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自动焊机,自动
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哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文）摘 要重型压力容器马鞍形自动焊机是用来焊接筒体与接管的智能化焊接设备。很多重大技术装备，如百万千瓦级核电机组设备、超超临界火力发电机组的成套设备、百万吨级大型乙烯的成套设备等，都要实现大厚度、大直径的筒体与接管焊接。其中它们之间的马鞍形曲线焊缝的焊接是制造这些装备的关键所在。马鞍形自动焊机就是针对现有焊接装备难以实现大筒体与接管的自动化焊接而开发研制的，它能够实现大厚度、窄坡口三维复杂焊缝的焊接。本文根据国内外焊接技术的实际应用情况，在深入了解和分析国内外现有大型焊接装备的前提下，借鉴它们的成功经验，提出了对于窄坡口马鞍形焊缝多层多道循环焊接技术方案。关键词重型压力容器；马鞍形曲线；自动焊机；运动仿真AbstractThe heavy pressure vessel saddle automatic welding machine is used for welding of tube and intelligent pipe welding equipment. A lot of major technical equipment, such as the million kilowatt class nuclear power generating equipment, ultra supercritical thermal power generating units, complete sets of equipment megaton large ethylene equipment, want to realize cylinder thickness, diameter and pipe welding. The welding of saddle shaped seam between them is the key equipment of producing these. Saddle automatic welding machine for welding equipment is available to the cylinder body and the control of automatic welding and welding is developed, it can achieve large thickness, narrow groove weld of 3D complex.In this paper, according to the practical application of welding technology at home and abroad, in the in-depth understanding and analysis of the existing domestic and foreign large welding equipment under the premise, to learn from the experience, put forward to narrow groove saddle shape weld multipass circular welding technology scheme. Based on this scheme is determined the overall design, the heavy pressure vessel for saddle shaped curve automatic welding machine kinematic and dynamic parameters, and complete the detailed design of each part of the mechanical structure.Automatic welding machine for saddle shaped curve of heavy pressure vessel designed by this paper has good versatility, high control precision, stable operation, compact structure, simple operation, convenient maintenance, can be very good to meet the large cylinder and pipe welding requirements. Automatic heavy pressure vessel welding, improve production efficiency, to fill the gaps in domestic related fields.In this paper, according to the practical application of welding technology at home and abroad, in the in-depth understanding and analysis of the existing domestic and foreign large welding equipment under the premise, to learn from the experience, put forward to narrow groove saddle shape weld multipass circular welding technology scheme. - II -目 录摘 要I第1章 绪论11.1 课题背景11.2 国内外研究现状21.2.1 国内研究现状21.2.2 国外研究现状41.3本文研究内容6第2章 总体设计82.1设计要求82.2 设计原则与总体布置102.1.1 设计原则102.1.2 总体布置102.3 主要参数的确定132.3.1 传动原理132.3.2 运动参数确定142.3.3动力参数确定152.4 本章小结17第3章 主要部件设计183.1 电动机选择183.2 集电装置193.3 进给装置223.4 非任务的主要部件的设计251.1 本章小结32结 论33参考文献34致 谢37附录I38附录II46INDEX域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行- IV -第1章 绪论1.1 课题背景随着社会的发展和焊接技术的进步，对核电与石化设备等筒体与接管的焊接自动化程度的需求日益提高。因而迫切要求焊接设备快速发展，以满足不断增长的生产力发展的需求。一方面在电力、石油、化工、锅炉等行业中,经常遇到筒体与相应的接管焊成的相贯线接缝。而这类零件的加工大多采用手工焊接,这使结构制造周期长、成本高、生产效率低、劳动强度大,焊接质量难以保持稳定。有些厂家从国外引进管、板自动焊机、机器人等，但这些机器人价格非常昂贵,同时对零部件的备料,要求综合尺寸精度高、形位公差小,往往由于几个尺寸不合格就使得焊枪偏离焊缝,严重影响了焊缝的内部和外部质量。还有的厂家由于机器人出现故障无法修复,使我国引进的机器人中有60%以上不能很好地用于生产。为了降低成本,缩短生产周期,需要研制专用的焊接装备。另一方面马鞍形曲线焊机也是加工各种具有筒体与接管焊接的重要技术装备，而重大技术装备国产化作为提升装备制造业的重点是党中央国务院的战略决策，是国家中长期科学与技术发展规划纲要的重点领域。在国家发改委提出的“十一五”国家重大技术装备中明确提出“百万千瓦级核电机组与超临界火力发电机组成套设备”、“大型煤制气成套设备”、“百万吨级大型乙烯成套设备”,等重大技术装备的国产化。在这些大、重型装备中，如大型火力发电的锅炉汽包，核电设备中的压力壳、大型煤制气成套设备中煤液（汽）化反应器、大型乙烯设备中的加氢反应器等，焊接是主要制造技术手段。而且装备的关键零部件制造中均涉及三维规则或复杂焊缝的自动化焊接。一个重型压力容器需要焊接上几十个甚至上百个接管，焊缝为空间马鞍形（包括标准马鞍形与非标准马鞍形），且根据不同的坡口形式，需要多层多道连续焊接。这些焊缝往往成为整个产品制造质量的关键与瓶颈。要实现此类焊缝的自动化焊接，具有一定的技术难度。因此提高焊接自动化水平是保证产品质量与提高生产效率，进而提升企业国际市场竞争力的根本所在。目前，我国在上述重型压力容器的生产制造中，其主环缝和筒体内壁堆焊已实现自动焊接，而对于接口管的马鞍形焊接和90弯管内壁堆焊，尚无现成的自动焊设备可以采用, 主环缝的焊接自动化与智能化水平还较低。国内大多数厂家还在采用手工焊接，个别厂家虽然采用了焊接专机，但自动化程度不高，焊接过程中需要人工调节，且焊枪沿马鞍形运动轨迹靠机械方式调节，效率低，焊接质量难以保证，而且一旦发生焊接缺陷，大厚度截面难以修复。因而研制重型压力容器马鞍形自动焊机对满足我国锅炉、核电及石化设备制造的需求，提高其自动焊接水平，具有重要的现实意义。本课题根据马鞍形曲线的数学模型，利用CAD/CAE等计算机技术，研发稳定可靠的焊缝自动跟踪、多层多道焊接的焊道自动规划等关键技术，研制和开发重型压力容器马鞍形自动焊接设备以及复杂曲面三维焊缝自动化焊接工艺，并应用于生产实际，提高了我国重型压力容器自动化焊接水平和制造水平。1.2 国内外研究现状1.2.1 国内研究现状我国焊接装备制造业起步较晚，五六十年代我国重点企业的大型焊接装备大部分从原苏联引进，部分由使用厂自行设计制造。到了70年代，我国陆续组建一批专门生产焊接装备的制造厂，如上海、成都相继成立了成套焊接设备厂，在“六五”期间，原机械工业部拨专款将长春第二机床厂改建成我国第一家具有批量生产能力，制造专用摩擦焊机和焊接装备的长春焊机制造厂。进入80年代，随着国内焊接装备需求量的增长，各地相继建立了多家中小型成套焊接装备生产厂。迄今为止，我国已有10多家焊接装备生产企业，某些企业已具有相当大的规模，已实现焊接装备的批量生产。例如无锡阳通机械设备有限公司等。在发展初期，我国生产的焊接装备大多是较简单的焊接操作机、滚轮架、变位机、翻转机和回转平台等，成套性较差，自动化程度低。焊接操作机与配套设备基本上不能联动控制，用户必须自行改造。进入80年代以后，加快了焊接自动化技术的研究，国内几所重点大学与研究院所相继开展了研究工作，但由于国内在电子技术与元器件性能方面落后发达国家较多，所以较多的研究集中在技术原理的试验研究和应用基础研究，而工程化设备的研制很少。由于国外先进成套焊接设备的大量引进，促使国产的焊接装备无论在成套性和自动化程度，还是设备精度和制造质量方面都有不同程度的提高。能够批量生产H型钢和箱形梁焊接生产线以及各种类型的按用户需要定制的专用成套焊接设备，并大量采用交流电机变频调速技术、PLC控制技术、伺服驱动及数控系统，焊接装备的自动化程度有了很大的提高，某些操作机还配备了焊缝自动跟踪系统和工业电视监控系统。但从整体水平来说，与先进国家的同行业相比，尚有较大的差距。近10年来在世界范围内，焊接技术的发展日新月异，焊接新方法、新设备、新材料和新工艺层出不穷。焊接技术不仅广泛应用于造船、锅炉、压力容器、管道、重型机械、冶金设备、汽车、铁路车辆、桥梁和金属结构等传统制造工业部门，而且迅速扩大应用于大型建筑结构、食品加工机械、医疗机具、轻工机械、家用电器、半导体和微电子器件等新兴加工行业。我国焊接装备制造行业的技术水平有了长足的进步。焊接装备的成套性、自动化程度、制造精度和质量明显提高，应用范围正逐步扩大，尤其是国家制定了拉动内需的政策，进一步促进了焊接装备制造行业的发展。尽管我国成套焊接装备的年总产值不足5亿元，但对我国焊接结构制造行业的发展却起着举足轻重的作用。可以预计，今后几年内，随着世界制造业中心逐渐向着中国转移，我国传统制造业必将加快技术改造，大量采用高度自动化的加工设备，促使我国焊接装备制造业产生根本性的变革。随着社会的进步，一些公司更是采用了先进的焊接工艺，如东方锅炉厂采用先进的热丝TIG焊接技术、来焊接大型锅炉设备，推广了CO2气体保护焊在锅炉受压和非受压部件上焊接的使用。为了满足蒸汽锅炉安全监察规定中大的规定，采用集箱管座内孔氩弧焊来实现全焊透这一要求，解决了集箱管座内孔直径小添丝较困难、不采用内孔添丝焊容易产生根部凹陷和咬边的缺陷。我国在重型压力容器焊接设备方面也有了长足的进步。重型压力容器泛指能承受超高温和高压的压力容器，是油、气、煤大型化工、火电站、核电站、核装置、重型矿山机械等工业行业的核心关键设备。以前，国内用于重型压力容器行业的重型焊接装备一直依赖于进口如ESAB公司和美国浪神公司等。为适应重型压力容器行业快速发展的需要我国焊接界把重型压力容器焊接设备实现机械化和自动化作为了战略目标。为此很多焊接设备公司投入了很大精力来研究。并取得了一定的成绩，如成都焊研威达自动焊接设备有限公司在容器焊接所需的成套设备领域处于领先地位。改变了厚壁压力容器焊接依赖进口的局面。该公司生产的最大防窜滚轮架为1200吨，超大吨位防窜滚轮架用于重型容器的窄坡口焊接和普通环缝埋弧焊或气保焊。其200吨以上的滚轮架，用于重型容器的组对，滚轮架具有上下、左右调节机构，能对容器筒节的垂直、左右错位进行有效调节，实现对中，便于组对，防窜滚轮架的重要参数防窜精度达到了1mm以内。以前各厂家采用天车吊装调整，对中精度低。而它们生产的最大重型操作机1410米，包括十字架式操作机、悬臂式操作机和龙门式操作机三种形式，该操作机的技术特点是端头承载500公斤以上，需载人2-3名，操作机的稳定性和下挠度是需要充分保证的参数，这种重型操作机的下饶度控制在2mm/m以内。而威达公司能成产用于重型容器封头的带极堆焊的最大变位机为150吨，分为双支座下沉式变位机和单支座变位机两种形式，能对4600mm的封头进行堆焊。进入新世纪以来，我国焊接结构制造业当中一个引人注目的动向是向多参数、高精度、重型化和大型化发展。其中包括1000MW以上火力、水力和核能发电设备，年产量60万t以上的化工炼油设备，10万t以上的远洋货轮，大型建筑结构，大跨度桥梁，跨省跨国得出输油输气管线，海洋建筑，冶金设备，重型机构，航空航天工程，大型客车和高速铁路车辆等。2002年我国焊接结构的钢耗量已超过8000万t。特别是2008年我国最大的体育场馆鸟巢的完工，更加显示了我国对焊接技术的需求和迅猛发展。1.2.2 国外研究现状国外的焊接技术起步比我国早，发展速度也比我国快。在1887年,俄国的别纳尔多斯就发明碳极电弧焊钳、1900年又出现了铝热焊。19世纪初，英国的戴维斯发现电弧和氧乙炔焰两种能局部熔化金属的高温热源开拓了焊接技术的新局面。20世纪初，碳极电弧焊和气焊得到应用，同时还出现了薄药皮焊条电弧焊，电弧比较稳定，焊接熔池受到熔渣保护，焊接质量得到大大提高，使手工电弧焊进入实用阶段。而到1951年，苏联的巴顿电焊研究所创造电渣焊，成为大厚度工件的高效焊接法。为焊接重型压力容器打下基础。而在20世纪50-60年代，相继出现了等离子弧焊、电子束焊、激光焊等现代焊接方法、电子束和激光焊接方法的出现，标志着高能量密度熔焊技术的新发展，大大改善了材料的焊接性，使许多难以用其他方法焊接的材料和结构得以焊接。