50附錄二 ：中文翻譯 通過夾具布局設(shè)計和夾緊力的優(yōu)化控制變形摘 要工件變形必須控制在數(shù)值控制機械加工過程之中。夾具布局和夾緊力是影響加工變形程度和分布的兩個主要方面。在本文提出了一種多目標(biāo)模型的建立，以減低變形的程度和增加均勻變形分布。有限元方法應(yīng)用于分析變形。遺傳算法發(fā)展是為了解決優(yōu)化模型。最后舉了一個例子說明，一個令人滿意的結(jié)果被求得， 這是遠優(yōu)于經(jīng)驗之一的。多目標(biāo)模型可以減少加工變形有效地改善分布狀況。關(guān)鍵詞：夾具布局；夾緊力； 遺傳算法；有限元方法1 引言夾具設(shè)計在制造工程中是一項重要的程序。這對于加工精度是至關(guān)重要。一個工件應(yīng)約束在一個帶有夾具元件，如定位元件，夾緊裝置，以及支撐元件的夾具中加工。定位的位置和夾具的支力，應(yīng)該從戰(zhàn)略的設(shè)計，并且適當(dāng)?shù)膴A緊力應(yīng)適用。該夾具元件可以放在工件表面的任何可選位置。夾緊力必須大到足以進行工件加工。通常情況下，它在很大程度上取決于設(shè)計師的經(jīng)驗，選擇該夾具元件的方案，并確定夾緊力。因此，不能保證由此產(chǎn)生的解決方案是某一特定的工件的最優(yōu)或接近最優(yōu)的方案。因此，夾具布局和夾緊力優(yōu)化成為夾具設(shè)計方案的兩個主要方面。 定位和夾緊裝置和夾緊力的值都應(yīng)適當(dāng)?shù)倪x擇和計算，使由于夾緊力和切削力產(chǎn)生的工件變形盡量減少和非正式化。 夾具設(shè)計的目的是要找到夾具元件關(guān)于工件和最優(yōu)的夾緊力的一個最優(yōu)布局或方案。在這篇論文里， 多目標(biāo)優(yōu)化方法是代表了夾具布局設(shè)計和夾緊力的優(yōu)化的方法。 這個觀點是具有兩面性的。一，是盡量減少加工表面最大的彈性變形； 另一個是盡量均勻變形。 ANSYS 軟件包是用來計算工件由于夾緊力和切削力下產(chǎn)生的變形。遺傳算法是 MATLAB 的發(fā)達且直接的搜索工具箱，并且被應(yīng)用于解決優(yōu)化問題。最后還給出了一個案例的研究，以闡述對所提算法的應(yīng)用。512 文獻回顧隨著優(yōu)化方法在工業(yè)中的廣泛運用，近幾年夾具設(shè)計優(yōu)化已獲得了更多的利益。夾具設(shè)計優(yōu)化包括夾具布局優(yōu)化和夾緊力優(yōu)化。King 和 Hutter 提出了一種使用剛體模型的夾具-工件系統(tǒng)來優(yōu)化夾具布局設(shè)計的方法。DeMeter 也用了一個剛性體模型，為最優(yōu)夾具布局和最低的夾緊力進行分析和綜合。他提出了基于支持布局優(yōu)化的程序與計算質(zhì)量的有限元計算法。李和 melkote 用了一個非線性編程方法和一個聯(lián)絡(luò)彈性模型解決布局優(yōu)化問題。兩年后， 他們提交了一份確定關(guān)于多鉗夾具受到準(zhǔn)靜態(tài)加工力的夾緊力優(yōu)化的方法。他們還提出了一關(guān)于夾具布置和夾緊力的最優(yōu)的合成方法，認(rèn)為工件在加工過程中處于動態(tài)。相結(jié)合的夾具布局和夾緊力優(yōu)化程序被提出，其他研究人員用有限元法進行夾具設(shè)計與分析。蔡等對 menassa 和 devries 包括合成的夾具布局的金屬板材大會的理論進行了拓展。秦等人建立了一個與夾具和工件之間彈性接觸的模型作為參考物來優(yōu)化夾緊力與，以盡量減少工件的位置誤差。Deng 和 melkote 提交了一份基于模型的框架以確定所需的最低限度夾緊力，保證了被夾緊工件在加工的動態(tài)穩(wěn)定。大部分的上述研究使用的是非線性規(guī)劃方法，很少有全面的或近全面的最優(yōu)解決辦法。所有的夾具布局優(yōu)化程序必須從一個可行布局開始。此外，還得到了對這些模型都非常敏感的初步可行夾具布局的解決方案。夾具優(yōu)化設(shè)計的問題是非線性的，因為目標(biāo)的功能和設(shè)計變量之間沒有直接分析的關(guān)系。例如加工表面誤差和夾具的參數(shù)之間（定位、夾具和夾緊力） 。以前的研究表明，遺傳算法（ GA ）在解決這類優(yōu)化問題中是一種有用的技術(shù)。吳和陳用遺傳算法確定最穩(wěn)定的靜態(tài)夾具布局。石川和青山應(yīng)用遺傳算法確定最佳夾緊條件彈性工件。vallapuzha 在基于優(yōu)化夾具布局的遺傳算法中使用空間坐標(biāo)編碼。他們還提出了針對主要競爭夾具優(yōu)化方法相對有效性的廣泛調(diào)查的方法和結(jié)果。這表明連續(xù)遺傳算法取得最優(yōu)質(zhì)的解決方案。krishnakumar 和 melkote 發(fā)展了一個夾具布局優(yōu)化技術(shù)，用遺傳算法找到夾具布局，盡量減少由于在整個刀具路徑的夾緊和切削力造成的加工表面的變形。定位器和夾具位置被節(jié)點號碼所指定。krishnakumar 等人還提出了一種迭代算法，盡量減少工件在整個切削過程之中由不同的夾具布局和夾緊力造成的彈性變形。Lai 等人建成了一個分析模型，認(rèn)為定位和夾緊裝置為同一夾具布局的要素靈活的一部分。Hamedi 討論了混合學(xué)習(xí)系統(tǒng)用來非線性有限元分析與支持相結(jié)合的52人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ ANN ）和 GA。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)被用來計算工件的最大彈性變形，遺傳算法被用來確定最佳鎖模力。Kumar 建議將迭代算法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來發(fā)展夾具設(shè)計系統(tǒng)。Kaya 用迭代算法和有限元分析，在二維工件中找到最佳定位和夾緊位置，并且把碎片的效果考慮進去。周等人。提出了基于遺傳算法的方法，認(rèn)為優(yōu)化夾具布局和夾緊力的同時，一些研究沒有考慮為整個刀具路徑優(yōu)化布局。一些研究使用節(jié)點數(shù)目作為設(shè)計參數(shù)。一些研究解決夾具布局或夾緊力優(yōu)化方法，但不能兩者都同時進行。 有幾項研究摩擦和碎片考慮進去了。碎片的移動和摩擦接觸的影響對于實現(xiàn)更為現(xiàn)實和準(zhǔn)確的工件夾具布局校核分析來說是不可忽視的。因此將碎片的去除效果和摩擦考慮在內(nèi)以實現(xiàn)更好的加工精度是必須的。在這篇論文中，將摩擦和碎片移除考慮在內(nèi)，以達到加工表面在夾緊和切削力下最低程度的變形。一多目標(biāo)優(yōu)化模型被建立了。一個優(yōu)化的過程中基于 GA 和有限元法提交找到最佳的布局和夾具夾緊力。最后，結(jié)果多目標(biāo)優(yōu)化模型對低剛度工件而言是比較單一的目標(biāo)優(yōu)化方法、經(jīng)驗和方法。3 多目標(biāo)優(yōu)化模型夾具設(shè)計一個可行的夾具布局必須滿足三限制。首先，定位和夾緊裝置不能將拉伸勢力應(yīng)用到工件；第二，庫侖摩擦約束必須施加在所有夾具-工件的接觸點。夾具元件- 工件接觸點的位置必須在候選位置。為一個問題涉及夾具元件-工件接觸和加工負(fù)荷步驟，優(yōu)化問題可以在數(shù)學(xué)上仿照如下：53這里的△ 表示加工區(qū)域在加工當(dāng)中 j 次步驟的最高彈性變形。j其中是△ 的平均值；￣△ j是正常力在 i 次的接觸點；niFμ 是靜態(tài)摩擦系數(shù)；fhi 是切向力在 i 次的接觸點；pos(i)是 i 次的接觸點；是可選區(qū)域的 i 次接觸點；iV整體過程如圖 1 所示，一要設(shè)計一套可行的夾具布局和優(yōu)化的夾緊力。最大切削力在切削模型和切削力發(fā)送到有限元分析模型中被計算出來。優(yōu)化程序造成一些夾具布局和夾緊力，同時也是被發(fā)送到有限元模型中。在有限元分析座內(nèi)，加工變形下，切削力和夾緊力的計算方法采用有限元方法。根據(jù)某夾具布局和變形，然后發(fā)送給優(yōu)化程序，以搜索為一優(yōu)化夾具方案。