机械设计与夹具

第八章机械加工先进工艺技术简介,第一节成组技术第二节计算机辅助工艺规程设计第三节特种加工方法简介,第一节成组技术,一、概述近年来，由于科学技术飞跃发展及市场竞争日益激烈，机械工业企业的产品更新愈来愈快，产品品种日益增多，而每种产品的批量都愈来愈少。目前，多品种，中小批量生产企业约占机械工业企业总数的75%80%，通常这些企业的劳动生产率比较低，生产周期长，产品成本高，不利于竞争。在这种情况下，成组工艺就成为改变多品种，中、小批生产落后面貌而迅速发展起来的一种新技术。它为多品种，中小批量生产创造了大批量生产的条件。,下一页,返回,第一节成组技术,事实上，不同的机械产品，尽管其功能和用途各不相同，然而每种产品中所包含的零件类型都存在一定的规律性。大量的统计分析表明，任何一种机械产品中的组成零件都可分为以下三类：（1）专用件这类零件在产品中数量少，约占零件总数的5%10%，但结构复杂，再用性低。如机床床身、主轴箱，发动机中的一些大件均属此类。（2）相似件这类零件在产品中的种类多，数量大，约占零件总数的65%70%，其特点是相似程度高，多为中等复杂程度的零件，如轴、套、支座、拨叉、齿轮等。（3）标准件这类零件结构简单，再用性高，如螺母、螺钉、垫圈等，一般均以组织大量生产。,下一页,返回,上一页,第一节成组技术,所谓组成技术，就是用科学的方法，在多品种生产中将形状、工艺、尺寸近似的零件组成一个零件组，并按零件组统一制定工艺规程进行制造。这样就扩大了批量，以便于采用近似大批量生产中的高效工艺方法、设备和生产组织形式来进行生产，以提高生产效率和经济效益。二、零件分类编码系统零件的分类编码是成组技术的主要环节，分类的合理与否将直接关系到成组加工的效果。所谓零件的分类编码就是用数字来描绘零件的名称，几何形状、工艺特征、尺寸和精度等，也就是零件特征的数字化。,下一页,返回,上一页,第一节成组技术,目前国内外推行成组技术所采用的分类编码系统有几十种，其中德国Opitz教授领导研制的奥匹兹分类系统，在国际上获得较为广泛的应用。在分析了德国奥匹兹系统等的基础上，根据全国机械产品的具体情况，我国机械工业部已于1984年制定了“机械零件分类编码系统（JLBM-1系统）”。它是我国机械工厂实施成组技术的一种指导性文件。JLBM-1系统采用十五个码位（参见表8-1），由九个主码和六个副码组成，与每个码位相对应的是由0到9的十个特征码。（1）主码占前九个码位。第一、二码位表示零件的类别，它描述零件的主要形状和功能，如表8-2所示，它决定了工艺特征和采用的机床种类。第三至第九码是形状与加工码位，其进一步描述了回转类零件和非回转类型零件的形状及加工特征，分别表示零件的内外表面、平面和辅助加工等。,下一页,返回,上一页,第一节成组技术,（2）副码占后六个码位。第十至第十二码位说明零件的材料，毛坯和热处理的状况，它决定了刀具参数和切削用量。第十三、十四码位为零件的主要尺寸码位，它决定机床规格。第十五码位是零件的精度码位。（3）示例为了理解应用JLBM-1系统编码情况，下面仅举两例进行说明。图8-2（a）和图8-2（b）分别为回转体类零件和非回转体零件的JLBM-1系统编码示例。三、零件分类成组方法1.特征码位法特征码位法是指选择与加工直接有关的几个码位，作为划分零件组（族）的依据。,下一页,返回,上一页,第一节成组技术,2.特征码域法JLBM-1编码系统的每个码位，都有十个（09）数字项。特征码域法，就是根据全部零件的结构特征分布状况，设备加工范围和负荷，以及加工装备对每个码位限制一个或几个数字项，即制定码域。凡零件编码中的各码位都落在该码域内，均划分在同一零件组内，最后作相应调整。通常特征码位法和特征码法结合使用。3.生产流程分析法生产流程分析法是直接按零件的加工工艺分类，把加工工艺相同的零件划在同一组内。