到了20世纪末焊接技术开始了的飞迅发展，各种焊接工艺纷纷问世。特别是近年来，在世界工业发达国家，当代焊接技术与装备的发展速度更是惊人。在英、美、德、法、意和日本等国均有相当规模、开发能力很强的焊接装备生产企业。2001年的第十五届世界焊接与切割博览会上参展的焊接装备厂商近百家，近期生产的自动化焊接装备的设备精度和制造质量已接近现代金属切削机床。最值得注意的是，大多数焊接装备采用了最先进的自动控制系统、智能化控制系统和网络控制系统等。广泛采用焊接机器人作为操作单元，组成焊接中心、焊接生产线、柔性制造系统和集成制造系统。而且早在80年代，国外的焊接装备已向大型化和精密化发展。对于重型压力容器的焊接技术和装备国外也较我国先进。目前国外生产的用于承载压力容器筒体的重型焊接滚轮架最大的承载能力达1600t，自动防窜滚轮架的最大承载能力达800t，采用PLC和高精度位移传感器控制，防窜精度为0.5mm。变位机的最大的承载能力达400t，转矩可450kNM。框架式焊接翻转机和头尾架翻转机的最大承载能力达160t。焊接回转平台的最大承载能力达500t。立柱横梁操作机和门架式操作机的最大行程达12M。龙门架操作机的最大规格为8m8m。另外随着自动控制和信息技术发展的，国外的重型压力容器焊接也发生了根本的变化，向自动化智能化方向发展。焊接生产过程的全自动化已成为一种迫切的需求，它不仅可大大提高焊接生产率，更重要的是可确保焊接质量，改善操作环境。随着整个制造业水平的提高，企业的经营理念发生了很大变化，高产量已让位于高质量，劳动密集型已逐步被知识密集型所取代。大量采用自动化焊接专机、机器人工作站、生产线和柔性制造系统已成为一种不可阻挡的趋势。如大型化计算机集成制造系统，该系统是将焊接机器人或焊接操作机、焊接电源、工件变位机械、输送辊道、半成品库、零件库和原材料库等生产设备和物料供应系统的工作程序的编制、工作参数的设置、生产过程的监控、数据处理、人机界面和通讯网络集成在1台商用或工业PC机上，通过现场总线profibus和ET-200分布式I/0 模块等联结成完整的集成自动化系统。利用CAD/CAM/CAE/CAPP/PDM计算机软件可以实现产品图纸设计、制造工艺编制、生产计划安排、生产过程监控、生产和物料管理等一体化。计算机集成制造系统可以是一条生产线，也可以是整个车间的生产设备，甚至是整个工厂的生产过程和物料的管理。纵观当今世界焊接装备制造业的发展趋势，可以概括为如下几个特点：1.高精度、高质量和高可靠性 如与焊接机器人配套的焊接变位机，最高的重复定位精度为0.05mm，机器人和焊接操作机行走机构的定位精度为0.1mm，移动速度的控制精度为0.1%。2.数字化、集成化和智能化控制 过程的数字化控制比传统的金属切削加工要复杂得多，它必须考虑焊件几何形状的偏差和接缝装配间隙误差以及焊件焊接过程中的热变形，广泛采用各种高级别传感技术，开发先进的自适应控制系统才能实现焊接过程的全自动化。某些形状复杂和质量要求高的焊件，还必须采用智能化的计算机软件控制。3.大型化和组体化 重型厚壁容器焊接中心、集装箱外壳整体组装焊接中心、汽轮机导流隔板柔性制造系统、箱型梁焊接生产线、机车车箱总装组焊中心等。某些大型焊接中心和生产线占地面积可达整个车间。如焊接操作机、配套焊件变位机械、搬运机械和传输辊道组合联动，形成制造系统或焊接生产线。4.多功能化 为发挥大型自动化焊接装备的效率，通常设计成适用于多种焊接方法和焊接工艺，如单丝、多丝埋弧焊，单丝双丝窄间隙焊，MIG/MAG焊和带极堆焊等。5.管控一体化 通过企业的局域网，利用CAD/CAE/CAPP/PDM等计算机软件，将生产管理与制造系统实行集成全自动化控制，实现脱机编程，远程监控，诊断和检修。1.3本文研究内容本文在充分了解了国内外自动焊接技术和装备现状及发展趋势的基础之上，结合重型压力容器的焊接工艺特点，提出了对马鞍形焊缝采用窄坡口、多层多道循环焊接的方案，克服传统手工焊接工作效率低、焊接质量差、工人劳动强度大的弊端，达到操作方便、数字化控制、质量稳定、精度高和速度调节灵活等特点，实现重型压力容器筒体与接管的自动焊接要求。具体研究内容如下。1.前期调研和收集相关资料，了解国内外现有焊接技术及焊接装备的发展状况，掌握国内、外重型压力容器筒体与接管焊接的相关技术现状。2.根据重型压力容器筒体与接管的焊接工艺要求，拟定马鞍形自动焊机的设计方案，确定总体配置和主要设计参数，完成自动焊机的总体设计。3.对马鞍形自动焊机主要部件进行详细设计，包括电动机的选择、集电装置设计进给装置设计等。第2章 总体设计总体设计是机电产品设计的关键，它对产品的技术性能、经济指标和外观造型均具有决定性意义。对于自动焊机的总体设计应始终贯彻了“简单实用、操作方便、安全可靠、技术先进”的原则。本文在详细分析重型压力容器筒体与接管焊接工艺的基础上，借鉴国内外同类产品的成功经验，提出了重型压力容器马鞍形自动焊机的总体设计方案。2.1设计要求由于产品设计要求既是设计、制造、试验和鉴定的依据，同时又是用户衡量的尺度，所以在进行设计前必须对所设计产品提出详细、明确的设计要求。研制的马鞍形自动焊机，主要针对核电、大型石化设备中大厚度、窄坡口的马鞍形曲线焊接。由几何知识可知，所谓的“马鞍形”曲线就是指接管与筒体相贯而形成的相贯线，见图2-1。图2-1 马鞍形曲线焊缝目前用于焊接筒体与接管的坡口的角度多为30-60的普通坡口，它存在坡口加工时间长、焊接工时多、浪费材料和焊接质量低等缺点。而本设计采用如图2-2所示的角度=4的窄坡口焊缝结构，采用窄破口焊缝结构可以节约15%-45%的焊料，并能够节省大量的机械加工和焊接工时，同时也会大幅度地提高焊接质量，降低制造成本。4o图2-2 马鞍形曲线焊缝窄间隙坡口截面图自动焊机的焊枪应具有左右转角功能，焊枪的马鞍形运动轨迹要与实际相吻合，并能够时时修正运动轨迹，实现焊道的自动排列。减少焊接工序，降低劳动强度，提高工作效率。要使焊缝均匀合理，满足产品质量的大前提下，减少焊接材料的消耗。据此提出大型筒体马鞍形自动焊机的设计要求。1.马鞍形曲线自动焊机主要用于接管直径为500-1800mm、接管高度小于600mm、筒体厚度小于300mm、马鞍形最大落差小于300mm坡口形式为窄间隙的场合，要求其焊接速度可调，范围为300-500 mm/min。 2.采用数字控制，焊枪的马鞍形运动轨迹，依据一定的数学模型，通过两轴协调运动合成。具有自动排列焊道功能，可实现多层多道连续焊接。具有三套程序，可分别实现内马鞍、外马鞍及水平环焊缝三种焊接方式。3.焊枪具有摆角功能，可实现不同的摆角位置，且摆角幅度可调。考虑到理论上与实际上的马鞍形运动轨迹可能出现误差，具有方便的调整环节，在焊接过程中，可以及时修正马鞍的落差量。4.设备具有旋转导电、导气装置, 旋转导电装置采用双线、双电刷结构，确保导电良好。且进行多层多道连续焊接时导线不缠绕。为防止导电环数量过多，控制系统安装在设备本体上，随设备一起转动。5.设备具有方便、快捷的连杆式夹紧定位装置，适应的接管范围大。同时可互换三爪卡盘。2.2 设计原则与总体布置2.1.1 设计原则明确、简单、安全可靠是结构总体设计应遵守的三项基本原则。由于这三项基本原则的共同目标都是为了保证实现总系统(产品)的预期功能、降低成本及保障人和环境安全的，所以，在整个设计阶段应将这三项基本原则贯彻到底。1.明确原则 包括功能明确、工作情况明确和结构的工作原理明确。功能明确，所选择的结构应能明确无误地、可靠地实现预期的功能。对于可实现的功能来说，要做到既不疏漏又不冗余；工作情况明确，被设计的产品所处的工作状况必须明确。因为结构和零部件的材料、形状、尺寸、磨损及腐蚀是根据其工况来确定。若设计时缺少准确的使用工况说明，且不得不做出一些假设的话，应随时检查有关假设的正确性；结构的工作原理明确，设计结构时所依据的工作原理必须明确，从而才能可地实现能量流、物料流和信号流的转换或传导。2.简单原则 简单原则是指要在满足总功能的前提下，尽量使整机、部件、零件的结构简单，且数目少；同时还要求操作与监控简便；制造与测量容易、快速、准确；安装与调试简易而快亦就是说这里所指的“简单”，同时具有简化、简便、简明、简易、减少等多重含义。3.安全可靠原则 一个产品的安全可靠性主要指：在规定外载荷下，在规定的时间内，构件不发生断裂、过度变形、过度磨损且不丧失稳定性；要保证操作者的人身安全；不造成不允许的环境污染，同时也要保证整个产品对环境的适应性。2.1.2 总体布置一个机械系统是由若干个子系统按照总功能的要求相互匹配而组成的。总体布置设 计就是确定机械系统中各子系统之间的相对位置关系及相对运动关系，并使总系统具有一个协调完善的造型。一个功能目标可以由不同的功能原理来实现；不同的功能原理方案对应着不同的技术物理效应或物理学原理；不同的效应和原理决定着机械系统的总体布置、性能、产品质量、生产率和成本。同一效应或原理在采用不同的总体布置时，又会对机械系统本身的设计制造和使用产生很大的影响，因此，总体布置设计是结构设计阶段的重要环节。机械系统的总体布置设计是带有全局性的一个重要问题，不但要考虑系统本身的设计内容，而且，还应考虑系统与外部各因素之间的关系，即人机关系、系统对环境的适应等等。布置形式 机械系统总体布置的基本类型：按主要工作机构的空间几何位置可分为平面式、空间式等；按主要工作机械的布置方向可分为水平式（卧式）、倾斜式、直立式和圆弧式等。根据筒体与接管的焊接特点和结构，同时考虑到装夹、安装、拆卸的方便，以及在其工作时操作控制的便利，本设计的自动焊机采用直立回转式布置形式。直立回转式占用空间小，结构紧凑，便于工作人员操作，安装与调试方便，如果采用卧式回转的形式，由于待加工的零件尺寸比较庞大，重量也很笨重，因此给装夹和加工非常困难，而且焊接精度由于受到重力的干扰，相对于直立回转式来说也较差。卧式结构与直立回转式特点见表2-1。可见，选择直立回转式布置较为合理，其结构如图2-3所示。表2-1 卧式布置与直立回转式布置对比卧式结构直立回转结构占用空间大占用空间小安装调试不便安装调试方便装夹困难装夹易刚度较好刚度能满足要求精度较差精度较好工作原理 大型筒体马鞍形埋弧自动焊机总体结构如图2-3所示，它由主机体、夹紧装置、径向进给装置、横向进给装置1、横向进给装置2、导丝机构、焊枪、焊丝盘、集电装置等部分组成。夹紧装置将自动焊机固定到接管体上，通过手柄、齿轮和丝杠螺母带动3组反平行四边形机构伸缩，完成夹紧和松开动作。径向进给装置和轴向进给装置1用于焊枪启始点的确定及自动焊接过程中对焊枪进行微调，同时径向进给装置完成在焊接过程中的径向进给运动。主机体内设计有回转驱动机构和轴向进给装置2，依据一定的数学模型，回转运动和轴向进给装置2驱动的上下往复运动协调运动完成焊枪马鞍形运动轨迹。焊接开始前，首先通过人机界面输入接管直径、筒体直径、焊接速度、焊接层数及每层焊接道数等工艺参数，在手动状态下，将焊枪调整到启始点位置上，自动焊机从马鞍形焊缝的最低点开始，由里向外排列焊道，焊枪每旋转一周并搭接一段距离后，向外侧移动一个焊道宽度，当一层焊道完成后，焊枪自动提高一个焊道高度，再由外向里排列焊道，以此循环往复，完成设定的焊接层数。这样就完成了整个坡口的焊接。109854321761焊枪 2.导丝机构 3.径向进给装置 4.轴向进给装置1 5.轴向进给装置2 6.集电装置 7.焊丝盘 8.主机体 9.手动装置 10.夹具装置图2-3 马鞍形曲线自动焊机总体结构2.3 主要参数的确定2.3.1 传动原理传动系统不仅是连接动力源与执行件的桥梁，而且要完成将动力源的速度或力矩转换为符合执行件所要求的力矩和速度。而且传动系统直接影响到整个系统的结构，是机械设计的一个重要环节。各种运动是由相应的传动链完成的。通常机械系统有几种成形运动，就有几条传动链。根据传动联系的性质不同，传动链可分为内联系传动链和外联系传动链。要实现马鞍形曲线焊缝的焊接，就得实现焊机焊枪的马鞍形曲线的运动，而这个焊枪的运动是由主机体的回转运动、轴向进给装2提供的上下往复运动以及径向进给装置、轴向进给装置1的微调进给运动的合运动。重型压力容器马鞍形自动焊机传动系统见图2-4。 图2-4 马鞍形自动焊机传动系统回转运动电机通过减速器、齿轮把运动传递给整个焊机，使其旋转，同时轴向进给装置2电机也驱动，依据一定的数学模型带动径向进给、轴向进给1以及焊枪上下往复运动。径向进给用来完成一个马鞍形焊道的焊接后驱动电机运动进行一个径向进给，使其能够进行下一马鞍形焊道的焊接，如果在焊接的过程中，焊枪在其焊接轨迹的径向上出现偏差，那么径向进给装置也可来进行微调。而轴向进给装置1主要是如果焊枪在焊接轨迹的纵向上出现偏差，则调整它使焊枪处于正确的位置。2.3.2 运动参数确定交流调速电动机的功率和转矩特性如图2-5所示，自动焊机的回转进给运动、径向进给运动以及2个轴向进给运动装置的电动机均要求恒转距输出，即应使得电动机的工作转速n电小于等于额定转速nd，且大于最低转速nmin。nmin功率P（kW），转矩T（Nm电动机转速（r/min）PTnmaxnd 图2-5交流调速电动机的功率和转矩特性根据大型筒体自动焊机的工作要求，其基本参数确定为：1.回转进给 是由回转装置电机通过行星减速器输出，用齿轮传动。所以回转运动转速为： (2-1)式中：为回转运动电机转速()；Z1为小齿轮齿数(齿)；Z2为大齿轮齿数(齿)；i为行星减速器传动比。2.径向进给运动 径向进给运动是由径向进给运动电机通过齿轮、丝杠传动，把电机的旋转运动转换成所需的直线运动，所以进给速度VS为： (2-2)式中：为进给运动电机转速(r/min)；i为减速器传动比；T为丝杠螺距(mm)。3.轴向进给运动1 同理可得纵向进给速度： (2-3)式中：为进给运动电机转速(r/min)；T为丝杠螺距(mm)。4轴向进给运动2 提升运动是由提升电机通过行星减速机输出，用丝杠螺母传动。所以提升运动的速度为为： (2-4)式中：为轴向进给装置电机转速(r/min)；i为减速器传动比；T为丝杠螺距(mm)。2.3.3动力参数确定各种传动件的参数都是根据动力参数设计计算的。如果动力参数选得过大，将使机床过于笨重，浪费材料和电力；如果参数定得过小，又将影响机床的性能。动力参数可以通过调查、试验和计算的方法进行确定。 传动效率 根据图2-4传动系统可知，回转运动传动系统的总传动效率可表示为： (2-5)式中：为行星减速器传动效率，取=0.97；为轴承传动效率(一对)，取=0.98；为齿轮副传动啮合效率，可取=0.97。将上式代入各参数可求得。电机功率由图2-5可知，有4条传动链。即回转运动、径向进给运动、轴向进给运动1、轴向进给运动2。由于马鞍形曲线自动焊机无外载荷，只是克服自身重量载荷运动，因此只要能够产生带动自身运动的功率的电机即可。1.回转运动装置电机 整个焊机重量 。转动惯量的确定 整个装置的转动惯量设为可表示为： (2-6)式中：m为重量()；r为有效半径(mm)。 整个机构的角速度 通过减速器和齿轮传动，角速度可表示为： = (2-7)式中：为整个机构角速度；为总传动比。克服惯性的扭矩 M1计算如下： (2-8)式中：t为电机起动加速过程的时间。对于中小型机床取t=0.5s，对于大型机床取t=1s。功率的计算 即为克服惯性扭矩的功率，计算式为： (2-9)式中：为传动机构的机械效率。即选用动力源的功率P应不小于0.68kw。所以选择回转电机的功率为0.75kw。2.