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夾具夾緊力的優(yōu)化及對工件定位精度的影響 B Li 和 S N Mellkote 布什伍德拉夫機械工程學院 佐治亞理工學院 格魯吉亞 美國研究所 由于夾緊和加工 在工件和夾具的接觸部位會產生局部彈性變形 使工件 尺寸發(fā)生變化 進而影響工件的最終加工質量 這種效應可通過最小化夾具設 計優(yōu)化 夾緊力是一個重要的設計變量 可以得到優(yōu)化 以減少工件的位移 本文提出了一種確定多夾緊夾具受到準靜態(tài)加工部位的最佳夾緊力的新方法 該方法采用彈性接觸力學模型代表夾具與工件接觸 并涉及制定和解決方案的 多目標優(yōu)化模型的約束 夾緊力的最優(yōu)化對工件定位精度的影響通過 3 2 1 式 銑夾具的例子進行了分析 關鍵詞 彈性 接觸 模型 夾具 夾緊力 優(yōu)化 前言 定位和夾緊的工件加工中的兩個關鍵因素 要實現夾具的這些功能 需將 工件定位到一個合適的基準上并夾緊 采用的夾緊力必須足夠大 以抑制工件 在加工過程中產生的移動 然而 過度的夾緊力可誘導工件產生更大的彈性變 形 這會影響它的位置精度 并反過來影響零件質量 所以有必要確定最佳夾 緊力 來減小由于彈性變形對工件的定位誤差 同時滿足加工的要求 在夾具 分析和綜合領域上的研究人員使用了有限元模型的方法或剛體模型的方法 大 量的工作都以有限元方法為基礎被報道 參考文獻 1 8 隨著得墨忒耳 8 這種 方法的限制是需要較大的模型和計算成本 同時 多數的有限元基礎研究人員 一直重點關注的夾具布局優(yōu)化和夾緊力的優(yōu)化還沒有得到充分討論 也有少數 的研究人員通過對剛性模型 9 11 對夾緊力進行了優(yōu)化 剛型模型幾乎被近似為 一個規(guī)則完整的形狀 得墨忒耳 12 13 用螺釘理論解決的最低夾緊力 總的 問題是制定一個線性規(guī)劃 其目的是盡量減少在每個定位點調整夾緊力強度的 法線接觸力 接觸摩擦力的影響被忽視 因為它較法線接觸力相對較小 由于 這種方法是基于剛體假設 獨特的三維夾具可以處理超過 6 個自由度的裝夾 復和倪 14 也提出迭代搜索方法 通過假設已知摩擦力的方向來推導計算最小 夾緊力 該剛體分析的主要限制因素是當出現六個以上的接觸力是使其靜力不 確定 因此 這種方法無法確定工件移位的唯一性 第 1 頁 共 15 頁 這種限制可以通過計算夾具 工件系統 15 的彈性來克服 對于一個相 對嚴格的工件 該夾具在機械加工工件的位置會受夾具點的局部彈性變形的強 烈影響 Hockenberger 和得墨忒耳 16 使用經驗的接觸力變形的關系 稱為元功 能 解決由于夾緊和準靜態(tài)加工力工件剛體位移 同一作者還考察了加工工件 夾具位移對設計參數的影響 17 桂 18 等 通過工件的夾緊力的優(yōu)化定位精 度彈性接觸模型對報告做了改善 然而 他們沒有處理計算夾具與工件的接觸 剛度的方法 此外 其算法的應用沒有討論機械加工刀具路徑負載有限序列 李和 Melkote 19 和烏爾塔多和 Melkote 20 用接觸力學解決由于在加載夾具夾 緊點彈性變形產生的接觸力和工件的位移 他們還使用此方法制定了優(yōu)化方法 夾具布局 21 和夾緊力 22 但是 關于 multiclamp 系統及其對工件精度影響的 夾緊力的優(yōu)化并沒有在這些文件中提到 本文提出了一種新的算法 確定了 multiclamp 夾具工件系統受到準靜態(tài)加 載的最佳夾緊力為基礎的彈性方法 該法旨在盡量減少影響由于工件夾緊位移 和加工荷載通過系統優(yōu)化夾緊力的一部分定位精度 接觸力學模型 用于確定 接觸力和位移 然后再用做夾緊力優(yōu)化 這個問題被作為多目標約束優(yōu)化問題 提出和解決 通過兩個例子分析工件夾緊力的優(yōu)化對定位精度的影響 例子涉 及的銑削夾具 3 2 1 布局 1 夾具 工件聯系模型 1 1 模型假設 該加工夾具由 L 定位器和帶有球形端的 c 形夾組成 工件和夾具接觸的地 方是線性的彈性接觸 其他地方完全剛性 工件 夾具系統由于夾緊和加工 受到準靜態(tài)負載 夾緊力可假定為在加工過程中保持不變 這個假設是有效的 在對液壓或氣動夾具使用 在實際中 夾具工件接觸區(qū)域是彈性分布 然而 這種模式的發(fā)展 假設總觸剛度 見圖 1 第 i 夾具接觸力局部變形如下 1 iijjFkd 其中 j x y z 表示 在當地子坐標系切線和法線方向的接觸剛度ij 第 2 頁 共 15 頁 圖1 彈簧夾具 工件接觸模型 表示在第i個ixyz 接觸處的坐標系 j x y z 是對應沿著 xyz方向的彈性變形 分別 j x y z 的代表ijd 和 切向力接觸 法線力接觸 ixFiyizF 1 2 工件 夾具的接觸剛度模型 集中遵守一個球形尖端定位 夾具和工件的接觸并不是線性的 因為接觸 半徑與隨法線力呈非線性變化 23 由于法線力 接觸變形作用于半徑 和平iPiR 面工件表面之間 這可從封閉赫茲的辦法解決縮進一個球體彈性半空間的問題 對于這個問題 是法線的變形 在 文獻 23 第 93 頁 中給出如下 in 2 1 3296 iiniPRE 其中 式中 和 是工件和夾具的彈性模量 22 11fw wEf w 分別是工件和材料的泊松比 f 切向變形 沿著 和 切線方向 硅業(yè)切力距ity iittx 或 者 ixiy 有以下形式 文獻 23 第 217 頁 iyQiix或 者 3 t28 ifi wiaG 其中 分別是工件和夾具剪切模量 1 3134ifi wPRE fGw 一個合理的接觸剛度的線性可以近似從最小二乘獲得適合式 2 這就 產生了以下線性化接觸剛度值 在計算上述的線性近似 第 3 頁 共 15 頁 4 1 32 68 9iizREk 5 1 24jii iwxy zf kG 正常的力被假定為從 0 到 1000N 且最小二乘擬合相應的 R2 值認定是 0 94 2 夾緊力優(yōu)化 我們的目標是確定最優(yōu)夾緊力 將盡量減少由于工件剛體運動過程中 局 部的夾緊和加工負荷引起的彈性變形 同時保持在準靜態(tài)加工過程中夾具 工件系統平衡 工件的位移減少 從而減少定位誤差 實現這個目標是通過制 定一個多目標約束優(yōu)化問題的問題 如下描述 2 1 目標函數配方 工件旋轉 由于部隊輪換往往是相當小 17 的工件定位誤差 假設為確定其剛體翻譯基本上 其中 和TwwdXYZ wX wY 是 沿 和 三個正交組件 見圖 2 Zxgygz 圖 2 工件剛體平移和旋轉 工件的定位誤差歸于裝夾力 然后可以在該剛體位移的 范數計算如下 2L 第 4 頁 共 15 頁 6 222wwwdXYZ 其中 表示一個向量二級標準 但是作用在工件的夾緊力會影響定位誤差 當多個夾緊力作用于工件 由 此產生的夾緊力為 有如下形式 TRRCXYZP 7 RC 其中夾緊力 是矢量 夾緊力的方向 矩陣 1 TLCC 1 TCLCRn 是夾緊力是矢量的方向余弦 和 coscosLiLiiin i i Li 是第 i 個夾緊點夾緊力在 和 方向上的向量角度 i 1 2 3 C gXYgZ 在這個文件中 由于接觸區(qū)變形造成的工件的定位誤差 被假定為受的作 用力是法線的 接觸的摩擦力相對較小 并在進行分析時忽略了加緊力對工件 的定位誤差的影響 意指正常接觸剛度比 是通過 i 1 2 L 和最小zkii 的所有定位器正常剛度 相乘 并假設工件 取決于 zks xNyzgXY 的方向 各自的等效接觸剛度可有下式 計算gZ 111 XYZNNssszizizikk 和 得出 見圖 3 工件剛體運動 歸于夾緊行動現在可以寫成 wd 8 111XYZ TRRRwNNNsssziziziPPdkk 工件有位移 因此 定位誤差的減小可以通過盡量減少產生的夾緊力向量 范數 因此 第一個目標函數可以寫為 2L 最小化 XYZ 222RRERCNNw111PP iii 9 第 5 頁 共 15 頁 要注意 加權因素是與等效接觸剛度成正比的在 和 方向上 通gXYgZ 過使用最低總能量互補參考文獻 15 23 的原則求解彈性力學接觸問題得出 A 的組成部分是唯一確定的 這保證了夾緊力和相應的定位反應是 真正的 解 決方案 對接觸問題和產生的 真正 剛體位移 而且工件保持在靜態(tài)平衡 通過夾緊力的隨時調整 因此 總能量最小化的形式為補充的夾緊力優(yōu)化的第 二個目標函數 并給出 最小化 10 222iiiL CL CL Cx 111FFUW kkyziii TQ 其中 代表機構的彈性變形應變能互補 代表由外部力量和力矩配合 W 完成 是遵守對角矩陣的 和Q1 LCxyzxyzcc 1iijjck 是所有接觸力的載體 TxyzzFF 如圖 3 