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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(chǎn)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(zhì)量。這種效應可通過最小化夾具設(shè)計優(yōu)化，夾緊力是一個重要的設(shè)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(guān)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(guān)鍵因素。要實現(xiàn)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(chǎn)生的移動。然而，過度的夾緊力可誘導工件產(chǎn)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(zhì)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(lǐng)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(chǔ)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(shù)的有限元基礎(chǔ)研究人員一直重點關(guān)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(shù)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(diào)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(shè)，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(shè)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(xiàn)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。 這種限制可以通過計算夾具——工件系統(tǒng)[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(jīng)驗的接觸力變形的關(guān)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(shè)計參數(shù)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(chǎn)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(guān)于multiclamp系統(tǒng)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(tǒng)受到準靜態(tài)加載的最佳夾緊力為基礎(chǔ)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(tǒng)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(lián)系模型 1．1 模型假設(shè) 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(tǒng)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(shè)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(shè)總觸剛度（見圖1）第i夾具接觸力局部變形如下： (1) 其中（j=x，y，z）表示，在當?shù)刈幼鴺讼登芯€和法線方向的接觸剛度 第 19 頁 共 15 頁 圖1 彈簧夾具—— 工件接觸模型。 表示在第i個 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）的代表和切向力接觸 ，法線力接觸。 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： （2） 其中式中 和是工件和夾具的彈性模量，、分別是工件和材料的泊松比。 切向變形沿著和切線方向）硅業(yè)切力距有以下形式[文獻23第217頁] （3） 其中、 分別是工件和夾具剪切模量 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(chǎn)生了以下線性化接觸剛度值：在計算上述的線性近似， （4） (5) 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(tǒng)平衡，工件的位移減少，從而減少定位誤差。實現(xiàn)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(shù)配方 工件旋轉(zhuǎn)，由于部隊輪換往往是相當小[17]的工件定位誤差假設(shè)為確定其剛體翻譯基本上，其中 、、和 是 沿，和三個正交組件（見圖2）。 圖2 工件剛體平移和旋轉(zhuǎn) 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(shù)計算如下： （6） 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(chǎn)生的夾緊力為,有如下形式： （7） 其中夾緊力是矢量，夾緊力的方向矩陣，是夾緊力是矢量的方向余弦，、和 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）。 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）和最小的所有定位器正常剛度相乘，并假設(shè)工件、、取決于、、的方向，各自的等效接觸剛度可有下式計算得出（見圖3），工件剛體運動，歸于夾緊行動現(xiàn)在可以寫成： (8) 工件有位移，因此，定位誤差的減小可以通過盡量減少產(chǎn)生的夾緊力向量 范數(shù)。因此，第一個目標函數(shù)可以寫為： 最小化 （9） 要注意，加權(quán)因素是與等效接觸剛度成正比的在、和 方向上。通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(chǎn)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(diào)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(shù)，并給出： 最小化 （10） 其中代表機構(gòu)的彈性變形應變能互補，代表由外部力量和力矩配合完成，是遵守對角矩陣的， 和是所有接觸力的載體。 