箱体类零件加工工艺（通用10篇）
箱体类零件加工工艺 篇1
0 引言
箱体是组成机器整体的主要框架, 它作为主要的支撑件把其他零部件有机地组成一个整体, 使其能够实现某种运动或具有某种生产加工的功能。通常箱体的结构都比较复杂, 具有内部含有多种孔类结构以及内壁不均匀等特点。对于箱体内重要的孔结构, 其加工精度要求较高。箱体加工质量的优劣直接影响了机器的装配精度, 而且还会影响到机器的使用寿命和生产加工精度等。因此, 箱体类零件的加工工艺是否合理和先进就决定了整个机器的生产加工精度以及使用寿命。
1 箱体零件加工技术要求
1.1 表面加工技术要求
箱体类零件的定位基准面、装配参考面等重要表面对零件的加工精度、装配精度以及整机的使用性能都有直接的影响。考虑到箱体腔内零件的运动特点, 一般箱体零件的重要表面只要求具有很高的平面度以及较高的相对位置精度, 对于表面粗糙度的要求则较低。
1.2 孔的加工技术要求
箱体类零件中对孔的加工技术要求一般指定位孔或支撑孔的尺寸精度要求或具有同类功能的孔的位置精度要求。譬如:轴承安装孔的技术要求主要是对于尺寸精度的要求, 如果一对安装孔的重合度不够, 那么在机器工作时可能会产生局部振动, 进而影响到产品的加工精度。尤其对于机床上的轴承孔, 尺寸精度的高低会直接影响到产品的加工精度。另外, 对于减速器类箱体零件, 对相邻传动轴的定位孔相互位置精度、定位孔尺寸精度、同轴度等要求较高。相互位置精度低会影响到传动齿轮的相互啮合情况, 使齿轮受力不均, 降低齿轮的使用寿命。如果传动轴的同轴度精度达不到技术要求, 那么在进行整机装配时就会出现齿轮装配不上或孔隙较大等情况, 另外由于装配精度的降低也会磨损齿轮, 进而影响到机器的使用寿命和工作精度。对于箱体上的支撑孔, 一般与装配基准面之间具有很高的平行度要求, 且与固定端面间有较高的垂直度要求。
2 箱体零件加工工艺
本文主要以图1所示的减速器类箱体零件的加工为例进行工艺分析, 如图所示该零件具有典型的箱体类零件特点:形状复杂、孔较多、壁厚不均等。箱体零件的加工主要涉及到不同的定位孔、支撑孔及基准平面的加工。其对尺寸精度、相互位置精度要求较高。
2.1 工艺路线分析及确定
由图1可知, 该箱体零件的加工工序较多, 主要涉及到定位孔、支撑孔及相关表面的加工。箱体零件孔的加工难度较大, 而且加工精度要高于相关表面的加工精度要求。考虑到该箱体零件加工的特殊性, 其工艺路线的设计应从以下几方面准备:
1) 合理确定毛坯件。该箱体零件的工作特点主要是起支撑、固定框架的作用, 对力学性能的要求一般, 故可以选择HT200作为毛坯材料。另外, 该箱体体积较小且结构较复杂, 因此, 应选择铸造成型的方式, 不宜采用焊接成型。
2) 合理确定加工顺序。该箱体零件结构较复杂, 需要加工的面和孔较多, 工艺设计要本着先加工表面后加工孔, 先粗加工后精加工的原则。加工完的表面可以作为后续孔的加工定位基准, 这样也利于孔的加工, 同时可以保证孔的加工精度和相互位置精度。另外, 在表面加工时还要根据零件的工作特点分清哪些是重要表面, 哪些是非重要表面, 零件表面的加工要按照先加工重要表面后加工次要表面的顺序。考虑到箱体零件的加工表面较多, 且对于孔的尺寸精度要求也较高, 因此, 加工时要先粗加工后精加工, 且两个阶段不宜同时进行。原因是大面积、多表面的粗加工易使表面的内应力集中, 如果不能把该应力释放出去必将影响零件的使用性能。所以, 粗加工时要多次对夹具进行松懈, 以便使内应力及时释放, 从而保证箱体的加工精度和使用性能不受影响。
3) 合理确定工序。根据零件的生产批量确定是否采用相对集中的加工工序, 如果属于大批量的生产, 那么应将零件的粗加工和精加工分别在不同的机床上完成;如果属于小批量生产, 则应将粗加工和精加工尽量选择同一机床上加工, 这样可以提高生产效率, 降低生产成本。
2.2 合理选择加工定位基准
该箱体零件结构较复杂, 在确定定位基准时要本着基准统一和基准重合的原则。同时, 也要考虑影响零件加工精度的相关因素。
1) 确定粗加工定位基准。粗基准的选择要根据该箱体零件的主要工作孔来确定, 对于该箱体零件要优先考虑主轴孔的加工余量, 保证孔的尺寸及相关表面加工余量均匀, 这样才能确保孔在精加工时的加工精度。因此, 该箱体零件应选择主轴孔作为粗加工的定位基准。
2) 确定精加工定位基准。根据该箱体零件的结构特点, 精加工的定位基准应选择装配基准面, 这样选择可以保证定位基准、装配基准相互重合, 符合基准重合的原则, 同时也可以有效降低不重合误差的产生。
2.3 零件重要表面的加工
1) 平面的加工。通常箱体零件平面的粗加工采取刨削法, 精加工采取铣削法。在小批量生产时, 一般采用划线找正, 利用刨刀和铣刀对表面进行加工。也可以在龙门刨床上同时安装多个刀架对多个平面同时加工, 这样可以有效地确保平面的相互位置精度。在大批量生产时, 一般在数控机床或组合机床上进行多表面加工, 这样既可以提高生产效率, 也可以确保各个平面的位置精度。
2) 孔的加工。箱体零件中孔类较多, 而且尺寸精度和位置精度要求也较高, 因此, 孔的加工是确定箱体零件加工工艺的关键, 孔通常有两种, 一种是平行孔, 另一种是同轴孔。平行孔在加工时要保证孔的中心线之间的平行度和尺寸精度要求。同轴孔在加工时主要是保证孔的同轴度精度要求。在小批量生产时, 由于划线法找正加工容易引起加工误差。因此, 较多采用试镗法来提高零件的加工精度, 但该方法生产效率较低, 故只适合小批量生产。在大批量生产时, 一般采用镗模法。该方法可以在组合机床上对多孔进行同时加工, 具有方便工件找正、生产效率高的特点。
3 结语
箱体类零件结构复杂, 加工要求也较高, 在加工工艺设计时必须要根据零件的加工难度确定合理的定位方式、选择合适的切削用量和加工机床、加工刀具。只有对箱体类零件的结构和使用要求有了深入的理解才能制定出合理的加工工艺。
参考文献
[1]李红星.箱体零件的加工中心工艺及程序编制[J].机械管理开发, 2011 (2) :103-104.
[2]张世有.箱体类零件的加工工艺分析[J].科技信息, 2010 (17) :118-119.
[3]施燕.箱体零件孔系加工工艺方案的探讨与实践[J].中国制造业信息化:学术版, 2009 (9) :75-77.
[4]龙创平.浅析箱体类零件加工工艺[J].装备制造技术, 2012 (11) :82-84.
