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第一章 緒論
工藝設計是現(xiàn)代制造業(yè)的重要基礎(chǔ)工作，是連接產(chǎn)品設計與產(chǎn)品制造的橋梁和紐帶。工藝設計的質(zhì)量和效率直接影響企業(yè)制造資源的配置與優(yōu)化、產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)組織效率、產(chǎn)品成本與生產(chǎn)周期等方方面面。隨著科學技術(shù)的迅速發(fā)展，機械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、零件的形狀也在不斷改進，人們對零件加工質(zhì)量和加工精度的要求也越來越高。由于產(chǎn)品改型頻繁，而且對精度要求高，為了提高生產(chǎn)效率，降低成本，保證產(chǎn)品質(zhì)量，要求產(chǎn)品不僅有較好的通用性和靈活性，而且應實現(xiàn)加工過程的自動化。采用組合機床、自動機床、仿形機床和自動線，其設備的第一次投資費用高，生產(chǎn)準備時間長，而且不能滿足零件形狀復雜和改型頻繁的要求。于是一種新型的機械加工設備—數(shù)控加工機床應運而生。
當前，在機械加工領(lǐng)域數(shù)控機床的使用已經(jīng)非常普及，各個工廠企業(yè)都有不少數(shù)控機床，數(shù)控機床的出現(xiàn)使工業(yè)生產(chǎn)設備產(chǎn)生了本質(zhì)的變革。在機械加工生產(chǎn)中，數(shù)控技術(shù)的應用不僅減輕了工人的勞動強度，還大大提高了產(chǎn)品質(zhì)量和精度。
1.1 變速箱[1]
變速箱發(fā)展至今，已經(jīng)有手排檔，自動排檔的設計，其中自排變速箱更發(fā)展出無段變速系統(tǒng)，或手自變速系統(tǒng)，然而，它們都一樣有共同的功能：(1)傳遞引擎的輸出動力(2)能變換齒輪的組合以應付不同需求。手排變速箱的基本構(gòu)造：變速箱輸入軸通過離合器，變速箱輸入軸跟引擎的曲軸連接在一起，它的功能就是輸入引擎的動力。變速箱輸出軸變速箱輸出軸和汽車的傳動裝置直接連接在一起，把動力輸出使用。排檔機構(gòu)這個機構(gòu)就是整個變速箱功能的地方，它就是各種齒輪的地方，藉由不同的組合，實現(xiàn)變速箱操作的目的。同步器的目的是幫助變速齒輪能同步咬合，確保變速箱換檔操作時的平順。其實，變速箱是一個精密度相當高且復雜的機械，直到今天，大多數(shù)的車廠是不自己生產(chǎn)變速箱的，這些車廠都交給專門在設計變速箱的公司來生產(chǎn)，無論是手排、自排，還是手-自排的變速箱，都有很有名的公司在專司的，如響譽世界的德國zf變速箱公司。
1.1.1 國內(nèi)外動態(tài)
縱覽全球變速箱市場，自動變速箱（AT）在北美市場，CVT在日本市場，手動變速箱在歐洲市場各自占有著主導地位。幾年前開始出現(xiàn)的雙離合器變速箱（DCT），將在一定程度上改變現(xiàn)有的市場的格局。而未來幾年，全球的輕型車變速箱市場的競爭將在AT, CVT和DCT之間激烈展開。
在過去的幾年內(nèi)，依靠歐洲已有的手動變速箱生產(chǎn)設施和條件，雙離合器變速箱已經(jīng)被大批量生產(chǎn)，其自動換檔的特性以及良好的燃油經(jīng)濟性（相對于傳統(tǒng)4速自動變速箱，其燃油消耗量將降低大約10％）使得其逐漸占據(jù)了一部分原有的手動變速箱和自動變速箱市場。作為這項技術(shù)的先行者，大眾公司已經(jīng)開始了在全球用雙離合器變速箱來取代現(xiàn)有的外購自動變速箱的計劃。與此同時，雙離合器變速箱的產(chǎn)品種類以及應用范圍也正在逐漸擴大：干式雙離合器變速箱在未來幾年將出現(xiàn)在歐洲市場，而小于150N.M的輸入扭矩的雙離合器變速箱也正在緊鑼密鼓的研發(fā)當中。未來我們將會看到雙離合器變速箱在歐洲市場的快速發(fā)展。
在北美，為了沿襲美國消費者傳統(tǒng)上對自動變速箱的偏愛，“三大”依然堅持著對自動變速箱的研究和提高，先進的六速變速箱將充分利用現(xiàn)有的四速自動變速箱的設施和基礎(chǔ)，而其燃油經(jīng)濟性也將更好（提高大約5％左右）。與此同時，雙離合器變速箱也開始引起了“三大”的注意，他們正在尋求外來合作以縮短與競爭對手的差距，。面對變幻莫測的油價，美國消費者在注重乘駕舒適性的同時，開始前所未有的關(guān)心各種可以降低燃油消耗的方法：雙離合器技術(shù)便是其中之一。在未來，我們將會看到：在北美市場上，手動變速箱繼續(xù)減少，相當部分4速自動變速箱被6速或者更多檔位的自動變速箱的逐步取代。
過去的五六年時間里，伴隨中國經(jīng)濟的快速飛躍，中國汽車市場在經(jīng)歷了幾個“井噴”之后，整車制造商之間的競爭將從以前的競爭不足階段逐漸過渡到完全競爭時代。在未來幾年，隨著廣大汽車消費者對汽車專業(yè)知識的積累以及汽車消費意識的成熟，尤其是當部分消費者在購買了第一輛車后，開始考慮第二輛時，其消費行為將變得理性起來，而市場的競爭將從產(chǎn)品層面的競爭上升到技術(shù)層面的競爭。作為動力系統(tǒng)的一部分，變速箱將會成為消費者在買車時重點考慮因素之一。不同的變速箱技術(shù)在帶給消費者不同體驗的時候，也將影響到整車市場的競爭。
