Ⅱ级转子数控加工工艺及铣削夹具设计

级转子数控加工工艺及铣削夹具设计摘 要转子作为发动机的关键部件，对发动机的性能影响很大，它的加工成为提高发动机性能的一个关键环节。转子作为透平机械的关键部件，广泛地用于航空、航天等领域，其质量直接影响其空气动力性能和机械效率。因此它的加工技术一直是透平制造行业中的一个重要课题。本次设计的内容及工作量是认真分析级转子的设计制造要求，合理制定数控加工工艺，编制工艺卡片；根据铣削叶型的要求，设计出结构合理、装夹方便、满足加工要求的铣床夹具。具体内容如下:认真分析数控机床的结构组成、工作原理、种类、作用；数控加工的工艺特点、工序划分与机床的选用、工序设计；编制级转子数控加工的加工工艺；铣床夹具的结构设计与定位误差的分析计算。关键词：转子；数控加工工艺；铣床夹具 AbstractRotor engine as a critical component of the engine performance is very much Its processing engine performance as a key component. As a turbine rotor mechanical key components widely used in aviation,aerospace and other fields. quality directly affects the aerodynamic and mechanical efficiency. So its processing technology has been turbine manufacturing industry are an important topic. The design of the content and workload analysis is seriously rotor design and manufacturing requirements,NC reasonable development process,preparation of the cards; According to Ye-milling requirements,design a rational structure,fixture convenience,meet the processing requirements of the machine fixture. Specific details are as follows : CNC machine tools carefully analyze the structure and working principle types; NC machining techniques,Machine division in the process of selection, process design; NC establishment rotor machining technology; Miller fixture design and the structure of the positioning error analysis.Keywords : rotor;NC processing;machine fixture- II -前 言此次设计的课程题目是级转子数控加工工艺及铣削夹具设计，在进行了全面而深入的理论学习及实践实习后，在XXXX老师的指导下进行的。设计的主要内容是认真分析级转子的设计制造要求，合理制定数控加工工艺，编制工艺卡片；根据铣削叶型的要求，设计出结构合理、装夹方便、满足加工要求的铣床夹具。相对于轴、套类零件而言，转子的空间结构相对来说是十分复杂的，因此关于制作一个好的转子的数控加工工艺是行业的一大难点。这里，用编制软件CAD/CAM模块UG软件进行说明。用软件-UG编制关于透平机的转子，它包括深窄流道、大扭角、大扭矩、变根圆角等特征的五坐标加工程序。至今的转子的加工中，小件高质要求的转子多采用整体式叶轮加工的方法以提高叶轮的整体质量。先把叶轮的毛坯制作出来，之后把它制作成叶轮回转体的形状，以便进行车削，制作成叶轮的基本形状，再在机床上加工出叶片轮毂与叶片的形状，但是必须留出足够的余量，进行热处理后，再进行一次加工完成。如此加工方式，可以满足大多数转子的强度等质量要求，并且可以制作出小的曲面误差、动平衡的去质少。是至今为止，较为理想的五轴加工制造方法。夹具的设计必须以夹具的结构为基础，再为夹具的各个元件进行选材，计算加紧力，计算定位误差，以确保夹具的合理性。本次设计在XXXX老师指导下，给我提出了许多宝贵意见，在此致以衷心的感谢！限于我的水平，设计中难免有不妥及错误之处，望谅解并给以批评指正。