（全套带图）动块钻夹具设计（含全套CAD图纸）
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50 附录 二 ：中文翻译 通过夹具布局设计和夹紧力的优化控制变形 摘 要 工件变形必须控制在数值控制机械加工过程 之中 。夹具布局和夹紧力是 影 响加工变形程度和分布的 两个主要方面 。在 本文提出了一种多目标模型的建立，以减低 变形的 程度 和增加 均匀变形 分布 。有限元方法 应用 于分析变形。遗传算法发展是为了解决优化模型。最后举了一个例子说明，一个令人满意的结果被求得 ， 这是远优于经验之一的。多目标模型可以减少加工变形有效地改善分布状况。 关键词 ：夹具布局；夹紧力； 遗传算法；有限元方法 1 引言 夹具设计在制造工程中是一项重要 的程序。这对于加工精度是至关重要。一个工件应约束在一个带有夹具元件，如定位元件，夹紧装置，以及支撑元件的夹具中加工。定位的位置和夹具的支力，应该从战略的设计，并且适当的夹紧力应适用。该夹具元件可以放在工件表面的任何可选位置。夹紧力必须大到足以进行工件加工。通常情况下，它在很大程度上取决于设计师的经验，选择 该夹具元件的方案 ，并确定夹紧力。因此，不能保证由此产生的解决方案是 某一特定的工件的 最优或接近最优 的方案。 因此，夹具布局和夹紧力优化成为 夹具设计方案的两个主要方面 。 定位和夹紧装置和 夹紧力 的值都应 适当的选择和 计算 ， 使由于夹紧 力 和切削力 产生的工件变形尽量减少和非正式化 。 夹具设计 的目的 是要找到 夹具元件关于工件和最优的夹紧力的 一个最优 布局或方案 。在这篇论文里 ， 多目标优化方法是代表了 夹具布局设计和夹紧力的优化 的方法 。 这个观点是具有两面性的。 一，是尽量减少 加工表面最大的弹性变形 ； 另一个是尽量均匀变形。 件包 是用来计算 工件 由于夹紧力和切削力 下产生的变形。遗传算法是 发达且 直接 的搜索工具箱，并且被应用于 解决优化问题。最后还给出了一个 案例 的 研究 ，以阐述对所提算法 的应用。 51 2 文献回顾 随着优化方法在工业中的广泛运用，近几年 夹具设计优化已获得了更多的利益。夹具设计优化包括夹具布局优化和夹紧力优化。 出了一种 使用刚体模型的夹具 用了一个刚性体模型，为最优夹具布局和最低的夹紧力进行分析和综合。 他提出了基于支持布局优化的程序与计算质量的有限元计算法 。李和 了一个非线性编程方法和一个联络弹性模型解决布局优化问题。两年后， 他们提交了一份 确定关于多钳夹具受到准静态加工力的夹紧力优化的方法。他们还提出了一关于夹 具布置和夹紧力的最优的合成方法，认为工件在加工过程中处于动态。相结合的夹具布局和夹紧力优化程序被提出，其他研究人员用有限元法进行夹具设计与分析。蔡等对 括合成的夹具布局的金属板材大会的理论进行了拓展。 秦等人建立了一个与夹具和工件之间弹性接触的模型作为参考物来优化夹紧力与，以尽量减少工件的位置误差。 交了一份 基于模型的 框架 以 确定所需的最低限度夹紧力，保证了 被夹紧 工件在加工 的动态稳定 。 大部分的上述研究使用的是非线性规划方法，很少有全面的或近全面的最优解决 办法。 所有的夹具布局优化程序必须从一个可行布局开始。 此外，还得到了对这些模型都非常敏感的初步可行夹具布局的解决方案。 夹具优化设计的问题是非线性的，因为目标的功能和设计变量之间没有直接分析的关系。例如加工表面误差和夹具的参数之间（定位、夹具和夹紧力）。 以前的研究表明，遗传算法（ 在解决这类优化问题中是一种有用的技术。吴和陈用遗传算法确定最稳定的静态夹具布局。石川和青山应用遗传算法确定最佳夹紧条件弹性工件。 基于优化夹具布局的遗传算法中使用空间坐标编码。他们还提出了针对主要竞争夹具 优化方法相对有效性的广泛调查的方法和结果。这表明连续遗传算法取得最优质的解决方案。 展了一个夹具布局优化技术，用遗传算法找到夹具布局，尽量减少由于在整个刀具路径的夹紧和切削力造成的加工表面的变形。 定位器和夹具位置被节点号码所指定。 人还提出了一种迭代算法，尽量减少工件在整个切削过程之中由不同的夹具布局和夹紧力造成的弹性变形。 人建成了一个分析模型，认为定位和夹紧装置为同一夹具布局的要素灵活的一部分。 论了混合学习系统用来非 线性有限元分析与支持相结合的人工神经网络（ 和 人工神经网络被用来计算工件的最大弹性变形，遗传算法被用 52 来确定最佳锁模力。 议将 迭代算法和人工神经网络结合起来发展夹具设计系统。 迭代算法和有限元分析，在二维工件中找到最佳定位和夹紧位置，并且把碎片 的效果考虑进去。 周等人。提出了基于遗传算法的方法，认为优化夹具布局和夹紧力的同时，一些研究没有考虑为整个刀具路径优化布局。一些研究使用节点数目作为设计参数。 一些研究解决夹具布局或夹紧力优化方法，但不能两者都同时进行。 有几项研究摩擦和 碎 片 考虑进去了。 碎片 的移动和摩擦接触的影响对于实现更为现实和准确的工件夹具布局校核分析来说是不可忽视的。 因此将 碎片 的去除效果和摩擦考虑在内以实现更好的加工精度是必须的。 在这篇论文中，将摩擦和 碎片 移除考虑在内，以达到加工表面在夹紧和切削力下最低程度的变形。 一多目标优化模型被建立了。一个优化的过程中基于 有限元法提交找到最佳的布局和夹具夹紧力。 最后，结果多目标优化模型对低刚度工件而言是比较单一的目标优化方法、经验和方法。 3 多目标优化模型夹具设计 一个可行的夹具布局 必须 满足三限制。 首先，定位和夹紧装置 不能 将 拉伸势力 应用到 工件 ； 第二，库仑摩擦约束必须 施加 在所有夹具 夹具元件 位置必须在候选位置。 为一个问题涉及夹具元件 化问题可以在数学上仿照如下 ： 这里的 工区域在加工当中 其中 53 是 j 的平均值； i 次的接触点； 是静态摩擦系数； 切向力在 i 次的接触 点 ； i)是 i 次的接触点； i 次接触点； 整体过程如图 1 所示， 一要设计一套可行的夹具布局和优化的夹紧力。