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机械制造工艺学课程设计夹具

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2020年4月19日
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第一章 产品概述
1.1 变速箱体的功用
变速箱主要指的是汽车的变速箱，它分为手动、自动两种，手动变速箱主要由齿轮和轴组成，经过不同的齿轮组合产生变速变矩；而自动变速箱AT是由液力变扭器、行星齿轮和液压操纵系统组成，经过液力传递和齿轮组合的方式来达到变速变矩。功能为：一、改变传动比；二、在发动机旋转方向不变情况下，使汽车能倒退行驶；三、利用空挡，中断动力传递，以发动机能够起动、怠速，并便于变速器换档或进行动力输出。
变速箱体在整个变速器总成中的主要作用是支撑个传动轴，保证各传动轴之间的中心距及平行度，并保证变速箱部件与发动机的整体安装。变速箱体加工质量的优劣，将直接影响到蜗轮与蜗杆相互位置的准确性及变速箱总成的使用寿命和可靠性。
箱体零件是机器或部件的基础零件，它把有关零件联结成一个整体，使这些零件保持正确的相对位置,彼此能协调地工作。因此，箱体零件的制造精度将直接影响机器或部件的装配质量,加工质量的优劣，将直接影响到轴和齿轮等零件位置的准确性，也为将会影响减速器的寿命和性能进而影响机器的使用性能和寿命.因而箱体一般具有较高的技术要求。
蜗轮蜗杆减速器是一种动力传达机构，利用齿轮的速度转换器，将电机（马达）的回转数减速到所要的回转数，并得到较大转矩的机构。
1.2 变速箱的结构及加工方法
变速器箱体是典型的箱体类零件，其结构和形状复杂，壁薄，外部为了增加其强度加有很多加强筋。有精度较高的多个平面、轴承孔，螺孔等需要加工，因为刚度较差，切削中受热大，易产生震动和变形。
为了便于轴系部件的安装和拆卸，箱体大多做成剖分式，由机座和机盖组成，取轴的中心线所在平面为剖分面。机座与机盖采用普通螺栓联结，用圆锥销定位。
箱体的材料、毛坯种类与减速器的应用场合及生产数量有关。铸造箱体一般采用灰铸铁铸造。铸造箱体的刚性较好，外型美观，易于切削加工，能吸收振动和消除噪声，但重量较重，适合于成批生产。箱体零件的毛坯一般采用铸铁件。因为灰铸铁具有较好的耐磨性，减震性以及良好的铸造性能和切削性能，价格也比较便宜。有时为了减轻重量，用有色金属合金铸造箱体毛坯(如航空发动机上的箱体等)。在单件小批生产中，为了缩短生产周期有时也采用焊接毛坯。
毛坯的铸造方法，取决于生产类型和毛坯尺寸。在单件小批生产中，多采用木模手工造型；在大批量生产中广泛采用金属模机器造型，毛坯的精度较高。箱体上大于30—50mm的孔，一般都铸造出顶孔，以减少加工余量。
变速箱的大批量生产的机加工工艺过程中，其主要加工面有轴承孔系及其端面，平面，螺纹孔，销孔等。因此加工过程中的主要问题是保证的孔的精度及位置精度，处理好孔与平面的相互关系。
1.3 变速箱的特点
由于机器的结构特点和箱体在机器中的不同功用,箱体零件具有多种不同的结构型式，其共同特点是:结构形状复杂，箱壁薄而不均匀，内部呈腔型；有若干精度要求较高的平面和孔系，还有较多的紧固螺纹孔等。
