常州機(jī)電畢業(yè)設(shè)計-殼體零件加工工藝及夾具設(shè)計（全套含CAD圖紙）,常州,機(jī)電,電機(jī),畢業(yè)設(shè)計,殼體,零件,加工,工藝,夾具,設(shè)計,全套,cad,圖紙 常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 作 者： 學(xué) 號： 系 部： 專 業(yè)： 題 目： 殼體零件加工工藝及夾具設(shè)計 指導(dǎo)者： 評閱者： 年 月 畢業(yè)設(shè)計（論文）中文摘要 機(jī)械制造工藝及設(shè)備畢業(yè)設(shè)計是我們完成本專業(yè)教學(xué)計劃的最后一個極為重要的實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，是使我們綜合運用所學(xué)過的基本課程，基本知識與基本技能去解決專業(yè)范圍內(nèi)的工程技術(shù)問題而進(jìn)行的一次基本訓(xùn)練 。 我們在完成畢業(yè)設(shè)計的同時，也培養(yǎng)了我們正確使用技術(shù)資料，國家標(biāo)準(zhǔn)，有關(guān)手冊，圖冊等工具書，進(jìn)行設(shè)計計算，數(shù)據(jù)處理，編寫技術(shù)文件等方面的工作能力，也為我們以后的工作打下堅實的基礎(chǔ)，所以我們要認(rèn)真對待這次綜合能力運用的機(jī)會！殼體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(jìn)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(zhǔn)，設(shè)計出零件的工藝路線；接著對零件各個工步的工序進(jìn)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(jìn)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(dǎo)元件、夾具體與機(jī)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(jìn)。 關(guān)鍵詞 中間拔叉零件，加工工藝，專用夾具，設(shè)計 畢業(yè)設(shè)計（論文）外文摘要 Title： The housing processing technology and fixture design Abstract： Machinery manufacturing technology and equipment of graduation design is we complete the teaching plan finally a very important link of practice teaching is to make our comprehensive use of the learned basic courses, basic knowledge and basic skills to solve within the scope of professional engineering and technical problems and a basic training. We in the completion of the graduation design at the same time, but also cultivate the we make a proper use of information technology, national standards, the manual, an album of paintings and other tools, design and calculation, data processing, write technical documents such as the ability to work, but also for our future work to lay a solid foundation, so we have to seriously the comprehensive ability to apply the opportunity!Housing parts processing technology and fixture design is the design of 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 工藝性分析 6 1.1零件作用 6 1.2零件工藝性分析 6 2 工藝規(guī)程設(shè)計 6 2.1零件材料 6 2.2毛坯選擇 6 2.3 殼體加工的主要問題和工藝過程設(shè)計所應(yīng)采取的相應(yīng)措施 7 2.3.1 孔和平面的加工順序 7 2.3.2 孔系加工方案選擇 7 2.4 殼體加工定位基準(zhǔn)的選擇 8 2.4.1 粗基準(zhǔn)的選擇 8 2.4.2 精基準(zhǔn)的選擇 8 2.5 殼體加工主要工序安排 8 2.6基準(zhǔn)的選擇 9 2.6.1粗基準(zhǔn)的選擇 9 2.6.2精基準(zhǔn)的選擇 9 2.7制訂工藝路線 9 2.7.1工藝路線方案一 9 2.7.2工藝路線方案二 10 2.7.3兩個個工藝方案的比較與分析 10 2.8機(jī)械加工余量、工序尺寸及公差 11 3 加工中心孔夾具設(shè)計 17 3.1 車床夾具設(shè)計要求說明 17 3.2車床夾具的設(shè)計要點 17 3.3 定位機(jī)構(gòu) 19 3.4夾緊機(jī)構(gòu) 19 3.5零件的車床夾具的加工誤差分析 20 3.6 確定夾具體結(jié)構(gòu)尺寸和總體結(jié)構(gòu) 20 3.7 零件的車床專用夾具簡單使用說明 21 總 結(jié) 23 致 謝 24 參 考 文 獻(xiàn) 25 1 工藝性分析 1.1零件作用 設(shè)計題目所給零件為殼體，主要作用是安裝軸承以支撐軸。 