变速箱箱体的三维建模与数控加工

摘要
在科技突飞猛进的21世纪，越来越多的先进制造方法应用于传统加工工艺中，为机械领域的发展提供了新的方向。

本设计是汽车变速箱箱体零件的数控加工。

在分析已有的传统工艺基础上，运用现代制造的方法及理论，基于CATIA的CAD，CAM技术，对变速箱箱体制造(加工路径选择、工序排定、刀具选用、切削用量选取、后处理程序等)进行新的分析和研究，用特征化参数法实现零件的三维实体造型，实现数控加工仿真，最后完成NC程序的输出。

本文在了解箱体结构的前提下，仔细分析了变速箱箱体的工艺过程，比较了传统加工工艺与数控加工工艺，在掌握了CATIA的基本功能后，完成对其的三维建模与数控加工过程。

关键字：箱体三维建模数控加工工艺
Abstract
More and more advanced manufacturing method applied to the traditional processing technology, with a spurt of process in science and technology in twenty-first Century, to provide a new direction in the field of machinery. The design is the CNC machining of automobile gearbox parts. With the analysis of traditional technology methods and theory, applying to the new manufacturing technique, based on the CATIA CAD, CAM technique, the gearbox manufacturing (path selection of process, schedule of, process, the selection of cutters, cutting parameters selections,) are applied to new analysis and research, then we use the characteristic parameter method to accomplish modeling the 3D parts, and completing NC machining simulation, finally completing, the output of NC program .Based on the understanding of gearbox ,this paper analysis the process of gearbox and compares the traditional process and numerical process. After mastering the basic functions of CATIA, I finished the process of 3D modeling and NC machining.
Keywords: gearbox; the 3D mobile; numerical control machining; process
目录
1绪论 (1)
1.1背景简介 (1)
1.2目的意义 (2)
1.3 CATIA软件介绍 (2)
1.4研究内容及工作流程 (3)
2传统箱体工艺特点的分析 (5)
2.1零件的作用 (5)
2.2零件工艺分析 (5)
2.3加工定位基准的选择与确定 (6)
2.4加工工序路线的选择与确定 (7)
2.5孔系的加工 (8)
3数控加工工艺的特点分析 (10)
3.1数控加工的特点 (10)
3.2数控加工工艺加工阶段的划分 (11)
3.3工序划分的原则 (12)
3.4工序划分的方法 (13)
3.5粗基准的选择 (14)
3.6精基准的选择 (15)
3.7切削用量的选取一般步骤 (16)
4工序安排，余量计算，切削用量 (17)
4.1变速箱箱体主要加工工序安排 (17)
4.2机械加工余量、工序尺寸及毛坯 (18)
4.3切削用量的确定 (21)
5软件操作 (31)
5.1三维建模 (31)
5.2数控加工 (37)
总结 (53)
致谢 (54)
参考文献 (55)
1 绪论
1.1背景简介
数控机床是非常高效的自动化加工的设备，它是集成了机、电、液、气、光等高度一体化的产品，它严格的按照编写的加工程序，自动的完成工件加工。

在我国，数控机床的推广使用已经将近有二十年的历史，而目前的主要情况却是，数控机床主要还是集中在单机使用上。

现代数控机床作为机电一体化的典型产品，是最新一代生产技术、计算机集成制造系统等的技术集合。

数控加工是根据零件图样及工艺要求等原始条件编制数控加工程序，并输入数控系统，以数字与符号构成的信息控制机床，实质自动转动的方法，也就是控制数控机床中刀具与工件的的相对运动，从而完成零件的方法。

