汽車變速箱加工工藝及夾具設(shè)計(jì)-變速箱外殼箱體夾具【含CAD圖紙、文檔全套】【GJ系列】

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2005 年4 月5 日指導(dǎo)教師:陳廣凌 (簽名)指導(dǎo)教師:張彥博 (簽名)完成任務(wù)日期:2005 年6 月17 日學(xué)生:李尚勤 (簽名)夾具夾緊力的優(yōu)化及對(duì)工件定位精度的影響B(tài).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 11 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。12 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=1，2L）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(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(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61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108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)。2、W. Cai, S. J. Hu 和J. X. Yuan .“柔性鈑金夾具：原理，算法和模擬”，交易美國(guó)ASME，制造科學(xué)與工程雜志 ：1996 318-324頁(yè)。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)。4、R. J. Menassa 和V. R. DeVries.“適用于選拔夾具設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法，美國(guó)ASME工業(yè)工程雜志：113 、 412-414，1991。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：207214頁(yè), 19957、“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)：1991，320327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 ：199413、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： 325331頁(yè), 1996。攀枝花學(xué)院Panzhihua University本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）文獻(xiàn)綜述院 （系）： 機(jī)電工程學(xué)院 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化班 級(jí)： 機(jī)制自動(dòng)化一班 學(xué)生姓名： 伍鋼 學(xué) 號(hào): 200310621004 2007 年 4 月 26 日XXXXX學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告設(shè)計(jì)（論文）名稱汽車變速箱加工工藝及夾具設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)（論文）類型指導(dǎo)教師學(xué)生姓名學(xué)號(hào)院、專業(yè)、班級(jí)一、選題依據(jù)（簡(jiǎn)述研究現(xiàn)狀或生產(chǎn)需求情況，說(shuō)明該設(shè)計(jì)（論文）目的意義）制造業(yè)特別是機(jī)械制造業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，現(xiàn)代制造業(yè)正在改變著人們的生產(chǎn)方式、生活方式、經(jīng)營(yíng)管理模式乃至社會(huì)的組織結(jié)構(gòu)和文化。由于中國(guó)潛在的巨大市場(chǎng)和豐富的勞動(dòng)力資源，世界的制造業(yè)正在向中國(guó)轉(zhuǎn)移，中國(guó)正在成為世界的制造大國(guó). 現(xiàn)代制造技術(shù)是以傳統(tǒng)制造技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等現(xiàn)代高新技術(shù)交叉融合的結(jié)果，是一個(gè)集機(jī)械、電子、信息、材料與管理技術(shù)于一體的新型交叉學(xué)科，它使制造技術(shù)的技術(shù)內(nèi)涵和水平發(fā)生了質(zhì)的變化。我所選擇的題目就是通過(guò)優(yōu)化工藝和設(shè)計(jì)專業(yè)夾具來(lái)達(dá)到提高生產(chǎn)率和減小加工誤差的目的，這一課題可以把我三年來(lái)學(xué)到的機(jī)械制造知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐也是對(duì)我學(xué)習(xí)的一次檢驗(yàn)。二、設(shè)計(jì)（論文研究）思路及工作方法（1）零件的工藝分析，毛坯的選擇；主要表面和定位基準(zhǔn)的選擇；主要表面的加工；次要表面的加工（2）確定零件的工藝規(guī)程（3）鉆模的設(shè)計(jì)（4）夾具裝配圖與零件圖的設(shè)計(jì)（5）撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（6）答辯三、設(shè)計(jì)（論文研究）任務(wù)完成的階段內(nèi)容及時(shí)間安排X月XX號(hào)開始進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)、熟悉題目及要求X月XX號(hào)設(shè)計(jì)資料的收集及借閱X月XX號(hào)分析研究所得到的設(shè)計(jì)資料X月XX號(hào)方案設(shè)計(jì)、比較X月XX號(hào)設(shè)計(jì)方案實(shí)施（設(shè)計(jì)、計(jì)算等）X月XX號(hào)設(shè)計(jì)、論文整理及修改X月XX號(hào)畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯指導(dǎo)教師意見指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日教研室畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作組審核意見難度分量綜合訓(xùn)練程度教研室主任： 年 月 日設(shè)計(jì)（論文）類型：A理論研究；B應(yīng)用研究；C軟件設(shè)計(jì)；D-其它等。攀枝花學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）摘要本設(shè)計(jì)是汽車變速箱箱體零件的加工工藝規(guī)程及一些工序的專用夾具設(shè)計(jì)。汽車變速箱箱體零件的主要加工表面是平面及孔系。一般來(lái)說(shuō)，保證平面的加工精度要比保證孔系的加工精度容易。因此，本設(shè)計(jì)遵循先面后孔的原則。并將孔與平面的加工明確劃分成粗加工和精加工階段以保證孔系加工精度。基準(zhǔn)選擇以變速箱箱體的輸入軸和輸出軸的支承孔作為粗基準(zhǔn)，以頂面與兩個(gè)工藝孔作為精基準(zhǔn)。主要加工工序安排是先以支承孔系定位加工出頂平面，再以頂平面與支承孔系定位加工出工藝孔。在后續(xù)工序中除個(gè)別工序外均用頂平面和工藝孔定位加工其他孔系與平面。支承孔系的加工采用的是坐標(biāo)法鏜孔。整個(gè)加工過(guò)程均選用組合機(jī)床。