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中國.北京.2006.10.9-15
2006年電氣和電子工程師協(xié)會/型鋼的會議錄
討論智能機器人和操作系統(tǒng)的國際會議
新穎的夾具設(shè)計和基于虛擬現(xiàn)實的裝配系統(tǒng)
彭高亮 劉文建
哈爾濱工業(yè)大學(xué)機械電子工程學(xué)院
中國.哈爾濱150001.pg17782@hit.edu.cn
摘要—模塊化的裝配是工業(yè)制造中很重要的一個方面，這篇論文討論的是桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)對模塊化裝配設(shè)計的作用。對于虛擬環(huán)境設(shè)計，論文提出了設(shè)計方法，這種方法可以幫助設(shè)計師，使他們的設(shè)計可行有效。論文在層次數(shù)據(jù)模型的基礎(chǔ)上，提出了組合夾具裝配的方法。在這些結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在虛擬環(huán)境中，用戶可以在設(shè)計和裝配過程中操縱虛擬模型。此外，人們正在討論如何實施在加工仿真生產(chǎn)經(jīng)行檢測，最后，案例研究證明了該系統(tǒng)的功能。與虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)相比，論文中還為模塊化裝配提出了一個合理的便攜式解決方案設(shè)計。
指數(shù)計算—組合夾具，桌面虛擬現(xiàn)實，裝配設(shè)計，加工模擬結(jié)果一覽表
Ⅰ.介 紹
模塊化裝配是工業(yè)制造的一個重要方面，準確的設(shè)計夾具對確保產(chǎn)品質(zhì)量，精度，準確性，以及完成部分加工是非常重要的。組合夾具是在安全，準確位置，為交匯處和高標準組件提供支持的一種系統(tǒng)，并支持整個加工過程中的工件【1】。一般來講，夾具設(shè)計者通過經(jīng)驗或反復(fù)試驗的方法就能確定夾具計劃是不是合適。隨著計算機技術(shù)，計算機輔助設(shè)計的出現(xiàn)，計算機已在組合夾具設(shè)計領(lǐng)域普遍應(yīng)用。
一般情況下，與夾具設(shè)計相關(guān)的活動，即裝配刨，夾具元件設(shè)計，夾具布局設(shè)計，是在機床發(fā)展的下游才會去考慮。這些古老的做法對銜接設(shè)計和制造都是很不利的。例如，很少有系統(tǒng)能合并機械檢測的一系列功能。這就導(dǎo)致了在夾具設(shè)計和制造之間產(chǎn)生了一個缺口，這個缺口使得人們不能在設(shè)計階段【2】考慮刀具路徑。因此，在制造設(shè)計中，人們重新設(shè)計也無法避免刀具被夾具元件妨礙的問題。所以，為了把機系列夾具領(lǐng)入柔性制造的舞臺，更系統(tǒng)，更自然的設(shè)計環(huán)境是人們必須去研究的。
一個綜合的，立體的，互動的環(huán)境通常由計算機來實現(xiàn)。在數(shù)十年之內(nèi)【4】，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)都是能起到很大作用的人機接口。在制造業(yè)中，虛擬現(xiàn)實也有很大的應(yīng)用潛力，它可以在實際生產(chǎn)之前解決很多問題，從而避免出現(xiàn)一些代價高昂的錯誤。在過去的十年，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的進步，為虛擬現(xiàn)實技術(shù)在不同的工程中的應(yīng)用提供了推動作用，例如產(chǎn)品設(shè)計【5】，裝配【6】，加工仿真【7】，培訓(xùn)【8】。本文的目的要闡述如何建立一個基于虛擬現(xiàn)實的模塊化夾具設(shè)計系統(tǒng)（VMJFDS）。第一步就是為模塊化設(shè)計裝置制定一個綜合的，擬真的環(huán)境。這種應(yīng)用程序在運用了自然和啟發(fā)性的方式，這種方式在設(shè)計夾具方面是有優(yōu)勢的，它可以在使用條件，縮短交貨時間，提高夾具生產(chǎn)力和經(jīng)濟性等諸多方面形成良好的匹配。
Ⅱ.擬議系統(tǒng)的概敘
擬議的桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體系是基于系統(tǒng)功能要求的模塊，由圖1所示。在系統(tǒng)水平上，有3個擬議模塊的設(shè)計，即圖形界面（GUI），虛擬環(huán)境（VE）和文獻數(shù)據(jù)庫模塊。對于任何一個模塊，某種功能要求由一組對象來實現(xiàn)。在這篇論文中，詳細的對象設(shè)計和實施都省略了。相反，這三個模塊的概簡要說明如下：
1） 圖形界面（GUI）：大體上說圖形用戶界面是一個友好界面，它用于整合虛擬環(huán)境，組合夾具設(shè)計。
2） 虛擬環(huán)境（VE）：虛擬環(huán)境用三維模型把組合夾具系統(tǒng)、虛擬環(huán)境及其組成部分的導(dǎo)航和操作步驟顯示給用戶，如圖所示1，虛擬環(huán)境模塊包括兩部分，即裝配設(shè)計環(huán)境和加工仿真環(huán)境。用戶選擇適當?shù)脑堰@些元件寫在裝配設(shè)計方面的辦公區(qū)域內(nèi)，然后，用執(zhí)導(dǎo)系統(tǒng)把最終的夾具系統(tǒng)建立起來，人們就能把選中的元件逐個的組合起來。
圖1，概述基于組合夾具設(shè)計系統(tǒng)的桌面虛擬現(xiàn)實
3） 數(shù)據(jù)庫：數(shù)據(jù)庫存放著所有模型的環(huán)境和夾具模塊元件以及該領(lǐng)域的知識和一些典型的例子。如圖1所示，顯示了5個數(shù)據(jù)庫，其中知識和規(guī)則單元是該系統(tǒng)最重要的地方，它管轄著所有夾具設(shè)計的原則。
Ⅲ. 程序化組合夾具設(shè)計
在本節(jié)中，作者提出了在虛擬環(huán)境中有啟發(fā)性的組合夾具設(shè)計程序。除了三維技術(shù)的深入，用戶擁有和真實世界一樣的操作感覺，這個過程還有情報功能。在設(shè)計過程中，采用智能推理的方法把一些典型的案件和建議提供給用戶作參考，如實例推理（CBR）和常規(guī)推理（RBR）。此外，相關(guān)知識和規(guī)則作為幫助頁面展現(xiàn)給用戶，用戶就可以在設(shè)計過程中輕松瀏覽了。
概述組合夾具設(shè)計過程總結(jié)，如圖2。虛擬環(huán)境之后就是草簽和工件加載，第一步是夾具規(guī)劃。在這個步驟中，首先用戶決定了夾具計劃，即指定交互夾具要面臨的工件。
為了幫助用戶成功決策，一些有用的個案，以及他們的夾具計劃將通過自動推理檢索方法提供給用戶。一旦選定了要使用的夾具，用戶到就能指定的夾具點。在這這項任務(wù)中，計算機還給出了一些建議和規(guī)則。
夾具規(guī)劃后，下一步就是夾具元件選擇、設(shè)計階段。在這個階段，用戶可以選擇合適的夾具元件和組裝成夾具需要的特殊部分。根據(jù)該夾具點的空間信息與基本夾具和工件的關(guān)系，一些典型的夾具元件的選擇和建議可以自動提交給用戶，這些都將有助于為用戶服務(wù)。經(jīng)過規(guī)劃和夾具元件選擇這個設(shè)計階段后，下一階段就是把選擇的夾具元件連接到基板上經(jīng)行交互裝配設(shè)計。
當外形裝配完成，在加工范圍內(nèi)對結(jié)果進行檢查和評估。在這種環(huán)境中執(zhí)行的任務(wù)包括裝配規(guī)劃，加工仿真和夾具評價。裝配規(guī)劃是用于獲得最佳的裝配順序和得到裝配各組件準確的路徑。加工仿真負責制造時的交互檢測。夾具評價是將檢查和評估設(shè)計的結(jié)果。最后，整個設(shè)計過程是在很自然的方式下進行，這都得益于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。此外，展示的內(nèi)容和知識可以告訴用戶怎樣才能選擇最好的設(shè)計決策。
Ⅳ. 組合夾具建模
a. 組合夾具結(jié)構(gòu)分析
