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方聰聰14071900462發動機曲軸數控加工仿真研究畢業論文(定稿).pdf.pdf 免費下載
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文檔簡介
學號:畢 業 設 計 題目: 發動機曲軸數控加工仿真研究 作 者: 方聰聰 屆別: 2011 屆 系 別: 機械工程學院 專業: 機械設計制造及其自動化 指導教師: 譚 華 職稱: 講 師 完成時間: 2011 年 5 月 11 日 2011 年 5 月 11 日 湖南理工學院畢業設 計(論文) I 摘 要 發動機曲軸是發動機中最重要的部件之一,它承受復雜、交變的沖擊載荷, 是發動機設計的重點和難點。 正因為曲軸在發動機動力輸出中的重要性及受力的復雜性,曲軸的加工質量的好壞直接影響整個發動機的壽命及性能的好壞 。 隨著科學技術的進步,數控加工技術得到了更廣泛的應用。 數控車床、數控內銑床、數控車拉床等先進設備對主軸頸、連桿軸頸進行數控車削、內銑削、車 有效減少曲軸加工的變形量 。 曲軸精加工將廣泛采用 制的曲軸磨床對其軸頸進行精磨加工。此種磨床將配備砂輪自動動平衡裝置、中心架自動跟蹤裝置、自動測量、自動補償裝置、砂輪自動修整、恒線速度等功能要求,以保證磨削質量的穩定。 本文 以 E 中的 塊與 件為基礎,結合其各自特點,通過對 某 發動機曲軸 的數控模擬加工的研究,提出一種零件建模、仿真加工的快捷方法,可大大加快建模編程速度、仿真驗證加工工藝,提高生產效率。 關鍵詞: 發動機曲軸 ; ; 數控加工 ; 仿真 湖南理工學院畢業設 計(論文) is of of it of is of in in of of is or of NC is to NC in to of be NC of be to of In E C a C a to up 湖南理工學院畢業設 計(論文) 錄 摘 要 . I . . 1 題的提出依據和意義 . 1 題選題的目的 . 1 軸的加工工藝發展 . 2 . 4 C 模塊簡介 . 4 介 . 5 的發動機曲軸的建模 . 6 動機曲軸的選擇 . 6 動機曲軸 三維建模 . 6 . 9 軸的毛坯及其熱處理 . 9 軸毛坯的制造方法 . 9 軸毛坯的熱處理 . 10 軸的技術要求 . 10 4 4 1尺寸精度和形狀精度的要求 . 10 4 4 2位置精度要求 . 11 4 4 3表面粗糙度要求 . 12 4 4 4其他方面的要求 . 12 . 5 1加工工藝規程 . 12 4 5 2機車曲軸加工工藝規程的制定 . 13 C 及 曲軸數控加工仿真 . 15 算機輔助數控編程的步驟 . 15 C 模塊的加工流程 . 16 軸的數控加工仿真過程 . 18 刀位軌跡仿真 . 24 湖南理工學院畢業設 計(論文) . 26 論 . 26 望 . 26 參考文獻 . 27 致 謝 . 29 附錄 英文原文及翻譯 . 30 湖南理工學院畢業設 計(論文) 1 題的提出依據和意義 在科技日新月異的今天,機械化與自動化進入了人們生產生活的各方各面,而各種機械設備都是以發動機提供源動力。特別是在近幾年,汽車行業的發展給人們的出行帶來了極大的便利,而這其中,發動機起著舉足輕重的作用。 曲軸是發動機的核心部件之一。作為發動機的源動力輸出部件,它承受著復雜的交變載荷,如 工作過程中受到周期性不斷變化的氣體力、往復運動質量慣性力、旋轉與動離心慣性力 。不斷承受著 扭轉和橫向、縱向振動,承受拉、壓、彎曲 應力。 因此曲軸必須具有足夠的強度、剛性、韌性和耐磨性和高 的加工精度。