复杂零件（精选8篇）
复杂零件 篇1
1 工件分析
舱体零件的材料为铸造铝件ZL114A, 圆周和两端端面分布着多个半圆槽、沉孔、凸台和异形槽等结构复杂的要素, 其外形尺寸为Φ390 mm×1 270 mm。尺寸大的零件比尺寸小而结构紧凑的更难控制加工精度。相对精度较高的要素分布在零件起连接作用的两端, 比如左右端面Φ3900-0.2外圆相对Φ3500-0.057止口处基准同轴度不大于0.1 mm, 两侧Φ3500-0.057止口外圆相互同轴度不大于0.02 mm, 止口外圆Φ3500-0.057相对左右两侧端面自身的垂直度为0.01 mm, Φ3500-0.057止口外圆处端面的平面度为0.05 mm, 左右两端止口处端面的平面度为0.1 mm。
由文中所列数据可知, 舱体零件结构比较复杂, 对制造精度的要求很高, 这些都是制约产品制造加工的因素。对于工艺设计, 要考虑工序集中的问题, 减少多次装夹产生的误差;对于精度高的要素, 要分析其装夹方式, 防止装夹变形。
2 工艺方案
在研制、生产舱体零件的过程中, 如何保证产品质量, 保证制造、生产进度, 节约成本是工艺制造技术面临的一大课题, 对结构复杂、精度要求高的零件更是如此。
2.1 确定加工工艺方案
在零件上, 比较精密的表面加工通常都是要经过粗加工、半精加工、精加工逐步形成精密加工的。对于这些表面, 仅根据质量要求选择相应的加工方法是不正确的, 应有效确认从毛坯到最终成形的加工方案。在确定加工方案时, 首先应根据主要表面的精度和粗糙度初步确定能够达到这些要求的加工方法。为了保证制造精度, 特拟定了复杂舱体零件的加工工艺方案, 即划线→粗铣基准→粗车外圆→镗孔→粗铣圆周诸要素→线切割→高低温稳定处理→精车基准→精车外圆→精铣圆周诸要素→钳工、攻丝→精车止口→检验。
2.2 根据设备情况设计加工方法
在粗铣圆周外形轮廓工序中, 先前的工艺设计需要在卧式加工中心竖直装夹, 而Y轴上下行程为800 mm, 加工范围超过了行程范围, 加工过程不能一次连贯完成, 需掉头2 次分段装夹。这样做, 势必会出现接刀痕, 而接刀痕的尺寸取决于零件两端定位孔和定位面的准确度。在粗铣基准工序中, 受设备行程的限制, 两侧端面和内圆定位粗基准被安排在大型普通镗床上完成。因为普通机床比数控机床的精度差, 所以, 两侧端面的平行度和孔同轴度偏离较大, 对粗铣圆周加工工序造成了一定的影响。
为了满足零件圆周加工的要求, 结合设备的加工行程特点, 可将粗铣圆周诸要素和精铣圆周诸要素工序都变更到带有A轴功能的GX1600 立式加工中心上一次装夹完成。装夹时, 可采用数控分度头和尾顶的方式。在此过程中, 所用设备的规格如下:
GX1600 加工中心设备:X行程为1 600 mm, Y行程为700 mm, Z行程为650 mm。
工作台尺寸:1 700 mm×700 mm。
电脑数控分度盘:型号为MRNC-400, 中心高度为255 mm, 中心孔的直径为40 mm。
从设备行程上观察满足舱体长度所需的加工行程, 如果零件要装夹在A轴转台上, 就要采取尾顶针一夹一顶的方式, 但是, 这样附件和零件的长度加起来就超出了工作台的长度。因此, 需要加装2 块等高垫板延长工作台面长度, 以解决安装长度受限的问题。垫板是依靠螺栓固定在工作台上的, 安装时略伸出两端工作台面, 在尾顶与数控转台之间留出可以安装工件和法兰盘的位置。同时, 将尾顶和数控转台置于2 个平行等高的垫板上, 并将其固定, 使两者的中心高相同。
采用这种改进方式, 不仅减小了卧式加工中心上2 次掉头装夹产生的定位误差, 而且加工过程中并没有出现接刀痕, 同时, 还缩短了多次装夹的辅助时间, 降低了劳动强度, 提高了生产效率。
2.3 杜绝装夹变形, 更改装夹方式
零件生产的关键在于精车止口工序。当零件被安排在CAK6130 斜床身的数控车床上时, 一端用法兰盘内孔和端面定位, 端面使用两短销孔定向, 形成了一面两孔的定位方式;另一端用尾座顶针顶住与零件内孔相配合的堵头。由定位原则可知, 一面两销属于完全定位, 而顶尖重复限制工件的自由度被称为“过定位”。过定位对工件的定位精度有直接的影响, 一般情况下, 如果要消除过定位, 尾座中心线和主轴中心线会因为调整问题而发生一定的偏移, 导致车削时轴向产生锥度。因此, 只有在工件的定位基准、夹具定位元件精度很高时, 方可允许过定位的存在。在加工过程中发现, 工件两端Φ3500-0.057止口的同轴度受其影响, 出现了0.4 mm的偏差, 端面止口形位公差超出了要求范围, 导致零件扭曲变形。
鉴于上述情况, 在改进工艺的过程中, 将发兰盘一端Φ330+0+0..105孔作为基准定位, 通过压板装夹从零件内部扣住工件圆周的两侧窗口边。同时, 要校准Φ3900-0.2外圆, 利用螺栓压紧工件, 压紧力要大于工件自重与切削力之和。装夹导致尾顶一端的过定位方式被消除, 螺栓和压板只起到了夹紧的作用, 而远离主轴的一端处于相对自由的状态。
在加工过程中, 两端止口Φ3500-0.05要一次性加工完成;在切削过程中, 要减少切削用量, 降低切削力。经过相关部门工作人员的验证, 与尾顶装夹效果相比, 形位误差明显减小, 进一步提高了产品质量。
3 结束语
