气门摇杆支座机械加工工艺规程及底面铣削夹具设计

资源目录里展示的全都有，所见即所得。下载后全都有,请放心下载。原稿可自行编辑修改=【QQ：401339828 或11970985 有疑问可加】 计算机辅助设计与制造 机械加工工序卡片 工序名称 钻两通孔13 工序号 4 零件名称 气门摇杆轴支座 零件号 零件重量 同时加工零件数 1 材 料 毛 坯 牌 号 硬 度 型 号 重 量 HT200 灰铸铁 设 备 夹具名称 辅助工具 名 称 型 号 摇臂钻床 Z525 通用夹具 安装 工步 安装及工步说明 刀具 量具 走 刀 长 度 走 刀 次 数 切削深度 进给量 主轴转速 切削速度 基本工时 1 1 钻两通孔13 面铣刀 游标 卡尺 1 3mm 2mm/r 272r/min 18m/mim 设计者 赵 楠 指导教师 张兴元 共 11页 第 5 页 机械加工工艺过程卡片 产品型号 零（部）件图号 产品名称 气门摇杆轴支座 零（部）件名称 左支座 共（ 11 ）页 第（ 1）页 材料牌号 HT200 毛坯种类 铸件 毛坯外型尺寸 每毛坯可制件数 1 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 工步工时 1 铸造 2 时效 3 涂漆 4 粗铣下端面 X51立铣床 通用夹具 5 粗铣上端面 X51立铣床 通用夹具 6 粗铣左右端面 X1632卧铣床 专用夹具 7 钻两通孔13 Z525摇钻 通用夹具 8 精铣下端面 X51立式铣床 通用夹具 9 精铣上端面 X51立式铣床 通用夹具 10 精铣左右端面 X1632卧铣床 专用夹具 11 钻通孔18 Z525摇钻 通用夹具 12 镗孔到20 组合镗床 专用夹具 描图 13 粗-精铣轴向槽 X6123卧铣 通用夹具 14 入库 底图号 设计日期 审核日期 标准化日期 会签日期 装订号 张兴元 标记 处数 更改文件号 签字 日期 指导 2012.07.21 辽宁工程技术大学课程设计　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　18 机 械 制 造 技 术 基 础 课 程 设 计 题 目：气门摇杆支座机械加工工艺规程及底面铣削夹具设计 班　　级： 姓　　名： 学 号： 指导教师： 完成日期： 任 务 书 一、设计题目:气门摇杆支座机械加工工艺及底面铣削夹具设计 二、原始资料 (1) 被加工零件的零件图 1张 (2) 生产类型:（中批或大批大量生产） 三、上交材料 1．所加工的零件图 1张 2．毛坯图 1张 3．编制机械加工工艺过程卡片 1套 4．编制所设计夹具对应的那道工序的机械加工工序卡片 1套 5．绘制夹具装配图（A0或A1） 1张 6．绘制夹具中1个零件图（A1或A2。装配图出来后，由指导教师为学生指定需绘制的零件图，一般为夹具体）。 1张 7．课程设计说明书，包括机械加工工艺规程的编制和机床夹具设计全部内容。（约5000-8000字） 1份 四、进度安排 本课程设计要求在3周内完成。 1．第l～2天查资料，绘制零件图。 2．第3～7天，完成零件的工艺性分析,确定毛坯的类型、制造方法，编制机械加工工艺规程和所加工工序的机械加工工序卡片。 3．第8～10天，完成夹具总体方案设计（画出草图，与指导教师沟通，在其同意的前提下，进行课程设计的下一步）。 4．第11～13天，完成夹具装配图的绘制。 5．第14～15天，零件图的绘制。 6．第16～18天，整理并完成设计说明书的编写。 7．第19天～21天，完成图纸和说明书的输出打印。答辩 五、指导教师评语 该生设计的过程中表现 ，设计内容反映的基本概念及计算 ，设计方案 ，图纸表达 ，说明书撰写 ，答辩表现 。 综合评定成绩： 指导教师　　　　　　　 日　　期　　　　　　　 摘　要 气门摇杆轴支座是柴油机一个主要零件，是柴油机摇杆座的结合部。本文主要论述了气门摇杆轴支座的加工工艺及底面铣削夹具设计。气门摇杆轴支座的尺寸精度、形状精度以及位置精度的要求都很高，而连杆的刚性比较差，形状复杂，容易产生变形，因此在安排工艺过程时，就需要把各主要表面的粗精加工工序分开，并使工序集中。逐步减少加工余量、切削力及内应力的作用，并修正加工后的变形，就能最后达到零件的技术要求。