YA19005连接板 零件机械加工工艺钻孔夹具设计【含7张图纸及及档全套】

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机械制造技术基础课程设计是我们学完了大学全部基础课，技术基础课以及大部分专业课之后进行的，这是我们在进行毕业设计之前对所有各课程的一次深入的综合性的总复习，也是一次理论联系实际的训练，因此，它在我们四年的大学生活中占有重要的地位。 本次课程设计内容包括零件的分析，工艺路线的制定，工艺规划设计，某道工序的夹具设计以及该道工序的工序卡，机械加工综合卡片，夹具装配图以及夹具底座零件图的绘制等等。 就我个人而言，希望能通过这次课程设计对未来即将从事的工作进行一次适应性的训练，从中锻炼自己分析问题，解决问题的能力，并学会将所学到的理论知识应用到具体的实际生产问题中来，为以后走向社会打下坚实的基础。 由于能力有限，设计尚有许多不足之处，恳请老师批评指正。 2.设计目的 机械制造技术基础课程设计是在学完了机械制造技术基础课程进行了生产实习之后的一个重要的实践教学环节。学生通过设计能获得综合运用过去所学过的全部课程进行机械制造工艺及结构设计的基本能力，为以后做好毕业设计、走上工作岗位进行一次综合训练和准备。它要求学生综合运用本课程及有关先修课程的理论和实践知识，进行零件加工工艺规程的设计。其目的如下： ①培养学生解决机械加工工艺问题的能力。通过课程设计，熟练运用机械技术基础课程中的基本理论及在生产实习中学到的实践知识，正确地解决一个零件在加工中定位、加紧以及工艺路线安排、工艺尺寸确定等问题，保证零件的加工质量，初步具备设计一个中等复杂程度零件的能力。 ②培养学生熟悉并运用有关手册、规范、图表等技术资料的能力。 ③进一步培养学生识图、制图、运用和编写技术文件等基本技能。 二、零件的分析 2.1零件的作用 该零件为典型的杆类零件，而且为连杆类。因此，其主要的要素包括两侧面，孔。另外，还有其它辅助要素通过孔连接即该YA19005连接板的作用是实现运动的传递作用。 2.2零件的工艺分析 该YA19005连接板的加工表面分三种，主要是孔的加工，两侧面的加工各组加工面之间有严格的尺寸位置度要求和一定的表面加工精度要求，特别是孔的加工，几乎都要保证Ra3.2um的表面粗糙度，因而需精加工，现将主要加工面分述如下： 2.2.1孔的加工 该零件共有2个孔要加工：孔是零件的主要加工面，多组面，，通过两孔中心连线及对两侧对称面，没有位置尺寸度要求，只需要转床粗加工。 2.2.2面的加工 该零件共有2个侧面要加工：两个侧面是配合孔后续工序的主要精基准面，需要精加工。 三、工艺规划设计 3.1毛坯的制造形式 零件材料为铝合金，根据选择毛坯应考虑的因素，该零件体积较小，形状较复杂，外表面采用不去除材料方法获得粗糙度要求，由于零件生产类型为成批，大批生产，而砂型锻造生产成本低，设备简单，故本零件毛坯采用普通模锻。 由于零件上孔都较大，且都有严格的表面精度要求，故都要留出足够的加工余量。 3.2基面的选择 基面选择是工艺规划设计中的重要工作之一，基准选择的正确与合理，可以使加工质量得到保证，生产率得到提高，否则，不但使加工工艺过程中的问题百出，更有甚者，还会造成零件大批报废，使生产无法正常进行。 3.2.1粗基准的选择 粗基准选择应为后续加工提供精基准，由于两侧面较平整且加工精度较高，故以2个主要侧面为基准。  3.2.2精基准的选择 精基准主要考虑如何保证加工精度和装夹方便，该零件上重要表面是大头孔φ38H8，由于其与底面有垂直度关系，所以底面自然成为精基准面，考虑到第二基准面选择的方便性，将其精度由原来的φ37H11提高到φ38H8，该定位基准组合在后续孔的加工中，以及孔上径向孔的加工中都将作为精基准面。 