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遼寧工程技術(shù)大學(xué)課程設(shè)計 - 12 -
課 程 設(shè) 計
題 目：變速撥叉加工工藝及叉腳兩端面銑削夾具設(shè)計
班 級：
姓 名：
指導(dǎo)教師：
完成日期：
一、設(shè)計題目 變速撥叉加工工藝及叉腳兩端面銑削夾具設(shè)計
二、設(shè)計要求
(1) 被加工零件的零件圖 1張
(2) 生產(chǎn)類型:大批大量生產(chǎn)
三、上交材料
(1) 被加工工件的零件圖 1張
(2) 毛坯圖 1張
(3) 機(jī)械加工工藝過程卡片(參附表1) 1張
(4) 與所設(shè)計夾具對應(yīng)那道工序的工序卡片 1張
(4) 夾具裝配圖 1張
(5) 夾具體圖 1張
(6) 課程設(shè)計說明書(5000～8000字) 1份
說明書主要包括以下內(nèi)容（章節(jié)）
①目錄
②摘要（中外文對照的，各占一頁）
③零件工藝性分析
④機(jī)械加工工藝規(guī)程設(shè)計
⑤指定工序的專用機(jī)床夾具設(shè)計
⑥方案綜合評價與結(jié)論
⑦體會與展望
⑧參考文獻(xiàn)
列出參考文獻(xiàn)(包括書、期刊、報告等，10條以上)
課程設(shè)計說明書一律用A4紙、縱向打印.
四、進(jìn)度安排(參考)
(1) 熟悉零件,畫零件圖 2天
(2) 選擇工藝方案,確定工藝路線,填寫工藝過程卡片和工序卡 5天
(3) 工藝裝備設(shè)計(畫夾具裝配圖及夾具體圖) 9天
(4) 編寫說明書 3天
(5) 準(zhǔn)備及答辯 2天
五、指導(dǎo)教師評語
成 績：
指導(dǎo)教師
日 期
成績評定
采用五級分制，即優(yōu)秀、良好、中等、及格和不及格。
優(yōu)秀：設(shè)計方案合理并新穎，設(shè)計說明書及設(shè)計圖紙規(guī)范、內(nèi)容豐富。在設(shè)計過程中勤奮好學(xué)、有創(chuàng)新思想；
良好：設(shè)計方案合理，設(shè)計說明書及設(shè)計圖紙比較規(guī)范、內(nèi)容比較豐富。在設(shè)計過程中勤奮好學(xué)、有創(chuàng)新思想；
中等：設(shè)計方案一般，設(shè)計說明書及設(shè)計圖紙欠規(guī)范、內(nèi)容一般。在設(shè)計過程中比較勤奮、創(chuàng)新思想不明顯；
及格：設(shè)計方案不完善，存在一些小錯誤，說明書及設(shè)計圖紙欠規(guī)范、內(nèi)容一般。在設(shè)計過程中勤奮精神不夠：
不及格：設(shè)計方案有嚴(yán)重錯誤，設(shè)計說明書及設(shè)計圖紙不規(guī)范、內(nèi)容淺薄。在設(shè)計過程中勤奮好學(xué)精神不夠。
摘 要
本次課程設(shè)計題目是拖拉機(jī)變速撥叉的機(jī)械加工工藝及叉腳兩端面銑削夾具設(shè)計。內(nèi)容有：零件的分析、工藝規(guī)程設(shè)計和夾具設(shè)計。這是我們在學(xué)完了大學(xué)的全部基礎(chǔ)課，專業(yè)基礎(chǔ)課以及專業(yè)課之后進(jìn)行的一個實踐性環(huán)節(jié)，是我們應(yīng)用所學(xué)基礎(chǔ)理論、專業(yè)知識與技能去分析和解決生產(chǎn)實際問題的一次綜合訓(xùn)練。
我希望通過這次課程設(shè)計能鞏固、擴(kuò)大和強(qiáng)化自己所學(xué)到的理論知識與技能，提高自己設(shè)計計算、制圖、編寫技術(shù)文件的能力，學(xué)會正確使用技術(shù)資料、標(biāo)準(zhǔn)、手冊等工具書，并在設(shè)計中培養(yǎng)自己理論聯(lián)系實際、嚴(yán)肅認(rèn)真的工作作風(fēng)和獨立工作能力，為以后進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計和畢業(yè)后從事技術(shù)工作打下一個良好的基礎(chǔ)。
由于能力有限，設(shè)計尚存有許多不足之處，希望各位老師給予指教。
Abstract
This curriculum designs the topic is the machine-finishing craft which the tractor speed change dials forks and forks the foot two end surface milling fixture design.The content includes: Components analysis, technological process design and jig design.This was we in study university's complete basic course, after specialized fundamental course as well as professional course carried on a practical link, was we applies studies the basic theory, the specialized knowledge and the skill analyzes and a solution production actual problem integrated training.
