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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(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(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 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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(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 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(lián)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(lián)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(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(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(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 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(tǒng)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(tǒng)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 1 西安工業(yè)大學北方信息工程學院 畢業(yè)設計 論文 開題報告 題目 油箱蓋熱鍛模電解加工工裝設計 系 別 機電信息系 專 業(yè) 機械設計制造及自動化 班 級 B090203 姓 名 吳華龍 學 號 B09020327 導 師 賈建利 2012 年 12 月 24 日 2 1 畢業(yè)設計 論文 綜述 題目背景 研究意義及國內外相關研究情況 1 1 題目背景 采用電解加工實現模具加工具有表面質量好 使用壽命長 脫模好 成本低的 優(yōu)點 通過本課題的設計 達到 1 培養(yǎng)學生綜合運用所學的基礎課 技術基礎 和專業(yè)課的知識 分析解決工程技術問題的能力 2 鞏固加深擴大基本理論和技 能 3 受高級工程技術人員能力的訓練 調研 查閱文獻 制定方案 設撰寫 4 創(chuàng)新能力和團隊精神 基于電解過程中的陽極溶解原理并借助于成型的陰極 將工件按一定形狀和尺 寸加工成型的一種工藝方法 稱為電解加工 1 2 研究意義 電解加工是利用金屬在電解液中發(fā)生電化學陽極溶解的原理將工件加工成形的 種特種加工方法 加工時 工件接直流電源的正極 工具接負極 兩極之間保持較 小的間隙 電解液從極間間隙中流過 使兩極之間形成導電通路 并在電源電壓下 產生電流 從而形成電化學陽極溶解 隨著工具相對工件不斷進給 工件金屬不斷 被電解 電解產物不斷被電解液走 最終兩極間各處的間隙趨于一致 工件表面形 成與工具工作面基本相似的形狀 電解加工對于難加工材料 形狀復雜或薄壁零件 的加工具有顯著優(yōu)勢 目前 電解加工已獲得廣泛應用 如炮管膛線 葉片 整體 葉輪 模具 異型孔及異型零件 倒角和去毛刺等加工 并且在許多零件的加工中 電解加工工藝已占有重要甚至不可替代的地位 1 3 國內外相關研究情況 電解加工以其加工速度快 表面質量好 凡金屬都能加工而且不怕材料硬 韌 無宏觀機械切削力 工具陰極無損耗 可用同一個成形陰極作單方向送進而成批加 工復雜型腔 型面 型孔等優(yōu)點 在20 世紀60 年代初 首先在炮管膛線和航空發(fā) 動機渦輪葉片的加工中得到應用 其后又逐漸擴大應用于鍛模型腔 深孔 小孔 長鍵槽 等截面葉片整體葉輪的加工以及去毛刺等領域 取得了顯著的技術 經濟 效果 但是 在70 年代以后 