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惰轮轴工艺工装及钻孔Φ9夹具设计【含CAD图纸】,含CAD图纸,轮轴,工艺,工装,钻孔,夹具,设计,CAD,图纸

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浙江纺织服装职业技术学院毕 业 设 计惰轮轴工艺设计和工装设计题 目 院机电信息分院 系 数控技术与应用专 业 姓 名 指导教师 摘 要本设计的零件为惰轮轴，选用QT60-2钢。根据零件的形状、尺寸精度、生产的经济效益等各方面的详细分析其加工工艺，多采用专用机床加工。通过对零件的分析，此轴要求精度高，工序适当集中，要求光滑，所以选用工具和尺寸要准。最后对零件进行校核。以便达到零件精度的要求。关键词：夹具、校核、 Lazy axle designAbstract : The design of the axle components are inert choose QT60-2 steel. According to parts of shape, size precision, production and other economic benefits of the detailed analysis of its manufacturing processes, the use of dedicated processing machine. Part of the analysis, accuracy of this axis, the appropriate concentration processes require smooth, and use tools to prospective size. Finally, the parts are checked. To meet the requirements of precision parts. Keywords : Fixture, Verification, 目 录摘 要：2前 言4一 毕业设计的目的5二 毕业设计要求的基本任务和要求5 2.1、基本任务5 2.1.1、工艺设计的基本任务.5 2.1.2、夹具设计的基本任务.5 2.2、设计要求5 2.2.1、工艺设计的设计要求.5 2.2.2、夹具设计的设计要求.5三 惰轮轴毕业设计的方法和步骤6 3.1、生产纲领的计算与生产类型的确定.6 3.2、零件材料的分析.6 3.3、零件图的分析.7 3.4、确定毛坯.8 3.5、加工工艺路线.8 3.6、确定工序尺寸及其公差.9 3.7、确定切削用量.10 3.8、机床及工艺设备的选择.10 3.9、设计工艺过程卡.11 3.10、零件的程序编制.12四 夹具设计12 4.1、夹具设计的目的和要求.12 4.2、夹具类型的确定.13 4.3、定位装置的设计.13 4.4、夹紧装置的设计.16 4.5、导向装置的设计及其它装置结构、夹具体的确定.18 4.6、确定夹具技术要求和有关尺寸、公差配合.18 4.7、夹具精度分析与计算.19 结 论.20 致 谢.20参考文献21前 言在本次设计中，主要包括以下几个步骤：一、 惰轮轴的工艺设计：确定毛坯,确定工艺路线,确定工序切削用量,确定工时定额的计算。二、 惰轮轴夹具的设计：设计夹具装置,导向装置,确定夹具技术要求和有关尺寸,公差配合,夹具精度分析和计算。毕业设计要达到的主要目标及技术要求： 设计的零件尺寸要求精度高，表面粗糙度也高，要求表面光滑。本零件制品为大批量生产。 