1.4 变速箱的应用范围
在当前用于传递动力与运动的机构中，减速器的应用范围相当广泛。几乎在各式机械的传动系统中都能够见到它的踪迹，从交通工具的船舶、汽车、机车，建筑用的重型机具，机械工业所用的加工机具及自动化生产设备，到日常生活中常见的家电，钟表等等.其应用从大动力的传输工作，到小负荷，精确的角度传输都能够见到减速机的应用，且在工业应用上，减速机具有减速及增加转矩功能。因此广泛应用在速度与扭矩的转换设备。
第二章 图纸技术要求分析
2.1 分析图纸可知主要技术要求有：
（1）蜗轮蜗杆两轴承孔的圆柱度误差为0.012mm，为7级精度要求；两轴线的垂直度误差为0.19mm，为9级精度要求；两内孔表面粗糙度均为Ra3.2，因此，综合考虑几项公差要求，轴承孔精度等级为7级。
（2）箱体结合面的平面度误差为0.025mm，表面粗糙度为Ra1.6。
（3）两轴承孔端面对相应轴线的垂直度误差为0.1mm，表面粗糙度为Ra3.2。
（4）蜗轮轴承孔轴线处于结合面内其允许的位置度误差为0.60mm。
（5）两轴承孔均采用基孔制，公差代号H7；;
（6）箱体材料为HT200，铸件人工时效处理；
2.2 图纸的错误及修改：
主视图与左视图中进油孔位置不符且标注错误，应把左视图中进油孔标注的15改为35且把位置调整至与主视图一致。
机盖结合面中连接螺栓孔标注错误，8×17应为4×17。
机座俯视图的蜗杆轴承孔未表示清楚。另外还有一些掉线问题。
为运转正常蜗轮蜗杆两轴线垂直度要求应该保证较高。而设计精度为9级精度，不太合理。
第三章 计算生产纲领确定生产类型
年产量Q＝1000（件/年），该零件在每台产品中的数量n=1（件/台），废品率α＝3％，备品率β＝6％，属于中型零件。
由公式N＝Q×n（1＋α＋β）得：
N＝1000×1×（1＋3％＋6％）=1090
查表（《机制工艺生产实习及课程设计》中表6－1）确定的生产类型为大量生产。
第四章 材料、毛坯制造方法的选择及毛坯图
常见毛坯种类有：铸件、锻件、焊件、冲压件、各种型材和工程塑料件等。在确定毛坯时，一般要综合考虑零件的材料及机械性能、零件的结构形状和外形尺寸、生产类型、现有生产能力等。
减速器箱体零件的毛坯一般采用铸铁件，灰铸铁具有较好的耐磨性，减震性以及良好的铸造性能和切削性能，价格也比较便宜，而且该减速器箱体壁厚较薄，因此设计中选择的是灰铁中的HT200。
毛坯的铸造方法采用砂型铸造机器造型，箱体上大于30~50mm的孔，一般都铸造出底孔,以减少加工余量。若无此材料而且当载荷较大时，可用HT30~54，HT35~61高强铸铁或者QT400-15等材料。
毛坯铸造时，应防止沙眼、气孔、缩孔、非金属夹杂物等缺陷出现，特别是主要加工面要求更高，因此正确选择毛坯的分型面，合理确定浇口、冒口等具有重要作用，毛坯分型面选择如下：
（1）箱盖：以结合面作为分型面，将两吊耳做成活块，这时拔模简单。箱体结合面为重要表面，为了保证铸造质量，浇注时须将结合面朝下，由于壁厚较薄，需开多个横浇道。
（2）箱座：选用Φ130mm蜗杆轴承孔对称面作为分型面，为了保证重要表面结合面的铸造质量，结合面浇注时需朝下，因此需左右箱造型，箱体内空腔采用的型芯水平放置，因此需用较大的型芯，保证稳定性，吊耳、放油孔处用活块造型。
毛坯分型面选择及拔模如下：
上箱盖

