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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(lèi)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. D. Lee 和L. S. Haynes .《柔性?shī)A具系統(tǒng)的有限元分析》交易美國(guó)ASME，工程雜志工業(yè) ：134-139頁(yè)。
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3、P. Chandra, S. M. Athavale, R. E. DeVor 和S. G. Kapoor.“負(fù)載對(duì)表面平整度的影響”工件夾具制造科學(xué)研討會(huì)論文集1996，第一卷：146-152頁(yè)。
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5、A. J. C. Trappey, C. Su 和J. Hou.《計(jì)算機(jī)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(yè)。
6、 S. N. Melkote, S. M. Athavale, R. E. DeVor, S. G. Kapoor 和J. Burkey .“基于加工過(guò)程仿真的加工裝置作用力系統(tǒng)研究”， NAMRI/SME：207–214頁(yè), 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(guó)際機(jī)床制造， 碩士論文 1998。
9、Y.-C. Chou, V. Chandru, M. M. Barash .《加工夾具機(jī)械構(gòu)造的數(shù)學(xué)算法：分析和合成》，美國(guó)ASME，工程學(xué)報(bào)工業(yè)“：1989 299-306頁(yè)。
10、S. H. Lee 和 M. R. 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。
江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院
工藝規(guī)程
零件圖號(hào) 33431A102 零件名稱 拖拉機(jī)半軸殼
班 級(jí) 機(jī)制052班 姓 名 謝李華
指導(dǎo)老師 曾一凡
2009年 5 月 18 日
江西農(nóng)業(yè)大學(xué)
機(jī) 械 加 工 工 序 卡
產(chǎn)品型號(hào)
BZK01
零件圖號(hào)
33431A102
產(chǎn)品名稱
半軸殼
零件名稱
半軸殼
共1 頁(yè)
第1 頁(yè)
工序圖見(jiàn)附頁(yè)
車(chē) 間
工序號(hào)
工序名稱
材料牌號(hào)
大金工
X2
銑端面
QT400—15
毛坯種類(lèi)
毛坯外形尺寸
每毛坯件數(shù)
每臺(tái)件數(shù)
鑄造件
318xф220
1
1
設(shè)備名稱
設(shè)備型號(hào)
設(shè)備編號(hào)
同時(shí)加工件數(shù)
立式銑床
X53T
1
夾 具 編 號(hào)
夾 具 名 稱
切削液
銑床專用夾具
工序工時(shí)
準(zhǔn)終
單件
13min
工步號(hào)
工 步 內(nèi) 容
工 藝 裝 備
主軸
轉(zhuǎn)速
(r/min)
切削
速度
(m/min)
進(jìn)給
量
(mm/r)
切削
深度
(mm)
進(jìn)給次數(shù)
工步工時(shí)
機(jī)動(dòng)min
輔助min
X2-1
銑4個(gè)Φ28mm的端面
銑床專用夾具,游標(biāo)卡尺,塞尺,圓盤(pán)銑刀
220
55
0.25
5
1
3
3
X2-2
銑Φ36mm的端面
銑床專用夾具,游標(biāo)卡尺,塞尺,立銑刀
220
20
0.27
3
1
1.5
2
X2-3
銑10度傾角的端面
銑床專用夾具, 萬(wàn)能角度尺,立銑刀
220
20
0.27
3
1
1.5
2
設(shè)計(jì)（日期）
審核（日期）
標(biāo)準(zhǔn)化（日期）
會(huì)簽（日期）
校對(duì)（日期）
標(biāo)記
處數(shù)
更改文件號(hào)
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日期
標(biāo)記
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簽字
日期
機(jī) 械 加 工 工 序 卡 附 頁(yè)
課題名稱: 拖拉機(jī)半軸套銑床夾具設(shè)計(jì) 課題類(lèi)型: 設(shè) 計(jì) 應(yīng) 用 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 班 級(jí)： 機(jī)制052 姓 名： 謝李華 指導(dǎo)老師： 曾 一 凡 提交時(shí)間: 2009年5月,畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū),半軸殼在后橋機(jī)構(gòu)中的功用(示意圖),1、4半軸殼 2-左橋殼 3-右橋殼 5-鋼板彈簧座 6-突緣 7-半軸套管 8-后橋殼 9-殼蓋 分段式橋殼一般分為兩段，由螺栓1將兩段連成一體。分段式橋殼比較易于鑄造和加工。,零件圖,,半軸殼,,加工工藝過(guò)程,,車(chē)削階段已達(dá)到的工藝要求,,本次承擔(dān)的加工內(nèi)容,1.銑4個(gè)28mm的端面 ,表面粗糙度12.5. 2.銑36mm的圓柱端面 ,表面粗糙度25. 3.從26中銑出10斜面,表面粗糙度12.5.,,,,,,設(shè)計(jì)思路,工件的加工工藝分析 確定夾具的結(jié)構(gòu)方案 定位方案 夾緊方案 方案誤差 夾具對(duì)定位 分析及確定 分析及確定 分析 方案的確定 繪制夾具總圖,定位方案一,優(yōu)點(diǎn):定位表面充分利用上道工序的加工表面,形位誤差小,定位準(zhǔn)確,方便.定位面積大,在加工時(shí)受力均勻,不易破壞已加工表面.尾架可同時(shí)完成定位和加緊.整體剛性強(qiáng)度大. 