左框架三维造型、数控工艺及编程毕业设计(编辑修改稿)

左框架三维造型、数控工艺及编程毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

体的三维模型随着切削过程被不断更新。 Sungurtekin 和 Velcker 开发了一个铣床的模拟系统。 该系统采用 CSG 法来记录毛坯的三维模型，利用一些基本图元如长方体、圆柱体、圆锥体等，和集合运算，特别是并运算，将毛坯和一系列刀具扫描过的区域记录下来，然后应用集合差运算从毛坯中顺序除去扫描过 的区域。 所谓被扫过的区域是指切削刀具沿某一轨迹运动时所走过的区域。 在扫描了每段 NC 代码后显示变化了的毛坯形状。 Kawashima 等的接合树法将毛坯和切削区域用接合树（ graftree）表示，即除了空和满两种结点，边界结点也作为八叉树（ octtree）的叶结点，接合树的数据结构如图 2。 边界结点包含半空间，结点物体利用在这些半空间上的 CSG 操作来表示。 接合树细分的层次由边界结点允许的半空间个数决定。 逐步的切削仿真利用毛坯和切削区域的差运算来实现。 毛坯的显示采用了深度缓冲区算法，将毛 坯划分为多边形实现毛坯的可 视化。 用基于实体造型的方法实现连续更新的毛坯的实时可视化，耗时太长，于是一些基于观察的方法被提出来。 （ 4） 基于图像空间的方法 这种方法用图像空间的消隐算法来实现实体布尔运算。 Van Hook 采用图象空间离散法实现了加工过程的动态图形仿真。 他使用类似图形消隐的 z_buffer思想，沿视线方向将毛坯和刀具离散，在每个屏幕象素上毛坯和刀具表示为沿 z轴的一个长方体，称为 Dexel 结构。 刀具切削毛坯的过程简化为沿视线方向上的一维布尔运算，见图 3，切削过程就变成两者 Dexel 结构的比较： CASE 1：只有毛坯，显示毛坯， break； CASE 2：毛坯完全在刀具之后，显示刀具， break； CASE 3：刀具切削毛坯前部，更新毛坯的 dexel 结构，显示刀具， break； CASE 4：刀具切削毛坯内部，删除毛坯的 dexel 结构，显示刀具， break； CASE 5：刀具切削毛坯内部，创建新的毛坯 dexel 结构，显示毛坯， break； CASE 6：刀具切削毛坯后部，更新毛坯的 dexel 结构，显示毛坯， break； CASE 7：刀具完全在毛坯之后，显示毛坯， break； CASE 8：只有刀具，显示刀具， break。 这种方法将实体布尔运算和图形显示过程合为一体，使仿真图形显示有很好的实时性。 Hsu 和 Yang 提出了一种有效的三轴铣削的实时仿真方法。 他们使用z_map 作为基本数据结构，记录一个二维网格的每个方块处的毛坯高度，即 z向值。 这种数据结构只适用于刀轴 z 向的三轴铣削仿真。 对每个铣削操作通过改变刀具运动每一点的深度值，很容易更新 z_map 值，并更新工件的图形显示。 离散矢量求交法 由于现有的实体造型技术未涉及公差和曲面的偏置表示，而像素空间布尔运算并不精确， 使仿真验证有很大的局限性。 为此 Chappel 提出了一种基于曲面技术的 “点 矢量 ”(pointvector)法。 这种方法将曲面按一定精度离散，用这些离散点来表示该曲面。 以每个离散点的法矢为该点的矢量方向，延长与工件的外表面相交。 通过仿真刀具的切削过程，计算各个离散点沿法矢到刀具的距离 s。 设 sg和 sm 分别为曲面加工的内、外偏差，如果 sgsm 则漏切。 该方法分为被切削曲面的离散 (discretization)、检测点的定位（ location）和离散点矢量与工件实体的求交 (intersection)三个过程。 采用图 像映射的方法显示加工误差图形；零件表面的加工误差可以精确地描写出来。 总体来说，基于实体造型的方法中几何模型的表达与实际加工过程相一致，使得仿真的最终结果与设计产品间的精确比较成为可能；但实体造型的技术要求高，计算量大，在目前的计算机实用环境下较难应用于实时检测和动态模拟。 基于图像空间的方法速度快得多，能够实现实时仿真，但由于原始数据都已转化为像素值，不易进行精确的检测。 离散矢量求交法基于零件的表面处理，能精确描述零件面的加工误差，主要用于曲面加工的误差检测。 三 、 什么是不锈钢。 通常，人们把含铬量大于 12%或含镍量大于 8%的合金钢叫不锈钢。 