近年来，随着计算机技术的发展，数字控制技术已经广泛应用于工业控制的各个领域，尤其是机械制造业中，高自动化、高精度、高效率的数控机械已经代替了传统机械。

目前，外国机械设备的数控化率已达到85%以上，但我国的机械设备的数控化率却难以达到20%，随着我国机械制造行业新技术的革新与应用，我国这个世界制造业加工中心地位已逐渐形成，数控机床的使用、维修、维护人员在各城市都非常紧缺，再结合数控加工人员从业面非常广的因素，数控人员可在现代制造业的模具、中小制造业五金行业、钟表业、、从事相应公司企业的电脑绘图、数控编程设计、模具设计与制造、加工中心操作、电火花及线切割工作，所以目前我国现有的数控技术人才无法满足制造业的需求，而且人才市场上的这类人才储备不足，在人才市场上，企业要寻觅比较合适满意的人才显得比较困难，以至于数控编程、CAD/CAM工程师、导致模具设计、数控加工等已成为我国各人才市场招聘频率最高的职位之一。

随着产品结构的调整、产业布局，就业结构也即将发生变化。

企业对较高层次的第一线应用型人才的需求将明显增加。

而借助国外的发展经验来看，产品结构调整时期，当进入产业布局，与产业结构高度化匹配、培养相当数量的具有高素质的职业人才，成为迫切要求。

在模具行业，掌握数控技术与加工过程中的高低已经成为企业是否有竞争力的象征，数控加工技术应用的关键在于计算机辅助设计和制造系统的制造，CAD/CAM技术在工业发达国家应经得到了广泛的应用，近年来
在我国的应用也越来越普及，也成为实现制造业技术进步的一种必然趋势。

箱体类零件是现代化工业中最常见的一种零件，研究其数控加工，对零件的精度，效率，经济等多方面都有重大的影响。

1.2目的意义
数控机床作为一种高精度、柔性、灵活的生产工具，想要发挥其优势和特点，就须要获得数控程序的有力支持,而数控机床则是利用数字化的信息对机床运动及加工过程进行控制的方法。

这种技术凭借高精度、高柔性化、高效率、高自动化的特性已成为制造业生存、发展的关键技术之一。

数控技术的应用给机械制造业带来了产品结构、产业结构、制造方式及管理模式等各方面的深刻变化，是国民经济发展的原动力。

数控技术是是数控机床的核心技术，机械自动化的基础，其水平的高低知己影响着国家战略地位和综合实力水平，数控技术随着信息技术、微电子技术、自动化技术和自动检测技术等各种先进科学技术的发展而发展，CAD／CAM技术已经显示出非常容易在计算机上构造零件的三维模型、模型修改、配合检查和实现模型信息的共享。

数控加工以其高精度、高柔性、高效率的特点得到广泛应用，在加工一些复杂曲面，或者工序集中和普通机床无法加工的零件时，具有难以替代的地位。

本课题拟利用CATIA软件来实现变速箱箱体的三维建模与数控加工。

1.3 CATIA软件介绍
CATIA是法国Dassault System公司于1975年起开始发展的的CAD/CAE/CAM一体化软件，它的内容涵盖了产品从概念设计、工业设计、三维建模、分析计算、动态模拟仿真、工程图的生产到及工程产品的全过程。

CATIA居世界CAD/CAE/CAM领域的领导地位，广泛应用于机械制造、电子\电器、航空航天、汽车制造、造船、消费品行业，它的集成解决方案覆盖所有的产品设计与制造领域。

CATIA 提供方便的解决方案，迎合各个工业领域的各类企业的需要。

达到大型的波音747飞机、火箭发动机，小到化妆品的包装盒，几乎涵盖了所有的制造业产品。

CATIA 源于航空航天业，是业界无可争议的领袖，在欧洲汽车业，已成为事实上的标准。

CATIA 的著名用户包括波音、克莱斯勒、
宝马、奔驰等一大批知名企业。

其用户群体在世界制造业中具有举足轻重的地位。

Boeing 飞机公司在Boeing 777项目中，应用CATIA设计了除发动机以外的100%的机械零件。

并将包括发动机在内的100%的零件进行了预装配。

波音飞机公司使用CATIA完成了整个波音777的电子装配，创造了业界的一个奇迹，从而也确定了CATIA 在CAD/CAE/CAM 行业内的领先地位。

CATIA不但包含设计功能，还有制造功能。

Dassault System 产品的强大功能使其应用于产品设计与制造的广泛领域。

1.4研究内容及工作流程
研究内容：
在分析已有的传统工艺基础上，运用现代制造的方法及理论，基于CATIA的CAD，CAM技术，对变速箱箱体制造(加工路径选择、工序排定、刀具选用、切削用量选取、后处理程序等)进行新的分析和研究，用特征化参数法实现零件的三维实体造型和数控加工并完成NC程序的输出。

