CA1092汽車主動(dòng)螺旋傘機(jī)械加工工藝規(guī)程及車軸頸及背錐工序的專用夾具設(shè)計(jì)(全套含CAD圖紙)
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遼寧工程技術(shù)大學(xué)課程設(shè)計(jì)19遼寧工程技術(shù)大學(xué)機(jī) 械 制 造 技 術(shù) 基 礎(chǔ)課 程 設(shè) 計(jì)題 目:CA1092汽車主動(dòng)螺旋傘機(jī)械加工工藝規(guī)程及車軸頸及背錐工序的專用夾具設(shè)計(jì)班級:(宋體四號字)姓名:(宋體四號字)學(xué) 號:(宋體四號字)指導(dǎo)教師:(宋體四號字)完成日期:(宋體四號字)任 務(wù) 書一、設(shè)計(jì)題目:CA1092汽車主動(dòng)螺旋傘機(jī)械加工工藝規(guī)程及車軸頸及背錐工序的專用夾具設(shè)計(jì)二、原始資料(1) 被加工零件的零件圖 1張(2) 生產(chǎn)類型:(大批大量生產(chǎn))三、上交材料1所加工的零件圖 1張2毛坯圖 1張3編制機(jī)械加工工藝過程卡片 1套4編制所設(shè)計(jì)夾具對應(yīng)的那道工序的機(jī)械加工工序卡片 1套5繪制夾具裝配圖(A0或A1) 1張6繪制夾具中1個(gè)零件圖(A1或A2。裝配圖出來后,由指導(dǎo)教師為學(xué)生指定需繪制的零件圖,一般為夾具體)。 1張7課程設(shè)計(jì)說明書,包括機(jī)械加工工藝規(guī)程的編制和機(jī)床夾具設(shè)計(jì)全部內(nèi)容。(約5000-8000字) 1份四、進(jìn)度安排本課程設(shè)計(jì)要求在3周內(nèi)完成。1第l2天查資料,繪制零件圖。2第37天,完成零件的工藝性分析,確定毛坯的類型、制造方法,編制機(jī)械加工工藝規(guī)程和所加工工序的機(jī)械加工工序卡片。3第810天,完成夾具總體方案設(shè)計(jì)(畫出草圖,與指導(dǎo)教師溝通,在其同意的前提下,進(jìn)行課程設(shè)計(jì)的下一步)。4第1113天,完成夾具裝配圖的繪制。5第1415天,零件圖的繪制。6第1618天,整理并完成設(shè)計(jì)說明書的編寫。7第19天21天,完成圖紙和說明書的輸出打印。答辯五、指導(dǎo)教師評語該生設(shè)計(jì)的過程中表現(xiàn) ,設(shè)計(jì)內(nèi)容反映的基本概念及計(jì)算 ,設(shè)計(jì)方案 ,圖紙表達(dá) ,說明書撰寫 ,答辯表現(xiàn) 。綜合評定成績: 指導(dǎo)教師日期摘要CA1092汽車主動(dòng)螺旋傘機(jī)械加工工藝規(guī)程及車車軸頸及背錐工序的專用夾具設(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A(yù)bstractThe design of special fixture CA1092 automobile spiral bevel driving machining process planning and vehicle axle neck and back cone process is the design process design, including machining process design and fixture three. In process design should first of all parts for analysis, to understand part of the process to design blank structure, and choose the good parts machining datum, design the process routes of the parts; then the parts of each step in the process to the size calculation, the key is to determine the craft equipment and the cutting dosage of each working procedure design; then the special fixture, the fixture for the various components of the design, such as the connecting part positioning devices, clamping element, a guide element, fixture and machine tools and other components; positioning error calculated by the analysis of fixture, jig structure the rationality and the deficiency, pay attention to improving and will design in.Keywords: process, process, cutting dosage, clamping, positioning目 錄1螺旋傘齒輪加工工藝規(guī)程設(shè)計(jì)11.1零件的作用11.2毛坯的選擇與尺寸的確定和精度確定31.3螺旋傘齒輪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41.3.1孔和平面的加工順序41.3.2加工方案選擇41.4螺旋傘齒輪加工定位基準(zhǔn)的選擇51.4.1粗基準(zhǔn)的選擇51.4.2精基準(zhǔn)的選擇51.5加工主要工序安排61.6工藝路線的確定61.7制訂機(jī)械加工工藝路線71.8確定各工序切削用量和加工余量82車床夾具設(shè)計(jì)132.1車床夾具設(shè)計(jì)要求說明132.2車床夾具的設(shè)計(jì)要點(diǎn)132.3定位機(jī)構(gòu)152.4夾緊機(jī)構(gòu)152.5零件的車床夾具的加工誤差分析162.6確定夾具體結(jié)構(gòu)尺寸和總體結(jié)構(gòu)182.7零件的車床專用夾具簡單使用說明19結(jié) 論20參考文獻(xiàn)21致 謝231螺旋傘齒輪加工工藝規(guī)程設(shè)計(jì)1.1零件的作用題目給出的零件是螺旋傘齒輪齒輪。齒主要作用是傳動(dòng)連接作用,保證各軸各擋軸能正常運(yùn)行,并保證部件與其他部分正確安裝。因此螺旋傘齒輪零件的加工質(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。螺旋傘齒輪齒輪的工作條件及性能要求;螺旋傘齒輪齒輪在工作過程中起著傳遞動(dòng)力和改變速度的作用,嚙合齒面間既有滾動(dòng)、又有滑動(dòng),輪齒根部還受到脈動(dòng)或交變彎曲的作用。在由此而引起的各種應(yīng)力的作用下,齒輪將發(fā)生輪齒折斷、齒面膠合、齒面疲勞及齒面磨損等失效情況。引起齒輪失效的主要應(yīng)力有:摩擦力、接觸應(yīng)力和彎曲應(yīng)力。根據(jù)齒輪失效的形式和原因,在選擇齒輪材料及熱處理方法是應(yīng)從以下幾個(gè)方面考慮: 齒輪表面有足夠的硬度。齒面存在實(shí)際上的凹凸不平,因而局部會(huì)產(chǎn)生很大的壓強(qiáng),引起金屬塑性變形或嵌入相對表面,導(dǎo)致金屬直接接觸和粘著,當(dāng)嚙合齒面相對滑動(dòng)是,產(chǎn)生了摩擦力。齒面磨損就是由于相互摩擦的結(jié)果。減少這類磨損的關(guān)鍵是提高輪齒表面的塑變抗力,即提高齒面硬度。提高齒面硬度還可以改善齒面接觸狀態(tài),從而提高齒面的抗疲勞能力。輪齒芯部要有足夠的強(qiáng)度和韌性,以保證在變載或沖擊載荷作用下,輪齒有足夠的抗沖擊能力。大小齒輪應(yīng)有一定的硬度差,以提高其抗膠合能力??紤]材料加工性和經(jīng)濟(jì)性。