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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(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(shù)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(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(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(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 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) 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，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 是 沿，和三個正交組件（見圖2）。 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(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 加權系數(shù)計算確定的基礎 內蒙古科技大學本科生畢業(yè)設計（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(shù)。 的約束轉換涉及到一個指定的加權范數(shù)小于或等于，其中是 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。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（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，坐標變換定理可以用來表達在工件的位移，以及工件自轉如下: (21) 其中表示旋轉矩陣,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： （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： （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(shù)有如下形式：.結果表明，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力，在每個采樣點的加權范數(shù)和最優(yōu)的初始夾緊力繪圖10，在每個采樣點的加權范數(shù)的，，和繪制。 結果表明，由于每個組成部分是各相應的最大夾緊力，它具有最高的加權范數(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，則夾緊力需相應設置，有比相當大的加權范數(shù)。故是一個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(shù)，因此將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(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. 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。 機械加工工藝過程卡片 西南科技大學 機械加工工藝過程卡片 產(chǎn)品型號 零件圖號 產(chǎn)品名稱 齒輪泵 零件名稱 泵蓋 共1 頁 第 1頁 材料牌號 HT200 毛坯種類 鑄件 毛坯外型尺寸 89mm×60mm×23mm 每毛坯可制作件數(shù) 1 每臺件數(shù) 1 備注 工序號 工序名稱 工序內容 車 間 工 段 設 備 工藝裝備 工 時 準終 單件 1 鑄造 鑄造毛坯 鑄造車間 一 2 時效 時效熱處理 鑄造車間 一 3 粗銑 粗銑右端面至21mm 金工 二 X52K 端面銑刀，游標卡尺 4 精銑 精銑右端面至20mm 金工 二 X52K 端面銑刀，游標卡尺 5 鉆鉸 鉆鉸φ16孔深13mm盲孔，粗鉸，精鉸鉆 金工 二 Z525 專用夾具，內徑千分尺 6 鉆鉸 鉆鉸2xφ5圓錐銷孔通孔 金工 二 Z525 φ5麻花鉆，鉸刀，游標卡尺 7 鉆 鉆6xφ6.5通孔 金工 二 Z525 直柄短麻花鉆，鍯鉆，鉸刀，游標卡尺 8 鉆 鉆φ11孔深6mm 金工 二 Z525 直柄短麻花鉆，鍯鉆，鉸刀，游標卡尺 設計（日期） 審核（日期） 標準化（日期） 會簽（日期） 標記 處數(shù) 更改文件號 簽字 日期 標記 處數(shù) 更改文件號 簽字 日期 機械加工工藝過程卡片 西南科技大學 機械加工工藝過程卡片 產(chǎn)品型號 零件圖號 產(chǎn)品名稱 齒輪泵 零件名稱 泵蓋 共1 頁 第 1頁 材料牌號 