冲模数控加工仿真设计论文

本科毕业设计论文 题目 ： 冲模数控加工仿真 专业名称 机械设计制造及其自动化 学生姓名 指导教师 毕业时间 毕业 任务书 一、题目 冲模数控加工仿真 二、指导思想和目的要求 毕业设计（论文）是培养学生自学能力、综合应用能力、独立工作能力的重要教学实践环节。 在毕业设计中，学生应独立承担一部分比较完 整的工程技术设计任务。要求学生发挥主观能动性，积极性和创造性，在毕业设计中着重培养独立工作能力和分析解决问题的能力，严谨踏实的工作作风，理论联系实际，以严谨认真的科学态度，进行有创造性的工作，认真、按时完成任务。 三、主要技术指标 1、零件图一张 CAD； 2、三维实体建模一个； 3、实体加工仿真程序一套； 4、说明书一份； 四、进度和要求 1搜集相关资料 2 周 2加工仿真的中英科技文翻译 2 周 3运用 UG 软件进行三维建模 2 周 4运用 UG 软件进行辅助加工 2 周 5运用 UG 软件数控仿真 2 周 6编写说明书（论文） 2 周 7准备并完成答辩 2 周 五、主要参考书及参考资料 1 田卫军 . 中文版 UG NX 7.0 基础教程 . 2010 2 施平 . 机械工程专业英语教程 . 第二版 . 2008 3 阎光明，侯忠滨，张云鹏 . 现代制造工艺基础 . 西北工业大学出版社 . 2008 学生 指导教师 系主任 设计论文 西北工业大学明德学院本科毕业设计 I 摘 要 数控编程是一种可编程的柔性加工方法，它的普及大大提高了加工效率。但是在加工技术方面，除要求数控机床具有较强的运动控制能力之外，更重要的是如何有效地获得高效优质的数控加工程序，并从加工过程整体上提高生产 效率。由于零件复杂性的增加，而且工人技术水平有限，手工编程越来越困难。 应用数控编程可大大提高生产率、稳定加工质量、缩短加工周期、增加生产柔性、实现对各种复杂精密零件的自动化加工 ,易于在工厂或车间实行计算机管理 ,使车间设备总数减少、节省人力、改善劳动条件 ,有利于加快产品的开发和更新换代 ,提高企业对市场的适应能力并提高企业综合经济效益。 本文以 UG NX 8 为工具 ,完成了凸模的三维造型及仿真加工。内容包括 :首先 ,根据凸模的结构特点和技术要求 ,在对其进行加工工艺分析之后 ,确定了零件的加工方法。然后 ,利用 UG/CAD 模块完成了零件几何体的参数化建模。在此基础上 ,利用 UG/CAM 模块进行数控编程 ,设计了加工路线、刀具轨迹 ,切削方式等工艺参数 ,生成了零件的 NC 程序。 关键词： 三维建模，加工仿真， UG 西北工业大学明德学院本科毕业设计 II ABSTRACT CNC machining is a programmable flexible processing methods, its popularity greatly improve the processing efficiency. But in the processing technology, in addition to requirements of CNC machine tools has a strong ability to control movement and, more importantly, how to efficiently obtain high-quality CNC machining process, and from the process as a whole to improve production efficiency. As part of the increased complexity and limited skills of workers, manual programming more difficult. CNC machining applications can greatly improve productivity, stability, processing quality, shorten the processing cycle, increasing the production of flexible, to achieve a variety of complex precision components for the automation of processing, easy to implement in a factory or