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夾具夾緊力的優(yōu)化及對工件定位精度的影響 B Li 和 S N Mellkote 布什伍德拉夫機械工程學院 佐治亞理工學院 格魯吉亞 美國研究所 由于夾緊和加工 在工件和夾具的接觸部位會產生局部彈性變形 使工件 尺寸發(fā)生變化 進而影響工件的最終加工質量 這種效應可通過最小化夾具設 計優(yōu)化 夾緊力是一個重要的設計變量 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 多目標優(yōu)化模型的約束 夾緊力的最優(yōu)化對工件定位精度的影響通過 3 2 1 式 銑夾具的例子進行了分析 關鍵詞 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關鍵因素 要實現(xiàn)夾具的這些功能 需將 工件定位到一個合適的基準上并夾緊 采用的夾緊力必須足夠大 以抑制工件 在加工過程中產生的移動 然而 過度的夾緊力可誘導工件產生更大的彈性變 形 這會影響它的位置精度 并反過來影響零件質量 所以有必要確定最佳夾 緊力 來減小由于彈性變形對工件的定位誤差 同時滿足加工的要求 在夾具 分析和綜合領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被報道 參考文獻 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算成本 同時 多數(shù)的有限元基礎研究人員 一直重點關注的夾具布局優(yōu)化和夾緊力的優(yōu)化還沒有得到充分討論 也有少數(shù) 的研究人員通過對剛性模型 9 11 對夾緊力進行了優(yōu)化 剛型模型幾乎被近似為 一個規(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 問題是制定一個線性規(guī)劃 其目的是盡量減少在每個定位點調整夾緊力強度的 法線接觸力 接觸摩擦力的影響被忽視 因為它較法線接觸力相對較小 由于 這種方法是基于剛體假設 獨特的三維夾具可以處理超過 6 個自由度的裝夾 復和倪 14 也提出迭代搜索方法 通過假設已知摩擦力的方向來推導計算最小 夾緊力 該剛體分析的主要限制因素是當出現(xiàn)六個以上的接觸力是使其靜力不 確定 因此 這種方法無法確定工件移位的唯一性 第 1 頁 共 15 頁 這種限制可以通過計算夾具 工件系統(tǒng) 15 的彈性來克服 對于一個相 對嚴格的工件 該夾具在機械加工工件的位置會受夾具點的局部彈性變形的強 烈影響 Hockenberger 和得墨忒耳 16 使用經驗的接觸力變形的關系 稱為元功 能 解決由于夾緊和準靜態(tài)加工力工件剛體位移 同一作者還考察了加工工件 夾具位移對設計參數(shù)的影響 17 桂 18 等 通過工件的夾緊力的優(yōu)化定位精 度彈性接觸模型對報告做了改善 然而 他們沒有處理計算夾具與工件的接觸 剛度的方法 此外 其算法的應用沒有討論機械加工刀具路徑負載有限序列 李和 Melkote 19 和烏爾塔多和 Melkote 20 用接觸力學解決由于在加載夾具夾 緊點彈性變形產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 關于 multiclamp 系統(tǒng)及其對工件精度影響的 夾緊力的優(yōu)化并沒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)受到準靜態(tài)加 載的最佳夾緊力為基礎的彈性方法 該法旨在盡量減少影響由于工件夾緊位移 和加工荷載通過系統(tǒng)優(yōu)化夾緊力的一部分定位精度 接觸力學模型 用于確定 接觸力和位移 然后再用做夾緊力優(yōu)化 這個問題被作為多目標約束優(yōu)化問題 提出和解決 通過兩個例子分析工件夾緊力的優(yōu)化對定位精度的影響 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 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 受到準靜態(tài)負載 夾緊力可假定為在加工過程中保持不變 這個假設是有效的 在對液壓或氣動夾具使用 在實際中 夾具工件接觸區(qū)域是彈性分布 然而 這種模式的發(fā)展 假設總觸剛度 見圖 1 第 i 夾具接觸力局部變形如下 1 iijjFkd 其中 j x y z 表示 在當?shù)刈幼鴺讼登芯€和法線方向的接觸剛度ij 第 2 頁 共 15 頁 圖1 彈簧夾具 工件接觸模型 表示在第i個ixyz 接觸處的坐標系 j x y z 是對應沿著 xyz方向的彈性變形 分別 j x y z 的代表ijd 和 切向力接觸 法線力接觸 ixFiyizF 1 2 工件 夾具的接觸剛度模型 集中遵守一個球形尖端定位 夾具和工件的接觸并不是線性的 因為接觸 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iPiR 面工件表面之間 這可從封閉赫茲的辦法解決縮進一個球體彈性半空間的問題 對于這個問題 是法線的變形 在 文獻 23 第 93 頁 中給出如下 in 2 1 3296 iiniPRE 其中 式中 和 是工件和夾具的彈性模量 22 11fw wEf w 分別是工件和材料的泊松比 f 切向變形 沿著 和 切線方向 硅業(yè)切力距ity iittx 或 者 ixiy 有以下形式 文獻 23 第 217 頁 iyQiix或 者 3 t28 ifi wiaG 其中 分別是工件和夾具剪切模量 1 3134ifi wPRE fGw 一個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 產生了以下線性化接觸剛度值 在計算上述的線性近似 第 3 頁 共 15 頁 4 1 32 68 9iizREk 5 1 24jii iwxy zf kG 正常的力被假定為從 0 到 1000N 且最小二乘擬合相應的 R2 值認定是 0 94 2 夾緊力優(yōu)化 我們的目標是確定最優(yōu)夾緊力 將盡量減少由于工件剛體運動過程中 局 部的夾緊和加工負荷引起的彈性變形 同時保持在準靜態(tài)加工過程中夾具 工件系統(tǒng)平衡 工件的位移減少 從而減少定位誤差 實現(xiàn)這個目標是通過制 定一個多目標約束優(yōu)化問題的問題 如下描述 2 1 目標函數(shù)配方 工件旋轉 由于部隊輪換往往是相當小 17 的工件定位誤差 假設為確定其剛體翻譯基本上 其中 和TwwdXYZ wX wY 是 沿 和 三個正交組件 見圖 2 Zxgygz 圖 2 工件剛體平移和旋轉 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)計算如下 2L 第 4 頁 共 15 頁 6 222wwwdXYZ 其中 表示一個向量二級標準 但是作用在工件的夾緊力會影響定位誤差 當多個夾緊力作用于工件 由 此產生的夾緊力為 有如下形式 TRRCXYZP 7 RC 其中夾緊力 是矢量 夾緊力的方向 矩陣 1 TLCC 1 TCLCRn 是夾緊力是矢量的方向余弦 和 coscosLiLiiin i i Li 是第 i 個夾緊點夾緊力在 和 方向上的向量角度 i 1 2 3 C gXYgZ 在這個文件中 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 接觸的摩擦力相對較小 并在進行分析時忽略了加緊力對工件 的定位誤差的影響 意指正常接觸剛度比 是通過 i 1 2 L 和最小zkii 的所有定位器正常剛度 相乘 并假設工件 取決于 zks xNyzgXY 的方向 各自的等效接觸剛度可有下式 計算gZ 111 XYZNNssszizizikk 和 得出 見圖 3 工件剛體運動 