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大連交通大學(xué)2017屆本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計畢業(yè)（論文）翻譯 微電子工程 由于清洗，聚合物UV-納米壓印模具的高縱橫比圖案崩潰。 摘要： 從主結(jié)構(gòu)復(fù)制的聚合物模具可以提供固有的抗粘著性能和UV透明度。它們可以從各種底料中復(fù)制出來，并且只能從一個主體提供成本有效的復(fù)制多張工作模印。它們還允許使用各種壓印方法，包括UV或熱輔助方法。通常，聚合物材料表現(xiàn)出與諸如硅，二氧化硅或金屬的硬質(zhì)模具材料不同的機械和表面化學(xué)性質(zhì)。因此，在壓印或清潔過程中，模具可能會變形甚至被破壞。如果使用印記作為直接圖案方法，則會發(fā)生高縱橫比圖案的發(fā)生。在本文中研究了聚合物模具在清潔過程中對圖案損傷的親和力。考慮不同的可能的聚合物模具材料。實驗數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果進行比較，并表現(xiàn)出良好的一致性。研究不同的示例性圖案并找到最合適的材料。對于在所考慮的尺寸范圍內(nèi)的半間距光柵，特征長寬比高達10是穩(wěn)定的。 介紹 納米壓印光刻（NIL）是一種強大的圖案化技術(shù)，提供了納米分辨率，大面積結(jié)構(gòu)能力[2]以及復(fù)制三維特征的內(nèi)在能力。在過去幾年中，已經(jīng)提出了許多不同的NIL過程。紫外線輔助NIL（UV-NIL）[4]消除了壓印期間對系統(tǒng)的熱負荷，并且能夠有效地合成功能印記抗蝕劑[5]。 UV-NIL需要基材或模具是紫外線透明的。由于基板的透明度大部分是通過應(yīng)用而滲透的，因此優(yōu)選UV透明模具。不幸的是，最常用的剛性模具材料是需要精細加工的熔融石英。熔融二氧化硅的干法蝕刻過程只能同時提供有限的蝕刻深度和分辨率。這限制了可尋址的UV-NIL應(yīng)用程序。使用從主機鑄造的聚合物模具，有時被稱為軟光刻，因為所使用的聚合物可以是紫外線透明的，本質(zhì)上是防粘的和柔性的，因此提供了許多優(yōu)點。因此，例如，通過粒子打印或具有切口的特征的復(fù)制成為可能。軟聚合物模具的相當?shù)牡蜅钍夏Ａ吭趬河∑陂g產(chǎn)生不想要的特征變形。這限制了UV-NIL作為直接圖案化方法的應(yīng)用。 其中復(fù)制結(jié)構(gòu)本身用作功能元件，而不是用作后續(xù)工藝步驟的掩模。對于雙向圖案化，所需模具的尺寸由應(yīng)用而不是通過該方法完全流動。即使發(fā)現(xiàn)合適的工藝條件能夠復(fù)制模具中的結(jié)構(gòu)，如圖1所示，在模具清潔期間可能發(fā)生圖案變形。特別是高縱橫比的模具容易出現(xiàn)所謂的特征崩潰。模具鑄造是一個精心設(shè)計和昂貴的過程。通常，聚合物模具需要特殊的模板和加工，以便在分辨率，平整度，殘余層厚度等方面與剛性印章競爭。聚合物中主結(jié)構(gòu)的簡單復(fù)制不足以獲得高質(zhì)量的印記。因此，模具的使用壽命應(yīng)盡可能長。清潔是清除未固化的抗蝕劑殘留物或顆粒的簡單方法，否則可能會在壓印過程中損壞模具。與抗蝕劑發(fā)展過程中導(dǎo)致圖案崩潰的條件相當?shù)臈l件可以在清潔后引起持續(xù)的特征變形。此外，這種效果用于生成特殊圖案，這是一個不必要的效果，必須避免。 在本文中，研究了不同的聚合物模具材料，并且在模具清潔期間具有圖案塌陷的親和性。 這還包括能夠復(fù)制具有比先前出版物中考慮的更高的縱橫比的結(jié)構(gòu)的材料。 聚合物模具從硅主結(jié)構(gòu)鑄造，隨后使用清潔劑清洗。 觀察模式崩潰已被用于驗證有限元塌陷過程的方法（FEM）模擬。 通過開發(fā)的模型，可以獲得關(guān)鍵結(jié)構(gòu)高度的預(yù)測。 2.樣品制備 2.1 大師制作 通過使用Vistec SB3050DW的ASML PAS 5500-250C和電子束光刻（EBL）通過晶片步進曝光制造硅主結(jié)構(gòu)。 定制布局基本上包含500納米到2000納米各種間距的線空間光柵，以及具有各種占空比（特征尺寸到間距）的二次晶格和直徑從500 nm到2000 nm的點陣列。 圖案化的抗蝕劑層用作反應(yīng)離子蝕刻工藝的蝕刻掩模，以在硅中獲得范圍從500nm到3200nm的不同蝕刻深度。 抗剝離后，通過分子氣相沉積將全氟三氯硅烷防粘層（ASL）應(yīng)用于硅模具。 這降低了表面能，并確保隨后澆鑄的聚合物模具容易脫模。 原則上，對于以下考慮的所有材料來說，這不是必需的，因為一些顯示本來低的表面能。 2.2聚合物模具鑄造 使用具有2重量％2-羥基-2-甲基苯丙酮（Sigma-Aldrich）的Fluoro-link MD 700（MD 700）和Fomblin MD 40（MD 40）（Solvay Solexis）的硅母料將聚合物模具作為光引發(fā)劑以及OrmoStamp（Microresist Technology（mrt））。