最大切削力在切削模型和切削力发送到有限元分析模型中被计算出来。优化程序造成一些夹具布局和夹紧力，同时也是被发送到有限元模型中。在有限元分析座内，加工变形下，切削力和夹紧力的计算方法采用有限元方法 。 根据某夹具布局和变形 ， 然后发送给优化程序，以搜索为一优化夹具 方案。 图 1 夹具布局和夹紧力 优化过程 4 夹具布局设计和夹紧力的优化 遗传 算法 遗传算法（ 是基于生物再生产过程的强劲，随机和启发式的优化方法。 基本思路背后的遗传算法是模拟 “生存的优胜劣汰 “的现象。 每一个人口中的候选个体指派一个健身的价值，通过一个功能的调整，以适应特定的问题。 遗传算法，然后进行复制，交叉和变异过程消除不适宜的个人和人口的演进给下一代。 人口足够数目的演变基于这些经营者引起全球健身人口的增加 和优胜个体代表全最好的方法。 遗传算法程序在优化夹具设计时需夹具布局和夹紧力作为设计变量，以生成字符串代表不同的 布置。 字符串相比染色体的自然演变，以及字符串，它和遗传算法寻找最优，是映射到最优的夹具设计计划。在这项研究里，遗传算法和 直接搜索工具箱是被运用的。 54 收敛性遗传算法是被 人口大小 、交叉的概率和概率突变所控制的 。只有当在一个人口中功能最薄弱功能的最优值没有变化时， 到一个预先定义的价值 或有多少几代氮，到达演化的指定数量上限 没有遗传算法停止。 有五个主要因素，遗传算法，编码，健身功能，遗传算子，控制参数和制约因素。 在这篇论文中，这些因素都被选出如 表 1 所列。 表 1 遗传算法参数的选择 由于遗传算法可能产生夹具设计字符串，当受到加工负荷时不完全限制夹具。 这些解决方案被认为是不可行的，且被罚的方法是 用来驱动遗传算法，以实现一个可行的解决办法。 1 夹具设计的计划被认为是不可行的或无约束，如果反应在定位是否定的。在换句话说，它不符合方程（ 2）和（ 3）的限制。 罚的方法基本上包含指定计划的高目标函数值时不可行的 。因此，驱动它在连续迭代算法中的可行区域。 对于约束（ 4） ，当遗传算子产生新个体或此个体已经产生，检查它 们是否符合条件是必要的。 真正的候选区域是那些不包括无效 的区域。在为了简化检查，多边形是用来代表候选区域和无效区域的。 多边形的顶点是用于检查。 “在 功能可被用来帮助检查。 有限元分析 件包是用于 在这方面的研究 有限元分析计算 。 有限元模型是一个考虑摩擦效应的半弹性接触模型，如果材料是假定线弹性。 如图 2 所示，每个位置或支持，是代表三个正交弹簧提供的制约。 图 2 考虑到摩擦的半弹性接触模型 55 在 x ， y 和 z 方向和每个夹具类似，但定位夹紧力在正常的方向。 弹力在自然的方向即所谓自然弹力，其余两个弹力即为 所谓的切向弹力。 接触弹簧刚度可以 根据向赫兹接触理论 计算 如下 ： 随着夹紧力和夹具布局的变化，接触刚度也不同，一个合理的线性逼近的接触刚度可以从适合上述方程的最小二乘法得到。 连续插值，这是用来申请 工件的有限元分析模型的 边界条件 。在图 3中说明了夹具元件的位置，显示为黑色界线。 每个元素的位置被其它四或六最接近的邻近节点 所包围。 图 3 连续插值 这系列节点，如黑色正方形所示，是（ 37， 38， 31和 30 ），（ 9， 10 ， 11 ， 18，17号和 16号）和（ 26， 27 ， 34 ， 41， 40和 33 ）。 这一系列弹簧单元，与这些每一个节点相关联。对任何一套节点，弹簧常数 是： 这里， 弹簧刚度在的 j i 次夹具元件， i 次夹具元件和的 J 弹簧刚度在一次夹具元件位置 , i 是周围的 i 次夹具元素周围的节点数量 为每个加工负荷的一步，适当的边界条件将适用于工件的有限元模型。 在这个 工作里 ，正常的弹簧 约束在这三个方向（ X ， Y ， Z ）的和 在切方向 切向弹簧约束， （ X ， Y ） 。 夹紧力是适用于正常方向（ Z）的夹紧点。整个刀具路径是模拟为每 个夹具设计计划所产生的遗传算法应用的高峰期的 X ， Y ， z 切削力顺序到元曲面，其中刀具通 56 行 证。 在这工作中，从刀具路径中欧盟和去除 碎片 已经被考虑进去。在机床改变几何数值过程中，材料被去除，工件的结构刚度也改变。 因此，这是需要考虑 碎片 移除的影响。有限元分析模型，分析与重点的工具运动和碎片 移除使用的元素死亡技术。 在为了计算健身价值，对于给定夹具设计方案，位移存储为每个负载的一步。 那么，最大位移是选定为夹具设计计划的健身价值。 遗传算法的程序和 间的互动实施如下。 定位和夹具的位置以及夹紧力 这些参 数写入到一个文本文件。那个输入批处理文件 件可以读取这些参数和计算加工表面的变形。 因此， 健身价值观，在遗传算法程序，也可以写到当前夹具设计计划的一个文本文件。 当有大量的节点在一个有限元模型时，计算健身价值是很昂贵的。 因此，有必要加快计算遗传算法程序。作为这一代的推移，染色体在人口中取得类似情况。在这项工作中，计算健身价值和 染色体存放在一个 据库。 遗传算法的程序，如果目前的染色体的健身价值已计算之前，先检查；如果不，夹具设计计划发送到 则健身价值观是直接从数据库 中取出。 啮合的工件有限元模型 ，在每一个计算时间保持不变。每计算模型间的差异是边界条件，因此，网状工件的有限元模型可以用来反复 “恢复 ”令 。 5 案例研究 一个关于低刚度工件的铣削夹具设计优化问题 是被显示在前面的论文中，并在以下各节加以表述。 工件的几何形状和性能 工件的几何形状和特点显示在图 4 中，空心工件的材料 是铝 390 与泊松比 71杨氏模量。 外廓尺寸 27件 顶端内壁的三分之一 是经铣削及其刀具轨迹，如 图 4 所示 。 夹具元件中应用到的 材料 泊松比 杨氏模量的220 的合金钢。 