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編號(hào)： 采用遺傳算法優(yōu)化加工夾具定位和加緊位置 Necmettin Kaya* Department of Mechanical Engineering, Uludag University, Go¨ru¨kle, Bursa 16059, Turkey Received 8 July 2004; accepted 26 May 2005 Available online 6 September 2005 摘 要 工件變形的問題可能導(dǎo)致機(jī)械加工中的空間問題。支撐和定位器是用于減少工件彈性變形引起的誤差。支撐、定位器的優(yōu)化和夾具定位是最大限度的減少幾何在工件加工中的誤差的一個(gè)關(guān)鍵問題。本文應(yīng)用夾具布局優(yōu)化遺傳算法（GAs）來處理夾具布局優(yōu)化問題。遺傳算法的方法是基于一種通過整合有限的運(yùn)行于批處理模式的每一代的目標(biāo)函數(shù)值的元素代碼的方法，用于來優(yōu)化夾具布局。給出的個(gè)案研究說明已開發(fā)的方法的應(yīng)用。采用染色體文庫方法減少整體解決問題的時(shí)間。已開發(fā)的遺傳算法保持跟蹤先前的分析設(shè)計(jì)，因此先前的分析功能評(píng)價(jià)的數(shù)量降低大約93%。結(jié)果表明，該方法的夾具布局優(yōu)化問題是多模式的問題。優(yōu)化設(shè)計(jì)之間沒有任何明顯的相似之處，雖然它們提供非常相似的表現(xiàn)。 關(guān)鍵詞：夾具設(shè)計(jì)；遺傳算法；優(yōu)化 1. 引言 夾具用來定位和束縛機(jī)械操作中的工件，減少由于對(duì)確保機(jī)械操作準(zhǔn)確性的夾緊方案和切削力造成的工件和夾具的變形。傳統(tǒng)上，加工夾具是通過反復(fù)試驗(yàn)法來設(shè)計(jì)和制造的，這是一個(gè)既造價(jià)高又耗時(shí)的制造過程。為確保工件按規(guī)定尺寸和公差來制造，工件必須給予適當(dāng)?shù)亩ㄎ缓蛫A緊以確保有必要開發(fā)工具來消除高造價(jià)和耗時(shí)的反復(fù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。適當(dāng)?shù)墓ぜㄎ缓蛫A具設(shè)計(jì)對(duì)于產(chǎn)品質(zhì)量的精密度、準(zhǔn)確度和機(jī)制件的完飾是至關(guān)重要的。 從理論上說，3-2-1定位原則對(duì)于定位所有的棱柱形零件是很令人滿意的。該方法具有最大的剛性與最少量的夾具元件。從動(dòng)力學(xué)觀點(diǎn)來看定位零件意味著限制了自由移動(dòng)物體的六自由度（三個(gè)平動(dòng)自由度和三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度）。在零件下部設(shè)置三個(gè)支撐來建立工件在垂直軸方向的定位。在兩個(gè)外圍邊緣放置定位器旨在建立工件在水平x軸和y軸的定位。正確定位夾具的工件對(duì)于制造過程的全面準(zhǔn)確性和重復(fù)性是至關(guān)重要的。定位器應(yīng)該盡可能的遠(yuǎn)距離的分開放置并且應(yīng)該放在任何可能的加工面上。放置的支撐器通常用來包圍工件的重力中心并且盡可能的將其分開放置以維持其穩(wěn)定性。夾具夾子的首要任務(wù)是固定夾具以抵抗定位器和支撐器。不應(yīng)該要求夾子反抗加工操作中的切削力。 對(duì)于給定數(shù)量的夾具元件，加工夾具合成的問題是尋找夾具優(yōu)化布局或工件周圍夾具元件的位置。本篇文章提出一種優(yōu)化夾具布局遺傳算法。優(yōu)化目標(biāo)是研究一個(gè)二維夾具布局使工件不同位置上最大的彈性變形最小化。ANSYS程序以用于計(jì)算工件變形情況下夾緊力和切削力。本文給出兩個(gè)實(shí)例來說明給出的方法。 2. 回顧相關(guān)工程結(jié)構(gòu) 最近幾年夾具設(shè)計(jì)問題受到越來越多的重視。然而，很少有注意力集中于優(yōu)化夾具布局設(shè)計(jì)。Menassa和Devries用FEA計(jì)算變形量使設(shè)計(jì)準(zhǔn)則要求的位點(diǎn)的工件變形最小化。設(shè)計(jì)問題是確定支撐器位置。Meyer和Liou提出一個(gè)方法就是使用線性編程技術(shù)合成動(dòng)態(tài)編程條件中的夾具。給出了使夾緊力和定位力最小化的解決方案。Li和Melkote用非線性規(guī)劃方法解決布局優(yōu)化問題。這個(gè)方法使工件位置誤差最小化歸于工件的局部彈性變形。Roy和Liao開發(fā)出一種啟發(fā)式方法來計(jì)劃最好的支撐和夾緊位置。Tao等人提出一個(gè)幾何推理的方法來確定最優(yōu)夾緊點(diǎn)和任意形狀工件的夾緊順序。Liao和Hu提出一種夾具結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)這個(gè)系統(tǒng)基于動(dòng)態(tài)模型分析受限于時(shí)變加工負(fù)載的夾具—工件系統(tǒng)。本文也調(diào)查了夾緊位置的影響。Li和Melkote提出夾具布局和夾緊力最優(yōu)合成方法幫我們解釋加工過程中的工件動(dòng)力學(xué)。本文提出一個(gè)夾具布局和夾緊力優(yōu)化結(jié)合的程序。他們用接觸彈性建模方法解釋工件剛體動(dòng)力學(xué)在加工期間的影響。Amaral等人用ANSYS驗(yàn)證夾具設(shè)計(jì)的完整性。他們用3-2-1方法。ANSYS提出優(yōu)化分析。Tan等人通過力鎖合、優(yōu)化與有限建模方法描述了建模、優(yōu)化夾具的分析與驗(yàn)證。 以上大部分的研究使用線性和非線性編程方式這通常不會(huì)給出全局最優(yōu)解決方案。所有的夾具布局優(yōu)化程序開始于一個(gè)初始可行布局。這些方法給出的解決方案在很大程度上取決于初始夾具布局。他們沒有考慮到工件夾具布局優(yōu)化對(duì)整體的變形。 GAs已被證明在解決工程中優(yōu)化問題是有用的。夾具設(shè)計(jì)具有巨大的解決空間并需要搜索工具找到最好的設(shè)計(jì)。一些研究人員曾使用GAs解決夾具設(shè)計(jì)及夾具布局問題。Kumar等人用GAs和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)夾具。Marcelin已經(jīng)將GAs用于支撐位置的優(yōu)化。Vallapuzha等人提出基于優(yōu)化方法的GA，它采用空間坐標(biāo)來表示夾具元件的位置。夾具布局優(yōu)化程序設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)是使用MATLAB和遺傳算法工具箱。HYPERMESH和MSC / NASTRAN用于FE模型。Vallapuzha等人提出一些結(jié)果關(guān)于一個(gè)廣泛調(diào)查不同優(yōu)化方法的相對(duì)有效性。他們的研究表明連續(xù)遺傳算法提出了最優(yōu)質(zhì)的解決方案。Li和Shiu使用遺傳算法確定了夾具設(shè)計(jì)最優(yōu)配置的金屬片。MSC/NASTRAN已經(jīng)用于適應(yīng)度值評(píng)價(jià)。Liao提出自動(dòng)選擇最佳夾子和夾鉗的數(shù)目以及它們?cè)诮饘倨系膴A具中的最優(yōu)位置。Krishnakumar和Melkote開發(fā)了一種夾具布局優(yōu)化技術(shù)，它是利用遺傳算法找到了夾具布局，由于整個(gè)刀具路徑中的夾緊力和加工力使加工表面變形量最小化。通過節(jié)點(diǎn)編號(hào)使定位器和夾具位置特殊化。一個(gè)內(nèi)置的有限元求解器研制成功。 一些研究沒考慮到整個(gè)刀具路徑的優(yōu)化布局以及磨屑清除。一些研究采用節(jié)點(diǎn)編號(hào)作為設(shè)計(jì)參數(shù)。 在本研究中，開發(fā)GA工具用于尋找在二維工件中的最優(yōu)定位器和夾緊位置。使用參考邊緣的距離作為設(shè)計(jì)參數(shù)而不是用FEA節(jié)點(diǎn)編號(hào)。真正編碼遺傳算法的染色體的健康指數(shù)是從FEA結(jié)果中獲得的。ANSSYS用于FEA計(jì)算。用染色體文庫的方法是為了減少解決問題的時(shí)間。用兩個(gè)問題測(cè)試已開發(fā)的遺傳算法工具。給出的兩個(gè)實(shí)例說明了這個(gè)開發(fā)的方法。