推動架加工工藝及-鉆Ф6孔夾具設計【版本2】

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附錄二 ：中文翻譯 通過夾具布局設計和夾緊力的優(yōu)化控制變形 摘 要 工件變形必須控制在數值控制機械加工過程之中。夾具布局和夾緊力是影響加工變形程度和分布的兩個主要方面。在本文提出了一種多目標模型的建立，以減低變形的程度和增加均勻變形分布。有限元方法應用于分析變形。遺傳算法發(fā)展是為了解決優(yōu)化模型。最后舉了一個例子說明，一個令人滿意的結果被求得， 這是遠優(yōu)于經驗之一的。多目標模型可以減少加工變形有效地改善分布狀況。 關鍵詞：夾具布局；夾緊力； 遺傳算法；有限元方法 1 引言 夾具設計在制造工程中是一項重要的程序。這對于加工精度是至關重要。一個工件應約束在一個帶有夾具元件，如定位元件，夾緊裝置，以及支撐元件的夾具中加工。定位的位置和夾具的支力，應該從戰(zhàn)略的設計，并且適當的夾緊力應適用。該夾具元件可以放在工件表面的任何可選位置。夾緊力必須大到足以進行工件加工。通常情況下，它在很大程度上取決于設計師的經驗，選擇該夾具元件的方案，并確定夾緊力。因此，不能保證由此產生的解決方案是某一特定的工件的最優(yōu)或接近最優(yōu)的方案。因此，夾具布局和夾緊力優(yōu)化成為夾具設計方案的兩個主要方面。 定位和夾緊裝置和夾緊力的值都應適當的選擇和計算，使由于夾緊力和切削力產生的工件變形盡量減少和非正式化。 夾具設計的目的是要找到夾具元件關于工件和最優(yōu)的夾緊力的一個最優(yōu)布局或方案。在這篇論文里， 多目標優(yōu)化方法是代表了夾具布局設計和夾緊力的優(yōu)化的方法。 這個觀點是具有兩面性的。一，是盡量減少加工表面最大的彈性變形； 另一個是盡量均勻變形。 ANSYS軟件包是用來計算工件由于夾緊力和切削力下產生的變形。遺傳算法是MATLAB的發(fā)達且直接的搜索工具箱，并且被應用于解決優(yōu)化問題。最后還給出了一個案例的研究，以闡述對所提算法的應用。 2 文獻回顧 隨著優(yōu)化方法在工業(yè)中的廣泛運用，近幾年夾具設計優(yōu)化已獲得了更多的利益。夾具設計優(yōu)化包括夾具布局優(yōu)化和夾緊力優(yōu)化。King 和 Hutter提出了一種使用剛體模型的夾具-工件系統(tǒng)來優(yōu)化夾具布局設計的方法。DeMeter也用了一個剛性體模型，為最優(yōu)夾具布局和最低的夾緊力進行分析和綜合。他提出了基于支持布局優(yōu)化的程序與計算質量的有限元計算法。李和melkote用了一個非線性編程方法和一個聯(lián)絡彈性模型解決布局優(yōu)化問題。兩年后， 他們提交了一份確定關于多鉗夾具受到準靜態(tài)加工力的夾緊力優(yōu)化的方法。他們還提出了一關于夾具布置和夾緊力的最優(yōu)的合成方法，認為工件在加工過程中處于動態(tài)。相結合的夾具布局和夾緊力優(yōu)化程序被提出，其他研究人員用有限元法進行夾具設計與分析。蔡等對menassa和devries包括合成的夾具布局的金屬板材大會的理論進行了拓展。秦等人建立了一個與夾具和工件之間彈性接觸的模型作為參考物來優(yōu)化夾緊力與，以盡量減少工件的位置誤差。Deng和melkote 提交了一份基于模型的框架以確定所需的最低限度夾緊力，保證了被夾緊工件在加工的動態(tài)穩(wěn)定。 大部分的上述研究使用的是非線性規(guī)劃方法，很少有全面的或近全面的最優(yōu)解決辦法。所有的夾具布局優(yōu)化程序必須從一個可行布局開始。此外，還得到了對這些模型都非常敏感的初步可行夾具布局的解決方案。夾具優(yōu)化設計的問題是非線性的，因為目標的功能和設計變量之間沒有直接分析的關系。例如加工表面誤差和夾具的參數之間（定位、夾具和夾緊力）。 以前的研究表明，遺傳算法（ GA ）在解決這類優(yōu)化問題中是一種有用的技術。吳和陳用遺傳算法確定最穩(wěn)定的靜態(tài)夾具布局。石川和青山應用遺傳算法確定最佳夾緊條件彈性工件。vallapuzha在基于優(yōu)化夾具布局的遺傳算法中使用空間坐標編碼。他們還提出了針對主要競爭夾具優(yōu)化方法相對有效性的廣泛調查的方法和結果。這表明連續(xù)遺傳算法取得最優(yōu)質的解決方案。krishnakumar和melkote 發(fā)展了一個夾具布局優(yōu)化技術，用遺傳算法找到夾具布局，盡量減少由于在整個刀具路徑的夾緊和切削力造成的加工表面的變形。定位器和夾具位置被節(jié)點號碼所指定。krishnakumar等人還提出了一種迭代算法，盡量減少工件在整個切削過程之中由不同的夾具布局和夾緊力造成的彈性變形。Lai等人建成了一個分析模型，認為定位和夾緊裝置為同一夾具布局的要素靈活的一部分。Hamedi 討論了混合學習系統(tǒng)用來非線性有限元分析與支持相結合的人工神經網絡（ ANN ）和GA。人工神經網絡被用來計算工件的最大彈性變形，遺傳算法被用來確定最佳鎖模力。Kumar建議將迭代算法和人工神經網絡結合起來發(fā)展夾具設計系統(tǒng)。Kaya用迭代算法和有限元分析，在二維工件中找到最佳定位和夾緊位置，并且把碎片的效果考慮進去。周等人。