箱体类零件加工工艺 篇2
完成图所示拨叉零件加工。
图1拨叉
一、分析零件工艺结构性；
CA6140车床的拨叉。它位于车床变速机构中，主要起换档，使主轴回转运动按照工作者的要求工作，获得所需的速度和扭矩的作用。通过上方的力拨动下方的齿轮变速。两件零件铸为一体，加工时分开。（1）以φ14为中心的加工表面
这一组加工表面包括：φ14的孔，以及其上下端面，上端面与孔有位置要求（2）以φ40为中心的加工表面
这一组加工表面包括：φ40的孔，以及其上下两个端面。这两组表面有一定的位置度要求,即φ40的孔上下两个端面与φ14的孔有垂直度要求。
由上面分析可知，加工时应先加工一组表面，再以这组加工后表面为基准加工另外一组。
二、选用毛坯或明确来料状况；
零件材料为ZG45。考虑零件在机床运行过程中所受冲击不大，零件结构又比较简单，故选择铸件毛坯。有的采用HT200
三、基面的选择
基面选择是工艺规程设计中的重要工作之一。基面选择得正确与合理可以使加工质量得到保证，生产率得以提高。否则，加工工艺过程中回问题百出，更有甚者，还会造成零件的大批报废，是生产无法正常进行。
（1）粗基准的选择。对于零件而言，尽可能选择不加工表面为粗基准。而对有若干个不加工表面的工件，则应以与加工表面要求相对位置精度较高的不加工表面作粗基准。根据这个基准选择原则，现选取φ14孔的不加工外轮廓表面作为粗基准，利用一组共两块V形块支承这两个φ25作主要定位面，限制5个自由度，再以一个销钉限制最后1个自由度，达到完全定位,然后进行铣削
（2）精基准的选择。主要应该考虑基准重合的问题。当设计基准与工序基准不重合时，应该进行尺寸换算。
四、制订工艺路线
制定工艺路线得出发点,应当是使零件的几何形状、尺寸精度及位置精度等技术要求能得到合理的保证,在生产纲领已确定的情况下,可以考虑采用万能性机床配以专用工卡具,并尽量使工序集中来提高生产率。除此之外，还应当考虑经济效果，以便使生产成本尽量下降。工序一 以φ5外圆为粗基准，粗铣φ14孔下端面。工序二 精铣φ14孔上下端面。
工序三 以φ14孔上端面为精基准，钻、扩、铰、精铰φ14孔，保证垂直度误差不超过0.05mm,孔的精度达到IT7。
工序四 以φ14孔为精基准，钻、扩、铰、精铰φ40孔，保证空的精度达到IT7。工序五 切断。
工序六 以φ14孔为精基准，粗铣φ40孔上下端面。
工序七 以φ14孔为精基准，精铣φ40孔上下端面，保证端面相对孔的垂直度误差不超过0.07。
五、确定加工设备、工装、量具和刀具或辅助工具； 机床：X6140卧式铣床。摇臂钻床
刀具：W18Cr4V硬质合金钢端铣刀，硬质合金锥柄机用绞刀，高速钢麻花钻钻头
量具：千分尺，游标卡尺 拨叉所用的夹具如下图7-2所示。
图2拨叉夹具
六、填写工艺文件 相关理论知识
车床主要用于加工零件的内、外圆柱面、圆锥面、回转成形面、螺纹以及端平面等。根据加工特点和夹具在机床上安装的位置，将车床夹具分为两种基本类型。1.车床夹具的类型
（1）安装在车床主轴上的夹具
这类夹具，加工时夹具随机床主轴一起旋转，切削刀具作进给运动。
（2）安装在滑板或床身上的夹具
对于某些形状不规则和尺寸较大的工件，常常把夹具安装在车床滑板上，刀具则安装在车床主轴上作旋转运动，夹具作进给运动。加工回转成形面的靠模属于安装在床身上的夹具。2.车床专用夹具的典型结构 2.1心轴类车床夹具
心轴类车床夹具多用于工件以内孔作为定位基准，加工外圆柱面的情况。常见的车床心轴有锥柄式心轴、顶尖式心轴等。
图3心轴
2.2角铁式车床夹具
角铁式车床夹具的结构特点是具有类似角铁的夹具体。它常用于加工壳体、支座，接头类零件上的圆柱面及端面。当被加工工件的主要定位基准是平面，被加工面的轴线对主要定位基准面保持一定的位置关系（平行或成一定的角度）时，相应地夹具上的平面定位件设在与车床主轴轴线相平行或成一定角度的位置上。
图4角铁式车床夹具 1-平衡块2-防护罩3-钩形压板
2.3花盘式车床夹具
花盘式车床夹具的夹具体为圆盘形。在花盘式夹具上加工的工件一般形状都较复杂，多数情况是工件的定位基准为圆柱面和与其垂直的端面。夹具上的平面定位件与车床主轴的轴线相垂直。
图5花盘式夹具
1-平衡块2-工件3-压板4-螺栓
2.4安装在拖板上车床夹具
通过机床改装（拆去刀架，小拖板）使其固定在大拖板上，工件直运动，刀具则转动。这种方式扩大车床用途，以车代镗，解决大尺寸工件无法安装在主轴上或转速难以提高的问题。3.车床夹具设计要点（1）定位装置的设计要求
在车床上加工回转面时 要求工件被加工面的轴线与车床主轴的旋转轴线重合，夹具上定位装置的结构和布置，必须保证这一点。因此，对于轴套类和盘类工件，要求夹具定位元件工作表面的对称中心线与夹具的回转轴线重合。对于壳体、接头或支座等工件，被加工的回转面轴线与工序基准之间有尺寸联系或相互位置精度要求时，应以夹具轴线为基准确定定位元件工作表面的位置。（2）夹紧装置的设计要求
在车削过程中，由于工件和夹具随主轴旋转，除工件受切削扭矩的作用外，整个夹具还受到离心力的作用。此外，工件定位基准的位置相对于切削力和重力的方向是变化的。因此，夹紧机构必须产生足够的夹紧力，自锁性能要可靠。对于角铁式夹具，还应注意施力方式，防止引起夹具变形。（3）夹具与机床主轴的连接 车床夹具与机床主轴的连接精度对夹具的回转精度有决定性的影响。因此，要求夹具的回转轴线与主轴轴线应具有尽可能高的同轴度。心轴类车床夹具以莫氏锥柄与机床主轴锥孔配合连接，用螺杆拉紧。有的心根据径向尺寸的大小，其它专用夹具在机床主轴上的安装连接一般有两种方式；
图6 1)对于径向尺寸D<140mm，或D<(2～3)d的小型夹具，一般用锥柄安装在车床主轴的锥孔中，并用螺杆拉紧。这种连接方式定心精度较高。如图6上图所示
2)对于径向尺寸较大的夹具。一般通过过渡盘与车床主轴头端连接。过渡盘的使用，使夹具省去了与特定机床的联接部分，从而增加了通用性，即通过同规格的过渡盘可用于别的机床。同时也便于用百分表在夹具校正环或定位面上找正的办法来减少其安装误差。因而在设计圆盘式车床夹具时，就应对定位面与校正面间的同轴度以及定位面对安装平面的垂直度误差提出严格要求。如图6中下所示（4）总体结构设计要求
车床夹具一般是在悬臂的状态下工作，为保证加工的稳定性，夹具的结构应力求紧凑、轻便，悬伸长度要短，使重心尽可能靠近主轴。由于加工时夹具随同主轴旋转，如果夹具的总体结构不平衡，则在离心力的作用下将造成振动，影响工件的加工精度和表面粗糙度，加剧机床主轴和轴承的磨损。因此，车床夹具除了控制悬伸长度外，结构上还应基本平衡。角铁式车床夹具的定位装置及其它元件总是安装在主轴轴线的一边，不平衡现象最严重，所以在确定其结构时，特别要注意对它进行平衡。
平衡的方法有两种：设置配重块或加工减重孔。
为保证安全，夹具上的各种元件一般不允许突出夹具体圆形轮廓之外。此外，还应注意切屑缠绕和切削液飞溅等问题，必要时应设置防护罩。
4.车床夹具的安装误差
夹具的安装误差值与下列因素有关：
（1）夹具定位元件与本体安装基面的相互位置误差。（2）夹具安装基面本身的制造误差以及与安装面的连接误差。1）对于心轴。夹具的安装误差就是心轴工作表面轴线与中心孔或者心轴锥柄轴线间的同轴度误差。
2）对于其它车床专用夹具，一般使用过渡盘与主轴轴颈连接。当过渡盘是与夹具分离的机床附件时，产生夹具安装误差的因素是：定位元件与夹具体止口轴线间的同轴度误差，或者相互位置尺寸误差；夹具体止口与过渡盘凸缘间的配合间隙，过渡盘定位孔与主轴轴颈间的配合间隙 5.思考与练习
轴类零件的加工及其工艺分析 篇3
【关键词】 工艺规程 轴类零件 零件图的工艺分析 渗碳主轴
在职业学校机械加工实训中,轴类零件的加工是学生练习车削技能的最基本也是最重要的项目,但学生最后完工工件的质量总不是很理想,经过分析,笔者认为主要原因是学生对轴类零件的工艺分析不到位和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,因而在制订机械加工工艺规程中,应注意以下几点:一是零件图工艺分析中,应理解零件结构特点、精度、材质、热处理等技术要求,且需要研究产品装配图,部件装配图及验收标准。二是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。三是粗基准选择上,如果有非加工表面,就应以其作为粗基准。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,且粗基准不可重复使用。四是精基准选择应符合基准重合原则,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。应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。
针对上述要求,现举例说明如下。一渗碳主轴(如图1),每批40件,材料20Cr,除内外螺纹外S0.9～C59。渗碳件工艺比较复杂,必须对粗加工工艺绘制工艺草图(如图2)。
该轴类零件加工过程中应注意以下几点:第一,采用二中心孔为定位基准,符合前述的基准重合及基准统一原则。第二,该零件先以外圆作为粗基准,车端面和钻中心孔,再以二中心孔为定位基准粗车外圆,又以粗车外圆为定位基准加工锥孔,此即为互为基准原则,使加工有一次比一次精度更高的定位基准面。3号莫氏圆锥精度要求很高。因此,需用V型夹具以2-ф30js5外圆为定位基准达到形位公差要求。车内锥时,一端用卡爪夹住,一端搭中心架,亦是以外圆作为精基准。第三,半精加工、精加工外圆时,采用锥堵,以锥堵中心孔作为精加工该轴外圆面的定位基准。
