某汽车制动钳体铣夹具的三维设计及干涉检查

1、56某汽车制动钳体铣夹具的三维设计及干涉检查 1 绪论1.1 引言随着计算机技术的不断发展，大型计算机设计软件的不断开发与优化的深入，人们将此技术与机械设计制造技术相互结合、相互渗透而产生了计算机辅助设计和计算机辅助制造（cad/cam）这门综合性应用的数字化技术。也因此，它具有了知识密集、学科交叉、综合性强、应用范围广等特点。数字化设计制造技术是现代先进制造技术的核心，它实现了设计和制造过程中的自动化和信息化。随着当今社会市场化的竞争加深，越来越多的制造类企业将数字化设计制造技术运用于自身产品的开发与生产过程中，以次来降低生产成本与生产时间，提高企业的竞争力。同时，这样的设计制造技术从另一方

2、面反映了一个国家在现代制造业领域上的发展与其创新的浅能，使中国从生产大国转向为制造大国。夹具是机械制造过程中用来固定加工对象，使之占有正确的位置，以接受施工或检测的装置，它又称卡具。从广义上说，在工艺过程中的任何工序，用来迅速、方便、安全地安装工件的装置，都可称为夹具。夹具在产品的开发过程中，对缩短研制周期有着重要的作用。举调查，以我国目前的机械制造业水平，在机械工艺设备设计周期中70%80%的时间用于夹具的设计和制造，所以夹具的设计与制造对于机械制造生产企业而言，有着重大的影响。传统的夹具设计方法，在方案论证、材料选用、定位与布局、强度验算、编制技术文件以及图纸绘制等一系列的过程中都是由设计

3、人员手工计算绘制。这样不仅需要较多的人力和较长的设计周期外，其计算精度与设计质量的提高也受到了很大的限制。在现代制造业系统看来，夹具是保证产品精度、提高产品质量，实现企业全面的质量管理和提高生产效率的重要手段，能否快速设计并制造出合格的夹具已经成为制造系统发展的关键。因此，提高机床夹具的cad/cam的水平，无疑占有很重要的地位。机床夹具cad/cam技术成为现代制造业发展中重要的应用领域。1.2 数字化设计制造技术的概念与发展趋势1.2.1 数字化设计制造技术的概念与优势数字化设计制造技术就是根据企业竞争的需求，在强调柔性和快速的前提下，于80年代提出的，并随着计算机技术，特别是信息技术的迅

4、速发展，在90年代得到人们的极大重视，获得迅速发展的。它是指利用计算机软硬件及网络环境，实现产品开发全过程的技术，即在网络和计算机辅助下通过产品数据模型，全面模拟产品的设计、分析、装配、制造等过程。数字化设计制造技术的应用可以大大提高企业的产品开发能力、缩短产品研制周期、降低开发成本、实现最佳设计目标和企业间的协作，使企业能在最短时间内组织全球范围的设计和制造资源开发出新产品，大大提高企业的竞争能力。一些工业发达国家不断地建立虚拟制造企业，一个快速响应市场的、充分利用现有资源的、没有围墙的、超越空间约束的、靠计算机网络联系的，却是统一指挥的、互惠互利的、实实在在的经济实体。应当指出的是，数字化

5、设计制造技术是一种软件技术，它填补了传统的设计和生产过程管理之间的鸿沟，以在计算机上制造数字化产品为目的。1.2.2 数字化设计制造技术的发展趋势 先进制造技术发展的总趋势可归纳为：精密化、柔性化、网络化、虚拟化、数字化、智能化、清洁化、集成化及管理创新等。而数字化设计与制造技术是先进制造技术的基础。随着计算机技术的不断提高，internet网络技术的普及应用，以及用户的不同需求，cad、cae、capp、cam、pdm（c4p）等技术本身也在不断发展，集成技术也在向前推进，其发展趋势主要有以下几个方向。（1）利用基于网络的cad/cae/capp/cam/pdm（c4p）集成技术，实现产品全

6、数字化设计与制造。在cad/cam应用过程中，利用产品数据管理pdm技术实现并行工程，可以极大地提高产品开发的效率和质量。企业通过pdm可以进行产品功能配置，利用系列件、标准件、借用件、外购件以减少重复设计。在pdm环境下进行产品设计和制造，通过cad/cae/capp/cam等模块的集成，实现产品无图纸设计和全数字化制造。（2）是cad/cae/capp/cam/pdm技术与企业资源计划、供应链管理、客户关系管理相结合，形成制造企业信息化的总体构架。cad/cae/capp/cam/pdm技术主要用于实现产品的设计、工艺和制造过程及其管理的数字化；企业资源计划erp是以实现企业产、供、销、人

7、、财、物的管理为目标；供应链管理scm用于实现企业内部与上游企业之间的物流管理；客户关系管理crm可以帮助企业建立、挖掘和改善与客户之间的关系。上述技术的集成，可以整合企业的管理，建立从企业的供应决策到企业内部技术、工艺、制造和管理部门，再到用户之间的信息集成，实现企业与外界的信息流、物流和资金流的顺畅传递，从而有效地提高企业的市场反应速度和产品开发速度，确保企业在竞争中取得优势。（3）是虚拟设计、虚拟制造、虚拟企业、动态企业联盟、敏捷制造、网络制造以及制造全球化，将成为数字化设计与制造技术发展的重要方向。虚拟设计、虚拟制造技术以计算机支持的仿真技术为前提，形成虚拟的环境、虚拟设计与制造过程、

