泵體蓋加工工藝及鉆2-Φ5孔夾具設(shè)計
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XX學院
課程設(shè)計
課 題：
泵體蓋加工工藝及鉆2-Φ5夾具設(shè)計
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：
摘 要
本設(shè)計專用夾具的設(shè)計本設(shè)計專用夾具的設(shè)計泵體蓋零件加工過程的基礎(chǔ)上。主要加工部位可以說是平面和孔加工。在一般普通情況下，確保比保證精密加工孔更加容易。原以此，設(shè)計遵循的原則是先加工面后加工孔表面。主要的流程安排是支持在定位孔過程中的第一個，然后進行平面和孔定位技術(shù)支持上加工孔。整個過程是一個組合的選取工具。專用夾具夾具的選取，有自鎖機構(gòu)，原以此，更高的生產(chǎn)力，對于大批量，達到設(shè)計給定的要求。
關(guān)鍵詞：泵體蓋類零件；工藝；夾具；
ABSTRACT
The foundation design of special fixture design the pump dedicated fixture design for the design of the cover parts processing process. The main parts of the processing can be said to be machined surface and hole. In the ordinary circumstances, ensure more easily than guarantee precision machining hole. Therefore, the design principle is first machined surface after machining hole surface. The main flow arrangement is supported in the positioning hole of the first, and then the processing hole plane and the hole positioning technology support. The whole process is a combination of the selection tool. Special fixture fixture selection, a self-locking mechanism, therefore, higher productivity, for large quantities, to meet the design requirements.
Key words:The pipe base parts; technology; fixture;
III
目 錄
摘 要 II
ABSTRACT III
第１章 加工工藝規(guī)程設(shè)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 泵體蓋加工的主要問題和工藝過程設(shè)計所應(yīng)采取的相應(yīng)措施 2
1.3 泵體蓋加工定位基準的選取 2
1.3.1 粗基準的選取 2
1.3.2 精基準的選取 3
1.4 泵體蓋加工主要工序安排 3
1.5 機械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的確定 4
1.6確定切削用量及基本工時（機動時間） 5
1.7 時間定額計算及生產(chǎn)安排 13
第2章 鉆2-Φ5孔夾具設(shè)計 16
2.1 研究原始質(zhì)料 16
2.2 定位、夾緊方案的選擇 16
2.3 切削力及夾緊力的計算 16
2.4 誤差分析與計算 18
2.5定位銷選用 19
2.6 鉆套、襯套、鉆模板設(shè)計與選用 19
2.7夾具設(shè)計及操作的簡要說明 21
總 結(jié) 22
參考文獻 23
致 謝 24
23
第１章 加工工藝規(guī)程設(shè)計
1.1 零件的分析
1.1.1 零件的作用
題目給出的零件是泵體蓋。泵體蓋零件的加工質(zhì)量，并確保組件正確安裝。泵體蓋零件的加工質(zhì)量不僅限于影響裝配精度及運動精度，亦能左右性能和壽命。
1.1.2 零件的工藝分析
由泵體蓋零件圖可知。泵體蓋是一個盤類零件，它分別安裝在五個平面的外表面加工的需要。支持前和后孔。此外，表面還需加工一系列孔。可分三組加工表面。分析請看下面內(nèi)容：
請看下面內(nèi)容：
（1）加工面是Φ86端面加工表面。此組含有：底面的銑削加工；孔加工其中底面有表面粗糙度給定的要求為。
（2）以的M12-6H支承孔為表面的加工面。此組加工表面含有： M12-6H螺紋孔；
M12-6H支承孔端面
（3）以Φ86端面定性為加工平面的加工面。此組加工面含有：6-Φ7孔、2-Φ5孔孔加工其中底面有表面粗糙度給定的要求為，Φ86端面的銑削加工；
