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柴油機(jī)汽缸蓋加工工藝及夾具設(shè)計(jì)
摘 要
柴油機(jī)汽缸蓋從毛坯到成品的加工過(guò)程中往往涉及到加工工藝和夾具。其中加工工藝關(guān)系到汽缸蓋的加工順序、加工方法的選擇，而夾具決定著最終成品質(zhì)量的優(yōu)劣。所以對(duì)柴油機(jī)汽缸蓋加工工藝及夾具設(shè)計(jì)十分重要。
針對(duì)柴油機(jī)汽缸蓋進(jìn)行加工工藝及夾具設(shè)計(jì)。汽缸蓋被安置在缸體上方，通過(guò)螺栓緊固于缸體上，構(gòu)成封閉環(huán)境，組成燃燒室。由于體積大，且要求的精度較高。故為加工出合格的產(chǎn)品，就必須先設(shè)計(jì)出好的加工工藝和夾具。此外，工件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)部為空腔，壁厚的分布不均勻，在面上的孔較多，致其加工難度大，而加工工藝也變得相對(duì)復(fù)雜。
對(duì)汽缸蓋的作用、加工工藝和夾具需做較全面的分析計(jì)算及論證,并對(duì)汽缸蓋毛坯、零件結(jié)構(gòu)、技術(shù)要求、精度要求分析，重點(diǎn)在于選出合理的加工工藝及其方案。設(shè)計(jì)計(jì)算出每道加工工序的加工余量、尺寸要求和選取加工車(chē)床、刀具等設(shè)備裝置。并計(jì)算出其加工工序的加工時(shí)間、切削深度、切削用量及進(jìn)給量。綜合上面所述數(shù)據(jù)繪制缸蓋加工工藝卡片，對(duì)一些非常重要的工序需要詳細(xì)說(shuō)明。
而在設(shè)計(jì)缸蓋的夾具方面，本次是針對(duì)汽缸蓋表面的螺栓沉孔加工所設(shè)計(jì)的通用夾具。其中包含了定位元件、夾緊裝置、對(duì)刀裝置的設(shè)計(jì)。對(duì)定位誤差分析計(jì)算，并計(jì)算其夾緊裝置的剛度校核。最后，簡(jiǎn)要說(shuō)明夾具的安裝、使用方法，并附上相應(yīng)的夾具體和夾具裝配圖。
關(guān)鍵詞： 汽缸蓋；加工工藝；工序尺寸；夾具
ABSTRACT
Diesel engine cylinder head from rough to finished product processing often involves the processing technology and fixture. The processing technology is related to the processing sequence of the cylinder head and the choice of processing methods, and the fixture determines the quality of the final product quality. So the processing technology and fixture design of diesel engine cylinder head is very important.
Machining technology and fixture design for diesel engine cylinder head .The cylinder head which fastened to the cylinder by bolts is placed above the cylinder. They form a closed environment and make up the combustion chamber. Due to the large volume, the required accuracy is higher. Therefore, in order to process a qualified product, it is necessary to design a good processing technology and fixture. In addition, the structure and shape of the parts are complex and Internal cavity, wall thickness uneven, more holes on the surface cause that Its processing is difficult, and the processing technology has become relatively complex.
We need to do a more comprehensive analysis and demonstration for the effect cylinder head, processing technology and fixture. Cylinder head blank, parts structure, technical requirements, accuracy requirements should also be analyzed. The focus is on how to choose a reasonable processing technology and its program. Design and calculation of each processing process processing margin, size requirements and selection of processing lathes, knives and other equipment. and calculate the processing time of its processing, cutting depth, cutting the amount and feed. According to the above data drawing cylinder head processing technology card, for some very important process ,we need to elaborate.
This is the cylinder head on the surface of the bolt hole design of the universal fixture design in the design of the cylinder head of the fixture, which contains the positioning and clamping components of the design. Analysis and calculation of positioning error，it’s necessary to calculate the strength check of the clamping device. Finally, we should briefly explain the fixture installation and how to use it,and give the corresponding fixture and fixture assembly diagram.