夾具選用專用夾具，夾緊方式多選用氣動(dòng)夾緊，夾緊可靠，機(jī)構(gòu)可以不必自鎖。因此生產(chǎn)效率較高。適用于大批量、流水線上加工。能夠滿足設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵詞：變速箱；加工工藝；專用夾具AbstractThe design is about the special-purpose clamping apparatus of the machining technology process and some working procedures of the car gearbox parts. The main machining surface of the car gearbox parts is the plane and a series of hole. Generally speaking, to guarantee the working accuracy of the plane is easier than to guarantee the holes. So the design follows the principle of plane first and hole second. And in order to guarantee the working accuracy of the series of hole, the machining of the hole and the plane is clearly divided into rough machining stage and finish machining stage. The supporting hole of the input bearing and output bearing is as the rough datum. And the top area and two technological holes are as the finish datum. The main process of machining technology is that first, the series of supporting hole fix and machine the top plane, and then the top plane and the series of supporting hole fix and machine technological hole. In the follow-up working procedure, all working procedures except several special ones fix and machine other series of hole and plane by using the top plane and technological hole. The machining way of the series of supporting hole is to bore hole by coordinate. The combination machine tool and special-purpose clamping apparatus are used in the whole machining process. The clamping way is to clamp by pneumatic and is very helpful. The instruction does not have to lock by itself. So the product efficiency is high. It is applicable for mass working and machining in assembly line. It can meet the design requirements.Key words: Gearbox; machining technology; special-purpose clamping apparatus 目 錄第一章 汽車變速箱加工工藝規(guī)程設(shè)計(jì) (1)1.1零件的分析 (1)1.1.1零件的作用(1)1.1.2零件的工藝分析(1)1.2變速箱箱體加工的主要問(wèn)題和工藝過(guò)程設(shè)計(jì)所應(yīng)采取的相應(yīng)措施 (2)1.2.1孔和平面的加工順序(2)1.2.2孔系加工方案選擇(2)1.3變速箱箱體加工定位基準(zhǔn)的選擇(5)1.3.1粗基準(zhǔn)的選擇(5)1.3.2精基準(zhǔn)的選擇(5)1.4變速箱箱體加工主要工序安排(5)1.5機(jī)械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的確定(7)1.6確定切削用量及基本工時(shí)（機(jī)動(dòng)時(shí)間）(12)1.7時(shí)間定額計(jì)算及生產(chǎn)安排(33)附表1：機(jī)械加工工藝規(guī)程綜合卡片(41)第二章 專用夾具設(shè)計(jì)(47)2.1加工工藝孔夾具設(shè)計(jì)(47)2.1.1定位基準(zhǔn)的選擇(47)2.1.2切削力的計(jì)算與夾緊力分析(47)2.1.3夾緊元件及動(dòng)力裝置確定(48)2.1.4鉆套、襯套、鉆模板及夾具體設(shè)計(jì)(49)2.1.5夾具精度分析(51)2.1.6夾具設(shè)計(jì)及操作的簡(jiǎn)要說(shuō)明(52)2.2粗銑前后端面夾具設(shè)計(jì)(53)2.2.1定位基準(zhǔn)的選擇(53)2.2.2定位元件的設(shè)計(jì)(53)2.2.3定位誤差分析(55)2.2.4銑削力與夾緊力計(jì)算(55)2.2.5定向鍵與對(duì)刀裝置設(shè)計(jì)(56)2.2.6夾緊裝置及夾具體設(shè)計(jì)(57)2.2.7夾具設(shè)計(jì)及操作的簡(jiǎn)要說(shuō)明(59)結(jié)束語(yǔ)(59)參考文獻(xiàn)(60)致 謝(61)附件1：畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書(62)附件2：畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)(64)附件3：畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)評(píng)閱人評(píng)語(yǔ)(65)附件4：畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)答辯小組評(píng)語(yǔ)(66)外國(guó)文獻(xiàn)翻譯(67) V文獻(xiàn)綜述：撥叉C的加工工藝及其夾具設(shè)計(jì)1 前言?shī)A具設(shè)計(jì)作為高等工科院校教學(xué)的基本訓(xùn)練科目，在畢業(yè)設(shè)計(jì)中占極其重要的位置。夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在加深我們對(duì)課程基本理論的理解和加強(qiáng)對(duì)解決工程實(shí)際問(wèn)題能力的培養(yǎng)方面發(fā)揮著極其重要的作用。因此，選擇撥叉的夾具設(shè)計(jì)能很好的綜合考查我們大學(xué)四年來(lái)所學(xué)知識(shí)。本次所選設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括：撥叉C工藝路線的確定，夾具方案的優(yōu)選，各種圖紙的繪制，設(shè)計(jì)說(shuō)明書的編寫等。本次綜述的目的就是分析研究夾具在國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及撥叉類夾具的發(fā)展趨勢(shì)。夾具是工藝裝備的主要組合部分，在機(jī)械制造中占有重要地位，夾具對(duì)保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)率，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期等都具有重要意義。