I倒擋撥叉工藝及鉆8.7mm孔夾具設(shè)計(jì)[I倒檔撥叉][含高清CAD圖紙]
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夾具夾緊力的優(yōu)化及對(duì)工件定位精度的影響
B.Li 和 S.N.Mellkote
布什伍德拉夫機(jī)械工程學(xué)院，佐治亞理工學(xué)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(huì)產(chǎn)生局部彈性變形，使工件尺寸發(fā)生變化，進(jìn)而影響工件的最終加工質(zhì)量。這種效應(yīng)可通過最小化夾具設(shè)計(jì)優(yōu)化，夾緊力是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)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(zhǔn)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(xué)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(biāo)優(yōu)化模型的約束。夾緊力的最優(yōu)化對(duì)工件定位精度的影響通過3-2-1式銑夾具的例子進(jìn)行了分析。
關(guān)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(gè)關(guān)鍵因素。要實(shí)現(xiàn)夾具的這些功能，需將工件定位到一個(gè)合適的基準(zhǔn)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(dòng)。然而，過度的夾緊力可誘導(dǎo)工件產(chǎn)生更大的彈性變形 ，這會(huì)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(duì)工件的定位誤差，同時(shí)滿足加工的要求。在夾具分析和綜合領(lǐng)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(chǔ)被報(bào)道[參考文獻(xiàn)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(jì)算成本。同時(shí)，多數(shù)的有限元基礎(chǔ)研究人員一直重點(diǎn)關(guān)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(duì)剛性模型[9-11]對(duì)夾緊力進(jìn)行了優(yōu)化，剛型模型幾乎被近似為一個(gè)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(gè)線性規(guī)劃，其目的是盡量減少在每個(gè)定位點(diǎn)調(diào)整夾緊力強(qiáng)度的法線接觸力。接觸摩擦力的影響被忽視，因?yàn)樗^法線接觸力相對(duì)較小，由于這種方法是基于剛體假設(shè)，獨(dú)特的三維夾具可以處理超過6個(gè)自由度的裝夾，復(fù)和倪[14]也提出迭代搜索方法，通過假設(shè)已知摩擦力的方向來推導(dǎo)計(jì)算最小夾緊力，該剛體分析的主要限制因素是當(dāng)出現(xiàn)六個(gè)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(jì)算夾具——工件系統(tǒng)[15]的彈性來克服，對(duì)于一個(gè)相對(duì)嚴(yán)格的工件，該夾具在機(jī)械加工工件的位置會(huì)受夾具點(diǎn)的局部彈性變形的強(qiáng)烈影響。Hockenberger和得墨忒耳[16]使用經(jīng)驗(yàn)的接觸力變形的關(guān)系（稱為元功能），解決由于夾緊和準(zhǔn)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(duì)設(shè)計(jì)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(duì)報(bào)告做了改善，然而，他們沒有處理計(jì)算夾具與工件的接觸剛度的方法，此外，其算法的應(yīng)用沒有討論機(jī)械加工刀具路徑負(fù)載有限序列。李和Melkote [19]和烏爾塔多和Melkote [20]用接觸力學(xué)解決由于在加載夾具夾緊點(diǎn)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(guān)于multiclamp系統(tǒng)及其對(duì)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(zhǔn)靜態(tài)加載的最佳夾緊力為基礎(chǔ)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(xué)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(gè)問題被作為多目標(biāo)約束優(yōu)化問題提出和解決。通過兩個(gè)例子分析工件夾緊力的優(yōu)化對(duì)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(shè)
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(zhǔn)靜態(tài)負(fù)載。夾緊力可假定為在加工過程中保持不變，這個(gè)假設(shè)是有效的，在對(duì)液壓或氣動(dòng)夾具使用。在實(shí)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(shè)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(dāng)?shù)刈幼鴺?biāo)系切線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(gè)
接觸處的坐標(biāo)系
（j=x，y，z）是對(duì)應(yīng)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(gè)球形尖端定位，夾具和工件的接觸并不是線性的，因?yàn)榻佑|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(jìn)一個(gè)球體彈性半空間的問題。對(duì)于這個(gè)問題， 是法線的變形，在[文獻(xiàn)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(xiàn)23第217頁]