- III -目录摘 要IAbstractII前 言III第1章 数控加工工艺的特点及工艺划分11.1数控加工工艺特点11.1.1数控加工工艺内容要求具体、详细11.1.2 数控加工工艺要求更严密、精确11.1.3零件图形的数学处理和编程尺寸设定值的计算21.1.4选择切削用量21.1.5刀具选择的重要性21.2数控加工工序与工步的划分21.2.1工序的划分21.2.2工步的划分31.2.3数控加工的工序设计31.2.4序余量和总余量41.2.5工序尺寸公差41.2.6走刀方式和切削方式的确定41.2.7选择夹具的基本原则5第2章级转子的工艺设计62.1机械制造工艺概述62.2转子零件的分析62.2.1 零件的作用62.2.2 零件的工艺分析72.3工艺规程设计82.3.1确定毛坯的制造形式82.3.2基准面的选择82.3.3制定工艺路线82.3.4毛坯尺寸的确定112.3.5确定切削用量11第3章 铣床夹具的结构设计153.1夹具设计概述153.2夹具的组成153.3工件装夹的方法163.4夹具的分类163.5专用夹具的设计步骤173.5.1研究原始资料173.5.2确定夹具的结构方案绘制夹具草图183.5.3绘制夹具总装配图183.5.4定位基准的选择183.6夹紧力的计算193.7定位误差的计算203.8夹具模型示意图21第4章 数控加工工艺编程234.1概述234.2 编程流程234.3 点位加工的数控编译244.3.1概述244.3.2点位加工的一般操作几个通用步骤254.4平面加工的数控编程274.4.1概述274.4.2平面加工操作的一般创建步骤274.4.3 型腔铣的数控编程步骤28结 论29参考文献30致 谢31- V -第1章 数控加工工艺的特点及工艺划分1.1数控加工工艺特点数控加工与传统加工相比具有十分明显的优势：高生产效率、高精度、高质量并且数控加工的机械化成度也是相当高的。从而综合体现的就是高效益。1.1.1数控加工工艺内容要求具体、详细通用机床加工工件时，它所需要的加工参数的设置，如进给速度、切削速度等都是依据操作人员自己按照实际经验、操作控制能力自行确定的。它不会经过专业人员的专业设计，这样零件之间的质量相对来说会产生很大的区别。零件的差别会很大，不利于大批的规模化生产。但是，数控加工时几乎可以避免零件之间的差异。数控加工是机床经过NC代码进行执行的。每一次加工完成后都要进行对刀，并且数控机床的精度都是十分高的，所以之后关于机床执行时的轨迹都是一模一样的。数控加工时的加工工艺都是专人进行设计的，会涉及到工艺中各工步的划分与安排、刀具的几何形状及尺寸、走刀路线、加工余量、切削用量并且还会涉及到装夹等其他特殊要求。经过专人设计后无论是安全程度还是零件的质量及其效率都会得到极大提升。1.1.2 数控加工工艺要求更严密、精确 众所周知，通用机床是操作人员进行全程亲自加工的。在使用普通机床时，可以进行多次“适切”来满足精度要求。当切削过程中出先意外情况时，可以随时进行修改。数控加工自适应性较差。数控加工时的自动化行虽然很高、加工精度也很高，但是达不到高智能，不会自行判断，例如排除切屑时，机床不会判断切屑的量，只会根据NC码执行动作，所以这些需要工艺员进行考虑，若出现失误即便是任何一个数值都会产生重大机床事故和质量事故，因此、数控加工工艺设计要求更加严密、精确。 1.1.3零件图形的数学处理和编程尺寸设定值的计算 数控加工时所需要的零件模型并非单纯的零件尺寸体现，需要依据零件图上的尺寸公差及零件形状对零件图进行数据处理。这是编程前必须要做的一项基本工作，也是制定数控加工工艺要必须进行的分析工作。 1.1.4选择切削用量 选择数控机床的切削用量之前，必须了解机床的运动方式。数控机床的刀具是根据插补来的运行的。插补是根据给定的进给速度及轮廓要求，在轮廓已知点之间找中间点，就如同画圆，当一个多边形边数越多时这个图形就越接近圆形，而中间点就相当于边上的顶点。但是，每个中间点计算是需要的时间的，而时间是根据算法来的，如果进给速度过快，行程越大，所形成的轮廓质量就会越差，尤其是对曲面、曲线、曲边的影响尤为明显。所以为了得到高质量的零件，制定工艺时，必须对进给速度进行重点参考。1.1.5刀具选择的重要性 数控机床内是带有刀库的，进行自动换刀。但是刀具是工艺编程人员自己根据需要设定的。如果刀具不指定，不会生成刀路。使用错误的刀具会折断刀具或者零件的狭窄部位加工不到。如果刀具的材料选择不对，也会与零件产生影响。总之刀具是根据零件的结构来确定的。必须慎重选择刀具。1.2数控加工工序与工步的划分1.2.1工序的划分数控机床加工零件时，它的一大有点就是工序集中。它经过一次装夹后可以加工多道工序，甚至是全部工序。常见工序划分原则如下：（1）按零件装卡定位方式划分工序这是以装夹次数进行划分的，每一次装夹划分为一个工序的。根据零件的的结构都不尽相同、技术要求不同，工件的装夹方式也不同。装夹方式有一定的规律：加工外侧时就装夹内部， 加工内侧时就装夹外面。因而可根据定位方式的不同来划分工序。（2）粗、精加工划分工序零件加工工艺制定时有“先粗后精”，而划分工序时也可以以此为原则进行划分。实际加工中零件是结构中有薄壁的，这是需要考虑到零件的刚性变形问题，为了防止变形导致精度、结构出错需要按照粗精加工划分工序。（3）按所用刀具划分工序若按照上述原则进行工序划分，会产生换刀次数的增多。这样会增加空刀运行，大大增加加工时间。按此方法会可以避免不必要的浪费。按刀具划分工序就是：使用一把刀时尽可能多的铣削多个部位，之后再换一把刀进行铣削多个面，前提是不会影响加工质量。1.2.2工步的划分划分工序和工步的最终目的都是提高加工的质量和效率。