0074-工艺夹具-套筒加工工艺及(镗孔)夹具设计
0074-工艺夹具-套筒加工工艺及(镗孔)夹具设计,工艺,夹具,套筒,加工,镗孔,设计
机械加工工序卡片产品型号YG零(部)件图号设计者: 产品名称油缸零(部)件名称油钢钢筒共 页第 页车间工序号工序名称材料牌号机 加3内孔加工35钢毛坯种类毛坯外型尺寸每毛坯可制件数每台件数无逢钢管89141设备名称设备型号设备编号同时加工件数镗床T6121夹具编号夹具名称切削液CDG-JZ033-03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(含:刀具、量具、专用工具)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1深孔粗推镗到66;YW11003200.12.51机动辅助2半精推镗到68;.YW11003200.1113精镗孔到69.85;YW11003200.10.92514精铰(浮动绞刀)孔到700.20。浮动绞刀1003200.10.0751毕 业 设 计(论 文)说 明 书题 目 套 筒 加 工 工 艺 及 夹 具 设 计 28川 理 工 学 院毕业设计(论文)任务书设计(论文)题目: 套筒加工工艺及夹具设计 、绘制并审核零件图、毛坯图;、设计加工工艺并编制工艺规程、工序卡;、设计夹具装配图;、编制夹具安装调整及使用维护说明书;、编制设计说明书。2原始资料 、零件图一张; 、生产批量6000件/年2指定查阅的主要参考文献及说明、机械设计手册、机械加工工艺手册、夹具设计手册、机床图册、其他相关资料3进度安排设计(论文)各阶段名称起 止 日 期1查阅和收集设计资料、绘制零件图2进行套筒加工工艺及夹具设计并绘制毛坯图3填写机械加工工艺过程卡片和工序卡片4设计套筒加工工艺及夹具并绘制零件图、装配图5编写设计说明书6毕业设计(论文)的修改、答辩的准备时间中文摘要零件的加工工艺编制,在机械加工中占有非常重要的地位,零件工艺编制得合不合理,这直接关系到零件最终能否达到质量要求;夹具的设计也是不可缺少的一部分,它关系到能否提高其加工效率的问题。因此这两者在机械加工行业中是至关重要的环节。套筒零件的主要加工表面为孔和外圆表面。外圆表面加工根据精度要要求可选择车削和磨削。孔加工方法的选择比较复杂,需要考虑零件的结构特点、孔径大小、长径比、精度和粗糙度要求以及生产规模等各种因素。对于精度要求较高的孔往往还要采用几种不同的方法顺次进行加工。本次设计的油缸,为保证孔的精度和表面质量将先后经过粗镗、半精镗、精镗和滚压等四道工序加工。在机床上对零件进行机械加工时,为保证工件加工精度,首先要保证工件在机床上占有正确的位置,然后通过夹紧机构使工件在正确位置上固定不动,这一任务就是由机床夹具完成。对于单件、小批量生产,应尽量使用通用夹具,这样可以降低工件的生产成本。但是由于通用夹具适用各种工件的装夹,所以夹紧时往往比较费时间,并且操作复杂,生产效率低,也难以保证加工精度,为此需设计专用夹具。关键词:工艺设计、基准选择、切削用量、定位误差ABSTRCTIs the components craft establishment, holds the very important status in the machine-finishing, the components craft establishes reasonable, whether do this direct relation components achieve the quality requirement finally; Jigs design is also an essential part, whether does it relate raises its processing efficiency the question. Therefore this both in the machine-finishing profession are the important links.Sleeve components main processing surface for hole and outer annulus surface. The outer annulus face work needs to request according to the precision to be possible to choose the turning and the grinding. The hole processing methods choice