圖 1 夾具布局和夾緊力優(yōu)化過程4 夾具布局設(shè)計和夾緊力的優(yōu)化4.1 遺傳算法遺傳算法（ GA ）是基于生物再生產(chǎn)過程的強勁，隨機和啟發(fā)式的優(yōu)化方法。基本思路背后的遺傳算法是模擬“生存的優(yōu)勝劣汰“ 的現(xiàn)象。每一個人口中的候選個體指派一個健身的價值，通過一個功能的調(diào)整，以適應(yīng)特定的問題。遺傳算法，然后進行54復(fù)制，交叉和變異過程消除不適宜的個人和人口的演進給下一代。人口足夠數(shù)目的演變基于這些經(jīng)營者引起全球健身人口的增加和優(yōu)勝個體代表全最好的方法。遺傳算法程序在優(yōu)化夾具設(shè)計時需夾具布局和夾緊力作為設(shè)計變量，以生成字符串代表不同的布置。字符串相比染色體的自然演變，以及字符串，它和遺傳算法尋找最優(yōu)，是映射到最優(yōu)的夾具設(shè)計計劃。在這項研究里，遺傳算法和 MATLAB 的直接搜索工具箱是被運用的。收斂性遺傳算法是被人口大小、交叉的概率和概率突變所控制的 。只有當(dāng)在一個人口中功能最薄弱功能的最優(yōu)值沒有變化時，nchg 達到一個預(yù)先定義的價值 ncmax ，或有多少幾代氮，到達演化的指定數(shù)量上限 nmax， 沒有遺傳算法停止。有五個主要因素，遺傳算法，編碼，健身功能，遺傳算子，控制參數(shù)和制約因素。 在這篇論文中，這些因素都被選出如表 1 所列。表 1 遺傳算法參數(shù)的選擇由于遺傳算法可能產(chǎn)生夾具設(shè)計字符串，當(dāng)受到加工負(fù)荷時不完全限制夾具。這些解決方案被認(rèn)為是不可行的，且被罰的方法是用來驅(qū)動遺傳算法，以實現(xiàn)一個可行的解決辦法。1 夾具設(shè)計的計劃被認(rèn)為是不可行的或無約束，如果反應(yīng)在定位是否定的。在換句話說，它不符合方程（2）和（3）的限制。罰的方法基本上包含指定計劃的高目標(biāo)函數(shù)值時不可行的。因此，驅(qū)動它在連續(xù)迭代算法中的可行區(qū)域。對于約束（4） ，當(dāng)遺傳算子產(chǎn)生新個體或此個體已經(jīng)產(chǎn)生，檢查它們是否符合條件是必要的。真正的候選區(qū)域是那些不包括無效的區(qū)域。在為了簡化檢查，多邊形是用來代表候選區(qū)域和無效區(qū)域的。多邊形的頂點是用于檢查。 “inpolygon ”在 MATLAB 的功能可被用來幫助檢查。4.2 有限元分析ANSYS 軟件包是用于在這方面的研究有限元分析計算。有限元模型是一個考慮摩擦效應(yīng)的半彈性接觸模型，如果材料是假定線彈性。如圖 2 所示，每個位置或支持，55是代表三個正交彈簧提供的制約。圖 2 考慮到摩擦的半彈性接觸模型在 x ， y 和 z 方向和每個夾具類似，但定位夾緊力在正常的方向。彈力在自然的方向即所謂自然彈力，其余兩個彈力即為所謂的切向彈力。接觸彈簧剛度可以根據(jù)向赫茲接觸理論計算如下：隨著夾緊力和夾具布局的變化，接觸剛度也不同，一個合理的線性逼近的接觸剛度可以從適合上述方程的最小二乘法得到。連續(xù)插值，這是用來申請工件的有限元分析模型的邊界條件。在圖3中說明了夾具元件的位置，顯示為黑色界線。每個元素的位置被其它四或六最接近的鄰近節(jié)點所包圍。圖 3 連續(xù)插值這系列節(jié)點，如黑色正方形所示，是（37，38，31和30 ） ， （9，10 ，11 ， 18，17號和16號）和（ 26，27 ，34 ， 41，40和33 ） 。這一系列彈簧單元，與這些每一個節(jié)點相關(guān)聯(lián)。對任何一套節(jié)點，彈簧常數(shù)是：這里，56kij 是彈簧剛度在的 j -次節(jié)點周圍 i 次夾具元件，Dij 是 i 次夾具元件和的 J -次節(jié)點周圍之間的距離，ki 是彈簧剛度在一次夾具元件位置,ηi 是周圍的 i 次夾具元素周圍的節(jié)點數(shù)量為每個加工負(fù)荷的一步，適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件將適用于工件的有限元模型。在這個工作里，正常的彈簧約束在這三個方向（X ， Y ， Z ）的和在切方向切向彈簧約束，（X ， Y ） 。夾緊力是適用于正常方向（Z）的夾緊點。整個刀具路徑是模擬為每個夾具設(shè)計計劃所產(chǎn)生的遺傳算法應(yīng)用的高峰期的 X ，Y ，z 切削力順序到元曲面，其中刀具通行證。在這工作中，從刀具路徑中歐盟和去除碎片已經(jīng)被考慮進去。在機床改變幾何數(shù)值過程中，材料被去除，工件的結(jié)構(gòu)剛度也改變。因此，這是需要考慮碎片移除的影響。有限元分析模型，分析與重點的工具運動和碎片移除使用的元素死亡技術(shù)。在為了計算健身價值，對于給定夾具設(shè)計方案，位移存儲為每個負(fù)載的一步。那么，最大位移是選定為夾具設(shè)計計劃的健身價值。遺傳算法的程序和 ANSYS 之間的互動實施如下。定位和夾具的位置以及夾緊力這些參數(shù)寫入到一個文本文件。那個輸入批處理文件 ANSYS 軟件可以讀取這些參數(shù)和計算加工表面的變形。 因此， 健身價值觀，在遺傳算法程序，也可以寫到當(dāng)前夾具設(shè)計計劃的一個文本文件。當(dāng)有大量的節(jié)點在一個有限元模型時，計算健身價值是很昂貴的。因此，有必要加快計算遺傳算法程序。作為這一代的推移，染色體在人口中取得類似情況。在這項工作中，計算健身價值和染色體存放在一個 SQL Server 數(shù)據(jù)庫。遺傳算法的程序，如果目前的染色體的健身價值已計算之前，先檢查；如果不，夾具設(shè)計計劃發(fā)送到ANSYS，否則健身價值觀是直接從數(shù)據(jù)庫中取出。嚙合的工件有限元模型，在每一個計算時間保持不變。每計算模型間的差異是邊界條件，因此，網(wǎng)狀工件的有限元模型可以用來反復(fù)“ 恢復(fù)”ANSYS 命令。5 案例研究一個關(guān)于低剛度工件的銑削夾具設(shè)計優(yōu)化問題是被顯示在前面的論文中，并在以下各節(jié)加以表述。575.1 工件的幾何形狀和性能工件的幾何形狀和特點顯示在圖 4 中，空心工件的材料是鋁 390 與泊松比 0.3 和71Gpa 的楊氏模量。 外廓尺寸 152.4mm×127mm*76.2mm.該工件頂端內(nèi)壁的三分之一是經(jīng)銑削及其刀具軌跡，如圖 4 所示。夾具元件中應(yīng)用到的材料泊松比 0.3 和楊氏模量的 220 的合金鋼。圖 4 空心工件5.2 模擬和加工的運作舉例將工件進行周邊銑削，加工參數(shù)在表 2 中給出?；谶@些參數(shù)，切削力的最高值被作為工件內(nèi)壁受到的表面載荷而被計算和應(yīng)用，當(dāng)工件處于 330.94 n（切） 、398.11 N （下徑向）和 22.84 N （下軸） 的切削位置時。整個刀具路徑被 26 個工步所分開，切削力的方向被刀具位置所確定表 2 加工參數(shù)和條件。585.3 夾具設(shè)計方案夾具在加工過程中夾緊工件的規(guī)劃如圖 5 所示。圖 5 定位和夾緊裝置的可選區(qū)域一般來說， 3-2-1 定位原則是夾具設(shè)計中常用的。夾具底板限制三個自由度，在側(cè)邊控制兩個自由度。這里，在 Y=0mm 截面上使用了 4 個定點（L1 ，L2 ， L3 和 14 ） ，以定位工件并限制 2 自由度；并且在 Y=127mm 的相反面上，兩個壓板（C1,C2）夾緊工件。在正交面上，需要一個定位元件限制其余的一個自由度，這在優(yōu)化模型中是被忽略的。在表 3 中給出了定位加緊點的坐標(biāo)范圍。表 3 設(shè)計變量的約束由于沒有一個簡單的一體化程序確定夾緊力，夾緊力很大部分（6673.2N ）在初始階段被假設(shè)為每一個夾板上作用的力。且從符合例 5 的最小二乘法，分別由 4.43×107 N/m 和 5.47×107 N/m 得到了正常切向剛度。5.4 遺傳控制參數(shù)和懲罰函數(shù)在這個例子中，用到了下列參數(shù)值：Ps=30, Pc=0.85, Pm=0.01, Nmax=100 和Ncmax=20.關(guān)于 f1 和 σ 的懲罰函數(shù)是59這里 fv 可以被 F1 或 σ 代表。當(dāng) nchg 達到 6 時，交叉和變異的概率將分別改變成0.6 和 0.1.5.5 優(yōu)化結(jié)果連續(xù)優(yōu)化的收斂過程如圖 6 所示。