柴油机惰轮A轴进油孔钻夹具设计【含CAD图纸、PROE三维】
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毕业论文题目 本 科 毕 业 设 计题目: 柴油机惰轮A轴进油孔钻夹具设计 学 院姓 名学 号专 业年 级指导教师二O 年 五 月- 21 -柴油机惰轮A轴进油孔钻夹具摘 要 本文是钻夹具的设计说明,其中包括十三部分。一零件的作用: 二夹具方案确定: 三夹具设计和制造的特点: 四夹具设计的基本要求: 五钻床专用夹具的设计: 六工件定位方案设计: 6.1 工件的工艺分析: 6.2 工件自由度的限制: 6.3定位基准的选择:工件的定位及定位件6.4 工件的定位6.5 定位销的选择七工件的夹紧及夹紧装置的设计: 7.1.工件夹紧的原则: 7.2.夹紧装置的设计要求: 7.3.夹紧力的选择: 7.4.工件的夹紧方案: 7.5.夹具的夹紧装置和定心装置八导引方案的设计: 8.1. 夹具的导向8.2.钻套的选择: 8.3.钻孔与工件之间的切屑间隙8.4.钻模板九、夹具体的设计: 十、夹具精度分析: 十一.夹具三维实体图: 十二、参考文献: 十三、致谢: 关键词:夹具体 钻模板 菱形定位销 AbstractThis article is about a 150T-2 (HD) components side blanking punch and die design,Through the analysising of the graphical parts of the structure and production process, so decided to adopt the gang dies which the pierceing and the shearing in the same process, At the same time taking into account the waste of gang dies directly pung down from the punch-die by press lineBecause of no lifting equipment, The Structure is Simple,and easy to operate.So select the gang dies . The design of the gang dies include 1 Analysising of the process of the part. Then select a number of possible program , calculate and comparison the process program.Finally choose the gang dies.2 Formulation the process process flows.Stocking layout , calculating the utilization of materials.3 Choose the structure of the punching dies initially include Specific forms of dies, locating device, discharging device, guiding parts, die carrier. 