某纺织用收线轮加工用精调对刀仪的设计含CAD图
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摘 要在数控加工中,鼓形零件由于其轴对称结构较其他同类零件而言加工难度较大。需保证鼓型零件的表面粗糙度达到较高水准。且同时该鼓型零件长度较长,同轴度难以保证达到加工精度要求。为了达到企业加工精度的要求,从实用性角度出发,设计了一个简易 的对刀仪,解决了该零件在装夹过程中,可夹持宽度小的条件下使得远离中心的位置同样能够保证同轴度要求。收线轮是纺织设备重要关键零部件,其制造精度直接影响硬度以及线条是否干涉,而收线轮是铝合金材料,质量较轻,同轴度要求较高,如何能数控加工时较好安装工件,使之能快速高效又经济的满足生产需要,就是本课题的设计目的。关键词:数控机床;鼓型零件;加工精度;纺织轮;对刀仪AbstractIn numerical control machining, it is more difficult to machine drum parts because of its axisymmetric structure than other similar parts. It is necessary to ensure that the surface roughness of drum parts reaches a high level. At the same time, the length of the drum part is long, and the coaxiality is difficult to meet the requirements of machining accuracy. In order to meet the requirements of the machining accuracy of the enterprise, from the practical point of view, it solves the problem that the position far away from the center can also meet the requirements of coaxiality when the clamping width of the part is small. Key words: CNC machine tool; drum parts, machining accuracy; textile wheel; tool setting instrument 目 录第一章 绪论1第二章 对刀仪在数控加工中的应用22.1对刀原理与应用背景22.1.1试切法对刀原理22.1.2对刀仪在数控加工中的应用背景22.2自动对刀仪32.2.1对刀仪工作原理32.3自动对刀仪的设计与制造32.3.1对刀仪使用的必要性32.3.2自动对刀仪设计与制造难点42.3.3对刀方法52.3.4自制简易对刀仪52.3.5对刀仪结构设计与制造62.3.6对刀仪对刀部分设计62.3.7采用对刀仪效果6第三章 纺织用收线轮的工艺方案分析83.1零件图83.2零件图分析83.3零件技术要求分析83.4加工难点分析83.5零件工艺性分析93.5确定加工方法93.6零件工艺规程编制93.7确定零件加工方案103.8切削用量的选择10第四章 零件的装夹124.1数控车床常用装夹方式124.2装夹原理124.2.1定位基准的选择124.2.2定位基准选择原则124.3确定合理的装夹方式134.3.1车削时产生变形的原因134.3.2确定装夹方案13第五章 结论15致 谢16参考文献17第一章 绪论数控加工技术主要是在传统机械加工的基础上,结合计算机辅助工艺技术和计算机辅助制造技术形成的新的机械加工方法。与传统加工方式相比,数控加工在批量生产的加工效率,与加工精度上都有明显优势。数控加工已经成为企业生产最高效,应用最广泛的生产工具。