缺點(diǎn):工件機(jī)構(gòu)較大,定位表面接觸面積大,成本高.,,定位方案二,優(yōu)點(diǎn):型塊的對(duì)中性好，夾具體簡(jiǎn)單，定位方便快捷定位表面接觸面積小，易加工，成本低 缺點(diǎn)：由于工件是通過(guò)兩短圓柱表面和確定前后兩型塊的相對(duì)高度來(lái)定位工件較長(zhǎng)，因此整體剛性不強(qiáng)，工件在加工時(shí)易變形或被破壞,夾具對(duì)定方案的確定,本方案銑床夾具在機(jī)床上的定位是以?shī)A具體的底面與輔助底板接觸,再由輔助底板與機(jī)床工作臺(tái)的接觸;再通過(guò)兩個(gè)定向鍵與機(jī)床工作臺(tái)的型槽相連接來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在銑斜面時(shí), 調(diào)整夾具體與銑床工作臺(tái)的相對(duì)位置。刀具的對(duì)刀位置視工序而定.,夾具與銑床的連接,,加工方式示意圖,立銑刀,圓盤(pán)銑刀,方案誤差分析,分析此夾具定位方案可知,由于該工件是通過(guò)兩外圓柱面和端面與夾具的接觸來(lái)定位,再加上軸向尾架頂尖的螺旋壓緊力,保證軸向不移動(dòng). 由于工件在上道加工工序中的精度已足夠滿足本道工序的定位加工,且本道加工工序?qū)Τ叽缇群臀恢枚纫蟛⒉桓?只是尺寸上的界定。且定位基準(zhǔn)和工序基準(zhǔn)重合。故影響其定位誤差的因素只有一項(xiàng)：工件外圓柱面和夾具體內(nèi)孔的配合引起的誤差，即基準(zhǔn)位置誤差。,定位誤差計(jì)算,,夾具裝配圖,,總裝圖,夾具體通過(guò)弧型槽轉(zhuǎn)過(guò)10角,銑削10斜面,,零件圖 夾具體,輔助底板,,裝配過(guò)程圖,分解圖1:,分解圖2:,敬請(qǐng)各位老師批評(píng)指正 謝 謝！,拖拉機(jī)半軸殼銑床夾具設(shè)計(jì)
學(xué)校代碼：10410
序 號(hào)：050453
本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)
題目： 拖拉機(jī)半軸殼銑床夾具設(shè)計(jì)
學(xué) 院： 工 學(xué) 院
姓 名： 謝 李 華
學(xué) 號(hào)： 20050453
專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
年 級(jí)： 機(jī)制05（2）班
指導(dǎo)教師： 曾一凡
二OO九年 五 月
摘 要
機(jī)床夾具是在金屬切削加工中,用以準(zhǔn)確地確定工件位置,并將其牢固地夾緊,以接受加工的工藝設(shè)備. 本著夾得快,夾得牢,夾得準(zhǔn)的設(shè)計(jì)原則和在經(jīng)濟(jì),高效的市場(chǎng)觀念指導(dǎo)下進(jìn)行本次畢業(yè)設(shè)計(jì)。 汽車(chē)半軸殼是汽車(chē)的重要部件之一。它既要承受車(chē)體和車(chē)載的全部質(zhì)量，還要承受汽車(chē)在行駛過(guò)程中由于道路不平而引起的沖擊力和扭矩，并要保證在行駛過(guò)程中不發(fā)生變形，而半軸在其內(nèi)旋轉(zhuǎn)自如。由拖拉機(jī)半軸殼零件圖可知零件的基本結(jié)構(gòu)和加工要求。該工件鑄成后要達(dá)到圖紙所示的加工要求要分三階段完成，第一階段需車(chē)削四個(gè)端面和兩個(gè)外圓；車(chē)削后第二階段銑削三個(gè)端面，其中兩個(gè)是為了鉆孔而做的前期工作，而有10度傾角要求的端面是零件結(jié)構(gòu)的要求。完成前兩階段加工后再對(duì)兩個(gè)端面鉆通孔，各端面孔的位置要求為均布。據(jù)些分析設(shè)計(jì)銑床夾具。
關(guān)鍵詞： 銑削 夾具 工件 定位 精度
Tractor rear axle shaft housing milling jig design
The engine bed jig is in the metal machining, with by accurately the definite work piece position, and its clamps reliably, accepts the processing the process unit. In line with clamps quickly, clamps the jail, clamps the accurate principle of design and in the economy, under the highly effective market idea instruction carries on this graduation project. The automobile rear axle shaft housing is one of automobile important parts.It already must withstand the complete quality which the chassis and the vehicle carry, but also must withstand the automobile in the travel process because the path does not put down the impulse and the torque which causes, and must guarantee does not have the distortion in the travel process, but the rear axle revolves in among them freely.May know the components by the tractor half axle sleeve detail drawing the basic structure and the processing request.After this work piece casts must achieve the blueprint shows the processing request must divide three stages to complete, the first stage needs the turning four end surfaces and two outer annuluses. After the turning the second stage milling three end surfaces, but has 10 degree inclination angle request end surface is the components structure request.After completes the first two stage processing to drill through the hole again to two end surfaces, various ends face position request is the even cloth.According to analysis design milling jig.
