C620-1主轴箱体机械加工工艺及工装夹具设计 (2套夹具)【含CAD图纸+PDF图】
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C620-1主轴箱体机械加工工艺及工装夹具设计
(2套夹具)【含CAD图纸+PDF图】
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山西工程技术学院山西工程技术学院毕毕业业设设计计说说明明书书毕业生姓名：张栋专业：机械设计制造及其自动化学号：150514013指导教师：张忠杰所属系（部）：机械电子工程系二二一九年六月一九年六月C620-1 主轴箱体机械加工工艺及工装夹具设计摘 要在全世界，机床夹具从诞生起就随着科技进步和机床工业的发展而发展，夹具作为机床工业的重要零部件之一，且是机床工艺装备制造产品的主流，夹具设计和机床的发展代表着国家综合实力的增强。C620-1 主轴箱体零件其用途主要是与车床联动工0 作。因此设计 C620-1 主轴箱体的加工工艺路线和工艺规程设计具备时效性和先行性，其次其夹具的作用是提高 C620-1 主轴箱体零件产品产量和加工质量要求。本文主要是就着 C620-1 主轴箱体的形状和尺寸进行合理的技术要求分析，然后确定毛坯的制造方法，在保证 C620-1 主轴箱体零件的加工精度要求和位置精度要求的前提下，设计一条适合批量加工 C620-1 主轴箱体零件的机械加工工艺路线。在理论上计算工序，然后设计组合夹具组件，保证 C620-1 主轴箱体的夹具组件符合实际加工的需求。关键词：C620-1 主轴箱体零件；图样分析；工艺规程；专用夹具Machining Technology and Fixture Design of C620-1 Spindle BoxAbstractIn the world, machine tool fixture has been developing with the progress of science and technology and the development of machine tool industry since its birth. As one of the important parts of machine tool industry, fixture is the mainstream of machine tool technology and equipment manufacturing products. The development of fixture design and machine tool represents the enhancement of national comprehensive strength.C620-1 spindle box parts are mainly used for interacting with lathes.Therefore, the design of processing technology route and process specification for C620-1 spindle box has timeliness and forerunner. The second function of fixture is to improve the output and processing quality of C620-1 spindle box parts.This paper mainly analyses the reasonable technical requirements for the shape and size of C620-1 spindle box, and then determines the manufacturing method of the blank. On the premise of guaranteeing the processing accuracy and position accuracy requirements of C620-1 spindle box parts, it designs a machining process route suitable for batch processing of C620-1 spindle box parts.In theory, the working procedure is calculated, and then the modular fixture assembly is designed to ensure that the fixture assembly of C620-1 spindle box meets the actual processing requirements.Key words: C620-1 spindle box parts; pattern analysis; process specification; special fixture目 录摘 要 .IABSTRACT.II1 绪论.11.1 本课题的研究内容和意义.11.2 国内外的发展概况.11.3 本课题应达到的要求.22 零件的图样分析.42.1 C620-1 的作用.42.2 C620-1 主轴箱体的图样分析.52.3 工艺分析.63 零件的工艺规程设计.73.1 确定毛坯的制造形式.73.1.1 选择毛坯的因素.73.1.2 C620-1 主轴箱体零件的材料和机械性能分析.73.1.3 选择毛坯的制造形式.83.2 定位基准的选择.83.2.1 粗基准的选择.93.2.2 精基准的选择.103.3 拟定工艺路线.103.3.1 加工方法的选择.103.3.2 工序合理的组合.113.3.3 安排加工顺序.113.3.4 拟定加工工艺路线.123.4 机床、工艺装备的选择.173.4.1 机床的选择.173.4.2 量具的选择.173.4.3 夹具的选择.173.4.4 刀具的选择.183.4.5 冷却液的选择.183.5 切削用量及工时定额的确定.184 专用夹具设计.344.1 夹具设计的目的.344.2 定位元件.344.2.1 钻孔定位元件的设计.354.2.2 镗孔定位元件的设计.364.3 夹紧元件.374.3.1 钻孔夹紧元件的设计.374.3.2 镗孔夹紧元件的设计.394.4 主要零部件设计.40参考文献.42外文资料.44中文译文.62致 谢.76山西工程技术学院毕业设计说明书1 绪论1.1 本课题的研究内容和意义机械以及产品是我们生活中不可或缺的一部分，小到手表，大到汽车卡车等等，这些机械和产品是我们不能离开的。当今世界逐渐高科技化、机械化、精密化。由于中小批产品越来越广泛，个性订制机械产品也在不断的与时俱进。随着时代的不断发展，科技是机械制造行业的核心之一。其中 C620-1 主轴箱体是型号为 C620-1的车床组件的主要零件之一，其中 C620-1 主轴箱体的作用和用途在领域上比较广泛，一法通则万法通。因此做好这类的设计，对我来说是锻炼自己的学识和经验。也是将来即将要从事这方便专业的打下了良好的基础。以下为 C620-1 主轴箱体零件的工艺规程设计思路主的要内容。C620-1 主轴箱体零件的工艺规程及专用夹具设计是对大学学习生活生涯所学的知识一次总结，因为它是我们离开大学提交的最后一份作业。相对于我们的机械专业，毕业设计成果就是给予大学走向社会的一张名片，具备资历和经验的积累。例如，在毕业前进行专门针对 C620-1 主轴箱体零件的设计可以灵活的综合运用相关知识、加强学习相关知识，从而提高自我的锻炼能力以及分析和解决问题的能力。进行 C620-1 主轴箱体零件的加工工艺规程和钻、镗孔专用夹具的设计，是为了全面复习大学学涯的课程知识，加强对机械制造方面的认识，培养了解决机械加工工艺的问题，提高了综合运用所学知识分析与解决工程实际问题的能力。借此综合检测自己在大学的试金石。具有重要意义。1.2 国内外的发展概况C620-1 主轴箱体零件产品在激烈的产品市场竞争中，如何有效的对变化的市场需求做出快速反应，C620-1 主轴箱体零件在市场中零件的结构的变化越来越快，基本上趋向于高质量、高效率、高产量、个性化方向发展。本文针对其中一个 C620-1主轴箱体的产品设计加工工艺过程针对零件结构的工艺性做出合理的分析，并且以传统和数控相结合机械加工工艺方法设计针对 C620-1 主轴箱体产品的全新的加工工艺步骤。现代社会虽然有了数控加工和计算机加工异军突起，但是大主流方向还是山西工程技术学院毕业设计说明书以传统机械加工工艺方法为主。机械加工工艺相比数控加工等，主要优势是价格低廉，生产成本较低。因此设计以传统机械加工工艺技术为主的设计 C620-1 主轴箱体零件的毛坯加工等。随着社会的发展和人类的进步，人们对日常生活和工作中的材料的需求也变得非常多样化和复杂。传统的简单产品已经不能满足人们的需求了。此外，在企业和工厂的经营中，所需的工具不断完善和多样化，给制造业带来了新的问题。个性化社会导致制造产品的定制越来越少，更多的是需求更多的品种较少的质量，这一小部分的生产方式的价值是对传统机械加工行业的挑战。加工技术是一种新兴的科学理论和方法，可以解决制造和制造过程中存在的问题和矛盾。当然这里包括 C620-1主轴箱体零件结构上的优化以及对性能的提高有所需求。 1.3 本课题应达到的要求C620-1 主轴箱体是 C620-1 的车床组件的主要组成部分，因而选择 C620-1 主轴箱体作为毕业设计课题题目具有重要意义。因此 C620-1 主轴箱体零件的机械加工工艺过程中，要分析 C620-1 主轴箱体零件的形状组成部分以及它的各个尺寸精度要求、粗糙度等要求都会影响到加工步骤生产出来的产品质量是否能够得到保证以及是否能满足零件实际工作需要。而且这些也会成为设计专用夹具的主要前提之一。因此在设计 C620-1 主轴箱体零件的加工步骤要保证其零件的要求是否符合合理，是否具有科学性以及能否在现实当中的可行性。本文主要设计专用夹具设计，为了保证批量生产 C620-1 主轴箱体零件，选择合适的定位元件和夹紧元件等。因此详细的介绍组合夹具的定位过程以及夹紧过程等。说明书针对 C620-1 主轴箱体零件产品的特点，分析其产品机械加工工艺，确定工艺路线，制定了工艺流程，进行工艺方案设计，包括定位基准的选择、平面系和孔系的不同的加工方法、刀具材料的选取、工序切削参数选取、以及专用夹具设计的计算步骤等。加深对机械加工工艺方法的了解和掌握，将所学的机械加工知识与实际加工相结合，提高自我学习的专业职业素养。本次设计课题目的主要是 C620-1 主轴箱体零件的工艺规程设计以及钻、镗专用夹具设计。其具体设计流程主要包括以下：山西工程技术学院毕业设计说明书1.C620-1 主轴箱体零件图以及装配图绘制（利用 CAD 设计二维图），并进行工艺性分析；2.确定 C620-1 主轴箱体零件的毛坯类型以及制造方法；3.综合设计 C620-1 主轴箱体零件的加工工艺分析；4.根据 C620-1 主轴箱体的加工步骤合理选择或设计切削刀具；5.根据以上合理选择数值，进行计算其切削数值的可行性；6.主要设计专用夹具设计（定位元件、夹紧元件、定位误差、简要操作等等）。 山西工程技术学院毕业设计说明书2 零件的图样分析2.1 C620-1 的作用C620-1 主轴箱体零件如图 2.1 主视图及图 2.2 侧视图所示，其主要作用是：C620-1 主轴箱体零件是 C620-1 机器或部件的基础零件，C620-1 车床是将主电机传来的旋转运动机械能经过车床构建的变速机构系统将 C620-1 主轴得到所需的正反两种方向的移动，同时 C620-1 车床也会分出部分将机械能传给丝杠运动，这样一来就完成了 C620-1 车床工作运动。1在这运动中，它是将轴类零件、箱体类零件、套类零件、齿轮类零件等众多零件组成一个 C620-1 车床组件。他们之间各自发挥不同的作用，其中主轴箱体零件是将机床中有关零件（例如轴、套、齿轮等）组成一个整体并且之间保持相对正确的位置上。且提供保护作用。因此 C620-1 主轴箱体是C620-1 车床主传动系统的关键零件、且 C620-1 主轴箱体零件的加工质量要求和技术要求都会影响到 C620-1 车床加工精度、性能以及使用寿命。2图图 2.12.1 C620-1C620-1 主视图主视图山西工程技术学院毕业设计说明书图图 2.22.2 C620-1C620-1 侧视图侧视图2.2 C620-1 主轴箱体的图样分析在确定 C620-1 主轴箱体零件的工艺规程设计之前，需要着重于 C620-1 主轴箱体零件的工作图样，熟悉该零件的用途，性能以及其工作要求。而且要注意到C620-1 主轴箱体零件整体的粗糙度、形位公差等位置度、形状度等要求。这些都关乎到 C620-1 主轴箱体零件制定工艺规程及夹具设计过程方方面面。上述描述图 2.1 主视图及图 2.2 侧视图所示，此类零件形状和尺寸属于箱体类零件，其中主要结构是孔系、平面系、螺纹系等系列。结构构造非常复杂，材料图中给出此零件牌号是 HT200，也属于本文灰铸铁的范畴。且加工精度要求也很高，具体表现如下：1.粗糙度要求：主轴箱体的下平面的粗糙度为去除材料的方式得到的 3.2m；上平面的粗糙度为去除材料的方式得到的 3.2m。前、后两端面的粗糙度为去除材料的方式得到的1.6m。左端表面粗糙度为去除材料方式得到的 0.8m（其中斜面的粗糙度为6.3m）。内孔 85 孔壁的粗糙度去除材料的方式得到的 1.6m，其余的平面系山西工程技术学院毕业设计说明书孔系的粗糙度各自分别为去除材料的方式得到的 0.8m、1.6m、3.2m、6.3m等。由此来看加工精度较高。32.形位公差要求：右端面的相对于整体有平面度的要求，其公差为 0.1mm；内孔 130 的相对于箱体零件圆柱度有一定的位置度要求，其公差为 0.008mm；内孔 140 过渡与内孔130 之间有同轴度的要求，且其中公差为 不超过 0.02mm。其余的形位公差的具体要求在附录一一标明，且其中针对专用夹具设计的位置度的公差需要有所根据。2.3 工艺分析本文的 C620-1 主轴箱体零件的结构工艺性分析是指在满足 C620-1 主轴箱体零件的使用性能和能保质保量在工作环境的前提下，是否能以高的生产率和降低生产成本快速而方便的加工出来的特性。其主要内容如下：1.C620-1 主轴箱体零件内孔结构比较简单、沿着轴线相当对称。且所有内孔的轴线都与各自的端面垂直。2.C620-1 主轴箱体零件的平面系列以及内孔系列结构比较复杂，但是其底面以及其他的端面适合定位，必要时可选择内孔辅助定位。因此只要定位得当，加工难度就会变得降低，有利于降低生产成本，减少定位基准的误差。3.C620-1 主轴箱体零件各内孔适合排屑方便。4.C620-1 主轴箱体零件作为 C620-1 车床主传动系统的主要支承零件，上述大小不同内孔彼此之间具有一定的位置度要求。且在以下的毛坯的要求，有的内孔需要铸出保持一定的要求，有的零件不铸出但留有余量。因此这些都需要很高的精度的控制。当然在保证孔系和平面系之间相互位置精度。应根据专用夹具设计的钻孔、镗孔来决定的。5.其主要加工面是进行表面加工、孔加工、钻孔、攻丝，孔的精度要求高。该零件年生产属小批量生产，设计加工零件所需要的专用夹具是为了提高劳动效率、降低成本。