57 图 4 空心工件 模拟和加工的运作 举例将工件进行周边铣削，加工参数在表 2 中给出。 基于这些参数，切削力的最高值被作为工件内壁受到的表面载荷而被计算和应用 ，当工件处于 n（切）、 （下径向）和 （下轴） 的切削位置时。 整个刀具路径被 26 个工步所分开，切削力的方向被刀具位置所确定 表 2 加工参数和条件 。 夹具设计方案 夹具在加工过程中夹紧工件的规划如图 5 所示。 图 5 定位和夹紧装置 的可选区域 58 一般来说， 3位原则是夹具设计中常用的。夹具底板限制三个自由度，在侧边控制两个自由度。这里， 在 Y=0面上 使用了 4 个定点（ 14 ），以定位工件并限制 2 自由度；并且在 Y=127相反面上，两个压板（ 2）夹紧工件。 在正交面上，需要一个定位元件限制其余的一个自由度，这在优化模型中是被忽略的。在表 3 中给出了定位加紧点的坐标范围。 表 3 设计变量的约束 由于没有一个简单的一体化程序确定夹紧力，夹紧力很大部分 （ 初始阶段被假设为每一个夹板上作用的力。且从符合例 5的最小二乘法，分别由 07 N/m 和 07 N/m 得到了正常切向刚度。 遗传控制参数和 惩 罚函数 在这个例子中， 用到了 下列参数值： 0, 00和 的惩罚函数是 这里 以被 代表。当 到 6 时， 优化结果 连续优化的收敛过程如图 6所示。且收敛过程的相应功能 （ 1） 和 （ 2） 如图 7、图8 所示。 优化设计方案在表 4 中给出。 59 图 6 夹具布局和夹紧力优化程序 的 收敛性遗传算法 图 7 第一 个 函数值 的收敛 图 8 第二个函数值 的收敛性 表 4 多目标优化模型的结果 表 5 各种夹具设计方案结果进行比较， 结果 的 比较 从单一目标优化和经验设计中得到的夹具设计的设计变量和目标函数值，如表 5所示。 单一目标优化的结果，在论文中引做比较。 在例子中，与经验设计相比较，单一目标优化方法有其优势。 最高 变形减少了 ，均匀变形增强了 。最高夹紧力的值也减少了 。从多目标优化方法和单目标优化方法的比较中可以得出什么呢？最大变形减少了 ，均匀变形量增加了 ，最高夹紧力的值 减少了 60 。加工表面沿刀具轨迹 的变形分布如图 9所示。很明显，在三种方法中，多目标优化方法产生的变形分布最均匀。 与结果比较，我们确信 运用最佳定位点分布和最优夹紧力来减少工件的变形。图 10示出了一实例夹具的装配。 图 9 沿刀具轨迹 的变形分布 图 10 夹具配置 实例 6 结论 本文介绍了 基于 有限元 的 夹具布局设计和夹紧力的优化程序 设计。 优化程序是多目标 的： 最大限度地减少加工表面 的 最高变形和最大限度地 均匀 变形 。 健身价值的有限元计算。 对于 夹具设计优化的问题 ， 有限元分析 的结合被证明是一种很有用的方法 。 61 在这项研究中，摩擦的影响和 碎片 移动都被考虑到了。为了减少计算的时间，建立了一个染色体的健身数值的数据库， 且网状工件的有限元模型是优化过程中多次使用的。 传统的夹具设计方法是单一目标优化方法或经验 。此研究结果表 明， 多目标优化方法 比起其他两种方法 更有效地减少变形和均匀变形 。这对于在数控加工中控制加工变形是很有意义的 。 参考文献 1、 S， 1993 年） 自动化装配线上棱柱工件最佳装夹定位生成的理论方法 。 C (1995) 优化机床夹具表现的 荷模型 。 2、 C (1998) 快速支持布局优化 。 , N (1999) 通过夹具布局优化改善工件的定位精度 。 3、 , N (2001) 夹具夹紧力的优化和其对 工件的定位精度 的影响。 4、 , N (1999) 通过夹具布局优化改善工件的定位精度 。 5、 , N (2001) 夹具夹紧力的优化 和其对工件定位精度的影响。 6、 , N (2001) 最优夹具设计计算工件动态的影响。 7、 D, S (1987) 灵活装夹系统的有限元分析。 8、 J, R (1991) 运用优化方法在夹具设计中选择支位。 9、 , J, X (1996) 变形金属板材的装夹的原则、算法和模拟。 10、 H, H, L (2005) 夹具装夹方案 的建模和优化设计。 11、 Y, N (2006) 动态稳定装夹中夹紧力最小值的确定。 12、 H, C (1996) 基于遗传算法 的夹具优化配置方法。 13、 , (1996) 借助遗传算法对装夹条件的优化。 14、 , C, , et 2002) 一项关于 空间坐标对 基于遗传算法的夹具优化问题的作用的调查。 15、 , C, , et 2002) 夹具布局优化方法 成效的调查。 16、 , N (2000) 利用遗传算法 优化加工夹具的布局。 17、 , , N (2002) 利用遗传算法 优化夹紧布局和夹紧力。 18、 M, J, Q (2004) 基于遗传算法的柔性装配夹具布局 的 建模与优化 。 62 19、 (2005) 通过一种人工神经网络和遗传算法 混合的系统设计智能夹具。 20、 S, , C (2001) 采用遗传算法 固定装置的概念设计。 21、 (2006) 利用遗传算法 优化加工夹具的定位和夹紧点。 22、 L, H, H (2005) 遗传算法用于优化夹具布局和夹紧力。 23、 , (2003) 碎片 位移和摩擦接触的运用对工件夹具布局的校核。 i & 2 007 /4 007# 007be in of In a to of to of to A to a is to is an in It is to be in a as of be be be on be it on s to to is no or a in of be to is of is to an or of In is is is to of is to of is to of A is to is to of of in a . . *)o. 29, 10016, a of 1. a of 2. a 3. Li a a 4. a a 5. of . A , 8 EM 9 8of et 10 an to to of 11 a of of or of an to is of A) a in 213 A to an 14 to in A of of an of 15. 