螺旋傘齒輪齒輪的性能要求,螺旋錐齒輪是汽車的主要傳動(dòng)零件,主動(dòng)螺旋錐齒輪是將汽車變速器傳過來的動(dòng)力傳遞給從動(dòng)錐齒輪,從動(dòng)錐齒輪再將動(dòng)力傳遞給差速器。因此,零件結(jié)構(gòu)上主動(dòng)螺旋錐齒輪是螺旋傘齒輪,一端是花鍵,與變速器動(dòng)力輸出軸相連,另一端是螺旋錐齒輪;從動(dòng)錐齒輪是盤狀齒輪,直徑大于主動(dòng)螺旋錐齒輪,起到減速作用,同時(shí)沿圓周均布一些螺栓孔,使從動(dòng)錐齒輪通過螺栓固定在差速器殼上,將減速后的動(dòng)力傳遞給差速器。從動(dòng)錐齒輪既有高的傳動(dòng)速度,同時(shí)又傳遞較大的扭矩,而且在裝載和剎車時(shí)承受沖擊載荷。這類齒輪的主要失效方式有磨損、點(diǎn)蝕和斷裂。故從動(dòng)螺旋錐齒輪應(yīng)滿足如下性能要求:良好的力學(xué)性能;良好的滲碳淬火性能;良好的抗沖擊性能;良好的心部硬度;良好的熱變形性能。材料的選擇及技術(shù)要求目前螺旋傘齒輪齒輪用材大致有20CrMnTi、22CrMoH等。它們的工藝性能優(yōu)良,廣泛用于承受高速、中等或重載及受沖擊載荷和摩擦的重要零件,且材料成本相對低廉, 螺旋傘齒輪的設(shè)計(jì)精度一般是依據(jù)齒輪線速度確定工作平穩(wěn)性精度等級的,然后在按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定選定運(yùn)動(dòng)精度等級、接觸精度等級及齒側(cè)間隙精度等級。中型載重汽車螺旋傘齒輪的精度等級一般為8-7-7。CA1092載重汽車驅(qū)動(dòng)橋中,主、從動(dòng)螺旋傘齒輪輪的精度為8-7-7D。圖1為主動(dòng)螺旋傘螺旋傘齒輪的零件圖 。 圖1 主動(dòng)螺旋傘螺旋傘齒輪零件圖 技術(shù)要求分析:螺旋傘齒輪經(jīng)過滲碳淬火后會(huì)產(chǎn)生變形,其中輪齒變形可通過磨齒或研齒方法進(jìn)行修正,同時(shí)會(huì)顯著降低螺旋傘齒輪的傳動(dòng)噪音,這種方法已在轎車生產(chǎn)中被采用。中型載重汽車通常以提高齒形精度來彌補(bǔ)熱處理造成的精度損失。表1所示為主動(dòng)螺旋傘螺旋傘齒輪的漸開線花參數(shù)和齒輪參數(shù)。表1 主動(dòng)螺旋傘螺旋傘齒輪的漸開線花鍵參數(shù)和齒輪參數(shù)漸開線花鍵參數(shù)齒輪參數(shù)花鍵齒形漸開線齒輪13模數(shù)(mm)3分齒圓上端面模數(shù)(mm)9齒數(shù)14法面計(jì)算嚙合角20o原始齒形壓力角20o齒頂高(mm)10.26原始齒形移位距(mm)+1.5齒全高(mm)16.992分齒圓直徑(mm)42輪齒中點(diǎn)螺旋角35o分齒圓上弧齒厚:理論值(mm)用通過量規(guī)檢驗(yàn)(mm)用量棒檢驗(yàn)(mm)5.805.825.76旋轉(zhuǎn)方向左刀盤直徑(mm)228.6(9)分齒圓上端面理論弧齒厚(mm)16.652配對齒輪研磨后在檢驗(yàn)臺(tái)上的齒隙(mm)0.200.35漸開線的轉(zhuǎn)變直徑(mm)41齒的工作表面粗糙度(um)Ra1.6齒側(cè)表面粗糙度(um)Ra3.2按需要量研磨牙齒,配對后在齒輪上打上標(biāo)記1.2毛坯的選擇與尺寸的確定和精度確定毛坯類型確定:汽車驅(qū)動(dòng)橋齒輪一般都選用20CrMnTi合金鋼,采用滲碳淬火處理。CA1092汽車驅(qū)動(dòng)橋齒輪材料及熱處理如表2。大批生產(chǎn)中齒輪毛胚采用模鍛工藝制造。經(jīng)正火處理,硬度為157207HV。表2 汽車驅(qū)動(dòng)橋齒輪材料及熱處理零件名稱材料滲碳深度(mm)表面硬度HRC心部硬度HRC螺旋傘齒20CrMnTi1.21.658633348螺旋圓柱齒輪20CrMnTi1.01.658633348差速器齒輪20CrMnTi1.01.458633348毛坯結(jié)構(gòu)、尺寸和精度確定:簡化零件結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié),由于零件為大批生產(chǎn),故毛坯精度取普通級,CT9級。根據(jù)這些數(shù)據(jù),繪出毛坯圖。1.3螺旋傘齒輪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。該螺旋傘齒輪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,對于螺旋傘齒輪來說,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。1.3.1孔和平面的加工順序螺旋傘齒輪類零件的加工應(yīng)遵循先面后孔的原則:即先加工螺旋傘齒輪上的基準(zhǔn)平面,以基準(zhǔn)平面定位加工其他平面。然后再加工孔系。螺旋傘齒輪的加工自然應(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,便于對刀及調(diào)整,也有利于保護(hù)刀具。螺旋傘齒輪零件的加工工藝應(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。1.3.2加工方案選擇螺旋傘齒輪孔系加工方案,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)螺旋傘齒輪零件圖所示的螺旋傘齒輪的精度要求和生產(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,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,需要將螺旋傘齒輪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。在大批量生產(chǎn)中,螺旋傘齒輪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。1.4螺旋傘齒輪加工定位基準(zhǔn)的選擇1.4.1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)保證裝入螺旋傘齒輪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)。即以螺旋傘齒輪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位置。1.4.2精基準(zhǔn)的選擇從保證螺旋傘齒輪孔與孔、孔與平面、平面與平面之間的位置 。精基準(zhǔn)的選擇應(yīng)能保證螺旋傘齒輪在整個(gè)加工過程中基本上都能用統(tǒng)一的基準(zhǔn)定位。從螺旋傘齒輪零件圖分析可知,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,雖然它是螺旋傘齒輪的裝配基準(zhǔn),但因?yàn)樗c螺旋傘齒輪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。1.5加工主要工序安排對于大批量生產(chǎn)的零件,一般總是首先加工出統(tǒng)一的基準(zhǔn)。螺旋傘齒輪加工的第一個(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螺旋傘齒輪加工完成為止,除了個(gè)別工序外,都要用作定位基準(zhǔn)。因此,結(jié)合面上的螺孔也應(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。對于螺旋傘齒輪,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)將加工工藝路線確定如下:1.6工藝路線的確定工藝分析:螺旋傘齒輪的加工主要分成以下幾個(gè)階段:1) 齒坯加工:齒坯成形,保證銑齒基準(zhǔn)的加工精度。2) 中間檢查:重點(diǎn)檢查銑齒定位夾緊尺寸精度。3) 齒形加工:保證接觸區(qū)的形狀、位置、大小、齒面間隙及齒側(cè)間隙變動(dòng)量。