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湖北工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）
摘 要
本設(shè)計是汽車變速箱箱體零件的加工工藝規(guī)程及一些工序的專用夾具設(shè)計。汽車變速箱箱體零件的主要加工表面是平面及孔系。一般來說，保證平面的加工精度要比保證孔系的加工精度容易。因此，本設(shè)計遵循先面后孔的原則。并將孔與平面的加工明確劃分成粗加工和精加工階段以保證孔系加工精度?；鶞蔬x擇以變速箱箱體的輸入軸和輸出軸的支承孔作為粗基準，以頂面與兩個工藝孔作為精基準。主要加工工序安排是先以支承孔系定位加工出頂平面，再以頂平面與支承孔系定位加工出工藝孔。在后續(xù)工序中除個別工序外均用頂平面和工藝孔定位加工其他孔系與平面。支承孔系的加工采用的是坐標法鏜孔。整個加工過程均選用組合機床。夾具選用專用夾具，夾緊方式多選用氣動夾緊，夾緊可靠，機構(gòu)可以不必自鎖。因此生產(chǎn)效率較高。適用于大批量、流水線上加工。能夠滿足設(shè)計要求。
關(guān)鍵詞：變速箱 加工工藝 專用夾具
Abstract
The design is about the special-purpose clamping apparatus of the machining technology process and some working procedures of the car gearbox parts. The main machining surface of the car gearbox parts is the plane and a series of hole. Generally speaking, to guarantee the working accuracy of the plane is easier than to guarantee the hole’s. So the design follows the principle of plane first and hole second. And in order to guarantee the working accuracy of the series of hole, the machining of the hole and the plane is clearly divided into rough machining stage and finish machining stage. The supporting hole of the input bearing and output bearing is as the rough datum. And the top area and two technological holes are as the finish datum. The main process of machining technology is that first, the series of supporting hole fix and machine the top plane, and then the top plane and the series of supporting hole fix and machine technological hole. In the follow-up working procedure, all working procedures except several special ones fix and machine other series of hole and plane by using the top plane and technological hole. The machining way of the series of supporting hole is to bore hole by coordinate. The combination machine tool and special-purpose clamping apparatus are used in the whole machining process. The clamping way is to clamp by pneumatic and is very helpful. The instruction does not have to lock by itself. So the product efficiency is high. It is applicable for mass working and machining in assembly line. It can meet the design requirements.
