6135G活塞工艺及钻Φ28孔夹具设计【含CAD图纸、说明书】
1 题目 6135G 活塞工艺夹具设计 姓 名 专业名称 机械制造与自动化 指导老师 完成时间 2 目录 前言 1 目录 二 零件的分析 3 一 零件的作用 9 二 零件的工艺分析 10 三 确定毛坯图 15 四 工艺规程设计 18 一 定位基准的选择 21 二 制订工艺路线 20 三 选择加工设备及刀具 夹具 量具 22 四 加工工序设计 23 夹具设计 25 参考文献 26 3 引言 本次设计是为毕业答辩而准备的 大学课程已全部结束 此次设计要 把大学期间学的东西综合运用 使我们学的东西融会贯通 并结合生产实 习中学到的实践知识独立地分析和解决工艺问题 本次设计是发动机汽缸的一个重要零件 活塞 内容涉及到零件分 析 确定毛坯 拟订工艺 工序设计以及 1 套夹具设计 此次设计把我们 大学期间学的大部分内容都用上了 还用到了其它有关手册和图表 这次 设计是在学校的最后一次设计 它是一次很好的锻炼机会 为我们未来从 事的工作打下良好的基础 由于能力有限 经验不足 设计中有许多不足之处 希望各位老师多 加指教 4 5 6 1 零件的分析 1 1 零件的作用 在发动机汽缸内 活塞在一部分工作循环压缩气体 而在另 7 一部分工作循环 汽缸内的混合气体燃烧膨胀 活塞承受高温气体的压 力 并把压力通过活塞销 连杆传给曲轴 可见活塞是在高温高压下作 长时间变负荷的往复运动 活塞的结构就要适应这样的工作条件 1 2 零件的工艺分析 机械加工工艺是规定零件机械加工工艺过程和操作方法等的工艺文 件 1 2 1 工艺规程是指导生产的主要技术文件 合理的工艺规程是在总结广大工人和技术人员实践经验的基础上 依 据工艺理论和必要的工艺试验而制订的 它体现了一个企业或部门群众的 智慧 按照工艺规程组织生产 可以保证产品的质量和较高的生产效率和 经济效益 因此 生产中一般应严格地执行既定的工艺规程 实践证明 不按照科学的工艺进行生产 往往会引起产品质量的严重下降 生产效率 的显著降低 甚至使生产陷入混乱状态 但是 工艺规程也不应是固定不 变的 工艺人员应不断总结工人的革新创造 及时地吸取国内外先进工艺 技术 对现行工艺不断地予以改进和完善 以便更好地指导生产 1 2 2 工艺规程是生产组织和管理工作的基本依据 在生产管理中 产品投产前原材料及毛坯的供应 通用工艺装备的准 备 机械负荷的调整 专用工艺装备的设计和制造 作业计划的编排 劳 动力的组织以及生产成本的核算等 都要以工艺规程作为基本依据 1 2 3 工艺规程是新建或扩建工厂或车间的基本资料 在新建或扩建工厂或车间时 只有依据工艺规程和生产纲领才能正确 8 地确定生产所需的机床和其他设备的种类 规格和数量 车间的面积 机 床的布置 生产工人的工种 技术等级及数量以及辅助部门的安排等 外形尺寸为 108 114 材料为灰铸铁 主要加工面销轴孔及活塞外 圆 在选择刀具上及工件装夹上需要特殊要求 其它加工部分还包括各端 面及内孔等 工件的尺寸公差及主要技术指标为 1 销孔圆度和圆柱度均不大于 0 015 2 销孔轴线对止口端面平行度不大于 100 0 04 3 销孔轴线与止口内圈中心线对称度不大于 0 20 4 销孔表面允许有深度不大于 0 08 的正常退刀痕迹 活塞主要技术条件分析 销孔尺寸公差 IT6 级以上 当销孔直径小于 50mm 时销孔圆度误差不 大于 0 0015mm 圆柱度误差不大于 0 003mm 销孔内圆表面粗糙度 Ra 0 2 m 活塞销孔轴心线到顶面的距离定为 56 0 08mm 销孔轴心 线对裙部轴心线的垂直度在 100mm 长度上公差为 0 35mm 销孔轴心线在 裙部轴心线的对称度为 0 2mm 2 确定毛坯 画毛坯 零件合图 零件的材料为 QT70 2 根据零件材料确定毛坯为铸件 又由题目 已知零件的生产类型为中批生产 通过计算 该零件质量约为 30Kg 毛坯 的铸造方法选用砂型机器造型 又由于活塞零件的内腔需铸出 故还应放 型芯 此外 为消除残余应力铸造后应安排人工时效 参考文献 1 表 2 2 5 P41 确定加工余量等级为灰铸铁 9 CT8 10 级 加工余量等级 MA 为 G 级 故取 CT 为 10 级 MA 为 G 级 参考文献 表 2 2 4 P40 用查表法确定各表面的总余量如表 所示 加工表面 基本尺寸 mm 加工余 量等级 加工余 量数值 说明 外圆 101 6 G 6 双侧加工 底面 106 G 8 双侧加工 30 孔右端面 30 G 15 双侧加工 查表 2 2 1 P38 铸件主要尺寸的公差 零件尺寸 总余量 毛坯尺寸 公差 CT 101 6 5 108 2 2 106 8 