歸于夾緊行動現(xiàn)在可以寫成 wd 8 111XYZ TRRRwNNNsssziziziPPdkk 工件有位移 因此 定位誤差的減小可以通過盡量減少產生的夾緊力向量 范數(shù) 因此 第一個目標函數(shù)可以寫為 2L 最小化 XYZ 222RRERCNNw111PP iii 9 第 5 頁 共 15 頁 要注意 加權因素是與等效接觸剛度成正比的在 和 方向上 通gXYgZ 過使用最低總能量互補參考文獻 15 23 的原則求解彈性力學接觸問題得出 A 的組成部分是唯一確定的 這保證了夾緊力和相應的定位反應是 真正的 解 決方案 對接觸問題和產生的 真正 剛體位移 而且工件保持在靜態(tài)平衡 通過夾緊力的隨時調整 因此 總能量最小化的形式為補充的夾緊力優(yōu)化的第 二個目標函數(shù) 并給出 最小化 10 222iiiL CL CL Cx 111FFUW kkyziii TQ 其中 代表機構的彈性變形應變能互補 代表由外部力量和力矩配合 W 完成 是遵守對角矩陣的 和Q1 LCxyzxyzcc 1iijjck 是所有接觸力的載體 TxyzzFF 如圖 3 加權系數(shù) 計算確定的基礎2L 2 2 摩擦和靜態(tài)平衡約束 在 10 式優(yōu)化的目標受到一定的限制和約束 他們中最重要的是在每個 接觸處的靜摩擦力約束 庫侖摩擦力的法律規(guī)定 是 22iiixyszFF is 靜態(tài)摩擦系數(shù) 這方面的一個非線性約束和線性化版本可以使用 并且 19 有 內蒙古科技大學本科生畢業(yè)設計 外文翻譯 第 6 頁 共 15 頁 11 iiixyszF 假設準靜態(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 0F 0M 其中包括在法線和切線方向的力和力矩的機械加工力和工件重量 2 3 界接觸力 由于夾具 工件接觸是單側面的 法線的接觸力 只能被壓縮 這通過iP 以下的 的約束表 i 1 2 L C 13 iP0i 它假設在工件上的法線力是確定的 此外 在一個法線的接觸壓力不能超過壓 工件材料的屈服強度 這個約束可寫為 yS i 1 2 L C 14 iyiPSA 如果 是在第 i 個工件 夾具的接觸處的接觸面積 完整的夾緊力優(yōu)化i 模型 可以寫成 最小化 15 12fTRCwQP 3 模型算法求解 式 15 多目標優(yōu)化問題可以通過求解約束 24 這種方法將確定的目標 作為首要職能之一 并將其轉換成一個約束對 該補充 的主要目的是處1f 理功能 并由此得到夾緊力 作為約束的加權范數(shù) 最小化 對 為主要2f 2L1f 目標的選擇 確保選中一套獨特可行的夾緊力 因此 工件 夾具系統(tǒng)驅動 到一個穩(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 范數(shù) 的約束轉換涉及到一個指定的加權范數(shù) 小于或等于 其中 是 2Lf 2L 的約束 假設最初所有夾緊力不明確 要確定一個合適的 在定位和夾緊f 點的接觸力的計算只考慮第一個目標函數(shù) 即 雖然有這樣的接觸力 并不1f 內蒙古科技大學本科生畢業(yè)設計 外文翻譯 第 7 頁 共 15 頁 一定產生最低的夾緊力 這是一個 真正的 可行的解決彈性力學問題辦法 可完全抑制工件在夾具中的位置 這些夾緊力的加權系數(shù) 通過計算并作為2L 初始值與 比較 因此 夾緊力式 15 的優(yōu)化問題可改寫為 最小化 16 12TfQ 由 11 14 得 RCwP 類似的算法尋找一個方程根的二分法來確定最低的 上的約束 通過盡RCwP 可能降低 上限 由此產生的最小夾緊力的加權范數(shù) 迭代次數(shù) K 終止搜 2L 索取決于所需的預測精度 和 有參考文獻 15 TwxyzTiiiziidrXYZ 2Klog 17 其中 表示上限的功能 完整的算法在如圖 4 中給出 內蒙古科技大學本科生畢業(yè)設計 外文翻譯 第 8 頁 共 15 頁 內蒙古科技大學本科生畢業(yè)設計 外文翻譯 第 9 頁 共 15 頁 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 加工過程中的夾緊力的優(yōu)化及測定 上一節(jié)介紹的算法可用于確定單負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的不斷變化而變化 因此 相應的夾緊力和最 佳的加工負荷獲得將由圖 4 算法獲得 這大大增加了計算負擔 并要求為選擇 的夾緊力提供標準 將獲得滿意和適宜的整個刀具軌跡 用保守的辦法來解 決下面將被討論的問題 考慮一個有限的數(shù)目 例如 m 沿相應的刀具路徑設 置的產生 m 個最佳夾緊力 選擇記為 在每個采樣點 1optP2t3optPopt 考慮以下四個最壞加工負荷向量 內蒙古科技大學本科生畢業(yè)設計 外文翻譯 第 10 頁 共 15 頁 max1axTXYZF 2maxaxTYXYZF 3maxaxTXYZF 4aTrXYZF 18 和 表示在 和 方向上的最大值 和 上gg 的數(shù)字 1 2 3 分別代替對應的 和 另外兩個正交切削分力 而且maxXYmaxZ 有 222maxrXYZFF 雖然 4 個最壞情況加工負荷向量不會在工件加工的同一時刻出現(xiàn) 但在每 次常規(guī)的進給速度中 刀具旋轉一次出現(xiàn)一次 負載向量引入的誤差可忽略 因此 在這項工作中 四個載體負載適用于同一位置 但不是同時 對工件進 行的采樣 夾緊力的優(yōu)化算法圖 4 對應于每個采樣點計算最佳的夾緊力 夾 緊力的最佳形式有 i 1 2 m j x y z r 19 max12 TiiijjcjPC 其中 是最佳夾緊力的四個情況下的加工負荷載體 C 1 2 C 是每ij ikjC 個相應的夾具在第 i 個樣本點和第 j 負荷情況下力的大小 是計算每個負maxijP 載點之后的結果 一套簡單的 最佳 夾緊力必須從所有的樣本點和裝載條件 里發(fā)現(xiàn) 并在所有的最佳夾緊力中選擇 這是通過在所有負載情況和采樣點排 序 并選擇夾緊點的最高值的最佳的夾緊力 見于式 20 maxkC k 1 2 C 20 maxikkjC 只要這些具備 就得到一套優(yōu)化的夾緊力 驗證這Tmaxax12C optP 些力 以確保工件夾具系統(tǒng)的靜態(tài)平衡 否則 會出現(xiàn)更多采樣點和重復上述 程序 在這種方式中 可為整個刀具路徑確定 最佳 夾緊力 圖 5 總結optP 了剛才所描述的算法 請注意 雖然這種方法是保守的 它提供了一個確定的 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價夾緊力的算法對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 內蒙古科技大學本科生畢業(yè)設計 外文翻譯 第 11 頁 共 15 頁 變形發(fā)生在每個工件夾具接觸處 使工件在夾具上移位和旋轉 隨后 準靜態(tài) 加工負荷應用造成工件在夾具的移位 工件剛體運動的定義是由它在 和gXY 方向上的移位 和自轉 見圖 2 gZTdwwXYZ Twxyz 如前所述 工件剛體位移產生于在每個夾緊處的局部變形 假設Tiiixyzd 為相對于工件的質量中心的第 i 個位置矢量定位點 坐標變換定理 TiirXYZ 可以用來表達在工件的位移 以及工件自轉idwwXYZ 如下 21 wxyz 1Tii iiRrd 其中 表示旋轉矩陣 描述當?shù)卦诘?i 幀相聯(lián)系的全球坐標系和 是一個1iR wcR 旋轉矩陣確定工件相對于全球的坐標系的定位坐標系 假設夾具夾緊工件旋轉 由于旋轉 很小 故 也可近似為 w wcR 22 w 1R1zyzxyx 方程 21 現(xiàn)在可以改寫為 23 TiiidRBq 其中 是經方程 21 重新編排后變換得到的矩 ii ii10YBZ0Xi 陣式 