加權系數 計算確定的基礎2L 2 2 摩擦和靜態(tài)平衡約束 在 10 式優(yōu)化的目標受到一定的限制和約束 他們中最重要的是在每個 接觸處的靜摩擦力約束 庫侖摩擦力的法律規(guī)定 是 22iiixyszFF is 靜態(tài)摩擦系數 這方面的一個非線性約束和線性化版本可以使用 并且 19 有 內蒙古科技大學本科生畢業(yè)設計 外文翻譯 第 6 頁 共 15 頁 11 iiixyszF 假設準靜態(tài)載荷 工件的靜力平衡由下列力和力矩平衡方程確保 向量形式 12 0F 0M 其中包括在法線和切線方向的力和力矩的機械加工力和工件重量 2 3 界接觸力 由于夾具 工件接觸是單側面的 法線的接觸力 只能被壓縮 這通過iP 以下的 的約束表 i 1 2 L C 13 iP0i 它假設在工件上的法線力是確定的 此外 在一個法線的接觸壓力不能超過壓 工件材料的屈服強度 這個約束可寫為 yS i 1 2 L C 14 iyiPSA 如果 是在第 i 個工件 夾具的接觸處的接觸面積 完整的夾緊力優(yōu)化i 模型 可以寫成 最小化 15 12fTRCwQP 3 模型算法求解 式 15 多目標優(yōu)化問題可以通過求解約束 24 這種方法將確定的目標 作為首要職能之一 并將其轉換成一個約束對 該補充 的主要目的是處1f 理功能 并由此得到夾緊力 作為約束的加權范數 最小化 對 為主要2f 2L1f 目標的選擇 確保選中一套獨特可行的夾緊力 因此 工件 夾具系統驅動 到一個穩(wěn)定的狀態(tài) 即最低能量狀態(tài) 此狀態(tài)也表示有最小的夾緊力下的加權 范數 的約束轉換涉及到一個指定的加權范數 小于或等于 其中 是 2Lf 2L 的約束 假設最初所有夾緊力不明確 要確定一個合適的 在定位和夾緊f 點的接觸力的計算只考慮第一個目標函數 即 雖然有這樣的接觸力 并不1f 內蒙古科技大學本科生畢業(yè)設計 外文翻譯 第 7 頁 共 15 頁 一定產生最低的夾緊力 這是一個 真正的 可行的解決彈性力學問題辦法 可完全抑制工件在夾具中的位置 這些夾緊力的加權系數 通過計算并作為2L 初始值與 比較 因此 夾緊力式 15 的優(yōu)化問題可改寫為 最小化 16 12TfQ 由 11 14 得 RCwP 類似的算法尋找一個方程根的二分法來確定最低的 上的約束 通過盡RCwP 可能降低 上限 由此產生的最小夾緊力的加權范數 迭代次數 K 終止搜 2L 索取決于所需的預測精度 和 有參考文獻 15 TwxyzTiiiziidrXYZ 2Klog 17 其中 表示上限的功能 完整的算法在如圖 4 中給出 內蒙古科技大學本科生畢業(yè)設計 外文翻譯 第 8 頁 共 15 頁 內蒙古科技大學本科生畢業(yè)設計 外文翻譯 第 9 頁 共 15 頁 圖 4 夾緊力的優(yōu)化算法 在示例 1 中使用 圖 5 該算法在示例 2 使用 4 加工過程中的夾緊力的優(yōu)化及測定 上一節(jié)介紹的算法可用于確定單負載作用于工件的載體的最佳夾緊力 然 而 刀具路徑隨磨削量和切割點的不斷變化而變化 因此 相應的夾緊力和最 佳的加工負荷獲得將由圖 4 算法獲得 這大大增加了計算負擔 并要求為選擇 的夾緊力提供標準 將獲得滿意和適宜的整個刀具軌跡 用保守的辦法來解 決下面將被討論的問題 考慮一個有限的數目 例如 m 沿相應的刀具路徑設 置的產生 m 個最佳夾緊力 選擇記為 在每個采樣點 1optP2t3optPopt 考慮以下四個最壞加工負荷向量 內蒙古科技大學本科生畢業(yè)設計 外文翻譯 第 10 頁 共 15 頁 max1axTXYZF 2maxaxTYXYZF 3maxaxTXYZF 4aTrXYZF 18 和 表示在 和 方向上的最大值 和 上gg 的數字 1 2 3 分別代替對應的 和 另外兩個正交切削分力 而且maxXYmaxZ 有 222maxrXYZFF 雖然 4 個最壞情況加工負荷向量不會在工件加工的同一時刻出現 但在每 次常規(guī)的進給速度中 刀具旋轉一次出現一次 負載向量引入的誤差可忽略 因此 在這項工作中 四個載體負載適用于同一位置 但不是同時 對工件進 行的采樣 夾緊力的優(yōu)化算法圖 4 對應于每個采樣點計算最佳的夾緊力 夾 緊力的最佳形式有 i 1 2 m j x y z r 19 max12 TiiijjcjPC 其中 是最佳夾緊力的四個情況下的加工負荷載體 C 1 2 C 是每ij ikjC 個相應的夾具在第 i 個樣本點和第 j 負荷情況下力的大小 是計算每個負maxijP 載點之后的結果 一套簡單的 最佳 夾緊力必須從所有的樣本點和裝載條件 里發(fā)現 并在所有的最佳夾緊力中選擇 這是通過在所有負載情況和采樣點排 序 并選擇夾緊點的最高值的最佳的夾緊力 見于式 20 maxkC k 1 2 C 20 maxikkjC 只要這些具備 就得到一套優(yōu)化的夾緊力 驗證這Tmaxax12C optP 些力 以確保工件夾具系統的靜態(tài)平衡 否則 會出現更多采樣點和重復上述 程序 在這種方式中 可為整個刀具路徑確定 最佳 夾緊力 圖 5 總結optP 了剛才所描述的算法 請注意 雖然這種方法是保守的 它提供了一個確定的 夾緊力 最大限度地減少工件的定位誤差的一套系統方法 5 影響工件的定位精度 它的興趣在于最早提出了評價夾緊力的算法對工件的定位精度的影響 工 件首先放在與夾具接觸的基板上 然后夾緊力使工件接觸到夾具 因此 局部 內蒙古科技大學本科生畢業(yè)設計 外文翻譯 第 11 頁 共 15 頁 變形發(fā)生在每個工件夾具接觸處 使工件在夾具上移位和旋轉 隨后 準靜態(tài) 加工負荷應用造成工件在夾具的移位 工件剛體運動的定義是由它在 和gXY 方向上的移位 和自轉 見圖 2 gZTdwwXYZ Twxyz 如前所述 工件剛體位移產生于在每個夾緊處的局部變形 假設Tiiixyzd 為相對于工件的質量中心的第 i 個位置矢量定位點 坐標變換定理 TiirXYZ 可以用來表達在工件的位移 以及工件自轉idwwXYZ 如下 21 wxyz 1Tii iiRrd 其中 表示旋轉矩陣 描述當地在第 i 幀相聯系的全球坐標系和 是一個1iR wcR 旋轉矩陣確定工件相對于全球的坐標系的定位坐標系 假設夾具夾緊工件旋轉 由于旋轉 很小 故 也可近似為 w wcR 22 w 1R1zyzxyx 方程 21 現在可以改寫為 23 TiiidRBq 其中 是經方程 21 重新編排后變換得到的矩 ii ii10YBZ0Xi 陣式 是夾緊和加工導致的工件剛體運動矢量 yqTwwxzX 工件與夾具單方面接觸性質意味著工件與夾具接觸處沒有拉力的可能 因此 在第 i 裝夾點接觸力 可能與 的關系如下 iFid 24 0 iiiKdzFotherws 其中 是在第 i 個接觸點由于夾緊和加工負荷造成的變形 意 Tiz 0iz 味著凈壓縮變形 而負數則代表拉伸變形 是表示在本地坐標iixyzKdagk 內蒙古科技大學本科生畢業(yè)設計 外文翻譯 第 12 頁 共 15 頁 系第 i 個接觸剛度矩陣 是單位向量 在這項研究中假定液壓 氣 01Tze 動夾具 根據對外加工負荷 故在法線方向的夾緊力的強度保持不變 因此 必須對方程 24 的夾緊點進行修改為 25 TyiiixFp 其中 是在第 i 個夾緊點的夾緊力 讓 表示一個對外加工力量和載體的 6 1i EF 矢量 并結合方程 23 25 與靜態(tài)平衡方程 得到下面的方程組 26 1L C1 0iEiiiRFfr 其中 其中 表示相乘 由于夾緊和加工工件剛體移動 q 可通過求解式 26 得到 工件的定位誤差向量 見圖 6 rrTXYZmm 現在可以計算如下 27 rmBq 其中 是考慮工件中心加工點的位置向量 且rTmXYZ 100mmYBX 6 模擬工作 較早前提出的算法是用來確定最佳夾緊力及其對兩例工件精度的影響例如 1 適用于工件單點力 2 應用于工件負載準靜態(tài)銑削序列 內蒙古科技大學本科生畢業(yè)設計 外文翻譯 第 13 頁 共 15 頁 如左圖 7 工件夾具配置中使用的模 擬研究 工件夾具定位聯系 16L 和 全球坐標系 gXYgZ 3 2 1 夾具圖 7 所示 是用來定位并控制 7075 T6 鋁合金 127 毫米 127 毫米 38 1 毫米 的柱狀塊 假定為球形布局傾斜硬鋼定位器 夾具在表 1 中給出 工件 夾具材料的摩擦靜電對系數為 0 25 使用伊利諾伊大學開發(fā) EMSIM 程序 參考文獻 26 對加工瞬時銑削力條件進行了計算 如表 2 給出例 1 應 用工件在點 109 2 毫米 25 4 毫米 34 3 毫米 瞬時加工力 圖 4 中表 3 和表 4 列出了初級夾緊力和最佳夾緊力的算法 該算法如圖 5 所示 一個 