阶梯轴加工工艺设计毕业论文

数控专业的毕业论文叶片五轴联动加工刀位轨迹的生成 针对大型混流式叶片各曲面的特点，进行合理的刀位轨迹规划和计算，是使所生成的刀位轨迹无干涉、无碰撞、稳定性好、编程效率高的关键。由于五轴加工的刀具位置和刀具轴线方向是变化的，因此五轴加工的是由工件坐标系中的刀位点位置矢量和刀具轴线方向矢量 组成，刀轴可通过前倾角和倾斜角来控制，于是我们可 根据曲面在切削点处的局部坐标计算出刀位矢量和刀轴 矢量。从加工效率、 表面质量和切削工 艺性能来看，选择 沿叶片造型的参数 线作为铣削加工的 方向分多次粗铣和 一次精铣，然后划 分加工区域，定义 与机床有关的参数， 根据以上所选叶片 的加工部位、装夹 图, 混流式叶片的刀轨生成 定 位 方 式 、 机 床 、 刀具及切削参数和余量分布情况将叶片分为多个组合面 分别进行加工。通过对曲面曲率的分布情况的分析对于 不同的区域采用不同的面铣刀。粗加工给出每次加工的 余量，精加工采用同一直径的铣刀，根据粗糙度要求给 定残余高度，根据具体情况选择切削类型、切削参数、 刀轴方向、进退刀方式等参数，生成的刀位轨迹如图, 所示。但是对于像叶片这样的曲率变化很大而又不均匀 的雕塑曲面零件我们还要根据情况作大量的刀位编辑， 并且必须进一步通过切削仿真做干涉和碰撞检查修改和 编辑刀轨。!"#叶片五轴联动数控加工仿真 数控加工仿真通过软件模拟加工环境、刀具路径与材料切除过程来检验并优化加工程序。在计算机上仿真验证多轴联动加工的刀具轨迹，辅助进行加工刀具干涉检查和机床与叶片的碰撞检查，取代试切削或试加工过程，可大大地降低制造成本，并缩短研制周期，避免加工设备与叶片和夹具等的碰撞，保证加工过程的安全。加工零件的"!代码在投入实际的加工之前通常需要进行试切，水轮机叶片是非常复杂的雕塑曲面体，开发利用数控加工仿真技术是其成功采用五轴联动数控加工的关键。在此，我们首先进电子商务资料库,8:'/.%1&'-/:8(行工艺系统分析，明确机床!"!系统型号、机床结构形式和尺寸、机床运动原理和机床坐标系统。用三维!,-软件建立机床运动部件和固定部件的实体几何模型，并转换成仿真软件可用的格式，然后建立刀具库，在仿真软件中新建用户文件，设置所用!"!系统，并建立机床运动模型，即部件树，添加各部件的几何模型，并准确定位，最后设置机床参数。 接下来将叶片模型变换到加工位置计算出刀具轨迹，再以此轨迹进行叶片切削过程、刀位轨迹和机床运动的三维动态仿真。这样就可以清楚的监控到叶片加工过程中的过切与欠切、刀杆和联接系统与叶片、机床各运动部件与叶片和夹具间的干涉碰撞，从而保证了数控编程的质量，减少了试切的工作量和劳动强度，提高了编程的一次成功率，缩短了产品设计和加工周期，大大提高生产效率。如在数控加工行业进行推广，可产生巨大的经济和社会效益。叶片的切削仿真如图.所示，叶片的机床加工仿真如图/所示。图. 混流式叶片的切削仿真图/ 混流式叶片的机床加工仿真!"$叶片刀位轨迹的后置处理 后置处理是数控编程的一个重要内容，它将我们前面生成的刀位数据转换成适合具体机床的数据。后处理最基本的两个要素就是刀轨数据和后处理器。我们应首先了解龙门移动式五坐标数控铣镗床的结构、机床配备的附属设备、机床具备的功能及功能实现的方式和机床配备的数控系统，熟悉该系统的"!编程包括功能代码的组成、含义。然后应用通用后置处理器导向模板，根据以上掌握的知识，开发定制专用后置处理器。然后将我们已得刀位源文件进行输入转换成可控制机床加工的"!代码。% 结束语 复杂曲面的多轴联动数控编程是一涉及到众多领域知识的复杂流程，是数字化仿真及优化的过程。本文介绍的大型水轮机叶片的多轴联动编程技术，已用于工程实际大型叶片的数控编程中，实现了大型转轮叶片的五轴联动数控加工的刀位轨迹计算和加工仿真，保证了后续数控加工的质量和效率，已作为大型水轮机叶片五轴联动数控加工的编程工具用于实际生产中。 