叶轮轴零件造型及数控加工工艺设计

I叶轮轴零件造型及数控加工工艺设计摘 要装 备 制 造 业 是 一 国 工 业 之 基 石 ， 随着我国现代制造业的升级和数控技术的不断发展，三轴联动数控加工已经普及。但传统的三轴数控加工不能解决某些复杂零件的加工，因此，需要引入四轴、五轴、车铣复合等多轴联动数控机床加工，而现代社会急需大量掌握现代 CAD/CAM 技术、多轴联动加工工艺设计分析与操作的专业技能人才。本课题研究的叶轮轴零件是典型的多轴联动数控加工。首先通过对零件图的工艺分析，了解零件的工艺结构形式，明确具体的技术要求，从而对零件各组成表面选择合适的加工方法。再拟订较为合理的工艺规程，充分体现质量、生产率和经济性的统一。在整个毕业设计过程中使用 CAD/CAM 技术软件、对零件进行造型及加工工艺分析、工艺路线确定、刀具选择和数学处理等一系列的工作。 本课题在设计的过程当中，深入生产实际，进行调查研究，吸取企业先进技术，制定出了合理的工艺方案。关键词：叶轮轴，造型，加工工艺，工艺路线，工艺规程II目 录1 绪论 .11.1 课题研究背景 .11.2 课题在当今国内外的现状 .21.2.1 多轴数控加工技术的现状 .21.2.2 多轴数控加工的类型 .41.3 课题研究的内容和目的 .52 零件图的工艺设计分析 .72.1 叶轮轴加工图样分析 .72.2 零件图的工艺分析 .82.2.1 读图与审图 .82.2.2 零件图尺寸的标注 .82.2.3 表面质量与精度的分析 .92.3 毛坯的选择 .93 加工准备及工艺文件的编制 .103.1 定位基准的选择 .103.1.1 粗基准的选择 .103.1.2 精基准选择 .103.2 装夹方案的确定 .113.3 机床及工艺装备的选择 .133.3.1 机床的选择 .133.3.2 夹具的选择 .133.4 确定工艺路线 .143.4.1 工序的划分 .143.4.2 工步的划分 .153.4.3 加工阶段的划分 .163.4.4 加工顺序的安排 .173.5 进给路线的确定 .193.6 刀具材料的选择 .193.7 切削用量的选择 .223.7.1 切削深度 ap 的确定 .223.7.2 主轴转速的确定 .233.8 走刀路线的选择 .263.8.1 轴外轮廓部分走刀路线 .273.8.2 轴内轮廓部分走刀路线 .273.8.3 叶片部分走刀路线 .273.9 冷却的选择 .283.10 加工工艺文件制定 .284 叶轮轴造型及叶片的自动编程 .344.1 叶轮轴造型 .344.1 叶轮轴轴套外观造型 .344.1.2 叶片部分造型 .364.1.3 叶轮轴的内部造型 .38III4.2 叶片编程 .404.2.1 设备选择 .414.2.2 工件装夹定位 .414.2.3 刀具选择 .414.2.4 叶片加工方案 .424.2.5 自动编程 .425 程序编写 .446 结论 .49参考文献 .50致谢 .5111 绪论数控加工技术是先进制造技术的基础与核心，数控机床是工厂自动化的基础，数控加工技术的普及将使现代制造技术产生巨大的变革，数控化比重更是一个国家制造业现代化水平的重要标志。数控加工技术的发展直接影响到国民经济制造技术水平的提高，本次毕业设计是为了让我们更清楚地理解怎样确定四轴联动零件的造型及数控加工工艺分析，为我们即将走上工作岗位的毕业生打基础。