4 Calculating the blanking force.5 Calculating the dimension of the cutting edge. 6 Designing and Calculating the main parts of the dies .7. Designing and Calculating the standard components include die carrier, guide pillar, guide sleeve, punch set, lower die base, discharging bolt 8 Bearing components include die shank, fixing plate, shim plate, 9 Choosing the fastener.Key words: punching hole, blanking, flip-over type, gang dies目录一零件的作用:- 1 -二夹具方案确定:- 2 -三夹具设计和制造的特点:- 2 -四夹具设计的基本要求:- 3 -五钻床专用夹具的设计:- 3 -六工件定位方案设计:- 5 -6.1 工件的工艺分析:- 5 -6.2 工件自由度的限制:- 5 -6.3定位基准的选择:工件的定位及定位件- 5 -6.4 工件的定位- 6 -6.5 定位销的选择- 8 -七工件的夹紧及夹紧装置的设计:- 9 -7.1.工件夹紧的原则:- 9 -7.2.夹紧装置的设计要求:- 9 -7.3.夹紧力的选择:- 9 -7.4.工件的夹紧方案:- 12 -7.5.夹具的夹紧装置和定心装置- 12 -八导引方案的设计:- 13 -8.1. 夹具的导向- 13 -8.2.钻套的选择:- 13 -8.3.钻孔与工件之间的切屑间隙- 14 -8.4.钻模板- 15 -九、夹具体的设计:- 15 -十、夹具精度分析:- 17 -十一.夹具三维实体图:- 17 -十二、参考文献:- 21 -十三、致谢:- 22 -一零件的作用: 柴油机惰轮A轴的作用是在柴油机内部用于连接、固定惰轮,以实现改变齿轮传动方向的效果。惰轮A轴与惰轮采用小间隙配合的连接方式,而惰轮A轴上的三个进油孔,是提供必要的轮滑油和机内其它部件的用油需求。因为惰轮轴上的进油孔作用单一,且不是其它部件的安装、定位、设计和加工的基准和参考,故进油孔的设计、加工精度要求不高。因此,在设计制造实现该钻孔工序的专用夹具时,通过查找相应的夹具设计手册采用较低的精度要求,以实现降低成本,缩短生产周期,提高经济性的目的。二夹具方案确定:根据设计任务的要求,可知,此夹具是为实现钻孔这一特定的工序而设计的专用夹具,即是钻床的专用夹具。 根据加工零件的孔的加工尺寸和自身的几何形状,查相应的机床手册可知,可采用立式钻床,且型号可以是Z5060。 钻夹具的主要任务是保证刀具旋转轴线对工件定位表面有正确的相互位置,根据工件的集合形状和尺寸结构及工艺特性,选择不同形式的钻模以保证产品精度和生产率。三夹具设计和制造的特点:1.在夹具设计工作中,一般有下列的一些特点: 1.1夹具设计周期较短,一般不进行刚度和强度计算。夹具设计是直接为产品生产服务的一项生产准备工作,其设计周期要求短,因此,在设计时一般不进行刚度和强度的计算,而采用“凭经验确定”的办法来保证;或者采用一些简便的计算公式和图表作为设计时的参考。1.2专用夹具的设计,对产品零件有较强的针对性。 专用夹具是夹具中数量最大的一类,是为某一产品零件某一道工序进行设计的,因此有较强的针对性。1.3确保产品加工质量,提高劳动生产率是夹具设计工作的首要任务。 产品零件的加工质量,一般包括两种特性: 被加工表面的本身精度; 被加工表面的位置精度。 对于第一种加工精度,主要由加工方法和刀具来保证,而夹具在这方面的影响一般是保证夹具本身的刚度和防止夹紧工件时不发生严重的变形。 对于第二种加工精度,主要由夹具来保证的,这是设计夹具的首要任务。保证这个精度,应与夹具中各种装置的结构形式、制造精度、受力情况和工作条件有着密切的关系。在设计夹具时,应通过必要的误差分析以确保加工精度要求,这是设计夹具的主要任务之一。 