柴油機惰輪A軸進油孔鉆夾具設(shè)計【鉆孔為9.5mm于6.7mm】【說明書+CAD+PROE】

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The design of the gang dies include 1 Analysising of the process of the part. Then select a number of possible program , calculate and comparison the process program.Finally choose the gang dies.2 Formulation the process process flows.Stocking layout , calculating the utilization of materials.3 Choose the structure of the punching dies initially include Specific forms of dies, locating device, discharging device, guiding parts, die carrier. 4 Calculating the blanking force.5 Calculating the dimension of the cutting edge. 6 Designing and Calculating the main parts of the dies .7. Designing and Calculating the standard components include die carrier, guide pillar, guide sleeve, punch set, lower die base, discharging bolt 8 Bearing components include die shank, fixing plate, shim plate, 9 Choosing the fastener. Key words: punching hole, blanking, flip-over type, gang dies 目錄 一．零件的作用： - 1 - 二．夾具方案確定: - 2 - 三．夾具設(shè)計和制造的特點： - 2 - 四．夾具設(shè)計的基本要求： - 3 - 五．鉆床專用夾具的設(shè)計： - 3 - 六．工件定位方案設(shè)計： - 5 - 6.1 工件的工藝分析： - 5 - 6.2 工件自由度的限制： - 5 - 6.3定位基準的選擇：工件的定位及定位件 - 5 - 6.4 工件的定位 - 6 - 6.5 定位銷的選擇 - 8 - 七．工件的夾緊及夾緊裝置的設(shè)計： - 9 - 7.1.工件夾緊的原則： - 9 - 7.2.夾緊裝置的設(shè)計要求： - 9 - 7.3.夾緊力的選擇： - 9 - 7.4.工件的夾緊方案： - 12 - 7.5.夾具的夾緊裝置和定心裝置 - 12 - 八．導引方案的設(shè)計: - 13 - 8.1. 夾具的導向 - 13 - 8.2.鉆套的選擇： - 13 - 8.3.鉆孔與工件之間的切屑間隙 - 14 - 8.4.鉆模板 - 15 - 九、夾具體的設(shè)計: - 15 - 十、夾具精度分析： - 17 - 十一.夾具三維實體圖： - 17 - 十二、參考文獻: - 21 - 十三、致謝: - 22 - 一．零件的作用： 柴油機惰輪A軸的作用是在柴油機內(nèi)部用于連接、固定惰輪，以實現(xiàn)改變齒輪傳動方向的效果。惰輪A軸與惰輪采用小間隙配合的連接方式，而惰輪A軸上的三個進油孔，是提供必要的輪滑油和機內(nèi)其它部件的用油需求。因為惰輪軸上的進油孔作用單一，且不是其它部件的安裝、定位、設(shè)計和加工的基準和參考，故進油孔的設(shè)計、加工精度要求不高。因此，在設(shè)計制造實現(xiàn)該鉆孔工序的專用夾具時，通過查找相應的夾具設(shè)計手冊采用較低的精度要求，以實現(xiàn)降低成本，縮短生產(chǎn)周期，提高經(jīng)濟性的目的。 二．夾具方案確定: 根據(jù)設(shè)計任務的要求，可知，此夾具是為實現(xiàn)鉆孔這一特定的工序而設(shè)計的專用夾具，即是鉆床的專用夾具。 根據(jù)加工零件的孔的加工尺寸和自身的幾何形狀，查相應的機床手冊可知，可采用立式鉆床，且型號可以是Z5060。 鉆夾具的主要任務是保證刀具旋轉(zhuǎn)軸線對工件定位表面有正確的相互位置，根據(jù)工件的集合形狀和尺寸結(jié)構(gòu)及工藝特性，選擇不同形式的鉆模以保證產(chǎn)品精度和生產(chǎn)率。 三．夾具設(shè)計和制造的特點： 1.在夾具設(shè)計工作中，一般有下列的一些特點: 1.1夾具設(shè)計周期較短，一般不進行剛度和強度計算。 