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机械工艺夹具毕业设计78箱体类零件工艺分析及知识库研究
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机械工艺夹具毕业设计78箱体类零件工艺分析及知识库研究,机械毕业设计论文
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1 0 引 言 在整个生产过程中，工艺工作贯穿其中。工艺设计工作不仅涉及到企业的生产类型、产品结构、工艺装备、生产技术水平等，甚至还要受到工艺人员实际经验和生产管理体制的制约，其中的任何一个因素发生变化，都可能导致工艺设计方案的变化。因此说工艺设计是企业生产活动中最活跃的因素，工艺设计对其使用环境的依赖就必然导致工艺设计的动态性和经验性。 随着计算机在制造型企业中的应用，通过计算机进行工艺的辅助设计已成为可能， CAPP 的应用将为提高工艺文件的质量，缩短生产准备周期，并为广大工艺人员从繁琐、重复的劳动中解放 出来提供一条切实可行的途径。应用计算机辅助工艺设计的必要性已被越来越多的企业所认识，选取一个适宜本企业生产及管理环境的CAPP 系统不但能充分发挥计算机辅助工艺设计的优越性，更能为企业数据信息的集成及管理打下良好的基础。 CAPP 的开发、研制是从 60 年代末开始的，在制造自动化领域， CAPP 的发展是最迟的部分。世界上最早研究 CAPP 的国家是挪威，始于 1969 年，并于同年正式推出世界上第一个 CAPP 系统 AUTOPROS； 1973 年正式推出商品化的 AUTOPROS 系统。在 CAPP 发展史上具有里程碑意义的是 于 1976 年推出的 CAM S Automated Process Planning 系统。取其字首的第一个字母，称为 CAPP 系统。目前对 CAPP 这个缩写法虽然还有不同的解释，但把 CAPP 称为计算机辅助工艺设计已经成为公认的释义。 我国对 CAPP 的研究始于 80 年代初，迄今为止，在国内学术会议、刊物上发表的 CAPP 系统已有 50 多个，但被工厂、企业正式应用的系统只是少数，真正形成商品化的 CAPP 系统还不多。手工进行工艺设计时，通常要经过如下过程： 1根据产品图纸，分析产品零件的结构特点以及技术要求 ； 2了解产品生产的纲领及批量； 3进行工艺决策，确定加工方法和工艺路线； 4按企业的实际情况，具体确定机床设备、切削用量、工艺装备以及工时定额； 5按规定格式生成正式工艺规程。 计算机辅助工艺设计的基本原理正是基于人工设计的过程及需要解决的问题而提出的。首先，产品零件的数据信息应能利用，并建立零件信息的数据库；其次，工艺人员的工艺经验、工艺知识能够得到充分的利用和共享；第三，制造资源、工艺参数等以适当的形式建立制造资源和工艺参数库；第四，充分利用标准（典型）工艺生成新的 工艺文件。 nts箱体类零件知识库及工艺模板的研究 2 1 开展箱体类零件工艺分析及知识库研究 1.1 开展箱体类零件工艺分析及知识库研究的意义 目前，国内计算机辅助工艺设计的应用还处于推广阶段。由于计算机在企业中的应用，尤其是在生产工程中的应用还刚刚起步，很多企业还是空白 ,因此对 CAPP 应用开发还应解决以下几个问题 : 1 .企业需要安装简便、人机界面友好的 CAPP 系统。操作复杂 ,数据准备和系统调试时间长，需要大量培训才能使用的 CAPP 系统很难让用户接受。 2 .实用性强的 CAPP 系统。操作使用应符合工艺设计人员的工艺设计习惯，使 之能迅速掌握。这样 CAPP 系统才在企业中能得以推广。 3 .开放性好的 CAPP。由于制造环境的多样和复杂，好的 CAPP 系统应当满足：提供用户可以构造适合于本企业制造环境的 CAPP 平台系统；当用户实际的经验与系统的解答不一致时，系统的推理和决策方法能方便的被用户修改。 4.柔性。企业欢迎的 CAPP 系统应具有较好的柔性，能适应企业不同的产品和生产要求，能满足不同的经营目标和生产计划方案。 5.能满足集成要求。集成化发展是现代制造业的发展趋势，更是 CAPP 系统的发展趋势，因此目前应用 CAPP 应注意 CAPP 系统的底 层数据结构能否满足集成要求。 6. CAPP 系统要考虑国内企业的管理模式。 1.2 国内外箱体零件知识库及工艺模板的研究情况 计算机辅助工艺设计 CAPP(Computer aided process planning)的研究迄今已有 3 0多年的历史，早期 CAPP 系统采用派生式方法 (Variantapproach)，基于成组技术原理进行工艺设计，系统柔性差。近年来大多数工艺设计系统研究基于创成式方法 (Generativeapproach)进行工艺设计，基于人工智能方法，如：专家系统，开发创成式 CAPP 系统。国内外在 CAPP 方面也做了大量的研究工作，并取得很大的进展。传统的 CAPP 系统大都采用批处理方式进行， CAPP 系统的输入常常是一个零件的完整设计，即零件设计完成后，才能进行工艺设计，不能实时提供产品设计的修改反馈信息，不能及时指导产品设计。