另一个主要任务,就是设计合理的结构,以提高劳动生产率。1.4夹紧装置的设计对整个夹具的结构具有决定性的影响。因为夹紧装置的结构型式,种类很多,选用的灵活性较大。特别是夹紧装置中的力源及传动机构的设计,对夹具结构的影响更大。2. 在夹具制造工作中,一般有下列的一些特点: 2.1单件生产及高精度要求。夹具的制造一般都属单件生产,多用万能方法加工,尽量不用或少用专用二级工夹具。夹具的制造精度要求较高,在一般情况下远远高于产品零件的精度要求。 2.2常用组合加工的方法。组合加工在夹具制造中应用广泛,如销子孔的配作等,这样可以使夹具零件的制造容易。如对于钻具上的钻套安装孔,常用按总图镗孔的办法来保证它和定位件之间的要求。 2.3广泛采用“修配法”加工。对于间隙和运动灵活性要求较高的配合面,常用研配的办法来保证,而不是用公差来保证。对精度要求高的型面也常用钳工修正的办法来保证最后的精度和粗糙度要求。 2.4在保证设计要求的前提下,尽量考虑加工方便。为了便于加工,减少钳工加工的劳动量,一般可采用组合式的结构使零件便于加工,以替代整体式结构。四夹具设计的基本要求: 夹具设计的原则使经济和适用。夹具设计的基本要求分为以下三个方面:好用、好造、好修。 具体要求有下列几点:1. 夹具的构造应与其用途及生产规模相适应。2. 保证工件精度。3. 保证使用方便与安全。4. 正确处理作用力的平横问题。5. 注意结构的工艺性,便于制造和维修。6. 注意夹具与机床、辅助工具、刀具、量具之间的联系。五钻床专用夹具的设计: 钻床夹具的主要类型:钻床夹具简称钻模,主要用于加工孔及螺纹。它主要由钻套、钻模板、定位及夹紧装置夹具体组成。其主要类型有以下几种。(1)固定式钻模 在使用中,这类钻模在机床上的位置固定不动,而且加工精度较高,主要用于立式钻床上加工直径较大的单孔或摇臂钻床加工平行孔系。(2)回转式钻模 这类钻模上有分度装置,因此可以在工件上加工出若干个绕轴线分布的轴向或径向孔系。(3)翻转式钻模 主要用于加工小型工件不同表面上的孔,孔径小于f8f10mm。它可以减少安装次数,提高被加工孔的位置精度。其结构较简单,加工钻模一般手工进行翻转,所以夹具及工件应小于10 kg为宜。(4)盖板式钻模 这种钻模无夹具体,其定位元件和夹紧装置直接装在钻模板上。钻模板在工件上装夹,适合于体积大而笨重的工件上的小孔加工。夹具、结构简单轻便,易清除切屑;但是每次夹具需从工件上装卸,较费时,故此钻模的质量一般不宜超过10 kg。(5)滑柱式钻模 滑柱式钻模是带有升降钻模板的通用可调夹具。这种钻模有结构简单、操作方便、动作迅速、制造周期短的优点,生产中应用较广。此次我设计的夹具工件是发动机凸轮轴进油孔工件.如图1.图1.如图.工件上表面三个孔为进油孔,此设计针对这三个进油孔设计翻转式钻孔夹具.翻转式夹具特点翻转式钻模用于加工小型工件上分布在几个面上的孔或同一面上的孔.在使用过程中易于在机床工作台上用手翻转,实现加工表面的转换,因此夹具连同工件的总重一般不超过十公斤.如 图2 图 2采用翻转式钻模可以减少工件的安装次数,提高工件加工时各被加工孔之间的位置精度.翻转式钻模加工孔轴线对工件定位基面的垂直度要求较高,同时在工件的钻孔前后采用双面导向的结构.六工件定位方案设计:6.1 工件的工艺分析:此工件是中批量生产数目多,应设计加工的专用夹具以提高生产效率。工件的尺寸合理,能用常用方法加工,零件结构也合理。其通孔9.5和通孔6.7深度均为27.5,孔的定位公差均限制在0.25之范围内,加工精度中等。应先加工孔6.7,完成后,可通过孔6.7内加入圆柱销对工件进行再次夹紧定位,然后再加工大孔9.5。孔的加工可以在立式钻床加工。6.2 工件自由度的限制: 采用定位孔和压板实现零件的完全定位。