夾具設(shè)計是直接為產(chǎn)品生產(chǎn)服務的一項生產(chǎn)準備工作，其設(shè)計周期要求短，因此，在設(shè)計時一般不進行剛度和強度的計算，而采用“憑經(jīng)驗確定”的辦法來保證;或者采用一些簡便的計算公式和圖表作為設(shè)計時的參考。 1.2專用夾具的設(shè)計，對產(chǎn)品零件有較強的針對性。 專用夾具是夾具中數(shù)量最大的一類，是為某一產(chǎn)品零件某一道工序進行設(shè)計的，因此有較強的針對性。 1.3確保產(chǎn)品加工質(zhì)量，提高勞動生產(chǎn)率是夾具設(shè)計工作的首要任務。 產(chǎn)品零件的加工質(zhì)量，一般包括兩種特性： 被加工表面的本身精度; 被加工表面的位置精度。 對于第一種加工精度，主要由加工方法和刀具來保證，而夾具在這方面的影響一般是保證夾具本身的剛度和防止夾緊工件時不發(fā)生嚴重的變形。 對于第二種加工精度，主要由夾具來保證的，這是設(shè)計夾具的首要任務。保證這個精度，應與夾具中各種裝置的結(jié)構(gòu)形式、制造精度、受力情況和工作條件有著密切的關(guān)系。在設(shè)計夾具時，應通過必要的誤差分析以確保加工精度要求，這是設(shè)計夾具的主要任務之一。 另一個主要任務，就是設(shè)計合理的結(jié)構(gòu)，以提高勞動生產(chǎn)率。 1.4夾緊裝置的設(shè)計對整個夾具的結(jié)構(gòu)具有決定性的影響。 因為夾緊裝置的結(jié)構(gòu)型式，種類很多，選用的靈活性較大。特別是夾緊裝置中的力源及傳動機構(gòu)的設(shè)計，對夾具結(jié)構(gòu)的影響更大。 2. 在夾具制造工作中，一般有下列的一些特點: 2.1單件生產(chǎn)及高精度要求。 夾具的制造一般都屬單件生產(chǎn)，多用萬能方法加工，盡量不用或少用專用二級工夾具。夾具的制造精度要求較高，在一般情況下遠遠高于產(chǎn)品零件的精度要求。 2.2常用組合加工的方法。 組合加工在夾具制造中應用廣泛，如銷子孔的配作等，這樣可以使夾具零件的制造容易。如對于鉆具上的鉆套安裝孔，常用按總圖鏜孔的辦法來保證它和定位件之間的要求。 2.3廣泛采用“修配法”加工。 對于間隙和運動靈活性要求較高的配合面，常用研配的辦法來保證，而不是用公差來保證。對精度要求高的型面也常用鉗工修正的辦法來保證最后的精度和粗糙度要求。 2.4在保證設(shè)計要求的前提下，盡量考慮加工方便。 為了便于加工，減少鉗工加工的勞動量，一般可采用組合式的結(jié)構(gòu)使零件便于加工，以替代整體式結(jié)構(gòu)。 四．夾具設(shè)計的基本要求： 夾具設(shè)計的原則使經(jīng)濟和適用。夾具設(shè)計的基本要求分為以下三個方面：好用、好造、好修。 具體要求有下列幾點: 1. 夾具的構(gòu)造應與其用途及生產(chǎn)規(guī)模相適應。 2. 保證工件精度。 3. 保證使用方便與安全。 4. 正確處理作用力的平橫問題。 5. 注意結(jié)構(gòu)的工藝性，便于制造和維修。 6. 注意夾具與機床、輔助工具、刀具、量具之間的聯(lián)系。 五．鉆床專用夾具的設(shè)計： 鉆床夾具的主要類型： 鉆床夾具簡稱鉆模，主要用于加工孔及螺紋。它主要由鉆套、鉆模板、定位及夾緊裝置夾具體組成。其主要類型有以下幾種。 （1）固定式鉆模 在使用中，這類鉆模在機床上的位置固定不動，而且加工精度較高，主要用于立式鉆床上加工直徑較大的單孔或搖臂鉆床加工平行孔系。 （2）回轉(zhuǎn)式鉆模 這類鉆模上有分度裝置，因此可以在工件上加工出若干個繞軸線分布的軸向或徑向孔系。 （3）翻轉(zhuǎn)式鉆模 主要用于加工小型工件不同表面上的孔，孔徑小于f8~f10mm。它可以減少安裝次數(shù)，提高被加工孔的位置精度。其結(jié)構(gòu)較簡單，加工鉆模一般手工進行翻轉(zhuǎn)，所以夾具及工件應小于10 kg為宜。 （4）蓋板式鉆模 這種鉆模無夾具體，其定位元件和夾緊裝置直接裝在鉆模板上。鉆模板在工件上裝夾，適合于體積大而笨重的工件上的小孔加工。夾具、結(jié)構(gòu)簡單輕便，易清除切屑；但是每次夾具需從工件上裝卸，較費時，故此鉆模的質(zhì)量一般不宜超過10 kg。 （5）滑柱式鉆模 滑柱式鉆模是帶有升降鉆模板的通用可調(diào)夾具。這種鉆模有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、動作迅速、制造周期短的優(yōu)點，生產(chǎn)中應用較廣。 此次我設(shè)計的夾具工件是發(fā)動機凸輪軸進油孔工件.如圖1. 圖1. 如圖.工件上表面三個孔為進油孔,此設(shè)計針對這三個進油孔設(shè)計翻轉(zhuǎn)式鉆孔夾具. 翻轉(zhuǎn)式夾具特點 翻轉(zhuǎn)式鉆模用于加工小型工件上分布在幾個面上的孔或同一面上的孔.在使用過程中易于在機床工作臺上用手翻轉(zhuǎn),實現(xiàn)加工表面的轉(zhuǎn)換,因此夾具連同工件的總重一般不超過十公斤. 如 圖2 圖 2 采用翻轉(zhuǎn)式鉆?？