输出轴工艺及钻10-Φ20孔夹具设计【通过答辩毕业论文+CAD图纸】
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沈阳理工大学学士学位论文 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。 沈阳理工大学学士学位论文 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，遗传算法被用沈阳理工大学学士学位论文 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 沈阳理工大学学士学位论文 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。 沈阳理工大学学士学位论文 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 沈阳理工大学学士学位论文 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，其中刀具通沈阳理工大学学士学位论文 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。 沈阳理工大学学士学位论文 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 沈阳理工大学学士学位论文 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。 沈阳理工大学学士学位论文 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 减少了沈阳理工大学学士学位论文 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 。 沈阳理工大学学士学位论文 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 。 沈阳理工大学学士学位论文 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 机械加工工艺卡片 产品型号 产品名称 输出轴 零件图号 零件名称 出轴 共 页 第 1 页 材料牌号 45 钢 毛 坯 种 类 锻件 毛坯外形尺寸 每毛坯件数 1 每 台 件 数 备 注 工 序 10 装 夹 工 步 锻造毛胚模锻 工 序 内 容 同时 加工 零件 数 切削用量 背吃 切削 刀量 速度 (m/分 钟转 数 进给 量 (设备名 称及编 号 工艺装备名称及编号 夹具 刀具 量具 技 术 等 级 工时定额 准终 单件 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1 1 1 1 1 1 1 1 2 3 4 5 6 7 1 2 1 2 3 4 5 6 1 2 3 1 正火（消除内应力） 粗车右端面 粗车 176 外圆至 177 粗车左端面 钻中心孔 粗车 55 外圆至 车 60 外圆至 车 65 外圆至 车 75 外圆至 锥面 调制 55 修研中心孔 半精车 176 外圆至要求 倒角 1 45 半精车 55 外圆至 精车 60 外圆至 精车 65 外圆至 精车 75 外圆至 精车锥面 倒角 1 45 粗镗 140 孔至要求 粗镗 80 孔至 78 粗镗 50 孔至要求 半精镗 80 至 6 8 2 5 76 15 115 00 100 710 710 250 250 250 200 200 900 560 560 450 450 100 160 250 400 68 爪卡盘 三爪卡 盘， 顶 尖 三爪卡盘 三爪卡 盘， 顶尖 三爪卡盘 三爪卡盘 外 圆 车 刀 外 圆 车 刀 ， 中心钻 外 圆 车刀 外 圆 车刀 镗刀 镗刀 卡规 游标卡尺 卡规，游标 卡尺 游标卡尺 游标卡尺 塞规 塞规 110 120 130 140 150 1 1 1 1 1 2 1 2 1 2 3 4 1 1 1 精镗 80 至要求 精车大端端面 倒角 1 45 钻 18 孔 扩至 粗铰至 20 孔 精铰 20 孔至要求 钻 2 8 孔 划键槽加工线 粗铣键槽 1 