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機(jī)械制造工藝學(xué)課程設(shè)計(jì) 課 程 設(shè) 計(jì) 題 目 插入耳環(huán)工藝及夾具設(shè)計(jì) 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 學(xué)生姓名 學(xué) 號 指導(dǎo)老師 完成日期 27 目 錄 第一章 零件分析 1 一、零件的功用分析 1 二、零件的工藝分析 1 第二章 機(jī)械加工工藝規(guī)程制定 1 一、選擇毛坯種類并確定制造方法 1 二、基面的選擇 1 （一）粗基準(zhǔn)的選擇 2 （二）精基準(zhǔn)的選擇 2 三、選擇加工方法 2 （一）平面的加工 2 （二）孔的加工 2 （三）外圓與退刀槽、攻螺紋 2 （四）槽加工 2 四、制定工藝路線 2 五、確定加工余量及毛坯尺寸 3 （一） 確定加工余量 3 （二） 確定毛坯基本尺寸 4 （三） 確定毛坯尺寸公差 4 （四） 繪制毛坯簡圖 4 六、工序設(shè)計(jì) 5 （一）選擇加工設(shè)備與工藝裝備 5 （二）確定工序尺寸 6 七、確定切削用量和基本時(shí)間 6 （一）工序05（粗銑兩邊面D、E）切削用量及基本時(shí)間的確定 7 （二） 工序15（粗車Φ35外圓）切削用量及基本時(shí)間的確定 8 （三） 工序20、25（粗車Φ27外圓、倒角C2、錐面及切退刀槽）切削用量及基本時(shí)間的確定 10 （四）工序35、40(鉆及擴(kuò)Φ32mm孔) 切削用量及基本時(shí)間的確定 12 （五） 工序45（半精車Φ35外圓）切削用量及基本時(shí)間的確定 15 （六） 工序50（精車Φ35外圓）切削用量及基本時(shí)間的確定 17 （七） 工序60（車削螺紋）切削用量及基本時(shí)間的確定 19 （八）工序70（粗銑鍵槽）切削用量及基本時(shí)間的確定 21 （九）工序75（精銑鍵槽）切削用量及基本時(shí)間的確定 23 八 夾具設(shè)計(jì) 24 參考文獻(xiàn) 25 第一章 零件分析 一、零件的功用分析 題目所給的零件是插入耳環(huán)，其作用是用來固定晾衣架的上端，當(dāng)然插入耳環(huán)的作用還有很多，主要起固定功能。 二、零件的工藝分析 如圖1-1可以看出，標(biāo)有表面粗糙度符號的表面有平面、退刀槽、內(nèi)孔、鍵槽等。其中，表面粗糙度要求最低的是表面D、E，粗糙度為Ra50，粗糙度要求最高的是外圓Φ35，表面粗糙度為Ra1.6。該外圓也是插入耳環(huán)的主要設(shè)計(jì)基準(zhǔn)。 從工藝上看，鍵槽對Φ35軸線的對稱度公差為0.1，孔Φ32軸線對Φ35軸線的垂直度公差為0.5/50，可以通過使用專用機(jī)床夾具來保證。Φ35的公差等級為IT7級，表面粗糙度為Ra1.6，可以通過精車來保證。表面D、E精度要去不高可以通過粗銑來完成，Φ32孔的內(nèi)孔粗糙度為Ra6.5可以通過鉆床，然后再擴(kuò)鉆，可達(dá)到精度。C面通過粗銑就可以達(dá)到要求。A面也通過粗銑。 對插入耳環(huán)零件圖進(jìn)行工藝審核后，可知該零件圖視圖正確、完整，尺寸、公差及技術(shù)要求齊全，加工要求合理，零件的結(jié)構(gòu)工藝性較好。 C面 A面 D面，對立面為E面 圖1-1 第二章 機(jī)械加工工藝規(guī)程制定 一、選擇毛坯種類并確定制造方法 按設(shè)計(jì)任務(wù)書，插入耳環(huán)成大批大量生產(chǎn)。 由該零件的功用和原始零件圖可知，該零件材料為45鋼，屈服強(qiáng)度為600MPA，該零件的形狀不是十分復(fù)雜，因此毛坯的形狀與零件的形狀應(yīng)盡量接近，Φ35軸的單邊余量2.5mm，兩邊余量5.0mm，所以毛坯尺寸Φ40，在軸向方向3mm，所以毛坯軸向長度為150mm，所以用150×79×41的毛坯，確定加工余量及毛坯尺寸。 二、基面的選擇 定位基準(zhǔn)的選擇是工藝規(guī)程制定中的重要工作，它是工藝路線是否正確合理的前提。正確合理地選擇定位基準(zhǔn)，可以確保加工質(zhì)量、縮短工藝過程、簡化工藝裝備結(jié)構(gòu)與種類、提高生產(chǎn)率。 （一）粗基準(zhǔn)的選擇 對于零件而言，盡可能選擇不加工表面為粗基準(zhǔn)。Φ35mm軸為重要表面，加工時(shí)要求余量小而均勻，盡量通過粗基準(zhǔn)，加工出一個(gè)精基準(zhǔn)面，因此應(yīng)選擇該Φ35mm軸線為粗基準(zhǔn)。 （二）精基準(zhǔn)的選擇 精基準(zhǔn)的選擇有利于保證加工精度，并使工件裝夾方便。在選擇時(shí)，主要應(yīng)該考慮基準(zhǔn)重合、基準(zhǔn)統(tǒng)一等問題。插入耳環(huán)是帶有孔的零件。Φ32mm孔是精度要求最高的高的孔，俄日避免由于基準(zhǔn)不重合而產(chǎn)生誤差，保證加工精度，應(yīng)選Φ32mm孔為精基準(zhǔn)，即遵循“基準(zhǔn)重合”的原則。還由于零件的要求是Φ35mm軸和Φ32mm孔在垂直度上有較高的精度要求，因此選擇Φ32mm孔作為精基準(zhǔn)，這樣就保證精度要求最高的Φ35mm軸的加工精度，減少加工誤差。在插入耳環(huán)的加工過程中，該孔還可以作為大部分工序的定位基準(zhǔn)，加工其他次要表面，體現(xiàn)了“基準(zhǔn)統(tǒng)一”的選擇原則。 三、選擇加工方法 （一）平面的加工 平面加工的方法很多，有車、刨、銑、磨、拉等。對于本零件由于表面D、E粗糙度為Ra50，通過粗銑就可以達(dá)到。而對于C面粗糙度為Ra6.3通過粗銑也可以達(dá)到。而表面A的粗糙度要求為Ra12.5，由表5-11，根據(jù)GB/T 1804-2000規(guī)定，選用中等級（m），相當(dāng)于IT13級，故可考慮粗車或粗端銑，根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選用端銑加工方式。 （二）孔的加工 孔的加工方式有鉆、擴(kuò)、鏜、拉、磨等。Φ32孔內(nèi)壁粗糙度為Ra6.3，采以就用鉆-擴(kuò)方式進(jìn)行加工，鉆孔后擴(kuò)孔就可以達(dá)到這個(gè)精度要求，滿足安裝配合E9。Φ5的銷孔，直接用槍孔鉆就可以加工出來。 （三）外圓與退刀槽、攻螺紋 外圓Φ35的加工在本零件中最重要部分。由于外圓的公差等級為IT7級，表面粗糙度Ra1.6，所以采用粗車-半精車-精車。而對于外圓Φ27，表面要進(jìn)行攻螺紋，所以進(jìn)行粗車就可以了。在粗車過后再用螺紋車刀進(jìn)行攻螺紋。退刀槽可以用切斷刀車出。 （四）槽加工 對槽的加工，槽的要求為Ra3.2，進(jìn)過粗銑-精銑就可以達(dá)到。 四、制定工藝路線 制訂工藝路線的出發(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)已確定為大批生產(chǎn)的條件下，可以考慮采用萬能性機(jī)床配以專用工夾具，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。故采用如下加工工藝： 工序5：粗銑二邊表面D、E 定位基準(zhǔn)：外圓Φ35 工序10：粗銑C面 定位基準(zhǔn)：底面D面以及E面。 工序15：粗車外圓Φ35 定位基準(zhǔn)：底面D面以及E面。 工序20：粗車外圓Φ27（工步1）、倒角C1（工步2）及車退刀槽Φ24 定位基準(zhǔn)：底面D面以及E面。 工序25：進(jìn)行熱處理調(diào)質(zhì) 工序30：鉆Φ32的孔 定位基準(zhǔn)：外圓Φ35以及R25外圓面。 工序35：擴(kuò)Φ32的孔 定位基準(zhǔn)：外圓Φ35以及R25外圓面。 工序40：半精車外圓Φ35 定位基準(zhǔn)：Φ32的孔及兩邊表面D、E。 工序45：精車Φ35 定位基準(zhǔn)：Φ32的孔及兩邊表面D、E。 