0077-工藝夾具-銑床工作臺機(jī)械加工工藝及銑削T形槽夾具設(shè)計(jì)
0077-工藝夾具-銑床工作臺機(jī)械加工工藝及銑削T形槽夾具設(shè)計(jì),工藝,夾具,銑床,工作臺,機(jī)械,加工,銑削,設(shè)計(jì)
前 言
機(jī)械制造行業(yè)一個國家技術(shù)進(jìn)步和社會發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)之一，無論是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，還是新興產(chǎn)業(yè)，都離不開各式各樣的機(jī)械裝備。在國民經(jīng)濟(jì)中占重要地位。機(jī)械制造的產(chǎn)品既可以供人們直接使用，也可以為其他行業(yè)的生產(chǎn)提供裝備。而各種機(jī)器零部件的加工的核心問題就是工藝。
在生產(chǎn)過程中，使生產(chǎn)對象（原材料，毛坯，零件或總成等）的質(zhì)和量的狀態(tài)發(fā)生直接變化的過程叫工藝過程，如毛坯制造，機(jī)械加工，熱處理，裝配等都稱之為工藝過程。在機(jī)械制造的切削加工、檢驗(yàn)、裝配、焊接和熱處理等工藝過程中，要使用大量的夾具來安裝加工對象，使其占有正確的位置，以保證零件和產(chǎn)品的加工質(zhì)量，并提高生產(chǎn)率，從而提高經(jīng)濟(jì)性。
在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中主要的設(shè)計(jì)內(nèi)容，是關(guān)于銑床工作臺的加工工藝以及銑削T形槽的專用夾具的設(shè)計(jì)。首先應(yīng)該明確題目的要求，根據(jù)題目要求制定設(shè)計(jì)思路。綜合考慮加工的效率，加工的經(jīng)濟(jì)性，制定出最佳的加工工藝路線，機(jī)床、刀具、夾具、量具、切削用量等，并以工藝過程卡和工序卡的形式反映出來。在夾具設(shè)計(jì)中題目要求設(shè)計(jì)出銑削T形槽的專用夾具，綜合考慮決定采用燕尾導(dǎo)軌面定位用汽動來實(shí)現(xiàn)夾緊節(jié)省輔助時間。最后要明確設(shè)計(jì)的目的，通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)能熟練的運(yùn)用機(jī)械制造工藝學(xué)課程中的基本理論以及在生產(chǎn)實(shí)習(xí)中學(xué)到的實(shí)踐知識，正確的解決一個零件在加工中的定位、夾緊以及工藝路線的安排、工藝尺寸的確定等問題，保證零件的加工質(zhì)量。提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能力，能根據(jù)被加工零件的加工要求，設(shè)計(jì)出高效、省力、經(jīng)濟(jì)合理而能保證加工質(zhì)量的夾具的能力。學(xué)會使用手冊及圖表資料，掌握與設(shè)計(jì)有關(guān)的各種資料的名稱、出處，且能熟練運(yùn)用等目的。為今后在工作中提高自身能力打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
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第一章 零件分析
1.1零件的作用
題目給定的零件是數(shù)控銑床XK5032A工作臺，其規(guī)格是1325×320有三條T形槽。工作臺是安裝在銑床床鞍上的部件，其主要作用是用于裝夾工件或銑床夾具，并帶動工件或夾具作縱向直線運(yùn)動，以實(shí)現(xiàn)對工件的切削加工。
1.2零件的工藝分析
銑床工作臺共有六組加工表面，它們之間有一定的尺寸和位置要求。現(xiàn)分述如下：
（1）工作臺的上表面為一組的加工表面
這一組加工表面包括：銑面積為1325×320的工作臺的上表面及倒角，它對工作臺底面平行度公差為0.025/100，銑削三條T形槽及其倒角，排液槽的倒角，鉆排液孔16。其中主要加工表面為銑工作臺的上表面和銑削三條T形槽。
（2）工作臺的下表面為一組的加工表面
這一組加工表面包括：銑工作臺的下表面的加工，銑燕尾導(dǎo)軌面和退刀槽，銑與螺母配合的表面及鉆螺紋孔4-M12和2-M8。其中主要加工表面為工作臺的下表面和燕尾導(dǎo)軌面。
（3）工作臺的前表面為一組加工表面
這一組加工表面包括：銑工作臺的前表面的加工與倒角，鉆螺紋孔6-M6和4-M6底孔，直徑為9的孔與孔。
（4）銑工作臺的后表面的加工
（5）工作臺的左表面為組的加工表面：銑工作臺的左表面與倒角，鉆螺紋孔4-M10底孔。
（6）工作臺的右表面為組的加工表面：銑工作臺的右表面與倒角，鉆螺紋孔4-M10底孔。
畢業(yè)設(shè)計(jì)論文
第二章、工藝規(guī)程設(shè)計(jì)
2.1確定毛坯的制造形式
零件的材料為鑄鐵HT150，脆性材料。只能采用鑄造的方法來生產(chǎn)所以選擇鑄件。由于年產(chǎn)量為500件，已達(dá)到中等規(guī)模的生產(chǎn)水平，且工作臺的尺寸較大，結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜，故采用砂型鑄造。最后查表確定出毛坯的尺寸如下圖：
圖2-1毛坯圖
2.2基準(zhǔn)的選擇
基面的選擇是工藝規(guī)程設(shè)計(jì)中最重要的工作之一，基準(zhǔn)面選擇的正確與合理可以使加工質(zhì)量得到保證，生產(chǎn)效率提高。否則，不但使加工過程中問題百出，更有甚者還會造成零件大批量報廢，使生產(chǎn)無法正常進(jìn)行。
2.2.1粗基準(zhǔn)的選擇
根據(jù)有關(guān)粗基準(zhǔn)選擇原則，即當(dāng)零件有不加工表面時應(yīng)當(dāng)以這些不加工表面作為粗基準(zhǔn)。若零件有若干個不加工不加工表面時，則應(yīng)以與加工表面相對位置精度較高的不加工表面作為粗基準(zhǔn)，由于工作臺的各個表面都要加工，應(yīng)選余量均勻的重要表面作為粗基準(zhǔn)，這里選擇導(dǎo)軌面作為粗基準(zhǔn)。
2.2.2精基準(zhǔn)的選擇
對于精基準(zhǔn)的選擇而言，主要考慮基準(zhǔn)重合的問題。當(dāng)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)與工序基準(zhǔn)不重合時，應(yīng)該進(jìn)行尺寸換算，具體的精基準(zhǔn)根據(jù)加工情況而定。
2.3制定工藝路線
制定工藝路線的出發(fā)點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)是使零件的幾何形狀、尺寸精度及位置精度等技術(shù)要求得到合理的保證。在生產(chǎn)綱領(lǐng)已確定為成批生產(chǎn)的條件下可以考慮采用萬能性機(jī)床配以專用夾具，并盡量使工序集中來提高生產(chǎn)率。除此以外，還應(yīng)當(dāng)考慮經(jīng)濟(jì)效果以便使生產(chǎn)成本盡量下降。
工藝路線方案
1.劃線。
2.粗銑工作臺下表面
3.粗銑燕尾導(dǎo)軌面
4.銑寬度為6mm的退刀小槽
5.粗銑工作臺上表面
6.精銑工作臺上表面、倒角1
7.精銑工作臺下表面
8.精銑燕尾導(dǎo)軌面
9.粗銑T形槽
10.半精銑T形槽
11.倒角1.5
12.粗銑工作臺前、后表面
13.半精銑工作臺前后表面、倒角1
14.粗銑安裝濾液片的表面、粗精銑工作臺左、右表面
15.鉆底面中心小孔9
16.鉆濾液小孔
17.鉆底面螺紋孔4-M12
18.攻螺紋4-M12
19.鉆工作臺前表面上的深小孔9、孔
20.鉆工作臺前表面上的螺紋孔6-M812、4-M612
21.攻螺紋6-M812、4-M612
22.鉆工作臺左、右表面上的螺紋孔4-M1025
23.攻螺紋4-M1025
24.去毛刺，修整
25.檢驗(yàn)
26.入庫
2.4加工方法的確定
本零件的加工有工作臺的各個表面、螺紋孔、小孔、深小孔、T形槽等，材料為HT150。參考《機(jī)械制造工藝設(shè)計(jì)簡明手冊》上的有關(guān)數(shù)據(jù)，其加工方法選擇如下：
（1）工作臺的前、后端面：參考《機(jī)械制造工藝設(shè)計(jì)簡明手冊》根據(jù)GB1800—79規(guī)定其公差等級為IT9，表面粗糙度為Ra1.6需要進(jìn)行粗銑、精銑表面。
（2）工作臺的上、下表面：參考《機(jī)械制造工藝設(shè)計(jì)簡明手冊》根據(jù)GB1800—79規(guī)定其公差等級為IT9，表面粗糙度為Ra1.6 ，需要進(jìn)行粗銑、精銑表面。
（3）工作臺的左、右表面：參考《機(jī)械制造工藝設(shè)計(jì)簡明手冊》根據(jù)GB1800—79規(guī)定其公差等級為IT9，表面粗糙度為Ra3.2 ，需要進(jìn)行粗銑、精銑表面。
（4）工作臺的燕尾導(dǎo)軌面：參考《機(jī)械制造工藝設(shè)計(jì)簡明手冊》根據(jù)GB1800—79規(guī)定其公差等級為IT9，表面粗糙度為Ra1.6 ，需要進(jìn)行粗銑、精銑表面。
（5）工作臺的T形槽表面：參考《機(jī)械制造工藝設(shè)計(jì)簡明手冊》根據(jù)GB1800—79規(guī)定直槽公差等級為IT8T形槽的公差等級為IT11，直槽表面粗糙度為Ra6.3 ，需要進(jìn)行粗銑、半精銑表面。T形槽的表面粗糙度為Ra12.5只需進(jìn)行粗銑。
（6）小孔表面：參考《機(jī)械制造工藝設(shè)計(jì)簡明手冊》根據(jù)GB1800—79規(guī)定其公差等級為IT9,表面粗糙度為Ra1.6 ，需要進(jìn)行粗鉆.
