传动器主要部件的数控加工.docx
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传动器主要部件的数控加工
摘要
随着数控技术的发展，数控机床不仅在宇航、造船、军工等领域广泛使用，而且也进入了汽车、机床等民用机械制造行业。
目前，在机械行业中，单件、小批量的生产所占有的比例越来越大，机械产品的精度和质量也在不断地提高。
所以，普通机床越来越难以满足加工精密零件的需要。
同时，由于生产水平的提高，数控机床的价格在不断下降，因此，数控机床在机械行业中的使用已很普遍。
Pro/Engineer实体设计系统,是由美国PTC公司于1989年开发出来的，其主要功能有：
Pro/Engineer。
基本三维造型，参数化功能定义、组装、三维实物着色、二维视图生成、二三维图形输出；复杂部件生成；二三维装配图组装设计，结构和运动干涉检查；工程图生成；复杂造型；系统间数据交换标准接口；有限元网格；复杂曲面造型；数控自动编程及刀具轨迹仿真；模具设计等。
MasterCAM设计及制造系统是将设计和制造结合在一起的PC级套装软件，利用MasterCAM可以绘制零件的图纸，生成零件的数控加工程序并通过电缆直接送至数控机床上，由数控机床完成零件的加工，是一套CAD/CAM一体化软件。
在MasterCAM系统中，可以将用AutoCAD等CAD软件绘制的图形调入至MasterCAM中使用，也可将用MasterCAM绘制的图形送入到其它CAD软件中去使用。
关键词：
数控机床Pro/EMasterCAM
目录
摘要
（1）
1绪论
1.1数控机床
（1）
1.2数控加工技术（5）
1.3数控加工工艺（8）
1.4CAD/CAM技术（8）
1.5本课题设计的主要内容（9）
2各部分零件的工艺分析
2.1金属材料的分析（10）
2.2各零部件的材料选择及工艺分析（13）
3主要零件的参数设置及加工路径分析
3.1概述（15）
3.2轴类零件的材料、毛坯及热处理（16）
3.3工艺装备的选择（17）
3.4切削用量的选择（18）
3.5进给路线的确定（20）
3.6加工顺序的确定（22）
3.7加工余量的确定（22）
3.8程序的确定（23）
3.9轴的加工程序（24）
4结论与展望
4.1本文总结（38）
4.2将来展望（39）
致谢（40）
参考文献（41）
毕业设计任务书（42）
1绪论
1.1数控机床
1.1.1数控机床的概述
数控机床和数控技术是微电子技术同传统机械技术相结合的产物，是一种技术密集型的产品和技术。
它是根据机械加工工艺的要求，使电子计算机对整个加工过程进行信息处理与控制，实现生产过程自动化。
较好地解决了复杂、精密、多品种、中小批量机械零件加工问题，是一种通用、灵活、高效能的自动化机床。
同时，数控技术又是柔性制造系统（FMS）、计算机集成制造系统（CIMS）的技术基础之一，是机电一体化高新科技的重要组成部分。
1.1.2数控机床的组成
数控技术可以应用于各种加工机床，例如数控车床、数控铣床、加工中心、数控冲床、数控电火花、线切割、激光加工机床等等。
虽然数控机床的种类繁多，但它们的组成部分基本相同，主要包括以下几个方面。
（一）机床的主体
数控机床的主体即数控机床的主要机械结构部分。
包括数控机床的床身、主轴以及进给机构等。
与传统的机床相比，数控机床的外部造型、整体部局、传动系统、刀具系统以及操作机构等方面部已发生了很大的变化，这些变化的目的是为了满足数控技术的要求，从而使数控机床的特点得以充分发挥。
（二）控制装置
控制装置是数控机床的中心环节，也叫做计算机数控（CNC）装置。
CNC装置实际上就是一个计算机系统，通过对加工程序的运行处理，发出控制信号。
实现对加工过程的自动控制。
典型CNC装置的构成如图1-1所示。
由图可知，CNC装置包含以下几个部分：
1.微处理器及其总线
