0076-工艺夹具-铣床尾座顶尖套双件铣双槽夹具设计
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工艺
夹具
铣床
顶尖
套双件铣双槽
设计
- 资源描述：
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（一）设计的目的
能熟练的运用机械制造工艺学的基本理论和夹具设计原理的知识，正确的解决一个零件在加工中的定位、夹紧以及合理制定工艺规程等问题的方法，培养分析问题和解决问题的能力。通过对零件某道工序的夹具的设计夹具的训练，提高结构设计的能力。本次设计也是理论联系实践的过程，并学会用手册、资料等，增加解决工程实际问题的独立工作能力。
（二）设计任务及要求
制作成批量生产（10000台）中等复杂程度零件（车床尾座顶尖套）的机械加工工艺规程和铣槽工序中所需要的专用夹具的设计。
设计任务要求：1.夹具装配图和零件图
2.设计说明书
（三）设计的内容及步骤
1.工艺规程的设计
1）对零件进行工艺分析。
（1）对零件机器结构中的作用及零件图上技术要求进行分析。
（2）对零件主要加工表面尺寸，形状及相对位置精度，表面粗糙度及主要技术条件进行分析。
（3）对零件的材质、热处理及工艺性进行分析。通过以上分析，以便在工艺过程中切实加以保证。
2）选择毛坯的制造方式，绘制零件毛坯综合示意图。
选择毛坯应以生产批量的大小来确定，跟据批量大小的生产规模决定毛坯形式及制造方法，根据有关资料确定各个加工表面的总余量，并把各余量加在零件图各有关位置上，在毛坯图上标出相关尺寸。
3）制定零件的机械加工工艺路线
（1）制定工艺路线，在对零件和毛坯进行分析的基础上制定零件的加工工艺，它包括确定加工方法、确定安排加工顺序、确定定位夹紧方法，以及安排热处理、检验以及其他辅助工序等。
（2）选择定位基准，合理选定各工序的定位基准，当工序定位基准与设计基准不重合时，需要对它的工序尺寸进行换算。
（3）选择机床及夹具、刀具、量具。机床设备及工艺装备的选用应当既要保证加工质量，还要经济合理。
（4）加工余量及工序间尺寸与公差的确定。根据工艺路线的安排，计算铣槽相关工序加工余量。其工序间尺寸公差按经济精度确定。
（5）确定切削用量机动时间。用公式计算各工序的切削用量，其余各工序的切削用量可由切削手册查到。然后计算该工序的时间定额。
（6）绘制零件的机械加工工艺过程卡片，及铣槽工序的工序卡片。
- 内容简介：
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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. 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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 机械制造技术基础 课 程 设 计 题 目：机床尾座顶尖套铣槽夹具设计 一、 绪论 . 2 （一）设计的目的 . 2 （二）设计任务及要求 . 2 （三）设计的内容及步骤 . 2 . 2 . 3 二、机械加工工艺规程的制定 . 5 （一）零件的工艺分析 . 5 1. 尺寸精度 . 5 2. 形位精度 . 5 3. 表面粗糙度 . 5 4. 热处理 . 5 （二）毛坯的制造方式 . 5 1. 零件的生产纲领 . 5 2. 毛坯材料及制造方法 . 6 三、拟订零件机械加工 工艺路线 . 6 （一） 制定工艺路线 . 6 （二） 基准的选择 . 7 （三） 机床及工、夹、量、刃具 . 9 （四） 公差的计算 . 10 四、顶尖套铣槽的夹具设计 . 11 （一） 设计夹具目的 . 11 （二 ) 设计方案 . 12 1. 定位方案的选择 . 12 2. 对定位方案的确定 . 