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邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)
1 緒 論
1.1 CAD技術(shù)的發(fā)展歷程及趨勢
1.1.1 CAD簡介
CAD（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，Computer Aided Design）；是指工程技術(shù)人員以計(jì)算機(jī)為工具，應(yīng)用自身的知識和經(jīng)驗(yàn)，對產(chǎn)品進(jìn)行包括方案構(gòu)思總體設(shè)計(jì)、工程分析、圖形編輯和技術(shù)文檔整理等一切設(shè)計(jì)活動的總稱。
CAD是一個(gè)設(shè)計(jì)的過程，它是“在計(jì)算機(jī)環(huán)境下完成產(chǎn)品創(chuàng)造、分析和修改，以達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)”的過程。
一般認(rèn)為，CAD系統(tǒng)具有幾何建模、工程分析、模擬仿真、工程繪圖等主要功能。就目前CAD技術(shù)可實(shí)現(xiàn)的功能而言，CAD作業(yè)過程在設(shè)計(jì)人員進(jìn)行產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上從事產(chǎn)品的幾何造型，完成產(chǎn)品幾何模型的建立；提取模型中的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行工程分析和計(jì)算，例如有限元分析、仿真模擬等；根據(jù)計(jì)算結(jié)果決定對設(shè)計(jì)結(jié)果的修改，滿意后編輯全部設(shè)計(jì)文檔，輸出工程圖的一個(gè)完整過程。從CAD作業(yè)過程可以看出，CAD技術(shù)也是一項(xiàng)產(chǎn)品建模技術(shù)，它是將產(chǎn)品的物理模型轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)內(nèi)部的數(shù)據(jù)模型，以供后續(xù)的產(chǎn)品開發(fā)活動所共享，驅(qū)動產(chǎn)品生命周期的全過程。
一個(gè)功能完備的CAD系統(tǒng)包括設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫、應(yīng)用程序庫和多功能交互圖形庫。產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫儲存有各類標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、計(jì)算公式、經(jīng)驗(yàn)曲線等產(chǎn)品設(shè)計(jì)信息；應(yīng)用程序庫包括有常規(guī)的設(shè)計(jì)程序，優(yōu)化方法、有限元分析、可靠性分析等通用和專用的設(shè)計(jì)分析和計(jì)算程序；多功能交互圖形庫用于圖形處理，工程圖繪制、標(biāo)準(zhǔn)零部件圖庫的建立等圖形處理作業(yè)。
在CAD系統(tǒng)中，若加入人工智能技術(shù)，用計(jì)算機(jī)模擬人類專家解決問題的思路和方法進(jìn)行設(shè)計(jì)過程中的推理和決策。可大大提高設(shè)計(jì)過程自動化水平，對產(chǎn)品進(jìn)行功能設(shè)計(jì)、總體方案設(shè)計(jì)等產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)的過程，以實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品設(shè)計(jì)全過程提供有力的支持。
1.1.2 CAD技術(shù)的發(fā)展歷程
CAD技術(shù)起源于美國，它經(jīng)歷一個(gè)由二維設(shè)計(jì)技術(shù)向三維設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展的過程，早期的二維機(jī)械CAD技術(shù)實(shí)際上是計(jì)算機(jī)輔助繪圖（Computer Aided Prafting），它只是起到了一個(gè)電子圖版的作用，因?yàn)槎S機(jī)械CAD技術(shù)沒能很好地解決設(shè)計(jì)中最別扭的幾個(gè)問題，機(jī)構(gòu)幾何關(guān)系和運(yùn)動關(guān)系的分析討論問題、設(shè)計(jì)的更新與修改問題、設(shè)計(jì)工程管理問題等，所以二維機(jī)械CAD沒有起到真正的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的作用。于是人們渴望三維CAD技術(shù)的出現(xiàn)。
