轉(zhuǎn)向直拉桿臂零件工藝及平面銑夾具設(shè)計(jì)（含全套CAD圖紙）
轉(zhuǎn)向直拉桿臂零件工藝及平面銑夾具設(shè)計(jì)（含全套CAD圖紙）,轉(zhuǎn)向,拉桿,零件,工藝,平面,夾具,設(shè)計(jì),全套,cad,圖紙
機(jī)械加工工藝過程卡片
產(chǎn)品型號
零件圖號
09
產(chǎn)品名稱
轉(zhuǎn)向直拉桿臂
零件名稱
轉(zhuǎn)向直拉桿臂
材料牌號
HT200
毛坯種類
鑄造
毛坯外形尺寸
備注
工序號
工序名稱
工序內(nèi)容
車間
工段
設(shè)備
工藝裝備
工時(shí)
10
鑄造
鑄造毛坯
20
時(shí)效處理
時(shí)效處理
30
銑
粗銑底面
機(jī)加工
二
X52K立式銑床
專用銑 夾具
26
40
銑
精銑底面
機(jī)加工
二
X52K立式銑床
專用銑 夾具
26
50
鉆、鉸Φ18孔
1)鉆Φ17.8孔；
2)鉸Φ18孔
機(jī)加工
二
Z525立式鉆床
專用鉆 夾具
60
銑
銑端面
機(jī)加工
二
X52K立式銑床
專用銑 夾具
4
70
鉗工
去毛刺
2.4
80
檢驗(yàn)
檢驗(yàn)入庫
15
90
編 制
審 核
批 準(zhǔn)
共 1 頁
第 1 頁
XX學(xué)院
轉(zhuǎn)向直拉桿臂零件工藝及平面銑夾具設(shè)計(jì)
20
摘 要
轉(zhuǎn)向直拉桿臂零件加工工藝及夾具設(shè)計(jì)是包括零件加工的工藝設(shè)計(jì)、工序設(shè)計(jì)以及專用夾具的設(shè)計(jì)三部分。在工藝設(shè)計(jì)中要首先對零件進(jìn)行分析，了解零件的工藝再設(shè)計(jì)出毛坯的結(jié)構(gòu)，并選擇好零件的加工基準(zhǔn)，設(shè)計(jì)出零件的工藝路線；接著對零件各個(gè)工步的工序進(jìn)行尺寸計(jì)算，關(guān)鍵是決定出各個(gè)工序的工藝裝備及切削用量；然后進(jìn)行專用夾具的設(shè)計(jì)，選擇設(shè)計(jì)出夾具的各個(gè)組成部件，如定位元件、夾緊元件、引導(dǎo)元件、夾具體與機(jī)床的連接部件以及其它部件；計(jì)算出夾具定位時(shí)產(chǎn)生的定位誤差，分析夾具結(jié)構(gòu)的合理性與不足之處，并在以后設(shè)計(jì)中注意改進(jìn)。
關(guān)鍵詞：工藝，工序，切削用量，夾緊，定位，誤差
Abstract
Steering drag link arm parts processing technology and fixture design is a design process including design, machining process design and fixture three. In the process of design should first carries on the analysis to the components and parts of the process to understand the design of blank structure, and choose the good components the processing datum, designs the process routes of the parts; then the parts of each step of process dimension calculation, is the key to decide the craft equipment and the cutting dosage of each working procedure; design then the special jig, fixture for the various components of the design, such as the connecting part positioning device, clamping device, guide device, clamp and the machine tool and other components; the positioning error calculate fixture positioning, analysis of the rationality and deficiency of fixture structure, pay close attention to the improvement and design in later.
Keywords: process, process, cutting, clamping, positioning error
目 錄
第1章 序言 1
1.1 機(jī)械加工工藝概述 1
1.2機(jī)械加工工藝流程 1
1.3夾具概述 1
1.4機(jī)床夾具的功能 2
1.5機(jī)床夾具的發(fā)展趨勢 2
1.5.1機(jī)床夾具的現(xiàn)狀 2
1.5.2現(xiàn)代機(jī)床夾具的發(fā)展方向 2
第2章 機(jī)械加工工藝規(guī)程 4
2.1零件的分析 4
2.1.1零件的作用 4
2.1.2零件圖 4
2.2 零件的工藝分析 5
2.3工藝規(guī)程設(shè)計(jì) 5
2.3.1確定毛坯種類 5
2.3.2基面的選擇 5
2.3.3制定工藝路線 6
2.4轉(zhuǎn)向直拉桿的偏差，加工余量，工序尺寸及毛坯尺寸的確定 7
2.4.1毛坯的結(jié)構(gòu)工藝要求 7
2.4.2轉(zhuǎn)向直拉桿的偏差計(jì)算 7
2.5確定切削用量及基本工時(shí)（機(jī)動(dòng)時(shí)間） 8
第3章 銑杠桿臂平面夾具設(shè)計(jì) 12
3.1研究原始質(zhì)料 12
3.2定位基準(zhǔn)的選擇 12
3.3 切削力及夾緊分析計(jì)算 13
3.4 誤差分析與計(jì)算 14
3.5 零、部件的設(shè)計(jì)與選用 14
3.5.1定位銷選用 14
3.5.2夾緊裝置的選用 15
3.5.3 定向鍵與對刀裝置設(shè)計(jì) 15
3.6 夾具設(shè)計(jì)及操作的簡要說明 18
總 結(jié) 19
參考文獻(xiàn) 20
致 謝 21
第1章 序言
1.1 機(jī)械加工工藝概述
機(jī)械加工工藝是指用機(jī)械加工的方法改變毛坯的形狀、尺寸、相對位置和性質(zhì)使其成為合格零件的全過程，加工工藝是工人進(jìn)行加工的一個(gè)依據(jù)。
機(jī)械加工工藝流程是工件或者零件制造加工的步驟，采用機(jī)械加工的方法，直接改變毛坯的形狀、尺寸和表面質(zhì)量等，使其成為零件的過程稱為機(jī)械加工工藝過程。比如一個(gè)普通零件的加工工藝流程是粗加工-精加工-裝配-檢驗(yàn)-包裝，就是個(gè)加工的籠統(tǒng)的流程。
機(jī)械加工工藝就是在流程的基礎(chǔ)上，改變生產(chǎn)對象的形狀、尺寸、相對位置和性質(zhì)等，使其成為成品 或半成品，是每個(gè)步驟，每個(gè)流程的詳細(xì)說明，比如，上面說的，粗加工可能包括毛坯制造，打磨等等，精加工可能分為車，鉗工，銑床，等等，每個(gè)步驟就要有詳 細(xì)的數(shù)據(jù)了，比如粗糙度要達(dá)到多少，公差要達(dá)到多少。
