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夾具夾緊力的優(yōu)化及對工件定位精度的影響
B.Li 和 S.N.Mellkote
布什伍德拉夫機(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)計優(yōu)化，夾緊力是一個重要的設(shè)計變量，可以得到優(yōu)化，以減少工件的位移。本文提出了一種確定多夾緊夾具受到準(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關(guān)鍵因素。要實現(xiàn)夾具的這些功能，需將工件定位到一個合適的基準(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。然而，過度的夾緊力可誘導(dǎo)工件產(chǎn)生更大的彈性變形 ，這會影響它的位置精度，并反過來影響零件質(zhì)量。所以有必要確定最佳夾緊力，來減小由于彈性變形對工件的定位誤差，同時滿足加工的要求。在夾具分析和綜合領(lǐng)域上的研究人員使用了有限元模型的方法或剛體模型的方法。大量的工作都以有限元方法為基礎(chǔ)被報道[參考文獻(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算成本。同時，多數(shù)的有限元基礎(chǔ)研究人員一直重點關(guān)注的夾具布局優(yōu)化和夾緊力的優(yōu)化還沒有得到充分討論，也有少數(shù)的研究人員通過對剛性模型[9-11]對夾緊力進(jìn)行了優(yōu)化，剛型模型幾乎被近似為一個規(guī)則完整的形狀。得墨忒耳[12，13]用螺釘理論解決的最低夾緊力，總的問題是制定一個線性規(guī)劃，其目的是盡量減少在每個定位點調(diào)整夾緊力強(qiáng)度的法線接觸力。接觸摩擦力的影響被忽視，因為它較法線接觸力相對較小，由于這種方法是基于剛體假設(shè)，獨特的三維夾具可以處理超過6個自由度的裝夾，復(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)六個以上的接觸力是使其靜力不確定，因此，這種方法無法確定工件移位的唯一性。
這種限制可以通過計算夾具——工件系統(tǒng)[15]的彈性來克服，對于一個相對嚴(yán)格的工件，該夾具在機(jī)械加工工件的位置會受夾具點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設(shè)計參數(shù)的影響[17]。桂 [18] 等 通過工件的夾緊力的優(yōu)化定位精度彈性接觸模型對報告做了改善，然而，他們沒有處理計算夾具與工件的接觸剛度的方法，此外，其算法的應(yīng)用沒有討論機(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彈性變形產(chǎn)生的接觸力和工件的位移，他們還使用此方法制定了優(yōu)化方法夾具布局[21]和夾緊力[22]。但是，關(guān)于multiclamp系統(tǒng)及其對工件精度影響的夾緊力的優(yōu)化并沒有在這些文件中提到 。
本文提出了一種新的算法，確定了multiclamp夾具工件系統(tǒng)受到準(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。通過兩個例子分析工件夾緊力的優(yōu)化對定位精度的影響，例子涉及的銑削夾具3-2-1布局。
1． 夾具——工件聯(lián)系模型
1．1 模型假設(shè)
該加工夾具由L定位器和帶有球形端的c形夾組成。工件和夾具接觸的地方是線性的彈性接觸，其他地方完全剛性。工件——夾具系統(tǒng)由于夾緊和加工受到準(zhǔn)靜態(tài)負(fù)載。夾緊力可假定為在加工過程中保持不變，這個假設(shè)是有效的，在對液壓或氣動夾具使用。在實際中，夾具工件接觸區(qū)域是彈性分布，然而，這種模式的發(fā)展，假設(shè)總觸剛度（見圖1）第i夾具接觸力局部變形如下：
(1) 其中（j=x，y，z）表示，在當(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
接觸處的坐標(biāo)系
（j=x，y，z）是對應(yīng)沿著xyz方向的彈性變形，分別 （j= x，y，z）的代表和切向力接觸 ，法線力接觸。
1．2 工件——夾具的接觸剛度模型
集中遵守一個球形尖端定位，夾具和工件的接觸并不是線性的，因為接觸半徑與隨法線力呈非線性變化 [23]。由于法線力接觸變形作用于半徑和平面工件表面之間，這可從封閉赫茲的辦法解決縮進(jìn)一個球體彈性半空間的問題。對于這個問題， 是法線的變形，在[文獻(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
一個合理的接觸剛度的線性可以近似從最小二乘獲得適合式 （2），這就產(chǎn)生了以下線性化接觸剛度值：在計算上述的線性近似，
（4）
(5)