（7）螺紋孔：參考《機(jī)械制造工藝設(shè)計(jì)簡明手冊》根據(jù)GB1800—79規(guī)定其公差等級為IT9，表面粗糙度為Ra1.6 ，需要進(jìn)行粗鉆。螺紋的加工直接采用絲錐攻絲。
2.5機(jī)械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的確定
“銑床工作臺”零件材料為鑄鐵HT150,最低抗拉強(qiáng)度為150MPa生產(chǎn)類型為成批生產(chǎn)采用砂型鑄造，9級精度。
根據(jù)上述原始資料及加工工藝，分別確定各加工表面的機(jī)械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸如下：
（1）工作臺上表面（面積1325320）。由于零件材料為鑄件，鑄造方法為砂鑄造，且屬于雙邊加工，表面粗糙度為1.6要求粗加工和精加工，所以取其余量為Z=2mm。T形槽的表面粗糙度為6.3只要求粗銑和半精銑故取余量為4mm。參照《機(jī)械制造工藝手冊》表1-28和表1-38確定工序尺寸及余量為：
粗刨工作臺的上表面 Z=1.5mm
精刨工作臺上表面 Z=0.5mm
粗銑T形槽 Z=3mm
精銑T形槽 Z=1mm
（2）工作臺的下表面。查《機(jī)械制造工藝手冊》表1-28，根據(jù)表面加工性質(zhì)、工件材料、尺寸規(guī)格，表面粗糙度為1.6要求粗加工和精加工，綜合考慮選取表面加工余量為2mm。燕尾導(dǎo)軌面為單邊加工加工余量確定為2.5mm，退刀小槽的表面粗糙度為余量為1.5mm12.5,底面與螺紋相配合的平面加工余量確定為4mm。加工見《機(jī)械制造加工工藝手冊》表2.3-8確定工序尺寸及余量為：
鉆孔20
擴(kuò)孔21.8 2Z=1.8
粗鉸孔21.94 2Z=0.14
精鉸22
(3)工作臺的前、后表面。前后表面均屬于加工表面又由于是雙加工表面取加工余量為7mm（2Z=7mm）參見《機(jī)械制造加工工藝手冊》2.2-4。加工孔和深小孔9見《機(jī)械制造加工工藝手冊》表2.3-8確定工序尺寸及余量為：
鉆孔9.8 2Z=0.2
鉸孔10
（4）工作臺的左、右表面。左右表面均屬于加工表面又由于是雙加工表面取加工余量為11mm（2Z=mm）參見《機(jī)械制造加工工藝手冊》2.2-4。
2.6確定切削用量及基本工時
工序1：粗銑工作臺下表面。本工序采用計(jì)算法確定切削用量。
（1）加工條件
工件材料：HT150,=150MPa，砂型鑄造。
加工要求：粗銑工作臺上表面（面積1336327），表面粗糙度為1.6
機(jī)床：X53T立式銑床。
刀具：端面銑刀，刀具規(guī)格為直徑D=80mm 刀頭長度L=36mm 刀桿直徑d=27mm 齒數(shù)I=10
（2）計(jì)算切削用量
確定端面最大加工余量：已知工作臺上表面高度方向的加工余量為2Z=5mm。由于是雙邊加工所以在下表面留有的最大加工余量為Z=2.5mm粗銑時選擇吃刀深度為1.5mm，一次加工完成。
確定進(jìn)計(jì)量f：根據(jù)《切削用量簡明手冊》（第3版）（以下簡稱《切削手冊》）表3.3當(dāng)機(jī)床功率大于10kW，工藝系統(tǒng)剛性為中等，工件材料為鑄鐵時
f=0.250.40mm/r
按X53T銑床說明書（見《機(jī)械制造加工工藝手冊》表4-16）取
f=0.25mm/r
計(jì)算切削速度：按《切削手冊》表3-27切削速度的計(jì)算公式為（壽命選T=10.4min）：
(m/s)
式中，，0.2，0.1，0.4，0.1， ，m=0.15。修正系數(shù)見《切削手冊》表1.28，即
1.51，，，。
所以
2.2m/s
確定機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速：
8.8（r/s）
按機(jī)床說明書（見《工藝手冊》附表4-16-1），與528r/min相近的機(jī)床轉(zhuǎn)速為450r/min及560r/min?，F(xiàn)取=560r/min.如果選取450r/min則速度損失過大。所以實(shí)際切削速度為v=141r/min。
（3）計(jì)算切削工時：按《工藝手冊》表7-7，取
式中, ,
所以，
4min
（4）檢驗(yàn)機(jī)床功率：銑削功率按《工藝手冊》表3.28所示公式計(jì)算
式中，=1.150.89=1.02
所以 切削時消耗的功率為
=5.87kw
由《工藝手冊》表3.1-73中X53T機(jī)床說明書可知，X53T主電機(jī)功率為14.145kw，所以機(jī)床功率足夠，可以正常加工。
工序2：粗銑燕尾導(dǎo)軌面。選用機(jī)床：X53T立銑。
刀具：直柄燕尾銑刀，刀具規(guī)格為刀具長度為L=60，刀桿長度為刀具材料YG6。
（1）計(jì)算切削用量
確定進(jìn)計(jì)量0.09mm/r(見《工藝手冊》表2.4-93)
確定切削速v=0.1m/s （見《工藝手冊》表2.4-93）
確定機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速
1.99r/s
按機(jī)床選取r/min（按《工藝手冊》表3.1-75）
所以實(shí)際切削速度v=0.099m/s
（2）切削工時
0.5d+(12)=9 1
所以，
min
（3）檢驗(yàn)機(jī)床功率：切削力按《工藝手冊》表2.4-97所示公式計(jì)算
式中，=0.8（見《工藝手冊》表2.4-94）
所以，
=4770N
切削時消耗的功率為
0.4kw
由《工藝手冊》表3.1-73中X53T機(jī)床說明書可知，X53T主電機(jī)功率為14.145kw，所以機(jī)床功率足夠，可以正常加工。
工序4：銑寬度為6mm的小槽
刀具：直齒鑲齒三面刃銑刀，刀具規(guī)格直徑D=50mm，刀盤寬度L=6mm
刀內(nèi)徑d=16mm,齒數(shù)Ⅰ=16刀具材料高速鋼
（1）計(jì)算切削用量
確定進(jìn)計(jì)量:0.12mm/r（見《工藝手冊》表2.4-76）
確定切削速:（見《工藝手冊》表2.4-96）
式中，(見《工藝手冊》表2.4-94)，T=0.15（見《工藝手冊》表2.4-71）
所以，
= 2.8m/s
確定機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速
17r/s
按《工藝手冊》選取機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速為1120r/min
所以，實(shí)際切削速度v=2.9m/s
（2）切削工時
0.5d+(12)=26 1
min
工序5：粗銑工作臺上表面
刀具：端銑刀，刀具規(guī)格直徑D=125mm，銑刀內(nèi)徑d=40mm，刀盤寬度L=40mm，齒數(shù)Ⅰ=14，刀具材料高速鋼。
（1）計(jì)算切削用量
確定進(jìn)計(jì)量： 0.45mm/r（見《工藝手冊》表2.4-73）
確定切削速度： （見《工藝手冊》表2.4-96）
式中，(見《工藝手冊》表2.4-94)，T=10.8（見《工藝手冊》表2.4-71）
所以，
=0.71m/s
確定機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速
1.8r/s
按《工藝手冊》選取機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速為112r/min