并行工程强调 CAD/ CAPP 双向 (Two-way)集成， CAD为 CAPP 提供丰富产品信息，同时 CAPP 在设计阶段，通过基于产品功能、可制造性、可装配性、工艺时间和成本，来评价各种设计特征，又为设计者提供各种设计修改的反馈信息，即 CAPP 可用 来指导和改进产品设计，而且希望 CAPP 对设计的反馈信息是实时交互进行，从而尽早发现问题和解决问题，来指导产品设计，实现 CAD/ CAPP 的实时并行。但目前能指导产品设计的 CAPP 系统正处于研究的初期阶段。国内对面向并行工程的 CAPP 技术进行了初步研究， nts 3 为了更具实用性和灵活性， CAPP 技术也不断向前发展，它的发展趋势如下： 1.集成化。 计算机集成制造是现代制造业的发展趋势，作为集成系统中的一个单元技术， CAPP 系统集成化也是必然的发展方向。在并行工程思想的指导下实现CADCAPPCAM 的全面集成， 进一步地发挥 CAPP 在整个生产活动中的信息中枢和功能调节作用，这包括：与产品设计实现双向的信息交换与传送；与生产计划调度系统实现有效集成；与质量控制系统建立内在联系。 2 .工具化。 开发应用面广、适应性强的 CAPP 系统，即大力发展工具型 CAPP系统。 3 .智能化。 CAPP 系统必将在获取、表达和处理各种知识的灵活性和有效性上有进一步的发展。为了能使 CAPP 系统在企业中更好地推广应用， CAPP 系统应提供更好的开发模式。传统专用型 CAPP 系统虽然针对性强，但由于开发周期长，缺乏商品化的标准模块，适应性差 ，已经很难适应企业的产品类型、工艺方法和制造环境的发展和变化。而应用面广、适应性强的平台型 (工具式 ) CAPP 系统，已经成为开发和应用的趋势。平台型系统把系统的功能分解成一个个相对独立的工具，用户可以通过友好的用户界面根据本企业的情况输入数据和知识，针对不同的应用环境，形成面向特定的制造环境和工艺习惯的具体的系统。也可以将开发平台提供给用户，使用户可以进行系统的二次开发，在开发平台上构造符合用户需要的 CAPP 系统。从理论上讲 ,它可以适应各种应用环境，具有较好的通用性和柔性；而且 由于还具有二次开发能力，能适应企业内部发生的较大的变化。 1.3 课题来源及主要研究内容 查阅国内外系统 ,从其结构的实质上看 ,基本上由加工信息输入、工艺过程生成、工艺结果输出及系统管理等几个部分组成。工艺设计是指产品（零件）的设计转换为对原材料加工成产品所需的一系列加工动作和资源需求的描述。在 CIMS环境下， CAPP 成为把对产品本身进行定义的数据转换为面向制造的数据的一个关键性环节。在 CIMS 出现之前， CAPP 作为一种孤岛式的自动化系统，其开发技术在国内外均取得很大的进展，但商业化的 CAPP 软件 还为数不多。从目前国内的商品软件（ OIR 系统）看，实际上主要是 GT 分析和分类工具。在国内，虽然有众多的高校、研究所和工厂在成组技术研究和 CAPP 计算机软件开发方面做了大量工作，尤其是对标准化、系列化方面，其中不乏成功的，但这些系统的使用化程度仍不高。一方面，CAPP 系统需借助于人工输入零件信息，效率低；另一方面，由于 CAPP 系统是根据某一工厂制造环境而研制的，这就给 CAPP 系统的推广带来困难。上面的这一切导致了本课题研究的可行性。 本课题是研究箱体类零件的工艺分析及知识库的建立，该知识库主要提供 CAPP系 统中箱体类零件工艺设计所需的工艺决策规划、机床、刀具、量具等信息资源。nts箱体类零件知识库及工艺模板的研究 4 CAPP 的决策和推理都是围绕运用知识库中存储的知识进行匹配、约束等操作，从而得到新零件的工艺规程。 本设计可以根据企业的工艺现状，对箱体类零件进行工艺分析（零件结构特点、技术要求、材料、毛坯；定位基准的选择；特征表面加工方法的选择；工序划分与安排；热处理工序安排、机床与工艺装备的选择；典型零件的工艺路线），寻找工艺设计的规律，建立知识框架模型，确定工艺知识的表示结构，根据所确定的工艺结构录入知识。工艺知识的存放采用 SQL Server2000，前台开发采用 Delphi 6.0。 本设计具有规范化和标准化的工艺术语、工艺知识、工艺参数等，具有友好的人机工作界面，便于用户对工艺知识的获取、管理和维护。 本设计是根据企业的工艺现状，对减速器的箱体进行工艺分析，并规范化，标准化。为了更好地了解箱体类零件的工艺过程，还进行了单级减速器用于带式运输的传动装置的设计，并建立了箱体类零件知识库与工艺模板。 nts 5 2 减速器的设计 2.1 传动装置总体设计的分析与计算 设计用于带式运输机的传动装置，其滚筒转速为 90r/min，减速器的输出功率为3.4kW。运输机连续工作，单向运转，载荷变化不大，空载起动。减速器小批生产，使用年限 10 年，大修期 3 年，两班制工作，运输带容许速度误差 5%。 2.1.1 选择电动机 1）选择电动机类型 按以知工作要求和条件选用 Y 系列一般用途的全封闭自扇冷鼠笼型三相异步电动机。 2） 确定电动机功率 工作装置所需功率按式wp=cp 计算 式中c为滑块 联轴器效率，c=0.98， p =3.4kW。