正常的力被假定為從0到1000N，且最小二乘擬合相應(yīng)的R2值認(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)動過程中，局部的夾緊和加工負(fù)荷引起的彈性變形，同時保持在準(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。實現(xiàn)這個目標(biāo)是通過制定一個多目標(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，和三個正交組件（見圖2）。
圖2 工件剛體平移和旋轉(zhuǎn)
工件的定位誤差歸于裝夾力，然后可以在該剛體位移的范數(shù)計算如下：
（6）
其中表示一個向量二級標(biāo)準(zhǔn)。
但是作用在工件的夾緊力會影響定位誤差。當(dāng)多個夾緊力作用于工件，由此產(chǎn)生的夾緊力為,有如下形式：
（7）
其中夾緊力是矢量，夾緊力的方向矩陣，是夾緊力是矢量的方向余弦，、和 是第i個夾緊點夾緊力在、和方向上的向量角度（i=1、2、3...,C）。
在這個文件中，由于接觸區(qū)變形造成的工件的定位誤差，被假定為受的作用力是法線的，接觸的摩擦力相對較小，并在進(jìn)行分析時忽略了加緊力對工件的定位誤差的影響。意指正常接觸剛度比，是通過（i=1，2…L）和最小的所有定位器正常剛度相乘，并假設(shè)工件、、取決于、、的方向，各自的等效接觸剛度可有下式計算得出（見圖3），工件剛體運(yùn)動，歸于夾緊行動現(xiàn)在可以寫成：
(8)
工件有位移，因此，定位誤差的減小可以通過盡量減少產(chǎn)生的夾緊力向量 范數(shù)。因此，第一個目標(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，對接觸問題和產(chǎn)生的“真正”剛體位移，而且工件保持在靜態(tài)平衡，通過夾緊力的隨時調(diào)整。因此，總能量最小化的形式為補(bǔ)充的夾緊力優(yōu)化的第二個目標(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，是遵守對角矩陣的， 和是所有接觸力的載體。
如圖3 加權(quán)系數(shù)計算確定的基礎(chǔ)
內(nèi)蒙古科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（外文翻譯）
2.2 摩擦和靜態(tài)平衡約束
在（10）式優(yōu)化的目標(biāo)受到一定的限制和約束，他們中最重要的是在每個接觸處的靜摩擦力約束。庫侖摩擦力的法律規(guī)定（是靜態(tài)摩擦系數(shù)）,這方面的一個非線性約束和線性化版本可以使用，并且[19]有：
（11）
假設(shè)準(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，在一個法線的接觸壓力不能超過壓工件材料的屈服強(qiáng)度（）。這個約束可寫為：
（i=1，2，…,L+C） (14)
如果是在第i個工件——夾具的接觸處的接觸面積，完整的夾緊力優(yōu)化模型，可以寫成：最小化 (15)
3．模型算法求解
式（15）多目標(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)換成一個約束對。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。對為主要目標(biāo)的選擇，確保選中一套獨特可行的夾緊力，因此，工件——夾具系統(tǒng)驅(qū)動到一個穩(wěn)定的狀態(tài)（即最低能量狀態(tài)），此狀態(tài)也表示有最小的夾緊力下的加權(quán)范數(shù)。 的約束轉(zhuǎn)換涉及到一個指定的加權(quán)范數(shù)小于或等于，其中是 的約束，假設(shè)最初所有夾緊力不明確，要確定一個合適的。在定位和夾緊點的接觸力的計算只考慮第一個目標(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“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)，通過計算并作為初始值與比較，因此，夾緊力式（15）的優(yōu)化問題可改寫為:
最小化 （16）
由： (11)–(14) 得。
類似的算法尋找一個方程根的二分法來確定最低的上的約束, 通過盡可能降低上限，由此產(chǎn)生的最小夾緊力的加權(quán)范數(shù)。 迭代次數(shù)K，終止搜索取決于所需的預(yù)測精度和，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刀具軌跡 ，用保守的辦法來解決下面將被討論的問題，考慮一個有限的數(shù)目（例如m）沿相應(yīng)的刀具路徑設(shè)置的產(chǎn)生m個最佳夾緊力，選擇記為， ， …,在每個采樣點，考慮以下四個最壞加工負(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分別代替對應(yīng)的和另外兩個正交切削分力，而且有：