I hoped designs the theory knowledge and the skill through this curriculum which can consolidate, expand and strengthens oneself learns, enhances oneself design calculation, the charting, compilation technology document ability, learns to use reference books correctly and so on technical data, standard, handbook, and raises oneself apply theory to reality, the serious earnest work style and independent working ability in the design, will carry on the graduation project after later and graduates is engaged in the technical work to build a good foundation.
Because ability is limited, the design still remaining has many deficiencies, hoped fellow teachers give advise.
目 錄
1零件的工藝分析……………………………………………1
1.1零件的作用……………………………………………1
1.2零件的技術(shù)要求………………………………………1
1.3審查撥叉的工藝性……………………………………2
2工藝規(guī)程設(shè)計………………………………………………3
2.1確定毛坯尺寸…………………………………………3
2.2定位基準(zhǔn)的選擇………………………………………4
2.3表面加工方法的確定…………………………………5
2.4工序順序的安排………………………………………5
2.5確定工藝路線…………………………………………6
2.6加工余量、工序尺寸和公差的確定…………………7
2.7切削用量及時間定額的計算…………………………7
3夾具設(shè)計……………………………………………………9
3.1夾具設(shè)計任務(wù)…………………………………………9
3.2夾具的設(shè)計……………………………………………9
4設(shè)計總結(jié)……………………………………………………11
參考文獻(xiàn) ……………………………………………………12
1零件的工藝分析
1.1零件的作用
該撥叉應(yīng)用在某拖拉機(jī)變速箱的換擋機(jī)構(gòu)中。撥叉頭以30mm孔套在變速叉軸上，并用銷釘經(jīng)8mm孔與變速叉軸聯(lián)結(jié)，撥叉腳則夾在雙聯(lián)變速齒輪的槽中。當(dāng)需要變速時，操縱變速桿，變速操縱機(jī)構(gòu)就通過撥叉頭部的操縱槽帶動撥叉與變速叉軸一起在變速箱中滑移，撥叉腳波動雙聯(lián)變換齒輪在花鍵軸上滑移以改換檔位，從而改變拖拉機(jī)的行駛速度。
該撥叉在改換檔位時要承受彎曲應(yīng)力和沖擊載荷的作用，因此該零件應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度、剛度和韌性，以適應(yīng)撥叉的工作條件。該零件的主要工作表面為撥叉腳兩端面、叉軸孔mm（H7）和鎖銷孔mm（H7），在設(shè)計工藝規(guī)程時應(yīng)重點予以保證。
1.2零件的技術(shù)要求
將該撥叉的全部技術(shù)要求列于表1中
表1 撥叉零件技術(shù)要求表
加工表面
尺寸及偏差/mm
公差及精度等級
表面粗糙度Ra/μm
形位公差/mm
撥叉頭左端面
IT12
3.2
撥叉頭右端面
IT12
12.5
撥叉腳內(nèi)表面
R48
IT13
12.5
撥叉腳兩端面
20±0.026
IT9
3.2
mm孔
IT7
1.6
mm孔
IT7
1.6
操縱槽內(nèi)側(cè)面
12
IT12
6.3
操縱槽底面
5
IT12
12.5
該撥叉形狀特殊、結(jié)構(gòu)簡單，屬典型的叉桿類零件。為實現(xiàn)換擋、變速的功能，其叉軸孔與變速叉軸有配合要求，因此加工精度要求較高。叉腳兩端面在工作中需要承受沖擊載荷，為增強(qiáng)其耐磨性，該表面要求高頻淬火處理，硬度為48～58HRC；為保證撥叉換擋時叉腳受力均勻，要求叉腳兩端面對叉軸孔mm的垂直度要求為0.1mm，其自身的平面度為0.08mm。為保證撥叉在叉軸上有準(zhǔn)確的位置，改換檔位準(zhǔn)確，撥叉采用鎖銷定位。鎖銷孔的尺寸為mm，且鎖銷孔的中心線與叉軸孔中心線的垂直度要求為0.15mm。
綜上所述，該零件的各項技術(shù)要求制訂的較合理，符合該零件在變速箱中的功用。
1.3審查撥叉的工藝性