9 5 9 320 250 250 400 1100 68 100 960 945 535 爪卡盘 专用夹具 专用夹具 外 车刀 8 花钻 圆 麻 卡规 塞规 塞规 160 170 180 190 200 210 1 2 1 2 3 4 1 2 3 4 精铣键槽 去毛刺 清洗 粗磨 55 外圆至 磨 60 外圆至 磨 65 外圆至 磨 75 外圆至 磨 55 外圆至要求 精磨 60 外圆至要求 精磨 65 外圆至要求 精磨 75 外圆至要求 清洗 终检 2 225 0 20 20 20 20 20 20 20 用夹具 钳工台 顶尖，锥堵 审 核 （日 立铣刀 砂轮 游标卡尺 游标卡尺 标 记 处 数 更改文件号 签 字 日 期 标记 处数 更改文件号 签 字 日 期 设 计（日 期） 校 对（日期） 期） 标准化（日期） 会 签（日期） 工 材料牌号 机械加工工艺过程卡片 45 钢 毛坯种类 模锻 产品型号 产品名称 毛坯外形尺寸 件图号 零件名称 每毛坯件数 出轴 1 每台件数 共 1 页 第 备注 页 序 号 工 名 序 称 工 序 内 容 车 间 工 段 设 备 工 艺 装 备 工时 /终 单件 描图 描校 底图号 装订号 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 模锻 热处理 车 车 热处理 修研中心孔 车 车 镗 镗 车 钻 钻 划线 铣 去毛刺 清洗 磨 磨 清洗 终检 模锻，处理喷丸 正火 粗车右端面、 176 外圆 掉头粗车左端面保证总长、钻中心孔，粗车各圆柱 面及锥面，留半精车、磨削余量 调制 55 修研中心孔 半精车 176 外圆、倒角 半精车 55、 60、 65、 75 外圆及锥面并倒角 粗镗 140、 80、 50 孔、留 80 孔半精镗余量 半精镗、精镗 80 精车大端端面、倒角 钻、扩、铰、 20 孔 钻 2 8 孔 划键槽加工线 铣键槽 去毛刺 清洗 粗磨 55、 60、 65、 75 外圆 精磨 55、 60、 65、 75 外圆 清洗 终检 锻工 热处理 金工 金工 热处理 金工 金工 金工 金工 金工 金工 金工 金工 钳工 金工 钳工 金工 金工 质检室 525 51 1320 设计（日 三爪卡盘 三爪卡盘 ，顶尖 三爪卡盘 三爪卡盘，顶尖 三爪卡盘 三爪卡盘 三爪卡盘 专用夹具 专用夹具 专用夹具 钳工台 顶尖，锥堵 顶尖，锥堵 标准化（日 会 签（ 日 标记 处数 更改文件号 签字 日期 标记 处数 更改文件号 孙茂建 签 字 日期 期） 期） 期） 校对（日期）审核（日期） (工厂 ) 机械加工工序卡 产品型号 产品名称 件图号 零件名称 出轴 共 页 第 页 车间 毛坯种类 设备名称 钻床 工序号 120 毛坯外形尺寸 设备型号 序名称 每毛坯可制作数 1 设备编号 材料牌号 45 每台件数 1 同时加工件数 夹具编号 夹具名称 切削液 工位夹具编号 工位器具名称 工序工时 准终 单件 工步 号 工步名称 工艺装备 主轴转速 (r/切削速度 (m/进给量 (背吃刀量 (进给 次数 工时 /动 单件 描图 描校 底图号 1 2 3 4 钻 18 孔 扩至 粗铰至 20 孔 精铰 20 孔 用夹具 ,塞 规 , 18 麻花钻 孔钻 20 粗铰刀 20 精铰刀 400 1100 68 100 1 1 1 装订号 设计 (日期 ) 审核 (日期 ) 标准化 (日期 ) 会签 (日期 ) (工厂 ) 机械加工工序卡 产品型号 产品名称 件图号 零件名称 8301 出轴 共 页 第 页 车间 毛坯种类 设备名称 车床 工序号 70 毛坯外形尺寸 设备型号 序名称 车削 每毛坯可制作数 1 设备编号 材料牌号 45 每台件数 1 同时加工件数 夹具编号 夹具名称 切 削液 工位夹具编号 工位器具名称 工序工时 准终 单件 工步 号 工步名称 工艺装备 主轴转速 (r/切削速度 (m/进给量 (背吃刀量 (进给 次数 工时 /动 单件 描图 描校 1 2 半精车 176 外圆 倒角 1 45 三 爪 卡 盘， 外圆车刀，游 标卡尺 200 200 1 1 标记 处数 更改文件号 签字 日期 标记 处数 更改文件号 签字 日期 底图号 装订号 标记 处数 更改文件号 签字 日期 标记 处数 更改文件号 签字 日期 设计 (日期 ) 审核 (日期 ) 标准化 (日期 ) 会签 (日期 ) 无 锡 职 业 技 术 学 院 毕 业 设 计 任 务 书 课 指 题 导 名 教 称 师 输出轴工艺及钻 100 孔夹具设计 金 敏 职 称 高 工 指 导 教 师 周 刚 职 称 讲 师 专 学 业 生 名 姓 称 名 机械制造与自动化 孙茂建 班 学 级 号 机制 11032 1020103227 课题需要完成的任务： 1绘制零件图及 毛坯 零件综合图各一张； 2编制机加工工艺文件（三卡）全套； 3绘制夹具装配图及全套夹具非标准零件图； 4编写设计说明书（ 20）； 5专业外文翻译（大于 3000 英文字符）。 课题计划： 1 2 月 25 日 3 月 3 日（第一周）：布置课题，收集相关资料 ； 完成专外翻译； 2 3 月 4 日 3 月 10 日（第二周）：工艺规程设计； 3 3 月 11 日 3 月 24 日（第三四周）：编制工序卡； 4 3 月 25 日 4 月 7 日（第五第六周）：工装设计； 5 4 月 8 日 4 月 14 日（第七周）： 编写说明书； 6 4 月 15 日 4 月 19 日（第八周）： 4 月 15 日前交齐所有设 计资料，参加毕业答辩。 计划答辩时间： 2012 年 4 月 18 日 2012 年 4 月 19 日 机 制 系（部、分院） 2013 年 2 月 13 日 机 械 技 术 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 输出轴工艺及钻 100 孔夹具设计 学生姓名： 指导教师姓名： 孙茂建 金敏 职 称 周刚 职称 高工 讲师 所在班级机 11032 班 11032 所在专业 机械制造与自动化 论文提交日期 2013 年 4 月 17 日 论文答辩日期 2013 年 4 月 19 日 答辩委员会主任 答辩人 孙茂建 机制 20 13 系（部 、分院 ） 年 4 月 25 日 25 无 锡 毕 职 业 业 设 计 技 说 术 明 学 书 院 目 录 毕业设计任务书 3 一、零件的分析 5 1、零件的作用 5 2、零件的工艺分析 5 二、工艺规程设计 6 1、确定毛坯的制造形式 6 2、定位基准的选择 7 三、拟订工艺路线 8 （ 1）工艺路线的确定 8 （ 2）工艺方案的比较与分析 11 （ 3）加工设备的选择 11 （ 4）刀具的选择 11 四 、 加工余量，工序尺寸，及毛坯尺寸的确定 11 五、确定切削用量 14 六、夹具设计 33 设计小结 36 参考文献 37 2 无 锡 毕 职 业 业 设 计 技 说 术 明 学 书 院 无 锡 职 业 技 术 学 院 毕 业 设 计 任 务 书 课 指 题 导 名 教 称 师 输出轴工艺及钻 100 孔夹具设计 金 敏 职 称 高 工 指 导 教 师 周 刚 职 称 讲 师 专 学 业 生 名 姓 称 名 机械制造与自动化 孙茂建 班 学 级 号 机制 11032 1020103227 课题需要完成的任务： 1绘制零件图及毛坯 零件综合图各一张； 2编制机加工工艺文件（三卡）全套； 3绘制夹具装配图及全套夹具非标准零件图； 4编写设计说明书（ 20）； 5专业外文翻译（大于 3000 英文字符）。 课题计划： 1 2 月 25 日 3 月 3 日（第一周）：布置课题，收集相关资料 ； 完成专外翻译； 2 3 月 4 日 3 月 10 日（第二周）：工艺规程设计； 3 3 月 11 日 3 月 24 日（第三四周）：编制工序卡； 4 3 月 25 日 4 月 7 日（第五第六周）：工装设计； 5 4 月 8 日 4 月 14 日（第七周）： 编写说明书； 6 4 月 15 日 4 月 19 日（第八周）： 4 月 15 日前交齐所有设 计资料，参加毕业答辩。 计划答辩时间： 2012 年 4 月 18 日 2012 年 4 月 19 日 机 制 系（部、分院） 2013 年 2 月 13 日 3 无 锡 毕 职 业 业 设 计 技 说 术 明 学 书 院 一， 零件的分析零件的分析 （一）零件的作用 题目所给定的零件为输出轴，其主要作用，一是传递转矩，使主轴获得旋转 的动力；二是工作过程中经常承受交变载荷；三是支撑传动零部件。 （二）零件的工艺分析 从零件图上看，该零件是典型的轴类零件， 结构比较简单，其主要加工的面 比较多并且各个加工面之间有一定的位置要求。