《ProE软件在液压泵活塞I零件中的设计运用》

第1章引言CAD技术于1950年正式产生。在这一阶段，麻省理工学院形成了支持相关图形显示的“龙卷风一号”。在此期间，CAD只能用于处理被动图像，处于萌芽阶段。1960年代，麻省理工学院再次产生了SKETCHPAD系统（人机对话）[4]，此后，计算机制图在世界主要工业国家慢慢取得了长足的发展。CAD技术最早于1970年代初进入商业化阶段。Applicon公司开发设计了一套比较完善的面向企业的面向对象的CAD商业化系统。这一时期许多中小型企业受益于廉价图形输入设备的出现，使CAD设备得到广泛应用。80年代以后，随着计算机性能的提高和价格的下降，以及CAD技术的快速发展，产生了许多CAD商业软件，广泛应用于机械、电子、建筑等领域。CAD技术已经经历了50多年的发展，在此期间发生了四次重大的技术革命。第一次CAD革命形成了相关的曲面建模。1970年前后是工业快速发展的时期，特别是在汽车和飞机领域。在研发和设计过程中出现了许多自由形式的问题。由于三个视图在曲面上具有不完整的特征，因此在综合制造和设计上存在明显差距。法国人提出了贝塞尔算法，解决了这个问题。这促使后来的开发人员形成了一个基于CAD/CAM的新CATIA系统。该技术的产生，使工程图在原有三视图的基础上实现了进一步突破，可以实现关键信息的有效表达，改变了以污泥模型为核心的传统表达模式。第二次CAD革命形成了相关的实体建模。由于普通模型未能系统地规定单元的质量、质心等基本参数，在具体应用场景中存在一定缺陷。表面模型未能清楚地表达单元的特定质量、重心和惯性。矩等基础数据，但辅助工程存在一定缺陷。因此，在1970年代，SDRC开发设计的I-DEAS软件成为世界上第一个基于实体建模的CAD/CAE软件。它的出现标志着CAD技术的第二次革命，但也带来了数据计算的扩展。由于该技术可以有效地表达构件的综合属性，因此可以为相关设计人员构成重要的便利条件，可以指导CAD的后续演进。第三次CAD革命形成了相应的参数化系统。随着实体造型的发展和完善，CAD技术也得到了更新和推广。该技术具有以下特点：基于特征、尺寸驱动、全尺寸约束。80年代中期，PTC设计了​​Pro/Engineer软件，可以有效地使用相关技术。因此，这一技术引领了现阶段CAD的发展。CAD第四次革命的演变形成了新的变异趋势。由于参数化方案中“全尺寸约束”的限制，更先进的技术诞生了，即变量化。它继承了参数化的基本优势，同时形成了新的不完全约束，可以为CAD的成长带来更多宝贵的空间和机会。与国外相比，我国CAD技术的发展还有一定的差距。早在20世纪80年代，我国就逐渐意识到CAD应用工程的重要性，因此在全国各个领域开发和推广CAD技术。造成国内外差距的主要原因是CAD技术早在1960年左右就被西方发达国家重视，大量的人力、物力、财力投入到研发和设计中。但我国在1970年前后才开始实施CAD，由于研究资金不足，商业化程度低，导致技术落后于西方国家。在参数化方面，中国仍然是二维图形的深度优化。发达国家现阶段已经发展成比较完善的CAD软件，如Pro/Engineer、CATIA等。近年来，我国在CAD技术上有了质的提升，尤其是在3D实体建模领域已达到世界先进水平。我国清楚自己的优势，立足我国市场，形成我国独有的CAD产品。随着技术的不断创新，各个领域对CAD技术提出了更高的要求，因此CAD的发展趋势从发展的角度分为参数化、标准化和集成化。第2章基于Pro/E的液压泵变量活塞Ⅰ零件的三维建模单击工具栏中的“新建”按钮，将出现一个新对话框。