设计气门摇杆轴支座零件的机械加工工艺规程及低面铣削夹具设计，使我学习到了许多机械加工的专业知识和实践内容。 Abstract Valve rocker bearing is a major diesel engine parts, diesel engine is a combination of the rocker seat. This article discusses the main valve rocker bearing the processing technology and Underside milling fixture design. Valve rocker bearing accuracy of the size, shape and location precision accuracy of the requirements are very high, and the rigid linkage relatively poor, the shape complex, prone to deformation, in the process of arrangement when it needs to the surface of the main crude Finishing processes to separate and focus on processes. Gradually reduce Jiagongyuliang, cutting force and the role of stress and deformation of the amendment process, will be able to reach parts of the final technical requirements. Design-valve rocker bearing parts of the machining process of order and Underside milling fixture design, I learned a lot of machining expertise and practical content. 目 录 第1章 零件分析……………………………………1页 1.1 零件作用分析……………………………………………1页 1.2 零件工艺分析……………………………………………1页 第2章 确定毛坯、画毛坯—零件合图…………………2页 第3章 工艺规程设计……………………………………2页 3.1 定位基准的选择…………………………………………2页 3.2 制定工艺路线……………………………………………3页 3.3 选择加工设备及刀、夹、量具…………………………5页 3.4 加工工序设计……………………………………………6页 3.5 时间定额计算……………………………………………11页 3.6 填写机械加工工艺过程卡和机械加工工序卡…………12页 第4章 摇杆轴支座底面铣削夹具设计…………………12页 4.1 提出问题………………………………………………13页 4.2 设计思想………………………………………………14页 4.3 夹具设计………………………………………………14页 4.3.1定位分析………………………………………………14页 4.3.2切削力及夹紧力的计算………………………………15页4.3.3夹具操作说明…………………………………………16页 第5章 结语………………………………………………16页 5.1 方案综合评价与结论…………………………………16页 5.2 参考文献………………………………………………17页 第1章 零件分析 1.1 零件作用分析 气门摇杆轴支座是柴油机一个主要零件。是柴油机摇杆座的结合部孔装摇杆轴，轴上两端各装一进气门摇杆，摇杆座通过两个孔用M12螺杆与汽缸盖相连，3mm轴向槽用于锁紧摇杆轴，使之不转动。其零件图如下图： 图1.1 摇杆轴支座 1.2 零件工艺分析 由图1.1得知，其材料为HT200。该材料具有较高的强度，耐磨性，耐热性及减振性，适用于承受较大应力，要求耐磨的零件。 该零件上主要加工面为上端面，下端面，左右端面，2-孔和以及3mm轴向槽的加工孔的尺寸精度以及下端面0.05的平面度与左右两端面孔的尺寸精度，直接影响到进气孔与排气门的传动精度及密封，2—孔的尺寸精度，以上下两端面的平行度0.05。