【正文】 .......................................................................... 錯誤 !未定義書簽。 1 1 緒論 數(shù)控加工技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)的基礎(chǔ)與核心，數(shù)控機(jī)床 是工廠自動化的基礎(chǔ)，數(shù)控加工技術(shù)的普及將使現(xiàn)代制造技術(shù)產(chǎn)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(biāo)志。 數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展直接影響到國民經(jīng)濟(jì)制造技術(shù)水平的提高，本次畢業(yè)設(shè)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(chǔ)。隨著科學(xué)技術(shù)水平的提高，數(shù)控機(jī)床將隨著工業(yè)的發(fā)展而快速發(fā)展成為機(jī)械加工行業(yè)不可缺少的重要組成部分，數(shù)控機(jī)床是一種高精度的自動化設(shè)備，是綜合應(yīng)用計算機(jī)、自動控制、自動檢測及精密機(jī)械等高新技術(shù)的產(chǎn)物，數(shù)控技術(shù)在現(xiàn)代制造 業(yè)的應(yīng)用已經(jīng)越來越廣泛。隨著數(shù)控機(jī)床的廣泛應(yīng)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(shù)人才的需求量也越來越大。 數(shù)控技術(shù)的廣泛應(yīng)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(jī)械，專業(yè)人才帶來新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。隨著我國綜合國力的進(jìn)一步加強(qiáng)和加入世貿(mào)組織。我國經(jīng)濟(jì)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(yīng)用現(xiàn)代化數(shù)控技術(shù)參與國際競爭。數(shù)控技術(shù)是制造實現(xiàn)自動化，集成化的基礎(chǔ)，是提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高勞動生產(chǎn)率不缺可少的手段。作為一名數(shù)控專業(yè)的學(xué)生，對數(shù)控技術(shù)知識的運(yùn)用將是一項重要的技能。 課題 研究背景 數(shù)控加工技術(shù)一直以來都作為一個國家機(jī)械制造業(yè)水平衡量的標(biāo)志之一。近幾年來，作為機(jī)械加工領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，四軸、五軸等多軸聯(lián)動數(shù)控加工技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用得到了科研院所、高校和企業(yè)的極大關(guān)注。國內(nèi)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(yáng)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(fù)雜零件的加工技術(shù)由于五軸聯(lián)動數(shù)控加工中心的應(yīng)用得到了突破的可能。國外在此已經(jīng)有了成熟的技術(shù)應(yīng)用體系，而國內(nèi)尚處于發(fā)展階段，應(yīng)用方面的缺陷已經(jīng)成為提高復(fù)雜關(guān)鍵零件的一個重要問題，直接影響復(fù)雜零件的發(fā)展。 本課題針對葉輪軸復(fù)雜零件曲面的若干關(guān)鍵技術(shù)（幾何建模技術(shù)、編程技術(shù)、加工技術(shù)）進(jìn)行研究?；谒妮S聯(lián)動數(shù)控加工復(fù)雜形狀零件在制 2 造加工過程中的各個關(guān)鍵要素得到了研究。旨在研究葉輪軸復(fù)雜零件曲面的制造技術(shù)在四軸聯(lián)動數(shù)控加工中的應(yīng)用，為推廣多軸數(shù)控加工技術(shù)的研究和應(yīng)用提供技術(shù)的支持。 本課題來源于 10 年全國數(shù)控技能競賽題目風(fēng)力驅(qū)動器。技能競賽也是今后教育廳要求學(xué)生技能和能力培養(yǎng)的一個重要的方向，增強(qiáng)學(xué)生制定零件機(jī)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(shù)難點的能力也大大的提升。我 們選擇風(fēng)力驅(qū)動器 — 葉輪軸工藝分析和編程加工的畢業(yè)設(shè)計課題，主要是通過風(fēng)力驅(qū)動器 — 葉輪軸的設(shè)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。 課題在當(dāng)今國內(nèi)外的現(xiàn)狀 葉輪軸零件是典型的多軸 聯(lián)動數(shù)控機(jī)床 加工，葉輪軸葉片的加工和曲面的質(zhì)量則直接影響它的工作效果，進(jìn)而直接影響整個工作過程。由于葉片的型面是復(fù)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(fù)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(biāo)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(jìn)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(chǎn)周期，提高加工精度。隨著模具制造技術(shù)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(shù)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(shè)置 六 個軸，即作直線運(yùn)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(zhuǎn)角度的 C 軸。