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0075-工艺夹具-尾座体加工工艺规程及专用夹具设计

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工艺 夹具 尾座体 加工
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第1章　零件分析


1.1零件的作用

尾座体是车床尾座的组成零件，尾座用于安装后顶尖以支持工件，或安装钻

头、铰刀等刀具进行孔加工，尾座体将“尾座顶尖”、“顶尖锁紧手柄” 和“手

轮手柄” 等组合在一起。尾座体与尾座底板之间可在横向作相对移动，以调整

尾座顶针相对于主轴中心位置。

本次设计是制定尾座体的加工工艺，以及腰孔加工的夹具设计。精度要求高

的有顶部孔、底板和导轨，需要磨削加工和刮削加工。零件的材料为HT200，灰铸

铁生产工艺简单，铸造性能优良，但塑性较差、脆性高，不适合磨削

1.2毛坯的确定

1.2.1毛坯材料及形状的确定

选择毛坯时，应考虑下列因素：

1.零件材料的工艺特性（如可铸性及可塑性）以及零件对材料组织和性能的

要求。例如，铸铁和表铜不能锻造，只能选铸件；钢质零件的形状若不复杂，且

机械性能要求不高时，可用棒料；零件形状复杂、机械性能要求不高时，可用铸

钢件；机械性能要求高，宜用锻件毛坯。铸铁质零件采用铸造毛坯。

2.零件的结构形状和外形尺寸。例如，对于阶梯轴类零件，当各台阶直径相

差不大时，可用棒料；若相差较大，则宜采用锻件毛坯，形状复杂和薄壁的毛坯，

一般不应采用金属型铸造；尺寸较大的毛坯，通常不采用模锻、压铸和精铸，多

采用砂型铸造、自由锻造及焊接等方法制坯。

3．生产纲领的大小。它在很大程度上决定了采用某种毛坯制造方法的经济性。

生产纲领大时，应采用业度高和生产率高的毛坯制造方法。这时虽然一次投资较

大，但增大的毛坯制造费用可由减少材料消耗及机械加工费用得到补偿。

4.现场的生产条件。这里主要考虑现场的毛坯制造的实际工艺水平、设备状

况能及外协的可能性和经济性，但同时也要考虑因生产发展而采用较先进的毛坯

制造方法。

零件材料为HT200，灰铁生产工艺简单，铸造性能优良，但塑性较差、脆性

高，不适合磨削。零件表面弧度多，不适合锻造，所以毛坯选择铸件。工件内腔

加工不易，并且精度要求不高，所以工件内腔选择直接铸造。其它的通孔和螺纹

孔需通过加工得到。在需要加工的表面预留加工余量，没标注粗糙度的面由于精

度要求不高，可以由铸造直接获得。铸造方式为壳模铸造。

内容简介：
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。 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 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。 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 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。 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 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。 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 。 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 。 