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夹具夹紧力的优化及对工件定位精度的影响 什伍德拉夫机械工程学院，佐治亚理工学院，格鲁吉亚，美国研究所 由于 夹紧和加工 ， 在工件和夹具的 接触部位会产生局部弹性变形， 使工件尺寸发生变化， 进而影响工件的最终加工质量。这种效应可通过最小化夹具 设计 优化 ， 夹紧力 是一个重要的设计变量，可以得到优化，以减少工件的位移 。本文提出了一种确定多夹紧夹具受到准静态加工部 位 的最佳夹紧 力的新方法。该方法采用弹性接触力学模型代表夹具与工件接触，并涉及制定和解决方案的多目标优化模型的 约束。夹紧 力的 最优化对工件定位精度的影响通过 3铣夹具的例子进行了分析。 关键词：弹性 接触 模型 夹具 夹紧力 优化 前言 定位和 夹紧 的工件加工中的两个关键因素。 要实现夹具的这些功能，需将工件定位到一个合适的基准上 并夹紧，采用的夹紧力必须足够大，以抑制工件在加工过程中产生的移动 。然而，过度的夹紧力可诱导工件产生更大的弹性变形 ，这会影响它的位置精度，并反过来影响零件质量。 所以有必要确定最佳夹紧力，来减小 由于弹性变形对工件的定位误差 ，同时满足 加工的要求。在夹 具分析和综合领域上的研究人员使用了有限元模型的方法或 刚体模型的方法。大量的工作都以有限元方法为基础被报道 参考文献 1随着得墨忒耳 8，这种方法 的限制是 需要 较大的模型和计算成本。 同时 ， 多数的 有限元 基础 研究人员一直 重点 关注的夹具布局优化和夹紧力的优化还没有得到充分讨论， 也有少数的研究人员通过对刚性模型 9夹紧力进行了优化， 刚型模型几乎被近似为一个规则完整的形状。 得墨忒耳 12， 13用螺钉理论解决的最低夹紧力，总的问题是制 定一个线性规划，其目的是尽量减少在每个定位点调整夹紧力强度的法线接触力。接触摩擦力的影响被忽视，因为它较法线 接触力 相对较小 ， 由于这种方法是基于刚体假设， 独特的三维夹具可以处理超过 6 个自由度的装夹，复和倪 14也提出迭代搜索方法 ，通过假设已知摩擦力的方向 来 推导 计算最 小 夹紧力 ，该刚体分析的主要限制因素是当出现六个以上的接触力是使其静力不确定， 因此，这种方法无法确定工件移 位 的唯一性。 第 1 页 共 15 页 这种限制可以通过计算夹具 工件系统 15的弹性来克服，对于一个相对严格的工件，该夹具在机械加工工件的位置 会受夹具点的局部弹性变形的 强烈影响。 得墨忒耳 16使用经验的接触力变形的关系（称为元功能），解决 由于夹紧和 准静态加工力 工件刚体位移。同一作者还考察了加工工件夹具位移对设计参数的影响 17。桂 18 等 通过工件的夹紧力的优化定位精度弹性接触模型对报告做了改善，然而，他们没有处理计算夹具与工件的接触刚度的方法，此外，其算法 的应用没有讨论机械加工刀具路径负载有限序列。李和 19和乌尔塔多和 20用接触力学解决由于在加载夹具夹紧点弹性变形产生的接触力和工件的位移，他们还 使用此方法 制定了优化方法夹具布局 21和 夹紧力 22。 但是，关于 统及其对工件精度影 响的夹紧力的优化并没有在这些文件中提到 。 本文提出了一种新的算法，确定了 具工件系统受到准静态加载的最佳 夹紧力为基础的弹性方法。 该法旨在尽量减少影响由于工件夹紧位移 和加工荷载通过系统优化 夹紧 力的一部分定位精度。 接触力学模型，用于确定接触力和位移，然后再用做夹紧力优化 ，这个问题被作为多目标约束优化问题提出和解决。 通过两个 例子 分析 工件夹紧力的优化 对 定位精度的影响， 例子涉及的铣削夹具 3局 。 1 夹具 工件联系模型 1 1 模型假设 该加工夹具 由 L 定位器 和 带有 球形 端的 c 形 夹 组 成 。 工件和夹具 接触的地方是线性的 弹性 接触， 其他地方完全 刚性 。 工件 夹具系统由 于夹紧和加工受到准静态负载。夹紧力可假定为在加工过程中保持不变， 这个假设是有效的 ，在对液压或气动夹具使用。 在实际 中，夹具工件接触区域是弹性 分布， 然而， 这种模式的发展， 假设 总 触刚度（见图 1） 第 i 夹具 接触力 局部变形如下： i i ij j jF k d(1) 其中 j=x， y， z）表示，在当地子坐标系切线和法线方向的接触刚度 第 2 页 共 15 页 图 1 弹簧夹具 工件接触模型。 i i 接触处的坐标系 j=x， y， z）是对应沿着 别 （ j= x， y， z）的代表 ， 1 2 工件 夹具的接触刚度模型 集中遵守 一个球形尖端定位 ， 夹具和工件的接触并 不是线性的， 因为接触半径 与随法线力呈 非线性变化 23。 由于 法线 力 触变形 作用于 半径 平面工件表面之间，这可从封闭 赫兹的办法解决缩进一个球体弹性半空间 的 问题 。对于这个问题， 法线 的变形 ， 在 文献 23 第 93 页 中 给出如下： 1 / 32291 6 *（ 2） 其中 22*111 E 式中 和 工件和夹具的弹性模量， w 、 f分别是工件和材料的泊松比。 