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數(shù)控的發(fā)展
題目：數(shù)控機床的發(fā)展與趨勢
姓 名：
所在學院：
專業(yè)班級：
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指導教師：
日 期： 2007-5-25
引言
從20世紀中葉數(shù)控技術出現(xiàn)以來，數(shù)控機床給機械制造業(yè)帶來了革命性的變化。數(shù)控加工具有如下特點：加工柔性好，加工精度高，生產率高，減輕操作者勞動強度、改善勞動條件，有利于生產管理的現(xiàn)代化以及經濟效益的提高。數(shù)控機床是一種高度機電一體化的產品，適用于加工多品種小批量零件、結構較復雜、精度要求較高的零件、需要頻繁改型的零件、價格昂貴不允許報廢的關鍵零件、要求精密復制的零件、需要縮短生產周期的急需零件以及要求100%檢驗的零件。數(shù)控機床的特點及其應用范圍使其成為國民經濟和國防建設發(fā)展的重要裝備。
進入21世紀，我國經濟與國際全面接軌，進入了一個蓬勃發(fā)展的新時期。機床制造業(yè)既面臨著機械制造業(yè)需求水平提升而引發(fā)的制造裝備發(fā)展的良機，也遭遇到加入世界貿易組織后激烈的國際市場競爭的壓力，加速推進數(shù)控機床的發(fā)展是解決機床制造業(yè)持續(xù)發(fā)展的一個關鍵。隨著制造業(yè)對數(shù)控機床的大量需求以及計算機技術和現(xiàn)代設計技術的飛速進步，數(shù)控機床的應用范圍還在不斷擴大，并且不斷發(fā)展以更適應生產加工的需要。本文簡要分析了數(shù)控機床高速化、高精度化、復合化、智能化、開放化、網(wǎng)絡化、多軸化、綠色化等發(fā)展趨勢，并提出了我國數(shù)控機床發(fā)展中存在的一些問題。
一、數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展簡史及趨勢
1946年誕生了世界上第一臺電子計算機，這表明人類創(chuàng)造了可增強和部分代替腦力勞動的工具。它與人類在農業(yè)、工業(yè)社會中創(chuàng)造的那些只是增強體力勞動的工具相比，起了質的飛躍，為人類進入信息社會奠定了基礎。
6年后，即在1952年，計算機技術應用到了機床上，在美國誕生了第一臺數(shù)控機床。從此，傳統(tǒng)機床產生了質的變化。近半個世紀以來，數(shù)控系統(tǒng)經歷了兩個階段和六代的發(fā)展。
1.1、數(shù)控（NC）階段
（1952～1970年）
早期計算機的運算速度低，對當時的科學計算和數(shù)據(jù)處理影響還不大，但不能適應機床實時控制的要求。人們不得不采用數(shù)字邏輯電路“搭”成一臺機床專用計算機作為數(shù)控系統(tǒng)，被稱為硬件連接數(shù)控（HARD-WIRED NC），簡稱為數(shù)控（NC）。隨著元器件的發(fā)展，這個階段歷經了三代，即1952年的第一代－－電子管；1959年的第二代－－晶體管；1965年的第三代－－小規(guī)模集成電路。
1.2、計算機數(shù)控（CNC）階段（1970年～現(xiàn)在）
到1970年，通用小型計算機業(yè)已出現(xiàn)并成批生產。于是將它移植過來作為數(shù)控系統(tǒng)的核心部件，從此進入了計算機數(shù)控（CNC）階段（把計算機前面應有的“通用”兩個字省略了）。到1971年，美國INTEL公司在世界上第一次將計算機的兩個最核心的部件－－運算器和控制器，采用大規(guī)模集成電路技術集成在一塊芯片上，稱之為微處理器（MICROPROCESSOR），又可稱為中央處理單元（簡稱CPU）。
到1974年微處理器被應用于數(shù)控系統(tǒng)。這是因為小型計算機功能太強，控制一臺機床能力有富裕（故當時曾用于控制多臺機床，稱之為群控），不如采用微處理器經濟合理。而且當時的小型機可靠性也不理想。早期的微處理器速度和功能雖還不夠高，但可以通過多處理器結構來解決。由于微處理器是通用計算機的核心部件，故仍稱為計算機數(shù)控。
到了1990年，PC機（個人計算機，國內習慣稱微機）的性能已發(fā)展到很高的階段，可以滿足作為數(shù)控系統(tǒng)核心部件的要求。數(shù)控系統(tǒng)從此進入了基于PC的階段。
總之，計算機數(shù)控階段也經歷了三代。即1970年的第四代－－小型計算機；1974年的第五代－－微處理器和1990年的第六代－－基于PC（國外稱為PC-BASED）。
還
要指出的是，雖然國外早已改稱為計算機數(shù)控（即CNC）了，而我國仍習慣稱數(shù)控（NC）。所以我們日常講的“數(shù)控”，實質上已是指“計算機數(shù)控”了。
1.3、數(shù)控未來發(fā)展的趨勢
1.3.1 繼續(xù)向開放式、基于PC的第六代方向發(fā)展
基于PC所具有的開放性、低成本、高可靠性、軟硬件資源豐富等特點，更多的數(shù)控系統(tǒng)生產廠家會走上這條道路。至少采用PC機作為它的前端機，來處理人機界面、編程、聯(lián)網(wǎng)通信等問題，由原有的系統(tǒng)承擔數(shù)控的任務。PC機所具有的友好的人機界面，將普及到所有的數(shù)控系統(tǒng)。遠程通訊，遠程診斷和維修將更加普遍。
1.3.2 向高速化和高精度化發(fā)展
這是適應機床向高速和高精度方向發(fā)展的需要。
1.3.3 向智能化方向發(fā)展
隨著人工智能在計算機領域的不斷滲透和發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的智能化程度將不斷提高。
（1）應用自適應控制技術
數(shù)控系統(tǒng)能檢測過程中一些重要信息，并自動調整系統(tǒng)的有關參數(shù)，達到改進系統(tǒng)運行狀態(tài)的目的。
?。?）引入專家系統(tǒng)指導加工
將熟練工人和專家的經驗，加工的一般規(guī)律和特殊規(guī)律存入系統(tǒng)中，以工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫為支撐，建立具有人工智能的專家系統(tǒng)。
?。?）引入故障診斷專家系統(tǒng)
?。?）智能化數(shù)字伺服驅動裝置
可以通過自動識別負載，而自動調整參數(shù)，使驅動系統(tǒng)獲得最佳的運行。
二、機床數(shù)控化改造的必要性
2.1、微觀看改造的必要性
從微觀上看，數(shù)控機床比傳統(tǒng)機床有以下突出的優(yōu)越性，而且這些優(yōu)越性均來自數(shù)控系統(tǒng)所包含的計算機的威力。
2.1.1 可以加工出傳統(tǒng)機床加工不出來的曲線、曲面等復雜的零件。
由于計算機有高超的運算能力，可以瞬時準確地計算出每個坐標軸瞬時應該運動的運動量，因此可以復合成復雜的曲線或曲面。
2.1.2 可以實現(xiàn)加工的自動化，而且是柔性自動化，從而效率可比傳統(tǒng)機床提高3～7倍。
由于計算機有記憶和存儲能力，可以將輸入的程序記住和存儲下來，然后按程序規(guī)定的順序自動去執(zhí)行，從而實現(xiàn)自動化。數(shù)控機床只要更換一個程序，就可實現(xiàn)另一工件加工的自動化，從而使單件和小批生產得以自動化，故被稱為實現(xiàn)了“柔性自動化”。
2.1.3 加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易，不再需要“修配”。
2.1.4 可實現(xiàn)多工序的集中，減少零件 在機床間的頻繁搬運。
2.1.5 擁有自動報警、自動監(jiān)控、自動補償?shù)榷喾N自律功能，因而可實現(xiàn)長時間無人看管加工。
2.1.6 由以上五條派生的好處。
如：降低了工人的勞動強度，節(jié)省了勞動力（一個人可以看管多臺機床），減少了工裝，縮短了新產品試制周期和生產周期，可對市場需求作出快速反應等等。
以上這些優(yōu)越性是前人想象不到的，是一個極為重大的突破。此外，機床數(shù)控化還是推行FMC（柔性制造單元）、FMS（柔性制造系統(tǒng)）以及CIMS（計算機集成制造系統(tǒng)）等企業(yè)信息化改造的基礎。數(shù)控技術已經成為制造業(yè)自動化的核心技術和基礎技術。
2.2、宏觀看改造的必要性
從宏觀上看，工業(yè)發(fā)達國家的軍、民機械工業(yè)，在70年代末、80年代初已開始大規(guī)模應用數(shù)控機床。其本質是，采用信息技術對傳統(tǒng)產業(yè)（包括軍、民機械工業(yè)）進行技術改造。除在制造過程中采用數(shù)控機床、FMC、FMS外，還包括在產品開發(fā)中推行CAD、CAE、CAM、虛擬制造以及在生產管理中推行MIS（管理信息系統(tǒng)）、CIMS等等。以及在其生產的產品中增加信息技術，包括人工智能等的含量。由于采用信息技術對國外軍、民機械工業(yè)進行深入改造（稱之為信息化），最終使得他們的產品在國際軍品和民品的市場上競爭力大為增強。而我們在信息技術改造傳統(tǒng)產業(yè)方面比發(fā)達國家約落后20年。如我國機床擁有量中，數(shù)控機床的比重（數(shù)控化率）到1995年只有1.9%，而日本在1994年已達20.8%，因此每年都有大量機電產品進口。這也就從宏觀上說明了機床數(shù)控化改造的必要性。
三、機床與生產線數(shù)控化改造的市場
(以下具體的發(fā)展趨勢)
數(shù)控機床的發(fā)展趨勢
一、數(shù)控系統(tǒng)體系結構向基于PC的全數(shù)字化開放體系結構方向發(fā)展
基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)已得到廣泛認可，具有強大的生命力?