对锥堵要求:一是锥堵具有较高精度,保证锥堵的锥面与其顶尖孔有较高同轴度。二是锥堵安装后不宜更换,以减少重复安装引起的安装误差。三是锥堵外径靠近轴端处须制有外螺纹,以方便取卸锥堵。四是主轴用20Cr低碳合金钢渗碳淬硬,对工件不需要淬硬部分发(M30×1.5-6 g左、M30×1.5-6 g、M12-6H、M6-6H)表面留2.5-3 mm去碳层。五是螺纹因淬火后,在车床上无法加工,如先车好螺纹后再淬火,会使螺纹产生变形。因此,螺纹一般不允许淬硬,所以在工件中的螺纹部分的直径和长度上必须留去碳层。对于内螺纹,在孔口也应留出3mm去碳层。六是为保证中心孔精度,工件中心孔也不允许淬硬,为此,毛坯总长放长6 mm。七是为保证工件外圆的磨削精度,热处理后须安排研磨中心孔的工序,并要求达到较细的表面粗糙度。外圆磨削时,影响工件的圆度主要是由于二顶尖孔的同轴度及顶尖孔的圆度误差。八是为消除磨削应力,粗磨后安排低温时效工序(烘)。九是应获高精度外圆,磨削时应分粗磨、半精磨、精磨工序。精磨安排在高精度磨床上加工。
当然,实习产品质量的提高还需要学生扎实的基本功。
【参考文献】
[1] 蒋增福.车工工艺与技能训练[M].北京:高等教育出版社,2005
[2] 郭溪茗,宁晓波.机械加工技术[M].北京:高等教育出版社,2002
箱体类零件加工工艺 篇4
零件的工艺路线是指从零件模型获取零件结构、功能和设计要求等信息,然后确定其加工方法和所需资源,完成零件从毛坯状态到成品状态转变的过程[1]。受产品多样性、制造过程离散性、生产环境复杂性和系统状态模糊性的综合影响,零件制造过程中工艺路线的决策较为复杂。合理的工艺路线不仅可以优化和节约制造资源、缩短产品制造周期、降低制造成本,还可以提高产品质量和推动企业技术进步,因此越来越受到企业的重视。
由于零件加工特征和加工方法的多样性、加工要求的个性化以及约束的复杂性,当排序规模较大、符合工艺规则的可行方案数量较多时,单纯依靠经验难以取得最优或次优的排序方案,而且也不能运用传统的逻辑决策或者运筹学的经典算法(如整数规划、动态规划或分支定界等方法)来求解。近年来一些启发式算法,如遗传算法[2,3,4]、蚁群算法[5,6]和模拟退火算法[7]等被用来解决这类问题。文献[8]对零件特征之间的约束关系进行分类,通过特征关系图描述基本的合理性约束,将最优性约束的满足程度视为工艺路线优化的判断标准,最后利用遗传算法实现了工艺路线的排序。文献[9]将遗传算法应用到零件特征加工方法决策过程中,根据工艺知识和加工要求,将每一种加工方法表示为遗传空间的染色体,进行基因编码,然后通过实例介绍了利用遗传算法进行加工方法决策的过程。然而对于工艺路线的优化,有时采用单一的优化算法达不到理想的效果,需要改进算法,或者采用混合算法,利用算法优化机制之间的互补性,提高全局优化效率。
遗传算法是模仿自然界生物进化机制发展起来的随机全局搜索和优化方法,并行性高、鲁棒性强,适合大规模复杂问题的优化求解,但是存在“早熟”的缺陷。模拟退火算法是模拟固体退火过程的热平衡问题,利用固体物质的退火过程与随机搜索寻优问题之间的相似性来优化求解,达到全局最优或近似最优的目的。此算法局部搜索能力强,但收敛速度慢,存在“随机漫步”的问题。
本文从分析工艺路线优化的问题入手,构建工艺路线优化的数学模型,结合加工工艺等优化约束条件,利用改进的遗传算法对模型求解,最后结合具体的实例进行了验证。
1 工艺路线优化问题描述
工艺路线的优化需要综合考虑零件特征、特征之间的几何约束、制造资源的选择以及工艺人员经验等多方面因素[10]。图1为零件加工层次示意图。
零件特征是指包括零件一定的几何形状、工程意义和加工要求的一组信息的集合,是构成零件几何形状和信息模型的基本单元。零件通常由许多加工特征构成,如平面、螺纹、槽等。设某零件有N个加工特征,则所有特征组成的集合可表示为
F={f1,f2,…,fi,…,fN} (1)
式中,fi表示第i个加工特征,i=1,2,…,N。
从零件的加工过程看,对于每个加工特征fi,一般要经过多次加工,从而形成特征的加工序列(加工链),可表示为
S={(MP1,f′1),(MP2,f′2),…,(MPj,fi)} (2)
其中,j表示加工特征fi需要的加工序列数目。
从毛坯开始,首先采用加工方法MP1加工出中间特征f′1;然后用加工方法MP2加工出中间特征f′2,直到采用加工方法MPj加工出合格的形状特征fi为止。
以特征为核心的有关特征加工链的相关信息所形成的实体,定义为加工元(feature machining element,FME),用七元组表示为
fmei j={ID,fi,MPi j,MLi j,MMi j,MTi j,MSi j)} (3)
式中,ID表示加工元编码;MPi j表示在加工阶段MLi j对特征fi进行加工所采用的加工方法;MMi j、MTi j和MSi j表示采用加工方法MPi j加工特征fi所需的机床、刀具和夹具等制造资源。
零件的加工工艺过程往往有若干道工序组成,一道工序包含若干个加工工步,一个工步中包含多个加工元,其关系如图2所示。
零件的加工元集合构成该零件的加工工艺,表示为
FME={fmei j} i=1,2,…,N (4)
零件的任一工艺路线可以表示为x=(fme1,fme2,…,fmeN),但在实际生产中,零件的工艺路线是加工元集合FME中的加工元fmei j满足工艺约束和其他约束目标的合理排序结果。
2 工艺路线约束分析
工艺路线安排中要考虑的约束因素众多,比如零件特征加工方法的选择、机床的选择和刀具的选择等,可表示为下列函数形式[11]:
S=f(P,Me,G,Dev,Tec,Cp) (5)
式中,S为工艺路线;P为所选加工方法集合;Me为加工机床集合;G为零件各表面几何形状;Dev为各表面形位公差;Tec为加工阶段的划分、基准的加工及热处理和其他辅助工序的性质等工艺要求;Cp为加工费用。
除此之外,还要考虑工艺约束,例如优先关系约束、聚类约束等的影响。因此,为了制定出合理的工艺路线,必须统筹考虑各种影响因素。
(1)典型工艺准则。
在考虑零件的加工顺序时,对于某些特定特征,先安排粗加工、半精加工,再安排精加工或光整加工;对于不同的特征,某些特征的粗加工则可能安排在其他特征的半精或精加工之后,例如越程槽、倒角等辅助特征的粗加工一般在主特征的半精加工之后进行;对于零件的全部特征,一般则遵循先基准后其他的原则,即必须先加工作为基准面的特征,再加工其他表面特征。
(2)聚类约束。
随着设备加工能力的提高,工序集中原则逐渐成为影响工艺路线的一个重要因素。按照工序集中的原则,某些特征应安排在一起加工。例如属于相同加工阶段的特征加工单元、同一方位面的特征、相同类型或需同一把刀具加工的特征等。
(3)辅助加工约束。
零件的退火、正火应安排在粗加工之前或者粗加工和半精加工之间,渗碳处理应安排在半精加工和精加工之间。
(4)优化约束。
合理的工艺路线,不仅要考虑零件的几何形状、技术要求、工艺方法等因素,还要考虑生产率、加工时间或成本等约束。优化约束的目的是使零件的工艺路线更加合理。
3 数学模型
零件的工艺路线是将其所有特征的加工链组合在一起,满足一定约束目标优化排序的结果,可归结为数学中的组合优化问题。组合优化问题的目标是从组合问题的可行解集中求出最优解,通常可描述为:令Ω={x1,x2,…,xn}为所有状态构成的解空间,f(xi)为xi状态对应的目标函数值,要求寻找最优解x*,使得对于所有的xi∈Ω,有f(x*)≤f(x)。该问题的数学模型描述为
其中,f(x)为目标函数,g(x)为约束函数,x为决策变量,Ω表示有限个解组成的集合。
实际加工过程中,为了提高零件的加工质量,缩短制造周期,应尽量降低制造资源(机床、刀具或者夹具等)的更换频率。基准的频繁更换会造成装夹误差,不利于工艺过程的稳定性;换刀次数的增多会增加非切削加工的时间,降低机床的利用效率。可将目标函数表示为
min F(x)
F(x)=αFFF(x)+αCFC(x)+αMFM(x) (7)
Gi+1FS),δ(GiFt,Gi+1Ft)) (8)
其中,αF、αC和αM分别为夹具变换次数、换刀次数和机床变换次数的权重系数,由工艺人员根据具体情况确定,本文取αF=0.3,αC=0.2,αM=0.5;FF(x)、FC(x)、FM(x)分别表示装夹次数、换刀次数和机床变换次数;GiD、GiFS、GiFt、GiC、GiM分别表示加工中用到的定位基准、装夹表面、夹具、刀具和机床;δ(a,b)是一个判断函数,表示为
因此,零件加工工艺路线的数学模型可表示为:对于零件特征的加工元集合FME=(fme1,fme2,…,fmeN),寻找一个加工元序列x=(fmea(1),fmea(2),…,fmea(N)),在满足相应的约束条件下,使F((fmea(1),fmea(2),…,fmea(N)))最小。
4 基于改进遗传算法的工艺路线优化
4.1 遗传模拟退火算法
遗传模拟退火算法的基本步骤如下:
(1)设置控制参数:种群规模n,进化终止代数N,初始退火温度t=ts(s=0),终止温度tf,马尔科夫链长Ls;
(2)初始化种群P(k),k=0;
(3)对种群P(k)进行遗传操作,直至产生下一代种群:①计算种群P(k)的适应度;②选择适应度高的个体进行复制,以概率Pc进行个体的交叉操作,以概率Pm进行个体的变异操作;
(4)种群P(k)的模拟退火操作。①随机产生一个初始解i作为最优解,计算其目标函数值f(i);②在解i的邻域内产生新解j,计算新的目标函数值f(j);按Metropolis准则判断是否接受新的解为最优解:
③若s<Ls,则s←s+1,转向②;④若t≥tf,则更新温度ts+1=update(ts),转向①;
(5)判断进化终止代数k是否达到N,如果满足条件则转至步骤(6),否则转向步骤(3);
(6)停止计算,输出最优解。
遗传模拟退火算法的流程如图3所示。
4.2 基因编码
编码方式不仅影响染色体的排列方式,还决定个体从搜索空间的基因型变换到解空间的表现型的解码方式。本文采用自然数字链进行基因编码来表达加工元的排序问题。
为了便于工艺路线的描述和遗传操作,将加工元表示为fme={ID,f,MP,ML,MM,MT,MS},其中:ID、f、MP、ML、MM、MT和MS分别为加工元编号、加工特征、加工方法、所需的机床、刀具和夹具,如图4所示。
基因表示零件加工元集合中的一个加工元,染色体为零件的一种加工元序列,代表了零件的一种工艺方案。对于要求连续加工或同时加工的多个加工元,可合并为一个。
4.3 初始种群的产生
种群初始化过程中,随机产生一定数量的种群作为组合优化问题的初始解。即原始种群为由一定数量的加工元序列组成的集合,集合中每个个体代表一种工艺路线。对于初始种群的大小,目前尚无理论上的指导,实际应用中常常根据经验确定,一般取值范围为20～100。
4.4 选择
选择操作是建立在对个体的适应度评价的基础上的,对种群中的个体按照适应度从大到小进行排序,采用轮盘选择法。假设每个个体的适应度为fk(k=1,2,…,l),种群总的适应度为
4.5 交叉变异
交叉运算是指对两个相互配对的染色体按某种方式相互交换其部分基因,从而形成新的个体的算法。变异是指个体染色体编码串中的某些基因座上的基因值用该基因座的其他等位基因来替换,从而形成一个新的个体的过程。变异与交叉结合后,能够避免由于选择和交叉运算造成的某些信息的丢失,从而保证遗传算法的有效性。
交叉算子采用双点交叉,在相互配对的两个个体编码串中随机设置两个交叉点,交换两个个体在所设定的两个交叉点之间的部分染色体,其示意图见图5。
变异算子采用均匀变异,依次指定个体编码串中的每个基因座为变异点,对每个变异点,以变异概率从对应基因的取值范围内取一随机数代替原有值,其示意图见图6。
4.6 适应度函数
适应度函数的选择至关重要,因为在遗传算法中指导搜索的主要依据是个体的适应度值。适应度函数不仅能够有效地指导搜索沿着面向优化参数组合的方向,逐渐逼近最佳参数组合,而且不会导致搜索不收敛或者陷入局部最优解。
本文中的适应度函数表示为
F′(x)=1/F(x) (13)
4.7 退火过程中新个体的接受
本文通过选择、交叉、变异等遗传操作产生一组新个体,随机选择各个个体中的两个基因作为扰动点,经扰动后的个体所得的适应度增强,则按Metropolis准则接受这个新个体,否则以某一概率接受恶化的新个体。这正是模拟退火算法区别于一般的局部搜索算法的本质所在,判断准则如式(12)所示。
4.8 终止计算条件
遗传算法中如果连续迭代次数达到一定值后,最优个体的适应度值保持不变,或者迭代次数达到规定的最大迭代次数,则终止计算,输出最优适应度对应的加工序列。遗传算法的终止进化代数一般取100～500。
模拟退火的温度是按照ts+1=λ ts衰减的,λ为衰减系数,当退火温度下降至终止温度时,停止寻优,否则重新进行交叉和变异操作。
5 应用实例
以图7所示的某型号发动机缸体为例说明该混合算法的实现过程。
通过分析得到缸体主要特征有:顶面、底面、前端面、后端面、左面以及右面等面特征,以及油道孔、凸轮轴孔、曲轴孔以及缸孔等孔特征。将几何特征相同的特征聚类为一个特征,用同一代号表示,然后参与排序。经过特征聚类后,该缸体零件有35个主要制造特征,相关的特征和加工元信息、加工资源分别由表1和表2给出。图8为在分析缸体特征加工先后顺序基础上的加工元优先关系图。
算法参数的设置如下:种群规模设为50,算法的最大迭代次数为100,交叉率为0.7,变异率为0.01,模拟退火初始温度t0为100℃,衰减系数为0.8,终止温度为90℃。根据初始化信息和约束条件,运用MATLAB软件编写相关程序,采用遗传模拟退火算法和遗传算法搜索过程的收敛情况如图9所示。从图中可以看出,采用遗传模拟退火算法比单纯采用遗传算法的收敛速度快、目标函数最优值小。
得到的最优缸体工艺路线如表3所示,其中机床变换5次,夹具变换5次,刀具更换44次。然后插入辅助工序(中间清洗、试漏、合装轴承盖、压入凸轮轴孔衬套、最终清洗、施胶压装水闷、试漏和成品检查)形成完整的发动机缸体加工工艺路线。
6 结论
针对发动机缸体的复杂性,在得到缸体各个特征加工方法链的基础上,将特征细化为加工元后建立缸体工艺路线优化的数学模型;利用遗传模拟退火算法的优点,通过复制、交叉和变异等操作对模型进行求解,对工艺路线的排序进行启发式全局寻优,避免了局部优化结果的产生,并用实例验证了模型的实用性和算法的可行性。
摘要：针对工艺设计过程中工艺路线的优化问题,通过分析复杂箱体类零件特征,并将其细分为加工元,在考虑优化过程中存在的问题和相关工艺约束的基础上,将工艺路线的优化转化为加工元的优先排序。以机床、夹具和刀具变换次数最少建立目标优化模型,利用改进的遗传算法进行求解,避免了遗传算法“早熟”的缺陷。以某型号缸体为研究对象验证该改进算法的有效性,结果表明该算法具有很好的收敛性。
关键词：工艺路线,加工元,组合优化,遗传模拟退火算法
参考文献
[1]胥利军,张振明,田锡天,等.基于三维零件模型的工艺路线设计方法研究[J].机械设计与制造,2010(1):28-30.Xu Lijun,Zhang Zhenming,Tian Xitian,et al.Re-search on a Feasible Approach for the Process RoutePlanning of Mechanical Machining Based on ThreeDimensional Part Model[J].Machinery Design andManufacture,2010(1):28-30.
[2]王忠宾,王宁生,陈禹六.基于遗传算法的工艺路线优化决策[J].清华大学学报,2004,44(7):988-992.Wang Zhongbin,Wang Ningsheng,Chen Yuliu.Op-timization of Process Routing Based on the GeneticAlgorithm[J].Journal of Tsinghua University,2004,44(7):988-992.
[3]Zhang W B,Lu Z H,Zhu G Y.Optimization ofProcess Route by Genetic Algorithms[J].Roboticsand Computer-integrated Manufacturing,2006,22(2):180-188.
[4]刘伟,王太勇.基于遗传算法的工艺路线生成及优化[J].农业机械学报,2009,40(8):203-208.Liu Wei,Wang Taiyong.Generation and Optimiza-tion of Process Routing Based on Genetic Algorithm[J].Transactions of the Chinese Society for Agri-culture Machinery,2009,40(8):203-208.
[5]Krishna A G,Rao K M.Optimization of OperationsSequence in CAPP Using an Ant Colony Algorithm[J].The International Journal of Advanced Manu-facturing Technology,2006,29(1/2):159-164.
[6]田颖,江平宇,周光辉,等.基于蚁群算法的零件多工艺路线决策方法研究[J].计算机集成制造系统,2006,12(6):882-887.Tian Ying,Jiang Pingyu,Zhou Guanghui,et al.Re-search on Part Multiple Process Routes DecisionMaking Based on Ant Colony Algorithm[J].Com-puter Integrated Manufacturing Systems,2006,12(6):882-887.
[7]Ma G H,Zhang Y F,Nee A Y C.A Simulated An-nealing Based Optimization Algorithm for ProcessPlanning[J].International Journal of ProductionResearch,2000,38(12):2671-2687.
[8]朱海平,肖诗旺,黄刚.基于遗传算法的工艺过程排序研究[J].华中科技大学学报,2006,34(3):50-53.Zhu Haiping,Xiao Shiwang,Huang Gang.Researchon Operation Sequencing Based on Genetic Algo-rithm[J].Journal of Huazhong University of Sci-ence and Technology,2006,34(3):50-53.
