毕业设计（论文）-无级变速器后壳体的数控工艺与加工.doc

浙江机电职业技术学院毕业设计说明书毕业设计说明书 课题名称 无级变速器后壳体的数控工艺与加工 系 别 现代制造工程系 专 业 数控技术 班 级 数控0511 姓 名 曹 毅 学 号 0505021116 指导教师 郁元正 沈雪明 起讫时间： 2007年 12月31日2008年3 月21 日（共8 周）-1-摘 要无级变速器壳体是汽车无级变速器（CVT）总成的重要部件之一，分为左、中、右壳体,主要加工面由结合平面和及精密孔系组成。本课题通过来自书籍、网络的信息，分析了无级变速器的工作原理及变速器壳体的工艺特点与要求，继而通过绘制产品零件图进一步熟悉零件，并利用Pro/E绘制了3D实体模型；充分利用数控加工的技术特点，对该产品的工艺规程进行了重新设计，在保证质量的同时，以最高的效率，最低的成本来完成工件的加工。主要设计内容包括：完成变速器壳体的工艺规程（包括工艺过程卡、工序卡）设计及主要工序的工装设计，绘制夹具图的装配图和主要非标准零件图、用G代码编制变速器壳体的数控加工程序。本课题的重点是机械加工工艺规程设计、夹具装配图的准确绘制、数控加工程序的编制。难点是所设计的工艺路线能做到兼顾精度、效率及经济性，所设计的夹具能在保证精度要求的前提下有较简单的结构。本课题对优化设计具有实际作用和意义。关键词： 变速器壳体； 工艺规程； 夹具； 数控编程AbstractThe automotive CVT assembly consists of left, middle and right housings. As one of the most important parts in automatic transmission assembly, CVT housings are expected to be reliable and accurate. Engineering drawing for the product is helpful for understanding the structure of the part. With the establishment of 3D model of the part by Pro/E software, the project analyzed the characteristics and machining requirements of the part, and redesigned machining process for it to ensure the accuracy of the part and cost-efficiency of the machining procedure. The relevant fixture for machining the precise hole system at the ends of the housing has been designed as well. The main design content includes: Complete the machining procedure design (including machining procedure process card, machining step card) and the fixture design for a main machining step, draw up the assembly drawing of the fixture and drawing of non-standard parts, Programming for the machining with the G codes. This topics key point is the machine-finishing technological process design, the jig assembly drawing accurate plan, the numerical control processing program establishment. The design of accurate, efficient and economic machining procedure and simple but precise fixture is the difficulty of the project. The project proposes to be a guidance for mass production.Keywords： CVT