4) 中間檢查:重點(diǎn)檢查接觸區(qū)、齒側(cè)間隙和輪齒表面的粗糙度。5) 熱處理:滲碳淬火,校正。6) 熱處理后加工:精加工裝配(使用)基準(zhǔn)。7) 最后檢查:全面檢查裝配基準(zhǔn)尺寸精度。1.7制訂機(jī)械加工工藝路線制訂機(jī)械加工工藝路線的出發(fā)點(diǎn),應(yīng)當(dāng)是使零件的幾何形狀、尺寸精度及位置精度等技術(shù)要求得到合理的保證。在生產(chǎn)綱領(lǐng)已確定為中批量生產(chǎn)的條件下,可以考慮采用通用機(jī)床配以專用夾具,并盡量使工序集中來提高生產(chǎn)率。除此以外,還應(yīng)當(dāng)考慮經(jīng)濟(jì)效果,以便使生產(chǎn)成本盡量降低。 工藝路線方案一工序1 鍛造造;工序3 熱處理;工序5 銑兩端面及鉆中心孔;工序7 車軸頸及背錐;工序9 車槽錐端面;工序11 銑漸開線花鍵;工序13 磨軸頸及端面;工序15 加工小孔;工序17 加工螺紋;工序19 中間檢查軸頸;工序21 粗銑螺紋;工序23 精磨齒輪。工序25 中間檢查;工序27 熱處理校正;工序29 磨軸頸及端面;工序31 最后檢查;工序33 入庫 工藝路線方案二工序1 鑄造;工序3 熱處理;工序5 銑兩端面及鉆中心孔;工序7 車軸頸及背錐;工序9 車槽錐端面;工序11 銑漸開線花鍵及鉆小孔;工序13 磨軸頸及端面;工序15 加工螺紋;工序17 中間檢查;工序19 粗銑輪齒;工序21 精銑輪齒凸面;工序23 精銑輪齒凹面;工序25 中間檢查;工序27 熱處理校正;工序29 磨軸頸及端面;工序31 最后檢查;工序33 入庫。1.8確定各工序切削用量和加工余量1.車軸頸及背錐由于零件整體加工為外圓端面,故所有軸頸可以一次車削加工,所有軸頸加工余量相同?,F(xiàn)已軸頸為例,說明所有軸頸的加工余量。(參考機(jī)械制造工藝設(shè)計(jì)簡明手冊表2.3-9),確定工序尺寸及余量:粗車:65.5mm;精車:具體工序尺寸見表3。表3 工序尺寸表工序名稱工序間余量/mm工序間工序間尺寸/mm工序間經(jīng)濟(jì)精度/m表面粗糙度/m尺寸公差/mm表面粗糙度/m精車0.5H9Ra6.366Ra6.3粗車1H12Ra12.568Ra12.5已知工件材料: 20CrMnTi,有外皮,機(jī)床CA6140普通車床,工件用內(nèi)鉗式卡盤固定。所選刀具為YG6硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位車刀。根據(jù)切削用量簡明手冊表1.1,由于CA6140機(jī)床的中心高為200(表1.30),故選刀桿尺寸=,刀片厚度為。選擇車刀幾何形狀為卷屑槽帶倒棱型前刀面,前角=,后角=,主偏角=,副偏角=,刃傾角=,刀尖圓弧半徑=。.確定切削深度由于單邊余量為,可在一次走刀內(nèi)完成.確定進(jìn)給量根據(jù)切削加工簡明實(shí)用手冊可知:表1.4刀桿尺寸為,工件直徑400之間時(shí), 進(jìn)給量=0.51.0按CA6140機(jī)床進(jìn)給量(表4.29)在機(jī)械制造工藝設(shè)計(jì)手冊可知: =0.7確定的進(jìn)給量尚需滿足機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)強(qiáng)度的要求,故需進(jìn)行校驗(yàn)根據(jù)表130,CA6140機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)允許進(jìn)給力=3530。根據(jù)表1.21,當(dāng)強(qiáng)度在174207時(shí),=時(shí),徑向進(jìn)給力:=950。切削時(shí)的修正系數(shù)為=1.0,=1.0,=1.17(表1.292),故實(shí)際進(jìn)給力為: =950=1111.5 (1-2)由于切削時(shí)進(jìn)給力小于機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)允許的進(jìn)給力,故所選=可用。.選擇刀具磨鈍標(biāo)準(zhǔn)及耐用度根據(jù)切削用量簡明使用手冊表1.9,車刀后刀面最大磨損量取為,車刀壽命=。.確定切削速度切削速度可根據(jù)公式計(jì)算,也可直接有表中查出。根據(jù)切削用量簡明使用手冊表1.11,當(dāng)硬質(zhì)合金刀加工硬度200219的鑄件,切削速度=。切削速度的修正系數(shù)為=1.0,=0.92,0.8,=1.0,=1.0(見表1.28),故: =63 (1-3) =120 (1-4)根據(jù)CA6140車床說明書選擇 =125這時(shí)實(shí)際切削速度為: = (1-5).校驗(yàn)機(jī)床功率切削時(shí)的功率可由表查出,也可按公式進(jìn)行計(jì)算。由切削用量簡明使用手冊表1.25,=,切削速度時(shí), =切削功率的修正系數(shù)=0.73,=0.9,故實(shí)際切削時(shí)間的功率為: =1.7=1.2 (1-6)根據(jù)表1.30,當(dāng)=時(shí),機(jī)床主軸允許功率為=,故所選切削用量可在C6201機(jī)床上進(jìn)行,最后決定的切削用量為:=3.75,=,=,=2. 加工5mm孔毛坯為實(shí)心,而孔沒有精度要求,因此可以只鉆孔。(參照機(jī)械制造工藝設(shè)計(jì)簡明手冊表2.3-9及表2.3-12),確定工序尺寸及余量:鉆孔5mm;具體工序尺寸見表4。表4 工序尺寸表工序名稱工序間余量/mm工序間工序間尺寸/mm工序間經(jīng)濟(jì)精度/m表面粗糙度/m尺寸公差/mm表面粗糙度/m鉆孔5H12Ra12.55無Ra12.5機(jī)床:立式鉆床Z525刀具:根據(jù)參照參考文獻(xiàn)3表4.39選高速鋼錐柄麻花鉆頭。切削深度:進(jìn)給量:根據(jù)參考文獻(xiàn)3表2.438,取。切削速度:參照參考文獻(xiàn)3表2.441,取。機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速:,按照參考文獻(xiàn)3表3.131,取所以實(shí)際切削速度:切削工時(shí) 被切削層長度:刀具切入長度: 刀具切出長度: 取走刀次數(shù)為1機(jī)動(dòng)時(shí)間:2車床夾具設(shè)計(jì)2.1車床夾具設(shè)計(jì)要求說明車床夾具主要用于加工軸 外圓夾具。因而車床夾具的主要特點(diǎn)是工件加工表面的中心線與機(jī)床主軸的回轉(zhuǎn)軸線同軸。(1) 安裝在車床主軸上的夾具。這類夾具很多,有通用的三爪卡盤、四爪卡盤,花盤,頂尖等,還有自行設(shè)計(jì)的心軸;專用夾具通??煞譃樾妮S式、夾頭式、卡盤式、角鐵式和花盤式。這類夾具的特點(diǎn)是加工時(shí)隨機(jī)床主軸一起旋轉(zhuǎn),刀具做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)定心式車床夾具 在定心式車床夾具上,工件常以孔或外圓定位,夾具采用定心夾緊機(jī)構(gòu)。角鐵式車床夾具 在車床上加工殼體、支座、杠桿、接頭等零件的回轉(zhuǎn)端面時(shí),由于零件形狀較復(fù)雜,難以裝夾在通用卡盤上,因而須設(shè)計(jì)專用夾具。這種夾具的夾具體呈角鐵狀,故稱其為角鐵式車床夾具?;ūP式車床夾具 這類夾具的夾具體稱花盤,上面開有若干個(gè)T形槽,安裝定位元件、夾緊元件和分度元件等輔助元件,可加工形狀復(fù)雜工件的外圓和內(nèi)孔。這類夾具不對稱,要注意平衡。(2) 安裝在托板上的夾具。某些重型、畸形工件,常常將夾具安裝在托板上。刀具則安裝在車床主軸上做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),夾具做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。由于后一類夾具應(yīng)用很少,屬于機(jī)床改裝范疇。