且收斂過程的相應(yīng)功能（1）和（2）如圖 7、圖8 所示。優(yōu)化設(shè)計方案在表 4 中給出。圖 6 夾具布局和夾緊力優(yōu)化程序的收斂性遺傳算法 圖 7 第一個函數(shù)值的收斂圖 8 第二個函數(shù)值的收斂性表 4 多目標(biāo)優(yōu)化模型的結(jié)果 表 5 各種夾具設(shè)計方案結(jié)果進行比較，605.6 結(jié)果的比較從單一目標(biāo)優(yōu)化和經(jīng)驗設(shè)計中得到的夾具設(shè)計的設(shè)計變量和目標(biāo)函數(shù)值，如表5 所示。單一目標(biāo)優(yōu)化的結(jié)果，在論文中引做比較。在例子中，與經(jīng)驗設(shè)計相比較，單一目標(biāo)優(yōu)化方法有其優(yōu)勢。最高變形減少了 57.5 ％，均勻變形增強了 60.4 ％。最高夾緊力的值也減少了 49.4 ％ 。從多目標(biāo)優(yōu)化方法和單目標(biāo)優(yōu)化方法的比較中可以得出什么呢？最大變形減少了 50.2％ ，均勻變形量增加了 52.9 ％，最高夾緊力的值減少了 69.6 ％ 。加工表面沿刀具軌跡的變形分布如圖 9 所示。很明顯，在三種方法中，多目標(biāo)優(yōu)化方法產(chǎn)生的變形分布最均勻。與結(jié)果比較，我們確信運用最佳定位點分布和最優(yōu)夾緊力來減少工件的變形。圖10 示出了一實例夾具的裝配。圖 9 沿刀具軌跡的變形分布61圖 10 夾具配置實例6 結(jié)論本文介紹了基于 GA 和有限元的夾具布局設(shè)計和夾緊力的優(yōu)化程序設(shè)計。優(yōu)化程序是多目標(biāo)的：最大限度地減少加工表面的最高變形和最大限度地均勻變形。ANSYS軟件包已經(jīng)被用于健身價值的有限元計算。對于夾具設(shè)計優(yōu)化的問題，GA 和有限元分析的結(jié)合被證明是一種很有用的方法。在這項研究中，摩擦的影響和碎片移動都被考慮到了。為了減少計算的時間，建立了一個染色體的健身數(shù)值的數(shù)據(jù)庫，且網(wǎng)狀工件的有限元模型是優(yōu)化過程中多次使用的。傳統(tǒng)的夾具設(shè)計方法是單一目標(biāo)優(yōu)化方法或經(jīng)驗。此研究結(jié)果表明，多目標(biāo)優(yōu)化方法比起其他兩種方法更有效地減少變形和均勻變形。這對于在數(shù)控加工中控制加工變形是很有意義的。參考文獻1、King LS ，Hutter （ 1993 年） 自動化裝配線上棱柱工件最佳裝夾定位生成的理論方法。De Meter EC (1995) 優(yōu)化機床夾具表現(xiàn)的 Min - Max 負(fù)荷模型。2、De Meter EC (1998) 快速支持布局優(yōu)化。Li B, Melkote SN (1999) 通過夾具布局優(yōu)化改善工件的定位精度。3、Li B, Melkote SN (2001) 夾具夾緊力的優(yōu)化和其對工件的定位精度的影響。4、Li B, Melkote SN (1999) 通過夾具布局優(yōu)化改善工件的定位精度。5、Li B, Melkote SN (2001) 夾具夾緊力的優(yōu)化和其對工件定位精度的影響。6、Li B, Melkote SN (2001) 最優(yōu)夾具設(shè)計計算工件動態(tài)的影響。7、Lee JD, Haynes LS (1987) 靈活裝夾系統(tǒng)的有限元分析。8、Menassa RJ, DeVries WR (1991) 運用優(yōu)化方法在夾具設(shè)計中選擇支位。9、Cai W, Hu SJ, Yuan JX (1996) 變形金屬板材的裝夾的原則、算法和模擬。10、 Qin GH, Zhang WH, Zhou XL (2005) 夾具裝夾方案的建模和優(yōu)化設(shè)計。11、Deng HY, Melkote SN (2006) 動態(tài)穩(wěn)定裝夾中夾緊力最小值的確定。6212、Wu NH, Chan KC (1996) 基于遺傳算法的夾具優(yōu)化配置方法。13、Ishikawa Y, Aoyama T(1996) 借助遺傳算法對裝夾條件的優(yōu)化。14、Vallapuzha S, De Meter EC, Choudhuri S, et al (2002) 一項關(guān)于空間坐標(biāo)對基于遺傳算法的夾具優(yōu)化問題的作用的調(diào)查。15、Vallapuzha S, De Meter EC, Choudhuri S, et al (2002) 夾具布局優(yōu)化方法成效的調(diào)查。16、Kulankara K, Melkote SN (2000) 利用遺傳算法優(yōu)化加工夾具的布局。17、Kulankara K, Satyanarayana S, Melkote SN (2002) 利用遺傳算法優(yōu)化夾緊布局和夾緊力。18、Lai XM, Luo LJ, Lin ZQ (2004) 基于遺傳算法的柔性裝配夾具布局的建模與優(yōu)化。19、Hamedi M (2005) 通過一種人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法混合的系統(tǒng)設(shè)計智能夾具。20、Kumar AS, Subramaniam V, Seow KC (2001) 采用遺傳算法固定裝置的概念設(shè)計。21、Kaya N (2006) 利用遺傳算法優(yōu)化加工夾具的定位和夾緊點。22、Zhou XL, Zhang WH, Qin GH (2005) 遺傳算法用于優(yōu)化夾具布局和夾緊力。23、Kaya N, ?ztürk F (2003) 碎片位移和摩擦接觸的運用對工件夾具布局的校核。指導(dǎo)老師意見：指導(dǎo)老師 (簽名 )年 月 日畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)小組審核意見： 畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)小組組長 (簽名)年 月 日畢業(yè)設(shè)計工作小組審核意見：畢業(yè)設(shè)計工作小組組長 (簽名)年 月 日揚 州 市 職 業(yè) 大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文) 開題報告機械工程學(xué)院 院（系）機械制造與自動化 專業(yè) 11 機械 1 班級設(shè)計（論文）題目 機械支架的加工工藝規(guī)程 及夾具設(shè)計 學(xué)生姓名 馬越 學(xué)號 110101118 指導(dǎo)老師 陳國同 職稱 講師 職稱 日期 2013 年 11 月 27 日學(xué)生姓名 馬越 同課題人員 畢業(yè)設(shè)計（論文）題目 機械支架的加工工藝規(guī)程及夾具設(shè)計 課題簡介（1、課題背景及意義；2、基本內(nèi)容及解決的關(guān)鍵問題；3、本課題調(diào)研情況綜述；4、本課題的方案論證等）1、課題背景及意義： 支架是起支撐作用的構(gòu)架，承受較大的力，也具有定位作用，使零件之間保持正確的位置，其中定位作用直接影響加工質(zhì)量生產(chǎn)率和制造成本，而支架保證零件的加工精度提供了一種經(jīng)濟實用的工藝裝備，具有一定的實用價值。 2、基本內(nèi)容及解決的關(guān)鍵問題： 先進行零件圖的分析，主要內(nèi)容包括：生產(chǎn)類型、零件的作用、結(jié)構(gòu)特點、結(jié)構(gòu)工藝性、關(guān)鍵表面的技術(shù)要求分析等。然后進行工藝設(shè)計，主要內(nèi)容包括：確定毛坯類型；毛坯選擇與說明；工藝路線的確定（粗、精基準(zhǔn)的選擇，各表面的加工方法的確定，工序集中與分散的考慮，工序順序的安排的原則，加工設(shè)備與工裝的選擇，不同方案的分析比較等） ；加工余量、切削用量及基本時間、工序尺寸與公差的確定。最后進行專用夾具設(shè)計，夾緊機構(gòu)設(shè)計與夾緊力的計算。 關(guān)鍵問題：夾具的設(shè)計。 