從兩次機床展上可以看到，著名廠商的高檔數(shù)控系統(tǒng)都以基于PC的開放數(shù)控系統(tǒng)為主流。?
SINUMERIK?840Di?sl是基于PC的數(shù)控系統(tǒng)，其軟件系統(tǒng)[MMC(人機通信)軟件系統(tǒng)、NC(數(shù)字控制)軟件系統(tǒng)、PLC(可編程邏輯控制)軟件系統(tǒng)和通信及驅動接口軟件]中的MMC軟件系統(tǒng)采用Windows?NT或XP操作系統(tǒng)。機床制造商可以按照自己的特殊操作方式和理念，利用Windows技術改變人機界面(HMI)。其開放式系統(tǒng)理念的一個重要特點是，可以在數(shù)控核心部分，使用標準的開發(fā)工具對用戶指定的系統(tǒng)循環(huán)和功能宏進行調整。?
FANUC?16i/18i/21i/30i系列是具有網(wǎng)絡功能的超小型、超薄型高檔CNC系統(tǒng)，其硬件結構采用CNC內建PC型式，NC卡完成高實時性要求的數(shù)控運算和PLC控制功能，PC完成操作界面、編程、數(shù)據(jù)管理、網(wǎng)絡等相對弱實時性要求功能。操作系統(tǒng)采用Windows?2000/XP或Windows?CE。備有C語言執(zhí)行程序、嵌入式宏執(zhí)行程序等各類功能。CNC系統(tǒng)與主計算機的連接接口采用高速串行總線(HSSB)。FANUC?300i/310i/320i系列采用Windows?CE作為操作系統(tǒng)，并提供動態(tài)鏈接庫函數(shù)供用戶二次開發(fā)。
圖1 基于PC的iTNC 530系統(tǒng)
圖2 FANUC CNC單元與伺服單元和I/O的連接
圖3 Heidenhain以EnDae2.2協(xié)議連接編碼器和伺服
1. 高速化
隨著汽車、國防、航空、航天等工業(yè)的高速發(fā)展以及鋁合金等新材料的應用，對數(shù)控機床加工的高速化要求越來越高。
圖1 HRV4可獲取更高的轉速和更小的電流
圖4 HRV4更小的溫升
圖 5反向間隙加速功能
( 反向間隙加速功能?
由于存在反向間隙，在高速加工時會導致響應滯后，引起象限尖峰，并影響加工精度。采用反向間隙加速功能后將顯著改善象限尖峰，提高加工精度。?
圖9 MPC功能
?
MPC(Machining?Point?Control－加工點控制)?
采用MPC功能，可在加工點處抑止振顫，獲得更高的加工精度。)
a. 主軸轉速：機床采用電主軸(內裝式主軸電機)，主軸最高轉速達200000r/min；
b. 進給率：在分辨率為0.01μm時，最大進給率達到240m/min且可獲得復雜型面的精確加工；
c. 運算速度：微處理器的迅速發(fā)展為數(shù)控系統(tǒng)向高速、高精度方向發(fā)展提供了保障，開發(fā)出CPU已發(fā)展到32位以及64位的數(shù)控系統(tǒng)，頻率提高到幾百兆赫、上千兆赫。由于運算速度的極大提高，使得當分辨率為0.1μm、0.01μm時仍能獲得高達24～240m/min的進給速度；
d. 換刀速度：目前國外先進加工中心的刀具交換時間普遍已在1s左右，高的已達0.5s。德國Chiron公司將刀庫設計成籃子樣式，以主軸為軸心，刀具在圓周布置，其刀到刀的換刀時間僅0.9s。
2. 高精度化
數(shù)控機床精度的要求現(xiàn)在已經不局限于靜態(tài)的幾何精度，機床的運動精度、熱變形以及對振動的監(jiān)測和補償越來越獲得重視。
a. 提高CNC系統(tǒng)控制精度：采用高速插補技術，以微小程序段實現(xiàn)連續(xù)進給，使CNC控制單位精細化，并采用高分辨率位置檢測裝置，提高位置檢測精度(日本已開發(fā)裝有106脈沖/轉的內藏位置檢測器的交流伺服電機，其位置檢測精度可達到0.01μm/脈沖)，位置伺服系統(tǒng)采用前饋控制與非線性控制等方法；
b. 采用誤差補償技術：采用反向間隙補償、絲桿螺距誤差補償和刀具誤差補償?shù)燃夹g，對設備的熱變形誤差和空間誤差進行綜合補償。研究結果表明，綜合誤差補償技術的應用可將加工誤差減少60%～80%；
c. 采用網(wǎng)格解碼器檢查和提高加工中心的運動軌跡精度，并通過仿真預測機床的加工精度，以保證機床的定位精度和重復定位精度，使其性能長期穩(wěn)定，能夠在不同運行條件下完成多種加工任務，并保證零件的加工質量。
3. 功能復合化
復合機床的含義是指在一臺機床上實現(xiàn)或盡可能完成從毛坯至成品的多種要素加工。根據(jù)其結構特點可分為工藝復合型和工序復合型兩類。工藝復合型機床如鏜銑鉆復合——加工中心、車銑復合——車削中心、銑鏜鉆車復合——復合加工中心等；工序復合型機床如多面多軸聯(lián)動加工的復合機床和雙主軸車削中心等。采用復合機床進行加工，減少了工件裝卸、更換和調整刀具的輔助時間以及中間過程中產生的誤差，提高了零件加工精度，縮短了產品制造周期，提高了生產效率和制造商的市場反應能力，相對于傳統(tǒng)的工序分散的生產方法具有明顯的優(yōu)勢。 [Page]
加工過程的復合化也導致了機床向模塊化、多軸化發(fā)展。德國Index公司最新推出的車削加工中心是模塊化結構，該加工中心能夠完成車削、銑削、鉆削、滾齒、磨削、激光熱處理等多種工序，可完成復雜零件的全部加工。隨著現(xiàn)代機械加工要求的不斷提高，大量的多軸聯(lián)動數(shù)控機床越來越受到各大企業(yè)的歡迎。
在2005年中國國際機床展覽會(CIMT2005)上，國內外制造商展出了形式各異的多軸加工機床(包括雙主軸、雙刀架、9軸控制等)以及可實現(xiàn)4～5軸聯(lián)動的五軸高速門式加工中心、五軸聯(lián)動高速銑削中心等。
4. 控制智能化
隨著人工智能技術的發(fā)展，為了滿足制造業(yè)生產柔性化、制造自動化的發(fā)展需求，數(shù)控機床的智能化程度在不斷提高。具體體現(xiàn)在以下幾個方面：
a. 加工過程自適應控制技術：通過監(jiān)測加工過程中的切削力、主軸和進給電機的功率、電流、電壓等信息，利用傳統(tǒng)的或現(xiàn)代的算法進行識別，以辯識出刀具的受力、磨損、破損狀態(tài)及機床加工的穩(wěn)定性狀態(tài)，并根據(jù)這些狀態(tài)實時調整加工參數(shù)(主軸轉速、進給速度)和加工指令，使設備處于最佳運行狀態(tài)，以提高加工精度、降低加工表面粗糙度并提高設備運行的安全性；
b. 加工參數(shù)的智能優(yōu)化與選擇：將工藝專家或技師的經驗、零件加工的一般與特殊規(guī)律，用現(xiàn)代智能方法，構造基于專家系統(tǒng)或基于模型的“加工參數(shù)的智能優(yōu)化與選擇器”，利用它獲得優(yōu)化的加工參數(shù)，從而達到提高編程效率和加工工藝水平、縮短生產準備時間的目的；
c. 智能故障自診斷與自修復技術：根據(jù)已有的故障信息，應用現(xiàn)代智能方法實現(xiàn)故障的快速準確定位；
d. 智能故障回放和故障仿真技術：能夠完整記錄系統(tǒng)的各種信息，對數(shù)控機床發(fā)生的各種錯誤和事故進行回放和仿真，用以確定錯誤引起的原因，找出解決問題的辦法，積累生產經驗；
e. 智能化交流伺服驅動裝置：能自動識別負載，并自動調整參數(shù)的智能化伺服系統(tǒng)，包括智能主軸交流驅動裝置和智能化進給伺服裝置。這種驅動裝置能自動識別電機及負載的轉動慣量，并自動對控制系統(tǒng)參數(shù)進行優(yōu)化和調整，使驅動系統(tǒng)獲得最佳運行；
f. 智能4M數(shù)控系統(tǒng)：在制造過程中，加工、檢測一體化是實現(xiàn)快速制造、快速檢測和快速響應的有效途徑，將測量(Measurement)、建模(Modelling)、加工 (Manufacturing)、機器操作(Manipulator)四者(即4M)融合在一個系統(tǒng)中，實現(xiàn)信息共享，促進測量、建模、加工、裝夾、操作的一體化。
5. 體系開放化
a. 向未來技術開放：由于軟硬件接口都遵循公認的標準協(xié)議，只需少量的重新設計和調整，新一代的通用軟硬件資源就可能被現(xiàn)有系統(tǒng)所采納、吸收和兼容，這就意味著系統(tǒng)的開發(fā)費用將大大降低而系統(tǒng)性能與可靠性將不斷改善并處于長生命周期；