到目前為止，三維CAD技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了四次技術(shù)革命。第一次技術(shù)革命是曲面造型系統(tǒng)。20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的三維CAD系統(tǒng)只是極為簡單的線框式系統(tǒng)，由于缺乏形體的表面信息，CAM及CAE均無法實(shí)現(xiàn)。進(jìn)入70年代后，世界發(fā)達(dá)國家的汽車及飛機(jī)工業(yè)飛速發(fā)展，此時(shí)在飛機(jī)和汽車制造中遇到了大量的自由曲面問題，由于當(dāng)時(shí)制作出來的樣品與設(shè)計(jì)者想象的形狀有很大差異，于是出現(xiàn)的曲面造型系統(tǒng)CATIA為人類帶來了第一次CAD技術(shù)革命，CATIA改變了以往只能借助油泥模型里近似表達(dá)曲面的工作方式使人們可以用計(jì)算機(jī)進(jìn)行曲線、曲面的處理操作。它的出現(xiàn)首次實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)完整掃描產(chǎn)品零件主要信息的功能，同時(shí)也使得CAM技術(shù)的開發(fā)有了現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)，但是曲面造型技術(shù)只能描述零件形體的表面信息，難以準(zhǔn)確表達(dá)零件的其他特性，如質(zhì)量、重心、轉(zhuǎn)動慣量等，對CAE技術(shù)十分不利，而且該時(shí)期的造型技術(shù)基本上是以表面及線框造型技術(shù)為代表的無約束自由造型技術(shù)。由于軟件操作復(fù)雜，價(jià)格極其昂貴，中小企業(yè)根本無力問津，因此難以得到普及。于是1979年，美國的SDRC公司推出了世界上第一個(gè)基于實(shí)體造型技術(shù)的大型CAD/CAM軟件——I-DEAS。實(shí)體造型技術(shù)是CAD技術(shù)上的第二次技術(shù)革命。由于實(shí)體造型技術(shù)能夠準(zhǔn)確表達(dá)零件的全部屬性，在理論上有助于統(tǒng)一CAD、CAE、CAM的模型表達(dá)，給設(shè)計(jì)帶來了極大的方便，然而帶來了數(shù)據(jù)計(jì)算量的極度膨脹。在當(dāng)時(shí)硬件條件下，實(shí)體造型的計(jì)算及顯示速度很慢，因而實(shí)體造型技術(shù)沒有迅速在整個(gè)行業(yè)中全面推廣。在以后，美國的CV公司最先在曲面算法上取得了突破，計(jì)算速度提高較大，另外，由于CV公司提出了集成各種軟件為企業(yè)提供了全方位解決方案，采取了將軟件的運(yùn)行平臺向價(jià)格較低的小型機(jī)轉(zhuǎn)移的有利措施，一躍成為CAD領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者。
進(jìn)入20世紀(jì)80年代中期后，參數(shù)技術(shù)公司PTC（Parametric Technology Corp），開始研制被命名為Pro/ENGINEER的參數(shù)化軟件?！皡?shù)化”技術(shù)的出現(xiàn)，使僵硬的曲面、實(shí)體造型技術(shù)獲得了“智能化”彈性修改的魅力，充分體現(xiàn)出其在許多通用件、零部件設(shè)計(jì)上的簡便易行的優(yōu)勢，因而贏得了眾多中小企業(yè)的親瞇，使得它在20世紀(jì)90年代前后幾乎成為CAD業(yè)界的標(biāo)準(zhǔn)，稱之為CAD技術(shù)的第三次革命。PTC（Parametric Technology Corp）的Pro/E主導(dǎo)了這一潮流。
參數(shù)化造型技術(shù)特點(diǎn)是：基于特征、全尺寸約束、尺寸修改、全數(shù)據(jù)相關(guān)。只要按照系統(tǒng)規(guī)定的方式去操作，系統(tǒng)保證生成的設(shè)計(jì)的正確性及效率性，否則系統(tǒng)拒絕操作。其造型過程類似模擬工程師讀圖樣的過程，由關(guān)鍵尺寸、形體尺寸、定位尺寸一直到參考尺寸，無一遺漏全部看懂（輸入計(jì)算機(jī)）后，形體自然在腦子里（在屏幕上）形成。
Pro/ENGINEER也于1990前后成為CAD業(yè)界的標(biāo)準(zhǔn)。早期的Pro/E軟件性能低，只能完成簡單的工作，但由于第一次實(shí)現(xiàn)了尺寸驅(qū)動零件設(shè)計(jì)修改，使人們看到了它給設(shè)計(jì)者帶來的方便性。80年代末，計(jì)算機(jī)技術(shù)迅速發(fā)展，硬件成本大幅度下降，CAD技術(shù)硬件平臺成本從二十幾萬美元降到幾萬美元，許多中小企業(yè)也開始有能力使用CAD技術(shù)。由于他們的設(shè)計(jì)工作量并不大，零件形狀也不復(fù)雜，更重要的是他們無錢投資大型高檔軟件，因此他們把目光投向了中低檔的Pro/E軟件。PTC也正是因?yàn)槊闇?zhǔn)了這一中檔市場，才迎合眾多中小企業(yè)在CAD上的需求，一舉取得成功。進(jìn)入90年代，參數(shù)化技術(shù)變的比較成熟起來，充分體現(xiàn)出其在許多通用件，零部件設(shè)計(jì)上存在的簡便易行的優(yōu)勢。PTC也因此先行擠占了低端AutoCAD市場，繼而，PTC公司又試圖進(jìn)入高端CAD市場，與CATIA、SDRC、CV、UG等群雄在汽車及飛機(jī)制造業(yè)市場逐鹿。目前，PTC在CAD市場份額排名也名列前茅。