3、本課題調(diào)研情況綜述： 對于支架通過在網(wǎng)上、圖書館查閱資料也有了一定的認(rèn)識，對國內(nèi)外先進的加工方法和新的工藝也有了一些了解，以前課本也有相關(guān)的介紹也打下了一定的基礎(chǔ)。所以本設(shè)計屬于中等難度。 4、本課題的方案論證： 工序路線一： 1 鑄造，2 時效，3 涂漆，4 粗銑底面,精銑底面 5 粗銑側(cè)面，6 半精銑側(cè)面 7精銑側(cè)面 8 粗鏜 ф55 孔 ф58 槽,半精鏜 ф55 孔 9 銑底面槽，10 鉆 4---M12 螺紋孔,攻絲，11 鉆 4---M6 螺紋孔 ,攻絲，12 鉆 4---M10 螺紋孔 ,攻絲，13 磨 ф55孔，14 成品檢驗。 工序路線二： 1 時效，2 鑄造，3 涂漆，4 粗銑底面，精銑底面，5 粗銑側(cè)面，6 粗鏜 ф55孔,半精鏜 ф55 孔磨 ф55 孔，7 鏜 ф58 槽，8 銑底面槽，9 鉆 4---M12 螺紋孔,攻絲，10 鉆 4---M6 螺紋孔,攻絲， 11 鉆 4---M10 螺紋孔,攻絲， 12 成品 檢查。 經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)方案一,充分考慮了這些問題,而且也遵循了先面后孔,先主要表面后次要表面,先粗加工后精加工的原則，主要的是再加工兩側(cè)面時和內(nèi)孔時的基準(zhǔn)確定避免基準(zhǔn)不從合誤差的產(chǎn)生而達不到加工要求，而將鉆 4—M12、4—M6、M10 孔等次要表面放在后面,將磨內(nèi)孔放在最后的工藝路線擬訂原則,也保證了加工精度。因此，所以選用第一套方案。 揚州職業(yè)大學(xué)摘 要本篇說明書中，主要是介紹了我這次設(shè)計的主要設(shè)計思路及設(shè)計過程。包括了兩套專用夾具的設(shè)計和刀具、量具的設(shè)計思路和設(shè)計過程，以及在致謝和參考文獻。我的設(shè)計課題是機械機床支架的工藝工裝設(shè)計。設(shè)計的主要內(nèi)容有：繪制零件圖、設(shè)計夾具、刀具、量具等。由目錄可詳細了解論文的內(nèi)容。此次設(shè)計，綜合運用了本專業(yè)的各方面的專業(yè)知識，如《機械制圖》 、 《機械制造工藝學(xué)》 、 《機床夾具設(shè)計》……在這整個設(shè)計過程中進一步加深并鞏固了我這兩年所學(xué)的知識，令我感到受益匪淺，收獲頗豐。由于個人能力和經(jīng)驗有限，設(shè)計中會出現(xiàn)很多不足之處，希望各位老師給予指教。關(guān)鍵詞：專用夾具；刀具；量具；機械制圖揚州職業(yè)大學(xué)揚州職業(yè)大學(xué)目錄引言……………………………………………………………………………………………1第 1 章工藝規(guī)程設(shè)計…………………………………………………………………………21.1 零件分析 ………………………………………………………………………………21.2 確定毛坯、畫毛坯圖 …………………………………………………………………21.3 工藝規(guī)程設(shè)計 …………………………………………………………………………3第 2 章工藝裝備設(shè)計…………………………………………………………………………142.1 夾具的概念 …………………………………………………………………………152.2 夾具的基本要求 ……………………………………………………………………152.3 夾具的設(shè)計方法和步驟 ……………………………………………………………15第 3 章量具設(shè)計 ……………………………………………………………………………203.1 量規(guī)的種類和作用 …………………………………………………………………233.2 量規(guī)設(shè)計 ……………………………………………………………………………233.3 量規(guī)的技術(shù)要求 ……………………………………………………………………24結(jié)論 …………………………………………………………………………………………25致謝 …………………………………………………………………………………………26參考文獻 ……………………………………………………………………………………27揚州職業(yè)大學(xué)揚州職業(yè)大學(xué)- 1 -引 言畢業(yè)設(shè)計是大學(xué)學(xué)習(xí)過程中的重要環(huán)節(jié),也是學(xué)生在學(xué)校學(xué)習(xí)的最后一個重要環(huán)節(jié)。這次設(shè)計是為了進一步檢驗學(xué)生在學(xué)校期間的學(xué)習(xí)情況，培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)的專業(yè)知識和基礎(chǔ)理論知識的能力，獨立解決一般機械類技術(shù)問題的能力，樹立正確的設(shè)計思想和工作作風(fēng)。經(jīng)過將近歷時一個學(xué)期的畢業(yè)設(shè)計，我學(xué)到了許多課堂上學(xué)不到的知識，使所學(xué)的理論知識與動手設(shè)計有機結(jié)合，提高了自己的設(shè)計能力和實踐能力。本論文設(shè)計中主要包括工藝規(guī)程和專用夾具設(shè)計兩大部分。在設(shè)計時，主要以專用夾具設(shè)計為重點。此次設(shè)計，本著力求使所設(shè)計的工件實際、實用的原則來指導(dǎo)設(shè)計。在整個設(shè)計過程中，盡量是設(shè)計內(nèi)容向?qū)嶋H靠攏，使設(shè)計更具科學(xué)性，更具合理性，其中所用的很多數(shù)據(jù)與參數(shù)均來自工廠一線的工具用書。通過系統(tǒng)的動手設(shè)計，本人已初步掌握了一般工藝路線的擬訂，并掌握了工藝規(guī)程和一般專用夾具的設(shè)計方法。在此次畢業(yè)設(shè)計過程中，得到了陳國同老師的悉心指導(dǎo)與幫助，還有很多同學(xué)對我的設(shè)計也提出了許多寶貴的意見。在此，對陳老師的指導(dǎo)以及同學(xué)的幫助一并表示衷心的感謝。揚州職業(yè)大學(xué)- 2 -機械支架工藝規(guī)程設(shè)計１ 工藝規(guī)程設(shè)計1.1 零件分析1.1.1 零件的作用支架是機床上的某個重要的部件該部件通過安裝平面和側(cè)面的螺紋孔與其它部件聯(lián)接，通過支架上的 Ф55n6 孔與其它部件配合，其中 Ф55 孔和兩側(cè)面都作為配合表面，有很高的表面粗糙度要求和高的加工精度，在加工時要特別注意以及進行必要的熱處理來保證工件的技術(shù)要求，從而使工件達到精度要求，從而實現(xiàn)正確的聯(lián)接。1.1.2 零件工藝分析由零件圖可知，其材料為 HT150，該材料強度較低，脆性較大抗缺口敏感性，減震性和耐磨性優(yōu)良，切削性能也極好，抗壓 σb(565---785Mpa)彈性模量 E（69-----98Gpa）抗拉 σb≥130 Mpa。工作條件1、承受中等應(yīng)力，彎曲應(yīng)力至 10MPa 2、摩擦面間的壓力不大于 0.5Mpa3、較弱的腐蝕性介質(zhì)，該零件上的主要加工面為 Ф55N6 孔，Ф58 槽 4—M6，4--M12 螺紋孔，兩側(cè)面底面以及底面 2-Ф12 槽，4— M6 和 4—M12 用于聯(lián)接的表面，在加工它們時有一定的精度要求同樣有一定的精度要求，其中 Ф55N6 孔和兩側(cè)面是該零件中精度要求要求最高的表面，因而具有較高的加工精度要求。4、由參考文獻《機械加工工藝手冊》表 1-10，表 1-11 表 1-12 有關(guān)面和孔加工的經(jīng)濟精度及機床能達到的位置精度可知上述技術(shù)要求是可以達到的，零件的結(jié)構(gòu)工藝性也可行的。1.2 確定毛坯、畫毛坯圖根據(jù)零件材料確定毛坯為鑄件，又由設(shè)計任務(wù)書已知零件的生產(chǎn)綱領(lǐng)綱領(lǐng)為揚州職業(yè)大學(xué)- 3 -3000—5000 件/年，該零件質(zhì)量約為 3.57kg。由參考文獻 《機械加工工藝人員手冊》可知，其生產(chǎn)類型為大批生產(chǎn)，毛坯的鑄造方法選用礦型機器造型，又由于支件零件的內(nèi)腔孔要鑄出，故要放型芯。