K320-飛輪加工工藝及鉆中心大孔Φ38孔夾具設計參考素材

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數(shù)控加工工序卡 零件名稱 飛輪 零件圖號 夾具名稱 三爪卡盤 設備名稱及型號 數(shù)控加工中心 材料名稱及牌號 HT200 加工車間 數(shù)控實訓基地 程序號 技術要求 1）鑄造后時效處理。 2）未注明鑄造圓角R5。 3）未注倒角2×45°。 4）零件加工后進行靜平衡檢查。 工步號 工步內容 切削用量 刀具 主軸轉速 （r/min） 進給速度 （mm/r） 背吃刀量 （mm） 編號 名稱 1 車端面 600 0.2 2 T01 外圓粗車刀 2 粗車外圓 800 0.6 1.5 T01 外圓粗車刀 3 精車外圓 1200 0.3 0.8 T02 外圓精車刀 4 插槽 1400 0.3 4 T03 銑刀 5 鉆孔 1200 0.2 20 T03 銑刀 編制 王榮榮 審核 批準 共 1 頁 三江學院 機械加工工藝過程卡片 產品型號 零件圖號 產品名稱 飛輪 零件名稱 飛輪 材 料 牌 號 HT200 毛 坯 種 類 鑄鐵 毛坯外形尺寸 每毛坯件數(shù) 1 工 序 號 工 名 序 稱 工 序 內 容 工 藝 裝 備 1 備料 2 鍛造 鑄造 3 清砂 清砂 4 熱處理 人工時效 5 清砂 細清砂 6 涂漆 非加工表面涂防銹漆 7 車 夾Φ100mm毛坯外圓，以Φ200mm外圓毛坯找正，車右端面，照顧22.5mm，車Φ200mm外圓至圖樣尺寸，鉆車內孔Φ38+0.025 0mm至圖樣尺寸，倒角2×45 C620 8 車 倒頭，夾Φ200mm外圓，車左端大端面，保證尺寸95mm，車Φ100mm端面保證尺寸110mm，倒角2×45 C620 9 劃線 在Φ100mm圓的端面上劃10±0.018mm鍵槽線 10 插 以Φ200mm外圓及右端面定位，按Φ38+0.025 0mm內孔中心線找正，裝夾工件，插10±0.018mm鍵槽 B5020專用工裝或組合夾具 11 鉆 以Φ200mm外圓及一端面定位，10±0.018mm鍵槽定向鉆4×Φ20mm孔 Z525專用鉆模 12 鉗 零件靜平衡檢查 專用工裝 13 檢驗 按圖樣要求全部檢驗 專用檢具 2 飛輪機械加工工藝路線 工序號 工序名稱 工序內容 工藝裝備 1 鑄造 鑄造 2 清砂 清砂 3 熱處理 人工時效 4 清砂 細清砂 5 涂漆 非加工表面涂防銹漆 6 車 夾Φ100mm毛坯外圓，以Φ200mm外圓毛坯找正，車右端面，照顧22.5mm，車Φ200mm外圓至圖樣尺寸，鉆車內孔Φ38+0.025 0mm至圖樣尺寸，倒角2×45 C620 7 車 倒頭，夾Φ200mm外圓，車左端大端面，保證尺寸95mm，車Φ100mm端面保證尺寸110mm，倒角2×45 C620 8 劃線 在Φ100mm圓的端面上劃10±0.018mm鍵槽線 9 插 以Φ200mm外圓及右端面定位，按Φ38+0.025 0mm內孔中心線找正，裝夾工件，插10±0.018mm鍵槽 B5020專用工裝或組合夾具 10 鉆 以Φ200mm外圓及一端面定位，10±0.018mm鍵槽定向鉆4×Φ20mm孔 Z525專用鉆模 11 鉗 零件靜平衡檢查 專用工裝 12 檢驗 按圖樣要求，檢查各部尺寸及精度 13 入庫 入庫 摘 要 本設計課題主要是通過對飛輪進行結構分析，以及對飛輪的工藝加工過程進行編制，和設計某一道工序的夾具設計。并根據(jù)企業(yè)實際情況，重點進行機械加工工藝編制。 本課題的意義在于：工學結合，在學校指導老師輔導下，在零件實體設計、機械加工工藝編制、收集資料、查閱手冊等專業(yè)知識與技能方面得到較全面的訓練與提高， 關鍵詞：飛輪，結構分析，夾具設計，機械加工，工藝編制 序 言 學完了大學四年的所有課程，就要開始做課程設計了，課程設計課題是要集合我們所學的各門專業(yè)知識，理論與實踐相結合，完成設計項目，解決工程實際問題，因此我們必須首先對所學課程全面掌握，融會貫通。 由于設計的需要，我仔細研究了零件圖，但在設計過程中，因自己經(jīng)驗不足，遇到了很多實際問題，使我體會到了在現(xiàn)場實習調研僅證明可不可以實干，而不能代表能不能干好。所以我積極與設計指導老師溝通，在老師的全力幫助、指導下問題得到了全面解決，同時受到老師優(yōu)良工作品質的影響，培養(yǎng)出了我緩中求穩(wěn)、虛心求教、實事求是、一絲不茍的工作作風，并樹立了明確的生產觀、經(jīng)濟觀和全局觀，為今后從事工作打下了良好的基礎。 通過課程設計，我真正認識到理論和實踐相結合的重要性，并培養(yǎng)了我綜合運用所學理論知識和實際操作知識去理性的分析問題和解決實際工作中的一般技術工程問題的能力，使我建立了正確的設計思想，掌握了工藝設計的一般程序、規(guī)范和方法，并進一步鞏固、深化地吸收和運用了所學的基本理論知識和基本操作技能。還有，它提高了我設計計算、繪圖、實際加工零件和正確使用技術資料、標準、手冊等工具書的獨立工作能力，更培養(yǎng)了我勇于創(chuàng)新的精神及嚴謹?shù)膶W風及工作作風。 由于本人能力有限，缺少設計經(jīng)驗，設計中漏誤在所難免，敬請老師指正批評，以使我對自己的不足得到及時的發(fā)現(xiàn)并修改，也使我在今后的工作中避免再次出現(xiàn)。 