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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(jī)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(jìn)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(jìn)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(xiàn)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(jìn)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(qiáng)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(jī)械加工工件的位置會受夾具點的局部彈性變形的強(qiáng)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(jī)械加工刀具路徑負(fù)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(fù)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(jìn)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(xiàn)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(xiàn)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(rèn)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(fù)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(jìn)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(xiàn)[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(jī)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(jī)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(qiáng)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(xiàn)[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(fù)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(fù)荷獲得將由圖4算法獲得，這大大增加了計算負(fù)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(fù)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(fù)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(jìn)給速度中，刀具旋轉(zhuǎn)一次出現(xiàn)一次，負(fù)載向量引入的誤差可忽略。因此，在這項工作中，四個載體負(fù)載適用于同一位置，（但不是同時）對工件進(jìn)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(fù)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(fù)荷情況下力的大小。是計算每個負(fù)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(fù)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(fù)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(dá)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(fù)荷造成的變形，意味著凈壓縮變形，而負(fù)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(fù)荷，故在法線方向的夾緊力的強(qiáng)度保持不變，因此，必須對方程（24）的夾緊點進(jìn)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(fù)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(xiàn)26] 對加工瞬時銑削力條件進(jìn)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(jìn)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(fù)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(fù)載載體最后的夾緊力和負(fù)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(qiáng)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(fù)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(fù)載到工件，他應(yīng)用于工件銑削負(fù)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(jìn)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(qiáng)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(fù)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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14、JH復(fù)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。
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16、M. J. Hockenberger and E. C. DeMeter. 對工件準(zhǔn)靜態(tài)分析功能位移在加工夾具的應(yīng)用程序，制造科學(xué)雜志與工程： 325–331頁, 1996。
目錄
摘要、關(guān)鍵詞．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1
引言．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2
第一章 零件的分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3
1.1 零件的作用．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3
1.2 零件的工藝分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4
第二章 確定毛坯、畫毛坯圖．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5
2.1 確定毛坯種類．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5
2.2 確定鑄件加工余量及形狀．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5
第三章 工藝規(guī)程設(shè)計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7
3.1 選擇定位基準(zhǔn)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7
3.1.1 精基準(zhǔn)的選擇．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7
3.1.2 粗基準(zhǔn)的選擇．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8
3.2 制定工藝路線．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8
3.3 選擇加工設(shè)備及刀、夾、量具．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9
3.4 加工工序設(shè)計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9
第四章 夾具設(shè)計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．12
4.1 銑夾具設(shè)計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．12
4.1 銑夾具設(shè)計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．12
結(jié)論．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．15
致謝．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．16
參考文獻(xiàn)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．17
柱塞泵體工藝工裝設(shè)計
班 級：機(jī)貿(mào)05 學(xué)生姓名：張學(xué)珍
指導(dǎo)老師： XXXXX 職稱：副教授
摘要: 在生產(chǎn)過程中，使生產(chǎn)對象（原材料，毛坯，零件或總成等）的質(zhì)和量的狀態(tài)發(fā)生直接變化的過程叫工藝過程，如毛坯制造，機(jī)械加工，熱處理，裝配等都稱之為工藝過程。在制定工藝過程中，要確定各工序的安裝工位和該工序需要的工步，加工該工序的機(jī)車及機(jī)床的進(jìn)給量，切削深度，主軸轉(zhuǎn)速和切削速度，該工序的夾具，刀具及量具，還有走刀次數(shù)和走刀長度，最后計算該工序的基本時間，輔助時間和工作地服務(wù)時間。
關(guān)鍵詞： 工序 工藝 工步 加工余量 定位方案 夾緊力
Piston-technology equipment design
Abstract: In the production process so that the production target (of raw materials, blank, or assembly of parts, and so on) the quality and quantity of the state direct the process of change is called process, such as blank manufacturing, machining, heat treatment, assembly, have called the process Process. In the course of the development process, it is necessary to determine the process to install the work place and the process needed further work, the process of the processing machine tools and locomotives of the feed rate, cutting depth, cutting speed and spindle speed, the process of the fixture, and cutting tools Measuring, and cutting the number and length of the knife away, the final calculation of the basic processes of time, support time and work to serve the time.
