渐开线涡轮数控工艺及加工设计

　　摘要：本课题设计的是渐开线涡轮数控工艺及加工，是叶片油泵的重要零件之一，我们要通过数控加工来实现加工要求。对于数控专业来说，本课题的毕业设计是具有很大意义的.根据渐开线涡轮零件图制定加工工艺方案及数控加工工序卡，利用Pro/E绘制三维造型。本设计侧重于数控加工工艺，数控编程及工装设计。数控加工具有柔性程度高、自动化程度高、加工精度高且加工质量稳定可靠、生产效率高、生产管理现代化等优点。数控加工作为现代机械制造业的重要标志，随着个性化产品日益为消费者钟爱，数控加工技术显得日益重要。随着CAD/CAM软件技术的进一步发展，几乎所有的个性化产品设计都在CAD软件中设计完成.并与CAM软件结合使三维造型出来的产品可以直接生成ＮＣ代码。这样使产品开发到产品出货的周期大大缩短，是现代制造业发展的必然趋势。

　　前言：

　　随着我国制造业的发展，数控加工的需求也在增加，它总的发展趋势是：高精化、高速化、高效化、柔性化、智能化和集成化，并注重工艺适用性和经济性。而渐开线涡轮加工充分的适应了现代化生产的需要.

　　数控加工技术已广泛应用于机械加工制造业中，如数控铣削、镗削、车削、线切割、电火花加工等，其中数控铣削是复杂多变零件的主要加工方法。数控设备为精密复杂零件的加工提供了基本条件，但要达到预期的加工效果，编制高质量的数控程序是必不可少的，这是因为数控加工程序不仅包括零件的工艺过程，而且还包括刀具的形状和尺寸、切削用量、走刀径等工艺信息。对于简单的模具零件，通常采用手工编程的方法，对于复杂的模具零件，往往需要借助于CAM软件编制加工程度，如Pro/E、UG、MasterCAM等。无论是手工编程或计算机辅助编程，在编制加工程序时，选择合理的工艺参数，是编制高质量加工程序的前提。在本课题所采用的加工软件是Mastercam，该技术是近年来工程技术领域中发展最迅速，最引人注目的一项高级技术，它已成为工业生产现代化的重要标志。它对加速工程和产品的开发、缩短产品设计制造周期、提高产品质量、降低成本、增强企业市场竞争能力与创新能力发挥着重要作用。在毕业设计中我、Mastercam加工，充分的学习他们的优点，用于渐开线涡轮的加工。

　　工装夹具设计手册一、设计课题分析：

　　本课题是工业高压变量叶片油泵的关键零件之一，叶片由X—Y平面的渐开线参数方程投影曲线与锥形回转面合成，有椭圆槽、四个螺纹孔。零件图结构很清晰，难点重点就是涡轮正面的加工。

　　以往这种零件的加工多半是通过靠模来完成，这种加工方法的缺点是工作量大，精度差。很难适应现在的社会发展，但现在有数控加工技术，减少了手工的步骤，既能精度，又能节省时间，更重要的是很大程度上缓解了劳动者工作量。

　　数控加工是根据零件的材料、几何形状编写相应的工序工艺；设计相应的夹具；用软件造型再获得相应的加工程序；导入仿真软件进行模拟加工；最后到数控机床进行加工。

　　数控加工有许多方法，这里指的是我们在做毕业设计时加工渐开线涡轮所需的步骤。而此次设计的渐开线涡轮正是油泵的一个重要零件。对其进行工艺工装设计有着实际性的作用和意义。另外对于数控专业来说，本课题的设计可以让我们能全面的运用所学知识，培养我们思考的能力，培养我们搞工艺工装设计的思维能力，培养我们今后发展的能力。

　　在这里需要指出的是，加工所需要的程序可以通过手工编程，自动编程等等一系列方法来实现，在对渐开线涡轮的加工中，我选择自动编程来完成。

　　至于渐开线涡轮的应用，目前用于旋转式流体机械比较多。用于泵也比较广泛，泵是一种面广量大的通用机械，应用于国民经济的各个领域，如农田水利、石油化工、电力、建筑、环保、轻工食品等各行业，需要量很大。随着产品技术水平的提高和节约能源的要求，泵的应用范围正在迅速扩大。