微处理器（CPU）及其总线（BUS）是CNC装置的核心。
CPU由运算器和控制器组成，实现数据的算术运算和逻辑运算以及指令的操作控制．CPU最基本的运算处理就是插补运算。
所谓插补就是求取零件加工路径的坐标数据，用以控制数控机床坐标轴的运动。
总线是计算机系统内部各部分之间传递信号的渠道，一般由数据总线、地址总线和控制总线等组成。
2.输入装置
输入装置是把加工程序输人至计算机的装置，通常可以采用以下三种方式：
（1）纸带输入纸带输人方式就是在特制的纸带上穿孔．用孔的不同位置的组合．构成不同的数控代码，通过纸带阅读机，把纸带上的代码转换为计算机可以识别和处理的电信号。
（2）手动输人手动输入方式就是使用数控机床上的键盘输入加工程序。
输入方法有两种．一是MDI（手动数据输入），这种方法适用于比较短的程序，只能使用一次，机床动作后程序就消失；二是在控制装置的EDIT（编辑）状态下输入加工程序，存放在控制装置的内存中，用这种方法可以对程序进行修改，并且可以重复使用。
（3）直接输入存储器直接输入方式是采用CNC装置的串行通信接口等，通过对有关参数的设定，直接读入由自动编程机或者其它计算机编制的程序。
3.存储器
存储器是用来存放CNC装置的数据、参数及程序的。
存储器一般由存放系统程序的只读存储器ROM、存放运算的中间结果的随机存储器RAM以及存放加工零件程序、数据和参数的RAM等组成。
4.位置控制单元
位置控制单元是把插补运算求取的坐标给定值与位置检测装置测得的实际值进行比较，然后将结果送入速度控制单元，对进结机构的运动进行控制。
5.可编程序控制器
可编程序控制器（PLC）是用来替代传统的机床强电控制线路，实现对数控机床的切削液供给、停止、刀具的自动交换、工作台的自动交换等的自动控制功能。
6.通信接口
现代数控机床往往都带有标准数据通信接口，以便与编程机及上级计算机联接，实现通信功能。
随着柔性制造系统FMS、计算机集成制造系统CIMS的发展，CNC装置的通信功能将发挥更加重要的作用。
CNC与上级计算机等的网络通信功能主要是通过串行数据通信接口来实现的。
（三）伺服系统
伺服系统接收来自CNC装置的指令信息，严格按照指令信息的要求，拖动机床的移动部件，完成零件的加工。
伺服系统直接决定了刀具与零件的相对位置，因而伺服系统的性能是决定数控机床的加工精度的主要因素。
伺服系统主要由伺服控制电路、功率放大电路、检测装置以及伺服电动机等部分组成。
（四）附加装置
为了进一步提高生产率、提高加工精度和提高自动化程度，数控机床还具有许多附加装置，例如自动换刀装置、自动交换工作台及切屑处理装置等等。
1.1.3数控机床的基本工作原理
在数控机床上加工一个零件，一般包含以下几个步骤：
1.根据加工零件的图纸和工艺方案，用规定的代码和程序格式来编写加工程序；
2.将加工程序制作成穿孔带；
3.通过纸带阅读机将穿孔带上的程序输入CNC装置。
也可以来用手动输入方式将程序输入CNC装置；
4.CNC装置对程序代码进行译码、寄存和运算，然后为伺服系统提供控制信号，实现对刀具与零件相对运动的控制；
5.与此同时，CNC装置提供的信号，还可以实现对机床其它各运动部件的控制与操作，包括主轴变速、工件松夹、刀具转位以及开关冷却液等。
通过以上步骤，数控机床最终便可以加工出合格的零件了。
1.1.4数控机床的特点及用途
进入80年代的机械制造业，其产品面临市场竞争带来的挑战，促使越来越多的企业走上小批量、多品种、不断更新产品的道路。
随着以航天、精密仪器制造业为主的高技术产品不断的出现，复杂零件越来越多，精度要求也越来越高，传统的刚性自动化生产模式难以满足要求，柔性自动化生产则应运而生。
数控机床就是在这种形势下产生的自动化设备，它是发展柔性生产的基础装备。
与其他类型的自动化机床型比较，数控机床主要有如下一些优点:
（1）具有较大柔性