梢詼p少工件的安裝次數(shù),提高工件加工時各被加工孔之間的位置精度..翻轉(zhuǎn)式鉆模加工孔軸線對工件定位基面的垂直度要求較高,同時在工件的鉆孔前后采用雙面導向的結(jié)構(gòu). 六．工件定位方案設(shè)計： 6.1 工件的工藝分析： 此工件是中批量生產(chǎn)數(shù)目多，應設(shè)計加工的專用夾具以提高生產(chǎn)效率。工件的尺寸合理，能用常用方法加工，零件結(jié)構(gòu)也合理。其通孔Ф9.5和通孔Ф6.7深度均為27.5，孔的定位公差均限制在0.25之范圍內(nèi)，加工精度中等。應先加工孔Ф6.7，完成后，可通過孔Ф6.7內(nèi)加入圓柱銷對工件進行再次夾緊定位，然后再加工大孔Ф9.5?？椎募庸た梢栽诹⑹姐@床加工。 6.2 工件自由度的限制： 采用定位孔和壓板實現(xiàn)零件的完全定位。 6.3定位基準的選擇：工件的定位及定位件 第一基準：夾具體上的工件定位孔 第二基準：夾具體上的菱形定位銷定位孔 第三基準：鉆模板上銷定位孔 6.4 工件的定位 該套夾具采用”一面雙孔”的定位.通過一個平面及軸心線垂直該平面的兩個孔進行定位. 工件以平面在夾具中定位時,定位件為定位板.定位板常裝在以鑄鐵制造的或者其他不耐磨損的夾具體上.如圖3 定位板可用兩個或三個螺釘固定在本體上,這種定位板的缺點是螺釘頭處的凹坑容易聚集細小的切屑,清楚不易.定位板應盡可能作成狹而短,同時應有主夠的剛度,使淬火時不致翹曲. 圖3 定位板緊固在夾具本體的凸出表面上,為了使所有定位表面能保持在同一平面內(nèi),裝配后應經(jīng)過磨削. 一面雙孔定位中,平面可以限制Z方向,X旋轉(zhuǎn),Y旋轉(zhuǎn)三個自由度,若定位銷為長銷.,則出現(xiàn)過定位.所以兩個定位銷都為短定位銷.但這種情況依然出現(xiàn)了過定位.因為銷子和孔為間隙配合,存在孔距(Lg)和銷距(Lj)誤差(±alg和±alj).如圖4 圖4 這種誤差是無法消除的,只能從兩個銷子上想辦法.則可以縮小銷2的直徑.d2必須小于AB.又因為: d2/2≤O″d2B 2O″d2B=D2- O′d1 O″d2-BC 又 BC=2aL 所以d2≤D2-2alj-2alg; 若考慮銷2和第二個孔還必須留有最小間隙Δ2和孔1與銷1之間的最小配合間隙Δ1 則 d2=D2-2(alg+alj)- Δ2+Δ1 可見d2比D2的尺寸小很多,比如導致轉(zhuǎn)角誤差.則必須減小銷2的直徑來消除過定位.選擇銷2的樣式為削邊銷. 如圖 5 圖 5 6.5 定位銷的選擇 從上可知此套夾具選取的定位銷為一圓柱銷和菱型銷實現(xiàn)定位. 按表選取 D=12 B=D-2=10 b=4 b1=3 H=12 根據(jù)尺寸選取的固定圓柱定位銷為A型:A12n6*12 720-073 固定菱形定位銷為A型:A12n6*12 720-073 在一面雙孔定位方式中,菱形削邊銷是限制Z旋轉(zhuǎn)自由度的,因此削邊銷的長軸一定要垂直雙孔中心連線,否則會失去限制該轉(zhuǎn)動自由度的作用.如圖六 同時在裝配中,當削邊銷調(diào)整后,一定要采取防轉(zhuǎn)措施.在夾具體上放置兩個定位銷的定位孔不在同一軸上,,則,菱形定位銷將轉(zhuǎn)過一定的角度,限制轉(zhuǎn)動自由度. 圖6 工件以”一面雙孔”定位時的定位誤差 設(shè)計中兩銷為垂直放置,孔和銷皆為Ф12H7/k6 由公差和配合表可知,定位孔為Ф12+0.035/0.006,定位銷為Ф12+0.006/-0.023 ε01XW=δg1+δj1+Δ1=0.029+0.029+0=0.058 ε1YW=|x/L*[ε02YW+ε01YW]-ε01YW| =|41/110*[0.058+0.058]-0.058|=0.015 εⅡ=ε01XW+εB=0.058+0.1=0.158 由上述分析可知,欲減少一面雙孔定位系統(tǒng)定位誤差,可以采取:提高定位孔,定位銷的精度或配合類別,采用消除間隙的結(jié)構(gòu),選取孔距大的雙孔定位等, 我選擇的工件定位孔是Ф12,精度是7級 孔距公差為±0.015,定位平面的平面度為0.02.粗糙度為7級. 七．工件的夾緊及夾緊裝置的設(shè)計： 7.1.工件夾緊的原則： 為使工件在定位件上所占有的規(guī)定位置在加工過程中保持不變，就要用夾緊裝置將工件夾緊。才能保證工件的定位基準與夾具上的定位表面可靠地接觸，防止在加工過程中移動、振動或變形。 由于工件的夾緊是和定位緊密聯(lián)系的，因此，夾緊方法的選擇應與定位方法的選擇一起考慮。 在設(shè)計夾緊裝置時，應考慮夾緊力的選擇，夾緊機構(gòu)的合理設(shè)計及其傳動方法的確定。夾緊裝置選擇合適，不僅可以顯著地縮短輔助時間，保證產(chǎn)品質(zhì)量；提高勞動生產(chǎn)率，并且還可以方便工人操作，減輕體力勞動。 7.2.夾緊裝置的設(shè)計要求： 設(shè)計夾緊裝置時，必須注意夾緊力對工件加工表面所產(chǎn)生的松緊問題，以保證工件加工表面的精度和粗糙度。因此，在設(shè)計夾緊裝置時應滿足以下一些基本要求： 注意夾緊力的大小、方向和作用點的選擇。 