雖然4個最壞情況加工負(fù)荷向量不會在工件加工的同一時刻出現(xiàn)，但在每次常規(guī)的進(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，在這項工作中，四個載體負(fù)載適用于同一位置，（但不是同時）對工件進(jìn)行的采樣 ，夾緊力的優(yōu)化算法圖4，對應(yīng)于每個采樣點計算最佳的夾緊力。夾緊力的最佳形式有：
(i=1,2,…,m) (j=x,y z,r) (19)
其中是最佳夾緊力的四個情況下的加工負(fù)荷載體，(C=1，2，…C)是每個相應(yīng)的夾具在第i個樣本點和第j負(fù)荷情況下力的大小。是計算每個負(fù)載點之后的結(jié)果，一套簡單的“最佳”夾緊力必須從所有的樣本點和裝載條件里發(fā)現(xiàn)，并在所有的最佳夾緊力中選擇。這是通過在所有負(fù)載情況和采樣點排序，并選擇夾緊點的最高值的最佳的夾緊力，見于式 （20）：
（k=1，2，…，C） （20）
只要這些具備，就得到一套優(yōu)化的夾緊力，驗證這些力，以確保工件夾具系統(tǒng)的靜態(tài)平衡。否則，會出現(xiàn)更多采樣點和重復(fù)上述程序。在這種方式中，可為整個刀具路徑確定“最佳”夾緊力 ，圖5總結(jié)了剛才所描述的算法。請注意，雖然這種方法是保守的，它提供了一個確定的夾緊力，最大限度地減少工件的定位誤差的一套系統(tǒng)方法。
5．影響工件的定位精度
它的興趣在于最早提出了評價夾緊力的算法對工件的定位精度的影響。工件首先放在與夾具接觸的基板上，然后夾緊力使工件接觸到夾具，因此，局部變形發(fā)生在每個工件夾具接觸處，使工件在夾具上移位和旋轉(zhuǎn)。隨后，準(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)動的定義是由它在、和方向上的移位和自轉(zhuǎn)（見圖2），
如前所述，工件剛體位移產(chǎn)生于在每個夾緊處的局部變形，假設(shè)為相對于工件的質(zhì)量中心的第i個位置矢量定位點，坐標(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)系和是一個旋轉(zhuǎn)矩陣確定工件相對于全球的坐標(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)動矢量。工件與夾具單方面接觸性質(zhì)意味著工件與夾具接觸處沒有拉力的可能。因此，在第i裝夾點接觸力可能與的關(guān)系如下：
（24）
其中是在第i個接觸點由于夾緊和加工負(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個接觸剛度矩陣，是單位向量. 在這項研究中假定液壓/氣動夾具，根據(jù)對外加工負(fù)荷，故在法線方向的夾緊力的強(qiáng)度保持不變，因此，必須對方程（24）的夾緊點進(jìn)行修改為：
（25）
其中是在第i個夾緊點的夾緊力，讓表示一個對外加工力量和載體的6×1矢量。并結(jié)合方程（23）—（25）與靜態(tài)平衡方程，得到下面的方程組：
（26）
其中，其中表示相乘。由于夾緊和加工工件剛體移動，q可通過求解式（26）得到。工件的定位誤差向量， （見圖6），
現(xiàn)在可以計算如下： （27）
其中是考慮工件中心加工點的位置向量，且
6．模擬工作
較早前提出的算法是用來確定最佳夾緊力及其對兩例工件精度的影響例如：
1．適用于工件單點力。
2．應(yīng)用于工件負(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] 對加工瞬時銑削力條件進(jìn)行了計算，如表2給出例（1），應(yīng)用工件在點（109.2毫米，25.4毫米，34.3毫米）瞬時加工力，圖4中表3和表4列出了初級夾緊力和最佳夾緊力的算法 。該算法如圖5所示 ，一個25.4毫米銑槽使用EMSIM進(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（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）。模擬計算銑削力數(shù)據(jù)在表5中給出。
圖8最終銑削過程模擬例如2。
表6中5個坐標(biāo)列出了為模擬抽樣調(diào)查點。最佳夾緊力是用前面討論過的排序算法計算每個采樣點和負(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，加工點減少錯誤從13.1％到14.6％不等。在這種情況下，所有加工條件改善不是很大，因為從最初通過互補(bǔ)勢能確定的最小化的夾緊力值已接近最佳夾緊力。圖5算法是用第二例在一個序列應(yīng)用于銑削負(fù)載到工件，他應(yīng)用于工件銑削負(fù)載一個序列。最佳的夾緊力，，對應(yīng)列表6每個樣本點，隨著最后的最佳夾緊力，在每個采樣點的加權(quán)范數(shù)和最優(yōu)的初始夾緊力繪圖10，在每個采樣點的加權(quán)范數(shù)的，，和繪制。
