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钢板 弹簧 加工 工艺 30 mm 夹具 设计

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机械加工工序卡片工序名称粗铣孔外侧面工序号零件名称后钢板弹簧吊耳零件号零件重量2.6kg同时加工件数1材料毛坯牌号硬度型式重量35钢149187HBS模锻造3.9kg设备夹具辅助工具名称型号专用夹具铣床X51工步工步内容工艺装备主轴转速切削速度进给量切削深度进给次数基本工时1粗铣孔左外侧面端铣刀38059.70.48210.512粗铣孔右外侧面端铣刀38059.70.48210.51指导老师第 页共页机械加工工序卡片工序名称钻-扩-铰孔工序号零件名称后钢板弹簧吊耳零件号零件重量2.6kg同时加工件数1材料毛坯牌号硬度型式重量35钢149187HBS模锻造3.9kg设备夹具辅助工具名称型号专用夹具钻床Z550工步工步内容工艺装备主轴转速切削速度进给量切削深度进给次数基本工时1钻孔麻花钻25022.00.28130.672扩孔扩孔钻18516.30.61.80.073粗铰孔铰刀6368.30.60.20.054精铰孔铰刀6368.30.60.20.055倒角锪钻（以孔和其两外圆端面定位）指导老师第 页共 页机械加工工艺过程卡片产品型号零件图号产品名称后钢板弹簧吊耳零件名称共1 页第1 页材料牌号35钢毛坯种类锻件毛坯外形尺寸每毛坯可制件数1每台件数1备注工序号工序名称工序内容车间工段设备工艺装备工时准终单件1端面铣粗精铣两外圆端面X51铣床专用铣夹具 高速钢圆形铣刀2钻-扩-粗铰-精铰钻，扩，铰孔，倒角Z550钻床专用钻夹具麻花钻 扩孔钻 铰刀 忽刀3端面铣粗铣孔内侧面X51铣床专用铣夹具高速钢圆形铣刀4端面铣粗铣孔外侧面X51铣床专用铣夹具高度速圆形铣刀5钻-扩-铰钻-扩-铰孔 倒角145Z550钻床专用钻夹具麻花钻 扩孔钻 铰刀 忽刀6钻-扩钻-扩孔Z550钻床专用钻夹具麻花钻 扩孔钻7粗铣粗铣开口槽X51铣床专用铣夹具8终检机械制造技术基础课程设计说明书设计题目：设计“后钢板弹簧吊耳”零件机械 加工工艺规程及工艺装备设 计 者： 班级学号：指导老师： 学院：班级：2012 年7 月4 日机械制造工艺学课程设计任务书题目：设计“后钢板弹簧吊耳”零件的机制加工工艺规程及工艺装备内容：1、零件图 1张 2、毛坯图 1张 3、机械加工工艺过程综合卡片 1张 4、夹具装配图 1张 5、夹具体零件图 1张 6、课程设计说明书 1份原始资料：零件图样，Q=4000台/年，n=1件/台，每日一班2012年07月引言- 2 -2 后钢板弹簧吊耳加工工艺规程设计- 3 -2.1零件的分析- 3 -2.1.1零件的作用- 3 -2.1.2零件的工艺分析- 4 -后钢板弹簧吊耳的技术要求- 4 -2.2工艺过程设计所应采取的相应措施- 5 -2.3后钢板弹簧吊耳加工定位基准的选择- 5 -2.3.1 确定毛坯的制造形式- 5 -2.3.2粗基准的选择- 6 -2.3.3精基准的选择- 6 -2.4工艺路线的制定- 6 -2.4.1 工艺方案一- 6 -2.4.2 工艺方案二- 7 -2.4.3 工艺方案的比较与分析- 7 -2.5机械加工余量、毛坯尺寸及工序尺寸的确定- 8 -2.5.1机械加工余量毛坯尺寸- 8 -2.5.2 确定工序尺寸- 8 -3 切削用量、时间定额的计算- 10 -3.1切削用量的计算- 10 -3.2 时间定额的计算- 12 -3.2.1 基本时间的计算- 12 -3.2.2 辅助时间的计算- 13 -3.2.3 其他时间的计算- 13 -3.2.4单件时间的计算- 14 -3.2 本章小结- 14 -4 加工工艺孔夹具设计- 14 -4.1加工工艺孔夹具设计- 14 -4.2定位方案的分析和定位基准的选择- 15 -4.3定位误差分析- 15 -4.4切削力的计算与夹紧力分析- 16 -4.5钻套、衬套、钻模板及夹具体设计- 16 -4.6夹具精度分析- 18 -4.7夹具设计及操作的简要说明- 18 -4.8夹具装配二维图- 19 -4.9夹具装配三维图- 20 -4.10本章小结- 22 -五、结 论- 23 -六、参 考 文 献- 23 -七、致 谢- 23 -设计后钢板弹簧吊耳的机械加工工艺规程及工艺装备 1、 引言 机械的加工工艺及夹具设计是在完成了大学的基本课程之后，进行的一次理论联系实际的综合运用，使我对专业知识、技能有了进一步的提高，为以后从事专业技术的工作打下基础。