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編號(hào):
采用遺傳算法優(yōu)化加工夾具定位和加緊位置
Necmettin Kaya*
Department of Mechanical Engineering, Uludag University, Go¨ru¨kle, Bursa 16059, Turkey Received 8 July 2004; accepted 26 May 2005
Available online 6 September 2005
摘 要
工件變形的問(wèn)題可能導(dǎo)致機(jī)械加工中的空間問(wèn)題。支撐和定位器是用于減少工件彈性變形引起的誤差。支撐、定位器的優(yōu)化和夾具定位是最大限度的減少幾何在工件加工中的誤差的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。本文應(yīng)用夾具布局優(yōu)化遺傳算法(GAs)來(lái)處理夾具布局優(yōu)化問(wèn)題。遺傳算法的方法是基于一種通過(guò)整合有限的運(yùn)行于批處理模式的每一代的目標(biāo)函數(shù)值的元素代碼的方法,用于來(lái)優(yōu)化夾具布局。給出的個(gè)案研究說(shuō)明已開(kāi)發(fā)的方法的應(yīng)用。采用染色體文庫(kù)方法減少整體解決問(wèn)題的時(shí)間。已開(kāi)發(fā)的遺傳算法保持跟蹤先前的分析設(shè)計(jì),因此先前的分析功能評(píng)價(jià)的數(shù)量降低大約93%。結(jié)果表明,該方法的夾具布局優(yōu)化問(wèn)題是多模式的問(wèn)題。優(yōu)化設(shè)計(jì)之間沒(méi)有任何明顯的相似之處,雖然它們提供非常相似的表現(xiàn)。
關(guān)鍵詞:夾具設(shè)計(jì);遺傳算法;優(yōu)化
1. 引言
夾具用來(lái)定位和束縛機(jī)械操作中的工件,減少由于對(duì)確保機(jī)械操作準(zhǔn)確性的夾緊方案和切削力造成的工件和夾具的變形。傳統(tǒng)上,加工夾具是通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)法來(lái)設(shè)計(jì)和制造的,這是一個(gè)既造價(jià)高又耗時(shí)的制造過(guò)程。為確保工件按規(guī)定尺寸和公差來(lái)制造,工件必須給予適當(dāng)?shù)亩ㄎ缓蛫A緊以確保有必要開(kāi)發(fā)工具來(lái)消除高造價(jià)和耗時(shí)的反復(fù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。適當(dāng)?shù)墓ぜㄎ缓蛫A具設(shè)計(jì)對(duì)于產(chǎn)品質(zhì)量的精密度、準(zhǔn)確度和機(jī)制件的完飾是至關(guān)重要的。
從理論上說(shuō),3-2-1定位原則對(duì)于定位所有的棱柱形零件是很令人滿意的。該方法具有最大的剛性與最少量的夾具元件。從動(dòng)力學(xué)觀點(diǎn)來(lái)看定位零件意味著限制了自由移動(dòng)物體的六自由度(三個(gè)平動(dòng)自由度和三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度)。在零件下部設(shè)置三個(gè)支撐來(lái)建立工件在垂直軸方向的定位。在兩個(gè)外圍邊緣放置定位器旨在建立工件在水平x軸和y軸的定位。正確定位夾具的工件對(duì)于制造過(guò)程的全面準(zhǔn)確性和重復(fù)性是至關(guān)重要的。定位器應(yīng)該盡可能的遠(yuǎn)距離的分開(kāi)放置并且應(yīng)該放在任何可能的加工面上。放置的支撐器通常用來(lái)包圍工件的重力中心并且盡可能的將其分開(kāi)放置以維持其穩(wěn)定性。夾具夾子的首要任務(wù)是固定夾具以抵抗定位器和支撐器。不應(yīng)該要求夾子反抗加工操作中的切削力。
對(duì)于給定數(shù)量的夾具元件,加工夾具合成的問(wèn)題是尋找?jiàn)A具優(yōu)化布局或工件周圍夾具元件的位置。本篇文章提出一種優(yōu)化夾具布局遺傳算法。優(yōu)化目標(biāo)是研究一個(gè)二維夾具布局使工件不同位置上最大的彈性變形最小化。ANSYS程序以用于計(jì)算工件變形情況下夾緊力和切削力。本文給出兩個(gè)實(shí)例來(lái)說(shuō)明給出的方法。
2. 回顧相關(guān)工程結(jié)構(gòu)