分析零件圖可知，撥叉頭兩端面和叉腳兩端面均要求切削加工，并在軸向方向上均高于相鄰表面，這樣既減少了加工面積，又提高了換擋時叉腳端面的接觸剛度； mm孔和mm孔的兩端面均為平面，可以防止加工過程中鉆頭鉆偏，以保證孔的加工精度；另外，該零件除主要工作表面（撥叉腳兩端面、變速叉軸孔mm和鎖銷孔mm）外，其余表面加工精度均較低，不需要高精度機(jī)床加工，通過銑削、鉆床的粗加工就可以達(dá)到加工要求；而主要工作表面雖然加工精度相對較高，但也可以在正常的生產(chǎn)條件下，采用較經(jīng)濟(jì)的方法保質(zhì)保量地加工出來。由此可見，該零件的工藝性較好。
2工藝規(guī)程設(shè)計
2.1確定毛坯尺寸
2.1.1選擇毛坯
由于該撥叉在工作過程中要承受沖擊載荷，為增強(qiáng)撥叉的強(qiáng)度和沖擊韌度，獲得纖維組織，毛坯選用鍛件。該撥叉的輪廓尺寸不大，且生產(chǎn)類型屬大批生產(chǎn)，為提高生產(chǎn)率和鍛件精度，宜采用模鍛方法制造毛坯。毛坯的拔模斜度為。
2.1.2確定毛坯的尺寸公差和機(jī)械加工余量
由《機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計指導(dǎo)教程》（以下簡稱《教程》）表2-10～表2-12可知，要確定毛坯的尺寸公差及機(jī)械加工余量，應(yīng)先確定如下各項因素。
（1）公差等級
由撥叉的功用和技術(shù)要求，確定該零件的公差等級為普通級。
（2）鍛件重量
以知機(jī)械加工后撥叉件的重量為4.5kg，由此可初步估計機(jī)械加工前鍛件毛坯的重量為6kg。
（3）鍛件形狀復(fù)雜系數(shù)
對撥叉零件進(jìn)行分析計算，可大致確定鍛件外廓包容體的長度、寬度和高度，即l=158mm，b=120mm，h=86mm；由《教程》公式（2-3）和（2-5）可計算出該撥叉零件的形狀復(fù)雜系數(shù)。
S=
由于0.47介于0.32和0.63之間，故該撥叉的形狀復(fù)雜系數(shù)屬級。
（4）鍛件材質(zhì)系數(shù)
由于該撥叉材料為45鋼，是碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)少于0.65%的碳素鋼，故該鍛件的材質(zhì)系數(shù)屬于級。
（5）鍛件分模線形狀
根據(jù)該撥叉件的形位特點，選擇零件高度方向的對稱平面為分模面，屬平直分模線。
（6）零件表面粗糙度
由零件圖可知，該撥叉各加工表面的粗糙度均大于等于1.6
根據(jù)上述諸原因，可查《教程》表確定該鍛件的尺寸公差和機(jī)械加工余量，所得結(jié)果列于表2中。
表2 撥叉鍛造毛坯尺寸公差及機(jī)械加工余量
鍛件重量/kg
包容體重量/kg
形狀復(fù)雜系數(shù)
材質(zhì)系數(shù)
公差等級
6
12.7
普通級
項目/mm
機(jī)械加工余量/mm
尺寸公差/mm
備注
寬度R48
2.5
表2-10
2～2.5（取2）
表2-13
厚度80
3.2
表2-11
2～2.5（兩端面分別取2和2.5）
表2-13
厚度20
2.2
表2-11
2～2.5（取2.5）
表2-13
孔徑30
2.2
表2-10
2.6
表2-14
中心距115.5
0.5
表2-12
①：根據(jù)表2-10的表注，將公差按照±1/2的比例分配，故取公差值為±1.1mm
2.1.3繪制撥叉鍛造毛坯簡圖
由表2所得結(jié)果，繪制毛坯圖。
2.2定位基準(zhǔn)的選擇
2.2.1精基準(zhǔn)的選擇
根據(jù)該撥叉零件的技術(shù)要求和裝配要求，選擇撥叉頭左端面和叉軸孔mm作為精基準(zhǔn)，零件上的很多表面都可以采用他們作基準(zhǔn)進(jìn)行加工，即遵循了“基準(zhǔn)統(tǒng)一”原則。叉軸孔mm的軸線是設(shè)計基準(zhǔn)，選用器作精基準(zhǔn)定位加工撥叉腳兩端面和鎖銷孔mm，實現(xiàn)了設(shè)計基準(zhǔn)和工藝基準(zhǔn)的重合，保證了被加工表面的垂直度要求。撥叉在軸向方向上的尺寸多以撥叉頭左端面作設(shè)計基準(zhǔn)。
2.2.2粗基準(zhǔn)的選擇
作為粗基準(zhǔn)的表面應(yīng)平整，沒有飛邊、毛刺或其他表面欠缺。所以選擇變速叉軸孔mm的外圓面和撥叉頭右端面作粗基準(zhǔn)。
2.3表面加工方法的確定
根據(jù)撥叉零件圖上各加工表面的尺寸精度和表面粗糙度，確定加工件各表面的加工方法，如表3所示。
表3 撥叉零件各表面加工方案
加工表面
尺寸精度等級
表面粗糙度Ra/μm
加工方案
撥叉頭左端面
IT11
3.2
粗銑-半精銑
撥叉頭右端面
IT13
12.5
粗銑
撥叉腳內(nèi)表面
IT13
12.5
粗銑
撥叉腳兩端面
IT9
3.2
粗銑-磨削
30mm孔
IT7
1.6
粗?jǐn)U-精擴(kuò)-鉸
8mm孔
IT7
1.6
鉆-粗鉸-精鉸
操縱槽內(nèi)側(cè)面
IT12
6.3
粗銑
操縱槽底面
IT13
12.5
粗銑
2.4工序順序的安排
2.4.1機(jī)械加工工序
（1）遵循“先基準(zhǔn)后其他”原則，首先加工精基準(zhǔn)—撥叉頭左端面和叉軸孔mm。
（2）遵循“先粗后精”原則，先安排粗加工工序，后安排精加工工序。
（3）遵循“先主后次”原則，先加工主要表面—撥叉頭左端面和叉軸孔mm和撥叉腳兩端面，后加工次要表面—操縱槽底面和內(nèi)側(cè)面。