結(jié)果表明，由于每個組成部分是各相應(yīng)的最大夾緊力，它具有最高的加權(quán)范數(shù)。如圖10所示，如果在每個夾緊點最大組成部分是用于確定初步夾緊力，則夾緊力需相應(yīng)設(shè)置，有比相當(dāng)大的加權(quán)范數(shù)。故是一個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。該算法通過兩個模擬表明，涉及3-2-1型，二夾銑夾具的例子。今后的工作將解決在動態(tài)負(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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13、E. C. DeMeter .《加工夾具最大負(fù)荷的性能優(yōu)化模型》 美國ASME，工業(yè)工程雜志 1995。
14、JH復(fù)和AYC倪.“核查和工件夾持的夾具設(shè)計”方案優(yōu)化，設(shè)計和制造，4，碩士論文： 307-318，1994。
15、T. H. Richards、埃利斯 霍伍德.1977,《應(yīng)力能量方法分析》，1977。
16、M. J. Hockenberger and E. C. DeMeter. 對工件準(zhǔn)靜態(tài)分析功能位移在加工夾具的應(yīng)用程序，制造科學(xué)雜志與工程： 325–331頁, 1996。
工序卡片
工序一: 粗銑燕尾面M、H及空刀面和凹臺面
青 島 理 工 大 學(xué)
機(jī) 械 加 工 工 序 卡
工序名稱
銑燕尾面
零件
名稱
車床轉(zhuǎn)盤零件
零件
重量
材 料
毛坯
牌號
硬度
形式
重量
HT200
鑄造
設(shè)備
夾具
輔助工具
名稱
型號
專用夾具
立式銑床
X51
工步
安 裝 及 工 步 說 明
刀具
走刀次數(shù)
背吃刀量
進(jìn)給量
切削速度
基本工時
1
粗銑M、H面
高速鋼單角銑刀
1
1.8mm
0.083mm/z
0.41m/s
144.96s
4
粗銑凹臺面
硬質(zhì)合金鑲齒三面刃銑刀
1
1.8mm
0.208mm/z
0.14m/s
138.9
設(shè) 計 者
楊 凱
指導(dǎo)教師
劉 琨 明
共 頁
第1頁
工序二: 粗銑+半精銑轉(zhuǎn)盤的兩個端面Q和R
青 島 理 工 大 學(xué)
機(jī) 械 加 工 工 序 卡
工序名稱
銑端面
零件
名稱
車床轉(zhuǎn)盤
零件
重量
材 料
毛坯
牌號
硬度
形式
重量
HT200
鑄造
設(shè)備
夾具
輔助工具
名稱
型號
專用夾具
臥式銑床
X61
工步
安 裝 及 工 步 說 明
刀具
走刀次數(shù)
背吃刀量
進(jìn)給量
切削速度
基本工時
1
以端面為基準(zhǔn)，銑削凸臺表面。
高速鋼鑲齒面銑刀
1
3mm
0.25mm/z
0.335m/s
69s
設(shè) 計 者
楊 凱
指導(dǎo)教師
劉 琨 明
共 頁
第1頁
工序三: 粗車+半精車+精車加工轉(zhuǎn)盤底面P、外圓面N、端面
青 島 理 工 大 學(xué)
機(jī) 械 加 工 工 序 卡
工序名稱
車加工
零件
名稱
車床轉(zhuǎn)盤
零件
重量
材 料
毛坯
牌號
硬度
形式
重量
HT200
鑄造
設(shè)備
夾具
輔助工具
名稱
型號
專用夾具
臥式車床
C620-1
工步
安 裝 及 工 步 說 明
刀具
走刀次數(shù)
背吃刀量
進(jìn)給量
切削速度
基本工時
1
粗車外圓面N
硬質(zhì)合金YG8可轉(zhuǎn)位車刀，刀桿尺寸BH為16mm25mm，,刀片厚度為5mm。
1
2.5mm
1.0mm/r
35.7m/min
4.8s
設(shè) 計 者
楊 凱
指導(dǎo)教師
劉 琨 明
共 頁
第1頁
工序四: 鉆、擴(kuò)、鉸35H7孔
青 島 理 工 大 學(xué)
機(jī) 械 加 工 工 序 卡
工序名稱
鉆孔
零件
名稱
車床轉(zhuǎn)盤
零件
重量
材 料
毛坯
牌號
硬度
形式
重量
HT200
鑄造
設(shè)備
夾具
輔助工具
名稱
型號
專用夾具
型立式鉆床
Z550
工步
安 裝 及 工 步 說 明
刀具
走刀次數(shù)
背吃刀量
進(jìn)給量
切削速度
基本工時
1
鉆孔
25的標(biāo)準(zhǔn)高速鋼麻花鉆，磨出雙錐和修磨橫刀。
1
12.5mm
0.90mm/r
15.09m/min
13.16s
2
擴(kuò)鉆孔
33的標(biāo)準(zhǔn)高速鋼麻花鉆，磨出雙錐和修磨橫刀。
1
4mm
1.0mm/r
20.21m/min
9.6s
3
擴(kuò)孔
34.8mm標(biāo)準(zhǔn)高速鋼擴(kuò)孔鉆
1
0.9mm
1.2mm/r
28.5m/min
4.8s
4
鉸孔