1.2零件工藝性分析 由殼體零件圖可知。殼體是一個殼體零件，它的外表面上有4個平面需要進(jìn)行加工。支承孔系在前后端面上。此外各表面上還需加工一系列螺紋孔。因此可將其分為三組加工表面。它們相互間有一定的位置要求。現(xiàn)分析如下： 殼體共有4組主要加工表面。 1、 以Φ62mm/Φ52mm孔為中心的加工表面。 這組加工表面包括：Φ62mm/Φ52mm孔及倒角以及尺寸Φ62mm/Φ52mm孔軸線垂直的兩個端面。還有一個Φ4mm的油孔。 這組加工表面位置要求為Φ62mm/Φ52mm孔兩外端面的平行度誤差為0.03mm. 2、 以孔為中心的加工表面。 這組加工表面包括：ΦΦ62mm/Φ52mm孔外端面。 2 工藝規(guī)程設(shè)計 2.1零件材料 零件材料為HT200，是中碳鋼，其強(qiáng)度較高，塑性和韌性尚高，焊接性差。用于承受較大載荷的小截面調(diào)質(zhì)件和應(yīng)力較小的大型正火件，以及對心部要求不高的表面淬火件：曲軸、傳動軸、齒輪、蝸桿、鍵、銷等。水淬時有形成裂紋的傾向，形狀復(fù)雜的零件應(yīng)在熱水或油水中淬火。 2.2毛坯選擇 由于零件的材料為HT200，零件的形狀規(guī)則，同時由于零件屬于中批生產(chǎn)，零件的輪廓尺寸不大，為了便于生產(chǎn)故選用模鍛毛坯。 模鍛加工工藝的幾點優(yōu)勢：①由于有模膛引導(dǎo)金屬的流動，鍛件的形狀可以比較復(fù)雜；②鍛件內(nèi)部的鍛造流線比較完整，從而提高了零件的機(jī)械性能和使用壽命。③鍛件表面光潔，尺寸精度高，節(jié)約材料和切削加工工時；④生產(chǎn)率較高；⑤操作簡單，易于實現(xiàn)機(jī)械化；⑥生產(chǎn)批量越大成本越低。 從零件材料及力學(xué)性能要求，零件的結(jié)構(gòu)形狀與大小，生產(chǎn)類型，現(xiàn)有生產(chǎn)條件，充分利用新工藝、新材料等多方面綜合考慮選擇模鍛加工工藝中的錘上模鍛。 2.3 殼體加工的主要問題和工藝過程設(shè)計所應(yīng)采取的相應(yīng)措施 由以上分析可知。該殼體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，對于殼體來說，加工過程中的主要問題是保證孔的尺寸精度及位置精度，處理好孔和平面之間的相互關(guān)系。 由于的生產(chǎn)量很大。怎樣滿足生產(chǎn)率要求也是加工過程中的主要考慮因素。 2.3.1 孔和平面的加工順序 殼體類零件的加工應(yīng)遵循先面后孔的原則：即先加工殼體上的基準(zhǔn)平面，以基準(zhǔn)平面定位加工其他平面。然后再加工孔系。殼體的加工自然應(yīng)遵循這個原則。這是因為平面的面積大，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。 殼體零件的加工工藝應(yīng)遵循粗精加工分開的原則，將孔與平面的加工明確劃分成粗加工和精加工階段以保證孔系加工精度。 2.3.2 孔系加工方案選擇 殼體孔系加工方案，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)選擇價格最底的機(jī)床。 根據(jù)殼體零件圖所示的殼體的精度要求和生產(chǎn)率要求，當(dāng)前應(yīng)選用在組合機(jī)床上用鏜模法鏜孔較為適宜。 （1）用鏜模法鏜孔 在大批量生產(chǎn)中，殼體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)計制造的。當(dāng)鏜刀桿通過鏜套的引導(dǎo)進(jìn)行鏜孔時，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，可以用幾把刀同時加工。所以生產(chǎn)效率很高。但鏜模結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造難度大、成本較高，且由于鏜模的制造和裝配誤差、鏜模在機(jī)床上的安裝誤差、鏜桿和鏜套的磨損等原因。用鏜模加工孔系所能獲得的加工精度也受到一定限制。 （2）用坐標(biāo)法鏜孔 在現(xiàn)代生產(chǎn)中，不僅要求產(chǎn)品的生產(chǎn)率高，而且要求能夠?qū)崿F(xiàn)大批量、多品種以及產(chǎn)品更新?lián)Q代所需要的時間短等要求。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，鏜模板的加工也需要采用坐標(biāo)法鏜孔。 用坐標(biāo)法鏜孔，需要將殼體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)系中作精密運動的機(jī)床進(jìn)行鏜孔。 2.4 殼體加工定位基準(zhǔn)的選擇 2.4.1 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）保證裝入殼體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)。即以殼體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)以限制工件的四個自由度，再以另一個主要支承孔定位限制第五個自由度。