13 3. 夹紧方案的选择及夹紧机构设计 . 13 4. 对刀方案 . 14 5. 设计夹具体 . 14 （三）确定夹具的主要尺寸、公差和技术要求 . 14 1. 加工精度分析 . 16 （四） 夹紧力计算（估算） . 18 结 论 . 20 参考文献 . 21 致 谢 . 22 2 一、 绪论 （一）设计的目的 能熟练的运用机械制造工艺学的基本理论和夹具设计原理的知识，正确的解决一个零件在加工中的定位、夹紧以及合理制定工艺规程等问题的方法，培养分析问题和解决问题的能力。通过对零件某道工序的夹具的设计夹具的训练，提 高结构设计的能力。本次设计也是理论联系实践的过程，并学会用手册、资料等，增加解决工程实际问题的独立工作能力。 （二）设计任务及要求 制作成批量生产（ 10000台）中等复杂程度零件（车床尾座顶尖套）的机械加工工艺规程和铣槽工序中所需要的专用夹具的设计。 设计任务要求： （三）设计的内容及步骤 1）对零件进行工艺分析。 （ 1）对零件机器结构中的作用及零件图上技术要求进行分析。 （ 2）对零件主要加工表面尺寸，形状及相对位置精度，表面粗糙度及主要技术条件进行 分析。 （ 3）对零件的材质、热处理及工艺性进行分析。通过以上分析，以便在工艺过程中切实加以保证。 2）选择毛坯的制造方式，绘制零件毛坯综合示意图。 选择毛坯应以生产批量的大小来确定，跟据批量大小的生产规模决定毛坯形式及制造方法，根据有关资料确定各个加工表面的总余量，并把各余量加在零件图各有关位置上，在毛坯图上标出相关尺寸。 3）制定零件的机械加工工艺路线 （ 1）制定工艺路线，在对零件和毛坯进行分析的基础上制定零件的加工工艺，它包括确定加工方法、确定安排加工顺序、确定定 3 位夹紧方法，以及安排热处理、检验以及其他 辅助工序等。 （ 2）选择定位基准，合理选定各工序的定位基准，当工序定位基准与设计基准不重合时，需要对它的工序尺寸进行换算。 （ 3）选择机床及夹具、刀具、量具。机床设备及工艺装备的选用应当既要保证加工质量，还要经济合理。 （ 4）加工余量及工序间尺寸与公差的确定。根据工艺路线的安排，计算铣槽相关工序加工余量。其工序间尺寸公差按经济精度确定。 （ 5）确定切削用量机动时间。用公式计算各工序的切削用量，其余各工序的切削用量可由切削手册查到。然后计算该工序的时间定额。 （ 6）绘制零件的机械加工工艺过程卡片，及铣槽工序 的工序卡片。 在该加工过程中需要设计铣槽专用夹具。 夹具结构设计的方法和步骤： 1）确定夹具设计方案、绘制结构原理图。 确定夹具设计方案应遵循几个原则： （ 1）保证工序加工精度和技术要求。 （ 2）结构简单、制造容易。 （ 3）造作方便、省力安全。 （ 4）满足零件在生产中高效低成本。 确定夹具设计方案的主要内容为： （ 1）确定工件的定位方案。 （ 2）确定刀具的对刀或引导方式。 （ 3）确定刀具的夹紧方案。 （ 4）确定夹具其他组成部分的结构形式。 （ 5）确定夹具体。 最后绘制出结构原理示意图 2）选择定位原件，计算定位误差。 在确定设计方案的基础上，应按照加工精度的高低，根据六点定位原理。约束自由度的数目以及确定所需的定位元件。选择好定位原件后，应计算定位误差。 3）计算夹紧力，决定夹紧机构及其主要尺寸 4 夹紧是按照静力平衡条件，从具体定位夹紧力方案和切削条件出发进行分析，主要根据切削力决定理论夹紧力，但由于在加工过程中有冲击震荡存在，为了保障安装稳定理论夹紧力还要乘以一个安全系数 K， 计算出夹紧力后，根据所确定的加紧机构决定其主要尺寸。 4）绘制夹具装配图： （ 1）要求夹 具装配图按照比例绘制。 （ 2）要有必要的视图和剖面图。 5）在装配图上标注各部位尺寸、公差配合和技术条件参考机床夹具设计或其他有关手册。 5 二、机械加工工艺规程的制定 （一）零件的工艺分析 1. 尺寸精度 50 是配合尺寸，要求有较高的尺寸精度，尺寸精度都为 槽长度 282 70工中都需加以保证。 