3.3工艺路线的拟定 拟定工艺路线的内容除选择定位基准外，还要选择各加工表面的加工方法，安排工序的先后顺序，确定加工设备，工艺装备等。工艺路线的拟定要考虑使工件的几何形状精度，尺寸精度及位置精度等技术要求得到合理保证，成批生产还应考虑采用组合机床，专用夹具，工序集中，以提高效率，还应考虑加工的经济性，以便使生产成本尽量下降。 3.3.1工艺路线方案 10.模锻毛坯; 20.粗铣端面B; 30.粗铣端面A; 40.精铣端面B; 50.精铣端面A; 60.粗钻小头孔φ8; 70.精钻小头孔φ8; 80.倒角; 90.检验入库。 3.3.2工艺方案的确定 10.模锻毛坯; 20.粗铣端面B，以端面A为定位基准; 30.粗铣端面A，以端面B为定位基准; 40.精铣端面B，以端面A为定位基准; 50.精铣端面A，以端面B为定位基准; 60.精钻孔φ8，定位与Ⅵ工序相同; 70.精钻孔φ8，定位与Ⅵ工序相同; 80.倒角，手工倒角，去毛刺; 90.检验入库。 3.4毛坯尺寸及其加工余量的确定 YA19005连接板零件材料为铝合金,毛坯重量约为1.56kg，生产类型为中批或大批生产，采用普通模锻生产。 查表确定加工余量： 普通模锻，材料为铝合金钢，分模线平直对称，材质系数M1,复杂系数=1.56/1.8≈0.87,为S1级，厚度为26mm，普通级，查的上下偏差分别为+1.4和-0.6 3.4.1两侧面毛坯尺寸及加工余量计算 根据工序要求，两侧面经过四道工序，先粗铣端面B，再粗铣端面A，精铣端面B，最后精铣端面A，各步余量如下： 粗铣：由《机械加工工艺手册第一卷》表3.2-23，其余量值规定，零件厚度大于6mm到30mm，宽度小于100mm，其加工余量为1.0mm。 精铣：由《机械加工工艺手册第一卷》表3.2-25，其余量值规定，零件厚度大于6mm到30mm，宽度小于100mm，其加工余量为0.5mm。 故锻造造毛坯的基本尺寸为26＋1＋1＋0.5＋0.5＝29mm 。又根据前面铸件尺寸公差标准值，取尺寸公差的上偏差为1.4mm，下偏差为-0.4mm。故： 毛坯的名义尺寸：26＋1.0＋1.0＋0.5＋0.5＝29mm； 毛坯的最小尺寸：29―0.4＝28.6mm； 毛坯的最大尺寸：29＋1.4＝30.4mm； 粗铣端面B后的最大尺寸：26＋1.0＋0.5＋0.5＋1.4＝29.4mm； 粗铣端面B后的最小尺寸：26＋1.0＋0.5＋0.5―0.4＝27.6mm； 粗铣端面A后的最大尺寸：:26＋0.5＋0.5＋1.4＝28.4mm； 粗铣端面A后的最小尺寸：: 26＋0.5＋0.5―0.4＝26.6mm。 精铣后尺寸与零件尺寸相同，但由于设计零件图纸并未给出具体的公差等级，现按《机械加工工艺手册》表5.29，粗铣→精铣所能达到的经济精度取IT8,按入体原则取值。 3.4.2小头孔毛坯尺寸及加工余量计算 根据工序要求，查《机械加工工艺手册》得粗镗的公差上偏差0.21mm，下偏差为0，故： 毛坯的名义尺寸：22－0.8－3.2＝18mm； 毛坯的最大尺寸：18＋1.4＝19.4mm； 毛坯的最小尺寸：18－0.4＝17.6mm； 粗镗小头孔后的最大尺寸：18＋3.2＋0.4＋0.21＝21.81 mm； 粗镗小头孔后的最小尺寸：18＋3.2－1.4＝19.8 mm。 精铣后尺寸与零件尺寸相同，但由于设计零件图纸并未给出具体的公差等级，现按《机械加工工艺手册》表5.29，粗铣→精铣所能达到的经济精度取IT8,按入体原则取值。 