夾緊裝置應與生產(chǎn)規(guī)模和生產(chǎn)率的要求相適應。 結(jié)構(gòu)緊湊簡單，制造維修方便。 使用安全可靠。 盡量減少夾緊時夾具體所受的彎曲力矩。 7.3.夾緊力的選擇： 在確定夾緊方案時，應當先決定幾個主要因素：即夾緊力的方向和作用點的選擇及夾緊力的大小，然后再根據(jù)這些要素，進一步選擇合理的傳動方法與設(shè)計合理的夾緊機構(gòu)。 夾緊力的大小重要取決于切削P和重力G ,重力是可認為不變的,而切削力在切削的過程中是變化的.影響切削力的大小因素很多,如工件質(zhì)量的不均勻,加工質(zhì)量的不均勻,刀具磨損以及切削用量的變化等等.同時夾緊力也和其他因素有關(guān),如夾緊件和工件及工件與定位件間接觸表面的光潔度,工藝系統(tǒng)的剛性等等,因此夾具夾緊力的設(shè)計只能對其做初略的估算. W:實際夾緊力 Wi:理論夾緊力 K:安全系數(shù) 安全系數(shù):K=K1K2K3K4 式中: K1-基本安裝系數(shù) K2-加工安裝系數(shù) K3-刀具鈍化系數(shù) K4-切削特點系數(shù) 工件切削孔的位置標注如圖7: 圖7 此套夾具的夾緊力計算如表1: 孔號 孔坐標(毫米) 孔徑 (毫米) 走刀量 (毫米/轉(zhuǎn)) x y 1 20 40 φ9.5 0.10 2 50 40 φ9.5 0.10 3 35 25 φ6.7 0.119 表 1 切削力P:P=2.6*D*S0.8*HB0.6 式中:D-鉆孔直徑 S-走刀量 HB-材料布氏硬度 HB=Hbmax-(Hbmax-Hbmin)/3=230 P1=P2=2.6*9.5*0.100.8*2300.6=102.3 (公斤力) P3=2.6*6.7*0.1190.8*2300.6=82.9 (公斤力) 切削合力P=Σpi=P1+P2+P3 =102.3+102.3+82.9=287.5 (公斤力) 合力的位置: x=Σpixi/Σpi ; y=Σpiyi/Σpi 如表2 孔號 pi xi pixi yi piyi 1 102.3 20 2046 40 4092 2 102.3 50 5115 40 4092 3 82.9 35 2901.5 25 2072.5 表 2 X=35mm y=36mm 安全系數(shù)K: K=K1*K2*K3*K4 取:K1=1.75 K2=1.2 K3=1.2 K4=1.0 得: K=1.75*1.2*1.2*1.0=2.52 夾緊力的計算 夾緊工件所需的夾緊力W W=K*P/（ f1+f2）=2.52*287.5/(0.4+0.2) =1207.5(公斤力) 驗算加緊工件的螺栓直徑尺寸： 其中取 tg=tg =2.94 當Q=W時，驗算螺桿的直徑 d2>9.23 故可取d2=12mm 7.4.工件的夾緊方案： 為使工件在定位件上所占有的規(guī)定位置在加工過程中保持不變,就要用夾緊裝置將工件夾緊.報紙工件的定位基準與夾具上的定位表面可靠的接觸,防止在加工過程中移動、振動、或變形. 因為此套夾具加工的工件剛度較好,防止了切削力作用是所引起的振動,側(cè)面在加上移動壓板的定位,免除夾緊力對加工表面幾何形狀精度的不利影響夾具的夾緊選用加工表面的松態(tài)夾緊,夾緊力的作用線不通過加工表面的周圍,使加工表面的材料處在自由狀態(tài)下. 在夾具體上對工件進行定位后，用壓板垂直壓在工件上并夾緊，首先對工件上的小通孔Ф6.7進行加工，需要對加工通孔Ф6.7時的夾緊力計算。為保證工件在夾具上的夾緊、定位的效果，在加工完通孔Ф6.7后，在通孔Ф6.7內(nèi)加入以圓柱銷，從而完全限制工件自由度，隨后再加工兩個通孔Ф9.5，且可省略計算其夾緊力的過程。 7.5.夾具的夾緊裝置和定心裝置 夾緊裝置可以分為力源裝置、中間傳動裝置和夾緊裝置,在此套夾具中,中間傳動裝置和夾緊元件合二為一.力源為機動夾緊,通過螺栓夾緊移動壓板.達到夾緊和定心作用.如圖8 圖 8 圖中工件通過定位銷的定位限制了橫向的移動,通過螺栓夾緊移動壓板,實現(xiàn)對工件的夾緊.并且移動壓板的定心裝置是與工件外圓弧面相吻合的移動壓板,通過精確的圓弧定位,實現(xiàn)定心.此套移動壓板制作簡單,便于手動調(diào)整.通過松緊螺栓實現(xiàn)壓板的前后移動,以達到壓緊的目的.壓緊的同時,實現(xiàn)工件的定心,使其定位基準的對稱中心在規(guī)定位置上. 具體尺寸詳見后附的零件圖。 八．導引方案的設(shè)計: 8.1. 夾具的導向 鉆床夾具中用以確定刀具對工件的相對位置，以及避免或減少在加工過程中偏移的元件時是鉆套。鉆套是鉆具的一種主要元件，因為鉆頭的引導作用是通過鉆套來實現(xiàn)的。有了鉆套，加工前工件不用進行劃線和找正，因而可以提高生產(chǎn)率，并容易保證工件加工表面的精度。 在鉆床上加工孔時,大都采用導向元件或?qū)蜓b置,用以引導刀具進入正確的加工位置,并在加工過程中防止或減少由于切削力等因素引起的偏移,提高刀具的剛性,從而保證零件上孔的精度,在鉆床上加工的過程中,導向裝置保證同軸各孔的同軸度、各孔孔距精度、各軸線間的平行度等,因此,導向裝置如同定位元件一樣，對于保證工件的加工精度有這十分重要的作用. 