最近幾年夾具設(shè)計(jì)問(wèn)題受到越來(lái)越多的重視。然而,很少有注意力集中于優(yōu)化夾具布局設(shè)計(jì)。Menassa和Devries用FEA計(jì)算變形量使設(shè)計(jì)準(zhǔn)則要求的位點(diǎn)的工件變形最小化。設(shè)計(jì)問(wèn)題是確定支撐器位置。Meyer和Liou提出一個(gè)方法就是使用線性編程技術(shù)合成動(dòng)態(tài)編程條件中的夾具。給出了使夾緊力和定位力最小化的解決方案。Li和Melkote用非線性規(guī)劃方法解決布局優(yōu)化問(wèn)題。這個(gè)方法使工件位置誤差最小化歸于工件的局部彈性變形。Roy和Liao開(kāi)發(fā)出一種啟發(fā)式方法來(lái)計(jì)劃最好的支撐和夾緊位置。Tao等人提出一個(gè)幾何推理的方法來(lái)確定最優(yōu)夾緊點(diǎn)和任意形狀工件的夾緊順序。Liao和Hu提出一種夾具結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)這個(gè)系統(tǒng)基于動(dòng)態(tài)模型分析受限于時(shí)變加工負(fù)載的夾具—工件系統(tǒng)。本文也調(diào)查了夾緊位置的影響。Li和Melkote提出夾具布局和夾緊力最優(yōu)合成方法幫我們解釋加工過(guò)程中的工件動(dòng)力學(xué)。本文提出一個(gè)夾具布局和夾緊力優(yōu)化結(jié)合的程序。他們用接觸彈性建模方法解釋工件剛體動(dòng)力學(xué)在加工期間的影響。Amaral等人用ANSYS驗(yàn)證夾具設(shè)計(jì)的完整性。他們用3-2-1方法。ANSYS提出優(yōu)化分析。Tan等人通過(guò)力鎖合、優(yōu)化與有限建模方法描述了建模、優(yōu)化夾具的分析與驗(yàn)證。
以上大部分的研究使用線性和非線性編程方式這通常不會(huì)給出全局最優(yōu)解決方案。所有的夾具布局優(yōu)化程序開(kāi)始于一個(gè)初始可行布局。這些方法給出的解決方案在很大程度上取決于初始夾具布局。他們沒(méi)有考慮到工件夾具布局優(yōu)化對(duì)整體的變形。
GAs已被證明在解決工程中優(yōu)化問(wèn)題是有用的。夾具設(shè)計(jì)具有巨大的解決空間并需要搜索工具找到最好的設(shè)計(jì)。一些研究人員曾使用GAs解決夾具設(shè)計(jì)及夾具布局問(wèn)題。Kumar等人用GAs和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)夾具。Marcelin已經(jīng)將GAs用于支撐位置的優(yōu)化。Vallapuzha等人提出基于優(yōu)化方法的GA,它采用空間坐標(biāo)來(lái)表示夾具元件的位置。夾具布局優(yōu)化程序設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)是使用MATLAB和遺傳算法工具箱。HYPERMESH和MSC / NASTRAN用于FE模型。Vallapuzha等人提出一些結(jié)果關(guān)于一個(gè)廣泛調(diào)查不同優(yōu)化方法的相對(duì)有效性。他們的研究表明連續(xù)遺傳算法提出了最優(yōu)質(zhì)的解決方案。Li和Shiu使用遺傳算法確定了夾具設(shè)計(jì)最優(yōu)配置的金屬片。MSC/NASTRAN已經(jīng)用于適應(yīng)度值評(píng)價(jià)。Liao提出自動(dòng)選擇最佳夾子和夾鉗的數(shù)目以及它們?cè)诮饘倨系膴A具中的最優(yōu)位置。Krishnakumar和Melkote開(kāi)發(fā)了一種夾具布局優(yōu)化技術(shù),它是利用遺傳算法找到了夾具布局,由于整個(gè)刀具路徑中的夾緊力和加工力使加工表面變形量最小化。通過(guò)節(jié)點(diǎn)編號(hào)使定位器和夾具位置特殊化。一個(gè)內(nèi)置的有限元求解器研制成功。
一些研究沒(méi)考慮到整個(gè)刀具路徑的優(yōu)化布局以及磨屑清除。一些研究采用節(jié)點(diǎn)編號(hào)作為設(shè)計(jì)參數(shù)。
在本研究中,開(kāi)發(fā)GA工具用于尋找在二維工件中的最優(yōu)定位器和夾緊位置。使用參考邊緣的距離作為設(shè)計(jì)參數(shù)而不是用FEA節(jié)點(diǎn)編號(hào)。真正編碼遺傳算法的染色體的健康指數(shù)是從FEA結(jié)果中獲得的。ANSSYS用于FEA計(jì)算。用染色體文庫(kù)的方法是為了減少解決問(wèn)題的時(shí)間。用兩個(gè)問(wèn)題測(cè)試已開(kāi)發(fā)的遺傳算法工具。給出的兩個(gè)實(shí)例說(shuō)明了這個(gè)開(kāi)發(fā)的方法。本論文的主要貢獻(xiàn)可以概括為以下幾個(gè)方面:
(1)開(kāi)發(fā)了遺傳算法編碼結(jié)合商業(yè)有限元素求解;
(2)遺傳算法采用染色體文庫(kù)以降低計(jì)算時(shí)間;
(3)使用真正的設(shè)計(jì)參數(shù),而不是有限元節(jié)點(diǎn)數(shù)字;
(4)當(dāng)工具在工件中移動(dòng)時(shí)考慮磨屑清除工具。
3. 遺傳算法概念
遺傳算法最初由John Holland開(kāi)發(fā)。Goldberg出版了一本書,解釋了這個(gè)理論和遺傳算法應(yīng)用實(shí)例的詳細(xì)說(shuō)明。遺傳算法是一種隨機(jī)搜索方法,它模擬一些自然演化的機(jī)制。該算法用于種群設(shè)計(jì)。種群從一代到另一代演化,通過(guò)自然選擇逐漸提高了適應(yīng)環(huán)境的能力,更健康的個(gè)體有更好的機(jī)會(huì),將他們的特征傳給后代。
該算法中,要基于為每個(gè)設(shè)計(jì)計(jì)算適合性,所以人工選擇取代自然環(huán)境選擇。適應(yīng)度值這個(gè)詞用來(lái)指明染色體生存幾率,它在本質(zhì)上是該優(yōu)化問(wèn)題的目標(biāo)函數(shù)。生物定義的特征染色體用代表設(shè)計(jì)變量的字符串中的數(shù)值代替。