b. 向用戶特殊要求開放：更新產品、擴充功能、提供硬軟件產品的各種組合以滿足特殊應用要求；
c. 數(shù)控標準的建立：國際上正在研究和制定一種新的CNC系統(tǒng)標準ISO14649(STEP-NC)，以提供一種不依賴于具體系統(tǒng)的中性機制，能夠描述產品整個生命周期內的統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型，從而實現(xiàn)整個制造過程乃至各個工業(yè)領域產品信息的標準化。標準化的編程語言，既方便用戶使用，又降低了和操作效率直接有關的勞動消耗。
6. 驅動并聯(lián)化
并聯(lián)運動機床克服了傳統(tǒng)機床串聯(lián)機構移動部件質量大、系統(tǒng)剛度低、刀具只能沿固定導軌進給、作業(yè)自由度偏低、設備加工靈活性和機動性不夠等固有缺陷，在機床主軸(一般為動平臺)與機座(一般為靜平臺)之間采用多桿并聯(lián)聯(lián)接機構驅動，通過控制桿系中桿的長度使桿系支撐的平臺獲得相應自由度的運動，可實現(xiàn)多坐標聯(lián)動數(shù)控加工、裝配和測量多種功能，更能滿足復雜特種零件的加工，具有現(xiàn)代機器人的模塊化程度高、重量輕和速度快等優(yōu)點。
并聯(lián)機床作為一種新型的加工設備，已成為當前機床技術的一個重要研究方向，受到了國際機床行業(yè)的高度重視，被認為是“自發(fā)明數(shù)控技術以來在機床行業(yè)中最有意義的進步”和“21世紀新一代數(shù)控加工設備”。[Page]
7. 極端化(大型化和微型化)
國防、航空、航天事業(yè)的發(fā)展和能源等基礎產業(yè)裝備的大型化需要大型且性能良好的數(shù)控機床的支撐。而超精密加工技術和微納米技術是21世紀的戰(zhàn)略技術，需發(fā)展能適應微小型尺寸和微納米加工精度的新型制造工藝和裝備，所以微型機床包括微切削加工(車、銑、磨)機床、微電加工機床、微激光加工機床和微型壓力機等的需求量正在逐漸增大。
8. 信息交互網(wǎng)絡化
對于面臨激烈競爭的企業(yè)來說，使數(shù)控機床具有雙向、高速的聯(lián)網(wǎng)通訊功能，以保證信息流在車間各個部門間暢通無阻是非常重要的。既可以實現(xiàn)網(wǎng)絡資源共享，又能實現(xiàn)數(shù)控機床的遠程監(jiān)視、控制、培訓、教學、管理，還可實現(xiàn)數(shù)控裝備的數(shù)字化服務(數(shù)控機床故障的遠程診斷、維護等)。例如，日本Mazak公司推出新一代的加工中心配備了一個稱為信息塔(e-Tower)的外部設備，包括計算機、手機、機外和機內攝像頭等，能夠實現(xiàn)語音、圖形、視像和文本的通信故障報警顯示、在線幫助排除故障等功能，是獨立的、自主管理的制造單元。
圖 FANUC 16i/18i/21i/30i系列CNC的網(wǎng)絡接口
圖 FANUC CNC的網(wǎng)絡監(jiān)控、維護與管理
9. 新型功能部件
為了提高數(shù)控機床各方面的性能，具有高精度和高可靠性的新型功能部件的應用成為必然。具有代表性的新型功能部件包括：
a. 高頻電主軸：高頻電主軸是高頻電動機與主軸部件的集成，具有體積小、轉速高、可無級調速等一系列優(yōu)點，在各種新型數(shù)控機床中已經獲得廣泛的應用；
b. 直線電動機：近年來，直線電動機的應用日益廣泛，雖然其價格高于傳統(tǒng)的伺服系統(tǒng)，但由于負載變化擾動、熱變形補償、隔磁和防護等關鍵技術的應用，機械傳動結構得到簡化，機床的動態(tài)性能有了提高。如：西門子公司生產的1FN1系列三相交流永磁式同步直線電動機已開始廣泛應用于高速銑床、加工中心、磨床、并聯(lián)機床以及動態(tài)性能和運動精度要求高的機床等；德國EX-CELL-O公司的XHC臥式加工中心三向驅動均采用兩個直線電動機；
c. 電滾珠絲桿：電滾珠絲桿是伺服電動機與滾珠絲桿的集成，可以大大簡化數(shù)控機床的結構，具有傳動環(huán)節(jié)少、結構緊湊等一系列優(yōu)點。
10. 高可靠性
數(shù)控機床與傳統(tǒng)機床相比，增加了數(shù)控系統(tǒng)和相應的監(jiān)控裝置等，應用了大量的電氣、液壓和機電裝置，易于導致出現(xiàn)失效的概率增大；工業(yè)電網(wǎng)電壓的波動和干擾對數(shù)控機床的可靠性極為不利，而數(shù)控機床加工的零件型面較為復雜，加工周期長，要求平均無故障時間在2萬小時以上。為了保證數(shù)控機床有高的可靠性，就要精心設計系統(tǒng)、嚴格制造和明確可靠性目標以及通過維修分析故障模式并找出薄弱環(huán)節(jié)。國外數(shù)控系統(tǒng)平均無故障時間在7～10萬小時以上，國產數(shù)控系統(tǒng)平均無故障時間僅為10000小時左右，國外整機平均無故障工作時間達800小時以上，而國內最高只有300小時。
11. 加工過程綠色化
隨著日趨嚴格的環(huán)境與資源約束，制造加工的綠色化越來越重要，而中國的資源、環(huán)境問題尤為突出。因此，近年來不用或少用冷卻液、實現(xiàn)干切削、半干切削節(jié)能環(huán)保的機床不斷出現(xiàn)，并在不斷發(fā)展當中。在21世紀，綠色制造的大趨勢將使各種節(jié)能環(huán)保機床加速發(fā)展，占領更多的世界市場。
12. 多媒體技術的應用
多媒體技術集計算機、聲像和通信技術于一體，使計算機具有綜合處理聲音、文字、圖像和視頻信息的能力，因此也對用戶界面提出了圖形化的要求。合理的人性化的用戶界面極大地方便了非專業(yè)用戶的使用，人們可以通過窗口和菜單進行操作，便于藍圖編程和快速編程、三維彩色立體動態(tài)圖形顯示、圖形模擬、圖形動態(tài)跟蹤和仿真、不同方向的視圖和局部顯示比例縮放功能的實現(xiàn)。除此以外，在數(shù)控技術領域應用多媒體技術可以做到信息處理綜合化、智能化，應用于實時監(jiān)控系統(tǒng)和生產現(xiàn)場設備的故障診斷、生產過程參數(shù)監(jiān)測等，因此有著重大的應用價值。
3 我國數(shù)控機床發(fā)展現(xiàn)狀及思考
我國數(shù)控技術的發(fā)展起步于二十世紀五十年代，通過“六五”期間引進數(shù)控技術，“七五”期間組織消化吸收“科技攻關”，我國數(shù)控技術和數(shù)控產業(yè)取得了相當大的成績。特別是最近幾年，我國數(shù)控產業(yè)發(fā)展迅速，1998～2004年國產數(shù)控機床產量和消費量的年平均增長率分別為39.3%34.9%。盡管如此，進口機床的發(fā)展勢頭依然強勁，從2002年開始，中國連續(xù)三年成為世界機床消費第一大國、機床進口第一大國，2004年中國機床主機消費高達94.6億美元，但進出口逆差嚴重，國產機床市場占有率連年下降，1999年是33.6%，2003年僅占 27.7%。1999年機床進口額為8.78億美元(7624臺)，2003年達27.1億美元(23320臺)，相當于同年國內數(shù)控機床產值的2.7 倍。國內數(shù)控機床制造企業(yè)在中高檔與大型數(shù)控機床的研究開發(fā)方面與國外的差距更加明顯，70%以上的此類設備和絕大多數(shù)的功能部件均依賴進口。由此可以看出國產數(shù)控機床特別是中高檔數(shù)控機床仍然缺乏市場競爭力，究其原因主要在于國產數(shù)控機床的研究開發(fā)深度不夠、制造水平依然落后、服務意識與能力欠缺、數(shù)控系統(tǒng)生產應用推廣不力及數(shù)控人才缺乏等。 [Page]
我們應看清形勢，充分認識國產數(shù)控機床的不足，努力發(fā)展先進技術，加大技術創(chuàng)新與培訓服務力度，以縮短與發(fā)達國家之間的差距。
a. 不斷加強技術創(chuàng)新是提高國產數(shù)控機床水平的關鍵
國產數(shù)控機床缺乏核心技術，從高性能數(shù)控系統(tǒng)到關鍵功能部件基本都依賴進口，即使近幾年有些國內制造商艱難地創(chuàng)出了自己的品牌，但其產品的功能、性能的可靠性仍然與國外產品有一定差距。近幾年國產數(shù)控機床制造商通過技術引進、海內外并購重組以及國外采購等獲得了一些先進數(shù)控技術，但缺乏對機床結構與精度、可靠性、人性化設計等基礎性技術的研究，忽視了自主開發(fā)能力的培育，國產數(shù)控機床的技術水平、性能和質量與國外還有較大差距，同樣難以得到大多數(shù)用戶的認可。
