表座零件加工工艺及夹具设计 钻夹具【含7张CAD图纸、文档全稿】
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常州机电职业学院 课程设计论文 表座加工工艺及夹具设计设计 所在学院专 业班 级姓 名学 号指导老师 年 月 日摘 要表座零件加工工艺及钻床夹具设计是包括零件加工的工艺设计、工序设计以及专用夹具的设计三部分。在工艺设计中要首先对零件进行分析,了解零件的工艺再设计出毛坯的结构,并选择好零件的加工基准,设计出零件的工艺路线;接着对零件各个工步的工序进行尺寸计算,关键是决定出各个工序的工艺装备及切削用量;然后进行专用夹具的设计,选择设计出夹具的各个组成部件,如定位元件、夹紧元件、引导元件、夹具体与机床的连接部件以及其它部件;计算出夹具定位时产生的定位误差,分析夹具结构的合理性与不足之处,并在以后设计中注意改进。关键词:工艺,工序,切削用量,夹紧,定位,误差目 录摘 要1第1章 绪论3第2章 加工工艺规程设计32.1 零件的分析32.1.1 零件的作用32.1.2 零件的工艺分析42.2 表座加工的主要问题和工艺过程设计所应采取的相应措施42.2.1 孔和平面的加工顺序52.2.2 孔系加工方案选择52.3 表座加工定位基准的选择62.3.1 粗基准的选择62.3.2 精基准的选择62.4 表座加工主要工序安排62.5 机械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的确定92.6确定切削用量及基本工时(机动时间)92.7 时间定额计算及生产安排15第3章 钻孔夹具设计193.1设计要求193.2夹具设计203.2.1 定位基准的选择203.2.2 切削力及夹紧力的计算203.3定位误差的分析213.4 钻套、衬套、钻模板设计与选用223.5夹具设计及操作的简要说明23总 结24参考文献25致 谢26第1章 绪论机械制造业是制造具有一定形状位置和尺寸的零件和产品,并把它们装备成机械装备的行业。机械制造业的产品既可以直接供人们使用,也可以为其它行业的生产提供装备,社会上有着各种各样的机械或机械制造业的产品。我们的生活离不开制造业,因此制造业是国民经济发展的重要行业,是一个国家或地区发展的重要基础及有力支柱。从某中意义上讲,机械制造水平的高低是衡量一个国家国民经济综合实力和科学技术水平的重要指标。表座零件加工工艺及钻床夹具设计是在学完了机械制图、机械制造技术基础、机械设计、机械工程材料等的基础下,进行的一个全面的考核。正确地解决一个零件在加工中的定位,夹紧以及工艺路线安排,工艺尺寸确定等问题,并设计出专用夹具,保证尺寸证零件的加工质量。本次设计也要培养自己的自学与创新能力。因此本次设计综合性和实践性强、涉及知识面广。所以在设计中既要注意基本概念、基本理论,又要注意生产实践的需要,只有将各种理论与生产实践相结合,才能很好的完成本次设计。本次设计水平有限,其中难免有缺点错误,敬请老师们批评指正。第2章 加工工艺规程设计2.1 零件的分析2.1.1 零件的作用题目给出的零件是表座。表座的主要作用是支保证各轴之间的中心距及平行度,并保证部件正确安装。因此表座零件的加工质量,不但直接影响的装配精度和运动精度,而且还会影响工作精度、使用性能和寿命。2.1.2 零件的工艺分析由表座零件图可知。表座是一个表座零件,它的外表面上有6个平面需要进行加工。支承孔系在前后端面上。此外各表面上还需加工一系列孔。因此可将其分为三组加工表面。它们相互间有一定的位置要求。现分析如下:(1)以底面为主要加工表面的加工面。