工序50：車錐面，倒角C2 定位基準(zhǔn)：Φ32的孔及兩邊表面D、E。 工序55：攻螺紋M27×1.5-6h 定位基準(zhǔn)：Φ32的孔及兩邊表面D、E。 工序60：鉆Φ5的銷孔 定位基準(zhǔn)：Φ32的孔及兩邊表面D、E。 工序65：粗銑鍵槽 用銑床專用夾具，進(jìn)行鍵的加工。 工序70：精銑鍵槽 用銑床專用夾具，進(jìn)行鍵的加工 工序75：銑A面 定位基準(zhǔn)：Φ32的孔及兩邊表面D、E。 五、確定加工余量及毛坯尺寸 （一） 確定加工余量 插入耳環(huán)的材料為45鋼，屈服強(qiáng)度600MPa，采用砂型機(jī)器造型，且為批量生產(chǎn)。由表5-2知，鑄鋼件采用砂型機(jī)器造型時(shí)，鑄件的尺寸公差為CT8-CT12級，此處選為CT9級。由表5-3選擇加工余量為H級，根據(jù)機(jī)械加工后鑄件的最大輪廓尺寸由表5-4可查得個(gè)加工表面余量如下表： 表1-1 加工表面 單邊余量/mm 雙邊余量/mm 備注 兩邊面D、E面 3 6 粗銑一次完成 φ35外圓 3 6 基本尺寸為81mm φ32孔E9 3 6 先用鉆頭鉆孔至Φ31，再擴(kuò)至Φ32?；境叽鐬榭咨畛叽?6mm。 銑鍵槽 3 無 基本尺寸為Φ25 M27x1.5-6h的螺紋 7 14 主要由φ35外圓的毛坯尺寸決定 軸向長度84尺寸 3 無 車錐面、粗車Φ27端面、粗車Φ35端面共同決定 （二） 確定毛坯基本尺寸 加工表面的毛坯尺寸只需將零件尺寸加上查取得相應(yīng)加工余量即可，所得毛坯尺寸如表3-2所示： 表3-2 零件尺寸/mm 加工余量/mm 毛坯尺寸/mm 36 6 42 Φ35 6 Φ41 81 3 84 （三） 確定毛坯尺寸公差 由表5-1，選用CT7級查的各鑄件加工尺寸公差如表3-3所示： 表3-3 毛坯尺寸/mm 公差/mm 標(biāo)注 結(jié)果 42 1.8 ±0.9 42±0.9 41 1.8 ±0.9 41±0.9 84 2.2 ±1.1 84±1.1 （四） 繪制毛坯簡圖 根據(jù)以上內(nèi)容及砂型鑄件的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)定，繪制毛坯簡圖，如圖3-1： 如圖3-1 毛坯簡圖 六、工序設(shè)計(jì) （一）選擇加工設(shè)備與工藝裝備 1.選擇加工設(shè)備 選擇加工設(shè)備即選擇機(jī)床類型。由于已經(jīng)根據(jù)零件的形狀、精度特點(diǎn)，選擇了加工方法，因此機(jī)床的類型也隨之確定。至于機(jī)床的型號，主要取決于現(xiàn)場設(shè)備情況。若零件加工余量較大，加工材料又較硬，有必要校驗(yàn)機(jī)床功率。根據(jù)以上內(nèi)容和考慮零件經(jīng)濟(jì)度與零件表面設(shè)計(jì)相適應(yīng)，又本零件的加工余量和硬度不是很大，故選定各工序機(jī)床如下： （1）工序05：XA5032立式升降臺銑床，主要技術(shù)參數(shù)見表5-13。 （2）工序10、65、70、75、80：X6132萬能銑床。 （3）工序15、20、25、45、50、55、60：選擇CA6140車床 （4）工序35、40：選用Z3025搖臂鉆床。 2.選擇夾具 對于成批生產(chǎn)的零件，大多采用專用機(jī)床夾具。在保證加工質(zhì)量、操作方便、滿足高效率的前提下，亦可部分采用通用夾具。本機(jī)械加工工藝規(guī)程中所有工序均采用了專用機(jī)床夾具，專門設(shè)、制造。 3.選擇刀具 根據(jù)加工工藝需要刀具的選擇情況如下： （1）工序05 二邊表面D、E 高速鋼鑲齒套式面銑刀 （2）工序35 鉆Φ32 高速鋼錐柄麻花鉆 （3）工序15、45、50 YT類硬質(zhì)合金 （4）工序 70、75銑鍵槽 高速鋼鑲齒套式面銑刀 在刀具選擇過程中盡量選擇通用刀具。在中批生產(chǎn)中，不排除在某些工序中使用專用刀具，但專用刀具需要專門定做，詳細(xì)的內(nèi)容可參閱《金屬切削刀具》等教材及相關(guān)資料。 4.選擇量具 選擇量具的原則是根據(jù)被測對象的要求，在滿足測量精度的前提下，盡量選用操作方便、測量效率搞的量具。量具由通用量具和各種專業(yè)量具，其種類的選擇主要應(yīng)考慮被測尺寸的性質(zhì)，如內(nèi)徑、外徑、深度、角度、幾何形狀等以及被測工件的特點(diǎn)，如工件的形狀、大小、精度、生產(chǎn)類型等。本零件屬于成批生產(chǎn)，一般采用通用量具。選擇量具的方法有兩種：一種按計(jì)量器具的不確定度選擇。一般根據(jù)被測對象的公差帶寬度先查得相應(yīng)的安全裕度A和計(jì)量器具的不確定度允許值(),然后在量具手冊中選擇一種不確定度等于或小于U1的量具；二是按計(jì)量器具的測量方法極限誤差選擇。 下面以精車Φ35為例選擇量具。外圓Φ35的尺寸公差T=0.025，選擇刻度值為0.001mm的千分尺。 （二）確定工序尺寸 確定工序尺寸時(shí)，對于加工精度要求較低的表面，只需粗加工工序就能保證設(shè)計(jì)要求，將設(shè)計(jì)尺寸作為工序尺寸即可，上下偏差的標(biāo)注也按設(shè)計(jì)規(guī)定。當(dāng)加工表面精度較高時(shí)，往往要經(jīng)過數(shù)道工序才能達(dá)到要求。 工序的尺寸的確定采用的是由后往前推算的方法，由加工表面的最后工序即設(shè)計(jì)尺寸開始，逐次加上每道加工工序余量，分別得到各工序基本尺寸。各個(gè)工序加工余量可查手冊得到，工序尺寸的公差帶寬度按經(jīng)濟(jì)精度確定，上下偏差按“入體”原則標(biāo)注，最后一道工序的公差應(yīng)按設(shè)計(jì)要求標(biāo)注。 下面確定各工序的工序尺寸、余量及確定公差。 （1）Φ35的外圓表面： 工序名稱 工序基本余量 工序尺寸 精度 粗糙度 精車 0.5 Φ35 IT7 Ra1.6 半精車 1.5 Φ35.5 IT9 Ra6.3 粗車 4 Φ37 IT11 Ra12.5 毛坯 Φ41 （2）加工M27x1.5-6h的螺紋： 工序名稱 工序基本余量 工序尺寸 精度 粗糙度 攻螺紋 M27x1.5-6h 粗車 14 Φ27 IT11 Ra12.5 （3） Φ32E9的孔： 工序名稱 工序基本余量 工序尺寸 精度 粗糙度 擴(kuò) 1 32 IT10 R6.3 鉆 30 30 IT11 R12.5 （4）銑鍵槽 工序名稱 工序基本余量 工序尺寸 精度 粗糙度 精銑 0.5 8 IT8 Ra3.2 半精銑 1.5 7.5 IT11 Ra6.3 粗銑 5 5 （5）軸向長度84尺寸： 工序名稱 工序基本余量 工序尺寸 精度 粗糙度 車錐面 1 84 IT8 Ra6.3 粗車Φ27端面 1 85 IT11 Ra12.5 粗車Φ35端面 1 86 IT11 Ra12.5 毛坯 87 七、確定切削用量和基本時(shí)間 切削用量包括切削速度、進(jìn)給量和背吃刀量，確定方法是先確定背吃刀量，再進(jìn)給量，最后確定切削速度。不同的加工性質(zhì)，對切削加工的要求不一樣。粗加工時(shí)，應(yīng)盡量保證較高的金屬切削率和必要的刀具耐用度，故一般優(yōu)先選擇盡可能大的背吃刀量，其次選擇較大的進(jìn)給量，最后根據(jù)刀具耐用度要求，確定適合的切削速度。精加工時(shí)，首先應(yīng)保證工件的加工精度和表面質(zhì)量要去，故一般選用較小的背吃刀量和進(jìn)給量，而盡可能選用較高的切削速度。 （一）工序05（粗銑兩邊面D、E）切削用量及基本時(shí)間的確定 1.切削用量 本道工序是粗銑端面，已知加工材料為45鋼，機(jī)床選用XA5032立式銑床，選用刀具為高速鋼鑲齒套式面銑刀，其參數(shù)：直徑d=125mm,孔徑D=40mm，寬L=40mm，齒數(shù)z=14.根據(jù)表5-26確定銑刀角度，選擇前角Υ=20°，后角α=12°，主偏角k=60°，螺旋角β=10°，已知銑削寬度為63mm，銑削背吃刀量為ap=6mm。 （1）確定每齒進(jìn)給量 根據(jù)表5-13知XA5032型立式銑床的主電機(jī)功率為7.5kw,查表5-27知當(dāng)工藝系統(tǒng)剛性中等、鑲齒端銑刀加工鑄鐵時(shí)，其每齒進(jìn)給量。由于本工序被吃刀量和銑削寬度較小，故選擇最大的每齒進(jìn)給量。 （2）選擇銑刀磨鈍標(biāo)準(zhǔn)和耐用時(shí)度 根據(jù)表5-28，用高速鋼鑲齒端銑刀粗加工鑄劍時(shí)，選擇銑刀后刀面磨損極限值為2.0mm，查表5-29知銑刀直徑d=80mm時(shí)，經(jīng)插值的端銑刀的合力耐用度T=50min。刀具耐磨用度是指刃磨后的刀具自開始切削直到磨損量達(dá)到磨鈍的標(biāo)準(zhǔn)所經(jīng)歷的總切削時(shí)間。 （3）確定切削速度和工作臺每分鐘進(jìn)給量 查表5-30知，高速鋼銑刀銑削速度為，則所需銑床主軸轉(zhuǎn)速范圍是 根據(jù)XA5032機(jī)床的標(biāo)準(zhǔn)主軸轉(zhuǎn)速，由表5-13選取n=60r/min,則實(shí)際銑削速度為 工作臺每分鐘進(jìn)給量為 根據(jù)表5-13中工作臺標(biāo)準(zhǔn)縱向進(jìn)給量，選取，則實(shí)際每齒進(jìn)給量為 （4）校驗(yàn)機(jī)床功率 由表5-31和表5-32知，銑削力和銑削功率計(jì)算公式如下： 式中。所以，銑削梨為 XA5023銑床主電機(jī)功率為7.5kW。故選用切削用量合適。最后的切削用量為 2.基本時(shí)間 根據(jù)表5-33知，的端銑刀對銑削的基本時(shí)間為 式中， —工件銑削部分長度，單位為mm； —切入行程長度，單位為mm，； —切出行程長度，單位mm； —工作臺每分鐘進(jìn)給量，單位為mm/min。 已知。由表5-34查的切入切出行程長度。所以，基本時(shí)間為 （二） 工序15（粗車Φ35外圓）切削用量及基本時(shí)間的確定 本工序?yàn)榇周囃鈭A，機(jī)床采用最常用的CA6140臥式車床，采用YT15硬質(zhì)合金刀具，根據(jù)加工條件和工件材料由表5-35、表5-36、表5-37、表5-38得刀具參數(shù)為主偏角、前角、刃傾角、刀尖圓弧半徑車刀加工。由表5-39知，選用桿部直徑為20mm的圓形車刀。由表5-40知，車刀合理耐用度為。 1.確定粗車Φ35外圓切削用量 （1）確定背吃刀量 由前述可知粗車時(shí)雙邊加工余量為4mm，,粗車后外圓直徑為，故單邊余量為2mm，即。 （2）確定進(jìn)給量 對于粗加工，根據(jù)表5-42，按照CA6140機(jī)床的進(jìn)給量值，以及參考《金屬加工工藝及工裝設(shè)計(jì)》第95頁表4-53可知，當(dāng)加工45鋼時(shí)，車刀刀桿尺寸B×H為20×30，背吃刀量a =2.0mm，則進(jìn)給量f=0.4~0.5mm/r，因此選取。 （3）確定切削速度 根據(jù)表5-43的計(jì)算公式確定切削速度 式中，，因本例的加工條件與該公式應(yīng)用條件不完全相同，故需根據(jù)表5-32對車削速度進(jìn)行修正：根據(jù)刀具耐用度T=60min，得修正系數(shù)為；根據(jù)工件材料，得修正系數(shù)為；根據(jù)毛坯表面狀態(tài)得修正系數(shù)為，刀具材料為YT15，得修正系數(shù)；主偏角，經(jīng)插值得修正系數(shù)。所以 查表5-44，以及參考《金屬加工工藝及工裝設(shè)計(jì)》第98頁表4-58外圓切削速度參考值可知，V =1.5~1.83m/s，則所需車床主軸轉(zhuǎn)速范圍n= =709~874.2r/min，根據(jù)CA6140機(jī)床上的主軸轉(zhuǎn)速選擇，則實(shí)際切削速度為 （4）檢驗(yàn)機(jī)床功率 由表5-45，查得切削力和切削功率計(jì)算公式如下： 式中，，，由表5-32得：與刀具耐用度有關(guān)的修正系數(shù)，與工件材料有關(guān)的修正系數(shù)，與主偏角相關(guān)的修正系數(shù)；與前角有關(guān)的修正系數(shù)。因此總的修正系數(shù)為 所以，切削力為 切削功率為 根據(jù)表5-46知：CA6140機(jī)床主電機(jī)功率，因，故上述切削用量可用，最后所確定的切削用量為 ； 。 2. 基本時(shí)間 由表5-47得外圓的基本時(shí)間為 式中，——切削加工長度，單位為mm； ——刀具切人長度，單位為mm，； ——刀具切入長度，單位為mm，； ——單件小批量生產(chǎn)時(shí)的試切附加長度，單位為mm； ——進(jìn)給次數(shù)。 已知，，，，，，。所以，基本時(shí)間為 （三） 工序20、25（粗車Φ27外圓、倒角C2、錐面及切退刀槽）切削用量及基本時(shí)間的確定 本工序?yàn)榇周囃鈭A，機(jī)床采用最常用的CA6140臥式車床，采用YT15硬質(zhì)合金刀具，根據(jù)加工條件和工件材料由表5-35、表5-36、表5-37、表5-38得刀具參數(shù)為主偏角、前角、刃傾角、刀尖圓弧半徑車刀加工。由表5-39知，選用桿部直徑為20mm的圓形車刀。由表5-40知，車刀合理耐用度為。 1.確定粗車Φ27外圓切削用量 （1）確定背吃刀量 由前述可知粗車時(shí)雙邊加工余量為8mm，,粗車后外圓直徑為，故單邊余量為4mm，即。 （2）確定進(jìn)給量 對于粗加工，根據(jù)表5-42，按照CA6140機(jī)床的進(jìn)給量值，以及參考《金屬加工工藝及工裝設(shè)計(jì)》第95頁表4-53可知，當(dāng)加工45鋼時(shí)，車刀刀桿尺寸B×H為20×30，背吃刀量a =4.0mm，則進(jìn)給量f=0.4~0.5mm/r，因此選取。 （3）確定切削速度 根據(jù)表5-43的計(jì)算公式確定切削速度 式中，，因本例的加工條件與該公式應(yīng)用條件不完全相同，故需根據(jù)表5-32對鏜削速度進(jìn)行修正：根據(jù)刀具耐用度T=60min，得修正系數(shù)為；根據(jù)工件材料，得修正系數(shù)為；根據(jù)毛坯表面狀態(tài)得修正系數(shù)為，刀具材料為YT15，得修正系數(shù)；主偏角，經(jīng)插值得修正系數(shù)。所以 查表5-44，以及參考《金屬加工工藝及工裝設(shè)計(jì)》第98頁表4-58外圓切削速度參考值可知，V =1.5~1.83m/s，則所需車床主軸轉(zhuǎn)速范圍n= =709~874.2r/min，根據(jù)CA6140機(jī)床上的主軸轉(zhuǎn)速選擇，則實(shí)際切削速度為 （4）檢驗(yàn)機(jī)床功率 由表5-45，查得切削力和切削功率計(jì)算公式如下： 式中，，，由表5-32得：與刀具耐用度有關(guān)的修正系數(shù)，與工件材料有關(guān)的修正系數(shù)，與主偏角相關(guān)的修正系數(shù)；與前角有關(guān)的修正系數(shù)。因此總的修正系數(shù)為 所以，切削力為 切削功率為 根據(jù)表5-46知：CA6140機(jī)床主電機(jī)功率，因，故上述切削用量可用，最后所確定的切削用量為 ； 。 2. 基本時(shí)間 由表5-47得外圓的基本時(shí)間為 式中，——切削加工長度，單位為mm； ——刀具切人長度，單位為mm，； ——刀具切入長度，單位為mm，； ——單件小批量生產(chǎn)時(shí)的試切附加長度，單位為mm； ——進(jìn)給次數(shù)。 已知，，，，，，。所以，基本時(shí)間為 （四）工序35、40(鉆及擴(kuò)Φ32mm孔) 切削用量及基本時(shí)間的確定 本工序?yàn)殂@及擴(kuò)Φ32mm的孔，所選用機(jī)床為Z3025搖臂鉆床。根據(jù)表5-19知選取d=30mm,l=294mm,莫氏圓錐號為3號的高速鋼錐柄麻花鉆作為刀具。根據(jù)表5-48選擇的麻花鉆參數(shù)由表5-49知，當(dāng)時(shí)，選擇鉆頭后刀面磨損極限值為0.9mm，耐用度T=50min。 1.