代入上式得： 332.398.04.3 cw pp (kW) 电动机的输出功率按式wopp kW 计算 式中 为电动机轴至卷筒轴的传动装置总效率。 由式crgb 2；取带传动效率b=0.96，滚动轴承效率 r =0.995， 8 级齿轮传动（稀油润滑）效率g=0.97，则 0.96 0.97 0.9952 0.98=0.90 故 7.390.0 327.3 wopp （ kW） 因载荷变化不大，电动机额定功率mp只需略大于op即可，按电动机技术数据选用电动机的额定功率mp为 4kW。 3） 确定电动机转速 推荐的各传动机构比范围： V 带传动比范围bi=2 4，单级圆柱齿轮传动比范围gi=3 5，则总传动比范围为 i =2 3 4 5=6 20，可见电动机转速的可选范围为： nts箱体类零件知识库及工艺模板的研究 6 wnin（ 6 20） 90=540 180 （ r/min） 符合这一范围的同步转速有 750 r/min、 1000 r/min 和 1500 r/min 三种。为了减少电动机的重量和价格，由表选择常用的同步转速为 1000 r/min 的 Y 系列电动机Y132M1 6，其满载转速wn=960 r/min。 2.1.2 计算传动装置的总传动比和分配各级传动比 1）传动装置总传动比 90960wmnni10.97 2）分配转动装置各级传动比 由式gb iii ，为使 V 带传动的外廓尺寸不至过大，取传动比bi=3，则齿轮传动比 56.3367.10 bg iii2.1.3 计算传动装置的运动和动力参数 1） 各轴转速 轴 n= bwin 3203960 r/min 轴 n= gin 56.332090 r/min 工作轴 90w nnr/min 2）各轴的输入功率 轴 P= P0 c=3.7 0.96=3.552 kW 轴 P= P r g=3.552 0.995 0.97=3.43 kW 工作轴 PW= P r c=3.43 0.995 0.98=3.34 kW 3）各轴的输入转矩 轴 T=9550n P =9550320552.3=106.005 N M nts 7 轴 T=9550nP=95509043.3=363.961 N M 工作轴 Tw=9550wnP w =9550 9034.3 =354.411 N M 电动机轴输出转矩 T0=9550mnP 0 =95509607.3 =36.807 N M 将以上算得的运动 和动力参数列表如下： 轴名 参数 电动机轴 轴 轴 工作轴 转速 n（ r/min） 960 320 90 90 功率 P(kW) 3.7 3.55 3.43 3.34 转矩 T（ N m） 36.8 106 363.9 354.4 传动比 i 3.00 3.56 1.00 效率 0.96 0.965 0.975 2.2 齿轮设计计算 2.2.1 齿轮的材料、精度和齿数选择 因传动功率不大、转速不高、材料都按机械设计课程设计中表 7-1 选取，都采用 45 钢，锻造毛坯，大齿轮正火处理，小齿轮调 质，均用软齿面。 齿轮精度用 8 级，轮齿表面粗糙度为 Ra1.6. 软齿面闭式传动，失效形式为点蚀，考虑传动的平稳性，齿数宜取多些，取 1z =25，则 12 izz =3.56 25=89 2.2.2 设计计算 1） 设计准则 按齿面接触疲劳强度设计，再按齿根弯曲疲劳强度校核 2）按齿面接触疲劳强度设计 由式（ 7-9） nts箱体类零件知识库及工艺模板的研究 8 d1t=3 12 12)( uuKTZZZdHEH , Z =0.90 ZE=189.8 MPa ZH=2.5 u=i=3, d=1 T1=9.55 106nP=9.55 106 3.552/320 N mm=106005 N mm 由图 7-6 选取材料的接触疲劳极限应力为： lim1H =580MPa lim2H =560MPa 由图 7-7 选取材料的弯曲疲劳极限应力为： lim1F =230MPa lim2F =210MPa 应力循环次数 N 由式（ 7-3）计算 N1=60n1at=60 960 (16 300 10)=2.76 910 则 N2=N1/ =2.79 910 /3=9.2 108 由图 7-8 查得接触疲劳寿命系数 ZN1=1, ZN2=1.02 由图 7-9 查得弯曲疲劳寿命系数 YN1=1, YN2=1 由表 7-2查得接触疲劳安全系数 SHmin=1,弯曲疲劳安全系数 SFmin=1.4 又 YST=2.0,试选Kt=1.3 由式 (7-1)、（ 7-2）求许用接触应力和许用弯曲应力： m=minlim1HHSZN1=580MPa H2= minlim1HHSZN2=571 MPa F1= minlim1FSTFS YYNI=328 MPa F2= minlim2FSTFS YYN2=300 MPa 将有关值代入式（ 7-9），得 d1t=3 12 12)( uuKTZZZdHEH =3 2 3 131 10600 53.12)571 90.08.1895.2( =59.02 mm nts 9 则 v1=100060 11 nd t=2.97m/s