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常州機(jī)電職業(yè)學(xué)院
課程設(shè)計(jì)論文
表座加工工藝及夾具設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)
所在學(xué)院
專 業(yè)
班 級(jí)
姓 名
學(xué) 號(hào)
指導(dǎo)老師
年 月 日
摘 要
表座零件加工工藝及鉆床夾具設(shè)計(jì)是包括零件加工的工藝設(shè)計(jì)、工序設(shè)計(jì)以及專用夾具的設(shè)計(jì)三部分。在工藝設(shè)計(jì)中要首先對(duì)零件進(jìn)行分析，了解零件的工藝再設(shè)計(jì)出毛坯的結(jié)構(gòu)，并選擇好零件的加工基準(zhǔn)，設(shè)計(jì)出零件的工藝路線；接著對(duì)零件各個(gè)工步的工序進(jìn)行尺寸計(jì)算，關(guān)鍵是決定出各個(gè)工序的工藝裝備及切削用量；然后進(jìn)行專用夾具的設(shè)計(jì)，選擇設(shè)計(jì)出夾具的各個(gè)組成部件，如定位元件、夾緊元件、引導(dǎo)元件、夾具體與機(jī)床的連接部件以及其它部件；計(jì)算出夾具定位時(shí)產(chǎn)生的定位誤差，分析夾具結(jié)構(gòu)的合理性與不足之處，并在以后設(shè)計(jì)中注意改進(jìn)。
關(guān)鍵詞：工藝，工序，切削用量，夾緊，定位，誤差
目 錄
摘 要 1
第1章 緒論 3
第2章 加工工藝規(guī)程設(shè)計(jì) 3
2.1 零件的分析 3
2.1.1 零件的作用 3
2.1.2 零件的工藝分析 4
2.2 表座加工的主要問題和工藝過程設(shè)計(jì)所應(yīng)采取的相應(yīng)措施 4
2.2.1 孔和平面的加工順序 5
2.2.2 孔系加工方案選擇 5
2.3 表座加工定位基準(zhǔn)的選擇 6
2.3.1 粗基準(zhǔn)的選擇 6
2.3.2 精基準(zhǔn)的選擇 6
2.4 表座加工主要工序安排 6
2.5 機(jī)械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的確定 9
2.6確定切削用量及基本工時(shí)（機(jī)動(dòng)時(shí)間） 9
2.7 時(shí)間定額計(jì)算及生產(chǎn)安排 15
第3章 鉆孔夾具設(shè)計(jì) 19
3.1設(shè)計(jì)要求 19
3.2夾具設(shè)計(jì) 20
3.2.1 定位基準(zhǔn)的選擇 20
3.2.2 切削力及夾緊力的計(jì)算 20
3.3定位誤差的分析 21
3.4 鉆套、襯套、鉆模板設(shè)計(jì)與選用 22
3.5夾具設(shè)計(jì)及操作的簡(jiǎn)要說明 23
總 結(jié) 24
參考文獻(xiàn) 25
致 謝 26
第1章 緒論
機(jī)械制造業(yè)是制造具有一定形狀位置和尺寸的零件和產(chǎn)品，并把它們裝備成機(jī)械裝備的行業(yè)。機(jī)械制造業(yè)的產(chǎn)品既可以直接供人們使用，也可以為其它行業(yè)的生產(chǎn)提供裝備，社會(huì)上有著各種各樣的機(jī)械或機(jī)械制造業(yè)的產(chǎn)品。我們的生活離不開制造業(yè)，因此制造業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要行業(yè)，是一個(gè)國(guó)家或地區(qū)發(fā)展的重要基礎(chǔ)及有力支柱。從某中意義上講，機(jī)械制造水平的高低是衡量一個(gè)國(guó)家國(guó)民經(jīng)濟(jì)綜合實(shí)力和科學(xué)技術(shù)水平的重要指標(biāo)。
表座零件加工工藝及鉆床夾具設(shè)計(jì)是在學(xué)完了機(jī)械制圖、機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)、機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械工程材料等的基礎(chǔ)下，進(jìn)行的一個(gè)全面的考核。正確地解決一個(gè)零件在加工中的定位，夾緊以及工藝路線安排，工藝尺寸確定等問題，并設(shè)計(jì)出專用夾具，保證尺寸證零件的加工質(zhì)量。本次設(shè)計(jì)也要培養(yǎng)自己的自學(xué)與創(chuàng)新能力。因此本次設(shè)計(jì)綜合性和實(shí)踐性強(qiáng)、涉及知識(shí)面廣。所以在設(shè)計(jì)中既要注意基本概念、基本理論，又要注意生產(chǎn)實(shí)踐的需要，只有將各種理論與生產(chǎn)實(shí)踐相結(jié)合，才能很好的完成本次設(shè)計(jì)。