Keywords: Gearbox machining technology special-purpose clamping apparatus
目 錄
摘要
Abstract
緒論
1 汽車變速箱加工工藝規(guī)程設(shè)計 ………………………………………(1)
1.1 零件的分析 ………………………………………………………………(1)
1.1.1零件的作用…………………………………………………………(1)
1.1.2零件的工藝分析……………………………………………………(1)
1.2變速箱箱體加工的主要問題和工藝過程設(shè)計所應(yīng)采取的相應(yīng)措施 (2)
1.2.1孔和平面的加工順序………………………………………………(2)
1.2.2孔系加工方案選擇……………………………………………………(2)
1.3變速箱箱體加工定位基準的選擇………………………………………(5)
1.3.1粗基準的選擇………………………………………………………… (5)
1.3.2精基準的選擇……………………………………………………… (5)
1.4變速箱箱體加工主要工序安排……………………………………………(5)
1.5機械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的確定…………………………(7)
2 專用夾具設(shè)計……………………………………………………………(47)
缺
致謝……………………………………………………………………………(48)
參考文獻……………………………………………………………………49
III
汽車變速箱箱體加工工藝及夾具設(shè)計
1 汽車變速箱加工工藝規(guī)程設(shè)計
1.1零件的分析
1.1.1零件的作用
題目給出的零件是汽車變速箱箱體。變速箱箱體的主要作用是支承各傳動軸，保證各軸之間的中心距及平行度，并保證變速箱部件與發(fā)動機正確安裝。因此汽車變速箱箱體零件的加工質(zhì)量，不但直接影響汽車變速箱的裝配精度和運動精度，而且還會影響汽車的工作精度、使用性能和壽命。汽車變速箱主要是實現(xiàn)汽車的變速，改變汽車的運動速度。汽車變速箱箱體零件的頂面用以安裝變速箱蓋，前后端面支承孔、用以安裝傳動軸，實現(xiàn)其變速功能。
1.1.2零件的工藝分析
由汽車變速箱箱體零件圖可知。汽車變速箱箱體是一個簿壁殼體零件，它的外表面上有五個平面需要進行加工。支承孔系在前后端面上。此外各表面上還需加工一系列螺紋孔。因此可將其分為三組加工表面。它們相互間有一定的位置要求。現(xiàn)分析如下：
（1）、以頂面為主要加工表面的加工面。這一組加工表面包括：頂面的銑削加工；的螺孔加工；的工藝孔加工。其中頂面有表面粗糙度要求為，8個螺孔均有位置度要求為，2個工藝孔也有位置度要求為。
（2）、以、、的支承孔為主要加工表面的加工面。這一組加工表面包括：2個、2個和1個的孔；尺寸為的與、的4個孔軸線相垂直的前后端面；前后端面上的3個、16個的螺孔，以及4個、2個的孔；還有另外兩個在同一中心線上與兩端面相垂直的的倒車齒輪軸孔及其內(nèi)端面和兩個的螺孔。其中前后端面有表面粗糙度要求為，3個、16個的螺孔，4個、2個的孔均有位置度要求為，兩倒車齒輪軸孔內(nèi)端面有尺寸要求為及表面粗糙度要求為。
（3）、以兩側(cè)窗口面為主要加工平面的加工面。這一組加工表面包括：尺寸為和的兩側(cè)窗口面；與兩側(cè)窗口面相垂直的12個的螺孔；與兩側(cè)面成角的尺寸為的錐管螺紋孔（加油孔）。其中兩側(cè)窗口面有表面粗糙度要求為，12個螺孔均有位置度要求為。
1.2 箱體加工的主要問題和工藝過程設(shè)計所應(yīng)采取的相應(yīng)措施