如圖3 加權(quán)系數(shù)計算確定的基礎(chǔ) 內(nèi)蒙古科技大學本科生畢業(yè)設(shè)計（外文翻譯） 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（是靜態(tài)摩擦系數(shù)）,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： （11） 假設(shè)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) 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(cè)面的，法線的接觸力只能被壓縮。這通過以下的的約束表（i=1，2…,L+C） （13） 它假設(shè)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： （i=1，2，…,L+C） (14) 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)化模型，可以寫成：最小化 (15) 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(zhuǎn)換成一個約束對。該補充（）的主要目的是處理功能，并由此得到夾緊力（）作為約束的加權(quán)范數(shù)最小化。對為主要目標的選擇，確保選中一套獨特可行的夾緊力，因此，工件——夾具系統(tǒng)驅(qū)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(quán)范數(shù)。 的約束轉(zhuǎn)換涉及到一個指定的加權(quán)范數(shù)小于或等于，其中是 的約束，假設(shè)最初所有夾緊力不明確，要確定一個合適的。在定位和夾緊點的接觸力的計算只考慮第一個目標函數(shù)（即）。雖然有這樣的接觸力，并不一定產(chǎn)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(quán)系數(shù)，通過計算并作為初始值與比較，因此，夾緊力式（15）的優(yōu)化問題可改寫為: 最小化 （16） 由： (11)–(14) 得。 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, 通過盡可能降低上限，由此產(chǎn)生的最小夾緊力的加權(quán)范數(shù)。 迭代次數(shù)K，終止搜索取決于所需的預測精度和，有參考文獻[15]： （17） 其中表示上限的功能，完整的算法在如圖4中給出。 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(shù)目（例如m）沿相應的刀具路徑設(shè)置的產(chǎn)生m個最佳夾緊力，選擇記為， ， …,在每個采樣點，考慮以下四個最壞加工負荷向量： (18)、和表示在、和方向上的最大值，、和上的數(shù)字1，2，3分別代替對應的和另外兩個正交切削分力，而且有： 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(xiàn)，但在每次常規(guī)的進給速度中，刀具旋轉(zhuǎn)一次出現(xiàn)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) 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。是計算每個負載點之后的結(jié)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(xiàn)，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）： （k=1，2，…，C） （20） 只要這些具備，就得到一套優(yōu)化的夾緊力，驗證這些力，以確保工件夾具系統(tǒng)的靜態(tài)平衡。否則，會出現(xiàn)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(jié)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(tǒng)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(zhuǎn)。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、和方向上的移位和自轉(zhuǎn)（見圖2）， 如前所述，工件剛體位移產(chǎn)生于在每個夾緊處的局部變形，假設(shè)為相對于工件的質(zhì)量中心的第i個位置矢量定位點，坐標變換定理可以用來表達在工件的位移，以及工件自轉(zhuǎn)如下: (21) 其中表示旋轉(zhuǎn)矩陣,描述當?shù)卦诘趇幀相聯(lián)系的全球坐標系和是一個旋轉(zhuǎn)矩陣確定工件相對于全球的坐標系的定位坐標系。假設(shè)夾具夾緊工件旋轉(zhuǎn)，由于旋轉(zhuǎn)很小，故也可近似為： （22） 方程（21）現(xiàn)在可以改寫為： （23） 其中是經(jīng)方程（21）重新編排后變換得到的矩陣式，是夾緊和加工導致的工件剛體運動矢量。工件與夾具單方面接觸性質(zhì)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(guān)系如下： （24） 其中是在第i個接觸點由于夾緊和加工負荷造成的變形，意味著凈壓縮變形，而負數(shù)則代表拉伸變形; 是表示在本地坐標系第i個接觸剛度矩陣，是單位向量. 在這項研究中假定液壓/氣動夾具，根據(jù)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） 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6×1矢量。并結(jié)合方程（23）—（25）與靜態(tài)平衡方程，得到下面的方程組： （26） 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）， 現(xiàn)在可以計算如下： （27） 其中是考慮工件中心加工點的位置向量，且 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 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(lián)系; 、和全球坐標系。 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(shù)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(shù)值模擬，以減少起步（0.0毫米，25.4毫米，34.3毫米）和結(jié)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， （見圖8）。