现分述如下； 1、平面的加工。 轴的左右端面及各台阶面的加工。其中大端端面表面粗糙度要求 其余 2、各圆柱面及锥面的加工。 这一组加工面包括 55、 60、 65、 75、 176 的外圆柱面， 50、 80、 104 的内圆柱表面。其中 60、 75 外圆柱面的表面粗糙度要求为 55 外 圆柱面为 80 内 圆柱表面 为 其 余为 3、孔的加工。 包括 10 个 20 的通孔， 2 个 8 通孔。其中 20 孔表面粗糙度要求为 、键槽的加工。 1 个键槽。键槽两侧面表面粗糙度要求为 这些加工表面之间有一些存在位置要求，主要是； 1） 20 孔的轴线对 80 内孔轴线的位置度为 ）键槽对 55 外圆轴线的对称度为 3） 55 的左端面、 80 内孔圆柱面对 75、 60 外圆轴线的跳动量为 热处理方面需要调质处理 ,即淬火 +高温回火，达到到 零件达到较 高的综合力学性能 ,安排在粗加工之后，半精加工之前 . 由以上分析可知，该零件的加工可先由普通机床及加工方法加工各个端面 、 4 无 锡 毕 职 业 业 设 计 技 说 术 明 学 书 院 圆柱面、锥面及键槽，再使用专用夹具钻孔，并保证各加工面的尺寸及位置精度 要求。 二、工艺规程的设计 （一）确定毛坯的制造形式 确定零件材料为 45 钢。分析零件结构可知，输出轴外圆由 55 到 176 尺寸 变化较大，采用棒料作为毛坯切削量太大，浪费时间和材料，成本太高。而且机 床经常 正反旋转输出轴也经常要承受交变载荷，因此选用锻件。由于零件是大批 量生产，而且零件的轮廓尺寸不大，精密度较高，故选用模锻，即可提高生产率 又可大大减少加工余量，节省材料和减少后续加工，降低了成本。 （二）定位基准的选择 定位基准的选择是工艺规程设计中的重要工作之一。定位基准选择的正确 、 合理，可以保证零件的加工质量，提高生产效率。 1、粗基准的选择 工件为回转体，属于轴类零件，为了保证重要加工面的余量均匀，应选重要 加工表面为粗基准，便于装夹原则，故选择毛坯上未加工的小端面外圆为粗基准。 2、精基准的选 择 由于主要精加工各外圆，故精基准使用小端面中心孔和大端面一孔，用其作 为定位基准既符合基准重合，又符合基准统一。 加工阶段的划分 粗加工阶段：其任务是切除毛坯上大部分余量，使毛坯在形状和尺寸上接近 零件成品，因此，主要目标是提高生产率，去除内孔，端面以及外圆表面的大部 分余量，并为后续工序提供精基准，如加工 55、 60、 65、 75、 176 外 圆柱表面。 半精加工阶段：其任务是使主要表面达到一定的精加工余量，为主要表面的 精加工做好准备，如 55、 60、 65、 75 外圆柱面， 80 内孔 、 10 20 法 兰孔等。 精加工阶段：其任务就是保证各主要表面达到规定的尺寸精度，并可完成一些次 要表面的加工。如精度和表面粗糙度要求，主要目标是全面保证加工质量，如各 60、 75 外圆精磨。 5 无 锡 毕 职 业 业 设 计 技 说 术 明 学 书 院 热处理工序的安排 :热处理的目的是提高材料力学性能，消除残余应力和改 善金属的加工性能。热处理主要分 :预备热处理，最终热处理和内应力处理等。 本零件输出轴材料为 45 钢，加工前进行正火预备热处理是在毛坯锻造之后消除 零件的内应 力。粗加工之后，为消除因加工变形残余内应力，同时降低材料的硬 度，获得零件材料较高的综合力学性能，采用调质处理。 三、 拟订工艺路线 拟定工艺路线的出发点；应当是零件的几何形状、尺寸精度及位置精度等技 术要求能得到合理的保证，提高生产率、降低成本。 1、工艺路线的确定： 基面先行原则 该零件进行加工时，同时车两端面打中心孔，再以中心轴线 为基准来加工，因为两端面和 75 外圆柱面为后续精基准表面加工而设定的，才 能使定位基准更准确，从而保证各位置精度的要求，然后再把其余部分加工出来。 先粗后精原则 先安排粗加工工序，再安排精加工工序，粗加工将在较短时 间内将工件表面上的大部分余量切掉，一方面提高效率，另一方面满足精车的余 量均匀性要求，若粗加工后留余量的均匀性满足不了精加工的要求时，则要安排 半精加工。 先面后孔原则 对该零件应该先加工圆柱表面，后加工孔，这样安排加工顺 序，一方面是利用加工过的平面定位，稳定可靠，另一方面是在加工过的平面上 加工孔，比较容易，并能提高孔的加工精度，所以对于输出轴来讲先加工 75 外圆柱面，做为定位基准再来加工其余各孔。 