机械加工工艺是实现产品设计，保证产品质量、节约能源、降低成本的重要手段，是企业进行生产准备，计划调度、加工操作、生产安全、技术检测和健全劳动组织的重要依据，也是企业上品种、上质量、上水平，加速产品更新，提高经济效益的技术保证。然而夹具又是制造系统的重要组成部分，不论是传统制造，还是现代制造系统，夹具都是十分重要的。因此，好的夹具设计可以提高产品劳动生产率，保证和提高加工精度，降低生产成本等，还可以扩大机床的使用范围，从而使产品在保证精度的前提下提高效率、降低成本。当今激烈的市场竞争和企业信息化的要求,企业对夹具的设计及制造提出了更高的要求。所以对机械的加工工艺及夹具设计具有十分重要的意义。本次设计是对后钢板弹簧吊耳零件的加工工艺规程及一些工序的专用夹具设计。后钢板弹簧吊零件的主要加工表面是平面及孔。由加工工艺原则可知，保证平面的加工精度要比保证孔的加工精度容易。所以本设计遵循先面后孔的原则。并将孔与平面的加工明确划分成粗加工和精加工阶段以保证加工精度。基准选择以后钢板弹簧吊耳大外圆端面作为粗基准，以后钢板弹簧吊耳大外圆端面与两个工艺孔作为精基准。主要加工工序安排是先以后钢板弹簧吊耳大外圆端面互为基准加工出端面，再以端面定位加工出工艺孔。在后续工序中除个别工序外均用端面和工艺孔定位加工其他孔与平面。2 后钢板弹簧吊耳加工工艺规程设计2.1零件的分析2.1.1零件的作用按照设计要求给出的零件是CA10B解放牌汽车后钢板弹簧吊耳。后钢板弹簧吊耳的主要作用是载重后，使钢板能够得到延伸，伸展，能有正常的缓冲作用。因此汽车后钢板弹簧吊耳零件的加工质量会影响汽车的工作精度、使用性能和寿命。汽车后钢板弹簧吊耳主要作用是减震功能、阻尼缓冲部分功能、以及导向功能。图2.1 后钢板弹簧吊耳零件图三维图如下图所示2.1.2零件的工艺分析后钢板弹簧吊耳的技术要求加工表面尺寸及偏差公差 及精度等级表面粗糙度形位公差两端面0.4，IT130.05，IT9尺寸的端面0.074，IT9220.045,IT9A宽为的槽由后钢板弹簧吊耳零件图知可将其分为两组加工表面。它们相互间有一定的位置要求。现分析如下：（1）以两外圆端面为主要加工表面的加工面。这一组加工表面包括：。两外圆端面的铣削，加工的孔，其中两外圆端面表面粗糙度要求为，的孔表面粗糙度要求为（2）以孔为主要加工表面的加工面。这一组加工表面包括：2个的孔，2个的孔、2个孔的内外两侧面的铣削，宽度为4的开口槽的铣削，2个在同一中心线上数值为的同轴度要求。其中2个的孔表面粗糙度要求为，2个的孔表面粗糙度要求为，2个孔的内侧面表面粗糙度要求为，2个孔的外侧面表面粗糙度要求为，宽度为4的开口槽的表面粗糙度要求为。2.2工艺过程设计所应采取的相应措施由以上分析可知。采用35号钢，含碳量0.320.40 。属于优质碳素钢，该零件的主要加工表面是平面及孔系。一般来说，保证平面的加工精度要比保证孔系的加工精度容易。因此，对于该零件来说，加工过程中的主要问题是保证平面的尺寸精度以及孔的尺寸精度及位置精度，处理好孔和平面之间的相互关系。该类零件的加工应遵循先面后孔的原则：即先加工零件的基准平面，以基准平面定位加工其他平面。然后再加工孔系。后钢板弹簧吊耳的加工自然应遵循这个原则。这是因为平面的面积大，用平面定位可以确保定位可靠夹紧牢固，因而容易保证孔的加工精度。其次，先加工平面可以先切去铸件表面的凹凸不平。为提高孔的加工精度创造条件，便于对刀及调整，也有利于保护刀具。后钢板弹簧吊耳零件的加工工艺应遵循粗精加工分开的原则，将孔与平面的加工明确划分成粗加工和精加工阶段以保证孔系加工精度。2.3后钢板弹簧吊耳加工定位基准的选择2.3.1 确定毛坯的制造形式零件材料为35钢。由于生量已达到大批生产的水平，而且零件的轮廓尺寸不大，故可以采用铸造成型，这对提高生产效率，保证加工质量也是有利的。2.3.2粗基准的选择粗基准选择应当满足以下要求：（1） 粗基准的选择应以加工表面为粗基准。目的是为了保证加工面与不加工面的相互位置关系精度。