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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院，佐治亞理工學院，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。這種效應可通過最小化夾具設計優(yōu)化，夾緊力是一個重要的設計變量，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)的有限元基礎研究人員一直重點關注的夾具布局優(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，獨特的三維夾具可以處理超過6個自由度的裝夾，復和倪[14]也提出迭代搜索方法，通過假設已知摩擦力的方向來推導計算最小夾緊力，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
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的定位反應是“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）
其中代表機構的彈性變形應變能互補，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 加權系數(shù)計算確定的基礎
內(nèi)蒙古科技大學本科生畢業(yè)設計（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范數(shù)。 的約束轉(zhuǎn)換涉及到一個指定的加權范數(shù)小于或等于，其中是 的約束，假設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范數(shù)。 迭代次數(shù)K，終止搜索取決于所需的預測精度和，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）沿相應的刀具路徑設置的產(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（見圖7），由此得到的夾緊力加權范數(shù)有如下形式：.結果表明，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用于銑削負載到工件，他應用于工件銑削負載一個序列。最佳的夾緊力，，對應列表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范數(shù)的，，和繪制。
結果表明，由于每個組成部分是各相應的最大夾緊力，它具有最高的加權范數(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，則夾緊力需相應設置，有比相當大的加權范數(shù)。故是一個完整的刀具路徑改進方案。上述模擬結果表明，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范數(shù)，因此將提高工件的定位精度。
圖10
8．結論
該文件提出了關于確定多鉗夾具，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的夾具與工件系統(tǒng)模型，并尋求盡量減少應用到所造成的工件夾緊力的加權范數(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，剛度和阻尼效應在確定工件夾具系統(tǒng)的響應特性具有重要作用。
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機械制造課程設計說明書
題目：設計快擋撥叉的機械加工工藝規(guī)程
及銑叉腳端面夾工序的專用夾具
專 業(yè)：
學生姓名：
學 號：
班 級：
指導老師：
專業(yè)系主任：
機械工程學院
2015年 月 日
摘 要
本設計快擋撥叉零件加工過程的基礎設計的夾具設計。主要加工部位是平面和孔加工。在一般情況下，確保比保證精密加工孔很容易。因此，設計遵循的原則是先加工面后加工孔表面。在零件的夾具設計中，主要是根據(jù)零件加工工序要求，分析應限的自由度數(shù)，進而根據(jù)零件的表面特征選定定位元件，再分析所選定位元件能否限定應限自由度。確定了定位元件后還需要選擇夾緊元件，最后就是確定專用夾具的結構形式。
關鍵詞：快擋撥叉零件；工藝；夾具；
19
Abstract
The design of turntable parts machining process based design of fixture design. The main processing parts processing plane and holes. In general, ensure easy to guarantee precision machining holes than. Therefore, the design principle is first machined surface after machining hole surface. In the fixture design of parts, mainly according to the requirement of machining process, the number of degrees of freedom analysis should limit, then according to the surface characteristics of components selected location element, then analyze the selected location components can be qualified shall be limited degrees of freedom. Determine the location element also need to select the clamping element, the last is to determine the structure of the special fixture.
