)定位器。因此，在兩邊有最大的夾緊力抵抗每個(gè)定位平面。夾緊力總是指向定位器為了推動(dòng)工件接觸到所有的定位器。定位點(diǎn)對(duì)面應(yīng)定位夾緊點(diǎn)防止工件由于夾緊力而扭曲。因?yàn)榧庸ちρ刂庸っ妫杂斜匾_保定位器的反應(yīng)力在所有時(shí)間內(nèi)是正的。任何負(fù)面的反應(yīng)力表示工件從夾具元件中脫離。換句話說(shuō)，當(dāng)反應(yīng)力是負(fù)的時(shí)候，工件和夾具元件之間接觸或分離的損失可能發(fā)生。定位器內(nèi)正的反應(yīng)力確保工件從切削開(kāi)始到結(jié)束都能接觸到所有的定位器。夾緊力應(yīng)該充分束縛和定位工件且不導(dǎo)致工件的變形或損壞。本文不考慮夾緊力的優(yōu)化。
4.2 基于夾具布局優(yōu)化方法的遺傳算法
在實(shí)際設(shè)計(jì)問(wèn)題中，設(shè)計(jì)參數(shù)的數(shù)量可能很大并且它們對(duì)目標(biāo)函數(shù)的影響會(huì)是非常復(fù)雜的。目標(biāo)函數(shù)曲線必須是光滑的并且需要一個(gè)程序計(jì)算梯度。遺傳算法在理念上遠(yuǎn)不同于其他的探究方法，它們包括傳統(tǒng)的優(yōu)化方法和其他隨機(jī)方法。通過(guò)運(yùn)用遺傳算法來(lái)對(duì)夾具優(yōu)化布局，可以獲得一個(gè)或一組最優(yōu)的解決方案。
本項(xiàng)研究中，最優(yōu)定位器和夾具定位使用遺傳算法確定。它們是理想的適合夾具布局優(yōu)化問(wèn)題的方法因?yàn)闆](méi)有直接分析的關(guān)系存在于加工誤差和夾具布局中。因?yàn)檫z傳算法僅僅為一個(gè)特別的夾具布局處理設(shè)計(jì)變量和目標(biāo)函數(shù)值，所以不需要梯度或輔助信息。
建議方案流程圖如圖5。
使用開(kāi)發(fā)的命名為GenFix的Delphi語(yǔ)言軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)夾具布局優(yōu)化。位移量用ANSYS軟件計(jì)算。通過(guò)WinExec功能在GenFix中運(yùn)行ANSYS很簡(jiǎn)單。GenFix和ANSYS之間相互作用通過(guò)四部實(shí)現(xiàn)：
(1)定位器和夾具位置從二進(jìn)制代碼字符串中提取作為真正的參數(shù)。
(2)這些參數(shù)和ANSYS輸入批處理文件（建模、解決方案和后置處理）用WinExec功能傳給ANSYS。
(3)解決后將位移值寫(xiě)成一個(gè)文本文件。
(4)GenFix讀這個(gè)文件并為當(dāng)前定位器和夾緊位置計(jì)算適應(yīng)度值。
為了減少計(jì)算量，染色體與適應(yīng)度值儲(chǔ)存在一個(gè)文庫(kù)里以備進(jìn)一步評(píng)估。GenFix首先檢查是否當(dāng)前的染色體的適應(yīng)度值已經(jīng)在之前被計(jì)算過(guò)。如果沒(méi)有，定位器位置被送到ANSYS，否則從文庫(kù)中取走適應(yīng)度值。在初始種群產(chǎn)生過(guò)程中，檢查每一個(gè)染色體可行與否。如果違反了這個(gè)原則，它就會(huì)出局然后新的染色體就產(chǎn)生了。這個(gè)程序創(chuàng)造了可行的初始種群。這保證了初始種群的每個(gè)染色體在夾緊力和切削力作用下工件的穩(wěn)定性。用兩個(gè)測(cè)試用例來(lái)驗(yàn)證提到的遺傳算法計(jì)劃。第一個(gè)實(shí)例是使用Himmelblau功能。在第二個(gè)測(cè)試用例中，遺傳算法計(jì)劃用來(lái)優(yōu)化均布載荷作用下梁的支撐位置。
圖5 設(shè)計(jì)方法的流程與ANSYS相配合流程
5. 夾具布局優(yōu)化的個(gè)案研究
該夾具布局優(yōu)化問(wèn)題的定義是：找到定位器和夾子的位置以使在特定區(qū)工件變形降到最小程度。那么多的定位器和夾子并不是設(shè)計(jì)參數(shù)因?yàn)樗鼈冊(cè)?-2-1方案中是已知的和固定的。因此，設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇如同定位器和夾子的位置。本研究中不考慮摩擦力。兩個(gè)實(shí)例研究來(lái)說(shuō)明以提出的方法。