本論文的主要貢獻(xiàn)可以概括為以下幾個(gè)方面： (1)開發(fā)了遺傳算法編碼結(jié)合商業(yè)有限元素求解； (2)遺傳算法采用染色體文庫以降低計(jì)算時(shí)間； (3)使用真正的設(shè)計(jì)參數(shù)，而不是有限元節(jié)點(diǎn)數(shù)字； (4)當(dāng)工具在工件中移動(dòng)時(shí)考慮磨屑清除工具。 3. 遺傳算法概念 遺傳算法最初由John Holland開發(fā)。Goldberg出版了一本書，解釋了這個(gè)理論和遺傳算法應(yīng)用實(shí)例的詳細(xì)說明。遺傳算法是一種隨機(jī)搜索方法，它模擬一些自然演化的機(jī)制。該算法用于種群設(shè)計(jì)。種群從一代到另一代演化，通過自然選擇逐漸提高了適應(yīng)環(huán)境的能力，更健康的個(gè)體有更好的機(jī)會(huì)，將他們的特征傳給后代。 該算法中，要基于為每個(gè)設(shè)計(jì)計(jì)算適合性，所以人工選擇取代自然環(huán)境選擇。適應(yīng)度值這個(gè)詞用來指明染色體生存幾率，它在本質(zhì)上是該優(yōu)化問題的目標(biāo)函數(shù)。生物定義的特征染色體用代表設(shè)計(jì)變量的字符串中的數(shù)值代替。 被公認(rèn)的遺傳算法與傳統(tǒng)的梯度基礎(chǔ)優(yōu)化技術(shù)的不同主要有如下四種方式： (1)遺傳算法和問題中的一種編碼的設(shè)計(jì)變量和參數(shù)一起工作而不是實(shí)際參數(shù)本身。 (2)遺傳算法使用種群—類型研究。評(píng)價(jià)在每個(gè)重復(fù)中的許多不同的設(shè)計(jì)要點(diǎn)而不是一個(gè)點(diǎn)順序移動(dòng)到下一個(gè)。 (3)遺傳算法僅僅需要一個(gè)適當(dāng)?shù)幕蚰繕?biāo)函數(shù)值。沒有衍生品或梯度是必要的。 (4)遺傳算法以用概率轉(zhuǎn)換規(guī)則來發(fā)現(xiàn)新設(shè)計(jì)為探索點(diǎn)而不是利用基于梯度信息的確定性規(guī)則來找到這些新觀點(diǎn)。 4. 方法 4.1 夾具定位原則 加工過程中，用夾具來保持工件處于一個(gè)穩(wěn)定的操作位置。對(duì)于夾具最重要的標(biāo)準(zhǔn)是工件位置精確度和工件變形。一個(gè)良好的夾具設(shè)計(jì)使工件幾何和加工精度誤差最小化。另一個(gè)夾具設(shè)計(jì)的要求是夾具必須限制工件的變形?？紤]切削力以及夾緊力是很重要的。沒有足夠的夾具支撐，加工操作就不符合設(shè)計(jì)公差。有限元分析在解決這其中的一些問題時(shí)是一種很有力的工具。 棱柱形零件常見的定位方法是3-2-1方法。該方法具有最大剛體度以及最小夾具元件數(shù)。在三維中一個(gè)工件可能會(huì)通過六自由度定位方法快速定位為了限制工件的九個(gè)自由度。其他的三個(gè)自由度通過夾具元件消除了。基于3-2-1定位原理的二位工件布局的例子如圖4。 圖4 3-2-1對(duì)二維棱柱工件定位布局 定位面得數(shù)量不得超過兩個(gè)避免冗余的位置?；?-2-1的夾具設(shè)計(jì)原則有兩種精確的定位平面包含于兩個(gè)或一個(gè)定位器。因此，在兩邊有最大的夾緊力抵抗每個(gè)定位平面。夾緊力總是指向定位器為了推動(dòng)工件接觸到所有的定位器。定位點(diǎn)對(duì)面應(yīng)定位夾緊點(diǎn)防止工件由于夾緊力而扭曲。因?yàn)榧庸ちρ刂庸っ?，所以有必要確保定位器的反應(yīng)力在所有時(shí)間內(nèi)是正的。任何負(fù)面的反應(yīng)力表示工件從夾具元件中脫離。換句話說，當(dāng)反應(yīng)力是負(fù)的時(shí)候，工件和夾具元件之間接觸或分離的損失可能發(fā)生。定位器內(nèi)正的反應(yīng)力確保工件從切削開始到結(jié)束都能接觸到所有的定位器。夾緊力應(yīng)該充分束縛和定位工件且不導(dǎo)致工件的變形或損壞。本文不考慮夾緊力的優(yōu)化。 4.2 基于夾具布局優(yōu)化方法的遺傳算法 在實(shí)際設(shè)計(jì)問題中，設(shè)計(jì)參數(shù)的數(shù)量可能很大并且它們對(duì)目標(biāo)函數(shù)的影響會(huì)是非常復(fù)雜的。目標(biāo)函數(shù)曲線必須是光滑的并且需要一個(gè)程序計(jì)算梯度。遺傳算法在理念上遠(yuǎn)不同于其他的探究方法，它們包括傳統(tǒng)的優(yōu)化方法和其他隨機(jī)方法。通過運(yùn)用遺傳算法來對(duì)夾具優(yōu)化布局，可以獲得一個(gè)或一組最優(yōu)的解決方案。 本項(xiàng)研究中，最優(yōu)定位器和夾具定位使用遺傳算法確定。它們是理想的適合夾具布局優(yōu)化問題的方法因?yàn)闆]有直接分析的關(guān)系存在于加工誤差和夾具布局中。因?yàn)檫z傳算法僅僅為一個(gè)特別的夾具布局處理設(shè)計(jì)變量和目標(biāo)函數(shù)值，所以不需要梯度或輔助信息。 建議方案流程圖如圖5。 使用開發(fā)的命名為GenFix的Delphi語言軟件來實(shí)現(xiàn)夾具布局優(yōu)化。位移量用ANSYS軟件計(jì)算。通過WinExec功能在GenFix中運(yùn)行ANSYS很簡(jiǎn)單。GenFix和ANSYS之間相互作用通過四部實(shí)現(xiàn)： (1)定位器和夾具位置從二進(jìn)制代碼字符串中提取作為真正的參數(shù)。 (2)這些參數(shù)和ANSYS輸入批處理文件（建模、解決方案和后置處理）用WinExec功能傳給ANSYS。 (3)解決后將位移值寫成一個(gè)文本文件。 (4)GenFix讀這個(gè)文件并為當(dāng)前定位器和夾緊位置計(jì)算適應(yīng)度值。 為了減少計(jì)算量，染色體與適應(yīng)度值儲(chǔ)存在一個(gè)文庫里以備進(jìn)一步評(píng)估。GenFix首先檢查是否當(dāng)前的染色體的適應(yīng)度值已經(jīng)在之前被計(jì)算過。如果沒有，定位器位置被送到ANSYS，否則從文庫中取走適應(yīng)度值。在初始種群產(chǎn)生過程中，檢查每一個(gè)染色體可行與否。如果違反了這個(gè)原則，它就會(huì)出局然后新的染色體就產(chǎn)生了。這個(gè)程序創(chuàng)造了可行的初始種群。這保證了初始種群的每個(gè)染色體在夾緊力和切削力作用下工件的穩(wěn)定性。用兩個(gè)測(cè)試用例來驗(yàn)證提到的遺傳算法計(jì)劃。第一個(gè)實(shí)例是使用Himmelblau功能。在第二個(gè)測(cè)試用例中，遺傳算法計(jì)劃用來優(yōu)化均布載荷作用下梁的支撐位置。 圖5 設(shè)計(jì)方法的流程與ANSYS相配合流程 5. 夾具布局優(yōu)化的個(gè)案研究 該夾具布局優(yōu)化問題的定義是：找到定位器和夾子的位置以使在特定區(qū)工件變形降到最小程度。那么多的定位器和夾子并不是設(shè)計(jì)參數(shù)因?yàn)樗鼈冊(cè)?-2-1方案中是已知的和固定的。因此，設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇如同定位器和夾子的位置。本研究中不考慮摩擦力。兩個(gè)實(shí)例研究來說明以提出的方法。 6. 結(jié)論 本文提出了一個(gè)夾具布局優(yōu)化的評(píng)價(jià)優(yōu)化技術(shù)。ANSYS用于FE計(jì)算適應(yīng)度值。可以看到，遺傳算法和FE方法的結(jié)合對(duì)當(dāng)今此類問題似乎是一種強(qiáng)大的方法。遺傳算法特別適合應(yīng)用于解決那些在目標(biāo)函數(shù)和設(shè)計(jì)變量之間不存在一個(gè)定義明確的數(shù)學(xué)關(guān)系的問題。結(jié)果證明遺傳算法在夾具布局優(yōu)化問題方面的成功應(yīng)用。本項(xiàng)研究中，遺傳算法在夾具布局優(yōu)化應(yīng)用中的主要困難是較高的計(jì)算成本。種群中每個(gè)染色體需要工件的重嚙合。但是，染色體庫的使用，F(xiàn)E評(píng)價(jià)的數(shù)量從6000下降到415。這就導(dǎo)致了巨大的增益計(jì)算效益。其他減少處理時(shí)間的方法是在局域網(wǎng)內(nèi)使用分布式計(jì)算。 該方法結(jié)果表明，夾具布局優(yōu)化問題是多模態(tài)問題。優(yōu)化設(shè)計(jì)之間沒有任何明顯的相似之處盡管他們提供非常相似的表現(xiàn)。結(jié)果表明夾具布局問題是多模態(tài)問題然而用于夾具設(shè)計(jì)的啟發(fā)式規(guī)則應(yīng)該用于遺傳算法來選擇最優(yōu)的設(shè)計(jì)。 