通过设计产品的加工工艺, 结合分厂现有的加工条件, 合理改进工艺工装和装夹方式, 解决了产品加工过程中遇到的难题, 提高了零件的形位公差, 保证了产品的质量。
摘要：为了有效解决形状复杂的铝合金舱体零件加工工艺中存在的问题, 基于数控设备的特点, 分析、研究、设计了零件数控加工工艺, 并设计、制造了简易工装。针对加工过程中出现的问题, 制定了一系列的解决措施, 以期在一次装夹中完成该零件多项要素的复合、精密加工。
关键词：铝合金舱体,工艺方案,装夹方式,材料
复杂零件 篇2
复合加工是机械加工领域中最流行的加工工艺之一，是一种先进制造技术。与常规加工设备不同的是，一台车铣复合加工中心实际上相当于一条生产线。它把几种不同的加工工艺在一台机床上实现。车铣复合加工技术完全不同于普通意义上的把车削与铣削功能的简单叠加，它完全不同于传统的车削加工原理和部分车削功能部件，增加了C轴功能（准确定位、连续旋转、分度功能等）（图1）。因此，车铣技术是车削主轴和铣削主轴合成运动的一种先进的切削方法。
图1
二、车铣复合加工的特点及分类
车铣复合加工可分为面车铣(正交)和周边车铣(平行轴)两种方法（图2）。面车铣是最常见的方法，主要运用端铣和面铣来加工工件外侧。他的特征是主运动为刀具的旋转运动（一般转速较高），而工件的旋转运动（一般转速较高）为铣刀沿工件圆周方向的进给运动；周边车铣使用侧面和面铣或长刃铣刀，主要用于内侧加工。切削速度由刀具的旋转来提供，进给则通过工件的旋转与刀具的线性进给相结合来进行。
三、车铣复合加工技术的加工优势
第一，采用复合加工，工序高度集中，避免了零件加时在机床间频繁的工序转换过程，大大缩短了生产工序，有利于零件加工质量的保证。第二，减少加工设备和工作地数量，提高设备利用率，降低资产投资、生产成本和管理成本。第三，减少装夹次数，提高加工精度。装夹次数的减少避免了由于定位基准转化而导致的误差积累。同时，目前的车铣复合加工设备大都具有在线检测的功能，可以实现制造过程关键数据的在线检测和精度控制，从而提高产品的加工精度。第四，与传统车削相比，车铣极易实现高速切削，而高速切削的一切优点可在车铣中得以体现，如切削力比传统切削可下降30％，机床和刀具承受的负荷小，也有利于机床精度的保持。第五，工件转速相对比较低，加工薄壁件时几乎没有离心力产生的变形。
四、车铣复合加工的数控编程技术
与传统的数控编程技术相比，车铣复合加工的程序编制难点主要体现在以下几个方面：
一是工艺种类繁杂。
二是加工程序的编制结果必须同工艺路线保持一致。
三是需要对加工程序进行整合。
五、车铣复合加工的工艺性原则
在车铣加工工艺中，车铣工艺设计是十分重要的环节，工艺设计的好坏直接关系到加工程序的正确性与合理性，以及加工质量和效益。车铣复合加工的工艺特点是：
第一，车铣加工一般需要在一次装夹下完成车、铣、钻等多种加工，因此其加工工艺具有集成性的特点，这使得零件加工所需的专用夹具数量大为减少，零件装夹次数及周转时间也大大减少，从而使零件的加工精度和生产效率有较大的提高。
第二，车铣复合加工的工艺设计工作必须相当严密，与普通机床加工工艺相比，具有更少的加工工序，但是加工程序的编制也较一般机床复杂得多。
六、典型零件的加工工艺分析
该产品属于壁薄零件，具有壁薄零件的加工特点：在夹紧力的作用下容易产生变形；切削热会引起工件热变形，从而使工件尺寸难以控制；在切削力（特别是径向切削力）的作用下，容易产生振动和变形，影响工件的尺寸精度，形状、位置精度和表面粗糙度。
该产品的加工难点分析：该产品除了加工薄壁件的难点外，还有加工径向圆柱孔、孔口倒圆及3/4外凸圆柱面的加工，这些都是在普通数控车床上不能加工的。
加工方案如下：
装夹Ф38棒料，伸出长度足够，钻孔至φ20×58；
车铣（周边车铣）内孔及螺纹至尺寸要求，注意保證螺纹质量；
切断，预留校正基准面；
掉头使用螺纹心轴装夹，使用预留基准面进行校正；
车铣（正交车铣）加工φ23、φ36及锥面至尺寸要求，注意薄壁件的悬臂加工的加工刀具及加工方式。
车铣（正交车铣）加工径向圆柱孔φ12、孔口倒圆R12及3/4外凸圆柱面φ32.4，注意铣削力对悬伸薄壁件变形的影响；
拆下工件，去毛倒棱，并进行自检。
复杂壳体类零件的参数化建模研究 篇3
1 建模思路和方法
1.1 参数化
参数化是指零件的各种特征施加各种约束形式, 各个特征的几何形状与尺寸大小用变量参数的方式来表示。参数化的主要特点是基于特征、全尺寸约束、全尺寸相关和尺寸驱动修改。建立设计实体间的参数关系可以既省时又省力, 在模型中建立的相关信息越多, 就越能迅速地想出新的解决方案, 将其试用于设计中, 可以利用现有的设计来满足新的需求, 从中创建出新的产品, 而不需从头开始设计与现有产品十分类似的产品。
1.2 自顶向下设计
从已完成的产品对产品进行分析, 然后向下开展设计工作。可以从组件开始, 将其分解为组件的子组件或零件, 然后标识主组件元件及其关键特征, 最后了解组件内部及其组件之间的关系, 并预计产品如何装配。掌握了这些信息, 就能规划设计并能在模型中体现总体设计意图。自顶向下设计用于历经频繁修改的产品设计, 或者被各公司设计多种多样的产品所采用。
1.3 骨架模型
