畢業(yè)設計-葉輪軸零件造型及數(shù)控加工工藝設計.doc

葉輪軸零件造型及數(shù)控加工工藝設計 摘 要裝備制造業(yè)是一國工業(yè)之基石，隨著我國現(xiàn)代制造業(yè)的升級和數(shù)控技術的不斷發(fā)展，三軸聯(lián)動數(shù)控加工已經普及。但傳統(tǒng)的三軸數(shù)控加工不能解決某些復雜零件的加工，因此，需要引入四軸、五軸、車銑復合等多軸聯(lián)動數(shù)控機床加工，而現(xiàn)代社會急需大量掌握現(xiàn)代CAD/CAM技術、多軸聯(lián)動加工工藝設計分析與操作的專業(yè)技能人才。本課題研究的葉輪軸零件是典型的多軸聯(lián)動數(shù)控加工。首先通過對零件圖的工藝分析，了解零件的工藝結構形式，明確具體的技術要求，從而對零件各組成表面選擇合適的加工方法。再擬訂較為合理的工藝規(guī)程，充分體現(xiàn)質量、生產率和經濟性的統(tǒng)一。在整個畢業(yè)設計過程中使用CAD/CAM技術軟件、對零件進行造型及加工工藝分析、工藝路線確定、刀具選擇和數(shù)學處理等一系列的工作。 本課題在設計的過程當中，深入生產實際，進行調查研究，吸取企業(yè)先進技術，制定出了合理的工藝方案。關鍵詞：葉輪軸，造型，加工工藝，工藝路線，工藝規(guī)程目 錄1 緒論11.1 課題研究背景11.2 課題在當今國內外的現(xiàn)狀21.2.1 多軸數(shù)控加工技術的現(xiàn)狀21.2.2 多軸數(shù)控加工的類型41.3課題研究的內容和目的52 零件圖的工藝設計分析72.1 葉輪軸加工圖樣分析72.2 零件圖的工藝分析82.2.1讀圖與審圖82.2.2零件圖尺寸的標注82.2.3表面質量與精度的分析92.3 毛坯的選擇93 加工準備及工藝文件的編制103.1 定位基準的選擇103.1.1 粗基準的選擇103.1.2 精基準選擇103.2 裝夾方案的確定113.3機床及工藝裝備的選擇133.3.1 機床的選擇133.3.2 夾具的選擇133.4 確定工藝路線143.4.1 工序的劃分143.4.2 工步的劃分153.4.3 加工階段的劃分163.4.4 加工順序的安排173.5 進給路線的確定193.6 刀具材料的選擇193.7 切削用量的選擇223.7.1 切削深度ap的確定223.7.2 主軸轉速的確定233.8 走刀路線的選擇263.8.1 軸外輪廓部分走刀路線273.8.2 軸內輪廓部分走刀路線273.8.3 葉片部分走刀路線273.9 冷卻的選擇283.10 加工工藝文件制定284 葉輪軸造型及葉片的自動編程344.1 葉輪軸造型344.1 葉輪軸軸套外觀造型344.1.2 葉片部分造型364.1.3 葉輪軸的內部造型384.2 葉片編程404.2.1 設備選擇414.2.2 工件裝夾定位414.2.3 刀具選擇414.2.4 葉片加工方案424.2.5 自動編程425 程序編寫446 結論49參考文獻50致謝5151 / 541 緒論數(shù)控加工技術是先進制造技術的基礎與核心，數(shù)控機床是工廠自動化的基礎，數(shù)控加工技術的普及將使現(xiàn)代制造技術產生巨大的變革，數(shù)控化比重更是一個國家制造業(yè)現(xiàn)代化水平的重要標志。數(shù)控加工技術的發(fā)展直接影響到國民經濟制造技術水平的提高，本次畢業(yè)設計是為了讓我們更清楚地理解怎樣確定四軸聯(lián)動零件的造型及數(shù)控加工工藝分析，為我們即將走上工作崗位的畢業(yè)生打基礎。隨著科學技術水平的提高，數(shù)控機床將隨著工業(yè)的發(fā)展而快速發(fā)展成為機械加工行業(yè)不可缺少的重要組成部分，數(shù)控機床是一種高精度的自動化設備，是綜合應用計算機、自動控制、自動檢測及精密機械等高新技術的產物，數(shù)控技術在現(xiàn)代制造業(yè)的應用已經越來越廣泛。隨著數(shù)控機床的廣泛應用與現(xiàn)代企業(yè)對零件加工精度要求的提高，對數(shù)控技術人才的需求量也越來越大。數(shù)控技術的廣泛應用給傳統(tǒng)的制造業(yè)帶來了深刻的變化。也給傳統(tǒng)的機械，專業(yè)人才帶來新的機遇和挑戰(zhàn)。隨著我國綜合國力的進一步加強和加入世貿組織。我國經濟全面與國際接軌，并逐步成為全球制造中心，我國企業(yè)廣泛應用現(xiàn)代化數(shù)控技術參與國際競爭。數(shù)控技術是制造實現(xiàn)自動化，集成化的基礎，是提高產品質量，提高勞動生產率不缺可少的手段。作為一名數(shù)控專業(yè)的學生，對數(shù)控技術知識的運用將是一項重要的技能。1.1 課題研究背景數(shù)控加工技術一直以來都作為一個國家機械制造業(yè)水平衡量的標志之一。近幾年來，作為機械加工領域的關鍵技術，四軸、五軸等多軸聯(lián)動數(shù)控加工技術的研發(fā)和應用得到了科研院所、高校和企業(yè)的極大關注。國內已有部分公司開發(fā)了四軸和五軸聯(lián)動加工中心，華中數(shù)控、廣州數(shù)控和沈陽飛揚等數(shù)家公司也開發(fā)了自己的五軸數(shù)控系統(tǒng)，因此復雜零件的加工技術由于五軸聯(lián)動數(shù)控加工中心的應用得到了突破的可能。