开题报告及外文翻译---壳体零件的加工工艺规程及夹具设计

毕业设计开题报告（含文献综述、外文翻译）

题目壳体零件的加工工艺规程

及夹具设计

开题报告

1. 选题的背景和意义

1.1选题的背景

研究协会的统计表明，目前中、小批多品种生产的工件品种已占工件种类总数的85％左右。现代生产要求企业所制造的产品品种经常更新换代，以适应市场的需求与竞争。然而，一般企业都仍习惯于大量采用传统的专用夹具，一般在具有中等生产能力的工厂，里约拥有数千甚至近万套专用夹具；另一方面，在多品种生产的企业中，每隔3~4年就要更新50~80％左右专用夹具，而夹具的实际磨损量仅为10~20％左右。

1.2选题意义

对夹具创新设计的研究，对国内机械制造有着重要意义：

（1）保证加工精度

采用夹具安装，可以准确地确定工件与机床、刀具之间的相互位置，工件的位置精度由夹具保证，不受工人技术水平的影响，其加工精度高而且稳定。

（2）提高生产率、降低成本

用夹具装夹工件，无需找正便能使工件迅速地定位和夹紧，显著地减少了辅助工时；用夹具装夹工件提高了工件的刚性，因此可加大切削用量；可以使用多件、多工位夹具装夹工件，并采用高效夹紧机构，这些因素均有利于提高劳动生产率。另外，采用夹具后，产品质量稳定，废品率下降，可以安排技术等级较低的工人，明显地降低了生产成本。

（3）扩大机床的工艺范围

使用专用夹具可以改变原机床的用途和扩大机床的使用范围，实现一机多能。例如，在车床或摇臂钻床上安装镗模夹具后，就可以对箱体孔系进行镗削加工；通过专用夹具还可将车床改为拉床使用，以充分发挥通用机床的作用。

（4）减轻工人的劳动强度

用夹具装夹工件方便、快速，当采用气动、液压等夹紧装置时，可减轻工人的劳动强度。

2．设计内容

2.1 主要设计内容

1）完成壳体零件的三维造型

2）完成壳体零件的工艺规程及工序卡片

3）完成壳体上一副钻夹具的设计任务

4）完成壳体上一副铣夹具的设计任务

5）完成夹具全部零件的三维造型及装配

2.2 拟解决的关键问题

（1）对于壳体零件的定位基准不好选择。

定位基准通常应优先考虑产品设计时的设计基准，并且尽可能的选择加

工面做基准，不采用过多的毛坯面定位。

（2）完成零件工艺卡片时，所需采用的机床型号不好选择。

可以查找机械加工手册。

（3）机床夹具设计精度难以把握。

可以用综合分析公式计算出来。

3．设计的方法及措施

3.1 可行性分析

设计专用壳体夹具，可以保证加工精度，提高工作效率，减低劳动强度，全面提高经济效益，最大程度的减少人力损耗。各种创新夹具的设计，既能节省材料，又能节省时间，提高劳动生产率，促进社会和谐发展。

由于铣削加工切削用量及切削力较大，又是多刃断续切削，加工时易产生振动，因此设计铣床夹具时应注意：夹紧力要足够且反行程自锁；夹具的安装要准

确可靠，即安装及加工时要正确使用定向键、对刀装置；夹具体要有足够的刚度和稳定性，结构要合理。

对于钻夹具，钻套安装在钻模板或夹具体上，用来确定工件上加工孔的位置，引导刀具进行加工，提高加工过程中工艺系统的刚性并防振。钻模板用于安装钻套，确保钻套在钻模上的正确位置，钻模板多装在夹具体或支架上。

3.2 方法及措施

1）题目所给的零件是壳体，所以对密封性要求较高。零件材料是HT200。零件年产量是小批量生产，而且零件的加工尺寸不大，在考虑提高生产率，保证加工精度后可采用铸造成型。零件形状并不复杂，因此形状毛坯可与零件形状尽量接近。由技术要求可知该零件是铸件，参考机床夹具设计手册可知，根据铸件制造方法，采用金属型铸造经济精度最好。还可用proe软件画出该零件的三维造型图进行综合分析。

