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可持續(xù)夾具及固定裝置的高精度安裝的方法論
J. Jamshidi，P.G. maropoulos
英國巴斯大學(xué)機(jī)械工程學(xué)系
摘要
在夾具安裝階段，夾具組件的精確測量能力決定其精確性，尤其是對大尺寸的產(chǎn)品和應(yīng)用來說。大量定制一些在設(shè)計(jì)上有多樣性的小批量產(chǎn)品和零部件是十分重要的。產(chǎn)品質(zhì)量應(yīng)該與迅速轉(zhuǎn)換理念相互協(xié)調(diào)，對于敏感元器件及組件而言，以犧牲產(chǎn)品質(zhì)量來提高速度是不明智的，例如在航空航天工業(yè)中所看到的那些零部件。提高精確性對于夾具的安裝是很有必要的，為了要盡量少用，這可取決于夾具和夾具定位變化的耐受性預(yù)算。在航空航天工業(yè)中，靈活和可重構(gòu)夾具的概念的發(fā)展及固定裝置是夾具的主要開銷成本。吸引他們的是重構(gòu)夾具的可重用性，可持續(xù)使用是由于那些零部件也能夠被重新應(yīng)用到許多種產(chǎn)品和裝配中去。一直不佳的準(zhǔn)確性和可靠性為這類夾具的缺點(diǎn)，這篇論文主要是研究可持續(xù)夾具主要零部件的精確定位，影響夾具性能的因素在安裝階段會得以審查。本文介紹了一種在靈活夾具中為了最大限度地減少定位和夾緊的不確定性的方法。
關(guān)鍵詞:可持續(xù)性夾具；夾具安裝；校準(zhǔn)不確定性；夾具的監(jiān)測；計(jì)量；可重復(fù)使用的夾具
1引言
質(zhì)量和可靠性等因素早已經(jīng)轉(zhuǎn)換為新零件固有的特征。在他們的產(chǎn)品和服務(wù)范圍內(nèi)，近期市場趨勢已經(jīng)迫使制造業(yè)走向大規(guī)模定制。其次增加新陳品的多樣化設(shè)計(jì)在部件和組件級別上遵循第二次高幅度的變化。有先進(jìn)制造系統(tǒng)和技術(shù)的國家提供了更多的靈活性，能使設(shè)計(jì)師更加自由的發(fā)揮想象。例如在過去幾十年發(fā)展起來的一種新的大體積測量方法，就能測量及公丈的距離。用來檢測大尺寸零件的這些設(shè)備通常是由多個組裝部件所制造出來的。在重組和裝配期間，那些大尺寸產(chǎn)品的制造需要用到專用的夾具和固定裝置，以便于他們的零部件能夠被定位在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)上。對于大批量產(chǎn)品，在計(jì)算機(jī)輔助軟件上就能估算出其主要的花費(fèi)需求，否則，在某些情況下或以其他方式生產(chǎn)的產(chǎn)品成本可能會是非常高的。這個問題與客戶不斷用錢來尋求具有更高價值的市場需求相互矛盾。用一種典型的變化產(chǎn)品可以創(chuàng)建一個更加具有持續(xù)性的商業(yè)，因?yàn)樗軌驖M足相對比較大地市場需求。由支持產(chǎn)品變化的不同形狀的產(chǎn)品而形成的靈活和可重構(gòu)夾具及固定裝置則是應(yīng)對上述挑戰(zhàn)關(guān)鍵的解決方案。靈活夾具的概念已經(jīng)在研究領(lǐng)域存在了幾年[1]。然而，它們在很大程度上沒有充分利用真正的生產(chǎn)設(shè)施，尤其是大尺寸產(chǎn)品的制造，如航空航天設(shè)備。這是由于關(guān)于它們的初始安裝、校準(zhǔn)困難和可重復(fù)性等挑戰(zhàn)往往超出公差要求。這些夾具和高品質(zhì)關(guān)鍵部件裝置的制造以及大量的集成計(jì)量系統(tǒng)，都可以減少上述限制。本文包括了有關(guān)安裝的計(jì)量問題和靈活的夾具校準(zhǔn)以及檢測服務(wù)。
2相關(guān)工作
2.1大型零件的制造和裝配
通常把要精密制造的機(jī)械零件移動到機(jī)床工作臺是必需的，先進(jìn)行粗加工，然后精對準(zhǔn)和夾緊。在這個階段，一方面是準(zhǔn)備用于加工高精度的關(guān)鍵所在，然而，這對于一些大尺寸或重的零部件并不總是可以實(shí)現(xiàn)的。大型產(chǎn)品是指那些與一些不經(jīng)濟(jì)的可能需要處理或在工廠周圍移動的的組件一起來達(dá)到制造和裝配的目的[2]。制造業(yè)和這些部件的裝配工藝包括所需機(jī)器和系統(tǒng)的運(yùn)動以及這些部件的位置和方向。這些零部件通常定位在大尺寸夾具及固定裝置上該定位的位置。如果這些部件以小批量生產(chǎn)，在航空航天工業(yè)、高開銷的情況下，每個產(chǎn)品將會出現(xiàn)。在設(shè)計(jì)和制造夾具上，已經(jīng)有了許多嘗試，以便于能夠持有許多種組件的變種。然而，這方法是不可行的，因?yàn)槊舾谢蜿P(guān)鍵的零部件完全是由它們的高精度要求所決定的。與固定的夾具相比較，可調(diào)、可重構(gòu)夾具會產(chǎn)生更低的重復(fù)性。固定夾具有固定的方式，可以通過焊接或鉚接的接頭固定在一起來實(shí)現(xiàn)。這些機(jī)械故障，例如夾具和固定裝置由于疲勞和塑料變形就是一個終止其服務(wù)的主要原因，發(fā)送它們再進(jìn)行回收。小批量制造的需求是目前常見的淘汰不合格夾具，其使用壽命取決于產(chǎn)品的生命周期。換句話說，在制造變種零件停止不久之后，與之有關(guān)聯(lián)的夾具和固定裝置將會變得多余。即使夾具有工作順序，但它們?nèi)匀挥袌髲U并送往循環(huán)再造。這種方法會帶來高負(fù)擔(dān)回收的能耗。在大尺寸零件下的固定夾具和夾具的漂移以及夾具都能影響大尺寸零件組裝的精確性[5]。對于大尺寸的夾具已經(jīng)開發(fā)出了幾種分析夾具剛性的方法，可用來評估振動的影響因素。在任何情況下更加可持續(xù)生產(chǎn)要通過選擇性方案才能得以實(shí)現(xiàn)。如圖2.1所示。
圖2.1 典型的大型夾具元件
用于制造所延誤的時間是固定夾具的又一重大缺點(diǎn)，這些夾具應(yīng)該在制造前就被訂購，在生產(chǎn)計(jì)劃和產(chǎn)品上市前還可以創(chuàng)建額外的復(fù)雜性。不管他們的類型，大型夾具有一些共同的元素，包括一個主框架、內(nèi)在的框架，有可能有一個或數(shù)多個可移動的機(jī)制或更小的組件，如鉗、套管、皮卡和可調(diào)螺絲[表1]。
2.2柔性夾具
開發(fā)的柔性夾具的概念增加了其可持續(xù)性、快速轉(zhuǎn)換以及降低了成本?，F(xiàn)在可以使用現(xiàn)成的模塊來設(shè)計(jì)和組裝夾具。根據(jù)規(guī)定，只有極少數(shù)夾具的專用零件需要設(shè)計(jì)和制造。以這種概念看，大多數(shù)散裝部件、附件關(guān)節(jié)都應(yīng)用的很具體。一旦產(chǎn)品設(shè)計(jì)變異完全制造出來，然后就可以拆卸上述組件和重組成一種新的元件來與未來的設(shè)計(jì)變異相匹配。因?yàn)榻M裝和組件范圍上的設(shè)計(jì)都相當(dāng)接近，所以這種方法是最能降低夾具成本的。
根據(jù)組件的變化水平和工作類型的需求，每一個不同比例的柔性夾具都需要被重新安排。為了增加使用這種類型夾具的效益，這個問題在設(shè)計(jì)階段考慮是十分重要的。例如，在可能的情況下，皮卡車的位置和三維定位夾具上的組件的不同變種，甚至完全不同的部分應(yīng)該是在靠近增加兼容性和夾具子系統(tǒng)間變性。夾具關(guān)鍵部件的收集在短期內(nèi)能保證所需夾具的可用性。另外，這些夾具的存儲需要很少空間，因?yàn)椴鸪心K是可能的，通常以腳手架的形式并把它們彼此放在一起。目前在一些汽車公司應(yīng)用到柔性夾具，因?yàn)樗鼈兊木鹊燃壥亲銐驖M足的。大尺寸制造的夾具設(shè)施盡管沒有許多柔性夾具那樣操作靈活，比如航空航天設(shè)備。準(zhǔn)確性和定位銷的不確定性、夾具的可重復(fù)性以及夾具結(jié)構(gòu)的漂移都出現(xiàn)這樣一個事實(shí)，這些夾具在發(fā)電和航空航天等工業(yè)不能滿足公差要求。一旦它們的精度問題得以解決，這些夾具在上述的工業(yè)中將會有很高的利用價值。
圖2.2 夾具與汽車行業(yè)中的可重構(gòu)組件
大量的體積計(jì)量系統(tǒng)和技術(shù)一直有許多新的發(fā)展。依靠計(jì)量系統(tǒng)和技術(shù)的現(xiàn)代激光技術(shù)現(xiàn)在就能夠測量一些可接受精度的大尺寸產(chǎn)品甚至到幾公丈的產(chǎn)品。在安裝和初期安裝調(diào)試期間，這些系統(tǒng)能夠用來精確定位一些夾具的關(guān)鍵部件。
夾具的安裝通常開始形成機(jī)架或主要框架，然后是那些大的部件和像皮卡和夾具那樣逐漸更小的零部件。計(jì)量系統(tǒng)能夠用于柔性夾具的主要框架和其內(nèi)部框架的安裝，從而來保證每個零部件彼此之間的準(zhǔn)確定位。表1顯示了這些大規(guī)模的測量系統(tǒng)數(shù)。跟蹤系統(tǒng)能夠測量基準(zhǔn)點(diǎn)，它是實(shí)現(xiàn)這一目的的最合適的測量系統(tǒng)。一起跟蹤球式反射鏡在三維空間內(nèi)都可以認(rèn)準(zhǔn)所要記錄的位置。球式反射鏡可以直接練習(xí)目標(biāo)對象來提供幾何位置信息或可以在機(jī)械重復(fù)的球式反射鏡下應(yīng)用，從這個角度用激光來跟蹤目標(biāo)或短期目標(biāo)。像一些其他測量儀器的激光跟蹤有時候不確定，在夾具的安裝過程中需要做以說明。此外，激光跟蹤和目標(biāo)點(diǎn)之間的光線問題還應(yīng)該考慮到。如果必要的話，多個跟蹤職位都可以使用，在實(shí)際測量活動中，其結(jié)果必然是伴隨著一個不確定的說明。經(jīng)過測量，這些給定的分散的特征值是合理的，這個問題與一些夾具或夾具的安裝及以后的審核都是一樣的。這些知識闡明了一個給定的定位夾具的能力和裝配任務(wù)。換句話說，它表示在其相關(guān)流程中一套夾具是否能夠滿足公差要求。