是夾緊和加工導致的工件剛體運動矢量 yqTwwxzX 工件與夾具單方面接觸性質意味著工件與夾具接觸處沒有拉力的可能 因此 在第 i 裝夾點接觸力 可能與 的關系如下 iFid 24 0 iiiKdzFotherws 其中 是在第 i 個接觸點由于夾緊和加工負荷造成的變形 意 Tiz 0iz 味著凈壓縮變形 而負數(shù)則代表拉伸變形 是表示在本地坐標iixyzKdagk 內蒙古科技大學本科生畢業(yè)設計 外文翻譯 第 12 頁 共 15 頁 系第 i 個接觸剛度矩陣 是單位向量 在這項研究中假定液壓 氣 01Tze 動夾具 根據(jù)對外加工負荷 故在法線方向的夾緊力的強度保持不變 因此 必須對方程 24 的夾緊點進行修改為 25 TyiiixFp 其中 是在第 i 個夾緊點的夾緊力 讓 表示一個對外加工力量和載體的 6 1i EF 矢量 并結合方程 23 25 與靜態(tài)平衡方程 得到下面的方程組 26 1L C1 0iEiiiRFfr 其中 其中 表示相乘 由于夾緊和加工工件剛體移動 q 可通過求解式 26 得到 工件的定位誤差向量 見圖 6 rrTXYZmm 現(xiàn)在可以計算如下 27 rmBq 其中 是考慮工件中心加工點的位置向量 且rTmXYZ 100mmYBX 6 模擬工作 較早前提出的算法是用來確定最佳夾緊力及其對兩例工件精度的影響例如 1 適用于工件單點力 2 應用于工件負載準靜態(tài)銑削序列 內蒙古科技大學本科生畢業(yè)設計 外文翻譯 第 13 頁 共 15 頁 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 16L 和 全球坐標系 gXYgZ 3 2 1 夾具圖 7 所示 是用來定位并控制 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系數(shù)為 0 25 使用伊利諾伊大學開發(fā) EMSIM 程序 參考文獻 26 對加工瞬時銑削力條件進行了計算 如表 2 給出例 1 應 用工件在點 109 2 毫米 25 4 毫米 34 3 毫米 瞬時加工力 圖 4 中表 3 和表 4 列出了初級夾緊力和最佳夾緊力的算法 該算法如圖 5 所示 一個 25 4 毫 米銑槽使用 EMSIM 進行了數(shù)值模擬 以減少起步 0 0 毫米 25 4 毫米 34 3 毫米 和結束時 127 0 毫米 25 4 毫米 34 3 毫米 四種情況下加工負荷載體 內蒙古科技大學本科生畢業(yè)設計 外文翻譯 第 14 頁 共 15 頁 內蒙古科技大學本科生畢業(yè)設計 外文翻譯 第 15 頁 共 15 頁 見圖 8 模擬計算銑削力數(shù)據(jù)在表 5 中給出 圖 8 最終銑削過程模擬例如 2 內蒙古科技大學本科生畢業(yè)設計 外文翻譯 第 16 頁 共 15 頁 表 6 中 5 個坐標列出了為模擬抽樣調查點 最佳夾緊力是用前面討論過的排序 算法計算每個采樣點和負載載體最后的夾緊力和負載 7 結果與討論 例如算法 1 的繪制最佳夾緊力收斂圖 9 圖 9 對于固定夾緊裝置在圖示例假設 見圖 7 由此得到的夾緊力加權范數(shù) 有如2L 下形式 結果表明 最佳夾緊力所述加工 222 3RRRCXYZPP 條件下有比初步夾緊力強度低得多的加權范數(shù) 最初的夾緊力是通過減少工2L 件的夾具系統(tǒng)補充能量算法獲得 由于夾緊力和負載造成的工件的定位誤差 如表 7 結果表明工件旋轉小 加工點減少錯誤從 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 因為從最初通過互補勢能確定的最小 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序列應用于銑削 負載到工件 他應用于工件銑削負載一個序列 最佳的夾緊力 對應列表 6 每個樣本點 隨著最后的最佳夾緊 maxaxmax iiiiij yzrPP 力 在每個采樣點的加權范數(shù) 和最優(yōu)的初始夾緊力繪圖 10 在每個采樣opt 2L 內蒙古科技大學本科生畢業(yè)設計 外文翻譯 第 17 頁 共 15 頁 點的加權范數(shù) 的 和 繪制 2LmaxiPaxiymaxizaxirP 結果表明 由于每個 組成部分是各相應的最大夾緊力 它具有最高的加opt 權范數(shù) 如圖 10 所示 如果在每個夾緊點最大組成部分是用于確定初步夾2 緊力 則夾緊力需相應設置 有比 相當大的加權范數(shù) 故 是一個inPopt 2LoptP 完整的刀具路徑改進方案 上述模擬結果表明 該方法可用于優(yōu)化夾緊力相對 于初始夾緊力的強度 這種做法將減少所造成的夾緊力的加權范數(shù) 因此將2 提高工件的定位精度 圖 10 8 結論 該文件提出了關于確定多鉗夾具 工件受準靜態(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的夾具與工件系統(tǒng)模型 并尋求 盡量減少應用到所造成的工件夾緊力的加權范數(shù) 得出工件的定位誤差 該2L 整體模型 制定一個雙目標約束優(yōu)化問題 使用 約束的方法解決 該算法通 過兩個模擬表明 涉及 3 2 1 型 二夾銑夾具的例子 今后的工作將解決在動 態(tài)負載存在夾具與工件在系統(tǒng)的優(yōu)化 其中慣性 剛度和阻尼效應在確定工件 夾具系統(tǒng)的響應特性具有重要作用 9 參考資料 內蒙古科技大學本科生畢業(yè)設計 外文翻譯 第 18 頁 共 15 頁 1 J D Lee 和 L S Haynes 柔性夾具系統(tǒng)的有限元分析 交易美國 ASME 工程雜志工業(yè) 134 139 頁 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 ASME 制造科學與工程雜志 1996 318 324 頁 3 P Chandra S M Athavale R E DeVor 和 S G Kapoor 負載對表面平 整度的影響 工件夾具制造科學研討會論文集 1996 第一卷 146 152 頁 4 R J Menassa 和 V R DeVries 適用于選拔夾具設計與優(yōu)化方法 美國 ASME 工業(yè)工程雜志 113 412 414 1991 5 A J C Trappey C Su 和 J Hou 計算機輔助夾具分析中的應用有限元 分析和數(shù)學優(yōu)化模型 1995 ASME 程序 MED 777 787 頁 6 S N Melkote S M Athavale R E DeVor S G Kapoor 和 J Burkey 基于加工過程仿真的加工裝置作用力系統(tǒng)研究 NAMRI SME 207 214 頁 1995 7 考慮工件夾具 夾具接觸相互作用布局優(yōu)化模擬的結果 341 346 1998 8 E C DeMeter 快速支持布局優(yōu)化 國際機床制造 碩士論文 1998 9 Y C Chou V Chandru M M Barash 加工夾具機械構造的數(shù)學算法 分析和合成 美國 ASME 工程學報工業(yè) 1989 299 306 頁 10 S H Lee 和 M R Cutkosky 具有摩擦性的夾具規(guī)劃 美國 ASME 工業(yè)工程學報 1991 320 327 頁 11 S Jeng L Chen 和 W Chieng 最小夾緊力分析 國際機床制造 碩 士論文 1995 年 12 E C DeMeter 加工夾具的性能的最小 最大負荷標準 美國 ASME 工業(yè)工程雜志 1994 13 E C DeMeter 加工夾具最大負荷的性能優(yōu)化模型 美國 ASME 工 業(yè)工程雜志 1995 14 JH 復和 AYC 倪 核查和工件夾持的夾具設計 方案優(yōu)化 設計和制 造 4 碩士論文 307 318 1994 內蒙古科技大學本科生畢業(yè)設計 外文翻譯 