摇杆零件加工工艺及夹具设计(含全套CAD图纸)
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XX学院题 目: 摇杆的机械加工工艺及夹具设计 学生姓名 专业_ 学号_ 班级 指导教师 22摘要本文是在摇杆的图样分析后进行摇杆的机械加工工艺路线的设计,同时按照其中的加工工序的要求设计夹具。摇杆的主要加工内容是表面和孔。其加工路线长,加工时间多,加工成本高,零件的加工精度要求也高。按照机械加工工艺要求,遵循先面后孔的原则,并将孔与平面的加工明确划分成粗加工和精加工阶段以保证加工精度。基准选择以底面作为粗基准,以底面与两个工艺孔作为精基准,确定了其加工的工艺路线和加工中所需要的各种工艺参数。在零件的夹具设计中,主要是根据零件加工工序要求,分析应限的自由度数,进而根据零件的表面特征选定定位元件,再分析所选定位元件能否限定应限自由度。确定了定位元件后还需要选择夹紧元件,最后就是确定专用夹具的结构形式。关键词:摇杆;加工工艺;工序;专用夹具AbstractThis paper is the design of mechanical machining process route of rocker rocker in pattern analysis after, at the same time according to the design process requirements of the fixture.The main contents of the rocker is processing surface and the hole. The processing route long processing time, high processing cost, the machining precision is high. In accordance with the requirements of the machining process, follow the principle of the surface after the first hole, and the hole and the plane processing clearly divided into roughing and finishing stages of processing to ensure accuracy. Reference to the bottom as the benchmark crude, the bottom with two holes as a precision technology base, a variety of process parameters to theprocessing technology and processing were determined.In parts of fixture design, mainly according to the requirements of machining process, analysis of the degrees of freedom should be restricted, and then according to the characteristics of the selected surface parts of the positioning element, then analysis the selected location of components can be qualified shall be limited degrees of freedom. Determine the positioning components also need to select the clamping element, finally, is to determine the structure of fixture.Keywords: rocker; process; process; special fixture目 录摘要IAbstractII1 序言12 零件的分析22.1零件的作用22.2 零件图22.3零件的工艺分析32.4工艺规程设计32.4.1确定毛坯种类32.4.2基面的选择42.4.3制定工艺路线62.4.4机械加工余量工序尺寸及公差的确定62.4.5确定切削用量及时间定额73 钻孔专用夹具设计133.1问题的指出1332定位基准的选择133.3夹具方案的设计133.4.切削力和夹紧力计算143.5夹紧力的计算143.6定位误差分析153.7 零、部件的设计与选用163.8 确定夹具体结构尺寸和总体结构17总 结19致 谢20参 考 文 献211 序言机械制造技术基础学是以机械制造中的工艺问题为研究对象,实践性较强的一门学科,通过对此门学科的毕业设计,使我在下述各方面得到了锻炼:能熟练运用机械制造技术基础课程中的基本理论以及在生产实习中学到的实践知识,正确的解决一个零件在加工中的定位、夹紧以及工艺路线的安排、工艺尺寸的确定等问题,保证零件的加工质量。提高结构设计能力。通过设计夹具的训练,获得根据被加工零件的加工要求,设计出高效、省力、既经济合理又能保证加工质量的夹具的能力。学会使用手册及图表资料。培养了一定的创新能力。通过对拔叉的工艺及夹具设计,汇总所学专业知识如一体(如互换性与测量技术基础、机械设计、金属切削机床概论、机械制造工艺学、金属切削原理与刀具等)。让我们对所学的专业课得以巩固、复习及实用,在理论与实践上有机结合;使我们对各科的作用更加深刻的熟悉与理解,并为以后的实际工作奠定坚实的基础!2 零件的分析2.1零件的作用题目所给的零件是车床的摇杆铣床叉。