工业缝纫机机头结构和数控加工工艺的设计说明.docx

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工业缝纫机机头结构和数控加工工艺的设计说明

工业缝纫机机头结构及其数控加工工艺设计

吕波峰

（机械与汽车工程学院指导教师：

家新）

摘要：

工业缝纫机行业已经制订了线迹型式标准，实现各种线迹的工业缝纫机的基本机构类型经过长期使用比较成熟，机构类型趋于定型。

产品质量改善、品种发展、技术水平提高、更新换代则更多的表现在原有产品基础上持续不断的改进。

机电一体化技术的应用，为产品渐进性、连续性的变革、创新提供更大的空间，但也必须以原有产品为基础，增加自动化、集成化或系统化的功能。

要彻底改变目前工业缝纫机基本机构类型的可能性不大，即使像周期缝纫机那样用电子控制技术取代凸轮机构，那也只是控制方式的改变，达到简化机构的目的，并没有根本改变像钉扣机、锁眼机和套结机的基本功能结构类型。

本论文主要是主要对其中的一种缝纫机---套结机，对其机头的结构和加工工艺进行一系列的设计。

对缝纫机的机头材料的选择和加工刀具的型号，材质进行分析确认，用AutoCAD画出机型的加工面，并设计夹具的可靠性，可行性，最后设计好加工工艺，根据加工工艺选好坐标原点，用FANUC系统对其工艺进行数控编程。

最后将加工出来的机头，通过品检，组装，质检后，来确定加工的可行性。

关键词：

结构设计；加工工艺FANUC系统；数控编程

Abstract：

Theindustrysewingmachineprofessionhasalreadydrawnupthelinemarkpatternstandard，realizeseachkindoflinemarkindustrysewingmachinebasicorganizationtypetopassthroughthelong-termusequitetobemature,theorganizationtypetendstothestereotypia.Productqualityimprovement,thevarietydevelopment,thetechnicallevelenhance,therenewalthenmoreperformancecontinuetheunceasingimprovementintheoriginalproductfoundation.Integrationofmachinerytechnologyapplication,Fortheproductgradation,thecontinuoustransformation,theinnovationprovidesabiggerspace,butalsomusttaketheoriginalproductasthefoundation,theincreaseautomation,integratedorthesystematizedfunction.Mustcompletelychangethepresentindustrysewingmachinebasicorganizationtypethepossibilitynottobebig,eveniflikesthecyclicalsewingmachinesuchwiththeelectroniccontroltechnologysubstitutioncamgear,thatalsoisonlythecontrolmodechange,achievedthesimplificationorganizationthegoal,certainlynotradicallychangeslikesthenailcatchermachine,makeeyesmachineandthesetofknotmachinebasicfunctionstructuretype.Thepresentpapermainlyismainlytoonekindofsewingmachine---setofknotmachine,carriesonaseriesofdesignstoitsnosestructureandtheprocessingcraft.Andprocessesthecuttingtooltothesewingmachinenosematerialchoicethemodel,thematerialqualitycarriesontheanalysisconfirmation,drawsthetypewithAUTCADthemachinedsurface,anddesignsthejigthereliability,thefeasibility,finallydesignsthegoodprocessingcraft,accordingtoprocessesthecrafttochoosetheoriginofcoordinates,carriesonthenumericalcontrolprogrammingwiththeFUNICsystemtoitscraft.Finallywillprocessthenose,passingwillexamine,theassembly,afterthequalitytesting,willdeterminetheprocessingthefeasibility..