國外在此已經有了成熟的技術應用體系，而國內尚處于發(fā)展階段，應用方面的缺陷已經成為提高復雜關鍵零件的一個重要問題，直接影響復雜零件的發(fā)展。本課題針對葉輪軸復雜零件曲面的若干關鍵技術（幾何建模技術、編程技術、加工技術）進行研究?；谒妮S聯(lián)動數(shù)控加工復雜形狀零件在制造加工過程中的各個關鍵要素得到了研究。旨在研究葉輪軸復雜零件曲面的制造技術在四軸聯(lián)動數(shù)控加工中的應用，為推廣多軸數(shù)控加工技術的研究和應用提供技術的支持。本課題來源于10年全國數(shù)控技能競賽題目風力驅動器。技能競賽也是今后教育廳要求學生技能和能力培養(yǎng)的一個重要的方向，增強學生制定零件機械加工工藝規(guī)程和分析工藝問題上的能力。同時也增加我們對于解決工藝問題和加工技術難點的能力也大大的提升。我們選擇風力驅動器葉輪軸工藝分析和編程加工的畢業(yè)設計課題，主要是通過風力驅動器葉輪軸的設計與加工，培養(yǎng)自己在制定零件加工工藝過程和分析工藝問題的能力。1.2 課題在當今國內外的現(xiàn)狀葉輪軸零件是典型的多軸聯(lián)動數(shù)控機床加工，葉輪軸葉片的加工和曲面的質量則直接影響它的工作效果，進而直接影響整個工作過程。由于葉片的型面是復雜的空間曲面，所以一直是葉片加工中的難點，高性能CAM軟件的出現(xiàn)，使這種復雜型面的加工變得相對容易。多軸數(shù)控加工是四軸以上的數(shù)控加工，其中具有代表性的是五軸數(shù)控加工。多軸數(shù)控加工能同時控制四個以上坐標軸的聯(lián)動，將數(shù)控銑、數(shù)控鏜、數(shù)控鉆等功能組合在一起，工件在一次裝夾后，可以對加工面進行銑、鏜、鉆等多工序加工，有效地避免了由于多次安裝造成的定位誤差，能縮短生產周期，提高加工精度。隨著模具制造技術的迅速發(fā)展，對加工中心的加工能力和加工效率提出了更高的要求，因此多軸數(shù)控加工技術得到了空前的發(fā)展。對刀具和工件的相對位置來說，多軸數(shù)控加工中心可以設置六個軸，即作直線運動的X、Y、Z軸，還有控制工作臺傾斜角度的A、B軸和控制主軸回轉角度的C軸。使用回轉刀具時，由Z 軸控制回轉的主軸作直線運動，就成為五軸控制；只有使用非回轉刀具時可作六軸控制。通常為了提高加工效率而使用回轉刀具，但有時因受到回轉刀具的限制，存在不可能加工的部位和形狀，因此，現(xiàn)在不僅可以使用回轉刀具，還可以使用非回轉刀具，控制其回轉角度，對任何形狀的模具零件都能加工。1.2.1 多軸數(shù)控加工技術的現(xiàn)狀（1）國外多軸數(shù)控加工技術的現(xiàn)狀。國外多軸數(shù)控加工技術的現(xiàn)狀。國外多軸數(shù)控加工技術研究比較早，德國、西班牙、瑞士、日本、意大利等國家以及我國的臺灣地區(qū)已經形成了自己在國際上的知名品牌，如德國DMG、瑞士米克朗、臺灣匠澤、西班牙PANTERA等等。德國DMG五軸聯(lián)動立式加工中心共有十四種機型，采用直線電機驅動技術、主軸 擺動和回轉工作臺擺動，可以勝任從五面加工到五軸聯(lián)動加工的各種工作，優(yōu)質高效。數(shù)控回轉擺動工作臺可在圍繞工件重心旋轉工件的同時允許進行最大擺角達18的底部切削，經過一次裝夾即可完成工件的加工。西班牙PANTERA動梁式龍門加工中心。采用高架床身及移動梁高強度、高剛性的結構。高速精密電主軸結合了五軸聯(lián)動加工方面的豐富經驗和技術決竅，動態(tài)加工特性和精度表現(xiàn)良好。鋼質床身內部特別設計的筋架結構保證了高速切削的穩(wěn)定性，并根據(jù)需求可選擇雙移動梁式結構?？梢愿鶕?jù)加工需求，配備各種銑頭和配置，適用于航空航天結構件和大型模具的高精密加工。臺灣匠澤U系列五軸聯(lián)動高速龍門加工中心。具有高速、龍門架結構、五軸聯(lián)動 的特點， 主要有U25、U40、series三個規(guī)格，U其中Useries最高主軸轉速達20000 轉/min，帶A 軸和C軸兩個輔助軸，A軸旋轉角度為-95至+110，C軸旋轉角度為270。意大利ARES系列橋式高速五軸輕切削龍門加工中心采用高剛性橋式結構，龍門電氣雙驅、高動態(tài)特性，模塊化設計，高功率高轉速，適合于任何非金屬材料的三維輪廓型面的高速、高精度五軸加工。該機床產品的標準規(guī)格系列化、多樣性配置，使該機床適用于航空航天、汽車模具模型制造、造船等行業(yè)。 國內多軸數(shù)控加工技術的現(xiàn)狀。（2）國內多軸數(shù)控加工技術的發(fā)展趨勢。（一)高速、高效率?，F(xiàn)代加工工業(yè)高效率、低成本、高質量的要求使得歐美日等囤熱衷于高速甚至超高速機床的研究。隨著機床技術的發(fā)展趨勢，高速機床主要功能部件高速電主軸單元、高速進給機構、高性能數(shù)控以及伺服系統(tǒng)都得到了突破，高速機床應用范圍越來越廣，目前直流電機驅動的主軸轉速rain，進給運動部件快速移動速度60120mrai切削進給速度60mmin最高加速度10g。（二)高可靠性。