Keywords : cylinder head ; production process ; process ; fixture
目 錄
摘 要 I
ABSTRACT II
1 緒論 1
2 汽缸蓋分析 4
2.1 汽缸蓋的作用 4
2.2 汽缸蓋的工藝分析 4
2.3 汽缸蓋的主要技術(shù)要求 5
2.4 汽缸蓋零件圖的分析 6
3 機(jī)械加工工藝規(guī)程設(shè)計(jì) 8
3.1 計(jì)算生產(chǎn)綱領(lǐng)，確定生產(chǎn)類(lèi)型 8
3.2 汽缸蓋毛坯的確定 8
3.3 基準(zhǔn)選擇 9
3.4 汽缸蓋的加工工藝方案選擇 9
3.5 工藝路線 10
3.6 機(jī)械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的確定 12
3.7 加工孔與定位孔的尺寸鏈計(jì)算 13
3.8 切削用量計(jì)算 16
4 夾具的設(shè)計(jì) 19
4.1 夾具概述 19
4.2 定位誤差計(jì)算 19
4.3 夾具方案的提出 20
4.4 設(shè)計(jì)夾緊機(jī)構(gòu)時(shí)的要求 21
4.5 夾具的設(shè)計(jì) 21
4.6 汽缸蓋夾具設(shè)計(jì)裝配圖及夾具體零件圖 25
5 環(huán)保分析 26
6 結(jié)論 27
參考文獻(xiàn) 28
附錄1：外文翻譯 30
附錄2：外文原文 37
致 謝 41
42
柴油機(jī)汽缸蓋加工工藝及夾具設(shè)計(jì)
1 緒論
目前柴油機(jī)因其節(jié)能、高效等優(yōu)點(diǎn)被廣泛運(yùn)用到各類(lèi)動(dòng)力領(lǐng)域，例如車(chē)用動(dòng)力領(lǐng)域。而制造柴油機(jī)在國(guó)內(nèi)有：東風(fēng)康明斯、濰柴動(dòng)力、濟(jì)柴、大連柴油機(jī)、無(wú)錫柴油機(jī)、玉林柴油機(jī)等。其中大連柴油機(jī)（道依茨一汽）主要生產(chǎn)系列有C、D、E、H、K五大系列，功率覆蓋80～340馬力，柴油機(jī)工作環(huán)境的不同而型號(hào)系列各異的產(chǎn)品有300多種。而濟(jì)柴生產(chǎn)190系列、140系列等。所產(chǎn)系列較多，然而其核心技術(shù)大多被外國(guó)一些技術(shù)成熟的柴油機(jī)廠家所掌握，我國(guó)要想在柴油機(jī)市場(chǎng)上有競(jìng)爭(zhēng)力，需要有自己的核心技術(shù)，其中包括如何提高零件的精度、怎樣以簡(jiǎn)單全面的加工方式獲得最優(yōu)的加工零件。而國(guó)外制造柴油機(jī)的有：康明斯（主要產(chǎn)品M系列，B系列，C系列），道依茨主要產(chǎn)品有1011 系列、912 系列、913 系列、413 系列低污染機(jī)、513 系列、1012 系列增壓機(jī)、1013 系列增壓機(jī)、1015 系列增壓機(jī)等，其中不同系列又有不同的鋼數(shù)，例如8缸、10缸、12缸。而對(duì)汽缸蓋的制造加工，國(guó)外已經(jīng)形成一套全方位、相當(dāng)成熟的機(jī)制，不再只局限于汽缸蓋的機(jī)械加工，近些年來(lái)，伴隨科技的發(fā)展和數(shù)字化信息對(duì)工件加工的影響，機(jī)械式的工件加工不再適合汽缸蓋，已逐漸形成毛坯的自動(dòng)供給和卸載，根據(jù)加工情況完成補(bǔ)給，自動(dòng)去出毛刺，保證加工平滑，實(shí)現(xiàn)機(jī)械制造柔性生產(chǎn)。在刀具方面，復(fù)合型加工工具因能廣泛使用而不局限某一加工從而節(jié)省投資，加工時(shí)間也相比以往有所減少，為保證加工精度，機(jī)床與刀具制造廠也越來(lái)越注重技術(shù)設(shè)備與刀具開(kāi)發(fā)。
在夾具方面，面對(duì)夾具的不斷優(yōu)化，其通用夾具已成發(fā)展優(yōu)勢(shì)，并在此基礎(chǔ)上還能達(dá)到高精度與高精密的要求。本次的夾具設(shè)計(jì)是保障頂面沉孔的固定加工，所以一面兩銷(xiāo)的定位方式最為合適，該夾具不但適合本次加工，也能運(yùn)用到其他零件的加工，符合通用夾具的要求，保證了孔的加工精度。伴隨數(shù)控的運(yùn)用，自動(dòng)定位夾緊已成為夾具設(shè)計(jì)的方向，模塊化、高剛性、高精度、高強(qiáng)度、通用化、快速化及自動(dòng)化的夾具也逐步得以實(shí)現(xiàn)。
本次設(shè)計(jì)內(nèi)容為柴油機(jī)汽缸蓋的加工工藝及夾具設(shè)計(jì)。對(duì)柴油機(jī)汽缸蓋的工作用途、加工工藝及其中某一夾具進(jìn)行了具體分析與設(shè)計(jì)，分析汽缸蓋零件結(jié)構(gòu)、缸蓋的各項(xiàng)技術(shù)、尺寸精度要求及毛坯加工方式。詳細(xì)分析理解分析柴油機(jī)汽缸蓋的加工工藝，傳統(tǒng)的加工工藝為毛坯 + 后續(xù)熱處理→上、下面粗加工→上、下面精加工→定位面螺栓孔加工→四周面加工→上、下平面孔系綜合加工→四周平面孔系加工→清理清洗→零部件組裝(密封試驗(yàn)) →氣閥座面及導(dǎo)管孔組合加工→檢驗(yàn)→氣閥座面配研及著色檢查→零部件部裝→完工的加工路線，對(duì)其有所欠缺的地方進(jìn)行分析改良，從而確定選擇出最終加工方案。同時(shí)在加工工藝中確定出各項(xiàng)加工工序的加工余量和工序尺寸，并以此選擇相關(guān)的機(jī)床、刀具及工件定位所需的夾具、量具。分析計(jì)算各項(xiàng)各項(xiàng)工序的切削三要素：切削速度V、進(jìn)給量F和切削深度ap。當(dāng)前我國(guó)國(guó)情來(lái)看，汽車(chē)與飛機(jī)制造業(yè)用汽缸蓋的加工工藝已無(wú)需考慮，然而沒(méi)有得到成熟的運(yùn)用，在其它行業(yè)的普及不足，主要是在一些科研范疇中有所應(yīng)用，從此可看出推廣汽缸蓋的加工工藝是迫在眉睫，水平低和普及度不夠說(shuō)明汽缸蓋在我國(guó)的發(fā)展空間還很大。例如針對(duì)汽缸蓋面的加工，目前汽缸蓋表面主要加工手段是銑削，的進(jìn)給量是當(dāng)前國(guó)內(nèi)的限制，這對(duì)汽缸蓋的大批量加工會(huì)產(chǎn)生很大的約束。最近幾年,通過(guò)使用改良后刀具材料(如在刀具表面涂金屬漆、合金等)、刀具構(gòu)造(密齒銑刀盤(pán)等)以及對(duì)機(jī)床的結(jié)構(gòu)布局進(jìn)行合理排列, 可讓汽缸蓋的銑削提高至, 然而國(guó)外已經(jīng)達(dá)到。因此，合理設(shè)計(jì)出好的加工工藝是汽缸蓋乃至制造業(yè)所不可缺少的一部分。