雕塑曲面体混流式叶片的多轴联动数控加工编程技术摘要：转轮叶片是水轮机能量转换的关键部件，也是最难加工的零件，目前多轴联动数控加工是解决该类大型雕塑曲面零件最有效的加工方法。多轴联动数控加工编程则是实现其高精度和高效率加工的最重要环节。本文介绍混流式水轮机叶片五轴联动数控加工大型雕塑曲面编程中涉及到转轮叶片三维造型、刀位轨迹计算、切削仿真、机床运动碰撞仿真、后置变换等关键技术。通过对这些技术的链接和研究，开发实现了大型叶片的多轴联动加工。关键词：数控编程 引言 水轮机是水力发电的原动机，水轮机转轮叶片的制造，转轮的优劣，对水电站机组的安全、可靠性、经济性运行有着巨大的影响。水轮机转轮叶片是非常复杂的雕塑面体。在大中型机组制造工艺上，长期以来采用的“砂型铸造—— —砂轮铲磨——立体样板检测 —的制造工艺，不能有效地保证叶片型面的准确性和制造质量。目前采用五轴联动数控加工技术是当今机械加工中的尖端高技术。大型复杂曲面零件的数控加工编程则是实现其数字化制造的最重要的技术基础，其数控编程技术是一个数字化仿真评价及优化过程。其 关键技术包括：复杂形状零件的三维造型及定位，五 轴联动刀位轨迹规划和计算，加工雕塑曲面体的刀轴 控制技术，切削仿真及干涉检验，以及后处理技术等。 大型复杂曲面的多轴联动数控编程技术使雕塑曲面体 转轮叶片的多轴数控加工成为可能，这将大大推动我 国水轮机行业的发展和进步，为我国水电设备制造业 向着先进制造技术发展奠定基础。" 大型混流式水轮机叶片的多轴数控加工编程过程大型复杂曲面零件的五轴联动数控编程比普通零件编程要复杂得多，针对混流式叶片体积大并且型面曲率变化大的特点，通过分析加工要求进行工艺设计，确定加工方案，选择合适的机床、刀具、夹具，确定合理的走刀路线及切削用量等；建立叶片的几何模型、计算加工过程中的刀具相对于叶片的运动轨迹，然后进行叶片的切削仿真以及机床的运动仿真，反复修改加工参数、刀具参数和刀轴控制方案，直到仿真结果确无干涉碰撞电子商务资料库:7-1%"(63;63&;-发生，则按照机床数控系统可接受的程序格式进行后处理，生成叶片加工程序。其具体编程过程如图-所示。 图-大型混流式叶片的五轴联动数控加工编程流程!"! 混流式水轮机叶片的三维几何建模 混流式叶片这一复杂雕塑曲面体由正面、背面、与上冠相接的带状回转面、与下环相接的带状回转面、 大 ， 可 编 写 一 个.*/0程序读入这些三维坐标点，然后采用双三次多补片曲面片通过自由形式特征的通过曲线的方法进行曲面造型，如图1所示。叶片的毛坯形状可从设计数据点进行偏置计算处理，或者从三维测量得到的点云集方式确定对叶片的各个曲面分别进行"234$曲面造型，并缝合成实体。!"# 叶片加工工艺规划 加工方案和加工参数的选择决定着数控加工的效率和质量。我们根据要加工叶片的结构和特点可选择大型龙门移动式五坐标数控铣镗床，根据三点定位原理经大量的研究分析，决定在加工背面是采用通用的带球形的可调支撑，配以叶片焊接的定位销对叶片定位，在叶片上焊接必要的工艺块，采用一些通用的拉紧装置来装夹。加工正面时，采用在加工背面时配合铣出的和背面型面完全一致的胎具，将叶片背面放入胎具，利用焊接的工艺块进行调整找正，仍然采用通用的拉压装置进行装夹。由于叶片由多张曲面组合而 成，为了解决加工过程中的碰撞问题，我们采用沿流线 走刀，对于叶片的正背面进行分区域加工，根据曲面各 处曲率的不同采用不同直径的刀具、不同的刀轴控制方 式来加工。对每个面一般分多次粗铣和一次精铣。在机 床与工件和夹具不碰撞和不干涉情况下，尽量采用大直 径曲面面铣刀，以提高加工效率。叶片正背面我们选用 刀具直径!-56曲面面铣刀粗铣、!-16曲面面铣刀精铣， 叶片头部曲面采用!76的曲面面铣刀加工，出水边采用!76螺旋玉米立铣刀五轴联动侧铣。根据后续仿真情况 反复做刀位编辑，以寻求合理的加工方案。在满足加工 要求、机床正常运行和一定的刀具寿命的前提下尽可能