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，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。 2.4.2 精基準(zhǔn)的選擇 從保證殼體孔與孔、孔與平面、平面與平面之間的位置 。精基準(zhǔn)的選擇應(yīng)能保證殼體在整個加工過程中基本上都能用統(tǒng)一的基準(zhǔn)定位。從殼體零件圖分析可知，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。但用一個平面定位僅僅能限制工件的三個自由度，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，雖然它是殼體的裝配基準(zhǔn)，但因為它與殼體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)計方面都有一定的困難，所以不予采用。 2.5 殼體加工主要工序安排 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)。殼體加工的第一個工序也就是加工統(tǒng)一的基準(zhǔn)。具體安排是先以孔定位粗、精加工頂平面。第二個工序是加工定位用的兩個工藝孔。由于頂平面加工完成后一直到殼體加工完成為止，除了個別工序外，都要用作定位基準(zhǔn)。因此，頂面上的螺孔也應(yīng)在加工兩工藝孔的工序中同時加工出來。 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銑床上鉆出，因切削力較大，也應(yīng)該在粗加工階段完成。對于殼體，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。 2.6基準(zhǔn)的選擇 2.6.1粗基準(zhǔn)的選擇 對于加工表面較多的零件，按照粗基準(zhǔn)的一般選取原則：（1）各表面有足夠的加工余量；（2）對一些重要表面和內(nèi)表面，應(yīng)盡量使加工余量分布均勻；（3）各加工表面上的總切削量最小。（4）盡量以不加工表面為粗基準(zhǔn)。結(jié)合本零件的加工情況. 2.6.2精基準(zhǔn)的選擇 根據(jù)零件圖上標(biāo)注的平行度，垂直度等位置要求，主要考慮互為基準(zhǔn)和基準(zhǔn)統(tǒng)一與基準(zhǔn)重合原則，以粗加工后的底面為主要的定位精基準(zhǔn)，即以殼體的下底面為精基準(zhǔn)?；鶞?zhǔn)不重合時應(yīng)該在下文專門進(jìn)行尺寸換算，此處不再重復(fù)。 2.7制訂工藝路線 2.7.1工藝路線方案一 10 鑄造毛坯 鑄造毛坯 20 檢驗 檢驗 30 銑面 銑上端面 40 銑面 粗銑底面 50 銑面 精銑底面 60 車 車Φ52孔、倒角 70 鏜孔 粗鏜Φ62、倒角 80 鉆孔 鉆孔 90 去毛刺 去毛刺 100 檢查 檢查 2.7.2工藝路線方案二 10 鑄造毛坯 鑄造毛坯 20 檢驗 檢驗 30 銑面 銑上端面 40 銑面 粗銑底面 50 銑面 精銑底面 60 車 車Φ52孔、倒角 70 鏜孔 粗鏜Φ62、倒角 80 鉆孔 鉆孔 90 去毛刺 去毛刺 100 檢查 檢查 2.7.3兩個個工藝方案的比較與分析 以上方案大致看上去都是合理的，但仔細(xì)考慮零件的要求及可能采取的加工手段分析可知方案一:在工序3先以殼體底面（Φ13孔外端面）為定位粗基準(zhǔn)銑Φ30端面,不符合粗基準(zhǔn)選擇的原則，即不了保證加工面與不加工面的位置要求時，應(yīng)選擇不加工面為粗基準(zhǔn)。 方案二相對來說，裝夾次數(shù)少，可減少機(jī)床數(shù)量、操作人員數(shù)量和生產(chǎn)面積還可減少生產(chǎn)計劃和生產(chǎn)組織工作并能生產(chǎn)率高?？紤]工廠設(shè)備，能否借用工、夾、量具等具體條件，選擇方案二。最后根據(jù)工序方案二制定出詳細(xì)的工序劃分如下所示： 10 鑄造毛坯 鑄造毛坯 20 檢驗 檢驗 30 銑面 銑上端面 40 銑面 粗銑底面 50 銑面 精銑底面 60 車 車Φ52孔、倒角 70 鏜孔 粗鏜Φ62、倒角 80 鉆孔 鉆孔 90 去毛刺 去毛刺 100 檢查 檢查 2.8機(jī)械加工余量、工序尺寸及公差 殼體零件材料為HT200鋼，硬度為HBS 230—250，生產(chǎn)類型為中批生產(chǎn)。 根據(jù)原始資料及加工工藝，分別確定各加工表面的工序尺寸、機(jī)械加工余量如下： 工序30：粗銑底面 機(jī)床：銑床X52K 刀具：硬質(zhì)合金端銑刀（面銑刀） 齒數(shù)[10] （1）粗銑插銷體底面 粗銑夾軸承孔兩側(cè)毛坯，粗銑軸承底面，注意尺寸66mm和表面粗糙度，留1mm精加工余量 銑削深度： 每齒進(jìn)給量：根據(jù)《機(jī)械加工工藝手冊》表2.3.73，取 銑削速度：參照《機(jī)械加工工藝手冊》表2.3.81，取 機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速：，取 實際銑削速度： 進(jìn)給量： 工作臺每分進(jìn)給量： ：根據(jù)《機(jī)械加工工藝手冊》表2.3.81, 刀具切入長度： 刀具切出長度：取 走刀次數(shù)為1 機(jī)動時間： 工序30：粗銑底面 機(jī)床：銑床X52K 刀具：硬質(zhì)合金端銑刀（面銑刀） 齒數(shù)[10] （1）粗銑插銷體底面 粗銑夾軸承孔兩側(cè)毛坯，粗銑軸承底面，注意尺寸66mm和表面粗糙度，留1mm精加工余量 銑削深度： 每齒進(jìn)給量：根據(jù)《機(jī)械加工工藝手冊》表2.3.73，取 銑削速度：參照《機(jī)械加工工藝手冊》表2.3.81，取 機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速：，取 實際銑削速度： 進(jìn)給量： 工作臺每分進(jìn)給量： ：根據(jù)《機(jī)械加工工藝手冊》表2.3.81, 刀具切入長度： 刀具切出長度：取 走刀次數(shù)為1 機(jī)動時間： 半精車?52內(nèi)圓面 A. 