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常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)
作 者: 學(xué) 號(hào):
系 部: 機(jī)械工程系
專 業(yè):
題 目: YA19005連接板 零件機(jī)械加工工藝夾具設(shè)計(jì)說明書
指導(dǎo)者:
(學(xué)校)
評(píng)閱者:
2013 年 09 月
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)中文摘要
本文是對(duì)連接板零件加工應(yīng)用及加工的工藝性分析,主要包括對(duì)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(shè)計(jì)合理的加工工藝過程。此外還對(duì)零件的兩道工序的加工設(shè)計(jì)了專用夾具.
機(jī)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(biāo)準(zhǔn)化,并且有專業(yè)的工廠進(jìn)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(wù)的專用夾具,則需要各制造廠根據(jù)工件加工工藝自行設(shè)計(jì)制造。本論文夾具設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是設(shè)計(jì)鉆中心孔夾具。
關(guān)鍵詞:連接塊,加工工藝,加工方法,工藝文件,夾具
2
目 錄
二、零件的分析 2
2.1零件的作用 2
2.2零件的工藝分析 2
三、工藝規(guī)劃設(shè)計(jì) 3
3.1毛坯的制造形式 3
3.2基面的選擇 3
3.3工藝路線的擬定 3
3.4毛坯尺寸及其加工余量的確定 4
3.5確定各工序切削用量及基本工時(shí) 6
四、鉆孔專用夾具設(shè)計(jì) 10
4.1問題的指出 10
4.2定位基準(zhǔn)的選擇 10
4.3夾具方案的設(shè)計(jì) 11
4.4.切削力和夾緊力計(jì)算 12
4.5夾緊力的計(jì)算 12
五.定位誤差分析 13
六、鉆套零、部件的設(shè)計(jì)與選用 14
七、確定夾具體結(jié)構(gòu)尺寸和總體結(jié)構(gòu) 15
八、本章小結(jié) 16
九、總結(jié) 17
十、參考文獻(xiàn) 18
18
設(shè)計(jì)YA19005連接板的機(jī)械加工工藝規(guī)程及工藝設(shè)備
一、 前言
1.簡介
機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)是我們學(xué)完了大學(xué)全部基礎(chǔ)課,技術(shù)基礎(chǔ)課以及大部分專業(yè)課之后進(jìn)行的,這是我們?cè)谶M(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)之前對(duì)所有各課程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。
本次課程設(shè)計(jì)內(nèi)容包括零件的分析,工藝路線的制定,工藝規(guī)劃設(shè)計(jì),某道工序的夾具設(shè)計(jì)以及該道工序的工序卡,機(jī)械加工綜合卡片,夾具裝配圖以及夾具底座零件圖的繪制等等。
就我個(gè)人而言,希望能通過這次課程設(shè)計(jì)對(duì)未來即將從事的工作進(jìn)行一次適應(yīng)性的訓(xùn)練,從中鍛煉自己分析問題,解決問題的能力,并學(xué)會(huì)將所學(xué)到的理論知識(shí)應(yīng)用到具體的實(shí)際生產(chǎn)問題中來,為以后走向社會(huì)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
由于能力有限,設(shè)計(jì)尚有許多不足之處,懇請(qǐng)老師批評(píng)指正。
2.設(shè)計(jì)目的
機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)是在學(xué)完了機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)課程進(jìn)行了生產(chǎn)實(shí)習(xí)之后的一個(gè)重要的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。學(xué)生通過設(shè)計(jì)能獲得綜合運(yùn)用過去所學(xué)過的全部課程進(jìn)行機(jī)械制造工藝及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本能力,為以后做好畢業(yè)設(shè)計(jì)、走上工作崗位進(jìn)行一次綜合訓(xùn)練和準(zhǔn)備。它要求學(xué)生綜合運(yùn)用本課程及有關(guān)先修課程的理論和實(shí)踐知識(shí),進(jìn)行零件加工工藝規(guī)程的設(shè)計(jì)。其目的如下:
①培養(yǎng)學(xué)生解決機(jī)械加工工藝問題的能力。通過課程設(shè)計(jì),熟練運(yùn)用機(jī)械技術(shù)基礎(chǔ)課程中的基本理論及在生產(chǎn)實(shí)習(xí)中學(xué)到的實(shí)踐知識(shí),正確地解決一個(gè)零件在加工中定位、加緊以及工藝路線安排、工藝尺寸確定等問題,保證零件的加工質(zhì)量,初步具備設(shè)計(jì)一個(gè)中等復(fù)雜程度零件的能力。
②培養(yǎng)學(xué)生熟悉并運(yùn)用有關(guān)手冊(cè)、規(guī)范、圖表等技術(shù)資料的能力。
③進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生識(shí)圖、制圖、運(yùn)用和編寫技術(shù)文件等基本技能。
二、零件的分析
2.1零件的作用
該零件為典型的桿類零件,而且為連桿類。因此,其主要的要素包括兩側(cè)面,孔。另外,還有其它輔助要素通過孔連接即該YA19005連接板的作用是實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的傳遞作用。
2.2零件的工藝分析
該YA19005連接板的加工表面分三種,主要是孔的加工,兩側(cè)面的加工各組加工面之間有嚴(yán)格的尺寸位置度要求和一定的表面加工精度要求,特別是孔的加工,幾乎都要保證Ra3.2um的表面粗糙度,因而需精加工,現(xiàn)將主要加工面分述如下:
2.2.1孔的加工
該零件共有2個(gè)孔要加工:孔是零件的主要加工面,多組面,,通過兩孔中心連線及對(duì)兩側(cè)對(duì)稱面,沒有位置尺寸度要求,只需要轉(zhuǎn)床粗加工。
2.2.2面的加工
該零件共有2個(gè)側(cè)面要加工:兩個(gè)側(cè)面是配合孔后續(xù)工序的主要精基準(zhǔn)面,需要精加工。
三、工藝規(guī)劃設(shè)計(jì)
3.1毛坯的制造形式
零件材料為鋁合金,根據(jù)選擇毛坯應(yīng)考慮的因素,該零件體積較小,形狀較復(fù)雜,外表面采用不去除材料方法獲得粗糙度要求,由于零件生產(chǎn)類型為成批,大批生產(chǎn),而砂型鍛造生產(chǎn)成本低,設(shè)備簡單,故本零件毛坯采用普通模鍛。
由于零件上孔都較大,且都有嚴(yán)格的表面精度要求,故都要留出足夠的加工余量。
3.2基面的選擇
基面選擇是工藝規(guī)劃設(shè)計(jì)中的重要工作之一,基準(zhǔn)選擇的正確與合理,可以使加工質(zhì)量得到保證,生產(chǎn)率得到提高,否則,不但使加工工藝過程中的問題百出,更有甚者,還會(huì)造成零件大批報(bào)廢,使生產(chǎn)無法正常進(jìn)行。
3.2.1粗基準(zhǔn)的選擇
粗基準(zhǔn)選擇應(yīng)為后續(xù)加工提供精基準(zhǔn),由于兩側(cè)面較平整且加工精度較高,故以2個(gè)主要側(cè)面為基準(zhǔn)。?