夾具元件組合起來的一個功能是為了在基板和工件【11】之間創(chuàng)造連接點。一般來說，根據(jù)其結(jié)構(gòu)的基本特征，組合夾具結(jié)構(gòu)可分為3個功能單元，即定位裝置，夾緊裝置，和支持單位。許多夾具元件可能由一個或多個元件組成，其中只有一個元件作為一個定位器，支持器或夾鉗。組合夾具裝配的主要任務(wù)是選擇的支持，定位，夾緊及附件生成夾具，使他們能夠?qū)⒐ぜB接到基板。
通過分析模塊化裝置的實際應(yīng)用，人們發(fā)現(xiàn)，模塊化裝置通過選擇合適的夾具元件構(gòu)造成夾具，然后把這些夾具安裝到基板上。因此，這些夾具可視為組合夾具系統(tǒng)的部件。此外，組合夾具系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)圖3中表現(xiàn)出來。
圖 2，擬議組合夾具系統(tǒng)程序設(shè)計
b.在虛擬現(xiàn)實中，用分層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型代表組合夾具
相應(yīng)的虛擬環(huán)境可能含有數(shù)以百萬計的幾何多邊形圖元，這是很正常的。在過去的幾年中，若干個模型計劃，例如作為BSP樹[10]和八叉樹，已提議組成多邊形模型。然而，模塊化設(shè)計的應(yīng)用，相互作用的影響,現(xiàn)場也是動態(tài)變化。例如，在設(shè)計過程中，部分模塊可能改變其空間位置，方向和裝配關(guān)系。
圖3.模塊化夾具系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)
這表明一個靜態(tài)的畫面，如BSP樹，是不夠的。此外，上述模型只能在系統(tǒng)組件的水平上表現(xiàn)夾具布局結(jié)構(gòu)。然而，關(guān)于夾具元件之間的裝配關(guān)系，是指裝配特征之間的嚙合關(guān)系，這些都不會去關(guān)注。在本節(jié)中，為了描繪組合夾具系統(tǒng)，我們提出一個層次化結(jié)構(gòu)和基于約束的數(shù)據(jù)模型，實時可視化和精確的3D操縱的虛擬環(huán)境。
圖4所示，在高級別的元件模型用于涉及交互式裝配的拆散操作。它證明了拓撲結(jié)構(gòu)和鏈接組件之間的關(guān)系。以高級別模型為代表的信息可分為兩種類型，即組件對象和裝配關(guān)系。組件對象可以是一個組件或一個部分。一個組件包括各個部分之間的零件和他們的組裝的關(guān)系。
圖. 4層次結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)模型的虛擬環(huán)境
中層基礎(chǔ)模型特征的是建立功能和限制功能。在一般的情況下，在裝配中，裝配關(guān)系往往被視為交配關(guān)系。因此，基礎(chǔ)特征模型用來描述裝配關(guān)系，在裝配操作中，為精確的空間關(guān)系提供必要的信息。在這個模型中，只考慮兩個不同元件之間的特征關(guān)系。下面專題討論，在夾具元件模塊化建模在一個元素之間的功能關(guān)系。
低級別的多邊形基礎(chǔ)模型對應(yīng)以上兩個級別的模型：實時可視化和層次模型。它描述了以一個相互聯(lián)系的三角曲面網(wǎng)格作為整個表面，更多關(guān)于如何將一個元素組織成多邊形，將在下一節(jié)討論，。
C.夾具元件模塊化建模
眾所周知，在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，夾具元件模塊化建模只是表示為多邊形的數(shù)目。將CAD系統(tǒng)模型轉(zhuǎn)換到VR系統(tǒng)中，拓撲關(guān)系和參數(shù)信息中的結(jié)果將會丟失。為了避免這些問題出現(xiàn)，本節(jié)我們將討論夾具元件建模的計劃。
夾具元件模塊化是以標準尺寸為依據(jù)預(yù)先制造的部件。計劃夾具設(shè)計完之后，接下來的任務(wù)是選擇合適標準的元件，裝配這些元件以形成一個可行的夾具系統(tǒng)。因此，在建議的制度下，需要考慮夾具元件裝配功能。
在這篇論文中，裝配特征是作為一個夾具的屬性，這個屬性提供相關(guān)的確切信息來保證夾具的模塊化設(shè)計和組裝/拆卸。以下八個功能被定義為組合夾具元件的裝配特征：支持面，被支持面，定位孔，擴孔孔，螺紋孔，固定槽，和螺栓。除了類型和尺寸等特征信息外，其他參數(shù)，如相對位置，元素在局部坐標系統(tǒng)中的定位特征等，在夾具元件的數(shù)據(jù)庫中都用幾何模型記錄下來。當一個元件和另一個元件組裝起來時候的，檢索出來的交配功能信息可以決定兩個元件的空間關(guān)系。更多關(guān)于裝配特征及其交配關(guān)系的資料進行了討論參考詳情[11]。
D.在虛擬環(huán)境中以約束為基礎(chǔ)的夾具裝配
1）夾具元件之間的裝配關(guān)系
交配關(guān)系是在裝配現(xiàn)場組裝是被定義的。根據(jù)上一節(jié)總結(jié)的裝配特征，交配夾具元件有五種關(guān)系類型。即依賴關(guān)系，擬合關(guān)系，螺紋嚙合，交叉關(guān)系，和 T型槽配合關(guān)系，如圖 5所示?；谶@些交配關(guān)系，我們可以推斷，任何兩個元件夾具可能的裝配關(guān)系。
2）裝配關(guān)系的推理
一般來說，兩個組裝零件的裝配關(guān)系是代表著它們的組裝交配功能。上面的部分，我們定義了夾具元件之間五個基本交配關(guān)系。因此，通過可能出現(xiàn)的裝配關(guān)系決定啟用那種可能的交配特征。為了在下一階段的裝配，把這些可能的夾具裝配關(guān)系存放在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中（ARDB）。
然而，當夾具復(fù)雜，復(fù)合夾具元件的數(shù)量多時，要花費很多時間來推斷和處理這些可能的裝配關(guān)系。為了避免這種情況，首先我們要確定可能的組裝元件對。但是為了避免推理夾具和底板的之間的裝配關(guān)系，我們絕對不能將他們組裝在一起。在這個階段，人們利用一些規(guī)則來尋找可能的元件組裝對。組裝的推理算法類似于在文獻[12]中討論的。因此，詳細的算法描述在這篇論文中被忽略了。
3）基于約束的夾具裝配
進行裝配關(guān)系推理的之后，所有被選擇的可能的裝配關(guān)系都建立在ARDB中，并被保存起來。在這些關(guān)系的基礎(chǔ)上，人們可以把單個零件組裝成夾具系統(tǒng)。這部分是討論關(guān)于在虛擬環(huán)境中互動裝配的操作。單一的裝配過程如圖5所示，并介紹了兩個簡單的部件裝配如圖6所示。
一般來說，裝配操作過程分為三個步驟，即裝配關(guān)系的認識，
約束的分析和應(yīng)用，基于約束的議案。
首先，技師選擇一個元件，將它移動給組裝組件。在移動過程中，一旦推理組裝和組裝組件的被檢測到，推斷特征就能選中了。如果這兩個特征是在ARDB數(shù)據(jù)庫中的儲存的裝配關(guān)系之一，他們將突出顯示，并等待用戶確認。一旦被用戶確認，這種被確認的裝配關(guān)系將運用約束理論來分析和解決問題，這是為了平移調(diào)整組裝元件的方向，以滿足這兩個組件的位置關(guān)系，以及應(yīng)用新的約束來組裝元件。當應(yīng)用了新的約束，對裝配元件的運動將被映射到一個約束空間。這樣做的目的，可以通過3D移動數(shù)據(jù)，把物體的輸入裝置轉(zhuǎn)換成允許的移動?；诩s束的運動不但保證了組件的可獲得確切位置，而且還保證了在將來的運動中，現(xiàn)有的約束不會受到侵犯。繼續(xù)運用確認和約束的裝配關(guān)系，這種裝配元件將能到達最終的位置。
Ⅴ.加工仿真
a. 制造的相互影響
在加工過程中，與夾具有關(guān)的有多種類型的制造交互作用都有可能發(fā)生。這些相互作用可以分為兩大類別如下圖所示，即靜態(tài)的相互作用和動態(tài)的相互作用。
1）靜態(tài)的相互作用是指夾具部件之間的干擾、夾具組件和機器工具之間的干涉、在工件安裝中夾具元件和機械加工工件之間的干擾.
