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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
布什伍德拉夫機械工程學院，佐治亞理工學院，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計算最小夾緊力，該剛體分析的主要限制因素是當出現(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，對于一個相對嚴格的工件，該夾具在機械加工工件的位置會受夾具點的局部彈性變形的強烈影響。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)用沒有討論機械加工刀具路徑負載有限序列。李和Melkote [19]和烏爾塔多和Melkote [20]用接觸力學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靜態(tài)負載。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?shù)刈幼鴺讼登芯€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值認定是0.94。
2．夾緊力優(yōu)化
我們的目標是確定最優(yōu)夾緊力，將盡量減少由于工件剛體運動過程中，局部的夾緊和加工負荷引起的彈性變形，同時保持在準靜態(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)這個目標是通過制定一個多目標約束優(yōu)化問題的問題，如下描述。
2.1 目標函數(shù)配方
工件旋轉(zhuǎn)，由于部隊輪換往往是相當小[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準。
但是作用在工件的夾緊力會影響定位誤差。當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參考文獻[15，23]的原則求解彈性力學接觸問題得出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充的夾緊力優(yōu)化的第二個目標函數(shù)，并給出：
最小化 （10）
其中代表機構(gòu)的彈性變形應(yīng)變能互補，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）多目標優(yōu)化問題可以通過求解約束[24]。這種方法將確定的目標作為首要職能之一，并將其轉(zhuǎn)換成一個約束對。該補充（）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測精度和，有參考文獻[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荷獲得將由圖4算法獲得，這大大增加了計算負擔，并要求為選擇的夾緊力提供標準， 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)的進給速度中，刀具旋轉(zhuǎn)一次出現(xiàn)一次，負載向量引入的誤差可忽略。因此，在這項工作中，四個載體負載適用于同一位置，（但不是同時）對工件進行的采樣 ，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負荷情況下力的大小。是計算每個負載點之后的結(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，準靜態(tài)加工負荷應(yīng)用造成工件在夾具的移位。工件剛體運動的定義是由它在、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，坐標變換定理可以用來表達在工件的位移，以及工件自轉(zhuǎn)如下: (21)
其中表示旋轉(zhuǎn)矩陣,描述當?shù)卦诘趇幀相聯(lián)系的全球坐標系和是一個旋轉(zhuǎn)矩陣確定工件相對于全球的坐標系的定位坐標系。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，是夾緊和加工導致的工件剛體運動矢量。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荷造成的變形，意味著凈壓縮變形，而負數(shù)則代表拉伸變形; 是表示在本地坐標系第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)對外加工負荷，故在法線方向的夾緊力的強度保持不變，因此，必須對方程（24）的夾緊點進行修改為：
（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)用于工件負載準靜態(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。使用伊利諾伊大學開發(fā)EMSIM程序[參考文獻26] 對加工瞬時銑削力條件進行了計算，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載載體最后的夾緊力和負載。
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)補充能量算法獲得。由于夾緊力和負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)用于銑削負載到工件，他應(yīng)用于工件銑削負載一個序列。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，有比相當大的加權(quán)范數(shù)。故是一個完整的刀具路徑改進方案。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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16、M. J. Hockenberger and E. C. DeMeter. 對工件準靜態(tài)分析功能位移在加工夾具的應(yīng)用程序，制造科學雜志與工程： 325–331頁, 1996。