3.2.2精基準(zhǔn)的選擇
精基準(zhǔn)主要考慮如何保證加工精度和裝夾方便,該零件上重要表面是大頭孔φ38H8,由于其與底面有垂直度關(guān)系,所以底面自然成為精基準(zhǔn)面,考慮到第二基準(zhǔn)面選擇的方便性,將其精度由原來的φ37H11提高到φ38H8,該定位基準(zhǔn)組合在后續(xù)孔的加工中,以及孔上徑向孔的加工中都將作為精基準(zhǔn)面。
3.3工藝路線的擬定
擬定工藝路線的內(nèi)容除選擇定位基準(zhǔn)外,還要選擇各加工表面的加工方法,安排工序的先后順序,確定加工設(shè)備,工藝裝備等。工藝路線的擬定要考慮使工件的幾何形狀精度,尺寸精度及位置精度等技術(shù)要求得到合理保證,成批生產(chǎn)還應(yīng)考慮采用組合機(jī)床,專用夾具,工序集中,以提高效率,還應(yīng)考慮加工的經(jīng)濟(jì)性,以便使生產(chǎn)成本盡量下降。
3.3.1工藝路線方案
10.模鍛毛坯;
20.粗銑端面B;
30.粗銑端面A;
40.精銑端面B;
50.精銑端面A;
60.粗鉆小頭孔φ8;
70.精鉆小頭孔φ8;
80.倒角;
90.檢驗(yàn)入庫。
3.3.2工藝方案的確定
10.模鍛毛坯;
20.粗銑端面B,以端面A為定位基準(zhǔn);
30.粗銑端面A,以端面B為定位基準(zhǔn);
40.精銑端面B,以端面A為定位基準(zhǔn);
50.精銑端面A,以端面B為定位基準(zhǔn);
60.精鉆孔φ8,定位與Ⅵ工序相同;
70.精鉆孔φ8,定位與Ⅵ工序相同;
80.倒角,手工倒角,去毛刺;
90.檢驗(yàn)入庫。
3.4毛坯尺寸及其加工余量的確定
YA19005連接板零件材料為鋁合金,毛坯重量約為1.56kg,生產(chǎn)類型為中批或大批生產(chǎn),采用普通模鍛生產(chǎn)。
查表確定加工余量:
普通模鍛,材料為鋁合金鋼,分模線平直對(duì)稱,材質(zhì)系數(shù)M1,復(fù)雜系數(shù)=1.56/1.8≈0.87,為S1級(jí),厚度為26mm,普通級(jí),查的上下偏差分別為+1.4和-0.6
3.4.1兩側(cè)面毛坯尺寸及加工余量計(jì)算
根據(jù)工序要求,兩側(cè)面經(jīng)過四道工序,先粗銑端面B,再粗銑端面A,精銑端面B,最后精銑端面A,各步余量如下:
粗銑:由《機(jī)械加工工藝手冊(cè)第一卷》表3.2-23,其余量值規(guī)定,零件厚度大于6mm到30mm,寬度小于100mm,其加工余量為1.0mm。
精銑:由《機(jī)械加工工藝手冊(cè)第一卷》表3.2-25,其余量值規(guī)定,零件厚度大于6mm到30mm,寬度小于100mm,其加工余量為0.5mm。
故鍛造造毛坯的基本尺寸為26+1+1+0.5+0.5=29mm?。又根據(jù)前面鑄件尺寸公差標(biāo)準(zhǔn)值,取尺寸公差的上偏差為1.4mm,下偏差為-0.4mm。故:
毛坯的名義尺寸:26+1.0+1.0+0.5+0.5=29mm;
毛坯的最小尺寸:29―0.4=28.6mm;
毛坯的最大尺寸:29+1.4=30.4mm;
粗銑端面B后的最大尺寸:26+1.0+0.5+0.5+1.4=29.4mm;
粗銑端面B后的最小尺寸:26+1.0+0.5+0.5―0.4=27.6mm;
粗銑端面A后的最大尺寸::26+0.5+0.5+1.4=28.4mm;
粗銑端面A后的最小尺寸:: 26+0.5+0.5―0.4=26.6mm。
精銑后尺寸與零件尺寸相同,但由于設(shè)計(jì)零件圖紙并未給出具體的公差等級(jí),現(xiàn)按《機(jī)械加工工藝手冊(cè)》表5.29,粗銑→精銑所能達(dá)到的經(jīng)濟(jì)精度取IT8,按入體原則取值。
3.4.2小頭孔毛坯尺寸及加工余量計(jì)算
根據(jù)工序要求,查《機(jī)械加工工藝手冊(cè)》得粗鏜的公差上偏差0.21mm,下偏差為0,故:
毛坯的名義尺寸:22-0.8-3.2=18mm;
毛坯的最大尺寸:18+1.4=19.4mm;
毛坯的最小尺寸:18-0.4=17.6mm;
粗鏜小頭孔后的最大尺寸:18+3.2+0.4+0.21=21.81 mm;
粗鏜小頭孔后的最小尺寸:18+3.2-1.4=19.8 mm。
精銑后尺寸與零件尺寸相同,但由于設(shè)計(jì)零件圖紙并未給出具體的公差等級(jí),現(xiàn)按《機(jī)械加工工藝手冊(cè)》表5.29,粗銑→精銑所能達(dá)到的經(jīng)濟(jì)精度取IT8,按入體原則取值。
3.5確定各工序切削用量及基本工時(shí)
工序20:粗銑端面B
(1)粗銑端面B
取背吃到量,選用X52型立式銑床 ,每齒進(jìn)給量
工件材料 鋁合金 ,鍛造 ,高速鋼鑲齒銑刀、 齒數(shù) ,查表5.8
確定銑削速度
采用X52立式銑床 ,查表3.6,取轉(zhuǎn)速 , 故實(shí)際銑削速度
當(dāng)工作臺(tái)每分鐘進(jìn)給 為
由《工藝手冊(cè)》得
工序30:粗銑端面A
(1)粗銑端面B
取背吃到量,選用X52型立式銑床 ,每齒進(jìn)給量
工件材料 鋁合金 ,鍛造 ,高速鋼鑲齒銑刀、 齒數(shù) ,查表5.8
確定銑削速度
采用X52立式銑床 ,查表3.6,取轉(zhuǎn)速 , 故實(shí)際銑削速度
