拨杆加工工艺及钻小头孔Φ12孔夹具设计（全套含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 2/5 拨杆 材料牌号及名称 毛坯外型尺寸 杆 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 51 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 夹 40 外圆，找正不加工表面 B 车刀 钢板尺 80 钻扩铰、 22 孔至图纸要求 铰刀，麻花钻 量规 80 5 2 翻面车总长 45角至图纸要求 翻面心轴 卡尺 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 1/5 拨杆 材料牌号及名称 毛坯外型尺寸 杆 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 专用夹具 机动时间 单件工时定额 每合件数 51 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 木模，手工造型 2 1 清砂，浇冒口 3 1 人工时效 4 1 非加工表面涂红色底漆 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 拨杆 材料牌号及名称 毛坯外型尺寸 杆 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 51 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 夹 40 外圆，找正不加工表面 B 车刀 钢板尺 80 钻扩铰、 22 孔至图纸要求 铰刀，麻花钻 量规 80 5 2 翻面车总长 45角至图纸要求 翻面心轴 卡尺 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 拨杆 材料牌号及名称 毛坯外型尺寸 杆 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 51 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 以 和端面定位铣台阶 面铣刀 游标卡尺 80 将尺寸 14工到图纸要求 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 拨杆 材料牌号及名称 毛坯外型尺寸 杆 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 51 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 以 和端面定位，钻铰 麻花钻，铰刀 游标卡尺 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 拨杆 材料牌号及名称 毛坯外型尺寸 杆 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 51 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） 8 1 划 孔位置线，钻、攻螺孔至图纸要求 麻花钻，铰 刀 游标卡尺 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 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 业设计（论文）说明书 作 者： 学 号： 系 部： 专 业： 题 目： 拨杆 加工工艺及夹具设计 指导者： 评阅者： 2014 年 05 月 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 业设计（论文）中文摘要 拨杆零件加工工艺及 钻床夹具设计 是包括零件加工的工艺设计、工序设计以及专用夹具的设计三部分。在工艺设计中要首先对零件进行分析，了解零件的工艺再设计出毛坯的结构，并选择好零件的加工基准，设计出零件的工艺路线；接着对零件各个工步的工序进行尺寸计算，关键是决定出各个工序的工艺装备及切削用量；然后进行专用夹具的设计，选择设计出夹具的各个组成部件，如定位元件、夹紧元件、引导元件、夹具体与机床的连接部件以及其它部件；计算出夹具定位时产生的定位误差，分析夹具 结构的合理性与不足之处，并在以后设计中注意改进。 