軸承座工藝和鉆25孔夾具設(shè)計(jì)【K145】【含CAD圖紙、文檔全稿】

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湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)制教研室 機(jī)械加工工序卡片 車間 工序號(hào) 工序名稱 零件號(hào) 零件名稱 毛坯種類 06 鉆 軸承座 鍛件 設(shè)備名稱及型號(hào) 立式鉆床Z525 夾具名稱及編號(hào) 專用夾具 材料 牌號(hào) 35 規(guī)格 毛重公斤 凈重 硬度 工時(shí)定額 （分） 機(jī)動(dòng) 輔助 合計(jì) 0.617 0.092 0.752 冷卻潤(rùn)滑液 上道工序 下道工序 工歩號(hào) 工歩內(nèi)容 刀具 輔助工具 量具 轉(zhuǎn)數(shù)/分 走刀次數(shù) 走刀量 切削深度 01 擴(kuò)Φ23孔至Φ24.8 擴(kuò)孔鉆 鉆套 游標(biāo)卡尺 68 1 0.57 0.9 02 鉸Φ24.8孔至Φ25 鉸刀 襯套 游標(biāo)卡尺 198 1 0.35 0.1 擬定 日期 指導(dǎo) 日期 第　5 頁(yè) 共　4 頁(yè) 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)制教研室 機(jī)械加工工序卡片 車間 工序號(hào) 工序名稱 零件號(hào) 零件名稱 毛坯種類 03 銑 軸承座 鍛件 設(shè)備名稱及型號(hào) 立式銑床X51 夾具名稱及編號(hào) 專用夾具 材料 牌號(hào) 35 規(guī)格 毛重公斤 凈重 硬度 工時(shí)定額 （分） 機(jī)動(dòng) 輔助 合計(jì) 0.338 0.051 0.412 冷卻潤(rùn)滑液 上道工序 下道工序 工歩號(hào) 工歩內(nèi)容 刀具 輔助工具 量具 轉(zhuǎn)數(shù)/分 走刀次數(shù) 走刀量 切削深度 01 粗銑基準(zhǔn)面A 端銑刀 塞尺 游標(biāo)卡尺 1300 2 0.2 0.7 02 半精銑基準(zhǔn)面A 端銑刀 塞尺 游標(biāo)卡尺 1300 2 0.2 0.2 03 精銑基準(zhǔn)面A 端銑刀 塞尺 游標(biāo)卡尺 1300 2 0.2 0.1 擬定 日期 指導(dǎo) 日期 第　5 頁(yè) 共　1 頁(yè) 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)制教研室 機(jī)械加工工序卡片 車間 工序號(hào) 工序名稱 零件號(hào) 零件名稱 毛坯種類 04 鉆 軸承座 鍛件 設(shè)備名稱及型號(hào) 搖臂鉆床Z3025 夾具名稱及編號(hào) 專用夾具 材料 牌號(hào) 35 規(guī)格 毛重公斤 凈重 硬度 工時(shí)定額 （分） 機(jī)動(dòng) 輔助 合計(jì) 0.430 0.065 0.525 冷卻潤(rùn)滑液 上道工序 下道工序 工歩號(hào) 工歩內(nèi)容 刀具 輔助工具 量具 轉(zhuǎn)數(shù)/分 走刀次數(shù) 走刀量 切削深度 01 鉆4-Φ7孔 麻花鉆 鉆套 游標(biāo)卡尺 800 4 0.25 3.5 02 擴(kuò)4-Φ7孔至Φ11深7 擴(kuò)孔鉆 襯套 游標(biāo)卡尺 68 4 0.57 2.0 擬定 日期 指導(dǎo) 日期 第　5 頁(yè) 共　2 頁(yè) 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)制教研室 機(jī)械加工工序卡片 車間 工序號(hào) 工序名稱 零件號(hào) 零件名稱 毛坯種類 05 銑 軸承座 鍛件 設(shè)備名稱及型號(hào) 立式銑床X51 夾具名稱及編號(hào) 專用夾具 材料 牌號(hào) 35 規(guī)格 毛重公斤 凈重 硬度 工時(shí)定額 （分） 機(jī)動(dòng) 輔助 合計(jì) 0.263 0.039 0.320 冷卻潤(rùn)滑液 上道工序 下道工序 工歩號(hào) 工歩內(nèi)容 刀具 輔助工具 量具 轉(zhuǎn)數(shù)/分 走刀次數(shù) 走刀量 切削深度 01 粗銑Φ25孔端面 端銑刀 塞尺 游標(biāo)卡尺 1600 1 0.2 0.7 02 半精銑Φ25孔端面 端銑刀 塞尺 游標(biāo)卡尺 1600 1 0.2 0.2 03 精銑Φ25孔端面 端銑刀 塞尺 游標(biāo)卡尺 1600 1 0.2 0.1 擬定 日期 指導(dǎo) 日期 第　5 頁(yè) 共　3 頁(yè) 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)制教研室 機(jī)械加工工序卡片 車間 工序號(hào) 工序名稱 零件號(hào) 零件名稱 毛坯種類 07 鉆 軸承座 鍛件 設(shè)備名稱及型號(hào) 立式鉆床Z525 夾具名稱及編號(hào) 專用夾具 材料 牌號(hào) 35 規(guī)格 毛重公斤 凈重 硬度 工時(shí)定額 （分） 機(jī)動(dòng) 輔助 合計(jì) 0.114 0.017 0.139 冷卻潤(rùn)滑液 上道工序 下道工序 工歩號(hào) 工歩內(nèi)容 刀具 輔助工具 量具 轉(zhuǎn)數(shù)/分 走刀次數(shù) 走刀量 切削深度 01 配作2-Φ4H7銷孔 麻花鉆 鉆套 游標(biāo)卡尺 1400 2 0.25 2.0 擬定 日期 指導(dǎo) 日期 第　5 頁(yè) 共　5 頁(yè) 夾具夾緊力的優(yōu)化及對(duì)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(guó)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(guò)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(duì)工件定位精度的影響通過(guò)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(guò)程中產(chǎn)生的移動(dòng)。