6. 結(jié)論
本文提出了一個(gè)夾具布局優(yōu)化的評(píng)價(jià)優(yōu)化技術(shù)。ANSYS用于FE計(jì)算適應(yīng)度值?？梢钥吹剑z傳算法和FE方法的結(jié)合對(duì)當(dāng)今此類問(wèn)題似乎是一種強(qiáng)大的方法。遺傳算法特別適合應(yīng)用于解決那些在目標(biāo)函數(shù)和設(shè)計(jì)變量之間不存在一個(gè)定義明確的數(shù)學(xué)關(guān)系的問(wèn)題。結(jié)果證明遺傳算法在夾具布局優(yōu)化問(wèn)題方面的成功應(yīng)用。本項(xiàng)研究中，遺傳算法在夾具布局優(yōu)化應(yīng)用中的主要困難是較高的計(jì)算成本。種群中每個(gè)染色體需要工件的重嚙合。但是，染色體庫(kù)的使用，F(xiàn)E評(píng)價(jià)的數(shù)量從6000下降到415。這就導(dǎo)致了巨大的增益計(jì)算效益。其他減少處理時(shí)間的方法是在局域網(wǎng)內(nèi)使用分布式計(jì)算。
該方法結(jié)果表明，夾具布局優(yōu)化問(wèn)題是多模態(tài)問(wèn)題。優(yōu)化設(shè)計(jì)之間沒(méi)有任何明顯的相似之處盡管他們提供非常相似的表現(xiàn)。結(jié)果表明夾具布局問(wèn)題是多模態(tài)問(wèn)題然而用于夾具設(shè)計(jì)的啟發(fā)式規(guī)則應(yīng)該用于遺傳算法來(lái)選擇最優(yōu)的設(shè)計(jì)。
目 錄
序 言 1
第1章 剎車支架分析 2
1.1 剎車支架的作用 2
1.2 剎車支架分析 2
第2章 工藝規(guī)程的設(shè)計(jì) 3
2.1 確定毛坯的的制造形式 3
2.2 基準(zhǔn)的選擇 3
2.2.1 粗基準(zhǔn)的的選擇 3
2.2.2 精基準(zhǔn)的選擇 3
2.3 制訂工藝路線 4
2.4 機(jī)械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的確定 4
2.5 確定切削用量及基本工時(shí) 5
第3章 專用夾具的設(shè)計(jì) 14
3.1問(wèn)題提出 14
3.2 定位基準(zhǔn)的選擇 14
3.3 定位分析 14
3.4切削力和夾緊力的計(jì)算 14
3.5夾具設(shè)計(jì)及簡(jiǎn)要操作說(shuō)明 15
致 謝 16
參考文獻(xiàn) 17
序 言
機(jī)械制造工藝學(xué)課程設(shè)計(jì)是我們?cè)趯W(xué)校的最后一個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)。本次課程設(shè)計(jì)題目是產(chǎn)品（或工程）設(shè)計(jì)類題目。
我們這次課程設(shè)計(jì)題目，以曾經(jīng)在實(shí)習(xí)工廠實(shí)習(xí)所參觀的并以此設(shè)備為參考，結(jié)合所學(xué)機(jī)械的各方面的知識(shí)，在老師指導(dǎo)下，查閱了許多手冊(cè)，經(jīng)過(guò)不斷的改進(jìn)，最終設(shè)計(jì)出了此次機(jī)構(gòu)，從而避免了加工質(zhì)量差，生產(chǎn)效率低，設(shè)備昂貴的問(wèn)題。
在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，我們得到所學(xué)過(guò)的理論基礎(chǔ)，技術(shù)基礎(chǔ)，專業(yè)課全面的訓(xùn)練，為將來(lái)做好機(jī)械設(shè)計(jì)工程師的工作提供全面的鍛煉機(jī)會(huì)。
我此次課程設(shè)計(jì)的題目是剎車支架以Φ32后端面、Φ20后端面，鉆、攻B向面上的M6-7H螺紋工藝工裝設(shè)計(jì)，在指導(dǎo)老師的輔導(dǎo)下，對(duì)原有的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，從而可以減少勞動(dòng)強(qiáng)度，計(jì)算正確，零號(hào)圖紙，符合工作量的要求。
