机械毕业设计411槽轮机构CAD-CAM说明书
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机械毕业设计411槽轮机构CAD-CAM说明书,机械毕业设计论文
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nts1 第一章 概述 第一节槽轮机构概述 一、槽轮机构简介 间歇转位机构能将连续旋转运动转化为周期停转运动，如送料运动、转位运动等，广泛应用于电子机械、制药设备、纺织机械、制灯设备等行业中，是自动化生产设备中普遍采用的机构之一，槽轮机构则是较常用的间歇转位机构之一，常用于实现分度转位和间歇步进运动。 槽轮机构，又叫马尔他机构 (Malta Mechanism)或日内瓦机构 (Geneva Mechanism)。主要由具有径向槽的槽轮、装有拔销的拨盘和机架组成。拨盘一般为主动件，作 等速连续转动，带动槽轮作间歇转动。槽轮机构有平面槽轮机构和空间槽轮机构两类，平面槽轮机构的型式又可分为内啮合和外啮合两种，分别如图 1-1和图 1-2所示。图 1-3所示的则为空间槽轮机构的一种型式。 图 1-1外槽轮机构 图 1-2内槽轮机构 图 1-3空间槽轮机构 在图 1-1中的外槽轮机构中，主动件拔盘以角速度 w1匀速转动，当拔盘上的圆销转到图1-1所示的 A位置时，拨盘上锁止弧 S1的起使边到达中心连线 O1O2位置，槽轮开始转动。当圆销转到 A1时，拔销退出轮槽，拔盘继续转动 ，槽轮却停止转动，我们称此时的槽轮被锁住，槽轮上的内凹锁止弧 S2和拨盘上的外凸锁止弧 S1啮合在一起。这样，主动拨盘连续转动就转换成槽轮的间歇转动。为避免槽轮在起动和停歇时发生刚性冲击，拔销开始进入和离开轮槽时，轮槽的中心线应和圆销中心 A的运动圆周相切，即拔销转到图 1-1所示位置时， O1A O2A。内槽轮机构的机构原理和工作过程与外槽轮机构基本相同。但外槽轮与拨盘转向相反，内槽轮与拨盘转向相同。 槽轮机构具有如下一些优点 :(1)结构简单，工作可靠，效率较高 ;(2)在进入和脱离啮合时运动较平稳，能准确控 制转动的角度 ;(3)转位迅速，从动件能在较短的时间内转过较大的角度 ;(4)槽轮转位时间与静止时间之比为定值。但槽轮机构也存在如下一些缺点 :(1)槽轮的转角大小不能调节 ;(2)槽轮转动的始、末位置加速度变化较大，从而产生冲击 :(3)在工作盘定位精度要求较高时，利用锁紧弧面往往满足不了要求，而需另加定位装置 ;槽轮机构智能CAD系统的研究 (4)槽轮的制造与装配精度要求较高。由于这些原因，槽轮机构一般应用在转速不高的装置中。 nts2 二、槽轮机构的应用和研究现状 槽轮机构结构简单、工作可靠、从动件的运动能够较准确地控制等优 点，在工业生产中广泛地应用于较少工位的间歇转位机构和步进机构中。但传统的槽轮机构存在有以下两个缺点 :(1)动力特性差。槽轮在进入啮合和退出啮合瞬间，拨销的向心加速度使槽轮角加速度发生突变，从而出现柔性冲击 ;在槽轮转动过程中加速度变化的瞬间，由于间隙的存在，出现横越间隙的冲击 ;转动过程中最大角加速度也较大。 (2)分度数与动停比有确定的关系，动停比无选择余地。 由于槽轮机构的角速度曲线连续，因此，只要制造和装配精度能够保证，一般来说，基本不存在刚性冲击。对槽轮机构的研究主要集中在机构的改进方面，以槽轮机构为基本 机构(除机架和原动件外还具有零个或一个杆组的机构称为基本机构 )，在此基础上串联槽轮机构或其它基本机构以得到连续的角加速度曲线，从而避免柔性冲击，改善机构的动力性能。多年来，提出了一些槽轮机构的改进方案，如两级串联式槽轮机构、行星轮驱动的槽轮机构、完整齿轮和非完整齿轮驱动的槽轮机构、椭圆齿轮驱动的槽轮机构、连杆机构驱动的槽轮机构等组合式槽轮机构。其中行星轮驱动的槽轮机构结构简单，对动力特性有相当的改进效果，也扩大了动停比的选择范围。但对这种机构的运动学分析和参数分析还有待深入，该机构的潜力也未得到充分的发掘与 认识。 为适应间歇运动高速化的要求，出现了各种分度凸轮机构。但是这类机构尚有两个缺点 :(1)它们是高副机构，较易磨损 ; (2)制造技术复杂。 机构分析和设计的传统方法是对机构进行运动学和动力学分析，在可行的方案中选择一种能够使机构工作过程中受到的冲击最小而又能完全满足实际应用要求的方案。在当今世界科学技术迅猛发展的现阶段，计算机技术已渗透到各个学科领域。就机械学科而言，传统的机械设计方法己无法满足实际应用对机械设备的要求。现代机械设计方法学就应运而生。现代机械设计方法的一个最显著的特征就是将计算机技术应用于 实际机械设计过程中，从而大大缩短设计周期，在一定程度上使机械设计更合理，也更能满足实际应用的要求。计算机辅助设计技术是伴随着计算机技术的广泛应用而发展起来的技术领域。通过引入数值计算方法、优化设计方法、有限元方法、专家系统及人工智能技术，模拟人脑思维过程，进行机构受力分析、方案优化、参数设计、材料选择和公差设计等一系列机械设计步骤，最终生成满足特定用途的较合理的工程图纸。