16 a A to of et 17 an by et 18 up as 19 a EA a of A. NN to 20 to A NN a 21 EM to D et 22 a GA of of as of or of be 23, so it is to to to of of to A is A EM to of is a to be at of be in a n be as 12:; :; s ; j 1; 2; :; n 12 3i 1; 2; :; p 4to at in of j is at is of at i) is i) is of is 1 to to is in is to to EA is a to to on A is to in is a a to A of on to in of A to as to of A to In A is by of Pc)of no of in a a or N, A A, In as A is to is to A to a A is if at it in ). 1 As a to it to A. 4), by or is it is to up In to to of be to is in is As 2, or is by in , Y is to in in be 8 as 65of s at of A be a to is to to EA 2 10 11 12 13 1415 16 17 18 19 20 2122 23 24 25 26 27 2829 30 31 32 33 34 3536 37 38 39 40 41 4243 44 45 46 47 48 493 4 A of nd 5.4 of 00mm/of of 5.4 00 3. as is or by 37, 38,31 0, 9, 10, 11, 18, 17 6 26, 27, 34, 41,40 3. A of to of at it,at of to be to In in X, Y, Z)in X, Y). in Z) at by by , Y, Z 23is of so of it is to EA is to In to a is A as of to a of A be to a is to up A As in In in a GA if s of EA is EA be of a in 16, 18, 22 is in 5 of / / / 0 0 of 4. of is a .3 s 52.4 27 6.2 of an is 4. of is a .3 s 20 is on of . on of as on at ( ( ( is 6 常州机电职业技术学院 机械加工工序卡 产品型号及规格 图 号 名 称 工艺文件编号 1/5 材料牌号及名称 毛坯外型尺寸 45 动块 零件毛重 零件净重 硬 度 设 备 型 号 设 备 名 称 式铣床 专 用 工 艺 装 备 名 称 代 号 专用夹具 机动时间 单件工时定额 每合件数 1 技 术 等 级 冷 却 液 中 工序号 工步号 工 序 及 工 步 内 容 刃 具 量 检 具 切 削 用 量 代 号 名 称 代 号 名称 切削速度（米 /分） 切削深度（毫米） 进给量（毫 米 /转） 转速（转 /分） 1 1 模锻 2 2 去飞边 3 3 人工时效 编 制 校 对 会 签 复 制 修改标记 处 数 文件号 签 字 日 期 修改标记 处 数 文件号 签 字 日 期 常州机电职业技术学院 机械加工工序卡 产品型号及规格 图 号 名 称 工艺文件编号 2/5 材料牌号及名称 毛坯外 型尺寸 45 动块 零件毛重 零件净重 硬 度 设 备 型 号 设 备 名 称 式铣床 专 用 工 艺 装 备 名 称 代 号 专用夹具 机动时间 单件工时定额 每合件数 1 技 术 等 级 冷 却 液 中 工序号 工步号 工 序 及 工 步 内 容 刃 具 量 检 具 切 削 用 量 代 号 名 称 代 号 名称 切削速度（米 /分） 切削深度（毫米） 进给量（毫 米 /转） 转速（转 /分） 4 1 铣上下两平面，保证尺寸 20面铣刀 卡规 80 编 制 校 对 会 签 复 制 修改标记 处 数 文件号 签 字 日 期 修改标记 处 数 文件号 签 字 日 期 常州机电职业技术学院 机械加工工序卡 产品型号及规格 图 号 名 称 工艺文件编号 3/5 材料牌号及名称 毛坯外型尺寸 45 动块 零件毛重 零件净重 硬 度 设 备 型 号 设 备 名 称 床 专 用 工 艺 装 备 名 称 代 号 专用夹具 机动时间 单件工时定额 每合件数 1 技 术 等 级 冷 却 液 中 工序号 工步号 工 序 及 工 步 内 容 刃 具 量 检 具 切 削 用 量 代 号 名 称 代 号 名称 切削速度（米 /分） 切削深度（毫米） 进给量（毫 米 /转） 转速（转 /分） 5 1 钻 、扩、铰 20 12孔达图纸要求，孔口倒角 麻花钻、扩孔钻、钻刀 光滑极限量规 0 1 380 编 制 校 对 会 签 复 制 修改标记 处 数 文件号 签 字 日 期 修改标记 处 数 文件号 签 字 日 期 常州机电职业技术学院 机械加工工序卡 产品型号及规格 图 号 名 称 工艺文件编号 4/5 材料牌号及名称 毛坯外型尺寸 45 动块 零件毛重 零件净重 硬 度 设 备 型 号 设 