由以上分析可知。該箱體零件的主要加工表面是平面及孔系。一般來說，保證平面的加工精度要比保證孔系的加工精度容易。因此，對于變速箱箱體來說，加工過程中的主要問題是保證孔的尺寸精度及位置精度，處理好孔和平面之間的相互關(guān)系。
由于汽車變速箱的生產(chǎn)量很大。怎樣滿足生產(chǎn)率要求也是變速箱加工過程中的主要考慮因素。
1.2.1孔和平面的加工順序
箱體類零件的加工應(yīng)遵循先面后孔的原則：即先加工箱體上的基準平面，以基準平面定位加工其他平面。然后再加工孔系。變速箱箱體的加工自然應(yīng)遵循這個原則。這是因為平面的面積大，用平面定位可以確保定位可靠夾緊牢固，因而容易保證孔的加工精度。其次，先加工平面可以先切去鑄件表面的凹凸不平。為提高孔的加工精度創(chuàng)造條件，便于對刀及調(diào)整，也有利于保護刀具。
變速箱箱體零件的加工工藝應(yīng)遵循粗精加工分開的原則，將孔與平面的加工明確劃分成粗加工和精加工階段以保證孔系加工精度。
1.2.2孔系加工方案選擇
變速箱箱體孔系加工方案，應(yīng)選擇能夠滿足孔系加工精度要求的加工方法及設(shè)備。除了從加工精度和加工效率兩方面考慮以外，也要適當考慮經(jīng)濟因素。在滿足精度要求及生產(chǎn)率的條件下，應(yīng)選擇價格最底的機床。
根據(jù)汽車變速箱箱體零件圖所示的變速箱箱體的精度要求和生產(chǎn)率要求，當前應(yīng)選用在組合機床上用鏜模法鏜孔較為適宜。
（1）、用鏜模法鏜孔
在大批量生產(chǎn)中，汽車變速箱箱體孔系加工一般都在組合鏜床上采用鏜模法進行加工。鏜模夾具是按照工件孔系的加工要求設(shè)計制造的。當鏜刀桿通過鏜套的引導(dǎo)進行鏜孔時，鏜模的精度就直接保證了關(guān)鍵孔系的精度。
采用鏜?？梢源蟠蟮靥岣吖に囅到y(tǒng)的剛度和抗振性。因此，可以用幾把刀同時加工。所以生產(chǎn)效率很高。但鏜模結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造難度大、成本較高，且由于鏜模的制造和裝配誤差、鏜模在機床上的安裝誤差、鏜桿和鏜套的磨損等原因。用鏜模加工孔系所能獲得的加工精度也受到一定限制。
（2）、用坐標法鏜孔
在現(xiàn)代生產(chǎn)中，不僅要求產(chǎn)品的生產(chǎn)率高，而且要求能夠?qū)崿F(xiàn)大批量、多品種以及產(chǎn)品更新?lián)Q代所需要的時間短等要求。鏜模法由于鏜模生產(chǎn)成本高，生產(chǎn)周期長，不大能適應(yīng)這種要求，而坐標法鏜孔卻能適應(yīng)這種要求。此外，在采用鏜模法鏜孔時，鏜模板的加工也需要采用坐標法鏜孔。
用坐標法鏜孔，需要將箱體孔系尺寸及公差換算成直角坐標系中的尺寸及公差，然后選用能夠在直角坐標系中作精密運動的機床進行鏜孔。
零件圖所示變速箱箱體孔系尺寸換算如下：
如下圖所示為三個支承孔中心線所構(gòu)成的坐標尺寸關(guān)系。其中：，，。設(shè)加工時坐標系為且現(xiàn)在要計算、及。
由圖可知：
根據(jù)余弦定理：
根據(jù)幾何關(guān)系可得：
孔系中心的直角坐標尺寸算出來后。還需要進一步確定各組成環(huán)的公差。組成環(huán)的公差分配方法有多種，現(xiàn)以等公差分配法為例子說明各組成環(huán)公差的求解方法。
已知：
因
兩邊微分后得：
若 ，則有
|AC|與和構(gòu)成尺寸鏈，其中|AC|為尺寸鏈的封閉環(huán)。按等公差分配原則，及的公差各取。
|CB|與及構(gòu)成另一個尺寸鏈，且|CB|為尺寸鏈的封閉環(huán)。按前述方法可得及的尺寸公差各為。
最終求得的變速箱箱體孔系在直角坐標中的尺寸及公差為：
方法來自《機械工人專業(yè)計算》
1.3變速箱箱體加工定位基準的選擇
1.3.1粗基準的選擇
粗基準選擇應(yīng)當滿足以下要求：
（1）、保證各重要支承孔的加工余量均勻；
（2）、保證裝入箱體的零件與箱壁有一定的間隙。