然而，過(guò)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(guò)來(lái)影響零件質(zhì)量。所以有必要確定最佳夾緊力，來(lái)減小由于彈性變形對(duì)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(méi)有得到充分討論，也有少數(shù)的研究人員通過(guò)對(duì)剛性模型[9-11]對(duì)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(wèn)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(duì)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(guò)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(guò)假設(shè)已知摩擦力的方向來(lái)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(wú)法確定工件移位的唯一性。 這種限制可以通過(guò)計(jì)算夾具——工件系統(tǒng)[15]的彈性來(lái)克服，對(duì)于一個(gè)相對(duì)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(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)的影響[17]。桂 [18] 等 通過(guò)工件的夾緊力的優(yōu)化定位精度彈性接觸模型對(duì)報(bào)告做了改善，然而，他們沒(méi)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(méi)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(duì)工件精度影響的夾緊力的優(yōu)化并沒(méi)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(guò)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(wèn)題被作為多目標(biāo)約束優(yōu)化問(wèn)題提出和解決。通過(guò)兩個(gè)例子分析工件夾緊力的優(yōu)化對(duì)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(guò)程中保持不變，這個(gè)假設(shè)是有效的，在對(duì)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(jiàn)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 第 19 頁(yè) 共 15 頁(yè) 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(duì)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(wèn)題。對(duì)于這個(gè)問(wèn)題， 是法線的變形，在[文獻(xiàn)23 第93頁(yè)]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(yè)] （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(guò)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(guò)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(guò)制定一個(gè)多目標(biāo)約束優(yōu)化問(wèn)題的問(wèn)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(jiàn)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(jí)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(duì)較小，并在進(jìn)行分析時(shí)忽略了加緊力對(duì)工件的定位誤差的影響。意指正常接觸剛度比，是通過(guò)（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(jiàn)圖3），工件剛體運(yùn)動(dòng)，歸于夾緊行動(dòng)現(xiàn)在可以寫(xiě)成： (8) 工件有位移，因此，定位誤差的減小可以通過(guò)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(xiě)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(guò)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(wèn)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(duì)接觸問(wèn)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(guò)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(duì)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(kù)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(guò)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(guò)壓工件材料的屈服強(qiáng)度（）。