key words: Process Technology Step Allowance Orientation Program Clamping force
引 言
畢業(yè)設(shè)計是學(xué)生在學(xué)校完成了大學(xué)三年的全部課程，并在進(jìn)行了生產(chǎn)實習(xí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的一個教學(xué)環(huán)節(jié)，也是學(xué)生在校學(xué)習(xí)階段的最后一個重要的教學(xué)環(huán)節(jié)，是完成工程師基本訓(xùn)練的一個必不可少的過程。通過畢業(yè)設(shè)計培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)知識獨立解決本專業(yè)一般工程技術(shù)問題的能力，樹立正確的設(shè)計思想和工作作風(fēng)。
畢業(yè)設(shè)計是在畢業(yè)實習(xí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，根據(jù)自己的設(shè)計課題，在畢業(yè)實習(xí)期間認(rèn)真調(diào)查研究、搜索資料。本次設(shè)計涉及到機(jī)床、工藝、工裝、夾具等機(jī)制專業(yè)的大部分專業(yè)知識，是一次全面、系統(tǒng)地檢驗自己在大學(xué)期間對專業(yè)知識的掌握情況。在整個設(shè)計過程中做到嚴(yán)謹(jǐn)、認(rèn)真、一絲不茍的精神，盡量使自己的設(shè)計達(dá)到要求的較高水平。通過獨立地查找資料、分析計算完成方案設(shè)計，繪制圖紙和編寫技術(shù)文件等，使自己對機(jī)制專業(yè)有了更深刻的認(rèn)識。
本說明書是設(shè)計柱塞泵體零件加工工藝規(guī)程及裝備之用，是工作者在進(jìn)行大量生產(chǎn)實習(xí)的基礎(chǔ)上，再和現(xiàn)場了解相結(jié)合，選用“機(jī)械制造工藝學(xué)”和“機(jī)床夾具設(shè)計”編寫而成。
本書系統(tǒng)地介紹了柱塞泵體零件加工工藝過程以及其工藝裝備的選用、零件的功用及結(jié)構(gòu)分析、加工余量、工序尺寸、公差、確定工時、切削余量、速度的計算選用、工件加工夾具的設(shè)計等，是一份較為全面的設(shè)計說明書。
本次設(shè)計為期一個多月，承蒙學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)和老師的關(guān)心和支持，特別是XXX老師的悉心指導(dǎo)，在此特表謝意！由于編者水平有限、經(jīng)驗不足，再加成稿倉促，本書有許多不足之處，懇請老師指正。
編者：張學(xué)珍
2008年X月XX日
第一章 零件的分析
1.1零件的作用
柱塞泵是依靠柱塞在其缸體內(nèi)往復(fù)運動時密封工作腔的容積變化來實現(xiàn)吸油和壓油的。由于柱塞與缸體內(nèi)孔均為圓柱表面，容易得到高精度的配合，所以這類泵的特點是泄露小，容積效率高，可以在高壓下工作。
柱塞泵的工作原理：它是由斜盤、柱塞、缸體、配油盤等主要零件組成。斜盤和配油盤是不動的，傳動軸帶動缸體、柱塞一起轉(zhuǎn)動，柱塞靠機(jī)械裝置或低壓油作用下壓緊在斜盤上。當(dāng)傳動軸旋轉(zhuǎn)時，柱塞在其自下而上回轉(zhuǎn)的半周內(nèi)逐漸向外伸出，使缸體孔內(nèi)密封工作腔容積不斷增加，產(chǎn)生局部真空，從而將油液經(jīng)配油盤窗口向外壓出。缸體每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，每個柱塞往復(fù)運動一次，完成一次吸油和壓油動作。改變斜盤的傾角，可以改變柱塞往復(fù)行程的大小，因而也就改變了泵的排量。