技術(shù)人員根據(jù)產(chǎn)品數(shù)量、設(shè)備條件和工人素質(zhì)等情況，確定采用的工藝過程，并將有關(guān)內(nèi)容寫成工藝文件，這種文件就稱工藝規(guī)程。這個(gè)就比較有針對性了。每個(gè)廠都可能不太一樣，因?yàn)閷?shí)際情況都不一樣。
總的來說，工藝流程是綱領(lǐng)，加工工藝是每個(gè)步驟的詳細(xì)參數(shù)，工藝規(guī)程是某個(gè)廠根據(jù)實(shí)際情況編寫的特定的加工工藝。
1.2機(jī)械加工工藝流程
機(jī)械加工工藝規(guī)程是規(guī)定零件機(jī)械加工工藝過程和操作方法等的工藝文件之一，它是在具體的生產(chǎn)條件下，把較為合理的工藝過程和操作方法，按照規(guī)定的形式書寫 成工藝文件，經(jīng)審批后用來指導(dǎo)生產(chǎn)。機(jī)械加工工藝規(guī)程一般包括以下內(nèi)容：工件加工的工藝路線、各工序的具體內(nèi)容及所用的設(shè)備和工藝裝備、工件的檢驗(yàn)項(xiàng)目及 檢驗(yàn)方法、切削用量、時(shí)間定額等。
制訂工藝規(guī)程的步驟
1) 計(jì)算年生產(chǎn)綱領(lǐng)，確定生產(chǎn)類型。
2) 分析零件圖及產(chǎn)品裝配圖，對零件進(jìn)行工藝分析。
3) 選擇毛坯。
4) 擬訂工藝路線。
5) 確定各工序的加工余量，計(jì)算工序尺寸及公差。
6) 確定各工序所用的設(shè)備及刀具、夾具、量具和輔助工具。
7) 確定切削用量及工時(shí)定額。
8) 確定各主要工序的技術(shù)要求及檢驗(yàn)方法。
9) 填寫工藝文件。
在制訂工藝規(guī)程的過程中，往往要對前面已初步確定的內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整，以提高經(jīng)濟(jì)效益。在執(zhí)行工藝規(guī)程過程中，可能會(huì)出現(xiàn)前所未料的情況，如生產(chǎn)條件的變化，新技術(shù)、新工藝的引進(jìn)，新材料、先進(jìn)設(shè)備的應(yīng)用等，都要求及時(shí)對工藝規(guī)程進(jìn)行修訂和完善。
1.3夾具概述
夾具是一種裝夾工件的工藝裝備，它廣泛地應(yīng)用于機(jī)械制造過程的切削加工、熱處理、裝配、焊接和檢測等工藝過程中。
在金屬切削機(jī)床上使用的夾具統(tǒng)稱為機(jī)床夾具。在現(xiàn)代生產(chǎn)中，機(jī)床夾具是一種不可缺少的工藝裝備，它直接影響著加工的精度、勞動(dòng)生產(chǎn)率和產(chǎn)品的制造成本等，幫機(jī)床夾具設(shè)計(jì)在企業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造以及生產(chǎn)技術(shù)準(zhǔn)備中占有極其重要的地位。機(jī)床夾具設(shè)計(jì)是一項(xiàng)重要的技術(shù)工作。
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種新材料、新工藝和新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，機(jī)械制造工藝正向著高質(zhì)量、高生產(chǎn)率和低成本方向發(fā)展。各種新工藝的出現(xiàn)，已突破傳統(tǒng)的依靠機(jī)械能、切削力進(jìn)行切削加工的范疇，可以加工各種難加工材料、復(fù)雜的型面和某些具有特殊要求的零件。數(shù)控機(jī)床的問世，提高了更新頻率的小批量零件和形狀復(fù)雜的零件加工的生產(chǎn)率及加工精度。特別是計(jì)算方法和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，極大地推動(dòng)了機(jī)械加工工藝的進(jìn)步，使工藝過程的自動(dòng)化達(dá)到了一個(gè)新的階段。
“工欲善其事，必先利其器。”
工具是人類文明進(jìn)步的標(biāo)志。自20世紀(jì)末期以來，現(xiàn)代制造技術(shù)與機(jī)械制造工藝自動(dòng)化都有了長足的發(fā)展。但工具（含夾具、刀具、量具與輔具等）在不斷的革新中，其功能仍然十分顯著。機(jī)床夾具對零件加工的質(zhì)量、生產(chǎn)率和產(chǎn)品成本都有著直接的影響。因此，無論在傳統(tǒng)制造還是現(xiàn)代制造系統(tǒng)中，夾具都是重要的工藝裝備。
1.4機(jī)床夾具的功能
在機(jī)床上用夾具裝夾工件時(shí)，其主要功能是使工件定位和夾緊。
1．機(jī)床夾具的主要功能
機(jī)床夾具的主要功能是裝工件，使工件在夾具中定位和夾緊。
（1）定位 確定工件在夾具中占有正確位置的過程。定位是通過工件定位基準(zhǔn)面與夾具定位元件面接觸或配合實(shí)現(xiàn)的。正確的定位可以保證工件加工的尺寸和位置精度要求。
（2）夾緊 工件定位后將其固定，使其在加工過程中保持定位位置不變的操作。由于工件在加工時(shí)，受到各種力的作用，若不將工件固定，則工件會(huì)松動(dòng)、脫落。因此，夾緊為工件提供了安全、可靠的加工條件。
2．機(jī)床夾具的特殊功能
機(jī)床夾具的特殊功能主要是對刀和導(dǎo)向。
（1）對刀 調(diào)整刀具切削刃相對工件或夾具的正確位置。如銑床夾具中的對刀塊，它能迅速地確定銑刀相對于夾具的正確位置。
（2）導(dǎo)向 如鉆床夾具中的鉆模板的鉆套，能迅速地確定鉆頭的位置，并引導(dǎo)其進(jìn)行鉆削。導(dǎo)向元件制成模板形式，故鉆床夾具常稱為鉆模。鏜床夾具（鏜模）也具有導(dǎo)向功能。
1.5機(jī)床夾具的發(fā)展趨勢
隨著科學(xué)技術(shù)的巨大進(jìn)步及社會(huì)生產(chǎn)力的迅速提高，夾具已從一種輔助工具發(fā)展成為門類齊全的工藝裝備。
1.5.1機(jī)床夾具的現(xiàn)狀
國際生產(chǎn)研究協(xié)會(huì)的統(tǒng)計(jì)表明，目前中、小批多品種生產(chǎn)的工作品種已占工件種類總數(shù)的85%左右。現(xiàn)代生產(chǎn)要求企業(yè)所制造的產(chǎn)品品種經(jīng)常更新?lián)Q代，以適應(yīng)市場激烈的競爭。然而，一般企業(yè)仍習(xí)慣于大量采用傳統(tǒng)的專用夾具。另一方面，在多品種生產(chǎn)的企業(yè)中，約4年就要更新80%左右的專用夾具，而夾具的實(shí)際磨損量僅為15%左右。特別是近年來，數(shù)控機(jī)床（NC）、加工中心（MC）、成組技術(shù)（GT）、柔性制造系統(tǒng)（FMS）等新技術(shù)的應(yīng)用，對機(jī)床夾具提出了如下新的要求：
1）能迅速而方便地裝備新產(chǎn)品的投產(chǎn)，以縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備周期，降低生產(chǎn)成本。
2）能裝夾一組具有相似性特征的工件。
3）適用于精密加工的高精度機(jī)床夾具。
4）適用于各種現(xiàn)代化制造技術(shù)的新型機(jī)床夾具。
5）采用液壓或氣壓夾緊的高效夾緊裝置，以進(jìn)一步提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。
6）提高機(jī)床夾具的標(biāo)準(zhǔn)化程度。
1.5.2現(xiàn)代機(jī)床夾具的發(fā)展方向