随着科学技术水平的提高，数控机床将随着工业的发展而快速发展成为机械加工行业不可缺少的重要组成部分，数控机床是一种高精度的自动化设备，是综合应用计算机、自动控制、自动检测及精密机械等高新技术的产物，数控技术在现代制造业的应用已经越来越广泛。随着数控机床的广泛应用与现代企业对零件加工精度要求的提高，对数控技术人才的需求量也越来越大。数控技术的广泛应用给传统的制造业带来了深刻的变化。也给传统的机械，专业人才带来新的机遇和挑战。随着我国综合国力的进一步加强和加入世贸组织。我国经济全面与国际接轨，并逐步成为全球制造中心，我国企业广泛应用现代化数控技术参与国际竞争。数控技术是制造实现自动化，集成化的基础，是提高产品质量，提高劳动生产率不缺可少的手段。作为一名数控专业的学生，对数控技术知识的运用将是一项重要的技能。1.1 课题研究背景数控加工技术一直以来都作为一个国家机械制造业水平衡量的标志之一。近几年来，作为机械加工领域的关键技术，四轴、五轴等多轴联动数控加工技术的研发和应用得到了科研院所、高校和企业的极大关注。国内已有部分公司开发了四轴和五轴联动加工中心，华中数控、广州数控和沈阳飞扬等数家公司也开发了自己的五轴数控系统，因此复杂零件的加工技术由于五轴联动数控加工中心的应用得到了突破的可能。国外在此已经有了成熟的技术应用体系，而国内尚处于发展阶段，应用方面的缺陷已经成为提高复杂关键零件的一个重要问题，直接影响复杂零件的发展。本课题针对叶轮轴复杂零件曲面的若干关键技术（几何建模技术、编程技术、加工技术）进行研究。基于四轴联动数控加2工复杂形状零件在制造加工过程中的各个关键要素得到了研究。旨在研究叶轮轴复杂零件曲面的制造技术在四轴联动数控加工中的应用，为推广多轴数控加工技术的研究和应用提供技术的支持。本课题来源于 10 年全国数控技能竞赛题目风力驱动器。技能竞赛也是今后教育厅要求学生技能和能力培养的一个重要的方向，增强学生制定零件机械加工工艺规程和分析工艺问题上的能力。同时也增加我们对于解决工艺问题和加工技术难点的能力也大大的提升。我们选择风力驱动器叶轮轴工艺分析和编程加工的毕业设计课题，主要是通过风力驱动器叶轮轴的设计与加工，培养自己在制定零件加工工艺过程和分析工艺问题的能力。1.2 课题在当今国内外的现状叶轮轴零件是典型的多轴联动数控机床加工，叶轮轴叶片的加工和曲面的质量则直接影响它的工作效果，进而直接影响整个工作过程。由于叶片的型面是复杂的空间曲面，所以一直是叶片加工中的难点，高性能 CAM 软件的出现，使这种复杂型面的加工变得相对容易。多轴数控加工是四轴以上的数控加工，其中具有代表性的是五轴数控加工。多轴数控加工能同时控制四个以上坐标轴的联动，将数控铣、数控镗、数控钻等功能组合在一起，工件在一次装夹后，可以对加工面进行铣、镗、钻等多工序加工，有效地避免了由于多次安装造成的定位误差，能缩短生产周期，提高加工精度。随着模具制造技术的迅速发展，对加工中心的加工能力和加工效率提出了更高的要求，因此多轴数控加工技术得到了空前的发展。对刀具和工件的相对位置来说，多轴数控加工中心可以设置六个轴，即作直线运动的X、Y、Z 轴，还有控制工作台倾斜角度的 A、B 轴和控制主轴回转角度的 C 轴。使用回转刀具时，由 Z 轴控制回转的主轴作直线运动，就成为五轴控制；只有使用非回转刀具时可作六轴控制。通常为了提高加工效率而使用回转刀具，但有时因受到回转刀具的限制，存在不可能加工的部位和形状，因此，现在不仅可以使用回转刀具，还可以使用非回转刀具，控制其回转角度，对任何形状的模具零件都能加工。