这一组加工表面包括:顶面的底削加工;其中顶面有表面粗糙度要求为,(2)以孔为主要加工表面的加工面。这一组加工表面包括:四个前后端面;钻4X5孔;钻2X3.5,2X4.9的孔,钻沉头孔2X7.9,2X4.9,钻侧面孔2X4.9。(3)以顶面为主要加工平面的加工面。2.2 表座加工的主要问题和工艺过程设计所应采取的相应措施由以上分析可知。该表座零件的主要加工表面是平面及孔系。一般来说,保证平面的加工精度要比保证孔系的加工精度容易。因此,对于表座来说,加工过程中的主要问题是保证孔的尺寸精度及位置精度,处理好孔和平面之间的相互关系。由于的生产量很大。怎样满足生产率要求也是加工过程中的主要考虑因素。2.2.1 孔和平面的加工顺序表座类零件的加工应遵循先面后孔的原则:即先加工表座上的基准平面,以基准平面定位加工其他平面。然后再加工孔系。表座的加工自然应遵循这个原则。这是因为平面的面积大,用平面定位可以确保定位可靠夹紧牢固,因而容易保证孔的加工精度。其次,先加工平面可以先切去铸件表面的凹凸不平。为提高孔的加工精度创造条件,便于对刀及调整,也有利于保护刀具。表座零件的加工工艺应遵循粗精加工分开的原则,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孔系加工精度。2.2.2 孔系加工方案选择表座孔系加工方案,应选择能够满足孔系加工精度要求的加工方法及设备。除了从加工精度和加工效率两方面考虑以外,也要适当考虑经济因素。在满足精度要求及生产率的条件下,应选择价格最底的机床。根据表座零件图所示的表座的精度要求和生产率要求,当前应选用在组合机床上用镗模法镗孔较为适宜。(1)用镗模法镗孔在大批量生产中,表座孔系加工一般都在组合镗床上采用镗模法进行加工。镗模夹具是按照工件孔系的加工要求设计制造的。当镗刀杆通过镗套的引导进行镗孔时,镗模的精度就直接保证了关键孔系的精度。采用镗模可以大大地提高工艺系统的刚度和抗振性。因此,可以用几把刀同时加工。所以生产效率很高。但镗模结构复杂、制造难度大、成本较高,且由于镗模的制造和装配误差、镗模在机床上的安装误差、镗杆和镗套的磨损等原因。用镗模加工孔系所能获得的加工精度也受到一定限制。(2)用坐标法镗孔在现代生产中,不仅要求产品的生产率高,而且要求能够实现大批量、多品种以及产品更新换代所需要的时间短等要求。镗模法由于镗模生产成本高,生产周期长,不大能适应这种要求,而坐标法镗孔却能适应这种要求。此外,在采用镗模法镗孔时,镗模板的加工也需要采用坐标法镗孔。用坐标法镗孔,需要将表座孔系尺寸及公差换算成直角坐标系中的尺寸及公差,然后选用能够在直角坐标系中作精密运动的机床进行镗孔。2.3 表座加工定位基准的选择2.3.1 粗基准的选择粗基准选择应当满足以下要求:(1)保证各重要支承孔的加工余量均匀;(2)保证装入表座的零件与箱壁有一定的间隙。为了满足上述要求,应选择的主要支承孔作为主要基准。即以表座的输入轴和输出轴的支承孔作为粗基准。也就是以前后端面上距顶平面最近的孔作为主要基准以限制工件的四个自由度,再以另一个主要支承孔定位限制第五个自由度。由于是以孔作为粗基准加工精基准面。因此,以后再用精基准定位加工主要支承孔时,孔加工余量一定是均匀的。由于孔的位置与箱壁的位置是同一型芯铸出的。因此,孔的余量均匀也就间接保证了孔与箱壁的相对位置。2.3.2 精基准的选择从保证表座孔与孔、孔与平面、平面与平面之间的位置 。精基准的选择应能保证表座在整个加工过程中基本上都能用统一的基准定位。从表座零件图分析可知,它的顶平面与各主要支承孔平行而且占有的面积较大,适于作精基准使用。