从而可以缩短产品的设计周期，大大降低产品设计成本。随着 现 代 科技的不断发展，计算机应用技术范围的不断扩大，将传统的机械设计方法和现代机 械设计方法结合起来应用于槽轮机构的研究，是其应用与发展的主要趋势。 第二 节 机 械 C AD 技 术 概 述 一、机械 CAD技术简述 计算机辅助设计 CAD)技术是近三十年来逐步发展起来的一项新兴技术，它利用计算机高速运算和精确的特点，协助工程技术人员完成设计计算工作，利用工程数据库存储大量数据和绘图仪精确地绘图。 CAD系统通常由硬件系统和软件系统两大部分组成，其基本结构如图 1-4所示 : nts3 图 1-4 CAD系统的基本结构 CAD软件系统主要实现交互图形输入功能，几何造型功能，几何特性计算功能，有限元分析功能，优化分析功能及统一的信息管理功能等。从 CAD系统的任务和计算机正常运行的角度出发， CAD系统软件一般分为三类 :系统软件，支撑软件和应用软件。它们的关系可分为三个层次，其中系统软件处于底层，它是由计算机的操作系统的内核和以内核为基础的一些公用程序组成的，它是与计算机硬件直接联系而且供用户使用，起到扩充计算机功能和合理调度计算机硬件资源作用的软件 ;支撑软件是 CAD系统中的基础软件，它以系统软件为基础，用来完成 CAD作业过程中的特定任务，用于机电产品的 CAD系统，应具有下列几种支撑软件 :交互式图形处理软 件、几何造型软件、有限元分析软件、防真软件等 ;应用软件是针对某特定应用领域或某特定产品而设计的程序，又叫专用软件，一般地说，这类软件由用户根据产品设计的需要，在系统软件和支撑软件的基础上作二次开发的软件，它包括产品的方案设计、总体设计、各子系统设计及零部件设计与制造用的五个层次的软件，另外还有一个与产品密切相关的数据和图形库。 二、机械 CAD技术的研究现状和发展方向 CAD技术标志着机器的智能化和脑力劳动的自动化，因此各国政府在制定新技术发展规划时都对 CAD技术及计算机集成制造系统 (CIMS)予以极大的重视 ，并加强对它们的研究工作。当前，机械 CAD技术中的几个最重要的研究领域和研究内容是 :基于特征的产品信息建模技术、 CAD的智能化技术、 CAD的参数化技术。 CAD技术及其应用水平已经成为衡量一个国家的科技发展水平和工业水平的重要标志之一。 1.基于特征的产品信息建模技术 传统的几何造型技术一直是机械 CAD中的主要研究领域，该技术中比较成的有线框造型、曲面造型和实体造型。虽然这三种几何造型技术提供了物理对象在数学上的精确描述，并在图形显示、物性计算等方面得到了很好的应用，但它们所建立的模型只产生层次较低的几何信息 ，如点、线、面和基本体素，而没有高层次的信息，如尺寸、公差、材料特性及装配要求，因此在这种纯几何造型数据库的基础上难以实现零件分类编码的自动生成，不能满足生产各阶段自动化的要求，更难以实现 CAD/CAPP/CAM的集成以及产品的并行设计。进入八十年代中期，国际上开始研究基于特征的设计，而建立基于特征的产品信息模型则是行之有效的方法。特征是一个高层次的设计概念，内部包含了设计人员的设计意图及与后继工作有关的各种信息。对于具体的机械产品而言，特征是一组与产品描述相关的信息集合，产品特征信息模型包括管理特征模型、 形状特征模型和技术特征模型。而形状特征模型又包括几何结构模型、精度特征模型、材料特征模型和装配特征模型。 产品的形状特征建模是产品特征信息建模的主要内容，也是产品定义的核心内容，它是产生其它信息的基础。基于特征的产品信息建模需要考虑利用特征可以设计复杂程度的产品模型，要研究基于特征设计系统提供给用户设计产品的三种手段之间的相互关系。这三种手nts4 段是 :形状特征库、用户自定义特征、形状特征的组合与修改。 其中形状特征库的建立是形状特征建模技术中比较重要也是较难处理的问题，如何选择合适规模的形状特征库是一个需深入研究 的课题。由于三种手段各有其优缺点，要 充分发挥特征造型的作用，需要在三者之间进行综合平衡，深入研究这三种手段的建 立过程，正确处理好三者之间的关系，是今后主要的研究方向。 2. CAD的智能化技术 机械产品设计不但涉及到一系列的计算公式、众多的设计标准和规范以及制图技术，而且还要用到许多非数值的经验性知识，如开始的概念设计和产品的初步设计则要求设计专家凭借知识和经验来思考、推理和判断 ;而设计过程是一个从设计、评价、再设计直到产生最优设计结果的反复过程，这就更需要设计专家具有一定的知识和经验，也促进了专家系统 和CAD的结合。 概念设计 (即方案设计 )是整个设计过程中最重要的一个阶段，这一阶段是设计创造性最为集中的部分，这一部分与问题的表达和理解的正确与否，所提方案的优劣以及评价和决策的适当与否等有关，它决定了最终设计的特色、水平和效益。智能 化 是 机 械 CAD中极具有前途的研究领域。目前，机械 CAD的智能化正朝向专家系统、数值计算、数据库系统和图形系统的集成程序设计环境方向发展。 3. CAD的参数化技术 参数化技术是指设计对象的结构形状比较定型，可以用一组参数来约定尺寸的关系。