Keywords: cutter turntable parts; technology; fixture;
目 錄
摘 要 II
Abstract III
第1章 零件的分析 1
1.1零件的作用 1
1.2零件的工藝分析 1
1.3零件的生產(chǎn)類型 2
第2章 確定毛坯的種類和制造方法 3
2.1選擇毛坯 3
2.2確定機械加工余量 3
2.3設計毛坯尺寸 3
第3章 擬定工藝路線 5
3.1基準的選擇 5
3.2零件表面加工方法選擇 5
3.3工藝路線的擬定 6
第4章工序設計 7
4.1選擇加工設備與工藝裝備 7
4.2 確定工序尺寸 8
4.3切削用量及基本時間確定 9
第5章 銑叉腳端面夾具的設計 14
5.1 問題的提出 14
5.2 夾具設計 14
5.2.1 定位基準的選擇 14
5.2.2切削力和夾緊力計算 15
5.2.3定位誤差分析 16
5.2.4夾具設計及操作的簡要說明 17
總 結 19
參考文獻 20
致 謝 21
第1章 零件的分析
1.1零件的作用
快擋撥叉在運輸車的變速箱中，與操縱機構的其他零件結合，用它撥動滑動齒輪，實現(xiàn)倒車。φ14H9為配合面有較高精度。槽14H13為滑動撥動的配合表面。下?lián)懿鏋榕c滑動齒輪接觸的表面。
1.2零件的工藝分析
該零件是叉架零件，形狀不大規(guī)則，尺寸精度、形位精度要求不高，為大批量生產(chǎn)零件，其主要技術要求分析如下：
其主要加工的有14H9表面粗糙度為Ra6.3um，是一個比較重要的孔，其軸線要保證與M直線度0.03；斜腳面尺寸要求公差尺寸為-0.48到0；開擋公差尺寸為0.1到0.2，表面粗糙度為Ra6.3um并保證與14H9軸線的垂直度為0.25主要是保證叉面能正確地安裝在變速箱的倒檔軸上，撥叉利用彈簧、滾珠在軸上進行定位，；R19面粗糙度為Ra12.5um，表面要求淬火處理，硬度要求為48~53HRC；下爪總長公差尺寸為-1到0；后腳面公差尺寸為0到0.52，前面到軸線尺寸18的公差尺寸為±0.2；孔8.7公差尺寸為0到0.09，其軸線到開擋前腳面的尺寸41.5的公差尺寸為±0.15，孔深32公差尺寸為-1到0；撥叉尺寸要求較高，兩內(nèi)表面歸于孔8.7的對稱度為0.4，內(nèi)表面表面粗糙度為Ra12.5，內(nèi)表面滿足配合14H13公差尺寸為0到0.27，其槽底部分允許呈R3max圓角或2最大長為3的倒角；孔8.7還需锪平直徑為12；孔24端面、開擋內(nèi)R15面、孔8.7內(nèi)表面以及槽14H13底面表面粗糙度為Ra25一般的加工都可獲得。通過分析該零件，其布局合理，雖結構復雜，但加工要求比較容易保證，通過專用夾具可保證其加工要求，整個圖面清晰，尺寸完整合理，能夠完整表達物體的形狀和大小，符合要求。
1.3零件的生產(chǎn)類型
依設計題目，結合生產(chǎn)實際可知該零件的生產(chǎn)綱領零件是大批量生產(chǎn)的鑄件。
第2章 確定毛坯的種類和制造方法
2.1選擇毛坯
由于零件的結構比較復雜，大批量生產(chǎn)，又是薄壁的中小型零件，所以采用砂型鑄造，工件材料為KTH350-10。
2.2確定機械加工余量
鑄件的尺寸公差按GB/T6414-1999確定，機械加工余量按GB/T11351-89確定。 根據(jù)GB/T6414-1999查表得尺寸公差CT為8-12級。加工余量等級為F～H。所以，可取CT=9級。查表（GB/T6414）查出各表面的公差數(shù)值。
零件尺寸
公差CT
端面46
2
腳面圓柱面15
1.6
腳面圓柱面19
1.7
兩腳面尺寸6
1.5
14H13槽面尺寸14
1.6
槽底面14
1.6
叉腳開擋尺寸40
1.7
2.3設計毛坯尺寸
快擋撥叉毛坯圖尺寸（單位：mm）
零件表面
總余量
毛坯尺寸
公差CT
端面46
2
50
2
腳面圓柱面15
2
13
1.6
腳面圓柱面19
2
17