它位于车床床变速机构中,主要起换档,使主轴回转运动按照工作者的要求工作,获得所需的速度和扭矩的作用。2.2 零件图2.3零件的工艺分析零件的材料为HT200,灰铸铁生产工艺简单,铸造性能优良,但塑性较差、脆性高,不适合磨削,为此以下是摇杆需要加工的表面以及加工表面之间的位置要求1.小头孔以及与此孔相通的键槽2.大头圆孔36 3.小头孔端面、大头圆孔上下60端面。由上面分析可知,可以粗加小头孔端面,然后以此作为粗基准采用专用夹具进行加工,并且保证位置精度要求。再根据各加工方法的经济精度及机床所能达到的位置精度,并且此摇杆零件没有复杂的加工曲面,所以根据上述技术要求采用常规的加工工艺均可保证2.4工艺规程设计2.4.1确定毛坯种类1零件材料为HT200,零件结构较简单,中等批量生产,选择砂型铸造毛坯,查机械制造工艺设计简明手册,表2-2-5,选用铸件尺寸公差等级为CT-12。2确定加工余量及形状加工余量36上端面 336下端面 360上端面 360下端面 336 孔 315 孔 实心3绘制铸件毛坯图2.4.2基面的选择定位基准是影响摇杆零件加工精度的关键因素。基准选择得合理可以使加工质量得到保证,生产率得以提高。否则,加工过程中将问题百出,更有甚者,造成零件的大批报废,使生产无法正常进行。 (1)粗基准的选择。对于零件而言,尽可能选择不加工表面为粗基准。而对有若干个不加工表面的工件,则应以与加工表面要求相对位置精度较高的不加工表面作粗基准。(2)精基准的选择。主要应该考虑基准重合的问题。当设计基准与工序基准不重合时,应该进行尺寸换算,这在以后还要专门计算,应该进行尺寸互算。(3)加工阶段的划分该摇杆加工质量要求较高,可将加工阶段划分成粗加工、精加工和精加工几个阶段。(4)工序的集中和分散本摇杆选用工序集中原则安排摇杆的加工工序。该摇杆的生产类型为成批生产,可以采用万能型机床配以专用工装、夹具,以提高生产率;而且运用工序集中原则使工件的装夹次数少,不但可缩短辅助时间,而且由于在一次装夹中加工了许多表面,有利于保证加工表面之间的相对位置精度要求。(5) 加工原则:1)遵循“先基准后其他”原则,首先加工基准摇杆下端面2)遵循“先粗后精”原则,先安排粗加工工序,后安排精加工工序。3)遵循“先主后次”原则. 4)遵循“先面后孔”原则.2.4.3制定工艺路线制定工艺路线得出发点,应当是使零件的几何形状、尺寸精度及位置精度等技术要求能得到合理的保证,在生产纲领已确定的情况下,可以考虑采用万能性机床配以专用夹具,并尽量使工序集中来提高生产率。除此之外,还应当考虑经济效果,以便使生产成本尽量下降。工艺路线方案:01 粗铣下端面02 粗铣25外圆上端面03 粗铣60外圆上端面04 钻、铰15孔05 钻、扩、铰36孔06 精铣25外圆下端面07 精铣25外圆上端面08 铣下端面09 插键槽10 去毛刺2.4.4机械加工余量工序尺寸及公差的确定圆柱表面工序尺寸:前面已确定各表面加工余量,现确定各表面多工序的加工余量表面工序尺寸加工表面加工内容加工余量精度等级表面粗糙度25上下端面粗铣2.56.3精铣0.53.260上下端面粗铣2.56.3精铣0.53.22.4.5确定切削用量及时间定额工序01 粗铣60外圆下端面1. 加工条件工件材料:HT200,=170260Mpa,铸造,加工要求:粗铣60孔端面,加工余量3mm,加工后表面粗糙度达到6.3机床:X52K刀具:YG6硬质合金端面铣刀,刀杆尺寸BxH=25x302. 切削用量1) 切削深度因为余量较小,选择=1,一次走刀完成2) 进给量查切削用量简明手册表1-4,有刀杆尺寸和工件直径,选取f=1mm/n3) 确定刀具寿命和磨钝标准查切削表1.9,选后刀面最大磨损限度为0.9mm,因为是硬质合金普通铣刀,铣刀寿命T=60min4) 计算切削速度和每分钟进给量查切削表1.15,由灰铸铁硬度和进给量=1,选取=44主轴转速: =每分钟进给量:5) 校检机床攻率查切削表1.31,主轴允许攻率为7.5KW最终确定=4.0mm=350mm/min =44m/min6) 计算基本工时查切削手册表1.26,入切量及超切量为=12.5mm= L=l+=160+12.5=172.5mm=工序02 粗铣25外圆上端面,加工后表面粗糙度达到6.3,切削用量与粗铣60上端面相同计算基本工时,查切削表1.26,入切量及超切量为=12.5mm=0.24min工序03 精铣60上端面,以下端面为基准,加工后表面粗糙度达到3.2,保证36上端面垂直度要求刀具:YG硬质合金铣刀机床:X52K加工要求:精度60上端面,加工余量1mm,加工后表面粗糙度达到3.2选择=1mm,两次走刀查切削表1.6,进给量f=0.250.4mm/r,取f=0.4mm/r查切削表1.15,查得=90m/min=717r/min查简明手册取=700则实际切削速度v=88m/min当=600r/min每分钟进给量=0.4x700=360mm工时=0.59工序04 精铣25, 60下端面,以上端面为基准切削用量及工时与工序03一样,加工后满足孔的公差要求工序05 钻、粗铰15孔1. 选择钻头查切削,选择高速钢麻花钻钻头,=10.5钻头采用双锥后磨横刃,查切削表2-1-2,取后角=125二重刃长度=3.5,横刃长度b=2,弧面长度=4,棱带长度=3查表2-2得2=125,=302. 选择切削用量(1) 确定进给量按加工要求确定进给量,查切削表2-7,f=0.430.53查切削表2-7,修正系数k=1.0按钻头迁都选择,查切削表2-8,钻头允许进给量为1.45mm/n,按机床进给机构强度选择:查切削表2-9,机床进给机构允许轴向力为8330N时,进给伟f=0.93mm/n以上三个进给量比较得出,受限制的进给量是加工要求,其值为0.430.53mm/n,最终选择进给量f=0.48mm/n根据切削表2-9,由进给量和钻头直径得钻孔是轴线力=5880N,轴向修正系数为1,故=5880,根据Z525立式钻床使用说明书,机床进给机构允许的最大轴向力为8830N,故所选进给量可用.