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机械毕业设计全套
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GYSK01-014@涡轮数控工艺及加工,机械毕业设计全套
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1 浙江学院 毕 业 设 计 题 目 院 系 专 业 姓 名 指导教师 机电信息分院 nts数控的发展 第 1 页 共 17 页 南京航空航天大学 毕 业 论 文 题目 ： 数控机床的发展与趋势 姓 名： 所在学院： 专业班级： 学 号： 指导教师： 日 期： 2007-5-25 nts数控的发展 第 2 页 共 17 页 引言 从 20 世纪中叶数控技术出现以来，数控机床给机械制造业带来了革命性的变化。数控加工具有如下特点：加工柔性好，加工精度高，生产率高，减轻操作者劳动 强度、改善劳动条件，有利于生产管理的现代化以及经济效益的提高。数控机床是一种高度机电一体化的产品，适用于加工多品种小批量零件、结构较复杂、精度要求较高的零件、需要频繁改型的零件、价格昂贵不允许报废的关键零件、要求精密复制的零件、需要缩短生产周期的急需零件以及要求 100%检验的零件。数控机床的特点及其应用范围使其成为国民经济和国防建设发展的重要装备。 进入 21 世纪，我国经济与国际全面接轨，进入了一个蓬勃发展的新时期。机床制造业既面临着机械制造业需求水平提升而引发的制造装备发展的良机，也遭遇到加入世界贸易组织后 激烈的国际市场竞争的压力，加速推进数控机床的发展是解决机床制造业持续发展的一个关键。随着制造业对数控机床的大量需求以及计算机技术和现代设计技术的飞速进步，数控机床的应用范围还在不断扩大，并且不断发展以更适应生产加工的需要。本文简要分析了数控机床高速化、高精度化、复合化、智nts数控的发展 第 3 页 共 17 页 能化、开放化、网络化、多轴化、绿色化等发展趋势，并提出了我国数控机床发展中存在的一些问题。 一、数控系统发展简史及趋势 1946 年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。它与人类在农业、工业社会 中创造的那些只是增强体力劳动的工具相比，起了质的飞跃，为人类进入信息社会奠定了基础。 6 年后，即在 1952 年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床。从此，传统机床产生了质的变化。近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段和六代的发展。 1.1、数控（ NC）阶段 （ 1952 1970 年） 早期计算机的运算速度低，对当时的科学计算和数据处理影响还不大，但不能适应机床实时控制的要求。人们不得不采用数字逻辑电路 “ 搭 ” 成一台机床专用计算机作为数控系统，被称为硬件连接数控（ HARD-WIRED NC），简称为数控（ NC）。随着元器件的发展，这个阶段历经了三代，即 1952 年的第一代电子管； 1959 年的第二代晶体管； 1965 年的第三代小规模集成电路。 1.2、计算机数控（ CNC）阶段（ 1970 年现在） 到 1970 年，通用小型计算机业已出现并成批生产。于是将它移植过来作为数控系统的核心部件，从此进入了计算机数控（ CNC）阶段（把计算机前面应有的 “ 通用 ” 两个字省略了）。到 1971 年，美国 INTEL 公司在世界上第一次将计算机的两个最核心的部件运算器和控制 器，采用大规模集成电路技术集成在一块芯片上，称之为微处理器（ MICROPROCESSOR），又可称为中央处理单元（简称 CPU）。 到 1974 年微处理器被应用于数控系统。这是因为小型计算机功能太强，控制一台机床能力有富裕（故当时曾用于控制多台机床，称之为群控），不如采用微处理器经济合理。而且当时的小型机可靠性也不理想。早期的微处理器速度和功能虽还不够高，但可以通过多处理器结构来解决。由于微处理器是通用计算机的核心部件，故仍称为计算机数控。 nts数控的发展 第 4 页 共 17 页 到了 1990 年， PC 机（个人计算机，国内习惯称微机）的 性能已发展到很高的阶段，可以满足作为数控系统核心部件的要求。数控系统从此进入了基于 PC 的阶段。 总之，计算机数控阶段也经历了三代。即 1970 年的第四代小型计算机； 1974 年的第五代微处理器和 1990 年的第六代基于 PC（国外称为 PC-BASED）。 还 要指出的是，虽然国外早已改称为计算机数控（即 CNC）了，而我国仍习惯称数控（ NC）。所以我们日常讲的 “ 数控 ” ，实质上已是指 “ 计算机数控 ”了。 1.3、数控未来发展的趋势 1.3.1 继续向开放式、基于 PC 的第六 代方向发展 基于 PC 所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，更多的数控系统生产厂家会走上这条道路。至少采用 PC 机作为它的前端机，来处理人机界面、编程、联网通信等问题，由原有的系统承担数控的任务。PC 机所具有的友好的人机界面，将普及到所有的数控系统。远程通讯，远程诊断和维修将更加普遍。 1.3.2 向高速化和高精度化发展 这是适应机床向高速和高精度方向发展的需要。 1.3.3 向智能化方向发展 随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展，数控系统的智能化程 度将不断提高。 （ 1）应用自适应控制技术 数控系统能检测过程中一些重要信息，并自动调整系统的有关参数，达到改进系统运行状态的目的。 （ 2）引入专家系统指导加工 nts数控的发展 第 5 页 共 17 页 将熟练工人和专家的经验，加工的一般规律和特殊规律存入系统中，以工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统。 （ 3）引入故障诊断专家系统 （ 4）智能化数字伺服驱动装置 可以通过自动识别负载，而自动调整参数，使驱动系统获得最佳的运行。 二、机床数控化改造的必要性 2.1、微观看改 造的必要性 从微观上看，数控机床比传统机床有以下突出的优越性，而且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力。 2.1.1 可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。 由于计算机有高超的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面。 2.1.2 可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高 3 7 倍。 由于计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执 行，从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序，就可实现另一工件加工的自动化，从而使单件和小批生产得以自动化，故被称为实现了 “ 柔性自动化 ” 。 