其加工精度 將直接影響曲軸乃至發動機的壽命。 目前國內曲軸生產線多數由普通機床和專用機床組成,生產效率和自動化程度相對較低。粗加工設備多采用多刀車床車削曲軸主軸頸及拐頸,工序的質量穩定性差,容易產生較大的內應力,難以達到合理的加工余量。一般精加工采用 曲軸磨床粗磨 精磨 常靠手工操作,加工質量不穩定。 數控加工設備的引入使得曲軸加工精度及效率大幅度提升, 而 傳統的制造加工過程, 一般都是通過在數控機床上對 碼進行空運行或是采用較軟、 較便宜的材料進行樣件試切操作,以檢 驗數控代碼的正確性與合理性。這將會占用大量的機床實際加工時間,降低機床的效率。采用先進的仿真技術可以利用計算機圖像模擬加工過程,并觀察刀具運動及刀具對加工部位工件材料的切除過程。這樣可以從本質上提高檢驗的效率, 節省勞動力, 節約生產資源。 題選題的目的 本文預計達到以下目的: 1 對發動機曲軸進行結構及加工工藝分析,并建立 三維模型。 2 使用 塊 和 件完成整個加工過程及加工過程的仿真 , 生成數控程序代碼, 分析 仿真結果 。 3 認識使用軟件建模及仿真加工,對產品制造產 生的優勢 。 湖南理工學院畢業設 計(論文) 2 軸的加工工藝發展 20世紀 70年代以前,發動機 曲軸 粗加工采用的加工方式是多刀車床車削曲軸主軸頸和連桿軸頸。采用這種方式加工精度較低、柔性很差、工序質量穩定性低,且容易產生較大的內部應力,難以達到合理的加工余量。在粗加工后一般需要進行去應力回火處理,釋放應力。因此粗加工需要給后續精加工工序留較大的加工余量,以去除彎 曲變形量。曲軸精加工采用的是普通磨削工藝,一般采用 半精磨 拋光。通常靠手工操作,加工質量不穩定,廢品率較高。 20世紀 70年代到 80年代左右,曲軸粗加工采用 工狀況有所改善。精加工仍以普通磨床磨削工藝為主。 20世紀 80年中期又出現了 其是對于鍛鋼曲軸,內銑更有利于斷屑。精加工工藝多采用半自動曲軸磨床,頭架和尾座同步傳動,加工精度有一定的提高。 1985 年到 1990年左右開發出了曲軸車拉 、車車拉工藝,該工藝具有精度高、效率高等優點,特別適合于平衡塊側面不需要加工且軸頸有沉割槽 (包括軸向沉割槽 )的曲軸,加工后曲軸可直接進行精磨,省去粗磨工序。曲軸精加工已少量采用數控磨床磨削工藝,尺寸的一致性得到改善。 20世紀 90年代中期又開發出 對平衡塊側面需要加工的曲軸,比 車拉的生產效率還要高。另外, 拉工藝加工連桿軸頸要二道工序, 有以下優點:切削速度高 (可高達350m/切削時間較短、工序循環時間較短 、切削力較小、工件溫升較低、刀具壽命高、換刀次數少、加工精度更高、柔性更好。所以 加工使用數控磨床,采用靜壓主軸、靜壓導軌、靜壓進給絲杠 (砂輪頭架 )和線性光柵閉環控制等控制裝置,使各尺寸公差及形位公差得到可靠的保證,精加工還廣泛使用數控砂帶拋光機進行超精加工,經超精加工后的曲軸軸頸表面粗糙度至少提高一級精度。 20世紀 90年代開發的 國 削速度高達 120m/s,用扒皮法一次裝夾從毛坯到精磨完畢,耗時僅幾分 鐘的時間。這將會出現以磨代替其它粗加工工藝的新局面。 進入 21世紀以后,復合加工工藝已進入曲軸制造業中。復合機床應具有工序集成功湖南理工學院畢業設 計(論文) 3 能,多種加工集成功能。奧地利 一次裝夾,全部加工 ” ,加工后的曲軸可直接轉入精加工工序;曲軸精加工方面,也出現了工序集成的 一次裝夾磨削全部曲軸主軸頸和連桿軸頸 (擺動跟蹤磨削 )。 由以上演變可以看出, 曲軸 的加工工藝正向著高速、高效、復合化方向發展。目前較為流行的粗加工工藝是主軸頸采用車車拉工藝和高速外銑,連桿頸采用高速隨動外銑,全部采用干式切削;精加工采用數控磨床加工,具有自動進給、自動修正砂輪、尺寸和圓度自動補償、自動分度和兩端電子同步驅動等功能。