本次設(shè)計(jì)水平有限，其中難免有缺點(diǎn)錯(cuò)誤，敬請(qǐng)老師們批評(píng)指正。
第2章 加工工藝規(guī)程設(shè)計(jì)
2.1 零件的分析
2.1.1 零件的作用
題目給出的零件是表座。表座的主要作用是支保證各軸之間的中心距及平行度，并保證部件正確安裝。因此表座零件的加工質(zhì)量，不但直接影響的裝配精度和運(yùn)動(dòng)精度，而且還會(huì)影響工作精度、使用性能和壽命。
2.1.2 零件的工藝分析
由表座零件圖可知。表座是一個(gè)表座零件，它的外表面上有6個(gè)平面需要進(jìn)行加工。支承孔系在前后端面上。此外各表面上還需加工一系列孔。因此可將其分為三組加工表面。它們相互間有一定的位置要求?，F(xiàn)分析如下：
（1）以底面為主要加工表面的加工面。這一組加工表面包括：頂面的底削加工；其中頂面有表面粗糙度要求為，
（2）以孔為主要加工表面的加工面。這一組加工表面包括：四個(gè)前后端面；鉆4Xφ5孔；鉆2Xφ3.5，2Xφ4.9的孔，鉆沉頭孔2Xφ7.9，2Xφ4.9，鉆側(cè)面孔2Xφ4.9。
（3）以頂面為主要加工平面的加工面。
2.2 表座加工的主要問題和工藝過程設(shè)計(jì)所應(yīng)采取的相應(yīng)措施
由以上分析可知。該表座零件的主要加工表面是平面及孔系。一般來說，保證平面的加工精度要比保證孔系的加工精度容易。因此，對(duì)于表座來說，加工過程中的主要問題是保證孔的尺寸精度及位置精度，處理好孔和平面之間的相互關(guān)系。
由于的生產(chǎn)量很大。怎樣滿足生產(chǎn)率要求也是加工過程中的主要考慮因素。
2.2.1 孔和平面的加工順序
表座類零件的加工應(yīng)遵循先面后孔的原則：即先加工表座上的基準(zhǔn)平面，以基準(zhǔn)平面定位加工其他平面。然后再加工孔系。表座的加工自然應(yīng)遵循這個(gè)原則。這是因?yàn)槠矫娴拿娣e大，用平面定位可以確保定位可靠夾緊牢固，因而容易保證孔的加工精度。其次，先加工平面可以先切去鑄件表面的凹凸不平。為提高孔的加工精度創(chuàng)造條件，便于對(duì)刀及調(diào)整，也有利于保護(hù)刀具。
表座零件的加工工藝應(yīng)遵循粗精加工分開的原則，將孔與平面的加工明確劃分成粗加工和精加工階段以保證孔系加工精度。
2.2.2 孔系加工方案選擇
表座孔系加工方案，應(yīng)選擇能夠滿足孔系加工精度要求的加工方法及設(shè)備。除了從加工精度和加工效率兩方面考慮以外，也要適當(dāng)考慮經(jīng)濟(jì)因素。在滿足精度要求及生產(chǎn)率的條件下，應(yīng)選擇價(jià)格最底的機(jī)床。
根據(jù)表座零件圖所示的表座的精度要求和生產(chǎn)率要求，當(dāng)前應(yīng)選用在組合機(jī)床上用鏜模法鏜孔較為適宜。
（1）用鏜模法鏜孔
在大批量生產(chǎn)中，表座孔系加工一般都在組合鏜床上采用鏜模法進(jìn)行加工。鏜模夾具是按照工件孔系的加工要求設(shè)計(jì)制造的。當(dāng)鏜刀桿通過鏜套的引導(dǎo)進(jìn)行鏜孔時(shí)，鏜模的精度就直接保證了關(guān)鍵孔系的精度。
采用鏜?？梢源蟠蟮靥岣吖に囅到y(tǒng)的剛度和抗振性。因此，可以用幾把刀同時(shí)加工。所以生產(chǎn)效率很高。但鏜模結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造難度大、成本較高，且由于鏜模的制造和裝配誤差、鏜模在機(jī)床上的安裝誤差、鏜桿和鏜套的磨損等原因。用鏜模加工孔系所能獲得的加工精度也受到一定限制。
（2）用坐標(biāo)法鏜孔
在現(xiàn)代生產(chǎn)中，不僅要求產(chǎn)品的生產(chǎn)率高，而且要求能夠?qū)崿F(xiàn)大批量、多品種以及產(chǎn)品更新?lián)Q代所需要的時(shí)間短等要求。鏜模法由于鏜模生產(chǎn)成本高，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，不大能適應(yīng)這種要求，而坐標(biāo)法鏜孔卻能適應(yīng)這種要求。此外，在采用鏜模法鏜孔時(shí)，鏜模板的加工也需要采用坐標(biāo)法鏜孔。
用坐標(biāo)法鏜孔，需要將表座孔系尺寸及公差換算成直角坐標(biāo)系中的尺寸及公差，然后選用能夠在直角坐標(biāo)系中作精密運(yùn)動(dòng)的機(jī)床進(jìn)行鏜孔。
2.3 表座加工定位基準(zhǔn)的選擇
2.3.1 粗基準(zhǔn)的選擇
粗基準(zhǔn)選擇應(yīng)當(dāng)滿足以下要求：
（1）保證各重要支承孔的加工余量均勻；
（2）保證裝入表座的零件與箱壁有一定的間隙。