b. 制造水平與管理手段依然落后
一些國產數(shù)控機床制造商不夠重視整體工藝與制造水平的提高，加工手段基本以普通機床與低效刀具為主，裝配調試完全靠手工，加工質量在生產進度的緊逼下不能得到穩(wěn)定與提高。另外很多國產數(shù)控機床制造商的生產管理依然沿用原始的手工臺賬管理方式，工藝水平和管理效率低下使得企業(yè)無法形成足夠生產規(guī)模。如國外機床制造商能做到每周裝調出產品，而國內的生產周期過長且很難控制。因此我們在引進技術的同時應注意加強自身工藝技術改造和管理水平的提升。
c. 服務水平與能力欠缺也是影響國產數(shù)控機床占有率的一個重要因素
由于數(shù)控機床產業(yè)發(fā)展迅速，一部分企業(yè)不顧長遠利益，對提高自身的綜合服務水平不夠重視，甚至對服務缺乏真正的理解，只注重推銷而不注重售前與售后服務。有些企業(yè)派出的人員對生產的數(shù)控機床缺乏足夠了解，不會使用或使用不好數(shù)控機床，更不能指導用戶使用好機床；有的對先進高效刀具缺乏基本了解，不能提供較好的工藝解決方案，用戶自然對制造商缺乏信心。制造商的服務應從研究用戶的加工產品、工藝、生產類型、質量要求入手，幫助用戶進行設備選型，推薦先進工藝與工輔具，配備專業(yè)的培訓人員和良好的培訓環(huán)境，幫助用戶發(fā)揮機床的最大效益、加工出高質量的最終產品，這樣才能逐步得到用戶的認同，提高國產數(shù)控機床的市場占有率。
d. 加大數(shù)控專業(yè)人才的培養(yǎng)力度
從我國數(shù)控機床的發(fā)展形式來看需要三種層次的數(shù)控技術人才：第一種是熟悉數(shù)控機床的操作及加工工藝、懂得簡單的機床維護、能夠進行手工或自動編程的車間技術操作人員；第二種是熟悉數(shù)控機床機械結構及數(shù)控系統(tǒng)軟硬件知識的中級人才，要掌握復雜模具的設計和制造知識，能夠熟練應用UG、PRO/E等CAD/CAM軟件，同時有扎實的專業(yè)理論知識、較高的英語水平并積累了大量的實踐經驗；第三種是精通數(shù)控機床結構設計以及數(shù)控系統(tǒng)電氣設計、能夠進行數(shù)控機床產品開發(fā)及技術創(chuàng)新的數(shù)控技術高級人才。我國應根據(jù)需要有目標的加大人才培養(yǎng)力度，為我國的數(shù)控機床產業(yè)提供強大的技術人才支撐。
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畢業(yè)設計說明書
課題名稱 渦輪數(shù)控工藝及加工
系 別 現(xiàn)代制造工程系
專 業(yè) 數(shù)控技術與應用
班 級 數(shù)控0571
姓 名
學 號 0505027124
指導教師 --------------------
目 錄
摘要 ------------------------------------------------------------2
一、設計課題分析 --------------------------------------------5
二、工藝規(guī)程分析設計 ----------------------------------------7
三、夾具設計 ---------------------------------------------------8
四 毛坯的選擇----------------------------------------------------10
五 工藝規(guī)程的設計---------------------------------------------16
六 填寫工藝過程卡和工序卡---------------------------------16
七、零件設計及加工步驟 -----------------------------------17
（一）零件的造型設計 ------------------------------------18
（二）零件的Mastercam后外理加工 ----------------------21
（三）零件宏程序編制 --------------------------------------25
八、仿具系統(tǒng)加工驗證 ---------------------------------------27
九、其它方面說明 --------------------------------------------29
參考文獻 -------------------------------------------------30
設計小結 -------------------------------------------------31
摘要：本課題設計的是漸開線渦輪數(shù)控工藝及加工,是葉片油泵的重要零件之一 ，我們要通過數(shù)控加工來實現(xiàn)加工要求。對于數(shù)控專業(yè)來說,本課題的畢業(yè)設計是具有很大意義的.根據(jù)漸開線渦輪零件圖制定加工工藝方案及數(shù)控加工工序卡，利用Pro/E繪制三維造型。本設計側重于數(shù)控加工工藝,數(shù)控編程及工裝設計。數(shù)控加工具有柔性程度高、自動化程度高、加工精度高且加工質量穩(wěn)定可靠、生產效率高、生產管理現(xiàn)代化等優(yōu)點。數(shù)控加工作為現(xiàn)代機械制造業(yè)的重要標志，隨著個性化產品日益為消費者鐘愛，數(shù)控加工技術顯得日益重要。隨著CAD/CAM軟件技術的進一步發(fā)展，幾乎所有的個性化產品設計都在CAD軟件中設計完成.并與CAM軟件結合使三維造型出來的產品可以直接生成ＮＣ代碼。這樣使產品開發(fā)到產品出貨的周期大大縮短，是現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢。
關鍵詞：三維造型 工藝 夾具設計 模擬
前言：
隨著我國制造業(yè)的發(fā)展，數(shù)控加工的需求也在增加，它總的發(fā)展趨勢是：高精化、高速化、高效化、柔性化、智能化和集成化，并注重工藝適用性和經濟性。而漸開線渦輪加工充分的適應了現(xiàn)代化生產的需要.
數(shù)控加工技術已廣泛應用于機械加工制造業(yè)中，如數(shù)控銑削、鏜削、車削、線切割、電火花加工等，其中數(shù)控銑削是復雜多變零件的主要加工方法。數(shù)控設備為精密復雜零件的加工提供了基本條件，但要達到預期的加工效果，編制高質量的數(shù)控程序是必不可少的，這是因為數(shù)控加工程序不僅包括零件的工藝過程，而且還包括刀具的形狀和尺寸、切削用量、走刀路徑等工藝信息。對于簡單的模具零件，通常采用手工編程的方法，對于復雜的模具零件，往往需要借助于CAM軟件編制加工程度，如Pro/E、UG、Master CAM等。無論是手工編程或計算機輔助編程，在編制加工程序時，選擇合理的工藝參數(shù)，是編制高質量加工程序的前提。在本課題所采用的加工軟件是Mastercam，該技術是近年來工程技術領域中發(fā)展最迅速，最引人注目的一項高級技術，它已成為工業(yè)生產現(xiàn)代化的重要標志。它對加速工程和產品的開發(fā)、縮短產品設計制造周期、提高產品質量、降低成本、增強企業(yè)市場競爭能力與創(chuàng)新能力發(fā)揮著重要作用。在畢業(yè)設計中我、Mastercam加工，充分的學習他們的優(yōu)點，用于漸開線渦輪的加工。
一、設計課題分析：
本課題是工業(yè)高壓變量葉片油泵的關鍵零件之一，葉片由X—Y平面的漸開線參數(shù)方程投影曲線與錐形回轉面合成，反面有橢圓槽、四個螺紋孔。零件圖結構很清晰，難點重點就是渦輪正面的加工。
以往這種零件的加工多半是通過靠模來完成，這種加工方法的缺點是工作量大，精度差。很難適應現(xiàn)在的社會發(fā)展，但現(xiàn)在有數(shù)控加工技術，減少了手工的步驟，既能保證精度，又能節(jié)省時間，更重要的是很大程度上緩解了勞動者工作量。
數(shù)控加工是根據(jù)零件的材料、幾何形狀編寫相應的工序工藝；設計相應的夾具；用軟件造型再獲得相應的加工程序；導入仿真軟件進行模擬加工；最后到數(shù)控機床進行加工。
