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畢業(yè)設計論文 論文題目 b 型板零件加工工藝及鉆孔鉆床夾具 班 級 專 業(yè) 學生姓名 指導教師 日 期 II 摘 要 本次設計內容涉及了機械制造工藝及機床夾具設計 金屬切削機床 公差 合 與測量等多方面的知識 b 型板零件加工工藝及鉆孔鉆床夾具設計是包括零件加工的工藝設計 工 序設計以及專用夾具的設計三部分 在工藝設計中要首先對零件進行分析 了 解零件的工藝再設計出毛坯的結構 并選擇好零件的加工基準 設計出零件的 工藝路線 接著對零件各個工步的工序進行尺寸計算 關鍵是決定出各個工序 的工藝裝備及切削用量 然后進行專用夾具的設計 選擇設計出夾具的各個組 成部件 如定位元件 夾緊元件 引導元件 夾具體與機床的連接部件以及其 它部件 計算出夾具定位時產生的定位誤差 分析夾具結構的合理性與不足之 處 并在以后設計中注意改進 關鍵詞 工藝 工序 切削用量 夾緊 定位 誤差 III ABSTRCT This design content has involved the machine manufacture craft and the engine bed jig design the metal cutting machine tool the common difference coordination and the survey and so on the various knowledge The reduction gear box body components technological process and its the processing 140 hole jig design is includes the components processing the technological design the working procedure design as well as the unit clamp design three parts Must first carry on the analysis in the technological design to the components understood the components the craft redesigns the semi finished materials the structure and chooses the good components the processing datum designs the components the craft route After that is carrying on the size computation to a components each labor step of working procedure the key is decides each working procedure the craft equipment and the cutting specifications Then carries on the unit clamp the design the choice designs the jig each composition part like locates the part clamps the part guides the part to clamp concrete and the engine bed connection part as well as other parts Position error which calculates the jig locates when produces analyzes the jig structure the rationality and the deficiency and will design in later pays attention to the improvement Keywords The craft the working procedure the cutting specifications clamp the localization the error IV 目 錄 ABSTRCT 3 1 零件的分析 2 1 1 零件的作用 2 1 2 零件的工藝分析 2 2 工藝規(guī)程設計 3 2 1 確定毛坯的制造形式 3 2 2 基面的選擇的選擇 3 2 3 制定工藝路線 3 2 4 機械加工余量 工序尺寸及毛坯尺寸的確定 3 2 5 確定切削用量及基本工時 4 3 夾具設計 6 3 1 概述 6 3 2 方案設計 6 3 3 定位基準的選擇 6 3 4 切削力和夾緊力的計算 6 3 5 定位誤差分析 7 3 6 導向裝置設計 8 3 7 夾具設計及操作說明 9 總 結 10 致 謝 11 參 考 文 獻 12 1 序 言 機械制造業(yè)是制造具有一定形狀位置和尺寸的零件和產品 并把它們裝備 成機械裝備的行業(yè) 機械制造業(yè)的產品既可以直接供人們使用 也可以為其它 行業(yè)的生產提供裝備 社會上有著各種各樣的機械或機械制造業(yè)的產品 