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 工艺清单 日期 件 零件名称 零件编号 零件图图号 毛坯种类 材料 加工件 数 尾座体 无 无 铸件 无 1 工序 序号 工序名称 机床型号 刀具号 刀具参数 工时 总工时 1 1 刀具直径 =角半径 =刃长度 = 分钟 1 分钟 2 2 0 刀具直径 =角半径 =刃长度 = 分钟 工艺数据与人员 加工参数文件 G 代码文件 设计 工艺制定 审核 无 无 无 (1:49:1214161820 1：钻孔刀具轨迹 所属层：主图层 刀具： ) 刀具半径 = 角半径 = 轴转速 = 孔速度 = 起止高度 = 全高度 = 刀余量 = 孔模式： 钻孔深度 = 刀增量 = 停时间 = 孔位置定义方式：输入点位置 加工时间 = 钟 2： 锪 孔刀具轨迹 所属层：主图层 刀具： ) 刀具半径 = 角半径 = 轴转速 = 孔速度 = 起止高度 = 全高度 = 刀余量 = 孔模式： 钻孔深度 = 刀增量 = 停时间 = 孔位置定义方式：输入点位置 加工时间 = 钟 四川理工学院 机械加工工序卡片 产品型号 （部）件图号 设计者： 何友亮 产品名称 车床 零（部）件名称 尾座体 共（ 1）页 第（ 1）页 车间 工序号 工序名称 材料牌号 机加工 10 钻、扩 14 和 26 孔 坯种类 毛坯外型尺寸 每毛坯可制件 数 每台件数 铸 件 1 设备名称 设备型号 设备编号 同时加工件 数 立式钻床 1 夹具编号 夹具名称 切削液 钻模 工位器具编号 工位器具名称 工序工时 准终 单件 工步号 工 步 内 容 工艺装备 （含：刀具、量具、专用工具） 主轴转速 r/ 切削速度 m/给量 mm/r 切削深度 给次数 工 步 工 时 机动 辅助 1 钻 14 孔成 麻花钻 ，游标卡尺 ，专用夹具 100 2 1 2 锪 26 孔成 扩孔钻 ，游标卡尺 ，专用夹具 100 1 机械加工工艺过程卡片 产品型号 件图号 产品名称 车床 零件名称 尾座体 共 1 页 第 1 页 材 料 牌 号 坯 种 类 铸 件 毛坯外形尺寸 每毛坯件数 1 每 台 件 数 1 备 注 工 序 号 工 名 序 称 工 序 内 容 车 间 工 段 设 备 工 艺 装 备 工 时 准终 单件 1 铸造 铸造 铸 模 2 人工时效 热处理 热处理炉 3 粗铣 粗铣底面 机加工 柱铣刀， 游标卡尺， 专用夹具 4 粗铣 粗铣 导轨 机加工 角铣刀， 游标卡尺， 专用夹具 5 粗铣 粗铣顶部侧面成 机加工 柱铣刀， 游标卡尺， 专用夹具 6 钻孔 钻 17 孔 15 机加工 花钻， 游标卡尺， 专用夹具 7 精铣 精铣底面、导轨留 磨量 机加工 柱铣刀，单角铣刀 游标卡尺，专用夹具 8 扩、铰 孔 扩、铰 17 孔，留 磨量 机 加工 孔钻，铰刀， 游标卡尺， 专用夹具 9 铣 铣 40 凸台斜面成 机加工 柱铣刀， 游标卡尺， 专用夹具 10 钻、锪 孔 钻、扩 14 和 26 孔成 机加工 花钻，锪孔钻， 游标卡尺， 专用夹具 11 钻、攻 钻、攻 纹孔成 机加工 花钻，丝锥， 游标卡尺， 专用夹具 12 铣 铣 2 2 槽 机加工 柱铣刀， 游标卡尺， 专用夹具 13 研磨 研磨 17 孔 机加工 14 刮削 刮削底 面 导轨 机加工 15 去毛刺 16 检 检验入库 设 计（日 期） 校 对（日期） 审 核（日期） 标准化（日期） 会 签（日期） 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 I 摘 要 毕业设计是总结和复习所学专业知识的重要手段 ,也是对学习成果的考验。设计的内容主要针对尾座体从材料到成品的整个过程。内容有确定毛坯的尺寸和制造方法 ;制定机械加工工艺过程 ;钻、扩腰孔的夹具设计。 关键词 ：尾座体、夹具、加工工艺、零件、钻孔 is up a is to he at 录 中文摘要 . 英文摘要 . 前言 . 1 第 章 零件分析 . 2 件的作用 . 2 坯的确定 . 2 毛坯材料及形状的确定 . 