is quite complex, needs to consider the components the unique feature, the aperture size, the length to diameter ratio, the precision and roughness request as well as the scale of production and so on each kind of factor. Often must use several different methods regarding the accuracy requirement high hole to carry on the processing in order. This designs cylinder, will pass through half finished boring, the finished boring, the fine articulation and the trundle successively for the guarantee holes precision and the surface quality and so on four working procedure processingsWhen the engine bed carries on the machine-finishing to the components, is guaranteed that the work piece working accuracy, first needs to guarantee the work piece holds the correct position on the engine bed, then causes the work piece in the correct position through the clamp organization fixed motionless, this duty is completes by the engine bed jig. Regarding the single unit, the small batch production, should use the universal jig as far as possible, like this may reduce the work piece the production cost. But because the universal jig is suitable each kind of work piece the attire to clamp, therefore time clamp often compares spends the time, and operates complex, the production efficiency is low, also guarantees the working accuracy with difficulty, for this reason must design the unit clamp.Key word: Craft, datum, cutting specifications, localization datum, position error.毕业设计目录中文摘要英文摘要概述1第一章 零件的分析3 1.1 零件的作用3 1.2 零件的工艺分析3 1.2.1 加工方法的选择.3 1.2.2 保证套筒表面位置精度的方法.3 1.2.3 防止套筒变形的工艺措施.4第二章 工艺规程的设计52.1 确定毛坯的制造形式52.2 基准的选择52.2.1 粗基准的选择52.2.2 精基准的选择52.3 制定工艺路线52.4 机械加工余量、工序尺寸及毛坯的确定62.5 确定切削用量及基本工时82.5.1工序1 配料(35钢)82.5.2工序2 车82.5.3工序3 深孔推镗142.5.4工序4 滚压孔162.5.5工序5 车162.5.6 工序6 检查19第三章 夹具设计.203.1 概述.203.2 镗床夹具设计要则.203.3 夹具设计.203.3.1 问题的提出. . .203.3.2 镗套的结构. . . 213.3.3 镗套的布置形式. . .21 3.3.4 镗杆.223.3.5 支架与底座. . .233.3.6 镗套与镗杆以及衬套等的配合选择.233.3.7 定位机构设计.283.3.8 夹紧机构的设计.283.4 夹具工作原理及动作说明.25第四章 结论26设计体会. 27参考文献28致谢29附录30概述一、 套筒零件的功用和结构特点 套筒零件是机械加工中经常碰到的一种零件,它的应用范围很广。