Keywords:

Structuraldesign；ProcessingcraftFANUCsystem；Numericalcontrolprogramming

第1章绪论

1.1工业缝纫机的背景和发展趋势

18世纪欧洲掀起工业革命的高潮，纺织业实现了机械化的大生产，随之也对缝制机械化提出了迫切的要求，各种缝制机械也应运而生。

英国、法国等国家在缝纫机早期的研究和开发方面投入了巨大的财力和物力。

由于受美国及周边国家的影响，英国WILLIANFREDERICTHOMAS公司于1854年开始系列化生产由美国发明家艾利斯豪发明的双线锁式线迹缝纫机，这也是英国第一台系列化生产的产品。

但真正被誉为第一台英国缝纫机却是1865年5月在《英国机械》杂志上公布的，1862年由GeorgeWhight设计的双线链式线迹缝纫机。

这台缝纫机配上了机架台板，已经接近现代家用缝纫机的式样。

另一家缝纫机制造商COMPANYSEWING公司在1870年开发了早期的自由臂锁式线迹缝纫机，被称为欧洲人，上面有11世纪名媛GODIVE作其商标。

1868年，格兰一家制造商KIMBALLMORTON用狮子作为外形，设计出新的狮子形踏板缝纫机，狮子头部的鬃毛后面的缝纫机部件在1902年取得了专利。

亚洲缝纫机产业起步要比欧美晚很多。

大致在20世纪初期，主要受欧美进口的影响，日本的缝纫机产业从商贸和维修起步，之后又引进了欧美的技术，开始拥有自己的缝纫机制造业，不断发展成为今天亚洲，乃至世界缝纫机生产大国。

日本缝纫机制造业起步于20世纪20年代。

当时，日本民用机械没有得到充分发展，也只能生产一些简易的缝纫机，如草帽机等，但是积累了大量的精密加工技术。

日本缝纫机技术真正的大发展还是在二次世界大战之后，日本国经济复兴和人民生活水平提高，对美国出口日本服装需求的增加使服装产业得以发展，一些军工企业改为生产民用品，如JUKI（重机）工业株式会社、松树缝纫机制造公司等，使缝纫机产业得到了快速发展。

在政府的资助下，日本开始生产廉价的家用缝纫机，销往世界各国，年产10万台左右。

到了五、六十年代，引进欧美先进技术，开始生产家用多功能缝纫机，之后又生产电子、电脑家用缝纫机，产量逐步上升，并逐渐确立了在国际上的领先地位。

第2章数控机床和加工中心的简介

2.1数控机床的概述

数控数字控制技术是近代发展起来的一种用数字量及字符发出指令并实现自动控制的技术。

采用数控技术的控制系统称为数控系统。

数控机床是综合应用了计算机技术、自动控制、精密测量和机床设计等技术而发展起来的，采用数字化信息对机床运动及其加工过程进行自动控制的自动化机床。

数控机床与普通机床想比，具有适应性强、效率高、加工质量稳定和精度高的优点，而且易实现多坐标联动，能加工出普通机床难以加工的曲线和曲面。

数控机床主要是由信息载体、数控装置、伺服系统、反馈系统和机床等组成，其框图如下：

图2.1

根据工艺用途分，数控机床可以分为三类：

（1）一般数控机床

（2）多坐标数控（3）加工中心机床.

2.2加工中心的概念和特点

加工中心是一种具备刀库并能按预定程序自动更换刀具，对工件进行多工序加工的高效数控机床。

加工中心的特点：

1.加工中心是在数控机床的基础上增加自动换刀装置，使工件在一次装夹后，可以自动的、连续的完成对工件表面的多工序加工，工序高度集中；

2.加工中心一般带有自动分度回转工作台或主轴箱可自动转角度，从而使工件一次装夹后，自动完成多个表面或多个角度位置的多个工序加工；

3.加工中心能自动改变机床主轴转速、进给量和刀具相对工作的运动轨迹及其他辅助功能；

4.加工中心如果带有交换工作台，工件在工件位置的工作太进行加工的同时，另外的工件在装卸位置的工作台进行装卸，不停止加工。

因此，加工中心可以大大减少工件装夹、调整和测量时间，使加工中心的切削时间利用率高于普通机床的3～4倍，大大提高了生产率；同时避免工件多次定位所产生的累积误差，提高了加工精度。