2. 形位精度 的平行度误差为 3. 表面粗糙度 配合面表面粗糙度要求较高，键槽、油槽的粗糙度为 33 51 4. 热处理 为了消除毛坯锻件中的残余应力，进一步改善切削性能，毛坯锻造后应安排去应力退火或时效处理。 （二）毛坯的制造方式 1. 零件的生产纲领 机器产品在计划期内应当生产的产品产量和进度计划称为该产品的生产纲领。零件的生产纲领可按下式计算： Q n (1+ %+ %) 式中 零件的生产纲领（件 /年） Q 产品的年产量（台 /年） n 每台中该零件的数量（件 /台） % 备品的百分率 6 % 废品的百分率 其中，产品的年产量 Q=10000台 /年，每台产品中该零件的数量n=1件 /每台，备品率 %=4%，平均废 品率 %=3%。 N=5000*1*(1+4%+3%)=10700 件 从计算结果可知，生产类型为中批生产，生产周期性变换。 2. 毛坯材料及制造方法 顶尖套同套筒的毛坯选择与其材料、结构、尺寸及生产批量有关。该零件材料为 45钢。考虑到车床在车销外圆工作中要经常正、反向旋转，该零件在工作过程中则经常承受交变载荷及冲击性载荷，因此应该选用锻件，以使金属纤维尽量不被切断，保证零件工作可靠。由于零件年产量为 10700 件，属批量生产，而且零件的轮廓尺寸不大，故可采用模锻成形。这从提高 生产率、保证加工精度上考虑，也是应该的。孔径小的套筒一般选择焊接或冷拔棒料，也可采用实心棒料；孔径大的套筒选择无缝钢管或带孔的铸铁或锻件。大批量生产时，常采用冷挤压和粉末冶金等先进毛坯制造方法，既可节约用材又可提高毛坯的精度及生产率。冷挤压的加工方法适用于小型零件，而且结构简单，非合金钢、合金钢、有色金属，大批生产，加工公差等级为 6 7级，表面粗超度为 坯公差尺寸为 生产率高，用于精度较高的小零件，需要机械加工。 因此考虑到零件是成批生产，而且轴向尺寸变化不大，且尺寸较小 ，该零件起支撑作用，所以选用 45钢，直径为 80棒料，采用锻造的方法。 三、拟订零件机械加工工艺路线 （一） 制定工艺路线 技术条件先确定终加工方法，接着再确定一系列准备工序的加工方法，然制定工艺路线的出发点，应当是使零件的几何形状、尺寸精度和位置精度技术要求等能得到合理的保证。在生产纲领已确定为大批生产的条件下，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，以便使生产成本尽量下降。 制定工艺 路线主要是确定加工方法和划分加工阶段。 7 选择加工方法应以零件加工表面的技术条件为依据，主要是加工面的尺寸精度、形状精度、表面粗超度，并综合考虑各方面工艺因素的影响。一般是根据主要表面的后再确定其它次要表面的加工方法。 在各表面的加工方法选定以后，就需要进一步考虑这些加工方法在工艺路线中的大致顺序，以定位基准面的加工为主线，妥善安排热处理工序及其他辅助工序。 车床尾座顶尖套的加工工艺路线一般是先下料，再进行外圆的加工。还包括端面及钻孔、铣键槽等。按照先加工基准面及先粗后精的原则，参照顶尖套筒的工艺路线，结 合生产条件和大批生产的生产纲领，初步拟订顶尖套筒工艺过程： 1 以毛坯外圆定位，铣削端面，钻中心孔，去毛刺。 2 以外圆中心孔定位，车削外圆。 3 热处理，调质至 220 4 以外圆中心孔定位，车削外圆。 5 以外圆，端面定位，钻削深孔，去毛刺。 6 以外圆，端面定位，车削内锥孔。 7 热处理，高频淬火 45 8 锥堵中心孔定位，精车外圆。 9 锥堵中心孔定位，磨削外圆，留余量。 10以外圆定位，粗磨 磨量。 11以中心孔定位，粗、精 铣键槽及油槽。 12以锥堵中心孔定位，粗、精磨外圆。 13以外圆定位，精磨 14检验。 （二） 基准的选择 （）选择定位基准 工件的加工部位和各表面相对位置的准确性，取决于工件在机床上相对刀具位置的准确性，也就是取决于工件在夹具中定位的准确性，定位的准确与否，又与定位基准选择的好坏直接相关，因此定位基准选择合理与否不仅影响到零件的加工位置精度，而且对工件各表面加工顺序也有很大影响。