此外為消除系統(tǒng)參與應(yīng)力，鑄造后要安排時效處理。由參考文獻《實用加工工藝手冊》表 3-12 表 3-13 可知，該種鑄件的尺寸公差等級 IT8---10 級，加工余量等級為 G 級,故取 C7 為 10 級。各主要表面的加工余量等級表 1.1加工表面 基本尺寸 加工等級 加工余量 說明底面 20 9 5 底面單側(cè)加工ф55 孔 ф47 H 4 孔降一級雙側(cè)加工兩側(cè)面 82 G 4.5 雙側(cè)加工注：上表已包含預(yù)留孔和被加工的平面輪廓尺寸 AA揚州職業(yè)大學(xué)- 4 -圖 1-1圖 1-2此圖為零件毛坯圖 具體請參看零件圖以及毛坯圖1.3 工藝規(guī)計1.3.1 定位基準(zhǔn)的選擇1 粗加工基準(zhǔn)的選擇揚州職業(yè)大學(xué)- 5 -在選擇粗基準(zhǔn)時，要考慮到以下幾點要求：（1）保證各個加工表面均有加工余量的前提下,使主要加工表面加工余量均勻。（2）保證工件上加工表面與不加工表面之間的位置要求,要以不加工表面為粗基準(zhǔn)。（3）選做粗基準(zhǔn)的表面,要平整沒有澆口冒口或飛邊等缺陷,以使定位可靠,該鑄件為支架類零件同時頂面的面積較大且平整。綜合考慮第二和第三條要求,選擇頂面為粗基準(zhǔn)。2 精基準(zhǔn)的選擇 零件在加工時,首先以頂面的非加工表面作為粗基準(zhǔn)加工底面,因此作為底面精基準(zhǔn),由此精基準(zhǔn)加工 ф55N6 孔,進而通過 ф55N6 孔加工了底面上槽,實現(xiàn)了互為基準(zhǔn)。.在選擇精基準(zhǔn)時應(yīng)滿足以下幾點要求：（1）用工序基準(zhǔn)作為精基準(zhǔn),實現(xiàn)基準(zhǔn)重合,以免產(chǎn)生基準(zhǔn)不重合的誤差。（2）當(dāng)工件以某一組精基準(zhǔn)可以方便地加工其它表面時,應(yīng)盡可能在多次工序中采用此粗精基準(zhǔn)定位,實現(xiàn)基準(zhǔn)統(tǒng)一,以減少工裝設(shè)計制造費用,提高生產(chǎn)率避免基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換誤差。（3）為了獲得均勻的加工余量或較高的位置精度,可遵循自為基準(zhǔn)的原則。（4）精加工或完整加工工序要求余量盡可能小而均勻時,應(yīng)選擇加工表面本身作為精基準(zhǔn),即自為基準(zhǔn)原則,,而選擇底面為精基準(zhǔn),正是符合第一第二條要求,同時在加工底面槽時,底面又與 ф55N6 孔之間互為基準(zhǔn),滿足了加工精度。最先進行機械加工的表面是底面和兩側(cè)面,這時可能有兩種定位夾緊方安方安一:采用側(cè)面上的通孔定位,限制四個自由度,再在 D 面采用兩個支承釘定位,但此種方法不適于大批量生產(chǎn),加工穩(wěn)定性不高。方安二:在 D 面采用面定位限制三個自由度,而與 B 面配合限制了五個自由度,配合E 面采用一個支承釘,從而達到完全定位,且可以同時加工兩個件 ,這種加工方法夾緊可靠,減少了定位夾緊等方面的誤差,且結(jié)構(gòu)簡單,適宜大批生產(chǎn),因此該方安可行。具體方安請參看工序簡圖。1.3.2 制造工藝路線分析零件圖,依據(jù)各個表面加工要求精度形位公差配合關(guān)系以及技術(shù)要求,還有各種加工方法能達到的經(jīng)濟精度,以及基準(zhǔn)的合理選擇確定了以下兩種工藝路線方安:方安一揚州職業(yè)大學(xué)- 6 -工序號 工序內(nèi)容鑄造時效涂漆5 粗銑底面,精銑底面10 粗銑側(cè)面15 半精銑側(cè)面20 精銑側(cè)面25 粗鏜 ф55 孔 ф58 槽,半精鏜 ф55 孔30 銑底面槽35 鉆 4---M12 螺紋孔,攻絲40 鉆 4---M6 螺紋孔,攻絲45 鉆 4---M10 螺紋孔,攻絲50 磨 ф55 孔55 成品檢驗方安二: 工序號 工序內(nèi)容鑄造時效涂漆5 粗銑底面,精銑底面10 粗銑側(cè)面15 半精銑側(cè)面20 精銑側(cè)面25 粗鏜 ф55 孔,半精鏜 ф55 孔20 磨 ф55 孔30 鏜 ф58 槽35 銑底面槽40 鉆 4---M12 螺紋孔,攻絲45 鉆 4---M6 螺紋孔,攻絲揚州職業(yè)大學(xué)- 7 -50 鉆 4---M10 螺紋孔,攻絲55 成品檢驗方安二,雖然大部分遵循工藝路線擬訂的一般原則,但某些工序有些問題,如在磨ф55 孔時,精加工應(yīng)安排在最后,而鏜 ф58 槽時的表面粗糙度的要求并不高,如果安排在磨 ф55 孔之后,會使精加工表面受到損傷。由于頂面為非加工表面,而且工序基準(zhǔn)為ф55 孔的中心線,所以達不到加工精度要求,而且會產(chǎn)生基準(zhǔn)不重合誤差。造成工件的加工達不到要求。而方安一,,充分考慮了這些問題,而且也遵循了先面后孔,先主要表面后次要表面,先粗加工后精加工的原則，主要的是再加工兩側(cè)面時和內(nèi)孔時的基準(zhǔn)確定避免基準(zhǔn)不從合誤差的產(chǎn)生而達不到加工要求，而將鉆 4—M12、4—M6 、M10 孔等次要表面放在后面,將磨內(nèi)孔放在最后的工藝路線擬訂原則,也保證了加工精度。因此,方安是比較合理且可行的，所以選用第一套方案。1.3.3 選擇加工設(shè)備及刀具，夾具，量具該工件的生產(chǎn)綱領(lǐng)為 3000—5000 件/年，作為年產(chǎn)量為 5000 件，除去休息日一年中的工作時間約為 200 天，那么一天產(chǎn)量為 5000/200＝258 件，屬于大批量生產(chǎn)。故加工設(shè)備易以通用機床為主，加工刀具也以通用設(shè)備為主工件在各機床上的裝卸及各機床間的傳送均由人工完成。下面分析各個主要工序中選用的加工設(shè)備及刀具，夾具，量具1、銑表面,作為本工藝方安的第一道序,考慮到工件的定位夾緊方安及夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計等問題采用立式銑床選擇 X5032 式銑床，選擇 d=80mm 的立銑刀,采用專用夾具和游標(biāo)卡尺,參考《金屬切削手冊》 。2、銑兩側(cè)面,兩側(cè)面的表面粗糙度為 Ra=1.6,且有公差要求 ,同時也是本工件中的一個重要表面與其它工件相配合,所以加工精度較高,我們采用 X6132A 式臥式銑床,選用兩把 d=250mm 的三面刃銑刀裝在同一把刀桿上,對兩側(cè)面同時加工,而且采用設(shè)計專用夾具和用長度量規(guī)來進行測量。3、鏜 ф55 孔和 ф58 槽,此孔在鑄造時已預(yù)鑄出,且工件的尺寸為 ф55N6, 與其他工件配合時為小過盈,是支架與其它工件配合的另一個重要表面。Ra=1.6 為 6 級精度,加工精度很高,我們在此道序中首先采用臥式鏜床 T611 進行加工,同時留出磨削余量,采用專用夾具塞規(guī)進行測量。揚州職業(yè)大學(xué)- 8 -4、銑底面槽,本道工序需要保證兩側(cè)面中心線之間尺寸以及與側(cè)面之間等尺寸，是支架與其它工件安裝時的一個較重要部分。Ra=3.2，采用立式銑床 X5032，選用D=8mm 的高速鋼立銑刀，采用專用夾具和游標(biāo)卡尺來測量。5、鉆、攻絲 4—M6 螺紋孔，加工精度一般，且均勻分布，采用搖臂鉆床 Z35，選用直徑 d=4.9mm 的椎柄麻花鉆，在鉆床上攻絲，采用 M6 機用絲錐、專用夾具、螺紋量規(guī)、游標(biāo)卡尺。6、鉆、攻絲 4—M12 螺紋孔，加工精度一般，且均勻分布，采用搖臂鉆床 Z35，選用直徑 d=10.1mm 的椎柄麻花鉆，在鉆床上攻絲，采用 M12 機用絲錐、專用夾具、螺紋量規(guī)、游標(biāo)卡尺。7、鉆、攻絲 4—M10 螺紋孔，加工精度一般，且均勻分布，采用搖臂鉆床 Z35，選用直徑 d=8.4mm 的椎柄麻花鉆，在鉆床上攻絲，采用 M10 機用絲錐，專用夾具，螺紋量規(guī)，游標(biāo)卡尺。8、磨 ф55 孔，作為光整平面，本工序的加工余量小，采用內(nèi)圓磨床 M2110A，加工精度可達到 6 級，滿足加工精度要求，采用專用夾具，磨削工具為砂輪，量具為光滑極限量規(guī)和百分表。