所以，實(shí)際切削速度v=0.73m/s
（2）切削工時
所以，
（3）檢驗(yàn)機(jī)床功率：銑削功率按《工藝手冊》表2.4-96所示公式計(jì)算
式中，=1.150.89=1.02
所以 切削時消耗的功率為
=5.9kw
《工藝手冊》表3.1-73中X53T機(jī)床說明書可知，X53T主電機(jī)功率為14.145kw，所以機(jī)床功率足夠，可以正常加工。
工序6：精銑工作臺上表面
（1）計(jì)算切削用量
刀具：端面刀，刀具規(guī)格直徑D=80mm,刀盤寬度L=36mm,內(nèi)徑d=27
齒數(shù)Ⅰ=10，刀具材料高速鋼。
確定進(jìn)計(jì)量：0.3mm/r(見《工藝手冊》表2.4-73)
確定切削速度: （見《工藝手冊》表2.4-96）
式中，(見《工藝手冊》表2.4-94)，T=10.8（見《工藝手冊》表2.4-71）
所以，
=1.8m/s
確定機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速
7.2r/s
按《工藝手冊》選取機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速為450r/min
所以，實(shí)際切削速度v=1.88m/s
（2）切削工時
由于是精銑，所以。于是
1.05min
工序6：精銑工作臺下表面
刀具：鑲齒套式面銑刀，刀具規(guī)格直徑D=80mm,刀盤寬度L=36mm,內(nèi)徑d=27齒數(shù)Ⅰ=10，刀具材料高速鋼。
（1）計(jì)算切削用量
確定進(jìn)計(jì)量:
確定切削速度: （見《工藝手冊》表2.4-96）
式中，(見《工藝手冊》表2.4-94)，T=10.8（見《工藝手冊》表2.4-71）
=2.88m/s
確定機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速
11.5r/s
按《工藝手冊》選取機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速為710r/min
所以，實(shí)際切削速度v=2.97m/s
（2）切削工時
由于是精銑，所以。于是
2min
工序7：精銑燕尾導(dǎo)軌面
刀具：直柄燕尾銑刀，刀具規(guī)格為刀具長度為L=60，刀桿長度為刀具材料YG6。
（1）計(jì)算切削用量
確定進(jìn)計(jì)量0.09mm/r(見《工藝手冊》表2.4-93)
確定切削速v=0.1m/s （見《工藝手冊》表2.4-93）
確定機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速
1.99r/s
按機(jī)床選取r/min（按《工藝手冊》表3.1-75）
所以實(shí)際切削速度v=0.099m/s
（2）切削工時
0.5d+(12)=9 1
所以，
min
工序8：粗銑T形槽
（1）計(jì)算切削用量
刀具：該道工序需要兩把銑刀首先用一把直柄立銑刀銑出直槽來，之后再用一把T形槽銑刀粗銑出T形槽來。
直柄立銑刀規(guī)格:直徑D=18mm,刀柄直徑d=18mm，刀長L=90mm，刀頭長40，粗銑齒數(shù)Ⅰ=3，刀具材料高速鋼
T形槽銑刀的規(guī)格：刀頭直徑d=16mm,刀盤直徑D=29mm,刀盤寬度B=13, 刀長L=105
確定進(jìn)計(jì)量：0.07mm/r(見《工藝手冊》表3-28)
確定切削速（見《工藝手冊》表2.4-96）
式中，(見《工藝手冊》表2.4-94)，T=3.6（見《工藝手冊》
=0.83m/s
確定機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速
按機(jī)床選取r/min（按《工藝手冊》表3.1-75）
所以實(shí)際切削速度v=0.85m/s
（2）切削工時
0.5d+(12)=10 1
所以，
min
檢驗(yàn)機(jī)床功率：銑削功率按《工藝手冊》表2.4-96所示公式計(jì)算
式中，=1.340.79=1.06
所以 切削時消耗的功率為
=2.5kw
《工藝手冊》表3.1-73中X53T機(jī)床說明書可知，X53T主電機(jī)功率為14.145kw，所以機(jī)床功率足夠，可以正常加工。
確定進(jìn)計(jì)量：0.09mm/r(見《工藝手冊》表2.4-93)
確定切削速v=0.1m/s （見《工藝手冊》表2.4-93）
確定機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速
1.99r/s
按機(jī)床選取r/min（按《工藝手冊》表3.1-75）
所以實(shí)際切削速度v=0.099m/s
切削工時
0.5d+(12)=9 1
所以，
min
工序11：粗精銑工作臺前、后表面
刀具：端銑刀，刀具規(guī)格直徑D=125mm，銑刀內(nèi)徑d=40mm，刀盤寬度L=40mm，齒數(shù)Ⅰ=14，刀具材料高速鋼。
（1）計(jì)算切削用量
確定進(jìn)計(jì)量： 0.45mm/r（見《工藝手冊》表2.4-73）
確定切削速度： （見《工藝手冊》表2.4-96）
式中，(見《工藝手冊》表2.4-94)，T=10.8（見《工藝手冊》表2.4-71）
所以，
=0.68m/s
確定機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速
1.7r/s
按《工藝手冊》選取機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速為112r/min
所以，實(shí)際切削速度v=0.73m/s
（2）切削工時
所以，
檢驗(yàn)機(jī)床功率：銑削功率按《工藝手冊》表2.4-96所示公式計(jì)算
式中，=1.150.89=1.02
所以 切削時消耗的功率為
=6.2kw
《工藝手冊》表3.1-73中X53T機(jī)床說明書可知，X53T主電機(jī)功率為14.145kw，所以機(jī)床功率足夠，可以正常加工。
精銑工作臺前、后表面
（1）計(jì)算切削用量
刀具：端面刀，刀具規(guī)格直徑D=80mm,刀盤寬度L=36mm,內(nèi)徑d=27
齒數(shù)Ⅰ=10，刀具材料高速鋼。
確定進(jìn)計(jì)量：0.3mm/r(見《工藝手冊》表2.4-73)
確定切削速度: （見《工藝手冊》表2.4-96）
式中，(見《工藝手冊》表2.4-94)，T=10.8（見《工藝手冊》表2.4-71）
所以，
=1.8m/s
確定機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速
7.2r/s
按《工藝手冊》選取機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速為450r/min
所以，實(shí)際切削速度v=1.88m/s
（2）切削工時
由于是精銑，所以。于是
1.05min
工序12：粗銑安裝濾液片的表面、粗精銑工作臺左、右表面
刀具：端面刀，刀具規(guī)格直徑D=80mm,刀盤寬度L=36mm,內(nèi)徑d=27
齒數(shù)Ⅰ=10，刀具材料高速鋼。
（一）銑安裝濾液片的小槽
（1）計(jì)算切削速度
確定進(jìn)計(jì)量：0.2mm/r(見《工藝手冊》表2.4-73)
確定切削速度： （見《工藝手冊》表2.4-96）
式中，(見《工藝手冊》表2.4-94)，T=10.8（見《工藝手冊》表2.4-71）
所以，