由前述可知，数控机床是按照记录在穿孔带等信息载体上的指令信息自动加工进行加工的。
加工对象改变时，只需重新编制程序或更换一条穿孔带、磁带或其他形式的信息载体，即不需要对机床结构重新进行调整，也不需要制造凸轮、靠模一类的辅助装置。
这样，便非常迅速地从一种零件的加工过渡到另一种零件的加工，生产准备周期大为缩短。
（2）能获得较高的加工精度
机床加工精度在很大程度上取决于进给传动的位置精度。
数控机床的进给传动为数字式伺服传动，它能保证运动参数，如位移、速度的准确性。
此外，传动链短、传动机构精密、高效，也极大地提高了传动精度。
因此，数控机床具有较高的加工精度。
（3）便于加工复杂形状的零件
数控机床能同时控制多个坐标联动，可加工其他机床很难加工甚至不可能加工的复杂曲面。
对于以函数形式或列表值表示的曲面，加工更为方便。
（4）机床的使用、维护技术要求高
数控机床是多学科、高新技术的产物，相应地，这就对机床的操作和维护提出了较高的要求。
此外，机床价格高，设备一次性投资大，为保证数控加工的综合技术经济效益，同样要求机床的使用者和维修人员应具有较高的专业素质。
按照以上特点，数控机床最适合在单件、小批生产条件下，加工下列类型的零件:
①普通机床难以加工，或虽能加工，但需要复杂、昂贵的工艺设备
②材料昂贵、不允许报废的零件
③结构复杂、需要多工序加工的零件
④生产周期要求短的急缺零件
1.2数控加工技术
1.2.1数控加工技术简介
数控加工技术是现代化工业生产中的一门新型的发展十分迅速的高新技术，它将制造技术、数字化技术、微电子技术、监控检测技术等多种高新建设传统的机械加工技术有效地结合起来，成为制造自动化领域最重要的基础技术。
数控加工技术的发展十分迅速，从第一代的电子管元件数控装置，经历了晶体管电路、小中规模集成电路、大规模集成电路控制系统，发展到计算机控制系统。
数控装置体积越来越小，精度越来越高，在工业生产中日益发挥着重要作用。
1.2.2数控加工的特点
1）自动化程度高在数控机床上加工零件时，除了手工装卸工件外，全部加工过程都有机床自动完成.在柔性制造系统上，上下料、检测、诊断对到、传输、调度、管理等也都有机床自动完成，这样减轻了操作者的劳动强度，改善了劳动条件。
2）加工精度高，加工质量稳定数控加工的尺寸精度通常在0.005～0.lm之间，日前最高的尺寸精度可达士0.0015mm，不受零件形状复杂程度的影响，加工中消除了操作者的人为误差，提高了同批零件尺寸的一致性，是产品质量保持稳定。
3）加工对象适应性强数控机床上实现自动加工的控制信息是加工程序。
当加工对象改变时，除了相应更换刀具和解决工件装夹方式外，只要重新编写并输入该零件的加工程序，便可自动加工出新的零件，不必对机床作任何复杂的调整，这样缩短了生产准备周期，给新产品的研制开发以及产品的改进、改型提供了捷径。
4）生产效率高数控机床的加工效率高，一方面是自动化程度高，在一次装夹中能完成较多表面的加工，省去了划线、多次装夹、检测等工序;另一方面是数控机床的运动速度高，空行程时间短。
5）易于建立计算机通讯网络由于数控机床是使用数字信息，易于与计算机辅助设计和制造（CAD/CAM）系统连接，形成计算机辅助设计和制造与数控机床紧密结合的一体化系统。
1.2.3数控加工技术的发展
1.高速化数控系统采用高速的32位以上的微处理器，使其输人、译码、计算、输出等环节都在高速下完成，并可提高数控系统的分辨率及实现连续小程序段的高速加工。
目前采用64位微处理器的新型数控系统，更增强了插补运算功能、快速进给功能，可进行更高速的加工，并实现了多轴控制功能，一般控制轴数为3～15轴，最多24轴，同时控制轴数可达3～6轴。
2.高精度化以加工中心为例．其主要精度指标——直线坐标的定位精度和重复定位精度都有了明显的提高：
定位精度由土5um／m提高到土（0.15～3）um／m，重复定位精度由土2um提高到土1um。