每一个工序内都有多个工步，工步是对工序的细分，这样便于工业化生产。以加工中心为例进行说明：（1）同一表面按粗加工、半精加工、精加工依次完成，或全部加工表面按先粗后精加工分开进行。（2）对于既有铣面又有镗孔的零件，可先铣面后镗孔，使其有一段时间恢复，可减少由变形引起的对孔的精度的影响。（3）按刀具划分工步。某些机床工作台回转时间比换刀时间短，可采用按刀具划分工步，以减少换刀次数，提高加工生产率。总之，工序与工步的划分要根据具体零件的结构特点、技术要求等情况综合考虑。1.2.3数控加工的工序设计 以上只是设计好了加工路线既加工的先后顺序，之后可以开始考虑加工工序的确定。工序设计的主要内容就是确定工序的内部参数：装夹方式、加工余量、切削用量、刀具量具等。1.2.4序余量和总余量在数控加工过程中，没有多少面可以一次加工完成，这就需要余量的分析。总余量是零件与毛坯之间的量；序余量是毛坯经过一个工序加工后至零件的余量。这里要注意回转体的余量，平面加工所切除的毛坯厚度和回转体和余量是不同的的，可以称作单边余量。1.2.5工序尺寸公差以如今的技术，数控加工无论如何都存在误差，只可以减小误差，却不可能消除误差，因此零件的实际尺寸及加工余量是一个变值。在此要清楚对于外表面：公称余量、最小余量、最大余量，对于内表面来说则相反。工序余量的变动范围等于上工序尺寸公差与本工序尺寸公差之和。工序尺寸的公差，一般规定按“入体”原则标注。对被包容表面，基本尺寸即是最大工序尺寸；而对包容表面，基本尺寸即是最小工序尺寸，毛坯尺寸公差一般采用双向标注。零件加工时同常会出现一些相互关联的尺寸组，它们按一定的顺序组成封闭的链条，它在加工工艺中被称作“工艺尺寸链”。遇到尺寸链时必须注意。1.2.6走刀方式和切削方式的确定切削方式：是指切削时刀具相对与工件得出运动方向。走刀方式：是指刀具轨迹相对与工件的分布位置。二者对于加工的影响：走刀方式多影响刀具的空行程，增加加工时间，降低效率；切削方式多影响工件的加工质量，尤其注意切削力方向、逆铣、顺铣。（1）确定走刀路线和工步顺序走刀路线既是刀轨，是相对与工件的整体轨迹，他可以反映整个工序、工步路线，但不能表现具体数据。这是编写程序的一大根据，制定走刀的原则：最短刀路、最少空程提高效率；最终刀路需一次走刀完成必须保证零件表面的粗糙度、位置精度、尺寸精度等。（2）工件的定位与夹紧方案的确定定位安装的基本原则力求设计、工艺与编程计算的基准统一。尽量减少装夹次数，尽可能在一次定位装夹后，加工出全部待加工表面。避免采用占机人工调整式加工方案，以充分发挥数控机床的效能。1.2.7选择夹具的基本原则数控加工有时是需要设计专用夹具的，几句的设计有几点需要考虑：（1）要保证夹具的坐标方向与机床的坐标方向相对固定；（2）要协调零件和机床坐标系的尺寸关系；（3）夹具及零件的安装、拆卸要方便、快速；（4）大批量时，设计的夹具的结构要简单；（5）小批量时，多使用组合夹具及通用夹具，节约；（6）夹具不能影响工件的加工（如：碰撞）；工件的定位基准与夹紧方案的确定，应遵循前面所述有关定位基准的选择原则与工件夹紧的基本要求。此外，还应该注意下列三点：（1）减少装夹次数：一次装夹尽可能多的完成多个面的加工，既可以减小误差，也可以节约时间；- 28 -第2章级转子的工艺设计2.1机械制造工艺概述制造工艺是把原材料转化成产品时所使用的各种方法的总称。这些方法包含一定的知识、能力，使用可以用上的设备、器材，使用各种有效的手段等。制造工艺包括生产活动里面的各方面还有生产的全过程，也能当做是一个从概念产品到最终产物，是一个进行功能和信息处理的方式。机械加工工艺流程是进行工件或零件制造加工，利用机械加工的方式，将毛坯的形状、表面质量和尺寸进行改变等，从而制作出零件的全过程。例如，一个普通零件的加工工艺流程是：毛坯粗加工热处理精加工检验人库。机械加工工艺是在流程加工的之上，在制造工件或者零件过程中，将其形状、尺寸、相对位置和性质改变等，详细说明成品或半成品的每个步骤。例如，在上面的流程里，机械加工工艺的制造毛坯，热处理的安排，热处理的硬度要求，粗、精加工要分成什么工序和工步，选用的机床、刀具和夹具，切削用量的选定，零件的精度多少和表面粗糙度的选值等问题作出详细并且具体的规定以及说明。技术人员确定出企业的生产条件、工艺过程以及零件数量，写成形式标准的工艺文件，这类文件被叫做工艺规程。工艺流程作为纲领，加工工艺将参数明确，工艺规程则出于对企业的实际情况设计出来的加工工艺。机械加工工艺系统是将企业中处于最基层的工单元加工出来，包括机床、刀具、夹具和工件，如由车床、车刀、夹具和工件等要素组成的车床加工系统。不同的加工单元进行不同的加工方式，也对应着不同的加工工艺系统。作为一个机械制造工厂，不仅需要一系列如车床、铣床、钻床、磨床等的切削加工工艺系统，还需要配备装配、铸造、锻压和热处理等工艺系统。2.2转子零件的分析2.2.1 零件的作用此次设计是关于转子的设计，它在实际上多用于力矩的传递，因此它的性能需要是非常的高。转子作为发动机十分关键部件，对发动机的性能影响巨大，因此在设计它工艺设计时必须十分慎重。由于高质量的要求，所以它的制造成本成为发动机制造的一个关键环节。2.2.2 零件的工艺分析任何零件的工艺分析均从零件图开始。