因此，需要先以下端面为粗基准加工上端面，再以上端面为粗基准加工下端面，再把下端面作为精基准，最后加工孔时以下端面为定位基准，以保证孔轴相对下端面的位置精度。由参考文献（1）中有关孔的加工的经济精度机床能达到的位置精度可知上述要求可以达到的零件的结构的工艺性也是可行的。 第2章 确定毛坯、画毛坯—零件合图（附图2） 根据零件材料确定毛坯为铸件，已知零件的生产纲领为8000件/年，通过计算，该零件质量约为3Kg，由参考文献（5）表1—4、表1—3可知，其生产类型为大批生产，毛坯的铸造方法选用砂型机器造型。此外，为消除残余应力，铸造后安排人工时效处理。参考文献（1）表2.3—12；该种铸造公差等级为CT10~11，MA-H级。参考文献（1）表2.3-12，用查表方法确定各表面的加工余量如下表所示： 加工表面 基本尺寸 加工余量等级 加工余量数值 说明 上端面 45mm H 4mm 单侧加工 下端面 50mm H 3mm 单侧加工 左端面 32mm H 3mm 单侧加工 右端面 32mm H 3mm 单侧加工 第3章 工艺规程设计 3.1 定位基准的选择 精基准的选择：气门摇杆轴支座的下端面既是装配基准又是设计基准，用它作为精基准，能使加工遵循基准重合的原则。孔及左右两端面都采用底面做基准，这使得工艺路线又遵循“基准统一”的原则，下端面的面积比较大，定位比较稳定，夹紧方案也比较简单，可靠，操作方便。 粗基准的选择：选择零件的重要面和重要孔做基准。在保证各加工面均有加工余量的前提下，使重要孔或面的加工余量尽量均匀，此外，还要保证定位夹紧的可靠性，装夹的方便性，减少辅助时间，所以粗基准为上端面。 3.2 制定工艺路线 根据各表面加工要求，和各种加工方法能达到的经济精度，确定各表面及孔的加工方法如下： 上下端面：粗铣—精铣 左右端面：粗铣—精铣 端面：粗铣—精铣 2-孔：钻孔 3mm 轴向槽—精铣 孔：钻孔—粗镗—精镗 因左右两端面均对孔有较高的位置要求，故它们的加工宜采用工序集中原则，减少装次数，提高加工精度。根据先面后孔原则，将上端面下端面的粗铣放在前面，左右端面上孔放后面加工。初步拟订以下两个加工路线方案 加工路线方案（一） 工序号 工序内容 1# 铸造 2# 时效 3# 涂漆 4# 车上端面 5# 铣下端面 6# 钻两通孔 7# 铣左右端面 8# 钻通孔 9# 镗孔 10# 轴向槽 11# 铣检验 12# 入库 （二）以V形块定位的加工路线方案 工序号 工序内容 1# 铸造 2# 时效 3# 涂漆 4# 粗铣下端面 5# 粗铣上端面 6# 粗铣左右端面 7# 钻两通孔 8# 精铣下端面 9# 精铣上端面 10# 精铣左右端面 11# 钻孔 12# 镗孔 13# 铣轴向槽 14# 入库 上述两个方案遵循了工艺路线拟订的一般原则，但某些工序还有一些问题还值得进一步讨论。 车上端面，因工件和夹具的尺寸较大，在卧式车床上加工时，它们惯性力较大，平衡困难；又由上端面不是连续的圆环面，车削中出现断续切削容易引起工艺系统的震动，故应当选择铣削加工。 因为在零件图纸中要求左右端面的跳动度为0.06，所以需要同时铣削左右端面，保证两端的平行度。 工序30#应在工序25#前完成，使上端面在加工后有较多的时间进行自然时效，减少受力变形和受热变形对2—Ø13通孔加工精度的影响。综上所述选择方案二。 最后确定的工件加工工序如下： 序号 工序内容 定位基准 1# 铸造 2# 时效 3# 涂漆 4# 粗铣下端面 上端面（3）+外圆柱面 5# 粗铣上端面 下端面（3）+外圆柱面 6# 粗左右端面（同时，不准调头） 下端面(3)+ 外圆柱面 7# 钻两通孔Ø13 下端面(3)+ 外圆柱面 8# 精铣下端面 上端面（3）+外圆柱面 9# 精铣上端面 下端面（3）+外圆柱面 10# 精铣左右端面（同时，不准调头） 下端面(3)+ 外圆柱面 11# 钻通孔Ø18 下端面(3)+ 外圆柱面 12# 镗孔到Ø20 下端面(3)+ 外圆柱面 13# 粗-精铣轴向槽 下端面(3)+ 外圆柱面 14# 入库 3.3选择加工设备及刀、夹、量具 由于生产类型为大批生产，故加工设备适宜通用机床为主，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动均由人工完成。 