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夾具夾緊力的優(yōu)化及對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)計優(yōu)化，夾緊力是一個重要的設(shè)計變量，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關(guān)鍵因素。要實現(xiàn)夾具的這些功能，需將工件定位到一個合適的基準(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。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工件的定位誤差，同時滿足加工的要求。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算成本。同時，多數(shù)的有限元基礎(chǔ)研究人員一直重點關(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)的研究人員通過對剛性模型[9-11]對夾緊力進(jìn)行了優(yōu)化，剛型模型幾乎被近似為一個規(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線性規(guī)劃，其目的是盡量減少在每個定位點調(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，因為它較法線接觸力相對較小，由于這種方法是基于剛體假設(shè)，獨特的三維夾具可以處理超過6個自由度的裝夾，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算夾具——工件系統(tǒng)[15]的彈性來克服，對于一個相對嚴(yán)格的工件，該夾具在機(jī)械加工工件的位置會受夾具點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設(shè)計參數(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報告做了改善，然而，他們沒有處理計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。通過兩個例子分析工件夾緊力的優(yōu)化對定位精度的影響，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，這個假設(shè)是有效的，在對液壓或氣動夾具使用。在實際中，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
接觸處的坐標(biāo)系
（j=x，y，z）是對應(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
集中遵守一個球形尖端定位，夾具和工件的接觸并不是線性的，因為接觸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)一個球體彈性半空間的問題。對于這個問題， 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)動過程中，局部的夾緊和加工負(fù)荷引起的彈性變形，同時保持在準(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。實現(xiàn)這個目標(biāo)是通過制定一個多目標(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)計算如下：
（6）
其中表示一個向量二級標(biāo)準(zhǔn)。
但是作用在工件的夾緊力會影響定位誤差。當(dāng)多個夾緊力作用于工件，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個夾緊點夾緊力在、和方向上的向量角度（i=1、2、3...,C）。
在這個文件中，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，接觸的摩擦力相對較小，并在進(jìn)行分析時忽略了加緊力對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算得出（見圖3），工件剛體運(yùn)動，歸于夾緊行動現(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，是遵守對角矩陣的， 和是所有接觸力的載體。
如圖3 加權(quán)系數(shù)計算確定的基礎(chǔ)
內(nèi)蒙古科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（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，在一個法線的接觸壓力不能超過壓工件材料的屈服強(qiáng)度（）。這個約束可寫為：
（i=1，2，…,L+C） (14)
如果是在第i個工件——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)換成一個約束對。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。對為主要目標(biāo)的選擇，確保選中一套獨特可行的夾緊力，因此，工件——夾具系統(tǒng)驅(qū)動到一個穩(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，要確定一個合適的。在定位和夾緊點的接觸力的計算只考慮第一個目標(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“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個最佳夾緊力，選擇記為， ， …,在每個采樣點，考慮以下四個最壞加工負(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分別代替對應(yīng)的和另外兩個正交切削分力，而且有：