柱塞泵體的加工是柱塞泵加工過程中的主要環(huán)節(jié)，它的加工質(zhì)量的好壞直接影響著柱塞泵的產(chǎn)品的性能和耐用性，從而提出零件的制造工藝方面的要求：加工精度和加工表面質(zhì)量。前者包括了零件的尺寸精度、形狀精度和位置精度；后者包括了零件表面的粗糙度、波度、和物理、機(jī)械性能；設(shè)計結(jié)構(gòu)應(yīng)能夠加工。在工件上應(yīng)有足夠的加工空間，以便刀具能夠接近加工部位，如留有必要的退刀槽和越程槽等；要能提高勞動生產(chǎn)率。如加工表面盡可能地安排在同一平面或同一軸線上，以便采取多刀或多件加工的高效生產(chǎn)方法。零件圖如圖所示
1.2零件的工藝分析
零件的材料為HT200，灰鑄鐵屬于脆性材料，故不能鍛造和沖壓。但灰鑄鐵的鑄造性能和切削加工性能優(yōu)良。以下是撥叉需要加工的表面以及加工表面之間的位置要求：
(1) B面螺紋孔距A面距離，IT10級
(2) 孔底面到A面距離， IT11級
(3) A面表面粗糙度為3.2
(4) C面表面粗糙度為3.2
由上面分析可知，可以先加工各面，然后以此作為基準(zhǔn)采用專用夾具進(jìn)行加工，并且保證位置精度要求。再根據(jù)各加工方法的經(jīng)濟(jì)精度及機(jī)床所能達(dá)到的位置精度，并且此泵體零件沒有復(fù)雜的加工曲面，所以根據(jù)上述技術(shù)要求采用常規(guī)的加工工藝均可保證。
第二章 確定毛坯、畫毛坯圖
2.1確定毛坯種類
零件材料為HT200。考慮零件在機(jī)床運行過程中所受沖擊不大，零件結(jié)構(gòu)不是太復(fù)雜，生產(chǎn)類型為大批生產(chǎn)，故選擇金屬型鑄造毛坯。
2．2確定鑄件加工余量及形狀
根據(jù)零件材料確定毛坯為鑄件，由參考文獻(xiàn)表可知其生產(chǎn)類型為大批量生產(chǎn)。毛坯的鑄造方法選用砂型機(jī)器造型，為成批量生產(chǎn)，應(yīng)注意此柱塞泵體零件內(nèi)部孔需鑄出，還應(yīng)為消除殘余應(yīng)力，鑄造后應(yīng)安排人工時效。毛坯最大外形尺寸：75×65×80mm。
參考文獻(xiàn)1表2.3-6該種鑄件的尺寸公差等級CT8-13級，加工余量等級MA為G級，故取CT為10級，MA為G級。
鑄件的分型面選擇通過B面孔中心線在A面的投影面。
參考文獻(xiàn)[1]表12-2，用查表法確定個表面的總余量如表所示
如下表：各加工表面總余量
加工表面
基本尺寸mm
加工余量等級
加工余量數(shù)值
A面及其對面
70
H
5
C面及其對面
63
H
5
兩工藝臺最大長度
76
H
5
φ30孔內(nèi)表面
φ30
G
2.5
參考文獻(xiàn)[1]表12-4可得鑄件主要毛坯尺寸的公差.
如下表：主要毛坯尺寸及公差
主要面尺寸
零件尺寸
總余量
毛坯、尺寸
公差等級
A面及其對面
70
5
75
11
C面及其對面
63
5
68
11
兩工藝臺最大長度
76
4
80
11
φ30孔內(nèi)表面
φ30
2.5+2.5
φ25
10
最終確定毛坯圖如下：
第三章 工藝規(guī)程設(shè)計
3．1選擇定位基準(zhǔn)
正確地選擇定位基準(zhǔn)是設(shè)計工藝過程的一項重要內(nèi)容，也是保證零件加工精度的關(guān)鍵。
定位基準(zhǔn)分為精基準(zhǔn)、粗基準(zhǔn)和輔助基準(zhǔn)。在最初加工工序中，只能用毛坯上未經(jīng)加工 的表面作為定位基準(zhǔn)(粗基準(zhǔn))。在后續(xù)工序中，則使用已加工表面作為定位基準(zhǔn)(精基準(zhǔn))。
在制定工藝規(guī)程時，總是先考慮選擇怎樣的精基準(zhǔn)以保證達(dá)到精度要求并把各個表面加工出來，然后再考慮選擇合適的粗基準(zhǔn)把精基準(zhǔn)面加工出來。另外，為了使工件便于裝夾和易于獲得所需加工精度，可在工件上某部位作一輔助基準(zhǔn)，用以定位。應(yīng)從零件的整個加工工藝過程的全局出發(fā)，在分析零件的結(jié)構(gòu)特點、設(shè)計基準(zhǔn)和技術(shù)要求的基礎(chǔ)上，根據(jù)粗、精基準(zhǔn)的選擇原則，合理選擇定位基準(zhǔn)。
