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夾具夾緊力的優(yōu)化及對工件定位精度的影響 B.Li 和 S.N.Mellkote 布什伍德拉夫機械工程學院，佐治亞理工學院，格魯吉亞，美國研究所 由于夾緊和加工，在工件和夾具的接觸部位會產(chǎn)生局部彈性變形，使工件尺寸發(fā)生變化，進而影響工件的最終加工質(zhì)量。這種效應可通過最小化夾具設計優(yōu)化，夾緊力是一個重要的設計變量，可以得到優(yōu)化，以減少工件的位移。本文提出了一種確定多夾緊夾具受到準靜態(tài)加工部位的最佳夾緊力的新方法。該方法采用彈性接觸力學模型代表夾具與工件接觸，并涉及制定和解決方案的多目標優(yōu)化模型的約束。夾緊力的最優(yōu)化對工件定位精度的影響通過3-2-1式銑夾具的例子進行了分析。 關鍵詞：彈性 接觸 模型 夾具 夾緊力 優(yōu)化 前言 定位和夾緊的工件加工中的兩個關鍵因素。要實現(xiàn)夾具的這些功能，需將工件定位到一個合適的基準上并夾緊，采用的夾緊力必須足夠大，以抑制工件在加工過程中產(chǎn)生的移動。然而，過度的夾緊力可誘導工件產(chǎn)生更大的彈性變形 ，這會影響它的位置精度，并反過來影響零件質(zhì)量。所以有必要確定最佳夾緊力，來減小由于彈性變形對工件的定位誤差，同時滿足加工的要求。在夾具分析和綜合領域上的研究人員使用了有限元模型的方法或剛體模型的方法。大量的工作都以有限元方法為基礎被報道[參考文獻1-8]。隨著得墨忒耳[8]，這種方法的限制是需要較大的模型和計算成本。同時，多數(shù)的有限元基礎研究人員一直重點關注的夾具布局優(yōu)化和夾緊力的優(yōu)化還沒有得到充分討論，也有少數(shù)的研究人員通過對剛性模型[9-11]對夾緊力進行了優(yōu)化，剛型模型幾乎被近似為一個規(guī)則完整的形狀。得墨忒耳[12，13]用螺釘理論解決的最低夾緊力，總的問題是制定一個線性規(guī)劃，其目的是盡量減少在每個定位點調(diào)整夾緊力強度的法線接觸力。接觸摩擦力的影響被忽視，因為它較法線接觸力相對較小，由于這種方法是基于剛體假設，獨特的三維夾具可以處理超過6個自由度的裝夾，復和倪[14]也提出迭代搜索方法，通過假設已知摩擦力的方向來推導計算最小夾緊力，該剛體分析的主要限制因素是當出現(xiàn)六個以上的接觸力是使其靜力不確定，因此，這種方法無法確定工件移位的唯一性。 這種限制可以通過計算夾具——工件系統(tǒng)[15]的彈性來克服，對于一個相對嚴格的工件，該夾具在機械加工工件的位置會受夾具點的局部彈性變形的強烈影響。Hockenberger和得墨忒耳[16]使用經(jīng)驗的接觸力變形的關系（稱為元功能），解決由于夾緊和準靜態(tài)加工力工件剛體位移。同一作者還考察了加工工件夾具位移對設計參數(shù)的影響[17]。桂 [18] 等 通過工件的夾緊力的優(yōu)化定位精度彈性接觸模型對報告做了改善，然而，他們沒有處理計算夾具與工件的接觸剛度的方法，此外，其算法的應用沒有討論機械加工刀具路徑負載有限序列。李和Melkote [19]和烏爾塔多和Melkote [20]用接觸力學解決由于在加載夾具夾緊點彈性變形產(chǎn)生的接觸力和工件的位移，他們還使用此方法制定了優(yōu)化方法夾具布局[21]和夾緊力[22]。但是，關于multiclamp系統(tǒng)及其對工件精度影響的夾緊力的優(yōu)化并沒有在這些文件中提到 。 本文提出了一種新的算法，確定了multiclamp夾具工件系統(tǒng)受到準靜態(tài)加載的最佳夾緊力為基礎的彈性方法。該法旨在盡量減少影響由于工件夾緊位移和加工荷載通過系統(tǒng)優(yōu)化夾緊力的一部分定位精度。接觸力學模型，用于確定接觸力和位移，然后再用做夾緊力優(yōu)化，這個問題被作為多目標約束優(yōu)化問題提出和解決。通過兩個例子分析工件夾緊力的優(yōu)化對定位精度的影響，例子涉及的銑削夾具3-2-1布局。 1． 夾具——工件聯(lián)系模型 1．1 模型假設 該加工夾具由L定位器和帶有球形端的c形夾組成。工件和夾具接觸的地方是線性的彈性接觸，其他地方完全剛性。工件——夾具系統(tǒng)由于夾緊和加工受到準靜態(tài)負載。夾緊力可假定為在加工過程中保持不變，這個假設是有效的，在對液壓或氣動夾具使用。在實際中，夾具工件接觸區(qū)域是彈性分布，然而，這種模式的發(fā)展，假設總觸剛度（見圖1）第i夾具接觸力局部變形如下： (1) 其中（j=x，y，z）表示，在當?shù)刈幼鴺讼登芯€和法線方向的接觸剛度 第 19 頁 共 15 頁 圖1 彈簧夾具—— 工件接觸模型。 表示在第i個 接觸處的坐標系 （j=x，y，z）是對應沿著xyz方向的彈性變形，分別 （j= x，y，z）的代表和切向力接觸 ，法線力接觸。 1．2 工件——夾具的接觸剛度模型 集中遵守一個球形尖端定位，夾具和工件的接觸并不是線性的，因為接觸半徑與隨法線力呈非線性變化 [23]。由于法線力接觸變形作用于半徑和平面工件表面之間，這可從封閉赫茲的辦法解決縮進一個球體彈性半空間的問題。對于這個問題， 是法線的變形，在[文獻23 第93頁]中給出如下： （2） 其中式中 和是工件和夾具的彈性模量，、分別是工件和材料的泊松比。 切向變形沿著和切線方向）硅業(yè)切力距有以下形式[文獻23第217頁] （3） 其中、 分別是工件和夾具剪切模量 一個合理的接觸剛度的線性可以近似從最小二乘獲得適合式 （2），這就產(chǎn)生了以下線性化接觸剛度值：在計算上述的線性近似， （4） (5) 正常的力被假定為從0到1000N，且最小二乘擬合相應的R2值認定是0.94。 2．夾緊力優(yōu)化 我們的目標是確定最優(yōu)夾緊力，將盡量減少由于工件剛體運動過程中，局部的夾緊和加工負荷引起的彈性變形，同時保持在準靜態(tài)加工過程中夾具——工件系統(tǒng)平衡，工件的位移減少，從而減少定位誤差。實現(xiàn)這個目標是通過制定一個多目標約束優(yōu)化問題的問題，如下描述。 2.1 目標函數(shù)配方 工件旋轉，由于部隊輪換往往是相當小[17]的工件定位誤差假設為確定其剛體翻譯基本上，其中 、、和 是 沿，和三個正交組件（見圖2）。 圖2 工件剛體平移和旋轉 工件的定位誤差歸于裝夾力，然后可以在該剛體位移的范數(shù)計算如下： （6） 其中表示一個向量二級標準。 但是作用在工件的夾緊力會影響定位誤差。當多個夾緊力作用于工件，由此產(chǎn)生的夾緊力為,有如下形式： （7） 其中夾緊力是矢量，夾緊力的方向矩陣，是夾緊力是矢量的方向余弦，、和 是第i個夾緊點夾緊力在、和方向上的向量角度（i=1、2、3...,C）。 在這個文件中，由于接觸區(qū)變形造成的工件的定位誤差，被假定為受的作用力是法線的，接觸的摩擦力相對較小，并在進行分析時忽略了加緊力對工件的定位誤差的影響。意指正常接觸剛度比，是通過（i=1，2…L）和最小的所有定位器正常剛度相乘，并假設工件、、取決于、、的方向，各自的等效接觸剛度可有下式計算得出（見圖3），工件剛體運動，歸于夾緊行動現(xiàn)在可以寫成： (8) 工件有位移，因此，定位誤差的減小可以通過盡量減少產(chǎn)生的夾緊力向量 范數(shù)。因此，第一個目標函數(shù)可以寫為： 最小化 （9） 要注意，加權因素是與等效接觸剛度成正比的在、和 方向上。通過使用最低總能量互補參考文獻[15，23]的原則求解彈性力學接觸問題得出A的組成部分是唯一確定的，這保證了夾緊力和相應的定位反應是“真正的”解決方案，對接觸問題和產(chǎn)生的“真正”剛體位移，而且工件保持在靜態(tài)平衡，通過夾緊力的隨時調(diào)整。因此，總能量最小化的形式為補充的夾緊力優(yōu)化的第二個目標函數(shù)，并給出： 最小化 （10） 其中代表機構的彈性變形應變能互補，代表由外部力量和力矩配合完成，是遵守對角矩陣的， 和是所有接觸力的載體。 