workshop computer management, reducing the total number of workshop equipment, saving manpower, improve labor conditions, help speed up product development and upgrading, and improving the ability of the market to adapt and improve their overall economic efficiency. In this paper, UG NX 5 as a tool,complete the punch three-dimensional modeling and simulation process. Include: First, based on the punch structural features and technical requirements, in its process analysis, to determine the part of the processing methods. Then, using UG / CAD module to complete the part geometry parametric modeling. On this basis, the use of UG / CAM module for NC programming, design the machining line, the tool path, cutting mode and other parameters, to generate a part of the NC program. KEYWORDS: three-dimensional modeling, simulation, program, UG 西北工业大学明德学院本科毕业设计 III 目 录 第一章 绪 论 . 5 1.1 课题研究的背景和意义 . 5 1.2 课题研究的目的意义和主要内容 . 6 第二章 数控加工基础知识 . 7 2.1 数控机床的 组成和工作原理 . 7 2.1.1 数控机床的组成 . 7 2.1.2 数控机床的工作原理 . 8 2.1.3、数控机床特点 . 8 2.2 数 控机床的分类 . 9 2.3 数控机床编程指令 . 10 第三章 数控加工零件工艺性分析 . 13 3.1 数控加工工艺的特点 . 13 3.2 零件工艺分析 . 14 3.2.1 零件结构工艺性的概念 . 14 3.2.2 合理标注零件的尺寸、公差和表面粗糙度 . 15 3.2.3 零件要素的工艺 性 . 15 3.2.4 零件整体结构的工艺性 . 15 第四章 零件加工工艺分析及三维建模 . 16 4.1 三维建模 . 16 4.2 零件图工艺分析 . 19 4.3 零件的工艺过程 . 20 4.3.1 划分工艺过程 . 20 4.3.2 选择定位基准 . 21 4.3.3 选择零件加工方法和加工顺序 . 22 4.4 毛坯的确定 . 22 4.5 工序设计 . 23 4.5.1 机床的选择和工艺装备 . 23 4.5.2 确定切削用量 . 25 西北工业大学明德学院本科毕业设计 IV 第五章 基于 UG 自动编程的数控加工 . 26 5.1 设置加工环境 . 26 5.2 创建铣大平面加工工序 . 26 5.2.1 设置加工方法 . 26 5.2.2 定义加工坐标系 . 27 5.2.3 定义几何体 . 27 5.2.4 创建刀具 . 28 5.2.5 创建操作 1. 28 5.2.6 创建操作 2. 30 5.2.7 创建操作 3. 31 5.2.8 创建操作 4. 33 5.2.9 创建操作 5. 34 第六章 后处理生成程序 . 36 6.1 后处理 . 36 6.2 生成程序 . 36 第七章 全文总结 . 38 参考文献 . 39 致 谢 . 40 毕业设计小结 . 41 附录 . 错误 !未定义书签。 西北工业大学明德学院本科毕业设计 5 第一章 绪论 1.1 课题研究的背景和意义 飞速发展的工业和日益激烈的市场竞争迫切地要求企业进一步缩短产品的生产周期并不断提高产品的加工质量。在数控机床和数控加工中心非常普及的今天，切实的提高数控加工水平是缩短产品生产周期、提高产品加工质量的重要手段之一。