氣門(mén)搖桿支座機(jī)械加工工藝規(guī)程及底面銑削夾具設(shè)計(jì)
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計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造
機(jī)械加工工序卡片
工序名稱
鉆兩通孔13
工序號(hào)
4
零件名稱
氣門(mén)搖桿軸支座
零件號(hào)
零件重量
同時(shí)加工零件數(shù)
1
材 料
毛 坯
牌 號(hào)
硬 度
型 號(hào)
重 量
HT200
灰鑄鐵
設(shè) 備
夾具名稱
輔助工具
名 稱
型 號(hào)
搖臂鉆床
Z525
通用夾具
安裝
工步
安裝及工步說(shuō)明
刀具
量具
走 刀
長(zhǎng) 度
走 刀
次 數(shù)
切削深度
進(jìn)給量
主軸轉(zhuǎn)速
切削速度
基本工時(shí)
1
1
鉆兩通孔13
面銑刀
游標(biāo)
卡尺
1
3mm
2mm/r
272r/min
18m/mim
設(shè)計(jì)者
趙 楠
指導(dǎo)教師
張興元
共 11頁(yè)
第 5 頁(yè)
機(jī)械加工工藝過(guò)程卡片
產(chǎn)品型號(hào)
零（部）件圖號(hào)
產(chǎn)品名稱
氣門(mén)搖桿軸支座
零（部）件名稱
左支座
共（ 11 ）頁(yè)
第（ 1）頁(yè)
材料牌號(hào)
HT200
毛坯種類
鑄件
毛坯外型尺寸
每毛坯可制件數(shù)
1
每臺(tái)件數(shù)
備注
工序號(hào)
工序名稱
工序內(nèi)容
車(chē)間
工段
設(shè)備
工藝裝備
工步工時(shí)
1
鑄造
2
時(shí)效
3
涂漆
4
粗銑下端面
X51立銑床
通用夾具
5
粗銑上端面
X51立銑床
通用夾具
6
粗銑左右端面
X1632臥銑床
專用夾具
7
鉆兩通孔13
Z525搖鉆
通用夾具
8
精銑下端面
X51立式銑床
通用夾具
9
精銑上端面
X51立式銑床
通用夾具
10
精銑左右端面
X1632臥銑床
專用夾具
11
鉆通孔18
Z525搖鉆
通用夾具
12
鏜孔到20
組合鏜床
專用夾具
描圖
13
粗-精銑軸向槽
X6123臥銑
通用夾具
14
入庫(kù)
底圖號(hào)
設(shè)計(jì)日期
審核日期
標(biāo)準(zhǔn)化日期
會(huì)簽日期
裝訂號(hào)
張興元
標(biāo)記
處數(shù)
更改文件號(hào)
簽字
日期
指導(dǎo)
2012.07.21
遼寧工程技術(shù)大學(xué)課程設(shè)計(jì) 18
機(jī) 械 制 造 技 術(shù) 基 礎(chǔ)
課 程 設(shè) 計(jì)
題 目：氣門(mén)搖桿支座機(jī)械加工工藝規(guī)程及底面銑削夾具設(shè)計(jì)
班 級(jí)：
姓 名：
學(xué) 號(hào)：
指導(dǎo)教師：
完成日期：
任 務(wù) 書(shū)
一、設(shè)計(jì)題目:氣門(mén)搖桿支座機(jī)械加工工藝及底面銑削夾具設(shè)計(jì)
二、原始資料
(1) 被加工零件的零件圖 1張
(2) 生產(chǎn)類型:（中批或大批大量生產(chǎn)）
三、上交材料
1．所加工的零件圖 1張
2．毛坯圖 1張
3．編制機(jī)械加工工藝過(guò)程卡片 1套
4．編制所設(shè)計(jì)夾具對(duì)應(yīng)的那道工序的機(jī)械加工工序卡片 1套
5．繪制夾具裝配圖（A0或A1） 1張
6．繪制夾具中1個(gè)零件圖（A1或A2。裝配圖出來(lái)后，由指導(dǎo)教師為學(xué)生指定需繪制的零件圖，一般為夾具體）。 1張
7．課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)，包括機(jī)械加工工藝規(guī)程的編制和機(jī)床夾具設(shè)計(jì)全部?jī)?nèi)容。（約5000-8000字） 1份
四、進(jìn)度安排
本課程設(shè)計(jì)要求在3周內(nèi)完成。
1．第l～2天查資料，繪制零件圖。
2．第3～7天，完成零件的工藝性分析,確定毛坯的類型、制造方法，編制機(jī)械加工工藝規(guī)程和所加工工序的機(jī)械加工工序卡片。
3．第8～10天，完成夾具總體方案設(shè)計(jì)（畫(huà)出草圖，與指導(dǎo)教師溝通，在其同意的前提下，進(jìn)行課程設(shè)計(jì)的下一步）。