但用一个平面定位仅仅能限制工件的三个自由度,如果使用典型的一面两孔定位方法,则可以满足整个加工过程中基本上都采用统一的基准定位的要求。至于前后端面,虽然它是表座的装配基准,但因为它与表座的主要支承孔系垂直。如果用来作精基准加工孔系,在定位、夹紧以及夹具结构设计方面都有一定的困难,所以不予采用。2.4 表座加工主要工序安排对于大批量生产的零件,一般总是首先加工出统一的基准。表座加工的第一个工序也就是加工统一的基准。具体安排是先以孔定位粗、精加工顶平面。第二个工序是加工定位用的两个工艺孔。由于顶平面加工完成后一直到表座加工完成为止,除了个别工序外,都要用作定位基准。因此,顶面上的螺孔也应在加工两工艺孔的工序中同时加工出来。后续工序安排应当遵循粗精分开和先面后孔的原则。先粗加工平面,再粗加工孔系。螺纹底孔在多轴组合钻床上钻出,因切削力较大,也应该在粗加工阶段完成。对于表座,需要精加工的是支承孔前后端平面。按上述原则亦应先精加工平面再加工孔系,但在实际生产中这样安排不易于保证孔和端面相互垂直。因此,实际采用的工艺方案是先精加工支承孔系,然后以支承孔用可胀心轴定位来加工端面,这样容易保证零件图纸上规定的端面全跳动公差要求。各螺纹孔的攻丝,由于切削力较小,可以安排在粗、精加工阶段中分散进行。加工工序完成以后,将工件清洗干净。清洗是在的含0.4%1.1%苏打及0.25%0.5%亚硝酸钠溶液中进行的。清洗后用压缩空气吹干净。保证零件内部杂质、铁屑、毛刺、砂粒等的残留量不大于。根据以上分析过程,现将表座加工工艺路线确定如下:工艺路线一:10铸造铸造毛坯20热处理 人工时效30油漆喷漆处理40铣削铣顶部大端面50铣削铣底部面60铣削铣削前侧面70铣削铣削后侧面80铣削铣削左侧面90铣削铣削右侧面90钻孔钻4X5孔100钻孔钻2X3.5,2X4.9110钻沉头孔钻沉头孔2X7.9,2X4.9120钻孔钻侧面孔2X4.9130去毛刺钳工去毛刺140终检按图样要求检验150入库入库工艺路线二:10铸造铸造毛坯20热处理 人工时效30油漆喷漆处理40铣削铣顶部大端面50铣削铣底部面60铣削铣削前侧面70铣削铣削后侧面80铣削铣削左侧面90铣削铣削右侧面90钻孔钻4X5孔100钻孔钻2X3.5,2X4.9110钻沉头孔钻沉头孔2X7.9,2X4.9120钻孔钻侧面孔2X4.9130去毛刺钳工去毛刺140终检按图样要求检验150入库入库以上加工方案大致看来合理,但通过仔细考虑,零件的技术要求及可能采取的加工手段之后,就会发现仍有问题,方案二把底面的钻孔工序调整到后面了,这样导致铣削加工定位基准不足,特别镗孔工序。以上工艺过程详见机械加工工艺过程综合卡片。综合选择方案一:工艺路线一:10铸造铸造毛坯20热处理 人工时效30油漆喷漆处理40铣削铣顶部大端面50铣削铣底部面60铣削铣削前侧面70铣削铣削后侧面80铣削铣削左侧面90铣削铣削右侧面90钻孔钻4X5孔100钻孔钻2X3.5,2X4.9110钻沉头孔钻沉头孔2X7.9,2X4.9120钻孔钻侧面孔2X4.9130去毛刺钳工去毛刺140终检按图样要求检验150入库入库2.5 机械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的确定“表座”零件材料采用灰铸铁制造。材料为HT200,硬度HB为170241,生产类型为大批量生产,采用铸造毛坯。(1)顶面的加工余量。根据工序要求,顶面加工分粗、精铣加工。各工步余量如下:粗铣:参照机械加工工艺手册第1卷表3.2.23。其余量值规定为,现取。