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畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書
設(shè)計(jì)題目
葉片泵轉(zhuǎn)子加工葉片槽的臥軸分度銑床夾具設(shè)計(jì)
學(xué)生姓名
專業(yè)班級
學(xué) 號
指導(dǎo)教師
李玲芳
教研室(或外聘單位)
機(jī)械制造教研室
起止時(shí)間
2013 年 3 月 4 日 至 2013 年 5 月 17 日
畢業(yè)設(shè)計(jì) 任務(wù)、目的與基本要求：
任務(wù)：
1. 編制葉片泵轉(zhuǎn)子零件的機(jī)械加工工藝規(guī)程，完成工藝過程卡和部分工藝卡；
2. 設(shè)計(jì)銑葉片泵轉(zhuǎn)子加工葉片槽的臥軸分度銑床夾具設(shè)計(jì)專用夾具，繪制裝配圖一份；
3. 進(jìn)行專用夾具零件工作圖設(shè)計(jì)；
4. 編寫設(shè)計(jì)計(jì)算說明書一份。
目的：
1. 培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)、實(shí)事求是的科學(xué)精神；
2. 培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識、獨(dú)立完成課題的工作能力。
3. 對學(xué)生的知識面進(jìn)行考核。包括掌握知識的深度、運(yùn)用理論解決實(shí)際問題的能力、實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?、外語水平、計(jì)算機(jī)運(yùn)用水平、書面及口頭表達(dá)能力等。
基本要求：
1、要理論聯(lián)系實(shí)際，運(yùn)用科學(xué)的研究方法對選題進(jìn)行綜合分析，應(yīng)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析和方案的比較與選擇。
2、要綜合運(yùn)用本專業(yè)所學(xué)知識解決論文（設(shè)計(jì)）中的問題，論文的主要觀點(diǎn)與前人研究成果相比，應(yīng)有改進(jìn)或有自己的見解；設(shè)計(jì)中涉及的工藝、技術(shù)問題要有改進(jìn)和提高。
3、畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）中的理論依據(jù)要充分，數(shù)據(jù)資料要準(zhǔn)確，立論要正確，論證要嚴(yán)密，公式推導(dǎo)要正確，邏輯推理性要強(qiáng)。
5、畢業(yè)論文（或設(shè)計(jì)說明書）原則上不少于1萬字，外語專業(yè)的論文不少于5千個(gè)外文單詞。
6、圖紙總量必須達(dá)到3張A0以上。
主要參考文獻(xiàn)與資料：
[1]倪曉丹，楊繼榮. 機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ). 北京：清華大學(xué)出版社，2007
[2]熊良山. 機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ). 武漢：華中科技大學(xué)出版社，2012
[3] 吳拓. 現(xiàn)代機(jī)床夾具設(shè)計(jì). 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011
[4] 吳拓. 現(xiàn)代機(jī)床夾具典型結(jié)構(gòu)圖冊. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011
[5] 朱耀祥，浦林祥. 現(xiàn)代夾具設(shè)計(jì)手冊. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010
[6] 李旦，邵東向，王杰. 機(jī)床專用夾具圖冊. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2005
[7] 吳拓. 機(jī)械制造工藝與機(jī)床夾具. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011
畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)度安排：
①畢業(yè)設(shè)計(jì)準(zhǔn)備、資料查找階段：第10周至13周(2012年11月5日至11月30日)
②畢業(yè)調(diào)研階段。(2013年1月5日至2013年3月5日)寒假期間要求學(xué)生進(jìn)行畢業(yè)實(shí)習(xí)與畢業(yè)設(shè)計(jì)課題調(diào)研，并結(jié)合畢業(yè)設(shè)計(jì)課題寫出調(diào)研報(bào)告。
③畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告階段：2013年春季學(xué)期，第1周(2013年3月4日至3月8日), (可提前到2012年11月30前開題)
④畢業(yè)設(shè)計(jì)中期檢查：2013年上學(xué)期，第6周 4月8日至4月12日。
⑤畢業(yè)設(shè)計(jì)主要工作階段：2013年上學(xué)期，第1周至11周(2013年3月4日至5月17日，建議在2011年下學(xué)期，提前進(jìn)入畢業(yè)設(shè)計(jì)工作階段)指導(dǎo)教師應(yīng)根據(jù)具體情況對本階段的設(shè)計(jì)工作進(jìn)行細(xì)化。
⑥畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯階段：2013年上學(xué)期，第11周至第12周(2013年5月18日至5月26日)
課
題
申
報(bào)
與
審
查
指導(dǎo)教師（簽名）： 2012 年 10 月 日
教研室主任（簽名）： 2012 年 10 月 日
學(xué)院教學(xué)院長（簽名）： 2012年 10 月 31 日
20
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XX學(xué)院
學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)
題目：葉片泵轉(zhuǎn)子加工葉片槽的臥軸分度銑床夾具設(shè)計(jì)
姓 名 ：
班級、學(xué)號 ：
系 (部) ：
專 業(yè) ：
指導(dǎo)教師 ：
開題時(shí)間：
完成時(shí)間：
摘 要
工藝學(xué)是以研究機(jī)械加工工藝技術(shù)和夾具設(shè)計(jì)為主技術(shù)學(xué)科，具有很強(qiáng)的實(shí)踐性，要求學(xué)習(xí)過程中應(yīng)緊密聯(lián)系生產(chǎn)實(shí)踐，同時(shí)它又具有很強(qiáng)的綜合性，
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的課題是法蘭盤加工工藝規(guī)程及某一工序?qū)Ｓ脢A具設(shè)計(jì)，主要內(nèi)容如下：
首先，對零件進(jìn)行分析，主要是零件作用的分析和工藝分析，通過零件分析可以了解零件的基本情況，而工藝分析可以知道零件的加工表面和加工要求。根據(jù)零件圖提出的加工要求，確定毛坯的制造形式和尺寸的確定。
第二步，進(jìn)行基面的選擇，確定加工過程中的粗基準(zhǔn)和精基準(zhǔn)。根據(jù)選好的基準(zhǔn)，制訂工藝路線，通常制訂兩種以上的工藝路線，通過工藝方案的比較與分析，再選擇可以使零件的幾何形狀、尺寸精度及位置精度等技術(shù)要求得到合理的保證的一種工序。
第三步，根據(jù)已經(jīng)選定的工序路線，確定每一步的切削用量及基本工時(shí)，并選擇合適的機(jī)床和刀具。對于粗加工，還要校核機(jī)床功率。
最后，設(shè)計(jì)第三道工序—設(shè)計(jì)夾具。先提出設(shè)計(jì)問題，再選擇定位基準(zhǔn)，然后開始切削力、夾緊力的計(jì)算和定位誤差的分析。然后把設(shè)計(jì)的過程整理為圖紙。
通過以上的概述，整個(gè)設(shè)計(jì)基本完成。
關(guān)鍵詞 機(jī)械；加工工藝；夾具設(shè)計(jì)
ABSTRACT
A specialized main specialized course that " mechanical manufacturing engineering is studied " is machinery , rely mainly on studying machining technology and jig to design technological discipline , have very strong practicality , require that should contact production practices closely in the learning process, at the same time it has comprehensive the very strong one,
The subject of this graduation project is that lathe ring flange processing technology rules and special-purpose jig of a certain process are designed, the main content is as follows:
First of all, analyse , it is mainly analysis of the function of the part and craft analysis to the part , through part analyse can find out about basic situation of part, and craft analyse may know the processing surface of the part and is it require to process. The processing demand put forward according to the part picture, confirm the manufacture form of the blank and sureness of the size.
The second step, carry on the choice the base , confirm thick datum and precise datum in the processing course. According to the datum chosen , make the craft route , usually make the craft route of more than two kinds, with analysing through the comparison of the craft scheme, and then choosing be able to make such specification requirements as the precision of geometry form , size of the part and precision of position ,etc. get a kind of process of the rational assurance s.