數(shù)控加工有許多方法，這里指的是我們在做畢業(yè)設計時加工漸開線渦輪所需的步驟。而此次設計的漸開線渦輪正是油泵的一個重要零件。對其進行工藝工裝設計有著實際性的作用和意義。另外對于數(shù)控專業(yè)來說,本課題的設計可以讓我們能全面的運用所學知識，培養(yǎng)我們獨立思考的能力，培養(yǎng)我們搞工藝工裝設計的思維能力，培養(yǎng)我們今后發(fā)展的能力。
在這里需要指出的是，加工所需要的程序可以通過手工編程，自動編程等等一系列方法來實現(xiàn)，在對漸開線渦輪的加工中，我選擇自動編程來完成。
至于漸開線渦輪的應用，目前用于旋轉式流體機械比較多。用于泵也比較廣泛，泵是一種面廣量大的通用機械，應用于國民經濟的各個領域，如農田水利、石油化工、電力、建筑、環(huán)保、輕工食品等各行業(yè)，需要量很大。隨著產品技術水平的提高和節(jié)約能源的要求，泵的應用范圍正在迅速擴大。
二、工藝規(guī)程分析設計：
1、零件分析：
漸開線渦輪是按一定規(guī)律環(huán)繞在圓柱面上的等寬槽。該零件按中小批量生產，生產綱領為月產1000件。渦輪材料為不銹鋼。(1Gr18Ni9Ti)，具有良好的耐蝕性和冷塑性變形性能;鋼因塑性和韌性很高,切削性較差; 為此在切削過程中需使用水性切削冷卻液，以減少切削熱變形。
該零件的尺寸精度要求不是很高，但是在普通機床上是無法加工的，因此選用帶有數(shù)控回轉臺的立式數(shù)控銑床進行加工。漸開線渦輪正面上的每一個截面在高度上都是不相等的，一般選用立銑刀進行加工。漸開線渦輪加工前通常是一個實心的圓柱體，要經過車削、開槽、粗加工、精加工等工序。
2、工藝分析及安排：
（1）工序順序安排原則
（a）原則：先粗后精，先主后次，先面后孔，基面先行。
（b）機械加工工藝路線按工序的性質不同一般可分為粗加工，半精加工和精加工三個階段。表面質量要求特別高時，還應增加光整加工階段。
（c）零件的機械加工路線中，第一道工序往往都是加工精基準，然后使用精基準定位，進行后續(xù)加工，如軸類零件先鉆中心孔，箱體類零件先加工平面、定位銷孔等。
（2）工藝安排原則和方法
制定工藝規(guī)程定的原則是：在保證產品質量的前提下，最大限度的提高生產率和降低制造成本。
工件是工藝系的核心。各種加方法都是根據(jù)工件的被加表面類型、材料和技術要求等來確定的。
夾具是一種工藝裝備。它的作用一是保證工件相對于機床和刀具具有正確的位置，這一過程稱為“定位”；二是要保證工件在外力的作用下仍能保持 正確位置，這一過程稱為“夾緊”。
要保證工藝系統(tǒng)各環(huán)節(jié)之間正確的幾何位置，應保證工件在夾具中有正確的定位、夾具對機床具有正確的相互位置關系和夾具的正確調整。
由于所加工漸開線渦輪的材料為不銹鋼，外形尺寸且精度要求不高，我對該零件工件進行了以下的工藝安排：
下料（車出零件的外形尺寸82.2*31.8）——粗、精銑反面橢圓形槽——鉆、攻M8深8螺紋孔——粗、精銑渦輪正面——去毛刺——檢驗——入庫。
3、刀具材料的選擇：
刀具材料通常是指切削部分的材料。在切削過程中，刀具切削部分直接承擔切削工作。刀具切削性能的好壞對于切削加工效率、刀具壽命、刀具消耗、加工成本、加工精度和表面質量都有著密切的關系。
目前廣泛用的刀具材料有高速鋼和硬質合金。還有改善化學成分和組織的各種高效率、高性能刀具材料。如超硬高速鋼、碳化鈦基硬質合金、表面涂層硬質合金、立方氮化硼、陶瓷和人造金剛石等。
正確選用刀具材料是保證高效率加工不銹鋼的決定因素。根據(jù)不銹鋼的切削特點刀具材料應具備足夠的強度、韌性、高硬度和耐磨性且與不銹鋼的粘附性要小。常用的刀具材料有硬質合金和高速鋼兩大類，形狀復雜的刀具主要采用高速鋼材料。由于高速鋼切削不銹鋼的切削速度不能太高，因此影響生產效率的提高。對于較簡單的車刀類刀具，刀具材料應選項用強度高、導熱性好的硬質合金，因其硬度、耐磨性等性能優(yōu)于高速鋼。常用的硬質合金材料有：鎢鈷類 （YG3、YG6、YG8、），鎢鈷鈦類 （YT15、YT14、YT5）， 添加稀有金屬碳化物類（YW1、YW2）。鎢鈷類硬質合金的韌性和導熱性較好，不易和切屑粘結，因此適用于不銹鋼粗車加工；而YW類硬質合金的硬度、耐磨性、耐熱性和抗氧化性能以及韌性都較好，適合于不銹鋼的精車加工。
由于零件材料為不銹鋼（2Gr13），屬于難加工類零件，根據(jù)刀具的選擇原則，在車削是選用復合涂層車刀（FNUM150404-A3），銑削加工所用刀具如下所列：
φ4立銑刀、φ6立銑刀、φ6.8麻花鉆、M8的機用絲錐、中心鉆。
4、刀具幾何角度的選擇：
刀具切削部分的幾何角度，對于不銹鋼切削加工的生產率、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響，合理選擇和改進刀具幾何參數(shù)是保證加工質量、提高效率、降低成本的有效途徑。刀具前角γo的選擇：車削不銹鋼時，在不降低刀具強度的條件下，應把前角適當取大一些，在刀具前角大時其塑性變形小，切削力和切削熱降低，減輕加工感化趨勢，提高刀具耐用度，一般刀具前角宜取12°~20°左右。車刀后角αo的選擇車削不銹鋼時的車刀后角要比車削普通碳鋼時稍大一些，但后角過大又會降低刀刃強度，直接影響車刀的耐用度，因此，一般情況下車刀后角宜取6°~10°左右。車刀主偏角Kr的選擇：車削不銹鋼時的硬化傾向性強，易產生振動，振動又會使加工硬化嚴重。因此，主偏角一般宜取45°~90°左右。
5、切削用量的選擇：
正確地確定切削用量,對保證加工質量、提高生產率、獲得良好的經濟效益，都有著重要的意義。在確定切削用量時，應綜合考慮零件的生產綱領、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。
粗加工時，由于要求的加工精度較低、表面粗糙度較大，切削用量的確定應該盡可能保證較高的金屬切除北和必要的刀具耐用度，以達到較高的生產率。提高切削速度、增大進給量和切削深度，都能提高金屬切除率，但在這三個要素中，切削速度對刀具耐用度影響最大，其次是進給量，影響最小的是切削深度。所以在確定粗加工切削用量時，應優(yōu)先考慮采用大的切削深度，其次考慮采用較大的進給量，最后根據(jù)刀具的耐用度要求，確定合理的切削速度。具體數(shù)據(jù)的確定可參閱有關手冊。
半精加工、精加工時，確定切削用量首先要考慮的問題是保證加工精度和表面質量同時也要兼顧必要的刀具耐用度和生產率。半精加工、精加工時的切削深度一般根據(jù)粗加工后留下的加工余量來確定，而進給量主要根據(jù)表面粗糙度來確定。為了減少工藝系統(tǒng)的彈性變形和已加工表面的殘留面積高度，半精加工和精加工時一般多采用較小的切削深度和進給量。在切削深度和進給量確定之后，再確定合理的切削速度。
6、機床的選擇：
從工藝上分析：由于橢圓槽，漸開線螺旋槽形狀復雜普通銑床根本無法加工，所以選擇數(shù)控銑床XK5032。
XK5032數(shù)控銑床主要技術參數(shù)：
1、 機床外形尺寸（長X寬X高）
1830mm X 1880mm X 2050mm
2、 工作臺面積
320mm X 1200mm
3、 工作臺最大行程
X軸 750mm
Y軸 350mm
Z軸 400mm
4、工作臺T形槽
寬 17.46mm
間距 80mm
數(shù)量 2條
5、主軸轉速范圍
45~4500r/min
6、進給速度范圍
5~2500mm/min
7、快速移動速度
5000mm/min
8、定位精度
X軸 0.05mm
Y軸 0.04mm
Z軸 0.04mm
9、重復定位精度 0.025mm
三、夾具設計：
1.夾具設計方案分析:
對夾具主要有兩大要求：一是夾具應具有足夠的精度和剛度；二是夾具應有可靠的定位基準。選用夾具時，通?？紤]以下幾點：
（1）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。
（2）在成批生產時才考慮采用專用夾具，最好結構簡單可靠、制造容易。
（3）裝卸零件要迅速方便，以減少機床的停機時間。
（4）夾具在機床上安裝要準確可靠，以保證工件在正確的位置上加工。
由于該零件的漸開線螺旋槽和底面的橢圓槽有一定的位置要求，基本的三抓卡盤夾具不怎么理想。所以要重新設計一個專用夾具。
根據(jù)基準統(tǒng)一的原則,我采用設計基準來作為我們的定位基準,即采取一面二銷的形式進行定位.
夾緊方式的確定,我考慮了各種各樣的方案,都覺得不理想.最后我選用了在V形塊板上打螺紋孔采用螺紋桿旋轉夾緊的方法。.