切向变形 或 者沿着硅业切力距 或 者有以下形式 文献 23 第 217 页 8i wi f G （ 3） 其中 1 / 31314i fG、一个合理的接触刚度的线性可以近似 从最小二乘获得适合式 （ 2）， 这就产生了以下线性化接触刚度值：在计算上述的线性近似， 第 3 页 共 15 页 1 / 32*168 . 8 29（ 4） 1*2 24 ji i y k G (5) 正常的力 被假定为从 0到 1000N，且最小二乘拟合相应的 2 夹紧 力优化 我们的目标是确定最优 夹紧 力，将尽量减少 由于工件刚体运动过程中，局部的夹紧和加工负荷引起的弹性变 形，同时保持在准静态加工过程中夹具 工件系统平衡，工件的位移 减少，从而减少定位误差。实现这个目标是通过制定一个多目标约束优化问题的问题，如下描述。 标函数配方 工件旋转 ， 由 于 部 队 轮 换 往 往 是 相 当 小 17 的 工 件 定 位 误 差Tw w w Y Z 假设为确定其刚体翻译基本上 ，其中 、 、 和 是 沿 xg，图 2）。 图 2 工件刚体平移和旋转 工件的定位误差归于装夹力，然后可以在该刚体位移的2 第 4 页 共 15 页 2 2 2ww w Y Z （ 6） 其中 表示一个向量二级标准。 但是作用在工件的夹紧力会影响定位误差。 当多个夹紧力作用于工件，由此产生的夹紧力为 R Y P P ,有如下形式： P （ 7） 其中夹紧力 1 . P 是矢量， 夹紧力的方向 1 . L CR n n矩阵， c o s c o s c o s TL i L i L i L 是 夹紧力是矢量的方向余弦， 、 和 是第 i 个夹紧点夹紧力 在gX、向量角度 （ i=1、 2、 3.,C） 。 在这个文件 中，由于接触区变形造成的工件的定位误差，被假定为受的作用力是法线 的，接触的摩擦力相对较小，并在进行分析时忽略了加紧力对工件的定位误差的影响。 意指正常接触刚度比是 通过i（ i=1， 2 L）和 最小的所有定位器正常 刚度并假设工件xN、yN、gY、自的 等效接触刚度 可有下式1 1 1,X Y Ns s sz i z i z ii i ik k k 和计算得出（见 图3），工件刚体运动 ，归于夹紧行动现在可以写成： 111X Y Y i z i z (8) 工件有位移，因此，定位误差的减小可以通过 尽量减少 产生的夹紧力 向量 2因此，第一个目标函数可以写为： 最小化 X Y Y N + + （ 9） 要注意，加权因素是与等效 接触刚度成正比的在gX、通 第 5 页 共 15 页 过使用最低总能量互补 参考文献 15， 23的原则求解弹性力学接触问题得出 A 的组成部分是唯一确定的，这保证了夹紧 力和相应的定位反应是“真正的”解决方案，对接触问题和产生 的“真正”刚体位移， 而且工件保持在静态平衡，通过夹紧力的随时调整。因此，总能量最小化的形式为补充的夹紧力优化的第二个目标函数，并给出： 最小化 2 2 2i i C L + C L + 1 1 1F F =2 k k i ii i ix y z 12 （ 10） 其中 *U 代表机构的弹性变形应变能互补， *W 代表由外部力量和力矩配合完成， Q 1 1 1. L C L C L Cx y z x y zc c c c c c是 遵 守 对 角 矩 阵 的 ， 1和111 . L C L Cx y z x y F F F F 是所有接触力的载体。如图 3 擦和静态平衡约束 在（ 10）式优化的目标受到一定的限制和约束， 他们中最重要的是在每个接触处的 静摩擦力约束。 库仑摩擦力的法律规定 22i i i ix y s F（ 静态摩擦系数） ,这方面的一个非线性约束 和线性化版本可以使用，并且 19有： i i i ix y s F （ 11） 假设准静态载 荷 ，工件的静力平衡由下列力和力矩平衡方程确保 （向量形式）： 内蒙古科技大学 本科生毕业设计（外文翻译） 第 6 页 共 15 页 0F 0M (12) 其中包括 在法线和切线方向的力和力矩的机械加工力 和工件重量。 接触力 由于夹具 工件接触是单侧面的，法 线的接触力 能被压缩。 这通过以下的 约束表 0（ i=1， 2 ,L+C） （ 13） 它假设 在 工件 上的法线力 是 确定的，此外，在一个法线的接触压 力不能超过压 工件材料的 屈服强度（ 。 这个约束可写为： i A （ i=1， 2， ,L+C） (14) 如果i 个工件 夹具的接触处的接触面积，完整的夹紧力优化模型，可以写成： 最小化 1212 (15) 3 模型 算法求解 式 （ 15） 多目标优化问题 可以通过 求解约束 24。 这种方法将确定的目标作为首要职能之一，并将其转换成一个约束对 。 该补充（1f）的主要目的是处理功能，并由此得到夹紧 力（2f）作为约束 的加权范数2对1保选中一套独特可行的夹紧力 ， 因此，工件 夹具系统驱动到一个稳定的状态（即最低能量状态），此状态也表示有最小的夹紧力下的加权范数2L。2个指定的加权范数2 ， 其中 是 2假设 最初所有夹紧力不明确，要确定一个合适的 。在定位和夹紧点的接触力的计算只考虑第一个目标函数（即1f）。虽 然有这样的接触力，并不一定产生最低的夹紧力， 这是一个“真正的”可行的解决弹性力学问题办法，可完全抑制工件在夹具中的位置。