为了提高加工精度，对数控机床本身除了在结构总体设计、主轴箱、进给系统中采用低热胀系数材料、通人恒温油等措施外，还在控制方面采取了一系列措施。
3.多功能新型数控机床具有多种监控、检测及补偿功能，具有更强的通信功能、图像编程和显示功能，比如刀具磨损的检测、系统的精度及热变形的检测等，还具有刀具寿命管理、刀具长度偏置、刀具半径补偿、刀尖补偿、螺距补偿等功能。
更先进的数控机床有自动编程能力，通过键盘和图像显示可进行人机对话，可根据图样自动编程并通过远距离串行接口输入给机床，使之实现自动加工。
4.智能化在现代数控系统中，引进了自适应控制这种智能化技术。
自适应控制（AdaptiveControl简称AC）技术是能调节在加工过程中所测得的工作状态特征，且能使切削加工过程达到并维持最佳状态的技术。
在工艺系统中，大约有30余种变量直接或间接影响加工效果，如工件毛坯余量不均、材料硬度不一致、刀具磨损、工件变形、机床热变形、切削液的粘度、刀具与工件材料化学亲和力的大小等因素。
这些变量一般事先难以预知，编制加工程序时常依据经验数据。
实际加工中，很难选择最佳参数进行切削。
而自适应控制技术则能根据切削条件的实时变化，自动调整并保持最佳工作状态，从而得到高的加工精度、较小的表面粗糙度值，并提高刀具的使用寿命和设备的生产效率。
5.高可靠性为了提高数控系统和数控机床的可靠性，人们采取了以下一些措施：
（1）提高数控系统的硬件质量选用高质量的集成电路芯片、印制电路板和其它元器件，建立并实施从元器件筛选、稳定产品的制造和装配工艺到性能测试等一系列完整的质量保证体系。
（2）实现模块化、标准化和通用化性能越来越完善，功能愈来愈丰富的现代数控系统有利地促进了其硬件、软件实现“三化”：
模块化、标准化和通用化，包括数控机床的主轴部件，变速箱立柱、工作台、刀架、刀库等都可模块化生产。
“三化”的实现，不仅便于组织开发、生产和应用，而且也提高了机床的质量和运行的可靠性，并便于用户的维修和保养。
（3）配备先进的检测、监控装置、红外线、声发射、温度测量、功率测量、激光检测等
1.3数控加工工艺
所谓数控加工工艺，就是用数控机床加工零件的一种方法。
在数控机床上加工时，将记录在控制介质上、描述加工过程所需的全部工艺信息，即原先在通用机床上加工时需要操作者考虑和决定的内容及动作的数码信息输人数控机床的数控装置，对输入信息进行运算和控制，并不断向伺服机构——使机床实现加工运动的机电功能转换部件发送脉冲信号，伺服机构对脉冲信号进行转换与放大处理，然后由传动机构驱动机床按所编程序进行运动，便可加工出我们所需要的零件。
可见，实现数控加工，编程是关键。
但必须有编程前的数控工艺做必要准备工作和编程后的善后处理工作。
严格说来，数控编程也属于数控工艺的范畴。
因此，数控加工工艺主要包括以下几方面的内容：
1）选择并确定需要进行数控加工的零件及内容。
2）进行数控加工工艺设计。
3）对零件图形进行必要的数学处理。
4）编写加工程序（自动编程时为源程序，由计算机自动生成目标程序——加工程序）。
5）按程序单制作控制介质。
6）对程序进行校验与修改。
7）首件试加工与现场问题处理。
8）数控加工工艺技术文件的编写与归档。
1.4CAD／CAM技术
1963年，美国麻省理工学院首次提出CAD（ComputerAidedDesign—计算机辅助设计）的概念。
MIT小组初步设想了采用计算机设计、分析，并开发了交互式图形处理系统、绘制出了工程图，从而使CAD由试验阶段过渡到了实施阶段。
CAM（ComputerAidedManufacturing—计算机辅助制造）是从APT开始的。
它是20世纪50年代MIT设计的一种专门用于零件NC加工的自动编程语言，到1967年APT系统己实用化。
从l974年开始，人们把CAD系统和生产计划管理及力学计算相结合，发展成为CAD／CAM综合系统。