2）壳体加工工序前后一般都穿插有其它普通的加工工序，如衔接的不好就容易产生矛盾。因此在熟悉整个加工工艺内容的同时，要清楚壳体加工工序与普通零件加工工序各自的技术要求、加工目的、加工特点，从而保证质量目标及综合以上原则。

3）为了提高劳动生产率，保证加工质量，降低劳动强度，需要设计专门的铣夹具和钻夹具。设计夹具时，首先要确定工件的定位方式及定位元件的结构；其次要确定工件的夹紧方式，选择合适的夹紧机构；再者要确定刀具的对刀、导向方式，选择对刀、导向元件。

4．预期设计成果

壳体零件的三维造型，艺及工序过程卡，一副钻夹具装配图，一副铣夹具装配图，全部零件的三维造型图及装配图。

5．设计工作进度计划

第7学期第7周—第16周收集资料，撰写开题报告、文献综述、外文翻译

第17周—第20周完成零件三维造型及图纸转化，确定工艺总体方

案

第8学期第1周—第2周完成工艺规程设计

第3周—第4周完成第一套夹具的设计及该部分设计说明

第5周—第6周完成第二套夹具的设计及该部分设计说明

第7周完成两套夹具的三维造型及装配，完成说明书

第8周审查

第9周准备答辩材料，答辩

数控机床夹具的发展趋势

1.国内外研究历史和现状

1.2 国内机床夹具发展历史

我国国内的夹具始于20世纪60年代，当时建立了面向机械行业的天津组合夹具厂，和面向航空工业的保定向阳机械厂，以后又建立了数个生产组合夹具元件的工厂。在当时曾达到全国年产组合夹具元件800万件的水平。20世纪80年代以后，两厂又各自独立开发了适合NC机床、加工中心的孔系组合夹具系统，不仅满足了我国国内的需求，还出口到美国等国家。当前我国每年尚需进口不少NC机床、加工中心，而由国外配套孔系夹具，价格非常昂贵，现大都由国内配套，节约了大量外汇。

1.2国外机床夹具发展历史

从国际上看俄国、德国和美国是组合夹具的主要生产国。当前国际上的夹具企业均为中小企业，专用夹具、可调整夹具主要接受本地区和国内订货，而通用性强的组合夹具已逐步成熟为国际贸易中的一个品种。有关夹具和组合夹具的产值和贸易额尚缺乏统计资料，但欧美市场上一套用于加工中心的夹具，通常为机床价格的1110﹩到1115﹩，而组合夹具的大型基础件尤其昂贵。由于我国在组合夹具技术上有历史的积累和性能价格比的优势，随着我国加入WTO和制造业全球一体化的趋势，特别是电子商务的日益发展，其中蕴藏着很大的商机，具有进一步扩大出口良好前景。

1.3 国内外机床夹具发展现状

国际生产研究协会的统计表明，目前中、小批多品种生产的工件品种已占工件种类总数的85％左右。现代生产要求企业所制造的产品品种经常更新换代，以适应市场的需求与竞争。然而，一般企业都仍习惯于大量采用传统的专用夹具，一般在具有中等生产能力的工厂，里约拥有数千甚至近万套专用夹具；另一方面，在多品种生产的企业中，每隔3~4年就要更新50~80％左右专用夹具，而夹具的实

际磨损量仅为10~20％左右。特别是近年来，数控机床、加工中心、成组技术、柔性制造系统（FMS）等新加工技术的应用，对机床夹具提出了如下新的要求：（1）能迅速而方便地装备新产品的投产，以缩短生产准备周期，降低生产成本；

（2）能装夹一组具有相似性特征的工件；

（3）能适用于精密加工的高精度机床夹具；

（4）能适用于各种现代化制造技术的新型机床夹具；

（5）采用以液压站等为动力源的高效夹紧装置，以进一步减轻劳动强度和提高劳动生产率；

（6）提高机床夹具的标准化程度。

2．研究方向

现代机床夹具的发展方向主要表现为标准化、精密化、高效化和柔性化等四个方面。

2.1标准化

机床夹具的标准化与通用化是相互联系的两个方面。目前我国已有夹具零件及部件的国家标准：GB/T2148~T2259－91以及各类通用夹具、组合夹具标准等。机床夹具的标准化，有利于夹具的商品化生产，有利于缩短生产准备周期，降低生产总成本。