z1v1/100=2.97 25/100=0.74 m/s 查图 7-10 得 Kv=1.09；由表 7-3 查得 KA=1.25；由表 7-4 查得 K =1.05；取 K =1，则 KH=KAKVK K =1.25 1.09 1.05 1=1.431 修正 d1= d1t3 3.1431.1=59.02 1.03mm=60.94 mm m=d1/z1=60.94/25mm=2.44mm 由表 7-6 取标准模数 m=2.5 mm 3） 计算几何尺寸 d1=m 1z =2.5 25mm=62.5 mm d2=m 2z =2.5 89mm=222.5 mm a=m ( 1z + 2z )/2mm=142.5 mm b=1dd=1 62.5mm=62.5 mm 取 b2=65 mm b1=b2+10mm=75 mm 2.2.3 校核齿根弯曲疲劳强度 由图 7-18 查得 YFS1=4.2 YFS2=4.0 取 Y =0.7 由式（ 7-12）校核大小齿轮的弯曲强度 1F =321 12mZKTdYFS1Y =32 5.225110600543.12 4.2 0.7 MPa=91.28 MPa 1F 2F = 1F 12FSFSYY=91.282.40.4MPa=86.93MPa 2F 2.3 轴的设计计算 2.3.1 选择轴的材料及热处理 由于减速器的传递功率不大 ,对其重量和尺寸也无特 殊要求 ,故选择常用材料 45 钢 ,并进行调质处理 . nts箱体类零件知识库及工艺模板的研究 10 2.3.2 初估轴径 根据扭矩强度条件粗略计算轴的直径是常用的估算方法。这种方法是按扭转强度条件确定轴的最小直径。计算时只考虑轴在转矩作用下所受到的切应力，而采用降低许用应力的方法适当地考虑弯曲应力是影响。这种方法还可以作为传动轴和不太重要的轴的最终强度计算方法。 由材料力学可知，轴受转矩作用时，其强度条件为 362.01055.9dnPWTTT T 写成设计公式，轴的直 径为 d 3362.01055.9nPCnPT 按扭矩初步估算轴的直径 ,查机械设计中表 10-2,得 C=106 117,考虑到安装联轴器的轴段仅受扭矩作用 ,故可取 C=110,则 d362.01055.9nPT =C3 nP =110 3 32052.3 =24.5 mm 取 d min=25mm d 362.01055.9nPT = C3 nP =110 3 9043.3 =37.0 mm 取 d min=38mm 经检验轴的直径均能满足强度要求。轴的结构设计以及其校核过程从略。 nts 11 3 箱体类零件加工工艺分析 箱体类零件是机器及其部件的基础件。它是机器及其部件中的轴、套和齿轮等零件按一定的相互位置关系联在一起，按规定的传动关系协调地运动。因此，箱体类零件的加工质量 ，不但直接影响箱体的装配精度及运动精度，而且还会影响机器的工作精度、实用性能和寿命。 3.1 箱体类零件的结构特点及主要技术要求 箱体的种类很多，其尺寸大小和结构形式随其用途的不同有很大差异，但也有一些共同的特点：有一对或数对要求严、加工难度大的轴承支承孔；有一个或数个基准面及一些支承面； 结构一般比较复杂，壁薄且壁厚不均匀；有许多精度要求不高的紧固用孔。 箱体类零件的技术要求是根据其用途、工作条件等因素制定的，其主要技术要求是对孔和平面的精度及表面粗糙度的要求：支承孔的尺寸精度、几何形状精度和表面粗 糙度；孔与孔的轴线之间的相互位置精度（平行度、垂直度）；装配基准面与加工中的定位基准面的平面度和表面粗糙度；各支承孔轴线和各平面对基准面的尺寸精度、平面度和垂直度。这些技术要求是保证机器与设备的性能和精度的重要因素。 各种不同的箱体，对上述几方面技术要求的精度要求也不一样。例如， CA6140车床床头箱，其各项主要技术要求的指标如下： 支承孔的尺寸精度、几何形状精度及表面粗糙度 主轴孔的尺寸精度为 IT6，不圆度允差为 0.006 0.008mm，表面粗糙度 Ra=0.4 0.8 m;其它各 支承孔的尺寸精度为 IT6 IT7,表面粗糙度 Ra 值均为 1.6 m。 支承孔的相互位置精度 主轴三孔的不同轴度允差为 0.012mm，其它各支承孔的不同轴度允差为 0.02mm ；各支承孔轴心线的不平行度允差为 0.04 0.05mm/400mm。 主要平面的形状精度、相互位置精度和 表面粗糙度 主要平面的不平面度允差为 0.04mm，表面粗糙度为 Ra 1.6 m; 主要平面间的不垂直度允差为0.1mm/300mm。 支承孔与主要平面的尺寸精度与位置精度 主轴孔对装配基准面的不平行度允差为 0.1mm/600mm。主轴孔端面与轴心线的不垂直度允差为 0.015 0.02mm/300mm。 3.2 箱体类零件的毛坯及材料 箱体类零件的材料常用铸铁，这是因为铸铁容易成型、价格低廉，而且具有良好的吸振性、切削性、耐磨性。根据零件的要求可选用 HT10 26、 HT40 68（ GB976 67）等各种牌号的灰铸铁，车床主轴箱箱体通常采用 HT20 40。 某些简易机床的箱体零件和单件、小批量生产的箱体 零件，为了缩短毛坯制造周nts箱体类零件知识库及工艺模板的研究 12 期，可采用钢板焊接结构。