关键词 工艺 ， 工序 ， 切削用量 ， 夹紧 ， 定位 ， 误差 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 毕业设计（论文）外文摘要 is of In of to of to of of in to is to of of as a by of to 买后包含有 纸和说明书 ,咨询 I 目 录 目 录 . 序 言 . 5 2 零件的分析 . 5 件的形状 . 6 件的工艺分析 . 6 3 工艺规程设计 . 7 定毛坯的制造形式 . 7 面的选择 . 7 定工艺路线 . 7 艺路线方案一 . 8 艺路线方案二 . 8 艺方案的比较与分析 . 8 择加工设备和工艺装备 . 9 床选用 . 9 择刀具 . 9 择量具 . 9 械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的确定 . 10 定切削用量及基本工时 . 11 4 钻孔专用夹具设计 . 17 题的指出 . 17 位基准的选择 . 17 具方案的设计 . 17 . 18 紧力的计算 . 18 位误差分析 . 19 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 零、部件的设计与选用 . 20 6 确定夹具体结构尺寸和总体结构 . 22 总 结 . 24 致 谢 . 25 参 考 文 献 . 26 4 1 序 言 机械制造业是制造具有一定形状位置和尺寸的零件和产品，并把它们装备成机械装备的行业。机械制造业的产品既可以直接供人们使用，也可以为其它行业的生产提供装备，社会上有着各种各样的机械或机械制造业的产品。我们的生活离不开制造业，因此制造业是国民经济发 展的重要行业，是一个国家或地区发展的重要基础及有力支柱。从某中意义上讲，机械制造水平的高低是衡量一个国家国民经济综合实力和科学技术水平的重要指标。 拨杆 零件加工工艺及 钻床夹具设计 是在学完了机械制图、机械制造技术基础、机械设计、机械工程材料等 的基础下，进行的一个全面的考核 。正确地解决一个零件在加工中的定位，夹紧以及工艺路线安排，工艺尺寸确定等问题，并设计出专用夹具， 保证尺寸 证零件的加工质量。 本次设计也要培养自己的自学与创新能力。因此本次设计综合性和实践性强、涉及知识面广。所以在设计中既要注意基本概念、基本理论 ，又要注意生产实践的需要，只有将各种理论与生产实践相结合，才能很好的完成本次设计。 本次设计水平有限，其中难免有缺点错误，敬请老师们批评指正。 6 2 零件的分析 件的形状 题目给的零件是 拨杆 零件 ，主要作用是 起 传动连接 作用。 零件 的实际形状如上图所示， 从零件图上看，该零件是典型的零件，结构比较简单 。 具体尺寸，公差如下图所示 。 件的工艺分析 由零件图可知，其材料为 材料为 灰铸铁 ，具有较高强度，耐磨性，耐热性及减振性，适用于承受较大应力和要求耐磨零件。 拨杆 零件主要加工表面为： 面粗糙度.2 m 。 面粗糙度.2 m 。 合面 ，表面粗糙度.2 m 。 2.5 m ，法兰面粗糙度.3 m 。 拨杆 共有两组加工表面，他们之间有一定的位置要求。现分述如下： (1) 左端的加工表面： 这一组加工表面包括： 左端面。这一部份只有端面有 其要求并不高， 粗车后半精车就可以达到精度要求。 (2) 这一组加工表面包括：右端面；粗糙度为 要求也不高，粗车可以达到精度要求。 3 工艺规程设计 本 拨杆 来自 假设 年产量为 12000 台，每台车床需要该零件 1个，备品率为 19%，废品率为 每日工作班次为 1班。 该零件材料为 虑到零件在工作时要有高的耐磨性，所以选择铸铁铸造。依据设计要求 Q=12000 件 /年， n=1 件 /台；结合生产实际，备品率和 废品率分别取19%和 入公式得该工件的生产纲领 N=+ )（ 1+ )=17850 件 /年 定 毛坯 的制造形式 零件材料为 件的特点是液态成形，其主要优点是适应性强，即适用于不同重量、不同壁厚的铸件，也适用于不同的金属，还特别适应制造形状复杂的铸件。考虑到零件在使用过程中起连接作用，分析其在工作过程中所受载荷，最后选用铸件，以便使金属纤维尽量不被切断，保证零件工作可靠。年产量已达成批生产水平，而且零件轮廓尺寸不大，可以采用砂型 铸造 ，这从提高生产效率，保证加工精度，减少生产成本上考虑，也是应该的。 面的选择 基面选择是工艺规程设计中的重要工作之一，基面选择的正确与合理，可以使加工质量得到保证，生产效率得以提高。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。 