一毕业设计的目的 毕业设计是培养机械工程类专业学生应职应岗能力的重要实践性教学环节，它要求学生能全面综合地运用所学的理论和实践知识，进行零件机械加工工艺规程和工艺装备的设计。其基本目的是：（1） 培养工程意识。（2） 训练基本技能。（3） 培养质量意识。（4） 培养规范意识。二 毕业设计要求的基本任务和要求2.1、基本任务2.1.1、工艺设计的基本任务 (1)绘制零件工作图，毛坯图各一张 (2)绘制夹具装备图，夹具零件图各一张 (3)编制机械加工工艺规程卡片一套 (4)编写设计说明书一份2.1.2、夹具设计的基本任务 (1)收集资料,为夹具设计做好准备 (2)绘制草图,进行必要的理论计算和分析以及夹具的结构方案 (3)绘制总图和主要非标准件零件图,编写设计说明书 (4)编制夹具的使用说明或技术要求2.2、设计要求2.2.1、工艺设计的设计要求 (1) 保证零件加工质量,达到图纸的技术要求 (2) 在保证加工质量的前提下,尽可能提高生产效率 (3) 要尽量减轻工人的劳动强度,生产安全 (4) 在立足企业的前提下,尽可能采用国内技术和装备 (5) 工艺规程应正确.清晰,规范化,标准化的要求2.2.2、夹具设计的设计要求 (1) 保证工件的加工精度 (2) 提高生产效率 (3) 工艺性好 (4) 使用性好 (5) 经济性好三 惰轮轴毕业设计的方法和步骤 3.1、生产纲领的计算与生产类型的确定 生产纲领的大小对生产组织和零件加工工艺过程起着重要的作用.它决定了各工序所需专业化和自动化的程度以及所选用的工艺方法和工艺装备.零件生产纲领可按下式计算. N=Qn(1+a%)(1+b%) 式中：N-零件的生产纲领（件/台） Q-产品的年产量（台/年） n-每台产品中，该零件的数量（件/台） a%-零件的备品率 b% -零件的平均废品率 已知零件的年生产纲领为10000零件的质量约为2，查表1-1可知其生产类型为大批量生产，初步确定工艺安排的基本思路为：加工过程划分阶段；工序适当集中；加工设备以通用设备为主；大量采用专用工装。这样安排，生产准备工作投资较少，生产效率高，且转产容易。 本设计的零件为小型零件，生产类型为大批量生产。 3.2、零件材料的分析 本设计的零件是惰轮轴，选用QT60-2钢。QT60-2钢是优质素结构钢，属于普通中碳钢。其强度、硬度较高，热处理硬度在50左右，而塑性、韧性略低。不能做冲、挤等加工零件。热锻、热压性能及被切削性能良好，冷加工变形能力及焊接性能中等。是机械行业最常用的钢号之一，通常在调质或正火状态下使用，还用于高频或火焰表面淬火处理。其收缩率小。其密度基本和铁的密度一样与普通碳素钢都差不多，和A3更是相近，是7.85g/cm*3。 3.3、零件图的分析： 要求：表面清晰，无毛刺，尺寸精度如上图。零件的作用：该零件主要适用于机械传动系统中力的传送，用于机床，汽车等产品。 3.4 确定毛坯 (1) 确定毛坯种类根据零件材料确定毛坯为铸造件。 毛坯图 (2)确定铸件形状(1)根据第一章有关表格及铸工手册，确定外表面单边加工余量为2.53mm(2)根据铸工手册，轴可通过拔长得到，为简化铸造工艺，对直径相近的台阶适当合并 (3)根据轧制圆棒料切断和端面加工余量的要求，端面加工余量确定 为3mm 3.5 加工工艺路线 1定位基准的选择 以外圆为粗基准面加工端面为粗基准打中心孔，再以中心孔为基准车外圆。以确定基准面。 2拟定工艺路线 确定各表面的加工方法 工件各加工表面的加工方法和加工次数是拟定工艺路线的重要内容。主要依据零件各加工表面本身的技术要求确定，同时还要综合考虑生产类型、零件的结构形状和加工表面的尺寸、工厂现有的设备情况、工件材料性质和毛坯情况等。