The third step, according to the already selected process route, confirm for every steps of cutting consumption and basic man-hour , choose suitable lathe and cutter. To rough machining , will check the power of the lathe .
Finally , design the third process - the jig getting into the hole of the ring flange. Put forward the question of designing first , and then choose to orient the datum , then the calculation that begins to cut strength , clamp strength and analysis of the localization error. Then put the design course in order as the drawing.
Through the summary of the above, design and finish basically entirely.
Keywords: machine; Process the craft; The tongs design
目 錄
序 言 1
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(shè) 計(jì) 3
2.1確定毛坯的制造形式 3
2.2基面的選擇 3
2.3制定工藝路線 3
2.4機(jī)械加工余量，工序尺寸及毛坯尺寸的確定 6
2.5確定切削用量及基本工時(shí) 9
3 夾具設(shè)計(jì) 30
3.1問題的提出 30
3.2夾具設(shè)計(jì) 30
參考文獻(xiàn) 33
1 緒論
畢業(yè)設(shè)計(jì)是我們在學(xué)完大學(xué)的全部課程后進(jìn)行的，是我們對大學(xué)四年的學(xué)習(xí)的一次深入的綜合性的總考核，也是一次理論聯(lián)系實(shí)際的訓(xùn)練，這次設(shè)計(jì)使我們能綜合運(yùn)用機(jī)械制造工藝學(xué)中的基本理論，并結(jié)合實(shí)習(xí)中學(xué)到的實(shí)踐知識，獨(dú)立地分析和解決工藝問題，初步具備了設(shè)計(jì)一個(gè)中等復(fù)雜程度零件的工藝規(guī)程的能力和運(yùn)用夾具設(shè)計(jì)的基本原理和方法，擬訂夾具設(shè)計(jì)方案，完成夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的能力，也是熟悉和運(yùn)用有關(guān)手冊、圖表等技術(shù)資料及編寫技術(shù)文件等基本技能的一次實(shí)踐機(jī)會(huì)。 因此，它在我們大學(xué)生活中占有重要地位。就我個(gè)人而言，我也希望通過這次設(shè)計(jì)對自己未來將從事的工作進(jìn)行一次適應(yīng)性心理，從中鍛煉自己分析問題，解決問題的能力，對未來的工作發(fā)展打下一個(gè)良好的基礎(chǔ)。由于能力所限，設(shè)計(jì)尚有許多不足之處，懇請各位老師給予指教。
機(jī)床夾具是在切削加工中，用以準(zhǔn)確確定工件位置，并將其牢固地夾緊的工藝裝備。它的主要作用是：可靠地保證工件的加工精度，提高加工效率，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，充分發(fā)揮和擴(kuò)大機(jī)床的工藝性能。因此，機(jī)床夾具在機(jī)械制造中占有重要的地位。
機(jī)床夾具設(shè)計(jì)是工藝裝備設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要組成部分，是保證產(chǎn)品質(zhì)量和提高勞動(dòng)生產(chǎn)率的一項(xiàng)重要技術(shù)措施。在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)深入生產(chǎn)實(shí)際，進(jìn)行調(diào)查研究，吸取國內(nèi)外的先進(jìn)技術(shù)，制定出合理的設(shè)計(jì)方案，一般夾具設(shè)計(jì)步驟如下：
1. 深入生產(chǎn)實(shí)際調(diào)查研究
在深入生產(chǎn)實(shí)際調(diào)查研究中，應(yīng)掌握下面一些資料。
1）工件圖紙：詳細(xì)閱讀工件圖紙，了解工件被加工表面的技術(shù)要求，該件在機(jī)器中的位置和作用，以及裝配中的特殊要求。
2）工藝文件：了解工件的工藝過程，本工序的加工要求，工件已加工面及待加工面的狀態(tài)，基準(zhǔn)面選擇的情況，可用的機(jī)床設(shè)備的主要規(guī)格，與夾具連接部分的尺寸及切削用量等。
3）生產(chǎn)綱領(lǐng)：夾具的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)與工件批量大小相適應(yīng)，做到經(jīng)濟(jì)合理。
4）制造與使用夾具的情況：有無通用零部件可供選用；工廠有無壓縮空氣站；制造和使用夾具的工人的技術(shù)狀況等。
2. 確定工件的定位方法和刀具的導(dǎo)向方式
工件在夾具中的定位應(yīng)符合定位原理。合理地設(shè)置定位件和導(dǎo)向件。設(shè)計(jì)定位件和導(dǎo)向件時(shí)，應(yīng)盡量采用通用標(biāo)準(zhǔn)。
3. 確定工件的夾緊方式和設(shè)計(jì)夾緊機(jī)構(gòu)
夾緊力的作用點(diǎn)和方向應(yīng)符合夾緊原則。進(jìn)行夾緊力的分析和計(jì)算，以確定夾緊元件和傳動(dòng)裝置的主要尺寸。
4. 確定夾具其他部分的結(jié)構(gòu)形式
如分度裝置、對刀元件和夾具體等。
5. 繪制夾具總裝配圖
在繪制總裝配圖時(shí)，盡量采用1：1比例，主視圖應(yīng)選取面對操作者的工作位置。繪圖時(shí)，先用紅線或雙點(diǎn)劃線畫出工件的輪廓和主要表面，如定位表面，夾緊表面和被加工表面等。其中，被加工表面用網(wǎng)紋線或粗實(shí)線畫出加工余量。工件在夾具上可看成是一個(gè)假想的透明體，按定位元件、導(dǎo)向元件、夾緊機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)裝置等順序，畫出具體結(jié)構(gòu)，最后畫夾具體。
6. 標(biāo)注各部分主要尺寸、公差配合和技術(shù)要求
7. 標(biāo)注零件編號及編制零件明細(xì)表
在標(biāo)注零件編號時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)件可直接標(biāo)出國家標(biāo)準(zhǔn)代號。明細(xì)表要注明夾具名稱、編號、序號、零件名稱及材料、數(shù)量等。
8. 繪制夾具零件圖
拆繪夾具零件圖的順序和繪制夾具總裝配圖的順序相同。