1.7
兩腳面尺寸6
2
10
1.5
14H13槽面尺寸14
2
10
1.6
槽底面14
2
12
1.6
叉腳開擋尺寸40
2
36
1.7
第3章 擬定工藝路線
3.1基準的選擇
根據(jù)零件圖紙及零件的使用情況分析，知Φ14H9孔，槽寬，叉子面厚，叉子面與腹板的距離等均應通過正確的定位才能保證，故對基準的選擇應予以分析。
（1）粗基準的選擇
按照粗基準的選擇原則，為保證不加工表面和加工表面的位置要求，應選擇不加工表面為粗基準，故此處選擇5mm厚的腹板右側為第一毛坯表面基準，在加工Φ14H9孔時，為保證Φ24mm的外圓表面為第二粗基準。
（2）精基準的選擇 ，各工序則以該孔為定位精基準，從靠近叉腳的Φ24mm端面為軸向尺寸的定位基準不重合，這時需要進行尺寸鏈的換算。
3.2零件表面加工方法選擇
本零件的加工面有內(nèi)孔、倒角、槽、下底面、圓環(huán)面等，材料為KTH350-10。以公差等級和表面粗糙度要求，參考有關資料，其加工方法選擇如下。
（1）φ24端面:表面粗糙度為Ra25um，可選粗銑即可滿足要求。
（2）φ14H9孔：公差等級為9級，表面粗糙度為Ra6.3um，公差尺寸0到0.043，根據(jù)GB/T1800.3-1998規(guī)定其公差等級按IT9，可以先鉆后擴孔來滿足要求。
（3）開擋R15內(nèi)圓柱面：表面粗糙度為Ra25um，未標注公差等級，故粗銑即可滿足要求。
（4）腳面：表面粗糙度Ra6.3um，加工方法可采用粗銑即可達到要求。
（4）開擋：表面粗糙度為Ra12.5um，加工方法可采用粗銑即可達到要求。
（5）槽14H13：表面粗糙度為Ra12.5um，公差等級13，加工方法可采用粗銑即可達到要求。
（6）槽14H13底面：表面粗糙度為Ra25um，加工方法可采用粗銑即可達到要求。
（7）孔φ8：表面粗糙度Ra25um，公差尺寸為0到0.1，根據(jù)GB1800-79規(guī)定其公差等級按IT11，采用鉆孔即可達到要求。
3.3工藝路線的擬定
（1）工藝路線的擬定
為保證達到零件的幾何形狀、尺寸精度、位置精度及各項技術 要求，必須制定合理的工藝路線。
由于生產(chǎn)綱領為大批量生產(chǎn)，所以采用通用機床配以專用的工、夾、量具，并考慮工序集中，以提高生產(chǎn)率和減少機床數(shù)量，使生產(chǎn)成本下降。按照先加工基準面及先粗后精的原則，該零件的加工可按以下工藝路線進行。
10、鑄造
15、熱處理
20、銑14H9孔端面
25、鉆擴鉸14H9孔
30、倒角14H9孔
35、銑開檔叉腳面T1，T2面
40、銑開檔40B12
45、銑槽14H13
50、鉆8
55、去毛刺
60、檢驗
根據(jù)此工序安排，編出機械加工工藝路線卡及工序卡片。
第4章工序設計
4.1選擇加工設備與工藝裝備
（1） 選擇機床
1-1工序4鉆擴鉸14H9孔、工序5倒角及工序8鉆8，工步不多，選用立式鉆床就能滿足要求，本零件外廓尺寸不大，選用Z525立式鉆床。
1-2工序3、6、7是粗銑和精銑，各工序的工步數(shù)不多，成批生產(chǎn)不要求很高的生產(chǎn)率，故選用臥式銑床就能滿足要求，選用X62臥式銑床即可。
（2） 選擇夾具
本零件除了銑槽和鉆小孔需要專用量具外，其它用通用量具即可。
（3） 選擇刀具
1-1工序3銑端面。鑲齒三面刃銑刀。
1-2工序4鉆擴鉸14H9孔。選擇莫氏錐柄麻花鉆13 GB/T1438.1-1996。其直徑為14mm，工作長度46mm
1-3工序4 14H9孔。選擇14 GB/T 1141-1984。其直徑為14mm，工作長度46mm，莫氏錐度為1號，總長189mm。
1-4工序5倒角。
1-5工序3、6、7都是銑。銑刀按表5-105選鑲齒三面刃銑刀，直徑為100，孔徑d=27，齒數(shù)z=12。
1-6工序8鉆8孔?？讖綖?.7mm無通用刀具，故可制造專用刀具，方便制造及經(jīng)濟效益，可做成直柄麻花鉆。