由于幾乎所有全球整車制造商都已經(jīng)進入中國市場，中國市場的競爭成為了一個全球汽車市場競爭的縮影，這種列強混戰(zhàn)的戰(zhàn)火也蔓延到汽車變速箱市場上。全球三大獨立自動變速箱生產(chǎn)商均已經(jīng)殺入中國市場：愛信（Aisin AW）在天津的工廠在以CKD方式為一汽豐田的皇冠和銳志配套的同時，正在招兵買馬，準備做零部件深加工，為進一步的國產(chǎn)化做準備；采埃孚（ZF）在向中國市場出口自動變速箱多年以后，最終將自動變速箱的生產(chǎn)轉(zhuǎn)移到中國的合資工廠，而且在引入五速自動變速箱的基礎(chǔ)上，六速自動變速箱的引進工作也正在進行中；動作稍慢的JATCO, 長期以來受制于母公司日產(chǎn)，在歷經(jīng)兩年的考察后，最終落戶廣州。而全球最大的手動變速箱生產(chǎn)商格特拉克在中國的合資項目在經(jīng)歷了重重談判后，終于塵埃落定。對格特拉克而言，手動變速箱只是短期的目標，長遠來看，雙離合器變速箱才是他們的真正目的。而那些擁有變速箱技術(shù)的全球整車制造商們，早就把變速箱生產(chǎn)納入了自己在中國的市場戰(zhàn)略中：較早行動的通用，本田和現(xiàn)代都已經(jīng)有了自己的自動變速箱生產(chǎn)線或者總裝線；野心勃勃的豐田一直在為“2010年中國10％的市場份額”在努力：在愛信（唐山愛信生產(chǎn)手動變速箱，天津愛信生產(chǎn)自動變速箱）的幫助下，豐田解決了絕大部分變速箱的供應問題，接下來的任務是如何提高變速箱的零部件國產(chǎn)化質(zhì)量，為創(chuàng)造更多的利潤和更大的降價空間做準備；按捺不住的福特，正在將四速自動變速箱的生產(chǎn)線轉(zhuǎn)移到中國；捉襟見肘的克萊斯勒，希望借中國本土廠商的力量，通過轉(zhuǎn)讓四速自動變速箱技術(shù)，在獲得可觀的轉(zhuǎn)讓費的同時，也解決自己車型的配套問題，可謂一舉兩得，只是不知道他們能否熬過漫長的磨合期。
1.1.2 未來發(fā)展趨勢
我們也欣慰的看到一些中國本土整車制造商以及獨立變速箱生產(chǎn)商在這條路上的努力和前進。在吉利生產(chǎn)出第一臺自動變速箱之后，中國沒有自主知識產(chǎn)權(quán)自動變速箱的空白已經(jīng)被彌補。與此同時，其他的廠商也在CVT和DCT發(fā)展的道路上悄然前進。由于歷史的原因和技術(shù)的被壟斷，中國本土廠商先進變速箱技術(shù)的研發(fā)之路依然任重而道遠，年輕的中國本土廠商需要對變速箱技術(shù)加以更多的重視，研究和投入。在未來到2010年，中國輕型車市場對最大輸入扭矩為150N.M以下范圍的變速箱的需求將超過350萬臺，而這當中，雙離合器變速箱有80％的市場機會去爭取。面對如此龐大的一個市場，如何生產(chǎn)與之相配的雙離合器自動變速箱，是擺在所有整車制造商和自動變速箱制造商面前的一個重要課題，而這也是中國本土制造商的在這一領(lǐng)域的機會所在。
1.2 機械加工
1.2.1 機械加工生產(chǎn)過程和工藝過程[2]
在制造機器時，由原材料到成品之間的所有勞動過程就是一個生產(chǎn)過程。在機械產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中，那些與原材料變?yōu)槌善分苯佑嘘P(guān)的過程就是一個工藝過程。
1.2.2 國內(nèi)外動態(tài)[3]
工藝水平低下導致生產(chǎn)出的產(chǎn)品不受青睞，這是我國機械產(chǎn)品普遍存在的問題。產(chǎn)品零件精度低、生產(chǎn)效率低、工藝消耗高、環(huán)境污染大等是我國機械工業(yè)發(fā)展的巨大障礙。
工藝水平總體有所提高。隨著我國裝備制造業(yè)的發(fā)展，特別是結(jié)合國家重大裝備研制與技術(shù)引進和技術(shù)改造，制造業(yè)總體工藝水平和綜合制造能力得到了新的提高。裝備制造業(yè)的機床數(shù)控化率有了較大的提高，特別是五軸聯(lián)動數(shù)控加工中心的應用，極大地提升了切削加工精度、效率與柔性化水平，產(chǎn)品裝配工藝有新的突破。但工藝水平與國外仍有差距。我國機械制造工藝雖然有了長足進步，但與發(fā)達國家先進工藝相比，在技術(shù)方面還存在著很大的差距。
世界經(jīng)濟在飛速發(fā)展，全球經(jīng)濟一體化進程加速，世界產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)也在調(diào)整轉(zhuǎn)移，機械行業(yè)也在發(fā)生翻天覆地是變化，正向更先進的方向發(fā)展。
1.2.3 未來發(fā)展趨勢
全球工程機械行業(yè)的發(fā)展趨勢有以下幾個方面：
1、全球范圍內(nèi)的兼并重組加劇，生產(chǎn)集中度進一步提高。世界范圍工程機械生產(chǎn)集中度很高，而且還在繼續(xù)提高；
2、專業(yè)化生產(chǎn)程度提高。越來越多的企業(yè)成為組裝廠，零部件全部專業(yè)化生產(chǎn)，關(guān)鍵零部件基本上是由專業(yè)廠生產(chǎn)；
3、區(qū)域化和專業(yè)化程度提高，縮短了訂貨和交貨時間，讓生產(chǎn)接近客戶。北美和歐洲的很多國家將一些企業(yè)搬到亞洲、拉美等第三世界，他們的產(chǎn)地離客戶更近了，這就可以縮短定貨和交貨時間，就譬如在中國有很多國外企業(yè)；
4、小型設備的產(chǎn)量大幅增長。歐美大型土石方施工已經(jīng)基本完成，工作量下降，一些維修或私人用、家庭用小型機產(chǎn)量上升，主要有：反鏟式裝載機、滑移與轉(zhuǎn)向裝載機和伸縮臂裝卸機械。這幾個機種我國都有，但應用不廣泛，而且產(chǎn)量小。
1.3 數(shù)控加工技術(shù)[4]