模擬計算銑削力數(shù)據(jù)在表5中給出。 圖8最終銑削過程模擬例如2。 表6中5個坐標列出了為模擬抽樣調(diào)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(jié)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(shè)（見圖7），由此得到的夾緊力加權(quán)范數(shù)有如下形式：.結(jié)果表明，最佳夾緊力所述加工條件下有比初步夾緊力強度低得多的加權(quán)范數(shù)，最初的夾緊力是通過減少工件的夾具系統(tǒng)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(jié)果表明工件旋轉(zhuǎn)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力，在每個采樣點的加權(quán)范數(shù)和最優(yōu)的初始夾緊力繪圖10，在每個采樣點的加權(quán)范數(shù)的，，和繪制。 結(jié)果表明，由于每個組成部分是各相應的最大夾緊力，它具有最高的加權(quán)范數(shù)。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緊力，則夾緊力需相應設(shè)置，有比相當大的加權(quán)范數(shù)。故是一個完整的刀具路徑改進方案。上述模擬結(jié)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(quán)范數(shù)，因此將提高工件的定位精度。 圖10 8．結(jié)論 該文件提出了關(guān)于確定多鉗夾具，工件受準靜態(tài)加載系統(tǒng)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(tǒng)模型，并尋求盡量減少應用到所造成的工件夾緊力的加權(quán)范數(shù)，得出工件的定位誤差。該整體模型，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(tǒng)的優(yōu)化，其中慣性，剛度和阻尼效應在確定工件夾具系統(tǒng)的響應特性具有重要作用。 9．參考資料： 1、J. 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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(shè)計”方案優(yōu)化，設(shè)計和制造，4，碩士論文： 307-318，1994。 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。 江西農(nóng)業(yè)大學 工學院 工藝規(guī)程 零件圖號 33431A102 零件名稱 拖拉機半軸殼 班 級 05級2班 姓 名 朱敏芳 指導老師 曾一凡 2009年 5 月 15 日 江西農(nóng)業(yè)大學 機 械 加 工 工 序 卡 產(chǎn)品型號 BZK01 零件圖號 33431A102 產(chǎn)品名稱 半軸殼 零件名稱 半軸殼 共1頁 第1頁 車 間 工序號 工序名稱 材料牌號 小金工 Z3- 鉆孔 QT400—15 毛坯種類 毛坯外形尺寸 每毛坯件數(shù) 每臺件數(shù) 鑄造件 313xф168 1 1 設(shè)備名稱 設(shè)備型號 設(shè)備編號 同時加工件數(shù) 搖臂鉆床 Z3050-10.5 YBZ01 1 夾 具 編 號 夾 具 名 稱 切 削 液 GBS01 蓋板式夾具 乳化液 工序工時 準終 單件 7min 工步號 工 步 內(nèi) 容 工 藝 裝 備 主軸 轉(zhuǎn)速 (r/min) 切削 速度 (m/min) 進給 量 (mm/r) 切削 深度 (mm) 進給次數(shù) 工步工時 機動min 輔助min Z3-1 鉆小端面上6-ф10.5的孔 蓋板式夾具、直柄麻花鉆、游標卡尺 200 0.0066 0.11 5.25 1 3 4 設(shè)計（日期） 審核（日期） 標準化（日期） 會簽（日期） 校對（日期） 標記 處數(shù) 更改文件號 簽字 日期 標記 更改文件號 簽字 日期 江西農(nóng)業(yè)大學 機 械 加 工 工 序 卡 產(chǎn)品型號 BZK01 零件圖號 33431A102 產(chǎn)品名稱 半軸殼 零件名稱 半軸殼 共1 頁 第1 頁 車 間 工序號 工序名稱 材料牌號 小金工 Z3- 鉆孔 QT400—15 毛坯種類 毛坯外形尺寸 每毛坯件數(shù) 每臺件數(shù) 鑄造件 313xф168 1 1 設(shè)備名稱 設(shè)備型號 設(shè)備編號 同時加工件數(shù) 搖臂鉆床 Z3050-10.5 YBZ01 1 夾 具 編 號 夾 具 名 稱 切 削 液 GBS02 蓋板式夾具 乳化液 工序工時 準終 單件 9min 工步號 工 步 內(nèi) 容 工 藝 裝 備 主軸 轉(zhuǎn)速 (r/min) 切削 速度 (m/min) 進給 量 (mm/r) 切削 深度 (mm) 進給次數(shù) 工步工時 機動 輔助 Z3-2 鉆小端面上8-ф10.5的孔 蓋板式夾具、直柄麻花鉆、游標卡尺 200 0.0066 0.11 5.25 1 5 4 設(shè)計（日期） 審核（日期） 標準化（日期） 會簽（日期） 校對（日期） 標記 處數(shù) 更改文件號 簽字 日期 標記 更改文件號 簽字 日期 拖拉機前驅(qū)半軸殼端面鉆孔夾具設(shè)計,班級:機制052班 姓名:朱敏芳 指導老師:曾一凡 老師,,,摘要,機床夾具是組成工藝系統(tǒng)的一個環(huán)節(jié)，是影響加工質(zhì)量的重要因素，一般情況下，使用機床夾具能穩(wěn)定地保證產(chǎn)品質(zhì)量。因而機床夾具設(shè)計被廣泛應用于機械設(shè)計與制造當中 機床夾具包括結(jié)構(gòu)設(shè)計和精度設(shè)計兩個方面，二者相輔相成，有好的結(jié)構(gòu)定位才能保證夾具的合理性，而保證了高的精度才能保證加工的零件符合生產(chǎn)要求。 機床夾具設(shè)計要充分考慮加工的可行性.通用行.經(jīng)濟性和高效性,1.工件的加工工藝性分析,如圖所示為所要求加工的工件,它是拖拉機前驅(qū)半軸殼，其材料為鑄鐵材料QT400-15 。 重約20公斤，中批量生產(chǎn)，拖拉機半軸殼的基本結(jié)構(gòu)和所要達到的加工工藝要求在零件圖中已經(jīng)給出:,工件的加工工藝路線具體定制如下:,2.工件端面鉆孔工藝分析,本工序要加工的兩組孔的孔徑大小無精度要求,可以由刀具來直接保證,但由于法蘭面要起到連接作用,兩組孔之間得有一定的位置度的要求.因此依靠所設(shè)計的夾具需要保證以下的精度: .