切削用量 （1） 確定背吃刀梁鉆孔時(shí)，，故可取=15mm。 （2）確定進(jìn)給量按照加工要求決定進(jìn)給量。鉆頭直徑，工件材料為45鋼時(shí)，根據(jù)表5-50，鉆頭進(jìn)給范圍mm/r.根據(jù)表5-51，選取。因?yàn)榭椎纳疃扰c孔的直徑相差不多，故無需修正系數(shù)來修正。 （3）確定切削速度v 根據(jù)表5-52的計(jì)算公式 式中，。因本例的加工的條件與該公式應(yīng)用條件不完全相同，故對切削速度進(jìn)行修正，由表5-53得：根據(jù)刀具耐磨度T=50min，得修正系數(shù)k;工件材料=600MPa，得修正系數(shù)為；刀具材料為高速鋼，得修正系數(shù)；鉆頭為標(biāo)準(zhǔn)刃磨形狀，得修正系數(shù)。所以 根據(jù)Z3025機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)主軸轉(zhuǎn)速，由表5-54選取n=125m/min,實(shí)際轉(zhuǎn)速為： （4）校驗(yàn)機(jī)床功率 由表5-55，查的轉(zhuǎn)矩T和切削功率計(jì)算公式如下： 式中，，由表5-56得：與加工材料有關(guān)的修正系數(shù)45鋼的修整系數(shù)為；與刃磨形狀有關(guān)的修正系數(shù)；與刀具磨鈍有關(guān)的修正系數(shù)。因此總的修正系數(shù)為 所以鉆孔時(shí)的轉(zhuǎn)矩為 切削功率為 由表5-14知，Z3025機(jī)床主軸的最大轉(zhuǎn)矩 ，主電機(jī)功率。由于 ，故選用的切削用量可以用。最后確定的切削用量為 =15mm 2.基本時(shí)間 由表5-57的鉆孔的基本時(shí)間為 式中，—共建切削部分長度，單位為mm； —切入量，單位mm，； —超入量，單位mm, : 已知=36mm, ==10.73mm 所以，加工3個(gè)空所用基本時(shí)間為 =3=3 （五） 工序45（半精車Φ35外圓）切削用量及基本時(shí)間的確定 本工序?yàn)榘刖囃鈭A，機(jī)床采用最常用的CA6140臥式車床，采用YT15硬質(zhì)合金刀具，根據(jù)加工條件和工件材料由表5-35、表5-36、表5-37、表5-38得刀具參數(shù)為主偏角、前角、刃傾角、刀尖圓弧半徑車刀加工。由表5-39知，選用桿部直徑為20mm的圓形車刀。由表5-40知，車刀合理耐用度為。 1.確定粗車Φ35外圓切削用量 （1）確定背吃刀量 由前述可知粗車時(shí)雙邊加工余量為1.5mm，,半精車后外圓直徑為，故單邊余量為0.75mm，即。 （2）確定進(jìn)給量 對于半精加工，根據(jù)表5-42，按照CA6140機(jī)床的進(jìn)給量值，以及參考《金屬加工工藝及工裝設(shè)計(jì)》第95頁表4-53可知，當(dāng)加工45鋼時(shí)，車刀刀桿尺寸B×H為20×30，背吃刀量a =0.75mm，因此選取。 （3）確定切削速度 根據(jù)表5-43的計(jì)算公式確定切削速度 式中，，因本例的加工條件與該公式應(yīng)用條件不完全相同，故需根據(jù)表5-32對車削速度進(jìn)行修正：根據(jù)刀具耐用度T=60min，得修正系數(shù)為；根據(jù)工件材料，得修正系數(shù)為；根據(jù)毛坯表面狀態(tài)得修正系數(shù)為，刀具材料為YT15，得修正系數(shù)；主偏角，經(jīng)插值得修正系數(shù)。所以 查表5-44，根據(jù)CA6140機(jī)床上的主軸轉(zhuǎn)速選擇，則實(shí)際切削速度為 （4）檢驗(yàn)機(jī)床功率 由表5-45，查得切削力和切削功率計(jì)算公式如下： 式中，，，由表5-32得：與刀具耐用度有關(guān)的修正系數(shù)，與工件材料有關(guān)的修正系數(shù)，與主偏角相關(guān)的修正系數(shù)；與前角有關(guān)的修正系數(shù)。因此總的修正系數(shù)為 所以，切削力為 切削功率為 根據(jù)表5-46知：CA6140機(jī)床主電機(jī)功率，因，故上述切削用量可用，最后所確定的切削用量為 ； 。 2. 基本時(shí)間 由表5-47得外圓的基本時(shí)間為 式中，——切削加工長度，單位為mm； ——刀具切人長度，單位為mm，； ——刀具切入長度，單位為mm，； ——單件小批量生產(chǎn)時(shí)的試切附加長度，單位為mm； ——進(jìn)給次數(shù)。 已知，，，，，，。所以，基本時(shí)間為 （六） 工序50（精車Φ35外圓）切削用量及基本時(shí)間的確定 本工序?yàn)榫囃鈭A，機(jī)床采用最常用的CA6140臥式車床，采用YT15硬質(zhì)合金刀具，根據(jù)加工條件和工件材料由表5-35、表5-36、表5-37、表5-38得刀具參數(shù)為主偏角、前角、刃傾角、刀尖圓弧半徑車刀加工。由表5-39知，選用桿部直徑為20mm的圓形車刀。由表5-40知，車刀合理耐用度為。 1.確定精車Φ35外圓切削用量 （1）確定背吃刀量 由前述可知粗車時(shí)雙邊加工余量為0.5mm，精車后外圓直徑為，故單邊余量為0.25mm，即。 （2）確定進(jìn)給量 對于精加工，根據(jù)表5-42，按照CA6140機(jī)床的進(jìn)給量值，以及參考《金屬加工工藝及工裝設(shè)計(jì)》第95頁表4-53可知，當(dāng)加工45鋼時(shí)，車刀刀桿尺寸B×H為20×30，背吃刀量a =0.75mm，因此選取。 （3）確定切削速度 根據(jù)表5-43的計(jì)算公式確定切削速度 式中，，因本例的加工條件與該公式應(yīng)用條件不完全相同，故需根據(jù)表5-32對車削速度進(jìn)行修正：根據(jù)刀具耐用度T=60min，得修正系數(shù)為；根據(jù)工件材料，得修正系數(shù)為；根據(jù)毛坯表面狀態(tài)得修正系數(shù)為，刀具材料為YT15，得修正系數(shù)；主偏角，經(jīng)插值得修正系數(shù)。所以 查表5-44，根據(jù)CA6140機(jī)床上的主軸轉(zhuǎn)速選擇，則實(shí)際切削速度為 （4）檢驗(yàn)機(jī)床功率 由表5-45，查得切削力和切削功率計(jì)算公式如下： 式中，，，由表5-32得：與刀具耐用度有關(guān)的修正系數(shù)，與工件材料有關(guān)的修正系數(shù)，與主偏角相關(guān)的修正系數(shù)；與前角有關(guān)的修正系數(shù)。因此總的修正系數(shù)為 所以，切削力為 切削功率為 根據(jù)表5-46知：CA6140機(jī)床主電機(jī)功率，因，故上述切削用量可用，最后所確定的切削用量為 ； 。 2. 基本時(shí)間 由表5-47得外圓的基本時(shí)間為 式中，——切削加工長度，單位為mm； ——刀具切人長度，單位為mm，； ——刀具切入長度，單位為mm，； ——單件小批量生產(chǎn)時(shí)的試切附加長度，單位為mm； ——進(jìn)給次數(shù)。 已知，，，，，，。所以，基本時(shí)間為 （七） 工序60（車削螺紋）切削用量及基本時(shí)間的確定 本工序?yàn)檐囅魍鈭A，機(jī)床采用最常用的CA6140臥式車床，采用YT15硬質(zhì)合金刀具，根據(jù)加工條件和工件材料由表5-35、表5-36、表5-37、表5-38得刀具參數(shù)為主偏角、前角、刃傾角、刀尖圓弧半徑車刀加工。由表5-39知，選用桿部直徑為20mm的圓形刀。由表5-40知，車刀合理耐用度為。 1.確定外圓切削用量 （1）確定背吃刀量 由前述可知車削時(shí)雙邊加工余量為1.5mm，,車削螺紋后外圓直徑為，故單邊余量為0.75mm，即。 （2）確定進(jìn)給量 對于粗加工，根據(jù)表5-42，按照CA6140機(jī)床的進(jìn)給量值，以及參考《金屬加工工藝及工裝設(shè)計(jì)》第95頁表4-53可知，當(dāng)加工45鋼時(shí)，車刀刀桿尺寸B×H為20×30，背吃刀量a =0.75mm，因此選取。 （3）確定切削速度 根據(jù)表5-43的計(jì)算公式確定切削速度 式中，，因本例的加工條件與該公式應(yīng)用條件不完全相同，故需根據(jù)表5-32對車削速度進(jìn)行修正：根據(jù)刀具耐用度T=60min，得修正系數(shù)為；根據(jù)工件材料，得修正系數(shù)為；根據(jù)毛坯表面狀態(tài)得修正系數(shù)為，刀具材料為高速鋼，得修正系數(shù)；主偏角，經(jīng)插值得修正系數(shù)。所以 查表5-44，根據(jù)CA6140機(jī)床上的主軸轉(zhuǎn)速選擇，則實(shí)際切削速度為 （4）檢驗(yàn)機(jī)床功率 由表5-45，查得切削力和切削功率計(jì)算公式如下： 式中，，，由表5-32得：與刀具耐用度有關(guān)的修正系數(shù)，與工件材料有關(guān)的修正系數(shù)，與主偏角相關(guān)的修正系數(shù)；與前角有關(guān)的修正系數(shù)。因此總的修正系數(shù)為 所以，切削力為 切削功率為 根據(jù)表5-46知：CA6140機(jī)床主電機(jī)功率，因，故上述切削用量可用，最后所確定的切削用量為 ； 。 2. 基本時(shí)間 由表5-47得外圓的基本時(shí)間為 式中，——切削加工長度，單位為mm； ——刀具切人長度，單位為mm，； ——刀具切入長度，單位為mm，； ——單件小批量生產(chǎn)時(shí)的試切附加長度，單位為mm； ——進(jìn)給次數(shù)。 已知，，，，，，。所以，基本時(shí)間為 （八）工序70（粗銑鍵槽）切削用量及基本時(shí)間的確定 1.切削用量 本道工序是粗銑端面，已知加工材料為45鋼，機(jī)床選用X6132萬能銑床，選用刀具為高速鋼鑲齒套式面銑刀，其參數(shù)：直徑d=80mm,孔徑D=27mm，寬L=36mm，齒數(shù)z=10.根據(jù)表5-26確定銑刀角度，選擇前角。已知銑削寬度為8mm，銑削背吃刀量為ap=2.5mm。 （1）確定每齒進(jìn)給量 根據(jù)表5-13知X6132萬能銑床的主電機(jī)功率為7.5kw,查表5-27知當(dāng)工藝系統(tǒng)剛性中等、鑲齒端銑刀加工鑄鐵時(shí)，其每齒進(jìn)給量。由于本工序被吃刀量和銑削寬度較小，故選擇最大的每齒進(jìn)給量。 （2）選擇銑刀磨鈍標(biāo)準(zhǔn)和耐用時(shí)度 根據(jù)表5-28，用高速鋼鑲齒端銑刀粗加工鑄劍時(shí)，選擇銑刀后刀面磨損極限值為2.0mm，查表5-29知銑刀直徑d=80mm時(shí)，經(jīng)插值的端銑刀的合力耐用度T=50min。刀具耐磨用度是指刃磨后的刀具自開始切削直到磨損量達(dá)到磨鈍的標(biāo)準(zhǔn)所經(jīng)歷的總切削時(shí)間。 （3）確定切削速度和工作臺每分鐘進(jìn)給量 查表5-30知，高速鋼銑刀銑削速度為，則所需銑床主軸轉(zhuǎn)速范圍是 根據(jù)X6132萬能銑床的標(biāo)準(zhǔn)主軸轉(zhuǎn)速，由表5-13選取n=75r/min,則實(shí)際銑削速度為 工作臺每分鐘進(jìn)給量為 根據(jù)表5-13中工作臺標(biāo)準(zhǔn)縱向進(jìn)給量，選取，則實(shí)際每齒進(jìn)給量為 （4）校驗(yàn)機(jī)床功率 由表5-31和表5-32知，銑削力和銑削功率計(jì)算公式如下： 式中。所以，銑削梨為 XA5023銑床主電機(jī)功率為7.5kW。故選用切削用量合適。最后的切削用量為 2.基本時(shí)間 根據(jù)表5-33知，的端銑刀對銑削的基本時(shí)間為 式中， —工件銑削部分長度，單位為mm； —切入行程長度，單位為mm，； —切出行程長度，單位mm； —工作臺每分鐘進(jìn)給量，單位為mm/min。 已知。由表5-34查的切入切出行程長度。所以，基本時(shí)間為 （九）工序75（精銑鍵槽）切削用量及基本時(shí)間的確定 1.切削用量 本道工序?yàn)榫婃I槽，已知加工材料為45鋼，機(jī)床選用X6132萬能銑床，選用刀具為高速鋼鑲齒套式面銑刀，其參數(shù)：直徑d=80mm,孔徑D=27mm，寬L=36mm，齒數(shù)z=10.根據(jù)表5-26確定銑刀角度，選擇前角。已知銑削寬度為8mm，銑削背吃刀量為ap=0.5mm。 （1）確定每齒進(jìn)給量 根據(jù)表5-13知X6132萬能銑床的主電機(jī)功率為7.5kw,查表5-27知當(dāng)工藝系統(tǒng)剛性中等、鑲齒端銑刀加工鑄鐵時(shí)，其每齒進(jìn)給量。由于本工序被吃刀量和銑削寬度較小，故選擇最大的每齒進(jìn)給量。 （2）選擇銑刀磨鈍標(biāo)準(zhǔn)和耐用時(shí)度 根據(jù)表5-28，用高速鋼鑲齒端銑刀粗加工鑄劍時(shí)，選擇銑刀后刀面磨損極限值為2.0mm，查表5-29知銑刀直徑d=80mm時(shí)，經(jīng)插值的端銑刀的合力耐用度T=50min。刀具耐磨用度是指刃磨后的刀具自開始切削直到磨損量達(dá)到磨鈍的標(biāo)準(zhǔn)所經(jīng)歷的總切削時(shí)間。 （3）確定切削速度和工作臺每分鐘進(jìn)給量 查表5-30知，高速鋼銑刀銑削速度為，則所需銑床主軸轉(zhuǎn)速范圍是 根據(jù)X6132萬能銑床的標(biāo)準(zhǔn)主軸轉(zhuǎn)速，由表5-13選取n=75r/min,則實(shí)際銑削速度為 工作臺每分鐘進(jìn)給量為 根據(jù)表5-13中工作臺標(biāo)準(zhǔn)縱向進(jìn)給量，選取，則實(shí)際每齒進(jìn)給量為 （4）校驗(yàn)機(jī)床功率 由表5-31和表5-32知，銑削力和銑削功率計(jì)算公式如下： 式中。所以，銑削梨為 XA5023銑床主電機(jī)功率為7.5kW。故選用切削用量合適。最后的切削用量為 2.基本時(shí)間 根據(jù)表5-33知，的端銑刀對銑削的基本時(shí)間為 式中， —工件銑削部分長度，單位為mm； —切入行程長度，單位為mm，； —切出行程長度，單位mm； —工作臺每分鐘進(jìn)給量，單位為mm/min。 已知。由表5-34查的切入切出行程長度。所以，基本時(shí)間為 八 夾具設(shè)計(jì) 本夾具是用32孔和27.5外圓定位，定位原件是V型塊和定位軸，用直壓板壓緊，鉆模座鉸鏈形式，加緊工件后將鉆模座旋轉(zhuǎn)到指定位置，用圓壓塊壓緊，開始鉆孔。鉆套采用可換鉆套，方便在鉆套磨損候更換 夾具裝配圖如下: 參考文獻(xiàn) [1] 王先逵主編，《機(jī)械制造工藝學(xué)》，第二版，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006 [2] 王棟主編，《機(jī)械制造工藝學(xué)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010 [3] 成大先主編，《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》，第五版，北京：化工工業(yè)出版社，2007 [4] 王蘭美主編，《畫法幾何及工程制圖》，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002 [5] 王先逵，《機(jī)械制造工藝學(xué)手冊》，第二版，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007 可持續(xù)夾具及固定裝置的高精度安裝的方法論 J. Jamshidi，P.G. maropoulos 英國巴斯大學(xué)機(jī)械工程學(xué)系 摘要 在夾具安裝階段，夾具組件的精確測量能力決定其精確性，尤其是對大尺寸的產(chǎn)品和應(yīng)用來說。大量定制一些在設(shè)計(jì)上有多樣性的小批量產(chǎn)品和零部件是十分重要的。