五軸聯(lián)動數(shù)控機床加工表面比較復雜，一般要求其平均時間在20000h以上，且有多種報警和防護措施，減少由于故障造成的損國外驅動裝置平均無故障時間可以達到30000h。（三)高精度。隨著CAM系統(tǒng)的發(fā)展，機床加工精度得到了大幅度的提升，日本FANUC公司設計的一款超精密加工機床加工精度0.001xm，其特有的往復運動單元，能夠超精密微細加工凹槽。（四)復合化。與以往單純追求高速主軸和進給機構不同，當今市場對于個性化的要求日益強烈，交貨日期也在不斷縮短，因此五軸加工中心更趨向于小規(guī)模，甚至單件生產。為了滿足這一要求，機床廠商需要開發(fā)出復合程度更高的復合機床。（五)智能化、網絡化、柔性化。智能化包含在機床控制的各個方面，主要有自適應控制技術、故障診斷裝置，智能化數(shù)字伺服驅動裝置等。網絡診斷、遠程控制，網絡設計等技術的興起使五軸聯(lián)動數(shù)控機床向網絡化發(fā)展。（六）綠色化。干切削或半干切削技術已經得到了較快的發(fā)展，在歐洲已經有大概1015的加工采用了干切削或半干切削技術。VTM11000七軸六聯(lián)動螺旋槳加工機床，采用國際先進的三維立體造型、CAD優(yōu)化設計、有限元分析等設計制造技術，使機床獲得最佳動靜態(tài)剛度，具有合理的設計結構、可靠的精度穩(wěn)定性及精度保持性，設計先進、操作簡單、維修方便，保證VTM11000七軸六聯(lián)動螺旋槳機床成為高精度、高可靠性、高效率的數(shù)字化高科技產品。本機床適用于航天、航空、船舶等行業(yè)中的一些形狀復雜、精度要求高異型螺旋槳類零件的加工，集銑、車、鉆、鏜、攻絲等功能于一體的高柔性機床，可銑削加工螺旋槳葉片的葉面、葉緣和槳轂的外圓及葉根；車削加工槳轂的上下平面和止口及內錐孔，對于螺旋槳根部或五葉以上葉面重疊部位可進行七軸六聯(lián)動加工。1.2.2 多軸數(shù)控加工的類型加工中心一般分為立式加工中心和臥式加工中心。三軸立式加工中心最有效 的加工面僅為工件的頂面，臥式加工中心借助回轉工作臺，也只能完成工件的四 面加工。多軸數(shù)控加工中心具有高效率、高精度的特點，工件在一次裝夾后能完 成五個面的加工。如果配置五軸聯(lián)動的高檔數(shù)控系統(tǒng)，還可以對復雜的空間曲面進 行高精度加工，非常適于加工汽車零部件、飛機結構件等工件的成型模具。 根據(jù)回轉軸形式，多軸數(shù)控加工中心可分為兩種設置方式： 工作臺回轉軸。工作臺回轉軸。工作臺可以環(huán)繞X軸回轉，定義為A軸，A軸的一般工作范圍是0至359。工作臺的中間還設有一個回轉臺，環(huán)繞Z軸回轉，定義為C軸，C軸都是360回轉。通過A軸與C軸的組合，固定在工作臺上的工件除了底面之外，其余的五個面都可以由立式主軸刀具進行加工。A軸和C軸的最小分度值一般為 0.001，這樣又可以把工件細分成任意角度，加工出傾斜面、傾斜孔等。A軸和C軸如果與X、Y、Z3軸實現(xiàn)聯(lián)動，就可加工出復雜的空間曲面。這種設置方式的多軸數(shù)控加工機床的優(yōu)點是：主軸結構比較簡單，主軸剛性非常好，制造成本比較低。但一般工作臺不能設計太大，承重也較小，特別是當A軸回轉角度90時，工件切削時會對工作臺帶來很大的承載力矩，立式主軸頭回轉。 立式主軸頭回轉。主軸前端是一個回轉頭，能自行環(huán)繞Z軸360，成為C軸，回轉頭上還帶有可環(huán)繞X 軸旋轉的A軸，一般可達90以上。這種設置方式的多軸數(shù)控加工機床的優(yōu)點是：主軸加工非常靈活，工作臺也可以設計得非常大。在使用球面銑刀加工曲面時，當?shù)毒咧行木€垂直于加工面時，由于球面銑刀的頂點線速度為零，頂點切出的工件表面質量會很差，而采用主軸回轉的設計，令主軸相對工件轉過一個角度，使球面銑刀避開頂點切削，保證有一定的線速度，可提高表面加工質量，這是工作臺回轉式加工中心難以做到的。1.3課題研究的內容和目的人們早已認識到多軸數(shù)控加工技術的優(yōu)越性和重要性，但到目前為止，多軸數(shù)控加工技術的應用仍然局限于少數(shù)資金雄厚的部門，并且仍然存在尚未解決的難題。多軸數(shù)控加工由于干涉和刀具在加工空間的位置控制，其數(shù)控編程、數(shù)控 系統(tǒng)和機床結構遠比三軸機床復雜得多。目前，多軸數(shù)控加工技術存在以下幾個問題：（1）多軸數(shù)控編程抽象、操作困難。多軸數(shù)控編程抽象、操作困難。這是每一個傳統(tǒng)數(shù)控編程人員都深感頭疼的問題。三軸機床只有直線坐標軸，而五軸數(shù)控機床結構形式多樣； 同一段NC代碼可以在不同的三軸數(shù)控機床上獲得同 樣的加工效果，但某一種五軸機床的NC代碼卻不能適用于所有類型的五軸機床。數(shù)控編程除了直線運動之外，還要協(xié)調旋轉運動的相關計算，如旋轉角度行程檢驗、非線性誤差校核、刀具旋轉運動計算等，處理的信息量很大，數(shù)控編程極其抽象。多軸數(shù)控加工的操作和編程技能密切相關，如果用戶為機床增添了特殊功能，則編程和操作會更復雜。只有反復實踐，編程及操作人員才能掌握必備的知識和 技能。