如果工件上表面上有好几个不需加工的表面，则应选择其中与加工表面的相互位置精度要求较高的表面作为粗基准。以求壁厚均匀、外形对称、少装夹等。（2） 选择加工余量要求均匀的重要表面作为粗基准。例如：机床床身导轨面是其余量要求均匀的重要表面。因而在加工时选择导轨面作为粗基准，加工床身的底面，再以底面作为精基准加工导轨面。这样就能保证均匀地去掉较少的余量，使表层保留而细致的组织，以增加耐磨性。（3） 应选择加工余量最小的表面作为粗基准。这样可以保证该面有足够的加工余量。（4） 应尽可能选择平整、光洁、面积足够大的表面作为粗基准，以保证定位准确夹紧可靠。有浇口、冒口、飞边、毛刺的表面不宜选作粗基准，必要时需经初加工。（5） 粗基准应避免重复使用，因为粗基准的表面大多数是粗糙不规则的。多次使用难以保证表面间的位置精度。为了满足上述要求，基准选择以后钢板弹簧吊耳大外圆端面作为粗基准，先以后钢板弹簧吊耳大外圆端面互为基准加工出端面，再以端面定位加工出工艺孔。在后续工序中除个别工序外均用端面和工艺孔定位加工其他孔与平面。2.3.3精基准的选择精基准的选择主要考虑基准重合的问题，当设计基准与工序基准不重合时，应当进行尺寸换算。2.4工艺路线的制定由于生产类型为中批生产，应尽量使工序集中来提高生产率，除此之外，还应降低生产成本。2.4.1 工艺方案一表 2.1 工艺方案一表工序1：铣两外圆端面工序2：钻，扩，铰孔，倒角工序3：铣孔的内侧面工序4：铣孔的外侧面工序5：钻，扩，铰孔，倒角工序6：钻，扩孔工序7：铣宽度为4的开口槽工序8：终检2.4.2 工艺方案二表 2.2 工艺方案二表 工序1：以的圆柱面以及一个端面为粗基准车床加工另外一个端面，以及用车床尾座进行钻孔工序2：以加工完的的圆柱面以及端面为精基准加工另外一个端面工序3：钻床 扩，铰孔，倒角工序4：钻，扩，铰孔，倒角工序5：铣孔的内侧面工序6：铣孔的外侧面工序7：钻，扩孔工序8：铣宽度为4的开口槽工序9：终检2.4.3 工艺方案的比较与分析工艺方案一与工艺方案二的关键不同的两个地方在于的端面加工以及的内外表面与孔的加工顺序。 方案二车床加工车削的端面与内孔，可以保证垂直度的要求，但是相对于方案一，需要装夹两次，定位比较麻烦。而且由于的内孔的粗糙度要求比较高，还需要扩孔以及铰孔处理。方案一铣床铣削两侧端面，可以保证平行度，孔加工可以一次性在钻床上面加工完。 的两侧面以及孔的加工顺序应该遵循先面后孔的原则，若先加工孔，加工余量更大，加工时间耗时更多，加工路线就不合理。综上所述，合理具体加工艺如下：工序1：铣两外圆端面工序2：钻，扩，铰孔，倒角工序3：铣孔的内侧面工序4：铣孔的外侧面工序5：钻，扩，铰孔，倒角工序6：钻，扩孔工序7：铣宽度为4的开口槽工序8：终检2.5机械加工余量、毛坯尺寸及工序尺寸的确定2.5.1机械加工余量毛坯尺寸“后钢板弹簧吊耳”零件材料为35钢，硬度HBS为149187，生产类型为中批量生产，采用锻造毛坯。参考金属加工工艺及工装设计书本.查表可以 毛坯图 如下2.5.2 确定工序尺寸（1-1）铣端的其中的一个侧面，以另一侧面为定位基准名称加工余量基本尺寸加工经济精度工序尺寸及公差表面粗糙度粗铣278IT12Ra6.3毛胚尺寸-80-（1-2）铣端的其中的一另一个侧面，以加工后的那面作为精基准名称加工余量基本尺寸加工经济精度工序尺寸及公差表面粗糙度粗铣276IT12Ra6.3（2）工孔：名称加工余量（双）基本尺寸加工经济精度工序尺寸及公差表面粗糙度铰孔（粗-精）0.25IT7Ra1.6扩孔1.75IT11Ra6.3钻孔35IT12-（3）铣孔的内侧端面：名称加工余量（双）基本尺寸加工经济精度工序尺寸及公差表面粗糙度粗铣476.5-Ra12.5毛胚尺寸-72.5-（4）铣孔的外侧两端面 以加工后的内侧面为定位的基准名称加工余量基本尺寸加工经济精度工序尺寸及公差表面粗糙度粗铣222IT1222Ra50（5）加工孔：名称加工余量（双）基本尺寸加工经济精度工序尺寸及公差表面粗糙度铰孔（粗-精）0.2IT7Ra1.6扩孔1.8IT11Ra6.3钻孔28IT12-（6）加工孔：名称加工余量（双）基本尺寸加工经济精度工序尺寸及公差表面粗糙度扩孔0.7-钻孔9.8IT12-（7）铣宽度为4mm的开口槽：名称加工余量基本尺寸加工经济精度工序尺寸及公差表面粗糙度粗铣44IT134Ra503 切削用量、时间定额的计算3.1切削用量的计算以工序1为例：粗铣两外圆端 确定切削用量机床：立式铣床X51刀具：高速钢圆柱形铣刀 粗齿数，细齿数（1）、粗铣铣削深度： 每齿进给量：查设计指南 表5-144可知，取铣削速度： 取，机床主轴转速： 取=30, =63代入公式得：根据表5-72，取实际铣削速度：工作台每分进给量： 取=，=代入公式得：工作台每分进给量：取以工序5钻扩铰孔为实例，确定切削用量机床：立式钻床 Z550刀具：麻花钻（45度的主偏角）、扩孔钻、铰刀、锪钻1.