2.3夾具理論比較
為了用于多種生產(chǎn)裝置和組裝應(yīng)用，在不同的公司也有大量不同形狀和設(shè)計(jì)的夾具。這些夾具中的某一些的形式都是標(biāo)準(zhǔn)形式，然而另一些是經(jīng)過專門設(shè)計(jì)和制造的特殊零部件。后者可以說是建立在產(chǎn)品的復(fù)雜性和大規(guī)模的基礎(chǔ)上的，所以可能會是非常昂貴的[9]。
無論成本和目的如何，制造和組裝過程都可以完成，要么不使用夾具，要么用固定幀夾具或用可重構(gòu)或柔性夾具。表2對它們的典型應(yīng)用的這些方法做出了比較。
固定框夾具通常用于重型應(yīng)用上，它們更適合于應(yīng)用在能夠減輕花費(fèi)開銷的大量產(chǎn)品上。
對于制造業(yè)和大型組裝及復(fù)雜產(chǎn)品來說，柔性夾具的應(yīng)用有很多好處。特別是在研究和發(fā)展工作中，以及低容量產(chǎn)品的情況下，制造柔性夾具和夾具可能會是非常有益的。除了在時間和金錢上使利益均衡外，柔性夾具還會有一個更加靈活的設(shè)計(jì)思路。由于在夾具的制造和裝配過程中，會直接和經(jīng)常改變夾具的拓?fù)涑杀?。與傳統(tǒng)夾具相比較，這種類型的柔性夾具的可重用性和可重構(gòu)性是一個主要的優(yōu)點(diǎn)。這一點(diǎn)尤為重要，因?yàn)樗诰G色制造方面符合行業(yè)的發(fā)展方向，通過回收使用系統(tǒng)的組成部件，為相關(guān)項(xiàng)目的工裝費(fèi)用降低了項(xiàng)目成本。
表2.1 用于驗(yàn)證夾具大量的例子、便攜式測量儀器
儀器
輔助部件
測量類型
接觸式 非接觸式
圖像
激光跟蹤儀
賽立信探頭
是
T型探頭
是
激光雷達(dá)
球形目標(biāo)
是
攝影
目標(biāo)
是
光投影
是
關(guān)節(jié)臂
三坐標(biāo)測量機(jī)
基于激光掃描頭
是
接觸探頭
是
2.4 柔性夾具的安裝
本節(jié)中描述的夾具在安裝過程中需要考慮一些問題。夾具元件安裝在合適位置可以說是一種挑戰(zhàn)，尤其是當(dāng)定位公差比較小時，柔性夾具也應(yīng)當(dāng)被監(jiān)測以便于開發(fā)和與傳統(tǒng)夾具相比較它們的剛性。
給出了一個通用的描述階段根據(jù)初步夾具安裝在仿真軟件環(huán)境和利用一些尺寸為5m×4m×3m的大尺寸夾具的實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果來測量指令階段。這是不論這個夾具是否是第一次安裝在夾具中還是對已經(jīng)存在的夾具只做外形上的更換，其都是為了定位不同的零部件。
根據(jù)其復(fù)雜性，一種典型的大尺寸夾具具有三至五個結(jié)構(gòu)。通常除了有一個主框架之外，在每一個級別的基本水平，也可以由一個或多個結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)用來作為參考以便于作為夾具基準(zhǔn)來定位。在一個自動化固定的平臺上，機(jī)器系統(tǒng)會進(jìn)行多項(xiàng)任務(wù)，比如定位、加工和進(jìn)行裝配。因此機(jī)器人的工作基準(zhǔn)與夾具的工作框架相聯(lián)系。仔細(xì)考慮夾具的綜合數(shù)據(jù)，會確保后續(xù)安裝達(dá)到預(yù)期的公差要求。
2.4.1 測試輔助柔性夾具的安裝
柔性夾具的安裝在第一次進(jìn)行模擬仿真時有幾個安裝階段。使用模擬演習(xí)，在這個工程中可以減少一些潛在的錯誤和返工。測量輔助安裝過程是類似的跟蹤對象位置的過程，是常見的大尺寸組件用到的。夾具的組件先用這種方法使其大致位置公差在1mm以內(nèi)，然后當(dāng)所有的夾具組件被放到所設(shè)計(jì)的位置時，在0.1mm至0.15mm公差內(nèi)，它們可以使用適當(dāng)?shù)呐ぞ厥站o。典型的計(jì)量協(xié)助柔性夾具安裝階段如下：
在出廠時設(shè)置初試參考結(jié)構(gòu)；
測量初始參照系；
安裝基地或其位置的主框架；
安裝脫機(jī)內(nèi)結(jié)構(gòu)；
安裝控股和定位；
在內(nèi)框和主框架位置安裝鉗、套管和皮卡。
底座上安裝內(nèi)框；
重點(diǎn)定位元件的精細(xì)調(diào)整和緊固；
核查參照系和夾具；
對于夾具關(guān)鍵位置的服務(wù)監(jiān)測。
這些階段是從無到有夾具的完整安裝。更不用說，在設(shè)計(jì)變化略有變化的情況下，一些下面的操作將被忽略。
表2.2 不同夾具理念之間簡明的比較
典型特征
固定框架
柔性夾具
夾具
應(yīng)用
大批量產(chǎn)品
小批量產(chǎn)品
樣機(jī)
優(yōu)點(diǎn)
唯一性
可重復(fù)性
可重構(gòu)性
成本效益
耐用性
非常高
高
低
剛度
非常高
剛性不確定
低
缺點(diǎn)
重量
重
中
低
可移植性
不可移植
難以在每一個安裝中定位
難以進(jìn)行
成本
非常高
中等
低
生產(chǎn)時間
長
中等
短
2.4.2 柔性夾具的安裝
柔性夾具安裝過程中采取了以下階段：
安裝夾具的主框架；
移動單元和子系統(tǒng)組裝；
夾具內(nèi)框架在夾具裝配中的安裝；
皮卡和夾具的裝配。
主框架通常是夾具的骨干。因此，它一般不會改變外形，和內(nèi)框架及較小的元素如襯套、皮卡和夾具一樣具有規(guī)律性。慎重考慮制造過程可以減少夾具元件較大元素的重新排列，也會更進(jìn)一步節(jié)約時間和成本。圖3顯示了三組不同活動小組對于柔性夾具的安裝過程。在這個過程中，假定夾具的標(biāo)準(zhǔn)件是從可供選擇的現(xiàn)成的部件和組件中選出來的，然后提前在大量的物理安裝測試和調(diào)試時以降低測量不確定度來進(jìn)行一次夾具安裝。一旦達(dá)到可接受水平的不確定性的物理安裝才能進(jìn)行。
圖2.3 柔性夾具的測量輔助安裝程序
在夾具安裝過程中，它可能需要用到多個測量系統(tǒng)或用到包括一套完整夾具安裝關(guān)鍵點(diǎn)的測量系統(tǒng)。這應(yīng)該包括在夾具維修期間放在工廠的地板和墻壁上的穩(wěn)定性及漂移檢查的目標(biāo)參考點(diǎn)。
在夾具上定位的關(guān)鍵點(diǎn)、測量儀器的不確定性應(yīng)該予以考慮。作為一個經(jīng)驗(yàn)法則，每個夾具關(guān)鍵位置的定位的準(zhǔn)確性應(yīng)該是在10倍，甚至比所需的耐受性更好。換句話說，如果組件公差指定至0.1mm，則夾具定位精度至少應(yīng)為0.01mm。
柔性夾具安裝的最佳做法如下：
一個工廠的墻壁和地板上的初始參考點(diǎn)的位置是首選，以減少測量的不確定性；
應(yīng)驗(yàn)證該儀器所在位置上經(jīng)常使用初始參考點(diǎn)的基地；
在每個夾具的大節(jié)上，為更好地具有跟蹤和可重復(fù)性，可以附加多個球式反射跟蹤系統(tǒng)；
夾具大型組件有關(guān)于彎曲或扭曲的測量應(yīng)集中在角梁的中央部分，以減少定位誤差；
內(nèi)框架參考點(diǎn)應(yīng)選擇盡可能遠(yuǎn)的創(chuàng)建框的坐標(biāo)系統(tǒng)。這可能會導(dǎo)致在內(nèi)框坐標(biāo)系時的較小的不確定性。
3.不確定性
由于評估的結(jié)果旨在對于所描述物體真正價值范圍內(nèi)的評估定位，則不確定性被定義為膠[8]。這里的不確定性來自兩方面的審查，首先是與測量過程中有關(guān)的，其次是與夾具定位的不確定性有關(guān)。測量不確定性的一些因素，如灰塵、重力、溫度、氣壓、濕度、測量儀器和相關(guān)軟件中的系統(tǒng)誤差、操作人員的技能、接觸探針或球式反射跟蹤儀?；谀z[8]的定義，測量結(jié)果應(yīng)伴隨著它的不確定性說明，這些錯誤詳細(xì)來源的討論超出了本文的范圍。已經(jīng)有多項(xiàng)研究來建立真正的不確定性的一些測量儀器[10、11]。
夾具關(guān)鍵點(diǎn)的測量結(jié)果應(yīng)該包括相關(guān)的置信水平。除了最初的不確定性上升的測量儀器，夾具的不確定性還有其他方面的影響。夾具框架方面的應(yīng)用由于產(chǎn)品重量以及制造工藝過程在夾具框架中能創(chuàng)建一些彈性變形。夾具有了集成化、自動化和移動部分，是這個問題變得更加復(fù)雜。
仔細(xì)考慮夾具設(shè)計(jì)階段不確定性的來源可以在一個給定的情況下減少過度使用公差預(yù)算的風(fēng)險。夾具的精度和夾具的成本之間有著直接的關(guān)系。然而，整體的成本也應(yīng)該被考慮在內(nèi)。高數(shù)額的零部件有更長的使用壽命。換句話說，質(zhì)量特征接近平均值是，在使用過程中會很少失效。朝六個方向靠近在安裝時是很必要的，然后是在高精度夾具和敏感部位上的可重構(gòu)、柔性夾具及夾具的監(jiān)測。
