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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(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(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 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 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(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(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(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 iijjFkd 其中 j x y z 表示 在當?shù)刈幼鴺讼登芯€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(yīng)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(chǎn)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(yīng)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(xiàn)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(shù)配方 工件旋轉(zhuǎn) 由于部隊輪換往往是相當小 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(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 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(chǎn)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(shè)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(xiàn)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(chǎn)生的夾緊力向量 范數(shù) 因此 第一個目標函數(shù)可以寫為 2L 最小化 XYZ 222RRERCNNw111PP iii 9 第 5 頁 共 15 頁 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(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 二個目標函數(shù) 并給出 最小化 10 222iiiL CL CL Cx 111FFUW kkyziii TQ 其中 代表機構(gòu)的彈性變形應(yīng)變能互補 代表由外部力量和力矩配合 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(quán)系數(shù) 計算確定的基礎(chǔ)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(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 內(nèi)蒙古科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 外文翻譯 第 6 頁 共 15 頁 11 iiixyszF 假設(shè)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(cè)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(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(zhuǎn)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(quán)范數(shù) 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(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 2Lf 2L 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f 點的接觸力的計算只考慮第一個目標函數(shù) 即 雖然有這樣的接觸力 并不1f 內(nèi)蒙古科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 外文翻譯 第 7 頁 共 15 頁 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(chǎn)生的最小夾緊力的加權(quán)范數(shù) 迭代次數(shù) K 終止搜 2L 索取決于所需的預(yù)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(nèi)蒙古科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 外文翻譯 第 8 頁 共 15 頁 內(nèi)蒙古科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)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(yīng)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(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 1optP2t3optPopt 考慮以下四個最壞加工負荷向量 內(nèi)蒙古科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)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(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(xiàn) 但在每 次常規(guī)的進給速度中 刀具旋轉(zhuǎn)一次出現(xiàn)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(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 