6.3定位基准的选择:工件的定位及定位件第一基准:夹具体上的工件定位孔第二基准:夹具体上的菱形定位销定位孔第三基准:钻模板上销定位孔6.4 工件的定位该套夹具采用”一面双孔”的定位.通过一个平面及轴心线垂直该平面的两个孔进行定位.工件以平面在夹具中定位时,定位件为定位板.定位板常装在以铸铁制造的或者其他不耐磨损的夹具体上.如图3定位板可用两个或三个螺钉固定在本体上,这种定位板的缺点是螺钉头处的凹坑容易聚集细小的切屑,清楚不易.定位板应尽可能作成狭而短,同时应有主够的刚度,使淬火时不致翘曲. 图3定位板紧固在夹具本体的凸出表面上,为了使所有定位表面能保持在同一平面内,装配后应经过磨削.一面双孔定位中,平面可以限制Z方向,X旋转,Y旋转三个自由度,若定位销为长销.,则出现过定位.所以两个定位销都为短定位销.但这种情况依然出现了过定位.因为销子和孔为间隙配合,存在孔距(Lg)和销距(Lj)误差(alg和alj).如图4 图4这种误差是无法消除的,只能从两个销子上想办法.则可以缩小销2的直径.d2必须小于AB.又因为:d2/2Od2B 2Od2B=D2- Od1 Od2-BC又 BC=2aL 所以d2D2-2alj-2alg;若考虑销2和第二个孔还必须留有最小间隙2和孔1与销1之间的最小配合间隙1 则 d2=D2-2(alg+alj)- 2+1可见d2比D2的尺寸小很多,比如导致转角误差.则必须减小销2的直径来消除过定位.选择销2的样式为削边销. 如图 5 图 56.5 定位销的选择从上可知此套夹具选取的定位销为一圆柱销和菱型销实现定位.按表选取 D=12 B=D-2=10 b=4 b1=3 H=12根据尺寸选取的固定圆柱定位销为A型:A12n6*12 720-073 固定菱形定位销为A型:A12n6*12 720-073在一面双孔定位方式中,菱形削边销是限制Z旋转自由度的,因此削边销的长轴一定要垂直双孔中心连线,否则会失去限制该转动自由度的作用.如图六 同时在装配中,当削边销调整后,一定要采取防转措施.在夹具体上放置两个定位销的定位孔不在同一轴上,则,菱形定位销将转过一定的角度,限制转动自由度.图6工件以”一面双孔”定位时的定位误差设计中两销为垂直放置,孔和销皆为12H7/k6由公差和配合表可知,定位孔为12+0.035/0.006,定位销为12+0.006/-0.02301XW=g1+j1+1=0.029+0.029+0=0.0581YW=|x/L*02YW+01YW-01YW|=|41/110*0.058+0.058-0.058|=0.015=01XW+B=0.058+0.1=0.158由上述分析可知,欲减少一面双孔定位系统定位误差,可以采取:提高定位孔,定位销的精度或配合类别,采用消除间隙的结构,选取孔距大的双孔定位等,我选择的工件定位孔是12,精度是7级孔距公差为0.015,定位平面的平面度为0.02.粗糙度为7级.七工件的夹紧及夹紧装置的设计:7.1.工件夹紧的原则:为使工件在定位件上所占有的规定位置在加工过程中保持不变,就要用夹紧装置将工件夹紧。才能保证工件的定位基准与夹具上的定位表面可靠地接触,防止在加工过程中移动、振动或变形。由于工件的夹紧是和定位紧密联系的,因此,夹紧方法的选择应与定位方法的选择一起考虑。在设计夹紧装置时,应考虑夹紧力的选择,夹紧机构的合理设计及其传动方法的确定。夹紧装置选择合适,不仅可以显著地缩短辅助时间,保证产品质量;提高劳动生产率,并且还可以方便工人操作,减轻体力劳动。7.2.夹紧装置的设计要求:设计夹紧装置时,必须注意夹紧力对工件加工表面所产生的松紧问题,以保证工件加工表面的精度和粗糙度。因此,在设计夹紧装置时应满足以下一些基本要求: 注意夹紧力的大小、方向和作用点的选择。 夹紧装置应与生产规模和生产率的要求相适应。 结构紧凑简单,制造维修方便。 