1.2 泵體蓋加工的主要問題和工藝過程設(shè)計所應(yīng)采取的相應(yīng)措施
從上方位比較詳細的分析可以知道。零件泵體蓋的加工表面系為孔系及平面。原以此，在此個過程中的主要問題是確保和孔的位置精度，應(yīng)對孔與平面間的關(guān)系。
孔和平面的加工順序
泵體蓋類加工按照先面后孔，按照粗、精加工互相原則。處理應(yīng)遵循先加工面后來加工孔，第一個基準，定位基準的表面處理。然后，整個系統(tǒng)的過程。平平面定位基本能確保定位牢固可靠，保證各種孔的加工粗糙度以及精度。其次，首先先加工面可以去除鑄件不均勻表面，進而為孔加工提供前提，也有利于保護刀具。
通過透析泵體蓋的加工方法案，理當取符合加工方法，加工精度以及加工設(shè)備。主要考慮加工精度和效率，此外還有考慮經(jīng)濟因素。根據(jù)基泵體蓋部給定的要求顯示和生產(chǎn)力的給定的要求，目前應(yīng)用在鏜床夾具鏜床組合適于。
（1）鏜套加工
在大批量生產(chǎn)中，加工管底座通孔通常是在組合鏜床的鏜模。加工孔鏜夾具在設(shè)計和制造給定的要求。當鏜桿的鏜套引導鏜，鏜模的精度直接保證孔的精度。鏜模提高系統(tǒng)抗振動、剛度。加工精度可通過鉆孔獲得也受到一定的限制。
（2）用坐標鏜方法
在現(xiàn)代化的出產(chǎn)中，不僅給定的要求產(chǎn)品的生產(chǎn)率要不斷提高，而且可以實現(xiàn)大的品種和數(shù)量，以及產(chǎn)品的升級換代在短時內(nèi)。坐標鏜可以達到此一給定的要求。鏜加工模板還需要利用坐標鏜床。隨著坐標鏜削的方法，需要泵體蓋孔的和在直角坐標轉(zhuǎn)換成的和公差的公差，然后用在笛卡爾坐標系統(tǒng)的運動精度鏜。
1.3 泵體蓋加工定位基準的選取
1.3.1 粗基準的選取
基準的選取應(yīng)達到下列給定的要求：
（1）保證每個重要支持均勻的加工余量；
（2）保證零件和管壁有一定的差距。
為了達到給定的要求，主要支持應(yīng)作主要參考孔。作粗基準輸入軸和輸出軸。原以此，主軸承孔的精定位，孔的加工余量必須一致。因與孔的位置，墻是相同的核心的位置。
1.3.2 精基準的選取
從孔與孔的位置，孔與平面，平面與平面的位置。精基準的選取要能確保在整個制造過程的一致的管道基本上可以使用參考選取的位置。從管底座零件圖的分析，支撐孔平行并覆蓋大面積的平面與主軸，適合用作精基準。
1.4 泵體蓋加工主要工序安排
用于零件的批量生產(chǎn)，總是首先產(chǎn)生均勻的基準?；艿奶幚淼牡谝徊绞翘幚硪粋€一致的基礎(chǔ)。具體安排第一孔定位粗后，加工頂平面。第二步是定位兩個工藝孔?？椎酌嬉矐?yīng)在兩個工藝孔加工工藝處理。
工序安排應(yīng)該是盡可能地先加工表面然后再加工孔。首先粗加工面，然后粗加工孔。螺紋孔鉆床的鉆頭，切削力大，也應(yīng)在粗加工階段完成。螺紋孔攻絲時，切削力小，可以分散在后期階段。
加工完成后，還要檢驗入庫等操作。
工藝路線一：
10、鑄造
20、時效處理
30、銑削Φ86端面
40、銑削M12-6H孔口端面
50、車深度為1的臺階面及倒角1X45度
60、鉆鉸6-Φ7孔,找平Φ13孔及孔口倒角
70、鉆孔攻絲M12-6H
80、鉆2-Φ5孔
90、終檢
100、清洗入庫
工藝路線二：
10、鑄造
20、時效處理
30、銑削Φ86端面
40、車深度為1的臺階面及倒角1X45度
50、鉆鉸6-Φ7孔,找平Φ13孔及孔口倒角
60、鉆孔攻絲M12-6H
70、銑削M12-6H孔口端面
80、鉆2-Φ5孔
90、終檢
100、清洗入庫
根據(jù)加工給定的要求和提高效率時間等因素綜合選取方法案一：
10、鑄造
20、時效處理
30、銑削Φ86端面
40、銑削M12-6H孔口端面
50、車深度為1的臺階面及倒角1X45度
60、鉆鉸6-Φ7孔,找平Φ13孔及孔口倒角
70、鉆孔攻絲M12-6H
80、鉆2-Φ5孔
90、終檢
100、清洗入庫
1.5 機械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的確定
“泵體蓋”零件質(zhì)料采用灰鑄鐵制造。質(zhì)料是HT200，硬度HB170到240，大批量生產(chǎn)，鑄造毛坯。
（1）底面的加工余量。
依照老師給定的給定的要求，面加工被分成粗、精銑，他們的加工余量請看下面內(nèi)容：
粗銑：參照《工藝手冊第1卷》。它的余量值應(yīng)當是，現(xiàn)取。
精銑：參照《手冊》，余量值為。
（3）螺孔毛坯實心，不沖孔
（4）端面加工余量。
端面可以分成幾種，他們分別是粗銑、精銑加工。各余量請看下面內(nèi)容：
粗銑：參照<<工藝手冊>>，其余量規(guī)定為，取。
（8）螺孔加工余量
毛坯為實心，不沖孔。
1.6確定切削用量及基本工時（機動時間）
工序10 無切削加工，無需計算
工序20 無切削加工，無需計算
工序30：銑削Φ86端面
機床：銑床X52K
刀具：端面銑刀，質(zhì)料：， ，齒數(shù)。
因其單邊余量：Z=3 mm
所以銑削深度：
精銑面余量：Z=1.0mm
銑削深度：
每齒進給量：，?。海°娤魉俣?