housing；machining procedure；fixture； NC programming目 录1 引言12 设计课题分析12.1零件的作用12.2零件分析12.3确定生产类型23 工艺规程设计说明43.1毛坯的确定43.2工件装夹的原则和方法43.3工艺顺序的安排53.4工序卡片的编排73.5定位基准的选择73.6工序集中与工序分散83.7工艺装备选择84 工装夹具设计94.1夹具的作用94.2选择夹紧面时的原则94.3夹具结构设计要则104.4夹具的稳定性104.5夹具体的方案分析及制订105 刀具及切削用量的选择115.1选择底面铣削的刀具115.2选择底面铣削的切削用量115.3选择钻14-8.5通孔的刀具125.4钻孔切削用量的选择126 3D造型147 数控加工程序编制178 结束语20参考资料21致谢22-22-1 引 言 近年来，随着计算机技术的发展，数字控制技术已经广泛应用于工业控制的各个领域，尤其是机械制造业中，普通机械正逐渐被高效率、高精度、高自动化的数控机械所代替。数控加工技术具有适应性强、精度高、加工质量稳定、生产效率高，并且能实现复杂的运动。因此，利用数控技术来加工这种壳体，将大大 提高加工效率，缩短加工时间，提高产品竞争力。我将根据零件图，利用CAD/CAM系统，对加工工艺和夹具方案进行优化设计，并且利用数控或普通设备进行加工，可以在保证产品质量的前提下，使产品开发到产品出货的周期大大缩短，这是现代制造业发展的必然趋势。对设计夹具方案而言，夹具的使用根据工件几何形状或加工方式的不同，使用的情形也会随之变化。夹具的类型众多，使用方式又具多样化，因此夹具的设计在加工流程中是重要的技术与艺术。夹具规划的优劣会直接影响到加工过程的可行性与难易度。而且夹具需要与工件接触，才能产生夹持力以固定工件，因此夹具的设置会直接影响刀具轨迹的规划。只有设计出合理的夹具，才能更有效地保证变速器壳体的质量。2 设计课题分析2.1零件的作用无级变速器是能固定或分档改变输出轴和输入轴传动比的齿轮传动装置。又称变速箱。分为前、中、后壳体，主要加工面由结合平面和及精密孔系组成，无级变速器后壳体是汽车无级变速器的重要部件之一。2.2零件分析 图2.1 后壳体图样无级变速器后壳体图样的视图、尺寸、公差和技术要求齐全、正确；零件选用材料为QT450；该材料强度较高,塑性及韧性尚好,切削加工性优良,焊接性中等。该零件主要加工表面及技术要求分析如下：1）与基准孔有垂直度要求的端面，其端面平面度公差等级为9级，表面粗糙度为Ra3.2um。工艺过程安排应注意保证其位置精度；2）公差小于0.025mm的孔或外圆的粗糙为Ra302um，工艺过程安排应注意保证其位置精度及装配精度。根据加工方法的经济精度及各种机床所能达到的位置精度，该零件没有很难加工的表面，上述各表面的技术要求采用常规加工工艺均能可以保证。2.3确定生产类型壳体加工工艺按中小批量生产方式，以我院现有数控机床和通用机床为可选择的加工设备。生产纲领为：年产500套。初步确定工艺安排的基本倾向为：加工过程划分阶段；工序适当集中；加工设备以通用设备为主；大量采用专用工装。这样生产准备工作及投资较少、投产快、生产率高，转产容易。3 工艺规程设计说明3.1毛坯的确定 1）确定毛坯种类根据零件材料QT450，确定毛坯为铸件。并依其结构形状、尺寸大小和生产类型，毛坯的铸造方法选用金属型铸造。2）确定铸件余量及形状根据参考文献铸件的分型面选择及各加工表面铸件，机械加工余量如下表各表面基本尺寸（mm）加工余量等级加工余量（mm）说明B面130G3上表面，单侧加工底面（A面）225G4顶面，降一级40H4孔，降一级，双侧加工72H4孔，降一级，双侧加工表3.1 铸件各表面机械加工余量本零件上直径22及以下尺寸的孔均不铸出，底平面销孔及8.5孔亦不予铸出。所以经综合考虑，B面上6.8及其4个M8螺纹孔都不予铸出，均为实心。32工件装夹的原则和方法工件经一次装夹后所完成的那一部分工序称为安装。在一道工序中能被装夹一次或多次，才能完成加工。工件在加工中，应尽量减少装夹次数，因，工件可为多一次装夹，就会增加装夹的时间，还会增加装夹误差。安装大概原则为在加工合理的情况下应尽量减少装夹次数，来减少装夹时间和装夹误差，从而来提高加工效率。原则和方法：首先要保证产品质量，在保证质量的前提下，最大限度的提高生产率，满足生产量的要求，并尽可能的减少耗费，减少投资。降低制造成本，保证良好的经济性。数控加工中还应注意以下几点：（1）尽可能做到设计工艺与编程计算基准统一。该零件以左侧端面为设计基准，应该合理安排；（2）尽量做到工序集中；（3）避免占机人工调整，装夹要迅速。