8.2.鉆套的選擇： 導向元件包括刀桿的導向部分和導向套 在這套鉆床夾具上用的導向套是鉆套. 鉆套按其結(jié)構(gòu)可分為固定鉆套,可換鉆套,快換鉆套及特殊鉆套。因此套鉆夾具加工量不大,磨損較小，孔距離精度要求較高,則選用固定鉆套.如圖9.直接壓入鉆模板或夾具體的孔中.鉆套內(nèi)孔進口處應做成圓角,以利于導屑. 圖9 鉆模板與固定鉆套外圓一般采用H7/p6的配合.且必須有很高的耐磨行,材料選擇T10A.,淬火HRC60.工件上不同孔徑選擇不同的鉆套:9.5F8╳24 720-053和6.7F8╳24 720-053. 相同的,為了防止定位銷與模板之間的磨損,在模板定位孔之間套上兩個固定襯套.選取的標準件代號為12╳12 720-055.材料仍選取T10A, 淬火HRC60.公差也采用H7/k6的配合. 8.3.鉆孔與工件之間的切屑間隙 鉆套下端面與工件表面之間應留一定的空隙C,使開始鉆孔時,鉆頭切屑刃不位于鉆套的孔中,以免刮傷鉆套內(nèi)孔.如圖10 圖10 切屑間隙 C=(0.3 ～1)d 取C=0.5d d 為鉆頭直徑 工件加工鉆孔為9.5mm于6.7mm 故 C1=4.75mm C2=3.85mm 因兩孔都在同一面上，所以,取C=4.75mm 8.4.鉆模板 在導向裝置中,導套通常是安裝在鉆模板上,因此鉆模板必須具有足夠的剛度和強度,以防變形而影響鉆孔精度.鉆模板按其與夾具體連接的方式,可分為固定式鉆模板、鉸鏈式鉆模板、可卸式鉆模板、滑柱式鉆模板和活動鉆模板等. 在此套鉆模夾具中選用的是可卸式鉆模板,在裝卸工件時需從夾具體上裝上或卸下,鉆模板在夾具體上采用定位銷一面雙孔定位,螺栓緊固,鉆模精度較高.如圖11 圖11 如圖11.圖中央三個孔為加工鉆孔. 九、夾具體的設(shè)計: 夾具體是一般是夾具上最大和最復雜的基礎(chǔ)元件。在夾具體上，要安放組成該夾具所需要的各種元件、機構(gòu)、裝置，并且還要考慮便于裝卸以及在機床上的固定。因此夾具體的形狀和尺寸應滿足如下基本要求： 1． 有足夠的強度和剛度； 2． 合理設(shè)計加強筋，盡量減輕重量，便于操作； 3． 安放穩(wěn)定、可靠； 4． 結(jié)構(gòu)緊湊、工藝性好； 5． 尺寸穩(wěn)定、有一定的精度； 6． 排屑方便； 7． 應吊裝方便、使用安全。 根據(jù)以上要求，采用HT200灰鑄鐵為材料設(shè)計制造如下圖所示的夾具體。 具體尺寸見附圖。 夾具體構(gòu)造的工藝性要求： 1. 夾具體幾何形狀的選擇應便于加工； 2. 夾具的構(gòu)形應考慮裝配的可能性和方便性； 3. 夾具體零件圖上的尺寸標注應便于測量。 夾具裝配后在鉆床上不用固定，且自重較大，工件減輕，切削力較小，為提高生產(chǎn)率，可將夾具直接放在鉆床的工作臺上。 零件圖 十、夾具精度分析： 夾具誤差必須滿足如下公式： dw是定位誤差：dw=0.03; jw是基準位置誤差：jw=0.015; jd是鉆床夾具的對刀誤差： Δjd =δS＋δh δS——塞尺的制造誤差；δh——對刀塊工作表面至定位元件的尺寸公差。查表可知：δS=0.0005。因為對刀塊是用就地加工法加工的，所以可以認為：δh=0。由此我們可知：jd=0.0005 得 =0.034 0.034<=0.0667 夾具精度符合要求。 十一.夾具三維實體圖： 十二、參考文獻: 1.林文煥主編 機床夾具設(shè)計 中國鐵道出版局 1987 2.王秀倫主編 機床夾具設(shè)計 國防工業(yè)出版社 1983 3.編輯委員會編 機械工程手冊 機械工業(yè)出版社 1979 4.李家寶編 夾具設(shè)計 機械工業(yè)出版社 1964 5.唐用中編 組合夾具組裝技術(shù) 國防工業(yè)出版社 1979 6.長春第一汽車制造廠工裝設(shè)計室編 機床夾具設(shè)計原理 1976 7.湖南大學機制教研室編 機床夾具 湖南人民出版社 1976 8.機床夾具零部件 第一機械工業(yè)部機床研究所 1965 9.吳克堅主編 機械原理 高等教育出版社 1989 10.劉鴻文主編 材料力學 高等教育出版社 1991 11.吳宗澤主編 機械設(shè)計高等教育出版社 1990 12、成大先 主編，機械設(shè)計手冊 [M] 1994年4月第三版第五卷，化學工業(yè)出版社。 13、王啟平主編。機床夾具設(shè)計。哈爾濱工業(yè)大學出版社，2005。 14、陶崇德，葛鴻翰主編。機床夾具設(shè)計。上?？茖W技術(shù)出版社，1982。 15、浦林祥主編。金屬切削機床夾具設(shè)計手冊。機械工業(yè)出版社，1987。 十三、致謝: 經(jīng)過兩個月的時間，在指導老師和自己努力下，我的畢業(yè)設(shè)計終于圓滿完成了。 在設(shè)計過程中，我通過各種方式收集、查找相關(guān)資料。同時，為了增加感性認識，也為了更好的進行設(shè)計。指導老師親自帶我們曾多次深入南昌工廠進行實地考察。