35mm標(biāo)準(zhǔn)高速鋼鉸刀
1
0.1mm
1.0mm/r
10.99m/min
15.66s
設(shè) 計 者
楊 凱
指導(dǎo)教師
劉 琨 明
共 頁
第1頁
工序五:鉆213孔
青 島 理 工 大 學(xué)
機(jī) 械 加 工 工 序 卡
工序名稱
鉆孔
零件
名稱
車床轉(zhuǎn)盤
零件
重量
材 料
毛坯
牌號
硬度
形式
重量
HT200
鑄造
設(shè)備
夾具
輔助工具
名稱
型號
專用夾具
型立式鉆床
Z550
工步
安 裝 及 工 步 說 明
刀具
走刀次數(shù)
背吃刀量
進(jìn)給量
切削速度
基本工時
1
鉆孔
13的標(biāo)準(zhǔn)高速鋼麻花鉆，磨出雙錐和修磨橫刀。
1
7.5
0.57mm/r
11.23m/min
24s
設(shè) 計 者
楊 凱
指導(dǎo)教師
劉 琨 明
共 頁
第1頁
5
青島理工大學(xué)
機(jī)械加工工藝過程卡片
產(chǎn)品型號
零件圖號
產(chǎn)品名稱
車床轉(zhuǎn)盤
零件名稱
車床轉(zhuǎn)盤
共1頁
第1頁
材料 牌號
HT200
毛坯種類
鑄件
毛坯外形尺寸
每毛坯可制件數(shù)
1
每臺件數(shù)
1
備注
工序號
工序名稱
工序內(nèi)容
車間
工段
設(shè)備
工藝設(shè)備
工時/s
準(zhǔn)終
單件
1
銑削
粗銑燕尾面M、H及空刀面和凹臺面，以底面P為主要定位基準(zhǔn)，兩側(cè)面K為第二定位基準(zhǔn)。
X51立式銑床
專用夾具
138.9
2
銑削
粗銑+半精銑轉(zhuǎn)盤的兩個端面Q和R，以M、H面以及未加工面N為定位基準(zhǔn)。
X61臥式銑床
專用夾具
69
3
車削
粗車+半精車+精車加工轉(zhuǎn)盤底面P、外圓面N、端面L等以已加工面M、H、Q面定位，實現(xiàn)完全定位。
C620-1臥式車床
專用夾具
4.8
4
銑削
粗銑+半精銑加工轉(zhuǎn)盤的196mm圓弧面和尺寸132mm的兩側(cè)面K，以底面P、外圓面N、燕尾面H定位。
X51立式銑床
專用夾具
52
6
銑削
精銑燕尾面M、H及空刀面和凹臺面，以已加工面底面P為主要定位基準(zhǔn)，以已加工兩側(cè)面K為第二定位基準(zhǔn)。
X51立式銑床
專用夾具
21.3
7
鉆孔
鉆、擴(kuò)、鉸孔
Z550型立式鉆床
專用夾具
15.66
8
鉆孔
鉆2孔
Z550型立式鉆床
專用夾具
24
9
倒角、去毛刺
倒角、去毛刺
C620-1臥式車床
專用夾具
10
檢驗
檢查
LATHE
The basic machines that are designed primarily to do turning, facing and boring are called lathes. Very little turning is done on other types of machine tools, and none can do it with equal facility. Because lathe can do boring, facing, drilling, and reaming in addition to turning, their versatility permits several operations to be performed with a single setup of the workpiece. These accounts for the fact that lathes of various types are more widely used in manufacturing than any other machine tool.
Lathes in various forms have existed for more than two thousand years. Modem lathes date from about 1797, when Henry Maudsley developed one with a lea&crew. It provided controlled, mechanical feed of the tool. This ingenious Englishman also developed a changegear system that could connect the motions of the spindle and lea&crew and thus enable threads to be cut.
Lathe Construction. The essential components of a lathe are depicted in the block diagram. These are the bed, headstock assembly, tailstock assembly, carriage assembly, quick-change gear box, and the lea&crew and feed rod.