隨著國際市場經濟競爭形式的變化 產品更新?lián)Q代快 生產批量減小 使得電解加工的適用范圍也發(fā)生變化 總體看應用范圍有所減小 但應用要求卻越來越高 在經歷大約20年的低潮后 從20世紀90年代后期起 電解加工又重新煥發(fā)了生 機 其研究機構及人員逐漸壯大 應用領域 尤其在航天 航空 軍工領域 有所擴展 研究成果及論著數量激增 工藝技術水平及設備性能均達到了一個新的高度 9 1工藝技術研究 目前 電解加工工藝技術研究涉及的方向較多 但主要集中在微秒級脈沖電流加 工 微精加工 數控展成加工 陰極設計及磁場對電解加工的影響等五大領域 下 面分別加以詳述 1 3 1微秒級脈沖電流加工 自20世紀70年代初起 前蘇聯(lián) 美國 日本 法國 波蘭 瑞士 西德等相繼 開始了對脈沖電流電解加工的研究 在國內 多家單位相繼開展了毫秒級脈沖電 流電解加工的研究并成功用于工業(yè)生產 隨著近代功率電子技術的發(fā)展 新型快速 功率電子開關元件如MOSFET IGBT等出現 使得有可能實現微秒級脈沖電流電解 加工 20世紀90年代以來 微秒級脈沖電流電解加工基礎工藝研究取得突破性進展 研究表明 此項新技術可以提高集中蝕除能力 并可實現0 05mm以下的微小間隙加 工 從而可以較大幅度地提高加工精度和表面質量 型腔最高重復精度可達 0 05mm 最低表面粗糙度可達Ra0 40 有望將電解加工提高到精密 加工的水平 而且可促進加工過程穩(wěn)定并簡化工藝 有利于電解加工的擴大應用 國內外眾多研究機構利用微秒級脈沖電流開展了模具型腔及葉片型面加工 型 腔拋光 電解刻字 電解磨等工藝可行性試驗以及氣門模具生產加工試驗 1 3 研 究成果進一步從工藝角度證實了上述結論 1 3 2微精加工 從原理上而言 電化學加工技術可分為兩類 一類是基于陽極溶解原理的減材 技術 如電解加工 電解拋光等 另一類是基于陰極沉積原理的增材技術 如電鍍 電鑄 刷鍍等 這兩類技術有一個共同點 即材料的去除或增加過程都是以離子的 形式進行的 由于金屬離子的尺寸非常微小 10 1nm 級 因此 相對于其它 微團 去除材料方式 如微細電火花 微細機械磨削 這種以 離子 方式去除材料的微去 除方式使得電化學加工技術在微細制造領域 以至于納米制造領域存在著極大的研 究探索空間 從理論上講 只要精細地控制電流密度和電化學發(fā)生區(qū)域 就能實現 電化學微細溶解或電化學微細沉積 微細電鑄技術是電化學微細沉積的典型實例 它已經在微細制造領域獲得重要應用 微細電鑄是LIGA技術一個重要的 不可替代 的組成部分 已經涉足納米尺寸的微細制造中 激光防偽商標模版和表面粗糙度樣 塊是電鑄的典型應用 但電化學溶解 成型 加工的雜散腐蝕及間隙中電場 流場的多 變性嚴重制約了其加工精度 其加工的微細程度目前還不能與電化學沉積的微細電 鑄相比 目前電化學微精成型加工還處于研究和試驗階段 其應用還局限于一些特 殊的場合 如電子工業(yè)中微小零件的電化學蝕刻加工 美國IBM 公司 微米級淺槽加 工 荷蘭飛利浦公司 微型軸電解拋光 日本東京大學 已取得了很好的加工效果 精 度已可達微米級 微細直寫加工 微細群縫加工及微孔電液束加工 以及電解與超 聲 電火花 機械等方式結合形成的復合微精工藝已顯示出良好的應用前景 數控展成加工 傳統(tǒng)的拷貝式電解加工的陰極設計制造困難 加工精度難以保證 尤其對整體葉輪 上的扭曲葉片之類通道狹窄的零件表面 由于受工具陰極剛性及加工送進方式的限 制 拷貝式電解加工更難以完成其加工任務 20世紀80年代初 以簡單形狀電極加 10 工復雜型面的柔性電解加工 數控展成電解加工的思想開始形成 它以控制軟件 的編制代替復雜的成形陰極的設計 制造 以陰極相對工件的展成運動來加工出復 雜型面 這種加工方法工具陰極形狀簡單 設計制造方便 應用范圍廣 具有很大 的加工柔性 適用于小批量 多品種 甚至單件試制的生產中 80年代中期 前蘇 聯(lián)烏法航空學院特種加工工藝及設備研究所以 過程控制為突破口 設計了一種柔性電解加工單元 應用特殊的電流脈沖波形和高 選擇性的電解液 加工精度達0 02mm 表面粗糙度達Ra0 2 0 6 m 波蘭華沙工業(yè) 大學的Kozak教授于1986年率先提出了電解銑削的思想 以棒狀旋轉陰極作類似于圓 柱狀側銑刀的成形運動來形成加工表面 