提出了基于遺傳算法的方法，認為優(yōu)化夾具布局和夾緊力的同時，一些研究沒有考慮為整個刀具路徑優(yōu)化布局。一些研究使用節(jié)點數目作為設計參數。一些研究解決夾具布局或夾緊力優(yōu)化方法，但不能兩者都同時進行。 有幾項研究摩擦和碎片考慮進去了。 碎片的移動和摩擦接觸的影響對于實現更為現實和準確的工件夾具布局校核分析來說是不可忽視的。因此將碎片的去除效果和摩擦考慮在內以實現更好的加工精度是必須的。 在這篇論文中，將摩擦和碎片移除考慮在內，以達到加工表面在夾緊和切削力下最低程度的變形。一多目標優(yōu)化模型被建立了。一個優(yōu)化的過程中基于GA和有限元法提交找到最佳的布局和夾具夾緊力。最后，結果多目標優(yōu)化模型對低剛度工件而言是比較單一的目標優(yōu)化方法、經驗和方法。 3 多目標優(yōu)化模型夾具設計 一個可行的夾具布局必須滿足三限制。首先，定位和夾緊裝置不能將拉伸勢力應用到工件；第二，庫侖摩擦約束必須施加在所有夾具-工件的接觸點。夾具元件-工件接觸點的位置必須在候選位置。為一個問題涉及夾具元件-工件接觸和加工負荷步驟，優(yōu)化問題可以在數學上仿照如下： 這里的△表示加工區(qū)域在加工當中j次步驟的最高彈性變形。 其中 是△的平均值； 是正常力在i次的接觸點； μ是靜態(tài)摩擦系數； fhi是切向力在i次的接觸點； pos(i)是i次的接觸點； 是可選區(qū)域的i次接觸點； 整體過程如圖1所示，一要設計一套可行的夾具布局和優(yōu)化的夾緊力。最大切削力在切削模型和切削力發(fā)送到有限元分析模型中被計算出來。優(yōu)化程序造成一些夾具布局和夾緊力，同時也是被發(fā)送到有限元模型中。在有限元分析座內，加工變形下，切削力和夾緊力的計算方法采用有限元方法。根據某夾具布局和變形，然后發(fā)送給優(yōu)化程序，以搜索為一優(yōu)化夾具方案。 圖1 夾具布局和夾緊力優(yōu)化過程 4 夾具布局設計和夾緊力的優(yōu)化 4.1 遺傳算法 遺傳算法（ GA ）是基于生物再生產過程的強勁，隨機和啟發(fā)式的優(yōu)化方法。基本思路背后的遺傳算法是模擬“生存的優(yōu)勝劣汰“的現象。每一個人口中的候選個體指派一個健身的價值，通過一個功能的調整，以適應特定的問題。遺傳算法，然后進行復制，交叉和變異過程消除不適宜的個人和人口的演進給下一代。人口足夠數目的演變基于這些經營者引起全球健身人口的增加和優(yōu)勝個體代表全最好的方法。 遺傳算法程序在優(yōu)化夾具設計時需夾具布局和夾緊力作為設計變量，以生成字符串代表不同的布置。字符串相比染色體的自然演變，以及字符串，它和遺傳算法尋找最優(yōu)，是映射到最優(yōu)的夾具設計計劃。在這項研究里，遺傳算法和MATLAB的直接搜索工具箱是被運用的。 收斂性遺傳算法是被人口大小、交叉的概率和概率突變所控制的 。只有當在一個人口中功能最薄弱功能的最優(yōu)值沒有變化時，nchg達到一個預先定義的價值ncmax ，或有多少幾代氮，到達演化的指定數量上限nmax， 沒有遺傳算法停止。有五個主要因素，遺傳算法，編碼，健身功能，遺傳算子，控制參數和制約因素。 在這篇論文中，這些因素都被選出如表1所列。 表1 遺傳算法參數的選擇 由于遺傳算法可能產生夾具設計字符串，當受到加工負荷時不完全限制夾具。這些解決方案被認為是不可行的，且被罰的方法是用來驅動遺傳算法，以實現一個可行的解決辦法。1夾具設計的計劃被認為是不可行的或無約束，如果反應在定位是否定的。在換句話說，它不符合方程（2）和（3）的限制。罰的方法基本上包含指定計劃的高目標函數值時不可行的。因此，驅動它在連續(xù)迭代算法中的可行區(qū)域。對于約束（4），當遺傳算子產生新個體或此個體已經產生，檢查它們是否符合條件是必要的。真正的候選區(qū)域是那些不包括無效的區(qū)域。在為了簡化檢查，多邊形是用來代表候選區(qū)域和無效區(qū)域的。多邊形的頂點是用于檢查?！癷npolygon ”在MATLAB的功能可被用來幫助檢查。 4.2 有限元分析 ANSYS軟件包是用于在這方面的研究有限元分析計算。有限元模型是一個考慮摩擦效應的半彈性接觸模型，如果材料是假定線彈性。如圖2所示，每個位置或支持，是代表三個正交彈簧提供的制約。 圖2 考慮到摩擦的半彈性接觸模型 在x ， y和z 方向和每個夾具類似，但定位夾緊力在正常的方向。彈力在自然的方向即所謂自然彈力，其余兩個彈力即為所謂的切向彈力。接觸彈簧剛度可以根據向赫茲接觸理論計算如下： 隨著夾緊力和夾具布局的變化，接觸剛度也不同，一個合理的線性逼近的接觸剛度可以從適合上述方程的最小二乘法得到。連續(xù)插值，這是用來申請工件的有限元分析模型的邊界條件。在圖3中說明了夾具元件的位置，顯示為黑色界線。每個元素的位置被其它四或六最接近的鄰近節(jié)點所包圍。 圖3 連續(xù)插值 這系列節(jié)點，如黑色正方形所示，是（37，38，31和30 ），（9，10 ，11 ， 18，17號和16號）和（ 26，27 ，34 ， 41，40和33 ）。這一系列彈簧單元，與這些每一個節(jié)點相關聯(lián)。對任何一套節(jié)點，彈簧常數是： 這里， kij 是彈簧剛度在的j -次節(jié)點周圍i次夾具元件， Dij 是i次夾具元件和的J -次節(jié)點周圍之間的距離， ki是彈簧剛度在一次夾具元件位置, ηi 是周圍的i次夾具元素周圍的節(jié)點數量 為每個加工負荷的一步，適當的邊界條件將適用于工件的有限元模型。