加工小端面孔時，6個孔在125mm的圓周上均勻分布，孔的中心線相對于基準D和H偏離理想尺寸0.5mm的圓柱范圍內(nèi)，其中兩個相對的孔的中心線在懸梁的中心面內(nèi)。 .加工大端面孔時，8個孔在144mm的圓周上均勻分布，孔的中心線相對于基準D和H偏離理想尺寸0.5mm的圓柱范圍內(nèi)，其中與懸梁中心面相鄰的孔與懸梁中心面的夾角為22.5。 .為了保證連接，法蘭面要求光滑平整。若不平整，要求刮深直徑18mm,深0.5mm。 為了保證工件連接,提高工件的合格率,孔的位置度公差采用最大實體原則.當基準外圓的尺寸同時最小的時候,直徑10.5mm偏離最大實體尺寸時偏離值可補償給位置度誤差,其最大補償量=0.5mm+0.1mm=0.6mm.,.定位方案的確定,方案一 選用一標準工作臺，標準工作臺上有分度裝置。將工件的一端面放置在基準面上，限制工件的3個自由度（兩個旋轉(zhuǎn)和一個移動）；采用一彈簧活動錐銷限制工件的兩個自由度（兩個移動）；使用v塊與工件的懸梁定位，來確定第一個孔的位置。加工完第一個孔之后則依靠分度裝置來旋轉(zhuǎn)工件加工圓周上的其他的孔。示意圖如下：,,方案二: 設(shè)計蓋板式鉆模.將工件的其中一個端面放置在一基準面上,由此限制工件的3個自由度(2個旋轉(zhuǎn)和1個移動);將設(shè)計好的鉆模板放置在工件的另外一個端面上,鉆模板的中心有一個內(nèi)圓與工件的階梯外圓配合,由此限制兩個自由度(2個移動);那么還有一個旋轉(zhuǎn)自由度依靠v型塊來定位.在鉆模板上加工與工件位置相符合的孔,孔內(nèi)安裝鉆套作為刀具導向.簡圖如下;,,方案分析: 方案一,工件定位夾緊后繞中心旋轉(zhuǎn)加工端面上的孔,那么端面上所有的孔到中心的距離就是一致的,孔與懸梁的中心面的角度偏差就依靠分度裝置來保證.而且不需要頻繁的對刀,只要調(diào)節(jié)分度裝置.但是這種方案所采用的基準是工件的階梯內(nèi)圓,而內(nèi)圓又是經(jīng)鑄造出來不加工的部分,所以只可以進行粗基準定位,這里若用它作為基準的話,會造成比較大的偏差. 方案二,鉆模板的定位基準就選用了工件的階梯外圓,這也正好符合了圖樣上的設(shè)計基準.但采用鉆模板的話,需要經(jīng)常的拆卸, 而且加工時要依靠鉆套的導向,頻繁的對刀 ,這樣就造成了加工效率不高. 綜合分析上面兩種方案,方案一定位基準選擇不當,會造成很大的加工誤差。因為零件為中小批量生產(chǎn)。此處選擇方案二來完成這次的設(shè)計.,4.設(shè)計夾緊方案,對于夾緊方案的選擇，若生產(chǎn)批量較小時采用螺釘夾緊比較合適，不管是從經(jīng)濟上還是操作上來比較；若生產(chǎn)批量較大時，則采用聯(lián)動夾緊機構(gòu)或氣動、液動夾緊機構(gòu)較為合適。由于工件已經(jīng)是中小批量生產(chǎn),因此這里選擇螺釘夾緊. 夾緊力作用點的選擇： 1、夾緊力的作用點，應能保持工件定位穩(wěn)定，而不致引起工件發(fā)生位移和偏轉(zhuǎn)。 2、夾緊力的作用點，應使被夾緊工件的夾緊變形盡可能小。 3、夾緊力的作用點，應盡可能靠近工件加工表面，以提高定位穩(wěn)定性和夾緊可靠性 . 由于工件的高度達到了300多毫米，工件的夾緊最好采用中間夾緊，這樣就可以使得夾緊力的作用點能更好的保持工件的穩(wěn)定，鉆削力矩能更好的受到限制。,鉆削力計算 已知工件的材料為鑄鐵,硬度HB190210,刀具選擇高速鋼刀具, 鉆削力 其中CFf =420, d=10.5 mm ，zFf=1, yFf=0.8, f=0.2 mm，KFf=1 那么 Ff=1217.16 N鉆削力矩 其中CMc =0.206 ,d =10.5 mm，zMC=2, f=0.2mm yMC =0.8, KFf=1 那么 M=6.27 Nm 查閱 工具書,m16的螺母所能達到的夾緊力是4020 N,由于工件端面所加工的孔所在的圓周比兩個端面直徑要小，即鉆削力作用在工件的支撐端面范圍內(nèi),沿垂直方向是沒有力矩作用的. 依靠端面和鉆模板與工件端面之間的摩擦力要保證工件旋轉(zhuǎn)的限制,而由摩擦力產(chǎn)生的力矩是M=FnL=4020 x0.18x0.0625=45 N*m,可見夾緊是沒有問題.,,,,,綜上所述,選擇夾緊方案如下:,,夾緊件,夾緊件包括夾緊桿、螺母、墊圈、壓板和夾具體底座等。具體的思路是：在夾具體底座的一端加工一個槽與v型塊配合，將夾緊桿垂直安裝在夾具體的中心位置，夾緊桿上并排銑兩個槽，通過導向鍵與大、小鉆模板的中心鍵槽配合。螺母施加的預緊力壓緊壓板。刀具加工產(chǎn)生的力矩主要由鉆模板和夾具體與工件兩個端面的摩擦力來克服。,夾具體底座,夾緊桿,夾緊桿即起夾緊作用又起導向作用,在夾緊桿上銑兩個鍵槽,鍵與槽的配合是過盈配合,配合精度為H7/n6.然后將鍵與夾緊桿焊緊.夾緊桿與底座先用鍵導向,然后焊接使其牢固.這樣夾緊桿和底座就成一體了.如下:,V型塊,小端面鉆模板,大端面鉆模板,鉆套: 選用A型固定鉆套螺栓： 選用GB/T5781-1986 M81 L=80mm 螺母： 選用GB/T6173-2000 M81 選用GB/T6173-2000 M242 選用GB/T6173-2000 M161.5 彈簧： 選用GB/T1358-1993 M103 L=15mm 墊圈： 選用GB/T97.1-2002 M8 選用GB/T96.2-2002 M16 選用GB/T96.2-2002 M24導向平鍵： 選用GB/T1097-2003 A型加工設(shè)備： 搖臂鉆床刀具： 10.5直柄麻花鉆,小端面總裝圖:,大端面總裝圖,5誤差分析,誤差有兩部分組成，其一系統(tǒng)誤差，是不可避免的。其二定位誤差，是由所設(shè)計的夾具 來保證的精度。 大、小兩個端面孔系的誤差有周向誤差和徑向誤差。 對于孔系的周向誤差： 1、同一端面上孔周向精度由鉆模板保證。 2、大、小端面孔系周向位置精度由定位元件保證。 對于孔系的徑向誤差：定位=不重合+位置 小端面鉆模的誤差： 底座和v型塊之間的誤差=0.007，鉆模板85H8與工件85f8之間的誤差（=TD/2=0.054mm）和125mm的圓周和85mm的同軸度誤差（=0.015），即總的誤差=0.007mm+0.054mm+0.015mm=0.076mm，可見是滿足要求的。 大端面鉆模的誤差：v塊的定位和鉆模118mm和工件外圓的定位，還有鉆套所在的圓周和118mm同軸度誤差。所以總的誤差=0.08mm+0.054mm+0.015mm =0.077mm?？梢娨彩欠弦蟮?。,6設(shè)計小結(jié),上述設(shè)計方案符合設(shè)計要求，在生產(chǎn)上也是可行的。它很好的遵循設(shè)計基準和定位基準相重合的原則。 設(shè)計期間，對夾具的設(shè)計和工作用途有了較為深刻的認識，設(shè)計過程中，通過查找資料、方案設(shè)計、工藝分析、軟件應用（PRO/E、CAD、）等使得我對夾具的設(shè)計和圖紙的繪制有了更加深刻的認識和了解。 此次設(shè)計任務能順利完成，離不開老師的悉心指導。在這我要感謝我的設(shè)計指導老師曾一凡院長和給予我?guī)椭拿恳晃焕蠋?，在他們的幫助和指導下完成了此次畢業(yè)設(shè)計。,謝謝各位評委老師!