径向进给装置电动机 由于整个焊机在工作不承受载荷，所以整个运动过程都相当于空行程运转。因此径向进给装置所需电机功率P2为： (2-10)式中：m为移动部件的质量(kg)；g为重力加速度；为当量摩擦系数；为移动件的速度。3.轴向进给装置电动机 轴向进给装置1电动机功率P3为： (2-11)式中：m为移动部件的质量（kg）；g为重力加速度；为当量摩擦系数；F为由于重心与升降机构不同心而引起在导轨上的挤压力；为移动件的速度。同理可得轴向进给装置2电机功率P4=0.36(kw)2.4 本章小结本章在介绍重型压力容器筒体与接管马鞍形焊缝焊接工艺要求基础上，提出了自动焊机的工作原理和总体设计方案，确定焊机的组成、总体布置和主要技术参数，完成了自动焊机的总体设计。第3章 主要部件设计3.1 电动机选择本课题的设计要求马鞍形曲线自动焊要求速度输出在一定范围内可调，为了使用变速系统减化，易于控制，因此采用速度可调的电动机。直流电阻调速与交流变频调速是两种常用的调速方法，下面是这两种调速电动机的比较。1.可靠性 直流电动机转子上因为有线圈和易磨损的换向铜头、碳刷等，故障率高、维修费用大。交流电动机可靠性高，其转子上没有线圈和换向铜头，而是由铸铝和硅钢片压制成的铁滚子，故可称为永不损坏。2.调速器维修量性 直流调速器凸轮控制触头的通、断时产生的电弧经常烧坏触头，所以维修量很大。变频调速器没有触头，接点基本无维修。3.节能性 由于直流调速器电动机带有电阻器运行，因此电能白白消耗在电阻上，同时由于电阻发热导致电阻瓷架和电阻片烧坏。变频调速电动机不用高耗能降压电阻，节电率可达35。4.平稳性 直流调速器电动机为有级分档调速，不可能均匀调；变频调速电动机为无级均匀调速，最低可调至频率为0.1Hz。通过上述比较，根据运动和动力计算的结果，考虑到设计要求，及电动机市场的实际情况，选用三菱HC-KFS73作为回转进给驱动电动机，HC-KFS43作为径向进给装置和轴向进给装置2的驱动电动机，以及选择103H7523步进电动机作为轴向进给装置1的驱动电动机。以HC-KFS73为例，电动机特性见表3-1。表3-1 电动机特性变频专用电机型号HC-KFS73额定功率（kW）0.75额定转矩（N.m）18瞬间最大转矩（N.m）36额定转速(r/min)3000转子惯量（kg.m2.10-4）0.0109调频范围2Hz100Hz3.2 集电装置集电装置是动力源与自动焊机的桥梁，是给自动焊机提供动力的装置。集电装置的作用就是将外部电源导入到电动机内，为焊接过程提供稳定的电力。整个自动焊机与电源之间通过导线连接，焊机的工作时需要旋转，所以，在设计集电装置时，需要考虑箱体旋转时导线的接入方式，要避免导线的缠绕，为此增加了集电装置。关于集电装置我有些想法并试着思考和验证其可行性。（1）采用线圈通过电磁感应来供电：图3-1 简单示意图该方案采取电磁感应供电这样可以避免传统电刷的摩擦与耗损不会出现由于电刷磨损造成的接触不良，同时也减小了回转运动的的负载。但是由于自动焊机输入的是低电压高电流那么由于 (2-11)因为线圈的材料主要是细铜丝电阻大，I很大因此会有巨大的发热消耗，这是不经济的，同时如果改变线圈采用粗的线圈和降低电流的话又必须在焊机上增加变压器和稳压装置会加大焊机的重量这与本焊机可由人力进行移动运输的初衷不符。（2）微波和激光等新技术，通过相关资料和网络的查询，采用这些新技术的话将完全不存在灵活性的限制而且焊机的体积也能进一步缩小但是，首先这些新技术还不成熟远远不到应用的阶段，其次本焊机使用的场所不适合假设上述新技术的传输装置，再次成本会过高而不实际，最后这些新技术带来的新污染和问题尚未解决。经过上述考虑后决定采用传统可靠谱的电刷结构集电装置。集电装置由绝缘环I、导电环I、绝缘环II、导电环II、盖板、尼龙键、电刷等组成。其结构如图3-2。电刷结构如图3-3所示。64101198572131. 主轴 2. 绝缘套 3. 绝缘环I 4. 导电环I 5. 绝缘环II 6. 导电环II 7. 盖板8. 尼龙键 9. 平键 10. 大电刷 11. 弹簧 图3-2 集电环装置电动机既要旋转，又要引入或引出电流，为了防止导线因旋转而产生导线缠绕，为此，就把电动机转子线圈的两端接到导电刷上，导电刷、电动机随箱体一起旋转。同时，电源的接入导线从绝缘套与导电环的空隙引入，和固定不动的导电环相连。一个旋转，一个不动，两者之间有滑动摩擦，所以，电刷用又滑又导电的石墨制成。设计利用电刷结构，箱体与电刷一起旋转，导线从导电环接入，电刷与不旋转的导电环之间通过石墨块连接，这样就解决了导线随箱体旋转缠绕的问题了。石墨用作导电环材料，摩擦阻力小，导电性能好，设计的多导电环结构又避免了由于断路而产生的断电现象，使机器能够正常的工作。而在导电环之间装入尼龙材料的绝缘环，这就避免了“联电”现象的产生，确保焊机能够安全的运行。123451. 小电刷 2. 电刷套 3. 顶丝 4. 电刷罩 5. 绝缘座图3-3 集电极装置小电刷结构3.3 进给装置过齿轮传动给丝杠，通过丝杠的转动，带动套在丝杠上的丝母做左右直线运动。工作时套在伺服电机上的齿轮转动，通过齿轮传动传到套在丝杠上的齿轮使其转动，这样，丝杠也转动，转动的丝杠使丝母能够左右移动，丝母带动滑座在线性滑轨上左右移动。由于焊接机头是安装在滑座上的，通过滑座的移动，焊接机头也相应的向左和向右移动，从而实现了径向的进给过程。径向进给装置由电动机、齿轮、丝杠、丝母、导轨等组成。采用齿轮和丝杠传动，实现从回转运动到直线运动的转换，电机平行于丝杠的布置节省了焊机在水平上的占用空间，使其结构更加紧凑。使用HGW系列四列式15CC2R880ZAH直线滚动导轨，摩擦阻力小，耐磨性能好，该导轨又具有自动调心能力，确保径向进给装置运动的平稳性，防止自动焊机的低速进给运动出现的爬行现象，保证精确的径向进给。而且使用HGW系列导轨实现了模块化设计，为后续的轴向进给设计提供了方便，节约了设计时间。大量使用同规格的标准件，如螺栓、丝母等实现了自动焊机零件使用的通用化，为维修和设计其他装置提供条件。采用丝杠传动的结构能保证径向进给装置传动比精确、调节速度均匀、寿命长等优点。丝杠螺母传动的特点及应用（1）用较小的扭矩转动丝杠（或螺母）可使螺母（或丝杠）获得较大的牵引力。（2）可达到较高的降速传动比，使降速机构大为简化，传动链得以缩短。（3）能达到较高的传动精度，用于进给机构还可用作测量元件，通过刻度盘读出直线位移的尺寸，最小读数值可达0.001mm。（4）传动平稳，无噪声。（5）在一定条件下能自锁，即丝杠螺母不能进行逆传动，此特点特别适用于作部件升降传动，可防止部件因自重而自动降落。螺距（mm）丝杠(mm)丝杠螺母丝杠螺母丝杠断面积A螺纹升角丝杠断面极惯性矩丝杠断面惯性矩I外径d内径d1中径d2（mm）外径内径42015.51820.5161.8940.56670.3341由表3-1初选丝杠螺母副丝杠螺母副的基本参数如表3-1丝杠的传动效率查得=0.7一、选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数1、选定直齿圆柱齿轮示的传动传动。移动部件为一般机构，速度不高，故齿轮选定8级精度。2、齿轮选用便于制造且价格便宜的材料，由参考文献表3-2选取小齿轮材料为45号钢（调质），HBS1=240,大齿轮材料为45号钢（常化）HBS2=200.3、选取小齿轮数Z1=20,大齿轮数Z2=iZ1=420=80。因齿面硬度小于350HBS的闭式传动，所以按齿面接触疲劳强度设计，然后校核齿根弯曲疲劳强度。二、按齿面接触疲劳强度设计由参考文献式得设计公式为:1、确定公式内各参数的数值（1）试选载荷系数Kt=1.3（2）计算小齿轮传递的转矩,按高速轴的最低转速计算T1=95.5105p/n1=13614.5Nmm=13.6Nm（3）选取齿宽系数d=0.8（4）查得弹性影响系数ZE=189.8（5）查得接触疲劳强度极限Hlim1=590Mpa;由查得接触疲劳强度极限Hlim2=470Mpa（6）由式3-29计算应力循环次数N1=60=6050011630015=21.6108=21.6108/4=5.4108（7）由图357查的寿命系数（8）计算接触疲劳许用应力。取失效概论为1%，安全系数为S=1，由式330得：Hlim2=590MPaHlim1=470MPa2.计算（1）计算小齿轮分度圆直径：d=38.3mm（2）计算圆周速度：V=1m/s（3）计算载荷系数。故载荷系数为（4）按实际的载荷系数校正所计算的分度圆直径，由327B得d =37.4mm（5）计算模数：1.87mm由参考文献取模数为标准值，m=2mm（6）计算分度圆直径：（7）计算中心矩：a=(d1+d2)/2=(40+160)/2=100mm（8）计算齿轮宽度：b=dd1=0.840=32mm圆整，取B2=35mm,B1=40mm三、校核齿根弯曲疲劳强度由式（16-4）得校核公式为：MPa1、确定公式内的各参数数值计算圆周力Ft=2T1/d1=213614.5/40=680.7N查取应力校正系数。由表3-8查得：YFa1=2.8YSa1=1.55;YFa2=2.22;YSa2=1.77计算载荷系数：K=KAKVKaKF=11.0811.25=1.35查取弯曲疲劳强度极限及寿命系数。由图3-58查得Flim1=450Mpa;由图3-58查得Flim2=390Mpa;由图3-56查得KFN1=KFN2=1.计算弯曲疲劳许用应力，取弯曲疲劳安全系数S=SF=1.4，得：F1= 236MPa4231F2= 456MPa651.小齿轮 2.大齿轮3.电动机 4.丝杠5.丝母 6.导轨 图3-4 径向进给装置图3.4 非任务的主要部件的设计利用轴的回转运动来完成执行任务的情形很多很多，如机床中主轴带动工件或刀具，可完成工件表面的成形加工运动；轧钢机中通过轧辊(相当于机床中的主轴)对钢材的轧制，以获得不同形状、尺寸的型钢及一些自动装配线上使用的各种不等速或间歇回转机构的轴等。这些主轴由于功用不同，故各自具体结构及主轴机构的组成及布置也不一样。但归结起来主轴机构一般主要由主轴、安装在其上的传动件(齿轮、皮带轮等)、密封件、轴承、轴承间隙调整及固定元件(螺母)等组成，因此，设计主轴机构时主要是各组成元件的布置及设计轴本身。因为自动焊机的运动轨迹是马鞍形曲线，是纵向运动和回转运动的和运动，所以要想是焊机实现马鞍形曲线的轨迹就要求有回转进给。回转进给装置由主轴、电动机、行星减速器、齿轮、连接座等组成。如图3-5所示。伺服电机连接行星减速器提供动力，通过主动齿轮传动给套在主轴上的从动齿轮，从动齿轮固定在主轴上，而主轴固定不动，形成反向作用力，使连接电机的整个箱体绕轴做回转运动，从而实现了回转进给过程。它结构简单、紧凑，占用空间小，因为选用了行星减速器更加节约了空间，减轻了整个焊机的重量，而又实现了大传动比。主轴居中布置避免由于偏心而产生的弯矩，使焊机受力均匀合理。回转装置中的齿轮均采用定位销来定位，这种定位方法结构简单又便于装配。456871231. 连接座 2. 销 3. 箱体 4. 销 5.主轴 6.电机与减速器 7.大齿轮 8. 小齿轮 图3-5 回转进给装置结构轴向进给装置 轴向像进给装置1与径向进给装置相似，都是作直线运动的机构，是当焊枪在纵向上位置不准确时用来调整其纵向位置的装置。为使设计过程简单，加工制造方便，便于以后自动焊机的系列化发展、实现其模块化设计。因此也采用齿轮、丝杠传动，利用导轨来导向和承载，选择其规格和径向进给装置相同的零件，如丝杠、丝母、导轨、螺栓等。其结构如图3-6所示。它和径向进给装置的不同之处在于电动机与丝杠直线布置，直接用联轴器与电动机连接。这样即节约了空间又受力合理，实现其微调的作用。轴向进给装置2结构更为简单，它也是做直线运动的机构，不同之处在于它是用于焊机的轴向进给，速度范围要与回转运动相协调，因此减速机构选择行星减速器、丝杠、丝母。结构见图3-7。 图3-6 轴向进给装置1 图3-7 轴向进给装置2夹紧装置 定位基准定位的作用是要使自动焊机与被焊接筒体之间具有准确和固定不变的工作位置，在保证工作要求的情况下，限制足够的自由度。用来确定加工对象上几何要素间的几何关系所依据的那些点、线、面成为基准。按照其作用的不同，基准可以分为：设计基准和工艺基准两大类。工艺基准又可以分为：工序基准、定位基准、测量基准和装配基准。该自动焊机的装夹定位基准有两种定位方案。第一种采取接管的外圆柱面和端面为定位基准平面，这种定位形式要求接管有足够的伸出长度已便于定位。第二种采用接管的内圆柱面和端面为定位基准平面，工件以圆柱外表面为基准进行定位时常采用V形铁定位器，同时保证其加工精度。 夹具装置设计 1.三爪卡盘 对大型圆筒夹具体选择三爪卡盘外夹式进行夹紧，以工件的外圆面平面为基准进行定位时，其限制OX、OY、OZ三个方向的平动自由度和OX、OY两个方向的旋转自由度，共限制5个自由度。如下图3-8所示。ZXY 图3-8 三爪卡盘的装夹 2.反四边行夹具 采用连杆机构，对夹具进行内扩式夹紧。利用定位工件的定位，夹具的固定杆限制了OX两个方向的旋转自由度和OX、OY、OZ三个方向的平动自由度，夹具的顶端固定块限制了OY方向的平动自由度，共限制5个自由度，如图3-9所示。654XZ321Y1.夹具 2.固定杆 3.固定板 4.连杆I 5.连杆II 6.接管图3-9 连杆的装夹3.夹具的选用 采用三爪卡盘在装夹方面上完全符合要求，其限制了5个自由度，把接管紧紧固定在夹具上，从理论上可以应用，但是其应用范围很小，只能限制在被夹体具有突出外径的情况下，才可以应用，而这类夹具体往往仅限于圆筒类。所以如果被夹体是长方体或者不规则的形状，方案就很难实现。而反四边行夹具的应用范围很广，只要有内孔或内槽就可以，把连杆深入到夹具体内部，通过伸张和收缩，把接管固定住。在使用反四边行夹具时，我们设计手动装置通过手动旋转手轮，锥齿轮就会把动力传到丝杠使它旋转，从而使连接连杆的拉杆在滑槽内移动，这样就使四边形机构扩张和缩进，从而来夹紧工件。通过三爪夹盘与反四边行机构的综合比较，我们根据实际焊接零件的实际需要来选择夹具的使用。图3-10手轮内部结构 箱体箱体零件工作能力的主要指标是刚度，其次是强度和抗振性能。对具体的机械，还应满足特殊的要求。箱体的结构形状和尺寸大小，决定于安装在它的内部或外部的零件和部件的形状和尺寸及其相互配置、受力与运动情况等。设计时，应使所装的零件和部件便于装拆与操作。箱体的一些结构尺寸，如壁厚、凸缘宽度、肋板厚度等，对箱体的工作能力、材料消耗、质量和成本，均有重大的影响。但是由于这些部位形状的不规则和应力分布的复杂性。以前大多是按照经验公式、经验数据或比照现用的类似机件进行设计，而略去强度和刚度等的分析与校核。这对那些不太重要的场合虽是可行的，但却带有一定的盲目性(例如对减速器箱体的设计就是如此)。因而对重要的箱体，考虑到上述设计方法不够可靠，或者资料不够成熟，还需用模型或实物进行实测试验，以便按照测定的数据进一步修改结构及尺寸。箱体是机械系统的重要零件，它是各传动零件的支承元件。箱体应具有足够的静刚度、较好的动特性和良好的热特性，同时还就考虑到电器合理布置，以及冷却和润滑等。应用于焊接用的自动焊接主机体箱体特别要注意与电源的联电，因其工作环境相对较差，控制装置中电子元件易受干扰，且尽可能降低重量，因此采用铝质合金焊接而成。 图3-11 焊机箱体1.1 本章小结本章依据运动和动力参数进行了动电动机的选择，并对马鞍形自动焊机的回转装置、径向进给装置、轴向进给装置1、轴向进给装置2、夹具装置等进行了详细设计。