【正文】 葉輪軸零件造型及數(shù)控加工工藝設(shè)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(shù)的不斷發(fā)展，三軸聯(lián)動數(shù)控加工已經(jīng)普及。但傳統(tǒng)的三軸數(shù)控加工不能解決某些復(fù)雜零件的加工，因此，需要引入四軸、五軸、車銑復(fù)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(shù)、多軸聯(lián)動加工工藝設(shè)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(jié)構(gòu)形式，明確具體的技術(shù)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(zhì)量、生產(chǎn)率和經(jīng)濟性的統(tǒng)一。在整個畢業(yè)設(shè)計過程中使用CAD/CAM技術(shù)軟件、對零件進(jìn)行造型及加工工藝分析、工藝路線確定、刀具選擇和數(shù)學(xué)處理等一系列的工作。 本課題在設(shè)計的過程當(dāng)中，深入生產(chǎn)實際，進(jìn)行調(diào)查研究，吸取企業(yè)先進(jìn)技術(shù)，制定出了合理的工藝方案。關(guān)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 1 課題研究背景 1 課題在當(dāng)今國內(nèi)外的現(xiàn)狀 2 多軸數(shù)控加工技術(shù)的現(xiàn)狀 2 多軸數(shù)控加工的類型 4 52 零件圖的工藝設(shè)計分析 7 葉輪軸加工圖樣分析 7 零件圖的工藝分析 8 8 8 9 毛坯的選擇 93 加工準(zhǔn)備及工藝文件的編制 10 定位基準(zhǔn)的選擇 10 粗基準(zhǔn)的選擇 10 精基準(zhǔn)選擇 10 裝夾方案的確定 11 13 機床的選擇 13 夾具的選擇 13 確定工藝路線 14 工序的劃分 14 工步的劃分 15 加工階段的劃分 16 加工順序的安排 17 進(jìn)給路線的確定 19 刀具材料的選擇 19 切削用量的選擇 22 切削深度ap的確定 22 主軸轉(zhuǎn)速的確定 23 走刀路線的選擇 26 軸外輪廓部分走刀路線 27 軸內(nèi)輪廓部分走刀路線 27 葉片部分走刀路線 27 冷卻的選擇 28 加工工藝文件制定 284 葉輪軸造型及葉片的自動編程 34 葉輪軸造型 34 葉輪軸軸套外觀造型 34 葉片部分造型 36 葉輪軸的內(nèi)部造型 38 葉片編程 40 設(shè)備選擇 41 工件裝夾定位 41 刀具選擇 41 葉片加工方案 42 自動編程 425 程序編寫 446 結(jié)論 49參考文獻(xiàn) 50致謝 511 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(shè)備，是綜合應(yīng)用計算機、自動控制、自動檢測及精密機械等高新技術(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(jìn)一步加強和加入世貿(mào)組織。我國經(jīng)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(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械制造業(yè)水平衡量的標(biāo)志之一。近幾年來，作為機械加工領(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，增強學(xué)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(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型，采用直線電機驅(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U2Useries三個規(guī)格，U其中Useries最高主軸轉(zhuǎn)速達(dá)20000 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。該機床產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)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(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床的研究。隨著機床技術(shù)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(jìn)給機構(gòu)、高性能數(shù)控以及伺服系統(tǒng)都得到了突破，高速機床應(yīng)用范圍越來越廣，目前直流電機驅(qū)動的主軸轉(zhuǎn)速達(dá)15000～100000r／rain，進(jìn)給運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)控機床加工表面比較復(fù)雜，一般要求其平均時間在20000h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，機床加工精度得到了大幅度的提升，其特有的往復(fù)運動單元，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)給機構(gòu)不同，當(dāng)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(chǎn)。為了滿足這一要求，機床廠商需要開發(fā)出復(fù)合程度更高的復(fù)合機床。（五)智能化、網(wǎng)絡(luò)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(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。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。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)和機床結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)比三軸機床復(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。三軸機床只有直線坐標(biāo)軸，而五軸數(shù)控機床結(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(diào)旋轉(zhuǎn)運動的相關(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(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。購置機床需要大量投資。（3）購