隨著先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，傳統(tǒng)的夾具設(shè)計(jì)方式已成為企業(yè)中產(chǎn)品快速上市的瓶頸，企業(yè)迫切需要提高夾具設(shè)計(jì)的效率。目前，大批量生產(chǎn)正逐漸成為現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)新的生產(chǎn)模式。在這種模式中，要求加工機(jī)床和夾具裝備具有更好的柔性，以縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間、降低生產(chǎn)成本，所以，按手動(dòng)夾緊的方法已不能滿足生產(chǎn)發(fā)展的要求，而氣動(dòng)、液壓夾緊等夾具正是適應(yīng)這一生產(chǎn)模式的工裝設(shè)備。它對(duì)縮短工藝裝備的設(shè)計(jì)、制造周期起到至關(guān)重要的作用。國(guó)外為了適應(yīng)這種生產(chǎn)模式,也把柔性制造系統(tǒng)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。2 正文今日五金網(wǎng)站一篇關(guān)于機(jī)床夾具發(fā)展趨勢(shì)的文章上指出，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，夾具的通用性直接影響其經(jīng)濟(jì)性。采用模塊、組合式的夾具系統(tǒng)，一次性投資比較大，只有夾具系統(tǒng)的可重組性、可重構(gòu)性及可擴(kuò)展性功能強(qiáng)，應(yīng)用范圍廣，通用性好，夾具利用率高，收回投資快，才能體現(xiàn)出經(jīng)濟(jì)性好。同時(shí)也指出，為了提高機(jī)床的生產(chǎn)效率，雙面、四面和多件裝夾的夾具產(chǎn)品越來(lái)越多。為了減少工件的安裝時(shí)間，各種自動(dòng)定心夾緊、精密平口鉗、杠桿夾緊、凸輪夾緊、氣動(dòng)和液壓夾緊等，快速夾緊功能部件不斷地推陳出新。新型的電控永磁夾具，加緊和松開工件只用12秒，夾具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，為機(jī)床進(jìn)行多工位、多面和多件加工創(chuàng)造了條件。河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)2002年05期夾具設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展綜述一文中提到， 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，和社會(huì)市場(chǎng)需要，夾具的設(shè)計(jì)在逐步的超向柔性制造系統(tǒng)方向發(fā)展。迄今為止,夾具仍是機(jī)電產(chǎn)品制造中必不可缺的四大工具之一,刀具本身已高度標(biāo)準(zhǔn)化,用戶只需要按品種、規(guī)格選用采購(gòu)。而模具和夾具則和產(chǎn)品息息相關(guān),產(chǎn)品一有變化就需重新制作,通常是屬于專用性質(zhì)的工具,模具已發(fā)展成為獨(dú)立的行業(yè);夾具在國(guó)內(nèi)外也正在逐漸形成一個(gè)依附于機(jī)床業(yè)或獨(dú)立的小行業(yè)。 組合夾具不僅具有標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、組合化等當(dāng)代先進(jìn)設(shè)計(jì)思想,又符合節(jié)約資源的原則,更適合綠色制造的環(huán)境保護(hù)原理。所以是今后夾具技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向單位。 同時(shí)在夾具設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)于被加工零件的定位、夾緊等主要問(wèn)題,設(shè)計(jì)人員一般都會(huì)考慮的比較周全，但是，夾具設(shè)計(jì)還經(jīng)常會(huì)遇到一些小問(wèn)題，這些小問(wèn)題如果處理不好，也會(huì)給夾具的使用造成許多不便，甚至?xí)绊懙焦ぜ募庸ぞ?。隨著機(jī)械工業(yè)的迅速發(fā)展，對(duì)產(chǎn)品的品種和生產(chǎn)率提出了愈來(lái)愈高的要求，使多品種，中小批生產(chǎn)作為機(jī)械生產(chǎn)的主流，為了適應(yīng)機(jī)械生產(chǎn)的這種發(fā)展趨勢(shì)，必然對(duì)機(jī)床夾具提出更高的要求。綜合以上參考資料它主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：2.1 加強(qiáng)機(jī)床夾具的三化工作 為了加速新產(chǎn)品的投產(chǎn)，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)工作，加速工藝裝備的準(zhǔn)備工作，以獲得良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果，必須重視機(jī)床夾具的標(biāo)準(zhǔn)化，系列化和通用化工作。2.2 大力研制推廣實(shí)用新型機(jī)床夾具 在單件，小批生產(chǎn)或新產(chǎn)品試制中，應(yīng)推廣使用組合夾具和半組合夾具。在多品種，中小批生產(chǎn)中，應(yīng)大力推廣使用可調(diào)夾具，尤其是成組夾具。2.3 提高夾具的機(jī)械化，自動(dòng)化水平 近十幾年來(lái)，高效，自動(dòng)化夾具得到了迅速的發(fā)展。主要原因是由于數(shù)控機(jī)床，組合機(jī)床及其它高效自動(dòng)化機(jī)床的出現(xiàn)，要求夾具能適應(yīng)機(jī)床的要求，才能更好的發(fā)揮機(jī)床的作用。3 總結(jié)利用更好的夾具，可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，提高加工精度，減少?gòu)U品，可以擴(kuò)大機(jī)床的工藝范圍，改善操作的勞動(dòng)條件。因此，夾具是機(jī)械制造中的一項(xiàng)重要的工藝裝備。一個(gè)好的夾具是加工出合格產(chǎn)品的首要條件，為了讓夾具有更好的發(fā)展，夾具行業(yè)應(yīng)加強(qiáng)產(chǎn)、學(xué)、研協(xié)作的力度，加快用高新技術(shù)改造和提升夾具技術(shù)水平的步伐，創(chuàng)建夾具專業(yè)技術(shù)網(wǎng)站，充分利用現(xiàn)代信息和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，與時(shí)俱進(jìn)地創(chuàng)新和發(fā)展夾具技術(shù)。主動(dòng)與國(guó)外夾具廠商聯(lián)系，爭(zhēng)取合資與合作，引進(jìn)技術(shù)，這是改造和發(fā)展我國(guó)夾具行業(yè)較為行之有效的途徑。參 考 文 獻(xiàn)1李旦等機(jī)床專用夾具圖冊(cè)M，哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，20052機(jī)床夾具發(fā)展趨勢(shì)，今日五金網(wǎng) http:/china.hardwaretoday.com/china/exhibition_info.do?ID=170673張龍勛機(jī)械制造工藝學(xué)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書M.