我们在制造和生产零件时，所用到的加工中心是MCH-500卧式加工中心和立式加工中心。

卧式刀盘可放60把不同的刀具，具有交换工作台；立式加工中心则有24把刀具可交换，具有一定的记忆功能。

MCH-500卧式加工中心

MCH-500立式加工中心

2.3FANUC系统的特点

1）系统在设计量采用模块化结构。

这种结构易于拆装，各个控制板高度集成，使可靠性提高而且便于维修、更换。

2）具有很强的抵抗恶劣环境影响的能力。

其工作环境温度为0～45摄氏度，相对湿度为75%。

3）有效完善的保护措施。

FANUC对自身的系统采用比较好的保护电路。

4）FANUC系统所配置的系统软件具有比较齐全的基本功能和选项功能。

对于一般的机床来说，基本功能完全满足使用要求。

5）提供大量丰富的PMC信号和PMC功能指令。

这些丰富的信号和编程指令便于用户编制机床侧PMC控制程序，而且增加了编程的灵活性。

6）具有很强的DMC功能。

系统提供串行RS232C传输接口，使通用计算机PC和机床之间的数据传输方便、可靠地进行，从而实现高速的DNC操作。

7）提供丰富的维修报警和诊断功能。

FANUC维修手册为用户提供了大量的报警信息，并且以不同的类别进行分类，

第3章结构的设计和刀具的选择

3.11850套结机机头的材质的选择

由于工业缝纫机在市场的竞争中，比较的激烈，而在样式和材料方面，每个设计者都在为自己公司的利益着想，由于，这些大型毛坯要在加工中心中来加工完成，而加工中心的自动换刀的刀盘上，放的大都是专用刀具，都是一笔很大的开支，因此，设计者就在材质的选择中，经过计算和调查，利用FC20做为毛坯材料。

FC20的化学成分是TC：

3.0～3.75Si:

2.0～3.5Mn：

0.3～1.25.

特点：

1）是翻沙方法改良成,经低周波电炉溶解後,进行连续挤锈,故而无泡,无沙孔.

2）任一段面硬度均一,抗拉强度优异.

3）表面至中心组织细腻,故耐磨及耐油压性佳.

4）由於大不份组织均为共晶石墨及肥料铁,故被切削性奇佳.

5）可做盐浴软氮化,及油.水吹火等热处理.

用途:

1）油.空压机耐磨.耐压零件.

2）纺织.印刷.农业.营造等机械零件

3）压锈用模.玻璃模.笔尖模.塑胶模等用钢.

4）齿轮.轴.轴承.油封.避震等零件. 

3.2绘制结构图（见附录）

3.3工件的定位

3.3.1定位的含义

工件在加工前必需使其相对于刀具和机床占有正确的加工位置，它包括工件在夹具中的定位，也包括夹具在机床上的安装以及夹具和整个工艺系统的调整等工作过程。

这里的工件定位是指在加工前使一批工件在夹具红占有一致的正确位置的过程。

3.3.2定位注意的问题：

1）正确处理工件定位与加工精度之间的关系，找到一个合适的正确位置；

2）选择和设计合理的定位方法及相应的定位装置；

3）保证有足够的定位精度。

3.4夹具的设计和加工

3.4.1夹具的设计

夹具的设计是为了保证工件在加工前相对于刀具和机床占有正确的加工位置，并且使在加工过程中，保持着稳定可靠的相对位置。

在给毛坯装夹时，是选用夹具装夹，这样可以保证原有工作台的相对位置不改变，便于以后新夹具的再次利用。

夹具装夹是根据被加工零件的某一工序的具体加工要求设计夹具，其上备有专用的定位和夹紧装置，零件可迅速而准确的装夹在夹具中。

采用夹具装夹工件，易于保证加工精度、缩短辅助时间、提高生产效率、减轻工人劳动强度。

3.4.2夹具的结构图（见附件）

3.4.3夹具的加工

由于夹具是组合夹具，首先是先选择两块模板，分别是400*500MM、300*500MM，开始利用手动编程，把程序输入立式加工中心，然后选用通用刀具来打点钻孔，因为在模板上，主要是钻几个孔，然后利用一些螺母，丝杆组合成一个夹具。