首先考虑保证空间位置精度，再考虑保证尺寸精度；其次应尽量选择零件的主要表面为定位基准，因为主要表面是 决定该零件其它表面的基准，选主要表面为定位基 8 准可使设计基准与定位基准重合；最后，定位基准应有利于夹紧，在加工过程中稳定可靠。 （）选择粗基准 粗基准选择应是使所需加工各表面，尤其是重要表面能分配到必须而又尽可能均匀的加工余量，能保证工件加工与不加工面间的相互位置精度。 粗基准选择的原则为 用不加工的面作为粗基准，以保证不加工表面相对于加工表面有较高的加工精度，当工件有几个不加工表面时，选其中与加工表面相对于位置精度要求较高的不加工表面作为粗基准选择重要表面作为粗基准，且保证各加工表面都有足够的加工余量 应选择平整光洁的表面作为粗基准，以使工件定位加紧可靠粗基准一般不得重复使用。 根据以上原则，结合该零件的特点选择粗基准如下： 对于一般的轴类零件而言，以外圆作为粗加工的基准。本零件首先要进行外圆的粗车和平端面，以外圆为粗基准是合理的。在粗车外圆和端面后，加工直径为 33孔，粗精加工都是在一次装夹中完成。 （）精基准的选择 应保证各表面的相互位置精度，使夹具结构简单，安装方便，采用基准统一原则，即设计基准与定位基准相统一原则。 一般是用已经加工过 的表面作为精基准。选择原则为基准重合原则，即用设计基准作为定位基准，以免产生基准不重合误差。基准统一原则，以免产生基准转换误差互为基准，反复加工的原则应遵循自为基准原则，即当精加工或光整加工工序要求加工余量小而且均匀时，常以加工表面自身为精基准。应选择定位基准、加紧可靠的表面作为精基准。 根据以上原则选择精基准： 该零件对于外圆和孔的同轴度要求很高，因此为了保证它们的位置精度要求，选择已经加工过的孔作为精加工的基准，以心轴作为定位元件，以此来保证它们的位置精度。在铣削直槽时，以外圆作为精基准，用 （）此外还应考虑到工序加工时工序基准，以及保证装配质量的装配基准。 9 （三） 机床及工、夹、量、刃具 （ 1）选择机床 a: 粗车和精车，工序的工步数不多，成批生产不要求很的生产率，故选用卧式车床就能满足要求。本零件外廓尺寸不大，精度要求不是很高，选用最常用的 b：钻孔，粗镗孔，精镗孔。由于加工的零件外廓尺寸不大，又是回转体，故宜在车床上钻孔，镗孔。由于要求的精度较高，表面粗糙度数值较小，需选用较精密的车床才能满足要求，因此选用 c:切断、车端面 。选用 d:研磨技术要求，表面粗糙度要求较高，因此选用。 d:键槽是用三面刃铣刀粗铣及精铣槽，应选用卧式铣床。考虑本零件属成批生产。所选机床使用范围较广为宜，故选常用的 （ 2）选择夹具 以上工序中本零件除粗铣及精铣槽等工序需要专用夹具外，其它各工序使用通用夹具即可。车床工序用三爪自定心卡盘和顶尖。在外圆的精车中使用心轴定位，然后是一夹一顶式装夹，这样可以保证外圆和孔的同轴度。 （ 3）选择刀具 根据不同的工序选择刀具。 在车床上加工时一般都选用硬质合金车 刀和镗刀。加工钢质类零件采用 加工用 精加工 加工用 提高生产率及经济性可以使用转位车刀。切槽刀宜选用高速钢。 铣刀选镶齿三面刃铣刀。零件要求铣切深度为 6刀的直径应为 160 200此所选铣刀：半精铣工序铣刀直径 d 125 L 8径 D 32数 Z 20。 （ 4）选择量具 本零件属于成批生产，一般情况下尽量选用通用量具。根据零件表面的精度要求、尺寸和形状特点，参考有关资料。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 是按计量器具的测量方法极限误差选择。 a 选择各外圆加工面的量具。加工外圆 尺寸公差为 工艺人员手册，计量器具 10 不确定度允许值，选择测量范围为 50 75，分度值为 b 选择加工孔用量具。