例如:支承旋转轴的各种形式的轴承、夹具上的导向套、内燃机的汽缸套以及液压系统中的油缸等。 机器中的套筒零件起支承或导向作用。由于功用不同,套筒零件的结构和尺寸有很大的差别,但结构上仍有共同的特点:零件的主要表面为不同轴度要求较高的内、外旋转表面;零件壁的厚度较薄:零件的长度一般大于直径等。二、 套筒零件的技术要求 套筒零件的主要表面是内孔和外圆,其主要技术要求如下:1、内孔 内孔是套筒零件起支承作用或导向作用最主要的表面,它通常与运动着的轴、刀具或活塞相配合。内孔直径的尺寸精度一般为2级,精密轴套有时取1级,油缸由于与其相配的活塞上有密封圈,故要求较低。 内孔的形状精度,一般应控制在孔径公差以内,有些精密轴套控制在孔径公差的,甚至更严。对于长的套筒除了圆柱度和同轴度外,还应注意孔轴线直线度的要求。为保证零件的功能和提高其耐磨性,内孔表面粗糙度一般为,有的高达以上。2、 外圆 外圆表面一般是套筒零件的支承表面,常以静配合或过渡配合同箱体或机架沙锅内的孔相连接。外径的尺寸精度通常为23级;形状精度控制在外径公差以内;粗糙度一般为。1) 内外圆之间的同轴度 当内径的最终加工系将套筒装入机座后进行时,套筒内外圆间的同轴度要求较低;如果最终加工是在装配前完成时要求较高,一般为0.010.05mm。2) 孔轴线与端面的垂直度 套筒的端面(包括凸缘端面)如工作中承受轴向载荷,或虽不承受载荷但加工中是作为定位面时,与孔轴线的垂直度要求较高,一般为0.020.05mm。三、 套筒零件的材料与毛坯套筒零件一般都是用钢、铸铁、青铜或黄铜等材料制成。有些滑动轴承采用双金属机构,即用离心铸造法在钢或铸铁套的内壁上浇注巴氏合金等轴承合金材料,这样既可节省贵重的有色金属,又能提高轴承的寿命。套筒零件的毛坯选择与其材料、结构和尺寸等因素有关。孔径较小(如d1.5D,加工孔径较大,并且各个孔系之间的位置精度也要求较高,宜采用“双支承前后引导”。另外镗套采用的是固定式镗套,故按H(1.52)d来选取,则取H63mm。图3-2双支承前后引导图3-3 镗杆导向部分的结构3.3.4 镗杆图3-3为用于固定式镗套的镗杆导向部分的结构。当镗杆导向部分直径d50mm时,镗杆常采用整体式。确定镗杆直径时,应考虑镗杆的刚度和镗孔时应有的容屑空间。一般按:d = (0.60.8)D选取,式中d镗杆直径(mm),D被镗孔直径(mm)。则得,d =55 mm设计镗杆时,镗孔直径D,镗杆直径d、镗刀截面BxB之间的关系参照表3-1选取。表3-1 镗杆直径d、镗刀截面BxB与被镗孔直径D的关系D(mm)1104040505070709090110d(mm)20303040405050656590BxB(mm)10x1010x10121216x1616x1620x20表中所列镗杆直径的范围,在加工小孔时取大值,在加工大孔时,若导向好,切削负荷小则可取小值;一般取中间值,若导向不良,切削负荷大时可取大值。镗杆的轴向尺寸,应按镗孔系统图上的有关尺寸确定。镗杆的材料要求镗杆表面硬度高而心部有较好的韧性,因此可采用45钢。镗杆的主要技术条件要求为:镗杆导向部分的圆度与锥度公差控制在直径公差的1/2以内。镗杆导向部分公差带为:粗镗为g6,精镗为g5。表面粗糙度值Ra0.8m。镗杆的直线度公差为0.1mm。刀孔表面粗糙度一般为Ra1.6m,装刀孔不淬火。3.3.5 支架与底座镗模支架和底座为铸铁件(HT100),分开制造。镗模支架应具有足够的强度与刚度,且不允许承受夹紧力。其结构和尺寸参见镗模支架零件图。镗模底座上要安装各种装置和元件,并承受切削力和夹紧力,因此必须有足够的强度与刚度,并保持尺寸精度的稳定性。其结构参见装配图。3.3.6 镗套与镗杆以及衬套等的配合选择镗套与镗杆、衬套等的配合必须选择恰当,过紧容易研坏或咬死,过松则不能保证加工精度。一般加工低于IT8级公差的孔或粗镗时,镗杆选用IT6级公差,当精加工IT7级公差的孔时,通常选用IT5级公差,当孔加工精度(如同轴度)高时,常用配研法使镗套与镗杆的配合间隙达到最小值,但此时应用低速加工。表8-7镗套与镗杆、衬套等的配合配合表面镗杆与镗套镗套与衬套镗套与支架配合性质H6/g5(H7/h6),H6/g5(H6/h5)H7/h6(H7/js6),H6/g5(H6/h5)H7/n5,H6/h5见表8-7,则本夹具镗套与镗杆、衬套的配合分别为H6/g5、H6/h5。