【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 （b）平衡鼓外表面的節(jié)流槽示意圖圖22 平衡鼓零件三維圖與工程圖訓(xùn)練模塊三 數(shù)控加工工藝設(shè)計(jì)一、訓(xùn)練目的數(shù)控加工工藝設(shè)計(jì)訓(xùn)練是為機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)開(kāi)設(shè)的數(shù)字化技術(shù)綜合訓(xùn)練課程中一項(xiàng)重要內(nèi)容。學(xué)生通過(guò)本模塊訓(xùn)練不僅復(fù)習(xí)以往學(xué)過(guò)的相關(guān)工藝知識(shí)，更主要的是利用以往所學(xué)知識(shí)解決數(shù)字化技術(shù)綜合訓(xùn)練相關(guān)零件的工藝設(shè)計(jì)問(wèn)題，包括典型零件的圖樣分析、工藝方案擬定、工藝路線設(shè)計(jì)、工件裝夾、切削用量選擇、工藝卡片填寫(xiě)等相關(guān)工藝設(shè)計(jì)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生數(shù)控加工工藝的分析、數(shù)控工藝方案的擬定、工藝文件的制作等方面的能力，使學(xué)生能從事企業(yè)數(shù)控工藝員等崗位的工作。二、設(shè)備與環(huán)境條件 計(jì)算機(jī)繪圖設(shè)備與軟件，工藝手冊(cè)，材料手冊(cè)，各類工藝資料空白表格。三、相關(guān)知識(shí) 零件工藝設(shè)計(jì)是一門(mén)綜合性強(qiáng)、知識(shí)技術(shù)覆蓋面大的模塊。相關(guān)課程有機(jī)械制圖、機(jī)械制造基礎(chǔ)、公差與配合、機(jī)械工程材料、刀具及其金屬切削原理、機(jī)械制造工藝學(xué)、數(shù)控加工工藝、數(shù)控技術(shù)、數(shù)控機(jī)床與編程、金工實(shí)習(xí)、數(shù)控工藝與編程訓(xùn)練等。通過(guò)零件工藝設(shè)計(jì)訓(xùn)練可以提升學(xué)生的零件功能分析能力、機(jī)械工程圖識(shí)圖能力、計(jì)算機(jī)繪圖能力、機(jī)加工設(shè)備操作使用能力、基本工藝綜合設(shè)計(jì)（毛坯設(shè)計(jì)、工藝路線設(shè)計(jì)、刀具選用、機(jī)床選用、夾具設(shè)計(jì)等）能力等。四、內(nèi)容與要求進(jìn)行圖樣分析 分析零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)工藝性：寫(xiě)出零件上各個(gè)面的加工精度等級(jí)、表面粗糙度、形狀精度、相互位置精度及技術(shù)要求。擬定加工工藝方案 擬定數(shù)控加工工藝方案：分別根據(jù)零件的加工精度等級(jí)、表面粗糙度、形狀精度、相互位置精度及技術(shù)要求，同時(shí)考慮數(shù)控設(shè)備情況，擬定幾個(gè)不同的加工工藝方案，包括加工順序確定、加工裝備安排、加工場(chǎng)地和人員選擇等，然后結(jié)合本單位（或加工單位）實(shí)際情況，綜合考慮其他各方面情況確定本零件的數(shù)控加工工藝方案。填寫(xiě)零件數(shù)控加工工藝過(guò)程卡。