(2) 确定钻头磨钝标准及寿命查切削表2-1-2,得后刀面最大磨损限度为0.7mm,寿命T=50min(3) 切削速度查切削表2.30,切削速度计算公式为:其中=15.1 =18 =0.25 =9 =0 =0.4 =0.48m=0.125查得修正系数=0.85(4) 检验机床扭矩及攻率查切削表2.25,当f=0.51, 21时,修正系数为1.2 故=43.16x1.2=51.8NM查机床说明书,=144.2NM查切削表2.23,钻头消耗攻率=1.7KW查机床说明书,=2.8x0.81=2.26KW因为, 故切削用量可用,即f=0.48,n=272,=133. 计算工时查切削表2.29的=10工序06 钻、扩、铰36孔刀具:钻头35 37.5 铰刀36机床:Z525立式钻床确定进给量:查切削表2.7,f=0.150.26mm/r 现取f=0.24mm/r查切削表2.15,v=14m/min主轴转速=571r/min取=600r/min则实际切削速度为v=14.7m/min切削基本工时=工序10 去除毛刺3 钻孔专用夹具设计3.1问题的指出由于生产类型为成批,大批生产,要考虑生产效率,降低劳动强度,保证加工质量,故需设计专用夹具。由于对加工精度要求不是很高,所以在本道工序加工时,主要考虑如何降低降低生产成本和降低劳动强度。本次设计选择设计是针对钻15孔,它将用于Z525钻床。32定位基准的选择该工序要求中心线与端面(有位置要求,因此可以得出该孔在两个侧面的正中心上,并且还要求其孔为通孔,由于端面经过精铣,精度比较高,因而工序基准为端面A,为了便于加工,选取适当的定位基准,保证其加工要求。夹具设计应首先满足这些要求,在保证较高的生产效率的前提下,还应考虑夹具体制造工艺性和生产经济性。加工过程中夹具的操作应方便,定位夹紧稳定可靠,并且夹具体应具有较好的刚性。据夹具手册知定位基准应尽可能与工序基准重合,在同一工件的各道工序中,应尽量采用同一定位基准进行加工。拟定加工路线的第一步是选择定位基准。定位基准的选择必须合理,否则将直接影响所制定的零件加工工艺规程和最终加工出的零件质量。基准选择不当往往会增加工序或使工艺路线不合理,或是使夹具设计更加困难甚至达不到零件的加工精度(特别是位置精度)要求。因此我们应该根据零件图的技术要求,从保证零件的加工精度要求出发,合理选择定位基准。此零件图没有较高的技术要求,也没有较高的平行度和对称度要求,所以我们应考虑如何提高劳动效率,降低劳动强度,提高加工精度。圆台外圆及两端面都已加工好,为了使定位误差减小,选择已加工好的端面作为定位精基准,来设计本道工序的夹具,以已加工好的端面作为定位夹具。3.3夹具方案的设计如图所示,为了加工通孔,必须使其完全定位。因此初步的设计方案如下,方案:首先必须明确其加工时应如图所示,这样水平放置,便于钻床加工。那么要使其完全定位,可以采用:一面加固定V型块和滑动V型块定位,这样既简单又方便。如上图所示,一底面限制的自由度有3个,一个固定V型块限制两个自由度,一个滑动V型块限制限制一个自由度,为使定位可靠,加工稳定,我所设计的定位方案,总共限制了工件的全部6个自由度,属于完全定位。在该定位方案中,一个支撑面顶住,限制了z轴的移动,z轴的旋转,y轴的旋转三个移动自由度。一个固定V型块限制了y轴的移动,x轴的移动,一个滑动V型块限制了z轴的旋转,这样6个自由度全部被限制根据上面叙述选择方案。3.4.切削力和夹紧力计算(1)刀具:刀具用高速钢刀具钻头机床: Z525机床切削力公式: 式中 D=15 查表得: 其中:,即:实际所需夹紧力:由参考文献5表得: 有:安全系数K可按下式计算有:式中:为各种因素的安全系数,见参考文献5表 可得: 所以 3.5夹紧力的计算 选用夹紧螺钉夹紧机 由 其中f为夹紧面上的摩擦系数,取 F=+G G为工件自重 夹紧螺钉: 公称直径d=20mm,材料铝合金钢 性能级数为6.8级 螺钉疲劳极限: 极限应力幅:许用应力幅:螺钉的强度校核:螺钉的许用切应力为 s=2.54 取s=4 得 满足要求 经校核: 满足强度要求,夹具安全可靠, 使用快速螺旋定位机构快速人工夹紧,调节夹紧力调节装置,即可指定可靠的夹紧力3.6定位误差分析(1)定位元件尺寸及公差确定。夹具的主要定位元件为一平面和V型块间隙配合。 (2) 工件的工序基准为孔心,当工件孔径为最大,定位销的孔径为最小时,孔心在任意方向上的最大变动量等于孔与销配合的最大间隙量。本夹具是用来在卧式镗床上加工,所以工件上孔与夹具上的定位销保持固定接触。此时可求出孔心在接触点与销中心连线方向上的最大变动量为孔径公差多一半。工件的定位基准为孔心。工序尺寸方向与固定接触点和销中心连线方向相同,则其定位误差为: Td=Dmax-Dmin 与机床夹具有关的加工误差,一般可用下式表示: 由参考文献5可得: 两V型块定位误差 : 其中:, 且:L=100mm ,得: 夹紧误差 : 其中接触变形位移值: 查5表1215有。 磨损造成的加工误差:通常不超过 夹具相对刀具位置误差:取误差总和:从以上的分析可见,所设计的夹具能满足零件的加工精度要求。3.7 零、部件的设计与选用工艺孔的加工只需钻切削就能满足加工要求。故选用可换钻套(其结构如下图所示)以减少更换钻套的辅助时间。.