毕业设计-叶轮轴零件造型及数控加工工艺设计.doc

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384.2 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51341 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。（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。多轴数控加工的操作和编程技能密切相关，如果用户为机床增添了特殊功能，则编程和操作会更复杂。只有反复实践，编程及操作人员才能掌握必备的知识和 技能。经验丰富的编程与操作人员的缺乏，是多轴数控加工技术普及的一大阻力。（2）刀具半径补偿困难。在五轴联动NC程序中，刀具长度补偿功能仍然有效，而刀具半径补偿却失效了。以圆柱铣刀进行接触成形铣削时，需要对不同直径的刀具编制不同的程序。目前流行的CNC系统尚无法完成刀具半径补偿，因为ISO文件中没有提供足够的数据对 刀具位置进行重新计算。用户在进行数控加工时需要频繁换刀或调整刀具的确切尺寸，按照正常的处理程序，刀具轨迹应送回CAM系统重新进行计算，从而导致整个加工过程效率不高。对这个问题的最终解决方案，有赖于新一代CNC控制系统，该系统能够识别通用格式的工件模型文件（如STEP等）或CAD系统文件。购置机床需要大量投资。（3）购置机床需要大量投资。多轴数控加工机床和三轴数控加工机床之间的价格悬殊很大。多轴数控加工除了机床本身的投资之外，还必须对CAD/CAM系统软件和后置处理器进行升级，使之适应多轴数控加工的要求，以及对校验程序进行升级，使之能够对整个机床进行仿真处理。2 零件图的工艺设计分析2.1 叶轮轴加工图样分析 图2-1加工图样风力驱动器由叶轮轴、轴套、凸轮轴、底座、台阶销等多个零件构成。其中叶轮轴最为复杂，见图2-1，需要车、铣复合加工，而叶片部分又是加工难度最大的，解决叶片部分的加工就成了最关键的问题。图2-2 叶轮轴2.2 零件图的工艺分析2.2.1读图与审图1）件图的工艺性分析(1)分析零件图是否完整正确 (2)零件的技术要求分析 (3)尺寸标注应符合数控加工的特点(4)定位基准应可靠2）零件结构工艺性分析（1）尽量工序集中，以充分发挥数控机床的特长，提高精度和效率（2）采用标准刀具、减少刀具规格种类（3）减少机床调整，缩短辅助时间（4）利于减少编程工作量（5）利于减少加工劳动量（6）利于保证定位刚度和刀具刚度，以提高加工精度综上所述：零件在满足使用要求的前提下，制造的可行性和经济性。它包括零件各个制造过程中的工艺性，如零件的铸造、锻造、冲压、焊接、热处理和切削加工工艺性等。好的工艺性会使零件加工容易，节省工时，降低消耗。2.2.2零件图尺寸的标注图2-3 零件标注结构图对数控加工来说，零件图上应以同一基准或直接给出坐标尺寸。这种尺寸标注法不仅便于编程，也便于尺寸之间的相互协调，在保持设计基准、工艺基准、测量基准与保持原点设置的一致性方面带来很大方便。由于零件设计人员在标注尺寸时，一般总是较多的考虑装配、使用等方面的因素，因而常采用局部分散的尺寸标注方法，这给数控工序的安排与加工带来诸多不便。由于数控加工精度与重复定位精度都很高，不会产生较大的积累误差而破坏使用特性，因而可将局部尺寸分散标注法改为以同一基准引注尺寸或直接给出坐标尺寸的标注法。对于该零件，所有标注如图2-3所示。2.2.3表面质量与精度的分析该零件要求表面粗糙度以及星形轮廓为Ra1.6,其余都为Ra3.2,要求都很高，粗糙度不容易保证，而且公差要求较高，需要很高的配合度，所以这就是加工该零件的难度。