25 4 毫 米銑槽使用 EMSIM 進行了數值模擬 以減少起步 0 0 毫米 25 4 毫米 34 3 毫米 和結束時 127 0 毫米 25 4 毫米 34 3 毫米 四種情況下加工負荷載體 內蒙古科技大學本科生畢業(yè)設計 外文翻譯 第 14 頁 共 15 頁 內蒙古科技大學本科生畢業(yè)設計 外文翻譯 第 15 頁 共 15 頁 見圖 8 模擬計算銑削力數據在表 5 中給出 圖 8 最終銑削過程模擬例如 2 內蒙古科技大學本科生畢業(yè)設計 外文翻譯 第 16 頁 共 15 頁 表 6 中 5 個坐標列出了為模擬抽樣調查點 最佳夾緊力是用前面討論過的排序 算法計算每個采樣點和負載載體最后的夾緊力和負載 7 結果與討論 例如算法 1 的繪制最佳夾緊力收斂圖 9 圖 9 對于固定夾緊裝置在圖示例假設 見圖 7 由此得到的夾緊力加權范數 有如2L 下形式 結果表明 最佳夾緊力所述加工 222 3RRRCXYZPP 條件下有比初步夾緊力強度低得多的加權范數 最初的夾緊力是通過減少工2L 件的夾具系統補充能量算法獲得 由于夾緊力和負載造成的工件的定位誤差 如表 7 結果表明工件旋轉小 加工點減少錯誤從 13 1 到 14 6 不等 在這 種情況下 所有加工條件改善不是很大 因為從最初通過互補勢能確定的最小 化的夾緊力值已接近最佳夾緊力 圖 5 算法是用第二例在一個序列應用于銑削 負載到工件 他應用于工件銑削負載一個序列 最佳的夾緊力 對應列表 6 每個樣本點 隨著最后的最佳夾緊 maxaxmax iiiiij yzrPP 力 在每個采樣點的加權范數 和最優(yōu)的初始夾緊力繪圖 10 在每個采樣opt 2L 內蒙古科技大學本科生畢業(yè)設計 外文翻譯 第 17 頁 共 15 頁 點的加權范數 的 和 繪制 2LmaxiPaxiymaxizaxirP 結果表明 由于每個 組成部分是各相應的最大夾緊力 它具有最高的加opt 權范數 如圖 10 所示 如果在每個夾緊點最大組成部分是用于確定初步夾2 緊力 則夾緊力需相應設置 有比 相當大的加權范數 故 是一個inPopt 2LoptP 完整的刀具路徑改進方案 上述模擬結果表明 該方法可用于優(yōu)化夾緊力相對 于初始夾緊力的強度 這種做法將減少所造成的夾緊力的加權范數 因此將2 提高工件的定位精度 圖 10 8 結論 該文件提出了關于確定多鉗夾具 工件受準靜態(tài)加載系統的優(yōu)化加工夾緊力 的新方法 夾緊力的優(yōu)化算法是基于接觸力學的夾具與工件系統模型 并尋求 盡量減少應用到所造成的工件夾緊力的加權范數 得出工件的定位誤差 該2L 整體模型 制定一個雙目標約束優(yōu)化問題 使用 約束的方法解決 該算法通 過兩個模擬表明 涉及 3 2 1 型 二夾銑夾具的例子 今后的工作將解決在動 態(tài)負載存在夾具與工件在系統的優(yōu)化 其中慣性 剛度和阻尼效應在確定工件 夾具系統的響應特性具有重要作用 9 參考資料 內蒙古科技大學本科生畢業(yè)設計 外文翻譯 第 18 頁 共 15 頁 1 J D Lee 和 L S Haynes 柔性夾具系統的有限元分析 交易美國 ASME 工程雜志工業(yè) 134 139 頁 2 W Cai S J Hu 和 J X Yuan 柔性鈑金夾具 原理 算法和模擬 交 易美國 ASME 制造科學與工程雜志 1996 318 324 頁 3 P Chandra S M Athavale R E DeVor 和 S G Kapoor 負載對表面平 整度的影響 工件夾具制造科學研討會論文集 1996 第一卷 146 152 頁 4 R J Menassa 和 V R DeVries 適用于選拔夾具設計與優(yōu)化方法 美國 ASME 工業(yè)工程雜志 113 412 414 1991 5 A J C Trappey C Su 和 J Hou 計算機輔助夾具分析中的應用有限元 分析和數學優(yōu)化模型 1995 ASME 程序 MED 777 787 頁 6 S N Melkote S M Athavale R E DeVor S G Kapoor 和 J Burkey 基于加工過程仿真的加工裝置作用力系統研究 NAMRI SME 207 214 頁 1995 7 考慮工件夾具 夾具接觸相互作用布局優(yōu)化模擬的結果 341 346 1998 8 E C DeMeter 快速支持布局優(yōu)化 國際機床制造 碩士論文 1998 9 Y C Chou V Chandru M M Barash 加工夾具機械構造的數學算法 分析和合成 美國 ASME 工程學報工業(yè) 1989 299 306 頁 10 S H Lee 和 M R Cutkosky 具有摩擦性的夾具規(guī)劃 美國 ASME 工業(yè)工程學報 1991 320 327 頁 11 S Jeng L Chen 和 W Chieng 最小夾緊力分析 國際機床制造 碩 士論文 1995 年 12 E C DeMeter 加工夾具的性能的最小 最大負荷標準 美國 ASME 工業(yè)工程雜志 1994 13 E C DeMeter 加工夾具最大負荷的性能優(yōu)化模型 美國 ASME 工 業(yè)工程雜志 1995 14 JH 復和 AYC 倪 核查和工件夾持的夾具設計 方案優(yōu)化 設計和制 造 4 碩士論文 307 318 1994 內蒙古科技大學本科生畢業(yè)設計 外文翻譯 第 19 頁 共 15 頁 15 T H Richards 埃利斯 霍伍德 1977 應力能量方法分析 1977 16 M J Hockenberger and E C DeMeter 對工件準靜態(tài)分析功能位移在加 工夾具的應用程序 制造科學雜志與工程 325 331 頁 1996 零 件 號綜 合 工 藝 卡 片 fengrenji00 57 設備車 間 號 工 段 號 工 序 號 工序名稱 名稱 工裝名稱 編號 工序工時 min 機工 0 毛坯 01 5 清理毛坯 專用夾具 02 10 車 10 端面 CA6140 專用夾具 03 0 5 15 粗車 10 外圓及臺階 CA6140 專用夾具 04 0 8 20 掉頭 粗車 12 外圓及端面 保證全長 CA6140 專用夾具 05 1 2 25 精車 10 外圓及臺階 CA6140 專用夾具 06 0 8 30 精車 12 外圓 小頭側 CA6140 專用夾具 07 1 5 35 粗銑寬度為 16 的槽 X52K 專用夾具 08 1 2 40 精銑寬度為 16 的槽 X52K 專用夾具 09 1 5 45 表面噴漆 10 0 8 50 檢驗入庫 11 1 2 55 編制 校對 審核 共 1 頁 日期 日期 日期 第 1 頁 更改 標記 更改 數量 通知單編號 更改者 日期 更改標記 更改數量 通知單編號 更改者 日期 江蘇科技大學 產品代號或型號 部套號 材料 材料硬度 工時 min 零件名稱 零件號機械加工工序卡片 HT200 下軸 工序名稱 車 10 端面 設備型號 CA6140 設備名稱 車床 設備編號 車間號 工段號 工序號 10 程序編號 切削液 切削深度 切削參數 進給量刀具編號 mm r min mm r 1 5 2000 0 05 1 車床 CA6140 2 3 夾具 專用夾具 4 游標卡尺 50 分度 名稱 編號 規(guī)格序 號 工藝裝備 標 識 編制 校對 審核 共 7 頁 日期 日期 日期 第 1 頁 更改 標記 更改 數量 通知單編號 更改者 日期 更改 標記 更改 數量 通知單編號 更改者 日期 江蘇科技大學 產品代號或型號 部套號 材料 材料硬度 工時 min 零件名稱 零件號機械加工工序卡片 HT200 下軸 工序名稱 粗車 10 外圓及臺階 設備型號 CA6140 設備名稱 車床 設備編號 車間號 工段號 工序號 15 程序編號 切削液 切削深度 切削參數 進給量刀具編號 mm r min mm r 1 5 2000 0 05 1 車床 CA6140 2 3 夾具 專用夾具 4 游標卡尺 50 分度 名稱 編號 規(guī)格序 號 工藝裝備 標 識 編制 校對 審核 共 7 頁 日期 日期 日期 第 2 頁 更改 標記 更改 數量 通知單編號 更改者 日期 更改 標記 更改 數量 通知單編號 更改者 日期 江蘇科技大學 產品代號或型號 部套號 材料 材料硬度 工時 min 零件名稱 零件號機械加工工序卡片 HT200 下軸 工序名稱 掉頭 粗車 12 外圓及端面 保證全長 設備型號 CA6140 設備名稱 車床 設備編號 車間號 工段號 工序號 20 程序編號 切削液 切削深度 切削參數 進給量刀具編號 mm r min mm r 1 5 2000 0 05 1 車床 CA6140 