，北京:機(jī)械工業(yè)出版社，19934李德紅等夾具設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展綜述J，河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)2002年05期5朱耀祥夾具發(fā)展綜述J，機(jī)電產(chǎn)品市場(chǎng)2002年05期6王啟平機(jī)床夾具設(shè)計(jì)M，哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1988.7林文煥，陳本通機(jī)床夾具設(shè)計(jì)M，北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1987.8邱宣懷機(jī)械設(shè)計(jì)第四版M，北京：高等教育出版社，19979柯明揚(yáng)機(jī)械制造工藝學(xué)M，北京：北京航天航空大學(xué)出版社，1995第一章 汽車變速箱加工工藝規(guī)程設(shè)計(jì)1.1零件的分析1.1.1零件的作用1.1.2零件的工藝分析1.2變速箱箱體加工的主要問(wèn)題和工藝過(guò)程設(shè)計(jì)所應(yīng)采取的相應(yīng)措施1.2.1孔和平面的加工順序1.2.2孔系加工方案選擇1.3變速箱箱體加工定位基準(zhǔn)的選擇1.3.1粗基準(zhǔn)的選擇1.3.2精基準(zhǔn)的選擇1.4變速箱箱體加工主要工序安排1.5機(jī)械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的確定1.6確定切削用量及基本工時(shí)（機(jī)動(dòng)時(shí)間）1.7時(shí)間定額計(jì)算及生產(chǎn)安排第二章 專用夾具設(shè)計(jì)2.1加工工藝孔夾具設(shè)計(jì)2.1.1定位基準(zhǔn)的選擇2.1.2切削力的計(jì)算與夾緊力分析2.1.3夾緊元件及動(dòng)力裝置確定2.1.4鉆套、襯套、鉆模板及夾具體設(shè)計(jì)2.1.5夾具精度分析2.1.6夾具設(shè)計(jì)及操作的簡(jiǎn)要說(shuō)明2.2粗銑前后端面夾具設(shè)計(jì)2.2.1定位基準(zhǔn)的選擇2.2.2定位元件的設(shè)計(jì)2.2.3定位誤差分析2.2.4銑削力與夾緊力計(jì)算2.2.5定向鍵與對(duì)刀裝置設(shè)計(jì)2.2.6夾緊裝置及夾具體設(shè)計(jì)2.2.7夾具設(shè)計(jì)及操作的簡(jiǎn)要說(shuō)明參考文獻(xiàn)致 謝攀枝花學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）附件1：外語(yǔ)文獻(xiàn)翻譯摘自: 制造工程與技術(shù)（機(jī)加工）（英文版） Manufacturing Engineering and TechnologyMachining 機(jī)械工業(yè)出版社 2004年3月第1版 美 s. 卡爾帕基安(Serope kalpakjian) s.r 施密德(Steven R.Schmid) 著原文：20.9 MACHINABILITYThe machinability of a material usually defined in terms of four factors:1、 Surface finish and integrity of the machined part;2、 Tool life obtained;3、 Force and power requirements;4、 Chip control. Thus, good machinability good surface finish and integrity, long tool life, and low force And power requirements. As for chip control, long and thin (stringy) cured chips, if not broken up, can severely interfere with the cutting operation by becoming entangled in the cutting zone.Because of the complex nature of cutting operations, it is difficult to establish relationships that quantitatively define the machinability of a material. In manufacturing plants, tool life and surface roughness are generally considered to be the most important factors in machinability. Although not used much any more, approximate machinability ratings are available in the example below.20.9.1 Machinability Of SteelsBecause steels are among the most important engineering materials (as noted in Chapter 5), their machinability has been studied extensively. The machinability of steels has been mainly improved by adding lead and sulfur to obtain so-called free-machining steels.Resulfurized and Rephosphorized steels. Sulfur in steels forms manganese sulfide inclusions (second-phase particles), which act as stress raisers in the primary shear zone. As a result, the chips produced break up easily and are small; this improves machinability. The size, shape, distribution, and concentration of these inclusions significantly influence machinability. Elements such as tellurium and selenium, which are both chemically similar to sulfur, act as inclusion modifiers in resulfurized steels.Phosphorus in steels has two major effects. It strengthens the ferrite, causing increased hardness. Harder steels result in better chip formation and surface finish. Note that soft steels can be difficult to machine, with built-up edge formation and poor surface finish. The second effect is that increased hardness causes the formation of short chips instead of continuous stringy ones, thereby improving machinability.Leaded Steels. A high percentage of lead in steels solidifies at the tip of manganese sulfide inclusions. In non-resulfurized grades of steel, lead takes the