鎮(zhèn) 江 高 專 ZHENJIANG COLLEGE 畢 業(yè) 設(shè) 計 論 文 成品取出夾子加工工藝和夾具設(shè)計 鉆 銑 2 副 Products from the clip processing technology and fixture design 系 名 四號宋體 專業(yè)班級 四號宋體 學生姓名 四號宋體 學 號 四號宋體 指導教師姓名 四號宋體 指導教師職稱 四號宋體 年 月 摘要 II 摘要 成品取出夾子零件零件加工工藝及夾具設(shè)計是包括零件加工的工藝設(shè)計 工序設(shè) 計以及專用夾具的設(shè)計三部分 在工藝設(shè)計中要首先對零件進行分析 了解零件的工 藝再設(shè)計出毛坯的結(jié)構(gòu) 并選擇好零件的加工基準 設(shè)計出零件的工藝路線 接著對 零件各個工步的工序進行尺寸計算 關(guān)鍵是決定出各個工序的工藝裝備及切削用量 然后進行專用夾具的設(shè)計 選擇設(shè)計出夾具的各個組成部件 如定位元件 夾緊元件 引導元件 夾具體與機床的連接部件以及其它部件 計算出夾具定位時產(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)計中注意改進 關(guān)鍵詞 工藝 工序 切削用量 夾緊 定位 誤差 Abstract II Abstract parts processing technology and fixture design is the design of the process design including the parts processing process design and the three part special fixture In the process of design should first of all parts to analyze understand parts of the process and then design a blank structure and choose the good parts machining datum designs the process routes of the parts then the parts of each step process dimension calculation the key is to determine the process equipment and cutting the amount of each working procedure design then a special fixture fixture for the various components of the design such as the connecting part positioning device clamping device a guide element clamp and the machine tool and other components the positioning error generated when calculate fixture positioning analysis of the rationality and deficiency of fixture structure pay attention to improving and will design in Key words Technology process cutting clamping positioning 目錄 III 目 錄 摘要 II ABSTRACT II 第 1 章 緒論 1 第 2 章 零件的分析 2 2 1 零件的形狀 2 2 2 零件的工藝分析 2 第 3 章 工藝規(guī)程設(shè)計 4 3 1 確定毛坯的制造形式 4 3 2 基面的選擇 4 3 3 制定工藝路線 4 3 3 1 工藝路線方案一 4 3 3 2 工藝路線方案二 5 3 3 3 工藝方案的比較與分析 5 3 4 選擇加工設(shè)備和工藝裝備 6 3 4 1 機床選用 6 3 4 2 選擇刀具 6 3 4 3 選擇量具 6 3 5 機械加工余量 工序尺寸及毛坯尺寸的確定 6 3 6 確定切削用量及基本工時 7 第 4 章 鉆孔夾具設(shè)計 12 4 1 夾具的夾緊裝置和定位裝置 12 4 2 夾具的導向 13 4 3 鉆孔與工件之間的切屑間隙 13 4 4 鉆模板 14 4 5 定位誤差的分析 14 4 6 鉆套 襯套 鉆模板設(shè)計與選用 15 4 7 確定夾具體結(jié)構(gòu)和總體結(jié)構(gòu) 17 4 8 夾具設(shè)計及操作的簡要說明 18 第 5 章 銑斜面夾具設(shè)計 19 5 1 研究原始質(zhì)料 19 5 2 定位 夾緊方案的選擇 20 5 3 切削力及夾緊力的計算 20 5 4 誤差分析與計算 21 5 5 定向鍵與對刀裝置設(shè)計 22 5 6 確定夾具體結(jié)構(gòu)和總體結(jié)構(gòu) 23 5 7 夾具設(shè)計及操作的簡要說明 25 鎮(zhèn)江市高等?？茖W校畢業(yè)設(shè)計 論文 IV 結(jié) 論 26 參 考 文 獻 27 致 謝 28 第 1 章 緒論 1 第 1 章 緒論 夾具是一種裝夾工件的工藝裝備 它廣泛地應(yīng)用于機械制造過程的切削加工 熱 處理 裝配 焊接和檢測等工藝過程中 在金屬切削機床上使用的夾具統(tǒng)稱為機床夾具 在現(xiàn)代生產(chǎn)中 機床夾具是一種 不可缺少的工藝裝備 它直接影響著加工的精度 勞動生產(chǎn)率和產(chǎn)品的制造成本等 幫機床夾具設(shè)計在企業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計和制造以及生產(chǎn)技術(shù)準備中占有極其重要的地位 機床夾具設(shè)計是一項重要的技術(shù)工作 工欲善其事 必先利其器 工具是人類文明進步的標志 自 20 世紀末期以來 現(xiàn)代制造技術(shù)與機械制造工 藝自動化都有了長足的發(fā)展 但工具 含夾具 刀具 量具與輔具等 在不斷的革新 中 其功能仍然十分顯著 機床夾具對零件加工的質(zhì)量 生產(chǎn)率和產(chǎn)品成本都有著直 接的影響 因此 無論在傳統(tǒng)制造還是現(xiàn)代制造系統(tǒng)中 夾具都是重要的工藝裝備 機床夾具的特殊功能主要是對刀和導向 1 對刀 