2.2精密化

随着机械产品精度的日益提高，势必相应提高了对夹具的精度要求。精密化夹具的结构类型很多，例如用于精密分度的多齿盘，其分度精度可达±0.1"；用于精密车削的高精度三爪自定心卡盘，其定心精度为5μm。

2.3高效化

高效化夹具主要用来减少工件加工的基本时间和辅助时间，以提高劳动生产率，减轻工人的劳动强度。

3．研究趋势

夹具是机械加工不可缺少部件，机床技术向高速、高效、精密、复合、智能、环保方向发展带动下，夹具技术正朝着高精、高效、模块、组合、通用、经济方向研究。

3.1高精化

高精机床加工精度提高，降低定位误差，提高加工精度对夹具制造精度要求更高高精度夹具定位孔距精度高达±5μm，夹具支承面垂直度达到

0.01mm/300mm，平行度高达0.01mm/500mm。德国demmeler（戴美乐）公司制造4m长、2m宽孔系列组合焊接夹具平台，其等高误差为±0.03mm；精密平口钳平行度和垂直度5μm以内；夹具重复安装定位精度高达±5μm；瑞士EROWA柔性夹具重复定位精度高达2～5μm。机床夹具精度已提高到微米级，世界知名夹具制造公司都是精密机械制造企业。诚然，适应不同行业需求和经济性，夹具有不同型号，以及不同档次精度标准供选择。

3.2高效化

提高机床生产效率，双面、四面和多件装夹夹具产品越来越多。减少工件安装时间，各种自动定心夹紧、精密平口钳、杠杆夹紧、凸轮夹紧、气动和液压夹紧等，快速夹紧功能部件不断推陈出新。新型电控永磁夹具，加紧和松开工件只用1～2秒，夹具结构简化，为机床进行多工位、多面和多件加工创造了条件。缩短机床上安装与调整夹具时间，瑞典3R夹具仅用1分钟，即可完成线切割机床夹具安装与校正。采用美国Jergens（杰金斯）公司球锁装夹系统，1分钟内就能将夹具定位和锁紧机床工作台上，球锁装夹系统用于柔性生产线上更换夹具，起到缩短停机时间，提高生产效率作用。

3.3模块、组合化

夹具元件模块化是实现组合化基础。利用模块化设计系列化、标准化夹具元件，快速组装成各种夹具，已成为夹具技术开发基点。省工、省时，节材、节能，体现各种先进夹具系统创新之中。模块化设计为夹具计算机辅助设计与组装打下基

础，应用CAD技术，可建立元件库、典型夹具库、标准和用户使用档案库，进行夹具优化设计，为用户三维实体组装夹具。模拟仿真刀具切削过程，既能为用户提供正确、合理夹具与元件配套方案，又能积累使用经验，了解市场需求，不断改进和完善夹具系统。组合夹具分会与华中科技大学合作，正着手创建夹具专业技术网站，为夹具行业提供信息交流、夹具产品咨询与开发公共平台，争取实现夹具设计与服务通用化、远程信息化和经营电子商务化。

3.4通用、经济化

夹具通用性直接影响其经济性。采用模块、组合式夹具系统，一次性投资比较大，夹具系统可重组性、可重构性及可扩展性功能强，应用范围广，通用性好，夹具利用率高，收回投资快，才能体现出经济性好。德国demmeler（戴美乐）公司孔系列组合焊接夹具，仅用品种、规格很少配套元件，即能组装成多种多样焊接夹具。元件功能强，使夹具通用性好，元件少而精，配套费用低，经济实用才有推广应用价值。

4．结束语

机械工业是国民经济的支柱产业，现代机械制造技术是机械工业赖以生存和发展的重要保证。机械制造工艺是制造机械产品的技巧、方法和程序。机械制造中，需要加工顺序、装配工序及检验工序等，使用大量的夹具，可以提高劳动生产率，提高加工精度，减少废品，可以扩大机床的工艺范围，改善操作的劳动条件。因此，夹具是机械制造的一项重要工艺设备。