使用回轉(zhuǎn)刀具時，由 Z 軸控制回轉(zhuǎn)的主軸作直線運(yùn)動，就成為 五 軸 控制；只有使用非回轉(zhuǎn)刀具時可作 六 軸控制。通常為了提高加工效率而使用回轉(zhuǎn)刀具，但有時因受到回轉(zhuǎn)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(zhuǎn)刀具，還可以使用非回轉(zhuǎn)刀具，控制其回轉(zhuǎn)角度，對任何形狀的模具零件都能加工。 多軸數(shù)控加工技術(shù)的現(xiàn)狀 （ 1）國外多軸數(shù)控加工技術(shù)的現(xiàn)狀。國外多軸數(shù)控加工技術(shù)的現(xiàn)狀。國外多軸數(shù)控加工技術(shù)研究比較早，德國、西班牙、瑞士、日本、意大利等國家以及 3 我國的臺灣地區(qū)已經(jīng)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(jī)型，采用直線電機(jī)驅(qū)動技術(shù)、主軸 擺動和回轉(zhuǎn)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(zhì)高效。數(shù)控回轉(zhuǎn)擺動工作臺可在圍繞工件重心旋轉(zhuǎn)工件的同時允許進(jìn)行最大擺角達(dá) 18176。的底部切削，經(jīng)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(qiáng)度、高剛性的結(jié)構(gòu)。高速精密電主軸結(jié)合了 五 軸聯(lián)動加工方面的豐富經(jīng)驗和技術(shù)決竅，動態(tài)加工特性和精度表現(xiàn)良好。鋼質(zhì)床身內(nèi)部特別設(shè)計的筋架結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)?？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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)、 五 軸聯(lián)動 的特點， 主要有 U2 U series 三 個規(guī)格， U其中 Useries 最高主軸轉(zhuǎn)速達(dá) 20210 轉(zhuǎn) /min，帶 A 軸和 C 軸兩個輔助軸， A 軸旋轉(zhuǎn)角度為 95176。至 +110176。， C軸旋轉(zhuǎn)角度為 270176。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(jié)構(gòu)，龍門電氣雙驅(qū)、高動態(tài)特性，模塊化設(shè)計，高功率高轉(zhuǎn)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(jī)床產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格系列化、多樣性配置，使該機(jī)床適用于航空航天、汽車模具模型制造、造船等行業(yè)。 國內(nèi)多軸數(shù)控加工技術(shù)的現(xiàn)狀。 （ 2）國內(nèi)多軸數(shù)控加工技術(shù)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(zhì)量的要求使得歐美日等囤熱衷于高速甚至超高速機(jī)床的研究。隨著機(jī)床技術(shù)的發(fā)展趨勢，高速機(jī)床主要功能部件高速電主軸單元、高速進(jìn)給機(jī)構(gòu)、高性能數(shù)控以及伺服系統(tǒng)都得到了突破，高速機(jī)床應(yīng)用范圍越來越廣，目前直流電機(jī)驅(qū)動的主軸轉(zhuǎn)速達(dá) 15000～100000r／ rain，進(jìn)給運(yùn)動 部件快速移動速度 60— 120m／ rai 切削進(jìn)給速度 60m／min．最高加速度 10g。 （二 )高可靠性。五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床加工表面比較復(fù)雜，一般要求其平均時間在 20210h 以上，且有多種報警和防護(hù)措施，減少由于故障造成的損國外驅(qū)動裝置平均無故障時間可以達(dá)到 30000h。 （三 )高精度。隨著 CAM 系統(tǒng)的發(fā)展，機(jī)床加工精度得到了大幅度的提升， 4 日本 FANUC 公司設(shè)計的一款超精密加工機(jī)床加工精度 ，其特有的往復(fù)運(yùn)動單元，能夠超精密微細(xì)加工凹槽。 （四 )復(fù)合化。與以往單純追求高速主軸和進(jìn)給機(jī)構(gòu)不同，當(dāng)今市場對 于個性化的要求日益強(qiáng)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(chǎn)。為了滿足這一要求，機(jī)床廠商需要開發(fā)出復(fù)合程度更高的復(fù)合機(jī)床。 （五 )智能化、網(wǎng)絡(luò)化、柔性化。智能化包含在機(jī)床控制的各個方面，主要有自適應(yīng)控制技術(shù)、故障診斷裝置，智能化數(shù)字伺服驅(qū)動裝置等。網(wǎng)絡(luò)診斷、遠(yuǎn)程控制，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計等技術(shù)的興起使五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床向網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。 （六）綠色化。干切削或半干切削技術(shù)已經(jīng)得到了較快的發(fā)展，在歐洲已經(jīng)有大概 10％～ 15％的加工采用了干切削或半干切削技術(shù)。 VTM11000 七軸六聯(lián)動螺旋槳加工機(jī) 床，采用國際先進(jìn)的三維立體造型、CAD 優(yōu)化設(shè)計、有限元分析等設(shè)計制造技術(shù)，使機(jī)床獲得最佳動靜態(tài)剛度，具有合理的設(shè)計結(jié)構(gòu)、可靠的精度穩(wěn)定性及精度保持性，設(shè)計先進(jìn)、操作簡單、維修方便，保證 VTM11000 七軸六聯(lián)動螺旋槳機(jī)床成為高精度、高可靠性、高效率的數(shù)字化高科技產(chǎn)品。 