在這里，向在這次課程設計中給予過我鼓勵、指導及幫助的老師表示我虔誠和衷心的感謝！ 目 錄 第一章 零件的實體造型 …………………………………………………1 1.1 飛輪在產品中的作用、結構特點 ……………………………………… 1 第二章 零件的機械加工工藝編制 …………………………………… 2 2. 1 分析飛輪的技術資料 …………………………………………………… 2 2. 2 確定飛輪的毛坯類型及其制造方法 …………………………………… 3 2. 3 選擇飛輪的加工設備 …………………………………………………… 5 2. 4 擬定飛輪的工藝路線及定位基準 ……………………………………… 5 2. 5 設計飛輪的加工工序 …………………………………………………… 8 第三章 飛輪的夾具設計………………………………………………… 10 3. 1 工件的定位原理 ……………………………………………………… 10 3. 2 工件的夾緊 …………………………………………………………… 11 3.3 夾具的選擇……………………………………………………………… 11 致謝 ……………………………………………………………………………13 參考文獻 …………………………………………………………………… 14 附錄 工藝卡和工序卡 ……………………………………………… 摘 要 本設計課題主要是通過對飛輪進行結構分析，完成實體造型，并根據(jù)企業(yè)實際情況，重點進行機械加工工藝編制，最后進行數(shù)控編程加工。 本課題的意義在于：工學結合，在學校指導老師輔導下，在零件實體設計、機械加工工藝編制、收集資料、查閱手冊等專業(yè)知識與技能方面得到較全面的訓練與提高， 關鍵詞：飛輪；實體造型；工藝編制。 序 言 學完了大學四年的所有課程，就要開始做課程設計了，課程設計課題是要集合我們所學的各門專業(yè)知識，理論與實踐相結合，完成設計項目，解決工程實際問題，因此我們必須首先對所學課程全面掌握，融會貫通。 由于設計的需要，我仔細研究了零件圖，但在設計過程中，因自己經(jīng)驗不足，遇到了很多實際問題，使我體會到了在現(xiàn)場實習調研僅證明可不可以實干，而不能代表能不能干好。所以我積極與設計指導老師溝通，在老師的全力幫助、指導下問題得到了全面解決，同時受到老師優(yōu)良工作品質的影響，培養(yǎng)出了我緩中求穩(wěn)、虛心求教、實事求是、一絲不茍的工作作風，并樹立了明確的生產觀、經(jīng)濟觀和全局觀，為今后從事工作打下了良好的基礎。 通過課程設計，我真正認識到理論和實踐相結合的重要性，并培養(yǎng)了我綜合運用所學理論知識和實際操作知識去理性的分析問題和解決實際工作中的一般技術工程問題的能力，使我建立了正確的設計思想，掌握了工藝設計的一般程序、規(guī)范和方法，并進一步鞏固、深化地吸收和運用了所學的基本理論知識和基本操作技能。還有，它提高了我設計計算、繪圖、實際加工零件和正確使用技術資料、標準、手冊等工具書的獨立工作能力，更培養(yǎng)了我勇于創(chuàng)新的精神及嚴謹?shù)膶W風及工作作風。 由于本人能力有限，缺少設計經(jīng)驗，設計中漏誤在所難免，敬請老師指正批評，以使我對自己的不足得到及時的發(fā)現(xiàn)并修改，也使我在今后的工作中避免再次出現(xiàn)。 在這里，向在這次課程設計中給予過我鼓勵、指導及幫助的老師表示我虔誠和衷心的感謝！ 目 錄 第一章 零件的實體造型 …………………………………………………1 1.1 飛輪在產品中的作用、結構特點 ……………………………………… 1 1.2 飛輪的實體造型 ………………………………………………………… 1 第二章 零件的機械加工工藝編制 …………………………………… 4 2. 1 分析飛輪的技術資料 …………………………………………………… 4 2. 2 確定飛輪的毛坯類型及其制造方法 …………………………………… 6 2. 3 選擇飛輪的加工設備 …………………………………………………… 9 2. 4 擬定飛輪的工藝路線及定位基準 ……………………………………… 10 2. 5 設計飛輪的加工工序 …………………………………………………… 13 2. 6 填寫飛輪的機械加工工藝文件 ………………………………………… 15 第三章 飛輪的夾具設計…………………………………………………16 3. 1 工件的定位原理………………………………………………………… 16 3. 2 工件的夾緊……………………………………………………………… 17 3. 3 夾具的選擇……………………………………………………………… 17 3.4 夾具示意圖……………………………………………………………… 18 致謝 ……………………………………………………………………………21 參考文獻 …………………………………………………………………… 21 附錄 工藝卡和工序卡 ……………………………………………… 第一章 零件的實體造型 隨著時代的進步，科技的經(jīng)進入到了一種先進的、全新的三維虛擬現(xiàn)實的環(huán)境中，實現(xiàn)了產品的數(shù)字化三維設發(fā)展，許多高科技手段逐步代替了手工勞動方式，比如機械設計與制造領域，產品設計已計。