在考察參觀的過程中，我們仔細觀察，虛心請教，不放過任何難點與疑問。設(shè)計中的很多機器結(jié)構(gòu)都參照工廠的現(xiàn)行設(shè)備結(jié)構(gòu)。 通過這次完整的畢業(yè)設(shè)計，我們系統(tǒng)地回顧和復習了大學四年所學的相關(guān)專業(yè)知識，同時也深刻體會到學習的重要性并領(lǐng)會到設(shè)計也是一種學習的方式。在設(shè)計的過程中，我們綜合運用了系統(tǒng)的設(shè)計方法和相關(guān)設(shè)計軟件（如AutoCAD、Word等），且應用熟悉相關(guān)設(shè)計資料（包括手冊、標準和規(guī)范等）以及進行經(jīng)驗估算等方面有了一定程度的提高，深刻的感受到計算機和工具書及手冊在設(shè)計中帶來的便利和幫助。 編 號 20055027 江西農(nóng)業(yè)大學 工學院 畢業(yè)設(shè)計材料 題 目 柴油機惰輪A軸鉆夾具設(shè)計 專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 學生姓名 張兆友 材 料 目 錄 序號 附 件 名 稱 數(shù)量 備注 1 畢業(yè)設(shè)計說明書 1 2 零件圖 5 3 裝配圖 1 4 畢業(yè)設(shè)計完成情況登記表 1 二〇〇九年五月 附錄二 ：中文翻譯 通過夾具布局設(shè)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(shù)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(jié)果被求得， 這是遠優(yōu)于經(jīng)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(guān)鍵詞：夾具布局；夾緊力； 遺傳算法；有限元方法 1 引言 夾具設(shè)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(guān)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(shè)計，并且適當?shù)膴A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(shè)計師的經(jīng)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(chǎn)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(shè)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?shù)倪x擇和計算，使由于夾緊力和切削力產(chǎn)生的工件變形盡量減少和非正式化。 夾具設(shè)計的目的是要找到夾具元件關(guān)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(shè)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(chǎn)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(shè)計優(yōu)化已獲得了更多的利益。夾具設(shè)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(shè)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(zhì)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(guān)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(guān)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(jié)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(shè)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(shè)計的問題是非線性的，因為目標的功能和設(shè)計變量之間沒有直接分析的關(guān)系。例如加工表面誤差和夾具的參數(shù)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(shù)。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(diào)查的方法和結(jié)果。這表明連續(xù)遺傳算法取得最優(yōu)質(zhì)的解決方案。