莫氏 6号锥孔及 55镗、磨削三次加工。粗镗至 555计量器具的测量极限误差选择其量具。 粗镗孔 55参考资料选读数值 量范围 50 125 精 镗、磨削孔及莫氏 6 号锥孔，由于精度要求高，加工时每个工件都需进行测量，故宜选用极限量规。根据孔径可选三牙锁紧式圆柱塞规。 c 选择轴向尺寸用量具。由于尺寸精度要求不高，故选用分度值为 d 选择加工槽用量具。槽经粗铣、半精铣两次加工。槽宽的尺寸公差等级为 深的尺寸公差等级为 可选用分度值为 量工具用内径千分尺及深度千分尺即可。 （四） 公差的计算 1. 工序尺寸换算 11 公式 1i i E 1i i E i nA i A i 0=1 A=大单边余量值为 根据金属机械加工工艺人员手册 可得，此余量可进行扩孔加工。 四、顶尖套铣槽的夹具设计 （一） 设计夹具目的 机床夹具是在切削加工中，用以准确的确定工件位置，并将其牢固的加紧的工艺装备。它可靠的保证工件的加工精度，提高加工效率，减轻劳动强度。充分发挥机床的工艺性能。为了提高生产率，对顶尖套铣槽的加工，有必要采用专用夹具来满足生产率及合理的经济要求，减轻工人劳动强度。 由于铣槽加工比其它表面要复杂的多，加工环境条件差，刀具尺寸受被加工的槽限制，致使刀杆细长而刚性差，以至于影响槽的 12 加工精度。如果采用一般的方法加工有一定位置精度的槽 时；不仅生产效率低，而且加工质量也不高。有必要采用铣槽夹具。设计该铣槽夹具，有利于保证加工精度，提高生产率，保证定位准确，保证夹紧可靠，并尽可能使夹具结构简单合理，降低成本。 （二 ) 设计方案 1. 定位方案的选择 若先铣键槽后铣油槽，按加工要求，铣键槽时应限制 5 个自由度，铣油槽时应限制 6 个自由度。因为是大批生产，为了提高生产率，可在铣床主轴上安装两把直径相等的铣刀，同时对两个工件铣键槽和油槽，每进给一次，即能看到一个键槽和油槽均已加工好的工件，这类夹具称多工位加工铣床夹具。如图 4示为顶 尖套铣双槽的两种定位方案。 方案 1：工件以 圆在两个互相垂直的平面上定位，端面加止推销，如图 4a）所示。 方案 2：工件以 面加止推销，如图 4b）所示。为保证油槽和键槽的对称面在同一平面内，两方案中的第二工位（铣油槽工位）都需要一短销与已铣好的键槽配合，限制工件绕轴线的角度自由度。由于键槽和油槽的长度不等，要同时进给完毕，需将两个止推销沿工件轴线方向错开适当的距离。 图 413 2. 对定位方案的确定 比较以上两种方案，方案 1使加工 尺寸为 案 2则使对称度的定位误差为零。由于 工要求低，而对称度的公差较小，故选用方案 2的较好，从承受切削力的角度看，方案 2也较可靠。 3. 夹紧方案的选择及夹紧机构设计 根据加紧力的方向应朝向主要限位面以及作用点应落在定位元件的支承范围内的原则，如图 4示，夹紧力的作用线应落在区域内（ N 为接触点），加紧力与垂直方向的夹角应尽量小，以保证加紧稳定可靠。铰链压板的两个弧形面的曲率半径应大于工件的最大半径 。 14 图 4于顶尖套较长，须用两块压板在两处加紧。如果采用手动加紧，工件装所花的时间较多，不能适应大批生产的要求；若用气动加紧，则夹具体积太大，不便安装在铣床工作台上。因为采用动夹紧机构使两块压板 7 同时均匀地夹紧工件。液压缸的结构型式和活塞直径可参考夹具手册。铣削时各支承面上受力良好。该夹紧机构操作简便，工件的装卸迅速、方便，稳定性好。 4. 对刀方案 键槽铣刀需两个方向对刀，故应采用侧装直角对刀块 6。由于两铣刀的直径相等，油槽深度由两工位 v 形块定位高度之差保证。两铣 刀的距离（ 125 ） 此，只需设置一个对刀块即能满足键槽和油槽的加工要求。 5. 设计夹具体 夹具体应能保证夹具的整体刚度和强度，在此前提下，要尽量减轻重量。因此，夹具体大部分采用铸件，以便能根据需要铸出各种形状的筋条和边框、铣床、磨床等机床夹具通常是开式或半开式的，以便刀具通过。 