產(chǎn)品質(zhì)量應(yīng)該與迅速轉(zhuǎn)換理念相互協(xié)調(diào)，對于敏感元器件及組件而言，以犧牲產(chǎn)品質(zhì)量來提高速度是不明智的，例如在航空航天工業(yè)中所看到的那些零部件。提高精確性對于夾具的安裝是很有必要的，為了要盡量少用，這可取決于夾具和夾具定位變化的耐受性預(yù)算。在航空航天工業(yè)中，靈活和可重構(gòu)夾具的概念的發(fā)展及固定裝置是夾具的主要開銷成本。吸引他們的是重構(gòu)夾具的可重用性，可持續(xù)使用是由于那些零部件也能夠被重新應(yīng)用到許多種產(chǎn)品和裝配中去。一直不佳的準(zhǔn)確性和可靠性為這類夾具的缺點(diǎn)，這篇論文主要是研究可持續(xù)夾具主要零部件的精確定位，影響夾具性能的因素在安裝階段會得以審查。本文介紹了一種在靈活?yuàn)A具中為了最大限度地減少定位和夾緊的不確定性的方法。 關(guān)鍵詞:可持續(xù)性夾具；夾具安裝；校準(zhǔn)不確定性；夾具的監(jiān)測；計(jì)量；可重復(fù)使用的夾具 1引言 質(zhì)量和可靠性等因素早已經(jīng)轉(zhuǎn)換為新零件固有的特征。在他們的產(chǎn)品和服務(wù)范圍內(nèi)，近期市場趨勢已經(jīng)迫使制造業(yè)走向大規(guī)模定制。其次增加新陳品的多樣化設(shè)計(jì)在部件和組件級別上遵循第二次高幅度的變化。有先進(jìn)制造系統(tǒng)和技術(shù)的國家提供了更多的靈活性，能使設(shè)計(jì)師更加自由的發(fā)揮想象。例如在過去幾十年發(fā)展起來的一種新的大體積測量方法，就能測量及公丈的距離。用來檢測大尺寸零件的這些設(shè)備通常是由多個(gè)組裝部件所制造出來的。在重組和裝配期間，那些大尺寸產(chǎn)品的制造需要用到專用的夾具和固定裝置，以便于他們的零部件能夠被定位在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)上。對于大批量產(chǎn)品，在計(jì)算機(jī)輔助軟件上就能估算出其主要的花費(fèi)需求，否則，在某些情況下或以其他方式生產(chǎn)的產(chǎn)品成本可能會是非常高的。這個(gè)問題與客戶不斷用錢來尋求具有更高價(jià)值的市場需求相互矛盾。用一種典型的變化產(chǎn)品可以創(chuàng)建一個(gè)更加具有持續(xù)性的商業(yè)，因?yàn)樗軌驖M足相對比較大地市場需求。由支持產(chǎn)品變化的不同形狀的產(chǎn)品而形成的靈活和可重構(gòu)夾具及固定裝置則是應(yīng)對上述挑戰(zhàn)關(guān)鍵的解決方案。靈活?yuàn)A具的概念已經(jīng)在研究領(lǐng)域存在了幾年[1]。然而，它們在很大程度上沒有充分利用真正的生產(chǎn)設(shè)施，尤其是大尺寸產(chǎn)品的制造，如航空航天設(shè)備。這是由于關(guān)于它們的初始安裝、校準(zhǔn)困難和可重復(fù)性等挑戰(zhàn)往往超出公差要求。這些夾具和高品質(zhì)關(guān)鍵部件裝置的制造以及大量的集成計(jì)量系統(tǒng)，都可以減少上述限制。本文包括了有關(guān)安裝的計(jì)量問題和靈活的夾具校準(zhǔn)以及檢測服務(wù)。 2相關(guān)工作 2.1大型零件的制造和裝配 通常把要精密制造的機(jī)械零件移動(dòng)到機(jī)床工作臺是必需的，先進(jìn)行粗加工，然后精對準(zhǔn)和夾緊。在這個(gè)階段，一方面是準(zhǔn)備用于加工高精度的關(guān)鍵所在，然而，這對于一些大尺寸或重的零部件并不總是可以實(shí)現(xiàn)的。大型產(chǎn)品是指那些與一些不經(jīng)濟(jì)的可能需要處理或在工廠周圍移動(dòng)的的組件一起來達(dá)到制造和裝配的目的[2]。制造業(yè)和這些部件的裝配工藝包括所需機(jī)器和系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)以及這些部件的位置和方向。這些零部件通常定位在大尺寸夾具及固定裝置上該定位的位置。如果這些部件以小批量生產(chǎn)，在航空航天工業(yè)、高開銷的情況下，每個(gè)產(chǎn)品將會出現(xiàn)。在設(shè)計(jì)和制造夾具上，已經(jīng)有了許多嘗試，以便于能夠持有許多種組件的變種。然而，這方法是不可行的，因?yàn)槊舾谢蜿P(guān)鍵的零部件完全是由它們的高精度要求所決定的。與固定的夾具相比較，可調(diào)、可重構(gòu)夾具會產(chǎn)生更低的重復(fù)性。固定夾具有固定的方式，可以通過焊接或鉚接的接頭固定在一起來實(shí)現(xiàn)。這些機(jī)械故障，例如夾具和固定裝置由于疲勞和塑料變形就是一個(gè)終止其服務(wù)的主要原因，發(fā)送它們再進(jìn)行回收。小批量制造的需求是目前常見的淘汰不合格夾具，其使用壽命取決于產(chǎn)品的生命周期。換句話說，在制造變種零件停止不久之后，與之有關(guān)聯(lián)的夾具和固定裝置將會變得多余。即使夾具有工作順序，但它們?nèi)匀挥袌?bào)廢并送往循環(huán)再造。這種方法會帶來高負(fù)擔(dān)回收的能耗。在大尺寸零件下的固定夾具和夾具的漂移以及夾具都能影響大尺寸零件組裝的精確性[5]。對于大尺寸的夾具已經(jīng)開發(fā)出了幾種分析夾具剛性的方法，可用來評估振動(dòng)的影響因素。在任何情況下更加可持續(xù)生產(chǎn)要通過選擇性方案才能得以實(shí)現(xiàn)。如圖2.1所示。 圖2.1 典型的大型夾具元件 用于制造所延誤的時(shí)間是固定夾具的又一重大缺點(diǎn)，這些夾具應(yīng)該在制造前就被訂購，在生產(chǎn)計(jì)劃和產(chǎn)品上市前還可以創(chuàng)建額外的復(fù)雜性。不管他們的類型，大型夾具有一些共同的元素，包括一個(gè)主框架、內(nèi)在的框架，有可能有一個(gè)或數(shù)多個(gè)可移動(dòng)的機(jī)制或更小的組件，如鉗、套管、皮卡和可調(diào)螺絲[表1]。 2.2柔性夾具 開發(fā)的柔性夾具的概念增加了其可持續(xù)性、快速轉(zhuǎn)換以及降低了成本?，F(xiàn)在可以使用現(xiàn)成的模塊來設(shè)計(jì)和組裝夾具。根據(jù)規(guī)定，只有極少數(shù)夾具的專用零件需要設(shè)計(jì)和制造。以這種概念看，大多數(shù)散裝部件、附件關(guān)節(jié)都應(yīng)用的很具體。一旦產(chǎn)品設(shè)計(jì)變異完全制造出來，然后就可以拆卸上述組件和重組成一種新的元件來與未來的設(shè)計(jì)變異相匹配。因?yàn)榻M裝和組件范圍上的設(shè)計(jì)都相當(dāng)接近，所以這種方法是最能降低夾具成本的。 根據(jù)組件的變化水平和工作類型的需求，每一個(gè)不同比例的柔性夾具都需要被重新安排。為了增加使用這種類型夾具的效益，這個(gè)問題在設(shè)計(jì)階段考慮是十分重要的。例如，在可能的情況下，皮卡車的位置和三維定位夾具上的組件的不同變種，甚至完全不同的部分應(yīng)該是在靠近增加兼容性和夾具子系統(tǒng)間變性。夾具關(guān)鍵部件的收集在短期內(nèi)能保證所需夾具的可用性。另外，這些夾具的存儲需要很少空間，因?yàn)椴鸪心K是可能的，通常以腳手架的形式并把它們彼此放在一起。目前在一些汽車公司應(yīng)用到柔性夾具，因?yàn)樗鼈兊木鹊燃壥亲銐驖M足的。大尺寸制造的夾具設(shè)施盡管沒有許多柔性夾具那樣操作靈活，比如航空航天設(shè)備。準(zhǔn)確性和定位銷的不確定性、夾具的可重復(fù)性以及夾具結(jié)構(gòu)的漂移都出現(xiàn)這樣一個(gè)事實(shí)，這些夾具在發(fā)電和航空航天等工業(yè)不能滿足公差要求。一旦它們的精度問題得以解決，這些夾具在上述的工業(yè)中將會有很高的利用價(jià)值。 