HT200 毛坯種類 鑄件 毛坯外型尺寸 89mm×60mm×23mm 每毛坯可制作件數(shù) 1 每臺件數(shù) 1 備注 工序號 工序名稱 工序內容 車 間 工 段 設 備 工藝裝備 工 時 準終 單件 9 鉗工 去毛刺 金工 鉆工臺 平銼 10 終檢 檢驗各尺寸 塞規(guī)，卡尺等 設計（日期） 審核（日期） 標準化（日期） 會簽（日期） 標記 處數(shù) 更改文件號 簽字 日期 標記 處數(shù) 更改文件號 簽字 日期 西南科技大學高等教育自學考試 畢業(yè)設計（論文） 泵蓋工藝編制及夾具設計 所在學院 專 業(yè) 班 級 姓 名 學 號 指導老師 年 月 日 摘 要 本文是對泵蓋零件加工應用及加工的工藝性分析，主要包括對零件圖的分析、毛坯的選擇、零件的裝夾、工藝路線的制訂、刀具的選擇、切削用量的確定、加工工藝文件的填寫。選擇正確的加工方法，設計合理的加工工藝過程。此外還對填料箱蓋零件的兩道工序的加工設計了專用夾具. 機床夾具的種類很多，其中，使用范圍最廣的通用夾具，規(guī)格尺寸多已標準化，并且有專業(yè)的工廠進行生產(chǎn)。而廣泛用于批量生產(chǎn)，專為某工件加工工序服務的專用夾具，則需要各制造廠根據(jù)工件加工工藝自行設計制造。本論文夾具設計的主要內容是設計銑對接面手動夾具設計。 關鍵詞：泵蓋，加工工藝，加工方法，工藝文件，夾具 目 錄 摘 要 1 第1章 緒論 4 1.1課題研究的意義及現(xiàn)狀 4 1.2課題主要研究內容 4 1.3研究方法和手段 5 1.4研究目標 5 1.5方案可行性分析 5 第2章 零件的分析 6 2.1 零件的作用 6 2.2 零件的工藝分析 6 2.3 審查零件的工藝性 7 第3章 泵蓋零件的加工工藝規(guī)程設計 8 3.1零件的生產(chǎn)類型 8 3.2毛坯的選擇及鑄造方法 8 3.3基準的選擇 9 3.3.1粗基準的選擇 9 3.3.2精基準的選擇 9 3.4零件各表面的加工方法 10 3.5 各工序間加工余量 10 3.5 泵蓋加工主要工序安排 11 3.6確定切削用量及基本工時（機動時間） 12 第4章 加工6個螺栓孔夾具設計 15 4.1 夾具的分類和作用 15 4.2 工件在夾具中的定位 16 4.3 夾具的組成 18 4.4夾具設計 19 4.4.1定位基準的選擇 19 4.4.2切削力及夾緊力的計算 19 4.5定位誤差的分析 21 4.6 鉆套、襯套、鉆模板設計與選用 22 4.7 確定夾具體結構和總體結構 24 4.8夾具設計及操作的簡要說明 25 總 結 27 參考文獻 28 致 謝 29 28 第1章 緒論 1.1課題研究的意義及現(xiàn)狀 當前，我國中小零部件機械產(chǎn)業(yè)正處于穩(wěn)步發(fā)展的成熟期，國外進口設備一統(tǒng)天下的局面已經(jīng)結束，國產(chǎn)零部件機械已經(jīng)成為主力。主要表現(xiàn)如下：? 一、國產(chǎn)機械的技術水平已接近或達到世界先進水平，大規(guī)?？恳M技術發(fā)展的時代已經(jīng)結束，吸收、學習國外先進技術的渠道和方法大為增強，自身開發(fā)能力大大提升，大型機械開發(fā)周期一般不超過一年。?? 二、行業(yè)格局發(fā)生很大變化。一是國外著名的機械企業(yè)紛紛在中國建廠，改變了機械生產(chǎn)企業(yè)的結構。它們在機械方面具有雄厚的技術和經(jīng)濟實力，代表著世界領先水平，今后將對中國機械行業(yè)的生產(chǎn)格局產(chǎn)生深遠影響。其在產(chǎn)品開發(fā)、制造及知識產(chǎn)權保護等許多方面給中國企業(yè)提供了學習機會。二是國內著名大企業(yè)成功介入機械產(chǎn)品的生產(chǎn)，并向多品種方向發(fā)展，憑借大廠在經(jīng)驗、技術、經(jīng)濟、制造方面的實力，其機械產(chǎn)品在銷售市場上已經(jīng)占據(jù)了主導地位。這些變化，極大增強了我國機械行業(yè)的實力，對中小企業(yè)的發(fā)展也有很大影響。? 三、一批民營中小企業(yè)迅速成長壯大，規(guī)模和技術實力大增。尚存問題有待解決?。在看到我國零部件機械行業(yè)獲得長足發(fā)展的同時，一些潛在的問題也不容忽視。首先，我國多數(shù)機械企業(yè)規(guī)模偏小，抵抗風險能力有限，回款率低，流動資金不足。其次，也如同其他產(chǎn)品一樣，我國零部件機械存在著科技投入不足、創(chuàng)新能力偏低等問題。對基本研發(fā)的投入很少，采用挖人才、“偷”技術的方式很普遍。所以各家的產(chǎn)品都是大同小異，很少有標志性的技術，原始創(chuàng)新很少。第三，零部件機械廠家正面臨著水、電、鋼材等原材料持續(xù)上漲的壓力，利潤損失較大，不利于進一步擴大生產(chǎn)。第四，對出口歐洲、美國等發(fā)達國家和地區(qū)的產(chǎn)品，由于不熟悉其市場準入和標準，經(jīng)常遭遇“專利門檻”問題，對產(chǎn)品出口產(chǎn)生不利影響。 認清趨勢促進發(fā)展。