70年代后期，CAD／CAM进人初期实用阶段。
CAD／CAM技术推动了几乎一切领域的设计革命，CAD技术的发展和应用水平已成为衡量一个国家科技现代化和工业现代化水平的重要标志之一。
CAD／CAM技术从根本上改变了过去的手工绘图、发图、凭图样组织整个生产过程的技术管理方式，将它变为在图形工作站上交互设计、用数据文件发送产品定义、在统一的数字化产品模型下进行产品的设计打样、分析计算、工艺计划、工艺装备设计、数控加工、质量控制、编印产品维护手册、组织备件订货供应等等。
1.5本课题设计的主要内容
传动器是一种常见的中间传递机构,其构成的主要零部件,如图所示：
由图可知，该传动器主要有以下几部分组成：
中间是箱体,内部是轴,其左侧是端盖,右侧分别是端盖、调整环和齿轮。
传动器是动力的中间传递机构。
当动力通过齿轮输入时，通过键联接，带动轴传动，只要在轴的左端安上齿轮、带轮等零件，就可实现动力的传递。
下面就对本课题所设计的主要零部件的加工工艺进行分析。
2各部分零件的工艺分析
2.1金属材料的分析
一、材料
机械制造中最常用的材料是钢和铸铁，其次是有色金属合金，非金属材料如塑料、橡胶等，在机械制造中也得到广泛的应用。
金属材料主要指铸铁和钢，它们都是铁碳合金，它们的区别主要在于含碳量的不同。
含碳量小于2%的铁碳合金称为钢，含碳量大于2%的称为铁。
1铸铁
常用的铸铁有灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁等。
其中灰铸铁和球墨铸铁属脆性材料，不能辗压和锻造，不易焊接，但具有适当的易熔性和良好的液态流动性，因而可铸成形状复杂的零件。
灰铸铁的抗压强度高，耐磨性、减振性好，对应力集中的敏感性小，价格便宜，但其抗拉强度较钢差。
灰铸铁常用作机架或壳座。
球墨铸铁强度较灰铸铁高且具有一定的塑性，球墨铸铁可代替铸钢和锻钢用来制造曲轴、凸轮轴、油泵齿轮、阀体等。
2钢
钢的强度较高，塑性较好，可通过轧制、锻造、冲压、焊接和铸造方法加工各种机械零件，并且可以用热处理和表面处理方法提高机械性能，因此其应用极为广泛。
钢的类型很多，按用途分，钢可分为结构钢、工具钢和特殊用途钢。
结构钢可用于加工机械零件和各种工程结构。
工具钢可用于制造各种刀具、模具等。
特殊用途钢（不锈钢、耐热钢、耐腐蚀钢）主要用于特殊的工况条件下。
按化学成分钢可分为碳素钢和合金钢。
碳素钢的性能主要取决于含碳量，含碳量越多，其强度越高，但塑性越低。
碳素钢包括普通碳素结构钢和优质碳素结构钢。
普通碳素结构钢（如Q215、Q235）一般只保证机械强度而不保证化学成分，不宜进行热处理，通常用于不太重要的零件和机械结构中。
碳素钢的性能主要取决于其含碳量。
低碳钢的含碳量低于0.25%，其强度极限和屈服极限较低，塑性很高，可焊性好，通常用于制作螺钉、螺母、垫圈和焊接件等。
含碳量在0.1%~0.2%的低碳钢零件可通过渗碳淬火使其表面硬而心部韧，一般用于制造齿轮、链轮等要求表面耐磨而且耐冲击的零件。
中碳钢的含碳量在0.3%~0.5%之间，它的综合力学性能较好，因此可用于制造受力较大的螺栓、螺母、键、齿轮和轴等零件。
含碳量在0.55%~0.7%的高碳钢具有高的强度和刚性，通常用于制作普通的板弹簧、螺旋弹簧和钢丝绳。
合金结构钢是在碳钢中加入某些合金元素冶炼而成。
每一种合金元素低于2%或合金元素总量低于5%的称为低合金钢。
每一种合金元素含量为2%~5%或合金元素总含量为5%~10%的称为中合金钢。
每一种合金元素含量高于5%或合金元素总含量高于10%的称为高合金钢。
加入不同的合金元素可改变钢的机械性能并具有各种特殊性质。
例如铬能提高钢的硬度，并在高温时防锈耐酸；镍使钢具有良好的淬透性和耐磨性。