現(xiàn)代機(jī)床夾具的發(fā)展方向主要表現(xiàn)為精密化、高效化、柔性化、標(biāo)準(zhǔn)化四個(gè)方面。
精密化
隨著機(jī)械產(chǎn)品精度的日益提高，勢必相應(yīng)提高了對夾具的精度要求。精密化夾具的結(jié)構(gòu)類型很多，例如用于精密分度的多齒盤，其分度精度可達(dá)±0.1；用于精密車削的高精度三爪卡盤，其定心精度為5μm；精密心軸的同軸度公差可控制在1μm內(nèi)；又如用于軸承套圈磨削的電磁無心夾具，工件的圓度公差可達(dá)0.2～0.5μm。
高效化
高效化夾具主要用來減少工件加工的基本時(shí)間和輔助時(shí)間，以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。常見的高效化夾具有：自動(dòng)化夾具、高速化夾具、具有夾緊動(dòng)力裝置的夾具等。例如，在銑床上使用電動(dòng)虎鉗裝夾工件，效率可提高5倍左右；在車床上使用的高速三爪自定心卡盤，可保證卡爪在（試驗(yàn)）轉(zhuǎn)速為2600r/min的條件下仍能牢固地夾緊工件，從而使切削速度大幅度提高。
柔性化
機(jī)床夾具的柔性化與機(jī)床的柔性化相似，它是指機(jī)床夾具通過調(diào)整、拼裝、組合等方式，以適應(yīng)可變因素的能力。可變因素主要有：工序特征、生產(chǎn)批量、工件的形狀和尺寸等。具有柔性化特征的新型夾具種類主要有：組合夾具、通用可調(diào)夾具、成組夾具、拼裝夾具、數(shù)控機(jī)床夾具等。在較長時(shí)間內(nèi)，夾具的柔性化將是夾具發(fā)展的主要方向。
標(biāo)準(zhǔn)化
機(jī)床夾具的標(biāo)準(zhǔn)化與通用化是相互聯(lián)系的兩個(gè)方面。在制訂典型夾具結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，首先進(jìn)行夾具元件和部件的通用化，建立類型尺寸系列或變型，以減少功能用途相近的夾具元件和部件的型式，屏除一些功能低劣的結(jié)構(gòu)。通用化方法包括夾具、部件、元件、毛壞和材料的通用化。夾具的標(biāo)準(zhǔn)化階段是通用化的深入，主要是確立夾具零件或部件的尺寸系列，為夾具工作圖的審查創(chuàng)造良好的條件。目前我國已有夾具零件及部件的國家標(biāo)準(zhǔn)：GB/T2148~T2259—91以及各類通用夾具、組合夾具標(biāo)準(zhǔn)等。機(jī)床夾具的標(biāo)準(zhǔn)化，有利于夾具的商品化生產(chǎn)，有利于縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備周期，降低生產(chǎn)總成本。
第2章 機(jī)械加工工藝規(guī)程
2.1零件的分析
2.1.1零件的作用
題目所給的零件是轉(zhuǎn)向直拉桿。它位于變速機(jī)構(gòu)中，主要起換檔，使主軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)按照工作者的要求工作，獲得所需的速度和扭矩的作用。
2.1.2零件圖
2.2 零件的工藝分析
零件的材料為HT200，生產(chǎn)工藝簡單，鑄造性能優(yōu)良，但塑性較差、脆性高，，為此以下是轉(zhuǎn)向直拉桿需要加工的表面以及加工表面之間的位置要求
1. 底面
2.2- Φ18孔
3. 端面
由上面分析可知，可以先加工底面端面，然后以此作為粗基準(zhǔn)采用專用夾具進(jìn)行加工，并且保證位置精度要求。再根據(jù)各加工方法的經(jīng)濟(jì)精度及機(jī)床所能達(dá)到的位置精度，并且此轉(zhuǎn)向直拉桿零件沒有復(fù)雜的加工曲面，所以根據(jù)上述技術(shù)要求采用常規(guī)的加工工藝均可保證
2.3工藝規(guī)程設(shè)計(jì)
2.3.1確定毛坯種類
1零件材料為HT200，零件結(jié)構(gòu)較簡單，中等批量生產(chǎn)，選擇鑄造毛坯，查《機(jī)械制造工藝設(shè)計(jì)簡明手冊》，表2-2-5，選用鑄件尺寸公差等級為CT-12。
2確定加工余量及形狀
底部端面 3
端面 3
2-18 實(shí)心
2.3.2基面的選擇
定位基準(zhǔn)是影響轉(zhuǎn)向直拉桿零件加工精度的關(guān)鍵因素?；鶞?zhǔn)選擇得合理可以使加工質(zhì)量得到保證，生產(chǎn)率得以提高。否則，加工過程中將問題百出，更有甚者，造成零件的大批報(bào)廢，使生產(chǎn)無法正常進(jìn)行。
?。?）粗基準(zhǔn)的選擇。對于零件而言，盡可能選擇不加工表面為粗基準(zhǔn)。而對有若干個(gè)不加工表面的工件，則應(yīng)以與加工表面要求相對位置精度較高的不加工表面作粗基準(zhǔn)。（2）精基準(zhǔn)的選擇。主要應(yīng)該考慮基準(zhǔn)重合的問題。當(dāng)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)與工序基準(zhǔn)不重合時(shí)，應(yīng)該進(jìn)行尺寸換算，這在以后還要專門計(jì)算，應(yīng)該進(jìn)行尺寸互算。
（3）加工階段的劃分
該轉(zhuǎn)向直拉桿加工質(zhì)量要求較高，可將加工階段劃分成粗加工、半精加工和精加工幾個(gè)階段。
(4）工序的集中和分散
本轉(zhuǎn)向直拉桿選用工序集中原則安排轉(zhuǎn)向直拉桿的加工工序。該轉(zhuǎn)向直拉桿的生產(chǎn)類型為成批生產(chǎn)，可以采用萬能型機(jī)床配以專用工裝、夾具，以提高生產(chǎn)率；而且運(yùn)用工序集中原則使工件的裝夾次數(shù)少，不但可縮短輔助時(shí)間，而且由于在一次裝夾中加工了許多表面，有利于保證加工表面之間的相對位置精度要求。
(5) 加工原則:
1）遵循“先基準(zhǔn)后其他”原則，首先加工基準(zhǔn)——轉(zhuǎn)向直拉桿下端面
2）遵循“先粗后精”原則，先安排粗加工工序，后安排精加工工序。
3）遵循“先主后次”原則.
4）遵循“先面后孔”原則.
2.3.3制定工藝路線
制定工藝路線得出發(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)已確定的情況下,可以考慮采用萬能性機(jī)床配以專用夾具,并盡量使工序集中來提高生產(chǎn)率。除此之外，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。
工藝路線方案：
10 鑄造 鑄造毛坯
20 時(shí)效處理 時(shí)效處理
30 銑 粗銑底面
40 銑 精銑底面
50 鉆、鉸Φ18孔 1)鉆Φ17.8孔；
2)鉸Φ18孔
60 銑 銑端面
70 鉗工 去毛刺
80 檢驗(yàn) 檢驗(yàn)入庫
2.4轉(zhuǎn)向直拉桿的偏差，加工余量，工序尺寸及毛坯尺寸的確定
轉(zhuǎn)向直拉桿的鑄造采用的是HT200鑄造制造，其材料是HT200，生產(chǎn)類型為中批量生產(chǎn)，采用鑄造毛坯。
2.4.1毛坯的結(jié)構(gòu)工藝要求
轉(zhuǎn)向直拉桿為鑄造件，對毛坯的結(jié)構(gòu)工藝性有一定要求：
⑴ 由于模鑄件尺寸精度較高和表面粗糙度值低，因此零件上只有與其它機(jī)件配合的表面才需要進(jìn)行機(jī)械加工，其表面均應(yīng)設(shè)計(jì)為非加工表面。
⑵ 為了使金屬容易充滿模膛和減少工序，模鑄件外形應(yīng)力求簡單、平直的對稱，盡量避免模鑄件截面間差別過大，或具有薄壁、高筋、高臺(tái)等結(jié)構(gòu)。