玻璃片用作底物。使用APS1（mrt）作為MD40和MD 700的粘合促進劑和OrmoStamp的OrmoPrime08（mrt）。所有材料都被手工分配在硅膠板上，隨后使用定制的壓印機與基板接觸。在氮氣中，使用UV-LED（Nichia NC4U133）固化該材料。在每個聚合物模具鑄件中存在約10lm量級的厚的殘留層。 2.3模具清洗 清潔劑必須能夠解決未固化的抗蝕劑殘留物并沖洗掉顆粒。此外，它們不應(yīng)該膨脹或解散模具材料或其部件。因此，該工作中的所有模具在從硅母料脫模后直接用異丙醇沖洗，隨后使用氮氣流干燥。在實驗中，還有其他清潔劑（丙酮，乙醇和去離子水）。 它們對所使用的模具材料具有不同的接觸角。 因此，清洗后受特征崩潰影響的結(jié)構(gòu)各不相同。 在下文中，為了清楚起見，所有結(jié)果都顯示用于異丙醇清洗。 模具清潔和干燥后，在掃描電子顯微鏡檢查之前，將<5nm金層噴射在聚合物模具（Edwards S150B）上。 3. 建模 結(jié)構(gòu)的建模已經(jīng)使用兩種不同的方法完成。 在柱結(jié)構(gòu)上進行基于能量的計算。 此外，使用由液 - 空界面處的結(jié)構(gòu)之間的彎液面產(chǎn)生的力和由彈性光柵的變形給出的恢復(fù)力進行變形分析。 一般來說，可能會出現(xiàn)兩種不同的失敗機制。 如果結(jié)構(gòu)之間的間距大于其高度，則清潔后可能會粘在地上。 這被稱為地面崩潰。 如果特征足夠密集，則特征之間的間距小于其高度，橫向塌陷可能發(fā)生。 因此，結(jié)構(gòu)彼此粘合。 3.1 支柱陣列 圓柱形結(jié)構(gòu)如圖3所示，示出柱之間的間距大于其高度。 因此，只能發(fā)生底面崩潰。關(guān)鍵方面由結(jié)構(gòu)高度h與橫向尺寸d的比值給出的比例可以圖由表示。其中E是楊氏模量，m是泊松比，cs是模具材料的表面能。 可以進行類似的分析來描述由于密集特征彼此粘附而引起的側(cè)向塌陷。 這導(dǎo)致了的關(guān)鍵長寬比。 3.2光柵 為了預(yù)測格子狀圖案的穩(wěn)定性，可以模擬毛細管力和所產(chǎn)生的變形 結(jié)構(gòu)已經(jīng)執(zhí)行。模具清洗后，清潔劑必須從模具表面移除。如果沒有額外的效果，例如超臨界干燥，液體蒸發(fā)。在蒸發(fā)過程中，在某些時候，密閉的液體膜會破壞特征頂部，只有空腔保持填充。如果液體進一步蒸發(fā)，則可能一個空腔仍然是濕的，而相鄰的空腔是空的。在這種情況下，強拉普拉斯壓力會導(dǎo)致圖案崩潰。相比之下，相鄰填充腔的薄弱的彎液面力也引起模式縮影。在腔中出現(xiàn)彎月力是形成毛細管橋。彎液面曲率是液體和腔體材料的組合特有的。作用在結(jié)構(gòu)上的壓差Dp由[21] cl表示沖洗液的表面張力。如果光柵中的所有結(jié)構(gòu)和形成的毛細管半月板相等，則gs和gl相等，壓差消失，光柵處于平衡狀態(tài)。由制造或處理差異引起的光柵中相鄰腔的毛細管橋的差異導(dǎo)致初始偏轉(zhuǎn)，并因此導(dǎo)致作用在結(jié)構(gòu)上的壓力差Dp。必須發(fā)現(xiàn)這些與由變形特征產(chǎn)生的恢復(fù)力之間的平衡。以前的工作主要集中在襯底上抗蝕劑特征的描述。通常，所使用的抗蝕劑材料的楊氏模量比使用的基底硅（150GPa）或熔融二氧化硅（70GPa）的楊氏模量小一個數(shù)量級。在這種情況下，可以忽略基板的變形，并且僅圖案化的抗蝕劑結(jié)構(gòu)的變形有助于位移。對于聚合物軟模，基材以及結(jié)構(gòu)由相同的材料制成。在由于彎液面力引起的結(jié)構(gòu)偏轉(zhuǎn)期間。 圖案本身以及基板變形。 已經(jīng)使用有限元模擬來確定所有聚合物結(jié)構(gòu)相對于其表面上施加的彎液面壓力差（參見方程式（3））的撓度。 給定幾何體對施加壓力的響應(yīng)曲線必須與由公式 （3）類似。 在這種情況下，結(jié)構(gòu)在崩潰前達到平衡位置。 如果沒有交叉點，結(jié)構(gòu)將接近直到彼此接觸，即崩潰。 為了確定結(jié)構(gòu)偏轉(zhuǎn)，已經(jīng)使用了ANSYS Workbench。 4. 柱陣列 在使用有一個接觸角的模具未成形表面測量時，測量體積，表面能量可以通過使用Owens-wendt-rabel-kaeble算法測得。機械材料的穩(wěn)定性可以再參考文獻里找到，同時還包括關(guān)于聚二甲硅氧烷材料的資料，這個泊松比的理想值估計在0.3左右。 這個測量臺柱的直徑與少數(shù)給出的值不同，在側(cè)向崩潰模擬中，一半的結(jié)構(gòu)可以測量。通常，制品的誤差取決于標準規(guī)格的公差，掃出側(cè)向崩潰所占的比例大部分的誤差是在理想范圍內(nèi)的。