并且该零件内孔的粗糙的都为Ra1.6，所以表面质量的要求是很高的。根据以上分析可知：该零件的结构比较复杂，而且加工精度和表面质量要求很高，不容易完成加工。2.3 毛坯的选择零件的毛坯种类主要分为型材，锻件，铸件和焊接，冲压等半成品件，不同的毛坯种类的适应范围也不一样，下面列举几种常用的毛坯种类进行比较，如表2-4所列。表2-1 毛坯材料的比较型材尺寸大，精度低多用作一般零件的毛坯锻件多用于强度高，形状简单的零件铸件多用于形状复杂的毛坯根据表2-1的比较和分析，不同的毛坯材料具有不同的特性，在选择时，我们该注重实际的用途，不能盲目选择。根据零件材料、性能的要求选择零件的材料为铝（LYZ12-A），留45mm的余量，并根据情况尽量使各个表面上的余量均匀，毛坯为90x120mm。3 加工准备及工艺文件的编制3.1 定位基准的选择各工序定位基准的选择，应先根据工件定位要求来确定定位基准的个数，再按基准选择原则来选定每个定位基准。为使所选的定位的定位基准能保证整个机械加工工艺过程顺利进行，通常应先考虑如何选择精基准来加工各个表面，让后考虑如何选择粗基准把作为精基准的表面先加工出来。3.1.1 粗基准的选择选择粗基准时，考虑的重点是如何保证各加工表面有足够的余量，使不加工表面与加工表面间的尺寸、位子符合图纸要求。粗基准选择应当满足以下要求：（1）粗基准的选择应以加工表面为粗基准。目的是为了保证加工面与不加工面的相互位置关系精度。如果工件上表面上有好几个不需加工的表面，则应选择其中与加工表面的相互位置精度要求较高的表面作为粗基准。以求壁厚均匀、外形对称、少装夹等。（2）选择加工余量要求均匀的重要表面作为粗基准。例如：机床床身导轨面是其余量要求均匀的重要表面。因而在加工时选择导轨面作为粗基准，加工床身的底面，再以底面作为精基准加工导轨面。这样就能保证均匀地去掉较少的余量，使表层保留而细致的组织，以增加耐磨性。（3）应选择加工余量最小的表面作为粗基准。这样可以保证该面有足够的加工余量。（4）应尽可能选择平整、光洁、面积足够大的表面作为粗基准，以保证定位准确夹紧可靠。有浇口、冒口、飞边、毛刺的表面不宜选作粗基准，必要时需经初加工。（5）粗基准应避免重复使用，因为粗基准的表面大多数是粗糙不规则的。多次使用难以保证表面间的位置精度。3.1.2 精基准选择选择精基准时，应从整个工艺过程来考虑如何保证工件的尺寸精度和位置精度，并使装夹方便可靠。（1）基准重合原则。即尽可能选择设计基准作为定位基准称为基准重合。这样可以避免定位基准与设计基准不重合而引起的基准不重合误差，保证加工精度，应遵循基准重合原则。（2）基准统一原则。在工件的加工过程中应尽可能选用统一的定位基准称为基准统一原则。采用基准统一原则有利于保证各表面间的位置精度，避免基准转换所带来的误差，并且各工序所采用的夹具比较统一，从而可减少夹具设计和制造工作。例如：轴类零件常用顶针孔作为定位基准。车削、磨削都以顶针孔定位，这样不但在一次装夹中能加工大多书表面，而且保证了各外圆表面的同轴度及端面与轴心线的垂直度。（3）互为基准的原则。选择精基准时，有时两个被加工面，可以互为基准反复加工。（4）自为基准原则。有些精加工或光整加工工序要求余量小而均匀，可以选择加工表面本身为基准。例如：磨削机床导轨面时，是以导轨面找正定位的。此外，像拉孔在无心磨床上磨外圆等，都是自为基准的例子。（5）可靠、方便原则。应选择定位可靠、装夹方便的表面作基准。精基准应该是精度较高、表面粗糙度较小、支撑面积较大的表面。并考虑工件装夹和加工方便、夹具设计简单等。3.2 装夹方案的确定（1）工件的定位工件定位，就是要使工件在夹具中占据某个确定的正确加工位置。 