form of dispersed fine particles. Lead is insoluble in iron, copper, and aluminum and their alloys. Because of its low shear strength, therefore, lead acts as a solid lubricant (Section 32.11) and is smeared over the tool-chip interface during cutting. This behavior has been verified by the presence of high concentrations of lead on the tool-side face of chips when machining leaded steels.When the temperature is sufficiently high-for instance, at high cutting speeds and feeds (Section 20.6)the lead melts directly in front of the tool, acting as a liquid lubricant. In addition to this effect, lead lowers the shear stress in the primary shear zone, reducing cutting forces and power consumption. Lead can be used in every grade of steel, such as 10xx, 11xx, 12xx, 41xx, etc. Leaded steels are identified by the letter L between the second and third numerals (for example, 10L45). (Note that in stainless steels, similar use of the letter L means “l(fā)ow carbon,” a condition that improves their corrosion resistance.)However, because lead is a well-known toxin and a pollutant, there are serious environmental concerns about its use in steels (estimated at 4500 tons of lead consumption every year in the production of steels). Consequently, there is a continuing trend toward eliminating the use of lead in steels (lead-free steels). Bismuth and tin are now being investigated as possible substitutes for lead in steels.Calcium-Deoxidized Steels. An important development is calcium-deoxidized steels, in which oxide flakes of calcium silicates (CaSo) are formed. These flakes, in turn, reduce the strength of the secondary shear zone, decreasing tool-chip interface and wear. Temperature is correspondingly reduced. Consequently, these steels produce less crater wear, especially at high cutting speeds.Stainless Steels. Austenitic (300 series) steels are generally difficult to machine. Chatter can be s problem, necessitating machine tools with high stiffness. However, ferritic stainless steels (also 300 series) have good machinability. Martensitic (400 series) steels are abrasive, tend to form a built-up edge, and require tool materials with high hot hardness and crater-wear resistance. Precipitation-hardening stainless steels are strong and abrasive, requiring hard and abrasion-resistant tool materials.The Effects of Other Elements in Steels on Machinability. The presence of aluminum and silicon in steels is always harmful because these elements combine with oxygen to form aluminum oxide and silicates, which are hard and abrasive. These compounds increase tool wear and reduce machinability. It is essential to produce and use clean steels.Carbon and manganese have various effects on the machinability of steels, depending on their composition. Plain low-carbon steels (less than 0.15% C) can produce poor surface finish by forming a built-up edge. Cast steels are more abrasive, although their machinability is similar to that of wrought steels. Tool and die steels are very difficult to machine and usually require annealing prior to machining. Machinability of most steels is improved by cold working, which hardens the material and reduces the tendency for built-up edge formation.Other alloying elements, such as nickel, chromium, molybdenum, and vanadium, which improve the properties of steels, generally reduce machinability. The effect of boron is negligible. Gaseous elements such as hydrogen and nitrogen can have particularly detrimental effects on the properties of steel. Oxygen has been shown to have a strong effect on the aspect ratio of the manganese sulfide inclusions; the higher the oxygen