=1.6m/s
確定機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速
6.4r/s
按《工藝手冊》選取機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速為450r/min
所以，實(shí)際切削速度v=1.88m/s
（2）切削工時
由于是精銑，所以。于是
0.1min
(二) 粗精銑工作臺左、右表面
（1）計(jì)算切削速度
確定進(jìn)計(jì)量：0.3mm/r(見《工藝手冊》表2.4-73)
確定切削速度： （見《工藝手冊》表2.4-96）
式中，(見《工藝手冊》表2.4-94)，T=10.8（見《工藝手冊》表2.4-71）
所以，
=1.5m/s
確定機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速
6r/s
按《工藝手冊》選取機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速為450r/min
所以，實(shí)際切削速度v=1.88m/s
（2）切削工時
由于是精銑，所以。于是
0.3min
精銑工作臺左、右表面
精銑工作臺前、后表面
（1）計(jì)算切削用量
刀具：端面刀，刀具規(guī)格直徑D=80mm,刀盤寬度L=36mm,內(nèi)徑d=27
齒數(shù)Ⅰ=10，刀具材料高速鋼。
確定進(jìn)計(jì)量：0.3mm/r(見《工藝手冊》表2.4-73)
確定切削速度: （見《工藝手冊》表2.4-96）
式中，(見《工藝手冊》表2.4-94)，T=10.8（見《工藝手冊》表2.4-71）
所以，
=1.8m/s
確定機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速
7.2r/s
按《工藝手冊》選取機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速為450r/min
所以，實(shí)際切削速度v=1.88m/s
（2）切削工時
由于是精銑，所以。于是
0.3min
工序14：鉆底面中心小孔9
（1） 加工條件:
機(jī)床：搖臂鉆床Z304016（見《工藝手冊》表3.1-30）
刀具：直柄短麻花鉆，刀具規(guī)格直徑d=9mm，刀長=84mm，鉆頭長度=40mm刀具材料高速鋼。
（2） 計(jì)算切削用量
確定進(jìn)計(jì)量：0.25mm/r（見《工藝手冊》表2.4-38）
確定切削速度：v=0.5m/s（見《工藝手冊》表2.4-41）
確定機(jī)床轉(zhuǎn)速：
17.7r/s
按《工藝手冊》選取機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速為1250r/min
所以，實(shí)際切削速度v=0.59m/s
（3） 切削工時：
13.6r/s
式中，
4.6r/s
按《工藝手冊》選取機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速為320r/min
擴(kuò)孔22
7.3r/s
按《工藝手冊》選取機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速為500r/min
式中，
D為孔徑，鉆中心孔和盲孔時
所以，
工序15：鉆濾液小孔
刀具：直柄短麻花鉆，刀具規(guī)格直徑d=20mm，刀長=131mm，鉆頭長度=66mm刀具材料高速鋼。錐柄擴(kuò)孔鉆直徑D=22mm，刀長L=248mm，鉆頭長度=150mm
莫氏號2，刀具材料高速鋼。
（1）計(jì)算切削用量
確定進(jìn)計(jì)量：0.45mm/r（見《工藝手冊》表2.4-38）
確定切削速度：v=0.46m/s（見《工藝手冊》表2.4-41）
確定機(jī)床轉(zhuǎn)速：
7.3r/s
按《工藝手冊》選取機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速為500r/min
所以，實(shí)際切削速度v=0.52m/s
（2）切削工時：
式中，
D為孔徑，鉆中心孔和盲孔時
所以，
擴(kuò)孔22
（1） 計(jì)算切削用量
確定進(jìn)計(jì)量：1.0mm/r（見《工藝手冊》表2.4-52）
確定切削速度：v=0.32m/s(見《工藝手冊》表2.4-53)
確定機(jī)床轉(zhuǎn)速：
4.6r/s
按《工藝手冊》選取機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速為320r/min
所以，實(shí)際切削速度v=0.37m/s
（2）切削工時：
式中，
D為擴(kuò)孔后的孔徑，為擴(kuò)孔前的孔徑
鉆中心孔和盲孔時
所以，
工序16：鉆底面螺紋孔4-M12
刀具：直柄短麻花鉆，刀具規(guī)格直徑d=10.80mm，刀長=95mm，鉆頭長度=47mm刀具材料高速鋼。
（1）計(jì)算切削用量
確定進(jìn)計(jì)量：0.3mm/r（見《工藝手冊》表2.4-38）
確定切削速度：v=0.43m/s（見《工藝手冊》表2.4-41）
確定機(jī)床轉(zhuǎn)速：
13.6r/s
按《工藝手冊》選取機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速為1250r/min
所以，實(shí)際切削速度v=0.66m/s
（2）切削工時：
式中，
D為孔徑，鉆中心孔和盲孔時
所以，
工序17：攻螺紋4-M12
刀具：細(xì)柄機(jī)用絲錐代號M12，螺距P=1.75mm，絲錐直徑d=12mm,刀桿直徑9mm，刀頭長度=29mm，刀長=89mm，方榫寬度a=7.10mm
（1） 計(jì)算切削用量
確定進(jìn)計(jì)量：
確定切削速度：v=0.148
確定機(jī)床轉(zhuǎn)速：
4r/s
按《工藝手冊》選取機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速為250r/min
所以，實(shí)際切削速度v=0.157m/s
(2)切削工時：
（攻盲孔時，為使用絲錐數(shù)量）
所以，
=0.16min
工序18：鉆工作臺前表面上的深小孔9、孔
刀具：錐柄加長麻花鉆，刀具規(guī)格直徑d=9mm，刀長=245mm，鉆頭長度=165mm刀具材料高速鋼。
（1）計(jì)算切削用量
確定進(jìn)計(jì)量：0.3mm/r（見《工藝手冊》表2.4-65）
確定切削速度：v=0.43m/s（見《工藝手冊》表2.4-65）
確定機(jī)床轉(zhuǎn)速：
15.2r/s
按《工藝手冊》選取機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速為1250r/min
所以，實(shí)際切削速度v=0.59m/s
（2）切削工時：
式中，
D為孔徑，鉆中心孔和盲孔時
所以，
刀具：直柄擴(kuò)孔鉆直徑D=10mm，刀長L=133mm，鉆頭長度=87mm
刀具材料高速鋼。
（2） 計(jì)算切削用量
確定進(jìn)計(jì)量：0.7mm/r（見《工藝手冊》表2.4-52）
確定切削速度：v=0.37m/s(見《工藝手冊》表2.4-53)
確定機(jī)床轉(zhuǎn)速：
11.8r/s
按《工藝手冊》選取機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速為800r/min