這個(gè)約束可寫(xiě)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(xiě)成：最小化 (15) 3．模型算法求解 式（15）多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題可以通過(guò)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(duì)。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(duì)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(wèn)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(guò)計(jì)算并作為初始值與比較，因此，夾緊力式（15）的優(yōu)化問(wèn)題可改寫(xiě)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(lái)確定最低的上的約束, 通過(guò)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(cè)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(guò)程中的夾緊力的優(yōu)化及測(cè)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(lái)解決下面將被討論的問(wèn)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(duì)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(duì)工件進(jìn)行的采樣 ，夾緊力的優(yōu)化算法圖4，對(duì)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(jiǎn)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(guò)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(jiàn)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(qǐng)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(píng)價(jià)夾緊力的算法對(duì)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(jiàn)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(duì)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(lái)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(duì)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(xiě)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(méi)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(duì)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(duì)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(duì)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(guò)求解式（26）得到。工件的定位誤差向量， （見(jiàn)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(lái)確定最佳夾緊力及其對(duì)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(lái)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(duì)系數(shù)為0.25。使用伊利諾伊大學(xué)開(kāi)發(fā)EMSIM程序[參考文獻(xiàn)26] 對(duì)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(jí)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(jiàn)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(guò)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(guò)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(duì)于固定夾緊裝置在圖示例假設(shè)（見(jiàn)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(guò)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^(guò)互補(bǔ)勢(shì)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(duì)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(duì)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(wèn)題，使用-約束的方法解決。該算法通過(guò)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。 9．參考資料： 1、J. 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Cutkosky. 《具有摩擦性的夾具規(guī)劃》 美國(guó)ASME，工業(yè)工程學(xué)報(bào)：1991，320–327頁(yè)。 11、S. Jeng, L. Chen 和W. Chieng.“最小夾緊力分析”，國(guó)際機(jī)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(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)》 美國(guó)ASME，工業(yè)工程雜志 ：1994 13、E. C. DeMeter .《加工夾具最大負(fù)荷的性能優(yōu)化模型》 美國(guó)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(jì)”方案優(yōu)化，設(shè)計(jì)和制造，4，碩士論文： 307-318，1994。 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(duì)工件準(zhǔn)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(yè), 1996。 第4章 鉆Φ25孔夾具設(shè)計(jì) 4.1 夾具的夾緊裝置和定位裝置 本夾具是鉆Φ25孔夾具設(shè)計(jì) 夾具中的裝夾是由定位和夾緊兩個(gè)過(guò)程緊密聯(lián)系在一起的。定位問(wèn)題已在前面研究過(guò)，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(chǎng)合下，還無(wú)法進(jìn)行加工。只有進(jìn)而在夾具上設(shè)置相應(yīng)的夾緊裝置對(duì)工件進(jìn)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，以便在切削力、重力、慣性力等外力作用下，不發(fā)生移動(dòng)和震動(dòng)，確保加工質(zhì)量和生產(chǎn)安全。有時(shí)工件的定位是在夾緊過(guò)程中實(shí)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(dòng)源即產(chǎn)生原始作用力的部分。夾緊機(jī)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(jī)構(gòu)和夾緊元件。 考慮到機(jī)床的性能、生產(chǎn)批量以及加工時(shí)的具體切削量決定采用手動(dòng)夾緊。 螺旋夾緊機(jī)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(jī)構(gòu)組成復(fù)合夾緊機(jī)構(gòu)來(lái)夾緊工件。是應(yīng)用最廣泛的一種夾緊機(jī)構(gòu)。 螺旋夾緊機(jī)構(gòu)中所用的螺旋，實(shí)際上相當(dāng)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(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的壓力來(lái)夾緊工件的。不過(guò)這里上是通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)螺旋，使繞在圓柱體是的斜契高度發(fā)生變化來(lái)夾緊的。 典型的螺旋夾緊機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)： （1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單； （2）擴(kuò)力比大； （3）自瑣性能好； （4）行程不受限制； （5）夾緊動(dòng)作慢。 夾緊裝置可以分為力源裝置、中間傳動(dòng)裝置和夾緊裝置，在此套夾具中，中間傳動(dòng)裝置和夾緊元件合二為一。力源為機(jī)動(dòng)夾緊，通過(guò)螺栓夾緊移動(dòng)壓板。達(dá)到夾緊和定心作用。 工件通過(guò)定位銷的定位限制了繞Z軸旋轉(zhuǎn)，通過(guò)螺栓夾緊移動(dòng)壓板，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的夾緊。并且移動(dòng)壓板的定心裝置是與工件外圓弧面相吻合的移動(dòng)壓板，通過(guò)精確的圓弧定位，實(shí)現(xiàn)定心。此套移動(dòng)壓板制作簡(jiǎn)單，便于手動(dòng)調(diào)整。通過(guò)松緊螺栓實(shí)現(xiàn)壓板的前后移動(dòng)，以達(dá)到壓緊的目的。