（机械工程专业论文）基于cadcam的箱体类零件设计和加工应用技术研究.pdf

基于c a d c a m 的箱体类零件设计和加工应用技术研究 陈军( 机械工程) 指导教师：刘猛( 教授) 摘要 箱体类零件是机器及其部件的基础件，结构形状比较复杂、加工 精度要求高、加工工序多，工艺复杂。其加工质量不仅影响其装配精 度及运动精度，而且影响到机器的工作精度、使用性能和寿命。 为了提高箱体类零件的加工精度、缩短产品的设计周期以满足产 品的快捷改型要求，在分析传统工艺的基础上，运用现代设计和制造 的方法及理论，基于p r o e 的c a d 技术，对齿轮箱体平面和壳体孔的 设计、制造、改型等进行了新的分析和研究：用特征化参数法实现了 零件的三维实体造型。基于p r o e 的c a m 技术，建立了切削刀具库； 实现了刀具参数的自动输入。并在v d f - - 1 8 0 0 型加工中心上完成了 压滤机箱体零件的加工，有效的保障了其加工质量。 关键词：箱体类零件，加工精度，c a d c a j m ，特征造型，刀具库 r e s e a r c ho ft h ed e s i g n i n ga n dp r o c e s s i n gt e c h n i q u e o ft h et r u n kp a r t sb a s e do nc a d ，c a m c h e nj u n ( m e c h a n i c a lp r o j e c t ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rl i um e n g a b s t r a c t t h et r u l l kp a r t si st h eb a s i cf r a m eo ft h em a c h i n ea n da c c e s s o r y , w h i c hh a sac o m p l e xs t r u c t u r ea n ds h a p ew i t hah i 曲p r o c e s sp r e c i s i o n ， i n t r i c a t ea r t sa n dc r a f t sa n dm a n yw o r k i n gp m c e d i l r ee t c t h em a c h i n i n g q u a l i t yo ft h et r u n kp a r t sa f f e c t sn o to n l yt h ea s s e m b l yp r e c i s i o na n dt h e a t h l e t i c sp r e c i s i o nb u ta l s ot h ew o r k i n g p r e c i s i o n ，p e r f o r m a n c ea n dl i f e i no r d e rt oa d v a n c et h ep r o c e s sp r e c i s i o na n ds h o r tt h ed e s i g n i n g p e r i o do f t h ep r o d u c t ，t h en e w l yr e s e a r c ha n da n a l y s i sa r em a d ea b o u tt h e d e s i g n i n g ，m a n u f a c t u r ea n dr e m o d e l i n go ft h ep l a n ea n dt h eb o r ei nt h e g e a rc a s ew i t l la n a l y z i n gt h et r a d i t i o n a lt e c h n i q u e e m p l o y i n gt h em o d e m m e t h o da n dt h e o r yo ft h ed e s i g n i n ga n dm a n u f a c t u r ea n dt h ec a d t e c h n i q u eb a s e do np r o e a tt h es a m et i m e ，t h et h r e e d i m e n s i o n a l s u b s t a n t i a l i t yi sa c h i e v e dw i t he m p l o y i n gt h ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r o nt h eb a s i so ft h ec a dt e c h n i q u eb a s e do np r o e ，t h ec u t t i n gt o o l s l i b r a r ya r ee s t a b l i s h e d ，t h ea u t o m a t i ci n p u to ft h et o o l sp a r a m e t e ra r e a c h i e v e da n dt h ep r o c e s se x p e r i m e n ta n dt h eq u a l i t yi n s p e c t i o no ft h e t r u n kp a r t sa r ea c c o m p l i s h e db yt h ec n c p r o c e s s i n gc e n t r ev d f - - 1 8 0 0 k e yw o r d s ：t r u n kp a r t s ，p r o c e s sp r e c i s i o n ，c a d c a m ，c h a r a c t e r i s t i c s c u l p t ，t o o l sl i b r a r y 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。