調(diào)整刀具切削刃相對工件或夾具的正確位置 如銑床夾具中的對刀 塊 它能迅速地確定銑刀相對于夾具的正確位置 2 導向 如鉆床夾具中的鉆模板的鉆套 能迅速地確定鉆頭的位置 并引導 其進行鉆削 導向元件制成模板形式 故鉆床夾具常稱為鉆模 鏜床夾具 鏜模 也 具有導向功能 第 2 章 零件的分析 2 第 2 章 零件的分析 2 1 零件的形狀 題目給的零件是成品取出夾子零件零件 主要作用是起連接作用 零件的實際形狀如上圖所示 從零件圖上看 該零件是典型的零件 結(jié)構(gòu)比較簡 單 具體尺寸 公差如下圖所示 2 1 圖 2 1 成品取出夾子零件圖 2 2 零件的工藝分析 由零件圖可知 其材料為 A3 具有較高強度 耐磨性 耐熱性及減振性 適用于 承受較大應(yīng)力和要求耐磨零件 成品取出夾子零件零件主要加工表面為 1 粗銑底面 半精銑 表面粗糙度 值為 3 2 2 粗銑 半精銑上端面 表面粗糙度 值 3 2 4 鉆內(nèi)孔 aRm aRm 及表面粗糙度 值 3 2 5 兩側(cè)面粗糙度 a值 6 3 12 5 面粗糙度a 值 6 3 a 成品取出夾子零件共有兩組加工表面 他們之間有一定的位置要求 現(xiàn)分述如 下 1 底部端面的加工表面 這一組加工表面包括 端面 倒角鉆孔 這一部份只有端面有 6 3 的粗糙度要求 其要求并不高 粗銑后半精銑就可以達到精度要求 而鉆工沒有精度要求 因此一道 第 2 章 零件的分析 3 工序就可以達到要求 并不需要擴孔 鉸孔等工序 2 端面的加工表面 這一組加工表面包括 端面 粗糙度為 3 2 的端面 并帶有倒角 其要求 也不高 粗銑后半精銑就可以達到精度要求 第 3 章 工藝規(guī)程設(shè)計 4 第 3 章 工藝規(guī)程設(shè)計 本成品取出夾子零件假設(shè)年產(chǎn)量為 10 萬臺 每臺銑床需要該零件 1 個 備品率 為 19 廢品率為 0 25 每日工作班次為 2 班 該零件材料為 A3 考慮到零件在工作時要有高的耐磨性 所以選擇焊接 依據(jù) 設(shè)計要求 Q 100000 件 年 n 1 件 臺 結(jié)合生產(chǎn)實際 備品率 和 廢品率 分別 取 19 和 0 25 代入公式得該工件的生產(chǎn)綱領(lǐng) N 2XQn 1 1 238595 件 年 3 1 確定毛坯的制造形式 零件材料為 A3 年產(chǎn)量已達成批生產(chǎn)水平 而且零件輪廓尺寸不大 可以采用型 材 這從提高生產(chǎn)效率 保證加工精度 減少生產(chǎn)成本上考慮 也是應(yīng)該的 3 2 基面的選擇 基面選擇是工藝規(guī)程設(shè)計中的重要工作之一 基面選擇的正確與合理 可以使加 工質(zhì)量得到保證 生產(chǎn)效率得以提高 否則 不但使加工工藝過程中的問題百出 更 有甚者 還會造成零件大批報廢 使生產(chǎn)無法正常進行 粗基準的選擇 對像成品取出夾子零件這樣的零件來說 選好粗基準是至關(guān)重要 的 對本零件來說 如果外圓的端面做基準 則可能造成這一組內(nèi)外圓的面與零件的 外形不對稱 按照有關(guān)粗基準的選擇原則 即當零件有不加工表面時 應(yīng)以這些不加 工表面做粗基準 若零件有若干個不加工表面時 則應(yīng)以與加工表面要求相對應(yīng)位置 精度較高的不加工表面做為粗基準 3 對于精基準而言 主要應(yīng)該考慮基準重合的問題 當設(shè)計基準與工序基準不重合 時 應(yīng)該進行尺寸換算 這在以后還要專門計算 此處不在重復 3 3 制定工藝路線 制定工藝路線的出發(fā)點 應(yīng)當是使零件的幾何形狀 尺寸精度及位置精度等技術(shù) 要求能得到合理的保證 在生產(chǎn)綱領(lǐng)已經(jīng)確定為成批生產(chǎn)的條件下 可以考慮采用萬 能性機床配以專用夾具 并盡量使工序集中來提高生產(chǎn)率 除此以外 還應(yīng)當考慮經(jīng) 濟效果 以便使生產(chǎn)成本盡量下降 3 3 1 工藝路線方案一 10 焊接 焊接 20 時效 時效 第 3 章 工藝規(guī)程設(shè)計 5 30 銑 銑 16 一側(cè)端面 40 銑 銑 16 另外一側(cè)端面 50 鉆 鉆鉸 6 35mm 的孔 60 銑 銑斜面 70 銑 銑 90 度 V 槽 80 鉆 鉆 M5 底孔 然后攻絲 M5 孔 90 去毛刺 清洗去毛刺 100 驗收 驗收 110 入庫 入庫 3 3 2 工藝路線方案二 10 焊接 焊接 20 時效 時效 30 銑 銑 16 一側(cè)端面 40 銑 銑 16 另外一側(cè)端面 50 銑 銑斜面 60 銑 銑 90 度 V 槽 70 鉆 鉆鉸 6 35mm 的孔 80 鉆 鉆 M5 底孔 然后攻絲 M5 孔 90 去毛刺 清洗去毛刺 100 驗收 驗收 110 入庫 入庫 3 3 3 工藝方案的比較與分析 上述兩個方案的特點在于 方案一的定位和裝夾等都比較方便 方案二采用鏜床 加工 需要要及時更換刀具 因為有些工序在銑床上也可以加工 鏜 鉆孔等等 需 要換上相應(yīng)的刀具 因此綜合工藝方案 取優(yōu)棄劣 具體工藝過程如下 10 焊接 焊接 20 時效 時效 30 銑 銑 16 一側(cè)端面 40 銑 銑 16 另外一側(cè)端面 50 鉆 鉆鉸 6 35mm 的孔 60 銑 銑斜面 70 銑 銑 90 度 V 槽 80 鉆 鉆 M5 底孔 然后攻絲 M5 孔 鎮(zhèn)江市高等?？茖W校畢業(yè)設(shè)計 論文 6 90 去毛刺 清洗去毛刺 100 驗收 驗收 110 入庫 入庫 3 4 選擇加工設(shè)備和工藝裝備 3 4 1 機床選用 工序是粗銑 和精銑 各工序的工步數(shù)不多 成批量生產(chǎn) 故選用銑床就能 滿足要求 本零件外輪廓尺寸不大 精度要求屬于中等要求 選用最常用的 XK52 銑 床 參考根據(jù) 機械制造設(shè)計工工藝簡明手冊 表 4 2 7 工序是鉆孔 選用 Z525 搖臂鉆床 3 4 2 選擇刀具 在銑床上加工的工序 一般選用硬質(zhì)合金銑刀和鏜刀 加工刀具選用 YG6 類硬 質(zhì)合金銑刀 它的主要應(yīng)用范圍為普通低碳鋼 冷硬低碳鋼 高溫合金的精加工和半 精加工 為提高生產(chǎn)率及經(jīng)濟性 可選用可轉(zhuǎn)位銑刀 GB5343 1 85 GB5343 2 85 鉆孔時選用高速鋼麻花鉆 參考 機械加工工藝手冊 主編 孟少農(nóng) 第二 卷表 10 21 47 及表 10 2 53 