雖然4個最壞情況加工負(fù)荷向量不會在工件加工的同一時刻出現(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，在這項工作中，四個載體負(fù)載適用于同一位置，（但不是同時）對工件進(jìn)行的采樣 ，夾緊力的優(yōu)化算法圖4，對應(yīng)于每個采樣點計算最佳的夾緊力。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情況下的加工負(fù)荷載體，(C=1，2，…C)是每個相應(yīng)的夾具在第i個樣本點和第j負(fù)荷情況下力的大小。是計算每個負(fù)載點之后的結(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)載情況和采樣點排序，并選擇夾緊點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，驗證這些力，以確保工件夾具系統(tǒng)的靜態(tài)平衡。否則，會出現(xiàn)更多采樣點和重復(fù)上述程序。在這種方式中，可為整個刀具路徑確定“最佳”夾緊力 ，圖5總結(jié)了剛才所描述的算法。請注意，雖然這種方法是保守的，它提供了一個確定的夾緊力，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價夾緊力的算法對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)生于在每個夾緊處的局部變形，假設(shè)為相對于工件的質(zhì)量中心的第i個位置矢量定位點，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)系和是一個旋轉(zhuǎn)矩陣確定工件相對于全球的坐標(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裝夾點接觸力可能與的關(guān)系如下：
（24）
其中是在第i個接觸點由于夾緊和加工負(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個接觸剛度矩陣，是單位向量. 在這項研究中假定液壓/氣動夾具，根據(jù)對外加工負(fù)荷，故在法線方向的夾緊力的強(qiáng)度保持不變，因此，必須對方程（24）的夾緊點進(jìn)行修改為：
（25）
其中是在第i個夾緊點的夾緊力，讓表示一個對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，q可通過求解式（26）得到。工件的定位誤差向量， （見圖6），
現(xiàn)在可以計算如下： （27）
其中是考慮工件中心加工點的位置向量，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兩例工件精度的影響例如：
1．適用于工件單點力。
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] 對加工瞬時銑削力條件進(jìn)行了計算，如表2給出例（1），應(yīng)用工件在點（109.2毫米，25.4毫米，34.3毫米）瞬時加工力，圖4中表3和表4列出了初級夾緊力和最佳夾緊力的算法 。該算法如圖5所示 ，一個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（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個坐標(biāo)列出了為模擬抽樣調(diào)查點。最佳夾緊力是用前面討論過的排序算法計算每個采樣點和負(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，加工點減少錯誤從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，因為從最初通過互補(bǔ)勢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)載一個序列。最佳的夾緊力，，對應(yīng)列表6每個樣本點，隨著最后的最佳夾緊力，在每個采樣點的加權(quán)范數(shù)和最優(yōu)的初始夾緊力繪圖10，在每個采樣點的加權(quán)范數(shù)的，，和繪制。
結(jié)果表明，由于每個組成部分是各相應(yīng)的最大夾緊力，它具有最高的加權(quán)范數(shù)。如圖10所示，如果在每個夾緊點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。
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14、JH復(fù)和AYC倪.“核查和工件夾持的夾具設(shè)計”方案優(yōu)化，設(shè)計和制造，4，碩士論文： 307-318，1994。
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16、M. J. Hockenberger and E. C. DeMeter. 對工件準(zhǔn)靜態(tài)分析功能位移在加工夾具的應(yīng)用程序，制造科學(xué)雜志與工程： 325–331頁, 1996。
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本 科 生 畢 業(yè) 論 文（設(shè) 計）
題 目：“C620撥動叉”中批生產(chǎn)工藝規(guī)程及其銑槽夾具設(shè)計
學(xué)習(xí)中心：
層 次： ?？破瘘c本科
專 業(yè)：
年 級： 2010年 秋 季
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完成日期： 2013年 月 日
I
“C620撥動叉”中批生產(chǎn)工藝規(guī)程及工裝設(shè)計
內(nèi)容摘要
本論文完成了對“C620撥動叉”中批生產(chǎn)工藝規(guī)程及工裝設(shè)計。撥動叉類零件廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械的變速箱中，本文在詳細(xì)分析了零件加工的工藝規(guī)程及工裝設(shè)計，從而實現(xiàn)定制中批量生產(chǎn)加工的工藝規(guī)程和工裝設(shè)計。就撥動叉的加工工藝，分析了加工工藝的加工方案，最終確定了一套科學(xué)合理的加工路線，并在以后的計算過程中，驗證了這套工序的合理性，最后，以銑F槽夾具設(shè)計為例，進(jìn)行設(shè)計工裝，并做了切削力、夾緊力的分析計算。
關(guān)鍵詞：撥動叉；加工工藝；切削用量；定位；夾具
目 錄
內(nèi)容摘要 I
引 言 1
1 概述 3
1.1 題目來源 3
1.2 設(shè)計的任務(wù) 5
2 零件工藝分析 6
2.1 零件的作用、材料、形狀特征 6
2.2 技術(shù)要求 6
2.3 設(shè)計基準(zhǔn) 7
3 工藝過程設(shè)計 9
3.1 毛坯—零件綜合圖設(shè)計 9
3.2 工序判定 10
3.3 編制工藝卡 11
4 夾具設(shè)計 27
4.1 問題的提出 27
4.2 定位方案的確定 27
4.2.1 定位基準(zhǔn)的選擇 27
4.2.2 定位方案的確定 27
4.3 切削力及夾緊力計算 29
4.4 定位誤差分析 30
4.5 定向鍵與對刀裝置設(shè)計 31
4.6 夾具設(shè)計及操作簡要說明 32
5 結(jié)論 34
參考文獻(xiàn) 35
引 言
機(jī)械制制造業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，其發(fā)達(dá)程度體現(xiàn)了一個國家的科學(xué)技術(shù)和社會生產(chǎn)力發(fā)展水平。目前，我國正處于經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵時期，機(jī)械制造技術(shù)不僅是衡量一個國家科技發(fā)展水平的重要標(biāo)志，也是國際間科技競爭的重點，但機(jī)械制造技術(shù)是我們的薄弱環(huán)節(jié)，因此必須對我國機(jī)械制造業(yè)現(xiàn)狀進(jìn)行進(jìn)一步的分析和研究。