工作流程：
1.了解箱体结构的设计方法
2.学习CATIA软件的基本功能，并能对任意一常见零件的三视图，建造其三维模型
2.掌握箱体零件加工工艺过程，仔细分析变速箱箱体的工艺过程
4.比较传统加工与数控加工过程的工艺，并在传统加工的工艺基础上完成数控加工，其数控加工过程如图1-1所示：
5.输出NC程序
图表1-1
2传统箱体工艺特点的分析
2.1零件的作用
箱体类零件是各种机器的基础零件，它将机器和零件内部的轴、套、齿轮等有关零件连接起来成整体，并且使之保持正确的相对位置，以传递扭矩和改变转速来完成规定的运动，以便他们能正确、协调统一的工作。

因此，箱体的加工质量将直接影响整台机器的使用性能、精度和寿命。

变速箱箱体的主要作用是支承各传动轴，并且必须保证各轴之间的中心距和平行度，保证变速箱部件与发动机相对位置的正确安装。

因此其加工质量尤为重要，不但直接影响变速箱的运动精度和装配精度，而且还会影响其工作精度、使用性能和寿命。

而变速箱主要是实现变速已达到其要求。

2.2零件工艺分析
箱体类零件的加工特点，零件的精度要求较高（尤其是主要孔的尺寸精度，位置精度），加工部位多，加工工序多，工艺路线长等特点。

汽车变速箱箱体是一个簿壁壳体零件，它的外表面上有五个平面需要进行加工。

前后，左右各表面均有一个支撑孔，因此将其分为两类加工表面，其结果如下：
1. 一顶面为主要表面的加工面，顶面的铣削加工，粗糙度6.3，两个精度为0.4的
定mm 4φ位销孔，4个M6-7H 螺孔。

2. 以mm H 732φ，mm H 755φ，mm H 745φ，mm H 755φ为支撑孔的加工面，主要加
工面有mm H 732φ，mm H 755φ，mm H 745φ，mm H 755φ内孔面，其粗糙度要求
1.6，和端面，其粗糙度要求为3.2以及其端面上的螺孔，11个M6-7H 的螺孔，
1个M8-7H 的螺孔，1个M24-7H 的螺纹孔，4个mm 9φ的孔以及左侧端面的两
个凹槽。