壓緊的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)工件的定心，使其定位基準(zhǔn)的對(duì)稱中心在規(guī)定位置上。 切削力及夾緊力的計(jì)算 刀具：鉆頭φ25。 則軸向力：見(jiàn)《工藝師手冊(cè)》表28.4 F=Cdfk……………………………………3.1 式中： C=420， Z=1.0, y=0.8, f=0.35 k=( F=420 轉(zhuǎn)矩 T=Cdfk 式中: C=0.206, Z=2.0, y=0.8 T=0.206 功率 P= 在計(jì)算切削力時(shí),必須考慮安全系數(shù),安全系數(shù) K=KKKK 式中 K—基本安全系數(shù)，1.5; K—加工性質(zhì)系數(shù)，1.1; K—刀具鈍化系數(shù), 1.1; K—斷續(xù)切削系數(shù), 1.1 則 F=KF=1.5 鉆削時(shí) T=17.34 N 切向方向所受力: F= 取 F=4416 F> F 所以,時(shí)工件不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng),故本夾具可安全工作。 根據(jù)工件受力切削力、夾緊力的作用情況，找出在加工過(guò)程中對(duì)夾緊最不利的瞬間狀態(tài)，按靜力平衡原理計(jì)算出理論夾緊力。最后為保證夾緊可靠，再乘以安全系數(shù)作為實(shí)際所需夾緊力的數(shù)值。即： 安全系數(shù)K可按下式計(jì)算有：： 式中：為各種因素的安全系數(shù)，查參考文獻(xiàn)[5]表可得： 所以有： 該孔的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)為中心軸，故以回轉(zhuǎn)面做定位基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)“基準(zhǔn)重合”原則；　參考文獻(xiàn)，因夾具的夾緊力與切削力方向相反，實(shí)際所需夾緊力F夾與切削力Ｆ之間的關(guān)系F夾＝KF 軸向力：F夾＝KF （N） 扭距： Nm 在計(jì)算切削力時(shí)必須把安全系數(shù)考慮在內(nèi)，安全系數(shù) 由資料《機(jī)床夾具設(shè)計(jì)手冊(cè)》查表可得： 切削力公式： 式（2.17） 式中 查表得： 即： 實(shí)際所需夾緊力：由參考文獻(xiàn)[16]《機(jī)床夾具設(shè)計(jì)手冊(cè)》表得： 安全系數(shù)K可按下式計(jì)算，由式（2.5）有：： 式中：為各種因素的安全系數(shù)，見(jiàn)參考文獻(xiàn)[16]《機(jī)床夾具設(shè)計(jì)手冊(cè)》表 可得： 所以 由計(jì)算可知所需實(shí)際夾緊力不是很大，為了使其夾具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便，決定選用螺旋夾緊機(jī)構(gòu)。 4.2 夾具的導(dǎo)向 在鉆床上加工孔時(shí)，大都采用導(dǎo)向元件或?qū)蜓b置，用以引導(dǎo)刀具進(jìn)入正確的加工位置，并在加工過(guò)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(guò)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)向裝置如同定位元件一樣，對(duì)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)向套。 在這套鉆床夾具上用的導(dǎo)向套是鉆套。 鉆套按其結(jié)構(gòu)可分為固定鉆套，可換鉆套，快換鉆套及特殊鉆套。 因此套鉆夾具加工量不大，磨損較小，孔距離精度要求較高，則選用固定鉆套。如圖4.2。直接壓入鉆模板或夾具體的孔中。 圖4.2 鉆套 鉆模板與固定鉆套外圓一般采用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，在模板定位孔之間套上兩個(gè)固定襯套。選取的標(biāo)準(zhǔn)件代號(hào)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 鉆孔與工件之間的切屑間隙 鉆套的類型和特點(diǎn): 1、固定鉆套：鉆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、可換鉆套：主要用在大批量生產(chǎn)中，由于鉆套磨損大，因此在可換鉆套和鉆模板之間加一個(gè)襯套，襯套直接壓入鉆模板的孔內(nèi)，鉆套以F7/m6或F7/k6配合裝入襯套中。 3、快換鉆套：當(dāng)對(duì)孔進(jìn)行鉆鉸等加工時(shí)，由于刀徑不斷增大，需要不同的導(dǎo)套引導(dǎo)刀具，為便于快速更換采用快換鉆套。 4、特殊鉆套：尺寸或形狀與標(biāo)準(zhǔn)鉆套不同的鉆套統(tǒng)稱特殊鉆套。 鉆套下端面與工件表面之間應(yīng)留一定的空隙C，使開(kāi)始鉆孔時(shí)，鉆頭切屑刃不位于鉆套的孔中，以免刮傷鉆套內(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(jì)中考慮了多方面的因素，確定了設(shè)計(jì)方案后，選擇了C=8。因?yàn)榇算@的材料是鑄件，所以C可以取較小的值。 4.4 鉆模板 在導(dǎo)向裝置中，導(dǎo)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(qiáng)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?zhǔn)姐@模板、可卸式鉆模板、滑柱式鉆模板和活動(dòng)鉆模板等。 