8、虚拟的产品、虚拟的企业，从而大大缩短产品开发周期，提高产品设计开发的一次成功率。特别是网络技术的高速发展，企业通过国际互联网、局域网和内部网，组建动态联盟企业，进行异地设计、异地制造，然后在最接近用户的生产基地制造成产品。（4）是以提高对市场快速反应能力为目标的制造技术将得到超速发展和应用。瞬息万变的市场促使交货期成为竞争力诸多因素中的首要因素。为此，许多与此有关的新观念、新技术在21世纪将得到迅速的发展和应用。其中有代表性的是：并行工程技术、模块化设计技术、快速原型成形技术、快速资源重组技术、大规模远程定制技术、客户化生产方式等。（5）工艺、设备和工厂的柔性可重构性将成为企业装备的显著特点。

9、先进的制造工艺、智能化软件和柔性的自动化设备、柔性的发展战略构成未来企业竞争的软、硬件资源；个性化需求和不确定的市场环境，要求克服设备资源沉淀造成的成本升高风险，制造资源的柔性和可重构性将成为21世纪企业装备的显著特点。将数字化技术用于制造过程，可大大提高制造过程的柔性和加工过程的集成性，从而提高产品生产过程的质量和效率，增强工业产品的市场竞争力。现代产品开发设计要求有效地组织多学科的产品开发队伍，充分利用各种计算机辅助技术和工具并充分考虑产品设计开发的全过程，从而缩短产品开发周期，降低成本，提高产品质量，生产出满足用户需要的产品。1.2.3 数字化设计制造技术在我国的应用概况由于我国计算机软

10、件行业发展滞后，同时又受到cad/cam软件及仿真软件、建模技术的限制，阻碍了数字化设计制造技术的发展。这一问题应该引起我国机械行业的重视，应该积极为发展我国的计算机软件技术，进而健康迅速地推进数字化设计制造技术的发展，创造一个良好的外部条件。 近几年来，数字化设计制造技术已经引起我国科技工作者的关注，开展了一些研究工作，并着手进行了一些探索性、应用性的示范工作。机械科学研究院计算机技术应用中心最近的调查表明，据不完全统计，目前全国已有34家科研机构、高等院校和企业正在开展数字化设计制造技术方面的研究、开发及初步的示范应用工作，更令人感到高兴的是有4家企业勇于投身这种新的探索。主要在5个方面开

11、展了不同深度和广度的工作：产品的数字化设计；加工工艺模拟；加工过程、装配过程的仿真；虚拟轴机床和虚拟量仪的研制和开发；虚拟企业。总的来看，我国数字化设计制造技术的研究刚刚起步，多数是在原先的cad/cam及仿真技术的基础上进行。系统的、全面的数字化设计制造技术的研究尚未开展。目前仍停留在国外理论的消化与国内环境的结合上。可以预言，只要我们努力创造一个较好的基础，数字化设计制造技术在我国企业的实用化，并进而扩大应用已为期不远。1.3 cad技术的基本概念及发展过程1.3.1 cad技术的基本概念计算机辅助设计指利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作 ，简称cad。 在工程和产品设计中，计

12、算机可以帮助设计人员担负计算、信息存储和制图等项工作。在设计中通常要用计算机对不同方案进行大量的计算、分析和比较，以决定最优方案；各种设计信息，不论是数字的、文字的或图形的，都能存放在计算机的内存或外存里，并能快速地检索；设计人员通常用草图开始设计，将草图变为工作图的繁重工作可以交给计算机完成；由计算机自动产生的设计结果，可以快速做出图形显示出来，使设计人员及时对设计做出判断和修改；利用计算机可以进行与图形的编辑、放大、缩小、平移和旋转等有关的图形数据加工工作。cad 能够减轻设计人员的劳动，缩短设计周期和提高设计质量。1.3.2 cad技术的发展过程cad技术开始于上实际50年代，经历了50

13、年代到60年代的形成期，70年代的发展期和80年代的兴旺期，到现在已经在二维绘图、三维几何造型等方面取得了巨大的成就，并达到普及应用的地步。cad技术的发展主要经历了四个阶段，它们是：（1）曲面造型系统cad系统在20世界50年代到60年代期间只有极为简单的线框式系，它只能表达基本的几何信息，不能有效地表达几何体数据间的拓补关系。进入20世纪70年代后，在飞机和汽车工业的发展中遇到了大量的自由曲面的问题，早期的cad系统已经不能满足设计制造的要求。因此，基于自由曲面的三维造型系统catit应运而生。它的诞生标志了第一次cad技术革命的到来。（2）实体造型技术有了曲面的造型系统后，cam的问题基

14、本上可以解决，但表面模型技术只能表达形体的表面信息，难以准确表达零件的其他特性，如质量、重心、惯性矩等。为了解决这一问题，sdrc公司在1979年发布了世界上第一个完全基于实体造型技术的cad/cae软件：i-deas。实体造型技术能够精确地表达零件的全部属性，有助于统一cad、cae、cam的模型表达，给设计带来了极大的方便。实体造型技术的普及应用标志了第二次cad技术革命的到来。（3）参数化技术参数化实体造型方法具有以下的特点：基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计参数。它体现了在许多通用件、零部件设计上存在的简便易行的优势。它在机械行业中的应用主导了cad发展史上的第三次技术革命