118 2 2 30 15 0 制订工艺路线 定位基准的选择 一般原则 1 选最大尺寸的表面为安装面 选最长距离的表面为导向面 选最 小尺寸的表面为支承面 2 首先考虑保证空间位置精度 再考虑保证尺寸精度 3 应尽量选择零件的主要表面为定位基准 4 定位基准应有利于夹紧 在加工过程中稳定可靠 10 下面根据以上一般原则分别进行粗基准和精基准的选择 粗基准的选择 选择粗基准是时 主要要求保证各加工面有足够的余量 使加工面与 不加工面见的位置符合图纸要求 并特别注意要尽快获得精基准面 具体 选择时应注意考虑下列原则 应选择不加工表面为粗基准 这样可以保证不加工表面和加工表面之 间的相对位置要求 对于具有较多加工表面的工件 粗基准的选择选择 应合理分配各加 工表面的加工余量 以保证 各加工表面都有足够的加工余量 对于某些重要的表面 尽量使其加工余量均匀 对导轨面则要求加工 余量尽可能小一些 以便能获得硬度和耐磨性更好的表面 作为粗基准的表面 应尽量平整 没有浇口 冒口或飞边等其他表面 缺陷 以便使工件定位准确 夹紧可靠 同一尺寸方向上的粗基准表面只能使用一次 因为铸件毛坯面粗糙且 精度低 定位精度不高 若重复使用 在两次装夹中会使加工表面产生较 大的位置误差 对于一些相互位置精度要求高的表面 常常会造成超差而 使零件报废 因为考虑到以下几点要求 第一 在保证各加工面均有加工余量的前提下 使重要孔的加工余量 尽量均匀 11 第二 装入活塞内的旋转零件 轴等 与孔内壁有足够的间隙 第三 此外还应能保证定位准确 夹紧可靠 在起始工序中 只能选择未经加工的毛坯表面做定位基准 所以对于 一般的轴类零件而言 以外圆作为粗基准是完全合理的 首先 先以外圆 为粗基准 加工两端面 粗车外圆台阶面 3 精基准的选择 3 1 选择精基准的目的是使装夹方便 正确 可靠 以保证加工精度 为此一般遵循如下原则 基准重合原则 应尽量选择零件上的设计基准做胃镜基准 即为基准 重合原则 基准统一原则 在加工位置精度较高的某些表面时 应尽可能在多数 工序中采用同一组精基准 这样可以保证加工表面的相互位置精度 互为基准原则 当对工件上两个相互位置精度要求较高的表面进行加 工时 需要用两个表面相互作为基准 反复进行加工 这样进行反复加工 可不断提高定位基准的精度 工件也可以达到很高的加工要求 自为基准原则 对于工件上的重要表面要求余量小且均匀的精加工 应尽量选择加工表面本身作为精基准 但该表面与其他表面的位置精度由 前道工序保证 粗基准的选择 考虑到以下几点要求 选择活塞零件的重要孔即 95 的毛坯孔与活塞内壁作粗基准 第一 在保证各加工面均有加工余量的 12 前提下 使重要孔的加工余量尽量均匀 第二 装入活塞内的旋转零件 如齿轮 轴套等 与活塞内壁应有足够的间隙 此外还应能够保证定位 准确夹紧可靠 精基准的选择 活塞的外圆和 95 孔既是装配基准又是设计基准 用他们作精基准 能使加工遵循基准重合的原则 实现活塞零件的典型定 位方式 其余各面和孔的加工也能用它定位 这样使工艺路线遵循了基准 统一的原则 此外 95 端面面积较大 定位比较稳定 夹紧方案也比较 简单可靠 操作方便 3 2 制订工艺路线 工艺路线 铸造 时效处理 10 粗车 粗车工件上端面至 110 2mm 及外圆至 106 20 粗车 粗车下端面至 106 4mm 及外圆至 101 8 粗车工件下端 95mm 至 94 2mm 30 钻 钻 30 孔至 28mm 40 热处理 人工时效处理 50 精车 精车下端面及 95 止口至图纸尺寸 60 精车 精车上端面和外圆至图纸尺寸 70 精车 车 3mm 环形槽及 4 755mm 环形槽至图纸尺寸 80 精镗 精镗 30 孔至图纸尺寸 割 31 槽 90 铣 铣活塞 3mm 半圆环槽 100 钻 钻直油孔 8 3 5 110 钻 钻斜油孔 1 5 13 120 磨 靠模椭圆裙部至图纸尺寸 130 检验 检验车削尺寸和形位公差 140 入库 合格产品涂防锈油入库 4 选择加工设备及刀 量 夹具 由于生产类型为大批生产 故加工设备宜以通用机床为主 辅以少量专 用机床和组合机床 其生产方式为以通用机床加专用夹具为主 辅以少量 专用机床的流水生产线 工件在各机床上的装卸及各机床间的传送均由人 工完成 10 粗车工件上端面至 110 2mm 及外圆至 106 考虑到工件的定位夹紧方案及夹具结构设计等问题 采用卧式车床 CA6140 参考文献 1 表 4 2 7 P143 选用 YG6 车刀 游标卡尺 0 250 0 02mm 20 粗车下端面至 106 4mm 及外圆至 101 8 粗车工件下端 95mm 至 94 2mm 考虑到工件的定位夹紧方案及夹具结构设计等问题 