2.1.3 加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要 “ 修配 ” 。 2.1.4 可实现多工序的集中，减少零件 在机床间的频繁搬运。 2.1.5 拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看管加工。 2.1.6 由以上五条派生的好处。 如：降低了工人的劳动强度，节省了劳动力（一个人可以看管多台机床） ，减少了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应等等。 nts数控的发展 第 6 页 共 17 页 以上这些优越性是前人想象不到的，是一个极为重大的突破。此外，机床数控化还是推行 FMC（柔性制造单元）、 FMS（柔性制造系统）以及 CIMS（计算机集成制造系统）等企业信息化改造的基础。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。 2.2、宏观看改造的必要性 从宏观上看，工业发达国家的军、民机械工业，在 70 年代末、 80 年代初已开始大规模应用数控机床。其本质是，采用信息技术对传统产业（包括军、民机械工业）进 行技术改造。除在制造过程中采用数控机床、 FMC、 FMS外，还包括在产品开发中推行 CAD、 CAE、 CAM、虚拟制造以及在生产管理中推行 MIS（管理信息系统）、 CIMS 等等。以及在其生产的产品中增加信息技术，包括人工智能等的含量。由于采用信息技术对国外军、民机械工业进行深入改造（称之为信息化），最终使得他们的产品在国际军品和民品的市场上竞争力大为增强。而我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落后20 年。如我国机床拥有量中，数控机床的比重（数控化率）到 1995 年只有1.9%，而日本在 1994 年已达 20.8%， 因此每年都有大量机电产品进口。这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性。 三、机床与生产线数控化改造的市场 (以下具体的发展趋势 ) 数控机床的发展趋势 一、数控系统体系结构向基于 PC 的全数字化开放体系结构方向发展 基于 PC 的开放式数控系统已得到广泛认可，具有强大的生命力 从两次机床展上可以看到，著名厂商的高档数控系统都以基于 PC 的开放数控系统为主流。 SINUMERIK 840Di sl 是基于 PC 的数控系统，其软件系统 MMC(人机通信 )软件系统、 NC(数字控制 )软件系统、 PLC(可编程逻辑控制 )软件系统和通信及驱动接口软件 中的 MMC 软件系统采用 Windows NT 或 XP 操作系统。机床制造商可以按照自己的特殊操作方式和理念，利用 Windows 技术改变人机界面 (HMI)。其开放式系统理念的一个重要特点是，可以在数控核心部分，使用标准的开发工具对用户指定的系统循环和功能宏进行调整。 FANUC 16i/18i/21i/30i 系列是具有网络功能的超小型、超薄型高档CNC 系统，其硬件结构采用 CNC 内建 PC 型式， NC 卡完成高实时性要求的数控运算和 PLC 控制功能， PC 完成操作界面、编程 、数据管理、网络等相对弱实nts数控的发展 第 7 页 共 17 页 时性要求功能。操作系统采用 Windows 2000/XP 或 Windows CE。备有 C 语言执行程序、嵌入式宏执行程序等各类功能。 CNC 系统与主计算机的连接接口采用高速串行总线 (HSSB)。 FANUC 300i/310i/320i 系列采用 Windows CE作为操作系统，并提供动态链接库函数供用户二次开发。 图 1 基于 PC 的 iTNC 530 系统 图 2 FANUC CNC 单元与伺服单元和 I/O 的连接 图 3 Heidenhain 以 EnDae2.2 协议连接编码器和伺服 1. 高速化 随着汽车、国防、航空、航天等工业的高速发展以及铝合金等新材料的应用，对数控机床加工的高速化要求越来越高。 nts数控的发展 第 8 页 共 17 页 图 1 HRV4 可获取更高的转速和更小的电流 图 4 HRV4 更小的温升 图 5 反向间隙加速功能 ( 反向间隙加速功能 由于存在反向间隙，在高速加工时会导致响应滞 后，引起象限尖峰，并影响加工精度。采用反向间隙加速功能后将显著改善象限尖峰，提高加工精度。 图 9 MPC 功能 nts数控的发展 第 9 页 共 17 页 MPC(Machining Point Control加工点控制 ) 采用 MPC 功能，可在加工点处抑止振颤，获得更高的加工精度。 ) a. 主轴转速： 机床采用电主轴 (内装式主轴电机 )，主轴最高转速达200000r/min； b. 进给率： 在分辨率为 0.01m 时，最大进给率达到 240m/min 且可获得复杂型面的精确加工； c. 运算速度： 微处理器的迅速发展为数控系统向高速、高精度方向发展提供了保障，开发出 CPU 已发展到 32 位以及 64 位的数控系统，频率提高到几百兆赫、上千兆赫。由于运算速度的极大提高，使得当分辨率为0.1m、 0.01m 时仍能获得高达 24 240m/min 的进给速度； d. 换刀速度： 目前国外先进加工中心的刀具交换时间普遍已在 1s 左右，高的已达 0.5s。德国 Chiron 公司将刀库 设计成篮子样式，以主轴为轴心，刀具在圆周布置，其刀到刀的换刀时间仅 0.9s。 2. 高精度化 数控机床精度的要求现在已经不局限于静态的几何精度，机床的运动精度、热变形以及对振动的监测和补偿越来越获得重视。 a. 提高 CNC 系统控制精度： 采用高速插补技术，以微小程序段实现连续进给，使 CNC 控制单位精细化，并采用高分辨率位置检测装置，提高位置检测精度 (日本已开发装有 106 脉冲 /转的内藏位置检测器的交流伺服电机，其位置检测精度可达到 0.01m/脉冲 )，位置伺服系统采用前馈控制与非线性控制等方法； nts数控的发展 第 10 页 共 17 页 b. 采用误差补偿技术： 采用反向间隙补偿、丝杆螺距误差补偿和刀具误差补偿等技术，对设备的热变形误差和空间误差进行综合补偿。研究结果表明，综合误差补偿技术的应用可将加工误差减少 60% 80%； c. 采用网格解码器检查和提高加工中心的运动轨迹精度，并通过仿真预测机床的加工精度，以保证机床的定位精度和重复定位精度，使其性能长期稳定，能够在不同运行条件下完成多种加工任务，并保证零件的加工质量。 3. 功能复合化 复合机床的含义是指在一台机床上实现或尽可能完成从毛坯至成品的多种要素加工。根据其结构特点可分为工艺复合型和工序复合型两类。工艺复合型机 床如镗铣钻复合 加工中心、车铣复合 车削中心、铣镗钻车复合 复合加工中心等；工序复合型机床如多面多轴联动加工的复合机床和双主轴车削中心等。