針對上述問題，相關企業(yè)要重視創(chuàng)新，主動加大科技投入；樹立尊重知識、保護知識產(chǎn)權的法律意識；企業(yè)對技術骨干要有留人和防挖辦法；可在市場接受的范圍內，適當進行漲價，以促進生產(chǎn)發(fā)展。? 1.2課題主要研究內容 泵蓋零件的分析包括：零件用途、安裝使用、零件圖的加工工藝、材料毛坯以及技術要求等的分析。確定加工方法，填寫加工工藝過程。? 1、依據(jù)國家有關標準，根據(jù)需要標注泵蓋裝配圖的尺寸公差、形位公差等；? 2、根據(jù)泵蓋的裝配圖。根據(jù)需要標注零件表面的尺寸公差、形位公差和粗糙度等；? 3、綜合運用所學知識，參考有關資料，按大批生產(chǎn)，安排產(chǎn)品的加工工藝；設計加工孔夾具。 1.3研究方法和手段 （1）調研、消化原始資料；? 收集整理有關機械零件設計、裝配工藝、機械加工工藝、制造技術等有關資料，供設計時使用；消化零件制件圖，了解零件的用途，分析零件的工藝性、尺寸精度等技術要求；分析工藝資料，了解所用材料性能、零件特性以及工藝參數(shù)。 （2）完成泵蓋的零件圖及裝配圖； （3）確定工藝方案，制定加工工藝文件； （4）設計加工孔夾具； （5）完成零件圖及裝配圖的制作。 1.4研究目標 通過課題的設計鍛煉和培養(yǎng)自己的工藝文件的編制能力，熟悉常用材料的使用性能，正確選用材料；掌握夾具設計的基本方法和機械零部件設計的基本程序和方法；掌握機械加工工藝的制定過程，對一般的制造過程和方法有初步的了解，了解常用的零部件設計軟件，并能熟練運用二維及三維軟件進行設計。定的機械加工工藝所加工的產(chǎn)品能達到圖紙的各項技術要求。使自己在大學四年所學的知識得到全面總結和鞏固，對以前所學的知識得以溫故而知新，更好的掌握學過的知識，為將來的工作奠定一個良好基礎。 1.5方案可行性分析 1）查閱相關文獻，搜集有關資料。 2）了解泵蓋的結構以及工作原理的了解，并了解夾具的結構； 3)?通過老師指導,同學討論確定方案。 4）根據(jù)國家有關標準，設計產(chǎn)品 第2章 零件的分析 2.1 零件的作用 題目給出的零件是泵蓋。泵蓋的主要作用是支承傳動軸，保證各軸之間的中心距及平行度，并保證部件正確安裝。因此泵蓋零件的加工質量，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。 2.2 零件的工藝分析 由泵蓋零件圖可知。泵蓋是一個泵蓋零件，齒輪油泵泵蓋的材料是HT200，毛坯制造完成后需進行時效處理，消除毛坯制造和機械加工中產(chǎn)生的內應力。泵蓋有下列幾組加工表面： 1.以泵蓋左端蓋20為基準的加工表面，這一組加工表面包括對右端面的加工。 2.以中心距為28.76±0.016為定為基準的兩個盲孔。 經(jīng)過對以上加工表面的分析，我們可以選定粗基準，加工精粗基準所在的加工表面，然后借用專用夾具對其它加工表面進行加工，保證它們的位置精度 表1 泵蓋技術要求表 加工表面 尺寸及偏差 /mm 公差/mm及精度等級 表面粗糙度/um 形位公差/mm 泵蓋右端面 20 0.033/IT8 6.3 6 ХФ6.5 沉頭孔 Ф6.5 Ф11 0.090/IT11 12.5 2ХФ5銷孔 Ф5 0.018 /IT8 1.6 Φ16盲孔 Φ16 0.011 /IT6 1.6 Φ16盲孔 Ф16 0.011 /IT6 1.6 2.3 審查零件的工藝性 根據(jù)老師發(fā)給的零件圖，審查了零件的結構工藝性，零件圖上的視圖、尺寸公差和技術要求較統(tǒng)一，不必做大的修改。仔細閱圖后了解到此工件結構較簡單，通過鑄造再加工即可獲得，表面的精度要求不高，只是在右端面的接觸處要求具有較高的精度，以保證密封性。泵蓋上的沉頭孔和銷孔用一般鉆床夾具可加工出來，而盲孔可利用設計的專用夾具加工。總體來說，此工件還是比較容易加工。其零件圖見電子版附圖。 第3章 泵蓋零件的加工工藝規(guī)程設計 3.1零件的生產(chǎn)類型 零件的生產(chǎn)類型是指企業(yè)（或車間、工段、班組、工作地等）生產(chǎn)專業(yè)化程度的分類，它對工藝規(guī)程的制訂具有決定性的影響。生產(chǎn)類型一般可分為大量生產(chǎn)、成批生產(chǎn)和單件生產(chǎn)三種類型，不同的生產(chǎn)類型有著完全不同的工藝特性。零件的生產(chǎn)類型是按零件的年生產(chǎn)綱領和產(chǎn)品特征來確定的。生產(chǎn)綱領是指企業(yè)在計劃期內應當生產(chǎn)的產(chǎn)品產(chǎn)量和進度計劃。年生產(chǎn)綱領是包括備品和廢品在內的某產(chǎn)品的年產(chǎn)量。零件的年生產(chǎn)綱領N可按下式計算 其中 ——是零件的生產(chǎn)綱領（件/年）； ——產(chǎn)品的年產(chǎn)量（臺、輛/年）； ——每臺（輛）產(chǎn)品中該零件的數(shù)量（件/臺、輛）； ——備品率，一般取2%~4%； ——廢品率，一般取0.3%~0.7%； 根據(jù)上式結合題目給定數(shù)據(jù)，即可算出泵蓋的生產(chǎn)綱領，進而確定出其生產(chǎn)類型。 年產(chǎn)量20萬套=200000臺/年，=1件/臺，取=，取=0.6%，由公式(1-1）有：.泵蓋零件的重量為3.16，查表1-3可知，泵蓋為輕型零件，由此再查表1-4可知，該泵蓋的生產(chǎn)類型為大批生產(chǎn)。 