骨架模型捕捉并定义设计意图和产品结构, 骨架可以使设计者们将必要的设计信息从一个子系统或组件传递至另一个子系统或组件。这些必要的设计信息要么是几何的主定义, 要么是在其他地方定义的设计中的复制几何。对骨架所做的任何更改也会更改其元件。
1.4 复制几何
在单个特征中创建内部或外部复制几何 (Copy Geometry) , 可以对该特征进行编辑, 并且可将其类型由内部改为外部。复制几何特征可用来将任何类型的几何参照信息和用户定义的参数传递到或传递出零件、骨架模型和组件。当使用复制几何时, 仅会复制参照几何。仅复制曲面特征和基准特征, 而不复制实体特征。使用这种方法, 可在一个模型中参照此进程之外的另一模型的几何创建特征。也可以在“零件”模式下创建一个外部复制几何特征, 并从一个零件向另一个零件复制参照。
1.5 根据自顶向下的设计方法复制几何
复制几何是自顶向下传递数据的方法, 它通过发布几何 (Publish Geometry) 和复制几何来实现。通过复制点、曲线和表面等几何, 建立新的特征时以它们为参考基准, 从而保证建立零件特征符合已知约束条件。发布几何和复制几何是成对使用的, 先将需要传递的数据用“发布几何”命令准备好, 然后在零部件或者下级元件设计中通过复制几何应用, 发布几何中的数据只有通过复制几何后才完成整个数据传递过程, 完成传递后, 在零部件或者下级元件中通过以这些数据为基准或者参考, 传递的数据起作用, 控制它们生成, 从而完成高效的自顶向下设计过程。
在自顶向下设计中使用复制几何特征可以减少进程中的数据量。不必检索整个参照源模型。复制几何特征在磁盘上和进程中仅占用一半的空间。
2 复杂壳体类零件建模的步骤
尽管机械产品的结构形式千差万别, 用途和工作原理也各不相同, 但在计算机上进行三维实体建模还是有一些规律可循, 特别是复杂壳体类零件的建模。本文提出的建模过程为, 壳体结构分析→创建自顶向下设计的装配组件→建立壳体骨架模型元件→构造元件骨干特征→建造机加工零件。
2.1 壳体结构分析
复杂壳体类零件结构复杂, 其三维建模是个艰巨的任务, 一个零件的建模, 往往需要两三个月才能完成。为了保证建模的科学性、正确性和合理性, 在三维建模前, 一般要根据零件的总体构造特点与零件工作机理对壳体零件进行结构分析, 把关联关系比较紧密的一些特征作为一个元件 (文件名后缀为.PRT) , 这样可以把一个复杂壳体分成几个元件, 再确定元件之间的建模顺序。
在元件的划分时一般以选择壳体上一些主要特征为基础, 把周围相关的特征分为一个元件, 可以把为实现一个局部功能的相关特征分为一个元件, 具体操作时, 以壳体与其他零件的大接触面为基础, 从接触面出发, 找出该面所属的元件, 然后找出能通过该元件进行定位的相关特征, 这些特征即可划分为一个元件。如图1, 将壳体划分为SKL, WET_RIBS, DRY_RIBS, P A T T E R N, R E V B R K T, D R Y_C O R E, W E T_C O R E, CASTING, PRT 9个元件。通过元件的划分, 可以把一个复杂的壳体零件划分为几个相关的元件, 然后分析每个元件是如何组成的, 如何创建它们, 以及各个元件之间的相互关系, 在此基础上确定元件生成的先后顺序和相互“复制几何”的关系, 列出元件之间的相互关系, 这样可以大大简化壳体模型的元件表示, 同时也是元件完善的基础。
2.2 创建自顶向下设计的装配组件
新建一个装配组件TOPDOWN.ASM, 作为壳体“零件”的文档, 实际为组件文档 (文件名后缀为.ASM) , 同时建立壳体基准坐标系和各元件坐标系, 各元件坐标系与壳体坐标系重合但可无关联联系。在组件模式下依次创建如图2所示的元件模型树。
2.3 建立壳体骨架模型元件
根据各元件的构建情况, 设定传递接点和要素, 用以控制设计意图在各元件的传递, 同时为骨架模型元件传递确定初步要素。构造SKL.PRT骨架模型元件的骨干特征 (如图3) :
把关联比较紧密的一些特征作为一个组。这些骨干特征和组构造成的面或面组, 以及骨干特征和组本身, 都可以作为发布几何。
“发布几何”的创建过程如下。
在软件界面使用菜单“插入→共享数据→发布几何”命令, 第二步选定数据类型, 再选取数据 (往下的建模步骤大多数为选取“曲面集”或面组) , 单击OK确定按钮, 完成“发布几何”定义。
2.4 构造元件的骨干特征
(1) 创建WET_RIBS.PRT元件的骨干特征
COPYGEOM_SKL_REFS (如图4所示的曲线, 为SKL.PRT骨架模型元件的曲线参照复制几何)
LAYSHFT_BRGBOSS_CUT4_MAINCASE_C的复制几何
REV_IDLER_BRG_CORE的复制几何
RIB_TO_4 (新建特征, 同时其复制几何为WET_CORE.PRT元件的骨干特征)
OUTPUT_BRGAREA_CORE的复制几何
“复制几何”的创建过程如下。
在软件界面使用菜单“插入→共享数据→复制几何”命令, 第二步选项并定义, 选取建好的“发布几何”, 选勾OK按钮, 完成“复制几何”。“复制几何”菜单操作在该壳体的建模中起重要作用。
(2) 创建DRY_RIBS.PRT元件的骨干特征
C O P Y G E O M_S K L_REFS (与WET_RIBS.PRT元件的骨干特征相同) 。