如圖3 加權系數(shù)計算確定的基礎 內(nèi)蒙古科技大學本科生畢業(yè)設計（外文翻譯） 2.2 摩擦和靜態(tài)平衡約束 在（10）式優(yōu)化的目標受到一定的限制和約束，他們中最重要的是在每個接觸處的靜摩擦力約束。庫侖摩擦力的法律規(guī)定（是靜態(tài)摩擦系數(shù)）,這方面的一個非線性約束和線性化版本可以使用，并且[19]有： （11） 假設準靜態(tài)載荷，工件的靜力平衡由下列力和力矩平衡方程確保（向量形式）： (12) 其中包括在法線和切線方向的力和力矩的機械加工力和工件重量。 2.3界接觸力 由于夾具——工件接觸是單側面的，法線的接觸力只能被壓縮。這通過以下的的約束表（i=1，2…,L+C） （13） 它假設在工件上的法線力是確定的，此外，在一個法線的接觸壓力不能超過壓工件材料的屈服強度（）。這個約束可寫為： （i=1，2，…,L+C） (14) 如果是在第i個工件——夾具的接觸處的接觸面積，完整的夾緊力優(yōu)化模型，可以寫成：最小化 (15) 3．模型算法求解 式（15）多目標優(yōu)化問題可以通過求解約束[24]。這種方法將確定的目標作為首要職能之一，并將其轉換成一個約束對。該補充（）的主要目的是處理功能，并由此得到夾緊力（）作為約束的加權范數(shù)最小化。對為主要目標的選擇，確保選中一套獨特可行的夾緊力，因此，工件——夾具系統(tǒng)驅(qū)動到一個穩(wěn)定的狀態(tài)（即最低能量狀態(tài)），此狀態(tài)也表示有最小的夾緊力下的加權范數(shù)。 的約束轉換涉及到一個指定的加權范數(shù)小于或等于，其中是 的約束，假設最初所有夾緊力不明確，要確定一個合適的。在定位和夾緊點的接觸力的計算只考慮第一個目標函數(shù)（即）。雖然有這樣的接觸力，并不一定產(chǎn)生最低的夾緊力，這是一個“真正的”可行的解決彈性力學問題辦法，可完全抑制工件在夾具中的位置。這些夾緊力的加權系數(shù)，通過計算并作為初始值與比較，因此，夾緊力式（15）的優(yōu)化問題可改寫為: 最小化 （16） 由： (11)–(14) 得。 類似的算法尋找一個方程根的二分法來確定最低的上的約束, 通過盡可能降低上限，由此產(chǎn)生的最小夾緊力的加權范數(shù)。 迭代次數(shù)K，終止搜索取決于所需的預測精度和，有參考文獻[15]： （17） 其中表示上限的功能，完整的算法在如圖4中給出。 圖4 夾緊力的優(yōu)化算法（在示例1中使用）。 圖5 該算法在示例2使用 4． 加工過程中的夾緊力的優(yōu)化及測定 上一節(jié)介紹的算法可用于確定單負載作用于工件的載體的最佳夾緊力，然而，刀具路徑隨磨削量和切割點的不斷變化而變化。因此，相應的夾緊力和最佳的加工負荷獲得將由圖4算法獲得，這大大增加了計算負擔，并要求為選擇的夾緊力提供標準， 將獲得滿意和適宜的整個刀具軌跡 ，用保守的辦法來解決下面將被討論的問題，考慮一個有限的數(shù)目（例如m）沿相應的刀具路徑設置的產(chǎn)生m個最佳夾緊力，選擇記為， ， …,在每個采樣點，考慮以下四個最壞加工負荷向量： (18)、和表示在、和方向上的最大值，、和上的數(shù)字1，2，3分別代替對應的和另外兩個正交切削分力，而且有： 雖然4個最壞情況加工負荷向量不會在工件加工的同一時刻出現(xiàn)，但在每次常規(guī)的進給速度中，刀具旋轉一次出現(xiàn)一次，負載向量引入的誤差可忽略。因此，在這項工作中，四個載體負載適用于同一位置，（但不是同時）對工件進行的采樣 ，夾緊力的優(yōu)化算法圖4，對應于每個采樣點計算最佳的夾緊力。夾緊力的最佳形式有： (i=1,2,…,m) (j=x,y z,r) (19) 其中是最佳夾緊力的四個情況下的加工負荷載體，(C=1，2，…C)是每個相應的夾具在第i個樣本點和第j負荷情況下力的大小。是計算每個負載點之后的結果，一套簡單的“最佳”夾緊力必須從所有的樣本點和裝載條件里發(fā)現(xiàn)，并在所有的最佳夾緊力中選擇。這是通過在所有負載情況和采樣點排序，并選擇夾緊點的最高值的最佳的夾緊力，見于式 （20）： （k=1，2，…，C） （20） 只要這些具備，就得到一套優(yōu)化的夾緊力，驗證這些力，以確保工件夾具系統(tǒng)的靜態(tài)平衡。否則，會出現(xiàn)更多采樣點和重復上述程序。在這種方式中，可為整個刀具路徑確定“最佳”夾緊力 ，圖5總結了剛才所描述的算法。請注意，雖然這種方法是保守的，它提供了一個確定的夾緊力，最大限度地減少工件的定位誤差的一套系統(tǒng)方法。 5．影響工件的定位精度 它的興趣在于最早提出了評價夾緊力的算法對工件的定位精度的影響。工件首先放在與夾具接觸的基板上，然后夾緊力使工件接觸到夾具，因此，局部變形發(fā)生在每個工件夾具接觸處，使工件在夾具上移位和旋轉。隨后，準靜態(tài)加工負荷應用造成工件在夾具的移位。工件剛體運動的定義是由它在、和方向上的移位和自轉（見圖2）， 如前所述，工件剛體位移產(chǎn)生于在每個夾緊處的局部變形，假設為相對于工件的質(zhì)量中心的第i個位置矢量定位點，坐標變換定理可以用來表達在工件的位移，以及工件自轉如下: (21) 其中表示旋轉矩陣,描述當?shù)卦诘趇幀相聯(lián)系的全球坐標系和是一個旋轉矩陣確定工件相對于全球的坐標系的定位坐標系。假設夾具夾緊工件旋轉，由于旋轉很小，故也可近似為： （22） 方程（21）現(xiàn)在可以改寫為： （23） 其中是經(jīng)方程（21）重新編排后變換得到的矩陣式，是夾緊和加工導致的工件剛體運動矢量。工件與夾具單方面接觸性質(zhì)意味著工件與夾具接觸處沒有拉力的可能。因此，在第i裝夾點接觸力可能與的關系如下： （24） 其中是在第i個接觸點由于夾緊和加工負荷造成的變形，意味著凈壓縮變形，而負數(shù)則代表拉伸變形; 是表示在本地坐標系第i個接觸剛度矩陣，是單位向量. 在這項研究中假定液壓/氣動夾具，根據(jù)對外加工負荷，故在法線方向的夾緊力的強度保持不變，因此，必須對方程（24）的夾緊點進行修改為： （25） 其中是在第i個夾緊點的夾緊力，讓表示一個對外加工力量和載體的6×1矢量。并結合方程（23）—（25）與靜態(tài)平衡方程，得到下面的方程組： （26） 其中，其中表示相乘。由于夾緊和加工工件剛體移動，q可通過求解式（26）得到。工件的定位誤差向量， （見圖6）， 現(xiàn)在可以計算如下： （27） 其中是考慮工件中心加工點的位置向量，且 6．模擬工作 較早前提出的算法是用來確定最佳夾緊力及其對兩例工件精度的影響例如： 1．適用于工件單點力。 2．應用于工件負載準靜態(tài)銑削序列 如左圖7 工件夾具配置中使用的模擬研究 工件夾具定位聯(lián)系; 、和全球坐標系。 3-2-1夾具圖7所示，是用來定位并控制7075 - T6鋁合金（127毫米×127毫米×38.1毫米）的柱狀塊。假定為球形布局傾斜硬鋼定位器/夾具在表1中給出。工件——夾具材料的摩擦靜電對系數(shù)為0.25。使用伊利諾伊大學開發(fā)EMSIM程序[參考文獻26] 對加工瞬時銑削力條件進行了計算，如表2給出例（1），應用工件在點（109.2毫米，25.4毫米，34.3毫米）瞬時加工力，圖4中表3和表4列出了初級夾緊力和最佳夾緊力的算法 。該算法如圖5所示 ，一個25.4毫米銑槽使用EMSIM進行了數(shù)值模擬，以減少起步（0.0毫米，25.4毫米，34.3毫米）和結束時（127.0毫米，25.4毫米，34.3毫米）四種情況下加工負荷載體， （見圖8）。模擬計算銑削力數(shù)據(jù)在表5中給出。 圖8最終銑削過程模擬例如2。 表6中5個坐標列出了為模擬抽樣調(diào)查點。最佳夾緊力是用前面討論過的排序算法計算每個采樣點和負載載體最后的夾緊力和負載。 7．結果與討論 例如算法1的繪制最佳夾緊力收斂圖9， 圖9 對于固定夾緊裝置在圖示例假設（見圖7），由此得到的夾緊力加權范數(shù)有如下形式：.結果表明，最佳夾緊力所述加工條件下有比初步夾緊力強度低得多的加權范數(shù)，最初的夾緊力是通過減少工件的夾具系統(tǒng)補充能量算法獲得。