（4） 選擇量具
本零件為大批量生產(chǎn)，一般盡可能采用通用量具，根據(jù)表面精度、尺寸和形狀等要求，參考有關手冊資料，選擇量具如下表：
工序
工序名稱
量具
3
銑端面
游標卡尺、粗糙塊
4
鉆擴鉸14H9孔
游標卡尺、塞規(guī)
5
倒角
游標卡尺
6
銑腳面、開擋
游標卡尺、粗糙塊
7
銑槽
游標卡尺、粗糙塊
8
鉆8
游標卡尺、塞規(guī)
4.2 確定工序尺寸
1.φ24端面加工余量
加工表面
工序雙邊余量
工序尺寸及公差
表面粗糙度
粗銑
粗銑
粗銑
端面50
4
46
Ra25
2. 鉆擴鉸14H9孔
加工表面
工序雙邊余量
工序尺寸及公差
表面粗糙度
鉆擴孔
鉆孔
擴孔
鉆孔
擴孔
鉆孔
擴孔
13
1
Ra6.3
3. 面加工余量
加工表面
工序余量
工序尺寸及公差
表面粗糙度
粗銑
精銑
粗銑
精銑
粗銑
精銑
T1，T2面
2
15
Ra25
T1，T2面
2
Ra12.5
腳面
1.6
0.4
Ra12.5
Ra6.3
14H13槽底面
2
10
Ra25
14H13槽
1.6
0.4
14.4
Ra25
Ra12.5
4.鉆孔
加工表面
工序雙邊余量
工序尺寸及公差
表面粗糙度
8孔
8
8
Ra25
4.3切削用量及基本時間確定
1工序10
切削用量：本工序為粗銑端面，已知加工材料為KTH350-10，表面淬火處理后HRC48-53。
確定粗銑端面的切削用量。所選刀具為鑲齒三面刃銑刀。
=2mm,查表得進給量f =0.2mm/z，又X62銑床主軸轉(zhuǎn)速30-1500 r/min，精度要求不高，選擇n=150r/min。由前面可知刀具直徑為100mm，則切削速度為。
校核機床功率： 參考公式
其中 d=100mm z=12 n=150/60r/s kpm=1，解得kw<7.5kw ，故可用。經(jīng)計算得加工時間為57s。
2 工序15、20
切削用量：鉆，擴，鉸H9mm孔
2.1確定鉆φ14mm孔的切削用量。
所選刀具為莫氏錐柄麻花鉆
確定切削用量=13/2=6.5mm，查表得進給量f =0.28mm/r，切削速度v =21m/min。則主軸轉(zhuǎn)速n==514.19r/min,故取n=545r/min，此時v==22.26m/min。
2.2確定擴φ14H9孔的切削用量。
所選刀具為14 GB/T 1141-1984，其直徑為14mm，工作長度108mm，莫氏錐度為1號，總長189mm。
確定切削用量=1/2=0.5mm，查表得進給量f =0.45mm/r，切削速度v =60m/min。則主軸轉(zhuǎn)速n==1364.19r/min,故取n=960r/min，此時v==42.2m/min。
2.3基本時間
確定鉆孔的基本時間
=
確定擴φ14H9孔的基本時間
=
總時間為30s。
3工序6
切削用量：本工序是銑腳面、開擋，先粗銑，后半精銑。
3.1確定銑開擋底面圓柱面的切削用量 所選刀具為鑲齒三面刃銑刀。
=2mm,查表得進給量f =0.2mm/z，又X62銑床主軸轉(zhuǎn)速30-1500 r/min，精度要求不高（Ra=25um），選擇n=150r/min。由前面可知刀具直徑為100mm，則切削速度為。
校核機床功率： 參考公式
其中 d=100mm z=12 n=150/60r/s kpm=1，解得kw<7.5kw ，故可用。
3.2 確定銑開擋底面圓柱面R19的切削用量 所選刀具為鑲齒三面刃銑刀。
=2mm,查表得進給量f =0.2mm/z，又X62銑床主軸轉(zhuǎn)速30-1500 r/min，精度要求不高（Ra=12.5um），選擇n=200r/min。由前面可知刀具直徑為100mm，則切削速度為
。
校核機床功率： 參考公式
其中 d=100mm z=12 n=200/60r/s kpm=1，解得kw<7.5kw ，故可用。
3.3確定開擋腳面的切削用量 所選刀具為鑲齒三面刃銑刀。