content, the lower the aspect ratio and the higher the machinability.In selecting various elements to improve machinability, we should consider the possible detrimental effects of these elements on the properties and strength of the machined part in service. At elevated temperatures, for example, lead causes embrittlement of steels (liquid-metal embrittlement, hot shortness; see Section 1.4.3), although at room temperature it has no effect on mechanical properties.Sulfur can severely reduce the hot workability of steels, because of the formation of iron sulfide, unless sufficient manganese is present to prevent such formation. At room temperature, the mechanical properties of resulfurized steels depend on the orientation of the deformed manganese sulfide inclusions (anisotropy). Rephosphorized steels are significantly less ductile, and are produced solely to improve machinability.20.9.2 Machinability of Various Other Metals Aluminum is generally very easy to machine, although the softer grades tend to form a built-up edge, resulting in poor surface finish. High cutting speeds, high rake angles, and high relief angles are recommended. Wrought aluminum alloys with high silicon content and cast aluminum alloys may be abrasive; they require harder tool materials. Dimensional tolerance control may be a problem in machining aluminum, since it has a high thermal coefficient of expansion and a relatively low elastic modulus.Beryllium is similar to cast irons. Because it is more abrasive and toxic, though, it requires machining in a controlled environment.Cast gray irons are generally machinable but are. Free carbides in castings reduce their machinability and cause tool chipping or fracture, necessitating tools with high toughness. Nodular and malleable irons are machinable with hard tool materials.Cobalt-based alloys are abrasive and highly work-hardening. They require sharp, abrasion-resistant tool materials and low feeds and speeds.Wrought copper can be difficult to machine because of built-up edge formation, although cast copper alloys are easy to machine. Brasses are easy to machine, especially with the addition pf lead (leaded free-machining brass). Bronzes are more difficult to machine than brass.Magnesium is very easy to machine, with good surface finish and prolonged tool life. However care should be exercised because of its high rate of oxidation and the danger of fire (the element is pyrophoric).Molybdenum is ductile and work-hardening, so it can produce poor surface finish. Sharp tools are necessary.Nickel-based alloys are work-hardening, abrasive, and strong at high temperatures. Their machinability is similar to that of stainless steels.Tantalum is very work-hardening, ductile, and soft. It produces a poor surface finish; tool wear is high.Titanium and its alloys have poor thermal conductivity (indeed, the lowest of all metals), causing significant temperature rise and built-up edge; they can be difficult to machine.Tungsten is brittle, strong, and very abrasive, so its machinability is low, although it greatly improves at elevated temperatures.Zirconium has good machinability. It requires a coolant-type cutting fluid, however, because of the explosion and fire.20.9.3 Machinability of Various MaterialsGraphite is abrasive; it requires hard, abrasion-resistant, sharp tools.Thermoplastics generally have low thermal conductivity, low elastic modulus, and low softening temperature. Consequently, machining them requires tools with positive rake angles (to reduce cutting forces), large relief angles, small depths of cut and feed, relatively high speeds, and proper support of