某些大负荷的箱体有时也采用铸钢件毛坯。在特定条件下，为了减轻重量，可采用铝镁合金或其它铝合金制作箱体毛坯。 铸铁毛坯余量视铸件精度和生产批量而定，在单件小批量生产时，一般采用木模手工造型，这种毛坯的精度低、余量大，其平面余量一般为 712mm，孔在半径上的余量为 8 14mm。大批大量生产时，通常采用金属模机器造型，毛坯的精度高、加工余量可适当减小，铸铁毛坯平面余量为 5 10mm、孔（半径上）的余量为 7 12mm。小于等于 30mm 的孔，成批生产时一般不在毛 坯上铸出顶孔。单件小批生产时，对于大于 50mm 的孔一般都铸出顶孔，以减小加工余量。 3.3 箱体类零件加工工艺分析 箱体类零件加工表面虽然很多，但主要是一些孔和平面。通常平面的加工精度较易保证，而精度要求较高的支承孔以及孔与孔之间、孔与平面之间的相互位置精度较难保证，成为生产的关键，所以在制定箱体类零件加工工艺过程时，应将如何保证孔的精度作为重点来考虑。虽然箱体类零件的加工工艺过程随其结构、精度要求和生产批量的不同差异很大。但由于主要是平面和孔系加工，故在加工方法上有共同特点。 3.3.1 箱体类零 件定位基准的选择 1） 精基准的选择 精基准的选择与保证箱体类零件的技术要求很大。在选择精基准时，首先要考虑“基准统一”的原则，使具有相互位置精度要求的加工表面的大部分工序，尽可能用同一组基准定位，以避免因基准转换带来的不重合误差，有利于保证箱体类零件各主要表面的相互位置精度；并且，由于多道工序采用同一组基准，使所用夹具具有相似的结构形式，以减少夹具设计与制造的工作量，对加速生产准备工作、降低生产成本很有益处。 (1) 以装备基面为精基准 以床头箱为例，可选用作为装配基面的底面、导向面为精基准加 工孔系和其它平面。因为箱体的底面、导向面既是主轴孔的设计基准，也与箱体的主要纵向孔系、端面、侧面有直接的相互位置关系，以它作为统一的定位基准加工上述表面时，不仅消除了基准不重合误差，有利于保证各表面的相互位置精度，而且在加工各孔时，箱口朝上，便于安装调整刀具、更换导向套、测量孔径尺寸、观察加工情况和加注切削液等。这种定位方式在单件和中小批生产中得到了广泛的应用。 但也应看到，采用这一定位方式，当箱体中间隔壁上有精度较高的孔需要加工时，在箱体内部相应的地方需设置镗杆导向支承，以提高镗杆刚度，保证孔的加工 精度。但由于箱口朝上，中间导向支承需装在吊架装置上，这种悬挂的吊架刚度差，安装误差大，影响箱体孔系的加工精度。并且，工件与吊架的装卸也很不方便，影响生产效nts 13 率的提高。因此，这种定位方式与大批大量生产不相适应。 (2) 以一面两孔作精基准 由于吊架式镗模存在以上问题，大批大量生产的床头箱通常以顶面和两定位销孔为精基准，此时，箱口朝下，中间导向支架可固定在夹具体上。由于简化了夹具结构，提高了夹具的刚度，同时工件的装卸也比较方便，因而提高了孔系的加工质量和劳动生产率。 应该指出：床头箱的这一定位方 式也存在一定的问题，由于定位基准与设计基准不重合，产生了基准不重合误差。为了保证箱体的加工精度，必须提高作为定位基准的箱体顶面和二定位销的加工精度。因此，在大批大量生产的床头箱工艺过程中，安排了磨顶面工序，要求严格控制顶面的平面度和至底面、至主轴孔轴心线的尺寸精度与平行度，并将二定位销（设计上为主轴孔的油孔）通过钻、扩、铰等工序使其直径精度提高到 H7，增加了箱体加工的工作量。此外，这种定位方式的箱口朝下，还不便在加工中直接观察加工情况，也无法在加工中测量尺寸和调整刀具。但在大批大量生产中，广泛采用自动循环的 组合机床、定径刀具，加工情况比较稳定，问题也就不十分突出了。 必须特别指出：实际生产中，一面二孔的定位方式在各种箱体加工中应用十分广泛。因为这种定位方式很简便地限制了工件的六个自由度，定位稳定可靠；在一次安装下，可以加工除定位面以外的所有五个面上的孔或平面，也可以作为从粗加工到精加工的大部分工序的定位基准，实现“基准统一”的原则；此外，这种定位方式夹紧方便，工件的夹紧变形小；易于实现自动定位和自动夹紧。因此，在组合机床与自动化线上加工箱体时多采用这种定位方式。 由以上分析可知：箱体的粗基准的选择 有两种不同的方案：一是以三平面为精基准（主要定位面为装配基面）；另一是以一面两孔为粗基准。这两种定位方式各有优缺点，实际生产中的选用与生产与设计基准有很大的关系。通常从“基准统一”的原则出发，中小批生产时，尽可能使定位基准与设计基准重合，即一般选择设计基准作为统一的定位基准；大批大量生产时，优先考虑的是如何稳定加工质量和提高生产效率，不过分地强调基准重合的问题，一般多用典型的一面两孔作为统一的定位基准，由此而引起基准不重合误差，可采用适当的工艺措施去解决。 2） 粗基准的选择 箱体的粗基准确定以后，就 可以考虑加工第一个面所用的粗基准了。由于箱体的结构比较复杂，加工的表面多，粗基准选择得恰当与否，对各加工面能否分配到合理的加工余量及加工面与不加工面的相对关系有很大的影响，必须全面考虑，通常应满足以下几点要求：第一，在保证各加工面均有加工余量的前提下，应使重要孔的加工余量尽量均匀；第二，装入箱体内的旋转零件（如齿轮、轴套等）应与箱体内壁有足够的间隙；第三，注意保持箱体必要的外形尺寸；此外，还应保证定位、夹紧可靠。 