3.2毛坯的選擇及鑄造方法 選擇毛坯時候應該考慮一下幾點因素： (1)零件的力學性能要求：相同的材料采用不同的毛坯制造方法，其力學性能有所不同。離心澆注的鑄件、壓力澆注的鑄件、金屬型澆注的鑄件、砂型澆筑的鑄件，其力學性能一次遞減。 (2)零件的結構形狀和外廓尺寸：直徑相差不大的階梯軸宜采用棒料，相差較大時宜采用鍛件；形狀復雜、力學性能要求不高可采用鑄鋼件，形狀復雜和薄壁的毛坯不宜采用金屬型鑄造；尺寸較大的毛坯不宜采用模鍛、壓鑄和精鑄，多采用砂型鑄造和自由鍛造；外形復雜的小零件宜采用精密鍛造方法，以避免機械加工。 (3)生產(chǎn)綱領和批量：生產(chǎn)綱領大時宜采用高精度和高生產(chǎn)率的毛坯制造方法，生產(chǎn)綱領小時宜采用設備投資小的毛坯制造方法。 (4)現(xiàn)場生產(chǎn)條件要求：現(xiàn)場生產(chǎn)條件和發(fā)展應經(jīng)過技術經(jīng)濟分析和論證。 經(jīng)過分析考慮，零件材料選取HT200，由于零件結構一般，生產(chǎn)類型為中、小批生產(chǎn)，在機床運行過程中所受沖擊不大，力學性能要求不高，考慮零件在機床運行過程中所受沖擊不大，零件結構又比較簡單，零件屬于中批生產(chǎn)，零件的輪廓尺寸不大，根據(jù)參考文獻[8]中表3-1選擇金屬型澆注鑄件毛坯。查《機械制造工藝設計簡明手冊》第41頁表2.2-5，選用鑄件尺寸公差等級為9級.這對提高生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品質量有幫助。此外為消除殘余應力還應安排人工時效。 3.3基準的選擇 定位選擇是工藝規(guī)程設計中重要的工作之一，定位選擇的正確與合理可以使加工質量得到保證，生產(chǎn)率得以提高，否則加工工藝過程中會問題百出，更有甚者，還會造成零件的大批報廢，使生產(chǎn)無法進行。 3.3.1粗基準的選擇 選擇粗基準時，主要要求保證各加工面有足夠的余量，使加工面與不加工面間的位置符合圖樣要求，并特別注意要盡快獲得精基面。 (1)加工泵蓋上蓋時應選擇上蓋螺栓孔的上表面為粗基準，加工上蓋分合面。我選擇粗基準的根據(jù)如下：選擇上蓋螺栓孔的上表面為基準，能保證泵蓋上蓋其他表面加工余量小二均勻，符合選擇重要表面為粗基準的原則；泵蓋上蓋只有螺栓孔上表面不需要進行加工，符合選擇不加工表面為粗基準的原則；制造毛坯的時候上表面的加工余量留的最少，符合選擇加工余量量最小的表面為粗基準的原則；上表面能滿足方便定位、加緊的需求，符合選擇較為平整光潔、加工面積較大的表面為粗基準的原則；螺栓孔上表面只用一次，加工出精基準面就不需要使用，符合粗基準在同一尺寸方向上只能使用一次的原則。 (2)按照粗基準的選擇原則，同理我們可以選擇出泵蓋底泵蓋的底孔的上表面為粗基準，加工底泵蓋的底面。 3.3.2精基準的選擇 精基準的選擇應從保證零件加工精度出發(fā)，同時考慮裝夾方便、夾具結構簡單。? (1)選擇上蓋的分合面為精基準，加工上蓋端面和油杯螺紋孔的上表面。我選擇精基準的根據(jù)如下：精基準的以“基準重合”、“基準統(tǒng)一”、“自為基準”、“互為基準”為選擇原則，并且需要保證工件定位精準、加緊可靠、操作方便。選擇上蓋的分合面為精基準可以簡化操作，能夠準確定位，加緊可靠，滿足加工表面對設計基準的相對位置精度要求，方便加工其他表面。 (2)按照精基準的選擇原則，選擇泵蓋底泵蓋的底面為精基準，加工底泵蓋的端面及內孔分合面。 (3)按照精基準的選擇原則，選擇泵蓋的底面與為精基準，加工泵蓋的內孔。 3.4零件各表面的加工方法 當零件的加工質量要求較高時，一般要經(jīng)過粗加工、半精加工和精加工三個階段，如果零件的加工精度要求特別高、表面粗糙度特別小時，還要經(jīng)過光整加工階段。通過對泵蓋的各加工表面的分析，選擇前面一系列的預備工序的加工方法和順序。 表2 各加工表面加工方案 加工表面 精度要求/um 加工方案 泵蓋右端面 6.3 粗銑-精銑 Φ5銷孔 1.6 鉆-鉸 孔 12.5 鉆 Ф16孔 1.6 鉆-粗鉸-精鉸 3.5 各工序間加工余量 根據(jù)表1-6至1-11和2-15至2-40，將各加工表面的工藝路線、工序（或工步）余量，工序（或工步）尺寸及其公差、表面粗糙度填入表3中。 3 各工序間加工余量 加工表面 工步名稱 工步余量 基本尺寸 公差等級 精度公差 工步偏差 粗糙度 泵蓋右端面 粗銑 1 20 IT8 0.033 20 6.3 精銑 2 18.6 IT12 0.21 21 12.5 毛坯 3 23 -- 2.4 23 -- Ф5銷孔 鉸 0.2 5.0 IT8 0.018 5 1.6 鉆 0.8 4.8 IT12 0.120 4.8 6.3 毛坯 4 4 -- 2 41 -- Φ6.5孔 鉆 2 6.5 IT11 0.090 6.5 12.5 毛坯 4.5 4.5 2 4.51 Ф16 精鉸 0.05 16 IT6 0.011 16 1.6 粗鉸 0.95 15.95 IT8 0.027 15.95 6.3 鉆 1.2 15 IT11 0.110 15 12.5 毛坯 13.8 13.8 -- 2.4 13.81.2 -- 3.5 泵蓋加工主要工序安排 對于大批量生產(chǎn)的零件，一般總是首先加工出統(tǒng)一的基準。