T350攪拌機變速裝置的箱體工藝工裝夾具設(shè)計【齒輪箱座】【說明書+CAD】
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畢業(yè)設(shè)計說明書
題目：T350攪拌機工藝工裝設(shè)計
設(shè)計：
指導(dǎo)：
1999年3月20日
目錄
一.設(shè)計任務(wù). 1
二.零件說明. 1
三.工藝規(guī)程設(shè)計. 2
1. 確定毛坯的制造形成. 2
2. 基面的選擇. 2
3. 制定工藝路線. 3
4. 機械加工余量、工序尺寸、毛坯尺寸. 6
5. 確定切削用量及基本工時. 11
四.夾具設(shè)計. 15
1.定位基準的選擇. 15
2.切削力、，夾緊力計算. 17
3.夾緊機構(gòu)設(shè)計. 18
4.液壓回路. 19
5.定位誤差計算. 19
6.夾具操作說明. 20
五.參考文獻. 21
一. 設(shè)計任務(wù)
題目：T350攪拌機工藝工裝設(shè)計.
生產(chǎn)綱領(lǐng)：3000臺/年.
1. 編制工藝規(guī)程.
2. 編制兩道工序卡片.
3. 繪制毛坯——零件綜合圖.
4. 設(shè)計鏜夾具（銑夾具或鉆夾具）一付，并拆繪夾具體零件
圖一張.
5. 編寫設(shè)計說明書（加工余量計算、夾緊力計算、定位誤差計算、工序尺寸鏈及裝配尺寸鏈的計算.）
6. 完成時間：99年4月
二. 零件的說明
1. 零件的作用：
該零件是T350攪拌機變速裝置的箱體，動力通過電動機傳給箱體。經(jīng)過箱體的變速，再傳遞給滾筒，實現(xiàn)工作。該零件底座上的4個沉頭孔用于固定箱體。箱體頂部有一 個Φ12的孔，用于加潤滑油用。箱體底部有一個m/z的螺紋孔，用于放油用，箱體的斜側(cè)面有一個內(nèi)徑165X80的矩形孔，是用來觀察傳動裝配的。其周圍的6個螺紋孔，用于加蓋，箱體的兩側(cè)面各有3個大孔，這6個孔有的加工要求都比較高，是該工件的主要加工表面，其作用是用于支承三根傳動軸。
2. 零件的工藝分析.
該零件的箱體，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但從加工要求看，還比較 1
容易，主要是面的加工和孔的加工，平面的加工要求均不高，表面粗糙度Ra=12.5，只需粗銑一下即可達到。考慮到底面要作為定位基準，為了保證工件的加工質(zhì)量，所以將底面的表面質(zhì)量提高一級Ra=6.3。粗銑過后，再精銑一下?？子袃深悾活愂锹菁y孔、其加工要求不高，另一類是傳動軸支承孔，其加工要求最高，其尺寸精度要達到IT7，表面粗糙度要達到Ra1.6，另外考慮到底面孔要定位用。所以鉆孔后要鉸削一下，以提高定位精度。
三．工藝規(guī)程設(shè)計.
1.確定毛坯的制造形成.
零件的材料為HT200，考慮到該零件在工作中是固定不動的 ，力學(xué)性能要求不高，可是零件的結(jié)構(gòu)又比較復(fù)雜，所以應(yīng)選擇鑄件，由于零件的生產(chǎn)綱領(lǐng)為3000件/年，已達到中批量生產(chǎn)的水平，為了提高生產(chǎn)率，保證毛坯精度，選用砂型機器造型。
2.基面的選擇.
基面的選擇是工藝規(guī)程設(shè)計中的重要工作之一，基面選擇正確與合理?？梢允辜庸べ|(zhì)量得到保證，生產(chǎn)率得以提高，否則，不但使加工工藝過程中的問題百出，更為嚴重的，還會造成零件大批報廢，使生產(chǎn)無法正常進行。
精基準的選擇應(yīng)遵循以下幾條原則：①基準重合的原則，
②基準統(tǒng)一的原則.③自為基準的原則.④互為基準的原則.
⑤保證工件定位準確，夾緊可靠，操作方便的原則。 2.