采用卧式车床 CA6140 参考文献 1 表 4 2 7 P143 选用 YG6 车刀 游标卡尺 0 250 0 02mm 30 钻 30 孔至 28mm 考虑到工件的定位夹紧方案及夹具结构设计等问题 参考文献 1 表 4 2 7 P143 选摇臂钻床 Z3025 莫氏锥柄麻花钻 28 游标卡尺 0 250 0 02mm 50 精车下端面及 95 止口至图纸尺寸 14 考虑到工件的定位夹紧方案及夹具结构设计等问题 采用卧式车床 CA6140 参考文献 1 表 4 2 7 P143 选用 YG6 车刀 切槽刀 游标卡 尺 0 250 0 02mm 60 精车上端面和外圆至图纸尺寸 考虑到工件的定位夹紧方案及夹具结构设计等问题 采用卧式车床 CA6140 参考文献 1 表 4 2 7 P143 选用 YG6 车刀 切槽刀 游标卡 尺 0 250 0 02mm 70 车 3mm 环形槽及 4 755mm 环形槽至图纸尺寸 考虑到工件的定位夹紧方案及夹具结构设计等问题 采用卧式车床 CA6140 参考文献 1 表 4 2 7 P143 选用 YG6 车刀 切槽刀 游标卡 尺 0 250 0 02mm 80 精镗 30 孔至图纸尺寸 割 31 槽 考虑到工件的定位夹紧方案及夹具结构设计等问题 采用铣镗床 T68 参考文献 1 表 4 2 7 P143 镗刀 割槽刀 游标卡尺 0 250 0 02mm 专用夹具 90 铣活塞 3mm 半圆环槽 考虑到工件的定位夹紧方案及夹具结构设计等问题 采用铣床 X52K 参考文献 1 表 4 2 7 P143 D80 铣刀 游标卡尺 0 250 0 02mm 专用 夹具 100 钻直油孔 8 3 5 摇臂钻床 Z37 莫式椎柄麻花钻 3 5 游标卡尺 0 125 0 02 专用 夹具 15 110 钻斜油孔 1 5 摇臂钻床 Z37 莫式椎柄麻花钻 1 5 游标卡尺 0 125 0 02 专用 夹具 四 加工工序设计 工序 10 粗车工件上端面至 110 2mm 及外圆至 106 查文献 1 表 2 3 21 P74 端面加工余量得总加工余量为 4mm 设计 尺寸 即一面零件尺寸加上另一面余量 X1 110 则粗铣底面的工序尺寸为 110 2mm 查文献 3 表 2 2 得粗加工公差等级 IT11 114 取 IT 11 其公 差 T 0 29 所以 X2 110 2 0 145 参考文献 1 表 4 2 38 P162 CA6140 主电机功率为 7 5KW 参考文献 4 表 10 123 P859 取粗车的每齿进给 量 fz 0 2mm z 粗车走刀一次 粗车 ap 6mm 参考文献 1 表 4 2 39 取粗车的主轴转速为 150r min 故相应的切 削速度为 min 2 9410 584 3DnV 校核机床功率 一般只校核粗加工工序 切削功率 Pm 167 9 10 5ap0 9fz0 74aeznkpm 取 Z 8 N 150 60 2 5r s ae 135mm ap 6mm fz 0 2mm z Kpm 1 Pm 167 9 10 KW4 61 5 283 0 6749 5 又由文献 1 表 4 2 38 得机床功率为 7 5KW 若取效率为 0 85 则 7 5 0 85 6 375 6 4KW 故重新选择主轴转速 118r min 则 n 118 60 2m s 16 V 粗 Dn 1000 3 14 80 118 1000 74 1m min Pm 167 9 10 0 31KW 故机床功率足够 5 工时 L 290 2 145 l2 3 l3 3 n 80r min 1 3r s T l l2 l3 nf 145 3 3 1 3 0 4 290s 二 精镗孔时因余量为 0 35mm 故 ap 0 35mm 查文献 2 表 2 4 180 取 v 1 2m s 72m min 取 f 0 12mm r N 1000v D 1000 72 3 14 90 208 5r min 取 n 200r min 3 3r s 工时 n 1 3r s f 0 12mm r 23 t 145 3 3 3 3 0 12 381s 工序 30 钻 8 3 5 孔 查文献 5 表 12P781 得 f 0 7 v 0 3m s 18m min N 1000v D 1000 19 8 3 14 8 700r min 查文献 1 表 4 2 12 得实际转速为 710 r min 则实际切削速度为 V Dn 1000 3 14 710 8 1000 20m min 校核 Ff 9 81 42 7 d0 f Km 9 81 42 7 8 0 75 1 2827N M 9 81 0 