確定被吃刀量：ap=2 mm B. 確定進(jìn)給量：根據(jù)《工藝手冊》表8-5確定，選用f=0.3 2mm/r C. 計算切削速度：根據(jù)《工藝手冊》表8-6，選用v=1.667m/s=100 m/min D. 確定主軸主軸轉(zhuǎn)速：n=931r/min 根據(jù)《工藝手冊》表10-7與931r/min相近的機(jī)床轉(zhuǎn)速為700r/min與1000 r/min，現(xiàn)選1000r/min，實際切削速度v=107 m/min。 .E. 計算基本時間：按《工藝手冊》表8-32，l=12 mm，=2 mm，=0 mm t==0.043 min 精車?52+0..023 +0內(nèi)圓 A. 確定被吃刀量：ap=0.1 mm B. 確定進(jìn)給量：根據(jù)《工藝手冊》表8-5確定，選用f=0.20~0.30mm/r，所以選用f=0.25mm/r C. 計算切削速度：根據(jù)《工藝手冊》表8-6，選用v=1.667m/s~2.170m/s,所以選用 v=2m/s=120m/min D. 確定主軸主軸轉(zhuǎn)速：n=1117r/min 根據(jù)《工藝手冊》表10-7與1117r/min相近的機(jī)床轉(zhuǎn)速為1000r/min與2000 r/min，現(xiàn)選1000r/min，實際切削速度v=107 m/min。 .E. 計算基本時間：按《工藝手冊》表8-32，l=12 mm，=2 mm，=0 mm t==0.05 min 粗車Φ62內(nèi)圓面 A. 確定被吃刀量：ap=0.9 mm B. 確定進(jìn)給量：根據(jù)《工藝手冊》表8-5確定，選用f=0.3 2mm/r C. 計算切削速度：根據(jù)《工藝手冊》表8-6，選用v=1.667m/s=100 m/min D. 確定主軸主軸轉(zhuǎn)速：n=931r/min 根據(jù)《工藝手冊》表10-7與931r/min相近的機(jī)床轉(zhuǎn)速為700r/min與1000 r/min，現(xiàn)選1000r/min，實際切削速度v=107 m/min。 .E. 計算基本時間：按《工藝手冊》表8-32，l=12 mm，=2 mm，=0 mm t==0.043 min 精車Φ62內(nèi)圓面 A. 確定被吃刀量：ap=0.1 mm B. 確定進(jìn)給量：根據(jù)《工藝手冊》表8-5確定，選用f=0.20~0.30mm/r，所以選用f=0.25mm/r C. 計算切削速度：根據(jù)《工藝手冊》表8-6，選用v=1.667m/s~2.170m/s,所以選用 v=2m/s=120m/min D. 確定主軸主軸轉(zhuǎn)速：n=1117r/min 根據(jù)《工藝手冊》表10-7與1117r/min相近的機(jī)床轉(zhuǎn)速為1000r/min與2000 r/min，現(xiàn)選1000r/min，實際切削速度v=107 m/min。 .E. 計算基本時間：按《工藝手冊》表8-32，l=12 mm，=2 mm，=0 mm t==0.05 min 工序80：鉆孔。 機(jī)床：立式鉆床Z525 刀具：根據(jù)參照參考文獻(xiàn)[3]表4.3～9選高速鋼錐柄麻花鉆頭。 進(jìn)給量：根據(jù)參考文獻(xiàn)[3]表2.4～38，取。 切削速度：參照參考文獻(xiàn)[3]表2.4～41，取。 機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速： ， 按照參考文獻(xiàn)[3]表3.1～31，取 所以實際切削速度： 切削工時 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)動時間： ⑵ 擴(kuò)孔 刀具：根據(jù)參照參考文獻(xiàn)[3]表4.3～31選擇硬質(zhì)合金錐柄麻花擴(kuò)孔鉆頭。 片型號：E403 切削深度： 進(jìn)給量：根據(jù)參考文獻(xiàn)[3]表2.4～52，取。 切削速度：參照參考文獻(xiàn)[3]表2.4～53，取。 機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速： 按照參考文獻(xiàn)[3]表3.1～31，取 所以實際切削速度： 切削工時 被切削層長度： 刀具切入長度有： 刀具切出長度： ，取 走刀次數(shù)為1 機(jī)動時間： ⑶ 鉸孔 刀具：根據(jù)參照參考文獻(xiàn)[3]表4.3～54，選擇硬質(zhì)合金錐柄機(jī)用鉸刀。 切削深度：。 進(jìn)給量：根據(jù)參考文獻(xiàn)[3]表2.4～58，取。 切削速度：參照參考文獻(xiàn)[3]表2.4～60，取。 機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速： 按照參考文獻(xiàn)[3]表3.1～31取 實際切削速度： 切削工時 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)動時間： 該工序的加工機(jī)動時間的總和是： 20 3 加工中心孔夾具設(shè)計 3.1 車床夾具設(shè)計要求說明 車床夾具主要用于加工中心孔夾具。