經驗豐富的編程與操作人員的缺乏，是多軸數(shù)控加工技術普及的一大阻力。（2）刀具半徑補償困難。在五軸聯(lián)動NC程序中，刀具長度補償功能仍然有效，而刀具半徑補償卻失效了。以圓柱銑刀進行接觸成形銑削時，需要對不同直徑的刀具編制不同的程序。目前流行的CNC系統(tǒng)尚無法完成刀具半徑補償，因為ISO文件中沒有提供足夠的數(shù)據(jù)對 刀具位置進行重新計算。用戶在進行數(shù)控加工時需要頻繁換刀或調整刀具的確切尺寸，按照正常的處理程序，刀具軌跡應送回CAM系統(tǒng)重新進行計算，從而導致整個加工過程效率不高。對這個問題的最終解決方案，有賴于新一代CNC控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠識別通用格式的工件模型文件（如STEP等）或CAD系統(tǒng)文件。購置機床需要大量投資。（3）購置機床需要大量投資。多軸數(shù)控加工機床和三軸數(shù)控加工機床之間的價格懸殊很大。多軸數(shù)控加工除了機床本身的投資之外，還必須對CAD/CAM系統(tǒng)軟件和后置處理器進行升級，使之適應多軸數(shù)控加工的要求，以及對校驗程序進行升級，使之能夠對整個機床進行仿真處理。2 零件圖的工藝設計分析2.1 葉輪軸加工圖樣分析 圖2-1加工圖樣風力驅動器由葉輪軸、軸套、凸輪軸、底座、臺階銷等多個零件構成。其中葉輪軸最為復雜，見圖2-1，需要車、銑復合加工，而葉片部分又是加工難度最大的，解決葉片部分的加工就成了最關鍵的問題。圖2-2 葉輪軸2.2 零件圖的工藝分析2.2.1讀圖與審圖1）件圖的工藝性分析(1)分析零件圖是否完整正確 (2)零件的技術要求分析 (3)尺寸標注應符合數(shù)控加工的特點(4)定位基準應可靠2）零件結構工藝性分析（1）盡量工序集中，以充分發(fā)揮數(shù)控機床的特長，提高精度和效率（2）采用標準刀具、減少刀具規(guī)格種類（3）減少機床調整，縮短輔助時間（4）利于減少編程工作量（5）利于減少加工勞動量（6）利于保證定位剛度和刀具剛度，以提高加工精度綜上所述：零件在滿足使用要求的前提下，制造的可行性和經濟性。它包括零件各個制造過程中的工藝性，如零件的鑄造、鍛造、沖壓、焊接、熱處理和切削加工工藝性等。好的工藝性會使零件加工容易，節(jié)省工時，降低消耗。2.2.2零件圖尺寸的標注圖2-3 零件標注結構圖對數(shù)控加工來說，零件圖上應以同一基準或直接給出坐標尺寸。這種尺寸標注法不僅便于編程，也便于尺寸之間的相互協(xié)調，在保持設計基準、工藝基準、測量基準與保持原點設置的一致性方面帶來很大方便。由于零件設計人員在標注尺寸時，一般總是較多的考慮裝配、使用等方面的因素，因而常采用局部分散的尺寸標注方法，這給數(shù)控工序的安排與加工帶來諸多不便。由于數(shù)控加工精度與重復定位精度都很高，不會產生較大的積累誤差而破壞使用特性，因而可將局部尺寸分散標注法改為以同一基準引注尺寸或直接給出坐標尺寸的標注法。對于該零件，所有標注如圖2-3所示。2.2.3表面質量與精度的分析該零件要求表面粗糙度以及星形輪廓為Ra1.6,其余都為Ra3.2,要求都很高，粗糙度不容易保證，而且公差要求較高，需要很高的配合度，所以這就是加工該零件的難度。并且該零件內孔的粗糙的都為Ra1.6，所以表面質量的要求是很高的。根據(jù)以上分析可知：該零件的結構比較復雜，而且加工精度和表面質量要求很高，不容易完成加工。2.3 毛坯的選擇零件的毛坯種類主要分為型材，鍛件，鑄件和焊接，沖壓等半成品件，不同的毛坯種類的適應范圍也不一樣，下面列舉幾種常用的毛坯種類進行比較，如表2-4所列。表2-1 毛坯材料的比較型材尺寸大，精度低多用作一般零件的毛坯鍛件多用于強度高，形狀簡單的零件鑄件多用于形狀復雜的毛坯根據(jù)表2-1的比較和分析，不同的毛坯材料具有不同的特性，在選擇時，我們該注重實際的用途，不能盲目選擇。根據(jù)零件材料、性能的要求選擇零件的材料為鋁（LYZ12-A），留45mm的余量，并根據(jù)情況盡量使各個表面上的余量均勻，毛坯為90x120mm。3 加工準備及工藝文件的編制3.1 定位基準的選擇各工序定位基準的選擇，應先根據(jù)工件定位要求來確定定位基準的個數(shù)，再按基準選擇原則來選定每個定位基準。為使所選的定位的定位基準能保證整個機械加工工藝過程順利進行，通常應先考慮如何選擇精基準來加工各個表面，讓后考慮如何選擇粗基準把作為精基準的表面先加工出來。3.1.1 粗基準的選擇選擇粗基準時，考慮的重點是如何保證各加工表面有足夠的余量，使不加工表面與加工表面間的尺寸、位子符合圖紙要求。粗基準選擇應當滿足以下要求：（1）粗基準的選擇應以加工表面為粗基準。目的是為了保證加工面與不加工面的相互位置關系精度。如果工件上表面上有好幾個不需加工的表面，則應選擇其中與加工表面的相互位置精度要求較高的表面作為粗基準。以求壁厚均勻、外形對稱、少裝夾等。（2）選擇加工余量要求均勻的重要表面作為粗基準。例如：機床床身導軌面是其余量要求均勻的重要表面。因而在加工時選擇導軌面作為粗基準，加工床身的底面，再以底面作為精基準加工導軌面。這樣就能保證均勻地去掉較少的余量，使表層保留而細致的組織，以增加耐磨性。