nts箱体类零件知识库及工艺模板的研究 14 为了满足上述要求，一般宜选箱体的重要孔的毛坯孔作粗基准。由于铸造箱体毛坯时，形成主轴孔、 其它支承孔及箱体内壁的泥芯是装成一整体放入的，它们之间有较高的相互位置精度，因此，不仅可以较好地保证主轴孔及其它支承孔的加工余量均匀，有利于各孔的加工，而且还能较好地保证各孔的轴心线与箱体不加工的内壁的相互位置，避免装入箱体内的齿轮、轴套等旋转零件在运转时与箱体内壁相碰撞。因此，在实际生产过程中都以主轴孔为粗基准。以主轴孔为粗基准只能限制工件的四个自由度，为了实现工件的完全定位，一般还选一个与主轴孔相距较远的孔作为粗基准，以限制围绕主轴孔回转的自由度。 3.4 箱体类零件的加工工艺过程 3.4.1 箱体类零 件加工工艺过程的制定 在制订箱体类零件加工工艺过程时，应注意各种不同箱体的结构、精度要求和生产批量及工厂的具体条件。以车床主轴箱为例来分析箱体类零件的加工过程。 1） 箱体主要表面加工方法的确定 箱体的主要加工表面有平面和轴承支承孔。箱体上的平面粗糙读 Ra 为 1.6 m，平直度不大于 0.04mm，一般应该选用粗铣（刨）半精铣（刨）宽刀精刨刮研或粗、精磨的工艺路线。由于该工件是属于大批量生产的类型，粗加工和半精加工应选用铣削方案。又由于工件尺寸较大，选用龙门铣床比较合适，在多轴龙门铣床上可以进行组合铣削， 这样可有效地提高箱体平面加工的生产效率。在单件、小批量生产中，一般选用龙门刨床进行平面加工，如果精度要求很高，再进行手工刮研加工，如精度要求不太高，通常用精刨代替传统的手工刮研。当生产批量大而精度又较高时，多采用磨削加工，为提高生产效率和平面间的相互位置精度，可采用专用磨床进行组合磨削加工。 箱体上精度为 IT7 的轴承孔，一般需要经过 3 4 次加工。小批量生产中一般用镗床进行加工。在大批量生产中多用专用组合机床进行加工，一般用镗磨作夹具，视直径大小或用镗孔方法或用较孔方法。例如可采用镗（扩）粗铰精铰或镗（扩 ）半精镗精镗的工艺方案进行加工（若未铸出预孔应先钻孔）。该箱体上精度为 IT6的孔，表面粗糙度 Ra 为 0.25 0.63 m，故还应增加一道精加工或精密加工工序作为终加工，常用的方法有精铣镗、滚压、珩磨等；在单件小批量生产中，可采用浮动铰孔。 2） 箱体加工工艺过程的确定 由于主轴箱的技术要求较高，故工艺方案应分粗加工、半精加工、精加工三个阶段，又因该零件的刚度较好，不易变形，所以加工阶段的划分不应过细，以免增加不必要的劳动量。根据先基准后一般、先平面后孔、先主要表面后次要表面等加工原则，nts 15 可将工艺顺序安排如 下： （ 1） 铸造、热时效刷防锈底漆； （ 2） 用粗基准加工精基准（顶面和两销孔）； （ 3） 用精基准粗加工、半精加工诸平面； （ 4） 修整精基准； （ 5） 用修整后的精基准粗精加工纵向孔； （ 6） 精加工主轴孔； （ 7） 加工非主要表面如横向孔、螺纹孔等； （ 8） 以主轴孔为精基准 , 精加工平面。 表 3 1 为车床主轴箱箱体的大批大量生产的工艺过程。 表 3 1 车床主轴箱箱体的大批大量生产的工艺过程 序号 工 序 内 容 定位基准 主要设备 1 铸造 2 时效 3 刷底漆 4 铣顶面 轴及轴铸孔 单柱立式铣床 5 钻、扩、铰顶面上的两工 艺孔，保证其对顶面的垂直度误差小于 0.1mm/600mm；并加工顶面上的各个螺孔 顶面、轴孔、内壁一端 摇臂钻床 6 铣其余 5 个平面 顶面及两工艺孔 龙门铣床 7 磨顶面，保证平面度误差小于 0.04mm 底面 转台平面磨 8 粗镗各纵向孔 顶面及两工艺孔 双工位组合铣床 9 自然失效 8 小时 10 精镗各纵向孔、半精镗主轴孔 顶面及两工艺孔 双工位组合铣床 11 精细镗主轴孔 顶面及 轴孔 专用机床 12 加工横向孔及各面上的次要孔 顶面及两工艺孔 专用组合铣床 13 磨顶面以外 5 个面 顶面及两工艺孔 平面磨床 14 钳工去毛刺、清洗 15 检验 3.4.2 孔和孔系的加工 箱体的基本孔可分为通孔、阶梯孔、盲孔和交叉孔等几类。其中以通孔的工艺性nts箱体类零件知识库及工艺模板的研究 16 为最好，特别是 L/D =1 1.5 的短圆柱孔，工艺性最好。当 L/D 5 时，称为深孔。孔的加工方法有钻、扩、铰、镗、磨等。钻孔时常用麻花钻，刚度和强度都较差，加工精度低（ IT10 IT12），孔距精度为 0.2mm，表面粗糙度为 Ra50 12.5。精度高的孔，钻孔只作为预加工。扩孔是采用扩孔钻对已经钻出、铸造、锻出的孔进一步加工的方法 。扩孔能提高尺寸精度和表面质量。扩孔的尺寸精度为 IT9 IT10，孔距精度为 0.1mm，表面粗糙度为 Ra6.3 3.2，通常作为铰孔的预加工，或作为较低精度孔的终加工。扩孔的余量一般为孔径的 1/8 左右，切削用量因刀齿数较多而一般较大，效率高。对于孔径大于 100mm 的孔，一般镗孔。 铰孔是未淬火孔进行精加工的一种方法。铰孔时，加工余量小（粗铰0.15 0.35mm，精铰 0.04 0.15mm），切削速度较低；采用刀齿较多，刚性好且制造精确的铰刀；加上排屑冷却等条件好，铰孔的加工质量很高。