9、最終檢查，檢查尺寸、位置精度、磨削表面粗糙度、選擇游標(biāo)卡尺螺紋量規(guī)和角度尺等1.3.4 確定加工余量和表面的工序尺寸（兩側(cè)面，底面，ф55N6 孔）根據(jù)參考文獻《機械制圖手冊》第三版表 5—6 表 5—8《金屬切削手冊》 《實用機械加工工藝手冊》表 3—9，3—10 表 4—7 根據(jù)《機械加工工藝手冊》第一卷表 3.2-2～3.2-48 確定各主要工序的加工余量及偏差；由表 4.1-9～4.1-29 確定各主要工序的經(jīng)濟精度；由表 4.2-4 確定各種加工方法所能達到的表面粗糙度?？纱_定各加工表面的加工余量，公差等級和加工方法所達到的表面粗糙度：1、銑平面：（1）粗銑底面 Ra = 6.3μm 加工余量 2Z = 4mm IT=10 級半粗銑底面 Ra = 3.2μm 加工余量 2Z =1mm IT=9 級（2）粗銑兩側(cè)面 Ra = 6.3μm 加工余量 2Z = 6mm IT=10—9 級（3）半精銑兩側(cè)面 Ra = 3.2μm 加工余量 2Z = 2mm IT=9—8 級（4）精銑兩側(cè)面 Ra = 1.6μm 加工余量 2Z = 1mm IT=8—7 級2、鏜孔：揚州職業(yè)大學(xué)- 9 -粗鏜孔至 ф52，Ra = 6.3μm 加工余量 2Z = 5mm IT=10—9 級半粗鏜孔至 ф54，Ra = 3.2μm 加工余量 2Z =3mm IT=9—8 級精鏜孔至 ф54.8，Ra = 1.6μm 加工余量 2Z = 2.8mm IT=8—7 級鏜槽至 ф58，Ra =6.3μm 加工余量 2Z = 3.2mm IT=10—9 級3、底面槽（銑兩次）第一次 Ra=6.3μm 加工余量 Z=15mm IT=10 級第二次 Ra=3.2μm 加工余量 Z=15mm IT=9 級4、鉆攻螺紋孔（1）鉆攻 4—M6 螺紋孔 Ra=6.3μm 加工余量 Z=15mm IT=11 級（2）鉆攻 4—M12 螺紋孔 Ra=6.3μm 加工余量 Z=28mm IT=11 級（3）鉆攻 M10 螺紋孔 Ra=6.3μm 加工余量 Z=10mm IT=11 級5、磨內(nèi)孔磨削內(nèi)孔至 ф55N6，Ra=1.6—0.8μm 加工余量 2Z=0.2mm IT=6 級1.3.5 加工工序設(shè)計1 粗銑底面，半精銑底面（1）選擇刀具 鑲齒套式面銑刀 d = 80mm Z = 10 參照《金屬切削手冊》第二版（2）確定切削用量由于表面粗糙度為 3.2，我們采用粗半精加工 經(jīng)查表可知，單邊余量為5mm，這里取粗銑加工余量為 4mm確定切削深度 可走刀一次完成 粗銑 = 4mm 半精銑 = 1mmpapa確定進給量 f 粗銑 fz = 0.5r/min 半精銑 fz = 0.4r/min參照《金屬切削手冊》第二版 表 9—12（3）確定切削速度 Vc由《金屬切削手冊》第二版表 9—14 可知 粗銑時 Vc = 16m/min半精銑時 Vc = 20m/min由公式 10Vnd??則 n 粗銑 = 1000Vc 粗/πd = 68r/min揚州職業(yè)大學(xué)- 10 -由《機械加工工藝手冊》表 4—16—1 可知標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)數(shù)可取 n 粗銑 = 75r/minn 半精銑 = 000Vc 半精/πd = 80r/min 由《機械加工工藝手冊》 表 4—16—1 可取 n 半精銑 = 95 r/min（4）選擇銑刀壽命根據(jù)《機械加工工藝手冊》第一卷表 9.4—7T = 120min（5）銑削力功率計算由《機械加工工藝手冊》 表 3—25 可知0.65.83.839.1zFzefpCadaZ??— 銑削寬度 ea— 銑削力系數(shù)FzC— 每齒進給量f— 銑刀半徑0d— 銑削深度pa— 齒數(shù)Z由表 3—25 可知 = 50 = 76 = 0.5 = 80 = 4 = 10FzCeaf0dpaZ則 = 11007Nz（6）校核機床功率（一般不校核粗加工工序）由《機械加工工藝手冊》表 3—25 可知修正系數(shù)則實際的圓周切削力應(yīng)為 Fz = 11007 1.057=11634.189N?銑削功率 Pm 為 Pm = Fz V 310?Pm = 3.1Rw由《機械加工工藝手冊》第一卷表 9.1—7 得 X5032 的機床功率為 9.09Kw，若取效率為 0.85 則 9.09 0.85 = 7.7265Kw 3.1Kw 故機床功率足夠，同時 X5032 最?高加工表面粗糙度可達 = 1.6mm，則滿足加工要求。pa（7）時間定額計算機動時間 由《機械加工工藝手冊》 P248 可知揚州職業(yè)大學(xué)- 11 -基本時間 12lLTjiifmzf??fm = fz Z n ?— 工作臺每分鐘進給量（mm/min）fmz — 銑刀齒數(shù)fz — 銑刀每齒進給量（mm/z）n — 銑刀每分鐘轉(zhuǎn)數(shù) （r/min）— 銑削深度pa— 行程次數(shù)i— 水平進給量（mm/min）fmz當(dāng) Kr 主偏角=90o 時，根據(jù)《機械加工工藝手冊》210.5()(13lDB???:= 23:Fm = fz Z n?= 70l= 0.5（80-25）+1=28.51l= 2li = 1所以 粗銑 = 0.284minTj半精銑 = 0.28j12lifmz??故此 基本時間=T 粗銑 +T 半精銑 = 0.284min+0.28min = 0.564min輔助時間：由 《機械加工工藝手冊》表 7—29 可知：工作時裝上及取下零件所需輔助時間為 0.47min再由表 7—30 可知有關(guān)定程的輔助時間為0.23+0.04+1.40 = 2.27min2 銑兩側(cè)面揚州職業(yè)大學(xué)- 12 -（1）選擇刀具選用由前面可知的 d = 250mm 的三面刃銑刀對兩側(cè)面同時進行加工參見《機械加工工藝人員手冊》（2）選擇切削用量經(jīng)查表可知，由于采用兩面同時加工，所以粗銑雙邊為 3mm，半精銑雙邊為1mm，精銑雙邊為 0.5mm參見《金屬切削手冊》（3）確定每齒進給量 f粗銑 f = 0.25mm/r，半精銑 f = 0.15mm/r，精銑 f = 0.07mm/r參見《金屬切削手冊》表 9—12（4）選擇銑刀壽命T = 120min參見《機械加工工藝手冊》第一卷表 9.4—7（5）確定切削速度V 粗銑 = 16m/minV 粗銑 = 16m/min ，V 半精銑 = 18m/min，V 精銑 = 20m/min參見《金屬切削手冊》表 9—14（6）切削力計算（此處只計算粗銑切削力） 0.721.41.0.94.8zFzefpCadaZ??其式中 — 切削寬度 取為 80ea— 切削力系數(shù) 取為 50FzC— 每齒進給量0dd — 銑刀外徑— 銑削深度pa— 齒數(shù)Z由 《機械制造工藝設(shè)計手冊》表 3—25 可知：= 30， = 80，af = 0.25， = 250， = 4， = 22FzCea0dpaZ則 F=778N，由于是雙邊切削則 F=1556N又由表 3—25 可知修正系數(shù) K = 1.057則實際圓周切削力為 F = 1644.5N揚州職業(yè)大學(xué)- 13 -（7）切削功率Pm = Fz V = 0.44km?310?校驗機床功率：由 《機械制造工藝設(shè)計手冊》第二卷中 X6132 型銑床技術(shù)參數(shù)可知電動機總功率為 P 總=10kwPm，則機床功率足夠，滿足加工要求。3 鏜 ф55N6 孔（1）選擇刀具由《刀具課程設(shè)計指導(dǎo)書》查得鏜桿為 Φ36 200，刀頭為 10 10 36??由《機械加工工藝手冊》第二卷表 11.2—17 可知選臥式鏜床 T611，主軸轉(zhuǎn)速范圍為 20—1000 轉(zhuǎn)（2）選擇切削用量由 《機械制造工藝設(shè)計手冊》可知V 粗鏜 = 22m/minV 半精鏜 = 28m/minV 精鏜 = 28m/min（3）選擇計算轉(zhuǎn)速由公式（1.1）可得n 粗 = 1000V 粗/πd = 149r/minn 半精 = 1000V 半精/πd = 171r/minn 精 = 1000V 精/πd = 383r/min又由《機械制造工藝設(shè)計手冊》4.7—1 選擇標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速分別為n 粗 = 160r/minn 半精 = 200r/minn 精 = 400r/min4 磨 ф55N6 孔（1）選擇磨具根據(jù)加工條件，選擇代號為 P 的平行砂輪由《機械加工工藝手冊》第二卷表 13.2—18 可知其外徑為 35mm，厚度為3.2mm揚州職業(yè)大學(xué)- 14 -（2）選擇磨削用量合理選擇磨削用量，對磨削加工質(zhì)量生產(chǎn)率均有影響①確定砂輪轉(zhuǎn)速 Vs 由公式得Vs = π ds ns/1000?