Key words: Milling jig work piece pointing accuracy
目錄
1緒論 1
1.1前 言 1
1.2 課題總體任務(wù)概述 1
2 工件的加工工藝分析 4
3.夾具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 5
3.1定位方案選擇及定位元件設(shè)計(jì) 5
3.2定位誤差分析 7
3.3夾具對(duì)定方案的確定 8
4.繪制夾具總圖(見(jiàn)圖紙) 9
4.1銑削力的計(jì)算 9
4.1.1圓盤(pán)銑刀…………………………………………………………………………….9
4.1.2粗齒錐柄立銑刀…………………………………………………………………...10
4.2夾緊力的計(jì)算 10
5. 確定夾具的主要尺寸,公差及技術(shù)要求 12
5.1 夾具總圖上應(yīng)標(biāo)尺寸,公差 12
5.2 夾具總圖應(yīng)標(biāo)注的技術(shù)條件 12
6.總結(jié) 13
7.參考文獻(xiàn) 14
8．致謝 15
- iv -
1緒論
1.1前 言
機(jī)床夾具是在金屬切削加工中,用以準(zhǔn)確地確定工件位置,并將其牢固地夾緊,以接受加工的工藝設(shè)備.它的主要作用是:可靠地保證工件的加工質(zhì)量,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.
夾具是機(jī)械加工不可缺少的部件，在機(jī)床技術(shù)向高速、高效、精密、復(fù)合、智能、環(huán)保方向發(fā)展的帶動(dòng)下，夾具技術(shù)正朝著高精、高效、模塊、組合、通用、經(jīng)濟(jì)方向發(fā)展。
本著夾得快,夾得牢,夾得準(zhǔn)的設(shè)計(jì)原則和在經(jīng)濟(jì),高效的市場(chǎng)觀念指導(dǎo)下進(jìn)行本次畢業(yè)設(shè)計(jì).在滿足生產(chǎn)技術(shù)要求和現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備配置的前提下,合理,優(yōu)化設(shè)計(jì)夾具裝置.使得所設(shè)計(jì)的夾具簡(jiǎn)便,快捷,低廉,高效.