The bed is the backbone of a lathe. It usually is made of well-normalized or aged gray or nodular cast iron and provides a heavy, rigid frame on which all the other basic components are mounted. Two sets of parallel, longitudinal ways, inner and outer, are contained on the bed, usually on the upper side. Some makers use an inverted V-shape for all four ways, whereas others utilize one inverted V and one flat way in one or both sets. Because several other components are mounted and/or move on the ways they must be made with precision to assure accuracy of alignment. Similarly, proper precaution should be taken in operating a lathe to assure that the ways are not damaged. Any inaccuracy in them usually means that the accuracy of the entire lathe is destroyed. The ways on most modem lathes are surface hardened to offer greater resistance to wear and abrasion.
The headstock is mounted in a fixed position on the inner ways at one end of the lathe bed. It provides a powered means of rotating the work at various speeds. It consists, essentially, of a hollow spindle, mounted in accurate bearings? And a set of transmission gears similar to a truck transmission through which the spindle can be rotated at a number of speeds. Most lathes provide from eight to eighteen speeds, usually in a geometric ratio, and on modem lathes all the speeds can be obtained merely by moving from two to four levers. An increasing trend is to provide a continuously variable speed range through electrical or mechanical drives.
Because the accuracy of a lathe is greatly dependent on the spindle, it is of heavy construction and mounted in heavy bearings, usually preloaded tapered roller or ball types, a longitudinal hole extends through the spindle so that long bar stock can be fed through it. The size of this hole is an important size dimension of a lathe because it de
termines the maximum size of bar stock that can be machined when the material must be fed through the spinale.
The inner end of the spindle protrudes from the gear box and contains a means for mounting various types of chucks, face plates, and dog plates on it. Whereas small lathes often employ a threaded section to which the chucks are screwed, most large lathes utilize either cam-lock or key-drive taper noses. These provide a large-diameter taper that assures the accurate alignment of the chuck, and a mechanism that permits the chuck or face plate to be locked or unlocked in position without the necessity of having to rotate these heavy attachments.
Power is supplied to the spindle by means of an electric motor through a V-belt or silent-chain drive. Most modem lathes have motors of from 5 to15 horsepower to provide adequate power for carbide and ceramic tools at their high cutting speeds.
The tailstock assembly consists, essentially, of three parts. A lower casting fits on the inner ways of the bed and can slide longitudinally thereon, with a means for clamping the entire assembly in any desired location. An upper casting fits on the lower one and can be moved transversely upon it on some type of keyed ways. This transverse motion pemfits aligning the tailstock and headstock spindles and provides a method of tuming tapers. The third major component of the assembly is the tailstock quill. This is a hollow steel cylinder, usually about 2 to sinches in diameter, that can be moved several inches longitudinally in and out of the upper casting by means of a handwheel and screw. The open end of the quill hole terminates in a morse. Taper in which a lathe center, or various tools such as drills, can be held. A graduated scale, several inches in length, usually is engraved on the outside of the quill to aid in controlling its motion in and out of the upper casting. A locking device permits clamping the quill in any desired position.
The carriage assembly provides the means for mounting and moving cutting tools. The carriage is a reianvely fiat H-shaped casting that rests and moves on the outer set of ways on the bed. The transverse bar of the carriage contains ways on which the cross slide is mounted and can be moved by means of a feed screw that is controlled by a small handwheel and a graduated dial. Through the cross slide a means is provided for moving the lathe tool in the direction normal to the axis of rotation of the work.
On most lathes the tool post actually is mounted on a compound rest. This consists of a base, which is mounted on the cross slide so that it can be pivoted about a vertical axis, and an .upper casting. The upper casting is mounted on ways on this base .so that it can be moved back and forth and controlled by means of a short lead screw operated by a handwheel and a calibrated dial.
Manual and powered motion for the carriage, and powered motion for the cross slide, is provided by mechanisms within the apron,
attached to the front of the carriage. Manual movement of the carriage along the bed is effected by turning a handwheel on the front of the apron, which is geared to a pinion on the back side. This pinion engages a rack that is attached beneath the upper front edge of the bed in an inverted position.
To impart powered movement to the carriage and cross slide, a rotating feed rod is provided. The feed rod, which contains a keyway throughout most of its length, passes throughthe two reversing bevel pinions and is keyed to them. Either pinion cam be brought into mesh with a mating bevel gear by means of the reversing lever on the front of the apron and thus provide "forward" or "reverse" power to the carriage. Suitable clutches connect either the rack pinion or the cross-shde screw to provide longitudinal motion of the carriage or transverse motion of cross slide.