山西工程技术学院毕业设计说明书3 零件的工艺规程设计3.1 确定毛坯的制造形式3.1.1 选择毛坯的因素零件材料的工艺特性和力学性能大致决定了毛坯的种类。例如铸铁零件用铸造毛坯；钢质零件当形状较简单且力学性能要求不高时常用棒料，对于材质是属于钢类的毛坯，为了获取优越的机械性能、具备良好的强度和刚度等条件下，应选用锻造（个别钢类可采用铸造的方式例如铸钢），当毛坯的结构上形状比较复杂，而且对力学性能要求较低时用选择铸钢类型；有色金属材料的毛坯（例如铝合金等）毛坯，通常选用的是铸造毛坯，如果形状是圆柱体，可选择棒料（或下料），形状是板类构造可选择为型材。43.1.2 C620-1 主轴箱体零件的材料和机械性能分析1由于 C620-1 主轴箱体零件除内孔外，大部分的加工表面加工精度高，且加工表面的铸造刚性比较差且强度比较差强人意。因此 C620-1 主轴箱体零件需要经过几次加工才能达到图纸加工要求。2为了使金属容易加工和切削以及减少工序数目，箱体铸件外形应力求简单、平直的对称，避免箱体铸件截面间差别过大难以加工，避免在有薄壁、高台、高筋等加工表面加工，因为加工容易破坏零件的刚性和强度，增加废品率的产生。3箱体零件的切削加工中应避免深度过高孔或多孔等加工方法。4箱体铸件的整体结构应力求简单。5尽量使箱体铸件的工艺基准以设计基准相一致。6选择合适的工艺基准便于装夹、加工和检查。7考虑到本文的成本和加工难度需要结构要素统一，尽量使用普通工艺设备和标准刀具进行加工。因此可供选择的铸件的毛坯材料有很多，例如：铸铁类：HT200、HT150、HT250、Q235 等，钢类：ZG25 等。一般来说，制造主轴箱体的材山西工程技术学院毕业设计说明书料是铸铁类零件，由于主轴箱体的一般选择用的是灰口铸铁。虽然近年来一部分主轴箱体开始选用铸钢类零件，但是铸铁还是比较适合主轴箱体类零件的加工。牌号 HT200 铸铁的硬度为 200HBS，其中，它的被切削性能和抗振性非常优越，而且最重要的选择因素是铸造工艺性是非常优越的。上述 C620-1 主轴箱体结构比较复杂，因此铸造工艺性加工的话，可以提高零件的产品产量和工作效率。而且价格比钢铁材质便宜。成本低廉。这么多的优势最终选择为综合选择确定牌号 HT200 灰铸铁作为主轴箱体类零件的材质。3.1.3 选择毛坯的制造形式由于此零件的结构形状属于薄壁箱体类零件，因此无法使用砂型制造，且砂型制造并不能达到图纸的非加工表面的粗糙度。因此选择其他的制造方法有模具制造以及焊接制造。其中毛坯的大部分采用的是铸件，其尺寸和重量都很大，因此模具制造并不适合此类的加工方法。因此选择焊接制造方法。焊接结构可以采取用小型的铸造设备铸造出大型 C620-1 主轴箱体毛坯。这样一来可以解决铸造设备的性能不达标以及生产能力不足。还可以减轻机床加工的负荷。在针对 C620-1 主轴箱体进行机床切削加工之前，为了消除毛坯的内应力，因此需要在针对 C620-1 主轴箱体铸造出来的毛坯进行时效处理。由于采用小批小量生产类型。根据 C620-1 主轴箱体零件主要的加工表面的粗糙度查参考文献机械制造工艺简明手册确定各表面加工余量。53.2 定位基准的选择根据 C620-1 主轴箱体零件图选好 C620-1 主轴箱体在夹具的定位基准，可以提高定位基准和减少定位误差的超出。因此有效的定位基准可以提高工作效率和产品产量的增加。减少资源的浪费。基准一共有粗基准、精基准两种设计基准。前者是用未加工过的毛坯表面作为定位基准（一般是第一道工序为粗基准）；后者是已经加工过的毛坯表面。除此之外，还有辅助基准。辅助基准是辅助定位不加工毛坯表面，但是本身并不占有一定的自由度。不过文本并不需要辅助基准。山西工程技术学院毕业设计说明书选择定位基准要遵循基准重合原则，即力求没计基准、工艺基准和定位基准保持统一，这样做可以减少两个定位基准不能重合产生的一些误差的计算量，并且还能减少夹具的装夹次数。要求设计的夹具要结构简单。但是精基准和粗基准在实际定位过程中一般往往出现互相矛盾的主要情况，不得尽善尽美，所以应该从加工技术角度和经济成本角度的两方面来进行合理性、科学性的分析，抓住他们之间的矛盾，进行择选粗基准和精基准。3.2.1 粗基准的选择选择粗基准时，主要要求保证各加工面有足够的余量， 使加工面与不加工面间的位置符合图样要求，并特别注意要尽快获得精基面。具体选择时应考虑下列原则。（1）选择重要表面为粗基准。（2）为保证不加工表面与加工表面间的位置精度，一般选择始终不加工表面作粗基准。（3）若零件上有不少不加工表面，则应选择其中与加工表面位置精度要求高的表面（或公差小的表面）作粗基准。（4）若工件上各表面均需加工，为保证各加工表面都有足够的余量，应选择毛坯上余量最小的表面作粗基准。（5）粗基准在同一尺寸方向上只能使用一次。根据零件生产纲领和铸造方式的不同，主要是实现以 C620-1 主轴箱体零件当中的主轴孔作为粗基准的工件安装方式也不一样。倘若是采取大批大量生产零件的加工，由于毛坯的加工精度较高，因此可以选择 C620-1 主轴箱体零件的重要内孔在专用夹具上进行有效的定位，因此工件会安装迅速。则单件、小批及中批中量生产时，如果采取上述的主轴孔定位的话，会容易造成主轴箱体零件的外轮廓加工偏斜，甚至会导致加工余量的不足。因此选择第一道工序采用划线找正，然后以 C620-1 主轴箱体零件主轴孔及中心线为粗基准，且需要划线找正及时对主轴孔的加工余量及时调整。但加工余量不必均匀。山西工程技术学院毕业设计说明书3.2.2 精基准的选择1.“基准重合”原则：一般情况下是经过二次加工（精加工）后的表面或孔，其中可供选择的加工表面或孔有很多。其中，要确定的就是设计基准可以作为定位基准，尽量避免误差结果过大。这样的好处是可以避免基准不重合引起的误差分析。2.“基准统一”原则：尽量选择 C620-1 主轴箱体零件的同一个定位基准面，防止更换定位基准产生的定位误差过大。是同样的条件下，在被加工零件的同一个定位基准加工表面加工最多的加工表面或孔。这样可以减少基准的换算以及可以保证彼此之间的位置精度要求。3.“自为基准”原则：尽量选择 C620-1 主轴箱体零件的精加工表面作为基准面。4.“互为基准”原则：当 C620-1 主轴箱体零件的两个加工表面相互位置精度、形位公差之间的联系及自身形状大小结构、尺寸精度都要求较高时，可采用“互为基准”方法，反复加工。该零件以底面和前、后（或左、右）端面定位基准，C620-1 主轴箱体上的装配基准为平面，而它们又是 C620-1 上其他要素的设计基准，因此以这些装配基准平面作为定位基准，避免了基准不重合误差，有利于提高 C620-1 主轴箱体上各主要表面的相互位置精度。底面和左端面。3.3 拟定工艺路线3.3.1 加工方法的选择1.加工余量的方法：合理确定加工余量，是对加工质量和提高生产率和降低生产成本具有重要意义。2.选择合理的加工步骤：分析平面或内孔等，分析需要用什么方法加工。例如粗、精镗 32, 30,25 孔，可以看出此内孔加工精度要求高，因此选择粗镗、精镗一系列加工达到图纸要求。倘若选择钻孔的话，内孔过大且不适合定位，且加工精度不一定能满足图纸要求。山西工程技术学院毕业设计说明书3.选择刀具：刀具的材质或直径、大小等，都会影响加工工艺。例如加工内孔40，高速钢麻花钻加工内孔，其刀具材质不适合加工，因为容易折断等。但换上硬质合金刀具适合加工。根据不同的情况合理选择刀具，防止刀具过早折断等问题，影响加工效率以及提高加工成本等我问题。3.3.2 工序合理的组合3.3.2.1 确定工序的集合与分散确定工序的集合与分散工序的合理组合关系到 C620-1 主轴箱体零件的生产纲领以及各自加工平面系、孔系的结构特点以及技术加工精度要求进行分析，以此为基础确定加工工艺路线的工序数目以及工序的分散还是集合。3.3.2.2 由于零件结构繁杂，故采取工序集中的阶段。由于零件结构繁杂，故采取工序集中的阶段。工序集中就是将零件的加工集中在少数几道工序中完成，每道工序加工的内容多。与之对应的是工序分散。工序集中特点：减少了设备的数量等工序集中有以下特点：（1）采用高效率专用设备和工艺设备，大大提高了生产率。（2）减少了设备的数量，相应地也减少了操作工人和生产面积。（3）减少了工序的装夹次数。工件在一次装夹中可加工多个表面，有利于保证这些表面之间的相互位置精度。减少装夹次数，也可减少装夹所造成的误差。（4）减少工序数目，缩短了工艺路线，也简化了生产计划和组织工作。（5）缩短了加工时间，减少了运输工作量，因而缩短了生产周期。（6）专用设备和工艺装备较复杂，生产准备周期长，更换产品较困难。一般情况下，单件小批生产中，为简化生产管理，多将工序适当集中。但由于不采用专用设备，工序集中程序受到限制。结构简单的专用机床和工夹具组织流水线生产。3.3.3 安排加工顺序3.3.1.1 零件的加工质量要求较高时，常把整个加工过程划分为几个阶段零件的加工质量要求较高时，常把整个加工过程划分为几个阶段：山西工程技术学院毕业设计说明书（1）粗加工阶段粗加工阶段是为了去除大部分得我切削金属层，是为后续的精加工工序创造足够的余量，而且提供半精加工阶段、精加工的阶段提供精确的定位基准。有利于减少基准的转角（或移动）误差的。而且在粗加工阶段完成时，可以测量发现毛坯表面系或孔系是否存在裂纹等缺陷故障，有利于减少资源的浪费以及基本工时的浪费。而且在粗加工阶段，夹具装夹的夹紧力大，很容易对定位表面造成应力的变化以及变形的伤害，因此平面系和孔系的加工精度低。（2）半精加工阶段半精加工的阶段是完成次要（第二级别）的加工表面（平面系或孔系）的精加工做准备。且进一步切削余量保证留有精加工阶段切除的余量。设计这个加工阶段的好处是可以减少因切削力和夹紧力造成的铸件内应力以及基准定位移动（或转角）误差。（3）精加工阶段精加工阶段是在粗加工阶段和半精加工的阶段上切除剩余的金属层余量。这样可以减少切削力对加工表面的破坏且其中的粗糙度、形状位置几何精度的要求也会达到图纸的要求。此外，需要将精加工阶段排后，这样可以精加工平面系、孔系的损伤。有利于提高加工精度要求。最重要的就是能够保证零件的精加工表面的质量要求能够达到图纸加工的需求。（4）光整加工阶段光整加工阶段主要加工的方法是刨、磨等加工方法，目的是需要进一步提高加工质量的要求，即提高加工精度要求和降低粗糙度（一般是 IT7 级以下）要求。3.3.1.2 总结划分加工阶段总结划分加工阶段：（1）粗加工阶段尽快切除一定余量提供定位基准。（2）半精加工阶段切除进一步的切削余量减少对表面的破坏。（3）精加工阶段切削剩余的余量保证加工表面的精度质量要求。（4）光加工阶段个别高精度要求加工表面最后的切削余量保证精度等级。山西工程技术学院毕业设计说明书3.3.4 拟定加工工艺路线由上述技术要求和粗糙度以及定位基准等条件进行合理的分析，该 C620-1 主轴箱体零件的主要加工表面是孔系、平面系。以下专用夹具设计主要加工的是夹具设计。一般情况下，保证平面的加工精度要比保证孔系的加工精度容易。因此，对于C620-1 主轴箱体零件来说，确保孔系和平面系在加工过程中保持着加工尺寸精度要求及他们彼此之间的位置精度要求。加工方案的选择主要考虑上述零件结构工艺性分析，主要是综合选择加工工艺装备（机床、刀具、冷却液、夹具等等），然后考虑被加工的零件加工表面和孔系的加工精度和定位基准等等。合理设计以下初拟两种关于 C620-1 主轴箱体的加工工艺路线方案，并进行分析和选择。表表 3.13.1 工艺路线方案一工艺路线方案一工序号工序内容10铸造,清理20粗铣 C620-1 箱体底平面30铣削 C620-1 箱体顶部平面，保证尺寸及粗糙度要求40精铣 C620-1 箱体底平面，保证尺寸及粗糙度要求50铣底部凸台 32X40 侧面60铣底部凸台 3X3 退刀槽70钻底面 2-17, 钻底面 2-M16, 锪平 3280以底平面和底面任意 2 孔为基准，粗铣前后侧面90以底平面和底面任意 2 孔为基准，粗铣左右侧面100粗、精铣 88X392 的台阶面110铣 10 度的斜面120以底平面和底面任意 2 孔为基准，粗镗 140, 90,72,62，30 孔130以底平面和底面任意 2 孔为基准，半精镗粗镗 140, 90,72,62，30 孔140以底平面和底面任意 2 孔为基准，精镗粗镗 140, 90,72,62，30 孔山西工程技术学院毕业设计说明书150粗、精镗 32, 30,25 孔160粗、精镗 130, 90,62 孔170钻前端面各个小孔,螺纹孔进行攻丝180钻后端面各个小孔,螺纹孔进行攻丝190钻左端面各个小孔,螺纹孔进行攻丝200钻右端面各个小孔,螺纹孔进行攻丝210粗、精铣顶部平面油槽220钻顶部平面各个小孔,螺纹孔进行攻丝230底平面螺纹孔 2XM16 进行攻丝240钻底部凸台螺纹孔 2XM10 进行攻丝250去毛刺260检验入库表表 3.23.2 工艺路线方案二工艺路线方案二工序号工序内容10铸造,清理20时效处理30对零件的轴线及以主轴孔为基准画加工面的线，了解各道工序加工要求及加工余量40按线找正粗铣 C620-1 箱体底平面50铣削 C620-1 箱体顶部平面，保证尺寸及粗糙度要求60精铣 C620-1 箱体底平面，保证尺寸及粗糙度要求70铣底部凸台 32X40 侧面80铣底部凸台 3X3 退刀槽90钻底面 2-17, 钻底面 2-M16 底孔, 锪平 32100以底平面和底面任意 2 孔为基准，粗、精铣前后侧面110以底平面和底面任意 2 孔为基准，粗、精铣左右侧面120粗、精铣 88X392 的台阶面山西工程技术学院毕业设计说明书130铣 10 度的斜面140以底平面和底面任意 2 孔为基准，粗镗粗镗 140, 90,72,62，30 孔150以底平面和底面任意 2 孔为基准，半精镗粗镗 140, 90,72,62，30 孔160以底平面和底面任意 2 孔为基准，精镗粗镗 140, 90,72,62，30 孔170粗、精镗 32, 30,25 孔180粗、精镗 130, 90,62 孔190钻前端面各个小孔,螺纹孔进行攻丝200钻后端面各个小孔,螺纹孔进行攻丝210钻左端面各个小孔,螺纹孔进行攻丝220钻右端面各个小孔,螺纹孔进行攻丝230粗、精铣顶部平面油槽240钻顶部平面各个小孔,螺纹孔进行攻丝250底平面螺纹孔 2XM16 进行攻丝260钻底部凸台螺纹孔 2XM10 进行攻丝270去毛刺280检验入库方案一和方案二的相同点都是将镗孔的加工阶段，例如（粗镗、半精镗、精镗）分开进行切削加工，可以做到粗精分开的原则，可以做到上述避免粗精不分造成工件加工表面的应力不能释放造成零件的加工表面的伤害。不同点是方案一相比方案二缺乏时效处理以及划线找正处理。上述此零件需要时效处理，由于是焊接铸造形成的零件毛坯充满了内应力，但是不经过时效处理，里面的内应力无法释放，造成加工表面的伤害。因此设计时效处理是有必要的。装夹的方式是因为需要划线找正的方式作为基准，其各道工序的加工要求以及加工余量的确定都需要有零件的加工方法。没有划线找正的话，在如此尺寸较大且结构复杂的零件的加工很容易加工错误，而且也需要能力较高的工作人员进行加工。综上选择方案二作为 C620-1 主轴箱体零件的加工工艺路线。