15、。（4）变量化技术参数化的造型系统在技术上并没有完全解决好所有的问题，它们基本上都是在原有模型技术的基础上进行局部、小块的修改，而变量化技术既保持了参数化技术的原有优点，又克服了它的不足之处，为cad技术的发展提供了更大的空间和机遇。变量化技术的应用驱动了cad发展的第四次技术革命。1.3.3现代cad技术的发展趋势cad技术本身已经具备相当完善的功能了。通过一些的辅助功能，目前cad在建模的同时，能够按照设计意图做出一些更高级的分析与处理。对于cad技术的发展趋势，主要体现在以下两点中：（1）cad软件中加入pdm功能具有pdm功能的cad软件正在逐渐为用户所认识和接受。实现设计协同是未来c

16、ad的主要发展方向之一。设计协同的虚拟会议可促进设计人员之间自由讨 论、发表见解，团队能够把想法立体化，并立即见到在产品所有方面的结果。通过消除通讯瓶颈，设计协同功能能解决在工程师、供应商与客户间对关键产品设计问 题的协调工作。当团队成员正工作在产品设计的方方面面，而且是位于不同国家、城市或设计团队时，设计协同使异地数据共享成为可能，即使位于同一办公楼的团 队也能从实时共享与检查设计改变中获益。 （2）plm环境中的cad在plm解决方案中，cad功能是其中必不可少的一个有机组成部分，简称为plm3d。在plm环境中的cad功能与独立运行的cad软件在使用的定 位上有一定的层次上的差异。独立的

17、cad软件强调数据的关联，具有pdm功能的cad软件强调数据的共享，而plm中的cad功能则强调在产品全生命周期 内的数据的管理，以及基于这些数据而工作的各地、各企业、各部门、各工作组之间的协同。在plm的中性cad数字化模装中，利用jt格式，可实现多cad数据来源的虚拟产品的整机大装配，以及对零部件厂商的协作管理，还可以以plm3d来作为数字化工厂布置的基础数据，也可以作为后期产品维护/维修的仿真数据。1.4目前cad技术使用状况1.4.1国外使用cad技术状况就目前而言，我国所使用的大多数cad/cam软件均出自国外软件开发机构。由此可见，在机械领域相对发达的国家，其cad技术的应用已经相

18、当完善。从产品的概念规划、设计及后期制造，全部使用了cad技术，更有甚者已经开始实现了无纸化设计（美国空军第四代隐形战斗机f22，其设计过程中完全达到了无纸化、cad设计的过程）另外，cad技术也帮助设计人员对复杂产品的分析提供了进一步的帮助。众所周知，f117作为第一代隐形飞机，其原理就是在机身表面进行几何规划处理，在水平及垂直方向上各按一定角度斜切一刀以达到反射雷达波的作用，作为代价使其牺牲了飞机的机动性与武器弹药的载重力。然后，f117的后续机型f22，无论其隐身能力还是空中机动能力，都远远的超过了f117，究其原因，f22机身的反雷达曲线，就是依靠cad技术经过上百台计算机长时间计算的

19、出的。这样的曲线不仅保证了飞机隐身性能的要求，同时也赋予了f22优良的空中机动能力，使其成为领先世界几个数量等级的超时代战斗机。所以说，cad技术的应用，在某些方面，它确实影响了一个国家整体工业水平的发展。国外也确实在此基础上，提升了机械制造业的能力。1.4.2我国cad技术使用及应用状况反观我国目前cad技术使用状况，存在着许多不敬人意的地方。首先，由于cad技术被发达国家所垄断，我国没有真真意义上投入实际生产的国产cad技术软件。大多数机构都是以仿照国外主流cad软件为目标，进行所谓的二次开发，但是应用范围却相当窄，只是停留在高校实验室内使用。而更高级的cam/cax，则无从说起。其次，对

20、于软件在实际生产过程中起到的作用，我国还远不如发达国家。作为机械制造业，我国在人才储备方面明显不如发达国家，仍然依靠老一辈人才为骨干技术人员。由于cad技术的发展是依靠现代计算机技术而来，作为年纪较大人员来说，能够熟练使用计算机的就已经稀少，而对cad软件有着较强使用能力的，可谓少之又少。因此，在实际过程中，cad技术的应用在我国还有待着进一步深入。最后一点，关于cad技术中附带功能的使用，我国与世界的差距没有前者大。在国内不少企业，比如广东地区的许多民营企业，由于他们对市场的竞争意识越来越强，对产品的效果关注提高，其设计过程中开始注重产品的寿命、外观、材料节省等，有限元分析已经成为他们设计过

21、程中“必经之路”。无论是cosmosworks还是ugs中分析应用，在我国的应用面积呈扩大趋势。中国目前依然为一个生产大国，许多发达国家纷纷在中国落户，投资建工厂。一方面，是我国的机械制造业水平较过去有了质的飞跃，另一方面，主要的原因是我国密集型劳动力的廉价，国外企业为了降低生产成本而来。中国要将自己从生产大国走向制造、创造大国，其cad技术的开发与应用，是必不可少的。1.5 本课题研究背景及相关意义此次毕业设计中,将主要对上海delphi工厂内的j200前制动钳工装夹具体进行三维设计。夹具的设计在本工厂内过去主要按照传统的夹具设计方法，即依靠手工计算、手工绘制图纸并手工检查实体间任何问题。其

22、设计周期长，工作繁重，同时在某些分析方面又存在比较严重的问题，无法对零件及夹具体本身进行有效的fea（有限元分析）分析。过去夹具的设计周期较长，使得厂内工装工艺设计规划时间也变得较长，而导致产品的设计周期往往都拖延很长时间才能上市，减少了企业本身的市场竞争力。本文所设计制动钳夹具，其规划时间仅仅为3个月时间，其中包含了工装夹具体布局规划、定位设计、夹具部分零件设计以及后续的刀具安排及加工工艺规划，利用计算机的特殊功能，可以大大减少整个夹具设计过程中成本与时间。对于现代机械辅助设计来说，能够有效的将多种软件合并使用，并结合设计人员的智慧，才能够将改变传统机械设计中所面对的问题，为我国的制造业做出