本設(shè)計若有不足,敬請指點!,拖拉機前驅(qū)半軸殼夾具設(shè)計 機制052班 朱敏芳 學校代碼：10410 序 號：20050469 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 題目： 拖拉機半軸殼端面鉆孔夾具設(shè)計 學 院： 工 學 院 姓 名： 朱 敏 芳 學 號： 20050469 專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化 年 級： 05級2班 指導教師： 曾一凡（老師） 二OO九年 五 月 - 23 - 摘 要 v 機床夾具是組成工藝系統(tǒng)的一個環(huán)節(jié)，是影響加工質(zhì)量的重要因素，一般情況下，使用機床夾具能穩(wěn)定地保證產(chǎn)品質(zhì)量，而不必過高的要求工人的技術(shù)等級。因而機床夾具設(shè)計被廣泛應用于機械設(shè)計與制造當中． v 機床夾具包括結(jié)構(gòu)設(shè)計和精度設(shè)計兩個方面，二者相輔相成，有好的結(jié)構(gòu)定位才能保證夾具的合理性，而保證了高的精度才能保證加工的零件符合生產(chǎn)要求。 v 機床夾具設(shè)計要充分考慮加工的可行性.通用行.經(jīng)濟性和高效性． Tractor forerunner half axle sleeve end surface drill hole jig design The engine bed jig is composes the craft system a link, is affects the processing quality the important attribute, in the ordinary circumstances, uses the engine bed jig to be able to guarantee the product quality stably, but does not need the high request worker's technical rank.Thus the engine bed jig design is widely applied middle the machine design and the manufacture. The engine bed jig designs two aspects including the structural design and the precision, the two complement one another, has the good structure localization to be able to guarantee the jig the rationality, but had guaranteed the high precision can guarantee the processing the components conform to the production requirement. The engine bed jig design must consider the processing fully the feasibility. General line. Efficiency and highly effective. 目 錄 第一部分 前言 3 第二部分 課題任務說明 4 第三部分 工件的端面孔加工工藝性分析 6 第四部分 確定夾具的結(jié)構(gòu)方案 7 4.1 確定定位方案,設(shè)計定位機構(gòu) 7 4.2確定夾緊方案，設(shè)計夾緊機構(gòu) 10 4.2.1 鉆削力的計算 10 4.2.2 夾緊力的計算 10 4.2.3 夾緊方案選擇和設(shè)計 10 4.2.4 各定位元件、夾緊件的設(shè)計 12 4.2.5 加工設(shè)備、刀具的選擇 18 第五部分 確定夾具的尺寸、公差和技術(shù)要求 19 第六部分 誤差分析 19 第七部分 編后語 21 第八部分 參考文獻 22 第一部分 前言 機床夾具被廣泛應用于機械設(shè)計制造業(yè)當中。大量專用機床夾具的采用為大批量生產(chǎn)提供了必要的條件。機床夾具是組成工藝系統(tǒng)的一個環(huán)節(jié)，是影響加工質(zhì)量的重要因素。一般情況下，使用機床夾具能穩(wěn)定地保證產(chǎn)品質(zhì)量，而不必過高的要求工人的技術(shù)等級。先進高效的機床夾具不僅能減輕工人勞動強度，提高生產(chǎn)效率，甚至能使生產(chǎn)過程實現(xiàn)自動化。機床夾具包括結(jié)構(gòu)設(shè)計和精度設(shè)計兩個方面，二者相輔相成，有好的結(jié)構(gòu)定位才能保證夾具的合理性，而保證了高的精度才能保證加工的零件符合生產(chǎn)要求。 關(guān)于機床夾具的設(shè)計要參考大量的書籍，從不同的編者那里學到各種不同的方案，通過知識的累積才能得到不同的設(shè)計方案，然后從中選擇最適合的設(shè)計方案，從而使夾具的制造更加的合理化。 機床夾具的設(shè)計也要充分的考慮到加工的可行性，這些都是在實踐中所得到的，夾具的最終目的不是可觀性良好，而是要制造出來能夠輔助其他零件的加工，并且要考慮到制造出夾具的經(jīng)濟性。 由于初次承擔這樣一個設(shè)計，之前在實踐當中又沒有什么經(jīng)驗可言，因此在設(shè)計過程當中難免會走彎路，大費周章。然而這期間多虧曾一凡老師的悉心指點，在指導我做設(shè)計時廢寢忘食，不厭其煩，我也曾數(shù)次到實習工廠去觀摩請教，工廠的工人師傅們也很熱心的指點，在此謹對他們表示誠摯的感謝??！ 限于經(jīng)驗水平，在做這樣的一份設(shè)計時難免會有一些錯誤和疏漏。俗話說：吃一塹，長一智。貴在錯誤要能夠及時的得到改正，因此，敬請各位領(lǐng)導老師能夠?qū)τ谖业牟蛔愣嗵岢鼋ㄗh和批評，錯誤之處我也將大力改正。 朱 敏 芳 2009 -5- 10 第二部分 課題任務說明 ——拖拉機半軸殼端面孔加工夾具設(shè)計 設(shè)計任務說明 拖拉機后橋半軸殼零件的示意圖如下: 工件選用的材料是QT400-15為球墨鑄鐵，組織有鐵素體、鐵素體加珠光體和珠光體3種。球墨鑄鐵突出特點是屈強比約為0.7—0.8。主要用于汽車、礦山機械、冶金機械等方面。可代替部分碳鋼制造受力復雜，強度、韌性和耐磨性要求高的零件。 工件是一個鑄造成型的軸套類零件，并且左右兩個法蘭面的大小不一樣，工件的殼體部分大小也不一致，成一定的錐度。兩個內(nèi)圓經(jīng)鑄造后有個鍵槽，但整個內(nèi)孔是不加工的，可以作為粗基準定位。殼體外圍有許多的肋板起加強筋的作用，由于筋板的長度較高，這給工件的定位和夾緊帶來了極大的不便.工件的兩個端面上各長出了一個階梯圓，小端面上的階梯圓外圓直徑Φ85mm，大端面上的階梯圓外圓直徑Φ118mm。小端面的直徑為Φ145mm，大端面的直徑為Φ168mm。工件對于端面有平面度和垂直度的要求，即平面度0.06mm和相對于階梯外圓的中心線垂直度0.08mm。