3.5确定各工序切削用量及基本工时 工序20：粗铣端面B （1）粗铣端面B 取背吃到量，选用X52型立式铣床 ，每齿进给量 工件材料 铝合金 ，锻造 ，高速钢镶齿铣刀、 齿数 ，查表5.8 确定铣削速度 采用X52立式铣床 ，查表3.6，取转速 ， 故实际铣削速度 当工作台每分钟进给 为 由《工艺手册》得 工序30：粗铣端面A （1）粗铣端面B 取背吃到量，选用X52型立式铣床 ，每齿进给量 工件材料 铝合金 ，锻造 ，高速钢镶齿铣刀、 齿数 ，查表5.8 确定铣削速度 采用X52立式铣床 ，查表3.6，取转速 ， 故实际铣削速度 当工作台每分钟进给 为 由《工艺手册》得 3.6.3工序40：精铣端面B 每齿进给量 查表 X52 故实际铣削速度 当 ，工作台每分钟进给量 3.6.4工序50：精铣端面A 每齿进给量 查表 X52 故实际铣削速度 当 ，工作台每分钟进给量 3.6.5工序60：钻、扩、铰孔 钻孔—标准高速钢麻花钻，扩孔—标准高速钢扩孔钻，铰孔—标准高速铰刀。 （1）钻孔 切屑用量： 取背吃刀量，由参考文献[2]可查出，根据z525立式钻床，取进给量，切屑速度：，，，则修正后的切屑速度，即 查参考文献[2]表3.17，取， 故实际切屑速度为。 切屑用时： =10mm，，， 故，， ， （2）扩孔 切屑用量： 取背吃刀量，由参考文献[2]可查出，根据z525立式钻床，取进给量，切屑速度：，，，则修正后的切屑速度，即， 查参考文献[2]表3.17，取， 故实际切屑速度为。 切屑用时： =10mm，，， 故，， ， （3）铰孔 切屑用量： 取背吃刀量，由参考文献[2]可查出，根据z525立式钻床，取进给量，切屑速度：，，，则修正后的切屑速度，即， 查参考文献[2]表3.17，取， 故实际切屑速度为。 切屑用时： =10mm，，，， 故，， ，。 3.6.6工序130：倒角 机床：Z525钻床 刀具：倒角钻头 量具：游标卡尺Ⅱ型 夹具：专用夹具 四、钻孔专用夹具设计 4.1问题的指出 由于生产类型为成批，大批生产，要考虑生产效率，降低劳动强度，保证加工质量，故需设计专用夹具。 由于对加工精度要求不是很高，所以在本道工序加工时，主要考虑如何降低降低生产成本和降低劳动强度。 本次设计选择设计是针对、钻、扩、铰孔，它将用于Z525钻床。 4.2定位基准的选择 该工序要求中心线与端面（有位置要求，因此可以得出该孔在两个侧面的正中心上，并且还要求其孔为通孔，由于端面经过精铣，精度比较高，因而工序基准为端面A，为了便于加工，选取适当的定位基准，保证其加工要求。夹具设计应首先满足这些要求，在保证较高的生产效率的前提下，还应考虑夹具体制造工艺性和生产经济性。加工过程中夹具的操作应方便，定位夹紧稳定可靠，并且夹具体应具有较好的刚性。 据《夹具手册》知定位基准应尽可能与工序基准重合，在同一工件的各道工序中，应尽量采用同一定位基准进行加工。拟定加工路线的第一步是选择定位基准。定位基准的选择必须合理，否则将直接影响所制定的零件加工工艺规程和最终加工出的零件质量。基准选择不当往往会增加工序或使工艺路线不合理，或是使夹具设计更加困难甚至达不到零件的加工精度（特别是位置精度）要求。因此我们应该根据零件图的技术要求，从保证零件的加工精度要求出发，合理选择定位基准。此零件图没有较高的技术要求，也没有较高的平行度和对称度要求，所以我们应考虑如何提高劳动效率，降低劳动强度，提高加工精度。圆台外圆及两端面都已加工好，为了使定位误差减小，选择已加工好的端面作为定位精基准，来设计本道工序的夹具，以已加工好的端面作为定位夹具。 4.3夹具方案的设计 如图所示，为了加工通孔，必须使其完全定位。因此初步的设计方案如下, 方案： 首先必须明确其加工时应如图所示，这样水平放置，便于钻床加工。那么要使其完全定位，可以采用:一面加固定V型块和滑动V型块定位，这样既简单又方便。如上图所示，一底面限制的自由度有3个，一个固定V型块限制两个自由度，一个滑动V型块限制限制一个自由度，为使定位可靠，加工稳定，我所设计的定位方案，总共限制了工件的全部6个自由度，属于完全定位。 在该定位方案中，一个支撑面顶住，限制了z轴的移动，z轴的旋转，y轴的旋转三个移动自由度。