這里在側(cè)面部分崩潰與全部崩潰之間，只有側(cè)向崩潰會呈現(xiàn)出來。在這里公差趨向于崩潰公差，這一區(qū)域的誤差比較穩(wěn)定。如果比例升高，變得不穩(wěn)定。機械制造誤差在較高時，將臺柱排列可以被觀察法到。 基于理論的仿真結(jié)果比較在第三節(jié)中顯示，實驗可以從圖里看見，理想間距約750納米，較大的偏距也是存在的的。掌握制作硅晶圓的抵御功能，同一訊號可能顯示的不同結(jié)構(gòu)周期。對于高度，所有的仿真結(jié)果顯示，采取真實的尺寸。通過掃描電子顯微鏡交流計數(shù)測量，從仿真以及實驗成果可見，縱橫比取決于該球場緊密結(jié)構(gòu)。這是假設(shè)完美半間距結(jié)構(gòu)，圖五中的剩余偏差可以實驗得出，側(cè)壁角度不為90，鑄件表面母材的能量能影響鑄型的表面能。圖六顯示的臨界縱橫比取決于不同模具的結(jié)構(gòu)尺寸。子圖展示模具結(jié)構(gòu)從統(tǒng)一鑄型鑄造不同材料。在這里，只有Ormostamp能承受清洗，異丙醇無特征崩潰程序。因此，適合作為軟模具材料所需的高方面比。表面能未經(jīng)處理的oemostamp高于MD40和MD700，導(dǎo)致小CON機制的角度變化，因此形成較高的壓力差。相鄰的毛細血管之間產(chǎn)生熵，楊氏模量能夠完全補償這種上升。臨界寬高比對楊氏模量的依賴性模具材料。圖8，他們表現(xiàn)出300納米半間距結(jié)構(gòu)在左上角，500nm的半間距結(jié)構(gòu)在較低的能量與腐蝕深度2100納米。引用國際修復(fù)系數(shù)，表面能從41米/米下降到11MN/米（參見表1）的應(yīng)用ASL。未經(jīng)處理的模具模式清楚地顯示橫向崩潰為300納米半節(jié)距結(jié)構(gòu)，而功能與ASL任然是穩(wěn)定的。溶劑如異丙醇或丙酮確實表現(xiàn)出濕潤行為（接觸角）（45~60）即使表面能非常低，像那些本文應(yīng)用ASL。因此，很難消除增加接觸角到90的毛細血管彎月面力，或通過改變?nèi)軇?。即使奧爾莫日印加工包括ASL的沉積，將相同的降解為印記中的性能優(yōu)于其他考慮物質(zhì)。 納米壓印軟膜的清洗可引起特征崩潰，可能發(fā)生不同的倒塌機制，在有限元分析可能下落折疊或向?qū)Ψ絺?cè)倒塌。通過依賴性的崩潰結(jié)構(gòu)的楊氏模量和表面能的模具材料模擬實驗表明，高分子軟模具的崩潰是由底層基板的變形影響。硅基映襯底上的抗腐劑結(jié)構(gòu)，可以描述結(jié)構(gòu)的變形行為。用有限元模擬，兩桿結(jié)構(gòu)和光柵圖案的邊緣特征崩潰，總之材料表現(xiàn)出較低的表面能。進一步的工作將進行新材料的調(diào)查，聚珪氮烷（pvsz），WH。這項工作是由DFG研究訓(xùn)練組”nano和生物技術(shù)包裝電子系統(tǒng)”負責。 摘 要 機床夾具已成為機械加工中的重要裝備，是機械加工不可缺少的部分。機床夾具的設(shè)計和使用是促進生產(chǎn)發(fā)展的重要工藝措施之一。隨著機床的不斷發(fā)展更新，機床夾具的改進和創(chuàng)造已成為技術(shù)革新中的一項重要任務(wù)。本次畢業(yè)設(shè)計是關(guān)于杠桿加工工藝及臺階面銑削夾具的設(shè)計。其主要加工表面是頂平面，外圓表面，螺紋孔以及臺階面。由于該零件結(jié)構(gòu)較簡單，主要由平面和內(nèi)孔組成，因此采用先面后孔的加工原則。并通過粗加工和精加工兩個階段來保證零件的加工精度。工序過程主要是先加工出精基準即頂平面，再由頂平面和外圓面為定位基準加工其他表面。各工序夾具均采用專用夾具，夾緊方式采用手動夾緊。其中夾具的設(shè)計主要涉及夾具的定位方案，加緊方案，夾緊力的計算，夾具體的方案設(shè)計，以及誤差分析等。通過pro/E軟件對此夾具進行三維建模和裝配，使其更立體直觀。本夾具能在保證加工質(zhì)量的同時，降低勞動強度，提高生產(chǎn)率，適合批量生產(chǎn)，滿足設(shè)計要求。 關(guān)鍵詞：杠桿 工藝 夾具 ABSTRACT The tool fixture has become an important equipment in machining, which is an essential part in machining. The design and use of tool fixtures are one of the important craft measures to promote development and creating of tool fixtures have become an important mission in reform of technology. This graduation project includes processing craft of lever and the design of milling