使用安全可靠。 尽量减少夹紧时夹具体所受的弯曲力矩。7.3.夹紧力的选择: 在确定夹紧方案时,应当先决定几个主要因素:即夹紧力的方向和作用点的选择及夹紧力的大小,然后再根据这些要素,进一步选择合理的传动方法与设计合理的夹紧机构。夹紧力的大小重要取决于切削P和重力G ,重力是可认为不变的,而切削力在切削的过程中是变化的.影响切削力的大小因素很多,如工件质量的不均匀,加工质量的不均匀,刀具磨损以及切削用量的变化等等.同时夹紧力也和其他因素有关,如夹紧件和工件及工件与定位件间接触表面的光洁度,工艺系统的刚性等等,因此夹具夹紧力的设计只能对其做初略的估算.W:实际夹紧力 Wi:理论夹紧力 K:安全系数 安全系数:K=K1K2K3K4式中: K1-基本安装系数 K2-加工安装系数 K3-刀具钝化系数 K4-切削特点系数 工件切削孔的位置标注如图7:图7 此套夹具的夹紧力计算如表1:孔号孔坐标(毫米)孔径(毫米)走刀量(毫米/转)xy120409.50.10250409.5 0.10335256.70.119 表 1切削力P:P=2.6*D*S0.8*HB0.6 式中:D-钻孔直径 S-走刀量 HB-材料布氏硬度HB=Hbmax-(Hbmax-Hbmin)/3=230P1=P2=2.6*9.5*0.100.8*2300.6=102.3 (公斤力)P3=2.6*6.7*0.1190.8*2300.6=82.9 (公斤力)切削合力P=pi=P1+P2+P3=102.3+102.3+82.9=287.5 (公斤力)合力的位置: x=pixi/pi ; y=piyi/pi如表2孔号pixipixiyipiyi1102.32020464040922102.3505115404092382.9352901.5252072.5 表 2 X=35mm y=36mm安全系数K: K=K1*K2*K3*K4取:K1=1.75 K2=1.2 K3=1.2 K4=1.0得: K=1.75*1.2*1.2*1.0=2.52夹紧力的计算夹紧工件所需的夹紧力WW=K*P/( f1+f2)=2.52*287.5/(0.4+0.2) =1207.5(公斤力)验算加紧工件的螺栓直径尺寸:其中取tg=tg =2.94 当Q=W时,验算螺杆的直径d29.23故可取d2=12mm7.4.工件的夹紧方案:为使工件在定位件上所占有的规定位置在加工过程中保持不变,就要用夹紧装置将工件夹紧.报纸工件的定位基准与夹具上的定位表面可靠的接触,防止在加工过程中移动、振动、或变形.因为此套夹具加工的工件刚度较好,防止了切削力作用是所引起的振动,侧面在加上移动压板的定位,免除夹紧力对加工表面几何形状精度的不利影响夹具的夹紧选用加工表面的松态夹紧,夹紧力的作用线不通过加工表面的周围,使加工表面的材料处在自由状态下. 在夹具体上对工件进行定位后,用压板垂直压在工件上并夹紧,首先对工件上的小通孔6.7进行加工,需要对加工通孔6.7时的夹紧力计算。为保证工件在夹具上的夹紧、定位的效果,在加工完通孔6.7后,在通孔6.7内加入以圆柱销,从而完全限制工件自由度,随后再加工两个通孔9.5,且可省略计算其夹紧力的过程。7.5.夹具的夹紧装置和定心装置夹紧装置可以分为力源装置、中间传动装置和夹紧装置,在此套夹具中,中间传动装置和夹紧元件合二为一.力源为机动夹紧,通过螺栓夹紧移动压板.达到夹紧和定心作用.如图8 图 8图中工件通过定位销的定位限制了横向的移动,通过螺栓夹紧移动压板,实现对工件的夹紧.并且移动压板的定心装置是与工件外圆弧面相吻合的移动压板,通过精确的圆弧定位,实现定心.此套移动压板制作简单,便于手动调整.通过松紧螺栓实现压板的前后移动,以达到压紧的目的.压紧的同时,实现工件的定心,使其定位基准的对称中心在规定位置上.