每齒進給量：，取，取銑削速度
機床主軸轉(zhuǎn)速：
按照，取
實際銑削速度：
進給量：
每分進給量：
：根據(jù),取
切削工時
被切削層：由毛坯尺寸可知，
刀具切入：
刀具切出：取
走刀次數(shù)為1
機動時間：
機動時間：
所以該總機動時間
工序40：銑削M12-6H孔口端面
機床：銑床X52K
刀具：端面銑刀，質(zhì)料：， ，齒數(shù)。
因其單邊余量：Z=3 mm
所以銑削深度：
精銑面余量：Z=1.0mm
銑削深度：
每齒進給量：，?。?，取銑削速度
每齒進給量：，取，取銑削速度
機床主軸轉(zhuǎn)速：
按照，取
實際銑削速度：
進給量：
每分進給量：
：根據(jù),取
切削工時
被切削層：由毛坯尺寸可知，
刀具切入：
刀具切出：取
走刀次數(shù)為1
機動時間：
機動時間：
所以該總機動時間
工序50、車深度為1的臺階面及倒角1X45度
給定的條件是加工質(zhì)料為灰鑄鐵，CA6140機床，用工件內(nèi)鉗式卡盤固定。
我這個設(shè)計所選數(shù)值的工藝設(shè)備是為YG6硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位車刀。因是CA6140機床的中心高為200，因此我們選刀桿尺寸=，刀片厚度=。我們選擇取定車刀幾何形狀為卷屑槽帶倒棱型前刀面，后角=，前角=，刀尖圓弧半徑=。刃傾角=，副偏角=，主偏角=。
①.確定切削深度
由于單邊余量為，可在一次走刀內(nèi)完成
②.確定進給量
根據(jù)<<切削手冊>>
刀桿尺寸測定為，，零件直徑在～400區(qū)間時，
進給量=0.5～1.0
按CA6140車床的進給量知以下結(jié)果：
=0.7
進給量為了達到進給機構(gòu)強度的數(shù)值的給定的要求，我們還需要校驗，CA6140機床進給機構(gòu)允許進給力=3530。
當強度的數(shù)值在174～207時，，， =時，徑向進給力=950。
切削時的修正系數(shù)為=1.0，=1.0，=1.17因此我們實際進給力為：
=950=1111.5 （1-2）
這樣原于切削時進給力小于允許的進給力，因此我們所選數(shù)值=可用。
③.選取刀具磨鈍標準及耐用度
根據(jù)<<切削手冊>>，車刀后刀面最大值的磨損量取數(shù)值為，車刀壽命=。
④.確定切削速度
切削速度可依照擺公式計算，有的也可以從表中查出得知。
根據(jù)<<切削手冊>>，當硬質(zhì)合金刀加工硬度200～219的鑄件，，，切削速度=。
切削速度的修正系數(shù)我們設(shè)定為=1.0，=0.92，0.8，=1.0，=1.0（見表1.28），因此我們：
==63 （1-3）
===120 （1-4）
根據(jù)CA6140車床說明操作書選
=125
此時實際切削速度為：
== （1-5）
⑤.校驗機床功率
切削時的功率我們可以從表 里查出，也可以通過擺公式來得出計算結(jié)果。
由<<切削手冊>>，=～，，，切削速度時，
=
切削功率的修正系數(shù)值設(shè)定是=0.73，=0.9，因此我們實際切削時間的功率計算出為：
=1.7=1.2 （1-6）
從表查出知道，當=時，機床主軸允許的功率數(shù)值為=，，因此我們所選數(shù)值切削用量可在機床型號是C620—1上進行，最后決定切削用量得出：
=3.75，=，==，=
精車Φ30臺階面及倒角1.5X45度
我這個設(shè)計所選數(shù)值的工藝設(shè)備是為YG6硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位車刀。由于CA6140機床的中心高數(shù)值200，因此我們選擇刀桿尺寸=，刀片厚度。選取車刀幾何形狀為卷屑槽帶倒棱型前刀面， =， =， =， =，刀尖圓弧半徑=，刃傾角=。
①.確定切削深度
由于單邊余量為，可在一次走刀內(nèi)完成
②.確定進給量
根據(jù)<<切削手冊>>可知：刀桿尺寸為，，工件直徑～400之間時，
進給量=0.5～1.0
CA6140機床進給量 =0.7
確定進給量要達到機床進給機構(gòu)強度的數(shù)值的給定的要求，因此我們需進行校驗，機床進給機構(gòu)允許進給力=3530。