[9]颉潭成,李庆军,李宝栋,等.基于遗传算法的零件特征加工方法决策系统[J].农业机械学报,2005,36(9):120-122.Xie Tancheng,Li Qingjun,Li Baodong,et al.Deci-sion Making of Feature Process Method Based onGenetic Algorithm[J].Transactions of the ChineseSociety for Agriculture Machinery,2005,36(9):120-122.
[10]常智勇,杨建新,赵杰,等.基于自适应蚁群算法的工艺路线优化[J].机械工程学报,2012,48(9):163-169.Chang Zhiyong,Yang Jianxin,Zhao Jie,et al.Opti-mization of Process Based on Adaptive Ant ColonyAlgorithm[J].Journal of Mechanical Engineering,2012,48(9):163-169.
轴类零件加工工艺及夹具设计探讨 篇5
1 轴类零件的加工技术要求
1.1 应明确轴类零件尺寸的精度
在轴类零件轴颈选择过程中，为了确保其支撑作用，应选择IT5-7精度较高的轴颈;如果主要是作为装配传动件，应选择IT6-9精确度较低的轴颈。
1.2 应注意几何形状精度
外锥面、轴颈等轴型的圆柱度以及圆度也即是轴类零件几何形状精度，一般的轴类零件正常的话会将轴类零件几何形状精度控制在允许的尺寸公差范围内。如果是内外圆表面，对轴类零件的几何形状精度具有较高的要求，应在工艺图纸中将有效的误差范围明确表示出来。
1.3 注意相互位置精度
轴类零件在整个机械运行系统中的位置及其功能主要决定了其的位置精度。轴类零件的精度通常情况下必须达到装配传动件轴颈对支撑轴颈的需要(要求同轴度)，若未达到该项需要，会使传动齿轮之间产生一定的磨合误差，对机械的传动效果产生较大影响。通常情况下，轴类零件的径向跳动范围最小为0.01mm，最大为0.03mm。若相互位置精度具有较高要求，则最小的径向跳动范围会缩小到0.001mm，最大为0.005mm。
1.4 注意表面粗糙程度
盘类零件的加工工艺 篇6
关键词：盘类零件,加工工艺
0 引言
盘类零件是各种机械中常见的加工零件, 广泛应用于具有支撑和导向作用的场合。不同的盘类零件虽然在尺寸和精度要求方面有所差异, 但是有很多的相似之处。本文对某一盘类零件的加工工艺路线进行分析, 对其他盘类零件的加工有很大的参考价值。
1 盘类零件加工工艺制定
1.1 加工零件
图1所示为一典型的薄壁盘类零件, 其材料为LY12, 具有非常好的切削性。该零件的外形尺寸相对于轴向尺寸较大;周边的筋厚度较薄, 型腔深度也较小。整个零件的刚度较差, 因此在该零件的加工时, 如果制定的加工工艺方案或者加工参数设置不当都会引起变形。
1.2 加工工艺
根据图1所示零件的特性, 选取棒料为该零件的毛坯, 采用的基本工艺流程为:毛坯 (棒料) →粗加工 (粗车、铣削) →时效处理→精加工 (精车和精铣) 。
粗加工包括粗车和粗铣。在外圆和端面预留出1 mm的精加工余量, 并进行中心孔的预钻。在型腔的侧面和底面也分别预留1 mm的精加工余量, 并且进行工艺孔的预钻。粗加工完成之后要进行时效处理, 以去除由于粗加工产生的应力。时效处理之后进行精加工。将零件装夹到车床上, 对其端面和外圆进行精车, 并加工直径为6 mm的工艺孔 (此步应该在一次装夹中完成) 。精车完成之后, 对零件进行精铣以达到零件的设计要求。
根据各个加工工序的目的和加工的要求, 需合理选用机床以实现零件经济性加工的要求。型腔的粗加工时采用铣削的方式去除大量的材料 (没有精度要求) 为后面的工序做好准备, 因此, 在进行型腔加工时可以选用成本较低的数控铣床进行加工。采用数控铣床根据零件图加工出内形的基本轮廓, 圆弧的倒角半径为6 mm, 所留的工序余量均为1mm。并且在本工序加工直径为12mm孔的定位孔。
对于精加工, 由于零件精度要求高和零件本身刚度小的特点, 选用高速切削技术进行加工。高速切削技术具有切削力小的特点, 极大减小了零件的加工变形。高速切削过程中切屑在很短的时间内被切除, 大部分的切削热都被切屑带走, 因此零件的热变形小, 有利于零件的精度保持。高速切削具有非常高的加工表面质量, 适合于盘类零件的加工。因此在该零件的型腔精加工时采用高速切削机床。
进行型腔精加工时以零件的中心孔和直径12 mm的孔为定位孔, 所以在铣削型腔之前需要将其加工完成。中心孔由于作为定位基准因此加工精度比较高, 因此选用镗削的方式进行加工至H8等级。直径12 mm的孔采用数控铣床钻、铰至H8等级。
定位基准加工完毕之后, 为了减少在加工时的多次装夹问题采用一面两销的方式进行定位。采用一个圆柱销和一个扁形销作为定位的元件。由于该零件属于薄壁类零件, 因此在装夹时容易出现变形的情况。在装夹零件时, 应该将压板压在零件刚性最强的地方, 压板与零件的接触面积尽可能大。夹紧力的大小应该适当, 不能使工件发生形变。
2 盘类零件加工工艺分析
1) 毛坯选择。盘类零件常采用钢、铸铁、青铜或黄铜制成。孔径小的盘一般选择热轧或冷拔棒料, 根据不同材料亦可选择实心铸件, 孔径较大时可作预孔。若生产批量较大, 可选择冷挤压等先进毛坯制造工艺, 既提高生产率又节约材料。
2) 基准选择。根据盘类零件的具体结构选取合理的基准满足基准重合、基准统一原则。盘类零件的基准通常是端面、内孔和外圆。以端面为基准的盘类零件在加工时主要是以平面为基准;以内孔为基准的盘类零件加工, 常常需要端面进行辅助配合;以外圆为基准的加工方式与以内孔为基准的方式基本相同。
3) 加工顺序。盘类零件通常由端面、孔和外圆面组成 (有些还包括阶梯孔) , 通常径向尺寸远远大于轴向尺寸。对于盘类零件除了尺寸和表面粗糙度要求之外, 通常还包括外圆对于孔的径向圆跳动、端面对孔的圆跳动和垂直度等要求。在进行盘类零件加工工艺制定时应该重点考虑径向圆跳动和端面圆跳动。在进行精加工时, 应将外圆、孔和端面一次装夹之后全部加工完毕, 避免进行二次装夹。对于不能通过一次装夹实现加工的部分优先加工孔, 然后通过孔采用 (弹簧) 心轴加工外圆或者端面。
4) 装夹方式。小型的盘类零件可以采用三爪卡盘进行工件的装夹, 中大型盘类零件采用四爪卡盘或花盘装夹工件。对于有形位精度要求的通常是采用心轴或者花盘进行装夹之后再进行加工。对于盘类零件采用已加工的孔作为定位基准时, 为了保证外圆轴线与孔轴线的同轴度要求, 应用心轴进行装夹零件。心轴有很多种, 采用圆柱孔进行定位时常常使用圆柱心轴或者小锥度的心轴;而那些锥孔、螺纹孔等特殊孔则采用对应的锥体、螺纹心轴。圆柱心轴是以外圆柱面定心、在端面进行压紧的方式来装夹零件的。心轴与零件孔之间一般是间隙配合。为了提高心轴的定位精度有时将心轴做成具有很小锥度的椎体。
花盘是另一种应用到盘类零件装夹的夹具之一, 是大型盘套类零件的常用夹具。花盘安装在车床主轴的大圆盘, 对于形状不规则的工件无法采用常规的卡盘装夹时采用花盘装夹, 采用花盘装夹工件时应保持平衡, 以减少加工时离心力产生的振动对主轴轴承的磨损。
5) 表面加工。对于盘类零件回转面的粗加工采用车削的方式实现, 对于精加工综合考虑材料、加工要求以及产量来选择加工方式如精车、精磨等。对于盘类零件的非回转表面, 根据表面的特征选取相应的加工方式进行加工即可。
6) 工艺路线。盘类零件与轴类零件相比, 最大的不同在于加工时安装方式不同, 有时零件表面的特征也导致加工方法与轴类零件完全不同。对于常见的盘类零件可以采用如下的加工工艺:准备毛坯→毛坯去除应力处理→粗车表面→回转平面的半精加工和精加工→非回转平面加工→去毛刺处理→热处理 (淬火、回火等) →精加工表面→检验。
3 结语
在机械加工中, 对轴类零件的加工应用非常广泛, 要加工出一件合格的工件, 具备扎实的理论基础、熟练的操作能力和丰富的工作经验是不可缺少的, 除此之外, 随着科学技术的不断发展, 使用新旧结合的加工方法也是有必要的。本文通过对盘类零件的加工, 简要地介绍了盘类零件在加工过程中应用的各种加工方法以及合理的工艺安排。
参考文献
[1]曾太阳.复杂薄壁盘类零件数控高速加工工艺与编程[J].模具制造, 2009 (8) :93-97.
[2]钟华燕.航空薄壁法兰盘类零件高效铣削加工工艺研究[J].煤炭技术, 2013 (8) :37-39.
