数控加工毕业设计叶轮轴零件造型及数控加工工艺设计Word文档下载推荐.docx

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3.2装夹方案的确定11

3.3机床及工艺装备的选择13

3.3.1机床的选择13

3.3.2夹具的选择13

3.4确定工艺路线14

3.4.1工序的划分14

3.4.2工步的划分15

3.4.3加工阶段的划分16

3.4.4加工顺序的安排17

3.5进给路线的确定19

3.6刀具材料的选择19

3.7切削用量的选择22

3.7.1切削深度ap的确定22

3.7.2主轴转速的确定23

3.8走刀路线的选择26

3.8.1轴外轮廓部分走刀路线27

3.8.2轴内轮廓部分走刀路线27

3.8.3叶片部分走刀路线27

3.9冷却的选择28

3.10加工工艺文件制定28

4叶轮轴造型及叶片的自动编程34

4.1叶轮轴造型34

4.1叶轮轴轴套外观造型34

4.1.2叶片部分造型36

4.1.3叶轮轴的内部造型38

4.2叶片编程40

4.2.1设备选择41

4.2.2工件装夹定位41

4.2.3刀具选择41

4.2.4叶片加工方案42

4.2.5自动编程42

5程序编写44

6结论49

参考文献50

致谢51

1绪论

数控加工技术是先进制造技术的基础与核心，数控机床是工厂自动化的基础，数控加工技术的普及将使现代制造技术产生巨大的变革，数控化比重更是一个国家制造业现代化水平的重要标志。

数控加工技术的发展直接影响到国民经济制造技术水平的提高，本次毕业设计是为了让我们更清楚地理解怎样确定四轴联动零件的造型及数控加工工艺分析，为我们即将走上工作岗位的毕业生打基础。

随着科学技术水平的提高，数控机床将随着工业的发展而快速发展成为机械加工行业不可缺少的重要组成部分，数控机床是一种高精度的自动化设备，是综合应用计算机、自动控制、自动检测及精密机械等高新技术的产物，数控技术在现代制造业的应用已经越来越广泛。

随着数控机床的广泛应用与现代企业对零件加工精度要求的提高，对数控技术人才的需求量也越来越大。

数控技术的广泛应用给传统的制造业带来了深刻的变化。

也给传统的机械，专业人才带来新的机遇和挑战。

随着我国综合国力的进一步加强和加入世贸组织。

我国经济全面与国际接轨，并逐步成为全球制造中心，我国企业广泛应用现代化数控技术参与国际竞争。

数控技术是制造实现自动化，集成化的基础，是提高产品质量，提高劳动生产率不缺可少的手段。

作为一名数控专业的学生，对数控技术知识的运用将是一项重要的技能。

1.1课题研究背景

数控加工技术一直以来都作为一个国家机械制造业水平衡量的标志之一。

近几年来，作为机械加工领域的关键技术，四轴、五轴等多轴联动数控加工技术的研发和应用得到了科研院所、高校和企业的极大关注。

国内已有部分公司开发了四轴和五轴联动加工中心，华中数控、广州数控和沈阳飞扬等数家公司也开发了自己的五轴数控系统，因此复杂零件的加工技术由于五轴联动数控加工中心的应用得到了突破的可能。