2 3 夾具 專用夾具 4 游標卡尺 50 分度 名稱 編號 規(guī)格序 號 工藝裝備 標 識 編制 校對 審核 共 7 頁 日期 日期 日期 第 3 頁 更改 標記 更改 數量 通知單編號 更改者 日期 更改 標記 更改 數量 通知單編號 更改者 日期 江蘇科技大學 產品代號或型號 部套號 材料 材料硬度 工時 min 零件名稱 零件號機械加工工序卡片 HT200 下軸 工序名稱 精車 10 外圓及臺階 設備型號 CA6140 設備名稱 車床 設備編號 車間號 工段號 工序號 25 程序編號 切削液 切削深度 切削參數 進給量刀具編號 mm r min mm r 1 5 2000 0 05 1 車床 CA6140 2 3 夾具 專用夾具 4 游標卡尺 50 分度 名稱 編號 規(guī)格序 號 工藝裝備 標 識 編制 校對 審核 共 7 頁 日期 日期 日期 第 4 頁 更改 標記 更改 數量 通知單編號 更改者 日期 更改 標記 更改 數量 通知單編號 更改者 日期 江蘇科技大學 產品代號或型號 部套號 材料 材料硬度 工時 min 零件名稱 零件號機械加工工序卡片 HT200 下軸 工序名稱 精車 12 外圓 小頭側 設備型號 CA6140 設備名稱 車床 設備編號 車間號 工段號 工序號 30 程序編號 切削液 切削深度 切削參數 進給量刀具編號 mm r min mm r 1 5 2000 0 05 1 車床 CA6140 2 3 夾具 專用夾具 4 游標卡尺 50 分度 名稱 編號 規(guī)格序 號 工藝裝備 標 識 編制 校對 審核 共 7 頁 日期 日期 日期 第 5 頁 更改 標記 更改 數量 通知單編號 更改者 日期 更改 標記 更改 數量 通知單編號 更改者 日期 江蘇科技大學 產品代號或型號 部套號 材料 材料硬度 工時 min 零件名稱 零件號機械加工工序卡片 HT200 下軸 工序名稱 粗銑寬度為 16 的槽 設備型號 X52K 設備名稱 銑床 設備編號 車間號 工段號 工序號 35 程序編號 切削液 切削深度 切削參數 進給量刀具編號 mm r min mm r 1 5 2000 0 05 1 銑床 X52K 2 3 夾具 專用夾具 4 游標卡尺 50 分度 名稱 編號 規(guī)格序 號 工藝裝備 標 識 編制 校對 審核 共 7 頁 日期 日期 日期 第 6 頁 更改 標記 更改 數量 通知單編號 更改者 日期 更改 標記 更改 數量 通知單編號 更改者 日期 江蘇科技大學 產品代號或型號 部套號 材料 材料硬度 工時 min 零件名稱 零件號機械加工工序卡片 HT200 下軸 工序名稱 精銑寬度為 16 的槽 設備型號 X52K 設備名稱 銑床 設備編號 車間號 工段號 工序號 40 程序編號 切削液 切削深度 切削參數 進給量刀具編號 mm r min mm r 1 5 2000 0 05 1 銑床 X52K 2 3 夾具 專用夾具 4 游標卡尺 50 分度 名稱 編號 規(guī)格序 號 工藝裝備 標 識 編制 校對 審核 共 7 頁 日期 日期 日期 第 7 頁 更改 標記 更改 數量 通知單編號 更改者 日期 更改 標記 更改 數量 通知單編號 更改者 日期 江蘇科技大學 I XX 大 學 課程設計 課 題 下軸的工藝及夾具設計 銑 16 開口槽 專 題 專 業(yè) 機 械 制 造 及 自 動 化 學 生 姓 名 班 級 學 號 指 導 教 師 完 成 時 間 II 摘 要 本設計是基于下軸零件的加工工藝規(guī)程及一些工序的專用夾具設計 下軸零件的 主要加工表面是平面及槽系 一般來說 保證平面的加工精度要比保證孔系的加工精 度容易 因此 本設計遵循先面后槽的原則 并將孔與平面的加工明確劃分成粗加工 和精加工階段以保證槽系加工精度 基準選擇以下軸的輸入軸和輸出軸的支承孔作為 粗基準 以結合面與兩個工藝孔作為精基準 主要加工工序安排是先以支承孔系定位 加工出頂平面 再以頂平面與支承孔系定位加工出工藝孔 在后續(xù)工序中除個別工序 外均用頂平面和工藝孔定位加工其他孔系與平面 夾具選用專用夾具 夾緊方式多選 用氣動夾緊 夾緊可靠 機構可以不必自鎖 因此生產效率較高 適用于大批量 流 水線上加工 能夠滿足設計要求 關鍵詞 下軸類零件 工藝 夾具 III ABSTRACT The design is based on the body parts of the processing order of the processes and some special fixture design Body parts of the main plane of the surface and pore system In general the plane guarantee processing precision than that of holes machining precision easy Therefore this design follows the surface after the first hole principle Plane with holes and the processing clearly divided into roughing and finishing stages of holes to ensure machining accuracy Datum selection box input shaft and the output shaft of the supporting hole as a rough benchmark with top with two holes as a precision technology reference Main processes arrangements to support holes for positioning and processing the top plane and then the top plane and the supporting hole location hole processing technology In addition to the follow up processes individual processes are made of the top plane and technological hole location hole and plane processing Supported hole processing using the method of coordinate boring The whole process of processing machine combinations were selected Selection of special fixture fixture clamping means more choice of pneumatic clamping clamping reliable institutions can not be locked so the production efficiency is high suitable for large batch line processing can meet the design requirements Key words Angle gear seat parts fixture IV 目 錄 摘 要 II ABSTRACT III 第一章 加工工藝規(guī)程設計 1 1 1 零件的分析 1 1 1 1 零件的作用 1 1 1 2 零件的工藝分析 1 1 2 下軸加工的主要問題和工藝過程設計所應采取的相應措施 2 1 2 1 孔和平面的加工順序 2 1 2 2 加工方案選擇 2 1 3 下軸加工定位基準的選擇 3 1 3 1 粗基準的選擇 3 1 3 2 精基準的選擇 3 1 4 下軸加工主要工序安排 3 1 5 機械加工余量 工序尺寸及毛坯尺寸的確定 5 1 6 確定切削用量及基本工時 機動時間 6 1 7 時間定額計算及生產安排 15 第 2 章 銑 16 開口槽夾具設計 17 2 1 設計要求 17 2 2 夾具設計 17 2 2 1 定位基準的選擇 17 2 2 2 切削力及夾緊力的計算 17 2 3 定位誤差的分析 20 2 4 夾具設計及操作的簡要說明 21 結 論 22 參考文獻 23 致 謝 25 1 第一章 加工工藝規(guī)程設計 1 1 零件的分析 1 1 1 零件的作用 題目給出的零件是下軸 下軸的主要作用是調換各傳動擋 保證各軸 各擋軸能正常運行 并保證部件與部件正確安裝 因此下軸零件的加工質 量 不但直接影響的裝配精度和運動精度 