在A工程是三点定位，然后靠压板来压紧，在B工程主要是利用两个销来定位，主要是定位面存在段差，有利于控制销的定位强度，最后用两个压板进行压紧。

3.5刀具的选择

3.5.1刀具的类型

刀具的种类很多，但大多数为标准刀具，由专业厂按国家标准设计与制造，用户主要是正确选择、合理使用。

而专用刀具一般根据加工工件的形状、尺寸、技术要求进行专门的设计与制造。

在加工中心加工的刀具类型主要是孔加工刀具和铣刀。

3.5.1.1孔加工刀

孔加工刀具包括在实体材料上加工孔的刀具（中心钻、麻花钻、深孔钻等）和对已有孔进行再加工的刀具（扩孔钻、铰刀等）。

1）中心钻：

用来加工各种工件的中心孔。

（见图3.1）

图3.1

2）麻花钻高速钢标准麻花钻是孔加工刀具中用的最广泛的刀具，加工的孔径围在0.1～80mm孔径30mm以下的最常用。

 （见图3.2）

图3.2

3）深孔钻在钻削孔深L与孔径D之比大于10时，需要在钻用设备或孔加工机床上用深孔钻进行加工，有时对于10≤L/D≤20的情况，也可用接长麻花钻来完成。

4）扩孔钻主要用于对已有孔进行扩大等，并提高其质量。

一般能达到IT10～11级精度，Ra6.3～3.0的粗糙度。

直径10～32mm的扩孔钻常用整体式切削部分材料有以高速钢制造，也有镶焊硬质合金的。

（见图3.3）

图3.3

5）铰刀他是用于对孔进行半精加工或精加工。

加工精度可达IT6～8级粗糙度可达Ra1.6～0.4。

它可以分为手动铰刀和机用铰刀。

手动铰刀分为整体式和可调整式；机用铰刀分为带柄的和套式的。

3.5.1.2铣刀

铣刀是一种多齿多刃回转刀具。

按铣刀的齿背形式可将铣刀分为尖齿铣刀和铲齿铣刀两大类。

1）尖齿铣刀

尖齿铣刀的齿背是经铣制而成，铣刀用钝后刀面，它主要用整体高速钢制造，也可以镶焊硬质合金刀片或高速钢刀片。

2）圆柱铣刀

圆柱铣刀主要用于在卧式加工中心上加工平面。

它多制成螺旋形刀齿，以提高切削工作的平稳性。

圆柱铣刀仅在圆柱面上有一切削刃，没有副切削刃，因此圆柱铣刀加工工件的宽度应小于铣刀的轴向尺寸。

3）端铣刀

它主要用于在立式加工中心上加工平面。

端铣刀的轴线垂直于被加工平面。

4）盘形铣刀

它包括用于加工浅槽的槽铣刀，它的刀齿分布在圆柱面上，两侧面无切削刃；用于加工台阶面的两刃铣刀，它除了圆柱表面有刀齿外，在某一侧面也有刀齿。

5）立铣刀

用于加工平面台阶、槽和互相垂直的平面。

立铣刀圆柱面上的切削刃是主切削刃，端刃是副切削刃。

3.5.2刀具的材料

具材料是决定刀具切削性能的根本因素，对于加工效率、加工质量、加工成本以及刀具耐用度影响很大。

使用碳工具钢作为刀具材料时，切削速度只有10m人nln左右；20世纪初出现了高速钢刀具材料，切削速度提高到每分钟几十米；30年代出现了硬质合金，切削速度提高到每分钟一百多米至几百米；当前瓷刀具和超硬材料刀具的出现，使切削速度提高到每分钟一千米以上G被加工材料的发展也大推动了刀具材料的发展。