2.夾具結構設計計算:
夾具機構既要可靠，又要和生產綱領相適應，這樣才能符合多，快、好、省的原則。大批生產中使用的夾具和中小批生產中使用的夾具，在結構上應有所區(qū)別。
在大批量生產中，既要解決工件的質量問題，又要解決工件的產量問題。因此，在設計夾具時，應采用高效、省力的夾具結構。例如：采用各中動力源（如氣動、液動、電動等）實現(xiàn)夾具夾緊，減輕勞動強度；采用聯(lián)動夾緊機構和多件夾緊機構，減少輔助時間；采用多工位分度裝置，使加工時間和輔助時間重合
大批生產中使用的夾具比較復雜，造價較高。為了便于設計的夾緊部件等，應廣泛采用各種形式的通用動力部件，如標準汽缸。標準油缸、各種增壓器、通用的夾緊部件等，組成專用夾具。這是目前夾具設計中的一種新趨向。
在中小批生產中，采用夾具的主要目的是保證加工質量和擴大機床的工藝性能，以及便于多品種生產等。因此，對夾具機構的主要，主要是精度和通用性，效率問題比較次要。所以應盡量采用各種形式的通用夾具、可調夾具和組合夾具等配以適當?shù)膶Ｓ酶郊?，以滿足生產要求。在設計專用夾具時，要充分采用部件及標準元件，以提高夾具的標準化程度。
夾具的結構簡圖如下:
3.夾具使用說明:
先用螺栓把壓板固定夾具體上,這壓板下面有方槽可以讓V形塊通過，再把螺桿放到壓板的槽里，最后把活動V形塊用螺桿旋進去通過方槽,這V形塊是由無軸向移動的螺桿并鎖緊（利用臺虎鉗原理）.再把整個夾具放到機床工作臺上,用夾具體上的U形槽對準機床的T形槽.用螺栓和壓板把夾具體固定在機床上. 當加工零件時,把零件放到夾具體上,用一面二銷的方法把零件固定在夾具上,.再通過旋轉螺紋桿調節(jié)V形滑塊移動。夾緊零件.夾緊力的大小通過手工來調節(jié)。當零件在機床上加工完成后,再通過旋轉螺紋桿使其與V形滑塊分開,再用手去輕輕松動滑塊,使零件能從夾具體上拿下來,在用同樣的方法加工下一個零件.
四 毛坯的選擇
一、該零件材料為40Cr,齒輪的內孔Φ195和外圓直徑Φ750.14,都是直徑比較大的圓,又由題目的生產綱領為3000件/年,由參考文獻表5.6(劃分生產類型的參考數(shù)據(jù))可知該零件批量生產為大批量生產,毛坯應選用鍛造。毛坯的鍛造方法用模鍛。
二、模鍛鍛件機械性能較好,有較高的強度和沖擊韌性,但是毛坯的形狀不宜復雜,如軸類和齒輪類零件的毛坯常用鍛造。
三、鍛造毛坯的工藝特點
參考文獻[1]表9-1,常用毛坯的制造方法與工藝特點：
精度等級(IT)
毛坯尺寸公差
/mm
表面粗糙度
Ra/um
生產率
其他
12-14
0.2-2
12.5
高
鍛件力學性能好,強度高
四、參考機械制造加工工藝手冊表1-26各主要加工表面的加工余量如下：
加工表面
基本尺寸
(mm)
加工余量
(mm)
說明
齒輪外圓
Φ750
4
車床加工
齒輪內孔
Φ195
4
車床加工
齒輪小端面
185
2
車床加工
齒輪大端面
142
3
車床加工
五、主要毛坯尺寸及公差：
主要面尺寸
零件尺寸
總余量
毛坯尺寸
齒坯外圓
Φ750
4
Φ754
齒坯內圓
Φ195
4
Φ191
齒坯小端面
185
4
189
齒坯大端面
142
3
145
五 工藝規(guī)程的設計
一、定位基準的選擇
在零件的加工過程中,合理的選擇定位基準對保證零件的尺寸精度和位置度有著決定性的作用。
1. 粗基準的選擇原則：
（1）盡量選擇不要求加工的表面作為粗基準.這樣可使加工表面與不加工表面之間的位置誤差量最小,同時還可以在一次裝夾中加工出更多的表面。
（2）若零件的所有表面都要加工,應選擇加工余量和公差最小的表面作為粗基準.這樣可保證作為粗基準的表面在加工時,余量均勻。
（3）選擇光潔 、平整、面積足夠大、裝夾穩(wěn)定的表面作為粗基準。
（4）粗基準一般只在第一到工序中用,以后應避免重復使用。
2．精基準的選擇原則:
① 基準重合的選擇原則。盡可能的用設計基準作為定位基準,這樣可避免因定位基準與設計基準不重合而引起的定位誤差,以保證加工表面與設計基準間的位置精度。
② 基準同一原則.一盡可能多的表面加工都用同一個定位基準,這樣有利于保證各加工面之間的位置精度。
③ 選擇面積大、精度較高、安裝穩(wěn)定的表面作為精基準,而且所選的基準使夾具結構簡單,裝夾和加工方便。
綜合上面的粗基準和精基準的選擇原則,為使基準同一和基準重合,齒輪加工時常選內孔和端面作為精基準加工外圓和齒輪,用作精基準的端面和內孔要在一次裝夾中加工出來以保證兩者之間的垂直度,但是在加工大型齒輪時可用外圓作找正基準,但此時應保證內孔與外圓同軸。所以加工本設計齒輪用齒輪外圓和端面作為粗基準,用內孔和端面作為精基準。
二、裝夾方法
在加工齒輪時在滾齒機上一般用心軸裝夾,滾齒心軸夾具見下圖:
三、加工工藝問題
(1)、基準修正
齒形表面淬火后,內孔會受到影響而變形:一般的孔直徑會縮小0.01-0.05mm,因此淬火后應安排精基準修正工序.修正的方法有推孔和磨孔,也可以用鏜孔。推孔是用推刀進行的,用壓力機將推刀強行從孔中間推過既可。此法生產率較高,一般不要留推孔余量。對精度要求較高的或是淬硬后的孔、直徑大而短的孔則應采用,磨孔工藝,磨孔必須留有磨削余量。
(2)、齒輪加工方案
保證齒輪精度是齒輪加工的主要工藝問題,輪齒的加工方案主要取決于加工精度和熱處理要求。
根據(jù)各個加工精度等級的加工方案如下:
① 8級以下精度的齒輪多采用:滾(插)齒→齒端加工→熱處理→修正內孔。因熱處理后的齒面不再加工,為彌補熱處理變形,熱處理前的齒形加工精度應比設計圖紙上的精度要求要提高一級。
② 6-7級精度的齒輪有兩個方案。剃-珩方案:滾(插) →齒端加工→剃齒→表面淬火→修正基準→珩齒。此方案生產率高、設備簡單、成本較低,一般用于6級精度或熱處理變形較大時。
③ 5級以上精度的齒輪采用的方案為粗滾(插)齒→精滾(插)齒→齒端加工→淬火→修正基準→粗磨齒→精磨齒。此方案精度最高,但成本高,生產率最低。
參考文獻<<金屬工藝學>>表2.3.2齒形加工方案,得出各方案所達到的齒面加工質量如下表:
加工方案
精度等級
齒面的表面粗糙度Ra/mm
適用范圍
成形法銑齒
9級以下
6.3～3.2
單件小批生產中加工直齒和螺旋齒輪及齒條
展
成
法
滾齒
8～7
3.2～1.6
各種批量生產中加工直齒、斜外嚙合圓柱輪和蝸輪
插齒
8～7
1.6
各種批量生產中加工內外圓柱齒輪、雙聯(lián)齒輪等
剃齒
7～6
0.8～0.4
大批量生產中滾齒或插齒后未經淬火的齒輪精加工
珩齒
7～6
1.6～0.4
大批量生產中高頻淬火硬齒形的精加工
磨齒
6～3
0.8～0.2
單件小批生產中淬硬或不淬硬的精加工
研齒
0.4～0.2
淬硬齒輪的齒形精加工,可有效地減小齒面的Ra 值
由設計圖紙給出的加工精度和熱處理要求確定齒輪的加工方案如下:
滾齒→熱處理→修正基準→剃齒
(3)、熱處理的安排
由設計圖紙上的技術要求,熱處理工序在工藝過程中的安排如下：
正火 調質 表面滲碳淬火及低溫回火
↓ ↓ ↓
毛坯 → 粗加工 → 半精加 → 精加工
①正火。大多數(shù)鍛件都要經過正火處理,一般安排在毛坯制造和粗加工之間,以改善金屬的機械切削性能。
②調質。調質可獲得良好是機械性能,調質后仍可用刀具進行加工,因而一般安排在粗精加工與半精加工之間,這樣有助于消除粗加工產生的內應力。
③滲碳。經滲碳后表層與心部含碳量相差明顯,表現(xiàn)出表面硬、耐磨和心部韌性和朔性好的特點。滲碳后的工件一般要經過淬火和低溫回火處理,使表面層有回火馬氏體結構和消除滲碳過程中形成的粗晶粒結構。
④淬火。這種方法是快速加熱使工件表層奧氏體化,不等心部組織發(fā)生變化,立即快速冷卻,表層起到淬火作用,其結果是表層獲得馬氏體組織,而心部仍然保持朔性,韌性均勻的組織,工件各部都能滿足使用要求。
⑤低溫回火。經過低溫回火的工件的硬度沒有發(fā)生大的變化(HRC60左右),但是應力減少了很多。
(4)、制定工藝路線
根據(jù)各表面加工要求和各種加工方法能達到的經濟精度，確定各表面的加工方法如下：
齒坯外圓：粗車－精車；
齒坯端面：由設計圖紙上的要求，齒坯的小端面的表面粗糙度要求是1.6，而大端面的表面要求較低，但是在加工齒輪的整個過程中都要用到端面作為精基準，所以端面的加工方法為：先粗車后精車，同時也可以保證尺寸21.5；