CAD/CAM軟件即是實現(xiàn)這種數(shù)字化三維設計的有效工具。利用CAD/CAM軟件制圖和手工制圖相比，不僅縮短設計周期，而且大大提高設計效率。 1.1 飛輪在產品中的作用、結構特點 飛輪結構簡單形狀規(guī)則，零件中心為Φ38+0.025 0mm內孔及10±0.018mm鍵槽，周圍有4×Φ20mm孔見圖1-1所示。 圖1-1 飛輪的結構 第二章 零件的機械加工工藝編制 機械加工工藝規(guī)程是規(guī)定零件機械加工工藝過程和操作方法等的工藝文件，是機械加工中最主要的技術文件，主要包括工藝過程卡和工序卡。編制機械 加工工藝規(guī)程分以下幾個階段： 2. 1 分析飛輪的技術資料 2. 1．2零件的結構及加工精度分析 （1）主要加工精度要求 1）Φ200mm外圓與Φ38+0.025 0mm內孔同軸度公差為Φ0.05mm。 2）鍵槽10±0.018mm對Φ38+0.025 0mm內孔軸心線對稱度公差為0.08mm。 3）零件加工后進行靜平衡檢查。 4）鑄造后時效處理。 5）未注明鑄造圓角R5。 6）未注倒角2×45°。 （2）．其余技術要求： 1）鑄造后時效處理。 2）未注明鑄造圓角R5。 3）未注倒角2×45°。 4）零件加工后進行靜平衡檢查。 圖2-1 飛輪零件簡圖 2. 1．3確定關鍵加工表面 根據(jù)圖紙標注，將精度要求高的表面定為關鍵加工表面。 （1）飛輪孔徑為38的尺寸精度為IT7，粗糙度Ra=1.6μm，其軸線是Φ200mm外圓的同軸度基準，而且是鍵槽10±0.018mm的對稱度基準，所以是關鍵加工表面。 （2）飛輪鍵槽10±0.018mm尺寸精度為IT9，粗糙度Ra=3.2μm，有對稱度要求，所以是關鍵加工表面。 （3）Φ38內孔及鍵槽總長為41.3+0.3 +0mm尺寸精度為IT ，所以是關鍵加工表面。 2. 2 確定零件毛坯的類型及其制造方法 毛坯的類型及其制造方法的選擇不僅影響毛坯的制造工藝及費用，而且與零件的機械加工工藝和加工質量密切相關。 2. 2．1毛坯的類型及其制造方法的選擇 選擇毛坯時應該考慮的因素有：零件的生產綱領、零件材料的工藝性、零件的結構形狀和尺寸、現(xiàn)有的生產條件。 由于飛輪零件的材料要求選用HT200，抗拉強度和塑性低，但鑄造性能和減震性能好，因此應選用毛坯類型為鑄件，較高強度鑄鐵，基體為珠光體，強度、耐磨性、耐熱性均較好，減振性也良好；鑄造性能較好，需要進行人工時效處理。該零件是大批量生產，零件的輪廓尺寸不大，所以企業(yè)選用機械砂型鑄造，其生產效率比手工制砂型高數(shù)倍至數(shù)十倍，特別適合大批量生產，雖然設備昂貴，但工人的技術水平要求較低，對中小型鍛件的質量穩(wěn)定性也有明顯提高。 2. 2．2 確定零件毛坯的機械加工余量 查機械工藝師手冊，將零件各加工面毛坯余量及公差列入下表2-1。 簡圖 表面代號 基本尺寸 余量 余量公差 備注 A1-A3 - - - 實心 B1 Φ200 Φ3 ±1 B2 Φ100 Φ3 ±1 B3 95 2 ±1 B4 110 2 ±1 B5 110 2 ±1 表2-1 2. 2．3繪制軸的毛坯簡圖 標注毛坯的主要尺寸。如圖2-4 圖2-4 2. 3選擇飛輪的加工設備 加工設備的選擇 根據(jù)飛輪的工藝特征性，加工設備采用通用機床，即普通車床、插床、鉆床。工藝裝備采用通用夾具（三爪卡盤）、通用工具（標準車刀、插槽刀）、通用量具（游標卡尺、外徑千分尺等）。 2. 4 擬定飛輪的工藝路線及定位基準 表2-2 飛輪機械加工工藝路線 工序號 工序名稱 工序內容 工藝裝備 1 鑄造 鑄造 2 清砂 清砂 3 熱處理 人工時效 4 清砂 細清砂 5 涂漆 非加工表面涂防銹漆 6 車 夾Φ100mm毛坯外圓，以Φ200mm外圓毛坯找正，車右端面，照顧22.5mm，車Φ200mm外圓至圖樣尺寸，鉆車內孔Φ38+0.025 0mm至圖樣尺寸，倒角2×45 C620 7 車 倒頭，夾Φ200mm外圓，車左端大端面，保證尺寸95mm，車Φ100mm端面保證尺寸110mm，倒角2×45 C620 8 劃線 在Φ100mm圓的端面上劃10±0.018mm鍵槽線 9 插 以Φ200mm外圓及右端面定位，按Φ38+0.025 0mm內孔中心線找正，裝夾工件，插10±0.018mm鍵槽 B5020專用工裝或組合夾具 10 鉆 以Φ200mm外圓及一端面定位，10±0.018mm鍵槽定向鉆4×Φ20mm孔 Z525專用鉆模 11 鉗 零件靜平衡檢查 專用工裝 12 檢驗 按圖樣要求，檢查各部尺寸及精度 13 入庫 入庫 工藝分析 1）飛輪為鑄件，在加工時應照顧各部加工余量，避免加工后造成壁厚不均勻，如果鑄件毛坯質量較差，應增加劃線工序。 2）零件靜平衡檢查，可在Φ38+0.025 0mm孔內裝上心軸，在靜平衡架上找靜平衡，如果零件不平衡，可在左大端面（Φ200mm與Φ160mm之間）上鉆孔減輕重量，以最后調到平衡。 3）Φ200外圓與Φ38+0.025 0mm內孔同軸度檢查，可用心軸裝夾工件，然后再偏擺儀上貨V形塊上用百分表測出。 4）鍵槽10±0.018mm對Φ38+0.025 0mm內孔軸心線的對稱度檢查，可采用專用檢具進行檢查。 1． 粗基準的選擇 ①選用的粗基準必須便于加工精基準，以盡快獲得精基準。 ②粗基準應選用面積較大，平整光潔，無澆口、冒口、飛邊等缺陷的表面，這樣工件的定位才穩(wěn)定可靠。 ③當有多個不加工表面時，應選擇與加工表面位置精度要求較高的表面作為粗基準。 ④當工件的加工表面與某不加工表面之間有相互位置精度要求時，應選擇該不加工表面作為粗基準。 ⑤當工件的某重要表面要求加工余量均勻時，應選擇該表面作為粗基準。 ⑥粗基準在同一尺寸方向上應只使用一次。 2. 精基準的選擇 （1）零件已加工的表面作為定位基準，這種基準稱為精基準。合理地選擇定位精基準是保證零件加工精度的關鍵。 （2）選擇精基準應先根據(jù)零件關鍵表面的加工精度（尤其是有位置精度要求的表面），同時還要考慮所選基準的裝夾是否穩(wěn)定可靠、操作方便。 （3）精基準的選擇原則： ①基準重合原則。盡量選擇設計基準作為精基準，避免基準不重合而引起的定位誤差。 ②基準統(tǒng)一原則。盡量選擇多個加工表面共享的定位基準面作為精基準，以保證.各加工面的相互位置精度，避免誤差，簡化夾具的設計和制造。 ③自為基準原則。精加工或光整加工工序應盡量選擇加工表面本身作為精基準，該表面與其他表面的位置精度則由先行工序保證。 ④互為基準原則。當兩個表面相互位置精度以及各自的形狀和尺寸精度都要求很高時，可以采取互為基準原則，反復多次地進行加工。 任務實施 1、 選擇飛輪的粗基準和夾緊方案 選擇毛坯Φ100外圓作為粗基準，使用三爪卡盤能方便地加工兩端面和中心孔，可以僅僅、快獲得精基準，如圖2-5所示 圖2-5 2、 選擇飛輪的精基準和夾緊方案 2. 5設計飛輪的加工工序 2. 5. 1確定加工余量 主要由查表，配合經(jīng)驗法類比法確定加工余量及工序尺寸。 將相關數(shù)據(jù)列表2-3中。 表2-3 飛輪加工余量與工序尺寸表 工序號 加工表面 基本尺寸 加工余量 公差等級 工序尺寸及公差 表面粗糙度 μm 6 車右端面 110+2 2 110 12.5 鉆孔 Φ37 18.5×2 IT11 Φ37 12.5 擴孔 Φ37.8 0.4×2 IT10 Φ37.8 6.3 鉸孔 Φ38 0.1×2 IT7 Φ38+0.025 0 1.6 7 車左大端面 95+2 2 95 12.5 車Φ100端面 110+2 2 110 12.5 9 插槽 10 10 IT9 10±0.018mm 3.2 2. 5. 2確定切削用量 根據(jù)加工余量和裝夾情況，確定走刀次數(shù)和背吃刀量； 查表結合經(jīng)驗確定主軸轉數(shù)和刀具進給量，數(shù)據(jù)見表4-2 表2-4飛輪加工切削用量匯總表 工序號 加工部位 加工內容 刀具材料 走刀 次數(shù) 背吃刀量 mm 主軸轉數(shù) r/.min 進給量 mm/r 6 右端面,Φ38+0.025 0內孔 車右端面 硬質合金 1 2 600 0.2 鉆孔 高速鋼 1 18.5×2 400 0.2 擴孔 高速鋼 1 0.4×2 600 0.3 鉸孔 高速鋼 1 0.1×2 150 0.2 7 左大端面，Φ100mm端面 車左大端面， 硬質合金 1 2 600 0.2 車Φ100mm端面 硬質合金 1 2 600 0.2 9 10±0.018mm鍵槽 插10±0.018mm鍵槽 硬質合金 10 1 10 4×Φ20mm孔 鉆4×Φ20mm孔 高速鋼 1 20 400 0.2 2. 5. 3確定工時定額 因飛輪為成批生產，因此可以采用經(jīng)驗估算法計算各工序的工時定額。主要利用經(jīng)過實踐而積累的統(tǒng)計數(shù)據(jù)及進行部分計算來確定，計算結果見表4-3在實際生產中，時間定額需要不斷修正。 表2-5飛輪機械加工工時定額 工序號 工序名稱 工序內容 工序時間（分） 1 鑄造 鑄造毛坯 2 清砂 清砂 3 熱處理 人工時效 4 清砂 細清砂 5 涂漆 非加工表面涂防銹漆 6 車 車右端面 鉆車Φ38內孔 15 7 車 車左端大端面 車Φ100mm端 5 8 劃線 在Φ100mm圓的端面上劃10±0.018mm鍵槽線 5 9 插 插10±0.018mm鍵槽 7 10 鉆 鉆4×Φ20mm孔 16 11 鉗 零件靜平衡檢查 12 檢驗 按圖樣要求，檢查各部尺寸及精度 2. 6 填寫零件的機械加工工藝文件 工藝文件是用于指導生產的重要文件。不同的生產綱領有不同的填寫工藝文件的要求，因為飛輪是大批量生產，所以需要填寫詳細的工藝工程卡和工序卡。見附件2。 第三章 飛輪的夾具設計 一、夾具和裝夾方式的選擇 在機床上加工零件時，為保證工件的加工精度和加工質量，必須使工件位于機床上的正確位置，也就是通常所說的“定位”，然后將它固定也就是通常所說的“夾緊”。工件在機床上定位與夾緊的過程稱為工件的裝夾過程。 1．工件的定位原理 （1）六點定位原理 工件在空間有六個自由度，即沿X、Y、Z三個坐標方向的移動自由度和繞X、Y、Z三個移動軸的旋轉自由度A、B、C，如下圖所示。 要確定工件在空間的位置，需要按一定的要求安排六個支撐點也就是通常所說的定位元件，以限制加工工件的自由度，這就是工件定位的“六點定位原理”。需要指出的是，工件形狀不同，定位表面不同，定位點的布置情況也各不相同。 圖 數(shù)控機床的坐標軸 （2）限制自由度與工件加工要求的關系 根據(jù)工件加工表面的不同加工要求，有些自由度對加工要求有影響，有些自由度對加工要求無影響，對加工要求有影響的自由度必須限制，而不影響加工要求的自由度不必限制。 （3）完全定位與不完全定位 工件的六個自由度都被限制的定位成為完全定位，工件被限制的自由度少于六個，但不影響加工要求的定位，成為不完全定位，完全定位和不完全定位是實際加工中工件最常用的定位方式。 2．工件的夾緊 金屬切削加工過程中，為保證工件定位時確定的正確位置，防止工件在切削力、離心力、慣性力或重力等作用下產生位移和振動，必須將工件夾緊。這種保證加工精度和安全生產的裝置稱為夾緊裝置。 （1）對夾緊的基本要求 ① 工件在夾緊過程中，不能改變工件定位后所占據(jù)的正確位置。 ② 夾緊力的大小適當，既要保證工件在加工過程中的位置不能發(fā)生任何變動，又要使工件不產生大的夾緊變形；同時也要使得加工振動現(xiàn)象盡可能小。 ③ 操作方便、省力、安全。 （2）夾緊力方向和夾緊點的確定 ① 夾緊力應盡可能朝向主要定位基準，這樣可以保證夾緊工件時不破壞工件的定位，影響工件的加工精度要求。 ② 夾緊力方向應有利于減少夾緊力，要求能夠在最小的夾緊力作用下，完成零件的加工過程。 ③ 夾緊力的作用點應選在工件剛性較好的方向和方位上，這一原則對剛性較差的零件特別重要，可以保證零件的夾緊變形量最小。 3．夾具的選擇 數(shù)控加工的特點對夾具提出了兩個基本要求，一是要保證夾具的坐標方向與機床的坐標方向相對固定；二是要能保證零件與機床坐標系之間的準確尺寸關系。依據(jù)零件毛料的狀態(tài)和數(shù)控機床的安裝要求，應選取能保證加工質量、滿足加工需要的夾具。除此之外，還要考慮以下幾點： （1）當零件加工批量不大時，應盡量采用組合夾具、可調夾具和其他通用夾具，以縮短生產準備時間，節(jié)省生產費用。在成批生產時可以考慮采用專用夾具，同時要求夾具的結構簡單。 （2）裝夾零件要方便可靠，避免采用占機人工調整的裝夾方式，以縮短輔助時間，盡量采用液壓、氣動或多工位夾具，以提高生產效率。 采用可換鉆套 和V形塊做夾具 H = 1.5*d=1.5 * 38 = 57 h = 0.5*d=0.5 *38 = 19 致 謝 感謝柴老師長期以來悉心的指導和在設計過程中提的修改意見，讓我對飛輪工藝工裝設計有了較全面的了解，置身老師的指導過程中，不僅我的思想觀念煥然一新，也改善了我的思考方式，為日后的工作和更進一步的學習打下了堅實的基礎，也積累了許多寶貴的設計經(jīng)驗。 同樣感謝四年來給予我支持和幫助的所有老師和同學，他們讓我在這三年里學到了好多知識，豐富了我的大學生活，在即將結束的大學生活能夠讓我畫上圓滿的句號。 最后感謝我的爸爸媽媽，是他們含辛茹苦，一直在精神上鼓勵我，在經(jīng)濟上支持我，讓我圓滿完成學業(yè)，在次深表謝意。 21 參考文獻 [1]倪森壽主編，機械制造工藝與裝備，北京：化學工業(yè)出版社,2009. 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0mm內孔中心線找正，裝夾工件，插10±0.018mm鍵槽 B5020專用工裝或組合夾具 11 鉆 以Φ200mm外圓及一端面定位，10±0.018mm鍵槽定向鉆4×Φ20mm孔 Z525專用鉆模 12 鉗 零件靜平衡檢查 專用工裝 13 檢驗 按圖樣要求全部檢驗 專用檢具 22 附錄二 ：中文翻譯 通過夾具布局設計和夾緊力的優(yōu)化控制變形 摘 要 工件變形必須控制在數(shù)值控制機械加工過程之中。夾具布局和夾緊力是影響加工變形程度和分布的兩個主要方面。在本文提出了一種多目標模型的建立，以減低變形的程度和增加均勻變形分布。有限元方法應用于分析變形。遺傳算法發(fā)展是為了解決優(yōu)化模型。最后舉了一個例子說明，一個令人滿意的結果被求得， 這是遠優(yōu)于經(jīng)驗之一的。多目標模型可以減少加工變形有效地改善分布狀況。 關鍵詞：夾具布局；夾緊力； 遺傳算法；有限元方法 1 引言 夾具設計在制造工程中是一項重要的程序。這對于加工精度是至關重要。一個工件應約束在一個帶有夾具元件，如定位元件，夾緊裝置，以及支撐元件的夾具中加工。定位的位置和夾具的支力，應該從戰(zhàn)略的設計，并且適當?shù)膴A緊力應適用。該夾具元件可以放在工件表面的任何可選位置。夾緊力必須大到足以進行工件加工。通常情況下，它在很大程度上取決于設計師的經(jīng)驗，選擇該夾具元件的方案，并確定夾緊力。因此，不能保證由此產生的解決方案是某一特定的工件的最優(yōu)或接近最優(yōu)的方案。因此，夾具布局和夾緊力優(yōu)化成為夾具設計方案的兩個主要方面。 定位和夾緊裝置和夾緊力的值都應適當?shù)倪x擇和計算，使由于夾緊力和切削力產生的工件變形盡量減少和非正式化。 夾具設計的目的是要找到夾具元件關于工件和最優(yōu)的夾緊力的一個最優(yōu)布局或方案。在這篇論文里， 多目標優(yōu)化方法是代表了夾具布局設計和夾緊力的優(yōu)化的方法。 這個觀點是具有兩面性的。一，是盡量減少加工表面最大的彈性變形； 另一個是盡量均勻變形。 ANSYS軟件包是用來計算工件由于夾緊力和切削力下產生的變形。遺傳算法是MATLAB的發(fā)達且直接的搜索工具箱，并且被應用于解決優(yōu)化問題。最后還給出了一個案例的研究，以闡述對所提算法的應用。 