表表 3.33.3 C620-1C620-1 主轴箱体零件的加工工艺路线主轴箱体零件的加工工艺路线山西工程技术学院毕业设计说明书工序号工序内容10铸造,清理20时效处理30对零件的轴线及以主轴孔为基准画加工面的线，了解各道工序加工要求及加工余量40按线找正粗铣 C620-1 箱体底平面50铣削 C620-1 箱体顶部平面，保证尺寸及粗糙度要求60精铣 C620-1 箱体底平面，保证尺寸及粗糙度要求70铣底部凸台 32X40 侧面80铣底部凸台 3X3 退刀槽90钻底面 2-17, 钻底面 2-M16, 锪平 32100以底平面和底面任意 2 孔为基准，粗、精铣前后侧面110以底平面和底面任意 2 孔为基准，粗、精铣左右侧面120粗、精铣 88X392 的台阶面130铣 10 度的斜面140以底平面和底面任意 2 孔为基准，粗镗粗镗 140, 90,72,62，30 孔150以底平面和底面任意 2 孔为基准，半精镗粗镗 140, 90,72,62，30 孔160以底平面和底面任意 2 孔为基准，精镗粗镗 140, 90,72,62，30 孔170粗、精镗 32, 30,25 孔180粗、精镗 130, 90,62 孔190钻前端面各个小孔,螺纹孔进行攻丝200钻后端面各个小孔,螺纹孔进行攻丝210钻左端面各个小孔,螺纹孔进行攻丝220钻右端面各个小孔,螺纹孔进行攻丝230粗、精铣顶部平面油槽240钻顶部平面各个小孔,螺纹孔进行攻丝250底平面螺纹孔 2XM16 进行攻丝山西工程技术学院毕业设计说明书260钻底部凸台螺纹孔 2XM10 进行攻丝270去毛刺280检验入库3.4 机床、工艺装备的选择3.4.1 机床的选择（1）铣削加工设备：型号为 X52K 的立式铣床（针对工序 40-60、230 号）、型号为 X6132 的卧式铣床（针对工 70、80、120、130 号）、型号为 X63 的卧式铣床（针对工序 100-110 号）。（2）钻削加工设备：型号为 Z525 的立式钻床（针对工序 90、240-260 号）和型号为 Z300 的组合钻床（针对工序 190-220 号）。（3）镗削加工设备：型号为 T612 的卧式镗床（针对工序 140-180 号）。3.4.2 量具的选择主要选择 0-200mm 游标卡尺，可以符合其测量的要求。是能测量被加工工件的长度尺寸、内外径尺寸、深度尺寸以及各自的加工精度要求，可以精确到 0.02mm 的误差范围。是一个广泛使用还相对比较可靠的量具。其中测量工具游标卡尺的结构上主要是从主尺主零件和附在主尺上能滑动的游标零部件构成的。其中游标卡尺是有深度尺配件的，并与游标卡尺主尺连接在一起的，因此可以测量被加工件的内槽和圆筒等的深度。其中具体测量的范围主要表现以下四个方面：（1）可测量被加工的工件长度和宽度、高度等；（2）可测量被加工的工件的外圆弧以及外直径等；（3）可测量被加工的工件的内圆弧以及内孔（筒等形状）的直径等；（4）可测量被加工的工件槽（或筒、或孔等）的深度。山西工程技术学院毕业设计说明书3.4.3 夹具的选择能方便地让工件在机床上定位、夹紧和引导刀具工艺装备，称为夹具。其中主要选择的是专用型夹具。专用型夹具适合中、小批量生产，而且具有强烈的针对性，以及提高劳动生产率、并获得较高的加工精度。缺点是更换专用夹具时间长，而且不通用。3.4.4 刀具的选择刀具选择关系到机床对被切削工件进行加工的主要工艺装备之一。其中刀具的材质、刀具的型号、刀柄的长短等等都会影响被切削的工件加工表面。近年来陶瓷材质、可转位、复合型等等刀具异军突起，这些都有利于切削被切削加工件。但是在性价比上还是比高速钢、硬质合金等材质的刀具稍逊一筹。因此各有各的优劣。应根据被切削加工工件的过程中合理的选择刀具。3.4.5 冷却液的选择冷却液的种类有很多，主要是对硬质合金材质的刀具进行冷却，避免水冷却造成刀具寿命缩短以及该工件切削层的裂痕。综合选择为价格便宜和性能比较好的乳化液作为冷却液适合大部分硬质合金材质的刀具进行切削。3.5 切削用量及工时定额的确定1 工序工序 40-粗铣粗铣 C620-1 箱体底平面箱体底平面选择刀具：查机械加工工艺师手册表 1.2-14 选择硬质合金材质的面铣刀，齿数，粗齿mmD1108Z切削深度：=2mmpapa确定每转进给量：，zf0.2mm / zzf 确定进给量：(3.1)f0.281.6/zffzmm r确定切削速度：，择选=80m/mincv60 110m/ mincv cv山西工程技术学院毕业设计说明书换算成主轴转速则110mmod (3.2)01000100080232 /d3.14 110cvnr mm相近的转速为 235r/min。换算成实际切削速度：81m/min(3.3)1000n dv基本工时：被切削长度，进给次数为2513lmmi 切入长度，切出长度是，取，112lmm21 3lmm22lmm(3.4)0.28235376/ minMczff znmm 则有：2.8min(3.5)12jMclllTif2 工序工序 50-铣削铣削 C620-1 箱体顶部平面，保证尺寸及粗糙度要求箱体顶部平面，保证尺寸及粗糙度要求选择刀具：硬质合金材质的面铣刀，齿数，粗齿130Dmm8Z切削深度：=2mmpapa确定每转进给量：，zf0.2mm / zzf 确定进给量：f(3.6)0.281.6/zffzmm r确定切削速度：，择选=80m/mincv60 110m / mincv cv换算成主轴转速则130mmod (3.7)01000100080196 /d3.14 130cvnr mm相近的转速为 190r/min。换算成实际切削速度：78m/min (3.8)1000n dv基本工时：被切削长度，进给次数为3516lmmi 切入长度，切出长度是，取，115lmm21 3lmm22lmm山西工程技术学院毕业设计说明书(3.9)0.2 8 190304/ minMczff znmm 则有：8.4min(3.10)12jMclllTif3 工序工序 60-精铣精铣 C620-1 箱体底平面，保证尺寸及粗糙度要求箱体底平面，保证尺寸及粗糙度要求选择刀具：硬质合金材质的面铣刀，齿数，细齿mmD11012Z 切削深度：=1mmpapa确定每转进给量：，zf0.12mm / zzf 确定进给量：(3.11)f0.12 121.44/zffzmm r确定切削速度：，择选=120m/mincv78 143m / mincv cv换算成主轴转速则110mmod (3.12)010001000 120347 /d3.14 110cvnr mm相近的转速为 375r/min。换算成实际切削速度：130m/min(3.13)1000n dv基本工时：被切削长度，进给次数为2513lmmi 切入长度，切出长度是，取，112lmm21 3lmm22lmm(3.14)0.12 12375540/ minMczff znmm则有：1.95min (3.15)12jMclllTif4 工序工序 70-铣底部凸台铣底部凸台 32X40 侧面侧面选择刀具：硬质合金材质的面铣刀，齿数，粗齿50Dmm6Z 切削深度：=2mmpapa山西工程技术学院毕业设计说明书确定每转进给量：，zf0.15mm / zzf 确定进给量：(3.16)f0.15 60.9/zffzmm r确定切削速度：，择选=60m/mincv60 110m / mincv cv换算成主轴转速则50mmod (3.17)01000100060382 /d3.1450cvnr mm相近的转速为 400r/min。换算成实际切削速度：62.8m/min(3.18)1000n dv基本工时：被切削长度，进给次数为172lmmi 切入长度，切出长度是，取，116lmm21 3lmm22lmm (3.19)0.26400480/ minMczff znmm 则有：0.19min 12jMclllTif5 工序工序 80-铣底部凸台铣底部凸台 3X3 退刀槽退刀槽选择刀具：高速钢材质的面铣刀，齿数，粗齿10Dmm3Z 切削深度：=3mmpapa确定每转进给量：，zf0.15mm / zzf 确定进给量：(3.20)f0.15 30.45/zffzmm r确定切削速度：，择选=18m/mincv15 21m / mincv cv换算成主轴转速则10mmod (3.21)010001000 15478 /d3.14 10cvnr mm相近的转速为 510r/min。山西工程技术学院毕业设计说明书换算成实际切削速度：16m/min (3.22)1000n dv基本工时：被切削长度，进给次数为140lmmi 切入长度，切出长度是，取，17lmm12 5lmm13lmm(3.23)0.45 3 510688.5/ minMczff znmm 则有：0.07min (3.24)12jMclllTif6 工序工序 90-钻底面钻底面 2-17, 钻底面钻底面 2-M16, 锪平锪平 32这里主要是加工内孔 2-17选择刀具：麻花钻，17Dmm切削深度：8.5mmpa 确定进给量：，择选f0.18 0.25mm / rf =0.22mm/r(3.25)f确定切削速度：，择选=20m/mincv10 18m / mincv cv换算成主轴转速(3.26)01000100020375 /d3.14 17cvnr mm相近的转速为 392r/min。换算成实际切削速度：(3.27)3923.14 1721/ min10001000n dvm基本工时：孔深，进给次数为222lmmi 切入长度，切出长度是，取，116.5lmm21 4lmm23lmm则有：0.96min (3.28)12jlllTifn山西工程技术学院毕业设计说明书7 工序工序 100-以底平面和底面任意以底平面和底面任意 2 孔为基准，粗铣前后侧面孔为基准，粗铣前后侧面选择刀具：硬质合金材质的面铣刀，齿数，粗齿120Dmm8Z 切削深度：=2mmpapa确定每转进给量：，zf0.2mm / zzf 确定进给量：(3.29)f0.281.6/zffzmm r确定切削速度：，择选=90m/mincv60 110m / mincv cv换算成主轴转速则120mmod (3.30)010001000 90239 /d3.14 120cvnr mm相近的转速为 235r/min。换算成实际切削速度：88.5m/min (3.31)1000n dv基本工时：被切削长度，进给次数为5398lmmi 切入长度，切出长度是，取，115lmm21 3lmm22lmm(3.32)0.28235376/ minMczff znmm 则有：5.5min (3.33)12jMclllTif8 工序工序 110-以底平面和底面任意以底平面和底面任意 2 孔为基准，粗铣左右侧面孔为基准，粗铣左右侧面选择刀具：硬质合金材质的面铣刀，齿数，粗齿120Dmm8Z 切削深度：=2mmpapa确定每转进给量：，zf0.2mm / zzf 确定进给量：(3.34)f0.281.6/zffzmm r确定切削速度：，择选=90m/mincv60 110m / mincv cv山西工程技术学院毕业设计说明书换算成主轴转速则120mmod (3.35)01000100090239 /d3.14 120cvnr mm相近的转速为 235r/min。换算成实际切削速度：88.5m/min (3.36)1000n dv基本工时：被切削长度，进给次数为5518lmmi 切入长度，切出长度是，取，115lmm21 3lmm22lmm(3.37)0.28235376/ minMczff znmm 则有：7.1min (3.38)12jMclllTif9 工序工序 120-粗、精铣粗、精铣 88X392 的台阶面的台阶面这里计算粗铣 88X392 的台阶面，选择刀具：硬质合金材质的面铣刀，齿数，粗齿100Dmm8Z 切削深度：=2mmpapa确定每转进给量：，zf0.2mm / zzf 确定进给量：(3.39)f0.281.6/zffzmm r确定切削速度：，择选=90m/mincv60 110m / mincv cv换算成主轴转速则100mmod (3.40)01000100090287 /d3.14 100cvnr mm相近的转速为 300r/min。换算成实际切削速度：94.2m/min 1000n dv基本工时：被切削长度，进给次数为1392lmmi 山西工程技术学院毕业设计说明书切入长度，切出长度是，取，114lmm21 3lmm22lmm (3.41)0.28300480/ minMczff znmm 则有：0.85min(3.42)12jMclllTif10 工序工序 130-铣铣 10 度的斜面度的斜面选择刀具：硬质合金材质的面铣刀，齿数，粗齿80Dmm6Z 切削深度：=2mmpapa确定每转进给量：，zf0.2mm / zzf 确定进给量：f(3.43)0.261.2/zffzmm r确定切削速度：，择选=90m/mincv60 110m / mincv cv换算成主轴转速则80mmod (3.44)01000100090358 /d3.1480cvnr mm相近的转速为 350r/min。换算成实际切削速度：88m/min(3.45)1000n dv基本工时：被切削长度，进给次数为1516lmmi 切入长度，切出长度是，取，115lmm21 3lmm22lmm(3.46)0.26350420/ minMczff znmm 则有：1.27min(3.47)12jMclllTif山西工程技术学院毕业设计说明书11 工序工序 140-以底平面和底面任意以底平面和底面任意 2 孔为基准，粗镗孔为基准，粗镗 140, 90,72,62，30 孔孔这里加工粗镗 72，则选择刀具：硬质合金材质的镗刀，71Dmm切削深度：1.5mmpa 确定进给量：，择选f0.31.0mm / rf =0.5mm/r(3.48)f确定切削速度：，择选=50m/mincv40 80m / mincv cv换算成主轴转速(3.49)01000100050224 /d3.1471cvnr mm相近的转速为 220r/min。换算成实际切削速度：(3.50)2203.147149/ min10001000n dvm基本工时：孔深，进给次数为145lmmi 切入长度，切出长度是，取，13lmm23 5lmm23lmm则有：0.46min(3.51)12jlllTifn12 工序工序 150-以底平面和底面任意以底平面和底面任意 2 孔为基准，半精镗孔为基准，半精镗 140, 90,72,62，30 孔孔这里加工半精镗 72，则选择刀具：硬质合金材质的镗刀，71.8Dmm切削深度：0.4mmpa 确定进给量：，择选=0.3mm/r，f0.2 0.8mm / rf f确定切削速度：，择选=65m/mincv60 100m / mincv cv换算成主轴转速(3.52)01000100065288 /d3.1471.8cvnr mm山西工程技术学院毕业设计说明书相近的转速为 300r/min。换算成实际切削速度： (3.53)3003.1471.867.6/ min10001000n dvm基本工时：孔深，进给次数为145lmmi 切入长度，切出长度是，取，13lmm23 5lmm23lmm则有：0.57min (3.54)12jlllTifn13 工序工序 160-以底平面和底面任意以底平面和底面任意 2 孔为基准，精镗孔为基准，精镗 140, 90,72,62，30 孔孔这里加工精镗 72，则选择刀具：硬质合金材质的镗刀，72Dmm切削深度：0.1mmpa 确定进给量：，择选=0.2mm/r，f0.15 0.5mm / rf f确定切削速度：，择选=80m/mincv50 80m / mincv cv换算成主轴转速 (3.55)010001000 80354 /d3.1472cvnr mm相近的转速为 360r/min。