4．第11～13天，完成夾具裝配圖的繪制。
5．第14～15天，零件圖的繪制。
6．第16～18天，整理并完成設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)的編寫(xiě)。
7．第19天～21天，完成圖紙和說(shuō)明書(shū)的輸出打印。答辯
五、指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)
該生設(shè)計(jì)的過(guò)程中表現(xiàn) ，設(shè)計(jì)內(nèi)容反映的基本概念及計(jì)算 ，設(shè)計(jì)方案 ，圖紙表達(dá) ，說(shuō)明書(shū)撰寫(xiě) ，答辯表現(xiàn) 。
綜合評(píng)定成績(jī)：
指導(dǎo)教師
日 期
摘 要
氣門(mén)搖桿軸支座是柴油機(jī)一個(gè)主要零件，是柴油機(jī)搖桿座的結(jié)合部。本文主要論述了氣門(mén)搖桿軸支座的加工工藝及底面銑削夾具設(shè)計(jì)。氣門(mén)搖桿軸支座的尺寸精度、形狀精度以及位置精度的要求都很高，而連桿的剛性比較差，形狀復(fù)雜，容易產(chǎn)生變形，因此在安排工藝過(guò)程時(shí)，就需要把各主要表面的粗精加工工序分開(kāi)，并使工序集中。逐步減少加工余量、切削力及內(nèi)應(yīng)力的作用，并修正加工后的變形，就能最后達(dá)到零件的技術(shù)要求。設(shè)計(jì)氣門(mén)搖桿軸支座零件的機(jī)械加工工藝規(guī)程及低面銑削夾具設(shè)計(jì)，使我學(xué)習(xí)到了許多機(jī)械加工的專業(yè)知識(shí)和實(shí)踐內(nèi)容。
Abstract
Valve rocker bearing is a major diesel engine parts, diesel engine is a combination of the rocker seat. This article discusses the main valve rocker bearing the processing technology and Underside milling fixture design. Valve rocker bearing accuracy of the size, shape and location precision accuracy of the requirements are very high, and the rigid linkage relatively poor, the shape complex, prone to deformation, in the process of arrangement when it needs to the surface of the main crude Finishing processes to separate and focus on processes. Gradually reduce Jiagongyuliang, cutting force and the role of stress and deformation of the amendment process, will be able to reach parts of the final technical requirements. Design-valve rocker bearing parts of the machining process of order and Underside milling fixture design, I learned a lot of machining expertise and practical content.
目 錄
第1章 零件分析……………………………………1頁(yè)
1.1 零件作用分析……………………………………………1頁(yè)
1.2 零件工藝分析……………………………………………1頁(yè)
第2章 確定毛坯、畫(huà)毛坯—零件合圖…………………2頁(yè)
第3章 工藝規(guī)程設(shè)計(jì)……………………………………2頁(yè)
3.1 定位基準(zhǔn)的選擇…………………………………………2頁(yè)
3.2 制定工藝路線……………………………………………3頁(yè)