铰孔的尺寸精度为IT7 IT9（手铰时可达 IT6），孔距精度为 0.03 0.05mm，表面粗糙度为 Ra3.2 0.8，（手铰时可达 0.2）。铰孔主要用于加工中小尺寸的孔，铰刀对于纠正孔的位置误差能力很差，因此孔的有关位置精度应由铰孔前的预加工工序保证，而且一般粗铰时直径上加工余量为 0.15 0.35mm，精铰时的为 0.04 0.15mm。 镗孔是常用的孔加工方法，既可为粗加工，也可精加工。镗孔的尺寸精度一般为IT7 IT9，孔距精度为 0.025 0.05mm，表面粗糙度为 Ra6.3-1.6。镗孔刀具因受到孔径尺寸的限制， 一般刚性较差，镗孔是容易产生振动，生产率较低。但在单件小批量生产中，采用镗孔较为经济，无须许多不同尺寸的刀具，而且镗孔容易保证孔中心线的准确位置，这对矫正待加工孔中心线的偏歪，提高表面间相互位置精度具有重要意义。精细镗在良好的条件下，加工精度 IT6 IT7。孔径在 15 100 时，尺寸误差为 0.005 0.008mm；圆度误差小于 0.003 0.005mm，表面粗糙度为 Ra1.25 0.16。 磨孔作为孔的精加工方法，主要应用于不宜铰削或拉削的孔。例如，工件的硬度HRC30 40 或硬度不均的孔，精度很高、直 径较大的孔等。磨孔的精度为 IT6 IT7，圆度为 0.002 0.008mm，圆柱度为 0.005 0.008mm/200mm，表面粗糙度 Ra 为0.8 0.1，如要求更高，孔可以进行高光洁磨削。 平行孔系的加工要求主要是保证孔与孔的轴线与基面之间的距离精度和平行度，尤其是对轴线间距离的准确度极为重要，按照零件生产类型极其结构尺寸的不同，加工时保证孔距精度的方法有： 1）找正法， 2）坐标法， 3）镗模法等。同轴线孔的同轴度是影响各轴装配后的回转精度，特别是影响机床主轴回转精度的重要因素。在成批生产中，一般采用镗模加工 孔系，精度有镗模来保证，在单件小批生产中，一般采用以下几种方法： 1）利用以加工孔作支承导向； 2）利用镗床后立柱上的导向套支承nts 17 镗杆； 3）采用调头镗法等。 4 箱体类零件的工艺知识库的研究 4.1 知识库的框架 知识库系统建模框架是信息一体化服务的基础，旨在从建模的角度出发研究知识库系统开发方法。早期对知识库系统的研究侧重于知识的表示及推理机制，与之对应的开发技术能够用于实现一些规模较小的系统，但将其用于构造大型商业化知识库系统的努力却往往以失败而告终。这种情形与 20世纪 60年代软件开发所遇到的情况有相似之处： 用于开发小型实验室原型系统的技术无法适用于大型商业软件的开发与维护。软件危机最终导致了软件工程方法学的建立。因此，解决知识库系统开发中所面临的问题同样需要方法学的变革。知识库系统建模框架就是这种变革的产物。 CAPP 是将工艺设计人员从工艺设计和工艺数据分析工作中解脱出来的一种工具 ,但目前能完成代替熟练工艺人员的 CAPP 系统仍难以实现，过多地强调 CAPP 系统工艺决策的自动化并不现实。鉴于派生式 CAPP 的工艺生成方法有很好的理论支持及良好的应用实例，特别是对于向箱体这样的复杂类零件，要实现工艺设计的自动化是很困 难的事件，而采用派生式的基于实例的工艺规则方法是保证工艺设计完整性的良好手段。在另一方面考虑到特定企业产品零件类型的继承性及零件加工方法的习惯性，对于设计已有的或相似的零件加工工艺，最好是借鉴已使用过的相似的加工工艺内容，经编辑修改而成。这样既提高了工作效率，也使一些成熟的加工方法得以继承，因此在 CAPP 系统中采用基于实例的工艺生成方法是一种很有效的手段。当然对于大量的旋转类零件采用创成式的工艺生成方式乃是理想的工艺设计方法，该方法不但可以实现工艺设计过程的自动化，而且使 CAD/CAPP/CAM 的集成成为可 能，特别是基于专家系统知识库的零件工艺决策模式具有很好的实用性。 4.1.1知识库的层次组织 知识库 描述了一组相关模型的建立 ， 其中每一个均与知识库系统的开发及其所处环境中的特定方面有关，包括组织、任务、主体、通信、知识及设计等模型。主要贡献及其精髓在于 “ 知识模型 ” （ Expertise Model）。该模型将用于求解特定任务的知识划分为三个不同的层次：领域层、推理层和任务层，分别对应着知识库系统的静态视图、功能视图和动态视图。其中领域层（ Domain Layer）包含了求解问题所需的特定领域内的知识及对该领域 概念的描述。构建领域层的一个重要目标就是使其尽可能多地被重用于求解各种不同的问题。推理层指明了求解问题采用的方法，包含推理nts箱体类零件知识库及工艺模板的研究 18 步骤和领域知识在其中所起的作用。任务层则将所需求解的问题分解成子任务，并为每一个子任务确定目标，同时明确了对子任务的控制。 4.1.2层次间的契合 对知识库结构层次的划分使知识库的可维护性大大提高，并使知识的重用成为可能。例如，在以上模型中，领域知识与问题求解方法被明确地划分到领域层和推理层，这将有利于两种类型的重用：一方面，对特定领域的描述可以被不同的问题求解方法所重用；另一方面， 问题求解方法通过定义新的领域视图可以被不同的领域所重用。