所以，實(shí)際切削速度v=0.42m/s
（2）切削工時：
式中，
D為擴(kuò)孔后的孔徑，為擴(kuò)孔前的孔徑
鉆中心孔和盲孔時
所以，
工序19：鉆工作臺前表面上的螺紋孔6-M812、4-M612
鉆孔6-M812
刀具：直柄短麻花鉆，刀具規(guī)格直徑d=7mm，刀長=74mm，鉆頭長度=34mm刀具材料高速鋼。
（1）計(jì)算切削用量
確定進(jìn)計(jì)量：0.20mm/r（見《工藝手冊》表2.4-38）
確定切削速度：v=0.48m/s（見《工藝手冊》表2.4-41）
確定機(jī)床轉(zhuǎn)速：
19.5r/s
按《工藝手冊》選取機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速為2000r/min
所以，實(shí)際切削速度v=0.7m/s
（2）切削工時：
式中，
D為孔徑，鉆中心孔和盲孔時
所以，
攻螺紋6-M812
刀具：細(xì)柄機(jī)用絲錐代號M8，螺距P=1..25mm，絲錐直徑d=8mm,刀桿直徑6.30mm，刀頭長度=22mm，刀長=72mm，方榫寬度a=5mm
（2） 計(jì)算切削用量
確定進(jìn)計(jì)量：
確定切削速度：v=0.133
確定機(jī)床轉(zhuǎn)速：
5.3r/s
按《工藝手冊》選取機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速為320r/min
所以，實(shí)際切削速度v=0.134m/s
(2)切削工時：
（攻盲孔時，為使用絲錐數(shù)量）
所以，
=0.08min
鉆孔4-M612
刀具：直柄短麻花鉆，刀具規(guī)格直徑d=5.5mm，刀長=66mm，鉆頭長度=28mm刀具材料高速鋼。
（1）計(jì)算切削用量
確定進(jìn)計(jì)量：0.20mm/r（見《工藝手冊》表2.4-38）
確定切削速度：v=0.43m/s（見《工藝手冊》表2.4-41）
確定機(jī)床轉(zhuǎn)速：
24.9r/s
按《工藝手冊》選取機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速為2000r/min
所以，實(shí)際切削速度v=0.58m/s
（2）切削工時：
式中，
D為孔徑，鉆中心孔和盲孔時
所以，
攻螺紋4-M612
刀具：細(xì)柄機(jī)用絲錐代號M6，螺距P=1mm，絲錐直徑d=6mm,刀桿直徑4.50mm，刀頭長度=19mm，刀長=66mm，方榫寬度a=3.55mm
（3） 計(jì)算切削用量
確定進(jìn)計(jì)量：
確定切削速度：v=0.115
確定機(jī)床轉(zhuǎn)速：
6.1r/s
按《工藝手冊》選取機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速為400r/min
所以，實(shí)際切削速度v=0.126m/s
(2)切削工時：
（攻盲孔時，為使用絲錐數(shù)量）
所以，
=0.075min
工序20：鉆工作臺左、右表面上的螺紋孔4-M1025
刀具：直柄短麻花鉆，刀具規(guī)格直徑d=9.2mm，刀長=84mm，鉆頭長度=40mm刀具材料高速鋼。
（4） 計(jì)算切削用量
確定進(jìn)計(jì)量：0.3mm/r（見《工藝手冊》表2.4-38）
確定切削速度：v=0.43m/s（見《工藝手冊》表2.4-41）
確定機(jī)床轉(zhuǎn)速：
14.9r/s
按《工藝手冊》選取機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速為1250r/min
所以，實(shí)際切削速度v=0.6m/s
（5） 切削工時：
式中，
D為孔徑，鉆中心孔和盲孔時
所以，
工序21：攻螺紋4-M1025
刀具：細(xì)柄機(jī)用絲錐代號M10，螺距P=1.50mm，絲錐直徑d=10mm,刀桿直徑8.00mm，刀頭長度=24mm，刀長=80mm，方榫寬度a=6.30mm
（4） 計(jì)算切削用量
確定進(jìn)計(jì)量：
確定切削速度：v=0.148（見表2.4-105）
確定機(jī)床轉(zhuǎn)速：
4.7r/s
按《工藝手冊》選取機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速為320r/min
所以，實(shí)際切削速度v=0.167m/s
(2)切削工時：
（攻盲孔時，為使用絲錐數(shù)量）
所以，
=0.12min
第三章、夾具的設(shè)計(jì)
為了提高勞動生產(chǎn)率保證加工質(zhì)量，降低勞動強(qiáng)度需設(shè)計(jì)專用夾具。經(jīng)過與老師協(xié)商，決定設(shè)計(jì)第8道工序——銑T形槽的專用夾具。本夾具將用于X53T立式銑床。刀具為一把高速鋼T形槽銑刀和一把圓柱立銑刀先對工作臺進(jìn)行直槽加工再用T形槽銑刀直接銑出T形槽。
3.1問題的提出
本夾具主要是用來對T形槽的加工，工作臺的兩側(cè)面相對于工作臺底面以及工作臺的對稱中心有一定的技術(shù)要求。加工本道工序時T形槽尚未加工，因此本道工序加工時主要考慮提高勞動生產(chǎn)率降低勞動強(qiáng)度以及加工精度等問題。
3.2夾具的設(shè)計(jì)
3.2.1夾具在現(xiàn)代機(jī)械加工中應(yīng)用得相當(dāng)廣泛，它能夠起到下列作用：
（1） 保證穩(wěn)定可靠地達(dá)到各項(xiàng)加工精度要求
（2） 縮短加工工時，提高勞動生產(chǎn)率
（3） 降低生產(chǎn)成本
（4） 減輕工人勞動強(qiáng)度
（5） 可由較低技術(shù)等級的工人進(jìn)行操作
（6） 能夠擴(kuò)大機(jī)床工藝范圍
3.2.2機(jī)床夾具作用實(shí)現(xiàn)必須滿足三個條件：
①．夾具在機(jī)床上有正確的加工位置；
②. 工件在夾具中占的準(zhǔn)確裝夾；
③. 刀具相對于工件有準(zhǔn)確的位置。
3.2.3定位基準(zhǔn)的確定
圖3-2工序圖
由零件圖可知，T形槽側(cè)面應(yīng)對工作臺底面有垂直度的要求且對對稱中心有平行度要求，其設(shè)計(jì)基準(zhǔn)為工作臺的底面。為了使定位誤差為零應(yīng)該以燕尾導(dǎo)軌面為定位基準(zhǔn)。
為了節(jié)省輔助時間，決定采用氣壓夾緊。
3.2.4切削力及夾緊力計(jì)算
刀具：高速鋼立銑刀
式中，
所以
=
=6929N
刀具：T形槽銑刀，
式中，
所以 =
=213N
在計(jì)算切削力的時候，必須要把安全系數(shù)考慮在內(nèi)。安全系數(shù)K=。
其中：K為基本安全系數(shù)1.2；
為加工性質(zhì)系數(shù)1.6；
為刀具鈍化系數(shù)1.2；
為斷續(xù)切削系數(shù)1.0；
所以，
選用汽缸——斜面夾緊機(jī)構(gòu)，斜角，則擴(kuò)力比。為了克服切削力，實(shí)際的夾緊力應(yīng)為
N（）=
∴ N=
其中及為夾具定位面及夾緊面上的摩擦系數(shù)，。則
31928N
汽缸選用。當(dāng)壓縮空氣單位壓力時，汽缸推力為12000N。由于已知斜面機(jī)構(gòu)的擴(kuò)力比為，故由汽缸產(chǎn)生的夾緊力為
N=1200041040N
此時已大于所需的31928N的夾緊力，故本夾具可安全工作。
3.2.5定位誤差的分析