参数与设计对象的控制尺寸有显然 的对应，设计结果的修改受到尺寸驱动，所以也称为参数化尺寸驱动，参数化设计技术以其强有力的草图设计、尺寸驱动修改图形的功能，成为初始设计、产品建模及修改系列化设计、多方案比较和动态设计的有效手段。 近几年参数化技术己有不少种方法，如变动几何法、几何推理法及参数化操作法等。变动几何法将几何约束转变为一系列以特征点为变元的非线性方程组，通过数值法解非线性方程组确定出几何细节，该方法必须用户输入充分且一致的几何约束才能求出约束方程的解，对不一致的约束模型则以进行有效的判别与处理，也难以有效地将局部变动限制在局部范围内求解 :几何推理法是建立在专家系统的基础上，采用谓词表示几何约束，通过推理机导出几何细节，这种方法可以检查约束模型的有效性，并具有局部修改功能，但存在着推理速度慢、系统庞大等问题 ;参数化操作法采用参数化操作表示与处理几何约束，并通过与参数化操作对应的几何计算程序逐步确定出精确几何模型，此法简单、实用，但难以表示与处理复杂的几何约束。 技 术发展很快，一旦工程设计能以参数化方式进行，设计人员就可以不再关心设计的具体过程，从而集中主要精力去创意，同时计算机与具体设计的信息交换也变得更加简化，电脑得以在更高 层次上模拟人脑工作。广义参数化是对事物的本质性认识，而通常人们所说的参数化技术实际上是一种约束模型，这种模型包括图形的几何约束和拓扑关系约束。实现这些约束可通过解约束方程组或通过几何推理，当前大多数参数化设计系统并没有很好地解决这一问题，对复杂的图形便无法正确完成尺寸驱动。欲解决该问题，宜进一步从两个方面来研究。可以把设计对象分解为一些简单实体，这些实体具有三种基本信息，即形状信息、定位信息和属性信息，而所有这些基本信息都可由数学定义的变量表示，赋予这些变量一定的工程意义或工艺意义，即形成设计参数，通过改变 这些参数，便得到不同的设计结果 ;也可以考虑把面向对象的思想与参数化技术中的约束模型的建立及推理求解结合起来，克服一般尺寸驱动系统的不足，从而能够准确和完整地描述复杂图形的几何信息，快速完成推理求解。机械 CAD技术已经向智能化、参数化及基于特征的产品信息建模方向发展，而且这几个研究领域和研究内容之间的界限已不再分明，而是相互融合、相互促进、协调发展。 CAD技术作为多学科高度集合的一门新技术，推动了工业设计中脑力劳动的技术革命， CAD/CAM的一体nts5 化则能够更有效地控制、管理复杂的现代化生产作业，提高产品的竞争 能力，使生产技术得到巨大发展。 第三节智能 CAD 概述 由于传统的 CAD系统存在一些缺陷，如计算机不能识别在设计中的变化、不能处理模糊知识或不充分描述的设计问题、缺乏宏观知识结构分析等，使用户在使用系统时，需具有较高的专业知识和较丰富的实践经验，为此人们提出了智能 CAD系统问题。智能 CAD就是把人工智能的思想、方法和技术引入传统的 CAD系统中，分析归纳设计知识，模拟人脑推理分析，提出设计方案，从而提高设计水平，缩短周期，降低成本。以知识和知识工程为基础的专家系统的出现给 CAD研究带来了新的启发，并且取得了显 著的成绩。 CAD专家系统具有一定的智能能力，能提出和选择设计方法策略，使计算机能支持设计过程的各个阶段，它是一个能对一些重要问题提供具有专家水平的解 。 nts6 第二章 槽轮机构的设计与分析 第一节槽轮机构的工作原理 一 槽轮机构的工作原理 槽轮机构 ，又叫马尔他机构或日内瓦机构，由具有径向槽的槽轮 1和具有拨销 2的拨杆 3组成，其工作原理如图 2-1所示。图 2-1 槽轮机构工作原理简图 当拨杆转过一定的角度，拨动槽轮转过一个分度角，由图 (a)所示的位置转到图 (b) 所示的位置时，拨销退出轮 槽，此后，拨杆空转，直至拨销进入槽轮的下一个槽内，才又重复上述的循环。这样，拨杆 (主动件 )的等速 (或变速 )连续 (或周期 )运动，就转换为槽轮 (从动件 )时转时停的间歇运动。 槽轮机构常采用锁紧弧定位，即利用拨杆上的外凸圆弧一锁紧弧 A与槽轮上的内凹圆弧一定位弧 B的接触锁住槽轮。图 (a)所示为拨销开始进入轮槽时的位置关系，这时外凸圆弧面的端点 F点离开凹面中点，槽轮开始转动。图 (b)所示为拨销刚要离开轮槽时的位置关系，这时外凸圆弧面的另一端点 E刚好转到内凹圆弧面的中点，拨杆继续转动， E点越过凹面中点，槽轮被锁住。图 (c)为拨销退出轮槽以后的情况，这时，外凸圆弧面与内凹圆弧面密切接触，槽轮被锁住而不能向任何方向转动 .由上述工作过程的要求，拨杆上的外凸圆弧缺口应对称于拨杆轴线。 二 .外槽轮机构角速度和角加速度的分析 假设槽轮机构在工作的某一状态时的工作简图如图 2-2的 (a)所示，其对应的状态矢量图如 2-2的 (b)所示， 0，为槽轮中心，飞为拔盘中心， E为槽轮开始进入运动时的圆销中心的位置， E为槽轮在运动中的任一位置。设槽轮槽数为 Z槽轮的角速度为 m1，角加速度为 a,，拔盘的转速为。在图 2-2 (b)中，角 (p, 0, (p1, 01满足 : nts7 图 2-2槽轮机构工作简图以及矢量分析图 其中 : + 1= /Z , 1=Wt, = /2 一 /Z -Wto 设 O1O2:长度为 L3， O1E长度为 L1， O2E长度为 L2. 