為了滿足上述要求，應(yīng)選擇變速箱的主要支承孔作為主要基準。即以變速箱箱體的輸入軸和輸出軸的支承孔作為粗基準。也就是以前后端面上距頂平面最近的孔作為主要基準以限制工件的四個自由度，再以另一個主要支承孔定位限制第五個自由度。由于是以孔作為粗基準加工精基準面。因此，以后再用精基準定位加工主要支承孔時，孔加工余量一定是均勻的。由于孔的位置與箱壁的位置是同一型芯鑄出的。因此，孔的余量均勻也就間接保證了孔與箱壁的相對位置。
1.3.2精基準的選擇
從保證箱體孔與孔、孔與平面、平面與平面之間的位置 。精基準的選擇應(yīng)能保證變速箱箱體在整個加工過程中基本上都能用統(tǒng)一的基準定位。從變速箱箱體零件圖分析可知，它的頂平面與各主要支承孔平行而且占有的面積較大，適于作精基準使用。但用一個平面定位僅僅能限制工件的三個自由度，如果使用典型的一面兩孔定位方法，則可以滿足整個加工過程中基本上都采用統(tǒng)一的基準定位的要求。至于前后端面，雖然它是變速箱箱體的裝配基準，但因為它與變速箱箱體的主要支承孔系垂直。如果用來作精基準加工孔系，在定位、夾緊以及夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計方面都有一定的困難，所以不予采用。
1.4變速箱箱體加工主要工序安排
對于大批量生產(chǎn)的零件，一般總是首先加工出統(tǒng)一的基準。變速箱箱體加工的第一個工序也就是加工統(tǒng)一的基準。具體安排是先以孔定位粗、精加工頂平面。第二個工序是加工定位用的兩個工藝孔。由于頂平面加工完成后一直到變速箱箱體加工完成為止，除了個別工序外，都要用作定位基準。因此，頂面上的螺孔也應(yīng)在加工兩工藝孔的工序中同時加工出來。
后續(xù)工序安排應(yīng)當遵循粗精分開和先面后孔的原則。先粗加工平面，再粗加工孔系。螺紋底孔在多軸組合鉆床上鉆出，因切削力較大，也應(yīng)該在粗加工階段完成。對于變速箱箱體，需要精加工的是支承孔前后端平面。按上述原則亦應(yīng)先精加工平面再加工孔系，但在實際生產(chǎn)中這樣安排不易于保證孔和端面相互垂直。因此，實際采用的工藝方案是先精加工支承孔系，然后以支承孔用可脹心軸定位來加工端面，這樣容易保證零件圖紙上規(guī)定的端面全跳動公差要求。各螺紋孔的攻絲，由于切削力較小，可以安排在粗、精加工階段中分散進行。
加工工序完成以后，將工件清洗干凈。清洗是在的含0.4%—1.1%蘇打及0.25%—0.5%亞硝酸鈉溶液中進行的。清洗后用壓縮空氣吹干凈。保證零件內(nèi)部雜質(zhì)、鐵屑、毛刺、砂粒等的殘留量不大于。
根據(jù)以上分析過程，現(xiàn)將汽車變速箱箱體加工工藝路線確定如下：
工序1：粗、精銑頂面。以兩個的支承孔和一個的支承孔為粗基準。選用立軸圓工作臺銑床，和專用夾具。
工序2：鉆頂面孔、鉸工藝孔。以兩個的支承孔和前端面為基準。選用專用組合鉆床和專用夾具。
工序3：粗銑前后端面。以頂面和兩工藝孔為基準。選用專用組合銑床和專用夾具。
工序4：粗銑兩側(cè)面及凸臺。以頂面和兩工藝孔為基準。選用專用組合銑床和專用夾具。
工序5：粗鏜前后端面支承孔。以頂面和兩工藝孔為基準。選用專用組合鏜床和專用夾具。
工序6：檢驗。
工序7：半精銑前后端面。以頂面和兩工藝孔為基準。選用專用組合銑床和專用夾具。
工序8：鉆倒車齒輪軸孔，鉆前后端面上孔。以頂面和兩工藝孔為基準。選用專用組合鉆床和專用夾具。
工序9：銑倒車齒輪軸孔內(nèi)端面，鉆加油孔。以頂面和兩工藝孔為基準。選用專用組合銑床和專用夾具。
工序10：鉆兩側(cè)面孔。以頂面和兩工藝孔為基準。選用專用組合鉆床和專用夾具。
工序11：精鏜支承孔。以頂面和兩工藝孔為基準。選用專用組合鏜床和專用夾具。
工序12：攻錐螺紋孔。以頂面和兩工藝孔為基準。選用專用組合攻絲機和專用夾具。
工序13：前后端面孔攻絲。以頂面和兩工藝孔為基準。選用專用組合攻絲機和專用夾具。
工序14：兩側(cè)窗口面上螺孔攻絲。以頂面和兩工藝孔為基準。選用專用組合攻絲機和專用夾具。
工序15：頂面螺孔攻絲。以頂面和兩工藝孔為基準。選用專用組合攻絲機和專用夾具。
工序16：中間檢驗。
工序17：精銑兩側(cè)面。以頂面和兩工藝孔為基準。選用專用組合銑床和專用夾具。
工序18：精銑前后端面。以兩個支承孔和一個工藝孔為基準。選用專用組合銑床和專用夾具。
工序19：清洗。選用清洗機清洗。
工序20：終檢。
以上工藝過程詳見機械加工工藝過程卡片。
1.5機械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的確定