2）動態(tài)交互是指參考夾具的相互作用，它發(fā)生在一個單一的工具和操作時的夾具用在切割過程中操作可能會發(fā)生碰撞。
一般來說，加工過程和刀具路徑等方面是沒有考慮在夾具設(shè)計階段的。因此，這些相互作用可能常常發(fā)生在實際制造過程中。所以，機械師們必須花很多時間去查明和解決這些相互作用, 它往往導(dǎo)致夾具系統(tǒng)修改或重新設(shè)計，這是繁瑣和昂貴工程。
b. 干擾檢測
但是目前的商業(yè)軟件，如VERICUT軟件，在實際加工
工件之前，這些軟件可以模擬數(shù)控加工來檢測刀具路徑錯誤和低效率的運動。在部分編程階段，它可用于避免一些錯誤，如損壞燈具，打斷刀具，或撞毀機器等. 然而，這些軟件價格昂貴，而且面向數(shù)控編程，不適合的夾具設(shè)計。在夾具的設(shè)計階段，應(yīng)確保避免相關(guān)的夾具之間的相互作用。在這個
系統(tǒng)中，當夾具配置齊全后，加工仿真模塊是提交給用戶
識別，讓用戶來解決他們之間的相互作用。在加工仿真環(huán)境中，提供了機床的三維數(shù)字模型。人們可在工作臺上組裝工件和安裝夾具組件，正如加工工程師做的實際的網(wǎng)站上一樣。在安裝過程，組件和夾具工件移動到它們的裝配位置。干擾檢查模塊被執(zhí)行。如果發(fā)生干擾，推斷的對象將被顯現(xiàn)。它
可以調(diào)整裝配順序或裝配路徑這樣可避免的干擾。但是，如果不能避免干擾，用戶就必須更改元件或夾具單元。
安裝后的工件，刀具的運動是在CAM系統(tǒng)中，根據(jù)模擬生成的刀具路徑。對于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，穩(wěn)固，動態(tài)，優(yōu)越的三維圖形允許刀具運動在屏幕上可視化的表現(xiàn)出來。因此，模擬刀具路徑允許用戶關(guān)閉檢查，如果發(fā)生的干擾，并提供干擾信息。
Ⅵ.建議制度的執(zhí)行情況與個案研究
A. 桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)接口
為了裝備最后的部分，夾具設(shè)計工程師用一個自然界面來實現(xiàn)更有效的設(shè)計。在圖形用戶界面參考了虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)軟件，通過隱藏窗口的大多數(shù)內(nèi)容來實現(xiàn)設(shè)計的。在圖形用戶界面（圖7）包括虛擬現(xiàn)實顯示一個主窗口，一個右手組成工具欄和狀態(tài)欄底部的輸出按鈕。系統(tǒng)和用戶之間的交互鼠標和鍵盤輸入通過實現(xiàn)。該工具欄為開發(fā)的系統(tǒng)提供的所有的功能。
圖七.圖形用戶界面組合夾具設(shè)計系統(tǒng)
B 研究案例
在模塊化夾具設(shè)計系統(tǒng)的基礎(chǔ)上開發(fā)出桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)用一個個例完美的闡述。工件加工過程如圖 6。面銑刀在頂面執(zhí)行，隨后就完成了來那個臺階孔。為了工件步驟和指導(dǎo)步驟，用戶設(shè)計了這是一個模塊化的夾具系統(tǒng)。該夾具規(guī)劃模塊已應(yīng)用于一個可行的設(shè)計方案。在這個模塊中，定位，夾緊和支持的面，以及定位，支持和夾緊點，則取決于相應(yīng)的的知識基礎(chǔ)和夾具啟發(fā)式規(guī)則。
在此之后，用戶在元素存放區(qū)探索并選擇適當?shù)膴A具元件完成夾具上各點的空間要求。當完成后，用戶移動到裝配設(shè)計區(qū)域，把選定的元素放在在書桌上，如圖所示 8（a）。下一個的任務(wù)是選定元件來完成夾具結(jié)構(gòu)分布。在虛擬環(huán)境中，用戶可以自然的方式裝配夾具元件。如圖所示圖。 8（b）項，例如模塊化的夾具系統(tǒng)的最后配置，工件的形成。
當夾具配置完成后，下一階段是加工推理的模擬檢測。如圖9（a）和圖9（b）項所示，夾具系統(tǒng)的構(gòu)建安裝在一臺數(shù)控機床并且模擬了刀具路徑執(zhí)行情況。
Ⅶ.結(jié)論
對于組合夾具的設(shè)計制造，我們已經(jīng)提出并制定了桌面虛擬現(xiàn)實的環(huán)境 。提供了該建議的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和虛擬現(xiàn)實環(huán)境，即裝配設(shè)計環(huán)境和加工仿真環(huán)境的設(shè)計。通過分析組合夾具結(jié)構(gòu)，層次結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)模塊，以及XML提出了基礎(chǔ)夾具元件。從而準確在虛擬現(xiàn)實模型中操作，實現(xiàn)組合夾具設(shè)計和裝配。此外，還要總結(jié)夾具元件之間的裝配關(guān)系和描述在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的裝配操作過程的。加工制造業(yè)的模擬檢查中，使用該方法。最后一個案例研究的提出，用來說明我們的集成系統(tǒng)。
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西南農(nóng)業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計）任務(wù)書
論文題目
半軸機械加工工藝及工裝設(shè)計
專業(yè)名稱
班級
下達日期
學(xué) 號
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指導(dǎo)教師
畢業(yè)設(shè)計（論文）目的、要求：
1、培養(yǎng)綜合運用所學(xué)理論知識，獨立分析和解決工程技術(shù)問題的能力。培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力。
2、培養(yǎng)收集、查閱、分析各種文獻資料的能力。進一步提高計算、繪圖等技能。
3、學(xué)會使用工具書籍，通過夾具設(shè)計，提高結(jié)構(gòu)設(shè)計能力。
4、初步掌握機械制造工藝規(guī)程設(shè)計和夾具設(shè)計的基本要求和設(shè)計方法；掌握設(shè)計計算說明書的編寫。
畢業(yè)設(shè)計（論文）主要內(nèi)容：
1、 繪制零件圖1張；設(shè)計夾具2付，繪制夾具圖；設(shè)計專用組合量具1付。（一部分圖紙必須用計算機繪制）。
2、 設(shè)計機械加工工藝規(guī)程（生產(chǎn)綱領(lǐng)按成批生產(chǎn)）。
3、 填寫工藝過程卡1份。設(shè)計4～5道工序的詳細工序卡。
4、 圖紙總量折合A0號2～3張；
5、 文獻綜述（3000字以上）；
6、 設(shè)計計算說明書（1.5萬字以上）和中英文說明書摘要。
7、 英譯漢（3000字以上）。
指導(dǎo)教師簽名： 2004年12月10日
說明：1.此表由指導(dǎo)教師完成。原則上用計算機打?。ˋ4紙），可在各學(xué)院教學(xué)辦拷貝表格或從教務(wù)處網(wǎng)頁下載；若用鋼筆填寫，必須做到字跡工整、清晰。
2.請將畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書裝訂在畢業(yè)設(shè)計（論文）的第一頁。
西南農(nóng)業(yè)大學(xué)本科課題（設(shè)計）論文
半軸機械加工工藝及工裝設(shè)計
西南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院
專業(yè)名稱：
班 級：
學(xué)生姓名：
指導(dǎo)教師：
摘要：半軸是汽車的軸類中承受扭矩最大的零件，它是差速器和驅(qū)動輪之間傳遞扭矩的實心軸，其內(nèi)端一般通過花鍵與半軸齒輪連接，外端與輪轂連接，該零件在機械設(shè)備中具有傳動性，在進行半軸的工藝和工裝設(shè)計時，首先對半軸的工藝性進行了詳細的分析，設(shè)計出了加工的工藝過程，根據(jù)加工要求設(shè)計專用夾具設(shè)計，一付是用來車削半軸的外圓，一付是用來鉆削半軸圓盤上均勻分布的小孔，在設(shè)計中注意的夾具的經(jīng)濟性和使用性，盡量降低加工時的成本，減少工人的勞動強度，除此還進行了組合量具的設(shè)計，用來檢查6個均勻分布的小孔的位置度公差。
關(guān)鍵詞：工藝工裝設(shè)計 夾具設(shè)計 組合量具設(shè)計
Abstract：The half stalk is in automotive stalk the acceptance twist the biggest spare parts of sqire , it is bad soon machine and drive the round of delivers to twist the of solid stalk, it inside carry generally pass to spend the key and half stalk wheel gears to connect, carry outside with a conjunction, that spare parts is in the machine equipments have to spread to move sex, at carry on the half stalk of craft and work equip to account, the half axial craft carried on the detailed analysis first, designing processed craft process, according to process to request to design the appropriation tongs design, a pay is to use to come to car to pare the outside circle of the half stalk, on pay is use to drill to pare a dish of the half stalk up even distribute of eyelet, in the design the economy of the advertent tongs and usage, as far as possible lower to process of cost, reduce the worker of labor strength, in addition to this still carried on the design that the combination quantity have, use to check 6 even distribute of a business trip of position of the eyelet.