此次目的是转子（如图2.1）的加工工艺。图2.1 零件示意图首先参考转子零件的零件图，明显不是只由一般的平面组成。它包含平面、孔系、旋转面及十分复杂的空间曲面组成，并且曲面的曲率半径变化较大，此零件也是典型的薄壁件。从此件的加工环境来讲，其工作与十分复杂恶略的环境，所以此件的材料，加工工艺方案的设计必须合理，才可以保证零件自身的精度及质量。转子的叶型面的加工方案是重中之重，会影响转子的整体性能。本次零件的结构分析如下：（1）80的中心轴面这一组加工表面包括： 800+0.03的孔，以及其上下端面，98-0.44-0.22及100，上端面与孔有很高的形位公差要求，径向跳动0.02mm、轴向跳动0.01mm孔壁上有8个装配时钻铰的3.5+0.01+0.03销孔。轮辐曲面至198，端面至205。（2）另一个以80的中心轴面这一组加工表面包括：800+0.03的孔，以及其上下端面至100，孔壁上有8个装配时钻铰的3.5+0.01+0.03销孔。轮辐曲面至195，端面至268。（3）叶片叶片的曲面复杂，工作条件恶劣，由多条曲线拟合而成。2.3工艺规程设计2.3.1确定毛坯的制造形式因为此次零件在使用的环境中不会受到太大的冲击，但由于是薄壁件，再结合零件自身的特性得出需要采用较高硬度件为毛坯。考虑到零件本身的尺寸，故采用材料为2A70铝合金。直径为280mm的锻造件。2A70铝合金的力学性能:抗拉强度(MPa):340，锻造后经过热处理可以达到抗拉强度(MPa)：375；布氏硬度（HB）：109；伸长率(%):12，密度：2.8g/mm3密度小，固溶温度：530度。2.3.2基准面的选择1.粗基准的选择基准的选择都是有原则的。粗基准的选择：（1）考虑在不会影响整体加工的情况下使用不加工的表面；（2）选为基准的面与要加工的面之间的位置精度必须较小。根据以上几点粗基准的选择原则，可以得出本次选择直径为：280的外轮廓面为粗基准。2.精基准的选择精基准的选择原则与粗基准的原则是不同的。粗基准选择依靠的是“使用不加工的表面”及相对“位置精度”。但精基准的选择主要考虑的是“设计基准与工序基准”的关系： (1) 基准重合原则； (2) 基准统一原则； (3) 自为基准原则；(4) 互为基准原则； (5) 便于装夹原则。2.3.3制定工艺路线工艺路线的制定就是制定实际加工的工作顺序。在制定工艺路线时必须要考虑保证零件的尺寸精度、几何精度和位置精度等等，这才是使用数控加工的目的。制定工艺路线的原则：（1）基准先行； （2）先粗后精； (3)先主后次； （4）先面后孔； （5）工序集中等原则。当然也需要考虑经济效益，切实的体现数控机床及生产理念的快速、高质量、高效益原则。方案一：工序一：粗加工 车端面，车外圆110mm，掉头车端面，车外圆至272mm ，车外圆117mm，套孔74mm，调头套孔74mm。满足79mm、16mm、36mm尺寸要求。工序二：半精车以H面定位；车加工C面、轮毂端面，车外圆至268mm，车轮辐端面被吃刀量1.4mm，车外圆至102mm、100mm，车端面保证16mm、10mm，车F成形面加工余量0.5mm，保证188mm、32mm；调头车轮辐端面被吃刀量：1.4mm，车轮毂外圆112mm，轮毂端面、H端面，保证 74mm、23mm 、48mm，车N成形面，余量0.5mm，保证197、33，车内孔和台阶孔，保证79.50+0.03、98、65。工序三： 开槽。工序四： 时效处理96小时。工序五： 精车以孔D定位，H端朝向主轴方向安装夹紧工件轮辐曲面至205，去余量0.5mm，车外圆至268-0.0520，车轮辐端面，保证32-0.06-0.0.4、17、189、197和形位公差：圆跳动在0.02内、全跳动在0.01内。工序六： 精车夹紧零件，找正零件圆跳在0.02mm以内、 端跳动在0.01mm以内；车成形面，保证32、190、R10、R7；车轮毂端面和100、99-0.04-0.02外圆，保证9.6、16.10+0.04；车内孔和另一轮毂端面，保证800+0.03、640+0.04车外圆112-0.0870和齿槽，保证106、24、22、20、4；车N成形面，保证32、198、R10、R5。车990+0.02台阶孔；车81槽，保证14.5、49。工序七： 钳修，去毛刺。工序八： 以内孔定位定心钻定心，用6定心钻在92圆周上钻中心孔，用3.2钻头钻孔，用专用钻绞刀绞孔3.5+0.01+0.03，保证孔深6；工件掉面，以内孔和一销定位，夹紧工件，重复以上工序；保证位置度0.04内。工序九 铣叶片。工序十 钳修，去毛刺。工序十一 终检。方案二：工序一粗加工 车端面，车外圆110mm，掉头车端面，车外圆至272mm ，车外圆117mm，套孔74mm，调头套孔74mm。满足79mm、16mm、36mm尺寸要求工序二 半精车以H面定位；车加工C面、轮毂端面，车外圆至268mm，车轮辐端面=1.4mm，车外圆至102mm、100mm，车端面保证16mm、10mm，车F成形面加工余量0.5mm，保证188、32；调头车轮辐端面p=1.4mm，车轮毂外圆112mm，轮毂端面、H端面，保证 74、23 、48，车N成形面，余量0.5mm，保证197、33，车内孔和台阶孔，保证79.50+0.03、98、65。