在类型下，选择“零件”并将其命名为“maopei”。单击“确定”按钮，进入草图环境界面，如图2-1所示。单击菜单管理器上的“特征”、“创建”、“添加材料”、“旋转”、“完成”、“完成”（如图2-2所示），选择“顶平面”、“正”、“默认”，依次单击菜单管理器中的“360”、“完成”，最后在旋转对话框中单击“确定”。完成的3D实体模型如图2-3所示：图2-1图2-2图2-32.2零件的三维建模第一步：新建文件单击窗口上方工具栏中的“新建对象”按钮，打开新建对话框，在名称栏中输入“Huosai”作为文件名，单击“确定”按钮，打开“新建文件”选项，并进入草图环境界面如图2-4所示。图2-4第二步：以拉伸方式创建加材料特征单击菜单管理器中的“特征”，“创建”，“添加材料”，“旋转”，“完成”，“单面”，“完成”，点Top平面，然后单击“正向”‘“缺省”，进入二维草图绘制界面，绘制如图2-5所示的草图。图2-5然后点击，在菜单管理器当中依次单击“360”、“完成”、“确定”后，完成的模型如图2-6：图2-6第三步：以旋转方式创建切减材料特征槽（1）在菜单管理器当中依次单击“特征”、“创建”、“切减材料”、“旋转”、“完成”，接受缺省选项，选Top平面，再点击“正向”、“缺省”，进入二维草图绘制界面，绘制草绘图如图2-7所示。图2-7点击，在菜单管理器当中点击“360”、“完成”，再从切剪：旋转对话框中点击“缺定”按钮。（2）复制槽：在菜单管理器当中依次点击“复制”、“移动”、“完成”，选取平移的特征后，点击“完成”、“平移”、“曲线/边/轴”，用查询方式选取A-1（轴）：F5（伸出项），点击查询列表中“接受”按钮，再点击“反向”、“正向”。从草绘界面输入偏距距离为5，点击，在菜单管理器当中依次点击“完成”、“移动”、“完成”，从组元素对话框中点击“确定“按钮。（3）阵列槽：在菜单管理器当中依次点击“阵列”，选取上一次复制的特征后，点击“完成”，在草绘环境界面中输入尺寸增量5，点击“完成”，完成小外圆处的槽如图2-8。图2-8（4）以同样的方式创建大外圆处的槽，完成的特征如图2-9。图2-9第四步：以旋转方式创建切减材料特征孔φ22孔在菜单管理器当中依次单击“特征”、“创建”、“切减材料”、“旋转”、“完成”，接受缺省选项，选Top平面，再点击“正向”、“缺省”，进入二维草图绘制界面，绘制草绘图如图2-10所示。点击，在菜单管理器当中依次单击“正向”、“360”、“完成”后，在切剪：旋转对话框中点击“确定”按钮，创建的特征如图2-11。图2-10图2-11第五步：以拉伸方式创建切减材料特征平面C。在菜单管理器当中依次单击“特征”、“创建”、“切减材料”、“旋转”、“完成”，接受缺省选项，选取直径为54的外圆的截面为草绘平面，再点击“正向”、“缺省”，进入二维草图绘制界面，绘制草绘图如图2-12所示。点击，在菜单管理器当中依次单击“正向”、“至曲面”、“完成”，选取直径为55的外圆的右段截面，创建的特征如图2-13。图2-12图2-13第六步：以拉伸方式创建切减材料特征7.7平面在菜单管理器中，依次单击“特征”、“创建”、“剪切材料”、“拉伸”、“完成”，接受默认选项，然后单击“完成”、“生成基准”、“偏距”，选择将其作为参考平面，然后绘制草图，如图2-14所示。单击，在菜单管理器中单击“正向”和“完成”，然后输入值7.7。在切剪：拉伸对话框中点击“确定”按钮，创建的特征如图2-15。