3.3 選擇加工設(shè)備及刀、夾、量具…………………………5頁(yè)
3.4 加工工序設(shè)計(jì)……………………………………………6頁(yè)
3.5 時(shí)間定額計(jì)算……………………………………………11頁(yè)
3.6 填寫(xiě)機(jī)械加工工藝過(guò)程卡和機(jī)械加工工序卡…………12頁(yè)
第4章 搖桿軸支座底面銑削夾具設(shè)計(jì)…………………12頁(yè)
4.1 提出問(wèn)題………………………………………………13頁(yè)
4.2 設(shè)計(jì)思想………………………………………………14頁(yè)
4.3 夾具設(shè)計(jì)………………………………………………14頁(yè)
4.3.1定位分析………………………………………………14頁(yè)
4.3.2切削力及夾緊力的計(jì)算………………………………15頁(yè)4.3.3夾具操作說(shuō)明…………………………………………16頁(yè)
第5章 結(jié)語(yǔ)………………………………………………16頁(yè)
5.1 方案綜合評(píng)價(jià)與結(jié)論…………………………………16頁(yè)
5.2 參考文獻(xiàn)………………………………………………17頁(yè)
第1章 零件分析
1.1 零件作用分析
氣門(mén)搖桿軸支座是柴油機(jī)一個(gè)主要零件。是柴油機(jī)搖桿座的結(jié)合部孔裝搖桿軸，軸上兩端各裝一進(jìn)氣門(mén)搖桿，搖桿座通過(guò)兩個(gè)孔用M12螺桿與汽缸蓋相連，3mm軸向槽用于鎖緊搖桿軸，使之不轉(zhuǎn)動(dòng)。其零件圖如下圖：
圖1.1 搖桿軸支座
1.2 零件工藝分析
由圖1.1得知，其材料為HT200。該材料具有較高的強(qiáng)度，耐磨性，耐熱性及減振性，適用于承受較大應(yīng)力，要求耐磨的零件。 該零件上主要加工面為上端面，下端面，左右端面，2-孔和以及3mm軸向槽的加工孔的尺寸精度以及下端面0.05的平面度與左右兩端面孔的尺寸精度，直接影響到進(jìn)氣孔與排氣門(mén)的傳動(dòng)精度及密封，2—孔的尺寸精度，以上下兩端面的平行度0.05。因此，需要先以下端面為粗基準(zhǔn)加工上端面，再以上端面為粗基準(zhǔn)加工下端面，再把下端面作為精基準(zhǔn)，最后加工孔時(shí)以下端面為定位基準(zhǔn)，以保證孔軸相對(duì)下端面的位置精度。由參考文獻(xiàn)（1）中有關(guān)孔的加工的經(jīng)濟(jì)精度機(jī)床能達(dá)到的位置精度可知上述要求可以達(dá)到的零件的結(jié)構(gòu)的工藝性也是可行的。
第2章 確定毛坯、畫(huà)毛坯—零件合圖（附圖2）
根據(jù)零件材料確定毛坯為鑄件，已知零件的生產(chǎn)綱領(lǐng)為8000件/年，通過(guò)計(jì)算，該零件質(zhì)量約為3Kg，由參考文獻(xiàn)（5）表1—4、表1—3可知，其生產(chǎn)類型為大批生產(chǎn)，毛坯的鑄造方法選用砂型機(jī)器造型。此外，為消除殘余應(yīng)力，鑄造后安排人工時(shí)效處理。參考文獻(xiàn)（1）表2.3—12；該種鑄造公差等級(jí)為CT10~11，MA-H級(jí)。參考文獻(xiàn)（1）表2.3-12，用查表方法確定各表面的加工余量如下表所示：
加工表面
基本尺寸
加工余量等級(jí)
加工余量數(shù)值
說(shuō)明
上端面
45mm
H
4mm
單側(cè)加工
下端面
50mm
H
3mm
單側(cè)加工
左端面
32mm
H
3mm
單側(cè)加工
右端面
32mm
H
3mm
單側(cè)加工
第3章 工藝規(guī)程設(shè)計(jì)
3.1 定位基準(zhǔn)的選擇
精基準(zhǔn)的選擇：氣門(mén)搖桿軸支座的下端面既是裝配基準(zhǔn)又是設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，用它作為精基準(zhǔn)，能使加工遵循基準(zhǔn)重合的原則?？准白笥覂啥嗣娑疾捎玫酌孀龌鶞?zhǔn)，這使得工藝路線又遵循“基準(zhǔn)統(tǒng)一”的原則，下端面的面積比較大，定位比較穩(wěn)定，夾緊方案也比較簡(jiǎn)單，可靠，操作方便。