（3）
其中、 分別是工件和夾具剪切模量
一個(gè)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(jì)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(yīng)的R2值認(rèn)定是0.94。
2．夾緊力優(yōu)化
我們的目標(biāo)是確定最優(yōu)夾緊力，將盡量減少由于工件剛體運(yùn)動(dòng)過程中，局部的夾緊和加工負(fù)荷引起的彈性變形，同時(shí)保持在準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)是通過制定一個(gè)多目標(biāo)約束優(yōu)化問題的問題，如下描述。
2.1 目標(biāo)函數(shù)配方
工件旋轉(zhuǎn)，由于部隊(duì)輪換往往是相當(dāng)小[17]的工件定位誤差假設(shè)為確定其剛體翻譯基本上，其中 、、和 是 沿，和三個(gè)正交組件（見圖2）。
圖2 工件剛體平移和旋轉(zhuǎn)
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(jì)算如下：
（6）
其中表示一個(gè)向量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。
但是作用在工件的夾緊力會(huì)影響定位誤差。當(dāng)多個(gè)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(gè)夾緊點(diǎn)夾緊力在、和方向上的向量角度（i=1、2、3...,C）。
在這個(gè)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(duì)較小，并在進(jìn)行分析時(shí)忽略了加緊力對(duì)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(shè)工件、、取決于、、的方向，各自的等效接觸剛度可有下式計(jì)算得出（見圖3），工件剛體運(yùn)動(dòng)，歸于夾緊行動(dòng)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(gè)目標(biāo)函數(shù)可以寫為：
最小化 （9）
要注意，加權(quán)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(bǔ)參考文獻(xiàn)[15，23]的原則求解彈性力學(xué)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(yīng)的定位反應(yīng)是“真正的”解決方案，對(duì)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(shí)調(diào)整。因此，總能量最小化的形式為補(bǔ)充的夾緊力優(yōu)化的第二個(gè)目標(biāo)函數(shù)，并給出：
最小化 （10）
其中代表機(jī)構(gòu)的彈性變形應(yīng)變能互補(bǔ)，代表由外部力量和力矩配合完成，是遵守對(duì)角矩陣的， 和是所有接觸力的載體。
如圖3 加權(quán)系數(shù)計(jì)算確定的基礎(chǔ)
內(nèi)蒙古科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(biāo)受到一定的限制和約束，他們中最重要的是在每個(gè)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(gè)非線性約束和線性化版本可以使用，并且[19]有：
（11）
假設(shè)準(zhǔn)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(jī)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(cè)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(shè)在工件上的法線力是確定的，此外，在一個(gè)法線的接觸壓力不能超過壓工件材料的屈服強(qiáng)度（）。這個(gè)約束可寫為：
（i=1，2，…,L+C） (14)
如果是在第i個(gè)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(biāo)優(yōu)化問題可以通過求解約束[24]。這種方法將確定的目標(biāo)作為首要職能之一，并將其轉(zhuǎn)換成一個(gè)約束對(duì)。該補(bǔ)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(quán)范數(shù)最小化。對(duì)為主要目標(biāo)的選擇，確保選中一套獨(dú)特可行的夾緊力，因此，工件——夾具系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)到一個(gè)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(quán)范數(shù)。 的約束轉(zhuǎn)換涉及到一個(gè)指定的加權(quán)范數(shù)小于或等于，其中是 的約束，假設(shè)最初所有夾緊力不明確，要確定一個(gè)合適的。在定位和夾緊點(diǎn)的接觸力的計(jì)算只考慮第一個(gè)目標(biāo)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(gè)“真正的”可行的解決彈性力學(xué)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(quán)系數(shù)，通過計(jì)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(gè)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(quán)范數(shù)。 迭代次數(shù)K，終止搜索取決于所需的預(yù)測精度和，有參考文獻(xiàn)[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(fù)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(diǎn)的不斷變化而變化。因此，相應(yīng)的夾緊力和最佳的加工負(fù)荷獲得將由圖4算法獲得，這大大增加了計(jì)算負(fù)擔(dān)，并要求為選擇的夾緊力提供標(biāo)準(zhǔn)， 將獲得滿意和適宜的整個(gè)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(gè)有限的數(shù)目（例如m）沿相應(yīng)的刀具路徑設(shè)置的產(chǎn)生m個(gè)最佳夾緊力，選擇記為， ， …,在每個(gè)采樣點(diǎn)，考慮以下四個(gè)最壞加工負(fù)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(duì)應(yīng)的和另外兩個(gè)正交切削分力，而且有：