也不包含为获得 石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表 示了谫f 意。 签名：洲年够月6 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅：学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩郎或其他复制 手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名： 导师签名： 6 年月 日 ，0 6 年 厶月6日 辫 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章前言 第1 章前言 1 1 项目研究与开发的依据 加压过滤技术是一项国际公认的先进的固液分离技术，根据这一 技术而设计的加压过滤机，目前，国外只有德国和奥地利等极少数国 家能够设计制造；在国内，只有山东煤矿莱芜机械厂能独立设计制造。 目前，该厂研制生产了g p j 、g w j 和g t j 等系列加压过滤机。其中 g p j 系列产品主要出口俄罗斯、南非及南美等十几个国家。 加压过滤机是一种高效、节能、全自动操作的新型脱水设备。同 等过滤面积的加压过滤机与真空过滤机相比，前者的生产能力是后者 的2 4 倍，并有效地解决了真空过滤机长期存在的生产能力低、滤饼 水分高等缺点( 1 l 。在处理相同量的物料时，加压过滤机的能耗只有真 空过滤机的二分之一左右，节省了大量电力。由于加压过滤机的滤饼 水分低，方便了运输：减少了能耗，故具有很高的经济效益和社会效 益，市场前景广阔，目前在国内的矿山、环保等行业有很多成功的应 用。 产品的使用性能主要表现在设备运行的平稳性、功率损耗，使用 寿命、振动噪音、使用效果等方面。产品的竞争力高低主要取决于产 品的质量保证【2 】。经过对压滤机的整个工作系统和用户使用情况，以 及维修、维护人员的反馈信息进行分析研究，得知故障主要原因多来 自于过滤机主轴和传动部分( 尤其是齿轮变速装置) ，需要对过滤机主 轴和传动的主要部件尤其是齿轮箱体的制造和装配精度进行改进。 面向2 l 世纪的具有竞争力的产品质量概念是指“对顾客需求的 满足程度”。这里的质量指的是产品全生命周期的质量，煤矿机械也 不例外，它包括两方面的内容：产品的设计制造质量和产品的售后服 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第l 章前言 务质量。成本的降低是通过减少产品在全生命周期中的浪费和避免差 错来获得的。面向2 l 世纪具有竞争力的成本不仅仅是指产品设计制造 成本，而且包括用户购买产品后的运行成本、维护成本，以及产品报 废后的处理成本在内的全成本概念，即一切从用户立场出发去考虑产 品的成本阀题。同时除了具有竞争力的高质量和低成本之外，还包括 产品要具有竞争力的时间，即产品开发的周期要短p 】，新产品上市的 时间要快。 目前，该厂生产的压滤机用齿轮变速箱是按照传统的制造工艺， 靠不同的工艺装备在普通机床上加工完成的。加工精度受工艺装备和 机床的限制，最主要的是目前所用的工艺很难实现产品的快捷改型， 在生产周期上无法与国外同类产品进行竞争和抗衡。另外，由于该产 品的出口率较高，其高故障率给售后服务和维修带来了很大难度，也 相应的增加了产品的成本费用。针对这一实际情况，该厂提出了“打 破传统的矿机粗制生产观念”和“敏捷反应，快速适应市场”的 口号，旨在提高传动装置和压滤机主轴的制造及安装精度，从而提高 整机的制造精度，保证其使用性能，降低故障率，缩短生产周期，增 强产品的市场竞争力。 因此，需要改进产品的生产( 设计、制造等) 工艺以满足产品精 度的提高和产品的快捷改型要求。 1 2 项目研究与开发的意义 1 2 1 项目研究开发的现实意义 c a d c a m 集成是当今计算机技术在制造科学与工程领域应用 的一个重要方向。研究和开发一个适于箱体零件设计、制造和检测的 c a d c a m c a p p 集成系统，将在很大程度上提高该类产品的制造 中国石油大学( 华东) t 程硕士学位论文第1 章前言 精度，缩短产品的开发设计周期，满足产品快捷改型的要求，为企业 赢得市场，增强产品的市场竞争力【4 】。 1 2 2 项目研究开发的潜在意义 压滤机箱体零件设计与制造系统的研究与开发，会为加压过滤机 产品的质量提高、改型快捷、设计和生产周期缩短、成本减低等提供 一条实用有效的途径。同时，通过对系统中某些零件的特征和参数进 行添加、删除和修改，以及改变零件的特征表述等方法，可以将该系 统应用于其他的箱体类零件的设计和加工中，增强该系统的通用性。 