粗基準(zhǔn)的選擇：選擇零件的重要面和重要孔做基準(zhǔn)。在保證各加工面均有加工余量的前提下，使重要孔或面的加工余量盡量均勻，此外，還要保證定位夾緊的可靠性，裝夾的方便性，減少輔助時(shí)間，所以粗基準(zhǔn)為上端面。
3.2 制定工藝路線
根據(jù)各表面加工要求，和各種加工方法能達(dá)到的經(jīng)濟(jì)精度，確定各表面及孔的加工方法如下：
上下端面：粗銑—精銑
左右端面：粗銑—精銑
端面：粗銑—精銑
2-孔：鉆孔
3mm 軸向槽—精銑
孔：鉆孔—粗鏜—精鏜
因左右兩端面均對(duì)孔有較高的位置要求，故它們的加工宜采用工序集中原則，減少裝次數(shù)，提高加工精度。根據(jù)先面后孔原則，將上端面下端面的粗銑放在前面，左右端面上孔放后面加工。初步擬訂以下兩個(gè)加工路線方案
加工路線方案（一）
工序號(hào)
工序內(nèi)容
1#
鑄造
2#
時(shí)效
3#
涂漆
4#
車(chē)上端面
5#
銑下端面
6#
鉆兩通孔
7#
銑左右端面
8#
鉆通孔
9#
鏜孔
10#
軸向槽
11#
銑檢驗(yàn)
12#
入庫(kù)
（二）以V形塊定位的加工路線方案
工序號(hào)
工序內(nèi)容
1#
鑄造
2#
時(shí)效
3#
涂漆
4#
粗銑下端面
5#
粗銑上端面
6#
粗銑左右端面
7#
鉆兩通孔
8#
精銑下端面
9#
精銑上端面
10#
精銑左右端面
11#
鉆孔
12#
鏜孔
13#
銑軸向槽
14#
入庫(kù)
上述兩個(gè)方案遵循了工藝路線擬訂的一般原則，但某些工序還有一些問(wèn)題還值得進(jìn)一步討論。
車(chē)上端面，因工件和夾具的尺寸較大，在臥式車(chē)床上加工時(shí)，它們慣性力較大，平衡困難；又由上端面不是連續(xù)的圓環(huán)面，車(chē)削中出現(xiàn)斷續(xù)切削容易引起工藝系統(tǒng)的震動(dòng)，故應(yīng)當(dāng)選擇銑削加工。
因?yàn)樵诹慵D紙中要求左右端面的跳動(dòng)度為0.06，所以需要同時(shí)銑削左右端面，保證兩端的平行度。
工序30#應(yīng)在工序25#前完成，使上端面在加工后有較多的時(shí)間進(jìn)行自然時(shí)效，減少受力變形和受熱變形對(duì)2—?13通孔加工精度的影響。綜上所述選擇方案二。
最后確定的工件加工工序如下：
序號(hào)
工序內(nèi)容
定位基準(zhǔn)
1#
鑄造
2#
時(shí)效
3#
涂漆
4#
粗銑下端面
上端面（3）+外圓柱面
5#
粗銑上端面
下端面（3）+外圓柱面
6#
粗左右端面（同時(shí)，不準(zhǔn)調(diào)頭）
下端面(3)+ 外圓柱面
7#
鉆兩通孔?13
下端面(3)+ 外圓柱面
8#
精銑下端面
上端面（3）+外圓柱面
9#
精銑上端面
下端面（3）+外圓柱面
10#
精銑左右端面（同時(shí)，不準(zhǔn)調(diào)頭）
下端面(3)+ 外圓柱面
11#
鉆通孔?18
下端面(3)+ 外圓柱面
12#
鏜孔到?20
下端面(3)+ 外圓柱面
13#
粗-精銑軸向槽
下端面(3)+ 外圓柱面
14#
入庫(kù)
3.3選擇加工設(shè)備及刀、夾、量具
由于生產(chǎn)類型為大批生產(chǎn)，故加工設(shè)備適宜通用機(jī)床為主，輔以少量專用機(jī)床的流水生產(chǎn)線，工件在各機(jī)床上的裝卸及各機(jī)床間的傳動(dòng)均由人工完成。
粗銑上端面：考慮到工件的定位夾緊方案及夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等問(wèn)題，采用立銑選擇X51立式銑床。（參考文獻(xiàn)（1）表6-18），選擇直徑D為?80mm立銑刀，參考文獻(xiàn)（1）表7-88，通用夾具和游標(biāo)卡尺。
粗銑下端面：采用上述相同的機(jī)床與銑刀，通用夾具及游標(biāo)卡尺。
精銑下端面：采用上述相同的機(jī)床與銑刀，通用夾具及游標(biāo)卡尺。
粗銑左端面：采用臥式銑床X1632，參考文獻(xiàn)（1）表6—21，采用以前的刀具，專用夾具及游標(biāo)卡尺。
精銑左端面：采用臥式銑床X1632,參考文獻(xiàn)（1）表6—21，專用夾具及游標(biāo)卡尺。
鉆2-?18mm孔：采用Z525，參考文獻(xiàn)（1）表6—26，通用夾具。刀具為d為?18.0的直柄麻花鉆，參考文獻(xiàn)（1）表7—11。