雖然4個(gè)最壞情況加工負(fù)荷向量不會(huì)在工件加工的同一時(shí)刻出現(xiàn)，但在每次常規(guī)的進(jìn)給速度中，刀具旋轉(zhuǎn)一次出現(xiàn)一次，負(fù)載向量引入的誤差可忽略。因此，在這項(xiàng)工作中，四個(gè)載體負(fù)載適用于同一位置，（但不是同時(shí)）對(duì)工件進(jìn)行的采樣 ，夾緊力的優(yōu)化算法圖4，對(duì)應(yīng)于每個(gè)采樣點(diǎn)計(jì)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(gè)情況下的加工負(fù)荷載體，(C=1，2，…C)是每個(gè)相應(yīng)的夾具在第i個(gè)樣本點(diǎn)和第j負(fù)荷情況下力的大小。是計(jì)算每個(gè)負(fù)載點(diǎn)之后的結(jié)果，一套簡單的“最佳”夾緊力必須從所有的樣本點(diǎn)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(fù)載情況和采樣點(diǎn)排序，并選擇夾緊點(diǎn)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(yàn)證這些力，以確保工件夾具系統(tǒng)的靜態(tài)平衡。否則，會(huì)出現(xiàn)更多采樣點(diǎn)和重復(fù)上述程序。在這種方式中，可為整個(gè)刀具路徑確定“最佳”夾緊力 ，圖5總結(jié)了剛才所描述的算法。請(qǐng)注意，雖然這種方法是保守的，它提供了一個(gè)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(píng)價(jià)夾緊力的算法對(duì)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(gè)工件夾具接觸處，使工件在夾具上移位和旋轉(zhuǎn)。隨后，準(zhǔn)靜態(tài)加工負(fù)荷應(yīng)用造成工件在夾具的移位。工件剛體運(yùn)動(dòng)的定義是由它在、和方向上的移位和自轉(zhuǎn)（見圖2），
如前所述，工件剛體位移產(chǎn)生于在每個(gè)夾緊處的局部變形，假設(shè)為相對(duì)于工件的質(zhì)量中心的第i個(gè)位置矢量定位點(diǎn)，坐標(biāo)變換定理可以用來表達(dá)在工件的位移，以及工件自轉(zhuǎn)如下: (21)
其中表示旋轉(zhuǎn)矩陣,描述當(dāng)?shù)卦诘趇幀相聯(lián)系的全球坐標(biāo)系和是一個(gè)旋轉(zhuǎn)矩陣確定工件相對(duì)于全球的坐標(biāo)系的定位坐標(biāo)系。假設(shè)夾具夾緊工件旋轉(zhuǎn)，由于旋轉(zhuǎn)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(dǎo)致的工件剛體運(yùn)動(dòng)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(diǎn)接觸力可能與的關(guān)系如下：
（24）
其中是在第i個(gè)接觸點(diǎn)由于夾緊和加工負(fù)荷造成的變形，意味著凈壓縮變形，而負(fù)數(shù)則代表拉伸變形; 是表示在本地坐標(biāo)系第i個(gè)接觸剛度矩陣，是單位向量. 在這項(xiàng)研究中假定液壓/氣動(dòng)夾具，根據(jù)對(duì)外加工負(fù)荷，故在法線方向的夾緊力的強(qiáng)度保持不變，因此，必須對(duì)方程（24）的夾緊點(diǎn)進(jìn)行修改為：
（25）
其中是在第i個(gè)夾緊點(diǎn)的夾緊力，讓表示一個(gè)對(duì)外加工力量和載體的6×1矢量。并結(jié)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(dòng)，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(jì)算如下： （27）
其中是考慮工件中心加工點(diǎn)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(duì)兩例工件精度的影響例如：
1．適用于工件單點(diǎn)力。
2．應(yīng)用于工件負(fù)載準(zhǔn)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(biāo)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(duì)系數(shù)為0.25。使用伊利諾伊大學(xué)開發(fā)EMSIM程序[參考文獻(xiàn)26] 對(duì)加工瞬時(shí)銑削力條件進(jìn)行了計(jì)算，如表2給出例（1），應(yīng)用工件在點(diǎn)（109.2毫米，25.4毫米，34.3毫米）瞬時(shí)加工力，圖4中表3和表4列出了初級(jí)夾緊力和最佳夾緊力的算法 。該算法如圖5所示 ，一個(gè)25.4毫米銑槽使用EMSIM進(jìn)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(jié)束時(shí)（127.0毫米，25.4毫米，34.3毫米）四種情況下加工負(fù)荷載體，
（見圖8）。模擬計(jì)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(gè)坐標(biāo)列出了為模擬抽樣調(diào)查點(diǎn)。最佳夾緊力是用前面討論過的排序算法計(jì)算每個(gè)采樣點(diǎn)和負(fù)載載體最后的夾緊力和負(fù)載。
7．結(jié)果與討論
例如算法1的繪制最佳夾緊力收斂圖9，
圖9