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，中國制造成了我們耳熟能詳?shù)囊粋€詞，但同時，中國制造也幾乎成為了劣質(zhì)產(chǎn)品的代名詞，由此可以看出，我們的產(chǎn)品質(zhì)量還有待提高，這很大程度上取決于我們的制造工藝。但是我國普及率不高，尚在開發(fā)、掌握之中，仍然是以傳統(tǒng)加工方式為主體，這就使得我們的工藝水平的提高受到限制。
夾具是在機(jī)械制造各行業(yè)的工藝過程中，用以固定加工對象，使之占有正確位置，以便接受施工的一種工藝裝備。在機(jī)械加工中應(yīng)用最為廣泛的是金屬切削機(jī)床上使用的夾具，稱其為機(jī)床夾具。無論是在機(jī)械加工、裝配、檢驗，還是焊接、熱處理等冷、熱工藝中，以及運(yùn)輸工作中都大量采用夾具，因此，夾具在機(jī)械制造中占有很重要的地位。
夾具是機(jī)械加工中不可缺少的部件，現(xiàn)代機(jī)床夾具主要朝著標(biāo)準(zhǔn)化，高效化，自動化，特殊化等方向發(fā)展。
a.試驗機(jī)的發(fā)展方向是由制樣檢測向制品(即成品、半成品)檢測方向發(fā)展,這就要求與之相適應(yīng)的夾具由原用于標(biāo)準(zhǔn)試樣試驗的夾具向用于成品檢測的夾具發(fā)展.
b.夾具的使用向高效率，低勞動強(qiáng)度的方向發(fā)展。過去的夾具一般采用機(jī)械鎖緊，費(fèi)時費(fèi)力，勞動強(qiáng)度大，效率低。隨著工作環(huán)境的改善，及大批量試驗(生產(chǎn)流水線隨機(jī)抽檢的)需要，夾具的夾緊方式由原來的機(jī)械夾緊向氣壓夾緊、液壓夾緊等方向發(fā)展。
c.全自動夾具：從試樣尺寸測量到裝夾，再到開始試驗，最后出測試報告一次完成。此類夾具成本很高，僅適用于大批量的相同試樣或成品的測試和檢驗。
d.環(huán)境試驗(高低溫試驗)的增多，使用于高低溫的夾具增多。環(huán)境試驗(高低溫箱)的增多，給夾具的設(shè)計增加了難度。我們知道高溫拉伸試驗國家標(biāo)準(zhǔn)都有規(guī)定：圓試樣用螺紋，板試樣上有孔。由于連接方式固定，所以夾具的設(shè)計較為簡單。但高低溫試驗卻不同，它一般是在高低溫箱中做試驗，它的試樣一般標(biāo)距短(一般為常溫試樣)。這樣一來夾具就必須裝在高低溫箱內(nèi)，高低溫試驗一般由于試驗機(jī)行程受限制(試驗機(jī)在裝標(biāo)準(zhǔn)夾具時行程)，這就要求夾具體積小，又要滿足試驗力，又要耐高溫、低溫,一般比較難設(shè)計。
e.連續(xù)試驗夾具增多。由于過去一般是制樣檢測，試樣的拉伸、壓縮是分開進(jìn)行的(即拉伸、壓縮是用不同的夾具進(jìn)行的)，而現(xiàn)在成品檢測越來越多，試樣在同一次試驗中又要受拉伸，又要受壓縮，又要有高的效率，只能用同一種夾具既做拉伸又做壓縮。
f.特殊行業(yè)用試驗夾具增多。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，一些新興的行業(yè)對試驗用夾具提出了新的要求，例如要求夾具結(jié)構(gòu)小、無磁性，耐腐蝕(在溶液中做試驗)等等。
C620撥動叉中批生產(chǎn)工藝規(guī)程及其銑槽夾具設(shè)計是在完成了大學(xué)的全部課程之后，進(jìn)行的一次理論聯(lián)系實際的綜合運(yùn)用，使我對專業(yè)知識、技能有了進(jìn)一步的提高，為以后從事專業(yè)技術(shù)的工作打下基礎(chǔ)。尤其是綜合設(shè)計能力、創(chuàng)新能力、工程實踐能力的培養(yǎng)與提高，同時也能夠使我們在計算機(jī)應(yīng)用、文獻(xiàn)查閱等方面的技能得以提高，使我們對生產(chǎn)規(guī)程及工裝的作用更加深刻的熟悉與理解，并為以后的實際工作奠定堅實的基礎(chǔ)。
由于個人能力有限，設(shè)計尚有許多不足之處，懇請各位老師給予指教，本人將表示真誠的感謝！
1 概述
撥動叉類零件廣泛應(yīng)用于機(jī)床、汽車、拖拉機(jī)等機(jī)械的變速箱中，作為變速箱變速的控制元件。以其良好的操縱性和良好的穩(wěn)定性得到廣泛應(yīng)用，該零件的制造工藝雖然簡單，但其過程涉及了機(jī)械加工工藝的多方面，具有一定代表性，本文將對該類零件的加工工序進(jìn)行一次全面的闡述。
1.1 題目來源
零件如圖：
圖1-1 撥動叉零件圖
一、 零件圖分析
撥動叉是由一個帶矩形花鍵孔的柱體及其外圓面180°方向上連有兩近似長方體的板翼組成，如圖1-1所示。據(jù)其結(jié)構(gòu)形式分析，中間花鍵孔是使撥動叉轉(zhuǎn)動的傳動連接部位，撥動叉的上端面是與其它零件連接的把合面，其下端有一槽口。其主要作用是靠花鍵傳遞轉(zhuǎn)動力矩而轉(zhuǎn)動，從而帶動兩翼板的擺動，起到撥動作用?；ㄦI聯(lián)接為多齒工作，承載能力高，對中性、導(dǎo)向性好。又因其齒根較淺，應(yīng)力集中較小，軸與轂強(qiáng)度削弱小。矩形花鍵齒定心精度高，按GB/T 1144/1987《矩形花鍵尺寸、公差和檢驗》規(guī)定，其定心方式為小徑定心。撥動叉上在垂直于圓柱面上還有一M22×1.5的螺絲孔，其作用是用螺栓可防止花鍵軸的軸向串動。在上部翼板的側(cè)面上還有一M10且端面僅锪平的絲孔，其作用是可當(dāng)頂絲用，拆卸零件方便。撥動叉整體結(jié)構(gòu)尺寸不大，剛性較好，但形狀較為復(fù)雜，使得結(jié)構(gòu)平穩(wěn)性較差。
二、生產(chǎn)類型
（一） 生產(chǎn)綱領(lǐng)3000件/每年 撥動叉
1 年產(chǎn)量 Q＝生產(chǎn)綱領(lǐng)×每臺件數(shù)×(1+備品率)×(1+廢品率)
Q＝ 3000 (件)
月產(chǎn)量＝Q÷12= 250 (件)
Days=(365-52-14)÷12=25天
日產(chǎn)量(一天3班)＝月產(chǎn)量÷Days=250÷25=10(件)
2 生產(chǎn)量類型的確定：
查工藝人員手冊，輕型（100公斤以內(nèi)）零件的生產(chǎn)性質(zhì)：
中批500～5000 大批5000～50000
撥動叉的生產(chǎn)性質(zhì)：中批
考慮到保證產(chǎn)品按時定量完成，生產(chǎn)該產(chǎn)品的每一道工序的單件核算時間必須小于生產(chǎn)節(jié)拍（工藝卡填寫過程考慮到客觀隨機(jī)因素的影響，將節(jié)拍乘80%后與單件核算時間比較），若大于生產(chǎn)節(jié)拍，就會造成完不成年產(chǎn)量，因此應(yīng)改用多臺機(jī)床加工。
（二）中批量生產(chǎn)采用流水線，其工藝特點
1 毛坯特點：采用金屬模造型，毛坯精度及余量中等。
2 機(jī)床設(shè)備及機(jī)床布置：通用機(jī)床，機(jī)床按零件類別分工段排列。
3 夾具及尺寸保證：專用夾具，調(diào)整法和自動獲得法(如對刀塊)保證尺寸。
