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s195 柴油机 连杆 加工 工艺 夹具 设计 中心 小头 铣剖分面 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 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 I 院 毕业设计 (论文 ) 油机连杆加工工艺及夹具设计 所在学院 专 业 班 级 姓 名 学 号 指导老师 年 月 日 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 要 本文是对 油机连杆零件加工应用及加工的工艺性分析，主要包括对零件图的分析、毛坯的选择、零件的装夹、工艺路线的制订、刀具的选择、切削用量的确定、加工工艺文件的填写。选择正确的加工方法，设计合理的加工工艺过程。此外还对 计了专用夹具 . 机床夹具的种类很多，其中，使用范围最广的通用夹具，规格尺寸多已标准化，并且有专业的工厂进行生产。而广泛用于批量生产，专为某工件加工工序服务的专用夹具，则需要各制造厂根据工件加工工艺自行设计制造。本 论文夹具 设计的主要内容是设计 加工孔夹具 。 关键词： 油机连杆，加工工艺，加工方法，工艺文件，夹具 购买后包含有 咨询 Q 197216396 is of of of of of In of of of of of in a to to of is of 购买后包含有 咨询 Q 197216396 录 摘 要 . . 录 . 1 章 绪论 . 1 械加工工艺概述 . 6 械加工工艺流程 . 6 具概述 . 7 床夹具的功能 . 7 床夹具的发展趋势 . 7 床夹具的现状 . 8 代机床夹具的发展方向 . 8 第 2 章 油机连杆分析 . 10 195 柴油机连杆零件的作用 . 10 件的工艺分析 . 11 第 3 章 机械加工工艺规程设计 . 13 产纲领的确定 . 13 195 柴油机连杆的材料选择与毛坯的制造方法 . 14 195 柴油机连杆的材料选择 . 14 5 钢的成分和力学性能 . 15 坯的制造方法 . 15 械加工余量，工序尺寸及毛坯尺寸确定 . 16 定工序定位基准的选择 . 17 工工艺阶 段的划分和加工顺序的安排 . 18 195 柴油机连杆加工工艺过程的拟定 . 18 杆加工工艺设计应考虑的问题 . 19 序安排 . 19 位基准 . 19 购买后包含有 咨询 Q 197216396 V 具使用 . 19 削用量的选择原则 . 19 加工时切削用量的选择原则 . 20 加工时切削用量的选择原则 . 21 时定额的计算 . 22 第 4 章 铣结合面夹具设计 . 31 究原始质料 . 31 位基准的选择 . 31 削力及夹紧分析计算 . 31 差分析与计算 . 32 、部件的设计与选用 . 33 位销选用 . 33 紧装置的选用 . 33 向键与对刀装置设计 . 33 具设计及操作的简要说明 . 35 第 5 章 扩大头孔夹具设计 . 36 题的指出 . 36 5. 2 夹具设计 . 36 、部件的设计与选用 . 38 销选用 . 38 套、衬套、钻模板设计与选用 . 39 定夹具体结构尺寸和总体结构 . 40 总 结 . 41 参考文献 . 42 致谢 . 43 1 2 3 4 5 6 第 1 章 绪论 械加工工艺概述 机械加工工艺就是在流程的基础上，改变生产对象的形状、尺寸、相对位置和性质等，使其成为成品 或半成品，是每个步骤，每个流程的详细说明，比如，上面说的，粗加工可能包括毛坯制造，打磨等等，精加工可能分为车，钳工，铣床，等等，每个步骤就要有详 细的数据了，比如粗糙度要达到多少，公差要达到多少。 技术人员根据产品数量、设备条件和工人素质等情况，确定采用的工艺过程，并将有关内容写成工艺文件，这种文件就称 工艺规程 。这个就比较有针对性了。每个厂都可能不太一样，因为实际情况都不一样。 