主軸頸和連桿頸可一次裝夾全部磨削完畢;超精加工采用數控砂帶拋光機,帶尺寸控制裝置。 湖南理工學院畢業設 計(論文) 4 C 模塊 簡介 作軟件是美國參數技術 公司( 下的 體化的三維軟件。 件以參數化著稱,是參數化技術的最早應用者,在目前的三維造型軟件領域中占有著重要地位, 為當今世界機械 域的新標準而得到業界的認可和推廣。是現今主流的 件之一,特別是在國內產品設計領域占據重要位置。 第一個提出了參數化設計的概念,并且采用了單一數據庫來解決特征的相關性問題。另外,它采用模塊化方式,用戶可以根據自身的需要進行選擇,而不必安裝所有模塊。 的基于特征方式,能夠將設計至生產全過程集成到一起,實現并行工程設計。它不但可以應用于工作站,而且也可以應用到單機上。 采用了模塊方式,可以分別進行草圖繪制、零件制作、裝配設計、鈑金設計、加工處理等,保證用戶可以按照自己的需要進行選擇使用。 其主要特點如下: 相對于產品而言,我們可以把它看成幾何模型,而無論多么復雜的幾何模型,都可以分解成有限數量的構成特征,而每一種構成特征,都可以用有限的參數完全約束,這就是參數化的基本概念。 是基于特征的實體模型 化系統,工程設計人員采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型,如腔、殼、倒角及圓角,您可以隨意勾畫草圖,輕易改變模型。這一功能特性給工程設計者提供了在設計上從未有過的簡易和靈活。 相關) 建立在統一基層上的數據庫上,不 像 一些傳統的 統建立在多個數據庫上。所謂單一數據庫,就是工程中的資料全部來自一個庫,使得每一個獨立用戶在為一件產品造型而工作,不管他是哪一個部門的。換言之,在整個設計過程的任何一處發生改動,亦可以前后反應在整個設計過程的相關環節上。例 如,一旦工程詳圖有改變, 控)工具路徑也會自動更新;組裝工程圖如有任何變動,也完全同樣反應在整個三維模型上。這種獨特的數據結構與工程設計的完整的結合,使得一件產品的設計結合起來。這一優點,使得設計更優化,成品質量更高,產品能更好地推向市場,湖南理工學院畢業設 計(論文) 5 價格也更便宜。 一個全方位的三維產品開發綜合軟件,作為集成化的 產品加工制造的環節上,同樣提供了強大的加工制造模塊 C 模塊。 C 模塊能生成驅動數控機床加工 件所必需 的數據和信息,能夠生成數控加工的全過程。 統的全相關統一數據庫能將設計模型的變化體現到加工信息中,利用它所提供的工具能夠使用戶按照合理的工序將設計模型處理成刀位數據文件,這些文件經過后處理變成數控加工數據。 C 模塊生成的數控加工文件包括:刀位數據文件、刀具清單、操作報告、中間模型、機床控制文件等。 用戶可以對所生成的刀具軌跡進行檢查,如不符合要求,可以對 控工序進行修改;如果刀具軌跡符合要求,則可以進行后置處理,以便生成數控加工代碼,為數控機床提供加工數據。 C 模塊的應用范圍很廣,包括數控車床、數控銑床、數控線切割、加工中心等自動編程方法。 介 行于 夠真實地模擬在加工過程中刀具的切削、加工零件、夾具、工作臺及機床各軸的運動情況, 證、分析及優化,而且能夠對機床進行仿真。 通過 真實反映加工過程中遇到的各種問題,包括加工編程的刀具運動軌跡、工件過 切情況和刀、夾具運動干涉等的錯誤,甚至可以直接代替實際加工過程中試切的工作,并且提供了對刀位軌跡和加工工藝優化處理的功能,可以大大提高零件的加工效率和機床 的利用率。 數控加工過程的模擬達到了極其逼真的程度,并且機床的運行過程和虛擬的工廠環境也能被模擬出來,以檢測加工過程中可能存在的問題,為用戶挽回不必要的損失。 