4.討論
柔性夾具適用于組裝和在加工部分有不同的設(shè)計(jì)和幾何參數(shù)。尤其是當(dāng)這些部件之間的設(shè)計(jì)變化小時，這種類型的夾具被證明是具有成本效益和快速的解決方案，這是因?yàn)樗赡軙ㄟ^夾具重新配置到一個新的產(chǎn)品或組件的變種上。然而，當(dāng)所需的零件盒裝配的設(shè)計(jì)完全不同時，可能需要不同尺寸夾具組件的完整地重排，因此，在設(shè)計(jì)一個新的零件和重組夾具的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時應(yīng)該考慮到要便于減少夾具的安裝和重新配置的時間以及成本，并最大限度的重用現(xiàn)在的組件在當(dāng)前的裝配中。
一個柔性夾具有許多種裝配方式，是由于其靈活性。在正確的安裝順序下選擇合適的組件，可以最大限度的節(jié)約成本和時間。本次選擇的過程中應(yīng)該對未來產(chǎn)品的夾具的潛在的重用予以考慮。在產(chǎn)品不斷變化的情況下，計(jì)劃和設(shè)計(jì)夾具框架是很重要的。使用定制的夾具、緊固件、軸套和其他夾具元件都是降低成本的關(guān)鍵問題。
仿真軟件和工具的廣泛使用，可以減少返工和浪費(fèi)夾具材料相關(guān)的成本。例如測量儀器，其目標(biāo)點(diǎn)之間的視線檢查就會使用這些軟件來輔助。圖4顯示了柔性夾具安裝在測量仿真軟件中的第一個階段。由于夾具正在興建的模擬的效益越
來越明顯，因此它可以突出儀器與目標(biāo)測量點(diǎn)的水平視線的問題和不確定性。
由于關(guān)于夾具操作中重量和力使夾具元件的電位漂移和變形，則可以提前在仿真中分析以及在購買夾具元件方面的財(cái)政。更重要的是，這種工具允許更好的裝配和制造等操作，因?yàn)樗鼈兡芴崆胺治龀鰥A具的長處和弱點(diǎn)，揭示其物理設(shè)置。
選擇合適的測量儀器最重要的是要協(xié)助夾具安裝的的計(jì)量。一個連貫的計(jì)量系統(tǒng)，其測量結(jié)果的不確定性能夠決定夾具的不確定性，也暴露了夾具和是否符合一個給定的公差范圍內(nèi)所需任務(wù)的能力。
圖4.1 測量輔助夾具安裝的模擬過程
由于關(guān)于夾具操作中重量和力使夾具元件的電位漂移和變形，則可以提前在仿真中分析以及在購買夾具元件方面的財(cái)政。更重要的是，這種工具允許更好的裝配和制造等操作，因?yàn)樗鼈兡芴崆胺治龀鰥A具的長處和弱點(diǎn)，揭示其物理設(shè)置。
選擇合適的測量儀器最重要的是要協(xié)助夾具安裝的的計(jì)量。一個連貫的計(jì)量系統(tǒng)，其測量結(jié)果的不確定性能夠決定夾具的不確定性，也暴露了夾具和是否符合一個給定的公差范圍內(nèi)所需任務(wù)的能力。
總結(jié)
零件和裝配體應(yīng)該以盡量減少夾具成本的方式來設(shè)計(jì)，以滿足使用標(biāo)準(zhǔn)組件。如果在夾具更新至下一產(chǎn)品時提前思考，則其速度和成本可能會增加。在夾具和固定裝置的設(shè)計(jì)上有強(qiáng)大的總成本、碳足跡及其可持續(xù)性。它往往要求生產(chǎn)出只有極少數(shù)的典型設(shè)計(jì)或產(chǎn)品，子系統(tǒng)或組件，以滿足產(chǎn)品的變化和客戶的需求。對于大型產(chǎn)品的幾何尺寸超出幾米夾具的可能會造成重大的開銷。此外，一旦所需的零部件倍制造出來，這些夾具則會變得多余。常規(guī)回收多余夾具是不經(jīng)濟(jì)的。因此，找到增加夾具的靈活性才是所需求的方法。
柔性夾具和夾具的概念已存于二十余年。然而它們的潛能還沒有真正發(fā)揮，是由于其精度可可重復(fù)性的不確定性。高精度計(jì)量系統(tǒng)現(xiàn)在能夠用來對夾具進(jìn)行初始安裝和服務(wù)。然后使用該系統(tǒng)有可能重新設(shè)定夾具元素使其精確到一個新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以便于定位不同幾何位置的組件，允許幾次使用夾具。
本文提出了一種對于大規(guī)模柔性夾具及夾具初始定位和安裝的通用的算法。計(jì)量輔助夾具安裝的新概念被證明對復(fù)雜的設(shè)置和夾具的安裝是有益的。當(dāng)完全裝配好時，夾具的穩(wěn)定性可以通過慎重考慮和選擇夾具幾何位置上的關(guān)鍵點(diǎn)來予以保證。這種方法將應(yīng)用于大尺寸元件和產(chǎn)品的制造以及裝配件，尤其是應(yīng)用于航空航天和發(fā)電工業(yè)中。
摘 要 機(jī)械加工工藝規(guī)程設(shè)計(jì)和機(jī)床專用夾具設(shè)計(jì)在零件生產(chǎn)制造中有著很 重要的作用。制定可行的機(jī)械加工工藝路線和設(shè)計(jì)合理的夾具才可確保零 件的加工質(zhì)量，生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品。本設(shè)計(jì)的內(nèi)容可分為機(jī)械加工工藝規(guī) 程設(shè)計(jì)和機(jī)床專用夾具設(shè)計(jì)兩大部分。先對 B6065 刨床推動架零件進(jìn)行了 詳細(xì)的分析，了解其作用及加工要求。制定了兩套工藝路線，通過分析、 比較，最終確定了工藝路線方案，確定出加工余量和工序尺寸，選擇了合 適的加工設(shè)備，確定出了切削用量，計(jì)算了加工所需的基本工時。又運(yùn)用 夾具設(shè)計(jì)的基本原理和方法，擬定夾具設(shè)計(jì)的方案，針對零件加工中的銑 槽工序和鉆孔工序設(shè)計(jì)了三套專用夾具。本設(shè)計(jì)的加工工藝合理，夾具可 行、高效、省力，能滿足零件的加工要求，保證其加工質(zhì)量。 關(guān)鍵詞：機(jī)械加工；工藝規(guī)程；專用夾具；推動架 Abstract The machining process planning design and machine tool fixture design plays a very important role in parts manufacturing. Make feasible machining technology route and design reasonable fixture can ensure machining quality, product qualified. The design of the content can be divided into design for mechanical machining and machine fixture design two parts. First the B6065 planer promote frame parts are analyzed in detail, understanding the role and requirements of the processing, formulation, analysis, comparison and determine the process scheme, machining allowance and the process dimensions were determined, choose suitable processing equipment, to determine the cutting parameters, calculate the basic work processing required. And by using the basic principle and method of fixture design, fixture design scheme proposed, aiming at the slot milling machining process and drilling process three sets of special fixture design. Processing technology of the design is reasonable, feasible, high efficiency, labor saving fixture, can meet the processing requirements of parts, ensure the machining quality. Key Words: Mechanical processing; process planning; special fixture; promote frame 目 錄 摘 要 .............................................................................................................................................1 ABSTRACT...................................................................................................................................2 目 錄 .............................................................................................................................................3 引 言 .............................................................................................................................................1 1 緒論 ...........................................................................................................................................2 1.1 題目背景和研究意義 ..........................................................................................................2 1.2 國內(nèi)外相關(guān)研究情況 ..........................................................................................................3 1.3 本課題研究的主要內(nèi)容 ......................................................................................................6 2 零件的分析 ...............................................................................................................................7 2.1 零件的作用 ..........................................................................................................................7 2.2 零件的工藝分析 ..................................................................................................................8 3 工藝規(guī)程設(shè)計(jì) ...........................................................................................................................9 3.1 確定毛坯的制造形式 ..........................................................................................................9 3.2 基面的選擇 ..........................................................................................................................9 3.3 制定工藝路線 ......................................................................................................................9 3.4 機(jī)械加工余量、工序尺寸及毛皮尺寸的確定 ................................................................11 3.5 確立切削用量及基本工時 ................................................................................................12 4 卡具設(shè)計(jì) .................................................................................................................................23 4.1 鉆擴(kuò)鉸 Φ16 孔的鉆夾具 ..................................................................................................23 4.2 鉆孔 Φ6，锪孔的鉆床夾具 ..............................................................................................24 4.3 鉆 M8 底孔 Φ6.6，攻 M8 孔的鉆床夾具 .........................................................................25 4.4 銑槽 6X1、6X9 銑床夾具 .................................................................................................26 參考文獻(xiàn) .......................................................................................................................................28 致 謝 ...........................................................................................................................................29 1 引 言 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是我們在畢業(yè)設(shè)計(jì)前一次重要的實(shí)踐設(shè)計(jì)，對所學(xué)的基 礎(chǔ)課、技術(shù)基礎(chǔ)課和專業(yè)課能很好的進(jìn)行系統(tǒng)的復(fù)習(xí)，也是我們在進(jìn)行畢 業(yè)之前對所學(xué)各畢業(yè)的一次深入的綜合性的總復(fù)習(xí),也是一次理論聯(lián)系實(shí) 際的訓(xùn)練,因此,它在我們四年的大學(xué)生活中占有重要的地位。 就我個人而言，我希望能通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)對自己未來將從事的工作 進(jìn)行一次適應(yīng)性訓(xùn)練，從中鍛煉自己分析問題、解決問題的能力，為今后 參加祖國的“四化”建設(shè)打下一個良好的基礎(chǔ)。 在些次設(shè)計(jì)中我們主要是設(shè)計(jì)推動架的加工工藝和工藝器具。在此次 畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中，我小組成員齊心協(xié)力、共同努力完成了此項(xiàng)設(shè)計(jì)。 在設(shè)計(jì)期間查閱了大量的資料，并且得到了有關(guān)老師的指點(diǎn)，尤其是 教務(wù)處 老師的親切指導(dǎo)和 老師的大力幫助，在此表示感謝！ 由于能力所限，設(shè)計(jì)尚有許多不足之處，懇請各位老師給予指導(dǎo)。 2 1 緒論 1.1 題目背景和研究意義 機(jī)械制造業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，現(xiàn)代制造業(yè)正在改變著人們的生 產(chǎn)方式、生活方式、經(jīng)營管理模式乃至社會的組織結(jié)構(gòu)和文化。生產(chǎn)的發(fā) 展和產(chǎn)品更新?lián)Q代速度的加快，對生產(chǎn)效率和制造質(zhì)量提出了越來越高的 要求，也就對機(jī)械加工工藝等提出了要求。在實(shí)際生產(chǎn)中，由于零件的生 產(chǎn)類型、形狀、尺寸和技術(shù)要求等條件不同，針對某一零件，往往不是單 獨(dú)在一種機(jī)床上用某一種加工方法就能完成的，而是需要經(jīng)過一定的工藝 過程。因此，我們不僅要根據(jù)零件具體要求，選擇合適的加工方法，還要 合理地安排加工順序，一步一步地把零件加工出來 [1]。 