表3.2.27粗铣平面时厚度偏差取。精铣:参照机械加工工艺手册表2.3.59,其余量值规定为。(3)底面孔毛坯为实心,不冲孔。参照机械加工工艺手册表2.3.71,现确定其工序尺寸及加工余量为:2X7.9,2X4.9孔毛坯为实心 (4)前后面加工余量。根据工艺要求,前后端面分为粗铣、半精铣、半精铣、精铣加工。各工序余量如下:粗铣:参照机械加工工艺手册第1卷表3.2.23,其加工余量规定为,现取。半精铣:参照机械加工工艺手册第1卷,其加工余量值取为。精铣:参照机械加工工艺手册,其加工余量取为。铸件毛坯的基本尺寸为,根据机械加工工艺手册表2.3.11,铸件尺寸公差等级选用CT7。再查表2.3.9可得铸件尺寸公差为。毛坯为实心,不冲孔。参照机械加工工艺手册表2.3.71,现确定螺孔加工余量为:(8)侧面孔加工余量毛坯为实心,不冲孔。参照机械加工工艺手册表2.3.71,现确定螺孔加工余量为:钻孔: 2X4.9 实心2.6确定切削用量及基本工时(机动时间)工序40、50:铣顶部大端面机床:铣床X52K刀具:硬质合金端铣刀(面铣刀) 齿数10(1)粗铣顶部大端面 铣削深度:每齿进给量:根据机械加工工艺手册表2.4.73,取铣削速度:参照机械加工工艺手册表2.4.81,取机床主轴转速:,取实际铣削速度:进给量:工作台每分进给量:根据机械加工工艺手册表2.4.81,被切削层长度:由毛坯尺寸可知刀具切入长度:刀具切出长度:取走刀次数为1机动时间:(2)精铣顶部大端面铣削深度:每齿进给量:根据机械加工工艺手册表2.4.73,取铣削速度:参照机械加工工艺手册表2.4.81,取机床主轴转速:,取实际铣削速度:进给量:工作台每分进给量: 被切削层长度:由毛坯尺寸可知刀具切入长度:精铣时刀具切出长度:取走刀次数为1机动时间: 本工序机动时间工序2:铣底部面。机床:铣床X52K刀具:硬质合金可转位端铣刀(面铣刀),材料:, ,齿数,此为粗齿铣刀。因其单边余量:Z=3mm所以铣削深度:=3mm精铣该平面的单边余量:Z=1.0mm铣削深度:每齿进给量:根据参考文献3表2.473,取:根据参考文献3表2.481,取铣削速度每齿进给量:根据参考文献3表2.473,取根据参考文献3表2.481,取铣削速度机床主轴转速:按照参考文献3表3.174,取 实际铣削速度: 进给量: 工作台每分进给量: :根据参考文献3表2.481,取切削工时被切削层长度:由毛坯尺寸可知, 刀具切入长度: 刀具切出长度:取走刀次数为1机动时间: 机动时间:所以该工序总机动时间工序80:粗、精铣表座左侧表面机床:铣床X52K刀具:硬质合金端铣刀(面铣刀) 齿数10(1)粗铣铣削深度:每齿进给量:根据机械加工工艺手册表2.4.73,取铣削速度:参照机械加工工艺手册表2.4.81,取机床主轴转速:,取实际铣削速度:进给量:工作台每分进给量:根据机械加工工艺手册表2.4.81,被切削层长度:由毛坯尺寸可知刀具切入长度:刀具切出长度:取走刀次数为1机动时间:(2)精铣铣削深度:每齿进给量:根据机械加工工艺手册表2.4.73,取铣削速度:参照机械加工工艺手册表2.4.81,取机床主轴转速:,取实际铣削速度:进给量:工作台每分进给量: 被切削层长度:由毛坯尺寸可知刀具切入长度:精铣时刀具切出长度:取走刀次数为1机动时间: 本工序机动时间工序90:钻钻底面2X10定位销孔底孔9.8,然后铰孔达到尺寸2X10H7机床:组合钻床刀具:麻花钻、扩孔钻、铰刀切削深度:进给量:根据机械加工工艺手册表2.4.39,取切削速度:参照机械加工工艺手册表2.4.41,取机床主轴转速:,取实际切削速度: 