国外在此已经有了成熟的技术应用体系，而国内尚处于发展阶段，应用方面的缺陷已经成为提高复杂关键零件的一个重要问题，直接影响复杂零件的发展。

本课题针对叶轮轴复杂零件曲面的若干关键技术（几何建模技术、编程技术、加工技术）进行研究。

基于四轴联动数控加工复杂形状零件在制造加工过程中的各个关键要素得到了研究。

旨在研究叶轮轴复杂零件曲面的制造技术在四轴联动数控加工中的应用，为推广多轴数控加工技术的研究和应用提供技术的支持。

本课题来源于10年全国数控技能竞赛题目风力驱动器。

技能竞赛也是今后教育厅要求学生技能和能力培养的一个重要的方向，增强学生制定零件机械加工工艺规程和分析工艺问题上的能力。

同时也增加我们对于解决工艺问题和加工技术难点的能力也大大的提升。

我们选择风力驱动器—叶轮轴工艺分析和编程加工的毕业设计课题，主要是通过风力驱动器—叶轮轴的设计与加工，培养自己在制定零件加工工艺过程和分析工艺问题的能力。

1.2课题在当今国内外的现状

叶轮轴零件是典型的多轴联动数控机床加工，叶轮轴叶片的加工和曲面的质量则直接影响它的工作效果，进而直接影响整个工作过程。

由于叶片的型面是复杂的空间曲面，所以一直是叶片加工中的难点，高性能CAM软件的出现，使这种复杂型面的加工变得相对容易。

多轴数控加工是四轴以上的数控加工，其中具有代表性的是五轴数控加工。

多轴数控加工能同时控制四个以上坐标轴的联动，将数控铣、数控镗、数控钻等功能组合在一起，工件在一次装夹后，可以对加工面进行铣、镗、钻等多工序加工，有效地避免了由于多次安装造成的定位误差，能缩短生产周期，提高加工精度。

随着模具制造技术的迅速发展，对加工中心的加工能力和加工效率提出了更高的要求，因此多轴数控加工技术得到了空前的发展。

对刀具和工件的相对位置来说，多轴数控加工中心可以设置六个轴，即作直线运动的X、Y、Z轴，还有控制工作台倾斜角度的A、B轴和控制主轴回转角度的C轴。

使用回转刀具时，由Z轴控制回转的主轴作直线运动，就成为五轴控制；

只有使用非回转刀具时可作六轴控制。

通常为了提高加工效率而使用回转刀具，但有时因受到回转刀具的限制，存在不可能加工的部位和形状，因此，现在不仅可以使用回转刀具，还可以使用非回转刀具，控制其回转角度，对任何形状的模具零件都能加工。

1.2.1多轴数控加工技术的现状

（1）国外多轴数控加工技术的现状。

国外多轴数控加工技术的现状。

国外多轴数控加工技术研究比较早，德国、西班牙、瑞士、日本、意大利等国家以及我国的台湾地区已经形成了自己在国际上的知名品牌，如德国DMG、瑞士米克朗、台湾匠泽、西班牙PANTERA等等。

德国DMG五轴联动立式加工中心共有十四种机型，采用直线电机驱动技术、主轴摆动和回转工作台摆动，可以胜任从五面加工到五轴联动加工的各种工作，优质高效。

数控回转摆动工作台可在围绕工件重心旋转工件的同时允许进行最大摆角达18°

的底部切削，经过一次装夹即可完成工件的加工。

西班牙PANTERA动梁式龙门加工中心。

采用高架床身及移动梁高强度、高刚性的结构。

高速精密电主轴结合了五轴联动加工方面的丰富经验和技术决窍，动态加工特性和精度表现良好。

钢质床身内部特别设计的筋架结构保证了高速切削的稳定性，并根据需求可选择双移动梁式结构。

可以根据加工需求，配备各种铣头和配置，适用于航空航天结构件和大型模具的高精密加工。

台湾匠泽U系列五轴联动高速龙门加工中心。

具有高速、龙门架结构、五轴联动的特点，主要有U25、U40、series三个规格，U其中Useries最高主轴转速达20000转/min，带A轴和C轴两个辅助轴，A轴旋转角度为-95°

至+110°

，C轴旋转角度为270°

。

意大利ARES系列桥式高速五轴轻切削龙门加工中心采用高刚性桥式结构，龙门电气双驱、高动态特性，模块化设计，高功率高转速，适合于任何非金属材料的三维轮廓型面的高速、高精度五轴加工。

该机床产品的标准规格系列化、多样性配置，使该机床适用于航空航天、汽车模具模型制造、造船等行业。

国内多轴数控加工技术的现状。

（2）国内多轴数控加工技术的发展趋势。

（一）高速、高效率。

现代加工工业高效率、低成本、高质量的要求使得欧美日等囤热衷于高速甚至超高速机床的研究。

随着机床技术的发展趋势，高速机床主要功能部件高速电主轴单元、高速进给机构、高性能数控以及伺服系统都得到了突破，高速机床应用范围越来越广，目前直流电机驱动的主轴转速达15000～100000r／rain，进给运动部件快速移动速度60—120m／rai切削进给速度60m／min．最高加速度10g。