021 9 81 0 021 8 8 0 75 12 52N mKmfd8 02 他们均小于机床的最大进给力 33354N 和最大扭转力矩 1177 2N 故机床的 刚度足够 1 基本时间 Tj l fn l1 l l2 fn l1 D 2 tgkr 1 2 n 710 f 0 7 l 12 l2 1 4 l2 2 d 8 l1 5 2 tg118 2 1 5 3 Tj 12 3 2 0 7 710 0 022 Tj 总 0 022 2 0 044 K 17 4 查文献 5 表 12P781 得 f 0 7 v 0 3m s 18m min N 1000v D 1000 19 8 3 14 17 3 700r min 查文献 1 表 4 2 12 得实际转速为 710 r min 则实际切削速度为 V Dn 1000 3 14 710 17 3 1000 20m min 校核 24 Ff 9 81 42 7 d0 f Km 9 81 42 7 17 3 0 75 1 2827N8 0 M 9 81 0 021 9 81 0 021 17 3 17 3 0 75 12 52N mKmfd 20 他们均小于机床的最大进给力 33354N 和最大扭转力矩 1177 2N 故机床的 刚度足够 2 辅助时间 操作内容 每次时间 次数 时间 主轴变速 0 025 1 0 025 变速进给量 0 025 6 0 15 移动摇臂 0 015 6 0 09 升降钻杆 0 015 6 0 09 装卸套筒刀具 0 06 2 0 12 卡尺测量 0 1 1 0 1 塞规测量 0 25 1 0 25 开停车 0 015 2 0 03 主轴运转 0 02 2 0 04 清屑 0 04 1 0 04 Tf 0 825 3 作业时间 TB Tj Tf 0 044 0 825 0 869 4 布置工作地时间 Tfw 查文献 1 表 6 3 36 得 K 17 4 Tfw TB K 0 869 17 4 0 14 5 休息与生理时间 Tx Tx TB K 0 14 25 6 准备与终结时间 取部分时间为 中等件 33 移动床鞍 1min 保证定位 0 3 使用夹具 10 试刀 7 由题目知生产量为 4000 件则 Te n 33 1 0 3 10 7 4000 0 013min 7 单件时间 Td Td Tj Tf Tfw Tx 0 869 0 14 2 1 149 8 单件计算时间 Tc Tc Td Te n 1 149 0 013 1 162 5 夹具设计 5 1 钻夹具 本次设计的夹具为第 30 道工序钻 28 的孔 该夹具适用于摇臂钻床 5 1 1 确定设计方案 5 1 2 定位与夹紧 本工序所加工的孔是垂直于 95 的孔 按照基准重合原则 以 95 孔和 26 端面定位 若工件以 95 端面放在支撑板上定位 夹紧较稳定 夹具以钻模板面和孔定位 用螺栓夹紧 工件以 95 的孔和端面在夹具上定位 限制了 5 个自由度 另一个个自 由度也必须限制 方案 95 的孔和端面在夹具上定位 限制了 5 个自由度 再以 V 型块定 位 限制一个自由度 在钻模板留一个通孔 采用压板螺栓夹紧 这种方 案定位可靠 加紧也较方便 为了不影响钻孔 能快速 准确的确定刀具 和夹具的相对位置 钻夹具上设有引导刀具的部件钻套 因为没有很多工 序 所以用固定钻套 钻套与工件之间有排屑空间 钻模类型选择 根据工件的尺寸 形状 重量加工要求和对比确定为固定钻模 该钻模 加工的孔的直径为 28 加工精度要求不是很高 所以适用于本套工 序 计算夹紧力并确定螺杆直径 因为夹具的夹紧力与切削方向相反 实际所需夹紧力 F 夹与切削力 F 之 间的关系为 F 夹 KF 取 K 2 由前面的计算可知 F 1256N 所以 F 夹 1256 2 2412N 参考文献 5 表 4 97 从强度考虑 因一个 M12 的螺栓能承受 3924N 的许用夹紧力 所以用 M12 的螺栓完全能满足强度要求 所以这里选用 M12 的螺栓 定位精度分析 30 的孔是在一次装夹下完成加工的 它的位置精度由钻模保证 精 27 度要求也很高 与其有关的夹具尺寸如 50 的尺寸公差参考文献 7 表 1 4 24 取工件公差的 1 4 即夹具尺寸公差为 钻套与孔同轴度 中心尺寸由钻模决定 定位心轴与孔的配合参考文献 3 表 2 7 选 为 最大配合间隙为 0 01 0 034 0 044mm 心轴相对于孔的最大位移量为 0 022 它不应该超过工件公差的 1 3 即 1 3 衬套与夹具体模板的配合为 H7 g6 钻孔时 刀具与导 套内孔的配合为 F8 h6 此外 夹具上还应标注一下技术要求 钻套轴线与定位面的垂直度为 