第 19 頁 共 15 頁 15 T H Richards 埃利斯 霍伍德 1977 應力能量方法分析 1977 16 M J Hockenberger and E C DeMeter 對工件準靜態(tài)分析功能位移在加 工夾具的應用程序 制造科學雜志與工程 325 331 頁 1996 機械加工工藝過程卡片 產品型號 座架 零件圖號 座架 機械加工工藝過程卡片 產品名稱 座架 零件名稱 座架 共 1 頁 第 1 頁 材料牌號 Q235 毛坯種類 型材 毛坯外型尺寸 每毛坯可制作件數(shù) 1 每臺件數(shù) 1 備注 工 時工序號 工序名稱 工序內容 車 間 工 段 設 備 工藝裝備 準終 單件 10 開料 開料 車間 一 20 銑 銑底面 機加工 二 X52K 銑床 銑夾具 量具 銑 刀 10 10 30 銑 銑寬度150mm 的一個缺口 機加工 二 X52K 銑床 銑夾具 量具 銑 刀 15 15 40 銑削 銑寬度 150mm 的另外一個缺口 機加工 二 X52K 銑床 銑夾具 量具 銑 刀 13 13 50 鉆孔 鉆底面 4X 22 機加工 二 Z525 鉆床 鉆夾具 鉆頭 10 10 60 粗鉆 粗鉆 115 留精加工余量 機加工 二 Z525 鉆床 鉆夾具 鉆頭 13 13 70 粗鉆 粗鉆 120 留精加工余量 機加工 二 Z525 鉆床 鉆夾具 鉆頭 10 10 80 精鉆 精鉆 115H7 達到圖紙尺寸 機加工 二 Z525 鉆床 鉆夾具 鉆頭 10 10 90 精鉆 精鉆 120H7 達到圖紙尺寸 機加工 二 Z525 鉆床 鉆夾具 鉆頭 13 13 100 鉆孔攻絲 鉆 2XM20 底孔 然后進行攻絲 2XM20 機加工 二 Z525 鉆床 鉆夾具 鉆頭 15 15 110 去毛刺 鉗工去毛刺 15 15 120 終檢 按圖樣要求檢驗 13 13 130 入庫 入庫 12 12 設計 日 期 審核 日期 標準化 日期 會簽 日期 標記 處數(shù) 更改文件號 簽字 日期 標記 處數(shù) 更改文件號 簽字 日期 描圖 描校 底圖號 裝訂號 裝 訂 線 產品型號 座架 零件圖號 座架機械加工工序卡片 產品名稱 座架 零件名稱 座架 共 1 頁 第 1 頁 車間 工序號 工序名稱 材 料 牌 號 機加工 50 鉆 4 22 Q235 毛 坯 種 類 毛坯外形尺寸 每毛坯可制件數(shù) 每 臺 件 數(shù) 型材 1 1 設備名稱 設備型號 設備編號 同時加工件數(shù) 鉆床 Z525 1 夾具編號 切削液 Jiaju002 Z525 鉆床 鉆頭 乳化液 工序工時 分 工位器具編號 工位器具名稱 準終 單件 QIJU002 專用器具 主軸轉速 切削速度 進給量 切削深度 工步工時工步號 工 步 內 容 工 藝 裝 備 r min m min mm r mm 進給次數(shù) 機動 輔助 50 鉆 4 22 留精加工余量 Z525 鉆床 鉆頭 500 0 5 2 25 1 5min 1 min 設 計 日 期 校 對 日期 審 核 日期 標準化 日期 會 簽 日期 標記 處數(shù) 更改文件號 簽 字 日 期 標記 處數(shù) 更改文件號 簽 字 日 期 課 程 設 計 論 文 座架零件加工工藝及鉆 4 22 孔夾具設 計 所 在 學 院 專 業(yè) 班 級 姓 名 學 號 指 導 老 師 年 月 日 2 摘 要 座架零件零件加工工藝及鉆床夾具設計是包括零件加工的工藝設計 工序設計以 及專用夾具的設計三部分 在工藝設計中要首先對零件進行分析 了解零件的工藝再 設計出毛坯的結構 并選擇好零件的加工基準 設計出零件的工藝路線 接著對零件 各個工步的工序進行尺寸計算 關鍵是決定出各個工序的工藝裝備及切削用量 然后 進行專用夾具的設計 選擇設計出夾具的各個組成部件 如定位元件 夾緊元件 引 導元件 夾具體與機床的連接部件以及其它部件 計算出夾具定位時產生的定位誤差 分析夾具結構的合理性與不足之處 并在以后設計中注意改進 關鍵詞 工藝 工序 切削用量 夾緊 定位 誤差 3 目 錄 摘 要 2 第 1 章 緒論 5 第 2 章 加工工藝規(guī)程設計 6 2 1 零件的分析 6 2 1 1 零件的作用 6 2 1 2 零件的工藝分析 6 2 2 座架零件加工的主要問題和工藝過程設計所應采取的相應措施 7 2 2 1 孔和平面的加工順序 7 2 2 2 孔系加工方案選擇 7 2 3 座架零件加工定位基準的選擇 8 2 3 1 粗基準的選擇 8 2 3 2 精基準的選擇 8 2 4 座架零件加工主要工序安排 8 2 5 機械加工余量 工序尺寸及毛坯尺寸的確定 10 2 6 確定切削用量及基本工時 機動時間 11 2 7 時間定額計算及生產安排 18 第 3 章 鉆 4 22 孔夾具設計 21 3 1 研究原始質料 21 3 2 定位 夾緊方案的選擇 22 3 3 切削力及夾緊力的計算 22 3 4 誤差分析與計算 24 3 5 鉆套 襯套 鉆模板設計與選用 25 4 3 6 確定夾具體結構和總體結構 27 3 7 夾具設計及操作的簡要說明 28 總 結 29 參考文獻 30 致 謝 31 5 第 1 章 緒論 機械制造業(yè)是制造具有一定形狀位置和尺寸的零件和產品 并把它們裝備成機械 裝備的行業(yè) 機械制造業(yè)的產品既可以直接供人們使用 也可以為其它行業(yè)的生產提 供裝備 社會上有著各種各樣的機械或機械制造業(yè)的產品 我們的生活離不開制造業(yè) 因此制造業(yè)是國民經濟發(fā)展的重要行業(yè) 是一個國家或地區(qū)發(fā)展的重要基礎及有力支 柱 從某中意義上講 機械制造水平的高低是衡量一個國家國民經濟綜合實力和科學 技術水平的重要指標 座架零件零件加工工藝及鉆床夾具設計是在學完了機械制圖 機械制造技術基礎 機械設計 機械工程材料等的基礎下 進行的一個全面的考核 正確地解決一個零件 在加工中的定位 夾緊以及工藝路線安排 工藝尺寸確定等問題 并設計出專用夾具 保證尺寸證零件的加工質量 本次設計也要培養(yǎng)自己的自學與創(chuàng)新能力 因此本次設 計綜合性和實踐性強 涉及知識面廣 所以在設計中既要注意基本概念 基本理論 又要注意生產實踐的需要 只有將各種理論與生產實踐相結合 才能很好的完成本次 設計 本次設計水平有限 其中難免有缺點錯誤 敬請老師們批評指正 6 第 2 章 加工工藝規(guī)程設計 2 1 零件的分析 2 1 1 零件的作用 題目給出的零件是座架零件 座架零件的主要作用是支承軸 保證軸之間的中心 距及平行度 并保證正確安裝 因此座架零件的加工質量 不但直接影響的裝配精度 和運動精度 而且還會影響工作精度 使用性能和壽命 2 1 2 零件的工藝分析 由座架零件零件圖可知 座架零件是一個座架零件零件 它的外表面上有 4 個平 面需要進行加工 支承孔系在前后端面上 此外各表面上還需加工一系列螺紋孔 因 此可將其分為三組加工表面 它們相互間有一定的位置要求 現(xiàn)分析如下 1 以底面為主要加工表面的加工面 這一組加工表面包括 A 面的銑削加工 其中頂面有表面粗糙度要求為 mRa 3 6 2 以支承孔 115 H7 120H7 為主要加工表面的加工面 3 以寬度 150mm 的缺口為主要加工面 7 2 2 座架零件加工的主要問題和工藝過程設計所應采取的相應措施 由以上分析可知 該座架零件零件的主要加工表面是平面及孔系 一般來說 保 證平面的加工精度要比保證孔系的加工精度容易 因此 對于座架零件來說 加工過 程中的主要問題是保證孔的尺寸精度及位置精度 處理好孔和平面之間的相互關系 由于的生產量很大 怎樣滿足生產率要求也是加工過程中的主要考慮因素 2 2 1 孔和平面的加工順序 座架零件類零件的加工應遵循先面后孔的原則 即先加工座架零件上的基準平面 以基準平面定位加工其他平面 然后再加工孔系 座架零件的加工自然應遵循這個原 則 這是因為平面的面積大 用平面定位可以確保定位可靠夾緊牢固 因而容易保證 孔的加工精度 其次 先加工平面可以先切去鑄件表面的凹凸不平 為提高孔的加工 精度創(chuàng)造條件 便于對刀及調整 也有利于保護刀具 座架零件零件的加工工藝應遵循粗精加工分開的原則 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 2 2 2 孔系加工方案選擇 座架零件孔系加工方案 應選擇能夠滿足孔系加工精度要求的加工方法及設備 除了從加工精度和加工效率兩方面考慮以外 也要適當考慮經濟因素 在滿足精度要 求及生產率的條件下 應選擇價格最底的機床 根據(jù)座架零件零件圖所示的座架零件的精度要求和生產率要求 當前應選用在組 合機床上用鏜模法鏜孔較為適宜 1 用鏜模法鏜孔 在大批量生產中 座架零件孔系加工一般都在組合鏜床上采用鏜模法進行加工 鏜模夾具是按照工件孔系的加工要求設計制造的 當鏜刀桿通過鏜套的引導進行鏜孔 時 鏜模的精度就直接保證了關鍵孔系的精度 采用鏜?？