总的来说，工艺流程是纲领，加工工艺是每个步骤的详细参数，工艺规程是某个厂根据实际情况编写的特定的加工工艺。 械加工工艺流程 制订工艺规程的步骤 1) 计算年生产纲领，确定生产类型。 2) 分析零件图及产品装配图，对零件进行工艺分析。 3) 选择毛坯。 4) 拟订工艺路线。 5) 确定各工序的加工余量， 计算工序尺寸及公差。 6) 确定各工序所用的设备及刀具、夹具、量具和 辅助工具 。 7) 确定切削用量及工时定额。 8) 确定各主要工序的技术要求及检验方法。 9) 填写工艺文件。 在制订工艺规程的过程中，往往要对前面已初步确定的内容进行调整，以提高经济效益。在执行工艺规程过程中，可能会出现前所未料的情况，如生产条件的变化，新技术、新工艺的引进，新材料、先进设备的应用 等，都要求及时对工艺规程进行修订和完善。 7 具概述 夹具是一种装夹工件的工艺装备，它广泛地应用于机械制造过程的切削加工、热处理、装配、焊接和检测等工艺过程中。 工具是人类文明进步的标志。自 20世纪末期以来，现代制造技术与机械制造工艺自动化都有了长足的发展。但工具（含夹具、刀具、量具与辅具等）在不断的革新中，其功能仍然十分显著。机床夹具对零件加工的质量、生产率和产品成本都有着直接的影响。因此，无论在传统制造还是现代制造系统中，夹具都是重要的工艺装备。 床夹具的功能 在机床上用夹具装夹工件时，其主 要功能是使工件定位和夹紧。 1机床夹具的主要功能 机床夹具的主要功能是装工件，使工件在夹具中定位和夹紧。 （ 1）定位 确定工件在夹具中占有正确位置的过程。定位是通过工件定位基准面与夹具定位元件面接触或配合实现的。正确的定位可以保证工件加工的尺寸和位置精度要求。 （ 2）夹紧 工件定位后将其固定，使其在加工过程中保持定位位置不变的操作。由于工件在加工时，受到各种力的作用，若不将工件固定，则工件会松动、脱落。因此，夹紧为工件提供了安全、可靠的加工条件。 2机床夹具的特殊功能 机床夹具的特殊功能主要是对刀和 导向。 （ 1）对刀 调整刀具切削刃相对工件或夹具的正确位置。如铣床夹具中的对刀块，它能迅速地确定铣刀相对于夹具的正确位置。 （ 2）导向 如钻床夹具中的钻模板的钻套，能迅速地确定钻头的位置，并引导其进行钻削。导向元件制成模板形式，故钻床夹具常称为钻模。镗床夹具（镗模）也具有导向功能。 床夹具的发展趋势 随着科学技术的巨大进步及社会生产力的迅速提高，夹具已从一种辅助工具发展成为门类齐全的工艺装备。 8 床夹具的现状 国际生产研究协会的统计表明，目前中、小批多品种生产的工作品种已占工件种类总数 的 85%左右。现代生产要求企业所制造的产品品种经常更新换代，以适应市场激烈的竞争。然而，一般企业仍习惯于大量采用传统的专用夹具。另一方面，在多品种生产的企业中，约 4年就要更新 80%左右的专用夹具，而夹具的实际磨损量仅为 15%左右。特别是近年来，数控机床（ 加工中心（ 成组技术（ 柔性制造系统（ 新技术的应用，对机床夹具提出了如下新的要求： 1）能迅速而方便地装备新产品的投产，以缩短生产准备周期，降低生产成本。 2）能装夹一组具有相似性特征的工件。 3）适用于精密加工的高精度机床夹具 。 4）适用于各种现代化制造技术的新型机床夹具。 5）采用液压或气压夹紧的高效夹紧装置，以进一步提高劳动生产率。 6）提高机床夹具的标准化程度。 代机床夹具的发展方向 现代机床夹具的发展方向主要表现为精密化、高效化、柔性化、标准化四个方面。 精密化 随着机械产品精度的日益提高，势必相应提高了对夹具的精度要求。精密化夹具的结构类型很多，例如用于精密分度的多齿盘，其分度精度可达 于精密车削的高精度三爪卡盘，其定心精度为 5 m；精密心轴的同轴度公差可控制在 1 如用于轴承套圈磨削的电磁 无心夹具，工件的圆度公差可达 m。 高效化 高效化夹具主要用来减少工件加工的基本时间和辅助时间，以提高劳动生产率，减轻工人的劳动强度。常见的高效化夹具有：自动化夹具、高速化夹具、具有夹紧动力装置的夹具等。