如果在系统中进一步添加c a p p 和c a t 的相关技术，便可以建立 起一个统一的数据模型，使产品在其生命周期各阶段都可以进行数据 共享。为探索箱体类零件的设计、制造、质量控制一体化系统技术开 辟一条新路子。因此，本项目的研究与开发具有深远的潜在意义。 1 3 项目研究的现状 1 3 1 数控技术在机械零件加工中的应用 数控机床是一种高效的自动化加工设备，它是机、电、液、气、 光等高度一体化的产品。它严格的按照编写的加工程序，自动的对工 件进行加工。数控机床在我国的推广使用已近二十年的历史，但目前 主要还是集中在单机使用上。 现代数控机床是机电一体化的典型产品，是新一代生产技术、计 算机集成制造系统等的技术集合。现代数控机床的发展趋向是高速化、 高精度化、高可靠性、多功能、复合化、智能化和开放式结构。主要 发展动向是研制开发软、硬件都具有开放式结构的智能化全功能的通 用数控装置。数控机床作为一种高精度、柔性、灵活的生产工具，要 想发挥其特点和优势，必须获得数控n c 程序的强有力的支持。 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章前言 数控技术简称数控( n u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 。它是利用数字化的信息 对机床运动及加工过程进行控制的一种方法。这种技术以其高精度、 高效率、高柔性化、高自动化的特性已成为制造业生存、发展的关键 技术之一。数控技术的应用给制造业带来了产业结构、产品结构、制 造方式及管理模式的深亥5 变化，是国民经济发展的巨大原动力。数控 技术是机械加工自动化的基础，是数控机床的核心技术，其水平高低 影响着国家战略地位和国家的综合实力水平。它随着信息技术、微电 子技术、自动化技术和自动检测技术的发展而发展【5 j 。 目前，我国大多数数控机床的使用厂家，还在使用数控机床n c 代码人工编制和输入的方法。对于购买了各种各样c a d c a m 系统的 用户，由于其运行环境大多数局限于工作站，即使运行环境在微机上， 也多在产品设计部门安装运行。由于c a d c a m 系统的所有权问题， 以及设计和生产部门管理上的脱节，使得c a d c a m 系统在实际生产 加工中得不到充分利用，或者设计部门编制的n c 程序并不是根据最 佳工艺生成的优化加工程序，从而发挥不出数控机床在制造业中的优 势。众所周知，对于轴类零件，钣金类零件的n c 程序编制，相对来 说要简单得多，用手工编程的方法就能够完成。但对于箱体类零件， 尤其是复杂的型面、不规则的空间曲面，单靠人工进行零件轮廓节点 的数值计算，用手工编制n c 程序，是非常困难甚至根本无法完成的。 因此数控机床的自动编程尤为重要。 随着c a d c a m 集成管理软件的成熟，以及对柔性制造系统 ( f m s ) 需求的增加，数控机床的使用，从单机使用到计算机集成管 理是现代生产制造业技术发展的方向。 1 3 2c a d c a m 技术在数控加工中的应用 早在1 9 9 4 年，美国波音飞机公司在7 6 7 x 项目上，总结过去的 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第1 章前言 实践经验，就开始选用c a d c a m 系统作为设计和制造工具，设计员 在计算机上以三维方式设计全部零件，进行电子预装配，实现了设计、 分析、制造、装配、管理等各个环节全过程无纸化。在很大程度上提 高了产品的制造精度，缩短了生产周期。 c a d c a m 技术已经显示出：在计算机上比较容易构造零件的三 维数字化模型、修改模型、配合检查和实现模型信息的共享。利用快 速共享产品几何数据和修改零件定义的能力以及计算机高度自动化的 优点，也较容易实现零部件甚至整机的设计过程中的任何改变。已有 的实践经验告诉我们，系统所具有的零件配合干涉检查功能的最大贡 献是减少设计变更、错误和返工，以缩短设计周期。 基于三维实体造型的机械设计，是经过概念设计、实体建模、有 限元分析、设计修改以自动生成工程图和明细表。国内外都有成功例 子：著名的飞机制造公司波音公司( b o e i n g ) 在飞机制造和销售方 面多年来一直处于领先地位。他们应用三维软件( s o l i de d g e ) 开发和 制造新产品，将制造成本降低了2 5 ，产品投放市场的时间缩短了 5 0 ，同时让销售者的满意度提高了1 0 0 ，提升并支持了其竞争上的 优势；国内上海三菱公司运用i - d e a s 软件进行产品结构设计( c a d ) 、 工艺装备设计和分析计算( o 墟) 、n c 程序后处理( c a m ) 辅助工艺 编制的成功事例也说明基于三维实体造型的机械设计与制造是世界制 造行业发展的趋势和需要。 基于机械加工存在的上述问题，以及c a d c a m 系统新技术新概 念的发展和应用，本课题拟利用p r o e n g i n e e r 软件来实现加压过滤机 ( 齿轮箱体零件) 设计和加工等生产自动化的过程控制。 1 3 3c a d c a m 技术的发展趋势 l 、集成化 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第l 章前言 集成化是c a d c a m 技术发展的一个最为显著的趋势。