krishnakumar和melkote 發(fā)展了一個夾具布局優(yōu)化技術(shù)，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(jié)合的人工神經(jīng)網(wǎng)絡（ ANN ）和GA。人工神經(jīng)網(wǎng)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(jīng)網(wǎng)絡結(jié)合起來發(fā)展夾具設(shè)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(shù)目作為設(shè)計參數(shù)。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(xiàn)更為現(xiàn)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(nèi)以實現(xiàn)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(nèi)，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(jié)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(jīng)驗和方法。 3 多目標優(yōu)化模型夾具設(shè)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(shù)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(shù)； 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(shè)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(nèi)，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(jù)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(shè)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(chǎn)過程的強勁，隨機和啟發(fā)式的優(yōu)化方法?；舅悸繁澈蟮倪z傳算法是模擬“生存的優(yōu)勝劣汰“的現(xiàn)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(diào)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(shù)目的演變基于這些經(jīng)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(shè)計時需夾具布局和夾緊力作為設(shè)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(shè)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(shù)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(shù)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(shù)的選擇 由于遺傳算法可能產(chǎn)生夾具設(shè)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(qū)動遺傳算法，以實現(xiàn)一個可行的解決辦法。1夾具設(shè)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(shù)值時不可行的。因此，驅(qū)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(chǎn)生新個體或此個體已經(jīng)產(chǎn)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(jù)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(guān)聯(lián)。對任何一套節(jié)點，彈簧常數(shù)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(shù)量 為每個加工負荷的一步，適當?shù)倪吔鐥l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(shè)計計劃所產(chǎn)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(jīng)被考慮進去。在機床改變幾何數(shù)值過程中，材料被去除，工件的結(jié)構(gòu)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(shù)。