（3）應選擇加工余量最小的表面作為粗基準。這樣可以保證該面有足夠的加工余量。（4）應盡可能選擇平整、光潔、面積足夠大的表面作為粗基準，以保證定位準確夾緊可靠。有澆口、冒口、飛邊、毛刺的表面不宜選作粗基準，必要時需經初加工。（5）粗基準應避免重復使用，因為粗基準的表面大多數(shù)是粗糙不規(guī)則的。多次使用難以保證表面間的位置精度。3.1.2 精基準選擇選擇精基準時，應從整個工藝過程來考慮如何保證工件的尺寸精度和位置精度，并使裝夾方便可靠。（1）基準重合原則。即盡可能選擇設計基準作為定位基準稱為基準重合。這樣可以避免定位基準與設計基準不重合而引起的基準不重合誤差，保證加工精度，應遵循基準重合原則。（2）基準統(tǒng)一原則。在工件的加工過程中應盡可能選用統(tǒng)一的定位基準稱為基準統(tǒng)一原則。采用基準統(tǒng)一原則有利于保證各表面間的位置精度，避免基準轉換所帶來的誤差，并且各工序所采用的夾具比較統(tǒng)一，從而可減少夾具設計和制造工作。例如：軸類零件常用頂針孔作為定位基準。車削、磨削都以頂針孔定位，這樣不但在一次裝夾中能加工大多書表面，而且保證了各外圓表面的同軸度及端面與軸心線的垂直度。（3）互為基準的原則。選擇精基準時，有時兩個被加工面，可以互為基準反復加工。（4）自為基準原則。有些精加工或光整加工工序要求余量小而均勻，可以選擇加工表面本身為基準。例如：磨削機床導軌面時，是以導軌面找正定位的。此外，像拉孔在無心磨床上磨外圓等，都是自為基準的例子。（5）可靠、方便原則。應選擇定位可靠、裝夾方便的表面作基準。精基準應該是精度較高、表面粗糙度較小、支撐面積較大的表面。并考慮工件裝夾和加工方便、夾具設計簡單等。3.2 裝夾方案的確定（1）工件的定位工件定位，就是要使工件在夾具中占據(jù)某個確定的正確加工位置。 六點定位原理工件在空間有六個自由度，即沿X、Y、Z三個坐標方向的移動自由度和繞X、Y、Z三個移動軸的旋轉自由度A、B、C，如圖3-1所示。 要確定工件在空間的位置，需要按一定的要求安排六個支撐點也就是通常所說的定位元件，以限制加工工件的自由度，這就是工件定位的“六點定位原理”。需要指出的是，工件形狀不同，定位表面不同，定位點的布置情況也各不相同。 圖3-1 工件在空間的六個自由度限制自由度與工件加工要求的關系 根據(jù)工件加工表面的不同加工要求，有些自由度對加工要求有影響，有些自由度對加工要求無影響，對加工要求有影響的自由度必須限制，而不影響加工要求的自由度不必限制。工件安裝的基本原則在數(shù)控機床上工件安裝的原則與普通機床相同，也要合理地選擇定位基準和夾緊方案。為了提高數(shù)控機床的效率，在確定定位基準與夾緊方案時應注意以下幾點：a）力求設計基準、工藝基準與編程計算基準的統(tǒng)一。 b）盡量減少裝夾次數(shù)，盡可能在一次定位和裝夾后就能加工出全部待加工表面。c）避免采用占機調整式方案，以充分發(fā)揮數(shù)控機床的效能。 （2）工件的夾緊金屬切削加工過程中，為保證工件定位時確定的正確位置，防止工件在切削力、離心力、慣性力或重力等作用下產生位移和振動，必須將工件夾緊。這種保證加工精度和安全生產的裝置稱為夾緊裝置。夾具應具有足夠的精度和剛度還有可靠的定位基準，應盡量選用可調整夾具、組合夾具及其它通用夾具，避免采用專用夾具，以縮短生產準備時間，該零件形狀規(guī)則，圓柱面較光整，位置精度要求不高、小批量生產，所以以60、58的外圓作為定位，所以用三爪卡盤從圓柱面進行夾緊。三爪卡盤如圖3-2所示。圖3-2 三爪卡盤 3.3機床及工藝裝備的選擇3.3.1 機床的選擇選擇機床應該充分利用現(xiàn)有設備并完全發(fā)揮現(xiàn)有潛力，該零件既有回轉表面又有圓周均勻分布的曲面。結合我院現(xiàn)有機床的實際情況，采用臥式車床的CK-6132A機床加工葉輪軸的軸柄部分，選用4軸立式加工中心加工葉片部分。其中，4軸立式加工中心機床的主要參數(shù)見表3-1。表3-1 4軸立式加工中心機床主要參數(shù)表工作臺面尺寸（長寬）4051307(mm)主軸錐孔/刀柄形式24ISO40 / BT40（MAS403）工作臺最大縱向行程650(mm)主配控制系統(tǒng)FANUC 0iMate-MC工作臺最大橫向行程450(mm)換刀時間6.5(s)主軸箱垂向行程500(mm)主軸轉速范圍606000( r/min)工作臺T型槽（槽數(shù)-寬度間距）5-1660(mm)快速移動速度10000（mm/min）主電動機功率5.5/7.5(kw)進給速度5800（mm/min）脈沖當量0.001 (mm/脈沖)工作臺最大承載700(kg)機床外形尺寸(長寬高)2540mm2520mm2710mm機床重量4000(kg)3.3.2 夾具的選擇機床夾具的種類很多，按使用的機床類型分類，可分為車床夾具、銑床夾具、鉆床夾具、鏜床夾具、加工中心夾具和其它機床夾具等。按驅動夾具工作的動力源分類，可分為手動夾具、氣動夾具、液壓夾具、電動夾具、磁力夾具、真空夾具和自夾緊夾具等。按專門化程度可分為以下幾種類型的夾具。（1）通用夾具。通用夾具是指已經標準化、無需調整或稍加調整就可以用來裝夾不同工件的夾具，如三爪卡盤、四爪卡盤、平口虎鉗和萬能分度頭等。