Key Words：The craft work packs the design The tongs design Combine the quantity has the design
文獻綜述
夾具設(shè)計綜述
一 前言
在機械制造中，為完成需要的加工工序、裝配工序及檢驗工序等，使用著大量的夾具。利用夾具，可以提高勞動生產(chǎn)率，提高加工精度，減少廢品；可以擴大機床的工藝范圍，改善操作的勞動條件。因此，夾具是機械制造中的一項重要的工藝裝備。按夾具的應(yīng)用范圍分類有：通用夾具、專用夾具、成組夾具、組合夾具；按夾具上的動力源分類有：手動夾具、氣動夾具、液壓夾具、電動夾具、磁力夾具、真空夾具、切削力及離心力夾具 。
（一）夾具設(shè)計的基礎(chǔ)理論
一個好的機床夾具，首先要保證能加工出合格的產(chǎn)品。為此，所設(shè)計的夾具首先應(yīng)滿足以下兩項要求：
(1)在未受外力作用時，加工件對刀具和機床應(yīng)保持正確的位置，即加工件應(yīng)有正確的定位。(2)在加工過程中，作用于加工件上的各種外力，不應(yīng)當破壞加工件原有的正確定位即對加工件應(yīng)有正確的夾緊。
（二）定位原理
在機械加工中，我們要求加工出來的表面．對加工件的其它表面保持規(guī)定的位置尺寸。因為加工表面是由切削刀具和機床的綜合運動所造成，所以在加工時，必須使加工件上的規(guī)定表面(線、點)對刀具和機床保持正確的位置才能加工出合格的產(chǎn)品。
⑴ 定位原理
把加工件上的規(guī)定表面(線、點)與夾具上的規(guī)定表面(線、點)相互靠住的這一措施，叫做夾工件在夾具中的定位。該加工件上的這種規(guī)定表面(線、點)稱為定位基準。
⑵ 定位基本原理在夾具設(shè)計中的應(yīng)用
自由物體定位的基本原理：自由的物體，它對三個互相垂直的坐標面來說，有六種活動的可能性，其中三種是移動，三種是轉(zhuǎn)動，習(xí)慣上，我們把這種活動的可能性稱為自由度。當物體的六個自由度被完全限制后，該物體在空間的位置也就完全確定了，所以定位就是限制自由度；在夾具中限制加工件的自由度在夾具中，使加工件的規(guī)定表面與定位元件接觸，就能限制自由度。定位元件所能限制的自由度數(shù)與定位元件的形式、數(shù)量及布置情況有關(guān)；夾具中的超定位如果兩種定位元件均能限制加工件的同一個自由度時，就發(fā)生了超定位，超定位能產(chǎn)生一些不良后果。如使定位不穩(wěn)定，降低了定位精度；因加工件定位基準間的誤差，使加工件裝不進夾具等。在設(shè)計中應(yīng)盡量避免超定位。
（三）夾緊原理
在生產(chǎn)實踐中，盡管定位方式是合理的，但由于夾緊狀態(tài)不良(即夾緊力的大小、方向、作用點和支承的位置選擇不當)可能出現(xiàn)如下問題：①加工件飛出夾具，打壞刀具，造成安全事故；②加工出來的位置尺寸不準確；③ 加工表面產(chǎn)生形位公差(如不平度、不垂直度)；① 加工表面粗糙度高等。因此，當加工件正確定位后．還需要獲得良好的夾緊狀態(tài)。使加工件獲得良好的夾緊狀態(tài)的措施，叫做正確的夾緊。
⑴ 加工件的正確夾緊原則
1.在夾緊過程中，如何克服重力的影響，把加工件壓回正確位置，是正確夾緊原則之一。所以在考慮定位方案及設(shè)置定位支承時，應(yīng)盡可能使支承反力與重力不構(gòu)成力偶，使加工件重心位于支承范圍內(nèi)。
2.在夾緊過程中，如何使已獲得正確定位的加工件不脫離正確位置，是正確夾緊原則之二。所以，在制定夾緊方案時，應(yīng)盡可能避免夾緊力與支承反力構(gòu)
成力偶。
3.在夾緊過程中，如何使加工件不產(chǎn)生超出允許范圍的變形，是正確夾緊原則之三。所以在制定夾
緊方案時，對于剛性較差的加工件，應(yīng)盡可能避免產(chǎn)生或應(yīng)盡可能減小由夾緊力產(chǎn)生的彎曲力矩。
4.在切削過程中，如何避免加工件發(fā)生不能允許的振動，是正確夾緊原則之四。所以，在制定夾緊方案時，對于剛性較差的加工件，應(yīng)盡可能避免產(chǎn)生或應(yīng)盡可能減小由切削力產(chǎn)生并作用于加工件上的彎曲力矩。
5.如何使平衡切削力所需要的夾緊力最小，是正確夾緊原則之五。所以，在制定夾緊方案時，切削力最好由支承反力平衡，而盡可能避免用夾緊力及由夾緊力產(chǎn)生的摩擦力平衡。
（四）簡述計算機設(shè)計專用夾具
專用夾具是為完成某一工件的某一工序而專門設(shè)計的工藝設(shè)備。與組合夾具相比，專用夾具具有以下特殊的優(yōu)點：(1)能確保工件的加工精度；(2)總體方案與生產(chǎn)綱領(lǐng)相適應(yīng)；(3)操作方便，能減輕工人的勞動強度；(4)便于排屑，有良好的結(jié)構(gòu)工藝性。傳統(tǒng)的專用夾具設(shè)計需要耗費大量的時間進行設(shè)計計算，需要經(jīng)驗豐富的夾具設(shè)計人員來完成，勞動量大，效率低。20世紀80年代以來，將計算機技術(shù)應(yīng)用到夾具設(shè)計中一直是機械領(lǐng)域研究的課題之一。傳統(tǒng)夾具設(shè)計理論與先進的計算機技術(shù)相結(jié)合而開發(fā)出的各種CAFD系統(tǒng)成為專用夾具新的設(shè)計方法。
最初的交互式設(shè)計系統(tǒng)是由設(shè)計人員簡單應(yīng)用CAD軟件的圖形功能，建立一個標準夾具元件數(shù)據(jù)庫，設(shè)計者根據(jù)經(jīng)驗選擇元件，并裝配成夾具。隨后開發(fā)的CAFD系統(tǒng)建立了定位方法選擇、工件信息檢索等模塊，大大提高了CAFD系統(tǒng)的實用性。這些都是基于二維平臺開發(fā)的。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，三維繪圖成了計算機輔助設(shè)計的有力工具。多數(shù)三維繪圖軟件都建立了標準件庫，同時允許用戶建立自己的元件庫。這為交互式夾具設(shè)計提供了更好的平臺交互式夾具設(shè)計步驟以傳統(tǒng)夾具設(shè)計步驟為基礎(chǔ)。首先根據(jù)工件特征、工序信息及夾具信息，調(diào)用有關(guān)的程序和數(shù)據(jù)協(xié)助技術(shù)人員來完成夾具的定位方案、導(dǎo)向方案、夾緊方案的設(shè)計，并通過人機交互的方式完成各功能元件和部件的選擇和設(shè)計。然后進入三
維繪圖環(huán)境，采用人工交互的方式進行參數(shù)化驅(qū)動，以獲得尺寸滿足要求的零件和部件，裝配后繪出裝配圖和零件圖。交互式夾具設(shè)計系統(tǒng)適合于開發(fā)新產(chǎn)品和需要加工新工件、沒有已有夾具信息可以利用的情況。對于大多數(shù)制造業(yè)企業(yè)來說，待加工的工件相似性高，因此要設(shè)計的夾具只需要在尺寸或結(jié)構(gòu)上進行部分修改，這就使夾具設(shè)計中重復(fù)性工作多，需要繁瑣的人工繪圖工作。如何充分利用已有夾具信息成為CAFD系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。因此基于實例推理的夾具設(shè)計理論得到了發(fā)展和實際應(yīng)用。
CAPP在世界范圍內(nèi)掀起的熱潮，又由于工藝和夾具的密切聯(lián)系而后者又有其獨立性，推動了計算機輔助夾具設(shè)計系統(tǒng)的研究和開發(fā)。FMS和CIMS的興起和開發(fā)，迫切需要柔性夾具實現(xiàn)快速生產(chǎn)準備。同時，以計算機輔助夾具設(shè)計系統(tǒng)為基礎(chǔ)的夾具信息系統(tǒng)是CIMS中信息集成的一個重要環(huán)節(jié)。根據(jù)國內(nèi)外現(xiàn)已開發(fā)的夾具設(shè)計軟件系統(tǒng)，計算機輔助夾具設(shè)計是目前比較成熟的夾具設(shè)計系統(tǒng)。計算機輔助夾具設(shè)計可歸納為四種方法：部分自動化的夾具設(shè)計、夾具自動設(shè)計(AFD)法、參數(shù)夾具設(shè)計、據(jù)已有夾具方案進行夾具設(shè)計。
（五）夾具設(shè)計技術(shù)的發(fā)展趨勢