镗套内外圆的同轴度允公差常取0.01mm,内孔的圆度、圆柱度一般公差为0.01mm,表面粗糙度为Ra0.32m。镗套用衬套的内外圆的同轴度,粗镗时常取0.01mm;精镗时常取0.010.005mm。3.3.7 定位基准的选择 对于工件的技术要求:内孔必须光洁无纵向刻痕;内孔位置度和圆柱度全长度不大于0.4mm;内孔轴线的直线度为0.1/1000mm,内孔轴线与端面的不垂直度0.03mm;内孔对两端外圆()的不同轴度不大于0.025mm。为了使工件达到技术要求,本工序的定位基准选两端外圆()。3.3.8 夹紧机构的设计在满足考虑了夹紧装置的自动化程度和复杂程度与工件的产量和批量相适应,且操作安全、方便、省力等前提下,本夹具采用螺杆和压板夹紧装置,并进行手动夹紧。3) 切削力的计算本工序有4个工步,选择其中切削力最大的粗镗孔61mm工步进行计算。已知,工件材料为35钢,切削参数:a=2.5 mm,= 0.1,=100r/min,查工艺手册表2.4-14得:主切削力: 径向切削力: 走刀力: 4) 夹紧力的计算计算夹紧力时,通常将夹具和工件看成一个刚性系统,根据工件所受切削力、夹紧力(大型工件还应该考虑工件的重力,运动的工件还应该考虑惯性力等)的作用情况,找出在加工过程中对夹具不利的瞬时状态。按静力平衡原理(),计算出理论夹紧力,最后为保证夹紧可靠,将理论夹紧力乘以安全系数,作为实际所需夹紧力的值,即 式中:实际所需夹紧力(N);W在一定条件下,由静力平衡原理,计算出的理论夹紧力(N);K安全系数。安全系数K按下式计算:式中,为各种因素的安全系数,查机床夹具设计手册(第二版)表1-2-1得,则计算得, K=2.18,但由机床夹具设计手册(第二版)表1-2-1备注知,当K值计算结果小于2.5时,取K=2.5。则 理论夹紧力,因此实际夹紧力=7202.5=1800 N则 加工工件时所需要的夹紧力为: 18002=900 N3.4 夹具设计及操作的简要说明本夹具由镗模支架;改制V型块和夹紧螺栓,压块等几部分组成(详见夹具装配图)。装夹工件时,利用工件两端外圆表面,与两V型块相配合,将工件定位于V型块上。当要求夹紧工件时,只需将两个压板分别压住工件两端外圆上表面,然后拧紧螺母,直至工件夹紧为止。为了防止在切削时因切削力和自身重力的作用而使工件发生变形,影响加工精度,将V型块设计为以圆弧面与工件配合以增加工件的支承刚性和稳定性。第四章 结论 一个零部件其质量的高低取决于设计、加工等因素,那么机械加工就是不可缺少的一部分,零件从设计好,到拿到工厂去加工,要加工出合格的产品,就必须在工艺以及夹具上下工夫,工艺编制的合不合理,夹具结构设计的合不合理这些都是很重要的因素。因此在加工零件之前,要认真的分析,然后编制合理的工艺和夹具设计。套筒零件是机械加工中经常碰到的一种零件,它的应用范围很广。例如:支承旋转轴的各种形式的轴承、夹具上的导向套、内机沙锅内的汽缸套以及本次设计液压系统中的油缸等。 机器中的套筒零件起支承或导向作用。由于功用不同,套筒零件的结构和尺寸有很大的差别,但结构上仍有共同的特点:零件的主要表面为不同轴度要求较高的内、外旋转表面;零件壁的厚度较薄:零件的长度一般大于直径等。 通过本次的毕业设计,使我明白了自己的差距和不足之处。特别是对于知识的总体把握上有所欠缺,以及对于零件分析得不够透彻,编制出的工艺不是很符合工厂实际加工的情况,零件专用夹具的设计其结构也不是很合理,但是通过指导老师的帮助,已基本解决这些问题。在设计的过程当中,让自己体会到了设计的乐趣,体会到战胜困难的激动,体会到了成功所带来了喜悦,为以后初到公司工作积累一定的经验。学位论文附录二 :中文翻译 通过夹具布局设计和夹紧力的优化控制变形摘 要工件变形必须控制在数值控制机械加工过程之中。夹具布局和夹紧力是影响加工变形程度和分布的两个主要方面。在本文提出了一种多目标模型的建立,以减低变形的程度和增加均匀变形分布。有限元方法应用于分析变形。遗传算法发展是为了解决优化模型。最后举了一个例子说明,一个令人满意的结果被求得, 这是远优于经验之一的。多目标模型可以减少加工变形有效地改善分布状况。关键词:夹具布局;夹紧力; 遗传算法;有限元方法1 引言夹具设计在制造工程中是一项重要的程序。这对于加工精度是至关重要。一个工件应约束在一个带有夹具元件,如定位元件,夹紧装置,以及支撑元件的夹具中加工。定位的位置和夹具的支力,应该从战略的设计,并且适当的夹紧力应适用。该夹具元件可以放在工件表面的任何可选位置。夹紧力必须大到足以进行工件加工。通常情况下,它在很大程度上取决于设计师的经验,选择该夹具元件的方案,并确定夹紧力。因此,不能保证由此产生的解决方案是某一特定的工件的最优或接近最优的方案。