而在实际的数控加工过程中，数控加工程序的质量是评定数控加工水平的一个重要指标，是影响零件加工质量和加工效率的关键因素之一。 因此，如何保证数控加工程序的正确性、如何实现数控程序的优化、如何减少数控机床的安全隐患以及如何提高数控设备利用率就成为了当今制造业必须面临的几个关键问题。然而现有的编程方法都难以保证所编数控程序能够完全正确，容易出现诸如无效运动过多 、过切或欠切、刀具或切削参数选择不合理、干涉或碰撞等问题。传统的数控程序的检验方法主要有手工检验、试切验证和轨迹显示法。手工检验不需要设备仪器，可操作性强。但其检查过程繁琐、费时，而且很难发现干涉等问题，仅适用于简单数控程序的检验。试切验证是通过运行数控程序，对试切材料进行试切来检验程序的正确性与合理性的一种方法。在试切验证中，由于常用的蜡模、铝模等试切材料与被加工的材料不同，易造成加工结果失真。而且这种方法占用机床设备，既费工又费料。据统计，美国制造商每年用于试切的费用近 10亿美元，在数控机床上进行一次飞 机发动机零件校验需要125小时。轨迹显示法以笔和纸代替刀具和毛坯，从而对刀具的运动轨迹进行仿真。尽管此方法可检查出一些大的错误，但该方法的局限性很大，仅限于显示二维运动轨迹，与实际加工情况大多不符。 虚拟制造技术将仿真技术与虚拟现实技术相结合，在计算机和网络的支持下，群组协同工作，用模型来模拟加工的可行性并预估产品的性能，从设计、工艺规划到加工制造、性能分析、质量检验，模拟产品制造的本质过程。虚拟制造涉及的领域非常广泛，如产品设计开发模型、异构模型的集成与应用、产品和零件模型的建立、测量方法与数据处 理、虚拟加工技术、虚拟装配工艺等，覆盖了机械设计与工程、自动控制理论与工程、计算机网络与数据库等学科。 面向虚拟制造的虚拟数控加工是随着计算机技术， CAD/CAM技术和系统仿真技术西北工业大学明德学院本科毕业设计 6 等的发展而发展起来的。虚拟数控加工技术的发展改善了传统数控加工程序检验的不足之处。它采用计算机建模与图形仿真技术，建立虚拟加工环境，模拟机床的运动，刀具路径的生成，检查碰撞、干涉等潜在问题，并能对工件装夹的合理性、所选工艺参数的合理性和工件的可加工性做出评价。虚拟数控加工方法既不消耗实体材料又不占用机床设备和场地，从而可以节约大量 的资金和时间，使企业获得较好的效益。 本课题以凸模模型为研究对象，一方面通过 UG软件建立零件的实体模型，通过数控自动编程规划刀具路径，生成刀位文件。后经过后置处理生成适用于相应机床的 G代码程序 。 另一方面也可以通过虚拟数控加工仿真软件 VERICUT构建虚拟数控加工环境，调入 G代码程序，模拟实际加工环境和实际数控加工过程，快速检查各部件间的碰撞、干涉等情况，并在不改变刀具轨迹的基础上对切削参数进行合理优化，最终得到高效高质量的加工程序，从而大大提高加工效率，缩短开发周期，降低生产成本。 1.2 课题研究 的目的意义和主要内容 本课题的研究旨在实际加工之前，通过计算机模拟数控加工过程，得到优质高效的 NC程序，从而缩短产品加工周期、降低产品成本。本课题以具有自由曲面特征的 凸 模零件的加工为例，探讨通过建立集建模、加工、仿真与优化为一体的虚拟数控加工链，获得高效高质量的数控加工程序的过程。本文的主要研究内容如下： 1总结面向虚拟制造的虚拟数控加工的基础技术，分析各基础技术的国内外研究现状及发展趋势。分析虚拟数控加工的主要流程。 2总结虚拟数控加工中产品的建模方法，采用 UG对具有自由曲面特 征的模型进行建模。分析数控加工工艺的制定原则，并结合所建模型的结构特点与实际加工经验，制定合理的数控加工工艺，选择合理的切削参数。为后续工作打好基础。 3研究基于 UG的数控自动编程。结合前文的工艺分析和模型的结构特点，生成各个工序的刀位轨迹，并获得刀位文件。介绍后置处理的算法原理及后置处理需要的条件，并通过新建的后置处理器对刀位文件进行后置处理，得到适合机床的 G代码文件。 西北工业大学明德学院本科毕业设计 7 第二章 数控加工基础知识 2.1 数控机床的组成和工作 原理 2.1.1 数控机床的组成 数控机床一般由输入、输出装置、数控装置、可编程控制器、伺服系统、检测反馈装置和机床主机等组成如下图 2-1 所示： 图 2-1 数控机床组成 1. 输入、输出装置 输入输出设备的作用是实现数控加工程序及相关数据的输入、显示、存储以及打印等。常用输入设备由软盘驱动器、 RS232C 串行通信口以及 MDI 方式等，输出设备有显示器、打印机等。 2. 