在传统加工技术加工零件后,零件的精度包括零件的尺寸精度,表面粗糙度以及形位公差达不到精度要求。而数控机床的应用使得零件在精度要求得以保证的前提下,能够成批量的生产合格零件,企业经济效益大为提升。以轴类零件为例,轴类零件作为数控车床最常加工的零件,在机械装置中应用广泛,具有极其重要的作用。轴类零件是在传动系统中是载荷的主要承担者,并且是传动扭矩的媒介,能够实现机械装置的连续运动。正因为其应用广泛,且最为常见,因而具有典型性。轴类零件往往是机械装置中的主要关键零件。如果轴类零件的加工精度得不到保证,将妨碍传动装置的连续运动,降低产品的使用寿命。因此,我们在加工轴类零件时,务必保证其加工精度达到精度要求。在此次鼓型零件实际加工操作中,制定正确的数控加工工艺流程,选择合理的装夹方案对于保证加工零件的精度要求至关重要。对于鼓型零件,在加工之前需要分析其在车削时产生变形的原因,从而制定合理的工艺流程。此外由于该鼓型零件同轴度要求较高,普通的装夹方式不能满足其形位公差要求,需要另外设计制造一个专用的对刀仪进行定位从而保证其同轴度要求。第2章 对刀仪在数控加工中的应用2.1对刀原理与应用背景2.1.1试切法对刀原理目前,数控车床加工通常使用手动试切法对刀。数控车床对刀是在工件坐标系下确定刀具与工具之间的距离。试切法用刀具试切工件来确定刀具与工件的位置关系。G54工件坐标系下的试切对刀通常把试切原点设在工件的右端面中心,采用直径编程,水平方向为Z坐标,数值方向为X坐标。工件的端面坐标值即为Z轴的数值,工件外圆直径值即为X轴的数值。对刀时,首先,对工件右端面车削车削一次,此时刀具位于Z轴原点,而当刀尖车削工件外圆时,工件外圆直径即为X轴坐标【1】。2.1.2对刀仪在数控加工中的应用背景数控车床时企业加工轴类零件的主要工具。在数控车床加工生产中,需要确定每一把刀具的刀位点在车床坐标中的位置信息,即对刀操作。传统的对刀方式需要人工采用试切法,即对每一把刀具都进行试切,尺寸测量,计算,输入刀具补偿值等操作。不仅需要人工操作容易产生认为误差,且费时费力,效率低下。因此传统的人工试切法对刀已经满足不了现代生产的需要。表1-1 是否使用对刀仪的加工精度和加工效率比较2.2自动对刀仪2.2.1对刀仪工作原理对刀仪主要由硬质合金四面体形状的传感器,信号传输接口器以及插式测量臂组成。配合车床数控系统使用能够省去对刀时间。其核心部件是高精度的四面体探针,该探针具有高硬度高耐磨的特点。当探针传感器接触到刀具刀位点时,传感器会将信号传输到数控系统中。数控系统根据信号对刀位点的位置信息进行处理。首先,数控系统发出对刀指令,传输到对刀处理装置以后进行识别与处理。再传给机床数控系统的指定驱动单元,控制刀具向对刀仪测杆表面自动定位寻边运动。在刀尖触及对刀仪测杆表面的瞬间,传感器发出信号,该信号发向对刀控制装置,引发中断程序,控制机床数控系统私服机构停止运动。数控系统提取该轴对刀基准点的坐标数据后及时控制该轴后退一定的距离,经计算后作为刀具测量结果写入刀具偏置表【2】。图2-1 自动对刀仪实物图片2.3自动对刀仪的设计与制造2.3.1对刀仪使用的必要性数控车床不具备位置监测功能,故在每次车床开机后,刀具在车床坐标系中的位置不能确定,为了确定起刀点的位置,必须由人工通过试切法用卡尺测量数据确定刀具的初始起刀点。而且数控车床中一般装有多把刀具,每把刀具在安装过程中存在人为误差,以及刀具类型不能,刀尖位置也不唯一,因此每次加工都需要多次对刀,以便加工出合格的零件。在此条件下,对刀成为了零件加工之前所有辅助工作的最长时间。所以在使用数控机床加工零件时,使用对刀仪以最大程度上减少对刀时间能够极大的提高效率,减少企业的时间成本。2.3.2自动对刀仪设计与制造难点然而带有硬质合金四面体探针传感器的对刀仪结构复杂,设计与制造难度大。尤其是传感器与连接臂的设计与制造。传感器在设计过程中首先要满足内孔车刀,端面车刀,螺纹刀,外圆车刀等不同刀具和不同到偏角的刀具。