fixture of step surface. The main processing surfaces are the top flat, outside surface of circle, threaded hole and step surface. The structure of part is simple, which mainly consists of flats and holes, so the design adopt the machining principle that is machining surfaces firstly and machining hole later. And two phases of rough machining and finish machining can ensure the machining precise of part. The process mainly is that machining precise standard namely the top flat firstly, and machining other surfaces based on the top flat and outside surface of circle. Every process adopts special fixtures. The means of clamping adopts manual operation. The design of fixture mainly includes the orientation project of fixture, the clamping project, the calculation of the clamping force, the designing scheme of fixture, the analysis of error and so on. Modeling and assembly for fixture by the software of Pro/Engineer can make it more stereoscopic and visual. The fixture can ensure the quality of machining, meantime, it can reduce labor strength, increase productivity, and be fit for mass production. It meets design requirement. Key word: lever craft fixture 目 錄 第一章 工藝規(guī)程設(shè)計 1.1零件的分析 1.2確定毛坯的制造方式 1.3基準的選擇 1.4制定工藝路線 1.5機械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的確定 1.6選擇機床及刀、量具 1.7確定切削用量及基本工時（機動時間） 第二章 專用夾具設(shè)計 2.1設(shè)計主旨 2.2定位基準的確定 2.3切削力和夾緊力的計算 2.4定位誤差分析 2.5夾具設(shè)計及操作的簡要說明 謝辭 參考文獻 附錄 第一章 工藝規(guī)程設(shè)計 1.1零件的分析 1.1.1零件的作用 杠桿是一種簡單機械。在力的作用下能繞著固定點轉(zhuǎn)動的硬棒就是杠桿。在生活中根據(jù)需要，杠桿可以是任意形狀。本課題的杠桿主要起到傳動連接的作用，保證各部分機構(gòu)可靠的連接，并提供必要的傳動。由于杠桿的重要作用，所以杠桿的設(shè)計和制造直接影響著機構(gòu)的裝配，傳動，工作，維護等一系列問題。 1.1.2零件的工藝分析 杠桿共有三組加工表面： (1)以頂平面為中心的加工表面。這一組加工表面包括：頂平面，其表面粗糙度為Ra6.3μm。 （2）以三角凸臺為中心的加工表面。這一組加工表面包括：三角凸臺，其表面粗糙度為Ra6.3μm。 (3)以Φ32f6外圓表面為中心的加工表面。這一組加工表面包括：Φ32f6外圓表面及其端面，其表面粗糙度為Ra3.2μm，M6的螺紋孔。 （4）以臺階面為中心的加工表面。這一組加工表面包括：臺階面，其表面粗糙度為Ra3.2μm。 1.2確定毛坯的制造方式 毛坯的選擇影響著零件在加工過程中的工序過程，切削用量、機床以及刀具的選擇和基本工時等眾多要素，所以合理的選擇毛坯具有重要的技術(shù)和經(jīng)濟意義。課題所給的杠桿工件材料為45鋼，考慮到杠桿在工作過程中可能會承受沖擊載荷，因此應(yīng)該選用鑄件，保證其工作可靠。由于工件批量生產(chǎn)，輪廓尺寸不大，結(jié)構(gòu)形狀較復(fù)雜，技術(shù)要求不是很高，故可采用鑄造成型。這有利于于提高生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本。 1.3基準的選擇 基準選擇的合理與否直接影響著工藝規(guī)程設(shè)計。