23、一份微薄的贡献。2制动钳零件加工工艺设计2.1制动钳零件结构特点和分类制动钳，作为汽车内制动总成系统中的一部分，具有非常重要的作用，其质量的好坏直接影响了汽车在高速运行中当驾驶人员踩下刹车后能否对汽车提供有效的制动力，属于关键的零件。目前主流的中高档轿车前后刹车都采用了钳（制动钳）盘（制动盘）式刹车系统。图2.1所示了钳盘式刹车部件中的三个重要组成：制动钳、制动盘和油路系统。图2.1 钳盘式制动刹车系统三维虚拟图2.1.1零件的结构特点整个零件可以被划分为主要2个部分：（1）制动钳前端活塞孔。当汽车正常运行时，机油没有任何压力，处于静止流动状态，此时的制动片不受油压作用静止不动，依靠弹簧的作用

24、力，远离制动盘；当路面情况发生变化，驾驶员踩下刹车后，从汽车油缸总成处压送而来的机油进入到制动钳活塞孔内后，机油推动其内的活塞；在活塞的另一端，连接有制动片，通过连杆机构将钳口处的2片制动片一起向中间靠拢并咬合住连接在车轮上高速旋转的制动盘，通过降低制动盘起到降低车速的作用。（2）制动钳的安装面。因为制动盘是安装在汽车车轮上并高速旋转的，而制动片则安装于制动钳上并需要在关键时刻咬合制动盘的。这样就必须做到在正常情况下制动片绝对不能触碰到制动盘；在需要工作的情况下制动片又一点要完全的咬合制动盘。因此，对于制动钳钳口的k基准面与安装面之间就有了一定的平行度；钳口因为需要安装制动片、盘，也因此有了一

25、定的尺寸要求。2.1.2制动钳零件的分类制动钳零件分类的标准很多，本文根据实际零件的使用情况与要求，按功能和其工作原理将制动钳分为前制动钳与后制动钳两大类。其中，前制动钳因为其工作中制动功率高的原因对零件的质量、尺寸有特殊要求，而后制动钳的形状往往比较复杂。本次论文的主要设计对象为前制动钳。图2.2 j200前制动钳三维成品模型展示图2.2制动钳零件尺寸分析2.2.1制动钳零件分析汽车刹车系统按类型分，主要分为鼓式刹车和盘式刹车两种。 鼓式刹车利用制动蹄片挤压制动鼓产生制动力来刹车的，多用于小型货车和低档汽车，由于其制动力较弱、湿水后容易引起瞬间刹车失灵、热衰减快等原因，已濒临淘汰，属于落后技

26、术。 目前的主流刹车系统是盘式刹车。盘式刹车系统又分为实心盘式刹车和通风盘式刹车。原理都一样，都是利用刹车油泵产生的压力，带动刹车卡钳挤压刹车盘产生制动力。主要特点是热衰减比较小、刹车灵敏，配合abs系统能有效防止车轮抱死，刹车力量强劲。有此可见，在盘式制动器内，对刹车盘和刹车片起到有效物理作用的是制动钳，其钳产品的质量好坏直接影响了汽车的制动效果，为行车安全带来可靠的保证。内部代号为j200前制动钳是使用于上海通用旗下的新凯越汽车。材料为球墨铸铁，在最后工件加工成型时对其进行表面处理，以防止发生锈蚀。从零件的三维模型图上看，零件的结构并不是非常复杂，主要为活塞孔与钳体安装面。图2.3是j20

27、0前制动钳夹具三视图及轴向视图。图2.3 j200前制动钳模型2.2.2工件加工尺寸分析制动钳部件加工区域可分为3个大部分：钳口、活塞孔、安装面。本文先以活塞孔为对象详细说明。在工件的前端，其毛坯为一个半圆方形台阶，其厚度为5mm，左侧外带一个厚8mm、高13mm的小台阶。图2.4 钳件顶部毛坯图示（俯视）图2.5 钳件顶部毛坯图示（侧向）图2.6 钳件顶部加工图示（俯视）图2.7 钳件顶部加工图示（侧视）查看工件的机加工图，在原该位置处有一个25的圆平面，中心处需要一m10x1.5的螺纹通孔以及安装时的17.5mm、深0.7mm的沉头孔。在旁边的台阶上则需要铣出一个宽8mm的槽。图2.8 钳

28、件毛坯（活塞孔） 对于活塞孔，查看工件及毛坯的剖面图，其加工的内容为孔直径的放大（由毛坯的50mm加工到54mm）以及孔口的倒角、防尘槽的加工。图2.9 钳件活塞孔机加工形状另外就是钳口的加工。从尺寸上来看，钳口的加工内容只有一个：将工件钳口两侧的毛坯各铣削掉1.5mm，从原来的60mm扩展到63mm。图2.10 钳件钳口处加工示意图最后剩余的便是制动钳安装平面的加工。之前的文字说明就已经表示了工件加工完成后的k基准面与安装平面之间有一定的平行度要求。从k基准面起将安装平面加工到离k基准面16mm并且平行度小于0.05mm；然后加工耳孔的另一侧，使得整个耳孔的厚度为12mm。图2.11 钳件安