工序三 开槽 。工序四 时效处理96小时。工序五 夹紧零件，找正零件圆跳在0.02mm以内、 端跳动在0.01mm以内；车成形面，保证32、190、R10、R7；车轮毂端面和100、99-0.44-0.22外圆，保证9.6、16.10+0.04；车内孔和另一轮毂端面，保证800+0.03、640+0.04车外圆112-0.0870和齿槽，保证106、24、22、20、4；车N成形面，保证32、198、R10、R5。车990+0.02台阶孔；车81槽，保证14.5、49；工序六 以孔D定位，H端朝向主轴方向安装夹紧工件轮辐曲面至205，去余量0.5mm，车外圆至268-0.0520，车轮辐端面，保证31-0.06-0.04、17、189、197和形位公差：圆跳动在0.02mm内、全跳动在0.01mm内；倒角。工序七 钳修，去毛刺。工序八 以内孔定位定心钻定心，用6定心钻在92圆周上钻中心孔，用3.2钻头钻孔，用专用钻绞刀绞孔3.5+0.01+0.03,保证孔深6；工件掉面，以内孔和一销定位，夹紧工件，重复以上工序。工序九 铣叶片。工序十 钳修，去毛刺。工序十一 终检。方案对比：进行对比，两套方案区别关键在于孔、端面与外圆的加工顺序，在第二套方案中，先加工孔以做下步定位之用，但是，这样必定会使孔的表面受到损伤，内孔表面的要求是高的，不允许有划痕。故选择第一套方案做为加工方案。根据方案一的工序可选用，粗加工可用CJK6145数控加工机床，半精加工、精加工、精加工、钻孔均可用CTX320万能数控机床，开槽可用DMC63V铣床加工中心，精铣叶型可用HSM600U五轴加工中心。2.3.4毛坯尺寸的确定级转子的零件材料为铝合金，牌号2A70，综合考虑加工余量，初定280mm。厚度70mm。2.3.5确定切削用量工序一 车端面及外圆，套孔。(1)加工条件加工材料：铝合金2A70，b =0.34GPa、模锻。加工要求：车端面，车外圆110mm，掉头车端面，车外圆至272mm ，车外圆117mm，套孔74mm，调头套孔74mm。满足79mm、16mm、36mm尺寸要求机床：CJK6145简易数控车床。刀具：刀片材料W18Cr4V高速合金刀具，可切削布氏硬度200以下材料：o=25 =12 Kr=45 z=0.5mm。(2)计算切削用量粗车端面考虑到后续工艺，毛坯径向加工余量为8mm，故实际轴向最大加工余量按Zmax=2.5mm考虑。一次加工成型，n=2.5mm。进给量f根据参考文献1表2.4-3f=1.01.4mm/r 取f=1.2mm/r切削速度见参考文献1表2.4-20x=-bb2-4ac2aVc=Cv0.280.12fyv （2-1）其中v=485，T取60 Vc=126.5m/min确定机床主轴转速ns=1000Vcdw （2-2）其最大回转直径为280mm，则ns=144m/min按参考文献1选择与144r/min相近的机床主轴转速，125r/min和160r/min。选择nW=160r/min。计算得VW=125m/min。切削力的计算根据参考文献1P586表2.4-20得切削力公式：Fz=9.8160nfzCFpxFzfxFzVnFzKFz （2-3）式中 CF材料和切削条件对力的的影响系数； xFz、nfz被吃量、进给量、切削速度的指数； KFz切削影响系数的修正系数。其中KFz=0.57，带入得Fz=637N切削时消耗的功率Pc为 Pc=FcVc6104 =2.32KW （2-4）粗车外圆考虑到后续的工艺，毛坯轴向加工余量为8mm，故实际轴向最大加工余量按Zmax=2.5mm考虑。一次加工成型，n=2.5mm。进给量f根据参考文献1表2.4-3：F=1.01.4mm/r 取f=1.0mm/r切削速度见参考文献1表2.4-20Vc=CVT0.28p0.12fyv （2-5）其中v=485，T取60vc=138m/min确定机床主轴转速ns=1000vcdw （2-6）其最大回转直径为280mm，则ns=150r/min按参考文献1选择与138r/min相近的机床主轴转速，125r/min和160r/min。选择nW=160r/min。故计算得Vw=125m/min。切削力的计算根据参考文献1P586表2.4-20得切削力公式： Fz=9.8160nfzCFCpxFzfxFzVnFzKFz （2-7）其中KFz=0.57， 带入得Fz=637.5N 切削时消耗的功率Pc为Pc=FcVc6104 =2.32KW （2-8）精车部分因为数控加工过程中，与普通的金属切削加工不尽相同。根据参考文献3P2-469的数控加工规律及参考加工中心进给量选择：切削用量：p=0.05mm，进给量： f=0.06mm/r，切削速度：v=800m/min。根据参考文献1P586表2.4-20得切削力公式：Fz=9.8160nfzCFCpxFzfxFzVnFzKFz （2-9）得切削力Fz=6.54N。由于进给量过小，以及数控加工的运算公式并不够成熟，所以计算量和实际值会有一些差距。加工时间：计算转速得主轴转速为4000r/min。进给量f为0.06mm/r，工作行程为(30mm+30mm+38mm)10=980mm （2-10）精车部分因为数控加工过程中，与普通的金属切削加工不尽相同。