[3]李芹.机械制造中典型盘类零件的加工[J].科技资讯, 2010 (32) :96-98.
小型缸体类零件车削工艺与加工 篇7
1 零件结构分析
小型缸体是发动机的一个重要零件, 它的缸头面 (如图1端面A) 和箱体面 (如图1端面B) 分别和汽缸头和箱体装配, 密封性要求很高, 否则会漏气, 造成功率下降。所以对产品的加工精度要求很高, 特别是两个端面的平面度、平行度和粗糙度等, 都有较高的精度要求。如图1所示零件图分析可得, 该零件为铸铝, 是半成品加工, 只需要精加工φ57㎜的外圆长22㎜, 端面A以及端面B, 毛坯余量只有0.8mm左右, 其中多个尺寸有较严的尺寸精度和表面粗糙度等要求。如φ57㎜的外圆与端面A、B精度要求为0.8, φ57㎜的外圆与端面A的垂直度要求为0.05mm, 端面A和端面B除了有平面度要求0.05mm外还有平行度要求为0.05mm。也就是说该零件的精度要求较高, 而难度就在于装夹非常困难, 必须要保证工件的中心与车床主轴中心同轴。
2 传统加工工艺分析
该零件并非轴类零件, 不能像加工普通的轴类零件那样用三爪卡盘来夹紧工件。也不是对称的零件, 周边有很多压铸出来的散热片, 而且凹凸不平, 不能作为夹紧部位。长22㎜的φ57㎜外圆, 如果用卡盘夹持这一部分, 有以下几个问题:1夹持长度太少, 不利于夹紧工件, 工件易飞出, 造成安全事故;2刀具无法同时车削两个平面, 刀具会与卡盘发生干涉;3壁厚太小, 如被夹持容易产生变形。
综上所述, 该零件的装夹不能按照常规的方法进行, 不能从外观上进行装夹, 必须考虑内孔的定位装夹方式。
根据零件的毛坯特点, 小型缸体的两个端面比较平整, 内孔也经过加工, 有一定的尺寸精度和表面粗糙度, 可以用于定位。因此, 最终定位方式为:以小型缸体端面为Z轴方向定位, 内孔为X、Y轴方向定位。夹紧方式采用小型缸体带动拉杆移动, 拉杆的锥面使涨芯涨开, 靠涨芯外表面与工件内孔的摩擦力来夹紧工件。
2.1 传统夹具设计图如下:
2.2 涨芯图如下
2.3 对夹具结构说明:
①涨芯的材料为65Mn (弹簧钢) , 弹性较好, 在涨芯上开槽, 增加弹性。装夹时涨芯与工件内孔有较大的间隙, 以方便装夹, 涨芯的外径尺寸为51.9-0.1-0.15, 最大可涨开直径为52.4以上, 而小型缸体内孔直径为52+0.1 0, 故夹持没有问题。
②因整个夹具伸出部分较长, 故在右端用顶尖定位, 增加夹具刚性, 减少震动, 提高加工精度。
③工件装夹时小型缸体端面与定位套的端面接触, 这样能保证大批量生产中的定位精度。
④拉杆左端与小型缸体连接, 右端与涨芯是锥面配合, 当小型缸体向左移动时, 带动拉杆向左移动, 拉杆通过与涨芯的锥面配合使涨芯向外涨开, 达到夹紧的目的。
⑤通过限位圈的厚度限制拉杆向左移动的行程。
2.4 加工程序
根据尺寸精度和形位公差的要求, 因毛坯余量较小, 只需要精加工就可以完成。车削小型缸体的两个端面, 必须采用左偏外圆车刀和右偏外圆车刀, 刀具材料为金刚石。加工程序如下:
根据传统的工艺方案进行加工, 小型缸体加工完成后, 最终零件图样如图4所示。因为所采用的夹具存在多次装夹, 使其定位精度不高, 所加工的零件有三分之一是达不到精度要求的, 零件报废率较高, 而且在装夹过程中耗时较长。单件零件加工需要5分钟才能完成, 效率不算高。为了更好地减少零件报废率, 减低成本, 缩短单件零件的生产时间, 以提高生产率, 我在原有的工艺基础上拟进行改进。
3 夹具的改进
由于之前设计的夹具主要问题在于定位精度不够高, 导致零件无法达到精度要求, 所以必须从定位上下手。改进后的零件图如下:
3.1 对夹具结构说明:
1夹具材料为65Mn (弹簧钢) , 夹具由拉杆和夹套两部分组成, 由图4所示, 零件左边是拉杆, 右边的是夹套。
2夹套的左端开有4个裂口, 当拉杆与夹套配合时, 拉杆的锥面使夹套左端涨开, 靠夹套外表面与工件内孔的摩擦力来夹紧工件。夹套左端外径尺寸为51.9-0.1-0.15, 最大可涨开直径为52.4以上, 而小型缸体内孔直径为52+0.1 0, 故夹持没有问题。
3工件装夹时小型缸体端面与夹套定位端面接触, 通过夹套中段的端面作为定位基面, 零件的定位就可以非常准确了, 这样就能保证大批量生产中的定位精度。
4由于零件只有一个内孔, 而且还是通孔, 所以该夹具可以掉头继续装夹, 也就是说, 零件的两次加工都用同一个夹具装夹就可以了。如图5所示。
3.2 加工程序
程序一:加工箱体面 (端面B) , 装夹图如图6所示。
改进后的方案虽然需要一次加工后掉头进行二次加工, 但改进后的夹具装夹非常方便快捷, 所需装夹时间非常短, 最重要的是加工出来的成品精度非常高, 完全符合生产要求, 相比较加工效果比原来的加工方法要好, 单件零件加工时间更快, 每3分钟就可以完成一件零件加工, 生产效率提高将近有40%, 有效地缩短了生产时间, 降低了成本, 符合生产要求。与方案一相比, 方案二有优越性, 因此采用方案二进行生产。
4 结束语
本文主要介绍的使用数控车床加工小型缸体, 第一次工艺方案设计试用后, 对加工效果不太理想, 加工精度不高, 耗时较长。为了更好地提高生产效率, 缩短劳动时间, 我们对工艺进行了改良, 设计了一个更简单更实用的夹具。改进后, 加工零件的时间大大减少了, 由原来的5分钟/每件, 提高到3分钟/每件, 而且大大的提高了工件的精度, 减少了工件的报废率, 提高了生产效率和节约了成本。该零件加工后已正式投放市场, 而且投放市场后取得了较好的市场效应。因此, 我们在实际生产中应该充分发散思维, 多创新, 多思考, 多尝试, 以便更好地提高自身的基础知识和技能。
参考文献
[1]沙莉、阳夏冰主编.《机床夹具设计》[M].北京.北京理工大学出版社.2012年8月.ISBN:9787564064631
[2]机械加工工艺装备设计手册编委会编.《机械加工工艺装备设计手册》[M].北京.机械工业出版社.1998年6月.ISBN:9787111058571
[3]刘党生主编.《金属切削原理与刀具》[M].北京.北京理工大学出版社.2009年8月.ISBN:9787564025885
[4]郭仁生主编.《机械设计基础》[M].北京.清华大学出版社.2006年1月.ISBN:9787302120049
[5]徐鸿本、曹甜东主编.《车削工艺手册》[M].北京.机械工业出版社.2011年11月.ISBN:9787111352082
箱体类零件加工工艺 篇8
薄壁类零件由于重量轻、结构紧凑, 在航空航天、船舶工业等众多领域得到广泛应用。但由于薄壁零件的刚性较差, 加工过程中易造成变形, 进而影响零件加工质量。因此, 如何解决薄壁零件的加工变形成为机械工业关注的热点问题。随着加工制造技术的进步, 薄壁零件的加工技术目前有了进一步提升。在实际的生产加工过程中, 引起薄壁零件变形的情况各有不同, 只有视具体情形采取相应措施才能有效减少加工变形的产生。
1 薄壁零件加工变形
1.1 加工零件
回转窑的筒体段节是一个典型的薄壁类零件, 如图1所示。该零件是大型的薄壁零件, 序号1是筒体, 直径4300mm, 壁厚20mm, 序号2为圆周分布的24块垫板, 其厚度10mm, 垫板要求进行精加工。
1.2 零件的加工
该零件最大特点是工件壁薄、刚性较差、易变形。所选取加工原料为厚度20mm的钢板卷制内径4300mm的筒体并焊接, 完成后要求进行圆度校核, 使整体保持圆形。由于筒体没有尺寸精度要求, 故筒体不需要进行加工。
原材料选取和制备完成后, 在装夹时应注意夹具夹紧点的选择, 选择不当就会产生附加应力。零件在夹紧时会使零件产生塑性变形, 对零件尺寸精度和位置精度产生一定影响。因此, 装夹时一定要有相应的定位设计, 以减小工件变形、确保加工质量不受影响。由于该零件较大, 可采用软爪在零件底面定位的方式。为增加零件的整体刚性, 加工前先在筒体内腔增设加强筋, 选择长度4300mm、规格200mm×75mm×9mm的槽钢两根, 十字排列点焊在筒体内侧。根据计算可知垫板精加工后的厚度为10mm, 因此, 选取12mm厚的钢板焊接, 焊接前先在筒体上划线, 目的是使24块垫板均匀分布。