隨著計算機技術(shù)的高速發(fā)展，傳統(tǒng)的制造業(yè)發(fā)生了根本性的變革，各工業(yè)發(fā)達國家對現(xiàn)代制造技術(shù)進行研究開發(fā)，提出了全新的制造模式。在現(xiàn)代制造系統(tǒng)中，數(shù)控技術(shù)是關(guān)鍵技術(shù)，它集微電子、計算機、信息處理、自動檢測和自動控制等高新技術(shù)于一體，是用數(shù)字化信號對機床運動及其加工過程進行控制的一種方法，具有高精度、高效率及柔性自動化等特點，對制造業(yè)實現(xiàn)柔性自動化、集成化及智能化起著舉足輕重的作用。目前，數(shù)控技術(shù)正在發(fā)生根本性的變革，正由專用型封閉式開環(huán)控制模式向通用型開放式實時動態(tài)全閉環(huán)控制模式發(fā)展。在集成化的基礎(chǔ)上，數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)了超薄型和超小型化；在智能化基礎(chǔ)上，綜合了計算機、多媒體、模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡等多學科技術(shù)，數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)了高速、高精及高效控制，加工過程中可以自動修正、調(diào)節(jié)與補償各項參數(shù)，實現(xiàn)了在線診斷和智能化故障處理；在網(wǎng)絡化基礎(chǔ)上，CAD/CAM與數(shù)控系統(tǒng)集成為一體，機床聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)了中央集中控制的群控加工。
數(shù)控加工技術(shù)是現(xiàn)代機械制造技術(shù)的基礎(chǔ)，由于數(shù)控加工是將數(shù)字化控制技術(shù)應用于傳統(tǒng)的加工技術(shù)之中，因此它覆蓋了幾乎所有的加工領(lǐng)域，如車、銑、刨、鏜、鉆、拉和電加工等，它的廣泛應用，給機械制造業(yè)的生產(chǎn)方式、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)帶來了深刻的變化。隨著數(shù)控技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)控技術(shù)的水平和普及程度 已經(jīng)成為衡量一個國家綜合國力和工業(yè)現(xiàn)代化水平的重要標志。
數(shù)控加工是機械制造中的先進加工技術(shù)。它的廣泛使用給機械制造業(yè)的生產(chǎn)方式、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)帶來了深刻的變化，是制造業(yè)實現(xiàn)自動化、柔性化和集成化生產(chǎn)的基礎(chǔ)，為機械制造行業(yè)和國民經(jīng)濟產(chǎn)生了巨大的效益。
1.3.1 數(shù)控加工的特點
數(shù)控加工是在數(shù)控機床上進行零件加工的一種工藝方法，數(shù)控機床加工與傳統(tǒng)機床加工的工藝規(guī)程從總體上說是一致的，但數(shù)控加工與傳統(tǒng)的加工方法又有明顯的區(qū)別，數(shù)控加工的工序內(nèi)容比普通機加工的工序內(nèi)容復雜，加工程序的編制比普通機床工藝規(guī)程的編制復雜。與傳統(tǒng)的加工方法相比，數(shù)控加工具有如下優(yōu)點：
1、適應性強：數(shù)控加工是根據(jù)零件要求編制的數(shù)控程序來控制設備執(zhí)行機構(gòu)的各種動作，當數(shù)控工作要求改變時，只要改變數(shù)控程序軟件，而不需改變機械部分和控制部分的硬件，就能適應新的工作要求；
2、精度高，質(zhì)量穩(wěn)定：數(shù)控加工本身的加工精度較高，還可以利用軟件進行精度校正和補償；數(shù)控機床加工零件是按數(shù)控程序自動進行，可以避免人為的誤差；
3、生產(chǎn)率高：數(shù)控設備上可以采用較大的運動用量，有效地節(jié)省了運動工時；
4、能完成復雜型面的加工：許多復雜曲線和曲面的加工，普通機床無法實現(xiàn)，而數(shù)控加工完全可以完成；
5、減輕勞動強度，改善勞動條件：因數(shù)控加工是自動完成，許多動作不需操作者進行，故勞動條件和勞動強度大為改善；
6、有利于生產(chǎn)管理：采用數(shù)控加工，有利于向計算機控制和管理生產(chǎn)方向發(fā)展，為實現(xiàn)制造和生產(chǎn)管理自動化創(chuàng)造了條件。
數(shù)控加工工藝的主要內(nèi)容包括以下幾個方面：
１．選擇適合在數(shù)控上加工的零件，確定工序內(nèi)容；
２．分析加工零件的圖紙，明確加工內(nèi)容及技術(shù)要求，確定加工方案，制定數(shù)控加工路線，如工序的劃分、加工順序的安排、非數(shù)控加工工序的銜接等。設計數(shù)控加工工序，如工序的劃分、刀具的選擇、夾具的定位與安裝、切削用量的確定、走刀路線的確定等；
３．調(diào)整數(shù)控加工工序的程序。如對刀點、換刀點的選擇、刀具的補償；
４．分配數(shù)控加工中的容差；
５．處理數(shù)控機床上部分工藝指令。
1.3.2 國內(nèi)外動態(tài)