尺寸表dDD1Ht基本尺寸极限偏差F7基本尺寸极限偏差D601+0.016+0.0063+0.010+0.004669-0.00811.84+0.016+0.00871.82.6582.63698121633.3+0.022+0.0103.347+0.019+0.010104581156101310162068+0.028+0.01312+0.023+0.0121581015181220251012+0.034+0.0161822121522+0.028+0.01526162836151826300.0121822+0.041+0.02030342036铝合金222635+0.033+0.017392630424625铝合金563035+0.050+0.0254852354255+0.039+0.0205930566742486266485070740.040钻模板选用翻转钻模板,用沉头螺钉锥销定位于夹具体上。3.8 确定夹具体结构尺寸和总体结构夹具体:夹具的定位、引导、夹紧装置装在夹具体上,使其成为一体,并能正确的安装在机床上。夹具体是将夹具上的各种装置和元件连接成一个整体的最大最复杂的基础件。夹具体的形状和尺寸取决于夹具上各种装置的布置以及夹具与机床的连接,而且在零件的加工过程中,夹具还要承受夹紧力、切削力以及由此产生的冲击和振动,因此夹具体必须具有必要的强度和刚度。切削加工过程中产生的切屑有一部分还会落在夹具体上,切屑积聚过多将影响工件的可靠的定位和夹紧,因此设计夹具体时,必须考虑结构应便于排屑。此外,夹具体结构的工艺性、经济性以及操作和装拆的便捷性等,在设计时也应加以考虑。夹具体设计的基本要求(1)应有适当的精度和尺寸稳定性 夹具体上的重要表面,如安装定位元件的表面、安装对刀块或导向元件的表面以及夹具体的安装基面,应有适当的尺寸精度和形状精度,它们之间应有适当的位置精度。 为使夹具体的尺寸保持稳定,铸造夹具体要进行时效处理,焊接和锻造夹具体要进行退火处理。(2)应有足够的强度和刚度 为了保证在加工过程中不因夹紧力、切削力等外力的作用而产生不允许的变形和振动,夹具体应有足够的壁厚,刚性不足处可适当增设加强筋。(3)应有良好的结构工艺性和使用性夹具体一般外形尺寸较大,结构比较复杂,而且各表面间的相互位置精度要求高,因此应特别注意其结构工艺性,应做到装卸工件方便,夹具维修方便。在满足刚度和强度的前提下,应尽量能减轻重量,缩小体积,力求简单。(4)应便于排除切屑在机械加工过程中,切屑会不断地积聚在夹具体周围,如不及时排除,切削热量的积聚会破坏夹具的定位精度,切屑的抛甩可能缠绕定位元件,也会破坏定位精度,甚至发生安全事故。因此,对于加工过程中切屑产生不多的情况,可适当加大定位元件工作表面与夹具体之间的距离以增大容屑空间:对于加工过程中切削产生较多的情况,一般应在夹具体上设置排屑槽。(5)在机床上的安装应稳定可靠 夹具在机床上的安装都是通过夹具体上的安装基面与机床上的相应表面的接触或配合实现的。当夹具在机床工作台上安装时,夹具的重心应尽量低,支承面积应足够大,安装基面应有较高的配合精度,保证安装稳定可靠。夹具底部一般应中空,大型夹具还应设置吊环或起重孔。工件装夹方案确定以后,根据定位元件及夹紧机构所需要的空间范围及机床工作台的尺寸,确定夹具体的结构尺寸,然后绘制夹具总图。详见绘制的夹具装配图。本章小结:如前所述,在设计夹具时,应该注意提高劳动生产率避免干涉。应使夹具结构简单,便于操作,降低成本。提高夹具性价比。本道工序为铣床夹具选择了压紧螺钉夹紧方式。本工序为铣余量小,切削力小,所以一般的手动夹紧就能达到本工序的要求。本夹具的最大优点就是结构简单紧凑。夹具的夹紧力不大,故使用手动夹紧。为了提高生产力,使用快速螺旋夹紧机构。总 结毕业设计即将结束了,时间虽然短暂但是它对我们来说受益菲浅的,通过这次的设计使我们不再是只知道书本上的空理论,不再是纸上谈兵,而是将理论和实践相结合进行实实在在的设计,使我们不但巩固了理论知识而且掌握了设计的步骤和要领,使我们更好的利用图书馆的资料,更好的更熟练的利用我们手中的各种设计手册和AUTOCAD等制图软件,为我们踏入社会打下了好的基础。毕业设计使我们认识到了只努力的学好书本上的知识是不够的,还应该更好的做到理论和实践的结合。因此我们非常感谢老师给我们的辛勤指导,使我们学到了很多,也非常珍惜大学给我们的这次设计的机会,它将是我们毕业设计完成的更出色的关键一步。致 谢这次毕业设计使我收益不小,为我今后的学习和工作打下了坚实和良好的基础。但是,查阅资料尤其是在查阅切削用量手册时,数据存在大量的重复和重叠,由于经验不足,在选取数据上存在一些问题,不过我的指导老师每次都很有耐心地帮我提出宝贵的意见,在我遇到难题时给我指明了方向,最终我很顺利的完成了毕业设计。这次毕业设计成绩的取得,与指导老师的细心指导是分不开的。在此,我衷心感谢我的指导老师,特别是每次都放下他的休息时间,耐心地帮助我解决技术上的一些难题,她严肃的科学态度,严谨的治学精神,精益求精的工作作风,深深地感染和激励着我。从题目的选择到项目的最终完成,他都始终给予我细心的指导和不懈的支持。多少个日日夜夜,他不仅在学业上给我以精心指导,同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀,除了敬佩指导老师的专业水平外,他的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样,并将积极影响我今后的学习和工作。在此谨向指导老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。参 考 文 献1 东北重型机械学院,洛阳农业机械学院,长春汽车厂工人大学,机床夹具设计手册M,上海:上海科学技术出版社,1980。2 张进生。机械制造工艺与夹具设计指导。机械工业出版社,1995。3 李庆寿。机床夹具设计。机械工业出版社,1991。4 李洪。机械加工工艺手册。北京出版社,1996。5 上海市金属切削技术协会。金属切削手册。上海科学技术出版社,2544。