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(yīng)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(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(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)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(nèi)蒙古科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)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(zhuǎn) 隨后 準靜態(tài) 加工負荷應(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gXY 方向上的移位 和自轉(zhuǎn) 見圖 2 gZTdwwXYZ Twxyz 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)Tiiixyzd 為相對于工件的質(zhì)量中心的第 i 個位置矢量定位點 坐標變換定理 TiirXYZ 可以用來表達在工件的位移 以及工件自轉(zhuǎn)idwwXYZ 如下 21 wxyz 1Tii iiRrd 其中 表示旋轉(zhuǎn)矩陣 描述當?shù)卦诘?i 幀相聯(lián)系的全球坐標系和 是一個1iR wcR 旋轉(zhuǎn)矩陣確定工件相對于全球的坐標系的定位坐標系 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 w wcR 22 w 1R1zyzxyx 方程 21 現(xiàn)在可以改寫為 23 TiiidRBq 其中 是經(jīng)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(dǎo)致的工件剛體運動矢量 yqTwwxzX 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 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(shù)則代表拉伸變形 是表示在本地坐標iixyzKdagk 內(nèi)蒙古科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)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(jù)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(jié)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(xiàn)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(yīng)用于工件負載準靜態(tài)銑削序列 內(nèi)蒙古科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)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(shù)為 0 25 使用伊利諾伊大學(xué)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(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 四種情況下加工負荷載體 內(nèi)蒙古科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 外文翻譯 第 14 頁 共 15 頁 內(nèi)蒙古科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 外文翻譯 第 15 頁 共 15 頁 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 內(nèi)蒙古科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)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(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載載體最后的夾緊力和負載 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2L 下形式 結(jié)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(quán)范數(shù) 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(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 負載到工件 他應(yīng)用于工件銑削負載一個序列 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 maxaxmax iiiiij yzrPP 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opt 2L 內(nèi)蒙古科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 外文翻譯 第 17 頁 共 15 頁 點的加權(quán)范數(shù) 的 和 繪制 2LmaxiPaxiymaxizaxirP 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opt 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2 緊力 則夾緊力需相應(yīng)設(shè)置 有比 相當大的加權(quán)范數(shù) 故 是一個inPopt 2LoptP 完整的刀具路徑改進方案 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2 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(yīng)在確定工件 夾具系統(tǒng)的響應(yīng)特性具有重要作用 9 參考資料 