采用复合机床进行加工，减少了工件装卸、更换和调整刀具的辅助时间以及中间过程中产生的误差，提高了零件加工精度，缩短了产品制造周期，提高了生产效率和制造商的市场反应能力，相对于传统的工序分散的生产方法具有明显的优势。 Page 加工过程的复合化也导致了机床向模块化、多轴化发展。德国 Index 公司最新推出的车削加工中心是模块化结构，该加工中心能够完成车削、铣削、钻削 、滚齿、磨削、激光热处理等多种工序，可完成复杂零件的全部加工。随着现代机械加工要求的不断提高，大量的多轴联动数控机床越来越受到各大企业的欢迎。 在 2005 年中国国际机床展览会 (CIMT2005)上，国内外制造商展出了形式各异的多轴加工机床 (包括双主轴、双刀架、 9 轴控制等 )以及可实现 4 5 轴联动的五轴高速门式加工中心、五轴联动高速铣削中心等。 4. 控制智能化 nts数控的发展 第 11 页 共 17 页 随着人工智能技术的发展，为了满足制造业生产柔性化、制造自动化的发展需求，数控机床的智能化程度在不断提高。具体体现在以下几个方面： a. 加工过程自适应控制 技术： 通过监测加工过程中的切削力、主轴和进给电机的功率、电流、电压等信息，利用传统的或现代的算法进行识别，以辩识出刀具的受力、磨损、破损状态及机床加工的稳定性状态，并根据这些状态实时调整加工参数 (主轴转速、进给速度 )和加工指令，使设备处于最佳运行状态，以提高加工精度、降低加工表面粗糙度并提高设备运行的安全性； b. 加工参数的智能优化与选择： 将工艺专家或技师的经验、零件加工的一般与特殊规律，用现代智能方法，构造基于专家系统或基于模型的 “加工参数的智能优化与选择器 ”，利用它获得优化的加工参数，从而达到提高编程效率 和加工工艺水平、缩短生产准备时间的目的； c. 智能故障自诊断与自修复技术： 根据已有的故障信息，应用现代智能方法实现故障的快速准确定位； d. 智能故障回放和故障仿真技术： 能够完整记录系统的各种信息，对数控机床发生的各种错误和事故进行回放和仿真，用以确定错误引起的原因，找出解决问题的办法，积累生产经验； e. 智能化交流伺服驱动装置： 能自动识别负载，并自动调整参数的智能化伺服系统，包括智能主轴交流驱动装置和智能化进给伺服装置。这种驱动装置能自动识别电机及负载的转动惯量，并自动对控制系统参数进行优化和调整，使驱动系统获得 最佳运行； f. 智能 4M 数控系统： 在制造过程中，加工、检测一体化是实现快速制造、快速检测和快速响应的有效途径，将测量 (Measurement)、建模(Modelling)、加工 (Manufacturing)、机器操作 (Manipulator)四者 (即 4M)nts数控的发展 第 12 页 共 17 页 融合在一个系统中，实现信息共享，促进测量、建模、加工、装夹、操作的一体化。 5. 体系开放化 a. 向未来技术开放： 由于软硬件接口都遵循公认的标准协议，只需少量的重新设计和调整，新一代的通用软硬件资源就可能被现有系统所采纳、吸收和兼容，这就意味着系统的开发费用将大大 降低而系统性能与可靠性将不断改善并处于长生命周期； b. 向用户特殊要求开放： 更新产品、扩充功能、提供硬软件产品的各种组合以满足特殊应用要求； c. 数控标准的建立： 国际上正在研究和制定一种新的 CNC 系统标准ISO14649(STEP-NC)，以提供一种不依赖于具体系统的中性机制，能够描述产品整个生命周期内的统一数据模型，从而实现整个制造过程乃至各个工业领域产品信息的标准化。标准化的编程语言，既方便用户使用，又降低了和操作效率直接有关的劳动消耗。 6. 驱动并联化 并联运动机床克服了传统机床串联机构移动部件质量大、系统 刚度低、刀具只能沿固定导轨进给、作业自由度偏低、设备加工灵活性和机动性不够等固有缺陷，在机床主轴 (一般为动平台 )与机座 (一般为静平台 )之间采用多杆并联联接机构驱动，通过控制杆系中杆的长度使杆系支撑的平台获得相应自由度的运动，可实现多坐标联动数控加工、装配和测量多种功能，更能满足复杂特种零件的加工，具有现代机器人的模块化程度高、重量轻和速度快等优点。 并联机床作为一种新型的加工设备，已成为当前机床技术的一个重要研究方向，受到了国际机床行业的高度重视，被认为是 “自发明数控技术以来在机床行业中最有意义的进步 ”和 “21 世纪新一代数控加工设备 ”。 Page nts数控的发展 第 13 页 共 17 页 7. 极端化 (大型化和微型化 ) 国防、航空、航天事业的发展和能源等基础产业装备的大型化需要大型且性能良好的数控机床的支撑。而超精密加工技术和微纳米技术是 21 世纪的战略技术，需发展能适应微小型尺寸和微纳米加工精度的新型制造工艺和装备，所以微型机床包括微切削加工 (车、铣、磨 )机床、微电加工机床、微激光加工机床和微型压力机等的需求量正在逐渐增大。 8. 信息交互网络化 对于面临激烈竞争的企业来说，使数控机床具有双向、高速的联网通讯功能，以保证信息流在车间各个部门间畅通无阻是 非常重要的。既可以实现网络资源共享，又能实现数控机床的远程监视、控制、培训、教学、管理，还可实现数控装备的数字化服务 (数控机床故障的远程诊断、维护等 )。例如，日本 Mazak公司推出新一代的加工中心配备了一个称为信息塔 (e-Tower)的外部设备，包括计算机、手机、机外和机内摄像头等，能够实现语音、图形、视像和文本的通信故障报警显示、在线帮助排除故障等功能，是独立的、自主管理的制造单元。 图 FANUC 16i/18i/21i/30i 系列 CNC 的网络接口 图 FANUC CNC 的网络监控、维护与管理 nts数控的发展 第 14 页 共 17 页 9. 新型功能部件 为了提高数控机床各方面的性能，具有高精度和高可靠性的新型功能部件的应用成为必 然。具有代表性的新型功能部件包括： a. 高频电主轴： 高频电主轴是高频电动机与主轴部件的集成，具有体积小、转速高、可无级调速等一系列优点，在各种新型数控机床中已经获得广泛的应用； b. 直线电动机： 近年来，直线电动机的应用日益广泛，虽然其价格高于传统的伺服系统，但由于负载变化扰动、热变形补偿、隔磁和防护等关键技术的应用，机械传动结构得到简化，机床的动态性能有了提高。如：西门子公司生产的 1FN1 系列三相交流永磁式同步直线电动机已开始广泛应用于高速铣床、加工中心、磨床、并联机床以及动态性能和运动精度要求高的机床等；德国 EX-CELL-O 公司的 XHC 卧式加工中心三向驱动均采用两个直线电动机； c. 电滚珠丝杆： 电滚珠丝杆是伺服电动机与滚珠丝杆的集成，可以大大简化数控机床的结构，具有传动环节少、结构紧凑等一系列优点。 10. 高可靠性 数控机床与传统机床相比，增加了数控系统和相应的监控装置等，应用了大量的电气、液压和机电装置，易于导致出现失效的概率增大；工业电网电压的波动和干扰对数控机床的可靠性极为不利，而数控机床加工的零件型面较为复杂，加工周期长，要求平均无故障时间在 2 万小时以上。为了保证数控机床有高的可靠性，就要精心设计系统、严格 制造和明确可靠性目标以及通过维修分析故障模式并找出薄弱环节。国外数控系统平均无故障时间在 7 10 万小时以上，国产数控系统平均无故障时间仅为 10000 小时左右，国外整机平均无故障工作nts数控的发展 第 15 页 共 17 页 时间达 800 小时以上，而国内最高只有 300 小时。 