2 文獻回顧 隨著優(yōu)化方法在工業(yè)中的廣泛運用，近幾年夾具設計優(yōu)化已獲得了更多的利益。夾具設計優(yōu)化包括夾具布局優(yōu)化和夾緊力優(yōu)化。King 和 Hutter提出了一種使用剛體模型的夾具-工件系統(tǒng)來優(yōu)化夾具布局設計的方法。DeMeter也用了一個剛性體模型，為最優(yōu)夾具布局和最低的夾緊力進行分析和綜合。他提出了基于支持布局優(yōu)化的程序與計算質量的有限元計算法。李和melkote用了一個非線性編程方法和一個聯(lián)絡彈性模型解決布局優(yōu)化問題。兩年后， 他們提交了一份確定關于多鉗夾具受到準靜態(tài)加工力的夾緊力優(yōu)化的方法。他們還提出了一關于夾具布置和夾緊力的最優(yōu)的合成方法，認為工件在加工過程中處于動態(tài)。相結合的夾具布局和夾緊力優(yōu)化程序被提出，其他研究人員用有限元法進行夾具設計與分析。蔡等對menassa和devries包括合成的夾具布局的金屬板材大會的理論進行了拓展。秦等人建立了一個與夾具和工件之間彈性接觸的模型作為參考物來優(yōu)化夾緊力與，以盡量減少工件的位置誤差。Deng和melkote 提交了一份基于模型的框架以確定所需的最低限度夾緊力，保證了被夾緊工件在加工的動態(tài)穩(wěn)定。 大部分的上述研究使用的是非線性規(guī)劃方法，很少有全面的或近全面的最優(yōu)解決辦法。所有的夾具布局優(yōu)化程序必須從一個可行布局開始。此外，還得到了對這些模型都非常敏感的初步可行夾具布局的解決方案。夾具優(yōu)化設計的問題是非線性的，因為目標的功能和設計變量之間沒有直接分析的關系。例如加工表面誤差和夾具的參數(shù)之間（定位、夾具和夾緊力）。 以前的研究表明，遺傳算法（ GA ）在解決這類優(yōu)化問題中是一種有用的技術。吳和陳用遺傳算法確定最穩(wěn)定的靜態(tài)夾具布局。石川和青山應用遺傳算法確定最佳夾緊條件彈性工件。vallapuzha在基于優(yōu)化夾具布局的遺傳算法中使用空間坐標編碼。他們還提出了針對主要競爭夾具優(yōu)化方法相對有效性的廣泛調查的方法和結果。這表明連續(xù)遺傳算法取得最優(yōu)質的解決方案。krishnakumar和melkote 發(fā)展了一個夾具布局優(yōu)化技術，用遺傳算法找到夾具布局，盡量減少由于在整個刀具路徑的夾緊和切削力造成的加工表面的變形。定位器和夾具位置被節(jié)點號碼所指定。krishnakumar等人還提出了一種迭代算法，盡量減少工件在整個切削過程之中由不同的夾具布局和夾緊力造成的彈性變形。Lai等人建成了一個分析模型，認為定位和夾緊裝置為同一夾具布局的要素靈活的一部分。Hamedi 討論了混合學習系統(tǒng)用來非線性有限元分析與支持相結合的人工神經(jīng)網(wǎng)絡（ ANN ）和GA。人工神經(jīng)網(wǎng)絡被用來計算工件的最大彈性變形，遺傳算法被用來確定最佳鎖模力。Kumar建議將迭代算法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡結合起來發(fā)展夾具設計系統(tǒng)。Kaya用迭代算法和有限元分析，在二維工件中找到最佳定位和夾緊位置，并且把碎片的效果考慮進去。周等人。提出了基于遺傳算法的方法，認為優(yōu)化夾具布局和夾緊力的同時，一些研究沒有考慮為整個刀具路徑優(yōu)化布局。一些研究使用節(jié)點數(shù)目作為設計參數(shù)。一些研究解決夾具布局或夾緊力優(yōu)化方法，但不能兩者都同時進行。 有幾項研究摩擦和碎片考慮進去了。 碎片的移動和摩擦接觸的影響對于實現(xiàn)更為現(xiàn)實和準確的工件夾具布局校核分析來說是不可忽視的。因此將碎片的去除效果和摩擦考慮在內以實現(xiàn)更好的加工精度是必須的。 在這篇論文中，將摩擦和碎片移除考慮在內，以達到加工表面在夾緊和切削力下最低程度的變形。一多目標優(yōu)化模型被建立了。一個優(yōu)化的過程中基于GA和有限元法提交找到最佳的布局和夾具夾緊力。最后，結果多目標優(yōu)化模型對低剛度工件而言是比較單一的目標優(yōu)化方法、經(jīng)驗和方法。 3 多目標優(yōu)化模型夾具設計 一個可行的夾具布局必須滿足三限制。首先，定位和夾緊裝置不能將拉伸勢力應用到工件；第二，庫侖摩擦約束必須施加在所有夾具-工件的接觸點。夾具元件-工件接觸點的位置必須在候選位置。為一個問題涉及夾具元件-工件接觸和加工負荷步驟，優(yōu)化問題可以在數(shù)學上仿照如下： 這里的△表示加工區(qū)域在加工當中j次步驟的最高彈性變形。 其中 是△的平均值； 是正常力在i次的接觸點； μ是靜態(tài)摩擦系數(shù)； fhi是切向力在i次的接觸點； pos(i)是i次的接觸點； 是可選區(qū)域的i次接觸點； 整體過程如圖1所示，一要設計一套可行的夾具布局和優(yōu)化的夾緊力。最大切削力在切削模型和切削力發(fā)送到有限元分析模型中被計算出來。優(yōu)化程序造成一些夾具布局和夾緊力，同時也是被發(fā)送到有限元模型中。在有限元分析座內，加工變形下，切削力和夾緊力的計算方法采用有限元方法。