各种加工方法的经济精度和粗糙度如下:外圆表面及孔加工的经济精度与表面粗糙度序号加工方法经济精度（IT）表面粗糙度Ra(m)适用范围1粗车1113256.3适用于淬火钢以外的各种金属2粗车半精车8106.33.23粗车半精车精车691.60.84粗车半精车精车抛光680.20.025序号加工方法经济精度（IT）表面粗糙度Ra(m)适用范围1钻121312.5适用于淬火钢以外的各种金属2钻铰8103.21.63钻粗铰精铰781.60.8 加工顺序的安排 在确定了零件各表面的加工方法之后,就要安排加工的先后顺序。零件加工顺序是否合适，对加工质量、生产率和经济性有着较大的影响。1 机械加工顺序的安排 在安排机械加工顺序时，一般遵循先粗后精、先面后孔、先主后次、基准先行的原则。对于工序内容复杂的零件则视具体情况采取工序集中与分散的原则处理。2 加工阶段的划分 对于精度和表面质量要求较高的零件，应将粗、精加工分开进行。为此，一般将整个工艺过程划分阶段，按加工性质和作用不同，一般划分为粗加工阶段、半精加工阶段、精加工家段和光整加工阶段。这对于保证零件加工质量、合理使用机床设备、及时发现毛坯缺陷及合理安排热处理工序等有很大好处。3 热处理工序的安排 热处理工序主要用来改善材料的性能及消除应力。热处理的方法、次数和在工艺路线中的位置，应根据零件材料和热处理的目的而定。如图1-4所示为热处理工序安排图。毛坯-粗加工-半精加工-精加工-精磨-细磨 去应力退火 正火4 合理安排辅助工序 辅助工序种类很多，主要包括检验、划线、去毛刺、清洗、平衡、退磁、防锈、包装等，根据工艺需要穿插在工序中。3.6确定工序尺寸及其公差 工序顺序确定后，就要计算各个工序加工时所应达到的工序尺寸及其公差。工序尺寸公差一般按经济加工精度确定，但就其性质和特点而言，一般可以归纳为两类：1 基准重合时（定位基准或工序基准重合）工序尺寸的计算 当确定了各个工序间余量和工序所能达到的加工精度后，将余量一层层叠加在被加工表面上，计算顺序是从最后一道工序开始，由后往前推，就可计算出每道工序的工序尺寸。2 基准不重合时工序尺寸的计算 在零件的加工过程中为了加工和检验的方便可靠，或由于零件表面的多次加工等原因，往往不能直接采用设计基准作定位基准，会出现基准不重合的情况。形状复杂的零件在加工过程中需要多次转换定位基准，这时工艺尺寸的计算微比较复杂，应利用尺寸链原理进行分析和计算，并对工序余量进行必要的验算（是否够切）以确定工序尺寸及其公差。3.7确定切削用量 粗加工时，切削量为1.5mm 半加工时，切削量为0.6mm精加工，切削量为0.2mm;孔加工时：用直径8.5的钻头，再用直径9的铰刀，用螺纹钻头钻；3.8机床及工艺设备的选择（1）选择机床 选择机床和工艺装备的总原则是根据生产类型与加工要求使所选择的机床及工艺装备既能保证加工质量，又经济合理。 基于次原则本惰轮轴的设计所选机床如下：数控机床、钻床、磨床等（具体车床类型及型号请看工艺卡片）。 （2）选择夹具粗车、半精车可采用定心卡盘及尾座顶尖。轴孔钻削深度小，宜选用低速钢钻头。 （3）选择量具 粗加工、半精加工可选用通用量具。 端面工序尺寸中无高公差，而查参考文献知计量器具不确定度允许值为0.012mm，故选择分度值为0.01mm的游标卡尺，其不确定度值为0.006mm，可满足要求。 仿形车工序中轴向尺寸30f6其上偏差为+0.020，下偏差为+0.041，查表并根据有关公式计算得，计量器具不确定度允许值为0.045mm，查参考文献选择分度值为0.02mm的游标卡尺，其不确定值可满足要求。 精加工工序为零件完工尺寸，精度要求高，若用通用量具，需选用比较仪、指示表，使用不便。故宜选用专用量具。 外圆测量宜采用卡规，测量时要注意从相互垂直的两个方向测量。