11. 加工过程绿色化 随着日趋严格的环境与资源约束，制造加工的绿色化越来越重要，而中国的资源、环境问题尤为突出。因此，近年来不用或少用冷却液、实现干切削、半干切削节能环保的机床不断出现，并在不断发展当中。在 21 世纪，绿色制造的大趋势将使各种节能环保机床加速发展，占领更多的世界市场。 12. 多媒体技术的应用 多媒体技术集计算机、声像和通信技术于一体，使计算机具有综合处理声音、文字、图像和视频信息的能力，因此也对用户界面提出了图形化的要求。合理的人性化的用户界面极大地方便了非专业用户的使用，人们可以通过窗口和菜单进行操作，便于蓝图编程和快速编程、三维彩色立体动态图形显示、图形模拟、图形动态跟踪和仿真、不同方向的视图和局部显示比例缩放功能的实现。除此以外，在数控技术领域应用多媒体技术可以做到信息处理综合化、智能化，应用于实时监控系统和生产现场设备的故障诊断、生产过程参数监测等，因此有着重大的应 用价值。 3 我国数控机床发展现状及思考 我国数控技术的发展起步于二十世纪五十年代，通过 “六五 ”期间引进数控技术，“七五 ”期间组织消化吸收 “科技攻关 ”，我国数控技术和数控产业取得了相当大的成绩。特别是最近几年，我国数控产业发展迅速， 1998 2004 年国产数控机床产量和消费量的年平均增长率分别为 39.3%34.9%。尽管如此，进口机床的发展势头依然强劲，从 2002 年开始，中国连续三年成为世界机床消费第一大国、机床进口第一大国， 2004 年中国机床主机消费高达 94.6 亿美元，但进出口逆差严nts数控的发展 第 16 页 共 17 页 重，国产机床市场占有 率连年下降， 1999 年是 33.6%， 2003 年仅占 27.7%。 1999年机床进口额为 8.78 亿美元 (7624 台 )， 2003 年达 27.1 亿美元 (23320 台 )，相当于同年国内数控机床产值的 2.7 倍。国内数控机床制造企业在中高档与大型数控机床的研究开发方面与国外的差距更加明显， 70%以上的此类设备和绝大多数的功能部件均依赖进口。由此可以看出国产数控机床特别是中高档数控机床仍然缺乏市场竞争力，究其原因主要在于国产数控机床的研究开发深度不够、制造水平依然落后、服务意识与能力欠缺、数控系统生产应用推广不力及数控人才缺乏等。 Page 我们应看清形势，充分认识国产数控机床的不足，努力发展先进技术，加大技术创新与培训服务力度，以缩短与发达国家之间的差距。 1. 不断加强技术创新是提高国产数控机床水平的关键 国产数控机床缺乏核心技术，从高性能数控系统到关键功能部件基本都依赖进口，即使近几年有些国内制造商艰难地创出了自己的品牌，但其产品的功能、性能的可靠性仍然与国外产品有一定差距。近几年国产数控机床制造商通过技术引进、海内外并购重组以及国外采购等获得了一些先进数控技术，但缺乏对机床结构与精度、可靠性、人性化设计等基础性 技术的研究，忽视了自主开发能力的培育，国产数控机床的技术水平、性能和质量与国外还有较大差距，同样难以得到大多数用户的认可。 2. 制造水平与管理手段依然落后 一些国产数控机床制造商不够重视整体工艺与制造水平的提高，加工手段基本以普通机床与低效刀具为主，装配调试完全靠手工，加工质量在生产进度的紧逼下不能得到稳定与提高。另外很多国产数控机床制造商的生产管理依然沿用原始的手工台账管理方式，工艺水平和管理效率低下使得企业无法形成足够生产规模。如国外机床制造商能做到每周装调出产品，而国内的生产周期过长且nts数控的发展 第 17 页 共 17 页 很难控制。因此我 们在引进技术的同时应注意加强自身工艺技术改造和管理水平的提升。 3. 服务水平与能力欠缺也是影响国产数控机床占有率的一个重要因素 由于数控机床产业发展迅速，一部分企业不顾长远利益，对提高自身的综合服务水平不够重视，甚至对服务缺乏真正的理解，只注重推销而不注重售前与售后服务。有些企业派出的人员对生产的数控机床缺乏足够了解，不会使用或使用不好数控机床，更不能指导用户使用好机床；有的对先进高效刀具缺乏基本了解，不能提供较好的工艺解决方案，用户自然对制造商缺乏信心。制造商的服务应从研究用户的加工产品、工艺、生产类型、 质量要求入手，帮助用户进行设备选型，推荐先进工艺与工辅具，配备专业的培训人员和良好的培训环境，帮助用户发挥机床的最大效益、加工出高质量的最终产品，这样才能逐步得到用户的认同，提高国产数控机床的市场占有率。 4. 加大数控专业人才的培养力度 从我国数控机床的发展形式来看需要三种层次的数控技术人才：第一种是熟悉数控机床的操作及加工工艺、懂得简单的机床维护、能够进行手工或自动编程的车间技术操作人员；第二种是熟悉数控机床机械结构及数控系统软硬件知识的中级人才，要掌握复杂模具的设计和制造知识，能够熟练应用 UG、 PRO/E 等CAD/CAM 软件，同时有扎实的专业理论知识、较高的英语水平并积累了大量的实践经验；第三种是精通数控机床结构设计以及数控系统电气设计、能够进行数控机床产品开发及技术创新的数控技术高级人才。我国应根据需要有目标的加大人才培养力度，为我国的数控机床产业提供强大的技术人才支撑。 nts第 页 共 22 页 1 毕业设计说明书 课题名称 涡轮数控工艺及加工 系 别 现代制造工程系 专 业 数控技术与应用 班 级 姓 名 学 号 指导教师 nts第 页 共 22 页 2 目 录 摘要 -2 一、设计课题分析 -5 二、工艺规程分析设计 -7 三、夹具设计 -8 四 毛坯的选择 -10 五 工艺规程的设计 -16 六 填写工艺过程卡和工序卡 -16 七 、 零件设计及加 工步骤 -17 （一）零件的造型设计 -18 （二）零件的 Mastercam 后外理加工 -21 （三）零件宏程序编制 -25 八 、仿具系统加工验证 -27 九 、其它方面说明 -29 参考文献 -30 设计小结 -31 nts第 页 共 22 页 3 摘要 ： 本课题设计的是渐开线涡轮数控工艺及加工 ,是叶片油泵的重要零件之一 ，我们要通过数控加工来实现加工要求。对于数控专业来说 ,本课题的毕业设计是具有很大意义的 .根据渐开线涡轮零件图制定加工工艺方案及数控加工工序卡，利用 Pro/E 绘制三维造型。本设计侧重于数控加工工艺 ,数控编程及工装设计。数控加工具有柔性程度高、自动化程度高、加工精度高且加工质量稳定可靠、生产效率高、生产管理现代化等优点。数控加工作为现代机械制造业的重要标志，随着个性化产品日益为消费者钟爱，数控加工技术显得日益重要。随着 CAD/CAM软件技术的进一步发展，几乎所有的个性化产品设计都在 CAD软件中设计完成 .并与 CAM 软件结合使三维造型出来的产品可以直接生成代码。这样使产品开发到产品出货的周期大大缩 短，是现代制造业发展的必然趋势。 关键词 ：三维造型 工艺 夹具设计 模拟 前言 ： 随着我国制造业的发展，数控加工的需求也在增加， 它总的发展趋势是：高精化、高速化、高效化、柔性化、智能化和集成化，并注重工艺适用性和经济性。而渐开线涡轮加工充分的适应了现代化生产的需要 . 数控加工技术已广泛应用于机械加工制造业中，如数控铣削、镗削、车削、线切割、电火花加工等，其中数控铣削是复杂多变零件的主要加工方法。