由于夾緊力和負載造成的工件的定位誤差，如表7。結果表明工件旋轉小，加工點減少錯誤從13.1％到14.6％不等。在這種情況下，所有加工條件改善不是很大，因為從最初通過互補勢能確定的最小化的夾緊力值已接近最佳夾緊力。圖5算法是用第二例在一個序列應用于銑削負載到工件，他應用于工件銑削負載一個序列。最佳的夾緊力，，對應列表6每個樣本點，隨著最后的最佳夾緊力，在每個采樣點的加權范數(shù)和最優(yōu)的初始夾緊力繪圖10，在每個采樣點的加權范數(shù)的，，和繪制。 結果表明，由于每個組成部分是各相應的最大夾緊力，它具有最高的加權范數(shù)。如圖10所示，如果在每個夾緊點最大組成部分是用于確定初步夾緊力，則夾緊力需相應設置，有比相當大的加權范數(shù)。故是一個完整的刀具路徑改進方案。上述模擬結果表明，該方法可用于優(yōu)化夾緊力相對于初始夾緊力的強度，這種做法將減少所造成的夾緊力的加權范數(shù)，因此將提高工件的定位精度。 圖10 8．結論 該文件提出了關于確定多鉗夾具，工件受準靜態(tài)加載系統(tǒng)的優(yōu)化加工夾緊力的新方法。夾緊力的優(yōu)化算法是基于接觸力學的夾具與工件系統(tǒng)模型，并尋求盡量減少應用到所造成的工件夾緊力的加權范數(shù)，得出工件的定位誤差。該整體模型，制定一個雙目標約束優(yōu)化問題，使用-約束的方法解決。該算法通過兩個模擬表明，涉及3-2-1型，二夾銑夾具的例子。今后的工作將解決在動態(tài)負載存在夾具與工件在系統(tǒng)的優(yōu)化，其中慣性，剛度和阻尼效應在確定工件夾具系統(tǒng)的響應特性具有重要作用。 9．參考資料： 1、J. 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DeMeter. 對工件準靜態(tài)分析功能位移在加工夾具的應用程序，制造科學雜志與工程： 325–331頁, 1996。 蘇州科技學院 機械加工工序卡片 產(chǎn)品型號 零件圖號 產(chǎn)品名稱 零件名稱 軸承座 共7頁 第1 頁 車間 工序號 工序名稱 材料牌號 3 銑工件底面 HT200 毛坯種類 毛坯外形尺寸 每毛坯件數(shù) 每臺件數(shù) 鑄件 1 1 設備名稱 設備型號 設備編號 同時加工件數(shù) 立式銑床 X51 1 夾具編號 夾具名稱 切削液 專用夾具 工位器具編號 工位器具名稱 工序工時/分 準終 單件 工步號 工步內(nèi)容 工藝設備 主軸轉速 切削速度 進給量 背吃刀量 進給次數(shù) 工步工時 r/min m/min mm/r mm 機動 輔助 1 銑工件底面 YG6硬質(zhì)合金端銑刀 1200 301.4 0.2 2.0 1 0.638 0.096 設計日期 審核 標準化 會簽 標記 處數(shù) 簽字 更改文件號 日期 標記 處數(shù) 更改文件號 簽字 日期 蘇州科技學院 機械加工工序卡片 產(chǎn)品型號 零件圖號 產(chǎn)品名稱 零件名稱 軸承座 共7頁 第2 頁 車間 工序號 工序名稱 材料牌號 4 銑工件頂面 HT200 毛坯種類 毛坯外形尺寸 每毛坯件數(shù) 每臺件數(shù) 鑄件 1 1 設備名稱 設備型號 設備編號 同時加工件數(shù) 立式銑床 X51 1 夾具編號 夾具名稱 切削液 專用夾具 工位器具編號 工位器具名稱 工序工時/分 準終 單件 工步號 工步內(nèi)容 工藝設備 主軸轉速 切削速度 進給量 背吃刀量 進給次數(shù) 工步工時 r/min m/min mm/r mm 機動 輔助 1 銑工件底面 YG6硬質(zhì)合金端銑刀 1200 301.4 0.2 2.0 1 0.138 0.021 設計日期 審核 標準化 會簽 標記 處數(shù) 簽字 更改文件號 日期 標記 處數(shù) 更改文件號 簽字 日期 蘇州科技學院 機械加工工序卡片 產(chǎn)品型號 零件圖號 產(chǎn)品名稱 零件名稱 軸承座 共7頁 第3 頁 車間 工序號 工序名稱 材料牌號 5 銑90的槽 HT200 毛坯種類 毛坯外形尺寸 每毛坯件數(shù) 每臺件數(shù) 鑄件 1 1 設備名稱 設備型號 設備編號 同時加工件數(shù) 臥式銑床 X62 1 夾具編號 夾具名稱 切削液 專用夾具 工位器具編號 工位器具名稱 工序工時/分 準終 單件 工步號 工步內(nèi)容 工藝設備 主軸轉速 切削速度 進給量 背吃刀量 進給次數(shù) 工步工時 r/min m/min mm/r mm 機動 輔助 1 銑工件底面 YG6硬質(zhì)合金三面刃銑刀 1000 314 0.2 2.0 1 0.390 0.058 設計日期 審核 標準化 會簽 標記 處數(shù) 簽字 更改文件號 日期 標記 處數(shù) 更改文件號 簽字 日期 蘇州科技學院 機械加工工序卡片 產(chǎn)品型號 零件圖號 產(chǎn)品名稱 零件名稱 軸承座 共7頁 第4 頁 車間 工序號 工序名稱 材料牌號 6 鉆2-?13孔 HT200 毛坯種類 毛坯外形尺寸 每毛坯件數(shù) 每臺件數(shù) 鑄件 1 1 設備名稱 設備型號 設備編號 同時加工件數(shù) 立式鉆床 Z525 1 夾具編號 夾具名稱 切削液 專用夾具 工位器具編號 工位器具名稱 工序工時/分 準終 單件 工步號 工步內(nèi)容 工藝設備 主軸轉速 切削速度 進給量 背吃刀量 進給次數(shù) 工步工時 r/min m/min mm/r mm 機動 輔助 1 鉆2-?13孔 ?13高速鋼麻花鉆 1200 49.0 0.2 6.5 2 0.261 0.039 設計日期 審核 標準化 會簽 標記 處數(shù) 簽字 更改文件號 日期 標記 處數(shù) 更改文件號 簽字 日期 蘇州科技學院 機械加工工序卡片 產(chǎn)品型號 零件圖號 產(chǎn)品名稱 零件名稱 軸承座 共7頁 第5 頁 車間 工序號 工序名稱 材料牌號 7 銑65兩端面 HT200 毛坯種類 毛坯外形尺寸 每毛坯件數(shù) 每臺件數(shù) 鑄件 1 1 設備名稱 設備型號 設備編號 同時加工件數(shù) 立式銑床 X51 1 夾具編號 夾具名稱 切削液 專用夾具 工位器具編號 工位器具名稱 工序工時/分 準終 單件 工步號 工步內(nèi)容 工藝設備 主軸轉速 切削速度 進給量 背吃刀量 進給次數(shù) 工步工時 r/min m/min mm/r mm 機動 輔助 1 銑65兩端面 YG6硬質(zhì)合金端銑刀 1200 301.4 0.2 2.0 2 0.276 0.042 設計日期 審核 標準化 會簽 標記 處數(shù) 簽字 更改文件號 日期 標記 處數(shù) 更改文件號 簽字 日期 蘇州科技學院 機械加工工序卡片 產(chǎn)品型號 零件圖號 產(chǎn)品名稱 零件名稱 軸承座 共7頁 第6 頁 車間 工序號 工序名稱 材料牌號 8 銑17的兩個槽 HT200 毛坯種類 毛坯外形尺寸 每毛坯件數(shù) 每臺件數(shù) 鑄件 1 1 設備名稱 設備型號 設備編號 同時加工件數(shù) 立式銑床 X51 1 夾具編號 夾具名稱 切削液 專用夾具 工位器具編號 工位器具名稱 工序工時/分 準終 單件 工步號 工步內(nèi)容 工藝設備 主軸轉速 切削速度 進給量 背吃刀量 進給次數(shù) 工步工時 r/min m/min mm/r mm 機動 輔助 1 銑17的兩個槽 YG6硬質(zhì)合金立銑刀 1000 53.4 0.2 8.5 2 0.235 0.035 設計日期 審核 標準化 會簽 標記 處數(shù) 簽字 更改文件號 日期 標記 處數(shù) 更改文件號 簽字 日期 蘇州科技學院 機械加工工序卡片 產(chǎn)品型號 零件圖號 產(chǎn)品名稱 零件名稱 軸承座 共7頁 第7 頁 車間 工序號 工序名稱 材料牌號 8 粗銑、半精銑、精銑?60圓弧，倒角C2.5 HT200 毛坯種類 毛坯外形尺寸 每毛坯件數(shù) 