图2-14图2-15第七步：以拉伸方式创建切减材料特征M5-6H孔在菜单管理器中，依次单击“特征”、“创建”、“切剪材料”、“拉伸”、“完成”，接受默认选项，然后单击“完成”，选择7.7平面，然后单击“正向”、“缺省”，进入二维草图绘制界面，绘制草图如图2-16。图2-16点击，在菜单管理器当中点击“完成”，输入深度值12，在切剪：拉伸对话框中点击“确定”按钮，创建的特征如图2-17。图2-17第八步：以螺旋扫描方式创建螺纹特征在菜单管理器当中依次单击“特征”、“创建”、“切剪材料”、“高级”、“完成”、“螺旋扫描”、“完成”，接受缺省选项，再点击“完成”、“产生基准”、“穿过”、“A-11轴”、“完成”、“正向”，进入二维草图绘制界面，绘制草绘图如图2-18所示。点击，输入节距值为1，绘制草绘图如图2-19所示。点击，在菜单管理器当中点击“正向”，在切剪：螺旋扫描对话框中点击“确定”按钮，创建的特征如图2-20。图2-18图2-19图2-20第九步：以旋转方式创建切减材料特征孔φ25孔在菜单管理器当中依次单击“特征”、“创建”、“切减材料”、“旋转”、“完成”，接受缺省选项，选Top平面，再点击“正向”、“缺省”，进入二维草图绘制界面，绘制草绘图如图2-21所示。点击，在菜单管理器当中依次单击“正向”、“360”、“完成”后，在切剪：旋转对话框中点击“确定”按钮，创建的特征如图2-22。图2-21图2-22第十步：进行倒角在菜单管理器当中依次单击“特征”、“创建”、“边”、“45×d”，输入倒角尺寸为1，点击，再选取倒角的边，点击倒角对话框中“确定”按钮，完成的模型如图2-23。如图2-23上述是完成的产品即是变量活塞，完成这个零件要分十步。可以知道在Pro/E当中如何绘制这种零件的。它可以带来很多方便，也很形象让人知道实体是怎么来的。第十一步：创建剖视图在菜单管理器当中依次单击“特征”、“创建”、“偏距”、“完成”输入截面名称A，创建的截面如图2-24。同理也要创建截面名称B，创建的截面如图2-25。图2-24图2-25第十二步：进入工程图模式在工具栏上点击“新建”、“绘图”、输入名称“Huosai”，再点击“确定”。在新制图对话框中如图2-26，在缺省模型中点“浏览”选中刚创制的“HUOSAI.PRT”，在指定模版中点击“空”，在标准大选A4。单击“确定”，进入工程图模式如图2-27。图2-26图2-27第十三步：创建三视图(1)在菜单管理器中点击“视图”、“添加视图”、“剖面”、“局部视图”、“完成”，接受其他默认选项，然后点击“完成”，在定位对话框中选择参考1：横轴，点击“确定”，选择截面名称A，点击“完成”，点击窗口框左上角的放置视图。(2)在菜单管理器中依次点击“添加视图”、“剖面”、“局部视图”、“完成”，接受其他默认选项，然后点击“完成”，选择部分名称B，点击“完成””，单击窗口框右上角的放置视图。(3)在菜单管理器中依次点击“添加视图”、“投影”、“完成”。在绘图区域中，选择绘制视图的中心点，将出现一个俯视图。(4)在菜单管理器中依次单击“添加视图”、“常规”、“完成”。在绘图区域中选择绘制视图的中心点，将出现一个3D模型。最终创建的工程图如图2-28所示。图2-28第3章液压泵变量活塞Ⅰ零件的工艺规程设计3.1零件的分析3.1.1零件的作用液压泵的可变活塞是一个非常重要的部件。它的加工要求很高，尤其是两个外圆的精度非常高。既要保证间隙在0.015mm~0.025mm，也要保证与701零件相匹配。活塞两端截面积不等。由P=F×S可知，气缸内的油压是由活塞控制来调节油的流量，七槽用来减少油的摩擦和挤压。