而且還會影響工作精度 使用 性能和壽命 圖 1 下軸 1 1 2 零件的工藝分析 由下軸零件圖可知 下軸是一個軸類零件 它的外表面上有 2 個平面 需要進行加工 此外各表面上還需加工一系列螺紋孔 因此可將其分為 三組加工表面 它們相互間有一定的位置要求 現分析如下 1 以 12 外圓面為主要加工表面的加工面 這一組加工表面包括 12 外圓面的加工 端面面的加工 其中面有表面粗糙度要求為 mRa 2 3 2 以 U 型槽為主要加工面的加工面 這一組加工表面包括 U 型槽 面的銑削加工粗糙度為 mRa 2 3 3 以 10 為主要加工表面的加工面 這一組加工表面包括 12 外圓面 粗糙度為 2 4 其他倒角圓角的加工 1 2 下軸加工的主要問題和工藝過程設計所應采取的相應措施 由以上分析可知 該下軸零件的主要加工表面是平面及孔系 一般來 說 保證平面的加工精度要比保證孔系的加工精度容易 因此 對于下軸 來說 加工過程中的主要問題是保證孔的尺寸精度及位置精度 處理好孔 和平面之間的相互關系 由于的生產量很大 怎樣滿足生產率要求也是加工過程中的主要考慮 因素 1 2 1 孔和平面的加工順序 下軸類零件的加工應遵循先面后孔的原則 即先加工下軸上的基準平 面 以基準平面定位加工其他平面 然后再加工孔系 下軸的加工自然應 遵循這個原則 這是因為平面的面積大 用平面定位可以確保定位可靠夾 緊牢固 因而容易保證孔的加工精度 其次 先加工平面可以先切去鑄件 表面的凹凸不平 為提高孔的加工精度創(chuàng)造條件 便于對刀及調整 也有 利于保護刀具 下軸零件的加工工藝應遵循粗精加工分開的原則 將孔與平面的加工 明確劃分成粗加工和精加工階段以保證孔系加工精度 1 2 2 加工方案選擇 下軸孔系加工方案 應選擇能夠滿足孔系加工精度要求的加工方法及 設備 除了從加工精度和加工效率兩方面考慮以外 也要適當考慮經濟因 素 在滿足精度要求及生產率的條件下 應選擇價格最底的機床 根據下軸零件圖所示的下軸的精度要求和生產率要求 當前應選用在 組合機床上用鏜模法鏜孔較為適宜 1 用坐標法鏜孔 在現代生產中 不僅要求產品的生產率高 而且要求能夠實現大批量 多品種以及產品更新換代所需要的時間短等要求 鏜模法由于鏜模生產成 本高 生產周期長 不大能適應這種要求 而坐標法鏜孔卻能適應這種要 求 此外 在采用鏜模法鏜孔時 鏜模板的加工也需要采用坐標法鏜孔 用坐標法鏜孔 需要將下軸孔系尺寸及公差換算成直角坐標系中的尺 寸及公差 然后選用能夠在直角坐標系中作精密運動的機床進行鏜孔 在大批量生產中 下軸孔系加工一般都在組合鏜床上采用鏜模法進行 加工 鏜模夾具是按照工件孔系的加工要求設計制造的 當鏜刀桿通過鏜 套的引導進行鏜孔時 鏜模的精度就直接保證了關鍵孔系的精度 3 采用鏜?？梢源蟠蟮靥岣吖に囅到y的剛度和抗振性 因此 可以用幾 把刀同時加工 所以生產效率很高 但鏜模結構復雜 制造難度大 成本 較高 且由于鏜模的制造和裝配誤差 鏜模在機床上的安裝誤差 鏜桿和 鏜套的磨損等原因 用鏜模加工孔系所能獲得的加工精度也受到一定限制 1 3 下軸加工定位基準的選擇 1 3 1 粗基準的選擇 粗基準選擇應當滿足以下要求 1 保證各重要支承孔的加工余量均勻 2 保證裝入下軸的零件與箱壁有一定的間隙 為了滿足上述要求 應選擇的主要支承孔作為主要基準 即以下軸的 輸入軸和輸出軸的支承孔作為粗基準 也就是以前后端面上距頂平面最近 的孔作為主要基準以限制工件的四個自由度 再以另一個主要支承孔定位 限制第五個自由度 由于是以孔作為粗基準加工精基準面 因此 以后再 用精基準定位加工主要支承孔時 孔加工余量一定是均勻的 由于孔的位 置與箱壁的位置是同一型芯鑄出的 因此 孔的余量均勻也就間接保證了 孔與箱壁的相對位置 1 3 2 精基準的選擇 從保證下軸孔與孔 孔與平面 平面與平面之間的位置 精基準的 選擇應能保證下軸在整個加工過程中基本上都能用統一的基準定位 從下 軸零件圖分析可知 它的頂平面與各主要支承孔平行而且占有的面積較大 適于作精基準使用 但用一個平面定位僅僅能限制工件的三個自由度 如 果使用典型的一面兩孔定位方法 則可以滿足整個加工過程中基本上都采 用統一的基準定位的要求 至于前后端面 雖然它是下軸的裝配基準 但 因為它與下軸的主要支承孔系垂直 如果用來作精基準加工孔系 在定位 夾緊以及夾具結構設計方面都有一定的困難 所以不予采用 1 4 下軸加工主要工序安排 對于大批量生產的零件 一般總是首先加工出統一的基準 下軸加工 的第一個工序也就是加工統一的基準 具體安排是先以孔定位粗 精加工 頂平面 第二個工序是加工定位用的兩個工藝孔 由于頂平面加工完成后 一直到下軸加工完成為止 除了個別工序外 都要用作定位基準 因此 結合面上的螺孔也應在加工兩工藝孔的工序中同時加工出來 后續(xù)工序安排應當遵循粗精分開和先面后孔的原則 先粗加工平面 4 再粗加工孔系 螺紋底孔在多軸組合鉆床上鉆出 因切削力較大 也應該 在粗加工階段完成 對于下軸 需要精加工的是支承孔前后端平面 按上 述原則亦應先精加工平面再加工孔系 但在實際生產中這樣安排不易于保 證孔和端面相互垂直 因此 實際采用的工藝方案是先精加工支承孔系 然后以支承孔用可脹心軸定位來加工端面 這樣容易保證零件圖紙上規(guī)定 的端面全跳動公差要求 各螺紋孔的攻絲 由于切削力較小 可以安排在 粗 精加工階段中分散進行 加工工序完成以后 將工件清洗干凈 清洗是在 的含c 908 0 4 1 1 蘇打及 0 25 0 5 亞硝酸鈉溶液中進行的 清洗后用壓縮空 氣吹干凈 保證零件內部雜質 鐵屑 毛刺 砂粒等的殘留量不大于 mg20 根據以上分析過程 現將下軸加工工藝路線確定如下 工藝路線一 0 毛坯 5 清理毛坯 10 車 10 端面 15 粗車 10 外圓及臺階 20 掉頭 粗車 12 外圓及端面 保證全長 25 精車 10 外圓及臺階 30 精車 12 外圓 小頭側 35 粗銑寬度為 16 的槽 40 精銑寬度為 16 的槽 HT200 表面噴漆 50 檢驗入庫 工藝路線二 0 毛坯 5 清理毛坯 10 粗銑寬度為 16 的槽 15 精銑寬度為 16 的槽 20 車 10 端面 25 粗車 10 外圓及臺階 30 掉頭 粗車 12 外圓及端面 保證全長 5 35 精車 10 外圓及臺階 40 精車 12 外圓 小頭側 HT200 表面噴漆 50 檢驗入庫 以上加工方案大致看來合理 但通過仔細考慮 零件的技術要求及可能 采取的加工手段之后 就會發(fā)現仍有問題 采用互為基準的原則 先加工上 下兩平面 然后以下 下平面為精 基準再加工兩平面上的各孔 這樣便保證了 上 下兩平面的平行度要求 同時為加兩平面上各孔保證了垂直度要求 從提高效率和保證精度這兩個前提下 發(fā)現該方案一比較合理 綜合選擇方案一 0 毛坯 5 清理毛坯 10 車 10 端面 15 粗車 10 外圓及臺階 20 掉頭 粗車 12 外圓及端面 保證全長 25 精車 10 外圓及臺階 30 精車 12 外圓 小頭側 35 粗銑寬度為 16 的槽 40 精銑寬度為 16 的槽 HT200 表面噴漆 50 檢驗入庫 1 5 機械加工余量 工序尺寸及毛坯尺寸的確定 1 毛坯種類的選擇 零件機械加工的工序數量 材料消耗和勞動量等在很大程度上與毛坯 的選擇有關 因此 正確選擇毛坯具有重要的技術和經濟意義 根據該零 件的材料為 HT200 生產類型為批量生產 結構形狀很復雜 尺寸大小中 等大小 技術要求不高等因素 在此毛坯選擇型材成型 2 確定毛坯的加工余量 根據毛坯制造方法采用的型材造型 查取 機械制造工藝設計簡明手冊 表 2 2 5 下軸 零件材料采用灰鑄鐵制造 材料為 HT200 硬度 HB 為 170 241 生產類型為大批量生產 采用型材毛坯 6 1 結合面的加工余量 根據工序要求 結合面加工分粗 精銑加工 各工步余量如下 粗銑 參照 機械加工工藝手冊第 1 卷 表 3 2 23 其余量值規(guī)定為 現取 表 3 2 27 粗銑平面時厚度偏差取 m4 3 70 2 m28 0 精銑 參照 機械加工工藝手冊 表 2 3 59 其余量值規(guī)定為 1 2 面的加工余量 根據工序要求 結合面加工分粗 精銑加工 各工步余量如下 粗銑 參照 機械加工工藝手冊第 1 卷 表 3 2 23 其余量值規(guī)定為 現取 表 3 2 27 粗銑平面時厚度偏差取 m4 3 710 2 m28 0 精銑 參照 機械加工工藝手冊 表 2 3 59 其余量值規(guī)定為 1 差等級選用 CT7 再查表 2 3 9 可得鑄件尺寸公差為 6 1 6 確定切削用量及基本工時 機動時間 工序 0 工序 5 無切削加工 無需計算 工序 10 車 10 端面和粗車 10 外圓及臺階 已知工件材料 HT200 型材 有外皮 機床 CA6140 普通車床 工件用內鉗式卡盤固定 