换算成实际切削速度：(3.56)3603.147281.4/ min10001000n dvm基本工时：孔深，进给次数为145lmmi 切入长度，切出长度是，取，13lmm23 5lmm23lmm则有：0.71min(3.57)12jlllTifn山西工程技术学院毕业设计说明书14 工序工序 170-粗、精镗粗、精镗 32, 30,25 孔孔这里加工粗镗 32，则选择刀具：硬质合金材质的镗刀，32Dmm切削深度：1.5mmpa 确定进给量：，择选=0.5mm/r，f0.31.0mm / rf f确定切削速度：，择选=50m/mincv40 80m / mincv cv换算成主轴转速(3.58)010001000 50497 /d3.14 46cvnr mm相近的转速为 350r/min。换算成实际切削速度：(3.59)497 3.14 4672/ min10001000n dvm基本工时：孔深，进给次数为114lmmi 切入长度，切出长度是，取，13lmm23 5lmm23lmm则有：0.11min(3.60)12jlllTifn15 工序工序 180-粗、精镗粗、精镗 130, 90,62 孔孔这里加工粗镗 90，则选择刀具：硬质合金材质的镗刀，90Dmm切削深度：1.5mmpa 确定进给量：，择选=0.5mm/r，f0.31.0mm / rf f确定切削速度：，择选=60m/mincv40 80m / mincv cv换算成主轴转速(3.61)010001000 60212 /d3.14 90cvnr mm相近的转速为 220r/min。换算成实际切削速度：(3.62) 2203.149163/ min10001000n dvm山西工程技术学院毕业设计说明书基本工时：孔深，进给次数为145lmmi 切入长度，切出长度是，取，13lmm23 5lmm23lmm则有：0.63min (3.63)12jlllTifn16 工序工序 190-钻前端面各个小孔钻前端面各个小孔,螺纹孔进行攻丝螺纹孔进行攻丝这里主要是加工-01 攻 4-M10 攻深 20，则选择刀具：高速钢材质的麻花钻，7.2Dmm切削深度：0.75mmpa 确定进给量（等于螺距）：f1.5mm / rfP确定切削速度：cv=10.8m/min(3.64)cv换算成主轴转速 (3.65)010001000 10.8344 /d3.14 10cvnr mm相近的转速为 272r/min。换算成实际切削速度： 2723.14 108.5/ min10001000n dvm基本工时：孔深，切入长度 ，取，20mml 1l1(1 3)lP122 1.53lPmm，取，为丝锥或工件回程的每分钟转数 r/min 1(2 3)lP222 1.53lPmmon，取，500 / minonr(3.66)12122033203340.4(min)1.52721.5 500jollllllTifnfn17 工序工序 200-钻后端面各个小孔钻后端面各个小孔,螺纹孔进行攻丝螺纹孔进行攻丝这里主要是加工-01 攻钻 4-M8 攻深 25，则选择刀具：高速钢材质的麻花钻，6.7Dmm切削深度：3.35mmpa 确定进给量：择选=0.13mm/r，ff山西工程技术学院毕业设计说明书确定切削速度：，择选cv10 18m / mincv =10m/min(3.67)cv换算成主轴转速(3.68) 010001000 10475 /d3.146.7cvnr mm相近的转速为 500r/min。换算成实际切削速度：(3.65) 5003.146.710.5/ min10001000n dvm基本工时：孔深，进给次数为425lmmi 切入长度，切出长度是，取，15lmm21 4lmm23lmm则有：2.03min (3.69) 12jlllTifn18 工序工序 210-钻左端面各个小孔钻左端面各个小孔,螺纹孔进行攻丝螺纹孔进行攻丝这里主要是加工钻 2-M30 钻深 20，则选择刀具：高速钢材质的麻花钻，26.5Dmm确定进给量：择选=0.36mm/r，ff确定切削速度：，择选cv10 18m / mincv =18m/min(3.70) cv换算成主轴转速 010001000 18216 /d3.1426.5cvnr mm相近的转速 195r/min。换算成实际切削速度：(3.71) 195 3.1426.516.2/ min10001000n dvm基本工时：孔深，进给次数为220lmmi 切入长度，切出长度是，取，114lmm21 4lmm23lmm则有：山西工程技术学院毕业设计说明书1.05min (3.72) 12jlllTifn19 工序工序 220-钻右端面各个小孔钻右端面各个小孔,螺纹孔进行攻丝螺纹孔进行攻丝这里主要是加工钻 22 钻透，则选择刀具：高速钢材质的麻花钻，22Dmm切削深度：11mmpa 确定进给量：择选=0.22mm/r，ff确定切削速度：，择选=18m/mincv10 18m / mincv cv换算成主轴转速(3.73)010001000 18260 /d3.1422cvnr mm相近的转速为 200r/min。换算成实际切削速度： (3.74)2003.142213.8/ min10001000n dvm基本工时：孔深，进给次数为116lmmi 切入长度，切出长度是，取，120lmm21 4lmm23lmm则有：0.88min (3.75)12jlllTifn20 工序工序 230-粗、精铣顶部平面油槽粗、精铣顶部平面油槽这里计算粗铣选择刀具：高速钢材质的铣刀，齿数，粗齿4Dmm3Z 切削深度：=5mmpapa确定每转进给量：，zf0.15mm / zzf 确定进给量： (3.76)f0.15 30.45/zffzmm r确定切削速度：，择选=15m/mincv15 21m / mincv cv换算成主轴转速则4mmod 山西工程技术学院毕业设计说明书(3.77)010001000 151194 /d3.144cvnr mm相近的转速为 1120r/min。换算成实际切削速度：14.1m/min(3.78)1000n dv基本工时：被切削长度，进给次数为11530lmmi 切入长度，切出长度是，取，13lmm21 3lmm22lmm(3.79)0.15 3 1120504/ minMczff znmm 则有：2.86min(3.80)12jMclllTif21 工序工序 240-钻顶部平面各个小孔钻顶部平面各个小孔,螺纹孔进行攻丝螺纹孔进行攻丝这里主要是加工顶部平面 4M10 螺纹孔深 25，选择刀具：高速钢材质的麻花钻，8.2Dmm切削深度：4.1mmpa 确定进给量：，择选=0.13mm/r，f0.10 0.18mm / rf f确定切削速度：，择选=12m/mincv10 18m / mincv cv换算成主轴转速(3.81)010001000 12466 /d3.148.2cvnr mm相近的转速为 545r/min。换算成实际切削速度：(3.82)545 3.148.214/ min10001000n dvm基本工时：孔深，进给次数为240lmmi 切入长度，切出长度是，取，18lmm21 4lmm23lmm则有：山西工程技术学院毕业设计说明书1.44min (3.83)12jlllTifn22 工序工序 250-底平面螺纹孔底平面螺纹孔 2XM16 进行攻丝进行攻丝这里主要是加工钻底平面螺纹孔 2XM16，则选择刀具：高速钢材质的麻花钻，14Dmm切削深度：7mmpa 确定进给量：f0.22mm / rf 确定切削速度：，择选=18m/mincv10 18m / mincv cv换算成主轴转速 (3.84)010001000 18410 /d3.14 14cvnr mm相近的转速为 392r/min。换算成实际切削速度：(3.85)3923.14 1417.2/ min10001000n dvm基本工时：孔深，进给次数为240lmmi 切入长度，切出长度是，取，113lmm21 4lmm23lmm则有：1.3min (3.86)12jlllTifn23 工序工序 260-钻底部凸台螺纹孔钻底部凸台螺纹孔 2XM10 进行攻丝进行攻丝这里主要是加工钻底部凸台螺纹孔 2XM10，则选择刀具：高速钢材质的麻花钻，8.2Dmm切削深度：4.1mmpa 确定进给量：，择选=0.13mm/r，f0.10 0.18mm / rf f确定切削速度：，择选=12m/mincv10 18m / mincv cv换算成主轴转速(3.87)010001000 12466 /d3.148.2cvnr mm山西工程技术学院毕业设计说明书相近的转速为 545r/min。换算成实际切削速度：(3.88)545 3.148.214/ min10001000n dvm基本工时：孔深，进给次数为240lmmi 切入长度，切出长度是，取，18lmm21 4lmm23lmm则有：1.44min (3.89)12jlllTifn山西工程技术学院毕业设计说明书4 专用夹具设计4.1 夹具设计的目的1.机床夹具的目的是有效定位和夹紧被加工的工件，以此提高产品产量和减少定位误差。2.机床夹具的设计时考验设计专用夹具过程中，将所学的知识综合运用，合理的分析夹紧原理和计算切削力、夹紧力等等。3.机床夹具的设计最终的目的就是联系实际，让理论上的平面二维图的装配图及其零件成为现实当中可行的可能。4.积累经验，为以后从事这份工作时积累实践操作经验和打下良好的基础。5.为了提高夹具的工作效率和生产效率，降低单个零件的生产成本，同时也要保证加工成型后的加工质量和精度加工需求，需要设计此单个工件的专用夹具设计。（1）钻孔夹具设计是第 190 号工序钻攻前端面各个小孔,螺纹孔进行攻丝；（2）镗孔夹具设计是第 180 号工序粗、精镗 130, 90,62 孔。4.2 定位元件1.被加工的工件以平面定位方式方式：被加工的工件以平面定位的主要表现形式为定位元件支承定位，被加工的工件的定位基准平面（也可以是外圆，很少用到）与定位零件的表面相接触而实现定位。常见的支承元件有下列几种：（1）固定支承零件：固定支承的高矮尺寸是固定的，大部分取自标准件，因此在使用前不能自由的调整高度。例如支承钉、支承板（大部分是非标准件）等零件；（2）可调支承零件：可调支承零件的头部顶端的位置相比固定支承零件可以在一定范围内调整（小范围）。比如可调支承、调节支承等等零件；（3）自位支承零件（很少用到）：又名浮动支承，在自位支承零件定位被加工的工件的过程中，自位支承所在的位置随着被加工的工件定位基准面的变化而变化，山西工程技术学院毕业设计说明书优点是能够自动调整适应被加工工件。虽然看上去起到两个（或三个）的定位支承钉。但是实际定位上只有一个定位支承点的作用而已，也就是只限制工件的一个自由度，一般常用于被加工的零件毛坯表面、断续表面、阶梯表面定位；（4）辅助支承零件：这个辅助支承零件的作用顾名思义，只是在被加工的工件实现一定的定位后才能支承的比较特殊的定位元件，它跟以上三个定位零件不同的是，它不起定位作用，最大的作用就是只能提高被加工的工件加工时刚度或起辅助定位。2.被加工的工件以外圆定位方式：被加工的工件以外圆（外轮廓、外圆柱、椭圆等非加工表面）作定位基准时，应根据外圆柱面的完整程度、工艺加工的方式以及工件的安装位置，可以择选 V 形块、定位套、套筒、圆锥套等定位元件进行定位。其中最普遍的的是用 V 形块元件进行定位。3.被加工的工件以圆孔定位方式：被加工的工件以圆孔（大部分是中心孔）定位，此类定位属于定心定位也就是被加工工件的定位基准为中心孔的轴线，经常用到的定位元件为圆柱销、长圆柱销（芯轴）、削边销、定位销、对定销、圆锥销等等定位元件。一般来说，像这样定心定位的方式大部分有平面压紧（夹紧）辅助定位。如果被加工工件有很多内孔的话，大部分选择一面两销典型的定位方式。4.被加工的工件以组合表面定位方式：在实际加工工件的过程中，被加工的工件往往不是采用单一的内孔（或表面，或外圆等）定位，而是以组合表面定位。常见的有平面与其它表面组合、平面与平面组合、锥面与锥面组合、外圆与外圆的组合、平面与孔组合等。本文的定位方式是被加工的工件以平面与孔的组合定位方式。具体自由度、限制、定位误差等如下。4.2.1 钻孔定位元件的设计其中以底面水平上限制工件 Z 方向上下移动自由度、X 方向转动自由度和 Y 方向转动自由度；满足钻削各内孔的直径和一定的深度要求前，需要限制工件 X、Y山西工程技术学院毕业设计说明书方向移动自由度和 Z 方向移动自由度。但考虑到加工时工件主轴箱体零件内孔倾斜定位的稳定性，采取四个端面定位的方式的定位自由度可以将六个自由度全部限制。定位元件设计自由度限制条件如下表示：1.由零件图可知：在对加工钻孔加工前，平面进行了粗、精铣加工，底面进行了钻、扩加工。因此，定位、夹紧方案有：选一面两销定位方式，工艺孔用短圆柱销、菱形销定位，夹紧方式用操作简单，通用性较强的铰链移动压板来夹紧。钻孔为了使定位误差达到要求的范围之内，采用一面两销的定位方式，这种定位在结构上简单易操作。2.定位基准移动（或转角）误差分析勾型压板是以平面定位，且压紧方向垂直，由于定位副间存在径向间隙，因此必将引起径向基准位移误差。mm (4.1)coscos(90)0.0120.0180.03BYzCTT式中 垂直平面与工件的公差（mm）； CT 平面与工件的公差（mm）。BT经分析此移动压板定位误差分析合格。4.2.2 镗孔定位元件的设计其中以底面水平上限制工件 Z 方向上下移动自由度、X 方向转动自由度和 Y 方向转动自由度；满足镗削左右；两端面各内孔的直径和一定的深度要求前，需要限制工件 X、Y 方向移动自由度和 Z 方向移动自由度。可采取典型的一面两销的定位的方式的定位自由度可以将六个自由度全部限制。定位元件设计自由度限制条件如下表示：1.从零件图和工序卡得知此零件的定位基准为底面和后端面，因此设计支承钉和垫板、以及圆柱销作为定位元件。定位限制自由度如下：（1）一面（两组垫板）零件限制工件端面的 3 个自由度。（2）两销（圆柱销和菱形销）限制工件内孔的一共 3 个自由度。山西工程技术学院毕业设计说明书综上共 6 个自由度，达到完全定位。2.本工序选用的被加工的工件以一面两孔定位，由于芯轴和菱形销放置存在定位误差，以及与夹具体也存在转动误差。因此必将引起 X 或 Y 向基准位移误差。其误差分析计算如下：(4.2)111111222arctan0.0130.0120.0252DdYzDdDdTTSTTSTTS式中第一定位基准孔与圆柱定位销间的最小间隙；1S 第二定位基准孔与圆柱定位销间的最小间隙；2S经此分析上述定位误差尚未超出可允许的误差的范围内。因此合格。4.3 夹紧元件4.3.1 钻孔夹紧元件的设计综上钻孔的定位元件可以得知此零件的定位条件，因此是水平放置，且为了限制 Z 反方向的移动自由度因此选择四组勾型压板在主轴箱体零件的两侧放置，达到夹紧的目的，形成压板夹紧的机构。典型的螺旋压板夹紧方式，螺旋压板夹紧机构在夹具设计中使用比较普遍。螺旋压板夹紧机构结构比较复杂，但夹紧行程大，且自锁性能较好好，增力比较大。山西工程技术学院毕业设计说明书图图 4.14.1 钻孔夹紧装配图钻孔夹紧装配图1.