一个固定V型块限制了y轴的移动，x轴的移动，一个滑动V型块限制了z轴的旋转，这样6个自由度全部被限制 根据上面叙述选择方案。 4.4.切削力和夹紧力计算 （1）刀具：刀具用高速钢刀具钻头 机床： Z525机床 切削力公式： 式中 查表得： 其中：, 即： 实际所需夹紧力：由参考文献[5]表得： 有： 安全系数K可按下式计算有： 式中：为各种因素的安全系数，见参考文献[5]表 可得： 所以 4.5夹紧力的计算 选用夹紧螺钉夹紧机 由 其中f为夹紧面上的摩擦系数，取 F=+G G为工件自重 夹紧螺钉： 公称直径d=20mm，材料铝合金钢 性能级数为6.8级 螺钉疲劳极限： 极限应力幅： 许用应力幅： 螺钉的强度校核：螺钉的许用切应力为 [s]=2.5~4 取[s]=4 得 满足要求 经校核： 满足强度要求，夹具安全可靠， 使用快速螺旋定位机构快速人工夹紧，调节夹紧力调节装置，即可指定可靠的夹紧力 五.定位误差分析 （1）定位元件尺寸及公差确定。 夹具的主要定位元件为一平面和V型块间隙配合。 （2） 工件的工序基准为孔心，当工件孔径为最大，定位销的孔径为最小时，孔心在任意方向上的最大变动量等于孔与销配合的最大间隙量。本夹具是用来在卧式镗床上加工，所以工件上孔与夹具上的定位销保持固定接触。此时可求出孔心在接触点与销中心连线方向上的最大变动量为孔径公差多一半。工件的定位基准为孔心。工序尺寸方向与固定接触点和销中心连线方向相同，则其定位误差为： Td=Dmax-Dmin 该夹具以一面两销定位，两定位销孔尺寸公差为80。为了满足工序的加工要求，必须使工序中误差总和等于或小于该工序所规定的尺寸公差。 与机床夹具有关的加工误差，一般可用下式表示： 由参考文献[5]可得： ⑴ 两定位销的定位误差 ： 其中： ， ， ， 且：L=100mm ，得： ⑵ 夹紧误差 ： 其中接触变形位移值： 查[5]表1～2～15有。 ⑶ 磨损造成的加工误差：通常不超过 ⑷ 夹具相对刀具位置误差：取 误差总和： 从以上的分析可见，所设计的夹具能满足零件的加工精度要求。 六、钻套零、部件的设计与选用 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。 .尺寸表 d D D1 H t 基本尺寸 极限偏差F7 基本尺寸 极限偏差D6 ＞0～1 +0.016 +0.006 3 +0.010 +0.004 6 6 9 -- 0.008 ＞1～1.8 4 +0.016 +0.008 7 ＞1.8～2.6 5 8 ＞2.6～3 6 9 8 12 16 ＞3～3.3 +0.022 +0.010 ＞3.3～4 7 +0.019 +0.010 10 ＞4～5 8 11 ＞5～6 10 13 10 16 20 ＞6～8 +0.028 +0.013 12 +0.023 +0.012 15 ＞8～10 15 18 12 20 25 ＞10～12 +0.034 +0.016 18 22 ＞12～15 22 +0.028 +0.015 26 16 28 36 ＞15～18 26 30 0.012 ＞18～22 +0.041 +0.020 30 34 20 36 铝合金 ＞22～26 35 +0.033 +0.017 39 ＞26～30 42 46 25 铝合金 56 ＞30～35 +0.050 +0.025 48 52 ＞35～42 55 +0.039 +0.020 59 30 56 67 ＞42～48 62 66 ＞48～50 70 74 0.040 钻模板选用翻转钻模板，用沉头螺钉锥销定位于夹具体上。 七、确定夹具体结构尺寸和总体结构 夹具体：夹具的定位、引导、夹紧装置装在夹具体上，使其成为一体，并能正确的安装在机床上。夹具体是将夹具上的各种装置和元件连接成一个整体的最大最复杂的基础件。