它是指把 c a d 、c a e 、c a p p 、c a m 以至p p c ( 生产计划与控制) 等各种功能 不同的软件有机的结合起来，用统一的执行控制程序来组织各种信息 的提取、交换、共享和处理，以保证系统内部信息流的畅通，协调各 个系统有效的运行。c a d 系统的效益往往不是从其自身，而是通过 c a m 和p p c 系统体现出来。反言之，c a m 系统如果没有c a d 系统 的支持，也很难得到有效的利用。因此，把c a d 、c a m 以至c a e 、 c a p p 和p p c 系统有机的、统一的集成在一起 6 1 ，从而消除“自动化 孤岛”，取得最佳的经济效益。 2 、网络化 2 l 世纪，网络将实现全球化，制造业也将要全球化。从获取需求 信息，到产品的分析设计、选购原辅材料和零部件、进行n - r 铝, j 造， 直至营销，整个生产工程都将全球化。c a d c a m 系统的网络化能使 设计人员对产品方案在费用、流动时间和功能上进行并行处理，成为 一种并行化的产品设计应用系统。该系统能提供产品、进程和整个企 业性能仿真、建模的拟实制造，能开发产品的自动化设计和生产系统， 并可支持敏捷制造和应用控制f ”。 3 、智能化 人工智能在c a d 中的应用主要集中在知识工程的引入和专家 c a d 系统的发展。专家系统具有逻辑推理和决策判断能力，它可将许 多生产实例和有关专业范围内的经验、准则集于一体，给产品设计人 员以更全面、更可靠的应用指导。并能使设计人员根据其设计目标和 要求快速缩小探索范围，在比较短的时间内使设计问题得到解决。 i 3 4 开发箱体类零件所用的c a d c a m 软件平台 目前，可供作c a d 系统支持环境、并提供开发环境与工具的c a d 6 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章前言 软件产品很多，高档的有卜d e a s 、p r o e 、u g 、c a t i a 等：中档 的有s o l i dw o r k s 、c a mw b r k s 、m d t 等；低档的有a u t o c a d 等。 p r o e n g i n e e r 是美国参数技术公司( p t c ) 开发的c a d f c a i v l 软 件，是一套由设计至生产的机械自动化软件，它采用面向对象的统一 数据库和全参数化造型技术，为三维实体造型提供了一个优良的平台。 其工业设计方案可以直接读取内部的零件和装配文件，当原始造型被 修改后，又具有自动更新的功能。它允许n c 编程人员控制产品的整 体加工路径直到最细节的部分。同时，该系统支持高速加工和多轴加 工，还具有单一的数据库功能和多种图形文件接口功能。所以说， p r o e n g i n e e r 是一个基于特征的参数化实体造型系统，是新一代的产 品造型系统【8 1 。 p r o e n g i n e e r 主要功能如下： ( 1 ) 特征驱动( 例如：凸台、槽、倒角、腔、壳等) ； ( 2 ) 参数化( 参数是指：尺寸、图样中的特征、载荷、边界条件等) ； ( 3 ) 通过零件的特征值之间、载荷边界条件与特征参数之问( 如 表面积等) 的关系来进行设计。 “) 支持大型、复杂组合件的设计( 规则排列的系列组件，交替排 列的系列组件，p r o p r o g r a m 的各种零件设计的程序化方法等) 。 ( 5 ) 贯穿所有应用的完全相关性( 任何一个地方的变动都将引起与 之相关的每个地方的变动) 。 ( 6 ) 其它辅助模块将进一步提高扩展p r o e n g i n e e r 的基本功能。 另外，p r o m a n u f a c t u r i n g 将生产过程、生产规划与设计造型连接 起来，任何在设计上的改变，软件都能自动地将已做过的生产上的程 序和资料重新产生，而无需用户另行修改。它将具备完全相关性的 p r o e n g i n e e r 产品线延伸至加工制造的工作环境里。容许用户采用参 7 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第t 章前言 数化的方法去定义数值，控制( n c ) 加工刀具路径，并将这些信息作后 处理，产生驱动n c 器件所需的数控编码。 p r o n c - c h e c k 与p r o m a n u f a c t u r i n g 一并使用时，用户可用以仔 细检测切割零件的每一部份，节省了不必要的在昂贵机器上试用及操 作的时间。因此，将这些产品合并使用，不仅体现了贵重资源得以节 省利用的好处，更提高了产品的制造精度，组合了一个加工制造快捷 改型的设计平台【9 】。 1 4 项目的研究目标、内容、方法及技术路线 1 4 1 项目的研究目标 基于对压滤机产品反馈信息的研究处理意见和满足对加压过滤机 整机制造精度及产品快捷改型的新要求，需要从传动装置、压滤机主 轴等零部件的制造安装工艺上进行改进。对于传动装置，其关键核心 零件是齿轮箱体、斜齿轮以及支撑齿轮传动的轴。齿轮箱体壳体孔的 制造精度( 尺寸精度和形位精度) 直接影响轴和齿轮的生命周期、变 速箱的工作性能，从而影响压滤机的整机使用性能。齿轮箱体的形状 和尺寸的变化也应该满足产品改型的快捷要求。