被公認(rèn)的遺傳算法與傳統(tǒng)的梯度基礎(chǔ)優(yōu)化技術(shù)的不同主要有如下四種方式:
(1)遺傳算法和問(wèn)題中的一種編碼的設(shè)計(jì)變量和參數(shù)一起工作而不是實(shí)際參數(shù)本身。
(2)遺傳算法使用種群—類型研究。評(píng)價(jià)在每個(gè)重復(fù)中的許多不同的設(shè)計(jì)要點(diǎn)而不是一個(gè)點(diǎn)順序移動(dòng)到下一個(gè)。
(3)遺傳算法僅僅需要一個(gè)適當(dāng)?shù)幕蚰繕?biāo)函數(shù)值。沒(méi)有衍生品或梯度是必要的。
(4)遺傳算法以用概率轉(zhuǎn)換規(guī)則來(lái)發(fā)現(xiàn)新設(shè)計(jì)為探索點(diǎn)而不是利用基于梯度信息的確定性規(guī)則來(lái)找到這些新觀點(diǎn)。
4. 方法
4.1 夾具定位原則
加工過(guò)程中,用夾具來(lái)保持工件處于一個(gè)穩(wěn)定的操作位置。對(duì)于夾具最重要的標(biāo)準(zhǔn)是工件位置精確度和工件變形。一個(gè)良好的夾具設(shè)計(jì)使工件幾何和加工精度誤差最小化。另一個(gè)夾具設(shè)計(jì)的要求是夾具必須限制工件的變形。考慮切削力以及夾緊力是很重要的。沒(méi)有足夠的夾具支撐,加工操作就不符合設(shè)計(jì)公差。有限元分析在解決這其中的一些問(wèn)題時(shí)是一種很有力的工具。
棱柱形零件常見(jiàn)的定位方法是3-2-1方法。該方法具有最大剛體度以及最小夾具元件數(shù)。在三維中一個(gè)工件可能會(huì)通過(guò)六自由度定位方法快速定位為了限制工件的九個(gè)自由度。其他的三個(gè)自由度通過(guò)夾具元件消除了?;?-2-1定位原理的二位工件布局的例子如圖4。
圖4 3-2-1對(duì)二維棱柱工件定位布局
定位面得數(shù)量不得超過(guò)兩個(gè)避免冗余的位置。基于3-2-1的夾具設(shè)計(jì)原則有兩種精確的定位平面包含于兩個(gè)或一個(gè)定位器。因此,在兩邊有最大的夾緊力抵抗每個(gè)定位平面。夾緊力總是指向定位器為了推動(dòng)工件接觸到所有的定位器。定位點(diǎn)對(duì)面應(yīng)定位夾緊點(diǎn)防止工件由于夾緊力而扭曲。因?yàn)榧庸ちρ刂庸っ?,所以有必要確保定位器的反應(yīng)力在所有時(shí)間內(nèi)是正的。任何負(fù)面的反應(yīng)力表示工件從夾具元件中脫離。換句話說(shuō),當(dāng)反應(yīng)力是負(fù)的時(shí)候,工件和夾具元件之間接觸或分離的損失可能發(fā)生。定位器內(nèi)正的反應(yīng)力確保工件從切削開(kāi)始到結(jié)束都能接觸到所有的定位器。夾緊力應(yīng)該充分束縛和定位工件且不導(dǎo)致工件的變形或損壞。本文不考慮夾緊力的優(yōu)化。
4.2 基于夾具布局優(yōu)化方法的遺傳算法
在實(shí)際設(shè)計(jì)問(wèn)題中,設(shè)計(jì)參數(shù)的數(shù)量可能很大并且它們對(duì)目標(biāo)函數(shù)的影響會(huì)是非常復(fù)雜的。目標(biāo)函數(shù)曲線必須是光滑的并且需要一個(gè)程序計(jì)算梯度。遺傳算法在理念上遠(yuǎn)不同于其他的探究方法,它們包括傳統(tǒng)的優(yōu)化方法和其他隨機(jī)方法。通過(guò)運(yùn)用遺傳算法來(lái)對(duì)夾具優(yōu)化布局,可以獲得一個(gè)或一組最優(yōu)的解決方案。
本項(xiàng)研究中,最優(yōu)定位器和夾具定位使用遺傳算法確定。它們是理想的適合夾具布局優(yōu)化問(wèn)題的方法因?yàn)闆](méi)有直接分析的關(guān)系存在于加工誤差和夾具布局中。因?yàn)檫z傳算法僅僅為一個(gè)特別的夾具布局處理設(shè)計(jì)變量和目標(biāo)函數(shù)值,所以不需要梯度或輔助信息。
建議方案流程圖如圖5。
使用開(kāi)發(fā)的命名為GenFix的Delphi語(yǔ)言軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)夾具布局優(yōu)化。位移量用ANSYS軟件計(jì)算。通過(guò)WinExec功能在GenFix中運(yùn)行ANSYS很簡(jiǎn)單。GenFix和ANSYS之間相互作用通過(guò)四部實(shí)現(xiàn):
(1)定位器和夾具位置從二進(jìn)制代碼字符串中提取作為真正的參數(shù)。
(2)這些參數(shù)和ANSYS輸入批處理文件(建模、解決方案和后置處理)用WinExec功能傳給ANSYS。
(3)解決后將位移值寫成一個(gè)文本文件。
(4)GenFix讀這個(gè)文件并為當(dāng)前定位器和夾緊位置計(jì)算適應(yīng)度值。