為了滿足上述要求，應(yīng)選擇的主要支承孔作為主要基準(zhǔn)。即以表座的輸入軸和輸出軸的支承孔作為粗基準(zhǔn)。也就是以前后端面上距頂平面最近的孔作為主要基準(zhǔn)以限制工件的四個(gè)自由度，再以另一個(gè)主要支承孔定位限制第五個(gè)自由度。由于是以孔作為粗基準(zhǔn)加工精基準(zhǔn)面。因此，以后再用精基準(zhǔn)定位加工主要支承孔時(shí)，孔加工余量一定是均勻的。由于孔的位置與箱壁的位置是同一型芯鑄出的。因此，孔的余量均勻也就間接保證了孔與箱壁的相對(duì)位置。
2.3.2 精基準(zhǔn)的選擇
從保證表座孔與孔、孔與平面、平面與平面之間的位置 。精基準(zhǔn)的選擇應(yīng)能保證表座在整個(gè)加工過程中基本上都能用統(tǒng)一的基準(zhǔn)定位。從表座零件圖分析可知，它的頂平面與各主要支承孔平行而且占有的面積較大，適于作精基準(zhǔn)使用。但用一個(gè)平面定位僅僅能限制工件的三個(gè)自由度，如果使用典型的一面兩孔定位方法，則可以滿足整個(gè)加工過程中基本上都采用統(tǒng)一的基準(zhǔn)定位的要求。至于前后端面，雖然它是表座的裝配基準(zhǔn)，但因?yàn)樗c表座的主要支承孔系垂直。如果用來作精基準(zhǔn)加工孔系，在定位、夾緊以及夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面都有一定的困難，所以不予采用。
2.4 表座加工主要工序安排
對(duì)于大批量生產(chǎn)的零件，一般總是首先加工出統(tǒng)一的基準(zhǔn)。表座加工的第一個(gè)工序也就是加工統(tǒng)一的基準(zhǔn)。具體安排是先以孔定位粗、精加工頂平面。第二個(gè)工序是加工定位用的兩個(gè)工藝孔。由于頂平面加工完成后一直到表座加工完成為止，除了個(gè)別工序外，都要用作定位基準(zhǔn)。因此，頂面上的螺孔也應(yīng)在加工兩工藝孔的工序中同時(shí)加工出來。
后續(xù)工序安排應(yīng)當(dāng)遵循粗精分開和先面后孔的原則。先粗加工平面，再粗加工孔系。螺紋底孔在多軸組合鉆床上鉆出，因切削力較大，也應(yīng)該在粗加工階段完成。對(duì)于表座，需要精加工的是支承孔前后端平面。按上述原則亦應(yīng)先精加工平面再加工孔系，但在實(shí)際生產(chǎn)中這樣安排不易于保證孔和端面相互垂直。因此，實(shí)際采用的工藝方案是先精加工支承孔系，然后以支承孔用可脹心軸定位來加工端面，這樣容易保證零件圖紙上規(guī)定的端面全跳動(dòng)公差要求。各螺紋孔的攻絲，由于切削力較小，可以安排在粗、精加工階段中分散進(jìn)行。
加工工序完成以后，將工件清洗干凈。清洗是在的含0.4%—1.1%蘇打及0.25%—0.5%亞硝酸鈉溶液中進(jìn)行的。清洗后用壓縮空氣吹干凈。保證零件內(nèi)部雜質(zhì)、鐵屑、毛刺、砂粒等的殘留量不大于。
根據(jù)以上分析過程，現(xiàn)將表座加工工藝路線確定如下：
工藝路線一：
10 鑄造 鑄造毛坯
20 熱處理 人工時(shí)效
30 油漆 噴漆處理
40 銑削 銑頂部大端面
50 銑削 銑底部面
60 銑削 銑削前側(cè)面
70 銑削 銑削后側(cè)面
80 銑削 銑削左側(cè)面
90 銑削 銑削右側(cè)面
90 鉆孔 鉆4Xφ5孔
100 鉆孔 鉆2Xφ3.5，2Xφ4.9
110 鉆沉頭孔 鉆沉頭孔2Xφ7.9，2Xφ4.9
120 鉆孔 鉆側(cè)面孔2Xφ4.9
130 去毛刺 鉗工去毛刺
140 終檢 按圖樣要求檢驗(yàn)
150 入庫(kù) 入庫(kù)
工藝路線二：
10 鑄造 鑄造毛坯
20 熱處理 人工時(shí)效
30 油漆 噴漆處理
40 銑削 銑頂部大端面
50 銑削 銑底部面
60 銑削 銑削前側(cè)面
70 銑削 銑削后側(cè)面
80 銑削 銑削左側(cè)面
90 銑削 銑削右側(cè)面
90 鉆孔 鉆4Xφ5孔
100 鉆孔 鉆2Xφ3.5，2Xφ4.9
110 鉆沉頭孔 鉆沉頭孔2Xφ7.9，2Xφ4.9
120 鉆孔 鉆側(cè)面孔2Xφ4.9
130 去毛刺 鉗工去毛刺
140 終檢 按圖樣要求檢驗(yàn)
150 入庫(kù) 入庫(kù)
以上加工方案大致看來合理，但通過仔細(xì)考慮，零件的技術(shù)要求及可能采取的加工手段之后，就會(huì)發(fā)現(xiàn)仍有問題，
方案二把底面的鉆孔工序調(diào)整到后面了，這樣導(dǎo)致銑削加工定位基準(zhǔn)不足，特別鏜孔工序。
以上工藝過程詳見機(jī)械加工工藝過程綜合卡片。綜合選擇方案一：
工藝路線一：
10 鑄造 鑄造毛坯
20 熱處理 人工時(shí)效
30 油漆 噴漆處理
40 銑削 銑頂部大端面
50 銑削 銑底部面
60 銑削 銑削前側(cè)面
70 銑削 銑削后側(cè)面
80 銑削 銑削左側(cè)面
90 銑削 銑削右側(cè)面
90 鉆孔 鉆4Xφ5孔