29、装面加工示意图2.3加工工艺说明2.3.1工艺规划当工件装夹到夹具上并随台面（table）转入到加工区域（machining area）内时，此时的工件端部正好正对于主轴，利用这一过程，我们决定先将此端面上的25平面刮出来，并一次加工到位。刀具号为t9，由于毛坯尺寸的原因，我们确定g01走刀量为12mm，使用六刃合金立铣刀。下一步，因为该平面上按设计要求有一个m10x1.5的螺纹孔，所以，在完成上一步刮平面之后，我们使用8.1的钻头先钻出一个通孔（该型号钻头可用于安装平面8.1孔的加工）。因为在选用刀具时尽量选择厂内已经有的刀具。在该平面上，还剩余一个17.5沉头孔以及m10x1.5螺纹孔未加

30、工，对于螺纹孔，制动钳活塞孔内的底平面还未被加工，而本身刮17.5刀具的与该螺纹孔的第二次扩孔刀为同一把复合扩刀。所以，17.5沉头孔先不加工。然后，旋转台面180度，将工件的另一侧对准机床主轴。利用160的盘式铣刀，通过插补的方式，对工件钳口进行加工。对于钳口的加工方案，主要分为两种：（1）因为加工节拍的限制，我们计划使用一把160mm直径、厚63mm的盘式铣刀，对该r131的圆弧走一次插补运动。通过对工程样件的检查发现，由于是一次成型加工，刀具在工件左右两侧加工r131圆弧的时候，属于3面同时加工。此时，加工产生的切削力非常大，而夹具的刚性却无法承受如此大的切削力，部分夹具零件在此刻发生了

31、塑性变形，使得被加工的工件发生震动，在切削表面留下波纹形的切削痕迹。而且，对于大吃刀量的加工与机床自身的功率有着一定的关系，hm500型加工中心所提供的主轴功率对于该工步并不是很可靠。（2）同前一种方案相同，第二种方案我们依然使用160的盘式铣刀，不同之处在于刀具的厚度不再是63mm这样的一次成型铣刀，厚度改为24mm。对于之前所说的加工节拍，为了能够在铣刀沿r131的圆弧面走3次插补而在规定加工时间内，我们将毛坯的钳口60mm预先在其他的铣床上加工掉两侧各0.5mm。对于这样的选择，虽然在成本方面，工厂不得不为此添加2到3台的铣床，但是综合起来考虑，这一步的加工工序与本身加工中心的加工算是同

32、时工序，在加工节拍上完全可以相互重叠而不拖进度，同时这也可以使得工件加工时所受的应力相对于之前的方案来比要小的多。在铣床上，我们设定工件钳口两侧对称加工各0.5mm。为什么不在此工序上一次性加工出钳口的63mm距离？就如之前所说，制动钳的作用是将安装在车轮上制动盘与安装在制动钳上的制动片整合到一起。盘与片两者之间又存在着一定的相对位置关系，而这个相对位置取决于制动钳与汽车车架的安装，换而言之，就是制动钳上的8.1平面与k基准面之间有一个平行度要求。在机械加工工艺课程内我们知道，工件两次装夹，其位置度无论如何都会有一定的误差。如在铣床上将工件一次成型加工到63mm，虽然这个尺寸可以得到保障，然而

33、安装平面与k基准面之间的平行度就无法保证；若将钳口尾部直接加工掉1.5mm ,那么在加工中心上再次加工k基准面时，就无法保证钳口的63mm。所以，综合考虑上述方案，我们目暂时确定以两道工序加工工件钳口的63mm。钳口之后，开始加工活塞孔。工件后部的r20mm圆弧属于工艺限制下的结构，它是为了能够使得刀具下到钳口并加工活塞内孔所产生的结构，用于刀具进出工件避开碰撞工件的。对于铸件，其r20mm的尺寸很难得到加工时的精度要求，也就无法保证不碰到刀具、刀柄。为此，在活塞孔开始加工之前，对该圆弧进行下必要的处理，使得在后续的加工中，不碰到刀具、刀柄。同样的道理，工件活塞内孔的毛坯虽然为50mm，但是铸

34、件的原因，使得其材料的分布并不是很均匀。考虑到后续加工的53.3mm刀具不会因为加工力不均匀而降低本身刀具的刚度，我们先对其内孔进行扩孔。在节拍的限制之下，我们将这两步的加工整合起来，放到同一把刀具上加工。之后，使用t3、53.3mm的镗刀，先对孔进行粗加工，按照图纸要求，在轴向上加工到底孔厚度为8.5mm；使用t4刀具，对活塞孔口进行粗加工；然后使用t5、54mm的铰刀，对活塞孔进行径向上的精加工以及t6的孔口倒角精加工；完成后，使用t7、t8成型槽刀，用插补程序加工出需要的防尘槽。活塞孔加工完成后，用40mm的立铣刀，加工出制动钳安装平面。因为设计的原因，其安装面靠内侧方向必须为平面，所以

35、加工时，只能使用铣刀以走直线的方式沿设计平面铣出安装平面。对于工件，这一方向上的内容至此已经全部完成，回转台面180度。根据10x1.5螺纹孔的国标，其对应的小径孔为8.5mm。因此，使用直径8.5mm的钻头对螺纹孔进行镗孔；在刀具的第二台阶安装有17.5mm的刀片以方便在加工完镗孔后加工沉头孔。再对上一步完成的孔进行攻丝，丝锥为m10x1.5mm。使用立铣刀，加工出旁边的8mm槽。最后，使用合金式复合钻孔刀。先钻出8.1的安装孔，然后使用刀片的端面刮出23mm的螺栓安装面。完成整个加工。2.3.2 刀具选用说明及原则就一般来说，在实际生产过程中，尤其是对于现代制造业中的机加工而言，因为产品本