此外還對(duì)汽缸蓋某一加工工序進(jìn)行夾具設(shè)計(jì)，本次是對(duì)工序號(hào)150的頂面孔加工中的26-Φ18.1×15的缸蓋螺栓沉孔進(jìn)行夾具設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔方便、高效的機(jī)床夾具以保證尺寸誤差在規(guī)定范圍內(nèi)，目前可采用液壓夾具和數(shù)控機(jī)床夾具。本次使用一面兩銷(xiāo)的定位方式進(jìn)行加緊定位，而在加工定位銷(xiāo)孔時(shí)，銷(xiāo)孔尺寸會(huì)出現(xiàn)一定的誤差，而在銷(xiāo)與孔配合過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)定位誤差，故而與孔配合的一個(gè)銷(xiāo)是菱形銷(xiāo)才能保證過(guò)定位，而最終定位誤差總和少于工序公差的13。分析計(jì)算尺寸鏈，對(duì)夾具的使用方式、工作原理進(jìn)行說(shuō)明，并繪制夾具體零件圖、夾具裝配圖以及三維視圖等。本次設(shè)計(jì)重點(diǎn)解決的問(wèn)題也是如今世界各柴油機(jī)生產(chǎn)廠家所重點(diǎn)考慮的問(wèn)題：汽缸蓋的加工精度。加工精度越高意味著汽缸蓋與其他零件相接程度越高，封閉性更好。夾具設(shè)計(jì)存在幾何誤差，但誤差應(yīng)限制在指定的合理范圍內(nèi)。在實(shí)際加工時(shí)，由于對(duì)夾具的錯(cuò)誤使用、對(duì)理論依據(jù)不了解、操作不當(dāng)?shù)龋率箠A具控制的刀具在對(duì)刀和加工不到位，從而產(chǎn)生幾何誤差。同時(shí)夾具應(yīng)定位合理、夾緊牢靠、操作簡(jiǎn)單，效率的提高、時(shí)間的縮減、成本的減少，保證最終加工要求。
綜上所述，本次設(shè)計(jì)擬采用汽缸蓋傳統(tǒng)加工工藝路線。其中加工最為關(guān)鍵的導(dǎo)管孔可用槍膛與精車(chē)的加工方法。設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔方便、高效的機(jī)床夾具以保證尺寸誤差在規(guī)定范圍內(nèi)，目前可采用液壓夾具和數(shù)控機(jī)床夾具。
我國(guó)大型汽車(chē)行業(yè)的發(fā)動(dòng)機(jī)主要采用的是柴油機(jī)，柴油機(jī)汽缸蓋的優(yōu)劣決定這我國(guó)汽車(chē)是否能走出國(guó)門(mén)。目前我國(guó)汽車(chē)行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)相對(duì)落后、不明顯，但只要對(duì)汽車(chē)制造技術(shù)一點(diǎn)點(diǎn)優(yōu)化，不斷設(shè)計(jì)出經(jīng)濟(jì)且能達(dá)到高要求的產(chǎn)品，必定能成為引領(lǐng)世界汽車(chē)行業(yè)的佼佼者。汽缸蓋的加工在制造方面顯得愈加重要，因?yàn)樗前l(fā)動(dòng)機(jī)封閉所不可缺少的一部分，并在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)能提供油路和進(jìn)排氣通道。柴油機(jī)汽缸蓋的加工工藝及夾具設(shè)計(jì)影響著汽車(chē)行業(yè)發(fā)展，進(jìn)一步完善其加工工藝和設(shè)計(jì)出更優(yōu)的夾具能更好地促進(jìn)汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展。
2 汽缸蓋分析
2.1 汽缸蓋的作用
通過(guò)螺栓連接汽缸蓋和缸體，置于汽缸體上方，成為柴油機(jī)頂端部件，并與缸體組成燃燒室。
其主要作用有：
（1）與缸體、活塞、缸套共同組成封閉的汽缸工作空間。
（2）將汽缸套壓緊在正確位置，保證活塞正常工作運(yùn)轉(zhuǎn)。
（3）提供柴油機(jī)及各附件安裝位置，如安全閥、進(jìn)排氣閥裝置。
（4）提供供油管道、進(jìn)排氣通道、冷卻水管道。
2.2 汽缸蓋的工藝分析
2.2.1 汽缸蓋技術(shù)要求分析
①柴油機(jī)汽缸蓋的選材。
②汽缸蓋的熱處理要求。
③汽缸蓋表面粗糙度要求。
④加工精度要求。
⑤缸蓋圖紙中所給定的加工要求是否合理。
⑥夾具設(shè)計(jì)所產(chǎn)生的誤差能否在規(guī)定范圍內(nèi)。
⑦各類(lèi)孔的加工要求。
2.2.2 汽缸蓋的結(jié)構(gòu)及其工藝分析
①結(jié)構(gòu)——進(jìn)排氣道、水道、油道、進(jìn)排氣門(mén)導(dǎo)管、火花塞孔、前后端蓋等。
②結(jié)構(gòu)工藝性——在達(dá)到尺寸精度要求前提下，盡量以效率的提高和成本的降低為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。
③汽缸蓋結(jié)構(gòu)圖（2.2.2），如下圖所示：
圖2.2.2汽缸蓋結(jié)構(gòu)圖
2.3 汽缸蓋的主要技術(shù)要求
汽缸蓋中的孔道、通路較多，致使其結(jié)構(gòu)式樣尤為復(fù)雜。且其是薄壁零件和汽缸中的關(guān)鍵部件，并且高加工精度也影響著加工的難易程度。在制定加工工藝時(shí)較為復(fù)雜，工序步驟繁多。缸蓋表面的粗糙程度決定著柴油機(jī)的封閉情況，其缸孔的精度決定柴油機(jī)油路的進(jìn)排、氣體的進(jìn)排、冷卻水道的冷卻效果。
（1）底面的精度要求
為保證與缸體的緊密配合，柴油機(jī)汽缸蓋底面的粗糙度0.8，直線度為0.05。
（2）頂面的精度要求
為與汽缸蓋上部的氣門(mén)室蓋配合，要求其直線度0.05，與底面的平行度為0.05，粗糙度3.2。
（3）定位銷(xiāo)孔之間的距離公差為±0.015~±0.025
（4）各類(lèi)孔的加工精度
汽缸蓋中有油孔、進(jìn)排氣孔。其大小不同，工作用途也不一樣，因此在加工時(shí)應(yīng)按照?qǐng)D紙技術(shù)要求加工，以保證其位置和尺寸精度。
2.4 汽缸蓋零件圖的分析
圖2.4.1汽缸蓋零件
圖2.4.2汽缸蓋零件
圖2.4.3汽缸蓋零件
由零件圖可看出，汽缸蓋長(zhǎng)836±0.05mm，寬237±0.05mm，高90±0.05mm。頂?shù)酌嫫矫娑纫?.05mm，頂面RZ為25，底面RZ為16。汽缸蓋的缸孔同軸度為0.05mm，表面粗糙度為RZ25。