當強度的數(shù)值在174～207時，， =，，時，徑向進給力：=950。
切削時的修正系數(shù)數(shù)值為=1.0，=1.0，=1.17（表1.29—2），因此我們實際進給力為：
=950=1111.5 原于切削時進給力小于允許的進給力，因此我們所選數(shù)值=可用。
③.選取刀具磨鈍標準及耐用度
根據(jù)<<切削手冊>>，刀面最大程度的磨損量取為，車刀壽命計算為=。
④.確定切削速度
切削速度可根據(jù)擺公式計算，也可直接有表中查出。
根據(jù)<<切削手冊>>，當硬質(zhì)合金刀加工硬度200～219的鑄件，，，切削速度=。
切削速度的修正系數(shù)數(shù)據(jù)為0.8，=1.0，=1.0，=1.0，=0.92，因此我們：
==63 （1-12）
===120 （1-13）
根據(jù)CA6140車床說明操作書選取
=125
此時實際切削速度為：
== （1-14）
⑤.校驗機床功率
可由表查出切削時的功率，也可計算。
由<<切削手冊>>，=～，，，切削速度時，
=
切削功率的修正系數(shù)值給定是=0.73，=0.9，因此我們實際切削時間的功率為：
=1.7=1.2
當=時，機床主軸允許功率數(shù)據(jù)值為=，，因此我們所選數(shù)值切削用量可在CA6140車床上進行，最后切削用量定為：
=1.25，=，==，=
工序60：鉆鉸6-Φ7孔,找平Φ13孔及孔口倒角
切削深度：
進給量：<<工藝手冊>>，取
切削速度：參照<<工藝手冊>>，取
機床主軸轉(zhuǎn)速：，取
實際切削速度：
被切削層：
刀具切入：
刀具切出：
走刀次數(shù)為1
機動時間：
鉸定位孔Φ7定位銷孔
切削深度：
進給量：，擴盲孔取
切削速度：，取
機床主軸轉(zhuǎn)速：，取
實際切削速度：
被切削層：
刀具切入：
刀具切出：
走刀次數(shù)為1
機動時間：
工序13：鉆孔攻絲M12-6H
機床：組合鉆床Z525
刀具：麻花鉆、擴孔鉆、鉸刀
（1）鉆底面切削深度：
進給量：根據(jù)《工藝手冊》，取
切削速度：參照《工藝手冊》，取
機床主軸轉(zhuǎn)速：，取
實際切削速度：
被切削層：
刀具切入：
刀具切出：
走刀次數(shù)1
機動時間：
螺孔攻絲
機床：組合攻絲機
刀具：釩鋼機動絲錐
進給量：由于其螺距,因此進給量
切削速度：參照《工藝手冊》，取
機床主軸轉(zhuǎn)速：，取
絲錐回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速：取
實際切削速度：
由工序4可知：
走刀次數(shù)1
機動時間：
工序80、鉆2-Φ5孔
切削深度：
進給量：根據(jù)《工藝手冊》，取
切削速度：參照《工藝手冊》，取
機床主軸轉(zhuǎn)速：，取
實際切削速度：
被切削層：
刀具切入：
刀具切出： 取
走刀次數(shù)1
機動時間：
1.7 時間定額計算及生產(chǎn)安排
設(shè)年產(chǎn)量是10萬件。一年有250個工作日。一個日產(chǎn)量420。一天工作時間的計算8個小時，每部分的生產(chǎn)時間不應(yīng)超過1.14min。機械加工單（在上述生產(chǎn)類型：）時間定額：大規(guī)模生產(chǎn)）
原以此在單一的時間定額的計算擺公式的大規(guī)模生產(chǎn)：
參照<<工藝手冊>>時間計算擺公式為：
（大量生產(chǎn)時）
原以此在大數(shù)量生產(chǎn)時單件時間定額計算擺公式為：
其中： —單件時間定性額度 —基本時間【機動時間】
—輔助時間。各種輔助動作的消費，含有裝卸時間和輔助時間工作
—布置場所地、休息時間占操作時間的百分比值
工序1：粗、精銑Φ86端面
機動時間：
輔助時間：照<<工藝手冊>>，取工步輔助時間分鐘。加工時，裝卸時間非常的有限，所以我們選取裝卸工件時間為。則
：根據(jù)<<工藝手冊>>，
單間時間定額：
工序2：鉆底面孔
機動時間：
輔助時間：照<<工藝手冊>>，取工步輔助時間分鐘。加工時，裝卸時間非常的有限，所以我們選取裝卸工件時間。則
：根據(jù)<<工藝手冊>>單間時間定額：
原以此布置一臺機床即能達到生產(chǎn)給定的要求。
工序4：鉆側(cè)面孔
機動時間：
