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夾具定位規(guī)劃中完整性評估和修訂 CAM 實驗室 機械工程學系 伍斯特理工學院研究院 100 路 伍斯特 碩士 01609 美國 2004 年 9 月 14 日收稿 2004 年 11 月 9 日修訂 2004 年 11 月 10 日發(fā)表 摘 要 幾何約束是夾具設計中最重要的考慮因素之一 確定位置的解析擬訂已發(fā) 達 然而 如何分析和修改在實際夾具設計實踐過程中的一個非確定性的定位 計劃尚未深入研究 在本文中 提出了一種方法來描述在限制約束下的重點夾 具系統(tǒng)的幾何約束狀態(tài) 一種限制約束下狀態(tài) 如果它存在 可以識別給定定 位計劃 可以自動識別工件的所有限制約束下約束狀態(tài)的提案 這有助于改善 逆差定位計劃 并為修訂提供指引 以最終實現確定性的定位 關鍵詞 夾具設計 幾何約束 確定性定位 限制約束 過約束 1 介紹 夾具是用于制造工業(yè)進行工件牢固定位的一種機制 在零件加工過程中規(guī) 劃一個關鍵的第一步 夾具設計需要 以確保定位精度和三維工件的精度 3 2 1原則 在一般情況下 是最廣泛使用的指導原則發(fā)展的位置計劃 V型塊 和銷孔定位原則也常用 一個加工夾具定位方案必須滿足一些要求 最基本的要求是 必須提供工 件確定的位置 這種觀點指出 定位計劃生產的確定位置 工件不能移動 而 至少有一個定位不會失去聯系 這一直是夾具設計的最根本的準則之一 許多 研究人員關于幾何約束狀態(tài)的研究表明 工件在任何定位計劃分為以下三個類 別 1 良好的約束 確定性 工件在一個獨特的位置進行配合 工件表面 與 6 個定位器取得聯系 2 限制約束 不完全約束工件的自由度 3 過約束 工件自由度超過 6 定位的制約 在1985年 淺田 1 提出了滿秩為準則雅可比矩陣的約束方程 基于分析形成 了調研后 確定定位 周等 2 在1989年制定了在確定性定位問題上使用螺旋理 論 結果表明 定位矩陣的定位需要壓力滿秩達到確定的位置 該方法的確定通 過無數的研究 王等 3 考慮定位工件的接觸的影響 而采用點接觸面積 他們 介紹了接觸矩陣 并指出 兩個接觸的機構不應該有平等的 但在接觸點曲率 相反 卡爾森 4 認為 可能沒有足夠的應用 如一些不是非棱柱的表面或相對 誤差近似的非小線性 他提出一個二階泰勒展開 其中也考慮到定位誤差相互 作用 馬林和費雷拉 5 應用周對 3 2 1的位置擬訂 制定若干按照規(guī)則的規(guī)劃 盡管眾多的位置上的確定分析研究很少注意非確定性分析的位置 在淺田的擬定方案中 他們假設工件夾具元件和點之間的聯絡無阻力 理想 的位置q 而應放置工件表面和分片 可微函數是 gi 見圖1 表面函數定義為 gi q 0是確定的 應該有一個獨一無二的解決方案為下列 所有定位方程組 gi q 0 i 1 2 n 1 其中n是定位器的位置與 方向 代表了工件的定位和 方向 只有考慮到目標位置q 附近在 處 淺田表明 2 hi是幾何函數的雅可比矩陣 矩陣式所示 3 確定定位 如果雅可比矩陣滿秩 可滿足要求 2 只有q q 一個解決辦法 3 在1個3 2 1定位計劃中 一個約束方程的雅可比矩陣的滿秩的約束狀態(tài)如 表1所示 如果定位是小于6 工件是限制約束的 即存在至少有一個工件自由 定位議案不受限制的 如果矩陣滿秩 但定位大于6 定位 工件是過約束 這表 明存在至少一個定位等 而幾何約束工件被刪除不影響的狀態(tài) 找出一個模型除 了3 2 1 可以建立基準框架提取等效的定位點 胡等 6 已經發(fā)展出一種系統(tǒng)的方 法 對這個用途 因此 這則能適用于所有的定位方案 圖1 夾具系統(tǒng)模型 表 1 等級 數量的定位 地位 6 Over constrained 康等 7 遵循這些方法和他們實施制定的幾何約束分析模塊其自動化的計算機輔 助夾具設計的核查制度 他們的 CAFDV 系統(tǒng)可以計算出雅可比矩陣和它的排 名來確定定位的完整性 它也可以分析工件的位移和靈敏度定位錯誤 熊等人 8 提 出的等級檢查方法的定位矩陣 WL 見附件 他們還介紹了左 右邊的定位矩陣 廣義逆理論 分析了工件的幾何誤差 結果表明 定位及發(fā)展方向誤差 X 和位 置誤差 r 的工件定位相關如下 Under constrained X WL r 4 Well constrained X WTLWL 1WLT r 5 Over constrained X WLT WTLWL 1 r I6 6 WLT WTLWL 1WL 6 是任意一個向量 他們還介紹了從這些矩陣的幾個指標 評價定位配置 其次是通過約束非 線性規(guī)劃的優(yōu)化 然而 他們的研究分析 不涉及非確定性定位的修訂 目前 還沒有就如何處理與提供確定的位置的夾具設計系統(tǒng)的研究 2 定位完整性評價 如果不確定性的位置達到夾具系統(tǒng)設計的要求 設計師知道約束狀態(tài)是什 么 以如何改善設計是非常重要的條件 如果夾具系統(tǒng)是過度約束 是理想定 位需要的不必要的信息 而下約束時 所有有關知識約束工件的議案 可以引 導設計師選擇額外的定位或使得修改定位計劃更有效 的總體戰(zhàn)略定位計劃表 征幾何約束的狀態(tài)描述圖 2 在本文中 定位矩陣秩的幾何約束的施加評價狀態(tài) 見附件為獲得的定位矩 陣 確定需要六個定位器定位提供矩陣的滿秩定位 