但合金钢零件一般都需经过热处理才能提高其机械性能；此外，合金钢较碳素钢价格高，对应力集中亦较敏感，因此只用于碳素钢难于胜任工作时才考虑采用。
用碳素钢和合金钢浇铸而成的铸件称为铸钢，通常用于制造结构复杂、体积较大的零件，但铸钢的液态流动性比铸铁差，且其收缩率的铸铁件大，故铸钢的壁厚常大于10ｍｍ，其圆角和不同壁厚的过渡部分应比铸铁件大。
表1-1是常用的金属材料的机械性能。
表1-1常用钢铁材料的机械性能
材料
机械性能
名称
牌号
抗拉强度
b（N/mm2）
屈服强度
s（N/mm2）
硬度
（HBS）
普通碳素结构钢
Q215
Q235
Q255
Q275
335~410
375~460
410~510
490~610
215
235
255
275
优质碳素结构钢
20
35
45
410
530
600
245
315
355
156
197
220
合金结构钢
18Cr2Ni4W
35SiMn
40Cr
40CrNiMo
20CrMnTi
65Mn
118
785
981
980
1079
735
835
510
785
835
834
430
260
229
247
269
217
285
铸钢
ZG230-450
ZG270-500
ZG310-570
450
550
570
230
270
310
130
143
153
灰铸铁
HT150
HT200
HT250
145
195
240
—
—
—
150~200
170~220
190~240
球墨铸铁
QT450-10
QT500-7
QT600-3
QT700-2
450
500
600
700
310
320
370
420
160~210
170~230
190~270
225~305
二、材料选用的原则
从各种各样的材料中选择出合用的材料是一项受到多方面因素制约的工作，通常应考虑下面的原则：
（1）载荷的大小和性质，应力的大小、性质及其分布状况
对于承受拉伸载荷为主的零件宜选用钢材，承受压缩载荷的零件应选铸铁。
脆性材料原则上只适用于制造承受静载荷的零件，承受冲击载荷时应选择塑性材料。
（2）零件的工作条件
在腐蚀介质中工作的零件应选用耐腐蚀材料，在高温下工作的零件应选耐热材料，在湿热环境下工作的零件，应选防锈能力好的材料，如不锈钢、铜合金等。
零件在工作中有可能发生磨损之处，要提高其表面硬度，以增强耐磨性，应选择适于进行表面处理的淬火钢、渗碳钢、氮化钢。
金属材料的性能可通过热处理和表面强化（如喷丸、滚压等）来提高和改善，因此要充分利用热处理和表面处理的手段来发挥材料的潜力。
（3）零件的尺寸及质量
零件尺寸的大小及质量的好坏与材料的品种及毛坯制取方法有关，对外形复杂、尺寸较大的零件，若考虑用铸造毛坯，则应选用适合铸造的材料；若考虑用焊接毛坯，则应选用焊接性能较好的材料；尺寸小、外形简单、批量大的零件，适于冲压和模锻，所选材料就应具有较好的塑性。
（4）经济性
选择零件材料时，当用价格低廉的材料能满足使用要求时，就不应选择价格高的材料，这对于大批量制造的零件尤为重要。
此外还应考虑加工成本及维修费用。
为了简化供应和储存的材料品种，对于小批制造的零件，应尽可能减少同一部设备上使用材料的品种和规格，使综合经济效益最高。
2.2各零部件的材料选择及工艺分析
1.齿轮
齿轮的材料及热处理对齿轮的使用性能和寿命有很大的影响。
考虑材料的综合性能及经济性，本课题所设计的齿轮的材料选用45钢，齿面硬度220～250HBS。
因其加工精度并不高，因此采用：
滚齿—齿端加工-齿面热处理-修正内孔的加工方案。
2.端盖
本课题所设计的端盖采用铸铁HT200，因为铸铁具有良好的耐磨性和减振性，而且价格低廉。
加工工艺路线：
车削其外形—铣削内形—钻孔。
3.调整环
非合金结构钢Q235碳的质量分数低，具有良好的塑性和
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