例如，在铣床上使用电动虎钳装夹工件，效率可提高 5 倍左右；在车床上使用的高速三爪自定心卡盘，可保证卡爪在（试验）转速为 2600r/条件下仍能牢固地夹紧工件，从而使切削速度大幅度提高。 柔性化 9 机床夹具的柔性化与机床的柔性化相似，它是指机床夹具通过调整、拼装、组合等方式，以适应可变因素的能 力。可变因素主要有：工序特征、生产批量、工件的形状和尺寸等。具有柔性化特征的新型夹具种类主要有：组合夹具、通用可调夹具、成组夹具、拼装夹具、数控机床夹具等。在较长时间内，夹具的柔性化将是夹具发展的主要方向。 标准化 机床夹具的标准化与通用化是相互联系的两个方面。在制订典型夹具结构的基础上，首先进行夹具元件和部件的通用化，建立类型尺寸系列或变型，以减少功能用途相近的夹具元件和部件的型式，屏除一些功能低劣的结构。通用化方法包括夹具、部件、元件、毛坏和材料的通用化。夹具的标准化阶段是通用化的深入，主要是确立夹具零 件或部件的尺寸系列，为夹具工作图的审查创造良好的条件。目前我国已有夹具零件及部件的国家标准： 214891以及各类通用夹具、组合夹具标准等。机床夹具的标准化，有利于夹具的商品化生产，有利于缩短生产准备周期，降低生产总成本。 采用二维 使我们甩掉了图板，解决 在，大量三维实体造型软件崛起，如 E、 3D、 ，推动了设计领域的新革命由于这些三维软件不仅仅可创建三维实体模型，还可利用设计出三维模型进行模拟装配和静态 干涉检查、机构分析、动态干涉检查、动力学分析、强度分析等，并且与其它软件配合可进行零件的数控加工演示和数控代码的生成。这些功能是以往的二维 合夹具设计的复杂性、高精度性等特点采用了易学易懂的 3 10 第 2 章 油机连杆分析 195 柴油机连杆 零件的作用 195柴油机连杆大头、杆身和 195柴油机连杆大头是分开的，一半与杆身为一体，一半为 和螺母与曲轴主轴颈装配在一起。 杆身截面从大头到小头逐步变小，以适应在工作中承受的急剧变化的动载荷。 其形状也比较复杂，很多表面并不容易加工，不管是在其工作过程之中还是在加工过程中也很容易产生变形。 以要求要求有较高的强度、韧性和疲劳性能之外，对发动机 基本要求如： 油机连杆杆身不垂直度 头、大头 两端面对称面与杆身相应对称面之间的偏移 身横向对称面对大小头孔中心偏移 1. 11 首先必须保证大头中心孔中心线和小头孔中心线之间的平行度，这样才能保证 二个就是保证两个端面的平行度，以及两端面中心线与两孔中心线之间的垂直度，用于保证工作中不会刮伤曲轴平衡块，可以减少噪声，保持平稳；第三个要保证的是 保证大头孔的圆柱度，以免刮伤轴瓦；第四要确保大小头孔中心线之间的距离，如果其得不到保证，将保证不了发动机在 工作时的气体压缩比等。 件的工艺分析 由零件图可知。 可将其分为三组加工表面。它们相互间有一定的位置要求。现分析如下： 首先 （ 1）以端面互为基准加工的两端面，尺寸为，以其中一加工端面为基准的小头孔 18，大头孔 70。 （ 2）以小头孔为中心的加工有：铣 工侧面工艺凸台。 （ 3）以大头孔为中心的加工表面有：加工 油机连杆盖卡挖槽，加工螺栓孔，和 机连杆大端中心面和小端中心面相对于 油机连杆大小头孔的 尺寸精度、形状精度； 其余技术参数如下表： 表 术要求项目 具体要求或数值 满足的主要性能 大、小头孔的椭圆度，锥度 椭圆度 度 证与衬套、轴瓦的良好配合 两孔中心距 缸气体的压缩比 两孔轴线在同一个平面内 在 垂直 少气缸壁和曲轴颈磨损 12 大孔两端面对轴线的垂直度 少曲轴颈边缘磨损 两螺孔中心线（定位孔）的位置精度 在两个在 45方向上的平行度：结合面的垂直度 证正常承载和轴颈与轴瓦的良好配合 同一组内的重量差 30g 保证运转平稳 13 第 3 章 机械加工工艺规程设计 产纲领的确定 生产纲领的大小对生产组织和零件加工工艺过程起着重要的作用，它决定了各工序所需专业 化和自动化的程度，以及所选用的工艺方法和工艺装备。 零件生产纲领计算 :N=1+ %）（ 1+ %） 式中 N零件的年生产纲领（件 /年） ; Q产品的年产量（台 /年） ; n每台产品中 ,该零件的数量 (件 /台 ); %备品率 ; %废品率。 