可得到所有參數(shù) 4 3 4 3 選擇量具 本零件屬于成批量生產(chǎn) 一般均采用通常量具 選擇量具的方法有兩種 一是按 計量器具的不確定度選擇 二是按計量器的測量方法極限誤差選擇 采用其中的一種 方法即可 3 5 機械加工余量 工序尺寸及毛坯尺寸的確定 成品取出夾子零件 零件材料為 A3 查 機械加工工藝手冊 以后簡稱 工 藝手冊 表 2 2 17 各種低碳鋼的性能比較 灰焊接的硬度 HB 為 143 269 表 2 2 23 灰焊接的物理性能 A3 密度 7 2 7 3 計算零件毛坯的重量約3cmg 為 2 kg 表 3 1 機械加工銑間的生產(chǎn)性質(zhì) 同類零件的年產(chǎn)量 件 生產(chǎn)類別 重型 零件重 2000kg 中型 零件重 100 2000kg 輕型 零件重 100kg 單件生產(chǎn) 5 以下 10 以下 100 以下 第 3 章 工藝規(guī)程設(shè)計 7 小批生產(chǎn) 5 100 10 200 100 500 中批生產(chǎn) 100 300 200 500 500 5000 大批生產(chǎn) 300 1000 500 5000 5000 50000 大量生產(chǎn) 1000 以上 5000 以上 50000 以上 根據(jù)所發(fā)的任務(wù)書上的數(shù)據(jù) 該零件的月工序數(shù)不低于 30 50 毛坯重量 2 100 為輕型 確定為大批生產(chǎn) kg 根據(jù)生產(chǎn)綱領(lǐng) 選擇焊接類型的主要特點要生產(chǎn)率高 適用于大批生產(chǎn) 查 工 藝手冊 表 3 1 19 特種焊接的類別 特點和應(yīng)用范圍 再根據(jù)表 3 1 20 各種焊接 方法的經(jīng)濟合理性 采用機器砂模造型鑄件 5 表 3 2 成批和大量生產(chǎn)鑄件的尺寸公差等級 公差等級 CT焊接方法 灰焊接 砂型手工造型 11 13 砂型機器造型及殼型 8 10 金屬型 7 9 低壓焊接 7 9 熔模焊接 5 7 根據(jù)上述原始資料及加工工藝 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 3 6 確定切削用量及基本工時 切削用量一般包括切削深度 進給量及切削速度三項 確定方法是先是確定切削 深度 進給量 再確定切削速度 現(xiàn)根據(jù) 切削用量簡明手冊 第三版 艾興 肖 詩綱編 1993 年機械工業(yè)出版社出版 確定本零件各工序的切削用量所選用的表格 均加以 號 與 機械制造設(shè)計工工藝簡明手冊 的表區(qū)別 6 工序 30 銑 16 一側(cè)端面 機床 銑床 X52K 刀具 面銑刀 硬質(zhì)合金材料 材料 齒數(shù) 15YT0Dm 5Z 單邊余量 Z 1mm 精銑面余量 Z 1 0mm 銑削深度 pa1 0m 每齒進給量 取 取銑削速度f 5 fZ2 8 Vs 每齒進給量 取 取銑削速度8 47m 鎮(zhèn)江市高等專科學校畢業(yè)設(shè)計 論文 8 機床主軸轉(zhuǎn)速 n 3 1 102 47601 97 min31Vnrd 按照文獻 取 5 ir 實際銑削速度 v 3 2 2 4 1060v s 進給量 fV187560 12 ffaZns 工作臺每分進給量 m 475minfV 取 a 切削工時 被切削層 由毛坯可知 l14l 68l 刀具切入 1 3 3 210 5 3lDa 60 2m 刀具切出 取2l 走刀次數(shù)為 1 機動時間 3 4 jt 1240 36in7 5jmlf 機動時間 3 5 819 所以該工序總機動時間 1 ijjtt 工序 40 銑 16 另外一側(cè)端面 機床 銑床 X52K 刀具 面銑刀 硬質(zhì)合金材料 材料 齒數(shù) 15YT0Dm 5Z 精銑面余量 Z 1 0mm 銑削深度 pa1 0m 每齒進給量 取 取銑削速度f 5 fZ2 8 Vs 每齒進給量 取 取銑削速度8 47 機床主軸轉(zhuǎn)速 n 3 6 10247601 97 in3 1Vnrd 按照文獻 取 5 mir 實際銑削速度 v 3 7 2 4 1060v s 進給量 fV187560 12 ffaZnms 工作臺每分進給量 m 475infV 取 a 切削工時 第 3 章 工藝規(guī)程設(shè)計 9 被切削層 由毛坯可知 l14lm 68l 刀具切入 1 210 5 3lDa 3 8 60 2 刀具切出 取2l 走刀次數(shù)為 1 機動時間 3 9 jt 1240 36min7 5jmlf 機動時間 3 10 819 所以該工序總機動時間 1 ijjtt 工序 80 鉆鉸 6 35mm 的孔 機床 立式鉆床 Z525 刀具 根據(jù)選高速鋼錐柄麻花鉆頭 切削深度 pa3 2m 進給量 取 frf 0 切削速度 取 V 48s 機床主軸轉(zhuǎn)速 n 3 38 10 6539 in31vnrd 按照文獻 取 0 ir 所以實際切削速度 3 39 146530 6 dvms 切削工時 被切削層 l42m 刀具切入 1 3 40 1 7 105 962rDlctgkctg 刀具切出 取l2 ml32 走刀次數(shù)為 1 機動時間 3 41 jt 46 in0 jLfn 工序 70 銑 90 度 V 槽 機床 銑床 X52K 刀具 V 槽銑刀 硬質(zhì)合金材料 材料 15YT 精銑面余量 Z 1 0mm 銑削深度 pa1 0m 每齒進給量 取 取銑削速度f 5 fZ2 8 Vms 每齒進給量 取 取銑削速度8 47 鎮(zhèn)江市高等?？