成功地應用于直升機旋翼座架型面的加工 加工中采用NaNO3 電解液 精度可達 0 01 0 02mm 表面粗糙度達 Ra0 16 0 63 m 波蘭Cracow 金屬切削學院的A Ruszaj和J Cekaj教授利用形似球頭 銑刀的工具陰極 進行了型面光整加工的試驗研究 取得了形狀誤差小于0 01mm的 加工效果 從而證明了該工藝在模具的光整加工方面具有很好的應用價值 美國 英國 俄 羅斯都高度重視數控電解加工技術的研究并已得到應用 在新型航空發(fā)動機及航天 火箭發(fā)動機的研制中發(fā)揮了重要作用 美國GE公司的五軸數控電解加工 美國 俄 羅斯仿形電解加工帶冠整體葉輪代表了數控電解加工整體葉輪的國際先進水平 2 本課題研究的主要內容和擬采用的研究方案 研究方法或措施 2 1 研究的主要內容 根據研究對象油箱蓋熱鍛模 設計一套加工該熱鍛模的電解加工工裝 包括 1 連桿熱鍛模電解加工陰極 2 裝夾熱鍛模加工陰極和工件的夾具裝置 3 運用 Pro E UG 等軟件畫出油箱蓋熱鍛模電解加工工裝三維裝配圖 電解加工 裝置除了應保證工件裝夾和定位外 還應考慮導電 供液 流場分布 非加工面的 保護 工件和工具 即正負極 陰陽極 之間的絕緣等問題 課題研究的主要內容是通過對所給零件的分析 設計加工零件的陰極 以及裝 夾高溫合金零件電解加工的陰極和工件的夾具裝置 1 在剛開始的時候工序的劃分以及定位基準會比較難選擇 所以就在過程中腰認 真分析零件圖 了解電解加工工裝的結構特點及相關的技術要求而加工工序要根據 生產類型 零件的結構來認真分析 2 在夾具設計的時候也可能遇到問題 比如工件的定位是否正確 定位精度是否 滿足要求等等 所以要調查現階段國內外比較先進的電解加工工裝結構 從整體上 把握設計的方向 了解電解加工工裝的加工工藝規(guī)程及夾具的設計原理 3 通過大量的資料 研究零件的結構 選擇合適的加工方法 及選擇合理的基準 和工序安排 4 熟悉夾具的結構選擇合理的機床及裝夾設備 確定加工余量和工序 進行精細 1 的準確的尺寸計算 和時間的估算 2 2 擬采用的研究方案 2 2 1 方案一 從導電方面考慮設計方案 有兩種選擇 一是將電纜線引入 用 線鼻子直接接到工件陽極跟工件陰極 二是在工作箱外將電源線接到滑枕體及不銹 鋼工作臺 電流通過陰極安裝板及工作臺傳導到陰極和陽極 前者線路損失小 且 因工作臺 夾具均不帶電 可以采用耐蝕的非金屬材料 如采用金屬材料對不帶電 的零件則加以陰極保護 防止電化學雜散腐蝕 但此方案的缺點是工作箱內導線較 多 走線較復雜 布局欠佳 每次裝卸工件時還要拆卸線鼻子 并要防止正負極線 鼻子相碰或正極線鼻子與工作箱相碰而引起送電時短路 所以選第二種方案 2 2 2 方案二 從流場方面考慮設計方案 根據電解液的流動方向 加工送進方向 及加工間隙之間的幾何關系 可分為三種流動形式 即側流式 正流式和反流式 可根據加工對象的幾何形狀確定流動形式 對于型面曲率變化不大的三維型面如一 般葉片型面 葉片鍛模型腔等 可采用側流式 對于圓孔 型孔可采用正流式或反 流式 對于某些復雜的型腔或型面 可在陰極上設計適當的通液槽 孔 采用正流 式或反流式 或者兩種流動形式都存在的復合流動形式進行加工 針對我的零件采 用復合式 在流場設計方面還應該考慮電解液流速和進口壓力 確定電解液流速的 原則 1 選則適當高的流速 能從加工間隙中帶走電解產物 且使電解液流動處 于紊流狀態(tài) 這樣有利于均勻流場并消除濃差極限 2 選擇適當高的流速以控制 溫升 電解液壓力的確定 是指加工間隙進口處的壓力和電解液輸出泵的出口 考 慮到管道中的壓力損失 一般電解液泵出口壓力需比電解液進口壓力高 0 05 0 1pa 2 2 3 方案三 從陰極設計方面提出設計方案 對其陰極型管的直線度有嚴格要求 端面倒角 10 在側面間隙 約 0 15 0 22mm 減去陰極單面涂層厚度約 0 05mm 還有足夠的間隙空間允許電解液順暢通過 端面制成加工凸緣根據加工孔徑的大小 和精度要求 確定凸緣外徑和加工刃帶的寬度 3 本課題研究的重點及難點 前期已開展工作 電解加工是利用金屬在電解液中產生電化學陽極溶解的原理對工件進行成形加 工的特種加工 又稱電化學加工 電解加工的重點是針對不同的加工零件設計出加 工該零件的陰極以及裝夾該零件電解加工的陰極和工件的夾具裝置 電解加工的難 點是電解加工是一種復制加工 