六点定位原理工件在空间有六个自由度，即沿X、Y、Z三个坐标方向的移动自由度和绕X、Y、Z三个移动轴的旋转自由度A、B、C，如图3-1所示。 要确定工件在空间的位置，需要按一定的要求安排六个支撑点也就是通常所说的定位元件，以限制加工工件的自由度，这就是工件定位的“六点定位原理”。需要指出的是，工件形状不同，定位表面不同，定位点的布置情况也各不相同。 图3-1 工件在空间的六个自由度限制自由度与工件加工要求的关系 根据工件加工表面的不同加工要求，有些自由度对加工要求有影响，有些自由度对加工要求无影响，对加工要求有影响的自由度必须限制，而不影响加工要求的自由度不必限制。工件安装的基本原则在数控机床上工件安装的原则与普通机床相同，也要合理地选择定位基准和夹紧方案。为了提高数控机床的效率，在确定定位基准与夹紧方案时应注意以下几点：a）力求设计基准、工艺基准与编程计算基准的统一。 b）尽量减少装夹次数，尽可能在一次定位和装夹后就能加工出全部待加工表面。c）避免采用占机调整式方案，以充分发挥数控机床的效能。 （2）工件的夹紧金属切削加工过程中，为保证工件定位时确定的正确位置，防止工件在切削力、离心力、惯性力或重力等作用下产生位移和振动，必须将工件夹紧。这种保证加工精度和安全生产的装置称为夹紧装置。夹具应具有足够的精度和刚度还有可靠的定位基准，应尽量选用可调整夹具、组合夹具及其它通用夹具，避免采用专用夹具，以缩短生产准备时间，该零件形状规则，圆柱面较光整，位置精度要求不高、小批量生产，所以以60、58的外圆作为定位，所以用三爪卡盘从圆柱面进行夹紧。三爪卡盘如图3-2所示。图3-2 三爪卡盘 3.3机床及工艺装备的选择3.3.1 机床的选择选择机床应该充分利用现有设备并完全发挥现有潜力，该零件既有回转表面又有圆周均匀分布的曲面。结合我院现有机床的实际情况，采用卧式车床的CK-6132A机床加工叶轮轴的轴柄部分，选用4轴立式加工中心加工叶片部分。其中，4轴立式加工中心机床的主要参数见表3-1。表3-1 4轴立式加工中心机床主要参数表工作台面尺寸（长宽）4051307(mm)主轴锥孔/刀柄形式24ISO40 / BT40（MAS403）工作台最大纵向行程650(mm)主配控制系统FANUC 0iMate-MC工作台最大横向行程450(mm)换刀时间6.5(s)主轴箱垂向行程500(mm)主轴转速范围606000( r/min)工作台T型槽（槽数-宽度间距）5-1660(mm)快速移动速度10000（mm/min）主电动机功率5.5/7.5(kw)进给速度5800（mm/min）脉冲当量0.001 (mm/脉冲)工作台最大承载700(kg)机床外形尺寸(长宽高)2540mm2520mm2710mm机床重量4000(kg)3.3.2 夹具的选择机床夹具的种类很多，按使用的机床类型分类，可分为车床夹具、铣床夹具、钻床夹具、镗床夹具、加工中心夹具和其它机床夹具等。按驱动夹具工作的动力源分类，可分为手动夹具、气动夹具、液压夹具、电动夹具、磁力夹具、真空夹具和自夹紧夹具等。按专门化程度可分为以下几种类型的夹具。（1）通用夹具。通用夹具是指已经标准化、无需调整或稍加调整就可以用来装夹不同工件的夹具，如三爪卡盘、四爪卡盘、平口虎钳和万能分度头等。这类夹具主要用于单件小批生产。（2）专用夹具。专用夹具指为某一工件的某一加工工序而设计制造的夹具，其结构紧凑，操作方便，主要用于固定产品的大批量生产。（3）组合夹具。组合夹具是指按一定的工艺要求，由一套预先制造好的通用标准元件和部件组装而成的夹具。组合夹具使用完毕后，可方便地拆散成元件或部件，待需要时重新组合成其它加工过程的夹具，使用于数控加工、新产品的试制和中、小批量的生产。（4）可调夹具。