实现结构设计的模块化、通用化，达到节约设计时间，降低成本的效果。结 论本文在充分了解和掌握国内外焊接装备技术现状及发展趋势的基础上，结合重型压力容器接管的特点与焊接要求，提出了把焊机安装在接管上的立式配置形式，实现了焊接速度可调、可控的智能化设计方案。根据主要技术参数和相关技术指标完成了自动焊机的总体设计和技术设计本课题的创新在于以下几方面：1通过广泛的阅读和调研深入了解目前筒体与接管焊接的现状，结合当前国内外焊接技术与焊接设备的发展状况，根据所要加工的筒体与接管的焊接特点，提出了一种自动焊机的全新设计方案。2根据重型压力容器筒体与接管的焊接工艺要求，确定了马鞍形自动焊机的主要设计参数，完成了总体设计和结构设计。实现了主要部件的通用化和模块化，大大简化了结构，降低了成本。重型压力容器马鞍形自动焊机是一个功能强大、相对复杂的机械系统。限于本人工作时间和能力等，还有许多问题需要进行详细探讨，研究工作还有待于进一步完善。主要工作以下几方面：1进一步完善焊机零件的通用化和焊机部件的模块化，提高焊机的工艺性，降低维修和使用成本。2焊机的实际轨迹与理想的马鞍形曲线焊缝的误差。参考文献 1 符娅波, 边美华, 许先果. 弧焊机器人的应用与发展J. 热加工工艺, 2006, 3-8.2 高魁玉. 焊接技术的现状和发展趋势综述J. 现代焊接, 2007, 1: 2-16.3 王彬. 我国焊接自动化技术的现状与发展趋势J. 电焊机, 2008, 6: 3-8.4 潘际銮. 现代弧焊控制M. 北京: 机械工业出版社, 2000: 12-20.5 何瑞芳, 陈裕谷. 焊接工作者信息手册M. 北京: 机械工业出版社, 2003: 8-13.6 PING L U. 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谢到此为止四年大学的最后一次设计结束了。在这四年的学习生活之中经历了多次的设计作业，但给我留下印象最深的还是这次的毕业设计。相较于前几次的设计作业这次的作业难要远大于前几次的，毕竟前几次的设计作业有老师领着一步步走并且有相当详细的参考资料，但这一次不同是在给定的课题下完全创造出一个新的设计。虽然这次设计作业给的时间相当长，但由于难度大时间依然相当紧。所以这次设计作业留下的最大的印象就是紧张与忙碌。但是到了最后完成时的成就感远大于前几次。除此之外这次的设计作业也是最为贴近现实的设计工作的一次。在经历这次设计作业之后，我们在面对将来的实际设计工作时能够不那么困难，但我也知道这毕竟只是设计作业与将来的实际工作还是有着差距的，古人有云“学无止尽”，我们还必须在将来的工作生活之中继续学习与时俱进才能百尺竿头更进一步。所以这次毕业设计的结束不仅仅是大学四年生活的结束，还是我们人生的下一个阶段的开始，从这之后我们就会面度就业这一人生的重要阶段，至此我们的学生时代就此结束，那么我会带着学生时代的回忆与热情去面度我们的未来去争取自我的价值的实现。附录I基本加工工序和切削技术机床是从早期的埃及人的脚踏动力车和约翰威尔金森的镗床发展而来的。它们为工件和刀具提供刚性支撑并可以精确控制它们的相对位置和相对速度。基本上讲，金属切削是指一个磨尖的锲形工具从有韧性的工件表面上去除一条很窄的金属。切屑是被废弃的产品，与其它工件相比切屑较短，但对于未切削部分的厚度有一定的增加。工件表面的几何形状取决于刀具的形状以及加工操作过程中刀具的路径。大多数加工工序产生不同几何形状的零件。如果一个粗糙的工件在中心轴上转动并且刀具平行于旋转中心切入工件表面，一个旋转表面就产生了，这种操作称为车削。如果一个空心的管子以同样的方式在内表面加工，这种操作称为镗孔。当均匀地改变直径时便产生了一个圆锥形的外表面，这称为锥度车削。如果刀具接触点以改变半径的方式运动，那么一个外轮廓像球的工件便产生了；或者如果工件足够的短并且支撑是十分刚硬的，那么成型刀具相对于旋转轴正常进给的一个外表面便可产生，短锥形或圆柱形的表面也可形成。平坦的表面是经常需要的，它们可以由刀具接触点相对于旋转轴的径向车削产生。在刨削时对于较大的工件更容易将刀具固定并将工件置于刀具下面。刀具可以往复地进给。成形面可以通过成型刀具加工产生。多刃刀具也能使用。使用双刃槽钻钻深度是钻孔直径5-10倍的孔。不管是钻头旋转还是工件旋转，切削刃与工件之间的相对运动是一个重要因数。在铣削时一个带有许多切削刃的旋转刀具与工件接触，工件相对刀具慢慢运动。平的或成形面根据刀具的几何形状和进给方式可能产生。可以产生横向或纵向轴旋转并且可以在任何三个坐标方向上进给。基本机床机床通过从塑性材料上去除屑片来产生出具有特别几何形状和精确尺寸的零件。后者是废弃物，是由塑性材料如钢的长而不断的带状物变化而来，从处理的角度来看，那是没有用处的。很容易处理不好由铸铁产生的破裂的屑片。机床执行五种基本的去除金属的过程：车削，刨削，钻孔，铣削。所有其他的去除金属的过程都是由这五个基本程序修改而来的，举例来说，镗孔是内部车削；铰孔，攻丝和扩孔是进一步加工钻过的孔；齿轮加工是基于铣削操作的。抛光和打磨是磨削和去除磨料工序的变形。因此，只有四种基本类型的机床，使用特别可控制几何形状的切削工具1.车床，2.钻床，3.铣床，4.磨床。磨削过程形成了屑片，但磨粒的几何形状是不可控制的。通过各种加工工序去除材料的数量和速度是巨大的，正如在大型车削加工，或者是极小的如研磨和超精密加工中只有面的高点被除掉。一台机床履行三大职能：1.它支撑工件或夹具和刀具2.它为工件和刀具提供相对运动3.在每一种情况下提供一系列的进给量和一般可达4-32种的速度选择。加工速度和进给速度，进给量和切削深度是经济加工的三大变量。其他的量数是攻丝和刀具材料，冷却剂和刀具的几何形状，去除金属的速度和所需要的功率依赖于这些变量。切削深度，进给量和切削速度是任何一个金属加工工序中必须建立的机械参量。它们都影响去除金属的力，功率和速度。切削速度可以定义为在旋转一周时速度记录面相对任何瞬间呈辐射状扩散的针，或是两个相邻沟槽的距离。切削深度是进入的深度和沟槽的深度。在车床中心的车削在机动车床上完成的基本操作已被介绍了。那些用单点刀具在外表面的操作称为车削。除了钻孔，铰孔，研磨内部表面的操作也是由单点刀具完成的。所有的加工工序包括车削，镗孔可以被归类为粗加工，精加工或半精加工。精加工是尽可能快而有效的去除大量材料，而工件上留下的一小部分材料用于精加工。精加工为工件获得最后尺寸，形状和表面精度。有时，半精加工为精加工留下预定的一定量的材料，它是先于精加工的。一般来说，较长的工件同时被一个或两个车床中心支撑。锥形孔，所谓的中心孔，两端被钻的工件适于车床中心-通常沿着圆柱形工件的轴线。工件接近为架的那端通常由尾架中心支撑，在靠近主轴承的那端由主轴承中心支撑或由爪盘夹紧。这种方法可以牢固的加紧工件并且能顺利地将力传给工件；由卡盘对工件提供的辅助支撑减少切削时发生的颤振趋势，如果能小心准确地采用卡盘支撑工件的方法，则可以得到精确的结果。在两个中心之间支撑工件可以得到非常精确的结果。工件的一端已被加工，那么工件便可车削了。在车床上加工另一端，中心孔充当精确定位面和承载工件重量和抵制切削力的支撑面。当工件由于任何一原因从车床上移除后，中心孔将准确地使工件回到这个车床上或另一个车床上或一个圆柱磨床上。工件不允许被卡盘和车床中心夹在主轴承上。然而首先想到的是一个快速调整卡盘上工件的方法，但这是不允许的因为在由卡盘夹持的同时也由车床中心支撑是不可能的。由车床中心提供的调整将不能持续并且爪盘的压力会损坏中心孔和车床中心，甚至是车床主轴。浮动的爪盘为上述陈述提供了一个例外，它几乎完全使用在高生产工作上，这些卡盘是真正的工作驱动者并且不为同样的目的如普通的三爪，四爪卡盘使用。而大直径的工件有时装在两个中心，它们最好有由面板夹持在主轴承尾部来顺利得到能量转换；许多车床夹头并不能足量的转换能量，虽然可以作为特殊的能量转换。机械加工介绍作为产生形状的一种方法，机械加工是所有制造过程中最普遍使用的而且是最重要的方法。机械加工过程是一个产生形状的过程，在这过程中，驱动装置使工件上的一些材料以切屑的形式被去除。尽管在某些场合，工件无支承情况下，使用移动式装备来实现加工，但大多数的机械加工是通过既支承工件又支承刀具的装备来完成。小批量，低成本。机械加工在制造业上有两个应用。是铸造，锻造和压力工作，产生每一个特殊形状，甚至一个零件，几乎总有较高的模具成本。焊接的形状很大程度上取决于原材料。通过利用总成本高但没有特殊模具的设备，加工是有可能的；从几乎任何形式的原材料开始，只要外部尺寸足够大，由任意材料设计形状。因此加工是首选的方法，当生产一个或几个零件甚至在大批量生产时，零件的设计在逻辑上导致铸造，锻造或冲压制品 。高精度，表面精度。机械加工的 第二个应用是基于可能的高精度和表面精度的。如果在其他工序中大批量生产，很多低量零件会产生出低的但可接受的公差。另一方面，许多零件由一些大变形过程产生一般的形状，并且只在具有很高精度的选定面加工。举例来说，内线流程是很少产生任何方式以外的其他机械加工并且紧接着压力操作后零件上的小洞可能被加工。主要的切削参数在切削时基本工具工作的关系充分描述的方法有4个因素：刀具几何形状，切削速度和切削深度。刀具必须由适当的材料做成；它必须有一定的强度，粗糙度，硬度和抗疲劳度。刀具几何形状由面和角度描述，对每一种切削操作都是正确的。切削速度是指切削刃通过工作面的速度，它已每分钟通过的英尺数表示。对于加工效率，切削速度相对于特殊工作组合必须具有适当规模。一般来讲，工件越硬，速度越小。进给是刀具进入工件的速率。当工件或刀具旋转时，进给量的单位是英寸每转。当刀具或工件往复移动时，进给量的单位是英寸没次，总的来说，在其他相似情况下进给量与切削速度成反比。切削速度用英寸表示，是刀具进入工件的距离表示的，它是指车削时屑片的宽度或是直线切削时屑片的厚度。粗加工时切削深度比精加工的切削深度大。切削参数的改变对切削温度的影响在金属切削作业中热量产生于主要和第二变形区而这些结果导致了复杂温度遍布于刀具，工件和屑片。一个典型的等温先如图所示，它可以看出正如预测的，当工件材料经历主要变形，被减切时，有一个非常大温度梯度遍布于屑片的整个宽度。当第二变形区的屑片还有一小段距离就达到了最大温度。因为几乎所有的工作都以金属切削转化为热量而完成，可以预测去除每一单位体积的金属所增加的能量消耗将会提高切削温度。因此在所有其他参数不变，前角变大时，将减少去除每单位体积金属的能量和切削温度。当考虑到增加未形成屑片的厚度和速度，情况就更复杂了。增加切削厚度往往会大大影响热量传给工件，刀具的多少，而且会使屑片停留在一个固定数额，同时切削温度的变化也会很小，可是增加切削速度会减少传递给工件的热量，同时这将增大屑片主要变形的温升。此外，第二变形区是比较小的，在这个变形区会提高温度。切削参数的其他变化几乎不影响去除每单位体积的能量消耗和切削温度。因此已经表明，即使是切削温度的小规模变化对刀具磨损率也有重大影响，从切削数据来估计切削温度是恰当的。检测高速钢工具最直接最准确的方法，特伦特给出了高速钢工具温度分布的详细资料。该技术是基于高速钢刀具的数据检测并与对热历史的微观变化有关。特伦特已经描述了切削温度的测量和加工大范围工件时高速钢工具的温度分布。使用扫描电子显微镜来研究精细尺度微观结构变化，这项技术已得到了进一步发展。这项技术也用于研究高速钢单点车刀和麻花钻的温度分布，刀具磨损脆性断裂已经得到了处理，刀具磨损基本上有三个类型。后刀面磨损，边界磨损和前刀面磨损。刀面磨损发生在主切削刃和次切削刃。主切削刃负责去除大量金属，这增加了切削力和温度，如果任其发展会导致刀具和工件的振动，这就再不能高效率地切削了。次切削刃决定工件尺寸和表面精度，后刀面的磨损会导致大量产品出现较差的表面精度。根据实际切削条件，刀具不可用的主要原因在于主刀面先于次刀面的磨损非常大，这导致了一个不可接受部分的产生。因为刀具的应力分布，刚开始滑动时，滑动区域的摩擦力在屑片和面之间达到最大，最后摩擦力便为零。因此磨料磨损发生在这个区域，在屑片与相离处更多的磨损发生在与该区域相邻处，这比相邻于这点的更多。这导致了刀具面的局部点蚀与这面有一定距离，这面通常有一部分是圆弧形的。在许多方面并基于实际切削条件，边界磨损相比后刀面是一个较不严重的磨损，因此刀面磨损是一种较常见磨钝标准。然后，由于各样作者表明，伴随着切削速度的增加面温度的增加量多于刀面的增加量，而由于温度变化严重影响任一类型的磨损率，边界磨损通常发生在较高切削速度的情况下。刀具与未切削面相接触的地方，主刀面磨损的尾部的磨损比沿着剩余磨损面的地方更明显。这是因为局部影响如未切削面是由先前的切削，氧化规模，局部高温所形成的加工硬化而造成的。这个局部磨损一般与边界磨损有关，有时还很严重。虽然出现凹口不会严重影响刀具的切削性能，凹口是往往比较深，如果继续切削刀具很可能断裂。如果任何形式的渐进磨损让其戏剧性的继续存在，刀具将面临灾难性的故障，如刀具再不能切割，在好的情况下，工件报废，最坏时，机械工具可能造成损坏。对于硬质合金刀具和各类型的磨损，在出现灾难性故障之前达到最长使用使用寿命的极限。但对于高速钢切削工具的磨损是不均匀的，目前已发现当磨损继续并甚至出现灾难性故障时，便可得到最有意义的和可以复制的结果，当然在实践中，切削时间远远少于故障时间。发生灾难性故障时会出现几个现象，最常见的是切削力突然增加，工件出现亮环，噪音显著增大。表面精整加工机理有五个基本机制对于已加工产品有影响：（1）切削过程的基本几何形状，单点车削刀具将轴向前进一个恒定距离，由此产生的面将在它上面，刀具垂直方向进给运动时，一连串的尖点形成切削刀具的基本形状。（2）切削加工的效率。已经提到不稳定刀瘤将产生含有硬化刀瘤片段的面。这个片段使表面光洁度降低。也能证明在不利切削条件下引用大进给，小前角和低切削速度，除此以外生产条件也会导致不稳积屑瘤产品，切削过程变得不稳定而不是在剪切带连续切削，发生破碎，出现不均匀的间断屑片，表面也不够光滑。当加工韧性材料时这种情况尤其明显。（3）机床的稳定。根据某些组合的切削条件，工件尺寸，夹紧的方法和相对机床结构的刚度，不稳定性是刀具造成的颤动。在一定条件下，这种颤动将达到并保持一定的振幅，而根据其它条件的振动也会产生，除非切割阻止了相当大的损坏不然切削刀具和工件都可能发生颤动。这个现象称为颤振，而轴向车削的特点是工件上有长螺旋带，暂加工面上有短节距起伏。（4）去除切屑的有效性。在间断切屑生产加工中，如脆性材料的铣削和车削，预计无论是由于重力还是切削液，屑片都将离开切削区，任何情况下也不会影响切削面。连续屑片是显而易见的，如果不采取措施来控制切屑，就有可能会影响切削面并留下痕迹。无可避免地，这标志着只能期待。（5）切削刀具的有效后角。对于有某一几何形状的小型切削刃和后角，很有可能在主切削刃切削，在次切削刃打磨。这会产生好的表面精度，但当然这一个严格地金属成形的组合，是不能被推荐为实际的切削方法。但是，由于这些情况偶有发生，刀具磨损会导致表面特性的变化。极限与公差机械零件被制造因此它们是可互换的。换句话说，每一种机械零件或装置被制成一定的大小和形状来适用于其它型号的机器。为了使零件具有互换性，每一个零件都做成一个尺寸来用正确的方法与对应的零件相配。这不仅不可能，而且是许多零件都做成一个尺寸是不切实际的。这是因为机器不是完美的，而工具会磨损。相对于正确尺寸的一点偏差通常是允许的。这个偏差的大小依赖于被制零件的种类，比如一个零件可能是6英寸，上下偏差是0003英寸（三千分之一）。