這類夾具主要用于單件小批生產。（2）專用夾具。專用夾具指為某一工件的某一加工工序而設計制造的夾具，其結構緊湊，操作方便，主要用于固定產品的大批量生產。（3）組合夾具。組合夾具是指按一定的工藝要求，由一套預先制造好的通用標準元件和部件組裝而成的夾具。組合夾具使用完畢后，可方便地拆散成元件或部件，待需要時重新組合成其它加工過程的夾具，使用于數(shù)控加工、新產品的試制和中、小批量的生產。（4）可調夾具?？烧{夾具包括通用可調夾具和成組夾具，它們都可以通過調整或更換少量元件就能加工一定范圍內的工件，兼有通用夾具和專用夾具的優(yōu)點。通用可調夾具的使用范圍較寬，加工對象并不十分明確；成組夾具是根據(jù)成組工藝要求，針對一組形狀及尺寸相似、加工工藝相近的工件加工而設計的，其加工對象和范圍很明確，又稱為專用可調夾具。（5）成組夾具數(shù)控機床夾具常使用通用可調夾具和組合夾具。經綜合分析：確定為葉輪軸零件使用的夾具為三爪自定心卡盤和頂尖。3.4 確定工藝路線確定加工方法以后，就按生產類型、零件的結構特點、技術要求和機床設備等具體生產條件確定工藝路線。主要包括工序的劃分和工步的劃分、加工階段的劃分和加工順序的安排。3.4.1 工序的劃分劃分工序的基本原則有：（1）工序分散原則工序內容簡單，有利選擇最合理的切削用量。便于采用通用設備。簡單的機床工藝裝備。生產準備工作量少，產品更換容易。對工人的技術要求水平不高。但需要設備和工人數(shù)量多，生產面積大，工藝路線長，生產管理復雜。（2）工序集中原則工序數(shù)目少，工件裝，夾次數(shù)少，縮短了工藝路線，相應減少了操作工人數(shù)和生產面積，也簡化了生產管理，在一次裝夾中同時加工數(shù)個表面易于保證這些表面間的相互位置精度。使用設備少，大量生產可采用高效率的專用機床，以提高生產率。但采用復雜的專用設備和工藝裝備，使成本增高，調整維修費事，生產準備工作量大。一般情況下，單件小批生產中，為簡化生產管理，多將工序適當集中。但由于不采用專用設備，工序集中程序受到限制。結構簡單的專用機床和工夾具組織流水線生產。同時，近代計算機控制機床及加工中心的出現(xiàn)，使得工序集中的優(yōu)點更為突出，即使在單件小批生產中仍可將工序集中而不致花費過多的生產準備工作量，從而可取的良好的經濟效果。3.4.2 工步的劃分劃分工步主要從加工精度和效率兩方面考慮。合理的工藝不僅要保證加工出符合圖樣要求的工件，同時應使機床的功能得到充分發(fā)揮。因此，在一個工序內往往需要采用不同的刀具和切削用量，對工件的不同表面進行加工。對于較復雜的工序，為了便于分析和描述，常在工序內又細分為工步。下面以加工中心為例來說明工步劃分的原則。（1）同一加工表面按粗加工、半精加工、精加工依次完成，還是全部加工表面都先粗加工后精加工分開進行，主要應根據(jù)零件的精度要求考慮。若加工尺寸精度要求較高，考慮到零件尺寸、精度、剛性等因素，可采用前者；若零件的加工表面位置精度要求較高，則建議采用后者。（2）對于既要加工平面又要加工孔的零件，可以采用“先面后孔”的原則劃分工步。先加工面可提高孔的加工精度，因為銑平面時切削力較大，工件易發(fā)生變形，而先銑平面后鏜孔，則可使其變形有一段時間恢復，減少由于變形引起的對孔的精度的影響。反之，如先鏜孔后銑面，則銑削平面時極易在孔口產生飛邊、毛刺，進而破壞孔的精度。（3）按所用刀具劃分工步。某些機床工作臺回轉時間比換刀時間短，可采用刀具集中地方法劃分工步，以減少換刀次數(shù)，縮短輔助時間，提高加工效率。（4）在一次安裝中，盡可能完成所有能加工的表面，有利于保證表面相互位置精度的要求。3.4.3 加工階段的劃分零件的加工質量要求較高時，常把整個加工過程劃分為幾個階段：（1）粗加工階段粗加工的目的是切去絕大部分多余的金屬，為以后的精加工創(chuàng)造較好的條件，并為半精加工，精加工提供定位基準，粗加工時能及早發(fā)現(xiàn)毛坯的缺陷，予以報廢或修補，以免浪費工時。粗加工可采用功率大，剛性好，精度低的機床，選用大的切前用量，以提高生產率、粗加工時，切削力大，切削熱量多，所需夾緊力大，使得工件產生的內應力和變形大，所以加工精度低，粗糙度值大。一般粗加工的公差等級為。粗糙度為100m。（2）半精加工階段半精加工階段是完成一些次要面的加工并為主要表面的精加工做好準備，保證合適的加工余量。半精加工的公差等級為。表面粗糙度為1.25m。（3）精加工階段精加工階段切除剩余的少量加工余量，主要目的是保證零件的形狀位置幾精度，尺寸精度及表面粗糙度，使各主要表面達到圖紙要求。另外精加工工序安排在最后，可防止或減少工件精加工表面損傷。精加工應采用高精度的機床小的切前用量，工序變形小，有利于提高加工精度精加工的加工精度一般為，表面粗糙度為1.25m。（4）光整加工階段對某些要求特別高的表面，需進行光整加工，主要用于改善表面質量，進一步提高尺寸精度和減小表面粗糙度。一般不能糾正各表面相互位置誤差，其精度等級一般為IT5IT6，表面粗糙度為0.32m。此外，加工階段劃分后，還便于合理的安排熱處理工序。由于熱處理性質的不同，有的需安排于粗加工之前，有的需插入粗精加工之間。但須指出加工階段的劃分并不是絕對的。