令“ = L2/ L3 (2-2) 所以有关系式 1= /2 - arctg L2 sin( )/ L3 - L2cos( ) (2-3) (2-2) 式与 (2-3)相结合 ,得到对于不同的 Z值的槽轮的角速度 和角加速度同时间的关系图，分别如图 2-3的 (a), (b)所示 : 图 2-3槽轮的角速度曲线图 (a)和角加速度曲线图 (b) 三 .内槽轮机构的角速度和角加速度规律 如图 1-2所示，同外槽轮机构类似的推导，由槽轮、拔盘和中心距之间的几何关系，可得到内槽轮机构的角位置、角速度与角加速度公式分别为 : =arctg sin /(1+ cos ) W2= W1 (cos + )/(1+ 2+2 cos ) 2= W2 1( 2-1) sin / (1+ 2+2 cos )2 式中 一槽轮转过的角度 为转盘转过的角度 =R 1/ C - sin ( /Z ) C一 槽轮的中心距 W1转盘的角速度 W2槽轮的角速度 nts8 W3槽轮的角加速度 角的变化区间为 :-a a， 当拔销中心处于 O1O2的延长线位置时， =00 当 角与 W1转向一致时为正，反之 角为负。 由 上 式可知， W2和 2的变化取决于槽数 z。图 (2-4)所示为内槽轮机构不同槽数 z时的 2变化曲线。图中纵横坐标的含义与图 2-3)相同。 图 2一 4 不同槽数时内槽轮机构的角加速度曲线图 由 上 式知，内槽轮机构的最大角速度出现在 =00位置 ; 由 上 式知，内槽轮机构的最大角加速度出现在拨销进入与脱离轮槽的瞬间。 四 .主要几何尺寸的设计 图 2-5为 槽轮机构主要尺寸关系图。图中 O1为拔盘中心， O2为槽轮中心， L1为拨 销的轨迹半径 ;L2为槽轮半径 ;L3为中心距， h为槽轮槽深 ,rb为拨销半径 , 为间隙。 设拔盘轴的直径为 d. nts9 图 2-5 槽轮机构主要几何尺寸关系图 为避免槽轮在起动和停歇时发生刚性冲击，圆销开始进入和离开轮槽时，轮槽的中心线应 和圆销中心的运动圆周相切，从而决定了槽轮机构主要尺寸之间的关系，即有 : = L1/L3 =sin /Z 1= L2/L3 =cos /Z 由图 2-5可得下列关系式 : L1= L3 sin 0 = L3 sin /Z L2= L3 cos 0 = L3 cos /Z H1 = L1 + L2 - L3 H = H1 +rb+ r 2(L3 - L2)= 2L3(1- cos /Z ) 一般 的取值范围为 3-6mm, 当槽轮槽数 z较大时，上述比值较小，故为获得一定的 d而又不致使玛过分增大，一 般将拨盘做成悬臂式。 五 .本设计的 主要几何尺寸的设计 本设计 以槽数 4 、销轮和槽轮中心距 33 mm、销轴半径 2 mm、铣刀半径 2mm 为例 ， 设计槽槽轮机构 ,由上述关系式 ,可知 : = L1/L3 =sin /Z =0.707 1= L2/L3 =cos /Z =0.707 由图 2-5可得下列关系式 : L1= L3 sin 0 = L3 sin /Z =23.33mm L2= L3 cos 0 = L3 cos /Z =23.33mm H1 = L1 + L2 - L3 =13.66 mm H = H1 +rb+ =13.66+2+3=18.66 mm r 2(L3 - L2)= 2L3(1- cos /Z )=19.34 如下图所示 : nts10 nts11 第三章 数控加工技术概述 一 . 数控加工技术的发展 数控加工的发展趋势是高速和精密，另一个发展趋势是完整加工，即在一台机床上完成复杂零件的全部加工工序。 数控加工中的程序编制 也随着数控机床的更新而改变。 50 年代， MIT 设计了一种专门用于机械零件数控加工程序编制的语言，称为 APT（ Automatically Programmed Tool）。其后， APT几经发展，形成了诸如 APTII、 APTIII（立体切削用）、 APT（算法改进，增加多坐标曲面加工编程功能）、 APTAC（ Advanced contouring） (增加切削数据库管理系统 )和 APT/SS（ Sculptured Surface） (增加雕塑曲面加工编程功能 )等先进版。 采用 APT 语言编制数控程序具有程序简 练 ，走刀控制灵活等优点，使数控加工编程从面向机床指令的 “ 汇编语言 ” 级，上升到面向几何元素 .APT 仍有许多不便之处：采用语言定义零件几何形状，难以描述复杂的几何 形状，缺乏几何直观性；缺少对零件形状、刀具运动轨迹的直观图形显示和刀具轨迹的验证手段；难以和 CAD数据库和 CAPP系统有效连接；不容易作到高度的自动化，集成化。针对 APT 语言的缺点， 1978 年，法国达索飞机公司开始开发集三维设计、分析、 NC加工一体化的系统，称为 CATIA。