这些夹紧力的加权 系数2L， 通过计算并作为 初始值 与 比较 ，因此，夹紧力式（ 15）的优化问题可改写为 : 内蒙古科技大学 本科生毕业设计（外文翻译） 第 7 页 共 15 页 最小化1 12 （ 16） 由： RC (11)(14) 得。 类似的算法寻找一个方程根的二分法来确定最低的 RC 通过尽可能降低 上限，由此产生的最小夹紧力的加权范数2L。 迭代次数 K，终止搜索取决于所需的预测精度 和 ，有 参考文献 15： y i i ix y i id d d Y Z 2K lo g （ 17） 其中 表示上限的功能，完整的算法在如图 4 中给出。 内蒙古科技大学 本科生毕业设计（外文翻译） 第 8 页 共 15 页 图 4 夹紧力的优化算法（在示例 1 中使用）。 图 5 该算法在示例 2 使用4 加工过程中的 夹紧力的优化 及 测定 上一节介绍的算法可用于确定 单负载作用于工件的载体的 最佳夹紧 力 ， 然而，刀具路径随磨削量和切割点的不断变 化而变化。因此，相应 的夹紧力和最佳的加工负荷获得将 由图 4 算法获得 ， 这大大增加了 计算负担，并要求为选择的夹紧 力提供标准， 将获得满意和适宜的整个刀具轨迹 ，用保守的办法来解决 下面将被讨论的问题，考虑一个有限的数目（例如 m）沿相应的刀 具 路径 设置的 产生m 个最佳夹紧 力 ， 选择记为 123每个采样点， 考虑 以下四个最坏加工负荷向量： 内蒙古科技大学 本科生毕业设计（外文翻译） 第 9 页 共 15 页 m a x 1 1m a x Y F F 2 m a x 2m a x Y F F 3 3 m a xm a x Y F F 444m a x Y F F (18) gX、大 值 ， 2， 3 分别代替对应的 且有： 2 2 2m a x m a Y F F 虽然 4 个 最坏情况加工负荷向量不会 在 工件 加工的 同一时刻出现 ， 但 在每 次常规的进给速度中 ，刀具旋转一次出现一次，负载向量引入的 误 差可忽略 。 因此，在这项工作中，四个载体负载适用于同一 位置， （但不是同时）对工件 进行 的采样 ， 夹紧力的优化算法 图 4，对应于每个采样点 计算最佳的夹紧力。夹紧力的最佳形式有： m a x 1 2 . Ti i i ij j j c C C (i=1,2, ,m) (j=x,y z,r) (19) 其中体， =1， 2， C)是每个相应的夹具在第 i 个样本点和第 j 负荷情况下力的大小。后 的结果， 一套 简单的 “最佳”夹紧力必须从所有的样本点和装载条件里发现，并在 所有的最佳夹紧力中选择。 这是通过 在所有负载情况和采样点 排序，并选择夹紧点的最高值的最佳的 夹紧 力 ， 式 （ 20）： ik （ k=1， 2， ， C） （ 20） 只要这些具备，就得到一套 优化的夹紧力 Tm a x m a x m a C. C C ， 验证这些力，以确保工件夹具系统的静态平衡。否则， 会出现 更多采样点和重复上述程序。 在这种方式中，可为整个刀具路径确定“最佳”夹紧力 5 总结了刚才所描述的算法。请 注意，虽然这种方法是保守的，它提供了一个确定的夹紧力，最大限度地减少工件的定位误差的一套系统方法。 5影响工件的定位精度 它 的兴趣在于 最 早 提出了 评价夹紧力的 算法 对工件的定位精度 的影响 。 工件首先放在与夹具 接触 的 基板上，然后 夹紧力使 工件 接触 到 夹具， 因此，局部变形发生在每个工件夹具接触处，使工件在夹具上移位和旋转。随后，准静态加工负内蒙古科技大学 本科生毕业设计（外文翻译） 第 10 页 共 15 页 荷应用造成工件在夹具的移位。 工 件刚体运动的定义是由它 在gX、 移位 Td w w w Z 和自转 y z （见图 2）， 如前所述，工件刚体位移产生于在每个夹紧处的局部变形 Ti i i ix y zd d d d ，假设 Ti i i Y Z 为相对于工件的质量中心的第 i 个位置矢量 定位点， 坐标变换定理可 以 用 来 表 达 在 工 件 的 位 移 d w w w Z 以 及 工 件 自 转x y z 如下 : 1d Ti w wi i r d r (21) 其中 1描述当地在第 是一个旋转矩阵确定工件 相对于全球的坐标系 的定位 坐标系。 假设夹具夹紧工件旋转，由于旋转 w 很小，故 也可近似为： w （ 22） 方程（ 21）现在可以改写为： 1 B q（ 23） 其中 0 0 1 0 Z 0 1 Y X 0是 经方程 （ 21） 重新编排后 变换得到 的 矩阵式， Z Tw w w w w 是夹紧和加工导致的工件刚体运动矢量 。 工件与夹具单方面接触性质意味着工件与夹具接触处没有拉力的可能。因此，在第i 装夹点接触力 能与 关系如下： ,00,i i d t h e r w i s e （ 24） 其中 是在第 i 个 接触点由于 夹紧和加工负荷 造成的变形 ， 0 意味着净压缩变形，而负数则代表拉伸变形 ; i i i ix y zK d i a g k k k 是表示在本地坐标系第 i 个接触刚度矩阵， 0 0 1 是单位向量 . 