4 刀具、量具：專用或標(biāo)準(zhǔn)刀具、量具
5 零件的互換性：多數(shù)互換，部分試配或修配。
6工藝文件的要求：編制詳細(xì)的工藝規(guī)程及關(guān)鍵工序的工序卡片。
7 生產(chǎn)出率：中等
8 成本：中等
9 發(fā)展趨勢：采用成組工藝。
三、加工設(shè)備
因為該零件為中批生產(chǎn)，所以工藝安排應(yīng)考慮工序適當(dāng)集中，考慮零件成批生產(chǎn)，產(chǎn)量比較大，綜合經(jīng)濟(jì)與生產(chǎn)效率等因素，確定加工設(shè)備為通用機(jī)床，采用專用夾具。
1.2 設(shè)計的任務(wù)
該零件加工至成品，需完成從毛坯選擇開始，編排工藝，工裝夾具設(shè)計以及對該產(chǎn)品的說明書如下：
1．毛坯—零件綜合圖 1張
2．工藝過程卡片 1套
3．夾具裝配圖 1張
4．夾具體零件圖 1張
5．說明書 1份
2 零件工藝分析
2.1 零件的作用、材料、形狀特征
該零件為撥動叉。撥動叉屬輔助零件，通過撥叉控制滑套與旋轉(zhuǎn)齒輪的接合?；咨厦嬗型箟K，滑套的凸塊插入齒輪的凹位，把滑套與齒輪固連在一起，使齒輪帶動滑套，滑套帶動輸出軸，將動力從輸入軸傳送至輸出軸。擺動撥叉可以控制滑套與不同齒輪的結(jié)合與分離，達(dá)到換檔的目的。
該撥叉采用HT200材料，灰鑄鐵可承受較大彎曲應(yīng)力，用于強(qiáng)度、耐磨性要求較高的較重要的零件和要求保持氣密性的鑄件。有較好的耐熱性和良好的減振性，鑄造性較好。該撥動叉的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，也適于用鑄造的方法制造。
2.2 技術(shù)要求
圖2-1 各加工面示意圖
零件的材料為HT200，硬度適中，灰鑄鐵生產(chǎn)工藝簡單，鑄造性能優(yōu)良，撥動叉中間圓柱體連有兩翼板，以下是撥動叉需要加工的表面以及加工表面之間的位置要求：（參看圖2-1）
1、 A面：φ40mm,Ra為6.4μm
2、 B面：φ35mm, 對A面有垂直度要求，不垂直度為0.02mm，Ra為12.5μm
3、 C孔：φ30mm，Ra為12.5μm
4、 D孔：花鍵，φ28H7，Ra為1.6μm。鍵槽6H7，Ra為1.6μm
5、 E面：L×B=88×22mm，Ra為6.3μm, Ra為12.5μm
6、 F槽：通槽，槽寬18mm, Ra為6.3μm；槽深22mm
7、 G孔：M10，深30mm。
8、 H孔：M22×1.5，與C孔通。
9、 I孔：絲孔，M8
10、L面：對F槽有對稱度要求，不對稱度為0.20；對B面有垂直度要求，不垂直度為0.10
11、M孔：魚眼坑，φ26mm，深3mm。
2.3 設(shè)計基準(zhǔn)
機(jī)械加工工序安排為先基準(zhǔn)后其他，先面后孔，先主后次，先粗后精，根據(jù)以上原則，擬訂基準(zhǔn)。
一、基準(zhǔn)選擇的原則
1 、粗基準(zhǔn)原則
（1）盡可能用精度要求高的主要表面作粗基準(zhǔn)；
（2）不加工面作粗基準(zhǔn)，且該面與要加工面有一定的位置精度要求；
（3）余量均勻原則；
（4）粗基準(zhǔn)的表面要盡量光整、光潔、有一定的面積以便于裝夾；
（5）不能重復(fù)使用原則。
2 、精基準(zhǔn)選擇原則
（1）基準(zhǔn)重合原則——盡可能使設(shè)計基準(zhǔn)和原始基準(zhǔn)重合；
（2）互為基準(zhǔn)原則——兩個位置精度要求較高的表面互為基準(zhǔn)；
（3）基準(zhǔn)不變原則——統(tǒng)一基準(zhǔn)。
二、基準(zhǔn)選擇：
該撥動叉中間圓柱體雖然連有兩翼板，但它仍具有軸的一般加工規(guī)律，仍可先車削端面，鉆、擴(kuò)鉆中心孔等，然后以中心孔及端面定位，再加上其它面的定位，便可加工其他部位等。但是，撥動叉也有它自己的特點，因為它形狀復(fù)雜，結(jié)構(gòu)平穩(wěn)性差，技術(shù)要求高，所以應(yīng)該采取相應(yīng)的工藝措施，根據(jù)以上原則及對零件的分析，擬訂出如下的定位基準(zhǔn)：
1、加工中心孔及其端面的定位基準(zhǔn)
加工中心孔及其端面時，為保證中心孔及端面與外圓柱面和不加工端面間的位置精度，同時也滿足粗基準(zhǔn)的余量均勻原則，用外圓柱表面及不加工的中心孔端面定位，外圓柱表面用長條V型鐵定四個自由度，不加工中心孔端面定一個自由度，車削用這五個自由度就能滿足加工要求了。所選的長條V型鐵及不加工端面定位加工中心孔后，按粗基準(zhǔn)中不能重復(fù)使用原則就不再以其定位。長條V型鐵的定位面因是鑄造成品面，也能滿足粗基準(zhǔn)之盡可能用精度要求高的主要表面作粗基準(zhǔn)的原則，作粗基準(zhǔn)的表面要盡量光整、光潔、有一定的面積以便于裝夾這一粗基準(zhǔn)原則在我們的長條V型鐵中也有所體現(xiàn)。一次裝夾就能加工出的花鍵中心底孔能夠保證精度要求。同時，為了安放零件，用到預(yù)定位V型鐵，還有加工過程中放有支撐架。
2、加工頂端、底端處平面及槽口的定位基準(zhǔn)
如上所述，按精基準(zhǔn)選擇原則——基準(zhǔn)重合原則、 基準(zhǔn)不變原則等銑削頂部及底部平面及槽口時，定位基準(zhǔn)為已加工成品的內(nèi)孔及其成品的端面，內(nèi)孔基準(zhǔn)同時也是設(shè)計基準(zhǔn)。設(shè)計專用夾具，專用夾具包括對刀塊等。頂部端面或底部槽口加工成品后也分別做精基準(zhǔn)，以后所有的加工按精基準(zhǔn)重合原則、 基準(zhǔn)不變原則—直到最后拉削花鍵為止，全部用中心定位及已加工端為基準(zhǔn)。
3 工藝過程設(shè)計
3.1 毛坯—零件綜合圖設(shè)計
在仔細(xì)分析了零件的基礎(chǔ)上，選擇零件的加工方法，首先從毛坯開始。在毛坯的選擇上，既要考慮它的工藝行，又要考慮到經(jīng)濟(jì)性，綜合兩項因素進(jìn)行毛坯的選擇。
一、毛坯的選擇
毛坯的類型有：鑄件、鍛件、型材、焊接件、壓制件、沖壓件等，由于本零件是中批生產(chǎn)，則優(yōu)先考慮鍛件和鑄件，雖然成本高，但提高了生產(chǎn)率，零件材料為HT200。零件在機(jī)床運(yùn)行過程中所受沖擊不大，結(jié)構(gòu)又比較簡單，在考慮零件的力學(xué)性能，形狀大小等因素后，選擇鑄件。
圖3-1 毛坯-零件綜合圖
二、造型方法及加工余量：
鑄件采用機(jī)器造型，木模，精度等級選8級，查《金屬機(jī)械加工工藝人員手冊》表12-2和12-3得，澆注頂面、側(cè)面的余量為6mm，底面余量為4mm，孔均鉆出。
三、繪制毛坯—零件綜合圖
在選擇了毛坯、確定了加工余量的基礎(chǔ)上，繪制毛坯—零件綜合圖（參看圖3-1）
3.2 工序判定
制定工藝路線得出發(fā)點，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)床配以專用工裝夾具，并盡量使工序集中來提高生產(chǎn)率，以及提高零件的加工質(zhì)量。
一、 工藝路線方案一：
工序Ⅰ：粗車、半精車A面，鏜D孔
工序Ⅱ：粗銑平面E面
工序Ⅲ：粗銑、半精銑E、L面
工序Ⅳ：粗銑槽F
工序Ⅴ：車端面B并倒角