该变速器后壳体属于典型的铣削类零件，采用一面（即接合面）两销（即接合面上的28.5销孔）进行定位。33工艺顺序的安排工艺编排的原则：先粗后精、先主后次、先面后孔、基面先行。（1）机械加工顺序的安排：零件上需要加工的表面很多，而且每个需要加工的表面往往不是一次加工就能达到设计要求。安排机械加工工序顺序的任务，一是为各个表面的加工安排先后顺序，二是在加工路线中为每个表面的各个加工工序，安排具体的位置。首先，应为零件上各个需要加工的表面选出合理的加工方案，然后，将次要表面性质相同的加工工序，放在与主要表面加工性质相同的工序中完成。这样，大多数次要表面的终加工，一般在主要表面的粗、半精加工中即可完成。但对于那些与主要表面有密切位置关系的次要的表面加工，应放在主要表面的精加工后进行。对于这个零件，因为无论加工哪个面对于另外的面都没有影响，就不必考虑要先加工哪个面。（2）热处理工序的安排：热处理可以提高材料的力学性能，改善金属的切削性能及消除内应力。在制订工艺路线时，应根据零件的技术要求和材料的性质，合理地安排热处理工序。在机械制造中，常用的热处理工序有：退火、正火、调质、时效、淬火、渗碳、渗氮、液体碳氮共渗。一般来讲表面热处理的安排在零件加工的最后工序中，在镀镍之前要进行检验，避免热处理后报废的零件进行镀镍而造成不必要的浪费。（3）辅助工序的安排：辅助工序包括检验、去毛刺、清洗、防锈、去磁、平衡等。在辅助工序中，检验工序是比较重要的，对保证加工质量，防止继续加工前道工序中产生的废品起着重要的作用。图3.1 变速器壳体的主要加工面本零件的工艺过程拟定如下：铸造清理010 粗、精铣B面020 铣13个R10圆柱上表面030 粗、精铣60外圆和C面040 钻B面上46.8孔，深37并机攻M8至深32050 镗72，64，52和40孔060 粗、精铣底面A面070 铣8个20圆柱顶面和2个25圆柱顶面080 镗68孔090 钻106.8孔深32并机攻M8深30100 钻214孔深10，铰14孔110 钻148.5通孔120 钻212销孔，铰12孔130 去毛刺检验入库34工序卡片的编排机械加工工艺卡片是在工艺过程卡片的基础上，按每道工序所编制的一中工艺文件，主要内容有工序简图。该工序中每个工序的加工内容、工艺参数、操作要求以及所用的设备和工艺装备等。机械加工工艺过程卡片是以工艺为单位的，简要说明零件机械加工过程的一种工艺文件。主要用于单件小批和中批生产。制定工艺规程是一项很复杂的工作，它要求技术人员从生产实际出发,理论联系实际和工人结合起来，充分利用现有的生产条件，尽可能采用国内外先进工艺，并保证良好的劳动条件。图3.2 示例工序卡片35定位基准的选择制订工艺规程时，能否正确切合理地选择定位基准，将直接影响到被加工零件的位置精度、各表面加工的先后顺序，在某些情况下，还会影响到所采用工艺装备的复杂程度，因此，必须重视定位基准的选择。根据图纸的要求，在加工底面（A面）时，其定位基准是B面；在加工上表面时，起定位基准是底面（A面）。因此，B面和底面（A面）是互为基准。36工序集中与工序分散工序集中：由于工序数目少、工艺路线较短。且员工操作人数较少，如用数控设备，应采用工序集中原则，保证效率，以最快的方式完成加工。工序分散：要求员工人数、加工设备较多。该零件加工面不多，应使工序尽量集中，以便提高数控加工效率，降低工人劳动强度。37工艺装备选择工艺装备：游标卡尺、外径千分尺。考虑到精度要求及使用的刀具数，尽量选数控机床。1）工序040、090、100、110、120为孔加工，为保证加工精度，提高加工效率，我所选用HTM-850G加工中心。对设备条件有限的厂家，这几道工序也可采用Z3025型摇臂钻床及钻模板加工，以减少成本。2）对于工序020、030、050、070、080，底面（A面）各孔精度要求比上表面（B面）各孔的精度要求要高，所以首先加工底面上的孔系。我所选用的数控机床是HTM-850G加工中心。4 工装夹具设计4.1夹具的作用夹具是一种装夹工件的工艺装备，它直接影响着工件的加工精度、劳动生产率和产品的制造成本等。夹具在机械加工过程中的主要作用为：（1）便于在工序中正确夹工件并保证质量 ，工件的安装包括定和夹紧两面三刀个过程，定位是“确定工件在机床上或夹具中占有的正确位置的过程”，夹紧定位后将其固定使其在加工过程保持定位位置不变的操作。保证工件 在加工过程中不会因受切削力、重力、掼性或离心力等作用下产生位移或振动。使用夹具主要是保证位置精度还减少震动均匀余量，使有利于工序得到保证。（2）提高劳动生产率，降低劳动强度，使用夹具不但可以减少划线、找正等辅助时间，如利用快速夹紧、机动夹紧等装置，可提高生产效率并降低劳动，尤其是成批生产的情况，如何正确的设计夹具是一项相当重要的内容。