WL 如圖 3 所示 在給定的定位器數量 n 定位法向量 ai bi ci 和定位的位置 xi yi zi 每一個定位器 i 1 2 n n 6 定位矩陣可以確定如下 7 當等級 WL 6 n 6 時 是工件良好約束 當等級 WL 6 n 6 時 是工件過約束 這意味著 n 6 有不必要的定位在定位方案上 工件將不存在限制 n 6 定位器 這種狀態(tài)的數學表示方法 那就是 n 6 在定位向量矩陣 可表示為 線性組合的其他六行向量 圖 2 幾何約束狀態(tài)描述 圖 3 一個簡化的定位方案 定位方案 提供了確定性的位置 發(fā)達國家的算法使用下列方法確定不必 要的定位 1 找到所有的 n 6 組合定位的 2 為每個組合 從 n 6 定位器確定定位方案 3 重新計算矩陣秩的定位為左六個定位器 4 如果等級不變 被刪除的 n 6 定位器是負責過約束狀態(tài) 這種方法可能會產生多種解決方案 并要求設計師來決定哪一套不必要的 定位應該被刪除以最佳定位性能 當等級 WL 6 工件的限制約束 參考文獻 1 Asada H By AB 自動重構夾具的柔性裝配夾具的運動學分析 IEEE J 機器人 autom1985 RA 1 86 93 2 zhou YC Chandru V Barash MM 加工裝置的自動配置的數學方法分析和綜合 反 ASME J 英工業(yè) 1989 111 299 306 3 Wang MY Liu T Pelinescu DM 夾具運動學分析的基礎上充分接觸剛體模型 J 制造 業(yè) 科學與工程 2003 125 316 24 4 Carlson JS 剛性零件的裝夾和定位計劃的二次靈敏度分析 ASME J 制造業(yè) 2001 年 科學與工程 123 3 462 72 5 Marin R Ferreira P 確定性 3 2 1 定位計劃的運動學分析和綜合加工裝置 ASME J 制造 業(yè) 科學與工程 2001 年 123 708 19 6 Hu W 設置規(guī)劃和公差分析 博士論文中 伍斯特理工學院 2001 年 7 Kang Y Rong Y Yang J Ma W 計算機輔助夾具設計驗證 大會 Autom2002 22 350 9 8 Rong KY Huang SH Hou Z 先進的計算機輔助夾具設計 波士頓 愛思唯爾 2005 年 產品型號 零件圖號機械加工工序卡片 產品名稱 零件名稱 共 頁 第 1 頁 車間 工序號 工序名稱 材 料 牌 號 80 鉆 HT200 毛 坯 種 類 毛坯外形尺寸 每毛坯可制件數 每 臺 件 數 鑄件 1 設備名稱 設備型號 設備編號 同時加工件數 立式鉆床 Z525 夾具編號 夾具名稱 切削液 工序工時 分 工位器具編號 工位器具名稱 準終 單件 主軸轉速 切削速度 進給量 切削深度 工步工時工步 號 工 步 內 容 工 藝 裝 備 r min m min mm r mm 進給次數 機動 輔助 1 鉆 M12 螺紋孔 麻花鉆 絲錐 量規(guī) 545 8 542 0 25 1 1 0 17 設 計 日 期 校 對 日期 審 核 日期 標準化 日期 會 簽 日期 標記 處數 更改文件號 簽 字 日 期 標記 處數 更改文件號 簽 字 日 期 產品型號 零件圖號機械加工工藝過程卡片 產品名稱 零件名稱 共 1 頁 第 1 頁 材 料 牌 號 毛 坯 種 類 毛坯外形尺寸 每毛坯件數 1 每 臺 件 數 備 注 工 時工序 號 工 名 序 稱 工 序 內 容 車 間 工 段 設 備 工 藝 裝 備 準終 單件 10 鑄造 鑄造 20 時效處理 時效處理 30 銑 銑 25 下端面 X51 專用夾具 端銑刀 游標卡尺 40 銑 銑 25 頂端面 X51 專用夾具 端銑刀 游標卡尺 50 鉆 鉆擴鉸 18 孔 Z525 專用夾具 麻花鉆 擴孔鉆 鉸刀 游 標卡尺 60 銑 銑 14mm 的 2 側面 X62 專用夾具 鋸片銑刀 游標卡尺 70 車 車 R10 圓弧面 CA6140 專用夾具 內圓車刀 游標卡尺 80 鉆 鉆 M12 螺紋孔 Z525 專用夾具 麻花鉆 絲錐 量規(guī) 游標 卡尺 90 鉆 鉆 2 孔锪孔 5 Z525 專用夾具 麻花鉆 锪孔鉆 游標卡尺 100 鉗 去毛刺 110 檢驗 檢驗 120 入庫 入庫 設 計 日 期 校 對 日期 審 核 日期 標準化 日期 會 簽 日期 標記 處數 更改文件號 簽 字 日 期 標記 處數 更改文件號 簽 字 日 期 1 目錄 摘 要 1 Abstract 2 第一章 零件的分析 3 1 1 氣門搖臂的結構 3 1 2 氣門搖臂的工藝要求及工藝分析 3 第二章 工藝規(guī)程設計 5 2 1 選擇毛坯 5 2 2 確定定位基準 5 2 2 1 粗基準的選擇 5 2 2 2 精基準的選擇 6 2 3 工藝路線的擬定 6 2 3 1 工序的合理組合 6 2 3 2 工序的集中與分散 7 2 3 3 加工階段的劃分 7 2 3 4 加工方案的比較 8 2 4 機械加工余量 工序尺寸及毛坯尺寸的確定 10 2 5 確定切削用量及工時 11 第三章 夾具設計 17 3 1 專用夾具簡介 17 3 2 問題的提出 18 3 3 夾具的設計 18 3 3 1 定位基準的選擇 18 3 3 2 切削力及夾緊力的計算 19 3 4 誤差分析 19 3 5 夾具設計及操作說明 20 總 結 21 致 謝 22 參 考 文 獻 23 附 錄 24 1 設計說明書 