每臺件數(shù) 鑄件 1 1 設備名稱 設備型號 設備編號 同時加工件數(shù) 臥式銑床 X62 1 夾具編號 夾具名稱 切削液 專用夾具 工位器具編號 工位器具名稱 工序工時/分 準終 單件 工步號 工步內(nèi)容 工藝設備 主軸轉速 切削速度 進給量 背吃刀量 進給次數(shù) 工步工時 r/min m/min mm/r mm 機動 輔助 1 粗銑、半精銑、精銑?60圓弧，倒角C2.5 YG6硬質(zhì)合金成形銑刀 1000 188.4 0.2 2.0 3 0.685 0.103 設計日期 審核 標準化 會簽 標記 處數(shù) 簽字 更改文件號 日期 標記 處數(shù) 更改文件號 簽字 日期 8 附錄A 機械加工工藝過程卡 蘇州科技學院 專 業(yè) 機械加工工藝過程卡 產(chǎn)品型號 零（部）件圖號 共 1 頁 機械設計及其自動化 產(chǎn)品名稱 零（部）件名稱 軸承座 第 1 頁 材料牌號 HT200 毛坯種類 鑄件 毛坯外形尺寸 每毛坯件數(shù) 1 每臺件數(shù) 1 備 注 工 序 號 工序 名稱 工 序 內(nèi) 容 車 間 工 段 設 備 工 藝 裝 備 工 時 準 終 單 件 01 備料 鑄造 機加 02 熱處理 人工時效 機加 03 銑削 銑工件底面 機加 X51 YG6硬質(zhì)合金端面銑刀和專用夾具 04 銑削 銑工件頂面 機加 X51 YG6硬質(zhì)合金端面銑刀和專用夾具 05 銑削 銑90的槽 機加 X62 YG6硬質(zhì)合金三面刃銑刀和專用夾具 06 鉆削 鉆2-?13孔 機加 Z525 ?13高速鋼麻花鉆和專用夾具 07 銑削 銑65兩端面 機加 X51 YG6硬質(zhì)合金端面銑刀和專用夾具 08 銑削 銑17的兩個槽 機加 X51 YG6硬質(zhì)合金立銑刀和專用夾具 09 銑削 粗銑、半精銑、精銑?60圓弧，倒角C2.5 機加 X62 YG6硬質(zhì)合金成形銑刀和專用夾具 10 去毛刺 去毛刺 11 質(zhì)檢入庫 檢驗至圖紙要求、入庫 描 圖 描 校 底圖號 編制日期 審核日期 會簽日期 班 級 姓 名 裝訂號 標記 處數(shù) 更改文件號 簽字 日期 標記 處數(shù) 更改文件號 簽字 日期 66 蘇州科技學院本科生畢業(yè)設計（論文） 軸承座工藝規(guī)程制定與夾具設計 摘 要 本次設計內(nèi)容涉及了機械制造工藝及機床夾具設計、金屬切削機床、公差配合與測量等多方面的知識。 軸承座加工工藝規(guī)程及其鉆2-?13孔、銑?60圓弧的夾具設計是包括零件加工的工藝設計、工序設計以及專用夾具的設計三部分。在工藝設計中要首先對零件進行分析，了解零件的工藝再設計出毛坯的結構，并選擇好零件的加工基準，設計出零件的工藝路線；接著對零件各個工步的工序進行尺寸計算，關鍵是決定出各個工序的工藝裝備及切削用量；然后進行專用夾具的設計，選擇設計出夾具的各個組成部件，如定位元件、夾緊元件、引導元件、夾具體與機床的連接部件以及其它部件；計算出夾具定位時產(chǎn)生的定位誤差，分析夾具結構的合理性與不足之處，并在以后設計中注意改進。 關鍵字：軸承座、加工工藝、專用夾具 III The Establishment of the Technical Schedule of the Gear Shift Fork and the Fixture Design Abstract This design involves the machinery manufacturing process and fixture design, metal cutting machine tool, tolerance and measurement and other aspects of knowledge. Fixture design process planning for bearing seat and drill 13 holes, ?60 arc milling is designed to include part machining process design, process design and fixture three. In the process of design should first of all parts for analysis, to understand the parts of the process to design blank structure, and choose the good parts machining datum, design a part of the process route; then the parts of each step of the process dimension calculation, is the key to determine the process equipment and cutting the amount of each working procedure design; then the special fixture fixture design, selection of the various components, such as the connecting part positioning element, clamping elements, guiding elements, fixture and machine tools and other components; the positioning errors calculated fixture positioning, analysis the rationality and shortcoming of the fixture structure, pay attention to improve and design in later. Key words: bearings; manufacturing technology; special fixture 目錄 第一章 緒論 1 1．1 引言 1 1．2 研究內(nèi)容 1 1．3 軸承座常見問題及解決 2 1．4 機械加工工藝規(guī)程 2 1．5 機械加工工藝規(guī)程的設計原則 3 1．6 機床夾具的工作原理及設計步驟 3 1．6．1 機床夾具的工作原理 3 1．6．2 機床夾具的設計步驟 3 第二章 工藝規(guī)程制定 4 2．1 毛坯的制造 4 2．2 零件的加工分析 4 2．3 定位基準的選擇 4 2．3．1 精基準的選擇 4 2．3．2 粗基準的選擇 5 2．4 擬定工藝路線 5 2．5 加工余量、工序尺寸、公差和毛坯尺寸的確定 7 2．6 確定切削用量及基本工時 8 2．7 本章小結 17 第三章 軸承座的專用夾具設計 18 3．1 鉆床夾具設計 18 3．2 銑床夾具設計 22 3．3 本章小結 24 結 論 25 致 謝 26 參考文獻 27 第一章 緒論 1．1 引言 軸承座引是一種可以接受綜合載荷、構造特別的大型和特大型軸承座，請求具有構造緊湊、回轉靈敏、裝置維護方便等特點。軸承座有下列明顯特征： 1.外形尺寸 直徑通常為0.4cm～10m，最大可達40cm。 2.承載才能高 普通可一同接受軸向載荷、徑向載荷和傾覆力矩載荷。 3.轉速低 任務轉速低于10r/min，而且少數(shù)狀況下不做陸續(xù)回轉，僅在一定角度內(nèi)轉動，做擺動運動。 4.帶有軸承座裝置孔 可用螺釘將其緊固在上、下支座上。 5.無中樞軸 內(nèi)圈或外圈上帶有旋轉驅(qū)動用齒輪。 6.帶光滑油孔和密封安裝。 1．2 研究內(nèi)容 機械加工工藝規(guī)程是指規(guī)定產(chǎn)品或零部件制造工藝過程和操作方法等的工藝文件。 制訂工藝規(guī)程的原則是保證圖樣上規(guī)定的各項技術要求，有較高的生產(chǎn)效率，技術先進，經(jīng)濟效益高，勞動條件良好。 