在實際生活中，對于剛性好，精度要求不高或批量小的工件，以及運輸裝夾費事的重型零件往往不嚴格劃分階段，在滿足加工質量要求的前提下，通常只分為粗、精加工兩個階段，甚至不把粗精加工分開。必須明確劃分階段是指整個加工過程而言的，不能以某一表面的加工或某一工序的性質區(qū)分。例如工序的定位精基準面，在粗加工階段就要加工的很準確，而在精加工階段可以安排鉆小空之類的粗加工。3.4.4 加工順序的安排復雜工件的機械加工工藝路線中要經過切削加工、熱處理和輔助工序。因此，在擬定工藝路線時，工藝人員要全面的把切削加工、熱處理和輔助工序三者一起加以考慮。（1）機械加工工序的安排原則 基面先行。選為精基準的表面，應安排在起始工序先進行加工，以便盡快為后續(xù)工序的加工提供精基準。 先粗后精。當零件需要劃分加工階段時，先安排各表面的粗加工，中間安排半精加工，最后安排主要表面的精加工和光整加工。 先主后次。先加工零件上的裝備基面和工作表面等主要表面，后加工鍵槽、禁固用的光孔與螺紋孔等次要表面。因為次要表面的加工面積較小，它們又往往與主要表面有一定的相互位置要求，所以一般應放在主要表面半精加工之后進行加工。 先面后孔。對于箱體、支架和連桿等工件應先加工平面后加工孔。這是因為平面的輪廓平整，安放和定位比較穩(wěn)定可靠，若先加工好平面，就能以平面定位加工孔，保證平面和孔的位置精度。此外，由于平面先加工，對于平面上的孔加工也帶來不便，刀具的初始工作條件能得到改善。 進給路線短。數(shù)控加工中，應縮短刀具移動距離，減少空行程時間。 換刀次數(shù)少。使用加工中心加工，一般每換一把新的刀具后，應通過移動坐標、回轉工作臺等將由該刀具切削的所有表面全部完成。 工件剛性好。數(shù)控銑削中，先銑加強筋，后銑腹板，有利于提高工件的剛性，防止振動。經綜合分析：葉輪軸零件的加工方案可以制定如下兩個：方案一：車左端面、見平換刀、變速粗車60、80外圓留0.5mm精加工余量調頭裝夾車右端面換刀、變速粗車外輪廓留0.5mm精加工余量換刀、變速精車24精車26.79臺階面精車R6精車R8精車R6精車58臺階面精車58精車78臺階面精車80錐面精車80鉆中心孔鉆孔12、21調頭裝夾車左端面，保證總長為117.26mm換刀、變速倒角切槽換刀、變速鉆中心孔鉆孔20換刀、變速粗車內孔換刀、變速精車內孔精車外圓至尺寸換刀、變速粗銑80外圓上的槽精銑80外圓上的槽調頭裝夾粗銑葉片精銑葉片方案二：車右端面、見平換刀、變速粗車外輪廓留0.5mm精加工余量換刀、變速精車24精車26.79臺階面精車R6精車R8精車R6精車58臺階面精車58精車78臺階面精車80錐面精車80鉆中心孔鉆孔12、21調頭裝夾車左端面，保證總長為117.26mm換刀、變速倒角切槽換刀、變速鉆中心孔鉆孔20鉆34孔換刀、變速精車外圓至尺寸粗車內孔換刀、變速精車內孔換刀、變速粗銑80外圓上的槽精銑80外圓上的槽調頭裝夾粗銑葉片精銑葉片方案二雖然可行，但是沒有遵循先內后外、先面后孔、基準先行的原則，因此，綜上所述加工方案應選擇方案一。（2）熱處理工序的安排熱處理工序在工藝路線中的位置安排，主要取決于熱處理的目的。一般可分為： 預備熱處理。退火與正火安排在粗加工之前，以改善切削加工性能和消除毛坯的內應力；調質一般安排在粗加工之后、半精加工之前進行，以保證調質層的厚度；時效處理用以消除毛坯制造和機械加工中產生的內應力。對于精度要求不太高的工件，一般在毛坯進入機械加工之前安排一次人工時效即可。 最終熱處理。主要用于提高零件的表面硬度和耐磨性以及防腐、美觀等。淬火、滲碳淬火等安排在磨削加工之前進行。 為了改善切削性能而進行的熱處理工序，如正火、調質、退火等，應安排在切削加工之前。（3）輔助工序的安排檢驗工序是主要的輔助工序，是保證產品質量的重要措施。除各工序操作者自檢外，在關鍵工序之后、送往車間加工前后、零件全部加工結束之后，一般均應安排檢驗工序。此外，去毛刺、倒鈍銳邊、去磁、清洗及涂防銹油等都是不可忽視的輔助工序。3.5 進給路線的確定確定進給路線的原則：確定進給路線，主要是確定粗加工及空行程的進給路線，因為精加工的進給路線基本上都是按零件的輪廓進行的。確定進給路線的原則有：（1）形狀工件剛性破壞小的路線，以減少加工變形對加工精度的影響。（2）尋求最短的進給路線，以提高加工效率。（3）切入和切出的路線應考慮外延，以保證加工的表面質量。（4）完工時的最后一刀應一次走刀連續(xù)加工，以免產生刀痕等缺陷。此外，確定加工路線時，還要考慮工件的形狀與剛度、加工余量大小、機床與刀具的剛度等情況，確定是一次進給還是多次進給來完成加工，確定刀具的切入與切出方向以及在銑削加工中是采用順銑還是逆銑的銑削方式等?？傊?，確定進給路線的原則是在保證零件加工精度和表面粗糙度的條件下，盡量縮短進給路線，以提高生產率。經綜合分析：此零件的進給路線遵循保證零件加工精度和表面粗糙度的前提下，尋求最短進給路線。3.6 刀具材料的選擇（1）數(shù)控加工對刀具的要求在切削過程中，刀具切削部分不僅要承受很大的切削力，而且要承受切屑變形和摩擦產生的高溫，要保持刀具的切削能力，刀具應具備如下的切削性能：高硬度和耐磨性。刀具材料的硬度必須高于工件材料的硬度，常溫下一般應在HRC60以上。一般來說，刀具材料的硬度越高，耐磨性也越好。耐磨性除與硬度有關外，還與刀具金相組織中碳化物的種類、數(shù)量、大小及分布情況有關。