而生產(chǎn)中需自行設(shè)計(jì)的較多是安裝在車床主軸上的專用夾具,所以零件在車床上加工用專用夾具。2.2車床夾具的設(shè)計(jì)要點(diǎn)(1)定位裝置的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和夾緊裝置的設(shè)計(jì)要求當(dāng)加工回轉(zhuǎn)表面時(shí),要求工件加工面的軸線與機(jī)床主軸軸線重合,夾具上定位裝置的結(jié)構(gòu)和布置必須保證這一點(diǎn)。當(dāng)加工的表面與工序基準(zhǔn)之間有尺寸聯(lián)系或相互位置精度要求時(shí),則應(yīng)以夾具的回轉(zhuǎn)軸線為基準(zhǔn)來確定定位元件的位置。工件的夾緊應(yīng)可靠。由于加工時(shí)工件和夾具一起隨主軸高速回轉(zhuǎn),故在加工過程中工件除受切削力矩的作用外,整個(gè)夾具還要受到重力和離心力的作用,轉(zhuǎn)速越高離心力越大,這些力不僅降低夾緊力,同時(shí)會(huì)使主軸振動(dòng)。因此,夾緊機(jī)構(gòu)必須具有足夠的夾緊力,自鎖性能好,以防止工件在加工過程中移動(dòng)或發(fā)生事故。對于角鐵式夾具,夾緊力的施力方式要注意防止引起夾具變形。(2)夾具與機(jī)床主軸的連接車床夾具與機(jī)床主軸的連接精度對夾具的加工精度有一定的影響。因此,要求夾具的回轉(zhuǎn)軸線與臥式車床主軸軸線應(yīng)具有盡可能小的同軸度誤差。心軸類車床夾具以莫氏錐柄與機(jī)床主軸錐孔配合連接,用螺桿拉緊。有的心軸則以中心孔與車床前、后頂尖安裝使用。根據(jù)徑向尺寸的大小,其它專用夾具在機(jī)床主軸上的安裝連接一般有兩種方式:1)對于徑向尺寸D140mm,或D(23)d的小型夾具,一般用錐柄安裝在車床主軸的錐孔中,并用螺桿拉緊,如圖1-a所示。這種連接方式定心精度較高。2)對于徑向尺寸較大的夾具,一般用過渡盤與車床主軸軸頸連接。過渡盤與主軸配合處的形狀取決于主軸前端的結(jié)構(gòu)。圖1-b所示的過渡盤,其上有一個(gè)定位圓孔按H7/h6或H7/js6與主軸軸頸相配合,并用螺紋和主軸連接。為防止停車和倒車時(shí)因慣性作用使兩者松開,可用壓板將過渡盤壓在主軸上。專用夾具則以其定位止口按H7/h6或H7/js6裝配在過渡盤的凸緣上,用螺釘緊固。這種連接方式的定心精度受配合間隙的影響。為了提高定心精度,可按找正圓校正夾具與機(jī)床主軸的同軸度。對于車床主軸前端為圓錐體并有凸緣的結(jié)構(gòu),如圖1-c所示,過渡盤在其長錐面上配合定心,用活套在主軸上的螺母鎖緊,由鍵傳遞扭矩。這種安裝方式的定心精度較高,但端面要求緊貼,制造上較困難。圖1-d所示是以主軸前端短錐面與過渡盤連接的方式。過渡盤推入主軸后,其端面與主軸端面只允許有0.050.1mm的間隙,用螺釘均勻擰緊后,即可保證端面與錐面全部接觸,以使定心準(zhǔn)確、剛度好。圖1 車床夾具與機(jī)床主軸的連接過渡盤常作為車床附件備用,設(shè)計(jì)夾具時(shí)應(yīng)按過渡盤凸緣確定專用夾具體的止口尺寸。過渡盤的材料通常為鑄鐵。各種車床主軸前端的結(jié)構(gòu)尺寸,可查閱有關(guān)手冊2.3定位機(jī)構(gòu)本工件在加工孔時(shí)采用一面兩孔作為定位基準(zhǔn),易于做到工藝過程中的基準(zhǔn)統(tǒng)一,保證工件的相對位置精度,且具有支撐面大,支撐剛性好等優(yōu)點(diǎn);本工件采用底面和一對對角工藝孔作為定位基準(zhǔn),工件底面為第一定位基準(zhǔn),限制了x、y方向轉(zhuǎn)動(dòng),z方向移動(dòng)三個(gè)自由度;圓柱銷為第二定位基準(zhǔn)限制了x、y方向移動(dòng)兩個(gè)自由度;菱形銷為第三定位基準(zhǔn),它和圓柱銷聯(lián)合限制了z方向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度,所以此定位方案符合六點(diǎn)定位原理,采用對稱壓板將工件壓緊。2.4夾緊機(jī)構(gòu)選擇工件的夾緊方案,夾緊方案的選擇原則是夾得穩(wěn),夾得勞,夾得快。選擇夾緊機(jī)構(gòu)時(shí),要合理確定夾緊力的三要素:大小、方向、作用點(diǎn)。夾緊裝置的基本要求如下:1、 夾緊時(shí)不能破壞工件在夾具中占有的正確位置;2、 夾緊力要適當(dāng),既要保證工件在加工過程中不移動(dòng)、不轉(zhuǎn)動(dòng)、不震動(dòng),又不因夾緊力過大而使工件表面損傷、變形。3、 夾緊機(jī)構(gòu)的操作應(yīng)安全、方便、迅速、省力。4、 機(jī)構(gòu)應(yīng)盡量簡單,制造、維修要方便。分析零件加工要素的性質(zhì),確定夾緊動(dòng)力源類型為手動(dòng)夾緊,夾緊裝置為壓板,壓緊力來源為螺旋力。夾具的具體結(jié)構(gòu)與參數(shù)見夾具裝配圖和零件圖。工件夾緊方式的確定從夾緊動(dòng)力源選擇:手動(dòng)夾緊確定主夾緊機(jī)構(gòu): 螺栓壓板2.5零件的車床夾具的加工誤差分析工件在車床夾具上加工時(shí),加工誤差的大小受工件在夾具上的定位誤差、夾具誤差、夾具在主軸上的安裝誤差和加工方法誤差的影響。如夾具圖所示,在夾具上加工時(shí),尺寸的加工誤差的影響因素如下所述:注:V型塊夾角=90。基準(zhǔn)位移誤差:工件以外圓柱面在V型塊定位,由于工件定位面外圓直徑有公差D,因此對一批工件來說,當(dāng)直徑由最小DD變大到D時(shí),工件中心(即定位基準(zhǔn))將在V型塊的對稱中心平面內(nèi)上下偏移,左右不發(fā)生偏移,即工件由變大到,其變化量(即基準(zhǔn)位移誤差)從圖(a)中的幾何關(guān)系退出:Y=基準(zhǔn)不重合誤差:從圖(b)中設(shè)計(jì)基準(zhǔn)與定位基準(zhǔn)不重合,假設(shè)定位基準(zhǔn)不動(dòng),當(dāng)工件直徑由最小DD變到最大D時(shí),設(shè)計(jì)基準(zhǔn)的變化量為,即基準(zhǔn)不重合誤差B=。從圖(c)中可知,設(shè)計(jì)基準(zhǔn)為工件的下母線。即,上述方向由a到a與定位基準(zhǔn)變到的方向相反,故其定位誤差D是Y與B之差. D=YB=0.207D=0.2070.01=0.00207D=0.00207T 即滿足要求2.6確定夾具體結(jié)構(gòu)尺寸和總體結(jié)構(gòu)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?,它們之間應(yīng)有適當(dāng)?shù)奈恢镁取槭箠A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。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。2.7零件的車床專用夾具簡單使用說明(1)夾具的總體結(jié)構(gòu)應(yīng)力力求緊湊、輕便,懸臂尺寸要短,重心盡可能靠近主軸。(2)當(dāng)工件和夾具上個(gè)元件相對機(jī)床主軸的旋轉(zhuǎn)軸線不平衡時(shí),將產(chǎn)生較大的離心力和振動(dòng),影響工件的加工質(zhì)量、刀具的壽命、機(jī)床的精度和安全生產(chǎn),特別是在轉(zhuǎn)速較高的情況下影響更大。因此,對于重量不對稱的夾具,要有平衡要求。平衡的方法有兩種:設(shè)置平衡塊或加工減重孔。在工廠實(shí)際生產(chǎn)中,常用適配的方法進(jìn)行夾具的平衡工作。(3)為了保證安全,夾具上各種元件一般不超過夾具的圓形輪廓之外。因此,還應(yīng)該注意防止切削和冷卻液的飛濺問題,必要時(shí)應(yīng)該加防護(hù)罩。結(jié) 論通過這次的課程設(shè)計(jì),我們系統(tǒng)地回顧了相關(guān)專業(yè)的大學(xué),也深深意識到學(xué)習(xí)的重要性,認(rèn)識到設(shè)計(jì)是一種學(xué)習(xí)的方式。