100 鉆孔 鉆2Xφ3.5，2Xφ4.9
110 鉆沉頭孔 鉆沉頭孔2Xφ7.9，2Xφ4.9
120 鉆孔 鉆側(cè)面孔2Xφ4.9
130 去毛刺 鉗工去毛刺
140 終檢 按圖樣要求檢驗(yàn)
150 入庫(kù) 入庫(kù)
2.5 機(jī)械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的確定
“表座”零件材料采用灰鑄鐵制造。材料為HT200，硬度HB為170—241，生產(chǎn)類型為大批量生產(chǎn)，采用鑄造毛坯。
（1）頂面的加工余量。
根據(jù)工序要求，頂面加工分粗、精銑加工。各工步余量如下：
粗銑：參照《機(jī)械加工工藝手冊(cè)第1卷》表3.2.23。其余量值規(guī)定為，現(xiàn)取。表3.2.27粗銑平面時(shí)厚度偏差取。
精銑：參照《機(jī)械加工工藝手冊(cè)》表2.3.59，其余量值規(guī)定為。
（3）底面孔
毛坯為實(shí)心，不沖孔。參照《機(jī)械加工工藝手冊(cè)》表2.3.71，現(xiàn)確定其工序尺寸及加工余量為：2Xφ7.9，2Xφ4.9孔毛坯為實(shí)心
（4）前后面加工余量。
根據(jù)工藝要求，前后端面分為粗銑、半精銑、半精銑、精銑加工。各工序余量如下：
粗銑：參照《機(jī)械加工工藝手冊(cè)第1卷》表3.2.23，其加工余量規(guī)定為，現(xiàn)取。
半精銑：參照《機(jī)械加工工藝手冊(cè)第1卷》，其加工余量值取為。
精銑：參照《機(jī)械加工工藝手冊(cè)》，其加工余量取為。
鑄件毛坯的基本尺寸為，根據(jù)《機(jī)械加工工藝手冊(cè)》表2.3.11，鑄件尺寸公差等級(jí)選用CT7。再查表2.3.9可得鑄件尺寸公差為。
毛坯為實(shí)心，不沖孔。參照《機(jī)械加工工藝手冊(cè)》表2.3.71，現(xiàn)確定螺孔加工余量為：
（8）側(cè)面孔加工余量
毛坯為實(shí)心，不沖孔。參照《機(jī)械加工工藝手冊(cè)》表2.3.71,現(xiàn)確定螺孔加工余量為：
鉆孔： 2Xφ4.9 實(shí)心
2.6確定切削用量及基本工時(shí)（機(jī)動(dòng)時(shí)間）
工序40、50：銑頂部大端面
機(jī)床：銑床X52K
刀具：硬質(zhì)合金端銑刀（面銑刀） 齒數(shù)[10]
（1）粗銑頂部大端面
銑削深度：
每齒進(jìn)給量：根據(jù)《機(jī)械加工工藝手冊(cè)》表2.4.73，取
銑削速度：參照《機(jī)械加工工藝手冊(cè)》表2.4.81，取
機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速：，取
實(shí)際銑削速度：
進(jìn)給量：
工作臺(tái)每分進(jìn)給量：
：根據(jù)《機(jī)械加工工藝手冊(cè)》表2.4.81,
被切削層長(zhǎng)度：由毛坯尺寸可知
刀具切入長(zhǎng)度：
刀具切出長(zhǎng)度：取
走刀次數(shù)為1
機(jī)動(dòng)時(shí)間：
（2）精銑頂部大端面
銑削深度：
每齒進(jìn)給量：根據(jù)《機(jī)械加工工藝手冊(cè)》表2.4.73，取
銑削速度：參照《機(jī)械加工工藝手冊(cè)》表2.4.81，取
機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速：，取
實(shí)際銑削速度：
進(jìn)給量：
工作臺(tái)每分進(jìn)給量：
被切削層長(zhǎng)度：由毛坯尺寸可知
刀具切入長(zhǎng)度：精銑時(shí)
刀具切出長(zhǎng)度：取
走刀次數(shù)為1
機(jī)動(dòng)時(shí)間：
本工序機(jī)動(dòng)時(shí)間
工序2：銑底部面。
機(jī)床：銑床X52K
刀具：硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位端銑刀（面銑刀），材料：， ，齒數(shù)，此為粗齒銑刀。
因其單邊余量：Z=3mm
所以銑削深度：=3mm
精銑該平面的單邊余量：Z=1.0mm
銑削深度：
每齒進(jìn)給量：根據(jù)參考文獻(xiàn)[3]表2.4～73，?。焊鶕?jù)參考文獻(xiàn)[3]表2.4～81，取銑削速度
每齒進(jìn)給量：根據(jù)參考文獻(xiàn)[3]表2.4～73，取根據(jù)參考文獻(xiàn)[3]表2.4～81，取銑削速度
機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速：
按照參考文獻(xiàn)[3]表3.1～74，取
實(shí)際銑削速度：
進(jìn)給量：
工作臺(tái)每分進(jìn)給量：
：根據(jù)參考文獻(xiàn)[3]表2.4～81,取
切削工時(shí)
被切削層長(zhǎng)度：由毛坯尺寸可知，