0 1 定位面的平面度为 0 05mm 定位 面与夹具安装面的垂直度为 0 008mm 夹具定位孔与卧轴转台定位销的配合为 95 H7 g6 夹具定位销与卧轴 转台档的配合 操作说明 工件在安装在底座芯轴上 装上压板 拧紧压紧螺栓 找正 然后拧紧 夹紧螺栓 以钻套定位 先钻孔 28 工件在夹具体上的精度分析 影响加工精度的因素 用夹具夹装工件进行机械加工时 其工艺系统中影响工件精度的因素很 多 与夹具有关的因素有定位误差 D 对刀误差 T 夹具在机床上的 安装误差 A 和夹具误差 T 机械加工工艺系统中 影响加工精度的 其他因素统称为加工方法误差 G 上述各项误差均为导致刀具相对于 工件的位置不够准确 从而形成总的加工误差 28 29 6 参考文献 1 李益民 机械制造工艺设计简明手册 哈尔滨工业大学 机械工业出版社 2 李洪主机械加工工艺手册 北京 北京出版社 1990 3 桂定一丶徐茂功 公差配合与技术测量 机械工业出版 社 4 金属机械加工工艺人员手册修订组 金属机械加工工艺人员手 册 上海 上海科学技术出版社 1979 5 艾兴 肖诗刚 切削用量手册 机械工业出版社 1983 可持续夹具及固定装置的高精度安装的方法论 J Jamshidi P G maropoulos 英国巴斯大学机械工程学系 摘要 在夹具安装阶段 夹具组件的精确测量能力决定其精确性 尤其是对大尺 寸的产品和应用来说 大量定制一些在设计上有多样性的小批量产品和零部件 是十分重要的 产品质量应该与迅速转换理念相互协调 对于敏感元器件及组 件而言 以牺牲产品质量来提高速度是不明智的 例如在航空航天工业中所看 到的那些零部件 提高精确性对于夹具的安装是很有必要的 为了要尽量少用 这可取决于夹具和夹具定位变化的耐受性预算 在航空航天工业中 灵活和可 重构夹具的概念的发展及固定装置是夹具的主要开销成本 吸引他们的是重构 夹具的可重用性 可持续使用是由于那些零部件也能够被重新应用到许多种产 品和装配中去 一直不佳的准确性和可靠性为这类夹具的缺点 这篇论文主要 是研究可持续夹具主要零部件的精确定位 影响夹具性能的因素在安装阶段会 得以审查 本文介绍了一种在灵活夹具中为了最大限度地减少定位和夹紧的不 确定性的方法 关键词 可持续性夹具 夹具安装 校准不确定性 夹具的监测 计量 可重复 使用的夹具 1引言 质量和可靠性等因素早已经转换为新零件固有的特征 在他们的产品和服 务范围内 近期市场趋势已经迫使制造业走向大规模定制 其次增加新陈品的 多样化设计在部件和组件级别上遵循第二次高幅度的变化 有先进制造系统和 技术的国家提供了更多的灵活性 能使设计师更加自由的发挥想象 例如在过 去几十年发展起来的一种新的大体积测量方法 就能测量及公丈的距离 用来 检测大尺寸零件的这些设备通常是由多个组装部件所制造出来的 在重组和装 配期间 那些大尺寸产品的制造需要用到专用的夹具和固定装置 以便于他们 的零部件能够被定位在设计基准上 对于大批量产品 在计算机辅助软件上就 能估算出其主要的花费需求 否则 在某些情况下或以其他方式生产的产品成 本可能会是非常高的 这个问题与客户不断用钱来寻求具有更高价值的市场需 求相互矛盾 用一种典型的变化产品可以创建一个更加具有持续性的商业 因 为它能够满足相对比较大地市场需求 由支持产品变化的不同形状的产品而形 成的灵活和可重构夹具及固定装置则是应对上述挑战关键的解决方案 灵活夹 具的概念已经在研究领域存在了几年 1 然而 它们在很大程度上没有充分利 用真正的生产设施 尤其是大尺寸产品的制造 如航空航天设备 这是由于关 于它们的初始安装 校准困难和可重复性等挑战往往超出公差要求 这些夹具 和高品质关键部件装置的制造以及大量的集成计量系统 都可以减少上述限制 本文包括了有关安装的计量问题和灵活的夹具校准以及检测服务 2相关工作 2 1大型零件的制造和装配 通常把要精密制造的机械零件移动到机床工作台是必需的 先进行粗加工 然后精对准和夹紧 在这个阶段 一方面是准备用于加工高精度的关键所在 然而 这对于一些大尺寸或重的零部件并不总是可以实现的 大型产品是指那 些与一些不经济的可能需要处理或在工厂周围移动的的组件一起来达到制造和 装配的目的 2 制造业和这些部件的装配工艺包括所需机器和系统的运动以及 这些部件的位置和方向 这些零部件通常定位在大尺寸夹具及固定装置上该定 位的位置 如果这些部件以小批量生产 在航空航天工业 高开销的情况下 每个产品将会出现 在设计和制造夹具上 已经有了许多尝试 以便于能够持 有许多种组件的变种 然而 这方法是不可行的 因为敏感或关键的零部件完 全是由它们的高精度要求所决定的 与固定的夹具相比较 可调 可重构夹具 