这时，主要考虑零件制造过程的相似性，而不拘泥于零件结构的相似性。,下一页,返回,上一页,第一节成组技术,四、成组工艺过程设计在零件组（族）组成以后，选择一个能包括该组全部结构要素的主样件，它往往是经过综合方法人为拟定的假想零件，但也可以是零件组中最复杂的实际零件。成组加工工艺过程就是按假想零件进行编制，该工艺过程不仅适应组中每个零件的加工，而且是最佳工艺方案。图8-4是成组工艺路线的一个简例。,返回,上一页,第二节计算机辅助工艺规程设计,一、概述计算机辅助工艺过程设计是指用计算机编制零件的加工工艺规程。它包括制定工艺路线和确定具体的工序内容，包括工序尺寸、机床和工艺装备、切削参数和工时定额，最后编制出完整的工艺文件。目前，我国绝大多数工厂编制工艺规程大都是由工艺人员凭经验进行的。由于工艺设计所涉及因素多，因果关系错综复杂，如若几位工艺人员各编制同一零件的工艺规程，其所设计的方案一般各部相同，而其很可能都不是最佳方案。另外设计中，对工步、切削参数的规定及工时定额的确定，多数也是凭经验而定，十分粗略，缺少科学依据。,下一页,返回,第二节计算机辅助工艺规程设计,计算机辅助工艺设计的出现，从根本上改变了依赖个人经验编制工艺规程的落后状况。CAPP能按照各种不同零件迅速编制出相应的工艺规程文件，缩短了工艺准备周期，促进了工艺规程的标准化和最优化，同时提高了工艺设计质量及降低了设计费用，而且可使工艺人员从繁琐重复的工作中摆脱出来，集中精力去考虑提高工艺水平和产品质量的问题。此外，CAPP也为制定先进合理的工时定额及推行成组技术和改善企业管理提供了科学依据。计算机辅助工艺规程编制的基本方法通常有两种，即派生法和创成法。,下一页,返回,上一页,第二节计算机辅助工艺规程设计,二、派生法原理派生法是在成组技术基础上发展起来的，将同一零件组中所有零件的主要形面要素综合成为假想的主样件，再按照主样件制定出适合本厂最优加工方案的典型工艺规程，并以文件形式存贮在计算机中，当要编制某个新零件的工艺规程时，先将该零件成组编码输入零件组搜索模块中，计算机会根据零件成组编码识别它所属零件组，如果零件组矩阵文件中包含有该零件的编码，即搜索到所属零件组，计算机则按以下步骤编制工艺规程：输入描述该零件特征的表头数据；计算机检索和调用主样件工艺文件中的标准加工顺序编制出该零件的加工顺序表；再逐一地从典型工艺文件中调出相关的工序，经必要的加工要素处理，如确定加工余量，计算工艺尺寸，选择切削用量等，即可编制出完整的工艺规程，再经制表输出。,下一页,返回,上一页,第二节计算机辅助工艺规程设计,三、创成法编制工艺规程的创成法原理是只要求输入零件的图形和工艺信息，如材料毛坯表面粗糙度、加工精度要求等，即由计算机按照对各种工艺决策所制定的逻辑和优化公式，在不需要人工干预的条件下，自动地生成工艺规程。创成法编制工艺规程也可与CAD和自动绘图系统连接，故自动化程度较高，但系统复杂，其应用有一定的局限性。综合考虑派生法和创成法的优缺点，兼取两者之长，目前大多以派生法为主，创成法为辅，即局部利用创成法的逻辑原则设计工艺规程编制系统。此方法称之为综合法。,下一页,返回,上一页,第二节计算机辅助工艺规程设计,四、CAPP数据库CAPP数据库是指将各种工艺信息经过数字化以后，便形成了大量的数据，这些数据必须以文件的形式集合起来，存在计算机存储器中，即形成了数据库，以备检索和调用。例如派生法CAPP数据库中的典型数据文件有：成组编码特征矩阵文件，典型工艺文件，工艺数据文件等。,返回,上一页,第三节特种加工方法简介,一、概述随着科学技术的飞速发展及新型工业材料的不断涌现并被采用，在现代机械制造中，零件的形状越来越复杂，加工精度和表面质量要求越来越高，且所采用加工尺寸微小，材料脆、硬，这种情况下，传统的加工方法已经很难，甚至无法胜任这样的加工要求。