為了減少計(jì)算量,染色體與適應(yīng)度值儲(chǔ)存在一個(gè)文庫(kù)里以備進(jìn)一步評(píng)估。GenFix首先檢查是否當(dāng)前的染色體的適應(yīng)度值已經(jīng)在之前被計(jì)算過(guò)。如果沒(méi)有,定位器位置被送到ANSYS,否則從文庫(kù)中取走適應(yīng)度值。在初始種群產(chǎn)生過(guò)程中,檢查每一個(gè)染色體可行與否。如果違反了這個(gè)原則,它就會(huì)出局然后新的染色體就產(chǎn)生了。這個(gè)程序創(chuàng)造了可行的初始種群。這保證了初始種群的每個(gè)染色體在夾緊力和切削力作用下工件的穩(wěn)定性。用兩個(gè)測(cè)試用例來(lái)驗(yàn)證提到的遺傳算法計(jì)劃。第一個(gè)實(shí)例是使用Himmelblau功能。在第二個(gè)測(cè)試用例中,遺傳算法計(jì)劃用來(lái)優(yōu)化均布載荷作用下梁的支撐位置。
圖5 設(shè)計(jì)方法的流程與ANSYS相配合流程
5. 夾具布局優(yōu)化的個(gè)案研究
該夾具布局優(yōu)化問(wèn)題的定義是:找到定位器和夾子的位置以使在特定區(qū)工件變形降到最小程度。那么多的定位器和夾子并不是設(shè)計(jì)參數(shù)因?yàn)樗鼈冊(cè)?-2-1方案中是已知的和固定的。因此,設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇如同定位器和夾子的位置。本研究中不考慮摩擦力。兩個(gè)實(shí)例研究來(lái)說(shuō)明以提出的方法。
6. 結(jié)論
本文提出了一個(gè)夾具布局優(yōu)化的評(píng)價(jià)優(yōu)化技術(shù)。ANSYS用于FE計(jì)算適應(yīng)度值。可以看到,遺傳算法和FE方法的結(jié)合對(duì)當(dāng)今此類問(wèn)題似乎是一種強(qiáng)大的方法。遺傳算法特別適合應(yīng)用于解決那些在目標(biāo)函數(shù)和設(shè)計(jì)變量之間不存在一個(gè)定義明確的數(shù)學(xué)關(guān)系的問(wèn)題。結(jié)果證明遺傳算法在夾具布局優(yōu)化問(wèn)題方面的成功應(yīng)用。本項(xiàng)研究中,遺傳算法在夾具布局優(yōu)化應(yīng)用中的主要困難是較高的計(jì)算成本。種群中每個(gè)染色體需要工件的重嚙合。但是,染色體庫(kù)的使用,F(xiàn)E評(píng)價(jià)的數(shù)量從6000下降到415。這就導(dǎo)致了巨大的增益計(jì)算效益。其他減少處理時(shí)間的方法是在局域網(wǎng)內(nèi)使用分布式計(jì)算。
該方法結(jié)果表明,夾具布局優(yōu)化問(wèn)題是多模態(tài)問(wèn)題。優(yōu)化設(shè)計(jì)之間沒(méi)有任何明顯的相似之處盡管他們提供非常相似的表現(xiàn)。結(jié)果表明夾具布局問(wèn)題是多模態(tài)問(wèn)題然而用于夾具設(shè)計(jì)的啟發(fā)式規(guī)則應(yīng)該用于遺傳算法來(lái)選擇最優(yōu)的設(shè)計(jì)。
目 錄
序 言 1
第1章 剎車支架分析 2
1.1 剎車支架的作用 2
1.2 剎車支架分析 2
第2章 工藝規(guī)程的設(shè)計(jì) 3
2.1 確定毛坯的的制造形式 3
2.2 基準(zhǔn)的選擇 3
2.2.1 粗基準(zhǔn)的的選擇 3
2.2.2 精基準(zhǔn)的選擇 3
2.3 制訂工藝路線 4
2.4 機(jī)械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的確定 4
2.5 確定切削用量及基本工時(shí) 5
第3章 專用夾具的設(shè)計(jì) 14
3.1問(wèn)題提出 14
3.2 定位基準(zhǔn)的選擇 14
3.3 定位分析 14
3.4切削力和夾緊力的計(jì)算 14
3.5夾具設(shè)計(jì)及簡(jiǎn)要操作說(shuō)明 15
致 謝 16
參考文獻(xiàn) 17
序 言
機(jī)械制造工藝學(xué)課程設(shè)計(jì)是我們?cè)趯W(xué)校的最后一個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)。本次課程設(shè)計(jì)題目是產(chǎn)品(或工程)設(shè)計(jì)類題目。
我們這次課程設(shè)計(jì)題目,以曾經(jīng)在實(shí)習(xí)工廠實(shí)習(xí)所參觀的并以此設(shè)備為參考,結(jié)合所學(xué)機(jī)械的各方面的知識(shí),在老師指導(dǎo)下,查閱了許多手冊(cè),經(jīng)過(guò)不斷的改進(jìn),最終設(shè)計(jì)出了此次機(jī)構(gòu),從而避免了加工質(zhì)量差,生產(chǎn)效率低,設(shè)備昂貴的問(wèn)題。
在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中,我們得到所學(xué)過(guò)的理論基礎(chǔ),技術(shù)基礎(chǔ),專業(yè)課全面的訓(xùn)練,為將來(lái)做好機(jī)械設(shè)計(jì)工程師的工作提供全面的鍛煉機(jī)會(huì)。