通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我在計(jì)算，制圖，機(jī)械原理，機(jī)械設(shè)計(jì)，機(jī)械制造工藝等方面的知識(shí)受到全面的綜合訓(xùn)練，并有所提高，在夾具設(shè)計(jì)方面受益匪淺。特別是張學(xué)偉老師在工作中對(duì)我耐心輔導(dǎo)，有時(shí)甚至錯(cuò)過(guò)了午飯時(shí)間。他對(duì)學(xué)生強(qiáng)烈的責(zé)任感和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，無(wú)不給我以深刻的影響。
就我個(gè)人而言，我希望能通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)對(duì)自己未來(lái)將從事的工作進(jìn)行一次適應(yīng)性的訓(xùn)練，希望在設(shè)計(jì)中能鍛煉自己分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，為自己今后參加實(shí)際工作打下一個(gè)良好的基礎(chǔ)。
由于類似的大型課題第一次接觸，經(jīng)驗(yàn)?zāi)芰Ψ矫娴那啡?，錯(cuò)誤之處一定存在，懇請(qǐng)各位老師給予批評(píng)指正。
第1章 剎車支架分析
1.1 剎車支架的作用
剎車支架的作用是用來(lái)支承工件。
1.2 剎車支架分析
剎車支架共有以下八組加工面，現(xiàn)分述如下：
1. 剎車支架7050端面，粗糙度Ra6.3
2. 剎車支架Φ32端面、Φ20端面；粗糙度均為Ra12.5
3. 剎車支架Φ14H9、Φ19H9孔
4. 剎車支架A向面，粗糙度Ra12.5
5. 剎車支架Φ14端面，粗糙度Ra12.5
6. 剎車支架兩個(gè)寬12的槽，粗糙度Ra25
7. 剎車支架M8-7H螺紋
8. 剎車支架M6-7H螺紋
第2章 工藝規(guī)程的設(shè)計(jì)
2.1 確定毛坯的的制造形式
剎車支架零件材料為 HT200，硬度選用175-255HBS，毛坯重約1Kg。生產(chǎn)類型為成批生產(chǎn)，根據(jù)《機(jī)械制造工藝設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明手冊(cè)》表1.3-1知，采用金屬型澆注。
2.2 基準(zhǔn)的選擇
2.2.1 粗基準(zhǔn)的的選擇
1.如果必須首先保證工件上加工表面與不加工表面 之間的位置要求，應(yīng)以不加工表面作為粗基準(zhǔn)。如果在工件上有很多不需加工的表面，則應(yīng)以其中與加工面位置精度要求較高的表面作粗基準(zhǔn)。
2.如果必須首先保證工件某重要表面的加工余量均勻，應(yīng)選擇該表面作精基準(zhǔn)。
3.如需保證各加工表面都有足夠的加工余量，應(yīng)選加工余量較小的表面作粗基準(zhǔn)。
4.選作粗基準(zhǔn)的表面應(yīng)平整，沒(méi)有澆口、冒口、飛邊等缺陷，以便定位可靠。
5.粗基準(zhǔn)一般只能使用一次，特別是主要定位基準(zhǔn)，以免產(chǎn)生較大的位置誤差。
根據(jù)粗基準(zhǔn)的選擇原則，選Ф20、Ф32端面作為粗基準(zhǔn)
2.2.2 精基準(zhǔn)的選擇
選擇精基準(zhǔn)時(shí)要考慮的主要問(wèn)題是如何保證設(shè)計(jì)技術(shù)要求的實(shí)現(xiàn)以及裝夾準(zhǔn)確、可靠、方便。
精基準(zhǔn)選擇應(yīng)當(dāng)滿足以下要求：
1.用設(shè)計(jì)基準(zhǔn)作為定位基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)“基準(zhǔn)重合”，以免產(chǎn)生基準(zhǔn)不重合誤差。
2.當(dāng)工件以某一組精基準(zhǔn)定位可以較方便地加工很多表面時(shí)，應(yīng)盡可能采用此組精基準(zhǔn)定位，實(shí)現(xiàn)“基準(zhǔn)統(tǒng)一”，以免生產(chǎn)基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換誤差。