具体尺寸详见后附的零件图。八导引方案的设计:8.1. 夹具的导向钻床夹具中用以确定刀具对工件的相对位置,以及避免或减少在加工过程中偏移的元件时是钻套。钻套是钻具的一种主要元件,因为钻头的引导作用是通过钻套来实现的。有了钻套,加工前工件不用进行划线和找正,因而可以提高生产率,并容易保证工件加工表面的精度。在钻床上加工孔时,大都采用导向元件或导向装置,用以引导刀具进入正确的加工位置,并在加工过程中防止或减少由于切削力等因素引起的偏移,提高刀具的刚性,从而保证零件上孔的精度,在钻床上加工的过程中,导向装置保证同轴各孔的同轴度、各孔孔距精度、各轴线间的平行度等,因此,导向装置如同定位元件一样,对于保证工件的加工精度有这十分重要的作用.8.2.钻套的选择:导向元件包括刀杆的导向部分和导向套在这套钻床夹具上用的导向套是钻套.钻套按其结构可分为固定钻套,可换钻套,快换钻套及特殊钻套。因此套钻夹具加工量不大,磨损较小,孔距离精度要求较高,则选用固定钻套.如图9.直接压入钻模板或夹具体的孔中.钻套内孔进口处应做成圆角,以利于导屑. 图9钻模板与固定钻套外圆一般采用H7/p6的配合.且必须有很高的耐磨行,材料选择T10A.,淬火HRC60.工件上不同孔径选择不同的钻套:9.5F824 720-053和6.7F824 720-053.相同的,为了防止定位销与模板之间的磨损,在模板定位孔之间套上两个固定衬套.选取的标准件代号为1212 720-055.材料仍选取T10A, 淬火HRC60.公差也采用H7/k6的配合.8.3.钻孔与工件之间的切屑间隙钻套下端面与工件表面之间应留一定的空隙C,使开始钻孔时,钻头切屑刃不位于钻套的孔中,以免刮伤钻套内孔.如图10 图10 切屑间隙 C=(0.3 1)d 取C=0.5d d 为钻头直径工件加工钻孔为9.5mm于6.7mm 故 C1=4.75mm C2=3.85mm 因两孔都在同一面上,所以,取C=4.75mm8.4.钻模板在导向装置中,导套通常是安装在钻模板上,因此钻模板必须具有足够的刚度和强度,以防变形而影响钻孔精度.钻模板按其与夹具体连接的方式,可分为固定式钻模板、铰链式钻模板、可卸式钻模板、滑柱式钻模板和活动钻模板等.在此套钻模夹具中选用的是可卸式钻模板,在装卸工件时需从夹具体上装上或卸下,钻模板在夹具体上采用定位销一面双孔定位,螺栓紧固,钻模精度较高.如图11 图11如图11.图中央三个孔为加工钻孔.九、夹具体的设计:夹具体是一般是夹具上最大和最复杂的基础元件。在夹具体上,要安放组成该夹具所需要的各种元件、机构、装置,并且还要考虑便于装卸以及在机床上的固定。因此夹具体的形状和尺寸应满足如下基本要求:1 有足够的强度和刚度;2 合理设计加强筋,尽量减轻重量,便于操作;3 安放稳定、可靠;4 结构紧凑、工艺性好;5 尺寸稳定、有一定的精度;6 排屑方便;7 应吊装方便、使用安全。根据以上要求,采用HT200灰铸铁为材料设计制造如下图所示的夹具体。具体尺寸见附图。夹具体构造的工艺性要求:1. 夹具体几何形状的选择应便于加工;2. 夹具的构形应考虑装配的可能性和方便性;3. 夹具体零件图上的尺寸标注应便于测量。夹具装配后在钻床上不用固定,且自重较大,工件减轻,切削力较小,为提高生产率,可将夹具直接放在钻床的工作台上。零件图十、夹具精度分析:夹具误差必须满足如下公式:dw是定位误差:dw=0.03;jw是基准位置误差:jw=0.015;jd是钻床夹具的对刀误差:jd =ShS塞尺的制造误差;h对刀块工作表面至定位元件的尺寸公差。查表可知:S=0.0005。因为对刀块是用就地加工法加工的,所以可以认为:h=0。由此我们可知:jd=0.0005得=0.0340.034=0.0667夹具精度符合要求。十一.夹具三维实体图:十二、参考文献:1.