我們 的生活離不開制造業(yè) 因此制造業(yè)是國民經濟發(fā)展的重要行業(yè) 是一個國家或 地區(qū)發(fā)展的重要基礎及有力支柱 從某中意義上講 機械制造水平的高低是衡 量一個國家國民經濟綜合實力和科學技術水平的重要指標 b 型板零件加工工藝及鉆孔鉆床夾具設計是在學完了機械制圖 機械制造 技術基礎 機械設計 機械工程材料等的基礎下 進行的一個全面的考核 正 確地解決一個零件在加工中的定位 夾緊以及工藝路線安排 工藝尺寸確定等 問題 并設計出專用夾具 保證零件的加工質量 本次設計也要培養(yǎng)自己的自 學與創(chuàng)新能力 因此本次設計綜合性和實踐性強 涉及知識面廣 所以在設計 中既要注意基本概念 基本理論 又要注意生產實踐的需要 只有將各種理論 與生產實踐相結合 才能很好的完成本次設計 本次設計水平有限 其中難免有缺點錯誤 敬請老師們批評指正 2 1 零件的分析 1 1 零件的作用 b 型板是整體裝置的重要零件 它支撐中心部分 承受著部分靜載荷 因 為 b 型板與整個機器連接 1 2 零件的工藝分析 b 型板有 2 個加工面他們有位置度要求 這三個加工面的分別為 1 以側面為基準的加工面 這組加工面包括四周輪廓 2 以直徑為 21 孔的軸線為基準 這組面包括直徑為 21 孔 3 2 工藝規(guī)程設計 2 1 確定毛坯的制造形式 零件的材料為 Q235 根據生產綱領以及零件在工作過程中所受的載荷情況 選用圓鋼 2 2 基面的選擇的選擇 基面的選擇是工藝規(guī)程設計中的重要工作之一 基面選擇的正確合理 可 以使加工質量得到保證 生產率得到提高 否則 加工工藝過程中會問題百出 粗基準的選擇 對 b 型板這樣的零件來說 選擇好粗基準是至關重要 以 零件的上端面加工平面作為粗基準 選取已加工的內圓為精基準 2 3 制定工藝路線 制訂工藝路線的出發(fā)點 應當是使零件的幾何形狀 尺寸精度及位置精度 等技術要求能得到合理的保證 通過仔細考慮零件的技術要求后 制定以下工 藝方案 工序 1 材料符合 Q235 10mm 鋼板 的質量要求 并具有質保書 工序 2 用剪板機下料 確保 140 60 外形尺寸 并用氣割切割多余外形 工序 3 以圖示端面為基準 用 PJ0003 G02 工裝進行鉆孔 21 確保距離邊界尺寸 15 和 30 修毛刺 工序 4 按圖紙技術要求 對本零件的尺寸 形狀 位置和表面質量等要素進行全面 檢查 2 4 機械加工余量 工序尺寸及毛坯尺寸的確定 b 型板零件材料為 Q235 生產類型為大批量生產 采型材鋼板毛坯 1 不加工表面毛坯尺寸 不加工表面毛坯按照零件圖給定尺寸為自由度公差 由毛坯可直接獲得 2 b 型板的四周輪廓 由于 b 型板四周輪廓要與其他接觸面接觸 所以要進行剪板 其加工余量為 3mm 3 b 型板的孔直徑為 21 毛坯為實心 孔的精度要求介于 IT7 IT8 之間 參照 4 參數文獻 確定工藝尺寸余量為 21 2 5 確定切削用量及基本工時 工序 1 材料符合 Q235 10mm 鋼板 的質量要求 并具有質保書 工序 2 用剪板機下料 確保 140 60 外形尺寸 并用氣割切割多余外形 工序 3 以圖示端面為基準 用 PJ0003 G02 工裝進行鉆孔 21 確保距離邊界尺寸 15 和 30 修毛刺 鉆孔 21 本工序采用計算法 表 3 5 高速鋼麻花鉆的類型和用途 標準號 類型 直徑范圍 mm 用途 GB1419 35 直柄麻花鉆 2 0 20 0 在各種機床上 用鉆?；虿?用鉆模鉆孔 GB1437 35 直柄長麻花鉆 1 0 31 5 在各種機床上 用鉆?；虿?用鉆模鉆孔 GB1438 35 錐柄麻花鉆 3 0 110 0 在各種機床上 用鉆模或不 用鉆模鉆孔 GB1439 35 錐柄長麻花鉆 5 0 50 0 在各種機床上 用鉆?；虿?用鉆模鉆孔 選用 Z525 搖臂鉆床 查 機械加工工藝手冊 孟少農 主編 查 機 表 2 4 37 鉆 頭的磨鈍標準及耐用度可得 耐用度為 3800 表 10 2 5 標準高速鋼麻花鉆的直徑系列選 擇錐柄長 麻花鉆 則螺旋角 30 鋒交 2 118 后角 a 10 橫刃斜角21 0 0f0 50 L 197mm l 116mm 0 表 3 6 標準高速鋼麻花鉆的全長和溝槽長度 摘自 GB6137 35 mm 直柄麻花鉆直徑范圍 l l1 11 110 13 20 151 101 表 3 7 通用型麻花鉆的主要幾何參數的推存值 根據 GB6137 35 d mm 2 f 8 6 18 00 30 118 12 40 35 表 3 8 鉆頭 擴孔鉆和鉸刀的磨鈍標準及耐用度 1 后刀面最大磨損限度 mm 鉆頭 直徑 d0 mm 刀具材料 加工材料 20 高速鋼 鑄鐵 0 5 0 8 2 單刃加工刀具耐用度 T min 刀具直徑 d0 mm 刀具類型 加工材料 刀具材料 11 20 鉆頭 鉆孔及擴孔 鑄鐵 銅合金及合金 高速鋼 35 5 鉆頭后刀面最大磨損限度為 0 5 0 8mm 刀具耐用度 T 35 min 確定進給量 查 機械加工工藝手冊 孟少農 主編 第二卷表 10 4 高速鋼鉆頭鉆孔的進給量為 f 0 25 0 65 根據表 4 13 中可知 進給量取 f 0 35 zm rm 確定切削速度 查 機械加工工藝手冊 孟少農 主編 表 