工序划分的确定 工序集中与工序分散：工 序集中是指将工件的加工集中在 少数几道工序内完成每道工序加工内容较多，工序集中使总工序数减少，这样就 减少了安装次数，可以使装夹时间减少，减少夹具数目，并且利于采用高生产率 的机床。故工序分散是将工件的加工分散在较多的工序中进行，每道工序的内容 很少，最少时每道工序只包括一个简单工步，工序分散可使每个工序使用的设备 ， 刀具等比较简单，机床调整工作简化，对操作工人的技术水平也要求低些。考虑 到该零件的生产类型为大批量生产，设计工艺路线是我们主要考虑工序集中，将 粗精加工尽量安排在一个工序中。 2、工艺方案 的比较与分析： 1、工艺路线方案一； 6 工序号 工序内容 10 备料 20 精锻 无 锡 毕 职 业 业 设 计 技 说 术 明 学 书 院 2、工艺路线方案二； 7 30 热处理 40 粗车小头端面打中心孔 50 掉头粗车大头端面 60 调质 0 镗 50、 140 孔 80 精 镗 80 90 半精车小头端面及各台阶面 100 铣键槽 110 掉头钻扩铰 10 20 孔 120 半精车大头端面 130 倒角 140 钻 28 油孔 150 精 车四个台阶面 160 倒角 170 精铣大小头端面 工序号 工序内容 10 锻造毛坯 20 热处理 30 粗、精车右端面 40 粗 176 外圆柱面 倒角 50 粗车左端面及各外圆柱面留半精车、精车余量 60 调质 0 半精车、精车左端面各外圆柱面到要求 倒角 80 钻 50 的底孔，车 104，车 80 孔留镗孔余量 90 镗 80 孔到要求，倒角 无 锡 毕 职 业 业 设 计 技 说 术 明 学 书 院 3、工艺路线方案三； 8 100 钻 2 8 孔 110 钻、扩、铰 20 到要求 120 铣键槽 130 去毛刺 140 检验 工序号 工序内容 10 模锻 20 热处理（消除应力） 30 粗车右端面、 176 外圆 40 掉头粗车左端面保证总长、钻中心孔，粗车各圆柱面及锥面，留半精 车、磨削余量 50 调制 2000 修研中心孔 70 半精车 176 外圆、半精车大端端面、倒角 80 半精车 55、 60、 65、 75 外圆及锥台并倒角 90 粗 镗 140、 80、 50 孔、留 80 孔半精镗余量 100 半精镗、精镗 80 110 精车大端端面、倒角 120 钻、扩、铰、 20 孔 130 钻 2 8 孔 140 划线 150 铣键槽 160 去毛刺 170 清洗 180 粗磨 55、 60、 65、 75 外圆 190 粗磨 60、 55、 75 外圆 无 锡 毕 职 业 业 设 计 技 说 术 明 学 书 院 工艺方案的分析 上述方案中方案一的加 工顺序不是很完善，尤其是 70、 80 道工序和 90 道工 序，方案二则是工艺步骤不完整，综合来说方案三最好选方案三，故选方案三。 3、加工设备的选择 车削设备采用 通车床，磨削设备采用外圆磨床 1320，钻削设备 采用 削设备采用立式铣床 削时由于加工零件是回转体，且加工 零件轮廓尺寸不大，故选用车床 4、刀具的选择； 车削时用 质合金刀，钻削时用高速钢钻头，铣削时用高速钢铣刀，磨 削时用砂轮，镗削是用硬质合金 镗刀。 （四 ）机械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的确定； 55 小头端面 55 圆 9 200 清洗 210 终检 工序名称 工序余量 /济精度 /面粗糙度 m 工序间尺寸 /序尺寸及公 差 /车 44 2440造 244+3 =247 247 工序名称 工序余量 /济精度 /面粗糙度 m 工序间尺寸 /序尺寸及公 差 /磨 5 磨 5+5 精车 5. 5 车 6 6. 6 锡 毕 职 业 业 设 计 技 说 术 明 学 书 院 60 圆 65 圆 75 圆 10 锻造 1 61 工序名称 工序余量 /济精度 /面粗糙 度 m 工序间尺寸 /序尺寸及公 差 /磨 0 600磨 0+60 精车 0. 5 车 6 1. 