夹具体的形状和尺寸取决于夹具上各种装置的布置以及夹具与机床的连接，而且在零件的加工过程中，夹具还要承受夹紧力、切削力以及由此产生的冲击和振动，因此夹具体必须具有必要的强度和刚度。切削加工过程中产生的切屑有一部分还会落在夹具体上，切屑积聚过多将影响工件的可靠的定位和夹紧，因此设计夹具体时，必须考虑结构应便于排屑。此外，夹具体结构的工艺性、经济性以及操作和装拆的便捷性等，在设计时也应加以考虑。 夹具体设计的基本要求 （1）应有适当的精度和尺寸稳定性 夹具体上的重要表面，如安装定位元件的表面、安装对刀块或导向元件的表面以及夹具体的安装基面，应有适当的尺寸精度和形状精度，它们之间应有适当的位置精度。 为使夹具体的尺寸保持稳定，铸造夹具体要进行时效处理，焊接和锻造夹具体要进行退火处理。 （2）应有足够的强度和刚度 为了保证在加工过程中不因夹紧力、切削力等外力的作用而产生不允许的变形和振动，夹具体应有足够的壁厚，刚性不足处可适当增设加强筋。 （3）应有良好的结构工艺性和使用性 夹具体一般外形尺寸较大，结构比较复杂，而且各表面间的相互位置精度要求高，因此应特别注意其结构工艺性，应做到装卸工件方便，夹具维修方便。在满足刚度和强度的前提下，应尽量能减轻重量，缩小体积，力求简单。 （4）应便于排除切屑 在机械加工过程中，切屑会不断地积聚在夹具体周围，如不及时排除，切削热量的积聚会破坏夹具的定位精度，切屑的抛甩可能缠绕定位元件，也会破坏定位精度，甚至发生安全事故。因此，对于加工过程中切屑产生不多的情况，可适当加大定位元件工作表面与夹具体之间的距离以增大容屑空间：对于加工过程中切削产生较多的情况，一般应在夹具体上设置排屑槽。 （5）在机床上的安装应稳定可靠 夹具在机床上的安装都是通过夹具体上的安装基面与机床上的相应表面的接触或配合实现的。当夹具在机床工作台上安装时，夹具的重心应尽量低，支承面积应足够大，安装基面应有较高的配合精度，保证安装稳定可靠。夹具底部一般应中空，大型夹具还应设置吊环或起重孔。 工件装夹方案确定以后，根据定位元件及夹紧机构所需要的空间范围及机床工作台的尺寸，确定夹具体的结构尺寸，然后绘制夹具总图。详见绘制的夹具装配图。 八、本章小结 如前所述，在设计夹具时，应该注意提高劳动生产率避免干涉。应使夹具结构简单，便于操作，降低成本。提高夹具性价比。本道工序为铣床夹具选择了压紧螺钉夹紧方式。本工序为铣余量小，切削力小，所以一般的手动夹紧就能达到本工序的要求。 本夹具的最大优点就是结构简单紧凑。夹具的夹紧力不大，故使用手动夹紧。为了提高生产力，使用快速螺旋夹紧机构。 九、总结 本次课程设计是在进行毕业设计之前对所学各课程的一次深入的综合性复习，是一次对我们所学的专业基础知识的掌握情况的重要考察和检验，更是培养我们理论联系实际，分析并解决问题能力的重要内容和阶段。使我更好的掌握了CAD和PROE制图软件。 这次课程设计，其设计图主要用CAD制图软件完成。自我感觉尚有很多不足和错误，首先，在设计夹具装配件时过于匆忙，装配YA19005连接板时放在了左手边，不符合工人正常劳作习惯；其次是课程设计前准备工作没做好，在图书馆很多资料和文献都没能借到（早已借空了），在借阅同学的相关资料时没有时间认真琢磨和分析相关信息和数据；最后就是课程设计说明书的编写过于匆忙，时间很紧，很多文字和标准，公式，数据，计算上的错误没有时间一一改正（确实，在打这篇文稿，发现了很多错误和缺憾）。 课程设计，是一个系统性、知识点广泛的学习过程。通过这样一个系统性的学习和结合，使自己把学过的知识联系起来，运用到各个方面上去。同时，广泛地运用设计手册及各种参考资料，学会了在实际中运用工具书，和独立完成每一步查找工作；整个零件的加工过程是和其他同学分工完成的，集中体现了团队精神，合作分工能很好的提高办事效率！在这次设计中培养了我独立分工合作的能力！为以后出身社会的工作打下基础！ 十、参考文献 1、徐洪本 ．机床夹具设计手册．