（二）高可靠性。

五轴联动数控机床加工表面比较复杂，一般要求其平均时间在20000h以上，且有多种报警和防护措施，减少由于故障造成的损国外驱动装置平均无故障时间可以达到30000h。

（三）高精度。

随着CAM系统的发展，机床加工精度得到了大幅度的提升，日本FANUC公司设计的一款超精密加工机床加工精度0.001xm，其特有的往复运动单元，能够超精密微细加工凹槽。

（四）复合化。

与以往单纯追求高速主轴和进给机构不同，当今市场对于个性化的要求日益强烈，交货日期也在不断缩短，因此五轴加工中心更趋向于小规模，甚至单件生产。

为了满足这一要求，机床厂商需要开发出复合程度更高的复合机床。

（五）智能化、网络化、柔性化。

智能化包含在机床控制的各个方面，主要有自适应控制技术、故障诊断装置，智能化数字伺服驱动装置等。

网络诊断、远程控制，网络设计等技术的兴起使五轴联动数控机床向网络化发展。

（六）绿色化。

干切削或半干切削技术已经得到了较快的发展，在欧洲已经有大概10％～15％的加工采用了干切削或半干切削技术。

VTM11000七轴六联动螺旋桨加工机床，采用国际先进的三维立体造型、CAD优化设计、有限元分析等设计制造技术，使机床获得最佳动静态刚度，具有合理的设计结构、可靠的精度稳定性及精度保持性，设计先进、操作简单、维修方便，保证VTM11000七轴六联动螺旋桨机床成为高精度、高可靠性、高效率的数字化高科技产品。

本机床适用于航天、航空、船舶等行业中的一些形状复杂、精度要求高异型螺旋桨类零件的加工，集铣、车、钻、镗、攻丝等功能于一体的高柔性机床，可铣削加工螺旋桨叶片的叶面、叶缘和桨毂的外圆及叶根；

车削加工桨毂的上下平面和止口及内锥孔，对于螺旋桨根部或五叶以上叶面重叠部位可进行七轴六联动加工。

1.2.2多轴数控加工的类型

加工中心一般分为立式加工中心和卧式加工中心。

三轴立式加工中心最有效的加工面仅为工件的顶面，卧式加工中心借助回转工作台，也只能完成工件的四面加工。

多轴数控加工中心具有高效率、高精度的特点，工件在一次装夹后能完成五个面的加工。

如果配置五轴联动的高档数控系统，还可以对复杂的空间曲面进行高精度加工，非常适于加工汽车零部件、飞机结构件等工件的成型模具。

根据回转轴形式，多轴数控加工中心可分为两种设置方式：

工作台回转轴。

工作台回转轴。

工作台可以环绕X轴回转，定义为A轴，A轴的一般工作范围是0°

至359°

工作台的中间还设有一个回转台，环绕Z轴回转，定义为C轴，C轴都是360°

回转。

通过A轴与C轴的组合，固定在工作台上的工件除了底面之外，其余的五个面都可以由立式主轴刀具进行加工。

A轴和C轴的最小分度值一般为0.001°

，这样又可以把工件细分成任意角度，加工出倾斜面、倾斜孔等。

A轴和C轴如果与X、Y、Z3轴实现联动，就可加工出复杂的空间曲面。

这种设置方式的多轴数控加工机床的优点是：

主轴结构比较简单，主轴刚性非常好，制造成本比较低。

但一般工作台不能设计太大，承重也较小，特别是当A轴回转角度≥90°

时，工件切削时会对工作台带来很大的承载力矩，立式主轴头回转。

立式主轴头回转。

主轴前端是一个回转头，能自行环绕Z轴360°

，成为C轴，回转头上还带有可环绕X轴旋转的A轴，一般可达±

90°

以上。

主轴加工非常灵活，工作台也可以设计得非常大。

在使用球面铣刀加工曲面时，当刀具中心线垂直于加工面时，由于球面铣刀的顶点线速度为零，顶点切出的工件表面质量会很差，而采用主轴回转的设计，令主轴相对工件转过一个角度，使球面铣刀避开顶点切削，保证有一定的线速度，可提高表面加工质量，这是工作台回转式加工中心难以做到的。