刀具切入長(zhǎng)度：
刀具切出長(zhǎng)度：取
走刀次數(shù)為1
機(jī)動(dòng)時(shí)間：
機(jī)動(dòng)時(shí)間：
所以該工序總機(jī)動(dòng)時(shí)間
工序80：粗、精銑表座左側(cè)表面
機(jī)床：銑床X52K
刀具：硬質(zhì)合金端銑刀（面銑刀） 齒數(shù)[10]
（1）粗銑
銑削深度：
每齒進(jìn)給量：根據(jù)《機(jī)械加工工藝手冊(cè)》表2.4.73，取
銑削速度：參照《機(jī)械加工工藝手冊(cè)》表2.4.81，取
機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速：，取
實(shí)際銑削速度：
進(jìn)給量：
工作臺(tái)每分進(jìn)給量：
：根據(jù)《機(jī)械加工工藝手冊(cè)》表2.4.81,
被切削層長(zhǎng)度：由毛坯尺寸可知
刀具切入長(zhǎng)度：
刀具切出長(zhǎng)度：取
走刀次數(shù)為1
機(jī)動(dòng)時(shí)間：
（2）精銑
銑削深度：
每齒進(jìn)給量：根據(jù)《機(jī)械加工工藝手冊(cè)》表2.4.73，取
銑削速度：參照《機(jī)械加工工藝手冊(cè)》表2.4.81，取
機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速：，取
實(shí)際銑削速度：
進(jìn)給量：
工作臺(tái)每分進(jìn)給量：
被切削層長(zhǎng)度：由毛坯尺寸可知
刀具切入長(zhǎng)度：精銑時(shí)
刀具切出長(zhǎng)度：取
走刀次數(shù)為1
機(jī)動(dòng)時(shí)間：
本工序機(jī)動(dòng)時(shí)間
工序90：鉆鉆底面2Xφ10定位銷孔底孔φ9.8，然后鉸孔達(dá)到尺寸2Xφ10H7
機(jī)床：組合鉆床
刀具：麻花鉆、擴(kuò)孔鉆、鉸刀
切削深度：
進(jìn)給量：根據(jù)《機(jī)械加工工藝手冊(cè)》表2.4.39，取
切削速度：參照《機(jī)械加工工藝手冊(cè)》表2.4.41，取
機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速：，取
實(shí)際切削速度：
被切削層長(zhǎng)度：
刀具切入長(zhǎng)度：
刀具切出長(zhǎng)度：
走刀次數(shù)為1
機(jī)動(dòng)時(shí)間：
工序4：粗銑左兩側(cè)面
機(jī)床：組合銑床
刀具：硬質(zhì)合金端銑刀YG8，硬質(zhì)合金立銑刀YT15
（1）粗銑兩側(cè)面
銑刀直徑，齒數(shù)
銑削深度：
每齒進(jìn)給量：根據(jù)《機(jī)械加工工藝手冊(cè)》表2.4.73，取
銑削速度：參照《機(jī)械加工工藝手冊(cè)》表2.4.81，取
機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速：，取
實(shí)際銑削速度：
進(jìn)給量：
工作臺(tái)每分進(jìn)給量：
：根據(jù)《機(jī)械加工工藝手冊(cè)》表2.4.81,
被切削層長(zhǎng)度：由毛坯尺寸可知
刀具切入長(zhǎng)度：
刀具切出長(zhǎng)度：取
走刀次數(shù)為1
機(jī)動(dòng)時(shí)間：
工序100：鉆沉頭孔2Xφ7.9，2Xφ4.9，鉆側(cè)面孔2Xφ4.9
鉆孔選用機(jī)床為Z525搖臂機(jī)床，刀具選用GB1436-85直柄短麻花鉆，《機(jī)械加工工藝手冊(cè)》第2卷。
根據(jù)《機(jī)械加工工藝手冊(cè)》第2卷表10.4-2查得鉆頭直徑小于10的鉆孔進(jìn)給量為0.20～0.35。
則取
確定切削速度，根據(jù)《機(jī)械加工工藝手冊(cè)》第2卷表10.4-9
切削速度計(jì)算公式為 （3-20）
查得參數(shù)為，刀具耐用度T=35
則 ==1.6
所以 ==72
選取
所以實(shí)際切削速度為=2.64
確定切削時(shí)間（一個(gè)孔） =
2.7 時(shí)間定額計(jì)算及生產(chǎn)安排
根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求，該的年產(chǎn)量為10萬件。一年以240個(gè)工作日計(jì)算，每天的產(chǎn)量應(yīng)不低于417件。設(shè)每天的產(chǎn)量為420件。再以每天8小時(shí)工作時(shí)間計(jì)算，則每個(gè)工件的生產(chǎn)時(shí)間應(yīng)不大于1.14min。
參照《機(jī)械加工工藝手冊(cè)》表2.5.2，機(jī)械加工單件（生產(chǎn)類型：中批以上）時(shí)間定額的計(jì)算公式為：