For cutting threads, a second means of longitudinal drive is provided by a lead screw. Whereas motion of the carriage when driven by the feed-rod mechanism takes place through a friction clutch in which shppage is possible, motion through the lead screw is by a direct, mechanical connection between the apron and the lead screw, s This is achieved by a split nut. By means of a clamping lever on the front of the apron, the split nut can be closed around the lead screw. With the split nut closed, the carriage is moved along the lead screw by direct drive without possibility of slippage.
Modern lathes have a quick-change gear box. The input end of this gear box is driven from the lathe spindle by means of suitable gearing. The output end of the gear box is connected to the feed rod and lead screw. Thus, through this gear train, leading from the spindle to the quick-change gear box, thence to the lead screw and feed rod, and then to the carriage, the cutting tool can be made to move a specific distance, either longitudinally or transversely, for each revolution of the spindle. A typical lathe provides, through the feed rod, forty-eight feeds ranging from 0.002 inch to 0.118 inch per revolution of the spindle, and, through tne lead screw, leads for cutting forty-eight different threads from 1.5 to 92 per inch. On some older and some cheaper lathes, one or two gears in the gear train between the spindle and the change gear box must be changed in order to obtain a full range of threads and feeds.
車床
用與車外圓、端面和鏜孔等加工的機(jī)床叫車床。車削很少在其他種類的機(jī)床上進(jìn)行，因為其他機(jī)床都不能像車床那樣方便地進(jìn)行車削加工。由于車床除了用于車外圓外還能用于鏜孔、車端面、鉆孔和鉸孔，車床的多功能性可以使工件在一次定位安裝中完成多種加工。這就是在生產(chǎn)中普遍使用各種車床比其他種類的機(jī)床都要多的原因。
兩千多年前就已經(jīng)有了車床。現(xiàn)代車床可以追溯到大約1797年，那時亨利·莫德斯利發(fā)明了一種具有絲杠的車床。這種車床可以控制工具的機(jī)械進(jìn)給。這位聰明的英國人還發(fā)明了一種把主軸和絲杠相連接的變速裝置，這樣就可以切削螺紋。
車床的主要部件：床身、主軸箱組件、尾架組件、拖板組件、變速齒輪箱、絲杠和光杠