因此利用c a d c a m 技术缩短产品的设计周期、提高齿轮箱体的制造精度、保证产品的加 工质量，对产品进行快捷改型以适应用户不同的需求，是本课题的主 要研究目标。 1 4 2 项目的主要研究内容 在分析已有的传统工艺基础上，运用现代设计和制造的方法及理 论，基于p r o e 的c a d ，c a m 技术，对齿轮箱体的平面和壳体孔设计 ( 尺寸、位置、表面粗糙度、孔间距、同轴度等) 、制造( 加工路径选 择、工序排定、刀具选用、切削用量选取、后处理程序等) 、改型( 形 中国石油大学( 华东) t 程硕士学位论文第1 章前言 状、结构、尺寸参数等) 进行新的分析和研究；用特征化参数法实现 零件的三维实体造型；建立切削刀具库，实现刀具参数的自动输入； 拟在v d f - - 1 8 0 0 型加工中心上完成箱体零件壳体孔的加工实验。 1 4 3 项目的研究方法 针对研究目标、研究内容和拟解决的关键问题，初步制定研究方 法和技术路线如下： l 、对压滤机使用性能的反馈信息作深入调查研究，了解市场对不 同系列、型号压滤机的需求现状；分析影响压滤机使用性能和产品生 产周期的关键因素；对目前所配备的齿轮变速器装置作结构形状分析 和参数分析与计算，从而确定新产品的使用性能要求及其参数化模型 数据库。 2 、用现代科学的设计和制造方法及理论解决传统方法工艺难以解 决的问题。 基于p r o e 的c a d 系统技术，对齿轮箱体作总体设计( 分析原 型产品的参数一原型修改一新结构设计) ，用特征化参数法完成优化设 计、计算机绘图、三维几何造型【1 0 】。 基于p r o e 的c a m 系统技术，对齿轮箱体的加工工艺作新的 设计和改进，优化刀具加工路径，建立切削刀具库，实现刀具参数的 自动输入，执行后处理生成数控g 代码程序，并进行n c 检测。 选择型号合适的数控机床完成箱体零件的实际加工。 选用v d f - - 1 8 0 0 型加工中心对箱体零件进行实际加工。 v d f - - 1 8 0 0 型加工中心是一种带有刀库并能自动更换刀具、能够 在一定的范围内对工件进行多种加工操作的数控机床。其加工特点是： 被加工零件经过一次装夹后，数控系统能控制机床按不同的工序自动 选择和更换刀具：自动改变机床主轴转速、进给量和刀具相对工件的 9 中国石油大学( 华东) t 程硕士学位论文第1 章前言 运动轨迹；自动完成对工件各加工面的铣削、钻孔、锪孔、铰孔、镗 孔，攻螺纹等多工序加工。由于加工中心能集中地、自动地完成多种 工序，避免了人为的操作误差、减少了工件装夹次数、减少了工件测 量和机床的调整及工件周转、搬运与存放的时间，所以在很大程度上 提高了加工效率和加工精度，具有良好的经济效益。 1 4 4 项目研究的技术路线 拟定该项目研究的技术路线如下： 计算机绘图一特征参数化建立箱体零件三维几何模型一后处理生 成数控g 代码程序一仿真模拟加工一刀具路径验证一v d 卜l8 0 0 型 加工中心实际零件加工一质量检测( 包括图形库的建立) 。 1 5 项目研究的基本思路和逻辑结构 该项目的研究基本思路和逻辑结构见箱体零件开发流程图( 图l - - i ) 。 1 6 小结 通过对加压过滤机使用性能反馈信息的研究，确立了本项目研究 与开发的依据。c a d c a m 集成技术在制造科学与工程中应用的发 展方向，以及c a d c a m 系统对加压过滤机产品的质量提高、改型 快捷、设计和生产周期缩短、成本减低等的技术支持，使本课题具有 重要的现实意义和深远的潜在意义。随着数控技术在机械制造领域的 广泛应用和c a d c a m 技术的集成化、智能化、网络化的发展趋势， 选择合适的软件平台和合理的研究方法与技术路线，用现代科学的设 计与制造方法及理论，解决传统方法、工艺难以解决的问题，能在很 大程度上提高产品的加工质量和使用性能。 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章前言 图l l箱体零件开发流程图 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第2 章箱体零件的设计和加工工艺特点 第2 章箱体类零件的设计和加工工艺特点分析 2 1 箱体类零件的功用 箱体类零件是机器及其部件的基础件，它将机器及其部件中的轴、 轴承、套和齿轮等零件按一定的相互位置关系装配成一个整体，并按 预定的传动关系协调运动( 图2 一1 ) 。因此，箱体的加工质量不仅影 响其装配精度及运动精度，而且影响到机器的工作精度、使用性能和 寿命。 图2 一lc d 6 1 4 0 型车床主轴箱 2 2 箱体类零件的结构特点 箱体类零件一般起着支承、容纳、定位和密封等作用，外形基本 上是由六个或五个平面组成的封闭式多面体，又分成整体式和组合式 两种。箱体的种类很多，其尺寸大小和结构形式随着机器的结构和箱 1 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第2 章箱体零件的设计和加工工艺特点 体在机器中功用的不同而存在着较大的差异。但从工艺上分析，它们 仍有许多共同之处，其主要结构特点大致如下： l 、结构形状比较复杂 箱体类零件多数为中空的壳体，具有内腔和壁。此外还常具有轴 孔、轴承孔、凸台和助板等结构，箱体壁薄且厚薄不均。为方便其它 零件的安装或箱体自身再安装到机器上，还常设计有安装底板、法兰、 安装孔和螺纹孔等结构。为了防止尘埃、污物进入箱体，通常要使箱 体密封，因此箱体上常设计有用于安装密封毡圈和密封垫片的结构。 