梢源蟠蟮靥岣吖に囅到y(tǒng)的剛度和抗振性 因此 可以用幾把刀同時加 工 所以生產效率很高 但鏜模結構復雜 制造難度大 成本較高 且由于鏜模的制 造和裝配誤差 鏜模在機床上的安裝誤差 鏜桿和鏜套的磨損等原因 用鏜模加工孔 系所能獲得的加工精度也受到一定限制 2 用坐標法鏜孔 在現(xiàn)代生產中 不僅要求產品的生產率高 而且要求能夠實現(xiàn)大批量 多品種以 及產品更新?lián)Q代所需要的時間短等要求 鏜模法由于鏜模生產成本高 生產周期長 不大能適應這種要求 而坐標法鏜孔卻能適應這種要求 此外 在采用鏜模法鏜孔時 鏜模板的加工也需要采用坐標法鏜孔 8 用坐標法鏜孔 需要將座架零件孔系尺寸及公差換算成直角坐標系中的尺寸及公 差 然后選用能夠在直角坐標系中作精密運動的機床進行鏜孔 2 3 座架零件加工定位基準的選擇 2 3 1 粗基準的選擇 粗基準選擇應當滿足以下要求 1 保證各重要支承孔的加工余量均勻 2 保證裝入座架零件的零件與箱壁有一定的間隙 為了滿足上述要求 應選擇的主要支承孔作為主要基準 即以座架零件的輸入軸 和輸出軸的支承孔作為粗基準 也就是以前后端面上距頂平面最近的孔作為主要基準 以限制工件的四個自由度 再以另一個主要支承孔定位限制第五個自由度 由于是以 孔作為粗基準加工精基準面 因此 以后再用精基準定位加工主要支承孔時 孔加工 余量一定是均勻的 由于孔的位置與箱壁的位置是同一型芯鑄出的 因此 孔的余量 均勻也就間接保證了孔與箱壁的相對位置 2 3 2 精基準的選擇 從保證座架零件孔與孔 孔與平面 平面與平面之間的位置 精基準的選擇應能 保證座架零件在整個加工過程中基本上都能用統(tǒng)一的基準定位 從座架零件零件圖分 析可知 它的頂平面與各主要支承孔平行而且占有的面積較大 適于作精基準使用 但用一個平面定位僅僅能限制工件的三個自由度 如果使用典型的一面兩孔定位方法 則可以滿足整個加工過程中基本上都采用統(tǒng)一的基準定位的要求 至于前后端面 雖 然它是座架零件的裝配基準 但因為它與座架零件的主要支承孔系垂直 如果用來作 精基準加工孔系 在定位 夾緊以及夾具結構設計方面都有一定的困難 所以不予采 用 2 4 座架零件加工主要工序安排 對于大批量生產的零件 一般總是首先加工出統(tǒng)一的基準 座架零件加工的第一 個工序也就是加工統(tǒng)一的基準 具體安排是先以孔定位粗 精加工頂平面 第二個工 序是加工定位用的兩個工藝孔 由于頂平面加工完成后一直到座架零件加工完成為止 除了個別工序外 都要用作定位基準 因此 頂面上的螺孔也應在加工兩工藝孔的工 序中同時加工出來 后續(xù)工序安排應當遵循粗精分開和先面后孔的原則 先粗加工平面 再粗加工孔 系 螺紋底孔在多軸組合鉆床上鉆出 因切削力較大 也應該在粗加工階段完成 對 于座架零件 需要精加工的是支承孔前后端平面 按上述原則亦應先精加工平面再加 工孔系 但在實際生產中這樣安排不易于保證孔和端面相互垂直 因此 實際采用的 9 工藝方案是先精加工支承孔系 然后以支承孔用可脹心軸定位來加工端面 這樣容易 保證零件圖紙上規(guī)定的端面全跳動公差要求 各螺紋孔的攻絲 由于切削力較小 可 以安排在粗 精加工階段中分散進行 加工工序完成以后 將工件清洗干凈 清洗是在 的含 0 4 1 1 蘇打及c 908 0 25 0 5 亞硝酸鈉溶液中進行的 清洗后用壓縮空氣吹干凈 保證零件內部雜質 鐵屑 毛刺 砂粒等的殘留量不大于 mg20 根據(jù)以上分析過程 現(xiàn)將座架零件加工工藝路線確定如下 工藝路線一 10 開料 開料 20 銑 銑底面 30 銑 銑寬度 150mm 的一個缺口 40 銑削 銑寬度 150mm 的另外一個缺口 50 鉆孔 鉆底面 4X 22 60 粗鉆 粗鉆 115 留精加工余量 70 粗鉆 粗鉆 120 留精加工余量 80 精鉆 精鉆 115H7 達到圖紙尺寸 90 精鉆 精鉆 120H7 達到圖紙尺寸 100 鉆孔攻絲 鉆 2XM20 底孔 然后進行攻絲 2XM20 110 去毛刺 鉗工去毛刺 120 終檢 按圖樣要求檢驗 130 入庫 入庫 工藝路線二 10 開料 開料 20 銑 銑底面 30 銑 銑寬度 150mm 的一個缺口 40 銑削 銑寬度 150mm 的另外一個缺口 50 粗鉆 粗鉆 115 留精加工余量 60 粗鉆 粗鉆 120 留精加工余量 70 精鉆 精鉆 115H7 達到圖紙尺寸 80 精鉆 精鉆 120H7 達到圖紙尺寸 90 鉆孔 鉆底面 4X 22 100 鉆孔攻絲 鉆 2XM20 底孔 然后進行攻絲 2XM20 10 110 去毛刺 鉗工去毛刺 120 終檢 按圖樣要求檢驗 130 入庫 入庫 以上加工方案大致看來合理 但通過仔細考慮 零件的技術要求及可能采取的加工 手段之后 就會發(fā)現(xiàn)仍有問題 以上工藝過程詳見機械加工工藝過程綜合卡片 綜合選擇方案一 工藝路線一 10 開料 開料 20 銑 銑底面 30 銑 銑寬度 150mm 的一個缺口 40 銑削 銑寬度 150mm 的另外一個缺口 50 鉆孔 鉆底面 4X 22 60 粗鉆 粗鉆 115 留精加工余量 70 粗鉆 粗鉆 120 留精加工余量 80 精鉆 精鉆 115H7 達到圖紙尺寸 90 精鉆 精鉆 120H7 達到圖紙尺寸 100 鉆孔攻絲 鉆 2XM20 底孔 然后進行攻絲 2XM20 110 去毛刺 鉗工去毛刺 120 終檢 按圖樣要求檢驗 130 入庫 入庫 2 5 機械加工余量 工序尺寸及毛坯尺寸的確定 座架零件 零件材料采用 Q235 制造 材料為 Q235 硬度 HB 為 170 241 生 產類型為大批量生產 采用型材毛坯 1 頂面的加工余量 根據(jù)工序要求 頂面加工分粗 精銑加工 各工步余量如下 粗銑 參照 機械加工工藝手冊第 1 卷 表 3 2 23 其余量值規(guī)定為 m4 3 72 現(xiàn)取 表 3 2 27 粗銑平面時厚度偏差取 m0 3 m28 0 精銑 參照 機械加工工藝手冊 表 2 3 59 其余量值規(guī)定為 5 1 3 孔 毛坯為實心 不沖孔 4 端面加工余量 根據(jù)工藝要求 前后端面分為粗銑 半精銑 半精銑 精銑加工 各工序余量如 11 下 粗銑 參照 機械加工工藝手冊第 1 卷 表 3 2 23 其加工余量規(guī)定為 現(xiàn)取 m5 3 720 3 半精銑 參照 機械加工工藝手冊第 1 卷 其加工余量值取為 m5 2 精銑 參照 機械加工工藝手冊 其加工余量取為 0 2 6 確定切削用量及基本工時 機動時間 工序 20 銑底面 機床 銑床 X52K 刀具 硬質合金端銑刀 面銑刀 齒數(shù) 10 mdw40 14 Z 1 粗銑座架零件底面 銑削深度 pam2 每齒進給量 根據(jù) 機械加工工藝手冊 表 2 4 73 取f Zmaf 25 0 銑削速度 參照 機械加工工藝手冊 表 2 4 81 取V sV 4 機床主軸轉速 取n in 1940 3610rdV inr 實際銑削速度 smn 20 進給量 fVZaff 671 125 工作臺每分進給量 m in 2 0 sVf 根據(jù) 機械加工工藝手冊 表 2 4 81 a a4 被切削層長度 由毛坯尺寸可知l ml31 