the workpiece. Tools should be sharp.External cooling of the cutting zone may be necessary to keep the chips from becoming “gummy” and sticking to the tools. Cooling can usually be achieved with a jet of air, vapor mist, or water-soluble oils. Residual stresses may develop during machining. To relieve these stresses, machined parts can be annealed for a period of time at temperatures ranging from to (to), and then cooled slowly and uniformly to room temperature.Thermosetting plastics are brittle and sensitive to thermal gradients during cutting. Their machinability is generally similar to that of thermoplastics.Because of the fibers present, reinforced plastics are very abrasive and are difficult to machine. Fiber tearing, pulling, and edge delamination are significant problems; they can lead to severe reduction in the load-carrying capacity of the component. Furthermore, machining of these materials requires careful removal of machining debris to avoid contact with and inhaling of the fibers.The machinability of ceramics has improved steadily with the development of nanoceramics (Section 8.2.5) and with the selection of appropriate processing parameters, such as ductile-regime cutting (Section 22.4.2).Metal-matrix and ceramic-matrix composites can be difficult to machine, depending on the properties of the individual components, i.e., reinforcing or whiskers, as well as the matrix material.20.9.4 Thermally Assisted MachiningMetals and alloys that are difficult to machine at room temperature can be machined more easily at elevated temperatures. In thermally assisted machining (hot machining), the source of heata torch, induction coil, high-energy beam (such as laser or electron beam), or plasma arcis forces, (b) increased tool life, (c) use of inexpensive cutting-tool materials, (d) higher material-removal rates, and (e) reduced tendency for vibration and chatter.It may be difficult to heat and maintain a uniform temperature distribution within the workpiece. Also, the original microstructure of the workpiece may be adversely affected by elevated temperatures. Most applications of hot machining are in the turning of high-strength metals and alloys, although experiments are in progress to machine ceramics such as silicon nitride. SUMMARYMachinability is usually defined in terms of surface finish, tool life, force and power requirements, and chip control. Machinability of materials depends not only on their intrinsic properties and microstructure, but also on proper selection and control of process variables.譯文：20.9 可機(jī)加工性一種材料的可機(jī)加工性通常以四種因素的方式定義：1、 分的表面光潔性和表面完整性。2、刀具的壽命。3、切削力和功率的需求。4、切屑控制。以這種方式，好的可機(jī)加工性指的是好的表面光潔性和完整性，長(zhǎng)的刀具壽命，低的切削力和功率需求。關(guān)于切屑控制，細(xì)長(zhǎng)的卷曲切屑，如果沒(méi)有被切割成小片，以在切屑區(qū)變的混亂，纏在一起的方式能夠嚴(yán)重的介入剪切工序。因?yàn)榧羟泄ば虻膹?fù)雜屬性，所以很難建立定量地釋義材料的可機(jī)加工性的關(guān)系。在制造廠里，刀具壽命和表面粗糙度通常被認(rèn)為是可機(jī)加工性中最重要的因素。盡管已不再大量的被使用，近乎準(zhǔn)確的機(jī)加工率在以下的例子中能夠被看到。20.9.1 鋼的可機(jī)加工性因?yàn)殇撌亲钪匾墓こ滩牧现唬ㄕ绲?章所示），所以他們的可機(jī)加工性已經(jīng)被廣泛地研究過(guò)。通過(guò)宗教鉛和硫磺，鋼的可機(jī)加工性已經(jīng)大大地提高了。從而得到了所謂的易切削鋼。二次硫化鋼和二次磷化鋼 硫在鋼中形成硫化錳夾雜物（第二相粒子），這些夾雜物在第一剪切區(qū)引起應(yīng)力。其結(jié)果是使切屑容易斷開而變小，從而改善了可加工性。這些夾雜物的大小、形狀、分布和集中程度顯著的影響可加工性?；瘜W(xué)元素如碲和硒，其化學(xué)性質(zhì)與硫類似，在二次硫化鋼中起夾雜物改性作用。鋼中的磷有兩個(gè)主要的影響。它加強(qiáng)鐵素體，增加硬度。越硬的鋼，形成更好的切屑形成和表面光潔性。需要注意的是軟鋼不適合用于有積屑瘤形成和很差的表面光潔性的機(jī)器。第二個(gè)影響是增加的硬度引起短切屑而不是不斷的細(xì)長(zhǎng)的切屑的形成，因此提高可加工性。含鉛的鋼 鋼中高含量的鉛在硫化錳夾雜物尖端析出。在非二次硫化鋼中，鉛呈細(xì)小而分散的顆粒。鉛在鐵、銅、鋁和它們的合金中是不能溶解的。因?yàn)樗牡涂辜魪?qiáng)度。因此，鉛充當(dāng)固體潤(rùn)滑劑并且在切削時(shí)，被涂在刀具和切屑的接口處。這一特性已經(jīng)被在機(jī)加工鉛鋼時(shí)，在切屑的刀具面表面有高濃度的鉛的存在所證實(shí)。當(dāng)溫度足夠高時(shí)例如，在高的切削速度和進(jìn)刀速度下鉛在刀具前直接熔化，并且充當(dāng)液體潤(rùn)滑劑。