SDRC公司的開發(fā)人員以參數(shù)化技術(shù)為藍(lán)本，提出了一種比參數(shù)化技術(shù)更為先進(jìn)的實(shí)體造型技術(shù)——變量技術(shù)。作為今后的開發(fā)方向，它保留了參數(shù)化技術(shù)基于特征、全數(shù)據(jù)相關(guān)、尺寸驅(qū)動設(shè)計(jì)修改的優(yōu)點(diǎn)，但在約束定義方面做了根本性的改變，將參數(shù)化技術(shù)中所需定義的尺寸“參數(shù)”進(jìn)一步區(qū)分為形狀約束和尺寸約束。操作者可先決定所感興趣的形狀，然后再給出一些必要的尺寸，尺寸是否注全，不影響后續(xù)操作。同時(shí)又克服了它的許多不利之處，它的成功應(yīng)用，將為CAD技術(shù)的發(fā)展提供更大的空間和機(jī)遇，目前被視為CAD技術(shù)的第四次技術(shù)革命。SDRC的IDEASMaster Series堪稱該技術(shù)的代表作。變量化技術(shù)不僅可以做到尺寸驅(qū)動，也可以實(shí)現(xiàn)約束驅(qū)動，即由工程關(guān)系來驅(qū)動幾何形狀的改變。
三維CAD技術(shù)符合人的設(shè)計(jì)思維習(xí)慣，整個(gè)設(shè)計(jì)可以完全在三維模型上討論，直觀形象。另外，應(yīng)用三維CAD設(shè)計(jì)能建立充分和完整的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫，并以此為基礎(chǔ)，進(jìn)一步進(jìn)行應(yīng)力/應(yīng)變分析、質(zhì)量屬性分析、空間運(yùn)動分析、裝配干涉分析、模具設(shè)計(jì)與NC可加工性分析、高效率及高正確率的二維工程圖生成、外觀效果和造型效果評價(jià)等工作，因而三維CAD技術(shù)才是真正意義上的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)（Computer Aided Design）。
1.1.3 CAD技術(shù)的發(fā)展趨勢
圍繞創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力的提高和網(wǎng)絡(luò)計(jì)算環(huán)境的普及，CAD技術(shù)的發(fā)展趨勢主要圍繞以下七個(gè)方面：
標(biāo)準(zhǔn)化：除了CAD支撐軟件逐步實(shí)現(xiàn)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，面向標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件（零部件庫）標(biāo)準(zhǔn)化方法也已成為CAD技術(shù)的必備內(nèi)容，是向著合理化的程度設(shè)計(jì)的應(yīng)用方向發(fā)展。
并行化：并行化是機(jī)械設(shè)計(jì)的大趨勢，CAD技術(shù)提供對并行設(shè)計(jì)的支撐是CAD技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。
集成化：集成化主要體現(xiàn)在CAX/PDM/ERP技術(shù)經(jīng)過集成，形成企業(yè)一體化的技術(shù)或系統(tǒng)，進(jìn)而打主動企業(yè)信息化的進(jìn)程。
自動化：傳統(tǒng)的CAD系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了自動化進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，但這些還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，至少還包括這樣幾個(gè)方面，自動設(shè)計(jì)方案，自動獲取資料，三維實(shí)體的自動重建。必須推出的是CAD技術(shù)的發(fā)展目標(biāo)不是實(shí)現(xiàn)“完全的自動化”，而是以一種符合設(shè)計(jì)人員習(xí)慣的方式，幫助他們完成設(shè)計(jì)工作。
開放性：CAD系統(tǒng)目前廣泛建立在開放式操作系統(tǒng)（Windows窗口系統(tǒng)、UNIX平臺、LINUX平臺）之上；此外，各種成熟的CAD系統(tǒng)還為終端用戶提供了3次開發(fā)環(huán)境，使用戶可根據(jù)需要定制自己的CAD系統(tǒng)。