3.當(dāng)精加工或光整加工工序要求加工余量盡量小而均勻時(shí)，應(yīng)選擇加工表面本身作為精基準(zhǔn)，即遵循“自為基準(zhǔn)”原則。該加工表面與其他表面間的位置精度要求由先行工序保證。
4.為獲得均勻的加工余量或較高 的位置精度，可遵循“互為基準(zhǔn)”、反復(fù)加工的原則。
5.有多種方案可供選擇時(shí)應(yīng)選擇定位準(zhǔn)確、穩(wěn)定、夾緊可靠，可使夾具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的表面作為精基準(zhǔn)。
主要考慮的是基準(zhǔn)的重合問(wèn)題。當(dāng)設(shè)計(jì)與工序的基準(zhǔn)不重合時(shí)，因該進(jìn)行尺寸換算。以Φ16和Φ14孔作為精基準(zhǔn)。
2.3 制訂工藝路線
制定工藝路線的出發(fā)點(diǎn)，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)一確定為中批生產(chǎn)的條件下，可以考慮采用萬(wàn)能性的機(jī)床配以專用工夾具，并盡量使工序集中來(lái)提高生產(chǎn)率。除此以外，還應(yīng)當(dāng)考慮經(jīng)濟(jì)效果，以便使生產(chǎn)成本盡量下降。
工序10：鑄造
工序20：退火
工序30：以Φ32端面為基準(zhǔn)，銑5070的面
工序40：以Φ32前端面、Φ20前端面為基準(zhǔn)，銑Ф20后端面、Ф32后端面
工序50：以Φ32前端面，鉆、擴(kuò)、鉸Ф14H9、Ф16H9孔
工序60：以Φ32后端面、Φ20后端面，銑A向面
工序70：以Φ32后端面、Φ20后端面，銑B向面
工序 80：以Φ32后端面、Φ20后端面，銑兩個(gè)寬12的槽
工序 90：以Φ32后端面、Φ20后端面，鉆、攻A向面上的M8-7H螺紋
工序100：以Φ32后端面、Φ20后端面，鉆、攻A向面上的M8-7H螺紋
工序 110：清洗去毛刺
工序120: 驗(yàn)收
工序130：入庫(kù)
2.4 機(jī)械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的確定
“剎車支架”零件材料為鑄鐵，毛坯的重量約為1Kg，生產(chǎn)類型為大批量生產(chǎn)，采用砂型機(jī)鑄造毛坯。
1.5070的面，表面粗糙度為6.3，需要二步加工方能滿足要求，粗銑——精銑，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》，表2—8得
粗銑 單邊余量 Z=0.7
精銑 單邊余量 Z=0.3
2、Ф20、Ф32的端面，表面粗糙度為12.5，只需一步銑削即可滿足要求，查《機(jī)械設(shè)計(jì)工藝手冊(cè)》，表2-10得 單邊余量 Z=1.0
3. A向面，表面粗糙度為12.5，只需一步銑削即可滿足要求，查《機(jī)械設(shè)計(jì)工藝手冊(cè)》，表2-8得 單邊余量 Z=1.0
4、B向面，表面粗糙度為12.5，只需一步銑削即可滿足要求，查《機(jī)械設(shè)計(jì)工藝手冊(cè)》，表2-8得 單邊余量 Z=1.0
鉸 單邊余量 Z=0.1
5.Ф14H9孔及Ф16H9孔，需要三步加工方能滿足精度要求，鉆——擴(kuò)——鉸，查《機(jī)械設(shè)計(jì)工藝手冊(cè)》，表3—6得
Ф14H9孔的余量
鉆 單邊余量 Z=6.0
擴(kuò) 單邊余量 Z=0.9
Ф16H9孔的余量
鉆 單邊余量 Z=6.0
擴(kuò) 單邊余量 Z=1.9
鉸 單邊余量 Z=0.1
6、兩個(gè)寬12的槽，鑄造成實(shí)心，銑削即可滿足要求。
7、不加工表面的毛坯尺寸
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。
2.5 確定切削用量及基本工時(shí)
工序30：以Φ32端面為基準(zhǔn)，銑5070的面
工步一：粗銑5070端面
1. 選擇刀具
刀具選取端銑刀，刀片采用YG8,
，，，。
2. 決定銑削用量
決定銑削深度
決定每次進(jìn)給量及切削速度
根據(jù)X62型銑床說(shuō)明書(shū)，其功率為為4.5kw，中等系統(tǒng)剛度。
根據(jù)表查出 ，則
按機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)選取＝475