2 铸件的加工余量及尺寸公差的确定 . 3 第 章 工艺规程的设计 . 4 艺规程概念 . 4 位基准面的选择 . 4 步制定工艺路线 . 5 量具及设备的选择 . 7 . 7 第章 夹具设计 . 21 . 21 . 21 夹紧元件 . 21 择夹紧方式 . 21 件的选择 . 23 . 27 . 28 . 28 参考文献 . 29 感谢 . 30 附录 . 31 附录 1 数控工艺参数 . 31 附录 2 数控工艺 . 32 附录 3 数控工艺清单 . 33 , 毕业设计（论文）说明书 1 前 言 毕业设计是我们在毕业之前对所学课程的一次总复习，通过这次毕业设计， 使我们对所学基础理论、专业知识和基础技能得到巩固、深化和提高。加强了我 们获取新知识能 力和创新能力的培养，提高学习他人经验和借鉴其它学科研究方 法的悟性，提高处理新情况 并解决 新情况的应变能力。 本次设计的过程大体可分为零件的作用 、毛坯确定、工艺规程的设计、指定工序的夹 具设计和夹具的使用。 尾座体的加工主要是面和孔的加工，整体加工精度较高。 由于 学生 能力的限制，设计中会出现这样那样的问题，请老师多多指导。 第 1 章 零件分析 2 第 1 章 零件分析 件的作用 尾座体是车床尾座的组成零件，尾座 用于 安装后顶尖以支持工件，或安装钻 头、铰刀等刀具进行孔加工 ，尾座体 将“尾 座顶尖”、“顶尖锁紧手柄” 和“手 轮手柄” 等组合在一起。 尾座体与尾座底板之间可在横向作相对移动，以调整 尾座顶针相对于主轴中心位置 。 本次设计是制定尾座体的加工工艺，以及腰孔加工的夹具设计。 精度要求高 的有顶部孔、底板和导轨，需要磨削加工和刮削加工。 零件的材料为 铸 铁生产工艺简单，铸造性能优良，但塑性较差、脆性高，不适合磨削 坯的确定 确定 选择毛坯时，应考虑下列因素： 可铸性及可塑性）以及零件对材料组织和性能的 要求。例如，铸铁 和表铜不能锻造，只能选铸件；钢质零件的形状若不复杂，且 机械性能要求不高时，可用棒料；零件形状复杂、机械性能要求不高时，可用铸 钢件；机械性能要求高，宜用锻件毛坯。铸铁质零件采用铸造毛坯。 如，对于阶梯轴类零件，当各台阶直径相 差不大时，可用棒料；若相差较大，则宜采用锻件毛坯，形状复杂和薄壁的毛坯， 一般不应采用金属型铸造；尺寸较大的毛坯，通常不采用模锻、压铸和精铸，多 采用砂型铸造、自由锻造及焊接等方法制坯。 3生产纲领的大小。它在很大程度上决定了采用某种毛坯制造方法的经 济性。 生产纲领大时，应采用业度高和生产率高的毛坯制造方法。这时虽然一次投资较 大，但增大的毛坯制造费用可由减少材料消耗及机械加工费用得到补偿。 里主要考虑现场的毛坯制造的实际工艺水平、设备状 况能及外协的可能性和经济性，但同时也要考虑因生产发展而采用较先进的毛坯 制造方法。 零件材料为 灰铁生产工艺简单，铸造性能优良，但塑性较差、脆性 高，不适合磨削。 零件表面弧度多，不适合锻造，所以毛坯选择铸件。工件内腔 加工不易，并且精度要求不高，所以工件内腔选择直接铸造。其它的通孔和螺 纹 孔需通过加工得到。在需要加工的表面 预留 加工余量，没标注粗糙度的面由于精 度要求不高，可以由铸造直接获得。 铸造方式为壳模铸造。 毕业设计（论文）说明书 3 进行加工余量的分析计算，是为了确定最有利的加工余量，以节省材料。利 用分析计算法，必须要有可靠的实验数据，否则难以进行。 在这个工件中，毛坏余量可统一使用单边余量 侧加工余量 次 加工到位，且精度要求不高的取 2 工序余量可通过查表确定。其要点有： 工精度和表面质量较好，应 取 较小的余量；反之，应取较大的信息量。 备、安装以及加工过程中变形所引起的 各表面间相互位置的空间偏差。空间偏差大，应取较大的余量。 3应考虑本工序的定位和夹紧所造成的安装误差，尤其是对刚度小的零件。 安装误差大、工件变形大，应取较大的余量。 4应考虑热处理工序引起的零件变形。 