粗基准的选择，对像 拨杆 这样的零件来说，选好粗基准是至关重要的。对本零件来说，如果外圆的端面做基准，则可能造成这一组内外圆的面与零件的外形不对称，按照有关粗基准的选择原则 (即当零件有不加工表面时，应以这些不加工表面做粗基准，若零件有若干个不加工表面时，则应以与加工表面要求相对应位置精度较高的不加工表面做为 粗基准 )。 对于精基准而言，主要应该考虑基准重合的问题，当设计基准与工序基准不重合时，应该进行尺寸换算，这在以后还要专门计算，此处不在重复。 定工艺路线 制定工艺路线的出发点，应当是使零件的几何形状、尺寸精度及位置精度等技术要求能得到合理的保证。在生产纲领已经确定为成批生产的条件下，可以考虑采用万能性机床配以专用夹具，并尽量使工序集中来提高生产率。除此以外，还应当考虑经济效果， 8 以便使生产成本尽量下降。 艺路线方案一 艺路线方案二 艺方案的比较与分析 上述两个方案的特点在于：方案一的定位和装夹等都比较方便，但是要更换多台设1 铸造 木模，手工造型 2 冷作 清砂，浇冒口 3 热处理 人 工时效 4 油漆 非加工表面涂红色底漆 5 车 （ 1） 夹 40外圆，找正不加工表面 B。钻扩铰、 至图纸要求，保证尺寸 1角 （ 2） 翻面车总长 45角至图纸要求 6 铣 以 尺寸 147 钻 以 铰 8 钻 划 孔位置线，钻、 攻螺孔至图纸要求 9 检验 按图纸要求检验各部尺寸及形位公差 10 入库 清洗，加工表面涂防锈油，入库 1 铸造 木模，手工造型 2 冷作 清砂，浇冒口 3 热处理 人工时效 4 油漆 非加工表面涂红色底漆 5 车 （ 3） 夹 40外圆，找正不加工表面 B。钻扩铰、 至图纸要求，保证尺寸 1角 （ 4） 翻面车总长 45角至图纸要求 6 铣 以 将尺寸 147 钻 以 铰 8 钻 划 孔位置线，钻、攻螺孔至图纸要求 9 检验 按图纸要求检验各部尺寸及形位公差 10 入库 清洗，加工表面涂防锈油，入库 备，加工过程比较繁琐，而且在加工过程中位置精度不易保证。方案二减少了 装夹次数，但是要及 时更换刀具，因为有些工序在车床上也可以加工 等等，需要换上相应的刀具。因此综合两个工艺方案，取优弃劣，具体工艺过程如下： 择加工设备和工艺装备 床选用 0、 40、 50、 60、 70 是粗车、精车。各工序的工步数不多，成批量生产，故选用卧式车床就能满足要求。本零件外轮廓尺寸不大，精度要求属于中等要求，选用最 常用的 考根据机械制造设计工工艺简明手册表 0、 90 是钻孔，选用 择刀具 一般选用硬质合金车刀和镗刀。加工刀具选用 硬质合金车刀，它的主要应用范围为普通铸铁、冷硬铸铁、高温合金的精加工和半精加工。为提高生产率及经济性 ,可选用可转位车刀 ( 考机械加工工艺手册（主编 孟少农），第二卷表 择量具 本零件属于成批量生产，一般均采用通常量具。选择量具的方法有两种：一是按计量器具的不确定度选择；二是按计量器的测量方法极限误差选择。采用其中的一种方法即可。 1 铸造 木模，手工造型 2 冷作 清砂，浇冒口 3 热处理 人工时效 4 油漆 非加工表面涂红色底漆 5 车 （ 5） 夹 40外圆，找正不加工表面 B。钻扩铰、 至图纸要求，保证尺寸 1角 （ 6） 翻面车总长 45角至图纸要求 6 铣 以 尺寸 14要求 7 钻 以 铰 8 钻 划 孔位置线，钻、攻螺孔至图纸要求 9 检验 按图纸要求检验各部尺寸及形位公差 10 入库 清洗，加工表面涂防锈油，入库 10 械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的确定 “ 拨杆 ” 零件材料为 机械加工工艺手册（以后简称工艺手册），表 种铸铁的性能比较， 灰铸铁 的硬度 43 269，表 铸铁 的物理性能， 3 ，计算零件毛坯的重量约为 2 表 3械加工车间的生产性质 生产类别 同类零件的年产量 件 重型 （零件重 2000 中型 （零件重1002000 轻型 （零件重 120250 、侧面 底 面 铸孔的机械加工余量一般按浇注时位置处于顶面的机械加工余量选择。 根据上述原始资料及加工工艺，分别确定各加工表面的机械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸。 定切削用量及基本工时 切削用量一般包括切削深度、进给量及切削速度三项。确定方法是先是确定切削深度、进给量，再确定切削速度。现根据切削用量简明手册（第三版，艾兴、肖诗纲编， 1993 年机械工业出版社出版） 确定本零件各工序的切削用量所选用的表格均加以 *号，与机械制造设计工工艺简明手册的表区别。 