第 1 章 绪论
1.1 课题研究背景
随着计算机技术的发展，数控技术的应用变得愈发广泛，数控技术已经成为现代制造技术的基础，数控装备使全球造业发生很多颠覆性的变化。数控技术的普及程度和发展水平可以体现一个国家的综合国力，从侧面反映这个国家的工业现代化水平[1]。
轴类零件作为机械中的典型零件之一，它具有支撑零件、传递扭矩和承受载荷等作用。在进行轴类零件设计时，一般要考虑重量问题，在结构上尽量采用较大的截面或者是强度一致的外形尺寸；还要考虑避免应力集中和便于加工制造。因此，轴类零件在机械加工过程中对表面粗糙度、相互位置精度、几何形状精度和尺寸精度要求较高[1]。
目前，根据形状的不同，轴类零件一般可分为直轴、曲轴、实心轴等[1]。机械中常见的轴是直轴中的转轴、心轴或传动轴。转轴在工作中承受扭矩和弯矩，主要应用于减速器当中；心轴只承受弯矩不承受扭矩，主要应用于轨道车辆；传动轴只传递扭矩不承受弯矩，主要应用于汽车或重型机器[2]。
通过现今机械加工的手段，轴类零件的加工精度得到了大大提高。轴径直径的尺寸精度通常为公差等级 6 级到 9 级，一些精密的轴类零件轴径可以达到公差等级 5 级。另外在几何精度上，一般的轴类径向圆跳动可以控制在 0.01 毫米到0.03 毫米之间，高精度的轴类径向跳动可以达到 0.001 毫米到 0.005 毫米。根据轴类零件的转动速度的快慢不同，轴表面的粗糙度也不同，支撑轴颈一般为 0.63微米到 0.16 微米[3]。
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1.2 数控加工技术研究的国内外现状
上个世纪中叶，Parsons Corporation 首次提出了数控加工机床的设想，Massachusetts Institute of Technology 于 1952 年成功研制了世界上第一台数控机床。经过数年的发展，自动程序的研发成功，标着着数控机床进入了普及阶段，并得到了广泛的应用。由于数控机床的优越性和国防工业的需要，在国际上竞争变得日益激烈，产品品种也频繁快速的更新换代，各国都致力于开发和生产更多品种的数控机床[11-17]。我国从上个世纪 50 年代末开始了数控机床的研发，其后20 年生产了大量的数控机床，但是以数控线切割机床为主[14]。十一届三中全会以来，我国引进了西方发达国家成熟的数控加工技术，我国初步拥有了批量生产数控系统和伺服系统的能力[15]。经过了多年的发展，我国的数控机床制造水平得到了极大的提升，可以生产数控车床、磨床、铣床、龙门加工中心等多个品种的机床。然而核心的数控系统仍然被日本发那科和德国西门子所垄断，国产数控系统在质量上还满足不了用户的需求[16]。机床核心部件对外依存度非常高，长期依赖进口，有较大的贸易风险。受限于起步较晚，在高端数控机床领域，还是依赖进口。国产机床基本只能在低端产品上进行激烈的竞争，利润空间有限[17]。
数控技术虽然是随着数控机床而发展起来的，但它不是附属于数控机床，因此，数控技术通常是指机床数控技术[18]。机床数控技术由 3 部分组成，其中包括机床、数控系统和外围技术。数控机床还综合应用了电子、计算机、自动控制、精密测量等方面的技术，在发展上，行业内普遍认为有 5 个发展阶段[19]。
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第 2 章 叶轮轴的工艺设计分析
2.1 零件图分析
该风力驱动器中叶轮轴最为复杂和关键，见图 2.2。因为该零件图为研发过程中的模型，所以设计员设定模型的尺寸与实物之间的比例为 1:4。通过观察零件图发现需要车、铣复合加工，叶片部分加工难度较大，为实现功能性，叶轮轴和其它配合部件的同轴度也是急需解决的关键问题。
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2.2 毛坯的选用
毛坯是根据零件图中最大尺寸来确定的，要保证加工工艺要求的同时，选择适合的金属材料。
2.2.1 常见的毛坯种类
常见的毛坯种类包括铸件、锻件、型材等。不同类型的毛坯有着不同的应用场景。例如，形状比较复杂的零件，一般选用铸件作为毛坯，材料包括铸铁、钢和其它有色金属；形状简单但是对零件的力学性能有特殊需求的，一般采用锻件。