網(wǎng)絡(luò)化：網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)和翻譯技術(shù)相互滲透而又緊密結(jié)合產(chǎn)物，CAD的智能化特性主要體現(xiàn)在CAD系統(tǒng)本身的智能化特性、人機(jī)智能交互接口、設(shè)計(jì)工程和設(shè)計(jì)結(jié)果的智能顯示。
因此我們發(fā)現(xiàn)智能CAD技術(shù)發(fā)展的必然方向，知識工程與CAD技術(shù)的有機(jī)集成是實(shí)現(xiàn)智能CAD的必然途徑，智能CAD系統(tǒng)是基于知識驅(qū)動的CAD系統(tǒng)。
1.2 Pro/ENGINEER簡介
Pro/ENGINEER是美國參數(shù)技術(shù)公司（PTC）推出的新一代CAD/CAE/CAM軟件，它具有基于特征全參數(shù)、全相關(guān)，單一數(shù)據(jù)庫特點(diǎn)，自推出以來，由于強(qiáng)大的功能它很快得到業(yè)內(nèi)人士的普遍歡迎，并迅速成為當(dāng)今世界最為流行的CAD軟件之一。目前，Pro/ENGINEER已成為易學(xué)易用的百萬級CAD/CAE/CAM應(yīng)用軟件，并風(fēng)靡世界各地。在中國，自20世紀(jì)90年代中期以來，許多大型企業(yè)開始選用Pro/ENGINEER，至今該軟件已擁有相當(dāng)大的用戶群。同時(shí)國內(nèi)許多大學(xué)也紛紛運(yùn)用Pro/ENGINEER作為教學(xué)和研究開發(fā)的基礎(chǔ)軟件平臺。
參數(shù)化實(shí)體造型技術(shù)是Pro/ENGINEER系統(tǒng)的核心技術(shù)，其主要特點(diǎn)是基于、全尺寸約束、尺寸驅(qū)動設(shè)計(jì)修改及全數(shù)據(jù)相關(guān)。
基于特征：將某些具有代表性實(shí)體幾何形狀定義為特征，并將其所有尺寸存為可變參數(shù)，以此為基礎(chǔ)來進(jìn)行更為復(fù)雜的幾何形體構(gòu)造。222
全尺寸約束：將形狀尺寸聯(lián)合起來考慮，通過尺寸約束實(shí)現(xiàn)對幾何形狀的控制。造型必須以完整的尺寸參數(shù)為出發(fā)點(diǎn)（全約束），不能漏標(biāo)尺寸（欠約束），不能多標(biāo)尺寸（過約束）。
尺寸驅(qū)動設(shè)計(jì)修改：通過編輯尺寸數(shù)值來驅(qū)動幾何形狀的改變。
全數(shù)據(jù)相關(guān)：尺寸參數(shù)的修改導(dǎo)致其他相關(guān)模塊中的相關(guān)尺寸得以全盤更新。采用參數(shù)化技術(shù)的好處在于它徹底改變了自由建模的無約束狀態(tài)，幾何形狀均以尺寸的形式被有效控制，如打算修改零件形狀，只需編輯一下尺寸的數(shù)值，即可實(shí)現(xiàn)形狀的改變。尺寸驅(qū)動已經(jīng)成為當(dāng)今造型系統(tǒng)的基本功能，無此功能的造型系統(tǒng)已基本不存在了。Pro/ENGINEER與傳統(tǒng)的僅提供繪圖工具的CAD系統(tǒng)有著極大的不同。前者提供了一個(gè)完整的機(jī)械產(chǎn)品解決方案，包括工業(yè)設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)，加工制造，機(jī)構(gòu)分析、有限元分析和產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫管理，基本包括產(chǎn)品生命周期的管理等。
Pro/ENGINEER是建立在單一數(shù)據(jù)庫的CAD/CAM/CAE軟件，它不像一些傳統(tǒng)的CAD/CAM系統(tǒng)建立在多個(gè)數(shù)據(jù)庫上。所謂單一數(shù)據(jù)庫，就是工程中的數(shù)據(jù)全部來自一個(gè)數(shù)據(jù)庫，使得多個(gè)獨(dú)立用戶可以同時(shí)為一個(gè)產(chǎn)品的造型而工作。換言之，在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中的任何一處發(fā)生參數(shù)改動，可以反應(yīng)至整個(gè)設(shè)計(jì)過程的相關(guān)環(huán)節(jié)，此種功能稱之為全相關(guān)。舉例來說，如果二維工程圖有所改變，零件的三維模型會相應(yīng)改變，NC加工路徑也會自動更新。單一數(shù)據(jù)庫技術(shù)和全相關(guān)功能，為并行工程的實(shí)施提供了一個(gè)很好的軟件平臺。
2 基于Pro/E的液壓泵變量活塞Ⅰ零件的三維建模
2.1 建立零件的毛坯模型