随后很快出现了 像 EUCLID，UGII， INTERGRAPH， Master C A M， Pro/Engineering及 NPU/GNCP等系统，这些系统都有效的解决了几何造型、零件几何形状的显示，交互设计、修改及刀具轨迹生成，走刀过程的 仿真显示、验证等问题，推动了 CAD和 CAM向一体化方向发展。到了 80年代，在 CAD/CAM一体化概念的基础上，逐步形成了计算机集成制造系统（ CIMS）及并行工程（ CE）的概念。目前，为了适应 CIMS 及 CE 发展的需要，数控编程系统正向集成化 ，网络化 和智能化方向发展 。 二 . 数控加工工艺的特点 数控加工工艺具有以下特点： (1) 数控机床加工精度高。一般只需一次加工即能达到加工部位的精度，而不需分粗加工、精加工。 (2) 在数控机床上工件一次装夹，可以进行多个部位的加工，有时甚至可完成工件的全部加工内容。 (3) 由于刀具库或刀架上装有几把甚至更多的备用刀具，因此，在数控机床上加工工件时刀具的配置、安装与使用不需要中断加工过程，使加工过程连续。 (4) 根据数控机床加工时工件装夹特点与刀具配置、使用的特点区别于普通机床加工时的情况，工件的各部位的数控加工顺序可能与普通、机床上加工工件的顺序也有很大的区别。 此外根据数控机床高速、高效、高精度、高自动化等特点，数控加工还具有以下工艺特点： 1) 切削量用比普通机床大。 2) 工序相对集中。 3) 较多地使用自动换刀 (ATC)。 4) 首件需试切削。 5) 工艺内容更 具体更详细，工艺要求更严密更精确。 高效率、高精度加工是数控机床加工最主要特点之一。利用数控机床加工，其产品加工的质量一致性好，加工精度和效率均比普通机床高出很多，尤其是在轮廓不规则、复杂nts12 空间曲面、 多工艺复合化加工和高精度要求的产品加工时，其优点是传统机床所无法比拟的。数控加工另一个特点是产品装夹定位灵活，同一产品零件可能有多种加工方案。然而正是其灵活性和高精度要求对其高效应用带来了的局限性，如存在数控程序的编制、刀具工装夹具的准备周期长等不利因素。数控工艺的合理性与高质量数控程序的快速编制是限制数控加工 的瓶颈问题之一。数控加工的成本相对较高也是制约其广泛应用的一个因素。数控加工对技术人员的水平要求相当高，数控工艺和程序的质量是保证产品加工质量合格最主要和最关键的因素。数控加工时，产品的质量完全靠数控工艺和数控程序来保证。产品加工的具体细节在进行工艺设计和程序编制时必须全面考虑，只有设计正确才能保证产品加工的质量要求。在数控加工朝高速、超高速和复合化加工方向发展的趋势下，对技术人员就提出了更高的要求。 三 . 数控机床与普通机床相比具有的优越性 普通机床加工时，其加工成本相对较低，工序较长，且工步中很多具体细 节由技术工人来完成，对技术工人的水平要求相对较高。数控机床加工工艺相比较普通机床加工工艺的优越性有以下几点： (1) 数控加工工艺的“内容十分具体、工艺设计工作相当严密”。数控机床加工工艺与普通机床加工工艺相比较，由于采用数控机床加工具有加工工序少，所需专用工装数量少等特点，克服了普通传动工艺方法的弱点，一般说来，数控加工的工序内容要比普通机床加工的工序内容复杂。从编程来看，加工程序的编制要比普通机床编制工艺规程复杂。 (2) 数控加工的工艺“复合性”。采用数控加工后，工件在一次装夹下能完成镗、铣、铰、 攻丝等多种加工，因此，数控加工工艺具有复合性特点，也可以说数控加工工艺的工序把传统工艺中的工序“集成”了，这使得零件加工所需的专用夹具数量大为减少，零件装夹次数及周转时间也大大减少了，从而使零件的加工精度和生产效率有了较大的提高。数控加工工艺设计是对工件进行数控加工的前期工艺准备工作，无论是手工编程还是自动编程，这项工作必须在程序编制工作以前完成。为了优化数控程序设计、提高编程效率、合理使用数控机床，我们有必要对数控加工工艺设计等技术问题加以分析、研究，以做好数控机床加工前的技术准备工作。 数控加工取代传统 加工占据生产制造的主导地位已成为一种趋势，但由于历史的原因，传统的加工设备与先进的数控机床并存，是目前乃至今后很长一段时期内大多数制造企业的设备现状。如何从工艺的角度根据各企业的设备现状、产品生产规模、零件结构形式与加工精度要求等方面来合理地进行产品工艺方案设计，充分发挥企业现有数控设备与传统设备的加工效率，使企业设备资源与人力资源得到充分利用，需要从多个方面来探讨。数控工艺与普通工艺结合的好坏直接影响到数控机床与普通机床加工效率的发挥，进而影响到生产计划任务的完成。提高产品机械加工工艺与数控程序的编制质量 ，是早日实现制造业产品的高精度、高效率、高质量加工必需解决的问题之一。因此，寻求传统加工工艺与数控加工工艺的合理衔接途径与措施，对于提高企业的经济效益是非常有意义的。 数控工艺与普通工艺结合的途径和措施，具体可从以下几个方面来实施： (1) 产品的设计状态与生产批量。 (2) 粗精加工与加工精度的结合。 (3) 精密设备与一般设备的结合。 (4) 加工工种之间的结合。 (5) 技术交流和技术创新相结合。 nts13 第四章 槽轮和拨盘的工艺规程设计 一 . 