在這個工作里，正常的彈簧約束在這三個方向（X ， Y ， Z ）的和在切方向切向彈簧約束，（X ， Y ）。夾緊力是適用于正常方向（Z）的夾緊點。整個刀具路徑是模擬為每個夾具設計計劃所產生的遺傳算法應用的高峰期的X ，Y ，z切削力順序到元曲面，其中刀具通行證。在這工作中，從刀具路徑中歐盟和去除碎片已經被考慮進去。在機床改變幾何數值過程中，材料被去除，工件的結構剛度也改變。 因此，這是需要考慮碎片移除的影響。有限元分析模型，分析與重點的工具運動和碎片移除使用的元素死亡技術。在為了計算健身價值，對于給定夾具設計方案，位移存儲為每個負載的一步。那么，最大位移是選定為夾具設計計劃的健身價值。 遺傳算法的程序和ANSYS之間的互動實施如下。定位和夾具的位置以及夾緊力這些參數寫入到一個文本文件。那個輸入批處理文件ANSYS軟件可以讀取這些參數和計算加工表面的變形。 因此， 健身價值觀，在遺傳算法程序，也可以寫到當前夾具設計計劃的一個文本文件。 當有大量的節(jié)點在一個有限元模型時，計算健身價值是很昂貴的。因此，有必要加快計算遺傳算法程序。作為這一代的推移，染色體在人口中取得類似情況。在這項工作中，計算健身價值和染色體存放在一個SQL Server數據庫。遺傳算法的程序，如果目前的染色體的健身價值已計算之前，先檢查；如果不，夾具設計計劃發(fā)送到ANSYS，否則健身價值觀是直接從數據庫中取出。嚙合的工件有限元模型，在每一個計算時間保持不變。每計算模型間的差異是邊界條件，因此，網狀工件的有限元模型可以用來反復“恢復”ANSYS 命令。 5 案例研究 一個關于低剛度工件的銑削夾具設計優(yōu)化問題是被顯示在前面的論文中，并在以下各節(jié)加以表述。 5.1 工件的幾何形狀和性能 工件的幾何形狀和特點顯示在圖4中，空心工件的材料是鋁390與泊松比0.3和71Gpa的楊氏模量。外廓尺寸152.4mm×127mm*76.2mm.該工件頂端內壁的三分之一是經銑削及其刀具軌跡，如圖4 所示。夾具元件中應用到的材料泊松比0.3和楊氏模量的220的合金鋼。 圖4 空心工件 5.2 模擬和加工的運作 舉例將工件進行周邊銑削，加工參數在表2中給出。基于這些參數，切削力的最高值被作為工件內壁受到的表面載荷而被計算和應用，當工件處于330.94 n（切）、398.11 N （下徑向）和22.84 N （下軸） 的切削位置時。整個刀具路徑被26個工步所分開，切削力的方向被刀具位置所確定 表2加工參數和條件 。 5.3 夾具設計方案 夾具在加工過程中夾緊工件的規(guī)劃如圖5所示。 圖5 定位和夾緊裝置的可選區(qū)域 一般來說， 3-2-1定位原則是夾具設計中常用的。夾具底板限制三個自由度，在側邊控制兩個自由度。這里，在Y=0mm截面上使用了4個定點（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，兩個壓板（C1,C2）夾緊工件。在正交面上，需要一個定位元件限制其余的一個自由度，這在優(yōu)化模型中是被忽略的。在表3中給出了定位加緊點的坐標范圍。 表3 設計變量的約束 由于沒有一個簡單的一體化程序確定夾緊力，夾緊力很大部分（6673.2N）在初始階段被假設為每一個夾板上作用的力。且從符合例5的最小二乘法，分別由4.43×107 N/m 和5.47×107 N/m得到了正常切向剛度。 5.4 遺傳控制參數和懲罰函數 在這個例子中，用到了下列參數值：Ps=30, Pc=0.85, Pm=0.01, Nmax=100和Ncmax=20.關于f1和σ的懲罰函數是 這里fv可以被F1或σ代表。當nchg達到6時，交叉和變異的概率將分別改變成0.6和0.1. 5.5 優(yōu)化結果 連續(xù)優(yōu)化的收斂過程如圖6所示。且收斂過程的相應功能（1）和（2）如圖7、圖8所示。優(yōu)化設計方案在表4中給出。 圖6 夾具布局和夾緊力優(yōu)化程序的收斂性遺傳算法 圖7 第一個函數值的收斂 圖8第二個函數值的收斂性 表4 多目標優(yōu)化模型的結果 表5 各種夾具設計方案結果進行比較， 5.6 結果的比較 從單一目標優(yōu)化和經驗設計中得到的夾具設計的設計變量和目標函數值，如表5所示。單一目標優(yōu)化的結果，在論文中引做比較。在例子中，與經驗設計相比較，單一目標優(yōu)化方法有其優(yōu)勢。最高變形減少了57.5 ％，均勻變形增強了60.4 ％。最高夾緊力的值也減少了49.4 ％ 。從多目標優(yōu)化方法和單目標優(yōu)化方法的比較中可以得出什么呢？最大變形減少了50.2％ ，均勻變形量增加了52.9 ％，最高夾緊力的值減少了69.6 ％ 。加工表面沿刀具軌跡的變形分布如圖9所示。很明顯，在三種方法中，多目標優(yōu)化方法產生的變形分布最均勻。 與結果比較，我們確信運用最佳定位點分布和最優(yōu)夾緊力來減少工件的變形。圖10示出了一實例夾具的裝配。 圖9沿刀具軌跡的變形分布 圖10 夾具配置實例 6 結論 本文介紹了基于GA和有限元的夾具布局設計和夾緊力的優(yōu)化程序設計。優(yōu)化程序是多目標的：最大限度地減少加工表面的最高變形和最大限度地均勻變形。