當(dāng)工作臺(tái)每分鐘進(jìn)給 為
由《工藝手冊(cè)》得
3.6.3工序40:精銑端面B
每齒進(jìn)給量 查表
X52 故實(shí)際銑削速度
當(dāng) ,工作臺(tái)每分鐘進(jìn)給量
3.6.4工序50:精銑端面A
每齒進(jìn)給量 查表
X52 故實(shí)際銑削速度
當(dāng) ,工作臺(tái)每分鐘進(jìn)給量
3.6.5工序60:鉆、擴(kuò)、鉸孔
鉆孔—標(biāo)準(zhǔn)高速鋼麻花鉆,擴(kuò)孔—標(biāo)準(zhǔn)高速鋼擴(kuò)孔鉆,鉸孔—標(biāo)準(zhǔn)高速鉸刀。
(1)鉆孔
切屑用量:
取背吃刀量,由參考文獻(xiàn)[2]可查出,根據(jù)z525立式鉆床,取進(jìn)給量,切屑速度:,,,則修正后的切屑速度,即
查參考文獻(xiàn)[2]表3.17,取,
故實(shí)際切屑速度為。
切屑用時(shí):
=10mm,,,
故,,
,
(2)擴(kuò)孔
切屑用量:
取背吃刀量,由參考文獻(xiàn)[2]可查出,根據(jù)z525立式鉆床,取進(jìn)給量,切屑速度:,,,則修正后的切屑速度,即,
查參考文獻(xiàn)[2]表3.17,取,
故實(shí)際切屑速度為。
切屑用時(shí):
=10mm,,,
故,,
,
(3)鉸孔
切屑用量:
取背吃刀量,由參考文獻(xiàn)[2]可查出,根據(jù)z525立式鉆床,取進(jìn)給量,切屑速度:,,,則修正后的切屑速度,即,
查參考文獻(xiàn)[2]表3.17,取,
故實(shí)際切屑速度為。
切屑用時(shí):
=10mm,,,,
故,,
,。
3.6.6工序130:倒角
機(jī)床:Z525鉆床
刀具:倒角鉆頭
量具:游標(biāo)卡尺Ⅱ型
夾具:專用夾具
四、鉆孔專用夾具設(shè)計(jì)
4.1問題的指出
由于生產(chǎn)類型為成批,大批生產(chǎn),要考慮生產(chǎn)效率,降低勞動(dòng)強(qiáng)度,保證加工質(zhì)量,故需設(shè)計(jì)專用夾具。
由于對(duì)加工精度要求不是很高,所以在本道工序加工時(shí),主要考慮如何降低降低生產(chǎn)成本和降低勞動(dòng)強(qiáng)度。
本次設(shè)計(jì)選擇設(shè)計(jì)是針對(duì)、鉆、擴(kuò)、鉸孔,它將用于Z525鉆床。
4.2定位基準(zhǔn)的選擇
該工序要求中心線與端面(有位置要求,因此可以得出該孔在兩個(gè)側(cè)面的正中心上,并且還要求其孔為通孔,由于端面經(jīng)過精銑,精度比較高,因而工序基準(zhǔn)為端面A,為了便于加工,選取適當(dāng)?shù)亩ㄎ换鶞?zhǔn),保證其加工要求。夾具設(shè)計(jì)應(yīng)首先滿足這些要求,在保證較高的生產(chǎn)效率的前提下,還應(yīng)考慮夾具體制造工藝性和生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性。加工過程中夾具的操作應(yīng)方便,定位夾緊穩(wěn)定可靠,并且夾具體應(yīng)具有較好的剛性。
據(jù)《夾具手冊(cè)》知定位基準(zhǔn)應(yīng)盡可能與工序基準(zhǔn)重合,在同一工件的各道工序中,應(yīng)盡量采用同一定位基準(zhǔn)進(jìn)行加工。擬定加工路線的第一步是選擇定位基準(zhǔn)。定位基準(zhǔn)的選擇必須合理,否則將直接影響所制定的零件加工工藝規(guī)程和最終加工出的零件質(zhì)量?;鶞?zhǔn)選擇不當(dāng)往往會(huì)增加工序或使工藝路線不合理,或是使夾具設(shè)計(jì)更加困難甚至達(dá)不到零件的加工精度(特別是位置精度)要求。因此我們應(yīng)該根據(jù)零件圖的技術(shù)要求,從保證零件的加工精度要求出發(fā),合理選擇定位基準(zhǔn)。此零件圖沒有較高的技術(shù)要求,也沒有較高的平行度和對(duì)稱度要求,所以我們應(yīng)考慮如何提高勞動(dòng)效率,降低勞動(dòng)強(qiáng)度,提高加工精度。圓臺(tái)外圓及兩端面都已加工好,為了使定位誤差減小,選擇已加工好的端面作為定位精基準(zhǔn),來設(shè)計(jì)本道工序的夾具,以已加工好的端面作為定位夾具。
4.3夾具方案的設(shè)計(jì)
如圖所示,為了加工通孔,必須使其完全定位。因此初步的設(shè)計(jì)方案如下,
方案:
首先必須明確其加工時(shí)應(yīng)如圖所示,這樣水平放置,便于鉆床加工。那么要使其完全定位,可以采用:一面加固定V型塊和滑動(dòng)V型塊定位,這樣既簡單又方便。如上圖所示,一底面限制的自由度有3個(gè),一個(gè)固定V型塊限制兩個(gè)自由度,一個(gè)滑動(dòng)V型塊限制限制一個(gè)自由度,為使定位可靠,加工穩(wěn)定,我所設(shè)計(jì)的定位方案,總共限制了工件的全部6個(gè)自由度,屬于完全定位。
在該定位方案中,一個(gè)支撐面頂住,限制了z軸的移動(dòng),z軸的旋轉(zhuǎn),y軸的旋轉(zhuǎn)三個(gè)移動(dòng)自由度。一個(gè)固定V型塊限制了y軸的移動(dòng),x軸的移動(dòng),一個(gè)滑動(dòng)V型塊限制了z軸的旋轉(zhuǎn),這樣6個(gè)自由度全部被限制