機(jī)械加工工藝是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，保證產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)約能源、降低成本 的重要手段，是企業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)準(zhǔn)備，計(jì)劃調(diào)度、加工操作、生產(chǎn)安全、技 術(shù)檢測和健全勞動組織的重要依據(jù)，也是企業(yè)上品種、上質(zhì)量、上水平， 加速產(chǎn)品更新，提高經(jīng)濟(jì)效益的技術(shù)保證。夾具是能夠使產(chǎn)品按一定的技 術(shù)要求準(zhǔn)確定位和牢固夾緊的工藝裝置，它主要用于保證產(chǎn)品的加工質(zhì)量、 減輕勞動強(qiáng)度、輔助產(chǎn)品檢測、展示、運(yùn)輸?shù)?[2]。夾具又是制造系統(tǒng)的重 要組成部分，不論是傳統(tǒng)制造，還是現(xiàn)代制造系統(tǒng)，夾具都是十分重要的。 因此，好的夾具設(shè)計(jì)可以提高產(chǎn)品勞動生產(chǎn)率，保證和提高加工精度，降 低生產(chǎn)成本等，還可以擴(kuò)大機(jī)床的使用范圍，從而使產(chǎn)品在保證精度的前 提下提高效率、降低成本。在當(dāng)今激烈的市場競爭和企業(yè)信息化的要求下， 企業(yè)對夾具的設(shè)計(jì)及制造提出了更高的要求 [3]。 工件的工藝分析及夾具設(shè)計(jì)是工藝工程師必備的專業(yè)素質(zhì)。本課題的 目的是通過完成畢業(yè)設(shè)計(jì)，使學(xué)生掌握機(jī)械加工的流程，對培養(yǎng)學(xué)生盡早 成為合格工藝工程師具有重要的實(shí)踐意義 [4]。 我還認(rèn)為這次“推動架零件機(jī)械加工工藝以及專用夾具的設(shè)計(jì)”的畢 業(yè)設(shè)計(jì)是完成了大學(xué)全部課程之后，進(jìn)行的一次理論聯(lián)系實(shí)際的綜合運(yùn)用。 我希望通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)使我的專業(yè)知識、技能有進(jìn)一步的提高，鍛煉自 己分析問題、解決問題的能力，為自己以后從事專業(yè)技術(shù)的工作打下堅(jiān)實(shí) 3 的基礎(chǔ)。 1.2 國內(nèi)外相關(guān)研究情況 1.2.1 發(fā)展歷史 夾具從產(chǎn)生到現(xiàn)在，大約可以分為三個階段:第一階段主要表現(xiàn)在夾具 與人 的結(jié)合上，這時夾具主要是作為人的單純的輔助工具，是使加工過程加速 和趨于完善。第二階段，夾具成為人與機(jī)床之間的橋梁，夾具的機(jī)能發(fā)生 了變化，它主要用于工件的定位和夾緊。人們越來越認(rèn)識到夾具與操作人 員改進(jìn)工作及機(jī)床性能的提高有著密切的關(guān)系，所以對夾具引起了重視。 第三階段表現(xiàn)為夾具與機(jī)床的結(jié)合，夾具為機(jī)床的一部分，成為機(jī)械加工 中不可缺少的工藝裝備 [5]。 1.2.2 發(fā)展現(xiàn)狀、趨勢 制造業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，隨著以計(jì)算機(jī)技術(shù)為主導(dǎo)的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù) 的迅速發(fā)展，以“ 時間驅(qū)動 ”為特征的市場競爭、產(chǎn)品更新?lián)Q代的加快、商 品需求的多樣化、用戶素質(zhì)的提高等使制造業(yè)面臨著巨大的挑戰(zhàn)，特別像 推動架這樣不規(guī)則零件的加工就出現(xiàn)了一些問題，在現(xiàn)階段像推動架的加 工還沒有達(dá)到現(xiàn)代自動化的水平 [6]。在現(xiàn)代的中小批量生產(chǎn)中，它的加工 工藝還需用人工畫線的方法來保證其精度，而對工件的裝夾也是通過人工 的方法進(jìn)行的。因此目前我國對推動架加工還處于效率低、成本高的階段 [7]。 a. 現(xiàn)代機(jī)械制造技術(shù)的現(xiàn)狀 在產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面，普遍采用計(jì)算機(jī)輔助產(chǎn)品設(shè)計(jì)(CAD)、計(jì)算機(jī)輔助 工程分析(CAE) 和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)；在加工技術(shù)方面，已實(shí)現(xiàn)了底層(車間 層)的自動化，包括廣泛地采用加工中心(或數(shù)控技術(shù))、自動引導(dǎo)小車 (AGV)等．近 10 余年來，發(fā)達(dá)國家主要從具有全新制造理念的制造系統(tǒng)自 4 動化方面尋找出路，提出了一系列新的制造系統(tǒng)。如計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)、 智能制造系統(tǒng)、并行工程、敏捷制造等 [8]。 (1) 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS) 它是在自動化技術(shù)、信息技術(shù)和制造技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過計(jì)算機(jī)及其 軟件，將制造廠全部生產(chǎn)活動所需的各種分散的自動化系統(tǒng)有機(jī)地集成起 來，是適合于多品種、中小批量生產(chǎn)的總體高效率、高柔性的制造系統(tǒng)。 首先在功能上，它包含了一個工廠的全部生產(chǎn)經(jīng)營活動，即從市場預(yù)測、 產(chǎn)品設(shè)計(jì)、加工工藝、制造、管理至售后服務(wù)以及報廢處理的全部活 動．因此它比傳統(tǒng)的工廠自動化的范圍要大得多，是一個復(fù)雜的大系統(tǒng)， 是工廠自動化的發(fā)展方向 [9]。其次，在集成上，它涉及的自動化不是工廠 各個環(huán)節(jié)自動化的簡單疊加，而是在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和分布式數(shù)據(jù)庫支持下的 有機(jī)集成。這種集成主要體現(xiàn)在以信息和功能為特征的技術(shù)集成，即信息 集成和功能集成。計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)的核心技術(shù)是 CAD/CAM 技術(shù)。 (2) 智能制造系統(tǒng) (IMS) 是指將專家系統(tǒng)、模糊邏輯、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等人工智能技術(shù)應(yīng)用到制 造系統(tǒng)中，以解決復(fù)雜的決策問題，提高制造系統(tǒng)的水平和實(shí)用性。人工 智能的作用是要代替熟練工人的技藝，學(xué)習(xí)工程技術(shù)人員的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和知 識，并用于解決生產(chǎn)中的實(shí)際問題，從而將工人、工程技術(shù)人員多年來積 累起來的豐富而又寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)保存下來，在實(shí)際的生產(chǎn)中長期發(fā)揮作 用。智能制造系統(tǒng)的核心技術(shù)是人工智能。 (3) 并行工程 (CE) 又稱同步工程或同期工程，是針對傳統(tǒng)的產(chǎn)品串行開發(fā)過程而提出的 概念和方法．并行工程是集成地、并行地設(shè)計(jì)產(chǎn)品及其相關(guān)各種過程的系 統(tǒng)方法。該方法要求開發(fā)人員從設(shè)計(jì)開始就考慮產(chǎn)品整個生命周期中的所 有因素，包括產(chǎn)品制造工藝、質(zhì)量、成本、進(jìn)度計(jì)劃和用戶要求等。并行 工程通過組成多學(xué)科的產(chǎn)品開發(fā)群組協(xié)同工作，利用各種計(jì)算機(jī)輔助工具 等手段，使產(chǎn)品開發(fā)的各個階段，既有一定的時序又能并行，同時采用上、 下游的各種因素共同決策產(chǎn)品開發(fā)各階段工作的方式，在產(chǎn)品開發(fā)的早期 就能及時發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)全過程中的問題，從而縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，提高產(chǎn) 5 品質(zhì)量，降低成本，增加企業(yè)競爭能力．并行工程強(qiáng)調(diào)在集成環(huán)境下的并 行工作，因此，它是 CIMS 進(jìn)一步發(fā)展的方向 [10]。 (4) 敏捷制造 (AM) 又稱靈捷制造、迅速制造和靈活制造等，它是將柔性生產(chǎn)技術(shù)、熟練 掌握生產(chǎn)技能和知識的勞動力與促進(jìn)企業(yè)內(nèi)部和企業(yè)之間相互合作的靈活 管理集成在一起，通過所建立的共同基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，對迅速改變或無法預(yù)見的 消費(fèi)者需求和市場時機(jī)作出快速響應(yīng) [11]。