下箱座

为了保证结合面和轴承孔的精度，使用结合面作为分型面。内腔中的四个凸台已经箱体外表面不易拔模的突起部分使用活块铸型。

箱盖零件毛坯图

箱座零件毛坯图

第五章 定位基面的选择及分析
定位基准有粗基准和精基准之分，一般先确定精基准，然后确定粗基准。
5.1 精基准的选择
根据大批大量生产的减速器箱体一般以底面和两定位销孔为精基准，机盖则以结合面作为精基准。因此前工序需加工好底面和两定位工艺孔，选择地脚螺栓孔为工艺孔，需要进行钻铰加工，在一次安装下，能够加工除定位面以外的所有五个面上的孔或平面，也能够作为从粗加工到精加工的大部分工序的定位基准，实现“基准统一”；另外，这种定位基准的选择夹紧方便，工件的夹紧变形小；易于实现自动定位和自动夹紧，且不存在基准不重合误差。
5.2粗基准的选择
加工的第一个平面是机盖和机座的上下表面，由于分离式箱体蜗轮轴承孔的毛坯孔分布在机盖和机座两个不同部分，蜗杆轴承孔虽然在基座上，但与蜗轮轴承孔有垂直度要求，应与蜗轮轴承孔一起加工。因而在加工机盖和机座的上下表面时，我们采用箱体上的结合面作为粗基准。 这样粗基准和精基准“互为基准”的原则下统一，能够保证结合面的平行度，减少箱体装合时对合面的变形。
第六章 加工工作量及工艺手段组合
本减速器箱体的主要加工部位有：两个轴承孔、机盖和基座的结合面、两个轴承孔端面、底平面、窥视孔端面、螺栓孔、螺纹孔，放油孔等。
查手册并根据加工手段、精度等级要求，计算确定粗糙度、各个工序尺寸及偏差：
（1）机座底面
① 加工程序： 铣
② 查表定工序余量：粗铣 3
③ 定工序公差： 毛坯（） 粗铣（）
④ 计算工序尺寸，查出各加工方法的粗糙度。粗铣（）Ra12.5 ~6.3，毛坯（）
（2）机座结合面
① 加工程序： 粗铣—半精铣—精铣
② 查表定工序余量：粗铣 3，半精铣 1.6，精铣 0.4
③ 定工序公差： 毛坯（），粗铣（），半精铣（），精铣（）
④ 计算工序尺寸，查出各加工方法的粗糙度。精铣（）Ra3.2 ~0.8，半精铣（）Ra6.3 ~3.2，粗铣（）Ra12.5 ~6.3，毛坯（）
（3）机盖窥视孔端面
① 加工程序： 铣
② 查表定工序余量：铣 3
③ 定工序公差： 毛坯（） 粗铣（）
④ 计算工序尺寸，查出各加工方法的粗糙度。粗铣 （）Ra 12.5 ~6.3，毛坯（）
（4）机盖结合面
① 加工程序： 粗铣—半精铣—精铣
② 查表定工序余量：粗铣 3，半精铣 1.6，精铣 0.4
③ 定工序公差： 毛坯（） ,粗铣（），半精铣() , 精铣()
④ 计算工序尺寸，查出各加工方法的粗糙度。精铣 （）Ra3.2 ~0.8，半精铣（）Ra6.3 ~3.2 ，粗铣 （）Ra12.5 ~6.3，毛坯（）
（5）蜗轮轴承孔端面
① 加工程序： 粗铣—半精铣—精铣
② 查表定工序余量：粗铣 3 半精铣 1.7 精铣 0.3
③ 定工序公差： 毛坯()，粗铣()，半精铣()，精铣()
④ 计算工序尺寸，查出各加工方法的粗糙度。精铣（）Ra3.2 ~0.8， 半精铣（）Ra6.3 ~3.2，粗铣 （）Ra12.5 ~6.3，毛坯（）
（6）蜗轮轴承孔
① 加工程序： 粗镗—半精镗—精镗—金钢镗
② 查表定工序余量：粗镗 3，半精镗 1.5，精镗 0.4，金钢镗 0.1