粗基準的選擇應(yīng)遵循以下原則：
①為了保證加工面和不加工面之間的位置要求，應(yīng)選擇不加工面為粗基面。
②為了保證各加工面有足夠的加工余量，應(yīng)選擇余量最小的面為粗基準。
③為了保證重要加工面的余量均勻，應(yīng)選重要加工面為粗基準。
④粗基準應(yīng)避免重復(fù)使用，在同一尺寸方向上，通常只許用一次。
⑤選作粗基準的表面應(yīng)平整光潔，以保證定位準確，夾緊可靠。
加工該零件時，粗基準選擇底座的上面，來加工底面和底面上的孔，然后再以加工孔的底面和孔的基準加工其它面和孔。
3.制定工藝路線.
制定工藝路線的出發(fā)點，應(yīng)當(dāng)使零件的幾何形狀，尺寸精度，位置精度等能得到合理的保證。在生產(chǎn)綱領(lǐng)已確定為中批量生產(chǎn)的條件下，可以考慮采用萬能性機床配以專用夾具，并盡量使工序集中來提高生產(chǎn)率。除此以外，還應(yīng)考慮經(jīng)濟效果，以便生產(chǎn)成本盡量下降。
該零件各加工面，除三組傳動軸孔的要求較高外，其余的加工要求都不高，但考慮到多數(shù)工序是一面兩孔定位，為了保證加工要求，所以將底面的加工要求提高Ra=6.3,底
3
面圓孔的加工要求提高到Ra=6.3.
根據(jù)各加工表面的經(jīng)濟精度和經(jīng)濟粗糙度查明手冊確定各加工表面的加工方法。
①箱體底面：先粗銑，后精銑。
②箱體底面上的固定孔：先鉆，后鉸，再锪臺面。
③箱體的兩端面：粗銑。
④箱體兩端面的螺紋孔：先鉆底孔，后加工螺紋。
⑤進油孔：先粗銑臺面，再鉆孔，再攻絲。
⑥出油孔：先粗銑臺面，再鉆孔，再攻絲。
⑦斜面：先粗銑平面，后鉆孔，再攻絲。
⑧三組傳動軸孔：粗鏜，半精鏜、精鏜。
加工工序安排原則：
①先加工基準面.
②劃分加工階段：先粗后精.
③先加工平面，后加工孔.
④次要的加工平面可以插在各階段之間進行加工，確定工序集中和分散的程度。
該零件是箱體，搬運也不太方便，也是批量生產(chǎn)，所以工序應(yīng)適當(dāng)集中。
工序過程：
工序① 粗銑、精銑底面。
工序② 鉆削底面孔，并鉸削兩定位孔。
工序③ 锪削底面孔的沉頭后面。 4
工序④ 銑削箱體的兩端面.
工序⑤ 銑削進油孔臺面.
工序⑥ 銑削出油孔臺面.
工序⑦ 銑削窺探孔的斜面.
工序⑧ 鉆削箱體兩端面的螺紋孔.
工序⑨ 箱體兩端面螺紋孔攻絲.
工序⑩ 鉆削進油孔并攻絲.
工序⑾ 鉆削出油孔.
工序⑿ 出油孔攻絲.
工序⒀ 鉆削斜面的螺紋孔.
工序⒁ 斜面螺紋孔攻絲.
工序⒂ 粗鏜傳動軸孔.
工序⒃ 半精鏜傳動軸孔.
工序⒄ 精鏜傳動軸孔.