被切削层长度:刀具切入长度:刀具切出长度:走刀次数为1机动时间:工序4:粗铣左两侧面机床:组合铣床刀具:硬质合金端铣刀YG8,硬质合金立铣刀YT15(1)粗铣两侧面铣刀直径,齿数铣削深度:每齿进给量:根据机械加工工艺手册表2.4.73,取铣削速度:参照机械加工工艺手册表2.4.81,取机床主轴转速:,取实际铣削速度:进给量:工作台每分进给量:根据机械加工工艺手册表2.4.81,被切削层长度:由毛坯尺寸可知刀具切入长度:刀具切出长度:取走刀次数为1机动时间:工序100:钻沉头孔2X7.9,2X4.9,钻侧面孔2X4.9钻孔选用机床为Z525摇臂机床,刀具选用GB1436-85直柄短麻花钻,机械加工工艺手册第2卷。根据机械加工工艺手册第2卷表10.4-2查得钻头直径小于10的钻孔进给量为0.200.35。 则取确定切削速度,根据机械加工工艺手册第2卷表10.4-9切削速度计算公式为 (3-20)查得参数为,刀具耐用度T=35则 =1.6所以 =72选取 所以实际切削速度为=2.64确定切削时间(一个孔) =2.7 时间定额计算及生产安排根据设计任务要求,该的年产量为10万件。一年以240个工作日计算,每天的产量应不低于417件。设每天的产量为420件。再以每天8小时工作时间计算,则每个工件的生产时间应不大于1.14min。参照机械加工工艺手册表2.5.2,机械加工单件(生产类型:中批以上)时间定额的计算公式为: (大量生产时)因此在大批量生产时单件时间定额计算公式为: 其中: 单件时间定额 基本时间(机动时间) 辅助时间。用于某工序加工每个工件时都要进行的各种辅助动作所消耗的时间,包括装卸工件时间和有关工步辅助时间 布置工作地、休息和生理需要时间占操作时间的百分比值工序1:粗、精铣顶面机动时间:辅助时间:参照机械加工工艺手册表2.5.43,取工步辅助时间为。由于在生产线上装卸工件时间很短,所以取装卸工件时间为。则:根据机械加工工艺手册表2.5.48,单间时间定额: 因此应布置两台机床同时完成本工序的加工。当布置两台机床时, 即能满足生产要求工序2:钻顶面孔机动时间:辅助时间:参照机械加工工艺手册表2.5.41,取工步辅助时间为。由于在生产线上装卸工件时间很短,所以取装卸工件时间为。则:根据机械加工工艺手册表2.5.43,单间时间定额: 因此布置一台机床即能满足生产要求。工序4:钻两侧面孔机动时间:辅助时间:参照机械加工工艺手册表2.5.41,取工步辅助时间为。由于在生产线上装卸工件时间很短,所以取装卸工件时间为。则:根据机械加工工艺手册表2.5.43,单间时间定额: 因此布置一台机床即能满足生产要求。工序5:铣前后端面机动时间:辅助时间:参照机械加工工艺手册表2.5.45,取工步辅助时间为。由于在生产线上装卸工件时间很短,所以取装卸工件时间为。则:根据机械加工工艺手册表2.5.48,单间时间定额: 因此布置一台机床即能满足生产要求。工序6:精铣前后端面机动时间:辅助时间:参照机械加工工艺手册表2.5.45,取工步辅助时间为。由于在生产线上装卸工件时间很短,所以取装卸工件时间为。则:根据机械加工工艺手册表2.5.48,单间时间定额: 因此布置一台机床即能满足生产要求。工序9:粗镗前后端面支承孔机动时间:辅助时间:参照机械加工工艺手册表2.5.37,取工步辅助时间为。由于在生产线上装卸工件时间很短,所以取装卸工件时间为。则:根据机械加工工艺手册表2.5.39,单间时间定额: 因此应布置两台机床同时完成本工序的加工。当布置两台机床时,即能满足生产要求工序12:前后端面孔机动时间:辅助时间:参照钻孔辅助时间,取装卸工件辅助时间为,工步辅助时间为。