36、身的换代更新时间变得越来越快，每次都需要针对不同的产品增加或购买不同的刀具，所以刀具（刀柄、刀杆、刀片）已经是整个生产过程中一项重要的消耗项目。如何能够合理并且最优化的使用刀具成为了各制造业企业降低公司成本的一个重要因素，使之满足日常的柔性制造系统的要求。本次j200前制动钳的加工工艺方案便是基于这样的思想指导下，对产品进行工艺规划并选用刀具的。比如说，在加工制动钳前端的m10x1.5螺纹孔，首先需要使用直径为8.5mm的钻头进行扩孔，而该孔所在的平面又必须加工出一个直径为17.5mm的沉头孔。因此，对于该工序，设计人员完全有理由使用一把复合扩孔铣刀将这两个工序合并为一次加工，即节省加工时间，

37、也减少了刀具的数量。图2.12 复合扩孔铣刀前端加工部位示意图2.3.3加工中心工步说明卡、刀具选用卡序号段号工步内容刀号刀具规格刀具名称nr/minvm/minsmm/min1n100铣螺孔平面1-25平面，深12t925六刃合金立铣200钻低面孔1-8.1 穿t138.18.1合金钻头340086.526803n300插补铣r1310.05内圆弧面t1160三面刃铣刀3181602454n400镗活塞孔地面1-50并孔口倒角，修r20圆弧t250/40复合扩孔刀500785605n500粗镗活塞孔至1-53.3，深48t353.3双刃镗刀900150.82166n

38、600粗扩活塞孔至1-65.2和57及倒角，深10t465.257复合扩孔刀40071.8647n700铰活塞孔至1-54，深48t554复合铰刀236401608n800铰活塞孔至1-66和57.6及倒角,深10t66657.6复合铰刀3005442009n900插补铣防尘槽t750成型槽刀45070.730010n1000插补铣防尘槽t850成型槽刀45070.730011n110012n1200铣安装孔2-8.1t925六刃过中心合金立铣刀1500117.890013n1300台面回转180度14n1400锪1-17平面并扩螺纹孔至8.5，深14t11178.5复合扩刀300080.11

39、96015n1500攻丝m10x1.5t14m10x1.5丝锥70022105016n1600铣安装孔至2-8.1并带倒角，深14t138.1合金复合钻320081.4464017n1700铣1-8槽 深14t128.四刃过中心合金立铣刀200050.27480补充说明:t1、7、8要输入刀具半径补偿3制动钳工装夹具方案设计3.1制动钳零件工装夹具设计流程3.1.1制动钳零件工装夹具设计目前对制动钳这一类的零件工装夹具并没有一个统一的设计规定，在本文中，根据夹具的实际设计过程，结合现代先进制造业发展的技术与计算机辅助技术，将工装夹具的设计过程分为两个阶段：概念、优化设计阶段和结构设计阶段。为了

40、减少夹具的设计和试制成本，所以本文将工装夹具的概念设计和优化设计相结合在一起，以更好的发挥数字化设计的优势。所谓的概念设计，对于任何一样产品而言，它都处于设计周期中最初阶段，同时也正是这个阶段决定了产品的最终经济效果，从源头上控制整个产品线的生产成本。对于工装夹具，其概念设计的主要任务是：根据零件设计的结构形状和加工要求，分析具体的设计要求，从而确定整个工装夹具的种类、结构和布置方案。在概念设计阶段完成之后，是优化设计阶段。考虑到夹具对刀具的影响，根据制定的工艺方案，把握整个制动钳铸造件的空间形状，以及加工位置和空间大小。合理设计工装夹具的定位点的布置位置和大致结构，分析工装夹具的结构和布置方

41、案，比如说，查看零件定位点和支撑点是否合理有效以及是否有刀具干涉等问题，并以此得到反馈信息对夹具的布局和结构进行概念设计的修改，最后得到符合设计要求的工装夹具具体方案。在完成概念设计阶段之后是工装的结构设计阶段，是对真个夹具的设计任务进行具体、详细地分解，明确夹具各个组成部分的种类和构成，以及完成夹具的每个组件组成部分以及定位基准的确定，最后绘制出工装夹具工件图。3.1.2制动钳零件工装夹具的设计流程传统的机床夹具设计采用通常以二维平面整体设计为基础，由装配图拆画零件图，然后通过人工校对方法验证零件图的正确性，再由二维零件图虚拟想象出空间三维模型的基础上，编制机械加工工艺规程，加工出合格的零件

42、实物，最后再由零件装配出满足要求的产品。与此同时，在一般夹具的设计工程中，工装设计人员常采用类比法进行结构校核，通常能满足要求，就不需要进行复杂的计算与分析；但是，对于柔性夹具的设计，由于fms加工零件结构精度不一样，fms对夹具设计提出的要求也就不一样了，再加上柔性夹具自身的特点等，夹具基础件有可能做成专用件，如孔槽相间的基础板，既可以是平板式的，又可以是整体立碑式的，还可以是组合碑式的，此时，如果不加分析就把基础板制造出来，不仅达不到fms对夹具提出的要求，而且会造成极大的浪费和损失，导致产品设计周期长，对市场的反应迟缓。随着计算机水平的发展和各种cad/cam/cae软件的出现，现代夹具