機(jī)械加工工序卡片 產(chǎn)品型號(hào) 零件圖號(hào) 第8 張 產(chǎn)品名稱 零件名稱 動(dòng)才輸出變速撥叉 共4 張 車間 工序號(hào) 工序名稱 材料牌號(hào) 機(jī)加工 07 銑 RZG310-570 毛坯種類 毛坯外形尺寸 每坯件數(shù) 每臺(tái)件數(shù) 鑄件 設(shè)備名稱 設(shè)備型號(hào) 設(shè)備編號(hào) 同時(shí)加工件數(shù) 臥式銑床 X62 夾具編號(hào) 夾具名稱 切削液 工位器具編號(hào) 工位器具名稱 工序工時(shí) 終準(zhǔn) 單件 工步號(hào) 工步內(nèi)容 工藝裝備 主軸轉(zhuǎn)速(r/min) 切削速度(m/min) 進(jìn)給量 (mm/r) 切削深度(mm) 進(jìn)給 次數(shù) 基本工時(shí) min 1 銑寬14槽 三面刃銑刀、游標(biāo)卡尺 475 119.4 0.25 2.0 1 0.236 設(shè) 計(jì)（日 期） 校 對(duì)（日期） 審 核（日期） 標(biāo)準(zhǔn)化（日期） 會(huì) 簽（日期） 標(biāo)記 處數(shù) 更改文件號(hào) 簽字 日期 標(biāo)記 處數(shù) 更改文件號(hào) 簽字 日期 機(jī)械加工工藝過程卡片 產(chǎn)品型號(hào) 零件圖號(hào) 產(chǎn)品名稱 零件名稱 動(dòng)力輸出變速撥叉 共 頁 第 頁 材 料 牌 號(hào) RZG310-570 毛 坯 種 類 鑄件 毛坯外形尺寸 每毛坯件數(shù) 每 臺(tái) 件 數(shù) 備 注 工 序 號(hào) 工序名稱 及工序內(nèi)容 主軸轉(zhuǎn)速(r/min） 切削速度(m/min) 進(jìn)給量(mm/r) 背吃刀量(mm) 設(shè) 備 夾 具 刀 具 量 具 工 時(shí) 總時(shí) 單件 01 金屬性澆鑄 02 正火處理以消除內(nèi)應(yīng)力，正火硬度180-229HRC 03 高頻淬火，淬火硬度不低于50HRC，深度1.2-2 04 銑Φ16H9前端面 490 30.8 0.25 2.0 立式銑床X51 專用夾具 端銑刀 游標(biāo)卡尺 0.172 05 銑Φ16H9后端面 490 30.8 0.25 2.0 立式銑床X51 專用夾具 端銑刀 游標(biāo)卡尺 0.335 06 鉆、鉸Φ16H9孔；倒角1×45° 545 25.7 0.28 7.5 立式鉆床Z525 專用夾具 麻花鉆 圓柱塞規(guī) 0.299 07 銑寬14槽 475 119.4 0.25 7.0 臥式銑床X62 專用夾具 三面刃銑刀 游標(biāo)卡尺 0.236 08 銑叉口兩端面 475 119.4 0.25 2.0 臥式銑床X62 專用夾具 三面刃銑刀 游標(biāo)卡尺 0.630 09 銑叉口兩端面；倒角0.5×45 475 119.4 0.25 2.0 臥式銑床X62 專用夾具 三面刃銑刀 游標(biāo)卡尺 0.203 10 鉆Φ10H12孔 545 17.2 0.28 5.0 立式鉆床Z525 專用夾具 麻花鉆 圓柱塞規(guī) 0.295 11 鉆Φ4孔 545 6.9 0.28 2.0 立式鉆床Z525 專用夾具 麻花鉆 圓柱塞規(guī) 0.118 12 去毛刺 13 檢驗(yàn)至圖紙要求并入庫 設(shè) 計(jì)（日 期） 校 對(duì)（日期） 審 核（日期） 標(biāo)準(zhǔn)化（日期） 會(huì) 簽（日期） 標(biāo)記 處數(shù) 更改文件號(hào) 簽 字 日 期 標(biāo)記 處數(shù) 更改文件號(hào) 簽 字 日 期 目 錄 前 言 .1 1 概述發(fā)展 2 1.1 機(jī)床夾具簡(jiǎn)介 2 1.1.1 機(jī)床夾具的主要功能 2 1.1.2 機(jī)床夾具的組成 2 1.1.3 夾具設(shè)計(jì)的步驟和基本要求 2 2 加工工藝規(guī)程設(shè)計(jì) 8 2.1 零件的作用 8 2.2 零件的工藝分析 8 2.3 基面的選擇 8 2.3.1 粗基準(zhǔn)的選擇原則 8 2.3.2 精基準(zhǔn)選擇的原則 9 2.4 制定工藝路線 9 2.5 確定各工序的加工余量、計(jì)算工序尺寸及公差 .10 2.6 確定切削用量及基本工時(shí) .12 3 專用夾具設(shè)計(jì) .25 3.1 問題提出 .25 3.2 定位基準(zhǔn)的選擇 .25 3.3 定位元件的設(shè)計(jì) .25 3.4 定位誤差分析 .25 3.5 切削力的計(jì)算與夾緊力分析 .26 3.6 夾具設(shè)計(jì)及操作簡(jiǎn)要說明 .27 結(jié)束語 .28 謝辭 .29 參 考 文 獻(xiàn) 30 0 前 言 機(jī)械制造業(yè)是制造具有一定形狀位置和尺寸的零件和產(chǎn)品，并把它們裝備成 機(jī)械裝備的行業(yè)。機(jī)械制造業(yè)的產(chǎn)品既可以直接供人們使用，也可以為其它行業(yè) 的生產(chǎn)提供裝備，社會(huì)上有著各種各樣的機(jī)械或機(jī)械制造業(yè)的產(chǎn)品。我們的生活 離不開制造業(yè)，因此制造業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要行業(yè)，是一個(gè)國(guó)家或地區(qū)發(fā)展 的重要基礎(chǔ)及有力支柱。從某中意義上講，機(jī)械制造水平的高低是衡量一個(gè)國(guó)家 國(guó)民經(jīng)濟(jì)綜合實(shí)力和科學(xué)技術(shù)水平的重要指標(biāo)。 動(dòng)力輸出變速撥叉及其銑動(dòng)力輸出變速撥叉寬 14 槽的夾具設(shè)計(jì)是在學(xué)完了機(jī) 械制圖、機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)、機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械工程材料等進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)之后的下 一個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)。正確地解決一個(gè)零件在加工中的定位，夾緊以及工藝路線安排， 工藝尺寸確定等問題，并設(shè)計(jì)出專用夾具，保證零件的加工質(zhì)量。本次設(shè)計(jì)也要 培養(yǎng)自己的自學(xué)與創(chuàng)新能力。因此本次設(shè)計(jì)綜合性和實(shí)踐性強(qiáng)、涉及知識(shí)面廣。 所以在設(shè)計(jì)中既要注意基本概念、基本理論，又要注意生產(chǎn)實(shí)踐的需要，只有將 各種理論與生產(chǎn)實(shí)踐相結(jié)合，才能很好的完成本次設(shè)計(jì)。 本設(shè)計(jì)選用動(dòng)力輸出變速撥叉來進(jìn)行工藝編制與夾具設(shè)計(jì)，以說明書、繪圖為 主，設(shè)計(jì)手冊(cè)與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)為附來進(jìn)行詳細(xì)說明。 1 1 概述發(fā)展 1.1 機(jī)床夾具簡(jiǎn)介 1.1.1 機(jī)床夾具的主要功能 機(jī)床夾具已成為機(jī)械加工時(shí)的重要裝備，同時(shí)是機(jī)械加工不可缺少的部 件，在機(jī)床技術(shù)向高速、高效、精密、復(fù)合、智能、環(huán)保方向發(fā)展的帶動(dòng)下，夾 具技術(shù)也正朝著高精、高效、模塊、組合、通用 、經(jīng)濟(jì)方向發(fā)展。機(jī)床夾具的主 要功能是使工件定位夾緊，使工件相對(duì)于刀具及機(jī)床占有正確的加工位置，保證 其被加工表面達(dá)到工序所規(guī)定的技術(shù)要求，工件定位后，經(jīng)夾緊裝置施力于工件， 將其固定夾牢，使其在加工過程中不致因切削力、重力、離心力等外力作用而發(fā) 生位置改變。為了適應(yīng)不同行業(yè)的需求和經(jīng)濟(jì)性，夾具有不同的型號(hào)，以及不同 檔次的精度標(biāo)準(zhǔn)供選擇。 安裝方法有找正法和用專用夾具，找正法用于單件、小批生產(chǎn)中，而專用夾 具用于生產(chǎn)批量較大或特殊需要時(shí)。 1.1.2 機(jī)床夾具的組成 1）定位支承元件 確定工件在夾具中的正確位置并支承工件。 2）夾緊裝置 將工件夾緊不發(fā)生移動(dòng)。 3）對(duì)刀或?qū)蛟?保證刀具與工件加工表面的正確位置。 4）夾具體 將夾具的所有組成部分組成一體，并保證它們之間的相對(duì)位置關(guān) 系。 