切削力计算： (4.3)0.8419FDfKp 式中 F轴向力（N）；钻头直径（mm）；D 每转进给量（mm）； f由以上切削参数计算代入切削力计算得：F=685.145N2.夹紧力的计算：单个普通螺栓的许用夹紧力：M=35mm, 理论上夹紧力：W0=20000N在计算切削力时,必须把安全系数也考虑在内，所以,安全系数 K 可按下式计算有：(4.4)1.2 1.0 1.0 1.0 1.2 1.2 1.01.56K 式中：为各种因素的安全系数，（2）钻削时夹紧力的计算：由于钻削力和压紧力垂直：(4.5)12KFKW山西工程技术学院毕业设计说明书有：120.7,0.16安全系数 K 可按下式计算有： (4.6)6543210KKKKKKKK 式中：为各种因素的安全系数，可得： 60 KK1.2 1.0 1.0 1.0 1.3 1.0 1.01.56K 所以1257.442NKW 由计算可知所需实际夹紧力不是很大，为了使其夹具结构简单、操作方便，决定选用手动螺旋夹紧机构。所以小于六角螺母的预紧力。故此夹紧力合格。KW4.3.2 镗孔夹紧元件的要求图图 4.24.2 镗孔夹紧装配图镗孔夹紧装配图1.切削力计算： 圆周力：(4.7)0.75902cppFa fk其中：山西工程技术学院毕业设计说明书，xspropprmpkkkkkp nmpBk)1501(8 . 0, 0 . 1, 4 . 0nFnFnFfpc0 . 1,0, 0 . 1,01, 0 . 1450spsrpkrprKKrKk820.588cFN2.夹紧力的计算：单个普通螺栓的许用夹紧力：M=35mm, 理论上夹紧力：W0=20000N在计算切削力时,必须把安全系数也考虑在内，所以,安全系数 K 可按下式计算有：1.2 1.0 1.0 1.0 1.2 1.2 1.01.56K 式中：为各种因素的安全系数，（2）镗削时夹紧力的计算：12KFKW有：120.7,0.161.2 1.0 1.0 1.0 1.3 1.0 1.01.56K 所以1506.02NKW 小于六角螺母的预紧力。故此夹紧力合格。KW4.4 主要零部件设计1.夹具体是夹具的基础元件。在夹具体上，要安装组成该夹具所需要的各种定位元件、夹紧机构和引导（对刀）装置，在设计夹具体零件的时候，应该满足下面的一些基本要求。第一是要足够满足夹具体的刚度和强度。第二是设计夹具体结构要简单，尺寸不能太大。其材料应具有良好的工艺性。第三是设计夹具体的尺寸要稳定。最后是设计夹具体要便于排屑。专用夹具体制造属于单件生产，为缩短夹具体设计周期和制造周期，减少制造费用，因此在夹具体设计时，需要计算的地方都不是特别复杂。我们通常的做法是参照相同或类似的其它夹具结构，并根据相关的夹具体设计经验进行确认。当我们在设计夹具体总体装配图的时候，根据当前现有山西工程技术学院毕业设计说明书待加工零件、引导（对刀）和定位元件、预紧和装夹装置、以及其他的一些机构和装置之间的装配关系，夹具体的外形结构和外形尺寸大概能确定下来了。根据设计夹具体过程中，要确定夹具体的材质以及它的形状和尺寸。夹具体是机床夹具的最重要的零件，可以说夹具上所有的组成组件，例如六角螺母、螺钉、钻模板等都必须通过夹具体这个基础件连接成一个有机整体，设及夹具应满足足够的强度和刚度要求；底面要安装稳定，而且保证夹具体的结构工艺性良好。最后重要的是，便于清除排屑。毕竟切削剩下的排屑很容易影响定位元件和夹紧元件的定位精度要求和安装需求。夹具体一般采用都是经过时效处理的 HT200 灰铸铁材料，因为这个材料最终的原因是吸震性非常好，在切削过程中，振动是难免的，但是这个振动很容易影响工件的位置精度和加工精度要求。其次是铸造工艺性好，根据需要定制夹具体很方便，最后是受压抗压能力大，可以承受切削力和夹紧力、重力等的力。2.勾型压板和螺栓六角螺母、调节支承材料均使用 45 钢。双头螺柱的作用主要用于夹紧和连接勾型压板以及夹具体，为防止其断裂其材料需要较高的强度和韧性，连接使用螺钉跟方便拆卸。采用六角螺母和勾型压板、调节支承、双头螺栓组合机构进行夹紧，其中六角螺钉是连接件，可以方便拆卸和确保夹紧力。调节支承是起到支承另一端的作用，增加应力面积。3.垫板的作用是防止固定板固定的零部件脱出固定板，并承受固定部件传递的压力，因此它要具有较高的抗压强度。因此选择用具备承载能力更好的 HT200。山西工程技术学院毕业设计说明书参考文献1.郝瑞贤.C6201 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The multiobjective model can reduce the machining deformation effectively and improve the distribution condition.Key words：Fixture layout、Clamping force、Genetic algorithm . Finite element method1 IntroductionFixture design is an important procedure in manufacturing engineering. It is critical to machining accuracy. A workpiece should be constrained in a fixture during machining with fixture elements such as locators, clamps, and supports. The positions of locators, clamps and supports should be strategically designed and appropriate clamping forces should be applied. The fixture elements can be placed anywhere within the candidate regions on the workpiece surfaces. Clamping force must be large enough to hold the workpiece during machining. Typically, it relies heavily on the designers experience to choose the positions of the fixture elements and to determine the clamping forces. Thus there is no assurance that the resultant solution is optimal or near optimal for a given workpiece. Consequently, the fixture layout and the clamping force optimization become two main aspects in fixture design. The positions of locators and clamps, and the values of clamping force should be properly selected and calculated so that the workpiece 山西工程技术学院毕业设计说明书deformation due to clamping and cutting force is minimized and uniformed.The objective of fixture design is to find an optimal layout or positions of the fixture elements around the workpiece and optimal clamping force. In this paper, a multi-objective optimization method is presented for the fixture layout design and clamping force optimization. The objective is two folded. One is to minimize the maximum elastic deformation of the machined surfaces, and another is to maximize the uniformity of deformation. The ANSYS software package is used to calculate the deformation of the workpiece under given clamping force and cutting force. A genetic algorithm is developed, and the direct search toolbox of MATLAB is employed to solve the optimization problem. Finally, acase study is given to illustrate the application of the proposed approach.2 Literature reviewWith the wide applications of optimization methods in industry, fixture design optimization has gained more interests in recent years. Fixture design optimization includes fixture layout optimization and clamping force optimization. King and Hutter presented a method for optimal fixture layout design using a rigid body model of the fixture-workpiece system 1. DeMeter also used a rigid body model for the analysis and synthesis of optimal fixture layouts and minimum clamping force 2. He presented a finite element method (FEM) based support layout optimization procedure with computationally attractive qualities 3. Li and Melkote used a nonlinear programming method and a contact elasticity model to solve the layout optimization problem 4. Two years later, they presented a method for determining the optimal clamping force for a multiple clamp fixture subjected to quasi-static machining force 5. They also presented an optimal synthesis approach of fixture layout and clamping force that considers workpiece dynamics during machining 6. A combined fixture layout and clamping force optimization procedure was presented. Other researchers 7, 8 used the FEM for fixture design and analysis. Cai et al. 9 extended the work of Menassa and DeVries 8 to include synthesis of fixture layout for sheet metal assembly. Qin et al. 10 established an elastic contact model between clamp and workpiece to optimize the clamping force with an objective to minimize the position error of the workpiece. Deng and Melkote 11 presented a modelbased framework for determining the minimum required clamping force, which 山西工程技术学院毕业设计说明书ensures the dynamic stability of a fixtured workpiece during machining.Most of the above studies used nonlinear programming methods, which seldom gave global or near-global optimum solutions. All of the fixture layout optimization procedures must start with an initial feasible layout. In addition, solutions obtained from these models are very sensitive to the initial feasible fixture layout. The problem of fixture design optimization is nonlinear because there is no direct analytical relationship between the objective function and design variables, i.e. between the machined surface error and the fixture parameters (positions of locator and clamp, and clamping forces).Previous researchers had shown that genetic algorithm (GA) was a useful technique in solving such optimization problems. Wu and Chan 12 used the GA to determine the most statically stable fixture layout. Ishikawa and Aoyama 13 applied GA to