3 機(jī)械加工工藝規(guī)程設(shè)計(jì)
3.1 計(jì)算生產(chǎn)綱領(lǐng)，確定生產(chǎn)類(lèi)型
（1）生產(chǎn)綱領(lǐng)、性質(zhì)和類(lèi)型的確定
本此設(shè)計(jì)假定每年生產(chǎn)50000件，查文獻(xiàn)[1]得，其為大批量生產(chǎn)，可按自動(dòng)線計(jì)算。
汽缸蓋年生產(chǎn)量N=50000×1×（1+α）×(1+β)
取α=10%， 其中α:產(chǎn)品儲(chǔ)備率
取β=5%， 其中β：廢品率
故N=50000×1×（1+10%）×(1+5%)
=57750（個(gè)）
則月生產(chǎn)量為57750÷12=4813（個(gè)）
日生產(chǎn)量為4913÷30=164（個(gè)）
年時(shí)基數(shù)為3500小時(shí)
按兩班制生產(chǎn)平均流水節(jié)拍
=自動(dòng)生產(chǎn)線實(shí)際年時(shí)基數(shù)×60×（1-η）／零件年產(chǎn)量
=3500×60×(1-0.15) ／57750=3.58
其中η:時(shí)間生產(chǎn)系數(shù)包括：
η1：工作時(shí)間內(nèi)設(shè)備維修方面的損失；
η2：工人缺勤自然需要造成的損失；
η3：清理設(shè)備造成的損失；
η4：工人休息方面的損失；
η=η1+η2+η3+η4+…
本次設(shè)計(jì)中η=0.15
（2）批量、生產(chǎn)間隔及制造時(shí)間段的確定
實(shí)際中工作情況中，一個(gè)月假設(shè)實(shí)際工作22天，如此能保證即使出現(xiàn)差錯(cuò)也能完成任務(wù)。故日生產(chǎn)量為：4813÷22=218.7（個(gè)），取整為219個(gè)。
綜上分析可得，柴油機(jī)汽缸蓋的加工制造屬于大批量生產(chǎn)。
3.2 汽缸蓋毛坯的確定
直徑在400mm以下的缸體的汽缸蓋原料多用HT400或HT250之類(lèi)的灰鑄鐵；而球墨鑄鐵多用于400mm以上。[9]鑄鋼缸蓋或者鑄鐵-鑄鋼組合式缸蓋大多用于大型低速柴油機(jī)。在造型方面有手工造型和機(jī)械造型，考慮到手工成本高、材料利用率低、耗時(shí)高，而機(jī)械造型可連續(xù)生產(chǎn)、效率高、成本低，所以采用機(jī)械造型。
3.3 基準(zhǔn)選擇
針對(duì)零件加工的每一工序步驟都要確定出相關(guān)的基準(zhǔn)，本道工序基準(zhǔn)的選擇對(duì)后面的加工有著重大影響。故應(yīng)按照基準(zhǔn)原則來(lái)選擇基準(zhǔn)。
3.3.1 粗基準(zhǔn)的選擇
本次對(duì)毛坯加工工序中有上線工序，故其粗基準(zhǔn)的選擇十分重要。若粗基準(zhǔn)選擇不當(dāng)，往往導(dǎo)致加工余量的分布產(chǎn)生較大出入或非加工面移動(dòng)，甚至產(chǎn)生次品和贗品。汽缸蓋常出現(xiàn)的狀況有座圈底孔余量分布不出現(xiàn)偏差、氣道位置狀況發(fā)生變化等。故應(yīng)挑選主要關(guān)鍵面和關(guān)鍵孔為粗基準(zhǔn), 加工出定位的銷(xiāo)孔或先加工出過(guò)渡基準(zhǔn)再加工定位孔。
3.3.2 精基準(zhǔn)的選擇
對(duì)于類(lèi)似汽缸蓋的箱蓋零件，可采用一面兩銷(xiāo)作為基準(zhǔn)。加工過(guò)程中，基準(zhǔn)面的平面度誤差將導(dǎo)致工件在夾緊過(guò)程中發(fā)生變形，而由于大批量生產(chǎn)會(huì)導(dǎo)致定位孔會(huì)隨使用次數(shù)產(chǎn)生磨損，最終使定位產(chǎn)生嚴(yán)重誤差。
3.4 汽缸蓋的加工工藝方案選擇
（1）頂面與底面距離為90±0.05mm，頂面的表面粗糙度為0.8，直線度0.05，與底面平行度為0.05，而底面的表面粗糙度為0.8，直線度為0.05，故頂?shù)酌婕庸し桨高x擇為：粗銑→半精平磨→平磨。
而其表面有螺栓沉孔Φ28.1×15mm，公差等級(jí)IT11； 26-Φ15缸蓋螺栓孔，2-Φ15.5H8定位銷(xiāo)孔，12-Φ14導(dǎo)管底孔及其斷面300倒角，12-Φ26/Φ38環(huán)狀彈簧座孔，5-Φ20H7塞片孔，14-M8搖臂座絲孔，26-M6缸帽絲孔和進(jìn)氣彎管絲孔。對(duì)于IT在10以上的，用鉆→擴(kuò)；IT在10以下的用鉆→擴(kuò)→鉸（锪）。
（2）加工四周面，表面公差等級(jí)為IT7，考慮到加工批量大，擬定加工方式：粗銑→半精銑→精銑。
而內(nèi)孔右側(cè)孔有Φ16中心鉆12-M10、6-M8的中心孔， 12-M8的絲底孔為12-Φ8.5孔， 12-M10孔， 6-M8底孔為6-Φ6.8孔， 6-M8 孔， 6-Φ35.75塞片孔及6-Φ36H9塞片孔。左側(cè)孔：絲孔M26、M14、M10。前端面孔： 4-M10、M14×1.5、M10×1的中心孔， 4-Φ8.5孔。4-M10絲孔，Φ12.5孔， M10×1絲底孔Φ9孔， M10×1絲孔，絲底孔為Φ24.5， M26×1.5絲孔。后端面孔：Φ16中心鉆打6-M10絲孔、2-M8絲孔、Φ5的中心孔， 6-M10絲底孔為6-Φ8.5孔， 6-M10絲孔， 2-M8絲底孔為2-M6.8孔， 2-M8絲孔，Φ5通氣孔。其中氣孔加工方式為鉆→攻。而絲孔方式有：鉆→擴(kuò)→鉸（锪）。
3.5 工藝路線
因柴油機(jī)汽缸蓋要求精度的加工較嚴(yán)格，加工工序較為復(fù)雜，應(yīng)遵循金屬加工制造的原則。據(jù)此擬定如下兩套加工方案：
方案一：
工序10 平臺(tái)劃線
工序20 銑600面（頂面），以底面為基準(zhǔn)。
工序30 銑100面（底面），以頂面為基準(zhǔn)。
工序40 平臺(tái)劃線
工序50 銑200面（左端面），以底面為基準(zhǔn)。
工序60 半精平磨600面，以底面為基準(zhǔn)。
工序70 半精平磨100面，以頂面為基準(zhǔn)。
工序80 平臺(tái)劃線
工序90 加工定位銷(xiāo)孔，以頂面為基準(zhǔn)。
工序100 加工缸蓋周邊面，以底面為基準(zhǔn)。
工序110 平磨600面，以底面為基準(zhǔn)。
工序120 平磨100面，以頂面為基準(zhǔn)。
工序130 加工三周邊面的各孔。
工序140 加工底面的定位銷(xiāo)孔。
工序150 加工頂面孔，以底面為基準(zhǔn)。
工序160 清洗
工序170 裝配塞片
工序180 水磅試驗(yàn)
工序190 裝配座圈
工序200 精加工座圈和導(dǎo)管底孔，以頂面為基準(zhǔn)。
工序210 裝配導(dǎo)管
方案二：
工序10 平臺(tái)劃線
工序20 銑600面（頂面），以底面為基準(zhǔn)。