10 4 17 高速鋼鉆頭在球墨鑄鐵 190HBS 上鉆孔的切削速度軸向力 扭矩及功率得 V 12 參考 機械加工工in 藝手冊 孟少農 主編 表 10 4 10 鉆擴鉸孔條件改變時切削速度修正系數 K 1 0 Rmv 0 35 tv V 12 10 32 3 17 85 0 min 則 131 3 inr 18 查表 4 2 12 可知 取 n 150 mi 則實際切削速度 11 8v實 n 確定切削時間 查 機械加工工藝手冊 孟少農 主編 表 10 4 43 鉆孔時加工機動時間計算公式 T 3 19 ifn llw1 其中 l l 5 l 2 3f2mdRKcot wm1m 則 t 9 13 s 253 10 0dn1024 3 6 0573 6 3 夾具設計 3 1 概述 在機床對零件進行機械加工時 為保證工件加工精度 首先要 保證工件在機床上占有正確的位置 然后通過夾緊機構使工件 正確位置固定不動 這一任務就是由夾具來完成 對于單件 小批生產 應盡量使用通用夾具 這樣可以降低工件 的生產成本 但由于通用夾具適用各種工件的裝夾 所以夾緊時 往比較費時間 并且操作復雜 生產效率低 本零件屬于大量生產 零件外形也不適于使用通用夾具 為了保證 工件精度 提高生產效率 設計專用夾具就顯得非常必要 3 2 方案設計 方案設計是夾具設計的第一步 也是夾具設計關鍵的一步 方案 設計的好 壞將直接影響工件的加工精度 加工效率 稍不注意就 會造成不能滿足工件加工要求 或加工精度不能達到設計要求 因 此必須慎重考慮 設計方案的擬定必須遵循下列原則 1 定位裝置要確保工件定位準確和可靠 符合六位定位原理 2 夾具的定位精度能滿足工件精度的要求 3 夾具結構盡量簡單 操縱力小而夾緊可靠 力爭造價低 3 3 定位基準的選擇 我們采用已經加工好的孔及其端面作為定位基準 孔和端面 共限制 5 個自由度 這樣還有一個旋轉的自由度沒有限制 為了保證空 間工件定位準確 我們需要限制 6 個自由度 因此我們采用一擋銷來限 制旋轉方向的自由度 這樣空間 6 個自由度就限制完了 3 4 切削力和夾緊力的計算 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 得 鉆削力 式 5 2 6 08 2HBDfF 7 鉆削力矩 式 5 3 6 08 91HBfDT 式中 maxaxmin178491733HB 代入公式 5 2 和 5 3 得10 2fr 698NFf M 本道工序加工工藝孔時 夾緊力方向與鉆削力方向相同 因此進行夾緊力 計算無太大意義 只需定位夾緊部件的銷釘強度 剛度適當即能滿足加工要求 這樣能較容易 較穩(wěn)定地保證加工精度 用夾具裝夾工件時 工件相對與刀具 的位置由夾具保證 基本不受工人技術水平的影響 因而能較容易 教穩(wěn)定地 保證工件的加工精度 能提高勞動生產率 減輕工人的勞動強度 采用夾具后 工件不需劃線找正 裝夾方便迅速 顯著地減少了輔助時間 提高了勞動生產 率 夾緊力的計算 因采用的是手動夾具故夾緊力無須計算 3 5 定位誤差分析 1 定位元件尺寸及公差確定 夾具的主要定位元件為一平面和兩側面配合 2 工件的工序基準為孔心 當工件孔徑為最大 孔徑為最小時 孔心 在任意方向上的最大變動量等于孔與銷配合的最大間隙量 本夾具是 用來在銑床上加工 所以工件上孔與夾具上的定位銷保持固定接觸 此時可求出孔心在接觸點與銷中心連線方向上的最大變動量為孔徑公 差多一半 工件的定位基準為孔心 工序尺寸方向與固定接觸點和銷 中心連線方向相同 則其定位誤差為 Td Dmax Dmin 本工序采用一平面 兩側面定位 工件始終靠近兩側面的一面 因此 工件不在在定位銷正上方 進而使加工位置有一定轉角誤差 但是 由 于加工是自由公差 故應當能滿足定位要求 由資料 10 機床夾具設計手冊 可得 定位誤差 定位尺寸公差 在加工尺寸方向上的投影 這里m2 0 的方向與加工方向一致 即 故 WD 夾緊安裝誤差 對工序尺寸的影響均小 即 0 j 8 磨損造成的加工誤差 通常不超過Mj m05 夾具相對刀具位置誤差 鉆套孔之間的距離公差 按工件相應尺寸公差 的五分之一取 即 mAD06 誤差總和 wj 5 2 從以上的分析可見 所設計的夾具能滿足零件的加工精度要求 3 6 導向裝置設計 因為我們所加工的孔是通孔 且我們是批量生產 因此用固定和可換鉆 套難以滿足要求 為了能很好的提高生產效率為了減少輔助時間采用可換鉆中心軸 以來滿足達到孔的加工的要求 表 d D D1 H t 基本 極限 偏差 F7 基本 極限 偏差 D6 0 1 3 0 010 0 004 6 1 1 8 4 7 1 8 2 6 5 8 6 9 2 6 3 0 016 0 006 3 3 3 6 0 016 0 008 9 3 3 4 7 10 4 5 8 11 8 12 16 5 6 0 022 0 010 10 0 019 0 010 13 6 8 0 028 12 0 023 15 10 16 20 0 008 9 8 10 0 013 15 18 10 12 18 0 012 22 12 20 25 12 15 22 26 15 18 0 034 0 016 26 30 16 28 19 18 22 30 0 028 0 015 34 22 26 35 39 20 19 