　　1、零件分析：

　　渐开线涡轮是按一定规律环绕在圆柱面上的等宽槽。该零件按中小批量生产，生产纲领为月产1000件。涡轮材料为不锈钢。(1Gr18Ni9Ti)，具有良好的耐蚀性和冷塑性变形性能;钢因塑性和韧性很高，切削性较差;为此在切削过程中需使用水性切削冷却液，以减少切削热变形。

　　该零件的尺寸精度要求不是很高，但是在普通机床上是无法加工的，因此选用带有数控回转台的立式数控铣床进行加工。渐开线涡轮正面上的每一个截面在高度上都是不相等的，一般选用立铣刀进行加工。渐开线涡轮加工前通常是一个实心的圆柱体，要经过车削、开槽、粗加工、精加工等工序。

　　2、工艺分析及安排：

　　（1）工序顺序安排原则

　　（a）原则：先粗后精，先主后次，先面后孔，基面先行。

　　（b）机械加工工艺线按工序的性质不同一般可分为粗加工，半精加工和精加工三个阶段。表面质量要求特别高时，还应增加光整加工阶段。

　　（c）零件的机械加工线中，第一道工序往往都是加工精基准，然后使用精基准定位，进行后续加工，如轴类零件先钻中心孔，箱体类零件先加工平面、定位销孔等。

　　（2）工艺安排原则和方法

　　制定工艺规程定的原则是：在产品质量的前提下，最大限度的提高生产率和降低制造成本。

　　工件是工艺系的核心。各种加方法都是根据工件的被加表面类型、材料和技术要求等来确定的。

　　夹具是一种工艺装备。它的作用一是工件相对于机床和刀具具有正确的，这一过程称为“定位”；二是要工件在外力的作用下仍能保持正确，这一过程称为“夹紧”。

　　要工艺系统各环节之间正确的几何，应工件在夹具中有正确的定位、夹具对机床具有正确的相互关系和夹具的正确调整。

　　由于所加工渐开线涡轮的材料为不锈钢，外形尺寸且精度要求不高，我对该零件工件进行了以下的工艺安排：

　　下料（车出零件的外形尺寸82.231.8）——粗、精铣椭圆形槽——钻、攻M8深8螺纹孔——粗、精铣涡轮正面——去毛刺——检验——入库。

　　3、刀具材料的选择：

　　刀具材料通常是指切削部分的材料。在切削过程中，刀具切削部分直接承担切削工作。刀具切削性能的好坏对于切削加工效率、刀具寿命、刀具消耗、加工成本、加工精度和表面质量都有着密切的关系。

　　目前广泛用的刀具材料有高速钢和硬质合金。还有改善化学成分和组织的各种高效率、高性能刀具材料。如超硬高速钢、碳化钛基硬质合金、表面涂层硬质合金、立方氮化硼、陶瓷和人造金刚石等。

　　正确选用刀具材料是高效率加工不锈钢的决定因素。根据不锈钢的切削特点刀具材料应具备足够的强度、韧性、高硬度和耐磨性且与不锈钢的粘附性要小。常用的刀具材料有硬质合金和高速钢两大类，形状复杂的刀具主要采用高速钢材料。由于高速钢切削不锈钢的切削速度不能太高，因此影响生产效率的提高。对于较简单的车刀类刀具，刀具材料应选项用强度高、导热性好的硬质合金，因其硬度、耐磨性等性能优于高速钢。常用的硬质合金材料有：钨钴类（YG3、YG6、YG8、），钨钴钛类（YT15、YT14、YT5），添加稀有金属碳化物类（YW1、YW2）。钨钴类硬质合金的韧性和导热性较好，不易和切屑粘结，因此适用于不锈钢粗车加工；而YW类硬质合金的硬度、耐磨性、耐热性和抗氧化性能以及韧性都较好，适合于不锈钢的精车加工。