4.2选择夹紧面时的原则（1）为保证安装的可靠，应便于使夹紧力的方向不破坏工件定位时获得的正确位置。（2）施力于加紧表面时，应使因夹紧表面而引起的变形最小。（3）在加工过程中，有利用减少因切削力而引起的振动。（4）尽量使夹紧机构简单紧凑，工艺性好，操作方便，夹具结构应符合合理、可靠、高效、经济和安全的原则。为消除切削过程中引起的振动，当夹紧面便于夹紧力作用于点靠近加工处时，所需夹紧力就可以小一些，从而有利于简化夹紧装置，减轻手动夹紧时的劳动。另外选择夹紧面时还应考虑工件被加工表面在夹紧力作用下的状态。即夹紧力的作用线通过被加工表面周围，使其处于夹紧应力之下，这种夹紧状态可以在切削过程中不引起震动，有利于表面粗糙度的减少。但若加工表面所受的夹紧力不均匀时，加工后将引起弹性恢复不均匀的形态误差。变速器壳体属于典型的铣削类零件，最简单的夹紧方案就是一面两销，沿径向定位，靠轴向力夹紧，为了防止在夹紧力的作用下引起壳体的变形或破坏，拟采用一辅助支撑钉进行辅助支撑。的这个夹紧方式简单，定位又可靠。4.3夹具结构设计要则夹具结构很大程度上取决于生产纲领，批量越大，则采用的夹具专用程度越高。本课题为中小批生产，因此应尽量采用的通用夹具、可调整夹具、组装夹具和组合夹具配置，或在通用夹具的基础上更换部分零件，提高的夹具的专用程度。在设计夹具时，结构上应力求简单，并尽可能考虑选用通用件和标准元件，减少非标准零件 ，以提高夹具的标准化程度，缩短设计和制造周期。夹具的零件和部件结构紧凑、简单。既要重量轻又要有足够的刚度和强度，以保证装在夹具上的各个元件的位置不变。并且在加工过程中不发生振动，从而保证工件的加工精度。4.4夹具的稳定性（1）夹具应具有尽可能大的稳定性，对于不固定在工作台上的夹具尤为重要；（2）夹具在受切削力或冲击时，不至于翻倒；（3）夹具定位底面的尺寸应适当大于夹具的高度；（4）夹具体应具有适当宽度的边缘底面或支承面地脚。4.5夹具体的方案分析及制订本文详细设计了利用加工中心铣削底面（A面）及钻削底面孔系的夹具。利用58孔口端面、58孔、72孔作为定位基准，并利用72孔口端面作为辅助支撑，以提高结构刚度，减小切削力引起的变形。在由于零件属于类，设计的方法很多，加工的步骤也是多种的。最终的方案是为了满足夹具结构简单，制造方便，加工零件精度高和经济性等要求。图4.1 夹具结构示意图5 刀具及切削用量的选择5.1选择底面铣削的刀具（1）根据查参考文献，选择YG6硬质合金刀片。当铣削深度ap4mm时，端铣刀直径do为80mm, ae为60mm。但已知铣削宽度ae60mm，选择do=160mm。由于采用标准硬质合金铣刀，故齿数z=14。2）铣刀几何形状：由于b800MPa，故选择kr=2075,kr=1040,kr=5,o=8,o=810,s=-5-15。5.2选择底面铣削的切削用量（1）决定铣削深度ap：分两次加工，每次加工0.8mm（2）决定每齿进给量fz：根据参考文献，当使用YG6，fz=0.180.28mm/z。（3）选择铣刀磨钝标准及刀具寿命：铣刀刀齿后刀面最大磨损量为1.01.5mm；由于铣刀直径do=160mm，故刀具寿命T=180min。（4）决定切削速度Vc和每分钟进给量Vf切削速度Vc可根据公式计算，也可直接由表中查出。当do=160mm，z=14，ap=0.8mm，fz=0.180.28mm/z时，Vc=87m/min，n=173r/min，Vf=535mm/min。（5）检验机床功率当布氏硬度=174207HBS，ae=60mm，fz=0.25mm/z，Vf=535mm/min时，P=3.3KW。HTM350G加工中心的主电机功率为PE15/18.5kw，远大于切削功率，因此所选择的切削用量可用，即：ap=0.8mm,Vc=87m/min，n=173r/min，Vf=535mm/min,fz=0.25mm/z。5.3选择钻14-8.5通孔的刀具选用高速钢麻花钻，其直径do=8.5mm。钻头几何形状为双锥修磨横刃，=30,2=118,21=70,b=1.5mm,o=715,=4555,b=1mm,l=2mm。选择切削用量5.4钻孔切削用量的选择（1）选择进给量f1)按加工要求决定进给量：，当加工要求为H12H13精度，铸铁的布氏硬度200HBS，do=8.5mm,f=0.430.53mm/r。由于l/d=70/8.53，故应乘孔深修正系数klf=1，则f=(0.430.53)*1mm/r=0.430.53mm/r。2)按钻头强度决定进给量：当布氏硬度=200HBS，d0=8.5mm，钻头强度允许的进给量f=1.45mm/r。