內孔：由于毛坯采用的是鍛造的，所以內孔先經過粗車，精車后再用鏜孔的方法加工以保證它的精度等級表面質量1.6和跳動精度控制在0.056；
齒行的加工：先滾齒，精度等級還不能達到，而且熱處理后內孔回縮小，所以要基準修配，然后在經過精加工用鏜孔的方法來保證齒形的精度等級。
綜合上面的分析，工藝路線確定如下：
序號
工 序 內 容
1
鍛造毛坯
2
熱處理－正火
3
粗車各外形
4
調質
5
精車各部分
6
滾齒
7
齒端加工－倒角
8
鉗工－去毛刺
9
熱處理－齒面滲碳淬火及低溫回火處理
10
鉗工－劃鍵槽加工線
11
插鍵槽
12
鉆通孔
13
攻絲
14
磨端面
15
鏜孔
16
剃齒
17
檢驗
（5）、選擇加工設備及刀具
由于生產類型為大批量生產，故加工設備宜以通用機床為主，輔以少量專用機床。其生產方式為以通用機床加工專用夾具為主，輔以少量專用機床的流水生產線。工件在各機床上的裝卸及各機床之間的傳送均由人工完成。
車床的選擇：
根據(jù)設計圖紙上的設計尺寸，最大外徑為Φ750.14加上加工余量，其直徑比較大．查＜＜機械加工工藝設計手冊＞＞一般的車床難以加工，由手冊表４-２立式車床，選擇立式車床Ｃ512-1A，其技術規(guī)格如下表：
技術指標
C512
垂直度刀架加工最大直徑
1250
倒刀架加工最大直徑
1120
工件最大高度
900
工件最大質量（Ｔ）
2
工作臺直徑
1030
工作臺轉速
7.5-150
刀架數(shù)量：水平
垂直
1
1
垂直刀架最大行程：水平
垂直
630
690
垂直刀架最大回轉角
40
滾齒機的選擇:
由參考文獻<<機械制造工藝設計手冊>>表4-25滾齒機,選擇Y31125型滾齒機,其技術規(guī)格如下:
技術規(guī)格
Y31125
加工齒輪最大直徑:
用外支架時
不用支架時
-
1250
加工斜齒輪最大直徑:
當旋轉角為30°時
當旋轉角為60°時
-
-
加工齒輪最大寬度:
550
加工齒輪最大模數(shù):
12
加工齒輪最大螺旋角:
-
滾刀最大直徑:
200
滾刀心軸最大直徑:
27、32、40
剃齒機的選擇:
由參考文獻<<機械制造工藝設計手冊>>選擇剃齒機Y42125,其技術要求如下表:
技術規(guī)格
Y42125
加工齒輪直徑:外嚙合
內嚙合
200-1250
600
加工齒輪模數(shù)
2-8
加工齒輪寬度
200
剃齒刀直徑
300
剃齒刀寬度
-
刀架最大回轉軸
20°
工件與剃齒刀的中心距
140-770
鏜床的選擇:
由參考文獻<<機械制造工藝設計手冊>>選擇鏜床T616,最大加工直徑為240mm。
(6)、加工工序設計
①、工序3粗車毛坯外圓與工序5精車外圓
查參考文獻<<金屬實習>>表9-5機械加工的工序余量,粗車的工序余量為1.5～4mm,取余量為2mm,精車的加工余量為0.2～2.5mm,取精加工精度Z=2,已經知道毛坯外圓的加工余量為4,故粗加工余量Z=4-2=2mm由參考文獻<<機械制造加工設計手冊>>立式車床的進給量f=1.5～2.0mm取f=2.0(mm/r),粗車走刀一次a=2.0mm.由設計手冊得粗車加工的公差等級為IT13～IT11,取IT11,T=0.4mm;精加工的公差等級為IT8～IT7,取IT=0.063;所以X=7540.2,精加工后的尺寸為752
校核加工余量Z:
Z=X-X
=(754-0.4)-752
=1.6<2
故余量足夠.
機床的校核:
粗車工序3:由參考文獻取粗車進給量為0.2m/r,粗車走刀一次a=2mm,由參考文獻<<機械制造工藝設計手冊>>取270r/mm,故切削速度為:V==3.14*
754*270/1000=206
查<<機械制造技術>>表2.1得
單位切削力P=1962N/mm
F=P*A=1962*0.3*2=1177.2
P==1172*206*10/60=4.02KW
由參考文獻得C512-1A的功率為28KW,取機床的效率為0.85則28*0.85=23.8>4.02
所以機床的功率滿足。
②、車端面
精車的加工余量為0.5～2.5,取Z=2mm,已經知道總的加工余量為4,故粗加工余量為Z=4-2=2mm,精加工端面以內孔外圓定位。
X=1420.12 故
X=1440.2
校核加工余量:
Z=143.8-142.12=1.68mm<2mm
故加工余量足夠。
③、鏜內孔
由設計手冊得精鏜的加工余量為0.5～1.32,由設計圖紙得鏜孔后的尺寸既為設計尺寸,Φ189H7()精車后的內孔尺寸為Φ195H8()
校核加工余量:
Z=195-194.903=0.097(mm)<1.32故加工余量足夠。
④、插鍵槽
由設計圖紙得,內孔直徑為Φ195H8(),鍵槽到孔底的尺寸為204.4-,建立尺寸鏈如圖,設鍵槽加工余量為A,
A=204.4為增量;
A=195
所以 A=204.4.4-195=9.4
上偏差: ES=0.3-0=+0.3
下偏差: EI=0-0.046=-0.046
所以加工工序尺寸A=9.4。
⑤、鉆孔、攻絲
由參考文獻<<機械設計課程設計>>手冊表9-7普通螺紋基本尺寸(摘自GB/T146-1981):
公稱直徑
螺距
中徑
小徑
16
1.5
15.026
14.376
查<<機械制造工藝設計手冊>>表5-8鑲硬金屬刀片鉆頭,選擇型號為:d=13～13.8 L=170 l=115 的鉆頭。
查<<機械制造工藝設計手冊>>表5-30公制細牙機用絲錐選擇如下:
d×t
L
l
d
M16×1.5
80
28
12.5
六 填寫機械加工工藝過程卡和機械加工工序卡
(機械加工工藝過程卡和工序卡見附圖)
四. 零件的設計及加工步驟:
(一)零件的造型設計:
該零件的造型采用Pro/E軟件. 該軟件包括三維實體造型.零件裝配.加工仿真.NC自動編程.有限元分析.模具設計.鈑金設計.電路布線.管路裝配設計等模塊. 主要特點是參數(shù)化特征造型,使用關系數(shù)據(jù)庫,即設計參數(shù)有一處修改,別的模塊中相應的圖形和數(shù)據(jù)都會自動更新.因此很適合本課題設計的零件造型。
1.曲線的生成: 該零件的參數(shù)方程為: X=2.5*(cos(t)+t*sin(t))
Y=2.5*(sin(t)-t*cos(t)) Z=18.874311-t*t/15.70795
不過根據(jù)該零件的實際形狀此曲線方程需要轉換. 轉換后的曲線方程為:
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
打開Pro/E2001軟件, 繪制該三維曲線. 點擊插入一個基準曲線——從方程——完成——選取坐標系——笛卡兒——輸入曲線方程——保存——確定，生成曲線如圖1所示：
2、進行可變截面掃描：單擊特征——創(chuàng)建——加材料——高級——可變截面掃描——完成——軸心方向——完成——選FRONT——（原始軌跡）選取軌跡（選曲線）——（軌跡）選取軌跡（選曲線）——完成——開放終點——原始點——確定。畫截面，結果生成如圖2所示：
3、通過用減切材料對所畫漸開線螺旋槽進行修整。再通過加減材料和螺旋掃描等方法繪制其余部分。結果生成完整的實體如圖3所示：
由于該軟件存在的缺陷，所以選擇Mastercam來進行后處理加工，這樣就需要該實體文件以igs形式保存
（二）、零件的Mastercam 后處理加工：
打開以igs保存的文件，根據(jù)工藝工序，刀具，零件材料等設置相關參數(shù)，選擇合理的曲面加工方式進行模擬加工。
這里需要指出的事：之所以沒有采用Pro/E軟件進行后處理，而大費周章的去選擇Mastercam軟件，不僅僅是因為Pro/E軟件本身的缺陷，更加重要的是Mastercam軟件模擬加工功能強大，并且后處理的程序，仿真系統(tǒng)能識別。
1.選擇刀具路徑-----工作設定來設置工作的外形尺寸.
2.通過刀具路徑-----曲面加工-----粗加工-----挖槽加工-----設置參數(shù)
3.通過操作管理中的實體驗證來進行模擬加工. 具體模擬驗證如下圖:
模擬結束后通過后處理把程序導出并保存.