钻孔工步1）背吃刀量的确定 取。（双边余量）2）进给量的确定 零件材料为低刚度零件，故进给量应乘系数0.75，则0.43）0.260.32mm/r，取f=0.28mm/r根据表4-64可以查到选取该工步的每转进给量。3）切削速度的计算 由表4-66，按工件材料为35钢中碳钢的条件选取，切削速度v可取为。由可求得该工序钻头转速，参照课程设计指南表5-65所列Z550型立式钻床的主轴转速，选取转速。再将此转速代入公式（5-1），可求出该工序的实际钻削速度：。2.扩孔工步1）背吃刀量的确定 取。2）进给量的确定 由表5-128，选取该工步的每转进给量。3）切削速度的计算 由指南 表5-128，按工件材料为35钢的条件选取，切削速度v可取为。由可求得该工序钻头转速，参照表5-65所列Z550型立式钻床的主轴转速，取转速。再将此转速代入公式，可求出该工序的实际钻削速度：。3.铰孔工步1）背吃刀量的确定 取。2）进给量的确定 查设计指南表5-129，可以查到每转进给量处于0.5-0.6之间，可以选取该工步的每转进给量。3）切削速度的计算 根据课程设计指南表5-135可以知道，主轴转速处于5-7m/min参照表4-9所列Z550型立式钻床的主轴转速， .取转速。再将此转速代入公式，可求出该工序的实际钻削速度：。4.倒角采用锪钻。为缩短辅助时间，取倒角是的主轴转速与扩孔时相同：，手动进给。3.2 时间定额的计算3.2.1 基本时间的计算以工序7钻扩铰孔为例1）钻孔工步钻孔的基本时间可由公式求得。式中；。将上述结果代入公式，则该工序的基本时间。以上为钻一个孔的机动时间，故本工序机动工时是。2）扩孔工步扩孔的基本时间可由公式求得。式中；;；。将上述结果代入公式，则该工序的基本时间。以上为扩一个孔的机动时间，故本工序机动工时是。3）铰孔工步（因为分粗铰和精铰。所以铰孔工步时长为两倍0铰孔的基本时间可由公式求得。式中；;；。将上述结果代入公式，则该工序的基本时间。以上为铰孔工步的机动时间，故本工序机动工时是。3.2.2 辅助时间的计算工序5钻扩铰孔辅助时间与基本时间之间的关系为=（0.150.2），这里取=0.15，则：工序5钻孔工步的辅助时间：t = 0.15 * 48s=7.2s 工序5扩孔工步的辅助时间：t = 0.15 * 28.6s=4.3s 工序5铰孔工步的辅助时间：t = 0.15 * 164.8s=24.72s3.2.3 其他时间的计算除了作业休息时间（基本时间与辅助时间之和）以外，每道工序的单件时间还包括布置工作地时间、休息与生理需要时间和准备与终结时间。由于该工件的生产类型为中批生产，分摊到每个工件上的准备与终结时间甚微，可忽略不计；布置工作地时间是作业时间的2%7%，休息与生理需要时间是作业时间的2%4%，均取为3%，则各工序的其它时间（+）可按关系式(3%+3%)(+)计算，则：工序5钻扩铰孔工序5钻孔工步的其他时间：+=6%（48s+7.2s）=3.1s；工序5扩孔工步的其他时间：+=6%（28.6s+4.3s）=1.98s；工序5铰孔工步的其他时间：+=6%（164.8s+24.72s）=11.37s；3.2.4单件时间的计算工序5单件时间为三个工步单件时间的和，其中钻孔工步：=48s+7.2s+3.1s=58.3s扩孔工步：=28.6s+4.3s+1.98s=34.88s铰孔工步：=164.8s+24.72s+11.37s=200.8s；因此，工序9的单件时间=+=58.3s+34.88s+200.8s=293.98s。3.2 本章小结本章主要是对后钢板弹簧吊耳的加工工艺进行设计。先要明确零件的作用 ，本次设计的后钢板弹簧吊耳的主要作用就是载重后，使钢板能够得到延伸，伸展，能有正常的缓冲作用。