3.1.2零件的工艺分析材料由液压件厂加工。材质为40Cr。这种材料是合金调质钢。调质后强度高于碳钢。用于制造一些在重载荷下承受冲击载荷的重要零件。要求零件具有综合了高强度和高韧性的良好综合性能。该零件主要加工面有：φ55外圆、φ40外圆、φ54外圆、φ39外圆、φ25孔、7.7平面和C面。φ55外圆与φ40外圆的圆柱度均为0.0025mm，φ55外圆与φ40外圆轴线的同轴度为0.006mm，两端间隙为0.015mm~0.025mm以保证搭配701片；φ55外圆和φ40外圆要求经济精度公差等级为IT6，经济粗糙度Ra值为0.1mm；φ22孔和φ25孔钻孔后要求有底切槽，保证加工精度不留毛刺。3.2工艺规程设计3.2.1确定毛坯的制造形式和机械加工余量根据零件材质确定为锻件，生产方案为中批量生产。毛坯锻造方法选用模锻件，是用专用锻模在锻锤或压力机上形成的锻件。其精度和表面质量优于自由锻，可使毛坯形状更接近工件形状，加工余量小。同时，由于模锻件的材料纤维结构分布良好，锻件的机械强度高。而且模锻件生产效率高，需要专用模具。因此，主要适用于大批量的中小型零件。根据参考文献[1]表2.3-5，使用查找表方法确定每个表面的总边距，如表2-1所示。表2-1加工表面总余量（mm）加工表面基本尺寸加工余量值A面轮廓尺寸2504B面轮廓尺寸2504φ55外圆555φ54外圆545φ39外圆395φ40外圆405由参考文献[1]表2.3-9可得锻件的主要尺寸的公差如表2-2所示。表2-2主要毛坯尺寸（mm）主要面尺寸零件尺寸总余量毛坯尺寸A面轮廓尺寸2504254A面轮廓尺寸2504254φ55外圆55560φ54外圆54559φ39外圆39544φ40外圆405453.2.1基准的选择定位基准分为粗基准和精基准。当零件开始加工时，所有的表面都未加工，只有粗糙的表面才能作为定位参考。这种粗糙的基准面称为粗糙面的粗糙基准面；加工后必须以加工面为基准，以加工面为基准的加工面称为精基准。3.2.1.1精基准的选择原则在选择精密基准时，主要考虑的是如何减少工件的定位误差，保证工件的加工精度。同时装卸工件也方便，夹具结构简单。一般遵循以下原则：（1）基准统一原则；（2）基准重合原则；（3）自参照原则；（4）互为基准原则；(5)装夹方便原则。以上每条原则都只能说明问题的一个方面。理想的情况是使基准“一致”和“统一”。同时可使定位稳定可靠，操作方便，夹具结构简单。但在实际使用中往往会出现矛盾，因此需要从技术经济方面进行综合分析，把握主要矛盾，进行合理分析。因此，根据液压泵变量柱塞的加工要求和精度，应选择两端中心孔作为精基准，符合基准重合的原则，即以轴线为基准。设计参考，两端中心孔为定位参考。重合原则，同时更好地保证了各加工面的定位精度，各工序所用夹具定位方法统一，可减少夹具设计制造的工作量，遵循统一基准的原则。3.2.1.2粗基准的选择原则选择粗基准时，重要的是要考虑如何保证加工面能够分配合理的加工余量，保证加工面和未加工面的位置、尺寸和位置精度，提供可靠的精度为后续过程提供数据。具体选择应遵循以下原则：(1)为保证零件的每个加工面都能分配足够的加工余量，应选择加工余量小的表面作为粗基准。(2)为保证零件加工面与未加工面的相对位置要求，应选择未加工面作为粗基准。(3)为保证零件重要表面的加工余量均匀，应选择重要表面作为粗基准。(4)为使定位可靠稳定，应选择毛坯的粗略尺寸和位置作为粗略参考。(5)尽量避免重复使用粗基准，特别是同一尺寸方向只允许装夹一次。因此，分析活塞零件的加工要求和精度，应选择φ54的外圆作为粗基准，依次冲小车两端的端面和中心孔。