該箱體的加工過程中，由于許多道工序都是一面兩孔定位，既底面和底面固定孔，所以把這兩道工序安排在開始，傳軸的三組孔的加工要求較高，而是有的工序要通過該孔來夾緊，為了避免夾緊時破壞已加工好的孔，所以將這三組孔的加工安排在最后，在需加工的面上有加工孔時，都是先加工平面，后加工孔，遵循先面后孔的原則。至于銑削各端面、臺面，鉆削各面上孔的先后順序得有一定的原則，也不是主要工序，可以根據(jù)實際情況，安排在比較方便的時候加工。 5
4．機械加工余量，工序尺寸及毛坯尺寸的確定。
該齒輪箱座的材料為HT200，是中型零件，成批量生產(chǎn)毛坯采用砂型機器造型。
毛坯余量的確定：
齒輪箱座零件圖的小孔很多，根據(jù)鑄造工藝，孔徑小于φ30的孔不必鑄出，所以箱體底面固定孔，兩端面的螺紋孔，斜面上的螺紋孔，進油孔及出油孔都不必鑄出。
查《工藝簡明手冊》
表2.2-3 鑄件尺寸公差等級IT9
表2.2-5 鑄件機械加工余量等級 MA-G
表2.2-4 鑄件機械加工余量
斜面加工余量為4.0mm
底面加工余量為4.0mm
兩端面加工余量為2.5mm
傳動軸孔加工余量為3.0mm （單邊）
機械加工余量的確定
查《機械制造工藝設(shè)計簡明手冊》
底面機械加工余量
表2.3-21平面加工余量
粗銑余量2.5mm
精銑余量1.5mm
底座的設(shè)計尺寸為20mm(厚度)
毛坯余量為4.0mm 6
∴ 底座毛坯的厚度為24mm
建立如圖所示尺寸鏈
AΔ為封閉環(huán)，A1為減環(huán)，A2為增環(huán)
AΔ= A2–A1
∴A1=A2–AΔ=24–2.5=21.5mm
ⅡΦ72的軸承孔的加工余量及工序尺寸.
表2.3-10粗鏜68mm，半精鏜70mm,精鏜72mm.
孔的加工要求為ф72
7
根據(jù)IT9 查表2.2—1鑄件尺寸公差數(shù)值.
Ⅱφ72得CT9=2.2 φ66
根據(jù)工藝教材. 表1―11孔加工方法得:
粗鏜IT11 φ0.19mm. 標準公差值
半精鏜IT9 φ0.074mm.
精鏜IT7 φ0.03mm.
∴ 粗鏜 φ68
半精鏜 φ70 按入體原則標準.
精鏜 φ72
工序簡圖如下:
8
粗鏜尺寸鏈:
AΔ為封閉環(huán)
AΔ=A2-A1=34-33=1
ES=0-(-0.5)=0.5
EI=-0.45-0.6=-1.05
∴AΔ=1
Ⅱ組 φ80的孔
IT11=0.2
IT9=0.087
IT7=0.035
查手冊
毛坯 φ74
粗鏜 IT11 φ75
半精鏜 IT9=0.087 φ78
精鏜 IT7=0.03 φ80
Ⅰ組 φ85的孔
毛坯 CT9=2.2 φ78
粗鏜 IT11=0.2 φ80
半精鏜 IT9=0.087 φ83 9.
精鏜 IT7=0.035 φ85
Ⅰ組 φ80J7的孔
毛坯 CT9=2.2 φ74
粗鏜 IT11=0.2 φ75
半精鏜 IT9=0.087 φ78
精鏜 IT7=0.035 φ80
Ⅲ組 φ72H7的孔
毛坯 CT9=2.2 φ66
粗鏜 IT11=0.2 φ68
半精鏜 IT9=0.074 φ70
精鏜 IT7=0.03 φ72
Ⅲ組 φ90H7的孔
毛坯 CT9=2.2 φ84
粗鏜 IT11=0.2 φ86
半精鏜 IT9=0.087 φ88
精鏜 IT7=0.035 φ90
查表2.3―20攻絲前鉆孔用麻花鉆直徑
進油孔 M12―7H ф10.20
出油孔 M12X1.5―6H Φ10.20
斜面螺紋孔 M6 Φ5.
兩端面螺紋孔 M8 Φ6.80.
其余平面的加工都是粗銑 10.
5.確定切削用量及基本尺寸.
工序①
參照《機械制造工藝設(shè)計手冊》
表３―25 高速鋼銑刀銑削力計算.
銑刀類型：端面銑刀
工件材料：ＨT200.
FＺ＝９.81CＦＺαe1.114αf 0.72d0-1.1 αp0.94 Ｚ
∵?。肍Z＝50
Z=10
d0=200
粗銑時： αp=2.5
αf=0.35
αe=158
∴ FＺ＝９.81CＦＺαe1.114αf 0.72d0-1.1 αp0.94 Ｚ
=9.81x50x1581.114x0.350.72x200-1.1x2.50.94x10
=4514.4N
精銑時： αp=1.5
αf=0.1
αe=158
∴ FＺ＝９.81CＦＺαe1.114αf 0.72d0-1.1 αp0.94 Ｚ
=9.81x50x1581.114x0.10.72x200-1.1x1.50.94x10
=1133.3N 11.