鉆?18孔：鉆孔直行為?18mm，選擇搖臂鉆床Z525參考文獻(xiàn)（1）表6—26，采用錐柄麻花鉆，通用夾具及量具。
鏜?20（+0.1——+0.06）mm孔：粗鏜：采用臥式組合鏜床，選擇功率為1.5KM的ITA20鏜削頭，選擇鏜通孔鏜刀及鏜桿，專用夾具，游標(biāo)卡尺。
3.4 加工工序設(shè)計(jì)
（一） 機(jī)械加工余量確定
根據(jù)文獻(xiàn)（1）可知計(jì)算底面加工余量公式如下。
式中 ： e ——余量值；
——鑄件的最大尺寸；
——加工表面最大尺寸；
C ——系數(shù)
根據(jù)<<機(jī)械加工工藝手冊(cè)>>表3-12查表得出各個(gè)加工面得加工余量。
經(jīng)查<<機(jī)械加工工藝手冊(cè)>>表3—12可得，銑削上端面的加工余量為4，又由零件對(duì)上頂端表面的表面精度Ra=12.5可知，粗銑的銑削余量為4。底面銑削余量為3，粗銑的銑削余量為2，銑余量1，精銑后公差登記為IT7～I(xiàn)T8。左右端面的銑削余量為3，粗銑的銑削余量為2，精銑余量1，精銑后公差登記為IT7～I(xiàn)T8，根據(jù)<<機(jī)械加工工藝手冊(cè)>>表3—12確定余量2。工序40粗鏜?18工序。粗鏜余量表3-83取粗鏜為1.8，精鏜切削余量為0.2,鉸孔后尺寸為20H8,各工步余量和工序尺寸公差列于下表
表3.2 各工步加工尺寸
加工表面
加工方法
余量
公差等級(jí)
工序尺寸及公差
粗鏜
___
精鏜
= （二）確定切削用量及基本工時(shí)
工序20#：粗銑下端面
1)加工條件
工件材料：HT200,=170~240MPa，鑄造;工件尺寸：=13，l=36;
加工要求：粗銑上端面加工余量4
機(jī)床：X51立式銑床；刀具：立銑刀。
經(jīng)查參考文獻(xiàn)（1）表3—12可得，銑削上端面的加工余量為4mm，又由零件對(duì)上頂端表面的表面精度Ra=12.5mm可知，粗銑的銑削余量為4mm。
底面銑削余量為3mm，粗銑的銑削余量為2mm，精銑余量1mm，精銑后公差登記為IT7～I(xiàn)T8。
取每齒進(jìn)給量為fz＝0.2mm／z（粗銑）
取每齒進(jìn)給量為f＝0.5mm／r（精銑）
粗銑走刀一次ap＝2mm，精銑走刀一次ap＝1mm
初步取主軸轉(zhuǎn)速為150r／min（粗銑），取精銑主軸的轉(zhuǎn)速為300r／min，又前面已選定直徑Ｄ為?80mm，故相應(yīng)的切削速度分別為：校核粗加工。
＝3.1480150/1000＝37.68m/min
=3.1480300/1000=75.36m/min
又由機(jī)床切削功率P=
取Z=10個(gè)齒，=1,n=150/60=2.5r/s ,=168mm, =2mm,=0.2mm/z.
代入得：
=
=4kw
又因前查的機(jī)床的功率為4.5kw 若效率為0.85P,則
0.85p=3.825kw<4kw
重新選擇主軸的轉(zhuǎn)速為118m/min，則
=3.1480118/1000=29.64m/min
將其帶入公式得
=
=3.15kw<3.825kw
故機(jī)床功率足夠
2)計(jì)算基本工時(shí)
，
查《切削手冊(cè)》表3. 26，入切量及超切量為：則：
工序25#
粗銑上端面： 刀具，機(jī)床與上到工序相同，得出
,
工序30#
粗銑左右端面：同時(shí)粗銑左右端面，圓盤(pán)銑刀一次加工完成不準(zhǔn)調(diào)頭
計(jì)算切削用量：
由 《機(jī)械加工工藝手冊(cè)》表15.53可知：
由《切削用量手冊(cè)》表9.4-8可知：
各系數(shù)為
所以有
取
所以實(shí)際切削速度：
確定主軸轉(zhuǎn)速：
切削工時(shí)：
工序35#
鉆孔
查《機(jī)械制造工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)》表3-38，取
查《機(jī)械制造工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)》表3-42，取
查表《機(jī)械制造工藝設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明手冊(cè)》4.2-15，機(jī)床為Z525，選擇轉(zhuǎn)速
實(shí)際切削速度：
v==
切削工時(shí)帶入公式：
工序40# 精銑下端面與工序20#相同。
工序45# 精銑上端面與工序25#相同.