在機(jī)床上加工工件時(shí)，為了要使該工序所加工的表面，能達(dá)到圖紙規(guī)定的尺寸、幾何形狀以及與其他表面的互相位置精度等技術(shù)要求，在加工前，必須首先將工件裝好夾牢。把工件裝好就是要在機(jī)床上確定工件相對刀具的正確加工位置。工件只有處在這一位置上接受加工，才能保證其被加工表面達(dá)到工序所規(guī)定的各項(xiàng)技術(shù)要求。在夾具設(shè)計(jì)的術(shù)語中，把工件裝好稱為定位。把工件夾牢，就是指在已經(jīng)定好的位置上將工件可靠地夾住。以防止在加工時(shí)工件因受到切削力、離心力、沖擊和振動(dòng)等的影響，發(fā)生不應(yīng)有的位移而破壞了定位。在夾具設(shè)計(jì)的術(shù)語中把夾牢工件稱做夾緊。由此可知，工件裝夾的實(shí)質(zhì)，就是在機(jī)床上對工件進(jìn)行定位和夾緊。裝夾工件的目的，則是通過定位和夾緊而使工件在加工過程中始終保持其正確的加工位置，以保證達(dá)到該工序所規(guī)定的加工技術(shù)要求。
在機(jī)械制造過程中，用來固定加工對象，使之占有正確的位置，以接受施工或檢驗(yàn)的裝置，都可以統(tǒng)稱為夾具。例如：焊接過程中用于拚焊的焊接夾具；檢驗(yàn)過程中用的檢驗(yàn)夾具；裝配過程中用的裝配夾具；機(jī)械加工中用的機(jī)床夾具等，都屬于泛指的夾具范疇。
2 現(xiàn)代夾具的發(fā)展
2.1柔性夾具的主要發(fā)展方向
由于經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的發(fā)展以及數(shù)控、加工中心機(jī)床的特點(diǎn),對機(jī)床夾具的使用性能和結(jié)構(gòu)提出了更高更新的要求,需要一種結(jié)構(gòu)簡單、精度高、強(qiáng)度高和通用性好、適應(yīng)性強(qiáng)、柔性高的新型夾具系統(tǒng)。這種夾具能適應(yīng)不同的機(jī)床、不同的產(chǎn)品或同一產(chǎn)品不同的規(guī)格型號,能最大限度地滿足各種機(jī)床夾具的需要。以組合夾具為基礎(chǔ)的柔性夾具就是根據(jù)以上的要求設(shè)計(jì)制造的,這種柔性夾具的特點(diǎn)是:元件規(guī)格統(tǒng)一化、元件性能多功能化、元件結(jié)構(gòu)簡單化、模塊化、夾緊工件快速自動(dòng)化、重復(fù)使用可調(diào)化、組裝管理微機(jī)化。柔性夾具是現(xiàn)代夾具的一個(gè)主要發(fā)展方向。
柔性夾具是由一套預(yù)先制造好的各種不同形狀、不同尺寸規(guī)格、不同功能的系列化、標(biāo)準(zhǔn)化元件、合件組裝而成的。柔性夾具元件、合件具有較好的互換性和較高的精度及耐磨性。柔性夾具能保證工件在規(guī)定的坐標(biāo)位置上準(zhǔn)確定位和牢固的夾緊,也就是說能保證工件相對于機(jī)床坐標(biāo)原點(diǎn)具有準(zhǔn)確和穩(wěn)定可靠的坐標(biāo)位置。這種夾具具有較高的剛度和精度,在粗加工時(shí)能承受較大的切削用量,以充分發(fā)揮數(shù)控、加工中心機(jī)床的生產(chǎn)能力,在精加工時(shí)能更好地保證工件定位基準(zhǔn)和加工表面的位置精度,還能根據(jù)數(shù)控、加工中心機(jī)床的要求保證夾具應(yīng)允許刀具接近盡可能更多的被加工表面甚至全部被加工表面,可減少機(jī)床的停機(jī)時(shí)間,在夾具上還能一次裝夾多個(gè)工件同時(shí)依次加工,可以減少夾具、刀具、工件系統(tǒng)的調(diào)整時(shí)間,還能減少刀具的更換次數(shù)和刀具的調(diào)整時(shí)間,更好地發(fā)揮數(shù)控、加工中心機(jī)床的高效性能。柔性夾具元件可以通過組裝、使用、拆卸、再組裝重復(fù)使用。
柔性夾具元件分三個(gè)系列:槽系列夾具元件、孔系列夾具元件、光面系列夾具元件。
2.2 夾具的發(fā)展趨勢
a．夾具元件多功能模塊化
能單獨(dú)使用也能與其他元件組合在一起使用的多功能模塊化單元體的比例將進(jìn)一步增加。如現(xiàn)在使用的各種定位夾緊座、定位壓緊支承、精密虎鉗等模塊式單元體具有定位、夾緊以及調(diào)節(jié)的綜合功能,可以一件單獨(dú)使用,也可以幾件組裝在一起使用,T 形基礎(chǔ)、方箱能組裝成一次能裝夾多件相同或不相同的工件的夾具,使用這種夾具可以減少機(jī)床的停機(jī)時(shí)間,最大限度發(fā)揮數(shù)控、加工中心機(jī)床的高效性能。
b．高強(qiáng)度、高剛性、高精度
為了提高勞動(dòng)生產(chǎn)率,縮短工件的加工工時(shí),工件的加工已向著高速、大切削量方向發(fā)展,工序高度集中,工件定位夾緊后要依次完成銑、鉆、鏜等多工序的加工。切削力的大小、方向在不斷地變化,這就需要柔性夾具本身要有較高的使用強(qiáng)度和剛度,才能滿足工件的加工精度。
c．專用夾具、組合夾具、成組夾具一體化
現(xiàn)代化加工設(shè)備的多功能化,使工藝過程高度集中、工件一次定位裝夾后能完成多工序加工,這就需要一種通用而又能重復(fù)使用的組合可調(diào)式的夾具系統(tǒng),它是由一系列統(tǒng)一化、標(biāo)準(zhǔn)化的元件和合件組成,利用這些元件、合件組裝成各種不同形式、不同結(jié)構(gòu)、可重復(fù)使用的夾具,供單件或中小批量生產(chǎn)使用。這種夾具系統(tǒng)保留了組合夾具的各種優(yōu)點(diǎn),組裝又像專用夾具那樣簡單可靠,又有可調(diào)整元件,保留了成組夾具的優(yōu)點(diǎn)。為了便于夾具與機(jī)床定位連接,夾具基體有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的定位連接位置,使之專用、組合、成組夾具向著一體化、組合化方向發(fā)展,以滿足現(xiàn)代化加工設(shè)備的需要。
d．工件夾緊快速化、自動(dòng)化
為縮短工件加工中的輔助時(shí)間,減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度,工件的裝夾、拆卸也需要機(jī)械化、自動(dòng)化。工件的夾緊由原來的單一功能的壓緊件、緊固件發(fā)展為可以調(diào)整的模塊,以便實(shí)現(xiàn)快速組裝和快速夾緊。對于批量大的一些零件的加工,液壓夾具、氣動(dòng)夾具可實(shí)現(xiàn)工件自動(dòng)化快速夾緊。
2.3 組合夾具的應(yīng)用
隨著機(jī)械制造業(yè)的飛速發(fā)展，產(chǎn)品的更新?lián)Q代越來越快，傳統(tǒng)的大批量生產(chǎn)模式逐步被中小批量生產(chǎn)模式所取代，機(jī)械制造系統(tǒng)欲適應(yīng)這種變化需具備較高的柔性。國外已把柔性制造系統(tǒng)(FMS)作為開發(fā)新產(chǎn)品的有效手段，并將其作為機(jī)械制造業(yè)的主要發(fā)展方向。柔性化的著眼點(diǎn)主要在機(jī)床和工裝兩個(gè)方面，組合夾具是工裝柔性化的重點(diǎn)。
隨著科學(xué)技術(shù)的日新月異，先進(jìn)制造技術(shù)不斷得到發(fā)展。柔性制造技術(shù)、集成制造技術(shù)將是現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展的主流。未來制造過程將變得更智能化，制造企業(yè)適應(yīng)市場的能力更強(qiáng)。柔性制造技術(shù)由于其高效、靈活的特性使其成為實(shí)施敏捷制造、并行工程、精益生產(chǎn)和智能制造系統(tǒng)的基礎(chǔ)，且應(yīng)用日益廣泛， 已成為整個(gè)機(jī)構(gòu)制造領(lǐng)域的核心技術(shù)，而組合夾具由于其靈活性，已成為現(xiàn)代夾具的主要發(fā)展方向，在制造業(yè)中發(fā)揮著重要作用。