兩階梯外圓的同軸度要求保證在0.1mm的范圍內(nèi)。 在工件的大端面附近有一突出的懸伸梁，懸梁的中心到大端面的距離為16.5mm。垂直于懸梁中心面(懸梁的中心線與階梯外圓的中心線所構(gòu)成的面)的側(cè)面上有一組孔并排，四個孔之間有位置度的要求，四個孔的中心線都不偏離理想位置為Φ0.5mm圓柱范圍，四個孔還要攻螺紋。懸梁的頂端需要銑一個斜面，斜面與懸梁中心面的垂直面形成100的角度。 工件的兩個端面上還要加工兩組孔，大端面上Φ144mm的圓周上均勻分布了一組數(shù)量為8的孔，8個孔關(guān)于懸梁的中心面對稱，且其中的4個孔與懸梁的中心面成22.50的角。小端面上Φ125mm的圓周上有一組個數(shù)為6的孔均勻分布，6個孔的其中兩相對的孔在懸梁的中心面內(nèi)。兩組孔的孔徑大小無精度要求，但有位置度的要求，即以階梯外圓的中心線為基準，孔的中心線的位置度要保證在偏離理想位置Φ0.5mm的圓柱范圍內(nèi)。鑄件要經(jīng)熱處理，硬度為HB160—210。并要求鑄件的法蘭平面光滑平整，這樣8-Φ18和6-Φ18刮深0.5就可以不加工。 那么整個工件的加工工藝路線大致為： 工序號 工序名稱 工序內(nèi)容 設(shè)備 1 粗車端面、外圓 粗車左端面、外圓 車床 2 粗車端面、外圓 粗車右端面、外圓 車床 3 精車端面外圓 精車左右端面、外圓 車床 4 銑端面 銑4個Φ28mmm的端面，銑Φ36mm的端面，銑10度傾角的端面 銑床 5 鉆孔 鉆左端面6個Φ10.5mm的均布通孔 鉆床 6 鉆孔 鉆右端面8個Φ10.5mm的均布通孔 鉆床 7 鉆孔 鉆4個Φ11深24的孔 鉆床 8 攻絲 在Φ11的孔中攻M12-6H深20的螺紋 鉗工臺 關(guān)于工件的所有加工任務在上面已經(jīng)作了大致的概述，本次設(shè)計的任務就是要做出夾具來保證這個工件的加工。由于所有的設(shè)計任務并非一個人承擔，我在此處所分配到的任務就是要做出工件大小兩個端面的孔的加工工序的鉆孔夾具設(shè)計，并負責刮深孔的工序夾具設(shè)計.。 第三部分 工件的端面孔加工工藝性分析 根據(jù)圖紙的要求，大小兩個端面的孔的加工的工序基準為工件兩個階梯外圓的中心線，以及兩個端面，因此本工序要排在工件的兩個端面和階梯外圓的加工之后.在對工件的兩個端面和階梯外圓加工之后，工件可以獲得的精度要求有: 小階梯外圓的直徑為Φ85f8mm，大階梯外圓的直徑為Φ118g6mm。兩階梯外圓的中心線同軸度保證在偏離理想位置Φ0.1mm的圓柱范圍內(nèi)。兩端面的平面度保證在偏離理想位置0.06mm的范圍內(nèi)，且垂直度保證在以階梯外圓中心線為基準偏離理想位置0.08mm的范圍內(nèi)。由于兩個端面和階梯外圓的加工工序采用心軸定位、一次裝夾之后車削完成，那么圖紙上所要求的平面度、垂直度、同軸度等要求很容易得到保證。那么對于圖樣上所要求的孔的位置度的基準就有了，工件的其它部分是否加工過都對于本工序無直接的影響。 端面上的孔都要求孔徑為Φ10.5mm，而無其它的精度要求，因此其大小可以由刀具來保證。兩組孔的位置度則由所設(shè)計的夾具來保證。在前面的車削加工工序中已經(jīng)保證了兩個端面和階梯外圓的精度，那么孔在Φ125mm和Φ144mm的圓周上的位置和孔的中心線的垂直則已經(jīng)有了基準，外加一個懸梁的中心線，那么孔的位置就好保證了。兩組孔的位置度要求如下： 1. 加工小端面孔時，6個孔在Φ125mm的圓周上均勻分布，孔的中心線相對于基準D和H偏離理想尺寸Φ0.5mm的圓柱范圍內(nèi)，其中兩個相對的孔的中心線在懸梁的中心面內(nèi)。 2. 加工大端面孔時，8個孔在Φ144mm的圓周上均勻分布，孔的中心線相對于基準D和H偏離理想尺寸Φ0.5mm的圓柱范圍內(nèi)，其中與懸梁中心面相鄰的孔與懸梁中心面的夾角為22.50。 第四部分 確定夾具的結(jié)構(gòu)方案 4.1 確定定位方案,設(shè)計定位機構(gòu) 工件在加工時根據(jù)要求要限制一定的自由度以保證加工精度，夾具完全定位，并力求遵循基準重合原則，可以減少定位誤差的影響。完全定位一個工件需要限制6個自由度，其中包括3個移動自由度和3個旋轉(zhuǎn)自由度。有些工序可以要求不滿6個自由度進行定位，諸如在鉆孔夾具設(shè)計中沿刀具方向的自由度可以不限制。 本工序所要求的基準在前面的車削加工中已經(jīng)很好的得到了保證,在鉆床上加工該工件,那么首要就是工件要將其中的一個端面放置在一個基準面上,這樣就使得工件的一個移動自由度、兩個轉(zhuǎn)動自由度得到了限制。那么所要求加工的孔的垂直方向的位置就保證了。那么還有其它3個自由度，其中包括一個繞z軸的旋轉(zhuǎn)、繞y的移動和繞x的移動。 由于工件的兩個端面上的兩組孔在兩個圓周上均布，那么加工時就可以有兩種方式來加工，一是刀具位置固定不動，只上下移動，工件繞一個基準中心旋轉(zhuǎn)進行加工；二是工件位置固定不動，使用搖臂鉆床進行加工，需要對刀；刀具位置只上下移動，工件和夾具一起移動，并使用對刀裝置進行加工。那么在這里就考慮了兩種方案進行分析比較： 方案一 選用一標準工作臺，標準工作臺上有分度裝置。將工件的一端面放置在基準面上，限制工件的3個自由度（兩個旋轉(zhuǎn)和一個移動）；采用一彈簧活動錐銷限制工件的兩個自由度（兩個移動）；使用v塊與工件的懸梁定位，來確定第一個孔的位置。加工完第一個孔之后則旋轉(zhuǎn)工件接著加工以后的孔。示意圖如下： 方案二 分別針對大小兩個端面的尺寸加工兩塊蓋板式鉆模。工件的其中一個端面放置在基準平面上，由此限制了工件的3個自由度（2個旋轉(zhuǎn)和1個移動自由度），另外一個端面上放上相匹配的可卸式鉆模板，鉆模板的中心有一個與被加工端面上階梯圓相互配合的圓，與圓同心的Φ125mm或Φ144mm的圓周上有一組6個或8個均布的孔。鉆模板與工件的加工表面貼牢，鉆模板的內(nèi)圓限制工件的2個自由度（2個移動），通過鉆套來對刀后進行加工。其示意圖如下： 方案比較： 方案一通過分析這種定位方案可知道，這種方案在加工時的效率更高，第一個孔加工完之后可以依靠分度裝置來找準其它孔的位置。但是這中方案的旋轉(zhuǎn)中心是工件的內(nèi)孔，而工件階梯圓的內(nèi)孔又是不被加工的部位，因而這里采用的基準是粗基準，造成基準與設(shè)計的基準不重合。 方案二這種方案很好的遵循了基準重合原則，工件的定位誤差較小。但是這種方案當中需要加工兩塊鉆模板，工件在加工時要求加工完一個端面以后，將工件反轉(zhuǎn)過來加工另外一個端面時鉆模板要換，搬上搬下比較費力，而且經(jīng)常拆卸鉆模板，造成加工的效率不高。 結(jié)合工件的生產(chǎn)，工件如果屬于大批量生產(chǎn)的話，考慮到以生產(chǎn)效率為主，先對工件的階梯內(nèi)圓進行加工，然后采用方案一以提高生產(chǎn)。如果工件中小批量生產(chǎn)的話，采用方案二，就可以很好的保證工件的加工了。 因為工件為中小批量生產(chǎn)，所以定位方案選擇方案二。 