在这项研究中假定液压 /气动夹具，根据对外加工负荷，故在法线方向的夹紧力的强度保持不变，因此， 必须内蒙古科技大学 本科生毕业设计（外文翻译） 第 11 页 共 15 页 对方程 （ 24） 的 夹紧点 进行修改 为： i i F p （ 25） 其中 在第 i 个夹紧点的夹紧力，让 1矢量。并结合方程（ 23） （ 25）与静态平衡方程，得到下面的方程组： 1L + i i F （ 26） 其中， 其中 表示相乘。由于夹紧和加工工件刚体移动， q 可通过求解式（ 26）得到。工件的定位误差 向量， r r r r Zm m m m （见图 6）， 现在可以计算如下： r q（ 27） 其中 r Tm m Y Z 是 考 虑 工 件 中 心 加 工 点 的 位 置 向 量 ， 且1 0 0 00 1 0 00 0 1 Y 0 6模拟工作 较早前提出的算法是用来确定最佳夹紧力及其对两例工件精度的影响例如 ： 1 适用于工件单点力。 2 应用于工件负 载准静态铣削序列 内蒙古科技大学 本科生毕业设计（外文翻译） 第 12 页 共 15 页 如左图 7 工件夹具配置中使用的模拟研究 16L gX、 3具 图 7 所示，是用来定位 并控制 7075 - 合金（ 127 毫 米 127 毫 米 米） 的 柱状块。假定为球形布局倾斜硬钢定位器 /夹具 在表 1 中给出 。工件 夹具材料 的摩擦静电 对系数 为 使用伊利诺伊大学开发 序 参考文献 26 对 加工瞬时铣削力条件进行了计算 ， 如表 2 给出 例（ 1），应用工件在点（ 米， 米， 米）瞬时加工力， 图 4 中表 3 和表 4列出了初级夹紧力 和 最佳夹紧 力 的算法 。 该算法如图 5 所示 ， 一个 米铣槽使用 行了数值模拟， 以减少 起 步 （ 米， 米， 米）和结束时（ 米， 米， 米）四种情况下加工负荷载体 ， 内蒙古科技大学 本科生毕业设计（外文翻译） 第 13 页 共 15 页 内蒙古科技大学 本科生毕业设计（外文翻译） 第 14 页 共 15 页 （见图 8）。 模拟计算铣削力 数据在 表 5 中给出。 图 8 最终铣削过程模拟 例如 2。 内蒙古科技大学 本科生毕业设计（外文翻译） 第 15 页 共 15 页 表 6 中 5 个 坐标列出了为模拟抽样调查点。 最佳 夹紧力 是 用前面讨论过的排序算法计算每个采样点和负载载体 最后的 夹紧力 和负载 。 7结果与讨论 例如算法 1 的绘制最佳夹紧力收敛图 9，图 9 对于固定夹紧装置在图示例假设（见图 7）， 由此得到的夹紧力加权范数2 2 2 2/ 2 / 3R R R Y P P 佳夹紧 力 所述加工条件下有比初步夹紧力强度低得多的加权 范数2L， 最初的夹紧 力是通过减少工件的夹具系统补充能量算法 获得 。 由于夹紧 力和 负载造成的工件的定位误差，如表7。结果表明工件旋转小， 加工点减少错误从 等。在这种情况下， 所有加工条件 改善不是很大，因为从最初 通过互补势能 确定的最小化的夹紧力值已接近最佳夹紧力。 图 5 算法 是用第二例在一个序列应用于铣削负载到工件， 他 应 用 于 工 件 铣 削 负 载 一 个 序 列 。 最 佳 的 夹 紧 力， m a x m a x m a x m a x m a x, , ,i i i i ij x y z P P P ，对应列 表 6 每个样本点，随着最后的最佳夹紧力每个采样点的加权范数2 10， 在每个采样点的内蒙古科技大学 本科生毕业设计（外文翻译） 第 16 页 共 15 页 加权范数2 结果表明，由于每个具有最高的加权范数2L。 如图 10 所示，如果在每个夹紧点最大组成部分是用于确定初步夹紧力，则夹紧力需相应设置，上述模拟结果表明， 该方法可用于优化夹紧 力相对于初始夹紧力的强度，这种做法将减少所造成的夹紧力的加权范数2L，因此将提高工件的定位精度。 图 10 8结论 该文件提出了关于确定多钳夹具，工件受准静态加载系统的优化加工夹紧力的新方法。夹紧力的优化算法是基于接触力学的夹具与工件系统模型，并寻求尽量减少应用到所造成的工件夹紧力的加权范数2L，得出工件的定位误差。该整体模型，制定一个双目标约束优化问题，使用 算法通过两个模拟表明，涉及 3，二夹铣夹具的例子。今后的工作将解决在动态负载存在夹具与工件在系统的优化，其中惯性，刚度和阻尼效应在确定工件夹具系统的响应特性具有重要作用。 9 参考资料： 内蒙古科技大学 本科生毕业设计（外文翻译） 第 17 页 共 15 页 1、 J. 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N. . 0332E 18. 