可调夹具包括通用可调夹具和成组夹具，它们都可以通过调整或更换少量元件就能加工一定范围内的工件，兼有通用夹具和专用夹具的优点。通用可调夹具的使用范围较宽，加工对象并不十分明确；成组夹具是根据成组工艺要求，针对一组形状及尺寸相似、加工工艺相近的工件加工而设计的，其加工对象和范围很明确，又称为专用可调夹具。（5）成组夹具数控机床夹具常使用通用可调夹具和组合夹具。经综合分析：确定为叶轮轴零件使用的夹具为三爪自定心卡盘和顶尖。3.4 确定工艺路线确定加工方法以后，就按生产类型、零件的结构特点、技术要求和机床设备等具体生产条件确定工艺路线。主要包括工序的划分和工步的划分、加工阶段的划分和加工顺序的安排。3.4.1 工序的划分划分工序的基本原则有：（1）工序分散原则工序内容简单，有利选择最合理的切削用量。便于采用通用设备。简单的机床工艺装备。生产准备工作量少，产品更换容易。对工人的技术要求水平不高。但需要设备和工人数量多，生产面积大，工艺路线长，生产管理复杂。（2）工序集中原则工序数目少，工件装，夹次数少，缩短了工艺路线，相应减少了操作工人数和生产面积，也简化了生产管理，在一次装夹中同时加工数个表面易于保证这些表面间的相互位置精度。使用设备少，大量生产可采用高效率的专用机床，以提高生产率。但采用复杂的专用设备和工艺装备，使成本增高，调整维修费事，生产准备工作量大。一般情况下，单件小批生产中，为简化生产管理，多将工序适当集中。但由于不采用专用设备，工序集中程序受到限制。结构简单的专用机床和工夹具组织流水线生产。同时，近代计算机控制机床及加工中心的出现，使得工序集中的优点更为突出，即使在单件小批生产中仍可将工序集中而不致花费过多的生产准备工作量，从而可取的良好的经济效果。3.4.2 工步的划分划分工步主要从加工精度和效率两方面考虑。合理的工艺不仅要保证加工出符合图样要求的工件，同时应使机床的功能得到充分发挥。因此，在一个工序内往往需要采用不同的刀具和切削用量，对工件的不同表面进行加工。对于较复杂的工序，为了便于分析和描述，常在工序内又细分为工步。下面以加工中心为例来说明工步划分的原则。（1）同一加工表面按粗加工、半精加工、精加工依次完成，还是全部加工表面都先粗加工后精加工分开进行，主要应根据零件的精度要求考虑。若加工尺寸精度要求较高，考虑到零件尺寸、精度、刚性等因素，可采用前者；若零件的加工表面位置精度要求较高，则建议采用后者。（2）对于既要加工平面又要加工孔的零件，可以采用“先面后孔”的原则划分工步。先加工面可提高孔的加工精度，因为铣平面时切削力较大，工件易发生变形，而先铣平面后镗孔，则可使其变形有一段时间恢复，减少由于变形引起的对孔的精度的影响。反之，如先镗孔后铣面，则铣削平面时极易在孔口产生飞边、毛刺，进而破坏孔的精度。（3）按所用刀具划分工步。某些机床工作台回转时间比换刀时间短，可采用刀具集中地方法划分工步，以减少换刀次数，缩短辅助时间，提高加工效率。（4）在一次安装中，尽可能完成所有能加工的表面，有利于保证表面相互位置精度的要求。3.4.3 加工阶段的划分零件的加工质量要求较高时，常把整个加工过程划分为几个阶段：（1）粗加工阶段粗加工的目的是切去绝大部分多余的金属，为以后的精加工创造较好的条件，并为半精加工，精加工提供定位基准，粗加工时能及早发现毛坯的缺陷，予以报废或修补，以免浪费工时。粗加工可采用功率大，刚性好，精度低的机床，选用大的切前用量，以提高生产率、粗加工时，切削力大，切削热量多，所需夹紧力大，使得工件产生的内应力和变形大，所以加工精度低，粗糙度值大。一般粗加工的公差等级为。粗糙度为100m。（2）半精加工阶段半精加工阶段是完成一些次要面的加工并为主要表面的精加工做好准备，保证合适的加工余量。半精加工的公差等级为。