（1）定位基準(zhǔn)的選擇
在這里選擇“燕尾導(dǎo)軌面”和“工作臺底面”作為定位基準(zhǔn)的方式，燕尾導(dǎo)軌面限制2個自由度，工作臺底面限制3個自由度。
（2）定位元件尺寸及公差的確定。
本夾具的主要定位元件為工作臺的燕尾形導(dǎo)軌，該定位元件的尺寸與公差規(guī)定為與本零件在工作時與其相配合的燕尾槽的尺寸與公差相同。
3.2.6液壓控制回路的確定：
分析液壓缸在夾具各工作過程的動作：
1.啟動：活塞處于液壓缸最右端。
2.工進(jìn)：汽壓由右端的汽管進(jìn)入汽缸，推動活塞向左移動，夾緊工件。
3.保壓：保持活塞兩端壓力相等，活塞停止運(yùn)動，直到工件加工完成。
4.工退：汽壓由左端的油管進(jìn)入油缸，推動活塞向右移動，松開工件。
裝夾工件的約時間為輔助時間的1/2，輔助時間6s，則夾緊、松開工時間不大于3秒。由于夾緊過程活塞行程不大于30mm，不需要快進(jìn)、快退過程。所以要求液壓系統(tǒng)能夠完成“工進(jìn)―保壓―工退”的工作循環(huán)即可。夾具裝配圖的繪制。
3.2.7夾具的使用及維護(hù)：
該夾具是用于精加工的，裝配完成后，安裝在Z3040鉆床的工作臺上，安裝后要檢查安裝是否存在誤差，如有應(yīng)設(shè)法消除，以免造成加工誤差。該夾具設(shè)計(jì)的是汽壓夾緊方式，安裝完成還要檢查管道連接是否緊密，有無泄露現(xiàn)象檢驗(yàn)用汽壓要高于夾緊要求的壓力，保證使用安全。
學(xué)位論文
附錄二 ：中文翻譯
通過夾具布局設(shè)計(jì)和夾緊力的優(yōu)化控制變形
摘 要
工件變形必須控制在數(shù)值控制機(jī)械加工過程之中。夾具布局和夾緊力是影響加工變形程度和分布的兩個主要方面。在本文提出了一種多目標(biāo)模型的建立，以減低變形的程度和增加均勻變形分布。有限元方法應(yīng)用于分析變形。遺傳算法發(fā)展是為了解決優(yōu)化模型。最后舉了一個例子說明，一個令人滿意的結(jié)果被求得， 這是遠(yuǎn)優(yōu)于經(jīng)驗(yàn)之一的。多目標(biāo)模型可以減少加工變形有效地改善分布狀況。
關(guān)鍵詞：夾具布局；夾緊力； 遺傳算法；有限元方法
1 引言
夾具設(shè)計(jì)在制造工程中是一項(xiàng)重要的程序。這對于加工精度是至關(guān)重要。一個工件應(yīng)約束在一個帶有夾具元件，如定位元件，夾緊裝置，以及支撐元件的夾具中加工。定位的位置和夾具的支力，應(yīng)該從戰(zhàn)略的設(shè)計(jì)，并且適當(dāng)?shù)膴A緊力應(yīng)適用。該夾具元件可以放在工件表面的任何可選位置。夾緊力必須大到足以進(jìn)行工件加工。通常情況下，它在很大程度上取決于設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn)，選擇該夾具元件的方案，并確定夾緊力。因此，不能保證由此產(chǎn)生的解決方案是某一特定的工件的最優(yōu)或接近最優(yōu)的方案。因此，夾具布局和夾緊力優(yōu)化成為夾具設(shè)計(jì)方案的兩個主要方面。 定位和夾緊裝置和夾緊力的值都應(yīng)適當(dāng)?shù)倪x擇和計(jì)算，使由于夾緊力和切削力產(chǎn)生的工件變形盡量減少和非正式化。
夾具設(shè)計(jì)的目的是要找到夾具元件關(guān)于工件和最優(yōu)的夾緊力的一個最優(yōu)布局或方案。在這篇論文里， 多目標(biāo)優(yōu)化方法是代表了夾具布局設(shè)計(jì)和夾緊力的優(yōu)化的方法。 這個觀點(diǎn)是具有兩面性的。一，是盡量減少加工表面最大的彈性變形； 另一個是盡量均勻變形。 ANSYS軟件包是用來計(jì)算工件由于夾緊力和切削力下產(chǎn)生的變形。遺傳算法是MATLAB的發(fā)達(dá)且直接的搜索工具箱，并且被應(yīng)用于解決優(yōu)化問題。最后還給出了一個案例的研究，以闡述對所提算法的應(yīng)用。
2 文獻(xiàn)回顧
隨著優(yōu)化方法在工業(yè)中的廣泛運(yùn)用，近幾年夾具設(shè)計(jì)優(yōu)化已獲得了更多的利益。夾具設(shè)計(jì)優(yōu)化包括夾具布局優(yōu)化和夾緊力優(yōu)化。King 和 Hutter提出了一種使用剛體模型的夾具-工件系統(tǒng)來優(yōu)化夾具布局設(shè)計(jì)的方法。DeMeter也用了一個剛性體模型，為最優(yōu)夾具布局和最低的夾緊力進(jìn)行分析和綜合。他提出了基于支持布局優(yōu)化的程序與計(jì)算質(zhì)量的有限元計(jì)算法。李和melkote用了一個非線性編程方法和一個聯(lián)絡(luò)彈性模型解決布局優(yōu)化問題。兩年后， 他們提交了一份確定關(guān)于多鉗夾具受到準(zhǔn)靜態(tài)加工力的夾緊力優(yōu)化的方法。他們還提出了一關(guān)于夾具布置和夾緊力的最優(yōu)的合成方法，認(rèn)為工件在加工過程中處于動態(tài)。相結(jié)合的夾具布局和夾緊力優(yōu)化程序被提出，其他研究人員用有限元法進(jìn)行夾具設(shè)計(jì)與分析。蔡等對menassa和devries包括合成的夾具布局的金屬板材大會的理論進(jìn)行了拓展。秦等人建立了一個與夾具和工件之間彈性接觸的模型作為參考物來優(yōu)化夾緊力與，以盡量減少工件的位置誤差。Deng和melkote 提交了一份基于模型的框架以確定所需的最低限度夾緊力，保證了被夾緊工件在加工的動態(tài)穩(wěn)定。
大部分的上述研究使用的是非線性規(guī)劃方法，很少有全面的或近全面的最優(yōu)解決辦法。所有的夾具布局優(yōu)化程序必須從一個可行布局開始。此外，還得到了對這些模型都非常敏感的初步可行夾具布局的解決方案。夾具優(yōu)化設(shè)計(jì)的問題是非線性的，因?yàn)槟繕?biāo)的功能和設(shè)計(jì)變量之間沒有直接分析的關(guān)系。例如加工表面誤差和夾具的參數(shù)之間（定位、夾具和夾緊力）。
以前的研究表明，遺傳算法（ GA ）在解決這類優(yōu)化問題中是一種有用的技術(shù)。吳和陳用遺傳算法確定最穩(wěn)定的靜態(tài)夾具布局。石川和青山應(yīng)用遺傳算法確定最佳夾緊條件彈性工件。vallapuzha在基于優(yōu)化夾具布局的遺傳算法中使用空間坐標(biāo)編碼。他們還提出了針對主要競爭夾具優(yōu)化方法相對有效性的廣泛調(diào)查的方法和結(jié)果。這表明連續(xù)遺傳算法取得最優(yōu)質(zhì)的解決方案。krishnakumar和melkote 發(fā)展了一個夾具布局優(yōu)化技術(shù)，用遺傳算法找到夾具布局，盡量減少由于在整個刀具路徑的夾緊和切削力造成的加工表面的變形。定位器和夾具位置被節(jié)點(diǎn)號碼所指定。krishnakumar等人還提出了一種迭代算法，盡量減少工件在整個切削過程之中由不同的夾具布局和夾緊力造成的彈性變形。Lai等人建成了一個分析模型，認(rèn)為定位和夾緊裝置為同一夾具布局的要素靈活的一部分。Hamedi 討論了混合學(xué)習(xí)系統(tǒng)用來非線性有限元分析與支持相結(jié)合的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ ANN ）和GA。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)被用來計(jì)算工件的最大彈性變形，遺傳算法被用來確定最佳鎖模力。Kumar建議將迭代算法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來發(fā)展夾具設(shè)計(jì)系統(tǒng)。Kaya用迭代算法和有限元分析，在二維工件中找到最佳定位和夾緊位置，并且把碎片的效果考慮進(jìn)去。周等人。提出了基于遺傳算法的方法，認(rèn)為優(yōu)化夾具布局和夾緊力的同時，一些研究沒有考慮為整個刀具路徑優(yōu)化布局。一些研究使用節(jié)點(diǎn)數(shù)目作為設(shè)計(jì)參數(shù)。一些研究解決夾具布局或夾緊力優(yōu)化方法，但不能兩者都同時進(jìn)行。 有幾項(xiàng)研究摩擦和碎片考慮進(jìn)去了。