在設(shè)計(jì)過程中,我們使用的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和相關(guān)設(shè)計(jì)軟件(如AutoCAD),熟悉設(shè)計(jì)相關(guān)的信息(包括手冊,標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范)和實(shí)證估計(jì)有了一定程度的提高,在計(jì)算機(jī)和方便的參考書籍和手冊的情感設(shè)計(jì)和幫助。通過這次課程設(shè)計(jì),機(jī)械制造過程更系統(tǒng)的了解一般的過程,學(xué)習(xí)和掌握整個(gè)設(shè)計(jì)過程中,有一個(gè)科學(xué)的設(shè)計(jì)方法是更嚴(yán)格的。課程設(shè)計(jì)的基本理論知識,可以學(xué)習(xí)使用,定位和夾緊工件加工的正確的解決方案,選擇合理的設(shè)計(jì)方案,進(jìn)行必要的計(jì)算,效率高的項(xiàng)目的設(shè)計(jì)以滿足高質(zhì)量的要求,基于降低成本基本理論知識,進(jìn)行必要的計(jì)算設(shè)計(jì),高質(zhì)量,高效率夾具,成本低。清晰的過程,了解情況之前,機(jī)床刀具和加工,課程設(shè)計(jì)有很大的收獲我的。但也有許多地方都在辛苦的工作。但教師思想教育比平常更多,認(rèn)為他們的社會(huì)責(zé)任感的未來,思想在世界上是因?yàn)橐恍┬″e(cuò)誤,我不提醒自己,要形成良好的習(xí)慣的高度負(fù)責(zé),一絲不茍。在設(shè)計(jì)和分析使我感到更多的設(shè)計(jì)思路,提高我們的學(xué)習(xí)能力,和我們討論的問題,所以我要了解分析更清晰,使我受益不淺。通過這次的課程設(shè)計(jì),我深深感到,做任何事都要有耐心,細(xì)心。課程設(shè)計(jì)的過程,許多計(jì)算有時(shí)會(huì)讓我感到心煩意亂;有時(shí)是不小心計(jì)算誤差,只能被無情地重做。遼寧工程技術(shù)大學(xué)課程設(shè)計(jì)22參考文獻(xiàn)1 劉德榮,組合夾具結(jié)構(gòu)簡圖的初步探討,組合夾具,1982. (1)2 孫已德,機(jī)床夾具圖冊M,北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1984:20-23。3 貴州工學(xué)院機(jī)械制造工藝教研室,機(jī)床夾具結(jié)構(gòu)圖冊M,貴陽:貴州任命出版社,1983:42-50。4 劉友才,機(jī)床夾具設(shè)計(jì) ,北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1992 。5 孟少龍,機(jī)械加工工藝手冊第1卷M,北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1991。6 金屬機(jī)械加工工藝人員手冊修訂組,金屬機(jī)械加工工藝人員手冊M,上海:上海科學(xué)技術(shù)出版社,1979。7 李洪,機(jī)械加工工藝師手冊M,北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1990。8 馬賢智,機(jī)械加工余量與公差手冊M,北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,1994。9 上海金屬切削技術(shù)協(xié)會(huì),金屬切削手冊M,上海:上??茖W(xué)技術(shù)出版社,1984。10 周永強(qiáng),高等學(xué)校課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)M,北京:中國建材工業(yè)出版社,2002。11 薛源順,機(jī)床夾具設(shè)計(jì)(第二版) M,機(jī)械工業(yè)出版社,2003.112 余光國,馬俊,張興發(fā),機(jī)床夾具設(shè)計(jì)M,重慶:重慶大學(xué)出版社,1995。13 東北重型機(jī)械學(xué)院,洛陽農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)院,長春汽車廠工人大學(xué),機(jī)床夾具設(shè)計(jì)手冊M,上海:上??茖W(xué)技術(shù)出版社,1980。14 李慶壽,機(jī)械制造工藝裝備設(shè)計(jì)適用手冊M,銀州:寧夏人民出版社,1991。15 廖念釗,莫雨松,李碩根,互換性與技術(shù)測量M,中國計(jì)量出版社,2000:9-19。16 哈爾濱工業(yè)大學(xué),哈爾濱市教育局,專用機(jī)床夾具設(shè)計(jì)與制造,黑農(nóng)江人民出版社,1979.12 17 樂兌謙,金屬切削刀具,機(jī)械工業(yè)出版社,2005:4-17。18 Machine Tools N.chernor 1984.19 Machine Tool Metalworking John L.Feirer 1973.20 Handbook of Machine Tools Manfred weck 1984 .21 Sors l.fatigue design of machine components.oxford:pergramon press.1971 43 致 謝課程設(shè)計(jì)是大學(xué)知識的綜合運(yùn)用,相關(guān)的專業(yè)知識,是知識在實(shí)踐中的應(yīng)用。通過本次課程設(shè)計(jì),使我的專業(yè)知識是在原有的基礎(chǔ)上鞏固和提高,也不能沒有老師和同學(xué)的幫助。分析設(shè)計(jì)是在老師的指導(dǎo)下完成的,在分析過程中,陰長城的老師給了我很大的鼓勵(lì),在設(shè)計(jì)和分析使我感到更多的設(shè)計(jì)思路,提高我們的學(xué)習(xí)能力,和我們討論的問題,所以我要了解分析更清晰,使我受益不淺。通過這次的課程設(shè)計(jì),我深深感到,做任何事都要有耐心,細(xì)心。課程設(shè)計(jì)的過程,許多計(jì)算有時(shí)會(huì)讓我感到心煩意亂;有時(shí)是不小心計(jì)算誤差,只能被無情地重做。但教師思想教育比平常更多,認(rèn)為他們的社會(huì)責(zé)任感的未來,思想在世界上是因?yàn)橐恍┬″e(cuò)誤,我不提醒自己,要形成良好的習(xí)慣的高度負(fù)責(zé),一絲不茍。本課程設(shè)計(jì)是在老師的指導(dǎo)下完成的。老師讓我受益不淺,他淵博的知識,嚴(yán)謹(jǐn)?shù)娘L(fēng)格,高度的責(zé)任感。在做設(shè)計(jì)的過程中也遇到了很多問題,老師給了我很多的關(guān)心和幫助,并總是問指導(dǎo)我們的設(shè)計(jì)過程。通過這次的課程設(shè)計(jì),我深深感到,做任何事都要有耐心,細(xì)心。設(shè)計(jì)的過程,許多計(jì)算有時(shí)會(huì)讓我感到心煩意亂;有時(shí)是不小心計(jì)算誤差,只能被無情地重做。但教師思想教育比平常更多,病人,認(rèn)為他們的社會(huì)責(zé)任感的未來,思想在世界上是因?yàn)橐恍┬″e(cuò)誤,我不提醒自己,要形成良好的習(xí)慣的高度負(fù)責(zé),一絲不茍。說實(shí)話,課程設(shè)計(jì)真是有點(diǎn)累了。然而,其設(shè)計(jì)結(jié)果,課程設(shè)計(jì)仔細(xì)回味的旅程,一個(gè)罕見的成功立刻讓我昏昏欲睡。頓消。雖然這是我剛學(xué)的第一個(gè)走,一點(diǎn)在我的生命中的成功,但它讓我覺得更成熟了。因?yàn)楫厴I(yè)的時(shí)候,很多人應(yīng)該知道的地方都沒有時(shí)間去仔細(xì)地去追求,但是我相信,方向是最重要的,因?yàn)榉较?,將用最少的精力去做事情,這工作,我的人生。