备 名 称 床 专 用 工 艺 装 备 名 称 代 号 专用夹具 机动时间 单件工时定额 每合件数 1 技 术 等 级 冷 却 液 中 工序号 工步号 工 序 及 工 步 内 容 刃 具 量 检 具 切 削 用 量 代 号 名 称 代 号 名称 切削速度（米 /分） 切削深度（毫米） 进给量（毫 米 /转） 转速（转 /分） 6 1 钻 20 12孔和端面定位，钻攻 麻花钻、丝锥 量规 80 编 制 校 对 会 签 复 制 修改标记 处 数 文件号 签 字 日 期 修改标记 处 数 文件号 签 字 日 期 常州机电职业技术学院 机械加工工序卡 产品型号及规格 图 号 名 称 工艺文件编号 5/5 材料牌号及名称 毛坯外型尺寸 45 动块 零件毛重 零件净重 硬 度 设 备 型 号 设 备 名 称 专 用 工 艺 装 备 名 称 代 号 机动时 间 单件工时定额 每合件数 1 技 术 等 级 冷 却 液 中 工序号 工步号 工 序 及 工 步 内 容 刃 具 量 检 具 切 削 用 量 代 号 名 称 代 号 名称 切削速度（米 /分） 切削深度（毫米） 进给量（毫 米 /转） 转速（转 /分） 7 1 按照图纸要求检验各部尺寸及形位公差 8 2 清洗，加工表面涂防绣油，入库 编 制 校 对 会 签 复 制 修改标记 处 数 文件号 签 字 日 期 修改标记 处 数 文件号 签 字 日 期 本科机械毕业设计论文 纸 01339828 1 本科机械毕业设计论文 纸 01339828 买文档送 纸 设计说明书 题目： 动块零件机械加工工艺及钻夹具设计 姓 名： 学 号： 年 级： 专 业： 学生类别： 指导教师： 教学单位： 2016 年 8 月 8 日 本科机械毕业设计论文 纸 01339828 2 目 录 1 前言 . 5 2 零件的分析 . 6 件的作用 . 6 件的工艺分析 . 6 的加工 . 6 的加工 . 6 3 工艺规划设计 . 7 坯的制造形式 . 7 面的选择 . 7 基准的选择 . 7 基准的选择 . 7 艺路线的拟定 . 7 艺路线方案 . 8 艺方案的确定 . 8 坯尺寸及其加工余量的确定 . 9 侧面毛坯尺寸及加工余量计算 . 9 坯尺寸及加工余量计算 . 9 定各工序切削用量及基本工时 . 10 4 钻攻 孔夹具设计 . 17 究原始质料 . 17 本科机械毕业设计论文 纸 01339828 3 位、夹紧方案的选择 . 17 削力及夹紧力的计算 . 18 差分析与计算 . 20 、部件的设计与选 用 . 21 位销选用 . 21 紧装置的选用 . 21 套、衬套、钻模板设计与选用 . 21 定夹具体结构尺寸和总体结构 . 23 具设计及操作的简要说明 . 24 总结 . 25 参考文献 . 26 全套设计 加 401339828 本科机械毕业设计论文 纸 01339828 4 本科机械毕业设计论文 纸 01339828 5 设计 动块 的机械加工工艺规程及工艺设备 1 前言 本次 毕业设计 内容包括零件的分析，工艺路线的制定，工艺规划设计，某道工序的夹具设计以及该道工序的工序卡，机械加工综合卡片，夹具装配图以及夹具底座零件图的绘制等等。 就我个人而言，希望能通过这次 毕业设计 对未来即将从事的工作进行一次适应性的训练，从中锻 炼自己分析问题，解决问题的能力，并学会将所学到的理论知识应用到具体的实际生产问题中来，为以后走向社会打下坚实的基础。 由于能力有限，设计尚有许多不足之处，恳请老师批评指正。 其目的如下： 培养学生解决机械加工工艺问题的能力。通过 毕业设计 ，熟练运用机械技术基础课程中的基本理论及在生产实习中学到的实践知识，正确地解决一个零件在加工中定位、加紧以及工艺路线安排、工艺尺寸确定等问题，保证零件的加工质量，初步具备设计一个中等复杂程度零件的能力。 培养学生熟悉并运用有关手册、规范、图表等技术资料的能力 。 进一步培养学生识图、制图、运用和编写技术文件等基本技能。 本科机械毕业设计论文 纸 01339828 6 2 零件的分析 件的作用 该零件 为典型的杆类零件，而且为连杆类。因此，其主要的要素包括两侧面， 20 12还有一个 通过孔连接即 该 动块 的作用是实现运动 的 传递 作用 。 件的工艺分析 该 动块 的加工表面分 三 种，主要是孔的加工， 两侧 面的加工各组加工面之间有严格的尺寸位置度要求和一定的表面加工精度要求，特别是孔的加工，几乎都要保证 而需精加工，现将主要加工面分述如下： 该零件共有 2个孔要加工： 20 12组面， 通过两孔中心连线及对两侧对称面，没 有位置尺寸度要求 ，只需要 钻 床粗加工 。 该零件共有 2个 侧 面要加工： 两个侧面是配合 20 12后续工序的主要精基准面 ，需要精加工 。 本科机械毕业设计论文 纸 01339828 7 3 工艺规划设计 坯的制造形式 零件材料为 45，根据选择毛坯应考虑的因素，该零件体积较小，形状较复杂，外表面采用不去除材料方法获得粗糙度要求，由于零件生产类型为成批，大批生产，而砂型 锻造 生产成本低，设备简单，故本零件毛坯采用 普通模锻 。 由于零件上 两 孔都较 大 ，且都有严格的表面精度要求，故都 要留 出 足够的加工余量 。 面的选择 基面选择是工艺规划设计中的重要工作之一，基准选择的正确与合理，可以使加工质量得到保证，生产率得到提高，否 则，不但使加工工艺过程中的问题百出，更有甚者，还会造成零件大批报废，使生产无法正常进行。 粗基准选择应为后续加工提供精基准，由于 两侧面较平整且加工精度较高，故 以 2个主要 侧 面为基准 。 精基准主要考虑如何保证加工精度和装夹方便， 该零件上重要表面是大头孔 38于其与底面有垂直度关系，所以底面自然成为精基准面，考虑到第二基准面选择的方便性，将其精度由原来的 37高到 38定位基准组合在后续孔的加工中，以及孔上径向孔的加工中都将作为精基准面。 