敏捷制造的基本原理是采用標(biāo)準(zhǔn) 化和專業(yè)化的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和信息集成基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，以分布式結(jié)構(gòu)連接各類企 業(yè)，構(gòu)成虛擬制造環(huán)境，以競爭合作為原則，在虛擬制造環(huán)境內(nèi)動態(tài)選擇 合作伙伴，并通過組成虛擬企業(yè)來適應(yīng)持續(xù)多變、無法預(yù)料的市場變 化．敏捷制造的核心是虛擬公司，虛擬公司映射為虛擬制造系統(tǒng)，虛擬制 造系統(tǒng)是敏捷制造的關(guān)鍵．敏捷制造是一種戰(zhàn)略決策，它是能使各合作伙 伴既保證各自的利益，又能獲得共同利益的一種全新的生產(chǎn)組織模式和制 造模式。目前，敏捷制造仍在發(fā)展研究中 [12]。 b.機(jī)械加工工藝的未來發(fā)展趨勢 (1) 集成化發(fā)展趨勢 隨著機(jī)械自動化技術(shù)在機(jī)械制造業(yè)中的逐漸推廣，機(jī)械制造工藝不斷 趨向于集成化，原本分散型的加工模式也逐漸向集成化靠攏，機(jī)械制造開 始具備連續(xù)性和規(guī)模性。目前在機(jī)械制造業(yè)中集成化的利用主要是連續(xù)性 加工和機(jī)電一體化，它們主要是針對零件加工的一次性完成，而集成化今 后的發(fā)展趨勢則 是使整個成品集體化生產(chǎn) [13]。 (2) 微納化發(fā)展趨勢 在機(jī)械制造工藝中提高加工材料的性能，對加工工藝過程進(jìn)行優(yōu)化是 促進(jìn)機(jī)械制造工藝發(fā)展的主要途徑，對加工進(jìn)行精密化更是提高加工零件 使用壽命的關(guān)鍵，納米技術(shù)的發(fā)展使得機(jī)械制造工藝已逐步趨向于微觀化。 (3) 自動化發(fā)展趨勢 自動化技術(shù)在機(jī)械制造業(yè)中的運(yùn)用使得機(jī)械制造工藝有了很大的改善， 6 無論是加工質(zhì)量還是加工效率都有了大幅度的改觀。隨著經(jīng)濟(jì)全球化的腳 步加快，提高機(jī)械制造生產(chǎn)線的自動化程度就變得尤為重要，而自動化技 術(shù)也將成為機(jī)械制造業(yè)今后發(fā)展的必然趨勢，同時這也是建立自動化制造 工廠的必要條件。 (4) 數(shù)字化發(fā)展趨勢 數(shù)字化作為機(jī)械制造工藝發(fā)展的一個重要方向，它決定了生產(chǎn)的準(zhǔn)確 性和系統(tǒng)的工作效率，對機(jī)械制造工藝進(jìn)行數(shù)字化還體現(xiàn)在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)和生 產(chǎn)過程當(dāng)中，數(shù)字化的設(shè)計(jì)使得整個機(jī)械制造工藝過程更加完整高效。除 此之外，對生產(chǎn)過程進(jìn)行數(shù)字化管理也是生產(chǎn)的一個基礎(chǔ)條件，它可以引 導(dǎo)企業(yè)逐漸走上科學(xué)發(fā)展道路 [14]。 隨著機(jī)械工業(yè)的迅速發(fā)張，對產(chǎn)品的品種和生產(chǎn)率提出了愈來愈高的 要求，使多品種，中小批生產(chǎn)作為機(jī)械生產(chǎn)的主流。為了適應(yīng)機(jī)械生產(chǎn)的 這種發(fā)展趨勢，必然對機(jī)床夾具提出了更高的要求。特別像推動架零件的 加工還處于落后的階段。在今后的發(fā)展過程中，應(yīng)大力推廣使用組合夾具、 半組合夾具、可調(diào)夾具，尤其是成組夾具。在機(jī)床技術(shù)向高速、高效、精 密、復(fù)合、智能、環(huán)保方向發(fā)展的帶動下，夾具技術(shù)正朝著高精度、高效、 模塊組合、通用、經(jīng)濟(jì)等方向發(fā)展 [15]。 1.3 本課題研究的主要內(nèi)容 本畢業(yè)設(shè)計(jì)的內(nèi)容是推動架零件機(jī)械加工工藝以及專用夾具設(shè)計(jì)，詳 細(xì)討論推動架從毛坯到成品的機(jī)械加工工藝過程，分析總結(jié)推動架零件的 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、主要加工表面，并制定相應(yīng)的機(jī)械加工工藝規(guī)程；針對推動架 零件的主要技術(shù)要求，設(shè)計(jì)專用夾具。 7 2 零件的分析 2.1 零件的作用 該零件為 B6050 刨床推動架，是牛頭刨床進(jìn)給機(jī)構(gòu)中的零件（如附圖 1） ， Φ32+0.027 0 孔安裝在進(jìn)給絲杠軸，靠近 Φ32+0.027 0 孔左端處裝一棘輪。在 棘輪上方即為 Φ16+0.03 0 孔裝棘輪。Φ16+0.03 0 孔通過銷與杠連接。把從電 動機(jī)創(chuàng)來的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，通過偏心輪杠桿使零件繞 Φ32+0.027 0 軸心線擺動。同時， 棘輪撥動棘輪，使絲杠轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)工作臺自動進(jìn)給。 圖 1-1 8 2.2 零件的工藝分析 推動架共有二組加工表面，其相互有一定關(guān)聯(lián)要求。分析如下： （1）以 φ32 為中心的一組加工表面 這一組加工表面包括：45、60、φ16 孔 （2 是 φ16 孔為中心的一組加工表面 這一組加工表面包括：40、25、6x1 槽、6x9 槽孔、M8 孔 經(jīng)過分析，為了保證加工精度和降低加工成本，將 φ32 孔和 φ16 作 為定位基準(zhǔn)，以他為工藝基準(zhǔn)能很好保證其他各個尺寸要求，完全可以達(dá) 到圖紙要求。 由上面分析可知，加工時應(yīng)先加工第一組表面，再以第一組加工后表 面為精基準(zhǔn)加工另外一組加工面。 9 3 工藝規(guī)程設(shè)計(jì) 3.1 確定毛坯的制造形式 零件材料為 HT200，考慮零件受沖擊不大，零件結(jié)構(gòu)又比較簡單，故 選擇鑄件毛坯。 3.2 基面的選擇 基面選擇是工藝規(guī)程設(shè)計(jì)中的重要工作之一?；孢x擇得正確與合理 可以使加工質(zhì)量得到保證，生產(chǎn)率得以提高。否則，加工工藝過程中回問 題百出，更有甚者，還會造成零件的大批報廢，使生產(chǎn)無法正常進(jìn)行。 （1）粗基準(zhǔn)的選擇。對于零件而言，盡可能選擇不加工表面為粗基準(zhǔn)。 而對有若干個不加工表面的工件，則應(yīng)以與加工表面要求相對位置精度較 高的不加工表面作粗基準(zhǔn)。 （2）精基準(zhǔn)的選擇。主要應(yīng)該考慮基準(zhǔn)重合的問題。為了使基準(zhǔn)統(tǒng)一， 先選擇 φ32 孔和 φ16 孔作為基準(zhǔn). 3.3 制定工藝路線 制定工藝路線得出發(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)要求能得到合理的保證,在生產(chǎn)綱領(lǐng)已確定的情況下,可以考慮 采用通用機(jī)床配以專用工卡具,并盡量使工序集中來提高生產(chǎn)率。除此之 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。 3.3.1 工藝路線方案一 工序一 備毛坯 工序二 熱處理 10 工序三 銑面 A、B、C （見工藝卡片） 工序四 銑面 E、F （見工藝卡片） 工序五 擴(kuò)孔 φ32，孔口倒角 工序六 車端面，鉆孔 φ10，車孔 φ16，孔口倒角 工序七 鉆擴(kuò)鉸 φ16 孔 工序八 鉆孔 φ6，锪孔 工序九 鉆 M8 底孔 φ6.6，攻 M8 孔 工序十 銑槽 6x1、6x9 工序十一 檢查 工序十二 入庫 3.3.2 工藝路線方案二 工序一 備毛坯 工序二 熱處理 工序三 銑面 A、B、C （見工藝卡片） 工序四 銑面 E、F （見工藝卡片） 工序五 擴(kuò)孔 φ32，孔口倒角 工序六 車端面，鉆孔 φ10，車孔 φ16，孔口倒角 工序七 銑槽 6x1、6x9 工序八 鉆擴(kuò)鉸 φ16 孔 工序九 鉆孔 φ6，锪孔 11 工序十 鉆 M8 底孔 φ6.6，攻 M8 孔 工序十一 檢查 工序十二 入庫 3.3.3 工藝路線分析比較 工藝路線一與工藝路線二的差別在于對 φ16 銷孔和銑槽 6x1、6x9 的 加工安排的不同，工藝路線一將 φ16 銷孔基準(zhǔn)，加工槽 6x1、6x9，準(zhǔn)統(tǒng) 一，能很好的保證槽 6x1、6x9 的精度要求，所以此次設(shè)計(jì)依據(jù)工藝路線 一來開展設(shè)計(jì)。 3.4 機(jī)械加工余量、工序尺寸及毛皮尺寸的確定 推動架，零件材料為 HT200，生產(chǎn)類型大批量，鑄造毛坯。 據(jù)以上原始資料及加工路線，分別確定各家工表面的機(jī)械加工余量、工序 尺寸及毛坯尺寸如下： 3.4.1 內(nèi)孔和外圓的加工余量及公差 查《機(jī)械制造工藝設(shè)計(jì)簡明手冊》 （以下稱《工藝手冊》 ）表 2.2～2.5，取 φ32 內(nèi)孔單邊加工余量為 2. 