切削速度
Ｖ＝ＫV 表３―２９
∵CV=42. ZV=0.2 XV=0.1 t=15X103
YV=0.4 VV=0.1 PV=0.1 m=0.15 Kv=1
∴粗銑時
V=X1.0
=19.04m/min
=0.317m/s
精銑時
V=
=33.08m/min
=0.55m/s
基本工時 查表７－７銑削基本時間的計算
Tj==
L=248 L２=2 V=1
L1＝0.5（Ｄ－）++(1.5)
=0.5 (200-)++1.5
=40+2.94
=42.92mm.
12.
fmz―工作臺手進給量（mm/min）
表４－17-2銑床工作臺進給量.
粗銑fmz＝600
精銑fmz＝300.
粗銑 Tj=X1=0.048
精銑 Tj=x1=0.976
工序１０.鉆削進油孔并攻絲?。?2 表 3-36
麻花鉆鉆頭直徑 d0=10.2
表２.3-20 《簡明手冊》
切削扭矩 M=Cmd0XM fymKmX10-3
∵ f=0.6 CM=225.63. Km=1.
Xm=1.9 ym=0.8
∴ M=225.63X10.21.9X0.60.8X1X10-3
=12.367
軸向力 F=CFd0XFfyFKF
∵GF=588.60 XF=1 yF=0.1 f=0.6
∴ F=588.6X10.2X0.60.1X1
=570.47
鉆削用量的選擇
表３－３８高速鋼鉆頭鉆孔時進給量
f=0.6
13.
表３－４０高速鋼鉆頭切削速度的計算
V= Kv(m/min)
Cv=17.1 Zv=0.25 yv=0.55 m=0.125.
Kv=1
工序④.銑削兩端面
銑刀類型：端面銑刀
工件材料：HT200.
FＺ＝９.81CＦＺαe1.114αf 0.72d0-1.1 αp0.94 Ｚ
∵CFZ=50 Z=22 d0=200
αp=4 αf=0.35 αe=148
∴FＺ＝9.81x50x1481.114x0.350.72x200-1.1x40.94x10
=14363.7N
切削速度 Ｖ=Kv. 表３.29
∵CV=42. ZV=0.2 XV=0.1
t=15X103 YV=0.4 VV=0.1
PV=0.1 m=0.15 Kv=1
∴ V=X1.0
=18.2886(m/min)
=0.3m/s
14.
四.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，需要在通用機床設(shè)計專用夾具，本次設(shè)計是第一道工序。銑底面的專用夾具，本夾具用于Ｘ62臥式銑床。刀具為兩把高速鋼端面銑刀，一把粗銑，一把精銑。本工序加工的主要要求就是底面的表面粗糙度要打Ra6.3,至于尺寸精度要求不高。
１.定位基準的選擇
本工序為第一道工序，是下面加工孔工序的定位基準，底面的設(shè)計基準則是底面的上面。其尺寸就是底板的厚度20mm,沒有注明公差，其要求不高，為了保證定位，夾緊方便、可靠，選擇一端面和兩個定位塊定位。如圖所示，為保證加工質(zhì)量，需要限制三個自由度。圖示的定位方案可以限制五個自由度，平面Ａ可限制三個自由度，即Ｚ、Ｘ、Ｙ，定位塊Ｂ和Ｃ可限制兩個自由度，既Ｙ、Ｚ，這樣共限制Z、Ｙ、Ｘ、Ｙ、Ｚ，滿足了本工序所需限制的自由度。
（定位圖示見后）
15.
16
２.切削力及夾緊力計算.
由Ｐ12得. FZ=4514N
FH=0.3Fz=0.3X4514=1354.2N
Fv=0.9Fz=0.9X4514=3763N
F0=0.5Fz=0.5X4514=2257N
F0在水平面內(nèi)產(chǎn)生順時力矩.
FH在水平面內(nèi)產(chǎn)生逆時力矩.
Fv 在豎直平面產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)力矩.