根據(jù)上面敘述選擇方案。
4.4.切削力和夾緊力計(jì)算
(1)刀具:刀具用高速鋼刀具鉆頭
機(jī)床: Z525機(jī)床
切削力公式:
式中
查表得:
其中:,
即:
實(shí)際所需夾緊力:由參考文獻(xiàn)[5]表得:
有:
安全系數(shù)K可按下式計(jì)算有:
式中:為各種因素的安全系數(shù),見參考文獻(xiàn)[5]表 可得:
所以
4.5夾緊力的計(jì)算
選用夾緊螺釘夾緊機(jī) 由
其中f為夾緊面上的摩擦系數(shù),取
F=+G G為工件自重
夾緊螺釘: 公稱直徑d=20mm,材料鋁合金鋼 性能級(jí)數(shù)為6.8級(jí)
螺釘疲勞極限:
極限應(yīng)力幅:
許用應(yīng)力幅:
螺釘?shù)膹?qiáng)度校核:螺釘?shù)脑S用切應(yīng)力為
[s]=2.5~4 取[s]=4
得
滿足要求
經(jīng)校核: 滿足強(qiáng)度要求,夾具安全可靠,
使用快速螺旋定位機(jī)構(gòu)快速人工夾緊,調(diào)節(jié)夾緊力調(diào)節(jié)裝置,即可指定可靠的夾緊力
五.定位誤差分析
(1)定位元件尺寸及公差確定。
夾具的主要定位元件為一平面和V型塊間隙配合。
(2) 工件的工序基準(zhǔn)為孔心,當(dāng)工件孔徑為最大,定位銷的孔徑為最小時(shí),孔心在任意方向上的最大變動(dòng)量等于孔與銷配合的最大間隙量。本夾具是用來在臥式鏜床上加工,所以工件上孔與夾具上的定位銷保持固定接觸。此時(shí)可求出孔心在接觸點(diǎn)與銷中心連線方向上的最大變動(dòng)量為孔徑公差多一半。工件的定位基準(zhǔn)為孔心。工序尺寸方向與固定接觸點(diǎn)和銷中心連線方向相同,則其定位誤差為: Td=Dmax-Dmin
該夾具以一面兩銷定位,兩定位銷孔尺寸公差為80。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(jī)床夾具有關(guān)的加工誤差,一般可用下式表示:
由參考文獻(xiàn)[5]可得:
⑴ 兩定位銷的定位誤差 :
其中:
,
,
,
且:L=100mm ,得:
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(duì)刀具位置誤差:取
誤差總和:
從以上的分析可見,所設(shè)計(jì)的夾具能滿足零件的加工精度要求。
六、鉆套零、部件的設(shè)計(jì)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(shí)間。
.尺寸表
d
D
D1
H
t
基本尺寸
極限偏差F7
基本尺寸
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
12
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
20
>6~8
+0.028
+0.013
12
+0.023
+0.012
15
>8~10
15
18
12
20
25
>10~12
+0.034
+0.016
18
22
>12~15
22
+0.028
+0.015
26
16
28
36
>15~18
26
30
0.012
>18~22
+0.041
+0.020
30
34
20
36
鋁合金
>22~26
35
+0.033
+0.017
39
>26~30
42
46
25
鋁合金
56
>30~35
+0.050
+0.025
48
52
>35~42
55
+0.039
+0.020
59
30
56
67
>42~48
62
66
>48~50
70
74
0.040
鉆模板選用翻轉(zhuǎn)鉆模板,用沉頭螺釘錐銷定位于夾具體上。
七、確定夾具體結(jié)構(gòu)尺寸和總體結(jié)構(gòu)
夾具體:夾具的定位、引導(dǎo)、夾緊裝置裝在夾具體上,使其成為一體,并能正確的安裝在機(jī)床上。夾具體是將夾具上的各種裝置和元件連接成一個(gè)整體的最大最復(fù)雜的基礎(chǔ)件。夾具體的形狀和尺寸取決于夾具上各種裝置的布置以及夾具與機(jī)床的連接,而且在零件的加工過程中,夾具還要承受夾緊力、切削力以及由此產(chǎn)生的沖擊和振動(dòng),因此夾具體必須具有必要的強(qiáng)度和剛度。切削加工過程中產(chǎn)生的切屑有一部分還會(huì)落在夾具體上,切屑積聚過多將影響工件的可靠的定位和夾緊,因此設(shè)計(jì)夾具體時(shí),必須考慮結(jié)構(gòu)應(yīng)便于排屑。此外,夾具體結(jié)構(gòu)的工藝性、經(jīng)濟(jì)性以及操作和裝拆的便捷性等,在設(shè)計(jì)時(shí)也應(yīng)加以考慮。
夾具體設(shè)計(jì)的基本要求
(1)應(yīng)有適當(dāng)?shù)木群统叽绶€(wěn)定性
夾具體上的重要表面,如安裝定位元件的表面、安裝對(duì)刀塊或?qū)蛟谋砻嬉约皧A具體的安裝基面,應(yīng)有適當(dāng)?shù)某叽缇群托螤罹龋鼈冎g應(yīng)有適當(dāng)?shù)奈恢镁取?