ANSYS軟件包已經被用于 健身價值的有限元計算。對于夾具設計優(yōu)化的問題，GA和有限元分析的結合被證明是一種很有用的方法。 在這項研究中，摩擦的影響和碎片移動都被考慮到了。為了減少計算的時間，建立了一個染色體的健身數值的數據庫，且網狀工件的有限元模型是優(yōu)化過程中多次使用的。 傳統(tǒng)的夾具設計方法是單一目標優(yōu)化方法或經驗。此研究結果表明，多目標優(yōu)化方法比起其他兩種方法更有效地減少變形和均勻變形。這對于在數控加工中控制加工變形是很有意義的。 參考文獻 1、 King LS，Hutter（ 1993年） 自動化裝配線上棱柱工件最佳裝夾定位生成的理論方法。De Meter EC (1995) 優(yōu)化機床夾具表現的Min - Max負荷模型。 2、 De Meter EC (1998) 快速支持布局優(yōu)化。Li B, Melkote SN (1999) 通過夾具布局優(yōu)化改善工件的定位精度。 3、 Li B, Melkote SN (2001) 夾具夾緊力的優(yōu)化和其對工件的定位精度的影響。 4、 Li B, Melkote SN (1999) 通過夾具布局優(yōu)化改善工件的定位精度。 5、 Li B, Melkote SN (2001) 夾具夾緊力的優(yōu)化和其對工件定位精度的影響。 6、 Li B, Melkote SN (2001) 最優(yōu)夾具設計計算工件動態(tài)的影響。 7、 Lee JD, Haynes LS (1987) 靈活裝夾系統(tǒng)的有限元分析。 8、 Menassa RJ, DeVries WR (1991) 運用優(yōu)化方法在夾具設計中選擇支位。 9、 Cai W, Hu SJ, Yuan JX 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臥式車床 專 用 工 藝 裝 備 名 稱 代 號 機動時間 單件工時定額 每合件數 技 術 等 級 冷 卻 液 工序號 工步號 工 序 及 工 步 內 容 刃 具 量 檢 具 切 削 用 量 代 號 名 稱 代 號 名稱 銑削速度（米/分） 銑削深度（毫米） 進給量（毫米/轉） 轉速（轉/分） 10 1 車C面 游標卡尺 2 150 編 制 校 對 會 簽 復 制 丁基善 修改標記 處 數 文件號 簽 字 日 期 修改標記 處 數 文件號 簽 字 日 期 09.10.20 鎮(zhèn)江市高等專科學校 機械加工工序卡 產品型號及規(guī)格 圖 號 名 稱 工藝文件編號 共7 頁 推 動 架 第2頁 材料牌號及名稱 毛坯外型尺寸 HT200 169.5x70.5x50 零件毛重 零件凈重 硬 度 設 備 型 號 設 備 名 稱 立式鉆床 專 用 工 藝 裝 備 名 稱 代 號 立式鏜床 機動時間 單件工時定額 每合件數 技 術 等 級 冷 卻 液 工序號 工步號 工 序 及 工 步 內 容 刃 具 量 檢 具 切 削 用 量 代 號 名 稱 代 號 名稱 銑削速度（米/分） 銑削深度（毫米） 進給量（毫米/轉） 轉速（轉/分） 20 1 粗鏜 游標卡尺 編 制 校 對 會 簽 復 制 丁基善 修改標記 處 數 文件號 簽 字 日 期 修改標記 處 數 文件號 簽 字 日 期 09.10.20 鎮(zhèn)江市高等?？茖W校 機械加工工序卡 產品型號及規(guī)格 圖 號 名 稱 工藝文件編號 共7 頁 推 動 架 第3頁 材料牌號及名稱 毛坯外型尺寸 HT200 169.5x70.5x50 零件毛重 零件凈重 硬 度 設 備 型 號 設 備 名 稱 臥式車床 專 用 工 藝 裝 備 名 稱 代 號 立式鉆床 機動時間 單件工時定額 每合件數 技 術 等 級 冷 卻 液 工序號 工步號 工 序 及 工 步 內 容 刃 具 量 檢 具 切 削 用 量 代 號 名 稱 代 號 名稱 銑削速度（米/分） 銑削深度（毫米） 進給量（毫米/轉） 轉速（轉/分） 30 1 車B面 游標卡尺 2 150 編 制 校 對 會 簽 復 制 丁基善 修改標記 處 數 文件號 簽 字 日 期 修改標記 處 數 文件號 簽 字 日 期 09.10.20 鎮(zhèn)江市高等?？茖W校 機械加工工序卡 產品型號及規(guī)格 圖 號 名 稱 工藝文件編號 共7 頁 推 動 架 第4頁 材料牌號及名稱 毛坯外型尺寸 HT200 169.5x70.5x50 零件毛重 零件凈重 硬 度 設 備 型 號 設 備 名 稱 X52K 立式銑床 專 用 工 藝 裝 備 名 稱 代 號 立式銑床 機動時間 單件工時定額 每合件數 技 術 等 級 冷 卻 液 工序號 工步號 工 序 及 工 步 內 容 刃 具 量 檢 具 切 削 用 量 代 號 名 稱 代 號 名稱 銑削速度（米/分） 銑削深度（毫米） 進給量（毫米/轉） 轉速（轉/分） 40 1 粗銑D面 φ100mm的面銑刀 游標卡尺 2 150 2 粗銑E面 φ100mm的面銑刀 游標卡尺 2 150 編 制 校 對 會 簽 復 制 丁基善 修改標記 處 數 文件號 簽 字 日 期 修改標記 處 數 文件號 簽 字 日 期 09.10.21 鎮(zhèn)江市高等?？