=4mm,查表得進給量f =0.2mm/z，又X62銑床主軸轉(zhuǎn)速30-1500 r/min，精度要求較高（Ra=6.3um及有垂直度要求），選擇n=250r/min。由前面可知刀具直徑為100mm，則切削速度為。
校核機床功率： 參考公式
其中 d=100mm z=12 n=250/60r/s kpm=1，解得kw<7.5kw ，故可用。 加工用時為：180s 銑腳面和開擋各90s。
4工序7
本工序為銑槽，先粗銑槽底，再銑槽。
4.1確定槽底面的切削用量 所選刀具為鑲齒三面刃銑刀。
=2mm,查表得進給量f =0.2mm/z，又X62銑床主軸轉(zhuǎn)速30-1500 r/min，精度要求不高（Ra=25um），選擇n=150r/min。由前面可知刀具直徑為100mm，則切削速度為。
校核機床功率： 參考公式
其中 d=100mm z=12 n=150/60r/s kpm=1，解得kw<7.5kw ，故可用。
4.2確定槽的切削用量 所選刀具為鑲齒三面刃銑刀。
=4mm,查表得進給量f =0.2mm/z，又X62銑床主軸轉(zhuǎn)速30-1500 r/min，精度要求較高（Ra=12.5um且對稱度為0.4），選擇n=220r/min。由前面可知刀具直徑為100mm，則切削速度為。
校核機床功率： 參考公式
其中 d=100mm z=12 n=220/60r/s kpm=1，解得kw<7.5kw ，故可用。加工時間為：120.s。
5 、工序8
本工序為鉆8，并锪平12。
確定鉆8孔的切削用量。所選刀具為直柄麻花鉆
確定切削用量=8.7/2=4.35mm，查表得進給量f =0.49mm/r，切削速度v =27m/min。則主軸轉(zhuǎn)速n==987.8r/min,故取n=960r/min，此時v==26.24m/min。加工用時99s。
第5章 銑叉腳端面夾具的設計
設計工序：銑叉腳端面夾具的設計
5.1 問題的提出
本夾具要用于銑叉腳端面夾具的設計夾具精度等級為IT12級，粗糙度為12.5。本道工序只精銑一下即達到各要求，因此，在本道工序加工時，我們應首先考慮保證銑叉腳端面的設計夾具設計的各加工精度，如何提高生產(chǎn)效率，降低勞動強度。
5.2 夾具設計
5.2.1 定位基準的選擇
擬定加工路線的第一步是選擇定位基準。定位基準的選擇必須合理，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?；鶞蔬x擇不當往往會增加工序或使工藝路線不合理，或是使夾具設計更加困難甚至達不到零件的加工精度（特別是位置精度）要求。因此我們應該根據(jù)零件圖的技術要求，從保證零件的加工精度要求出發(fā)，合理選擇定位基準。此零件圖沒有較高的技術要求，也沒有較高的平行度和對稱度要求，所以我們應考慮如何提高勞動效率，降低勞動強度，提高加工精度。Φ14的孔和其兩端面都已加工好，為了使定位誤差減小，選擇已加工好的φ14孔和其端面作為定位精基準，來設計本道工序的夾具，以兩銷和兩已加工好的φ14孔的端面作為定位夾具。
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構。
5.2.2切削力和夾緊力計算
（1）刀具： YG6銑刀
機床： 臥式銑床X62
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 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=20mm，材料45鋼 性能級數(shù)為6.8級
螺釘疲勞極限：
極限應力幅：
許用應力幅：
螺釘?shù)膹姸刃：耍郝葆數(shù)脑S用切應力為
[s]=2.5~4 取[s]=4
得
滿足要求
經(jīng)校核： 滿足強度要求，夾具安全可靠，