另外传感器的表面有硬度要求,不能因为频繁的撞击而导致表面产生小的额凹坑,影响对刀仪的精度,也可以对传感器的测头进行修磨。传感器需保证应有的精度要求,切结构设计要合理,重量不宜太大。需要安装方便,适合刀具的对准与操作【3】。 图2-2自动对刀仪走刀路线图2-3传感器原理图 2.3.3对刀方法 在对刀方式选择上,采用自动对刀设备价格昂贵,对相关数控设备要做大量的改进,只有在大批大量的基础上方为经济。完全靠手动、靠经验太不可靠。在这一大背景下,采用简单对刀仪,精度高、效率较高、操作简单的装置就是较为理想的技术。在上述工件装夹过程中,手动进给对刀仪,使之与工件的远端接触,此时用百分表测量顶住远端外轮廓,慢速转动主轴,根据百分表指示实数判断径向跳动大小,并且移动对刀仪进给方向,直到百分表指针在零附近抖动时,夹紧工件,对刀完成。2.3.4自制简易对刀仪然而对于纺织用收线轮的工艺制造无需使用精度如此高的自动对刀仪。不仅设计困难,制造难度与成本大。在加工收线轮时使用这样规格的自动对刀仪会造成不必要的浪费。为此我们可以自主改造一个简易的对刀仪。使得既能够满足节省对刀时间,提高工作效率的同时,也不会给对刀仪的设计与制作带来过多的困难 图2-4 自制简易对刀仪零件图图4为我们自制的简易对刀仪零件图,该简易对刀仪没有装传感器这样的高精度、高灵敏度的装置,使得其设计与制造难度大大降低。同时该对刀仪安装简单,设计与制造成本低,使用方便。且能够满足收线轮的制造精度要求。图2-5 自制简易对刀仪实物图2.3.5对刀仪结构设计与制造由于工件是回转体零件,工件旋转方向可能正向也可能反向,所以,对刀仪的头部最好能够回转,这样能够减少其局部磨损的缺点,并且能够跟随工件转向同向转向,转动灵活,耐磨性高。对刀仪在数控车床是在加工前进行找正用工具,每个工件加工都要使用,故而其夹持结构与刀具结构要一致。如图2-4所示,对刀仪夹持部分是按四方刀架安装结构设计,如果数控车床是回转刀架的话,夹持部分按回转刀架结构设计夹持部分2.3.6对刀仪对刀部分设计对刀部分设计如图二所示,是一个回转体,对刀轮可以加工成套筒结构,然后与定位芯轴间隙配合即可以。在实际结构中,我才用一轴承作为对刀轮,轴承内圈与定位芯轴采用小过盈量配合,芯轴与对刀杆采用小过盈量配合或者采用间隙配合,但是采用间隙配合的话右侧要采用锁紧螺母。采用轴承具有耐磨性好,制造经济性好等优点,轴承内圈与芯轴过盈配合。2.3.7采用对刀仪效果在没有使用对刀仪的情况下,纺织轮同轴度精度在0.050.5mm,成品率很低;使用对刀仪以后,加工精度在0.02mm一下,成品率在95%以上。未使用对刀仪正确安装时间6min/工件,使用对刀仪安装正确工件时间45s/工件。使用对刀仪以后生产效率以及纺织生产效率提高160%以上。可见,正确使用对刀仪对工件安装作用非常明显。第三章 纺织用收线轮的工艺方案分析3.1零件图 图3-1 收线轮零件图3.2零件图分析该零件表面由圆柱,圆弧组成。呈一个典型的鼓型零件。尺寸完整,选用牌号为7075的铝合金为毛坯。毛坯尺寸为55mm100mm。无热处理及硬度要求。3.3零件技术要求分析收线轮表面粗糙度要求较高,总长约90mm,直径约50mm。长度较长,重量较大,可夹持宽度小,不足10mm。加工装夹过程中,远端偏离中心较多,同轴度不易保证,不易达到0.02mm的要求。3.4加工难点分析零件材料为7075,是冷处理锻压合金材料,强度较高,具有耐腐并且机械性能较好。就零件使用性能来说其耐磨性较好,使用寿命较长等特点。但是其受热易形变,对于较大长度的鼓型零件而言,形状精度就更难保证。从零件结构上看,该零件加工精度要求主要在鼓型部分零件同轴度要求较高,另外,从零件结构上看,在二次装夹精加工时侧壁的宽度只有5mm,本身装夹就不方便,同时还要保证同轴度,就显得困难很多。虽然粗糙度要求不高,但由于是铝合金材料,长度较长,如何在保证产品质量的情况下,既能提高效率又提高经济性要求就是本文研究的主要内容。