在加工过程中，支撑孔的精度要求尤为重要，除孔自身的尺寸、形状、位置精度外，同轴孔系的同轴度，平面孔系的平行度，孔与面垂直度均要严格的要求。

2.3加工定位基准的选择与确定
大部分箱体好的孔系设计基准都是箱体的主要装配面及某一外形面。

加工中，以这一平面作为定位基准，方便实现基准重合原则，安装定位误差较小，容易保证各零件的各类精度要求。

1.“基准重合”与“基准统一”原则。

当箱体的孔系较为复杂时，很难在一道工序上全部加工，这几必须选择并确定一个加工标准，使各道工序采用这道基准，这就是箱体的“基准重合”与“基准统一”原则。

当箱体加工多次使用同一定位基准时，改定为基准采用完全定位，即六点定位方式，生产中常用“一面两孔”，的定位块方法，并尽量满足基准重合原则。

2.粗基准与精基准分开。

箱体毛坯大多数为铸造，其加工余量大，精度低，。

在开始时需要选择一个粗加工基准，并以这个加工出精基准。

在单件、小批量零件生产中，由于毛坯铸造精度差，多采用划线法安装，以划线作为粗基准找正工件，，这样虽能满足定位平面的加工要求，但对人工要求较高，生产率低。

在大批量生产中，毛坯质量较好，主要采用轴承铸孔作为主要粗基准(限制四个自由度)j距次要轴承铸造孔（或选另一适当的平面）限制一个转动自由度的定位方法。

所以以轴承铸造孔为粗基准，既能保证各轴承孔的足够加工余量，又能保证定位平面与内腔垂直的要求。

常用精基准一般有两种选择：“一面两孔”，“三基面定位”，“一面两孔”相比较有以下特点：
1)定位可靠。

“一面两孔”定位很简单可靠地消除了工件的6个自由度。

若以
“三基面定位”往往因限制两个自由度的定位侧面和限制一个自由度的定
位端面，不能很好的与定位元件接触，从而影响定位精度。

2)可同时加工的面多。

“一面两孔”定位中占用箱体的一个定位平面，再一次
装夹中，其余的面都可同时加工，便于工序集中，有利于保证各加工面的
位置精度。

3)易于实现基准统一，从而大大减少夹具设计和制造的工作量。

4)易于实现自动化。

有“一面两孔”定位加紧结构简单，定位可靠，装夹方
便，从而为实现自动化提供了条件。

采用“一面两孔”定位时，定位平面最好选择箱体零件的设计基准，以减少定
位误差。

若作为定位平面的安装面积太小，应增设工艺凸台，以保证装夹可靠。

本文选择“一面两孔”的定位方式。

3.充分利用工艺基准。

有些平面并不能采用一面两孔的方式，在加工中可以考虑
预先设置一个定位基准，即工艺基准。

实际上箱体的定位基准的选择是十分灵活的，没有唯一的确定方式，关键是应根据某一箱体的特点，选择一切实可行，方便可靠，符合实际的定位方案。

2.4加工工序路线的选择与确定
1.粗加工，精加工分阶段进行。

因为粗加工去除大量的余量，必然会产生较大的切削力和切削热，同时需要较大的夹紧力，粗加工后，零件的内力会重新分配。

2.加工顺序的安排。

其主要顺序为先面后孔原则和先主后次原则。

因为箱体类零件空的要求较高，加工难度大，所以先以孔为粗基准加工平面，然后再以平面为精基准加工孔，这样既能为孔的加工提供稳定可靠的粗基准，同时也可使孔的加工余量较为均匀。

先加工面后加工孔时，钻头不易引起跑偏，扩孔铰孔时，不易引起崩刃。

加工平面或孔系时，应贯彻先主后次原则，即选择主要加工平面或主要孔。

这是因为加工其他表面或孔时，以先加工好的主要平面或孔作为精基准，装夹可靠，调整个表面的加工余量较方便，有利于跳高各平面的加工精度；同时由于主要平面或主要孔精度要求高，精度要求难度大，先加工时容易出现废品，不至于浪费其他表面的加工工时。

3.工序间安排合理的时效处理。

普通精度的箱体零件，为了消除铸件毛坯内应力，减少加工后变形和保证精度的稳定，在铸造后安排一次人工时效处理。

对一些精度要求高的零件，在粗加工，精加工间安排时效处理。

2.5孔系的加工
变速箱箱体孔系加工方案，应选择能够满足孔系加工精度要求的加工方法及设备。

除了从加工精度和加工效率两方面考虑以外，也要适当考虑经济因素。

在满足精度要求及生产率的条件下，应选择价格最底的机床。

箱体零件上各轴承孔之间，轴承孔与面之间，都具有一定的位置要求，工艺上将这些孔成为“孔系”，孔系加工是箱体零件加工中最关键的工序，根据生产规模，生产条件，及加工条件和加工要求的不同，可采用不同的加工方法。