3 設(shè)計(jì)任務(wù)
待加工工件及加工要求：
要求設(shè)計(jì)一臥式銑床夾具，加工凸輪軸的半圓形鍵槽。該零件的技術(shù)要求為：大端直徑φ40h6mm，加工段直徑φ28.450-0.1mm，半圓形槽深5+10，半徑為14mm，槽寬mm,鍵槽的對程度公差為0.1。凸輪軸的軸線對于機(jī)床工作臺面的水平度誤差為0.02，鍵槽的表面粗糙度為3.2
(加工件圖)
夾具體的基本要求：
1） 能保證工件的加工要求
保證加工質(zhì)量，是必須首先滿足的要求。保證加工質(zhì)量的關(guān)鍵，就在于
正確選定定位基準(zhǔn)、定位方法和定位元件。必要時(shí)需進(jìn)行誤差的分析計(jì)算。
2） 能提高生產(chǎn)率，降低成本
應(yīng)盡量采用各種快速高效的結(jié)構(gòu)，縮短輔助時(shí)間，提高生產(chǎn)率。同時(shí)盡可能采用標(biāo)準(zhǔn)元件與標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，力求結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，以降低夾具制造成本。
3） 操作方便、省力和安全
在客觀條件許可且又經(jīng)濟(jì)的前提下，盡可能采用氣動(dòng)、液壓和氣液等機(jī)械化夾緊裝置，以減輕操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度。操作位置應(yīng)正確符合操作工人的操作習(xí)慣，并注意操作安全。
4） 便于排屑
排屑問題是夾具設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要問題。因?yàn)榍行挤e聚在夾具中，會(huì)破壞工件正確可靠地定位；切屑帶來的大量熱量會(huì)引起熱變形，影響加工質(zhì)量；清掃切屑又要花費(fèi)一部分輔助時(shí)間。
4 定位方案的設(shè)計(jì)
在工藝學(xué)中已經(jīng)知道，工件在加工前，必須首先使它在機(jī)床上相對刀具占有正確的加工位置，這就是定位。夾具在工件定位過程中起著決定的作用，工件正是通過夾具相對機(jī)床、刀具占有正確的加工位置。工件在夾具中定位的目的，就是要使同一批工件在夾具中占有一致的正確加工位置。
要使工件完全定位，就必須限制工件在空間的六個(gè)自由度，此即為工件的“六點(diǎn)定位原則”。
在定位設(shè)計(jì)中，會(huì)遇到以下幾種情況：
（1） 完全定位
限制了工件全部的六個(gè)自由度，稱為工件的“完全定位”。
（2） 不完全定位
在對工件的加工精度沒有影響的情況下，允許少于六點(diǎn)的定位稱為“不完全定位。
（3） 欠定位
工件的定位支承點(diǎn)數(shù)少于應(yīng)限制的自由度數(shù)，這種工件定位點(diǎn)不足的情況，稱為“欠定位“，欠定位在實(shí)際生產(chǎn)中是不允許的。
（4） 過定位
工件的某一個(gè)自由度同時(shí)被兩個(gè)或多個(gè)定位支承點(diǎn)重復(fù)限制，這種情況稱為“過定位“，也叫”重復(fù)定位“。
本設(shè)計(jì)因加工需要，對六個(gè)自由度均有限制的要求，所以選用完全定位。
4.1定位機(jī)構(gòu)
定位心軸
4.2夾具總體設(shè)計(jì)圖
4.3 定位誤差的計(jì)算
在機(jī)械加工過程中，工件的加工允差δk要大于與夾具有關(guān)的加工誤差和其他一些因素有關(guān)的加工誤差之和。
即，
式中，
：工件的加工允差；
：與夾具有關(guān)的加工誤差；
：其它因素引起的加工誤差。
其中，
式中， ：定位誤差；
：夾緊誤差；
：夾具的安裝誤差；
：導(dǎo)引誤差；
：夾具磨損引起的加工誤差。
在夾具設(shè)計(jì)制造中，要盡可能減少與夾具有關(guān)的加工誤差，如果這部分誤差所占比重很大，則留給補(bǔ)償其它誤差的比例就很小，結(jié)果不是降低了工件的加工精度，就是有可能造成超差而導(dǎo)致工件報(bào)廢。
下面主要討論工件在夾具中定位時(shí)所產(chǎn)生的定位誤差。
定位誤差的計(jì)算
如圖所示：
（誤差示意圖）
定位誤差產(chǎn)生的原因有兩個(gè)：
（1） 定位基準(zhǔn)與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)不重合，必然產(chǎn)生基準(zhǔn)不重合引起的定位誤差Δj·b；
（2） 由于定位副制造不準(zhǔn)確，而引起的定位誤差Δd·b。
所以，定位誤差
由圖可知：
基準(zhǔn)不重合誤差
其中， 為工件的公差。
所以，
由圖可知： 定位副不準(zhǔn)確誤差，
所以，
因此，總的定位誤差為
即，
5 工件的夾緊設(shè)計(jì)
5.1 夾緊裝置的組成
1． 動(dòng)力裝置
夾緊力的來源，一是人力；二是某種裝置所產(chǎn)生的力。能產(chǎn)生力的裝置稱為夾具的動(dòng)力裝置。常用的動(dòng)力裝置有：氣動(dòng)裝置、液壓裝置、電動(dòng)裝置、電磁裝置、氣—液聯(lián)動(dòng)裝置和真空裝置等。由于手動(dòng)夾具的夾緊力來自人力，所以它沒有動(dòng)力裝置。
2． 夾緊部分
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，一般由下列機(jī)構(gòu)組成：
1）接受原始作用力的機(jī)構(gòu)。如手柄、螺母及用來連接氣缸活塞桿的機(jī)構(gòu)等。
2）中間遞力機(jī)構(gòu)。如鉸鏈、杠桿等。
3）夾緊元件。如各種螺釘壓板等。
其中中間遞力機(jī)構(gòu)在傳遞原始作用力至夾緊元件的過程中可以起到諸如改變作用力的方向、改變作用力的大小以及自鎖等作用。
3． 夾緊裝置的基本要求
在不破壞工件定位精度，并保證加工質(zhì)量的前提下，應(yīng)盡量使夾緊裝置做到：
1) 夾緊作用準(zhǔn)確、安全、可靠。
2) 夾緊動(dòng)作迅速，操作方便省力。
3) 夾緊變形小。
4) 結(jié)構(gòu)簡單，制造容易。
5.2 夾緊機(jī)構(gòu)的選擇
本夾具采用斜楔夾緊機(jī)構(gòu)，
特點(diǎn)：1）斜楔具有良好的自鎖性能；
2）斜楔可以改變夾緊作用力的方向；
3）斜楔具有增力作用；
4）斜楔的夾緊行程很小。
綜合以上特點(diǎn)，本夾具設(shè)計(jì)可以優(yōu)先選用斜楔夾緊機(jī)構(gòu)。
夾緊力的計(jì)算
5.3 夾緊力的計(jì)算
為夾緊力，為使工件夾緊的推力。
查手冊可知：
增力比
其中，：斜楔夾緊機(jī)構(gòu)的斜楔角；
：平面摩擦?xí)r作用在斜楔面上的摩擦角；
：移動(dòng)柱塞雙頭導(dǎo)向時(shí)導(dǎo)向孔對移動(dòng)柱塞的摩擦角；
：移動(dòng)柱塞單頭導(dǎo)向時(shí)導(dǎo)向孔對移動(dòng)柱塞的摩擦角；
：移動(dòng)柱塞導(dǎo)向孔的中點(diǎn)至斜楔面德距離；
：移動(dòng)柱塞導(dǎo)向孔長。
所以， ，，；
取 0.7
則，
；
所以，外力取200N
夾緊力符合加工要求。
6 連接元件和夾具體的設(shè)計(jì)
6.1 連接元件的設(shè)計(jì)
銑床夾具的連接元件由兩部分組成：
1） 定位鍵
銑床夾具以定位鍵和機(jī)床工作臺T型槽配合，每個(gè)夾具一般設(shè)置兩個(gè)定位鍵，起到夾具在機(jī)床上的定向作用，，并用埋頭螺釘把定位鍵固定在夾具體的鍵槽中。
材料選用45鋼；
2） 帶U型槽的耳座
在銑床夾具縱向兩端底邊上，設(shè)計(jì)帶U型槽的耳座，供T型槽用螺栓穿過，將夾具體緊固在工作臺上。