所選刀具為 YG6 硬質合金可轉位車刀 根據 切削用量簡明手冊 表 1 1 由于 CA6140 機床的中心高為 200 表 1 30 故選刀桿尺寸m 刀片厚度為 選擇車刀幾何形狀為卷屑槽HB m25165 4 帶倒棱型前刀面 前角 后角 主偏角 副偏角0V120 6vK09 刃傾角 刀尖圓弧半徑 vK0s sr8 1 粗車 10 外圓 7 確定切削深度 pa 由于單邊余量為 可在一次走刀內完成m2 確定進給量 f 根據 切削加工簡明實用手冊 可知 表 1 4 刀桿尺寸為 工件直徑 400 之間時 1625 pam4 10 進給量 0 5 1 0fr 按 CA6140 機床進給量 表 4 2 9 在 機械制造工藝設計手冊 可 知 0 7fr 確定的進給量尚需滿足機床進給機構強度的要求 故需進行校驗根據 表 1 30 CA6140 機床進給機構允許進給力 3530 maxFN 根據表 1 21 當強度在 174 207 時 HBSp4 f75 0 時 徑向進給力 950 rmrK045R 切削時 的修正系數為 1 0 1 0 1 17 表fFroFfKsFf krFfK 1 29 2 故實際進給力為 950 1111 5 1 2 f17 N 由于切削時進給力小于機床進給機構允許的進給力 故所選 f 可用 rm7 0 選擇刀具磨鈍標準及耐用度 根據 切削用量簡明使用手冊 表 1 9 車刀后刀面最大磨損量取為 車刀壽命 5 1Tmin60 確定切削速度 V 切削速度可根據公式計算 也可直接有表中查出 根據 切削用量簡明使用手冊 表 1 11 當 硬質合金刀加工硬6YG 度 200 219 的鑄件 切削速度 HBSpa4 frm75 0V min63 切削速度的修正系數為 1 0 0 92 0 8 1 0 tvKvsvKTv 1 0 見表 1 28 故 Kv tVv 63 1 0 0 184 920 1 3 min 8 120 1 nDVc 1012748 minr 4 根據 CA6140 車床說明書選擇 1250nir 這時實際切削速度 為 cV 1 5 cV10cD 1257 min 校驗機床功率 切削時的功率可由表查出 也可按公式進行計算 由 切削用量簡明使用手冊 表 1 25 切削速度HBS160245pam3 fr75 0 時 min5V CPKW7 1 切削功率的修正系數 0 73 0 9 故實際切削時間的功率krcPcr0 為 1 7 1 2 1 CP73 0 6 根據表 1 30 當 時 機床主軸允許功率為 nmi125r EPKW9 5 故所選切削用量可在 C620 1 機床上進行 最后決定的切削用C E 量為 3 75 pafr7 0ni25rsr08 Vmin50 工序 20 掉頭 粗車 12 外圓及端面 保證全長 已知工件材料 HT200 型材 有外皮 機床 CA6140 普通車床 工件用內鉗式卡盤固定 所選刀具為 YG6 硬質合金可轉位車刀 根據 切削用量簡明手冊 表 1 1 由于 CA6140 機床的中心高為 200 表 1 30 故選刀桿尺寸m 刀片厚度為 選擇車刀幾何形狀為卷屑槽HB m25165 4 帶倒棱型前刀面 前角 后角 主偏角 副偏角0V120 6vK09 刃傾角 刀尖圓弧半徑 vK0s sr 1 粗車 10 外圓 9 確定切削深度 pa 由于單邊余量為 可在一次走刀內完成m2 確定進給量 f 根據 切削加工簡明實用手冊 可知 表 1 4 刀桿尺寸為 工件直徑 400 之間時 1625 pam4 10 進給量 0 5 1 0fr 按 CA6140 機床進給量 表 4 2 9 在 機械制造工藝設計手冊 可 知 0 7fr 確定的進給量尚需滿足機床進給機構強度的要求 故需進行校驗根據 表 1 30 CA6140 機床進給機構允許進給力 3530 maxFN 根據表 1 21 當強度在 174 207 時 HBSp4 f75 0 時 徑向進給力 950 rmrK045R 切削時 的修正系數為 1 0 1 0 1 17 表fFroFfKsFf krFfK 1 29 2 故實際進給力為 950 1111 5 1 2 f17 N 由于切削時進給力小于機床進給機構允許的進給力 故所選 f 可用 rm7 0 選擇刀具磨鈍標準及耐用度 根據 切削用量簡明使用手冊 表 1 9 車刀后刀面最大磨損量取為 車刀壽命 5 1Tmin60 確定切削速度 V 切削速度可根據公式計算 也可直接有表中查出 根據 切削用量簡明使用手冊 表 1 11 當 硬質合金刀加工硬6YG 度 200 219 的鑄件 切削速度 HBSpa4 frm75 0V min63 切削速度的修正系數為 1 0 0 92 0 8 1 0 tvKvsvKTv 1 0 見表 1 28 故 Kv tVv 63 1 0 0 184 920 1 3 min 10 120 1 nDVc 1012748 minr 4 根據 CA6140 車床說明書選擇 1250nir 這時實際切削速度 為 cV 1 c1cD 1257 min 5 校驗機床功率 切削時的功率可由表查出 也可按公式進行計算 由 切削用量簡明使用手冊 表 1 25 切削速度HBS160245pam3 fr75 0 時 min5V CPKW7 1 切削功率的修正系數 0 73 0 9 故實際切削時間的功率krcPcr0 為 1 7 1 2 1 CP73 0 6 根據表 1 30 當 時 機床主軸允許功率為 nmi125r EPKW9 5 故所選切削用量可在 C620 1 機床上進行 最后決定的切削用C E 量為 3 75 pafr7 0ni25rsr08 Vmin50 工序 25 精車 10 外圓及倒角 所選刀具為 YG6 硬質合金可轉位車刀 根據 切削用量簡明手冊 表 1 1 由于 CA6140 機床的中心高為 200 表 1 30 故選刀桿尺寸m 刀片厚度為 選擇車刀幾何形狀為卷屑槽HB m25165 4 帶倒棱型前刀面 前角 后角 主偏角 副偏角0V120 6vK09 刃傾角 刀尖圓弧半徑 vK0s sr8 確定切削深度 pa 11 由于單邊余量為 可在一次走刀內完成m1 確定進給量 f 根據 切削加工簡明實用手冊 可知 表 1 4 刀桿尺寸為 工件直徑 400 之間時 1625 pam4 10 進給量 0 5 1 0fr 按 CA6140 機床進給量 表 4 2 9 在 機械制造工藝設計手冊 可 知 0 7fr 確定的進給量尚需滿足機床進給機構強度的要求 故需進行校驗根據 表 1 30 CA6140 機床進給機構允許進給力 3530 maxFN 根據表 1 21 當強度在 174 207 時 HBSp4 f75 0 時 徑向進給力 950 rmrK045R 切削時 的修正系數為 1 0 1 0 1 17 表fFroFfKsFf krFfK 1 29 2 故實際進給力為 950 1111 5 f17 N 由于切削時進給力小于機床進給機構允許的進給力 故所選 f 可用 rm7 0 選擇刀具磨鈍標準及耐用度 根據 切削用量簡明使用手冊 表 1 9 車刀后刀面最大磨損量取為 車刀壽命 5 1Tmin60 確定切削速度 V 切削速度可根據公式計算 也可直接有表中查出 根據 切削用量簡明使用手冊 表 1 11 當 硬質合金刀加工硬15YT 度 200 219 的鑄件 切削速度 HBSpa4 frm7 0V min63 切削速度的修正系數為 1 0 0 92 0 8 1 0 tvKvsvKTv 1 0 見表 1 28 故 Kv tVv 63 3 12 0 0 184 920 1 min 120 3 nDc 1748r 13 12 根據 CA6140 車床說明書選擇 1250nmir 這時實際切削速度 為 cV 3 c1D 1257 in0 14 校驗機床功率 切削時的功率可由表查出 也可按公式進行計算 由 切削用量簡明使用手冊 表 1 25 切削速度HBS160245pam3 fr75 0 時 min5V CPkw7 1 切削功率的修正系數 0 73 0 9 故實際切削時間的功率rcPcrK0 為 1 7 1 2 C73 k 根據表 1 30 當 時 機床主軸允許功率為 nmi125r EPkw9 5 故所選切削用量可在 CA6140 機床上進行 最后決定的切削用量CP E 為 1 25 pafr7 0ni125rsr08 Vmin50 工序 35 精車 12 外圓 小頭側 所選刀具為 YG6 硬質合金可轉位車刀 根據 切削用量簡明手冊 表 1 1 由于 CA6140 機床的中心高為 200 表 1 30 故選刀桿尺寸m 刀片厚度為 選擇車刀幾何形狀為卷屑槽HB m25165 4 帶倒棱型前刀面 前角 后角 主偏角 副偏角0V120 6vK09 刃傾角 刀尖圓弧半徑 vK0s sr8 確定切削深度 pa 由于單邊余量為 可在一次走刀內完成 確定進給量 f 根據 