在工具欄中點(diǎn)擊“新建”按鈕，出現(xiàn)新增對話框，在類型下選取“零件”并取名“maopei”。單擊“確定”按鈕，進(jìn)如草繪環(huán)境界面，如圖2-1 。單擊菜單管理器上（如圖2-2）的“特征”、“創(chuàng)建”、“加材料”、“旋轉(zhuǎn)”、“完成”、“完成”，選“Top平面”、“正向”、“缺省”，依次在菜單管理器中單擊“360”、“完成”，最后在伸出項(xiàng)：旋轉(zhuǎn)對話框中單擊“確定”，完成的三維實(shí)體模型如圖2-3：
圖2-1 草繪環(huán)境界面
圖2-2 菜單管理器 圖2-3 創(chuàng)建的毛坯
2.2 零件的三維建模
第一步： 新建文件
單擊窗口上部工具欄中的“創(chuàng)建新對象”按鈕，打開新建對話框，在名稱欄中輸入“Huosai”作為文件名，單擊“確定”按鈕，打開“新文件”選項(xiàng)，進(jìn)入草繪環(huán)境界面，如圖2-4所示。
圖2-4 草繪環(huán)境界面
第二步：以拉伸方式創(chuàng)建加材料特征
在菜單管理器當(dāng)中依次單擊“特征”、“創(chuàng)建”、“加材料”、“旋轉(zhuǎn)”、“完成”、“單側(cè)”、“完成”后，點(diǎn)Top平面，再單擊“正向”、“缺省”，進(jìn)入二維草圖繪制界面，如圖2-5所示。
圖2-5 繪制草繪圖 圖2-6 創(chuàng)建的圓柱面特征
然后點(diǎn)擊，在菜單管理器當(dāng)中依次單擊“360”、“完成”、“確定”后，
完成的模型如圖2-6。
第三步：以旋轉(zhuǎn)方式創(chuàng)建切減材料特征槽
（1）在菜單管理器當(dāng)中依次單擊“特征”、“創(chuàng)建”、“切減材料”、“旋轉(zhuǎn)”、“完成”，接受缺省選項(xiàng)，選Top平面，再點(diǎn)擊“正向”、“缺省”，進(jìn)入二維草圖繪制界面，繪制草繪圖。點(diǎn)擊，在菜單管理器當(dāng)中點(diǎn)擊“360”、“完成”，再從切剪：旋轉(zhuǎn)對話框中點(diǎn)擊“缺定”按鈕。
（2）復(fù)制槽：在菜單管理器當(dāng)中依次點(diǎn)擊“復(fù)制”、“移動”、“完成”，選取平移的特征后，點(diǎn)擊“完成”、“平移”、“曲線/邊/軸”，用查詢方式選取A-1（軸）：F5（伸出項(xiàng)），點(diǎn)擊查詢列表中“接受”按鈕，再點(diǎn)擊“反向”、“正向”。從草繪界面輸入偏距距離為5，點(diǎn)擊，在菜單管理器當(dāng)中依次點(diǎn)擊“完成”、 “移動”、 “完成”，從組元素對話框中點(diǎn)擊“確定“按鈕。
（3）陣列槽：在菜單管理器當(dāng)中依次點(diǎn)擊“陣列”， 選取上一次復(fù)制的特征后，點(diǎn)擊“完成”，在草繪環(huán)境界面中輸入尺寸增量5，點(diǎn)擊“完成”，完成小外圓處的槽如圖2-7。
圖2-7 創(chuàng)建的小外圓槽特征 圖2-8創(chuàng)建的大外圓槽特征
（4）以同樣的方式創(chuàng)建大外圓處的槽，完成的特征如圖2-8。
第四步：以旋轉(zhuǎn)方式創(chuàng)建切減材料特征孔φ22孔
在菜單管理器當(dāng)中依次單擊“特征”、“創(chuàng)建”、“切減材料”、“旋轉(zhuǎn)”、“完成”，接受缺省選項(xiàng)，選Top平面，再點(diǎn)擊“正向”、“缺省”，進(jìn)入二維草圖繪制界面，繪制草繪圖。點(diǎn)擊 ，在菜單管理器當(dāng)中依次單擊“正向”、“360”、“完成”后，在切剪：旋轉(zhuǎn)對話框中點(diǎn)擊“確定”按鈕，創(chuàng)建的特征如圖2-9。
圖2-9創(chuàng)建的φ22孔特征 圖2-10 創(chuàng)建的平面C特征
第五步：以拉伸方式創(chuàng)建切減材料特征平面 C。
在菜單管理器當(dāng)中依次單擊“特征”、“創(chuàng)建”、“切減材料”、“旋轉(zhuǎn)”、“完成”，接受缺省選項(xiàng)，選取直徑為54的外圓的截面為草繪平面，再點(diǎn)擊“正向”、“缺省”，進(jìn)入二維草圖繪制界面，繪制草繪圖。點(diǎn)擊 ，在菜單管理器當(dāng)中依次單擊“正向”、“至曲面”、“完成”， 選取直徑為55的外圓的右段截面，創(chuàng)建的特征如圖2-10。
第六步：以拉伸方式創(chuàng)建切減材料特征7.7平面
在菜單管理器當(dāng)中依次單擊“特征”、“創(chuàng)建”、“切減材料”、“拉伸”、“完成”，接受缺省選項(xiàng)，再點(diǎn)擊“完成”、“產(chǎn)生基準(zhǔn)”、“偏距”、選取Front為參考平面，繪制草繪圖。點(diǎn)擊 ，在菜單管理器當(dāng)中依次單擊“正向”、“完成”，輸入值7.7。在切剪：拉伸對話框中點(diǎn)擊“確定”按鈕，創(chuàng)建的特征如圖2-11。
圖2-11 創(chuàng)建的特征7.7平面 圖2-12 繪制M5-6H底孔草繪圖
第七步：以拉伸方式創(chuàng)建切減材料特征M5-6H孔
在菜單管理器當(dāng)中依次單擊“特征”、“創(chuàng)建”、“切減材料”、“拉伸”、“完成”，接受缺省選項(xiàng)，再點(diǎn)擊“完成”，選取7.7平面，點(diǎn)擊“正向”、“缺省”，進(jìn)入二維草圖繪制界面，繪制草繪圖如圖2-12所示。點(diǎn)擊 ，在菜單管理器當(dāng)中點(diǎn)擊“完成”，輸入深度值12，在切剪：拉伸對話框中點(diǎn)擊“確定”按鈕，創(chuàng)建的特征如圖2-13。