数控装置 数控装置是数控机床的核心与主导， 完成所有加工数据的处理、计算工作，最终实现数控机床各功能的指挥工作。它包含微计算机的电路，各种接口电路、CRT 显示器等硬件及相应的软件。 3. 可编程控制器 即 PLC，它对主轴单元实现控制，将程序中的转数指令进行处理而控制主轴转速：管理刀库，进行自动刀具交换、选刀方式、刀具累计使用次数、刀具剩余西北工业大学明德学院本科毕业设计 8 寿命机刀具刃磨次数等管理；控制主轴正反转和停止、准停、切削液开关、卡盘夹紧松开、机械手取送刀等动作；还对机床外部开关（行程开关、压力开关、温控开关等）进行控制；对输出信号（刀库、机械手、回转工作台等）进行控制 。 4. 伺服系统 伺服系统的作用是把来自数控装置的脉冲信号转换为机床移动部件的运动，使工作台（或溜板）精确定位或按规定的轨迹作严格的相对运动，最后加工出符合图纸要求的零件。 在数控机床司法系统中，常用的伺服驱动单元件有功率步进电机、电液脉冲马达、直流伺服电机和交流伺服电机等。 5. 检测反馈装置 由检测元件和相应的电路组成，主要由检测速度和位移，并将信息反馈于数控装置，实现闭环控制以保证数控机床加工精度。 6. 机床本体 数控机床的主体，是用于完成各种切削加工的机械部分。主 要包括床身、主轴、进给传动机构等机械部件，还有冷却、润滑、转位部件以及夹紧、换刀机械手等辅助装置。 2.1.2 数控机床的工作原理 用数控机床加工零件时，首先应将加工零件的几何信息和工艺信息编织成加工到各轴的驱动电路，经过转换、放大后驱动伺服电机，带动各轴运动，并进行反馈控制，使刀具与工件及其他辅助装置严格地按照加工程序规定的顺序、轨迹和参数有条不紊的工作，从而加工出零件。 2.1.3、数控机床特点 随着数控技术的发展，采用数控系统的机床品种日益增多，有车床、铣床、镗床、钻床、磨床、齿轮加工机床和电火 花加工机床等。此外还有能自动换刀、一次装卡进行多工序加工的加工中心、车削中心等。 1）具有高度柔性、适应性强 2）生产准备周期短 3）工序高度集中 4）生产效率和加工精高、质量稳定 西北工业大学明德学院本科毕业设计 9 5）能完成复杂型面的加工 6）技术含量高 7）减轻劳动强度、改善劳动条件 8）有利于 实现现代化 生产管理 2.2 数控机床的分类 数控设备的种类很多，各行业都有自己的数控设备和分类方法。在机床行业，数控机床通常从以下不同角度进行分类。 1按工艺用途分类 按其工艺用途可以划分为以下四大类： （ 1）金属切削类 指采用车、铣、镗、钻 、铰、磨、刨等各种切削工艺的数控机床。它又可分为两类： 普通数控机床 数控加工中心 （ 2）金属成形类 指采用挤、压、冲、拉等成形工艺的数控机床，常用的有数控弯管机、数控压力机、数控冲剪机、数控折弯机、数控旋压机等。 （ 3）特种加工类 主要有数控电火花线切割机、数控电火花成形机、数控激光与火焰切割机等。 （ 4）测量、绘图类 主要有数控绘图机、数控坐标测量机、数控对刀仪等。 2 按控制运动的方式分类 （ 1）点位控制数控机床：这类数控机床有数控钻床、数控坐标镗床、数控冲床等。 （ 2）点位直线控制数控机 床：这类机床有数控车床和数控铣床等。 （ 3）轮廓控制数控机床：这类机床有数控车床、铣床、磨床和加工中心等。 3 按伺服系统的控制方式分类 （ 1）开环数控机床 （ 2）半闭环控制数控机床 （ 3）闭环控制数控机床 此外，按所用数控系统的档次通常把数控机床分为低档、中档、高档三类数控机床。中档、高档数控机床一般称为全功能数控或标准型数控。 西北工业大学明德学院本科毕业设计 10 2.3 数控机床编程指令 在数控加工中编制指令有很多，我现在所接触的主要是 FANCU-0i车床常用编程的几种指令： T 刀具号，刀在刀盘上的位置，我们所用的刀盘是 8 刀位的旋转刀盘 D 刀具补偿号，从 09 刀补号。 M 辅助指令，一般常用的 M00 程序暂停，可以按“启动”加工继续执行、M03 主轴正转、 M04 主轴反转、 M05 主轴停止、 M30 程序结束、 M08 冷却液开、M09 冷却液关、 M02 子程序结束。 S 主轴转速 主轴单位为转 /分 F 进给率 单位毫米 /分钟或毫米 /转 G00 指令为快速插补指令，在快速走刀时候所用的指令，一般注意走刀路线不与工件生干涉现象，例如 G00X100Z150，刀具就会快速的移动到工件坐标系X100、 Z150 的位置。 G01 指令为直线插补指令，在刀具做直线切削的时候所用的指令，一般注意刀具的背吃刀量和走刀速度。 