茖W校 機械加工工序卡 產品型號及規(guī)格 圖 號 名 稱 工藝文件編號 共7 頁 推 動 架 第5頁 材料牌號及名稱 毛坯外型尺寸 HT200 169.5x70.5x50 零件毛重 零件凈重 硬 度 設 備 型 號 設 備 名 稱 立式鉆床 專 用 工 藝 裝 備 名 稱 代 號 立式鉆床 機動時間 單件工時定額 每合件數 技 術 等 級 冷 卻 液 工序號 工步號 工 序 及 工 步 內 容 刃 具 量 檢 具 切 削 用 量 代 號 名 稱 代 號 名稱 銑削速度（米/分） 銑削深度（毫米） 進給量（毫米/轉） 轉速（轉/分） 50 1 粗鉆φ160+0.019 游標卡尺 26.4 5.1 0.4 405 編 制 校 對 會 簽 復 制 丁基善 修改標記 處 數 文件號 簽 字 日 期 修改標記 處 數 文件號 簽 字 日 期 09.10.21 鎮(zhèn)江市高等專科學校 機械加工工序卡 產品型號及規(guī)格 圖 號 名 稱 工藝文件編號 共7 頁 推 動 架 第6頁 材料牌號及名稱 毛坯外型尺寸 HT200 169.5x70.5x50 零件毛重 零件凈重 硬 度 設 備 型 號 設 備 名 稱 CA6140 臥式車床 專 用 工 藝 裝 備 名 稱 代 號 機動時間 單件工時定額 每合件數 技 術 等 級 冷 卻 液 工序號 工步號 工 序 及 工 步 內 容 刃 具 量 檢 具 切 削 用 量 代 號 名 稱 代 號 名稱 銑削速度（米/分） 銑削深度（毫米） 進給量（毫米/轉） 轉速（轉/分） 60 1 車F面 臥式車床 游標卡尺 20．4 3 0．4 250 2 鉆孔φ10mm 麻花鉆 游標卡尺 22 3.5 0.5 630 編 制 校 對 會 簽 復 制 丁基善 修改標記 處 數 文件號 簽 字 日 期 修改標記 處 數 文件號 簽 字 日 期 09.10.22 鎮(zhèn)江市高等?？茖W校 機械加工工序卡 產品型號及規(guī)格 圖 號 名 稱 工藝文件編號 共7 頁 推 動 架 第7頁 材料牌號及名稱 毛坯外型尺寸 HT200 169.5x70.5x50 零件毛重 零件凈重 硬 度 設 備 型 號 設 備 名 稱 立式鉆床 專 用 工 藝 裝 備 名 稱 代 號 立式鉆床 機動時間 單件工時定額 每合件數 技 術 等 級 冷 卻 液 工序號 工步號 工 序 及 工 步 內 容 刃 具 量 檢 具 切 削 用 量 代 號 名 稱 代 號 名稱 銑削速度（米/分） 銑削深度（毫米） 進給量（毫米/轉） 轉速（轉/分） 70 1 鉆鉸Φ8 φ8麻花鉆 游標卡尺 26．4 5．1 0．4 405 2 攻螺紋M8-6H M8絲錐 游標卡尺 4．7 0．9 1．7 125 3 鉆Φ6 φ6麻花鉆 游標卡尺 26．4 5．1 0．4 405 編 制 校 對 會 簽 復 制 丁基善 修改標記 處 數 文件號 簽 字 日 期 修改標記 處 數 文件號 簽 字 日 期 09.10.22 鎮(zhèn)江市高等專科學校 工 藝 過 程 卡 產品型號 圖3--8 零（部）件圖號 共 1頁 產品名稱 推 動 架 零（部）件名稱 推動架 第 1 頁 材料牌號 HT200 毛坯種類 鑄件 毛坯外形尺寸 175x80x55 每毛坯件數 1 每臺件數 1 1 備注 工序號 工序名稱 工 序 內 容 車間 設 備 工 藝 裝 備 工 時 名稱、型號 編號 夾具 輔具 刀、量具 準終 單件 鑄造 鑄 時效 熱 涂底漆 表 10 車 粗、半精車Φ50左端面 金工 通用車夾具 20 鏜 粗、半精鏜孔，并倒角1X45° 金工 組合機床 專用銑夾具 30 車 粗、半精車Φ50右端面 金工 專用車夾具 40 銑 粗銑20兩個面同銑 金工 XH754/2 專用鏜夾具 50 鉆 鉆、鉸孔并倒角1X45° 金工 立式鉆床 專用鉆夾具 60 鉆 粗車零件上表面并鉆孔，鉆、鉸孔 金工 立式鉆床 專用鉆夾具 70 鉆 鉆孔Φ6和鉆鉸M8-6H并攻螺紋M8-6H 金工 立式鉆床 專用鉆夾具 80 鉆 銑油槽R3，銑槽6×1、槽6×9.5 金工 立式銑床 通用銑夾具 100 檢驗 110 入庫 編 制 審 核 會 簽 丁基善 標記 處數 更改文件號 簽 字 日 期 標 記 處數 更改文件號 簽 字 日 期 09.10.10 X X大學 XX COLLEGE 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 推動架工藝工裝設計 Technics and Fixture Design of Promote planes 系 名： 專業(yè)班級： 學生姓名： 學 號： 指導教師姓名 指導教師職稱 20XX年12月10日 目 錄 引言 ………………………………………………………………………………………4 第一章 零件的分析 ……………………………………………………………………5 1.1零件的作用………………………………………………………………………5 1.2零件的工藝分析………………………………………………………………5 第二章 確定毛坯、畫毛坯圖…………………………………………………………6 第三章 工藝規(guī)程設計……………………………………………………………6 3.1定位基準的選擇………………………………………………………………7 3.2制定工藝路線…………………………………………………………………7 3.3選擇加工設備及刀、夾、量具………………………………………………8 第四章 加工工序設計…………………………………………………………………8 第五章 夾具設計………………………………………………………………………11 結論 …………………………………………………………………………………………12 致謝………………………………………………………………………………………13 參考文獻…………………………………………………………………………………14 推動架工藝工裝設計 摘要 零件為機床進給機構中的推動架。