6 黄如林,刘新佳,汪群。切削加工简明实用手册。化学工业出版社,2544。7 余光国,马俊,张兴发,机床夹具设计M,重庆:重庆大学出版社,1995。8 周永强,高等学校毕业设计指导M,北京:中国建材工业出版社,2542。9刘文剑,曹天河,赵维,夹具工程师手册M,哈尔滨:黑龙江科学技术出版社,1987。10 王光斗,王春福。机床夹具设计手册。上海科学技术出版社,2542。11 东北重型机械学院,洛阳农业机械学院,长春汽车厂工人大学。机床夹具设计手册.上海科学技术出版社,1984。 12 李庆寿,机械制造工艺装备设计适用手册M,银州:宁夏人民出版社,1991。13 廖念钊,莫雨松,李硕根,互换性与技术测量M,中国计量出版社,2540:9-19。14 王光斗,王春福,机床夹具设计手册M,上海科学技术出版社,2540。15 乐兑谦,金属切削刀具,机械工业出版社,2545:4-17机械加工工序卡片机械加工工序卡片产品型号零(部)件图号01产品名称车床零(部)件名称摇杆共 9 页第 1 页 车 间工序号工序名称材料牌号机加工01铣HT200毛坯种类毛坯外型尺寸每毛坯可制件数每台件数铸件1设备名称设备型号设备编号同时加工件数铣床夹具编号夹具名称切削液01专用夹具工位器具编号工位器具名称工序工时准终单件工步号工 步 内 容工 艺 装 备主轴转速r/min切削速度m/min进给量mm/r切削深度mm进给次数工步工时机动辅动1粗铣下端面YG67960.07530.810.601min机械加工工序卡片机械加工工序卡片产品型号零(部)件图号01产品名称车床零(部)件名称摇杆共 9 页第 2 页 车 间工序号工序名称材料牌号机加工02铣HT200毛坯种类毛坯外型尺寸每毛坯可制件数每台件数铸件1设备名称设备型号设备编号同时加工件数铣床1夹具编号夹具名称切削液02专用夹具工位器具编号工位器具名称工序工时准终单件工步号工 步 内 容工 艺 装 备主轴转速r/min切削速度m/min进给量mm/r切削深度mm进给次数工步工时机动辅动1粗铣上端面YG67960.0752.50.810.7216min机械加工工序卡片机械加工工序卡片产品型号零(部)件图号01产品名称车床零(部)件名称摇杆共 9 页第 3 页 车 间工序号工序名称材料牌号机加工03钻绞HT200毛坯种类毛坯外型尺寸每毛坯可制件数每台件数铸件1设备名称设备型号设备编号同时加工件数钻床Z30401夹具编号夹具名称切削液03专用夹具工位器具编号工位器具名称工序工时准终单件工步号工 步 内 容工 艺 装 备主轴转速r/min切削速度m/min进给量mm/r切削深度mm进给次数工步工时机动辅动1钻孔硬质合金直柄麻花钻头8000.0270.635.410.042min2粗绞孔硬质合金铰刀16000.0551.250.0810.019min机械加工工序卡片机械加工工序卡片产品型号零(部)件图号01产品名称车床零(部)件名称摇杆共 9 页第 4 页车 间工序号工序名称材料牌号机加工04钻HT200毛坯种类毛坯外型尺寸每毛坯可制件数每台件数铸件1设备名称设备型号设备编号同时加工件数钻床Z30401夹具编号夹具名称切削液04专用夹具工位器具编号工位器具名称工序工时准终单件工步号工 步 内 容工 艺 装 备主轴转速r/min切削速度m/min进给量mm/r切削深度mm进给次数工步工时机动辅动1钻孔硬质合金锥柄麻花钻4000.03311310.0427min2扩孔高速钢扩孔钻1600.0141.250.910.0625min3绞孔硬质合金铰刀6300.05520.110.019min机械加工工序卡片机械加工工序卡片产品型号零(部)件图号01产品名称车床零(部)件名称摇杆共9 页第 5 页 车 间工序号工序名称材料牌号机加工05铣HT200毛坯种类毛坯外型尺寸每毛坯可制件数每台件数铸件1设备名称设备型号设备编号同时加工件数铣床1夹具编号夹具名称切削液05专用夹具工位器具编号工位器具名称工序工时准终单件工步号工 步 内 容工 艺 装 备主轴转速r/min切削速度m/min进给量mm/r切削深度mm进给次数工步工时机动辅动1精铣两外圆下端面YG6硬质合金端面铣刀7960.07530.710.56min机械加工工序卡片机械加工工序卡片产品型号零(部)件图号01产品名称车床零(部)件名称摇杆共9 页第 6 页车 间工序号工序名称材料牌号机加工06铣HT200毛坯种类毛坯外型尺寸每毛坯可制件数每台件数铸件1设备名称设备型号设备编号同时加工件数铣床1夹具编号夹具名称切削液06专用夹具工位器具编号工位器具名称工序工时准终单件工步号工 步 内 容工 艺 装 备主轴转速r/min切削速度m/min进给量mm/r切削深度mm进给次数工步工时机动辅动01精铣2个圆柱的上端面YG6硬质合金端铣刀7960.07530.710.56min机械加工工序卡片机械加工工序卡片产品型号零(部)件图号01产品名称车床零(部)件名称摇杆共 9页第 7 页 车 间工序号工序名称材料牌号机加工07绞HT200毛坯种类毛坯外型尺寸每毛坯可制件数每台件数铸件1设备名称设备型号设备编号同时加工件数钻床Z30401夹具编号夹具名称切削液07专用夹具工位器具编号工位器具名称工序工时准终单件工步号工 步 内 容工 艺 装 备主轴转速r/min切削速度m/min进给量mm/r切削深度mm进给次数工步工时机动辅动01精绞2个孔硬质合金铰刀16000.0551.250.0210.019minmin机械加工工序卡片机械加工工序卡片产品型号零(部)件图号01产品名称车床零(部)件名称摇杆共 9页第 8 页 车 间工序号工序名称材料牌号机加工08插HT200毛坯种类毛坯外型尺寸每毛坯可制件数每台件数铸件1设备名称设备型号设备编号同时加工件数插床B5050A1夹具编号夹具名称切削液通用夹具工位器具编号工位器具名称工序工时准终单件工步号工 