泵蓋加工的第一個工序也就是加工統(tǒng)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泵蓋加工完成為止，除了個別工序外，都要用作定位基準。因此，頂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，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。對于泵蓋，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(chǎn)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。 根據(jù)以上分析過程，現(xiàn)將泵蓋加工工藝路線確定如下： 工藝路線： 1 鑄造 鑄造毛坯 2 時效 時效熱處理 3 粗銑 粗銑右端面至21mm 4 精銑 精銑右端面至20mm 5 鉆鉸 鉆鉸φ16孔深13mm盲孔，粗鉸，精鉸鉆 6 鉆鉸 鉆鉸2xφ5圓錐銷孔通孔 7 鉆 鉆6xφ6.5通孔 8 鉆 鉆φ11孔深6mm 9 鉗工 去毛刺 10 終檢 檢驗各尺寸 3.6確定切削用量及基本工時（機動時間） 工序3、4：粗、精銑泵蓋右端面 機床：銑床X52K 刀具：硬質合金端銑刀（面銑刀） 齒數(shù)[10] （1）粗銑泵蓋右端面 銑削深度： 每齒進給量：根據(jù)《機械加工工藝手冊》表2.4.73，取 銑削速度：參照《機械加工工藝手冊》表2.4.81，取 機床主軸轉速：，取 實際銑削速度： 進給量： 工作臺每分進給量： ：根據(jù)《機械加工工藝手冊》表2.4.81, 被切削層長度：由毛坯尺寸可知 刀具切入長度： 刀具切出長度：取 走刀次數(shù)為1 機動時間： （2）精銑泵蓋右端面 銑削深度： 每齒進給量：根據(jù)《機械加工工藝手冊》表2.4.73，取 銑削速度：參照《機械加工工藝手冊》表2.4.81，取 機床主軸轉速：，取 實際銑削速度： 進給量： 工作臺每分進給量： 被切削層長度：由毛坯尺寸可知 刀具切入長度：精銑時 刀具切出長度：取 走刀次數(shù)為1 機動時間： 本工序機動時間 工序5：鉆鉸φ16孔深13mm盲孔，粗鉸，精鉸鉆 機床：組鉆床Z525 刀具：麻花鉆、擴孔鉆、鉸刀 切削深度： 進給量：根據(jù)《機械加工工藝手冊》表2.4.39，取 切削速度：參照《機械加工工藝手冊》表2.4.41，取 機床主軸轉速：，取 實際切削速度： 被切削層長度： 刀具切入長度： 刀具切出長度： 走刀次數(shù)為1 機動時間： 工序6：鉆鉸2xφ5圓錐銷孔通孔 機床：組鉆床Z525 鉆孔選用機床為Z525搖臂機床，刀具選用GB1436-85直柄短麻花鉆，《機械加工工藝手冊》第2卷。 根據(jù)《機械加工工藝手冊》第2卷表10.4-2查得鉆頭直徑小于10的鉆孔進給量為0.20～0.35。 則取 確定切削速度，根據(jù)《機械加工工藝手冊》第2卷表10.4-9 切削速度計算公式為 （3-20） 查得參數(shù)為，刀具耐用度T=35 則 ==1.6 所以 ==72 選取 所以實際切削速度為=2.64 確定切削時間（一個孔） = 工序7、8：鉆6xφ6.5通孔，鉆φ11孔深6mm 機床：組鉆床Z525 刀具：麻花鉆、擴孔鉆、鉸刀 切削速度：參照《機械加工工藝手冊》表2.4.105，取 機床主軸轉速：，取 絲錐回轉轉速：取 實際切削速度： 被切削層長度： 刀具切入長度： 刀具切出長度： 機動時間： 第4章 加工6個螺栓孔夾具設計 4.1 夾具的分類和作用 （1）按專業(yè)程度劃分 1）通用夾具 通用夾具是指已經(jīng)標準化的，在一定范圍內可用于加工不同工件的夾具。例如，車床上三爪卡盤和四爪單動卡盤，銑床上的平口鉗、分度頭和回轉工作臺等。這類夾具一般由專業(yè)工廠生產(chǎn)，常作為機床附件提供給用戶。其特點是適應性廣，生產(chǎn)效率低，主要適用于單件、小批量的生產(chǎn)中。 2）專用夾具 專用夾具是指專為某一工件的某道工序而專門設計的夾具。其特點是結構緊湊，操作迅速、方便、省力，可以保證較高的加工精度和生產(chǎn)效率，但設計制造周期較長、制造費用也較高。當產(chǎn)品變更時，夾具將由于無法再使用而報廢。只適用于產(chǎn)品固定且批量較大的生產(chǎn)中。 3）通用可調夾具和成組夾具 其特點是夾具的部分元件可以更換，部分裝置可以調整，以適應不同零件的加工。用于相似零件的成組加工所用的夾具，稱為成組夾具。通用可調夾具與成組夾具相比，加工對象不很明確，適用范圍更廣一些。 4）組合夾具 組合夾具是指按零件的加工要求，由一套事先制造好的標準元件和部件組裝而成的夾具。由專業(yè)廠家制造，其特點是靈活多變，萬能性強，制造周期短、元件能反復使用，特別適用于新產(chǎn)品的試制和單件小批生產(chǎn)。 5）隨行夾具 隨行夾具是一種在自動線上使用的夾具。該夾具既要起到裝夾工件的作用，又要與工件成為一體沿著自動線從一個工位移到下一個工位，進行不同工序的加工。 （2）按使用的機床分類 由于各類機床自身工作特點和結構形式各不相同，對所用夾具的結構也相應地提出了不同的要求。按所使用的機床不同，夾具又可分為：車床夾具、銑床夾具、鉆床夾具、鏜床夾具、磨床夾具、齒輪機床夾具和其他機床夾具等。 （3）按夾緊動力源分類 根據(jù)夾具所采用的夾緊動力源不同，可分為：手動夾具、氣動夾具、液壓夾具、氣液夾具、電動夾具、磁力夾具、真空夾具等。 夾具的作用：1．縮短輔助時間，提高勞動生產(chǎn)率 夾具的使用一般包括兩個過程：其一是夾具本身在機床上的安裝和調整，這個過程主要是依靠夾具自身的定向鍵、對刀塊來快速實現(xiàn)，或者通過找正、試切等方法來實現(xiàn)，但速度稍慢；其二是被加工工件在夾具中的安裝，這個過程由于采用了專用的定位裝置(如V形塊等)，因此能迅速實現(xiàn)。 2．確保并穩(wěn)定加I精度，保證產(chǎn)品質量 加工過程中，工件與刀具的相對位置容易得到保證，并且不受各種主觀因素的影響，因而工件的加工精度穩(wěn)定可靠。 3．降低對操作工人的技術要求和工人的勞動強 由于多數(shù)專用夾具的夾緊裝置只需廠人操縱按鈕、手柄即可實現(xiàn)對工件的夾緊，這在很大程度上減少了工人找正和調整工件的時間與難度，或者根本不需要找正和調整，所以，這些專用夾具的使用降低了對工人的技術要求并減輕了工人的勞動強度。 4.2 工件在夾具中的定位 一、機床夾具定位元件 工件定位方式不同，夾具定位元件的結構形式也不同，這里只介紹幾種常用的基本定位元件。實際生產(chǎn)中使用的定位元件都是這些基本定位元件的組合。 （一）工件以平面定位常用定位元件 1．支承釘 常用支承釘?shù)慕Y構形式如圖6-1所示。平頭支承釘（圖a）用于支承精基準面；球頭支承釘（圖b）用于支承粗基準面；網(wǎng)紋頂面支承釘（圖c）能產(chǎn)生較大的摩擦力，但網(wǎng)槽中的切屑不易清除，常用在工件以粗基準定位且要求產(chǎn)生較大摩擦力的側面定位場合。一個支承釘相當于一個支承點，限制一個自由度；在一個平面內，兩個支承釘限制二個自由度；不在同一直線上的三個支承釘限制三個自由度。 圖6-1 常用支承釘?shù)慕Y構形式 2．支承板 常用的支承板結構形式如圖6-2所示。平面型支承板（圖a）結構簡單，但沉頭螺釘處清理切屑比較困難，適于作側面和頂面定位；帶斜槽型支承板（圖b），在帶有螺釘孔的斜槽中允許容納少許切屑，適于作底面定位。當工件定位平面較大時，常用幾塊支承板組合成一個平面。一個支承板相當于兩個支承點，限制兩個自由度；兩個（或多個）支承板組合，相當于一個平面，可以限制三個自由度。 圖6-2 常用支承板的結構形式 3．可調支承 常用可調支承結構形式如圖6-3所示?？烧{支承多用于支承工件的粗基準面，支承高度可以根據(jù)需要進行調整，調整到位后用螺母鎖緊。一個可調支承限制一個自由度。 圖6-3 常用可調支承的結構形式 4．自位支承 常用自位支承的結構形式如圖6-4所示。由于自位支承是活動的或是浮動的，無論結構上是兩點或三點支承，其實質只起一個支承點的作用，所以自位支承只限制一個自由度。使用自位支承的目的在于增加與工件的接觸點，減小工件變形或減少接觸應力。 圖6-4 自位支承的結構形式 (二) 工件以孔定位常用定位元件 1．定位銷 圖6-6是幾種常用固定式定位銷的結構形式。當工件的孔徑尺寸較小時，可選用圖 a 所示的結構；當孔徑尺寸較大時，選用圖 b 所示的結構；當工件同時以圓孔和端面組合定位時，則應選用圖c所示的帶有支承端面的結構。用定位銷定位時，短圓柱銷限制二個自由度；長圓柱銷可以限制四個自由度；短圓錐銷（圖d）限制三個自由度。 圖6-6 固定式定位銷的結構形式 2．心軸 心軸的結構形式很多，圖6-7是幾種常用的心軸結構形式。圖a為過盈配合心軸，限制工件四個自由度；圖b為間隙配合心軸，限制工件五個自由度（心軸外圓部分限制四個自由度，軸肩面限制一個自由度）；圖c為小錐度（1：5000～1：1000）心軸，裝夾工件時，通過工件孔和心軸接觸表面的彈性變形夾緊工件，使用小錐度心軸定位可獲得較高的定位精度，它可以限制五個自由度。 圖6-7 定位心軸 （四） 工件以組合表面定位常用定位元件 在實際生產(chǎn)中，為滿足加工要求，有時采用幾個定位面相組合的方式進行定位。常見的組合形式有：兩頂尖孔、一端面一孔、一端面一外圓、一面兩孔等；與之相對應的定位元件也是組合式的。例如，長軸類零件采用雙頂尖組合定位；箱體類零件采用一面雙銷組合定位。 幾個表面同時參與定位時，各定位基準（基面）在定位中所起的作用有主次之分。例如，軸以兩頂尖孔在車床前后頂尖上定位的情況，前頂尖孔為主要定位基面，前頂尖限制三個自由度，后頂尖只限制兩個自由度。 4.3 夾具的組成 (1) 定位元件 定位元件保證工件在夾具中處于正確的位置。 (2) 夾緊裝置 夾緊裝置的作用是將工件壓緊夾牢，保證工件在加工過程中受到外力(切削力等)作用時不離開已經(jīng)占據(jù)的正確位置。圖3-3中的螺桿8(與圓柱銷合成一個零件)、螺母7和開口墊圈6就起到了上述作用。 (3) 對刀或導向裝置 對刀或導向裝置用于確定刀具相對于定位元件的正確位置。如圖3-3中鉆套l和鉆模板2組成導向裝置，確定了鉆頭軸線相對定位元件的正確位置。銑床夾具上的對刀塊和塞 尺為對刀裝置。 (4) 連接元件 連接元件是確定夾具在機床上正確位置的元件。如圖3-3中夾具體3的底面為安裝基面，保證了鉆套1的軸線垂直于鉆床工作臺以及圓柱銷5的軸線平行于鉆床工作臺。因此，夾具體可兼作連接元件。