由于CAD/CAM系統(tǒng)的迅速發(fā)展以及越來越廣泛使用的多軸CNC機床，使得對形狀復(fù)雜工件的設(shè)計和加工過程控制的自動化程度要求越來越高。因此對夾具設(shè)計方法提出了更高的要求，它不僅能將CAD/CAM系統(tǒng)有效地聯(lián)接起來，同時應(yīng)能適用于各種形狀的工件。以組合夾具元件為基礎(chǔ)的夾具自動設(shè)計(AFD)將是夾具設(shè)計的一個主要發(fā)展趨向。組合夾具自動設(shè)計系統(tǒng)可分為兩種類型，一種是在CAD基礎(chǔ)上的擴展系統(tǒng)；另一種是經(jīng)驗法則的專家系統(tǒng)。這兩種系統(tǒng)目前都還不完善，為了將這些設(shè)計系統(tǒng)應(yīng)用于生產(chǎn)實踐，必須建立更大數(shù)量的“規(guī)則”以擴展專家系統(tǒng)；在理論上通過分析研究工件和夾具間關(guān)系的基本規(guī)律，建立起一些新的理論基礎(chǔ)；另外，在開發(fā)、研究AFD軟件系統(tǒng)的同時，夾具硬件設(shè)計的研究也必須同時進行，以增強整個夾具設(shè)計的自動化程度。
另一方面，計算機技術(shù)的發(fā)展為夾具設(shè)計提供了有利的工具。CAFD系統(tǒng)已經(jīng)從對二維繪圖軟件的二次開發(fā)發(fā)展到實現(xiàn)與三維繪圖軟件的集成設(shè)計，使夾具的結(jié)構(gòu)表達更清晰。三維繪圖軟件成為CAFD 的有利工具。隨著CIMS、并行工程和敏捷制造技術(shù)的發(fā)展，企業(yè)對CAFD的需求也越來越迫切 。歸納目前CAFD系統(tǒng)的研究方向主要包括以下幾個方面：
(1)集成化。CAFD是生產(chǎn)準備的重要部分。確定該工序所使用的夾具，給出夾具的裝配圖和零件圖是連接CAD 與CAM 的橋梁。集成化的CAFD應(yīng)首先實現(xiàn)與CAPP的集成。集成化是CAFD系統(tǒng)發(fā)展的必然方向，是企業(yè)信息集成的必然要求。
(2)標準化。標準化是提高CAFD 系統(tǒng)適應(yīng)性和促進集成的基礎(chǔ)。功能模塊標準化將有利于實現(xiàn)CAFD系統(tǒng)與CAPP的集成。
(3)并行化。以往的CAFD總是在CAPP制定完所有工序之后才開始進行，并行化則強調(diào)CAFD 與CAPP并行實現(xiàn)。CAFD并行化的發(fā)展將更加提高夾具設(shè)計效率，縮短生產(chǎn)準備周期。
1 引言
通過對設(shè)計零件的分析可知，對該零件進行工藝工裝設(shè)計，由于半軸加工比較的特殊，我們?yōu)榱藵M足加工要求和經(jīng)濟性及減少工人的勞動強度，我們初步?jīng)Q定設(shè)計兩套夾具和一套組合量具。
2 零件的分析
2.1零件的生產(chǎn)綱領(lǐng)及生產(chǎn)類型
生產(chǎn)綱領(lǐng)是企業(yè)在計劃期內(nèi)應(yīng)當生產(chǎn)的產(chǎn)量，在設(shè)計題目中半軸的生產(chǎn)綱領(lǐng)為較小。生產(chǎn)類型為大批量生產(chǎn)，所以在制度工藝路線的時候應(yīng)充分考慮其生產(chǎn)特點，制度合理的工業(yè)路線，選擇合理的機床，刀具，量具，檢具，以提高生產(chǎn)率，降低成本。
2.2零件的作用
設(shè)計題目給定的零件，將其劃定為軸類零件。它是汽車的軸類中承受扭矩最大的零件，半軸是差速器和驅(qū)動輪之間傳遞扭矩的實心軸，其內(nèi)端一般通過花鍵與半軸齒輪連接，外端與輪轂連接，該零件在機械設(shè)備中具有傳動性，故應(yīng)具有足夠的強度和剛度。
2.3零件的工藝分析
半軸共有2個加工表面，他們之間有的有一定的位置關(guān)系?，F(xiàn)在分述如下：
1. 以軸線為中心的加工表面
這一組加工表面包括：半軸的左端面和半軸左端的花鍵加工，以及、和的外圓表面和和的兩個臺階面。
2. 以半軸右邊圓盤上的臺階面為中心的加工表面
這一組加工表面包括：6個均勻分布的的孔，和一個M6的螺孔以及一個的孔。
這兩組加工表面之間有著一定的位置要求，主要有：
⑴ 6個孔與表面F和G的位置度公差為；
⑵ 的外圓表面的跳動公差相對基準A為1.0；
⑶ 半軸圓盤的跳動公差相對基準A為0.8。
由以上分析可知，對于這兩組加工表面而言，可以先加工其中一個表面，然后借助于專用夾具加工另一表面，并且保證它們之間的位置精度要求。
3 工藝規(guī)程制造的形式
3.1確定毛坯制造的形式
毛坯材料為40Cr。考慮零件在工作過程中經(jīng)常受扭交變載荷及沖擊性載荷，因此應(yīng)選用鍛件，以使金屬釬維盡量不切削，保證零件工作可靠。可以采用模鍛成形，可以提高生產(chǎn)率，保證加工精度。
3.2基準的選擇
⑴ 粗基準的選擇
本零件是軸類零件，以外圓作為粗基準是完全合理的。但是對本零件來說，如果以外圓表面作基準。由于此表面的粗糙度比較大，所以會讓加工出來的零件表面尺寸嚴重不滿足要求，由于本零件非常的特殊，我們車削外圓表面的時候可以選擇半軸兩端的頂尖作為粗基準，鉆孔的時候以圓盤的臺階面為基準。
⑵ 精基準的選擇
在這主要考慮基準重合問題，也要考慮經(jīng)濟性等。
3.3零件表面加工方法的選擇
零件的主要加工表面為外圓表面和孔?？紤]到各個表面的技術(shù)要求，各種加工方法的經(jīng)濟加工精度范圍，各加工表面的形狀和尺寸大小，鍛件材料的性質(zhì)及可加工性和生產(chǎn)綱領(lǐng)與生產(chǎn)類型，選擇各加工表面的加工方法如下
⑴的外圓表面,該外圓表面的粗糙度為6.3,采用粗車進行加工。
⑵ 花鍵加工：花鍵的最大的直徑為38.100，采用銑花鍵加工。
⑶ 圓盤的臺階面因為它的粗糙度為3.2，所以選擇粗車半精車，的臺階面由于粗糙度要求不是很高，所以就只進行粗車。
⑷ 孔6-，表面粗糙度為3.2，故采用鉆鉸孔加工。
⑸ M6×1.0-6H，先進行鉆孔，然后絞孔，即可以滿足要求。
⑹ 鍵槽加工，由于表面粗糙度為12.5，所以采用銑鍵槽。
3.4制訂工藝路線
制訂工藝路線的出發(fā)點，應(yīng)當是使零件的幾何形狀，尺寸精確及位置精度等技術(shù)要求得到合理的保證。在生產(chǎn)綱領(lǐng)已確定為大批量生產(chǎn)的條件下，可以考慮采用萬能機床配以專用夾具，并盡量使工序集中來提高生產(chǎn)率。除此以外，還應(yīng)當考慮經(jīng)濟效果，以便使生產(chǎn)成本盡量降低。
工序00 粗銑左端面并打中心孔；
工序10 以半軸兩邊的頂尖定位：粗車Φ54、Φ52、Φ45以及Φ39.5的外圓面，在粗車Φ96.5和Φ112的臺階面
工序20 調(diào)直處理；
工序30 以半軸兩邊的頂尖定位：半精車Φ52、Φ45以及Φ39.5的外圓表面，及Φ96.5臺階面；
工序40 銑花鍵加工；
工序50 以盤的頂部的臺階定位，鉆絞6個的孔；
工序60 以半軸圓盤的臺階面定位，加工與垂直軸線的的孔；
工序70 攻螺紋M6 ；
工序80 車削Φ39.5的左端斜度為的圓柱表面；車削Φ45這段距左邊
位置的溝槽，和Φ45最右邊的溝槽加工，Φ50寬為3的溝槽加工，并對Φ112進行倒角；
工序90 感應(yīng)淬火和低溫回火；
工序100 磨削半軸的左端面；
工序110 以半軸兩邊的頂尖定位，磨削Φ39.5、Φ45和Φ52外圓面；
工序120 鉗工去毛刺；
工序130 終檢。
3.5機械加工余量及毛坯尺寸的確定
機械加工余量確定由很多的因素決定的，在此主要考慮的是經(jīng)濟精度及各個工序的加工方法。
⑴ 左端面的機械加工
表3-1 工序尺寸表
工序
名稱
工序間
余量(mm)
工序間
工序間
尺寸(mm)
工序間
公差等級μm
表面粗糙度
μm
尺寸公差
(mm)
表面粗糙度
μm
磨削
0.4
IT7
200
粗銑
1.6
IT8
200.4
毛坯面
IT16
202
⑵的機械加工
表3-2 工序尺寸表
工序
名稱
工序間
余量(mm)
工序間
工序間
尺寸(mm)
工序間
公差等級
表面粗糙度
μm
尺寸公差
(mm)
表面粗糙度
μm
粗車
1
IT12
54
毛坯面
IT16
55
55
⑶ 的機械加工
粗車：mm 2Z=1.6mm
半精車： mm 2Z=1.0mm
磨削：mm 2Z=0.4mm
具體工序尺寸見表3-3。
⑷ 的機械加工
粗車： 2Z=8.6
半精車： 2Z=1.0
磨削： 2Z=0.4
具體工序尺寸見表3-4。
表3-3 工序尺寸表