3.9设计工艺过程卡 机械加工工艺过程卡片零件名称惰轮轴材料牌号QT602毛坯种类：铸件工序号工序名称工序内容设备工艺装备010毛坯铸造020热处理1去应力退火030仪表车车两端面平端面数控车床车刀，游标卡尺，三爪卡盘040粗车外圆(1) 车床三爪卡盘夹紧一端面，另一端面用顶针顶住，加工外径33，平端面2mm，端面留有余量，长度为17(2) 换头同方法车另一端面，加工外径33，平端面2mm，端面留有余量，长度为26(3) 中间厚度8两侧面6.3粗车，车到10数控车床车刀，游标卡尺，两顶针，三爪卡盘050半精车外圆(1) 用顶针和卡盘固定两端面，加工外径31.8，长度为19(2) 换头用顶针和卡盘固定两端面，加工外径31.8，长度为27.5数控车床车刀，游标卡尺，两顶针，三爪卡盘060精车外圆(1) 换头车另一端面，用顶针和卡盘固定，加工外径30，长度为20(2) 换头车另一端面，用顶针和卡盘固定，加工外径30，长度为28，公差为+0.12与0.07之间(3) 中间厚度8两侧面6.3精车，车到8公差在+0.1与-0.1之间数控车床车刀，游标卡尺，两顶针，三爪卡盘070热处理正火硬度HB229302080精磨外圆精磨外圆磨床M1432B外圆砂轮090钻孔9 M6Z525钻头， 游标卡迟，钻模100孔粗加工9 M6Z525钻头，游标卡迟，钻模110孔精加工9 M6Z525钻头，游标卡迟，钻模120检验去毛刺，修边锉刀，砂皮纸130入库油封，入库编制（日期）审核（日期）共（ ）页 第（）页3.10零件的程序编制（部分）1对刀2编程 G93 X100 Z80 S650 T01 M03 G01 X51 Z2 F0.2 G91X35Z27.5 X33 X31.8 X30.6 X30.4 X30.2 X30 G00 X51 Z4 M02 M30 四 夹具设计 4.1夹具设计的目的和要求 目的 (1)保证加工精度 (2)提高劳动生产率 (3)改善工人劳动条件 (4)降低生产成本 (5)扩大机床工艺范围要求 1、保证工件的加工精度 2、提高生产效率 3、工艺性好 4、使用性好 5、经济性好 4.2 夹具类型的确定 由此任务及条件可知：加工零件的加工形状不是很复杂，加工精度要求不是很高。但生产批量较大。因此夹具的设计不宜太复杂，在保证加工质量和生产效率的前提下，应尽量简化结构，做到经济合理 4.3定位装置的设计（1） 确定定位方案本零件总共有六个自由度，这里主要控制五个自由度： 根据工件结构特点，其定位案有两种方案一：13所示，以30的左端面为定位面，限制它的五个自由度，X，Y。 方案二：13所示，以30的右端面为定位面，限制它的五个自由度，X，Y 方案一 方案 二 比较上述两种方案，方案更合理 （2）定位元件的选择1）选择带定位销的底板，作为30轴的定位元件，其尺寸和结构按要求确定 2）以9孔外缘定位，采用两种方式： （1）选用只厂承钉作为9外缘定位元件其尺寸和结构按照表319和320确定，它可限制Z的自由度。该方案由于对工件的夹紧的效果不是很好 （2）采用移动V形块作为定位元件，如图14所示它可限制Z自由度，虽然它的结构比较复杂，但是对工件的加工精度能起到很好的效果。比较上述两种方案，确定采用第二种方案 图 14（3） 定位误差分析计算 1）加工M6螺纹盲孔，保证中心距16以及于端面的垂直度为0.03。计算中心距尺寸（16）mm定位误差D为 D=B+Y 由图13可知, B=0 基准位移误差Y等于定位销于定位孔的最大间隙值Xmax,销孔配合代号为8 , 8H7为8+0.021 8n6为8-0.002 于是 Xmax=Dmax-dmin=8.021-7.998=0.023mm D=Y= Xmax=0.023（mm） 其中：G =0.2mm D允=1/3G=0.06D则 DD允 该定位方案满足要求 计算螺纹孔M6与B面垂直度误差 同理 D=B+Y 有基准位移误差定义可知 Y=1+2 1是定位销圆柱部分与台阶面的垂直度误差。