（4）遵循“先面后孔”原則，先加工撥叉頭端面，在加工叉軸孔mm孔；先銑操縱槽，在鉆銷軸孔mm。
2.4.2熱處理工序
模鍛成型后切邊，進(jìn)行調(diào)質(zhì)，調(diào)質(zhì)硬度為241～285HBS，并進(jìn)行酸洗、噴丸處理。叉腳兩端面在精加工之前進(jìn)行局部高頻淬火，提高其耐磨性和在工作中承受沖擊載荷的能力。
2.4.3輔助工序
粗加工撥叉腳兩端面和熱處理后，安排校直工序；在半精加工后，安排去毛刺和中間檢驗工序；精加工后，安排去毛刺、清洗和終檢工序。
綜上所述，該撥叉工序的安排順序為：基準(zhǔn)加工—主要表面粗加工及一些余量大的表面粗加工—主要表面半精加工和次要表面加工—熱處理—主要表面精加工。
2.5確定工藝路線
在綜合考慮上述工序順序安排原則的基礎(chǔ)上，表4列出了撥叉的工藝路線。
表4 撥叉工藝路線及設(shè)備、工裝的選用
工序號
工序名稱
機(jī)床設(shè)備
刀具
量具
1
粗銑撥叉頭兩端面
立式銑床X51
端銑刀
游標(biāo)卡尺
2
半精銑撥叉頭左端面
立式銑床X51
端銑刀
游標(biāo)卡尺
3
粗?jǐn)U、精擴(kuò)、鉸孔
四面組合鉆床
麻花鉆、擴(kuò)孔鉆、鉸刀
卡尺、塞規(guī)
4
校正撥叉腳
鉗工臺
手錘
5
粗銑撥叉腳兩端面
臥式銑床X62W
端銑刀
游標(biāo)卡尺
6
銑叉爪口內(nèi)側(cè)面
立式銑床X51
銑刀
游標(biāo)卡尺
7
粗銑操縱槽底面和內(nèi)側(cè)面
立式銑床X51
鍵槽銑刀
卡規(guī)深度游標(biāo)卡尺
8
鉆、粗鉸、精鉸孔
四面組合鉆床
鉆頭復(fù)合鉸刀
卡尺、塞規(guī)
9
去毛刺
鉗工臺
平銼
10
中檢
卡尺、百分表、塞規(guī)
11
熱處理—撥叉腳兩端面局部淬火、低溫回火
淬火機(jī)等
12
校正撥叉腳
鉗工臺
手錘
13
磨削撥叉腳兩端面
平面磨床M7120A
砂輪
游標(biāo)卡尺
14
清洗
清洗機(jī)
15
終檢
卡尺、百分表、塞規(guī)
2.6加工余量、工序尺寸和公差的確定
由于設(shè)計撥叉腳兩端面銑削夾具，所以計算工序5、13的加工余量、工序尺寸和公差的確定。
這兩道工序的加工過程為
（1）以撥叉頭左端面為基準(zhǔn)定位，粗銑撥叉腳兩端面，保證工序尺寸，查表確定經(jīng)濟(jì)加工精度等級為IT12。
（2）以撥叉頭兩端面為基準(zhǔn)定位，磨削撥叉腳兩端面，保證工序尺寸，達(dá)到零件圖的要求，=20±0.026mm。
根據(jù)上面資料和加工工藝，查《機(jī)械制造工藝設(shè)計手冊》，確定加工余量、工序尺寸為：
工序
工序內(nèi)容
單邊余量
工序尺寸
5
粗銑撥叉腳兩端面
2.2mm
mm
13
磨削撥叉腳兩端面
0.3mm
20±0.026mm
2.7切削用量及時間定額的計算
計算做夾具設(shè)計部分的工序的切削用量和時間定額。所以計算工序5（粗銑撥叉腳兩端面）部分。
2.7.1工序5—粗銑撥叉腳兩平面
加工條件：X62W臥式銑床，兩把三面刃直齒銑刀，YT15刀片，刀盤直徑125mm，寬12mm，齒數(shù)20，專用夾具。
（1）確定背吃刀量 由上面的計算可知銑削深度（背吃刀量）=2.2mm，銑削寬度=30mm。
（2）確定每齒進(jìn)給量 根據(jù)《切削手冊》表3.5，每齒進(jìn)給量=0.09～0.18mm/z。因工件剛性差，取=0.09mm/z。
（3）選擇銑刀磨鈍標(biāo)準(zhǔn)及耐用度 根據(jù)《切削手冊》表3.7，銑刀刀齒后面最大磨損量為1.2mm；耐用度T=150min。
（4）確定切削速度和工作臺沒分鐘進(jìn)給量 根據(jù)《切削手冊》表3.27，=600，=0.21，=0，=0.12，=0.4，=0，m=0.35，=1.1。
（m/min）
275（r/min）
根據(jù)《機(jī)械制造工藝設(shè)計簡明手冊》表4.2-39，與275r/min相近的主軸轉(zhuǎn)速為235r/min和300r/min，取n=235r/min，實際切削速度v=107.9m/min
工作臺每分鐘進(jìn)給量為=（mm/min），根據(jù)《機(jī)械制造工藝設(shè)計簡明手冊》表4.2-40，X62W銑床與之相近的進(jìn)給量為150mm/min和190mm/min。選擇=150mm/min，則實際的每齒進(jìn)給量為mm/z
（5）計算基本時間
根據(jù)《機(jī)械制造工藝設(shè)計簡明手冊》表6.2-7，參照零件圖， =120mm，==55mm，取，i=1.
。
3夾具設(shè)計
3.1夾具設(shè)計任務(wù)
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。
我設(shè)計第5道工序—粗銑撥叉腳兩端面的銑床夾具。本夾具將用于X62W臥式銑床。刀具為兩把直齒三面刃銑刀，對工件的兩個端面同時進(jìn)行粗加工。因為撥叉腳兩端面還有后序工序—磨削，所以加工時對精度的要求不是特別嚴(yán)格。
3.2夾具的設(shè)計
3.2.1定位方案確定