制訂工藝規(guī)程的程序： 1、 計算生產(chǎn)綱領，確定生產(chǎn)類型 2、 分析產(chǎn)品裝配圖，對零件圖樣進行工藝審查 3、 確定毛坯種類、形狀、尺寸及精度 4、 制訂工藝路線 5、 進行工序設計（確定各工序加工余量、切削用量、工序尺寸及公差、選擇工藝裝備，計算時間定額等。） 1．3 軸承座常見問題及解決 磨損問題 磨損作為軸承座最為常見的問題，軸承座磨損現(xiàn)象也時常發(fā)生。 修復方法 傳統(tǒng)的方法一般采用堆焊后機加工來進行修復，而堆焊會使部件表面達到很高溫度，造成部件變形或產(chǎn)生裂紋，通過機加工獲取尺寸造成停機時間的大大延長。而采用高分子復合材料進行現(xiàn)場修復，既無熱影響，修復厚度也不受限制，產(chǎn)品所具有的耐磨性及金屬材料不具備的退讓性，確保修復部位百分百的接觸配合，降低設備的沖擊震動，避免磨損的可能性。現(xiàn)場修復，避免機加工的方法，為企業(yè)節(jié)省大量的停機時間，創(chuàng)造巨大的生產(chǎn)產(chǎn)值。 修復過程 非常簡單，一般只需四步： 1. 表面處理，將需修復軸承座表面除油污、除潮氣 2. 調(diào)和修復材料 3. 等待材料固化，可適當加熱材料表面加速材料固化 一般的軸承座磨損在3-6小時即可修復完成，操作簡單易學、無需特殊設備和專門訓練、相比激光焊、冷焊等“先進”技術省時省力，費用僅為一般修復費用的1/5-1/10，現(xiàn)場修復更是減少了設備維修時間和運輸費用。 1．4 機械加工工藝規(guī)程 制訂工藝規(guī)程的原則是保證圖樣上規(guī)定的各項技術要求，有較高的生產(chǎn)效率，技術先進，經(jīng)濟效益高，勞動條件良好。 制訂工藝規(guī)程的程序： 6、 計算生產(chǎn)綱領，確定生產(chǎn)類型 7、 分析產(chǎn)品裝配圖，對零件圖樣進行工藝審查 8、 確定毛坯種類、形狀、尺寸及精度 9、 制訂工藝路線 10、 進行工序設計（確定各工序加工余量、切削用量、工序尺寸及公差、選擇工藝裝備，計算時間定額等。） 1．5 機械加工工藝規(guī)程的設計原則 設計機械加工工藝規(guī)程應遵循如下原則： 1） 可靠地保證零件圖樣上所有技術要求的實現(xiàn)。在設計機械加工工藝規(guī)程時，如果發(fā)現(xiàn)圖樣上某一技術要求規(guī)定得不適當，只能向有關部門提出建議，不得擅自修改圖樣或不按圖樣上的要求去做。 2） 必須能滿足生產(chǎn)綱領的要求。 3） 在滿足技術要求和生產(chǎn)綱領要求的前提下，一般要求工藝成本最低。 4） 盡量減輕工人的勞動強度，保障生產(chǎn)安全。 1．6 機床夾具的工作原理及設計步驟 1．6．1 機床夾具的工作原理 工件通過定位元件在夾具中占有正確位置；工件和夾具通過連接元件在機床上占有正確位置；工件和夾具通過對刀、引導元件相對刀具占有正確位置，從而保證工件相對機床位置正確、工件相對刀具位置正確，最終保證滿足工件加工要求。 1．6．2 機床夾具的設計步驟 1、明確設計任務，收集研究設計的原始資料 2、確定夾具結構方案，繪制結構草圖 3、繪制夾具總圖 4、標注總圖尺寸、公差與配合和技術條件 5、編寫零件明細表 6、繪制夾具零件圖 28 第二章 工藝規(guī)程制定 2．1 毛坯的制造 零件材料為HT200，由于零件成批生產(chǎn)，而且零件的輪廓尺寸不大，選用砂型鑄造，采用機械翻砂造型，鑄造精度為2級，能保證鑄件的尺寸要求，這從提高生產(chǎn)率和保證加工精度上考慮也是應該的。 2．2 零件的加工分析 要對該零件的槽、平面和孔進行加工。具體加工要求如下： 90mm的槽 粗糙度6.3 60mm的圓弧槽 粗糙度1.6 65mm的兩端面 粗糙度6.3 工件底面 粗糙度12.5 工件頂面 粗糙度12.5 2-13mm的孔 粗糙度12.5 寬17的兩個槽 粗糙度12.5 對其加工的技術要求： 1.未注圓角半徑R2～R5。 2.鑄件上的型砂、芯砂和芯骨應清除干凈。 3.零件加工表面上，不應有劃痕、擦傷等損傷零件表面的缺陷。 4.銳角倒鈍。 2．3 定位基準的選擇 定位基準有粗基準和精基準，通常先確定精基準，然后再確定粗基準。 2．3．1 精基準的選擇 選擇精基準時要考慮的主要問題是如何保證設計技術要求的實現(xiàn)以及裝夾準確、可靠、方便。 1） 用設計基準作為定位基準，實現(xiàn)“基準重合”，以免產(chǎn)生基準不重合誤差。 2） 當工件以某一組精基準定位可以較方便地加工很多表面時，應盡可能采用此組精基準定位，實現(xiàn)“基準統(tǒng)一”，以免生產(chǎn)基準轉換誤差。 3） 當精加工或光整加工工序要求加工余量盡量小而均勻時，應選擇加工表面本身作為精基準，即遵循“自為基準”原則。該加工表面與其他表面間的位置精度要求由先行工序保證。 4） 為獲得均勻的加工余量或較高 的位置精度，可遵循“互為基準”、反復加工的原則。 5） 有多種方案可供選擇時應選擇定位準確、穩(wěn)定、夾緊可靠，可使夾具結構簡單的表面作為精基準。 根據(jù)該軸承座零件的技術要求和裝配要求，選擇軸承座的2-13mm孔作為精基準，零件上有很多表面都可以采用它作為基準進行加工，即遵循“基準統(tǒng)一”原則。 2．3．2 粗基準的選擇 1）如果必須首先保證工件上加工表面與不加工表面 之間的位置要求，應以不加工表面作為粗基準。如果在工件上有很多不需加工的表面，則應以其中與加工面位置精度要求較高的表面作粗基準。 2）如果必須首先保證工件某重要表面的加工余量均勻，應選擇該表面作精基準。 3）如需保證各加工表面都有足夠的加工余量，應選加工余量較小的表面作粗基準。 4）選作粗基準的表面應平整，沒有澆口、冒口、飛邊等缺陷，以便定位可靠。 5）粗基準一般只能使用一次，特別是主要定位基準，以免產(chǎn)生較大的位置誤差。 此設計選擇軸承座頂面、及其兩側面作為粗基準。 2．4 擬定工藝路線 制訂工藝路線的出發(fā)點，應當是使零件的幾何形狀、尺寸精度及位置精度等技術要求能得到合理的保證。在生產(chǎn)綱領已確定為成批生產(chǎn)的條件下，可以考慮采用萬能型機床配以專用夾具，并盡量使工序集中在提高生產(chǎn)率。除此以外，還應當考慮經(jīng)濟效果，以便使生產(chǎn)成本盡量降下來。 工藝方案一： 工序1 鑄造 工序2 人工時效 工序3 銑工件底面 工序4 銑工件頂面 工序5 銑90mm的槽 工序6 鉆2-13mm孔 工序7：銑65兩端面 工序8 銑兩個寬17的槽 工序9粗銑、半精銑、精銑?60圓弧，倒角C2.5 工序10 去毛刺 工序11 檢驗至圖紙要求并入庫 工藝方案二： 工序1 鑄造 工序2 人工時效 工序3 銑工件底面 工序4 銑工件頂面 工序5 銑90mm的槽 工序6銑65兩端面 工序7銑兩個寬17的槽 工序8粗銑、半精銑、精銑?60圓弧，倒角C2.5 工序9鉆2-13mm孔 工序10 去毛刺 工序11 檢驗至圖紙要求并入庫 工藝方案的比較與分析： 上述兩個方案的差別在于，方案一把2-13mm孔的加工放得相對靠前，方案二則相反，采用方案一的好處在于，2-13mm孔早早加工出來，為后面工序的加工，提供了定位基準，節(jié)約了后序加工的工時及夾具設計的難度，故采用方案一。 2．5 加工余量、工序尺寸、公差和毛坯尺寸的確定 “軸承座”零件材料為HT200，重量為1.5Kg，生產(chǎn)類型為大批量生產(chǎn)，采用砂型機鑄造毛坯。 根據(jù)上述原始資料及加工工藝，分別確定各個加工表面的機械加工余量，工序尺寸及毛坯尺寸如下： 1. 90mm的槽 槽的寬度為90mm，根據(jù)《機械制造工藝設計簡明手冊》表2.2-4，確定其精度等級為CT9，加工余量等級MA-E，再查表1.4-8，確定其加工方案為粗銑，所以此槽的余量Z=2.0mm已能滿足加工要求。 2. 60mm的圓弧槽 槽的寬度為60mm，根據(jù)《機械制造工藝設計簡明手冊》表2.2-4，確定其精度等級為CT9，加工余量等級MA-E，再查表1.4-8，確定其加工方案為粗銑——半精銑——精銑，所以此槽的余量Z=2.0mm已能滿足加工要求。 