多國家的著名學校、研究機械和制造企業使用,并且眾多的 集成或外掛了 湖南理工學院畢業設 計(論文) 6 的 發動機曲軸的 建模 動機曲軸 的選擇 下面以某發動機曲軸 為研究對象,該 曲軸為四缸發動機曲軸 , 根據發動機氣缸的數目,曲軸一般分為單缸,雙缸,四缸和六缸曲軸 , 四缸發動機曲軸有五個主頸和四個連頸,四個連頸互成 180 度分布,該曲軸總長 560中主頸長 30頸長 30曲軸圖如 圖 1: 圖 1 發動機曲軸圖 動機曲軸 三維 建模 曲軸三維實體造型的關鍵問題及解決方法: 在實體造型的時候從曲軸的動力輸出端開始:首先輸出帶有 倒角及鍵槽 的以 拉伸 特征為基本特征的動力輸出端軸,并進行倒角、退刀槽等操作 ,動力輸出端見圖 2。 圖 2 動力輸出端圖形 湖南理工學院畢業設 計(論文) 7 拉伸出第一拐的連桿頸,在連桿頸上再拉伸出另一側的曲拐臂,然后拉伸出第一曲拐的主軸頸,這樣第一個曲拐就完成了基本特征的造型。 見圖 3。 圖 3 曲軸第一曲拐圖 然后復制、平移、旋轉操作,完成第二曲拐 ,如圖 4。 圖 4 完成第二曲拐后的 建模圖 在第三個主軸頸中心建立一個參考平面,然后鏡像前兩個曲拐得到最終的曲軸 建模圖 (圖 5) 。 湖南理工學院畢業設 計(論文) 8 圖 5 曲軸的 建模圖 拐臂上去除部分材料的原因: 曲軸的曲拐為了更好的利用材料,可將曲柄上離軸線最遠的不受力的部分切掉,從而減少了旋轉部分不平橫質量,同也降低了曲軸的質量。曲拐臂要切掉一部分離軸線遠的材料,在 利用旋轉命令切除材料的。根據曲軸尺寸的要求,在旋轉命令的草繪環境下,草繪一個倒三角形,定義離主軸軸線的距離和旋轉直徑及旋轉中心,旋轉去除材料 就可以得到更合理的曲軸結構。 油孔的作用:為連桿和曲軸頸提供潤滑 。 湖南理工學院畢業設 計(論文) 9 軸的毛坯及其熱處理 曲軸材料的選者原則是在保證曲軸安全、可靠、穩定的基礎下,在保證具有足夠的強度的前提下,盡可能采用一般材料。除考慮機械性能、疲勞強度外,還要考慮耐磨性、抗沖擊韌性,以及制造加工的工藝性、設備能力和熱處理性能等等。曲軸主要采用材料有優質碳素鋼、合金鋼、球墨鑄鐵等。 現代大量生產的小型柴油機,其曲軸材料一般采用球墨鑄鐵和優質碳素鋼,例如2球墨鑄鐵和 35, 40, 45 鋼等 。 大型低速柴油機曲軸,多采用半組合式制造,這時主軸頸常用 35, 40 鋼;連桿及曲柄臂則采用 鋼。 中、高速柴油機整體式曲軸,采用 35, 40, 45, 4035為多,也可以采用球墨鑄鐵 于高速強載大功率柴油機曲軸則多采用合金鋼,如 358。 軸毛坯的制造方法 曲軸毛坯的制造方法有鍛造和鑄造兩種,常取決于所選用的材料、生產批量和工廠的具體情況。當選用鋼材時,常用鍛造方法制造毛坯:小型曲軸、生產批量大時采用模鍛;中型大型 整體曲軸采用自由鍛或者鐓鍛;大型半組合曲軸,其來連桿用鑄鋼件。當選用球墨鑄鐵時,則用鑄造方法獲得曲軸毛坯。 曲軸毛坯的兩種制造方法各有其優點和缺點:利用鍛造方法制造出的曲軸毛坯可以獲得較合理的結構形狀,如橢圓形曲柄臂、桶形空心軸頸和卸荷槽等從而使應力均勻分布。鍛鋼曲軸雖然可以得到有利的纖維組織,并且能按要求獲得較佳的截面模量和緊密細晶金粒組織,質量穩定,但是它的成本較高;利用鑄造方法制造出的曲軸毛坯的切削加工性能好,并有較好的減震性和耐磨性,且生產成本低。球鐵的鑄造性能好,適用與采用精密鑄造,使機械加工余量 減少,可簡化機械加工工藝過程,提高生產力并降低成本,鑄造曲軸平均比鍛鋼曲軸節省 50的成本。 近十年來廣泛采用特殊制造法制造曲軸毛坯,較成功的是鐓鍛彎曲法,既 造法和 造法。此法最大優點是能使鍛件纖維沿曲軸的形狀連續分布,扭曲少,材料利用率高,機械加工工時省,成本低。 