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外文翻译

译文题目一种自动化夹具设计方法

原稿题目A Clamping Design Approach for Automated Fixture Design

原稿出处Int J Adv Manuf Technol (2001) 18:784–789

一种自动化夹具设计方法

塞西尔

美国，拉斯克鲁塞斯，新墨西哥州立大学，，工业工程系，虚拟企业工程实验室（VEEL）在这片论文里，描述了一种新的计算机辅助夹具设计方法。对于一个给定的工件，这种夹具设计方法包含了识别加紧表面和夹紧位置点。通过使用一种定位设计方法去夹紧和支撑工件，并且当机器正在运行的时候，可以根据刀具来正确定位工件。该论文还给出了自动化夹具设计的详细步骤。几何推理技术被用来确定可行的夹紧面和位置。要识别所完成工件和定位点就还需要一些输入量包括CAD模型的技术要求、特征。

关键词：夹紧；夹具设计

1.动机和目标

夹具设计是连接设计与制造间的一项重要任务。自动化夹具设计和计算机辅助夹具设计开发（夹具CAD）是下一代制造系统成功实现目标的关键。在这片论文里，讨论了一种夹具设计的方法，这种方法有利于在目前环境下夹具设计的自动化。

夹具设计方法的研究已成为国内多家科研工作的重点。作者：周在[1]中对工件的稳定和总需求约束了双重标准，突出重点的工作。在夹具设计中广泛的运用了人工智能（AI）以及专家系统。部分CAD模型几何信息也被用于夹具设计。Bidanda [4]描述了一个基于规则的专家系统，以确定回转体零件的定位和夹紧。夹紧机制同时用于执行定位和夹紧功能。其他研究者（如DeV or等，[5,6]）分析了切削力钻井机械和建筑模型及其他金属切削加工。康有为等在[2]中定义了装配约束建模的模块化与夹具元件之间的空间关系。一些研究人员采用模块化夹具设计原则，用以生成[2,7-11]，另一些夹具设计工作者已经报告了[1,3,9,12-23]。可以在[21,24]中找到夹具设计相关的大量的审查工作。

在第二节中，对夹具设计任务中各种步骤进行了概述。在第3节和第四节中描述了工件的加工过程，要夹紧工件表面，否则将面临工件的全面自动测定。第5节讨论了对工件的夹紧点的测定。

2.夹具设计的整体方法

在本节中，描述了整体夹紧的设计方法。通常对较理想的位置的那一部分进行夹紧，并减低切削力的影响。夹紧的位置和夹具设计中定位的位置是高度相关的。通常，夹紧和定位可以通过同样的方法来完成。但是，不明白这两个是夹具设计中不同的方面，可能导致夹具设计的失败。多数人的在规划过程中首先解决定位问题，这样可以使开发的定位与设计的定位相契合。不过，整体定位及设计方法不在本文讨论范文内。

除了零件的设计（为此夹具设计有待开发），公差规格，过程序列，定位点和设计等因素外，还应投入CAD模型到夹具设计方法中。这样的夹具可以夹紧并支撑定位器。指导使用的主要内容应尽量不抵制切割或加工过程和中所涉及的操作。相反，应定位夹具，使切削力在正确的方向，这将有助于保持在一个特定的部分加工操作安全。通过引导对定位器的切割力量，部分（或工件）被固定，固定定位点，因此不能移动的定位器。

在这里讨论的夹具的设计方法必须在整体夹具设计方法的范围内。在此之前进行定位器/支撑和夹具设计的初步阶段，涉及到的分析和识别的功能、相关的公差和其他规范是必要的。根据初步的评估和测定，定位/支撑设计与夹具设计结果的在此基础上可以同时进行。本文对所描述夹具设计的方法讨论基于定位器/支撑设计与先前已经确定的假设（包括适当的定位和支持测定一个工件的定位，以及识别和夹具，如V元素的支持面块，基础板，定位销等）。

（1）夹具设计的输入

输入包括对特定产品的设计翼边模型，公差信息，提取的特征，过程顺序和部分在给定的每一个设计的相关特性的加工方向，面向的位置和定位装置，以及加工过程中的各种工序，须出示每个相应的功能。