机械加工 工艺规程的作用 工艺规程的作用在于： （ 1）它是 组织生产和计划管理的重要资料，生产安排和调度、规定工序要和质量检查等都以工艺规程为依据。制定和不断完善工艺规程，有利于稳定生产秩序，保证产品质量和提高生产率，并充分发挥设备能力。一切生产人员都应严格执行和贯彻，不应任意违反或更改工艺规程的内容。 （ 2）是新产品投产前进行生产准备和技术准备的依据，例如刀、夹、量具的设计、制造或采购，原材料、半成品及外购件的供应及设备、人员的配备等。 （ 3）在新建和扩建工厂或车间时必需有产品的全套工艺规程作为决定设备、人员、车间面积和投资预算等的原始资料。 （ 4）行之有效的先进 工艺规程还起着交流和推广先进经验的作用，有利于其他工厂缩短试制过程，提高工艺水平。 二 . 机械加工工艺规程的制定程序 制定机械加工工艺规程的原始资料主要是产品图纸，生产纲领，现场加工设备及生产条件等，有了这些原始资料并由生产纲领确定了生产类型和生产组织形式之后，即可着手机械加工工艺规程的制定，其内容和顺序如下 : 1.分析被加工零件； 2.选择毛坯； 3.设计工艺过程 :包括划分工艺过程的组成、选择定位基准、选择零件表面的加工方法、安排加工顺序和组合工序等。 4.工序设计 :包括选择机床和工艺装备、确定加工余量、 计算工序尺寸及其公差、确定切削用量及计算工时定额等； 5.编制工艺文件。 三 . 毛坯的选择 在制订零件机械加工工艺规程之前 ,还要对零件加工前的毛坯种类及其不同的制造方法进行选择。由于零件机械加工的工序数量、材料消耗、加工劳动量等都在很大 程度上与毛坯的选择有关，故正确选择毛坯具有重大的技术经济意义。 选择毛坯应该考虑生产规模的大小，它在很大程度上决定采用某种毛坯制造方法的经济性。如生产规模较大，便可采用高精度和高生产率的毛坯制造方法，这样，虽然一次投资较高，但均分到每个毛坯上的成本就较少。而且，由于精度较高的 毛坯制造方法的生产率一般也较高，既节约原材料又可明显减少机械加工劳动量，再者，毛坯精度高还可简化工艺和工艺装备，降低产品的总成本。 选择毛坯应该考虑工件结构形状和尺寸大小。例如，形状复杂和薄壁的毛坯，一般不能采用金属型铸造；尺寸较大的毛坯，往往不能采用模锻、压铸和精铸。再如，某些外形较特殊的小零件，由于机械加工很困难，则往往采用较精密的毛坯制造方法，如压铸、熔模铸造等，以最大限度地减少机械加工量。 选择毛坯应考虑零件的机械性能的要求。相同的材料采用不同的毛坯制造方法，其机械性能往往不同。例如，金属型浇铸的毛 坯，其强度高于用砂型浇铸的毛坯，离心浇铸和nts14 压力浇铸的毛坯，其强度又高于金属型浇铸的毛坯。强度要求高的零件多采用锻件，有时也可采用球墨铸铁件。 选择毛坯，应从本厂的现有设备和技术水平出发考虑可能性和经济性。还应考虑利用新工艺、新技术和新材料的可能性，如精铸、精锻、冷轧、冷挤压、粉末冶金和工程塑料等。用这些毛坯制造方法后，可大大减少机械加工量，有时甚至可不再进行机械加工，其经济效果非常显著。 四 . 定位基准的选择 正确地选择定位基准是设计工艺过程的一项重要内容，也是保证零件加工精度的关键。 定位基准分为精基准、 粗基准和辅助基准。在最初加工工序中，只能用毛坯上未经加工 的表面作为定位基准 (粗基准 )。在后续工序中，则使用已加工表面作为定位基准 (精基准 )。 在制定工艺规程时，总是先考虑选择怎样的精基准以保证达到精度要求并把各个表面加工出来，然后再考虑选择合适的粗基准把精基准面加工出来。另外，为了使工件便于装夹和易于获得所需加工精度，可在工件上某部位作一辅助基准，用以定位。应从零件的整个加工工艺过程的全局出发，在分析零件的结构特点、设计基准和技术要求的基础上，根据粗、精基准的选择原则，合理选择定位基 准。 （ 1）精基准的选择 “基准重合”原则 应尽量选用被加工表面的设计基准作为精基准，即“基准重合”的原则。这样可以避免因基准不重合而引起的误差。 “基准统一”原则 应选择多个表面加工时都能使用的定位基准作为精基准，即“基准统一”的原则。这样便于保证各加工表面间的相互位置精度，避免基准变换所产生的误差，并简化夹具的设计制造工作。 “互为基准”原则 当两个表面的相互位置精度及其自身的尺寸与形状精度都要求很高时，可采用这两个表面互为基准，反复多次进行精加工。 “自为基准”原则 在某些要求加工余量尽量小而均匀的精加工工序中，应尽量选择加工表面本身作为定位基准。 此外，精基准的选择还应便于工件的装夹与加工，减少工件变形及简化夹具结构。需要指出的是，上述四条选择精基准的原则，有时是相互矛盾的。例如，保证了基准统一就不一定符合基准重合等等。在使用这些原则时，要具体情况具体分析，以保证主要技术要求为出发点，合理选用这些原则。 （ 2） 粗基准的选择 若工件必须首先保证某重要表面的加工余量均匀，则应选该表面为粗基准。 在没有要求保证重要表面加工余量均匀的情况下，若零件上每个表面都要加工，则应以加工余量最小的表面作为粗基准。这样可使这个表面在加工中不致因加工余量不足 ，造成加工后仍留有部分毛面，致使工件报废。 