1.1.3 夾具設(shè)計(jì)的步驟和基本要求 一：夾具設(shè)計(jì)的基本要求 夾具在機(jī)械加工中起著重要的作用，它直接影響機(jī)械加工的質(zhì)量、工人的勞 動(dòng)強(qiáng)度、生產(chǎn)率和加工成本。因此對(duì)設(shè)計(jì)的夾具，提出以下幾點(diǎn)基本要求。 1）能穩(wěn)定可靠地保證工件的加工技術(shù)要求。若工件達(dá)不到加工技術(shù)要求，成 為廢品，則夾具設(shè)計(jì)是失敗的，該夾具不能用與生產(chǎn)。 2）操作簡(jiǎn)單，便于工件安裝，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省工件安裝時(shí)間，降 低輔助工時(shí)，保證高的生產(chǎn)效率。 3）具有良好的工藝性，便于制造，降低夾具制造成本，從而降低分?jǐn)傇诠ぜ?2 上的加工成本。 為保證上述基本要求，夾具的生產(chǎn)過程應(yīng)按下面程序進(jìn)行：夾具生產(chǎn)任務(wù)書 —夾具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—使用、制造部門會(huì)簽——夾具制造——夾具驗(yàn)收——生產(chǎn)使 用。 夾具生產(chǎn)任務(wù)書是由工藝人員在編制工藝規(guī)程時(shí)，根據(jù)生產(chǎn)需要而提出的。 任務(wù)書中包含內(nèi)容有設(shè)計(jì)理由、使用車間、使用設(shè)備，該夾具所使用工件工序的 工序圖并在工序圖上要標(biāo)明工序要求、加工表面、尺寸精度要求及定位定位基準(zhǔn)、 夾緊點(diǎn)。這是設(shè)計(jì)夾具的依據(jù)，也是驗(yàn)收制造夾具的依據(jù)。夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì) 人根據(jù)夾具設(shè)計(jì)任務(wù)書的加工要求，提出幾種可行方案、分析比較、進(jìn)行誤差計(jì) 算，以確定出合理方案，進(jìn)行設(shè)計(jì)。夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，要會(huì)同使用部門、制 造部門就夾具的結(jié)構(gòu)合理性、結(jié)構(gòu)工藝性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行審核、會(huì)簽、交付制造。 制成的夾具要同設(shè)計(jì)人員。工藝人員、使用部門、制造部門共同進(jìn)行驗(yàn)證。當(dāng)確 認(rèn)夾具可保證工件該工序加工要求，能保證生產(chǎn)率、操作方便、安全，就可交付 生產(chǎn)車間使用。 二:夾具的設(shè)計(jì)步驟 當(dāng)接到夾具設(shè)計(jì)任務(wù)書后，按下面 6 個(gè)步驟，逐步設(shè)計(jì)。 1）明確設(shè)計(jì)任務(wù)，收集研究設(shè)計(jì)的原始資料。原始資料包括如下內(nèi)容。 A：加工零件的零件圖、毛坯圖及加工工藝過程，所設(shè)計(jì)夾具應(yīng)有的工序圖， 并了解該工序所使用的設(shè)備、刀具、量具、其他輔具以及該工序的加工余量、切 削用量、加工要求、生產(chǎn)節(jié)拍等參數(shù)。 B：了解零件的生產(chǎn)類型，就是決定夾具采用簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)或復(fù)雜結(jié)構(gòu)的依據(jù)。 若屬大批量生產(chǎn)，則力求夾具結(jié)構(gòu)完善、生產(chǎn)率高 或是單件小批量生產(chǎn)或急于應(yīng) 付生產(chǎn)，則夾具結(jié)構(gòu)應(yīng)簡(jiǎn)單，以便迅速制造交付使用。 C：收集該夾具所用機(jī)床的資料，主要指與夾具連接部分的安裝尺寸。如銑床夾 具要安裝在工作臺(tái)上，要收集工作如大小，工作如 T 形槽及槽距，以及機(jī)床的技 術(shù)參數(shù)。 D：收集所使用刀具的資料如刀具的精度、安裝方式、使用要求及技術(shù)條件等。 E：收集國(guó)內(nèi)外同類型夾具資料，吸收其中先進(jìn)而又能結(jié)合本廠情況的合理部分。 F：了解本廠制造夾具的能力和使用的條件，如夾具制造的條件及精度水平，有 3 無壓縮空氣壓值等。 G：收集有關(guān)夾具部件的標(biāo)準(zhǔn)（包括國(guó)標(biāo)、部標(biāo)、企標(biāo)、廠標(biāo)），典型夾具結(jié)構(gòu) 圖冊(cè)等。 2）確定夾具結(jié)構(gòu)方案，繪制結(jié)構(gòu)草圖，其主要內(nèi)容如下。 A：根據(jù)工件加工尺寸、要求和開關(guān)，確定工件的定位方式，選擇或設(shè)計(jì)定位元 件，計(jì)算定位誤差。 B：確定刀具的引導(dǎo)方式及引導(dǎo)元件（指鉆夾具、銑夾具）。 C：確定工件夾緊方式 ，選擇或設(shè)計(jì)夾緊機(jī)構(gòu)，計(jì)算夾緊力。 D：確定其他裝置（如分度裝置、頂出裝置）的結(jié)構(gòu)型式。 E：確定和設(shè)計(jì)其他結(jié)構(gòu)，如銑床夾具與機(jī)床的連接裝置、對(duì)刀裝置。 在確定夾具結(jié)構(gòu)的各組成部分時(shí)，可提出幾種不同方案，分別畫出草圖，進(jìn)行分 析比較，從中選擇出合理方案。 3）繪制夾具總圖。應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。 A：繪制夾具總圖，盡量按 1：1 繪制，以保證直觀性。 B：主視圖盡量符合操作者的正面位置。 C：工件輪廓用雙點(diǎn)畫線繪制，并視為假想透明體，不影響其他元件的繪制。 D：繪圖順序?yàn)椋汗ぜㄎ辉龑?dǎo)元件——夾緊裝置——其他裝 置——夾具體。 4）標(biāo)注總圖上的尺寸、公差與配合和技術(shù)條件。夾具總圖結(jié)構(gòu)繪制完成后， 需標(biāo)注五類尺寸和四類技術(shù)條件。 5）編寫零件明細(xì)表。明細(xì)表應(yīng)包括零件序號(hào)、名稱、代號(hào)（指標(biāo)準(zhǔn)件代號(hào)或 通用件代號(hào) ）、數(shù)量、材料、熱處理、質(zhì)量等。 6）繪制總圖中非標(biāo)準(zhǔn)件的零件圖。 三：夾具總圖上尺寸、公差與配合和技術(shù)條件的標(biāo)注 在夾具設(shè)計(jì)中，對(duì)于初設(shè)計(jì)者，在夾具總圖上如何標(biāo)注尺寸及技術(shù)條件，往 往是難點(diǎn)之一，以下對(duì)此作簡(jiǎn)要闡述。 1）夾具總圖上應(yīng)標(biāo)注的五類尺寸 A：夾具外形輪廓尺寸——指夾具在長(zhǎng)、寬、高三個(gè)方向上的最大極限尺寸。 若有可動(dòng)部分，則指運(yùn)動(dòng)部件在空間達(dá)到的極限位置的尺寸。標(biāo)注夾具外形尺寸 的目的是避免夾具與機(jī)床或刀具在空間發(fā)生干涉。 4 B：工件與定位元件間的聯(lián)系尺寸——主要指工件定位面與定位元件工作面的 配合尺寸或各定位元件的位置尺寸，它們直接影響工件加工精度，是計(jì)算工件定 位誤差的依據(jù)。 C：夾具與刀具的聯(lián)系尺寸——主要指對(duì)刀元件或引導(dǎo)元件與夾具定位元件之 間的位置尺寸、引導(dǎo)元件之間的位置尺寸或引導(dǎo)與導(dǎo)向部分的配合尺寸。 D：夾具與機(jī)床的連接部分尺寸——這類尺寸主要指夾具與機(jī)床主軸或工作如 必須固定連接的平俱。如車床夾具要安裝在車床主軸上，要標(biāo)注與車床主軸的連 接尺寸，銑床夾具要安裝在工作臺(tái)上，要標(biāo)注與工作如 T 形槽相配的定位鍵尺寸。 E：夾具內(nèi)容的配合尺寸——中心軸與夾具體孔的配合尺寸，鉆套與襯套、襯 套與夾具體的配合尺寸，此類尺寸必須標(biāo)注尺寸、配合性質(zhì)及配合精度，否則夾 具精度無法保證。 2） 夾具總圖上應(yīng)標(biāo)注的四類技術(shù)條件 夾具中的技術(shù)條件主要指夾具裝配好后，各表面之間的位置精度要求。 A：定位元件之間的相互位置要求——這是指組合定位時(shí)多個(gè)定位元件之間的 相互位置要求或多件裝夾時(shí)相同定位元件之間的相互位置要求。如兩端頂尖頂軸 兩端中心孔，要求兩頂尖軸線同軸度，兩 V 形塊對(duì)稱線的同軸度。 B：定位元件與連接元件或夾具體底面的相位置要求——夾具的連接元件或夾 具體底面是夾具與機(jī)床的連接部分，它決定了夾具與機(jī)床的相對(duì)位置，也就是決 定了定位元件相對(duì)機(jī)床，或刀具的位置，即決定了工件相對(duì)機(jī)床或刀具的位置。 