對(duì)于固定夾緊裝置在圖示例假設(shè)（見圖7），由此得到的夾緊力加權(quán)范數(shù)有如下形式：.結(jié)果表明，最佳夾緊力所述加工條件下有比初步夾緊力強(qiáng)度低得多的加權(quán)范數(shù)，最初的夾緊力是通過減少工件的夾具系統(tǒng)補(bǔ)充能量算法獲得。由于夾緊力和負(fù)載造成的工件的定位誤差，如表7。結(jié)果表明工件旋轉(zhuǎn)小，加工點(diǎn)減少錯(cuò)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?yàn)閺淖畛跬ㄟ^互補(bǔ)勢(shì)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(gè)序列應(yīng)用于銑削負(fù)載到工件，他應(yīng)用于工件銑削負(fù)載一個(gè)序列。最佳的夾緊力，，對(duì)應(yīng)列表6每個(gè)樣本點(diǎn)，隨著最后的最佳夾緊力，在每個(gè)采樣點(diǎn)的加權(quán)范數(shù)和最優(yōu)的初始夾緊力繪圖10，在每個(gè)采樣點(diǎn)的加權(quán)范數(shù)的，，和繪制。
結(jié)果表明，由于每個(gè)組成部分是各相應(yīng)的最大夾緊力，它具有最高的加權(quán)范數(shù)。如圖10所示，如果在每個(gè)夾緊點(diǎn)最大組成部分是用于確定初步夾緊力，則夾緊力需相應(yīng)設(shè)置，有比相當(dāng)大的加權(quán)范數(shù)。故是一個(gè)完整的刀具路徑改進(jìn)方案。上述模擬結(jié)果表明，該方法可用于優(yōu)化夾緊力相對(duì)于初始夾緊力的強(qiáng)度，這種做法將減少所造成的夾緊力的加權(quán)范數(shù)，因此將提高工件的定位精度。
圖10
8．結(jié)論
該文件提出了關(guān)于確定多鉗夾具，工件受準(zhǔn)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(xué)的夾具與工件系統(tǒng)模型，并尋求盡量減少應(yīng)用到所造成的工件夾緊力的加權(quán)范數(shù)，得出工件的定位誤差。該整體模型，制定一個(gè)雙目標(biāo)約束優(yōu)化問題，使用-約束的方法解決。該算法通過兩個(gè)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(dòng)態(tài)負(fù)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(yīng)在確定工件夾具系統(tǒng)的響應(yīng)特性具有重要作用。
9．參考資料：
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9、Y.-C. Chou, V. Chandru, M. M. Barash .《加工夾具機(jī)械構(gòu)造的數(shù)學(xué)算法：分析和合成》，美國ASME，工程學(xué)報(bào)工業(yè)“：1989 299-306頁。
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目 錄
一、序言 - 2 -
二、零件的工藝分析及生產(chǎn)類型的確定 - 2 -
1 零件的作用 - 2 -
2 零件的工藝分析 - 2 -
3 零件的生產(chǎn)類型 - 3 -
三、毛坯的選擇與設(shè)計(jì) - 4 -
1 選擇毛坯 - 4 -
2 確定機(jī)械加工余量 - 4 -
3 設(shè)計(jì)毛坯圖 - 5 -
四、加工方法和工藝路線的設(shè)計(jì) - 6 -
1 定位基準(zhǔn)的選擇 - 6 -
（1）粗基準(zhǔn)的選擇 - 6 -
（2）精基準(zhǔn)的選擇 - 7 -
2 零件表面加工方法的選擇 - 7 -
3 制訂工藝路線 - 8 -
五、工序設(shè)計(jì) - 10 -
1 選擇加工設(shè)備與工藝裝備 - 10 -
（1）選擇機(jī)床 - 10 -
（3）選擇量具 - 11 -
2 確定工序尺寸 - 11 -
（1）φ24端面加工余量 - 11 -
（2）鉆13、擴(kuò)8.7mm孔H9孔 - 12 -
（3）面加工余量 - 12 -
（3）鉆孔 - 13 -
六、確定切削用量及基本時(shí)間 - 13 -
1工序3 - 13 -
2 工序4 - 8.7mm孔 -
2.1確定鉆φ13mm孔的切削用量。 - 8.7mm孔 -
2.2確定擴(kuò)φ8.7mm孔H9孔的切削用量。 - 8.7mm孔 -
2.3基本時(shí)間 - 8.7mm孔 -
3工序6 - 15 -
3.1確定銑開擋底面圓柱面R15的切削用量 - 15 -
3.2 確定銑開擋底面圓柱面R19的切削用量 - 15 -
3.3確定開擋腳面的切削用量 - 16 -
4工序7 - 16 -
5 、工序8 - 17 -
七、夾具設(shè)計(jì) - 17 -
八、設(shè)計(jì)小結(jié) - 18 -
九、參考資料 - 19 -
- 20 -
一、 序言
機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)是在學(xué)完了機(jī)械制造基礎(chǔ)和大部分專業(yè)課，并進(jìn)行了生產(chǎn)實(shí)習(xí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的又一個(gè)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。這次設(shè)計(jì)我們能綜合運(yùn)用機(jī)械制造基礎(chǔ)中的基本理論，并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)習(xí)中學(xué)到的實(shí)踐知識(shí)，獨(dú)立地分析和解決了零件機(jī)械制造工藝問題，在老師和同學(xué)的幫助下，我還對(duì)夾具，機(jī)床，刀具的的結(jié)構(gòu)和工作原理有了更深的了解，不知不覺中我的圖紙分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能力都得到了提高，為今后的畢業(yè)設(shè)計(jì)及未來從事的工作打下了良好的基礎(chǔ)。
在結(jié)束了《機(jī)械制造基礎(chǔ)》及有關(guān)的學(xué)習(xí)后，通過本次的設(shè)計(jì)使我們所學(xué)的知識(shí)得到了鞏固和加深，并培養(yǎng)了我們學(xué)會(huì)全面綜合地運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，去分析和解決機(jī)械制造中的問題的能力。
由于能力有限，經(jīng)驗(yàn)不足，設(shè)計(jì)中還有許多不足之處，希望老師多加指教。
二、零件的工藝分析及生產(chǎn)類型的確定
1 零件的作用
題目所給的零件為倒擋撥叉，是與操縱機(jī)構(gòu)零件結(jié)合用與撥動(dòng)滑動(dòng)齒輪實(shí)現(xiàn)輸出軸的倒轉(zhuǎn)。故對(duì)配合面、8.7mm孔H13槽以及下?lián)懿嬗芯纫蟆?