圖2-13 創(chuàng)建特征M5-6H底孔 圖2-14 創(chuàng)建特征M5-6H
第八步：以螺旋掃描方式創(chuàng)建螺紋特征
在菜單管理器當(dāng)中依次單擊“特征”、“創(chuàng)建”、“切減材料”、“高級”、“完成”、“ 螺旋掃描”、“完成”，接受缺省選項(xiàng)，再點(diǎn)擊“完成”、“產(chǎn)生基準(zhǔn)”、“穿過”、“A-11軸”、“完成”、“正向”， 進(jìn)入二維草圖繪制界面，繪制草繪圖。點(diǎn)擊 ，輸入節(jié)距值為1，繪制草繪圖。點(diǎn)擊 ，在菜單管理器當(dāng)中點(diǎn)擊“正向”，在切剪：螺旋掃描對話框中點(diǎn)擊“確定”按鈕，創(chuàng)建的特征如圖2-14。
第九步：以旋轉(zhuǎn)方式創(chuàng)建切減材料特征孔φ25孔
在菜單管理器當(dāng)中依次單擊“特征”、“創(chuàng)建”、“切減材料”、“旋轉(zhuǎn)”、“完成”，接受缺省選項(xiàng)，選Top平面，再點(diǎn)擊“正向”、“缺省”，進(jìn)入二維草圖繪制界面，繪制草繪圖。點(diǎn)擊 ，在菜單管理器當(dāng)中依次單擊“正向”、“360”、“完成”后，在切剪：旋轉(zhuǎn)對話框中點(diǎn)擊“確定”按鈕，創(chuàng)建的特征如圖2-15。
圖2-15 創(chuàng)建φ25孔 圖2-16創(chuàng)建活塞零件
第十步：進(jìn)行倒角
在菜單管理器當(dāng)中依次單擊“特征”、“創(chuàng)建”、“邊”、“45×d”，輸入倒角尺寸為1，點(diǎn)擊，再選取倒角的邊，點(diǎn)擊倒角對話框中“確定”按鈕，完成的模型如圖2-16。
上述是完成的產(chǎn)品即是變量活塞，完成這個(gè)零件要分十步?？梢灾涝赑ro/E當(dāng)中如何繪制這種零件的。它可以帶來很多方便，也很形象讓人知道實(shí)體是怎么來的。
第十一步：創(chuàng)建剖視圖
在菜單管理器當(dāng)中依次單擊“特征”、“創(chuàng)建”、“偏距”、“完成”輸入截面名稱A，創(chuàng)建的截面如圖2-17。同理也要?jiǎng)?chuàng)建截面名稱B，創(chuàng)建的截面如圖2-18。
圖2-17 A截面 圖2-18 B截面
第十二步：進(jìn)入工程圖模式
在工具欄上點(diǎn)擊“新建”、“繪圖”、輸入名稱“Huosai”，再點(diǎn)擊“確定”。 在新制圖對話框中如圖2-19，在缺省模型中點(diǎn)“瀏覽”選中剛創(chuàng)制的“HUOSAI. PRT”，在指定模版中點(diǎn)擊“空”，在標(biāo)準(zhǔn)大選A4。單擊“確定”，進(jìn)入工程圖模式如圖2-20。
圖2-19 新制圖對話框 圖2-20菜單管理器
第十三步：創(chuàng)建三視圖
（1）在菜單管理器當(dāng)中依次單擊“視圖”、“增加視圖”、“截面”、“部分視圖”、“完成”，接受其它缺省選項(xiàng)，再點(diǎn)擊“完成”，在定位對話框中選取參照1：水平軸，單擊“確定”，選取截面名稱A，單擊“完成”，在窗口圖框內(nèi)的左上角單擊，放置視圖。
（2）在菜單管理器當(dāng)中依次單擊“增加視圖”、“截面”、“部分視圖”、“完成”，接受其它缺省選項(xiàng)，再點(diǎn)擊“完成”， 選取截面名稱B，單擊“完成”，在窗口圖框內(nèi)的右上角單擊，放置視圖。
（3）在菜單管理器當(dāng)中依次單擊“增加視圖”、“投影”、“完成”，在繪圖區(qū)域中選擇繪制的視圖的中心點(diǎn)將出現(xiàn)俯視圖。
（4）在菜單管理器當(dāng)中依次單擊“增加視圖”、“一般”、“完成”，在繪圖區(qū)域中選擇繪制的視圖的中心點(diǎn)將出現(xiàn)三維模型圖。最后創(chuàng)建的工程圖如圖2-21：
圖2-21 創(chuàng)建的三視圖
32
3 液壓泵變量活塞Ⅰ零件的工藝規(guī)程設(shè)計(jì)
3.1 零件的分析
3.1.1 零件的作用
液壓泵變量活塞是一個(gè)很重要的零件。它的加工要求較高，尤其兩外圓的精度很高，既要保證間隙0.015mm～0.025mm，又要保證與件701相配合。
活塞兩端的截面積不等，由P=F×S知,缸內(nèi)油的壓強(qiáng)通過活塞來控制,進(jìn)而調(diào)節(jié)油的流量,而七槽用于減少油的摩擦及擠壓.
3.1.2 零件的工藝分析
由液壓件廠加工的要求,材料是40Cr,該材料是合金調(diào)質(zhì)鋼,調(diào)質(zhì)后強(qiáng)度比碳鋼高,用于制造在重載荷作用下同時(shí)受沖擊載荷作用的一些重要零件,要求零件具有高強(qiáng)度、高韌性相結(jié)合的良好綜合性能。
該零件的主要加工表面有：φ55外圓、φ40外圓、φ54外圓、φ39外圓、φ25孔、7.7平面及平面C。