氣門搖臂加工工藝及夾具設計設計 院 系 專 業(yè) 姓 名 指導教師 2 年 月 目錄 摘 要 1 Abstract 2 第一章 零件的分析 3 1 1 氣門搖臂的結構 3 1 2 氣門搖臂的工藝要求及工藝分析 3 第二章 工藝規(guī)程設計 5 2 1 選擇毛坯 5 2 2 確定定位基準 5 2 2 1 粗基準的選擇 5 2 2 2 精基準的選擇 6 2 3 工藝路線的擬定 6 2 3 1 工序的合理組合 6 2 3 2 工序的集中與分散 7 2 3 3 加工階段的劃分 7 2 3 4 加工方案的比較 8 2 4 機械加工余量 工序尺寸及毛坯尺寸的確定 10 2 5 確定切削用量及工時 11 3 第三章 夾具設計 17 3 1 專用夾具簡介 17 3 2 問題的提出 18 3 3 夾具的設計 18 3 3 1 定位基準的選擇 18 3 3 2 切削力及夾緊力的計算 19 3 4 誤差分析 19 3 5 夾具設計及操作說明 20 總 結 21 致 謝 22 參 考 文 獻 23 附 錄 24 1 摘 要 氣門搖臂加工工藝及夾具設計在機械加工中占有十分重要的地位 傳統(tǒng)的機床 使用的氣門搖臂加工工藝及夾具設計存在工作強度大 而且操作維護也不方便 這 給生產帶來很大的困難 特別是增加了工人的工作強度 而且費工費時 若果氣門 搖臂加工工藝及夾具設計不夠緊湊的情況下 生產的產品品質就大打折扣 這會使 得生產的成本增加了很多 同時也影響了公司企業(yè)或工廠的效益和名譽 生產效率 也會降低很多 所以著手設計全新的氣門搖臂加工工藝及夾具設計裝置勢在必行 課題提出一種全新的氣門搖臂加工工藝及夾具設計設計 不僅降低了引進設備的成 本增加 還可以大大提高生產的精度和生產效率 此外本設計的氣門搖臂加工工藝 及夾具設計結構簡單 工作性能十分可靠 同時也降低了工人的工作強度 所以氣 門搖臂加工工藝及夾具設計設計與制造將會產生很大的市場效益 具有十分良好的 經濟效益和可行性 關鍵詞 工藝 工序 夾具 定位 夾緊 2 Abstract The post bracket processing technology and fixture design play a very important role in mechanical processing The processing technology and fixture design of the rear bracket used by traditional machine tools have great work intensity and inconvenient operation and maintenance This brings great difficulty to production especially the work strength of workers and the time and time the production is produced if the post bracket processing technology and fixture design is not compact enough The quality of the product is discounted which will increase the cost of production at the same time it also affects the benefit and reputation of the company or the factory and the production efficiency will be reduced much So it is imperative to design a new post bracket processing technology and fixture design device A new type of post bracket processing technology and fixture design design is proposed which not only reduces the cost of the imported equipment but also greatly improves the production precision and production efficiency In addition the design of the post bracket processing technology and fixture design is simple the working performance is ten points reliable and the workers are also reduced As a result the post bracket processing technology and fixture design and manufacture will produce great market benefits and have very good economic benefit and feasibility Key words technology process fixture positioning clamping 3 第一章 零件的分析 1 1 氣門搖臂的結構 