3.2.2制定工艺路线根据各面的加工要求和各种加工方法所能达到的经济精度，确定各面的加工方法如下：每个外圆都需要粗车、精车、粗磨，以达到0.1mm的经济粗糙度；在车床上钻出φ25的孔，然后扩孔，达到经济粗糙度1.6mm，根据要求，在车床上车削出退刀槽；先在车床上钻φ22孔，然后车削退刀槽。由于采用中心孔定位，外圆可粗、精车，一次装夹即可加工，保证加工精度。按照先面、先孔、主面、副面、先粗加工后精加工的原则，先粗加工各外圆，再精加工，最后磨削各外圆。首先要钻φ25孔，然后在热处理后进行扩孔和扩孔以满足尺寸要求。初步拟订加工工艺路线如下：工序号工序内容1锻造2正火3车两端面、钻中心孔4粗车各外圆、倒角5车右端各外圆及槽6车左端各外圆及槽7钻φ22孔、切槽4×0.58铣平面C9车φ25孔、切槽4×0.510铣7.7平面11扩、铰φ25孔12钻、螺纹孔13热处理：淬火HRC4014粗磨各外圆15检验16入库上述方案遵循工艺路线制定的一般原则，但在某些工艺中存在的一些问题值得进一步讨论。第7步应在第6步之前完成。因为φ22孔是在车床上钻的，所以φ22孔是在第5步完成后加工的。工序12应安排在工序10之后。因为铣削7.7平面后，可以在钻床上加工螺纹孔和攻丝。工序11应安排在工序14之后。由于φ25孔在热处理前进行扩孔，φ25孔在热处理后容易变形，影响加工精度。工序号工序内容1锻造2正火3车两端面、打中心孔4粗车各外圆，留2㎜余量，倒角5以中心孔定位，车右端各外圆及槽，留磨削余量0.3㎜6在车床上车φ22孔，切槽4×0.57精车左端外圆及槽，留磨削余量0.3㎜8铣平面C9用专用夹具装夹，车φ25孔及槽，倒角10铣7.7平面11钻，攻M5-6H12热处理，淬火HRC4013磨各外圆至图纸尺寸14扩铰φ25孔15清理，入库值得注意的，原来安排在钻床上钻φ25孔，不能保证孔的中心线与左端面尺寸为（105±0.1）mm，应放在车床上加工孔，提高工件的精度。3.3加工设备及刀、夹、量具的选择由于生产为中批量生产，主要以通用机床和专用夹具为主，可提高生产效率、夹具精度和工艺加工精度。每台机床之间的工件转移都是手动完成的。刀具是影响切削加工的重要工具，合理选择刀具是保证产品质量、提高切削效率的重要条件。在选择刀具类型和结构时，应考虑以下主要因素：1.生产性能2.机床类型3.工艺方案4.工件形状和尺寸5.加工精度6.加工表面粗糙度7.工件材料8.生产率常用的刀具材料主要是高速钢和硬质合金金刚石。应使用硬质合金刀具。车端面、倒角、车槽均可用CA6140车床加工（参考文献[3]：表9-6）。选用YT15硬质合金车刀、通用夹具、游标卡尺。铣削7.7的平面。选用X62W卧式铣床。选择直径23mm的D型硬质合金螺旋齿直柄立铣刀、专用夹具和游标卡尺。钻螺纹孔和攻螺纹。加工的最大钻孔直径为5mm，选用摇臂钻床Z3025。用于钻孔的锥柄麻花钻，使用特殊夹具。径向钻用于攻丝，使用机用丝锥，丝锥夹头，专用夹具和螺纹塞规。铣削平面C.选用X62W卧式铣床。选择与步骤4相同的刀具，并使用专用夹具和游标卡尺。钻φ22孔，切槽4×0.5。用CA6140车床完成（参考：表9-6）。使用锥柄麻花钻、通用夹具、游标卡尺和塞规。钻、扩和铰孔φ25孔。用CA6140车床完成。使用锥柄麻花钻和锥柄机铰刀。铰孔采用高速钢锥柄铰孔钻。使用特殊夹具、快换卡盘、游标卡尺和塞规。外圆磨床M1412用于磨削每个外圆，并使用专用夹具和游标卡尺。3.4加工工序设计1.