⑶ 模鑄件的結(jié)構(gòu)中應(yīng)避免深孔或多孔結(jié)構(gòu)。
⑷ 模鑄件的整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力求簡單。
⑸ 工藝基準(zhǔn)以設(shè)計(jì)基準(zhǔn)相一致。
⑹ 便于裝夾、加工和檢查。
⑺ 結(jié)構(gòu)要素統(tǒng)一，盡量使用普通設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)刀具進(jìn)行加工。
在確定毛坯時(shí)，要考慮經(jīng)濟(jì)性。雖然毛坯的形狀尺寸與零件接近，可以減少加工余量，提高材料的利用率，降低加工成本，但這樣可能導(dǎo)致毛坯制造困難，需要采用昂貴的毛坯制造設(shè)備，增加毛坯的制造成本。因此，毛坯的種類形狀及尺寸的確定一定要考慮零件成本的問題但要保證零件的使用性能。在毛坯的種類
形狀及尺寸確定后，必要時(shí)可據(jù)此繪出毛坯圖。
2.4.2轉(zhuǎn)向直拉桿的偏差計(jì)算
⑴ 轉(zhuǎn)向直拉桿底平面和大頭孔上平面的偏差及加工余量計(jì)算
底平面加工余量的計(jì)算。根據(jù)工序要求，其加工分粗、精銑加工。各工步余量如下：
粗銑：由參考文獻(xiàn)[4]表11～19。其余量值規(guī)定為，現(xiàn)取。查[3]可知其粗銑時(shí)精度等級為IT12，粗銑平面時(shí)厚度偏差取
精銑：由參考文獻(xiàn)[3]表2.3～59，其余量值規(guī)定為。
⑵ 小頭孔的偏差及加工余量計(jì)算
參照參考文獻(xiàn)[3]表2.2～2，2.2～25,2.3～13和參考文獻(xiàn)[15]表1～8，可以查得：
鉆孔
參照參考文獻(xiàn)[3]表2.3～47，表2.3～48。確定工序尺寸及加工余量為：
加工該孔的工藝是：鉆——擴(kuò)——鉸
⑶．粗、精銑端面
參照參考文獻(xiàn)[1]表21～5，得其槽邊雙邊粗加工余量再由參照參考文獻(xiàn)[1]表21～5的刀具選擇可得其極限偏差
2.5確定切削用量及基本工時(shí)（機(jī)動(dòng)時(shí)間）
工序30：粗銑底面。
機(jī)床：銑床X52K
刀具：硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位端銑刀（面銑刀），材料：， ，齒數(shù)，此為粗齒銑刀。
因其單邊余量：Z=2.2mm
所以銑削深度：
精銑該平面的單邊余量：Z=1.0mm
銑削深度：
每齒進(jìn)給量：根據(jù)參考文獻(xiàn)[3]表2.4～73，取：根據(jù)參考文獻(xiàn)[3]表2.4～81，取銑削速度
每齒進(jìn)給量：根據(jù)參考文獻(xiàn)[3]表2.4～73，取根據(jù)參考文獻(xiàn)[3]表2.4～81，取銑削速度
機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速：
按照參考文獻(xiàn)[3]表3.1～74，取
實(shí)際銑削速度：
進(jìn)給量：
工作臺(tái)每分進(jìn)給量：
：根據(jù)參考文獻(xiàn)[3]表2.4～81,取
切削工時(shí)
被切削層長度：由毛坯尺寸可知，
刀具切入長度：
刀具切出長度：取
走刀次數(shù)為1
機(jī)動(dòng)時(shí)間：
機(jī)動(dòng)時(shí)間：
所以該工序總機(jī)動(dòng)時(shí)間
工序40：精銑底面
機(jī)床：銑床X52K
刀具：硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位端銑刀（面銑刀），材料：， ，齒數(shù)8，此為細(xì)齒銑刀。
精銑該平面的單邊余量：Z=1.0mm
銑削深度：
每齒進(jìn)給量：根據(jù)參考文獻(xiàn)[3]表2.4～73，取根據(jù)參考文獻(xiàn)[3]表2.4～81，取銑削速度
每齒進(jìn)給量：根據(jù)參考文獻(xiàn)[3]表2.4～73，?。焊鶕?jù)參考文獻(xiàn)[3]表2.4～81，取銑削速度
機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速：
按照參考文獻(xiàn)[3]表3.1～31，取
實(shí)際銑削速度：
進(jìn)給量：
工作臺(tái)每分進(jìn)給量：
被切削層長度：由毛坯尺寸可知，
刀具切入長度：精銑時(shí)
刀具切出長度：取
走刀次數(shù)為1
機(jī)動(dòng)時(shí)間：
機(jī)動(dòng)時(shí)間：
所以該工序總機(jī)動(dòng)時(shí)間
工序50：鉆、擴(kuò)、鉸2-Φ18孔。
機(jī)床：立式鉆床Z525
刀具：根據(jù)參照參考文獻(xiàn)[3]表4.3～9選高速鋼錐柄麻花鉆頭。
⑴ 鉆孔Φ17.8
切削深度：
進(jìn)給量：根據(jù)參考文獻(xiàn)[3]表2.4～38，取。
切削速度：參照參考文獻(xiàn)[3]表2.4～41，取。
機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速：
，
按照參考文獻(xiàn)[3]表3.1～31，取
所以實(shí)際切削速度：
切削工時(shí)
被切削層長度：
刀具切入長度：
刀具切出長度： 取
走刀次數(shù)為1
機(jī)動(dòng)時(shí)間：
機(jī)動(dòng)時(shí)間：
⑶ 鉸孔
刀具：根據(jù)參照參考文獻(xiàn)[3]表4.3～54，選擇硬質(zhì)合金錐柄機(jī)用鉸刀。
進(jìn)給量：根據(jù)參考文獻(xiàn)[3]表2.4～58，取。
切削速度：參照參考文獻(xiàn)[3]表2.4～60，取。
按照參考文獻(xiàn)[3]表3.1～31取
切削工時(shí)
被切削層長度：
刀具切入長度，
刀具切出長度： 取
走刀次數(shù)為1
機(jī)動(dòng)時(shí)間：
該工序的加工機(jī)動(dòng)時(shí)間的總和是：
工序60：銑端面
機(jī)床：雙立軸圓工作臺(tái)銑床
刀具：錯(cuò)齒三面刃銑刀
⑴ 粗銑
根據(jù)參考文獻(xiàn)[3]表查得：進(jìn)給量,根據(jù)參考文獻(xiàn)[1]表查得切削速度。
機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速：
，
按照參考文獻(xiàn)[3]表3.1～74，取
實(shí)際切削速度：
進(jìn)給量：
工作臺(tái)每分進(jìn)給量：
被切削層長度：由毛坯尺寸可知，
刀具切入長度：
=63mm
刀具切出長度：取
走刀次數(shù)為1
機(jī)動(dòng)時(shí)間：
⑵ 精銑
根據(jù)參考文獻(xiàn)[3]表查得：進(jìn)給量,根據(jù)參考文獻(xiàn)[1]表查得切削速度，
機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速：
，
按照參考文獻(xiàn)[3]表3.1～74，取。
實(shí)際切削速度：
進(jìn)給量：
工作臺(tái)每分進(jìn)給量：
被切削層長度：由毛坯尺寸可知，
刀具切入長度：
=81mm
刀具切出長度：取
走刀次數(shù)為1
機(jī)動(dòng)時(shí)間：
本工序機(jī)動(dòng)時(shí)間：