對于零件的結構分析對于氣門搖臂加工工藝及夾具設計的設計十分重要 設計主 要考慮的方面有設計是否符合要求 機械加工工藝是否合理 施加加工是否可能等 等 特別是要考慮的是加工方便 而且加工的質量也要有所保證 同時要讓加工需 要的勞動強度處在最小化的狀態(tài) 1 2 氣門搖臂的工藝要求及工藝分析 在設計的時候 考慮各種性因素可以知道設計出氣門搖臂零件工程圖紙 具體 見圖 1 可以看出 4 圖 1 氣門搖臂零件圖 本次設計的氣門搖臂零件 在使用的時候是使用在車床尾部的位置 絲杠 光 杠和操縱桿分別安裝在圖中的孔中 它們的作用是固定支撐 根據設計的氣門搖臂 零件的機械結構之中 能夠知道加工表面對于氣門搖臂的需求 以及孔系的對氣門 搖臂要求的重要性 加工表面的要求要滿足平面加工的精度 孔系加工的精度要嚴 格按照設計尺寸制造 所以在氣門搖臂零件加工的時候 在孔和平面的關系上要處 理嚴謹 主要關注一下幾個方面 1 各表面加工方案的確定 在設計本氣門搖臂時 結構的重要性對于設計要求的重要性不言而喻 所以在 設計的時候 必須思考加工工藝這方面的問題 那么權衡設計和工藝是必不可少的 問題 此外在設計時除了要考慮氣門搖臂的精度和效率兩方面考慮之外 還需要考 慮經濟成本的因素影響 2 各表面和孔的要求 5 加工的方式方法對于加工表面的精度和表面質量具有十分重要的影響 所以 在選擇加工的方式方法時需要嚴格按照技術要求執(zhí)行 在生產過程中由于受到市場需求產品的影響 為了節(jié)約成本所以在小批量或 者單件的加工時 用通用設備加工即可 在大批量生產中 需要采用高效率的專用 設備 因為氣門搖臂使用場合的不同要求 所以對于加工材料的選擇也至關重要 在選擇工廠或車間加工時 需要考慮實際的設備情況和技術方式 另一方面 也可以加工方法和設備的更換或者創(chuàng)新 以此用來在工藝水平上進行提高 其他因素此 比如說物理性能 工件形狀等等 氣門搖臂有 2 個加工面他們相互之間沒有任何位置度要求 1 以下端面為基準的加工面 這組加工面主要是銑 25 頂端面 鉆擴鉸 18 孔 2 以 18 孔為基準的加工面 這組加工面主要是銑 14mm 的 2 側面 車 R10 圓弧 面 鉆 M12 螺紋孔 鉆 2 孔锪孔 5 第二章 工藝規(guī)程設計 2 1 選擇毛坯 毛坯的選擇鑄造的方式 零部件使用的材料是 HT200 此外零件因為市場需求 6 的關系 生產規(guī)模為中批生產規(guī)模 生產領域的應用主要是機床加工制造 和機床工 作時基本上是不總是加速 但也有特殊要求在交變載荷和沖擊載荷 可以承擔一部分 所以采用金屬鑄造精度高的比較選擇毛坯鑄造時 這樣可以大大提高生產勞動的小老 板 與此同時 精度和表面質量的加工可以做得很好 所以實用性的目的的機械性能可 以保證 2 2 確定定位基準 當然在設計過程之中基面的選擇也十分重要的步驟之一 在對是基面的選擇方 面 要求能夠做到正確且嚴謹合理 只有這樣去要求才可以在加工質量上得到應有 的保證 在生產率方面得到極大的提高 如果不這樣做的話 那么可能在加工工藝 時 出現各種意想不到的問題 嚴重的話將會造成零件大批報廢 對財產造成極大 的損失 使得生產進度受到嚴重的影響 2 2 1 粗基準的選擇 在設計時 也要考慮粗基準的選擇 由于其功能的重要 所以具體要求如下 1 在進行粗基準選擇時 主要采用加工表面 這是為了滿足加工精度的要求 2 在加工余量的設計需求時 要求表面采用均勻的 這主要是為了保證可以 有效的去掉較少的余量 使導軌細致的組織能夠得以保留 從而實現在耐磨性方面 的要求 3 為了滿足要有充足的加工余量 粗基準的選擇中還包括對加工余量最小的 表面的選擇 4 不管如何選擇 都要考慮到產品表面平整 光潔等因素 所以在粗基準的 選擇當中包括這方面的要求 5 由于粗糙和不規(guī)則的基準面沒有重復使用 所以對粗基準的選擇應該考慮 較多 保證了加工精度 7 2 2 2 精基準的選擇 當然在粗基準的要求基礎之上 也有精基準選擇 主要是要求的更加嚴格 要 完全合乎標準的設計 具有要求有 1 基準重合性原則 在選擇一個設計時 嚴格按照基準標準的選擇 這樣做 以保證精基準的選擇不會導致定位基準和設計基準不一致的出現 也不會出現基準 偏差誤差或者偏差 2 基準統(tǒng)一性原則 規(guī)范的標準決定了定位基準的統(tǒng)一性 規(guī)范標準主要是 為了統(tǒng)一市場上設計產品的通用性 這樣可以實現產品的互換 所以在選用的定位 基準方面采用標準選取 3 互為基準的原則 設計過重因為精基準的選擇關系到成敗的問題 所以在 兩個被加工面的方面上 能夠實現互為基準的面反復加工操作 可以實現產品面的 均勻性的需求 4 自為基準原則 有時候在一些加工工藝的設計中有特殊的要求 選擇作為 加工表面的參考 可以避免使用不同工件的誤差 這有助于提高精度 所在選擇精基準的時候 考慮的重點是加工精度和安裝準確度 2 3 工藝路線的擬定 由于市場需求的影響 在生產前需要對部分批量生產進行加工和發(fā)布 確定支 架加工標準是非常重要的 主要因為支架在各種分析加工 設計和制造中都非常重 要 是不可缺少的部分 它體現在孔洞位置和完成加工的頂部平面 然后將考慮后 續(xù)程序 2 3 1 工序的合理組合 一般經過加工方法比較后 可以根據生產的類型 技術要求 并根據具體的生 產條件 如機床需要知道生產過程中的工序編號 那么如何確定步驟的數量 基本 上需要遵循以下幾個原則要求 8 1 工序分散原則 單一的工序可以知道其操作內容十分的簡單 