由于此两表面是在第一次安装中加工出的，其误差很小，可忽然不计1=0 2是工件与定位面B的垂直度误差，而工件与定位面B也是在一次安装中加工出的，其误差很小，也可忽然不计1=0 因此 D=B+Y=0 定位误差的允许值D允=1/3G=1/30.03=0.01(mm) 显然 DD允 2）加工M6通孔：要求保证中心距56mm的定位精度。 同理 D=B+Y，B=0 而Y与加工M6相同 D=Y=0.023mm其中：G=0.2mm D允=1/3G=1/30.2=0.06mm 显然 DD允 3）加工9孔，要求保证其中心距为80mm D=B+YD=Y=0.023mm 其中 G=0.2mm D允=1/3G=1/30.2=0.06mm显然 DD允 该定位方案满足要求 由以上分析可知，该定位方案与定位装置是可行的。4.4 夹紧装置的设计 1夹紧机构 根据生产类型，此夹具的夹紧机构不宜太复杂，采用螺旋夹紧方式。其螺杆直径暂用为M12为缩短装卸工件的时间，采用开口垫圈。 2夹紧力计算 （1）加工9时受力分析如图15所示，加工时钻削轴向力F与夹紧力F1同向作用在V行块上，而钻削扭矩T1则有使工件紧靠V行块之势切削力矩不大。因此，对于加工此孔来说，夹紧是可靠的，不必进行夹紧力校 图 15 图16 （2）加工M6孔时如图16所示，由于受到的扭矩比较大，夹紧机构因具有足够的夹紧力和摩擦力矩，为此需进行夹紧力的校核。 1） 钻削轴向力F F=9.81CFdfFkF 设f=0.25mm,以知 d011mm其余参数查文献得： F=9.8161.2110.250.70.688=2167.5（N） 2） 钻削力矩T2 T=9.81CMdMf MkM=9.810.031111 0.25 0.866=9.866（N.m） 3） 使工件转动的转矩T3 由图16知7 T3=FL=2167.150.015=32.15（N.m） 4） 防转夹紧力F 根据力的平衡原理得： F3fr+2Fn frKT3 得F3=9030.56（N） 5） 夹紧机构产生的夹紧力为F3 根据出版选用螺杆直径为M12mm，由参考文献【9】查得，采用M12的螺杆时，许用夹紧力F3F3。显然满足夹紧力要求4.5 导向装置的设计及其它装置结构、夹具体的确定1 加工M6螺纹孔导向装置的确定 为适应钻、扩、铰的要求，现选用快换钻套及之相适应的村套，它们的主要尺寸和结构由表357和358选取。具体尺寸如表17所示 表17 快换钻套及衬套尺寸 由机械加工手册得：钻套端面至加工面间的距离一般取（0.31）d(d为钻头直径，取8mm.2 加工9孔的导向装置的确定 为维修方便，不采用固定钻套，而选用可换钻套，它们的主要尺寸和结构由表35和表358选取。其主要尺寸如表18所示。 表18 可换钻套及衬套尺寸 钻套端面至加工表面的距离，选取原则与M6孔相同，因加工精度底，为方排屑， 取 12mm. 各导向件至定位元件间的位置尺寸公差按工件相应公差的1/21/5选取。因此，它们分别为（16）mm,(56)，（800.2）。M6孔对轴心线基准面垂直度允差0.05mm 9孔对轴心线基准面平行度允差为0.05mm 3 其它装置的确定 为便于排屑，辅助支承采用螺旋套筒式；为便于夹具的制造和维修，钻模板与夹具的联接采用装配式。夹具体采用开式，使加工、观察、清理切削均方便。4.6 确定夹具技术要求和有关尺寸、公差配合1 技术要求（1） 定位元件与夹具底面的垂首度误差允许值在全长上为0.03。mm（2） 导向元件与夹具底面的垂直度误差允许值在全长上为0.03。