刀具切入長度 1D2 5 02 刀具切出長度 取2l 走刀次數(shù)為 1 機動時間 1jt min5 02 743121 mjfl 2 精銑座架零件底面 銑削深度 pam 每齒進給量 根據(jù) 機械加工工藝手冊 表 2 4 73 取f Zaf 15 0 12 銑削速度 參照 機械加工工藝手冊 表 2 4 81 取V smV 6 機床主軸轉速 取n in 28401 360rdV in30r 實際銑削速度 sn 0 進給量 fVmZaff 56 5 工作臺每分進給量 m in 30 1sVf 被切削層長度 由毛坯尺寸可知ll4 刀具切入長度 精銑時1Dl01 刀具切出長度 取2l 走刀次數(shù)為 1 機動時間 2jt min18 63024121 mjfl 本工序機動時間 in7 8 501 jjj 工序 30 銑寬度 150mm 的一個缺口 機床 銑床 X52K 刀具 硬質合金可轉位端銑刀 面銑刀 材料 齒數(shù) 15YT0Dm 5Z 此為粗齒銑刀 因其單邊余量 Z 3mm 所以銑削深度 3mmpa2 m 精銑該平面的單邊余量 Z 1 0mm 銑削深度 p1 0 每齒進給量 根據(jù)參考文獻 3 表 2 4 73 取 根據(jù)參考文獻fa 0 15 famZ 3 表 2 4 81 取銑削速度 2 8 Vs 每齒進給量 根據(jù)參考文獻 3 表 2 4 73 取 根據(jù)參考文獻 3 表f f 8 2 4 81 取銑削速度 47 m 機床主軸轉速 n102 601 97 in31Vrd 按照參考文獻 3 表 3 1 74 取 45 實際銑削速度 v 13 3 140752 49 06dnvms 進給量 fV 81 ffaZ 工作臺每分進給量 m7 7 5infVs 根據(jù)參考文獻 3 表 2 4 81 取 aa60 切削工時 被切削層長度 由毛坯尺寸可知 l 14lm 8l 刀具切入長度 1 20 5 3lDa 2061 2 刀具切出長度 取2lm 走刀次數(shù)為 1 機動時間 jt1240 36min7 5jmlf 機動時間 1jt 1268 19i jlf 所以該工序總機動時間 105njjtt 工序 40 銑寬度 150mm 的另外一個缺口 機床 X52K 銑床 刀具 硬質合金端銑刀 面銑刀 齒數(shù) 10 mdw63 14 Z 1 粗銑 銑削深度 pam3 每齒進給量 根據(jù) 機械加工工藝手冊 表 2 4 73 取f Zmaf 25 0 銑削速度 參照 機械加工工藝手冊 表 2 4 81 取V sV 4 機床主軸轉速 取n in 19634 010rdV inr 實際銑削速度 smn 20 進給量 fVZaff 710 125 工作臺每分進給量 m in 2 6 sVf 根據(jù) 機械加工工藝手冊 表 2 4 81 a a4 14 被切削層長度 由毛坯尺寸可知l ml341 刀具切入長度 1 aD42 5 02 刀具切出長度 取2l 走刀次數(shù)為 1 機動時間 1jt min5 02 743121 mjfl 2 精銑 銑削深度 pam 每齒進給量 根據(jù) 機械加工工藝手冊 表 2 4 73 取f Zaf 15 0 銑削速度 參照 機械加工工藝手冊 表 2 4 81 取V smV 6 機床主軸轉速 取n in 28401 360rdV in3r 實際銑削速度 sn 0 進給量 fVmZaff 56 5 工作臺每分進給量 m in 30 1sVf 被切削層長度 由毛坯尺寸可知ll4 刀具切入長度 精銑時1Dl01 刀具切出長度 取2l 走刀次數(shù)為 1 機動時間 2jt min18 63024121 mjfl 本工序機動時間 in7 8 501 jjj 工序 50 鉆底面 4X 22 鉆孔選用機床為 Z525 搖臂機床 刀具選用 GB1436 85 直柄短麻花鉆 機械加工 工藝手冊 第 2 卷 根據(jù) 機械加工工藝手冊 第 2 卷表 10 4 2 查得鉆孔進給量為 0 20 0 35 rm 則取 rmf30 確定切削速度 根據(jù) 機械加工工藝手冊 第 2 卷表 10 4 9 15 切削速度計算公式為 3 min0kfaTdcvvyxpmzv 20 查得參數(shù)為 刀具耐用度 T 35125 0 0 25 1 8 yxzcvvvv min 則 1 65 0125 0 2 337 min 所以 72n4 6ir 選取 mi120r 所以實際切削速度為 2 64 7 3 vin 確定切削時間 一個孔 t s20 8 工序 60 70 80 90 粗鉆 精鉆 115H7 120H7 孔 機床 Z525 鉆床 刀具 硬質合金鉆刀 鉆刀材料 5YT 進給量 根據(jù)參考文獻 3 表 2 4 66 刀桿伸出長度取 切削深度為f m20 因此確定進給量 1 m0 2 fmr 切削速度 參照參考文獻 3 表 2 4 45 取 V 1 inVs 機床主軸轉速 n 1019 in3 4 2rd 按照參考文獻 3 表 3 1 41 取 0 實際切削速度 v 43 12 4 106nms 工作臺每分鐘進給量 mf inf 被切削層長度 l5 刀具切入長度 1 2 3 3 70pratgktg 刀具切出長度 取2l ml42 行程次數(shù) i 16 機動時間 1jt1253 7410 minjmlf 精鉆孔 粗加工后單邊余量 Z 0 4mm 一次鏜去全部余量 進給量 根據(jù)參考文獻 3 表 2 4 66 刀桿伸出長度取 切削深度為f 20 因此確定進給量0 4m0 15 fr 切削速度 參照參考文獻 3 表 2 4 45 取V 1 6 minVs 機床主軸轉速 n 126948 7 min3 rd 按照參考文獻 3 表 3 14 41 取 10 實際切削速度 v 2 64 10ns 工作臺每分鐘進給量 mf 5inf 被切削層長度 l5 刀具切入長度 1 mtgtgkarp 3208 3 2 刀具切出長度 取2l l42 行程次數(shù) i 機動時間 2jt1253 10 in7jmlf 所以該工序總機動工時 0 26mijt 切削深度 pa 進給量 根據(jù) 機械加工工藝手冊 表 2 4 66 刀桿伸出長度取 切削f m20 深度為 因此確定進給量m2rf 6 0 切削速度 參照 機械加工工藝手冊 表 2 4 66 取V in 15 sV 機床主軸轉速 取nmin 5 041 30rdV i60r 實際切削速度 sn 2 6 工作臺每分鐘進給量 mf in30 f 被切削層長度 l19 17 刀具切入長度 1l mtgtgkarp 4 5230 2 刀具切出長度 取2m53l 行程次數(shù) i 機動時間 1jt in79 0164 1921 mjfl 精鉆孔 切削深度 pa 進給量 根據(jù)切削深度 再參照 機械加工工藝手冊 表 2 4 66 因fap1 此確定進給量 rm 4 0 切削速度 參照 機械加工工藝手冊 表 2 4 66 取V min 21 35 0sV 機床主軸轉速 取nmin 6 8341 20rdV i84r 實際切削速度 sn 5 00 工作臺每分鐘進給量 mf in638 f 被切削層長度 l19 刀具切入長度 mtgtgkarp 4 520 3 2 刀具切出長度 取2l5 l 行程次數(shù) i1 機動時間 jt in85 016 34192 mjfl 工序 100 鉆 2XM20 底孔 然后進行攻絲 2XM20 鉆孔選用機床為 Z525 搖臂機床 刀具選用 GB1436 85 直柄短麻花鉆 機械加工 工藝手冊 第 2 卷 則取 rf30 確定切削速度 根據(jù) 機械加工工藝手冊 第 2 卷表 10 4 9 切削速度計算公式為 3 min0kfaTdcvvyxpmzv 20 18 查得參數(shù)為 刀具耐用度 T 35125 0 0 25 1 8 myxzcvvvv min 則 1 65 0125 0 2 337 in 所以 72n4 6ir 選取 mi120r 所以實際切削速度為 2 64 7 3 vin 確定切削時間 一個孔 t s20 8 2 7 