工序50# 精銑左右端面與工序30#相同
工序55#
鉆通孔?18，工序步驟與工序35#相同，代入數(shù)據(jù)得出結(jié)果:
,
工序60#
鏜孔到?20
因精鏜與粗鏜的定位的下底面與V型塊，精鏜后工序尺寸為20.02±0.08，與下底面的位置精度為0.05,與左右端面的位置精度為0.06, 且定位夾、緊時(shí)基準(zhǔn)重合，故不需保證。0.06跳動(dòng)公差由機(jī)床保證。
粗鏜孔時(shí)因余量為1.9,故,
查《機(jī)械制造工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)》2-8
取進(jìn)給量為
故實(shí)際切削速度為：
此時(shí)作臺(tái)每分鐘進(jìn)給量應(yīng)為：
查文獻(xiàn)得
取
=950.6N
取機(jī)床功率為0.85
故機(jī)床效率足夠
精鏜孔時(shí)，因余量為0.2mm，取
取v=1.2m/s=72m/min f=0.1mm/r
工序65#
銑槽：
加工條件：機(jī)床：x6132臥式銑.床.
刀具：直齒三面刃銑刀其中 ,
計(jì)算切削用量：
由《機(jī)械加工工藝手冊(cè)》表15-53，表15-55可知：
確定主軸轉(zhuǎn)速：
切削工時(shí)：
3.5 時(shí)間定額計(jì)算
下面計(jì)算工序60的時(shí)間定額
1）機(jī)動(dòng)時(shí)間
粗鏜時(shí)： L/(f·n)=45/（0.2*386）=0.58min
精鏜時(shí)： L/(f·n)=45/（0.1*386）=1.17min
總機(jī)動(dòng)時(shí)間：=0.58+1.17=1.75min
2）輔助時(shí)間：
操作內(nèi)容
每次時(shí)間
(min)
粗鏜
精鏜
操作次數(shù)
時(shí)間min
操作次數(shù)
時(shí)間min
裝夾
2
1
2
-
-
換刀
1
1
1
1
1
測(cè)量
0.1
1
0.1
1
0.1
卸夾
1.5
-
-
1
1.5
開(kāi)機(jī)到開(kāi)始的時(shí)間
0.3
1
0.3
1
0.3
退刀
0.1
1
0.1
1
0.1
所以輔助時(shí)間
3）作業(yè)時(shí)間 1.75+6.4=8.15min
4）布置工作地時(shí)間 取 則
5）休息與生理需要時(shí)間 取 則
6）單件時(shí)間 =（1.75+6.4+0.24+0.24）min=8.63min
3.6 填寫(xiě)機(jī)械加工工藝過(guò)程卡和機(jī)械加工工序卡
工件文件詳見(jiàn)附表。
第4章 搖桿軸支座底面銑削夾具設(shè)計(jì)
夾具是一種能夠使工件按一定的技術(shù)要求準(zhǔn)確定位和牢固夾緊的工藝裝備，它廣泛地運(yùn)用于機(jī)械加工，檢測(cè)和裝配等整個(gè)工藝過(guò)程中。在現(xiàn)代化的機(jī)械和儀器的制造業(yè)中，提高加工精度和生產(chǎn)率，降低制造成本，一直都是生產(chǎn)廠家所追求的目標(biāo)。正確地設(shè)計(jì)并合理的使用夾具，是保證加工質(zhì)量和提高生產(chǎn)率，從而降低生產(chǎn)成本的重要技術(shù)環(huán)節(jié)之一。同時(shí)也擴(kuò)大各種機(jī)床使用范圍必不可少重要手段。
4.1提出問(wèn)題
（1）怎樣限制零件的自由度；根據(jù)裝配圖得知道,一個(gè)底座限制底面3個(gè)自由度，再加2個(gè)V型塊限制3個(gè)自由度,6個(gè)自由度保證的零件夾緊的強(qiáng)度,有利于銑刀進(jìn)行加工
（2）怎樣夾緊；設(shè)計(jì)夾具由螺旋夾緊工件。有夾具體底座,將一個(gè)V型塊采用螺釘固定,另一V型塊采用手柄進(jìn)行螺紋加緊,考慮到成本經(jīng)濟(jì)性,故采用這類機(jī)械夾緊的方式比較合適.