為使夾具體的尺寸保持穩(wěn)定,鑄造夾具體要進(jìn)行時(shí)效處理,焊接和鍛造夾具體要進(jìn)行退火處理。
(2)應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和剛度
為了保證在加工過程中不因夾緊力、切削力等外力的作用而產(chǎn)生不允許的變形和振動(dòng),夾具體應(yīng)有足夠的壁厚,剛性不足處可適當(dāng)增設(shè)加強(qiáng)筋。
(3)應(yīng)有良好的結(jié)構(gòu)工藝性和使用性
夾具體一般外形尺寸較大,結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,而且各表面間的相互位置精度要求高,因此應(yīng)特別注意其結(jié)構(gòu)工藝性,應(yīng)做到裝卸工件方便,夾具維修方便。在滿足剛度和強(qiáng)度的前提下,應(yīng)盡量能減輕重量,縮小體積,力求簡單。
(4)應(yīng)便于排除切屑
在機(jī)械加工過程中,切屑會(huì)不斷地積聚在夾具體周圍,如不及時(shí)排除,切削熱量的積聚會(huì)破壞夾具的定位精度,切屑的拋甩可能纏繞定位元件,也會(huì)破壞定位精度,甚至發(fā)生安全事故。因此,對(duì)于加工過程中切屑產(chǎn)生不多的情況,可適當(dāng)加大定位元件工作表面與夾具體之間的距離以增大容屑空間:對(duì)于加工過程中切削產(chǎn)生較多的情況,一般應(yīng)在夾具體上設(shè)置排屑槽。
(5)在機(jī)床上的安裝應(yīng)穩(wěn)定可靠
夾具在機(jī)床上的安裝都是通過夾具體上的安裝基面與機(jī)床上的相應(yīng)表面的接觸或配合實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)夾具在機(jī)床工作臺(tái)上安裝時(shí),夾具的重心應(yīng)盡量低,支承面積應(yīng)足夠大,安裝基面應(yīng)有較高的配合精度,保證安裝穩(wěn)定可靠。夾具底部一般應(yīng)中空,大型夾具還應(yīng)設(shè)置吊環(huán)或起重孔。
工件裝夾方案確定以后,根據(jù)定位元件及夾緊機(jī)構(gòu)所需要的空間范圍及機(jī)床工作臺(tái)的尺寸,確定夾具體的結(jié)構(gòu)尺寸,然后繪制夾具總圖。詳見繪制的夾具裝配圖。
八、本章小結(jié)
如前所述,在設(shè)計(jì)夾具時(shí),應(yīng)該注意提高勞動(dòng)生產(chǎn)率避免干涉。應(yīng)使夾具結(jié)構(gòu)簡單,便于操作,降低成本。提高夾具性價(jià)比。本道工序?yàn)殂姶矈A具選擇了壓緊螺釘夾緊方式。本工序?yàn)殂娪嗔啃?,切削力小,所以一般的手?dòng)夾緊就能達(dá)到本工序的要求。
本夾具的最大優(yōu)點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)簡單緊湊。夾具的夾緊力不大,故使用手動(dòng)夾緊。為了提高生產(chǎn)力,使用快速螺旋夾緊機(jī)構(gòu)。
九、總結(jié)
本次課程設(shè)計(jì)是在進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)之前對(duì)所學(xué)各課程的一次深入的綜合性復(fù)習(xí),是一次對(duì)我們所學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)的掌握情況的重要考察和檢驗(yàn),更是培養(yǎng)我們理論聯(lián)系實(shí)際,分析并解決問題能力的重要內(nèi)容和階段。使我更好的掌握了CAD和PROE制圖軟件。
這次課程設(shè)計(jì),其設(shè)計(jì)圖主要用CAD制圖軟件完成。自我感覺尚有很多不足和錯(cuò)誤,首先,在設(shè)計(jì)夾具裝配件時(shí)過于匆忙,裝配YA19005連接板時(shí)放在了左手邊,不符合工人正常勞作習(xí)慣;其次是課程設(shè)計(jì)前準(zhǔn)備工作沒做好,在圖書館很多資料和文獻(xiàn)都沒能借到(早已借空了),在借閱同學(xué)的相關(guān)資料時(shí)沒有時(shí)間認(rèn)真琢磨和分析相關(guān)信息和數(shù)據(jù);最后就是課程設(shè)計(jì)說明書的編寫過于匆忙,時(shí)間很緊,很多文字和標(biāo)準(zhǔn),公式,數(shù)據(jù),計(jì)算上的錯(cuò)誤沒有時(shí)間一一改正(確實(shí),在打這篇文稿,發(fā)現(xiàn)了很多錯(cuò)誤和缺憾)。
課程設(shè)計(jì),是一個(gè)系統(tǒng)性、知識(shí)點(diǎn)廣泛的學(xué)習(xí)過程。通過這樣一個(gè)系統(tǒng)性的學(xué)習(xí)和結(jié)合,使自己把學(xué)過的知識(shí)聯(lián)系起來,運(yùn)用到各個(gè)方面上去。同時(shí),廣泛地運(yùn)用設(shè)計(jì)手冊(cè)及各種參考資料,學(xué)會(huì)了在實(shí)際中運(yùn)用工具書,和獨(dú)立完成每一步查找工作;整個(gè)零件的加工過程是和其他同學(xué)分工完成的,集中體現(xiàn)了團(tuán)隊(duì)精神,合作分工能很好的提高辦事效率!在這次設(shè)計(jì)中培養(yǎng)了我獨(dú)立分工合作的能力!為以后出身社會(huì)的工作打下基礎(chǔ)!