表面粗糙度为1.25m。（3）精加工阶段精加工阶段切除剩余的少量加工余量，主要目的是保证零件的形状位置几精度，尺寸精度及表面粗糙度，使各主要表面达到图纸要求。另外精加工工序安排在最后，可防止或减少工件精加工表面损伤。精加工应采用高精度的机床小的切前用量，工序变形小，有利于提高加工精度精加工的加工精度一般为，表面粗糙度为1.25m。（4）光整加工阶段对某些要求特别高的表面，需进行光整加工，主要用于改善表面质量，进一步提高尺寸精度和减小表面粗糙度。一般不能纠正各表面相互位置误差，其精度等级一般为IT5IT6，表面粗糙度为0.32m。此外，加工阶段划分后，还便于合理的安排热处理工序。由于热处理性质的不同，有的需安排于粗加工之前，有的需插入粗精加工之间。但须指出加工阶段的划分并不是绝对的。在实际生活中，对于刚性好，精度要求不高或批量小的工件，以及运输装夹费事的重型零件往往不严格划分阶段，在满足加工质量要求的前提下，通常只分为粗、精加工两个阶段，甚至不把粗精加工分开。必须明确划分阶段是指整个加工过程而言的，不能以某一表面的加工或某一工序的性质区分。例如工序的定位精基准面，在粗加工阶段就要加工的很准确，而在精加工阶段可以安排钻小空之类的粗加工。3.4.4 加工顺序的安排复杂工件的机械加工工艺路线中要经过切削加工、热处理和辅助工序。因此，在拟定工艺路线时，工艺人员要全面的把切削加工、热处理和辅助工序三者一起加以考虑。（1）机械加工工序的安排原则 基面先行。选为精基准的表面，应安排在起始工序先进行加工，以便尽快为后续工序的加工提供精基准。 先粗后精。当零件需要划分加工阶段时，先安排各表面的粗加工，中间安排半精加工，最后安排主要表面的精加工和光整加工。 先主后次。先加工零件上的装备基面和工作表面等主要表面，后加工键槽、禁固用的光孔与螺纹孔等次要表面。因为次要表面的加工面积较小，它们又往往与主要表面有一定的相互位置要求，所以一般应放在主要表面半精加工之后进行加工。 先面后孔。对于箱体、支架和连杆等工件应先加工平面后加工孔。这是因为平面的轮廓平整，安放和定位比较稳定可靠，若先加工好平面，就能以平面定位加工孔，保证平面和孔的位置精度。此外，由于平面先加工，对于平面上的孔加工也带来不便，刀具的初始工作条件能得到改善。 进给路线短。数控加工中，应缩短刀具移动距离，减少空行程时间。 换刀次数少。使用加工中心加工，一般每换一把新的刀具后，应通过移动坐标、回转工作台等将由该刀具切削的所有表面全部完成。 工件刚性好。数控铣削中，先铣加强筋，后铣腹板，有利于提高工件的刚性，防止振动。经综合分析：叶轮轴零件的加工方案可以制定如下两个：方案一：车左端面、见平换刀、变速粗车60、80外圆留0.5mm精加工余量调头装夹车右端面换刀、变速粗车外轮廓留0.5mm精加工余量换刀、变速精车24精车26.79台阶面精车R6精车R8精车R6精车58台阶面精车58精车78台阶面精车80锥面精车80钻中心孔钻孔12、21调头装夹车左端面，保证总长为117.26mm换刀、变速倒角切槽换刀、变速钻中心孔钻孔20换刀、变速粗车内孔换刀、变速精车内孔精车外圆至尺寸换刀、变速粗铣80外圆上的槽精铣80外圆上的槽调头装夹粗铣叶片精铣叶片方案二：车右端面、见平换刀、变速粗车外轮廓留0.5mm精加工余量换刀、变速精车24精车26.79台阶面精车R6精车R8精车R6精车58台阶面精车58精车78台阶面精车80锥面精车80钻中心孔钻孔12、21调头装夹车左端面，保证总长为117.26mm换刀、变速倒角切槽换刀、变速钻中心孔钻孔20钻34孔换刀、变速精车外圆至尺寸粗车内孔换刀、变速精车内孔换刀、变速粗铣80外圆上的槽精铣80外圆上的槽调头装夹粗铣叶片精铣叶片方案二虽然可行，但是没有遵循先内后外、先面后孔、基准先行的原则，因此，综上所述加工方案应选择方案一。