工序Ⅵ：鉆G孔，锪M孔，攻絲
工序Ⅶ：鉆、擴(kuò)H孔
工序Ⅷ：鉆I 1和2孔，攻絲
工序Ⅸ：拉C孔，花鍵
工序Ⅹ：去毛刺 清理
工序Ⅺ：檢驗
二、 工藝路線方案二：
工序Ⅰ：粗車、半精車端面A，鉆、擴(kuò)、鉸C孔，鏜D孔
工序Ⅱ：粗銑、半精銑E、L面
工序Ⅲ：粗銑槽F
工序Ⅳ：鉆G孔并攻絲，锪M孔
工序Ⅴ：車端面B并倒角，鉆、擴(kuò)H孔
工序Ⅵ：鉆I1、I2孔并攻絲
工序Ⅶ：拉C孔，花鍵
工序Ⅷ：去毛刺 清理
工序Ⅸ：檢驗
以上加工方案大致看來還是合理的。但是通過仔細(xì)考慮零件的技術(shù)要求以及可能采取的加工手段之后，發(fā)現(xiàn)仍有問題，主要表現(xiàn)在如下幾點：
1：總體上看方案二比方案一工序集中，工序間排列最優(yōu)。
2：方案二中的工序II粗銑、半精銑E、L面，而方案一只有粗銑平面E面，沒有經(jīng)過精銑，很難保證加工精度。
3：方案二中的工序I鉆、擴(kuò)、鉸C孔，而方案一只是鉆C孔，因為孔的粗糙度要求1.6，精度要求比較高，需經(jīng)鉆，擴(kuò)，鉸C孔才能達(dá)到精度要求。
4：方案二中的車端面B并倒角，鉆、擴(kuò)H孔，加工完端面，直接加工孔，可以減少裝夾次數(shù)，提高加工效率，而方案一中車端面B并倒角后鉆G孔，锪M孔，攻絲，再鉆、擴(kuò)H孔，方案一工序安排比較散亂，多次裝夾。
5：方案二中把鉆、擴(kuò)、鉸C孔，鏜D孔放在一起加工，這樣安排的好處更有利用工序集中，而方案一是分開加工的。
經(jīng)過上述分析，為了保證零件的幾何形狀、尺寸精度及位置精度等技術(shù)要求，降低生產(chǎn)成本，集中工序，提高生產(chǎn)率。選擇工藝路線方案二為本撥動叉的工藝生產(chǎn)路線。
3.3 編制工藝卡
在分析了零件，繪制了毛坯-零件綜合圖，對工序進(jìn)行判定了以后，計算了切削用量、功率以及工時。
工藝編制詳細(xì)情況，見附件工藝卡。
一、切削用量及功率計算
工序Ⅰ：粗車、半精車端面A，鉆、擴(kuò)、鉸C孔，鏜D孔
機(jī)床：臥式車床C620 P=7.5kw 主軸轉(zhuǎn)速：11.5～1200r/min 變速級數(shù)：24級
1.223則查《機(jī)械制造裝備設(shè)計》表3.6得該車床標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速列為：
11.5、14、17、21、25、31、38、47、57、70、86、105、130、158、195、240、300、355、435、535、655、800、980、1200
一次安裝：
工步1：粗車端面A至111mm，ap =5mm Ra為12.5μm
1、刀具：90°偏頭端面車刀(GB5343-85) YG6 Kr=90°
2、切削用量、功率計算
查《金屬機(jī)械加工工藝人員手冊》表14—15得 f=0.7mm，
表14—1速度公式：
（公式3.3.11）
查《切削用量簡明手冊》表3.8得t=60min
代入公式3.3.11得86.67m/min
則轉(zhuǎn)速531r/min
最接近轉(zhuǎn)速593，則取n=593r/min
則：實際速度：96.82m/min
每分進(jìn)給415.1mm
切削力：3100
功率為：5.00kw
選擇機(jī)械傳遞效率為0.8，=6.25kw<7.5kw.
因為， 實際使用切削功率小于臥式車床C620電機(jī)額定功率。則所選機(jī)床合適.
工步2：半精車A面至110mm，ap =1mm Ra為6.3μm
1、刀具：同工步1
2、切削用量、功率計算
查《金屬機(jī)械加工工藝人員手冊》表14—15得 f=0.4mm，
表14—1速度公式：
（公式3.3.11）
查《切削用量簡明手冊》表3.8得t=60min
代入公式3.3.11得 111.95m/min
則轉(zhuǎn)速685r/min
則取n=593r/min
則：實際速度：96.82m/min
每分進(jìn)給237.2mm
切削力：1933
功率為：3.12kw
選擇機(jī)械傳遞效率為0.8，3.9 kw
因為， 實際使用切削功率小于臥式車床C620電機(jī)額定功率。則所選機(jī)床合適.
工步3：鉆C孔至φ22mm ap =11mm
1、刀具：高速鋼錐柄麻花鉆d=22 L=35 l=200
2、切削用量、功率計算
查《金屬機(jī)械加工工藝人員手冊》表14—33得d=16 f=0.35mm，表14—29速度公式：
(公式3.3.9)
查《切削用量簡明手冊》表3.8得t=60min
代入公式3.3.9 ：30.08m/min
則轉(zhuǎn)速=599r/min
n取876r/min
則：實際速度：=44m/min
每分進(jìn)給306.6mm
扭矩：23212
實際功率： 2.13
選擇機(jī)械傳遞效率為0.8，2.66
因為， 實際使用切削功率小于臥式車床C620電機(jī)額定功率。則所選機(jī)床合適。
工步4：擴(kuò)C孔至φ23.2，ap=0.6mm
1、刀具：高速鋼錐柄擴(kuò)孔鉆（GB4256-84） d=23.4 l=281 l=160
2、切削用量、功率計算
查《金屬機(jī)械加工工藝人員手冊》表14—37,14—41得d=23.4 f=0.7mm
表14—29速度公式：
（公式3.3.10）
查《切削用量簡明手冊》表3.8得t=30min
代入公式3.3.10得30.135m/min
則轉(zhuǎn)速=565r/min
轉(zhuǎn)速取362r/min
則：實際速度：=2.66m/min
每分進(jìn)給254mm
扭矩：14742
實際功率：0.56
選擇機(jī)械傳遞效率為0.8 0.7kw<7.5kw
因為， 實際使用切削功率小于臥式車床C620電機(jī)額定功率。則所選機(jī)床合適.
工步5：鉸C孔至φ23.4，Ra3.2μm ap=0.1mm
刀具：錐柄機(jī)用鉸刀（GB1133-84） d=23.4
L=241 l=66
查《金屬機(jī)械加工工藝人員手冊》表14—40，14—47
得d=23.4 f=0.1
查《切削用量簡明手冊》表3.8得t=20min
代入公式3.3.10得：=36.52m/min
則轉(zhuǎn)速=497r/min
n最接近86，轉(zhuǎn)速取n=86r/min
則：
實際速度：=6.318m/min
每分進(jìn)給860.18.6mm
扭矩：=3127.83
實際功率： 0.028
選擇機(jī)械傳遞效率為0.8 實際=0.035<7.5kw 所選機(jī)床合適.
工步6：粗鏜D孔至φ30、ap =3.3mm，Ra12.5μm
1、刀具：通孔鏜刀 YG6 Kr=45°L=150 l=60
2、切削用量、功率計算
查《金屬機(jī)械加工工藝人員手冊》表14—7得 f=0.7mm，
表14—1速度公式：
（公式3.3.12）
查《切削用量簡明手冊》表3.8得t=60min
代入公式3.3.12得88.14m/min
則轉(zhuǎn)速935r/min
則轉(zhuǎn)速取n=1400r/min
則：
實際速度：131.88m/min
每分進(jìn)給mm
切削力：1361
功率為：2.99kw
選擇機(jī)械傳遞效率為0.8 =3.75kw
實際使用切削功率小于臥式車床C620電機(jī)額定功率。則所選機(jī)床合適.