4.2確定夾緊方案，設(shè)計夾緊機構(gòu) 4.2.1 鉆削力的計算 由已知工件的材料為球墨鑄鐵，刀具材料為高速鋼可得到計算公式： 鉆削力 ——其中CFf =420, d=10.5 mm ，zFf=1, yFf=0.8, f=0.2 mm，KFf=1 那么 Ff=1217.16 N 鉆削力矩 ——其中CM c =0.206 ,d =10.5 mm，zMC=2, f=0.2mm yMC =0.8, KFf=1 那么 M=6.27 N·m 可見 刀具鉆削產(chǎn)生的鉆削力和鉆削力矩都不是很大。 4.2.2 夾緊力的計算 查閱工具書,m16的螺母所能達到的夾緊力是4020 N,由于工件端面所加工的孔所在的圓周比兩個端面直徑要小，即鉆削力作用在工件的支撐端面范圍內(nèi),沿垂直方向是沒有力矩作用的. 依靠端面和鉆模板與工件端面之間的摩擦力要保證工件旋轉(zhuǎn)的限制,而由摩擦力產(chǎn)生的力矩是 M=μFnL=4020*0.18*0.0625=45 N*m,可見夾緊是沒有問題. 4.2.3 夾緊方案選擇和設(shè)計 工件在夾具中的裝夾是由定位和夾緊這兩個過程緊密聯(lián)系在一起的，定位的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(shù)的場合下還是無法進行加工的，因而還需要在夾具上設(shè)置相應的夾緊裝置對工件實行夾緊，才能完成工件在夾具中裝夾的全部任務。 對于夾緊方案的選擇，若生產(chǎn)批量較小時采用螺釘夾緊比較合適，不管是從經(jīng)濟上還是操作上來比較；若生產(chǎn)批量較大時，則采用聯(lián)動夾緊機構(gòu)或氣動、液動夾緊機構(gòu)較為合適。本設(shè)計中前面的定位方案已經(jīng)選擇了中小批量生產(chǎn)，因此這里也選擇和前者相符合的，采用螺釘夾緊。另外，因為工件和體積大而笨重，又是小孔加工，采用蓋板式最為適宜。 夾緊力作用點的選擇： （1）、 夾緊力的作用點應能保持工件定位穩(wěn)定，而不致引起工件發(fā)生位移和偏轉(zhuǎn)。 （2）、 夾緊力的作用點，應使被夾緊工件的夾緊變形盡可能小。 （3）、 夾緊力的作用點應盡可能靠近工件加工表面，以提高定位穩(wěn)定性和夾緊可靠性。 由于工件的高度達到了300多毫米，工件的夾緊最好采用中間夾緊，這樣就可以使得夾緊力的作用點能更好的保持工件的穩(wěn)定，切削力矩能更好的限制。那么，這里所設(shè)計的夾緊方案如示意圖： 由于工件的加工表面要放置鉆模板，那么壓板只能壓在鉆模板表面，通過螺母對壓板的壓緊，進而對工件進行壓緊。由于防止工件繞z軸的旋轉(zhuǎn)只能靠壓板與加工表面和基準面與另外一個端面的摩擦力來限制，只要保證工件與鉆模板在夾緊的情況下沒有相對的移動或旋轉(zhuǎn)就可以了。工件鉆削產(chǎn)生的鉆削力矩為M=6.27 N·m，由此可見采用螺母壓緊壓板就可以保證旋轉(zhuǎn)方向的夾緊了。而豎直方向的鉆削力本身就處在支承面的范圍以內(nèi)，那么由工件的支撐端面就可以承受鉆削力的作用了。 夾緊件:夾緊件包括夾緊桿、螺母、墊圈、壓板和夾具體底座等。具體的思路是：在夾具體底座的一端加工一個槽與v型塊配合，將夾緊桿垂直安裝在夾具體的中心位置，夾緊桿上并排銑兩個槽，通過導向鍵與大、小鉆模板的中心鍵槽配合。螺母施加的預緊力壓緊壓板。刀具加工產(chǎn)生的力矩主要由鉆模板和夾具體與工件兩個端面的摩擦力來克服。 4.2.4 各定位元件、夾緊件的設(shè)計 （1）夾具體底座： 材料 HT250 夾具體底座的上表面為一個基準面，基準面上加工了一個Φ125mm深8mm的階梯內(nèi)圓，其作用是為了錯開工件的端面上的階梯圓，使工件的端面能放置在基準面上。夾具體底座中心還有一個Φ24mm的通孔是為了安裝夾緊桿的。底部的加強筋可以防止底座由于剛性不足導致變形。夾具替的一側(cè)還有一個階梯，階梯上銑一個槽，可以和v型塊配合導向。 夾緊桿： 材料 45 夾緊桿的一頭通過螺母固定在夾具體上，并且保證鍵槽的導向，然后焊接使其牢固。另一頭的鍵槽內(nèi)也焊接一個導向鍵，使其與小鉆模板配合。如下： V型塊： 材料45，調(diào)質(zhì)HRC50--60 V型塊在這里的作用就是起定好鉆套與懸梁的中心面的位置關(guān)系，V塊可以用于粗基準也可以用于精基準，采取v塊是最好的定心元件。由于懸梁是未被加工過的粗基準，因此v塊的位置不能固定，而應該是活動的，所以采用活動式v塊定位。V塊的兩個側(cè)面與夾具體上所開的槽配合導向，實現(xiàn)上下移動而又不傾斜。V塊通過螺栓安裝彈簧來固定。 那么 v塊的尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計如下： 小端面鉆模 總體思路是：將加工了中心孔的鉆模板套在工件的小端面上的階梯圓上，由此可以限定2個自由度（2個移動）；工件放置在底座的基準面上，可以限制3個自由度（2個旋轉(zhuǎn)和一個移動）；鉆模板的中心圓上加工了一個鍵槽與夾緊桿的上的導向鍵相配合，可以限制旋轉(zhuǎn)自由度。V型塊安裝在底座上，而且v型塊所定的中心線與導向鍵導向垂直。 材料35 熱處理 淬硬 52-54HRC 鉆模板中心的孔與工件的Φ85f8的外圓配合，配合的精度為H8/f8 。距離鉆模板中心Φ125的圓周上嵌入6個鉆套，鉆套與鉆模板的配合精度為H7/n6。鉆模板的中心還有一個Φ24的孔是與夾緊桿配合的，配合的精度為H8/h7，而且Φ24的孔還開了一個鍵槽B8×25mm，主要是起導向作用。鍵槽導向沿著懸梁的中心面。 大端面鉆模 大端面鉆模板所包括的元件有鉆模板、v型塊、鉆套、螺栓、螺母、彈簧等。其思路是，在鉆模板的中心加工一個孔與大端面上的階梯外圓相配合，在距離孔的中心Φ144mm的圓周上有一組個數(shù)為8的均勻分布的孔，孔與鉆套相配合。在鉆模板的一端長出一部分把柄，把柄上加工一個與v塊相配合的槽。V塊在方孔中上下移動實現(xiàn)定位作用，以保證懸梁的中心面與鉆套的位置關(guān)系。 材料35 淬硬 52—54HRC 鉆模板中心加工一個與工件大端面階梯外圓相配合的孔，配合精度為h7/g6。距離中心孔Φ144mm的圓周上有一組個數(shù)為8的均勻分布的孔，孔與鉆套采取過盈配合，配合的精度為h7/n6。鉆模板長出一部分把柄，把柄上加工了一個與v塊相配合的槽，配合精度為H8/g7。 那么鉆模板的尺寸結(jié)構(gòu)就如下所示： 螺栓： 選用GB/T5781-1986 M8×1 L=80mm 2個 螺母： 選用GB/T6173-2000 M8×1 2個 選用GB/T6173-2000 M24×2 1個 選用GB/T6173-2000 M16×1.5 1個 彈簧： 選用GB/T1358-1993 M10×3 L=15mm 2個 墊圈： 選用GB/T97.1-2002 M8 6個 選用GB/ T96.2-2002 M16 1個 選用GB/T96.2-2002 M24 1個 鉆套： 材料35 淬硬 52—54HRC 鉆套是刀具的導向件，在加工時依靠鉆套來保證所加工孔的位置。鉆套分為好多種，如：固定鉆套、快換鉆套、特殊鉆套等等，一般根據(jù)加工的要求選擇鉆套的類型，其中固定鉆套與鉆模板采取過盈配合，它能保證的加工精度最高，而快換鉆套和特殊鉆套的精度次之。由于加工時刀具可能頻繁的碰到鉆套，因此鉆套的使用精度也會逐漸下降。