進(jìn)行工序設(shè)計(jì) 根據(jù)加工工藝過(guò)程，細(xì)化加工工藝路線，確定復(fù)雜曲線和曲面（如典型蓋板零件、支承套零件和異形支架零件）數(shù)控車床、銑床、加工中心切削加工的刀具軌跡生成和編輯方式、及復(fù)雜表面自動(dòng)編程的工藝處理方法。設(shè)計(jì)加工工藝流程中主要的工序內(nèi)容：進(jìn)行必要的工步研究、劃分，計(jì)算工序尺寸及公差，選擇切削用量，繪制走刀路線圖，繪制工序簡(jiǎn)圖，填寫(xiě)工序卡。選擇工具、量具 選擇工具、量具。了解數(shù)控刀具的類型、材料和特點(diǎn)；通過(guò)失效形式的監(jiān)測(cè)和分析，理解保證數(shù)控刀具可靠性的方法；掌握數(shù)控刀具的選用方法。填寫(xiě)刀具卡，完善工序卡。工件在數(shù)控機(jī)床上的裝夾 擬定工序零件定位、夾緊即裝夾方案，進(jìn)行尺寸鏈計(jì)算、定位誤差分析計(jì)算，計(jì)算夾緊力大小。完善工序卡。完成其他工藝卡片 刀具配置圖、出刀具卡、繪制走刀路線圖等。要求學(xué)生在訓(xùn)練時(shí)，分以下幾個(gè)階段進(jìn)行訓(xùn)練。第一階段內(nèi)容：加工工藝過(guò)程安排首先確認(rèn)標(biāo)注有所有尺寸精度、形位公差、表面粗糙度以及其他技術(shù)要求的零件工程圖；然后逐項(xiàng)查表查手冊(cè)寫(xiě)出根據(jù)尺寸精度、形位公差、表面粗糙度以及其他技術(shù)要求確定的加工順序；之后進(jìn)行比較，確定最合適的加工順序方案；再后討論加工設(shè)備、工裝使用與否等等；最后完成加工工藝過(guò)程卡片。第二階段內(nèi)容：進(jìn)行加工工藝過(guò)程中各個(gè)主要、次要工序的設(shè)計(jì)1）查表查手冊(cè)獲取工序余量，計(jì)算確定工序尺寸與公差；2）明確切削加工表面、定位夾緊方式，繪制工序簡(jiǎn)圖；3）選擇切削用量；4）選擇工具、量具；5）填寫(xiě)工序卡片。第三階段內(nèi)容：填寫(xiě)或繪制工藝資料（可與第二階段同時(shí)進(jìn)行）1）刀具配置圖2）刀具卡3）走刀路線圖4）工藝卡片清單五、模塊考核評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)檢查資料完善、完整性，包括：（1）訓(xùn)練報(bào)告完成情況；（2）各環(huán)節(jié)完成情況；（3）工藝研究?jī)?nèi)容完整性等。審查完成質(zhì)量，如工藝資料的正確性、準(zhǔn)確性，工藝方案可行性等。具體評(píng)分分值如下表：序號(hào)考核內(nèi)容分值1對(duì)零件進(jìn)行圖樣分析，精度等級(jí)，確定工藝技術(shù)難點(diǎn)102毛坯確定，加工工藝方案討論、比較、確定153定位、測(cè)量基準(zhǔn)及其尺寸鏈計(jì)算104查手冊(cè)工序余量、經(jīng)濟(jì)精度，計(jì)算確定工序尺寸與公差155明確切削加工表面、定位夾緊方式，繪制工序簡(jiǎn)圖206選擇切削用量157刀具配置圖、刀具卡、走刀路線圖、工藝卡片15合計(jì)100分 另外，總結(jié)報(bào)告（含封面、目錄、正文、參考文獻(xiàn)等），按總結(jié)報(bào)告要求完成，考核分值與訓(xùn)練過(guò)程考核成績(jī)的比例為1：5。