3.計(jì)算工時(shí)
切削工時(shí)：，，，
則機(jī)動(dòng)工時(shí)為
工步二：精銑5070端面
1. 選擇刀具
刀具選取端銑刀，刀片采用YG8,
，，，。
2. 決定銑削用量
決定銑削深度
因?yàn)榧庸ぞ认鄬?duì)較高，故分兩次（即粗銑、精銑）完成，則
決定每次進(jìn)給量及切削速度
根據(jù)X62型銑床說(shuō)明書(shū)，其功率為為4.5kw，中等系統(tǒng)剛度。
根據(jù)表查出 ，則
按機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)選?。?75
3.計(jì)算工時(shí)
切削工時(shí)：，，，
則機(jī)動(dòng)工時(shí)為
工序40：以Φ32前端面、Φ20前端面為基準(zhǔn)，銑Ф20后端面、Ф32后端面
1. 選擇刀具
刀具選取立銑刀，刀片采用YG8,
，，，。
2. 決定銑削用量
決定銑削深度
決定每次進(jìn)給量及切削速度
根據(jù)X62型銑床說(shuō)明書(shū)，其功率為為4.5kw，中等系統(tǒng)剛度。
根據(jù)表查出 ，則
按機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)選?。?75
3.計(jì)算工時(shí)
切削工時(shí)：，，，
則機(jī)動(dòng)工時(shí)為
總的工時(shí)：T=2t=0.519min
工序50：以Φ32前端面，鉆、擴(kuò)、鉸Ф14H9、Ф16H9孔
工步一鉆孔至φ12
確定進(jìn)給量：根據(jù)參考文獻(xiàn)Ⅳ表2-7，當(dāng)鋼的，時(shí)，。由于本零件在加工Φ12孔時(shí)屬于低剛度零件，故進(jìn)給量應(yīng)乘以系數(shù)0.75，則
根據(jù)Z525機(jī)床說(shuō)明書(shū)，現(xiàn)取
切削速度：根據(jù)參考文獻(xiàn)Ⅳ表2-13及表2-14，查得切削速度
所以
根據(jù)機(jī)床說(shuō)明書(shū)，取，故實(shí)際切削速度為
切削工時(shí)：，，，
則機(jī)動(dòng)工時(shí)為
工步二：擴(kuò)孔
利用鉆頭將孔擴(kuò)大至，根據(jù)有關(guān)手冊(cè)規(guī)定，擴(kuò)鉆的切削用量可根據(jù)鉆孔的切削用量選取
根據(jù)機(jī)床說(shuō)明書(shū)，選取
則主軸轉(zhuǎn)速為，并按車床說(shuō)明書(shū)取，
實(shí)際切削速度為
切削工時(shí)：，，，
則機(jī)動(dòng)工時(shí)為
工步3：鉸孔
根據(jù)參考文獻(xiàn)Ⅳ表2-25，，，得
查參考文獻(xiàn)Ⅴ表4.2-2，按機(jī)床實(shí)際進(jìn)給量和實(shí)際轉(zhuǎn)速，取，，實(shí)際切削速度。
切削工時(shí)：，，，
則機(jī)動(dòng)工時(shí)為
工步四：鉆孔至φ12
確定進(jìn)給量：根據(jù)參考文獻(xiàn)Ⅳ表2-7，當(dāng)鋼的，時(shí)，。由于本零件在加工Φ12孔時(shí)屬于低剛度零件，故進(jìn)給量應(yīng)乘以系數(shù)0.75，則
根據(jù)Z525機(jī)床說(shuō)明書(shū)，現(xiàn)取
切削速度：根據(jù)參考文獻(xiàn)Ⅳ表2-13及表2-14，查得切削速度
所以
根據(jù)機(jī)床說(shuō)明書(shū)，取，
故實(shí)際切削速度為
切削工時(shí)：，，，
則機(jī)動(dòng)工時(shí)為
工步五：擴(kuò)孔
利用鉆頭將孔擴(kuò)大至，根據(jù)有關(guān)手冊(cè)規(guī)定，擴(kuò)鉆的切削用量可根據(jù)鉆孔的切削用量選取
根據(jù)機(jī)床說(shuō)明書(shū)，選取
則主軸轉(zhuǎn)速為，并按車床說(shuō)明書(shū)取，
實(shí)際切削速度為
切削工時(shí)：，，，
則機(jī)動(dòng)工時(shí)為
工步六：鉸孔
根據(jù)參考文獻(xiàn)Ⅳ表2-25，，，得
查參考文獻(xiàn)Ⅴ表4.2-2，按機(jī)床實(shí)際進(jìn)給量和實(shí)際轉(zhuǎn)速，取，，實(shí)際切削速度。
切削工時(shí)：，，，