确定了零件的机械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸后，就可以对零件的工艺路线进行分析，制定出几套工艺方案，然后对这几套方案进行分析比较，选择最优方案，最后进行时间定额计算及生产安排。优良的加工工艺是能否生产出合格，优质零件的必要前提，所以对加工工艺的设计十分重要，设计时要反复比较，选择最优方案.4 加工工艺孔夹具设计4.1加工工艺孔夹具设计本夹具主要用来钻、铰两个工艺孔。这两个工艺孔均有尺寸精度要求为，表面粗糙度要求，表面粗糙度为，与端面垂直。并用于以后加工中的定位。其加工质量直接影响以后各工序的加工精度。本道工序为后钢板弹簧吊耳加工的第五道工序，本道工序加工时主要应考虑如何保证其尺寸精度要求和表面粗糙度要求，以及如何提高劳动生产率，降低劳动强度。4.2定位方案的分析和定位基准的选择由零件图可知，两工艺孔位于零件孔内外侧面上，其有尺寸精度要求和表面粗糙度要求并应与侧面垂直。为了保证所钻、铰的孔与侧面垂直并保证两工艺孔能在后续的孔加工工序中使孔的加工余量均匀。根据基准重合、基准统一原则。在选择两工艺孔的加工定位基准时，应尽量选择上一道工序即粗、精铣顶面工序的定位基准，以及设计基准作为其定位基准。因此加工工艺孔的定位基准应选择外圆端面和与之配合的心轴(大平面短销）为主要定位基准限制工件的五个自由度，用一个活动的支承钉限制工件的另一个自由度。采用螺母夹紧。以及一个活动的支承钉来作为辅助支承。4.3定位误差分析本工序选用的工件以圆孔在间隙心轴上定位，心轴为垂直放置，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。不过这时的径向定位误差不再只是单向的了，而是在水平面内任意方向上都有可能发生，其最大值也比心轴水平放置时大一倍。见下图。式中 定位副间的最小配合间隙（mm）； 工件圆孔直径公差（mm）； 心轴外圆直径公差（mm）。图4.2 心轴垂直放置时定位分析图4.4切削力的计算与夹紧力分析由于本道工序主要完成工艺孔的钻、扩、铰加工，而钻削力远远大于扩和铰的切削力。因此切削力应以钻削力为准。由切削手册得：钻削力 式（4-1）钻削力矩 式（4-2）式中： 代入公式（4-1）和（4-2）得 本道工序加工工艺孔时，夹紧力方向与钻削力方向相同。因此进行夹紧立计算无太大意义。只需定位夹紧部件的销钉强度、刚度适当即能满足加工要求。4.5钻套、衬套、钻模板及夹具体设计工艺孔的加工需钻、扩、铰三次切削才能满足加工要求。故选用快换钻套（其结构如下图所示）以减少更换钻套的辅助时间。根据工艺要求：工艺孔分钻、扩、铰三个工步完成加工。即先用的麻花钻钻孔，根据GB114184的规定钻头上偏差为零，钻套孔径为。再用标准扩孔钻扩孔，根据GB114184的规定扩孔钻的尺寸为，钻套尺寸为。最后用的标准铰刀铰孔，根据GB114184的规定标准铰刀尺寸为故钻套孔径尺寸为。图 4.3 快换钻套图铰工艺孔钻套结构参数如下表：表 4.1 铰工艺孔钻套数据表dHD公称尺寸允差303040-0.010-0.0275946165.5272836衬套选用固定衬套其结构如图所示：图 4.4 固定衬套图其结构参数如下表：表 4.2 固定衬套数据表dHDC 公称尺寸允差公称尺寸允差40+0.02304246+0.035+0.01832夹具体的设计主要考虑零件的形状及将上述各主要元件联成一个整体。这些主要元件设计好后即可画出夹具的设计装配草图。整个夹具的结构见夹具装配图2所示。4.6夹具精度分析利用夹具在机床上加工时，机床、夹具、工件、刀具等形成一个封闭的加工系统。它们之间相互联系，最后形成工件和刀具之间的正确位置关系。因此在夹具设计中，当结构方案确定后，应对所设计的夹具进行精度分析和误差计算。本道工序加工中主要保证两工艺孔尺寸及同轴度公差及表面粗糙度。本道工序最后采用精铰加工，选用GB114184铰刀，直径为，并采用钻套，铰刀导套孔径为，外径为同轴度公差为。固定衬套采用孔径为，同轴度公差为。该工艺孔的位置度应用的是最大实体要求。即要求：（1）、各孔的实际轮廓受最大实体实效边界的控制即受直径为的理想圆柱面的控制。（2）、各孔的体外作用尺寸不能小于最大实体实效尺寸。（3）、当各孔的实际轮廓偏离其最大实体状态，即其直径偏离最大实体尺寸时可将偏离量补偿给位置度公差。