湖南理工學院畢業設 計(論文) 10 軸毛坯的熱處理 鍛鋼曲軸毛坯一般在鍛成后預先作正火或者退火處理,以消除鍛造應力,改善坯件材料組織的均勻性,并有利于機械加工及為最終熱處理做好準備。 對于性能要求不高的碳素鋼曲軸既可通過鍛件的正火或者退火作為最終熱處理,在機械加 工中不再進行熱處理。大型或者中型碳素鋼曲軸,在加工過程中進行的中間熱處理 (650C 回火 ),知識作為大量金屬切削后消除應力之用,不改變金相組織,正火后曲軸的硬度一般為 170 241 對于性能要求高的碳鋼或者合金鋼曲軸,除了毛坯作預先正火處理或者退火處理外,在機械加工過程中,常常還要進行調質處理作為最終的熱處理。調質可以提高曲軸的疲勞強度、韌性和耐磨性,但往往引起淬火不均勻而造成曲軸的變形。熱處理變形可以通過校直的方法來消除。調質后的硬度,碳鋼為 207 269金鋼的硬度為 240 352 對 球墨鑄鐵曲軸一般采用正火處理,正火后硬度為 240 320加工前應進行退火處理,硬度為 220 290鑄鋼曲柄應進行兩次正火和回火處理,或者高溫擴散退火、正火及回火處理,粗加工后應進行退火處理。 對工件表面要求硬化處理的合金鋼曲軸,軸頸表面可采用表面淬火或者氮化處理,硬度達 50上,淬硬深度 2 3化層深度 0 3須注意,各軸頸圓角處不應淬硬。 對工件表面要求淬硬的軸頸,推薦用高頻表面淬火,淬硬深度為 4軸的技術要求 4 4 1尺寸精度和形狀精度的要求 由于曲軸是旋轉體零件,各主軸頸和連桿頸與軸瓦要在高單位面積壓力和高速滑動摩擦條件下工作,為了減少磨損,對各軸頸的尺寸和形狀精度均有較高的要求。通常: 主軸頸和連桿頸的直徑尺寸:低速度柴油機按 公差加工;中速柴油機按 公差加工;高速柴油機按 者更高一級的公差加工。 各軸徑長度尺寸和曲柄臂厚度:均按 公差加工。 曲柄半徑的偏差:每 不超過士 O 15 凸緣外圓直徑: (與飛輪或聯軸節連接 )按 公差加工。 其余自由尺寸均按 公差加工。 湖南理工學院畢業設 計(論文) 11 軸徑的形狀公差 (圓度和圓柱度 )要求,根據不同情況而定。通常,低速柴油機的形狀公差約為尺寸精度 公差的四分之一;中、高速柴油機則為 公差的四分之一。其具體數值不得超過表 1 的規定。曲軸的軸徑過渡圓弧須用樣板檢驗,樣板與過渡圓弧之間的間隙不得超過 0 2 表 1 曲軸各軸頸圓度和圓柱度公差 (單位: 75 75 100 100 150 150 250 250 350 350 500 500 600 主軸頸 柄銷 4 2位置精度要求 為使活塞連桿運動部件運行正常,減少曲軸的附加應力。避免軸頸與軸瓦產生不均 勻磨損,柴油機正時準確、運動平衡和工作可靠,對曲軸位置公差提出下列幾方面的要求。 主軸頸對曲軸軸線的徑向圓跳動量,一般高速柴油機為 O 01 0 04、大型 柴油機為 0 04 0 08軸頸對曲軸線的徑向圓跳動公差,在每個主軸頸兩端 (即首、尾兩端 ),每轉動 45度用千分表測量一次。其值不得超過表 2的決定。 表 2 主軸徑向圓跳動公 差值 (單位: 曲柄 數目 軸頸支承數目 主軸徑向圓跳動公差值 75 75 100 100 150 150 250 250 350 350 500 500 600 3 l 0 015 0 02 0 025 0 03 O 03 0 04 4 2 3 0 02 0 025 0 030 0 04 0 05 0 07 5 8 3 4 0 025 0 03 0 035 0 05 0 06 0 08 9 12 5 6 0 04 0 055 0 065 0 075 0 085 連桿頸軸線與 主軸頸線的平行度誤差,在每 01于手工修刮的曲柄銷,每 015柄各曲柄間的夾角誤差應不大于 15。 