這樣才可實現切削用量的合理性 和高效性 也方便通用相關設備的使用 工序分散原則使得對機床工藝裝備需求也 比較簡單 生產工作量方面也比較小 這樣在產品的更換上才會顯得更加容易 所 以因為這樣對工人的各方面的技術也就不會要求高 但存在設備需求量大 勞動力 需求數量龐大 占用的生產面積也會比較大 另外生產流水線也會標廠 這對于生 產管理來說存在復雜難度高 2 工序集中原則 如果在生產商采用工序集中化的原則 可以有效的縮短生產流水線的長度 同 時話可以減少占用的生產面積 在工件裝夾的次數上也會減少很多 相應地也減少 了勞動力的數量 此外還解放了生產管理的難度 更加有利于管理 使用的相關設 備也會減少 在生產率方面也得到了很大的提高 但是這種原則多余設備的需求精 度和技術要求比較高 這也使的勝場成本上增高了不少 在生產準備方面的工作量 也很大 為了考慮生產的要求 需要合搭配 特別是在權衡工序分散原則和工序集中原 則這兩個方面 2 3 2 工序的集中與分散 在考慮工藝路線的制定時 首先要注意的是過程的數量 具體應用過程濃度的 原則或過程分散的原則需要根據實際情況來確定 工序集中其實是指利用以較少的 工序數量實現完成加工零件的操作的選擇原則 與之相關的就是工序分散原則 因 為這兩種工序的選擇上各有其自身的特點 所以實際的選擇要結合生產類型 生產 工藝 結構和精度等多個方面考慮來最終確定該使用哪一種原則比較合理 隨著互聯網技術的發(fā)展 計算機控制技術在機床和加工中心也顯得十分重要了 在利用這種技術下載工序集中上能夠得到十分有效的解決 在單一工序上的生產也 變得精度可控 在機械制造加工方面創(chuàng)造的戒指不容我們小看 9 2 3 3 加工階段的劃分 在確定了零件加工的工序選擇后 由于考慮到加工質量問題 所以加工過程由 以下步驟層次 1 粗加工階段 正在進行粗加工 主要是為了切斷大部分多余金屬的加工 這可以對這些不必 要的不需要加工的東西進行精加工 從而保護設備和創(chuàng)造完美的精加工水平 這也 減少了加工所需的時間 可以及時發(fā)現缺陷的空白 進行處理 因為粗加工面臨的 都是一些毛坯料 所以加工上存在一定的難度 這就使得加工使用的折別功率損耗 比較大 對加工使用的設備還要求剛性兩好 精度當然越高越好 只能說選用盡量 好的設備 這樣可以是毛坯料加工出來更好 在粗糙度 Ra 的選擇上選取在 80 到 100 m 之間 粗加工公差等級在 IT11 到 IT12 之間 2 半精加工階段 粗加工之后還需要對加工料進行半精加工處理 這個階段主要是完成精加工對 于一些表面平整度的要求所進行的操作 這樣可以加工余量上得到合理的保證 因 此為了保證精加工的需求 在選擇的半精加工階段公差等級的時候選取在 IT9 到 IT10 范疇 粗糙度 Ra 的選擇上選取在 10 到 1 25 微米之間 3 精加工階段 完成以上兩個操作階段后 才輪到精加工階段進行處理 主要是對于一些謝姐 進行行之有效的處理 切除加工工件上剩余的余量 確保加工零件的形狀 位置 尺寸和表面粗糙度的精度 因此 為了確保完成的需要 在精加工的加工精度選擇 的時候選擇在 IT6 至 IT7 范疇 在精加工表面粗糙度 Ra 上選擇的時候應在 10 至 1 25 微米的范疇之內 2 3 4 加工方案的比較 在設計制造時 由于零件對尺寸 形狀公差的要求 以及對表面粗糙度等的要 求 所以在大批量生產時考慮使用專用機床進行加工和制造 可以大大提高生產率 10 同時也將帶動經濟效益的快速發(fā)展 有效降低生產成本 在于配方設計中三種工藝 設計方案的比較 力求找到最佳的加工方案 方案一 1 鑄造 鑄造 2 時效 處理 時效處理 3 銑 銑 25 下端面 4 銑 銑 25 頂端面 5 鉆 鉆擴鉸 18 孔 6 銑 銑 14mm 的 2 側面 7 車 車 R10 圓弧面 8 鉆 鉆 M12 螺紋孔 9 鉆 鉆 2 孔锪孔 5 10 鉗 去毛刺 11 檢驗 檢驗 12 入庫 入庫 方案二 11 1 鑄造 鑄造 2 時效 處理 時效處理 3 鉆 鉆擴鉸 18 孔 4 車 車 R10 圓弧面 5 銑 銑 25 下端面 6 銑 銑 25 頂端面 7 銑 銑 14mm 的 2 側面 8 鉆 鉆 M12 螺紋孔 9 鉆 鉆 2 孔锪孔 5 10 鉗 去毛刺 11 檢驗 檢驗 12 入庫 入庫 工藝方案一和方案二的區(qū)別在于方案一先加工下端面 然后鉆擴鉸 18 孔 再 利用加工好的 18 孔作為定位基準加工其他各個工序 工序安排緊湊合理 可以更 好的保證加工精度要求和位置度要求 而方案二先加工孔 然后加工端面 違背了 先面后孔的基本原則 不能保證加工精度要求 綜合考慮我們選擇方案一 12 具體的加工路線如下 1 鑄造 鑄造 2 時效 處理 時效處理 3 銑 銑 25 下端面 4 銑 銑 25 頂端面 5 鉆 鉆擴鉸 18 孔 6 銑 銑 14mm 的 2 側面 7 車 車 R10 圓弧面 8 鉆 鉆 M12 螺紋孔 9 鉆 鉆 2 孔锪孔 5 10 鉗 去毛刺 11 檢驗 檢驗 12 入庫 入庫 2 4 機械加工余量 工序尺寸及毛坯尺寸的確定 生產類型為大批量生產 采用鑄造毛坯 13 1 不加工表面毛坯尺寸 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 氣門搖臂的端面 由于氣門搖臂端面要與其他接觸面接觸 查相關資料知余量留 2mm 比較合適 3 氣門搖臂的孔 毛坯為空心 鑄造出孔 孔的精度要求介于 IT7 IT8 之間 參照參數文獻 確定工 