粗铣上端面：考虑到工件的定位夹紧方案及夹具结构设计等问题，采用立铣选择X51立式铣床。（参考文献（1）表6-18），选择直径D为Ø80mm立铣刀，参考文献（1）表7-88，通用夹具和游标卡尺。 粗铣下端面：采用上述相同的机床与铣刀，通用夹具及游标卡尺。 精铣下端面：采用上述相同的机床与铣刀，通用夹具及游标卡尺。 粗铣左端面：采用卧式铣床X1632，参考文献（1）表6—21，采用以前的刀具，专用夹具及游标卡尺。 精铣左端面：采用卧式铣床X1632,参考文献（1）表6—21，专用夹具及游标卡尺。 钻2-Ø18mm孔：采用Z525，参考文献（1）表6—26，通用夹具。刀具为d为Ø18.0的直柄麻花钻，参考文献（1）表7—11。 钻Ø18孔：钻孔直行为Ø18mm，选择摇臂钻床Z525参考文献（1）表6—26，采用锥柄麻花钻，通用夹具及量具。 镗Ø20（+0.1——+0.06）mm孔：粗镗：采用卧式组合镗床，选择功率为1.5KM的ITA20镗削头，选择镗通孔镗刀及镗杆，专用夹具，游标卡尺。 3.4 加工工序设计 （一） 机械加工余量确定 根据文献（1）可知计算底面加工余量公式如下。 式中 ： e ——余量值； ——铸件的最大尺寸； ——加工表面最大尺寸； C ——系数 根据<<机械加工工艺手册>>表3-12查表得出各个加工面得加工余量。 经查<<机械加工工艺手册>>表3—12可得，铣削上端面的加工余量为4，又由零件对上顶端表面的表面精度Ra=12.5可知，粗铣的铣削余量为4。底面铣削余量为3，粗铣的铣削余量为2，铣余量1，精铣后公差登记为IT7～IT8。左右端面的铣削余量为3，粗铣的铣削余量为2，精铣余量1，精铣后公差登记为IT7～IT8，根据<<机械加工工艺手册>>表3—12确定余量2。工序40粗镗ø18工序。粗镗余量表3-83取粗镗为1.8，精镗切削余量为0.2,铰孔后尺寸为20H8,各工步余量和工序尺寸公差列于下表 表3.2 各工步加工尺寸 加工表面 加工方法 余量 公差等级 工序尺寸及公差 粗镗 ___ 精镗 = （二）确定切削用量及基本工时 工序20#：粗铣下端面 1)加工条件 工件材料：HT200,=170~240MPa，铸造;工件尺寸：=13，l=36; 加工要求：粗铣上端面加工余量4 机床：X51立式铣床；刀具：立铣刀。 经查参考文献（1）表3—12可得，铣削上端面的加工余量为4mm，又由零件对上顶端表面的表面精度Ra=12.5mm可知，粗铣的铣削余量为4mm。 底面铣削余量为3mm，粗铣的铣削余量为2mm，精铣余量1mm，精铣后公差登记为IT7～IT8。 取每齿进给量为fz＝0.2mm／z（粗铣） 取每齿进给量为f＝0.5mm／r（精铣） 粗铣走刀一次ap＝2mm，精铣走刀一次ap＝1mm 初步取主轴转速为150r／min（粗铣），取精铣主轴的转速为300r／min，又前面已选定直径Ｄ为Ø80mm，故相应的切削速度分别为：校核粗加工。 ＝3.1480150/1000＝37.68m/min =3.1480300/1000=75.36m/min 又由机床切削功率P= 取Z=10个齿，=1,n=150/60=2.5r/s ,=168mm, =2mm,=0.2mm/z. 代入得： 　　　　= =4kw 又因前查的机床的功率为4.5kw 若效率为0.85P,则 0.85p=3.825kw<4kw 重新选择主轴的转速为118m/min，则 =3.1480118/1000=29.64m/min 将其带入公式得 = =3.15kw<3.825kw 故机床功率足够 2)计算基本工时 ， 查《切削手册》表3. 26，入切量及超切量为：则： 工序25# 粗铣上端面： 刀具，机床与上到工序相同，得出 , 工序30# 粗铣左右端面：同时粗铣左右端面，圆盘铣刀一次加工完成不准调头 计算切削用量： 由 《机械加工工艺手册》表15.53可知： 由《切削用量手册》表9.4-8可知： 各系数为 所以有 取 所以实际切削速度： 确定主轴转速： 切削工时： 工序35# 钻孔 查《机械制造工艺设计手册》表3-38，取 查《机械制造工艺设计手册》表3-42，取 查表《机械制造工艺设计简明手册》4.2-15，机床为Z525，选择转速 实际切削速度： v== 切削工时带入公式： 工序40# 精铣下端面与工序20#相同。 