则:参照钻孔值,取单间时间定额: 因此布置一台机床即能满足生产要求。工序14:精铣前后端面机动时间:辅助时间:参照机械加工工艺手册表2.5.45,取工步辅助时间为。由于在生产线上装卸工件时间很短,所以取装卸工件时间为。则:根据机械加工工艺手册表2.5.48,单间时间定额: 因此应布置两台机床同时完成本工序的加工。当布置两台机床时,即能满足生产要求工序15:精铣两侧面机动时间:辅助时间:参照机械加工工艺手册表2.5.45,取工步辅助时间为。由于在生产线上装卸工件时间很短,所以取装卸工件时间为。则:根据机械加工工艺手册表2.5.48,单间时间定额: 因此应布置两台机床同时完成本工序的加工。当布置两台机床时,即能满足生产要求工序17:顶面孔机动时间:辅助时间:参照钻孔辅助时间,取装卸工件辅助时间为,工步辅助时间为。则:参照钻孔值,取单间时间定额: 因此布置一台机床即能满足生产要求。第3章 钻孔夹具设计3.1设计要求为了提高劳动生产,保证加工质量,降低劳动强度,需要设计专用夹具。上面即为 (钻孔)的专用夹具,本夹具将用于Z525钻床。在对工件进行机械加工时,为了保证加工的要求,首先要使工件相对道具及机床有正确的位置,并使这个位置在加工过程中不因外力的影响而变动。因此,在进行机械加工前,先要将工件装夹好。机床夹具的组成 1、定位装置 其作用是使工件在夹具中占据正确的位置。2、夹紧装置 其作用是将工件压紧夹牢,保证工件在加工过程中受到外力(切削力等)作用时不离开已经占据的正确的正确位置。3、对刀或导向装置 其作用是确定刀具相对定位元件的正确位置。4、连接原件 其作用是确定夹具在机床上的正确位置。5、夹具体 夹具体是机床夹具的基础件,通过它将夹具的所有元件连接成一个整体。6、其他元件或装置 是指家家具中因特殊需要而设置的元件或装置。根据加工需要,有些夹具上设置分度装置、靠模装置;为能方便、准确定位,常设置预定位装置;对于大型夹具,常设置吊装元件等。以上各组成部分中,定位元件、夹紧装置和夹具体是机床夹具的基础组成部分。机床的分类机床夹具种类繁多,可以从不同的角度对机床夹具进行分类。按夹具的使用特点可分为:通用夹具,专用夹具,可调夹具,组合夹具,拼装夹具。按使用机床可分为:车床夹具,铣床夹具,钻床夹具,镗床夹具,齿轮机床夹具,数控机床夹具,自动机床夹具,自动线随行夹具以及其他机床夹具。按夹紧的动力源可分为:手动夹具,气动夹具,液压夹具,气液增力夹具,电磁夹具以及真空夹具等。工件的装夹方法工件装夹的方法有两种:将工件直接装夹在机床的工作台或花盘上将工件装夹在家具上采用第一种方法装夹的效率低,一般要求先按图纸要求在工件的表面上划线,划出加工表面的尺寸和位置,装夹时,用划针或面分表找正后再夹紧。一般用于单件和小批生产。批量较大时,都采用夹具装夹工件。采用夹具装夹工件有如下优点:a、保证加工精度,稳定加工质量b、缩短辅助时间,提高劳动生产率c、扩大机床的使用范围,实现“一机多能”d、改善工人的劳动条件,降低生产成本本夹具无严格的技术要求,因此,应主要考虑如何提高劳动生产率,降低劳动强度,精度不是主要考虑的问题。3.2夹具设计3.2.1 定位基准的选择为了提高加工效率及方便加工,决定材料使用高速钢,用于对进行加工,准备采用手动夹紧。3.2.2 切削力及夹紧力的计算刀具:钻头 D=4.9。