③ 定工序公差： 毛坯() 粗镗() 半精镗（） 精镗（） 金钢镗（）
④ 计算工序尺寸，查出各加工方法的粗糙度。金钢镗（）Ra0.8 ~0.2，精镗（）Ra3.2 ~1.6，半精镗 （）Ra6.3 ~3.2，粗镗（）Ra12.5 ~6.3， 毛坯（）
（7）蜗杆轴承孔端面
① 加工程序： 粗铣—半精铣—精铣
② 查表定工序余量：粗铣 3 半精铣 1.6 精铣 0.4
③ 定工序公差： 毛坯（），粗铣（），半精铣（），精铣（）
④ 计算工序尺寸，查出各加工方法的粗糙度。精铣（）Ra3.2 ~0.8 半精铣（）Ra6.3 ~3.2 粗铣 （）Ra12.5 ~6.3，毛坯（）
（8）蜗杆轴承孔
① 加工程序： 粗镗—半精镗—精镗—金钢镗
② 查表定工序余量：粗镗 3 半精镗 1.5 精镗 0.4 金钢镗 0.1
③ 定工序公差： 毛坯() ， 粗镗( )，半精镗（），精镗（），金钢镗（）
④ 计算工序尺寸，查出各加工方法的粗糙度。金钢镗（）Ra0.8 ~0.2 精镗（）Ra3.2 ~1.6 半精镗 （）Ra6.3 ~3.2 粗镗（）Ra12.5 ~6.3，毛坯（）
（9）机座凸台的连接螺钉孔（4个）
①查表定工序余量 ：钻孔1434 攻螺纹M1626
②定工序公差： 钻孔（）
（10）连接螺栓孔（4个）
①查表定工序余量：钻通孔17 锪沉头孔35h
②定工序公差： 钻通孔（） 锪沉头孔（）
（11）地脚螺栓孔（4个）
①查表定工序余量 ：钻通孔24 锪沉头孔48h
②定工序公差： 钻通孔（） 锪沉头孔（）
（12）蜗轮轴承孔端面连接螺钉（12个）
①查表定工序余量 ：钻孔10.230 攻螺纹M1224
②定工序公差： 钻孔（）
（13）蜗杆轴承孔端面连接螺钉（12个）
①查表定工序余量：钻孔10.230 攻螺纹M1224
②定工序公差： 钻孔（）
（14）进油口（2个）
①查表定工序余量 ：钻通孔14 锪沉头孔269 攻螺纹M16
②定工序公差： 钻通孔（） 锪沉头孔（）
（15）出油口（1个）
①查表定工序余量 ：钻通孔17.4 锪沉头孔3811 攻螺纹M20
②定工序公差： 钻通孔（） 锪沉头孔（）
（16）起盖螺钉孔（1个）
①查表定工序余量：钻通孔14 攻螺纹M16
②定工序公差： 钻通孔（）
（17）窥视孔端面连接螺栓孔（6个）
①查表定工序余量：钻孔5 攻螺纹M6
②定工序公差： 钻孔（）
（18）机盖连接螺栓孔（4个）
①查表定工序余量：钻通孔17 锪沉头孔35h
②定工序公差： 钻通孔（） 锪沉头孔（）
（19）机盖凸台螺钉孔（4个）
①查表定工序余量：钻通孔18 锪沉头孔359
②定工序公差： 钻通孔（） 锪沉头孔（）
第七章 划分加工阶段，大致工艺过程
在拟定工艺过程的时候应考虑，先面后孔，先粗后精，工序适当等原则。整个加工过程分为两个大的阶段，先对机盖和机座分别进行加工，而后再对装配好的整体进行加工。第一阶段主要完成结合面以及与合箱无关的部位的加工，为箱体的装合做准备；第二阶段为在装合好的箱体上加工轴承孔及其端面和机座螺栓连接孔。在两个阶段之间应安排钳工工序，将盖与底座合成箱体，并用二个锥销定位，使其保持一定的位置关系，以保证轴承孔和螺栓连接孔的加工精度和撤装后的重复精度。
7.1机座
工序号
工序内容
定位基准
设备
1
铸造、清砂