因此,夹具布局和夹紧力优化成为夹具设计方案的两个主要方面。 定位和夹紧装置和夹紧力的值都应适当的选择和计算,使由于夹紧力和切削力产生的工件变形尽量减少和非正式化。 夹具设计的目的是要找到夹具元件关于工件和最优的夹紧力的一个最优布局或方案。在这篇论文里, 多目标优化方法是代表了夹具布局设计和夹紧力的优化的方法。 这个观点是具有两面性的。一,是尽量减少加工表面最大的弹性变形; 另一个是尽量均匀变形。 ANSYS软件包是用来计算工件由于夹紧力和切削力下产生的变形。遗传算法是MATLAB的发达且直接的搜索工具箱,并且被应用于解决优化问题。最后还给出了一个案例的研究,以阐述对所提算法的应用。2 文献回顾随着优化方法在工业中的广泛运用,近几年夹具设计优化已获得了更多的利益。夹具设计优化包括夹具布局优化和夹紧力优化。King 和 Hutter提出了一种使用刚体模型的夹具-工件系统来优化夹具布局设计的方法。DeMeter也用了一个刚性体模型,为最优夹具布局和最低的夹紧力进行分析和综合。他提出了基于支持布局优化的程序与计算质量的有限元计算法。李和melkote用了一个非线性编程方法和一个联络弹性模型解决布局优化问题。两年后, 他们提交了一份确定关于多钳夹具受到准静态加工力的夹紧力优化的方法。他们还提出了一关于夹具布置和夹紧力的最优的合成方法,认为工件在加工过程中处于动态。相结合的夹具布局和夹紧力优化程序被提出,其他研究人员用有限元法进行夹具设计与分析。蔡等对menassa和devries包括合成的夹具布局的金属板材大会的理论进行了拓展。秦等人建立了一个与夹具和工件之间弹性接触的模型作为参考物来优化夹紧力与,以尽量减少工件的位置误差。Deng和melkote 提交了一份基于模型的框架以确定所需的最低限度夹紧力,保证了被夹紧工件在加工的动态稳定。大部分的上述研究使用的是非线性规划方法,很少有全面的或近全面的最优解决办法。所有的夹具布局优化程序必须从一个可行布局开始。此外,还得到了对这些模型都非常敏感的初步可行夹具布局的解决方案。夹具优化设计的问题是非线性的,因为目标的功能和设计变量之间没有直接分析的关系。例如加工表面误差和夹具的参数之间(定位、夹具和夹紧力)。以前的研究表明,遗传算法( GA )在解决这类优化问题中是一种有用的技术。吴和陈用遗传算法确定最稳定的静态夹具布局。石川和青山应用遗传算法确定最佳夹紧条件弹性工件。vallapuzha在基于优化夹具布局的遗传算法中使用空间坐标编码。他们还提出了针对主要竞争夹具优化方法相对有效性的广泛调查的方法和结果。这表明连续遗传算法取得最优质的解决方案。krishnakumar和melkote 发展了一个夹具布局优化技术,用遗传算法找到夹具布局,尽量减少由于在整个刀具路径的夹紧和切削力造成的加工表面的变形。定位器和夹具位置被节点号码所指定。krishnakumar等人还提出了一种迭代算法,尽量减少工件在整个切削过程之中由不同的夹具布局和夹紧力造成的弹性变形。Lai等人建成了一个分析模型,认为定位和夹紧装置为同一夹具布局的要素灵活的一部分。Hamedi 讨论了混合学习系统用来非线性有限元分析与支持相结合的人工神经网络( ANN )和GA。人工神经网络被用来计算工件的最大弹性变形,遗传算法被用来确定最佳锁模力。Kumar建议将迭代算法和人工神经网络结合起来发展夹具设计系统。Kaya用迭代算法和有限元分析,在二维工件中找到最佳定位和夹紧位置,并且把碎片的效果考虑进去。周等人。提出了基于遗传算法的方法,认为优化夹具布局和夹紧力的同时,一些研究没有考虑为整个刀具路径优化布局。一些研究使用节点数目作为设计参数。一些研究解决夹具布局或夹紧力优化方法,但不能两者都同时进行。 有几项研究摩擦和碎片考虑进去了。碎片的移动和摩擦接触的影响对于实现更为现实和准确的工件夹具布局校核分析来说是不可忽视的。因此将碎片的去除效果和摩擦考虑在内以实现更好的加工精度是必须的。在这篇论文中,将摩擦和碎片移除考虑在内,以达到加工表面在夹紧和切削力下最低程度的变形。一多目标优化模型被建立了。一个优化的过程中基于GA和有限元法提交找到最佳的布局和夹具夹紧力。最后,结果多目标优化模型对低刚度工件而言是比较单一的目标优化方法、经验和方法。3 多目标优化模型夹具设计一个可行的夹具布局必须满足三限制。首先,定位和夹紧装置不能将拉伸势力应用到工件;第二,库仑摩擦约束必须施加在所有夹具-工件的接触点。夹具元件-工件接触点的位置必须在候选位置。为一个问题涉及夹具元件-工件接触和加工负荷步骤,优化问题可以在数学上仿照如下: 这里的表示加工区域在加工当中j次步骤的最高弹性变形。