8, a of is of on on 911. as 12, 13 to as a to at by of is on it D 14 by a of is it is As a be by be by of 15. a of in is by at 16to to of on 17. et 18an of In a of a Li 9 20 05by at 21 2. a on a on a to to to by A is to a of is as a of on is a 32-1 a in is to to to be or of is in is 1). at be as )j = x,y,z) in of xi,yi,1. A zi,at j = x,y,z) xi,j = x,j,z) of at a is 23. to of a be to of a an 23, p. 93:9(16*)2(2)1 - - s to a i(= 23, p. 217: - )3 - of be a q. (2). *)29(4)E* - )In to 000 N, 2of to . is to of . Li . N. by in in is by as a as to is 17 is to by , g, 2)to be in of 2of as (+ (+ () (6)ii 2of a on to , )C= .C= .nL+i= iaL+i, bL+i, gL+by at g, i = 1,2,. . .,C)to is to be by at at is is of on of to i = 1,. . .,L), X, of in g,2. in be 3). to be )by 2of be 11)to in g, by of 15, 23. to is in by at of is U* - W*) =12i=1(L+(L+(0)= 3. of 07* of W* by Q = z is ( 1, l = zof q. (10) is to is at s (+() #A of be is 19: 1)is by in 0 (12) 0of in is be by i:0(i = 1, . . ., L + C) (13)it is at a of is i# i = 1, . . .,L+C) (14)at f =5)(11)(14)q. (15) by 24. of as a In of is as 2of is as a of a of is As a to a 2of a 2to be or to e, an on To a e,at of it is a “to 2of as of e. q. (15) 16)e, (11)(14)to of an is to By e as 2of is of K, on d is 25:K =7) I in be a to of an to be a a of be A to a m) of m of 1.,At . Li . N. 4. in )(18)g, of , 2, 3 (+(+()on at At by at be in at on to 4 is to (i = 1, . . .,m)(j = x,y,z,r)(19)of k = 1,. . .,C)is at to be of is at a as q. (20):k = 1,. . .,C) (20)is a of is to of In be is a of a of is of to of on is on in to at f I 毕业设计（论文） 课 题： 缸体 加工工艺及 钻孔 夹具设计 专 题： 专 业： 机械制造及自动化 学 生 姓 名： 班 级： 学 号： 指 导 教 师： 完 成 时 间： 要 本设计专用夹具的设计 缸体 零件加工过程的基础上。主要 加工部位是平面和 孔加工。在一般情况下，确保比保证精密加工孔很容易。因此，设计遵循的原则 是先加工面后加工孔 表面。孔加 工平面分明显的阶段性保证粗加工和加工精度加工孔。通过底面作一个良好的基础过程 的基础。主要的流程安排是支持在定位孔过程 第一个，然后进行平面和孔定位技术支持上加工孔。在随后的步骤中，除了被定位在平面和孔的加工工艺及其他孔单独过程。整个过程是一个组合的选择工具。专用夹具夹具的选择，有自锁机构，因此， 对于大批量， 更高的生产力，满足设计要求。 关键词： 缸体类零件；工艺；夹具； of of In to is is A on of is in In a in to in is a of a 录 摘 要 一 章 加工工艺规程设计 1 件的分析 1 件的作用 1 件的工艺分析 1 工的问题和设计所采取措施 2 和平面的加工顺序 2 系加工方案选择 2 体加工定位基准的选择 3 基准的选择 3 基准的选择 3 体加工主要工序安排 3 械加工余量、工序及毛坯的确定 5 定切削用量及基本工时（机动时间） 6 间定额计算及生产安排 14 第二章 铣凸台面夹具设计 18 究原始质料 18 位、夹紧方案的选择 18 削力及夹紧力的计算 18 差分析与计算 19 向键与对刀装置设计 20 具体的设计 22 具设计及操作的简要说明 22 第三章 钻 6 23 究原始质料 23 位分析和定位元件选择 23 V 削力及夹紧装置设计 24 差分析与计算 27 向装置设计（钻套、衬套、钻模板设计与选用） 28 定夹具体结构和总体结构 29 总 结 31 参考文献 33 致 谢 1 1 第 一 章 加工工艺规程设计 件的分析 件的作用 题目给出的零件是 缸体 。 