切削加工簡明實用手冊 可知 表 1 4 刀桿尺寸為 工件直徑 400 之間時 m1625 pam4 10 進給量 0 5 1 0fr 13 按 CA6140 機床進給量 表 4 2 9 在 機械制造工藝設計手冊 可 知 0 7frm 確定的進給量尚需滿足機床進給機構強度的要求 故需進行校驗根據 表 1 30 CA6140 機床進給機構允許進給力 3530 maxFN 根據表 1 21 當強度在 174 207 時 HBSp4 f75 0 時 徑向進給力 950 rmrK045R 切削時 的修正系數為 1 0 1 0 1 17 表fFroFfKsFf krFfK 1 29 2 故實際進給力為 950 1111 5 f17 N 由于切削時進給力小于機床進給機構允許的進給力 故所選 f 可用 rm7 0 選擇刀具磨鈍標準及耐用度 根據 切削用量簡明使用手冊 表 1 9 車刀后刀面最大磨損量取為 車刀壽命 5 1Tmin60 確定切削速度 V 切削速度可根據公式計算 也可直接有表中查出 根據 切削用量簡明使用手冊 表 1 11 當 硬質合金刀加工硬15YT 度 200 219 的鑄件 切削速度 HBSpa4 frm7 0V min63 切削速度的修正系數為 1 0 0 92 0 8 1 0 tvKvsvKTv 1 0 見表 1 28 故 Kv tVv 63 3 12 0 0 184 920 1 min 120 3 nDc 7r 13 根據 CA6140 車床說明書選擇 1250nmir 這時實際切削速度 為 cV 3 c1D 1257 in 14 14 校驗機床功率 切削時的功率可由表查出 也可按公式進行計算 由 切削用量簡明使用手冊 表 1 25 切削速度HBS160245pam3 fr75 0 時 min5V CPkw7 1 切削功率的修正系數 0 73 0 9 故實際切削時間的功率rcPcrK0 為 1 7 1 2 C73 k 根據表 1 30 當 時 機床主軸允許功率為 nmi125r EPkw9 5 故所選切削用量可在 CA6140 機床上進行 最后決定的切削用量CP E 為 1 25 pafr7 0ni125rsr08 Vmin50 工序 5 粗 精銑 16 槽 機床 銑床 KX2 刀具 錯齒三面刃銑刀 粗銑 16 槽 切削深度 pa8m 根據參考文獻 3 表 查得 進給量 根據參考文2 476 0 6 famz 獻 1 表 查得切削速度 30 inV 機床主軸轉速 n 102 1 i3 45rd 按照參考文獻 3 表 3 1 74 取 7n 實際切削速度 v 0 5 106nms 進給量 fV 8 13ffaZ 工作臺每分進給量 m 8 infVs 被切削層長度 由毛坯尺寸可知 l 20l 刀具切入長度 1 0 5 lD 15 63mm 刀具切出長度 取2lm 走刀次數為 1 機動時間 jt120631 05min8jmlf 精銑 16 槽 切削深度 pa 0 根據參考文獻 3 表 查得 進給量 根據參考文2476 0 8 faz 獻 1 表 查得切削速度 30 3 inV 機床主軸轉速 n 1045 mi 160rd 按照參考文獻 3 表 3 1 74 取 7nn 實際切削速度 v3 0 s 進給量 fV0 824 5 61 39ffaZn 工作臺每分進給量 m8 minfVs 被切削層長度 由毛坯尺寸可知 l 0l 刀具切入長度 1 0 5 2 lD 81mm 刀具切出長度 取2lm 走刀次數為 1 機動時間 2jt12081 23min 6jmlf 本工序機動時間 125 jjtt 工序 45 終檢 無切削計算 工序 50 入庫無切削計算 1 7 時間定額計算及生產安排 假設該零件年產量為 10 萬件 一年以 240 個工作日計算 每天的產 量應不低于 417 件 設每天的產量為 420 件 再以每天 8 小時工作時間計 算 則每個工件的生產時間應不大于 1 14min 16 參照 機械加工工藝手冊 表 2 5 2 機械加工單件 生產類型 中 批以上 時間定額的計算公式為 大量生產時 Ntktt zfjd 1 0 Ntz 因此在大批量生產時單件時間定額計算公式為 ttfjd 其中 單件時間定額 基本時間 機動時間 jt 輔助時間 用于某工序加工每個工件時都要進行的各種ft 輔助動作所消耗的時間 包括裝卸工件時間和有關工步 輔助時間 k 布置工作地 休息和生理需要時間占操作時間的百分比 值 工序 粗 精銑結合面 機動時間 jtmin73 1 j 輔助時間 參照 機械加工工藝手冊 表 2 5 43 取工步輔助時間f 為 由于在生產線上裝卸工件時間很短 所以取裝卸工件時間為min15 0 則 in25 01 ftk 根據 機械加工工藝手冊 表 2 5 48 13 k 單間時間定額 dt min14 i2 25 0731 ktfjd 因此應布置兩臺機床同時完成本工序的加工 當布置兩臺機床時 min4 i2 14 2 dt 即能滿足生產要求 工序 粗銑 U 型槽 機動時間 jtin53 0 j 輔助時間 參照 機械加工工藝手冊 表 2 5 HT200 取工步輔助f 時間為 由于在生產線上裝卸工件時間很短 所以取裝卸工件時min31 0 間為 則 min41 03 ftk 根據 機械加工工藝手冊 表 2 5 48 13 k 單間時間定額 dt 17 min14 i06 13 4 053 1 kttfjd 因此布置一臺機床即能滿足生產要求 工序 精銑 U 型槽 機動時間 jtmin53 0j 輔助時間 參照 機械加工工藝手冊 表 2 5 HT200 取工步輔助f 時間為 由于在生產線上裝卸工件時間很短 所以取裝卸工件時in31 0 間為 則in1 0min41 03 ftk 根據 機械加工工藝手冊 表 2 5 48 3k 單間時間定額 dt in14 i06 1 4 053 1 ktfjd 因此布置一臺機床即能滿足生產要求 第 2 章 銑 16 開口槽夾具設計 2 1 設計要求 為了提高勞動生產 保證加工質量 降低勞動強度 需要設計專用 夾具 本夾具將用于 X52k 銑床 成批生產 任務為設計一銑 16 槽夾具 本夾具無嚴格的技術要求 因此 應主要考慮如何提高勞動生產率 降低勞動強度 精度不是主要考慮的問題 2 2 夾具設計 2 2 1 定位基準的選擇 為了提高加工效率及方便加工 決定材料使用高速鋼 用于對 進行加工 準備采用手動夾緊 由零件圖可知 進行加工前 左右端面進行了粗 精銑加工 進行了 粗 精加工 因此 定位 夾緊方案有 18 方案 選下凸臺面平面 和側面和 V 型塊定位夾緊方式用操作簡單 通用性較強的移動壓板來夾緊 方案 選一面兩銷定位方式 2 面用擋銷 夾緊方式用操作簡單 通用性較強的移動壓板來夾緊 分析比較上面二種方案 方案 中的定位是不正確的 擋銷的位置是 固定 且定位與夾緊應分開 因夾緊會破壞定位 通過比較分析只有方案 滿足要求 孔其加工與孔的軸線間有尺寸公 差 選擇小頭孔和大頭孔來定位 從而保證其尺寸公差要求 為了使定位誤差達到要求的范圍之內 這種定位在結構上簡單易操作 2 2 2 切削力及夾緊力的計算 刀具 16 槽銑刀 硬質合金 刀具有關幾何參數 015 001 頂 刃 0n 側 刃 6 01 5 3rK2 Lm2Z 8 famzmap 2 由參考文獻 5 5 表 1 2 9 可得銑削切削力的計算公式 0 8 10 35pzFafDBzn 有 9 8 1 10 1254836 2 N 根據工件受力切削力 夾緊力的作用情況 找出在加工過程中對夾緊 最不利的瞬間狀態(tài) 按靜力平衡原理計算出理論夾緊力 最后為保證夾緊 可靠 再乘以安全系數作為實際所需夾緊力的數值 即 FKW 安全系數 K 可按下式計算 6543210 式中 為各種因素的安全系數 查參考文獻 5 1 2 1 可知6 其公式參數 123456 0 3KK 由此可得 1 10 31 056 所以 845 WFN 由計算可知所需實際夾緊力不是很大 為了使其夾具結構簡單 操作 方便 決定選用手動螺旋夾緊機構 夾緊力的確定 19 夾緊力方向的確定 夾緊力應朝向主要的定位基面 夾緊力的方向盡可能與切削力和工件重力同向 1 夾緊力作用點的選擇 a 夾緊力的作用點應落在定位元件的支承范圍內 b 夾緊力的作用點應落在工件剛性較好的部位上 這樣可以防止或 減少工件變形變形對加工精度的影響 c 夾緊力的作用點應盡量靠近加工表面 3 夾緊力大小的估算 理論上確定夾緊力的大小 必須知道加工過程中 工件所受到 的切削力 離心力 慣性力及重力等 然后利用夾緊力的作用應與上述各 力的作用平衡而計算出 但實際上 夾緊里的大小還與工藝系統的剛性 夾緊機構的傳遞效率等有關 而且 切削力的大小在加工過程中是變化的 因此 夾緊力的計算是個很復雜的問題 只能進行粗略的估算 估算的方法 一是找出對夾緊最不利的瞬時狀態(tài) 