平面加工 工序 余量查得 表 平面加工工序余量 粗加工后精铣 加 工 长 度 加 工 宽 度 100 300 1 0 精铣后磨削 加 工 长 度 加 工 宽 度 100 300 0 23 刮 削 加 工 长 度 加 工 宽 度 100 300 0 15 图 毛坏图 第 2 章 工艺规程的设计 4 第 2 章 工艺规程的设计 将相对合理的工艺过程中的各项内容，按规定的表格形式编写成工艺文件， 经审批后用来指导和产，这些工艺文件就称为工艺规程。 制定工艺规程的原则： 附加零件图一张 图 零件图 位基准面的选择 是要能加工出精基准，同时要明确哪一方面是主 要 的。 基准的原则是： （ 1）应选能 加工出精基准的毛坯表面作粗基准； （ 2）当必须保证加工表面与不加工表面的余量的位置和尺寸时，应选不需要加 工的毛坯表面作粗基准； （ 3）要保证工件上某重要表面的余量时，则应选择该表面作为定位粗基准； （ 4）当全部表面都需要加工时，应选余量最小的表面作为粗基准，以保证该表 面有足够的加工余量。 因此，对于底面的加工，选择工件的前面或后面作为加工基准面，应该尽 量使底面的切削深度均匀，以提高其精度 时考虑装夹 毕业设计（论文）说明书 5 方便，夹具结构简单，应遵循以下原则： （ 1） 尽量 选择零件的设计基准作为精基准，可以避免基准不重合引起的定位误 差，即“基准重合”原则； （ 2） 尽可能的使工件各各主要表面的加工采用统一的定位基准，即“基准统一” 原则； （ 3） 当零件主要表面的相互位置精度要求很高时，应采用互为基准，反复加工 的原则； （ 4） 选择加工表面本身作为定位基准，这是自为基准； （ 5） 选择的定位精基准应该保证工件定位准确，夹紧可靠，夹具结构简单，操 （ 6） 作方便的原则。 即底面加工后，应该以底面作为精基准，因为底面是设计基准，符 合“基准重合”原则。根据不同的加工表面加工方式不同，定位方式应该 主要以一面两孔定位 ，这是箱体零件加工的典型加工定位方式，并根据加 工要求不一样也可以选择用两面组合定位及其它定位方式。 步制定工艺路线 根据各加工表面的要求和机床夹具等，初步确定各加工面的加工方法： 36 两侧面： 粗铣 钻、攻 17 孔： 钻、扩、铰、倒角、研磨 40 凸台面： 粗铣 2614 和 孔： 钻、锪 底 板： 粗铣、精铣、刮削 导轨斜面： 粗铣、精铣、刮削 2*2的槽：铣 然后根据先面后孔、先粗后精、先主后次的原则写出工艺路线： 方案一 工序号 工序内容 1 铸造毛坯 2 粗铣底面、导轨 3 粗铣顶部侧面成 4 铣 40 凸台斜面成，并倒圆角 5 钻 17 孔至 15 第 2 章 工艺规程的设计 6 6 人工时效 7 精铣底面，留 8 扩 17 孔 9 铰 17 孔 10 钻、扩 14 孔成 11 钻、 锪 26 孔成 12 钻 13 攻 14 铣 2 2槽 15 研磨 17 孔，并倒角 16 刮底面及导轨斜面成 17 去毛刺 18 检验 按照这种方案，工序内容繁多，很多工序可以合并为一 道 工序。得出下面更 好的方案： 方案二 工序号 工序内容 1 铸造毛坯 2 人工时效 3 粗铣底面 4 粗铣 导轨 5 粗铣顶部侧面成 6 钻 17 孔至 15 7 精铣底面、导轨 留 8 扩、铰 17 孔留研磨量 铣 40 凸台斜面成，并倒圆角 10 钻、锪 2614 和 孔成 11 钻攻 12 铣 2 2槽 13 研磨 17 孔，并倒角 14 刮底面及导轨斜面成 15 去毛刺 毕业设计（论文）说明书 7 16检验、入库 具 、量具及设备的选择 工件加工用到了钻孔、攻螺纹、铣面、磨内圆，所以机床会用到钻床、铣床、磨床，工件的夹紧可选用液压或气压，在这里选用的是气压夹紧。 1. 铸造毛坯 2. 人工时效 3. 粗铣底面 :以和加工平面平行的底板另一面作基准，采用卧式铣床 具选用圆柱铣刀。 4. 粗铣导轨 ：以加工后的底板平面为基准，采用立式铣床 于所需加工的面为 75度角斜面，所以刀具选用同样角度的单角铣刀。 5. 粗铣顶部侧面成 ：待加工面是两个相互平行的侧面，所以他 们的加工基准可以采用互为基准，机床选用卧式铣床 具为圆柱铣刀。 