6 造 6 66 工序名称 工序余量 /济精度 /面粗糙 度 m 工序间尺寸 /序尺寸及公 差 /磨 5 磨 5 精车 5 车 6 造 71 71 工序名称 工序余量 /济精度 /面粗糙度 m 工序间尺寸 /序尺寸及公 差 /磨 5 750磨 5 锡 毕 职 业 业 设 计 技 说 术 明 学 书 院 176 外圆 176 大头端面 20 50 孔 11 半精车 车 6 造 81 81 工序名称 工序余量 /济精度 /面粗糙度 m 工序间尺寸 /序尺寸及公 差 /精车 76 1760车 6 176 + 7 7 177 0造 1 7 7 + 5 = 18 2 182 工序名称 工序余量 /济精度 /面粗糙度 m 工序间尺寸 /序尺寸及公 差 /车 47 2470车 47+1 =248 2480造 248+2 =250 250 工序名称 工序余量 /济精度 /面粗糙度 m 工序间尺寸 /序尺寸及公 差 /铰 0 20铰 孔 0 孔 18 8 18 无 锡 毕 职 业 业 设 计 技 说 术 明 学 书 院 80 104 孔 50516槽 五、确定切削用量 12 工序名称 工序余量 /济精度 /面粗糙度 m 工序间尺寸 /序尺寸及公 差 /镗 4 0 50 锻造 506 46 工序名称 工序余量 /济精度 /面粗糙度 m 工序间尺寸 /序尺寸及公 差 /镗 0 80精镗 镗 32 8 78造 786 46 工序名称 工序余量 /济精度 /面粗糙度 m 工序间尺寸 /序尺寸及公 差 /镗 58 04 104 锻造 1046 46 工序名称 工序余量 /济精度 /面粗糙度 m 工序间尺寸 /序尺寸及公 差 /铣 2 0 500铣 6 50+2=52 5202+5 0 无 锡 毕 职 业 业 设 计 技 说 术 明 学 书 院 1、 粗车 55 小头端面 ； 确定最大加工余量 z=3 确定进给量 f：查机械加工工艺手册知 f= 由 明书取 f=r 08m/.7 mm/r k 算切削速度；查机械加工工艺手册切削速度计算公式为 T a p f 式中； =242， = =m=正系数见 机械加工工艺手册即 = = T 取 60。 所以 m/定机床主轴转速； n=1000 d 明书取，与 近的转速为 560r/ 710r/ 现选 710r/以实际切削速度 1 故实际取值 n=710r/r 外圆 （ 1）粗车； 确定切削深度a p ；由于粗加工余量仅为 ， 可在一次走刀内切完， 故 a p = . 确定进给量 f ；查机械加工工艺手册得 f=r 计算切削速度； T a p f =定主轴转速； n=1000 d 明书取 n=710r/以实际切削速度 Vc=n d/1000=122 故 13 m x y C v k C x y k k k k v 55 C v k m x y 无 锡 毕 职 业 业 设 计 技 说 术 明 学 书 院 实际取值 ， n=710r/ 工时计算； L 80 250 2）半精车； 确定切削深度 ap;=定进给量 f ；查机械加工工艺手册得 f=c=176m/n=1000 d= 说 明 书 取 n=900r/ 所 以 实 际 切 削 速 度 Vc=n d/1000=160m/。 由 机 械 制 造 技 术 基 础 功 率 ； c f/60000=2305 176 0 1000= 由于机床 说明书查得 w，效率为 床功率 以机床功率足够，故 实际取值 ， 76m/n=900r/f=工时计算； nf 900 3）粗磨 (1)确定切削深度 给量 f ; 工件直径为 查机械加工工艺 手 册 选 择 工 件 速 度 为 w 18m / ， ( ( 40 20 32 r , a p 1 2 故 单行程 单行程 单行程 纵向进给量 20 r (2)确定砂轮转速 4 则 L 80 282 t t ，式中L l y ， l 80车削时的入切量及超切量 y L 83.8 t t ，式中 L l y ， l 80削时的入切量及超切量 y 2 L 82 修 正 系 数 为 无 锡 毕 职 业 业 设 计 技 说 术 明 学 书 院 s d sn s 其中 s 砂轮速度 m / s， d s 砂轮直径 砂轮转速 r / 则 60 1000 100060 ds s 10006030 400 r / 1433r / )确定工件转速 则 w 1000 ，式中 1000 w w 工件转速 m / d 100018 w 工件直径 工件转速 r / d w 55.5 r / 103r / 3）确定轴向进给量 1000 20 103 f 外圆磨削轴向进给速度 m / f 1000 m / 4)确定磨削力 