第3章 銑杠桿臂平面夾具設(shè)計(jì)
3.1研究原始質(zhì)料
利用本夾具主要用來粗、精銑杠桿臂平面，該槽對孔的中心線要滿足對稱度要求以及其槽兩邊的平行度要求。在銑此杠桿臂平面時(shí)，為了保證技術(shù)要求，最關(guān)鍵是找到定位基準(zhǔn)。同時(shí)，應(yīng)考慮如何提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和降低勞動(dòng)強(qiáng)度。
3.2定位基準(zhǔn)的選擇
由零件圖可知：在對槽進(jìn)行加工前，底平面進(jìn)行了粗、精銑加工
方案Ⅱ：選一面兩銷定位方式，工藝孔用短圓柱銷，用棱形銷定位，夾緊方式用操作簡單，通用性較強(qiáng)的移動(dòng)壓板來夾緊。
通過比較分析只有方案Ⅱ滿足要求，工藝孔用短圓柱銷，用棱形銷定位間有尺寸公差，選擇小孔來定位，從而保證其尺寸公差要求。
3.3 切削力及夾緊分析計(jì)算
刀具：錯(cuò)齒三面刃銑刀（硬質(zhì)合金）
刀具有關(guān)幾何參數(shù)：
由參考文獻(xiàn)[5]5表1～2～9 可得銑削切削力的計(jì)算公式：
有：
根據(jù)工件受力切削力、夾緊力的作用情況，找出在加工過程中對夾緊最不利的瞬間狀態(tài)，按靜力平衡原理計(jì)算出理論夾緊力。最后為保證夾緊可靠，再乘以安全系數(shù)作為實(shí)際所需夾緊力的數(shù)值，即：
安全系數(shù)K可按下式計(jì)算：
式中：為各種因素的安全系數(shù)，查參考文獻(xiàn)[5]1～2～1可知其公式參數(shù)：
由此可得：
所以
由計(jì)算可知所需實(shí)際夾緊力不是很大，為了使其夾具結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，決定選用手動(dòng)螺旋夾緊機(jī)構(gòu)。
查參考文獻(xiàn)[5]1～2～26可知移動(dòng)形式壓板螺旋夾緊時(shí)產(chǎn)生的夾緊力按以下公式計(jì)算：螺旋夾緊時(shí)產(chǎn)生的夾緊力按以下公式計(jì)算有：
式中參數(shù)由參考文獻(xiàn)[5]可查得：
其中：
螺旋夾緊力：
該夾具采用氣缸夾緊
由上述計(jì)算易得：
由計(jì)算可知所需實(shí)際夾緊力不是很大，為了使其夾具結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，決定選用手動(dòng)螺旋夾緊機(jī)構(gòu)。
3.4 誤差分析與計(jì)算
該夾具以一面兩銷定位。為了滿足工序的加工要求，必須使工序中誤差總和等于或小于該工序所規(guī)定的尺寸公差。
與機(jī)床夾具有關(guān)的加工誤差，一般可用下式表示：
由參考文獻(xiàn)[5]可得：
⑴ 兩定位銷的定位誤差 ：
其中：
，
，
，
⑵ 夾緊誤差 ：
其中接觸變形位移值：
查[5]表1～2～15有。
⑶ 磨損造成的加工誤差：通常不超過
⑷ 夾具相對刀具位置誤差：取
誤差總和：
從以上的分析可見，所設(shè)計(jì)的夾具能滿足零件的加工精度要求。
3.5 零、部件的設(shè)計(jì)與選用
3.5.1定位銷選用
本夾具選用一可換定位銷和固定棱形銷來定位，其參數(shù)如下表：
表5.1 定位銷
d
H
D
公稱尺寸
允差
14～18
16
15
～0.011
22
5
1
4
M12
4
表5.2 定位棱銷
d
H
d
公稱尺寸
允差
40～50
20
22
+0.034
～0.023
65
5
3
8
1
6
1.5
3.5.2夾緊裝置的選用
該夾緊裝置選用移動(dòng)壓板，其參數(shù)如表5.3：
表5.3 移動(dòng)壓板
公稱直徑
L
6
HT200
20
8
19
6.6
7
M6
5
3.5.3 定向鍵與對刀裝置設(shè)計(jì)
定向鍵安裝在夾具底面的縱向槽中，一般使用兩個(gè)。其距離盡可能布置的遠(yuǎn)些。通過定向鍵與銑床工作臺(tái)T形槽的配合，使夾具上定位元件的工作表面對于工作臺(tái)的送進(jìn)方向具有正確的位置。定向鍵可承受銑削時(shí)產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)力矩，可減輕夾緊夾具的螺栓的負(fù)荷，加強(qiáng)夾具在加工中的穩(wěn)固性。
根據(jù)GB2207—80定向鍵結(jié)構(gòu)如圖所示：
圖5.1 夾具體槽形與螺釘
根據(jù)T形槽的寬度 a=18mm 定向鍵的結(jié)構(gòu)尺寸如表5.4：
表5.4 定向鍵
B
L
H
h
D
夾具體槽形尺寸
公稱尺寸
允差d
允差
公稱尺寸
允差D
18
～0.012
～0.035
25
12
4
12
4.5
18
+0.019
5
對刀裝置由對刀塊和塞尺組成，用來確定刀具與夾具的相對位置。
塞尺選用平塞尺，其結(jié)構(gòu)如圖5.3所示：
圖5.3 平塞尺
塞尺尺寸參數(shù)如表5.5：
表5.5 塞尺
公稱尺寸H
允差d
C
3
～0.006
0.25
3.6 夾具設(shè)計(jì)及操作的簡要說明
如前所述，應(yīng)該注意提高生產(chǎn)率，但該夾具設(shè)計(jì)采用了手動(dòng)夾緊方式，在夾緊和松開工件時(shí)比較費(fèi)時(shí)費(fèi)力。由于該工件體積小，經(jīng)過方案的認(rèn)真分析和比較，選用了手動(dòng)夾緊方式（螺旋夾緊機(jī)構(gòu)）。這類夾緊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、夾緊可靠、通用性大，在機(jī)床夾具中很廣泛的應(yīng)用。
此外，當(dāng)夾具有制造誤差，工作過程出現(xiàn)磨損，以及零件尺寸變化時(shí)，影響定位、夾緊的可靠。為防止此現(xiàn)象，選用可換定位銷。以便隨時(shí)根據(jù)情況進(jìn)行調(diào)整換取。
總 結(jié)
加工工藝的編制和專用夾具的設(shè)計(jì)，使對零件的加工過程和夾具的設(shè)計(jì)有進(jìn)一步的提高。在這次的設(shè)計(jì)中也遇到了不少的問題，如在編寫加工工藝時(shí)，對所需加工面的先后順序編排，對零件的加工精度和勞動(dòng)生產(chǎn)率都有相當(dāng)大的影響。在對某幾個(gè)工序進(jìn)行專用夾具設(shè)計(jì)時(shí)，對零件的定位面的選擇，采用什么方式定位，夾緊方式及夾緊力方向的確定等等都存在問題。這些問題都直接影響到零件的加工精度和勞動(dòng)生產(chǎn)率，為達(dá)到零件能在保證精度的前提下進(jìn)行加工，而且方便快速，以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低成本的目的。通過不懈努力和指導(dǎo)老師的精心指導(dǎo)下，針對這些問題查閱了大量的相關(guān)資料。最后，將這些問題一一解決，并夾緊都采用了手動(dòng)夾緊，由于工件的尺寸不大，所需的夾緊力不大。
完成了本次設(shè)計(jì)，通過做這次的設(shè)計(jì)，使對專業(yè)知識(shí)和技能有了進(jìn)一步的提高，為以后從事本專業(yè)技術(shù)的工作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
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致 謝