如果選擇合理，可以提高工件精度和生產(chǎn)率。如果選擇不合理，可能會影響工件質(zhì)量，甚至無法生產(chǎn)。 1.3.1粗基準的選擇 選擇粗基準時，主要考慮各加工表面能有均勻的加工余量，并盡可能快的找到精基準。根據(jù)粗基準的選擇原則，選擇加工余量要求均勻的重要表面作為粗基準。所以選擇杠桿的主要支撐軸Φ32f6作為粗基準。以支撐軸作為粗基準加工精基準面，然后再以精基準加工支撐軸。這樣就能保證均勻地去掉較少的余量，使表層保留致密的組織，以增加耐磨性。 1.3.2精基準的選擇 為了保證杠桿各加工表面之間的相互位置和加工精度以及裝夾可靠方便。根據(jù)精基準的選擇原則，在工件加工過程中盡可能地采用統(tǒng)一的定位基準，即基準統(tǒng)一原則。由零件圖可知，杠桿的頂平面面積較大，平整光滑，且與其他加工面聯(lián)系密切，可以作為統(tǒng)一基準加工其他加工表面，因此選擇頂平面做為精基準。如果按照基準重合原則選擇杠桿的裝配基準即前后端面作為精基準，當加工支撐軸和螺紋孔時，在定位、夾緊以及夾具設(shè)計等方面都有一定的困難，所以不采用此種原則。 1.4制定工藝路線 制定工藝路線的出發(fā)點，應(yīng)當是使零件的尺寸精度、位置精度、幾何形狀以及各項技術(shù)要求得到合理保證。生產(chǎn)綱領(lǐng)已經(jīng)確定為批量生產(chǎn)，所以關(guān)鍵之處在于集中工序以提高生產(chǎn)率，降低勞動成本。首先需要加工出精基準頂平面，之后一系列工序都要以頂平面為基準進行加工，直到杠桿加工結(jié)束。其中后續(xù)工序需要遵循先面后孔，先粗后精的加工原則。 根據(jù)分析，現(xiàn)擬定兩個方案如下： 工藝路線一： 工序1：鑄造 鑄造 工序2：時效 時效處理 工序3：銑 銑頂平面 工序4：銑 銑左邊三角凸臺 工序5：銑 銑杠桿一側(cè)臺階面至圖紙尺寸 工序6：銑 銑杠桿另一側(cè)臺階面至圖紙尺寸 工序7：粗車 粗車Φ32f6的外圓表面及端面，留有精車余量 工序8：精車 精車Φ32f6的外圓表面及端面至圖紙尺寸 工序9：鉆孔攻絲 鉆M16螺紋孔及攻絲 工序10：檢驗 按圖紙要求檢驗各部分尺寸及形位公差 工序11：入庫 清洗，入庫 工藝路線二： 工序1：鑄造 鑄造 工序2：時效 時效處理 工序3：銑 銑頂平面 工序4：粗車 粗車Φ32f6的外圓表面及端面，留有精車余量 工序5：精車 精車Φ32f6的外圓表面及端面至圖紙尺寸 工序6：鉆孔攻絲 鉆M16螺紋孔及攻絲 工序7：銑 銑左邊三角凸臺 工序8：銑 銑杠桿一側(cè)臺階面至圖紙尺寸 工序9：銑 銑杠桿另一側(cè)臺階面至圖紙尺寸 工序10：檢驗 按圖紙要求檢驗各部分尺寸及形位公差 工序11：入庫 清洗，入庫 兩個工藝路線方案對比：方案一是先加工各平面再以此為基準加工外圓表面及螺紋孔。方案二是先加工外圓表面及螺紋孔，再以其為基準加工各平面。經(jīng)過比較，先加工平面再加工外圓表面及螺紋孔，遵循了先面后孔的加工原則，從而較易保證定位精度。并且可以減少機床的更換次數(shù)，節(jié)省時間，定位及裝夾都較方便。因此最后確定的加工路線： 工序1：鑄造 鑄造 工序2：時效 時效處理 工序3：銑 銑頂平面 工序4：銑 銑左邊三角凸臺 工序5：銑 銑杠桿一側(cè)臺階面至圖紙尺寸 工序6：銑 銑杠桿另一側(cè)臺階面至圖紙尺寸 工序7：粗車 粗車Φ32f6的外圓表面及端面，留有精車余量 工序8：精車 精車Φ32f6的外圓表面及端面至圖紙尺寸 工序9：鉆孔攻絲 鉆M16螺紋孔及攻絲 工序10：檢驗 按圖紙要求檢驗各部分尺寸及形位公差 工序11：入庫 清洗，入庫 1.5機械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的確定 零件材料為45鋼，根據(jù)《金屬機械加工工藝人員手冊》查得，其硬度為197—241HB，力學(xué)性能=600MPa生產(chǎn)類型為批量生產(chǎn)，采用鑄造成型。根據(jù)材料及工藝，查找《機械制造技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計》可分別確定各加工表面的機械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸如下： 1.頂平面 (1)粗銑加工余量=1.0㎜ (2)粗銑后厚度=20㎜ 毛坯厚度=（20+1.0）㎜=21㎜ (3)查表可知粗銑精度等級為IT11—13級，取IT12級，查表得T1=0.25㎜ 毛坯公差查閱《鑄件尺寸公差與機械加工余量》（GB/T6414—1999）,取T0=±1.4㎜ 2.三角凸臺 （1）粗銑加工余量最大處=9.0㎜ （2）銑削后三角凸臺底邊長=20㎜，三角凸臺寬度=22㎜ 毛坯底邊長=60㎜,毛坯寬度=32㎜ （3）查表可知粗銑精度等級為IT11—13級，取IT12級，查表得T1=0.21㎜ 毛坯公差查閱《鑄件尺寸公差與機械加工余量》（GB/T6414—1999）,取T0=±1.2㎜ 3.