根據(jù)某夾具布局和變形，然后發(fā)送給優(yōu)化程序，以搜索為一優(yōu)化夾具方案。 圖1 夾具布局和夾緊力優(yōu)化過程 4 夾具布局設計和夾緊力的優(yōu)化 4.1 遺傳算法 遺傳算法（ GA ）是基于生物再生產過程的強勁，隨機和啟發(fā)式的優(yōu)化方法?；舅悸繁澈蟮倪z傳算法是模擬“生存的優(yōu)勝劣汰“的現(xiàn)象。每一個人口中的候選個體指派一個健身的價值，通過一個功能的調整，以適應特定的問題。遺傳算法，然后進行復制，交叉和變異過程消除不適宜的個人和人口的演進給下一代。人口足夠數(shù)目的演變基于這些經(jīng)營者引起全球健身人口的增加和優(yōu)勝個體代表全最好的方法。 遺傳算法程序在優(yōu)化夾具設計時需夾具布局和夾緊力作為設計變量，以生成字符串代表不同的布置。字符串相比染色體的自然演變，以及字符串，它和遺傳算法尋找最優(yōu)，是映射到最優(yōu)的夾具設計計劃。在這項研究里，遺傳算法和MATLAB的直接搜索工具箱是被運用的。 收斂性遺傳算法是被人口大小、交叉的概率和概率突變所控制的 。只有當在一個人口中功能最薄弱功能的最優(yōu)值沒有變化時，nchg達到一個預先定義的價值ncmax ，或有多少幾代氮，到達演化的指定數(shù)量上限nmax， 沒有遺傳算法停止。有五個主要因素，遺傳算法，編碼，健身功能，遺傳算子，控制參數(shù)和制約因素。 在這篇論文中，這些因素都被選出如表1所列。 表1 遺傳算法參數(shù)的選擇 由于遺傳算法可能產生夾具設計字符串，當受到加工負荷時不完全限制夾具。這些解決方案被認為是不可行的，且被罰的方法是用來驅動遺傳算法，以實現(xiàn)一個可行的解決辦法。1夾具設計的計劃被認為是不可行的或無約束，如果反應在定位是否定的。在換句話說，它不符合方程（2）和（3）的限制。罰的方法基本上包含指定計劃的高目標函數(shù)值時不可行的。因此，驅動它在連續(xù)迭代算法中的可行區(qū)域。對于約束（4），當遺傳算子產生新個體或此個體已經(jīng)產生，檢查它們是否符合條件是必要的。真正的候選區(qū)域是那些不包括無效的區(qū)域。在為了簡化檢查，多邊形是用來代表候選區(qū)域和無效區(qū)域的。多邊形的頂點是用于檢查?！癷npolygon ”在MATLAB的功能可被用來幫助檢查。 4.2 有限元分析 ANSYS軟件包是用于在這方面的研究有限元分析計算。有限元模型是一個考慮摩擦效應的半彈性接觸模型，如果材料是假定線彈性。如圖2所示，每個位置或支持，是代表三個正交彈簧提供的制約。 圖2 考慮到摩擦的半彈性接觸模型 在x ， y和z 方向和每個夾具類似，但定位夾緊力在正常的方向。彈力在自然的方向即所謂自然彈力，其余兩個彈力即為所謂的切向彈力。接觸彈簧剛度可以根據(jù)向赫茲接觸理論計算如下： 隨著夾緊力和夾具布局的變化，接觸剛度也不同，一個合理的線性逼近的接觸剛度可以從適合上述方程的最小二乘法得到。連續(xù)插值，這是用來申請工件的有限元分析模型的邊界條件。在圖3中說明了夾具元件的位置，顯示為黑色界線。每個元素的位置被其它四或六最接近的鄰近節(jié)點所包圍。 圖3 連續(xù)插值 這系列節(jié)點，如黑色正方形所示，是（37，38，31和30 ），（9，10 ，11 ， 18，17號和16號）和（ 26，27 ，34 ， 41，40和33 ）。這一系列彈簧單元，與這些每一個節(jié)點相關聯(lián)。對任何一套節(jié)點，彈簧常數(shù)是： 這里， kij 是彈簧剛度在的j -次節(jié)點周圍i次夾具元件， Dij 是i次夾具元件和的J -次節(jié)點周圍之間的距離， ki是彈簧剛度在一次夾具元件位置, ηi 是周圍的i次夾具元素周圍的節(jié)點數(shù)量 為每個加工負荷的一步，適當?shù)倪吔鐥l件將適用于工件的有限元模型。在這個工作里，正常的彈簧約束在這三個方向（X ， Y ， Z ）的和在切方向切向彈簧約束，（X ， Y ）。夾緊力是適用于正常方向（Z）的夾緊點。整個刀具路徑是模擬為每個夾具設計計劃所產生的遺傳算法應用的高峰期的X ，Y ，z切削力順序到元曲面，其中刀具通行證。在這工作中，從刀具路徑中歐盟和去除碎片已經(jīng)被考慮進去。在機床改變幾何數(shù)值過程中，材料被去除，工件的結構剛度也改變。 因此，這是需要考慮碎片移除的影響。有限元分析模型，分析與重點的工具運動和碎片移除使用的元素死亡技術。在為了計算健身價值，對于給定夾具設計方案，位移存儲為每個負載的一步。那么，最大位移是選定為夾具設計計劃的健身價值。 遺傳算法的程序和ANSYS之間的互動實施如下。定位和夾具的位置以及夾緊力這些參數(shù)寫入到一個文本文件。那個輸入批處理文件ANSYS軟件可以讀取這些參數(shù)和計算加工表面的變形。 因此， 健身價值觀，在遺傳算法程序，也可以寫到當前夾具設計計劃的一個文本文件。 當有大量的節(jié)點在一個有限元模型時，計算健身價值是很昂貴的。因此，有必要加快計算遺傳算法程序。作為這一代的推移，染色體在人口中取得類似情況。在這項工作中，計算健身價值和染色體存放在一個SQL Server數(shù)據(jù)庫。遺傳算法的程序，如果目前的染色體的健身價值已計算之前，先檢查；如果不，夾具設計計劃發(fā)送到ANSYS，否則健身價值觀是直接從數(shù)據(jù)庫中取出。