阶梯轴加工工艺过程如下：

1、下料：根据直径尺寸选择棒料钢材。

2、断料：将棒料锻造成第一轴段、第二轴段、第三轴段、第四轴段及第五轴段。

3、预备热处理：在切削加工前安排对断料后的阶梯轴毛坯进行正火处理。

4、保证端面尺寸：然后按照先面后孔的原则，先加工端面，保证端面尺寸后铣键糟。

5、粗车：粗车第三轴段的外圆，以第三轴段的左端面为基准面，粗车第一轴段和第二轴段的外圆，掉头再以第三轴段的右端面为基准，粗车第四轴段和第五轴段，然后粗车各退刀槽。

6、调质：对粗车后的阶梯轴进行调质处理。

7、半精车：半精车第一键槽，掉头再以第三轴段的外圆为基准，依次半精车第四轴段和第五轴段，半精车第二键槽。

8、精车：用调整法找正以顶尖中心线为基准，精车第一、二轴段，掉头精车第四轴段和第五轴段。

9、车端面：车削阶梯轴端面。

10、铣键槽：在阶梯轴表面上碰刀，轻轻的接触工件表面，确保键槽按照中心线对称分布。

11、淬火：对阶梯轴进行表面淬火处理。

12、磨外圆：用调整法找正以顶尖中心线为基准，精磨阶梯轴的各个轴段。

13、抛光：对加工好的阶梯轴进行镜面抛光。

阶梯轴的作用

轴是旋转的机械元件，通常为圆形横截面，其利用阶梯轴肩定位不同内径的安装零件，如齿轮，轴承等。阶梯轴主要定位安装的零件，高低不同的轴肩可以限制轴上的零件延轴线方向的运动或运动趋势，防止安装的零件工作中产生滑移，并能减小工作中一些零件产生的轴向压力对其他零件的影响。

轴的设计是根据其最大承载力确定最小轴径；根据其承载力的方式确定固定方式，选择合适的轴承等，确定该段轴径；根据其固定方式，确定合适的轴肩等；确定经济的加工尺寸；根据以上特点，就能确定整个轴，所以轴径大小可能不同，形成所说的阶梯轴。