粗銑 加工余量Z=1.5mm 半精銑 加工余量Z=0.4mm 精銑 加工余量Z=0.1mm 3. 65mm的兩端面 65mm的兩端面，根據(jù)《機械制造工藝設計簡明手冊》表2.2-4，確定其精度等級為CT9，加工余量等級MA-E，再查表1.4-8，確定其加工方案為粗銑，所以65mm的兩端面的余量Z=2.0mm已能滿足加工要求。 4.工件底面 工件底面，根據(jù)《機械制造工藝設計簡明手冊》表2.2-4，確定其精度等級為CT9，加工余量等級MA-E，再查表1.4-8，確定其加工方案為粗銑，所以此工件底面的余量Z=2.0mm已能滿足加工要求。 5. 工件頂面 工件頂面，根據(jù)《機械制造工藝設計簡明手冊》表2.2-4，確定其精度等級為CT9，加工余量等級MA-E，再查表1.4-8，確定其加工方案為粗銑，所以此工件頂面的余量Z=2.0mm已能滿足加工要求。 6. 2-13mm的孔 孔的尺寸不大于30，很難鑄造成型，采用實心鑄造。 7. 寬17的兩個槽 寬17的兩個槽，尺寸不大，采用實心鑄造。 8.其他不加工表面 不加工表面毛坯按照零件圖給定尺寸為自由度公差，由鑄造可直接獲得。 2．6 確定切削用量及基本工時 工序1 鑄造 工序2 人工時效 工序3 銑工件底面 1. 計算切削用量 （1） 背吃刀量的確定：選取=2mm。 （2） 進給量的確定： 根據(jù)《機械制造工藝設計簡明手冊》，查表1.4-8，按表明粗糙度6.3um的條件進行選取，該工序的每轉進給量取為0.2mm/z。 （3） 銑削速度的計算： 根據(jù)《機械制造工藝設計簡明手冊》，查表5-9，根據(jù)YG6硬質(zhì)合金端面銑刀、=、==0.2mm/z的條件選取，銑削速度v選取為300m/min。將選取的切削速度v代入公式=1000，可以求的銑刀轉速=（1000300m/min）/（80mm）=1194.3r/min，根據(jù)《機械制造工藝設計簡明手冊》表4-14，選取X51型立式銑床，查找表4-15立式銑床主軸轉速中所列出的X51型立式銑床的主軸轉速，與1194.3r/min相近的機床轉速為1000r/ min和1200r/min，現(xiàn)選取轉速=1200r/ min。將此轉速代入公式=1000，求出該工序的實際銑削速度v=nd/1000=（1200r/ min80mm）/1000=301.4m/min。 2. 時間定額的計算 （1） 基本時間的計算： 根據(jù)《機械制造工藝設計簡明手冊》，表5-43中的YG6硬質(zhì)合金端面銑刀的基本時間計算公式，可以求出該工序的基本時間。 基本時間計算公式：= 式中 當主偏角=90°時： =0.5（-）+（1～3） =1～3 =n=Zn 式中=55+40+55=150mm，=1～3mm,選取=2mm =0.5（-）+（1～3）=[0.5（80-）+1]mm=1.2mm =n=Zn=0.2mm/r1200r/min=240mm/min。 將上述結果代入公式=， 算出該工序的基本時間==0.638min （2） 輔助時間的計算 輔助時間與基本時間之間的關系為=（0.15～0.2），這邊選取=0.15，所以此工序的輔助時間為=0.15=0.150.638min=0.096min 總結：經(jīng)過以上的計算，得出背吃刀量=2mm；每轉進給量=0.2mm/z；機床轉速n=1200r/ min；實際銑削速度v=301.4m/min；基本時間=0.638；輔助時間=0.096min。 工序4 銑工件頂面 1. 計算切削用量 （1） 背吃刀量的確定：選取=2mm。 （2） 進給量的確定： 根據(jù)《機械制造工藝設計簡明手冊》，查表1.4-8，按表明粗糙度6.3um的條件進行選取，該工序的每轉進給量取為0.2mm/z。 （3） 銑削速度的計算： 根據(jù)《機械制造工藝設計簡明手冊》，查表5-9，根據(jù)YG6硬質(zhì)合金端面銑刀、=、==0.2mm/z的條件選取，銑削速度v選取為300m/min。將選取的切削速度v代入公式=1000，可以求的銑刀轉速=（1000300m/min）/（80mm）=1194.3r/min，根據(jù)《機械制造工藝設計簡明手冊》表4-14，選取X51型立式銑床，查找表4-15立式銑床主軸轉速中所列出的X51型立式銑床的主軸轉速，與1194.3r/min相近的機床轉速為1000r/ min和1200r/min，現(xiàn)選取轉速=1200r/ min。將此轉速代入公式=1000，求出該工序的實際銑削速度v=nd/1000=（1200r/ min80mm）/1000=301.4m/min。 2. 時間定額的計算 （1） 基本時間的計算： 根據(jù)《機械制造工藝設計簡明手冊》，表5-43中的YG6硬質(zhì)合金端面銑刀的基本時間計算公式，可以求出該工序的基本時間。 基本時間計算公式：= 式中 當主偏角=90°時： =0.5（-）+（1～3） =1～3 =n=Zn 式中=120-90=30mm，=1～3mm,選取=2mm =0.5（-）+（1～3）=[0.5（80-）+1]mm=1.2mm =n=Zn=0.2mm/r1200r/min=240mm/min。 將上述結果代入公式=， 算出該工序的基本時間==0.138min （2） 輔助時間的計算 輔助時間與基本時間之間的關系為=（0.15～0.2），這邊選取=0.15，所以此工序的輔助時間為=0.15=0.150.138min=0.021min 總結：經(jīng)過以上的計算，得出背吃刀量=2mm；每轉進給量=0.2mm/z；機床轉速n=1200r/ min；實際銑削速度v=301.4m/min；基本時間=0.138；輔助時間=0.021min。 工序5 銑90mm的槽 1. 計算切削用量 （1） 背吃刀量的確定： 根據(jù)《機械制造工藝設計簡明手冊》，查表2.2-4，選取加工余量=2mm,故背吃刀量=2mm。 （2） 進給量的確定： 根據(jù)《機械制造工藝設計簡明手冊》，查表1.4-8，按表明粗糙度6.3um的條件進行選取，該工序的每轉進給量取為0.2mm/z。 （3） 銑削速度的計算： 根據(jù)《機械制造工藝設計簡明手冊》，查表5-9，根據(jù)YG6硬質(zhì)合金三面刃銑刀、=的條件選取，銑削速度v選取為300m/min。將選取的切削速度v代入公式=*1000，可以求的銑刀轉速=（1000300）m/min/（100mm）=955.4r/min，根據(jù)《機械制造工藝設計簡明手冊》表4-14，選取X62型臥式銑床，查找表4-15臥式銑床主軸轉速中所列出的X62型臥式銑床的主軸轉速，與955.4r/min相近的機床轉速為850r/ min和1000r/min，現(xiàn)選取轉速=1000r/ min。將此轉速代入公式=*1000，求出該工序的實際銑削速度v=nd/1000=（1000r/ min100mm）/1000=314m/min。 2. 時間定額的計算 （1） 基本時間的計算： 根據(jù)《機械制造工藝設計簡明手冊》，表5-43中的三面刃銑刀的基本時間計算公式，可以求出該工序的基本時間。 基本時間計算公式：= 式中 =+（1～3） =2～5 =n=Zn =1，即一次銑削刀規(guī)定深度 式中=65；=2～5mm,選取=2mm =+（1～3）=+1=10.95mm =n =0.2mm1000r/min=200mm/min。 將上述結果代入公式=， 算出該工序的基本時間==0.390min （2） 輔助時間的計算 輔助時間與基本時間之間的關系為=（0.15～0.2），這邊選取=0.15，所以此工序的輔助時間為=0.15=0.150.390min=0.058min 總結：經(jīng)過以上的計算，得出背吃刀量=2mm；每轉進給量=0.2mm/z；機床轉速n=1000r/ min；實際銑削速度v=314m/min；基本時間=0.390min；輔助時間=0.058min 工序6 鉆2-13mm孔 1、計算切削用量 1） 背吃刀量的確定： 根據(jù)《機械制造工藝設計簡明手冊》，查表2-28，鉆孔直徑=13mm，所以背吃刀量=13mm。 