艺路线的拟定 拟定工艺路线的内容除选择定位基准外，还要选择各加工表面的加工方法，安排工序的先后顺序，确定加工设备，工艺装备等。工艺路线的拟定要考虑使工件的几何形状精度，尺寸精度及位置精度等技术要求得到合理保证，成批生产还应考虑采用组合机床，专用夹具，工序集中，以提高效率，还应考虑加工的经济本科机械毕业设计论文 纸 01339828 8 性，以便使生产成本尽量下降。 方案一 20. 去飞边 30. 人工时效 40. 铣上下两平面，保证尺寸 200. 钻 、扩、铰 20 12求，孔口倒角 0. 钻 20 12攻 70. 按照图纸要求检验各部尺寸及形位公差 80. 清洗，加工表面涂防绣油，入库 方案二 20. 去飞边 30. 人工时效 40. 钻 、扩、铰 20 12口倒角 0. 钻 20 12攻 证尺寸 200. 按照图纸要求检验各部尺寸及形位公差 80. 清洗，加工表面涂 防绣油，入库 方案分析与比较： 经过分析发现，方案二先钻孔后加工面，而方案一是先面后孔 根据书本理论知识，应该是先面后孔比较合理，因为钻孔需要以加工了面的为精基准。 本科机械毕业设计论文 纸 01339828 9 40. 铣上下两平面，保证尺寸 200. 钻 、扩、铰 20 12口倒角 0. 钻 20 12攻 70. 按照图纸要求检验各部尺寸及形位公差 80. 清洗，加工表面涂防 绣油，入库 坯尺寸及其加工余量的确定 动块 零件材料为 45,毛坯重量约为 产类型为 中批或 大批生产，采用 普通模锻 生产。 普通模锻 ，材料为 45钢 ， 分模线平直对称，材质系数 杂系数 = 度为 25通级，查的上下偏差分别为 +两侧面毛坯尺寸及加工余量计算 根据工序要求，两 侧 面经过 四 道工序，先粗铣 端面 B，再粗铣 端面 A，精铣端面 B， 最后 精铣端面 A， 各步余量如下： 粗铣：由机械加工工艺手册第一卷表 余量值规定， 零 件厚度大于 60度小于 100加工余量为 精铣：由机械加工工艺手册第一卷表 余量值规定 ，零件厚度大于 60度小于 100加工余量为 精铣后尺寸与零件尺寸相同，但由于设计零件图纸并未给出具体的公差等级，现按 机械 加工工艺手册表 铣 精铣所能达到的经济精度取 入体原则取值。 根据工序要求， 精铣后尺寸与零件尺寸相同，但由于设计零件图纸并未给出具体的公差等级，现按 机械 加工工艺手 册表 铣 精铣所能达到的经济精度取 入体原则取值。 本科机械毕业设计论文 纸 01339828 10 定各工序切削用量及基本工时 没切削过程，无需计算 没切削过程，无需计算 没切削过程，无需计 算 工序 40. 铣上下两平面，保证尺寸 20 1）铣 上平面 取背吃到量 选用 ，每齿进给量 0 /zf m m z工件材料 45 ，锻造 ，高速钢镶齿铣刀、 125wd 数 14z ，查表 定铣削速度 7 9 m 0 0 0 V 1 0 0 0 7 9 . 8n 2 0 3 . 2 r / m i n d 125 采用 ，查表 转速 1 6 0 / m 故实际铣削速度 1 2 5 1 6 0 6 2 . 8 / m i 0 0 1 0 0 0wc 当 1 6 0 / m 作台每分钟进给 0 . 1 2 1 4 1 6 0 2 6 8 . 8 / m i nm z wf f z n m m 由工艺手册得 本科机械毕业设计论文 纸 01339828 11 60l 2 2 2 21 5 d d a 1 3 0 . 5 1251 2 5 6 0 1 3 9 ml m 2 = 1 3 m m = 2 m 9 22 6 8 . 8 t 0 . 2 6 m i n 1 5 . 8 4 l l 1t 1 5 . 8 4 0 . 1 6 2 . 5 3 11xt t 1 5 . 8 4 2 . 5 3 0 . 0 6 1 . 1 0 1 5 . 8 4 2 . 5 3 1 . 1 0 1 9 . 5 s （ 1） 铣下平面 取背吃到量 选用 ，每齿进给量 0 /zf m m z工件材料 45 ， 锻造 ，高速钢镶齿铣刀、 125wd 数 14z ，查表 定铣削速度 7 9 m 0 0 0 V 1 0 0 0 7 9 . 8n 2 0 3 . 2 r / m i n d 125 采用 ，查表 转速 1 6 0 / m 故实际铣削速度 1 2 5 1 6 0 6 2 . 8 / m i 0 0 1 0 0 0wc 当 1 6 0 / m 作台每分钟进给 0 . 1 2 1 4 1 6 0 2 6 8 . 8 / m i nm z wf f z n m m 由工艺手册得 60l 2 2 2 21 5 d d a 1 3 0 . 5 1251 2 5 6 0 1 3 9 ml m 2 = 1 3 m m = 2 m 9 22 6 8 . 8 t 0 . 2 6 m i n 1 5 . 8 4 l l 1t 1 5 . 8 4 0 . 1 6 2 . 5 3 11xt t 1 5 . 8 4 2 . 5 3 0 . 0 6 1 . 1 0 本科机械毕业设计论文 纸 01339828 12 1 5 . 8 4 2 . 5 3 1 . 1 0 1 9 . 5 s 工序 50： 钻 、扩、铰 20 12孔达图纸要求，孔口倒角 1)钻 、扩、铰 20孔 18标准高速钢麻花钻，扩孔 标准高速钢扩孔钻，铰孔 20标准高速铰刀。 （ 1）钻孔 切屑用量： 取背吃刀量 18pa 由参考文献 2可查出，根据 进给量 0 /f m m r ，切屑速度： 1 7 / m ， ，则修正后的切屑速度 1 7 0 . 8 8 0 . 7 5 1 1 . 2 2 / m i ，即1 0 0 0 1 0 0 0 1 1 . 2 2 1 9 8 . 4 / m i 查参考文献 2表 1 9 5 / m 故实际切屑速度为 1 8 1 9 5 1 1 . 