（2）热处理工序的安排热处理工序在工艺路线中的位置安排，主要取决于热处理的目的。一般可分为： 预备热处理。退火与正火安排在粗加工之前，以改善切削加工性能和消除毛坯的内应力；调质一般安排在粗加工之后、半精加工之前进行，以保证调质层的厚度；时效处理用以消除毛坯制造和机械加工中产生的内应力。对于精度要求不太高的工件，一般在毛坯进入机械加工之前安排一次人工时效即可。 最终热处理。主要用于提高零件的表面硬度和耐磨性以及防腐、美观等。淬火、渗碳淬火等安排在磨削加工之前进行。 为了改善切削性能而进行的热处理工序，如正火、调质、退火等，应安排在切削加工之前。（3）辅助工序的安排检验工序是主要的辅助工序，是保证产品质量的重要措施。除各工序操作者自检外，在关键工序之后、送往车间加工前后、零件全部加工结束之后，一般均应安排检验工序。此外，去毛刺、倒钝锐边、去磁、清洗及涂防锈油等都是不可忽视的辅助工序。3.5 进给路线的确定确定进给路线的原则：确定进给路线，主要是确定粗加工及空行程的进给路线，因为精加工的进给路线基本上都是按零件的轮廓进行的。确定进给路线的原则有：（1）形状工件刚性破坏小的路线，以减少加工变形对加工精度的影响。（2）寻求最短的进给路线，以提高加工效率。（3）切入和切出的路线应考虑外延，以保证加工的表面质量。（4）完工时的最后一刀应一次走刀连续加工，以免产生刀痕等缺陷。此外，确定加工路线时，还要考虑工件的形状与刚度、加工余量大小、机床与刀具的刚度等情况，确定是一次进给还是多次进给来完成加工，确定刀具的切入与切出方向以及在铣削加工中是采用顺铣还是逆铣的铣削方式等。总之，确定进给路线的原则是在保证零件加工精度和表面粗糙度的条件下，尽量缩短进给路线，以提高生产率。经综合分析：此零件的进给路线遵循保证零件加工精度和表面粗糙度的前提下，寻求最短进给路线。3.6 刀具材料的选择（1）数控加工对刀具的要求在切削过程中，刀具切削部分不仅要承受很大的切削力，而且要承受切屑变形和摩擦产生的高温，要保持刀具的切削能力，刀具应具备如下的切削性能：高硬度和耐磨性。刀具材料的硬度必须高于工件材料的硬度，常温下一般应在HRC60以上。一般来说，刀具材料的硬度越高，耐磨性也越好。耐磨性除与硬度有关外，还与刀具金相组织中碳化物的种类、数量、大小及分布情况有关。足够的强度和韧性。刀具切削部分要承受很大的切削力和冲击力。因此，刀具材料必须要有足够的强度和韧性。一般用刀具材料的抗弯强度和冲击韧性值来反映材料的强度和韧性。良好的耐热性和导热性。刀具材料的耐热性是指在高温下仍能保持其硬度和强度的性能，这是刀具材料必备的关键性能。高温硬度是耐热性的重要指标，常用耐热温度来表示，如高速钢的温度，减轻刀具磨损。良好的工艺性。为便于制造，要求刀具材料具有良好的可加工性，包括热加工性能（热塑性、可焊性、淬透性）和机械加工性能。切削用刀具材料应具备的性能见下表（表3-2）所示：表3-2 切削用刀具材料应具备的性能希望具备的性能作为刀具使用时的性能希望具备的性能作为刀具使用时的性能高硬度（常温及高温状态）耐磨损性化学稳定性良好耐氧化性、耐扩散性高韧性（抗弯强度）耐崩刃性、耐破损性低亲和性耐溶着、凝着（粘刀）性高耐热性耐塑性变形性磨削成形性良好刀具制造的高生产率热传导能力良好耐热冲击性耐热裂纹性锋刃性良好刃口锋利表面质量好微小切削可能 此外，刀具材料还应具有较好的经济性，以便于推广使用。同时，还应注意多采用国内生产的刀具材料。由于碳素工具钢和合金工具钢耐热性很差，适合做手工刀具，陶瓷，金刚石和立方氮化硼由于质脆、工艺性差及价格昂贵等原因，因而仅在较小的范围内使用。