2
人工时效

3
喷漆防锈

4
粗铣机座底面
机座结合面
立式升降台铣床X53K
5
粗铣机座结合面
机座底面
立式升降台铣床X53K
6
半精铣、精铣机座结合面
机座底面
立式升降台铣床X53K
7
钻4×24地脚螺栓孔，锪沉孔，精铰对角线工艺孔
机座结合面
立式钻床2518
8
钻M16、M20油孔，攻丝
机座底面、两工艺孔
摇臂钻床23046×16
9
铣回油沟
机座底面、两工艺孔
立式升降台铣床X62W
10
清洗，去毛刺

钳工台
7.2 机盖
工序号
工序内容
定位基准
设备
1
铸造、清砂

2
人工时效

3
喷漆防锈

4
粗铣窥视孔端面
机盖结合面
立式铣床X52K
5
粗铣结合面
窥视孔端面
立式升降台铣床X53K
6
半精铣、精铣结合面
窥视孔端面
立式铣床X52K
7
钻M16起盖螺钉孔，攻丝
机盖结合面、凸台侧面
立式钻床Z3025B
8
钻6×M6窥视孔盖螺钉连接孔，攻丝
机盖结合面、凸台侧面
立式钻床Z3025B
9
清洗，去毛刺

钳工台
7.3 合箱
工序号
工序内容
定位基准
设备
1
合箱
机座、机盖凸缘边

2
钻铰2×10锥销孔
底面、两工艺销孔
立式钻床Z3025B
3
粗铣两轴承孔端面
底面、两工艺销孔
卧式升降台铣床XQ6135
4
半精铣、精铣两轴承孔端面
底面、两工艺销孔
卧式升降台铣床XQ6135
5
粗镗两轴承孔
底面、两工艺销孔
卧式镗床T618
6
半精镗、精镗两轴承孔
底面、两工艺销孔
卧式镗床T618
7
金钢镗两轴承孔
底面、两工艺销孔
卧式镗床T618
8
钻凸台4×18孔，锪沉头
底面、两工艺销孔
立式钻床Z518
9
钻结合面4×17孔，机盖和机座都锪沉头
底面、两工艺销孔
立式钻床Z518
10
钻轴承孔端面24×M12螺纹孔，攻丝
底面、两工艺销孔
立式钻床Z3025B
11
拆箱、清洗、打标记、检验

钳工台

第八章 重要工序的工序卡片
钻进油口的夹具设计与计算

8.1夹具设计应遵循的原则：
夹具设计应遵循“实现同等功能的前提下，机构简单者为最优”的设计理念。
机床夹具设计是培养学生实践能力的重要环节之一。它是我们完成所学全部课程，并进行了生产实习，做过课程设计，及与一系列教学环节的基础上进行的，它要求我们全面综合地运用所学课程的理论和实践知识进行零件加工。同时夹具设计应该遵循以下设计原则：
用夹具固定产品及工具 以固定用台钳及夹持具等来固定产品及工具，以解放人手从而进行双手作业
.使用专用工具
生产线中所用工装应最适合该产品及人工操作的专用工具以提高生产效率
合并二种工装为一种
减少工具的更换麻烦，以减少转拉的工时消耗，提高工作效率。
提高工具设计便利性减少疲劳
⑴ 具手柄方便抓握
⑵ 作业工具与人体动作相协调
⑶ 工装夹具的操作应以IE的方法进行评估
机械操作动作作相对安定而且操作流程化
⑴ 作位置应相近集中
⑵ 让机械尽量减少或脱离人的监控和辅助
⑶ 开关位置与下工序兼顾
⑷ 工件自动脱落
⑸ 安全第一
8.2钻削力的计算
a.机床的选择
机床的选择原则
机床尺寸规格和工件的形状尺寸应相适应
机床精度等级与本工序加工要求应相适应
机床电动机功率与本工序加工所需功率应相适应
机床自动化程度和生产效率与生产类型应相适应
由于是钻进油口，查《工艺人员手册》表可知选择机床为：摇臂钻床Z3040×16,最大钻孔直径为40mm，电动机功率为：3KW，实物照片如下。

b.钻头选择
刀具的选择主要取决于所采用的加工方法，工件材料，加工尺寸，精度和表面粗糙度的要求，生产率要求和加工经济性等。应尽量采用标准刀具，在大批量生产中应采用搞生产率的复合刀具。
钻头材料选择为高速钢W18Cr4V，钻头规格为14的直柄麻花钻。
b.钻削速度及钻削功率的计算
钻头材料为高速钢W18Cr4V，钻孔>0.2，=16~24m/min，查表得T=100，D=14mm，s=0.2~0.4，取s=0.3，HB=200，
则
转速
扭矩，
轴向力
功率

8.3 机动时间的计算及工序时间定额的确定
本道工序中共需加工的孔为M16的进油口，
公式=，，（其中s为每钻进给量，n为转速）
查表得=6mm, =3mm,孔深为L=15mm则
=min，=0.50.16=0.08min

8.4 定位方式的选择
本工序一面两销的完全定位的方式
共限制6个方向的自由度
a. 两销的计算与选择

① 确定两定位销中心矩尺寸LX及其公差
LX=Lg，=(～)， Lg—工件中心距，—工作中心距公差
因此LX=Lg=412.3，==×0.17=0.0425（计算工件中心距=412.3，取其上下偏差为±0.085）
② 确定圆定位销直径d1及其公差
d1=D1=24，D1—基准孔最小直径
按g6选取，=0.013,即尺寸为
③ 削边销宽度b和B
b=5，B= D2－3=24－3=21
④ 削边销与基准孔的最小配合间隙
===0.08
D2—基准孔最小直径；—圆柱销与基准孔的配合间隙
⑤ 削边销的直径d2
d2= D2－=24－0.08，
公差按h6选取，上偏差为0，下偏差为-0.013，即尺寸为
⑥计算定位误差
由于两孔定位有旋转角度误差,使加工尺寸产生定位误差和，应考虑较大值对加工尺寸的影响。两个方向上的偏转其值相同。因此，只对一个方向偏转误差进行计算。