工序
名稱
工序間
余量(mm)
工序間
工序間
尺寸(mm)
工序間
公差等級
表面粗糙度
μm
尺寸公差
(mm)
表面粗糙度
μm
磨削
0.4
IT7
52
半精車
0.6
IT8
52.4
粗車
1
IT12
53
毛坯面
IT16
55
表3-4 工序尺寸表
工序
名稱
工序間
余量(mm)
工序間
工序間
尺寸(mm)
工序間
公差等級
表面粗糙度
μm
尺寸公差
(mm)
表面粗糙度
μm
磨削
0.4
IT7
45
半精車
1.0
IT8
45.4
粗車
6.9
IT12
46.4
毛坯面
IT16
53.4
⑸ 的機械加工
粗車： 2Z=8.6
半精車： 2Z=1.0
磨削： 2Z=0.4
具體工序尺寸見表3-5。
⑹ 鉆削 六個Φ14孔
毛坯為實心，而孔的精度要求界于IT8~IT9之間（參照《機械制造工藝設(shè)計簡明手冊》表2.3-9及表2.3-12），確定工序尺寸及余量為：
鉆孔Φ13.8mm
鉸孔：Φ14 2Z=0.15
具體工序尺寸見表3-6
表3-5 工序尺寸表
工序
名稱
工序間
余量(mm)
工序間
工序間
尺寸(mm)
工序間
公差等級
表面粗糙度
μm
尺寸公差
(mm)
表面粗糙度
μm
磨削
0.4
IT7
39
半精車
1.0
IT8
39.4
粗車
6.1
IT12
40.4
毛坯面
IT16
46.5
表3-6 工序尺寸表
工序
名稱
工序間
余量(mm)
工序間
工序間
尺寸(mm)
工序間
公差等級
表面粗糙度
μm
尺寸公差
(mm)
表面粗糙度
μm
鉸孔
0.2
IT10
14
鉆孔
13.8
IT12
13.8
⑺ 車削臺階
具體工序尺寸見表3-7。
表3-7 工序尺寸表
工序
名稱
工序間
余量(mm)
工序間
工序間
尺寸(mm)
工序間
公差等級
表面粗糙度
μm
尺寸公差
(mm)
表面粗糙度
μm
粗車
56
IT12
112
毛坯
IT16
166
⑻ 車削96.5臺階面
具體工序尺寸見表3-8。
⑼ 鉆削 Φ10孔
毛坯為實心，而孔的精度要求界于IT2~IT3之間（參照《機械制造工藝設(shè)計簡明手冊》表2.3-9及表2.3-12），確定工序尺寸及余量為：
鉆孔Φ10mm。
表3-8 工序尺寸表
工序
名稱
工序間
余量(mm)
工序間
工序間
尺寸(mm)
工序間
公差等級μm
表面粗糙度
μm
尺寸公差
(mm)
表面粗糙度
μm
半精車
0.6
IT8
52.4
粗車
69
IT12
53
毛坯面
IT16
55
4 選擇加工設(shè)備
4.1選擇機床
⑴ 工序00是銑削左端面由于花鍵的直徑和長度都不是很大，所以選擇XA6132型花鍵銑床加工。
⑵ 工序10、工序30 是粗車和半精車外圓，在這幾個個工序中，各工序的工步數(shù)不多，成批生產(chǎn)不要求很高的生產(chǎn)率，故選擇臥式車床就可以滿足要求，本零件外廓尺寸不是很大，精度要求不是很高，選用最常用的C620-1型臥式車床即可。
⑶ 工序40 銑花鍵加工，在本工序中，由于花鍵的直徑和長度都不是很大，所以選擇XA6132型花鍵銑床加工。
⑷ 工序50 以盤的頂部的臺階定位，鉆絞6個的孔，由于半軸的長度較長，所以采用多軸立式鉆床。
⑸ 工序100、工序110 磨削Φ39.5、Φ45和Φ52外圓表面，由于磨削的都是外圓表面，粗糙度為0.8，所以選用M1331外圓磨床。
4.2選擇夾具
本零件由粗車、半精車、精車、鉆孔和磨削等工序組成，由于零件的長度較長，所以在鉆孔這個工序需要專用夾具，所以我們在設(shè)計過程中設(shè)計兩套專用夾具，以滿足加工過程中加工的要求，其他工序使用通用夾具。
4.3選擇刀具
⑴ 在車床上加工的工序，一般都選用硬質(zhì)合金車刀，選用YT類硬質(zhì)合金，粗加工選用YT5,半精加工選用YT15，精加工用YT30，為提高生產(chǎn)效率及經(jīng)濟性，可以選用可轉(zhuǎn)位車刀（GB5313.1-85，GB5343.2-85）。
⑵ 鉆的6個小孔，可以選擇麻花鉆加工。
4.4選用量具
本零件屬于成批生產(chǎn)，一般采用通用量具。選擇量具的方法有兩種：第一，按計量器具的不確定度選擇；二是按計量器具的測量方法極限誤差選擇。選擇是按一種方法即可。
4.4.1選擇各外圓加工面的量具
工序Ⅺ磨削Φ39.5、Φ45和Φ52外圓表面時，現(xiàn)在按計量器具的不確定度選擇該表面加工時所用量具：該尺寸公 差為T=0.039，按表5.1-1，計量器具不確定度允許值我們確定U=0.009。根據(jù)表5.1-2，分度值 0.02 的游標卡尺，其不確定數(shù)值允許值不能選用。必須選擇，故應(yīng)選擇分度值0.01 的外徑百分尺（U=0.006）。從表5.2-9中選擇測量范圍為100~125 ，分度值為0.01 的外徑百分尺。
4.4.2 選擇加工孔用量具
孔加工量具我們將采用組合量具，在后面設(shè)計中具體介紹。
5 確定切削用量和基本時間
切削用量一般包括切削深度，進給量及切削速度三項，確定方法是先確定切削深度、進給量在確定切削速度。
5.1工序00銑削用量及基本時間的確定
5.1.1 選擇刀具
根據(jù)表3.1，銑削深度≤4，端面刀直徑為80，。但已知銑刀銑削深度為38，故應(yīng)根據(jù)銑削深度，。由于采用標準的鑲齒圓柱銑刀，故齒數(shù)為6（表3.9）
5.1.2 選擇切削用量
⑴ 選擇每齒的進給量 根據(jù)XA6132型銑床說明書，其功率為7.5，中等剛度。
根據(jù)表3.3，選擇
⑵ 選擇銑刀磨鈍標準及刀具壽命 根據(jù)表3.7， 銑刀刀齒后刀面最大的磨損量為0.6，刀具壽命。
⑶ 選擇實際切削速度
根據(jù)XA6132型銑床說明書選擇，。
因此實際的切削速度和每轉(zhuǎn)進給量為
=9.42
=0.27
⑷由于銑削量比較小，功率滿足要求 ，所以不進行驗算。最后選擇，。9.42，。
5.1.3 計算基本的工時
式中，L= ，l=38,根據(jù)表3.25，入切量及超切量，則
L=38+20=58，故
=0.97min
5.2工序10切削用量及基本時間的確定
5.2.1 切削用量
本工序為粗車。已知加工材料為40Cr，=700MPa，鍛件，機床為C620-1型臥式車床，工件裝卡在三爪自定心卡盤中。
5.2.1.1 確定粗車的切削用量 所選用的刀具是硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位車刀，根據(jù)《切削用量簡明手冊》第一部分表，由于C620-1機床的中心高度是200mm（表），故選用刀桿尺寸B×H=16mm×25mm，刀片厚度為4.5mm。根據(jù)表，選擇車刀的幾何形狀為卷屑槽帶倒棱型前刀面，前角=，后角=，主偏角=，副偏角=，刃傾角=，刀尖圓角半徑=0.8。
⑴ 確定切削深度 由于單邊余量為0.5，可在一次走刀完成
==0.5
⑵ 確定進給量f 根據(jù)表，在粗車時，刀桿尺寸為16mm×25mm，≦3mm、工件直徑為40～60時，
=0.4～0.7
確定的進給量要滿足機床進給機構(gòu)的強度的要求，故需要進行校核：
根據(jù)表，C620-1機床機構(gòu)的允許的進給力=3530。
根據(jù)表，當40Cr的=680～810Map，≦2mm，≦0.53，切削速度=65（假設(shè)），進給力=905N。
由于切削時的進給力小于機床進給機構(gòu)允許的進給力，故所選擇的=0.4，可用。
⑶ 選擇車刀磨鈍標準及耐用度 根據(jù)表，車刀后刀面的最大的磨損量取1mm，可轉(zhuǎn)位車刀耐用度T=30min。
⑷ 確定切削速度 切削速度可根據(jù)公式計算，也可以查表。現(xiàn)在用查表的方法確定切削速度。
根據(jù)表，當用YT15硬質(zhì)合金車刀加工=600～700MPa，的鋼材，，切削速度。
切削速度的修正系數(shù)為
故：
按
機床切削速度（表4.2-8），選擇
則實際的切削速度。
⑸檢驗機床功率
由表1.24*，當，
故實際的切削的功率為：
由《切削手冊》表1.30中機床說明書可知，C620-1主電動機功率為7.8KW，機床功率足夠，可以正常加工。
5.1.1.2 確定粗車的刀具加工外圓表面和一樣，加工皆可一次走刀完成，0.4，1
5.1.1.3 確定粗車的切削用量
確定粗車的刀具加工外圓表面和一樣
⑴ 確定切削深度 由于單邊余量為0.5，可在一次走刀完成
==3.5mm
分2次走刀，每次走刀為1.75。
⑵ 確定進給量f 根據(jù)表，在粗車時，刀桿尺寸為16×25，≦3、工件直徑為40～60時，