这种钢在大气中或在腐蚀性介质中具有一定的耐蚀能力，并在较高温度 (450℃ )下具有较高的强度。 含铬量达 16%～ 18%的钢称为耐酸钢或耐酸不锈钢，习惯上通称为不锈钢。 钢中含铬量达 12%以上时，在与氧化性介质接触中，由于电化学作用，表面很快形成一层富铬的钝化膜，保护金属内部不受腐蚀；但在非氧化性腐蚀介质中，仍不易形成坚固的钝化膜。 为了提高钢的耐蚀能力，通常增大铬的比例或添加可以促进钝化的合金元素，加 Ni、 Mo、 Mn、 Cu、 Nb、 Ti、 W、 Co 等，这些元素不仅提高了钢的抗腐蚀能力，同时改变了钢的内部组织以及物理力学性能。 这些合金元素在钢中的含量不同，对不锈钢的性能产生不同的影响，有的有磁性，有的无磁性，有的能够进行热处理，有的则不能热处理。 由于不锈钢所具有的上述特性，越来越广泛地应用于航空、航天、化工、石油、建筑和食品等工业部门及日常生活中。 所含的合金元素对切削加工性影响很大，有的甚至很难切削。 不锈钢 的 分类。 不锈钢按其成分，可分为以铬为主的铬不锈钢和以铬、镍为主的铬镍不锈钢两大类。 工业上常用的不锈钢一般按金相组织 分类，可分为以下五大类： （ 1） 马氏体不锈钢： 含铬量 12%～ 18%，含碳量 %～ %(有时达1%)，常见的有 1Cr1 2Cr1 3Cr1 4Cr1 1Cr17Ni 9Cr19Cr18MoV、 30Cr13Mo 等。 （ 2） 铁素体不锈钢： 含铬量 12%～ 30%，常见的有 0Cr1 0Cr17Ti、0Cr13Si4NbRE、 1Cr1 1Cr17Ti、 1Cr17M02Ti、 1Cr25Ti、 1Cr28 等。 （ 3） 奥氏体不锈钢： 含络量 12%～ 25%，含镍量 7%～ 20%(或 20%以上 )，最典型的代表是 1Cr18Ni9Ti，常见的还有 00Cr18Ni 00Cr18Ni14Mo2Cu0Cr18Ni12Mo2Ti、 0Cr18Ni18Mo2Cu2Ti、 0Cr23Ni28M03Cu3Ti、 1Cr14Mn14Ni、2Cr13Mn9Ni 1Cr18Mn8Ni5N 等。 （ 4） 奥氏体 +铁素体不锈钢： 与奥氏体不锈钢相似，仅在组织中含有一定量的铁素体，常见的有 0Cr21Ni5Ti、 1Cr21Ni5Ti、 1Cr18Mn10Ni5M03N、0Cr17Mn13Mo2N、 1Cr17Mn9Ni3M03Cu2N、 Cr2bNi17M03CuSiN、1Cr18Ni11Si4AlTi 等。 （ 5） 沉淀硬化不锈钢： 含有较高的铬、镍和很低的碳，常见的有0Cr17Ni4Cu4Nb、 0Cr17Ni7Al、 0Cr15Ni7M02Al 等。 前两类为铬不锈钢，后三类为铬镍不锈钢。 不锈钢 的 物理、力学性能。 (1) 马氏体不锈钢： 能进行淬火，淬火后具有较高的硬度、强度和耐磨性及良好的抗氧化性，有的有磁性，但内应力大且脆。 经低温回火后可消除其应力，提高塑性，切削加工较困难，有切屑擦伤或粘结的明显趋向，刀具易磨损。 当钢中含碳量低于 %时，组织不均匀，粘附性强，切削时容易 产生积屑瘤，且断屑困难，工件已加工表面质量低。 含碳量达 %～ %时，切削加工性较好。 马氏体不锈钢经调质处理后，可获得优良的综合力学性能，其切削加工性比退火状态有很大改善。 (2)铁素体不锈钢： 加热冷却时组织稳定，不发生相变，故热处理不能使其强化，只能靠变形强化，性能较脆，切削加工性一般较好。 切屑呈带状，切屑容易擦伤或粘结于切削刃上，从而增大切削力，切削温度升高，同时可能使工件表面产生撕裂现象。 (3)奥氏体不锈钢： 由于含有较多的镍 (或锰 )，加热时组织不变，故淬火不能使其强化，可略改善其加工性。 通过冷加工 硬化可大幅度提高强度，如果再经时效处理，抗拉强度可达 2550～ 2740 MPa。 奥氏体不锈钢切削时的带状切屑连绵不断，断屑困难，极易产生加工硬化，硬化层给下一次切削带来很大难度，使刀具急剧磨损，刀具耐用度大幅度下降。 奥氏体不锈钢具有优良的力学性能，良好的耐蚀能力，较突出的是冷变形能力，无磁性。 (4)奥氏体 +铁素体不锈钢： 有硬度极高的金属间化合物析出，强度比奥氏体不锈钢高，其切削加工性更差。 (5)沉淀硬化不锈钢： 含有能起沉淀硬化的铊、铝、钼、钛等合金元素，它们在回火时时效析出，产生沉淀硬化，使钢具有很高的 强度和硬度。 由于含碳量低保证了足够的含铬量，因此具有良好的耐腐蚀性能。 不锈钢 的 切削特点 ? 不锈钢的切削加工性比中碳钢差得多。 