3.4.2 銑削加工余量為： 粗銑 1.5mm 精銑 0.5mm 3.4.3 其他尺寸直接鑄造得到 由于本設(shè)計(jì)規(guī)定的零件為大批量生產(chǎn)，應(yīng)該采用調(diào)整加工。因此在計(jì) 12 算最大、最小加工余量時應(yīng)按調(diào)整法加工方式予以確認(rèn)。 3.5 確立切削用量及基本工時 3.5.1 工序三 銑面 A、B、C （見工藝卡片） （1）加工條件 工件材料：HT200,鑄造。 機(jī)床：XA6132 臥式銑床 刀具：高速鋼圓柱銑刀,深度 apPcc。故校驗(yàn)合格。 最終確定 a p1=1.8mm，a p2=0.2mm nc=475r/min,Vfc=475mm/s， V c=119.3m/min，f z=0.16mm/z。 計(jì)算基本工時 tm＝2xL/ n*f z=2x(100+60)/475x0.16=4.2min。 3.5.2 工序四 銑面 E、F （見工藝卡片） （1）加工條件 工件材料：HT200,鑄造。 機(jī)床：XA6132 臥式銑床 刀具：高速鋼圓柱銑刀,深度 apPcc。故校驗(yàn)合格。 最終確定 a p1=1.8mm，a p2=0.2mm nc=475r/min,Vfc=475mm/s， V c=119.3m/min，f z=0.16mm/z。 計(jì)算基本工時 tm＝2xL/ n*f z=2x(50+35+60)/475x0.16=3.8min。 3.5.3 工序五 擴(kuò)孔 φ32，孔口倒角 （1）加工條件 工件材料：HT200,鑄造。 機(jī)床：C6116 車床。 刀具：擴(kuò)孔麻花鉆，倒角車刀. （2）車切削用量 查《切削手冊》 所以，rmf/86.0~7.? 325.140??dl rmf/70.? 15 按鉆頭強(qiáng)度選擇 按機(jī)床強(qiáng)度選擇rmf/5.1? rmf/63.0? 最終決定選擇機(jī)床已有的進(jìn)給量 經(jīng)校驗(yàn)rf/48.0? 校驗(yàn)成功。max7085Ff?? 鉆頭磨鈍標(biāo)準(zhǔn)及壽命 后刀面最大磨損限度（查《切削手冊》 ）為 0.5～0.8mm，壽命 ．in60?T 切削速度 查《切削手冊》 修正系數(shù) rmvc/10?0.1?TVK0.1MV0.1?tvK 故 。5x.1vapvKrc/15?min/7.53094.0rxdns ?? 查《切削手冊》機(jī)床實(shí)際轉(zhuǎn)速為 i/452rc? 故實(shí)際的切削速度 ndvsc /7.10?? 校驗(yàn)扭矩功率 所以 NmMc73?N2.4mcM? 故滿足條件，校驗(yàn)成立。EPkwP?0.2~1 （3）計(jì)算工時 in3.0745212????xnflLtm 3.5.4 工序六 車端面，鉆孔 φ10，車孔 φ16，孔口倒角 16 （1）加工條件 工件材料：HT200,鑄造。 機(jī)床：CA6140 車床。 刀具：選擇高速鋼麻花鉆鉆頭， do=φ10mm，鉆頭采用雙頭刃磨法，后 角 α o＝120°，45 度車刀。 （2）鉆孔切削用量 查《切削手冊》 所以，rmf/86.0~7.?36.210??dl rmf/70.? 按鉆頭強(qiáng)度選擇 按機(jī)床強(qiáng)度選擇rf/5.1 rmf/. 最終決定選擇機(jī)床已有的進(jìn)給量 經(jīng)校驗(yàn)rf/48.0? 校驗(yàn)成功。max7085Ff?? 鉆頭磨鈍標(biāo)準(zhǔn)及壽命 后刀面最大磨損限度（查《切削手冊》 ）為 0.5～0.8mm，壽命 ．in60?T 切削速度 查《切削手冊》 修正系數(shù) rmvc/10?0.1?TVK0.1MV0.1?tvK 故 。5x.1vapvKrc/15?min/7.53094.0rxdns ?? 查《切削手冊》機(jī)床實(shí)際轉(zhuǎn)速為 i/452rc? 17 故實(shí)際的切削速度 rmndvsc /7.120?? 校驗(yàn)扭矩功率 所以 NmMc73?N.4mcM? 故滿足條件，校驗(yàn)成立。EPkwP?0.2~1 （3）計(jì)算工時 min14.074526????nflLtm 3.5.5 工序七 鉆擴(kuò)鉸 φ16 孔 （1）加工條件 工件材料：HT200,鑄造。 機(jī)床：Z5215A 搖臂鉆床 刀具：選擇高速鋼麻花鉆鉆頭，φ14 高速鋼麻花鉆、φ15.8 高速鋼擴(kuò)孔 鉆、φ16 高速鋼標(biāo)準(zhǔn)鉸刀，鉆頭采用雙頭刃磨法，后角 α o＝120°。 （2）切削用量 查《切削手冊》 所以，rmf/86.0~7.?325.160??dl rmf/70.? 按鉆頭強(qiáng)度選擇 按機(jī)床強(qiáng)度選擇rf/5.1 rmf/.0 最終決定選擇機(jī)床已有的進(jìn)給量 經(jīng)校驗(yàn)rf/48.0? 校驗(yàn)成功。max7085Ff?? 18 鉆頭磨鈍標(biāo)準(zhǔn)及壽命 后刀面最大磨損限度（查《切削手冊》 ）為 0.5～0.8mm，壽命 ．min60?T 切削速度 查《切削手冊》 修正系數(shù) rmvc/10?0.1?TVK0.1MV0.1?tvK 故 。5x.1vapvKrc/15?min/7.53094.0rxdns ?? 查《切削手冊》機(jī)床實(shí)際轉(zhuǎn)速為 i/452rc? 故實(shí)際的切削速度 ndvsc /86.190?? 校驗(yàn)扭矩功率 所以 NmMc73?N2.4mcM? 故滿足條件，校驗(yàn)成立。EPkwP?0.2~1 （3）計(jì)算工時 in26.074513????xnflLtm 3.5.6 工序八 鉆孔 φ6，锪孔 （1）加工條件 工件材料：HT200,鑄造。 機(jī)床：Z5215A 搖臂鉆床 19 刀具：選擇高速鋼麻花鉆鉆頭，φ6 高速鋼麻花鉆，鉆頭采用雙頭刃磨 法，后角 α o＝120°。 （2）切削用量 查《切削手冊》 所以，rmf/86.0~7.?3.167??dl rmf/70.? 按鉆頭強(qiáng)度選擇 按機(jī)床強(qiáng)度選擇rf/5.1 rmf/.0 最終決定選擇機(jī)床已有的進(jìn)給量 經(jīng)校驗(yàn)rf/48.0? 校驗(yàn)成功。max7085Ff?? 鉆頭磨鈍標(biāo)準(zhǔn)及壽命 后刀面最大磨損限度（查《切削手冊》 ）為 0.5～0.8mm，壽命 ．in60?T 切削速度 查《切削手冊》 修正系數(shù) rmvc/10?0.1?TVK0.1MV0.1?tvK 故 。5x.1vapvKrc/15?min/7.53094.0rxdns ?? 查《切削手冊》機(jī)床實(shí)際轉(zhuǎn)速為 i/452rc? 故實(shí)際的切削速度 ndvsc/1.80?? 校驗(yàn)扭矩功率 20 所以 NmMc73?N2.14?mcM? 故滿足條件，校驗(yàn)成立。EPkwP?0.2~1 （3）計(jì)算工時 min06.7452????nflLtm 3.5.7 工序九 鉆 M8 底孔 φ6.6，攻 M8 孔 （1）加工條件 工件材料：HT200,鑄造。 機(jī)床：Z5215A 搖臂鉆床 刀具：選擇高速鋼麻花鉆鉆頭，φ6.6 高速鋼麻花鉆，鉆頭采用雙頭刃 磨法，后角 α o＝120°。 （2）切削用量 查《切削手冊》 所以，rmf/86.0~7.? 39.165.??dl rmf/70.? 按鉆頭強(qiáng)度選擇 按機(jī)床強(qiáng)度選擇rf/5.1 rmf/.0 最終決定選擇機(jī)床已有的進(jìn)給量 經(jīng)校驗(yàn)rf/48.0? 校驗(yàn)成功。max7085Ff?? 鉆頭磨鈍標(biāo)準(zhǔn)及壽命 后刀面最大磨損限度（查《切削手冊》 ）為 0.5～0.8mm，壽命 ．in60?T 21 切削速度 查《切削手冊》 修正系數(shù) rmvc/10?0.1?TVK0.1MV0.1?tvK 故 。5x.1vapvKrc/15?min/7.53094.0rxdns ?? 查《切削手冊》機(jī)床實(shí)際轉(zhuǎn)速為 i/452rc? 故實(shí)際的切削速度 ndvsc/36.910?? 校驗(yàn)扭矩功率 所以 NmMc73?N2.4mcM? 故滿足條件，校驗(yàn)成立。EPkwP?0.2~1 （3）計(jì)算鉆工時 min06.7452????nflLtm 3.5.8 工序十 銑槽 6x1、6x9 （1）加工條件 工件材料：HT200,鑄造。 機(jī)床：X62A 臥式銑床 刀具：高速鋼圓柱銑刀,深度 apPcc。故校驗(yàn)合格。 最終確定 a p=3mm，n c=475r/min,Vfc=475mm/s，V c=8.49m/min， fz=0.16mm/z。 （3）計(jì)算基本工時 tm＝4xL/ n*f z=4x(27+6)/475x0.16=1.73min。 23 24 4 卡具設(shè)計(jì) 經(jīng)過與老師協(xié)商，決定設(shè)計(jì)第七、八、九、十共四道工序的工裝卡 具。 4.1 鉆擴(kuò)鉸 φ16 孔的鉆夾具 4.1.1 問題的提出 在給定的零件中，對本序加工的主要考慮尺寸 60，由于公差要求 較低，因此，本步的重點(diǎn)應(yīng)在卡緊的方便與快速性上。 4.1.2 卡具設(shè)計(jì) （1）定位基準(zhǔn)的選擇 出于定位簡單和快速的考慮，選擇孔 φ32 和端面為基準(zhǔn)定 位，側(cè)面加定位銷輔助定位，使工件完全定位。