==0.0000315mm
因此=0.0018°
由于转角误差很小，不计工件左右端面的旋转对定位误差的影响，较大的定位误差尚小于工件公差的三分之一,此方案可取。
销的选择为一个为固定式定位销A-21，一个为固定式定位销B-23。
b.“一面”——支承块的选择

8.4 加紧机构的设计
a.夹具原理图
考虑到是流水线作业，工件进出工作台的方向为沿输入轴轴线的方向，因此夹具不能与工件进出方向干涉，因此将夹具布置在输出轴承孔端面的两侧，而且夹具打开后不会工件。夹具原理图如图所示。

其中，
夹紧储备角
计算夹紧角
开始状态杆臂倾斜角
Sc夹紧端的储备行程
受力点的储备行程
空行程
工件公差
系统变形量，0.05~0.15
L杠杆两点铰链间距离
Ia增力比
杠杆铰链的摩擦角
d铰链直径
D滚子直径
滚子表面摩擦因素
滚子支撑面的摩擦因素
l导向孔中心至铰链中心的距离
h导向孔长度
x0气缸行程

b.气缸的选用
分析受力知，
，其中，f取0.15，P=334N
计算得钻削的夹紧力=1607N
在原理图中，有杠杆原理有
，得W= = N
取=，L=140mm
则，Sc=L（1-cos）=2.43mm
=0.36+0.057=0.417，取=0.1
=arccos

其中，f为0.1~0.15
，=0.12
，
，
Q=
选取气缸为双活塞双作用缸，有理论力学知识知，

其中a=b=60，=252N
则=252N
，其中=0.9Mp，=0.8~0.9，取0.8
得D==25mm
根据标准，取缸径为25mm，行程为40mm的双作用双活塞气缸
则D=25mm，d=0.250.3=7.5，取d=8mm
实物照片及外形尺寸图如下：

c. 夹具效果图如图所示

实习总结
几个星期以来的课程设计实践，让我们不断探索研究机械加工及设计的具体理论与方法，再结合老师耐心指导，使我们逐渐了解运用一系列的可操作的机械设计的方法。我们从生活中区体会机械设计的无处不在，同时在该过程中发现机械设计中的种种不足之处，我们根据所学知识与实际生活相结合。在开始的设计中，虽然有很好的想法，可是要把它实践与书面理论相结合还是有困难的，于是我们咨询老师请求帮助，在老师的建议指导下我们一步步从简单开始，在我们慢慢探索中，我们辛苦并愉快的实现我们的设计。为得出大概实物图，我们运用了solid works、autoCAD等设计软件，从中我们也复习了以前的功课，让我们受益匪浅。这次设计让我们自己动脑动手，从理论到实践，一步步经过与老师，与同学相互沟通，相互帮助，综合大家的智慧得到最好的方案。我们学到的远比书本上的多得多，相信这些经历会在以后的生活中给我们更多的帮助。
我们将设计主要分为两大部分进行：工艺编制部分和夹具设计部分。
在工艺部分中，我们涉及到要确定各工序的安装工位和该工序需要的工步，加工该工序的机车及机床的进给量，切削深度，主轴转速和切削速度，该工序的夹具，刀具及量具，还有走刀次数和走刀长度，最后计算该工序的基本时间，辅助时间和工作地服务时间。其中，工序机床的进给量，主轴转速和切削速度需要计算并查手册确定。
在夹具设计部分，首先需要对工件的定位基准进行确定，然后选择定位元件及工件的夹紧，在对工件夹紧的选择上，我用了两种不同的夹紧方法，即：粗铣下平面用的是螺钉压板夹紧机构，粗铣前后端面时用的是气动夹紧机构，两种方法在生产中都有各自的优点和不足，但都广泛运用在生产中。然后计算铣削力以及夹紧工件需要的夹紧力，这也是该设计中的重点和难点。

参考文献

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