HT 200 26 30 0 041 0 020 42 46 30 35 48 0 033 0 017 52 25 HT20 0 56 35 42 55 59 42 48 62 66 0 012 48 50 0 050 0 025 70 0 039 0 020 74 30 56 67 0 040 鉆模板選用翻轉鉆模板 用沉頭螺釘錐銷定位于夾具體上 3 7 夾具設計及操作說明 如前所述 在設計夾具時 為提高生產率 首先想到是怎么樣方便的安裝和 拆卸 本道工序就是采用了星形壓緊的方式 由于本夾具是對工件進行鉆削加 工面 因此工件的主要受力是鉆削力 因為鉆削力是向下的 我們采用的是鉸 鏈壓板壓緊 壓緊力也是向下的 鉆削力和壓緊力方向相同 10 總 結 畢業(yè)設計即將結束了 時間雖然短暫但是它對我們來說受益菲淺的 通過 這次的設計使我們不再是只知道書本上的空理論 不再是紙上談兵 而是將理 論和實踐相結合進行實實在在的設計 使我們不但鞏固了理論知識而且掌握了 設計的步驟和要領 使我們更好的利用圖書館的資料 更好的更熟練的利用我 們手中的各種設計手冊和 AUTOCAD 等制圖軟件 為我們踏入社會打下了好的基 礎 畢業(yè)設計使我們認識到了只努力的學好書本上的知識是不夠的 還應該更 好的做到理論和實踐的結合 因此我們非常感謝老師給我們的辛勤指導 使我 們學到了很多 也非常珍惜大學給我們的這次設計的機會 它將是我們畢業(yè)設 計完成的更出色的關鍵一步 11 12 致 謝 這次畢業(yè)設計使我收益不小 為我今后的學習和工作打下了堅實和良好的 基礎 但是 查閱資料尤其是在查閱切削用量手冊時 數據存在大量的重復和 重疊 由于經驗不足 在選取數據上存在一些問題 不過我的指導老師每次都 很有耐心地幫我提出寶貴的意見 在我遇到難題時給我指明了方向 最終我很 順利的完成了畢業(yè)設計 這次畢業(yè)設計成績的取得 與指導老師的細心指導是分不開的 在此 我 衷心感謝我的指導老師 特別是每次都放下他的休息時間 耐心地幫助我解決 技術上的一些難題 她嚴肅的科學態(tài)度 嚴謹的治學精神 精益求精的工作作 風 深深地感染和激勵著我 從題目的選擇到項目的最終完成 他都始終給予 我細心的指導和不懈的支持 多少個日日夜夜 他不僅在學業(yè)上給我以精心指 導 同時還在思想 生活上給我以無微不至的關懷 除了敬佩指導老師的專業(yè) 水平外 他的治學嚴謹和科學研究的精神也是我永遠學習的榜樣 并將積極影 響我今后的學習和工作 在此謹向指導老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意 13 參 考 文 獻 1 東北重型機械學院 洛陽農業(yè)機械學院 長春汽車廠工人大學 機床夾具 設計手冊 M 上海 上?？茖W技術出版社 1980 2 張進生 機械制造工藝與夾具設計指導 機械工業(yè)出版社 1995 3 李慶壽 機床夾具設計 機械工業(yè)出版社 1991 4 李洪 機械加工工藝手冊 北京出版社 1996 5 上海市金屬切削技術協會 金屬切削手冊 上海科學技術出版社 2544 6 黃如林 劉新佳 汪群 切削加工簡明實用手冊 化學工業(yè)出版社 2544 7 余光國 馬俊 張興發(fā) 機床夾具設計 M 重慶 重慶大學出版社 1995 8 周永強 高等學校畢業(yè)設計指導 M 北京 中國建材工業(yè)出版社 2542 9 劉文劍 曹天河 趙維 夾具工程師手冊 M 哈爾濱 黑龍江科學技術出 版社 1987 10 王光斗 王春福 機床夾具設計手冊 上?？茖W技術出版社 2542 11 東北重型機械學院 洛陽農業(yè)機械學院 長春汽車廠工人大學 機床夾具 設計手冊 上?？茖W技術出版社 1984 12 李慶壽 機械制造工藝裝備設計適用手冊 M 銀州 寧夏人民出版社 1991 13 廖念釗 莫雨松 李碩根 互換性與技術測量 M 中國計量出版社 2540 9 19 14 王光斗 王春福 機床夾具設計手冊 M 上?？茖W技術出版社 2540 15 樂兌謙 金屬切削刀具 機械工業(yè)出版社 25Q235 4 17 16 Machine Tools N chernor 1984 17 Machine Tool Metalworking John L Feirer 1973 14 產品型號 零件圖號 TSPM60 02 01 3機械加工工序卡片 產品名稱 b型板 零件名稱 b型板 共 2 頁 第 1 頁 車間 工序號 工序名稱 材 料 牌 號 金工 2 下料 Q235 10mm鋼板 毛 坯 種 類 毛坯外形尺寸 每毛坯可制件數 每 臺 件 數 型材 1 1 設備名稱 設備型號 設備編號 同時加工件數 剪板機 QC12Y 12 2500 1 夾具編號 夾具名稱 切削液 乳化液 工序工時 分 工位器具編號 工位器具名稱 準終 單件 主軸轉速 切削速度 進給量 切削深度 工步工時工步 號 工 步 內 容 工 藝 裝 備 r min m min mm r mm 進給次數 機動 輔助 用剪板機下料 確保140 60外形尺寸 并用氣割切割多余外形 鉆頭 21 QC12Y 12 2500剪板機 游標尺 鋼直尺 200 15 0 2 3 4 1 3 6 1 設 計 日 期 校 對 日期 審 核 日期 標準化 日期 