C：引導(dǎo)元件與連接元件或夾具體底面的位置要求 D：引導(dǎo)元件與定位元件之間的相互位置要求 3）五類尺寸、四類技術(shù)條件的分類 五類尺寸、四類技術(shù)條件根據(jù)是否與工序加工要求相關(guān)而分為兩類，其精度 值大小和取法不同。 A：與工件加工要求無直接關(guān)系的 ① 尺寸公差與配合 這類尺寸公差與配合應(yīng)按照元件在夾具中的功用和裝配 要求，根據(jù)公差與配合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或參閱有關(guān)資料來制定。 ② 技術(shù)條件 與工件加工要求無直接關(guān)系的夾具上技術(shù)條件。 B： 與加工要求直接相關(guān)的 這類尺寸和技術(shù)條件與工件上相應(yīng)尺寸和技術(shù) 5 條件直接對(duì)應(yīng)，直接根據(jù)工件相應(yīng)尺寸公差和相互位置允差的（1/5～1/2）的值 選取。一般工件允差小，取大系數(shù)，工件允差大，則取小系數(shù)。 制定這類夾具尺寸公差時(shí)，要注意下列問題。 ① 應(yīng)經(jīng)工件的平均尺寸作為夾具相應(yīng)尺寸的基本尺寸，極限偏差按對(duì)稱雙向 標(biāo)注。 ② 應(yīng)以工序尺寸（不一定是工件最終尺寸）作為夾具基本尺寸的設(shè)計(jì)依據(jù)。 4）夾具調(diào)刀尺寸的標(biāo)注 當(dāng)夾具設(shè)計(jì)完成，按要求標(biāo)注尺寸后，對(duì)有些夾具如銑夾具，往往還要標(biāo)注 調(diào)刀尺寸（調(diào)刀尺寸一般是指夾具的調(diào)刀基準(zhǔn)到對(duì)刀元件工作表面的位置尺寸）， 即刀具相對(duì)基準(zhǔn)的尺寸，它與工件加工尺寸直接相關(guān)，也是夾具總圖上關(guān)鍵尺寸 要求。 四：夾具體設(shè)計(jì) 夾具總體設(shè)計(jì)中最后完成的主要元件是夾具體。夾具體是夾具基礎(chǔ)件、組成 夾具的各種元件、機(jī)構(gòu)、裝置都要安裝在夾具體上。在加工過程中，它還要承受 切削力、夾緊、慣性力及由此而產(chǎn)生的振動(dòng)和沖擊。所以，夾具體是夾具中一個(gè) 設(shè)計(jì)、制造勞動(dòng)量大，耗費(fèi)材料多，加工要求高的零部件。在夾具成本中所占比 重較大，制造周期也長(zhǎng)，設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)給以足夠的重視。 （1）夾具體和毛坯結(jié)構(gòu) 實(shí)際生產(chǎn)中所用夾具體常用的有三種結(jié)構(gòu)。 A：鑄造結(jié)構(gòu) 鑄造結(jié)構(gòu)夾具體的優(yōu)點(diǎn)如下： ① 可鑄出復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形狀。 ② 鑄件抗壓強(qiáng)度大、抗振性好，特別適用于加工時(shí)振動(dòng)大、切削負(fù)荷大的場(chǎng) 合。 ③ 鑄件易于加工，價(jià)格低廉，成本低。但鑄件生產(chǎn)周期長(zhǎng)，因存在鑄內(nèi)應(yīng)力， 易引起變形，影響夾具精度的保持性，因此，夾具體必須進(jìn)行時(shí)效處理。 B：焊接結(jié)構(gòu)其優(yōu)點(diǎn)如下： ① 容易制造，周期短。 ② 采用鋼板、型材，如結(jié)構(gòu)合理，布置得當(dāng)，可減小質(zhì)量。由于上述兩優(yōu)點(diǎn)， 特別適用于新產(chǎn)品試制或臨時(shí)急用的場(chǎng)合，以縮短生產(chǎn)周期。此外，一些結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 6 單的小型夾具，如翻轉(zhuǎn)式鉆模、蓋板式鉆模、可缷式鉆模，采用焊接式結(jié)構(gòu)十分 有利，因?yàn)檫@些夾具要頻繁拆缷翻轉(zhuǎn)，力求結(jié)構(gòu)輕巧耐磨。 但焊接結(jié)構(gòu)夾具體在焊接過程中的熱變形和殘余應(yīng)力對(duì)夾具精度會(huì)有不得影 響，因此，焊完后要進(jìn)行退火處理；另外，為提高剛性需加加強(qiáng)筋。 C：裝配結(jié)構(gòu) 裝配夾具體是選用夾具專用標(biāo)準(zhǔn)毛坯或標(biāo)準(zhǔn)零件，根據(jù)使用要求組裝而成， 可得到精確的外形和空間位置尺寸。標(biāo)準(zhǔn)毛坯和標(biāo)準(zhǔn)零件可組織專業(yè)化生產(chǎn)，這 樣不但可以大大縮短夾具體的生產(chǎn)周期，還可降低生產(chǎn)成本。要使裝配夾具體在 生產(chǎn)中得到廣泛使用，必須實(shí)行夾具零部件的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化。 （2）對(duì)夾具體的基本要求 A：一定的形狀和尺寸 夾具的外形，取決于安裝在夾具上的各種元件、機(jī)構(gòu)、裝置的形狀及它們之 間的布置位置。設(shè)計(jì)時(shí)，只要將組成該夾具的所有元件、機(jī)構(gòu)和裝置的結(jié)構(gòu)尺寸 都設(shè)計(jì)好并布置好它們?cè)趫D紙上的位置，就可以由此勾畫出夾具體的大致外形輪 廓尺寸。因?yàn)槭菃渭a(chǎn)，一般不作復(fù)雜計(jì)算設(shè)計(jì)。通常參照類似的夾具結(jié)構(gòu)， 按經(jīng)驗(yàn)類比法估計(jì)確定。 確定夾具體尺寸時(shí)，可參考下面數(shù)據(jù)。 ① 鑄造結(jié)構(gòu)的夾具體，壁厚取 15～40mm，過厚處挖空。 ② 焊接結(jié)構(gòu)用鋼板取 10～15mm，剛度不夠時(shí)加筋板。 ③ 夾具體上不加工表面與工件表面之間應(yīng)有一定間隙，以保證工件與夾具體 之間不發(fā)生干涉。間隙大小按以下規(guī)定選取： a:夾具體、工件都是毛面，間隙取 8～15mm. b:夾具體是毛面，工件是光面，間隙取 4～10mm. B：足夠的強(qiáng)度和剛度 目的是減小在加工過程中因受切削力、夾緊力等而發(fā)生變形或振動(dòng)。當(dāng)剛度 不夠時(shí)，可增設(shè)加強(qiáng)筋或用框形結(jié)構(gòu)。若用加強(qiáng)筋，其壁厚取 0.7～0.9 倍壁厚， 高度不大于壁厚 5 倍。 C：良好的結(jié)構(gòu)工藝性 以便于制造、裝配、并減少加工工時(shí)。如夾具體上大平面上要局部加工，可 鑄出 3～5mm 凸臺(tái)；各加工表面，最好在同一平面內(nèi)或在同一回轉(zhuǎn)表面上，以便于 7 加工；盡量減少加工表面面積。另外，對(duì)于切削量大的工件所使用夾具，要注意 應(yīng)能方便排屑，以免影響安裝精度；對(duì)于大而重的夾具體，要考慮起吊裝置，如 吊環(huán)螺釘或起重螺栓。 2 加工工藝規(guī)程設(shè)計(jì) 2.1 零件的作用 題目所給的零件是動(dòng)力輸出變速撥叉。它位于機(jī)床變速機(jī)構(gòu)中，主要起換檔， 使主軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)按照工作者的要求工作，獲得所需的速度和扭矩的作用。零件上 方的 φ16 孔與操縱機(jī)構(gòu)相連，二下方叉口則是用于與所控制齒輪所在的軸接觸。 通過上方的力撥動(dòng)下方的齒輪變速。 2.2 零件的工藝分析 零件的結(jié)構(gòu)的工藝性是指所設(shè)計(jì)的零件在滿足使用要求的前提下，制造的可 行性與經(jīng)濟(jì)性。零件結(jié)構(gòu)工藝性審查如下所述： 1、避免內(nèi)表面、內(nèi)凹面的加工，利于提高效率，保證精度。 2、加工螺紋時(shí)應(yīng)留有退刀槽，或具有螺紋尾扣，以方便退刀。 3、磨削時(shí)各表面間的過渡部分，應(yīng)留有越程槽。 4、加工多聯(lián)齒輪或插鍵槽時(shí)應(yīng)留有空刀。 5、將支承面改為臺(tái)階式，將加工面鑄出凸臺(tái)、保留精加工面的必要長(zhǎng)度，以 減少加工面，提高效率，保證精度。 6、避免在斜面上鉆孔，避免鉆頭單刃切削，防止刀具損壞和孔中心偏斜。 7、避免深孔加工，改善排屑和冷卻條件。 8、刀具應(yīng)易于加工切削部位，避免采用接長(zhǎng)鉆頭等非標(biāo)準(zhǔn)刀具。 2.3 基面的選擇 基面的選擇是工藝規(guī)程設(shè)計(jì)中的重要工作之一?；孢x擇的正確、合理，可 以保證質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率。否則，就會(huì)使加工工藝過程問題百出，嚴(yán)重的還會(huì) 8 造成零件大批報(bào)廢，使生產(chǎn)無法進(jìn)行。 