主要設計了從毛坯圖怎么樣加工成成品，并在加工過程中用到的工裝和夾具設計，工藝卡片和工序卡片的制定設計加工參數的確定等等 關鍵詞 工藝、工序、圓柱銷、圓錐銷、定位、夾緊、夾具體等。 Technics and Fixture Design of Promote planes Abstract Machine tool parts for the feeding mechanism of promoting the plane. The main design from a rough map like how processed into finished products and processing equipment and fixtures used in the design, technology and the card design process to develop the card processing parameters, etc. Key words Technics、working procedure、column cancel?、taper cancel 、orientation Clamp. 引 言 畢業(yè)設計是在學完了機械制造工藝學及機床夾具設計課程，并進行了生產實習的基礎上進行的一個教學環(huán)節(jié)，它要求學生全面地綜合運用本課程及有關先修課程的理論和實踐知識，進行零件加工工藝規(guī)程的設計和機床夾具的設計。 這次設計使我能綜合運用機械制造工藝學中的基本理論，并結合生產實習中學到的實踐經驗知識，獨立的分析和解決工藝問題，初步具備了設計一個中等復雜程度零件的工藝規(guī)程的能力和運用夾具設計的基本原理和方法，擬訂夾具設計方案，完成夾具結構設計的能力，為未來從事的工作打下良好的基礎。 第一章 零件的分析 1.1零件的作用 推動架是牛頭刨床進給機構中的零件。φ320+0.027mm孔裝工作臺進給絲杠軸，靠近φ32mm孔左端處裝一棘輪，在棘輪上方即φ160+0.033mm孔裝一棘爪，φ160+0.033mm孔通過銷與杠桿連接，把從動機傳來的旋轉運動通過偏心輪、杠桿使該零件繞φ320+0.027 mm軸心線擺動。此時，棘爪撥動棘輪，使杠桿轉動，實現工作臺的自動進給。 圖 1-1 推動架零件示意圖 1.2零件的工藝分析 推動架的材料為HT200，該材料具有比較高的強度、耐磨度、耐熱性及減震性，適用于趁手較大應力、要求耐磨的零件。 該零件的主要加工面為φ50、φ35、φ27端面，φ32、φ16、φ6的孔等,R3mm的槽，M8-6H的螺紋。φ50端面直接影響到裝配精度及密封，所以必須保證面45的精度。 參考文獻的有關面和孔加工的經濟精度及機床能達到的位置精度可知，上述技術要求是可以達到的，零件的結構工藝性也是可行的。 第二章 確定毛坯、畫毛坯圖 根據零件材料確定毛坯為鑄件。由原始資料可知可知，起生產類型為中批量生產。毛坯的鑄造方法選用砂型機器造型，因為是成批量生產，φ32的孔鑄預孔。為消除殘余應力，鑄造后應安排人工時效。毛坯最大外形尺寸：180×80×55mm。 參考文獻1表2.3-6該種鑄件的尺寸公差等級CT8-10級，加工余量等級MA為G級，故取CT為9--8級，MA為G級。 鑄件的分型面左視圖的對稱面。澆冒口位置為上面或下面澆鑄。 參考文獻[1]表12-2，用查表法確定個表面的總余量， 如下表：各加工表面總余量 加工表面 基本尺寸 加工余量等級 總余量 Φ50左端面 50 G 3 Φ32孔 32 G 3 Φ27面 27 G 2.5 20兩個面 20 G 2.5 其他孔 未鑄出 表1-1 參考文獻[1]表12-4可得鑄件主要毛坯尺寸的公差， 如下表：主要毛坯尺寸及公差 主要面尺寸 零件尺寸 總余量 毛坯尺寸 公差等級 Φ50左端面 50 6 Φ56 2 Φ32孔 32 6 Φ26 1.8 Φ27面 27 5 Φ32 1.3 20兩個面 20 5 25 1.2 表1-2 第三章 工藝規(guī)程設計 3.1 定位基準的選擇 精基準的選擇：推動架(Φ50左右端面)既是裝配基準又是設計基準，用它們作為精基準，能使加工遵循“基準重合”的原則，各面和孔的加工也能用它定位，這樣使工藝路線遵循了“基準統(tǒng)一”的原則。此外，φ32內壁的面積較大，定位比較穩(wěn)定，夾緊方案也比較簡單，可靠、操作方便。 粗基準的選擇，考慮到以下幾點要求，選擇零件的重要的孔與內壁作為粗基準。第一，在保證各加工面有加工余量的前提下，使重要孔的加工余量盡量均勻；其二，裝入箱體內的旋轉零件，如齒輪、軸套等與箱體內壁有足夠的間隙。此外還能保證定位準確，夾緊可靠。所以，在本設計中選擇φ32內壁，也可以加工φ16與之的垂直度0.01。 