因此这个偏差可以是5997英寸到6003英寸之间并仍能保持正确尺寸。这就是偏差。上偏差和下偏差之差即是公差。公差是零件尺寸的最大变化量，基本尺寸是允许变动量和公差范围而衍生的尺寸限制。有时偏差只允许一个方向的变动，它允许公差在孔或轴上变化而不会严重影响配合。当公差在两个方向上都变化时，称为完全偏差（正和负）。完全偏差是分开的，并且在基本尺寸的每一边都会有。而极限尺寸只有最大尺寸和最小尺寸。因此，公差是这两个尺寸之差。表面精度和尺寸控制产品已经完成了应有的形状和大小，常常需要某种类型的表面精度是它们能够履行好自己的职能。在某些情况下为了抵抗划破和擦破，提高表面材料的物理性能是必须的。在许多制造工艺中，产品表面留下污垢，屑片，油脂或其它有害物质。由不同材料组成的混合物，不同方式加工的同种材料，可能需要一些特殊的面处理以提供均匀的外观。表面抛光处理有时可能成为一个中间处理程序。举例来说，先于各种电镀工艺，清洁和抛光通常是必不可少的。一些清洗程序也用来改善配合零件的表面光滑度，也为了去除毛边，这些在以后使用中是有害的。表面抛光处理的另一个重要原因是在各种各样的环境中的防腐保护。保护程序的类型主要取决于预期暴露，并充分考虑到材料保护和经济因数。为了满足上述目的，因此必须使用表面抛光的主要方法，表面力学的化学变化影响工作面的性能，用各种方法清洗，保护涂料和有机金属的应用。在早期的工程中，尽量接近的将配合零件加工到所需尺寸，把配合零件加工到相似尺寸然后完成加工，并不断地将其它零件与它相配，直到得到理想的关系。如果在加工时不方便将一个零件另一个零件相配，则最后的工作是由钳工坐在板凳上，刮削配合零件直到理想的配合，因此作为一名钳工字面意为J，显而易见，两个零件仍在一起而M不得不更换，必须再一次去相配合。在这些日子里，我们期望能为坏零件购买一个替代品，而它的功能正常也不需要刮削和其它修改工序。当一个零件能被用来替换另一个同尺寸和同材料规格的零件，这时我们称之为这些零件能互换。互换系统通常可以降低生产成本，为了一个昂贵的操作是没有必要的，这有益于客户在需要时更换磨料零件。自动夹具设计装配设备的传统同步夹子有更多的零件与中心线相对，以确保当电弧从传送带回升时能在一个众所周知的地方。然而，在某些应用中，迫使零件与中心线对准，可能会损坏零件和设备。当零件很小并有一些碰撞可导致刮擦，当它的位置被机床主轴或丝杠固定，或公差是很小时，最好使夹子配合零件的位置而不是倒过来。对于这些任务Zaytran公司Elyria已经创造了GPN不同步系列，它与夹持兼容。因为力和夹子的同步系统是独立的，同步系统可以被一个精密的防滑系统取而带之而不影响夹持力。夹子尺寸范围从51b夹持力和0.2英寸冲程到40Gb夹持力和6英寸冲程。夹子产品的特点是批量的规模越来越小并且提供更多元的产品。作为最后一步生产步骤，装配在批量大小和产品设计时特别容易变化。以前在这种情况下，迫使许多企业把更多的精力投入到广泛合理化和自动化装配上。虽然在以灵活处理系统如工业机器人的背景下，弹性夹具的发展在快速下降，但尝试着增加弹性夹具会成为可能。夹具是必需的产品投资，这一事实激化了使夹具更灵活地在经济上的必要性。夹具可以根据它们的灵活性分为单一夹具，组合夹具，模块化夹具，高灵活夹具。灵活夹具的特点是对不同工件的高度适应性，较少的变换时间和较低的价格。在生产任务中工件在夹具里是固定的，固定一个工件有几个必要步骤。第一步要确定工件在夹具上的位置，考虑未加工面和工作特点。在此之后，固定面必须被选定。工件在确定的位置被固定在固定面上，并添加必要的力和力矩，保证获得必要的工作特点。最后，必要的调动位置或组合夹具因素都要考虑，调整或组装，使工件牢牢地固定在夹具上。通过这样一个程序，工序和工序卡片，夹具的装配可自动进行。结构造型任务就是要产生若干稳定平面的组合，这样在这些平面上的各夹紧力将使工件和夹具稳定。按惯例，这个任务可用人-机对话即几乎完全自动化的方式来完成。以人-机对话即以自动化方式确定夹具结构造型的优点是可有组织有规划进行夹具设计，减少所需的设计人员，缩短研究周期和能更好地配置工作条件。简言之，可成功地达到显著提高夹具生产效率和经济效益。附录IIBasic Machining Operations and Cutting TechnologyBasic Machining Operations Machine tools have evolved from the early foot-powered lathes of the Egyptians and John Wilkinsons boring mill. They are designed to provide rigid support for both the workpiece and the cutting tool and can precisely control their relative positions and the velocity of the tool with respect to the workpiece. Basically, in metal cutting, a sharpened wedge-shaped tool removes a rather narrow strip of metal from the surface of a ductile workpiece in the form of a severely deformed chip. The chip is a waste product that is considerably shorter than the workpiece from which it came but with a corresponding increase in thickness of the uncut chip. The geometrical shape of workpiece depends on the shape of the tool and its path during the machining operation. Most machining operations produce parts of differing geometry. If a rough cylindrical workpiece revolves about a central axis and the tool penetrates beneath its surface and travels parallel to the center of rotation, a surface of revolution is produced, and the operation is called turning. If a hollow tube is machined on the inside in a similar manner, the operation is called boring. Producing an external conical surface uniformly varying diameter is called taper turning, if the tool point travels in a path of varying radius, a contoured surface like that of a bowling pin can be produced; or, if the piece is short enough and the support is sufficiently rigid, a contoured surface could be produced by feeding a shaped tool normal to the axis of rotation. Short tapered or cylindrical surfaces could also be contour formed. Flat or plane surfaces are frequently required. They can be generated by radial turning or facing, in which the tool point moves normal to the axis of rotation. In other cases, it is more convenient to hold the workpiece steady and reciprocate the tool across it in a series of straight-line cuts with a crosswise feed increment before each cutting stroke. This operation is called planning and is carried out on a shaper. For larger pieces it is easier to keep the tool stationary and draw the workpiece under it as in planning. The tool is fed at each reciprocation. Contoured surfaces can be produced by using shaped tools. Multiple-edged tools can also be used. Drilling uses a twin-edged fluted tool for holes with depths up to 5 to 10 times the drill diameter. Whether the drill turns or the workpiece rotates, relative motion between the cutting edge and the workpiece is the important factor. In milling operations a rotary cutter with a number of cutting edges engages the workpiece. Which moves slowly with respect to the cutter. Plane or contoured surfaces may be produced, depending on the geometry of the cutter and the type of feed. Horizontal or vertical axes of rotation may be used, and the feed of the workpiece may be in any of the three coordinate directions. Basic Machine Tools Machine tools are used to produce a part of a specified geometrical shape and precise I size by removing metal from a ductile material in the form of chips. The latter are a waste product and vary from long continuous ribbons of a ductile material such as steel, which are undesirable from a disposal point of view, to easily handled well-broken chips resulting from cast iron. Machine tools perform five basic metal-removal processes: I turning, planning, drilling, milling, and grinding. All other metal-removal processes are modifications of these five basic processes. For example, boring is internal turning; reaming, tapping, and counter boring modify drilled holes and are related to drilling; bobbing and gear cutting are fundamentally milling operations; hack sawing and broaching are a form of planning and honing; lapping, super finishing. Polishing and buffing are variants of grinding or abrasive removal operations. Therefore, there are only four types of basic machine tools, which use cutting tools of specific controllable geometry: 1. lathes, 2. planers, 3. drilling machines, and 4. milling machines. The grinding process forms chips, but the geometry of the abrasive grain is uncontrollable. The amount and rate of material removed by the various machining processes may be I large, as in heavy turning operations, or extremely small, as in lapping or super finishing operations where only the high spots of a surface are removed. A machine tool performs three major functions: 1. it rigidly supports the workpiece or its holder and the cutting tool; 2. it provides relative motion between the workpiece and the cutting tool; 3. it provides a range of feeds and speeds usually ranging from 4 to 32 choices in each case. Speed and Feeds in Machining Speeds, feeds, and depth of cut are the three