2.3.1 粗基準(zhǔn)的選擇原則 1）如果必須首先保證工件上加工表面與不加工表面 之間的位置要求，應(yīng)以 不加工表面作為粗基準(zhǔn)。如果在工件上有很多不需加工的表面，則應(yīng)以其中與加 工面位置精度要求較高的表面作粗基準(zhǔn)。 2）如果必須首先保證工件某重要表面的加工余量均勻，應(yīng)選擇該表面作精基 準(zhǔn)。 3）如需保證各加工表面都有足夠的加工余量，應(yīng)選加工余量較小的表面作粗 基準(zhǔn)。 4）選作粗基準(zhǔn)的表面應(yīng)平整，沒有澆口、冒口、飛邊等缺陷，以便定位可靠。 5）粗基準(zhǔn)一般只能使用一次，特別是主要定位基準(zhǔn)，以免產(chǎn)生較大的位置誤 差。 2.3.2 精基準(zhǔn)選擇的原則 選擇精基準(zhǔn)時(shí)要考慮的主要問題是如何保證設(shè)計(jì)技術(shù)要求的實(shí)現(xiàn)以及裝夾準(zhǔn) 確、可靠、方便。 精基準(zhǔn)選擇應(yīng)當(dāng)滿足以下要求： 1）用設(shè)計(jì)基準(zhǔn)作為定位基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)“基準(zhǔn)重合”，以免產(chǎn)生基準(zhǔn)不重合 誤差。 2）當(dāng)工件以某一組精基準(zhǔn)定位可以較方便地加工很多表面時(shí)，應(yīng)盡可能 采用此組精基準(zhǔn)定位，實(shí)現(xiàn)“基準(zhǔn)統(tǒng)一”，以免生產(chǎn)基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換誤差。 3）當(dāng)精加工或光整加工工序要求加工余量盡量小而均勻時(shí)，應(yīng)選擇加工 表面本身作為精基準(zhǔn)，即遵循“自為基準(zhǔn)”原則。該加工表面與其他表面間 的位置精度要求由先行工序保證。 4）為獲得均勻的加工余量或較高 的位置精度，可遵循“互為基準(zhǔn)”、 反復(fù)加工的原則。 5）有多種方案可供選擇時(shí)應(yīng)選擇定位準(zhǔn)確、穩(wěn)定、夾緊可靠，可使夾具 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的表面作為精基準(zhǔn)。 9 2.4 制定工藝路線 制定工藝路線的出發(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)要求能得到合理的保證。在生產(chǎn)綱領(lǐng)以確定為大批生產(chǎn)的條件下， 可采用通用機(jī)床配以專用工夾具，并盡量使工序集中來提高生產(chǎn)效率。除此 以外，還應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)效果，以便降低生產(chǎn)成本。 最終工藝方案如下： 工序 01：金屬性澆鑄 工序 02：正火處理以消除內(nèi)應(yīng)力，正火硬度 180-229HRC 工序 03：高頻淬火，淬火硬度不低于 50HRC，深度 1.2-2 工序 04：銑 Φ16H9 前端面 工序 05：銑 Φ16H9 后端面 工序 06：鉆、鉸 Φ16H9 孔；倒角 1×45° 工序 07：銑寬 14 槽 工序 08：銑叉口兩端面 工序 09：銑叉口內(nèi)側(cè)面；倒角 0.5×45° 工序 10：鉆 Φ10H12 孔 工序 11：鉆 Φ4 孔 工序 12：去毛刺 工序 13：檢驗(yàn)至圖紙要求并入庫 2.5 確定各工序的加工余量、計(jì)算工序尺寸及公差 工件毛坯為鑄件，查相關(guān)資料知，采用金屬模機(jī)械砂型鑄造，鑄造精度等級(jí) IT8，加工余量等級(jí) MA-G。 1、Φ16H9 前端面的加工余量 由上述知，鑄造等級(jí) IT8，加工余量等級(jí) MA-G，查《機(jī)械制造工藝 設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明手冊(cè)》表 2.2-4 知，單邊加工余量 Z=2.0mm，再由零件圖知，表面 粗糙度 Ra25，根據(jù)《機(jī)械制造工藝設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明手冊(cè)》表 1.4-8 知，一步銑削即 可滿足其精度要求。 2、Φ16H9 后端面的加工余量 由上述知，鑄造等級(jí) IT8，加工余量等級(jí) MA-G，查《機(jī)械制造工藝 10 設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明手冊(cè)》表 2.2-4 知，單邊加工余量 Z=2.0mm，再由零件圖知，表面 粗糙度 Ra25，根據(jù)《機(jī)械制造工藝設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明手冊(cè)》表 1.4-8 知，一步銑削即 可滿足其精度要求。 3、Φ16H9 孔的加工余量 因孔的尺寸不大，故采用實(shí)心鑄造，由零件圖知，表面粗糙度 Ra3.2，根據(jù)《機(jī)械制造工藝設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明手冊(cè)》表 2.3-9 知，需經(jīng)鉆、鉸方可滿 足其精度要求。首先鉆孔至 Φ15，后再鉸 Φ15 孔至 Φ16。 4、寬 14 槽的加工余量 因表面的尺寸不大，故采用實(shí)心鑄造，由零件圖知，表面粗糙度 Ra6.3，根據(jù)《機(jī)械制造工藝設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明手冊(cè)》表 1.4-8 知，一步銑削即可滿足 其精度要求。 5、叉口兩端面的加工余量 由上述知，鑄造等級(jí) IT8，加工余量等級(jí) MA-G，查《機(jī)械制造工藝 設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明手冊(cè)》表 2.2-4 知，單邊加工余量 Z=2.0mm，再由零件圖知，表面 粗糙度 Ra6.3，根據(jù)《機(jī)械制造工藝設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明手冊(cè)》表 1.4-8 知，一步銑削 即可滿足其精度要求。 6、叉口內(nèi)側(cè)面的加工余量 由上述知，鑄造等級(jí) IT8，加工余量等級(jí) MA-G，查《機(jī)械制造工藝 設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明手冊(cè)》表 2.2-4 知，單邊加工余量 Z=2.0mm，再由零件圖知，表面 粗糙度 Ra6.3，根據(jù)《機(jī)械制造工藝設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明手冊(cè)》表 1.4-8 知，一步銑削 即可滿足其精度要求。 7、Φ10H12 孔的加工余量 因孔的尺寸不大，故采用實(shí)心鑄造，由零件圖知，表面粗糙度 Ra12.5，根據(jù)《機(jī)械制造工藝設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明手冊(cè)》表 2.3-9 知，一步鉆削即可滿 足其精度要求。 8、Φ4 孔的加工余量 因孔的尺寸不大，故采用實(shí)心鑄造，由零件圖知，表面粗糙度 Ra12.5，根據(jù)《機(jī)械制造工藝設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明手冊(cè)》表 2.3-9 知，一步鉆削即可滿 足其精度要求。 11 2.6 確定切削用量及基本工時(shí) 工序 01：金屬性澆鑄 工序 02：正火處理以消除內(nèi)應(yīng)力，正火硬度 180-229HRC 工序 03：高頻淬火，淬火硬度不低于 50HRC，深度 1.2-2 工序 04：銑 Φ16H9 前端面 1、選擇刀具 刀具選取硬質(zhì)合金端面銑刀，刀片采用 YG8, ， ， ， 。map0.2?d20?min/30v4?z 2. 決定銑削用量 1）決定銑削深度 因?yàn)榧庸び嗔坎淮螅冶砻娲植?Ra25，要求不高，故可在一次走刀內(nèi)銑完， 則 map0.2? 2）決定每次進(jìn)給量及切削速度 根據(jù) X51 型立式銑床說明書，其功率為為 7.5kw，中等系統(tǒng)剛度。 根據(jù)表查出 ，則齒/25.0mfz?in49310rdvns ???? 按機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)選取 ＝490wn/min/8.30120vw?? 當(dāng) ＝490r/min 時(shí)nrzfwm /49025.?? 