车端面、车槽及倒角车外圆加工余量：粗车加工余量为2.5mm，精车的加工余量为2.3mm，又根据表2-1加工表面总余量知。硬质合金车刀粗车外圆的进给量0.4mm/r，精车进给量为0.2mm/r。由参考文献[2]：表1-12取110m/min，实际的切削速度是通过机床转速来实现的计算式为：根据机床主轴变速表可知，实际主轴转速为560r/min，故实际切削速度为：同理可计算φ40外圆，实际的切削速度是通过机床转速来实现的，计算式为。其实际主轴转速为710r/min。故实际切削速度为:按上述的方法所选择的切削用量，校核其切削功率是小于机床许用功率。2.工序10铣7.7平面及工序8铣平面C工序由于锻件的要求铣C平面加工余量为7mm，参考文献[1]表2.4-73，取粗铣的每齿进给量为0.2mm/z，粗铣走刀一次，。参考文献[1]表3.1-74，取粗铣的主轴转速为118r/min，选定铣刀直径D为23mm，相应的切削速度为，校核机床功率，参考文献[1]表2.4-96的切削功率为，取z=10个齿，，，，，，代入得。参考文献[1]表3.1-73的机床功率为7.5kw，若取效率为0.85，则7.5×0.85=6.375kw＜6.62kw，机床功率足够。铣7.7平面，选择铣刀直径为10mm，相应切削速度为：3.工序6钻φ22孔及工序9车φ25孔、工序14扩、铰φ25孔钻φ22孔因一次钻出，故其钻削余量为，φ25孔的扩、铰余量参考文献[1]表2.3-48取，，由此可算出。 各工步的余量如下表2-3表2-3个工步余量（mm）加工表面加工方法余量φ22孔钻孔11φ25孔钻孔11.25φ25孔扩孔0.9φ25孔铰孔0.1由参考文献[1]表11-10，并参考CA6140机床说明书，取钻φ22孔的进给量f=0.4mm/r。钻φ25孔的进给量f=0.45mm/r。参考文献[2]表11-12，用插入法求得钻φ22孔的切削速度V=0.25m/s=15m/min。由此计算出转速为：，按机床实际转速取n=200r/min，则实际切削速度为，同理：用插入法求得钻φ25孔的V=0.3m/s=18m/min，由此算出转速为，按机床实际转速取，则实际的切削速度为。扩φ24.3孔，参考文献[1]表24-50，并参考机床实际进给量，取f=0.3mm/s（因扩的是盲孔，所以进给量取得较小）。参考文献[4]表3-54，扩孔的切削速度为，，故取,由参此算出转速。按机床实际转速取n=140r/min。参考文献[1]表2.4-58，取铰孔的进给量取f=0.3mm/r（因铰的是盲孔，所以进给量取的较小）。参考文献[1]表2.4-60，铰孔的切削速度为v=0.3m/s=18m/min，由此算出转速，按机床实际转速取250r/min，则实际切削速度为。4.工序11钻螺纹孔并攻丝由于钻螺纹孔一次钻出，故其钻削余量为，参考文献[2]表11-10，孔的进给量取f=0.3mm/s，参考文献[2]表11-12，用插入法求得钻孔的切削速度v=0.2m/min，由此计算出转速为，按机床实际转速取780r/min，则实际切削速度为。5.工序13磨外圆至图纸尺寸参考文献查[3]33-42，可知纵进给粗磨外圆磨削用量为0.3mm，工件速度为24m/min，常规磨削时磨削深度小于0.02mm，而进给量极大为0.05~5m/s，砂轮主轴转速为1110r/min。结语现在，Pro/E、Solidworks、UG、Solidedge等一大批3D实体建模软件的兴起，推动了设计领域的新革命。因为有了这些3D软件，不仅可以创建3D实体模型，还可以设计3D模型。仿真装配和静态干涉校核、机构分析、动态干涉校核、