其中是的平均值;是正常力在i次的接触点;是静态摩擦系数;fhi是切向力在i次的接触点;pos(i)是i次的接触点;是可选区域的i次接触点;整体过程如图1所示,一要设计一套可行的夹具布局和优化的夹紧力。最大切削力在切削模型和切削力发送到有限元分析模型中被计算出来。优化程序造成一些夹具布局和夹紧力,同时也是被发送到有限元模型中。在有限元分析座内,加工变形下,切削力和夹紧力的计算方法采用有限元方法。根据某夹具布局和变形,然后发送给优化程序,以搜索为一优化夹具方案。图1 夹具布局和夹紧力优化过程4 夹具布局设计和夹紧力的优化4.1 遗传算法遗传算法( GA )是基于生物再生产过程的强劲,随机和启发式的优化方法。基本思路背后的遗传算法是模拟“生存的优胜劣汰“的现象。每一个人口中的候选个体指派一个健身的价值,通过一个功能的调整,以适应特定的问题。遗传算法,然后进行复制,交叉和变异过程消除不适宜的个人和人口的演进给下一代。人口足够数目的演变基于这些经营者引起全球健身人口的增加和优胜个体代表全最好的方法。遗传算法程序在优化夹具设计时需夹具布局和夹紧力作为设计变量,以生成字符串代表不同的布置。字符串相比染色体的自然演变,以及字符串,它和遗传算法寻找最优,是映射到最优的夹具设计计划。在这项研究里,遗传算法和MATLAB的直接搜索工具箱是被运用的。 收敛性遗传算法是被人口大小、交叉的概率和概率突变所控制的 。只有当在一个人口中功能最薄弱功能的最优值没有变化时,nchg达到一个预先定义的价值ncmax ,或有多少几代氮,到达演化的指定数量上限nmax, 没有遗传算法停止。有五个主要因素,遗传算法,编码,健身功能,遗传算子,控制参数和制约因素。 在这篇论文中,这些因素都被选出如表1所列。表1 遗传算法参数的选择由于遗传算法可能产生夹具设计字符串,当受到加工负荷时不完全限制夹具。这些解决方案被认为是不可行的,且被罚的方法是用来驱动遗传算法,以实现一个可行的解决办法。1夹具设计的计划被认为是不可行的或无约束,如果反应在定位是否定的。在换句话说,它不符合方程(2)和(3)的限制。罚的方法基本上包含指定计划的高目标函数值时不可行的。因此,驱动它在连续迭代算法中的可行区域。对于约束(4),当遗传算子产生新个体或此个体已经产生,检查它们是否符合条件是必要的。真正的候选区域是那些不包括无效的区域。在为了简化检查,多边形是用来代表候选区域和无效区域的。多边形的顶点是用于检查。“inpolygon ”在MATLAB的功能可被用来帮助检查。4.2 有限元分析ANSYS软件包是用于在这方面的研究有限元分析计算。有限元模型是一个考虑摩擦效应的半弹性接触模型,如果材料是假定线弹性。如图2所示,每个位置或支持,是代表三个正交弹簧提供的制约。图2 考虑到摩擦的半弹性接触模型在x , y和z 方向和每个夹具类似,但定位夹紧力在正常的方向。弹力在自然的方向即所谓自然弹力,其余两个弹力即为所谓的切向弹力。接触弹簧刚度可以根据向赫兹接触理论计算如下:随着夹紧力和夹具布局的变化,接触刚度也不同,一个合理的线性逼近的接触刚度可以从适合上述方程的最小二乘法得到。连续插值,这是用来申请工件的有限元分析模型的边界条件。在图3中说明了夹具元件的位置,显示为黑色界线。每个元素的位置被其它四或六最接近的邻近节点所包围。图3 连续插值这系列节点,如黑色正方形所示,是(37,38,31和30 ),(9,10 ,11 , 18,17号和16号)和( 26,27 ,34 , 41,40和33 )。这一系列弹簧单元,与这些每一个节点相关联。对任何一套节点,弹簧常数是:这里,kij 是弹簧刚度在的j -次节点周围i次夹具元件,Dij 是i次夹具元件和的J -次节点周围之间的距离,ki是弹簧刚度在一次夹具元件位置,i 是周围的i次夹具元素周围的节点数量为每个加工负荷的一步,适当的边界条件将适用于工件的有限元模型。在这个工作里,正常的弹簧约束在这三个方向(X , Y , Z )的和在切方向切向弹簧约束,(X , Y )。夹紧力是适用于正常方向(Z)的夹紧点。整个刀具路径是模拟为每个夹具设计计划所产生的遗传算法应用的高峰期的X ,Y ,z切削力顺序到元曲面,其中刀具通行证。在这工作中,从刀具路径中欧盟和去除碎片已经被考虑进去。在机床改变几何数值过程中,材料被去除,工件的结构刚度也改变。 因此,这是需要考虑碎片移除的影响。有限元分析模型,分析与重点的工具运动和碎片移除使用的元素死亡技术。在为了计算健身价值,对于给定夹具设计方案,位移存储为每个负载的一步。那么,最大位移是选定为夹具设计计划的健身价值。遗传算法的程序和ANSYS之间的互动实施如下。