足夠的強度和韌性。刀具切削部分要承受很大的切削力和沖擊力。因此，刀具材料必須要有足夠的強度和韌性。一般用刀具材料的抗彎強度和沖擊韌性值來反映材料的強度和韌性。良好的耐熱性和導熱性。刀具材料的耐熱性是指在高溫下仍能保持其硬度和強度的性能，這是刀具材料必備的關鍵性能。高溫硬度是耐熱性的重要指標，常用耐熱溫度來表示，如高速鋼的溫度，減輕刀具磨損。良好的工藝性。為便于制造，要求刀具材料具有良好的可加工性，包括熱加工性能（熱塑性、可焊性、淬透性）和機械加工性能。切削用刀具材料應具備的性能見下表（表3-2）所示：表3-2 切削用刀具材料應具備的性能希望具備的性能作為刀具使用時的性能希望具備的性能作為刀具使用時的性能高硬度（常溫及高溫狀態(tài)）耐磨損性化學穩(wěn)定性良好耐氧化性、耐擴散性高韌性（抗彎強度）耐崩刃性、耐破損性低親和性耐溶著、凝著（粘刀）性高耐熱性耐塑性變形性磨削成形性良好刀具制造的高生產率熱傳導能力良好耐熱沖擊性耐熱裂紋性鋒刃性良好刃口鋒利表面質量好微小切削可能 此外，刀具材料還應具有較好的經濟性，以便于推廣使用。同時，還應注意多采用國內生產的刀具材料。由于碳素工具鋼和合金工具鋼耐熱性很差，適合做手工刀具，陶瓷，金剛石和立方氮化硼由于質脆、工藝性差及價格昂貴等原因，因而僅在較小的范圍內使用。而硬質合金鋼其常溫硬度可達7882HRC，能耐8501000的高溫，切削速度比高速鋼高410倍。（2）刀具的選用原則應盡可能形狀通用的標準刀具，不用和少用特殊的非標準刀具。盡量使用不重磨刀片，少用焊接式刀片。大力推廣標準的模塊化刀夾（刀柄和刀桿等）。不斷推進可調試刀具（如浮動可調鏜刀頭）的開發(fā)和應用。經綜合分析：根據(jù)以上刀具材料所具備的基本要求和刀具的選用原則，以及此零件加工的需要，需選用的刀具如下：表3-3 葉輪軸數(shù)控加工刀具卡片產品名稱風力驅動器零件名稱葉輪軸零件圖號1程序號O0002序號刀具號刀具名稱刀具規(guī)格數(shù)量加工表面刀具（尖）半徑mm刀補量備注1T0190外圓粗車刀25251車端面、粗車外輪廓0.32T0293外圓精車刀25251精車外輪廓0.23T03中心鉆3.151鉆12、20中心孔0.14T0412麻花鉆121鉆12孔35T0521麻花鉆211鉆21孔5.56T0620麻花鉆201鉆20孔57T0790內圓粗車刀25251粗車左內輪廓0.38T0893內圓精車刀25251精車左內輪廓0.29T09切槽刀B=5mm1切槽1編制審核批準 年 月 日 共1頁第1頁表3-4 葉片數(shù)控加工刀具卡片產品名稱風力驅動器零件名稱葉片零件圖號1程序號O0001序號刀具號刀具名稱刀具規(guī)格數(shù)量加工表面刀具（尖）半徑mm刀補量備注1T018鋒鋼立銑刀8251粗銑80上的槽、粗銑葉片442T026鎢鋼球頭立銑刀8151精銑80上的槽333T026鎢鋼球立頭銑刀8101精銑葉片33編制審核批準 年 月 日 共1頁第 1頁3.7 切削用量的選擇3.7.1 切削深度ap的確定背吃刀量ap，又稱為切削深度，一般指工件已加工表面和待加工表面間的垂直距離，單位為mm。車削外圓柱面的背吃刀量為該次切除余量的一半： 式中：dw為工件待加工表面直徑（mm）；dm為工件已加工表面直徑（mm）。鏜孔時：鉆削時：同時，ap主要根據(jù)加工余量和工藝系統(tǒng)的剛度確定。（1）粗加工時，在留下精加工、半精加工的余量后，盡可能一次走刀將剩下的余量切除；若余量過大不能一次切除，也應按先多后少的不等余量法加工。第一刀的ap應盡可能大些，使刀口在里層切削，避免工件表面不平及有硬皮的鑄鍛件。（2）當沖擊載荷較大（如斷續(xù)表面）或工藝系統(tǒng)剛度較差（如細長軸、鏜刀桿、較差陳舊）時，可適當降低ap，使切削力減小。（3）精加工時，ap應根據(jù)粗加工留下的余量確定，采用逐漸降低ap的方法，逐步提高加工精度和表面質量。（4）一般精加工時，取ap=0.050.8mm；半精加工時，取ap=1.03.0mm。 經綜合分析：此組合裝配零件在粗加工時選用較大的ap，留0.5mm的余量，半精加工時取ap=1.03.0mm,由于此零件進度要求較高，所以最后一道精加工時的余量取ap=0.020.05。車削和鏜削加工時，精加工余量通常為0.10.5mm，銑削時，精加工余量通常為0.20.8mm。表3-5 常用螺紋切削的進給次數(shù)與背吃刀量公制螺紋螺距1.01.52.02.5牙深0.6490.9471.2991.624 背吃刀量及進給次數(shù)1次0.70.80.91.02次0.40.60.60.73次0.20.40.60.64次0.160.40.45次0.10.46次0.153.7.2 主軸轉速的確定確定主軸轉速時，主要根據(jù)工件材料、刀具材料機床功率和加工性質（如粗、精加工）等條件確定其允許的切削速度。切削速度又稱線速度，它是指切削時刀具切削刃上某點相對于待加工表面在祝運動方向上的瞬時速度。如何確定加工中的切削速度，除了可以參考有關切削用量表所列出的數(shù)值外，實踐中主要根據(jù)實際經驗進行確定，還可以根據(jù)公式相結合的方式來選擇。Vc主要根據(jù)工件材料、刀具材料和機床功率來選擇。（1）刀具材料好，V