會 簽 日期 標記 處數 更改文件號 簽 字 日 期 標記 處數 更改文件號 簽 字 日 期 產品型號 零件圖號 TSPM60 02 01 3機械加工工序卡片 產品名稱 b型板 零件名稱 b型板 共 2 頁 第 2 頁 車間 工序號 工序名稱 材 料 牌 號 金工 3 鉆孔 Q235 10mm鋼板 毛 坯 種 類 毛坯外形尺寸 每毛坯可制件數 每 臺 件 數 型材 1 1 設備名稱 設備型號 設備編號 同時加工件數 鉆床 角磨機 Z35 1 夾具編號 夾具名稱 切削液 PJ0003 G02 乳化液 工序工時 分 工位器具編號 工位器具名稱 準終 單件 主軸轉速 切削速度 進給量 切削深度 工步工時工步 號 工 步 內 容 工 藝 裝 備 r min m min mm r mm 進給次數 機動 輔助 以圖示端面為基準 用PJ0003 G02工裝進行鉆孔 21 確保距離邊界尺寸15和30 修毛刺 鉆頭 21 Z35鉆床 角磨機 游標尺 鋼直尺 200 15 0 2 3 4 1 3 61 設 計 日 期 校 對 日期 審 核 日期 標準化 日期 會 簽 日期 標記 處數 更改文件號 簽 字 日 期 標記 處數 更改文件號 簽 字 日 期 零件加工工藝過程卡 編號 PJ0003 部件名稱 b 型板 材料 Q235 10mm 鋼板 圖 號 TSPM60 02 01 3 質量 基本要求 材料材質符合 GB700 中 Q235 的要求 工具參數 鉆頭 21 設 備 QC12Y 12 2500 剪板機 Z35 鉆床 角磨機 量具參數 游標尺 鋼直尺 序號 工序名稱 內容與要求 工裝編號 工時定額 t 操作者 1 備料 材料符合 Q235 10mm 鋼板 的質量要求 并具有質保書 鉗工 2 下料 用剪板機下料 確保 140 60 外形尺寸 并用氣割切割多余外形 鉗工 3 鉆孔 以圖示端面為基準 用 PJ0003 G02 工裝進行鉆孔 21 確保距離邊界尺寸 15 和 30 修毛刺 PJ0003 G02 鉗工 4 質檢 按圖紙技術要求 對本零件的尺寸 形狀 位置和表面質量等要素進行全面檢查 質檢 工藝 審核 批準 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鍵因素 要實現夾具的這些功能 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 在加工過程中產生的移動 然而 過度的夾緊力可誘導工件產生更大的彈性變 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 多數的有限元基礎研究人員 一直重點關注的夾具布局優(yōu)化和夾緊力的優(yōu)化還沒有得到充分討論 也有少數 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 第 1 頁 共 15 頁 這種限制可以通過計算夾具 工件系統 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 使用經驗的接觸力變形的關系 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 關于 multiclamp 系統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 夾具工件系統受到準靜態(tài)加 載的最佳夾緊力為基礎的彈性方法 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 iijjFkd 其中 j x y z 表示 在當地子坐標系切線和法線方向的接觸剛度ij 第 2 頁 共 15 頁 圖1 彈簧夾具 工件接觸模型 表示在第i個ixyz 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ijd 和 切向力接觸 法線力接觸 ixFiyizF 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iPiR 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 in 2 1 3296 iiniPRE 其中 式中 和 是工件和夾具的彈性模量 22 11fw wEf w 分別是工件和材料的泊松比 f 切向變形 沿著 和 切線方向 硅業(yè)切力距ity iittx 或 者 ixiy 有以下形式 文獻 23 第 217 頁 iyQiix或 者 3 t28 ifi wiaG 其中 分別是工件和夾具剪切模量 1 3134ifi wPRE fGw 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 產生了以下線性化接觸剛度值 在計算上述的線性近似 第 3 頁 共 15 頁 4 1 32 68 9iizREk 5 1 24jii iwxy zf kG 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 工件系統平衡 工件的位移減少 從而減少定位誤差 實現這個目標是通過制 定一個多目標約束優(yōu)化問題的問題 如下描述 2 1 目標函數配方 