定位和夹具的位置以及夹紧力这些参数写入到一个文本文件。那个输入批处理文件ANSYS软件可以读取这些参数和计算加工表面的变形。 因此, 健身价值观,在遗传算法程序,也可以写到当前夹具设计计划的一个文本文件。当有大量的节点在一个有限元模型时,计算健身价值是很昂贵的。因此,有必要加快计算遗传算法程序。作为这一代的推移,染色体在人口中取得类似情况。在这项工作中,计算健身价值和染色体存放在一个SQL Server数据库。遗传算法的程序,如果目前的染色体的健身价值已计算之前,先检查;如果不,夹具设计计划发送到ANSYS,否则健身价值观是直接从数据库中取出。啮合的工件有限元模型,在每一个计算时间保持不变。每计算模型间的差异是边界条件,因此,网状工件的有限元模型可以用来反复“恢复”ANSYS 命令。5 案例研究一个关于低刚度工件的铣削夹具设计优化问题是被显示在前面的论文中,并在以下各节加以表述。5.1 工件的几何形状和性能工件的几何形状和特点显示在图4中,空心工件的材料是铝390与泊松比0.3和71Gpa的杨氏模量。外廓尺寸152.4mm127mm*76.2mm.该工件顶端内壁的三分之一是经铣削及其刀具轨迹,如图4 所示。夹具元件中应用到的材料泊松比0.3和杨氏模量的220的合金钢。图4 空心工件5.2 模拟和加工的运作举例将工件进行周边铣削,加工参数在表2中给出。基于这些参数,切削力的最高值被作为工件内壁受到的表面载荷而被计算和应用,当工件处于330.94 n(切)、398.11 N (下径向)和22.84 N (下轴) 的切削位置时。整个刀具路径被26个工步所分开,切削力的方向被刀具位置所确定表2加工参数和条件。5.3 夹具设计方案夹具在加工过程中夹紧工件的规划如图5所示。图5 定位和夹紧装置的可选区域一般来说, 3-2-1定位原则是夹具设计中常用的。夹具底板限制三个自由度,在侧边控制两个自由度。这里,在Y=0mm截面上使用了4个定点(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,两个压板(C1,C2)夹紧工件。在正交面上,需要一个定位元件限制其余的一个自由度,这在优化模型中是被忽略的。在表3中给出了定位加紧点的坐标范围。表3 设计变量的约束由于没有一个简单的一体化程序确定夹紧力,夹紧力很大部分(6673.2N)在初始阶段被假设为每一个夹板上作用的力。且从符合例5的最小二乘法,分别由4.43107 N/m 和5.47107 N/m得到了正常切向刚度。5.4 遗传控制参数和惩罚函数在这个例子中,用到了下列参数值:Ps=30, Pc=0.85, Pm=0.01, Nmax=100和Ncmax=20.关于f1和的惩罚函数是这里fv可以被F1或代表。当nchg达到6时,交叉和变异的概率将分别改变成0.6和0.1.5.5 优化结果连续优化的收敛过程如图6所示。且收敛过程的相应功能(1)和(2)如图7、图8所示。优化设计方案在表4中给出。图6 夹具布局和夹紧力优化程序的收敛性遗传算法 图7 第一个函数值的收敛图8第二个函数值的收敛性表4 多目标优化模型的结果 表5 各种夹具设计方案结果进行比较,5.6 结果的比较 从单一目标优化和经验设计中得到的夹具设计的设计变量和目标函数值,如表5所示。单一目标优化的结果,在论文中引做比较。在例子中,与经验设计相比较,单一目标优化方法有其优势。最高变形减少了57.5 ,均匀变形增强了60.4 。最高夹紧力的值也减少了49.4 。从多目标优化方法和单目标优化方法的比较中可以得出什么呢?最大变形减少了50.2 ,均匀变形量增加了52.9 ,最高夹紧力的值减少了69.6 。加工表面沿刀具轨迹的变形分布如图9所示。很明显,在三种方法中,多目标优化方法产生的变形分布最均匀。与结果比较,我们确信运用最佳定位点分布和最优夹紧力来减少工件的变形。图10示出了一实例夹具的装配。图9沿刀具轨迹的变形分布图10 夹具配置实例6 结论本文介绍了基于GA和有限元的夹具布局设计和夹紧力的优化程序设计。优化程序是多目标的:最大限度地减少加工表面的最高变形和最大限度地均匀变形。ANSYS软件包已经被用于健身价值的有限元计算。对于夹具设计优化的问题,GA和有限元分析的结合被证明是一种很有用的方法。 在这项研究中,摩擦的影响和碎片移动都被考虑到了。为了减少计算的时间,建立了一个染色体的健身数值的数据库,且网状工件的有限元模型是优化过程中多次使用的。 传统的夹具设计方法是单一目标优化方法或经验。此研究结果表明,多目标优化方法比起其他两种方法更有效地减少变形和均匀变形。这对于在数控加工中控制加工变形是很有意义的。