会产生更低的重复性 固定夹具有固定的方式 可以通过焊接或铆接的接头固 定在一起来实现 这些机械故障 例如夹具和固定装置由于疲劳和塑料变形就 是一个终止其服务的主要原因 发送它们再进行回收 小批量制造的需求是目 前常见的淘汰不合格夹具 其使用寿命取决于产品的生命周期 换句话说 在 制造变种零件停止不久之后 与之有关联的夹具和固定装置将会变得多余 即 使夹具有工作顺序 但它们仍然有报废并送往循环再造 这种方法会带来高负 担回收的能耗 在大尺寸零件下的固定夹具和夹具的漂移以及夹具都能影响大 尺寸零件组装的精确性 5 对于大尺寸的夹具已经开发出了几种分析夹具刚性 的方法 可用来评估振动的影响因素 在任何情况下更加可持续生产要通过选 择性方案才能得以实现 如图 2 1所示 图 2 1 典型的大型夹具元件 用于制造所延误的时间是固定夹具的又一重大缺点 这些夹具应该在制造 前就被订购 在生产计划和产品上市前还可以创建额外的复杂性 不管他们的 类型 大型夹具有一些共同的元素 包括一个主框架 内在的框架 有可能有 一个或数多个可移动的机制或更小的组件 如钳 套管 皮卡和可调螺丝 表 1 2 2柔性夹具 开发的柔性夹具的概念增加了其可持续性 快速转换以及降低了成本 现 在可以使用现成的模块来设计和组装夹具 根据规定 只有极少数夹具的专用 零件需要设计和制造 以这种概念看 大多数散装部件 附件关节都应用的很 具体 一旦产品设计变异完全制造出来 然后就可以拆卸上述组件和重组成一 种新的元件来与未来的设计变异相匹配 因为组装和组件范围上的设计都相当 接近 所以这种方法是最能降低夹具成本的 根据组件的变化水平和工作类型的需求 每一个不同比例的柔性夹具都需 要被重新安排 为了增加使用这种类型夹具的效益 这个问题在设计阶段考虑 是十分重要的 例如 在可能的情况下 皮卡车的位置和三维定位夹具上的组 件的不同变种 甚至完全不同的部分应该是在靠近增加兼容性和夹具子系统间 变性 夹具关键部件的收集在短期内能保证所需夹具的可用性 另外 这些夹 具的存储需要很少空间 因为拆除所有模块是可能的 通常以脚手架的形式并 把它们彼此放在一起 目前在一些汽车公司应用到柔性夹具 因为它们的精度 等级是足够满足的 大尺寸制造的夹具设施尽管没有许多柔性夹具那样操作灵 活 比如航空航天设备 准确性和定位销的不确定性 夹具的可重复性以及夹 具结构的漂移都出现这样一个事实 这些夹具在发电和航空航天等工业不能满 足公差要求 一旦它们的精度问题得以解决 这些夹具在上述的工业中将会有 很高的利用价值 图 2 2 夹具与汽车行业中的可重构组件 大量的体积计量系统和技术一直有许多新的发展 依靠计量系统和技术的 现代激光技术现在就能够测量一些可接受精度的大尺寸产品甚至到几公丈的产 品 在安装和初期安装调试期间 这些系统能够用来精确定位一些夹具的关键 部件 夹具的安装通常开始形成机架或主要框架 然后是那些大的部件和像皮卡 和夹具那样逐渐更小的零部件 计量系统能够用于柔性夹具的主要框架和其内 部框架的安装 从而来保证每个零部件彼此之间的准确定位 表 1显示了这些 大规模的测量系统数 跟踪系统能够测量基准点 它是实现这一目的的最合适 的测量系统 一起跟踪球式反射镜在三维空间内都可以认准所要记录的位置 球式反射镜可以直接练习目标对象来提供几何位置信息或可以在机械重复的球 式反射镜下应用 从这个角度用激光来跟踪目标或短期目标 像一些其他测量 仪器的激光跟踪有时候不确定 在夹具的安装过程中需要做以说明 此外 激 光跟踪和目标点之间的光线问题还应该考虑到 如果必要的话 多个跟踪职位 都可以使用 在实际测量活动中 其结果必然是伴随着一个不确定的说明 经 过测量 这些给定的分散的特征值是合理的 这个问题与一些夹具或夹具的安 装及以后的审核都是一样的 这些知识阐明了一个给定的定位夹具的能力和装 配任务 换句话说 它表示在其相关流程中一套夹具是否能够满足公差要求 2 3夹具理论比较 为了用于多种生产装置和组装应用 在不同的公司也有大量不同形状和设 计的夹具 这些夹具中的某一些的形式都是标准形式 然而另一些是经过专门 设计和制造的特殊零部件 后者可以说是建立在产品的复杂性和大规模的基础 上的 所以可能会是非常昂贵的 9 无论成本和目的如何 制造和组装过程都可以完成 要么不使用夹具 要 么用固定帧夹具或用可重构或柔性夹具 表 2对它们的典型应用的这些方法做 出了比较 固定框夹具通常用于重型应用上 它们更适合于应用在能够减轻花费开销 的大量产品上 对于制造业和大型组装及复杂产品来说 柔性夹具的应用有很多好处 特 别是在研究和发展工作中 以及低容量产品的情况下 制造柔性夹具和夹具可 能会是非常有益的 除了在时间和金钱上使利益均衡外 