6. 钻 17 孔至 15 ：基准选择与孔轴线垂直相交的顶部侧面，机床选 用立式钻床 具为 15 的麻花钻。 7. 精铣底面、导轨 ： 精铣底面基准采用自为基准，采用卧式铣床 具为圆柱铣刀。精铣导轨基准为底面，采用立式铣床 具选用单角铣刀。 8. 扩、铰 17 孔 ：扩孔基准采用初步钻出的孔，机床选用立式钻床 具为扩孔钻。铰孔基准为扩孔加工出来的孔，机床选用立式钻床 具为铰刀。 9. 铣 40 凸台斜面 ：基准用用自为基准，机床选用卧式铣床 具采用圆柱铣刀，一次加工即可 达到要求。 10. 钻、锪 2614 和 孔成 ：钻孔基准为凸台平面，机床选用立式钻床 具采用麻花钻。锪孔基准为 14 孔，机床选用立式钻床 具为锪孔钻。 11. 钻攻 纹孔 ：钻孔基准是与待加工孔垂直相交的平面，机床选用立式钻床 刀具为麻花钻。攻螺纹基准前道工序加工所得的孔，机床选用立式钻床个为丝锥。 12. 铣 2 2槽 ：基准为加工过的导轨斜面，机床选用 具采用盘铣刀。 13. 研磨 17 孔：铰孔加工所得的 17 孔，机床选用 具 平形砂轮。 14. 刮 底面及导轨斜面成 15. 去毛刺 16 检验、入库 道工序的 机床、刀具选择和 加工计算 1 铸造 毛坯 第 2 章 工艺规程的设计 8 2 人工时效 3 粗铣底板的计算 机床： 刀具：圆柱铣刀 刀具材料： 刀具数据 圆柱铣刀 D L d 齿 数 粗齿 细齿 50 50 22 8 查表得 4 根据机床选取 z V=0,T= s=180( 6,Z=8,.2 =m/1000r/由表 74查得主轴转速 0(r/实际加工速度 V=10001000 =r/工作台进给量 mf= =96(mm/根据机床选取 5(mm/毕业设计（论文）说明书 9 加工工时 1mt=1 95 2390 =1(机动工时 2(4 粗铣导轨的计算 机床： 刀具：单角铣刀 刀具材料： 具数据： D=50； = 75 ； L=13； d=16； Z=20 查表得 4 根据机床选取 .2(mm/z) 833,T=310 s=180(,.2,0,Z=20 m/100093.5(根据机床选取 5(r/实际加工速度 V=10001000 =m/工作台进给量 =380(mm/根据工作台选取 75（ mm/ 加工工时 第 2 章 工艺规程的设计 10 1mt=1 = 375 2290 =机动工时 1.5(5 粗铣顶部侧面成 顶部两侧都需要加工，但由于两者加工尺寸有精度都一样，所以只要 求计算一侧的加工即可。 机床： 刀具：圆柱铣刀 刀具材料： 刀具数据 圆柱铣刀 D L d 齿 数 粗齿 细齿 50 50 22 8 查表得 4 根据机床选取 .2(mm/z) V=,.2,5,Z=8 0d=50,T= s=180( 6 0 =m/1000d v =59(r/由表 74查得主轴转速 0(r/实际加工速度 V=1000m/工作台进给量 mf= =96(mm/毕业设计（论文）说明书 11 根据机床选取 5(mm/加工工时 1mt=1 =9640 =机动工时 16 钻 17 孔至 15 机床： 式钻床 刀具材料： 表 38得到 f=据机床选取 f=mm/r) 700(s),0d=15,.9 =5.7(m/sn=v1000=108.7(r/根据机床选取 00(r/实际切削速度 V=10001000 10017 =5.3(m/l=80,1l =2(16,2l =1 切削工时 1mt=680 =机动工时 1.5( 第 2 章 工艺规程的设计 12 7 精铣底 板、导轨 精铣底板计算 机床： 刀具：圆柱铣刀 刀具材料： 刀具数据 圆柱铣刀 D L d 齿 数 粗齿 细齿 50 50 22 8 查表得 4 根据机床选取 z V=0,T= s=180(.3 6,Z=8,.2 6 0 =m/1000r/根据机床选取 5(r/实际加工速度 V=10001000 =m/工作台进给量 =120（ mm/ 根据机床选取 18(mm/加工工时 1mt=1 = 118 2390 =毕业设计（论文）说明书 13 机动工时 1精铣导轨计算 机床： 刀具：单角铣刀 刀具材料： 具数据： D=50； = 75 ； L=13； d=16； Z=20 查表得 4 根据机床选取 .2(mm/z) 833,T=310 s=180(。 