数控设备为精密复杂零件的加工提供了基本条件，但要达到预期的加工效果，编制高质量的数控程序是必不可少的 ，这是因为数控加工程序不仅包括零件的工艺过程，而且还包括刀具的形状和尺寸、切削用量、走刀路径等工艺信息。对于简单的模具零件，通常采用手工编程的方法，对于复杂的模具零件，往往需要借助于 CAM软件编制加工程度，如 Pro/E、 UG、 Master CAM 等。无论是手工编程或计算机辅助编程，在编制加工程序时，选择合理的工艺参数，是编制高质量加工程序的前提。在本课题所采用的加工软件是 Mastercam，该技术 是近年来工程技术领域nts第 页 共 22 页 4 中发展最迅速，最引人注目的一项高级技术，它已成为工业生产现代化的重要标志。它对加速工程和产品 的开发、缩短产品设计制造周期、提高产品质量、降低成本、增强企业市场竞争能力与创新能力发挥着重要作用。 在毕业设计中我、Mastercam 加工，充分的学习他们的优点，用于渐开线涡轮的加工。 一、设计课题分析 ： 本课题是工业高压变量叶片油泵的关键零件之一，叶片由 X Y 平面的渐开线参数方程投影曲线与锥形回转面合成，反面有椭圆槽、四个螺纹孔。 零件图结构很清晰，难点重点就是涡轮正面的加工。 以往这种零件的加工多半是通过靠模来完成，这种加工方法的缺点是工作量大，精度差。很难适应现在的社会发展，但现在有数控加工技 术，减少了手工的步骤，既能保证精度，又能节省时间，更重要的是很大程度上缓解了劳动者工作量。 数控加工是根据零件的材料、几何形状编写相应的工序工艺；设计相应的夹具；用软件造型再获得相应的加工程序；导入仿真软件进行模拟加工；最后到数控机床进行加工。 数控加工有许多方法，这里指的是我们在做毕业设计时加工渐开线涡轮所需的步骤。 而此次设计的渐开线涡轮正是油泵的一个重要零件。对其进行工艺工装设计有着实际性的作用和意义。另外对于数控专业来说 ,本课题的设计可以让我们能全面的运用所学知识，培养我们独立思考的能力，培养我们搞工 艺工装设计的思维能力，培养我们今后发展的能力。 在这里需要指出的是，加工所需要的程序可以通过手工编程，自动编程等等一系列方法来实现，在对渐开线涡轮的加工中， 我选择自动编程来完成。 至于渐开线涡轮的应用，目前用于旋转式流体机械比较多。用于 泵 也比较广泛， 泵是一种面广量大的通用机械，应用于国民经济的各个领域，如农田水利、石油化工、电力、建筑、环保、轻工食品等各行业，需要量很大。 随着产品技术nts第 页 共 22 页 5 水平的提高和节约能源的要求 ，泵的应用范围正在迅速扩大 。 二、工艺规程分析设计： 1、零件分析： 渐开线涡轮是按一定规律环 绕在圆柱面上的等宽槽。该零件按中小批量生产，生产纲领为月产 1000 件。涡轮材料为不锈钢。 (1Gr18Ni9Ti)， 具有良好的耐蚀性和冷塑性变形性能 ;钢因塑性和韧性很高 ,切削性较差 ; 为此在切削过程中需使用水性切削冷却液，以减少切削热变形。 该零件的尺寸精度要求不是很高，但是在普通机床上是无法加工的，因此选用带有数控回转台的立式数控铣床进行加工。渐开线涡轮正面上的每一个截面在高度上都是不相等的，一般选用立铣刀进行加工。渐开线涡轮加工前通常是一个实心的圆柱体，要经过车削、开槽、粗加工、精加工等工序。 2、工艺 分析及安排： （ 1）工序顺序安排原则 （ a）原则：先粗后精，先主后次，先面后孔，基面先行。 （ b）机械加工工艺路线按工序的性质不同一般可分为粗加工，半精加工和精加工三个阶段。表面质量要求特别高时，还应增加光整加工阶段。 （ c）零件的机械加工路线中，第一道工序往往都是加工精基准，然后使用精基准定位，进行后续加工，如轴类零件先钻中心孔，箱体类零件先加工平面、定位销孔等。 （ 2）工艺 安排原则和方法 制定工艺规程定的原则是：在保证产品质量的前提下，最大限度的提高生产率和降低制造成本。 工件是工艺系的核心。各种加方 法都是根据工件的被加表面类型、材料和技术要求等来确定的。 夹具是一种工艺装备。它的作用一是保证工件相对于机床和刀具具有正确的位置，这一过程称为“定位”；二是要保证工件在外力的作用下仍能保持 正确位nts第 页 共 22 页 6 置，这一过程称为“夹紧”。 要保证工艺系统各环节之间正确的几何位置，应保证工件在夹具中有正确的定位、夹具对机床具有正确的相互位置关系和夹具的正确调整。 由于所加工渐开线涡轮的材料为不锈钢，外形尺寸且精度要求不高，我对该零件工件进行了以下的工艺安排： 下料（车出零件的外形尺寸 82.2*31.8） 粗、精铣反面椭圆 形槽 钻、攻M8 深 8 螺纹孔 粗、精铣涡轮正面 去毛刺 检验 入库。 3、刀具材料的选择： 刀具材料通常是指切削部分的材料。在切削过程中，刀具切削部分直接承担切削工作。刀具切削性能的好坏对于切削加工效率、刀具寿命、刀具消耗、加工成本、加工精度和表面质量都有着密切的关系。 目前广泛用的刀具材料有高速钢和硬质合金。还有改善化学成分和组织的各种高效率、高性能刀具材料。如超硬高速钢、碳化钛基硬质合金、表面涂层硬质合金、立方氮化硼、陶瓷和人造金刚石等。 正确选用刀具材料是保证高效率加工不锈钢的决定因素。根据 不锈钢的切削特点刀具材料应具备足够的强度、韧性、高硬度和耐磨性且与不锈钢的粘附性要小。常用的刀具材料有硬质合金和高速钢两大类，形状复杂的刀具主要采用高速钢材料。由于高速钢切削不锈钢的切削速度不能太高，因此影响生产效率的提高。对于较简单的车刀类刀具，刀具材料应选项用强度高、导热性好的硬质合金，因其硬度、耐磨性等性能优于高速钢。常用的硬质合金材料有：钨钴类 （ YG3、YG6、 YG8、），钨钴钛类 （ YT15、 YT14、 YT5）， 添加稀有金属碳化物类（ YW1、YW2）。钨钴类硬质合金的韧性和导热性较好，不易和切 屑粘结，因此适用于不锈钢粗车加工；而 YW 类硬质合金的硬度、耐磨性、耐热性和抗氧化性能以及韧性都较好，适合于不锈钢的精车加工。 由于零件材料为不锈钢（ 2Gr13），属于难加工类零件，根据刀具的选择原则，在车削是选用复合涂层车刀（ FNUM150404-A3），铣削加工所用刀具如下所列： 4立铣刀、 6立铣刀、 6.8麻花钻、 M8的机用丝锥、中心钻。 nts第 页 共 22 页 7 4、刀具几何角度的选择： 刀具切削部分的几何角度，对于不锈钢切削加工的生产率、刀具耐久度、被加工表面摩擦度、切削力以及加工硬化等方面都有很大的影响，合理选择和改 进刀具几何参数是保证加工质量、提高效率、降低成本的有效途径。刀具前角 o的选择：车削不锈钢时，在不降低刀具强度的条件下，应把前角适当取大一些，在刀具前角大时其塑性变形小，切削力和切削热降低，减轻加工感化趋势，提高刀具耐用度，一般刀具前角宜取 12 20左右。车刀后角 o 的选择车削不锈钢时的车刀后角要比车削普通碳钢时稍大一些，但后角过大又会降低刀刃强度，直接影响车刀的耐用度，因此，一般情况下车刀后角宜取 6 10左右。车刀主偏角 Kr 的选择：车削不锈钢时的硬化倾向性强，易产生振动，振动又会使加工硬化严重。因 此，主偏角一般宜取 45 90左右。 5、切削用量的选择： 正确地确定切削用量 ,对保证加工质量、提高生产率、获得良好的经济效益，都有着重要的意义。