=0.4～0.7
由于切削時的進給力小于機床進給機構(gòu)允許的進給力，故所選擇的=0.4，可用。
⑶ 選擇車刀磨鈍標準及耐用度 根據(jù)表，車刀后刀面的最大的磨損量取1mm，可轉(zhuǎn)位車刀耐用度T=30min。
⑷ 確定切削速度 切削速度可根據(jù)公式計算，也可以查表。現(xiàn)在用查表的方法確定切削速度。
根據(jù)表，當用YT15硬質(zhì)合金車刀加工=600～700MPa，的鋼材，，切削速度。
切削速度的修正系數(shù)為
故：
按機床切削速度（表4.2-8），選擇
則實際的切削速度。
⑸ 檢驗機床功率
當，
故實際的切削的功率為：
由《切削手冊》表1.30中機床說明書可知，C620-1主電動機功率為7.8KW，機床功率足夠，可以正常加工。
確定粗車外圓、和臺階面的切削用量 才用車外圓的刀具加工這些外圓表面和臺階面，車的=3。分2次走刀，每次走刀為1.5，車臺階面采用橫向進給，，采用2次走刀，每次走刀為1.75，車臺階面采用橫向進給， 采用2次走到，每次走刀為1。車外圓的，車臺階面，車外圓臺階面。
5.2.2 基本時間
5.2.2.1 確定的基本時間，根據(jù)表6-2.1，車外圓的基本時間：
式中
則
5.2.2.2 確定的基本時間，根據(jù)表6-2.1，車外圓的基本時間：
式中
則
5.2.2.3 確定的基本時間，根據(jù)表6-2.1，車外圓的基本時間：
式中
則
5.2.2.4 確定的基本時間，根據(jù)表6-2.1，車外圓的基本時間：
式中
則
5.2.2.5 確定的臺階面基本時間，根據(jù)表6-2.1，車外圓的基本時間：
式中
則
5.2.2.6 確定的臺階面基本時間，根據(jù)表6-2.1，車外圓的基本時間：
式中
則
5.3工序30切削用量及基本時間的確定
5.3.1 切削用量
本工序為半精加工（車軸的外表面）。已知條件與粗加工工序一樣。
5.3.1.1 確定半精車的切削用量
⑴ 確定切削深度 由于單邊余量為0.5，可在一次走刀完成
==0.3mm
⑵ 確定進給量f 根據(jù)表，在粗車時，刀桿尺寸為16mm×25mm，≦3mm、工件直徑為40～60時，
=0.4～0.7
選擇進給量為
由于半精加工切削力教小，故不需要校核機床進給強度
⑶ 選擇車刀磨鈍標準及耐用度 根據(jù)表，車刀后刀面的最大的磨損量取0.4mm，可轉(zhuǎn)位車刀耐用度T=30min。
⑷ 確定切削速度 切削速度可根據(jù)公式計算，也可以查表。現(xiàn)在用查表的方法確定切削速度。
根據(jù)表，當用YT15硬質(zhì)合金車刀加工=630～700MPa，的鋼材，，切削速度。
切削速度的修正系數(shù)為
故：
按機床切削速度（表4.2-8），選擇
則實際的切削速度。
半精加工，機械功率可以不進行校核。
最后決定的切削用量為：
5.3.1.2 確定半精車及的臺階面的切削用量，車外圓的，外圓的，的臺階面的。車外圓及的 。
5.3.2 基本時間
5.3.2.1 確定的基本時間：
5.3.2.2 確定的基本時間：
5.3.2.3 確定半精車外圓的基本時間：
5.3.2.4 確定半精車臺階面的基本時間：
5.4工序40銑削用量及基本時間的確定
5.4.1 選擇刀具
本工序為銑削花鍵，選用花鍵銑刀。
5.4.2 選擇切削用量
⑴ 選擇每齒的進給量 根據(jù)XA6132型銑床說明書，其功率為7.5，中等剛度。
根據(jù)表3.3，選擇
⑵ 選擇銑刀磨鈍標準及刀具壽命 根據(jù)表3.7， 銑刀刀齒后刀面最大的磨損量為0.6，刀具壽命。
⑶ 選擇實際切削速度
根據(jù)XA6132型銑床說明書選擇，。
因此實際的切削速度和每轉(zhuǎn)進給量為
=9.42
=0.27
⑷ 由于銑削量比較小，功率滿足要求 ，所以不進行驗算。最后選擇，。9.42，。
5.5工序50鉆削用量及基本時間的確定
本工序為鉆孔，刀具選用錐柄麻花鉆頭，直徑為，鉆6個通孔，使用切削液。
1 鉆削六個Φ14的孔
⑴ 選擇刀具和機床
查閱《機械制造工藝設(shè)計簡明手冊》，選擇d=13.8mm的H12級高速鋼麻花鉆，GB1438-85。機床選擇立式鉆床Z535。
⑵ 選擇切削用量
①進給量f
根據(jù)《切削用量簡明手冊》表2.7，取f=0.31~0.37mm/r, 查閱《機械制造工藝設(shè)計簡明手冊》表4.2—16，所以，取
f= 0.36mm/r
根據(jù)《切削用量簡明手冊》表2.19 ,可以查出鉆孔時的軸向力，當f ≤0.47mm/r，d≤117.5mm時，軸向力F=6090N。軸向力的修正系數(shù)均為1.0，故F=6090N。根據(jù)立式鉆床Z535說明書，機床進給機構(gòu)強度允許的最大軸向力F=15696N, 由于F≤F， 故 f=0.36mm/r可用。
②切削速度v
根據(jù)《切削用量簡明手冊》表2—15，根據(jù)f=0.36mm/r和鑄鐵硬度為200~217HBS,取v=12m/min。
n===276r/min
根據(jù)立式鉆床Z535說明書，可以考慮選擇選?。簄=275r/min，降低轉(zhuǎn)速，使刀具壽命上升，所以，
v===11.9m/min
③決定鉆頭磨鈍標準及刀具壽命
根據(jù)《切削用量簡明手冊》表2.12，當d=13.8時，鉆頭后刀面最大磨損量為0.8，故刀具壽命T=15min。
④檢驗機床扭矩及功率
根據(jù)《切削用量簡明手冊》表2.21，當f=0.41/r，d≤16。查得M=25.5N.m，根據(jù)立式鉆床Z535說明書，當n=300r/min，M=72.6N.m，故M< M，根據(jù)《切削用量簡明手冊》表2.23，P=1.0kw, 根據(jù)立式鉆床Z535說明書， P=4.5kw，故P< P。因此，所選擇的切削用量是可以采用的，即
f=0.34/r，n=300r/min，v=13m/min。
⑤計算基本工時
t=，式中，L=l+y+△，l=14mm，查《切削用量簡明手冊》表2.29，y+△=7，所以，L= 10+5 = 15。
t=== 0.15min。
因有六個孔，所以 t=6×0.15= 0.9min。
2．鉸Φ14H10孔
⑴ 選擇刀具和機床
查閱《機械制造工藝設(shè)計簡明手冊》，選擇d=14mm的H10級高速鋼錐柄機用鉸刀，GB1133-84。機床選擇立式鉆床Z535。
⑵ 選擇切削用量
①進給量f
查閱《切削用量簡明手冊》表2.11及表2.24，并根據(jù)機床說明書取f=0.65~1.35/r，所以，取
f=0.72/r
②切削速度v
根據(jù)《切削用量簡明手冊》表2.24，取v=7m/min。
n===159r/min
根據(jù)立式鉆床Z535機床說明書選?。簄=195r/min，所以，
v===8.57m/min
③決定鉸刀磨鈍標準及刀具壽命
根據(jù)《切削用量簡明手冊》表2.12，當d=14時，鉸刀后刀面最大磨損量為0.4mm，故刀具壽命T=60min。因此，所選擇的切削用量：
f=0.72/r，n=195r/min，v=8.57m/min。
④計算基本工時
t=，式中，L=l+y+△，l=10，查《切削用量簡明手冊》表2.29，y+△=7，所以，L=10+7=17。
t===0.12min。
因有六個孔，所以 t=6×0.12=0.72min
5.6工序60鉆削與垂直軸線的的孔
⑴ 選擇刀具和機床
查閱《機械制造工藝設(shè)計簡明手冊》，選擇d=10mm的H12級高速鋼麻花鉆，GB1438-85。機床選擇立式鉆床Z535。
⑵ 選擇切削用量
① 進給量f
根據(jù)《切削用量簡明手冊》表2.7，取f=0.22~0.28/r, 查閱《機械制造工藝設(shè)計簡明手冊》表4.2—16，所以，取
f= 0.25/r
根據(jù)《切削用量簡明手冊》表2.19 ,可以查出鉆孔時的軸向力，當f ≤0.28mm/r，d≤12mm時，軸向力F=3000N。軸向力的修正系數(shù)均為1.0，故F=3000N。根據(jù)立式鉆床Z535說明書，機床進給機構(gòu)強度允許的最大軸向力F=15696N, 由于F≤F， 故 f=0.25/r可用。
② 切削速度v
根據(jù)《切削用量簡明手冊》表2—15，根據(jù)f=0.25/r和鑄鐵硬度為200~217HBS,取v=25m/min。
n===796r/min
根據(jù)立式鉆床Z535說明書，可以考慮選擇選取：n=750r/min，降低轉(zhuǎn)速，使刀具壽命上升，所以，