2 零件的工藝分析
通過對(duì)該零件圖的重新繪制，知原圖樣的試圖正確、完整，尺寸、公差及技術(shù)要求齊全。
從零件圖上看，該零件是典型的叉架類零件，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，形位精度要求不算高。為大批量生產(chǎn)的鑄件。其主要加工的有8.7mm孔H9表面粗糙度為Ra6.3um，其軸軸要保證直線度M級(jí)0.03；斜腳面尺寸要求公差尺寸為-0.48到0；開擋公差尺寸為0.1到0.2，表面粗糙度為Ra6.3um并保證與8.7mm孔H9軸線的垂直度為0.25；R19面粗糙度為Ra12.5um，表面要求淬火處理，硬度要求為48~53HRC；下爪總長公差尺寸為-1到0；后腳面公差尺寸為0到0.52，前面到軸線尺寸18的公差尺寸為±0.2；孔8.7公差尺寸為0到0.09，其軸線到開擋前腳面的尺寸41.5的公差尺寸為±0.15，孔深32公差尺寸為-1到0；撥叉尺寸要求較高，兩內(nèi)表面歸于孔8.7的對(duì)稱度為0.4，內(nèi)表面表面粗糙度為Ra12.5，內(nèi)表面滿足配合8.7mm孔H13公差尺寸為0到0.27，其槽底部分允許呈R3max圓角或2最大長為3的倒角；孔8.7還需锪平直徑為12；孔24端面、開擋內(nèi)R15面、孔8.7內(nèi)表面以及槽8.7mm孔H13底面表面粗糙度為Ra25一般的加工都可獲得。通過分析該零件，其布局合理，雖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但加工要求比較容易保證，我們通過專用夾具可保證其加工要求，整個(gè)圖面清晰，尺寸完整合理，能夠完整表達(dá)物體的形狀和大小，符合要求。
3 零件的生產(chǎn)類型
依設(shè)計(jì)題目，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際可知該零件的生產(chǎn)綱領(lǐng)零件是大批量生產(chǎn)的鑄件。
三、毛坯的選擇與設(shè)計(jì)
1 選擇毛坯
該零件材料為ZG310-570，屬于批量生產(chǎn)，而且零件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用鑄件成型。
2 確定機(jī)械加工余量
鑄件的尺寸公差按GB/T648.7mm孔-1999確定，機(jī)械加工余量按GB/T11351-89確定，材料為ZG310-570。由于是大批量且形狀復(fù)雜的零件，所以毛坯選擇砂型鑄造。
根據(jù)GB/T648.7mm孔-1999查表得尺寸公差CT為8-12級(jí)。加工余量等級(jí)為F~H。所以，可取CT=9級(jí)。查表（GB/T648.7mm孔）查出各表面的公差數(shù)值。
零件尺寸
公差CT
端面46
2
腳面圓柱面15
1.6
腳面圓柱面19
1.7
兩腳面尺寸6
1.5
8.7mm孔H13槽面尺寸8.7mm孔
1.6
槽底面8.7mm孔
1.6
叉腳開擋尺寸23
1.7
3 設(shè)計(jì)毛坯圖
撥叉毛坯圖尺寸（單位：mm）
零件表面
總余量
毛坯尺寸
公差CT
端面46
2
50
2
腳面圓柱面15
2
13
1.6
腳面圓柱面19
2
17
1.7
兩腳面尺寸6
2
10
1.5
8.7mm孔H13槽面尺寸8.7mm孔
2
10
1.6
槽底面8.7mm孔
2
12
1.6
叉腳開擋尺寸23
2
19
1.7
下圖為該零件的毛坯圖（具體尺寸請(qǐng)看毛坯圖）：
四、加工方法和工藝路線的設(shè)計(jì)
1 定位基準(zhǔn)的選擇
（1）粗基準(zhǔn)的選擇
工件在加工第一道或最初幾道工序時(shí)，一般選毛坯上未加工的表面作為定位基準(zhǔn)，這個(gè)是粗基準(zhǔn)，該零件選用肋板6的左端面作為粗基準(zhǔn)來加工φ8.7mm孔H9孔。以上選擇符合粗基準(zhǔn)的選擇原則中的余量最小原則、便于裝夾原則，以及當(dāng)零件有不加工表面應(yīng)該以這些不加工表面做粗基準(zhǔn)的原則，在以后的工序中，則使用經(jīng)過加工的表面作為定位基準(zhǔn)，加工φ8.7mm孔H9孔，保證其軸線的直線度，并作為以后工序的定位基準(zhǔn)，這個(gè)基準(zhǔn)就是精基準(zhǔn)。
（2）精基準(zhǔn)的選擇
在選精基準(zhǔn)時(shí)采用有基準(zhǔn)重合，基準(zhǔn)統(tǒng)一。這樣定位比較簡單可靠，為以后加工重要表面做好準(zhǔn)備。
2 零件表面加工方法的選擇