在确定切削用量时，应综合考虑零件的生产纲领、加工精度、和表面粗糙度、材料、刀具的材料及耐用度等方面因素。 粗加工时，由于要求的加工精度较低、表面粗糙度较大，切削用量的确定应该尽可能保证较高的金属切除北和必要的刀具耐用度，以达到较高的生产率。提高切削速度、增大进给量和切削深度，都能提高金属切除率，但在这三个要素中，切削速度对刀具耐用度影响最大，其次是进 给量，影响最小的是切削深度。所以在确定粗加工切削用量时，应优先考虑采用大的切削深度，其次考虑采用较大的进给量，最后根据刀具的耐用度要求，确定合理的切削速度。具体数据的确定可参阅有关手册。 半精加工、精加工时，确定切削用量首先要考虑的问题是保证加工精度和表面质量同时也要兼顾必要的刀具耐用度和生产率。半精加工、精加工时的切削深度一般根据粗加工后留下的加工余量来确定，而进给量主要根据表面粗糙度来确定。为了减少工艺系统的弹性变形和已加工表面的残留面积高度，半精加工和精加工时一般多采用较小的切削深度和进给量。在切削深 度和进给量确定之后，再nts第 页 共 22 页 8 确定合理的切削速度。 6、机床的选择： 从工艺上分析：由于椭圆槽，渐开线螺旋槽形状复杂普通铣床根本无法加工，所以选择数控铣床 XK5032。 XK5032数控铣床主要技术参数： 1、 机床外形尺寸（长 X宽 X高） 1830mm X 1880mm X 2050mm 2、 工作台面积 320mm X 1200mm 3、 工作台最大行程 X 轴 750mm Y 轴 350mm Z 轴 400mm 4、工作台 T 形槽 宽 17.46mm 间距 80mm 数量 2 条 5、主轴转速范围 454500r/min 6、进给速度范围 52500mm/min 7、快速移动速度 5000mm/min 8、定位精度 X 轴 0.05mm Y 轴 0.04mm nts第 页 共 22 页 9 Z 轴 0.04mm 9、重复定位精度 0.025mm 三、夹具设计： 1.夹具设计方案分析 : 对夹具主要有两大要求：一 是夹具应具有足够的精度和刚度；二是夹具应有可靠的定位基准。选用夹具时，通常考虑以下几点： （ 1）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。 （ 2）在成批生产时才考虑采用专用夹具， 最好 结构简单 可靠、制造容易 。 （ 3）装卸 零件 要迅速方便，以减少机床的停机时间。 （ 4）夹具在机床上安装要准确可靠，以保证工件在正确的位置上加工。 由于该零件的渐开线螺旋槽和底面的椭圆槽有一定的位置要求，基本的三抓卡盘夹具不怎么理想。所以要重新设计一个专用 夹具。 根据基准统一的原则 ,我采用设计基准来作为我们的定位基准 ,即采取一面二销的形式进行定位 . 夹紧方式的确定 ,我考虑了各种各样的方案 ,都觉得不理想 .最后我选用了在V 形块板上打螺纹孔采用螺纹杆旋转夹紧的方法。 . 2.夹具结构设计计算 : 夹具机构既要可靠，又要和生产纲领相适应，这样才能符合多，快、好、省的原则。大批生产中使用的夹具和中小批生产中使用的夹具，在结构上应有所区别。 在大批量生产中，既要解决工件的质量问题，又要解决工件的产量问题。因此，在设计夹具时，应采用高效、省力的夹具结构。例如：采用各中动力源 （如气动、液动、电动等）实现夹具夹紧，减轻劳动强度；采用联动夹紧机构和多件夹紧机构，减少辅助时间；采用多工位分度装置，使加工时间和辅助时间重合 大批生产中使用的夹具比较复杂，造价较高。为了便于设计的夹紧部件等，应广泛采用各种形式的通用动力部件，如标准汽缸。标准油缸、各种增压器、通用的夹紧部件等，组成专用夹具。这是目前夹具设计中的一种新趋向。 nts第 页 共 22 页 10 在中小批生产中，采用夹具的主要目的是保证加工质量和扩大机床的工艺性能，以及便于多品种生产等。因此，对夹具机构的主要，主要是精度和通用性，效率问题比较次要。所以应尽量采用 各种形式的通用夹具、可调夹具和组合夹具等配以适当的专用附件，以满足生产要求。在设计专用夹具时，要充分采用部件及标准元件，以提高夹具的标准化程度。 夹具的结构简图如下 : 3.夹具使用说明 : 先用螺栓把压板固定夹具体上 ,这压板下面有方槽可以让 V 形块通过，再把螺杆放到压板的槽里，最后把活动 V 形块用螺杆旋进去通过方槽 ,这 V 形块是由无轴向移动的螺杆并锁紧（利用台虎钳原理） .再把整个夹具放到机床工作台上 ,用夹具体上的 U 形槽对准机床的 T 形槽 .用螺栓和压板把 夹具体固定在机床上 . 当加工零件时 ,把零件放到夹具体上 ,用一面二销的方法把零件固定在夹具上 ,.再通过旋转螺纹杆调节 V 形滑块移动。夹紧零件 .夹紧力的大小通过手工来调节。当零件在机床上加工完成后 ,再通过旋转螺纹杆使其与 V 形滑块分开 ,再用手去轻轻松动滑块 ,使零件能从夹具体上拿下来 ,在用同样的方法加工下一个零件 . 四 毛坯的选择 一、该零件材料为 40Cr,齿轮的内孔 195 和外圆直径 750.14,都是直径比较nts第 页 共 22 页 11 大的圆 ,又由题目的生产纲领为 3000 件 /年 ,由参考文献表 5.6(划分生产类型的参考数据 )可知该零件 批量生产为大批量生产 ,毛坯应选用锻造。毛坯的锻造方法用模锻。 二、模锻锻件机械性能较好 ,有较高的强度和冲击韧性 ,但是毛坯的形状不宜复杂 ,如轴类和齿轮类零件的毛坯常用锻造。 三、锻造毛坯的工艺特点 参考文献 1表 9-1,常用毛坯的制造方法与工艺特点： 精度等级 (IT) 毛坯尺寸公差 /mm 表面粗糙度 Ra/um 生产率 其他 12-14 0.2-2 12.5 高 锻件力学性能好 ,强度高 四、参考机械制造加工工艺手册表 1-26 各主要加工表面的加工余量如下： 加工表面 基本尺寸 (mm) 加工 余量 (mm) 说明 齿轮外圆 750 4 车床加工 齿轮内孔 195 4 车床加工 齿轮小端面 185 2 车床加工 齿轮大端面 142 3 车床加工 五、主要毛坯尺寸及公差： 主要面尺寸 零件尺寸 总余量 毛坯尺寸 齿坯外圆 750 4 754 nts第 页 共 22 页 12 齿坯内圆 195 4 191 齿坯小端面 185 4 189 齿坯大端面 142 3 145 五 工艺规程的设计 一、定位基准的选择 在零件的加工过程中 ,合理的选择定位基准对保证零件的尺寸精度和位置度有着决定性的作用 。 1. 粗基准的选择原则： （ 1）尽量选择不要求加工的表面作为粗基准 .这样可使加工表面与不加工表面之间的位置误差量最小 ,同时还可以在一次装夹中加工出更多的表面。 （ 2）若零件的所有表面都要加工 ,应选择加工余量和公差最小的表面作为粗基准 .这样可保证作为粗基准的表面在加工时 ,余量均匀。 （ 3）选择光洁 、平整、面积足够大、装夹稳定的表面作为粗基准。 （ 4）粗基准一般只在第一到工序中用 ,以后应避免重复使用。 2精基准的选择原则 : 基准重合的选择原则。尽可能的用设计基准作为定位基准 ,这样可避免因定位基准与设计 基准不重合而引起的定位误差 ,以保证加工表面与设计基准间的位置精度。 基准同一原则 .一尽可能多的表面加工都用同一个定位基准 ,这样有利于保证各加工面之间的位置精度。 