以普通 45 号钢的切削加工性作为100%，奥氏体不锈钢 1Cr18Ni9Ti 的相对切削加工性为 40%；铁素体不锈钢1Cr28 为 48%；马氏体不锈钢 2Cr13 为 55%。 其中，以奥氏体和奥氏体 +铁素体不锈钢的切削加工性最差。 不锈钢在切削过程中有如下几方面特点： (1) 加工硬化严重： 在不锈钢中，以奥氏体和奥氏体 +铁素体不锈钢的加工硬化现象最为突出。 如奥氏体不锈钢硬化后的强度 b 达 1470～ 1960MPa，而且随b 的提高，屈服极限 s 升高；退火状态的奥氏体不锈钢 s 不超过的 σb30%～45%，而加工硬化后达 85%～ 95%。 加工硬化层的深度可达切削深度的 1/3 或更大；硬化层的硬度比原来的提高 ～ 倍。 因为不锈钢的塑性大，塑性变形时品格歪扭，强化系数很大；且奥氏体不够稳定，在切削应力的作用下，部分奥氏体会转变为马氏体；再加上化合物杂质在切削热的作用下，易于分解呈弥散分布，使切削加工时产生硬化层。 前一次进给或前一道工序所产生的加工硬化现象严重影响后续工序的顺利进行。 (2)切削力大： 不锈钢在切削过 程中塑性变形大，尤其是奥氏体不锈钢 (其伸长率超过 45 号钢的 倍以上 )，使切削力增加。 同时，不锈钢的加工硬化严重，热强度高，进一步增大了切削抗力，切屑的卷曲折断也比较困难。 因此加工不锈钢的切削力大，如车削 1Cr18Ni9Ti 的单位切削力为 2450MPa，比 45 号钢高25%。 (3)切削温度高： 切削时塑性变形及与刀具间的摩擦都很大，产生的切削热多；加上不锈钢的导热系数约为 45 号钢的 189。 ～ 188。 ，大量切削热都集中在切削区和刀 —屑接触的界面上，散热条件差。 在相同的条件下， 1Cr18Ni9Ti 的切削温度比 45 号钢高 200℃ 左右。 (4)切屑不易折断、易粘结： 不锈钢的塑性、韧性都很大，车加工时切屑连绵不断，不仅影响操作的顺利进行，切屑还会挤伤已加工表面。 在高温、高压下，不锈钢与其他金属的亲和性强，易产生粘附现象，并形成积屑瘤，既加剧刀具磨损，又会出现撕扯现象而使已加工表面恶化。 含碳量较低的马氏体不锈钢的这一特点更为明显。 (5)刀具易磨损： 切削不锈钢过程中的亲和作用，使刀 —屑间产生粘结、扩散，从而使刀具产生粘结磨损、扩散磨损，致使刀具前刀面产生月牙洼，切削刃还会形成微小的剥落和缺口；加上不锈钢中的碳化物 (如 TiC)微粒硬度很高，切削时 直接与刀具接触、摩擦，擦伤刀具，还有加工硬化现象，均会使刀具磨损加剧。 (6)线膨胀系数大： 不锈钢的线膨胀系数约为碳素钢的 倍，在切削温度作用下，工件容易产生热变形，尺寸精度较难控制。 切削不锈钢时怎样选择刀具材料。 合理选择刀具材料是保证高效率切削加工不锈钢的重要条件。 根据不锈钢的切削特点，要求刀具材料应具有耐热性好、耐磨性高、与不锈钢的亲和作用小等特点。 目前常用的刀具材料有高速钢和硬质合金。 (1) 高速钢的选择： 高速钢主要用来制造铣刀、钻头、丝锥、拉刀等复杂多刃刀具。 普通高速钢 W18Cr4V 使用时刀具 耐用度很低已不符合需要，采用新型高速钢刀具切削不锈钢可获得较好的效果。 在相同的车削条件下，用 W18Cr4V 和 95w18Cr4V 两种材料的刀具加工1Cr17Ni2工件，刀具刃磨一次加工的件数分别为 2～ 3件和 12件，用 95w18Cr4V的刀具耐用度提高了几倍。 这是由于提高了钢的含碳量，从而增加了钢中碳化物含量，常温硬度提高 2HRC 红硬性更好， 600℃ 时由 W18Cr4V 的 上升到 HRC51～ 52，耐磨性比 W18Cr4V 提高 2～ 3 倍。 应用高钒高速钢 W12Cr4V4Mo 制作型面铣刀加工 1Cr17Ni2 可以获得较高的刀具耐用度。 因为含钒量增加，可在钢中形成硬度很高的 VC，细小的 VC 存在于晶介，可以阻止晶粒长大，提高钢的耐磨性； W12Cr4V4Mo 的红硬性很好，600℃ 时硬度可达 ，因此适合于制作切削不锈钢的各种复杂刀具。 但其强度 (b=3140 MPa)及冲击韧性 (ak= J/cm3)略低于 W18Cr4V，使用时要稍加注意。 随着刀具制作技术的不断发展，对于批量大的工件，采用硬质合金多刃、复杂刀具进行切削加工效果会更好。 (2)硬质合金的选择： YG 类硬质合金的韧性较好，可采用较大的前角 ，刀刃也可以磨得锋利些，使切削轻快，且切屑与刀具不易产生粘结，较适于加工不锈。