辽宁科技大学出版社．2004.3 2、邓文英等．金属工艺学．高等教育出版社．2008.4 3、付风岚等．公差与检测技术．科学出版社．2006.9 4、王先逵等．机械加工工艺手册．机械工业出版社．2007.9 5、陈宏钧．金属切削速算手册．机械工业出版社．2007.9 毕 业 设 计（论 文）任 务 书 1．本毕业设计（论文）课题应达到的目的： 通过本课题的工艺设计，进一步巩固所学专业知识，掌握基本的机械零件工艺、夹具设计方法、步骤，提高查阅技术资料的能力和计算机辅助设计能力，为今后工作打下坚实基础。 2．本毕业设计（论文）课题任务的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）： 本课题任务：对YA19005连接板零件作工艺分析及工艺编制，并完成夹具设计、夹具零件设计及完成毕业设计说明书。 要求：分析设计YA19005连接板零件的机械加工工艺规程，编制其机械加工工艺过程卡和机械加工工序卡片；并编制详细的设计说明书（论文），完成夹具设计及夹具零件设计。 毕 业 设 计（论 文）任 务 书 3．对本毕业设计（论文）课题成果的要求〔包括图表、实物等硬件要求〕： 按照标准格式，完成零件的机械加工过程卡片和机械加工工序卡片的编制，用A4纸打印并装订成册；完成夹具设计及夹具零件设计。用AUTOCAD绘图，打印并装订成册；编写毕业设计说明书，打印并装订成册。 4．主要参考文献： [1]《切削用量简明手册》，机械工业出版社，艾兴主编，2001年 11月 [2]《简明机械设计手册》，同济大学出版社，洪钟德主编，2002年5月 ； [3]《机械设计（第七版）》，高等教育出版社，濮良贵主编，2001年7月 ； [4]《简明机械设计手册》，同济大学出版社，洪钟德主编，2002年5月 ； [5]《机械制造工艺设计简明手册）》，机械工业出版社，李益民主编，1994年3月 [6]《机床夹具设计》，上海科学技术出版社，哈尔滨工业大学，上海工业大学汇编编，2003年8月； [7]《机械制造工艺设计手册》，机械工业出版社，王绍俊主编，2000年5月 ； [8]《机械加工工艺手册》，北京出版社，李洪主编，1998年5月； 毕 业 设 计（论 文）任 务 书 5．本毕业设计（论文）课题工作进度计划： 起 迄 日 期 工 作 内 容 2013年 7月10日～7月25日 7月25日～8月10日 8月10日～11月30日 12月1日～12月31日 2014年 1月1日～3月10日 3月11日～4月30日 5月1日～5月11日 5月18日～5月19日 查阅资料、方案构思 零件工艺方案的制定，编制工艺文件 夹具结构方案的初步设计 设计计算 绘制夹具装配图，绘制夹具零件图 编写毕业设计论文 进一步修改、完善，教师评阅 毕业答辩 所在专业教研室审查意见： 负责人： 年 月 日 系部意见： 系部领导： 年 月 日 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 1．1 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。 1．2 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=1，2…L）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6×1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10 8．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. 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