选择面积大、精度较高、安装稳定的表面作为精基准 ,而且所选的基准使夹具结构简单 ,装夹和加工方便。 综合上面的粗基准和精基准的选择原则 ,为使基准同一和基准重合 ,齿轮加工时常选内孔和端面作为精基准加工外圆和齿轮 ,用作精基准的端面和内孔要在一次装夹中加工出来以保证两者之间的垂直度 ,但是在加工大型齿轮时可用外圆nts第 页 共 22 页 13 作找正基准 ,但此时应保证内孔与外圆同轴。所以加工 本设计齿轮用齿轮外圆和端面作为粗基准 ,用内孔和端面作为精基准。 二、装夹方法 在加工齿轮时在滚齿机上一般用心轴装夹 ,滚齿心轴夹具见下图 : 三、加工工艺问题 (1)、基准修正 齿形表面淬火后 ,内孔会受到影响而变形 :一般的孔直径会缩小 0.01-0.05mm,因此淬火后应安排精基准修正工序 .修正的方法有推孔和磨孔 ,也可以用镗孔。推孔是用推刀进行的 ,用压力机将推刀强行从孔中间推过既可。此法生产率较高 ,一般不要留推孔余量。对精度要求较高的或是淬硬 后的孔、直径大而短的孔则应采用 ,磨孔工艺 ,磨孔必须留有磨削余量。 (2)、齿轮加工方案 保证齿轮精度是齿轮加工的主要工艺问题 ,轮齿的加工方案主要取决于加工精度和热处理要求。 nts第 页 共 22 页 14 根据各个加工精度等级的加工方案如下 : 8级以下精度的齿轮多采用 :滚 (插 )齿齿端加工热处理修正内孔。因热处理后的齿面不再加工 ,为弥补热处理变形 ,热处理前的齿形加工精度应比设计图纸上的精度要求要提高一级。 6-7级精度的齿轮有两个方案。剃 -珩方案 :滚 (插 ) 齿端加工剃齿表面淬火修正基准珩齿。此方案生产率高、设备简单、成本 较低 ,一般用于 6级精度或热处理变形较大时。 5 级以上精度的齿轮采用的方案为粗滚 (插 )齿精滚 (插 )齿齿端加工淬火修正基准粗磨齿精磨齿。此方案精度最高 ,但成本高 ,生产率最低。 参考文献 表 2.3.2 齿形加工方案 ,得出各方案所达到的齿面加工质量如下表 : 加工方案 精度等级 齿面的表面粗糙度 Ra/mm 适用范围 成形法铣齿 9级以下 6.3 3.2 单件小批生产中加工直齿和螺旋齿轮及齿条 展 成 法 滚齿 8 7 3.2 1.6 各种批量生产中加工直齿、斜外啮合圆柱轮和 蜗轮 插齿 8 7 1.6 各种批量生产中加工内外圆柱齿轮、双联齿轮等 剃齿 7 6 0.8 0.4 大批量生产中滚齿或插齿后未经淬火的齿轮精加工 珩齿 7 6 1.6 0.4 大批量生产中高频淬火硬齿形的精加工 磨齿 6 3 0.8 0.2 单件小批生产中淬硬或不淬硬的精加工 研齿 0.4 0.2 淬硬齿轮的齿形精加工 ,可有效地减小齿面的 Ra 值 由设计图纸给出的加工精度和热处理要求确定齿轮的加工方案如下 : 滚齿热处理修正基准剃齿 nts第 页 共 22 页 15 (3)、热处理的安排 由设计图纸上的技术要 求 ,热处理工序在工艺过程中的安排如下： 正火 调质 表面渗碳淬火及低温回火 毛坯 粗加工 半精加 精加工 正火。大多数锻件都要经过正火处理 ,一般安排在毛坯制造和粗加工之间 ,以改善金属的机械切削性能。 调质。调质可获得良好是机械性能 ,调质后仍可用刀具进行加工 ,因而一般安排在粗精加工与半精加工之间 ,这样有助于消除粗加工产生的内应力。 渗碳。经渗碳后表层与心部含碳量相差明显 ,表现出表面硬、耐磨和心部韧性和朔性好的特点。渗碳后的工件一般要经过淬火和低温回火处理 ,使表面层有回火马氏体结构和消除渗碳过程中形成的粗晶粒结构。 淬火。这种方法是快速加热使工件表层奥氏体化 ,不等心部组织发生变化 ,立即快速冷却 ,表层起到淬火作用 ,其结果是表层获得马氏体组织 ,而心部仍然保持朔性 ,韧性均匀的组织 ,工件各部都能满足使用要求。 低温回火。经过低温回火的工件的硬度没有发生大的变化 (HRC60 左右 ),但是应力减少了很多。 (4)、制定工艺路线 根据各表面加工 要求和各种加工方法能达到的经济精度，确定各表面的加工方法如下： 齿坯外圆：粗车精车； 齿坯端面：由设计图纸上的要求，齿坯的小端面的表面粗糙度要求是 1.6，而大端面的表面要求较低，但是在加工齿轮的整个过程中都要用到端面作为精基准，所以端面的加工方法为：先粗车后精车，同时也可以保证尺寸 21.5； 内孔：由于毛坯采用的是锻造的，所以内孔先经过粗车，精车后再用镗孔的方法加工以保证它的精度等级表面质量 1.6和跳动精度控制在 0.056； 齿行的加工：先滚齿，精度等级还不能达到，而且热处理后内孔回缩小，所以要基准修配， 然后在经过精加工用镗孔的方法来保证齿形的精度等级。 nts第 页 共 22 页 16 综合上面的分析，工艺路线确定如下： 序号 工 序 内 容 1 锻造毛坯 2 热处理正火 3 粗车各外形 4 调质 5 精车各部分 6 滚齿 7 齿端加工倒角 8 钳工去毛刺 9 热处理齿面渗碳淬火及低温回火处理 10 钳工划键槽加工线 11 插键槽 12 钻通孔 13 攻丝 14 磨端面 15 镗孔 16 剃齿 17 检验 （ 5）、选择加工设备及刀具 由于生产类型为大批量生产，故加工设备宜以通用机床 为主，辅以少量专用机床。其生产方式为以通用机床加工专用夹具为主，辅以少量专用机床的流水生nts第 页 共 22 页 17 产线。工件在各机床上的装卸及各机床之间的传送均由人工完成。 车床的选择： 根据设计图纸上的设计尺寸，最大外径为 750.14 加上加工余量，其直径比较大查机械加工工艺设计手册一般的车床难以加工，由手册表 -立式车床，选择立式车床 512-1A，其技术规格如下表： 技术指标 C512 垂直度刀架加工最大直径 1250 倒刀架加工最大直径 1120 工件最大高度 900 工件最大质量（） 2 工作台 直径 1030 工作台转速 7.5-150 刀架数量：水平 垂直 1 1 垂直刀架最大行程：水平 垂直 630 690 垂直刀架最大回转角 40 滚齿机的选择 : 由参考文献 表 4-25 滚齿机 ,选择 Y31125 型滚齿机 ,其技术规格如下 : 技术规格 Y31125 加工齿轮最大直径 : 用外支架时 不用支架时 - 1250 加工斜齿轮最大直径 : 当旋转角为 30时 - nts第 页 共 22 页 18 当旋转角为 60时 - 加工齿轮最大宽度 : 550 加工齿轮最大模数 : 12 加工齿轮最大螺旋角 : - 滚刀最大直径 : 200 滚刀心轴最大直径 : 27、 32、 40 剃齿机的选择 : 由参考文献 选择剃齿机 Y42125,其技术要求如下表 : 技术规格 Y42125 加工齿轮直径 :外啮合 内啮合 200-1250 600 加工齿轮模数 2-8 加工齿轮宽度 200 剃齿刀直径 300 剃齿刀宽度 - 刀架最大回转轴 20 工件与剃齿刀的中心距 140-770 镗床的选择 : 由参考文献 选择镗床 T616,最大加工直径为 240mm。 (6)、加工工序设计 、工序 3粗车毛坯外圆与工序 5精车外圆 查参考文献 表 9-5 机械加工的工序余量 ,粗车的工序余量为 1.54mm,取余量为 2mm,精车的加工余量为 0.2 2.5mm,取精加工精度 Z精Z=2,已经知道毛坯外圆的加工余量为 4,故粗加工余量 Z粗Z=4-2=2mm 由参考文献 立式车床的进给量 f=1.5 2.0mm取 f=2.0(mm/r),粗车走刀一次nts第 页 共 22 页 19 ap=2.0mm.