按機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)選取 mf 3）計(jì)算工時(shí) 切削工時(shí)： ， ，l16?l0.2ml3? 則機(jī)動(dòng)工時(shí)為 in17.i25.049321 ????fnltwm 12 工序 05：銑 Φ16H9 后端面 1、選擇刀具 刀具選取硬質(zhì)合金端面銑刀，刀片采用 YG8, ， ， ， 。map0.2?d20?min/30v4?z 2. 決定銑削用量 1）決定銑削深度 因?yàn)榧庸び嗔坎淮?，且表面粗?Ra25，要求不高，故可在一次走刀內(nèi)銑完， 則 map0.2? 2）決定每次進(jìn)給量及切削速度 根據(jù) X51 型立式銑床說明書，其功率為為 7.5kw，中等系統(tǒng)剛度。 根據(jù)表查出 ，則齒/25.0mfz?in49310rdvns ???? 按機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)選取 ＝490wn/min/8.30120vw?? 當(dāng) ＝490r/min 時(shí)nrzfwm /49025.?? 按機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)選取 mf 3）計(jì)算工時(shí) 切削工時(shí)： ， ，l361?l0.2ml3? 則機(jī)動(dòng)工時(shí)為 in5.i125.04921 ????fnltwm 工序 06：鉆、鉸 Φ16H9 孔；倒角 1×45° 工步一：鉆孔至 Φ15 選用 高速鋼錐柄麻花鉆（《工藝》表 3.1－6）15? 13 由《切削》表 2.7 和《工藝》表 4.2－16 查得 0.28/fmr?機(jī) （《切削》表 2.15）min/25v? 531r/minin/15201rD??? 按機(jī)床選取 n=545r/min mi/7.041dnvw? 切削工時(shí)： ， ，l351l52?l3 則機(jī)動(dòng)工時(shí)為 min29.0i128.0547321 ?????ifnlltwm 工步二：鉸 Φ15 孔至 Φ16 孔 選用 高速鋼錐柄鉸刀（《工藝》表 3.1－6）16? 由《切削》表 2.7 和《工藝》表 4.2－16 查得 rmf/1.0?機(jī) （《切削》表 2.15）min/50v? 995r/minin/16501rD??? 按機(jī)床選取 n=960r/min mi/3.48091dnvw? 切削工時(shí)： ， ，l51l502?l3 則機(jī)動(dòng)工時(shí)為 min402.i1.096321 ?????ifnlltwm 工步三：倒角 1×45° 工序 07：銑寬 14 槽 1、選擇刀具 刀具選取硬質(zhì)合金三面刃銑刀，刀片采用 YG8, ， ， ， 。map0.7?d80?min/120v6?z 14 2. 決定銑削用量 1）決定銑削深度 因?yàn)榧庸び嗔坎淮?，且表面粗?Ra63，要求不高，故可在一次走刀內(nèi)銑完， 則 map0.7? 2）決定每次進(jìn)給量及切削速度 根據(jù) X52K 型立式銑床說明書，其功率為為 7.5kw，中等系統(tǒng)剛度。 根據(jù)表查出 ，則齒/25.0mfz?in478110rdvns ???? 按機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)選取 ＝475wn/min/4.190581vw?? 3）計(jì)算工時(shí) 切削工時(shí)： ， ，l81l0.72?ml3 則機(jī)動(dòng)工時(shí)為 in6.i125.047321 ?????fnltwm 工序 08：銑叉口兩端面 1、選擇刀具 刀具選取硬質(zhì)合金三面刃銑刀，刀片采用 YG8, ， ， ， 。map0.2?d80?min/120v6?z 2. 決定銑削用量 1）決定銑削深度 因?yàn)榧庸び嗔坎淮螅冶砻娲植?Ra6.3，要求不高，故可在一次走刀內(nèi)銑完， 則 map0.2? 2）決定每次進(jìn)給量及切削速度 根據(jù) X52K 型立式銑床說明書，其功率為為 7.5kw，中等系統(tǒng)剛度。 根據(jù)表查出 ，則齒/25.0mfz? 15 min/47801210rdvns ???? 按機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)選取 ＝475wnin/4.190581vw?? 3）計(jì)算工時(shí) 切削工時(shí)： ， ，ml7.31l0.2?ml3 則機(jī)動(dòng)工時(shí)為 in6.i425.04721 ?????fnltwm 工序 09：銑叉口內(nèi)側(cè)面；倒角 0.5×45° 1、選擇刀具 刀具選取硬質(zhì)合金三面刃銑刀，刀片采用 YG8, ， ， ， 。map0.2?d80?min/120v6?z 2. 決定銑削用量 1）決定銑削深度 因?yàn)榧庸び嗔坎淮?，且表面粗?Ra6.3，要求不高，故可在一次走刀內(nèi)銑完， 則 map0.2? 2）決定每次進(jìn)給量及切削速度 根據(jù) X52K 型立式銑床說明書，其功率為為 7.5kw，中等系統(tǒng)剛度。 根據(jù)表查出 ，則齒/25.0mfz?in478110rdvns ???? 按機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)選取 ＝475wn/min/4.190581vw?? 3）計(jì)算工時(shí) 切削工時(shí)： ， ，l71l0.2?l3 則機(jī)動(dòng)工時(shí)為 16 min203.i25.047321 ????fnltwm 工步二：倒角 0.5×45° 工序 10：鉆 Φ10H12 孔 選用 高速鋼錐柄麻花鉆（《工藝》表 3.1－6）10? 由《切削》表 2.7 和《工藝》表 4.2－16 查得 0.28/fmr?機(jī) （《切削》表 2.15）min/8v? 573r/minin/10810rD??? 按機(jī)床選取 n=545r/min mi/2.75410dnvw? 切削工時(shí)： ， ，l31l0?l3 則機(jī)動(dòng)工時(shí)為 min295.0i128.0547321 ?????ifnlltwm 工序 11：鉆 Φ4 孔 選用 高速鋼錐柄麻花鉆（《工藝》表 3.1－6）10? 由《切削》表 2.7 和《工藝》表 4.2－16 查得 0.28/fmr?機(jī) （《切削》表 2.15）min/7v? 557r/minin/4710rD??? 按機(jī)床選取 n=545r/min mi/9.6105dnvw? 切削工時(shí)： ， ，l4l02?l3 則機(jī)動(dòng)工時(shí)為 min18.0i28.054321 ????ifnlltwm 工序 12：去毛刺 17 工序 13：檢驗(yàn)至圖紙要求并入庫 3 專用夾具設(shè)計(jì) 為了提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，保證加工質(zhì)量，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，需要設(shè)計(jì)專用夾具。 有老師分配的任務(wù)，我被要求設(shè)計(jì)銑寬 14 槽的專用夾具。 3.1 問題提出 本夾具主要用來銑寬 14 槽，表面質(zhì)量 Ra6.3，精度要求不高。因此，在本道 工序加工時(shí)，主要考慮如何提高生產(chǎn)率、降低勞動(dòng)強(qiáng)度。 3.2 定位基準(zhǔn)的選擇 擬定加工路線的第一步是選擇定位基準(zhǔn)。定位基準(zhǔn)的選擇必須合理，否則將 直接影響所制定的零件加工工藝規(guī)程和最終加工出的零件質(zhì)量?；鶞?zhǔn)選擇不當(dāng)往 往會(huì)增加工序或使工藝路線不合理，或是使夾具設(shè)計(jì)更加困難甚至達(dá)不到零件的 加工精度（特別是位置精度）要求。因此我們應(yīng)該根據(jù)零件圖的技術(shù)要求，從保 證零件的加工精度要求出發(fā)，合理選擇定位基準(zhǔn)。此零件圖沒有較高的技術(shù)要求， 也沒有較高的平行度和對(duì)稱度要求，所以我們應(yīng)考慮如何提高勞動(dòng)效率，降低勞 動(dòng)強(qiáng)度，提高加工精度。由零件圖和工藝過程得，選銑寬 14 槽的作為定位基準(zhǔn)。 3.3 定位元件的設(shè)計(jì) 選擇已加工好的 Φ16H9 后端面、叉口內(nèi)側(cè)面和 Φ16H9 孔及工件一側(cè)來定位， 所以相應(yīng)的夾具上的定位元件應(yīng)是定位銷和調(diào)節(jié)支承及 A 型固定式定位銷。