曲軸凸緣端面應與曲軸軸線垂直,其端面圓跳動公差,對凸緣直徑在 300 03凸緣直徑在 300 05軸凸緣外圓對曲軸軸線的徑向圓跳動誤差,不得超過表 3的規定要求。 湖南理工學院畢業設 計(論文) 12 表 3 凸緣外圓對曲軸軸線的徑向圓跳動公差值 (單位: 曲軸凸圓直徑 100 100 250 250 500 500 徑向圓 跳動公差 軸的臂距差,在表 1軸頸支承情況下,及測量點在 (R+d) 2(位置上所測得的數值。每米活塞行程不大于 活塞行程小于 400放松為每米活塞行程不大于 總數值不得超過 4 4 3表面粗糙度要求 主軸頸和連桿頸:其表面粗糙度為:低速柴油機應小于 .8 速柴油機應小于 速柴油機應為 油孔孔口和軸頸過度圓弧表面粗糙度 軸凸緣外圓和端面的粗糙度 柄臂側面的粗糙度應為 鋼曲軸 )的粗糙度應為須指出,如果曲軸材料是合金鋼,因它對應力集中非常敏感,故粗糙度度值要求須相應減少一級。即使是非配合表面,其粗糙度也應 4 4 4其他方面的要求 曲軸所有的加工表面不允許有裂紋、麻點、凹陷、毛刺和碰傷,等缺陷;非加工表面不允許有氧化皮、分層、裂紋、折疊及過燒等缺陷。對高速柴油機的曲軸,其動平衡精度應不超過 0 005N m。 4 5 曲軸數控加工工 藝制定 4 5 1加工工藝規程 工工藝規程是規定產品或者零部件制造工藝過程和操作方法等的工藝文件。工藝規 程中包括各個工序的排列順序,加工尺寸、公差及技術要求,工藝裝備及工藝措施,切削用量及工時定額、工人等級等。工藝規程是指導生產的主要技術文件,是生產組織和生產管理工作的依據,也是新建、擴建或者改建機械制造工廠的主要技術資料。正確的工藝規程基于實踐和具體生產條件制定。零件的機械加工工藝規程是每個機械制造廠或者加工車間必不可少的技術文件。按照工藝規程進行生產,就能確保產品質量,提高生產率,降低成本和安全生產。 工藝規程的設計步驟有以下幾方面: 1研究和分析零件的工作圖。首先明確零件在產品中的作用、地位和工作條件,并找出其主要的技術要求和規定它的依據,然后對零件圖進行工藝審查。審查的內容有:零湖南理工學院畢業設 計(論文) 13 件圖上的視圖是否完整和正確;零件圖上所標注的技術要求、尺寸、粗糙度和公差是否齊全、合理;零件的結構是否便于加工、便于裝配和便于提高生產率;零件材料是否立足于國內、資源豐富且容易加工。對于以上內容,如果在審查過程中認為不合理或者是錯誤及遺漏,可以提出修改意見。 2確定毛坯的種類。若毛坯的種類不同,即使是同一個零件,其加工工 藝過程也不相同,因此在制定工藝規程時必須正確地選擇毛坯的種類和了解毛坯的制造情況。毛坯種類的確定是與零件的結構形狀、尺寸大小、材料的機械性能和零件的生產類型直接相關的,另外還與毛坯車間的具體生產條件有關。 3擬訂零件加工的工藝路線。內容包括:定位基準面的選擇;各表面的加工方法;加工階段的劃分;各表面的加工順序;工序集中或者分散的程度;熱處理及檢驗工序的安排;其他輔助工序 (如清洗、去毛刺、去磁、倒角等 )的安排。 4擬訂各工序的機床設備、工藝裝備 (刀、夾具、量具等 )和輔助工具。 5確定各工序的加工余量、工 序尺寸和公差。 6確定各工序的切削用量及工時定額。 7技術經濟分析。 8填寫工藝文件。 4 5 2機車曲軸加工工藝規程的制定 在曲軸外表面數控加工中一般遵循以下四個方面的原則: 1先粗后精。即按照粗一半精一精的原則進行,直到加工到符合零件的精度要求為止。 2先近后遠。即按照加工部位相對于換刀點由近到遠逐步進行加工,以減少刀具的空行程時間。 3刀具集中。即用同一把刀具加工完成所有相應的部位,然后再換另一把刀具加工其他相應的部位,以減少空行程和換刀時間。 4基面先行。即應先加工定位的部位,以保證加 工精度。 本次設計的對象為機車曲軸的機械加工采用的是 控外銑車床進行加工。