柔性夹具还会有一个 更加灵活的设计思路 由于在夹具的制造和装配过程中 会直接和经常改变夹 具的拓扑成本 与传统夹具相比较 这种类型的柔性夹具的可重用性和可重构 性是一个主要的优点 这一点尤为重要 因为它在绿色制造方面符合行业的发 展方向 通过回收使用系统的组成部件 为相关项目的工装费用降低了项目成 本 表 2 1 用于验证夹具大量的例子 便携式测量仪器 仪器 辅助部件 测量类型 接触式 非接触式 图像 赛立信探头 是激光跟踪仪 T型探头 是 激光雷达 球形目标 是 目标 是摄影 光投影 是 基于激光扫描头 是关节臂 三坐标测量 机 接触探头 是 2 4 柔性夹具的安装 本节中描述的夹具在安装过程中需要考虑一些问题 夹具元件安装在合适 位置可以说是一种挑战 尤其是当定位公差比较小时 柔性夹具也应当被监测 以便于开发和与传统夹具相比较它们的刚性 给出了一个通用的描述阶段根据初步夹具安装在仿真软件环境和利用一些 尺寸为 5m 4m 3m的大尺寸夹具的实际实验结果来测量指令阶段 这是不论这 个夹具是否是第一次安装在夹具中还是对已经存在的夹具只做外形上的更换 其都是为了定位不同的零部件 根据其复杂性 一种典型的大尺寸夹具具有三至五个结构 通常除了有一 个主框架之外 在每一个级别的基本水平 也可以由一个或多个结构 这些结 构用来作为参考以便于作为夹具基准来定位 在一个自动化固定的平台上 机 器系统会进行多项任务 比如定位 加工和进行装配 因此机器人的工作基准 与夹具的工作框架相联系 仔细考虑夹具的综合数据 会确保后续安装达到预 期的公差要求 2 4 1 测试辅助柔性夹具的安装 柔性夹具的安装在第一次进行模拟仿真时有几个安装阶段 使用模拟演习 在这个工程中可以减少一些潜在的错误和返工 测量辅助安装过程是类似的跟 踪对象位置的过程 是常见的大尺寸组件用到的 夹具的组件先用这种方法使 其大致位置公差在 1mm以内 然后当所有的夹具组件被放到所设计的位置时 在 0 1mm至 0 15mm公差内 它们可以使用适当的扭矩收紧 典型的计量协助柔 性夹具安装阶段如下 在出厂时设置初试参考结构 测量初始参照系 安装基地或其位置的主框架 安装脱机内结构 安装控股和定位 在内框和主框架位置安装钳 套管和皮卡 底座上安装内框 重点定位元件的精细调整和紧固 核查参照系和夹具 对于夹具关键位置的服务监测 这些阶段是从无到有夹具的完整安装 更不用说 在设计变化略有变化的 情况下 一些下面的操作将被忽略 表 2 2 不同夹具理念之间简明的比较 典型特征 固定框架 柔性夹具 夹具 应用 大批量产品 小批量产品 样机 唯一性 可重复性 可重构性 成本效益 耐用性 非常高 高 低 优点 刚度 非常高 刚性不确定 低 重量 重 中 低 可移植性 不可移植 难以在每一个安 装中定位 难以进行 成本 非常高 中等 低 缺点 生产时间 长 中等 短 2 4 2 柔性夹具的安装 柔性夹具安装过程中采取了以下阶段 安装夹具的主框架 移动单元和子系统组装 夹具内框架在夹具装配中的安装 皮卡和夹具的装配 主框架通常是夹具的骨干 因此 它一般不会改变外形 和内框架及较小 的元素如衬套 皮卡和夹具一样具有规律性 慎重考虑制造过程可以减少夹具 元件较大元素的重新排列 也会更进一步节约时间和成本 图 3显示了三组不 同活动小组对于柔性夹具的安装过程 在这个过程中 假定夹具的标准件是从 可供选择的现成的部件和组件中选出来的 然后提前在大量的物理安装测试和 调试时以降低测量不确定度来进行一次夹具安装 一旦达到可接受水平的不确 定性的物理安装才能进行 图 2 3 柔性夹具的测量辅助安装程序 在夹具安装过程中 它可能需要用到多个测量系统或用到包括一套完整夹 具安装关键点的测量系统 这应该包括在夹具维修期间放在工厂的地板和墙壁 上的稳定性及漂移检查的目标参考点 在夹具上定位的关键点 测量仪器的不确定性应该予以考虑 作为一个经 验法则 每个夹具关键位置的定位的准确性应该是在 10倍 甚至比所需的耐受 性更好 换句话说 如果组件公差指定至 0 1mm 则夹具定位精度至少应为 0 01mm 柔性夹具安装的最佳做法如下 一个工厂的墙壁和地板上的初始参考点的位置是首选 以减少测量的不确 定性 应验证该仪器所在位置上经常使用初始参考点的基地 在每个夹具的大节上 为更好地具有跟踪和可重复性 可以附加多个球式 反射跟踪系统 夹具大型组件有关于弯曲或扭曲的测量应集中在角梁的中央部分 以减少 定位误差 内框架参考点应选择尽可能远的创建框的坐标系统 这可能会导致在内框 坐标系时的较小的不确定性 3 不确定性 由于评估的结果旨在对于所描述物体真正价值范围内的评估定位 则不确 定性被定义为胶 8 