43、设计的方法发生了很大的变化，图3.2是基于零件数模以及solidworks、cosmos works等cad/cae/cam软件上的汽车零部件工装夹具的现代化设计流程图。本设计流程的特点是采用主模型原理，建立统一的工装夹具分析模型，从概念设计、结构分析优化以及右面的环节都采用唯一的数学模型，设计能够在虚拟环境状态下构思、设计、制造、测试和对产品进行分析，以提前解决那些将在时间、成本、质量等方面产生的问题。在设计制动钳类零件工装夹具的过程中的定位夹具时，采用了自上而下的设计方案，从开始就建立高度抽象的模型进行目标验证，随着设计由概念到实施的进展，抽象模型不断被具体化，同时在设计的各个环节逐层次进

44、行建模和验证。分析车身件外形，建立支撑件和定位销确定夹具初步设计方案布局方案的确定及优化、夹具结构设计干涉输出夹具数模不干涉solidworks中进行装备干涉试验刀具干涉模拟干涉结束输入制动钳数模图3.1 汽车制动钳工装夹具设计流程图3.2汽车制动钳工装夹具布局设计在现代制造业企业中，对于产品的质量与实际工作效率有着越来越重要的地位。因为零件在工装夹具上被机床加工成型的，所以夹具在整个加工过程中起者重要的作用。这说明零件能够合理正确地安装于夹具且定位准确是非常重要也是必要的；另一方面，在实际的生产过程中，零件的安装与卸载都必将消耗一定的时间，它们占据了工厂生产节拍中的一部分时间。为了提高整个节

45、拍中有效的加工时间，就必须对零件工装夹具进行合理的布局与排放，使得一次装夹，加工多个零件来提高生产效率。同时，夹具布局方案的合理设计以及夹具的标准化、柔性化设计以及快速化制造都是减少夹具种类和数量、缩短夹具设计加工时间及减少夹具设计和制造成本、提高加工质量的一个非常重要的保证。3.2.1制动钳零件工装夹具布局设计流程工装夹具的布局设计的主要功能是确定主要定位点位置、数量和辅助定位点位置，并且在满足加工精度的前提下，优化夹具布局设计，以达到最佳的性价比。其主要流程图3.2如图所示。分析工件外形，建立支撑点初步确立分析模型分析工件具体结构，确定主定位点，试定辅助支撑点把工件定位模型导入cosmos

46、进行核算不合格合格确定夹具布局方案，设计、选择夹具图3.2 制动钳类零件工装夹具布局设计流程图3.2.2刚性零件常用的“3-2-1”定位原理一般来说对于刚性零件，通常我们采用“3-2-1”定位原理来固定工件，而不象薄板类零件所使用的近几年所提出的“n-2-1”定位方式。所谓的“3-2-1”定位原理，即第一定位面上使用3个不在同一条直线的上点作为3个定位基准点，以此来形成3点确定一面的方式定位。完成第一基准面定位后，工件一般只剩下第一基准面内两坐标方向上的位移以及垂直于此面轴线方向上的旋转。通过第二基准面的2个定位点约束，此时的工件就剩下最后一个方向上的位移，利用第三定位点，整个工件便在空间上的

47、6个约束完全被固定。图3.3 工件空间内三方向定位：；蓝色为第一面、红色为第二面、绿色为第三面3.2.3工装夹具工件定位点的有限元分析流程cosmos是srac（structural research & analysis corporation）推出的一套强大的有限元分析软件。由于cosmos采用ffe (fast finite element)技术，使得复杂耗时的工程分析时间大大缩短。它功能强大，可对模型（零件或装配体）进行线性静态应力分析、非线性分析、频率分析、扭曲分析、热分析、优化分析、疲劳分析、掉落测试等的一整套解决方案。“3-2-1”定位原理广泛应用于刚性件，在此基础上，本文利用有

48、fea有限元技术结合cosmos，对工件的“3-2-1”定位点的布置方案进行结果分析与探讨，为柔性件工装夹具的设计提供了一种较为简单的使用方法。一般的有限元分析流程如下：1) 模型准备2) 网格划分3) 定义材料特性4) 施加载荷与边界条件5) 检查有限元模型6) 分析求解7) 模型后处理也可以在几何模型上直接施加载荷和边界条件，再划分网格。3.2.4制动钳工装夹具有限元模型分析对于定位点分布确定后，考虑到机床的液压夹紧力大小，利用cosmos有限元工具对该定位方案合理性进行必要的分析，并根据所得反馈数据改动工件定位点位置分布以达到加工精度要求。 （1）建立制动钳零件、分析模型 将原始的stp

49、文件直接通过solidworks软件读取，得到j200前制动钳零件模型。注意在转换的过程中选择正确的选项以避免使得模型文件只是以曲面特征导入而影响后续的fea分析。（2）选择零件的材料属性 通过模型树中的“材料选择”，将“灰铸铁”属性添加到模型属性内。材料的弹性模量e6.62e10n/m2, 密度7.2e4kg/m3，泊松比0.27。图3.4 cosmos中对零件定义材料 （3）约束工件 按照实际加工的情况，工件将被固定于工装夹具上。在cosmos选项中，建立3个固定面，分别约束工件x、y、z方向上移动自由度以及各自轴上的旋转自由度。图3.5 cosmos中对工件进行固定面约束 （4）添加压力