六、案例（平衡鼓零件工藝設(shè)計(jì)） 平衡鼓技術(shù)要求： （1）材料0Cr17Ni4Cu4Nb；（2）熱處理HB≥375；（3）鍛件表面和深層不得有裂縫和過(guò)燒等缺陷：（4）超聲波探傷（UT）；（5）著色探傷（PT） 零件的結(jié)構(gòu)、技術(shù)要求分析圖21為鍋爐給水泵上使用的一種常用規(guī)格的平衡鼓零件，其特點(diǎn)有：（1）從圖23中能看出，平衡鼓內(nèi)孔與泵軸配合，由鍵帶動(dòng)，在平衡座套內(nèi)隨轉(zhuǎn)子部件一起作高速旋轉(zhuǎn)，所以平衡鼓兩端內(nèi)孔精度要求較高，內(nèi)孔尺寸精度等級(jí)為IT6級(jí)。（2）平衡鼓的dd2外園外圓，公差為0/,精度等級(jí)相當(dāng)于IT45級(jí),并且相對(duì)內(nèi)孔有很高位置度要求，以免在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)與平衡座套發(fā)生摩擦。（3）平衡鼓的dd2外園之間有一密封端面，這端面與平衡座套之間形成可變化的節(jié)流間隙，通過(guò)伺服反饋調(diào)整此間隙大小，使轉(zhuǎn)子軸向力達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，所以這平面的垂直度、平面度、粗糙度要求均很高，；。（4）在平衡鼓的dd3外圓表面，布滿了不同節(jié)距、不同深度的節(jié)流槽，見(jiàn)圖2圖24，每個(gè)節(jié)流槽的寬度和深度有公差要求，槽底部有斜度、且用圓弧光滑連接，這些節(jié)流槽加工繁瑣，同時(shí)對(duì)平衡鼓加工裝夾帶來(lái)困難。 平衡鼓的材料分析由于平衡鼓在高溫、高速、高壓工況下使用,同時(shí)要承受高壓水的沖蝕，要求平衡鼓的材料要具有很高強(qiáng)度、硬度、抗沖蝕和耐磨能力，同時(shí)這零件必須通過(guò)機(jī)加工以達(dá)到精度要求，還要滿足加工工藝性。一般奧氏體不銹鋼力學(xué)性能無(wú)法滿足耐高溫和耐磨的要求，一般的合金鋼不能滿足抗沖蝕能力。目前在高壓鍋爐給水泵中，平衡鼓零件材料選用高強(qiáng)度的0Cr17Ni4Cu4Nb沉淀硬化型不銹鋼。以前該材料從外國(guó)進(jìn)口，近年開(kāi)始國(guó)產(chǎn)，0Cr17Ni4Cu4Nb材料的化學(xué)成分和機(jī)械性能要求如表3表32。表31 0Cr17Ni4Cu4Nb化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù) %）碳C硅Si錳Mn鉻Cr鎳Ni磷P硫S鈮Nb銅Cu≤≤ ≤~~≤≤~~ 表32 0Cr17Ni4Cu4Nb材料機(jī)械性能抗拉強(qiáng)度Rm延伸率A斷面收縮率Z沖擊Akv硬度HB(N/mm2)(N/mm2)(%)(%)(J)≥　1170≥　1070≥　10≥　35/≥375(max. 420)0Cr17Ni4Cu4Nb沉淀硬化型高強(qiáng)度不銹鋼是在Cr17型不銹鋼基礎(chǔ)上加入Cu、Ni、Nb等強(qiáng)化元素研制的一種馬氏體沉淀硬化型不銹鋼，它的強(qiáng)度是經(jīng)固溶后通過(guò)馬氏體相變和在400~650℃溫度范圍內(nèi)時(shí)效時(shí)，析出硬化物eCu,Nbc,M23C6等碳化物而產(chǎn)生沉淀硬化達(dá)到的，此鋼低碳，高鉻，且含銅，鎳，鈮。此鋼在鍛造后須經(jīng)過(guò)固溶+時(shí)效處理，可通過(guò)調(diào)整時(shí)效處理溫度獲得不同的材料性能。從表32可看出，0Cr17Ni4Cu4Nb強(qiáng)度高、硬度特高，幾乎達(dá)到普通鋼的2倍，并且，查取相關(guān)資料了解，該材料的導(dǎo)熱性較差，熱脹冷縮系數(shù)大，這些特點(diǎn)對(duì)零件的熱加工、冷加工造成困難。 