工序30 銑100面（底面），以頂面為基準(zhǔn)。
工序40 平臺(tái)劃線
工序50 銑200面（左端面），以底面為基準(zhǔn)。
工序60 半精平磨600面，以底面為基準(zhǔn)。
工序70 半精平磨100面，以頂面為基準(zhǔn)。
工序80 平磨600面，以底面為基準(zhǔn)。
工序90 平磨100面，以頂面為基準(zhǔn)。
工序100 平臺(tái)劃線
工序110 加工定位銷(xiāo)孔，以頂面為基準(zhǔn)。，
工序120 加工缸蓋周邊面，以底面為基準(zhǔn)。
工序130 加工三周邊的各孔。
工序140 加工底面定位銷(xiāo)孔。
工序150 加工頂面孔，以底面為基準(zhǔn)。
工序160 清洗
工序170 裝配塞片
工序180 水磅試驗(yàn)
工序190 裝配座圈
工序200 精加工座圈和導(dǎo)管底孔，以頂面為基準(zhǔn)。
工序210 裝配導(dǎo)管
方案一中在半精平磨頂?shù)酌婧筠D(zhuǎn)而加工定位銷(xiāo)孔和缸蓋周邊面，而方案二中是繼續(xù)平磨頂?shù)酌?。相互比較下方案二的加工方式容易破壞底面的精度，使其達(dá)不到要求。故選擇方案一。
3.6 機(jī)械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的確定
DEUTZ1013柴油機(jī)汽缸蓋毛坯為鑄件，材料為HT250。
1. 毛坯尺寸
工件加工后達(dá)到輪廓尺寸為836×237×90，底部表面粗糙度要求為Ra0.8，頂部表面粗糙度要求為Ra3.2。由參考文獻(xiàn)[17]中可查出，柴油機(jī)汽缸蓋屬于復(fù)雜型，故選用砂型鑄造，查得底部表面加工余量為10.5mm，頂部表面加工余量為8.5mm，環(huán)繞四周加工余量為1.75mm。
故毛坯長(zhǎng)為：836+2×1.75=839.5mm
寬為237+2×1.75=240.5mm
高為90+19=109mm
為使產(chǎn)品在加工后能達(dá)到所制定尺寸，加工頂面時(shí)，粗銑的加工切削深度為ap=5mm，半精銑為ap=3mm，磨削為0.5mm。加工下表面時(shí)，粗銑的切削深度為ap=5mm，半精銑為ap=5mm，磨削為0.5mm。周邊粗銑、半精銑為ap=1.5mm，精銑為0.25mm。
2．主要孔加工工序及加工余量
（1）以定位銷(xiāo)孔 為例，基本尺寸為12mm，公差為0.03mm，公差等級(jí)為IT8，根據(jù)參考文獻(xiàn)［1］得其加工方案：鉆——擴(kuò)（Φ10H7）——鉸——擴(kuò)（11H7）——精鏜。
（2）加工余量確定
精鏜余量Z精鏜=0.3mm
二次擴(kuò)余量Z擴(kuò)=1.7mm
鉸余量Z鉸=0.25mm
一次擴(kuò)余量Z擴(kuò)=1.75mm
鉆余量Z鉆=8mm
3．計(jì)算工序基本尺寸
精鏜后按圖紙規(guī)定Φ12mm，二次擴(kuò)后為 12-0.3= 11.7mm，鉸后為 11.7-1.7= 10mm，首次擴(kuò)后為 10-0.25= 9.75mm，鉆后余量為 9.75-1.75=8mm。
4．確定工序尺寸公差
精鏜后按圖紙規(guī)定為，公差等級(jí)為H8。擴(kuò)采用H11，首次擴(kuò)為，二次擴(kuò)后為。鉸后采用H7，，鉆后采用H13，。
其他工序尺寸及加工余量詳見(jiàn)工序卡。
3.7 加工孔與定位孔的尺寸鏈計(jì)算
汽缸蓋俯視圖簡(jiǎn)圖如下圖4.4.1所示
圖4.4.1 汽缸蓋俯視簡(jiǎn)圖
所加工的螺栓沉孔左右前后均對(duì)稱(chēng)，可從前往后分為4排。從前后端考慮，靠近前端的定位銷(xiāo)孔設(shè)為1，靠近后端的定位銷(xiāo)孔設(shè)為2。1距離前段的尺寸為8-0.050mm，2距離后端的距離為90+0.05mm，缸蓋寬為237-+0.05mm。而前端所需加工的孔距離前端860+0.2mm，則前端第二加工孔與1的尺寸鏈可按如下計(jì)算：
A為封閉環(huán)，A1=860+0.02mm為增環(huán)，A2=8-0.050mm為減環(huán)，所以 A=A1-A2=86-10=78mm。 ES（A）=0.02-（-0.05）mm=0.7mm EI（A）=0-0=0
因此算得前端第二排加工孔與1的封閉環(huán)尺寸A=7800.07mm。
而前端第一排加工孔與1的封閉環(huán)尺寸鏈計(jì)算與第二排相似，如下：A1=450+0.02mm，其他數(shù)據(jù)不變，故其封閉尺寸A=3700.07mm。
第三排加工孔與與1的封閉環(huán)尺寸鏈計(jì)算如下：
A為封閉環(huán)，A1=237-+0.05mm為增環(huán)，A2=8-0.05 0 mm A3=7200.02mm均為減環(huán)。
故A=（237-8-72）mm=157mm
ES（A）=0.05-（-0.05-0）=0.1mm
EI（A）=-0.05-（0+0.02）=-0.7mm
則第三排加工孔與1尺寸為： A=157-0.070.1mm。
第四排與1尺寸鏈計(jì)算和上述第三排相似，A3=2600.02mm，其余數(shù)據(jù)不變。故其封閉尺寸A=203-0.070.1mm。
同理，第一排加工孔與2尺寸鏈計(jì)算如下：
A為封閉環(huán)，A1=237-+0.05mm為增環(huán)，A2=450 0.02 mm A3=900.05mm均為減環(huán)。
則A=A1-A2-A3=183mm
ESA=ES(A)1-EIA2-EIA3
=0.05-0-0=0.05mm。
EIA=EI(A)1-ESA2-ES(A)3
=-0.05-0.02-0.05=-0.12mm。
故A=183-0.120.05mm
第二排加工孔與2尺寸鏈計(jì)算與上相似，其中A2=8600.02mm，其余不變，則A=143-0.120.05mm
第三排加工孔與2尺寸鏈計(jì)算：
柴油機(jī)汽缸蓋加工工藝及夾具設(shè)計(jì)
A為封閉環(huán)，A1=7200.02mm
為增環(huán)，A2=900.05mm為減環(huán)。故A=A1—A2=63mm
ES=0.02-0=0.02mm
EI=0-0.05=-0.05mm
所以A=63-0.050.02mm
第四排加工孔與2的尺寸鏈和第三排相似，A1=2600.02mm，其余數(shù)據(jù)不變，則
A=17-0.050.02mm。
而從左右端分析加工孔與定位孔的尺寸鏈和上述前后端分析方法一樣，在此不再贅述。
3.8 切削用量計(jì)算
3.8.1制定切削用量的一般原則
（1）刀具耐用度往往影響著粗加工的切削用量，二者也有相互制約關(guān)系，因此切削用量的選擇是以一定的刀具耐用度為條件加大切削速度，增加進(jìn)給量和切深，從而影響控制金屬的切削率，但在這三方面中，切削速度對(duì)刀具耐用度的影響最高，然后影響較大的是進(jìn)給量，所以在控制挑選切削用量時(shí)的主次順序?yàn)椋?