因而車床夾具的主要特點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。這類夾具的特點是加工時隨機(jī)床主軸一起旋轉(zhuǎn)，刀具做進(jìn)給運動 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，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。 花盤式車床夾具 這類夾具的夾具體稱花盤，上面開有若干個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)運動，夾具做進(jìn)給運動。 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。 3.2車床夾具的設(shè)計要點 （1）定位裝置的設(shè)計特點和夾緊裝置的設(shè)計要求 當(dāng)加工回轉(zhuǎn)表面時，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。 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，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，同時會使主軸振動。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D＜140mm，或D＜(2～3)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0.05～0.1mm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)計夾具時應(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 3.3 定位機(jī)構(gòu) 由零件圖分析孔F的加工要求，必須保證孔軸向和徑向的加工尺寸，得出，夾具必須限制工件的六個自由度，才可以達(dá)到加工要求。先設(shè)計夾具模型如下： 選擇定位元件為：支承板，支撐釘，定位銷，上下蓋板。支撐板限制了X,Y,Z方向的移動自由度，X,Y方向的轉(zhuǎn)動自由度，支撐釘限制了Z方向的轉(zhuǎn)動自由度?？梢?，定位方案選擇合理。 3.4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，要合理確定夾緊力的三要素：大小、方向、作用點。夾緊裝置的基本要求如下： 1. 夾緊時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、不轉(zhuǎn)動、不震動，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)，確定夾緊動力源類型為手動夾緊，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。 3.5零件的車床夾具的加工誤差分析 工件在車床夾具上加工時，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，尺寸的加工誤差的影響因素如下所述： （1）定位誤差 由于C面既是工序基準(zhǔn)，又是定位基準(zhǔn)，基準(zhǔn)不重合誤差為零。工件在夾具上定位時，定位基準(zhǔn)與限位基準(zhǔn)是重合的，基準(zhǔn)位移誤差為零。因此，尺寸的定位誤差等于零。 （2）夾具誤差 夾具誤差為限位基面與軸線間的距離誤差，以及限位基面相對安裝基面C的平行度誤差是0.01. （3）安裝誤差 因為夾具和主軸是莫氏錐度配合，夾具的安裝誤差幾乎可以忽略不計。 （4）加工方法誤差 如車床主軸上安裝夾具基準(zhǔn)與主軸回轉(zhuǎn)軸線間的誤差、主軸的徑向跳動、車床溜板進(jìn)給方向與主軸軸線的平行度或垂直度等。它的大小取決于機(jī)床的制造精度、夾具的懸伸長度和離心力的大小等因素。一般取 =/3=0.05/3=0.017mm 零件的車床夾具總加工誤差是： 精度儲備： 故此方案可行。 3.6 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龋鼈冎g應(yīng)有適當(dāng)?shù)奈恢镁取? 為使夾具體的尺寸保持穩(wěn)定，鑄造夾具體要進(jìn)行時效處理，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，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，切屑會不斷地積聚在夾具體周圍，如不及時排除，切削熱量的積聚會破壞夾具的定位精度，切屑的拋甩可能纏繞定位元件，也會破壞定位精度，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現(xiàn)的。當(dāng)夾具在機(jī)床工作臺上安裝時，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。 3.7 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)工件和夾具上個元件相對機(jī)床主軸的旋轉(zhuǎn)軸線不平衡時，將產(chǎn)生較大的離心力和振動，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，必要時應(yīng)該加防護(hù)罩。 