（4）、如各孔的实际轮廓处于最小实体状态即其实际直径为时，相对于最大实体尺寸的偏离量为，此时轴线的位置度误差可达到其最大值。工艺孔的尺寸，由选用的铰刀尺寸满足。工艺孔的表面粗糙度，由本工序所选用的加工工步钻、扩、铰满足。4.7夹具设计及操作的简要说明由零件图可知，两工艺孔位于零件孔内外侧面上，其有尺寸精度要求和表面粗糙度要求并应与侧面垂直。为了保证所钻、铰的孔与侧面垂直并保证两工艺孔能在后续的孔加工工序中使孔的加工余量均匀。根据基准重合、基准统一原则。在选择两工艺孔的加工定位基准时，应尽量选择上一道工序即粗、精铣顶面工序的定位基准，以及设计基准作为其定位基准。因此加工工艺孔的定位基准应选择外圆端面为主要定位基面以限制工件的三个自由度，以孔限制工件的两个自由度，用一个挡块定位限制工件的另一个自由度。4.8夹具装配二维图4.9夹具装配三维图4.10本章小结在本章中，夹具主要用来加工后钢板弹簧吊耳工艺孔。首先应明确本夹具中的夹紧定位机构，在进行后钢板弹簧吊耳内侧端面粗铣加工工序时，外圆端面已经精铣，工艺孔已经加工出。本工艺孔的定位基准应选择外圆端面和与之配合的心轴为主要定位基准限制工件的五个自由度，用一个定位销限制工件的另一个自由度。采用螺母夹紧。然后按照有关公式进行切削力和夹紧力的计算，然后对钻床夹具必不可少的钻套和衬套进行设计，还应对夹具精度进行分析。夹具是制造系统的重要组成部分，夹具对加工质量、生产率和产品成本都有直接的影响。是能否高效、便捷生产出合格、优质零件的保证。所以对夹具设计也是非常重要的。- 24 -五、结 论后钢板弹簧吊耳的加工工艺及夹具设计，主要是对后钢板弹簧吊耳的加工工艺和夹具进行设计。后钢板弹簧吊耳的加工工艺设计主要是确定加工工艺路线，机械加工余量和切削用量、基本工时的确定，夹具的设计主要是要设计出正确的定位夹紧机构。在本设计中工件的加工工艺路线正确合理，夹具的定位夹紧机构也能达到定位夹紧的目的，能保证加工工件的精度。在设计中遇到了很多问题，如出现工艺路线的不合理，甚至出现不能保证加工所要求达到的精度。在进行夹具设计时，因定位基准选择不合理，出现过定位或欠定位造成加工的零件的精度得不到保证。在选择夹紧机构时由于机构的大小，尺寸等不合理，而达不到夹紧的目的，也可能因夹紧力作用点或作用面的位置不合理而使工件产生翻转。不过在指导老师的悉心认真的指导下，经过三个多月自身的不断努力，这些问题都一一解决。在这个过程中，对机械加工工艺和夹具设计有关的知识有了更深的理解，增强了对本专业综合知识运用的能力，使我对专业知识、技能有了进一步的提高，为以后从事专业技术的工作打下基础。 六、参 考 文 献金属加工工艺及工装设计化工工业出版， 主编：黄如林，汪群，2006.3 机械制造课程设计指导书化工工业出版 主编：王祟凯机械制造技术基础 高等教育出版社 主编 ：吉卫喜七、致 谢首先，我要感谢汪群老师对我的课程设计的指导。在课程设计设计中，汪老师给予了我学术和指导性的意见以及宝贵的指导意见和鼓励。同时，我深深感谢我们班级的同学，在两个个星期的设计过程中，大家团结互爱，彼此互帮互助，使得整个设计过程顺利有序的进行。我也非常感谢我的父母朋友。在学习和生活上，他们一直都很支持我，使我能全身心地投入到学习中。最后，很感谢阅读这篇课程设计（论文）的人们。感谢你们抽出宝贵的时间来阅读这篇课程设计（论文）沈阳理工大学学士学位论文附录二 ：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。 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。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GA和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-工件的接触点。夹具元件-工件接触点的位置必须在候选位置。为一个问题涉及夹具元件-工件接触和加工负荷步骤，优化问题可以在数学上仿照如下： 这里的表示加工区域在加工当中j次步骤的最高弹性变形。