该零件的壁厚较薄, 加工过程中切削产生的切削热也会引起工件热变形。另外, 由于刀具和工件表面之间的摩擦而产生的摩擦热, 也易引起工件表面形成残余应力。在车削加工过程中, 为及时释放加工应力, 可以在加工完一个工序后松动软爪, 让零件充分释放加工应力, 然后再定位加工。
该零件在加工时采取垂直进刀方式, 沿圆周方向由上而下加工。因此, 零件会受到径向力作用, 局部很容易产生机械振动使工件表面发生弹性变形, 进而对零件的尺寸精度、位置精度和表面精度产生影响。切削加工时进给量选择过大也会引起工件的局部变形, 无论是粗加工还是精加工, 切削量和切削速度的选择一定要合理。另外需要注意的是, 在粗加工后不能立即对工件进行精加工。由于粗加工过程会对工件表面产生残余内应力, 必须在精加工前把该应力释放, 否则会引起工件变形加剧, 严重影响工件加工质量。本零件采用数控车床加工, 采用高速切削、小进给量、多次加工的方式, 直到最大外径4360mm满足精度要求。
2 薄壁类零件加工工艺方法
该零件是薄壁零件的典型代表, 其加工工艺对其他薄壁零件具有一定的借鉴意义。为此, 需注意以下6点, 以防零件加工变形, 保证加工件达到预期目标。
(1) 利用薄壁零件的整体刚性进行加工。薄壁零件本身由于壁厚较薄容易引起变形, 再加上在加工过程中的壁厚逐渐减小势必会造成零件整体刚性的下降, 后果当然是加剧零件的变形。所以, 在薄壁零件的加工过程中, 尽量多利用零件的整体或未加工的部分为正在进行加工的部分做定位支撑, 始终使加工过程处于较大的刚性状态。
(2) 增设支撑件。薄壁类零件在加工过程中, 由于受到夹具或刀具的挤压容易引起加工变形。为解决这种因挤压而带来的加工变形, 一般可以在薄壁件的腔内增加支撑件, 增加零件整体的刚性。
(3) 合理确定刀具的进刀方式。薄壁类零件本身刚性较弱, 在加工时如受到外力的干扰很容易发生变形。在加工进刀时, 刀具对零件表面产生的挤压力会使工件表面发生弹性变形。垂直进刀时, 刀具会对腹板产生向下的挤压力, 使腹板发生向下弯曲变形;水平进刀时, 刀具会对工件的内壁产生挤压力, 同样会使薄壁工件发生变形。因此, 在选择进刀方式时, 一定要综合考虑工件的结构特点, 通过优化工艺设计以求最大限度降低加工变形量的产生。
(4) 采用高速切削加工。在加工技术日益成熟的今天, 多工序高度集中的加工方式可以在加工过程中大幅度降低由于人为因素而产生的加工误差, 这种方式也对防控薄壁零件的加工变形起到很大促进作用。通常在加工精度要求较高的薄壁零件时会采用数控高速切削的方式, 它是一种采用小进给量、多次加工、高速切削的加工方法。这种方法可以使切削热在刀具的高速转动下被及时带走, 有效减少工件表面应力的产生, 使工件表面始终保持恒温状态, 有效降低工件的加工变形。
(5) 增加热处理环节。加工过程中产生的应力如果得不到及时释放则很容易使薄壁零件发生加工变形。为最大幅度地减少应力的存在, 通常在工件粗加工后需要进行退火处理。典型的薄壁零件加工流程应该是:粗加工→退火处理→精加工。对于加工精度要求较高、极易发生变形的薄壁零件, 还要进行半精加工, 必要时还可以反复多次进行热处理。
(6) 优化工件定位方式。防止薄壁零件加工变形的方法除了优化加工工艺外, 还要优化工件的定位方式, 最大幅度减少工件因外力作用而发生的变形。通常所用的定位方式有心轴、软爪、通用压板和真空吸盘定位。选择哪种定位方式要视零件结构特点而定, 一般对外圆的加工宜选择心轴定位;对内壁的加工宜选择通用压板定位;对精度要求高且体积较大的零件选择软爪定位;对生产批量大、精度要求高的零件选择真空吸盘定位。
3 结束语
本文对防控薄壁零件变形的方法进行了分析, 并结合实际零件加工工艺对防控变形的方法进行了论述。在实际生产中, 只有根据零件的具体结构特点, 设计合理的加工工艺路线、选择合适的刀具、确定合理的切削速度才能真正解决薄壁零件的加工变形。
参考文献
[1]张耀宸.机械加工工艺设计实用手册[M].北京:航空工业出版社, 1993.
[2]陈德兰.控制薄壁零件变形的工艺措施[J].装备制造技术, 2010, (6) .
薄壁类零件加工工艺的研究及应用 篇9
我单位生产的刮板机链轮轴组上的浮封座(如图1所示),该零件的L/D=264/25.5=10.35,且最薄处尺寸为3.6mm,属于典型的薄壁类零件。此零件材质为45#,且为锻制毛坯,调质处理,硬度HB280～320,加工难度较大。
1 原加工工艺
通过研究图纸得出,尺寸20.5,Φ264.17及Φ251位置公差要求较高,为保证加工精度达到图纸要求,上述三个尺寸需一次装夹加工完成。因此,初步确定加工完Φ233及宽度尺寸25.5左侧后,使用三爪定心卡盘撑住尺寸Φ233处对其余尺寸加工。通过对试加工件的测量发现:尺寸Φ264.17存在椭圆近2mm,且Φ251处光洁度较差,尺寸20.5左侧相对于A的垂直度较差。虽然通过减少进刀量、提高切削速度、选用新型刀具等方式,加工精度有所提高,但仍达不到图纸要求,且加工效率低。
2 新加工工艺的制定
针对试加工件出现的问题,经过工艺分析和研究认为,原工艺:加工完Φ233及宽度尺寸25.5左侧后,再对其余尺寸加工是合理的,关键在于如何装夹,以防止出现加工变形,确保加工质量。为此,经过多次试验,设计制作了此零件的加工工装,并对加工过程进行了优化。
3 工装设计及验证
该工装的设计思路为:为避免三爪卡盘直接撑内孔造成加工过程中工件变形,使用三爪卡盘装夹工装,工装与工件通过螺纹连接,消除加工过程变形。具体步骤如下:
3.1 1)粗加工,尺寸Φ2 3 3加工为M 2 3 0×2螺纹,其余各处留余量3mm～5mm;2)、使用三爪卡盘装卡工装,工装上加工M230×2的外螺纹;3)、将工件通过螺纹装夹在工装上,进行精加工(如图2所示);4)、加工完成后,卸掉工件、工装,使用三爪卡盘夹持Φ252处,加工Φ233至尺寸。
3.2 工装验证情况
按照此工装、工艺加工的此类薄壁零件,经测量各项尺寸符合图纸要求,安装使用后均未出现问题,证明工艺及工装的设计制作是合理的。
4 结语
薄壁金属管类零件加工工艺的研究 篇10
随着现代工业技术的发展, 薄壁金属管类零件由于质量轻、用料少, 同时结构紧凑, 被广泛应用于工业产品中;但因薄壁零件的刚性差, 加工容易变形, 使零件的形位误差增大, 很难保证零件的加工质量。
通过对零件加工过程的分析, 发现影响零件变形的主要因素有: (1) 装夹过程中夹紧力过大或受力不均引起变形; (2) 切削加工中切削力作用引起变形; (3) 加工中产生热量, 冷却不充分, 引起变形; (4) 工件内应力引起变形等。因此, 在加工薄壁金属零件过程中要充分考虑如何消除上述因素的影响, 制订合适的加工工艺, 才能防止或减少零件加工造成的变形, 保证零件尺寸和精度的要求。
1 薄壁金属管件加工工艺研究
1.1 加工管件
工件材质为S136。如图1所示, 工件两端内径不同, 一端是ϕ21.3 mm, 另一端是ϕ21.5 mm, 壁厚为1.85~1.05 mm;工作表面内圆直径为ϕ21.3+0.010mm, 内孔圆度误差要小于0.003 mm;工作表面外圆直径为ϕ250-0.005mm, 并且与内圆ϕ21.3+0.010保证同轴度0.005 mm以内;工作表面粗糙度Ra0.4μm, 未注尺寸公差为±0.1 mm。
图中大部分壁厚约为1.05 mm, 且配合表面精度要求较高, 是典型的薄壁金属管件。
1.2 零件加工受力分析
薄壁金属管件在制造过程中受力变形情况如下。
(1) 受夹紧力作用产生夹紧变形
薄壁金属管件加工使用的装夹工具主要有三爪卡盘、四爪卡盘等。进行加工时, 在夹紧力作用下, 工件壁薄易产生如图2 (a) 所示变形;在加工后, 如图2 (b) 所示;当夹紧力去除时, 工件的弹性恢复而使已加工合格的工件出现变形, 如图2 (c) 所示, 造成误差。
(2) 切削力产生的振动变形