總 結(jié) 設(shè)計即將結(jié)束了，時間雖然短暫但是它對我們來說受益菲淺的，通過這次的設(shè)計使我們不再是只知道書本上的空理論，不再是紙上談兵，而是將理論和實踐相結(jié)合進(jìn)行實實在在的設(shè)計，使我們不但鞏固了理論知識而且掌握了設(shè)計的步驟和要領(lǐng)，使我們更好的利用圖書館的資料，更好的更熟練的利用我們手中的各種設(shè)計手冊和AUTOCAD等制圖軟件，為我們踏入社會打下了好的基礎(chǔ)。 課程設(shè)計使我們認(rèn)識到了只努力的學(xué)好書本上的知識是不夠的，還應(yīng)該更好的做到理論和實踐的結(jié)合。因此我們非常感謝老師給我們的辛勤指導(dǎo)，使我們學(xué)到了很多，也非常珍惜大學(xué)給我們的這次設(shè)計的機(jī)會，它將是我們課程設(shè)計完成的更出色的關(guān)鍵一步。 致 謝 這次課程設(shè)計使我收益不小，為我今后的學(xué)習(xí)和工作打下了堅實和良好的基礎(chǔ)。但是，查閱資料尤其是在查閱切削用量手冊時，數(shù)據(jù)存在大量的重復(fù)和重疊，由于經(jīng)驗不足，在選取數(shù)據(jù)上存在一些問題，不過我的指導(dǎo)老師每次都很有耐心地幫我提出寶貴的意見，在我遇到難題時給我指明了方向，最終我很順利的完成了課程設(shè)計。 這次課程設(shè)計成績的取得，與指導(dǎo)老師的細(xì)心指導(dǎo)是分不開的。在此，我衷心感謝我的指導(dǎo)老師，特別是每次都放下他的休息時間，耐心地幫助我解決技術(shù)上的一些難題，她嚴(yán)肅的科學(xué)態(tài)度，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神，精益求精的工作作風(fēng)，深深地感染和激勵著我。從題目的選擇到項目的最終完成，他都始終給予我細(xì)心的指導(dǎo)和不懈的支持。多少個日日夜夜，他不僅在學(xué)業(yè)上給我以精心指導(dǎo)，同時還在思想、生活上給我以無微不至的關(guān)懷，除了敬佩指導(dǎo)老師的專業(yè)水平外，他的治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)和科學(xué)研究的精神也是我永遠(yuǎn)學(xué)習(xí)的榜樣，并將積極影響我今后的學(xué)習(xí)和工作。在此謹(jǐn)向指導(dǎo)老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意。 參 考 文 獻(xiàn) [1] 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)計手冊[M]，上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1980。 [2] 張進(jìn)生。機(jī)械制造工藝與夾具設(shè)計指導(dǎo)［Ｍ］。機(jī)械工業(yè)出版社，1995。 [3] 李慶壽。機(jī)床夾具設(shè)計［Ｍ］。機(jī)械工業(yè)出版社，1991。 [4] 李洪。機(jī)械加工工藝手冊［Ｍ］。北京出版社，1996。 [5] 上海市金屬切削技術(shù)協(xié)會。金屬切削手冊［Ｍ］。上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2544。 [6] 黃如林，劉新佳，汪群。切削加工簡明實用手冊［Ｍ］?；瘜W(xué)工業(yè)出版社，2544。 [7] 余光國，馬俊，張興發(fā)，機(jī)床夾具設(shè)計[M]，重慶：重慶大學(xué)出版社，1995。 [8] [周永強(qiáng)，高等學(xué)校課程設(shè)計指導(dǎo)[M]，北京：中國建材工業(yè)出版社，2542。 [9]?劉文劍，曹天河，趙維，夾具工程師手冊[M]，哈爾濱：黑龍江科學(xué)技術(shù)出版社，1987。 [10] 王光斗，王春福。機(jī)床夾具設(shè)計手冊［Ｍ］。上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2542。 [11] 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)計手冊［Ｍ］.上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1984。 [12] 李慶壽，機(jī)械制造工藝裝備設(shè)計適用手冊[M]，銀州：寧夏人民出版社，1991。 [13] 廖念釗，莫雨松，李碩根，互換性與技術(shù)測量[M]，中國計量出版社，2540：9-19。 [14] [王光斗，王春福，機(jī)床夾具設(shè)計手冊[M]，上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2540。 [15] 樂兌謙，金屬切削刀具，機(jī)械工業(yè)出版社，2545：4-17 附錄二 ：中文翻譯 通過夾具布局設(shè)計和夾緊力的優(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。最后舉了一個例子說明，一個令人滿意的結(jié)果被求得， 這是遠(yuǎn)優(yōu)于經(jīng)驗之一的。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)計在制造工程中是一項重要的程序。這對于加工精度是至關(guān)重要。