統 一用主軸頸進行定位,在連桿頸加工的時候夾具采用連桿頸加工專用的偏心夾具。 根據機車曲軸的各部位公差以及表面粗糙度,最后確定機車曲軸主要加工部位的工藝路線如下: 湖南理工學院畢業設 計(論文) 14 1主軸頸、連桿頸:粗車一半精車一再半精車一精車一粗磨一精磨; 2自由端:粗車一精半精車一精車錐面; 3法蘭端:粗車一精車; 4 車一精車; 5錐面:粗車一半精車一精車一粗磨; 6平衡塊結合面:粗銑一半精銑一精銑; 7主軸頸、連桿頸、斜油 孔、中心孔:鉆削加工; 8平衡塊結合面孔:鉆一擴一攻。 由于該曲軸毛坯是采用鑄造方法制造出來的,并且在粗加工的時候,加工余量較大, 所以在粗加工以后要進行調質熱處理,以釋放殘余應力,提高曲軸的綜合力學性能,并 有利于以下的加工工序;在粗加工、半精加工以及再半精加工之后分別進行三次次噴丸 處理,進行表面強化,提高零件機械強度以及耐磨性、抗疲勞和耐腐蝕性;在第一次半 精加工之后對零件進行時效處理;在對零件進行磨削加工之前對零件進行氮化處理,使 曲軸具有優異的耐磨性、耐疲勞性、耐蝕性及耐高溫性;在零件所有的機械 加工工序都 完成之后對零件進行兩次動平衡檢查。 在各個工序之間不單單要進行熱處理,還有的工序在加工之前需要在劃線平臺上進 行劃線處理,例如在粗加工之前,和在孔加工之前。粗加工的時候,由于加工余量比較 大,定位誤差比較大,且毛坯的鑄造精度有限,為保證加工精度,要進行劃線處理。在 某些孔進行加工之前 (例如:法蘭盤上孔 ),由于這些孔在零件上互相之間有角度和距 離的限制,為了保證加工時的精度以及達到零件圖上個孔的位置要求,需要進行劃線處 理。 具體加工工序以及所采用設備詳情請見加工工序卡片以及工序過程卡片。本章只是 提取了有代表性的連桿頸的粗車至精車工序進行了切削用量等方面的數據計算,主軸頸 和曲拐臂加工情況類似。所以加工工序卡片中只包含了這四道工序的內容。 湖南理工學院畢業設 計(論文) 15 C 及 曲軸數控加工 仿真 算機輔助數控編程的步驟 目前 ,國內外計算機輔助制造( 軟件的種類很多,其軟件功能、面向用戶的接口方式有所不同,所以編程的具體過程及編程中所使用的指令也不盡相同,但從總體上講,編程的基本原理及基本步驟大致上是一致的,歸納起來可分為以下五大步驟。 1. 幾何造型 幾何造型就是利用計算機輔助 設計( 軟件的圖形繪制、編輯修改、曲線曲面造型等功能等功能將零件的幾何圖形準確地繪制在計算機屏幕上,與此同時,在計算機內自動形成零件的圖形數據文件。 幾何造型的過程相當于在 言編程中,用幾何定義語句定義零件的幾何圖形的過程,其不同點在于它不是用語言而是用計算機繪圖的方法將零件的圖形數據輸送到計算機中。 圖形數據文件是下一步刀位軌跡計算的依據。自動編程過程中,軟件將根據加工要求自動提取這些數據,進行分析判斷和必要的數學處理,以形成加工的刀位軌跡數據。 2. 加工工藝分析 零件 圖和加工工藝分析是數控編程的 基礎。計算機輔助數控編程和手工編程、言編程一樣也首先要進行這項工作。 目前,由于計算機輔助工藝設計( 術水平的限制,零件加工工藝分析仍需人工進行。夾位置、工件坐標系、刀具類型和尺寸、加工路線及加工工藝參數等數據之后才能進行編程。因此,編程前期的主要任務有:核準零件的幾何尺寸、公差、及精度要求;確定零件相對機床坐標系的裝夾位置以及被加工部位所處的坐標平面;選擇刀具并確定零件刀具的相關參數;確定工件坐標系、編程零點、找正基準面及對刀點;確定加工路線;選擇合理的工藝參數。 3. 刀位軌跡的生成 計算機 輔助數控編程中刀位軌跡的生成是面向屏幕上的圖形交互進行的。