本零件的加工面有內(nèi)孔、倒角、槽、下底面、圓環(huán)面等，材料為ZG310-570。以公差等級(jí)和表面粗糙度要求，參考有關(guān)資料，其加工方法選擇如下。
（1）φ24端面:表面粗糙度為Ra25um，可選粗銑即可滿足要求。
（2）φ8.7mm孔H9孔：公差等級(jí)為9級(jí)，表面粗糙度為Ra6.3um，公差尺寸0到0.043，根據(jù)GB/T1800.3-1998規(guī)定其公差等級(jí)按IT9，可以先鉆后擴(kuò)孔來滿足要求。
（3）開擋φ15內(nèi)圓柱面：表面粗糙度為Ra25um，未標(biāo)注公差等級(jí)，故粗銑即可滿足要求。
（4）腳面：表面粗糙度Ra6.3um，加工方法可采用粗銑即可達(dá)到要求。
（4）開擋：表面粗糙度為Ra12.5um，加工方法可采用粗銑即可達(dá)到要求。
（5）槽8.7mm孔H13：表面粗糙度為Ra12.5um，公差等級(jí)13，加工方法可采用粗銑即可達(dá)到要求。
（6）槽8.7mm孔H13底面：表面粗糙度為Ra25um，加工方法可采用粗銑即可達(dá)到要求。
（7）孔φ：表面粗糙度Ra25um，公差尺寸為0到0.1，根據(jù)GB1800-79規(guī)定其公差等級(jí)按IT11，采用鉆孔即可達(dá)到要求。
3 制訂工藝路線
工藝路線的擬定為保證達(dá)到零件的幾何形狀，尺寸精度、位置精度及各項(xiàng)技術(shù)要求，必須制定合理的工藝路線。由于生產(chǎn)綱領(lǐng)為成批生產(chǎn)所采用的通用機(jī)床配以專用加工夾具，并考慮工序集中以提高生產(chǎn)率和減少機(jī)床數(shù)量，使生產(chǎn)成本下降?，F(xiàn)有工藝路線如下：
工藝路線一
工藝路線二
精鑄退火
精鑄退火
工序
工序
銑端面
鉆孔
鉆孔
粗銑腳面
擴(kuò)孔
銑端面
倒角
擴(kuò)孔
粗銑腳面
倒角
銑開擋
銑開擋
銑槽
銑槽
鉆孔
鉆孔
精銑腳面
方案的比較選擇：
方案2先銑腳面雖然滿足了先面后孔的原則，但是對(duì)于后面工序的基準(zhǔn)選定卻不夠方便，所以不合理，根據(jù)根據(jù)經(jīng)濟(jì)性級(jí)工序內(nèi)容的簡便性可選擇方案一，并制定出詳細(xì)的工序內(nèi)容。
毛坯為精鑄件，拿到毛坯后應(yīng)該先退火處理下，消除掉鑄件在鑄造過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力及誤差。并在毛坯車間調(diào)整好毛坯的機(jī)械性能以達(dá)到技術(shù)要求，然后送到機(jī)械加工車間加工，具體工序如下：
鑄造
熱處理
銑端面
鉆13孔、擴(kuò)8.7mm孔H9孔
倒角
銑腳面、開擋
銑槽
鉆8.7
去毛刺
檢驗(yàn)
根據(jù)工序安排編出機(jī)械加工工序卡，共6張。
五、工序設(shè)計(jì)
1 選擇加工設(shè)備與工藝裝備
（1）選擇機(jī)床
1-1工序4鉆13孔、擴(kuò)8.7mm孔H9孔、工序5倒角及工序8鉆8.7，工步不多，選用立式鉆床就能滿足要求，本零件外廓尺寸不大，選用Z525立式鉆床。
1-2工序3、6、7是粗銑和精銑，各工序的工步數(shù)不多，成批生產(chǎn)不要求很高的生產(chǎn)率，故選用臥式銑床就能滿足要求，選用X62臥式銑床即可。
選擇刀具（參考《指南》）
1-1工序3銑端面
1-2工序4鉆13孔。選擇莫氏錐柄麻花鉆13 GB/T8.7mm孔38.1-1996。其直徑為13mm，工作長度101mm，莫氏錐度為1號(hào)，總長182mm。
1-3工序4擴(kuò)8.7mm孔H9孔。選擇8.7mm孔 GB/T 18.7mm孔1-1984。其直徑為8.7mm孔mm，工作長度108mm，莫氏錐度為1號(hào)，總長189mm。
1-4工序5倒角。
1-5工序3、6、7都是銑。銑刀按表5-105選鑲齒三面刃銑刀，直徑為100，孔徑d=27，齒數(shù)z=12。
1-6工序8鉆8.7孔?？讖綖?.7mm無通用刀具，故可制造專用刀具，方便制造及經(jīng)濟(jì)效益，可做成直柄麻花鉆。
（3）選擇量具
本零件為中批量生產(chǎn)，一般盡可能采用通用量具，根據(jù)表面精度、尺寸和形狀等要求，參考有關(guān)手冊(cè)資料，選擇量具如下表：
工序
工序名稱
量具
3
銑端面
游標(biāo)卡尺、粗糙塊
4
鉆13孔擴(kuò)、8.7mm孔H9孔
游標(biāo)卡尺、塞規(guī)
5
倒角
游標(biāo)卡尺
6