藝尺寸余量為 2mm 2 5 確定切削用量及工時 工序 銑 25 下端面 1 選擇刀具 刀具選取不重磨損硬質合金端銑刀 刀片采用 YG8 map5 1 d350 min 125v4 z 2 決定銑削用量 1 決定銑削深度 因為加工余量不大 一次加工完成 map5 1 2 決定每次進給量及切削速度 14 根據 X51 型銑床說明書 其功率為為 7 5kw 中等系統(tǒng)剛度 根據表查出 則齒 2 0mfz in 48 635110rdvns 按機床標準選取 750wni min 3 140751dvw 當 750r min 時wnrzfm 607542 0 按機床標準選取 mf 3 計算工時 切削工時 則機動工時為l85 l91l32 min647 0721 xfnlltwm 工序 鉆擴鉸 18 孔 工步一鉆孔至 16 確定進給量 根據參考文獻 表 2 7 當鋼的 f MPab80 時 由于本零件在加工 16 孔時屬于低016 dmrm 47 0 39 剛度零件 故進給量應乘以系數 0 75 則 15 rmf 35 0 29 75 04 39 0 根據 Z525 機床說明書 現取 rf 切削速度 根據參考文獻 表 2 13 及表 2 14 查得切削速度 所以min 18v 101852 min6 swvrd 根據機床說明書 取 故實際切削速度為i 7rn165 98 in00 wdvm 切削工時 則機動工時為ml1l91l32in 5 03721 fnltwm 工步二 擴孔 17 85 利用鉆頭將 孔擴大至 根據有關手冊規(guī)定 擴鉆的切6m17 85 m 削用量可根據鉆孔的切削用量選取 rff 87 0 5 75 06 1212 鉆 根據機床說明書 選取 mf 5 16 min 4 612331 2vv 鉆 則主軸轉速為 并按車床說明書取 in 46 5rn in 68rw 實際切削速度為 17 856 min00 wdnv 切削工時 則機動工時為ml1l1l32in81 57 0621 fnltw 工步 3 鉸 孔16 m 根據參考文獻 表 2 25 得rmf 4 0 2 min 12 8v in 65 4 8 19rns 查參考文獻 表 4 2 2 按機床實際進給量和實際轉速 取 rf 35 0 實際切削速度 min 198rnw min 3 9v 切削工時 則機動工時為l10l1l2in61 35 09821 fnltwm 工序 車 R10 圓弧面 17 1 切削深度 單邊余量為 Z 2mm 2 進給量 根據 機械加工工藝手冊 取 f 0 8mm r 3 計算切削速度 vyxpmckfaTCvv 其中 342 0 15 0 35 m 0 2 修正系數 見 切削手冊 表vCvxvyv 1 28 即 1 44 0 8 1 04 0 81 0 97 MvksvkvkrvBv 所以 1 44 0 8 1 04 0 81 0 97 89m minvcv35 015 02 864 4 確定機床主軸轉速 ns 753r minW d10cv x34 589 與 753r min 相近的機床轉速為 750r min 現選取 750r min wn 所以實際切削速度 cv10sdn mi 94750 x 5 切削工時 t i 其中 l 25mm 4mm 0mm mfnlw21 1l2l 18 t i x2 0 966 min mfnlw21 0 8759 工序 鉆 M12 螺紋孔 選用 高速鋼錐柄麻花鉆 工藝 表 3 1 6 m10 由 切削 表 2 7 和 工藝 表 4 2 16 查得 m r28 0f 機 切削 表 2 15 in 8Vc min r6301x D v10機c機 按機床選取 54 innr機 min 8542 610 x D 機機 cV 基本工時 min17 028 543f21 xnlt機機 攻螺紋 M10mm 選擇 M10mm 高速鋼機用絲錐 等于工件螺紋的螺距 即f p1 25 fmr 7 5 mincV 機 107 5298 in 10查 cnrD 按機床選取 ir機 19 6 8 mincV 機 基本工時 1203 5 min 7 ltf 機 工序 鉆 2 孔锪孔 5 機床 Z525 立式鉆床 刀具 根據 機械加工工藝手冊 表 10 61 選取高速鋼麻花鉆 2 1 進給量 取 f 0 13mm r 2 切削速度 V 24 34m min 取 V 15m min 3 確定機床主軸轉速 ns 1190r minW d10cv152 與 1190r min 相近的機床轉速為 1200r min 現選取 1200r min wn 所以實際切削速度 cv10sdn 2105 72 mi 5 切削工時 按 工藝手冊 表 6 2 1 t i 其中 l 60mm 4mm 3mm mfnlw21 1l2l t 0 429minmflw216043 1 20 第三章 夾具設計 因此 應根據生產要求來安排加工工藝 最后 將上述工藝的切削參數和額定 工時與其它加工數據相結合 填寫加工工藝卡 在設計時考慮到多方面因素經 最終確定設計鉆 M12 螺紋孔夾具進行夾具的設 計 3 1 專用夾具簡介 專用夾具是為滿足工件特定加工工藝的要求而設計制造的 其職能主要包括以 下幾個方面 1 能夠確保所要加工的專用夾具表面的精度位置 比如常見的有效距離的精度 上 還有專用夾具的平行度 以及專用夾具的同軸度等 21 2 專用夾具的使用能夠縮短需要的工作時間 這樣的話能在勞動生產率方面 得到很大的提高 還可以縮減某一工序進行過程之中所需的話費的時間 