在畢業(yè)設(shè)計(jì)即將結(jié)束之際我向所有幫助過我的老師和同學(xué)說一聲，謝謝！我想沒有他們的幫助，畢業(yè)設(shè)計(jì)就會(huì)做得很困難。
這次畢業(yè)設(shè)計(jì)是在老師悉心指導(dǎo)下完成的。XX老師以其淵博的學(xué)識(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)風(fēng)范、高度的責(zé)任感使我受益非淺。在做設(shè)計(jì)的過程中也遇到了不少的問題，XX老師給了我許多關(guān)懷和幫助，并且隨時(shí)詢問我畢業(yè)設(shè)計(jì)的進(jìn)展情況、細(xì)心的指導(dǎo)我們，也經(jīng)常打電話或者發(fā)電子郵件過來指導(dǎo)我的設(shè)計(jì)。
在論文工作中，得到了機(jī)電學(xué)院有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)和老師的幫助與支持，在此表示衷心的感謝。
最后，在即將完成畢業(yè)設(shè)計(jì)之時(shí)，我再次感謝對我指導(dǎo)、關(guān)心和幫助過老師、領(lǐng)導(dǎo)及同學(xué)。謝謝了！
21
附錄二 ：中文翻譯
通過夾具布局設(shè)計(jì)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(jī)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(gè)主要方面。在本文提出了一種多目標(biāo)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(yīng)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(gè)例子說明，一個(gè)令人滿意的結(jié)果被求得， 這是遠(yuǎn)優(yōu)于經(jīng)驗(yàn)之一的。多目標(biāo)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(jì)在制造工程中是一項(xiàng)重要的程序。這對于加工精度是至關(guān)重要。一個(gè)工件應(yīng)約束在一個(gè)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(yīng)該從戰(zhàn)略的設(shè)計(jì)，并且適當(dāng)?shù)膴A緊力應(yīng)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(jìn)行工件加工。通常情況下，它在很大程度上取決于設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn)，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(jì)方案的兩個(gè)主要方面。 定位和夾緊裝置和夾緊力的值都應(yīng)適當(dāng)?shù)倪x擇和計(jì)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(jì)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(gè)最優(yōu)布局或方案。在這篇論文里， 多目標(biāo)優(yōu)化方法是代表了夾具布局設(shè)計(jì)和夾緊力的優(yōu)化的方法。 這個(gè)觀點(diǎn)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(gè)是盡量均勻變形。 ANSYS軟件包是用來計(jì)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(dá)且直接的搜索工具箱，并且被應(yīng)用于解決優(yōu)化問題。最后還給出了一個(gè)案例的研究，以闡述對所提算法的應(yīng)用。
2 文獻(xiàn)回顧
隨著優(yōu)化方法在工業(yè)中的廣泛運(yùn)用，近幾年夾具設(shè)計(jì)優(yōu)化已獲得了更多的利益。夾具設(shè)計(jì)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(jì)的方法。DeMeter也用了一個(gè)剛性體模型，為最優(yōu)夾具布局和最低的夾緊力進(jìn)行分析和綜合。他提出了基于支持布局優(yōu)化的程序與計(jì)算質(zhì)量的有限元計(jì)算法。李和melkote用了一個(gè)非線性編程方法和一個(gè)聯(lián)絡(luò)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(zhǔn)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(rèn)為工件在加工過程中處于動(dòng)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(jìn)行夾具設(shè)計(jì)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(huì)的理論進(jìn)行了拓展。秦等人建立了一個(gè)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(dòng)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(gè)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(jì)的問題是非線性的，因?yàn)槟繕?biāo)的功能和設(shè)計(jì)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(yīng)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(biāo)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(gè)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(gè)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(diǎn)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(gè)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(gè)分析模型，認(rèn)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(xué)習(xí)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(luò)（ ANN ）和GA。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)被用來計(jì)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(luò)結(jié)合起來發(fā)展夾具設(shè)計(jì)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(jìn)去。周等人。提出了基于遺傳算法的方法，認(rèn)為優(yōu)化夾具布局和夾緊力的同時(shí)，一些研究沒有考慮為整個(gè)刀具路徑優(yōu)化布局。一些研究使用節(jié)點(diǎn)數(shù)目作為設(shè)計(jì)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(shí)進(jìn)行。 有幾項(xiàng)研究摩擦和碎片考慮進(jìn)去了。