（2）夹具设计的方法

图一是自动化夹具设计主要步骤总结图。对这些步骤概述如下：

第1步：设置配置清单以及相关的[进程_功能]条目。

第2步：确定方向和夹紧力。输入必要的加工方向向量mdv1，mdv2……mdvn，

面对nvs的支持力，并确定法向量。如果加工方向向下（对应的方向向量[0，0，-1]），和面的支持向量平行于加工方向，那么，夹紧力方向平行向下加工方向[0，0，-1]。如果必需要侧面夹紧并没有可夹紧的地方，那么在其中放置一个夹具夹紧下调，然后边钳方向计算如下。让sv和tv辅助常规的向量代替次要的和三级定位孔。然后，使用夹紧机构夹紧一个方向，例如，av应平行于这两个法向量，即，正常向量应分别与每块表面的sv和tv向量平行。侧面夹紧面应该是一对分别平行于面sv和tv的平面孔。

第三步：从列表中选出最大有效加工力。这样能够有效的平衡各加工力。

第四步：利用计算出的最高有效加工力，才能确定用来支撑工件加工的面积的夹具尺寸（例如，一个带夹子可以作为一个夹紧机构使用）。

第五步：确定给定工件的夹紧面。这一步在第4步中所述过。

第六步：该夹具的夹紧面的实际位置自动在第5节中确定。考虑接下来的步骤并返回第一步。

3.判断夹具尺寸

在这项工作中所用到的夹具都来自一个系列。夹具的原理与图二相同。在这一节里，描述了一个自动化夹具。锁模力所需的有关螺杆的螺纹装置大小或保存到位钳。夹紧力平衡加工工件使工件保持恰当的位置。让锁模力为W和螺杆直径为D。各种螺丝夹紧力大小，可以按以下方式确定：最初，极限拉伸强度（抗拉强度）和该夹具的材料（供应情况而定）可以从数据检索库检索。各种材料有不同的拉伸强度。该夹具

材料的选择，也可直接采用启发式规则进行。例如，如果部分材料是低碳钢，那么钳材料可低碳钢或机器钢。为了确定设计应力，抗拉强度值应除以安全系数（如4或5）。根区的螺丝格A1（如一个螺丝钳）可以被确定：[锁模力/设计应力]。随后，螺栓截面全面积可以计算为等于{格A1 /（65％），}（因为螺丝的地方可能会发生根切面积约为65％螺栓的总面积）。螺钉的直径D可以被确定等同于（D2的3.14 / 4）。另一项涉及可用于方程有关的宽度B，高度H和跨度的钳L的螺丝直径为D（B，H和L 可以为不同的值计算D）：d2=4/3 BH2/L.

4.判断夹紧表面

确定夹具经常出现的相关参数包括了产品的CAD模型，提取的特征信息，特征尺寸，定位面和定位器的选择。考虑所有潜在的加紧面，如图3。最关键的是夹紧表面不应重叠或与该面相交，如图4所示。夹紧面积是与工件表面（或PCF）接触的是一个二维轮廓线段组成的（见图6）。利用线段相交测试，可以测定在给定的光子晶体光纤的任何范围内是否可能有接触面夹紧面重叠。

夹紧面的确定可以如下所示：

第1步：鉴别平行于二级和三级定位面（lf1和lf2）是分别到lf1和tcj最远的距离的面。如下所示：（一）鉴别面tci,tcj,使面tci和tcj平行lf1和tcj平行lf2。（二）在TCF中列出面对tci的面。（三）通过检查所有TCF中面对tci的面，确定的面对tci和tcj的面是到lf1和lf2分别最远的面，并舍弃所有其他TCF中的面。