“工欲善其事，必先利其器”，這是我國(guó)歷史上勞動(dòng)人民在生產(chǎn)斗爭(zhēng)中對(duì)工具重要性所作的結(jié)論。在現(xiàn)代化生產(chǎn)中，工具（工裝夾具）的作用也是如此。
在機(jī)械制造工業(yè)中，為了達(dá)到保證產(chǎn)品質(zhì)量、改善勞動(dòng)條件、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率及降低成本的目的，在工藝過(guò)程中，除機(jī)車(chē)等設(shè)備外，還大量使用這種工藝裝備。它包括機(jī)具、模具、刀具、輔助工具及測(cè)量工具等。因此，廣義地說(shuō)，夾具是一種保證產(chǎn)品質(zhì)量并便利和加速工藝過(guò)程的一種工藝裝備。不同的夾具，其結(jié)構(gòu)形式、工作情況、設(shè)計(jì)原則都不相同，但就其數(shù)量和在生產(chǎn)中所占的位置來(lái)說(shuō)，應(yīng)以“機(jī)床夾具”為先。
所謂機(jī)車(chē)夾具就是機(jī)車(chē)上所使用的一種輔助設(shè)備，用它來(lái)準(zhǔn)確地確定工件與刀具的相對(duì)位置，即將工件定位和夾緊，以完成加工所需要的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。所以機(jī)床夾具是用以使工件定位和夾緊的機(jī)床附加裝置。
鑒于目前機(jī)械加工中大多是采用通用的機(jī)床加上各種夾具、輔助工具及刀具等進(jìn)行產(chǎn)品的生產(chǎn)，工藝準(zhǔn)備工作比較繁重，夾具設(shè)計(jì)和制造的工作量顯得更為突出，往往成為生產(chǎn)準(zhǔn)備工作的關(guān)鍵。因此，提高夾具設(shè)計(jì)水平，縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，就成為生產(chǎn)準(zhǔn)備中的一個(gè)重要問(wèn)題。要做好夾具設(shè)計(jì)工作，應(yīng)當(dāng)具備必要的基本知識(shí)，掌握合理的設(shè)計(jì)方法，了解產(chǎn)品的具體條件。此外，還應(yīng)考慮到夾具的制造工藝，并與產(chǎn)品工藝規(guī)程和刀具、輔助工具和測(cè)量工具設(shè)計(jì)相聯(lián)系。
1.2 課題總體任務(wù)概述
汽車(chē)半軸殼是汽車(chē)的重要部件之一，汽車(chē)的行駛是由發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)中間傳動(dòng)軸，將動(dòng)力傳送到汽車(chē)后橋的后半軸，再有后半軸帶動(dòng)車(chē)輪完成的。后橋上，左右兩側(cè)各有一支半軸殼管，其一端與后橋殼壓配成一體，另一端安裝有輪轂軸承。它既要承受車(chē)體和車(chē)載的全部質(zhì)量，還要承受汽車(chē)在行駛過(guò)程中由于道路不平而引起的沖擊力和扭矩，并要保證在行駛過(guò)程中不發(fā)生變形，而半軸在其內(nèi)旋轉(zhuǎn)自如。因此，對(duì)半軸殼在重要配合表面的精度和整體結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度要求較高。
在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中, 所要求加工的工件為一鑄鐵拖拉機(jī)半軸殼零件，其材料為QT400-15鑄鐵材料。
由拖拉機(jī)半軸殼零件圖可知零件的基本結(jié)構(gòu)和加工要求。該工件鑄成后（工件零件圖參見(jiàn)附錄）要達(dá)到圖紙所示的加工要求要分三階段完成，第一階段需車(chē)削四個(gè)端面和兩個(gè)外圓，并滿足各端面的平面度和垂直度的要求及前后兩外圓的同軸度要求,作為后面加工的主要定位基準(zhǔn)；車(chē)削后第二階段銑削三個(gè)端面，其中兩個(gè)是為了鉆孔而做的前期工作，而有10度傾角要求的端面是零件結(jié)構(gòu)的要求。完成前兩階段加工后再對(duì)兩個(gè)端面鉆通孔，各端面孔的位置要求為均布，并且為了保證連接緊湊，法蘭面不光滑平整的情況下需要在通孔周?chē)紊?.5Φ18的孔。在前期車(chē)好端面和鉆好孔的情況下，可以方便的利用其對(duì)鉆兩排孔進(jìn)行定位。
整個(gè)加工工藝過(guò)程可用下表表示
工序號(hào)
工序名稱
工序內(nèi)容
設(shè)備
1