1.对于平行孔系的加工方法如下：
1)用镗模法镗孔。

在大批量生产中，汽车变速箱箱体孔系加工一般都在组合镗
床上采用镗模法进行加工。

镗模夹具是按照工件孔系的加工要求设计制造
的。

当镗刀杆通过镗套的引导进行镗孔时，镗模的精度就直接保证了关键孔
系的精度。

采用镗模可以大大地提高工艺系统的刚度和抗振性。

因此，可以
用几把刀同时加工。

所以生产效率很高。

但镗模结构复杂、制造难度大、成
本较高，且由于镗模的制造和装配误差、镗模在机床上的安装误差、镗杆和
镗套的磨损等原因。

用镗模加工孔系所能获得的加工精度也受到一定限制。

2)用坐标法镗孔。

在现代生产中，不仅要求产品的生产率高，而且要求能够实
现大批量、多品种以及产品更新换代所需要的时间短等要求。

镗模法由于镗
模生产成本高，生产周期长，不大能适应这种要求，而坐标法镗孔却能适应
这种要求。

此外，在采用镗模法镗孔时，镗模板的加工也需要采用坐标法镗
孔。

用坐标法镗孔，需要将箱体孔系尺寸及公差换算成直角坐标系中的尺寸
及公差，然后选用能够在直角坐标系中作精密运动的机床进行镗孔。

2.同轴孔系的加工
同轴孔系的加工主要位置精度就是同轴度，保证其同轴度方法如下：
1)尽可能一次装夹加工。

就是尽可能安装把同轴孔系的空同时加工或依次加工
完毕，这样可以避免多次多次安装产生的安装误差。

当采用一根镗杆镗削几
层轴向的同时，孔的同轴度可控制在15——20um以内，这种加工方法叫“穿
镗法”，具体方案有悬伸镗孔、用导向支撑镗套、穿长镗杆支撑镗孔等。

若
采用两根镗杆分别同时从两端加工，孔的同轴度可控制在30——50um以内。

加工出的孔系，其同轴度取决于机床设备的精度，工件加工余量的大小和均
匀性。

2)多次安装加工时，提高重复定位加工精度。

3.交叉孔系的加工。

一般较为高等的机床都有对准装置。

3 数控加工工艺的特点分析
3.1数控加工的特点
数控加工工艺与普通加工工艺基本相同，在设计零件的数控加工工艺时，首先要遵循普通加工工艺基本原则与方法，同时还要来考虑数控加工本身的特点与零件编程要求，数控基本特点如下：
1.数控加工工艺远比普通机械加工工艺复杂
数控加工工艺不但要考虑零件的加工工艺性，还要选择加工零件的定位基准与装夹式，也要制定工艺路线、选择切削方法、选择合适刀具，及工艺参数等，而这些因素在传统工艺中都能简化处理。

所以数控加工工艺和普通加工工艺相比要复杂得多，影响因素也更加的多，因此很有必要对数控编程的全过程先要进行综合分析，然后合理安排，最后整体完善。

相同的数控加工任务，可以允许有多个数控加工工艺方案，既可以选择以加工部位作为主导来安排工艺，也可以选择以加工刀具为主导来安排工艺。

数控加工工艺的多样化是数控加工工艺的特色，这也是与传统加工工艺相比的显著区别。

2.数控加工工艺设计要有严密的条理性
数控加工的自动化程度相对而言比较高，也就是说，数控加工的自适应能力就相对较差。

而数控加工的影响因素多，复杂，需要对数控加工的全过程进行思考，数控工艺设计就必须具很有条理性，也就是说，数控加工工艺的设计过程必须周密、严谨，没有错误。

3.采用多坐标联动自动控制加工复杂表里面
对于复杂的表面或者特殊要求的表面，数控加工与普通加工有着根本不同的方法，尤其对于曲线和曲面的加工，数控机床采用多轴联动，其加工质量和加工效率是无法比拟的。

4.采用先进的工艺装备
数控加工中广泛的采用先进的数控刀具、组合夹具等多种工艺装备是为了满足数控加工中高质量、高柔性、高效率的要求。

5.工序集中
由于现代数控机床有多种特点，例如精度高、刚性大、切削参数范围广、刀库容量大及多坐标、多工位等特点。

所以一次装夹可以完成多个表面的多种加工，更甚者而言可以再工作台上装夹多个相同或相似的工件进行加工，近而减少了加工设备、缩短工艺路线和生产周期、工装工件的运输工作量。