臺階面 （1）粗銑加工余量（雙邊余量）=3.4㎜ 精銑加工余量（雙邊余量）=2.6㎜ （2）精銑后厚度=64㎜ 粗銑后厚度=(64+3.4) ㎜=67.4㎜ 毛坯厚度=(67.4+2.6) ㎜=70㎜ （3）查表可知粗銑精度等級為IT11—13級，取IT12級，查表得T2=0.46㎜ 查表可知精銑精度等級為IT6—8級，取IT7級，查表得T1=0.046㎜ 毛坯公差查閱《鑄件尺寸公差與機械加工余量》（GB/T6414—1999）,取T0=±2.0㎜ 4.外圓表面 （1）粗車加工余量（雙邊余量）=2.0㎜ 精車加工余量（雙邊余量）=0.2㎜ （2）精車后直徑D=32㎜ 粗車后直徑D=(32+2.0) ㎜=34㎜ 毛坯直徑D=(34+0.2) ㎜=34.2㎜ （3）查表可知粗車精度等級為IT12—13級，取IT12級，查表得T2=0.25㎜ 查表可知精車精度等級為IT7—8級，取IT7級，查表得T1=0.025㎜ 毛坯公差查閱《鑄件尺寸公差與機械加工余量》（GB/T6414—1999）,取T0=±1.3㎜ 5.軸端面 （1）粗車加工余量=2.0㎜ （2）粗車后長度=23㎜ 毛坯長度=（23+2.0）㎜=25㎜ (3)查表可知粗車精度等級為IT12—13級，取IT12級，查表得T=0.25㎜ 6.螺紋孔 （1）攻絲加工余量=2.0㎜ （2）攻絲后直徑D=16㎜ 鉆孔后直徑D=（16-2.0）㎜=14㎜ （3）查表可知鉆精度等級為IT10—13級，取IT12級，查表得T=0.18㎜ 1.6選擇機床及刀、量具 考慮到生產(chǎn)類型為批量生產(chǎn)，從經(jīng)濟實用的角度出發(fā)，選用的機床以通用機床為主。夾具一般采用專用夾具。工件在各機床上的裝卸及各機床間的傳遞，由工件形狀決定其需要輔助工具來保證其固定可靠。故其生產(chǎn)方式以通用機床加專用夾具為主。量具可以采用游標卡尺，測量范圍0—1000㎜，用以測量工件各部分尺寸長度。具體的選擇詳見每步工序。 1.7確定切削用量及基本工時(機動時間) 工序1：無切削加工，無需計算 工序2：無切削加工，無需計算 工序3：銑頂平面 機床：X62 刀具：,莫氏錐柄立銑刀材料：高速鋼，d=32㎜,齒數(shù)z=3。 參照《切削用量手冊》加工余量為1㎜，所以取銑削深度=1㎜,走刀次數(shù)為一次。 取每齒進給量=0.1㎜/z, 取切削速度V=38m/min。 機床主軸轉(zhuǎn)速n===377.99r/min 取n=375r/min 則實際切削速度v===37.7m/min 進給量f==0.1×3×375=112.5㎜/min 銑刀切削的長度l==81.68㎜。 所以機動時間t===0.73min 工序4：銑左邊三角凸臺 機床：X62 刀具：可轉(zhuǎn)位立銑刀,材料：高速鋼，d=32㎜,齒數(shù)z=3。 參照《切削用量手冊》加工余量最大處為9㎜，所以取銑削深度=9㎜，走刀次數(shù)為一次。 取每齒進給量=0.1㎜/z, 取切削速度V=23m/min。 機床主軸轉(zhuǎn)速n===228.79r/min 取n=235r/min 則實際切削速度v===23.6m/min 進給量f==0.1×3×235=70.5㎜/min 被切削層長度l==22.36㎜ 刀具切入長度 ==3.87㎜ 刀具切出長度2㎜ 所以機動時間==0.4min 因為凸臺為對稱結(jié)構(gòu)，所以t==2×0.4=0.8min 工序5：銑杠桿一側(cè)臺階面至圖紙尺寸 工步1：粗銑銑杠桿一側(cè)臺階面 機床：X62 刀具：莫氏錐柄立銑刀,材料：高速鋼，d=16㎜,齒數(shù)z=3。 參照《切削用量手冊》加工余量為1.7㎜，所以取銑削深度=1.7㎜，走刀次數(shù)為一次。 取每齒進給量=0.04㎜/z, 取切削速度V=47m/min。 機床主軸轉(zhuǎn)速n===935r/min 取n=950r/min 則實際切削速度v===47.75m/min 進給量f==0.04×3×950=114㎜/min 第一個臺階面： 被切削層長度l=205㎜ 刀具切入長度 ==3.07㎜ 刀具切出長度==8㎜ 所以機動時間==1.9min 第二個臺階面： 被切削層長度l=205㎜ 刀具切入長度 ==2.4㎜ 刀具切出長度==8㎜ 所以機動時間==1.89min 所以粗銑一側(cè)臺階面的機動時間=+=1.9+1.89=3.79min 工步2：精銑杠桿一側(cè)臺階面 機床：X62 刀具：莫氏錐柄立銑刀,材料：高速鋼，d=16㎜,齒數(shù)z=6。 參照《切削用量手冊》加工余量為1.3㎜，所以取銑削深度=1.3㎜，走刀次數(shù)為一次。 取每齒進給量=0.06㎜/z, 取切削速度V=36m/min。 