工序Ⅱ：粗銑、半精銑E、L面
機(jī)床：臥式銑床X63 P=10kw 主軸轉(zhuǎn)速：30~1500r/min
變速級數(shù)：18級
則查《機(jī)械制造裝備設(shè)計》表3.6得該銑床標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速列為：
30、37.5、47.5、60、75、95、118、150、190、236、300、375、475、600、750、950、1180、1500
一次安裝：
工步1：粗銑E至51mm,L至21mm ap=21mm Ra為12.5μm
1、刀具：直齒三面刃銑刀（GB1117-85）W18Cr4V
D=100 d=32 B=25 I=18
2、切削用量、功率計算
查《金屬機(jī)械加工工藝人員手冊》表14-83得f=2.7mm
表14-67速度公式：
(公式3.1.15)
查《切削用量簡明手冊》表3.8得t=160min
則代公式3.1.15得： 15.7m/min
則156.25r/min
轉(zhuǎn)速取n=95r/min
則：
實際速度：=9.55m/min
每分進(jìn)給4617mm
有效功率：
≈2.13kw
∵ 2.66
∴ 所選機(jī)床合適
工步1：半精銑E至50mm,L至22mm ap=22mm Ra為6.3μm
1、刀具：直齒三面刃銑刀（GB1117-85）W18Cr4V
D=100 d=32 B=25 I=18
2、切削用量、功率計算
查《金屬機(jī)械加工工藝人員手冊》表14-83得f=2.7mm
表14-67速度公式：
(公式3.1.15)
查《切削用量簡明手冊》表3.8得t=160min
則代公式3.1.15得：20m/min
則199r/min
轉(zhuǎn)速取n=119r/min
則：
實際速度：=11.96m/min
每分進(jìn)給321.3mm
有效功率：
≈1.92kw
選擇機(jī)械傳遞效率為0.8 2.4kw則所選機(jī)床合適。
工序Ⅲ：粗銑F槽
機(jī)床：同工序Ⅱ
一次安裝：粗銑F槽， ap=18mm Ra為6.3μm
1、刀具：成型三面刃銑刀 D=125 B=18 d=32 I=22
2、切削用量、功率計算
查《金屬機(jī)械加工工藝人員手冊》表14-83得f=2.7mm
表14-67速度公式：
(公式3.1.15)
查《切削用量簡明手冊》表3.8得t=160min
則代公式3.1.15得：7.55m/min
則r/min
轉(zhuǎn)速取n=75r/min
則：
實際速度：=7.536m/min
每分進(jìn)給mm
有效功率：
≈4.9
選擇機(jī)械傳遞效率為0.8 6.125，所選機(jī)床合適.
工序Ⅳ：鉆G孔并攻絲，锪M孔
機(jī)床：立式鉆床Z5025 P=1.5kw 主軸轉(zhuǎn)速：50～2000r/min
變速級數(shù)：9級
則查《機(jī)械制造裝備設(shè)計》表3.6得該鉆床標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速列為：
50、80、125、200、315、500、800、1250、2000
一次安裝：
工步1：鉆G孔至φ9.5，深10mm ap =4.25mm
1、刀具：高速鋼直柄短麻花鉆（GB1435-85）
d=9.5 L=84 l=40
2、切削用量、功率計算
查《金屬機(jī)械加工工藝人員手冊》表14—33得d=9.5 f=0.35mm,
查《切削用量簡明手冊》表3.8得t=30min
代入公式3.3.9得：=28.69m/min
則轉(zhuǎn)速=961.7r/min
則取轉(zhuǎn)速n=1058r/min
則：
實際速度：=31.56m/min
每分進(jìn)給=370.3mm
扭矩：8183.16
實際功率：0.907
選擇機(jī)械傳遞效率為0.8 ，，所選機(jī)床合適.
工步2：锪M孔至φ26，深3mm ap =1mm
1、刀具：高速鋼帶可換導(dǎo)拄錐柄平底锪（GB4261-84）
D=26 l=180
2、切削用量、功率計算
查《金屬機(jī)械加工工藝人員手冊》表14—37,14—41得d=26 f=0.15mm
表14—29速度公式：
（公式3.3.10）
查《切削用量簡明手冊》表3.8得t=30min
代入公式3.3.10得=26.7m/min
則轉(zhuǎn)速=518r/min
轉(zhuǎn)速取490 r/min
則：
實際速度：==40m/min
每分進(jìn)給=73.5mm
扭矩：4804
實際功率：0.25
選擇機(jī)械傳遞效率為0.8 ， =0.31，所選機(jī)床合適.
工步3：G孔攻絲至M10，深10mm ap =1.4mm
1、刀具：粗柄帶頸機(jī)用絲錐（GB3464-83）M10 d=10 L=80
2、切削用量，功率計算
查《金屬機(jī)械加工工藝人員手冊》表14—90得d=10mm f=1.7
表14—29速度公式：
(公式3.3.14)
查《切削用量簡明手冊》表3.8得t=30
代入公式3.3.14得：6.9m/min
則轉(zhuǎn)速=220r/min
則轉(zhuǎn)速取n=166r/min
則：
實際速度：==5.2m/min
每分進(jìn)給=282.2mm
扭矩：=12933.9
實際功率：0.22
選擇機(jī)械傳遞效率為0.8 ，=0.275，所選機(jī)床合適.
工序Ⅴ：粗車端面B，鉆H孔并攻絲
一次安裝：
設(shè)備：臥式車床C620 P=7.5kw 主軸轉(zhuǎn)速：11.5～1200r/min 變速級數(shù)：24級
1.223則查《機(jī)械制造裝備設(shè)計》表3.6得該車床標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速列為：11.5、14、17、21、25、31、38、47、57、70、86、105、130、158、195、240、300、355、435、535、655、800、980、1200
工步1：粗車端面B至36mm，ap =6mm Ra為12.5μm
1、刀具：同工序Ⅰ工步1
2、切削用量、功率計算
查《金屬機(jī)械加工工藝人員手冊》表14—15得 f=0.7mm，
表14—1速度公式：
（公式3.3.11）
查《切削用量簡明手冊》表3.8得t=60min
代入公式3.3.11得86.27m/min
則轉(zhuǎn)速528r/min
則取n=735r/min
則：
實際速度：80.77m/min
每分進(jìn)給mm
切削力：3553.9
功率為：4.78kw
選擇機(jī)械傳遞效率為0.8 ， =5.98.所選機(jī)床合適.