根据参考文献3P2-469的数控加工规律及参考加工中心进给量选择：切削用量：p=0.06mm，进给量:f=0.05mm/r切削速度：v=400m/min。根据参考文献1P586表2.4-20得切削力公式：Fz=9.8160nfzCFCpxFzfxFzVnFzKFz （2-11）得切削力Fz=6.85N。钻孔:选用硬质合金钻、铰刀具。根据参考文献3 P2-469 的数控加工规律及参考加工中心进给量及转速及加工经验，选择：转速S=3200r/min，进给量f=0.03mm/r。根据参考文献2P33 表1-2-7转削切削力及扭矩为Ff=309Df0.8Kp=3093.50.062=131N （2-12）M=0.12D2f0.8Kp=0.123.220.030.81=0.074Nm （2-13）铰孔部分转速S=3200r/min，进给量f=0.03mm/r。铣叶型部分:由于切削条件复杂，在复杂的曲面加工时，切削用量的变化很大，所以一般选用时，只是按经验，给出转速和进给量。刀具选择：10球头铣刀进给量选择：S=10500r/min f=2100mm/min第3章 铣床夹具的结构设计3.1夹具设计概述在机床上进行加工，是为了保证零件的质量要求的前提下进行大规模生产。所以在设计夹具时必须考虑好装夹，在夹紧过程中不可使定位发生改变。在机床上装夹工件所使用的工艺装备称为机床夹具(以下简称夹具)。工件的装夹大体上分为两种：一种是先定位后夹紧，另一种是在夹紧的过程中进行定位。零件根据不同的工艺要求，可以选择不同的夹紧方式。3.2夹具的组成虽然夹具的种类是分不同种的，但是多数夹具的大体上可以分为五部分。根据零件的形状、大小、精度等技术要求进行夹具各元件的设计。(一)定位元件及定位装置在夹具中定位元件是十分重要的，它在装夹时与工件直接接触，并为在加工时提供一个准确的基点，所有的加工是以这个点为中心进行的。精度要求越高的零件定位精度必须相应提高。定位元件也涉及到定位基准的选择。依据零件的定位基准设计夹具的定位元件。 (二)夹紧装置在夹具中由动力装置(如气缸、油缸等)、中间传力机构(如杠杆、螺纹传动副、斜楔、凸轮等)和夹紧元件，如卡爪、压扳、压块等组成的装置称为夹紧装置。它们的作用是用以保持工件在夹具中已确定的位置，并承受加工过程中各种力的作用而不会是定位发生任何超出范围的变化。(三)对刀及导引元件在夹具中,用来确定加工时所使用刀具位置的元件称为对刀及导引元件,如:钻套及对刀块等。（四）连接件连接夹具的其它元件。（五）夹具体此部件又可称底座，是夹具的支撑定位元件。3.3工件装夹的方法在机床上对工件进行加工时，根据工件的加工精度要求和加工批量的不同，可采用如下两种装夹方法: (一)找正装夹法一一即通过对工件上有关表面或划线的找正，最后确定工件加工时应具有准确位置的装夹方法。 (二)夹具装夹法一一即通过安装在机床上的夹具对工件的定位和夹紧，最后确定工件加工时应具有准确位置的装夹方法。由于夹具装夹法的装夹效率高、操作简便和易于保证加工精度，故多在成批或大量生产中采用。三、用夹具装夹时保证工件加工精度的条件采用夹具装夹法对工件进行加工时，为了保证工件加工表面相对其它有关表面的尺寸和位置精度，必须满足下述三个条件:（1）工件在夹具中占据一定的位置；（2）夹具在机床上保持一定的位置；（3)夹具相对刀具保持一定的位置。3.4夹具的分类机床夹具的种类很多，可按夹具的应用范围分类，也可按所使用的动力源进行分类。一、按夹具的应用范围分类(1)通用夹具通用夹具是指在一般通用机床上所附有的一些使用性能较广泛的夹具，如车、磨床上的三爪和四爪卡盘、顶针和鸡心夹头，铣、刨床上的平口钳、分度头和回转工作台等。它仍在使用上有很大的通用性，往往无需调整或稍加调整(包括配换个别零件)就可用于装夹不同同类工件。这类夹具一般已标准化，并由专业工厂生产作为机床附件供用户使用。通用夹具主要用于单件和中、少批生产、装夹形状比较简单和加工精度要求不太高的工件。在大批、大量生产中，对形状复杂或加工精度要求较高的工件，往往由于操作麻烦和装夹效率低而很少采用这类夹具。（2）专用夹具专用夹具是指专门为了某一种工件的某一或几个工序而设计的夹具。此类夹具一般不考虑通用性。力求结构简单、紧凑、操作快速、维修简便，一般是厂区应要求自行设计多用于大批或周期性生产的零件。（3）成组夹具在生产中有很多由于加工批量较小，经济效益不高，通用夹具又不便操作的零件。为每种零件都分别设计专用夹具很不经济，而使用通用夹具又往往不能满足加工精度和生产效率的要求，故采用成组加工工艺，并根据组内的典型代表零件设计成组夹具。这类夹具在使用时，只需对夹具上的部分定位、夹紧元件等进行调整或更换，就可用于组内不同工件的加工。（4）组合夹具组合夹具是在夹具零、部件标准化的基础上发展起来的一种适应多品种、小批量生产的新型夹具。它是由一套结构和尺寸已经规格化、系列他的通用元件、合件和部件构成。3.5专用夹具的设计步骤3.5.1研究原始资料明确设计任务，收集设计资料 研究被加工零件的生产纲领、零件图、工艺规程、毛坯图、工序图、切削用量等，尤其重要的是了解工件的定位基面，夹紧表面，及所用机床、刀具、量具等。收集所要使用的机床、辅助工具、刀具、量具的有关资料。