工件旋轉 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TwwdXYZ wX wY 是 沿 和 三個正交組件 見圖 2 Zxgygz 圖 2 工件剛體平移和旋轉 工件的定位誤差歸于裝夾力 然后可以在該剛體位移的 范數計算如下 2L 第 4 頁 共 15 頁 6 222wwwdXYZ 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 此產生的夾緊力為 有如下形式 TRRCXYZP 7 RC 其中夾緊力 是矢量 夾緊力的方向 矩陣 1 TLCC 1 TCLCRn 是夾緊力是矢量的方向余弦 和 coscosLiLiiin i i Li 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 gXYgZ 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zkii 的所有定位器正常剛度 相乘 并假設工件 取決于 zks xNyzgXY 的方向 各自的等效接觸剛度可有下式 計算gZ 111 XYZNNssszizizikk 和 得出 見圖 3 工件剛體運動 歸于夾緊行動現在可以寫成 wd 8 111XYZ TRRRwNNNsssziziziPPdkk 工件有位移 因此 定位誤差的減小可以通過盡量減少產生的夾緊力向量 范數 因此 第一個目標函數可以寫為 2L 最小化 XYZ 222RRERCNNw111PP iii 9 第 5 頁 共 15 頁 要注意 加權因素是與等效接觸剛度成正比的在 和 方向上 通gXYgZ 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 并給出 最小化 10 222iiiL CL CL Cx 111FFUW kkyziii TQ 其中 代表機構的彈性變形應變能互補 代表由外部力量和力矩配合 W 完成 是遵守對角矩陣的 和Q1 LCxyzxyzcc 1iijjck 是所有接觸力的載體 TxyzzFF 如圖 3 加權系數 計算確定的基礎2L 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 22iiixyszFF is 靜態(tài)摩擦系數 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 內蒙古科技大學本科生畢業(yè)設計 外文翻譯 第 6 頁 共 15 頁 11 iiixyszF 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 0F 0M 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 工件接觸是單側面的 法線的接觸力 只能被壓縮 這通過iP 以下的 的約束表 i 1 2 L C 13 iP0i 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 yS i 1 2 L C 14 iyiPSA 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i 模型 可以寫成 最小化 15 12fTRCwQP 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 并將其轉換成一個約束對 該補充 的主要目的是處1f 理功能 并由此得到夾緊力 作為約束的加權范數 最小化 對 為主要2f 2L1f 目標的選擇 確保選中一套獨特可行的夾緊力 因此 工件 夾具系統驅動 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 范數 的約束轉換涉及到一個指定的加權范數 小于或等于 其中 是 2Lf 2L 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f 點的接觸力的計算只考慮第一個目標函數 即 雖然有這樣的接觸力 并不1f 內蒙古科技大學本科生畢業(yè)設計 外文翻譯 第 7 頁 共 15 頁 一定產生最低的夾緊力 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 這些夾緊力的加權系數 通過計算并作為2L 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 12TfQ 由 11 14 得 RCwP 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RCwP 可能降低 上限 由此產生的最小夾緊力的加權范數 迭代次數 K 終止搜 2L 索取決于所需的預測精度 和 有參考文獻 15 TwxyzTiiiziidrXYZ 2Klog 17 其中 表示上限的功能 完整的算法在如圖 4 中給出 內蒙古科技大學本科生畢業(yè)設計 外文翻譯 第 8 頁 共 15 頁 內蒙古科技大學本科生畢業(yè)設計 外文翻譯 第 9 頁 共 15 頁 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 