1.2.1 多轴数控加工技术的现状（1）国外多轴数控加工技术的现状。国外多轴数控加工技术的现状。国外3多轴数控加工技术研究比较早，德国、西班牙、瑞士、日本、意大利等国家以及我国的台湾地区已经形成了自己在国际上的知名品牌，如德国 DMG、瑞士米克朗、台湾匠泽、西班牙 PANTERA 等等。德国 DMG 五轴联动立式加工中心共有十四种机型，采用直线电机驱动技术、主轴 摆动和回转工作台摆动，可以胜任从五面加工到五轴联动加工的各种工作，优质高效。数控回转摆动工作台可在围绕工件重心旋转工件的同时允许进行最大摆角达 18的底部切削，经过一次装夹即可完成工件的加工。西班牙 PANTERA 动梁式龙门加工中心。采用高架床身及移动梁高强度、高刚性的结构。高速精密电主轴结合了五轴联动加工方面的丰富经验和技术决窍，动态加工特性和精度表现良好。钢质床身内部特别设计的筋架结构保证了高速切削的稳定性，并根据需求可选择双移动梁式结构。可以根据加工需求，配备各种铣头和配置，适用于航空航天结构件和大型模具的高精密加工。台湾匠泽 U 系列五轴联动高速龙门加工中心。具有高速、龙门架结构、五轴联动 的特点， 主要有 U25、U40、series 三个规格，U 其中Useries 最高主轴转速达 20000 转/min，带 A 轴和 C 轴两个辅助轴，A 轴旋转角度为-95至+110，C 轴旋转角度为 270。意大利 ARES 系列桥式高速五轴轻切削龙门加工中心采用高刚性桥式结构，龙门电气双驱、高动态特性，模块化设计，高功率高转速，适合于任何非金属材料的三维轮廓型面的高速、高精度五轴加工。该机床产品的标准规格系列化、多样性配置，使该机床适用于航空航天、汽车模具模型制造、造船等行业。 国内多轴数控加工技术的现状。（2）国内多轴数控加工技术的发展趋势。（一)高速、高效率。现代加工工业高效率、低成本、高质量的要求使得欧美日等囤热衷于高速甚至超高速机床的研究。随着机床技术的发展趋势，高速机床主要功能部件高速电主轴单元、高速进给机构、高性能数控以及伺服系统都得到了突破，高速机床应用范围越来越广，目前直流电机驱动的主轴转速 rain，进给运动部件快速移动速度 60120mrai 切削进给速度 60mmin最高加速度 10g。（二)高可靠性。五轴联动数控机床加工表面比较复杂，一般要求其平均时间在 20000h 以上，且有多种报警和防护措施，减少由于故障造成的损国外驱动装置平均无故障时间可以达到 30000h。4（三)高精度。随着 CAM 系统的发展，机床加工精度得到了大幅度的提升，日本 FANUC 公司设计的一款超精密加工机床加工精度 0.001xm，其特有的往复运动单元，能够超精密微细加工凹槽。（四)复合化。与以往单纯追求高速主轴和进给机构不同，当今市场对于个性化的要求日益强烈，交货日期也在不断缩短，因此五轴加工中心更趋向于小规模，甚至单件生产。为了满足这一要求，机床厂商需要开发出复合程度更高的复合机床。（五)智能化、网络化、柔性化。智能化包含在机床控制的各个方面，主要有自适应控制技术、故障诊断装置，智能化数字伺服驱动装置等。网络诊断、远程控制，网络设计等技术的兴起使五轴联动数控机床向网络化发展。（六）绿色化。干切削或半干切削技术已经得到了较快的发展，在欧洲已经有大概 1015的加工采用了干切削或半干切削技术。