則機(jī)動(dòng)工時(shí)為
工序60：以Φ32后端面、Φ20后端面，銑A向面
1. 選擇刀具
刀具選取立銑刀，刀片采用YG8,
，，，。
2. 決定銑削用量
決定銑削深度
決定每次進(jìn)給量及切削速度
根據(jù)X51型立式銑床說(shuō)明書(shū)，其功率為為4.5kw
根據(jù)表查出 ，則
按機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)選?。?75
3.計(jì)算工時(shí)
切削工時(shí)：，，，
則機(jī)動(dòng)工時(shí)為
工序70：以Φ32后端面、Φ20后端面，銑B向面
1. 選擇刀具
刀具選立銑刀，刀片采用YG8,
，，，。
2. 決定銑削用量
決定銑削深度
決定每次進(jìn)給量及切削速度
根據(jù)X51型立式銑床說(shuō)明書(shū)，其功率為為4.5kw
根據(jù)表查出 ，則
按機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)選?。?50
3.計(jì)算工時(shí)
切削工時(shí)：，，，
則機(jī)動(dòng)工時(shí)為
工序 80：以Φ32后端面、Φ20后端面，銑兩個(gè)寬12的槽
1.刀具選取立銑刀，刀片采用YG8,
，，，。
2. 決定銑削用量
決定銑削深度
決定每次進(jìn)給量及切削速度
根據(jù)X51型銑床說(shuō)明書(shū)，其功率為為7.5kw，中等系統(tǒng)剛度。
根據(jù)表查出 ，則
按機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)選?。?50
當(dāng)＝650r/min時(shí)
按機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)選取
3.計(jì)算工時(shí)
切削工時(shí)： ，，
則機(jī)動(dòng)工時(shí)為
總的時(shí)間T=2t=2.123min
工序 90：以Φ32后端面、Φ20后端面，鉆、攻A向面上的M8-7H螺紋
工步一：鉆M8-7H的螺紋底孔Φ6.7
選用高速鋼錐柄麻花鉆（《工藝》查得
（《切削》表2.15）
=760.5r/min
按機(jī)床選取n=750r/min
基本工時(shí)：
工步二：攻螺紋M8mm
選擇M8mm高速鋼機(jī)用絲錐
等于工件螺紋的螺距，即
按機(jī)床選取n=275r/min
基本工時(shí)：t==0.037（min）
工序100：以Φ32后端面、Φ20后端面，鉆、攻B向面上的M6-7H螺紋
工步一：鉆M6-7H的螺紋底孔Φ5.1
選用高速鋼錐柄麻花鉆（《工藝》查得
（《切削》表2.15）
=999.1r/min
按機(jī)床選取n=950r/min
基本工時(shí)：
工步二：攻螺紋M6mm
選擇M6mm高速鋼機(jī)用絲錐
等于工件螺紋的螺距，即
n==398.1(r/min)
按機(jī)床選取n=375r/min
基本工時(shí)：t==0.022（min）
第3章 專用夾具的設(shè)計(jì)
為了提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，保證加工質(zhì)量，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，需要設(shè)計(jì)專用夾具。有老師分配的任務(wù)，我被要求設(shè)計(jì)工序100：以Φ32后端面、Φ20后端面，鉆、攻B向面上的M6-7H螺紋的夾具設(shè)計(jì), 選用機(jī)床,Z525立式鉆床。
3.1問(wèn)題提出
本夾具主要用來(lái)鉆、攻B向面上的M6-7H螺紋，精度要求不高，故在本道工序加工時(shí)，主要應(yīng)考慮如何提高生產(chǎn)率、降低勞動(dòng)強(qiáng)度。
3.2 定位基準(zhǔn)的選擇
擬定加工路線的第一步是選擇定位基準(zhǔn)。定位基準(zhǔn)的選擇必須合理，否則將直接影響所制定的零件加工工藝規(guī)程和最終加工出的零件質(zhì)量。基準(zhǔn)選擇不當(dāng)往往會(huì)增加工序或使工藝路線不合理，或是使夾具設(shè)計(jì)更加困難甚至達(dá)不到零件的加工精度（特別是位置精度）要求。因此我們應(yīng)該根據(jù)零件圖的技術(shù)要求，從保證零件的加工精度要求出發(fā)，合理選擇定位基準(zhǔn)。此零件圖沒(méi)有較高的技術(shù)要求，也沒(méi)有較高的平行度和對(duì)稱度要求，所以我們應(yīng)考慮如何提高勞動(dòng)效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高加工精度。