3.5.2.1 刀具材料应具备的性能 

1）高硬度和高耐磨性 

刀具材料的硬度必须高于被加工材料的硬度才能切下金属，这是刀具材料必备的基本要求，现有刀具材料硬度都在60HRC以上。

刀具材料越硬，其耐磨性越好，但由于切削条件较复杂，材料的耐磨性还决定于它的化学成分和金相组织的稳定性。

2）足够的强度与冲击韧性 

强度是指抵抗切削力的作用而不致于刀刃崩碎与刀杆折断所应具备的性能。

一般用抗弯强度来表示。

冲击韧性是指刀具材料在间断切削或有冲击的工作条件下保证不崩刃的能力，一般地，硬度越高，冲击韧性越低，材料越脆。

硬度和韧性是一对矛盾，也是刀具材料所应克服的一个关键。

3）高耐热性 

耐热性又称红硬性，是衡量刀具材料性能的主要指标。

它综合反映了刀具材料在高温下保持硬度、耐磨性、强度、抗氧化、抗粘结和抗扩散的能力。

4）良好的工艺性和经济性

为了便于制造，刀具材料应有良好的工艺性，如锻造、热处理及磨削加工性能。

当然在制造和选用时应综合考虑经济性。

当前超硬材料及涂层刀具材料费用都较贵，但其使用寿命很长，在成批大量生产中，分摊到每个零件中的费用反而有所降低。

因此在选用时一定要综合考虑。

3.5.2.2常用刀具材料

常用刀具材料有工具钢、高速钢、硬质合金、瓷和超硬刀具材料，目前用得最多的为高速钢和硬质合金。

表6—2为常用刀具材料的牌号、性能及用途。

1）高速钢

高速钢是一种加人了较多的钨、铬、钒、相等合金元素的高合金工具钢，有良好的综合性能。

其强度和韧性是现有刀具材料中最高的。

高速钢的制造工艺简单，容易刃磨成锋利的切削刃；锻造、热处理变形小，目前在复杂的刀具，如麻花钻、丝锥、拉刀、齿轮刀具和成形刀具制造中，仍占有主要地位。

高速钢可分为普通高速钢和高性能高速钢。

普通高速钢，如W1J8c24v广泛用于制造各种复杂刀具。

其切削速度一般不太高，切削普通钢料时为40—60m／min。

高性能高速钢，如W12Cr4V4Mo是在普通高速钢中再增加一些含碳量、含钒量及添加钴、铝等元素冶炼而成的。

它的耐用度为普通高速钢的1．5—3倍。

粉末冶金高速钢是70年代投入市场的一种高速钢，其强度与韧性分别提高30％一40％和80％一90％．耐用度可提高2—3倍。

目前我国尚处于试验研究阶段，生产和使用尚少。

2）硬质合金

按GB2075—87（参照采用190标准）可分为P、M、K三类，P类硬质合金主要用于加工长切屑的黑色金属，用蓝色作标志；M类主要用于加工黑色金属和有色金属，用黄色作标志，又称通用硬质合金，K类主要用于加工短切屑的黑色金属、有色金属和非金属材料，用红色作标志。

