渐开线涡轮数控工艺及加工

第 页 共 22 页1设计题目：渐开线涡轮数控工艺及加工设计要求：1、 计算机绘制零件图和三维造型图2、 完成涡轮的工艺规程：工艺过程卡、工序卡等3、 完成涡轮数控加工的工装设计4、 用自动编程和宏功能编写涡轮的渐开线曲面加工程序5、 用 G 代码编制涡轮椭圆槽数控加工程序6、 用仿真软件的 DNC 方式进行仿真加工7、 编写毕业设计说明书8、 毕业设计答辩图纸：手工绘制夹具总装图（A1）一张CAD 绘制零件图（ A4）3 张 指导老师：徐晓风、林天极老师第 页 共 22 页2目 录 摘要 -4-5 一、设计课题分析 -5二、工艺规程分析设计 -6-9三、夹具设计 -10-11四、零件设计及加工步骤 -11（一）零件的造型设计 -11-13（二）零件的 Mastercam 后外理加工 -13-15（三）零件宏程序编制 -15-17五、仿具系统加工验证 -17-18六、其它方面说明 -18-19参考文献 -20设计小结 - 21-22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第 页 共 22 页4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 XY 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，培养我们搞工艺工第 页 共 22 页5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第 页 共 22 页6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，不易和切第 页 共 22 页7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。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 1220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 610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 4590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，其次考虑第 页 共 22 页8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 2050mm2、工作台面积320mm X 1200mm3、工作台最大行程 X 轴 750mmY 轴 350mmZ 轴 400mm4、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第 页 共 22 页96、进给速度范围52500mm/min7、快速移动速度5000mm/min8、定位精度X 轴 0.05mmY 轴 0.04mmZ 轴 0.04mm9、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。 第 页 共 22 页10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。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,.再第 页 共 22 页11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. 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：第 页 共 22 页12图 1 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：图 2 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： 第 页 共 22 页13图 3 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.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:第 页 共 22 页14渐开线螺旋槽(上表面)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:第 页 共 22 页15(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第 页 共 22 页162. 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：(XX)/(aa)+(YY)/(bb)=1 令：X=aCOSt Y =bSint由上图得 a=30 b=203、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+#2N3 G01 Z-3 F200 (分三刀加工深度到 8) N4 G41 G01 X#1N5 WHILE #3 GE -360 D01 第 页 共 22 页17N6 G01 X#1*COS#3*PI/180 Y#2*SIN#3*PI/180N7 #3=#3-0.5END1G01 G91 Y-#0G00 Z10M30（五） 、数控仿真系统的验证：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、程序的传送和检查把 Mastercam 后处理出来的 NC 文件调进来，并进行检验5、模拟仿真加工其仿真结果如下图：第 页 共 22 页186、项目保存保存 NC 程序、控制箱、机床参数。要注意的是在对零件的加工中，我们不可能只用一把刀加工，而这是数控铣床，没有刀库。也就要我们人工换刀时，并且 Z 轴要重新对刀。因为每一把刀的长度是不一样的。(六) 其它方面说明1、夹具设计方面：根据所学的知识，查设计手册等来设计夹具。但由于个人能力差异，考虑的不够全面，存在着不经济，不合理等。就从定位方面来说：虽然定位有很多种，但这并不意味着他没有缺点。我们知道为了达到加工零件的尺寸要求，必然要提高定位元件的尺寸精度，这对夹具的加工和设计都带来了麻烦。甚至要有些时候要清楚的计算出定位误差，以保证零件加工的合格尺寸。第 页 共 22 页192、仿真加工方面数控模拟仿真是比较常见的一种对加零件工程序进行检验的软件，但是它也存在缺陷，对工艺参数，如主轴转速，表面粗糙度，刀具的吃刀深度等都无法验证。我们知道如果在真实的数控加工中上面所提到的加工参数，对加工出来的零件质量的好坏是有直接影响的。第 页 共 22 页20参 考 文 献1、程叔重 数控加工工艺 2003 年 8 月 浙江大学出版社2 张耀宸 机械加工工艺设计手册 1987 年 12 月 航空工业出版社3 杨黎明 机床夹具设计手册 1996 年 国防工业出版社4 胡家秀主编 简明机械零件设计实用手册 机械工业出版社 1999 年 10 月5 胡家秀 简明机械零件设计实用手册北京：机械工业出版社 1999 年 10月6、孙祖和 Mastercam 设计和制造范例解析 北京：机械工业出版社 2003年 1 月7、梁国元 Pro/E 软件教程 人民邮电出版社 2005 年第 页 共 22 页21毕 业 设 计 小 结转眼间，为期 8 周的毕业设计也即将结束了，也意味着大学生活即将结束了。此次毕业设计主要是设计“渐开线涡轮数控工艺及加工” ，设计的内容比较综合。它主要是利用我们所学的知识进行综合利用，把这个零件加工起来，也是对我们在学校里学的知识的一种考验，虽然这个零件看似简单，但具体想下也有它的难点，所以要尽心尽力把它做到最好。回想 8 周的毕业设计，感觉又学了不少知识，时间虽然不是很紧张，但是凡事都是相对的，太宽裕的时间会带来思想上的懒惰，会无意之间形成一种惰性，总觉得反正时间还早呢，就放慢了设计的进度，到最终导致的结果可能就是设计思路不完善，设计任务完成的不彻底。我们的毕业设计按照设计任务书上的进度来完成，由于前两个星期只做开题报告，所以时间算是宽裕了，但我们在思想上并没有重视，还整天在闲逛玩游戏，直到最后最后几天才赶上开题报告。从中我懂了一些道理，只要按照任务书上来，下周完什么，接着完成什么，反而觉得时间不怎么紧。我们不要想着马上搞出来，而所需面对的是今天是什么任务，并且按时完成，这样也比较有明确的思路。本次毕业设计是在要求掌握三维造型、数控加工及工艺的基本知识的基础上，借助 Pro/E 软件进行三维造型采用 Master CAM 软件进行加工，再导入仿真模拟加工，在这次的毕业设计过程中了解使用软件完成造型设计和加工的整个过程，掌握对数控加工工艺及数控模拟加工，为将来从事数控工作打下基础。学校里也有多次课程设计，但现在自己独立用起来却发现是那么的空虚。针对这次设计还想不出比较好的方案去加工看似来很简单的零件图，估计是人人都能看懂，但加工却不是怎么方便，主要的是渐开线螺旋槽和椭圆槽。还是照着任务书上来吧，先把零件三维造型造出来，按照进度