3.1.1精基準(zhǔn)的選擇
①“基準(zhǔn)重合”原則
應(yīng)盡量選用被加工表面的設(shè)計基準(zhǔn)作為精基準(zhǔn)，即“基準(zhǔn)重合”的原則。這樣可以避免因基準(zhǔn)不重合而引起的誤差。
②“基準(zhǔn)統(tǒng)一”原則
應(yīng)選擇多個表面加工時都能使用的定位基準(zhǔn)作為精基準(zhǔn)，即“基準(zhǔn)統(tǒng)一”的原則。
這樣便于保證各加工表面間的相互位置精度，避免基準(zhǔn)變換所產(chǎn)生的誤差，并簡化夾具的設(shè)計制造工作。
③“互為基準(zhǔn)”原則
當(dāng)兩個表面的相互位置精度及其自身的尺寸與形狀精度都要求很高時，可采用這兩個表面互為基準(zhǔn)，反復(fù)多次進(jìn)行精加工。
④“自為基準(zhǔn)”原則
在某些要求加工余量盡量小而均勻的精加工工序中，應(yīng)盡量選擇加工表面本身作為定位基準(zhǔn)。
此外，精基準(zhǔn)的選擇還應(yīng)便于工件的裝夾與加工，減少工件變形及簡化夾具結(jié)構(gòu)。需要指出的是，上述四條選擇精基準(zhǔn)的原則，有時是相互矛盾的。例如，保證了基準(zhǔn)統(tǒng)一就不一定符合基準(zhǔn)重合等等。在使用這些原則時，要具體情況具體分析，以保證主要技術(shù)要求為出發(fā)點，合理選用這些原則。
結(jié)合此零件的特點精基準(zhǔn)采用內(nèi)孔定位。
3.1.2 粗基準(zhǔn)的選擇
①若工件必須首先保證某重要表面的加工余量均勻，則應(yīng)選該表面為粗基準(zhǔn)。
②在沒有要求保證重要表面加工余量均勻的情況下，若零件上每個表面都要加工，則應(yīng)以加工余量最小的表面作為粗基準(zhǔn)。這樣可使這個表面在加工中不致因加工余量不足，造成加工后仍留有部分毛面，致使工件報廢。
③在沒有要求保證重要表面加工余量均勻的情況下，若零件有的表面不需要加工時，則應(yīng)以不加工表面中與加工表面的位置精度要求較高的表面為粗基準(zhǔn)。若既需保證某重要表面加工余量均勻，又要求保證不加工表面與加工表面的位置精度，則仍按本原則處理。
④選作粗基準(zhǔn)的表面，應(yīng)盡可能平整和光潔，不能有飛邊、澆口、冒口及其他缺陷，以便定位準(zhǔn)確，裝夾可靠。
⑤粗基準(zhǔn)在同一尺寸方向上通常只允許使用一次，否則定位誤差太大。但是，當(dāng)毛坯是精密鑄件或精密鍛件，毛坯質(zhì)量高，而工件加工精度要求又不高時，可以重復(fù)使用某一粗基準(zhǔn)。
結(jié)合此十字頭零件的粗基準(zhǔn)采用各表面定位。
3．2制定工藝路線
根據(jù)零件的幾何形狀、尺寸精度及位置精度等技術(shù)要求，以及加工方法所能達(dá)到的經(jīng)濟(jì)精度，在生產(chǎn)綱領(lǐng)已確定的情況下,可以考慮采用各種機(jī)床配以專用夾具,并盡量使工序集中來提高生產(chǎn)率。除此之外，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。選擇零件的加工方法及工藝路線方案如下：
工序號
工序內(nèi)容
鑄造
時效
010
粗銑A面，半精銑A面
020
粗銑C面，半精銑C面
030
粗銑B面，半精銑B面
040
粗銑D面，半精銑D面
050
锪Φ20孔，深3
060
鉆B面工藝孔，Φ12.5，保證公差為js8
070
鉆A面孔并攻M33的螺紋
080
鉆D面孔并攻M14的螺紋
090
攻B面螺紋
100
鉆C面孔并攻2-M10的螺紋
110
檢驗
120
入庫
3.3選擇加工設(shè)備及刀、夾、量具
3.3.1選擇加工設(shè)備和工藝設(shè)備
①機(jī)床的選擇