因?yàn)樵趯?shí)際生產(chǎn)生活,工作是千差萬別的,只有找到自己最喜歡的,最有前途的工作,有更多的熱心人士,但也是最有可能在自己的崗位上做出一定的貢獻(xiàn)。24沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文附錄二 :中文翻譯 通過夾具布局設(shè)計(jì)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(jī)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(gè)主要方面。在本文提出了一種多目標(biāo)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(yīng)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(gè)例子說明,一個(gè)令人滿意的結(jié)果被求得, 這是遠(yuǎn)優(yōu)于經(jīng)驗(yàn)之一的。多目標(biāo)模型可以減少加工變形有效地改善分布狀況。關(guān)鍵詞:夾具布局;夾緊力; 遺傳算法;有限元方法1 引言夾具設(shè)計(jì)在制造工程中是一項(xiàng)重要的程序。這對于加工精度是至關(guān)重要。一個(gè)工件應(yīng)約束在一個(gè)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(yīng)該從戰(zhàn)略的設(shè)計(jì),并且適當(dāng)?shù)膴A緊力應(yīng)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(jìn)行工件加工。通常情況下,它在很大程度上取決于設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn),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(chǎn)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(shè)計(jì)方案的兩個(gè)主要方面。 定位和夾緊裝置和夾緊力的值都應(yīng)適當(dāng)?shù)倪x擇和計(jì)算,使由于夾緊力和切削力產(chǎn)生的工件變形盡量減少和非正式化。 夾具設(shè)計(jì)的目的是要找到夾具元件關(guān)于工件和最優(yōu)的夾緊力的一個(gè)最優(yōu)布局或方案。在這篇論文里, 多目標(biāo)優(yōu)化方法是代表了夾具布局設(shè)計(jì)和夾緊力的優(yōu)化的方法。 這個(gè)觀點(diǎn)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(gè)是盡量均勻變形。 ANSYS軟件包是用來計(jì)算工件由于夾緊力和切削力下產(chǎn)生的變形。遺傳算法是MATLAB的發(fā)達(dá)且直接的搜索工具箱,并且被應(yīng)用于解決優(yōu)化問題。最后還給出了一個(gè)案例的研究,以闡述對所提算法的應(yīng)用。2 文獻(xiàn)回顧隨著優(yōu)化方法在工業(yè)中的廣泛運(yùn)用,近幾年夾具設(shè)計(jì)優(yōu)化已獲得了更多的利益。夾具設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的方法。DeMeter也用了一個(gè)剛性體模型,為最優(yōu)夾具布局和最低的夾緊力進(jìn)行分析和綜合。他提出了基于支持布局優(yōu)化的程序與計(jì)算質(zhì)量的有限元計(jì)算法。李和melkote用了一個(gè)非線性編程方法和一個(gè)聯(lián)絡(luò)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(guān)于多鉗夾具受到準(zhǔn)靜態(tài)加工力的夾緊力優(yōu)化的方法。他們還提出了一關(guān)于夾具布置和夾緊力的最優(yōu)的合成方法,認(rèn)為工件在加工過程中處于動(dòng)態(tài)。相結(jié)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(jìn)行夾具設(shè)計(jì)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(huì)的理論進(jìn)行了拓展。秦等人建立了一個(gè)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(dòng)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(gè)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(shè)計(jì)的問題是非線性的,因?yàn)槟繕?biāo)的功能和設(shè)計(jì)變量之間沒有直接分析的關(guān)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(shù)。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(yīng)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(biāo)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(diào)查的方法和結(jié)果。這表明連續(xù)遺傳算法取得最優(yōu)質(zhì)的解決方案。krishnakumar和melkote 發(fā)展了一個(gè)夾具布局優(yōu)化技術(shù),用遺傳算法找到夾具布局,盡量減少由于在整個(gè)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(diǎn)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(gè)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(gè)分析模型,認(rèn)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(xué)習(xí)系統(tǒng)用來非線性有限元分析與支持相結(jié)合的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)( ANN )和GA。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)被用來計(jì)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(luò)結(jié)合起來發(fā)展夾具設(shè)計(jì)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(jìn)去。周等人。提出了基于遺傳算法的方法,認(rèn)為優(yōu)化夾具布局和夾緊力的同時(shí),一些研究沒有考慮為整個(gè)刀具路徑優(yōu)化布局。一些研究使用節(jié)點(diǎn)數(shù)目作為設(shè)計(jì)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(shí)進(jìn)行。 有幾項(xiàng)研究摩擦和碎片考慮進(jìn)去了。碎片的移動(dòng)和摩擦接觸的影響對于實(shí)現(xiàn)更為現(xiàn)實(shí)和準(zhǔn)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(nèi)以實(shí)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(nèi),以達(dá)到加工表面在夾緊和切削力下最低程度的變形。