（3）設(shè)計(jì)的夾具怎樣排屑；此次加工利用銑刀,可以保證加工的穩(wěn)定,達(dá)到表面應(yīng)有的粗糙度,適合批量生產(chǎn),
（4）怎樣使夾具使用合理，便于裝卸。
此夾具設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單方便 ,螺旋手柄加緊和松開(kāi)靈活,工人需要將零件固定安放,保持夾具的清潔,以便多次使用.
4.2設(shè)計(jì)思想
設(shè)計(jì)必須保證零件的加工精度，保證夾具的操作方便，夾緊可靠，使用安全，有合理的裝卸空間，還要注意機(jī)構(gòu)密封和防塵作用，使設(shè)計(jì)的夾具完全符合要求。
本夾具主要用來(lái)氣門(mén)搖桿軸支座底面進(jìn)行加工，這個(gè)精度要求為IT13，表面粗糙度Ra6.3，粗銑-精銑以可滿足其精度。所以設(shè)計(jì)時(shí)要在滿足精度的前提下提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。
4.3夾具設(shè)計(jì)
4.3.1定位分析
（1）定位基準(zhǔn)的選擇
據(jù)《夾具手冊(cè)》知定位基準(zhǔn)應(yīng)盡可能與工序基準(zhǔn)重合，在同一工件的各道工序中，應(yīng)盡量采用同一定位基準(zhǔn)進(jìn)行加工。故銑該底平面時(shí)，采用零件倒置的上表面作為定位基準(zhǔn)。
（2）定位誤差的分析
定位元件尺寸及公差的確定。夾具的主要定位元件為一個(gè)面與兩個(gè)孔定位，因?yàn)樵摱ㄎ辉亩ㄎ换鶞?zhǔn)為孔的軸線，所以基準(zhǔn)重合△b=0，由于存在間隙，定位基準(zhǔn)會(huì)發(fā)生相對(duì)位置的變化即存在基準(zhǔn)位移誤差。
△j=（TD+T d+△S）/2
TD =0.050mm
T d =0.011mm
△S=0.010mm
△j=0.0355mm
4.3.2切削力及夾緊力的計(jì)算
刀具：鑲片圓鋸齒銑刀
Fz=9.81CFzae^0.85af^0.72do^-86ap^z
CFz---灰鐵30
ae-------側(cè)吃刀量8
af-----0.1~0.2（0.1）
do---銑刀外徑160
ap----背吃刀量0.55
Fz=113N
個(gè)面和兩個(gè)孔定位時(shí)所需夾緊力計(jì)算公式：
式中 φ───螺紋摩擦角
───平頭螺桿端的直徑
───工件與夾緊元件之間的摩擦系數(shù),0.16
───螺桿直徑
───螺紋升角
Q ───手柄作用力
L ───手柄長(zhǎng)度
則夾緊力
=766（N）
根據(jù)手冊(cè)查得該夾緊力滿足要求，故此夾具可以安全工作。
4.3.3夾具操作說(shuō)明
此次設(shè)計(jì)的夾具夾緊原理為：通過(guò)上表面為定位基準(zhǔn)，在2個(gè)V型塊、平面實(shí)現(xiàn)完全定位，以銑刀進(jìn)行加工
定位元件：
定位元件是用以確定正確位置的元件。用工件定位基準(zhǔn)或定位基面與夾具定位元件接觸或配合來(lái)實(shí)現(xiàn)工件定位。該設(shè)計(jì)可用V型塊加緊
第五章. 結(jié) 語(yǔ)
5.1體會(huì)與展望
機(jī)械制造課程設(shè)計(jì)終于結(jié)束了。通過(guò)短短的三周時(shí)間，我們鞏固了上學(xué)期所學(xué)的知識(shí)，提高了應(yīng)用軟件繪圖得能力。課程設(shè)計(jì)作為《機(jī)械制造基礎(chǔ)》課程的重要環(huán)節(jié)，此次課程設(shè)計(jì)是理論與實(shí)踐的結(jié)合，讓我們更加的了解機(jī)械制造技術(shù)的規(guī)程
本次課程設(shè)計(jì)要求繪制零件圖，毛坯圖，夾具裝配圖，夾具零件圖以及工藝過(guò)程卡片和工序卡片.