步 内 容工 艺 装 备主轴转速r/min切削速度m/min进给量mm/r切削深度mm进给次数工步工时机动辅动01插1个键槽高速钢插刀96094526010.27min机械加工工序卡片机械加工工序卡片产品型号零(部)件图号01产品名称车床零(部)件名称摇杆共 9页第 9 页车 间工序号工序名称材料牌号11去毛刺HT200毛坯种类毛坯外型尺寸每毛坯可制件数每台件数铸件1设备名称设备型号设备编号同时加工件数夹具编号夹具名称切削液工位器具编号工位器具名称工序工时准终单件工步号工 步 内 容工 艺 装 备主轴转速r/min切削速度m/min进给量mm/r切削深度mm进给次数工步工时机动辅动1去毛刺机械加工工艺过程卡片机械加工工艺过程卡片产品型号 零(部)件图号产品名称车床零(部)件名称摇杆共 1 页第 1 页材料牌号HT200毛坯种类铸件毛坯外型尺寸每毛坯可制件数1每台件数备注工序号工序名称工 序 内 容车间工段设备工 艺 装 备工 时准终单件01铣粗铣下端面机加工X52K专用夹具0102铣粗铣25外圆上端面机加工X52K专用夹具0203铣粗铣60外圆上端面机加工Z3040专用夹具0304钻、铰钻、铰15孔机加工Z3040专用夹具0405钻、扩、铰钻、扩、铰36孔机加工X52K专用夹具0506铣精铣25外圆下端面机加工X52K专用夹具0207铣精铣25外圆上端面机加工Z3040专用夹具07铣铣下端面机加工X52K专用夹具0808插插键槽机加工B5050A通用夹具10去毛刺去除毛刺 夹具夹紧力的优化及对工件定位精度的影响B.Li 和 S.N.Mellkote布什伍德拉夫机械工程学院,佐治亚理工学院,格鲁吉亚,美国研究所由于夹紧和加工,在工件和夹具的接触部位会产生局部弹性变形,使工件尺寸发生变化,进而影响工件的最终加工质量。这种效应可通过最小化夹具设计优化,夹紧力是一个重要的设计变量,可以得到优化,以减少工件的位移。本文提出了一种确定多夹紧夹具受到准静态加工部位的最佳夹紧力的新方法。该方法采用弹性接触力学模型代表夹具与工件接触,并涉及制定和解决方案的多目标优化模型的约束。夹紧力的最优化对工件定位精度的影响通过3-2-1式铣夹具的例子进行了分析。关键词:弹性 接触 模型 夹具 夹紧力 优化 前言 定位和夹紧的工件加工中的两个关键因素。要实现夹具的这些功能,需将工件定位到一个合适的基准上并夹紧,采用的夹紧力必须足够大,以抑制工件在加工过程中产生的移动。然而,过度的夹紧力可诱导工件产生更大的弹性变形 ,这会影响它的位置精度,并反过来影响零件质量。所以有必要确定最佳夹紧力,来减小由于弹性变形对工件的定位误差,同时满足加工的要求。在夹具分析和综合领域上的研究人员使用了有限元模型的方法或刚体模型的方法。大量的工作都以有限元方法为基础被报道参考文献1-8。随着得墨忒耳8,这种方法的限制是需要较大的模型和计算成本。同时,多数的有限元基础研究人员一直重点关注的夹具布局优化和夹紧力的优化还没有得到充分讨论,也有少数的研究人员通过对刚性模型9-11对夹紧力进行了优化,刚型模型几乎被近似为一个规则完整的形状。得墨忒耳12,13用螺钉理论解决的最低夹紧力,总的问题是制定一个线性规划,其目的是尽量减少在每个定位点调整夹紧力强度的法线接触力。接触摩擦力的影响被忽视,因为它较法线接触力相对较小,由于这种方法是基于刚体假设,独特的三维夹具可以处理超过6个自由度的装夹,复和倪14也提出迭代搜索方法,通过假设已知摩擦力的方向来推导计算最小夹紧力,该刚体分析的主要限制因素是当出现六个以上的接触力是使其静力不确定,因此,这种方法无法确定工件移位的唯一性。 这种限制可以通过计算夹具工件系统15的弹性来克服,对于一个相对严格的工件,该夹具在机械加工工件的位置会受夹具点的局部弹性变形的强烈影响。Hockenberger和得墨忒耳16使用经验的接触力变形的关系(称为元功能),解决由于夹紧和准静态加工力工件刚体位移。同一作者还考察了加工工件夹具位移对设计参数的影响17。桂 18 等 通过工件的夹紧力的优化定位精度弹性接触模型对报告做了改善,然而,他们没有处理计算夹具与工件的接触刚度的方法,此外,其算法的应用没有讨论机械加工刀具路径负载有限序列。李和Melkote 19和乌尔塔多和Melkote 20用接触力学解决由于在加载夹具夹紧点弹性变形产生的接触力和工件的位移,他们还使用此方法制定了优化方法夹具布局21和夹紧力22。但是,关于multiclamp系统及其对工件精度影响的夹紧力的优化并没有在这些文件中提到 。本文提出了一种新的算法,确定了multiclamp夹具工件系统受到准静态加载的最佳夹紧力为基础的弹性方法。该法旨在尽量减少影响由于工件夹紧位移和加工荷载通过系统优化夹紧力的一部分定位精度。接触力学模型,用于确定接触力和位移,然后再用做夹紧力优化,这个问题被作为多目标约束优化问题提出和解决。通过两个例子分析工件夹紧力的优化对定位精度的影响,例子涉及的铣削夹具3-2-1布局。1 夹具工件联系模型 11 模型假设该加工夹具由L定位器和带有球形端的c形夹组成。工件和夹具接触的地方是线性的弹性接触,其他地方完全刚性。工件夹具系统由于夹紧和加工受到准静态负载。夹紧力可假定为在加工过程中保持不变,这个假设是有效的,在对液压或气动夹具使用。在实际中,夹具工件接触区域是弹性分布,然而,这种模式的发展,假设总触刚度(见图1)第i夹具接触力局部变形如下: (1) 其中(j=x,y,z)表示,在当地子坐标系切线和法线方向的接触刚度第 19 页 共 15 页图1 弹簧夹具工件接触模型。 表示在第i个接触处的坐标系(j=x,y,z)是对应沿着xyz方向的弹性变形,分别 (j= x,y,z)的代表和切向力接触 ,法线力接触。