(3) 创建PATTERN.PRT元件的骨干特征
组BELL_PATTERN的复制几何
组ENG_MTG_FLANGE_PAT TERN的复制几何
组STARTER_MOTOR_FLAN GE中
STARTER_FLANGE_PATTERN特征的复制几何
组BOXSIDE_MAINBODY_PATTERN的复制几何
MAINCASE_FLANGE_PATTERN的复制几何
OUTPUT_BRG_BOSS_PATTERN的复制几何
组GBOX_MAGBOSSES_TAP PED的复制几何。
(4) 创建REVBRKT.PRT元件的骨干特征
一些拉伸、旋转、斜度、倒圆等基本特征通过参数化建模构成, 模型树如图5。骨架模型元件的大多数特征用同样方法创建。
(5) 创建DRY_CORE.PRT元件的骨干特征
组BELL_CORE的复制几何。
(6) 创建WET_CORE.PRT元件的骨干特征
组GBOXSIDE_MAINBODY_C ORE的复制几何
RIB_TO_4的复制几何 (来自WET_RIBS.PRT元件)
LAYSHFT_BRGBOSS_CUT4_MAINCASE_C的复制几何 (与WET_RIBS.PRT元件的发布几何共用)
INPUT_SHAFT_BRG_CORE的复制几何
REV_IDLER_BRG_CORE的复制几何 (与WET_RIBS.PRT元件的发布几何共用)
FORK_RAIL_BOSS_CORE的复制几何
OUTPUT_BRGAREA_CORE的复制几何 (与WET_RIBS.PRT元件的发布几何共用)
REVBRKT.PRT元件骨干特征的复制几何。
(7) 创建CASTING.PRT元件的骨干特征
复制几何标识2 5 4 3 (PATTERN.PRT的复制几何)
复制几何标识2 8 8 1 (DRY_CORE.PRT的复制几何)
复制几何标识7 0 0 0 (W E T_C O R E.P R T的复制几何) 。
图6为CASTING元件的骨干特征, 从中可见CASTING.PRT元件的骨干特征在模型树中的位置。
2.5 建造机加工零件
将CASTING.PRT元件最后生成的面组操作“复制几何”, 再“实体化”, 接着创建机加工特征, 如孔、螺纹、倒角、圆角、退刀槽等局部特征。最终, 得到如图7所示的机加工零件数模。
以上是本文通过对变速器复杂壳体类零件建模研究, 提出一套分析与参数化建模方法, 这种方法能在Pro/ENGINEER、CATIA等CAD平台上推广应用。结合自主品牌6挡手动变速器项目电子样机的建立, 在Pro/ENGINEER Wildfire 3.0平台上, 应用以上建模方法, 顺利通过了样品设计阶段壳体结构有限元CAE分析, 达到产品设计性能要求。
为了建立规范的三维参数化模型, 或提高建模效率, 实体建模中应注意以下问题。
(1) 对零件或者复杂特征, 要充分考虑几何形状和结构特点, 力求用较少的基本特征完成建模。
(2) 对于复杂特征, 采用草图拉伸为曲面, 选取“封闭端” (Capped E n d s) 选项, 再用“合并”工具 (Merge) 通过相交或连接合并两个曲面或面组, 保证创建的曲面或面组均为无缝封闭曲面, 为后续实体生成成功打下坚实的基础。
(3) 在选择基准的时候, 要考虑生成模具, 以及模具加工工艺性, 为加工模具提供方便;加工模具最好直接使用壳体数模, 以及用其划分的元件数模, 加快产品开发进度。
(4) 为了便于显示和修改, 不同的元件采用不同的颜色设置。
(5) 一个元件在一个方向的所有特征, 尽可能共用一个基准。
(6) 构造用来生成铸件的主要元件以加工面为基准, 拉伸或旋转等特征均考虑拔模斜度, 保证机加工去除的部位有拔模斜度, 拔模顺利。
(7) 在草图的绘制过程中, 不考虑倒角和倒圆, 这样有利于草图的建立、约束, 也有利于零件的参数化设计。
(8) 所有的基本特征建模完成后, 通过“复制几何”进行铸件元件的建模。
(9) 在操作“复制几何”时, 系统默认的选项是“从属”, 这也正是设计中所需要的, 只有在明确知道不需要保持复制数据的关联时, 才选择“独立”选项。
3 结束语
复杂零件 篇4
运用数控机床及其配套的设备来加工复杂型腔铝合金零件, 可以很好地实现高效率、高精度及多种工艺间的相辅相成及综合作用。除了机床、刀具、切削液等这些因素外, 还包括对切削参数、工序、零件结构等方面的选择与考虑。当然, 这其中也要考虑到加工过程中的付出成本。如果忽略这其中任何一个因素, 都会影响加工的实际效果。因此, 要在已有的硬件基础上, 合理对数控机床加工复杂型腔铝合金零件的程序、工艺进行安排, 才有可能达到实际所需要的加工效果。
1 数控机床的概念及其各类型的特点
复杂型腔铝合金零件的加工想要达到高精度、高质量, 其最根本的保障措施就是运用数控机床来加工。而数控机床的类型根据其主轴位置、加工轴数等, 大体上分为立式、卧式和立卧转换式三类。要依据复杂型腔铝合金零件的实际特点进行选取, 同时还要注意复杂型腔铝合金零件自身所要求的加工精度与标准, 以便在加工过程中, 可以依据其外形特点, 在一次加工的过程中尽可能多加工出零件的外型腔面, 减少中途的换刀数、拆卸数。这对于提高复杂型腔铝合金零件的加工质量, 提高数控机床的利用率都大有裨益[1]。