材料：HT30。
6.2 夾具體的設(shè)計(jì)
本夾具體采用鑄造結(jié)構(gòu)；
優(yōu)點(diǎn)：1）可以鑄出復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形狀；
2）鑄鐵件的抗壓強(qiáng)度的、耐振性好，因此特別適用于加工時(shí)振動(dòng)大，
切削負(fù)荷大的場合；
3）鑄鐵件易于加工，價(jià)格低廉，可降低夾具成本。
鑄造的生產(chǎn)周期長，而且因鑄造時(shí)的內(nèi)應(yīng)力緣故，易引起變形，從而影響夾具體精度的持久性。因此鑄造夾具體必須進(jìn)行時(shí)效處理。
與焊接結(jié)構(gòu)相比，鑄造可以鑄出形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。
因此，本夾具采用鑄造結(jié)構(gòu)比較合適。
材料：選用HT20，壁厚：20mm 。
7 機(jī)械加工工藝規(guī)程設(shè)計(jì)
7.1確定毛坯的制造形式
零件材料為40Cr，零件輪廓尺寸不大，故采用金屬模鑄造。因毛坯比較簡單，采用鑄造毛坯時(shí)一般是成隊(duì)鑄造，再進(jìn)行機(jī)械加工。這從提高生產(chǎn)率，保證加工精度上考慮也是應(yīng)該的。
7.2基面的選擇
基面選擇是工藝規(guī)程設(shè)計(jì)中的重要工作之一?；孢x擇得正確與合理，可以使加工質(zhì)量得到保證，生產(chǎn)率得以提高。否則，加工工藝過程中會(huì)問題百出，更有甚著，還會(huì)造成零件大批報(bào)廢，使生產(chǎn)無法正常進(jìn)行。
1） 粗基準(zhǔn)的選擇
選擇粗基準(zhǔn)主要是選擇第一道機(jī)械加工工序的定位基準(zhǔn)，以便為后續(xù)的工序提供精基準(zhǔn)。選擇粗基準(zhǔn)的出發(fā)點(diǎn)是：一要考慮如何分配各加工表面的余量：二要考慮怎樣保證不加工面與加工面間的尺寸及相互位置要求。這兩個(gè)要求常常是不能兼顧的，但對于一般的軸類零件來說，以外圓作為粗基準(zhǔn)是完全合理的。對本零件而言，由于每個(gè)表面都要求加工，為保證各表面都有足夠的余量，應(yīng)選加工余量最小的面為粗基準(zhǔn)。
2）精基準(zhǔn)的選擇
主要應(yīng)該考慮基準(zhǔn)重合的問題。當(dāng)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)與工序基準(zhǔn)不重合時(shí)，應(yīng)該進(jìn)行尺寸換算，這在以后還要專門計(jì)算，此處不在重復(fù)。
7.3制定工藝路線
制定工藝路線的出發(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)一確定為中批生產(chǎn)的條件下，可以考慮采用萬能性的機(jī)床配以專用工夾具，并盡量使工序集中來提高生產(chǎn)率。除此以外，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。
一.工藝路線方案一
工序1、驗(yàn)料
工序2、夾持工件伸出卡盤外25mm
工序3、光端面
工序4、利用分度盤加工12個(gè)小孔
工序5、利用分度盤加工2.25的平行槽
工序6、鉆通孔內(nèi)徑
工序7、鏜孔
工序8、粗精車外圓
工序9、掉頭、裝夾，光端面去總長
工序10、倒C1角
工序11、卸工件去毛刺
二 .工藝方案二
工序1、驗(yàn)料
工序2、夾持工件伸出卡盤外23mm
工序3、光端面
工序4、鉆通孔內(nèi)徑
工序5、鏜孔
工序6、粗精車外圓
工序7、掉頭、裝夾，光端面去總長
工序8、利用分度盤加工12個(gè)小孔
工序9、利用分度盤加工2.25的平行槽
工序10、倒C1角
工序11、卸工件去毛刺
三.工藝方案的比較與分析
上述兩個(gè)方案的特點(diǎn)在于：以上加工方案大致看來還是合理的.但通過仔細(xì)考慮零件的技術(shù)要求以及可能采取的加工手段之后,就會(huì)發(fā)現(xiàn)仍有問題,主要表現(xiàn)在工序4分度鉆孔，孔由于在設(shè)計(jì)夾用夾具時(shí)要以Φ18mm圓柱面上的一個(gè)平面來定位,所以應(yīng)把轉(zhuǎn)Φ18mmmm圓柱面上的兩個(gè)平面這一道工序放在鉆Φ4孔。
因此最后確定的加工工藝路線如下：
工序1、驗(yàn)料
工序2、夾持工件伸出卡盤外23mm
工序3、光端面
工序4、鉆通孔內(nèi)徑
工序5、鏜孔
工序6、粗精車外圓
工序7、掉頭、裝夾，光端面去總長
工序8、利用分度盤加工12個(gè)小孔
工序9、利用分度盤加工2.25的平行槽
工序10、倒C1角
工序11、卸工件去毛刺
7.4機(jī)械加工余量，工序尺寸及毛坯尺寸的確定
零件材料為40Cr，硬度200HBS，毛坯重量約為2.8KG，生產(chǎn)類型為中批生產(chǎn)，采用鑄造毛坯。
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(jī)械加工余量，工序尺寸及毛坯尺寸下：
1.Φ50mm外圓表面
此外圓表面為IT6級，參照《實(shí)用機(jī)械加工工藝手冊》確定各工序尺寸及加工余量
工序名稱
工序余量
工序基本尺寸
工序尺寸的公差
工序尺寸及公差
精車外圓
0.6
50
0.017
Φ
半精車外圓
1.4
50.6
0.1
Φ
粗車外圓
3
51
+0.3
Φ
毛坯
5
53
0.5
Φ
2．孔Φ18mm
參照《實(shí)用機(jī)械加工工藝手冊》確定各工序尺寸及加工余量
工序名稱
工序余量
工序基本尺寸
工序尺寸的公差
工序尺寸及公差
鉸孔
0.2
18
+0.045
Φ18
擴(kuò)孔
0.9
17.5
+0.1
Φ17.5
鉆孔
9
15
+0.6
Φ15
毛坯
10
8 感受與總結(jié)
在這次歷時(shí)兩周的課程設(shè)計(jì)中，發(fā)現(xiàn)自己在理論與實(shí)踐中有很多的不足，自己知識中存在著很多漏洞，看到了自己的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)還是比較缺乏，理論到實(shí)踐的能力還急需提高。讓我認(rèn)識到了仔細(xì)認(rèn)真的重要性。我們這次進(jìn)行的小設(shè)計(jì)，是入大學(xué)以來一次較為正式，知識面涉及較廣的設(shè)計(jì)，與前幾次不同的是，這次設(shè)計(jì)的對象是實(shí)際生產(chǎn)中經(jīng)常用到的機(jī)床附件：夾具。在這次小設(shè)計(jì)之前，我們大學(xué)四年所有的課程，幾乎全部結(jié)束。學(xué)校安排這樣一次實(shí)踐項(xiàng)目，就是要讓我們對大學(xué)四年所學(xué)的東西進(jìn)行一次鞏固和深化，重新把各科的知識匯總梳理了一遍。這對我們將來踏上社會(huì)工作是很有好處的。書本上的理論知識可能掌握了，但是關(guān)鍵是要如何吸納為自己的東西，并投入到實(shí)踐創(chuàng)新中去，做到能融會(huì)貫通，舉一反三，能實(shí)實(shí)在在地解決實(shí)際問題。
用電腦繪圖也是這次小設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，我們在大二學(xué)過AUTOCAD制圖，但在自己實(shí)際操作中還是遇到了很多困難，比如，線型的選擇，布圖等等。經(jīng)過了一段時(shí)間的熟悉，還是掌握了許多AUTOCAD制圖的秘訣，感覺在這次小設(shè)計(jì)中真是學(xué)到許多在課堂上學(xué)不到的知識。當(dāng)然，本次設(shè)計(jì)也遇到了很多困難，比如在參考資料的尋找、獨(dú)立完成制圖到打印的過程以及對說明書的嚴(yán)謹(jǐn)?shù)呐虐娴鹊?。整個(gè)設(shè)計(jì)也還有諸多不足之處及遺忘之處，將來可以引以為戒，會(huì)成為以后的學(xué)習(xí)及工作中寶貴的財(cái)富。