3）按机床进给机构强度决定进给量：当布氏硬度210HBS，d0=8.5mm，机床进给机构允许的轴向力为4120N。进给量为0.48mm/r。从以上三个进给量比较可以看出，受限制的进给量是工艺要求，其值为f=0.430.53mm/r。根据HTM-850G加工中心，选择f=0.48mm/r。机床进给机构强度也可根据初步确定的进给量查出轴向力，再进行比较来校验。钻孔时的轴向力，当f=0.48mm/r，d0=8.5mm，轴向力Ff=4270N。轴向力的修正系数为1.0，故Ff=4270N。该加工中心进给机构强度允许的最大轴向力Fmax=60000N,由于Ff200HBS的QT450的进给量f=0.48mm/r双锥修磨横刃的钻头，do=17mm,Vt=18m/minn=1000v/do=1000*18/3.14*8.5r/min=674.410r/min根据实际机床操作经验，取S680。Vf=fn=0.48674.410=323.717mm/min根据实际机床操作经验,取F320。（4）检验机床扭矩及功率当f=0.48mm/r，do=8.5mm，Mt=36.29N.M，扭矩的修正系数均为1.0，故Mc=36.29N.M，Mm=380N.M/470N.M当布氏硬度=170213HBS，f=0.48mm/r，Pc=1.0KW， PE=15/18.5KW。由于PcPE,McMm，故选择之切削用量可用，即F=0.48mm/r，n=nc=350r/min，Vf=180mm/min。（5）计算基本工时Tm=L/nf式中，L=f+y+,l=70mm，入切量及超切量y+=10mmtm=(70+10)/350*0.48=0.476min同理，也可由此确定其余各个加工面和孔的刀具、切削用量及时间定额。6 3D造型3D造型采用的软件是为Pro/E2001变速器壳体的3D造型步骤简介：图6.1 抽壳图6.2 在底面拉伸出12个连接台面，倒角图6.3在主轴孔外侧作加强筋图6.4拉伸出从动轴孔突台图6.5 完成其余结构细节，如孔系、倒角、加强筋等7 数控加工程序编制 加工底面（A面）及14个8.5孔的程序段：O0001；（程序名）G98G28Z0；（回参考点，拿刀）T0101；（平面刀，直径为40）M3S800；（主轴转速）G54G90G0Z100；（到工件原点，绝对坐标）X0Y0；X155Y65;Z10;G1Z-1F60;（下刀进给速度为60 r/min）G41X230Y100D01F150；（刀补和xy平面加工速度为150r/min）X-93；Y0；X-95Y60;X60Y205；X130Y220;X220Y120；X210Y65；X110Y70；X150；G0Z100；G40X0Y0；（取消刀补）M05；（主轴停止）M00；（程序暂停）（精加工平面）M3S800；G54G90G0Z100；X0Y0；X155Y65;Z10;G1Z-1F60;G41X230Y100D01F100；X-93；Y0；X-95Y60;X60Y205；X130Y220;X220Y120；X210Y65；X110Y70；X150；G0Z100；G40X0Y0；M05；M00；G92G28G0Z0；（回参考点换刀）T0202；（中心钻，打中心孔）M3S1500；G81X47Y-69.61Z-2R10F60;X-38;X-93;X-108Y-8. 98;X-90. 93Y58. 28;X-43. 22Y109. 51;X6. 27Y159. 01;X58. 1Y206. 06;X126. 64Y220. 29;X189. 5Y189. 5;X220. 29Y126. 64;X206. 06Y58. 72;X6. 72Y158. 38;X115Y-48. 16;GOZ100;X0Y0;M05；（主轴停止）M00；（程序暂停）G92G28G0Z0；T0303;（钻头加工14-8 .5）M3S1000;G83X47Y-69.61Z-21R10K5Q-5F60;X-38;X-93;X-108Y-8. 98;X-90. 93Y58. 28;X-43. 22Y109. 51;X6. 27Y159. 01;X58. 1Y206. 06;X126. 64Y220. 29;X189. 5Y189. 5;X220. 29Y126. 64;X206. 06Y58. 72;X6. 72Y158. 38;X115Y-48. 16;GOZ100;X0Y0;M30;（加工完成，返回程序起始处。）8 结束语毕业设计到了写结束语这一刻就意味着即将完成。在这次毕业设计中，通过自己的努力和老师的辛勤指导，我学会了如何独立思考，如何把一次方案做到完美，如何运用所学知识加上自己