则轴向力:见工艺师手册表28.4F=Cdfk3.1 式中: C=420, Z=1.0, y=0.8, f=0.35 k=(F=420转矩T=Cdfk式中: C=0.206, Z=2.0, y=0.8T=0.206功率 P=在计算切削力时,必须考虑安全系数,安全系数 K=KKKK式中 K基本安全系数,1.5; K加工性质系数,1.1;K刀具钝化系数, 1.1;K断续切削系数, 1.1则 F=KF=1.5钻削时 T=17.34 N切向方向所受力: F=取F=4416F F所以,时工件不会转动,故本夹具可安全工作。3.3定位误差的分析制造误差ZZ (1)中心线对定位件中心线位置精度. 取.(2)内外圆同轴度误差(查表P297).故,.则.知此方案可行。3.4 钻套、衬套、钻模板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。 图3.1 可换钻套铰工艺孔钻套结构参数如下表3.4:表3.4 钻套dHD公称尺寸允差111611+0.018+0.007221810490.518衬套选用固定衬套其结构如图所示:图3.2 固定衬套其结构参数如下表3.5:表3.5 固定衬套dHDC 公称尺寸允差公称尺寸允差18+0.034+0.0161210+0.023+0.0120.52钻模板选用固定式钻模板,用4个沉头螺钉和2个锥销定位于夹具体上。3.5夹具设计及操作的简要说明由于是大批大量生产,主要考虑提高劳动生产率。因此设计时,需要更换零件加工时速度要求快。本夹具设计,用移动夹紧的大平面定位三个自由度,定位两个自由度,用定位块定位最后一个转动自由度。此时虽然有过定位,但底面是经精铣的面,定位是允许的。25总 结加工工艺的编制和专用夹具的设计,使对零件的加工过程和夹具的设计有进一步的提高。在这次的设计中也遇到了不少的问题,如在编写加工工艺时,对所需加工面的先后顺序编排,对零件的加工精度和劳动生产率都有相当大的影响。在对某几个工序进行专用夹具设计时,对零件的定位面的选择,采用什么方式定位,夹紧方式及夹紧力方向的确定等等都存在问题。这些问题都直接影响到零件的加工精度和劳动生产率,为达到零件能在保证精度的前提下进行加工,而且方便快速,以提高劳动生产率,降低成本的目的。通过不懈努力和指导老师的精心指导下,针对这些问题查阅了大量的相关资料。最后,将这些问题一一解决,并夹紧都采用了手动夹紧,由于工件的尺寸不大,所需的夹紧力不大。完成了本次设计,通过做这次的设计,使对专业知识和技能有了进一步的提高,为以后从事本专业技术的工作打下了坚实的基础。参考文献参考文献1.机床夹具设计 第2版 肖继德 陈宁平主编 机械工业出版社2.机械制造工艺及专用夹具设计指导 孙丽媛主编 冶金工业出版社3.机械制造工艺学 周昌治、杨忠鉴等 重庆大学出版社4. 机械制造工艺设计简明手册李益民 主编 机械工业出版社5. 工艺师手册 杨叔子主编 机械工业出版社3. 机床夹具设计手册王光斗、王春福主编 上海科技出版社7. 机床专用夹具设计图册南京市机械研究所 主编 机械工业出版社8. 机械原理课程设计手册 邹慧君主编 机械工业出版社9.金属切削手册第三版 上海市金属切削技术协会 上海科学技术出版社10.几何量公差与检测第五版 甘永立 主编 上海科学技术出版社11机械设计基础 第三版 陈立德主编 高等教育出版社12工程材料 丁仁亮主编 机械工业出版社13机械制造工艺学课程设计指导书, 机械工业出版社14机床夹具设计 王启平主编 哈工大出版社15.现代机械制图 吕素霞 何文平主编 机械工业出版社致 谢经过了的很长时间,终于比较圆满完成了设计任务。回顾这日日夜夜,感觉经过了一场磨练,通过图书、网络、老师、同学等各种可以利用的方法,巩固了自己的专业知识。对所学知识的了解和使用都有了更加深刻的理解。