F0、FH產(chǎn)生的力矩不大，而且方向相反，可以相互抵消，而Fv的數(shù)值較大，對工件的影響最大。所以計算理論夾緊力應(yīng)根據(jù)Fv來計算夾緊力Ｆ和Fv平衡支點是兩作用點的連線和定位面邊緣的支點，這樣可得下式：
FL1=FvL2
其中 L1=7 L2=17
F=FvL2/L1
Fv=3763
∴ F=3763X17/7
=9139N
既理論夾緊力為9139牛頓
?。保?
實際夾緊力的理論夾緊力入安全系數(shù).
Wk=w﹒k
夾具手冊表１－２１
k=k0﹒k1﹒k2﹒k3﹒k4﹒k5﹒k6.
K0=1.2 K1=1.2 K2=1.0 K3=1.2
K4=1.0 K5=1.0 K6=1.0
K=1.2X1.2X1.0X1.2X1.0X1.0X1.0
=1.728
W=F=9139N
∴WK=9139X1.728=15792N
３.夾緊機構(gòu)設(shè)計.
該工件的箱體，如果夾住工件的外壁。由于箱體壁厚有限，容易變形，所以還是夾住箱體內(nèi)壁，由于機械手工夾緊不方便，所以選擇液壓缸夾緊。如裝配圖所示，油缸選擇T5014-2型，在油缸的活塞桿上連接一個拉桿。拉桿的上端帶有Ｔ形帽，拉動開口壓板，夾緊工件。
油缸：ΔS=π()
=3.14()
=1335mm２
Wk=ΔS﹒P
P===12MPα
?。保?
?。?液壓原理圖：
５.定位誤差計算.
工序.①銑削底面.
本工序以測量基準平面定位
∴ΔB=0 ΔY=0
ΔD=ΔB+ΔY
=0+0
∴ΔD=0
19
工序⒄ 精鏜孔
ΔD=ΔB+ΔY
ΔB=0.13 ΔY=0
∴ ΔD=0.13+0=0.13
6.夾具操作說明.
本夾具是加工箱體底面時的專用夾具，用工件的一個端面和底面定位，底面是用二個定位塊定位。裝夾工件時，將工件的Ⅱ孔套在拉桿上放下，移動工件，使工件底面和兩定位接觸，定位已好，按下按扭，油缸的活塞下移，帶動拉桿，拉動壓塊，將開口壓塊由觀察孔套在拉桿上，夾緊工件。開始工進，加工后按下按鈕，拉桿上移，取出壓塊，移動工件，開始下道工序。
２０
參考文獻
１． 機床夾具設(shè)計手冊
２． 機械制造工藝設(shè)計簡明手冊.
３． 機械制造工藝設(shè)計手冊.
４． 機械制造工藝學(xué).
５． 機床夾具設(shè)計.
６． 機床夾具結(jié)構(gòu)圖冊.
７． 機床夾具零部件圖標.
８． 機床夾具圖冊.
９． 液壓傳動.
１０． 液壓缸.
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， 這是遠優(yōu)于經(jīng)驗之一的。多目標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去。周等人。提出了基于遺傳算法的方法，認為優(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行。 有幾項研究摩擦和碎片考慮進去了。
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)，以達到加工表面在夾緊和切削力下最低程度的變形。一多目標優(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)果多目標優(yōu)化模型對低剛度工件而言是比較單一的目標優(yōu)化方法、經(jīng)驗和方法。
3 多目標優(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)過程的強勁，隨機和啟發(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達到一個預(yù)先定義的價值ncmax ，或有多少幾代氮，到達演化的指定數(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)受到加工負荷時不完全限制夾具。這些解決方案被認為是不可行的，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)被考慮進去。在機床改變幾何數(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 多目標優(yōu)化模型的結(jié)果 表5 各種夾具設(shè)計方案結(jié)果進行比較，
5.6 結(jié)果的比較
從單一目標優(yōu)化和經(jīng)驗設(shè)計中得到的夾具設(shè)計的設(shè)計變量和目標函數(shù)值，如表5所示。單一目標優(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 ％，均勻變形增強了60.4 ％。最高夾緊力的值也減少了49.4 ％ 。從多目標優(yōu)化方法和單目標優(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)計方法是單一目標優(yōu)化方法或經(jīng)驗。此研究結(jié)果表明，多目標優(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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