缸体 零件的加工质量， 零件的加工质量， 并确保组件正确安装。因此， 缸体 的加工 质量 影响 装配运动精度，影响性能和寿命。 件的工艺分析 由 缸体 零件图可知。 缸体 是一个 壳体零件， 别安装在五个平面的外表面加工的需要。支持前和后孔。此外，表面还需加工一系列孔。可分三组加工表面。分析如下： 由 缸体 零件图可知。现分析如下： 主要加工表面有以下 5 个主要加工表面 ; 2 通过粗铣精铣达到 度要求 粗镗、半粗镗、精镗达到 精度要求 先粗铣 后精铣的 精度要求 通过粗铣直接使底面精度达到 . 凸台 端面 在 凸台 端面 使其达到 精度要求 工的问题和设计所采取措施 由以上分析可知。 缸体 零件加工表面是平面和孔系。平面加工要比保证 孔 精度 比较 容易 一些 。因此，在这个过程中的主要问题是确保和孔的位置精度，应对孔与平面间的 关系。由于 是 大生产量 生产 。要考虑因素如何满足 提高加工过程中的效率问题 。 和平面的加工顺序 缸体 类加工按照先面后孔，按照 粗 、 精加工 互相 原则。处理应遵循 先加工面后来加工 孔，第 一个基准，定位基准的表面处理。然后，整个系统的过程。地基处理的管道应遵循这一原则。平 平 面定位可 保证 定位 牢固 可靠，保证 各个 孔 的 加工 粗糙度和 精度。其次， 首先先加工面可以去除 铸件不均匀表面， 进而 孔加工 提供前提 ，也有利于保护 刀具 。 系加工方案选择 通过 缸体 的加工方案，应选择符合加工方法，加工精度和加工设备。 主要考虑加工精度和效率 ， 此外还有考虑 经济因素。了满足精度和生产率的要求，应选择在的最终价格。 根据基 缸体 部要求显示和生产力的要求，目前应用在镗床夹具镗床组合适于。 （ 1） 镗套加工 在大批量生产中，加 工管底座通孔通常是在组合镗床的镗模。加工孔镗夹具在设计和制造要求。当镗杆的镗套引导镗，镗模的精度直接保证孔的精度。 镗模提高系统抗振动 、 刚度。同时 加工几个工件的 过程。生产效率很高。结构复杂，成本高制造困难 ， 镗模制造和装配在夹具误差镗杆镗衬套磨损等原因。加工精度可通过钻孔获得也受到一定的限制。 3 （ 2）用坐标镗方法 在现代生产中，不仅要求产品的生产率高，而且可以实现大的品种和数量，和产品的升级换代，所需时间短。 普通的镗模加工 ，生产成本高，周期长，难满足要求，和坐标镗可以满足这一要求。镗加工模板还需要利用坐标镗床 。 随着坐标镗削的方法，需要 缸体 孔的和在直角坐标转换成的和公差的公差，然后用在笛卡尔坐标系统的运动精度镗。 体 加工定位基准的选择 基准的选择 基准的选择应满足下列要求： （ 1）保证每个重要支持均匀的加工余量； （ 2）保证零件和管壁有一定的差距。 了满足 要求，主要支持应作主要参考孔。作粗基准输入轴和输出轴。因此，主轴承孔的精定位，孔的加工余量必须统一。因与孔的位置，墙是相同的核心的位置。 基准的选择 从孔与孔的位置，孔与平面，平面与平面的位置。精基准的选择应能确保在整个过程的统一的管道基本上可以使用参考位置。从管底座零件图的分析，支撑孔平行并覆盖大面积的平面与主轴，适合用作精基准。但与平面定位只能三自由度的限制，如果使用一二孔定位方法对典型的全过程，基本能够满足定位要求的参考。最后，虽然是装配基准，但因它是对垂直主轴承孔的基础。 体 加工主要工序安排 用于零件的批量生产，总是首先产生均匀的基准。基管的处理的第一步是处理一个统一的基础。具体安排第一孔定位粗后，加工顶平面。第二步是定位两个工艺孔。由于顶面处理后到管道基础处理已经完成，除了个人的过程，作定位基准。因此，孔 底面也应在两个工艺孔加工工艺处理。 4 工序安排应该是尽可能地先加工表面然后再加工孔 。 首先 粗加工面， 然后 粗加工孔。螺纹孔钻床的钻头，切削力大，也应在粗加工阶段完成。对于 工件 ，需要精加工是支持前孔与平面结束后。根据以上原则应该先完成加工平面加工孔，但在本装置实际生产不易保证孔和端面互相垂直的。因此，工艺方案实际上是用于精加工轴承孔，从而支持扩孔芯棒定位端处理，所以容易保证的端部的图纸上的全跳动公差。螺纹孔攻丝时，切削力小，可以分散在 后期 阶段。 加工完成后，还要检验入库等操作，卫生打扫干净。 根据以上分析过程，现将 缸体 加工工艺路线确定如下： 工艺路线一： 10、铸造 20、人工时效 30、粗铣底面 40、钻底面孔 4x 9 扩孔至 15 深 9 2x 4 圆锥孔 配作 50、钻顶面通孔 2x 6 扩孔至 2x 孔口倒角 1 60、锪顶面孔 2x 24 深 2 70、攻螺纹孔 2 80、粗铣 35 端面 90、粗镗 中心孔 35 端面孔 3500、铣 8 凸台端面 110、钻中心孔 35 端面孔 6X 14 工螺纹孔 6 16 120、去毛刺 130、检验 140、入库 工艺路线二： 10、铸造 20、人工时效 30、粗铣底面 40、粗铣 35 端面 50、粗镗 中心孔 35 端面孔 35 5 60、铣 8 凸台端面 70、钻底面孔 4x 9 扩孔至 15 深 9 2x 4 圆锥孔 配作 80、钻顶面通孔 2x 6 扩孔至 2x 孔口倒角 1 90、锪顶面孔 2x 24 深 2 