50、 选择x、y、z方向上3个不同平面上的受力点，并输入相应的力的大小。在输入载荷类型的时候，必须确认所选的是“力”，而不是“压力”。图3.6 cosmos中选择对工件施力的类型 对于夹具夹紧力的计算，必须考虑到以下2个因素：一，夹具必须也是最起码要求能够克服工件自身因重力因素而不掉落；二，夹具必须能够克服因为刀具切削工件，将材料从工件表面剥离时产生的力，通过公式计算，因当找出该工序刀具加工过程中受力最大的加工；三，夹具的夹紧力应该是机床液压油所能达到的范围，并且须通过静应力分析，对工件及夹具本身不会造成应力变形。从实际角度出发，本文根据工件自身的重力，并由刀具工艺规划过程中计算出的刀具切削力，将

51、两者数值想加，得出的最大合力为：1400n，考虑到计算过程中给予参数一定的裕度，将最终夹紧力顶为 1600n、约160公斤夹紧力。图3.7 cosmos中施加工件的受力（5）对模型进行网格化不同等级的网格有着不同的特性。网格越大，计算机的计算量少且时间短但本身计算结果精度不高；网格小则计算结果精度高，但处理时间长且不适用于模型表面复杂的零件。在计算机可处理的情况下，本文将网格选择到其范围内的最小值：3.3072mm。图3.8 cosmos中细化网格以提高精度（1） 输出结果j200 毛坯-cosmosxpressstudy.htm图3.9 vonmises应力分布图图3.10 合位移分布图根据

52、输出得到的结果图，可得工件工装时的最大的应力为4.6e+004n/m2，远小于工件本身材料的屈服应力5.0e+004n/ m2，换而言之，在实际的加工过程中，机床夹具对工件所产生的夹紧力并不会影响到工件，其加工精度可以保障。3.3制动钳工装夹具的布局方案的初步确立 在经过前一步的夹具定位点的确定后，根据工件的实际装夹与操作，对该工装夹具进行一些必要的后续辅助设计： （1）对于工件，如何使其能够正确的安放于夹具体上而不滑移或是摔落到地面上造成工件损毁，即机床夹具未工作的情况下预先对夹具提供一个有效的夹持装置，附加预夹紧装置。（2）考虑到整个流水线上的机床在不同的时间段内将加工不同系列的制动钳类零

53、件。由于fms的原因，依靠操作人员的目视化检查，难以保证有足够高的正确率防止错误的工件被安装于夹具上。因此，需要在工装夹具上设有相关的防错装置以起到发现工件安装错误作用。4制动钳工装夹具详细设计4.1软件选用说4.1.1设计环境说明solidworks是在windows环境下实现的第一个三维机械cad软件。它采用了windows用户界面，拥有强大、动态激活的属性管理器，以灵活的草图绘制为基础，辅助以特征建立能力以及装配控制功能，并提供了自由、开放、功能完整的api开发工具接口。这些功能使solidworks实现了三维cad软件一贯倡导的易用性、高效性和功能强大，完整地提供了产品设计的解决方案。

54、目前，使用solidworks软件进行参数化建模的主要技术是：基于特征。将某些具有代表性的平面几何形状定义为特征，并将其所有尺寸存为可调参数，进而形成实体，以次为基础来进行更为复杂的几何形体的构造。全尺寸约束。将形状和尺寸联系起来考虑，通过尺寸约束来实现对几何形状的控制。尺寸驱动设计。通过编辑尺寸数值来驱动几何形状的改变，尺寸参数的修改将导致其他相关模块中的相关尺寸的全盘更新。采用这种技术的理由在于它能够彻底地克服了自由建模的无约束状态，几何形状均以尺寸的形式而被牢牢地控制住。对于现代机械设计来说，尺寸约束与尺寸驱动决定了产品开发过程中产品建模对时间需求的减少，以及在后期因实际生产、加工与使用

55、过程中所碰到的问题而对对产品反复修改所带来的方便性，设计人员只需修改相关的参数即可即时动态化的将结果反馈在屏幕上，改变了传统设计过程中因一个尺寸的改变而导致整个装配布局的更新。基于以上的原因，本文设计过程中的模型建立选用solidworks来实现。4.1.2参数化键模的实现目前参数化键模技术大致可以分为如下三种方法：（1）基于尺寸驱动的参数化键模基于尺寸驱动的参数化键模通过对模型的集合尺寸进行修改实现对图形的修改。它是应用最为广泛的键模方法，也是最基本的方法。事实上，无论其余的方法利用什么来改变图形，根本上都是通过几何尺寸的改变来实现的。比如，在solidworks中建立一个实体，在实体上标明

56、尺寸，尺寸线可以看成一个有向线段，上面的尺寸数字就是参数名，其方向反映了几何数据实体和参数间的关系，由用户输入的参数名找到对应的实体，进而根据参数值对实体进行编辑修改。（2）基于约束驱动的参数化键模在维持几何约束关系不变的前提条件下，通过约束值的修改实现系统的变化，几何约束驱动本质上是一个几何实体约束满足的过程，他通过一定的约束规划和推理方法实现几何实体的空间定位。基于几何约束的参数化键模用几何约束来表达产品模型的形状特征，定义一组参数以控制设计结果，从而能够通过调整参数来修改设计模型。产品模型的修改通过尺寸驱动实现，通过给定的几组参数值，实现了系列零件或标准件的自动生成。约束的引入使对设计目标依赖关系的描述成为可能。（3）基于特征模型的参数化键模基于特征的参数化键模综合运用参数化特征造型的变量几何法和基于生成历程法这两种造型的变量几何法实现特征的结构和编辑。基于特征的参数化键模是新兴的cad键模方法，是cad/capp/cam的热点研究方向。几种方法各有利弊，基于尺寸驱动的参数化键模没有明确模型的