床身是車床的基礎(chǔ)件。它通常是由經(jīng)過充分正火或時效處理的灰鑄鐵或者球墨鑄鐵制成，它是一個堅固的剛性框架，所有其他主要部件都安裝在床身上。通常在床身上面有內(nèi)外兩組平行的導(dǎo)軌。一些制造廠生產(chǎn)的四個條導(dǎo)軌都采用倒“V”形，而另一些制造廠則將倒“V”形導(dǎo)軌和平面導(dǎo)軌相結(jié)合。由于其他的部件要安裝在導(dǎo)軌上并(或)在導(dǎo)軌上移動，導(dǎo)軌要經(jīng)過精密加工，以保證其裝配精度。同樣地，在操作中應(yīng)該小心，以避免損傷導(dǎo)軌。導(dǎo)軌上的任何誤差，常常會使整個機(jī)床的精度遭到破壞。大多數(shù)現(xiàn)代車床的導(dǎo)軌要進(jìn)行表面淬火處理，以減小磨損和擦傷，具有更大的耐磨性。主軸箱安裝在床身一端內(nèi)導(dǎo)軌的固定位置上。它提供動力，使工件在各種速度下旋轉(zhuǎn)。它基本上由一個安裝在精密軸承中的空心主軸和一系列變速齒輪——類似于卡車變速箱所組成，通過變速齒輪，主軸可以在許多種轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)。大多數(shù)車床有8—18種轉(zhuǎn)速，一般按等比級數(shù)排列。在現(xiàn)代車床上只需扳動2～4個手柄，就能得到全部擋位的轉(zhuǎn)速。目前發(fā)展的趨勢是通過電氣的或機(jī)械的裝置進(jìn)行無級變速。
由于車床的精度在很大程度上取決于主軸，因此主軸的結(jié)構(gòu)尺寸較大，通常安裝在緊密配合的重型圓錐滾子軸承或球軸承中。主軸中有一個貫穿全長的通孔，長棒料可以通過該孔送料。主軸孔的大小是車床的一個重要尺寸，因為當(dāng)工件必須通過主軸孔供料時，它確定了能夠加工棒料毛坯的最大外徑尺寸。
主軸的內(nèi)端從主軸箱中凸出，其上可以安裝多種卡盤、花盤和擋塊。而小型的車床常帶有螺紋截面供安裝卡盤之用。很多大車床使用偏心夾或鍵動圓錐軸頭。這些附件組成了一個大直徑的圓錐體，以保證對卡盤進(jìn)行精確地裝配，并且不用旋轉(zhuǎn)這些笨重的附件就可以鎖定或松開卡盤或花盤。
主軸由電動機(jī)經(jīng)V帶或無聲鏈裝置提供動力。大多數(shù)現(xiàn)代車床都裝有5—15馬力的電動機(jī)，為硬質(zhì)合金和金屬陶瓷合金刀具提供足夠的動力，進(jìn)行高速切削。
尾座組件主要由三部分組成。底座與床身的內(nèi)側(cè)導(dǎo)軌配合，并可以在導(dǎo)軌上做縱向移動，底座上有一個可以使整個尾座組件夾緊在任意位置上的裝置。尾座安裝在底座上，可以沿鍵槽在底座上橫向移動，使尾座與主軸箱中的主軸對中并為切削圓錐體提供方便。尾座組件的第三部分是尾座套筒，它是一個直徑通常在2～3英寸之間的鋼制空心圓柱軸。通過手輪和螺桿，尾座套筒可以在尾座體中縱向移入和移出幾英寸?；顒犹淄驳拈_口一端具有莫氏錐度，可以用于安裝頂尖或諸如鉆頭之類的各種刀具。通常在活動套筒的外表面刻有幾英寸長的刻度，以控制尾座的前后移動。鎖定裝置可以使套筒在所需要的位置上夾緊。
拖板組件用于安裝和移動切削工具。拖板是一個相對平滑釣H形鑄件，安裝在床身外側(cè)導(dǎo)軌上，并可在上面移動。大拖板上有橫向?qū)к?，使橫向拖板可以安裝在上面，并通過絲杠使其運(yùn)動，絲杠由一個小手柄和刻度盤控制。橫拖板可以帶動刀具垂直于工件的旋轉(zhuǎn)軸線切削。
大多數(shù)車床的刀架安裝在復(fù)式刀座上，刀座上有底座，底座安裝在橫拖板上?？衫@垂直軸和上刀架轉(zhuǎn)動；上刀架安裝在底座上，可用手輪和刻度盤控制一個短絲杠使其前后移動。溜板箱裝在大拖板前面，通過溜板箱內(nèi)的機(jī)械裝置可以手動和動力驅(qū)動大拖板以及動力驅(qū)動橫拖板。通過轉(zhuǎn)動溜板箱前的手輪，可以手動操作拖板沿床身移動。手輪的另一端與溜板箱背面的小齒輪連接，小齒輪與齒條嚙合，齒條倒裝在床身前上邊緣的下面。利用光杠可以將動力傳遞給大拖板和橫拖板。光杠上有一個幾乎貫穿于整個光杠的鍵槽，光杠通過兩個轉(zhuǎn)向相反并用鍵連接的錐齒輪傳遞動力。通過溜板箱前的換向手柄可使嚙合齒輪與其中的一個錐齒輪嚙合，為大拖板提供“向前”或“向后”的動力。適當(dāng)?shù)碾x合器或者與齒條小齒輪連接或者與橫拖板的螺桿連接，使拖板縱向移動或使橫拖板橫向移動。
對于螺紋加工，絲杠提供了第二種縱向移動的方法。光杠通過摩擦離合器驅(qū)動拖板移動，離合器可能會產(chǎn)生打滑現(xiàn)象。而絲杠產(chǎn)生的運(yùn)動是通過溜板箱與絲杠之間的直接機(jī)械連接來實現(xiàn)的，對開螺母可以實現(xiàn)這種連接。通過溜板箱前面的夾緊手柄可以使對開螺母緊緊包合絲杠。當(dāng)對開螺母閉合時，可以沿絲杠直接驅(qū)動拖板，而不會出現(xiàn)打滑的可能性。
現(xiàn)代車床有一個變速齒輪箱，齒輪箱的輸入端由車床主軸通過合適的齒輪傳動來驅(qū)動。齒輪箱的輸出端與光杠和絲杠連接。主軸就是這樣通過齒輪傳動鏈驅(qū)動變速齒輪箱，再帶動絲杠和光杠，然后帶動拖板，刀具就可以按主軸的轉(zhuǎn)數(shù)縱向地或橫向地精確移動。一臺典型的車床的主軸每旋轉(zhuǎn)一圈，通過光杠可以獲得從0．叩2到0．118英寸尺寸范圍內(nèi)的48種進(jìn)給量；而使用絲杠可以車削從1．5到92牙／英寸范圍內(nèi)的48種不同螺紋。一些老式的或價廉的車床為了能夠得到所有的進(jìn)給量和加工出所有螺紋，必須更換主軸和變速齒輪箱之間的齒輪系中的一個或兩個齒輪。
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