一多目標(biāo)優(yōu)化模型被建立了。一個(gè)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(jié)果多目標(biāo)優(yōu)化模型對低剛度工件而言是比較單一的目標(biāo)優(yōu)化方法、經(jīng)驗(yàn)和方法。3 多目標(biāo)優(yōu)化模型夾具設(shè)計(jì)一個(gè)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(yīng)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(diǎn)。夾具元件-工件接觸點(diǎn)的位置必須在候選位置。為一個(gè)問題涉及夾具元件-工件接觸和加工負(fù)荷步驟,優(yōu)化問題可以在數(shù)學(xué)上仿照如下: 這里的表示加工區(qū)域在加工當(dāng)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(diǎn);是靜態(tài)摩擦系數(shù);fhi是切向力在i次的接觸點(diǎn);pos(i)是i次的接觸點(diǎn);是可選區(qū)域的i次接觸點(diǎn);整體過程如圖1所示,一要設(shè)計(jì)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(jì)算出來。優(yōu)化程序造成一些夾具布局和夾緊力,同時(shí)也是被發(fā)送到有限元模型中。在有限元分析座內(nèi),加工變形下,切削力和夾緊力的計(jì)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(shè)計(jì)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(chǎn)過程的強(qiáng)勁,隨機(jī)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(gè)人口中的候選個(gè)體指派一個(gè)健身的價(jià)值,通過一個(gè)功能的調(diào)整,以適應(yīng)特定的問題。遺傳算法,然后進(jìn)行復(fù)制,交叉和變異過程消除不適宜的個(gè)人和人口的演進(jìn)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(gè)體代表全最好的方法。遺傳算法程序在優(yōu)化夾具設(shè)計(jì)時(shí)需夾具布局和夾緊力作為設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)計(jì)劃。在這項(xiàng)研究里,遺傳算法和MATLAB的直接搜索工具箱是被運(yùn)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(dāng)在一個(gè)人口中功能最薄弱功能的最優(yōu)值沒有變化時(shí),nchg達(dá)到一個(gè)預(yù)先定義的價(jià)值ncmax ,或有多少幾代氮,到達(dá)演化的指定數(shù)量上限nmax, 沒有遺傳算法停止。有五個(gè)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(chǎn)生夾具設(shè)計(jì)字符串,當(dāng)受到加工負(fù)荷時(shí)不完全限制夾具。這些解決方案被認(rèn)為是不可行的,且被罰的方法是用來驅(qū)動(dòng)遺傳算法,以實(shí)現(xiàn)一個(gè)可行的解決辦法。1夾具設(shè)計(jì)的計(jì)劃被認(rèn)為是不可行的或無約束,如果反應(yīng)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(jì)劃的高目標(biāo)函數(shù)值時(shí)不可行的。因此,驅(qū)動(dòng)它在連續(xù)迭代算法中的可行區(qū)域。對于約束(4),當(dāng)遺傳算子產(chǎn)生新個(gè)體或此個(gè)體已經(jīng)產(chǎn)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(diǎn)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(jì)算。有限元模型是一個(gè)考慮摩擦效應(yīng)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(gè)位置或支持,是代表三個(gè)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(gè)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(gè)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(jì)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(gè)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(gè)元素的位置被其它四或六最接近的鄰近節(jié)點(diǎn)所包圍。圖3 連續(xù)插值這系列節(jié)點(diǎn),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(gè)節(jié)點(diǎn)相關(guān)聯(lián)。對任何一套節(jié)點(diǎn),彈簧常數(shù)是:這里,kij 是彈簧剛度在的j -次節(jié)點(diǎn)周圍i次夾具元件,Dij 是i次夾具元件和的J -次節(jié)點(diǎn)周圍之間的距離,ki是彈簧剛度在一次夾具元件位置,i 是周圍的i次夾具元素周圍的節(jié)點(diǎn)數(shù)量為每個(gè)加工負(fù)荷的一步,適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件將適用于工件的有限元模型。在這個(gè)工作里,正常的彈簧約束在這三個(gè)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(diǎn)。整個(gè)刀具路徑是模擬為每個(gè)夾具設(shè)計(jì)計(jì)劃所產(chǎn)生的遺傳算法應(yīng)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(jìn)去。在機(jī)床改變幾何數(shù)值過程中,材料被去除,工件的結(jié)構(gòu)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(diǎn)的工具運(yùn)動(dòng)和碎片移除使用的元素死亡技術(shù)。在為了計(jì)算健身價(jià)值,對于給定夾具設(shè)計(jì)方案,位移存儲(chǔ)為每個(gè)負(fù)載的一步。那么,最大位移是選定為夾具設(shè)計(jì)計(jì)劃的健身價(jià)值。遺傳算法的程序和ANSYS之間的互動(dòng)實(shí)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(gè)文本文件。那個(gè)輸入批處理文件ANSYS軟件可以讀取這些參數(shù)和計(jì)算加工表面的變形。 因此, 健身價(jià)值觀,在遺傳算法程序,也可以寫到當(dāng)前夾具設(shè)計(jì)計(jì)劃的一個(gè)文本文件。當(dāng)有大量的節(jié)點(diǎn)在一個(gè)有限元模型時(shí),計(jì)算健身價(jià)值是很昂貴的。