長期以來，我國的數(shù)控系統(tǒng)為傳統(tǒng)的封閉式體系結(jié)構(gòu)，CNC只能作為非智能的機床運動控制器，加工過程變量根據(jù)經(jīng)驗以固定參數(shù)形式事先設定，加工程序在實際加工前用手工方式或通過CAD/CAM及自動編程系統(tǒng)進行編制。CAD/CAM和CNC之間沒有反饋控制環(huán)節(jié)，整個制造過程中CNC只是一個封閉式的開環(huán)執(zhí)行機構(gòu)。在復雜環(huán)境以及多變條件下，加工過程中的刀具組合、工件材料、主軸轉(zhuǎn)速、進給速率、刀具軌跡、切削深度、步長和加工余量等加工參數(shù)無法在現(xiàn)場環(huán)境下根據(jù)外部干擾和隨機因素實時動態(tài)調(diào)整，更無法通過反饋控制環(huán)節(jié)隨機修正CAD/CAM中的設定量，因而影響CNC的工作效率和產(chǎn)品加工質(zhì)量。傳統(tǒng)CNC系統(tǒng)的這種固定程序控制模式和封閉式體系結(jié)構(gòu)，限制了CNC向多變量智能化控制發(fā)展，已不適應日益復雜的制造過程，因此，很有必要對數(shù)控技術(shù)實行變革勢。
近年來，國內(nèi)制造業(yè)發(fā)展迅速，全球制造業(yè)向我國轉(zhuǎn)移的趨勢十分明顯，代表著先進制造技術(shù)的數(shù)控加工在我國的制造業(yè)中日益普及。數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展、常規(guī)加工工藝的條件的變更和工藝參數(shù)的優(yōu)化為實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、潔凈和靈活的目標奠定了堅實的基礎(chǔ)。
目前，數(shù)控開放系統(tǒng)有兩種基本結(jié)構(gòu)：(1)CNC+PC主板：把一塊PC主板插入傳統(tǒng)的CNC機器中，PC板主要運行實時控制，CNC主要運行以坐標軸運動為主的實時控制；(2)PC+運動控制板：把運動控制板插入PC機的標準插槽中作實時控制用，而PC機主要作非實時控制。
1.3.3 未來發(fā)展趨勢
數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢表現(xiàn)在以下幾個方面：
1、性能發(fā)展方向：
(1)高速高精高效化：速度、精度和效率是機械制造技術(shù)的關(guān)鍵性能指標，由于采用了高速CPU芯片、RISC芯片和多CPU控制系統(tǒng)以及帶高分辨率絕對式檢測元件的交流數(shù)字伺服系統(tǒng)，同時采取了改善機床動態(tài)、靜態(tài)特性等有效措施，機床的高速高精高效化已大大提高；
(2)柔性化：柔性化包含兩方面，一方面的數(shù)控系統(tǒng)本身的柔性，數(shù)控系統(tǒng)采用模塊化設計，功能覆蓋面大，可裁剪性強，便于滿足不同用戶的需求；另一方面是群控系統(tǒng)的柔性，同一群控系統(tǒng)能依據(jù)不同生產(chǎn)流程的要求，使物料流和信息流自動進行動態(tài)調(diào)整，從而最大限度地發(fā)揮群控系統(tǒng)的效能；
(3)工藝復合性和多軸化：以減少工序、輔助時間為主要目的的復合加工，正朝著多軸和多系列控制功能方向發(fā)展；
(4)實時智能化：科學技術(shù)的發(fā)展，使實時系統(tǒng)和人工智能相互結(jié)合，人工智能正向著具有實時響應的、更現(xiàn)實的領(lǐng)域發(fā)展，而實時系統(tǒng)也朝著具有智能行為的、更加復雜的應用發(fā)展，由此產(chǎn)生了實時智能控制這一新的領(lǐng)域。在數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域，實時智能控制的研究和應用正沿著幾個主要分支發(fā)展：自適應控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制、專家控制、學習控制和前饋控制等。
2、功能發(fā)展方向：
(1)用戶界面圖形化：用戶界面是數(shù)控系統(tǒng)與使用者之間的對話接口。圖形用戶界面極大地方便了非專業(yè)用戶的使用，人們可以通過窗口和菜單進行操作，便于藍圖編程和快速編程、三維彩色立體動態(tài)圖形顯示、圖形模擬、圖形動態(tài)跟蹤和仿真、不同方向的視圖和局部顯示比例縮放功能的實現(xiàn)；
(2)科學計算可視化：科學計算可視化可用于高效處理數(shù)據(jù)和解釋數(shù)據(jù)，使信息交流不再局限于用文字和語言表達，而可以直接使用圖形、圖像和動畫等可視信息?？梢暬夹g(shù)與虛擬環(huán)境技術(shù)相結(jié)合，進一步拓寬了應用領(lǐng)域，如無圖紙設計、虛擬樣機技術(shù)等，這對縮短產(chǎn)品設計周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量和降低產(chǎn)品成本具有重要意義。在數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域，可視化技術(shù)可用于CAD/CAM，如自動編程設計、參數(shù)自動設定、刀具補償和刀具管理數(shù)據(jù)的動態(tài)處理和顯示以及加工過程的可視化仿真演示等；
(3)插補和補償方式多樣化：多種插補方式如直線插補、圓弧插補、圓柱插補、空間橢圓曲面插補、螺紋插補、極坐標插補、2D+2螺旋插補、NANO插補、NURBS插補(非均勻有理B樣條插補)、樣條插補(A、B、C樣條)、多項式插補等。多種補償功能如間隙補償、垂直度補償、象限誤差補償、螺距和測量系統(tǒng)誤差補償、與速度相關(guān)的前饋補償、溫度補償、帶平滑接近和退出以及相反點計算的刀具半徑補償?shù)龋?