茖W校畢業(yè)設(shè)計 論文 10 機床主軸轉(zhuǎn)速 n 3 6 102 47601 97 min31Vnrd 按照文獻 取 5 ir 實際銑削速度 v 3 7 2 4 1060v s 進給量 fV187560 12 ffaZns 工作臺每分進給量 m 475minfV 取 a 切削工時 被切削層 由毛坯可知 l14l 68l 刀具切入 1 210 5 3lDa 3 8 60 2m 刀具切出 取2l 走刀次數(shù)為 1 機動時間 3 9 jt 1240 36in7 5jmlf 機動時間 3 10 819 所以該工序總機動時間 1 ijjtt 工序 60 銑斜面 機床 銑床 X52K 刀具 面銑刀 硬質(zhì)合金材料 材料 齒數(shù) 15YT0Dm 5Z 精銑面余量 Z 1 0mm 銑削深度 pa1 0m 每齒進給量 取 取銑削速度f 5 fZ2 8 Vs 每齒進給量 取 取銑削速度8 47 機床主軸轉(zhuǎn)速 n 3 6 10247601 97 in3 1Vnrd 按照文獻 取 5 mir 實際銑削速度 v 3 7 2 4 1060v s 進給量 fV187560 12 ffaZnms 工作臺每分進給量 m 475infV 取 a 第 3 章 工藝規(guī)程設(shè)計 11 切削工時 被切削層 由毛坯可知 l14lm 68l 刀具切入 1 210 5 3lDa 3 8 60 2 刀具切出 取2l 走刀次數(shù)為 1 機動時間 3 9 jt 1240 36min7 5jmlf 機動時間 3 10 819 所以該工序總機動時間 1 ijjtt 工序 80 鉆 M5 底孔 然后攻絲 M5 孔 1 鉆孔 切削深度 pa2 1m 進給量 根據(jù) 機械加工工藝師手冊 表 28 10 取f 0 2 8 fmr 由于本零件在加工孔時屬于底剛度零件 故進給量應(yīng)乘系數(shù) 0 75 則 0 2 8 0 75 0 65 21 f rmr 根據(jù) 機械加工工藝師手冊 表 28 13 取 0 2 fr 取切削速度 24 inVm 取 24 9 代入公式 2 1 得0d 機床主軸轉(zhuǎn)速 根據(jù) 機械加工工藝師手01489 in3 2rd 冊 表 9 3 取 7 ir 實際切削速度 V 71 mi10n 被切削層長度 l48m 刀具切入長度 1 刀具切出長度 2l3 走刀次數(shù)為 1 取 代入公式 2 4 得 48l l2l0 2f7n 機動時間 jt1483 8mijn 以上為鉆一個孔的機動時間 故本工序機動工時為 120 3 76mijt 第 4 章 鉆孔夾具設(shè)計 12 第 4 章 鉆孔夾具設(shè)計 4 1 夾具的夾緊裝置和定位裝置 在本次夾具設(shè)計中 設(shè)計鉆擴鉸 6 35 孔的夾具 在工件夾緊方面要求手動夾 緊 這類夾具的特點是 針對性強 剛性好 容易操作 裝夾速度較快以及生產(chǎn)效率 高和定位精度高 但是設(shè)計制造周期長 產(chǎn)品更新?lián)Q代時往往不能繼續(xù)使用適應(yīng)性差 費用較高 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 僅僅定好位在大多數(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即定位置 以便在切削力 重 力 慣性力等外力作用下 不發(fā)生移動和震動 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 他包括中間遞力機構(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量決定采用手動夾緊 螺旋夾緊機構(gòu)是斜契夾緊的另一種形式 利用螺旋桿直接夾緊元件 或者與其他 元件或機構(gòu)組成復合夾緊機構(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 實際上相當于把契繞在圓柱體上 因此他的作用原 理與斜契是一樣的 也利用其斜面移動時所產(chǎn)生的壓力來夾緊工件的 不過這里上是 通過轉(zhuǎn)動螺旋 使繞在圓柱體是的斜契高度發(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 自瑣性能好 4 行程不受限制 5 夾緊動作慢 夾緊裝置可以分為力源裝置 中間傳動裝置和夾緊裝置 在此套夾具中 中間傳 動裝置和夾緊元件合二為一 力源為機動夾緊 通過螺栓夾緊移動壓板 達到夾緊和 定心作用 工件通過定位銷的定位限制了繞Z軸旋轉(zhuǎn) 通過螺栓夾緊移動壓板 實現(xiàn)對工件 的夾緊 并且移動壓板的定心裝置是與工件外圓弧面相吻合的移動壓板 通過精確的 第 4 章 鉆孔夾具設(shè)計 13 圓弧定位 實現(xiàn)定心 此套移動壓板制作簡單 便于手動調(diào)整 通過松緊螺栓實現(xiàn)壓 板的前后移動 以達到壓緊的目的 壓緊的同時 實現(xiàn)工件的定心 使其定位基準的 對稱中心在規(guī)定位置上 4 2 夾具的導向 在鉆床上加工孔時 大都采用導向元件或?qū)蜓b置 用以引導刀具進入正確的加 工位置 并在加工過程中防止或減少由于切削力等因素引起的偏移 提高刀具的剛性 從而保證零件上孔的精度 在鉆床上加工的過程中 導向裝置保證同軸各孔的同軸度 各孔孔距精度 各軸線間的平行度等 因此 導向裝置如同定位元件一樣 對于保證 工件的加工精度有這十分重要的作用 導向元件包括刀桿的導向部分和導向套 在這套鉆床夾具上用的導向套是鉆套 鉆套按其結(jié)構(gòu)可分為固定鉆套 可換鉆套 快換鉆套及特殊鉆套 因此套鉆夾具加工量不大 磨損較小 孔距離精度要求較高 則選用固定鉆套 如圖4 2 直接壓入鉆模板或夾具體的孔中 圖4 2 鉆套 鉆模板與固定鉆套外圓一般采用H7 h6的配合 且必須有很高的耐磨性 材料選 擇20Mn2 淬火HRC60 我選擇的鉆套 12 5F7 22K6 35 GB2264 1980 相同的 為了防止定位銷與模板之間的磨損 在模板定位孔之間套上兩個固定襯 套 選取的標準件代號為12 18 GB2263 1980 材料仍選取T10A 淬火HRC60 公差 采用H7 p6的配合 4 3 鉆孔與工件之間的切屑間隙 鉆套的類型和特點 1 固定鉆套 鉆套直接壓入鉆模板或夾具體的孔中 鉆模板或夾具體的孔與鉆 套外圓一般采用 H7 n6 配合 主要用于加工量不大 磨損教小的中小批生產(chǎn)或加工孔 徑甚小 孔距離精度要求較高的小孔 2 可換鉆套 主要用在大批量生產(chǎn)中 由于鉆套磨損大 因此在可換鉆套和鉆 鎮(zhèn)江市高等?？