平衡鼓的工藝分析（1）確定毛坯類型和制造方法 由零件的材料大致決定了毛坯的種類，因?yàn)檫x擇的0Cr17Ni4Cu4Nb沉淀硬化型高強(qiáng)度不銹鋼，力學(xué)性能要求較高，且有UT、PT考核要求，所以毛坯種類只能選用鍛件，而不能用鑄件。目前我公司的鍛件供應(yīng)商對(duì)高強(qiáng)度材料鍛件通常采用自由鍛造，毛坯精度低。（2）材料的熱處理和檢驗(yàn)試驗(yàn) 因零件的使用工況特殊，且0Cr17Ni4Cu4Nb材料在鍛造中很容易出現(xiàn)開(kāi)裂等缺陷，故在技術(shù)要求中，除對(duì)機(jī)械性能有要求外，還有超聲波探傷、著色探傷要求，所以在確定整個(gè)平衡鼓零件工藝過(guò)程中，必須要把熱處理、機(jī)械性能試驗(yàn)、探傷檢查這些工序合理布置在平衡鼓零件生產(chǎn)工序中，這樣才能保證使用的材料合格。（3）確定生產(chǎn)綱領(lǐng)生產(chǎn)綱領(lǐng)是指企業(yè)在計(jì)劃期內(nèi)應(yīng)生產(chǎn)的產(chǎn)品產(chǎn)量和進(jìn)度計(jì)劃。零件的生產(chǎn)綱領(lǐng)還包括一定的備品和廢品數(shù)量。計(jì)劃期為一年的生產(chǎn)綱領(lǐng)稱為年生產(chǎn)綱領(lǐng)，按下式計(jì)算：N=Qn(1+α)（1+β） （3—1） 式中，N零件的年產(chǎn)量，單位為件/年；Q產(chǎn)品年產(chǎn)量，單位為臺(tái)/年；n每臺(tái)產(chǎn)品中該零件數(shù)量，單位為件/臺(tái)；α備品百分率；β廢品百分率。已知該平衡鼓年產(chǎn)量大約Q=100件/年，備品率α=5%，廢品率β=1%，即： N = Qn(1+α)(1+β）= 100(1+5%)(1+1%） = 106件/年根據(jù)《機(jī)械制造工藝學(xué)》[3]表11各種生產(chǎn)類型的劃分依據(jù)，確定平衡鼓的生產(chǎn)類型為小批量生產(chǎn)。工藝規(guī)程的制定由上述平衡鼓零件材料和技術(shù)要求分析得出,平衡鼓制造工序要由鍛造、熱處理、機(jī)加工和檢驗(yàn)試驗(yàn)四部分組成。（1）鍛件毛坯毛坯的鍛造采用自由鍛，因該材料強(qiáng)度高，在鍛件表面很容易出現(xiàn)各種鍛造缺陷，為了保證鍛件質(zhì)量，需要增大鍛造余量，所以毛坯余量很多。這要求在鍛造后、熱處理前進(jìn)行剝皮加工，切除大部分鍛造余量，這樣一方面利用剝皮加工去除表面缺陷，另一方面保證鍛件熱處理后的材料性能，同時(shí)，使后道機(jī)加工工序的加工余量合適。（2）熱處理的工藝過(guò)程查0Cr17Ni4Cu4Nb材料平衡鼓材料表上規(guī)定的熱處理要求，該材料要求經(jīng)二次固溶處理和二次時(shí)效處理，其中第一次時(shí)效處理溫度較高，使材料硬度相對(duì)低些，方便鍛件的剝皮加工，第二次時(shí)效處理溫度較第一次低，使材料具有高強(qiáng)度和高硬度，滿足零件的使用要求。（3）材料檢驗(yàn)試驗(yàn)工序 在第一次固溶+時(shí)效處理后，為了節(jié)省試驗(yàn)成本和縮短生產(chǎn)周期，只安排硬度檢測(cè)，剝皮加工后采用目測(cè)檢測(cè)鍛件表面是否存在裂縫等其它鍛造缺陷。在粗加工形成臺(tái)階后，安排在第二次固溶+時(shí)效處理，并對(duì)坯料進(jìn)行超聲波檢測(cè)，對(duì)同爐試樣進(jìn)行機(jī)械性能試驗(yàn)，這時(shí)的性能才是材料的最終性能。