各类型数控机床及其特点如下。
卧式数控机床。因为其主轴位于水平状态, 因此可以实现多轴联动的多个型腔面的加工。它非常适合复杂型腔铝合金零件、特别箱体类型的零件。通常, 它自带数控编程回转工作台, 一般情况下是三个坐标加一个回转运动坐标。这使它可以在一次加工的过程中完成多个面的加工作业, 也可以进行对复杂型腔铝合金零件的曲面多坐标的联动作业, 但不能与顶、底面同时进行加工。另外, 它在对工作台上的零件进行加工时, 还可以同时装卸工作台上进行加工的零件, 从而提高操作效率。
立式数控机床。它的主轴垂直于工作台, 可以对复杂型腔铝合金零件的侧面外形以及内腔进行加工。通过自身的旋转轴, 它还可以实现四轴、五轴的加工操作。同时, 对螺纹、钻削、镗削等加工程序都可以很好地完成。它对零件的装夹及定位方便, 非常适用于板盘类及小型壳体类复杂零件的加工。由于其自身立柱的高度有限, 所以对箱体类型的加工显得有些力不从心。
立卧转换式数控机床。它可以一次实现对复杂型腔铝合金零件五个面的加工作业。立卧转换式数控机床同时拥有卧式和立式数控机床的优点。相较之下, 比立式、卧式数控机床减少了装卡数, 提高了自身的性能、效率, 但设备的价格较为昂贵。
2 对数控机床加工复杂型腔铝合金零件时切削参数的选取
运用数控机床对复杂型腔铝合金零件进行加工时, 一定要根据机床和切削刀具本身的规格来合理性确定主轴转速、切削速度等加工时的切削参数。这直接影响到数控机床对复杂型腔铝合金零件的加工质量和对刀具的利用率。它的计算公式为:n=1000×Vc×π×d。其中, n代表主轴转速;Vc是切削速度;d是加工零件的直径[2]。根据公式可以知道, 数控机床的主轴转速取决于切削速度与加工零件的直径。而这两个数据既是对数控机床加工复杂型腔铝合金零件时切削参数选取的重要性能指数, 又是在客观上存在与不断变化的基础数据值。
3 数控机床加工复杂型腔铝合金零件时的常用加工方式
(1) 对内外型腔的加工。对于具有复杂型腔的零件加工时, 在装夹工序中可以采用压板压边的方法, 预留出一定的零件余长, 以保证在加工过程减少其自身的振动。同时, 这样可以一次性把需要加工的零件的内外型腔和四周都完成, 进而保证加工零件尺寸与位置的精度。对于只需加工其内部型腔的零件, 我们一般可以采用带有切削刃的刀具。这样可减少加工的工序, 节省加工时间, 提高加工效率。对于内外型腔都需要加工的零件, 在装夹工序时, 可以将加工零件的内、外轮廓尽可能一次性加工出来, 从而保证内、外轮廓的位置与尺寸精度。
(2) 对不需开粗的曲面加工。对不需开粗的曲面加工, 可以直接从加工零件的外部切入曲面。这样可以减少平底刀层切的粗加工流程。而利用球刀的侧刃, 沿着加工零件外形的自然走向用刀, 可以轻易切入加工零件的曲面。需要注意的是, 切入的间距一般是0.1~0.2mm, 进给率一般在5000m/min左右。为了避免切削力过大, 可以通过编程软件预先进行调设, 从而保证初始切入时切削力的强度。
(3) 通过刀轨偏置实现多件零件的加工。这种加工形式是实现与提高数控机床对复杂型腔铝合金零件加工效率的一种非常有效的方法。它一般有两种方式:一种是通过在数控机床上设置多个编程点来实现;另一种是使用同一个编程点, 利用数控机床或编程软件自身的刀轨偏置功能来形成多位置的刀轨轨迹来实现。但是, 不管是哪一种方式, 都必须保证加工零件在数控机床工作台上的实际偏置距离与编程软件中的设置要保持一致[3]。
4 加工过程中装卡具的合理设计与运用
为了能够在加工过程中充分发挥出数控机床对复杂型腔铝合金零件加工的效率、精度, 本文在对零件加工工序中的装卡具工序要进行合理性的设计, 且还要使其与加工零件自身的结构特点密切结合。这主要考虑到每个加工零件自身的具体特点存在着不同性, 如局部尺寸或薄壁等特征。为了避免装卡时发生过量与变形, 需要通过自制或组合卡具来提高零件加工的精度和效率。
5 结语
对于采用数控机床对复杂型腔铝合金零件加工的具体层面, 应该落实在实现其高效、高精、多种等基础条件的方面。如果只是片面强调其中任意一种条件, 都不可能达到加工的既定目标。在实际加工过程与实践中, 必须要依据其自身的各项基础条件, 安排合理性的加工工序。只有如此, 才能充分发挥数控机床的作用, 实现复杂型腔铝合金零件加工的有效性。对于复杂型腔铝合金零件本身而言, 要想实现精度性、可靠性, 就不能够仅仅单独依靠加工过程中的一、两个因素, 而是需要做好各个方面的前期准备, 包含设计、工艺、流程、机床、进度、切削、润滑、装夹等各个内容和步骤。这些在很大程度上都决定了加工零件最终的状态。所以, 在实际加工过程中, 一定要根据自身的工作条件、复杂型腔铝合金零件自身的特点, 来合理选择机床及加工操作方式。
摘要：本文针对数控机床加工复杂型腔铝合金零件时模具的建造方法及编程、加工过程与技巧进行相关论述。同时, 根据腔铝合金零件在加工过程中所呈现出来的特点和要求, 对数控机床加工时的编程及工艺技术的选择进行阐述。
关键词：数控加工,数控机床,铣削加工,切削参数
参考文献
[1]刘强, 李冬茹.国产数控机床及其关键技术发展现状及展望[J].航空制造技术, 2010, (10) :26-30.