因此,有必要加快計(jì)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(xiàng)工作中,計(jì)算健身價(jià)值和染色體存放在一個(gè)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(jià)值已計(jì)算之前,先檢查;如果不,夾具設(shè)計(jì)計(jì)劃發(fā)送到ANSYS,否則健身價(jià)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(gè)計(jì)算時(shí)間保持不變。每計(jì)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(fù)“恢復(fù)”ANSYS 命令。5 案例研究一個(gè)關(guān)于低剛度工件的銑削夾具設(shè)計(jì)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(diǎn)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152.4mm127mm*76.2mm.該工件頂端內(nèi)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(yīng)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(yùn)作舉例將工件進(jìn)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(nèi)壁受到的表面載荷而被計(jì)算和應(yīng)用,當(dāng)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(shí)。整個(gè)刀具路徑被26個(gè)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)中常用的。夾具底板限制三個(gè)自由度,在側(cè)邊控制兩個(gè)自由度。這里,在Y=0mm截面上使用了4個(gè)定點(diǎn)(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(gè)壓板(C1,C2)夾緊工件。在正交面上,需要一個(gè)定位元件限制其余的一個(gè)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(diǎn)的坐標(biāo)范圍。表3 設(shè)計(jì)變量的約束由于沒有一個(gè)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(shè)為每一個(gè)夾板上作用的力。且從符合例5的最小二乘法,分別由4.43107 N/m 和5.47107 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(gè)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(guān)于f1和的懲罰函數(shù)是這里fv可以被F1或代表。當(dāng)nchg達(dá)到6時(shí),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(jié)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(yīng)功能(1)和(2)如圖7、圖8所示。優(yōu)化設(shè)計(jì)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(gè)函數(shù)值的收斂圖8第二個(gè)函數(shù)值的收斂性表4 多目標(biāo)優(yōu)化模型的結(jié)果 表5 各種夾具設(shè)計(jì)方案結(jié)果進(jìn)行比較,5.6 結(jié)果的比較 從單一目標(biāo)優(yōu)化和經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)中得到的夾具設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)變量和目標(biāo)函數(shù)值,如表5所示。單一目標(biāo)優(yōu)化的結(jié)果,在論文中引做比較。在例子中,與經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)相比較,單一目標(biāo)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(qiáng)了60.4 。最高夾緊力的值也減少了49.4 。從多目標(biāo)優(yōu)化方法和單目標(biāo)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(biāo)優(yōu)化方法產(chǎn)生的變形分布最均勻。與結(jié)果比較,我們確信運(yùn)用最佳定位點(diǎn)分布和最優(yōu)夾緊力來減少工件的變形。圖10示出了一實(shí)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(shí)例6 結(jié)論本文介紹了基于GA和有限元的夾具布局設(shè)計(jì)和夾緊力的優(yōu)化程序設(shè)計(jì)。優(yōu)化程序是多目標(biāo)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(jià)值的有限元計(jì)算。對于夾具設(shè)計(jì)優(yōu)化的問題,GA和有限元分析的結(jié)合被證明是一種很有用的方法。 在這項(xiàng)研究中,摩擦的影響和碎片移動(dòng)都被考慮到了。為了減少計(jì)算的時(shí)間,建立了一個(gè)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(shè)計(jì)方法是單一目標(biāo)優(yōu)化方法或經(jīng)驗(yàn)。此研究結(jié)果表明,多目標(biāo)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(xiàn)1、 King LS,Hutter( 1993年) 自動(dòng)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(jī)床夾具表現(xiàn)的Min - Max負(fù)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) 夾具夾緊力的優(yōu)化和其對工件的定位精度的影響。4、 Li B, Melkote SN (1999) 通過夾具布局優(yōu)化改善工件的定位精度。5、 Li B, Melkote SN (2001) 夾具夾緊力的優(yōu)化和其對工件定位精度的影響。6、 Li B, Melkote SN (2001) 最優(yōu)夾具設(shè)計(jì)計(jì)算工件動(dòng)態(tài)的影響。7、 Lee JD, Haynes LS (1987) 靈活裝夾系統(tǒng)的有限元分析。8、 Menassa RJ, DeVries WR (1991) 運(yùn)用優(yōu)化方法在夾具設(shè)計(jì)中選擇支位。9、 Cai W, Hu SJ, Yuan JX (1996) 變形金屬板材的裝夾的原則、算法和模擬。10、 Qin GH, Zhang WH, Zhou XL (2005) 夾具裝夾方案的建模和優(yōu)化設(shè)計(jì)。11、Deng HY, Melkote SN (2006) 動(dòng)態(tài)穩(wěn)定裝夾中夾緊力最小值的確定。12、Wu NH, Chan KC (1996) 基于遺傳算法的夾具優(yōu)化配置方法。13、Ishikawa Y, Aoyama T(1996) 借助遺傳算法對裝夾條件的優(yōu)化。14、Vallapuzha S, De Meter EC, 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