工件以φ30mm的內(nèi)孔和撥叉頭左端面作為定位基準(zhǔn)，采用平面與定位心軸組合定位方案。其中定位平面限制三個自由度，定位銷限制兩個自由度，再以一個定位支承釘頂再撥叉桿幅板的一個側(cè)面限制一個自由度，實現(xiàn)完全定位。采用螺母加開口墊圈夾緊工件，用壓板壓住工件幅板的另一側(cè)完成輔助定位與夾緊，以承受切削力。定位元件的工作表面與夾具體底面的垂直度要求保證滿足零件定位基準(zhǔn)與工序基準(zhǔn)的垂直度要求，以保證零件圖的要求。加工時，隨著銑刀的進(jìn)給工件可能會產(chǎn)生轉(zhuǎn)角誤差，但這屬于自由公差，故應(yīng)能滿足定位要求。
3.2.2切削力及夾緊力分析
刀具：硬質(zhì)合金直齒三面刃銑刀，φ125mm，Z=20，B=12mm。根據(jù)《機(jī)械加工工藝手冊》公式和表9.4—10可知一把刀的切削力為
。 其中所以。因為采用兩把銑刀，所以實際主切削力為1040×2=2080，水平分力=（1～1.2）=2288N 垂直分力=0.3=624N。
在應(yīng)用本夾具加工時，工件在加工工程中受到切削力的影響可能引起工件的振動或工件的轉(zhuǎn)動。切削力對夾緊力影響不大，故夾緊力只需達(dá)到將工件固定即可。工件受到軸向力不大，所以采用裝配圖中的夾緊方式滿足加工的要求。輔助支承和輔助夾緊功能限制了工件的轉(zhuǎn)動，使工作可靠。采用螺旋夾緊，夾緊力足夠，滿足加工條件。
3.2.3對刀裝置
采用對刀塊及塞尺對刀。根據(jù)銑削方式設(shè)計相應(yīng)的對刀塊，滿足加工條件的要求。
3.2.4夾具設(shè)計及操作的主要說明
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。由于工件受到切削力的影響較小，所以采用手動夾緊。為了提高生產(chǎn)力，使用快速螺旋夾緊機(jī)構(gòu)。本夾具的最大優(yōu)點就是結(jié)構(gòu)簡單緊湊。
進(jìn)行加工時，每次安裝一個工件。工件以內(nèi)孔及端面和筋部定位，限制六個不定自由度。轉(zhuǎn)動螺母，通過快換墊圈夾緊。在轉(zhuǎn)動另一個螺母帶動壓板繞支點轉(zhuǎn)動，將工件從筋部夾緊，定位可靠。
4設(shè)計總結(jié)
為期三周的工藝、夾具課程設(shè)計基本結(jié)束，回顧整個過程，我覺得受益匪淺。課程設(shè)計使理論與實踐更加將接近，加深了理論知識的理解，強(qiáng)化了生產(chǎn)實習(xí)中的感性認(rèn)識。
本次課程設(shè)計主要經(jīng)過了兩個階段。第一階段是機(jī)械加工工藝規(guī)程設(shè)計，第二階段是專用夾具設(shè)計。第一階段中我認(rèn)真復(fù)習(xí)了有關(guān)書本只是學(xué)會了如何分析零件的工藝性，學(xué)會了如何查有關(guān)手冊，選擇加工余量、確定毛坯類型、形狀、大小等。又想出了一種比較合理的工藝方案來編制工藝。其中運用了基準(zhǔn)選擇、切削用量選擇計算、時間定額計算等方面的知識。還結(jié)合了我們生產(chǎn)實習(xí)中所看到的實際情況選定設(shè)備，填寫了工藝文件。夾具設(shè)計階段，運用工件定位、夾緊及零件結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面的知識。
通過這次設(shè)計，我基本掌握了一個中等復(fù)雜零件的加工過程分析、工藝文件的編制、專用夾具設(shè)計的方法和步驟等。學(xué)會了查閱手冊，選擇使用工藝裝備等。
總的來說，這次設(shè)計，使我在基本理論的綜合運用以及正確解決實際問題等方面得到了一次較好的訓(xùn)練。提高了我獨立思考問題、解決問題創(chuàng)新設(shè)計的能力，為以后的設(shè)計工作打下了較好的基礎(chǔ)。
由于自己能力有限，設(shè)計中還有許多不足之處，懇請各位老師、同學(xué)們批評指正。
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沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文
附錄二 ：中文翻譯
通過夾具布局設(shè)計和夾緊力的優(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。最后舉了一個例子說明，一個令人滿意的結(jié)果被求得， 這是遠(yuǎn)優(yōu)于經(jīng)驗之一的。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)計在制造工程中是一項重要的程序。這對于加工精度是至關(guān)重要。一個工件應(yīng)約束在一個帶有夾具元件，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，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)計師的經(jīng)驗，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)計方案的兩個主要方面。 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)計和夾緊力的優(yōu)化的方法。 這個觀點是具有兩面性的。一，是盡量減少加工表面最大的彈性變形； 另一個是盡量均勻變形。 ANSYS軟件包是用來計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)化問題。最后還給出了一個案例的研究，以闡述對所提算法的應(yīng)用。