轴类零件是机器中经常遇到的典型零件之一。它在机械中主要用于支承齿轮、带轮、凸轮以及连杆等传动件，以传递扭矩。按结构形式不同，轴可以分为阶梯轴、锥度心轴、光轴、空心轴、曲轴、凸轮轴、偏心轴、各种丝杠等。图 轴的种类a)光轴 b)空心轴 c)半轴 d)阶梯轴 e)花键轴 f)十字轴 g）偏心轴h)曲轴 i) 凸轮轴1 轴类零件的功用、结构特点轴类零件是机器中经常遇到的典型零件之一。它在机械中主要用于支承齿轮、带轮、凸轮以及连杆等传动件，以传递扭矩。按结构形式不同，轴可以分为阶梯轴、锥度心轴、光轴、空心轴、曲轴、凸轮轴、偏心轴、各种丝杠等。它主要用来支承传动零部件，传递扭矩和承受载荷。轴类零件是旋转体零件，其长度大于直径，一般由同心轴的外圆柱面、圆锥面、内孔和螺纹及相应的端面所组成。根据结构形状的不同，轴类零件可分为光轴、阶梯轴、空心轴和曲轴等。轴的长径比小于5的称为短轴，大于20的称为细长轴，大多数轴介于两者之间。轴类零件的毛坯和材料轴类零件的毛坯轴类毛坯 常用圆棒料和锻件；大型轴或结构复杂的轴采用铸件。毛坯经过加热锻造后，可使金属内部纤维组织沿表面均匀分布，获得较高的抗拉、抗弯及抗扭强度。根据生产规模的不同，毛坯的锻造方式有自由锻和模锻两种。中小批生产多采用自由锻，大批大量生产时采用模锻。轴类零件的材料 轴类零件材料 常用45钢，精度较高的轴可选用40Cr、轴承钢GCr15、弹簧钢65Mn，也可选用球墨铸铁；对高速、重载的轴，选用20Mn2B、20Cr等低碳合金钢或38CrMoAl氮化钢。45钢是轴类零件的常用材料，它价格便宜经过调质（或正火）后，可得到较好的切削性能，而且能获得较高的强度和韧性等综合机械性能，淬火后表面硬度可达45～52HRC。40Cr等合金结构钢适用于中等精度而转速较高的轴类零件，这类钢经调质和淬火后，具有较好的综合机械性能。轴承钢GCr15和弹簧钢65Mn，经调质和表面高频淬火后，表面硬度可达50～58HRC，并具有较高的耐疲劳性能和较好的耐磨性能，可制造较高精度的轴。精密机床的主轴（例如磨床砂轮轴、坐标镗床主轴）可选用38CrMoAIA氮化钢。这种钢经调质和表面氮化后，不仅能获得很高的表面硬度，而且能保持较软的芯部，因此耐冲击韧性好。与渗碳淬火钢比较，它有热处理变形很小，硬度更高的特性。2 轴类零件一般加工要求及方法 轴类零件加工工艺规程注意点在学校机械加工实习课中，轴类零件的加工是学生练习车削技能的最基本也最重要的项目，但学生最后完工工件的质量总是很不理想，经过分析主要是学生对轴类零件的工艺分析工艺规程制订不够合理。轴类零件中工艺规程的制订，直接关系到工件质量、劳动生产率和经济效益。一零件可以有几种不同的加工方法，但只有某一种较合理，在制订机械加工工艺规程中，须注意以下几点。1.零件图工艺分析中，需理解零件结构特点、精度、材质、热处理等技术要求，且要研究产品装配图，部件装配图及验收标准。2.渗碳件加工工艺路线一般为：下料→锻造→正火→粗加工→半精加工→渗碳→去碳加工（对不需提高硬度部分）→淬火→车螺纹、钻孔或铣槽→粗磨→低温时效→半精磨→低温时效→精磨。3.粗基准选择：有非加工表面，应选非加工表面作为粗基准。对所有表面都需加工的铸件轴，根据加工余量最小表面找正。且选择平整光滑表面，让开浇口处。选牢固可靠表面为粗基准，同时，粗基准不可重复使用。4.精基准选择：要符合基准重合原则，尽可能选设计基准或装配基准作为定位基准。符合基准统一原则。