切削深度→進(jìn)給量→切削速度
粗加工時(shí)，系統(tǒng)剛度會(huì)影響工件余量，在可能的前提下，盡量在一次走刀中完成，同時(shí)考慮刀具耐用度和機(jī)床的需用功率。
（2）精加工時(shí)，加工成本與質(zhì)量是必須統(tǒng)一考慮的環(huán)節(jié)，既要降低成本，又要提高質(zhì)量。切削速度應(yīng)保證加工要求，高速鋼的刀具多用低切削速度，硬質(zhì)合金刀具多用于高切削速的加工。
3.8.2 汽缸蓋切削用量以及基本工時(shí)的確定過(guò)程
以汽缸蓋頂面加工為例
（1）圖紙規(guī)定汽缸蓋高尺寸為Φ9000.05mm。
粗銑加工頂面時(shí)，采用Φ315端銑刀進(jìn)行粗銑，平面永磁吸盤(pán)為夾具。
切削深度aP=5mm
進(jìn)給量f=0.5mm/r
切削速度v=150m/min
主軸轉(zhuǎn)速n=1000vπD
=1000×15060×3.14×315
=2.5r/s
=150r/min
符合實(shí)際機(jī)床轉(zhuǎn)速范圍。
切削工時(shí)tm=Lnfi=836150×0.5=11.4min
（2）半精銑頂面
采用Φ315端銑刀進(jìn)行半精加工
切削深度ap=3mm，
進(jìn)給量f=0.5mm/r,
切削速度v=170m/min,
主軸轉(zhuǎn)速n=1000vπD
=1000×17060×3.14×315
=2.86r/s=170r/min
符合主軸實(shí)際轉(zhuǎn)速。
切削工時(shí)tm=Lnfi=836170×0.5=9.8min
(3)半精平磨頂面
使用Φ500砂輪進(jìn)行半精平磨
切削深度ap=0.2mm
進(jìn)給量f=0.5mm/r
切削速度v=10m/s
主軸轉(zhuǎn)速n=1000vπD
=6.37r/s
=382r/min
根據(jù)機(jī)床情況選取n=400r/min
得實(shí)際切削速度為v=πDn1000=628m/min
切削工時(shí)為tm=8360.5×628=2.66min
（4）平磨頂面
最后用Φ500砂輪進(jìn)行精加工平磨，加工剩余為0.3mm，保證到達(dá)最后加工尺寸的要求。
最終頂面加工工序尺寸如表3.8.2：
表3.8.2缸蓋頂面加工工序尺寸
工序
名稱(chēng)
工序余量/
經(jīng)濟(jì)精度
最小極限尺寸/
工序尺寸及其偏差/
公差
等級(jí)
公差值/
粗銑
5
IT12
0.35
Φ104
Φ10400.35
半精銑
3
IT9
0.087
Φ101
Φ10100.087
半精平磨
0.2
IT8
0.054
Φ100.8
Φ100.800.054
平磨至成品
0.3
IT7
0.035
Φ100.5
Φ100.500.035
其它工序切削用量詳見(jiàn)工序卡。
4 夾具的設(shè)計(jì)
4.1 夾具概述
此次所設(shè)計(jì)的夾具為汽缸蓋表面上的加工的通用夾具，亦可用于加工其他，適合大批量生產(chǎn)。一面兩銷(xiāo)為本次設(shè)計(jì)的定位方式，如下圖4.1.1所示。
圖4.1.1 一面兩銷(xiāo)定位
4.2 定位誤差計(jì)算
定位誤差分析示意圖如下圖4.2.1
圖4.2.1 定位誤差分析示意圖
查參考文獻(xiàn)[18]中表1-1-7得一面兩銷(xiāo)定位誤差計(jì)算公式如下圖4.2.2所示：
圖4.2.2 一面兩銷(xiāo)定位誤差計(jì)算
圓柱銷(xiāo)孔為Φ12h6，求得其偏差為，△1=0.011mm；
確定銷(xiāo)間距：X方向上：，
Y方向上：L±?J=200±0.05mm，
令其連線上的偏差為0.02mm，b=4。則△2=2b/D2
=b(△k+△銷(xiāo)-△圓柱min)/D2
=4(0.1+0.04-0)/12
=0.047
故削邊銷(xiāo)孔為。
對(duì)定位誤差分析?=δD1+δD2+?1min
=（0.011+0.011+0.021）mm
=0.043mm<0.2/3=工序公差的1/3。
轉(zhuǎn)角誤差計(jì)算
=arctan(0.018+0.011+0.021+0.018+0.011+0)
4.50
4.3 夾具方案的提出
4.3.1 定位方案
夾具用于缸蓋頂面的Φ28.1±00.2缸蓋螺栓沉孔的加工，為缸蓋第150號(hào)加工工序。
本次定位采用“一面兩銷(xiāo)”，銷(xiāo)：保證加工時(shí)缸蓋自身穩(wěn)定性，缸蓋底面用三塊墊板支撐，并用兩個(gè)菱形銷(xiāo)進(jìn)行定位夾緊，同時(shí)頂面也有四塊壓板限制其自由度。
4.3.2 夾具夾緊機(jī)構(gòu)
夾緊機(jī)構(gòu)如下圖4.3.2
4.3.2 夾緊機(jī)構(gòu)
通過(guò)4（調(diào)節(jié)支承）、3（彈簧）、1（球面帶肩螺母）利用2（A型移動(dòng)壓板）并與底面壓面、定位銷(xiāo)配合來(lái)夾緊汽缸蓋。能夠用人工或機(jī)器夾緊，使夾緊更可靠。
4.4 設(shè)計(jì)夾緊機(jī)構(gòu)時(shí)的要求
（1）保證加工精度。工件正確的加工位置不會(huì)因夾緊的影響而變化，且要有足夠的夾緊力，但不足以導(dǎo)致工件變形。故此缸蓋底面用3塊墊板，上表面用4塊壓板。
（2）能提高生產(chǎn)率。此夾緊機(jī)構(gòu)可人工或自動(dòng)操作，達(dá)到夾緊迅速要求，減少夾緊耗時(shí)。
（3）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。既保證了加工精度，又節(jié)約了設(shè)計(jì)成本和時(shí)間。
（4）操作方便。采油機(jī)汽缸蓋是大批量生產(chǎn)的，操作頻繁，故此應(yīng)保證簡(jiǎn)單的操作就能保證正確定位夾緊。
4.5 夾具的設(shè)計(jì)
4.5.1夾具體的設(shè)計(jì)
夾具體在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿足一些基本要求：結(jié)構(gòu)合理，尺寸合理，對(duì)于切削所產(chǎn)生的垃圾能有效排除。同時(shí)由于汽缸是大件，因此應(yīng)保證其承受載荷。下圖4.5.1和4.5.2所設(shè)計(jì)的夾具體。
圖4.5.1 夾具體
圖4.5.2 夾具體
4.5.2 對(duì)汽缸蓋切削力及夾緊力的計(jì)算