此时此刻,我要特别感谢我的导师的精心指导,不仅指导我们解决了关键性技术难题,更重要的是为我们指引了设计的思路并给我们讲解了设计中用到的实际工程设计经验,从而使我们设计中始终保持着清晰的思维也少走了很多弯路,也使我学会综合应用所学知识,提高分析和解决实际问题的能力。不仅如此,老师的敬业精神更是深深的感染了我,鞭策着我在以后的工作中爱岗敬业,导师是真真正正作到了传道、授业、解惑。同时也要感谢其他同学、老师和同事的热心帮助,感谢院系领导对我们课程设计的重视和关心,为我们提供了作图工具和场所,使我们能够全身心的投入到设计中去,为更好、更快的完成课程设计提供了重要保障。43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. D. Lee 和L. S. Haynes .柔性夹具系统的有限元分析交易美国ASME,工程杂志工业 :134-139页。2、W. Cai, S. J. Hu 和J. X. Yuan .“柔性钣金夹具:原理,算法和模拟”,交易美国ASME,制造科学与工程杂志 :1996 318-324页。3、P. Chandra, S. M. Athavale, R. E. DeVor 和S. G. Kapoor.“负载对表面平整度的影响”工件夹具制造科学研讨会论文集1996,第一卷:146-152页。4、R. J. Menassa 和V. R. DeVries.“适用于选拔夹具设计与优化方法,美国ASME工业工程杂志:113 、 412-414,1991。5、A. J. C. Trappey, C. Su 和J. Hou.计算机辅助夹具分析中的应用有限元分析和数学优化模型, 1995 ASME程序,MED: 777-787页。6、 S. N. Melkote, S. M. Athavale, R. E. DeVor, S. G. Kapoor 和J. Burkey .“基于加工过程仿真的加工装置作用力系统研究”, NAMRI/SME:207214页, 19957、“考虑工件夹具,夹具接触相互作用布局优化模拟的结果” 341-346,1998。 8、E. C. DeMeter. 快速支持布局优化,国际机床制造, 硕士论文 1998。9、Y.-C. Chou, V. Chandru, M. M. Barash .加工夹具机械构造的数学算法:分析和合成,美国ASME,工程学报工业“:1989 299-306页。10、S. H. Lee 和 M. R. Cutkosky. 具有摩擦性的夹具规划 美国ASME,工业工程学报:1991,320327页。11、S. Jeng, L. Chen 和W. Chieng.“最小夹紧力分析”,国际机床制造,硕士论文 1995年。12、E. C. DeMeter.加工夹具的性能的最小最大负荷标准 美国ASME,工业工程杂志 :199413、E. C. DeMeter .加工夹具最大负荷的性能优化模型 美国ASME,工业工程杂志 1995。14、JH复和AYC倪.“核查和工件夹持的夹具设计”方案优化,设计和制造,4,硕士论文: 307-318,1994。15、T. H. Richards、埃利斯 霍伍德.1977,应力能量方法分析,1977。16、M. J. Hockenberger and E. C. DeMeter. 对工件准静态分析功能位移在加工夹具的应用程序,制造科学杂志与工程: 325331页, 1996。
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