P、M、K（后面的阿拉伯数字表示其性能和加工时承受载荷的情况或加工条件。

数字愈小，硬度愈高，韧性愈差。

P类相当于我国原钨钛钻类，主要成分为WC十TiC十Co，代号为YT。

K类相当于我国原钨钻类，主要成分为WC十Co，代号为YG。

M类相当于我国原钨钛钽钴类通用合金，主要成分为WC+TiC+TaC（NbC）十Co，代号为YW。

3.5.3刀具的选择与切削量的确定

一．刀具的选择

刀具的选择是数控加工工艺中重要容之一，它不仅影响机床的加工效率，而且直接影响加工质量。

与传统的加工方法相比，数控加工对刀具的要求更高。

不仅要求精度高、刚度好、耐用度高，而且要求尺寸稳定、安装调整方便。

这就要求采用新型优质材料制造数控加工刀具，并优选刀具参数。

机电专业技术网

选取刀具时，要使刀具的尺寸与被加工工件的表面尺寸和形状相适应。

生产中，平面零件周边轮廓的加工，常采用立铣刀。

铣削平面时，应选用硬质合金刀片铣刀；加工凸轮、凹槽时，选高速钢立铣刀；加工毛坯表面或粗加工孔时，可选镶硬质合金的玉米铣刀。

对一些立体型面和变斜角轮廓外形的加工，常采用球头铣刀、环形铣刀、鼓形刀、锥形刀和盘形刀，如图3.1所示。

 a）        b）       c）        d）           e）

 图3.1常用铣刀

       a）球铣刀   b）环形刀   c）鼓形刀   d）锥形刀  e）盘形刀

曲面加工常采用球头铣刀，但加工曲面较平坦部位时，刀具以球头顶端刃切削，切削条件较差，因而应采用环形刀。

在单件或小批量生产中，为了取代多坐标联动机床，常采用鼓形刀或锥形刀来加工飞机上的一些变斜角零件，如图2-20所示。

加镶齿盘铣刀，适用于在五坐标联动的数控机床上加工一些球面，其效率比用球头铣刀高近十倍，并可获得好的加工精度。

二．切削用量的确定

切削用量包括主轴转速（切削速度）、背吃刀量、进给量。

对于不同的加工方法，需要选择不同的切削用量，并编入程序单。

合理选择切削用量的原则是，粗加工时，一般以提高生产率为主，但也应考虑经济性和加工成本；半精加工和精加工时，应在保证加工质量的前提下，兼顾切削效率、经济性和加工成本。

具体数值应根据机床说明书、切削手册，并结合经验而定。

1）切削深度ap（㎜） 

主要根据机床、夹具、刀具和工件的刚度来决定。

在刚度允许的情况下，应以最少的进给次数切除加工余量，最好一次切净余量，以便提高生产率。

在数控机床上，精加工余量可小于普通机床，一般取（0.2～0.5）㎜机电专业技术网

2）主轴转速n（r/min）

主要根据允许的切削速度νc（m/min）选取。

式中，νc——切削速度，由刀具的耐用度决定；

D——工件或刀具直径（㎜）。

主轴转速n要根据计算值在机床说明书中选取标准值，并填入程序单中。

3）进给量（进给速度）f（mm/min或mm/r）

进给量是数控机床切削用量中的重要参数，主要根据零件的加工精度和表面粗糙度要求以及刀具、工件的材料性质选取。

当加工精度，表面粗糙度要求高时，进给量数值应选小些，一般在20～50mm/min围选取。

最大进给量则受机床刚度和进给系统的性能限制，并与脉冲当量有关。

第4章数控加工工艺的设计和编程

4.1数控加工工艺的设计

数控机床的加工工艺与通用机床的加工工艺有许多相同之处，但在数控机床上加工零件比通用机床加工零件的工艺规程要复杂得多。

在数控加工前，要将机床的运动过程、零件的工艺过程、刀具的形状、切削用量和走刀路线等都编入程序，这就要求程序设计人员具有多方面的知识基础。

合格的程序员首先是一个合格的工艺人员，否则就无法做到全面周到地考虑零件加工的全过程，以及正确、合理地编制零件的加工程序。

4.1.1数控加工工艺设计主要容

在进行数控加工工艺设计时，一般应进行以下几方面的工作：

数控加工工艺容的选择；数控加工工艺性分析；数控加工工艺路线的设计。

4.1.2数控加工工艺容的选择

对于一个零件来说，并非全部加工工艺过程都适合在数控机床上完成,而往往只是其中的一部分工艺容适合数控加工。

这就需要对零件图样进行