3.2 指定工藝路線 根據各表面加工要求和各種加工方法能達到的經濟精度，確定各表面的加工方法如下： 根據先主要表面后次要表面和先加工面后加工孔的原則，加工面順序為Φ50左端面，Φ27面、Φ50右端面、銑20面，然后加工孔。 上述方案遵循了工藝路線擬定的一般原則，但某些工序有些問題還值得進一步討論。改進方案如下： 序號 工序內容 鑄造 時效 涂底漆 10 粗、半精車Φ50左端面 20 粗、半精鏜孔，并倒角1X45° 30 粗、半精車Φ50右端面 40 粗銑20兩個面同銑 50 鉆、鉸孔Φ160+0.019并倒角1X45° 60 粗車零件上表面并鉆孔Φ100+0.1，鉆、鉸孔Φ160+0.019 70 鉆孔Φ6和鉆鉸M8-6H并攻螺紋M8-6H 80 銑油槽R3，銑槽6×1、槽6×9.5 90 檢驗 100 入庫 表1-3 3.3 選擇加工設備及刀、夾、量具 由于生產類型為批量生產，故加工設備宜以通用機床為主，輔以少量專用機床。其生產方式為以通用機床加專用夾具為主，輔以少量專用機床的流水線生產。工件在各機床上的裝卸及各機床間的傳送均為人工完成。 銑基準面?？紤]到工件的定位夾緊方案及夾具結構設計等問題，采用立銑，選擇X52K立式銑床。選擇直徑為DФ100mm的C類可轉為面銑刀。專用夾具個游標卡尺，其他銑面需同 鉆孔Ф10，選擇立式擴、鉸Ф10、Ф16孔，選用搖臂鉆床Z3025選用椎柄麻花鉆擴孔復合鉆。選用椎柄機用鉸刀、專用夾具、快換夾頭、游標卡尺及塞規(guī)。 鏜孔φ32選用臥式鏜床，鏜φ28到φ32mm，選高速鋼刀具。 鉆孔Φ160+0.019，φ15.8鉆頭、立式車床CA6140，盲孔車刀、外圓車刀，游標卡尺 鉆通孔φ10mm,锪120°錐孔，選用搖臂鉆床Z5125A，選用專用鉆夾具φ麻花鉆，120°锪鉆，游標卡尺 鉆φ6.6螺紋底孔，M8絲錐攻絲，選用搖臂鉆床Z5125A，選用專用鉆夾具φ6.6麻花鉆、M8絲錐，游標卡尺、螺紋塞規(guī)。 其他孔類、面加工均與上述選擇相類似。 第四章 加工工序設計選用 工序70鉆M8-6H孔 鉆M8-6H孔的加工余量查參考文獻[1]表2.3—48取 Z鉸=0.12mm 由此可算出Z鉆=8/2-0.12=3.98mm Φ6由此可算出Z鉆=6/2=3mm 加工余量和工序尺寸及公差 加工表面 加工方法 余量 公差等級 工序尺寸及公差 M8—6H 鉆 3.98 --- Φ7.96 M8—6H 鉸 0.12 6H Φ8 Φ6孔 鉆 3 --- Φ6 表1-4 查參考文獻[1]表2.4--38,并參考Z3025機床說明鉆取鉆Φ6的孔的進給量f=0.1mm/r，取鉆Φ8的孔的進給量f=0.12mm/r。 查參考文獻[1]表2.4--41,用插入法求得鉆φ8孔的切削s速度V=0.69m/s=41.4m/min,由此得出轉速為: n=1000v/πd=1000*41.4/（3.14*8）=1648r/min 按機床實際轉速取n=1500r/min,則實際求削速度為: V=3.14*8*1500/1000=37.68m/min 同理，用插入法求得鉆φ6孔得v=0.7m/s=42m/min n=1000v/πd=1000*42/（3.14*6）=2229r/min 按機床實際轉速取n=2000r/min,則實際求削速度為 V=3.14*6*2000/1000=37.68m/min 查參考文獻[1]表2.4--69: Ff=9.81*42.7*d*f^0.8*k=9.81*42.7*8*0.12^0.8*1=614.5N M=9.81*0.021*6.7*8^2*0.12*1=2.42NM Ff=9.81*42.7*d*f^0.8*k=9.81*42.7*6*0.1^0.8*1=398N M=9.81*0.021*6.7*6^2*0.1*1=1.2NM 它們均小于機床的最大進給力7840N和最大轉矩196NM,故機床剛度足夠。 參考文獻[1]表2.4--58, φ8鉸孔進給量取f=0.4---0.8（0.6） 參考文獻[1]表2.4--60,取鉸孔得切削速度為V=0.29m/s=17.4m/min由此算出轉速n=1000v/πd=1000*17.4/（3.14*8）=692.7r/min。按機床實際轉速取n=700r/min,則實際求削速度為: V=3.14*8*700/1000=17.6m/min 2. 工序60：粗，半精車F面，鉆孔Ф10。 按表面粗糙度，半精車選擇進給量，背吃刀量。 查[1]2.4-3 背吃刀量ap=3 進給量f=0.4---0.5 查2.4-20 cv=22.7 yv=0.4 kv=1.11 查2.4-2 T=3600 切削速度 V=Cv*kv/(600.9*T0.1*ap0.15*fyv) =22.7*1.11/(600.9*36000.1*30.15*0.40.4) =0.34m/s 實際轉速 n=1000v/3.14d=1000*60*0.34/3.14*27=250r/min 鉆擴，鉸孔，倒角1x45. 1、由于此孔直徑較小無法直接鑄造，故鉆出。該工序具體分為以下兩步 ：擴孔φ15.8mm，鉸孔φ16×26mm。 表2-1各工步的余量和工序尺寸及公差 加工表面 加工方法 余量 公差等級 工序尺寸及公差 φ15.8 擴孔 7.9 二級 φ15.8 φ16 鉸孔 8 二級 φ16 表1-5 擴φ15.8mm孔，參考文獻（1）表2.4-50，并參考機床實際進給量，取f=0.3mm/r（因鉸的是盲孔，所以進給量取得較?。? 