3.3 定位分析
以Φ32端面、Φ20端面、Φ16H9和Φ14H9孔定位，定位分析如下：
1. Φ32端面、Φ20端面作為第一定位基準(zhǔn)，與心軸Φ32端面、B型固定式定位銷Φ20端面相配合，限制三個(gè)自由度，即X軸轉(zhuǎn)動(dòng)、Y軸移動(dòng)和Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)。
2. Φ16H9孔作為第二定位基準(zhǔn)，與心軸Φ16f8外圓相配合，限制兩個(gè)自由度，即X軸移動(dòng)和Z軸移動(dòng)。
3. Φ14H9孔作為第三定位基準(zhǔn)，與B型固定式定位銷相配合，限制一個(gè)自由度，即Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)，工件六個(gè)自由度被完全限制，屬于完全定位。
3.4切削力和夾緊力的計(jì)算
由于本道工序主要完成工藝孔的鉆孔加工，鉆削力。由《切削手冊(cè)》得：
鉆削力 式（3-1）
式中：D=5.1mm
式（3-2）
代入公式（3-1）和（3-2）得
本道工序加工工藝孔時(shí)，夾緊力方向與鉆削力方向垂直。因此進(jìn)行夾緊立計(jì)算無(wú)太大意義。
3.5夾具設(shè)計(jì)及簡(jiǎn)要操作說(shuō)明
如前所述，在設(shè)計(jì)夾具時(shí)，應(yīng)該注意提高勞動(dòng)生產(chǎn)率避免干涉。應(yīng)使夾具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于操作，降低成本。提高夾具性價(jià)比。本道工序?yàn)殂姶矈A具選擇了心軸、快換墊圈、螺母等組成的夾緊機(jī)構(gòu)夾緊工件。本工序?yàn)殂@切削余量小，切削力小，所以一般的手動(dòng)夾緊就能達(dá)到本工序的要求。
致 謝
本次課程設(shè)計(jì)受到了院系各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)的高度重視，得到了全校教師的大力支持與幫助。在此，我衷心的向你們道一聲：你們辛苦了。
通過(guò)課程設(shè)計(jì)，是對(duì)我們四年來(lái)所學(xué)知識(shí)的綜合的檢測(cè)，更是一個(gè)對(duì)所學(xué)知識(shí)的回顧及綜合復(fù)習(xí)的過(guò)程；對(duì)機(jī)械繪圖、工程材料、機(jī)械設(shè)計(jì)、夾具設(shè)計(jì)等過(guò)程等都有了更進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。
感謝院系領(lǐng)導(dǎo)給了我足夠時(shí)間來(lái)完成整套夾具設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，得到了老師和同學(xué)的幫助與指導(dǎo)，在此表示感謝；也對(duì)做相關(guān)題目的同學(xué)的資助表示感謝，感謝他們?cè)谀＞咴O(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)我的幫助和指導(dǎo)，尤其對(duì)擔(dān)任本次設(shè)計(jì)的指導(dǎo)老師表示深深敬意，在設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到一些困難，在老師的幫助下我才順利的完成了該夾具的設(shè)計(jì)，他對(duì)我設(shè)計(jì)過(guò)程中出現(xiàn)的疏忽與不足之處提出批評(píng)與修改建議，使我的設(shè)計(jì)的夾具最終更加的完善。
這次設(shè)計(jì)我深知有很多不足，在此懇請(qǐng)大家給予指導(dǎo)
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