3,.2,0,Z=20 =m/1000r/根据机床选取 18(r/实际加工速度 V=10001000 =m/工作台进给量 =472(mm/根据机床选取 75(mm/加工工时 1mt=1 = 475 2390 =0.2(机动工时 1.4(第 2 章 工艺规程的设计 14 8 扩、铰 17 孔 扩孔计算 机床： 式钻床 刀具材料： 表得到扩刀进给量 f=取 f=mm/r) sv=09 0d=16, T=2700(s)=45(f=54 =m/sn=000=r/取8(r/实际切削速度 V=10001000 6816 =m/切削工时 1mt= fn =4=机动工时 1铰孔计算 机床： 式钻床 刀具材料： 表得到扩刀进给量 f=取 f=mm/r) sv=09 0d=17, T=2700(s)=45(f=54 =m/sn=000=r/取8(r/毕业设计（论文）说明书 15 实际切削速度 V=10001000 6816 =m/切削工时 1mt= fn =4=机动工时 19 铣 40 凸台斜面成 机床： 刀具：圆柱铣刀 刀具材料： 具数据 圆柱铣刀 D L d 齿 数 粗齿 细齿 50 50 22 8 查表得 4 根据机床选取 .2(mm/z) V=,.2,5,Z=8 0d=50,T= s=180( 6 0 =m/1000d v =59(r/由表 74查得主轴转速 0(r/实际加工速度 第 2 章 工艺规程的设计 16 V=1000m/工作台 进给量 mf= =96(mm/根据机床选取 5(mm/加工工时 1mt=1 =9640 =机动工时 110 钻、锪 14 26成 钻 14 孔 机床 :式钻床 刀具材料 :sv=0d=14,T=2700(S)=45( 查表得 F= 据机床选取 f=mm/r) =m/sn=000=90(r/根据机床选取 00(r/实际切削速度 V=1000=90(r/切削工时 毕业设计（论文）说明书 17 1mt=632 =0.7(机动工时 1.4( 锪 26 孔 机床 :式 钻床 刀具材料 :sv=d 0 5 0d=26(T=3000(s)=50( 查表得 f=0.6(mm/r) 根据机床选取 f=mm/r) =m/sn=000=108(r/ 根据机床选取 00(r/实际切削速度 V=10001000 =m/切削工时 1mt=1l = 1 +(1 2)=6,L=1,=0 1机动工时 111. 钻、攻 纹孔 钻孔计算 机床： 式钻床 刀具材料： 表得 f=r 第 2 章 工艺规程的设计 18 根据机床选取 f=mm/r) sv=0d=4=720(s)=12(,f=r =m/sn=000=243(r/根据机床选取 75(r/实际切削速度 V=10001000 m/切削工时 1mt=212 =机动工时 1攻螺纹计算 机床： 床 刀具：丝锥 刀具型式：机动丝锥 刀具材料：高速钢（ sv=vv 060(m/s) M=0.6,.9,.2,.2,T=1800(s)=30(=m/sn=000=60(r/根 据机床选取 8（ r/ 毕业设计（论文）说明书 19 实际切削速度 V=10001000 =m/切削工时 1= 168 2212 =机动工时 12 铣 2 2槽 机床： 刀具：粗齿锯片铣刀（ 85） 铣刀数据： D： 50 L： 20 d： 13 Z： 20 查表得 据机床选取 .2(mm/z) 0d=50,T= (s)=100(, 0 =12(m/1000r/根据机床选取 5(r/实际加工速度 V=10001000 =m/第 3 章 夹具设计 20 工作台进给量 mf= =300(mm/根据机床选取 00(mm/加工工时 1mt=1 = 300 2390 =机动工时 113 研磨 17 孔，并倒角 机床 :内圆磨床 料 :黑碳化硅 代号 :C(磨削方式 :湿研 研磨液 :煤油 14 刮底面及导轨斜面成 15 去毛刺 16 检验 、 入库 毕业设计（论文）说明书 21 第 章 夹具设计 具的作用 在机械制造的切切削加工、检验、装配、焊接和热处理等工艺过程中， 工 件将受到切削力、离心力、惯性力等外力的作用。