例如：对于机床来说，主要是机床与夹具联结部分的尺寸；如铣床类夹具应了解T形槽的槽宽和槽距；车床类夹具，主要是了解主轴前端结构尺寸，还应了解机床的主要技术参数。对于刀具来说，主要了解刀具主要技术条件、结构尺寸、精度等。了解本厂制造夹具的经验与能力，收集国内外同类夹具资料，吸收其中先进而又结合本厂的实际情况的合理部分。夹具选材时，一般选择Q235、45钢、20Gr等材料。由于，45钢的强度较高，塑性、韧性较好，调制后的综合力学性能较好，经常用于承受较大载荷的小截面零件，如齿轮、叶轮、曲轴等。并且经过热处理后(型面硬度在HBC45以上)用于型面接触的型块，有较好的强度和耐磨性。所以夹具元件选用45钢。 3.5.2确定夹具的结构方案绘制夹具草图(1)确定工件定位方案 虽然零件的定位基准在工序图已经确定，但是仍然要对其分析研究，在满足工件位置精度前提下，夹具结构及性能能否实现。在确定定位装夹方式以后，选择、设计定位元件，若必要时，需要进行定位误差分析。(2)夹紧方案的确定 选择或设计夹紧机构，并要对夹紧力进行验算。(3)夹具的其它结构的确定 选择刀具的导引方式，设计刀具的导向装置；如需要，确定夹具的分度装置；确定夹具体的型式及夹具在机床的安装方式。(4)绘制夹具的草图 在夹具草图上要正确地画出工件定位机构、夹紧机构、重要的联系尺寸、配合方式及公差等，还要提出相应的技术要求。(5)方案的审查及改进 草图绘制好以后，要征求有关人员的见意，并送到相关部门检验审查，综合各方的意见，对设计方案进行改进。3.5.3绘制夹具总装配图按国家规定的标准绘制装配图，为了使图纸与零件的实际尺寸尽可能的统一，图纸的比例需才用1：1的比例。若1:1的比例不合适时也可以采用其他比例。用双点划线绘制工件的轮廓，并视零件为透明体，并标明夹具的定位位置、原理及各元件的位置关系。夹具总图绘制顺序为：工件定位元件导引元件夹紧装置其它装置夹具体标注必要尺寸公差及技术要求编制夹具明细表及标题栏。对于夹具非标准零件要按总图提出要求，画出零件图，并标注出全部尺寸，表面粗糙度、尺寸和形位公差、材料及热处理和技术要求。3.5.4定位基准的选择工序九铣叶型（如下图3.1）的夹具图3.1 铣削加工零件示意图以端面A和80孔定位，采用球形垫圈及螺母夹紧工件，夹紧形式如下图3.2：图3.2 装配示意图3.6夹紧力的计算根据参考文献2P30得铣削铝合金切削力公式F=Cpp0.85fz0.72D-0.86BzKp （3-1） =22250.850.50.728-0.861080.45=3824N由参考文献2P31、P32得Kp=0.54，p=0.05 f=0.06最终得Fc=3824N。夹紧力计算公式： Q=3kFc2(1D13-d3D12-d2+2D23-d3D22-d2) （3-2） = 32.538242(0.16803-363802-362+0.16993-363992-362) =448N 工件在夹紧过程中，由于弹性变形、位移或偏转，以及工件定位基准面与定位元件支撑面之间的接触变形，而将造成工序基准的位移。一批工件若由于夹紧所造成的工序基准位移均相同，一般可通过调整对刀尺寸和安装位置来消除对精度的影响。而在数控加工过程中则很少会出现这一现象，因为数控加工每次加工之前要进行对刀，当然，这对普通加工是奢侈的。一般可用以下公式表示：jj=(ymax+ymin)cos （3-3） 式中: ymax夹紧力作用下，同批工序基准中的最大位移。 ymin夹紧力作用下，同批工序基准中的最小位移。 工序基准位移方向与工序尺寸方向之间的夹角。3.7定位误差的计算夹具的主要定位元件为中心套,尺寸为80-0.020mm。与工件的孔配合。工件的图样规格为800+0.03mm。根据参考文献4P224 公式:Y=Xmin+TD+Td2=0+0.02+0.032=0.025mm （3-4）超过定位误差要求，可通过人工找正的方式来完成。我们试着采用夹具体本身的精度来定位，则：Y=Xmin+TD+Td2 （3-5）我们依次分析影响定位误差的三个元素。Xmin即夹具与工件之间的最小距离，如选择过盈配合，则，Xmin可为0。但是装夹是个很严重的问题。而且，对工件表面会有损伤。所以采用过渡配合。则Xmin依然为0。但是实际公式要有所变化，但是无论TD的公差如何变化，在Td=0.025mm的前提下，是不可能达到径向跳动0.02mm的形位公差要求的，那么我应该找到一个能达到0.02mm的径跳的直接定位最小定位误差。故只能放弃高精度定位的方法，如果通过提高工件外圆精度的方法来提高定位精度，工件的经济性将受到很大的影响。首先，一般夹具的定位元件的公差是由工件的公差决定的，一般为工件公差的1/3-1/5,可按最小值计算，即1/5。则零件在3级公差时才可直接保证定位要求。夹具定位元件公差0.004，所以，直接定位是不现实的。如采用过盈配合，可以直接保证夹紧部分的定位误差为零，但是，由于零件表面不允许有划痕，叶片部分连指纹都不允许有，如采用过盈配合，势必会对零件造成损伤。还有其他的问题，加工过程中，误差产生的因素是多种多样的，如采用高精度配合的情况下，当其他因素影响无法调整时，就没有办法及时处理。需要手工调整的不只是定位误差，还有夹具的装配误差等。