對(duì)于表面著色探傷檢查，安排在零件精車完畢、鉆孔和插鍵槽前實(shí)施，這樣，一方面能檢查出零件最終狀態(tài)的缺陷，另一方面，這時(shí)著色探傷清洗比較方便。（4）機(jī)加工工藝過(guò)程 ①選用數(shù)控機(jī)床加工 按照設(shè)計(jì)要求，要達(dá)到圖紙規(guī)定各檔精度，宜用磨削加工較合適，但是本公司的現(xiàn)有設(shè)備資源中，沒(méi)有合適磨床。如果增加磨削工序，必須外協(xié)，要增加加工成本和延長(zhǎng)生產(chǎn)周期。為了利用數(shù)控機(jī)床加工工序集中，精度高，誤差小的優(yōu)勢(shì)，考慮用數(shù)控精車加工代替磨削。 ②加工方案的比較、選擇加工方案1：粗車右端外圓及內(nèi)孔——粗車左端外圓及內(nèi)孔——精車右端外圓和各檔內(nèi)孔——精車左端外圓和各檔臺(tái)階孔——精車外圓節(jié)流槽——鉆端面螺孔——加工鍵槽。加工方案2：粗車右端外圓及內(nèi)孔——粗車左端外圓及內(nèi)孔——半精車左端外圓和各檔內(nèi)孔——半精車右端外圓和各檔臺(tái)階孔——精車左端外圓和各檔內(nèi)孔——精車右端外園和各檔臺(tái)階孔——精車外圓節(jié)流槽——鉆端面螺孔——加工鍵槽。 加工方案1粗車外形和內(nèi)孔后直接進(jìn)行精車，由于材料的特殊性和各平面位置精度及粗糙度等級(jí)的要求，對(duì)尺寸的掌握比較難控制，相反方案2雖然比方案1增加了二次裝夾，但對(duì)于這種高強(qiáng)度,熱變形較大的材料,增加了半精車工序,有利于減小切屑溫度及切屑應(yīng)力,保證零件尺寸精度。所以在平衡鼓零件的機(jī)加工工序中,采用粗車——半精車——精車工序。通過(guò)上面分析比較,確定平衡鼓零件制造工藝路線，見(jiàn)下表33。表33平衡鼓制造工藝過(guò)程產(chǎn)品名稱平衡鼓機(jī)械加工工藝過(guò)程卡片產(chǎn)品型號(hào)工序號(hào)工序名稱工序內(nèi)容進(jìn)給量（mm/r）主軸轉(zhuǎn)速(r/min)背吃刀量(mm)備注1鍛造自由煅2固溶處理3時(shí)效處理4硬度檢測(cè)5剝皮粗車夾一端粗車d1外圓及內(nèi)孔放余量3005普通車床6剝皮粗車掉頭夾d1外圓粗車d3外圓放余量3005普通車床7二次固溶8二次時(shí)效9性能試驗(yàn)10無(wú)損檢測(cè)超聲波檢測(cè)11粗車粗車d1外圓、粗鏜Φ11Φ11Φ147內(nèi)孔和127斜面268CK145012粗車粗車d3外圓、Φ14Φ220內(nèi)孔178CK145013半精車半精車d1外圓、半精鏜Φ11Φ11Φ147內(nèi)孔和127斜面268CK145014半精車半精車d3外圓、Φ14Φ220內(nèi)孔178CK145015精車精車d3外圓、Φ14Φ220內(nèi)孔312CK1450續(xù)表33工序號(hào)工序名稱工序內(nèi)容進(jìn)給量（mm/r）主軸轉(zhuǎn)速(r/min)背吃刀量(mm)備注16精車精鏜Φ11Φ11Φ147內(nèi)孔和127斜面472CK145017精車精車d1外圓及外表面節(jié)流槽312CK145018無(wú)損檢測(cè)著色探傷19劃線劃4M10螺孔及2M12螺孔線20鉆孔鉆4M10螺孔及2M12螺孔Z53521插鍵槽割12JS9連接槽22檢驗(yàn)檢驗(yàn)各檔尺寸23入庫(kù)油封入庫(kù)（5）加工余量和工序尺寸的確定