本機(jī)床適用于航天、航空、船舶等行業(yè)中的一些形狀復(fù)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(jī)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(nèi)錐孔，對于螺旋槳根部或五 葉以上葉面重疊部位可進(jìn)行七軸六聯(lián)動加工。 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(zhuǎn)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(fù)雜的空間曲面進(jìn) 行高精度加工，非常適于加工汽車零部件、飛機(jī)結(jié)構(gòu)件等工件的成型模具。 根據(jù)回轉(zhuǎn)軸形式，多軸數(shù)控加工中心可分為兩種設(shè)置方式： 工作臺回轉(zhuǎn)軸。工作臺回轉(zhuǎn)軸。工 作臺可以環(huán)繞 X 軸回轉(zhuǎn)，定義為 A 軸， A 軸的一般工作范圍是 0176。 5 至 359176。工作臺的中間還設(shè)有一個回轉(zhuǎn)臺，環(huán)繞 Z 軸回轉(zhuǎn)，定義為 C 軸， C 軸都是 360176?；剞D(zhuǎn)。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(jìn)行加工。 A 軸和 C 軸的最小分度值一般為 176。，這樣又可以把工件細(xì)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(fù)雜的空間曲面。這種設(shè)置方式的多軸數(shù)控加工機(jī)床的優(yōu)點是：主軸結(jié)構(gòu)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(shè)計太大，承重也較小，特別是當(dāng) A 軸回轉(zhuǎn)角度≥ 90176。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(zhuǎn)。 立式主軸頭回轉(zhuǎn)。主軸前端是一個回轉(zhuǎn)頭，能自行環(huán)繞 Z 軸 360176。，成為 C軸，回轉(zhuǎn)頭上還帶有可環(huán)繞 X 軸旋轉(zhuǎn)的 A 軸，一般可達(dá)177。 90176。以上。這種設(shè)置方式的多軸數(shù)控加工機(jī)床的優(yōu)點是：主軸加工非常靈活，工作臺也可以設(shè)計得非常大。在使用球面銑刀加工曲面時，當(dāng)?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(zhì)量會很差，而采用主軸回轉(zhuǎn)的設(shè)計，令主軸相對工件轉(zhuǎn)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(zhì)量，這是工作臺回轉(zhuǎn)式加工中心難以做到的。 課題研究的內(nèi)容和目的 人們早已認(rèn)識到多軸數(shù)控加工技術(shù)的優(yōu)越性和重要性，但到目前為止，多軸數(shù)控加工技術(shù)的應(yīng)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(jī)床結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)比三軸機(jī)床復(fù)雜得多。目前，多軸數(shù)控加工技術(shù)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(jī)床只有直線坐標(biāo)軸，而五軸數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)形式多樣； 同一段 NC 代碼可以在不同的三軸數(shù)控機(jī)床上獲得同 樣的加工效果，但某一種五軸機(jī)床的 NC 代碼卻不能適用于所有類型的五軸機(jī)床。數(shù)控編程除了直線運(yùn)動之外，還要協(xié)調(diào)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的相關(guān)計算，如旋轉(zhuǎn)角度行程檢驗、非線性誤差校核、刀具旋轉(zhuǎn)運(yùn)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(guān)，如果用戶為機(jī)床增添了特殊功能，則編程和操作會更復(fù)雜。只有反復(fù)實踐，編程及操作人員才能掌握必備 6 的知識和 技能。經(jīng)驗豐富的編程與操作人員的缺乏，是多軸數(shù)控加工技 術(shù)普及的一大阻力。 （ 2）刀具半徑補(bǔ)償困難。在五軸聯(lián)動 NC 程序中，刀具長度補(bǔ)償功能仍然有效，而刀具半徑補(bǔ)償卻失效了。以圓柱銑刀進(jìn)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(bǔ)償，因為 ISO 文件中沒有提供足夠的數(shù)據(jù)對 刀具位置進(jìn)行重新計算。用戶在進(jìn)行數(shù)控加工時需要頻繁換刀或調(diào)整刀具的確切尺寸，按照正常的處理程序，刀具軌跡應(yīng)送回 CAM 系統(tǒng)重新進(jìn)行計算，從而導(dǎo)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(jī)床需要大量投資。 （ 3）購置機(jī)床需要大量投資。多軸數(shù)控加工機(jī)床和三軸數(shù)控加工機(jī)床之間的價格懸殊很大。多軸數(shù)控加工除了機(jī)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(jìn)行升級，使之適應(yīng)多軸數(shù)控加工的要求，以及對校驗程序進(jìn)行升級，使之能夠?qū)φ麄€機(jī)床進(jìn)行仿真處理。 7 2 零件圖的工藝設(shè)計分析 葉輪軸加工圖樣分析 圖 21加工圖樣 風(fēng)力驅(qū)動器由葉輪軸、軸套、凸輪軸、底座、臺階銷等多個零件構(gòu)成。其中葉輪軸最為復(fù)雜，見圖 21， 需要車、銑復(fù)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(guān)鍵的問題。 圖 22 葉輪軸 8 零件圖的工藝分析 讀圖與審圖 1）件圖的工藝性分析 (1)分析