2 文獻(xiàn)回顧
隨著優(yōu)化方法在工業(yè)中的廣泛運用，近幾年夾具設(shè)計優(yōu)化已獲得了更多的利益。夾具設(shè)計優(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)來優(yōu)化夾具布局設(shè)計的方法。DeMeter也用了一個剛性體模型，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)化的程序與計算質(zhì)量的有限元計算法。李和melkote用了一個非線性編程方法和一個聯(lián)絡(luò)彈性模型解決布局優(yōu)化問題。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)為工件在加工過程中處于動態(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)計與分析。蔡等對menassa和devries包括合成的夾具布局的金屬板材大會的理論進(jìn)行了拓展。秦等人建立了一個與夾具和工件之間彈性接觸的模型作為參考物來優(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)化程序必須從一個可行布局開始。此外，還得到了對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)計的問題是非線性的，因為目標(biāo)的功能和設(shè)計變量之間沒有直接分析的關(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。他們還提出了針對主要競爭夾具優(yōu)化方法相對有效性的廣泛調(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)點號碼所指定。krishnakumar等人還提出了一種迭代算法，盡量減少工件在整個切削過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)被用來計算工件的最大彈性變形，遺傳算法被用來確定最佳鎖模力。Kumar建議將迭代算法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來發(fā)展夾具設(shè)計系統(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，一些研究沒有考慮為整個刀具路徑優(yōu)化布局。一些研究使用節(jié)點數(shù)目作為設(shè)計參數(shù)。一些研究解決夾具布局或夾緊力優(yōu)化方法，但不能兩者都同時進(jìn)行。 有幾項研究摩擦和碎片考慮進(jìn)去了。
碎片的移動和摩擦接觸的影響對于實現(xiàn)更為現(xiàn)實和準(zhǔn)確的工件夾具布局校核分析來說是不可忽視的。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。一個優(yōu)化的過程中基于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)化模型對低剛度工件而言是比較單一的目標(biāo)優(yōu)化方法、經(jīng)驗和方法。
3 多目標(biāo)優(yōu)化模型夾具設(shè)計
一個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力應(yīng)用到工件；第二，庫侖摩擦約束必須施加在所有夾具-工件的接觸點。夾具元件-工件接觸點的位置必須在候選位置。為一個問題涉及夾具元件-工件接觸和加工負(fù)荷步驟，優(yōu)化問題可以在數(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；
μ是靜態(tài)摩擦系數(shù)；
fhi是切向力在i次的接觸點；
pos(i)是i次的接觸點；
是可選區(qū)域的i次接觸點；
整體過程如圖1所示，一要設(shè)計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算出來。優(yōu)化程序造成一些夾具布局和夾緊力，同時也是被發(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)化過程
4 夾具布局設(shè)計和夾緊力的優(yōu)化
4.1 遺傳算法