0 2 / m i 0 0 1 0 0 0 。 切屑用时： 1 c o t (1 2 )2 k m m=109 4 5，2 1l 12l 故121 1 2 1 0 1 0 . 2 4 m i n 1 4 . 40 . 4 8 1 9 5l ， 11 0 . 1 6 0 . 2 4 0 . 1 6 2 . 3t s ， 1 1 1 1( ) 0 . 0 6 (1 4 . 4 2 . 3 ) 0 . 0 6 1b x j ft t t t s ，1 1 1 1 1 1 7 . 7d j j f b xt t t t t s （ 2）扩孔 切屑用量： 取背吃刀量 由参考文献 2可查出，根据 进给量 0 /f m m r ，切屑速度： 2 5 / m ， ，则修正后的切屑速度 2 5 0 . 8 8 0 . 7 5 2 2 . 4 4 / m i ，即1 0 0 0 1 0 0 0 2 2 . 4 4 3 6 0 . 7 / m i . 8s ， 查参考文献 2表 2 7 2 / m 本科机械毕业设计论文 纸 01339828 13 故实际切屑速度为 1 9 . 8 2 7 2 1 6 . 9 / m i 0 0 1 0 0 0 。 切屑用时： 1 c o t (1 2 )2 k m m=109 4 5，2 1l 12l 故122 1 2 1 0 1 0 . 1 3 m i n 7 . 80 . 6 2 2 7 2l ， 22 0 . 1 6 7 . 8 0 . 1 6 1 . 2 5t s ， 2 2 2 2( ) 0 . 0 6 ( 7 . 8 1 . 2 5 ) 0 . 0 6 0 . 5 4b x j ft t t t s ，2 2 2 2 2 9 . 6d j j f b xt t t t t s （ 3）铰孔 切屑用量： 取背吃刀量 由参考文献 2可查出，根据 进给量 0 /f m m r ，切屑速度： 8 m ， ，则修正后的切屑速度 8 . 2 0 . 8 8 0 . 9 9 7 . 1 4 / m i ， 即1 0 0 0 1 0 0 0 7 . 1 4 1 1 3 . 6 9 / m i ， 查参考文献 2表 9 7 / m 故实际切屑速度为 2 0 9 7 6 . 0 9 / m i 0 0 1 0 0 0 。 切屑用时： 1 c o t (1 2 )2 k m m=1010D ， 45，2 1l 12l 故123 2 5 0 . 1 9 1 3 0 . 2 9 m i n 1 7 . 40 . 8 1 9 7l ，33 0 . 1 6 1 7 . 4 0 . 1 6 2 . 8t s ， 3 3 3 3( ) 0 . 0 6 1 . 2b x j ft t t t s ，3 3 3 3 3 2 1 . 4d j j f b xt t t t t s 。 (2)钻 、铰 12 1） 钻 孔 工件材料为 45 钢，孔 速钢钻头，查表 削速度 2 0 / m 进给量 f m m / r 则 1 0 0 0 1 0 0 0 2 0n 6 6 3 . 5 / m i . 6s w v 本科机械毕业设计论文 纸 01339828 14 采用 由表 n 5 4 5 / m r故实际切削速度为 9 . 6 5 4 5v 1 6 . 4 3 / m i 0 0 1 0 0 0dn m 1 9 . 6c o t 1 2 c o t 4 5 1 5 . 822k m m 1 1l 9l 该工序基本时间为112 3 9 5 . 8 1 0 . 4 2 m i n 2 5 . 20 . 2 0 5 4 5l 1 2 5 . 2 0 . 1 6 4 . 0 3 11 ( 2 5 . 2 4 . 0 3 ) 0 . 0 6 1 . 7 5 1t 2 5 . 2 4 . 0 3 1 . 7 5 3 1jd s （ 2） 铰 孔 取背吃刀量 5钢 孔，查表 削速度 1 4 / m 进给量 f 0.8 r 则 1 0 0 0 1 0 0 0 1 . 4n 4 5 . 5 / m i 8 1 2s v r 采用 取转速 n 3 9 2 / m r故实际切削速度为 1 2 3 9 2v 1 2 . 1 / m i 0 0 1 0 0 0dn m 由 459 . 8 9 . 6 0 . 122p m m 查表 15l 39l 工序基 本时间为212 3 9 0 . 1 1 5 0 . 1 7 m i n 1 0 . 4 8 3 9 2j l l lt 2t 1 0 . 4 0 . 1 6 1 . 6 6 4f s 22 (1 0 . 4 1 . 6 6 4 ) 0 . 0 6 0 . 7 2 2t 1 0 . 4 1 . 6 6 4 0 . 7 2 1 2 . 8jd s （ 3） 倒角 机床： 本科机械毕业设计论文 纸 01339828 15 刀具： 倒角钻头 量具：游标卡尺 型 夹具：专用夹具 工序 60： 钻 20 12攻 机床：钻床 具：麻花钻 切削深度给量 f ：根据机械加工工艺手册表 切削速度 V ：参照机械加工工艺手册表 机床主轴转速 n ： m i n/9 6 0 01 0 0 0 0 n ，取 00 实际切削速度 V ： 被切削层长度 l ： 0 刀具切入长度 1l ： 1(21 刀具切出长度 2l ： 02 l 走刀次数为 1 机动时间m fn j（ 1）、 孔攻丝 进给量 f ：由于其螺距 ,因此进给量 切削速度 V ：参照机械加工工艺手册表 m 48.0 机床主轴转速 n ： m 8 0 01 0 0 0 0 n ，取 50 丝锥回转转速0n：取 50 实际切削速度 V ： 0 0 0 00 被切削层长度 l ： 1 刀具切入长度 1l ： 3)31(1 本科机械毕业设计论文 纸 01339828 16 刀具切出长度 2l ： 02 l （盲孔） 机动时间1m i fn 0. 