工序1、2、3、4采用X5028立式銑床即可
工序5、6、7、8、9、10采用Z535立式鉆床及自動攻絲機(jī)
②選擇夾具
該撥叉的生產(chǎn)綱領(lǐng)為大批生產(chǎn)，所以采用專用夾具。
③選擇刀具
在銑床上加工的各工序，采用硬質(zhì)合金車刀即可保證加工質(zhì)量。在锪孔，由于精度不高，可采用硬質(zhì)合金鉸刀。鉆孔工序采用高速鋼麻花鉆。
④選擇量具
加工的孔均采用極限量規(guī)。
⑤其他
對垂直度誤差采用千分表進(jìn)行檢測，對角度尺寸利用專用夾具保證，其他尺寸采用通用量具即可。
3.4加工工序設(shè)計
工序8：鉆的孔
工件材料為HT200鐵，硬度200HBS。孔的直徑為12.5mm，表面粗糙度。加工機(jī)床為Z535立式鉆床。鉆頭為mm標(biāo)準(zhǔn)高速鋼麻花鉆，磨出雙錐和修磨橫刃。
確定鉆削用量
①確定進(jìn)給量 根據(jù)機(jī)械加工工藝手冊，表28-10可查出，查Z535立式鉆床說明書，取。
根據(jù)參考文獻(xiàn)[2]表28-8，鉆頭強(qiáng)度所允許是進(jìn)給量。由于機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)允許的軸向力（由機(jī)床說明書查出），根據(jù)機(jī)械加工工藝手冊，表28-9，允許的進(jìn)給量。
由于所選進(jìn)給量遠(yuǎn)小于及，故所選可用。
②確定切削速度、軸向力F、轉(zhuǎn)矩T及切削功率 根據(jù)參考文獻(xiàn)[2]，表28-15，由插入法得
，
，
由于實際加工條件與上表所給條件不完全相同，故應(yīng)對所的結(jié)論進(jìn)行修正。
根據(jù)參考文獻(xiàn)[2]，由表28-3，，，故
查Z535機(jī)床說明書，取。實際切削速度為
由機(jī)械加工工藝手冊，表28-5，，故
③校驗機(jī)床功率 切削功率為
機(jī)床有效功率
故選擇的鉆削用量可用。即
，，，
相應(yīng)地
，，
切削工時
被切削層長度：
刀具切入長度：
刀具切出長度： 取
走刀次數(shù)為1
機(jī)動時間：
工步輔助時間為：1.76min
第四章 夾具設(shè)計
為了提高勞動生產(chǎn)率，保證加工質(zhì)量，降低勞動強(qiáng)度。在加工此柱塞泵體零件時，需要設(shè)計專用夾具。
根據(jù)任務(wù)要求中的設(shè)計內(nèi)容，需要設(shè)計銑C面夾具。
4.1銑夾具設(shè)計
4.1.1問題的提出
本夾具主要用來粗、精銑C面并達(dá)到表面粗造度3.2的要求。此工序夾具工序靠前在本道工序加工時，還是應(yīng)考慮提高勞動生產(chǎn)率，降低勞動強(qiáng)度。同時應(yīng)保證加工尺寸精度和表面質(zhì)量。
4.1.2夾具的設(shè)計
①定位基準(zhǔn)的選擇
在進(jìn)行銑加工工序時，采用V型塊來限制四個自由度，同時側(cè)面支承塊可限制二個自由度，到此完成定位基準(zhǔn)選擇。
②銑削力與夾緊力計算
本步加工可按銑削估算夾緊力。實際效果可以保證可靠的夾緊。
軸向力
扭矩
由于扭矩很小，計算時可忽略。
卡緊力為
取系數(shù) S1=1.5 S2=S3=S4=1.1
則實際卡緊力為 F’=S1*S2*S3*S4*F=10.06N
使用快速螺旋定位機(jī)構(gòu)快速人工卡緊，調(diào)節(jié)卡緊力調(diào)節(jié)裝置，即可指定可靠的卡緊力。
4.2鉆夾具設(shè)計
為了提高勞動生產(chǎn)率，保證加工質(zhì)量，降低勞動強(qiáng)度。在加工此拔叉零件時，需要設(shè)計專用夾具。
根據(jù)任務(wù)要求中的設(shè)計內(nèi)容，需要設(shè)計鉆孔夾具。
4.1.1問題的提出
本夾具是用來鉆的A面孔工序只是粗加工,因此本工序加工時主要考慮如何提高勞動生產(chǎn)率,降低勞動強(qiáng)度,而精度則不是主要問題.