粗車(chē)端面、外圓
粗車(chē)左端面、外圓
車(chē)床
2
粗車(chē)端面、外圓
粗車(chē)右端面、外圓
車(chē)床
3
半精車(chē)端面、外圓
半精車(chē)左右端面、外圓
車(chē)床
4
銑圓柱面
銑4個(gè)Φ28mm的端面
銑床
5
銑圓柱面
銑Φ36mm的端面
銑床
6
銑斜面
銑10度傾角的端面
銑床
7
鉆孔
鉆左端面6個(gè)Φ10.5mm的均布通孔
鉆床
8
鉆孔
鉆右端面8個(gè)Φ10.5mm的均布通孔
鉆床
9
鉆孔
鉆4個(gè)Φ11深24的孔
鉆床
10
攻絲
在Φ11的孔中攻M12-6H深20的螺紋
鉆床
加工該零件的夾具設(shè)計(jì)由我和其它兩位同學(xué)負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)。其中本人負(fù)責(zé)銑床夾具的設(shè)計(jì)。.在同學(xué)完成上道車(chē)削加工工序的基礎(chǔ)上,工件已達(dá)到的尺寸,位置精度如圖1-2-1所示：可以看出，左右兩端面和外圓的尺寸，位置精度要求高，為重要的配合表面。也可作為本道工序的參考定位基準(zhǔn)。在銑削加工中,對(duì)，4-的端面進(jìn)行銑削,并在端面銑削出斜面.在設(shè)計(jì)過(guò)程中,夾具特點(diǎn)必須與機(jī)床相匹配。
圖1-1位置精度圖
銑床專用夾具的設(shè)計(jì)特點(diǎn)
(1) 由于銑削過(guò)程不是連續(xù)切削,且加工余量較大,切削力較大而方向隨時(shí)都可能在變化。所以?shī)A具應(yīng)有足夠的剛度和強(qiáng)度,夾具的重心應(yīng)盡量低,夾具的高度和寬度之比應(yīng)為1~1.25,并應(yīng)有足夠的排屑空間。
(2) 夾緊裝置要有足夠的剛度和強(qiáng)度,保證必需的夾緊力,并有良好的自鎖功能,一般在銑床夾具上特別是粗銑,不宜采用偏心夾緊。
(3) 夾緊力應(yīng)作用在工件剛度較大的部位上,工件與主要定位元件的定位表面接觸剛度要大。當(dāng)從側(cè)面壓緊工件時(shí),壓板在側(cè)面的著力點(diǎn)應(yīng)低于工件的側(cè)面支承點(diǎn)。
(4) 為了調(diào)整和確定夾具與銑刀的相對(duì)位置,應(yīng)正確選用對(duì)刀裝置,對(duì)刀裝置在使用塞尺方便和易于觀察的位置,并應(yīng)在銑刀開(kāi)始切入的一側(cè)。
(5) 切屑和冷卻液應(yīng)能順利排出,必要是要開(kāi)排屑空。
(6) 為了調(diào)整和確定夾具與機(jī)床工作臺(tái)軸線的相對(duì)位置,在夾具體的底面應(yīng)具有兩個(gè)定向鍵,定向鍵與工作臺(tái)型槽宜用單面貼合,當(dāng)工作臺(tái)型槽平整時(shí)可采用圓柱銷(xiāo),精度高的或重型夾具宜采用夾具體上的找正基面。
根據(jù)上述特點(diǎn)結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)本道工序的夾具,具體步驟如下所述。
2 工件的加工工藝分析
分析圖紙可知，工件在上道車(chē)削工序中已加工并達(dá)到要求的尺寸包括的外圓，表面粗糙度為6.3。的外圓尺寸，表面粗糙度為3.2。兩外圓的端面的表面粗糙度均為6.3，且左右兩外圓的同軸度為。與的外圓端面的平面度為0.06，且與兩外圓的中心線的垂直度要求均為0.08，為了方便描述，今設(shè)A代表的外圓表面，B代表的端面，C代表的端面，D代表的外圓表面，如圖2-1所示。
圖2-1
1.在銑削斜面和端面時(shí)，應(yīng)該保證的中心線垂直于設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，且該中心線是鉆孔加工工序中的工序基準(zhǔn)，銑削端面是為便于鉆孔，因此，在銑削加工過(guò)程中，位置度要求較高，而兩待加工表面的粗糙度要求較低。
2.銑削4--時(shí)，工序圖上并未就平面度和位置度作嚴(yán)格要求，表面粗糙度為12.5。說(shuō)明此項(xiàng)形位要求較低，只要加工到一定程度便于下道工序鉆孔即可，因此，不必做重點(diǎn)要求。
3.夾具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1定位方案選擇及定位元件設(shè)計(jì)