漸開線螺旋槽的數(shù)控加工程序如下:
(三).零件宏程序編制:
漸開線渦輪數(shù)控加工程序分析
根據(jù)加工的難易程度，對漸開線螺旋槽我們所學的知識根本無法編程，再說我們也沒有必要去編寫那種程序，我們可以通過Mastercam軟件，后處理獲得，由于這部分程序是軟件自動生成，沒有可讀性，所以這里暫不作說明。我們選擇橢圓槽的程序進行相關說明。
1、加工方面
加工橢圓槽20*30 深度8mm
2. 編程
根據(jù)現(xiàn)有的程序指令，并沒有專門針對橢圓編程的指令，
而宏程序指令適合拋物線,橢圓,雙曲線等沒有插補指令的曲線編程，以選擇宏程序指令。
此外據(jù)我所知華中Ⅰ型數(shù)控系統(tǒng)為用戶配備了強有力的類似于高級語言的宏程序功能,用戶可以使用變量進行算術運算,邏輯運算和函數(shù)的混合運算,此外宏程序還提供了循環(huán)語句,分支語句和子程序調用語句,利于編制各種復雜的零件加工程序
采用宏指令編寫橢圓槽加工程序，根據(jù)所學的知識，橢圓的曲線方程為：(X×X)/(a×a)+(Y×Y)/(b×b)=1
令：X=a×COSt Y =b×Sint
由上圖得 a=30 b=20
3、程序及注釋
%0001
#0=3 (定義刀具半徑R值)
#1=15 (定義a值)
#2=10 (定義b值)
#3=0 (定義步距角α的初值,單位:度)
N1 G54 X0 Y0 Z10
N2 G00 X[#0+#1] Y[#0+#2]
N3 G01 Z-3 F200 (分三刀加工深度到8)
N4 G41 G01 X[#1]
N5 WHILE [#3 GE [-360]] D01
N6 G01 X[#1*COS[#3*PI/180]] Y[#2*SIN[#3*PI/180]]
N7 #3=#3-0.5
END1
G01 G91 Y[-#0]
G00 Z10
M30
八、數(shù)控仿真系統(tǒng)的驗證：
數(shù)控仿真系統(tǒng)主要驗證漸開線螺旋槽數(shù)控加工。
具體操作步驟如下；
1、選擇機床與控制系統(tǒng)
根據(jù)工藝和仿真軟件的局限性，機床選擇標準銑床，控制系統(tǒng)選擇華中數(shù)控。
2、機床回零，裝夾工件
數(shù)控機床，開機后 都要回零。在裝夾工件時注意定位，夾緊。
在界面中放開急停按鈕，然后分別對各軸進行回零設置，使回零指示燈亮
定義毛坯、選擇夾具、放置零件—單擊菜單→【零件】進行相關設置。
3、對刀和建立工件坐標系
X軸和Y軸的校對用基準工具來進行校對。Z軸才用刀具本身配合塞尺來對， 對刀中 分別把X、Y的坐標記下，進行相應的換算，我們把工件坐標系設立在零件上表面的中心。
4、程序的傳送和檢查
把Mastercam后處理出來的NC文件調進來，并進行檢驗
5、模擬仿真加工
其仿真結果如下圖：
6、項目保存
保存NC程序、控制箱、機床參數(shù)。
要注意的是在對零件的加工中，我們不可能只用一把刀加工，而這是數(shù)控銑床，沒有刀庫。也就要我們人工換刀時，并且Z軸要重新對刀。因為每一把刀的長度是不一樣的。
九其它方面說明
1、夾具設計方面：
根據(jù)所學的知識，查設計手冊等來設計夾具。但由于個人能力差異，考慮的不夠全面，存在著不經濟，不合理等。
就從定位方面來說：雖然定位有很多種，但這并不意味著他沒有缺點。我們知道為了達到加工零件的尺寸要求，必然要提高定位元件的尺寸精度，這對夾具的加工和設計都帶來了麻煩。甚至要有些時候要清楚的計算出定位誤差，以保證零件加工的合格尺寸。
2、仿真加工方面
數(shù)控模擬仿真是比較常見的一種對加零件工程序進行檢驗的軟件，但是它也存在缺陷，對工藝參數(shù)，如主軸轉速，表面粗糙度，刀具的吃刀深度等都無法驗證。我們知道如果在真實的數(shù)控加工中上面所提到的加工參數(shù)，對加工出來的零件質量的好壞是有直接影響的。
參 考 文 獻
1、程叔重 數(shù)控加工工藝 2003年8月 浙江大學出版社
2 張耀宸 機械加工工藝設計手冊 1987年12月 航空工業(yè)出版社
3 楊黎明 機床夾具設計手冊 1996年 國防工業(yè)出版社
4 胡家秀主編 簡明機械零件設計實用手冊 機械工業(yè)出版社 1999年10月
5 胡家秀《簡明機械零件設計實用手冊》北京：機械工業(yè)出版社 1999年10月
6、孫祖和 《Mastercam設計和制造范例解析》 北京：機械工業(yè)出版社2003年1月
7、梁國元 《Pro/E軟件教程》 人民郵電出版社 2005年
畢 業(yè) 設 計 小 結
轉眼間，為期8周的畢業(yè)設計也即將結束了，也意味著大學生活即將結束了。
此次畢業(yè)設計主要是設計“漸開線渦輪數(shù)控工藝及加工”，設計的內容比較綜合。它主要是利用我們所學的知識進行綜合利用，把這個零件加工起來，也是對我們在學校里學的知識的一種考驗，雖然這個零件看似簡單，但具體想下也有它的難點，所以要盡心盡力把它做到最好。
回想8周的畢業(yè)設計，感覺又學了不少知識，時間雖然不是很緊張，但是凡事都是相對的，太寬裕的時間會帶來思想上的懶惰，會無意之間形成一種惰性，總覺得反正時間還早呢，就放慢了設計的進度，到最終導致的結果可能就是設計思路不完善，設計任務完成的不徹底。
我們的畢業(yè)設計按照設計任務書上的進度來完成，由于前兩個星期只做開題報告，所以時間算是寬裕了，但我們在思想上并沒有重視，還整天在閑逛玩游戲，直到最后最后幾天才趕上開題報告。
從中我懂了一些道理，只要按照任務書上來，下周完什么，接著完成什么，反而覺得時間不怎么緊。我們不要想著馬上搞出來，而所需面對的是今天是什么任務，并且按時完成，這樣也比較有明確的思路。
本次畢業(yè)設計是在要求掌握三維造型、數(shù)控加工及工藝的基本知識的基礎上，借助Pro/E軟件進行三維造型采用Master CAM軟件進行加工，再導入仿真模擬加工，在這次的畢業(yè)設計過程中了解使用軟件完成造型設計和加工的整個過程，掌握對數(shù)控加工工藝及數(shù)控模擬加工，為將來從事數(shù)控工作打下基礎。
學校里也有多次課程設計，但現(xiàn)在自己獨立用起來卻發(fā)現(xiàn)是那么的空虛。針對這次設計還想不出比較好的方案去加工看似來很簡單的零件圖，估計是人人都能看懂，但加工卻不是怎么方便，主要的是漸開線螺旋槽和橢圓槽。還是照著任務書上來吧，先把零件三維造型造出來，按照進度完成。對于三維實體造型，，還是用比較熟悉的Pro/E來下畫，所謂的熟悉僅僅是因為我頭腦里還有它的存在。其實軟件這種東西不用真的會談忘，所謂真真的軟件高手都是自己玩出來的。在什么樣的環(huán)境下，受什么樣的約束，只有慢慢的研究才能繪制出你想要的東西，。我們學的都是最基本的，而這個零件的難點就是那條曲線，只要認真仔細的研究困難也就解決了。再拿起任務書來看看三維實體有了，再想怎么加工。PROE軟件本身是有后處理，的確可以用來加工。但是由于我們用的都是盜版，不支持后處理，或者就算后處理出來的NC程序數(shù)控仿真無法識別，所以Pro/E用igs 格式保存，保存好了后用Master CAM軟件能識別的文件形式保存。然后用它打開。對其進行加工設置、實體驗證，最后導出NC程序。
如今，畢業(yè)設計的內容也已經完成的差不多了。再回顧這8周，其實感想還是有很多的，以往也進行過多次課題設計，但是都沒有此次設計正式規(guī)范。由于是畢業(yè)設計，大家心里都多了幾分擔憂，因為關系著畢業(yè)，馬上就要告別大學生活了，進入完全陌生的另一個環(huán)境，還不知道以后應該以怎樣的態(tài)度面對，更不知道以后的生活會發(fā)生什么變化。畢業(yè)設計任務的完成，也就變相意味著大學生活的結束。接下來要工作了，一方面心里很期待，但是同時又很留戀大學的生活，說起來真的很矛盾。
最后一周的內容是設計答辯，不知道是公開答辯還是指導老師提問。但是無論是哪一種，我相信自己都會全力以付，因為此次設計花了我大量的精力和心血，絕對不可以輸在最后。由于想的不完善，水平有限，本次設計過程存在缺點和不足之處，希望老師能提出寶貴的意見和改進方法，不甚感激！最后感謝學校的老師能提供畢業(yè)后最后一次總和實踐的機會，為我們的畢業(yè)走向工作崗位打下良好的基礎！盡管這次設計的時間是漫長的,過程是曲折的,但還是在老師和同學的幫助下完成了任務。對我來說,收獲最大的是方法和能力.那些分析和解決問題的方法與能力。在整個過程中,我發(fā)現(xiàn)像我們這些學生最最缺少的是經驗,沒有感性的認識,空有理論知識,有些東西很可能與實際脫節(jié)。總體來說,我覺得做這種類型的設計對我們的幫助的確是很大的,它需要我們將學過的相關知識都系統(tǒng)地聯(lián)系起來,從中留露出自身的不足,以待改進。
現(xiàn)在整個畢業(yè)設計已經搞好了，我也馬上要告別學校走向社會了。在往后的人生中，我會像在做畢業(yè)設計時一樣，腳踏實地，一步一個腳印走過去的，給自己將來的人生留下光輝的一頁。
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