由《機械加工工藝手冊》第二卷表 13—5其中 ds — 砂輪直徑 mmns — 砂輪速度 r/min又由《機械加工工藝手冊》第二卷表 13.4—16 可知Vs = 24m/sns = 1400r/min②工件速度 Vw 與砂輪速度有關(guān)，其速度比公式為q = Vs/Vw 內(nèi)圓磨床 q=40—80，取 q=60，見《機械加工工藝手冊》第二卷表 13—71Vw = 0.4m/s（3）縱向進給量 Vf一般根據(jù)經(jīng)驗公式，縱向進給量公式= （0.7—0.8） bs afbs 為砂輪寬度，bs 取 3.2則 = 2.24mmaf10awfnV?則 = 0.09m/minf（4）磨削深度 pa根據(jù)《實用機械加工工藝手冊》表 3—94 可知，= 0.4mmpa（5）切向磨削力 F1，徑向磨削力 F2610ZEsPyFNnd???— 磨頭電動機實測輸出功率（取 3.2）ZP— 電動機傳動效率（取 0.98）Ey— 砂輪轉(zhuǎn)速 r/ssn揚州職業(yè)大學(xué)- 15 -— 砂輪直徑 mmsd= 2.2N1F= 321則 = 66N 2參見《機械加工工藝手冊》第二卷表P13—6（6）內(nèi)圓磨砂輪常用合理耐用度T = 600（s）參見《機械制造工藝設(shè)計手冊》表 3—12（7）校驗機床功率 Pm主運動所消耗的功率為 EMBED Equation.DSMT4 EMBED Equation.DSMT4 = 0.054kw根據(jù) M211A 型磨床的技術(shù)參數(shù)，電動機總功率 P 總 = 4.6kw，參見《機械加工工藝手冊》 ，所以 P 總Pm ，因此磨削 ф55N6 孔時確定的磨削量可以采用。揚州職業(yè)大學(xué)- 16 -2 機床夾具設(shè)計（工藝裝備設(shè)計）2.1 機床夾具概論2.1.1 機床夾具概念在機械制造廠的生產(chǎn)過程中用來安裝工件使之固定在正確位置上，完成切削加工，檢驗，裝配，焊接等工作，所使用的工藝裝備稱為夾具。2 1.2 工件的安裝在機床上加工工作時，為了保證工件被加工表面的尺寸，幾何形狀及相互位置精度方面的要求，事先必須將工件正確的安裝到機床加工位置上去。工件安裝一般包括定位和夾緊兩個過程：即首先應(yīng)使工件相對于機床及刀具占有一個正確位置，這就是工件的定位。然后將工件緊固在這一即定位置上，使之不受切削力重力離心力和慣性力作用而發(fā)生位置改變，這就是工件的夾緊。工件的安裝一般用兩種方式：直接在機床工作臺或通用夾具上安裝，采用專用夾具安裝。揚州職業(yè)大學(xué)- 17 -2.1.3 機床夾具的功用（1）保證產(chǎn)品加工精度，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量（2）提高生產(chǎn)率，降低加工成本（3）改善工人勞動條件（4）擴大機床的工藝范圍2.1.4 機床夾具的組成機床夾具因被加工工件的加工表面不同或使用機床種類不同而用各種不同的結(jié)構(gòu)形式，但就機床夾具具體結(jié)構(gòu)而言，大致分為以下幾個部分：定位元件，夾緊裝置，導(dǎo)向?qū)Φ对?，連接元件，其它裝置和元件，夾具體。2.2 夾具設(shè)計的基本要求穩(wěn)定的保證工件的加工技術(shù)要求提高機械加工的勞動生產(chǎn)率，降低工件成本結(jié)構(gòu)簡單，便于制造和維修操作安全方便2.3 夾具設(shè)計方法和步驟銑床夾具主要用于加工工件上的平面，凹槽，直線成型面和齒輪等。而一般的銑削過程都是銑床工作臺和夾具一起做進給運動的。根據(jù)進給方向的方向不同，通常將銑床夾具分為直線進給式，圓周進給式和靠模進給式，其中以直線進給式應(yīng)用最多。銑床夾具的特點，銑削加工過程不是連續(xù)的加工，切削用量和切削力都較大，而且切削力大小和方向都是變化的，因而，切削過程中容易產(chǎn)生震動。所以，再設(shè)計銑床夾具時，要特別注意工件在夾具上的定位穩(wěn)定性和加緊的可靠性。整個夾具要有足夠的剛性。為此，再設(shè)計和布置定位元件時，應(yīng)盡量使支撐面大些，定位元件的兩個支撐之間要盡量的遠些。再設(shè)計加緊裝置時，為防止工件在加工過程中因震動而松動，夾進裝置要有足夠的夾緊力和自鎖能力。為了提高銑床夾具的剛性，再確保夾具有足夠的排屑空間的前提下，要盡量降低夾具的高度；注意施力方向和作用點的位置。只有注意了這些才能很好的進行夾具的設(shè)計。2.3.1 銑兩側(cè)面夾具設(shè)計1 、研究原始資料，明確設(shè)計任務(wù)由任務(wù)書可知，此零件生產(chǎn)綱領(lǐng)為 3000—5000 件/年，屬于大批量生產(chǎn)，從零件圖和工藝過程簡表上知，兩側(cè)面表面要求為 Ra=1.6μm，且用公差要求，所以需要進行精揚州職業(yè)大學(xué)- 18 -加工，同時此表面是作為安裝配合表面，以上這些在夾具設(shè)計時都要注意，同時夾具設(shè)計時要注意到本道工序為兩把刀同時切削進給。2 、 確定設(shè)計方安由于該道工序并不是機械加工的第一道工序，是用以加工的表面做定位基準(zhǔn)進行加工的，無須進行粗基準(zhǔn)的選擇，其定位表面有較高的精度夾具設(shè)計必須遵循夾具設(shè)計結(jié)構(gòu)方安的原則，即：在確保加工質(zhì)量的前提下，結(jié)構(gòu)盡可能簡單操作省力高效安全，經(jīng)濟合理，并盡量采用標(biāo)準(zhǔn)元件，同時夾具的定位，導(dǎo)引，加緊裝置再夾具體上，成為一體，并準(zhǔn)確的并能準(zhǔn)確的。在此前提下，要遵循以下兩點：（1）保證各加工表面均有足夠的加工余量的前提下，保證主要表面的余量盡量均勻。（2）保證定位，夾緊可靠，操作方便。根據(jù)以上兩點，擬定方安如下：銑兩側(cè)面，采用雙向同時銑削，有機床工作臺進給方向和所受切削力可知在 方X?向不受限制，再這里首先采用底面大端面定位限制 ， ， 再用定位塊上的一個支Z?Y?X撐釘限制了 ，同考慮到銑床夾具在銑削加工過程中所受力的特點配合定位塊同時限Y?制了 ， ，所以，實際實現(xiàn)了完全定位，定位方安滿足了零件的加工要求。具體定X?Z位夾緊方安請參看工序簡圖揚州職業(yè)大學(xué)- 19 -1.61.6圖 ２.１3 、 確定設(shè)計定向和對刀裝置（1）銑床夾具采用定向鍵把夾具體安放在機床上，一般采用兩個相距較遠的定向鍵，安裝在夾具體底部，通過與銑床工作臺的 T 行槽配合，使夾具上的定位元件的工作面相對銑床工作臺的進給方向有確定的位置關(guān)系。本夾具采用矩形定向鍵。揚州職業(yè)大學(xué)- 20 -（2）對刀裝置的設(shè)置，對刀裝置是用來調(diào)整和確定銑刀相對夾具位置的。為了防止對刀時碰傷切削刃和對刀塊，一般在刀具和對刀塊之間塞一規(guī)定尺寸的塞規(guī)（3mm） ，根據(jù)接觸的松緊程度來確定刀具的最終位置，本夾具采用板裝對刀塊，安裝在支架上，對刀時將塞規(guī)靠在對刀塊上，用塞尺來校準(zhǔn)銑刀的位置，而本道工序就是采用了在板裝對刀板上配合使用 3mm 的塞尺來對刀的，從而實現(xiàn)加工要求。4 、夾緊力的計算首先確定夾緊機構(gòu)和夾緊力的分析，由于工件不大，主要承受切削力，通過地面定位時，以承受其中很大部分切削力。采用手動裝置夾緊，同時遵循夾緊裝置的基本要求：加緊過程可靠，夾緊力的大小適宜，結(jié)構(gòu)性好，使用性好。同時根據(jù)夾緊力的作用點及方向的要求：夾緊力的方向應(yīng)盡可能朝向主要限位面；夾緊力的作用點應(yīng)施于工件鋼度好的方向和部位上；夾緊力的作用點應(yīng)在定位支撐范圍內(nèi)以及夾緊力的作用點應(yīng)靠近工件的加工表面。所以通過兩根螺栓和彈簧與夾板配合夾緊工件，同時在主要切削部位采用螺栓夾緊機構(gòu)，通過螺桿，在圓頭部位安裝平頭的壓塊來與壓板配合夾緊工件，夾緊方便可靠同時也滿足以上要求。