（大量生產(chǎn)時(shí)）
因此在大批量生產(chǎn)時(shí)單件時(shí)間定額計(jì)算公式為：
其中： —單件時(shí)間定額 —基本時(shí)間（機(jī)動(dòng)時(shí)間）
—輔助時(shí)間。用于某工序加工每個(gè)工件時(shí)都要進(jìn)行的各種輔助動(dòng)作所消耗的時(shí)間，包括裝卸工件時(shí)間和有關(guān)工步輔助時(shí)間
—布置工作地、休息和生理需要時(shí)間占操作時(shí)間的百分比值
工序1：粗、精銑頂面
機(jī)動(dòng)時(shí)間：
輔助時(shí)間：參照《機(jī)械加工工藝手冊(cè)》表2.5.43，取工步輔助時(shí)間為。由于在生產(chǎn)線上裝卸工件時(shí)間很短，所以取裝卸工件時(shí)間為。則
：根據(jù)《機(jī)械加工工藝手冊(cè)》表2.5.48，
單間時(shí)間定額：
因此應(yīng)布置兩臺(tái)機(jī)床同時(shí)完成本工序的加工。當(dāng)布置兩臺(tái)機(jī)床時(shí)，
即能滿足生產(chǎn)要求
工序2：鉆頂面孔
機(jī)動(dòng)時(shí)間：
輔助時(shí)間：參照《機(jī)械加工工藝手冊(cè)》表2.5.41，取工步輔助時(shí)間為。由于在生產(chǎn)線上裝卸工件時(shí)間很短，所以取裝卸工件時(shí)間為。則
：根據(jù)《機(jī)械加工工藝手冊(cè)》表2.5.43，
單間時(shí)間定額：
因此布置一臺(tái)機(jī)床即能滿足生產(chǎn)要求。
工序4：鉆兩側(cè)面孔
機(jī)動(dòng)時(shí)間：
輔助時(shí)間：參照《機(jī)械加工工藝手冊(cè)》表2.5.41，取工步輔助時(shí)間為。由于在生產(chǎn)線上裝卸工件時(shí)間很短，所以取裝卸工件時(shí)間為。則
：根據(jù)《機(jī)械加工工藝手冊(cè)》表2.5.43，
單間時(shí)間定額：
因此布置一臺(tái)機(jī)床即能滿足生產(chǎn)要求。
工序5：銑前后端面
機(jī)動(dòng)時(shí)間：
輔助時(shí)間：參照《機(jī)械加工工藝手冊(cè)》表2.5.45，取工步輔助時(shí)間為。由于在生產(chǎn)線上裝卸工件時(shí)間很短，所以取裝卸工件時(shí)間為。則
：根據(jù)《機(jī)械加工工藝手冊(cè)》表2.5.48，
單間時(shí)間定額：
因此布置一臺(tái)機(jī)床即能滿足生產(chǎn)要求。
工序6：精銑前后端面
機(jī)動(dòng)時(shí)間：
輔助時(shí)間：參照《機(jī)械加工工藝手冊(cè)》表2.5.45，取工步輔助時(shí)間為。由于在生產(chǎn)線上裝卸工件時(shí)間很短，所以取裝卸工件時(shí)間為。則
：根據(jù)《機(jī)械加工工藝手冊(cè)》表2.5.48，
單間時(shí)間定額：
因此布置一臺(tái)機(jī)床即能滿足生產(chǎn)要求。
工序9：粗鏜前后端面支承孔
機(jī)動(dòng)時(shí)間：
輔助時(shí)間：參照《機(jī)械加工工藝手冊(cè)》表2.5.37，取工步輔助時(shí)間為。由于在生產(chǎn)線上裝卸工件時(shí)間很短，所以取裝卸工件時(shí)間為。則
：根據(jù)《機(jī)械加工工藝手冊(cè)》表2.5.39，
單間時(shí)間定額：
因此應(yīng)布置兩臺(tái)機(jī)床同時(shí)完成本工序的加工。當(dāng)布置兩臺(tái)機(jī)床時(shí)，
即能滿足生產(chǎn)要求
工序12：前后端面孔
機(jī)動(dòng)時(shí)間：
輔助時(shí)間：參照鉆孔輔助時(shí)間，取裝卸工件輔助時(shí)間為，工步輔助時(shí)間為。則
：參照鉆孔值，取
單間時(shí)間定額：
因此布置一臺(tái)機(jī)床即能滿足生產(chǎn)要求。
工序14：精銑前后端面
機(jī)動(dòng)時(shí)間：
輔助時(shí)間：參照《機(jī)械加工工藝手冊(cè)》表2.5.45，取工步輔助時(shí)間為。由于在生產(chǎn)線上裝卸工件時(shí)間很短，所以取裝卸工件時(shí)間為。則
：根據(jù)《機(jī)械加工工藝手冊(cè)》表2.5.48，
單間時(shí)間定額：
因此應(yīng)布置兩臺(tái)機(jī)床同時(shí)完成本工序的加工。當(dāng)布置兩臺(tái)機(jī)床時(shí)，
即能滿足生產(chǎn)要求
工序15：精銑兩側(cè)面
機(jī)動(dòng)時(shí)間：
輔助時(shí)間：參照《機(jī)械加工工藝手冊(cè)》表2.5.45，取工步輔助時(shí)間為。由于在生產(chǎn)線上裝卸工件時(shí)間很短，所以取裝卸工件時(shí)間為。則
：根據(jù)《機(jī)械加工工藝手冊(cè)》表2.5.48，