機床主軸轉(zhuǎn)速n===716r/min 取n=750r/min 則實際切削速度v===37.7m/min 進給量f==0.06×6×750=270㎜/min 第一個臺階面： 被切削層長度l=205㎜ 刀具切入長度 ==3.07㎜ 刀具切出長度==8㎜ 所以機動時間==0.8min 第二個臺階面： 被切削層長度l=205㎜ 刀具切入長度 ==2.4㎜ 刀具切出長度==8㎜ 所以機動時間==0.8min 所以精銑一側(cè)臺階面的機動時間=+=0.8+0.8=1.6min 所以銑一側(cè)臺階面所需的總時間t=+=3.79+1.6=5.39min 工序6：銑杠桿另一側(cè)臺階面至圖紙尺寸 由于兩側(cè)臺階面完全對稱，所以同工序5即機動時間t=5.39min 工序7：粗車Φ32f6的外圓表面及端面，留有精車余量 機床：CA6140，機床功率為7.5Kw。 工步1：粗車Φ32f6的端面 刀具：偏頭端面車刀，材料：硬質(zhì)合金YT5 參照《切削用量手冊》加工余量為1㎜，所以取切削深度=1㎜,走刀次數(shù)為一次。 進給量f=0.7—1㎜/r,取f=0.8㎜/r。 車刀后刀面最大磨損量為1.0—1.4，取值為1.0，車刀壽命T=60min. 切削速度V=60—75m/min，取V=60 m/min。 由于實際情況，在車削過程使用條件的改變，查得切削速度的修正系數(shù)為： 鋼的強度和硬度改變時切削速度的修正系數(shù)==1.06 刀具材料改變時切削速度的修正系數(shù)=0.65 車削方式改變時切削速度的修正系數(shù)=1.0 所以切削速度的修正系數(shù)==1.06×0.65×1.0=0.689 切削速度=V=60×0.689=41.34 m/min 機床主軸轉(zhuǎn)速n===384.76r/min 取n=400r/min 則實際切削速度v===42.9m/min 車刀切削的長度l==17.1㎜。 所以機動時間t===0.05min 工步2：粗車Φ32f6的外圓表面 刀具：焊接式直頭外圓車刀, 材料：硬質(zhì)合金YT5 參照《切削用量手冊》單邊加工余量為1㎜，所以取切削深度=1㎜，走刀次數(shù)為一次。 進給量f=0.7—1㎜/r,取f=0.8㎜/r。 車刀后刀面最大磨損量為1.0—1.4，取值為1.0，車刀壽命T=60min. 切削速度V=60—75m/min，取V=60 m/min。 由于實際情況，在車削過程使用條件的改變，查得切削速度的修正系數(shù)為： 鋼的強度和硬度改變時切削速度的修正系數(shù)==1.06 刀具材料改變時切削速度的修正系數(shù)=0.65 車削方式改變時切削速度的修正系數(shù)=1.0 所以切削速度的修正系數(shù)==1.06×0.65×1.0=0.689 切削速度=V=60×0.689=41.34 m/min 機床主軸轉(zhuǎn)速n===384.76r/min 取n=400r/min 則實際切削速度v===42.9m/min 因為主偏角，所以=2—3㎜，取2㎜。 =3—5㎜，取3㎜。 因為是批量生產(chǎn)，所以=0 所以車刀車削的總長度L=l+++=23+2+3+0=28㎜ 所以機動時間t===0.09min 工序8：精車Φ32f6的外圓表面及端面至圖紙尺寸 機床：CA6140，機床功率為7.5Kw。 刀具：焊接式直頭外圓車刀, 材料：硬質(zhì)合金YT15 參照《切削用量手冊》單邊加工余量為0.1㎜，所以取切削深度=0.1㎜，走刀次數(shù)為一次。 進給量f=0.1—0.3㎜/r,取f=0.2㎜/r。 車刀后刀面最大磨損量為0.4—0.6，取值為0.5，車刀壽命T=60min. 切削速度V=110—130m/min，取V=110 m/min。 由于實際情況，在車削過程使用條件的改變，查得切削速度的修正系數(shù)為： 鋼的強度和硬度改變時切削速度的修正系數(shù)==1.06 刀具材料改變時切削速度的修正系數(shù)=1.0 車削方式改變時切削速度的修正系數(shù)=1.0 所以切削速度的修正系數(shù)==1.06×1.0×1.0=1.06 切削速度=V=110×1.06=116.6 m/min 機床主軸轉(zhuǎn)速n===1159.84r/min 取n=1120r/min 則實際切削速度v===112.59m/min 因為主偏角，所以=2—3㎜，取2㎜。 =3—5㎜，取3㎜。 因為是批量生產(chǎn)，所以=0 所以車刀車削的總長度L=l+++=23+2+3+0=28㎜ 所以機動時間t===0.125min 工序9：鉆M16螺紋孔及攻絲 工步1：鉆M16螺紋孔 機床：Z525 刀具：高速鋼鉆頭 參照《切削用量手冊》鉆削深度=23㎜,走刀次數(shù)為一次。 進給量f=0.2—0.3㎜/z ,取0.25㎜/z。 取切削速度V=18—25m/min，取20 m/min。 機床主軸轉(zhuǎn)速n===454.73r/min 取n=545r/min 則實際切削速度v===23.97m/min 因為，所以==6.04㎜ 因為鉆盲孔，所以=0 鉆頭所鉆削的總長度L=l++=23+6.04+0=28.04㎜。 所以機動時間t===0.21min 工步2：攻絲 機床：Z525 刀具：高速鋼螺母絲錐 參照《切削用量手冊》攻絲深度=23㎜。 由于攻螺紋的進給量就是被加工螺紋的螺距，因此f=2㎜/r,走刀次數(shù)為一次。 取切削速度V=25.4m/min。 