十、參考文獻(xiàn)
1、徐洪本 .機(jī)床夾具設(shè)計(jì)手冊(cè).遼寧科技大學(xué)出版社.2004.3
2、鄧文英等.金屬工藝學(xué).高等教育出版社.2008.4
3、付風(fēng)嵐等.公差與檢測(cè)技術(shù).科學(xué)出版社.2006.9
4、王先逵等.機(jī)械加工工藝手冊(cè).機(jī)械工業(yè)出版社.2007.9
5、陳宏鈞.金屬切削速算手冊(cè).機(jī)械工業(yè)出版社.2007.9
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)(論 文)任 務(wù) 書
1.本畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)課題應(yīng)達(dá)到的目的:
通過本課題的工藝設(shè)計(jì),進(jìn)一步鞏固所學(xué)專業(yè)知識(shí),掌握基本的機(jī)械零件工藝、夾具設(shè)計(jì)方法、步驟,提高查閱技術(shù)資料的能力和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)能力,為今后工作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
2.本畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)課題任務(wù)的內(nèi)容和要求(包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)要求、工作要求等):
本課題任務(wù):對(duì)YA19005連接板零件作工藝分析及工藝編制,并完成夾具設(shè)計(jì)、夾具零件設(shè)計(jì)及完成畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書。
要求:分析設(shè)計(jì)YA19005連接板零件的機(jī)械加工工藝規(guī)程,編制其機(jī)械加工工藝過程卡和機(jī)械加工工序卡片;并編制詳細(xì)的設(shè)計(jì)說明書(論文),完成夾具設(shè)計(jì)及夾具零件設(shè)計(jì)。
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)(論 文)任 務(wù) 書
3.對(duì)本畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)課題成果的要求〔包括圖表、實(shí)物等硬件要求〕:
按照標(biāo)準(zhǔn)格式,完成零件的機(jī)械加工過程卡片和機(jī)械加工工序卡片的編制,用A4紙打印并裝訂成冊(cè);完成夾具設(shè)計(jì)及夾具零件設(shè)計(jì)。用AUTOCAD繪圖,打印并裝訂成冊(cè);編寫畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書,打印并裝訂成冊(cè)。
4.主要參考文獻(xiàn):
[1]《切削用量簡明手冊(cè)》,機(jī)械工業(yè)出版社,艾興主編,2001年 11月
[2]《簡明機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》,同濟(jì)大學(xué)出版社,洪鐘德主編,2002年5月 ;
[3]《機(jī)械設(shè)計(jì)(第七版)》,高等教育出版社,濮良貴主編,2001年7月 ;
[4]《簡明機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》,同濟(jì)大學(xué)出版社,洪鐘德主編,2002年5月 ;
[5]《機(jī)械制造工藝設(shè)計(jì)簡明手冊(cè))》,機(jī)械工業(yè)出版社,李益民主編,1994年3月
[6]《機(jī)床夾具設(shè)計(jì)》,上??茖W(xué)技術(shù)出版社,哈爾濱工業(yè)大學(xué),上海工業(yè)大學(xué)匯編編,2003年8月;
[7]《機(jī)械制造工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)》,機(jī)械工業(yè)出版社,王紹俊主編,2000年5月 ;
[8]《機(jī)械加工工藝手冊(cè)》,北京出版社,李洪主編,1998年5月;
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)(論 文)任 務(wù) 書
5.本畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)課題工作進(jìn)度計(jì)劃:
起 迄 日 期
工 作 內(nèi) 容
2013年
7月10日~7月25日
7月25日~8月10日
8月10日~11月30日
12月1日~12月31日
2014年
1月1日~3月10日
3月11日~4月30日
5月1日~5月11日
5月18日~5月19日
查閱資料、方案構(gòu)思
零件工藝方案的制定,編制工藝文件
夾具結(jié)構(gòu)方案的初步設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)計(jì)算
繪制夾具裝配圖,繪制夾具零件圖
編寫畢業(yè)設(shè)計(jì)論文
進(jìn)一步修改、完善,教師評(píng)閱
畢業(yè)答辯
所在專業(yè)教研室審查意見:
負(fù)責(zé)人:
年 月 日
系部意見:
系部領(lǐng)導(dǎo):
年 月 日
夾具夾緊力的優(yōu)化及對(duì)工件定位精度的影響
B.Li 和 S.N.Mellkote
布什伍德拉夫機(jī)械工程學(xué)院,佐治亞理工學(xué)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(huì)產(chǎn)生局部彈性變形,使工件尺寸發(fā)生變化,進(jìn)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(jì)優(yōu)化,夾緊力是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)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(zhǔn)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(xué)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(biāo)優(yōu)化模型的約束。夾緊力的最優(yōu)化對(duì)工件定位精度的影響通過3-2-1式銑夾具的例子進(jìn)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(gè)關(guān)鍵因素。要實(shí)現(xiàn)夾具的這些功能,需將工件定位到一個(gè)合適的基準(zhǔn)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(dòng)。然而,過度的夾緊力可誘導(dǎo)工件產(chǎn)生更大的彈性變形 ,這會(huì)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(duì)工件的定位誤差,同時(shí)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(bào)道[參考文獻(xiàn)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(jì)算成本。同時(shí),多數(shù)的有限元基礎(chǔ)研究人員一直重點(diǎn)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(duì)剛性模型[9-11]對(duì)夾緊力進(jìn)行了優(yōu)化,剛型模型幾乎被近似為一個(gè)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(gè)線性規(guī)劃,其目的是盡量減少在每個(gè)定位點(diǎn)調(diào)整夾緊力強(qiáng)度的法線接觸力。接觸摩擦力的影響被忽視,因?yàn)樗^法線接觸力相對(duì)較小,由于這種方法是基于剛體假設(shè),獨(dú)特的三維夾具可以處理超過6個(gè)自由度的裝夾,復(fù)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(dǎo)計(jì)算最小夾緊力,該剛體分析的主要限制因素是當(dāng)出現(xiàn)六個(gè)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(jì)算夾具——工件系統(tǒng)[15]的彈性來克服,對(duì)于一個(gè)相對(duì)嚴(yán)格的工件,該夾具在機(jī)械加工工件的位置會(huì)受夾具點(diǎn)的局部彈性變形的強(qiáng)烈影響。