12 工件夹具的接触刚度模型集中遵守一个球形尖端定位,夹具和工件的接触并不是线性的,因为接触半径与随法线力呈非线性变化 23。由于法线力接触变形作用于半径和平面工件表面之间,这可从封闭赫兹的办法解决缩进一个球体弹性半空间的问题。对于这个问题, 是法线的变形,在文献23 第93页中给出如下: (2)其中式中 和是工件和夹具的弹性模量,、分别是工件和材料的泊松比。切向变形沿着和切线方向)硅业切力距有以下形式文献23第217页 (3)其中、 分别是工件和夹具剪切模量一个合理的接触刚度的线性可以近似从最小二乘获得适合式 (2),这就产生了以下线性化接触刚度值:在计算上述的线性近似, (4) (5)正常的力被假定为从0到1000N,且最小二乘拟合相应的R2值认定是0.94。2夹紧力优化 我们的目标是确定最优夹紧力,将尽量减少由于工件刚体运动过程中,局部的夹紧和加工负荷引起的弹性变形,同时保持在准静态加工过程中夹具工件系统平衡,工件的位移减少,从而减少定位误差。实现这个目标是通过制定一个多目标约束优化问题的问题,如下描述。2.1 目标函数配方工件旋转,由于部队轮换往往是相当小17的工件定位误差假设为确定其刚体翻译基本上,其中 、和 是 沿,和三个正交组件(见图2)。图2 工件刚体平移和旋转工件的定位误差归于装夹力,然后可以在该刚体位移的范数计算如下: (6)其中表示一个向量二级标准。 但是作用在工件的夹紧力会影响定位误差。当多个夹紧力作用于工件,由此产生的夹紧力为,有如下形式: (7)其中夹紧力是矢量,夹紧力的方向矩阵,是夹紧力是矢量的方向余弦,、和 是第i个夹紧点夹紧力在、和方向上的向量角度(i=1、2、3.,C)。在这个文件中,由于接触区变形造成的工件的定位误差,被假定为受的作用力是法线的,接触的摩擦力相对较小,并在进行分析时忽略了加紧力对工件的定位误差的影响。意指正常接触刚度比,是通过(i=1,2L)和最小的所有定位器正常刚度相乘,并假设工件、取决于、的方向,各自的等效接触刚度可有下式计算得出(见图3),工件刚体运动,归于夹紧行动现在可以写成: (8)工件有位移,因此,定位误差的减小可以通过尽量减少产生的夹紧力向量 范数。因此,第一个目标函数可以写为:最小化 (9)要注意,加权因素是与等效接触刚度成正比的在、和 方向上。通过使用最低总能量互补参考文献15,23的原则求解弹性力学接触问题得出A的组成部分是唯一确定的,这保证了夹紧力和相应的定位反应是“真正的”解决方案,对接触问题和产生的“真正”刚体位移,而且工件保持在静态平衡,通过夹紧力的随时调整。因此,总能量最小化的形式为补充的夹紧力优化的第二个目标函数,并给出:最小化 (10)其中代表机构的弹性变形应变能互补,代表由外部力量和力矩配合完成,是遵守对角矩阵的, 和是所有接触力的载体。如图3 加权系数计算确定的基础内蒙古科技大学本科生毕业设计(外文翻译)2.2 摩擦和静态平衡约束在(10)式优化的目标受到一定的限制和约束,他们中最重要的是在每个接触处的静摩擦力约束。库仑摩擦力的法律规定(是静态摩擦系数),这方面的一个非线性约束和线性化版本可以使用,并且19有: (11)假设准静态载荷,工件的静力平衡由下列力和力矩平衡方程确保(向量形式): (12)其中包括在法线和切线方向的力和力矩的机械加工力和工件重量。2.3界接触力由于夹具工件接触是单侧面的,法线的接触力只能被压缩。这通过以下的的约束表(i=1,2,L+C) (13)它假设在工件上的法线力是确定的,此外,在一个法线的接触压力不能超过压工件材料的屈服强度()。这个约束可写为: (i=1,2,,L+C) (14) 如果是在第i个工件夹具的接触处的接触面积,完整的夹紧力优化模型,可以写成:最小化 (15)3模型算法求解式(15)多目标优化问题可以通过求解约束24。这种方法将确定的目标作为首要职能之一,并将其转换成一个约束对。该补充()的主要目的是处理功能,并由此得到夹紧力()作为约束的加权范数最小化。对为主要目标的选择,确保选中一套独特可行的夹紧力,因此,工件夹具系统驱动到一个稳定的状态(即最低能量状态),此状态也表示有最小的夹紧力下的加权范数。 的约束转换涉及到一个指定的加权范数小于或等于,其中是 的约束,假设最初所有夹紧力不明确,要确定一个合适的。在定位和夹紧点的接触力的计算只考虑第一个目标函数(即)。虽然有这样的接触力,并不一定产生最低的夹紧力,这是一个“真正的”可行的解决弹性力学问题办法,可完全抑制工件在夹具中的位置。这些夹紧力的加权系数,通过计算并作为初始值与比较,因此,夹紧力式(15)的优化问题可改写为: 最小化 (16)由: (11)(14) 得。类似的算法寻找一个方程根的二分法来确定最低的上的约束, 通过尽可能降低上限,由此产生的最小夹紧力的加权范数。 迭代次数K,终止搜索取决于所需的预测精度和,有参考文献15: (17)其中表示上限的功能,完整的算法在如图4中给出。 图4 夹紧力的优化算法(在示例1中使用)。图5 该算法在示例2使用4 加工过程中的夹紧力的优化及测定上一节介绍的算法可用于确定单负载作用于工件的载体的最佳夹紧力,然而,刀具路径随磨削量和切割点的不断变化而变化。因此,相应的夹紧力和最佳的加工负荷获得将由图4算法获得,这大大增加了计算负担,并要求为选择的夹紧力提供标准, 将获得满意和适宜的整个刀具轨迹 ,用保守的办法来解决下面将被讨论的问题,考虑一个有限的数目(例如m)沿相应的刀具路径设置的产生m个最佳夹紧力,选择记为, , ,在每个采样点,考虑以下四个最坏加工负荷向量: (18)、和表示在、和方向上的最大值,、和上的数字1,2,3分别代替对应的和另外两个正交切削分力,而且有:虽然4个最坏情况加工负荷向量不会在工件加工的同一时刻出现,但在每次常规的进给速度中,刀具旋转一次出现一次,负载向量引入的误差可忽略。