为了提高夹具制造的工艺性，夹具体很少做成整体的，而是分成座底立柱，模板等零件，它们之间用螺钉和销钉进行联接定位。 为了在夹具体上安装液压缸和联动夹 紧机构，夹具体应有适当高度，中部应有较大的空间。为保证夹具在工作台上安装稳定，应按照夹具体的高宽比不大于 在两端设置耳座，以便固定。 为了保证槽的对称度要求，夹具体底面应设置定位键，两定位键的侧面应与 v 形块的对称面平行。为减小夹具的安装误差，宜采用 （三）确定夹具的主要尺寸、公差和技术要求 （ 1）夹具最大轮廓尺寸为 570230270 15 （ 2）影响工件定位精度的尺寸和公差。为两组 止推销的距离（ 112 ） 位销 12与工件上键槽的配合尺寸 12 （ 3）影响夹具在机床上安装精度的尺寸和公差。为定位键与铣床工作台 8形槽为 18 (4)影响夹具精度的尺寸和公差。为两组 v 形块的定位高度(64 )(61 )1 工位 v 形块 8、 10 设计心轴轴线对定位键侧面 B 的平行度 1 工位 v 形块设计心轴轴线对夹具底面 A 的平行度 1 工位与 2 工位 v 形块的距离尺寸(125 )1 工位与 2 工位 v 刀块的位置尺寸 （ 0 8 0 5 ） 2 4 5 0 5 ） 对刀块的位置尺寸 v 形块的设计心轴的轴线）到对刀块表面的距离。计 算时，要考虑定位基准在加工尺寸方向的最小位移量 当最小位移使加工尺寸增大时 h=s i当最小位移量使加工尺寸缩小时 h=s i式中 塞尺厚度。 当工件以圆孔在心轴上定位或者以圆柱面在定位并在外力作用下单边接触时 式中工件以圆柱在v 形块上定位时。 按照尺寸链，将各环转化为平均尺寸（对称偏差的基本尺寸），分别算出1后取工件相应尺寸公差的 1/5 作为 h和 可确定对刀块的位置尺寸和公差。 16 由于工件定位基面直径 ()尺厚 s=5)槽宽12 ） 深控制尺寸 ） 所以对刀块水平方向的位置尺寸为 1h=(本尺寸 ) 对刀块垂直方向的位置尺寸为 2 7 0 . 7 9( 6 4 . 8 ) 2 9 . 4 0 52H m m m m 2 ( 2 9 . 4 0 5 4 . 9 1 ) 2 4 . 4 9 5 (h m m m m 基 本 尺 寸 ）取工件相应尺寸公差的 1/5 得 0 . 0 4 71 0 . 0 7 7( 1 0 . 9 3 8 0 . 0 1 5 ) 1 1h m m m m 0 . 0 12 0 . 0 2( 2 4 . 4 9 5 0 . 0 1 5 ) 2 4 . 5h m m m m （ 5）影响对刀精度的尺寸和公差 s:塞尺的厚度尺寸5。 （ 6）夹具总图上应标注下列技术要求：键槽刀与油铣刀的直径相等。 1. 加工精度分析 尖套铣双槽工序中，键槽两侧面对 进行精度分析，其他加工要求未注 公差或公差很大，可不进行精度分析。 1、 键槽侧面对 17 （ 1）定位误差D。由于对称度的工序基准是 线，定位基准也是此轴线，故 0B。由于 0Y因此，对称度的定位误差为零。 （ 2）安装误差A。定位键在 T 形槽中有两种位置，如图 5 图 5加工尺寸在两定位键之间，若按如图 5a）所示计算 A=m a x ( 0 . 0 2 7 0 . 0 2 7 ) 0 . 0 5 4X m m m m 若加工尺寸在两定位键之外，则应按如图 5b）所示计算 m a x 2 t a L m a n （ 3）对刀误差T。对称度的对刀误差等于塞尺厚度的公差，即T= （ 4）夹具误差J。影响对称度的误差有： 1工位 的平行度 刀块水平位置尺寸 11以J=（ 2、键槽侧面对 （ 1）定位误差D。由于两 、 10 一般在装配后一起精加工 们的相互位置误差极小，可视为一长 以D=0。 （ 2）安装误差A。当定位键的位置如图 5a）所示时，工件的轴线相对工作台导轨平行，所以A=0。 当定位键的位置如图 5b
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