但仅仅将不同层次的知识区分开还是不够的。要实现系统的重用，还需要一种有效的机制来实现各层次间的灵活配置，将相互独立的层次紧密地联系在一起，共同组成一个完整的系统。本体（ Ontology）就是这一机制的核心。 “ 本体 ” 是对共享概念的正规、明确的表述。 20世纪 90年代初期，本体成为包括知识工程、自然语言处理和知识表示在内的诸多人工智能研究团体的热门课题。其主要原因在于本体使人或机器间的交流建立在对所交流领域共识的基础上。本体在知识库系统开发中较多应用于开 发领域模型，它提供了建模所需的基本词汇并说明了它们之间的关系。建立大型知识库的第一步就是设计相应的本体，这对于整个知识库的组织至关重要。 4.2 知识库的建立和表示 知识库由一系列的事实和规则组成，知识不但要在知识库中简洁地表达，而且要便于使用和重构。由于 CAPP 系统中数据的复杂性，以及结论与结果之间的错综复杂关系，知识的表达方式仍是目前研究重点。 CAPP 系统的核心是工艺知识 (工艺决策规则 ) ，知识是决定系统性能是否实用的主要因素。系统采用基于关系型数据库的知识表达方式，知识以表的形式存放，规则以表中记 录的形式表达。由于关系型数据库具备很好的数据管理功能及标准的数据存储结构， ,从而可以保证 CAPP 系统有较好的可移植性和可重构性。系统中工艺知识主要由两个知识库组成：形面加工链规则库和零件整体加工工艺规则库。 CAPP 系统中制造资源数据库的结构是以关系型数据库为基础，以若干个制造资源子数据库为核心，每个子数据库记录相应的制造资源数据。在进行工艺设计时，各个子资源数据库可设置为“选用”或“不选用”，设计过程将使用被选用的资源子数据库，从而保证工艺设计的动态性与灵活性，另一方面资源子数据库可随时新建或移植，子数据 库中的数据可添加或删除，这样就保证了制造资源数据库的重构性与移植性。 由于在关系型数据库中可方便的实现对记录的修改及记录的添加或插入，因此nts 19 系统在使用过程中可以对知识库进行动态的修改和维护，调整相关内容或扩充新的规则，从而为系统的自学习功能的实现提供了条件，保证系统有广泛的适应性。 知识库系统采用规则和框架结构相结合的知识表示方法，控制知识用框架结构表示。知识库中的知识以规则的形式表示，分级分类存贮，其中含有多个规则库，通常包括加工方法的选择、刀具的选择、量具的选择、加工余量的确定以及定位经基准的确定等规则库 在知识系统中，规则库的维护应遵循以下两个原则：（ 1）知识库的一致性维护，即当知识库中原有规则进行修改或输入新规则时，必须排除不一致的规则，保证规则的一致性。（ 2）规则库的完备性维护，即对于给定的推理前提，必须保证规则库中至少有一个规则的结论与之相对应。 4.3 知识库的提取 知识库管理层函数直接面向应用，用于知识库管理的各项操作调用，它直接调用知识库层的各函数。知识库层函数位于知识库管理层和知识库表层之间，起到连接两层函数的纽带作用。在进行大型的应用程序系统设计时，多人协作编程是不可避免的。随着应用的不断 深入，系统的功能和结构都会有所变化，系统的维护就成为该系统基本定型后最经常进行的工作。要做到维护和修改方便、数据的兼容性好，必须使数据存取和逻辑操作相分离。而要做到这点其首要条件就是要分析清楚知识库管理系统的功能，知识的存取和引用机制，并在此基础上制定知识库的操作和引用函数。 知识库表层函数直接实现知识在数据库的存取、查询、修改、删除等操作，它直接面向数据库，操作的对象是底层数据。 具体实现时，对于每一个具体的知识库管理操作，都将其分为三层调用形式来实现，各层函数完成的功能不同。这样， 当因功能或需求的改变而使知识库管理层的功能发生变动时，或者由于底层的数据操作发生变化时，如添加数据项、选用另一种数据库等，它都只影响本层的操作，而其它层不必做修改 4.4 知识库的存储 工艺数据指在工艺设计过程中所使用、产生的数据。从数据性质来看，它包括静态和动态两种类型。静态工艺数据主要涉及到支持工艺规划的相关信息，其可对应于工艺设计手册和已规范化的工艺规程等。静态工艺数据一般由加工材料数据、加工数据、机床数据、刀具数据、量夹具数据、标准工艺规程数据、成组分类特征数据等组成，且常采用表格、线圈、公式、图形 及格式化文本等形式表示。动态工艺数据则主要指在工艺规划过程中产生的相关信息，其由大量的中间过程数据、零件图形数据、工序图形数据、最终工艺规程、 NC代码等组成。 从工艺规划的方式来看，工艺数据又可划分成支持检索式、派生式、创式 CAPP 的工艺数据。但不管是用于何种形式的nts箱体类零件知识库及工艺模板的研究 20 CAPP系统，相应的工艺数据不外乎是上述静态与动态数据的不同组合。 知识库发展的 目标是建立大型、易维护和可重用的知识库系统 。 实际研究表明： 知识库 尽管完全达到预定目标 但 还有很多问题需要解决，但这些目标正在通过知识的分层、方法库的引入、本体的建立、建 模工具的开发以及知识交换标准的完善而逐步得到实现。 综观整个知识库系统建模框架的发展过程，知识库系统的开发将会向以所求
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