尽可能在多数工序中用同一个定位基准。尽可能使定位基准与测量基准重合。选择精度高、安装稳定可靠表面为精基准。工艺规程制订得是否合理，直接影响工件的质量、劳动生产率和经济效益。一个零件可以用几种不同的加工方法制造，但在一定的条件下，只有某一种方法是较合理的。因此，在制订工艺规程时，必须从实际出发，根据设备条件、生产类型等具体情况，尽量采用先进加工方法，制订出合理的工艺规程。 轴类零件加工的技术要求1 尺寸精度轴类零件的主要表面常为两类，一类是与轴承的内圈配合的外圆轴颈，即支承轴颈，用于确定轴的位置并支承轴，尺寸精度要求较高，通常为IT5～IT7；另一类为与各类传动件配合的轴颈，即配合轴颈，其精度稍低，通常为IT6~IT9。2 几何形状精度主要指轴颈表面、外圆锥面、锥孔等重要表面的圆度、圆柱度。其误差一般应限制在尺寸公差范围内，对于精密轴，需在零件图上另行规定其几何形状精度。3 相互位置精度包括内、外表面，重要轴面的同轴度、圆的径向跳动、重要端面对轴心线的垂直度、端面间的平行度等。4 表面粗糙度轴的加工表面都有粗糙度的要求，一般根据加工的可能性和经济性来确定。 轴类零件的热处理1锻造毛坯在加工前，均需安排正火或退火处理，使钢材内部晶粒细化，消除锻造应力，降低材料硬度，改善切削加工性能。2调质一般安排在粗车之后、半精车之前，以获得良好的物理力学性能。3表面淬火一般安排在精加工之前，这样可以纠正因淬火引起的局部变形。4精度要求高的轴，在局部淬火或粗磨之后，还需进行低温时效处理。 典型轴类零件加工工艺改进的方法对于7级精度、表面粗糙度～μm的一般传动轴，其工艺路线是：正火－车端面钻中心孔－粗车各表面－精车各表面－铣花键、键槽－热处理－修研中心孔－粗磨外圆－精磨外圆－检验。由于细长轴刚性很差，在加工中极易变形，对加工精度和加工质量影响很大。为此，生产中常采用下列措施予以解决。 改进工件的装夹方法粗加工时，由于切削余量大，工件受的切削力也大，一般采用卡顶法，尾座顶尖采用弹性顶尖，可以使工件在轴向自由伸长。但是，由于顶尖弹性的限制，轴向伸长量也受到限制，因而顶紧力不是很大。在高速、大用量切削时，有使工件脱离顶尖的危险。采用卡拉法可避免这种现象的产生。精车时，采用双顶尖法（此时尾座应采用弹性顶尖）有利于提高精度，其关键是提高中心孔精度。采用跟刀架跟刀架是车削细长轴极其重要的附件。采用跟刀架能抵消加工时径向切削分力的影响，从而减少切削振动和工件变形，但必须注意仔细调整，使跟刀架的中心与机床顶尖中心保持一致。采用反向进给车削细长轴时，常使车刀向尾座方向作进给运动（此时应安装卡拉工具），这样刀具施加于工件上的进给力方向朝向尾座，因而有使工件产生轴向伸长的趋势，而卡拉工具大大减少了由于工件伸长造成的弯曲变形。采用车削细长轴的车刀车削细长轴的车刀一般前角和主偏角较大，以使切削轻快，减小径向振动和弯曲变形。粗加工用车刀在前刀面上开有断屑槽，使断屑容易。精车用刀常有一定的负刃倾角，使切屑流向待加工面。3 典型轴类零件的加工工艺轴类零件是常见的典型零件之一。按轴类零件结构形式不同，一般可分为光轴、阶梯轴和异形轴三类；或分为实心轴、空心轴等。它们在机器中用来支承齿轮、带轮等传动零件，以传递转矩或运动。台阶轴的加工工艺较为典型，反映了轴类零件加工的大部分内容与基本规律。下面就以减速箱中的传动轴为例，介绍一般台阶轴的加工工艺。零件图样分析 传动轴所示零件是减速器中的传动轴。