最后，我還要感謝導(dǎo)師在這段時(shí)間對我的指導(dǎo)，讓我能夠更快、更好地完成這次設(shè)計(jì)。同時(shí)我還要感謝我的同組同學(xué)，正是有了你們的幫助才使得我的論文在這么短的時(shí)間內(nèi)得以完成。最后，我還要感謝我的母校。
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夾具夾緊力的優(yōu)化及對工件定位精度的影響
B.Li 和 S.N.Mellkote
布什伍德拉夫機(jī)械工程學(xué)院，佐治亞理工學(xué)院，格魯吉亞，美國研究所
由于夾緊和加工，在工件和夾具的接觸部位會(huì)產(chǎn)生局部彈性變形，使工件尺寸發(fā)生變化，進(jìn)而影響工件的最終加工質(zhì)量。這種效應(yīng)可通過最小化夾具設(shè)計(jì)優(yōu)化，夾緊力是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)變量，可以得到優(yōu)化，以減少工件的位移。本文提出了一種確定多夾緊夾具受到準(zhǔn)靜態(tài)加工部位的最佳夾緊力的新方法。該方法采用彈性接觸力學(xué)模型代表夾具與工件接觸，并涉及制定和解決方案的多目標(biāo)優(yōu)化模型的約束。夾緊力的最優(yōu)化對工件定位精度的影響通過3-2-1式銑夾具的例子進(jìn)行了分析。
關(guān)鍵詞：彈性 接觸 模型 夾具 夾緊力 優(yōu)化
前言
定位和夾緊的工件加工中的兩個(gè)關(guān)鍵因素。要實(shí)現(xiàn)夾具的這些功能，需將工件定位到一個(gè)合適的基準(zhǔn)上并夾緊，采用的夾緊力必須足夠大，以抑制工件在加工過程中產(chǎn)生的移動(dòng)。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(huì)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(shí)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(bào)道[參考文獻(xiàn)1-8]。隨著得墨忒耳[8]，這種方法的限制是需要較大的模型和計(jì)算成本。同時(shí)，多數(shù)的有限元基礎(chǔ)研究人員一直重點(diǎn)關(guān)注的夾具布局優(yōu)化和夾緊力的優(yōu)化還沒有得到充分討論，也有少數(shù)的研究人員通過對剛性模型[9-11]對夾緊力進(jìn)行了優(yōu)化，剛型模型幾乎被近似為一個(gè)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(gè)線性規(guī)劃，其目的是盡量減少在每個(gè)定位點(diǎn)調(diào)整夾緊力強(qiáng)度的法線接觸力。接觸摩擦力的影響被忽視，因?yàn)樗^法線接觸力相對較小，由于這種方法是基于剛體假設(shè)，獨(dú)特的三維夾具可以處理超過6個(gè)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(jì)算最小夾緊力，該剛體分析的主要限制因素是當(dāng)出現(xiàn)六個(gè)以上的接觸力是使其靜力不確定，因此，這種方法無法確定工件移位的唯一性。
這種限制可以通過計(jì)算夾具——工件系統(tǒng)[15]的彈性來克服，對于一個(gè)相對嚴(yán)格的工件，該夾具在機(jī)械加工工件的位置會(huì)受夾具點(diǎn)的局部彈性變形的強(qiáng)烈影響。Hockenberger和得墨忒耳[16]使用經(jīng)驗(yàn)的接觸力變形的關(guān)系（稱為元功能），解決由于夾緊和準(zhǔn)靜態(tài)加工力工件剛體位移。同一作者還考察了加工工件夾具位移對設(shè)計(jì)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(bào)告做了改善，然而，他們沒有處理計(jì)算夾具與工件的接觸剛度的方法，此外，其算法的應(yīng)用沒有討論機(jī)械加工刀具路徑負(fù)載有限序列。李和Melkote [19]和烏爾塔多和Melkote [20]用接觸力學(xué)解決由于在加載夾具夾緊點(diǎn)彈性變形產(chǎn)生的接觸力和工件的位移，他們還使用此方法制定了優(yōu)化方法夾具布局[21]和夾緊力[22]。但是，關(guān)于multiclamp系統(tǒng)及其對工件精度影響的夾緊力的優(yōu)化并沒有在這些文件中提到 。
本文提出了一種新的算法，確定了multiclamp夾具工件系統(tǒng)受到準(zhǔn)靜態(tài)加載的最佳夾緊力為基礎(chǔ)的彈性方法。該法旨在盡量減少影響由于工件夾緊位移和加工荷載通過系統(tǒng)優(yōu)化夾緊力的一部分定位精度。接觸力學(xué)模型，用于確定接觸力和位移，然后再用做夾緊力優(yōu)化，這個(gè)問題被作為多目標(biāo)約束優(yōu)化問題提出和解決。通過兩個(gè)例子分析工件夾緊力的優(yōu)化對定位精度的影響，例子涉及的銑削夾具3-2-1布局。
1． 夾具——工件聯(lián)系模型
1．1 模型假設(shè)
該加工夾具由L定位器和帶有球形端的c形夾組成。工件和夾具接觸的地方是線性的彈性接觸，其他地方完全剛性。工件——夾具系統(tǒng)由于夾緊和加工受到準(zhǔn)靜態(tài)負(fù)載。夾緊力可假定為在加工過程中保持不變，這個(gè)假設(shè)是有效的，在對液壓或氣動(dòng)夾具使用。在實(shí)際中，夾具工件接觸區(qū)域是彈性分布，然而，這種模式的發(fā)展，假設(shè)總觸剛度（見圖1）第i夾具接觸力局部變形如下：
(1) 其中（j=x，y，z）表示，在當(dāng)?shù)刈幼鴺?biāo)系切線和法線方向的接觸剛度
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圖1 彈簧夾具——
工件接觸模型。
表示在第i個(gè)
接觸處的坐標(biāo)系
（j=x，y，z）是對應(yīng)沿著xyz方向的彈性變形，分別 （j= x，y，z）的代表和切向力接觸 ，法線力接觸。
1．2 工件——夾具的接觸剛度模型
集中遵守一個(gè)球形尖端定位，夾具和工件的接觸并不是線性的，因?yàn)榻佑|半徑與隨法線力呈非線性變化 [23]。由于法線力接觸變形作用于半徑和平面工件表面之間，這可從封閉赫茲的辦法解決縮進(jìn)一個(gè)球體彈性半空間的問題。對于這個(gè)問題， 是法線的變形，在[文獻(xiàn)23 第93頁]中給出如下：
（2）
其中式中 和是工件和夾具的彈性模量，、分別是工件和材料的泊松比。
切向變形沿著和切線方向）硅業(yè)切力距有以下形式[文獻(xiàn)23第217頁]
（3）
其中、 分別是工件和夾具剪切模量
一個(gè)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(jì)算上述的線性近似，
（4）
(5)
正常的力被假定為從0到1000N，且最小二乘擬合相應(yīng)的R2值認(rèn)定是0.94。
2．夾緊力優(yōu)化