φ55外圓與φ40外圓圓柱度都為0.0025mm，φ55外圓與φ40外圓軸心線的同軸度為0.006mm，且兩端保證間隙0.015mm～0.025mm，保證與件701相配合；φ55外圓與φ40外圓要求經(jīng)濟(jì)精度公差等級為IT6，經(jīng)濟(jì)粗糙度Ra值為0.1mm；φ22孔與φ25孔鉆孔后要求有退刀槽，以保證加工精度，不留毛刺。
3.2 工藝規(guī)程設(shè)計(jì)
3.2.1 確定毛坯的制造形式和機(jī)械加工余量
根據(jù)零件材料確定為鍛件，生產(chǎn)綱領(lǐng)為中批量生產(chǎn)。毛坯鍛造方法選用模鍛件，是在鍛錘或壓力機(jī)上通過專用鍛模而鍛制成形的鍛件。它的的精度和表面質(zhì)量均比自由鍛造好，可以使毛坯形狀更接近工件形狀，加工余量小。同時(shí)由于模鍛件的材料纖維組織分布好，鍛制件的機(jī)械強(qiáng)度高。而且模鍛件的生產(chǎn)效率高，需要專用的模具，因此，主要適用于批量較大的中小型零件。
由參考文獻(xiàn)[1]表2.3-5，用查表法確定各表面的總余量如表2-1所示。
表2-1加工表面總余量（mm）
加工表面
基本尺寸
加工余量值
A面輪廓尺寸
250
4
B面輪廓尺寸
250
4
φ55外圓
55
5
φ54外圓
54
5
φ39外圓
39
5
φ40外圓
40
5
由參考文獻(xiàn)[1]表2.3-9可得鍛件的主要尺寸的公差如表2-2所示。
表2-2 主要毛坯尺寸（mm）
主要面尺寸
零件尺寸
總余量
毛坯尺寸
A面輪廓尺寸
250
4
254
A面輪廓尺寸
250
4
254
φ55外圓
55
5
60
φ54外圓
54
5
59
φ39外圓
39
5
44
φ40外圓
40
5
45
3.2.2 基準(zhǔn)的選擇
定位基準(zhǔn)有粗基準(zhǔn)和精基準(zhǔn)之分。零件開始加工時(shí)，所有面均未加工，只能毛坯面作定位基準(zhǔn)。這種以毛坯面作定位基準(zhǔn)的稱為粗基準(zhǔn)；以后加工必須以加工的表面作定位基準(zhǔn)，以加工的表面作定位基準(zhǔn)的稱為精基準(zhǔn)。
3.2.2.1 精基準(zhǔn)的選擇原則
選擇精基準(zhǔn)時(shí)，重點(diǎn)考慮是如何減少工件的定位誤差，保證工件的加工精度，同時(shí)，也要考慮工件裝卸方便、夾具結(jié)構(gòu)簡單，一般遵守下列原則：
（1） 基準(zhǔn)統(tǒng)一的原則（2）基準(zhǔn)重合原則（3）自為基準(zhǔn)原則（3）互為基準(zhǔn)原則（4）裝夾方便原則
以上幾項(xiàng)原則，每項(xiàng)原則只能說明一個(gè)方面的問題，理想的情況是使基準(zhǔn)既“重合”又“統(tǒng)一”。同時(shí)又能使定位穩(wěn)定、可靠，操作方便，夾具結(jié)構(gòu)簡單。但實(shí)際運(yùn)用中往往出現(xiàn)相互矛盾的情況，就要從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面進(jìn)行綜合分析，抓住主要的矛盾，進(jìn)行合理分析。
因此，由液壓泵變量活塞的加工要求及精度，應(yīng)選兩端面上的中心孔為精基準(zhǔn)，符合基準(zhǔn)重合原則，即軸心線作為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，兩端面上的中心孔為定位基準(zhǔn)，遵循基準(zhǔn)重合原則，同時(shí)，又較好的保證各個(gè)加工面的位置精度，各工序所用夾具定位方式統(tǒng)一，可減少夾具的設(shè)計(jì)、制造工作量，遵循基準(zhǔn)統(tǒng)一原則。
3.2.2.2 粗基準(zhǔn)的選擇原則
選擇粗基準(zhǔn)時(shí)，重點(diǎn)考慮如何保證加工面都能分配到合理的加工余量，保證加工面與不加工面的位置尺寸和位置精度，同時(shí)還要為后續(xù)工序提供可靠精基準(zhǔn)。具體選擇應(yīng)遵循下列原則：
（1） 為了保證零件各個(gè)加工面都能分配到足夠的加工余量，應(yīng)選加工余量小的面為粗基準(zhǔn)。
（2） 為了保證零件加工面與不加工面的相對位置要求，應(yīng)選不加工面為粗基準(zhǔn)。
（3） 為了保證零件重要表面加工余量均勻，應(yīng)選重要表面為粗基準(zhǔn)。
（4） 為了使定位可靠、穩(wěn)定，應(yīng)選毛坯尺寸和位置比較可靠平整光潔面作粗基準(zhǔn)。
（5） 粗基準(zhǔn)應(yīng)盡量避免重復(fù)使用，特別在同一尺寸方向上只允許裝夾使用一次。
因此分析活塞零件的加工要求及精度，應(yīng)選φ54外圓為粗基準(zhǔn)，依次在兩端車端面及打中心孔。
3.2.3 制定工藝路線
根據(jù)各表面的加工要求和各種加工方法能達(dá)到的經(jīng)濟(jì)精度，確定各表面的加工方法如下：
各外圓都需要粗車、精車、粗磨的加工方法，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)粗糙度為0.1mm 的要求；φ25孔采用在車床上鉆孔，再擴(kuò)、鉸，以便達(dá)到經(jīng)濟(jì)粗糙度為1.6mm的要求，然后在車床上車退刀槽；φ22孔在車床上先鉆孔，再車退刀槽。