v===23.55m/min
③ 決定鉆頭磨鈍標準及刀具壽命
根據(jù)《切削用量簡明手冊》表2.12，當d=10時，鉆頭后刀面最大磨損量為0.5mm，故刀具壽命T=35min。
④ 檢驗機床扭矩及功率
根據(jù)《切削用量簡明手冊》表2.21，當f0.33/r，d≤11.1。查得M=20.49N.m，根據(jù)立式鉆床Z535說明書，當n=750r/min，M=30N.m，故M< M，根據(jù)《切削用量簡明手冊》表2.23，P=1.0kw, 根據(jù)立式鉆床Z535說明書， P=4.5kw，故P< P。因此，所選擇的切削用量是可以采用的，即
f=0.25/r，n=750r/min，v=23.55m/min。
⑤ 計算基本工時
t=，式中，L=l+y+△，l=14，查《切削用量簡明手冊》表2.29，y+△=7，所以，L= 10+5 = 15。
t=== 0.08min。
5.7工序70攻螺紋M6
公制螺紋M6切削用量為：
所以
按機床選取，則。
機動加工時 ==0.26
5.8工序110磨削外圓表面及左端面
5.8.1 確定磨削的磨削用量
5.8.1.1 選擇砂輪 見《工藝手冊》第三章中磨料選擇各表，結(jié)果為
其含義是：砂輪磨料為白剛玉，粒度為16，硬度為中軟級，陶瓷結(jié)合劑，6號組織，平型砂輪，其尺寸為。
5.8.1.2 切削用量的選擇。砂輪轉(zhuǎn)速，（雙行程）。
軸向進給量
工件速度
徑向進給量
5.8.1.3 切削工時
式中 L 加工長度40.5
單邊加工余量，0.5
系數(shù)，1.55
工作臺移動速度
工作臺往返一次砂輪軸向進給量
工作臺往返一次砂輪徑向進給量
=0.00837
5.8.2 確定磨削的磨削用量
已知條件與上面一樣，現(xiàn)在來計算切削工時
= =0.00837
5.8.3 確定磨削的磨削用量
已知條件與上面一樣，現(xiàn)在來計算切削工時
==0.00372
6 夾具設(shè)計
為了提高勞動生產(chǎn)率，保證加工質(zhì)量，降低勞動強度，需要設(shè)計專用夾具
和老師商量后決定，設(shè)計2套專用夾具，第一套用來車削外圓的頂尖夾具，第二套用來鉆孔的專用夾具，車削刀具為硬質(zhì)合金車刀，鉆孔為高速鋼麻花鉆，它們分別對工件進行加工。我們先設(shè)計車削夾具，后在設(shè)計鉆孔夾具。
6.1車削頂尖夾具的設(shè)計
6.1.1 問題的提出
夾具的種類很多，有通用夾具，專用夾具和組合夾具等，本夾具是用來車削粗車和半精車半軸的外圓和臺階面的，由于本零件比較特殊，為了使定位誤差為零 ，我們設(shè)計基準為半軸左右兩邊的的頂尖位置，作為主要的基準。
在刀具方面我們選用硬質(zhì)合金車刀刀具加工。
6.1.2 確定定位方案，設(shè)計定位元件
工件上的加工為車削軸的外圓，故應(yīng)按完全定位設(shè)計夾具，并力求遵守基準重合原則，以減少定位誤差對加工精度的影響，所以根據(jù)半軸本身的加工特點來選擇定位的方式。
由于半軸的長度相對較長，而直徑較小，所以給車削加工的夾具設(shè)計帶來一定的困難，而且不加工表面的粗糙度又較大，所以選擇在不加工表面夾緊定位加工時不能夠滿足要求的，所以我們選擇用兩邊的頂尖夾緊，來實現(xiàn)定位加工。
6.1.3夾緊力計算：
計算夾緊力時，通常將夾具和工件看成是一個剛性系統(tǒng)。本工序在車削加工過程中切削力為圓周切削分力，因此，在計算夾緊力時可以不計算徑向切削分力和軸向切削分力。為保證夾緊可靠，應(yīng)將理論夾緊力乘上安全系數(shù)作為工件加工時所需要的夾緊力。即：，即：，其中，查《機床夾具設(shè)計手冊》表1-2-1得：；；1.15；；；；，所以=2.691。查《機床夾具設(shè)計手冊》表1-2-7得：，表1-2-8得，其中，查《機床夾具設(shè)計手冊》表1-2-1得：；；；；，所以=1.9。所以因此，實際所需要的夾緊力為。
由于兩端是頂尖裝夾，左頂尖直接裝夾在機床尾座上，有頂尖裝夾在機床主軸上，所以加緊力是滿足要求的。
6.2繪制夾具總體圖
當上述各種元件的結(jié)構(gòu)和布置確定之后，也就基本上決定了夾具體和夾具整體結(jié)構(gòu)的型式。
繪圖時先用雙點劃線（細線）繪出工件，然后在各個定位面繪制出定位元件和夾緊機構(gòu)，就形成了夾具體。并按要求標注夾具有關(guān)的尺寸、公差和技術(shù)要求。
6.3鉆孔專用夾具的設(shè)計
6.3.1 問題的提出
本夾具是用來加工半軸右邊圓盤上面6個的孔，由于我們選擇在立式鉆床上加工，所以選擇的定位基準是圓盤上面的臺階面，設(shè)計夾具時，我們要滿足一些基本要求：應(yīng)有足夠的強度和剛度，結(jié)構(gòu)簡單具有良好的工藝性，尺寸穩(wěn)定和便于排屑等。
為了提生產(chǎn)效率，我們選用高速鋼麻花鉆刀具加工。
6.3.2 確定定位方案，設(shè)計定位元件
工件上的加工孔為通孔，沿孔軸線方向的自由度可不予以限制，但是為增強加工時工件的剛性，必定限制孔軸線方向的自由度，故應(yīng)按完全定位設(shè)計夾具，并力求遵守基準重合原則，以減少定位誤差對加工精度的影響。
由于工件在鉆Φ14mm孔時，采用圓盤上面的臺階面定位，這樣，既增加了工件的穩(wěn)定性，又兼顧了基準重合原則。為實現(xiàn)定位方案，所使用的定位元件：用鉆磨板與臺階面直接接觸，在用兩邊的螺栓夾緊，可以限制工件的6個不定度，達到完全定位。工件下面直接放在座子上面起輔助支承，不起定位作用。
6.3.3 夾緊力計算：
計算夾緊力時，通常將夾具和工件看成是一個剛性系統(tǒng)。本工序在鉆削加工過程中切削力分解為切削扭矩和軸向切削力，因軸向切削力的作用方向與夾具的夾緊方向相同，有助于工件的夾緊，因此，在計算夾緊力時可以不計算軸向切削力。為保證夾緊可靠，應(yīng)將理論夾緊力乘上安全系數(shù)作為工件加工時所需要的夾緊力。即：，其中，查《機床夾具設(shè)計手冊》表1-2-1得：；；1.15；；；；，所以=2.691。查《機床夾具設(shè)計手冊》表1-2-7得：，表1-2-8得，，鉆頭的直徑為d=Φ9.8mm，所以，。因此，實際所需要的夾緊力為。
夾緊機構(gòu)采用螺旋夾緊機構(gòu)，機構(gòu)的傳動效率為，單個螺旋夾緊產(chǎn)生的夾緊力為：，查《機床夾具設(shè)計手冊》表1-2-20，得=18.67mm，表1-2-21，得=11.0255mm，，表1-2-22，得。。==2222.34N。則作用在活動壓塊上的夾緊力為：夾緊機構(gòu)受力如圖2所示。
所以
== 53088
圖2 夾緊機構(gòu)受力示意圖
因 ＜，所以該螺旋機構(gòu)能滿足鉆削加工要求。
6.4繪制夾具總體圖
當上述各種元件的結(jié)構(gòu)和布置確定之后，也就基本上決定了夾具體和夾具整體結(jié)構(gòu)的型式。
繪圖時先用雙點劃線（細線）繪出工件，然后在各個定位面繪制出定位元件和夾緊機構(gòu)，就形成了夾具體。并按要求標注夾具有關(guān)的尺寸、公差和技術(shù)要求。
7 位置量規(guī)設(shè)計
設(shè)計下圖所示的位置量規(guī)。
㈠ 結(jié)構(gòu)分析
1 分析
⑴ 零件有一處位置公差要求
1)基準F
2)基準G
⑵ 被測要素均為中心要素,且遵守相關(guān)原則。
2 結(jié)構(gòu)設(shè)計
工作部位本例按同時檢驗設(shè)計。位置量規(guī)設(shè)計成主體量規(guī)和輔助(活動)量規(guī)。
技 術(shù) 要 求 材料
倒棱0.5去毛刺 40
圖1-1 工件
⑴ 主體結(jié)構(gòu)見圖1-2（有關(guān)工作部位尺寸由計算決定）。
⑵ 量規(guī)（活動）輔助量規(guī)結(jié)構(gòu)見圖將在圖紙上面繪制。
㈡ 工作部位尺寸計算
⑴ 量規(guī)公差 根據(jù)，分別由表4-3和表4-4
序號查得
⑵ 按公式計算位置量規(guī)工作部分尺寸
（由工作者確定，現(xiàn)若取為14）
圖1-2 主體量規(guī)
8 小結(jié)
半軸的工藝及工裝設(shè)計設(shè)計中，主要完成了加工工藝過程的編制，設(shè)計了2套夾具，一套是用來車削半軸的外圓，另一套是用來鉆削半軸圓盤上的6個均勻分布的小孔，最后設(shè)計了組合量規(guī)。
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