我們的目標(biāo)是確定最優(yōu)夾緊力，將盡量減少由于工件剛體運(yùn)動(dòng)過程中，局部的夾緊和加工負(fù)荷引起的彈性變形，同時(shí)保持在準(zhǔn)靜態(tài)加工過程中夾具——工件系統(tǒng)平衡，工件的位移減少，從而減少定位誤差。實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)是通過制定一個(gè)多目標(biāo)約束優(yōu)化問題的問題，如下描述。
2.1 目標(biāo)函數(shù)配方
工件旋轉(zhuǎn)，由于部隊(duì)輪換往往是相當(dāng)小[17]的工件定位誤差假設(shè)為確定其剛體翻譯基本上，其中 、、和 是 沿，和三個(gè)正交組件（見圖2）。
圖2 工件剛體平移和旋轉(zhuǎn)
工件的定位誤差歸于裝夾力，然后可以在該剛體位移的范數(shù)計(jì)算如下：
（6）
其中表示一個(gè)向量二級標(biāo)準(zhǔn)。
但是作用在工件的夾緊力會(huì)影響定位誤差。當(dāng)多個(gè)夾緊力作用于工件，由此產(chǎn)生的夾緊力為,有如下形式：
（7）
其中夾緊力是矢量，夾緊力的方向矩陣，是夾緊力是矢量的方向余弦，、和 是第i個(gè)夾緊點(diǎn)夾緊力在、和方向上的向量角度（i=1、2、3...,C）。
在這個(gè)文件中，由于接觸區(qū)變形造成的工件的定位誤差，被假定為受的作用力是法線的，接觸的摩擦力相對較小，并在進(jìn)行分析時(shí)忽略了加緊力對工件的定位誤差的影響。意指正常接觸剛度比，是通過（i=1，2…L）和最小的所有定位器正常剛度相乘，并假設(shè)工件、、取決于、、的方向，各自的等效接觸剛度可有下式計(jì)算得出（見圖3），工件剛體運(yùn)動(dòng)，歸于夾緊行動(dòng)現(xiàn)在可以寫成：
(8)
工件有位移，因此，定位誤差的減小可以通過盡量減少產(chǎn)生的夾緊力向量 范數(shù)。因此，第一個(gè)目標(biāo)函數(shù)可以寫為：
最小化 （9）
要注意，加權(quán)因素是與等效接觸剛度成正比的在、和 方向上。通過使用最低總能量互補(bǔ)參考文獻(xiàn)[15，23]的原則求解彈性力學(xué)接觸問題得出A的組成部分是唯一確定的，這保證了夾緊力和相應(yīng)的定位反應(yīng)是“真正的”解決方案，對接觸問題和產(chǎn)生的“真正”剛體位移，而且工件保持在靜態(tài)平衡，通過夾緊力的隨時(shí)調(diào)整。因此，總能量最小化的形式為補(bǔ)充的夾緊力優(yōu)化的第二個(gè)目標(biāo)函數(shù)，并給出：
最小化 （10）
其中代表機(jī)構(gòu)的彈性變形應(yīng)變能互補(bǔ)，代表由外部力量和力矩配合完成，是遵守對角矩陣的， 和是所有接觸力的載體。
如圖3 加權(quán)系數(shù)計(jì)算確定的基礎(chǔ)
內(nèi)蒙古科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（外文翻譯）
2.2 摩擦和靜態(tài)平衡約束
在（10）式優(yōu)化的目標(biāo)受到一定的限制和約束，他們中最重要的是在每個(gè)接觸處的靜摩擦力約束。庫侖摩擦力的法律規(guī)定（是靜態(tài)摩擦系數(shù)）,這方面的一個(gè)非線性約束和線性化版本可以使用，并且[19]有：
（11）
假設(shè)準(zhǔn)靜態(tài)載荷，工件的靜力平衡由下列力和力矩平衡方程確保（向量形式）：
(12)
其中包括在法線和切線方向的力和力矩的機(jī)械加工力和工件重量。
2.3界接觸力
由于夾具——工件接觸是單側(cè)面的，法線的接觸力只能被壓縮。這通過以下的的約束表（i=1，2…,L+C） （13）
它假設(shè)在工件上的法線力是確定的，此外，在一個(gè)法線的接觸壓力不能超過壓工件材料的屈服強(qiáng)度（）。這個(gè)約束可寫為：
（i=1，2，…,L+C） (14)
如果是在第i個(gè)工件——夾具的接觸處的接觸面積，完整的夾緊力優(yōu)化模型，可以寫成：最小化 (15)
3．模型算法求解
式（15）多目標(biāo)優(yōu)化問題可以通過求解約束[24]。這種方法將確定的目標(biāo)作為首要職能之一，并將其轉(zhuǎn)換成一個(gè)約束對。該補(bǔ)充（）的主要目的是處理功能，并由此得到夾緊力（）作為約束的加權(quán)范數(shù)最小化。對為主要目標(biāo)的選擇，確保選中一套獨(dú)特可行的夾緊力，因此，工件——夾具系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)到一個(gè)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(gè)指定的加權(quán)范數(shù)小于或等于，其中是 的約束，假設(shè)最初所有夾緊力不明確，要確定一個(gè)合適的。在定位和夾緊點(diǎn)的接觸力的計(jì)算只考慮第一個(gè)目標(biāo)函數(shù)（即）。雖然有這樣的接觸力，并不一定產(chǎn)生最低的夾緊力，這是一個(gè)“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(jì)算并作為初始值與比較，因此，夾緊力式（15）的優(yōu)化問題可改寫為:
最小化 （16）
由： (11)–(14) 得。
類似的算法尋找一個(gè)方程根的二分法來確定最低的上的約束, 通過盡可能降低上限，由此產(chǎn)生的最小夾緊力的加權(quán)范數(shù)。 迭代次數(shù)K，終止搜索取決于所需的預(yù)測精度和，有參考文獻(xiàn)[15]：
（17）
其中表示上限的功能，完整的算法在如圖4中給出。
圖4 夾緊力的優(yōu)化算法（在示例1中使用）。 圖5 該算法在示例2使用
4． 加工過程中的夾緊力的優(yōu)化及測定
上一節(jié)介紹的算法可用于確定單負(fù)載作用于工件的載體的最佳夾緊力，然而，刀具路徑隨磨削量和切割點(diǎn)的不斷變化而變化。因此，相應(yīng)的夾緊力和最佳的加工負(fù)荷獲得將由圖4算法獲得，這大大增加了計(jì)算負(fù)擔(dān)，并要求為選擇的夾緊力提供標(biāo)準(zhǔn)， 將獲得滿意和適宜的整個(gè)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(gè)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(gè)最佳夾緊力，選擇記為， ， …,在每個(gè)采樣點(diǎn)，考慮以下四個(gè)最壞加工負(fù)荷向量：
(18)、和表示在、和方向上的最大值，、和上的數(shù)字1，2，3分別代替對應(yīng)的和另外兩個(gè)正交切削分力，而且有：
雖然4個(gè)最壞情況加工負(fù)荷向量不會(huì)在工件加工的同一時(shí)刻出現(xiàn)，但在每次常規(guī)的進(jìn)給速度中，刀具旋轉(zhuǎn)一次出現(xiàn)一次，負(fù)載向量引入的誤差可忽略。因此，在這項(xiàng)工作中，四個(gè)載體負(fù)載適用于同一位置，（但不是同時(shí)）對工件進(jìn)行的采樣 ，夾緊力的優(yōu)化算法圖4，對應(yīng)于每個(gè)采樣點(diǎn)計(jì)算最佳的夾緊力。夾緊力的最佳形式有：
(i=1,2,…,m) (j=x,y z,r) (19)
其中是最佳夾緊力的四個(gè)情況下的加工負(fù)荷載體，(C=1，2，…C)是每個(gè)相應(yīng)的夾具在第i個(gè)樣本點(diǎn)和第j負(fù)荷情況下力的大小。是計(jì)算每個(gè)負(fù)載點(diǎn)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(diǎn)和裝載條件里發(fā)現(xiàn)，并在所有的最佳夾緊力中選擇。這是通過在所有負(fù)載情況和采樣點(diǎn)排序，并選擇夾緊點(diǎn)的最高值的最佳的夾緊力，見于式 （20）：