[2]周志雄, 周秦源, 任莹晖.复杂曲面加工技术的研究现状与发展趋势[J].机械工程学报, 2010, (17) :105-113.
复杂非圆曲线零件的编程方法研究 篇5
在数控车削加工中,我们经常碰到零件的轮廓中包含有椭圆、双曲线和正弦曲线等非圆曲线。当遇到这类零件轮廓时我们经常采用的编程方法是利用宏程序进行手工编程以及应用CAXA数控车进行自动编程。
1 宏程序进行手工编程
对于经济型机床一般只能实现直线插补和圆弧插补,当遇到复杂非圆曲线轮廓时,需要运用宏程序进行手工编程。使用宏程序进行手工编程的步骤如下:(1)设定自变量;(2)确定自变量的起止点的坐标值;(3)写出因变量相对于自变量的关系式;(4)找出公式曲线自身坐标系原点相对于编程坐标系原点的偏置量。完成坐标系平移变换。可以看出非圆曲线轮廓使用宏程序编程时涉及到变量设定、坐标平移变换等数学处理方法,对于零件图中关键节点的计算也很复杂,有时候需要借助计算机辅助绘图来实现。此外轮廓为凸凹相间时,在FANUC数控系统的机床上使用G73循环时增加了许多空走刀的路线,这样会大大降低加工效率。
2 基于CAXA数控车软件的自动编程
以CAXA数控车2008自动编程软件为载体,以图1所示零件为例来介绍应用CAXA数控车软件完成复杂非圆曲线的自动编程方法。
2.1 零件的工艺分析
根据图1所示的零件图选取毛坯为Φ60×109的长棒料,材料为45钢。使用普通三爪卡盘装夹工件,取工件右端面中心为编程坐标系的原点。该零件的车削加工流程:粗车右端外轮廓精→车右端外轮廓→切断。
2.2 CAXA数控车自动编程过程实现
(1)零件轮廓和毛坯轮廓准备。在应用CAXA数控车软件进行自动加工前首先要完成零件的轮廓和毛坯轮廓绘制。如图1所示。(2)外轮廓粗车。单击轮廓粗车图标,根据加工要求依次填写加工参数、进退刀方式、切削用量。并根据零件图添加外轮廓车刀。填写完所有加工参数后分别拾取被加工零件轮廓和毛坯轮廓,如图2、图3所示。然后输入进退刀点(100,100),单击回车键生成如图4所示的外轮廓粗车加工轨迹。(3)外轮廓的精车。零件外轮廓的精车加工参数的设置与粗车相类似。此处不在多述。生成的外轮廓精车轨迹如图5所示。(4)外轮廓的粗精加工轨迹仿真。CAXA2008数控车软件具有模拟仿真功能,通过对加工轨迹进行仿真,观察刀具的走刀路线以验证加工程序的是否正确,及时发现加工过程中是否存在干涉和过切现象。(5)生成程序。将正确的加工轨迹,选择需要的数控系统(如FANUC系统)后即可,将加工轨迹转化成所需要的G代码。
3 宏程序手工编程和自动编程对比
3.1 宏程序手工编程特点
(1)采用宏程序进行手工编程时复杂轮廓节点的计算一般都比较复杂,必须借助计算机绘图来处理。(2)宏程序对编程人员的要求较高,要求编程人员具备丰富的宏程序编程方面的知识,例如宏变量的设置,循环语句的表达方式,程序的模拟与调试等。(3)对于凸凹相间的轮廓,在FANUC数控系统的机床上使用G73循环时,增加了许多空走刀的路线,这样会大大降低加工效率。
3.2 CAXA数控车自动编程特点
(1)应用CAXA数控车软件实现自动编程具有很强的灵活性,可以加工不同类型的复杂回转体类零件。(2)应用CAXA数控车软件实现自动编程可以大大提高零件的编程效率,生成的加工程序可以通过传输软件直接输入到数控系统中,避免了面板输入加工程序的操作。(3)应用CAXA数控车软件实现自动编程可以缩短加工的时间,节省在宏程序编程中由于多次空走刀所耗费的实际加工时间。
4 结论
本文分别探讨了非圆曲线零件的宏程序手工编程和应用CAXA数控车软件实现自动编程,并对比了两种编程方法的特点,在实际加工中编程人员应灵活应用两种编程方法,充分发挥两种编程方法的优点,以提高编程效率,缩短加工时间。
摘要：本文分别对应用宏程序和CAXA数控车2008软件实现复杂非圆曲线零件的编程方法进行了探讨,并对两种编程方法进行了对比。宏程序对编程人员水平要求比较高。利用CAXA数控车软件实现自动编程具有很高的灵活性,可以加工不同类型的复杂回转体类零件,在实际加工时应灵活应用两种编程方法,以提高编程效率和缩短加工时间。
关键词：非圆曲线,宏程序,CAXA数控车,自动编程
参考文献
[1]王建胜,王其兵.基于M aste rcam的弧形零件的自动编程[J].机械设计与制造,2008(09):199-201.
[2]周虹.基于宏程序的椭圆车削加工.新技术新工艺[J].2007(10):35-36.