我此次課程設(shè)計(jì)的題目是剎車支架以Φ32后端面、Φ20后端面,鉆、攻B向面上的M6-7H螺紋工藝工裝設(shè)計(jì),在指導(dǎo)老師的輔導(dǎo)下,對(duì)原有的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn),從而可以減少勞動(dòng)強(qiáng)度,計(jì)算正確,零號(hào)圖紙,符合工作量的要求。
通過(guò)這次課程設(shè)計(jì),我在計(jì)算,制圖,機(jī)械原理,機(jī)械設(shè)計(jì),機(jī)械制造工藝等方面的知識(shí)受到全面的綜合訓(xùn)練,并有所提高,在夾具設(shè)計(jì)方面受益匪淺。特別是張學(xué)偉老師在工作中對(duì)我耐心輔導(dǎo),有時(shí)甚至錯(cuò)過(guò)了午飯時(shí)間。他對(duì)學(xué)生強(qiáng)烈的責(zé)任感和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度,無(wú)不給我以深刻的影響。
就我個(gè)人而言,我希望能通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)對(duì)自己未來(lái)將從事的工作進(jìn)行一次適應(yīng)性的訓(xùn)練,希望在設(shè)計(jì)中能鍛煉自己分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力,為自己今后參加實(shí)際工作打下一個(gè)良好的基礎(chǔ)。
由于類似的大型課題第一次接觸,經(jīng)驗(yàn)?zāi)芰Ψ矫娴那啡?,錯(cuò)誤之處一定存在,懇請(qǐng)各位老師給予批評(píng)指正。
第1章 剎車支架分析
1.1 剎車支架的作用
剎車支架的作用是用來(lái)支承工件。
1.2 剎車支架分析
剎車支架共有以下八組加工面,現(xiàn)分述如下:
1. 剎車支架7050端面,粗糙度Ra6.3
2. 剎車支架Φ32端面、Φ20端面;粗糙度均為Ra12.5
3. 剎車支架Φ14H9、Φ19H9孔
4. 剎車支架A向面,粗糙度Ra12.5
5. 剎車支架Φ14端面,粗糙度Ra12.5
6. 剎車支架兩個(gè)寬12的槽,粗糙度Ra25
7. 剎車支架M8-7H螺紋
8. 剎車支架M6-7H螺紋
第2章 工藝規(guī)程的設(shè)計(jì)
2.1 確定毛坯的的制造形式
剎車支架零件材料為 HT200,硬度選用175-255HBS,毛坯重約1Kg。生產(chǎn)類型為成批生產(chǎn),根據(jù)《機(jī)械制造工藝設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明手冊(cè)》表1.3-1知,采用金屬型澆注。
2.2 基準(zhǔn)的選擇
2.2.1 粗基準(zhǔn)的的選擇
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(yīng)以不加工表面作為粗基準(zhǔn)。如果在工件上有很多不需加工的表面,則應(yīng)以其中與加工面位置精度要求較高的表面作粗基準(zhǔn)。
2.如果必須首先保證工件某重要表面的加工余量均勻,應(yīng)選擇該表面作精基準(zhǔn)。
3.如需保證各加工表面都有足夠的加工余量,應(yīng)選加工余量較小的表面作粗基準(zhǔn)。
4.選作粗基準(zhǔn)的表面應(yīng)平整,沒(méi)有澆口、冒口、飛邊等缺陷,以便定位可靠。
5.粗基準(zhǔn)一般只能使用一次,特別是主要定位基準(zhǔn),以免產(chǎn)生較大的位置誤差。
根據(jù)粗基準(zhǔn)的選擇原則,選Ф20、Ф32端面作為粗基準(zhǔn)
2.2.2 精基準(zhǔn)的選擇
選擇精基準(zhǔn)時(shí)要考慮的主要問(wèn)題是如何保證設(shè)計(jì)技術(shù)要求的實(shí)現(xiàn)以及裝夾準(zhǔn)確、可靠、方便。
精基準(zhǔn)選擇應(yīng)當(dāng)滿足以下要求:
1.用設(shè)計(jì)基準(zhǔn)作為定位基準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)“基準(zhǔn)重合”,以免產(chǎn)生基準(zhǔn)不重合誤差。
2.當(dāng)工件以某一組精基準(zhǔn)定位可以較方便地加工很多表面時(shí),應(yīng)盡可能采用此組精基準(zhǔn)定位,實(shí)現(xiàn)“基準(zhǔn)統(tǒng)一”,以免生產(chǎn)基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換誤差。
3.當(dāng)精加工或光整加工工序要求加工余量盡量小而均勻時(shí),應(yīng)選擇加工表面本身作為精基準(zhǔn),即遵循“自為基準(zhǔn)”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(zhǔn)”、反復(fù)加工的原則。
5.有多種方案可供選擇時(shí)應(yīng)選擇定位準(zhǔn)確、穩(wěn)定、夾緊可靠,可使夾具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的表面作為精基準(zhǔn)。
主要考慮的是基準(zhǔn)的重合問(wèn)題。當(dāng)設(shè)計(jì)與工序的基準(zhǔn)不重合時(shí),因該進(jìn)行尺寸換算。以Φ16和Φ14孔作為精基準(zhǔn)。