在為了計算健身價值，對于給定夾具設(shè)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(shè)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(shù)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(shù)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(shè)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(shù)據(jù)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(shè)計計劃發(fā)送到ANSYS，否則健身價值觀是直接從數(shù)據(jù)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(wǎng)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(guān)于低剛度工件的銑削夾具設(shè)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(nèi)壁的三分之一是經(jīng)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(shù)在表2中給出?；谶@些參數(shù)，切削力的最高值被作為工件內(nèi)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(shù)和條件 。 5.3 夾具設(shè)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(shè)計中常用的。夾具底板限制三個自由度，在側(cè)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(shè)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(shè)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(shù)和懲罰函數(shù) 在這個例子中，用到了下列參數(shù)值：Ps=30, Pc=0.85, Pm=0.01, Nmax=100和Ncmax=20.關(guān)于f1和σ的懲罰函數(shù)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(jié)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(shè)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(shù)值的收斂 圖8第二個函數(shù)值的收斂性 表4 多目標優(yōu)化模型的結(jié)果 表5 各種夾具設(shè)計方案結(jié)果進行比較， 5.6 結(jié)果的比較 從單一目標優(yōu)化和經(jīng)驗設(shè)計中得到的夾具設(shè)計的設(shè)計變量和目標函數(shù)值，如表5所示。單一目標優(yōu)化的結(jié)果，在論文中引做比較。在例子中，與經(jīng)驗設(shè)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(chǎn)生的變形分布最均勻。 與結(jié)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(jié)論 本文介紹了基于GA和有限元的夾具布局設(shè)計和夾緊力的優(yōu)化程序設(shè)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(jīng)被用于 健身價值的有限元計算。對于夾具設(shè)計優(yōu)化的問題，GA和有限元分析的結(jié)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(shù)值的數(shù)據(jù)庫，且網(wǎng)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(shè)計方法是單一目標優(yōu)化方法或經(jīng)驗。此研究結(jié)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(shù)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） 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