3.2数控加工工艺加工阶段的划分
当零件的加工质量要求较高时，一道工序并不能满足要求，所以通常通过集中甚至更多工序逐步达到所需求的加工质量。

通常按工序性质的不同分为：粗加工、半精加工、精加工、光整加工，这样是为了为保证加工质量和合理的使用设备、人力、物力，零件的加工过程。

1.粗加工阶段——主要任务是切除各表面上的大部分余量，其关键问题是提高其生
产效率。

2.半精加工阶段——完成次要表面的加工，并为主要表面的精加工做准备。

3.精加工阶段——保证各主要表面达到图样要求，其主要问题是如何保证加工质
量。

4.光整加工阶段——对于表面粗糙度要求很细和尺寸精度要求很高的表面，还需要
进行光整加工阶段。

这个阶段的主要目的是提高表面质量，一般不能用于提高形
状精度和位置精度。

常用的加工方法有金刚车(镗)、研磨、珩磨、超精加工、镜
面磨、抛光及无屑加工等。

划分加工阶段的原因：
1.保证加工质量。

粗加工时，由于加工余量大，所受的切削力、夹紧力也大，将引起较大的变形，如果不划分阶段连续进行粗精加工，上述变形来不及恢复，将影响加工精度。

所以，需要划分加工阶段，使粗加工产生的误差和变形，通过半精加工和精加工予以纠正，并逐步提高零件的精度和表面质量。

2.合理使用设备。

粗加工要求采用刚性好、效率高而精度较低的机废，精加工则要求机废精度高。

划
分加工阶段后，可避免以精干粗，可以充分发挥机废的性能，延长使用寿命。

3.便于安排热处理工序，使冷热加工工序配合的更好。

粗加工后，一般要安排去应力的时效处理，以消除内应力。

精加工前要安排淬火等最终热处理，其变形可以通过精加工予以消除。

4.有利于及早发现毛坯的缺陷(如铸件的砂眼气孔等)。

粗加工时去除了加工表面的大部分余量，若发现了毛坯缺陷，及时予以报废，以免继续加工造成工时的浪费。

应当指出：加工阶段的划分不是绝对的，必须根据工件的加工精度要求和工件的刚性来决定。

一般说来，工件精度要求越高、刚性越差，划分阶段应越细；当工件批量小、精度要求不太高、工件刚性较好时也可以不分或少分阶段；重型零件由于输送及装夹困难，一般在一次装夹下完成粗精加工，为了弥补不分阶段废来的弊端，常常在粗加工工步后松开工件，然后以较小的夹紧力重新夹紧，再继续进行精加工工步。

3.3工序划分的原则
通过采用两种不同原则来采用工序的划分，即工序集中原则和工序分散原则。

1.工序集中原则。

工序集中原则是指在每道工序中，尽可能多包括尽可能多的加工内容，为了使工序的总数减少。

工序集中原则的优点很多，例如：减少工序数目，缩短工序路线，简化生产计划和生产组织工作；减少工件装夹次数，不仅保证了各加工表面间的相互位置精度，而且减少了夹具数量和装夹工件的辅助时间；有利于采用高效的专用设备和数控机床，提高生产效率；减少机床数量、操作工人数和占地面积。

但专用设备和工艺装备也有其缺点,如: 调整维修比较麻烦、投资大、生产准备周期较长，不利于转产。

2.工序分散原则。

加工工序分散就是将工件的加工分散在较多的工序内进行，每道工序的加工内容很少。

采用工序序分散原则的优点很多，例如：加工设备和工艺装备结构较为简单，维修方便，操作简单，转产容易，更加合理的选择的切削用量，减少机动时间。

但是工艺路线较长．设备及工人人数多，占地面积相对而言比较大。