嚙合的工件有限元模型，在每一個計算時間保持不變。每計算模型間的差異是邊界條件，因此，網(wǎng)狀工件的有限元模型可以用來反復“恢復”ANSYS 命令。 5 案例研究 一個關于低剛度工件的銑削夾具設計優(yōu)化問題是被顯示在前面的論文中，并在以下各節(jié)加以表述。 5.1 工件的幾何形狀和性能 工件的幾何形狀和特點顯示在圖4中，空心工件的材料是鋁390與泊松比0.3和71Gpa的楊氏模量。外廓尺寸152.4mm×127mm*76.2mm.該工件頂端內壁的三分之一是經(jīng)銑削及其刀具軌跡，如圖4 所示。夾具元件中應用到的材料泊松比0.3和楊氏模量的220的合金鋼。 圖4 空心工件 5.2 模擬和加工的運作 舉例將工件進行周邊銑削，加工參數(shù)在表2中給出?；谶@些參數(shù)，切削力的最高值被作為工件內壁受到的表面載荷而被計算和應用，當工件處于330.94 n（切）、398.11 N （下徑向）和22.84 N （下軸） 的切削位置時。整個刀具路徑被26個工步所分開，切削力的方向被刀具位置所確定 表2加工參數(shù)和條件 。 5.3 夾具設計方案 夾具在加工過程中夾緊工件的規(guī)劃如圖5所示。 圖5 定位和夾緊裝置的可選區(qū)域 一般來說， 3-2-1定位原則是夾具設計中常用的。夾具底板限制三個自由度，在側邊控制兩個自由度。這里，在Y=0mm截面上使用了4個定點（L1，L2 ， L3和14 ），以定位工件并限制2自由度；并且在Y=127mm的相反面上，兩個壓板（C1,C2）夾緊工件。在正交面上，需要一個定位元件限制其余的一個自由度，這在優(yōu)化模型中是被忽略的。在表3中給出了定位加緊點的坐標范圍。 表3 設計變量的約束 由于沒有一個簡單的一體化程序確定夾緊力，夾緊力很大部分（6673.2N）在初始階段被假設為每一個夾板上作用的力。且從符合例5的最小二乘法，分別由4.43×107 N/m 和5.47×107 N/m得到了正常切向剛度。 5.4 遺傳控制參數(shù)和懲罰函數(shù) 在這個例子中，用到了下列參數(shù)值：Ps=30, Pc=0.85, Pm=0.01, Nmax=100和Ncmax=20.關于f1和σ的懲罰函數(shù)是 這里fv可以被F1或σ代表。當nchg達到6時，交叉和變異的概率將分別改變成0.6和0.1. 5.5 優(yōu)化結果 連續(xù)優(yōu)化的收斂過程如圖6所示。且收斂過程的相應功能（1）和（2）如圖7、圖8所示。優(yōu)化設計方案在表4中給出。 圖6 夾具布局和夾緊力優(yōu)化程序的收斂性遺傳算法 圖7 第一個函數(shù)值的收斂 圖8第二個函數(shù)值的收斂性 表4 多目標優(yōu)化模型的結果 表5 各種夾具設計方案結果進行比較， 5.6 結果的比較 從單一目標優(yōu)化和經(jīng)驗設計中得到的夾具設計的設計變量和目標函數(shù)值，如表5所示。單一目標優(yōu)化的結果，在論文中引做比較。在例子中，與經(jīng)驗設計相比較，單一目標優(yōu)化方法有其優(yōu)勢。最高變形減少了57.5 ％，均勻變形增強了60.4 ％。最高夾緊力的值也減少了49.4 ％ 。從多目標優(yōu)化方法和單目標優(yōu)化方法的比較中可以得出什么呢？最大變形減少了50.2％ ，均勻變形量增加了52.9 ％，最高夾緊力的值減少了69.6 ％ 。加工表面沿刀具軌跡的變形分布如圖9所示。很明顯，在三種方法中，多目標優(yōu)化方法產生的變形分布最均勻。 與結果比較，我們確信運用最佳定位點分布和最優(yōu)夾緊力來減少工件的變形。圖10示出了一實例夾具的裝配。 圖9沿刀具軌跡的變形分布 圖10 夾具配置實例 6 結論 本文介紹了基于GA和有限元的夾具布局設計和夾緊力的優(yōu)化程序設計。優(yōu)化程序是多目標的：最大限度地減少加工表面的最高變形和最大限度地均勻變形。ANSYS軟件包已經(jīng)被用于 健身價值的有限元計算。對于夾具設計優(yōu)化的問題，GA和有限元分析的結合被證明是一種很有用的方法。 在這項研究中，摩擦的影響和碎片移動都被考慮到了。為了減少計算的時間，建立了一個染色體的健身數(shù)值的數(shù)據(jù)庫，且網(wǎng)狀工件的有限元模型是優(yōu)化過程中多次使用的。 傳統(tǒng)的夾具設計方法是單一目標優(yōu)化方法或經(jīng)驗。此研究結果表明，多目標優(yōu)化方法比起其他兩種方法更有效地減少變形和均勻變形。這對于在數(shù)控加工中控制加工變形是很有意義的。 參考文獻 1、 King LS，Hutter（ 1993年） 自動化裝配線上棱柱工件最佳裝夾定位生成的理論方法。De Meter EC (1995) 優(yōu)化機床夾具表現(xiàn)的Min - Max負荷模型。 2、 De Meter EC (1998) 快速支持布局優(yōu)化。Li B, Melkote SN (1999) 通過夾具布局優(yōu)化改善工件的定位精度。 3、 Li B, Melkote SN (2001) 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