Hockenberger和得墨忒耳[16]使用經(jīng)驗(yàn)的接觸力變形的關(guān)系(稱為元功能),解決由于夾緊和準(zhǔn)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(duì)設(shè)計(jì)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(duì)報(bào)告做了改善,然而,他們沒有處理計(jì)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(jī)械加工刀具路徑負(fù)載有限序列。李和Melkote [19]和烏爾塔多和Melkote [20]用接觸力學(xué)解決由于在加載夾具夾緊點(diǎn)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(duì)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(zhǔn)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(xué)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(gè)問題被作為多目標(biāo)約束優(yōu)化問題提出和解決。通過兩個(gè)例子分析工件夾緊力的優(yōu)化對(duì)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(zhǔn)靜態(tài)負(fù)載。夾緊力可假定為在加工過程中保持不變,這個(gè)假設(shè)是有效的,在對(duì)液壓或氣動(dòng)夾具使用。在實(shí)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(dāng)?shù)刈幼鴺?biāo)系切線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(gè)
接觸處的坐標(biāo)系
(j=x,y,z)是對(duì)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(gè)球形尖端定位,夾具和工件的接觸并不是線性的,因?yàn)榻佑|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(jìn)一個(gè)球體彈性半空間的問題。對(duì)于這個(gè)問題, 是法線的變形,在[文獻(xiàn)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(xiàn)23第217頁]
(3)
其中、 分別是工件和夾具剪切模量
一個(gè)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(jì)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(rèn)定是0.94。
2.夾緊力優(yōu)化
我們的目標(biāo)是確定最優(yōu)夾緊力,將盡量減少由于工件剛體運(yùn)動(dòng)過程中,局部的夾緊和加工負(fù)荷引起的彈性變形,同時(shí)保持在準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)是通過制定一個(gè)多目標(biāo)約束優(yōu)化問題的問題,如下描述。
2.1 目標(biāo)函數(shù)配方
工件旋轉(zhuǎn),由于部隊(duì)輪換往往是相當(dāng)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(gè)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(jì)算如下:
(6)
其中表示一個(gè)向量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。
但是作用在工件的夾緊力會(huì)影響定位誤差。當(dāng)多個(gè)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(gè)夾緊點(diǎn)夾緊力在、和方向上的向量角度(i=1、2、3...,C)。
在這個(gè)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(duì)較小,并在進(jìn)行分析時(shí)忽略了加緊力對(duì)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(jì)算得出(見圖3),工件剛體運(yùn)動(dòng),歸于夾緊行動(dòng)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(gè)目標(biāo)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(bǔ)參考文獻(xiàn)[15,23]的原則求解彈性力學(xué)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(duì)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(shí)調(diào)整。因此,總能量最小化的形式為補(bǔ)充的夾緊力優(yōu)化的第二個(gè)目標(biāo)函數(shù),并給出:
最小化 (10)
其中代表機(jī)構(gòu)的彈性變形應(yīng)變能互補(bǔ),代表由外部力量和力矩配合完成,是遵守對(duì)角矩陣的, 和是所有接觸力的載體。
如圖3 加權(quán)系數(shù)計(jì)算確定的基礎(chǔ)
內(nèi)蒙古科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(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(biāo)受到一定的限制和約束,他們中最重要的是在每個(gè)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(gè)非線性約束和線性化版本可以使用,并且[19]有:
(11)
假設(shè)準(zhǔn)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(jī)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(gè)法線的接觸壓力不能超過壓工件材料的屈服強(qiáng)度()。這個(gè)約束可寫為:
(i=1,2,…,L+C) (14)
如果是在第i個(gè)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(biāo)優(yōu)化問題可以通過求解約束[24]。這種方法將確定的目標(biāo)作為首要職能之一,并將其轉(zhuǎn)換成一個(gè)約束對(duì)。該補(bǔ)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(duì)為主要目標(biāo)的選擇,確保選中一套獨(dú)特可行的夾緊力,因此,工件——夾具系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)到一個(gè)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(gè)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(gè)合適的。在定位和夾緊點(diǎn)的接觸力的計(jì)算只考慮第一個(gè)目標(biāo)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(gè)“真正的”可行的解決彈性力學(xué)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(jì)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(gè)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(yù)測(cè)精度和,有參考文獻(xiàn)[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(cè)定