工步2：鉆H孔至φ19
1、刀具：高速鋼直柄短麻花鉆（GB1435-85） d=19 L=127 l=64
2、切削用量、功率計算
查《金屬機(jī)械加工工藝人員手冊》表14—33得d=19 f=0.6mm，表14—29速度公式：
(公式3.3.9)
查《切削用量簡明手冊》表3.8得t=60min
代入公式3.3.9 ： = 25.38m/min
則轉(zhuǎn)速 = 425r/min
n取386r/min
則：
實際速度：=23.028m/min
每分進(jìn)給=213.6mm
扭矩：50413
實際功率：2.04
選擇機(jī)械傳遞效率為0.8 ， 2.55kw，所選機(jī)床合適。
工步4：H孔攻絲至M22 ap =1.5mm
1、刀具：粗柄帶頸機(jī)用絲錐（GB3464-83）M22×1.5
d=22 L=128 l=38
2、切削用量，功率計算
查《金屬機(jī)械加工工藝人員手冊》表14—90得d=22 f=1.78mm
表14—29速度公式：
(公式3.3.14)
查《切削用量簡明手冊》表3.8得t=30min
代入公式3.3.14得：6.5m/min
則轉(zhuǎn)速== 95r/min
則轉(zhuǎn)速取n=86r/min
則：
實際速度：= =5.94m/min
每分進(jìn)給= 153.08mm
扭矩：=40145
實際功率：0.36
選擇機(jī)械傳遞效率為0.8， =0.45，所選機(jī)床合適。
工序Ⅵ：鉆I1、I2孔并攻絲
機(jī)床：同工序Ⅳ
一次安裝：
工步1：鉆I1孔至φ7 ap =3.3mm
1、刀具：高速鋼直柄短麻花鉆（GB1435-85） d=7 L=74 l=34
2、切削用量、功率計算
查《金屬機(jī)械加工工藝人員手冊》表14—33得d=7 f=0.22mm,表14—29速度公式：
(公式3.3.9)
查《切削用量簡明手冊》表3.8得t=60min
代入公式3.3.9 ：29.28m/min
則轉(zhuǎn)速=1332r/min
n取1504r/min
則：實際速度：=33.05m/min
每分進(jìn)給=330.88mm
扭矩： 3064
實際功率：0.49
選擇機(jī)械傳遞效率為0.8， =0.6125，所選機(jī)床合適。
工步2：鉆I2孔至φ7
同工步1
工步3：I1孔攻絲至M8 ap =0.7mm
1、刀具：高速鋼粗牙普通螺紋絲錐（GB3464-83 ）
d=8 L=72 L1=30
2、切削用量、功率計算
查《金屬機(jī)械加工工藝人員手冊》表14—90得d=8mm f=0.7mm
表14—29速度公式：
(公式3.3.14)
查《切削用量簡明手冊》表3.8得t=30min
代入公式3.3.14得： 10.52m/min
則轉(zhuǎn)速==416r/min
則轉(zhuǎn)速取n=409r/min
則：
實際速度：==10.27m/min
每分進(jìn)給=286.3mm
扭矩：=3879
實際功率：0.17
機(jī)械效率定0.8， 0.2125，小于機(jī)床的電機(jī)功率，此機(jī)床合適。
工步4：I2孔攻絲至M8，同工步3。
工序Ⅶ：拉花鍵C
機(jī)床：臥式內(nèi)拉床L6110 P=17kw 電機(jī)轉(zhuǎn)速：980r/min
一次安裝：拉C孔至φ28H7、Ra1.6 ap=0.05mm
1、刀具：矩形齒花鍵拉刀 W18Cr4V D=28 L=880 L1=6 Z=6
2、切削用量、功率計算
查表14-118 14-121得：
切削速度 v=4 m/min
ap=0.05則拉削力為148N，當(dāng)N=148時，
查表得:P=9.9kw
比較功率，機(jī)械效率按0.8計算，12.38，所選機(jī)床合適。
工序Ⅷ：去毛刺，清洗
工序Ⅸ：檢驗
二、工時計算
各工序所用時間表：
時
間
工
序
準(zhǔn)備終結(jié)時間
基本
時間
輔助
時間
工作地點服務(wù)時間及生理時間
單件
時間
單件核算時間
工序Ⅰ
0.16
3.22
0.64
1.55
5.41
5.57
工序Ⅱ
0.05
0.94
0.19
0.45
1.58
1.63
工序Ⅲ
0.03
0.6
0.12
0.29
1
1.03
工序Ⅳ
0.33
0.66
0.13
0.31
1.11
1.44
工序Ⅴ
0.05
1.02
0.2
0.49
1.71
1.76
工序Ⅵ
0.04
0.77
0.15
0.37
1.29
1.33
工序Ⅶ
0.007
0.14
0.03
0.07
0.23
0.24
準(zhǔn)備終結(jié)時間： （公式3.3.3）
基本時間： （公式3.3.4）
輔助時間： （公式3.3.5）
服務(wù)時間： （公式3.3.6）
單件時間： （公式3.3.7）
4 夾具設(shè)計
為了提高勞動生產(chǎn)率，保證加工質(zhì)量，降低勞動強(qiáng)度，需要設(shè)計專用夾具，為保證加工質(zhì)量，了提高生產(chǎn)率，在普通夾具不適用的情況下需要專用非標(biāo)準(zhǔn)的夾具，論文設(shè)計了銑F槽工序的銑床夾具，刀具為直齒三面刃銑刀。
4.1 問題的提出
本夾具主要用于銑F槽，精度要求不高，為此，只考慮如何提高生產(chǎn)效率上，精度則不予考慮。因為18mm槽面和8中心線孔有垂直度要求，因此我們要以已加工的中心孔為定位基準(zhǔn)。
4.2 定位方案的確定
4.2.1 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。基準(zhǔn)選擇不當(dāng)往往會增加工序或使工藝路線不合理，或是使夾具設(shè)計更加困難甚至達(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)。此零件圖沒有較高的技術(shù)要求，也沒有較高的平行度和對稱度要求，所以我們應(yīng)考慮如何提高勞動效率，降低勞動強(qiáng)度，提高加工精度。中心孔已加工好，為了使定位誤差減小，選擇已加工好的中心孔和其端面作為定位基準(zhǔn)，來設(shè)計本道工序的夾具，以兩銷和已加工好的中心孔及其端面作為定位夾具。為了提高加工效率，縮短輔助時間，決定用簡單的螺母作為夾緊機(jī)構(gòu)。
4.2.2 定位方案的確定