碎片的移動(dòng)和摩擦接觸的影響對于實(shí)現(xiàn)更為現(xiàn)實(shí)和準(zhǔn)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(shí)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(dá)到加工表面在夾緊和切削力下最低程度的變形。一多目標(biāo)優(yōu)化模型被建立了。一個(gè)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(biāo)優(yōu)化模型對低剛度工件而言是比較單一的目標(biāo)優(yōu)化方法、經(jīng)驗(yàn)和方法。
3 多目標(biāo)優(yōu)化模型夾具設(shè)計(jì)
一個(gè)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(yīng)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(diǎn)。夾具元件-工件接觸點(diǎn)的位置必須在候選位置。為一個(gè)問題涉及夾具元件-工件接觸和加工負(fù)荷步驟，優(yōu)化問題可以在數(shù)學(xué)上仿照如下：
這里的△表示加工區(qū)域在加工當(dāng)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(diǎn)；
μ是靜態(tài)摩擦系數(shù)；
fhi是切向力在i次的接觸點(diǎn)；
pos(i)是i次的接觸點(diǎn)；
是可選區(qū)域的i次接觸點(diǎn)；
整體過程如圖1所示，一要設(shè)計(jì)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(jì)算出來。優(yōu)化程序造成一些夾具布局和夾緊力，同時(shí)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(jì)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(jì)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(qiáng)勁，隨機(jī)和啟發(fā)式的優(yōu)化方法。基本思路背后的遺傳算法是模擬“生存的優(yōu)勝劣汰“的現(xiàn)象。每一個(gè)人口中的候選個(gè)體指派一個(gè)健身的價(jià)值，通過一個(gè)功能的調(diào)整，以適應(yīng)特定的問題。遺傳算法，然后進(jìn)行復(fù)制，交叉和變異過程消除不適宜的個(gè)人和人口的演進(jìn)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(gè)體代表全最好的方法。
遺傳算法程序在優(yōu)化夾具設(shè)計(jì)時(shí)需夾具布局和夾緊力作為設(shè)計(jì)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(jì)計(jì)劃。在這項(xiàng)研究里，遺傳算法和MATLAB的直接搜索工具箱是被運(yùn)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(dāng)在一個(gè)人口中功能最薄弱功能的最優(yōu)值沒有變化時(shí)，nchg達(dá)到一個(gè)預(yù)先定義的價(jià)值ncmax ，或有多少幾代氮，到達(dá)演化的指定數(shù)量上限nmax， 沒有遺傳算法停止。有五個(gè)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(jì)字符串，當(dāng)受到加工負(fù)荷時(shí)不完全限制夾具。這些解決方案被認(rèn)為是不可行的，且被罰的方法是用來驅(qū)動(dòng)遺傳算法，以實(shí)現(xiàn)一個(gè)可行的解決辦法。1夾具設(shè)計(jì)的計(jì)劃被認(rèn)為是不可行的或無約束，如果反應(yīng)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(jì)劃的高目標(biāo)函數(shù)值時(shí)不可行的。因此，驅(qū)動(dòng)它在連續(xù)迭代算法中的可行區(qū)域。對于約束（4），當(dāng)遺傳算子產(chǎn)生新個(gè)體或此個(gè)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(diǎn)是用于檢查。“inpolygon ”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(jì)算。有限元模型是一個(gè)考慮摩擦效應(yīng)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(gè)位置或支持，是代表三個(gè)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(gè)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(gè)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(jì)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(gè)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(gè)元素的位置被其它四或六最接近的鄰近節(jié)點(diǎn)所包圍。
圖3 連續(xù)插值
這系列節(jié)點(diǎn)，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(gè)節(jié)點(diǎn)相關(guān)聯(lián)。對任何一套節(jié)點(diǎn)，彈簧常數(shù)是：
這里，
kij 是彈簧剛度在的j -次節(jié)點(diǎn)周圍i次夾具元件，
Dij 是i次夾具元件和的J -次節(jié)點(diǎn)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(diǎn)數(shù)量