一個工件應(yīng)約束在一個帶有夾具元件，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，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)計師的經(jīng)驗，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)計方案的兩個主要方面。 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)計和夾緊力的優(yōu)化的方法。 這個觀點是具有兩面性的。一，是盡量減少加工表面最大的彈性變形； 另一個是盡量均勻變形。 ANSYS軟件包是用來計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)中的廣泛運用，近幾年夾具設(shè)計優(yōu)化已獲得了更多的利益。夾具設(shè)計優(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)計的方法。DeMeter也用了一個剛性體模型，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)化的程序與計算質(zhì)量的有限元計算法。李和melkote用了一個非線性編程方法和一個聯(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的理論進(jìn)行了拓展。秦等人建立了一個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)計的問題是非線性的，因為目標(biāo)的功能和設(shè)計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，一些研究沒有考慮為整個刀具路徑優(yōu)化布局。一些研究使用節(jié)點數(shù)目作為設(shè)計參數(shù)。一些研究解決夾具布局或夾緊力優(yōu)化方法，但不能兩者都同時進(jìn)行。 有幾項研究摩擦和碎片考慮進(jìn)去了。 碎片的移動和摩擦接觸的影響對于實現(xiàn)更為現(xiàn)實和準(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)驗和方法。 3 多目標(biāo)優(yōu)化模型夾具設(shè)計 一個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。夾具元件-工件接觸點的位置必須在候選位置。為一個問題涉及夾具元件-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； μ是靜態(tài)摩擦系數(shù)； fhi是切向力在i次的接觸點； pos(i)是i次的接觸點； 是可選區(qū)域的i次接觸點； 整體過程如圖1所示，一要設(shè)計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算出來。優(yōu)化程序造成一些夾具布局和夾緊力，同時也是被發(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。每一個人口中的候選個體指派一個健身的價值，通過一個功能的調(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)勝個體代表全最好的方法。 遺傳算法程序在優(yōu)化夾具設(shè)計時需夾具布局和夾緊力作為設(shè)計變量，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)計計劃。在這項研究里，遺傳算法和MATLAB的直接搜索工具箱是被運用的。 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)在一個人口中功能最薄弱功能的最優(yōu)值沒有變化時，nchg達(dá)到一個預(yù)先定義的價值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)計字符串，當(dāng)受到加工負(fù)荷時不完全限制夾具。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)動遺傳算法，以實現(xiàn)一個可行的解決辦法。1夾具設(shè)計的計劃被認(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劃的高目標(biāo)函數(shù)值時不可行的。因此，驅(qū)動它在連續(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)生新個體或此個體已經(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算。有限元模型是一個考慮摩擦效應(yīng)的半彈性接觸模型，如果材料是假定線彈性。如圖2所示，每個位置或支持，是代表三個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。每個元素的位置被其它四或六最接近的鄰近節(jié)點所包圍。 圖3 連續(xù)插值 這系列節(jié)點，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，與這些每一個節(jié)點相關(guān)聯(lián)。對任何一套節(jié)點，彈簧常數(shù)是： 這里， kij 是彈簧剛度在的j -次節(jié)點周圍i次夾具元件， Dij 是i次夾具元件和的J -次節(jié)點周圍之間的距離， ki是彈簧剛度在一次夾具元件位置, ηi 是周圍的i次夾具元素周圍的節(jié)點數(shù)量 為每個加工負(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。