內(nèi)蒙古科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)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(xué)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(xué)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(shè)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(yīng)用有限元 分析和數(shù)學(xué)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(jié)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(gòu)造的數(shù)學(xué)算法 分析和合成 美國 ASME 工程學(xué)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(xué)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(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 內(nèi)蒙古科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 外文翻譯 第 19 頁 共 15 頁 15 T H Richards 埃利斯 霍伍德 1977 應(yīng)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(yīng)用程序 制造科學(xué)雜志與工程 325 331 頁 1996 XX 大學(xué) 課 程 設(shè) 計 設(shè) 計 論 文 軸承套加工工藝及鉆側(cè)邊 6 孔夾具設(shè)計 所 在 學(xué) 院 專 業(yè) 班 級 姓 名 學(xué) 號 指 導(dǎo) 老 師 年 月 日 II 摘 要 軸承套零件加工工藝及鉆床夾具設(shè)計是包括零件加工的工藝設(shè)計 工序設(shè)計以及 專用夾具的設(shè)計三部分 在工藝設(shè)計中要首先對零件進行分析 了解零件的工藝再設(shè) 計出毛坯的結(jié)構(gòu) 并選擇好零件的加工基準 設(shè)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(guān)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(shè)計 選擇設(shè)計出夾具的各個組成部件 如定位元件 夾緊元件 引導(dǎo) 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(chǎn)生的定位誤差 分析夾具結(jié)構(gòu)的合理性與不足之處 并在以后設(shè)計中注意改進 關(guān)鍵詞 工藝 工序 切削用量 夾緊 定位 誤差 目 錄 摘 要 II 目 錄 III 第 1 章 序 言 5 第 2 章 零件的分析 6 2 1 零件的形狀 6 2 2 零件的工藝分析 6 第 3 章 工藝規(guī)程設(shè)計 7 3 1 確定毛坯的制造形式 7 3 2 基面的選擇 7 3 3 制定工藝路線 8 3 4 選擇加工設(shè)備和工藝裝備 8 3 4 1 機床選用 8 3 4 2 選擇刀具 8 3 4 3 選擇量具 9 3 5 機械加工余量 工序尺寸及毛坯尺寸的確定 9 3 6 確定切削用量及基本工時 10 第 4 章 鉆側(cè)邊 6 孔夾具設(shè)計 21 4 1 夾具的夾緊裝置和定位裝置 21 4 2 夾具的導(dǎo)向 22 4 3 定位方案分析 23 4 4 切削力及夾緊力的計算 23 4 5 鉆孔與工件之間的切屑間隙 24 4 6 鉆模板 25 4 7 定位誤差的分析 25 4 8 鉆套 襯套 鉆模板設(shè)計與選用 26 4 9 確定夾具體結(jié)構(gòu)和總體結(jié)構(gòu) 28 4 10 夾具設(shè)計及操作的簡要說明 29 IV 總 結(jié) 30 致 謝 31 參 考 文 獻 32 攀枝花學(xué)院課程設(shè)計 6 鉆孔夾具設(shè)計 第 1 章 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(chǎn)品 并把它們裝備 成機械裝備的行業(yè) 機械制造業(yè)的產(chǎn)品既可以直接供人們使用 也可以為其它 行業(yè)的生產(chǎn)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(chǎn)品 我們 的生活離不開制造業(yè) 因此制造業(yè)是國民經(jīng)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(chǔ)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(jīng)濟綜合實力和科學(xué)技術(shù)水平的重要指標 軸承套零件加工工藝及鉆床夾具設(shè)計是在學(xué)完了機械制圖 機械制造技術(shù) 基礎(chǔ) 機械設(shè)計 機械工程材料等的基礎(chǔ)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(shè)計出專用夾具 保證尺寸證零件的加工質(zhì)量 本次設(shè)計也要培養(yǎng)自己的自 學(xué)與創(chuàng)新能力 因此本次設(shè)計綜合性和實踐性強 涉及知識面廣 所以在設(shè)計 中既要注意基本概念 基本理論 又要注意生產(chǎn)實踐的需要 只有將各種理論 與生產(chǎn)實踐相結(jié)合 才能很好的完成本次設(shè)計 本次設(shè)計水平有限 其中難免有缺點錯誤 敬請老師們批評指正 6 第 2 章 零件的分析 2 1 零件的形狀 題目給的零件是軸承套零件 主要作用是起連接作用 零件的實際形狀如上圖所示 從零件圖上看 該零件是典型的零件 結(jié)構(gòu)比較 簡單 具體尺寸 公差如下圖所示 圖 2 1 軸承套零件圖 圖 2 1 軸承套零件圖 2 2 零件的工藝分析 由零件圖可知 其材料為 HT200 該材料為球墨鑄鐵 具有較高強度 耐磨 性 耐熱性及減振性 適用于承受較大應(yīng)力和要求耐磨零件 軸承套零件主要加工表面為 1 車外圓及端面 表面粗糙度 值為 3 2aR 2 車外圓及端面 表面粗糙度 值 3 2 3 鉆孔 表面粗糙度 值m aRm 3 2 4 半精車側(cè)面 及表面粗糙度 值 3 2 軸承套共有兩組加工表面 他們之間有一定的位置要求 現(xiàn)分述如下 1 左端的加工表面 攀枝花學(xué)院課程設(shè)計 6 鉆孔夾具設(shè)計 這一組加工表面包括 左端面 60 外圓 44 外圓 30 內(nèi)孔 倒角 鉆孔并攻絲 這一部份只有端面有 6 3 的粗糙度要求 其要求并不高 粗車 后半精車就可以達到精度要求 而鉆工沒有精度要求 