工艺规程设计是工厂工艺部门的一项经常性技术工作, 是生产准备工作的第一步, 也是连接产品设计和产品制造的中间环节。传统的工艺规程设计一直是由具有丰富实践经验的工艺工程师担任。随着计算机技术的发展, 计算机辅助工艺过程设计( CAPP )大量取代工艺工程师繁重的重复劳动。计算机技术的发展及其在机械制造领域中的广泛应用, 为工艺过程设计提供了理想的工具。CAPP上与CAD 相接,下与CAM 相连,从而形成了一种新型的现代的设计与制造技术。CAPP系统按其工作原理可分成3 种形式: 检索式、派生式、创成式。这三种形式的基础是零件工艺的三种类型: 标准工艺、典型工艺、生成工艺。其中,创成式CAPP 的计算机辅助工艺设计最为复杂。
创成式CAPP 又叫生成式。它与派生式CAPP 不同,不以对典型工艺的检索和修改为基础。它是根据输入的或者是直接从CAD 系统获得的零件信息, 依靠系统中的工艺数据和决策方式自动生成零件的工艺过程的系统。根据具体零件,系统能自动产生零件加工所需的各个工序和加工顺序, 自动提取制造知识, 自动完成机床选择、工夹量具选择和加工过程最优化; 通过应用工艺决策逻辑, 可以模拟工艺设计人员的决策过程。创成式CAPP工艺设计可完成复杂的多层次、多任务的决策过程。它涉及到选择、计算、规划、绘图以及文件编辑等工作。
创成式CAPP 系统不以标准工艺规程为基础, 而是从零开始由软件系统根据零件信息直接生成一个新的工艺规程。当系统选择了零件各个表面的加工方法以及安排了加工顺序后,就要进行详细的工序设计。对于数控机床上加工的零件更为重要。创成式CAPP在数控机床上进行零件的数控加工的过程大体有以下几个流程:
1. 切削表面加工方法的选择
加工方法选择实际上是将零件信息与工厂的加工能力信息进行匹配的过程。零件是由许多表面组成的,往往包含有多种典型的切削表面, 如外圆、孔、槽、平面、成形表面等等。对于每一种典型切削表面,均可列出各种加工方法所能达到的精度及表面粗糙度。因此,在识别或理解了零件切削表面的信息后,便可根据具体情况,选择最合适的加工方法。加工方法的选择需要一系列的逻辑决策。典型的加工方法是指在分析、总结企业内部各种生产工艺方法、生产经验以及与加工有关的规范后提出的带有一般指导意义的选择加工方法的准则。它随着设备更新、生产工艺发展而变化,所以具有较大灵活性。有的准则是模糊的,这就是工序设计的非一致性。这些特点在用计算机辅助工序决策时应给以适当考虑。
2. 加工顺序的安排
加工顺序是指工序的先后排列, 它与加工质量、生产率和经济性密切相关。安排加工顺序首先要考虑的就是工艺基准面,尤其是定位基准。定位基准选择时应按机械制造工艺学的要求, 按粗、精基准的选择原则进行。机械加工顺序、热处理工序、辅助工序以及在加工中心机床上进行的加工, 均应按机械制造工艺学中的加工顺序安排的要求进行。
总之,加工顺序的安排是一个比较复杂的问题,要考虑的问题很多, 实际情况也灵活多变。目前, 这方面的决策逻辑研究尚不成熟,很难总结出通用的决策模式, 只能按具体生产环境和特定零件对象, 设计相应的决策模式。
3. 机床及工艺装备的选择
机床选择对工序的加工质量、生产率和经济性都有很大影响。它与加工方法、切削力、切削功率和机床利用率都有关系。
机床选择时, 可将CAPP 系统内预先建立的机床数据库中的机床规格信息与零件信息、零件所选择的加工方法信息相比较,然后作出决策。一般可先按零件及其加工方法的要求作出初选; 然后再根据选得的切削用量计算出切削力、切削功率进行校核; 有的系统还可根据机床利用率进行适当的调整。
工艺装备(刀具、夹具) 的选择与机床选择类似,即同样需要根据零件信息、零件所选择的加工方法信息去和预先建立在工装数据库中的信息相比较, 然后作出决策。当没有现成的通用工装可利用时, CAPP系统就应提出专用工装设计的要求。
4. 加工余量的确定
加工余量的确定通用的有3 种方法: 即分析计算法、查表法和经验法。
用分析计算法确定加工余量必须有充分的资料及统计数据。查表法是根据资料整理而得到的通用表格直接查出工序间余量推荐值, 比较方便迅速。但因表格是通用的,无法考虑具体情况。经验法是工艺人员依据经验来确定加工余量。
5. 工序尺寸及公差的确定
一般采用“由后往前”的方法, 先按零件图要求,确定最终工序的尺寸及公差,再按选定的加工余量推算出前工序的尺寸。公差按本工序加工方法的精度来给出。
当工序设计中存在基准转换时, 就需要进行工序尺寸换算,即用工艺尺寸链求解。此时, 可通过建立数学模型用计算机求解。利用数学模型求解的方法和步骤如下:
( 1 ) 建立尺寸联系矩阵。尺寸联系矩阵是一种数学模型,反映了零件加工过程中毛坯尺寸、工序尺寸、最终尺寸及其相互间的联系。它由零件的工艺尺寸链图表而来,是利用计算机计算的原始资料。