茖W校畢業(yè)設(shè)計 論文 14 模板之間加一個襯套 襯套直接壓入鉆模板的孔內(nèi) 鉆套以 F7 m6 或 F7 k6 配合裝入 襯套中 3 快換鉆套 當對孔進行鉆鉸等加工時 由于刀徑不斷增大 需要不同的導套 引導刀具 為便于快速更換采用快換鉆套 4 特殊鉆套 尺寸或形狀與標準鉆套不同的鉆套統(tǒng)稱特殊鉆套 鉆套下端面與工件表面之間應(yīng)留一定的空隙C 使開始鉆孔時 鉆頭切屑刃不位 于鉆套的孔中 以免刮傷鉆套內(nèi)孔 如圖4 3 圖4 3 切屑間隙 C 0 3 1 2 d 在本次夾具鉆模設(shè)計中考慮了多方面的因素 確定了設(shè)計方案后 選擇了C 8 因為此鉆的材料是鑄件 所以C可以取較小的值 4 4 鉆模板 在導向裝置中 導套通常是安裝在鉆模板上 因此鉆模板必須具有足夠的剛度和 強度 以防變形而影響鉆孔精度 鉆模板按其與夾具體連接的方式 可分為固定式鉆 模板 鉸鏈式鉆模板 可卸式鉆模板 滑柱式鉆模板和活動鉆模板等 在此套鉆模夾具中選用的是可卸式鉆模板 在裝卸工件時需從夾具體上裝上或卸下 鉆模板在夾具體上采用定位銷一面雙孔定位 螺栓緊固 鉆模精度較高 4 4 5 定位誤差的分析 定位誤差是指由于定位不準而引起某一工序尺寸或位置要求方面的加工誤差 對 夾具設(shè)計中采用的某一定位方案 只要其可能產(chǎn)生的定位誤差小于工件相關(guān)尺寸或位 置公差的 1 3 即可認為該定方案符合加工精度的要求 在用夾具裝夾工件時 當工件上的定位基準面與夾具上的定位元件相接觸或相配 合時 工件的位置即由定位元件確定下來 而對一批工件來說 因各工件的有關(guān)表面 本身和它們之間在尺寸和位置上都存在公差 且夾具上的定位元件本身及相互間存在 第 4 章 鉆孔夾具設(shè)計 15 尺寸和位置公差 因此 雖然工件已經(jīng)定位 但每個被定位的工件上的一些表面的位 置仍然會產(chǎn)生變化 這就造成了工序尺寸和位置要求方面的加工誤差 為了滿足工序的加工要求 必須使工序中誤差總和等于或小于該工序所規(guī)定的尺 寸公差 由 5 和 6 可得 1 定位誤差 當以任意邊接觸時 minDWd 當以固定邊接觸時 2 式中 為彼此最小間隙min 通過分析可得 0 5D 1dmin 因此 當以任意邊接觸時 0 63DW 2 夾緊誤差 cos minaxyj 其中接觸變形位移值 SNHBKRkZaZy 014 8 9 1 cos0 3j 磨損造成的加工誤差 通常不超過Mj m5 夾具相對刀具位置誤差 取AD 誤差總和 9605jwm 從以上的分析可見 所設(shè)計的夾具能滿足零件的加工精度要求 4 6 鉆套 襯套 鉆模板設(shè)計與選用 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間 為了減少輔助時間采用可換鉆套 以來滿足達到孔的加工的要求 鎮(zhèn)江市高等?？茖W校畢業(yè)設(shè)計 論文 16 表 d D D1 H t 基本 極限 偏差 F7 基本 極限 偏差 D6 0 1 3 0 010 0 004 6 1 1 8 4 7 1 8 2 6 5 8 6 9 2 6 3 0 016 0 006 3 3 3 6 0 016 0 008 9 3 3 4 7 10 4 5 8 11 8 12 16 5 6 0 022 0 010 10 0 019 0 010 13 6 8 12 15 10 16 2 0 8 10 0 0 28 0 013 15 18 10 12 18 0 023 0 012 22 12 20 25 12 15 22 26 0 008 15 18 0 034 0 016 26 30 16 28 36 18 22 30 0 028 0 015 34 22 26 35 39 20 36 A 3 26 30 0 041 0 020 42 0 033 0 017 46 25 A3 5 0 012 第 4 章 鉆孔夾具設(shè)計 17 30 35 48 52 6 35 42 55 59 42 48 62 66 48 50 0 050 0 025 70 0 039 0 020 74 30 56 6 7 0 040 鉆模板選用翻轉(zhuǎn)鉆模板 用沉頭螺釘錐銷定位于夾具體上 4 7 確定夾具體結(jié)構(gòu)和總體結(jié)構(gòu) 對夾具體的設(shè)計的基本要求 1 應(yīng)該保持精度和穩(wěn)定性 在夾具體表面重要的面 如安裝接觸位置 安裝表面的刀塊夾緊安裝特定的 足 夠的精度 之間的位置精度穩(wěn)定夾具體 夾具體應(yīng)該采用焊接 時效處理 退火等處 理方式 2 應(yīng)具有足夠的強度和剛度 保證在加工過程中不因夾緊力 切削力等外力變形和振動是不允許的 夾具應(yīng)有足夠 的厚度 剛度可以適當加固 3 結(jié)構(gòu)的方法和使用應(yīng)該不錯 夾較大的工件的外觀 更復雜的結(jié)構(gòu) 之間的相互位置精度與每個表面的要求 高 所以應(yīng)特別注意結(jié)構(gòu)的過程中 應(yīng)處理的工件 夾具 維修方便 再滿足功能性 要求 剛度和強度 前提下 應(yīng)能減小體積減輕重量 結(jié)構(gòu)應(yīng)該簡單 4 應(yīng)便于鐵屑去除 在加工過程中 該鐵屑將繼續(xù)在夾在積累 如果不及時清除 切削熱的積累會破 壞夾具定位精度 鐵屑投擲可能繞組定位元件 也會破壞的定位精度 甚至發(fā)生事故 因此 在這個過程中的鐵屑不多 可適當增加定位裝置和夾緊表面之間的距離增加的 鐵屑空間 對切削過程中產(chǎn)生更多的 一般應(yīng)在夾具體上面 5 安裝應(yīng)牢固 可靠 鎮(zhèn)江市高等專科學校畢業(yè)設(shè)計 論文 18 夾具安裝在所有通過夾安裝表面和相應(yīng)的表面接觸或?qū)崿F(xiàn)的 當夾安裝在重力的 中心 夾具應(yīng)盡可能低 支撐面積應(yīng)足夠大 以安裝精度要高 以確保穩(wěn)定和可靠的 安裝 夾具底部通常是中空的 識別特定的文件夾結(jié)構(gòu) 然后繪制夾具布局 圖中所 示的夾具裝配 加工過程中 夾具必承受大的夾緊力切削力 產(chǎn)生沖擊和振動 夾具的形狀 取 決于夾具布局和夾具和連接 在因此夾具必須有足夠的強度和剛度 在加工過程中的 切屑形成的有一部分會落在夾具 積累太多會影響工件的定位與夾緊可靠 所以夾具 設(shè)計 必須考慮結(jié)構(gòu)應(yīng)便于鐵屑 此外 夾點技術(shù) 經(jīng)濟的具體結(jié)構(gòu)和操作 安裝方 便等特點 在設(shè)計中還應(yīng)考慮 在加工過程中的切屑形成的有一部分會落在夾具 切 割積累太多會影響工件的定位與夾緊可靠 所以夾具設(shè)計 必須考慮結(jié)構(gòu)應(yīng)便排出鐵 屑 4 8 夾具設(shè)計及操作的簡要說明 由于是大批大量生產(chǎn) 主要考慮提高勞動生產(chǎn)率 因此設(shè)計時 需要更換零件加 工時速度要求快 本夾具設(shè)計 用底部大平面定位三個自由度 V 型塊定位兩個自 由度 再用一個壓塊限制最后一個自由度 第 5 章 銑斜面夾具設(shè)計 19 第 5 章 銑斜面夾具設(shè)計 5 1 研究原始質(zhì)料 利用本夾具主要用來加工銑斜面夾具設(shè)計 