參考文獻（4）表3-54，擴孔的切削速度為（1/2-1/3）ν鉆，故取ν擴=1/2ν鉆=1/2×22m/min=11m/min。 由此算出轉速n=1000ν/πd=1000×11/（3.14×8.8）=398r/min。 按機床實際轉速取n=400r/min。 參考文獻（1）表2.4-58，鉸孔的進給量取f=0.3mm/r（因鉸的是盲孔，所以進給量取得較?。?。 參考文獻（1）表2.4-60取鉸孔的切削速度為v=0.3m/s=18m/min。 由此算出轉速n=1000ν/πd=1000×11/（3.14×9）=636.9r/min。按機床實際轉速取n=630r/min，則實際切削速度為ν=πdn/1000=3.14×9×630/1000m/min=17.8m/min。 它們均小于機床的最大進給力7840N和機床的最大扭轉力矩196N·m,故機床的剛度足夠。 2、時間定額 （1）機動時間 參考文獻[1]表2.5-7,得鉆孔的計算公式為： Tj=(L+L1+L2)/fn L1=(D/2)Cottankr+(1—2)L2=3 擴ф15.8 mm孔：L1=[(16-15.8)/2]Cottan（118/2）°+1.5=7.4mm L=15mm取L2=3mm 將以上數據及前面已選定的f及n代入公式，得: Tj≈0.8min 總機動時間Tj總也就是基本時間Tb為：Tb=0.8min 各工步的輔助時間為：擴ф15.8 mm孔0.215min ,裝卸工件時間，參考文獻[1]表2.5-42取1.5 min。所以輔助時間Ta為： Ta=0.215 +1.5+0.04=1.755min (3)作業(yè)時間：TB=Tb+Ta=1.755.+0.8=2.555min (4)布置工作地時間。參考文獻[2] 取α=3% 則： Ts= TBα =2.555×3%≈0.08min (5)休息與生理需要時間。參考文獻[2]取β=3% 則： Tt= TBβ=2.555×3%≈0.08min （6）準備與終結時間Te。 參考文獻[1]表2.5-40取各部分時間為： 中等件33 min:升降搖臂1min；深度定位0.3 min:使用回轉夾具 10 min； Te=33+1+0.3+10 =44.3min 由已知生產批量為10000件，則： Te/n=(33+1+0.3+10+7)/10000=0.00513 參考文獻[2] 由于是大量生產Te/n≈0故Te/n不計入。 （7）單件時間Tp Tp=Ta+Tb+Ts+Tr=1.755+0.08+0.12+0.09=2.045min (8)單件計算時間Tc=Tp+Te/n=2.045+0.00513=2.05min 第五章 夾具設計 本次設計的夾具為第40，70道工序——鉆Ф6孔和車F面，，分別采用了Z3025鉆床，臥式車床。 為了提高勞動生產率,保證工件質量,降低勞動強度,需設計專用夾具.經過和指導老師的協(xié)商,決定設計110道工序. 確定設計方按: 分析零件的形狀和結構,需要定位6個自由度,首先在φ32的孔可以限制2個自由度,其次在φ16的小孔上面可以限制1個自由度,最后在φ50的面上限制3個自由度,這樣看來零件的6個自由度就可以全部定位了.此道工序是同時鉆兩個孔，所以我們可以用翻轉式夾具同時完成兩個工序以減少時間來提高效率。 此中定位夾緊方案,操作方便,安裝迅速,其通用結構已經標準化,系列化,可用于大批量生產.(祥見夾具圖) 結 論 這次設計使我能綜合運用機械制造工藝學中的基本理論，并結合生產實習中學到的實踐經驗知識，獨立的分析和解決工藝問題，初步具備了設計一個中等復雜程度零件的工藝規(guī)程的能力和運用夾具設計的基本原理和方法，擬訂夾具設計方案，完成夾具結構設計的能力，培養(yǎng)了我的熟悉并運用有關手冊、規(guī)范、圖表等技術資料的能力，進一步培養(yǎng)了我的識圖、制圖、圖表和編寫技術文件等基本技能。為今后從事的工作打下良好的基礎.由于能力所限,經驗不足,設計中還有許多錯誤和不足之處,希望各位老師多加包含和批評。 感謝指導老師在本次設計中的指導和幫助。 致 謝 在四年的學習期間，得到了學校為我們提供一切可提供的便利條件，本人在此深表感謝。特別要提出感謝的是我的指導老師，他給了我很多關懷和幫助，一直在關注我的論文情況，從選題到論文的進展，并及時予以指導和溝通，對我的論文研究和設計花了大量心血，時時掛在心上，盡最到的努力幫助我解決難題。徐老師治學嚴謹，善解人意，學識淵博，他對工作一絲不茍的態(tài)度，過硬的業(yè)務水平，和藹可親的為人，使我終身難忘和佩服。我很慶幸自己有這樣一位好導師。這對我以后的學習和工作都有相當大的影響。在此我表示由衷的感謝。我還要感謝我的家人，是他們給了我始終如一的支持，我才可以順利的完成學業(yè)。 總之，感謝在四年里所有幫助過我的師長和同學們！  參考文獻： [1] 《金屬機械加工工藝人員手冊》 《金屬機械加工工藝人員手冊》修訂組修訂 上?？茖W技術出版社出版 [2]《機械制造技術》 陳立德 李曉輝 主編 上海交通大學出版社出版 [3]《機械加工工藝人員手冊》 孟少農 主編 上?？茖W技術出版社出版 [4]《機械制造工藝學課程設計指導書及習題》 張龍勛 主編 機械工業(yè)出版社 [5]《機床夾具設計》 劉友才主編 北京：機械工業(yè)出版社  19