(4)內(nèi)裝高性能PLC：數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)裝高性能PLC控制模塊，可直接用梯形圖或高級語言編程，具有直觀的在線調(diào)試和在線幫助功能。編程工具中包含用于車床銑床的標準PLC用戶程序?qū)嵗脩艨稍跇藴蔖LC用戶程序基礎(chǔ)上進行編輯修改，從而方便地建立自己的應用程序；
(5)多媒體技術(shù)應用：多媒體技術(shù)集計算機、聲像和通信技術(shù)于一體，使計算機具有綜合處理聲音、文字、圖像和視頻信息的能力。在數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域，應用多媒體技術(shù)可以做到信息處理綜合化、智能化，在實時監(jiān)控系統(tǒng)和生產(chǎn)現(xiàn)場設備的故障診斷、生產(chǎn)過程參數(shù)監(jiān)測等方面有著重大的應用價值。
3、體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展：
(1)集成化：采用高度集成化CPU、RISC芯片和大規(guī)?？删幊碳呻娐稦PGA、EPLD、CPLD以及專用集成電路ASIC芯片，可提高數(shù)控系統(tǒng)的集成度和軟硬件運行速度。應用FPD平板顯示技術(shù)，可提高顯示器性能。平板顯示器具有科技含量高、重量輕、體積小、功耗低、便于攜帶等優(yōu)點，可實現(xiàn)超大尺寸顯示，成為和CRT抗衡的新興顯示技術(shù)，是21世紀顯示技術(shù)的主流；
(2)模塊化：硬件模塊化易于實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的集成化和標準化。根據(jù)不同的功能需求，將基本模塊，如CPU、存儲器、位置伺服、PLC、輸入輸出接口、通訊等模塊，作成標準的系列化產(chǎn)品，通過積木方式進行功能裁剪和模塊數(shù)量的增減，構(gòu)成不同檔次的數(shù)控系統(tǒng)；
(3)網(wǎng)絡化：機床聯(lián)網(wǎng)可進行遠程控制和無人化操作。通過機床聯(lián)網(wǎng)，可在任何一臺機床上對其它機床進行編程、設定、操作、運行，不同機床的畫面可同時顯示在每一臺機床的屏幕上；
(4)通用型開放式閉環(huán)控制模式：采用通用計算機組成總線式、模塊化、開放式、嵌入式體系結(jié)構(gòu)，便于裁剪、擴展和升級，可組成不同檔次、不同類型、不同集成程度的數(shù)控系統(tǒng)。閉環(huán)控制模式是針對傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)僅有的專用型單機封閉式開環(huán)控制模式提出的。由于制造過程是一個具有多變量控制和加工工藝綜合作用的復雜過程，包含諸如加工尺寸、形狀、振動、噪聲、溫度和熱變形等各種變化因素，因此，要實現(xiàn)加工過程的多目標優(yōu)化，必須采用多變量的閉環(huán)控制，在實時加工過程中動態(tài)調(diào)整加工過程變量。加工過程中采用開放式通用型實時動態(tài)全閉環(huán)控制模式，易于將計算機實時智能技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)、多媒體技術(shù)、CAD/CAM、伺服控制、自適應控制、動態(tài)數(shù)據(jù)管理及動態(tài)刀具補償、動態(tài)仿真等高新技術(shù)融于一體，構(gòu)成嚴密的制造過程閉環(huán)控制體系，從而實現(xiàn)集成化、智能化、網(wǎng)絡化。
1.4 本章小結(jié)
本章主要講述變速箱、機械加工工藝和數(shù)控加工技術(shù)的相關(guān)概念和特點、國內(nèi)外的發(fā)展動態(tài)、未來發(fā)展趨勢和數(shù)控加工技術(shù)在機械加工中的應用。比較詳細地闡述了數(shù)控加工的優(yōu)點及其未來發(fā)展趨勢。文中還介紹了機械加工工藝的設計方法和應注意的相關(guān)問題。
第二章 機械加工工藝設計
2.1設計題目
變速箱蓋機械加工工藝設計及其數(shù)控加工編程
2.2機械加工工藝[5][6][7]
機械加工工藝設計是機械零件加工中的關(guān)鍵步驟，工藝過程由若干個按一定順序排列的工序組成。工序的工藝過程的基本單元，也是生產(chǎn)組織和計劃的基本單元。工序又可細分為若干個安裝、工位、工步及走刀等。工藝過程的組成如下圖所示：
圖2—1 工藝過程的組成
2.2.1機械加工工藝路線
制訂零件機械加工工藝最主要的工作是擬定工藝路線。工藝路線的主要內(nèi)容是：加工方法的選擇、加工階段的劃分和工序的安排等。
1、加工方法的選擇
在對零件進行工藝分析的基礎(chǔ)上，即可對各個加工表面選擇相應的加工方法，加工方法的選擇有以下幾個基本的方面：
(1)首先要根據(jù)零件各個加工表面的技術(shù)要求，選擇相應的加工方法，確定各種加工方法所能達到的經(jīng)濟加工精度和光潔度；
(2)選擇加工方法時．應注意零件材料的機械性能和熱處理情況；