單間時(shí)間定額：
因此應(yīng)布置兩臺(tái)機(jī)床同時(shí)完成本工序的加工。當(dāng)布置兩臺(tái)機(jī)床時(shí)，
即能滿足生產(chǎn)要求
工序17：頂面孔
機(jī)動(dòng)時(shí)間：
輔助時(shí)間：參照鉆孔輔助時(shí)間，取裝卸工件輔助時(shí)間為，工步輔助時(shí)間為。則
：參照鉆孔值，取
單間時(shí)間定額：
因此布置一臺(tái)機(jī)床即能滿足生產(chǎn)要求。
第3章 鉆孔夾具設(shè)計(jì)
3.1設(shè)計(jì)要求
為了提高勞動(dòng)生產(chǎn)，保證加工質(zhì)量，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，需要設(shè)計(jì)專用夾具。上面即為 (鉆孔)的專用夾具，本夾具將用于Z525鉆床。
在對(duì)工件進(jìn)行機(jī)械加工時(shí)，為了保證加工的要求，首先要使工件相對(duì)道具及機(jī)床有正確的位置，并使這個(gè)位置在加工過程中不因外力的影響而變動(dòng)。因此，在進(jìn)行機(jī)械加工前，先要將工件裝夾好。
機(jī)床夾具的組成
1、定位裝置 其作用是使工件在夾具中占據(jù)正確的位置。
2、夾緊裝置 其作用是將工件壓緊夾牢，保證工件在加工過程中受到外力（切削力等）作用時(shí)不離開已經(jīng)占據(jù)的正確的正確位置。
3、對(duì)刀或?qū)蜓b置 其作用是確定刀具相對(duì)定位元件的正確位置。
4、連接原件 其作用是確定夾具在機(jī)床上的正確位置。
5、夾具體 夾具體是機(jī)床夾具的基礎(chǔ)件，通過它將夾具的所有元件連接成一個(gè)整體。
6、其他元件或裝置 是指家家具中因特殊需要而設(shè)置的元件或裝置。根據(jù)加工需要，有些夾具上設(shè)置分度裝置、靠模裝置；為能方便、準(zhǔn)確定位，常設(shè)置預(yù)定位裝置；對(duì)于大型夾具，常設(shè)置吊裝元件等。
以上各組成部分中，定位元件、夾緊裝置和夾具體是機(jī)床夾具的基礎(chǔ)組成部分。
機(jī)床的分類
機(jī)床夾具種類繁多，可以從不同的角度對(duì)機(jī)床夾具進(jìn)行分類。
按夾具的使用特點(diǎn)可分為：通用夾具，專用夾具，可調(diào)夾具，組合夾具，
拼裝夾具。
按使用機(jī)床可分為：車床夾具，銑床夾具，鉆床夾具，鏜床夾具，齒輪機(jī)床夾具，數(shù)控機(jī)床夾具，自動(dòng)機(jī)床夾具，自動(dòng)線隨行夾具以及其他機(jī)床夾具。
按夾緊的動(dòng)力源可分為：手動(dòng)夾具，氣動(dòng)夾具，液壓夾具，氣液增力夾具，電磁夾具以及真空夾具等。
工件的裝夾方法
工件裝夾的方法有兩種：
將工件直接裝夾在機(jī)床的工作臺(tái)或花盤上
將工件裝夾在家具上
采用第一種方法裝夾的效率低，一般要求先按圖紙要求在工件的表面上劃線，劃出加工表面的尺寸和位置，裝夾時(shí)，用劃針或面分表找正后再夾緊。一般用于單件和小批生產(chǎn)。批量較大時(shí)，都采用夾具裝夾工件。
采用夾具裝夾工件有如下優(yōu)點(diǎn)：
a、保證加工精度，穩(wěn)定加工質(zhì)量
b、縮短輔助時(shí)間，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率
c、擴(kuò)大機(jī)床的使用范圍，實(shí)現(xiàn)“一機(jī)多能”
d、改善工人的勞動(dòng)條件，降低生產(chǎn)成本
本夾具無嚴(yán)格的技術(shù)要求，因此，應(yīng)主要考慮如何提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，精度不是主要考慮的問題。
3.2夾具設(shè)計(jì)
3.2.1 定位基準(zhǔn)的選擇
為了提高加工效率及方便加工，決定材料使用高速鋼，用于對(duì)進(jìn)行加工，準(zhǔn)備采用手動(dòng)夾緊。
3.2.2 切削力及夾緊力的計(jì)算
刀具：鉆頭 D=4.9。
則軸向力：見《工藝師手冊(cè)》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(jì)算切削力時(shí),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(shí) T=17.34 N
切向方向所受力:
F=
取
F=4416
F> F
所以,時(shí)工件不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng),故本夾具可安全工作。
3.3定位誤差的分析
制造誤差ZZ
（1）中心線對(duì)定位件中心線位置精度
. 取.