因此一道工序就可以達 到要求 并不需要擴孔 鉸孔等工序 2 右端面的加工表面 這一組加工表面包括 右端面 44 的外圓 粗糙度為 1 6 30 的 內(nèi)孔 并帶有倒角 鉆中心孔 其要求也不高 粗車后半精車就可以達到精度 要求 第 3 章 工藝規(guī)程設(shè)計 3 1 確定毛坯的制造形式 本軸承套 小批生產(chǎn) 零件材料為 HT200 鑄件的特點是液態(tài)成形 其主要優(yōu)點是適應(yīng)性強 即 適用于不同重量 不同壁厚的鑄件 也適用于不同的金屬 還特別適應(yīng)制造形 狀復(fù)雜的鑄件 考慮到零件在使用過程中起連接作用 分析其在工作過程中所 受載荷 最后選用鑄件 以便使金屬纖維盡量不被切斷 保證零件工作可靠 年產(chǎn)量已達成批生產(chǎn)水平 而且零件輪廓尺寸不大 可以采用砂型鑄造 這從 提高生產(chǎn)效率 保證加工精度 減少生產(chǎn)成本上考慮 也是應(yīng)該的 3 2 基面的選擇 基面選擇是工藝規(guī)程設(shè)計中的重要工作之一 基面選擇的正確與合理 可 以使加工質(zhì)量得到保證 生產(chǎn)效率得以提高 否則 不但使加工工藝過程中的 問題百出 更有甚者 還會造成零件大批報廢 使生產(chǎn)無法正常進行 粗基準的選擇 對像軸承套這樣的零件來說 選好粗基準是至關(guān)重要的 對本零件來說 如果外圓的端面做基準 則可能造成這一組內(nèi)外圓的面與零件 的外形不對稱 按照有關(guān)粗基準的選擇原則 即當零件有不加工表面時 應(yīng)以這 些不加工表面做粗基準 若零件有若干個不加工表面時 則應(yīng)以與加工表面要 8 求相對應(yīng)位置精度較高的不加工表面做為粗基準 對于精基準而言 主要應(yīng)該考慮基準重合的問題 當設(shè)計基準與工序基準 不重合時 應(yīng)該進行尺寸換算 這在以后還要專門計算 此處不在重復(fù) 3 3 制定工藝路線 制定工藝路線的出發(fā)點 應(yīng)當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)已經(jīng)確定為成批生產(chǎn)的條件下 可 以考慮采用萬能性機床配以專用夾具 并盡量使工序集中來提高生產(chǎn)率 除此 以外 還應(yīng)當考慮經(jīng)濟效果 以便使生產(chǎn)成本盡量下降 10 鑄造毛坯 并進行時效處理 20 粗車 44 端面 30 粗車 半精車 44 外圓 并進行倒角 40 車退刀槽 3X2 50 粗車 60 外圓及端面 60 鉆中心孔 15 70 擴孔 粗鉸 精鉸至 30H7 并進行倒角 80 鉆側(cè)邊 6 孔 90 檢驗 100 入庫 3 4 選擇加工設(shè)備和工藝裝備 3 4 1 機床選用 工序是粗車 粗鏜和半精車 半精鏜 各工序的工步數(shù)不多 成批量生 產(chǎn) 故選用臥式車床就能滿足要求 本零件外輪廓尺寸不大 精度要求屬于中 等要求 選用最常用的 CA6140 臥式車床 參考根據(jù) 機械制造設(shè)計工工藝簡明 手冊 表 4 2 7 工序 是鉆孔 選用 Z525 搖臂鉆床 3 4 2 選擇刀具 在車床上加工的工序 一般選用硬質(zhì)合金車刀和鏜刀 加工刀具選用 YG6 攀枝花學(xué)院課程設(shè)計 6 鉆孔夾具設(shè)計 類硬質(zhì)合金車刀 它的主要應(yīng)用范圍為普通鑄鐵 冷硬鑄鐵 高溫合金的精加 工和半精加工 為提高生產(chǎn)率及經(jīng)濟性 可選用可轉(zhuǎn)位車刀 GB5343 1 60 GB5343 2 60 鉆孔時選用高速鋼麻花鉆 參考 機械加工工藝手冊 主編 孟少農(nóng) 第二卷表 10 21 47 及表 10 2 53 可得到所有參數(shù) 3 4 3 選擇量具 本零件屬于成批量生產(chǎn) 一般均采用通常量具 選擇量具的方法有兩種 一是按計量器具的不確定度選擇 二是按計量器的測量方法極限誤差選擇 采 用其中的一種方法即可 3 5 機械加工余量 工序尺寸及毛坯尺寸的確定 軸承套 零件材料為 HT200 查 機械加工工藝手冊 以后簡稱 工藝 手冊 表 2 2 17 各種鑄鐵的性能比較 球墨鑄鐵的硬度 HB 為 143 269 表 2 2 23 球墨鑄鐵的物理性能 HT200 密度 7 2 7 3 計算零件毛3cmg 坯的重量約為 2 kg 表 3 1 機械加工車間的生產(chǎn)性質(zhì) 同類零件的年產(chǎn)量 件 生產(chǎn)類別 重型 零件重 2000kg 中型 零件重 100 2000kg 輕型 零件重 100kg 單件生產(chǎn) 5 以下 10 以下 100 以下 小批生產(chǎn) 5 100 10 200 100 500 中批生產(chǎn) 100 300 200 500 500 5000 大批生產(chǎn) 300 1000 500 5000 5000 50000 大量生產(chǎn) 1000 以上 5000 以上 50000 以上 根據(jù)所發(fā)的任務(wù)書上的數(shù)據(jù) 該零件的月工序數(shù)不低于 30 50 毛坯重量 2 120 250 6 0 4 0 頂 側(cè)面 底 面 鑄孔的機械加工余量一般按澆注時位置處于頂面的機械加工余量選擇 根據(jù)上述原始資料及加工工藝 分別確定各加工表面的機械加工余量 工 序尺寸及毛坯尺寸 3 6 確定切削用量及基本工時 切削用量一般包括切削深度 進給量及切削速度三項 確定方法是先是確 定切削深度 進給量 再確定切削速度 現(xiàn)根據(jù) 切削用量簡明手冊 第三版 艾興 肖詩綱編 1993 年機械工業(yè)出版社出版 確定本零件各工序的切削用量 所選用的表格均加以 號 與 機械制造設(shè)計工工藝簡明手冊 的表區(qū)別 攀枝花學(xué)院課程設(shè)計 6 鉆孔夾具設(shè)計 3 6 1 工序 20 確定粗車 44 端面的切削用量 所選刀具為 YG6 硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位車刀 根據(jù) 切削用量簡明手冊 表 1 1 由于 CA6140 機床的中心高為 200 表 1 30 故選刀桿尺寸 mHB 刀片厚度為 選擇車刀幾何形狀為卷屑槽帶倒棱型前刀m2516 5 4 面 前角 后角 主偏角 副偏角 刃傾角 0V10 6vK09 vK01s 刀尖圓弧半徑 0sr8 確定切削深度 pa 由于單邊余量為 可在一次走刀內(nèi)完成 故3 3 1 pm 確定進給量 f 根據(jù) 切削加工簡明實用手冊 可知 表 1 4 刀桿尺寸為 工件直徑 400 之間時 1625 pa4 10 進給量 0 5 1 0frm 按 CA6140 機床進給量 表 4 2 9 在 機械制造工藝設(shè)計手冊 可知 0 7f 確定的進給量尚需滿足機床進給機構(gòu)強度的要求 故需進行校驗根據(jù)表 1 30 CA6140 機床進給機構(gòu)允許進給力 3530 maxFN 根據(jù)表 1 21 當強度在 174 207 時 