determine the optimal clamping condition for an elastic workpiece. Vallapuzha et al. 14 used spatial coordinates to encode in the GA based optimization of fixture layout. They also presented the methodology and results of an extensive investigation into the relative effectiveness of the main competing fixture optimization methods, which showed that continuous GA yielded the best quality solutions 15. Krishnakumar and Melkote 16 developed a fixture layout optimization technique that used GA to find the fixture layout that minimized the deformation of the machined surface due to clamping and cutting force over the entire tool path.Locator and clamp positions were specified with node numbers. Krishnakumar et al. 17 presented an iterative algorithm that minimized the workpiece elastic deformation for the entire cutting process by alternatively varying the fixture layout and clamping force. Lai et al. 18 set up an analysis model that treated locator and clamps as the same fixture layout elements for the flexible part deformation. Hamedi 19 discussed a hybrid learning system that used nonlinear FEA with a supportive combination of artificial neural network (ANN) and GA. The ANN was used to calculate workpiece maximum elastic deformation, the GA was used to determine the optimum clamping forces. Kumar 20 proposed to combine the GA and ANN to develop a fixture design system. Kaya 21 used the GA and FEM to find the optimal locators and clamping positions in 2D workpiece and took chip removal effects into account. Zhou et al. 22 presented a GA based method that optimized fixture layout and clamping force simultaneously. Some of the studies did not consider the 山西工程技术学院毕业设计说明书optimization of the layout for entire tool path. Some of the studies used node numbers as design parameters. Some of the studies addressed fixture layout or clamping force optimization methods but not both simultaneously. And there were few studies taking friction and chip removal into account. The effects of chip removal and frictional contact cannot be neglected for achieving a more realistic and accurate workpiece-fixture layout verification analysis 23, so it is essential to take chip removal effects and friction effect into account to achieve a better machining accuracy.In this paper, the friction and chip removal are taken into account to achieve the minimum degree of the maximum deformation of the machined surfaces under clamping and cutting force and to uniform the deformation. A multi-objective optimization model is established.An optimization process based on GA and FEM is presented to find the optimal fixture layout and clamping force. Finally, the result of the multi-objective optimization model is compared with the single objective optimization method and the experience method for a low rigidity workpiece.3 A multi-objective optimization model for fixture designA feasible fixture layout has to satisfy three constraints. First, the locators and clamps cannot apply tensile forces on the workpiece. Second, the Coulomb friction constraint must be satisfied at all fixture-workpiece contact points. The positions of fixture element-workpiece contact points must be in the candidate regions. For a problem involving p fixture element-workpiece contacts and n machining loadinvolving p fixture element-workpiece contacts and n machining load：山西工程技术学院毕业设计说明书Here Delta denotes the maximum elastic deformation of the j-step in the processing area.Among：Its the average of delta.It is the contact point of the normal force in the second order.Mu is the static friction coefficient.FHI is the contact point of tangential force in order I.POS (i) is the contact point of order I.It is the second contact point of the optional area.The overall process is illustrated in Fig. 1 to design afeasible fixture layout and to optimize the clamping force. The maximal cutting force is calculated in cutting model and the force is sent to finite element analysis (FEA) model. Optimization procedure creates some fixture layout and clamping force which are sent to the FEA model too. In FEA block, machining deformation under the cutting force and the clamping force is calculated using finite element method under a certain fixture layout, and the deformation is then sent to optimization procedure to search for an optimal fixture scheme.山西工程技术学院毕业设计说明书Fig. 1 Fig. Fixture layout and clamping force optimization process4 Fixture layout design and clamping force optimization4.1 A genetic algorithmGenetic algorithms (GA) are robust, stochastic and heuristic optimization methods based on biological reproduction processes. The basic idea behind GA is to simulate “survival of the fittest” phenomena. Each individual candidate in the population is assigned a fitness value through a fitness function tailored to the specific problem. The GA then conducts reproduction, crossover and mutation processes to eliminate unfit individuals and the population evolves to the next generation. Sufficient number of evolutions of the population based on these operators lead to an increase in the global fitness of the population and the fittest individual represents the best solution.The GA procedure to optimize fixture design takes fixture layout and clamping force as design variables to generate strings which represent different layouts. The strings are compared to the chromosomes of natural evolution, and the string, which GA find optimal, is mapped to the optimal fixture design scheme. In this study, the genetic algorithm and direct search toolbox of MATLAB are employed.The convergence of GA is controlled by the population size (Ps), the probability of crossover (Pc) and the probability of mutations (Pm). Only when no change in the best value of fitness function in a population, Nchg, reaches a pre-defined value NCmax, or the number of generations, N, reaches the specified maximum number of evolutions, Nmax., did the GA stop.There are five main factors in GA, encoding, fitness function, genetic operators, control parameters and constraints. In this paper, these factors are selected as what is listed in Table 1.山西工程技术学院毕业设计说明书Since GA is likely to generate fixture design strings that do not completely restrain the fixture when subjected to machining loads. These solutions are considered infeasible and the penalty method is used to drive the GA to a feasible solution. A fixture design scheme is considered infeasible or unconstrained if the reactions at the locators are negative, in other words, it does not satisfy the constraints in equations (2) and (3). The penalty method essentially involves.Table 1 Selection of GAs parametersFig. 