2） 進給量的確定： 根據(jù)《機械制造工藝設計簡明手冊》，查表5-22，選取此工步的每轉進給量=0.2mm/r。 3） 切削速度的計算： 根據(jù)《機械制造工藝設計簡明手冊》，查表5-22，按工件材料為HT200的條件選取，切削速度可以取為50m/min。將此速度代入公式=1000，可以算出該工序的鉆頭轉速=（50 m/min 1000）/(13mm)=1224.9r/min，參照《機械制造工藝設計簡明手冊》表4-10，根據(jù)=0.2mm/r的條件選取型號為Z525的立式鉆床，再查表4-9所列出的Z525型立式鉆床的主軸轉速，與=1224.9r/min相近的機床轉速為1200r/ min和1500r/min，現(xiàn)選取轉速=1200r/ min。再將此轉速代入公式=1000，可以求出該工序的實際鉆削速度v=n/1000=（1200r/ min13mm）/1000=49.0m/min。 2. 時間定額的計算 （1） 基本時間的計算： 1） 鉆孔工步 根據(jù)《機械制造工藝設計簡明手冊》表5-41中的鉆孔和鉆中心孔的基本時間計算公式，可以求出該工序的基本時間。 基本時間計算公式：== 式中 =cot+（1～2） =1～4 其中=55mm；=2mm；=cot+（1～2）=cot54°+1mm=5.7mm； =0.2mm/r；n=1200r/ min。 將上述結果代入公式==， 則該工序的基本時間==0.261min （2） 輔助時間的計算 輔助時間與基本時間之間的關系為=（0.15～0.2），這邊選取=0.15，所以此工序的輔助時間為=0.15=0.150.261min=0.039min 總結：經(jīng)過以上的計算，得出單邊背吃刀量=6.5 mm；每轉進給量=0.2mm/z；機床轉速n=1200r/ min；實際銑削速度v=49.0m/min；基本時間=0.261min；輔助時間=0.039min 工序7 銑兩個寬17的槽 1. 計算切削用量 （1） 背吃刀量的確定： 根據(jù)《機械制造工藝設計簡明手冊》，查表2.2-4，選取加工余量=2mm,故背吃刀量=2mm。 （2） 進給量的確定： 根據(jù)《機械制造工藝設計簡明手冊》，查表1.4-8，按表明粗糙度6.3um的條件進行選取，該工序的每轉進給量取為0.2mm/z。 （3） 銑削速度的計算： 根據(jù)《機械制造工藝設計簡明手冊》，查表5-9，根據(jù)YG6硬質(zhì)合金立銑刀、=的條件選取，銑削速度v選取為50m/min。將選取的切削速度v代入公式=1000，可以求的銑刀轉速=（100050）m/min/（17mm）=936.6r/min，根據(jù)《機械制造工藝設計簡明手冊》表4-14，選取X51型立式銑床，查找表4-15立式銑床主軸轉速中所列出的X51型立式銑床的主軸轉速，與936.6r/min相近的機床轉速為850r/ min和1000r/min，現(xiàn)選取轉速=1000r/ min。將此轉速代入公式=1000，求出該工序的實際銑削速度v=nd/1000=（1000r/ min17mm）/1000=53.4m/min。 2. 時間定額的計算 （1） 基本時間的計算： 根據(jù)《機械制造工藝設計簡明手冊》，表5-43中的YG6硬質(zhì)合金立銑刀的基本時間計算公式，可以求出該工序的基本時間。 基本時間計算公式：= 式中 =+（1～3） =2～5 =n=Zn =n，即多次銑削刀規(guī)定深度 式中=40；=2～5mm,選取=2mm =+（1～3）=+1=5mm =n =0.2mm1000r/min=200mm/min。 將上述結果代入公式=， 算出該工序的基本時間==0.235min （2） 輔助時間的計算 輔助時間與基本時間之間的關系為=（0.15～0.2），這邊選取=0.15，所以此工序的輔助時間為=0.15=0.150.235min=0.035min 總結：經(jīng)過以上的計算，得出背吃刀量=2mm；每轉進給量=0.2mm/z；機床轉速n=1000r/ min；實際銑削速度v=53.4m/min；基本時間=0.235min；輔助時間=0.035min 工序8粗銑、半精銑、精銑?60圓弧，倒角C2.5 1. 計算切削用量 （1） 背吃刀量的確定： 根據(jù)《機械制造工藝設計簡明手冊》，查表2.2-4，選取加工余量=2mm,故背吃刀量=2mm。 （2） 進給量的確定： 根據(jù)《機械制造工藝設計簡明手冊》，查表1.4-8，按表明粗糙度6.3um的條件進行選取，該工序的每轉進給量取為0.2mm/z。 （3） 銑削速度的計算： 根據(jù)《機械制造工藝設計簡明手冊》，查表5-9，根據(jù)YG6硬質(zhì)合金立銑刀、=的條件選取，銑削速度v選取為200m/min。將選取的切削速度v代入公式=1000，可以求的銑刀轉速=（1000200）m/min/（60mm）=1061.6r/min，根據(jù)《機械制造工藝設計簡明手冊》表4-14，選取X62型臥式銑床，查找表4-15臥式銑床主軸轉速中所列出的X62型臥式銑床的主軸轉速，與1061.6r/min相近的機床轉速為1000r/ min和1200r/min，現(xiàn)選取轉速=1000r/ min。將此轉速代入公式=1000，求出該工序的實際銑削速度v=nd/1000=（1000r/ min60mm）/1000=188.4m/min。 2. 時間定額的計算 （1） 基本時間的計算： 根據(jù)《機械制造工藝設計簡明手冊》，表5-43中的YG6硬質(zhì)合金成形銑刀的基本時間計算公式，可以求出該工序的基本時間。 基本時間計算公式：= 式中 =+（1～3） =2～5 =n=Zn =n，即多次銑削刀規(guī)定深度 式中=17.5mm+17.5mm=35mm；=2～5mm,選取=2mm =+（1～3）=+1=8.68mm =n =0.2mm1000r/min=200mm/min。 將上述結果代入公式=， 算出該工序的基本時間==0.685min （2） 輔助時間的計算 輔助時間與基本時間之間的關系為=（0.15～0.2），這邊選取=0.15，所以此工序的輔助時間為=0.15=0.150.685min=0.103min 總結：經(jīng)過以上的計算，得出背吃刀量=2mm；每轉進給量=0.2mm/z；機床轉速n=1000r/ min；實際銑削速度v=188.4m/min；基本時間=0.685min；輔助時間=0.103min 工序9 去毛刺 工序10 檢驗至圖紙要求并入庫 2．7 本章小結 本章主要是對軸承座的加工工藝進行制定。首先，要明確毛坯的形狀，需要加工的工序及技術要求，明確加工時工序定位基準的原則，然后擬定工件加工的工藝路線，制定多套方案，然后進行比較選擇最優(yōu)的一套。接著就可以確定工件的加工余量、工序尺寸、公差和時間定額，并且制作機械加工工序卡片。加工工藝是否合理，直接影響著最后工件的質(zhì)量，所以對加工工藝的制定是十分重要的。 第三章 軸承座的專用夾具設計 機床夾具的作用： （1） 保證加工精度 機床專用夾具可以準確的確定工件、刀具和機床之間的相對位置，可以保證零件的加工精度。 （2） 提高生產(chǎn)效率 機床專用夾具可以快速的將工件進行定位和夾緊，減少加工時的輔助時間。 （3） 減輕勞動強度 采用機械、氣動、液動等夾緊機構，可以減輕工人的勞動強度。 （4） 擴大機床的工藝范圍 利用機床專用夾具，可以擴大機床的加工范圍。 專用機床夾具的組成：專用機床夾具由定位元件、夾緊裝置、對刀導向元件、夾具聯(lián)接元件、其他元件及裝置和夾具體組成。 機床專用夾具設計的步驟： 1、明確設計任務，收集研究設計的原始資料 （1） 分析零件圖和工序圖 （2） 了解本工序使用的機床和刀具 （3） 熟悉夾具設計用的國家標準、行業(yè)標準和企業(yè)標準 （4） 了解夾具的典型結構 2、確定夾具結構方案，繪制結構草圖 3、繪制夾具總圖 4、標注總圖尺寸、公差與配合和技術條件 5、編寫零件明細表 6、繪制夾具零件圖 3．