复杂零件 篇6
在数控加工技术广泛应用的今天,数控机床、数控加工工艺和数控加工编程三者相互影响。好的数控机床硬件设备,也要有好的软件——数控加工工艺和数控加工程序相配合,才能使加工技术更上一层楼。现在功能强大CAD/CAM软件的普遍应用,基本上都采用自动编程,而数控加工工艺的分析设计却需要经验丰富的技术人员,且数控加工工艺的分析与处理是数控加工编程的前提和依据,因此数控加工工艺的重要性被提到了更高的地位。
本文以数控铣削加工具有复杂型面零件为例,说明数控加工工艺的分析设计过程。
1 复杂型面零件工艺分析
首先,加工零件是先从图纸入手的,根据零件的二维图,要对零件进行零件图样分析(尺寸精度分析、形位精度分析),零件结构分析、零件毛坯尺寸工艺分析。
图1所示零件是具有二维平面及三维曲面的复杂型面零件,主要加工的是四个部分:6个均布的Φ8孔,挖槽和外形加工,三维曲面加工和小凸缘加工。零件有一定的尺寸精度要求,基本上都在±0.02范围内,形位精度有顶面与底面的平行度要求,侧面与底面的垂直度要求。零件图纸中的尺寸公差采用了对称公差带形式,方便了数控加工,因此可采用数控铣床加工达到其技术要求。
零件属于小批量生产,夹具采用通用夹具——虎钳夹持零件,在一次装夹中完成全部的粗、精加工,减少装夹次数和定位误差。
零件毛坯采用铸铝件,考虑铸件有较大的变形量,且毛坯在采用数控铣削加工时定位和夹紧的可靠和方便,应留有较充分的余量,因此毛坯尺寸为120x30x80(mm),采用MasterCAM9.0进行三维造型如图2所示,在MasterCAM9.0进行刀具路径设计。
2 零件的主要结构部分加工方法的分析
6个Φ8孔尺寸精度不高,表面粗糙度Ra3.2µm,加工方法采用钻孔可达到要求;
在数控铣削平面、挖槽加工中,主要采用端铣刀和立铣刀,粗铣的尺寸精度和表面粗糙度一般可达IT11～IT13,Ra6.3～Ra25µm;精铣的尺寸精度和表面粗糙度一般可达IT8～IT10,Ra1.6～Ra6.3µm;粗糙度要求较高时精加工就采用顺铣方式[1],因此铣削平面、挖槽等分粗、精加工两个工序则可达到零件的精度要求;
Φ40±0.02的三维曲面由两个半径为R26的圆弧面相切而成,表面粗糙度为Ra1.6,曲面形状不复杂,曲率变化不大,精度要求不高、可采用球头铣刀加工;
厚度为3mm的凸缘,内侧为深度6mm直纹面,外侧为R3的连接圆弧曲面,壁厚小于3mm为薄壁加工,为减小切削拉力而出现变形的现象,粗加工时在凸缘两侧留有相同的加工余量,精加工时采用小的背吃刀量(单边0.1～0.05mm)、多刀的加工方式。
3 切削用量的选择
切削用量包括切削速度、进给量、切削深度3要素,只要增大其中之一个都可提高加工效率,合理选择切削用量,针对不同的零件形状特征型面如平面、坡面、曲面和圆面等,应采用不同的切削用量,合理的切削用量对于刀具耐用度和工件加工质量起着决定性作用。
根据实践经验所知,常规零件粗加工时,适于采用大的切削深度和低的进给速度,提高加工效率;精加工时,要获得较好的表面粗糙度和加工精度则要合理的切削速度,较小的背吃刀量和进给量,当零件表面粗糙度为Ra0.8～Ra3.2µm时,精铣时圆周铣侧吃刀量取0.3～0.5mm,面铣刀背吃刀量取0.5～1mm。
4 工序设计
在数控铣床上加工零件,不同的工序需要选择不同的刀具,确定合适的加工参数和加工余量。以工序集中原则,按粗、精加工划分工序。
1)粗铣:
主要是切除大量材料,选用较大的切削进给量,则切削力较大,为利于切削采用顺铣方式;粗铣时,选用直径为Φ8mm的平刀,主轴转速为n=1800r/min,进给速度400r/min,留下加工余量为0.2mm。采用二维刀具路径粗加工,面铣削毛坯的顶面和侧面,采用三维刀具路径曲面粗加工,挖槽加工外形和凸缘Φ40±0.02曲面,挖槽加工Φ75×105带有凹槽的半径为R850的圆弧曲面。
2)精铣:
主要目的是铣削加工出所需要的型面,保证达到尺寸精度要求、形状位置精度和表面粗糙度要求。精铣时,选用直径为Φ6mm的球刀,主轴转速为n=1800r/min,进给速度800r/min;采用三维刀具路径精加工,平行铣削Φ40±0.02曲面,平行铣削Φ75×105带有凹槽的半径为R850的圆弧曲面,投影铣削凸缘外侧的R3圆弧曲面。
3)钻孔:
最后选用直径为Φ8mm的钻头加工6个Φ8孔,主轴转速为1500 r/min,进给速度为150 r/min。
根据上述的分析和设计后,在数控铣床上加工零件,如图3示为完成加工后的零件。
5 数控铣削加工工艺的主要内容
在数控加工中,大都是小批量或单件加工,而且零件轮廓外形复杂多样的,毛坯材料、形状大小各不相同,但数控加工工艺编制的思路基本上都是一致的:首先分析被加工件的零件图,确定加工的内容和技术要求,把尺寸公差转换成方便数控加工的对称公差,确定毛坯尺寸;然后确定零件结构的加工方案;接着进行加工工序的设计,确定加工顺序,选择合理的切削用量,设计刀具路径;最后采用CAM软件仿真加工校验,并对加工程序调整。
由于数控加工的复杂性,其工艺设计非常灵活,没有固定的模式,但只要认真总结,对常加工的结构——如平面、曲面、斜面、箱体、薄壁件等总能找出一定的加工规律,建立工艺库或模块化工艺,使数控加工工艺不断完善。
6 结束语
数控加工中的工艺设计是数控编程中重要的环节,关系到数控机床的使用效率、零件的加工质量、刀具的耐用等问题。因此数控编程人员在拟定零件数控加工工艺时,应进行充分、全面的工艺分析,灵活、合理地设计数控加工工艺。
摘要：本文讲述了复杂型面零件数控铣削加工工艺编制的过程,零件图纸和加工方法的分析,切削参数的优化,刀具路径的设计等。
关键词：数控铣削加工,工艺设计,切削参数
参考文献
[1]王爱玲.数控机床加工工艺[M].机械工业出版社,2006.