(3)選擇加工方法時，應考慮生產(chǎn)綱領(lǐng)或生產(chǎn)類型，根據(jù)生產(chǎn)批量大小合理地解決生產(chǎn)率和經(jīng)濟性之間的矛盾。如在單件或小批生產(chǎn)中，為了降低成本，一般采用通用機床和工藝裝備進行加工；而在大批大量生產(chǎn)中，則采用高效率的專用機床和組合機床。
2、加工階段的劃分
工藝路線劃分加工階段的目的在于：一是保證加工質(zhì)量。粗加工時，切除較厚的金屬層，使工件發(fā)熱而產(chǎn)生熱變形，以及因較大的切削力、夾緊力而產(chǎn)生工件的彈性變形等原因，使加工精度和光潔度不高，因此必須增加半精加工和精加工工序；二是合理使用設備。在各種加工過程中，根據(jù)加工階段的特性，選擇不同功率和特點的機床進行加工，有利于合理使用設備；三是粗加工階段便于及時發(fā)現(xiàn)毛坯缺陷，以確定后續(xù)工序能否進行，避免浪費工時．減少費用。
對零件的各表面加工是一個由粗到精的過程，通過若干工序的加工逐步達到質(zhì)量要求。對加工精度要求較高的零件，按工序性質(zhì)和內(nèi)容的不同，將工藝路線劃分為粗加工、半精加工和精加工等階段。各加工階段的基本要求如下：
(1)粗加工階段：切除毛坯黑皮和大部分加工余量，為以后加工提供精準基面，并留均勻而合適的余量；
(2)半精加工階段：提高精加工需要定位基準的精確性和控制精加工余量，為主要表面的精加工創(chuàng)造條件；
(3)精加工階段：主要為精度和光潔度要求較高的表面的進一步改善，使零件加工表面達到技術(shù)要求。
2.2.2定位基準的選擇原則
1．粗基準的選擇
在起始工序中，工件定位只能選擇未經(jīng)加工的毛坯表面，這種采用未經(jīng)加工的鑄造、鍛造或軋制得到的表面作為定位基準面稱為粗基準。
(1)對于具有不加工表面的工件，為保證不加工表面與加工表面之間的相對位置要求，一般應選擇不加工表面為粗基準；
(2)對于具有較多加工表面的工件，粗基準的選擇，應合理分配各加工表面的加工余量；
(3)作為粗基準的表面，應盡量平整，沒有澆口、冒口或飛邊等其它表面缺陷，以便使工件定位可靠，夾緊方便；
(4)如果毛坯表面比較粗糙且精度較低，一般情況下，同一尺寸方向上的粗基準表面只能使用一次。
2．精基準的選擇
精基準是采用已加工的表面作為定位基準面。
(1)為了較容易地獲得加工表面，其設計基準的相對位置精度應選擇已加工表面的設計基準為定位基準；
(2)定位基準的選擇應便于工件的安裝與加工，并使夾具的結(jié)構(gòu)簡單；
(3)當工件以某組精基準定位，可以比較方便地加工其它各表面時，應盡可能在多數(shù)工序中采用此同一組精基準定位；
(4)某些要求加工余量小而均勻的精加工工序，可選擇加工表面本身作為定位基準。
2.3計算生產(chǎn)綱領(lǐng)、確定生產(chǎn)類型
本課題設計的零件是手動變速箱的變速箱蓋，其生產(chǎn)類型為中批量生產(chǎn)。
2.4零件的分析[8][9]
2.4.1零件的作用
(1)傳遞引擎的輸出動力(2)能變換齒輪的組合以應付不同需求。而變速箱蓋則是起到此作用的零件之一。
2.4.2零件的工藝分析
設計零件的二維圖如圖2--1所示：
圖2--1
零件的三維圖如圖2—2和圖2—3所示：
圖2—2
圖2—3
變速箱蓋需加工的有平面、孔、螺紋和倒角等，它們之間都有一定的位置要求?，F(xiàn)對零件進行工藝分析如下：
1、 平面的加工
這些平面包括M面、1、2斜孔端面、3、4孔端面、锪鉆4-14.5孔平面
2、 孔的加工
需要加工的孔有4-孔、
3、 螺紋的加工
首先要鉆好螺紋底孔，然后開始加工螺紋。
2.4.3平面與孔的位置關(guān)系
平面與孔的軸線之間都有一定的位置要求：
1、4-孔自其名義位置偏移允差均為0.3mm；
2、M面即箱蓋底面的平面度為0.06mm
2.5確定毛坯的制造方法，初步確定毛坯形狀[10][11]
零件材料為灰鑄鐵HT15～32，硬度HB150HBS，生產(chǎn)類型為中批生產(chǎn)，毛坯采用砂型機器造型鑄造。
根據(jù)上述資料，確定各加工表面的機械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸。查《工藝手冊》表2.2-3和表2.2-5，得公差等級為8-10級，加工余量等級為G。再查表2.2-4，按公差等級為9級查，因鑄件尺寸處于100~200mm間，取單側(cè)加工余量Z=4mm。毛坯的大部分平面都是不需要加工的，故在鑄造過程中就已將其大致形狀鑄出來?；境叽缭?0mm以下的孔在鑄造過程中是不鑄出來的，其毛坯是實心的。毛坯尺寸是通過后面查相關(guān)資料才確定的機械加工余量確定的。
本零件的各個加工表面的工藝路線、工序（或工步）、工序（或工步）尺寸及其公差、表面粗糙度如表3-1所示。
表3-1各加工表面的工藝路線、工序（或工步）、工序（或工步）尺寸及其公差、表面粗糙度（未注單位：mm）
2.6工藝規(guī)程的設計
2.6.1定位基準的選擇
1、粗基準的選擇
A面為非加工面，以A端面作為粗基準，限制3個自由度，用虎口鉗夾持A兩端面，限制3個自由度，再在3或4螺紋孔用一點定位限制一個自由度，加工M面及4-孔。
2、精基準的選擇
以已銑好的M面作為精基準，用兩個孔作定位，加工M14螺紋孔及锪鉆4-14孔平面。
2.6.2零件表面加工方法的選擇