銑腳面、開擋
游標(biāo)卡尺、粗糙塊
7
銑槽
游標(biāo)卡尺、粗糙塊
8
鉆8.7
游標(biāo)卡尺、塞規(guī)
2 確定工序尺寸
（1）φ24端面加工余量
加工表面
工序雙邊余量
工序尺寸及公差
表面粗糙度
粗銑
粗銑
粗銑
端面50
4
46
Ra25
（2）鉆13、擴(kuò)8.7mm孔H9孔
加工表面
工序雙邊余量
工序尺寸及公差
表面粗糙度
鉆擴(kuò)孔
鉆孔
擴(kuò)孔
鉆孔
擴(kuò)孔
鉆孔
擴(kuò)孔
13
1
——
Ra6.3
（3）面加工余量
加工表面
工序余量
工序尺寸及公差
表面粗糙度
粗銑
精銑
粗銑
精銑
粗銑
精銑
R15圓柱面
2
——
15
——
Ra25
——
R19圓柱面
2
——
——
Ra12.5
——
腳面
1.6
0.4
Ra12.5
Ra6.3
8.7mm孔H13槽底面
2
——
10
——
Ra25
——
8.7mm孔H13槽
1.6
0.4
8.7mm孔.4
Ra25
Ra12.5
（3）鉆孔
加工表面
工序雙邊余量
工序尺寸及公差
表面粗糙度
孔
8.7
Ra25
六、確定切削用量及基本時(shí)間
1工序3
切削用量：本工序?yàn)榇周嚩嗣?，已知加工材料為ZG310-570，表面淬火處理后HRC40-50。
確定粗銑端面的切削用量。所選刀具為鑲齒三面刃銑刀。
=2mm,查表得進(jìn)給量f =0.2mm/z，又X62銑床主軸轉(zhuǎn)速30-1500 r/min，精度要求不高，選擇n=150r/min。由前面可知刀具直徑為100mm，則切削速度為。
校核機(jī)床功率： 參考公式
其中 d=100mm z=12 n=150/60r/s kpm=1，解得kw<7.5kw ，故可用。
2 工序4
切削用量：本工序?yàn)殂@φ13mm、擴(kuò)φ8.7mm孔H9。
2.1確定鉆φ13mm孔的切削用量。
所選刀具為莫氏錐柄麻花鉆，其直徑為13mm，工作長度101mm，莫氏錐度為1號(hào)，總長182mm。
確定切削用量=13/2=6.5mm，查表得進(jìn)給量f =0.28mm/r，切削速度v =21m/min。則主軸轉(zhuǎn)速n==58.7mm孔.19r/min,故取n=545r/min，此時(shí)v==22.26m/min。
2.2確定擴(kuò)φ8.7mm孔H9孔的切削用量。
所選刀具為8.7mm孔 GB/T 18.7mm孔1-1984，其直徑為8.7mm孔mm，工作長度108mm，莫氏錐度為1號(hào)，總長189mm。
確定切削用量=1/2=0.5mm，查表得進(jìn)給量f =0.45mm/r，切削速度v =60m/min。則主軸轉(zhuǎn)速n==1364.19r/min,故取n=960r/min，此時(shí)v==42.2m/min。
2.3基本時(shí)間
確定鉆φ13mm孔的基本時(shí)間
=
確定擴(kuò)φ8.7mm孔H9孔的基本時(shí)間
=
3工序6
切削用量：本工序是銑腳面、開擋，先粗銑，后半精銑。
3.1確定銑開擋底面圓柱面R15的切削用量
所選刀具為鑲齒三面刃銑刀。
=2mm,查表得進(jìn)給量f =0.2mm/z，又X62銑床主軸轉(zhuǎn)速30-1500 r/min，精度要求不高（Ra=25um），選擇n=150r/min。由前面可知刀具直徑為100mm，則切削速度為。
校核機(jī)床功率： 參考公式
其中 d=100mm z=12 n=150/60r/s kpm=1，解得kw<7.5kw ，故可用。
3.2 確定銑開擋底面圓柱面R19的切削用量
所選刀具為鑲齒三面刃銑刀。
=2mm,查表得進(jìn)給量f =0.2mm/z，又X62銑床主軸轉(zhuǎn)速30-1500 r/min，精度要求不高（Ra=12.5um），選擇n=200r/min。由前面可知刀具直徑為100mm，則切削速度為
。
校核機(jī)床功率： 參考公式
其中 d=100mm z=12 n=200/60r/s kpm=1，解得kw<7.5kw ，故可用。
3.3確定開擋腳面的切削用量
所選刀具為鑲齒三面刃銑刀。
=4mm,查表得進(jìn)給量f =0.2mm/z，又X62銑床主軸轉(zhuǎn)速30-1500 r/min，精度要求較高（Ra=6.3um及有垂直度要求），選擇n=250r/min。由前面可知刀具直徑為100mm，則切削速度為。
校核機(jī)床功率： 參考公式
其中 d=100mm z=12 n=250/60r/s kpm=1，解得kw<7.5kw ，故可用。
4工序7
本工序?yàn)殂姴?，先粗銑槽底，再銑槽?