major variables for economical machining. Other variables are the work and tool materials, coolant and geometry of the cutting tool. The rate of metal removal and power required for machining depend upon these variables. The depth of cut, feed, and cutting speed are machine settings that must be established in any metal-cutting operation. They all affect the forces, the power, and the rate of metal removal. They can be defined by comparing them to the needle and record of a phonograph. The cutting speed (V) is represented by the velocity of- the record surface relative to the needle in the tone arm at any instant. Feed is represented by the advance of the needle radially inward per revolution, or is the difference in position between two adjacent grooves. The depth of cut is the penetration of the needle into the record or the depth of the grooves. Turning on Lathe Centers The basic operations performed on an engine lathe are illustrated. Those operations performed on external surfaces with a single point cutting tool are called turning. Except for drilling, reaming, and lapping, the operations on internal surfaces are also performed by a single point cutting tool. All machining operations, including turning and boring, can be classified as roughing, finishing, or semi-finishing. The objective of a roughing operation is to remove the bulk of the material as rapidly and as efficiently as possible, while leaving a small amount of material on the work-piece for the finishing operation. Finishing operations are performed to obtain the final size, shape, and surface finish on the workpiece. Sometimes a semi-finishing operation will precede the finishing operation to leave a small predetermined and uniform amount of stock on the work-piece to be removed by the finishing operation. Generally, longer workpieces are turned while supported on one or two lathe centers. Cone shaped holes, called center holes, which fit the lathe centers are drilled in the ends of the workpiece-usually along the axis of the cylindrical part. The end of the workpiece adjacent to the tailstock is always supported by a tailstock center, while the end near the headstock may be supported by a headstock center or held in a chuck. The headstock end of the workpiece may be held in a four-jaw chuck, or in a type chuck. This method holds the workpiece firmly and transfers the power to the workpiece smoothly; the additional support to the workpiece provided by the chuck lessens the tendency for chatter to occur when cutting. Precise results can be obtained with this method if care is taken to hold the workpiece accurately in the chuck. Very precise results can be obtained by supporting the workpiece between two centers. A lathe dog is clamped to the workpiece; together they are driven by a driver plate mounted on the spindle nose. One end of the Workpiece is mecained;then the workpiece can be turned around in the lathe to machine the other end. The center holes in the workpiece serve as precise locating surfaces as well as bearing surfaces to carry the weight of the workpiece and to resist the cutting forces. After the workpiece has been removed from the lathe for any reason, the center holes will accurately align the workpiece back in the lathe or in another lathe, or in a cylindrical grinding machine. The workpiece must never be held at the headstock end by both a chuck and a lathe center. While at first thought this seems like a quick method of aligning the workpiece in the chuck, this must not be done because it is not possible to press evenly with the jaws against the workpiece while it is also supported by the center. The alignment provided by the center will not be maintained and the pressure of the jaws may damage the center hole, the lathe center, and perhaps even the lathe spindle. Compensating or floating jaw chucks used almost exclusively on high production work provide an exception to the statements made above. These chucks are really work drivers and cannot be used for the same purpose as ordinary three or four-jaw chucks. While very large diameter workpieces are sometimes mounted on two centers, they are preferably held at the headstock end by faceplate jaws to obtain the smooth power transmission; moreover, large lathe dogs that are adequate to transmit the power not generally available, although they can be made as a special. Faceplate jaws are like chuck jaws except that they are mounted on a faceplate, which has less overhang from the spindle bearings than a large chuck would have. Introduction of Machining Machining as a shape-producing method is the most universally used and the most important of all manufacturing processes. Machining is a shape-producing process in which a power-driven device causes material to be removed in chip form. Most machining is done with equipment that supports both the work piece and cutting tool although in some cases portable equipment is used with unsupported workpiece. Low setup cost for small Quantities. Machining has two applications in manufacturing. For casting, forging, and press working, each specific shape to be produced, even one part, nearly always has a high tooling cost. The shapes that may he produced by welding depend to a large degree on the shapes of raw material that are available. By making use of generally high cost equipment but without special tooling, it is possible, by machining; to start with nearly any form of raw material, so tong as the exterior dimensions are great enough, and produce any desired shape from any material. Therefore .machining is usually the preferred method for producing one or a few parts, even when the design of the part would logically lead to casting, forging or press working if a high quantity were to be produced. Close accuracies, good finishes. The second application for machining is based on the high accuracies and surface finishes possible. Many of the parts machined in low quantities would be produced with lower but acceptable tolerances if produced in high quantities by some other process. On the other hand, many parts are given their general shapes by some high quantity deformation process and machined only on selected surfaces where high accuracies are needed. Internal threads, for example, are seldom produced by any means other than machining and small holes in press worked parts may be machined following the press working operations. Primary Cutting Parameters The basic tool-work relationship in cutting is adequately described by means of four factors: tool