2.3 制訂工藝路線
制定工藝路線的出發(fā)點(diǎn),應(yīng)當(dāng)是使零件的幾何形狀,尺寸精度及位置精度等技術(shù)要求能得到合理的保證。在生產(chǎn)綱領(lǐng)一確定為中批生產(chǎn)的條件下,可以考慮采用萬(wàn)能性的機(jī)床配以專用工夾具,并盡量使工序集中來(lái)提高生產(chǎn)率。除此以外,還應(yīng)當(dāng)考慮經(jīng)濟(jì)效果,以便使生產(chǎn)成本盡量下降。
工序10:鑄造
工序20:退火
工序30:以Φ32端面為基準(zhǔn),銑5070的面
工序40:以Φ32前端面、Φ20前端面為基準(zhǔn),銑Ф20后端面、Ф32后端面
工序50:以Φ32前端面,鉆、擴(kuò)、鉸Ф14H9、Ф16H9孔
工序60:以Φ32后端面、Φ20后端面,銑A向面
工序70:以Φ32后端面、Φ20后端面,銑B向面
工序 80:以Φ32后端面、Φ20后端面,銑兩個(gè)寬12的槽
工序 90:以Φ32后端面、Φ20后端面,鉆、攻A向面上的M8-7H螺紋
工序100:以Φ32后端面、Φ20后端面,鉆、攻A向面上的M8-7H螺紋
工序 110:清洗去毛刺
工序120: 驗(yàn)收
工序130:入庫(kù)
2.4 機(jī)械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的確定
“剎車支架”零件材料為鑄鐵,毛坯的重量約為1Kg,生產(chǎn)類型為大批量生產(chǎn),采用砂型機(jī)鑄造毛坯。
1.5070的面,表面粗糙度為6.3,需要二步加工方能滿足要求,粗銑——精銑,查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》,表2—8得
粗銑 單邊余量 Z=0.7
精銑 單邊余量 Z=0.3
2、Ф20、Ф32的端面,表面粗糙度為12.5,只需一步銑削即可滿足要求,查《機(jī)械設(shè)計(jì)工藝手冊(cè)》,表2-10得 單邊余量 Z=1.0
3. A向面,表面粗糙度為12.5,只需一步銑削即可滿足要求,查《機(jī)械設(shè)計(jì)工藝手冊(cè)》,表2-8得 單邊余量 Z=1.0
4、B向面,表面粗糙度為12.5,只需一步銑削即可滿足要求,查《機(jī)械設(shè)計(jì)工藝手冊(cè)》,表2-8得 單邊余量 Z=1.0
鉸 單邊余量 Z=0.1
5.Ф14H9孔及Ф16H9孔,需要三步加工方能滿足精度要求,鉆——擴(kuò)——鉸,查《機(jī)械設(shè)計(jì)工藝手冊(cè)》,表3—6得
Ф14H9孔的余量
鉆 單邊余量 Z=6.0
擴(kuò) 單邊余量 Z=0.9
Ф16H9孔的余量
鉆 單邊余量 Z=6.0
擴(kuò) 單邊余量 Z=1.9
鉸 單邊余量 Z=0.1
6、兩個(gè)寬12的槽,鑄造成實(shí)心,銑削即可滿足要求。
7、不加工表面的毛坯尺寸
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。
2.5 確定切削用量及基本工時(shí)
工序30:以Φ32端面為基準(zhǔn),銑5070的面
工步一:粗銑5070端面
1. 選擇刀具
刀具選取端銑刀,刀片采用YG8,
,,,。
2. 決定銑削用量
決定銑削深度
決定每次進(jìn)給量及切削速度
根據(jù)X62型銑床說(shuō)明書,其功率為為4.5kw,中等系統(tǒng)剛度。
根據(jù)表查出 ,則
按機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)選?。?75
3.計(jì)算工時(shí)
切削工時(shí):,,,
則機(jī)動(dòng)工時(shí)為
工步二:精銑5070端面
1. 選擇刀具
刀具選取端銑刀,刀片采用YG8,
,,,。
2. 決定銑削用量
決定銑削深度
因?yàn)榧庸ぞ认鄬?duì)較高,故分兩次(即粗銑、精銑)完成,則
決定每次進(jìn)給量及切削速度
根據(jù)X62型銑床說(shuō)明書,其功率為為4.5kw,中等系統(tǒng)剛度。
根據(jù)表查出 ,則
按機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)選?。?75
3.計(jì)算工時(shí)
切削工時(shí):,,,
則機(jī)動(dòng)工時(shí)為
工序40:以Φ32前端面、Φ20前端面為基準(zhǔn),銑Ф20后端面、Ф32后端面
1. 選擇刀具
刀具選取立銑刀,刀片采用YG8,
,,,。
2. 決定銑削用量
決定銑削深度
決定每次進(jìn)給量及切削速度
根據(jù)X62型銑床說(shuō)明書,其功率為為4.5kw,中等系統(tǒng)剛度。
根據(jù)表查出 ,則
按機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)選取=675
3.計(jì)算工時(shí)
切削工時(shí):,,,
則機(jī)動(dòng)工時(shí)為
總的工時(shí):T=2t=0.519min
工序50:以Φ32前端面,鉆、擴(kuò)、鉸Ф14H9、Ф16H9孔
工步一鉆孔至φ12
確定進(jìn)給量:根據(jù)參考文獻(xiàn)Ⅳ表2-7,當(dāng)鋼的,時(shí),。由于本零件在加工Φ12孔時(shí)屬于低剛度零件,故進(jìn)給量應(yīng)乘以系數(shù)0.75,則