本零件的加工面有平面、內(nèi)孔、螺紋及倒角等。材料是灰鑄鐵，選擇鑄件。參考《機械制造工藝設計手冊》（以下簡稱《工藝手冊》）表1.4—7、表1.4—8、表1.4—11、表1.4—17和表1.4--24等，選擇加工方法如下：
1、M面的粗糙度要求為Ra=3.2，且有平面度要求，查《工藝手冊》表1.4—8和表1.4—9，采用的加工方法為：粗銑→半精銑，即可達到要求； 4-14孔的粗糙度要求為Ra=12.5，其對于A、M兩面的位置度要求為0.3，查《工藝手冊》表1.4—7和表1.4—11，只需鉆就可達到要求，但其中用于定位的兩孔的精度應相應提高，才能符合定位所需的精度要求，為此，用于定位的兩孔的粗糙度提高到Ra=3.2，只需對其進行粗鉸即可達到要求。查《工藝手冊》表1.4—7，采用的加工方法為：鉆→粗鉸。
2、 4個28的凸臺是用于放置螺栓或墊片的，沒有精度要求，只需用锪鉆刮平即可。
3、 螺紋孔端面：其表面粗糙度為Ra12.5m。查《工藝手冊》表1.4—8，采用的加工方法為：刮端面（粗銑端面）。
4、 螺紋M14，查《工藝手冊》3.1—48，螺紋的螺距P=2mm，公差等級為IT6，表面粗糙度為Ra3.2m，毛坯為實心，未沖出孔。查《工藝手冊》表1.4—7、表1.4—14、表1.4--17選擇的加工方法為：鉆底孔→攻螺紋。
5、 螺紋M14的倒角：倒角為1*45°，表面粗糙度為Ra12.5m，只需進行粗加工即可達到要求。（表1.4--6）
其他不要求加工的尺寸均為自由尺寸，按規(guī)定其公差等級為IT12～IT14，現(xiàn)取IT13。其標準公差值按《工藝手冊》表1.4—24查出。
2.6.3制訂工藝路線
工序Ⅰ：銑M面（即箱蓋底面），鉆4-14孔、粗鉸用于定位的兩孔。以A面為粗基準，用虎口鉗夾緊A兩端面，再在3或4螺紋孔用一點定位限制一個自由度，選擇加工中心進行加工。
工序Ⅱ：粗銑1、2斜孔端面、加工M14的螺紋，锪螺紋孔倒角。以兩個半精銑的14mm孔和已加工的M面作為定位精基準。用圓柱銷和削邊銷對工件進行定位，再用帶壓板實現(xiàn)夾緊。選擇Z525型立式鉆床。
工序Ⅲ：粗銑3號孔端面、加工M14的螺紋，锪螺紋孔倒角，以兩個半精銑的14孔和已加工的M面作為定位精基準。用圓柱銷和削邊銷對工件進行定位，再用帶壓板實現(xiàn)夾緊。選擇Z525型立式鉆床。
工序Ⅳ：粗銑4號孔端面、加工M14的螺紋，锪螺紋孔倒角，以兩個半精銑的14孔和已加工的M面作為定位精基準。用圓柱銷和削邊銷對工件進行定位，再用帶壓板實現(xiàn)夾緊。選擇Z525型立式鉆床。
工序V：刮平4個28的凸臺。以工序Ⅰ加工的M平面作為定位精基準，采用兩壓板壓緊A面，選擇Z525型立式鉆床。
工序VI：終檢。
2.6.4確定機械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸
2.6.4.1確定毛坯余量（機械加工余量）、毛坯尺寸及其公差
1、 M面的加工是單側(cè)加工，前面已根據(jù)相關(guān)資料查得毛坯的精度等級為CT9，加工余量等級為G。查《工藝手冊》表2.2—4可知，M端面的單側(cè)毛坯余量為Z=4mm。查表2.2—1知，M端面的公差值為2.8mm，故其毛坯尺寸為mm；
因為30mm以下的孔在鑄造過程中是不鑄出來的，所以：
2、各孔的毛坯余量：4-Φ14孔的毛坯均為實心，未沖出孔。
3、螺紋孔的毛坯余量：螺紋孔的毛坯為實心，未沖出孔。
2.6.4.2確定工序余量、工序尺寸及公差
確定工序（或工步）尺寸的一般方法是由加工表面的最后工序（或工步）往前推算，最后的工序（或工步）的工序（或工步）尺寸按照零件圖紙的要求標注。當沒有基準轉(zhuǎn)換時，同一表面多次加工的工序（或工步）尺寸只與工序（或工步）的加工余量有關(guān)。當基準不重合時，工序（或工步）尺寸應用工藝尺寸鏈解算。
零件的加工總余量已在前面根據(jù)相關(guān)資料查出，應將機械加工總余量分配給各個工序（或工步）加工余量，然后由后面往前面計算工序（或工步）尺寸。
零件加工表面的加工方法即加工工藝路線在前面已經(jīng)根據(jù)有關(guān)資料確定，零件的加工余量除了粗加工余量外，其余加工工序（或工步）余量要根據(jù)《工藝手冊》表1.4—24查出，半精加工時可以參考《現(xiàn)代制造工藝設計方法》，選取半精加工時工序余量為Z=1mm，粗加工的工序（或工步）加工余量不是經(jīng)過查表確定，而是機械加工總余量減去其余各加工余量之和。
零件各加工表面的工序（或工步）的經(jīng)濟精度和表面粗糙度除了最后的那道工序（或工步）是按照零件的圖紙要求外，其余工序（或工步）的經(jīng)濟精度和表面粗糙度主要是根據(jù)《工藝手冊》表1.4—7、表1.4—8等確定的，再查表《工藝手冊》表1.4—24確定公差值，最后按照入體原則標注上下偏差。零件各加工表面的工藝路線及工序（或工步）余量、（參考《現(xiàn)代制造工藝設計方法》，選擇半精加工時的工序余量為Z=1mm）工序（或工步）尺寸及公差和表面粗糙度如下表：
表2—1 各加工表面的工藝路線、工序（或工步）、工序（或工步）尺寸及其公差、表面粗糙度 （未注單位：mm）
加工表面
工序（或工步）名稱
工序（或工步）余量
工序（或工步）基本尺寸
工序（或工步）經(jīng)濟精度
工序（或工步）及其偏差
表面粗糙度m
公差等級
公差值
M 面
半精銑
Z=1
8