geometry, cutting speed, feed, and depth of cut. The cutting tool must be made of an appropriate material; it must be strong, tough, hard, and wear resistant. The tool s geometry characterized by planes and angles, must be correct for each cutting operation. Cutting speed is the rate at which the work surface passes by the cutting edge. It may be expressed in feet per minute. For efficient machining the cutting speed must be of a magnitude appropriate to the particular work-tool combination. In general, the harder the work material, the slower the speed. Feed is the rate at which the cutting tool advances into the workpiece. Where the workpiece or the tool rotates, feed is measured in inches per revolution. When the tool or the work reciprocates, feed is measured in inches per stroke, Generally, feed varies inversely with cutting speed for otherwise similar conditions. The depth of cut, measured inches is the distance the tool is set into the work. It is the width of the chip in turning or the thickness of the chip in a rectilinear cut. In roughing operations, the depth of cut can be larger than for finishing operations. The Effect of Changes in Cutting Parameters on Cutting Temperatures In metal cutting operations heat is generated in the primary and secondary deformation zones and these results in a complex temperature distribution throughout the tool, workpiece and chip. A typical set of isotherms is shown in figure where it can be seen that, as could be expected, there is a very large temperature gradient throughout the width of the chip as the workpiece material is sheared in primary deformation and there is a further large temperature in the chip adjacent to the face as the chip is sheared in secondary deformation. This leads to a maximum cutting temperature a short distance up the face from the cutting edge and a small distance into the chip. Since virtually all the work done in metal cutting is converted into heat, it could be expected that factors which increase the power consumed per unit volume of metal removed will increase the cutting temperature. Thus an increase in the rake angle, all other parameters remaining constant, will reduce the power per unit volume of metal removed and the cutting temperatures will reduce. When considering increase in unreformed chip thickness and cutting speed the situation is more complex. An increase in undeformed chip thickness tends to be a scale effect where the amounts of heat which pass to the workpiece, the tool and chip remain in fixed proportions and the changes in cutting temperature tend to be small. Increase in cutting speed; however, reduce the amount of heat which passes into the workpiece and this increase the temperature rise of the chip m primary deformation. Further, the secondary deformation zone tends to be smaller and this has the effect of increasing the temperatures in this zone. Other changes in cutting parameters have virtually no effect on the power consumed per unit volume of metal removed and consequently have virtually no effect on the cutting temperatures. Since it has been shown that even small changes in cutting temperature have a significant effect on tool wear rate it is appropriate to indicate how cutting temperatures can be assessed from cutting data. The most direct and accurate method for measuring temperatures in high -speed-steel cutting tools is that of Wright &. Trent which also yields detailed information on temperature distributions in high-speed-steel cutting tools. The technique is based on the metallographic examination of sectioned high-speed-steel tools which relates microstructure changes to thermal history. Trent has described measurements of cutting temperatures and temperature distributions for high-speed-steel tools when machining a wide range of workpiece materials. This technique has been further developed by using scanning electron microscopy to study fine-scale microstructure changes arising from over tempering of the tempered martens tic matrix of various high-speed-steels. This technique has also been used to study temperature distributions in both high-speed -steel single point turning tools and twist drills. Wears of Cutting Tool Discounting brittle fracture and edge chipping, which have already been dealt with, tool wear is basically of three types. Flank wear, crater wear, and notch wear. Flank wear occurs on both the major and the minor cutting edges. On the major cutting edge, which is responsible for bulk metal removal, these results in increased cutting forces and higher temperatures which if left unchecked can lead to vibration of the tool and workpiece and a condition where efficient cutting can no longer take place. On the minor cutting edge, which determines workpiece size and surface finish, flank wear can result in an oversized product which has poor surface finish. Under most practical cutting conditions, the tool will fail due to major flank wear before the minor flank wear is sufficiently large to result in the manufacture of an unacceptable component. Because of the stress distribution on the tool face, the frictional stress in the region of sliding contact between the chip and the face is at a maximum at the start of the sliding contact region and is zero at the end. Thus abrasive wear takes place in this region with more wear taking place adjacent to the seizure region than adjacent to the point at which the chip loses contact with the face. This result in localized pitting of the tool face some distance up the face which is usually referred to as catering and which normally has a section in the form of a circular arc. In many respects and for practical cutting conditions, crater wear is a less severe form of wear than flank wear and consequently flank wear is a more common tool failure criterion. However, since various authors have shown that the temperature on the face increases more rapidly with increasing cutting speed than the temperature on the flank, and since the rate of wear of any type is significantly affected by changes in temperature, crater wear usually occurs at high cutting speeds. At the end of the major flank wear land where the tool is in contact with the uncut workpiece surface it is common for the flank wear to be more pronounced than along the rest of the wear land. This is because of localised effects such as a hardened layer on the uncut surface caused by work hardening introduced by a previous cut, an oxide scale, and localised high temperatures resulting from the edge effect. This localised