按照图纸要求检验各部尺寸及形位公差 无切削加工 工序 80. 清洗，加工表面涂防绣油，入库 无切削加工 本科机械毕业设计论文 纸 01339828 17 4 钻攻 孔 夹具设计 究原始质料 利用本夹具主要用来 钻攻 孔 ，加工时除了要满足粗糙度要求外，由于对加工精度要求不是很高，所以在本道工序加工时，主要考虑如何降低降低生产成本和降低劳动强度。 位、夹紧方案的选择 对孔的的加工没有位置公差要求， 由零件图可知 ：在对孔进行加工前，底平面进行了粗、精铣加工，孔进行了钻、扩、铰加工。因此，定位、夹紧方案有： 方案：选底平面、工艺孔和大头孔外圆端来定位 方案：应用一面即底面，一销即定位于大头孔外端的挡销和工艺孔的心轴来定位，夹紧方式就用螺母在心轴上夹紧。 方案：选一面两销定位方式，工艺孔用短圆柱销，还有一挡销定位于大头孔外端，夹紧方式用操作简单，通用性较强的移动压板来夹紧。 分析比较上面三种方案：方案中的 夹紧方式加大了设计量，装、取工件也不易。方案中的心轴夹紧、定位是不正确的，也端是不 加工的，且定位与夹紧应分开，因夹紧会破坏定位。 定位基准的选择必须合理，否则将直接影响所制定的零件加工工艺规程和最终加工出的零件质量。基准选择不当往往会增加工序或使工艺路线不合理，或是使夹具设计更加困难甚至达不到零件的加工精度（特别是位置精度）要求。 因此我们应该根据零件图的技术要求，从保证零件的加工精度要求出发，合理选择定位基准。此零件图没有较高的技术要求，也没有较高的平行度和对称度要求，所以我们应考虑如何提高劳动效率，降低劳动强度，提高加工精度，为了使定位误差减小，选择已加工好的端面作为定位精基准，来设 计本道工序的夹具，以已加工好的端面作为定位夹具。 本科机械毕业设计论文 纸 01339828 18 削力及夹紧力的计算 钻该孔时选用：钻床 具用高速钢刀具。 由参考文献 5查表 721 可得： 切削力公式： 1 f K式中 7 8 m mD m m 或 0 /f m m r 查表 821 得： 0 ()736其中： ， 即： 9 5 5 ( )际所需夹紧力： 由 参考文献 5表 1 2 12 得： 12 有：120 . 7 , 0 . 1 6安全系数 ： 6543210 式中：60 全系数，见参考文献 5表 121 可得： 1 . 2 1 . 0 1 . 0 1 . 0 1 . 3 1 . 0 1 . 0 1 . 5 6K 所以 9 5 5 . 0 8 1 . 5 6 1 4 8 9 . 9 2 ( ) F N 由计算可知所需实际夹紧力不是很大，为了使其夹具结构简单、操作方便，决定选用手动螺旋夹紧机构。 取 ，1 ，2 根据工件受力 切削力、夹紧 力的作用情况，找出在加工过程中对夹紧最不利的瞬间状态，按静力平衡原理计算出理论夹紧力。最后为保证夹紧可靠，再乘以安全系数作为实际所需夹紧力的数值。即： 安全系数 ： ： 6543210 式中：60 全系数，查参考文献 5表 121 可得： 本科机械毕业设计论文 纸 01339828 19 1 . 2 1 . 0 1 . 0 1 . 0 1 . 3 1 . 0 1 . 0 1 . 5 6 1 . 2 1 . 2 1 . 0 5 1 . 2 1 . 3 1 . 0 1 . 0 2 . 3 6 1 . 2 1 . 2 1 . 0 1 . 2 1 . 3 1 . 0 1 . 0 2 . 2 5 所以有： 1 1 9 3 . 0 8 ( )K C F N 7 6 6 . 3 7 ( )K P F N 1 3 5 9 . 9 0 ( )K f F N 螺旋夹紧时产生的夹紧力按以下公式计算有： )( 210 考文献 5可查得： 901 0592 2 29 其中： 33( )L )(80 螺旋夹紧力：0 4 7 4 8 )夹具采用 螺旋夹紧机构，用螺栓通过弧形压块压紧工件，受力简图如下： 1633图 动压板受力简图 由表 2621 得：原动力计算公式 0 01l 即： 00 4 7 4 8 . 2 3 3 0 . 9 8 9 0 3 2 . 7 5 ( )17K 由上述计算易得： W 由计算可知所需实际夹紧力不是很大，为了使其夹具结构简单、操作方便，决定选用手动螺旋夹紧机构。 本科机械毕业设计论文 纸 01339828 20 差分析与计算 该夹具以一个平面和和个定位销定位，要求保证孔轴线间的尺寸公差。为了满足工序的加工要求，必须使工序中误差总和等于或小于该工序所规定的尺寸公差。 由 5和 6可得： 定位误差： 当短圆柱销以任意边接触时 m i D d 当短圆柱销以固定边接触时 2 式中定位孔与定位销间的最小间隙 通过分析可得： 0 2D 0 1d 因此：当短圆柱销以任意边接触时 0 3DW 夹紧误差 ： co s)(m a x 其中接触变形位移值： a 1 ( 1 c o s 0 . 0 1 3j j y 磨损造成的加工误差：通常不超过 夹具相对刀具位置误差： 取 误差总和： 0 . 0 9 6 0 . 5jw m m m m 从以上的分析可见，所设计的夹具能满足零件的加工精度要求。 本科机械毕业设计论文 纸 01339828 21 、部件的设计与选用 本夹具选用一 定位销和 菱形 销来定位，其参数如下： 表 位销参数 d H D 1D h 1h b 11允差 1418 16 15 2 5 1 4 1 表 形 参数 d H D 1D h 1h b 11允差 3 6 8 6 +2 7 1 2 1 2 夹紧装置的选用 该夹紧装置选用移动压板，其参数如下表： 表 动压板参数 公称直径 L B H l b 1b d K 6 45 20 8 19 套、钻模板设计与选用 工艺孔的加工只需钻切削就能满足加工要求。故选用可换钻套（其结构如下图所示）
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