選擇如上的材料做鉆套的話，其使用壽命可以達到加工上萬件工件才報廢，因此在這里可以選擇固定鉆套?？梢赃x擇A型固定鉆套，其尺寸結(jié)構(gòu)如下： 其中鉆套的高度H=（1.5—2）d 。 壓板： 材料45 熱處理HRC35-40 壓板安裝在夾緊桿的上端，通過螺母壓緊。壓板兩端的夾緊部分錯開孔的加工位置，壓板的兩頭小中間大就是為了不干涉孔的加工位置。其尺寸如下： 導向平鍵： 材料45 選用GB/T1097-2003 A型 4.2.5 加工設(shè)備、刀具的選擇 加工設(shè)備，由于工件和夾具體較大總高度達420mm，所以可以采用搖臂鉆床。 刀具，加工的孔都是Φ10.5。選用Φ10.5的直柄麻花鉆，GB/T1436—1985。 第五部分 確定夾具的尺寸、公差和技術(shù)要求 有關(guān)夾具各定位的元件和夾緊件的尺寸結(jié)構(gòu)已經(jīng)在上面做了說明，那么在夾具上還需要標注的尺寸，公差及技術(shù)要求： 1、 夾具的最大輪廓尺寸：250mm×250mm×423mm 2、 夾緊桿和底座的配合公差H7/g6，夾緊桿和小鉆模板的配合公差也是H7/g6。 3、 定向鍵與夾緊桿的配合公差為H7/n6，與鉆模板或底座的配合為H9/g8。 4、 鉆套與鉆模板的配合公差H7/n6。 5、 V型塊與鉆模板或底座槽的配合精度為H8/g7。 夾具總圖上還應標注的技術(shù)條件有： 1、 鉆套Φ10.5f8的中心與基準A的垂直度為0.02mm。 2、 6-Φ10.5mm和8-Φ10.5mm相對于基準B的位置度為Φ0.015mm。 3、 V型塊與鉆模板或底座槽的對稱度為0.05mm。 由于鉆模板和底座上不容易加工出和v型塊相配合的方孔，那么只好銑出一個槽出來與v型塊配合。裝配時要注意的是不要對v型塊沿懸梁的中心線方向施加過大的力，彈簧的安裝要有一定的預緊，否則不能起到定位的作用。 第六部分 誤差分析 工件裝夾定位方案已經(jīng)如上所確定，鉆削力在上面已經(jīng)計算出來，分析出來的夾緊是合理的。 與本工序設(shè)計中采用的工件的加工表面需要符合以下的精度要求： 1、 外圓Φ85mm和Φ118mm的同軸度為Φ0.1。 2、 端面Φ145mm和Φ168mm的平面度為0.06mm，相對與基準D和H的垂直度為0.08mm。 3、 6-Φ10.5mm和8-Φ10.5mm相對于基準D和H的位置度為Φ0.5mm。 那么，夾具中與零件工序圖各項要求相對應的標注公差 即控制精度所需測量的尺寸及公差，具體定制如下： 1、 小端面鉆模板的中心Φ85+0.0540mm與鉆套所在的圓周Φ125mm的同軸度取為0.03mm，鉆套與鉆模板底面的垂直度取0.02mm。Φ24mm的孔相對于Φ85的中心線同軸度取0.03mm，槽的對稱度取0.05mm。 2、 大端面鉆模板的中心Φ1180-0.04mm與Φ144mm的圓周同軸度取0.03mm。鉆套中心與鉆模板底面的垂直度取0.02mm，Φ24mm的孔相對于Φ118的中心線同軸度取0.03mm，鉆模板底面的平面度取0.02mm。 3、 夾具體底座的中心Φ24+0.0210mm所開的槽對稱度0.015mm，夾具體底座階梯上銑的槽45+0.025-0.025的對稱度取0.015mm。夾具體底座基準面的平面度為0.02mm。 4、 鉆套直徑取Φ10.5n6。 誤差分析： 誤差的產(chǎn)生有兩部分組成，其一是機床本身的精度造成的，稱為系統(tǒng)誤差，系統(tǒng)誤差也是不可避免的。另外就是定位誤差，是由所設(shè)計的夾具 所能保證的精度。 大、小兩個端面孔系的誤差有周向誤差和徑向誤差。 對于孔系的周向誤差： 1、同一端面上孔周向精度由鉆模板保證。 對于小端面：均布6個Φ10.5的孔。那么小端面鉆模板同樣要均布6個Φ18的孔，相鄰兩孔的夾角60o±0.5o。鉆套與鉆模板配合公差H7/n6。另外鉆模板與夾緊桿的配合公差H9/g8。 對于大端面：均布8個Φ10.5的孔。那么大端面鉆模板同樣要均布8個Φ18的孔，相鄰兩孔的夾角45o±0.5o。鉆套與鉆模板配合公差H7/n6。另外鉆模板與夾緊桿的配合公差H9/g8。V型塊的定位。 因為大、小端面的孔系在周向的公差是未注公差。這里就不計算。 2、大、小端面孔系周向位置精度。 小端面上第一個孔的中心線與懸臂的中心線垂直。大端面的第一個孔中心線與懸臂中心線的夾角22.5o。它們的公差也是未注的，所以只要保證上述加工方法就好。 對于孔系的徑向誤差： δ定位=δ不重合+δ位置 小端面鉆模的誤差： 由于夾緊桿和底座焊接成一體的，所以需要累加分析的誤差有底座和v型塊之間的誤差δ=0.007，鉆模板Φ85H8與工件Φ85f8之間的誤差（δ=TD/2=0.054mm）和Φ125mm的圓周和Φ85mm的同軸度誤差（δ=0.015），即總的誤差δ=0.007mm+0.054mm+0.015mm=0.076mm，可見是滿足要求的。 大端面鉆模的誤差：其來源于v塊的定位和鉆模Φ118mm和工件外圓的定位，還有鉆套所在的圓周和Φ118mm同軸度誤差。所以總的誤差δ=0.08mm+0.054mm+0.015mm =0.077mm?？梢娨彩欠弦蟮?。 第七部分 編后語 經(jīng)過一個月的準備工作，在5月6號開始對本稿進行整理工作。這其中我查閱了很多的參考書，也不時的向老師們請教問題。有時遇到加工的問題還經(jīng)常跑到校辦工廠去觀摩和實踐。這其中使我悟出了一些道理：事不目見耳聞，而臆斷其有無，不可！我設(shè)計過好幾種方案，但有好多的方案都是主觀的意愿，在實際中很難加工出來。例如我在設(shè)計中選擇v型塊與鉆模板導向采用方孔配合，而實際加工方孔時沖裁可以達到要求，但是材料不能太厚，銑削也是可以加工出來，但是必需圓弧過度等。這些都是靠實踐和觀察所得的經(jīng)驗，主觀的意愿有時確是有違背設(shè)計原則。經(jīng)過這次設(shè)計，使我在綜合能力上有了一個飛躍。 可以說這次的設(shè)計是一個重要的學習過程，將實踐和理論的綜合學習過程。實踐是學習，而且是更重要的學習。那么在不斷的實踐與糾正錯誤當中能得到提升，就是很好的鍛煉。在設(shè)計之中，不斷的查閱資料、工藝分析和方案設(shè)計，還有計算機輔助軟件的使用對我的夾具設(shè)計有很大的幫助。 我所有的這些成績都離不開曾一凡老師們的悉心指導，沒有他們的幫助我很難完成不了這次的設(shè)計任務 。在設(shè)計的過程當中，曾一凡老師利用很多自己的休息時間來幫助我們分析和解決問題，還有其他的老師也非常細心的給我指點錯誤和幫我分析問題，在此深表感謝！ 第八部分 參考文獻 1、 王啟平 主編.機床夾具設(shè)計.哈爾濱工業(yè)大學出版社.1996年2月第二版 2、 白成軒 編著.機床夾具設(shè)計新原理.機械工業(yè)出版社.1997年7月第一版 3、 電子版.機床夾具設(shè)計手冊 4、 林文煥、陳本通編著.機床夾具設(shè)計.國防工業(yè)出版社.1987年8月第一版 5、 方昆凡 主編.公差與配合技術(shù)手冊.北京出版社.1999年5月 6、 東北重型機械學院、洛陽工學院、第一汽車制造廠職工大學編.機床夾具設(shè)計手冊（第二版）.上?？茖W技術(shù)出版社 7、 上海是金屬切削技術(shù)協(xié)會編.金屬切削手冊.上海科學技術(shù)出版社。