刀具的材料：（Φ28.2專(zhuān)用锪刀）
刀具有關(guān)幾何參數(shù)：CF=795，xF=1.0，yF=0.75，nF=0，ap=4.5mm
其切削力公式為：F=CFapxffyfvnfKF=795×4.51.0×0.1540.75×1.750×1
=880N
則垂直切削力為：
FNC=0.9FC=792N
背向力為：
FP=0.55FC=484N
綜合汽缸蓋的所受切削力和夾緊力的作用狀況，根據(jù)靜力平衡原則可以預(yù)算出加工汽缸蓋上螺栓沉孔所需夾緊力。而其實(shí)際夾緊力為：
WK=K?F
其中安全系數(shù)K計(jì)算公式為：
K=K0K1K2K3K4K5K6
其中，K0~K6為各類(lèi)安全因素，從參考資料[18]表3.1看出：
汽缸蓋K=1.20×1.20×1.0×1.20×1.30×1.0×1.0=2.25
故WK=K?FC=1980N
WK=K?FNC=1782N
WK=K?FP=1089N
而此次設(shè)計(jì)的夾具表面上夾緊力是壓板對(duì)缸蓋施加的，實(shí)際上是由螺栓對(duì)其產(chǎn)生作用。如圖4.5.3所示螺旋夾緊機(jī)構(gòu)夾緊力計(jì)算：
圖4.5.3 螺旋夾緊機(jī)構(gòu)夾緊力
故由參考文獻(xiàn)[18]得：螺旋夾緊機(jī)構(gòu)所產(chǎn)生的夾緊力為
WO=WK?Ll?1n
查表得：WO=7900N，而L=126mm，l=53mm，
則Wk=3323N=F
故夾緊機(jī)構(gòu)所產(chǎn)生的夾緊力F=3323N>1980N=WK。
TQ=WK(r1tanφ1+rztanα+φ21)?Ll?1n
查參考文獻(xiàn)[18]得r1=4，tanφ1=0.1，rz=7.5，tanα+φ21=0.19，取n=0.85。 算得TQ≈64（N?m）<65.727（N?m）=螺栓許用夾緊扭矩。
由此可得，此次設(shè)計(jì)采取的夾緊機(jī)構(gòu)是可行的。
4.5.3 汽缸蓋夾具設(shè)計(jì)及操作說(shuō)明
該夾具用于加工汽缸蓋底面的螺栓沉孔，為汽缸蓋第150工序卡的加工工序。
為保證汽缸蓋的正確定位與夾緊，夾具的設(shè)計(jì)采用了“一面兩銷(xiāo)”的設(shè)計(jì)方案，對(duì)于汽缸蓋底面，先有3塊墊板支撐，而墊板置于夾具體上方并用螺栓固定，保證墊板不會(huì)因汽缸蓋作用而移動(dòng)。其次再用2個(gè)定位螺栓與汽缸蓋螺栓孔配合，定位并夾緊。最后對(duì)于缸蓋上表面采用4塊壓板往下施加壓力，從而夾緊缸蓋，而壓力的來(lái)源是螺栓擰緊對(duì)壓板施加的力。結(jié)合上述三個(gè)方面，汽缸蓋的六個(gè)自由度得到限制。故在加工時(shí)，只需將缸蓋置于墊板上，并用定位螺栓定位夾緊，再用螺栓通過(guò)壓板對(duì)缸蓋施加壓力即可完成定位與夾緊。而夾具中所用的彈簧可保證在無(wú)汽缸蓋時(shí)壓板能夠遠(yuǎn)離夾緊時(shí)的點(diǎn)，從而保證在下次加工時(shí)能方便快捷放置零件。所設(shè)計(jì)夾具如下圖4.5.3所示：
圖4.5.3 夾緊機(jī)構(gòu)
4.6 汽缸蓋夾具設(shè)計(jì)裝配圖及夾具體零件圖
見(jiàn)附圖。
5 環(huán)保分析
隨著對(duì)環(huán)境的愈加重視，傳統(tǒng)的柴油機(jī)汽缸蓋加工工藝及夾具已越來(lái)越不符合綠色環(huán)保的理念——在加工過(guò)程中，由于加工切削裝置以及相關(guān)參數(shù)的不合理選擇導(dǎo)致了從毛坯到成品，往往會(huì)去除很多材料，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生大量的次品甚至廢品；而在夾具的選擇過(guò)程中，對(duì)某些特殊的加工工序，為保證工件精度，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，許多夾具都是專(zhuān)用夾具，然而大多數(shù)工序可以使用通用夾具，但由于考慮不當(dāng)，導(dǎo)致夾具的數(shù)量多，成本高，每道工序需重新?lián)Q夾具，嚴(yán)重影響了加工時(shí)間和效率。
因此，設(shè)計(jì)出綠色環(huán)保的新型柴油機(jī)汽缸蓋加工工藝及夾具已勢(shì)在必行。所謂的加工工藝，是工人進(jìn)行加工前所需要做的工作，避免在加工過(guò)程中發(fā)生加工失誤，造成經(jīng)濟(jì)損失。在金屬的加工過(guò)程中，噪音和廢料的產(chǎn)生不可避免，那應(yīng)該盡可能地降低噪音或縮短噪音的時(shí)間和減少?gòu)U料的產(chǎn)生，為此對(duì)于刀具的選擇，本次設(shè)計(jì)選擇了專(zhuān)用的刀具，確?？s短加工時(shí)間，同時(shí)保證了廢料率在規(guī)定的范圍內(nèi)。
而在機(jī)械行業(yè)中，夾具是實(shí)現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化和工業(yè)自動(dòng)化的基礎(chǔ)，它是在工件在機(jī)床上進(jìn)行加工時(shí)，為保證加工精度和提高生產(chǎn)率，必須使工件在機(jī)床上相對(duì)刀具占有正確位置，完成這一功能的輔助裝置。本次的夾具設(shè)計(jì)以一面兩銷(xiāo)定位所設(shè)計(jì)的夾具，是通用夾具中的一種類(lèi)型，在保障了加工要求的同時(shí)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，操作方便，減少了夾具對(duì)工件定位夾緊的時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。
我國(guó)每年的鋼鐵因銹蝕而造成嚴(yán)重?fù)p失，因此在汽缸蓋的制造加工結(jié)束后，應(yīng)有防銹措施。
6 結(jié)論
針對(duì)柴油機(jī)汽缸蓋進(jìn)行加工工藝及夾具設(shè)計(jì)。缸蓋被安置在缸體上方，通過(guò)螺栓緊固于缸體上，構(gòu)成封閉環(huán)境，組成燃燒室。由于所占體積大，工件結(jié)構(gòu)式樣繁雜，精度的要求較高。故以?xún)?yōu)化的加工工藝和簡(jiǎn)潔高效的夾具設(shè)計(jì)為前提，才能保證加工出合格的產(chǎn)品。