由设计手册得粗车加工的公差等级为 IT13 IT11,取 IT11,T=0.4mm;精加工的公差等级为 IT8 IT7,取 IT=0.063;所以 XBN=754 0.2,精加工后的尺寸为 7520063.0校 核加工余量 Z精Z: Zmin精N=Xmin粗BN-Xmax精BN=(754-0.4)-752 =1.6取 270r/mm,故切削速度为 :V粗=1000Dn=3.14* 754*270/1000=206 查 表 2.1得 单位切削力 P=1962N/mm FZ =P*AD =1962*0.3*2=1177.2 Pm=60 103CZVF =1172*206*103 /60=4.02KW 由 参 考 文 献 得 C512-1A 的 功 率 为 28KW, 取 机 床 的 效 率 为 0.85 则28*0.85=23.84.02 所以机床的功率满足。 、车端面 精车的加工余量为 0.5 2.5,取 Z精=2mm,已经知道总的加工余量为 4,故粗加工余量为 Z粗=4-2=2mm,精加工端面以内孔外圆定位。 X精=142 0.12 故 X粗=144 0.2 校核加工余量 : Z精n=143.8-142.12=1.68mm手册表 9-7 普通螺纹基本尺寸 (摘自GB/T146-1981): 公称直径 螺距 中径 小径 16 1.5 15.026 14.376 查 表 5-8 镶硬金属刀片钻头 ,选择型号为 :d=1313.8 L=170 l=115 的钻头。 nts第 页 共 22 页 21 查 表 5-30公制细牙机用丝锥选择如下 : d t L l d M16 1.5 80 28 12.5 六 填写机械加工工艺过程卡和机械加工工序卡 (机械加工工艺过程卡和工序卡见附图 ) 四 . 零件的设计及加工步骤 : (一 )零件的造型设计 : 该零件的造型采用 Pro/E 软件 . 该软件包括三维实体造型 .零件装配 .加工仿真 .NC 自动编程 .有限元分析 .模具设计 .钣金设计 .电路布线 .管路装配设计等模块 . 主要特点是参数化特征造型 ,使用关系数据库 ,即设计参数有一处修改 ,别的模块中相应的图形和数据都会自动更新 .因此很适合本课题设计的零件造型。 1.曲线的生成 : 该零件的参数方程为 : X=2.5*(cos(t)+t*sin(t) Y=2.5*(sin(t)-t*cos(t) Z=18.874311-t*t/15.70795 不过根据 该零件的实际形状此曲线方程需要转换 . 转换后的曲线方程为 : X=2.5*(cos(t*900)+t*6*pi*sin(t*900) Y=2.5*(sin(t*900)-t*6*pi*cos(t*900) Z=18.874311-t*6*pi*t*6*pi/15.70795 打开 Pro/E2001软件 , 绘制该三维曲线 . 点击插入一个基准曲线 从方程 完成 选取坐标系 笛卡儿 输入曲线方程 保存 确定，生成曲线如图 1 所示： nts第 页 共 22 页 22 2、进行可变截面扫描：单击特 征 创建 加材料 高级 可变截面扫描 完成 轴心方向 完成 选 FRONT （原始轨迹）选取轨迹（选曲线） （轨迹）选取轨迹（选曲线） 完成 开放终点 原始点 确定。画截面，结果生成如图 2 所示： 3、通过用减切材料对所画渐开线螺旋槽进行修整。再通过加减材料和螺旋扫描等方法绘制其余部分。结果生成完整的实体如图 3 所示： 由于该软件存在的缺陷，所以选择 Mastercam 来进行后处理加工，这样就需要该实体文件以 igs 形式保存 （二）、零件的 Mastercam 后处理加工： 打开以 igs 保存的文件，根据工艺工序，刀具，零件材料等设置相关参数，选择合理的曲面加工方式进行模拟加工。 这里需要指出的事：之所以没有采用 Pro/E 软件进行后处理，而大费周章的去选择 Mastercam 软件，不仅仅是因为 Pro/E 软件本身的缺陷，更加重要的是Mastercam 软件模拟加工功能强大，并且后处理的程序，仿真系统能识别。 1.选择刀具路径 -工作设定来设置工作的外形尺寸 . nts第 页 共 22 页 23 2.通过刀具路径 -曲面加工 -粗加工 -挖槽加工 -设置参数 3.通过操作管理中的实体验证来进行模拟加工 . 具体模拟验证如下图 : 模拟结束后通过后处理把程序导出并保存 . 渐开线螺旋槽的数控加工程序如下 : (三 ).零件宏程序编制 : 渐开线涡轮数控加工程序分析 根据加工的难易程度，对渐开线螺旋槽我们所学的知识根本无法编程，再说我们也没有必要去编写那种程序，我们可以通过 Mastercam 软件，后处理获得，由于这部分程序是软件自动生成，没有可读性，所以这里暂不作说明。我们选择椭圆槽的程序进行相关说明。 1、加工方面 加工椭圆槽 20*30 深度 8mm 2. 编程 根据现有的程序指令，并没有专门针对椭圆编程的指令， 而 宏程序指令适合抛物线 ,椭圆 ,双曲线等没有插补指令的曲线编程 ，以选择 宏程nts第 页 共 22 页 24 序指令 。 此外据我所知 华中 型数控系统为用户配备了强有力的类似于高级语言的宏程序功能 ,用户可以使用变量进行算术运算 ,逻辑运算和函数的混合运算 ,此外宏程序还提供了循环语句 ,分支语句和子程序调用语句 ,利于编制各种复杂的零件加工程序 采用宏指令编写椭圆槽加工程序，根据所学的知识，椭圆的曲线方程为： (X X)/(a a)+(Y Y)/(b b)=1 令： X=a COSt Y =b Sint 由上图得 a=30 b=20 3、程序及注释 %0001 #0=3 (定义刀具半径 R值 ) #1=15 (定义 a值 ) #2=10 (定义 b值 ) #3=0 (定义步距角的初值 ,单位 :度 ) N1 G54 X0 Y0 Z10 N2 G00 X#0+#1 Y#0+#2 N3 G01 Z-3 F200 (分三刀加工深度到 8) N4 G41 G01 X#1 N5 WHILE #3 GE -360 D01 N6 G01 X#1*COS#3*PI/180 Y#2*SIN#3*PI/180 N7 #3=#3-0.5 END1 G01 G91 Y-#0 G00 Z10 M30 八 、数控仿真系统的验证： nts第 页 共 22 页 25 数控仿真系统主要验证渐开线螺旋槽数控加工。 具体操作步骤如下； 1、选择机床与控制系统 根据工艺和仿真软件的局限性，机床选择标准铣床，控制系统选择华中数控。 2、机床 回零，装夹工件 数控机床，开机后 都要回零。在装夹工件时注意定位，夹紧。 在界面中放开急停按钮， 然后分别对各轴进行回零设置，使回零指示灯亮 定义毛坯、选择夹具、放置零件 单击菜单【零件 】 进行相关设置。 3、对刀和建立工件坐标系 X轴和 Y轴的校对用 基准工具来进行校对。 Z轴才用刀具本身配合塞尺来对， 对刀中 分别把 X、 Y的坐标记下，进行相应的换算，我们把工件坐标系设立在零件上表面的中心。 4、程序的传送
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