遺傳算法（ GA ）是基于生物再生產(chǎn)過程的強(qiáng)勁，隨機(jī)和啟發(fā)式的優(yōu)化方法。基本思路背后的遺傳算法是模擬“生存的優(yōu)勝劣汰“的現(xiàn)象。每一個人口中的候選個體指派一個健身的價值，通過一個功能的調(diào)整，以適應(yīng)特定的問題。遺傳算法，然后進(jìn)行復(fù)制，交叉和變異過程消除不適宜的個人和人口的演進(jìn)給下一代。人口足夠數(shù)目的演變基于這些經(jīng)營者引起全球健身人口的增加和優(yōu)勝個體代表全最好的方法。
遺傳算法程序在優(yōu)化夾具設(shè)計時需夾具布局和夾緊力作為設(shè)計變量，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)計計劃。在這項研究里，遺傳算法和MATLAB的直接搜索工具箱是被運用的。
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)在一個人口中功能最薄弱功能的最優(yōu)值沒有變化時，nchg達(dá)到一個預(yù)先定義的價值ncmax ，或有多少幾代氮，到達(dá)演化的指定數(shù)量上限nmax， 沒有遺傳算法停止。有五個主要因素，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)計字符串，當(dāng)受到加工負(fù)荷時不完全限制夾具。這些解決方案被認(rèn)為是不可行的，且被罰的方法是用來驅(qū)動遺傳算法，以實現(xiàn)一個可行的解決辦法。1夾具設(shè)計的計劃被認(rèn)為是不可行的或無約束，如果反應(yīng)在定位是否定的。在換句話說，它不符合方程（2）和（3）的限制。罰的方法基本上包含指定計劃的高目標(biāo)函數(shù)值時不可行的。因此，驅(qū)動它在連續(xù)迭代算法中的可行區(qū)域。對于約束（4），當(dāng)遺傳算子產(chǎn)生新個體或此個體已經(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)域是那些不包括無效的區(qū)域。在為了簡化檢查，多邊形是用來代表候選區(qū)域和無效區(qū)域的。多邊形的頂點是用于檢查?！癷npolygon ”在MATLAB的功能可被用來幫助檢查。
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算。有限元模型是一個考慮摩擦效應(yīng)的半彈性接觸模型，如果材料是假定線彈性。如圖2所示，每個位置或支持，是代表三個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，這是用來申請工件的有限元分析模型的邊界條件。在圖3中說明了夾具元件的位置，顯示為黑色界線。每個元素的位置被其它四或六最接近的鄰近節(jié)點所包圍。
圖3 連續(xù)插值
這系列節(jié)點，如黑色正方形所示，是（37，38，31和30 ），（9，10 ，11 ， 18，17號和16號）和（ 26，27 ，34 ， 41，40和33 ）。這一系列彈簧單元，與這些每一個節(jié)點相關(guān)聯(lián)。對任何一套節(jié)點，彈簧常數(shù)是：
這里，
kij 是彈簧剛度在的j -次節(jié)點周圍i次夾具元件，
Dij 是i次夾具元件和的J -次節(jié)點周圍之間的距離，
ki是彈簧剛度在一次夾具元件位置,
ηi 是周圍的i次夾具元素周圍的節(jié)點數(shù)量
為每個加工負(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。在這個工作里，正常的彈簧約束在這三個方向（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。整個刀具路徑是模擬為每個夾具設(shè)計計劃所產(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，分析與重點的工具運動和碎片移除使用的元素死亡技術(shù)。在為了計算健身價值，對于給定夾具設(shè)計方案，位移存儲為每個負(fù)載的一步。那么，最大位移是選定為夾具設(shè)計計劃的健身價值。
遺傳算法的程序和ANSYS之間的互動實施如下。定位和夾具的位置以及夾緊力這些參數(shù)寫入到一個文本文件。那個輸入批處理文件ANSYS軟件可以讀取這些參數(shù)和計算加工表面的變形。 因此， 健身價值觀，在遺傳算法程序，也可以寫到當(dāng)前夾具設(shè)計計劃的一個文本文件。
當(dāng)有大量的節(jié)點在一個有限元模型時，計算健身價值是很昂貴的。因此，有必要加快計算遺傳算法程序。作為這一代的推移，染色體在人口中取得類似情況。在這項工作中，計算健身價值和染色體存放在一個SQL Server數(shù)據(jù)庫。遺傳算法的程序，如果目前的染色體的健身價值已計算之前，先檢查；如果不，夾具設(shè)計計劃發(fā)送到ANSYS，否則健身價值觀是直接從數(shù)據(jù)庫中取出。嚙合的工件有限元模型，在每一個計算時間保持不變。每計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反復(fù)“恢復(fù)”ANSYS 命令。
5 案例研究