4.1確定槽底面的切削用量 所選刀具為鑲齒三面刃銑刀。
=2mm,查表得進(jìn)給量f =0.2mm/z，又X62銑床主軸轉(zhuǎn)速30-1500 r/min，精度要求不高（Ra=25um），選擇n=150r/min。由前面可知刀具直徑為100mm，則切削速度為。
校核機(jī)床功率： 參考公式
其中 d=100mm z=12 n=150/60r/s kpm=1，解得kw<7.5kw ，故可用。
4.2確定槽的切削用量 所選刀具為鑲齒三面刃銑刀。
=4mm,查表得進(jìn)給量f =0.2mm/z，又X62銑床主軸轉(zhuǎn)速30-1500 r/min，精度要求較高（Ra=12.5um且對(duì)稱度為0.4），選擇n=220r/min。由前面可知刀具直徑為100mm，則切削速度為。
校核機(jī)床功率： 參考公式
其中 d=100mm z=12 n=220/60r/s kpm=1，解得kw<7.5kw ，故可用。
5 、工序8
本工序?yàn)殂@8.7，并锪平12。
確定鉆8.7孔的切削用量。所選刀具為直柄麻花鉆，其直徑為8.7mm，工作長度80mm，，總長122mm。
確定切削用量=8.7/2=4.35mm，查表得進(jìn)給量f =0.49mm/r，切削速度v =27m/min。則主軸轉(zhuǎn)速n==987.8r/min,故取n=960r/min，此時(shí)v==26.24m/min。
七、夾具設(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。并設(shè)計(jì)工序——鉆孔Φ8.7mm孔。兩夾具將分別用于Z525立式鉆床，刀具為高速麻花鉆。
(一)問題的提出
本夾具主要用來鉆孔Φ8.7mm孔，在加工時(shí)應(yīng)保證和Φ8.7mm孔孔的垂直度要求。此外，在本工序加工時(shí)還應(yīng)考慮如何提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。精度不是主要考慮的問題。
(二)夾具設(shè)計(jì)
1、定位基準(zhǔn)選擇
由零件圖可知, ,相對(duì)于Φ8.7mm孔孔有0.15的垂直度要求，為使定位誤差為零，應(yīng)該選擇孔中心為定位基準(zhǔn)保證該垂直度。
2、切削力及夾緊力計(jì)算
根據(jù)《切削手冊(cè)》查得，。根據(jù)《簡明手冊(cè)》表4.2-36查得，?。?，故實(shí)際切削速度：
當(dāng)時(shí)，工作臺(tái)每分鐘進(jìn)給量應(yīng)為：
查說明書，取
計(jì)算切削基本工時(shí)：
因此，
3、夾具設(shè)計(jì)及操作的簡要說明
如前所述，在設(shè)計(jì)夾具時(shí)，應(yīng)該考慮提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。為此，設(shè)計(jì)采用了快換裝置。拆卸時(shí)，松開夾緊螺母扣，拔下固定V型塊，實(shí)現(xiàn)工件的快換。
八、設(shè)計(jì)小結(jié)
機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)是我們?cè)趯W(xué)完了大學(xué)的全部基礎(chǔ)課，專業(yè)基礎(chǔ)課以及專業(yè)課后進(jìn)行的。這是進(jìn)行了生產(chǎn)實(shí)習(xí)之后的一項(xiàng)重要的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，也是在進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)之前對(duì)所學(xué)的各科一次深入的綜合性總復(fù)習(xí)，和一次理論聯(lián)系實(shí)際的訓(xùn)練。因此，它在我們的大學(xué)四年生活中占有重要的地位。
就我個(gè)人而言，我希望通過這次設(shè)計(jì)對(duì)自己未來將從事的工作進(jìn)一步適應(yīng)性的訓(xùn)練，希望自己在設(shè)計(jì)中能鍛煉自己的分析問題、解決問題、查資料的能力 ，為以后的工作打下良好的基礎(chǔ).
由于能力有限、時(shí)間有限，設(shè)計(jì)尚有很多不足之處，希望各位老師給予指導(dǎo)
九、參考資料
[1]《機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)指南》 秦凱主編 化學(xué)工業(yè)出版社
[2]《機(jī)床夾具設(shè)計(jì)手冊(cè)》 王光斗 王春福主編 上?？茖W(xué)技術(shù)出版社
[3]《機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)》 吉衛(wèi)喜 高等教育出版社
[4]《機(jī)床夾具設(shè)計(jì)手冊(cè)》 上?？茖W(xué)技術(shù)出版社
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