此外，還針對(duì)汽缸蓋的作用、加工工藝和夾具需做較全面的分析計(jì)算及論證。缸蓋毛坯、零件結(jié)構(gòu)、技術(shù)要求、精度要求也應(yīng)有分析。重點(diǎn)在于如何選出合理的加工工藝及其方案。此外，每道加工工序的加工余量、尺寸要求、選取加工車(chē)床、刀具等設(shè)備裝置。并計(jì)算出其加工工序的加工時(shí)間、切削深度、切削用量及進(jìn)給量。其中，對(duì)汽缸蓋表面的加工工藝進(jìn)行了具體的分析計(jì)算，并對(duì)定位銷(xiāo)與加工的螺栓沉孔的工序尺寸設(shè)計(jì)計(jì)算。綜合上面數(shù)據(jù)繪制缸蓋加工工藝卡片，對(duì)一些非常重要的工序需要詳細(xì)說(shuō)明。
而在設(shè)計(jì)缸蓋的夾具方面，此次是針對(duì)缸蓋表面的螺栓沉孔加工所設(shè)計(jì)的通用夾具。其中包含了定位、夾緊元件以及對(duì)刀裝置的設(shè)計(jì)。對(duì)于定位誤差計(jì)算得出最終誤差數(shù)據(jù)?dw=?jb+?jw=0.043<0.2/3滿足要求。并計(jì)算其夾緊裝置的夾緊力計(jì)算，包括F=3323N>1980N=WK和TQ≈64（N?m）<65.727（N?m）=螺栓許用夾緊扭矩。。最后，簡(jiǎn)要介紹本次設(shè)計(jì)的夾具安裝、使用方法，并附上相應(yīng)的夾具體和夾具裝配圖。
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附錄1：外文翻譯
薄壁工件夾具設(shè)計(jì)的雙重優(yōu)化模型
摘要
加工過(guò)程中必須控制變形，尤其對(duì)于薄壁零件。影響加工變形程度和布局的兩個(gè)主要方面是夾具布局及夾緊力。在本文中，夾具布局和變夾緊力的雙重優(yōu)化模型被運(yùn)用到加工薄壁零件。首先，根據(jù)變形程度和分布考慮最佳夾具布局。然后基于變夾緊力對(duì)上述夾具布局進(jìn)行優(yōu)化。使用有限元法分析工件變形。采用遺傳算法求解優(yōu)化模型。最后通過(guò)實(shí)例分析，驗(yàn)證了分層優(yōu)化設(shè)計(jì)方法可以進(jìn)一步減少工件加工變形，提高加工變形均勻度。
1.引言
夾具用于保證機(jī)床中工件被定位和夾緊到正確的位置和方向。設(shè)計(jì)不佳將生產(chǎn)出產(chǎn)生形變的劣品。因此，應(yīng)該合理設(shè)計(jì)出定位元件的位置、夾具及支撐元件，并且能有合理的夾緊力。通常情況下，這些裝置都很大程度上依賴(lài)設(shè)計(jì)中的經(jīng)驗(yàn)，據(jù)此選擇夾具等元件安裝位置并計(jì)算夾緊力。因此對(duì)于給定的加工工件，不能保證得出最優(yōu)和接近最優(yōu)的解。因此夾具布局和夾緊力優(yōu)化成為夾具設(shè)計(jì)所需考慮的兩個(gè)重要因素。合理選擇定位元件和夾具，并計(jì)算夾緊力以保證工件變形最小化和均勻。
本文提出雙重優(yōu)化方案用于夾具布局設(shè)計(jì)與變夾緊力的優(yōu)化，目的是使加工元件表面的最大彈性變形得以降低以及最大化的均勻性變形。有限元分析軟件在給定的夾緊力和切割力下計(jì)算工件的變形。隨著遺傳算法的發(fā)展，采用數(shù)學(xué)軟件（MATLAB）直接解決優(yōu)化問(wèn)題。最后根據(jù)實(shí)例研究說(shuō)明擬定方案的應(yīng)用。
2.文獻(xiàn)評(píng)論
隨著有關(guān)行業(yè)對(duì)優(yōu)化方案的廣泛運(yùn)用，夾具布局和夾緊力的優(yōu)化近年來(lái)取得一些成果。King和Hutter提出了一種使用夾具 - 工件系統(tǒng)的剛體模型進(jìn)行最佳夾具布局設(shè)計(jì)的方法，但考慮到接觸剛度[1]。DeMeter使用剛體模型來(lái)分析和合成最佳夾具布局和最小夾緊力[2]。Li和Melkote采用非線性規(guī)劃方法和接觸彈性模型來(lái)解決布局優(yōu)化問(wèn)題[3]。Dengand Melkote [4]提出了一種基于模型的框架，用于確定最小所需的夾緊力，以確保在加工過(guò)程中夾具工件的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。
大多數(shù)上述研究使用非線性規(guī)劃方法，這通常沒(méi)有給出最優(yōu)解。夾具設(shè)計(jì)優(yōu)化的問(wèn)題是非線性的，因?yàn)槟繕?biāo)函數(shù)和設(shè)計(jì)變量之間沒(méi)有直接的分析關(guān)系，即加工表面誤差和夾具參數(shù)（定位元件和夾具的位置以及夾緊力）之間。
以前的研究人員已經(jīng)表明，遺傳算法（GA）是解決這些優(yōu)化問(wèn)題的有用技術(shù)。Vallapuzha等人使用空間坐標(biāo)在基于GA的夾具布局優(yōu)化中進(jìn)行編碼[5]。Krishnakumar等人使用GA找到最小化加工表面變形的夾具布局[6]。Krishnakumar等人 提出了一種迭代算法，通過(guò)交替地改變夾具布局和夾緊力，使切割過(guò)程中的工件彈性變形最小化[7]。Kaya使用GA和FEM找到2D工件中的最佳定位器和夾緊位置[8]。 Zhou等 提出了一種基于GA的方法，同時(shí)優(yōu)化夾具布局和夾緊力[9]。然而，考慮摩擦和切屑的研究很少，缺乏動(dòng)態(tài)夾緊力優(yōu)化。
3．雙重優(yōu)化模型
薄壁工件受到反作用力，夾緊力和切割力的影響。工件的變形與作用在其上的這些力直接相關(guān)。目標(biāo)函數(shù)表示為最小化加工表面的最大彈性變形，并最大化夾具 - 工件系統(tǒng)中變形的均勻性。
對(duì)于涉及p夾具元件 - 工件接觸和n個(gè)加工載荷階段的夾具，目標(biāo)函數(shù)可以數(shù)學(xué)表達(dá)如下：
其中Δk是加工模擬的第k步的加工區(qū)域的最大彈性變形，Δ是Δk的平均值。
夾具 - 工件系統(tǒng)必須滿足幾個(gè)約束才能有效地執(zhí)行其功能。 優(yōu)化模型中使用的三個(gè)約束描述如下：
其中F