再使用快速螺旋 卡緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行卡緊。 （2）切削力和卡緊力計(jì)算 本步加工按鉆削估算卡緊力。實(shí)際效果可以保證可靠的卡緊。 鉆削軸向力 ： NdfkCFzfyi 2580.1017???? 扭矩 MfTtyzt ??68.00 .35. 卡緊力為 NFf42?? 取系數(shù) S1=1.5 S2=S3=S4=1.1 則實(shí)際卡緊力為 F’=S1*S2*S3*S4*F=16.77N 使用快速螺旋定位機(jī)構(gòu)快速人工卡緊，調(diào)節(jié)卡緊力調(diào)節(jié)裝置，即 可指定可靠的卡緊力。 （3）定位誤差分析 25 本工序采用孔 φ32 和端面為基準(zhǔn)定位，使加工基準(zhǔn)和設(shè)計(jì)基 準(zhǔn)統(tǒng)一，能很好的保證定位的精度。 （4）卡具設(shè)計(jì)及操作的簡要說明 卡具的卡緊力不大，故使用手動卡緊。為了提高生產(chǎn)力，使用 螺紋卡緊機(jī)構(gòu)。 4.2 鉆孔 φ6，锪孔的鉆床夾具 4.2.1 問題的提出 在給定的零件中，對本序加工的主要考慮孔 φ6 與孔 φ32 的端 面的位置尺寸 15. 4.2.2 卡具設(shè)計(jì) （1）定位基準(zhǔn)的選擇 出于定位簡單和快速的考慮，選擇一端面和孔 φ32 以及 φ16 為定位基準(zhǔn)，保證加工基準(zhǔn)和設(shè)計(jì)基準(zhǔn)重合，再使用快速螺旋卡 緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行卡緊。 （2）切削力和加緊力的計(jì)算 本步加工按鉆削估算卡緊力。實(shí)際效果可以保證可靠的卡緊。 鉆削軸向力 ： NdfkCFzfyi 5.1029.0170 ???? 扭矩 MfTtyzt ??68.00 .35. 卡緊力為 NFf142?? 取系數(shù) S1=1.5 S2=S3=S4=1.1 則實(shí)際卡緊力為 F’=S1*S2*S3*S4*F=28.4N 使用快速螺旋定位機(jī)構(gòu)快速人工卡緊，調(diào)節(jié)卡緊力調(diào)節(jié)裝置，即 26 可指定可靠的卡緊力。 （3）定位誤差分析 由于加工基準(zhǔn)和設(shè)計(jì)基準(zhǔn)重合，所以能很好的保證了加工精度。 （4）卡具設(shè)計(jì)及操作的簡要說明 卡具的卡緊力不大，故使用手動卡緊。為了提高生產(chǎn)力，使用快 速螺旋卡緊機(jī)構(gòu)。 4.3 鉆 M8 底孔 φ6.6，攻 M8 孔的鉆床夾具 4.3.1 問題的提出 在給定的零件中，對本序加工的主要考慮 M8x 螺紋孔的位置相關(guān) 尺寸。 4.3.2 卡具設(shè)計(jì) （1）定位基準(zhǔn)的選擇 出于定位簡單和快速的考慮，選擇一端面和孔 φ32 和孔 φ32 為定位基準(zhǔn)面，保證加工基準(zhǔn)和設(shè)計(jì)基準(zhǔn)重合，再使用快速螺旋 卡緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行卡緊。 （2）切削力和卡緊力計(jì)算 本步加工按鉆削估算卡緊力。實(shí)際效果可以保證可靠的卡緊。 鉆削軸向力 ： NdfkCFzfyi 19802.01670 ???? 扭矩 MfTtyzt ??68.00 .35. 卡緊力為 NFf12?? 取系數(shù) S1=1.5 S2=S3=S4=1.1 則實(shí)際卡緊力為 F’=S1*S2*S3*S4*F=24.1N 使用快速螺旋定位機(jī)構(gòu)快速人工卡緊，調(diào)節(jié)卡緊力調(diào)節(jié)裝置，即 27 可指定可靠的卡緊力。 （3）定位誤差分析 由于加工基準(zhǔn)和設(shè)計(jì)基準(zhǔn)重合，所以能很好的保證了加工精度。 （4）卡具設(shè)計(jì)及操作的簡要說明 卡具的卡緊力不大，故使用手動卡緊。為了提高生產(chǎn)力，使用 快速螺旋卡緊機(jī)構(gòu)。 4.4 銑槽 6x1、6x9 銑床夾具 4.4.1 問題的提出 在給定的零件中，對本序加工的主要考慮 M18x1.5 螺紋孔的位置 相關(guān)尺寸。 4.4.2 卡具設(shè)計(jì) （1）定位基準(zhǔn)的選擇 出于定位簡單和快速的考慮，選擇一端面和孔 φ32 和孔 φ32 為定位基準(zhǔn)面，保證加工基準(zhǔn)和設(shè)計(jì)基準(zhǔn)重合，再使用快速螺旋 卡緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行卡緊。 （2）切削力和卡緊力計(jì)算 本步加工按鉆削估算卡緊力。實(shí)際效果可以保證可靠的卡緊。 鉆削軸向力 ： NdfkCFzfyi 19802.01670 ???? 扭矩 MfTtyzt ??68.00 .35. 卡緊力為 NFf12?? 取系數(shù) S1=1.5 S2=S3=S4=1.1 28 則實(shí)際卡緊力為 F’=S1*S2*S3*S4*F=24.1N 使用快速螺旋定位機(jī)構(gòu)快速人工卡緊，調(diào)節(jié)卡緊力調(diào)節(jié)裝置，即 可指定可靠的卡緊力。 （3）定位誤差分析 由于加工基準(zhǔn)和設(shè)計(jì)基準(zhǔn)重合，所以能很好的保證了加工精度。 （4）卡具設(shè)計(jì)及操作的簡要說明 卡具的卡緊力不大，故使用手動卡緊。為了提高生產(chǎn)力，使用 快速螺旋卡緊機(jī)構(gòu)。 29 參考文獻(xiàn) [1] 趙家其. 機(jī)械制造工藝學(xué)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書 [M] . 北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2004. 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[18] 廖念釗，古瑩蓭，莫雨松. 互換性技術(shù)與測量 [M] . 北京：中國計(jì)量出版社， 2007.6. 30 致 謝 首先感謝母校，是她給我一個難得的學(xué)習(xí)機(jī)會，讓我在即將畢業(yè)之際 學(xué)到了很多知識，經(jīng)過這幾個月的緊張的畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我在理論和實(shí)踐能 力上都有了進(jìn)一步的提高。 我的畢業(yè)設(shè)計(jì)主要在姚老師指導(dǎo)下,在此對姚老師致以崇高的敬意和 衷心的感謝。姚老師讓我對所學(xué)的知識進(jìn)行系統(tǒng)性的復(fù)習(xí),并根據(jù)畢業(yè)設(shè) 計(jì)要求查閱有關(guān)資料。在設(shè)計(jì)過程中受到姚敏茹老師無微不至的關(guān)心與耐 心指導(dǎo)，使我的畢業(yè)設(shè)計(jì)得以順利的進(jìn)展。在姚老師幫助下我解決了很多 以前解決不了的問題。姚老師淵博的知識，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、精益求精的 工作作風(fēng)、誨人不倦的高尚師德，對我產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。老師不僅讓我 學(xué)到了許多知識、方法，更重要的是教我做人做事。這會使我受益終生。 本次設(shè)計(jì)每一步都在老師指導(dǎo)下完成，傾注了老師大量的心血，特別感謝 姚老師。 同時，還要感謝周圍的同學(xué)們，我們一起研究，一起討論。你們幫我 檢查糾正，使我少走了許多彎路。在這里也表示衷心的感謝。 最后，再一次感謝老師和同學(xué)們的幫助！ 31 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）獨(dú)創(chuàng)性聲明 秉承學(xué)校嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)風(fēng)與優(yōu)良的科學(xué)道德，本人聲明所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文）是我個人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。盡我 所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中不包 含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的成果，不包含他人已申請學(xué)位或其他用途使 用過的成果。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中 作了明確的說明并表示了致謝。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）與資料若有不實(shí)之處，本人承擔(dān)一切相關(guān)責(zé)任。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）作者簽名： 指導(dǎo)教師簽名： 日期：