除了這個(gè)作用，鉛降低第一剪切區(qū)中的剪應(yīng)力，減小切削力和功率消耗。鉛能用于各種鋼號(hào)，例如10XX，11XX，12XX，41XX等等。鉛鋼被第二和第三數(shù)碼中的字母L所識(shí)別（例如，10L45）。（需要注意的是在不銹鋼中，字母L的相同用法指的是低碳，提高它們的耐蝕性的條件）。然而，因?yàn)殂U是有名的毒素和污染物，因此在鋼的使用中存在著嚴(yán)重的環(huán)境隱患（在鋼產(chǎn)品中每年大約有4500噸的鉛消耗）。結(jié)果，對(duì)于估算鋼中含鉛量的使用存在一個(gè)持續(xù)的趨勢(shì)。鉍和錫現(xiàn)正作為鋼中的鉛最可能的替代物而被人們所研究。脫氧鈣鋼 一個(gè)重要的發(fā)展是脫氧鈣鋼，在脫氧鈣鋼中矽酸鈣鹽中的氧化物片的形成。這些片狀，依次減小第二剪切區(qū)中的力量，降低刀具和切屑接口處的摩擦和磨損。溫度也相應(yīng)地降低。結(jié)果，這些鋼產(chǎn)生更小的月牙洼磨損，特別是在高切削速度時(shí)更是如此。不銹鋼 奧氏體鋼通常很難機(jī)加工。振動(dòng)能成為一個(gè)問(wèn)題，需要有高硬度的機(jī)床。然而，鐵素體不銹鋼有很好的可機(jī)加工性。馬氏體鋼易磨蝕，易于形成積屑瘤，并且要求刀具材料有高的熱硬度和耐月牙洼磨損性。經(jīng)沉淀硬化的不銹鋼強(qiáng)度高、磨蝕性強(qiáng)，因此要求刀具材料硬而耐磨。鋼中其它元素在可機(jī)加工性方面的影響 鋼中鋁和矽的存在總是有害的，因?yàn)檫@些元素結(jié)合氧會(huì)生成氧化鋁和矽酸鹽，而氧化鋁和矽酸鹽硬且具有磨蝕性。這些化合物增加刀具磨損，降低可機(jī)加工性。因此生產(chǎn)和使用凈化鋼非常必要。根據(jù)它們的構(gòu)成，碳和錳鋼在鋼的可機(jī)加工性方面有不同的影響。低碳素鋼（少于0.15%的碳）通過(guò)形成一個(gè)積屑瘤能生成很差的表面光潔性。盡管鑄鋼的可機(jī)加工性和鍛鋼的大致相同，但鑄鋼具有更大的磨蝕性。刀具和模具鋼很難用于機(jī)加工，他們通常再煅燒后再機(jī)加工。大多數(shù)鋼的可機(jī)加工性在冷加工后都有所提高，冷加工能使材料變硬并且減少積屑瘤的形成。其它合金元素，例如鎳、鉻、鉗和釩，能提高鋼的特性，減小可機(jī)加工性。硼的影響可以忽視。氣態(tài)元素比如氫和氮在鋼的特性方面能有特別的有害影響。氧已經(jīng)被證明了在硫化錳夾雜物的縱橫比方面有很強(qiáng)的影響。越高的含氧量，就產(chǎn)生越低的縱橫比和越高的可機(jī)加工性。選擇各種元素以改善可加工性，我們應(yīng)該考慮到這些元素對(duì)已加工零件在使用中的性能和強(qiáng)度的不利影響。例如，當(dāng)溫度升高時(shí)，鋁會(huì)使鋼變脆（液體金屬脆化，熱脆化，見1.4.3節(jié)），盡管其在室溫下對(duì)力學(xué)性能沒(méi)有影響。因?yàn)榱蚧F的構(gòu)成，硫能嚴(yán)重的減少鋼的熱加工性，除非有足夠的錳來(lái)防止這種結(jié)構(gòu)的形成。在室溫下，二次磷化鋼的機(jī)械性能依賴于變形的硫化錳夾雜物的定位（各向異性）。二次磷化鋼具有更小的延展性，被單獨(dú)生成來(lái)提高機(jī)加工性。20.9.2 其它不同金屬的機(jī)加工性盡管越軟的品種易于生成積屑瘤，但鋁通常很容易被機(jī)加工，導(dǎo)致了很差的表面光潔性。高的切削速度，高的前角和高的后角都被推薦了。有高含量的矽的鍛鋁合金鑄鋁合金也許具有磨蝕性，它們要求更硬的刀具材料。尺寸公差控制也許在機(jī)加工鋁時(shí)會(huì)成為一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)樗信蛎浀母邔?dǎo)熱系數(shù)和相對(duì)低的彈性模數(shù)。鈹和鑄鐵相同。因?yàn)樗吣ノg性和毒性，盡管它要求在可控人工環(huán)境下進(jìn)行機(jī)加工?；诣T鐵普遍地可加工，但也有磨蝕性。鑄造無(wú)中的游離碳化物降低它們的可機(jī)加工性，引起刀具切屑或裂口。它需要具有強(qiáng)韌性的工具。具有堅(jiān)硬的刀具材料的球墨鑄鐵和韌性鐵是可加工的。鈷基合金有磨蝕性且高度加工硬化的。它們要求尖的且具有耐蝕性的刀具材料并且有低的走刀和速度。盡管鑄銅合金很容易機(jī)加工，但因?yàn)殄戙~的積屑瘤形成因而鍛銅很難機(jī)加工。黃銅很容易機(jī)加工，特別是有添加的鉛更容易。青銅比黃銅更難機(jī)加工。鎂很容易機(jī)加工，鎂既有很好的表面光潔性和長(zhǎng)久的刀具壽命。然而，因?yàn)楦叩难趸俣群突鸱N的危險(xiǎn)（這種元素易燃），因此我們應(yīng)該特別小心使用它。鉗易拉長(zhǎng)且加工硬化，因此它生成很差的表面光潔性。尖的刀具是很必要的。鎳基合金加工硬化，具有磨蝕性，且在高溫下非常堅(jiān)硬。它的可機(jī)加工性和不銹鋼相同。鉭非常的加工硬化，具有可延性且柔軟。它生成很差的表面光潔性且刀具磨損非常大。鈦和它的合金導(dǎo)熱性(的確，是所有金屬中最低的)，因此引起明顯的溫度升高和積屑瘤。它們是難機(jī)加工的。鎢易脆，堅(jiān)硬，且具有磨蝕性，因此盡管它的性能在高溫下能大大提高，但它的機(jī)加工性仍很低。鋯有很好的機(jī)加工性。然而，因?yàn)橛斜ê突鸱N的危險(xiǎn)性，它要求有一個(gè)冷卻性質(zhì)好的切削液。20.9.3 各種材料的機(jī)加工性石墨具有磨蝕性。它要求硬的、尖的，具有耐蝕性的刀具。塑性塑料通常有低的導(dǎo)熱性，低的彈性模數(shù)和低的軟化溫度。因此，機(jī)加工熱塑性塑料要求有正前角的刀具（以此降低切削力），還要求有大的后角，小的切削和走刀深的，相對(duì)高的速度和工件的正確支承。刀具應(yīng)該很尖。切削區(qū)的外部冷卻也許很必要，以此來(lái)防止切屑變的有黏性且粘在刀具上。有了空氣流，汽霧或水溶性油，通常就能實(shí)現(xiàn)冷卻。在機(jī)加工時(shí)，殘余應(yīng)力也許能生成并發(fā)展。為了解除這些力，已機(jī)加工的部分要在（）的溫度范圍內(nèi)冷卻一段時(shí)間，然而慢慢地?zé)o變化地冷卻到室溫。熱固性塑料易脆，并且在切削時(shí)對(duì)熱梯度很敏感。它的機(jī)加工性和熱塑性塑料的相同。因?yàn)槔w維的存在，加強(qiáng)塑料具有磨蝕性，且很難機(jī)加工。纖維的撕裂、拉出和邊界分層是非常嚴(yán)重的問(wèn)題。它們能導(dǎo)致構(gòu)成要素的承載能力大大下降。而且，這些材料的機(jī)加工要求對(duì)加工殘片仔細(xì)切除，以此來(lái)避免接觸和吸進(jìn)纖維。隨著納米陶瓷（見8.2.5節(jié)）的發(fā)展和適當(dāng)?shù)膮?shù)處理的選擇，例如塑性切削（見22.4.2節(jié)），陶瓷器的可機(jī)加工性已大大地提高了。金屬基復(fù)合材料和陶瓷基復(fù)合材料很能機(jī)加工，它們依賴于單獨(dú)的成分的特性，比如說(shuō)增強(qiáng)纖維或金屬須和基體材料。20.9.4 熱輔助加工在室溫下很難機(jī)加工的金屬和合金在高溫下能更容易地機(jī)加工。在熱輔助加工時(shí)（高溫切削），熱源一個(gè)火把，感應(yīng)線圈，高能束流（例如雷射或電子束），或等離子弧被集中在切削刀具前的一塊區(qū)域內(nèi)。好處是：（a）低的切削力。（b）增加的刀具壽命。（c）便宜的切削刀具材料的使用。（d）更高的材料切除率。（e）減少振動(dòng)。也許很難在工件內(nèi)加熱和保持一個(gè)不變的溫度分布。而且，工件的最初微觀結(jié)構(gòu)也許被高溫影響，且這種影響是相當(dāng)有害的。盡管實(shí)驗(yàn)在進(jìn)行中，以此來(lái)機(jī)加工陶瓷器如氮化矽，但高溫切削仍大多數(shù)應(yīng)用在高強(qiáng)度金屬和高溫度合金的車削中。小結(jié)通常，零件的可機(jī)加工性能是根據(jù)以下因素來(lái)定義的：表面粗糙度，刀具的壽命，切削力和功率的需求以及切屑的控制。材料的可機(jī)加工性能不僅取決于起內(nèi)在特性和微觀結(jié)構(gòu)，而且也依賴于工藝參數(shù)的適當(dāng)選擇與控制。14