“汽車變速箱箱體”零件材料采用灰鑄鐵制造。變速箱材料為HT150，硬度HB為170—241，生產(chǎn)類型為大批量生產(chǎn)，采用鑄造毛坯。
（1）、頂面的加工余量。（計算頂面與支承孔軸線尺寸）
根據(jù)工序要求，頂面加工分粗、精銑加工。各工步余量如下：
粗銑：參照《機械加工工藝手冊第1卷》表3.2-23。其余量值規(guī)定為，現(xiàn)取。表3.2-27粗銑平面時厚度偏差取。
精銑：參照《機械加工工藝手冊》表2.3-59，其余量值規(guī)定為。
鑄造毛坯的基本尺寸為根據(jù)《機械加工工藝手冊》表2.3-11,鑄件尺寸公差等級選用CT7，再查表2.3-9可得鑄件尺寸公差為
毛坯的名義尺寸為：
毛坯最小尺寸為：
毛坯最大尺寸為：
粗銑后最大尺寸為：
粗銑后最小尺寸為：
精銑后尺寸與零件圖尺寸相同，即
（2）、兩工藝孔。
毛坯為實心，不沖孔。兩孔精度要求為IT8，表面粗糙度要求為。參照《機械加工工藝手冊》表2.3-47，表2.3-48。確定工序尺寸及加工余量為：
鉆孔：
擴孔： （Z為單邊余量）
鉸孔：
（3）、頂面8螺孔
毛坯為實心，不沖孔。參照《機械加工工藝手冊》表2.3-71，現(xiàn)確定其工序尺寸及加工余量為：
鉆孔：
攻絲：
（4）、前后端面加工余量。（計算長度為）
根據(jù)工藝要求，前后端面分為粗銑、半精銑、半精銑、精銑加工。各工序余量如下：
粗銑：參照《機械加工工藝手冊第1卷》表3.2-23，其加工余量規(guī)定為，現(xiàn)取。
半精銑：參照《機械加工工藝手冊第1卷》，其加工余量值取為。
精銑：參照《機械加工工藝手冊》，其加工余量取為。
鑄件毛坯的基本尺寸為，根據(jù)《機械加工工藝手冊》表2.3-11，鑄件尺寸公差等級選用CT7。再查表2.3-9可得鑄件尺寸公差為。
毛坯的名義尺寸為：
毛坯最小尺寸為：
毛坯最大尺寸為：
粗銑前后端面工序尺寸定為
半精銑前后端面工序尺寸定為
精銑前后端面后尺寸與零件圖尺寸相同，即
（5）、前后端面上16螺孔，3螺孔，4孔，倒車齒輪軸孔加工余量。
毛坯為實心，不沖孔。參照《機械加工工藝手冊》表2.3-71，現(xiàn)確定螺孔加工余量為：
16螺孔
鉆孔：
攻絲：
3螺孔
鉆孔：
攻絲：
孔，參照《機械加工工藝人員手冊》表5-58，確定工序尺寸為：
鉆孔：
倒車齒輪軸孔，參照《機械加工余量與公差手冊》表4-23確定工序尺寸及余量為：
鉆孔：
鉆孔：
擴孔：
鉸孔：
（6）、前后端面支承孔。
根據(jù)工序要求，前后端面支承孔的加工分為粗鏜、精鏜兩個工序完成，各工序余量如下：
粗鏜：孔，參照《機械加工工藝手冊》表2.3-48,其余量值為；
孔，參照《機械加工工藝手冊》表2.3-48,其余量值為；孔，參照《機械加工工藝手冊》表2.3-48,其余量值為。
精鏜：孔，參照《機械加工工藝手冊》表2.3-48,其余量值為；
孔，參照《機械加工工藝手冊》表2.3-48,其余量值為；
孔，參照《機械加工工藝手冊》表2.3-48,其余量值為。
鑄件毛坯的基本尺寸分別為：
孔毛坯基本尺寸為；
孔毛坯基本尺寸為；
孔毛坯基本尺寸為。
根據(jù)《機械加工工藝手冊》表2.3-11，鑄件尺寸公差等級選用CT7，再查表2.3-9可得鑄件尺寸公差分別為：
孔毛坯名義尺寸為；
毛坯最大尺寸為；
毛坯最小尺寸為；
粗鏜工序尺寸為；
精鏜后尺寸與零件圖尺寸相同，即。
孔毛坯名義尺寸為；
毛坯最大尺寸為；
毛坯最小尺寸為；
粗鏜工序尺寸為；
精鏜后尺寸與零件圖尺寸相同，即。
孔毛坯名義尺寸為；
毛坯最大尺寸為；
毛坯最小尺寸為；
粗鏜工序尺寸為；
精鏜后尺寸與零件圖尺寸相同，即。
（7）、兩側(cè)面及凸臺加工余量。(兩側(cè)面計算長度分別為：側(cè)面到支承孔
軸線尺寸和。凸臺計算長度為：凸臺到定位孔軸線尺寸)
由工序要求，兩側(cè)面需進行粗、精銑加工。各工序余量如下：
粗銑：參照《機械加工工藝手冊第1卷》表3.2-23，其余量值為,現(xiàn)取其為。表3.2-27，粗銑平面時厚度偏差取。
精銑：參照《機械加工工藝手冊》表2.3-59,其余量值規(guī)定為。
鑄件毛坯的基本尺寸分別為：，。
根據(jù)《機械加工工藝手冊》表2.3-11，鑄件尺寸公差等級選用CT7，再查表2.3-9可得鑄件尺寸公差分別為和。