一個關(guān)于低剛度工件的銑削夾具設(shè)計優(yōu)化問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。整個刀具路徑被26個工步所分開，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)計方案
夾具在加工過程中夾緊工件的規(guī)劃如圖5所示。
圖5 定位和夾緊裝置的可選區(qū)域
一般來說， 3-2-1定位原則是夾具設(shè)計中常用的。夾具底板限制三個自由度，在側(cè)邊控制兩個自由度。這里，在Y=0mm截面上使用了4個定點（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，兩個壓板（C1,C2）夾緊工件。在正交面上，需要一個定位元件限制其余的一個自由度，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的坐標(biāo)范圍。
表3 設(shè)計變量的約束
由于沒有一個簡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，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)化的收斂過程如圖6所示。且收斂過程的相應(yīng)功能（1）和（2）如圖7、圖8所示。優(yōu)化設(shè)計方案在表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 第一個函數(shù)值的收斂
圖8第二個函數(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)驗設(shè)計中得到的夾具設(shè)計的設(shè)計變量和目標(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)驗設(shè)計相比較，單一目標(biāo)優(yōu)化方法有其優(yōu)勢。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，我們確信運用最佳定位點分布和最優(yōu)夾緊力來減少工件的變形。圖10示出了一實例夾具的裝配。
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)計和夾緊力的優(yōu)化程序設(shè)計。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
健身價值的有限元計算。對于夾具設(shè)計優(yōu)化的問題，GA和有限元分析的結(jié)合被證明是一種很有用的方法。
在這項研究中，摩擦的影響和碎片移動都被考慮到了。為了減少計算的時間，建立了一個染色體的健身數(shù)值的數(shù)據(jù)庫，且網(wǎng)狀工件的有限元模型是優(yōu)化過程中多次使用的。
傳統(tǒng)的夾具設(shè)計方法是單一目標(biāo)優(yōu)化方法或經(jīng)驗。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。這對于在數(shù)控加工中控制加工變形是很有意義的。
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12、Wu NH, Chan KC (1996) 基于遺傳算法的夾具優(yōu)化配置方法。
13、Ishikawa Y, Aoyama T(1996) 借助遺傳算法對裝夾條件的優(yōu)化。
14、Vallapuzha S, De Meter EC, Choudhuri S, et al (2002) 一項關(guān)于空間坐標(biāo)對基于遺傳算法的夾具優(yōu)化問題的作用的調(diào)查。
15、Vallapuzha S, De Meter EC, Choudhuri S, et al (2002) 夾具布局優(yōu)化方法成效的調(diào)查。
16、Kulankara K, Melkote SN (2000) 利用遺傳算法優(yōu)化加工夾具的布局。
17、Kulankara K, Satyanarayana S, Melkote SN (2002) 利用遺傳算法優(yōu)化夾緊布局和夾緊力。
18、Lai XM, Luo LJ, Lin ZQ (2004) 基于遺傳算法的柔性裝配夾具布局的建模與優(yōu)化。
19、Hamedi M (2005) 通過一種人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法混合的系統(tǒng)設(shè)計智能夾具。
20、Kumar AS, Subramaniam V, Seow KC (2001) 采用遺傳算法固定裝置的概念設(shè)計。
21、Kaya N (2006) 利用遺傳算法優(yōu)化加工夾具的定位和夾緊點。
22、Zhou XL, Zhang WH, Qin GH (2005) 遺傳算法用于優(yōu)化夾具布局和夾緊力。
23、Kaya N, ?ztürk F (2003) 碎片位移和摩擦接觸的運用對工件夾具布局的校核。
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