夾緊力計算分析在本工序所有的銑削工序中，粗銑時，徑向切削力 Py 為最大由《機床夾具設(shè)計手冊》查得夾緊件為螺釘時的夾緊力（螺桿端面為球面配合壓塊）（2.1）01tan()2QLWdRctgf?????— 夾緊力 N— 原始作用力 N（一般取 80—100N）Q— 作用力臂 mm（一般取 L≈14d 0）L— 螺紋中徑（mm）0d— 螺紋角度（一般取 α=3°）?— 螺紋處摩擦角?。ㄒ话闳?=20°）1?1?— 螺紋端部與件的摩擦角2— 螺桿端部與工件（或壓角的當(dāng)量摩擦半徑 mm） R螺桿端部為球面時 r1=0又由《金屬機械加工工藝人員手冊》表 9—27 可知揚州職業(yè)大學(xué)- 21 -β = 180°，f = 0.1則 W ≈ 153N當(dāng)保證工件裝夾安全可靠，根據(jù)《機床夾具設(shè)計手冊》 ，將理論夾緊力乘以安全系數(shù)，考慮到切削力的變化程度和工藝系統(tǒng)變形等因素，一般取 K=1.5 3，那么實際:所須的夾緊力 W 實際 =K*W=307N 由于夾緊力為手動夾緊力提供，且夾緊力不大，工件也不大，通過以上計算所得夾緊力和手動夾緊力能夠滿足要求，故夾緊力適宜。5 、 壓板處夾緊力由《金屬切削機床夾具設(shè)計手冊》P326 查得W = PK1 （2.2）K1 = L/L1 1/ （2.3）??— 各種摩擦損失的系數(shù)?由 P328 查得L1/L = 0.2 = 0.9?K = 0.926W = 0.926 100 = 92N?則實際 W 為 184N由于工件尺寸不大，且夾緊力不大，同時加工方法為銑削，主要承受軸向力，在安裝時夾具底面以承受部分切削力，因此本工件由手動方式提供夾緊力，通過計算，完全能夠滿足此夾緊力的要求，故夾緊力倈適。6 、 夾具體設(shè)計揚州職業(yè)大學(xué)- 22 -夾具的翓構(gòu)形式在很大程度上取決于定位裝置和夾緊裝置?其元件的結(jié)構(gòu)和嘃置?為使夾具結(jié)構(gòu)緊湊，保證夾具之機床上安裝穩(wěn)定（并使工件的加工表面盡可能靠近工作叴面，降低夾具重心，夾具體的高度比應(yīng)限制在 H/B≤1 1 25 范圍內(nèi)〒此外，還要設(shè)計耳座。同曠由于工件形狀不復(fù)雜，且比齟規(guī)則，夾緊選用夾緊，故選擇鈽造夭具彗為主?底座設(shè)有兩個鉸鉀杠桿螺旋夾緊，甬 T 型螺栓固定于嗥作臺上?在中間最遠距熻億裝有兩個定向鍵，?以確定夾具和刀具 正硬位罦。$7 、 ?制夾具裝配總圖此銑床夾具裝配總圖上將定位元件，支承，導(dǎo)向，對刀，夾緊元件，以及輔助支承，與夾具體的聯(lián)接表達清楚，裝配總圖中的定位襯套與夾具體采用過度配合，夾具裝置中一部分采用壓板通過鉸鏈杠桿夾緊，另一部分，采用螺旋夾緊，采用螺栓和螺釘與夾具體相連接，壓板采用螺栓和定位銷與鉸鏈杠桿連接通過螺釘與夾具連接。對刀塊對稱放置，裝配調(diào)整的整體位置最后用螺釘緊定。8 、 標(biāo)注尺寸和公差配合定向鍵與 T 型槽配合 H7/h6定位銷與工件基準(zhǔn)孔配合 H7/h6固定支承釘定位銷配合精度 H7/n6定位心軸的定位基面一般按 h6 制造2.3.2 銑底面 2—Ф12 槽夾具設(shè)計1 、 研究原始材料，明確設(shè)計任務(wù)分析零件圖和工序圖，根據(jù)加工內(nèi)容以及銑床夾具的特點，初步確定夾具體的形狀，定位夾緊元件，以及定位方式。2 、定位基準(zhǔn)的選擇與定位元件的確定由于工件一般不是直接放置在夾具體上的，而是放在定位元件上的，工件與定位元件直接接觸。因此，定位元件應(yīng)滿足以下要求：足夠的精度 由于工件的定位是通過定位副的接觸或配合實現(xiàn)的，定位元件限位基面的精度直接工件的定位精度，既直接影響工件的加工精度，因此，定位元件上的限位基面應(yīng)有足夠的精度。耐磨性好 定位元件上的限位基面因與工件定位基面接觸容易磨損，為此要求限位基面要耐磨，以便長期使用保持定位精度。足夠的揚州職業(yè)大學(xué)- 23 -強度和剛度 再工件重力，加緊力和切削力等作用下，定位元件可能發(fā)生較大的變形，從而影響加工精度，或因強度不夠而損壞定位元件，為此，定位元件應(yīng)有足夠的強度和剛度。對于承受教大的沖擊和外力的定位元件，一般應(yīng)內(nèi)韌外硬。工藝性好 定位元件要有良好的工藝性，要容易制造，方便裝配，容易修理或更換。便于清除切削 定位元件上限位基面的形狀應(yīng)有利于清除切屑，否則，會因切屑而影響定位精度，而且切屑還會損壞工件的定位基面。再由工序簡圖可知，支架底面槽與側(cè)面有尺寸要求，同時又對稱布置在底面上，因此選取孔和側(cè)面組合定位，采用短銷大平面的定位心軸來定位，心軸與工件為間隙配合，限制了工件的 六點完全定位，增加夾緊的剛度，減少工件在加X?YZ?工時的沖擊，理論上 可以不限制，為了避免由于剛度不夠使工件出現(xiàn)斷裂，也滿足了工件的加工要求，采用六點完全定位。夾緊方安如圖所示揚州職業(yè)大學(xué)- 24 -槽-123.2圖２.２ 3 、 對定裝置的選擇在進行機床夾具總體設(shè)計時，還要考慮夾具在機床上的定位和固定，才能保證夾具（含工件）相對于機床主軸（或刀具）機床運動導(dǎo)軌由準(zhǔn)確的位置和方向。夾具在機床上的定位有兩種基本方式，一種是安裝在機床工作臺上，如銑床刨床和鏜床夾具，另一種是安裝在機床主軸上，如車床夾具。銑床類夾具，夾具體底面是夾具的主要基準(zhǔn)面，要求底面經(jīng)過比較精密加工，夾具的各定位元件相對于此底平面應(yīng)有較高的位置精度要求。為了保證夾具具有相對切削運動的準(zhǔn)確的方向，夾具體底平面的對稱中心線上開有定向鍵槽，安裝上兩個定向鍵，家具靠著兩個定向鍵定位在工作臺面中心線上的 T 形槽內(nèi)，采用良好配合，一般揚州職業(yè)大學(xué)- 25 -選為 H7/h6，再用 T 形槽螺釘固定夾具。4 、夾緊裝置的確定和選擇本道序加工為采用立式銑刀加工槽，工件主要承受軸向銑削力，同時由銑床夾具結(jié)構(gòu)特點可知，在設(shè)計夾緊機構(gòu)時，我們綜合考慮了加緊力以及加緊方式的合理性以及夾具設(shè)計的要求，同時為了防止工件在加工過程中因振動而松動，夾緊裝置要有足夠的夾緊力和自鎖能力，所以選則基本的加緊機構(gòu)圓偏心機構(gòu)。采用偏心的擴力和自鎖性能實現(xiàn)夾緊作用的機構(gòu)，它具有夾緊動作迅速操作方便的特點，同時配以螺栓和夾緊螺釘輔助夾緊。由于采用圓偏心夾緊機構(gòu)，則圓偏心夾緊力由《金屬切削機床夾具設(shè)計手冊》查得圓偏心夾緊機構(gòu)的加緊力為（2.4）??12tan()taQLW?????L — 手柄的長度（mm）Q — 作用于手柄上的力（取 80—100）— 回轉(zhuǎn)中心距夾緊點的距離，即回轉(zhuǎn)半徑（mm）?— 偏心輪上夾緊角的升角?— 偏心輪對夾緊表面的摩擦角，通常取 =8°30ˊ（此時 tan =0.15）1? 1?1?—偏心輪對回轉(zhuǎn)軸的摩擦角，通常取 =5°43ˊ（此時 tan=0.15）2 206306.47WN???5 、 夾具體結(jié)構(gòu)的擬定夾具的結(jié)構(gòu)形式在很大程度上取決于定位裝置和夾緊裝置及其元件的結(jié)構(gòu)和布置。為使夾具結(jié)構(gòu)緊湊，保證夾具之機床上安裝穩(wěn)定，并使工件的加工表面盡可能靠近工作臺面，降低夾具重心，夾具體的高度比應(yīng)限制在 H/B≤1—1.25 范圍內(nèi)。此外，還要設(shè)計耳座。同時由于工件形狀不復(fù)雜，且比較規(guī)則，夾緊選用夾緊，故選擇鑄造夾具體為主，在中間最遠距離處裝有兩個定向鍵，用以確定夾具和刀具的正確位置。 6、繪制夾具裝配總圖此銑床夾具裝配總圖上將定位元件，支承，導(dǎo)向，對刀，夾緊元件，以及輔助支承，與夾具體的聯(lián)接表達清楚，裝配總圖中的定位襯套與夾具體采用過度配合，本道揚州職業(yè)大學(xué)- 26 -夾具中首先采用定位心軸定位采用螺母夾緊，同時采用偏心夾緊機構(gòu)通過壓板來夾緊工件，對刀塊對稱放置，裝配調(diào)整的整體位置最后用螺釘緊定7、 標(biāo)注尺寸和公差配合定向鍵與 T 型槽配合 H7/h6定位銷與工件基準(zhǔn)孔配合 H7/h6 間隙配合固定支承釘定位銷配合精度 H7/n6 過渡配合定位心軸的定位基面一般按 h6 制造3 量具的設(shè)計