分析图 2.2 叶轮轴零件图，根据叶轮轴的性能要求，确定零件材料为 2A12高强度硬铝。为不影响零件的加工质量和生产率，应制定较合适的毛坯尺寸。一般来说，铸造或锻造得到的毛坯很难达到零件所要求的表面粗糙度和加工精度，所以要保留适合的加工余量，再由机械加工完成这些参数要求。如果留有的加工余量过多，就会增加机械加工时间，加大了机床的损耗、刀具的磨损、废屑的产生，导致生产成本的增加。如果留有的加工余量过少，会加大误差处理的难度，提高废品率。所以，保留适合的加工余量有很重要的现实意义。该零件属于单件小批量生产，可采用经验估算法来确定加工余量。根据观察零件图，留 4-5mm的余量，毛坯为 φ121×54mm。
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第 3 章 叶轮轴工艺改进及叶片加工误差分析................................. 23
3.1 叶轮轴的工艺问题分析.................................... 23
3.2 加工方法改进................................................. 24
第 4 章 叶轮轴的结构静力学分析及霍尔测速实验....................... 43
4.1 静力学分析软件..................................... 43
4.2 不同加工工艺的静力学分析过程.................................... 44
第 5 章 叶轮轴叶片数控加工数学模型与优化................................. 55
5.1 确定优化设计变量................................... 55
5.2 建立目标函数........................................ 55
第 5 章 叶轮轴叶片数控加工数学模型与优化
5.1 确定优化设计变量
对于整个零件的加工过程，需要重点考虑的是加工效率和加工成本两个参数。就该零件的整个加工工程而言，车序耗时要远低于铣序耗时，且考虑到刀具的平均磨损程度，车刀要低于铣刀，且铣刀的价格要远高于车刀。故对于铣序的工步参数优化更具有实际意义，本章主要考虑的加工工步为叶轮轴叶片的加工步骤。
在叶轮轴叶片加工时，排除硬性条件，影响叶片加工效率的主要参数主要有：粗铣时铣刀的切削速度 υa，主轴转速 na；精铣时铣刀的切削速度 υb，主轴转速nb。对叶片加工步骤进行优化时，主要有两个步骤需要考虑。一是叶片的粗铣加工，该阶段一般尽可能地切除毛坯多余的材料，得到叶片的接近尺寸；二是叶片的精铣加工，最终得到叶轮轴叶片的设计尺寸。
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第 6 章 结论
数控加工技术是在先进生产技术和社会产品生产需求的基础上产生的。本文在基于三轴数控加工技术的基础上，对风力驱动器叶轮轴的加工工艺设计、数控编程和工艺参数的优化进行了深入的研究，进一步提高了风力驱动器叶轮轴的加工效率。
完成了风力驱动器叶轮轴的工艺设计方案的改进。在对数控加工特点的了解基础上，对适合在三轴数控加工机床上进行操作的工件特征进行总结。确定了如何在数控机床中进行工件的工艺设计的基本方案。
完成了基于数控加工的叶轮轴加工工艺设计，叶轮轴在数控车床和数控铣床中的加工特征、加工方法和加工刀具的选择，还确定了定位基准以及工艺参数，制定了叶轮轴的加工工艺流程。
利用 ANSYS 有限元分析软件对叶轮轴叶片加工工艺改进前后做受力分析和叶轮轴工艺改进后强度分析。得到叶轮轴叶片工艺改进后受到的最大应力为15.508MPa，与理论标准件受到的最大应力更为接近。改进后叶轮轴叶片最大变形为 0.027mm，最大应力为 29MPa。该叶轮轴的最大应力远小于其抗拉强度，变形也非常小。证实叶轮轴叶片的工艺改进后，叶轮轴的强度完全满足使用要求，平均转速提高了 6.97%。
根据数控加工的特点，完成了风力驱动器叶轮轴的数控车和数控铣加工编程，针对叶轮轴的加工步骤进行了阐述。同时，在 UGNX10 三维建模下对叶轮轴进行了三维零件建模。对叶轮轴叶片部分进行了 UGNX10 和 CIMCOE 加工编程仿真操作，创建了铣刀在叶轮轴叶片加工过程中的运动轨迹和刀具路径，然后通过后置处理，自动生成叶轮轴叶片部分的铣加工程序。
参考文献（略）