圖2.2 夾具與汽車行業(yè)中的可重構(gòu)組件 大量的體積計(jì)量系統(tǒng)和技術(shù)一直有許多新的發(fā)展。依靠計(jì)量系統(tǒng)和技術(shù)的現(xiàn)代激光技術(shù)現(xiàn)在就能夠測量一些可接受精度的大尺寸產(chǎn)品甚至到幾公丈的產(chǎn)品。在安裝和初期安裝調(diào)試期間，這些系統(tǒng)能夠用來精確定位一些夾具的關(guān)鍵部件。 夾具的安裝通常開始形成機(jī)架或主要框架，然后是那些大的部件和像皮卡和夾具那樣逐漸更小的零部件。計(jì)量系統(tǒng)能夠用于柔性夾具的主要框架和其內(nèi)部框架的安裝，從而來保證每個(gè)零部件彼此之間的準(zhǔn)確定位。表1顯示了這些大規(guī)模的測量系統(tǒng)數(shù)。跟蹤系統(tǒng)能夠測量基準(zhǔn)點(diǎn)，它是實(shí)現(xiàn)這一目的的最合適的測量系統(tǒng)。一起跟蹤球式反射鏡在三維空間內(nèi)都可以認(rèn)準(zhǔn)所要記錄的位置。球式反射鏡可以直接練習(xí)目標(biāo)對象來提供幾何位置信息或可以在機(jī)械重復(fù)的球式反射鏡下應(yīng)用，從這個(gè)角度用激光來跟蹤目標(biāo)或短期目標(biāo)。像一些其他測量儀器的激光跟蹤有時(shí)候不確定，在夾具的安裝過程中需要做以說明。此外，激光跟蹤和目標(biāo)點(diǎn)之間的光線問題還應(yīng)該考慮到。如果必要的話，多個(gè)跟蹤職位都可以使用，在實(shí)際測量活動(dòng)中，其結(jié)果必然是伴隨著一個(gè)不確定的說明。經(jīng)過測量，這些給定的分散的特征值是合理的，這個(gè)問題與一些夾具或夾具的安裝及以后的審核都是一樣的。這些知識闡明了一個(gè)給定的定位夾具的能力和裝配任務(wù)。換句話說，它表示在其相關(guān)流程中一套夾具是否能夠滿足公差要求。 2.3夾具理論比較 為了用于多種生產(chǎn)裝置和組裝應(yīng)用，在不同的公司也有大量不同形狀和設(shè)計(jì)的夾具。這些夾具中的某一些的形式都是標(biāo)準(zhǔn)形式，然而另一些是經(jīng)過專門設(shè)計(jì)和制造的特殊零部件。后者可以說是建立在產(chǎn)品的復(fù)雜性和大規(guī)模的基礎(chǔ)上的，所以可能會是非常昂貴的[9]。 無論成本和目的如何，制造和組裝過程都可以完成，要么不使用夾具，要么用固定幀夾具或用可重構(gòu)或柔性夾具。表2對它們的典型應(yīng)用的這些方法做出了比較。 固定框夾具通常用于重型應(yīng)用上，它們更適合于應(yīng)用在能夠減輕花費(fèi)開銷的大量產(chǎn)品上。 對于制造業(yè)和大型組裝及復(fù)雜產(chǎn)品來說，柔性夾具的應(yīng)用有很多好處。特別是在研究和發(fā)展工作中，以及低容量產(chǎn)品的情況下，制造柔性夾具和夾具可能會是非常有益的。除了在時(shí)間和金錢上使利益均衡外，柔性夾具還會有一個(gè)更加靈活的設(shè)計(jì)思路。由于在夾具的制造和裝配過程中，會直接和經(jīng)常改變夾具的拓?fù)涑杀尽Ｅc傳統(tǒng)夾具相比較，這種類型的柔性夾具的可重用性和可重構(gòu)性是一個(gè)主要的優(yōu)點(diǎn)。這一點(diǎn)尤為重要，因?yàn)樗诰G色制造方面符合行業(yè)的發(fā)展方向，通過回收使用系統(tǒng)的組成部件，為相關(guān)項(xiàng)目的工裝費(fèi)用降低了項(xiàng)目成本。 表2.1 用于驗(yàn)證夾具大量的例子、便攜式測量儀器 儀器 輔助部件 測量類型 接觸式 非接觸式 圖像 激光跟蹤儀 賽立信探頭 是 T型探頭 是 激光雷達(dá) 球形目標(biāo) 是 攝影 目標(biāo) 是 光投影 是 關(guān)節(jié)臂 三坐標(biāo)測量機(jī) 基于激光掃描頭 是 接觸探頭 是 2.4 柔性夾具的安裝 本節(jié)中描述的夾具在安裝過程中需要考慮一些問題。夾具元件安裝在合適位置可以說是一種挑戰(zhàn)，尤其是當(dāng)定位公差比較小時(shí)，柔性夾具也應(yīng)當(dāng)被監(jiān)測以便于開發(fā)和與傳統(tǒng)夾具相比較它們的剛性。 給出了一個(gè)通用的描述階段根據(jù)初步夾具安裝在仿真軟件環(huán)境和利用一些尺寸為5m×4m×3m的大尺寸夾具的實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果來測量指令階段。這是不論這個(gè)夾具是否是第一次安裝在夾具中還是對已經(jīng)存在的夾具只做外形上的更換，其都是為了定位不同的零部件。 根據(jù)其復(fù)雜性，一種典型的大尺寸夾具具有三至五個(gè)結(jié)構(gòu)。通常除了有一個(gè)主框架之外，在每一個(gè)級別的基本水平，也可以由一個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)用來作為參考以便于作為夾具基準(zhǔn)來定位。在一個(gè)自動(dòng)化固定的平臺上，機(jī)器系統(tǒng)會進(jìn)行多項(xiàng)任務(wù)，比如定位、加工和進(jìn)行裝配。因此機(jī)器人的工作基準(zhǔn)與夾具的工作框架相聯(lián)系。仔細(xì)考慮夾具的綜合數(shù)據(jù)，會確保后續(xù)安裝達(dá)到預(yù)期的公差要求。 2.4.1 測試輔助柔性夾具的安裝 柔性夾具的安裝在第一次進(jìn)行模擬仿真時(shí)有幾個(gè)安裝階段。使用模擬演習(xí)，在這個(gè)工程中可以減少一些潛在的錯(cuò)誤和返工。測量輔助安裝過程是類似的跟蹤對象位置的過程，是常見的大尺寸組件用到的。夾具的組件先用這種方法使其大致位置公差在1mm以內(nèi)，然后當(dāng)所有的夾具組件被放到所設(shè)計(jì)的位置時(shí)，在0.1mm至0.15mm公差內(nèi)，它們可以使用適當(dāng)?shù)呐ぞ厥站o。典型的計(jì)量協(xié)助柔性夾具安裝階段如下： 在出廠時(shí)設(shè)置初試參考結(jié)構(gòu)； 測量初始參照系； 安裝基地或其位置的主框架； 安裝脫機(jī)內(nèi)結(jié)構(gòu)； 安裝控股和定位； 在內(nèi)框和主框架位置安裝鉗、套管和皮卡。 底座上安裝內(nèi)框； 重點(diǎn)定位元件的精細(xì)調(diào)整和緊固； 核查參照系和夾具； 對于夾具關(guān)鍵位置的服務(wù)監(jiān)測。 這些階段是從無到有夾具的完整安裝。更不用說，在設(shè)計(jì)變化略有變化的情況下，一些下面的操作將被忽略。 表2.2 不同夾具理念之間簡明的比較 典型特征 固定框架 柔性夾具 夾具 應(yīng)用 大批量產(chǎn)品 小批量產(chǎn)品 樣機(jī) 優(yōu)點(diǎn) 唯一性 可重復(fù)性 可重構(gòu)性 成本效益 耐用性 非常高 高 低 剛度 非常高 剛性不確定 低 缺點(diǎn) 重量 重 中 低 可移植性 不可移植 難以在每一個(gè)安裝中定位 難以進(jìn)行 成本 非常高 中等 低 生產(chǎn)時(shí)間 長 中等 短 2.4.2 柔性夾具的安裝 柔性夾具安裝過程中采取了以下階段： 安裝夾具的主框架； 移動(dòng)單元和子系統(tǒng)組裝； 夾具內(nèi)框架在夾具裝配中的安裝； 皮卡和夾具的裝配。 主框架通常是夾具的骨干。因此，它一般不會改變外形，和內(nèi)框架及較小的元素如襯套、皮卡和夾具一樣具有規(guī)律性。慎重考慮制造過程可以減少夾具元件較大元素的重新排列，也會更進(jìn)一步節(jié)約時(shí)間和成本。圖3顯示了三組不同活動(dòng)小組對于柔性夾具的安裝過程。在這個(gè)過程中，假定夾具的標(biāo)準(zhǔn)件是從可供選擇的現(xiàn)成的部件和組件中選出來的，然后提前在大量的物理安裝測試和調(diào)試時(shí)以降低測量不確定度來進(jìn)行一次夾具安裝。