如果要使零件自由體在空間有一個確定的位置，就必須設(shè)置相應(yīng)的六個約束，分別限制剛體的六個運(yùn)動自由度。如果工件的六個自由度都加以限制了，工件在空間的位置也就完全被確定下來了。
加工銑削方向如下圖所示：
圖4-1 銑削方向示意圖
本次夾具選擇用心軸定位，下端用定位擋銷，一個端面限制三個自由度，心軸限制兩個自由度，定位擋銷限制一個自由度，這樣空間的六個自由度就限制完全了，同時采用螺母夾緊方式夾緊。
定位方案如下圖所示：
圖4-2 定位方案示意圖
定位簡圖如下圖所示：
圖4-3 定位簡圖
4.3 切削力及夾緊力計算
（1）刀具：采用鋸片銑刀 φ120mm z=24,用兩把鋸片銑刀保證同時安裝在主軸上面中間用隔套把兩把銑刀隔開，保證兩把銑刀之間距離為7mm。這樣就可以一次銑出兩個面，并且尺寸易保證。
機(jī)床： x61W型萬能銑床
由[3] 所列公式 得
查表 9.4—8 得其中： 修正系數(shù)
z=24
代入上式，可得 F=889.4N
因在計算切削力時，須把安全系數(shù)考慮在內(nèi)。
安全系數(shù) K=
其中：為基本安全系數(shù)1.5
為加工性質(zhì)系數(shù)1.1
為刀具鈍化系數(shù)1.1
為斷續(xù)切削系數(shù)1.1
所以
（2）夾緊力的計算
選用夾緊螺釘夾緊機(jī) 由
其中f為夾緊面上的摩擦系數(shù)，取
F=+G G為工件自重
夾緊螺釘： 公稱直徑d=15mm，材料45鋼 性能級數(shù)為6.8級
螺釘疲勞極限：
極限應(yīng)力幅：
許用應(yīng)力幅：
螺釘?shù)膹?qiáng)度校核：螺釘?shù)脑S用切應(yīng)力為
[s]=3.5~4 取[s]=4
得
滿足要求
經(jīng)校核：滿足強(qiáng)度要求，夾具安全可靠。使用快速螺旋定位機(jī)構(gòu)快速人工夾緊，調(diào)節(jié)夾緊力調(diào)節(jié)裝置，即可指定可靠的夾緊力。
4.4 定位誤差分析
夾具的主要定位元件為一平面和兩定位銷，孔與銷間隙配合。工件的工序基準(zhǔn)為孔心，當(dāng)工件孔徑為最大，定位銷的孔徑為最小時，孔心在任意方向上的最大變動量等于孔與銷配合的最大間隙量。本夾具是用來在銑床上加工，所以工件上孔與夾具上的定位銷保持固定接觸。此時可求出孔心在接觸點與銷中心連線方向上的最大變動量為孔徑公差多一半。工件的定位基準(zhǔn)為孔心。工序尺寸方向與固定接觸點和銷中心連線方向相同，則其定位誤差為：
式中 ——定位副間的最小配合間隙（mm）；
——工件圓孔直徑公差（mm）；
——定位銷外圓直徑公差（mm）。
本工序采用一定位銷，一擋銷定位，工件始終靠近擋銷的一面，而定位銷的會使工件自重帶來一定的平行于夾具體底版的水平力，因此，工件不在在定位銷正上方，進(jìn)而使加工位置有一定轉(zhuǎn)角誤差。但是，由于加工是自由公差，故應(yīng)當(dāng)能滿足定位要求。
4.5 定向鍵與對刀裝置設(shè)計
定向鍵安裝在夾具底面的縱向槽中，一般使用兩個。其距離盡可能布置的遠(yuǎn)些。通過定向鍵與銑床工作臺T形槽的配合，使夾具上定位元件的工作表面對于工作臺的送進(jìn)方向具有正確的位置。
根據(jù)GB2207—80定向鍵結(jié)構(gòu)如圖所示：
圖4-4 夾具體槽形與螺釘圖
根據(jù)T形槽的寬度 a=25mm 定向鍵的結(jié)構(gòu)尺寸如下：
表4.1 定向鍵數(shù)據(jù)表
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
25
-0.014
-0.045
40
14
6
15
6
24
+0.023
7
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。
由于本道工序是完成后鋼板彈簧吊耳內(nèi)側(cè)端面的粗銑加工，所以選用直角對刀塊。直角對刀塊的結(jié)構(gòu)和尺寸如圖所示：
圖4-5 對刀塊圖
塞尺選用平塞尺，其結(jié)構(gòu)如下圖所示：
圖4-6 平塞尺圖
塞尺尺寸為：
公稱尺寸H
允差d
C
3
-0.006
0.25
4.6 夾具設(shè)計及操作簡要說明
如前所述，在設(shè)計夾具時，應(yīng)該注意提高勞動生產(chǎn)率避免干涉。應(yīng)使夾具結(jié)構(gòu)簡單，便于操作，降低成本。提高夾具性價比。本道工序為銑床夾具選擇了壓緊螺釘夾緊方式。本工序為銑切削余量小，切削力小，所以一般的手動夾緊就能達(dá)到本工序的要求。
本夾具的最大優(yōu)點就是結(jié)構(gòu)簡單緊湊。
夾具的夾緊力不大，故使用手動夾緊。為了提高生產(chǎn)力，使用快速螺旋夾緊機(jī)構(gòu)。
裝配圖附圖：
5 結(jié)論
C620撥動叉作為變速機(jī)構(gòu)中的常用零件，以其經(jīng)濟(jì)性與實用性還將長期存在。工序間采用專用夾具，雖然設(shè)計周期有所延長，但大大縮短了生產(chǎn)周期，提高了生產(chǎn)效率，同時提高了加工精度，降低了產(chǎn)品的不合格率。隨著技術(shù)的不斷更新，工藝的不斷完善，撥叉類零件的加工方法也將取得長足發(fā)展。
畢業(yè)設(shè)計即將結(jié)束了，時間雖然短暫但是它對我們來說受益菲淺的，通過這次的設(shè)計使我們不再是只知道書本上的空理論，不再是紙上談兵，而是將理論和實踐相結(jié)合進(jìn)行實實在在的設(shè)計，使我們不但鞏固了理論知識而且掌握了設(shè)計的步驟和要領(lǐng)，使我們更好的利用圖書館的資料，更好的更熟練的利用我們手中的各種設(shè)計手冊和AUTOCAD等制圖軟件，為我們踏入設(shè)計打下了好的基礎(chǔ)。
畢業(yè)設(shè)計使我們認(rèn)識到了只努力的學(xué)好書本上的知識是不夠的，還應(yīng)該更好的做到理論和實踐的結(jié)合。因此同學(xué)們非常感謝老師給我們的辛勤指導(dǎo)，使我們學(xué)到了好多，也非常珍惜學(xué)院給我們的這次設(shè)計的機(jī)會，它將是我們畢業(yè)設(shè)計完成的更出色的關(guān)鍵一步。
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