4.1.2夾具設(shè)計
定位基準(zhǔn)選擇
在進(jìn)行銑槽加工工序時，由于A面對面及B面，B面工藝孔已經(jīng)加工。因此工件選擇的孔，面與A面對面作為定位基準(zhǔn)。由一個長銷穿在的孔上，A對面有支承塊支承，可限制六個自由度。現(xiàn)決定采用麻花鉆加工30的孔。
4.1.3切削力及夾緊力計算
本夾具是在鉆床上使用的，為了保證工件在加工工程中不產(chǎn)生振動，必須對底面施加一定的夾緊力。由計算公式
Fj=FsL/(d0tg(α+ψ1’)/2+r’tgψ2)
Fj－沿螺旋軸線作用的夾緊力
Fs－作用在六角螺母
L－作用力的力臂(mm)
d0－螺紋中徑(mm)
α－螺紋升角(゜)
ψ1－螺紋副的當(dāng)量摩擦(゜)
ψ2－螺桿(或螺母)端部與工件(或壓塊)的摩擦角(゜)
r’－螺桿(或螺母)端部與工件(或壓塊)的當(dāng)量摩擦半徑(゜)
根據(jù)參考文獻(xiàn)[6]其回歸方程為
Fj＝ktTs
其中Fj－螺栓夾緊力(N)；
kt－力矩系數(shù)(cm－1)
Ts－作用在螺母上的力矩(N.cm)；
Fj =2000N
根據(jù)參考文獻(xiàn)[1]，表2.4可查得：
鉆削力計算公式為
圓周分力
查表可得：
代入得
=
查表可得鉆削水平分力、垂直分力、軸向分力與圓周分力的比值為：
∴
故夾緊可靠。
結(jié) 論
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、打毛刺等工序。因為是大批量生產(chǎn)，工序就分得很散，中間就可省去換刀具和調(diào)試的時間。在每道工序中都有計算切削用量和工時。
在本次設(shè)計中已無大的問題，基本達(dá)到了要求。只是在夾具的設(shè)計中沒有能提出多中方案進(jìn)行分析比較，有所不足。
在論文工作中，得到了本院有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)和老師的幫助與支持，在此表示衷心的感謝。
最后，在即將完成畢業(yè)設(shè)計之時，我再次感謝對我指導(dǎo)、關(guān)心和幫助過老師、領(lǐng)導(dǎo)及同學(xué)
致 謝
在本次設(shè)計過程中，得到了XXX（畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)老師）的大力幫助。在這，首先向XXX表示最真摯的感謝！感謝他在百忙之中多次利用休息時間耐心的給予指導(dǎo)與幫助！與此同時，機(jī)械工程學(xué)院機(jī)制教研室的全體老師 給予了我熱心的指導(dǎo)與幫助，在此一并向幫助過我的老師和朋友們表示最真摯的謝意！是你們的熱心幫助，我能完成自己的畢業(yè)設(shè)計，完成三年的學(xué)習(xí)總結(jié)。在此，我祝愿母校能發(fā)展越來越好，盡快的升為大學(xué)，我能為自己為科院人而自豪，永遠(yuǎn)記得老師教我們的先做人再學(xué)習(xí)，在以后的工作中勤奮工作。
參考文獻(xiàn)
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