輔助時間：照<<工藝手冊>>，取工步輔助時間分鐘。加工時，裝卸時間非常的有限，所以我們選取裝卸工件時間為。則
：根據(jù)<<工藝手冊>>，
單間時間定額：
原以此布置一臺機床即能達到生產(chǎn)給定的要求。
工序5：粗銑端面
機動時間：
輔助時間：參照<<工藝手冊>>，取工步輔助時間為。則
：根據(jù)<<工藝手冊>>，
單間時間定額：
原以此布置一臺機床即能達到生產(chǎn)給定的要求。
工序6：銑前后端面
機動時間：
輔助時間：參照<<工藝手冊>>，取工步輔助時間數(shù)值為。所以取裝卸工件時間數(shù)據(jù)值為。則
：根據(jù)<<工藝手冊>>，
單間時間定額：
原以此布置一臺機床即能達到生產(chǎn)給定的要求。
工序9：粗鏜支承孔
機動時間：
輔助時間：參照<<工藝手冊>>取工步輔助時間數(shù)值為。所以取裝卸工件時間數(shù)據(jù)值為。則
：根據(jù)<<工藝手冊>>，
單間時間定額：
即能達到生產(chǎn)給定的要求
工序12：端面螺紋孔攻絲
機動時間：
輔助時間：參照鉆孔輔助時間，取裝卸工件輔助時間數(shù)值為，工步輔助時間數(shù)值為。則
：參照鉆孔值，取
單間時間定額：
原以此布置一臺機床即能達到生產(chǎn)給定的要求。
工序14：精銑端面
機動時間：
輔助時間：參照<<工藝手冊>>，取工步輔助時間為。
由于在加工過程中裝卸時間非常的短暫，取裝卸時間為。則
：根據(jù)<<工藝手冊>>，
單間時間定額：
原以此應(yīng)當安置兩臺機床同時間完成本工序加工工藝。
即能達到生產(chǎn)給定的要求
第2章 鉆2-Φ5孔夾具設(shè)計
2.1 研究原始質(zhì)料
利用本夾具主要用來加工鉆孔2-Φ5，加工時除了要滿足粗糙度要求外，還應(yīng)滿足兩孔軸線間公差要求。為了保證技術(shù)要求，最關(guān)鍵是找到定位基準。同時，應(yīng)考慮如何提高勞動生產(chǎn)率和降低勞動強度。
2.2 定位、夾緊方案的選擇
由零件圖可知：在對加工鉆2-Φ5加工前，平面進行了粗、精銑加工，底面6-Φ7孔進行了鉆、擴加工。因此，定位、夾緊方案有：
選一面兩銷定位方式，工藝孔用短圓柱銷，用棱形銷定位，夾緊方式用操作簡單，通用性較強的鉸鏈移動壓板來夾緊。
鉆2-Φ5孔為了使定位誤差達到要求的范圍之內(nèi)，采用一面兩銷的定位方式，這種定位在結(jié)構(gòu)上簡單易操作。一面即底平面。
2.3 切削力及夾緊力的計算
刀具：鉆頭 D=5。
則軸向力：見《工藝師手冊》表28.4
F=Cdfk……………………………………3.1
式中： C=420， Z=1.0, y=0.8, f=0.35
k=(
F=420
轉(zhuǎn)矩
T=Cdfk
式中: C=0.206, Z=2.0, y=0.8
T=0.206
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(zhì)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(zhuǎn)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(shè)計基準為中心軸，故以回轉(zhuǎn)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(guān)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(nèi)，安全系數(shù)
由資料《機床夾具設(shè)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(shè)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(shè)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(jié)構(gòu)簡單、操作方便，決定選用螺旋夾緊機構(gòu)。
2.4 誤差分析與計算
該夾具以一面兩銷定位，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。
與機床夾具有關(guān)的加工誤差，一般可用下式表示：
由參考文獻[5]可得：