（2）內(nèi)外圓同軸度誤差（查表P297）
.故，.
則.
知此方案可行。
3.4 鉆套、襯套、鉆模板設(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。
圖3.1 可換鉆套
鉸工藝孔鉆套結(jié)構(gòu)參數(shù)如下表3.4：
表3.4 鉆套
d
H
D
公稱尺寸
允差
11
16
11
+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3.2 固定襯套
其結(jié)構(gòu)參數(shù)如下表3.5：
表3.5 固定襯套
d
H
D
C
公稱尺寸
允差
公稱尺寸
允差
18
+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(gè)沉頭螺釘和2個(gè)錐銷定位于夾具體上。
3.5夾具設(shè)計(jì)及操作的簡(jiǎn)要說明
由于是大批大量生產(chǎn)，主要考慮提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。因此設(shè)計(jì)時(shí)，需要更換零件加工時(shí)速度要求快。本夾具設(shè)計(jì)，用移動(dòng)夾緊的大平面定位三個(gè)自由度，定位兩個(gè)自由度，用定位塊定位最后一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。此時(shí)雖然有過定位，但底面是經(jīng)精銑的面，定位是允許的。
25
總 結(jié)
加工工藝的編制和專用夾具的設(shè)計(jì)，使對(duì)零件的加工過程和夾具的設(shè)計(jì)有進(jìn)一步的提高。在這次的設(shè)計(jì)中也遇到了不少的問題，如在編寫加工工藝時(shí)，對(duì)所需加工面的先后順序編排，對(duì)零件的加工精度和勞動(dòng)生產(chǎn)率都有相當(dāng)大的影響。在對(duì)某幾個(gè)工序進(jìn)行專用夾具設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)零件的定位面的選擇，采用什么方式定位，夾緊方式及夾緊力方向的確定等等都存在問題。這些問題都直接影響到零件的加工精度和勞動(dòng)生產(chǎn)率，為達(dá)到零件能在保證精度的前提下進(jìn)行加工，而且方便快速，以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低成本的目的。通過不懈努力和指導(dǎo)老師的精心指導(dǎo)下，針對(duì)這些問題查閱了大量的相關(guān)資料。最后，將這些問題一一解決，并夾緊都采用了手動(dòng)夾緊，由于工件的尺寸不大，所需的夾緊力不大。
完成了本次設(shè)計(jì)，通過做這次的設(shè)計(jì)，使對(duì)專業(yè)知識(shí)和技能有了進(jìn)一步的提高，為以后從事本專業(yè)技術(shù)的工作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
參考文獻(xiàn)
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13．《機(jī)械制造工藝學(xué)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》， 機(jī)械工業(yè)出版社
14．《機(jī)床夾具設(shè)計(jì)》 王啟平主編 哈工大出版社
15.《現(xiàn)代機(jī)械制圖》 呂素霞 何文平主編 機(jī)械工業(yè)出版社
致 謝
經(jīng)過了的很長(zhǎng)時(shí)間，終于比較圓滿完成了設(shè)計(jì)任務(wù)?；仡欉@日日夜夜，感覺經(jīng)過了一場(chǎng)磨練，通過圖書、網(wǎng)絡(luò)、老師、同學(xué)等各種可以利用的方法，鞏固了自己的專業(yè)知識(shí)。對(duì)所學(xué)知識(shí)的了解和使用都有了更加深刻的理解。
此時(shí)此刻，我要特別感謝我的導(dǎo)師的精心指導(dǎo)，不僅指導(dǎo)我們解決了關(guān)鍵性技術(shù)難題，更重要的是為我們指引了設(shè)計(jì)的思路并給我們講解了設(shè)計(jì)中用到的實(shí)際工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，從而使我們?cè)O(shè)計(jì)中始終保持著清晰的思維也少走了很多彎路，也使我學(xué)會(huì)綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)，提高分析和解決實(shí)際問題的能力。不僅如此，老師的敬業(yè)精神更是深深的感染了我，鞭策著我在以后的工作中愛崗敬業(yè)，導(dǎo)師是真真正正作到了傳道、授業(yè)、解惑。
同時(shí)也要感謝其他同學(xué)、老師和同事的熱心幫助，感謝院系領(lǐng)導(dǎo)對(duì)我們課程設(shè)計(jì)的重視和關(guān)心，為我們提供了作圖工具和場(chǎng)所，使我們能夠全身心的投入到設(shè)計(jì)中去，為更好、更快的完成課程設(shè)計(jì)提供了重要保障。
43
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(guó)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
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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(yè)]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(yè)]
（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(kù)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(jiǎn)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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