工序45# 精铣上端面与工序25#相同. 工序50# 精铣左右端面与工序30#相同 工序55# 钻通孔Ø18，工序步骤与工序35#相同，代入数据得出结果: , 工序60# 镗孔到Ø20 因精镗与粗镗的定位的下底面与V型块，精镗后工序尺寸为20.02±0.08，与下底面的位置精度为0.05,与左右端面的位置精度为0.06, 且定位夹、紧时基准重合，故不需保证。0.06跳动公差由机床保证。 粗镗孔时因余量为1.9,故, 查《机械制造工艺设计手册》2-8 取进给量为 故实际切削速度为： 此时作台每分钟进给量应为： 查文献得 取 =950.6N 取机床功率为0.85 故机床效率足够 精镗孔时，因余量为0.2mm，取 取v=1.2m/s=72m/min f=0.1mm/r 工序65# 铣槽： 加工条件：机床：x6132卧式铣.床. 刀具：直齿三面刃铣刀其中 , 计算切削用量： 由《机械加工工艺手册》表15-53，表15-55可知： 确定主轴转速： 切削工时： 3.5 时间定额计算 下面计算工序60的时间定额 1）机动时间 粗镗时： L/(f·n)=45/（0.2*386）=0.58min 精镗时： L/(f·n)=45/（0.1*386）=1.17min 总机动时间：=0.58+1.17=1.75min 2）辅助时间： 操作内容 每次时间 (min) 粗镗 精镗 操作次数 时间min 操作次数 时间min 装夹 2 1 2 - - 换刀 1 1 1 1 1 测量 0.1 1 0.1 1 0.1 卸夹 1.5 - - 1 1.5 开机到开始的时间 0.3 1 0.3 1 0.3 退刀 0.1 1 0.1 1 0.1 所以辅助时间 3）作业时间 1.75+6.4=8.15min 4）布置工作地时间 取 则 5）休息与生理需要时间 取 则 6）单件时间 =（1.75+6.4+0.24+0.24）min=8.63min 3.6 填写机械加工工艺过程卡和机械加工工序卡 工件文件详见附表。 第4章 摇杆轴支座底面铣削夹具设计 夹具是一种能够使工件按一定的技术要求准确定位和牢固夹紧的工艺装备，它广泛地运用于机械加工，检测和装配等整个工艺过程中。在现代化的机械和仪器的制造业中，提高加工精度和生产率，降低制造成本，一直都是生产厂家所追求的目标。正确地设计并合理的使用夹具，是保证加工质量和提高生产率，从而降低生产成本的重要技术环节之一。同时也扩大各种机床使用范围必不可少重要手段。 4.1提出问题 （1）怎样限制零件的自由度；根据装配图得知道,一个底座限制底面3个自由度，再加2个V型块限制3个自由度,6个自由度保证的零件夹紧的强度,有利于铣刀进行加工 （2）怎样夹紧；设计夹具由螺旋夹紧工件。有夹具体底座,将一个V型块采用螺钉固定,另一V型块采用手柄进行螺纹加紧,考虑到成本经济性,故采用这类机械夹紧的方式比较合适. （3）设计的夹具怎样排屑；此次加工利用铣刀,可以保证加工的稳定,达到表面应有的粗糙度,适合批量生产, （4）怎样使夹具使用合理，便于装卸。 此夹具设计简单方便 ,螺旋手柄加紧和松开灵活,工人需要将零件固定安放,保持夹具的清洁,以便多次使用. 4.2设计思想 设计必须保证零件的加工精度，保证夹具的操作方便，夹紧可靠，使用安全，有合理的装卸空间，还要注意机构密封和防尘作用，使设计的夹具完全符合要求。 本夹具主要用来气门摇杆轴支座底面进行加工，这个精度要求为IT13，表面粗糙度Ra6.3，粗铣-精铣以可满足其精度。所以设计时要在满足精度的前提下提高劳动生产效率，降低劳动强度。 4.3夹具设计 4.3.1定位分析 （1）定位基准的选择 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。故铣该底平面时，采用零件倒置的上表面作为定位基准。 （2）定位误差的分析 定位元件尺寸及公差的确定。夹具的主要定位元件为一个面与两个孔定位，因为该定位元件的定位基准为孔的轴线，所以基准重合△b=0，由于存在间隙，定位基准会发生相对位置的变化即存在基准位移误差。 △j=（TD+T d+△S）/2 TD =0.050mm T d =0.011mm △S=0.010mm △j=0.0355mm 4.3.2切削力及夹紧力的计算 刀具：镶片圆锯齿铣刀 Fz=9.81CFzae^0.85af^0.72do^-86ap^z CFz---灰铁30 ae-------侧吃刀量8 af-----0.1~0.2（0.1） do---铣刀外径160 ap----背吃刀量0.55 Fz=113N 个面和两个孔定位时所需夹紧力计算公式： 式中 φ───螺纹摩擦角 ───平头螺杆端的直径 ───工件与夹紧元件之间的摩擦系数,0.16 ───螺杆直径 ───螺纹升角 Q ───手柄作用力 L ───手柄长度 则夹紧力 =766（N） 根据手册查得该夹紧力满足要求，故此夹具可以安全工作。 4.3.3夹具操作说明 此次设计的夹具夹紧原理为：通过上表面为定位基准，在2个V型块、平面实现完全定位，以铣刀进行加工 定位元件： 定位元件是用以确定正确位置的元件。用工件定位基准或定位基面与夹具定位元件接触或配合来实现工件定位。该设计可用V型块加紧 第五章. 结 语 5.1体会与展望 机械制造课程设计终于结束了。通过短短的三周时间，我们巩固了上学期所学的知识，提高了应用软件绘图得能力。课程设计作为《机械制造基础》课程的重要环节，此次课程设计是理论与实践的结合，让我们更加的了解机械制造技术的规程 本次课程设计要求绘制零件图，毛坯图，夹具装配图，夹具零件图以及工艺过程卡片和工序卡片. 通过设计，我基本掌握了零件的加工过程，以及加工过程文件的编写。在设计的过程中，我遇到了很多困难，但在老师和同学的帮助下都一一得到了解决，并学习到了不少的知识。 总之，这次设计使我不隐隐学会了如何进行机械制造的课程设计的具体过程，也让我了解了将理论知识应用与实践中的重要性。如果不能将理论与实践相结合，那么，再好的理论知识也只能是摆设而已。 由于我的知识掌握的还不够完善，因此我的作业中还有愈多不足之处，希望老师能够给予指正。 在此次课程设计中，我收获很多，为我以后的学习工作打下了重要的基础。非常感谢在设计的过程中给予我帮助的同学们，更要感谢给我们布置设计任务的冷岳峰老师，不仅仅在课程设计期间给我们细心地指导，在我们遇到问题时也为我们悉心解答，让我们在课设的同时，获得了更方面的进步。 5.2参考文献 [1] 陈宏钧,方向明,马素敏 等编 典型零件机械加工生产实例 机械工业出版社 2004.8 [2] 王季琨,沈中伟,刘锡珍 主编 机械制造工艺学 天津大学出版社 2004.1 [3] 哈尔滨工业大学,上海工业大学 主编 机床夹具设计 上海科学技术出版社 1991.3 [4] 李 洪 主编 机械加工工艺手册 北京出版社 1996.1 [5] 龚定安,蔡建国 编著 机床夹具设计手册 陕西科学技术出版社 1981.7 [6] 《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 上海科学技术出版社1979.1 [7] 孙丽嫒 主编 机械制造工艺及专用夹具 冶金工业出版社 2003.9 [8] 杨叔子 主编 机械加工工艺师手册 机械工业出版社 2004.9 [9] 王绍俊 主编 机械制造工艺设计手册 哈尔滨工业大学 1981.5 [10] 刘文剑 曹天河 赵维缓 编2008-7-1 夹具工程师手册 黑龙江科学技术出版社 1987.12 [11] 上海市金属切削技术协会 编 金属切削手册 上海科学技术出版社 1991.10 [12] 于骏一　主编 典型零件制造工艺　　机械工业出版社 1989.1 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； μ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, ηi 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152.4mm×127mm*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4.43×107 N/m 和5.47×107 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σ的惩罚函数是 这里fv可以被F1或σ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 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