mm（3） 导向元件与夹具底面的平行度误差允许值为0.02mm 2、公差配合 （1）M6孔钻套、衬套、钻模板上内孔之间的配合代号及精度分别为： 14 8 （2）14 8 （3）其余部位的公差配合代号及精度按总装配所示。 4.7 夹具精度分析与计算 由图11所示，所设计夹具需保证的加工要求有；尺寸(56)mm, 尺寸(16)mm, 尺寸(80)mm,9孔与基准面C的垂直度0.03mm，M6孔与基准面B的垂直度0.03mm.其中尺寸80mm, 尺寸56mm, ,，要求较底，不必验算，其余各项精度要求分别验算如下；（1） 尺寸（16）mm（2） 定位误差D，由前计算已知D=0.023（3） 定位元件对底面的垂直度误差A=0.03（4） 钻套与衬套间的最大配合间隙T1=0.033（5） 衬套孔的距离公差T2=0.1（6） 麻花钻与钻套内孔的间隙X=0.050；得： J= D+A+T1+T2+X= 0.023+0.03+0.033+0.1+0.050=0.0342/3G=2/30.2=0.12 因而夹具能保证尺寸这项加工要求。 由于夹具设计的各部分分析与计算以进行，结果符合要求，在草图的基础上绘制正式的总装配图 结 论经过两个月的分析零件、查阅资料、绘图、计算、等复杂的步骤，最终完成了止动块的模具设计。在此期间本人遇到了不少的疑难问题，通过网上查询、请教师、跟同学讨论之后得到了解决问题的办法。经过这次毕业设计，让我巩固了以前所学的知识，也为我以后的工作打下了很好的基础。这篇毕业设计虽然已经完成了，但由于本人缺少实际经验，在实际利用中次设计肯定还存在不少的问题，需要改进。希望老师能给我提点意见和建议。 接下来的时间本人会在公司里好好学习，以提高自己的水平，为将来的工作打下更坚实的基础。致 谢在这里，在这本设计即将完成之际，我要感谢我们宁波法思特精密雕铣设备有限公司的领导，是他们给了我设计的空间；我还要感谢一直帮助我的杨伟超、廖飞军两位导师，他们在我的设计中给了我很多的指导，在一些对我来说比较艰深，比较把握不了方向的地方，给予了我指明，帮我除去了许多不必要的麻烦；在此我还要感谢我们公司技术课的同仁，是他们不遗余力的帮助，才使我有充足的时间来完成本设计，谢谢，谢谢你们，因为有你们才有本设计的实现，谢谢！参考文献1、 主编：吴兆祥，机械制造技术课程设计，浙江大学出版社，2005.12、 主编：蒋建强，数控加工技术与实训，北京：电子工业出版社，2003.83、 主编：李启炎，计算机绘图（初级）AUTOCAD2004版，同济大学出版社，2004.74、 主编：夏凤芳，数控机床，高等教育出版社，2002.75、 主编：廖兆荣，数控几双电气控制，高等教育出版社，2005.16、 机械工程手册工程材料，1996年第二版7、主编：成大先，机械设计手册北京：机械工业出版社8、甘永立，几何量公差与检测上海：上海科学技术出版社，19939、主编：苏建修，机械制造基础 北京：机械工业出版社，2001、5 10、主编：许德珠，工程材料 北京：高等教育出版社，2001、611、 陈于萍，高晓康，互换性与测量技术北京：高等教育出版社，2002、912、主编：王晓霞，金属切削原理与刀具 北京：航空工业出版社，200024 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，与经验设计相比较，单一目标优化方法有其优势。最高变形减少了57.5 ，均匀变形增强了60.4 。最高夹紧力的值也减少了49.4 。从多目标优化方法和单目标优化方法的比较中可以得出什么呢？最大变形减少了50.2 ，均匀变形量增加了52.9 ，最高夹紧力的值减少了69.6 。加工表