wear is usually referred to as notch wear and occasionally is very severe. Although the presence of the notch will not significantly affect the cutting properties of the tool, the notch is often relatively deep and if cutting were to continue there would be a good chance that the tool would fracture. If any form of progressive wear allowed to continue, dramatically and the tool would fail catastrophically, i. e. the tool would be no longer capable of cutting and, at best, the workpiece would be scrapped whilst, at worst, damage could be caused to the machine tool. For carbide cutting tools and for all types of wear, the tool is said to have reached the end of its useful life long before the onset of catastrophic failure. For high-speed-steel cutting tools, however, where the wear tends to be non-uniform it has been found that the most meaningful and reproducible results can be obtained when the wear is allowed to continue to the onset of catastrophic failure even though, of course, in practice a cutting time far less than that to failure would be used. The onset of catastrophic failure is characterized by one of several phenomena, the most common being a sudden increase in cutting force, the presence of burnished rings on the workpiece, and a significant increase in the noise level. Mechanism of Surface Finish Production There are basically five mechanisms which contribute to the production of a surface which have been machined. These are:(l) The basic geometry of the cutting process. In, for example, single point turning the tool will advance a constant distance axially per revolution of the workpiecc and the resultant surface will have on it, when viewed perpendicularly to the direction of tool feed motion, a series of cusps which will have a basic form which replicates the shape of the tool in cut. (2) The efficiency of the cutting operation. It has already been mentioned that cutting with unstable built-up-edges will produce a surface which contains hard built-up-edge fragments which will result in a degradation of the surface finish. It can also be demonstrated that cutting under adverse conditions such as apply when using large feeds small rake angles and low cutting speeds, besides producing conditions which lead to unstable built-up-edge production, the cutting process itself can become unstable and instead of continuous shear occurring in the shear zone, tearing takes place, discontinuous chips of uneven thickness are produced, and the resultant surface is poor. This situation is particularly noticeable when machining very ductile materials such as copper and aluminum. (3) The stability of the machine tool. Under some combinations of cutting conditions; workpiece size, method of clamping ,and cutting tool rigidity relative to the machine tool structure, instability can be set up in the tool which causes it to vibrate. Under some conditions this vibration will reach and maintain steady amplitude whilst under other conditions the vibration will built up and unless cutting is stopped considerable damage to both the cutting tool and workpiece may occur. This phenomenon is known as chatter and in axial turning is characterized by long pitch helical bands on the workpiece surface and short pitch undulations on the transient machined surface. (4)The effectiveness of removing swarf. In discontinuous chip production machining, such as milling or turning of brittle materials, it is expected that the chip (swarf) will leave the cutting zone either under gravity or with the assistance of a jet of cutting fluid and that they will not influence the cut surface in any way. However, when continuous chip production is evident, unless steps are taken to control the swarf it is likely that it will impinge on the cut surface and mark it. Inevitably, this marking besides looking. (5)The effective clearance angle on the cutting tool. For certain geometries of minor cutting edge relief and clearance angles it is possible to cut on the major cutting edge and burnish on the minor cutting edge. This can produce a good surface finish but, of course, it is strictly a combination of metal cutting and metal forming and is not to be recommended as a practical cutting method. However, due to cutting tool wear, these conditions occasionally arise and lead to a marked change in the surface characteristics. Limits and Tolerances Machine parts are manufactured so they are interchangeable. In other words, each part of a machine or mechanism is made to a certain size and shape so will fit into any other machine or mechanism of the same type. To make the part interchangeable, each individual part must be made to a size that will fit the mating part in the correct way. It is not only impossible, but also impractical to make many parts to an exact size. This is because machines are not perfect, and the tools become worn. A slight variation from the exact size is always allowed. The amount of this variation depends on the kind of part being manufactured. For examples part might be made 6 in. long with a variation allowed of 0.003 (three-thousandths) in. above and below this size. Therefore, the part could be 5.997 to 6.003 in. and still be the correct size. These are known as the limits. The difference between upper and lower limits is called the tolerance. A tolerance is the total permissible variation in the size of a part. The basic size is that size from which limits of size arc derived by the application of allowances and tolerances. Sometimes the limit is allowed in only one direction. This is known as unilateral tolerance.Unilateral tolerancing is a system of dimensioning where the tolerance (that is variation) is shown in only one direction from the nominal size. Unilateral tolerancing allow the changing of tolerance on a hole or shaft without seriously affecting the fit.When the tolerance is in both directions from the basic size it is known as a bilateral tolerance (plus and minus). Bilateral tolerancing is a system of dimensioning where the tolerance (that is variation) is split and is shown on either side of the nominal size. Limit dimensioning is a system of dimensioning where only the maximum and minimum dimensions arc shown. Thus, the tolerance is the difference between these two dimensions. Surface Finishing and Dimensional Control Products that have been completed to their proper shape and size frequently require some type of surface finishing to enable them to satisfactorily fulfill their function
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