3.5零件工艺性分析由于零件结构原因,切削加工性能差,装夹精度不易控制;零件长径比大,零件刚性差,在高速车削时切削时易产生振动和热变形;而传统的三抓卡盘装夹每次都是一个准确的位置,可调性不大。如果能零件找准位置后再夹紧就会方便很多。该纺织轮属车削加工的难加类型,考虑主要从装夹方式上与工艺上进行改善。3.5确定加工方法零件在进行数控加工时应遵守的原则是:先攻基准,先粗后精,先主后次,先面后孔。根据数控加工工艺基准先行的原则,首先加工零件的外圆,从而为加工其他表面提供基准参考。其次根据先主后次的原则优先加工零件主要表面与约束多的零件外围部分。如轴上存在花型键槽,矩形键槽以及螺纹孔需要加工时,应优先加工零件外表面。而后,当零件需要进行打孔操作时,需要先加工端面,打中心孔,再钻孔。以此尽可能保证同轴度,平行度等加工精度要求4。3.6零件工艺规程编制目前市面上主流的数控加工车床主要有两类,即立式车床与卧式车床。其中立式数控车床刚性好,效率高,加工精度高。而卧式车床则更为经济适用选用带液压夹头的时空车床时,零件工艺规程如下:(1) 粗加工阶段:车外圆,车端面保证总长200mm,减少精加工余量。以外圆为基准,粗车内孔及底面,再用内孔定位,粗车外圆与端面(2) 精加工阶段:精车外圆与端面,保证纺织轮的表面粗糙度与同轴度要求。零件表面粗糙度要求达到Ra1.6,因此需要精车表3-1 表面粗糙度等级对照表3.7确定零件加工方案选择牌号为7075的,尺寸为55mm100mm的铝合金坯料。车端面,保证90mm总长。粗车左端面,精车左端面。掉头装夹,一左端面为基准,粗车右端面,精车右端面。打基准孔,钻孔。粗车外圆,精车外圆 图3-2 纺织轮实物图片3.8切削用量的选择工艺过程:铣削对刀杆-钻定位孔-粗镗定位孔-精镗定位孔;粗车定位芯轴-精加工定位芯轴;装配轴承于定位芯轴,在装配轴承组件于对刀杆。加工对刀杆时,刀杆几个外轮廓表面粗糙度要求事实上不高,对装配对刀等影响不大。对于刀杆定位孔精度要求较高,其与刀杆轴线要垂直,或者定位芯轴装配时要与主轴芯轴平行度要较高。一般为工件加工精度要求的1/3以内。装配轴承内圈于芯轴时也基于同样考虑。保本案例加工时都取装配对刀仪精度为鼓型件同轴度要求的1/4,对于相关精加工都适当提高了切削速度【5】。具体到定位新轴孔的精镗的切屑用量如下:ap=0.02 mm f=0.10 mm/r v=4560m/min 采用上述方法加工后,鼓型件能满足要求,粗糙度达Ra1.6m以上,同轴度0.02,达到了纺织收线轮图样的要求。第四章 零件的装夹为了使工件在车削过程中不发生位置变化而影响加工精度,需要合理的选择装夹工具,因此装夹方式的选择十分重要。不仅影响零件的加工精度,而且对加工效率,生产成本,操作安全都有直接或间接的影响。对于圆轴材料的装夹,通常使用数控车床的三爪卡盘进行工件的装夹4.1数控车床常用装夹方式1) 三爪自定心卡盘装夹:三爪卡盘的三爪同步运动,可自动定心,使用方便。但其定心精度低,当加工同轴度要求高且需二次装夹时一般采用其他装夹方式2) 卡盘加顶尖装夹:加工零件质量较大时一般采用该装夹方式,一段用卡盘夹紧,另一段用顶尖支撑。轴向定位准确3) 芯轴装夹:用已加工过的孔作为定位基准时,一般采用芯轴装夹,以保证工件内外表面的同轴度要求。4) 四爪卡盘装夹:适用于加工精度不高的工件。5) 两顶尖装夹:用于加工精度要求较高以及尺寸较大,加工工序较多的轴类零件。4.2装夹原理在机床加工中需要使用夹具使得工件占据正确的加工位置,并保证工件在加工过程中不会发生位置变化。工件在机床中有6个自由度,分别为X,Y,Z方向上的移动与沿X,Y,Z轴的转动,合理选择夹具装夹工件限制其6个自由度,使得工件在加工过程中不会发生位置变动。由于收线轮的可装夹宽度只有8mm,因此选择使用液压夹头的同时,配合顶针装夹可保证收线轮在车床加工中不会发生位置变动。4.2.1定位基准的选择定位基准点的选择对于数控加工过程有着十分重要的作用,对零件的加工精度与加工顺序有影响。