考慮一個有限的數目 例如 m 沿相應的刀具路徑設 置的產生 m 個最佳夾緊力 選擇記為 在每個采樣點 1optP2t3optPopt 考慮以下四個最壞加工負荷向量 內蒙古科技大學本科生畢業(yè)設計 外文翻譯 第 10 頁 共 15 頁 max1axTXYZF 2maxaxTYXYZF 3maxaxTXYZF 4aTrXYZF 18 和 表示在 和 方向上的最大值 和 上gg 的數字 1 2 3 分別代替對應的 和 另外兩個正交切削分力 而且maxXYmaxZ 有 222maxrXYZFF 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 但在每 次常規(guī)的進給速度中 刀具旋轉一次出現一次 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 max12 TiiijjcjPC 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ij ikjC 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maxijP 載點之后的結果 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 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 maxkC k 1 2 C 20 maxikkjC 只要這些具備 就得到一套優(yōu)化的夾緊力 驗證這Tmaxax12C optP 些力 以確保工件夾具系統的靜態(tài)平衡 否則 會出現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optP 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 內蒙古科技大學本科生畢業(yè)設計 外文翻譯 第 11 頁 共 15 頁 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 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gXY 方向上的移位 和自轉 見圖 2 gZTdwwXYZ Twxyz 如前所述 工件剛體位移產生于在每個夾緊處的局部變形 假設Tiiixyzd 為相對于工件的質量中心的第 i 個位置矢量定位點 坐標變換定理 TiirXYZ 可以用來表達在工件的位移 以及工件自轉idwwXYZ 如下 21 wxyz 1Tii iiRrd 其中 表示旋轉矩陣 描述當地在第 i 幀相聯系的全球坐標系和 是一個1iR wcR 旋轉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 由于旋轉 很小 故 也可近似為 w wcR 22 w 1R1zyzxyx 方程 21 現在可以改寫為 23 TiiidRBq 其中 是經方程 21 重新編排后變換得到的矩 ii ii10YBZ0Xi 陣式 是夾緊和加工導致的工件剛體運動矢量 yqTwwxzX 工件與夾具單方面接觸性質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 的關系如下 iFid 24 0 iiiKdzFotherws 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 Tiz 0iz 味著凈壓縮變形 而負數則代表拉伸變形 是表示在本地坐標iixyzKdagk 內蒙古科技大學本科生畢業(yè)設計 外文翻譯 第 12 頁 共 15 頁 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 01Tze 動夾具 根據對外加工負荷 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 TyiiixFp 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 1i EF 矢量 并結合方程 23 25 與靜態(tài)平衡方程 得到下面的方程組 26 1L C1 0iEiiiRFfr 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 rrTXYZmm 現在可以計算如下 27 rmBq 其中 是考慮工件中心加工點的位置向量 且rTmXYZ 100mmYBX 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 內蒙古科技大學本科生畢業(yè)設計 外文翻譯 第 13 頁 共 15 頁 如左圖 7 工件夾具配置中使用的模 擬研究 工件夾具定位聯系 16L 和 全球坐標系 gXYgZ 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 進行了數值模擬 以減少起步 0 0 毫米 25 4 毫米 34 3 毫米 和結束時 127 0 毫米 25 4 毫米 34 3 毫米 四種情況下加工負荷載體 