機床主軸轉(zhuǎn)速n===505.32r/min 取n=545r/min 則實際切削速度v===27.39m/min =（1—3）P=（1—3）×2=4㎜ 因為鉆盲孔，所以=0 鉆頭所鉆削的總長度L=l++=23+4+0=27㎜。 所以機動時間t===0.05min 第二章 專用夾具設(shè)計 2.1設(shè)計主旨 在保證加工質(zhì)量的前提下，為了提高勞動生產(chǎn)率，降低勞動強度，通常需要設(shè)計專用夾具。設(shè)計銑杠桿臺階面的銑床夾具。本夾具將用于X62萬能銑床，刀具為高速鋼立銑刀。 方案設(shè)計是夾具設(shè)計的第一步，也是夾具設(shè)計關(guān)鍵的一步，方案設(shè)計的好壞直接影響工件的加工效率和加工精度。如果不注意可能會導(dǎo)致不能滿足工件加工要求，或加工精度不能達到設(shè)計要求，因此必須慎重考慮。設(shè)計方案的擬定必須遵循下列原則: (1)定位裝置要符合六點定位原理，并確保工件定位準確和可靠。 （2）夾具的定位精度能滿足工件加工精度的要求。 （3）夾具結(jié)構(gòu)盡量簡單，操縱力校而夾緊可靠，力求造價低。 2.2定位基準的確定 由零件圖可知，臺階面的設(shè)計基準是零件的頂平面，為了減少定位誤差，遵循“基準統(tǒng)一”原則，因此選臺階面定位基準為零件頂平面。 通過對工件的加工工序要求分析可知，該工件需要限制六個自由度： （1）頂平面限制X向轉(zhuǎn)動，Y向轉(zhuǎn)動，Z向移動 （2）套筒限制X向移動，Y向移動 （3）固定螺栓限制Z向轉(zhuǎn)動 2.3切削力和夾緊力的計算 2.3.1切削力的計算 切削刀具：高速鋼立銑刀，Φ16㎜，Z=3。 查《金屬切削機床夾具設(shè)計手冊》可知， 其中，考慮工件材料及銑刀類型的系數(shù), 銑削深度t=1.7㎜， 每齒進給量㎜/r， 銑刀直徑D=16㎜, 銑削寬度B=5㎜, 銑刀齒數(shù)z=3， 用高速鋼銑削時，考慮工件材料機械性能不同的修正系數(shù)。對于結(jié)構(gòu)鋼、鑄鋼， 所以切削力 2.3.2夾緊力的計算 夾具中的裝夾是由定位和夾緊兩個過程緊密聯(lián)系在一起的，定位問題已經(jīng)在前面研究過，其目的在于解決工件的定位方法和保證必要的定位精度。 僅僅定位好位置在大多數(shù)場合下，還無法進行加工。只有進而在夾具上設(shè)置相應(yīng)的夾緊裝置對工件進行夾緊，才能完成工件在夾具中裝夾的全部任務(wù)。 夾緊裝置的基本任務(wù)是保持工件在定位中所獲得的既定位置，以便在切削力、重力、慣性力等外力的作用下，不發(fā)生移動和振動，確保加工質(zhì)量和生產(chǎn)安全。有時工件的定位是在夾緊過程中實現(xiàn)的，正確的夾緊還能糾正工件定位的不正確。 一般夾緊裝置由動源即產(chǎn)生原始作用力的部分。夾緊機構(gòu)即接受和傳遞原始作用力，使之變?yōu)閵A緊力，并執(zhí)行夾緊任務(wù)的部分。它包括中間遞力機構(gòu)和夾緊元件。 考慮到機床的性能、生產(chǎn)批量以及加工時的具體切削用量決定采用手動夾緊。 螺旋夾緊機構(gòu)是斜楔夾緊的另一種形式，利用螺旋桿直接夾緊元件，或者與其他元件或機構(gòu)組成符合夾緊機構(gòu)來夾緊工件，是應(yīng)用最廣泛的一種夾緊機構(gòu)。 螺旋夾緊機構(gòu)中所用的螺旋，實際上相當于把楔繞在圓柱上，因此它的作用原理與斜楔是一樣的。也是利用其斜面移動時所產(chǎn)生的壓力來夾緊工件的。不過這里是通過轉(zhuǎn)動螺旋，使繞在圓柱體上的斜楔高度發(fā)生變化來夾緊的。 典型的螺旋夾緊機構(gòu)的特點： （1）結(jié)構(gòu)簡單； （2）擴力比大； （3）自鎖性能好； （4）行程不受限制； （5）夾緊動作慢。 根據(jù)工件受到切削力和夾緊力的作用情況，找出在加工過程中對夾緊最不利的瞬間狀態(tài)，按靜力平衡原理計算出理論夾緊力，最后保證夾緊可靠，再乘以安全系數(shù)作為實際所需夾緊力的數(shù)值，即:Q=KF 根據(jù)《金屬切削機床夾具設(shè)計手冊》可知: 其中取基本安全系數(shù)=1.5 加工狀態(tài)系數(shù)=1.2 刀具鈍化系數(shù)=1.2 切削特點系數(shù)=1.0 夾緊動力穩(wěn)定性系數(shù)=1.3 手動夾緊時手柄位置的系數(shù)=1.0 支撐面接觸情況的系數(shù)=1.5 由此可得K=1.5×1.2×1.2×1.0×1.3×1.0×1.5=4.212 所以夾緊力Q=KF=77.38×4.212=325.92N 由計算可知所需實際夾緊力不是很大，為了使其夾具結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，所以夾緊方式選擇手動螺旋夾緊機構(gòu)。 螺旋夾緊機構(gòu)所需夾緊扭矩 其中夾緊力Q=325.92N 螺紋的平均半徑r=5㎜ 螺紋升角 螺紋摩擦角 支撐表面的摩擦系數(shù) 支撐表面摩擦力矩的計算力臂㎜ 所以夾緊扭矩