為每個(gè)加工負(fù)荷的一步，適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件將適用于工件的有限元模型。在這個(gè)工作里，正常的彈簧約束在這三個(gè)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(diǎn)。整個(gè)刀具路徑是模擬為每個(gè)夾具設(shè)計(jì)計(jì)劃所產(chǎn)生的遺傳算法應(yīng)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(jìn)去。在機(jī)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(diǎn)的工具運(yùn)動(dòng)和碎片移除使用的元素死亡技術(shù)。在為了計(jì)算健身價(jià)值，對于給定夾具設(shè)計(jì)方案，位移存儲(chǔ)為每個(gè)負(fù)載的一步。那么，最大位移是選定為夾具設(shè)計(jì)計(jì)劃的健身價(jià)值。
遺傳算法的程序和ANSYS之間的互動(dòng)實(shí)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(gè)文本文件。那個(gè)輸入批處理文件ANSYS軟件可以讀取這些參數(shù)和計(jì)算加工表面的變形。 因此， 健身價(jià)值觀，在遺傳算法程序，也可以寫到當(dāng)前夾具設(shè)計(jì)計(jì)劃的一個(gè)文本文件。
當(dāng)有大量的節(jié)點(diǎn)在一個(gè)有限元模型時(shí)，計(jì)算健身價(jià)值是很昂貴的。因此，有必要加快計(jì)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(xiàng)工作中，計(jì)算健身價(jià)值和染色體存放在一個(gè)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(jià)值已計(jì)算之前，先檢查；如果不，夾具設(shè)計(jì)計(jì)劃發(fā)送到ANSYS，否則健身價(jià)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(gè)計(jì)算時(shí)間保持不變。每計(jì)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(fù)“恢復(fù)”ANSYS 命令。
5 案例研究
一個(gè)關(guān)于低剛度工件的銑削夾具設(shè)計(jì)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(diǎn)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(yīng)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(yùn)作
舉例將工件進(jìn)行周邊銑削，加工參數(shù)在表2中給出。基于這些參數(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(jì)算和應(yīng)用，當(dāng)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(shí)。整個(gè)刀具路徑被26個(gè)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(jì)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(jì)中常用的。夾具底板限制三個(gè)自由度，在側(cè)邊控制兩個(gè)自由度。這里，在Y=0mm截面上使用了4個(gè)定點(diǎn)（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(gè)壓板（C1,C2）夾緊工件。在正交面上，需要一個(gè)定位元件限制其余的一個(gè)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(diǎn)的坐標(biāo)范圍。
表3 設(shè)計(jì)變量的約束
由于沒有一個(gè)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(gè)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(gè)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(dāng)nchg達(dá)到6時(shí)，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(yīng)功能（1）和（2）如圖7、圖8所示。優(yōu)化設(shè)計(jì)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(gè)函數(shù)值的收斂
圖8第二個(gè)函數(shù)值的收斂性
表4 多目標(biāo)優(yōu)化模型的結(jié)果 表5 各種夾具設(shè)計(jì)方案結(jié)果進(jìn)行比較，
5.6 結(jié)果的比較
從單一目標(biāo)優(yōu)化和經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)中得到的夾具設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)變量和目標(biāo)函數(shù)值，如表5所示。單一目標(biāo)優(yōu)化的結(jié)果，在論文中引做比較。在例子中，與經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)相比較，單一目標(biāo)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(qiáng)了60.4 ％。最高夾緊力的值也減少了49.4 ％ 。從多目標(biāo)優(yōu)化方法和單目標(biāo)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(biāo)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(yùn)用最佳定位點(diǎn)分布和最優(yōu)夾緊力來減少工件的變形。圖10示出了一實(shí)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(shí)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(jì)和夾緊力的優(yōu)化程序設(shè)計(jì)。優(yōu)化程序是多目標(biāo)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(jià)值的有限元計(jì)算。對于夾具設(shè)計(jì)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(xiàng)研究中，摩擦的影響和碎片移動(dòng)都被考慮到了。為了減少計(jì)算的時(shí)間，建立了一個(gè)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(jì)方法是單一目標(biāo)優(yōu)化方法或經(jīng)驗(yàn)。此研究結(jié)果表明，多目標(biāo)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。
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