林文焕主编 机床夹具设计 中国铁道出版局 19872.王秀伦主编 机床夹具设计 国防工业出版社 19833.编辑委员会编 机械工程手册 机械工业出版社 19794.李家宝编 夹具设计 机械工业出版社 19645.唐用中编 组合夹具组装技术 国防工业出版社 19796.长春第一汽车制造厂工装设计室编 机床夹具设计原理 19767.湖南大学机制教研室编 机床夹具 湖南人民出版社 19768.机床夹具零部件 第一机械工业部机床研究所 19659.吴克坚主编 机械原理 高等教育出版社 198910.刘鸿文主编 材料力学 高等教育出版社 199111.吴宗泽主编 机械设计高等教育出版社 1990 12、成大先 主编,机械设计手册 M 1994年4月第三版第五卷,化学工业出版社。13、王启平主编。机床夹具设计。哈尔滨工业大学出版社,2005。14、陶崇德,葛鸿翰主编。机床夹具设计。上海科学技术出版社,1982。15、浦林祥主编。金属切削机床夹具设计手册。机械工业出版社,1987。十三、致谢:经过两个月的时间,在指导老师和自己努力下,我的毕业设计终于圆满完成了。在设计过程中,我通过各种方式收集、查找相关资料。同时,为了增加感性认识,也为了更好的进行设计。指导老师亲自带我们曾多次深入南昌工厂进行实地考察。在考察参观的过程中,我们仔细观察,虚心请教,不放过任何难点与疑问。设计中的很多机器结构都参照工厂的现行设备结构。通过这次完整的毕业设计,我们系统地回顾和复习了大学四年所学的相关专业知识,同时也深刻体会到学习的重要性并领会到设计也是一种学习的方式。在设计的过程中,我们综合运用了系统的设计方法和相关设计软件(如AutoCAD、Word等),且应用熟悉相关设计资料(包括手册、标准和规范等)以及进行经验估算等方面有了一定程度的提高,深刻的感受到计算机和工具书及手册在设计中带来的便利和帮助。 学院(系)本科毕业论文(设计)完成情况登记卡姓 名性别男学号院(系)专业机械设计制造班级论文(设计)题 目柴油机惰轮A轴钻夹具设计完成情况完成提纲时间2009年4月10日完成初稿时间2009年4月30日成二稿时间2009年5月15日定 稿 时 间2009年5月23日所用主要参考资料索引毕业论文、设计指导情况指导次数指导日期求教事项指导内容指导教师签名柴油机惰齿轮柴油机惰齿轮A轴钻夹具设计轴钻夹具设计 设计者:设计者:一、零件图一、设计任务v1.工件在夹具体上有准确定位 v 2.实现工件在夹具体上的夹紧要求v3.钻夹具的精度要求二、设计关键点1.工件的定位:零件在夹具体通过小间隙配合定位孔实现定位,且是夹具总体设计的第一定位基准。2.工件的夹紧:零件在加工过程中主要防止钻削过程中产生的扭矩,故采用压板用螺栓联结对工件实现夹紧。3.夹具的定位基准:第一基准:零件定位孔 (小间隙配合)第二基准:夹具体上的定位销孔(过盈配合)第三基准:钻模板上的定位销孔(小间隙配合)第一、第二、第三基准的定位误差分析是采用极限位置法进行计算。4.夹具体的精度选择原则:夹具相应尺寸公差占工件尺寸公差的1/3-1/5.v夹具误差必须满足如下公式:vdw是定位误差:dw=0.03;vjw是基准位置误差:jw=0.015;vjd是钻床夹具的对刀误差:vjd=ShvS塞尺的制造误差;h对刀块工作表面至定位元件的尺寸公差。查表可知:S=0.0005。因为对刀块是用就地加工法加工的,所以可以认为:h=0。由此我们可知:jd=0.0005结束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 18 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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