通過(guò)設(shè)計(jì)，我基本掌握了零件的加工過(guò)程，以及加工過(guò)程文件的編寫(xiě)。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我遇到了很多困難，但在老師和同學(xué)的幫助下都一一得到了解決，并學(xué)習(xí)到了不少的知識(shí)。
總之，這次設(shè)計(jì)使我不隱隱學(xué)會(huì)了如何進(jìn)行機(jī)械制造的課程設(shè)計(jì)的具體過(guò)程，也讓我了解了將理論知識(shí)應(yīng)用與實(shí)踐中的重要性。如果不能將理論與實(shí)踐相結(jié)合，那么，再好的理論知識(shí)也只能是擺設(shè)而已。
由于我的知識(shí)掌握的還不夠完善，因此我的作業(yè)中還有愈多不足之處，希望老師能夠給予指正。
在此次課程設(shè)計(jì)中，我收獲很多，為我以后的學(xué)習(xí)工作打下了重要的基礎(chǔ)。非常感謝在設(shè)計(jì)的過(guò)程中給予我?guī)椭耐瑢W(xué)們，更要感謝給我們布置設(shè)計(jì)任務(wù)的冷岳峰老師，不僅僅在課程設(shè)計(jì)期間給我們細(xì)心地指導(dǎo)，在我們遇到問(wèn)題時(shí)也為我們悉心解答，讓我們?cè)谡n設(shè)的同時(shí)，獲得了更方面的進(jìn)步。
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附錄二 ：中文翻譯
通過(guò)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(guò)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(shuō)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(duì)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(lái)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(wèn)題。最后還給出了一個(gè)案例的研究，以闡述對(duì)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(lái)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(wèn)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(guò)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(duì)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(lái)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(kāi)始。此外，還得到了對(duì)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(wèn)題是非線性的，因?yàn)槟繕?biāo)的功能和設(shè)計(jì)變量之間沒(méi)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(wèn)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(duì)主要競(jìng)爭(zhēng)夾具優(yōu)化方法相對(duì)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(hào)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(guò)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(lái)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(lái)計(jì)算工件的最大彈性變形，遺傳算法被用來(lái)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(lái)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(méi)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(duì)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(lái)說(shuō)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(guò)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(duì)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(shì)力應(yīng)用到工件；第二，庫(kù)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(wèn)題涉及夾具元件-工件接觸和加工負(fù)荷步驟，優(yōu)化問(wèn)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(guò)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(lái)。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(guò)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(guò)程的強(qiáng)勁，隨機(jī)和啟發(fā)式的優(yōu)化方法?；舅悸繁澈蟮倪z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(guò)一個(gè)功能的調(diào)整，以適應(yīng)特定的問(wèn)題。遺傳算法，然后進(jìn)行復(fù)制，交叉和變異過(guò)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(yíng)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(méi)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(méi)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(lái)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(wú)約束，如果反應(yīng)在定位是否定的。在換句話說(shuō)，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(duì)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(wú)效的區(qū)域。在為了簡(jiǎn)化檢查，多邊形是用來(lái)代表候選區(qū)域和無(wú)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(lái)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(lái)申請(qǐng)工件的有限元分析模型的邊界條件。在圖3中說(shuō)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(hào)和16號(hào)）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(duì)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?chē)鷌次夾具元件，
Dij 是i次夾具元件和的J -次節(jié)點(diǎn)周?chē)g的距離，
ki是彈簧剛度在一次夾具元件位置,
ηi 是周?chē)膇次夾具元素周?chē)墓?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(guò)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(duì)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(xiě)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(xiě)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(kù)。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(kù)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(lái)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(wèn)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?；谶@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(kāi)，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(guò)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(lái)說(shuō)， 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(méi)有一個(gè)簡(jiǎn)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(guò)程如圖6所示。且收斂過(guò)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(shì)。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(lái)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(duì)于夾具設(shè)計(jì)優(yōu)化的問(wèn)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(kù)，且網(wǎng)狀工件的有限元模型是優(yōu)化過(guò)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(duì)于在數(shù)控加工中控制加工變形是很有意義的。
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