根據(jù)Z525機(jī)床說(shuō)明書,現(xiàn)取
切削速度:根據(jù)參考文獻(xiàn)Ⅳ表2-13及表2-14,查得切削速度
所以
根據(jù)機(jī)床說(shuō)明書,取,故實(shí)際切削速度為
切削工時(shí):,,,
則機(jī)動(dòng)工時(shí)為
工步二:擴(kuò)孔
利用鉆頭將孔擴(kuò)大至,根據(jù)有關(guān)手冊(cè)規(guī)定,擴(kuò)鉆的切削用量可根據(jù)鉆孔的切削用量選取
根據(jù)機(jī)床說(shuō)明書,選取
則主軸轉(zhuǎn)速為,并按車床說(shuō)明書取,
實(shí)際切削速度為
切削工時(shí):,,,
則機(jī)動(dòng)工時(shí)為
工步3:鉸孔
根據(jù)參考文獻(xiàn)Ⅳ表2-25,,,得
查參考文獻(xiàn)Ⅴ表4.2-2,按機(jī)床實(shí)際進(jìn)給量和實(shí)際轉(zhuǎn)速,取,,實(shí)際切削速度。
切削工時(shí):,,,
則機(jī)動(dòng)工時(shí)為
工步四:鉆孔至φ12
確定進(jìn)給量:根據(jù)參考文獻(xiàn)Ⅳ表2-7,當(dāng)鋼的,時(shí),。由于本零件在加工Φ12孔時(shí)屬于低剛度零件,故進(jìn)給量應(yīng)乘以系數(shù)0.75,則
根據(jù)Z525機(jī)床說(shuō)明書,現(xiàn)取
切削速度:根據(jù)參考文獻(xiàn)Ⅳ表2-13及表2-14,查得切削速度
所以
根據(jù)機(jī)床說(shuō)明書,取,
故實(shí)際切削速度為
切削工時(shí):,,,
則機(jī)動(dòng)工時(shí)為
工步五:擴(kuò)孔
利用鉆頭將孔擴(kuò)大至,根據(jù)有關(guān)手冊(cè)規(guī)定,擴(kuò)鉆的切削用量可根據(jù)鉆孔的切削用量選取
根據(jù)機(jī)床說(shuō)明書,選取
則主軸轉(zhuǎn)速為,并按車床說(shuō)明書取,
實(shí)際切削速度為
切削工時(shí):,,,
則機(jī)動(dòng)工時(shí)為
工步六:鉸孔
根據(jù)參考文獻(xiàn)Ⅳ表2-25,,,得
查參考文獻(xiàn)Ⅴ表4.2-2,按機(jī)床實(shí)際進(jìn)給量和實(shí)際轉(zhuǎn)速,取,,實(shí)際切削速度。
切削工時(shí):,,,
則機(jī)動(dòng)工時(shí)為
工序60:以Φ32后端面、Φ20后端面,銑A向面
1. 選擇刀具
刀具選取立銑刀,刀片采用YG8,
,,,。
2. 決定銑削用量
決定銑削深度
決定每次進(jìn)給量及切削速度
根據(jù)X51型立式銑床說(shuō)明書,其功率為為4.5kw
根據(jù)表查出 ,則
按機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)選取=675
3.計(jì)算工時(shí)
切削工時(shí):,,,
則機(jī)動(dòng)工時(shí)為
工序70:以Φ32后端面、Φ20后端面,銑B向面
1. 選擇刀具
刀具選立銑刀,刀片采用YG8,
,,,。
2. 決定銑削用量
決定銑削深度
決定每次進(jìn)給量及切削速度
根據(jù)X51型立式銑床說(shuō)明書,其功率為為4.5kw
根據(jù)表查出 ,則
按機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)選?。?50
3.計(jì)算工時(shí)
切削工時(shí):,,,
則機(jī)動(dòng)工時(shí)為
工序 80:以Φ32后端面、Φ20后端面,銑兩個(gè)寬12的槽
1.刀具選取立銑刀,刀片采用YG8,
,,,。
2. 決定銑削用量
決定銑削深度
決定每次進(jìn)給量及切削速度
根據(jù)X51型銑床說(shuō)明書,其功率為為7.5kw,中等系統(tǒng)剛度。
根據(jù)表查出 ,則
按機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)選?。?50
當(dāng)=650r/min時(shí)
按機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)選取
3.計(jì)算工時(shí)
切削工時(shí): ,,
則機(jī)動(dòng)工時(shí)為
總的時(shí)間T=2t=2.123min
工序 90:以Φ32后端面、Φ20后端面,鉆、攻A向面上的M8-7H螺紋
工步一:鉆M8-7H的螺紋底孔Φ6.7
選用高速鋼錐柄麻花鉆(《工藝》查得
(《切削》表2.15)
=760.5r/min
按機(jī)床選取n=750r/min
基本工時(shí):
工步二:攻螺紋M8mm
選擇M8mm高速鋼機(jī)用絲錐
等于工件螺紋的螺距,即
按機(jī)床選取n=275r/min
基本工時(shí):t==0.037(min)
工序100:以Φ32后端面、Φ20后端面,鉆、攻B向面上的M6-7H螺紋
工步一:鉆M6-7H的螺紋底孔Φ5.1
選用高速鋼錐柄麻花鉆(《工藝》查得
(《切削》表2.15)
=999.1r/min
按機(jī)床選取n=950r/min
基本工時(shí):
工步二:攻螺紋M6mm
選擇M6mm高速鋼機(jī)用絲錐
等于工件螺紋的螺距,即
n==398.1(r/min)
按機(jī)床選取n=375r/min