分析零件的結(jié)構(gòu)及尺寸要求可知，在加工4—28的高度90時(shí)應(yīng)以兩孔之間的軸線為工序基準(zhǔn)；在加工26是的斜面時(shí)應(yīng)以C面為工序基準(zhǔn)，高度120時(shí)應(yīng)以兩孔之間的軸線為工序基準(zhǔn)；在加工36是高度53時(shí)應(yīng)以兩孔之間的軸線為工序準(zhǔn)。所以在加工時(shí)兩孔之間的軸線是非常重要的工序基準(zhǔn)。根據(jù)基準(zhǔn)重合的原則，可以用外圓面D為定位基準(zhǔn)，這樣在加工尺寸90、120、53時(shí)，定位基準(zhǔn)與工序基準(zhǔn)重合；在加工斜面時(shí)用C面為定位基準(zhǔn)，則工序基準(zhǔn)與定位基準(zhǔn)重合。
定位方案1如圖3-1-1所示:
圖3-1定位方案一
定位方案2如圖3-2所示：
圖3-2定位方案二
定位方案分析分析及選擇：
分析方案一可知：圖3-1-1所示為一環(huán)行工件銑床專用夾具典型結(jié)構(gòu)，工件以已加工端面C,D為定位基準(zhǔn)進(jìn)行定位，從該工件的零件圖可知，C面作為定位表面可實(shí)現(xiàn)與的工序基準(zhǔn)重合：D面作為另一定位基準(zhǔn)也可實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)重合。在對(duì)4--銑削時(shí)，雖然基準(zhǔn)不重合，但由于是對(duì)4個(gè)圓柱端面進(jìn)行銑削，造成的誤差方向不一致，故基準(zhǔn)不重合誤差可忽略，所以這樣選擇定位基準(zhǔn)是可行的?？上拗乒ぜ奈鍌€(gè)自由度。再通過(guò)擋位柱控制工件的繞中心線的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。從而實(shí)現(xiàn)完全定位。
分析方案二可知：圖3-1-2所示，工件通過(guò)兩V型塊的相對(duì)位置實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的主要定位。V型塊有很好的對(duì)中性，可保證工件的中心線與夾具體正確的位置關(guān)系。但由于工件A，D兩外圓端面與V型塊的接觸長(zhǎng)度較小，只是限制工件的四個(gè)自由度，工件在軸向方向上的移動(dòng)自由度并沒(méi)有得到限制，擋位柱可控制工件的繞中心線的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。故第二種方案限制了工件的5個(gè)自由度，為不完全定位。
綜合分析上述兩種方案，選擇第一種方案作為定位方案。
考慮到加工時(shí)裝卸方便,生產(chǎn)高效,及經(jīng)濟(jì)性,產(chǎn)品為中批量生產(chǎn),采用一次裝夾完成加工.選用X53T立式銑床,銑削4-的圓柱端面時(shí)用圓柱銑刀（D＝80,Z＝8），銑削的端面和銑削斜面時(shí)采用粗齒錐柄立銑刀(D=30,Z=4)。在銑削的端面后，調(diào)整夾具體與輔助底板的相對(duì)位置。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)與銑刀端面的正確位置。 銑削斜面。調(diào)整方案如圖3-3所示。
圖3-3銑斜面定位圖
3.2定位誤差分析
分析此夾具定位方案可知,由于該工件是通過(guò)兩外圓柱面和端面與夾具的接觸來(lái)定位,再加上軸向尾架頂尖的螺旋壓緊力,保證軸向不移動(dòng). 由于工件在上道加工工序中的精度已足夠滿足本道工序的定位加工,且本道加工工序?qū)Τ叽缇群臀恢枚纫蟛⒉桓?只是尺寸上的界定。且定位基準(zhǔn)和工序基準(zhǔn)重合。故影響其定位誤差的因素只有一項(xiàng)：工件外圓柱面和夾具體內(nèi)孔的配合引起的誤差，即基準(zhǔn)位置誤差。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行定位誤差分析。
定位誤差的計(jì)算公式為：
；
其中=0；
工件外圓柱面和夾具體內(nèi)孔的配合引起的誤差：
；
其中:TD=0.019,Td=0.022, =0.028
所以=0.049<-- 滿足加工要求。
3.3夾具對(duì)定方案的確定
夾具的設(shè)計(jì)除了考慮工件在夾具上的定位之外,還要考慮夾具如何在機(jī)床上定位,以及刀具相對(duì)夾具的位置如何確定,針對(duì)本方案銑床夾具在機(jī)床上的定位是以?shī)A具體的底面與輔助底板接觸,再由輔助底板與機(jī)床工作臺(tái)的接觸;再通過(guò)兩個(gè)定向鍵與機(jī)床工作臺(tái)的型槽相連接來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在銑斜面時(shí), 調(diào)整夾具體與銑床工作臺(tái)的相對(duì)位置。刀具的對(duì)刀位置視工序而定。