根据教材中生产纲领与生产类型及产品大小和复杂程度的关系，确定其生产类型。假设某 105柴油机，年产量为 5000台。设其备品率为 10%，机械加工废品率选择为 每台产品中该 零件的数量为 1件 N=1+ %）（ 1+ %） =5000 1（ 1+10%）（ 1+ = 5527件 /年 假设 000 件，现已知该产品属于中型机械，根据生产类型与生产纲领的关系查阅参考文献 ，确定其生产类型为大量生产。 大量生产的工艺特征： （ 1） 零件的互换性：具有广泛的互换性，少数装配精度较高处，采用分组装配法和调整法。 （ 2） 毛坯的制造方法和加工余：广泛采用金属模机器造型，一般采用模锻。毛坯精度高，加工余量小。 （ 3） 机床设备及其布置形式：广泛采用专用机床及自动机床，按流水线和自动排列设备。 （ 4） 工艺装备：广泛采用高效夹具，复合刀具，专用量具或自动检验装置，靠调整法达到精度要求。 14 （ 5） 对工人的技术要求：对调整工的技术水平要求高，对操作工的技术水平要求较低。 （ 6） 工艺文件：有工艺过程卡或工序卡，关键工序要调整卡和检验卡。 （ 7） 成本：较低。 （ 8） 生产率：高。 （ 9） 工人劳动条件：较好。 195 柴油机连杆的材料 选择 与毛坯 的制造方法 195 柴油 机连杆的材料选择 考虑到在该工艺方案中采用铣结合面工艺，那么选择材料也是很重要的。在过去其发动机 过淬火和高温回火处理，处理后一般硬度在 后来为了减低成本研发了非调质钢并用与生产，在锻造后空冷，通过析出强化得到与淬火高温回火一样的力学性能，省去了淬火和高温回火，从而降低了成本。后来为了减少机加工，更进一步降低成本，于是开发了用粉末冶金的方法来制造 油机连杆，大大减少了机加工。而且粉末冶金 适 合用于发动机 国就广泛的运用粉末冶金的方法来生产 际上它是一种含 右的高碳钢。 碳微合金非调质钢、球墨锻铁以及可锻锻铁，其中 45和粉末烧结材料应用最广。 与粉末冶金 45钢在成本和使用性能上都具有一定优越性，首先锻造后空冷不需要热处理；装配后 195柴油机连杆盖的裂解面能紧密地接触并相互锁定，使其不产生错位和移动，提高了与曲轴零件的配合，同时也提高了曲轴的刚度， 大大地改善了发动机的性能。 减轻 195柴油机连杆制造上讨论的一个主题，如果采用粉末冶金技术，在不改变 195柴油机连杆的重量增加 15% 30%，这样使得 么发动机的重量也会在一定程度的增加，会影响其使用性能。如果用粉末冶金制造 必须重新设计 减轻 15 综上所述，考虑了各种因素，并经过组内成员的共同讨论，最后决定采用 45钢作 为本次设计中 5 钢的成分和力学性能 45 材料中主要各化学成分质量百分比分别为： . 72 % ， . 5 % ， . 06 % ， . 009 % ， . 04 %；其金相组织为珠光体加断续的铁素体，抗拉强度为： 9001 050 服极限为 520 大延伸率为 10 %。其中 以提高材料的强度。 铣结合面工艺要求 要保证材料有良好的可切削加工性能。 45为高碳钢 ，含 增加了钢材的淬透性能，假如保持含且金相组织中可能会出现贝氏体，恶化可切削加工性能，须通过适当途径降低含 为了改善可切削加工性，提高了含 中的 的亲和力大于 的亲和力，优先形成 而降低钢的塑性，防止金相组织中可能会出现的贝氏体；另外 脆”，促进了铣削时的断裂。 结合时含 少要高于 倍的含量。 45材料的力学性能 : 表 限抗拉强度/服强度 /长率 （ %） 压缩屈服强度/切强度 /90 580 14 610 655 坯的制造方法 由于 次应选用锻造，以使金属纤维尽量不被切断，保证 且该零件的年产量是 5000，已经达到了大量生产的水平，要求其生产率比较高，零件尺寸不是很大，再者为了保证它的尺寸精度、加工精度，故选择模锻。 胀断工艺要求 此模锻 杆性能的合格就是保证 用于胀断工艺的 45系列高碳非调质钢，它的成分特点是低硅，低锰及添加了微量合金元素钒和易切削的 围窄，纯度高。 