100、攻螺纹孔 2 110、钻中心孔 35 端面孔 6X 14 工螺纹孔 6 16 120、去毛刺 130、检验 140、入库 根据加工要求和提高效率时间等因素综合选择方案一： 10、铸造 20、人工时效 30、粗铣底面 40、钻底面孔 4x 9 扩孔至 15 深 9 2x 4 圆锥孔 配作 50、钻顶面通孔 2x 6 扩孔至 2x 孔口倒角 1 60、锪顶面孔 2x 24 深 2 70、攻螺纹孔 2 80、粗铣 35 端面 90、粗镗 中心孔 35 端面孔 3500、铣 8 凸台端面 110、钻中心孔 35 端面孔 6X 14 工螺纹孔 6 16 120、去毛刺 130、检验 140、入库 械加工余量、工序及毛坯的确定 “ 缸体 ”零件材料采用灰铸铁制造。 材料采用 造。材料是 度 240，大批量生产，铸造毛坯。 （ 1）底面的加工余量。 根据要求，面加工分粗、 精铣加工余量如下： 粗铣：参照工艺手册第 1 卷。其余量值规定 现取 精铣：参照手册，余量值 6 （ 3）螺孔毛坯实心，不冲孔 （ 4）端面加工余量。 端面分粗铣、精铣加工。各余量如下： 粗铣：参照工艺手册，其余量规定 取 （ 5）螺孔加工余量 毛坯实心，不冲孔。 定切削用量及基本工时（机动时间） 工序 1 无切削加工，无需计算 工序 2 无切削加工，无需计算 工序 3： 铣削底面 机床：铣床 具： 面铣刀 (硬质合金材料 )，材料： 15 100D ，齿数 5Z 。 单边余量： Z=3 以铣削深度 3pa 铣面余量 ： Z=削深度 每齿进给量 取 0 /fa m m Z ：取铣削速度 V m s 7 每齿进给量 取 f /取铣削速度 V m s 机床主轴转速 n ： 1 0 0 0 1 0 0 0 2 . 4 7 6 0 4 7 1 . 9 7 / m i 1 4 1 0 0 按照文献取 4 7 5 / m 实际铣削速度 v ： 3 . 1 4 1 0 0 4 7 5 2 . 4 9 /1 0 0 0 1 0 0 0 6 0m s 进给量 0 . 1 8 5 4 7 5 / 6 0 7 . 1 2 /a Z n m m s 工作台每分进给量 7 . 1 2 / 4 2 7 . 5 / m i m m s m m a ：取 0 切削工时 被切削层 l ：由毛坯可知 141l ， 68l 刀具切入 1l ： 221 0 . 5 ( ) (1 3 )l D D a 220 . 5 ( 1 0 0 1 0 0 6 0 ) ( 1 3 ) 1 2 刀具切出 2l ：取 2 走刀次数 1 机动时间 1 1211 4 1 1 2 2 0 . 3 6 m i 7 . 5j ml l lt f 机动时间 1 1216 8 1 2 2 0 . 1 9 m i 7 . 5j ml l lt f 所以该工序总机动时间 11 0 . 5 5 m i nj j jt t t 工序 40、钻底面孔 4x 9 扩孔至 15 深 9 2x 4 圆锥孔 配作 （ 1）钻 孔 切削深度给量 f ：根据 工艺手册 ，取 切削速度 V ：参照 工艺手册 ，取 8 机床主轴转速 n ： m n ，取 00 实际切削速度 V ： 被切削层 l ： 2 刀具切入 1l ： t gc t g 1(21 刀具切出 2l ： 12 取 2 走刀次数 1 机动时间m fn j（ 2） 锪平 15孔 切削深度给量 f ：根据 工艺手册 切削速度 V ：参照 工艺手册 取 机床主轴转 速 n ： m n ，取 00 实际切削速度 V ： 被切削层 l ： 2 刀具切入 1l ： t gc t g 1(21 刀具切出 2l ： 12 取 2 走刀次数 1 机动时间m fn 0、钻顶面通孔 2x 6 扩孔至 2x 孔口倒角 1 （ 1）钻 孔 切削深度进给量 f ：根据 工艺手册 ，取 切削速度 V ：参照 工艺手册 ，取 机床主轴转速 n ： m n ，取 00 9 实际切削速度 V ： 被切削层 l ： 2 刀具切入 1l ： t gc t g 1(21 刀具切出 2l ： 12 取 2 走刀次数 1 机动时间m fn j（ 1）钻 孔 切削深度给量 f ：根据 工艺手册 ，取 切削速度 V ：参照 工艺手册 ，取 机床主轴转速 n ： m n ，取 00 实际切削速度 V ： 被切削层 l ： 2 刀具切入 1l ： t gc t g 1(21 刀具切出 2l ： 12 取 2 走刀次数 1 机动时间m fn 0 锪顶面孔 2x 24 深 2 切削深度2进给量 f ：根据 工艺手册 ， 切削速度 V ：参照 工艺手册 ，取 机床主轴转速 n ： m n ，取 00 实际切削速度 V ： 被切削层 l ： 2 10 刀具切入 1l ： t gc t g 1(21 刀具切出 2l ： 12 取 2 走刀次数 1 机动时间m fn 80： 粗铣 35 端面 机床：铣床 具： 面铣刀（硬质合金材料） 00齿数 14Z 10 （ 1）粗铣 铣削深度每齿进给量据 工艺手册 ，取 削速度 V ：参照 工艺手册 ， 取 4 机床主轴转速 n ： m 0410001000 0 n ，取 00 实际铣削速度 V ： 