HBSp4 f75 0rm 時 徑向進給力 950 rK045R 切削時 的修正系數(shù)為 1 0 1 0 1 17 表 1 29 2 fFroFfKsFf krFfK 故實際進給力為 950 1111 5 f17 N 3 2 由于切削時進給力小于機床進給機構(gòu)允許的進給力 故所選 可frm7 0 用 選擇刀具磨鈍標準及耐用度 根據(jù) 切削用量簡明使用手冊 表 1 9 車刀后刀面最大磨損量取為 5 1 車刀壽命 Tmin60 確定切削速度 0V 切削速度可根據(jù)公式計算 也可直接有表中查出 12 根據(jù) 切削用量簡明使用手冊 表 1 11 當 硬質(zhì)合金刀加工硬度6YG 200 219 的鑄件 切削速度 HBSpam4 fr75 0Vmin63 切削速度的修正系數(shù)為 1 0 0 92 0 8 1 0 1 0 見表 1 28 故 tvKmvsvKTvKv tV 63 0 0 184 920 1 3 3 min48 120 nDc 10127 ir 3 4 根據(jù) CA6140 車床說明書選擇 1250nmir 這時實際切削速度 為 cV 1cD 01257 min 3 5 校驗機床功率 切削時的功率可由表查出 也可按公式進行計算 由 切削用量簡明使用手冊 表 1 25 HBS160245pam3 f 切削速度 時 rm75 0min50V CPKW7 1 切削功率的修正系數(shù) 0 73 0 9 故實際切削時間的功率為 krcPcr0 1 7 1 2 3 3 6 根據(jù)表 1 30 當 時 機床主軸允許功率為 nmi125r EPKW9 5C 故所選切削用量可在 CA6140 機床上進行 最后決定的切削用量為 EP 3 75 paf7 0ni125rsr08 Vmin0 倒角 為了縮短輔助時間 取倒角時的主軸轉(zhuǎn)速與鉆孔相同 srn28 3 換車刀手動進給 攀枝花學(xué)院課程設(shè)計 6 鉆孔夾具設(shè)計 計算基本工時 nflt 3 7 式中 m127Lly l 由 切削用量簡明使用手冊 表 1 26 車削時的入切量及超切量 y 則 m18 3 8 mt7 0125 in46 3 6 2 工序 20 粗車 半精車 44 外圓 并進行倒角 所選刀具為 YG6 硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位車刀 根據(jù) 切削用量簡明手冊 表 1 1 由于 C602 1 機床的中心高為 200 表 1 30 故選刀桿尺寸 mHB 刀片厚度為 選擇車刀幾何形狀為卷屑槽帶倒棱型前刀m256 5 4 面 前角 后角 主偏角 副偏角 刃傾角 0V0 6vK09 vK01s 刀尖圓弧半徑 0sr8 確定切削深度 pa 由于單邊余量為 可在一次走刀內(nèi)完成 故5 2 p m251 確定進給量 f 根據(jù) 切削加工簡明實用手冊 可知 表 1 4 刀桿尺寸為 工件直徑 400 之間時 m1625 pa4 10 進給量 0 5 1 0frm 按 CA6140 機床進給量 表 4 2 9 在 機械制造工藝設(shè)計手冊 可知 0 7f 確定的進給量尚需滿足機床進給機構(gòu)強度的要求 故需進行校驗根據(jù)表 1 30 CA6140 機床進給機構(gòu)允許進給力 3530 maxFN 根據(jù)表 1 21 當強度在 174 207 時 HBSp4 f75 0rm 時 徑向進給力 950 rK045R 切削時 的修正系數(shù)為 1 0 1 0 1 17 表 1 29 2 fFroFfKsFf krFfK 14 故實際進給力為 950 1111 5 fF17 N 由于切削時進給力小于機床進給機構(gòu)允許的進給力 故所選 可用 frm7 0 選擇刀具磨鈍標準及耐用度 根據(jù) 切削用量簡明使用手冊 表 1 9 車刀后刀面最大磨損量取為 5 1 車刀壽命 Tmin60 確定切削速度 0V 切削速度可根據(jù)公式計算 也可直接有表中查出 根據(jù) 切削用量簡明使用手冊 表 1 11 當 硬質(zhì)合金刀加工硬度15YT 200 219 的鑄件 切削速度 HBSpa4 frm7 0Vmin63 切削速度的修正系數(shù)為 1 0 0 92 0 8 1 0 1 0 見表 1 28 故 tvKmvsvKTvKv tV 63 0 0 184 920 1 3 12 min48 120 nDc 1027 ir 3 13 根據(jù) CA6140 車床說明書選擇 1250nmir 這時實際切削速度 為 cV 1cD 01257 min 3 14 校驗機床功率 切削時的功率可由表查出 也可按公式進行計算 由 切削用量簡明使用手冊 表 1 25 HBS160245pam3 f 切削速度 時 rm75 0min50V CPkw7 1 切削功率的修正系數(shù) 0 73 0 9 故實際切削時間的功率為 rcPcrK0 1 7 1 2 3 k 攀枝花學(xué)院課程設(shè)計 6 鉆孔夾具設(shè)計 根據(jù)表 1 30 當 時 機床主軸允許功率為nmi125r 故所選切削用量可在 CA6140 機床上進行 最后決定的切EPkw9 5C EP 削用量為 1 25 pafr7 0ni125rsr08 Vmin50 計算基本工時 flt 3 15 式中 m127Lly l 由 切削用量簡明使用手冊 表 1 26 車削時的入切量及超切量 y 則 126 m18 mt 05 in41 3 6 4 工序 50 粗車 60 外圓及端面 本工序仍粗車 已知條件與工序相同 車端面 可采用工序 20 相同的可轉(zhuǎn)位車 刀 3 6 5 工序 60 鉆中心孔 15 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 GB1436 60 直柄麻花鉆 2 0 20 0 在各種機床上 用鉆模 或不用鉆模鉆孔 GB1437 60 直柄長麻花鉆 1 0 31 5 在各種機床上 用鉆模 或不用鉆模鉆孔 GB1438 60 錐柄麻花鉆 3 0 100 0 在各種機床上 用鉆模 或不用鉆模鉆孔 GB1439 60 錐柄長麻花鉆 5 0 50 0 在各種機床上 用鉆模 或不用鉆模鉆孔 選用 Z525 搖臂鉆床 查 機械加工工藝手冊 孟少農(nóng) 主編 查 機 16 表 2 4 37 鉆頭的磨鈍標準及耐用度可得 耐用度為 4500 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25 0 2 118 后角 a 10 橫刃斜角 50 L 197mm l 116mm 0f0 01 表 3 6 標準高速鋼麻花鉆的全長和溝槽長度 摘自 GB6137 60 mm 直柄麻花鉆 直徑范圍 l l1 11 100 13 20 151 101 表 3 7 通用型麻花鉆的主要幾何參數(shù)的推存值 根據(jù) GB6137 60 d mm 2 f 8 6 18 00 30 118 12 40 60 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 60 