工具陰極的輪廓形狀須根據圖紙給定的工件形狀和 加工間隙的分布規(guī)律來設計 加工間隙分布的不均勻導致陰極設計非常困難 工作定位 陰極設計 流程設計 導電 Cad 二維圖 圖 3 1 proe 三維圖 圖 3 2 1 圖 3 1 油箱蓋熱鍛模 cad 二維圖 1 圖 3 2 油箱蓋熱鍛模 proe 三維圖 4 完成本課題的工作方案及進度計劃 按周次填寫 1 2 周 熟悉課題 完成關于電解加工的 2000 字文獻綜述 翻譯外文資料 3 周 確定油箱蓋熱鍛模設計及其電解加工工裝方案 繪制其結構草圖 準備開題答 辯 4 6 周 進行油箱蓋熱鍛模設計及其電解加工陰極設計計算 7 9 周 進行油箱蓋熱鍛模電解加工工裝設計 包括導電 供液方式和流場設計 準備中期答辯 10 15 周 完善整個電解加工工裝設計 完成裝配圖 包括三維裝配圖 及零件圖 的繪制等工作 16 18 周 對所有圖紙進行校核 編寫設計說明書 所有資料提請指導教師檢查 準備畢業(yè)答辯 1 參考文獻 1 沈健 張海巖 鍛模電解加工工具電極的反拷和修正方法 J 電加工與模具 2001 年 04 期 2 張春 李毅 模具型腔的數控銑削法電解加工 J 電加工與模具 2004 年 04 期 3 沈健 熱鍛模電解加工工具電極的反拷和修正 J 模具工業(yè) 2005 年 11 期 4 朱樹敏 陳淑芬 張海巖 低濃度復合電解液的性能及應用 J 電加工 1985 年 06 期 5 朱樹敏 沈光祖 鍛模的脈沖電流電解加工 J 電加工 1990 年 01 期 6 沈健 朱樹敏 陳遠龍 鍛模電解加工新技術 J 電加工 1998 年 01 期 7 朱永偉 萬勝美 朱樹敏 振動進給 脈沖電流電解加工設備及工藝的研究 J 電加工 1996 年 05 期 8 趙雪松 朱樹敏 鎳鈦合金球拍的電化學加工 J 電加工 1999 期 04 期 9 姚宏偉 盧星河 裝飾不銹鋼管材的快速電化學蝕刻 J 化學世界 2002 年 01 期 10 劉德成 夾心式復合加工表面形貌特征 J 新技術新工藝 2007 年 03 期 11 張海巖 齒輪的電化學去毛刺工藝研究 J 新技術新工藝 1996 年 04 期 12 吳蒙華 李曉偉 劉晉春 郭永豐 不銹鋼凹形字圖的快速電解蝕刻 J 新技術新 工藝 1997 年 01 期 13 趙雪松 蘇學滿 楊明 模具鋼電解機械復合拋光工藝研究 J 中國機械工程 2003 年 12 期 14 柯旭貴 基于 VBA 的參數化圖形的建立與實現 J 安徽機電學院學報 2001 年 02 期 15 朱荻 國外電解加工的研究進展 J 電加工與模具 2000 年 01 期 16 徐家文 王建業(yè) 田繼安 21 世紀初電解加工的發(fā)展和應用 J 電加工與模具 2001 年 06 期 17 王建業(yè) 馮倩 羅干英 劉叢寬 林蘇文 羅天友 高頻 窄脈沖電流電解加工模具 試驗研究 J 電加工 1999 年 04 期 18 周茂軍 蘇鐵明 歐宗瑛 以 Solid Works 為 支撐軟件的模具標準件庫的開發(fā) J 大連輕工業(yè)學院學報 2001 年 04 期 19 D Zhu K P Ra jurkar M ode ling and Verification o f IntereletrodeGap in E lectrochem icalM ach ining w ith Passiva ting Electroly te J IMECM ASME MED 1999 10 589 596 20 R R com pany UK F in ishes b lades in one opera tion J M ach ine ry and Produc tion Eng ineering 1985 7 44 48 21 D B Ender Implementation of Deadband Reset Scheduling for the E lmi 1 注 1 正文 宋體小四號字 行距 22 磅 2 開題報告由各系集中歸檔保存 ination of Stick slip Cycling in Contro l Valves J Journa lA 1997 38 1 11 5 指導教師意見 對課題的深度 廣度及工作量的意見 指導教師 年 月 日 6 所在系審查意見 系主管領導 年 月 日 1