t CF s w f a 根 据 机 械 加 工 工 艺 手 册 ， C 21 215)功率校验 30 18 20 40 65 磨削功率 s 6530 W ，砂轮电机输出功率 h ， 1000 1000 m 取 m 则 h W ， 根 据 1320外 圆 磨 床 说 明 书 ， E ,因 E 所以； h, 故所选磨床满足功率要 求 a 单行程， 1433r / 103r / f a 20 r, f （ 4）精磨 f n ,式中 15 无 锡 毕 职 业 业 设 计 技 说 术 明 学 书 院 （ 1）确定被吃刀量 工件直径为 查机械加工工艺手册， w 20 40m / 选择工件速度为 w 29m / f a ( 40 16 24 r, ，由表 正系数为 选 择 f a 20 r ， a p 单行程 1 2 故 a p 单行程 单行程 纵向进给量 20 r （ 2）确定砂轮转速 0 1000 s 砂轮速度 m / s， 砂轮直径 00060s 10006030 砂轮转速 r / 则 式 中 d s 400 r / 1433r / 3）确定工件转速 000 w 工件转速 m / 000w 工件直径 00029 工件转速 r / 则 式 中 d w 55.1 r / 4）确定轴向进给量 f f 1000 , 式中 f 外圆磨削轴向进给速度 m / f 20 000 所以； m / a 单行程， 1433r / 6 f a 20 r, d n ， s d n ， f 锡 毕 职 业 业 设 计 技 说 术 明 学 书 院 60 外圆 粗车 确定切削深度 于粗加工余量仅为 ，可在一次走刀内切完，故 = 确定进给量 f 查机械加工工艺手册知 f= /r,按 床说明书， 选择 f= /r 确 定 切 削 速 度 查 机 械 加 工 工 艺 手 册 取 5m/则 n=1000 d=据 床说明书，选择 n 250r / 则实 际切削速度为 n=1000 d= 机 械 制 造 技 术 基 础 校 核 功 率 c f/60000=2305 55 0000=w 由于机床说明 书查得 w，效率为 床功率 以机床功率足够 . 实际取值为 5m/n=250r/f=r 工时计算； L 22 250精车 查机械加工工艺设计手册 取 f=0.3 mm/r, 再查外圆切削数据 表知： 取 15m/ n=1000 d=据 床说明 书取 n=560 r/ 则 Vc=d/1000=560 000 = 机 械 制 造 技 术 基 础 校 核 功 率 c f/60000=2305 0000= 由 于机 床 说明书查得 w，效率为 床功率 以机床功率足够，实 际取值为 n=560r/ f=r 工时计算； 17 L t ，式中L l y ， l 22车削时的入切量及超切量 y L 25.8 t 锡 毕 职 业 业 设 计 技 说 术 明 学 书 院 t m L 式中 L l y ， l 22车削时的入切量及超切量 y 2 则 L 22 224mm ， 24 磨 50 1）确定被吃刀量 工件直径为 查机械加工工艺手册，选择工件速度为 w 18m / f 选择 a ( ( 40 20 32 r , 。查机械加工工艺手册修 f a 20 r a p 单行程 正系数为 1 2 故a p 单行程 单行程 单行程 纵向进给量 f a 20 r （ 2）确定砂轮转速 0 1000 s 砂 轮速度 m / s， 00060s ， 砂轮直径 0006030 砂轮转速 r / 则 式 中 d s 400 r / 1433r / 3）确定工件转速 000 w 工件转速 m / d w 工件直径 工件转速 r / 则 式 中 1000 dw w 100018 60.5 r / （ 4）确定轴向进给量 f f 1000 , 式中 f 外圆磨削轴向进给速度 m / d n d n ， 18 无 锡 毕 职 业 业 设 计 技 说 术 明 学 书 院 f 20 000 m / 以； a 单行程， n s 1433r / n w f a 20 r, f 磨 （ 1）确定被吃刀量 工件直径为 查机械加工工艺手册， w 20 40m / 选择工件速度为 w 29m / f a ( 40 16 24 r, 选
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