其基本過程是:首先在刀位軌跡生成菜單中選擇所需的菜單項,然后根據屏幕的提示,用鼠標指針選取相應的圖形目標,指定相應的坐標點,輸入所需的各種參數;軟件將圖形文件中提取編程所需要的信息,進行分析判斷,計算出節點數據,并將其轉湖南理工學院畢業設 計(論文) 16 換為刀位數據,指定的刀位文件中或直接進行后置處理生成數控加工程序;同時在屏幕上顯示出刀位軌跡圖形。 刀位軌跡的生成大致可分為點位加工刀位軌跡的生成、平面輪廓加工刀位軌跡的生成、槽腔加工刀位軌跡、槽腔加工刀位軌跡的生成和曲面加工刀位軌跡 的生成 4種。 4. 后置處理 由于各種數控機床使用的控制系統不同,所用數控指令的代碼及格式也有所不同,為了生成符合特定數控機床要求的數控加工程序,就需要進行后置處理。計算機輔助制造( 件通常設置一個后置處理配置文件。在進行后置處理前,編程人員需對該文件進行手工編輯或在通用后置處理程序的支持下,按文件規定的格式定義數控加工程序所使用的代碼、程序格式、圓整化方式等內容。 件在執行后置處理命令時將自動按后置處理配置文件定義的內容,輸出所需要的數控加工程序。 5. 程序輸出 在 成軟件系統或專用后置 處理程序中完成數控加工程序的生成后,需將數控加工程序傳輸到數控機床。早期的數控系統多采用穿孔紙帶進行轉換和輸入,目前已廣泛采用 行通信方式或 絡通信方式進行程序輸入。 使用 C 模塊設計加工程序的流程與實際加工的邏輯相似 ,其加工流程圖如圖 6 湖南理工學院畢業設 計(論文) 17 圖 6 C 模塊加工流程圖 制造模型一般由一個參照模型和一個工件裝配組成。 制造模型中可以包含工件,也可以不包含,包含工件的目的與優點是可以計算加工的范圍、模擬材料的加工切削情況和查詢 加工材料切削量等。 制造數據庫包括機床設置、刀具設置、夾具設置等項目。 其中有些項目可以在加工過程中需要定義時再進行設置。 操作實際上是一系列 列的集合。 操作設置一般包括操作名稱、定義機床、定義 出坐標系、操作注釋、設置操作參數、定義起始點和返回點等。 通過定義 列的類型、切削參數和制造參數等由系統自動生成刀具軌跡。 湖南理工學院畢業設 計(論文) 18 C 代碼文件 通過 仿真操作可以對生成的刀具軌跡進行檢查,如果不符合要求,則應對 列及時進行修改;如果刀具軌跡 符合要求,則可以通過后置處理,生成 碼文件,驅動數控機床進行加工。 軸的數控加工仿真過程 曲軸的數控加工 仿真需要建立在曲軸加工工藝分析的基礎之上,同時根據具體的工作環境和加工要求決定。合理的安排工序也可以提高加工效率,減少刀具的損耗及資源的浪費。下面對曲軸加工簡化,以一個曲拐的加工為例,對其進行加工仿真研究。 如圖所示,建立參照模型 (見圖 7) : 圖 7 參照模型 由于上章討論曲軸加工工藝,一般以鑄造毛坯和煅造毛坯為主,故 毛坯模型如 圖 8所示 : 湖南理工學院畢業設 計(論文) 19 圖 8 工件 模型 在 中選擇新建制造文件,及 件命令 ,選擇毫米模版復選框 ,依次選擇插入 -參照模型 -裝配,調入參照模型文件,采用組件坐標系與工件坐標系約束 (圖 9) ,選擇同一模型復選框。 圖 9 坐標系約束后 然后 選擇插入 -工件 -裝配,調入工件文件,然后進行約束處理, 得到如下圖所示的制造模型文件 ,見圖 10。 湖南理工學院畢業設 計(論文) 20 圖 10 制造模型 工件坐標及組件坐標如 圖所示,根據軸類零件的特點,工件坐標設置為軸線中心,同時以曲軸軸線方向為 向為 X 軸,同時可判斷出 于加工曲軸連軸頸時,刀具方向為徑向,而 C 默認 Z 軸方向為刀具方向,則需建立一個以徑向方向為 Z 軸的坐標系。 下面以銑削連桿軸頸及鉆油孔為例,進行加工仿真。 依次點擊步驟 -操作 - ,進行機
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