序 5 夹 40外圆，找正不加工表面 B。钻扩铰、 至图纸要求，保证尺寸 1角 翻面车总长 45角至图纸要求 所选刀具为 质合金可转位车刀。根据切削用量简明手册表 于 00表 故选刀杆尺寸 = 516 ，选择车刀几何形状为卷屑槽带倒棱型前刀面，前角 0V = 012 ，后角 0 = 06 ，主偏角090 ，副偏角 010 ，刃倾角 s = 0 ，刀尖圆弧半径 f 根据切削加工简明实用手册可知：表 杆尺寸为 ，pa 工件直径 10 400之间时， 进给量 f =1.0 按 9）在机械制造工艺设计手册可知： 12 f =0.7 确定的进给量尚需满足机床进给机构强度的要求，故需进行校验根据表 1 30，530N 。 根据表 强度在 174 207，pa f 045 时，径向进给力： 950N 。 切削时.0，1.0， 2），故实际进给力为： 50 = （ 3 由于切削时进给力小于机床进给机构允许的进给力，故所选 f = 用。 刀具磨钝标准及耐用度 根据切削用量简明使用手册表 刀后刀面最大磨损量取为 车刀寿命 T = 可直接有表中查出。 根据切削用量简明使用手册表 6质合金刀加工硬度 200 219pa f ，切削速度 V = 切削速度的修正系数为.0，故： 0V=tV 3 （ 3 m n =1000 =127481000 =120 （ 3 根据 0n=125 这时实际切削速度 0001000 125127 m（ 3 切削时的功率可由表查出，也可按公式进行计算。 由切削用量简明使用手册表 160 245 ，pa f 切削速度 时， 切削功率的修正系数实际切削时间的功率为： = （ 3 根据表 n = r 时，机床主轴允许功率为 所选切削用量可在 床上进行，最后决定的切削用量为： f = n = r = V = m 为了缩短辅助时间，取倒角时的主轴转速与钻孔相同 换车刀手动进给。 . 计算基本工时 3 式中 L =l +y + ， l = 由切削用量简明使用手册表 削时的入切量及超切量 y + = 则L =127 +1 = （ 3 工序 6 以 尺寸 14已知工件材料为 择高速钢圆柱铣刀 直径 d=60数 z=10。根据资料选择铣刀的基本形状 ,0， 2， =45已知铣削宽度 削深度50机床选用 式铣床。 根据资料所知， 式卧式铣床的功率为 艺系统刚性为中等。查得每齿进给量 z、现取 z。 根据资料所知，铣刀刀齿后刀面的最大磨损量为 铣刀直径 d=60用度 T=180 根据资料所知，依据铣刀直径 d=60齿数 z=10，铣削宽度 削深度 a P =50 耐 用 度 T=180 查 取 98mm/s ，n=439r/f=490mm/s。 14 根据 式 铣床 主轴转速表查取， 00r/75mm/s。 则实际切削 ： 10000 c=1000 =际进给量 ： 0300475=z 根据 资料所知 ，铣削时的功率（单位 :当 z, 5090mm/削功率的修正系数 ，则 .8 根据 立式铣床 说明书可知：机床主轴主电动机允许的功率 此 机床功率能满足要求。 基本时间 根据 资料所知高速钢圆柱铣刀 铣面基本时间为： tm=zc 2 6050(2 =序 7 以 铰 钻孔 选用机床为 臂机床，刀具选用 柄短麻花钻，机械加工工艺手册第 2卷。 根据机械加工工艺手册第 2卷表 得钻头直径小于 10钻孔进给量为 则取 确定切削速度，根据机械加工工艺手册第 2卷表 切削速度计算公式为 m 3 查得参数为 , 具耐用度 T=35则 v = =1.6 所以 n =72 选取 所以实际切削速度为 1000 v =确定切削时间（一个孔） t = 28 工序 8 划 、攻螺孔至图纸要求 本工序采用计算法。 表 3速钢麻花钻的类型和用途 标准号 类型 直径范围（ 用途 柄麻花钻 各种机床上，用钻模或不用钻模钻孔 柄长麻花钻 各种机床上，用钻模或不用钻模钻孔 柄麻花钻 各种机床上，用钻模或不用钻模钻孔 柄长麻花钻 各种机床上，用钻模或不用钻模钻孔 选用 机械加工工艺手册 孟少农 主编，查机表 用度为 4500，表 准高速钢麻花钻的直径系列选 择锥柄长，麻花钻 25 ，则螺旋角 =300 ，锋交 2 =1180 ，后角 00 ,横刃斜角 =500 ， L=197mm,116 表 3准高速钢麻花钻的全长和沟槽长度（摘自 径范围 直柄麻花钻 l 16 51 101 表 3用型麻花钻的主要几何参数的推存值（根据 （ ） d ( 2 f 0 118 12 40 60 表 3头、扩孔钻和铰刀的磨钝标准及耐用度 （ 1）后刀面最大磨损限度 具材料 加工材料 钻头 直径 20 高速钢 铸铁 