参考文献1、 King LS,Hutter( 1993年) 自动化装配线上棱柱工件最佳装夹定位生成的理论方法。De Meter EC (1995) 优化机床夹具表现的Min - Max负荷模型。2、 De Meter EC (1998) 快速支持布局优化。Li B, Melkote SN (1999) 通过夹具布局优化改善工件的定位精度。3、 Li B, Melkote SN (2001) 夹具夹紧力的优化和其对工件的定位精度的影响。4、 Li B, Melkote SN (1999) 通过夹具布局优化改善工件的定位精度。5、 Li B, Melkote SN (2001) 夹具夹紧力的优化和其对工件定位精度的影响。6、 Li B, Melkote SN (2001) 最优夹具设计计算工件动态的影响。7、 Lee JD, Haynes LS (1987) 灵活装夹系统的有限元分析。8、 Menassa RJ, DeVries WR (1991) 运用优化方法在夹具设计中选择支位。9、 Cai W, Hu SJ, Yuan JX (1996) 变形金属板材的装夹的原则、算法和模拟。10、 Qin GH, Zhang WH, Zhou XL (2005) 夹具装夹方案的建模和优化设计。11、Deng HY, Melkote SN (2006) 动态稳定装夹中夹紧力最小值的确定。12、Wu NH, Chan KC (1996) 基于遗传算法的夹具优化配置方法。13、Ishikawa Y, Aoyama T(1996) 借助遗传算法对装夹条件的优化。14、Vallapuzha S, De Meter EC, Choudhuri S, et al (2002) 一项关于空间坐标对基于遗传算法的夹具优化问题的作用的调查。15、Vallapuzha S, De Meter EC, Choudhuri S, et al (2002) 夹具布局优化方法成效的调查。16、Kulankara K, Melkote SN (2000) 利用遗传算法优化加工夹具的布局。17、Kulankara K, Satyanarayana S, Melkote SN (2002) 利用遗传算法优化夹紧布局和夹紧力。18、Lai XM, Luo LJ, Lin ZQ (2004) 基于遗传算法的柔性装配夹具布局的建模与优化。19、Hamedi M (2005) 通过一种人工神经网络和遗传算法混合的系统设计智能夹具。20、Kumar AS, Subramaniam V, Seow KC (2001) 采用遗传算法固定装置的概念设计。21、Kaya N (2006) 利用遗传算法优化加工夹具的定位和夹紧点。22、Zhou XL, Zhang WH, Qin GH (2005) 遗传算法用于优化夹具布局和夹紧力。23、Kaya N, ztrk F (2003) 碎片位移和摩擦接触的运用对工件夹具布局的校核。62 专 业机械加工工艺过程卡产品型号T612零(部)件图号CDG-JZ033-02共页机械设计制造及自动化产品名称镗床零(部)件名称液压油缸共页材料牌号8914毛坯种类无逢钢管毛坯外形尺寸8914每毛坯件数每台件数备 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1配料无逢钢管切断,取总长695;机加锯床卷尺2车车82到尺寸88(工艺用)机加CA6140三爪卡盘、胀力心轴、车端面及倒角;机加CA6140三爪卡盘、软爪、中心架、调头;机加CA6140车82到尺寸88(工艺用)机加CA6140三爪卡盘、胀力心轴、车端面及倒角(余量1mm)。机加CA6140三爪卡盘、中心架、3镗深孔粗推镗到66;精工T612镗夹具、YW1刀具半精推镗到68;精工T612镗夹具、YW1刀具精镗孔到69.85;精工T612镗夹具、YW1刀具精铰(浮动镗刀)700.20精工T612镗夹具、浮动镗刀4滚压用滚压头滚压孔至700.02精工T612镗夹具、油缸滚压头5车车去工艺外圆,将两端外圆加工到尺寸82,割R3.5槽精工CA6140软爪夹一端、以孔定位顶一端镗内锥孔及车端面精工CA6140软爪,中心托架(千分尺校正)调头车去工艺螺纹,将两端外圆加工到尺寸82,割R3.5槽精工CA6140软爪夹一端、以孔定位顶一端描 图镗内锥孔及车端面,取总长685mm精工CA6140软爪,中心托架(千分尺校正)6检终检精工描 校底图号编制日期审核日期会签日期班 级姓 名装订号 标记处数更改文件号签字日期标记处数更改文件号签字日期
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