绝大多数箱体内安装有运动零件，为了润滑，箱体内常盛有润滑油， 因此箱壁部分常设计有供安装箱盖、轴承盖、油标、油塞等零件的凸 缘、凸台、凹坑、螺孔等结构。 2 、加工精度要求高 箱壁上通常都布置有平行孔系或垂直孔系，一般作为安装轴承、 轴套等回转零部件的基准安装孔和支承孔，因此对孔与孔之间轴线的 平行度、垂直度要求高，尺寸精度要求也较高。箱体上的加工平面， 一般都作为后续工序的加工基准或者装配基准，其尺寸精度、形状、 位置精度等要求也都比较高。 3 、加工工序多，工艺复杂 箱体类零件的技术( 精度) 要求 ( 1 ) 轴承支承孔的尺寸精度、形状精度、表面粗糙度要求目的是 保证安装在孔内的轴承和轴的回转精度。 ( 2 ) 位置精度要求包括孔系轴线之间的距离尺寸精度和平行度 要求，同一轴线上各孔的同轴度要求，以及孔端面对孔轴线的垂直度 要求等。 ( 3 ) 为满足箱体加工中的定位需要及箱体的装配要求，箱体的装配 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章箱体零件的设计和加工工艺特点 基准面与加工中的定位基准面应有一定的平面度和表面租糙度要求， 各支承孔与装配基准面之问应有一定距离尺寸精度和位置精度要求。 如图2 - - 2 所示： 图2 2箱体零件图 2 3 箱体类零件的材料和毛坯 箱体类零件的材料一般用灰口铸铁，常用的牌号有h t l 0 0 h t 4 0 0 。毛坯为铸铁件，其铸造方法视铸件精度和生产批量而定。单件 小批生产多用木模手工造型，毛坯精度低，加工余量大。有时也采用 钢板焊接方式。大批生产常用金属模机器造型，毛坯精度较高，加工 余量可适当减小。 为了消除铸造时产生的内应力，减少工件变形，保证其加工精度 的稳定性，毛坯铸造后要安排人工时效处理。精度要求高或形状复杂 的箱体还应在粗加工后多加一次人工时效处理，以消除粗加工造成的 1 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章箱体零件的设计和加工工艺特点 内应力，进一步提高加工精度的稳定性【1 1 1 。 2 4 箱体类零件加工工艺分析 2 。4 1 在普通机床上箱体类零件的加工工艺分析 ( 一) 工艺路线的安排 在一般情况下，箱体类零件上要求加工的表面很多( 主要是平面 和内圆柱面) 。在这些加工表面中，平面加工精度比孔的加工精度容易 保证，所以，箱体中主要孔的加工精度和孔系加工精度就成为工艺上 的关键性问题。因此，在工艺路线的安排中应注意三个问题： l 、工件的时效处理 箱体结构复杂壁厚较薄且不均匀，铸造内应力较大。由于内应力 会引起变形，因此铸造后应安排人工时效处理以消除内应力、减少变 形。一般精度要求的箱体，可利用粗、精加工工序之问的自然停放和 运输时间，得到自然时效的效果。但自然时效需要的时间较长，否则 会影响箱体精度的稳定性。 对于精度要求比较高的箱体，在粗加工和精加工工序问还应安排 一次人工时效，迅速充分地消除内应力，提高精度的稳定性。 2 、安排加工工艺的顺序时应先面后孔 由于平面面积较大、定位稳定可靠，所以有利于简化夹具结构、 减少安装变形。从加工难度来看，平面比孔容易加工。先加工平面， 把铸件表面的凹凸不平和夹砂等缺陷切除，在加工分布在平面上的孔 时，对便于孔的加工和保证孔的加工精度都是有利的。因此，一般情 况下箱体类零件均应先加工平面。 3 、粗、精加工阶段要分开 箱体均为铸件，加工余量较大，而在粗加工中切除的金属较多， 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 鼋箱体零件的设计和加工工艺特点 因而夹紧力、切削力都较大，切削热也较多。加之粗加工后，工件内 应力的重新分布也会引起工件的变形，因此，对加工精度影响较大【1 2 】。 为此，把粗精加工分开进行，有利于把己加工后由于各种原因引起的 工件变形充分暴露出来，然后在精加工中将其消除。 ( 二) 定位基准的选择 箱体类零件定位基准的选择，直接关系到箱体上各个平面与平面 之间，孔与平面之间，孔与孔之间的尺寸精度和位置精度要求是否能 够得到保证。在选择基准时，首先要遵守“基准重合”和“基准统一” 的原则，同时必须考虑生产批量的大小，生产设备、特别是夹具的选 用等因素。 1 、粗基准的选择 粗基准的作用主要是决定不加工面与加工面的位置关系，以及保 证加工面的余量均匀。箱体零件上一般有一个( 或几个) 主要的大孔 ( 或者是形位公差要求高的孔) ，为了保证孔的加工余量均匀，加工时 应以该毛坯孔为租基准( 如主轴箱上的主轴孔) 。箱体零件上的不加工 面主要考虑内腔表面，它和加工面之间的距离尺寸有一定的要求，因 为箱体中往往装有齿轮等传动件，它们与不加工的内壁之间的间隙较 小，如果加工出的轴承孔端面与箱体内壁之间的距离尺寸相差太大， 就有可能使齿轮安装时与箱体内壁相碰。从这一要求出发，应选内壁 为粗基准。但这将使夹具结构十分复杂，甚至不能实现。考虑到铸造 时内壁与主要孔都是同一个泥芯浇注的，因此实际生产中常以孔为主 要粗基准，限制四个自由度，而辅之以内腔或其它毛坯孔为次要基准 面，以达到完全定位的目的。 2 、精基准的选择 为了保证箱体零件孔与孑l 、孔与平面、平面与平面之间的相互位 中国石油大学c 华东) 工程硕士学位论文第2 章箱体零件的设计和加工工艺特点 置和距离尺寸精度，箱体类零件精基准选择常用两种原则：基准统一 原则、基准重合原则。 ( 1 ) 一面两孔( 基准统一原则)在多数工序中，箱体利用底面( 或 顶面) 及其上的两孔作定位基准，加工其它的平面和孔系，以避免由于 基准转换而带来的累积误差。 ( 2 ) 三面定位( 基准重合原则)箱体上的装配基准一般为平面，而 它们又往往是箱体上其它要素的设计基准，因此以这些装配基准平面 作为定位基准，避免了基准不重合误差，有利于提高箱体各主要表面 的相互位置精度【13 1 。 由分析可知，这两种定位方式各有优缺点，应根据实际生产条件 合理确定。在中、小批量生产时，尽可能使定位基准与设计基准重合， 以设计基准作为统一的定位基准。而大批量生产时，优先考虑的是如 何稳定加工质量和提高生产率，由此而产生的基准不重合误差通过提 高工件定位面精度和夹具精度等工艺措施来解决。 另外，箱体中间孑l 壁上有精度要求较高的孔需要加工时，需要在 箱体内部相应的地方设置镗杆导向支承架，以提高镗杆刚度。因此可 根据工艺上的需要，在箱体底面开一矩形窗口，让中问导向支承架伸 入箱体。产品装配时，在窗口上加密封垫片和盖板用螺钉紧固。这种 结构形式已被广泛认可和采纳。 若箱体结构不允许在底面开窗口，而又必需在箱体内设置导向支 承架，中间导向支承需用吊架装置悬挂在箱体上方，如图2 3 所示。 这种方法由于吊架刚度差，安装误差大，影响孔系精度；且吊装困难， 影响生产率。 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章箱体零件的设计和加工工艺特点 图2 3 导向支承架装置 ( 三) 主要表面的加工 l 、箱体的平面加工 箱体平面的粗加工和半精加工常选择刨削和铣削加工。 刨削箱体平面的主要特点是：刀具结构简单：机床调整方便：在 龙门刨床上可以用几个刀架，在一次安装工件中，同时加工几个表面， 于是，经济地保证了这些表面的位置精度。 箱体平面铣削加工的生产率比刨削高。在成批生产中，常采用铣 削加工。当批量较大时，常在多轴龙门铣床上用几把铣刀同时加工几 个平面，即保证了平面间的位置精度，又提高了生产率。 2 、箱体类零件孔的加工 箱体类零件上有些主要的工作孔，其精度一般要比其它孔的要求 高，表面粗糙度值小，故应在其它轴孔加工后再单独进行这类孔的精 加工( 或光整加工) 。 目前主要的工作孔的精加工方案有： 精镗一浮动镗；金刚镗一珩磨；金刚镗一滚压。 上述孔精加工方案中的最终工序所使用的刀具都具有径向“浮动” 性质，这对提高孔的尺寸精度、减小表面粗糙度值是有利的，但不能 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章箱体零件的设计和加工工艺特点 提高孔的位置精度。孔的位置精度应由前一工序( 或工步) 予以保证。 从工艺要求上，精镗和半精镗应在不同的设备上进行。若设备条 件不足，也应在半精镗之后，把被夹紧的工件松开，以便使夹紧压力 或内应力造成的工件变形在精镗工序中得以纠正。 3 、箱体类零件上的孔系加工 箱体类零件上的孔系，是有位置精度要求的各轴承孔的总和，其 中有平行孔系和同轴孔系两大类。 平行孔系主要技术要求是各平行孔中心线之问以及孔中心线与基 准面之间的尺寸精度和平行精度。根据生产类型的不同，可以在普通 镗床上或专用镗床上加工。 单件小批生产箱体时，为保证孔距精度主要采用划线法。为了提 高划线找正的精度，可采用试切法，虽然精度有所提高，但由于划线、 试切、测量都要消耗较多的时间，所以生产率很低。许多工厂在单件 小批量生产中广泛采用坐标法来加工孔系，特别是在普通镗床上加装 较精密的测量装置( 如数显等) 后，可以较大地提高其坐标位移精度。 必须指出，采用坐标法加工孔系时，原始孑l 和加工顺序的选定是 很重要的。因为，各排孔的孔距是靠坐标尺寸保证的。坐标尺寸的积 累误差会影响孔距精度。如果原始孔和孔的加工顺序选择的合理，就 可以减少积累误差。 成批或大量生产箱体时，加工孔系都采用镗模。孔距精度主要取 决于镗模的精度和安装质量。虽然镗模制造比较复杂，造价较高，但 可利用精度不高的机床加工出精度较高的工件。因此，在某些情况下， 小批生产也可考虑使用镗模加工平行孔系。同轴孔系的主要技术要求 是各孔的同轴度精度，成批生产时，箱体的同轴孔系的同轴度大部分 也是用镗模得以保证的。单件、小批量生产中，在普通镗床上用以下 1 9 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章箱体零件的设计和加工工艺特点 两种方法进行加工： ( 1 ) 从箱体一端进行加工 加工同轴孔系时，出现同轴度误差的主要原因是：当主轴进给时， 镗杆在重力作用下，使主轴产生挠度而引起孔的同轴度误差i 当工作 台进给时，导轨的直线度误差会影响各孔的同轴度精度。 对于箱壁较近的同轴孔，可采用导向套加工同轴孔。对于大型箱 体，可利用镗床后立柱导套支承镗杆。 ( 2 ) 从箱体两端进行镗孔 一般是采用“调头镗”使工件在一次安装下，镗完一端的孔后， 将镗床工作台回转1 8 0 度，再镗另一端的孔。具体办法是：加工好一 端孔后，将工件退出主轴，使工作台回转1 8 0 度，用百( 千) 分表找 正己加工孔壁与主轴同轴，即可加工另一孔。 “调头镗”不用夹具和长刀杆，镗杆悬伸长度短，刚性好。但调 整比较麻烦和费时，适合于箱体壁相距较远的同轴孔。 可见，在普通机床上箱体类零件，工序比较繁琐，所用的设备种 类也比较多。