合理选择定位基准时保证零件加工精度的重要前提4.2.2定位基准选择原则1) 基准重合原则:设计基准与定位基准应重合,以避免基准不重合而引起的定位误差2) 基准统一原则:在加工过程中,应尽可能使用同一个定位基准定位3) 互为基准原则:若两表面相互位置精度要求很高,而表面自身的形状与尺寸要求又很高时,可以采用互为基准,反复加工的方法4) 自为基准原则:若仅要求在加工表面去除一层加工余量时,可选用加工表面本身作为基准。由于收线轮的同轴度要求高,因此选用左端面作为基准。4.3确定合理的装夹方式4.3.1车削时产生变形的原因鼓型零件在数控加工过程中会产生变形,其主要原因是(1)材料刚性差:由于零件质量大,长度长,表面积大,材质柔软,刚性不足,在受到车床切削力时,因其铸造内应力大,故容易产生塑性变形。其远端同轴度难以保证。(2)底面厚度不足:由于底面厚度薄,同时工件材质肉软,所受切削力大,易使工件变形。(3)切削力:加工时切削力大,易产生变形,同时可夹持宽度小,装夹困难,也使得加工较为困难【6】。4.3.2确定装夹方案先装夹工件左边,此时右端由于远离中心,加工时径向跳动较大,同轴度无法达到精度要求。因此在装夹完工件左端后,使用自制的简易对刀仪顶住工件右边。此时径向跳动会归为零,再使用液压夹头将左端夹紧,然后加工过程中同轴度可以得到保证,达到加工精度要求。工装夹具:采面数控车床具有液压夹头的设备,预安装工件于液压夹头,先不松动夹紧开关,慢速转动主轴,找到工件回转精度为零,也就是径向跳动为零时,夹紧工件。这里实际就是在找正过程中不释放液压夹头(脚踏紧液压夹头开关,放松至一半左右,但不能松开),找准后释放液压夹头(脚离开),工件加紧。在装夹方式选择上,传统三抓卡盘找正困难,要是要准中心,每次都要使用软爪等不仅耗材,并且生产效率奇低。如果使用专用夹具夹具生产成本太高也不太理想。液压夹头具有装夹精度高,并且根据液压系统,填充油液周期与夹紧的中位机能关系(释放锁紧开关,中位锁死功能),锁紧效果很好。在社会实际生产中,轴类零件主要由数控车床加工完成。数控加工过程中,鼓型零件的质量要求较高,其中比较关键的两个步骤为零件加工工艺规程的编制和编制程序加工零件。在进行零件工艺规程的编制之前,需要分析鼓型零件在车削过程中产生变形的原因。 20第五章 结论通过鼓型纺织收线轮的加工可看出,对于结构简单,精度要求较高、零件规格相对较大的零件加工,在使用简单对刀仪后加工质量加工效益都有明显调高。该零件加工主要问题就是装夹的过程控制,简单地说,不能一次直接装好,要变找正边装夹。不能一味的追寻万能钥匙,追寻灵丹妙药,在装夹恰好到位的时候,预以夹紧,零件的精度得到了保证,生产效率明显调高,并且价格不贵。工艺问题,永远在路上,不是什么庞大的技术改进,而是一些列细微技术,叠加在一起,就是非常好的技术措施致 谢经过这个有史以来最漫长寒假的学习,终于完成了本科的毕业设计论文。从开始接触到论文题目到步步完善再到这最后一步完成论文,每一步都让我获益匪浅,每一步也都离不开导师的指导与培养。四年的大学生活就快步入尾声,从大学毕业,我的人生又将踏入一个新的征程。回首四年大学生活,满是开心与满足。不曾留下遗憾。感谢四年时间里老师对我孜孜不倦的教诲,感谢导员对我生活学习上的关心与帮助,也感谢学习的培养。是各位老师,尤其是导师的诲人不倦,我才能够顺利完成学业。最后,感谢导师王老师的帮助与与悉心指导才使我能够顺利完成论文。参考文献【1】张子荣.数控车床试切法对刀过程探析【J】.重庆三峡职业学院,2016【2】朴成道,沈文豪,尹凤哲,咸成吉【J】.延边大学,2014(8)1-2【3】陈养元.简易数控车床对刀仪的设计【J】.机床与液压,2008,36(7)1-2.【4】张曙光.论轴类零件机械加工工艺规程【J】.临沂技师学院,2014,276005.【5】韩荣第,于启勋.难加工材料切削加工.机械工业出版社,199609(72)【6】朱兰英.鼓型零件的加工【N】.科技创新导报
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