IT9
0.07
8
Ra3.2
粗銑
Z=3
9
IT12
0.21
9
Ra6.3
毛坯
Z=4
12
CT9
1.6
12
-
4-孔
粗絞
Z=0
0
IT9
0.036
Ra3.2
鉆孔
2Z=14
14
IT13
0.27
Ra12.5
毛坯
實心
M14×1.25-H螺紋孔（1、2）
攻螺紋
2Z=1.3
M12
IT13
-
25
Ra6.3
鉆底孔
2Z=12
12
IT12
0.18
Ra12.5
鉆孔
Z=0
11.5
IT12
0.15
11.5
Ra12.5
毛坯
實心
M14×1.25-H螺紋孔（3、4）
攻螺紋
2Z=1.3
M12
IT13
-
25
Ra3.2
鉆底孔
2Z=12
12
IT12
0.18
Ra12.5
鉆孔
Z=0
11.5
IT12
0.15
11.5
Ra12.5
毛坯
實心
——
——
——
——
——
锪鉆4-14孔平面
刮平
Z=0
毛坯
Z=0.5
0.5
2.7確定切削用量基本工時（機動時間）
切削用量包括背吃刀量asp（即切削深度ap）、進給量f和切削速度vc。在工藝文件中需要確定切削用量，首先由工序或工步余量確定切削深度，精加工和半精加工的全部余量在一次走刀中去除，而粗加工的全部余量也最好在一走刀中去除；然后按照本工序或工步加工表面粗糙度確定進給量；最后用查表法或計算法求出切削速度，應用相關(guān)公式換算出查表法或計算法所得的轉(zhuǎn)速nc查或計，再根據(jù)nc查或計在選擇的機床實有的主軸轉(zhuǎn)速中選擇接近的主軸轉(zhuǎn)速n機作為實際的轉(zhuǎn)速，最后再用相關(guān)公式換算出實際的切削速度vc機填入工序文件中。需要注意的是，在粗加工時，選擇實際的切削速度vc機、實際進給量f機和背吃刀量asp之后，還要校驗機床的功率等是否足夠，才能作為最后的切削用量填入工序文件。
2.7.1工序Ⅰ 切削用量及基本工時的確定
1、 加工條件[12]
工件材料[12]：查《金屬切削手冊》表3.16，得到HT15—32（灰鑄鐵），抗拉強度b =150MPa，硬度為163—229HBS。
加工要求：銑M端面（箱蓋底面），Ra3.2um；鉆4-孔，Ra12.5um；粗鉸用于定位的兩孔，Ra3.2um。選擇加工中心對工件進行加工。
2、 確定切削用量及基本工時
確定切削用量采用查表法，確定基本工時要經(jīng)過相關(guān)的計算才能得出。
（1）B面的加工
工件尺寸：長l=190mm，寬b=140mm，高h=74mm；
選擇刀具：查《工藝手冊》表3.1—27，選擇標準鑲齒圓柱面銑刀，選擇刀具外徑為d0=100mm，齒數(shù)Z=8。
確定切削深度ap：前面已根據(jù)相關(guān)資料查得各孔端面的單側(cè)毛坯余量均為Z=4mm，需要粗銑和半精銑，粗銑的全部余量可在一次走刀中去除，取粗銑時的切削深度ap =3mm，剩下的1mm就是半精加工時的切削深度即ap =1mm。
1）粗銑B面
A、確定每齒進給量fz
根據(jù)《切削手冊》表3.30， XA6132型萬能銑床說明書，其功率為7.5KW、工藝系統(tǒng)剛性為中等；根據(jù)《切削手冊》表3.3：ap=41～130mm，ae=3mm，進給量fz =0.10～0.15mm/z，現(xiàn)取fz =0.13mm/z。
B、選擇銑刀磨鈍標準及刀具壽命
查《切削手冊》表3.7，高速鋼端銑刀在鑄鐵的粗加工時后刀面最大磨損限度為0.50～0.80mm，精加工時后刀面的最大磨損限度為0.20～0.30mm。
查《切削手冊》表3.8：鑲齒圓柱面銑刀（d。=160mm）的壽命T=180min。
C、確定切削速度Vc和每分鐘進給量即進給速度Vf
切削速度Vc可根據(jù)《切削手冊》表3.27中的公式計算，也可直接由表中查出。根據(jù)《切削手冊》表3.11：當?shù)毒咄鈴絛0=160mm，齒數(shù)Z=10，切削寬度ap=41～130mm，吃刀量ae=3mm，fz =0.13mm/z時，Vt =30m/min，nt=59r/min，Vft=68mm/min，
各修正系數(shù)為：kmv=kmn=1.0；ksv=ksn=0.8
故Vc= Vt·kv=30×1.0×0.8=24 m/min
n=nt·kn=59×1.0×0.8=47.2r/min、
Vf= Vft·kv=68×1.0×0.8=54.4mm/min
根據(jù)XA6132型萬能銑床說明書，選擇nc=37.5 r/min ，Vf c=75mm/min。
因此，實際切削速度和每齒進給量為：
Vc=∏d?！c/1000=3.14×160×37.5/1000 m/min =18.8（ m/min ）
Fzc=vfc/（nc·Z）=75/（37.5×10）=0.2mm/z
D、校驗機床功率
銑削功率Pc可由查《切削手冊》表3.20查得，當Fz=0.14～0.22mm/z，ap＞100，ae≤3.5mm，vf≤71mm/min切削功率Pct=0.8KW。切削功率的修正系數(shù)為Kmpc=0.83，故實際切削功率為
Pcc =Pct =0.8×0.83=0.664KW
根據(jù)XA6132型萬能銑床說明書：機床主軸允許的功率為：pcm=7.5×0.75=5.63 KW，
因Pcc
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