1.3课题研究的内容和目的

人们早已认识到多轴数控加工技术的优越性和重要性，但到目前为止，多轴数控加工技术的应用仍然局限于少数资金雄厚的部门，并且仍然存在尚未解决的难题。

多轴数控加工由于干涉和刀具在加工空间的位置控制，其数控编程、数控系统和机床结构远比三轴机床复杂得多。

目前，多轴数控加工技术存在以下几个问题：

（1）多轴数控编程抽象、操作困难。

多轴数控编程抽象、操作困难。

这是每一个传统数控编程人员都深感头疼的问题。

三轴机床只有直线坐标轴，而五轴数控机床结构形式多样；

同一段NC代码可以在不同的三轴数控机床上获得同样的加工效果，但某一种五轴机床的NC代码却不能适用于所有类型的五轴机床。

数控编程除了直线运动之外，还要协调旋转运动的相关计算，如旋转角度行程检验、非线性误差校核、刀具旋转运动计算等，处理的信息量很大，数控编程极其抽象。

多轴数控加工的操作和编程技能密切相关，如果用户为机床增添了特殊功能，则编程和操作会更复杂。

只有反复实践，编程及操作人员才能掌握必备的知识和技能。

经验丰富的编程与操作人员的缺乏，是多轴数控加工技术普及的一大阻力。

（2）刀具半径补偿困难。

在五轴联动NC程序中，刀具长度补偿功能仍然有效，而刀具半径补偿却失效了。

以圆柱铣刀进行接触成形铣削时，需要对不同直径的刀具编制不同的程序。

目前流行的CNC系统尚无法完成刀具半径补偿，因为ISO文件中没有提供足够的数据对刀具位置进行重新计算。

用户在进行数控加工时需要频繁换刀或调整刀具的确切尺寸，按照正常的处理程序，刀具轨迹应送回CAM系统重新进行计算，从而导致整个加工过程效率不高。

对这个问题的最终解决方案，有赖于新一代CNC控制系统，该系统能够识别通用格式的工件模型文件（如STEP等）或CAD系统文件。

购置机床需要大量投资。

（3）购置机床需要大量投资。

多轴数控加工机床和三轴数控加工机床之间的价格悬殊很大。

多轴数控加工除了机床本身的投资之外，还必须对CAD/CAM系统软件和后置处理器进行升级，使之适应多轴数控加工的要求，以及对校验程序进行升级，使之能够对整个机床进行仿真处理。