加工時除了要滿足粗糙度要求外 還 應(yīng)滿足兩孔軸線間公差要求 為了保證技術(shù)要求 最關(guān)鍵是找到定位基準 同時 應(yīng) 考慮如何提高勞動生產(chǎn)率和降低勞動強度 一 機床夾具定位元件 工件定位方式不同 夾具定位元件的結(jié)構(gòu)形式也不同 這里只介紹幾種常用的基 本定位元件 實際生產(chǎn)中使用的定位元件都是這些基本定位元件的組合 一 工件以平面定位常用定位元件 1 支承釘 常用支承釘?shù)慕Y(jié)構(gòu)形式如圖6 1所示 平頭支承釘 圖 a 用于支承精基準面 球 頭支承釘 圖 b 用于支承粗基準面 網(wǎng)紋頂面支承釘 圖 c 能產(chǎn)生較大的摩擦力 但網(wǎng)槽中的切屑不易清除 常用在工件以粗基準定位且要求產(chǎn)生較大摩擦力的側(cè)面定 位場合 一個支承釘相當于一個支承點 限制一個自由度 在一個平面內(nèi) 兩個支承 釘限制二個自由度 不在同一直線上的三個支承釘限制三個自由度 圖5 1 常用支承釘?shù)慕Y(jié)構(gòu)形式 2 支承板 常用的支承板結(jié)構(gòu)形式如圖5 2所示 平面型支承板 圖 a 結(jié)構(gòu)簡單 但沉頭螺 釘處清理切屑比較困難 適于作側(cè)面和頂面定位 帶斜槽型支承板 圖 b 在帶有 螺釘孔的斜槽中允許容納少許切屑 適于作底面定位 當工件定位平面較大時 常用 幾塊支承板組合成一個平面 一個支承板相當于兩個支承點 限制兩個自由度 兩個 或多個 支承板組合 相當于一個平面 可以限制三個自由度 圖6 2 常用支承板的結(jié)構(gòu)形式 3 可調(diào)支承 常用可調(diào)支承結(jié)構(gòu)形式如圖6 3所示 可調(diào)支承多用于支承工件的粗基準面 支承 高度可以根據(jù)需要進行調(diào)整 調(diào)整到位后用螺母鎖緊 一個可調(diào)支承限制一個自由度 圖6 3 常用可調(diào)支承的結(jié)構(gòu)形式 二 工件以孔定位常用定位元件 1 定位銷 鎮(zhèn)江市高等?？茖W校畢業(yè)設(shè)計 論文 20 圖6 6是幾種常用固定式定位銷的結(jié)構(gòu)形式 當工件的孔徑尺寸較小時 可選用圖 a 所示的結(jié)構(gòu) 當孔徑尺寸較大時 選用圖 b 所示的結(jié)構(gòu) 當工件同時以圓孔和端 面組合定位時 則應(yīng)選用圖 c 所示的帶有支承端面的結(jié)構(gòu) 用定位銷定位時 短圓柱 銷限制二個自由度 長圓柱銷可以限制四個自由度 短圓錐銷 圖 d 限制三個自由 度 圖5 6 固定式定位銷的結(jié)構(gòu)形式 5 2 定位 夾緊方案的選擇 由零件圖可知 在對加工前 平面進行了粗 精銑加工 底面進行了鉆 擴加工 因此 定位 夾緊方案有 為了使定位誤差達到要求的范圍之內(nèi) 采用一面一銷再加上一手動調(diào)節(jié)的螺絲定 位的定位方式 這種定位在結(jié)構(gòu)上簡單易操作 一面即底平面 5 3 切削力及夾緊力的計算 刀具 銑刀 硬質(zhì)合金 刀具有關(guān)幾何參數(shù) 015 001 頂 刃 0n 側(cè) 刃 601 5 30rK 2 5Lm2Z 8 famzmap 2 由參考文獻 5 5 表 1 2 9 可得銑削切削力的計算公式 0 8 10 pzFafDBzn 有 8 1 10 1254836 N 根據(jù)工件受力切削力 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 最后為保證夾緊可靠 再乘以安全系數(shù) 作為實際所需夾緊力的數(shù)值 即 FKW 安全系數(shù) K 可按下式計算 6543210 式中 為各種因素的安全系數(shù) 查參考文獻 5 1 2 1 可知其公式參數(shù) 6 第 5 章 銑斜面夾具設(shè)計 21 123456 0 1 0 3KK 由此可得 310 56 所以 根據(jù)工件受力切削力 8 45 KWFN 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 最后為保證夾緊可靠 再乘以安全系數(shù)作為實際所需夾緊力的數(shù)值 即 FK 安全系數(shù) K 可按下式計算有 6543210 式中 為各種因素的安全系數(shù) 查參考文獻 5 表 可得 6 12 01 301 56C 22 3P 1 2 fK 所以有 98 CWFN 76 3P 150Kf 該孔的設(shè)計基準為中心軸 故以回轉(zhuǎn)面做定位基準 實現(xiàn) 基準重合 原則 參考文獻 因夾具的夾緊力與切削力方向相反 實際所需夾緊力 F 夾與切削力 之間 的關(guān)系 F 夾 KF 軸向力 F 夾 KF N 扭距 Nm93 103 24 05 14 3108 90 MYFXKfdC 5 4 誤差分析與計算 該夾具以一底面一側(cè)面 兩支撐釘和一個調(diào)節(jié)螺絲定位 為了滿足工序的加工要 求 必須使工序中誤差總和等于或小于該工序所規(guī)定的尺寸公差 gwj 與機床夾具有關(guān)的加工誤差 一般可用下式表示 j MjWDAZWj 由參考文獻 5 可得 銷的定位誤差 11minDd 1 21min2min DdDdJWarctgL 其中 鎮(zhèn)江市高等?？茖W校畢業(yè)設(shè)計 論文 22 10 52Dm 20D d 3dm 1in 2in4 0 63DW 2J 夾緊誤差 cos minaxyj 其中接觸變形位移值 1 9 62HBZyRaZkNcl 查 5 表 1 2 15 有 104 0 6 42 0 7RazHBKCn cos 8jy 磨損造成的加工誤差 通常不超過Mj m5 夾具相對刀具位置誤差 取AD 誤差總和 0 53jwm 5 5 定向鍵與對刀裝置設(shè)計 定向鍵安裝在夾具底面的縱向槽中 一般使用兩個 其距離盡可能布置的遠些 通過定向鍵與銑床工作臺 T 形槽的配合 使夾具上定位元件的工作表面對于工作臺的 送進方向具有正確的位置 定向鍵可承受銑削時產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)力矩 可減輕夾緊夾具的 螺栓的負荷 加強夾具在加工中的穩(wěn)固性 根據(jù) GB2207 80 定向鍵結(jié)構(gòu)如圖所示 o 圖 5 1 夾具體槽形與螺釘 根據(jù) T 形槽的寬度 a 18mm 定向鍵的結(jié)構(gòu)尺寸如表 