VTM11000 七轴六联动螺旋桨加工机床，采用国际先进的三维立体造型、CAD 优化设计、有限元分析等设计制造技术，使机床获得最佳动静态刚度，具有合理的设计结构、可靠的精度稳定性及精度保持性，设计先进、操作简单、维修方便，保证 VTM11000 七轴六联动螺旋桨机床成为高精度、高可靠性、高效率的数字化高科技产品。本机床适用于航天、航空、船舶等行业中的一些形状复杂、精度要求高异型螺旋桨类零件的加工，集铣、车、钻、镗、攻丝等功能于一体的高柔性机床，可铣削加工螺旋桨叶片的叶面、叶缘和桨毂的外圆及叶根；车削加工桨毂的上下平面和止口及内锥孔，对于螺旋桨根部或五叶以上叶面重叠部位可进行七轴六联动加工。1.2.2 多轴数控加工的类型加工中心一般分为立式加工中心和卧式加工中心。三轴立式加工中心最有效 的加工面仅为工件的顶面，卧式加工中心借助回转工作台，也只能完成工件的四 面加工。多轴数控加工中心具有高效率、高精度的特点，工件在一次装夹后能完 成五个面的加工。如果配置五轴联动的高档数控系统，还可以对复杂的空间曲面进 行高精度加工，非常适于加工汽车零部件、飞机结构件等工件的成型模具。 根据回转轴形式，多轴数控加工中心可分为两种设置方式： 工作台5回转轴。工作台回转轴。工作台可以环绕 X 轴回转，定义为 A 轴，A 轴的一般工作范围是 0至 359。工作台的中间还设有一个回转台，环绕 Z 轴回转，定义为 C 轴，C 轴都是 360回转。通过 A 轴与 C 轴的组合，固定在工作台上的工件除了底面之外，其余的五个面都可以由立式主轴刀具进行加工。A 轴和 C轴的最小分度值一般为 0.001，这样又可以把工件细分成任意角度，加工出倾斜面、倾斜孔等。A 轴和 C 轴如果与 X、Y、Z3 轴实现联动，就可加工出复杂的空间曲面。这种设置方式的多轴数控加工机床的优点是：主轴结构比较简单，主轴刚性非常好，制造成本比较低。但一般工作台不能设计太大，承重也较小，特别是当 A 轴回转角度90时，工件切削时会对工作台带来很大的承载力矩，立式主轴头回转。 立式主轴头回转。主轴前端是一个回转头，能自行环绕 Z 轴 360，成为C 轴，回转头上还带有可环绕 X 轴旋转的 A 轴，一般可达90以上。这种设置方式的多轴数控加工机床的优点是：主轴加工非常灵活，工作台也可以设计得非常大。在使用球面铣刀加工曲面时，当刀具中心线垂直于加工面时，由于球面铣刀的顶点线速度为零，顶点切出的工件表面质量会很差，而采用主轴回转的设计，令主轴相对工件转过一个角度，使球面铣刀避开顶点切削，保证有一定的线速度，可提高表面加工质量，这是工作台回转式加工中心难以做到的。1.3 课题研究的内容和目的人们早已认识到多轴数控加工技术的优越性和重要性，但到目前为止，多轴数控加工技术的应用仍然局限于少数资金雄厚的部门，并且仍然存在尚未解决的难题。多轴数控加工由于干涉和刀具在加工空间的位置控制，其数控编程、数控 系统和机床结构远比三轴机床复杂得多。目前，多轴数控加工技术存在以下几个问题：（1）多轴数控编程抽象、操作困难。多轴数控编程抽象、操作困难。这是每一个传统数控编程人员都深感头疼的问题。三轴机床只有直线坐标轴，而五轴数控机床结构形式多样； 同一段 NC 代码可以在不同的三轴数控机床上获得同 样的加工效果，但某一种五轴机床的 NC 代码却不能适用于所有类型的五轴机床。数控编程除了直线运动之外，还要协调旋转运动的相关计算，如旋转角6度行程检验、非线性误差校核、刀具旋转运动计算等，处理的信息量很大，数控编程极其抽象。多轴数控加工的