2）单刃加工刀具耐用度 T 具类型 加工材料 刀具材料 刀具直径 11 20 钻头（钻孔及扩孔） 铸铁、铜合金及合金 高速钢 60 钻头后刀面最大磨损限度为 具耐用度 T = 60 查机械加工工艺手册 孟少农 主编，第二卷表 速钢钻头钻孔的进给量为 f=根据表 中可知，进给量取 f= 查机械加工工艺手册 孟少农 主编，表 铸铁 （ 190钻孔的切削速度轴向力，扭矩及功率得， V=12 参考机械加工工艺手册 孟少农 主编，表 V=12 = （ 3 则 n = =131 （ 3 查表 可知， 取 n = 150 则实际切削速度 = =11.8 查机械加工工艺手册 孟少农 主编，表 孔时加工机动时间计算公式： （ 3 25 1000 1000 其中 2 5 2 3则： t= =4 钻孔专用夹具设计 题的指出 由于生产类型为成批，大批生产，要考虑生产效率，降低劳动强度，保证加工质量，故需设计专用夹具。 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。 本次设计 选择设计 是针对钻 12孔 ，它将用于 。 位基准的选择 该工序要求 中心 线与 端面（有位置要求 ， 因此可以得出该孔在两个侧面的正中心上，并且还要求其孔为通孔，由于端面经过精铣，精度比较高，因而工序基准为端面 A，为了便于加工，选取适当的定位基准，保证其加工要求。 夹具设计应首先满足这些要求，在 保证较高的生产效率 的前提下 ，还应考虑夹具体制造工艺性和生产经济性 。 加工过程中夹具的操作应方便，定位夹紧稳定可靠， 并且 夹具体应具有较好的刚性。 据夹具手册知定位基准应尽可能与工序基准重合，在同一工件的各道工序中，应尽量采用同一定位基准进行加工。拟定加工路线的第一步是 选择定位基准。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。圆台外圆及两端面都已加工好，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。 具方案的设计 如图所示，为了加工 通 孔， 必须使其完全定位。因此初步的设计方案如下 , 方案： 18 首先必须明确其加工时应如图所示，这样水平放置，便于钻床加工。那么要使其完全定位，可以采用 :一面加固定 型块定位，这样既简单又方便。如上图所示，一底面 限制的自由度有 3个，一个固定 个滑动 为使定位可靠，加工稳定，我所设计的定位方案，总共限制了工件的全部 6个自由度，属于完全定位。 在该定位方案中， 一 个支撑 面 顶住，限 制 了 一个固定 制了 y 轴的移动 ， 一个滑动 制了 这样 6个自由度全部被限制 根据上面叙述选择方案。 （ 1）刀具：刀具用高速钢刀具钻头 机床： 床 切削力公式： 1 f K式中 D=12 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 紧力的计算 选用夹紧螺钉夹紧机 由 21 其中 F= G N 夹紧螺钉： 公称直径 d=20料铝合金钢 性能级数为 006 M P 8 0108 螺钉疲劳极限： M P 极限应力幅： M P 许用应力幅： M P aS 螺钉的强度校核：螺钉 的许用切应力为 s= 取 s=4 得 满足要求 M P 经校核： 满足强度要求，夹具安全可靠， 使用快速螺旋定位机构快速人工夹紧，调节夹紧力调节装置，即可指定可靠的夹紧力 位误差分析 （ 1）定位元件尺寸及公差确定。 夹具的主 要定位元件为一平面和 V 型块间隙配合。 （ 2） 工件的工序基准为孔心，当工件孔径为最大，定位销的孔径为最小时，孔心在任意方向上的最大变动量等于孔与销配合的最大间隙量。本夹具是用来在卧式镗床上加工，所以工件上孔与夹具上的定位销保持固定接触。此时可求出孔心在接触点与销中心连线方向上的最大变动量为孔径公差多一半。工件的定位基准为孔心。工序尺寸方向与固定接触点和销中心连线方向相同，则其定位误差为： 20 与机床夹具有关的加工误差j，一般可 用下式表示： 由 参考文献 5可得： 两 位误差 ： 11 1 m i D d 1 1 2 21 m i n 2 m i n. 2D d D a r c t g L 其中： 1 0 2D ，2 0D 1 0 1d ，2 0 3d 1，2 m i n 0 4 且： L=100得： 0 3DW . 0 3 2JW 夹紧误差 ： co s)(m a x 其中接触变形位移值： 1( ) ( )1 9 .
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