在没有要求保证重要表面加工余量均匀的情况下，若零件有的表面不需要加工时，则应以不加工表面中与加工表面的位置精度要求较高的表面为粗基准。若既需保证某重要表面加工余量均匀，又要求保证不加工表面与加工表面的位置精度，则仍按本原则处理。 选作粗基准的表面，应尽可能平整和光洁，不能有飞边、浇口、冒口及其他缺陷，nts15 以便定位准确，装夹可靠。 粗基准在同一尺寸方向上通常只允许使用一次，否则定位误差太大。但是，当毛坯是精密铸件或精密锻件，毛坯质量高，而工件加工精度要求又不高时，可以重复使用某一粗基准。 五 . 加工顺序的安排 零件表面的加工方法确定之后，就要安排加工的先后顺序，同时还要安排热处理、检验等其他工序在工艺过程中的位置。零件加工顺序安排得是否合适，对加工质量、生产率和经济性有较大的影响。 （一） 加工阶段的划分 零件加工时，往往不是依次加工完各个表面，而是将各表面的粗、精加工分开进 行，为此，一般都将整个工艺过程划分几个加工阶段，这就是在安排加工顺序时所应遵循的工艺过程划分阶段的原则。按加工性质和作用的不同，工艺过程可划分如下几个阶段： 1. 粗加工阶段 这阶段的主要作用是切去大部分加工余量，为半精加工提供定位基准，因此主要是提高生产率问题。 2. 半精加工阶段 这阶段的作用是为零件主要表面的精加工作好准备，并完成一些次要表面的加工。 3. 精加工阶段 对于零件上精度和表面粗糙度要求（精度在 IT7级或以上，表面粗糙度在 Ra0.8以下）的表面，还要安排精加工阶段。这阶段的主要任务是 提高加工表面的各项精度和降低表面粗糙度。 （二） 机械加工顺序的安排 一个零件上往往有几个表面需要加工，这些表面不仅本身有一定的精度要求，而且各表面间还有一定的位置要求。为了达到这些精度要求，各表面的加工顺序就不能随意安排，而必须遵循一定的原则，这就是定位基准的选择和转换决定着加工顺序，以及前工序为后续工序准备好定位基准的原则。 1. 作为精基准的表面应在工艺过程一开始就进行加工，因为后续工序中加工其他表面时要用它来定位。即“先基准后其它”。 2. 在加工精基准面时，需要用粗基准定位。在单件、小批生产、甚至 成批生产中，对于形状复杂或尺寸较大的铸件和锻件，以及尺寸误差较大的毛坯，在机械加工工序之前首先应安排划线工序，以便为精基准加工提供找正基准。 3. 精基准加工好以后，接着应对精度要求较高的各主要表面进行粗加工、半精加工和精加工。精度要求特别高的表面还需要进行光整加工。 4. 在重要表面加工前，对精基准应进行一次休整，以利于保证重要表面的加工精度。 5. 对于容易出现废品的工序，精加工和光整加工可适当放在前面， 某些次要小表面的加工可放在其后。 六 . 本 零件 工艺规程设计 6.1槽轮的工艺规程设计 . nts16 表一 槽轮 的工艺过程 工序号 工序名称 工 序 内 容 工艺装备 1 下料 60 棒料 切割机 2 热处理 调质热处理 3 粗车 车平端面 , 车 60外圆至 52, 镗内孔单边留 1mm余量 数控车床 4 半精车 车 内孔至 5,车 端面及台阶面达粗糙度要求 , 车外圆至 47.35,锐边倒钝， 车另一端面达图示要求 数控车床 5 铣 铣四方，保证 23.33mm 尺寸 立铣 6 粗铣 铣 4H8 尺寸，双边留有 0.5mm 余量，长度方向留有1mm 余量，铣四处，注意保证重直度要求； 专用铣床 7 精铣 铣 4H8 处槽至图示要求 专用铣床 8 粗镗 粗镗 R19.38H8，留 0.5mm 余量，粗镗四处， 注意保证两方向的垂直度要求 镗床 9 精镗 精镗 R19.38H8 尺寸至图示要求， 并达精糙度要求 1.6 镗床 10 刨 刨键槽达图示要求 刨床 11 检 检验 12 入库 表 二 拨盘 的工艺过程 工序号 工序名称 工 序 内 容 工艺装备 1 下料 45 圆棒料 切割机 2 热处理 调质热处理 3 粗车 车平端面，车外圆至 40，车内孔至 5 数车 4 半精车 车端面，达粗糙度要求，车内孔至图示要求，车外圆至 38.68，车 8台阶圆 保证 8外圆及 0.67尺寸 数车 5 车 车断，保证总长 5.5mm 数车 6 车 专用夹具定位，车端面保证尺寸 4.67mm， 车 8台阶圆保证 0.67 尺寸及粗糙度要求 数车 7 粗镗 粗镗 R19.38H8，留 0.5mm 余量，粗镗四处， 注意保证两方向的垂直度要求 镗床 8 精镗 精镗 R19.38 尺寸至图示要 求， 并达精糙度要求 1.6 镗床 9 检 检验 10 入库 nts17 6.2 机械加工余量 及基本工时的确 定 6.2.1 槽轮 切削用量及基本工时的确 定 工序 1 :下料 工序 2: 调质热处理 工序 3: 车平端面 , 车外圆及内孔 本工序采用计算法确定切削用量 加工条件 ： 工件材料： 45# 加工要求： 粗车端面， 粗车 60外圆至 52，车内孔单边留 1mm余量， 表面粗糙度值 Ra为 6.3。 机床： C620 1 卧式车床。 刀 具 ： 刀 片 材 料 为 YG6 ， 刀 杆 尺 寸 为 16mmX25mm,kr=90 ,r0=15 0 =12rR =0.5mm。 