內蒙古科技大學本科生畢業(yè)設計 外文翻譯 第 14 頁 共 15 頁 內蒙古科技大學本科生畢業(yè)設計 外文翻譯 第 15 頁 共 15 頁 見圖 8 模擬計算銑削力數據在表 5 中給出 圖 8 最終銑削過程模擬例如 2 內蒙古科技大學本科生畢業(yè)設計 外文翻譯 第 16 頁 共 15 頁 表 6 中 5 個坐標列出了為模擬抽樣調查點 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范數 有如2L 下形式 結果表明 最佳夾緊力所述加工 222 3RRRCXYZPP 條件下有比初步夾緊力強度低得多的加權范數 最初的夾緊力是通過減少工2L 件的夾具系統補充能量算法獲得 由于夾緊力和負載造成的工件的定位誤差 如表 7 結果表明工件旋轉小 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 maxaxmax iiiiij yzrPP 力 在每個采樣點的加權范數 和最優(yōu)的初始夾緊力繪圖 10 在每個采樣opt 2L 內蒙古科技大學本科生畢業(yè)設計 外文翻譯 第 17 頁 共 15 頁 點的加權范數 的 和 繪制 2LmaxiPaxiymaxizaxirP 結果表明 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opt 權范數 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2 緊力 則夾緊力需相應設置 有比 相當大的加權范數 故 是一個inPopt 2LoptP 完整的刀具路徑改進方案 上述模擬結果表明 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范數 因此將2 提高工件的定位精度 圖 10 8 結論 該文件提出了關于確定多鉗夾具 工件受準靜態(tài)加載系統的優(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模型 并尋求 盡量減少應用到所造成的工件夾緊力的加權范數 得出工件的定位誤差 該2L 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的優(yōu)化 其中慣性 剛度和阻尼效應在確定工件 夾具系統的響應特性具有重要作用 9 參考資料 內蒙古科技大學本科生畢業(yè)設計 外文翻譯 第 18 頁 共 15 頁 1 J D Lee 和 L S Haynes 柔性夾具系統的有限元分析 交易美國 ASME 工程雜志工業(yè) 134 139 頁 2 W Cai S J Hu 和 J X Yuan 柔性鈑金夾具 原理 算法和模擬 交 易美國 ASME 制造科學與工程雜志 1996 318 324 頁 3 P Chandra S M Athavale R E DeVor 和 S G Kapoor 負載對表面平 整度的影響 工件夾具制造科學研討會論文集 1996 第一卷 146 152 頁 4 R J Menassa 和 V R DeVries 適用于選拔夾具設計與優(yōu)化方法 美國 ASME 工業(yè)工程雜志 113 412 414 1991 5 A J C Trappey C Su 和 J Hou 計算機輔助夾具分析中的應用有限元 分析和數學優(yōu)化模型 1995 ASME 程序 MED 777 787 頁 6 S N Melkote S M Athavale R E DeVor S G Kapoor 和 J Burkey 基于加工過程仿真的加工裝置作用力系統研究 NAMRI SME 207 214 頁 1995 7 考慮工件夾具 夾具接觸相互作用布局優(yōu)化模擬的結果 341 346 1998 8 E C DeMeter 快速支持布局優(yōu)化 國際機床制造 碩士論文 1998 9 Y C Chou V Chandru M M Barash 加工夾具機械構造的數學算法 分析和合成 美國 ASME 工程學報工業(yè) 1989 299 306 頁 10 S H Lee 和 M R Cutkosky 具有摩擦性的夾具規(guī)劃 美國 ASME 工業(yè)工程學報 1991 320 327 頁 11 S Jeng L Chen 和 W Chieng 最小夾緊力分析 國際機床制造 碩 士論文 1995 年 12 E C DeMeter 加工夾具的性能的最小 最大負荷標準 美國 ASME 工業(yè)工程雜志 1994 13 E C DeMeter 加工夾具最大負荷的性能優(yōu)化模型 美國 ASME 工 業(yè)工程雜志 1995 14 JH 復和 AYC 倪 核查和工件夾持的夾具設計 方案優(yōu)化 設計和制 造 4 碩士論文 307 318 1994 內蒙古科技大學本科生畢業(yè)設計 外文翻譯 第 19 頁 共 15 頁 15 T H Richards 埃利斯 霍伍德 1977 應力能量方法分析 1977 16 M J Hockenberger and E C DeMeter 對工件準靜態(tài)分析功能位移在加 工夾具的應用程序 制造科學雜志與工程 325 331 頁 1996