比如說在 加工工件時在加工輔助裝置所需的時間與在裝卸零部件方面所需的時間 此外通過 利用專用夾具 可以在工件安裝上和轉換工作站安裝上 將需要的工作難度大大的 簡化 提高工作時間利用率 安裝之前所說的話可以不再需要在繪制直線上和對齊 上所花費的輔助時間 這樣就可以節(jié)省該工序的繪制線 與此之外 在需要與多個 工件夾具實現并行加工和生產的同時 少數工件的操縱時間將與工件的移動時間相 同 一種旋轉多工位連續(xù)加工夾具 用于在加工某些工件時對其他工件進行裝卸 使輔助時間與操縱時間相吻合 總之 專用夾具的在結構上和功能上的不斷完善 使得生產和加工話費的時間得到有效地縮短 這樣可以滿足目前提倡的持續(xù)生產需 要 3 專用夾具的使用能夠擴大機床的使用技術的有效范圍 比如說在普通車床 上的鏜床裝入專用的夾具后能夠實現鏜孔機的工作性能 通過使用專用夾具可以將 通用機床的功能充分發(fā)揮和利用 4 專用夾具的使用能夠降低勞動的強度 這樣才能高效的確保生產的安全進 行 在生產過程中所需要的專用夾具的場合恰當的采用氣動方式 液壓方式或其他 的方式 可實現生產的機械化 高度的自動化 從而勞動強度方面實現大幅度的降 低 保障工人身體健康 因此保證生產過程的安全以及產品質量的穩(wěn)定 實現產品 的高產 此外在加工大型的工件時候 比如說在車床床身的加工時 車床床身的下 兩側 所需要的螺旋孔需要多次的進行翻轉 而且存在勞動強度比較大 安全存在 隱患 但是當采用電動旋轉鉆床專用夾具之后 使得這個問題迎刃而解 也提高了 生產效率 在勞動強度上得到了大大降低 從而保證了生產安全和質量穩(wěn)定 雖然 專用夾具在在一些方面作用十分突出 但也存在一些不足之處 即特殊夾具的特殊 性與產品品種之間的矛盾 由于特殊夾具只能在工件的一個工作過程中使用 夾具 的數量隨著產品種類的增加而增加 使得存儲和管理困難 當產品不再生產時 原有 的設備不能重復使用 造成浪費 與此同時 特殊夾具生產周期的設計也很長 生 產的快速發(fā)展也是矛盾的 然而 在目前的機械工廠的大規(guī)模生產中 還是采用通 22 用機床配合專用的夾具來實現產品的加工 3 2 問題的提出 氣門搖臂加工工藝及夾具設計在機械加工中占有十分重要的地位 傳統(tǒng)的機床 使用的氣門搖臂加工工藝及夾具設計存在工作強度大 而且操作維護也不方便 這 給生產帶來很大的困難 特別是增加了工人的工作強度 而且費工費時 若果氣門 搖臂加工工藝及夾具設計不夠緊湊的情況下 生產的產品品質就大打折扣 這會使 得生產的成本增加了很多 同時也影響了公司企業(yè)或工廠的效益和名譽 生產效率 也會降低很多 所以著手設計全新的氣門搖臂加工工藝及夾具設計裝置勢在必行 課題提出一種全新的氣門搖臂加工工藝及夾具設計設計 不僅降低了引進設備的成 本增加 還可以大大提高生產的精度和生產效率 此外本設計的氣門搖臂加工工藝 及夾具設計結構簡單 工作性能十分可靠 同時也降低了工人的工作強度 所以氣 門搖臂加工工藝及夾具設計設計與制造將會產生很大的市場效益 具有十分良好的 經濟效益和可行性 3 3 夾具的設計 3 3 1 定位基準的選擇 在實際中 對于零件圖的理解能夠了解到 在頂面四孔的軸線設計過程中 需 要與左側面和后側面的尺寸合理的搭配才能夠滿足要求 所以孔的加工之前 需要 對底平面銑加工操作 本道工序加工 M12 螺紋孔 精度不高 因此我們采用已加工好的 18 孔及端面 定位 下端面限制 3 個自由度 心軸限制 2 個自由度 擋銷限制 1 個自由度 這樣 空間的六個自由度就限制完全了 因為孔徑自身較小 切削力較小 因此不在采用 其他的輔助定位 開口墊圈的壓緊力即可以滿足要求 23 3 3 2 切削力及夾緊力的計算 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 得 鉆削力 式 5 2 6 08 2HBDfF 鉆削力矩 式 5 3 6 08 91fT 式中 10 5Dm maxaxmin187491733BB 代入公式 5 2 和 5 3 得1 2fr N23784x0 56F6 08 m 591 1T 9 本道工序加工工藝孔時 夾緊力方向與鉆削力方向相同 因此進行夾緊立計算 無太大意義 只需定位夾緊部件的銷釘強度 剛度適當即能滿足加工要求 3 4 誤差分析 在誤差分析之前 需要知道什么是工件的定位 所謂工件的定位其實就是在同 一種生產工序中利用夾具生產時 使需要生產的結構部件擺在正確的位置的機械加 工的工藝 但是在生產時會因為各種潛在的因素導致存在誤差 有的生產誤差會很 大 這樣的產品生產出來就成了完全不合格的產品 有的生產誤差就會非常小 在 我們能夠接受的范圍內 這一類產品我們暫且認為其使合格的產品 能夠在現在的 市場銷售 在現在的市場無論是食品加工還是機械加工的攻擊 都會在標稱值后面 看到正負多少的標識 也就是說生產過程中會存在誤差 因此誤差的分析 對于產 品的合格和銷售至關重要 本工序選用的工件以圓孔在心軸上定位 心軸為水平放置 由于定位副間存在 徑向間隙 因此必將引起徑向基準位移誤差 在重力作用下定位副只存在單邊間隙 24 即工件始終以孔壁與心軸上母線接觸 故此時的徑向基準位移誤差僅存在 Z 軸方向 且向下 見下圖 0 12 30 2 67DYzTd 式中 定位副間的最小配合間隙 mm 工件圓孔直徑公差 mm DT 心軸外圓直徑公差 mm d 圖 心軸水平放置時定位分析圖 3 5 夾具設計及操作說明 使用心軸定位 壓板的壓緊力即可指定可靠的卡緊力 