16 胀断 （ 1）辊锻（楔横轧）制坯 热模锻生产线 工艺：下料加热辊锻成型（预锻，终锻）切边冲孔热校正 丸处理探伤处理精压处理。 设备配置：下料机（带锯机）中频感应加热炉（ 300辊锻机（ 460型）热模锻压力机（ 25000闭式单点压力机 丸机探伤机精压机 该生产线比较先进，以载货车 采用了中频感应加热，辊锻或楔模轧制坯，在国内被广泛采用。这种生产线便于实现自动化生产，具有噪声小，劳动环境好等优点。可生产各种类型的发动机 （ 2)辊锻（楔横轧）制坯 锤上模锻生产线 工艺：下料加热辊锻成型（预锻，终锻）切边冲孔热校正 丸处理探伤处理精压处理。 设备配置：下料机（带锯机或棒料剪切机床）中频感应加热炉（ 300辊锻机（ 370型）液压精锻锤（ 25 50开式压力机（ 1000 丸机（ 600 1200kg/h)荧光探伤机 600电动螺旋压力机（ 400 该生产线主要柴油机 件厚度公差基本在 差在 边模具没有氮气缸，可使模锻件定位后再切边，切边变性很小，精压尺寸精度可以控制在 （ 3）辊锻制坯 摩擦压力机模锻（高能螺旋压力机）生产线 工艺：下料加热辊锻预锻终锻切边冲 压热校正 丸处理探伤处理精压处理。 设备配置：下料机（带锯机）中频感应加热炉（ 250W)辊锻机（ 460型）摩擦压力机（ 630t）摩擦压力机（ 1000t）闭式单点压力机（ 250t）摩擦压力机。 该生产线以柴油机 摩擦压力机上进行预锻、终锻、热校正，其工艺过程较为稳定，生产效率也比较高，适合中小型企业。 械加工余量，工序尺寸及毛坯 尺寸 确定 根据模锻的基本要求，在零件的基本尺寸上加上加工余量 2 4以在加工多数表面在基本尺寸的基 础上单面加 2些特殊表面如螺钉座面上加 2面工艺凸台加 17 工精度不是很高，在其表面加 1如图 细尺寸请查阅柴油机 定工序 定位基准的选择 定位基准有粗基准和精基准之分。在加工起始工序中 ， 只能用毛坯 尚 未曾加工过的表面作为定位基准，则该表面称为粗基准 ； 利用已加工表面作为定位基准，则称为精基准。 其基准的选择也是工艺规程设计之中的重要问题之一， 定位基准的选择合理与否，将直接影响所制订的零件加工工艺规程的质量。基准选择不当，往往会增加工序，或使工艺路线不合 理，或使夹具设计困难，甚至达不到零件的加工精度（特别是位置精度）要求 ，造成零件报废等情况。 选择粗基准时主要考虑两个问题：一是保证加工 表 面与 非 加工 表 面之间的相互位置精度要求；二是合理分配各加工面的加工余量。 粗、精基准 具体选择时参考下列原则： （ 1） 对于同时具有加工表面和不加工表面的零件，为了保证不加工表面与加工表面之间的位置精度，应选择 非 加工表面作为粗基准。 （ 2） 对于具有较多加工表面的工件，选择粗基准时，应考虑合理分配各加工表面的加工余量。 （ 3） 粗基准应避免重复使用。在同一尺寸方向上，粗基准通 常只能使用一次，以免产生较大的定位误差。 精基准的选择应从保证零件加工精度出发，同时考虑装夹方便、夹具结构简单。选择精基准一般应考虑如下原则： （ 1） “基准重合 ”原则 为了较容易地获得加工表面对其设计基准的相对位置精度要求，应选择加工表面的设计基准为其定位基准。这一原则称为基准重合原则 。 如果加工表面的设计基准与定位基准不重合，则会增大定位误差 。 （ 2 ） “基准统一 ”原则 当工件以某一组精基准定位可以比较方便地加工其它表面时，应尽可能在多数工序中采用此组精基准定位，这就是 “基准统一 ”原则。 采用 “基准 统一 ”原则可减少工装设计制造的费用，提高生产率，并可避免因基准转换所造成的误差。 18 （ 3） “自为基准 ”原则 当工件精加工或光整加工工序要求余量尽可能小而均匀时，应选择加工表面本身作为定位基准，这就是 “自为基准 ”原则。例如磨削床身导轨面时，就以床身导轨面作为定位基准。 （ 4） “互为基准 ”原则 为了获得均匀的加工余量或较高的位置精度，可采用互为基准反复加工的原则。 （ 5 ） 精基准选择应保证工件定位准确、夹紧可靠、操作方便。 工工艺阶段的划分和加工顺序的安排 粗加工阶段：粗磨