因此 進(jìn)行定位元件的設(shè)計(jì)主要是對(duì)定位銷和調(diào)節(jié)支承及 A 型固定式定位銷，夾緊則是 在定位銷的螺桿上用螺母進(jìn)行夾緊來完成。 1、Φ16H9 后端面與定位銷相配合，限制三個(gè)自由度，即 X 軸移動(dòng)、Y 軸轉(zhuǎn)動(dòng) 和 Z 軸轉(zhuǎn)動(dòng)。 2、Φ16H9 孔與定位銷相配合，限制兩個(gè)自由度，即 Y 軸移動(dòng)和 Z 軸移動(dòng)。 3、叉口內(nèi)側(cè)面與 A 型固定式定位銷相配合，限制一個(gè)自由度，即 X 軸轉(zhuǎn)動(dòng)。 18 4、工件一側(cè)與調(diào)節(jié)支承相配合，起到一個(gè)浮動(dòng)支承的作用 工件六個(gè)自由度被完全限制，屬于完全定位，故設(shè)計(jì)合理。 3.4 定位誤差分析 1、 基準(zhǔn)位移誤差 Y? 由于定位副的制造誤差或定位副配合同間所導(dǎo)致的定位基準(zhǔn)在加工尺寸方向 上最大位置變動(dòng)量，稱為基準(zhǔn)位移誤差，用 表示。Y? 工件以 Φ16H9 后端面和 Φ16H9 孔及工件一側(cè)來定位，銑叉口內(nèi)側(cè)面，如果 工件內(nèi)孔直徑與軸外圓直徑做成完全一致，做無間隙配合，即孔的中心線與軸的 中心線位置重合，則不存在因定位引起的誤差。但實(shí)際上，軸和工件內(nèi)孔都有制 造誤差，于是工件套在軸上必然會(huì)有間隙，孔的中心線與軸的中心線位置不重合， 導(dǎo)致這批工件的加工尺寸 H 中附加了工件定位基準(zhǔn)變動(dòng)誤差，其變動(dòng)量即為最大 配合間隙。按下式計(jì)算 )(21minaxminaxYdD???? 式中 ——基準(zhǔn)位移誤差，mm ——孔的最大直徑，mmmaxD ——軸的最小直徑，mmind =0.017mmm15.984-0.62)(21minaxY ）（????? 2、基準(zhǔn)不重合誤差 B 加工尺寸 h 的基準(zhǔn)是外圓柱面的母線上，但定位基準(zhǔn)是工件圓柱孔中心線。 這種由于工序基準(zhǔn)與定位基準(zhǔn)不重合導(dǎo)致的工序基準(zhǔn)在加工尺寸方向上的最大位 置變動(dòng)量，稱為基準(zhǔn)不重合誤差，用 表示。基準(zhǔn)不重合誤差為 =B?B?d?21 式中 ——基準(zhǔn)不重合誤差，mmB? ——工件的最大外圓面積直徑公差，mmd? =Bm09.18.021??? 19 3.5 切削力的計(jì)算與夾緊力分析 查表 4 得切削力計(jì)算公式： ppf Kfa7.031F? 式中 ，f=1mm/r,查表得 75.0)36/(??p =736MPa, 即 = =1547N?1p pf Kfa7.013F117.03.? 所需夾緊力，查表 5 得， ，安全系數(shù) K=Wk 654320K 式中 為各種因素的安全系數(shù)，查表得：60~K K= =1.872，當(dāng)計(jì)算 K2.5 時(shí)，取 K=2.50.13.121?? 孔軸部分由 M6 螺母鎖緊，查表得夾緊力為 12360N = =30900NWK?k5.60 由上計(jì)算得 》 ，因此采用該夾緊機(jī)構(gòu)工作是可靠的。kfF 3.6 夾具設(shè)計(jì)及操作簡(jiǎn)要說明 如前所述，在設(shè)計(jì)夾具時(shí)，應(yīng)該注意提高勞動(dòng)生產(chǎn)率避免干涉。應(yīng)使 夾具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于操作，降低成本。提高夾具性價(jià)比。本道工序?yàn)殂姶?夾具選擇在定位銷的螺桿上用螺母進(jìn)行夾緊工件。本工序?yàn)殂娤饔嗔啃。?銑削力小，所以一般的手動(dòng)夾緊就能達(dá)到本工序的要求。 20 結(jié)束語 本設(shè)計(jì)中是對(duì)動(dòng)力輸出變速撥叉加工工藝的編制和專用夾具的設(shè)計(jì)，使對(duì)零 件的加工過程和夾具的設(shè)計(jì)有進(jìn)一步的提高。在這次的設(shè)計(jì)中也遇到了不少的問 題，如在編寫加工工藝時(shí)，對(duì)所需加工面的先后順序編排，對(duì)零件的加工精度和 勞動(dòng)生產(chǎn)率都有相當(dāng)大的影響。在對(duì)某幾個(gè)工序進(jìn)行專用夾具設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)零件的 定位面的選擇，采用什么方式定位，夾緊方式及夾緊力方向的確定等等都存在問 題。這些問題都直接影響到零件的加工精度和勞動(dòng)生產(chǎn)率，為達(dá)到零件能在保證 精度的前提下進(jìn)行加工，而且方便快速，以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低成本的目的。 通過不懈努力和指導(dǎo)老師的精心指導(dǎo)下，針對(duì)這些問題查閱了大量的相關(guān)資料。 最后，將這些問題一一解決。 通過做這次的設(shè)計(jì)，使對(duì)專業(yè)知識(shí)和技能有了進(jìn)一步的提高，為以后從事本 專業(yè)技術(shù)的工作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 21 謝 辭 這次設(shè)計(jì)使我收益不小，為我今后的學(xué)習(xí)和工作打下了堅(jiān)實(shí)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(cè)時(shí)，數(shù)據(jù)存在大量的重復(fù)和重疊，由 于經(jīng)驗(yàn)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(shí)給我指明了方向，最終我很順利的完成了 畢業(yè)設(shè)計(jì)。 這次設(shè)計(jì)成績(jī)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，特別是每次都放下她的休息時(shí)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(lì)著我。從課題的選擇到項(xiàng)目的最終完成，她都始終給予我細(xì)心的指導(dǎo) 和不懈的支持。多少個(gè)日日夜夜，她不僅在學(xué)業(yè)上給我以精心指導(dǎo)，同時(shí)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，她的治學(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(chéng)摯的謝意和崇高的敬意。 22 參 考 文 獻(xiàn) [1] 李 洪．機(jī)械加工工藝手冊(cè)[M] ．北京出版社，1996．1． [2] 陳宏鈞．實(shí)用金屬切削手冊(cè)[M] ．機(jī)械工業(yè)出版社，2005．1． [3] 上海市金屬切削技術(shù)協(xié)會(huì)．金屬切削手冊(cè)[M]．上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2002． [4] 楊叔子．機(jī)械加工工藝師手冊(cè)[M]．機(jī)械工業(yè)出版社，2000． [5] 徐鴻本．機(jī)床夾具設(shè)計(jì)手冊(cè)[M] ．遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2003．10． [6] 都克勤．機(jī)床夾具結(jié)構(gòu)圖冊(cè)[M] ．貴州人民出版社，1983．4． [7] 胡建新．機(jī)床夾具[M] ．中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)保障出版社，2001．5． [8] 馮 道．機(jī)械零件切削加工工藝與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)用手冊(cè)[M] ．安徽文化音像出 版社，2003． [9] 王先逵．機(jī)械制造工藝學(xué)[M]．機(jī)械工業(yè)出版社，2000． [10] 馬賢智．機(jī)械加工余量與公差手冊(cè)[M]．中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1994．12． [11] 劉文劍．夾具工程師手冊(cè)[M]．黑龍江科學(xué)技術(shù)出版社，1987． [12] 王光斗．機(jī)床夾具設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]．上海科學(xué)技術(shù)出版社，2002．8．