第2步：鉴别平行面的位置，除了不相邻的附加面。最好是选择一个不与其他定位面垂直相邻的面。这一步如下所示：

(a) 考虑TCF列表中的tci面，获得与每个tci面垂直或相邻的面然后，在FCF列表中插入每个fci面。

(b) 检查每个FCI面，并执行以下测试：如果FCI是相邻、垂直于lf1或lf2，然后从列表中舍弃它并插入NTCF列表中。

第3步:确定加紧面都在有效的加紧面上，如下所述夹紧面：

例1:如果没有条目在列表NTCF中，就使用TCF中的面并继续执行步骤4。如果任何面发现，垂直于第二，第三位置的面孔lf1和lf2，这将要面临的是下次选择可行

的夹具。在这种情况下，唯一剩下的选择是重新审视在列表NTCF的面。

例2：如果列表中NTCF条目数为1时，可行夹紧面为FCI。与TCI的法向量垂直相邻的相应轴是夹紧轴。

例3：如果在列表NTCF项数大于1，确定最大的TCI加紧面再进行步骤4。

例4：:夹紧力的方向可以是[1，0，0]或[0，1，0]，可以夹紧TCI面的中心位置。在其他几何位置可确定使用零件几何形状和拓扑信息，这在下一节中描述。

5.判断夹紧表面上的夹紧点

确定夹紧面后，必须确定实际夹紧位置。输入夹具侧面积，沿着[x，Y，Z]和潜在的夹紧面CF方向。容下使用CF几何获得夹具侧面积：

第一步是确定一个箱体的大小，这是用来测试它是否包含在它里面的任何部分。相交测试也可以在前面介绍的方法使用。如果相交测试返回一个负的结果，那么有部分箱体与夹具相交，如图4所示。如果相交测试返回一个正的结果，可以执行下列步骤：

1．划分成更小的矩形大小条（1 W）夹框轮廓(图5和图6)。

2．执行指定与功能配置文件出现在CF面的零件设计的相交测试。

3．没有功能相交的条形区域，都是可行夹紧区域。如果有一个以上的长方形候选面，矩形配置文件，向中沿轴夹紧CF面点的是夹紧配置文件（夹点）。

如果没有发现配置文件，夹具宽度可减少一半，夹具数可以增加两个。使用这些修改过的夹具尺寸，执行前面描述的特征相交测试。如果此测试也失败了，那么可以用相邻的面作为夹紧面用于执行端夹紧。这面可以重复进行PCF和功能相交测试。

:

5.1试验曲线的交点

输入需要的二维轮廓P1、P2，使用下列方法可以自动确定该配置文件的交集。每一个输入的资料组成一个封闭环。此配置文件测试的步骤如下：

(T1) 考虑P1线段中的L（i，1）和P2线段中的L（2，j）。

(T2) 采用L（i，1）线段和L（2，j）线段的相交段。如果边缘相交测试返回一个正值，那么特征面和潜在面相交。如果它返回一个负值，继续执行步骤3。

（T3）重复与步骤（T1）相同的部分或者缓慢走过其余P1中的(Li,1)段直到P2中的[(L2, j1) till j n–1]段。

(T4) 其余部分边和P1中的L12、L13到L1n段重复（T1）和（T2）步骤。

如果特征面与夹紧面重复，线相交测试将决定该事件。相交的边可以进行自动检测两个面是否相互交叉。输入所需的边L12{连接(x1, y1) 和(x2, y2)}和L34{连接(x3, y3) 和(x4, y4)}。

L12型方程的可表示为：

F(x,y) =0(1)

L34型方程的可表示为：

H(x,y) =0(2)

. 第一步：使用等式（1）计算R3 F(x3, y3)，用X和Y取代X3和Y3;计算R4 F(x4, y4)，用X和Y取代X4和Y4。

第二步：如果R3和R4都与0不相等，但R3与R4结果相同（R1与R2在相同的一边），则边L12与L34不相交。如果这样不满足条件，那么进行第三步。

第三步：使用等式（2）计算R1 H(x1, y1)。接着，计算R2 G(x2, y2)再进行第四步。

第四步：如果R1与R2都不等于0，且R1与R2的结果相同，那么把R1与R2放在相同的一边并输入不相交。如果，这个也不满足条件，那么进行第五步。

第五步：给定相交线段。这样就完成了测试。考虑如图7所示的一部分样品。将要生产一个盲孔。起初，完成定位设计。定位器的（或主要定位器）是一个基盘（放在F4面）和二级和三级定位器面临F6和F5（对应到定位面lf1和lf2在第4节中讨论）。一个辅助定位器也被使用，这是一个V型块（对F3和F5面辅助定位），如图8所示。在前面讨论的夹具设计方法中所述的步骤的基础上，候选面孔（这是平行的，并在从lf1和lf2最遥远的距离）是面对F3和F5面。没有面孔，这是平行到定位面，但他们不相邻。在这种情况下使用的优先权规则（如步骤3第4步讨论），剩余的候选面面对的是F2面。夹具方向向下的V型块径向定位器和其他与对工件夹紧底面提供所需位置。