同時我們采用快換鉆套 當導向的鉆套磨損后 我們松開螺釘可以快速地換下鉆套 保證導向的精度 這樣 就大大的提高了生產效率 適合于大批量生產 25 總 結 本課題所設計的氣門搖臂加工工藝及夾具設計設計在經過長時間的準備 從一 步步的構思到設計 從一點點功能設計到實現的過程中 讓我非常清楚地認識到機 械設計任務的設計和生產加工的全過程 知道在進行一個完整的機械設計需要準備 多少東西 從軟件安裝到軟件繪圖 再到實現設計 我需要合理地去安排 此外在 機械設計期間我學習到了機械設計的一般常用方法 還學習掌握了機械設計的一般 規(guī)律并加以實踐 在此設計過程中我還將課本上的知識學以致用 理論結合實踐 另外在時間過中對出現的問題的我經過仔細分析克服重重困難是問題得以解決 使 自己分析問題的能力得到了大大提高 還學會了運用計算機進行機械設計的計算 比例圖的繪制 查閱國內外中英文參考資料和相關手冊 掌握運用多個國際國家的 標準來規(guī)范設計 通過本次畢業(yè)設計更加激發(fā)了我的學習興趣 相信這次經歷將在 我今后的工作和學習受益匪淺 使我受益終生 所有項目和設計的完成并不是一帆風順的 在氣門搖臂加工工藝及夾具設計設 計中 同時我也遇到了很多大大小小的問題 可是經過與同學討論和老師的悉心指 導 使得問題得以解決 我想這也許就是團隊精神的偉大力量 仔細分析自己在氣 門搖臂加工工藝及夾具設計設計中的困難 令我深刻明要完成一項工程項或設計并 不像我們想的理所當然 這中間涉及到很多的因素 特別是在進行一個完整的機械 設計 我們需要掌握豐富的理論知識和實戰(zhàn)項目經驗 此外還必須有一個好的團隊 此外在設計中 我還顯現出一個嚴重缺點那就是理論學習還有很大的不足之處 這 使的在設計過程中我時時刻刻都感覺到無比的緊張 當看到同學們的奮斗努力 辛 勤的付出和構思 我深刻明白了理論知識的重要性 也明白了設計還需要到實踐中 去 只有這樣才能將課本學習的知識應用到工程項目中去 26 致 謝 在論文的工作設計和及時寫作過程中 我前前后后遇到了很多的疑難問題 但 是在我們指導老師林海燕老師的親切關懷和悉心指導下 不僅使我學到了很多的東 西 還讓我將寫在課本上的知識完全應用工程實踐項目中去 指導老師周作榮不僅 具有淵博的學識 嚴謹的治學態(tài)度 而且工作作風實事求是 此外她思維也非常的 敏捷 給我留下了十分深刻的印象 令我終生難忘 同時也感謝她在我們進行畢業(yè) 設計期間為我們營造出的非常濃郁的積極的學術氛圍 還要感謝我們的指導老師在 學習方面和生活方面給予我們的無私的幫助 值此論文完成之際 我以最崇高的謝 意向指導老師致敬 在大學的學習將要結束 努力的回顧這些年的努力學習 辛勤的工作經歷 面 對如今自己現在收獲的碩果 我感覺到無限的欣慰 特別感謝我的大學同學們對我 的學習和生活所提供的大力支持和關心 還要感謝一直關心幫助我成長的室友們 謝 謝你們 在我準備著手開始寫論文的時候 同樣因為經驗不足遇到了各種棘手問題 比如說論文的框架如何進行構思 目錄怎么設置自動生成 章節(jié)的劃分處理等 但 是這些問題由于我們指導老師和同學們的講解和幫助下 我很快的確定了論文的綱 要 完成了論文設計內容的框架主體的設計 然后經過對汽車手動變速器設計的原 理進行分析 勾畫出系統(tǒng)框圖 在這過程中我還學會如何參照書本知識和國內外參 考資料 也回憶起很多學過的東西 在這中間請教一些同學關于軟件 模具等問題 最終完成了整體設計 總而言之 我要感謝在我論文寫作的過程中對我?guī)椭睦蠋?和同學們 27 在我的學業(yè)設計即將完成之際 我十分地想感謝一直默默支持我的家人 感謝 他們 最后 我還要向在百忙之中進行評閱論文和參加答辯的各位專家 教授 在 此獻上我最衷心的感謝和崇高的敬意 參 考 文 獻 1 許曉旸 專用機床設備設計 M 重慶 重慶大學出版社 2003 2 孫已德 機床夾具圖冊 M 北京 機械工業(yè)出版社 1984 20 23 3 貴州工業(yè)學院機械制造工藝教研室 機床夾具結構圖冊 M 貴陽 貴州人 民出版社 1993 42 50 4 王伯平 互換性與測量技術基礎 北京 機械工業(yè)出版社 2004 5 陳明 機械制造工藝學 北京 機械工業(yè)出版社 2012 6 陳立德 機械設計基礎 北京 高等教育出版社 2008 7 孟少龍 機械加工工藝手冊第 1 卷 M 北京 機械加工出版社 1991 8 東北重型機械學院等 機床夾具設計手冊 M 上海 上海科學技術出版社 1997 9 金屬機械加工工藝人員手冊 增訂組 金屬機械加工工藝人員手冊 M 上海 上?？茖W技術出版社 1981 10 李洪 機械加工工藝人員手冊 M 北京 中國工業(yè)出版社 1990 28 11 馬賢智 機械加工余量與公差手冊 M 北京 中國標準出版社 1994 12 上海金屬切削技術協(xié)會 金屬切削手冊 M 上海 上?？茖W技術出版社 1984 13 周永強 高等學校畢業(yè)設計指導 M 北京 中國建材工業(yè)出版社 2002 劉文劍 曹天河 趙維 夾具工程師手冊 M 哈爾濱 黑龍江科學技術 出版社 1987 14 余光國 馬俊 張興發(fā) 機床夾具設計 M 重慶 重慶大學出版社 1995 15 東北重型機械學院 洛陽農業(yè)機械學院 長春汽車廠工人大學 機床夾具設 計手冊 M 上海 上?？茖W技術出版社 1980 16 李慶壽 機械制造工藝裝備設計實用手冊 M 銀川 寧夏人民出版社 1991 附 錄 29