一旦達(dá)到可接受水平的不確定性的物理安裝才能進(jìn)行。 圖2.3 柔性夾具的測量輔助安裝程序 在夾具安裝過程中，它可能需要用到多個(gè)測量系統(tǒng)或用到包括一套完整夾具安裝關(guān)鍵點(diǎn)的測量系統(tǒng)。這應(yīng)該包括在夾具維修期間放在工廠的地板和墻壁上的穩(wěn)定性及漂移檢查的目標(biāo)參考點(diǎn)。 在夾具上定位的關(guān)鍵點(diǎn)、測量儀器的不確定性應(yīng)該予以考慮。作為一個(gè)經(jīng)驗(yàn)法則，每個(gè)夾具關(guān)鍵位置的定位的準(zhǔn)確性應(yīng)該是在10倍，甚至比所需的耐受性更好。換句話說，如果組件公差指定至0.1mm，則夾具定位精度至少應(yīng)為0.01mm。 柔性夾具安裝的最佳做法如下： 一個(gè)工廠的墻壁和地板上的初始參考點(diǎn)的位置是首選，以減少測量的不確定性； 應(yīng)驗(yàn)證該儀器所在位置上經(jīng)常使用初始參考點(diǎn)的基地； 在每個(gè)夾具的大節(jié)上，為更好地具有跟蹤和可重復(fù)性，可以附加多個(gè)球式反射跟蹤系統(tǒng)； 夾具大型組件有關(guān)于彎曲或扭曲的測量應(yīng)集中在角梁的中央部分，以減少定位誤差； 內(nèi)框架參考點(diǎn)應(yīng)選擇盡可能遠(yuǎn)的創(chuàng)建框的坐標(biāo)系統(tǒng)。這可能會導(dǎo)致在內(nèi)框坐標(biāo)系時(shí)的較小的不確定性。 3.不確定性 由于評估的結(jié)果旨在對于所描述物體真正價(jià)值范圍內(nèi)的評估定位，則不確定性被定義為膠[8]。這里的不確定性來自兩方面的審查，首先是與測量過程中有關(guān)的，其次是與夾具定位的不確定性有關(guān)。測量不確定性的一些因素，如灰塵、重力、溫度、氣壓、濕度、測量儀器和相關(guān)軟件中的系統(tǒng)誤差、操作人員的技能、接觸探針或球式反射跟蹤儀?；谀z[8]的定義，測量結(jié)果應(yīng)伴隨著它的不確定性說明，這些錯(cuò)誤詳細(xì)來源的討論超出了本文的范圍。已經(jīng)有多項(xiàng)研究來建立真正的不確定性的一些測量儀器[10、11]。 夾具關(guān)鍵點(diǎn)的測量結(jié)果應(yīng)該包括相關(guān)的置信水平。除了最初的不確定性上升的測量儀器，夾具的不確定性還有其他方面的影響。夾具框架方面的應(yīng)用由于產(chǎn)品重量以及制造工藝過程在夾具框架中能創(chuàng)建一些彈性變形。夾具有了集成化、自動(dòng)化和移動(dòng)部分，是這個(gè)問題變得更加復(fù)雜。 仔細(xì)考慮夾具設(shè)計(jì)階段不確定性的來源可以在一個(gè)給定的情況下減少過度使用公差預(yù)算的風(fēng)險(xiǎn)。夾具的精度和夾具的成本之間有著直接的關(guān)系。然而，整體的成本也應(yīng)該被考慮在內(nèi)。高數(shù)額的零部件有更長的使用壽命。換句話說，質(zhì)量特征接近平均值是，在使用過程中會很少失效。朝六個(gè)方向靠近在安裝時(shí)是很必要的，然后是在高精度夾具和敏感部位上的可重構(gòu)、柔性夾具及夾具的監(jiān)測。 4.討論 柔性夾具適用于組裝和在加工部分有不同的設(shè)計(jì)和幾何參數(shù)。尤其是當(dāng)這些部件之間的設(shè)計(jì)變化小時(shí)，這種類型的夾具被證明是具有成本效益和快速的解決方案，這是因?yàn)樗赡軙ㄟ^夾具重新配置到一個(gè)新的產(chǎn)品或組件的變種上。然而，當(dāng)所需的零件盒裝配的設(shè)計(jì)完全不同時(shí)，可能需要不同尺寸夾具組件的完整地重排，因此，在設(shè)計(jì)一個(gè)新的零件和重組夾具的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)該考慮到要便于減少夾具的安裝和重新配置的時(shí)間以及成本，并最大限度的重用現(xiàn)在的組件在當(dāng)前的裝配中。 一個(gè)柔性夾具有許多種裝配方式，是由于其靈活性。在正確的安裝順序下選擇合適的組件，可以最大限度的節(jié)約成本和時(shí)間。本次選擇的過程中應(yīng)該對未來產(chǎn)品的夾具的潛在的重用予以考慮。在產(chǎn)品不斷變化的情況下，計(jì)劃和設(shè)計(jì)夾具框架是很重要的。使用定制的夾具、緊固件、軸套和其他夾具元件都是降低成本的關(guān)鍵問題。 仿真軟件和工具的廣泛使用，可以減少返工和浪費(fèi)夾具材料相關(guān)的成本。例如測量儀器，其目標(biāo)點(diǎn)之間的視線檢查就會使用這些軟件來輔助。圖4顯示了柔性夾具安裝在測量仿真軟件中的第一個(gè)階段。由于夾具正在興建的模擬的效益越 來越明顯，因此它可以突出儀器與目標(biāo)測量點(diǎn)的水平視線的問題和不確定性。 由于關(guān)于夾具操作中重量和力使夾具元件的電位漂移和變形，則可以提前在仿真中分析以及在購買夾具元件方面的財(cái)政。更重要的是，這種工具允許更好的裝配和制造等操作，因?yàn)樗鼈兡芴崆胺治龀鰥A具的長處和弱點(diǎn)，揭示其物理設(shè)置。 選擇合適的測量儀器最重要的是要協(xié)助夾具安裝的的計(jì)量。一個(gè)連貫的計(jì)量系統(tǒng)，其測量結(jié)果的不確定性能夠決定夾具的不確定性，也暴露了夾具和是否符合一個(gè)給定的公差范圍內(nèi)所需任務(wù)的能力。 圖4.1 測量輔助夾具安裝的模擬過程 由于關(guān)于夾具操作中重量和力使夾具元件的電位漂移和變形，則可以提前在仿真中分析以及在購買夾具元件方面的財(cái)政。更重要的是，這種工具允許更好的裝配和制造等操作，因?yàn)樗鼈兡芴崆胺治龀鰥A具的長處和弱點(diǎn)，揭示其物理設(shè)置。 選擇合適的測量儀器最重要的是要協(xié)助夾具安裝的的計(jì)量。一個(gè)連貫的計(jì)量系統(tǒng)，其測量結(jié)果的不確定性能夠決定夾具的不確定性，也暴露了夾具和是否符合一個(gè)給定的公差范圍內(nèi)所需任務(wù)的能力。 總結(jié) 零件和裝配體應(yīng)該以盡量減少夾具成本的方式來設(shè)計(jì)，以滿足使用標(biāo)準(zhǔn)組件。如果在夾具更新至下一產(chǎn)品時(shí)提前思考，則其速度和成本可能會增加。在夾具和固定裝置的設(shè)計(jì)上有強(qiáng)大的總成本、碳足跡及其可持續(xù)性。它往往要求生產(chǎn)出只有極少數(shù)的典型設(shè)計(jì)或產(chǎn)品，子系統(tǒng)或組件，以滿足產(chǎn)品的變化和客戶的需求。對于大型產(chǎn)品的幾何尺寸超出幾米夾具的可能會造成重大的開銷。此外，一旦所需的零部件倍制造出來，這些夾具則會變得多余。常規(guī)回收多余夾具是不經(jīng)濟(jì)的。因此，找到增加夾具的靈活性才是所需求的方法。 柔性夾具和夾具的概念已存于二十余年。然而它們的潛能還沒有真正發(fā)揮，是由于其精度可可重復(fù)性的不確定性。高精度計(jì)量系統(tǒng)現(xiàn)在能夠用來對夾具進(jìn)行初始安裝和服務(wù)。然后使用該系統(tǒng)有可能重新設(shè)定夾具元素使其精確到一個(gè)新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以便于定位不同幾何位置的組件，允許幾次使用夾具。 本文提出了一種對于大規(guī)模柔性夾具及夾具初始定位和安裝的通用的算法。計(jì)量輔助夾具安裝的新概念被證明對復(fù)雜的設(shè)置和夾具的安裝是有益的。當(dāng)完全裝配好時(shí)，夾具的穩(wěn)定性可以通過慎重考慮和選擇夾具幾何位置上的關(guān)鍵點(diǎn)來予以保證。這種方法將應(yīng)用于大尺寸元件和產(chǎn)品的制造以及裝配件，尤其是應(yīng)用于航空航天和發(fā)電工業(yè)中。