其中是的平均值；是正常力在i次的接触点；是静态摩擦系数；fhi是切向力在i次的接触点；pos(i)是i次的接触点；是可选区域的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4.1 遗传算法遗传算法（ GA ）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MATLAB的直接搜索工具箱是被运用的。 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，nchg达到一个预先定义的价值ncmax ，或有多少几代氮，到达演化的指定数量上限nmax， 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。“inpolygon ”在MATLAB的功能可被用来帮助检查。4.2 有限元分析ANSYS软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，kij 是弹簧刚度在的j -次节点周围i次夹具元件，Dij 是i次夹具元件和的J -次节点周围之间的距离，ki是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ANSYS之间的互动实施如下。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ANSYS软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SQL Server数据库。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ANSYS，否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”ANSYS 命令。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。5.1 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0.3和71Gpa的杨氏模量。外廓尺寸152.4mm127mm*76.2mm.该工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0.3和杨氏模量的220的合金钢。图4 空心工件5.2 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330.94 n（切）、398.11 N （下径向）和22.84 N （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。5.3 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一般来说， 3-2-1定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=0mm截面上使用了4个定点（L1，L2 ， L3和14 ），以定位工件并限制2自由度；并且在Y=127mm的相反面上，两个压板（C1,C2）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（6673.2N）在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4.43107 N/m 和5.47107 N/m得到了正常切向刚度。5.4 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：Ps=30, Pc=0.85, Pm=0.01, Nmax=100和Ncmax=20.关于f1和的惩罚函数是这里fv可以被F1或代表。当nchg达到6时，交叉和变异的概率将分别改变成0.6和0.1.5.5 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。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，5.6 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