如图3所示, 车削过程中, 薄壁工件在切削力 (主要是径向切削分力Py) 的作用下, 容易产生振动变形, 使工件的尺寸、形状、位置精度和表面粗糙度不易控制。
(3) 切削时产生的热变形
车削时产生的切削热会引起工件的热变形, 这种受热膨胀影响的变形规律不易掌握, 使工件的尺寸精度难以控制, 对于线膨胀系数较大的金属薄壁工件影响尤为显著。通常通过添加冷却液强制带走切削热而减少热变形的影响。
(4) 工件内应力引起的变形
工件在锻造、铸造和焊接过程中, 内部组织因残留内应力使工件产生变形。
1.3 零件的加工工艺分析
由于受上述等诸多因素的影响, 用普通的加工方法来加工薄壁金属管件, 几乎很难达到设计精度要求。通过对上述加工过程中可能影响工件变形因素的分析研究, 提出了以下几种可防止或减少薄壁金属管件加工时变形的工艺措施:
(1) 选择合适的装夹方式, 避免传统直接夹装方式中由于弹性变形所造成的影响, 本文将分别采用内外芯轴等辅助加工夹具;
(2) 选择合适的刀具及切削用量, 减少加工过程中因切削力过大引起的工件变形。
切削用量是切削时各参数的总称。包括切削速度、进给量和切削深度。
在刀具作用下, 被切削层金属、切屑、已加工表面层金属产生弹性变形和塑性变形, 为克服这些变形产生变形抗力, 同时刀具与切屑、工件表面间存在摩擦阻力, 这些抵抗刀具切削的阻力组成了切削合力Fτ, 其又分解为主切削力Fc、进给抗力Ff、切深抗力Fp;一般情况下, 主切削力最大Fc, 其他两个力小一些。切削力的经验计算公式如下:
f为进给量, ap为切削深度。从公式不难看出, 当切削深度ap或进给量f增加时, 均会增加切削力;其中切削深度ap与切削力成正比, 而进给量f增大时, 虽然切削面积会成正比例增加, 但因变形程度减小, 会使切削层的单位面积切削力减小, 因而切削力只增大70%~80%[1]。
因此, 粗加工车削时采取增大切削深度和进给量, 尽量保证较高的加工效率和必要的刀具耐用度;而在精加工时根据工件的加工精度和表面粗糙度要求, 选用合适的切削用量来减少产生的切削力, 降低由此引起的工件变形。
(3) 加工时通过充分浇注切削液, 降低切削温度, 减少工件热变形。
由于切削变形产生大量的热量, 同时工件与刀具、切屑与刀具之间的相互摩擦也会产生热量, 切削过程中所消耗的能力有98%~99%转换为热能[2]。这些切削热直接影响刀具的磨损和降低刀具的使用寿命, 进而严重影响了工件的加工精度和表面质量。因此切削时, 使用切削液对降低切削温度、减少刀具磨损和提高已加工表面质量有明显的效果。
(4) 做好切削过程中的防振措施
由于薄壁金属管件刚性差, 切削加工时易产生振动和变形, 从而影响加工质量。
可通过设计合理夹具来加强零件的刚性, 减小切削过程的振动和变形, 确保最后的加工质量。如可将软橡胶片卷成筒状塞入工件内孔中精车外圆, 用医用橡胶管均匀缠绕在工件外圆上精加工内孔。
(5) 粗、精加工分开进行, 配合热处理工艺来解决工件的残留内应力影响。
零件依次按阶段分开粗精加工, 有利于消除或减小变形对精度的影响, 同时能提高加工效率。
粗加工主要切除大部分余量, 其特点是加工余量大, 因此夹紧力、切削力、切削热都较大, 加工精度不高, 此时主要考虑如何提高生产效率问题。
精加工主要完成零件的全部技术要求, 其特点是加工余量较小, 加工精度高, 此时主要考虑如果保证加工质量问题。
薄壁金属零管件由于刚性差, 但精度要求较高, 此类零件的加工过程中要考虑安排消除内应力的热处理工序, 减少因工件内部残余应力对零件加工质量的影响。
2 薄壁金属管件的加工工艺设计
合理设计工艺过程, 是保证和提高产品加工质量的必要条件[3]。通过上面对薄壁金属零件的工艺分析, 将图1工件加工工艺过程分为粗加工阶段、细加工阶段和精加工阶段等三个阶段来完成。由于工件壁薄且内外表面精度要求较高, 精加工阶段分别采用了内外芯轴等辅助加工夹具。具体工艺如下。
(1) 粗加工阶段
开料:按合适的尺寸余量得到零件毛坯。
粗车:按零件形状各留0.4~0.5 mm的双边加工余量得到大致零件形状。
(2) 细加工阶段
(1) 热处理:按零件的设计要求, 提高目标硬度HRC3~4对零件进行热处理。
(2) 粗内圆磨:使用三爪卡盘夹零件外径, 找正外径粗磨内孔, 余量在0.1 mm内。
(3) 人工时效:对零件进行几次回火热处理, 去内应力。
(3) 中间检验
检测:对零件进行内孔数值对比, 确保车加工工序的应力变形在人工时效后得到充分的释放。并检测其硬度是否在设计数值范围内。
(4) 精加工阶段
1) 内圆磨预制孔:零件的尾部内孔ϕ21.5 mm段磨至内径为ϕ21.5-0+0..0101mm (该段是为下工序使用工业粘接剂粘接内芯轴作精加工外径所预制的) 。
2) 精磨外圆:使用工业粘接剂把内芯轴粘接在零件的内径上, 并在内芯轴的两端加工标准定位中心孔, 通过磨床的顶尖顶住两端中心孔来加工零件外径。
内芯轴的结构如图4所示。
(1) 选用合适的金属材料车削加工出内芯轴, 并在内心轴的两端加工标准定位中心孔。其中ϕ21.6 mm×74 mm段外圆为粘接部位, 已留有精磨余量。再将芯轴粘接段外圆精磨至与工件ϕ21.5-0+0..0101mm预制段有合适粘接间隙 (间隙取值根据所使用的工业粘接剂性能来确定) 。
(2) 粘接内芯轴, 然后使用磨床的顶尖顶住内芯轴的两端中心孔来加工零件外径, 并靠台阶端面, 保证各个外径上尺寸, 如图5所示。
3) 车床:按图精车外径各段外径环槽、倒角、过渡锥面。合理选择车削加工的刀具。
4) 钳工:使用工业清洗剂溶解取出内芯轴。
5) 精磨内圆:使用工业粘接剂把外芯轴粘接在零件的外径上, 然后通过常用三爪卡盘夹持在外芯轴外径上来加工零件的内径。
外芯轴的制备, 结构如图6所示。
(1) 选用合适的金属材料车削加工出外芯轴, 其中ϕ23.9 mm内圆为粘接部位, 已留有精磨余量。再将芯轴粘接段内圆精磨至与工件ϕ24-0-0..0201mm外圆有合适粘接间隙 (间隙取值根据所使用的工业粘接剂性能来确定) 。
(2) 粘接外芯轴, 然后通过常用三爪卡盘夹持在外芯轴外径上来加工零件的内径。因为此零件只要保证内圆直径为ϕ21.30+0.01mm即可, 尾部内径ϕ21.5 mm不用再加工了, 所以外芯轴可以做短一点。
6) 钳工:使用工业清洗剂溶解取出内芯轴。零件去毛刺, 清洗干净。
(6) 成品检验
成检按照图纸完成产品检测。
3 结论
本案例工件加工工艺创新点是:
(1) 在粗加工时改进传统热处理工艺, 采取先将工件热处理硬度比目标硬度提高HRC3~4, 然后进行人工时效处理, 去除薄壁金属管件在车削加工时所产生的应力, 防止之后因应力释放产生再次变形;
(2) 在精加工环节采用了内外芯轴等辅助加工夹具来代替传统的装夹模式, 实践证明, 工业粘接剂的粘接强度能达到大于磨削时产生的离心切削力, 不会松脱。
通过合理先进的工艺过程设计, 对保证产品质量、加工经济性, 以及提高生产率都有着十分重要的意义。按上述设计的加工工艺过程, 有效地减少了薄壁金属零件加工过程中因夹具、切削力及内应力等多种因素引起的变形, 提高了产品的生产效率, 所加工的薄壁金属管件达到设计要求, 并在类似工件加工中应用均达到满意效果。
摘要：研究薄壁金属管类零件加工中的变形问题, 提出工艺改进措施, 改进传统热处理工艺以防止因应力释放产生再次变形;采用了内外芯轴等辅助加工夹具来代替传统的装夹模式;有效地减少了薄壁金属零件加工过程中因夹具、切削力及内应力等多种因素引起的变形, 保证了零件的加工质量。
关键词：薄壁零件,管类零件,变形,加工工艺
参考文献
[1]周泽华.金属切削原理[M].上海:上海科学技术出版社, 1993.
[2]乔世民.机械制造基础[M].北京:高等教育出版社, 2003.
【箱体类零件加工工艺】推荐阅读：
箱体类零件毕业设计参考06-30
UG箱体零件05-30
波浪形轴类零件的数控加工工艺分析07-03
箱体加工09-07
十字槽零件的加工工艺06-28
薄壁零件数控车工加工工艺论文07-13
异形类零件的数控加工05-11
零件钳加工09-08
零件机械加工06-07
薄壁零件的加工08-02