在此套鉆模夾具中選用的是可卸式鉆模板，在裝卸工件時(shí)需從夾具體上裝上或卸下，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] 4.5定位誤差的分析 為了滿足工序的加工要求，必須使工序中誤差總和等于或小于該工序所規(guī)定的尺寸公差。 與機(jī)床夾具有關(guān)的加工誤差，一般可用下式表示： 由參考文獻(xiàn)[5]可得： ⑴銷的定位誤差 ： 其中： ， ， ， ⑵ 夾緊誤差 ： 其中接觸變形位移值： 查[5]表1～2～15有。 ⑶ 磨損造成的加工誤差：通常不超過(guò) ⑷ 夾具相對(duì)刀具位置誤差：取 誤差總和： 從以上的分析可見(jiàn)，所設(shè)計(jì)的夾具能滿足零件的加工精度要求。 4.6 鉆套、襯套、鉆模板設(shè)計(jì)與選用 工藝孔的加工只需鉆切削就能滿足加工要求。故選用可換鉆套（其結(jié)構(gòu)如下圖所示）以減少更換鉆套的輔助時(shí)間。 為了減少輔助時(shí)間采用可換鉆套，以來(lái)滿足達(dá)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 +0.016 +0.006 3 +0.010 +0.004 6 6 9 -- 0.008 ＞1～1.8 4 +0.016 +0.008 7 ＞1.8～2.6 5 8 ＞2.6～3 6 9 8 12 16 ＞3～3.3 +0.022 +0.010 ＞3.3～4 7 +0.019 +0.010 10 ＞4～5 8 11 ＞5～6 10 13 10 16 20 ＞6～8 +0.028 +0.013 12 +0.023 +0.012 15 ＞8～10 15 18 12 20 25 ＞10～12 +0.034 +0.016 18 22 ＞12～15 22 +0.028 +0.015 26 16 28 36 ＞15～18 26 30 0.012 ＞18～22 +0.041 +0.020 30 34 20 36 HT200 ＞22～26 35 +0.033 +0.017 39 ＞26～30 42 46 25 HT200 56 ＞30～35 +0.050 +0.025 48 52 ＞35～42 55 +0.039 +0.020 59 30 56 67 ＞42～48 62 66 ＞48～50 70 74 0.040 鉆模板選用翻轉(zhuǎn)鉆模板，用沉頭螺釘錐銷定位于夾具體上。 4.7 確定夾具體結(jié)構(gòu)和總體結(jié)構(gòu) 對(duì)夾具體的設(shè)計(jì)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(shí)效處理，退火等處理方式。 （2）應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度 保證在加工過(guò)程中不因夾緊力，切削力等外力變形和振動(dòng)是不允許的，夾具應(yīng)有足夠的厚度，剛度可以適當(dāng)加固。 （3）結(jié)構(gòu)的方法和使用應(yīng)該不錯(cuò) 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(gè)表面的要求高，所以應(yīng)特別注意結(jié)構(gòu)的過(guò)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(qiáng)度）前提下，應(yīng)能減小體積減輕重量，結(jié)構(gòu)應(yīng)該簡(jiǎn)單。 （4）應(yīng)便于鐵屑去除 在加工過(guò)程中，該鐵屑將繼續(xù)在夾在積累，如果不及時(shí)清除，切削熱的積累會(huì)破壞夾具定位精度，鐵屑投擲可能繞組定位元件，也會(huì)破壞的定位精度，甚至發(fā)生事故。因此，在這個(gè)過(guò)程中的鐵屑不多，可適當(dāng)增加定位裝置和夾緊表面之間的距離增加的鐵屑空間：對(duì)切削過(guò)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(guò)夾安裝表面和相應(yīng)的表面接觸或?qū)崿F(xiàn)的。當(dāng)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(shí)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(guò)程中，夾具必承受大的夾緊力切削力，產(chǎn)生沖擊和振動(dòng)，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(qiáng)度和剛度。在加工過(guò)程中的切屑形成的有一部分會(huì)落在夾具，積累太多會(huì)影響工件的定位與夾緊可靠，所以?shī)A具設(shè)計(jì)，必須考慮結(jié)構(gòu)應(yīng)便于鐵屑。此外，夾點(diǎn)技術(shù)，經(jīng)濟(jì)的具體結(jié)構(gòu)和操作、安裝方便等特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)中還應(yīng)考慮。在加工過(guò)程中的切屑形成的有一部分會(huì)落在夾具，切割積累太多會(huì)影響工件的定位與夾緊可靠，所以?shī)A具設(shè)計(jì)，必須考慮結(jié)構(gòu)應(yīng)便排出鐵屑。 4.8 夾具設(shè)計(jì)及操作的簡(jiǎn)要說(shuō)明 由于是大批大量生產(chǎn)，主要考慮提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。因此設(shè)計(jì)時(shí)，需要更換零件加工時(shí)速度要求快。本夾具設(shè)計(jì)，用底部大平面定位三個(gè)自由度， V型塊定位兩個(gè)自由度，再用一個(gè)壓塊限制最后一個(gè)自由度。