使用快速螺旋定位機構快速人工夾緊，調(diào)節(jié)夾緊力調(diào)節(jié)裝置，即可指定可靠的夾緊力
5.2.3定位誤差分析
（1）定位元件尺寸及公差確定。
夾具的主要定位元件為一平面和一定位銷，孔與銷間隙配合。
（2） 工件的工序基準為孔心，當工件孔徑為最大，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。本夾具是用來在臥式鏜床上加工，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： Td=Dmax-Dmin
本工序采用一定位銷，一擋銷定位，工件始終靠近定位銷的一面，而擋銷的偏角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，故應當能滿足定位要求。
5.2.4夾具設計及操作的簡要說明
如前所述，在設計夾具時，應該注意提高勞動生產(chǎn)率避免干涉。應使夾具結構簡單，便于操作，降低成本。提高夾具性價比。本道工序為鏜床夾具選擇了壓緊螺釘夾緊方式。本工序為精鏜切削余量小，切削力小，所以一般的手動夾緊就能達到本工序的要求。
本夾具的最大優(yōu)點就是結構簡單緊湊。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構。
總 結
快擋撥叉的加工工藝及夾具設計，主要是對快擋撥叉的加工工藝和夾具進行設計。快擋撥叉的加工工藝設計主要是確定加工工藝路線，機械加工余量和切削用量、基本工時的確定，夾具的設計主要是要設計出正確的定位夾緊機構。在本設計中工件的加工工藝路線正確合理，夾具的定位夾緊機構也能達到定位夾緊的目的，能保證加工工件的精度。在設計中遇到了很多問題，如出現(xiàn)工藝路線的不合理，甚至出現(xiàn)不能保證加工所要求達到的精度。在進行夾具設計時，因定位基準選擇不合理，出現(xiàn)過定位或欠定位造成加工的零件的精度得不到保證。在選擇夾緊機構時由于機構的大小，尺寸等不合理，而達不到夾緊的目的，也可能因夾緊力作用點或作用面的位置不合理而使工件產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)。不過在指導老師的悉心認真的指導下，經(jīng)過兩個月自身的不斷努力，這些問題都一一解決。在這個過程中，對機械加工工藝和夾具設計有關的知識有了更深的理解，增強了對本專業(yè)綜合知識運用的能力，使我對專業(yè)知識、技能有了進一步的提高，為以后從事專業(yè)技術的工作打下基礎。
通過這次課程設計使我感到要設計一個夾具的不易，也感到團隊合作的重要性，在這次課程設計中遇到了不少的問題，但在老師和同學的幫助之下一一解決。在這里我要感謝老師和同學對我的幫助。課程設計中我學到了 不少，不僅把以前的知識進一步鞏固，還從中學到很多的新知識，使我受益匪淺。
畢竟是課程設計，由于自己能力有限，在此之中肯定有很多的不足之處，希望老師給予指點。
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21
致 謝
本次課程設計綜合了大學里所學的專業(yè)知識，是理論與實際相結合的一次考驗。通過這次設計，我的綜合運用知識的能力有了很大的提高，尤其是看圖、繪圖、設計能力，為我今后的工作打下了良好的基礎。在此過程中，我進一步加深了對課本知識的理解，進一步了解了零件的工藝以及夾具設計過程，收獲頗豐。
本次設計是在XX老師的悉心指導和幫助下完成的。我的機械工藝知識有限，在設計中常常碰到問題，是老師不厭其煩的指導，不斷的點拔迷津，提供相關資料，才使其順利完成。耐心的講解，使我如沐春風。不僅如此，老師嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度和高尚的敬業(yè)情操深深打動了我。在此，我向表示最真誠的感謝。同時，感謝同組同學的支持和幫助，使我更好的完成課程設計。