而硬质合金钢其常温硬度可达7882HRC，能耐8501000的高温，切削速度比高速钢高410倍。（2）刀具的选用原则应尽可能形状通用的标准刀具，不用和少用特殊的非标准刀具。尽量使用不重磨刀片，少用焊接式刀片。大力推广标准的模块化刀夹（刀柄和刀杆等）。不断推进可调试刀具（如浮动可调镗刀头）的开发和应用。经综合分析：根据以上刀具材料所具备的基本要求和刀具的选用原则，以及此零件加工的需要，需选用的刀具如下：表3-3 叶轮轴数控加工刀具卡片产品名称风力驱动器零件名称叶轮轴零件图号1程序号O0002序号刀具号刀具名称刀具规格数量加工表面刀具（尖）半径mm刀补量备注1T0190外圆粗车刀25251车端面、粗车外轮廓0.32T0293外圆精车刀25251精车外轮廓0.23T03中心钻3.151钻12、20中心孔0.14T0412麻花钻121钻12孔35T0521麻花钻211钻21孔5.56T0620麻花钻201钻20孔57T0790内圆粗车刀25251粗车左内轮廓0.38T0893内圆精车刀25251精车左内轮廓0.29T09切槽刀B=5mm1切槽1编制审核批准 年 月 日 共1页第1页表3-4 叶片数控加工刀具卡片产品名称风力驱动器零件名称叶片零件图号1程序号O0001序号刀具号刀具名称刀具规格数量加工表面刀具（尖）半径mm刀补量备注1T018锋钢立铣刀8251粗铣80上的槽、粗铣叶片442T026钨钢球头立铣刀8151精铣80上的槽333T026钨钢球立头铣刀8101精铣叶片33编制审核批准 年 月 日 共1页第 1页3.7 切削用量的选择3.7.1 切削深度ap的确定背吃刀量ap，又称为切削深度，一般指工件已加工表面和待加工表面间的垂直距离，单位为mm。车削外圆柱面的背吃刀量为该次切除余量的一半： 式中：dw为工件待加工表面直径（mm）；dm为工件已加工表面直径（mm）。镗孔时：钻削时：同时，ap主要根据加工余量和工艺系统的刚度确定。（1）粗加工时，在留下精加工、半精加工的余量后，尽可能一次走刀将剩下的余量切除；若余量过大不能一次切除，也应按先多后少的不等余量法加工。第一刀的ap应尽可能大些，使刀口在里层切削，避免工件表面不平及有硬皮的铸锻件。（2）当冲击载荷较大（如断续表面）或工艺系统刚度较差（如细长轴、镗刀杆、较差陈旧）时，可适当降低ap，使切削力减小。（3）精加工时，ap应根据粗加工留下的余量确定，采用逐渐降低ap的方法，逐步提高加工精度和表面质量。（4）一般精加工时，取ap=0.050.8mm；半精加工时，取ap=1.03.0mm。 经综合分析：此组合装配零件在粗加工时选用较大的ap，留0.5mm的余量，半精加工时取ap=1.03.0mm,由于此零件进度要求较高，所以最后一道精加工时的余量取ap=0.020.05。车削和镗削加工时，精加工余量通常为0.10.5mm，铣削时，精加工余量通常为0.20.8mm。表3-5 常用螺纹切削的进给次数与背吃刀量公制螺纹螺距1.01.52.02.5牙深0.6490.9471.2991.624 背吃刀量及进给次数1次0.70.80.91.02次0.40.60.60.73次0.20.40.60.64次0.160.40.45次0.10.46次0.153.7.2 主轴转速的确定确定主轴转速时，主要根据工件材料、刀具材料机床功率和加工性质（如粗、精加工）等条件确定其允许的切削速度。切削速度又称线速度，它是指切削时刀具切削刃上某点相对于待加工表面在祝运动方向上的瞬时速度。如何确定加工中的切削速度，除了可以参考有关切削用量表所列出的数值外，实践中主要根据实际经验进行确定，还可以根据公式相结合的方式来选择。Vc主要根据工件材料、刀具材料和机床功率来选择。（1）刀具材料好，Vc可