上一節(jié)介紹的算法可用于確定單負(fù)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(diǎn)的不斷變化而變化。因此,相應(yīng)的夾緊力和最佳的加工負(fù)荷獲得將由圖4算法獲得,這大大增加了計(jì)算負(fù)擔(dān),并要求為選擇的夾緊力提供標(biāo)準(zhǔn), 將獲得滿意和適宜的整個(gè)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(gè)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(gè)最佳夾緊力,選擇記為, , …,在每個(gè)采樣點(diǎn),考慮以下四個(gè)最壞加工負(fù)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(duì)應(yīng)的和另外兩個(gè)正交切削分力,而且有:
雖然4個(gè)最壞情況加工負(fù)荷向量不會(huì)在工件加工的同一時(shí)刻出現(xiàn),但在每次常規(guī)的進(jìn)給速度中,刀具旋轉(zhuǎn)一次出現(xiàn)一次,負(fù)載向量引入的誤差可忽略。因此,在這項(xiàng)工作中,四個(gè)載體負(fù)載適用于同一位置,(但不是同時(shí))對(duì)工件進(jìn)行的采樣 ,夾緊力的優(yōu)化算法圖4,對(duì)應(yīng)于每個(gè)采樣點(diǎn)計(jì)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(gè)情況下的加工負(fù)荷載體,(C=1,2,…C)是每個(gè)相應(yīng)的夾具在第i個(gè)樣本點(diǎn)和第j負(fù)荷情況下力的大小。是計(jì)算每個(gè)負(fù)載點(diǎn)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(diǎn)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(fù)載情況和采樣點(diǎn)排序,并選擇夾緊點(diǎn)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(yàn)證這些力,以確保工件夾具系統(tǒng)的靜態(tài)平衡。否則,會(huì)出現(xiàn)更多采樣點(diǎn)和重復(fù)上述程序。在這種方式中,可為整個(gè)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(qǐng)注意,雖然這種方法是保守的,它提供了一個(gè)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(píng)價(jià)夾緊力的算法對(duì)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(gè)工件夾具接觸處,使工件在夾具上移位和旋轉(zhuǎn)。隨后,準(zhǔn)靜態(tài)加工負(fù)荷應(yīng)用造成工件在夾具的移位。工件剛體運(yùn)動(dòng)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(gè)夾緊處的局部變形,假設(shè)為相對(duì)于工件的質(zhì)量中心的第i個(gè)位置矢量定位點(diǎn),坐標(biāo)變換定理可以用來表達(dá)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(dāng)?shù)卦诘趇幀相聯(lián)系的全球坐標(biāo)系和是一個(gè)旋轉(zhuǎn)矩陣確定工件相對(duì)于全球的坐標(biāo)系的定位坐標(biāo)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(dǎo)致的工件剛體運(yùn)動(dòng)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(diǎn)接觸力可能與的關(guān)系如下:
(24)
其中是在第i個(gè)接觸點(diǎn)由于夾緊和加工負(fù)荷造成的變形,意味著凈壓縮變形,而負(fù)數(shù)則代表拉伸變形; 是表示在本地坐標(biāo)系第i個(gè)接觸剛度矩陣,是單位向量. 在這項(xiàng)研究中假定液壓/氣動(dòng)夾具,根據(jù)對(duì)外加工負(fù)荷,故在法線方向的夾緊力的強(qiáng)度保持不變,因此,必須對(duì)方程(24)的夾緊點(diǎn)進(jìn)行修改為:
(25)
其中是在第i個(gè)夾緊點(diǎn)的夾緊力,讓表示一個(gè)對(duì)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(dòng),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(jì)算如下: (27)
其中是考慮工件中心加工點(diǎn)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(duì)兩例工件精度的影響例如:
1.適用于工件單點(diǎn)力。
2.應(yīng)用于工件負(fù)載準(zhǔn)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(biāo)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(duì)系數(shù)為0.25。使用伊利諾伊大學(xué)開發(fā)EMSIM程序[參考文獻(xiàn)26] 對(duì)加工瞬時(shí)銑削力條件進(jìn)行了計(jì)算,如表2給出例(1),應(yīng)用工件在點(diǎn)(109.2毫米,25.4毫米,34.3毫米)瞬時(shí)加工力,圖4中表3和表4列出了初級(jí)夾緊力和最佳夾緊力的算法 。該算法如圖5所示 ,一個(gè)25.4毫米銑槽使用EMSIM進(jìn)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(shí)(127.0毫米,25.4毫米,34.3毫米)四種情況下加工負(fù)荷載體,
(見圖8)。模擬計(jì)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(gè)坐標(biāo)列出了為模擬抽樣調(diào)查點(diǎn)。最佳夾緊力是用前面討論過的排序算法計(jì)算每個(gè)采樣點(diǎn)和負(fù)載載體最后的夾緊力和負(fù)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(duì)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(qiáng)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(bǔ)充能量算法獲得。由于夾緊力和負(fù)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(diǎn)減少錯(cuò)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?yàn)閺淖畛跬ㄟ^互補(bǔ)勢(shì)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(gè)序列應(yīng)用于銑削負(fù)載到工件,他應(yīng)用于工件銑削負(fù)載一個(gè)序列。最佳的夾緊力,,對(duì)應(yīng)列表6每個(gè)樣本點(diǎn),隨著最后的最佳夾緊力,在每個(gè)采樣點(diǎn)的加權(quán)范數(shù)和最優(yōu)的初始夾緊力繪圖10,在每個(gè)采樣點(diǎn)的加權(quán)范數(shù)的,,和繪制。
結(jié)果表明,由于每個(gè)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(gè)夾緊點(diǎn)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(dāng)大的加權(quán)范數(shù)。故是一個(gè)完整的刀具路徑改進(jìn)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(duì)于初始夾緊力的強(qiáng)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(zhǔn)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(xué)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(gè)雙目標(biāo)約束優(yōu)化問題,使用-約束的方法解決。該算法通過兩個(gè)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(dòng)態(tài)負(fù)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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