( 2 ) 建立尺寸链矩阵。利用计算机可从尺寸联系矩阵查找出各个工序尺寸链,从而建立尺寸链矩阵。
( 3 ) 计算工序尺寸偏差。以极值法的计算公式为基础,按事先设计的线性方程,利用计算机进行计算,确定各工序尺寸及其偏差。
6. 切削用量的确定
切削用量是指切削速度、进给量和切削深度。切削用量的决策常采用的方法有数学模型法和查手册选取法等。数学模型法是通过大量实验研究, 取得参数后将各种刀具和加工方法的数学模型建成相应的模型库,同时将数学模型中与工件材料、刀具材料、刀具耐用度、冷却液等有关的参数写成数据文件存入库中,以便数学模型计算时调用。查手册选取法是根据长期实验研究积累的, 经过分析整理, 对各种刀具的寿命值规定出相应的切削速度、切削深度和进给量,并据此作成切削用量手册。
在具体进行切削用量选择时, 先按切削表面质量的要求初选切削深度和进给量; 再按切削力的限制计算进给量, 可尽量选大值; 然后再根据刀具寿命计算出切削速度、切削功率。
若算得的切削用量不能满足切削表面质量要求,则需再次修正进给量。如此反复,直至满足零件的加工精度、表面粗糙度和刀具寿命为止。
7. 工序图的生成与绘制
工序图是工艺设计的图形表达方式。CAPP 系统中开发工序图生成模块对于提高工艺设计的效率和质量,实现工艺设计的标准化有很重要的意义。目前,CAPP系统的工序图绘制仍是CAPP系统研制和开发的一个关键性技术难题,这是因为它与通常的计算机绘图有所不同。后者仅仅起到代替人工执行绘图工作。在CAPP系统中, 工序图的生成过程是一种动态的过程, 不能完全固定其图形信息。当工件的形状、尺寸改变时,相应的绘图信息参数也要改变, 以适应工序的变化要求。由此可见,工序图的生成过程实际上是一种结合零件图形信息和加工工艺信息, 由计算机辅助生成工序图形信息的过程。
工序图生成和绘制从功能上看, 可分为信息转换、图形生成、尺寸标注及非尺寸标注等几个子模块,如图1 所示。
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( 1 ) 工序图生成方案
从工序图的生成机理来看, 可以采用成组代码法、形状参数法和数学模型法等不同方案。成组代码法建立在零件成组技术基础上,预先建立按零件族存放的几何图形要素库, 并以零件的代码作为检索、拼合的依据。为满足各种结构零件要求, 其图库结构庞大,建库难度也较大。
形状参数法是根据参数绘图原理, 将零件图形要素分离成图素单元,针对每种图素单元编写一个绘图子程序,这些子程序构成了CAPP 工序图辅助生成软件中的绘图子模块。工序设计时,给出每道工序的工作指令。这些信息正是绘图子模块的输入参数, 每个图素单元的绘图子程序都设置一个形状标识。输入参数可方便地进入相应的绘图子程序, 绘制出相应的图形。
数学模型法的基础是建立各类零件的数学模型,也是应用成组技术对零件进行分类, 然后为各类零件建立一个复合零件。在对复合零件进行分析研究和归纳概括后,抽象出已加工表面描述为主的零件数学模型。CAPP系统工作时, 产生了每道工序对加工表面进行改变的信息。这时,工序图生成系统应根据已建立的数学模型, 对加工表面的描述信息进行再处理,自动生成工序图中每个几何要素的空间矢量数据信息。然后,再进一步自动生成几何要素空间坐标数据信息,得到需要的工序图。
( 2 ) 工序图图形数据生成
工序图图形数据的生成是工序图绘制的关键, 工序图图形数据来源于工艺结论。
一种生成方法是直接从工序内容中取出数据。根据取出的数据就可构成工序图图表数据, 这种处理方式要求工序和工步内容描述要非常详细。
另外一种是由工序图设计决策生成工序图图形数据。工序内容由工序推理生成,工序内容隐含在工序内容设计推理规则之中。所以,从工序内容设计推理规则中派生出工序图设计推理规则, 再由工序图设计推理规则生成工序图图形数据。工序图图形数据生成子模块首先读入零件的特征信息文件和工艺流程。根据工艺流程, 系统对零件特征链进行搜索, 找出与加工内容相对应的特征型面,提出该特征型的尺寸信息, 经加工余量推理选择之后, 即可获得工序图上绘制特征型面所需的图形信息。
( 3 ) 确定工序图输出方案
工序图图形数据生成后, 工序图可有以下几种方法输出:
①利用高级语言在计算机上画出工序图, 然后打印输出。此法简单,但输出图形质量低。
②利用高级语言直接用绘图机的绘图指令编程,在绘图机上画出工序图。此法速度快, 图形质量高,但受绘图机型号限制。
③利用AutoCAD 输出工序图。其方法是通过高级语言编制AutoCAD 二次开发程序:
A. 由高级语言直接生成AutoCAD 的图形交换文件[ . dxf ] 。该文件结构复杂, 编程困难, 占用大量外存空间,但