进给量工作台每分进给量m a：根据 工艺手册 , 40被切削层 l ：由毛坯可知 41 刀具切入 1l ： 2)31()(21 刀具切出 2l ：取 2 走刀次数 1 机动时间1m mj （ 2）精铣 铣削深度每齿进给量据 工艺手册 ，取 削速度 V ：参照 工艺手册 ，取 6 11 机床主轴转速 n ： m 8 84 0 061 0 0 01 0 0 0 0 n ，取 00 实际铣削速度 V ： 进给量工作台每分进给量 m 30/被切削层 l ：由毛坯可知 41 刀具切入 1l ：精铣时 001 刀具切出 2l ：取 2 走刀次数 1 机动时间2m mj 本工序机动时间 m 工序 90 ： 粗镗 中心孔 35 端面孔 35床：卧式镗床 具：硬质合金镗刀，镗刀材料： 5 粗镗 35 孔 进给量 f ：刀杆伸出取 因此确定进给量 0 f mm r 。 切削速度 V ，取 2 . 0 / 1 2 0 / m i nV m s m 。 机床主轴转速 n ： 1 0 0 0 1 0 0 0 1 2 0 9 1 2 . 1 1 / m i 1 4 4 3 . 2 ， 按照参考文献，取 1 0 0 0 / m 实际切削 速度 v ： 3 . 1 4 4 3 . 2 1 0 0 0 2 . 2 4 /1 0 0 0 1 0 0 0 6 0m s 工作台每分钟进给量0 . 2 1 0 0 0 2 0 0 / m i f n m m 被切削层 l ： 15l 刀具切入 1l ：12 . 2( 2 3 ) 2 3 . 2 730p m mt g k t g 刀具切出 2l ： 32 取 2 行程次数 i ： 1i 机动时间121 1 5 3 . 2 7 4 1 0 . 1 1 m i l lt f 12 精镗 35 孔 粗加工后单边余量 给量 f ：刀杆伸出取 切削深度 因此确定进给量 0 /f m m r 切削速度 V ：取 2 . 1 / 1 2 6 / m i nV m s m 机床主轴转速 n ： 1 0 0 0 1 0 0 0 1 2 6 9 4 8 . 1 7 / m i 1 4 4 4 ， 按照参考文献，取 1 0 0 0 / m 实际切削速度 v ： 3 . 1 4 4 4 1 0 0 0 2 . 6 4 /1 0 0 0 1 0 0 0 6 0m s 工作台每分钟进给量0 . 1 5 1 0 0 0 1 5 0 / m i f n m m 被切削层 l ： 15l 刀具切入 1l ： 2(1 刀具切出 2l ： 32 取 2 行程次数 i ： 1i 机动时间222 1 5 3 . 5 4 1 0 . 1 0 4 m i 7 . 5l lt f 所以该工序总机动工时 0 . 1 1 0 . 1 5 0 . 2 6 m i 工序 9：铣削 铣 8 凸台端面 端面 机床：卧式镗床 具：镗刀 （硬质合金） ，镗刀材料： 5 铣削深度每齿进给量据 工艺手册 ，取 削速度 V ：参照 工艺手册 ，取 4 机床主轴转速 n ： m 0410001000 0 n ，取 00 实际铣削速度 V ： 进给量工 作台每分进给量m a：根据 工艺手册 , 40被切削层 l ：由毛坯可知 29 13 刀具切入 1l ： 2)31(21 刀具切出 2l ：取 2 走刀次数 1 机动时间m mj 工序 13： 钻中心孔 35 端面孔 6X 14 工螺纹孔 6 16 机床：组合钻床 具：麻花钻、扩孔钻、铰刀 （ 1）钻底面切削深度给量 f ：根据 工艺手册 ，取 切削速度 V ：参照 工艺手册 ，取 机床主轴转速 n ： m n ，取 00 实际切削速度 V ： 被切削层 l ： 0 刀具切入 1l ： t gc t g 1(21 刀具切出 2l ： 02 l 走刀次数 1 机动时间m fn 机床：组合攻丝机 刀具：钒钢机动丝锥 进给量 f ：由于其螺距 ,因此进给量 切削速度 V ：参照 工艺手册 ，取 m 48.0 机床主轴转速 n ： m 001 0 00 0 n ，取 50 丝锥回转转速0n：取 50 实际切削速度 V ： 14 由工序 4 可知： 0 02l 走刀次数 1 机动时间m fn 间定额计算及生产安排 设年 产量是 10 万件 。一年有 250个工作日。一个日产量 420。一天工作时间的计算8个小时，每部分的生产时间不应超过 械加工单（在上述生产类型）时间定额：大规模生产） 大规模生产： 参照工艺手册（生产类型：中批以上）时间计算公式： %)1)( （大量生产时 0/ 因此大批量单件时间计算： %)1)( 其中： 单件时间定额 基本时间（机动时间） 辅助时间。 k 布置场所地、休息时间占操作时间的百分比值 工序 1：粗、 精铣底面 机动时间照工艺手册，取工步辅助时间 在加工过程中 装卸短暂 ，所以取 装时间 则 m 根据工艺手册， 13k 单间时间定额 m 131)()1)( 工序 2：钻底面孔 机动时间照工艺手册，取工步辅助时间 装卸短暂 所以取 则 m 15 k ：根据工艺手册单间时间定 额 m i i )1)( 因此布置一台机床即能满足生产要求。 工序 3：粗铣凸台 机动时间照工艺手册，取工步辅助时间 加工过程中