这里的不确定性来自两方面的审查 首先是与测量过程中 有关的 其次是与夹具定位的不确定性有关 测量不确定性的一些因素 如灰 尘 重力 温度 气压 湿度 测量仪器和相关软件中的系统误差 操作人员 的技能 接触探针或球式反射跟踪仪 基于胶 8 的定义 测量结果应伴随着它 的不确定性说明 这些错误详细来源的讨论超出了本文的范围 已经有多项研 究来建立真正的不确定性的一些测量仪器 10 11 夹具关键点的测量结果应该包括相关的置信水平 除了最初的不确定性上 升的测量仪器 夹具的不确定性还有其他方面的影响 夹具框架方面的应用由 于产品重量以及制造工艺过程在夹具框架中能创建一些弹性变形 夹具有了集 成化 自动化和移动部分 是这个问题变得更加复杂 仔细考虑夹具设计阶段不确定性的来源可以在一个给定的情况下减少过度 使用公差预算的风险 夹具的精度和夹具的成本之间有着直接的关系 然而 整体的成本也应该被考虑在内 高数额的零部件有更长的使用寿命 换句话说 质量特征接近平均值是 在使用过程中会很少失效 朝六个方向靠近在安装时 是很必要的 然后是在高精度夹具和敏感部位上的可重构 柔性夹具及夹具的 监测 4 讨论 柔性夹具适用于组装和在加工部分有不同的设计和几何参数 尤其是当这 些部件之间的设计变化小时 这种类型的夹具被证明是具有成本效益和快速的 解决方案 这是因为它可能会通过夹具重新配置到一个新的产品或组件的变种 上 然而 当所需的零件盒装配的设计完全不同时 可能需要不同尺寸夹具组 件的完整地重排 因此 在设计一个新的零件和重组夹具的拓扑结构时应该考 虑到要便于减少夹具的安装和重新配置的时间以及成本 并最大限度的重用现 在的组件在当前的装配中 一个柔性夹具有许多种装配方式 是由于其灵活性 在正确的安装顺序下 选择合适的组件 可以最大限度的节约成本和时间 本次选择的过程中应该对 未来产品的夹具的潜在的重用予以考虑 在产品不断变化的情况下 计划和设 计夹具框架是很重要的 使用定制的夹具 紧固件 轴套和其他夹具元件都是 降低成本的关键问题 仿真软件和工具的广泛使用 可以减少返工和浪费夹具材料相关的成本 例如测量仪器 其目标点之间的视线检查就会使用这些软件来辅助 图 4显示 了柔性夹具安装在测量仿真软件中的第一个阶段 由于夹具正在兴建的模拟的 效益越 来越明显 因此它可以突出仪器与目标测量点的水平视线的问题和不确定性 由于关于夹具操作中重量和力使夹具元件的电位漂移和变形 则可以提前 在仿真中分析以及在购买夹具元件方面的财政 更重要的是 这种工具允许更 好的装配和制造等操作 因为它们能提前分析出夹具的长处和弱点 揭示其物 理设置 选择合适的测量仪器最重要的是要协助夹具安装的的计量 一个连贯的计量系 统 其测量结果的不确定性能够决定夹具的不确定性 也暴露了夹具和是否符 合一个给定的公差范围内所需任务的能力 图 4 1 测量辅助夹具安装的模拟过程 由于关于夹具操作中重量和力使夹具元件的电位漂移和变形 则可以提前 在仿真中分析以及在购买夹具元件方面的财政 更重要的是 这种工具允许更 好的装配和制造等操作 因为它们能提前分析出夹具的长处和弱点 揭示其物 理设置 选择合适的测量仪器最重要的是要协助夹具安装的的计量 一个连贯的计 量系统 其测量结果的不确定性能够决定夹具的不确定性 也暴露了夹具和是 否符合一个给定的公差范围内所需任务的能力 总结 零件和装配体应该以尽量减少夹具成本的方式来设计 以满足使用标准组 件 如果在夹具更新至下一产品时提前思考 则其速度和成本可能会增加 在 夹具和固定装置的设计上有强大的总成本 碳足迹及其可持续性 它往往要求 生产出只有极少数的典型设计或产品 子系统或组件 以满足产品的变化和客 户的需求 对于大型产品的几何尺寸超出几米夹具的可能会造成重大的开销 此外 一旦所需的零部件倍制造出来 这些夹具则会变得多余 常规回收多余 夹具是不经济的 因此 找到增加夹具的灵活性才是所需求的方法 柔性夹具和夹具的概念已存于二十余年 然而它们的潜能还没有真正发挥 是由于其精度可可重复性的不确定性 高精度计量系统现在能够用来对夹具进 行初始安装和服务 然后使用该系统有可能重新设定夹具元素使其精确到一个 新的拓扑结构 以便于定位不同几何位置的组件 允许几次使用夹具 本文提出了一种对于大规模柔性夹具及夹具初始定位和安装的通用的算法 计量辅助夹具安装的新概念被证明对复杂的设置和夹具的安装是有益的 当完 全装配好时 夹具的稳定性可以通过慎重考虑和选择夹具几何位置上的关键点 来予以保证 这种方法将应用于大尺寸元件和产品的制造以及装配件 尤其是 应用于航空航天和发电工业中
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