5 4 第 5 章 銑斜面夾具設(shè)計 23 表 5 4 定向鍵 夾具體槽形尺寸 B 2B 公 稱尺 寸 允 差 d 允 差 4 L H h D 1 公稱 尺寸 允 差 D 2h 1 8 0 012 0 035 2 5 1 2 4 1 2 4 5 18 0 019 5 對刀裝置由對刀塊和塞尺組成 用來確定刀具與夾具的相對位置 塞尺選用平塞尺 其結(jié)構(gòu)如圖 5 3 所示 標 記四 周 倒 圓 圖 5 3 平塞尺 塞尺尺寸參數(shù)如表 5 5 表 5 5 塞尺 公稱尺寸 H 允差 d C 3 0 006 0 25 上的分析可見 所設(shè)計的夾具能滿足零件的加工精度要求 鎮(zhèn)江市高等專科學校畢業(yè)設(shè)計 論文 24 5 6 確定夾具體結(jié)構(gòu)和總體結(jié)構(gòu) 對夾具體的設(shè)計的基本要求 1 應(yīng)該保持精度和穩(wěn)定性 在夾具體表面重要的面 如安裝接觸位置 安裝表面的刀塊夾緊安裝特定的 足 夠的精度 之間的位置精度穩(wěn)定夾具體 夾具體應(yīng)該采用鑄造 時效處理 退火等處 理方式 2 應(yīng)具有足夠的強度和剛度 保證在加工過程中不因夾緊力 切削力等外力變形和振動是不允許的 夾具應(yīng)有 足夠的厚度 剛度可以適當加固 3 結(jié)構(gòu)的方法和使用應(yīng)該不錯 夾較大的工件的外觀 更復雜的結(jié)構(gòu) 之間的相互位置精度與每個表面的要求 高 所以應(yīng)特別注意結(jié)構(gòu)的過程中 應(yīng)處理的工件 夾具 維修方便 再滿足功能性 要求 剛度和強度 前提下 應(yīng)能減小體積減輕重量 結(jié)構(gòu)應(yīng)該簡單 4 應(yīng)便于鐵屑去除 在加工過程中 該鐵屑將繼續(xù)在夾在積累 如果不及時清除 切削熱的積累會破 壞夾具定位精度 鐵屑投擲可能繞組定位元件 也會破壞的定位精度 甚至發(fā)生事故 因此 在這個過程中的鐵屑不多 可適當增加定位裝置和夾緊表面之間的距離增加的 鐵屑空間 對切削過程中產(chǎn)生更多的 一般應(yīng)在夾具體上面 5 安裝應(yīng)牢固 可靠 夾具安裝在所有通過夾安裝表面和相應(yīng)的表面接觸或?qū)崿F(xiàn)的 當夾安裝在重力的 中心 夾具應(yīng)盡可能低 支撐面積應(yīng)足夠大 以安裝精度要高 以確保穩(wěn)定和可靠的 安裝 夾具底部通常是中空的 識別特定的文件夾結(jié)構(gòu) 然后繪制夾具布局 圖中所 示的夾具裝配 加工過程中 夾具必承受大的夾緊力切削力 產(chǎn)生沖擊和振動 夾具的形狀 取 決于夾具布局和夾具和連接 在因此夾具必須有足夠的強度和剛度 在加工過程中的 第 5 章 銑斜面夾具設(shè)計 25 切屑形成的有一部分會落在夾具 積累太多會影響工件的定位與夾緊可靠 所以夾具 設(shè)計 必須考慮結(jié)構(gòu)應(yīng)便于鐵屑 此外 夾點技術(shù) 經(jīng)濟的具體結(jié)構(gòu)和操作 安裝方 便等特點 在設(shè)計中還應(yīng)考慮 在加工過程中的切屑形成的有一部分會落在夾具 切 割積累太多會影響工件的定位與夾緊可靠 所以夾具設(shè)計 必須考慮結(jié)構(gòu)應(yīng)便排出鐵 屑 5 7 夾具設(shè)計及操作的簡要說明 為提高生產(chǎn)率 經(jīng)過方案的認真分析和比較 選用了手動夾緊方式 螺旋機構(gòu) 這類夾緊機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單 夾緊可靠 通用性大 在機床夾具中很廣泛的應(yīng)用 此外 當夾具有制造誤差 工作過程出現(xiàn)磨損 以及零件尺寸變化時 影響定位 夾緊的可靠 為防止此現(xiàn)象 選用可換定位銷 以便隨時根據(jù)情況進行調(diào)整換取 結(jié)論 26 結(jié) 論 通過本次的畢業(yè)設(shè)計 使我能夠?qū)镜闹R做進一步的了解與學習 對資料 的查詢與合理的應(yīng)用做了更深入的了解 本次進行工件的工藝路線分析 工藝卡的制 定 工藝過程的分析 對我們在大學期間所學的課程進行了實際的應(yīng)用與綜合的學習 提高了我了思考問題 解決問題的能力以及創(chuàng)新設(shè)計的能力 為以后的設(shè)計工作打下 了堅實的基礎(chǔ) 由于能力有限 設(shè)計中還有很多不足之處 懇請老師批評指導 參考文獻 27 參 考 文 獻 1 李 洪 機械加工工藝手冊 M 北京出版社 2006 1 2 陳宏鈞 實用金屬切削手冊 M 機械工業(yè)出版社 2005 1 3 上海市金屬切削技術(shù)協(xié)會 金屬切削手冊 M 上?？茖W技術(shù)出版社 2002 4 楊叔子 機械加工工藝師手冊 M 機械工業(yè)出版社 2000 5 徐鴻本 機床夾具設(shè)計手冊 M 遼寧科學技術(shù)出版社 2003 10 6 都克勤 機床夾具結(jié)構(gòu)圖冊 M 貴州人民出版社 2003 4 7 胡建新 機床夾具 M 中國勞動社會保障出版社 2001 5 8 馮 道 機械零件切削加工工藝與技術(shù)標準實用手冊 M 安徽文化音像出版社 2003 9 王先逵 機械制造工藝學 M 機械工業(yè)出版社 2000 10 馬賢智 機械加工余量與公差手冊 M 中國標準出版社 1994 12 11 劉文劍 夾具工程師手冊 M 黑龍江科學技術(shù)出版社 2007 12 王光斗 機床夾具設(shè)計手冊 M 上海科學技術(shù)出版社 2002 8 致謝 28 致 謝 在畢業(yè)設(shè)計即將結(jié)束之際我向所有幫助過我的老師和同學說一聲 謝謝 我想沒有他們的幫 助 畢業(yè)設(shè)計就會做得很困難 這次畢業(yè)設(shè)計是在老師悉心指導下完成的 XX 老師以其淵博的學識 嚴謹?shù)闹螌W風范 高 度的責任感使我受益非淺 在做設(shè)計的過程中也遇到了不少的問題 XX 老師給了我許多關(guān)懷和 幫助 并且隨時詢問我畢業(yè)設(shè)計的進展情況 細心的指導我們 也經(jīng)常打電話或者發(fā)電子郵件過 來指導我的設(shè)計 在論文工作中 得到了機電學院有關(guān)領(lǐng)導和老師的幫助與支持 在此表示衷心的感謝 最后 在即將完成畢業(yè)設(shè)計之時 我再次感謝對我指導 關(guān)心和幫助過老師 領(lǐng)導及同學 謝謝了