2 Semi-elastic contact model taking friction into accountassigning a high objective function value to the scheme that is infeasible, thus driving it to the feasible region in successive iterations of GA. For constraint (4), when new individuals are generated by genetic operators or the initial generation is generated, it is necessary to check up whether they satisfy the conditions. The genuine candidate regions are those excluding invalid regions. In order to simplify the checking, polygons are used to represent the candidate regions and invalid regions. The vertex of the polygons are used for the checking. The “inpolygon” function in MATLAB could be used to help the checking.4.2 Finite element analysisThe software package of ANSYS is used for FEA calculations in this study. The finite element model is a semi-elastic contact model considering friction effect, where the materials are assumed linearly elastic. Fig. 2 Semi-elastic Contact Model Considering FrictionConsidering friction, the semi-elastic contact model is similar to each clamp in the x, 山西工程技术学院毕业设计说明书y and Z directions, but the clamping force is in the normal direction. Elasticity is the so-called natural elasticity in the natural direction, and the other two elasticities are the so-called tangential elasticity. The stiffness of contact spring can be calculated according to the theory of contact to Hertz as With the change of clamping force and fixture layout, the contact stiffness varies. A reasonable linear approximation of the contact stiffness can be obtained from the least square method suitable for the above equation. Continuous interpolation, which is the boundary condition of the finite element analysis model used to apply for the workpiece. The position of fixture elements is illustrated in Figure 3, showing a black boundary. The location of each element is surrounded by four or six nearest neighboring nodes.Fig. 3 Continuous interpolationThe series of nodes, as shown in the black square, are (37, 38, 31 and 30), (9, 10, 11, 18, 17 and 16) and (26, 27, 34, 41, 40 and 33). This series of spring elements is associated with each of these nodes. For any set of nodes, the spring constant is:wherekij is the spring stiffness at the j-th node surrounding the i-th fixture element,dij is the distance between the i-th fixture element and the j-th node surrounding it,ki is the spring stiffness at the i-th fixture element location.i is the number of nodes surrounding the i-th fixture element location.For each machining load step, appropriate boundary conditions have to be applied to 山西工程技术学院毕业设计说明书the finite element model of the workpiece. In this work, the normal springs are constrained in the three directions (X, Y, Z) and the tangential springs are constrained in the tangential directions (X, Y). Clamping forces are applied in the normal direction (Z) at the clamp nodes. The entire tool path is simulated for each fixture design scheme generated by the GA by applying the peak X, Y, Z cutting forces sequentially to the element surfaces over which the cutter passes 23.In this work, chip removal from the tool path is taken into account. The removal of the material during machining alters the geometry, so does the structural stiffness of the workpiece. Thus, it is necessary to consider chip removal affects. The FEA model is analyzed with respect to tool movement and chip removal using the element death technique. In order to calculate the fitness value for a given fixture design scheme, displacements are stored for each load step. Then the maximum displacement is selected as fitness value for this fixture design scheme.The interaction between GA procedure and ANSYS is implemented as follows. Both the positions of locators and clamps, and the clamping force are extracted from real strings. These parameters are written to a text file. The input batch file of ANSYS could read these parameters and calculate the deformation of machined surfaces. Thus the fitness values in GA procedure can also be written to a text file for current fixture design scheme.It is costly to compute the fitness value when there are a large number of nodes in an FEM model. Thus it is necessaryto speed up the computation for GA procedure. As the generation goes by, chromosomes in the population are getting similar. In this work, calculated fitness values are stored in a SQL Server database with the chromosomes and fitness values. GA procedure first checks if current chromosomes fitness value has been calculated before, if not, fixture design scheme are sent to ANSYS, otherwise fitness values are directly taken from the database.The meshing of workpiece FEA model keeps same in every calculating time. The difference among every calculating model is the boundary conditions. Thus, the meshed workpiece FEA model could be used repeatedly by the “resume” command in ANSYS.山西工程技术学院毕业设计说明书5 Case studyAn example of milling fixture design optimization problem for a low rigidity workpiece displayed in previous research papers 16, 18, 22 is presented in the following sections.5.1 Workpiece geometry and propertiesThe geometry and features of the workpiece are shown in Fig. 4. The material of the hollow workpiece is aluminum 390 with a Poisson ration of 0.3 and Youngs modulus of71 Gpa. The outline dimensions are 152.4 mm127 mm 76.2 mm. The one third top inner wall of the workpiece is undergoing an end-milling process and its cutter path is also shown in Fig. 4. The material of the employed fixture elements is alloy steel with a Poisson ration of 0.3 and Youngs modulus of 220 Gpa.5.2 Simulating and machining operationFigure 4 Hollow workpiece5.2 Simulating and machining operationA peripheral end milling operation is carried out on the example workpiece. The machining parameters of the operation are given in Table 2. Based on these parameters, the maximum values of cutting forces that are calculated and applied as element surface loads on the inner wall of the workpiece at the cutter position are 330.94 N (tangential), 398.11 N (radial) and 22.84 N (axial). The entire tool path is discretized into 26 load steps and cutting force directions are determined by the cutter position.Table 2 Processing parameters and conditions山西工程技术学院毕业设计说明书5.3 Fixture design planThe fixture plan for holding the workpiece in the machining operation is shown in Fig. 5. Fig. 5 Optional areas for positioning and clamping