因此,在这项工作中,四个载体负载适用于同一位置,(但不是同时)对工件进行的采样 ,夹紧力的优化算法图4,对应于每个采样点计算最佳的夹紧力。夹紧力的最佳形式有: (i=1,2,m) (j=x,y z,r) (19)其中是最佳夹紧力的四个情况下的加工负荷载体,(C=1,2,C)是每个相应的夹具在第i个样本点和第j负荷情况下力的大小。是计算每个负载点之后的结果,一套简单的“最佳”夹紧力必须从所有的样本点和装载条件里发现,并在所有的最佳夹紧力中选择。这是通过在所有负载情况和采样点排序,并选择夹紧点的最高值的最佳的夹紧力,见于式 (20): (k=1,2,C) (20)只要这些具备,就得到一套优化的夹紧力,验证这些力,以确保工件夹具系统的静态平衡。否则,会出现更多采样点和重复上述程序。在这种方式中,可为整个刀具路径确定“最佳”夹紧力 ,图5总结了刚才所描述的算法。请注意,虽然这种方法是保守的,它提供了一个确定的夹紧力,最大限度地减少工件的定位误差的一套系统方法。5影响工件的定位精度它的兴趣在于最早提出了评价夹紧力的算法对工件的定位精度的影响。工件首先放在与夹具接触的基板上,然后夹紧力使工件接触到夹具,因此,局部变形发生在每个工件夹具接触处,使工件在夹具上移位和旋转。随后,准静态加工负荷应用造成工件在夹具的移位。工件刚体运动的定义是由它在、和方向上的移位和自转(见图2),如前所述,工件刚体位移产生于在每个夹紧处的局部变形,假设为相对于工件的质量中心的第i个位置矢量定位点,坐标变换定理可以用来表达在工件的位移,以及工件自转如下: (21)其中表示旋转矩阵,描述当地在第i帧相联系的全球坐标系和是一个旋转矩阵确定工件相对于全球的坐标系的定位坐标系。假设夹具夹紧工件旋转,由于旋转很小,故也可近似为: (22) 方程(21)现在可以改写为: (23)其中是经方程(21)重新编排后变换得到的矩阵式,是夹紧和加工导致的工件刚体运动矢量。工件与夹具单方面接触性质意味着工件与夹具接触处没有拉力的可能。因此,在第i装夹点接触力可能与的关系如下: (24)其中是在第i个接触点由于夹紧和加工负荷造成的变形,意味着净压缩变形,而负数则代表拉伸变形; 是表示在本地坐标系第i个接触刚度矩阵,是单位向量. 在这项研究中假定液压/气动夹具,根据对外加工负荷,故在法线方向的夹紧力的强度保持不变,因此,必须对方程(24)的夹紧点进行修改为: (25)其中是在第i个夹紧点的夹紧力,让表示一个对外加工力量和载体的61矢量。并结合方程(23)(25)与静态平衡方程,得到下面的方程组: (26)其中,其中表示相乘。由于夹紧和加工工件刚体移动,q可通过求解式(26)得到。工件的定位误差向量, (见图6),现在可以计算如下: (27) 其中是考虑工件中心加工点的位置向量,且 6模拟工作 较早前提出的算法是用来确定最佳夹紧力及其对两例工件精度的影响例如:1适用于工件单点力。2应用于工件负载准静态铣削序列 如左图7 工件夹具配置中使用的模拟研究 工件夹具定位联系; 、和全球坐标系。 3-2-1夹具图7所示,是用来定位并控制7075 - T6铝合金(127毫米127毫米38.1毫米)的柱状块。假定为球形布局倾斜硬钢定位器/夹具在表1中给出。工件夹具材料的摩擦静电对系数为0.25。使用伊利诺伊大学开发EMSIM程序参考文献26 对加工瞬时铣削力条件进行了计算,如表2给出例(1),应用工件在点(109.2毫米,25.4毫米,34.3毫米)瞬时加工力,图4中表3和表4列出了初级夹紧力和最佳夹紧力的算法 。该算法如图5所示 ,一个25.4毫米铣槽使用EMSIM进行了数值模拟,以减少起步(0.0毫米,25.4毫米,34.3毫米)和结束时(127.0毫米,25.4毫米,34.3毫米)四种情况下加工负荷载体,(见图8)。模拟计算铣削力数据在表5中给出。图8最终铣削过程模拟例如2。表6中5个坐标列出了为模拟抽样调查点。最佳夹紧力是用前面讨论过的排序算法计算每个采样点和负载载体最后的夹紧力和负载。7结果与讨论例如算法1的绘制最佳夹紧力收敛图9,图9对于固定夹紧装置在图示例假设(见图7),由此得到的夹紧力加权范数有如下形式:.结果表明,最佳夹紧力所述加工条件下有比初步夹紧力强度低得多的加权范数,最初的夹紧力是通过减少工件的夹具系统补充能量算法获得。由于夹紧力和负载造成的工件的定位误差,如表7。结果表明工件旋转小,加工点减少错误从13.1到14.6不等。在这种情况下,所有加工条件改善不是很大,因为从最初通过互补势能确定的最小化的夹紧力值已接近最佳夹紧力。图5算法是用第二例在一个序列应用于铣削负载到工件,他应用于工件铣削负载一个序列。最佳的夹紧力,对应列表6每个样本点,随着最后的最佳夹紧力,在每个采样点的加权范数和最优的初始夹紧力绘图10,在每个采样点的加权范数的,和绘制。结果表明,由于每个组成部分是各相应的最大夹紧力,它具有最高的加权范数。如图10所示,如果在每个夹紧点最大组成部分是用于确定初步夹紧力,则夹紧力需相应设置,有比相当大的加权范数。故是一个完整的刀具路径改进方案。上述模拟结果表明,该方法可用于优化夹紧力相对于初始夹紧力的强度,这种做法将减少所造成的夹紧力的加权范数,因此将提高工件的定位精度。图108结论该文件提出了关于确定多钳夹具,工件受准静态加载系统的优化加工夹紧力的新方法。夹紧力的优化算法是基于接触力学的夹具与工件系统模型,并寻求尽量减少应用到所造成的工件夹紧力的加权范数,得出工件的定位误差。该整体模型,制定一个双目标约束优化问题,使用-约束的方法解决。该算法通过两个模拟表明,涉及3-2-1型,二夹铣夹具的例子。今后的工作将解决在动态负载存在夹具与工件在系统的优化,其中惯性,刚度和阻尼效应在确定工件夹具系统的响应特性具有重要作用。9参考资料:1、J. 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