碎片的移動和摩擦接觸的影響對于實(shí)現(xiàn)更為現(xiàn)實(shí)和準(zhǔn)確的工件夾具布局校核分析來說是不可忽視的。因此將碎片的去除效果和摩擦考慮在內(nèi)以實(shí)現(xiàn)更好的加工精度是必須的。
在這篇論文中，將摩擦和碎片移除考慮在內(nèi)，以達(dá)到加工表面在夾緊和切削力下最低程度的變形。一多目標(biāo)優(yōu)化模型被建立了。一個優(yōu)化的過程中基于GA和有限元法提交找到最佳的布局和夾具夾緊力。最后，結(jié)果多目標(biāo)優(yōu)化模型對低剛度工件而言是比較單一的目標(biāo)優(yōu)化方法、經(jīng)驗(yàn)和方法。
3 多目標(biāo)優(yōu)化模型夾具設(shè)計(jì)
一個可行的夾具布局必須滿足三限制。首先，定位和夾緊裝置不能將拉伸勢力應(yīng)用到工件；第二，庫侖摩擦約束必須施加在所有夾具-工件的接觸點(diǎn)。夾具元件-工件接觸點(diǎn)的位置必須在候選位置。為一個問題涉及夾具元件-工件接觸和加工負(fù)荷步驟，優(yōu)化問題可以在數(shù)學(xué)上仿照如下：
這里的△表示加工區(qū)域在加工當(dāng)中j次步驟的最高彈性變形。
其中
是△的平均值；
是正常力在i次的接觸點(diǎn)；
μ是靜態(tài)摩擦系數(shù)；
fhi是切向力在i次的接觸點(diǎn)；
pos(i)是i次的接觸點(diǎn)；
是可選區(qū)域的i次接觸點(diǎn)；
整體過程如圖1所示，一要設(shè)計(jì)一套可行的夾具布局和優(yōu)化的夾緊力。最大切削力在切削模型和切削力發(fā)送到有限元分析模型中被計(jì)算出來。優(yōu)化程序造成一些夾具布局和夾緊力，同時也是被發(fā)送到有限元模型中。在有限元分析座內(nèi)，加工變形下，切削力和夾緊力的計(jì)算方法采用有限元方法。根據(jù)某夾具布局和變形，然后發(fā)送給優(yōu)化程序，以搜索為一優(yōu)化夾具方案。
圖1 夾具布局和夾緊力優(yōu)化過程
4 夾具布局設(shè)計(jì)和夾緊力的優(yōu)化
4.1 遺傳算法
遺傳算法（ GA ）是基于生物再生產(chǎn)過程的強(qiáng)勁，隨機(jī)和啟發(fā)式的優(yōu)化方法?；舅悸繁澈蟮倪z傳算法是模擬“生存的優(yōu)勝劣汰“的現(xiàn)象。每一個人口中的候選個體指派一個健身的價值，通過一個功能的調(diào)整，以適應(yīng)特定的問題。遺傳算法，然后進(jìn)行復(fù)制，交叉和變異過程消除不適宜的個人和人口的演進(jìn)給下一代。人口足夠數(shù)目的演變基于這些經(jīng)營者引起全球健身人口的增加和優(yōu)勝個體代表全最好的方法。
遺傳算法程序在優(yōu)化夾具設(shè)計(jì)時需夾具布局和夾緊力作為設(shè)計(jì)變量，以生成字符串代表不同的布置。字符串相比染色體的自然演變，以及字符串，它和遺傳算法尋找最優(yōu)，是映射到最優(yōu)的夾具設(shè)計(jì)計(jì)劃。在這項(xiàng)研究里，遺傳算法和MATLAB的直接搜索工具箱是被運(yùn)用的。
收斂性遺傳算法是被人口大小、交叉的概率和概率突變所控制的 。只有當(dāng)在一個人口中功能最薄弱功能的最優(yōu)值沒有變化時，nchg達(dá)到一個預(yù)先定義的價值ncmax ，或有多少幾代氮，到達(dá)演化的指定數(shù)量上限nmax， 沒有遺傳算法停止。有五個主要因素，遺傳算法，編碼，健身功能，遺傳算子，控制參數(shù)和制約因素。 在這篇論文中，這些因素都被選出如表1所列。
表1 遺傳算法參數(shù)的選擇
由于遺傳算法可能產(chǎn)生夾具設(shè)計(jì)字符串，當(dāng)受到加工負(fù)荷時不完全限制夾具。這些解決方案被認(rèn)為是不可行的，且被罰的方法是用來驅(qū)動遺傳算法，以實(shí)現(xiàn)一個可行的解決辦法。1夾具設(shè)計(jì)的計(jì)劃被認(rèn)為是不可行的或無約束，如果反應(yīng)在定位是否定的。在換句話說，它不符合方程（2）和（3）的限制。罰的方法基本上包含指定計(jì)劃的高目標(biāo)函數(shù)值時不可行的。因此，驅(qū)動它在連續(xù)迭代算法中的可行區(qū)域。對于約束（4），當(dāng)遺傳算子產(chǎn)生新個體或此個體已經(jīng)產(chǎn)生，檢查它們是否符合條件是必要的。真正的候選區(qū)域是那些不包括無效的區(qū)域。在為了簡化檢查，多邊形是用來代表候選區(qū)域和無效區(qū)域的。多邊形的頂點(diǎn)是用于檢查?！癷npolygon ”在MATLAB的功能可被用來幫助檢查。
4.2 有限元分析
ANSYS軟件包是用于在這方面的研究有限元分析計(jì)算。有限元模型是一個考慮摩擦效應(yīng)的半彈性接觸模型，如果材料是假定線彈性。如圖2所示，每個位置或支持，是代表三個正交彈簧提供的制約。
圖2 考慮到摩擦的半彈性接觸模型
在x ， y和z 方向和每個夾具類似，但定位夾緊力在正常的方向。彈力在自然的方向即所謂自然彈力，其余兩個彈力即為所謂的切向彈力。接觸彈簧剛度可以根據(jù)向赫茲接觸理論計(jì)算如下：
隨著夾緊力和夾具布局的變化，接觸剛度也不同，一個合理的線性逼近的接觸剛度可以從適合上述方程的最小二乘法得到。連續(xù)插值，這是用來申請工件的有限元分析模型的邊界條件。在圖3中說明了夾具元件的位置，顯示為黑色界線。每個元素的位置被其它四或六最接近的鄰近節(jié)點(diǎn)所包圍。
圖3 連續(xù)插值
這系列節(jié)點(diǎn)，如黑色正方形所示，是（37，38，31和30 ），（9，10 ，11 ， 18，17號和16號）和（ 26，27 ，34 ， 41，40和33 ）。這一系列彈簧單元，與這些每一個節(jié)點(diǎn)相關(guān)聯(lián)。對任何一套節(jié)點(diǎn)，彈簧常數(shù)是：
這里，
kij 是彈簧剛度在的j -次節(jié)點(diǎn)周圍i次夾具元件，
Dij 是i次夾具元件和的J -次節(jié)點(diǎn)周圍之間的距離，
ki是彈簧剛度在一次夾具元件位置,
ηi 是周圍的i次夾具元素周圍的節(jié)點(diǎn)數(shù)量