基本工時(shí):t==0.022(min)
第3章 專用夾具的設(shè)計(jì)
為了提高勞動(dòng)生產(chǎn)率,保證加工質(zhì)量,降低勞動(dòng)強(qiáng)度,需要設(shè)計(jì)專用夾具。有老師分配的任務(wù),我被要求設(shè)計(jì)工序100:以Φ32后端面、Φ20后端面,鉆、攻B向面上的M6-7H螺紋的夾具設(shè)計(jì), 選用機(jī)床,Z525立式鉆床。
3.1問(wèn)題提出
本夾具主要用來(lái)鉆、攻B向面上的M6-7H螺紋,精度要求不高,故在本道工序加工時(shí),主要應(yīng)考慮如何提高生產(chǎn)率、降低勞動(dòng)強(qiáng)度。
3.2 定位基準(zhǔn)的選擇
擬定加工路線的第一步是選擇定位基準(zhǔn)。定位基準(zhǔn)的選擇必須合理,否則將直接影響所制定的零件加工工藝規(guī)程和最終加工出的零件質(zhì)量?;鶞?zhǔn)選擇不當(dāng)往往會(huì)增加工序或使工藝路線不合理,或是使夾具設(shè)計(jì)更加困難甚至達(dá)不到零件的加工精度(特別是位置精度)要求。因此我們應(yīng)該根據(jù)零件圖的技術(shù)要求,從保證零件的加工精度要求出發(fā),合理選擇定位基準(zhǔn)。此零件圖沒(méi)有較高的技術(shù)要求,也沒(méi)有較高的平行度和對(duì)稱度要求,所以我們應(yīng)考慮如何提高勞動(dòng)效率,降低勞動(dòng)強(qiáng)度,提高加工精度。
3.3 定位分析
以Φ32端面、Φ20端面、Φ16H9和Φ14H9孔定位,定位分析如下:
1. Φ32端面、Φ20端面作為第一定位基準(zhǔn),與心軸Φ32端面、B型固定式定位銷Φ20端面相配合,限制三個(gè)自由度,即X軸轉(zhuǎn)動(dòng)、Y軸移動(dòng)和Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)。
2. Φ16H9孔作為第二定位基準(zhǔn),與心軸Φ16f8外圓相配合,限制兩個(gè)自由度,即X軸移動(dòng)和Z軸移動(dòng)。
3. Φ14H9孔作為第三定位基準(zhǔn),與B型固定式定位銷相配合,限制一個(gè)自由度,即Y軸轉(zhuǎn)動(dòng),工件六個(gè)自由度被完全限制,屬于完全定位。
3.4切削力和夾緊力的計(jì)算
由于本道工序主要完成工藝孔的鉆孔加工,鉆削力。由《切削手冊(cè)》得:
鉆削力 式(3-1)
式中:D=5.1mm
式(3-2)
代入公式(3-1)和(3-2)得
本道工序加工工藝孔時(shí),夾緊力方向與鉆削力方向垂直。因此進(jìn)行夾緊立計(jì)算無(wú)太大意義。
3.5夾具設(shè)計(jì)及簡(jiǎn)要操作說(shuō)明
如前所述,在設(shè)計(jì)夾具時(shí),應(yīng)該注意提高勞動(dòng)生產(chǎn)率避免干涉。應(yīng)使夾具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,便于操作,降低成本。提高夾具性價(jià)比。本道工序?yàn)殂姶矈A具選擇了心軸、快換墊圈、螺母等組成的夾緊機(jī)構(gòu)夾緊工件。本工序?yàn)殂@切削余量小,切削力小,所以一般的手動(dòng)夾緊就能達(dá)到本工序的要求。
致 謝
本次課程設(shè)計(jì)受到了院系各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)的高度重視,得到了全校教師的大力支持與幫助。在此,我衷心的向你們道一聲:你們辛苦了。
通過(guò)課程設(shè)計(jì),是對(duì)我們四年來(lái)所學(xué)知識(shí)的綜合的檢測(cè),更是一個(gè)對(duì)所學(xué)知識(shí)的回顧及綜合復(fù)習(xí)的過(guò)程;對(duì)機(jī)械繪圖、工程材料、機(jī)械設(shè)計(jì)、夾具設(shè)計(jì)等過(guò)程等都有了更進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。
感謝院系領(lǐng)導(dǎo)給了我足夠時(shí)間來(lái)完成整套夾具設(shè)計(jì),在設(shè)計(jì)過(guò)程中,得到了老師和同學(xué)的幫助與指導(dǎo),在此表示感謝;也對(duì)做相關(guān)題目的同學(xué)的資助表示感謝,感謝他們?cè)谀>咴O(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)我的幫助和指導(dǎo),尤其對(duì)擔(dān)任本次設(shè)計(jì)的指導(dǎo)老師表示深深敬意,在設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到一些困難,在老師的幫助下我才順利的完成了該夾具的設(shè)計(jì),他對(duì)我設(shè)計(jì)過(guò)程中出現(xiàn)的疏忽與不足之處提出批評(píng)與修改建議,使我的設(shè)計(jì)的夾具最終更加的完善。
這次設(shè)計(jì)我深知有很多不足,在此懇請(qǐng)大家給予指導(dǎo)
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