所以，手工调整解决的并不只是定位误差，而是所有误差的积累。而且为了扩大调整范围，不得不加大公差。3.8夹具模型示意图 图 3.3装配示意图 图3.4 底座示意图 图3.5 定位套示意图 图3.6 上、下球形垫圈示意图 图3.7 螺杆示意图 图3.8 螺母示意图 图3.9 转子、刀路示意图第4章 数控加工工艺编程4.1概述此次设计是使用UG进行数控程序编程，对UG进行简单说明。UG全称(Unigraphics NX)，始发与1969年，是西门子公司出品的基于C语言开发实现的一种解决方案。它把人们使用的产品设计进行数字化造型及验证。它的功能十分强，是一个互交CAD/CAM系统。它诞生之出是基于工作站。随着PC硬件的发展及使用人数的增多，得到了极大发展。目前，成长为以个三维模具设计为主的多功能软件。 此次设计编程使用的编程软件主要为：UG软件CAM模块。它以便高效完成二级转子的编程加工。而且，至今UG软件依旧是目前世界上关于CAD/CAM/CAE/CAID使用最高端、最为主流、功能集成最为成功的软件之一。尤其是它的【加工】模块。目前已被用于民用、航空、汽车、电子及国防等各个领域。下图4.1为加工页面：图4.1 加工页面图4.2 编程流程应用NX10.0编程时，大致可以分为八个步骤：第一步：建立几何模型。应用UG的建模功能做出尺寸与所需零件一致的模型。可以自制，亦可导入其他软件的模型。第二步:制定加工工艺路线。因为在制定的制定的加工工艺路线中有涉及到刀具的问题工件等问题，所以在制定加工工艺路线之前必须确定工件的材料、工件的实际装夹、刀具的材料及主轴的转速、切削的速度等各种问题。第三步: 选择加工环境。NX10.0的CAM模板使用时需要先进行加工环境的配置。为满足不同用户的需求UG提供了不同的加工配置，但是在此也可以根据编程人员自己的加工经验自行编制适合自己的加工环境，导入即可。第四步:坐标系、安全平面等参数的设定。编程人员需要设置工件坐标系以及切削时的安全平面的高度，这些都存在与MCS组中，可以在此设置。第五步：选择正确的加工方式。零件都是由各种各样的面组成，加工不同的面需要的加工方法也是不同的，如钻孔（PECK_DRILLING）、固定平面铣（FIXED_CONTOUR）、型腔铣（CAVITY_MILL）等等。当然，这些方法的内部参数设置都是根据已经制定的好工艺内容对应设置的。第六步：刀轨的生成及校核。当涉及到一些高质量的零件时，我们比需对所有的工艺进行再三核实，对其刀轨进行校核。只有如此才可以降低危险，保证安全，也可以提高效益。第七步：刀具轨迹的后处理。生成的刀具轨迹只是实际上是由一系列的点构成的，由于数量足够多，形成了线，称之为刀轨。但是，机床是不会识别这条线的，只会识别NC指令 。所以，需要把这条线转换为NC指令才可以被数控加工中心识别。第八步：制作加工工艺卡。工艺卡的制定是十分重要的。由于现在的工作细分，各司其职，操作员根据工艺卡继续工作。所以，需要自己编译工艺卡。工艺卡，可以人工手制，亦可系统生成。4.3 点位加工的数控编译4.3.1概述点位加工又称点位数控加工。此类加工只使用应与加工平面上的孔系。这种加工方式在编程方面只控制主轴在加工平面上移动，而且此时是不进行切削的，当位移到制定位置后再进行切削。点位加工可以创建钻孔、铰孔、扩孔、攻螺纹、镗孔以及平面扩孔等加工操作。使用“Drill” 加工模板，可以编写关于钻孔加工的数控程序。点位加工既可以用于孔的粗加工，也可以用于精加工。4.3.2点位加工的一般操作几个通用步骤第一步:模型准备。模型的准备依旧可以遵循上次提到的准备方式可以由NX系统生成，也可以是任何其他系统生成的并导入NX10.0的几何数据。第二步：确定并制作加工工艺路线。因为在制定的制定的加工工艺路线中有涉及到刀具的问题工件等问题，所以在制定加工工艺路线之前必须确定工件的材料、工件的实际装夹、刀具的材料及主轴的转速、切削的速度等各种问题。只有这样才可以制定适合工艺要求的加工工艺。第三步:加工环境的选择。NX10.0中设置了不同的加工配置，根据不同的使用人员并根据自己的需求选择适合自己的加工配置（如下图4.2），也将会决定能够使用什么样的模板来编写刀轨，且，形成的导轨也不尽相同。图 4.2 加工环境示意图第四步:确定初始加工参数。初始加工的第一步使用“GEOMRETY”进行插入“几何体”设置（图4.3），然后在适当位置设置机床的主（子）坐标系，并且依据实际情况进行安全设置（图4.4）。 图 4.3 创建几何体示意图 图4.4创建主坐标系示意图第五步：插入工序。根据己所需要的加工方式方法及位置，插入所对应的加工方法（如下图4.5），例如PECK_DRILLING（钻孔）、HOLE_MILLING（铣孔）等是用来加工孔的。图4.5创建工序示意图第六步：点位的指定，进行预钻孔。需要指定刀具。 第七步：钻孔。以第六步中的点自为中心进行钻孔。需要先指定刀具，再指定对孔的上下底面、切削用量、安全距离、余量、主轴转速及进给等参数（如下图4.6）。图4.6 钻孔参数示意图第八步：指定刀具号、补偿寄存器。若无自动换刀功能，可以忽略此步。第九步：生成刀轨并修改、仿真无误后确认（如下图4.7）。图4.7刀轨示意图4.4平面加工的数控编程4.4.1概述平面数控加工，顾名思义，是对一