（k=1，2，…，C） （20）
只要這些具備，就得到一套優(yōu)化的夾緊力，驗(yàn)證這些力，以確保工件夾具系統(tǒng)的靜態(tài)平衡。否則，會(huì)出現(xiàn)更多采樣點(diǎn)和重復(fù)上述程序。在這種方式中，可為整個(gè)刀具路徑確定“最佳”夾緊力 ，圖5總結(jié)了剛才所描述的算法。請注意，雖然這種方法是保守的，它提供了一個(gè)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(jià)夾緊力的算法對工件的定位精度的影響。工件首先放在與夾具接觸的基板上，然后夾緊力使工件接觸到夾具，因此，局部變形發(fā)生在每個(gè)工件夾具接觸處，使工件在夾具上移位和旋轉(zhuǎn)。隨后，準(zhǔn)靜態(tài)加工負(fù)荷應(yīng)用造成工件在夾具的移位。工件剛體運(yùn)動(dòng)的定義是由它在、和方向上的移位和自轉(zhuǎn)（見圖2），
如前所述，工件剛體位移產(chǎn)生于在每個(gè)夾緊處的局部變形，假設(shè)為相對于工件的質(zhì)量中心的第i個(gè)位置矢量定位點(diǎn)，坐標(biāo)變換定理可以用來表達(dá)在工件的位移，以及工件自轉(zhuǎn)如下: (21)
其中表示旋轉(zhuǎn)矩陣,描述當(dāng)?shù)卦诘趇幀相聯(lián)系的全球坐標(biāo)系和是一個(gè)旋轉(zhuǎn)矩陣確定工件相對于全球的坐標(biāo)系的定位坐標(biāo)系。假設(shè)夾具夾緊工件旋轉(zhuǎn)，由于旋轉(zhuǎn)很小，故也可近似為：
（22）
方程（21）現(xiàn)在可以改寫為： （23）
其中是經(jīng)方程（21）重新編排后變換得到的矩陣式，是夾緊和加工導(dǎo)致的工件剛體運(yùn)動(dòng)矢量。工件與夾具單方面接觸性質(zhì)意味著工件與夾具接觸處沒有拉力的可能。因此，在第i裝夾點(diǎn)接觸力可能與的關(guān)系如下：
（24）
其中是在第i個(gè)接觸點(diǎn)由于夾緊和加工負(fù)荷造成的變形，意味著凈壓縮變形，而負(fù)數(shù)則代表拉伸變形; 是表示在本地坐標(biāo)系第i個(gè)接觸剛度矩陣，是單位向量. 在這項(xiàng)研究中假定液壓/氣動(dòng)夾具，根據(jù)對外加工負(fù)荷，故在法線方向的夾緊力的強(qiáng)度保持不變，因此，必須對方程（24）的夾緊點(diǎn)進(jìn)行修改為：
（25）
其中是在第i個(gè)夾緊點(diǎn)的夾緊力，讓表示一個(gè)對外加工力量和載體的6×1矢量。并結(jié)合方程（23）—（25）與靜態(tài)平衡方程，得到下面的方程組：
（26）
其中，其中表示相乘。由于夾緊和加工工件剛體移動(dòng)，q可通過求解式（26）得到。工件的定位誤差向量， （見圖6），
現(xiàn)在可以計(jì)算如下： （27）
其中是考慮工件中心加工點(diǎn)的位置向量，且
6．模擬工作
較早前提出的算法是用來確定最佳夾緊力及其對兩例工件精度的影響例如：
1．適用于工件單點(diǎn)力。
2．應(yīng)用于工件負(fù)載準(zhǔn)靜態(tài)銑削序列
如左圖7 工件夾具配置中使用的模擬研究 工件夾具定位聯(lián)系; 、和全球坐標(biāo)系。
3-2-1夾具圖7所示，是用來定位并控制7075 - T6鋁合金（127毫米×127毫米×38.1毫米）的柱狀塊。假定為球形布局傾斜硬鋼定位器/夾具在表1中給出。工件——夾具材料的摩擦靜電對系數(shù)為0.25。使用伊利諾伊大學(xué)開發(fā)EMSIM程序[參考文獻(xiàn)26] 對加工瞬時(shí)銑削力條件進(jìn)行了計(jì)算，如表2給出例（1），應(yīng)用工件在點(diǎn)（109.2毫米，25.4毫米，34.3毫米）瞬時(shí)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(gè)25.4毫米銑槽使用EMSIM進(jìn)行了數(shù)值模擬，以減少起步（0.0毫米，25.4毫米，34.3毫米）和結(jié)束時(shí)（127.0毫米，25.4毫米，34.3毫米）四種情況下加工負(fù)荷載體，
（見圖8）。模擬計(jì)算銑削力數(shù)據(jù)在表5中給出。
圖8最終銑削過程模擬例如2。
表6中5個(gè)坐標(biāo)列出了為模擬抽樣調(diào)查點(diǎn)。最佳夾緊力是用前面討論過的排序算法計(jì)算每個(gè)采樣點(diǎn)和負(fù)載載體最后的夾緊力和負(fù)載。
7．結(jié)果與討論
例如算法1的繪制最佳夾緊力收斂圖9，
圖9
對于固定夾緊裝置在圖示例假設(shè)（見圖7），由此得到的夾緊力加權(quán)范數(shù)有如下形式：.結(jié)果表明，最佳夾緊力所述加工條件下有比初步夾緊力強(qiáng)度低得多的加權(quán)范數(shù)，最初的夾緊力是通過減少工件的夾具系統(tǒng)補(bǔ)充能量算法獲得。由于夾緊力和負(fù)載造成的工件的定位誤差，如表7。結(jié)果表明工件旋轉(zhuǎn)小，加工點(diǎn)減少錯(cuò)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?yàn)閺淖畛跬ㄟ^互補(bǔ)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(gè)序列應(yīng)用于銑削負(fù)載到工件，他應(yīng)用于工件銑削負(fù)載一個(gè)序列。最佳的夾緊力，，對應(yīng)列表6每個(gè)樣本點(diǎn)，隨著最后的最佳夾緊力，在每個(gè)采樣點(diǎn)的加權(quán)范數(shù)和最優(yōu)的初始夾緊力繪圖10，在每個(gè)采樣點(diǎn)的加權(quán)范數(shù)的，，和繪制。
結(jié)果表明，由于每個(gè)組成部分是各相應(yīng)的最大夾緊力，它具有最高的加權(quán)范數(shù)。如圖10所示，如果在每個(gè)夾緊點(diǎn)最大組成部分是用于確定初步夾緊力，則夾緊力需相應(yīng)設(shè)置，有比相當(dāng)大的加權(quán)范數(shù)。故是一個(gè)完整的刀具路徑改進(jìn)方案。上述模擬結(jié)果表明，該方法可用于優(yōu)化夾緊力相對于初始夾緊力的強(qiáng)度，這種做法將減少所造成的夾緊力的加權(quán)范數(shù)，因此將提高工件的定位精度。
圖10
8．結(jié)論
該文件提出了關(guān)于確定多鉗夾具，工件受準(zhǔn)靜態(tài)加載系統(tǒng)的優(yōu)化加工夾緊力的新方法。夾緊力的優(yōu)化算法是基于接觸力學(xué)的夾具與工件系統(tǒng)模型，并尋求盡量減少應(yīng)用到所造成的工件夾緊力的加權(quán)范數(shù)，得出工件的定位誤差。該整體模型，制定一個(gè)雙目標(biāo)約束優(yōu)化問題，使用-約束的方法解決。該算法通過兩個(gè)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(dòng)態(tài)負(fù)載存在夾具與工件在系統(tǒng)的優(yōu)化，其中慣性，剛度和阻尼效應(yīng)在確定工件夾具系統(tǒng)的響應(yīng)特性具有重要作用。
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