2零件图的工艺设计分析

2.1叶轮轴加工图样分析

图2-1加工图样

风力驱动器由叶轮轴、轴套、凸轮轴、底座、台阶销等多个零件构成。

其中叶轮轴最为复杂，见图2-1，需要车、铣复合加工，而叶片部分又是加工难度最大的，解决叶片部分的加工就成了最关键的问题。

图2-2叶轮轴

2.2零件图的工艺分析

2.2.1读图与审图

1）件图的工艺性分析

（1）分析零件图是否完整正确

（2）零件的技术要求分析

（3）尺寸标注应符合数控加工的特点

（4）定位基准应可靠

2）零件结构工艺性分析

（1）尽量工序集中，以充分发挥数控机床的特长，提高精度和效率

（2）采用标准刀具、减少刀具规格种类

（3）减少机床调整，缩短辅助时间

（4）利于减少编程工作量

（5）利于减少加工劳动量

（6）利于保证定位刚度和刀具刚度，以提高加工精度

综上所述：

零件在满足使用要求的前提下，制造的可行性和经济性。

它包括零件各个制造过程中的工艺性，如零件的铸造、锻造、冲压、焊接、热处理和切削加工工艺性等。

好的工艺性会使零件加工容易，节省工时，降低消耗。

2.2.2零件图尺寸的标注

图2-3零件标注结构图

对数控加工来说，零件图上应以同一基准或直接给出坐标尺寸。

这种尺寸标注法不仅便于编程，也便于尺寸之间的相互协调，在保持设计基准、工艺基准、测量基准与保持原点设置的一致性方面带来很大方便。

由于零件设计人员在标注尺寸时，一般总是较多的考虑装配、使用等方面的因素，因而常采用局部分散的尺寸标注方法，这给数控工序的安排与加工带来诸多不便。

由于数控加工精度与重复定位精度都很高，不会产生较大的积累误差而破坏使用特性，因而可将局部尺寸分散标注法改为以同一基准引注尺寸或直接给出坐标尺寸的标注法。

对于该零件，所有标注如图2-3所示。

2.2.3表面质量与精度的分析

该零件要求表面粗糙度以及星形轮廓为Ra1.6,其余都为Ra3.2,要求都很高，粗糙度不容易保证，而且公差要求较高，需要很高的配合度，所以这就是加工该零件的难度。

并且该零件内孔的粗糙的都为Ra1.6，所以表面质量的要求是很高的。

根据以上分析可知：

该零件的结构比较复杂，而且加工精度和表面质量要求很高，不容易完成加工。

2.3毛坯的选择

零件的毛坯种类主要分为型材，锻件，铸件和焊接，冲压等半成品件，不同的毛坯种类的适应范围也不一样，下面列举几种常用的毛坯种类进行比较，如表2-4所列。

表2-1毛坯材料的比较

型材

尺寸大，精度低

多用作一般零件的毛坯

锻件

多用于强度高，形状简单的零件

铸件

多用于形状复杂的毛坯

根据表2-1的比较和分析，不同的毛坯材料具有不同的特性，在选择时，我们该注重实际的用途，不能盲目选择。

根据零件材料、性能的要求选择零件的材料为铝（LYZ12--A），留4—5mm的余量，并根据情况尽量使各个表面上的余量均匀，毛坯为Ф90x120mm。

3加工准备及工艺文件的编制

3.1定位基准的选择

各工序定位基准的选择，应先根据工件定位要求来确定定位基准的个数，再按基准选择原则来选定每个定位基准。

为使所选的定位的定位基准能保证整个机械加工工艺过程顺利进行，通常应先考虑如何选择精基准来加工各个表面，让后考虑如何选择粗基准把作为精基准的表面先加工出来。

3.1.1粗基准的选择

选择粗基准时，考虑的重点是如何保证各加工表面有足够的余量，使不加工表面与加工表面间的尺寸、位子符合图纸要求。

粗基准选择应当满足以下要求：

（1）粗基准的选择应以加工表面为粗基准。

目的是为了保证加工面与不加工面的相互位置关系精度。

如果工件上表面上有好几个不需加工的表面，则应选择其中与加工表面的相互位置精度要求较高的表面作为粗基准。

以求壁厚均匀、外形对称、少装夹等。

（2）选择加工余量要求均匀的重要表面作为粗基准。

例如：

机床床身导轨面是其余量要求均匀的重要表面。

因而在加工时选择导轨面作为粗基准，加工床身的底面，再以底面作为精基准加工导轨面。

这样就能保证均匀地去掉较少的余量，使表层保留而细致的组织，以增加耐磨性。

（3）应选择加工余量最小的表面作为粗基准。

这样可以保证该面有足够的加工余量。

（4）应尽可能选择平整、光洁、面积足够大的表面作为粗基准，以保证定位准确夹紧可靠。