[2]董天毅.加工工艺对加工精度的影响[J].汽车制造业,2008,7.
复杂零件 篇7
1 工艺性分析
旋压加工是工件在旋转的情况下, 利用滚轮与工件加工表面、心轴之间压力接触, 从而在工件加工表面产生强烈的摩擦, 使被加工工件表面温度升至最佳塑性变形状态, 然后采用车削工艺方法将其按照心轴的形状及尺寸挤压成形的工艺方法。在利用滚轮工具旋压加工该工件时, 毛坯选择厚度为8mm、直径φ450mm的45号钢板。根据该工件结构特点, 采用旋压工艺加工时, 可以将该工件加工分三道工序旋压成型, 第一道工序为拉伸工序, 即加工工件上φ110部位;第二道工序为倒向拉伸工序, 即加工工件上φ198部位;第三道工序为卷边工序, 卷制R30圆弧边。
2 加工设备
根据毛坯加工直径, 加工设备选用C630型车床。
3 加工刀具
旋压加工时可采用如图2所示专用外滚轮刀具, 该刀具由外滚轮1、滚轮架2、单列圆锥滚柱轴承3、螺母4、后盖5组成, 外滚轮1可以在滚轮架2上旋转。使用时将滚轮架固定在刀架上, 可实现该工件第一道、第二道工序所有外形的旋压加工。工件卷边工序可采用如图3所示的专用卷边滚轮 (未画滚轮架) , 该滚轮刀槽圆弧直径尺寸与工件卷边外经一致, 使用时安装在滚轮架上即可。
1.外滚轮2.滚轮架3.单列圆锥滚柱轴承4.螺母5.后盖
4 加工工艺方法
采用旋压加工工艺前, 先将毛坯按照图4的方法固定在旋压心轴上, 具体方法是先将旋压心轴2一端插入到机床主轴孔1中, 心轴直径与工件工序1加工部位直径一样, 均为φ110mm, 先使工件3靠平心轴一侧定位端面, 工件另一面与压块4定位面配合, 并顶紧顶尖5紧固工件, 旋转工件, 用校针校正工件毛坯外圆, 以确保工件毛坯中心与机床主轴及顶尖中心尽可能保持一致, 工件装夹好后, 采用如图2所示外圆旋压滚轮, 按照心轴直径及工件毛坯厚度进行对刀并确定好进刀位置, 打开机床主轴使其高速旋转, 横向移动刀架, [3]在旋压滚轮切削压力的作用下, 工件材料产生变形, 毛坯在心轴上成形成如图4所示形状, 直到滚轮移动到工件图1尺寸要求位置, 这样第一道拉伸工序就完成了。
1.主轴2.心轴3.工件毛坯4.压块5.顶尖
将已经完成第一道拉伸工序的工件半成品按照如图6所示方法进行装夹, 具体方法是将带着心轴的工件反向安装, 工件主轴一侧安装用于第二道加工工序的心轴2, 顶紧顶尖5, 将工件定位紧固好, 然后按照同工序1的进刀方法, 采用同样的刀具, 使工件毛坯沿心轴2产生塑性变形, 加工到要求尺寸后即可, 这样第二道工序就加工完成了。
1.主轴2.心轴3.工件4.心轴5.顶尖
上述两个工序完成以后, 工件的基本形状就出来了, 仅剩最后的卷边工序, 该工序采用如图3所示的专用刀具, 利用刀具上的圆弧刀槽挤压, 使工件最后的卷边部位毛坯在刀槽内部产生塑性变形, 并沿刀槽内圆弧槽滑变形成卷边, 如图7所示。
5 旋压加工时注意事项
1) 对于会引起加工硬化现象的材料, 如不能一次旋压完成, 则需要考虑中间加热及多次旋压成型。
2) 在制作心轴时, 心轴的同轴度精度误差应控制在φ0.02mm以内。
6 效果
采用旋压工艺加工薄壁复杂零件具有工艺简单、专用夹具少, 加工效率高的特点, 可以有效在普通机床上实现此类零件的加工。
摘要：旋压加工技术非常适用于小批量薄壁且形状复杂的工件, 该工艺的加工仅需普通卧式车床和简易的旋压工具即可完成, 且生产效率高、经济效果明显。在汽车生产和新型汽车研发过程中, 对于大量结构复杂的薄壁钣金件生产而言, 效果显著。本文以某型汽车的的一个复杂薄壁钣金件为例, 结合旋压工艺的方法和刀具, 讲述该工艺在汽车加工行业中的应用。
关键词：旋压工艺,钣金加工
参考文献
[1]张艳秋, 徐文臣, 单德彬, 吕炎.薄壁铝合金封头旋压成形工艺研究[J].锻压技术, 2006.
复杂零件 篇8
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
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