時間定額計算及生產安排 根據(jù)設計任務要求 該的年產量為 10 萬件 一年以 240 個工作日計算 每天的產 量應不低于 417 件 設每天的產量為 420 件 再以每天 8 小時工作時間計算 則每個 工件的生產時間應不大于 1 14min 參照 機械加工工藝手冊 表 2 5 2 機械加工單件 生產類型 中批以上 時間 定額的計算公式為 大量生產時 Ntktt zfjd 1 0 Ntz 因此在大批量生產時單件時間定額計算公式為 ttfjd 其中 單件時間定額 基本時間 機動時間 jt 輔助時間 用于某工序加工每個工件時都要進行的各種輔助動作所消ft 耗的時間 包括裝卸工件時間和有關工步輔助時間 k 布置工作地 休息和生理需要時間占操作時間的百分比值 工序 1 粗 精銑底面 機動時間 jtmin73 1 j 輔助時間 參照 機械加工工藝手冊 表 2 5 43 取工步輔助時間為 f min15 0 由于在生產線上裝卸工件時間很短 所以取裝卸工件時間為 則in1 0in25 01 ftk 根據(jù) 機械加工工藝手冊 表 2 5 48 3 k 19 單間時間定額 dt min14 i2 13 25 0731 kfj 因此應布置兩臺機床同時完成本工序的加工 當布置兩臺機床時 min4 i12 4 2 dt 即能滿足生產要求 工序 2 鉆底面 4X 22 孔 機動時間 jtin3 0 j 輔助時間 參照 機械加工工藝手冊 表 2 5 41 取工步輔助時間為 f min4 0 由于在生產線上裝卸工件時間很短 所以取裝卸工件時間為 則in1 0min54 014 ftk 根據(jù) 機械加工工藝手冊 表 2 5 43 4 2 k 單間時間定額 dt min14 i98 0 1 5 03 1 kfj 因此布置一臺機床即能滿足生產要求 工序 9 粗鉆前后端面支承孔 機動時間 jtmin97 0j 輔助時間 參照 機械加工工藝手冊 表 2 5 37 取工步輔助時間為 f in80 由于在生產線上裝卸工件時間很短 所以取裝卸工件時間為 則min15 0in95 01 8 0 ftk 根據(jù) 機械加工工藝手冊 表 2 5 39 83 4 k 單間時間定額 dt in14 i20 1 95 07 1 kfj 因此應布置兩臺機床同時完成本工序的加工 當布置兩臺機床時 min4 i 2 dt 即能滿足生產要求 工序 11 精鉆支承孔 機動時間 jtmin86 0 j 輔助時間 參照 機械加工工藝手冊 表 2 5 37 取工步輔助時間為 f min80 20 由于在生產線上裝卸工件時間很短 所以取裝卸工件時間為 則min15 0min95 01 8 0 ftk 根據(jù) 機械加工工藝手冊 表 2 5 39 83 4 k 單間時間定額 dt in14 i09 2 1 95 086 1 ktfjd 因此應布置兩臺機床同時完成本工序的加工 當布置兩臺機床時 mi in 2 dt 即能滿足生產要求 工序 12 2XM20 螺紋孔攻絲 機動時間 jtmin1 0 j 輔助時間 參照鉆孔輔助時間 取裝卸工件輔助時間為 工步輔助時間f in1 0 為 則min4 0i5 4 ft 參照鉆孔 值 取kk142 單間時間定額 dt min14 i68 0 5 0 1 tfjd 因此布置一臺機床即能滿足生產要求 21 第 3 章 鉆 4 22 孔夾具設計 3 1 研究原始質料 利用本夾具主要用來加工鉆 4 22 孔 加工時除了要滿足粗糙度要求外 還應 滿足兩孔軸線間公差要求 為了保證技術要求 最關鍵是找到定位基準 同時 應考 慮如何提高勞動生產率和降低勞動強度 一 機床夾具定位元件 工件定位方式不同 夾具定位元件的結構形式也不同 這里只介紹幾種常用的基本 定位元件 實際生產中使用的定位元件都是這些基本定位元件的組合 一 工件以平面定位常用定位元件 1 支承釘 常用支承釘?shù)慕Y構形式如圖6 1所示 平頭支承釘 圖 a 用于支承精基準面 球頭 支承釘 圖 b 用于支承粗基準面 網紋頂面支承釘 圖 c 能產生較大的摩擦力 但 網槽中的切屑不易清除 常用在工件以粗基準定位且要求產生較大摩擦力的側面定位 場合 一個支承釘相當于一個支承點 限制一個自由度 在一個平面內 兩個支承釘 限制二個自由度 不在同一直線上的三個支承釘限制三個自由度 圖6 1 常用支承釘?shù)慕Y構形式 2 支承板 常用的支承板結構形式如圖6 2所示 平面型支承板 圖 a 結構簡單 但沉頭螺釘 處清理切屑比較困難 適于作側面和頂面定位 帶斜槽型支承板 圖 b 在帶有螺釘 孔的斜槽中允許容納少許切屑 適于作底面定位 當工件定位平面較大時 常用幾塊 22 支承板組合成一個平面 一個支承板相當于兩個支承點 限制兩個自由度 兩個 或 多個 支承板組合 相當于一個平面 可以限制三個自由度 圖6 2 常用支承板的結構形式 3 可調支承 常用可調支承結構形式如圖6 3所示 可調支承多用于支承工件的粗基準面 支承高 度可以根據(jù)需要進行調整 調整到位后用螺母鎖緊 一個可調支承限制一個自由度 圖6 3 常用可調支承的結構形式 二 工件以孔定位常用定位元件 1 定位銷 圖6 6是幾種常用固定式定位銷的結構形式 當工件的孔徑尺寸較小時 可選用圖 a 所示的結構 當孔徑尺寸較大時 選用圖 b 所示的結構 當工件同時以圓孔和端面組 合定位時 則應選用圖 c 所示的帶有支承端面的結構 用定位銷定位時 短圓柱銷限 制二個自由度 長圓柱銷可以限制四個自由度 短圓錐銷 圖 d 限制三個自由度 圖6 6 固定式定位銷的結構形式 3 2 定位 夾緊方案的選擇 由零件圖可知 在對加工前 平面進行了粗 精銑加工 底面進行了鉆 擴加工 因此 定位 夾緊方案有 為了使定位誤差達到要求的范圍之內 采用一面一銷再加上一手動調節(jié)的螺絲定 位的定位方式 這種定位在結構上簡單易操作 一面即底平面 3 3 切削力及夾緊力的計算 刀具 鉆頭 22 則軸向力 見 工藝師手冊 表 28 4 F C d f k 3 1F0zFy 式中 C 420 Z 1 0 y 0 8 f 0 35FF k 07 1 92 103 nHB 23 F 420 1 0 86357213 N 轉矩 T C d f kT0ZTy 式中 C 0 206 Z 2 0 y 0 8TT T 0 206 34 170 35 18 02 MN 功率 P mKWdV26 90 在計算切削力時 必須考慮安全系數(shù) 安全系數(shù) K K K K K1234 式中 K 基本安全系數(shù) 1 5 K 加工性質系數(shù) 1 1 2 K 刀具鈍化系數(shù) 1 1 3 K 斷續(xù)切削系數(shù) 1 14 則 F KF 1 5 42391 1 N 鉆削時 T 17 34 N M 切向方向所受力 F 1L T2670534 取 f F 4416f 1N F Ff1 所以 時工件不會轉動 故本夾具可安全工作 根據(jù)工件受力切削力 夾緊力的作用情況 找出在加工過程中對夾緊最不利的瞬 間狀態(tài) 按靜力平衡原理計算出理論夾緊力 最后為保證夾緊可靠 再乘以安全系數(shù) 作為實際所需夾緊力的數(shù)值 即 FKW 安全系數(shù) K 可按下式計算有 6543210 式中 為各種因素的安全系數(shù) 查參考文獻 5 表 可得 6 12 01 310 56C 24 1 2 0512 301 236PK 5f 所以有 9 8 KCWFN 763P 15 0 f 該孔的設計基準為中心軸 故以回轉面做定位基準 實現(xiàn) 基準重合 原則 參考文獻 因夾具的夾緊力與切削力方向相反 實際所需夾緊力 F 夾與切削力 之間 的關系 F 夾 KF 軸向力 F 夾 KF N 扭距 Nm93 103 24 05 14 3108 90 MYFXKfdC 在計算切削力時必須把安全系數(shù)考慮在內 安全系數(shù) 2K 由資料 機床夾具設計手冊 查表 可得 7 切削力公式 式 2 17 PffD75 02 14 式中 5mr 3 查表 得 821 9 10 6 HBKp 即 69 0NFf 實際所需夾緊力 由參考文獻 16 機床夾具設計手冊 