devicesGenerally, the 321 locator principle isusedinfixture design. Thebasecontrols 3 degrees. One side controls two degrees, and another orthogonal side controls one degree. Here,it usesfourlocators (L1,L2, L3and L4) on the Y=0 mm face to locate the workpiece controlling two degrees, and two clamps (C1, C2) on the opposite face where Y=127 mm, to hold it. On the orthogonal side, one locator is needed to control the remaining degree, which is neglected in the optimal model. The coordinate bounds for the locating/clamping regions are given in Table 3.Table 3 Constraints on design variables山西工程技术学院毕业设计说明书Since there is no simple rule-of-thumb procedure for determining the clamping force, a large value of the clamping force of 6673.2 N was initially assumed to act at each clamp, and the normal and tangential contact stiffness obtained from a least-squares fit to Eq. (5) are 4.43107 N/m and 5.47107 N/m separately.5.4 Genetic control parameters and penalty functionThe control parameters of the GA are determined empirically. For this example, the following parameter values areHere FV can be represented by F1 or_. When nchg reaches 6, the probability of crossover and mutation will be changed to 0.6 and 0.1, respectively.5.5 Optimization resultThe convergence behavior for the successive optimization steps is shown in Fig. 6, and the convergence behaviors of corresponding functions (1) and (2) are shown in Fig. 7 and Fig. 8. The optimal design scheme is given in Table 4.山西工程技术学院毕业设计说明书Fig. 6 Convergence genetic algorithm for fixture layout and clamping force optimization programFigure 7 Convergence of the first function value山西工程技术学院毕业设计说明书Convergence of the second function value in Fig. 8Table 4 Results of multi-objective optimization modelTable 5 Compare the results of various fixture design schemes.山西工程技术学院毕业设计说明书5.6 Comparison of the resultsThe design variables and objective function values of fixture plans obtained from single objective optimization and from that designed by experience are shown in Table 5. The single objective optimization result in the paper 22 is quoted for comparison. The single objective optimization method has its preponderance comparing with that designed by experience in this example case. The maximum deformation has reduced by 57.5%, the uniformity of the deformation has enhanced by 60.4% and the maximum clamping force value has degraded by 49.4%. What could be drawn from the comparison between the multi-objective optimization method and the single objective optimization method is that the maximum deformation has reduced by 50.2%, the uniformity of the deformation has enhanced by 52.9% and the maximum clamping force value has degraded by 69.6%.The deformation distribution of the machined surfaces along cutter path is shown in Fig. 9. Obviously, the deformation from that of multi-objective optimization method distributes most uniformly in the deformations among three methods.With the result of comparison, we are sure to apply the optimal locators distribution and the optimal clamping force to reduce the deformation of workpiece. Figure 10 shows the configuration of a real-case fixture.Fig. 9 Distribution of the deformation along cutter path山西工程技术学院毕业设计说明书Fig. 10 A real case fixture configuration6 ConclusionsThis paper presented a fixture layout design and clamping force optimization procedure based on the GA and FEM. The optimization procedure is multi-objective: minimizing the maximum deformation of the machined surfaces and maximizing the uniformity of the deformation. The ANSYS software package has been used for FEM calculation of fitness values. The combination of GA and FEM is proven to be a powerful approach for fixture design optimization problems.In this study, both friction effects and chip removal effects are considered. In order to reduce the computation time, a database is established for the chromosomes and fitness values, and the meshed workpiece FEA model is repeatedly used in the optimization process.The traditional fixture design methods are single objective optimization method or by experience. The results of this study show that the multi-objective optimization method is more effective in minimizing the deformation and uniforming the deformation than other two methods. It is meaningful for machining deformation control in NC machining.References1.King LS, Hutter I (1993) Theoretical approach for generatingoptimal fixturing locations for prismatic workparts in automated assembly. J Manuf Syst 12(5):4094162.De Meter EC (1995) Min-Max load model for optimizing machinefixture performance. 山西工程技术学院毕业设计说明书ASME J Eng Ind 117(2):1831863.De Meter EC (1998) Fast support layout optimization. Int J MachTools Manuf 38(1011):122112394.Li B, Melkote SN (1999) Improved workpiece location accuracythrough fixture layout optimization. Int J Mach Tools Manuf 39 (6):8718835.Li B, Melkote SN (2001) Fixture clamping force optimization andits impact on workpiece location accuracy. Int J Adv Manuf Technol 17(2):1041136.Li B, Melkote SN (2001) Optimal fixture design accounting forthe effect of workpiece dynamics. Int J Adv Manuf Technol 18 (10):7017077.Lee JD, Haynes LS (1987) Finite element analysis of flexiblefixturing system. 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Mech Sci Technol 24(3):339342山西工程技术学院毕业设计说明书中文译文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。 ANSYS 软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 MATLAB 的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。山西工程技术学院毕业设计说明书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。King 和 Hutter 提出了一种使用刚体模型的夹具-工件系统来优化夹具布局设计的方法。DeMeter 也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 melkote 用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 menassa 和devries 包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。Deng 和 melkote 提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（ GA ）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。vallapuzha 在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。krishnakumar 和 melkote 发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。krishnakumar 等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山西工程技术学院毕业设计说明书同的夹具布局和夹紧力造成的弹性变形。Lai 等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。Hamedi 讨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（ ANN ）和 GA。人工神经网络被用来计算工件的最大弹性变形，遗传算法被用来确定最佳锁模力。Kumar 建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。Kaya 用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
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