在這個工作里，正常的彈簧約束在這三個方向（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。整個刀具路徑是模擬為每個夾具設(shè)計計劃所產(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，分析與重點的工具運動和碎片移除使用的元素死亡技術(shù)。在為了計算健身價值，對于給定夾具設(shè)計方案，位移存儲為每個負(fù)載的一步。那么，最大位移是選定為夾具設(shè)計計劃的健身價值。 遺傳算法的程序和ANSYS之間的互動實施如下。定位和夾具的位置以及夾緊力這些參數(shù)寫入到一個文本文件。那個輸入批處理文件ANSYS軟件可以讀取這些參數(shù)和計算加工表面的變形。 因此， 健身價值觀，在遺傳算法程序，也可以寫到當(dāng)前夾具設(shè)計計劃的一個文本文件。 當(dāng)有大量的節(jié)點在一個有限元模型時，計算健身價值是很昂貴的。因此，有必要加快計算遺傳算法程序。作為這一代的推移，染色體在人口中取得類似情況。在這項工作中，計算健身價值和染色體存放在一個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值已計算之前，先檢查；如果不，夾具設(shè)計計劃發(fā)送到ANSYS，否則健身價值觀是直接從數(shù)據(jù)庫中取出。嚙合的工件有限元模型，在每一個計算時間保持不變。每計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 一個關(guān)于低剛度工件的銑削夾具設(shè)計優(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152.4mm×127mm*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。整個刀具路徑被26個工步所分開，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)計中常用的。夾具底板限制三個自由度，在側(cè)邊控制兩個自由度。這里，在Y=0mm截面上使用了4個定點（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，兩個壓板（C1,C2）夾緊工件。在正交面上，需要一個定位元件限制其余的一個自由度，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的坐標(biāo)范圍。 表3 設(shè)計變量的約束 由于沒有一個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)為每一個夾板上作用的力。且從符合例5的最小二乘法，分別由4.43×107 N/m 和5.47×107 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σ的懲罰函數(shù)是 這里fv可以被F1或σ代表。當(dāng)nchg達(dá)到6時，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 第一個函數(shù)值的收斂 圖8第二個函數(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)驗設(shè)計中得到的夾具設(shè)計的設(shè)計變量和目標(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)驗設(shè)計相比較，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，我們確信運用最佳定位點分布和最優(yōu)夾緊力來減少工件的變形。圖10示出了一實例夾具的裝配。 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)計和夾緊力的優(yōu)化程序設(shè)計。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 健身價值的有限元計算。對于夾具設(shè)計優(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。 在這項研究中，摩擦的影響和碎片移動都被考慮到了。為了減少計算的時間，建立了一個染色體的健身數(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)計方法是單一目標(biāo)優(yōu)化方法或經(jīng)驗。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)計計算工件動態(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) 運用優(yōu)化方法在夾具設(shè)計中選擇支位。 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。 11、Deng HY, Melkote SN (2006) 動態(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, Choudhuri S, et al (2002) 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