为了保证在这些外力作用下，工 件仍能在夹具中保持由定位元件确定的加工位置，而不发生振动或位移，一般在夹 具结构中都必须设置一定的夹紧装置，将工件可靠地夹紧。 为了 使 工件 占有正确的位置，以保证零件和产品的加工质量，并提高生产率， 从而提高其经济性。把工件迅速固 定在正确位置上，完成切削加工、检验、装 配、焊接和热处理等工作所使 用的工艺装备称 为夹具。 夹具的设计主要是定位和夹紧的全过程。工件在机床上进行加工时，为了 保证加工精度，必须将工件放置在机床上，使其相对于机床刀具和机床切削成形 运动占有正确的位置，这一过程称为“定位”。在切削过程中，为了使工件不因 受到切削力、惯性力、重力等外力作用而 改变其已确定的正确位置，应对其施加 一定的夹紧力，这一过程称为“夹紧”。 机床夹具的组成 1)定位装置：使工件在夹具中占据正确的位置； 2)夹紧装置：将工件压紧夹牢，保证元件在加工过程中受外力作用（切削力）， 作用时不离开已占据的位置； 3)夹具体 ： 是机床夹具的基础件，通过它将夹具的所有元件连接成整体； 4)其他装置或元件：除了定位装置，夹紧装置和夹具体外，各种夹具还根据 需要设置一些其他装置或元件，如：分度装置，对刀元件。 择夹紧方式 和夹 紧 元件 指定工序为腰部 阶梯 孔的钻、 锪 加工夹具设计。这里腰部孔的钻、 锪 加工 属于斜面加工。所以第一步应该把待加工孔的上表面置于水平面，也就是把 腰部 40 圆面所在平面置于水平面。这时工件处于倾斜状态。要完成工件的定位， 选择工件的底面，也就是本道 工序中的斜面作为定位基准。由于本道工序中工件 底面倾斜了 45度角，所以支撑面也选择 45 度角的斜面。为了工件底面与斜面的 相对平行，需要在阶梯底面间加入支撑块，同时为了保证工件在斜面上不会由于 重力作用而下滑， 得把支撑块做成和导轨相配合的形状 。 此时已经限制了工件在 动，以及 于在 第 3 章 夹具设计 22 以不需要限制工件的这个自由度。由六点定位可知，最后只需要限制工件在 动即可达到定位目的。 最后一个需要限制的自由度， 在这里采用在一端加挡板 和定位 销 的方式完成最后的 定位。 本道工序中工件所受的力主要为重力和钻削力 ，两种力的方向都是垂直向下，不会使工件沿着斜面在水平方向移动，因此夹具不需要完全定位。 此时在这两种力作用下的夹具定位已经完成，所以现在只要考虑工件的夹紧。 夹紧力的方向主要应该垂直于 45度斜面。由工件的形状可知，可以作为夹紧力受力的的地方有两个，一个是与工件底面平行的面，另一个是工件另一边靠近底部的斜面部分。 在这两个地方同时施加压力就可完成工件的夹紧。 压紧方式在 这里 选择斜楔机构 ,压紧元件选用弧形压块。 由于斜楔机构一般不用手动压紧，所以选用液压压紧方式。夹紧过程 中有压紧和松开两个过程， 传动轴不往后退就不能达到松开的目的，所以 选用双向作用的液缸。 在这样的压紧方式下，上下两个地方的压紧会在同一时间内产生。但是由于两个压紧所接触的工件表面都是未加工表面，因此每个工件在这两个地方的高度都会产生微小的变化，压紧状态的位置也就会有 变化。在这样的情况下，并不能保证每个工件都能在两个地方同时压紧，也就达不能压紧的目的。所以两个地方都用斜楔机构，并且两个机构同用一个液
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本文标题：0075-工艺夹具-尾座体加工工艺规程及专用夹具设计
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