⑴ 兩定位銷的定位誤差 ：
其中：
，
，
，
⑵ 夾緊誤差 ：
其中接觸變形位移值：
查[5]表1～2～15有。
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(shè)計的夾具能滿足零件的加工精度要求。
2.5定位銷選用
本夾具選用一可換定位銷和棱形銷來定位，其參數(shù)如下表：
表3.1 定位銷
d
H
D
公稱尺寸
允差
8
16
15
～0.011
22
5
1
4
M12
4
2.6 鉆套、襯套、鉆模板設(shè)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(jié)構(gòu)如下圖所示）以減少更換鉆套的輔助時間。
圖6.1 可換鉆套
鉸工藝孔鉆套結(jié)構(gòu)參數(shù)如下表6.4：
表6.4 鉆套
d
H
D
公稱尺寸
允差
5
12
12
+0.018
+0.007
22
18
10
4
9
0.5
18
襯套選用固定襯套其結(jié)構(gòu)如圖所示：
圖6.2 固定襯套
其結(jié)構(gòu)參數(shù)如下表6.5：
表6.5 固定襯套
d
H
D
C
公稱尺寸
允差
公稱尺寸
允差
8
+0.034
+0.016
12
10
+0.023
+0.012
0.5
2
鉆模板選用固定式鉆模板，用4個沉頭螺釘和2個錐銷定位于夾具體上。
2.7夾具設(shè)計及操作的簡要說明
為提高生產(chǎn)率，經(jīng)過方案的認真分析和比較，選用了手動夾緊方式（螺旋機構(gòu)）。這類夾緊機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、夾緊可靠、通用性大，在機床夾具中很廣泛的應(yīng)用。
此外，當夾具有制造誤差，工作過程出現(xiàn)磨損，以及零件尺寸變化時，影響定位、夾緊的可靠。為防止此現(xiàn)象，選用可換定位銷。以便隨時根據(jù)情況進行調(diào)整換取。
總 結(jié)
通過此次的課程設(shè)計，我們系統(tǒng)地回顧了相關(guān)專業(yè)的大學，也深深意識到學習的重要性，認識到設(shè)計是一種學習的方式。在計算機和方便的參考書籍和手冊的情感設(shè)計和幫助。通過此次的課程設(shè)計，我深深感到，做任何事都要有耐心，細心。課程設(shè)計的過程，許多計算有時會讓我感到心煩意亂；有時是不小心計算誤差，只能被無情地重做。
參考文獻
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[12] 余光國，馬俊，張興發(fā)，機床夾具設(shè)計[M]，重慶：重慶大學出版社，1995。
20
致 謝
通過此次的課程設(shè)計，我深深感到，做任何事都要有耐心，細心。設(shè)計的過程，許多計算有時會讓我感到心煩意亂；有時是不小心計算誤差，只能被無情地重做。但教師思想教育比平常更多，認為他們的社會責任感的未來，思想在世界上是因為一些小錯誤，我不提醒自己，因為畢業(yè)的時候，很多人應(yīng)該知道的地方都沒有時間去仔細地去追求，但是我相信，方向是最重要的，因為方向，將用最少的精力去做事情，此工作，我的人生。
本課程設(shè)計是在老師的指導下完成的。老師讓我受益不淺，在做設(shè)計的過程中也遇到了很多問題，老師給了我很多的關(guān)心和幫助，并總是問指導我們的設(shè)計過程。
35
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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)的定位反應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)用于銑削負載到工件，他應(yīng)用于工件銑削負載一個序列。最佳的夾緊力，，對應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)在確定工件夾具系統(tǒng)的響應(yīng)特性具有重要作用。
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