特种加工就是在这种前提下发展起来的。特种加工是相对传统切削加工而言的，其与传统切削加工相比特点是：特种加工主要不是依靠刀具或磨料来进行的切削和磨削的，而是利用电能、光能、声能、热能和化学能来除去金属和非金属材料，因此工件和工具之间无明显的切削力，只有微小的作用力，在机理上与传统加工有很大不同。,下一页,返回,第三节特种加工方法简介,工具的硬度和强度可抵于被加工工件的硬度和强度。加工中的能量易于转换和控制，工件一次装夹中可实现粗、精加工，有利于保证加工精度，提高生产率。特种加工的方法很多，而且随着科学技术的发展，新的、多种能量复合的特种加工技术不断涌现。生产实际中常用的是：电火花加工、电化学加工、激光加工、超声加工、电子束加工等，本节主要介绍电火花加工和电化学加工两种特种加工方法。,下一页,返回,上一页,第三节特种加工方法简介,二、电火花加工1.电火花加工基本原理电火花加工的原理如图8-6所示。将工具电极和工件浸在液体介质中，并于脉冲发生器1的RLC线路连接，组成充电回路和放电回路。自动进给调节系统2使工具3和工件4之间保持一定的放电间隙。当接通直流电源E后，电流通过限流电阻R对电容器C充电，电容器两端电压由零逐渐升高，当电压达到工具与工件之间间隙的击穿电压时，极间介质被击穿，产生电火花放电，瞬时高温使工件表面局部金属熔化和汽化，并在放电爆炸力的作用下，把溶蚀金属抛出来，被液体介质带去，从而形成了一个小坑。当电容器C的电能瞬时放完后，电压降低到接近于零，使火花放电不能继续维持，工具与工件间立即恢复绝缘状态，切断放电回路，于是又重新开始充电，如此循环不已。,下一页,返回,上一页,第三节特种加工方法简介,2.电火花加工的特点可以使用较软的工具电极，对任何导电难加工材料进行加工。电火花加工是一种非接触式加工，加工时不产生切削力，不受工具和工件刚度限制，因而有利于实现小孔、深孔、弯孔、窄缝、薄壁弹性件等的加工。脉冲参数可以任意调节，加工中只要更换工具电极，就可以在同一台机床上通过改变电规准连续进行粗、半精和精加工。尽管放电温度较高，但因放电时间极短，所以对加工表面不会产生厚的热影响层，因而适于加工热敏感性很强的材料。电火花加工机床结构简单。,下一页,返回,上一页,第三节特种加工方法简介,3.电火花加工的应用基于上述特点，电火花加工的应用主要有：（1）电火花成型加工（2）电火花线切割加工（3）其他加工三、电化学加工1.电化学加工基本原理电化学加工是利用金属在电解液中的电化学阳极溶解原理，将工件加工成型的。如图8-8所示为电化学加工过程的示意图。工具和工件之间接上直流电源，工件接阳极、工具接阴极。两极之间的电压一般为525V。工具向工件缓慢进给，使两极间保持较小的间隙，具有一定压力的电解液两极间隙中高速流过，形成极间导电通路，产生电流，这时，作为阳极的工件金属逐渐被电解腐蚀，电解产物被高速的电解液冲走。,下一页,返回,上一页,第三节特种加工方法简介,电化学加工的成型原理可用图8-9示意。图中的细竖线表示通过阴极与阳极间的电流，竖线的疏密程度表示电流密度的大小。加工开始时，阴极与阳极间距离较近的地方通过的电流密度较大，电解液的流速较高。因此，阳极溶解速度也较快，而两极相距较远处，则阳极溶解速度较慢，见图8-9（a）。因而随着工具电极的不断进给，工件表面就不断被加工成工具表面形状时，则两极间的间隙距离大致相等，整个加工区各处的电流密度趋于一致，如图8-9（b），此时，工件溶解均匀进行。这样，就使工具的形状复制在工件上，从而得到所需要的加工形状。,下一页,返回,上一页,第三节特种加工方法简介,2.电化学加工的工艺特点和应用加工范围广。生产效率高。加工表面质量好，无残余应力和应变层，并且没有飞边毛刺，表面粗糙度Ra一般为0.80.2m。加工过