則兩側(cè)面毛坯名義尺寸分別為：
毛坯最小尺寸分別為：
毛坯最大尺寸分別為：
粗銑后最大尺寸分別為：
粗銑后最小尺寸分別為：
精銑后尺寸與零件圖尺寸相同，即和。
由工序要求可知，凸臺只需進行粗銑加工。其工序余量如下：
參照《機械加工工藝手冊第1卷》表3.2-23，其余量規(guī)定為，現(xiàn)取其為。
鑄件毛坯的基本尺寸。根據(jù)《機械加工工藝手冊》表2.3-11，鑄件尺寸公差等級選用CT7，再查表2.3-9可得鑄件尺寸公差為。
則凸臺毛坯名義尺寸為：
毛坯最小尺寸為：
毛坯最大尺寸為：
粗銑后尺寸與零件圖尺寸相同，即。
（8）、兩側(cè)面螺孔加工余量
毛坯為實心，不沖孔。參照《機械加工工藝手冊》表2.3-71,現(xiàn)確定螺孔加工余量為：
鉆孔：
攻絲：
（9）、倒車齒輪軸孔內(nèi)端面加工余量（計算長度）
根據(jù)《機械加工工藝手冊》表2.2-25，只需進行粗銑加工即能達到所需表面粗糙度要求及尺寸精度要求。因此倒車齒輪軸孔內(nèi)端面只進行粗銑加工。
參照《機械加工工藝手冊第1卷》表3.2-23，其余量值規(guī)定為，現(xiàn)取。
鑄件毛坯的基本尺寸為。根據(jù)《機械加工工藝手冊》表2.3-11，鑄件尺寸公差等級選用CT7，再查表2.3-9可得鑄件尺寸公差為。
毛坯名義尺寸為：
毛坯最小尺寸為：
毛坯最大尺寸為：
粗銑后尺寸與零件圖尺寸相同，即。
（10）、加油孔加工余量
毛坯為實心，不沖孔。參照《機械加工工藝手冊》表2.3-71，現(xiàn)確定其余量為：
鉆孔：
擴孔：
攻絲： 錐管螺紋孔
2 專用夾具設(shè)計
為了提高勞動生產(chǎn)率，保證加工質(zhì)量，降低勞動強度。在加工汽車變速箱箱體零件時，需要設(shè)計專用夾具。
根據(jù)任務(wù)要求中的設(shè)計內(nèi)容，設(shè)計加工工藝孔夾具及銑前后端面夾具各一套。其中加工工藝孔的夾具將用于組合鉆床，刀具分別為兩把麻花鉆、擴孔鉆、鉸刀對工件上的兩個工藝孔同時進行加工。銑端面夾具將用于組合銑床，刀具為兩把硬質(zhì)合金端銑刀YG8對變速箱箱體的前后兩個端面同時進行加工。
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[16] 馬賢智。機械加工余量與公差手冊。北京：中國標準出版社，1994。
致 謝
我在湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)習(xí)期間，能夠完成學(xué)業(yè)和畢業(yè)設(shè)計，得益于湖工機械學(xué)院老師的大力支持和幫助。特別是梁潔萍梁老師在畢業(yè)設(shè)計期間給我很多鼓勵和幫助。還有許多老師和同學(xué)在我的學(xué)習(xí)過程中起到了非常重要的作用，在本科學(xué)習(xí)即將結(jié)束之際，我向各位老師和同學(xué)表示誠摯的謝意！
最后，很感謝閱讀這篇畢業(yè)設(shè)計（論文）的老師。感謝你們抽出寶貴的時間來閱讀這篇畢業(yè)設(shè)計（論文）。
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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，對于一個相對嚴格的工件，該夾具在機械加工工件的位置會受夾具點的局部彈性變形的強烈影響。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)用沒有討論機械加工刀具路徑負載有限序列。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靜態(tài)負載。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?shù)刈幼鴺讼登芯€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值認定是0.94。
2．夾緊力優(yōu)化
我們的目標是確定最優(yōu)夾緊力，將盡量減少由于工件剛體運動過程中，局部的夾緊和加工負荷引起的彈性變形，同時保持在準靜態(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)這個目標是通過制定一個多目標約束優(yōu)化問題的問題，如下描述。