車床夾具上的過渡盤、銑床夾具上的定位鍵都是連接元件。 (5) 夾具體 夾具體是機床夾具的基礎件，如圖3-3中的件3，通過它將夾具的所有元件連接成一個整體。 (6) 其它裝置或元件 它們是指夾具中因特殊需要而設置的裝置或元件。 4.4夾具設計 4.4.1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：在對進行加工前，底平面進行了粗、精銑加工，進行了粗、精加工。因此，定位、夾緊方案有： 方案Ⅰ：選底平面、和側面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Ⅱ：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Ⅱ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Ⅰ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。 4.4.2切削力及夾緊力的計算 刀具：鉆頭。 則軸向力：見《工藝師手冊》表28.4 F=Cdfk……………………………………3.1 式中： C=450， Z=1.0, y=0.8, f=0.35 k=( F=450 轉矩 T=Cdfk 式中: C=0.506, Z=2.0, y=0.8 T=0.506 功率 P= 在計算切削力時,必須考慮安全系數(shù),安全系數(shù) K=KKKK 式中 K—基本安全系數(shù)，1.5; K—加工性質系數(shù)，1.1; K—刀具鈍化系數(shù), 1.1; K—斷續(xù)切削系數(shù), 1.1 則 F=KF=1.5 鉆削時 T=17.34 N 切向方向所受力: F= 取 F=4416 F> F 所以,時工件不會轉動,故本夾具可安全工作。 根據(jù)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(shù)作為實際所需夾緊力的數(shù)值。即： 安全系數(shù)K可按下式計算有：： 式中：為各種因素的安全系數(shù)，查參考文獻[5]表可得： 所以有： 該孔的設計基準為中心軸，故以回轉面做定位基準，實現(xiàn)“基準重合”原則；　參考文獻，因夾具的夾緊力與切削力方向相反，實際所需夾緊力F夾與切削力Ｆ之間的關系F夾＝KF 軸向力：F夾＝KF （N） 扭距： Nm 在計算切削力時必須把安全系數(shù)考慮在內，安全系數(shù) 由資料《機床夾具設計手冊》查表可得： 切削力公式： 式（2.17） 式中 查表得： 即： 實際所需夾緊力：由參考文獻[16]《機床夾具設計手冊》表得： 安全系數(shù)K可按下式計算，由式（2.5）有：： 式中：為各種因素的安全系數(shù)，見參考文獻[16]《機床夾具設計手冊》表 可得： 所以 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，決定選用螺旋夾緊機構。 4.5定位誤差的分析 該夾具以一個平面和2個定位銷定位，要求保證孔軸線間的尺寸公差。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。 由[5]和[6]可得： 1 定位誤差： 當以任意邊接觸時 通過分析可得： 因此：當以任意邊接觸時 2 夾緊誤差 ： 其中接觸變形位移值： ⑶ 磨損造成的加工誤差：通常不超過 ⑷ 夾具相對刀具位置誤差：取 誤差總和： 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。 4.6 鉆套、襯套、鉆模板設計與選用 工藝孔的加工只需鉆切削就能滿足加工要求。故選用可換鉆套（其結構如下圖所示）以減少更換鉆套的輔助時間。 圖6.1 可換鉆套 表 d D D1 H t 基本 極限 偏差F7 基本 極限 偏差D6 ＞0～1 +0.016 +0.006 3 +0.010 +0.004 6 6 9 -- 0.008 ＞1～1.8 4 +0.016 +0.008 7 ＞1.8～2.6 5 8 ＞2.6～3 6 9 8 36 16 ＞3～3.3 +0.022 +0.010 ＞3.3～4 7 +0.019 +0.010 10 ＞4～5 8 11 ＞5～6 10 13 10 16 50 ＞6～8 +0.028 +0.013 36 +0.023 +0.036 15 ＞8～10 15 18 36 50 25 ＞10～36 +0.034 +0.016 18 22 ＞36～15 22 +0.028 +0.015 26 16 28 36 ＞15～18 26 30 0.036 ＞18～22 +0.041 +0.050 30 34 50 36 HT500 ＞22～26 35 +0.033 +0.017 39 ＞26～30 42 46 25 HT500 56 ＞30～35 +0.050 +0.025 48 52 ＞35～42 55 +0.039 +0.050 59 30 56 67 ＞42～48 62 66 ＞48～50 70 74 0.040 鉆模板選用鉆模板，用沉頭螺釘錐銷定位于夾具體上。 