　　由于零件材料为不锈钢（2Gr13），属于难加工类零件，根据刀具的选择原则，在车削是选用复合涂层车刀（FNUM150404-A3），铣削加工所用刀具如下所列：

　　φ4立铣刀、φ6立铣刀、φ6.8麻花钻、M8的机用丝锥、中心钻。

　　4、刀具几何角度的选择：

　　刀具切削部分的几何角度，对于不锈钢切削加工的生产率、刀具耐久度、被加工表面摩擦度、切削力以及加工硬化等方面都有很大的影响，合理选择和改进刀具几何参数是加工质量、提高效率、降低成本的有效途径。刀具前角γo的选择：车削不锈钢时，在不降低刀具强度的条件下，应把前角适当取大一些，在刀具前角大时其塑性变形小，切削力和切削热降低，减轻加工趋势，提高刀具耐用度，一般刀具前角宜取12°~20°左右。车刀后角α

　　的选择车削不锈钢时的车刀后角要比车削普通碳钢时稍大一些，但后角过大又会降低刀刃强度，直接影响车刀的耐用度，因此，一般情况下车刀后角宜取6°~10°左右。车刀主偏角Kr的选择：车削不锈钢时的硬化倾向性强，易产生振动，振动又会使加工硬化严重。因此，主偏角一般宜取45°~90°左右。

　　正确地确定切削用量，对加工质量、提高生产率、获得良好的经济效益，都有着重要的意义。在确定切削用量时，应综合考虑零件的生产纲领、加工精度、和表面粗糙度、材料、刀具的材料及耐用度等方面因素。

　　粗加工时，由于要求的加工精度较低、表面粗糙度较大，切削用量的确定应该尽可能较高的金属切除北和必要的刀具耐用度，以达到较高的生产率。提高切削速度、增大进给量和切削深度，都能提高金属切除率，但在这三个要素中，切削速度对刀具耐用度影响最大，其次是进给量，影响最小的是切削深度。所以在确定粗加工切削用量时，应优先考虑采用大的切削深度，其次考虑采用较大的进给量，最后根据刀具的耐用度要求，确定合理的切削速度。具体数据的确定可有关手册。

　　半精加工、精加工时，确定切削用量首先要考虑的问题是加工精度和表面质量同时也要兼顾必要的刀具耐用度和生产率。半精加工、精加工时的切削深度一般根据粗加工后留下的加工余量来确定，而进给量主要根据表面粗糙度来确定。为了减少工艺系统的弹性变形和已加工表面的残留面积高度，半精加工和精加工时一般多采用较小的切削深度和进给量。在切削深度和进给量确定之后，再确定合理的切削速度。

　　（4）夹具在机床上安装要准确可靠，以工件在正确的上加工。

　　由于该零件的渐开线螺旋槽和底面的椭圆槽有一定的要求，基本的三抓卡盘夹具不怎么理想。所以要重新设计一个专用夹具。

　　根据基准统一的原则，我采用设计基准来作为我们的定位基准，即采取一面二销的形式进行定位.

　　夹紧方式的确定，我考虑了各种各样的方案，都觉得不理想.最后我选用了在V形块板上打螺纹孔采用螺纹杆旋转夹紧的方法。.

　　2.夹具结构设计计算:

　　夹具机构既要可靠，又要和生产纲领相适应，这样才能符合多，快、好、省的原则。大批生产中使用的夹具和中小批生产中使用的夹具，在结构上应有所区别。

　　在大批量生产中，既要解决工件的质量问题，又要解决工件的产量问题。因此，在设计夹具时，应采用高效、省力的夹具结构。例如：采用各中动力源（如气动、液动、电动等）实现夹具夹紧，减轻劳动强度；采用联动夹紧机构和多件夹紧机构，减少辅助时间；采用多工位分度装置，使加工时间和辅助时间重合

　　大批生产中使用的夹具比较复杂，造价较高。为了便于设计的夹紧部件等，应广泛采用各种形式的通用动力部件，如标准汽缸。标准油缸、各种增压器、通用的夹紧部件等，组成专用夹具。这是目前夹具设计中的一种新趋向。

　　在中小批生产中，采用夹具的主要目的是加工质量和扩大机床的工艺性能，以及便于多品种生产等。因此，对夹具机构的主要，主要是精度和通用性，效率问题比较次要。所以应尽量采用各种形式的通用夹具、可调夹具和组合夹具等配以适当的专用附件，以满足生产要求。在设计专用夹具时，要充分采用部件及标准元件，以提高夹具的标准化程度。