因?yàn)橐皂敿饪锥ㄎ?，可粗車、精車出各外圓，在一次裝夾下，加工出來保證加工精度。
根據(jù)先面后孔，先主要表面后次要表面和先粗加工后精加工的原則，將各外圓先粗車出來，再精車，最后磨各外圓。φ25孔先鉆出來，在熱處理后再進(jìn)行擴(kuò)、鉸孔，以達(dá)到尺寸的要求。
初步擬訂加工工藝路線如下：
工序號
工 序 內(nèi) 容
1
鍛 造
2
正 火
3
車兩端面、鉆中心孔
4
粗車各外圓、倒角
5
車右端各外圓及槽
6
車左端各外圓及槽
7
鉆φ22孔、切槽4×0.5
8
銑平面C
9
車φ25孔、切槽4×0.5
10
銑7.7平面
11
擴(kuò)、鉸φ 25孔
12
鉆 、攻 M5-6H
13
熱處理：淬火HRC40
14
粗 磨 各 外 圓
15
檢 驗(yàn)
16
入 庫
上述方案遵循了工藝路線擬訂的一般原則，但某些工序有些問題還值得進(jìn)一步討論。
工序7應(yīng)在工序6之前完成。因?yàn)殂@φ22孔在車床上進(jìn)行，當(dāng)工序5完成之后就加工φ22孔。
工序12應(yīng)安排在工序10后。因?yàn)殂?.7平面后，可在鉆床上加工螺紋孔并攻絲。
工序號
工序內(nèi)容
1
鍛造
2
正火
3
車兩端面、打中心孔
4
粗車各外圓，留2㎜余量，倒角
5
以中心孔定位，車右端各外圓及槽，留磨削余量0.3㎜
6
在車床上車φ22孔，切槽4×0.5
7
車左端外圓及槽，留磨削余量0.3㎜
8
銑平面C
9
用專用夾具裝夾，車φ25孔及槽，倒角
10
擴(kuò)、鉸φ25孔
11
銑7.7平面
12
鉆，攻M5-6H
13
熱處理，表面高頻淬火HRC40
14
磨各外圓至圖紙尺寸
15
清理、入庫
3.3 加工設(shè)備及刀、夾、量具的選擇
因?yàn)樯a(chǎn)為中批量生產(chǎn)，故以通用機(jī)床、專用夾具為主，可以提高生產(chǎn)效率，夾具的精度與工序的加工精度。工件在各機(jī)床間的傳遞均由人工完成。
刀具是影響切削加工的重要工具，合理的選用刀具是保證產(chǎn)品質(zhì)量和提高切削效率的重要條件。在選擇刀具型式和結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)考慮以下主要因素：
(1)生產(chǎn)性質(zhì)(2)機(jī)床類型(3)工藝方案(4)工件的形狀和尺寸(5)加工精度(6)加工表面的粗糙度(7)工件的材料(8)生產(chǎn)率
常用的刀具材料主要是高速鋼和硬質(zhì)合金剛兩大類。應(yīng)選用硬質(zhì)合金剛材料的刀具。
車端面、倒角、車槽都可以用CA6140車床加工完成（參考文獻(xiàn)[3]：表9－6）。選擇YT15硬質(zhì)合金車刀（參考文獻(xiàn)[3]：表18－20）、通用夾具、游標(biāo)卡尺。
銑7.7的平面。選擇X62W臥式銑床（參考文獻(xiàn)[1]：表3.1－73）。選擇直徑D為23mm硬質(zhì)合金螺旋齒直柄立銑刀（參考文獻(xiàn)[3]：表21-21）、專用夾具和游標(biāo)卡尺。
鉆螺紋孔并攻絲。所加工的最大鉆孔直徑5mm，選用搖臂鉆床Z3025（參考文獻(xiàn)[1]：表3.1－30）。鉆孔用錐柄麻花鉆（參考文獻(xiàn)[3]：表20－2），采用專用夾具。攻螺紋選用搖臂鉆，采用機(jī)用絲錐（參考文獻(xiàn)[1]：表4.6-3）、絲錐夾頭、專用夾具和螺紋塞規(guī)。
銑平面C。選擇X62W臥式銑床（參考文獻(xiàn)[1]：表3.1－73）。選擇與工序4相同的刀具，采用專用夾具及游標(biāo)卡尺。
鉆φ22孔并切槽4×0.5。用CA6140車床加工完成（參考文獻(xiàn)：表9－6）。選用錐柄麻花鉆（參考文獻(xiàn)[3]：表20－2）、采用通用夾具及游標(biāo)卡尺、塞規(guī)。
鉆、擴(kuò)、鉸φ25孔。用CA6140車床加工完成（參考文獻(xiàn)[3]：表9－6）。選用錐柄麻花鉆（參考文獻(xiàn)[3]：表20－2），選用錐柄機(jī)用鉸刀。擴(kuò)孔選用高速鋼錐柄擴(kuò)孔鉆（參考文獻(xiàn)[3]：表20－23）。選用專用夾具、快換夾頭、游標(biāo)卡尺、塞規(guī)。
磨各外圓選用外圓磨床M1412（參考文獻(xiàn)[2]：表14－16），選用專用夾具、游標(biāo)卡尺。
3.4 加工工序設(shè)計(jì)
（1）車端面、車槽及倒角
查文獻(xiàn)[1]:3.2－2，車外圓加工余量：粗車加工余量為2.5mm，精車的加工余量為2.3mm，又根據(jù)表2-1加工表面總余量知。查文獻(xiàn)[2]:1-10，硬質(zhì)合金車刀粗車外圓的進(jìn)給量0.4mm/r，精車進(jìn)給量為0.2mm/r。又由參考文獻(xiàn)[2]：表1-12取110m/min，實(shí)際的切削速度是通過機(jī)床轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)的計(jì)算式為：
用ngyong