為每個加工負(fù)荷的一步，適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件將適用于工件的有限元模型。在這個工作里，正常的彈簧約束在這三個方向（X ， Y ， Z ）的和在切方向切向彈簧約束，（X ， Y ）。夾緊力是適用于正常方向（Z）的夾緊點(diǎn)。整個刀具路徑是模擬為每個夾具設(shè)計(jì)計(jì)劃所產(chǎn)生的遺傳算法應(yīng)用的高峰期的X ，Y ，z切削力順序到元曲面，其中刀具通行證。在這工作中，從刀具路徑中歐盟和去除碎片已經(jīng)被考慮進(jìn)去。在機(jī)床改變幾何數(shù)值過程中，材料被去除，工件的結(jié)構(gòu)剛度也改變。
因此，這是需要考慮碎片移除的影響。有限元分析模型，分析與重點(diǎn)的工具運(yùn)動和碎片移除使用的元素死亡技術(shù)。在為了計(jì)算健身價值，對于給定夾具設(shè)計(jì)方案，位移存儲為每個負(fù)載的一步。那么，最大位移是選定為夾具設(shè)計(jì)計(jì)劃的健身價值。
遺傳算法的程序和ANSYS之間的互動實(shí)施如下。定位和夾具的位置以及夾緊力這些參數(shù)寫入到一個文本文件。那個輸入批處理文件ANSYS軟件可以讀取這些參數(shù)和計(jì)算加工表面的變形。 因此， 健身價值觀，在遺傳算法程序，也可以寫到當(dāng)前夾具設(shè)計(jì)計(jì)劃的一個文本文件。
當(dāng)有大量的節(jié)點(diǎn)在一個有限元模型時，計(jì)算健身價值是很昂貴的。因此，有必要加快計(jì)算遺傳算法程序。作為這一代的推移，染色體在人口中取得類似情況。在這項(xiàng)工作中，計(jì)算健身價值和染色體存放在一個SQL Server數(shù)據(jù)庫。遺傳算法的程序，如果目前的染色體的健身價值已計(jì)算之前，先檢查；如果不，夾具設(shè)計(jì)計(jì)劃發(fā)送到ANSYS，否則健身價值觀是直接從數(shù)據(jù)庫中取出。嚙合的工件有限元模型，在每一個計(jì)算時間保持不變。每計(jì)算模型間的差異是邊界條件，因此，網(wǎng)狀工件的有限元模型可以用來反復(fù)“恢復(fù)”ANSYS 命令。
5 案例研究
一個關(guān)于低剛度工件的銑削夾具設(shè)計(jì)優(yōu)化問題是被顯示在前面的論文中，并在以下各節(jié)加以表述。
5.1 工件的幾何形狀和性能
工件的幾何形狀和特點(diǎn)顯示在圖4中，空心工件的材料是鋁390與泊松比0.3和71Gpa的楊氏模量。外廓尺寸152.4mm×127mm*76.2mm.該工件頂端內(nèi)壁的三分之一是經(jīng)銑削及其刀具軌跡，如圖4 所示。夾具元件中應(yīng)用到的材料泊松比0.3和楊氏模量的220的合金鋼。
圖4 空心工件
5.2 模擬和加工的運(yùn)作
舉例將工件進(jìn)行周邊銑削，加工參數(shù)在表2中給出?；谶@些參數(shù)，切削力的最高值被作為工件內(nèi)壁受到的表面載荷而被計(jì)算和應(yīng)用，當(dāng)工件處于330.94 n（切）、398.11 N （下徑向）和22.84 N （下軸） 的切削位置時。整個刀具路徑被26個工步所分開，切削力的方向被刀具位置所確定
表2加工參數(shù)和條件
。
5.3 夾具設(shè)計(jì)方案
夾具在加工過程中夾緊工件的規(guī)劃如圖5所示。
圖5 定位和夾緊裝置的可選區(qū)域
一般來說， 3-2-1定位原則是夾具設(shè)計(jì)中常用的。夾具底板限制三個自由度，在側(cè)邊控制兩個自由度。這里，在Y=0mm截面上使用了4個定點(diǎn)（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，兩個壓板（C1,C2）夾緊工件。在正交面上，需要一個定位元件限制其余的一個自由度，這在優(yōu)化模型中是被忽略的。在表3中給出了定位加緊點(diǎn)的坐標(biāo)范圍。
表3 設(shè)計(jì)變量的約束
由于沒有一個簡單的一體化程序確定夾緊力，夾緊力很大部分（6673.2N）在初始階段被假設(shè)為每一個夾板上作用的力。且從符合例5的最小二乘法，分別由4.43×107 N/m 和5.47×107 N/m得到了正常切向剛度。
5.4 遺傳控制參數(shù)和懲罰函數(shù)
在這個例子中，用到了下列參數(shù)值：Ps=30, Pc=0.85, Pm=0.01, Nmax=100和Ncmax=20.關(guān)于f1和σ的懲罰函數(shù)是
這里fv可以被F1或σ代表。當(dāng)nchg達(dá)到6時，交叉和變異的概率將分別改變成0.6和0.1.
5.5 優(yōu)化結(jié)果
連續(xù)優(yōu)化的收斂過程如圖6所示。且收斂過程的相應(yīng)功能（1）和（2）如圖7、圖8所示。優(yōu)化設(shè)計(jì)方案在表4中給出。
圖6 夾具布局和夾緊力優(yōu)化程序的收斂性遺傳算法 圖7 第一個函數(shù)值的收斂
圖8第二個函數(shù)值的收斂性
表4 多目標(biāo)優(yōu)化模型的結(jié)果 表5 各種夾具設(shè)計(jì)方案結(jié)果進(jìn)行比較，
5.6 結(jié)果的比較
從單一目標(biāo)優(yōu)化和經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)中得到的夾具設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)變量和目標(biāo)函數(shù)值，如表5所示。單一目標(biāo)優(yōu)化的結(jié)果，在論文中引做比較。在例子中，與經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)相比較，單一目標(biāo)優(yōu)化方法有其優(yōu)勢。最高變形減少了57.5 ％，均勻變形增強(qiáng)了60.4 ％。最高夾緊力的值也減少了49.4 ％ 。從多目標(biāo)優(yōu)化方法和單目標(biāo)優(yōu)化方法的比較中可以得出什么呢？最大變形減少了50.2％ ，均勻變形量增加了52.9 ％，最高夾緊力的值減少了69.6 ％ 。加工表面沿刀具軌跡的變形分布如圖9所示。很明顯，在三種方法中，多目標(biāo)優(yōu)化方法產(chǎn)生的變形分布最均勻。
與結(jié)果比較，我們確信運(yùn)用最佳定位點(diǎn)分布和最優(yōu)夾緊力來減少工件的變形。圖10示出了一實(shí)例夾具的裝配。
圖9沿刀具軌跡的變形分布
圖10 夾具配置實(shí)例
6 結(jié)論
本文介紹了基于GA和有限元的夾具布局設(shè)計(jì)和夾緊力的優(yōu)化程序設(shè)計(jì)。優(yōu)化程序是多目標(biāo)的：最大限度地減少加工表面的最高變形和最大限度地均勻變形。ANSYS軟件包已經(jīng)被用于
健身價值的有限元計(jì)算。對于夾具設(shè)計(jì)優(yōu)化的問題，GA和有限元分析的結(jié)合被證明是一種很有用的方法。
在這項(xiàng)研究中，摩擦的影響和碎片移動都被考慮到了。為了減少計(jì)算的時間，建立了一個染色體的健身數(shù)值的數(shù)據(jù)庫，且網(wǎng)狀工件的有限元模型是優(yōu)化過程中多次使用的。
傳統(tǒng)的夾具設(shè)計(jì)方法是單一目標(biāo)優(yōu)化方法或經(jīng)驗(yàn)。此研究結(jié)果表明，多目標(biāo)優(yōu)化方法比起其他兩種方法更有效地減少變形和均勻變形。這對于在數(shù)控加工中控制加工變形是很有意義的。
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