有浇口、冒口、飞边、毛刺的表面不宜选作粗基准，必要时需经初加工。

（5）粗基准应避免重复使用，因为粗基准的表面大多数是粗糙不规则的。

多次使用难以保证表面间的位置精度。

3.1.2精基准选择

选择精基准时，应从整个工艺过程来考虑如何保证工件的尺寸精度和位置精度，并使装夹方便可靠。

（1）基准重合原则。

即尽可能选择设计基准作为定位基准称为基准重合。

这样可以避免定位基准与设计基准不重合而引起的基准不重合误差，保证加工精度，应遵循基准重合原则。

（2）基准统一原则。

在工件的加工过程中应尽可能选用统一的定位基准称为基准统一原则。

采用基准统一原则有利于保证各表面间的位置精度，避免基准转换所带来的误差，并且各工序所采用的夹具比较统一，从而可减少夹具设计和制造工作。

轴类零件常用顶针孔作为定位基准。

车削、磨削都以顶针孔定位，这样不但在一次装夹中能加工大多书表面，而且保证了各外圆表面的同轴度及端面与轴心线的垂直度。

（3）互为基准的原则。

选择精基准时，有时两个被加工面，可以互为基准反复加工。

（4）自为基准原则。

有些精加工或光整加工工序要求余量小而均匀，可以选择加工表面本身为基准。

磨削机床导轨面时，是以导轨面找正定位的。

此外，像拉孔在无心磨床上磨外圆等，都是自为基准的例子。

（5）可靠、方便原则。

应选择定位可靠、装夹方便的表面作基准。

精基准应该是精度较高、表面粗糙度较小、支撑面积较大的表面。

并考虑工件装夹和加工方便、夹具设计简单等。

3.2装夹方案的确定

（1）工件的定位

工件定位，就是要使工件在夹具中占据某个确定的正确加工位置。

①六点定位原理

工件在空间有六个自由度，即沿X、Y、Z三个坐标方向的移动自由度和绕X、Y、Z三个移动轴的旋转自由度A、B、C，如图3-1所示。

要确定工件在空间的位置，需要按一定的要求安排六个支撑点也就是通常所说的定位元件，以限制加工工件的自由度，这就是工件定位的“六点定位原理”。

需要指出的是，工件形状不同，定位表面不同，定位点的布置情况也各不相同。

图3-1工件在空间的六个自由度

②限制自由度与工件加工要求的关系

根据工件加工表面的不同加工要求，有些自由度对加工要求有影响，有些自由度对加工要求无影响，对加工要求有影响的自由度必须限制，而不影响加工要求的自由度不必限制。

③工件安装的基本原则

在数控机床上工件安装的原则与普通机床相同，也要合理地选择定位基准和夹紧方案。

为了提高数控机床的效率，在确定定位基准与夹紧方案时应注意以下几点：

a）力求设计基准、工艺基准与编程计算基准的统一。

b）尽量减少装夹次数，尽可能在一次定位和装夹后就能加工出全部待加工表面。

c）避免采用占机调整式方案，以充分发挥数控机床的效能。

（2）工件的夹紧

金属切削加工过程中，为保证工件定位时确定的正确位置，防止工件在切削力、离心力、惯性力或重力等作用下产生位移和振动，必须将工件夹紧。

这种保证加工精度和安全生产的装置称为夹紧装置。

夹具应具有足够的精度和刚度还有可靠的定位基准，应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，该零件形状规则，圆柱面较光整，位置精度要求不高、小批量生产，所以以Ф60、Ф58的外圆作为定位，所以用三爪卡盘从圆柱面进行夹紧。

三爪卡盘如图3-2所示。

图3-2三爪卡盘

3.3机床及工艺装备的选择

3.3.1机床的选择

选择机床应该充分利用现有设备并完全发挥现有潜力，该零件既有回转表面又有圆周均匀分布的曲面。

结合我院现有机床的实际情况，采用卧式车床的CK-6132A机床加工叶轮轴的轴柄部分，选用4轴立式加工中心加工叶片部分。

其中，4轴立式加工中心机床的主要参数见表3-1。

表3-14轴立式加工中心机床主要参数表

工作台面尺寸（长×

宽）

405×

1307（mm）

主轴锥孔/刀柄形式

24ISO40/BT40（MAS403）

工作台最大纵向行程

650（mm）

主配控制系统

FANUC0iMate-MC

工作台最大横向行程

450（mm）

换刀时间

6.5（s）

主轴箱垂向行程

500（mm）

主