表 得 12 WfK 安全系數(shù) K 可按下式計算 由式 2 5 有 6543210 式中 為各種因素的安全系數(shù) 見參考文獻 16 機床夾具設計手0 冊 表 可得 25 01 32 1 21 K 所以 4656980NFWf 由計算可知所需實際夾緊力不是很大 為了使其夾具結構簡單 操作方便 決定 選用螺旋夾緊機構 3 4 誤差分析與計算 該夾具以一底面一側面 兩支撐釘和一個調節(jié)螺絲定位 為了滿足工序的加工要 25 求 必須使工序中誤差總和等于或小于該工序所規(guī)定的尺寸公差 gwj 與機床夾具有關的加工誤差 一般可用下式表示 j MjjWDAZWj 由參考文獻 5 可得 銷的定位誤差 11minDWd 1 21min2min DdDdJarctgL 其中 10 52D 20D dm 3d in in4 0 63DWm 2J 夾緊誤差 cos inmaxyj 其中接觸變形位移值 1 9 62nHBZyRaZkNcl 查 5 表 1 2 15 有 104 0 6 42 0 7RazHBKCn cos 8jym 磨損造成的加工誤差 通常不超過Mj m5 夾具相對刀具位置誤差 取AD01 誤差總和 0 853jw 從以上的分析可見 所設計的夾具能滿足零件的加工精度要求 3 5 鉆套 襯套 鉆模板設計與選用 工藝孔的加工只需鉆切削就能滿足加工要求 故選用可換鉆套 其結構如下圖所 示 以減少更換鉆套的輔助時間 26 圖 3 5 可換鉆套 表 d D D1 H t 基本 極限 偏差 F7 基本 極限 偏差 D6 0 1 3 0 010 0 004 6 1 1 8 4 7 1 8 2 6 5 8 6 9 2 6 3 0 016 0 006 3 3 3 6 0 016 0 008 9 3 3 4 7 10 4 5 8 11 8 12 16 5 6 0 022 0 010 10 0 019 0 010 13 6 8 12 15 10 16 20 8 10 0 028 0 013 15 18 10 12 18 0 023 0 012 22 12 20 25 12 15 22 26 0 008 15 18 0 034 0 016 26 30 16 28 36 18 22 30 0 028 0 015 34 22 26 35 39 20 36 HT 200 26 30 0 041 0 020 42 46 30 35 0 050 48 0 033 0 017 52 25 HT200 56 0 012 27 35 42 55 59 42 48 62 66 48 50 0 025 70 0 039 0 020 74 30 56 67 0 040 鉆模板選用鉆模板 用沉頭螺釘錐銷定位于夾具體上 3 6 確定夾具體結構和總體結構 對夾具體的設計的基本要求 1 應該保持精度和穩(wěn)定性 在夾具體表面重要的面 如安裝接觸位置 安裝表面的刀塊夾緊安裝特定的 足 夠的精度 之間的位置精度穩(wěn)定夾具體 夾具體應該采用鑄造 時效處理 退火等處 理方式 2 應具有足夠的強度和剛度 保證在加工過程中不因夾緊力 切削力等外力變形和振動是不允許的 夾具應有 足夠的厚度 剛度可以適當加固 3 結構的方法和使用應該不錯 夾較大的工件的外觀 更復雜的結構 之間的相互位置精度與每個表面的要求高 所以應特別注意結構的過程中 應處理的工件 夾具 維修方便 再滿足功能性要求 剛度和強度 前提下 應能減小體積減輕重量 結構應該簡單 4 應便于鐵屑去除 在加工過程中 該鐵屑將繼續(xù)在夾在積累 如果不及時清除 切削熱的積累會破 壞夾具定位精度 鐵屑投擲可能繞組定位元件 也會破壞的定位精度 甚至發(fā)生事故 因此 在這個過程中的鐵屑不多 可適當增加定位裝置和夾緊表面之間的距離增加的 鐵屑空間 對切削過程中產生更多的 一般應在夾具體上面 5 安裝應牢固 可靠 夾具安裝在所有通過夾安裝表面和相應的表面接觸或實現(xiàn)的 當夾安裝在重力的 中心 夾具應盡可能低 支撐面積應足夠大 以安裝精度要高 以確保穩(wěn)定和可靠的 28 安裝 夾具底部通常是中空的 識別特定的文件夾結構 然后繪制夾具布局 圖中所 示的夾具裝配 加工過程中 夾具必承受大的夾緊力切削力 產生沖擊和振動 夾具的形狀 取 決于夾具布局和夾具和連接 在因此夾具必須有足夠的強度和剛度 在加工過程中的 切屑形成的有一部分會落在夾具 積累太多會影響工件的定位與夾緊可靠 所以夾具 設計 必須考慮結構應便于鐵屑 此外 夾點技術 經濟的具體結構和操作 安裝方 便等特點 在設計中還應考慮 在加工過程中的切屑形成的有一部分會落在夾具 切 割積累太多會影響工件的定位與夾緊可靠 所以夾具設計 必須考慮結構應便排出鐵 屑 3 7 夾具設計及操作的簡要說明 為提高生產率 經過方案的認真分析和比較 選用了手動夾緊方式 螺旋機構 這類夾緊機構結構簡單 夾緊可靠 通用性大 在機床夾具中很廣泛的應用 此外 當夾具有制造誤差 工作過程出現(xiàn)磨損 以及零件尺寸變化時 影響定位 夾緊的可靠 為防止此現(xiàn)象 選用可換定位銷 以便隨時根據(jù)情況進行調整換取 29 總 結 加工工藝的編制和專用夾具的設計 使對零件的加工過程和夾具的設計有進一步 的提高 在這次的設計中也遇到了不少的問題 如在編寫加工工藝時 對所需加工面 的先后順序編排 對零件的加工精度和勞動生產率都有相當大的影響 在對某幾個工 序進行專用夾具設計時 對零件的定位面的選擇 采用什么方式定位 夾緊方式及夾 緊力方向的確定等等都存在問題 這些問題都直接影響到零件的加工精度和勞動生產 率 為達到零件能在保證精度的前提下進行加工 而且方便快速 以提高勞動生產率 降低成本的目的 通過不懈努力和指導老師的精心指導下 針對這些問題查閱了大量 的相關資料 最后 將這些問題一一解決 并夾緊都采用了手動夾緊 由于工件的尺 寸不大 所需的夾緊力不大 完成了本次設計 通過做這次的設計 使對專業(yè)知識和技能有了進一步的提高 為以后從事本專業(yè)技術的工作打下了堅實的基礎 參考文獻 30 參考文獻 1 機床夾具設計 第 2 版 肖繼德 陳寧平主編 機械工業(yè)出版社 2 機械制造工藝及專用夾具設計指導 孫麗媛主編 冶金工業(yè)出版社 3 機械制造工藝學 周昌治 楊忠鑒等 重慶大學出版社 4 機械制造工藝設計簡明手冊 李益民 主編 機械工業(yè)出版社 5 工藝師手冊 楊叔子主編 機械工業(yè)出版社 3 機床夾具設計手冊 王光斗 王春福主編 上?？萍汲霭嫔?7 機床專用夾具設計圖冊 南京市機械研究所 主編 機械工業(yè)出版社 8 機械原理課程設計手冊 鄒慧君主編 機械工業(yè)出版社 9 金屬切削手冊 第三版 上海市金屬切削技術協(xié)會 上?？茖W技術出版社 10 幾何量公差與檢測 第五版 甘永立 主編 上海科學技術出版社 11 機械設計基礎 第三版 陳立德主編 高等教育出版社 12 工程材料 丁仁亮主編 機械工業(yè)出版社 13 機械制造工藝學課程設計指導書 機械工業(yè)出版社 14 機床夾具設計 王啟平主編 哈工大出版社 15 現(xiàn)代機械制圖 呂素霞 何文平主編 機械工業(yè)出版社 致 謝 經過了的很長時間 終于比較圓滿完成了設計任務 回顧這日日夜夜 感覺經過 了一場磨練 通過圖書 網絡 老師 同學等各種可以利用的方法 鞏固了自己的專 業(yè)知識 對所學知識的了解和使用都有了更加深刻的理解 此時此刻 我要特別感謝我的導師的精心指導 不僅指導我們解決了關鍵性技術 難題 更重要的是為我們指引了設計的思路并給我們講解了設計中用到的實際工程設 計經驗 從而使我們設計中始終保持著清晰的思維也少走了很多彎路 也使我學會綜 合應用所學知識 提高分析和解決實際問題的能力 不僅如此 老師的敬業(yè)精神更是 深深的感染了我 鞭策著我在以后的工作中愛崗敬業(yè) 導師是真真正正作到了傳道 授業(yè) 解惑 同時也要感謝其他同學 老師和同事的熱心幫助 感謝院系領導對我們課程設計 的重視和關心 為我們提供了作圖工具和場所 使我們能夠全身心的投入到設計中去 為更好 更快的完成課程設計提供了重要保障