鉆頭后刀面最大磨損限度為 0 5 0 8mm 刀具耐用度 T 60 min 確定進給量 查 機械加工工藝手冊 孟少農(nóng) 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(jù)表 4 13 中可知 進給量取zm f 0 60 rm 確定切削速度 攀枝花學(xué)院課程設(shè)計 6 鉆孔夾具設(shè)計 查 機械加工工藝手冊 孟少農(nóng) 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min 機械加工工藝手冊 孟少農(nóng) 主編 表 10 4 10 鉆擴鉸孔條件改變時切削速 度修正系數(shù) K 1 0 R 0 60 mvtv V 12 10 32 85 0 min 3 17 則 131 minr 3 18 查表 4 2 12 可知 取 n 150 inr 則實際切削速度 11 8v實 m 確定切削時間 查 機械加工工藝手冊 孟少農(nóng) 主編 表 10 4 43 鉆孔時加工機動時 間計算公式 T ifn llw1 3 19 其中 l l 5 l 2 3f2mdRKcot wm1m 則 t 9 13 s 3 6 5 2 確定鉆孔的切削用量 鉆孔選用機床為 Z525 搖臂機床 刀具選用 GB1436 60 直柄短麻花鉆 機 械加工工藝手冊 第 2 卷 根據(jù) 機械加工工藝手冊 第 2 卷表 10 4 2 查得鉆頭直徑小于 10 的鉆m 孔進給量為 0 20 0 35 rm 則取 f30 確定切削速度 根據(jù) 機械加工工藝手冊 第 2 卷表 10 4 9 切削速度計算公式為 minkfaTdcvvyxpmzv 3 20 查得參數(shù)為 刀具耐用度 T 35125 0 0 25 1 8 yxzcvvvvmin 則 1 6v5 0125 02 337 min 23 1 10dn 0514 3 6 0573 18 所以 72n714 360 minr 選取 i2 所以實際切削速度為 2 6410 vin 確定切削時間 一個孔 t s203 8 工序 70 擴孔 粗鉸 精鉸至 30H7 并進行倒角 機床 立式鉆床 Z525 刀具 根據(jù)參照參考文獻 3 表 4 3 9 選高速鋼錐柄麻花鉆頭 鉆孔 30H7 切削深度 pa8 5m 進給量 根據(jù)參考文獻 3 表 2 4 38 取 f rmf 3 0 切削速度 參照參考文獻 3 表 2 4 41 取 V48Vs 機床主軸轉(zhuǎn)速 n 100 486539 in317vrd 按照參考文獻 3 表 3 1 31 取 0n 所以實際切削速度 v 176 5 dms 切削工時 被切削層長度 l42m 刀具切入長度 1 17 205 96rDlctgkctgm 刀具切出長度 取2l4 l32 走刀次數(shù)為 1 機動時間 jt60 5in 3jLfn 擴孔 30H7 刀具 根據(jù)參照參考文獻 3 表 4 3 31 選擇硬質(zhì)合金錐柄麻花擴孔鉆頭 片型號 E403 攀枝花學(xué)院課程設(shè)計 6 鉆孔夾具設(shè)計 切削深度 pa1 35m 進給量 根據(jù)參考文獻 3 表 2 4 52 取 f 0 6 fmr 切削速度 參照參考文獻 3 表 2 4 53 取 V4Vs 機床主軸轉(zhuǎn)速 n100 462 78 in319vrD 按照參考文獻 3 表 3 1 31 取 5n 所以實際切削速度 v 0 5 06dms 切削工時 被切削層長度 l42m 刀具切入長度 有 11 19 7 2 20 8632rDdlctgkctgm 刀具切出長度 取lm42 l32 走刀次數(shù)為 1 機動時間 2jt30 16in 5jLfn 鉸孔 30H7 刀具 根據(jù)參照參考文獻 3 表 4 3 54 選擇硬質(zhì)合金錐柄機用鉸刀 切削深度 且 pa0 15m 30D 進給量 根據(jù)參考文獻 3 表 2 4 58 取f rmf 0 2 1 rmf 0 2 切削速度 參照參考文獻 3 表 2 4 60 取 V sV 3 機床主軸轉(zhuǎn)速 n100 3265 7 min14rD 按照參考文獻 3 表 3 1 31 取 n 實際切削速度 v 0 63 0s 切削工時 20 被切削層長度 l42m 刀具切入長度 10019 7 20 9rDdlctgkctgm 刀具切出長度 取2l4 l32 走刀次數(shù)為 1 機動時間 3jt 09 7in315jLnf 該工序的加工機動時間的總和是 jt 2016 70 48minj 工序 80 鉆側(cè)邊 6 孔 機床 臺鉆床 z525 刀具 根據(jù)參照參考文獻 3 表 4 3 9 選硬質(zhì)合金錐柄麻花鉆頭 切削深度 pam3 根據(jù)參考文獻 3 表 查得 進給量 切削速度4 2 0 2 fmr sV 36 0 機床主軸轉(zhuǎn)速 n in 14764 3010rdV 按照參考文獻 3 表 3 1 31 取 n 實際切削速度 v 0 5 10Dms 切削工時 被切削層長度 l3m 刀具切入長度 1 6 1 2 0242rctgkctg 刀具切出長度 取 2l4ml3 加工基本時間 jt124 1in0 6jLlfn 攀枝花學(xué)院課程設(shè)計 6 鉆孔夾具設(shè)計 第 4 章 鉆側(cè)邊 6 孔夾具設(shè)計 4 1 夾具的夾緊裝置和定位裝置 夾具中的裝夾是由定位和夾緊兩個過程緊密聯(lián)系在一起的 定位問題已在 前面研究過 其目的在于解決工件的定位方法和保證必要的定位精度 僅僅定好位在大多數(shù)場合下 還無法進行加工 只有進而在夾具上設(shè)置相 應(yīng)的夾緊裝置對工件進行夾緊 才能完成工件在夾具中裝夾的全部任務(wù) 夾緊裝置的基本任務(wù)是保持工件在定位中所獲得的即定位置 以便在切削 22 力 重力 慣性力等外力作用下 不發(fā)生移動和震動 確保加工質(zhì)量和生產(chǎn)安 全 有時工件的定位是在夾緊過程中實現(xiàn)的 正確的夾緊還能糾正工件定位的 不正確 一般夾緊裝置由動源即產(chǎn)生原始作用力的部分 夾緊機構(gòu)即接受和傳遞原始作 用力 使之變?yōu)閵A緊力 并執(zhí)行夾緊任務(wù)的部分 他包括中間遞力機構(gòu)和夾緊 元件 考慮到機床的性能 生產(chǎn)批量以及加工時的具體切削量決定采用手動夾緊 螺旋夾緊機構(gòu)是斜契夾緊的另一種形式 利用螺旋桿直接夾緊元件 或者 與其他元件或機構(gòu)組成復(fù)合夾緊機構(gòu)來夾緊工件 是應(yīng)用最廣泛的一種夾緊機 構(gòu) 螺旋夾緊機構(gòu)中所用的螺旋 實際上相當于把契繞在圓柱體上 因此他的 作用原理與斜契是一樣的 也利用其斜面移動時所產(chǎn)生的壓力來夾緊工件的 不過這里上是通過轉(zhuǎn)動螺旋 使繞在圓柱體是的斜契高度發(fā)生變化來夾緊的 典型的螺旋夾緊機構(gòu)的特點 1 結(jié)構(gòu)簡單 2 擴力比大 3 自瑣性能好 4 行程不受限制 5 夾緊動作慢 夾緊裝置可以分為力源裝置 中間傳動裝置和夾緊裝置 