1 鉆床夾具設計 需要設計加工2-13孔的專用夾具，為使所設計的夾具能保證加工要求和獲得良好的技術經(jīng)濟效果，需要研究解決下列問題。 （1） 工件的加工工藝分析 該工件結構形狀比較的不規(guī)則，待加工的孔的表面粗糙度比較低，且其中13為孔深L/D=4.23，故工藝規(guī)程中只需一步鉆削即可滿足加工要求。依靠所設計的鉆模來保證孔的位置精度如下： 1） 待加工的2-13孔中心線距為85mm； 2） 待加工的13孔距工件底面的距離為20mm。 （2） 定位方案和定位元件的設計 在進入本工序加工前，上端的槽和工件底面、頂面均已達到加工要求，故為定位基準的選擇提供了有利條件。由于待加工兩孔的位置精度在X、Y、Z坐標上有要求，所以應該采用完全定位方法來限制工件的自由度。故兩種定位方案如下： 圖3.1 軸承座零件圖 以工件底面及兩個側面作為定位基準，限制工件的六個自由度，實現(xiàn)完全定位。優(yōu)點是工件安裝穩(wěn)定，且定位基準和設計基準重合。 （3） 夾緊方案及夾緊裝置的設計 根據(jù)夾緊力應朝向主要定位基準，并使其作用點落在工件剛性較好的部位的原則，可選用鉤形壓板，使夾緊力作用在R20端面上，夾緊力方向與2-13孔中心線方向相同。工件底面放在夾具體上面，來承受鉆孔時的軸向分力。對于鉆削時所產(chǎn)生的轉矩，一方面依靠鉤形壓板的夾緊力所產(chǎn)生的摩擦阻力矩來平衡；另一方面則由擋銷的阻擋作用來抵消。以上兩組元件共同承受鉆削時的轉矩。 （4） 導向元件、夾具體及鉆模整體設計 由于待加工孔精度不高，只需一步鉆削即可滿足要求，生產(chǎn)批量為大批量生產(chǎn)，故鉆套選用可換鉆套。鉆模板和夾具體是兩件，通過銷釘固定在夾具體上，在裝配時要注意保證鉆套軸線與定位元件的位置尺寸關系。 以上各種元件的結構和布置，基本上解決了夾具體和鉆模整體結構形成框架式，剛性較好。 （5） 誤差分析 1） 定位誤差 工序基準和定位基準都是工件底面，基準重合，所以定位誤差=0。 2） 對刀誤差 —鉆模板底孔至定位元件的尺寸公差0mm —鉆套內(nèi)外圓的同軸度0.015 —刀具與鉆套的最大配合間隙0.02mm —刀具在鉆套中的偏斜值， B—工件孔的長度 S—鉆模板與工件表面的距離 H—鉆模板的高度 =0.041mm 因孔沒有任何位置度要求，以上誤差分析說明此夾具保證加工精度。 圖3.2 鉆軸承座孔鉆模 （6） 確定夾具總圖的技術要求 夾具總圖上須標注夾具外形的最大輪廓尺寸400mm250mm156mm，工件輪廓線及加工部位網(wǎng)狀線以及重要配合和行位公差要求等。必要時可用誤差不等式對鉆孔精度進行分析。 圖3.3鉆軸承座孔裝配圖 3．2 銑床夾具設計 （1） 工件加工工藝分析 根據(jù)加工工藝規(guī)程銑?60mm圓弧，其他定位表面都已經(jīng)加工好了，本工序的加工要求是： 1）圓弧尺寸?60mm。 2） 加工后的表面粗糙度要達到Ra1.6。 （2） 定位方案及定位元件的設計 工件以2-13mm孔及工件底面作為定位基準，也即是經(jīng)典的一面兩銷定位，工件被限制六個自由度，完全定位。優(yōu)點是工件安裝穩(wěn)定，且定位基準和設計基準重合。 （3） 夾緊方案及夾緊裝置的設計 根據(jù)夾緊力方向和作用點確定的原則，要使工件在夾具體上夾緊，須設計如圖3.4所示的裝置，來對工件進行壓緊。 圖3.4 工件的夾緊方案 （4） 導向?qū)Φ斗桨讣皧A具總體設計 1） 對刀方案：采用直角對刀塊，配以3mm塞尺對好銑刀位置。 2） 夾具體及其在機床上的安裝：當進行夾具整體結構設計時，在滿足銑切加工要求的前提下應盡量使各種裝置布置的緊湊些；為了提高銑床夾具在機床上安裝的穩(wěn)固性，應盡量降低夾具的重心，并防止變形和振動。 （5） 夾具總圖上的尺寸、公差和技術要求 圖3.5 銑軸承座?60mm圓弧的夾具圖 1） 夾具最大輪廓尺寸為420mm200mm83mm。 （6） 誤差分析 (1)移動時基準位移誤差 （式5-5） 式中： ———— 圓柱銷孔的最大偏差 ———— 圓柱銷孔的最小偏差 ————圓柱銷定位孔與定位銷最小配合間隙 代入（式5-5）得： = = (2) 轉角誤差 （式5-6） 式中： ———— 圓柱銷孔的最大偏差 ———— 圓柱銷孔的最小偏差 ———— 圓柱銷定位孔與定位銷最小配合間隙 ———— 削邊銷孔的最大偏差 ———— 削邊銷孔的最小偏差 ———— 削邊銷定位孔與定位銷最小配合間隙 其中： 則代入（式5-6）得： 則： 為了使夾具體與機床有一個正確的位置，必須要有定位裝置，這個夾具體用兩個定位鍵來保證他們之間的位置。 3．3本章小結 本章節(jié)是對工件加工時所需的專用夾具的設計，包括一個鉆床夾具和一個銑床夾具。對每個夾具的設計，首先都要對工件進行分析，明確工件的尺寸、公差和技術要求，明確工件在此夾具上的定位方案，夾緊方案，并對夾緊裝置進行設計，銑床夾具和鉆床夾具中，還要分別對對刀塊和鉆套、鉆模板進行選擇，并且畫出夾具的三視圖，最后還要對專用夾具的精度進行分析，確定夾具能夠保證工件加工時的精度。 結 論 畢業(yè)設計即將結束了，時間雖然短暫但是它對我們來說受益菲淺的，通過這次的設計使我們不再是只知道書本上的空理論，不再是紙上談兵，而是將理論和實踐相結合進行實實在在的設計，使我們不但鞏固了理論知識而且掌握了設計的步驟和要領，使我們更好的利用圖書館的資料，更好的更熟練的利用我們手中的各種設計手冊和AUTOCAD等制圖軟件，為我們踏入社會打下了好的基礎。 畢業(yè)設計使我們認識到了只努力的學好書本上的知識是不夠的，還應該更好的做到理論和實踐的結合。因此同學們非常感謝老師給我們的辛勤指導，使我們學到了好多，也非常珍惜學院給我們的這次設計的機會，它將是我們踏入社會的關鍵一步。 致 謝 這次畢業(yè)設計使我收益不小，為我今后的學習和工作打下了堅實和良好的基礎。但是，查閱資料尤其是在查閱切削用量手冊時，數(shù)據(jù)存在大量的重復和重疊，由于經(jīng)驗不足，在選取數(shù)據(jù)上存在一些問題，不過我的指導老師每次都很有耐心地幫我提出寶貴的意見，在我遇到難題時給我指明了方向，最終我很順利的完成了畢業(yè)設計。 這次設計成績的取得，與指導老師的細心指導是分不開的。在此，我衷心感謝我的指導老師，特別是每次都放下他的休息時間，耐心地幫助我解決技術上的一些難題，他嚴肅的科學態(tài)度，嚴謹?shù)闹螌W精神，精益求精的工作作風，深深地感染和激勵著我。從課題的選擇到項目的最終完成，他都始終給予我細心的指導和不懈的支持。多少個日日夜夜，他不僅在學業(yè)上給我以精心指導，同時還在思想、生活上給我以無微不至的關懷，除了敬佩指導老師的專業(yè)水平外，他的治學嚴謹和科學研究的精神也是我永遠學習的榜樣，并將積極影響我今后的學習和工作。在此謹向指導老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意。 參 考 文 獻 1 周宏甫.機械制造技術基礎.北京：高等教育出版社，2004； 2 張普禮.機械加工工藝裝備.南京：東南大學出版社，1995； 3 哈爾濱工業(yè)大學，上海工業(yè)大學.機床夾具設計.上海：上海科學技術出版社，1989； 4 劉友才，肖繼德.機床夾具設計.北京：機械工業(yè)出版社，1997； 5 劉茂元.機械制造技術.北京：機械工業(yè)出版社，2001； 6 鄭修本.機械制造工藝學.北京：機械工業(yè)出版社，2000； 7 李慶余.機械制造裝備設計.北京：機械工業(yè)出版社，2003； 8 黃鶴汀.機械制造裝備.北京：機械工業(yè)出版社，2001； 9 劉守勇.機械制造工藝與機床夾具.北京：機械工業(yè)出版社，2004； 10 王先逵.機械加工工藝手冊.北京：機械工業(yè)出版社； 11 李昌年.機床夾具設計與制造.北京：機械工業(yè)出版社； 12 張德泉.機械制造裝備及其設計.天津：天津大學出版社； 13 鄒青.機械制造技術基礎課程設計指導教程. 北京：機械工業(yè)出版社； 14 吳拓，方瓊珊.機械制造工藝與機床夾具課程設計指導. 北京：機械工業(yè)出版