零件的生产周期长，生产效率低。并且，关键的问题是 难以保证工件的加工质量，特别是难以保证工件上重要工作面的加工 精度( 尺寸精度、行为精度) ，从而影响了箱体零件内回转件的回转精 度，以致给整机的实用性能带来了影响。 2 4 2 在数控机床上箱体类零件的加工工艺分析 在数控机床上加工工件，无论是手工编程还是自动编程，在编程 前都要对所加工的零件进行工艺分析，拟定加工方案，选择合适的刀 具，确定切削用量。在编程中，对一些工艺问题( 如对刀点、；b n - r 路 线等) 也需做一些处理。因此程序编制中零件的工艺分析是一项十分 重要的工作【1 4 1 。 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章箱体零件的设计和加工工艺特点 ( 一) 数控加工工艺的基本特点 数控机床加工工艺与普通机床加工工艺在原则上基本相同，但数 控加工的整个过程是自动进行的，因而又有其特点【1 5 l ： l 、数控加工的工序内容比普通机床的加工的工序内容复杂。这是 因为数控机床价格昂贵，若在数控机床上只加工简单的工序，在经济 上是不合算的，所以在数控机床上通常安排较复杂的工序，甚至是在 通用机床上难以完成的那些工序。 2 、数控机床加工程序的编制比普通机床工艺规程编制复杂。这是 因为在普通机床的加工工艺中不必考虑的问题，如工序内工步的安排、 对刀点、换刀点及走刀路线的确定等问题，在数控加工时，这一切都 无一例外地变成了固定的程序内容，正是由于这个特点，促使对加工 程序的正确性和合理性要求极高，不能有丝毫的差错，否则加工不出 合格的零件。 ( 二) 数控加工工艺的主要内容 根据数控加工的实践，数控加工工艺主要包括以下方面： 1 、选择适合在数控机床上加工的零件和确定工序内容； 2 、零件的数控工艺性分析； 3 、制订数控工艺路线，如工序划分、加工顺序的安排、基准选择、 与非数控加工工艺的衔接等； 4 、数控工序的设计，如工步、刀具选择、夹具定位与安装、走刀 路线确定、测量、切削用量的确定等； 5 、调整数控加工工艺程序，如对刀、刀具补偿等； 6 、分配数控加工中的容差； 7 、处理数控机床上部分工艺指令。 ( 三) 数控加工对零件结构工艺性的要求 2 l 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第2 章箱体零件的设计和加工工艺特点 i 、零件的内腔和外形最好采用统一的几何类型和尺寸。这样可以 减少刀具规格和换刀次数，使编程方便，提高生产效益。 2 、内槽圆角的大小决定着刀具直径的大小，因而内槽圆角半径不 应过小。 3 、铣削零件底平面时，槽底圆角半径不应过大，否则铣刀端刃铣 削平面的能力差、效率低。 4 、应采用统一的基准定位。在数控加工中，若没有统一的基准定 位，会因工件重新安装而导致加工后的两个面轮廓位置及尺寸不协调 现象。也会增加不必要的对刀操作。 5 、分析零件所要求的加工精度、尺寸公差是否可以得到保证，有 无引起矛盾的多余尺寸或影响工序安排的封闭尺寸等。 ( 四) 加工方法的选择与加工方案的确定 l 、加工方法的选择 加工方法的选择原则是保证加工表面的加工精度和表面粗糙度的 要求。由于获得同一级精度及表面粗糙度的加工方法一般有许多，因 而在实际选择时，要结合零件的形状、尺寸大小和热处理要求等全面 考虑。 2 、加工方案的确定 零件上比较精确的表面加工，常常是通过粗加工、半精加工和精 加工逐步达到的。对这些表面仅仅根据质量要求选择相应的最终加工 方法是不够的，还应正确地确定从毛坯到最终成形的加工方案。 ( 五) 工序与工步的划分 一般工序划分有以下几种方式 1 、按零件装卡定位方式划分工序 由于每个零件结构形状不同，各表面的技术要求也有所不同，故 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章箱体零件的设计和加工工艺特点 加工时，其定位方式也各有差异。一般情况下，在加工工件轮廓外形 时，常以内形定位；加工内形时又以外形定位。因而可根据定位方式 的不同来划分工序。 2 、按粗、精加工划分工序 根据零件的加工精度、刚度和变形等因素来划分工序时，可遵循 粗、精加工分开的原则，即先粗后精。此时可用不同的机床或不同的 刀具进行加工。通常在一次安装中，不允许将零件的某一部分表面加 工完毕后，再加工零件的其它表面。 3 、按所用刀具划分工序 为了减少换刀次数，压缩刀具空行程时间，减少不必要的定位误 差，可按刀具集中工序的方法加工零件，即在一次装夹中，尽可能用 同一把刀具加工出可能加工的所有部位，然后再换另一把刀加工其它 部位。 工步的划分主要从加工精度和效率两方面考虑。在一个工序内往 往需要采用不同的刀具和切削用量，对不同表面进行加工。为了便于 分析和描述较复杂的工序，在工序内又细分为工步。 总之，工序与工步的划分要根据具体零件的结构特点、技术要求 等情况综合考虑。 ( 六) 零件的安装与夹具的选择 在数控机床上加工零件时，定位安装的基本原则与普通机床相同， 也要合理选择定位基准和夹紧方案。为了提高数控机床效率确定定位 基准与夹紧方案时应注意下列三点： 1 、力求设计、工艺与编程计算的基准统一： 2 、减少装夹次数，尽可能在一次定位装夹后，加工出全部待加工 表面： 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章箱体零件的设计和加工工艺特点 3 、避免