在此軸承套夾具 中 中間傳動裝置和夾緊元件合二為一 力源為機動夾緊 通過螺栓夾緊移動 壓板 達到夾緊和定心作用 工件通過定位銷的定位限制了繞Z軸旋轉(zhuǎn) 通過螺栓夾緊移動壓板 實現(xiàn)對 工件的夾緊 并且移動壓板的定心裝置是與工件外圓弧面相吻合的移動壓板 通過精確的圓弧定位 實現(xiàn)定心 此軸承套移動壓板制作簡單 便于手動調(diào)整 通過松緊螺栓實現(xiàn)壓板的前后移動 以達到壓緊的目的 壓緊的同時 實現(xiàn)工 件的定心 使其定位基準的對稱中心在規(guī)定位置上 4 2 夾具的導(dǎo)向 在鉆床上加工孔時 大都采用導(dǎo)向元件或?qū)蜓b置 用以引導(dǎo)刀具進入正 確的加工位置 并在加工過程中防止或減少由于切削力等因素引起的偏移 提 高刀具的剛性 從而保證零件上孔的精度 在鉆床上加工的過程中 導(dǎo)向裝置 保證同軸各孔的同軸度 各孔孔距精度 各軸線間的平行度等 因此 導(dǎo)向裝 攀枝花學(xué)院課程設(shè)計 6 鉆孔夾具設(shè)計 置如同定位元件一樣 對于保證工件的加工精度有這十分重要的作用 導(dǎo)向元件包括刀桿的導(dǎo)向部分和導(dǎo)向軸承套 在這軸承套鉆床夾具上用的導(dǎo)向軸承套是鉆軸承套 鉆軸承套按其結(jié)構(gòu)可分為固定鉆軸承套 可換鉆軸承套 快換鉆軸承套及 特殊鉆軸承套 因此軸承套鉆夾具加工量不大 磨損較小 孔距離精度要求較高 則選用 固定鉆軸承套 如圖4 2 直接壓入鉆模板或夾具體的孔中 圖4 2 鉆軸承套 鉆模板與固定鉆軸承套外圓一般采用H7 h6的配合 且必須有很高的耐磨性 材料選擇20Mn2 淬火HRC60 我選擇的鉆軸承套 12 5F7 22K6 35 GB2264 1980 相同的 為了防止定位銷與模板之間的磨損 在模板定位孔之間軸承套上 兩個固定襯軸承套 選取的標準件代號為12 18 GB2263 1980 材料仍選取 T10A 淬火HRC60 公差采用H7 p6的配合 4 3 定位方案分析 由零件圖可知 在對孔進行加工前 底平面進行了粗 精銑加工 孔 進行了鉆 擴 鉸加工 因此 定位 夾緊方案有 307H 方案 選底平面 工藝孔定位 即一面 心軸定位 夾緊方式選用307H 螺母在心軸上夾緊 該心軸需要在上面鉆孔 以便刀具能加工工件上的小孔 4 4 切削力及夾緊力的計算 鉆該孔時選用 臺式鉆床 Z525 刀具用高速鋼刀具 由參考文獻 5 查表 可得 721 切削力公式 06f PFDfK 式中 m r 查表 得 821 0 75 36bp 24 其中 0 6b 0 48pK 即 958 fFN 實際所需夾緊力 由參考文獻 5 表 得 12 12KFW 有 120 7 6 安全系數(shù) K 可按下式計算有 6543210K 式中 為各種因素的安全系數(shù) 見參考文獻 5 表 可得 60 12 10 56K 所以 950816492 fWFN 由計算可知所需實際夾緊力不是很大 為了使其夾具結(jié)構(gòu)簡單 操作方便 決定選用手動螺旋夾緊機構(gòu) 取 1 56K 10 7 2 16 查參考文獻 5 1 2 26 可知移動形式壓板螺旋夾緊時產(chǎn)生的夾緊力按以 下公式計算 210 tgtQLWz 式中參數(shù)由參考文獻 5 可查得 6 2 76zr 901 052 29 其中 3 Lm 8NQ 螺旋夾緊力 04 W 由上述計算易得 K 因此采用該夾緊機構(gòu)工作是可靠的 攀枝花學(xué)院課程設(shè)計 6 鉆孔夾具設(shè)計 4 5 鉆孔與工件之間的切屑間隙 鉆軸承套的類型和特點 1 固定鉆軸承套 鉆軸承套直接壓入鉆模板或夾具體的孔中 鉆模板或 夾具體的孔與鉆軸承套外圓一般采用 H7 n6 配合 主要用于加工量不大 磨損 教小的中小批生產(chǎn)或加工孔徑甚小 孔距離精度要求較高的小孔 2 可換鉆軸承套 主要用在大批量生產(chǎn)中 由于鉆軸承套磨損大 因此 在可換鉆軸承套和鉆模板之間加一個襯軸承套 襯軸承套直接壓入鉆模板的孔 內(nèi) 鉆軸承套以 F7 m6 或 F7 k6 配合裝入襯軸承套中 3 快換鉆軸承套 當對孔進行鉆鉸等加工時 由于刀徑不斷增大 需要 不同的導(dǎo)軸承套引導(dǎo)刀具 為便于快速更換采用快換鉆軸承套 4 特殊鉆軸承套 尺寸或形狀與標準鉆軸承套不同的鉆軸承套統(tǒng)稱特殊 鉆軸承套 鉆軸承套下端面與工件表面之間應(yīng)留一定的空隙C 使開始鉆孔時 鉆頭切 屑刃不位于鉆軸承套的孔中 以免刮傷鉆軸承套內(nèi)孔 如圖4 3 圖4 3 切屑間隙 C 0 3 1 2 d 在本次夾具鉆模設(shè)計中考慮了多方面的因素 確定了設(shè)計方案后 選擇了 C 8 因為此鉆的材料是鑄件 所以C可以取較小的值 4 6 鉆模板 在導(dǎo)向裝置中 導(dǎo)軸承套通常是安裝在鉆模板上 因此鉆模板必須具有足 夠的剛度和強度 以防變形而影響鉆孔精度 鉆模板按其與夾具體連接的方式 可分為固定式鉆模板 鉸鏈式鉆模板 可卸式鉆模板 滑柱式鉆模板和活動鉆 模板等 在此軸承套鉆模夾具中選用的是可卸式鉆模板 在裝卸工件時需從夾具體上裝 26 上或卸下 鉆模板在夾具體上采用定位銷一面雙孔定位 螺栓緊固 鉆模精度 較高 4 4 7 定位誤差的分析 兩定位銷的定位誤差 11minDWd 1 2i 2min DDdJarctgL 其中 10 52Dm 20D d 3dm 1min 2min4 0 6DW 32Jm 夾緊誤差 cos inmaxyj 其中接觸變形位移值 1 9 62nHBZyRaZkNl 查 5 表 1 2 15 有 10 4 0 42 0 7zKC cos8jym 磨損造成的加工誤差 通常不超過Mj 5 夾具相對刀具位置誤差 取AD01 誤差總和 0 85jwm 知此方案可行 4 8 鉆套 襯套 鉆模板設(shè)計與選用 工藝孔的加工只需鉆切削就能滿足加工要求 故選用可換鉆軸承套 其結(jié) 構(gòu)如下圖所示 以減少更換鉆軸承套的輔助時間 攀枝花學(xué)院課程設(shè)計 6 鉆孔夾具設(shè)計 為了減少輔助時間采用可換鉆軸承套 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 12 15 10 16 20 8 10 0 028 0 013 15 18 10 12 18 0 023 0 012 22 12 20 25 12 15 22 26 0 008 15 18 0 034 0 016 26 0 028 0 015 30 16 28 36 0 012 28 18 22 30 34 22 26 35 39 20 36 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 48 50 0 050 0 025 70 0 039 0 020 74 30 56 67 0 040 鉆模板選用固定鉆模板 用沉頭螺釘錐銷定位于夾具體上 4 9 確定夾具體結(jié)構(gòu)和總體結(jié)構(gòu) 對夾具體的設(shè)計的基本要求 1 應(yīng)該保持精度和穩(wěn)定性 