计算切削用量 ：粗车圆棒料端面 确定端面最大加工余量： 首次车端面， 则毛坯长度方向的最大加工余量为 3mm,分两次加工 ,ap=1.5mm 计。长度加工方 向取 IT12级，取 04.0 mm。确定进给量 f:根据切削用量简明手册（第三版）（以下简称切削手册表 1.4,当刀杆 16mmX25mm, ap表 1.30),故机床进给系统可正常工作。 切削工时： t=nflll 21 式中： L=105mm, L1 =4mm, L2 =0 所以 t= (m in )27.35.07.66 4105 工序 4： 半精车 要求为： 车内孔至 5,车端面及台阶面达粗糙度要求 , 车外圆至 47.35,锐边倒钝，车另一端面达图示要求 。 半精车内孔至 5： nts19 取 nw=305r/min 实际切削速度 V=1000wwnd= m in/94.01 0 0 0 56014.3 m计算切削工时： 按 表 6.2-1，取 L=105mm, L1 =3mm, L2 =0mm t= m in617.05.0305 310521 inflll 车端面 ： 确定机床主轴转速 : ns=dVC1000 = 6014.3 7.661000 =355(r/min) 按机床说明 书 （见 工艺 手册表 4.2 8） 与 355r/min相近的机床 , 转速有 305r/min及370r/min。现选取 370r/min。如果选 305m/min， 则速度损失较大。所以实际切削速度 V=75.4m/min 计算切削工时，按 工艺 手册表 6.2-1,取 L=252=26mm, L1 =3mm, L2=0mm, L3=0mm tm= 25.0370 326 =0.31(min) 车台阶 面： 取 nw=370r/min 实际切削速度 V=1000wwnd= m in/94.01 0 0 0 56014.3 m计算切削工时： 按 表 6.2-1，取 nts20 L=2 852=22mm, L1 =3mm, L2=0mm, L3=0mm tm= 25.0370 322 =0.33(min) 工序 5： 铣四方，保证 23.33mm尺寸 加工条件： 工件材料： 45# 加工要求：粗铣箱盖上顶面，保证顶面尺寸 23.33mm mm 机床：卧式铣床 X63 刀具：采用高速钢镶齿三面刃铣刀， dw=225mm,齿数 Z=20 量具：卡板 计算铣削用量 已知毛坯被加工长度为 8 mm，最大加工余量为 Zmax=2.5mm,可一次铣削，切削深度ap=2.5mm 确定进给量 f： 根据工艺手册），表 2.4 75,确定 fz=0.2mm/Z 切削速度： 参考有关手册，确定 V=0.45m/s,即 27m/min 3 8 ( r / m in )22514.3 271000dw1000vns 根据表 2.4 86,取 nw=37.5r/min, 故实际切削速度为： V= dwnw /1000=26.5(m/min) 当 nw=37.5r/min,工作台的每分钟进给量 应为： fm=fzznz=0.2 20 37.5=150(mm/min) 切削时由于是粗铣，故整个铣刀刀盘不必铣过整个工件，则行程为 l+l1+l2=8+3+2=13mm 故机动工时为： tm =13 150=0.087min=5s 辅助时间为： tf=0.15tm=0.15 52=7.8s 其他时间计算： tb+tx=6% (52+7.8)=3.6s 故工序 5的单件时间： tdj=tm+tf+tb+tx =52+7.8+3.58=15.4s 工序 6： 粗铣 ， 铣 4H8尺寸，双边留有 0.5mm余量，长度方向留有 1mm余量，铣四处，注意保证重直度要求； 铣刀：选用立铣刀 d=3.5mm L=115mm 齿数 Z=4 切削速度：参照有关手册，确定 v=15m/min mmaw 7 nts21 5.3 151 0 0 01 0 0 0 ws d vn=1364.7r/min 采用 X63卧式铣床，根据机床使用说明书（见工艺手册表 4.2-39） 取 wn=1400r/min 故实际切削速度为： m in/4.151000 14005.31000 mndv ww 当 min/1400 rnw 时，工作台的每分钟进给量mf应为 m in/4481400408.0 mmznff wzm 查机床说明书， 有 min/500 mfm 故直接选用该值。 计算切削工时 L=22mm m in04.050022 mt 工序 7： 精铣 ， 铣 4H8 处槽至图示要求 铣刀：选用立铣刀 d=4mm L=115mm 齿数 Z=4 切削速度：参照有关手册，确定 v=15m/min mmaw 7 4151 0 0 01 0 0 0 ws d vn=1193.7r/min 采用 X63卧式铣床，根据机床使用说明书（见工艺手册表 4.2-39） 取 wn=1100r/min 故实际切削速度为： m in/8.131 0 0 0 1 1 0
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