對(duì)刀方案：在進(jìn)行4-的圓柱端面銑削時(shí)，把夾具體左端的A面高度加工成與定位時(shí)4-的圓柱端面的理論位置高度一致，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)4-的加工對(duì)刀，在加工時(shí)可采用圓盤(pán)端面銑刀，立式銑床X53T。
對(duì)于端面和斜面的銑削定位：從零件圖及定位方案上分析可以看出，的圓柱高出中心線的距離與工件表面差不多平齊，且工件在該周向的半徑較大，右側(cè)與4-的軸向距離又不是很大，左側(cè)又與加強(qiáng)筋靠近，因此，用普通的立式銑床進(jìn)行對(duì)刀加工很容易發(fā)生干涉，難以滿足加工要求。對(duì)于銑削斜面時(shí)也容易發(fā)生這樣的情況，因此需從與基面垂直的方向進(jìn)行端面?zhèn)让驺娤?，這對(duì)銑床和銑刀提出較高的要求，銑刀由于伸出的長(zhǎng)度比較大，所以刀桿的剛度較大，宜用高速鋼銑刀，為減少加工時(shí)對(duì)工藝系統(tǒng)的穩(wěn)定性，每次銑削量較小，分多次走刀完成,由于X53T立式銑床的技術(shù)參數(shù)可滿足這些要求,因此,可選用該立式銑床。銑削端面的對(duì)刀定位采用以?shī)A具體左側(cè)的定位塊右表面B為對(duì)刀位置.如圖3-4所示:(加工時(shí)對(duì)刀后周向移動(dòng)27mm,軸向移動(dòng)167.5mm.)。
圖 3-4對(duì)刀示意圖
在銑削好端面后,移動(dòng)工作臺(tái),再裝夾一次,通過(guò)夾具體底面的弧型槽調(diào)整好角度,通過(guò)止位銷(xiāo)來(lái)防止工件在加工時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng),對(duì)刀是通過(guò)計(jì)算工作臺(tái)的移動(dòng)量來(lái)確定對(duì)刀位置。
4.繪制夾具總圖(見(jiàn)圖紙)
工件裝夾方案確定后,進(jìn)行銑削力,夾緊力的計(jì)算:
4.1銑削力的計(jì)算
4.1.1圓盤(pán)銑刀
工件材料: 球墨鑄鐵 刀具材料:硬質(zhì)合金鋼 銑刀類(lèi)型: 圓盤(pán)銑刀
P=52z
根據(jù)<<金屬切削機(jī)床夾具設(shè)計(jì)手冊(cè)>>查表得:
P=1330N
式中 P---銑削力；
t--銑削深度(mm),指銑刀刀齒切入和切出工件過(guò)程中, 接觸弧在垂直走刀方向平面中測(cè)得的投影長(zhǎng)度,取值5mm；
--每齒進(jìn)給量,取0.2mm；
D—銑刀直徑80mm；
B--銑削寬度56mm；
z—銑刀的齒數(shù)8。
4.1.2粗齒錐柄立銑刀
工件材料: 球墨鑄鐵 刀具材料:高速鋼 銑刀類(lèi)型:粗齒錐柄立銑刀
P=
根據(jù)<<機(jī)床夾具設(shè)計(jì)手冊(cè)>>查表得:
P=1126 N
式中 P---銑削力
--在用高速鋼(W18Cr4V)銑刀銑削時(shí),考慮工件材料及銑刀類(lèi)型的參數(shù),本式中取30；
t--銑削深度(mm),只銑刀刀齒切入和切出工件過(guò)程中, 接觸弧在垂直走刀方向平面中測(cè)得的投影長(zhǎng)度取值3mm；
--每齒進(jìn)給量0.2mm；
D—銑刀直徑30mm；
B--銑削寬度36mm；
z—銑刀的齒數(shù)4；
--用高速鋼(W18Cr4V)銑刀銑削時(shí),考慮工件材料機(jī)械性能不同的修正參數(shù).對(duì)于灰鑄鐵: =；
HB—工件材料的布氏硬度值（取最大值）。
4.2夾緊力的計(jì)算
夾緊力的確定:
計(jì)算夾緊力時(shí),通常將夾具和工件看成是一個(gè)剛性系統(tǒng).根據(jù)工件受切削力,夾緊力(大型工件還應(yīng)考慮工件重力,運(yùn)動(dòng)的工件還應(yīng)考慮慣性力等)的作用情況,找出在加工過(guò)程中對(duì)夾緊最不利的瞬時(shí)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,再乘于安全系數(shù)作為實(shí)際所需夾緊力的數(shù)值.即:
=WK
式中, --實(shí)際所需夾緊力(N);
W----在一定條件下,由靜力平衡計(jì)算出的理論夾緊力(N);
K---安全系數(shù).