4.7 確定夾具體結構和總體結構 對夾具體的設計的基本要求 （1）應該保持精度和穩(wěn)定性 在夾具體表面重要的面，如安裝接觸位置，安裝表面的刀塊夾緊安裝特定的，足夠的精度，之間的位置精度穩(wěn)定夾具體，夾具體應該采用鑄造，時效處理，退火等處理方式。 （2）應具有足夠的強度和剛度 保證在加工過程中不因夾緊力，切削力等外力變形和振動是不允許的，夾具應有足夠的厚度，剛度可以適當加固。 （3）結構的方法和使用應該不錯 夾較大的工件的外觀，更復雜的結構，之間的相互位置精度與每個表面的要求高，所以應特別注意結構的過程中，應處理的工件，夾具，維修方便。再滿足功能性要求（剛度和強度）前提下，應能減小體積減輕重量，結構應該簡單。 （4）應便于鐵屑去除 在加工過程中，該鐵屑將繼續(xù)在夾在積累，如果不及時清除，切削熱的積累會破壞夾具定位精度，鐵屑投擲可能繞組定位元件，也會破壞的定位精度，甚至發(fā)生事故。因此，在這個過程中的鐵屑不多，可適當增加定位裝置和夾緊表面之間的距離增加的鐵屑空間：對切削過程中產(chǎn)生更多的，一般應在夾具體上面。 （5）安裝應牢固、可靠 夾具安裝在所有通過夾安裝表面和相應的表面接觸或實現(xiàn)的。當夾安裝在重力的中心，夾具應盡可能低，支撐面積應足夠大，以安裝精度要高，以確保穩(wěn)定和可靠的安裝。夾具底部通常是中空的，識別特定的文件夾結構，然后繪制夾具布局。圖中所示的夾具裝配。 加工過程中，夾具必承受大的夾緊力切削力，產(chǎn)生沖擊和振動，夾具的形狀，取決于夾具布局和夾具和連接，在因此夾具必須有足夠的強度和剛度。在加工過程中的切屑形成的有一部分會落在夾具，積累太多會影響工件的定位與夾緊可靠，所以夾具設計，必須考慮結構應便于鐵屑。此外，夾點技術，經(jīng)濟的具體結構和操作、安裝方便等特點，在設計中還應考慮。在加工過程中的切屑形成的有一部分會落在夾具，切割積累太多會影響工件的定位與夾緊可靠，所以夾具設計，必須考慮結構應便排出鐵屑。 4.8夾具設計及操作的簡要說明 用手搖動手柄，手柄帶動一對齒輪齒條傳動，齒條進行上升運動，上升到螺旋夾緊機構固定的位置。卸下工件時只需要將手柄向反方向進行螺旋運動。整個機構操作方便，快捷迅速。 由于是大批大量生產(chǎn)，主要考慮提高勞動生產(chǎn)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，用定位銷定位最后一個轉動自由度。 總 結 這次畢業(yè)設計使我收益不小，為我今后的學習和工作打下了堅實和良好的基礎。但是，查閱資料尤其是在查閱切削用量手冊時，數(shù)據(jù)存在大量的重復和重疊，由于經(jīng)驗不足，在選取數(shù)據(jù)上存在一些問題，不過我的指導老師每次都很有耐心地幫我提出寶貴的意見，在我遇到難題時給我指明了方向，最終我很順利的完成了畢業(yè)設計。 這次畢業(yè)設計成績的取得，與指導老師的細心指導是分不開的。在此，我衷心感謝我的指導老師，特別是每次都放下他的休息時間，耐心地幫助我解決技術上的一些難題，她嚴肅的科學態(tài)度，嚴謹?shù)闹螌W精神，精益求精的工作作風，深深地感染和激勵著我。從題目的選擇到項目的最終完成，他都始終給予我細心的指導和不懈的支持。多少個日日夜夜，他不僅在學業(yè)上給我以精心指導，同時還在思想、生活上給我以無微不至的關懷，除了敬佩指導老師的專業(yè)水平外，他的治學嚴謹和科學研究的精神也是我永遠學習的榜樣，并將積極影響我今后的學習和工作。在此謹向指導老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意。 參考文獻 參考文獻 1、李益民主編.機械制造工藝設計簡明手冊.北京：機械工業(yè)出版社，1994 2、機床夾具設計手冊.北京：中國科學技術出版社 3、趙家齊主編.機械制造工藝學畢業(yè)設計指導書.北京.機械工業(yè)出版社，2000 4、吳拓、方瓊珊主編. 機械制造工藝與機床夾具畢業(yè)設計指導書.北京：機械工業(yè)出版社，2005 5、曾志偉、呂明主編，機械制造技術基礎，武漢理工大學出版社，2001年 6、肖詩綱主編，切削用量手冊，機械工業(yè)出版社，1993年 7、曾東建主編，汽車制造工藝學，機械工業(yè)出版社 8、機械設計手冊（上冊），《機械設計手冊》聯(lián)合編寫組編，化學工業(yè)出版社 致 謝 經(jīng)過了的很長時間，終于比較圓滿完成了設計任務?；仡欉@日日夜夜，感覺經(jīng)過了一場磨練，通過圖書、網(wǎng)絡、老師、同學等各種可以利用的方法，鞏固了自己的專業(yè)知識。對所學知識的了解和使用都有了更加深刻的理解。 此時此刻，我要特別感謝我的導師的精心指導，不僅指導我們解決了關鍵性技術難題，更重要的是為我們指引了設計的思路并給我們講解了設計中用到的實際工程設計經(jīng)驗，從而使我們設計中始終保持著清晰的思維也少走了很多彎路，也使我學會綜合應用所學知識，提高分析和解決實際問題的能力。不僅如此，老師的敬業(yè)精神更是深深的感染了我，鞭策著我在以后的工作中愛崗敬業(yè)，導師是真真正正作到了傳道、授業(yè)、解惑。 同時也要感謝其他同學、老師和同事的熱心幫助，感謝院系領導對我們畢業(yè)設計的重視和關心，為我們提供了作圖工具和場所，使我們能夠全身心的投入到設計中去，為更好、更快的完成畢業(yè)設計提供了重要保障。 43