基于特征的齿轮轴类零件工艺决策系统的研究

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1 引言

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基于特征的CAPP系统为实现CAD/CAM的信息共享奠定了基础。在CAPP系统研制中，机械加工工艺过程的设计是一个复杂的工程问题，它在很大程度上依赖于设计者的水平和经验，同时由于工艺过程设计中所涉及的信息量大，各决策功能因不同结构工件、不同精度等级而性质差异大，所以产生了不同的工艺决策方法和推理机制。齿轮轴类件的工艺特点首先是它的形面特征多，在基于特征的零件信息描述中可以把它分为主特征：内外圆柱面、圆锥面、齿轮表面等；辅助特征：键槽、小平面、花键、螺纹等。另外，齿轮轴类件加工所使用的机床多，材料及热处理种类也较多。再者，它的工艺特征如尺寸精度、形位公差、表面质量也要求较高。本文在基于特征的零件信息描述基础上，探讨了齿轮轴类件的工艺过程决策原则，并依据决策树的原理生成特征加工方法，以反向设计法形成该特征的整个加工过程即加工链。其总体结构如图1。 ; `% J# w8 b+ a3 D! N/ S8 G/ ^5 K% D5 y' L1 x! }7 \9 E5 o5 q# H. o* ~

图1 工艺过程设计总体结构

7 k& ]# k: g& o: A4 Y ]; F 图2 外圆特征加工决策树

图3 齿轮特征加工决策树

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2 特征加工链的生成

在机械加工中，每一种零件都有几种加工工艺方法与之对应，根据生产规模、零件整体形状和轮廓尺寸、制造资源等，针对每一特征的加工精度、表面粗糙度及不同材料选择不同加工方法。这些加工方法具有一定的排列规律，呈现为一种树状结构。它是一种由节点和分支构成的图，用来描述和处理“条件”和“动作”之间的关系。节点有根节点、中节点和终节点之分。它表示一次测试或一个动作，最后拟采取的动作一般放在终节点上。树的每一个节点应是一个特征的某一个加工工序，而每一分支则是一个特征有可能采取的加工方法。例如粗加工位于树的根部，精加工位于树的多分支的冠部。从精加工的树冠追溯到粗加工的树根部是一个反向推理过程，每一个推理过程的结果形成了从树根到树冠的特征加工链。如图2为外圆特征加工决策树，图3为齿轮特征加工决策树。把决策树中的某些节点作为模糊推理中的推理选择项，采用反向设计法，即先选定该特征的最终加工方法，然后从后向前逐步选择相应预备工序，经过各个树杈节点，回溯到树的根部，最后形成该特征的加工工艺链。加工特征决策树是工艺知识的一部分，用来进行工艺推理。例如材料为20CrMnTi，精度为5级的轴齿轮，分度圆直径为125.475mm，齿数Z=33，法向模数M_n=3.5，表面粗糙度为Ra0.8µm，其加工链如下： ; f/ ?' B3 X- Y [- b$ \

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粗车齿坯→精车外圆→滚齿→齿端面倒角→清洗→剃齿→表面热处理→磨齿→强力喷丸。

3 零件的工艺路线设计

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前面讨论的是单一特征加工链的生成，实际生产中要把不同特征拼合成一个零件，也就是最终要排出一个完整零件的加工工艺过程。 1 ^9 q7 W! e# t0 p7 m/ V! P- m5 ]

零件的工艺决策是一个复杂多元的知识积累，不同种类工件决策知识不尽相同。首先要根据所确定的特征加工方法，考虑加工阶段的划分、机床设备的选择、定位基准面的确定，同时要考虑这些因素的主次与决策算法。本文探讨的决策原则是以国内典型汽车制造厂变速箱厂齿轮轴类件加工特点及工艺条件为依据的，具有一定的实际应用价值。

1. 决策原则
   齿轮轴类件除具有回转体类零件的加工特征外，还具有齿轮加工特征，在大批量生产条件下考虑的决策原则如下： ( D9 Y$ P0 M- n6 @; F/ Z

   1. 工序集中与分散 由于采用组合机床和半自动机床为主，工序以集中与分散相结合，例如在粗车与半精车加工阶段由半自动加工机床同时完成多个表面的加工，而齿轮表面及其它辅助表面采用相对分散工序。 / Q8 S2 p* `! F8 `( F% Q
   2. 热前热后 根据零件材料及机械性能的差别，中间安排热处理工序，加工分为热前热后两个阶段。热前包括齿轮轴车削及齿轮表面的粗加工；热后包括外圆磨削及齿面精加工。
   3. 先粗后精 在热前热后的基础上将加工过程分阶段进行。工步优化时应遵循先粗后精的原则。 ( F0 _9 Q) t$ ^6 n) u ?) V
   4. 先主后次 先安排主要特征的粗加工工步和半精加工工步，然后安排次要特征的加工，最后安排主要特征的精加工工步。 - f. g: p) Y2 T, x; t0 t; b
   5. 保证位置精度 位置精度主要针对同轴度、垂直度、对称度等。零件要保证位置精度，最好是在一次安装下就能加工出所有的相关表面。具有位置精度要求的工步相对集中安排。
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2. 加工路线的生成
   在工艺路线的安排中，先安排零件主特征的加工顺序，即调用推理机制中形成关系矩阵的决策知识以形成工艺路线的主干，然后依次插入辅助形状特征的加工工序，再考虑热处理、检验、清洗等附加工序，最终构成完整的工艺路线。这种以约束驱动的逐步扩充的方法更适于工艺设计人员的设计思路，有利于工序的优化设计及先主后次原则的展开。 . c: f8 w6 S3 O5 B4 g! B, B, c6 p

   1. 加工链中定位方案的选择 在加工路线中首先要考虑粗精定位基准的选择。决策粗基准的定位方案是以能保证加工出精定位基准为前提的。齿轮轴类件的精基准一般是双向顶尖孔，比较容易确定。然而粗基准的选择相对复杂，分析大量图纸后，认为轴向粗定位基准以轴向安装基准或中间轴径为多，故处理成交互式指定粗基准面。
   2. 特征优先排序 根据所研究的生产厂的设备能力、工艺水平，排出特征的优先加工顺序，即以主特征的典型工艺为主线，辅以交互式辅助特征，最终自动生成完整工艺路线。热前主特征主要考虑外圆柱面在半自动车床上粗车、半精车、精车加工；齿轮表面的滚齿(插齿)、剃齿加工；辅助表面如卡环槽、退刀槽、键槽等交互插入各主特征之间。热后主要是外圆表面的磨削先后顺序，主要齿轮表面精加工工序的确定。

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   各工序加工参数的确定包括各工序的加工余量、工序尺寸与公差及毛坯尺寸等。其中工序尺寸采用反向推理，通过查询工艺数据库中的加工余量计算求出；毛坯尺寸由计算加工余量的增减确定。工序尺寸公差的自动标注是目前我们正在研究的内容，拟通过图论的原理附以交互式完成。

4 结论

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本文在基于特征的齿轮轴类零件信息描述基础上，探讨了齿轮轴类零件工艺决策原则。运用决策树的原理作为工艺知识库的主线，不同于传统的产生式的工艺知识的表达，可以简化决策过程，使一个较为复杂的工艺推理过程变得系统而简洁，利于开发较复杂、多工艺路线的CAPP系统。