2.1 目標函數(shù)配方
工件旋轉(zhuǎn)，由于部隊輪換往往是相當小[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準。
但是作用在工件的夾緊力會影響定位誤差。當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參考文獻[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充的夾緊力優(yōu)化的第二個目標函數(shù)，并給出：
最小化 （10）
其中代表機構(gòu)的彈性變形應(yīng)變能互補，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）多目標優(yōu)化問題可以通過求解約束[24]。這種方法將確定的目標作為首要職能之一，并將其轉(zhuǎn)換成一個約束對。該補充（）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[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荷獲得將由圖4算法獲得，這大大增加了計算負擔，并要求為選擇的夾緊力提供標準， 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)的進給速度中，刀具旋轉(zhuǎn)一次出現(xiàn)一次，負載向量引入的誤差可忽略。因此，在這項工作中，四個載體負載適用于同一位置，（但不是同時）對工件進行的采樣 ，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負荷情況下力的大小。是計算每個負載點之后的結(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，準靜態(tài)加工負荷應(yīng)用造成工件在夾具的移位。工件剛體運動的定義是由它在、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，坐標變換定理可以用來表達在工件的位移，以及工件自轉(zhuǎn)如下: (21)
其中表示旋轉(zhuǎn)矩陣,描述當?shù)卦诘趇幀相聯(lián)系的全球坐標系和是一個旋轉(zhuǎn)矩陣確定工件相對于全球的坐標系的定位坐標系。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荷造成的變形，意味著凈壓縮變形，而負數(shù)則代表拉伸變形; 是表示在本地坐標系第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)對外加工負荷，故在法線方向的夾緊力的強度保持不變，因此，必須對方程（24）的夾緊點進行修改為：
（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)用于工件負載準靜態(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26] 對加工瞬時銑削力條件進行了計算，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載載體最后的夾緊力和負載。
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)補充能量算法獲得。由于夾緊力和負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)用于銑削負載到工件，他應(yīng)用于工件銑削負載一個序列。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，有比相當大的加權(quán)范數(shù)。故是一個完整的刀具路徑改進方案。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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