安全系數(shù)K可按下式計(jì)算:
=
查表得: --考慮工件材料及加工余量均勻性的基本安全系數(shù),取1.3；
--加工性質(zhì)(粗加工)取1.2；
--刀面鈍化程度(端面銑削,粗銑,含碳量高于0.3%.故選1.3；
--切削特點(diǎn).斷續(xù)切削.取1.2；
--夾緊力的穩(wěn)定性,手動(dòng)夾緊.取1.3；
--手動(dòng)夾緊時(shí)的手柄位置.取1.0；
--僅有力矩使工件回轉(zhuǎn)時(shí)工件與支承接觸的情況,接觸點(diǎn)不確定.取1.5；
其中本夾具機(jī)構(gòu)采用的夾緊裝置是螺旋夾緊機(jī)構(gòu):該類(lèi)夾緊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,夾緊可靠,通用性大,故在機(jī)床夾具中得到廣泛應(yīng)用。它的主要缺點(diǎn)是與液壓機(jī)構(gòu)相比該機(jī)構(gòu)在夾緊和松開(kāi)工件時(shí)比較費(fèi)時(shí)和費(fèi)力；
單個(gè)螺旋夾緊時(shí)產(chǎn)生的夾緊力按下列計(jì)算: = (N)
式中 ---原始作用力；
---作用力臂；
---螺桿端部與工件間的當(dāng)量摩擦半徑（mm）,其值視螺桿端部的結(jié)構(gòu)形式而定，查表可得：
---螺桿端部與工件間的摩擦角；
---螺紋中徑之半；
---螺紋升角，查表可得；
經(jīng)計(jì)算的：
=1250
=3250 經(jīng)校核，滿足強(qiáng)度和剛度要求。
夾具裝配圖: 見(jiàn)圖紙
夾具元件零件圖: 見(jiàn)圖紙
具體裝夾方式: 見(jiàn)圖紙
5. 確定夾具的主要尺寸,公差及技術(shù)要求
5.1 夾具總圖上應(yīng)標(biāo)尺寸,公差
(1).夾具的最大輪廓尺寸: 560mm ×280mm ×209mm；
(2).定位鍵的定位表面精度及兩定位鍵的位置公差分別為0.8,；
(3)夾具體定向槽與定向鍵的配合為20或；
(4)輔助底板與定位元件的配合為18；
(5) 輔助底板與止位銷(xiāo)的配合為。
5.2 夾具總圖應(yīng)標(biāo)注的技術(shù)條件
(1)夾具體的六個(gè)凸臺(tái)的表面粗糙度為1.6,平面度為0.01；
(2)輔助底板的平行度公差為0.03/100；
(3)夾具體與輔助底板的轉(zhuǎn)動(dòng)是通過(guò)弧型槽實(shí)現(xiàn)的,弧型槽與固定定位銷(xiāo)的配合為。
6.總結(jié)
通過(guò)此次畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我在資料的準(zhǔn)備、設(shè)計(jì)的規(guī)劃、思維創(chuàng)新和自學(xué)能力等方面都有了較大的提高。并且在畢業(yè)前使個(gè)人能力有了一個(gè)飛躍。
設(shè)計(jì)期間，我多次到工廠參觀學(xué)習(xí)，對(duì)夾具的設(shè)計(jì)和工作用途有了較為深刻的認(rèn)識(shí)，并熟悉了多種應(yīng)用軟件，為這次畢業(yè)設(shè)計(jì)提供了較豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)查找資料、方案設(shè)計(jì)、工藝分析、軟件應(yīng)用（PRO/E、CAD、UG）等使得我對(duì)夾具的設(shè)計(jì)和圖紙的繪制有了更加深刻的認(rèn)識(shí)和了解，為我今后工作學(xué)習(xí)提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。
鑒于本人的知識(shí)水平和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)所限，在設(shè)計(jì)和裝配這套銑床夾具上存在有許多不足的地方，如夾緊機(jī)構(gòu)的連動(dòng)性、底板的強(qiáng)度、夾緊的穩(wěn)定性等方面都比較粗糙和不完善，懇請(qǐng)各位老師批評(píng)指正。
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14金屬機(jī)械加工工藝人員手冊(cè).上?？茖W(xué)技術(shù)出版社
8．致謝
在設(shè)計(jì)過(guò)程中,感謝曾一凡老師對(duì)我的論文不厭其煩的細(xì)心指點(diǎn)。曾一凡老師首先細(xì)致地為我解題；當(dāng)我迷茫于眾多的資料時(shí)，他又為我提綱挈領(lǐng)，梳理脈絡(luò)，使我確立了本文的框架。論文寫(xiě)作中，每周都得到曾一凡老師的指點(diǎn)。從框架的完善，到內(nèi)容的擴(kuò)充；從行文的用語(yǔ)，到格式的規(guī)范，曾一凡老師都嚴(yán)格要求，力求完美。我再次為曾一凡老師的付出表示感謝。
此次論文的完成還與眾多老師在這四年對(duì)我的教導(dǎo)和幫助是分不開(kāi)的。在此，一并感謝。
值此論文完成之際,我只能用拙筆來(lái)表達(dá)我誠(chéng)摯的謝意和由衷的感謝之情,并祝愿多年來(lái)在學(xué)習(xí)、工作、生活等方面給予的關(guān)心支持和幫助的眾多領(lǐng)導(dǎo)、老師、同學(xué)身體健康、工作順利、萬(wàn)事如意!
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