估算此狀態(tài)下所需 的夾緊力 二是只考慮主要因素在力系中的影響 略去次要因素在力系中 的影響 估算的步驟 a 建立理論夾緊力 FJ 理與主要最大切削力 FP 的靜平衡方程 FJ 理 FP b 實際需要的夾緊力 FJ 需 應考慮安全系數 FJ 需 KFJ 理 c 校核夾緊機構的夾緊力 FJ 是否滿足條件 FJ FJ 需 夾具中的裝夾是由定位和夾緊兩個過程緊密聯系在一起的 定位問題 已在前面研究過 其目的在于解決工件的定位方法和保證必要的定位精度 僅僅定好位在大多數場合下 還無法進行加工 只有進而在夾具上設 置相應的夾緊裝置對工件進行夾緊 才能完成工件在夾具中裝夾的全部任 務 夾緊裝置的基本任務是保持工件在定位中所獲得的即定位置 以便在 切削力 重力 慣性力等外力作用下 不發(fā)生移動和震動 確保加工質量 和生產安全 有時工件的定位是在夾緊過程中實現的 正確的夾緊還能糾 正工件定位的不正確 20 一般夾緊裝置由動源即產生原始作用力的部分 夾緊機構即接受和傳 遞原始作用力 使之變?yōu)閵A緊力 并執(zhí)行夾緊任務的部分 他包括中間遞 力機構和夾緊元件 考慮到機床的性能 生產批量以及加工時的具體切削量決定采用手動 夾緊 螺旋夾緊機構是斜契夾緊的另一種形式 利用螺旋桿直接夾緊元件 或者與其他元件或機構組成復合夾緊機構來夾緊工件 是應用最廣泛的一 種夾緊機構 螺旋夾緊機構中所用的螺旋 實際上相當于把契繞在圓柱體上 因此 他的作用原理與斜契是一樣的 也利用其斜面移動時所產生的壓力來夾緊 工件的 不過這里上是通過轉動螺旋 使繞在圓柱體是的斜契高度發(fā)生變 化來夾緊的 典型的螺旋夾緊機構的特點 1 結構簡單 2 擴力比大 3 自瑣性能好 4 行程不受限制 5 夾緊動作慢 夾緊裝置可以分為力源裝置 中間傳動裝置和夾緊裝置 在此套夾具 中 中間傳動裝置和夾緊元件合二為一 力源為機動夾緊 通過螺栓夾緊 移動壓板 達到夾緊和定心作用 工件通過定位銷的定位限制了繞Z軸旋轉 通過螺栓夾緊移動壓板 實現對工件的夾緊 并且移動壓板的定心裝置是與工件外圓弧面相吻合的 移動壓板 通過精確的圓弧定位 實現定心 此套移動壓板制作簡單 便 于手動調整 通過松緊螺栓實現壓板的前后移動 以達到壓緊的目的 壓 緊的同時 實現工件的定心 使其定位基準的對稱中心在規(guī)定位置上 查參考文獻 5 1 2 26 可知螺旋夾緊時產生的夾緊力按以下公式計 算 螺旋夾緊時產生的夾緊力按以下公式計算有 210 tgtQLWz 式中參數由參考文獻 5 可查得 6 2 76zr 901052 29 螺旋夾緊力 048 N 該夾具采用夾緊機構 由上述計算易得 KW 由計算可知所需實際夾緊力不是很大 為了使其夾具結構簡單 操作 21 方便 決定選用手動螺旋夾緊機構 2 3 定位誤差的分析 為了滿足工序的加工要求 必須使工序中誤差總和等于或小于該工序 所規(guī)定的尺寸公差 gwj 與機床夾具有關的加工誤差 一般可用下式表示 j MjjWDAZWj 定位誤差 11minDWd 2i 2min DdJarctgL 其中 10 52Dm 20D d 3d in in4 夾緊誤差 cos minaxyj 其中接觸變形位移值 1 9 62nHBZyRaZkNl 查 5 表 1 2 15 有 10 4 0 42 0 7zKC cos8jym 磨損造成的加工誤差 通常不超過Mj 5 夾具相對刀具位置誤差 取AD01 誤差總和 0 853jw 從以上的分析可見 所設計的夾具能滿足零件的加工精度要求 2 4 夾具設計及操作的簡要說明 由于是大批大量生產 主要考慮提高勞動生產率 因此設計時 需要 更換零件加工時速度要求快 本夾具設計 用移動夾緊的大平面定位三個 自由度 定位兩個自由度 用定位塊定位最后一個轉動自由度 夾具體是夾具的基礎件 夾具體上所有組成部分都必須最終通過這一 22 基礎件連接成一個有機整體 為了滿足加工要求 夾具體應有足夠的剛度 和強度 同時結構工藝性要好 由于鑄造工藝性好 幾乎不受零件大小 形狀 重量和結構復雜程度 的限制 同時吸振性良好 抗壓能力好 故此選用鑄造夾具體 材料選取 HT200 鑄造成型后時效處理 以消除內應力 由于工件采用 V 型塊定位 20mm 外圓面 這就要求 V 型塊固定在一 個與水平面成 HT200 的支撐面上 我們可以采用加工一有 HT200 面的 支撐塊固定在夾具體上 經過切削加工達到我們要求的定位尺寸 結 論 通過近一個月的課程設計 使我們充分的掌握了一般的設計方法和步 驟 不僅是對所學知識的一個鞏固 也從中得到新的啟發(fā)和感受 同時也 提高了自己運用理論知識解決實際問題的能力 而且比較系統的理解了液 壓設計的整個過程 在整個設計過程中 我本著實事求是的原則 抱著科學 嚴謹的態(tài)度 主要按照課本的步驟 到圖書館查閱資料 在網上搜索一些相關的資料和 相關產品信息 這一次設計是大學四年來最系統 最完整的一次設計 也 是最難的一次 在設計的時候不停的計算 比較 修改 再比較 再修改 23 我也付出了一定的心血和汗水 在期間也遇到不少的困難和挫折 幸好有 老師的指導和幫助 才能夠在設計中少走了一些彎路 順利的完成了設計 本設計研究過程中仍然存在不足之處 有的問題還待于進一步深入 具體如下 1 缺乏實際工廠經驗 對一些參數和元件的選用可能不是非常合 理 有一定的浪費 2 與夾具相關的刀具和量具的了解還不太清楚 3 系統的設計不太完善 在與計算機配合進行精確的數據采集和 控制上還有一些不足 4 使用有一定的局限 人工操作多 零部件磨損度在實際中尚不 明確 24 參考文獻 1 劉德榮 組合夾具結構簡圖的初步探討 組合夾具 1982 1 2 孫已德 機床夾具圖冊 M 北京 機械工業(yè)出版社 1984 20 23 3 貴州工學院機械制造工藝教研室 機床夾具結構圖冊 M 貴陽 貴州任命出版社 1983 42 50 4 劉友才 機床夾具設計 北京 機械工業(yè)出版社 1992 5 孟少龍 機械加工工藝手冊第 1 卷 M 北京 機械工業(yè)出版社 1991 6 金屬機械加工工藝人員手冊 修訂組 金屬機械加工工藝人員 手冊 M 上海 上海科學技術出版社 1979 7 李洪 機械加工工藝師手冊 M 北京 機械工業(yè)出版社 1990 8 馬賢智 機械加工余量與公差手冊 M 北京 中國標準出版社 1994 9 上海金屬切削技術協會 金屬切削手冊 M 上海 上?？茖W技 術出版社 1984 10 周永強 高等學校課程設計指導 M 北京 中國建材工業(yè)出版 社 2002 11 薛源順 機床夾具設計 第二版 M 機械工業(yè)出版社 2003 1 12 余光國 馬俊 張興發(fā) 機床夾具設計 M 重慶 重慶大學出 版社 1995 13 東北重型機械學院 洛陽農業(yè)機械學院 長春汽車廠工人大學 機床夾具設計手冊 M 上海 上海科學技術出版社 1980 14 李慶壽 機械制造工藝裝備設計適用手冊 M 銀州 寧夏人民 出版社 1991 15 廖念釗 莫雨松 李碩根 互換性與技術測量 M 中國計量出 43 版社 2000 9 19 16 哈爾濱工業(yè)大學 哈爾濱市教育局 專用機床夾具設計與制造 黑農 江人民出版社 1979 12 17 樂兌謙 金屬切削刀具 機械工業(yè)出版社 2005 4 17 18 Machine Tools N chernor 1984 19 Machine Tool Metalworking John L Feirer 1973 20 Handbook of Machine Tools Manfred weck 1984 21 Sors l fatigue design of machine components oxford pergramon press 1971 26 致 謝 在本文完成之際 首先向我最尊敬的導師老師致以最誠摯的敬意和最衷心的感謝 幾個月以來 他不遺余力地對我的設計進行了指導 在我課程設計這段時間 無論在 學習還是在生活上 恩師都給予了我無微不至的關懷 他以其淵博的知識 寬厚的胸 懷 無私的敬業(yè)精神以及嚴謹的治學態(tài)度和開拓進取的精神激勵著我 并言傳身教 身體力行地不斷培養(yǎng)我獨立思考 深入探索 解決實際問題的能力 使我受益匪淺 老師給與了該設計關鍵性的技術指導 并指明了研究的方向 雖然平日里工作繁多 但在我做課程設計的過程中 特別在說明書的撰寫和修改上給予了我悉心的指導 特 此向老師表示衷心的感謝和敬意 課程設計雖已完成了 但由于知識水平的局限 實際經驗缺乏 設計還存在許多 不足 有很多地方需要改進 對于這些不足 我將在以后的工作中利用盡自已所能的 去補充和完善 讓自己成為對社會作更多的貢獻 成為有用之才 此外還要感謝那些給予過我關心 幫助的老師和同學 正是有了大家的關懷 鼓 力和我自己的努力 此設計才得以順利完成