它属于台阶轴类零件，由圆柱面、轴肩、螺纹、螺尾退刀槽、砂轮越程槽和键槽等组成。轴肩一般用来确定安装在轴上零件的轴向位置，各环槽的作用是使零件装配时有一个正确的位置，并使加工中磨削外圆或车螺纹时退刀方便；键槽用于安装键，以传递转矩；螺纹用于安装各种锁紧螺母和调整螺母。根据工作性能与条件，该传动轴图样(图)规定了主要轴颈M，N，外圆P、Q以及轴肩G、H、I有较高的尺寸、位置精度和较小的表面粗糙度值，并有热处理要求。这些技术要求必须在加工中给予保证。因此，该传动轴的关键工序是轴颈M、N和外圆P、Q的加工。确定毛坯该传动轴材料为45钢，因其属于一般传动轴，故选45钢可满足其要求。本例传动轴属于中、小传动轴，并且各外圆直径尺寸相差不大，故选择￠60mm的热轧圆钢作毛坯。确定主要表面的加工方法传动轴大都是回转表面，主要采用车削与外圆磨削成形。由于该传动轴的主要表面M、N、P、Q的公差等级(IT6)较高，表面粗糙度Ra值(Ra= um)较小，故车削后还需磨削。外圆表面的加工方案可为：粗车→半精车→磨削。确定定位基准合理地选择定位基准，对于保证零件的尺寸和位置精度有着决定性的作用。由于该传动轴的几个主要配合表面(Q、P、N、M)及轴肩面(H、G)对基准轴线A-B均有径向圆跳动和端面圆跳动的要求，它又是实心轴，所以应选择两端中心孔为基准，采用双顶尖装夹方法，以保证零件的技术要求。粗基准采用热轧圆钢的毛坯外圆。中心孔加工采用三爪自定心卡盘装夹热轧圆钢的毛坯外圆，车端面、钻中心孔。但必须注意，一般不能用毛坯外圆装夹两次钻两端中心孔，而应该以毛坯外圆作粗基准，先加工一个端面，钻中心孔，车出一端外圆；然后以已车过的外圆作基准，用三爪自定心卡盘装夹(有时在上工步已车外圆处搭中心架)，车另一端面，钻中心孔。如此加工中心孔，才能保证两中心孔同轴。划分阶段对精度要求较高的零件，其粗、精加工应分开，以保证零件的质量。该传动轴加工划分为三个阶段：粗车(粗车外圆、钻中心孔等)，半精车(半精车各处外圆、台阶和修研中心孔及次要表面等)，粗、精磨(粗、精磨各处外圆)。各阶段划分大致以热处理为界。热处理工序安排轴的热处理要根据其材料和使用要求确定。对于传动轴，正火、调质和表面淬火用得较多。该轴要求调质处理，并安排在粗车各外圆之后，半精车各外圆之前。综合上述分析，传动轴的工艺路线如下：下料→车两端面，钻中心孔→粗车各外圆→调质→修研中心孔→半精车各外圆，车槽，倒角→车螺纹→划键槽加工线→铣键槽→修研中心孔→磨削→检验。加工尺寸和切削用量传动轴磨削余量可取，半精车余量可选用。加工尺寸可由此而定，见该轴加工工艺卡的工序内容。车削用量的选择，单件、小批量生产时，可根据加工情况由工人确定；一般可由《机械加工工艺手册》或《切削用量手册》中选取。拟定工艺过程定位精基准面中心孔应在粗加工之前加工，在调质之后和磨削之前各需安排一次修研中心孔的工序。调质之后修研中心孔为消除中心孔的热处理变形和氧化皮，磨削之前修研中心孔是为提高定位精基准面的精度和减小锥面的表面粗糙度值。拟定传动轴的工艺过程时，在考虑主要表面加工的同时，还要考虑次要表面的加工。在半精加工￠52mm、￠44mm及M24mm外圆时，应车到图样规定的尺寸，同时加工出各退刀槽、倒角和螺纹；三个键槽应在半精车后以及磨削之前铣削加工出来，这样可保证铣键槽时有较精确的定位基准，又可避免在精磨后铣键槽时破坏已精加工的外圆表面。在拟定工艺过程时，应考虑检验工序的安排、检查项目及检验方法的确