在夾具體表面重要的面 如安裝接觸位置 安裝表面的刀塊夾緊安裝特定 的 足夠的精度 之間的位置精度穩(wěn)定夾具體 夾具體應(yīng)該采用鑄造 時效處 理 退火等處理方式 2 應(yīng)具有足夠的強度和剛度 保證在加工過程中不因夾緊力 切削力等外力變形和振動是不允許的 夾具應(yīng) 有足夠的厚度 剛度可以適當加固 3 結(jié)構(gòu)的方法和使用應(yīng)該不錯 夾較大的工件的外觀 更復(fù)雜的結(jié)構(gòu) 之間的相互位置精度與每個表面的 要求高 所以應(yīng)特別注意結(jié)構(gòu)的過程中 應(yīng)處理的工件 夾具 維修方便 再 滿足功能性要求 剛度和強度 前提下 應(yīng)能減小體積減輕重量 結(jié)構(gòu)應(yīng)該簡 單 4 應(yīng)便于鐵屑去除 攀枝花學(xué)院課程設(shè)計 6 鉆孔夾具設(shè)計 在加工過程中 該鐵屑將繼續(xù)在夾在積累 如果不及時清除 切削熱的積 累會破壞夾具定位精度 鐵屑投擲可能繞組定位元件 也會破壞的定位精度 甚至發(fā)生事故 因此 在這個過程中的鐵屑不多 可適當增加定位裝置和夾緊 表面之間的距離增加的鐵屑空間 對切削過程中產(chǎn)生更多的 一般應(yīng)在夾具體 上面 5 安裝應(yīng)牢固 可靠 夾具安裝在所有通過夾安裝表面和相應(yīng)的表面接觸或?qū)崿F(xiàn)的 當夾安裝在 重力的中心 夾具應(yīng)盡可能低 支撐面積應(yīng)足夠大 以安裝精度要高 以確保 穩(wěn)定和可靠的安裝 夾具底部通常是中空的 識別特定的文件夾結(jié)構(gòu) 然后繪 制夾具布局 圖中所示的夾具裝配 加工過程中 夾具必承受大的夾緊力切削力 產(chǎn)生沖擊和振動 夾具的形 狀 取決于夾具布局和夾具和連接 在因此夾具必須有足夠的強度和剛度 在 加工過程中的切屑形成的有一部分會落在夾具 積累太多會影響工件的定位與 夾緊可靠 所以夾具設(shè)計 必須考慮結(jié)構(gòu)應(yīng)便于鐵屑 此外 夾點技術(shù) 經(jīng)濟 的具體結(jié)構(gòu)和操作 安裝方便等特點 在設(shè)計中還應(yīng)考慮 在加工過程中的切 屑形成的有一部分會落在夾具 切割積累太多會影響工件的定位與夾緊可靠 所以夾具設(shè)計 必須考慮結(jié)構(gòu)應(yīng)便排出鐵屑 4 10 夾具設(shè)計及操作的簡要說明 本夾具用于在鉆床上加工 孔 工件以底平面 孔為定位基準 在定6m 位環(huán)上實現(xiàn)完全定位 采用手動螺旋壓板機構(gòu)夾緊工件 該夾緊機構(gòu)操作簡單 夾緊可靠 30 總 結(jié) 課程設(shè)計即將結(jié)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(shè)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(jié) 合進行實實在在的設(shè)計 使我們不但鞏固了理論知識而且掌握了設(shè)計的步驟和要領(lǐng) 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(shè)計手冊和 AUTOCAD 等制圖軟件 為我們踏入社會打下了好的基礎(chǔ) 課程設(shè)計使我們認識到了只努力的學(xué)好書本上的知識是不夠的 還應(yīng)該更好的做到 理論和實踐的結(jié)合 因此我們非常感謝老師給我們的辛勤指導(dǎo) 使我們學(xué)到了很多 也非常珍惜大學(xué)給我們的這次設(shè)計的機會 它將是我們課程設(shè)計完成的更出色的關(guān)鍵 一步 致 謝 這次課程設(shè)計使我收益不小 為我今后的學(xué)習和工作打下了堅實和良好的基礎(chǔ) 但是 查閱資料尤其是在查閱切削用量手冊時 數(shù)據(jù)存在大量的重復(fù)和重疊 由于經(jīng) 驗不足 在選取數(shù)據(jù)上存在一些問題 不過我的指導(dǎo)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課程設(shè)計 這次課程設(shè)計成績的取得 與指導(dǎo)老師的細心指導(dǎo)是分不開的 在此 我衷心感 謝我的指導(dǎo)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(shù)上的一些 難題 她嚴肅的科學(xué)態(tài)度 嚴謹?shù)闹螌W(xué)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(dǎo)和不懈的支持 多少個日日夜夜 他不僅在學(xué)業(yè)上給我以精心指導(dǎo) 同時還在思想 生活上給我以無 微不至的關(guān)懷 除了敬佩指導(dǎo)老師的專業(yè)水平外 他的治學(xué)嚴謹和科學(xué)研究的精神也 是我永遠學(xué)習的榜樣 并將積極影響我今后的學(xué)習和工作 在此謹向指導(dǎo)老師致以誠 摯的謝意和崇高的敬意 32 參 考 文 獻 1 東北重型機械學(xué)院 洛陽農(nóng)業(yè)機械學(xué)院 長春汽車廠工人大學(xué) 機床夾具設(shè)計手 冊 M 上海 上?？茖W(xué)技術(shù)出版社 19100 2 張進生 機械制造工藝與夾具設(shè)計指導(dǎo) 機械工業(yè)出版社 1995 3 李慶壽 機床夾具設(shè)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(shù)協(xié)會 金屬切削手冊 上海科學(xué)技術(shù)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(xué)工業(yè)出版社 2544 7 余光國 馬俊 張興發(fā) 機床夾具設(shè)計 M 重慶 重慶大學(xué)出版社 1995 8 周永強 高等學(xué)校課程設(shè)計指導(dǎo) 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(xué)技術(shù)出版社 1987 10 王光斗 王春福 機床夾具設(shè)計手冊 上?？茖W(xué)技術(shù)出版社 2542 11 東北重型機械學(xué)院 洛陽農(nóng)業(yè)機械學(xué)院 長春汽車廠工人大學(xué) 機床夾具設(shè)計手 冊 上海科學(xué)技術(shù)出版社 1984 12 李慶壽 機械制造工藝裝備設(shè)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(shù)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(shè)計手冊 M 上?？茖W(xué)技術(shù)出版社 2540 15 樂兌謙 金屬切削刀具 機械工業(yè)出版社 2545 4 17