G02 顺时针圆弧插补 G03 逆时针圆弧插补 G71 外径、内径粗车循环指令 格式： G71U_R_ G71P_Q_U_W_F_S_T_ G72 端面粗车循环指令 该指令的执行过程除了其切削进程平行于 X 轴之外，其他与 G71 相同 G73 成形车削循环指令 该指令只需指定精加工路线，系统会自动给出粗加工路线，适于车削铸造、锻造毛坯或半 成品。 G70 精车循环指令 用 G71、 G72、 G73 粗车完毕后，可用 G70 指令，使刀具进行精加工。 G90 直线车削循环、锥体车削循环 G92 螺纹车削循环指令 西北工业大学明德学院本科毕业设计 11 G99 每转进给量 单位（毫米 /转） G97 主轴速度以转速设定 单位（ r/min） G40 刀尖半径补偿方式的取消 G28 返回参考点 在数控加工中编制指令有很多，我现在所接触的主要是 FANCU 铣床床常用编程的几种指令： （一）坐标系设定 1、工件坐标系的建立（ G92） 2、编程的坐标方式 绝对 坐标指令（ G90）和相对坐标指令（ G91） （二）快速定位指令（ G00） （三）直线插补指令（ G01） （四）圆弧插补指令（ G02 , G03） 顺时针方向为 G02，逆时针方向为 G03。 G17， G18， G19 指令分别表示在XY、 ZX 和 YZ 坐标平面内进行加工。在三坐标机床上加工，这些指令在进行圆弧插补和刀具补偿时必须使用。 （五）刀具补偿指令 刀具长度补偿 (G43、 G44 和 G49) 通常把实际刀具长度与编程刀具长度之差称为偏置值（或称为补偿量）。他通过偏置页面设置在偏置存储器中，用 H 代码指令偏置号。 G43 指令为正向刀补（与偏置值相加）， G44 指令为负向刀补（与偏置值相减）， G49 时取消刀具补偿。 （六）固定循环指令 （ 1）高速深孔钻削循环（ G73） （ 2）反向攻螺纹循环（ G74） 该指令用于攻左旋螺纹，主轴反转进刀，正转返回。 （ 3）精镗循环（ G76） （ 4）攻螺纹循环（ G84） 该指令用于攻右旋螺纹，主轴正转进刀，反转返回。 西北工业大学明德学院本科毕业设计 12 （ 5）钻孔循环（ G81、 G82） 这两个指令在使用中等效。 （ 6）深孔钻削循环（ G83） 该指令同 G73 在钻孔时都采取间断进给，区别是 G83 指令在每次进刀 Q 距离后都要返回 R 点，以 便于排屑，而 G73 不必。 （ 7）镗孔循环（ G85、 G89） 这两个指令在使用中等效。而且到达孔底时，以 F 指定的进给速度返回。 （ 8）镗孔循环（ G86） 该指令在到达孔底时，暂停 Ps（可省略）后，主轴停转，快速返回 R 点或指定点，然后主轴恢复原正转（以便加工下一个孔）。 （ 9）反向镗孔循环（ G87） 该指令用于反方向镗孔。 （ 10）镗孔循环（ G88） 该指令表示在到达孔底时，主轴停转，暂停 Ps 后，主轴恢复原正转，快速返回 R 点或指定点。 （七）其他指令 1、极坐标系指令（ G15、 G16） G15 是极坐标系取消指令 ， G16 是极坐标系设定指令。他们是用半径及夹角表示点的坐标。 在使用中，要用 G17、 G18、 G19 指令极坐标系所在平面，用指令平面的第一轴指令半径，第二轴指令角度。 2、选择工件坐标系的指令（ G54-G59） 这六个工件坐标系是在机床坐标系设定（手动返回参考点）后，通过面板用参数设定每个工件坐标系原点相对于机床坐标系原点的偏移量。 西北工业大学明德学院本科毕业设计 13 第三章 数控加工零件工艺性分析 3.1 数控加工工艺的特点 数控加工与普通机床加工在方法与内容上有许多不同之处，最大的不同表现在控制方式上。以切削加工为例，用普通机床加工零 件时，某一工序工步的安排以及机床运转的先后次序，位移量，走刀路线及有关切削参数的选择等，往往都是由操作者自行考虑和确定的，且都是用手工操作方式来进行控制的。如果采用自动机床或仿型机床加工，虽然也能达到对加工过程实现自动控制的目的，但其控制方式是通过预先配置的凸轮，挡块或靠模来实现的。而在数控机床上加工时，情况就完全不同了。在数控机床上加工前，要把原先在普通机床上加工时需要操作人员考虑和决定的操作内容及动作（如工步的划分与顺序，走刀路线，位移量和切削参数等），按规定的代码格式编制成加工程序并记录在控制介质上。 加工时，控制介质上的代码信息输入到数控机床的控制系统，控制系统对输入信息进行运输与控制，并不断地向直接指挥机床运动的机电功能转换部件 机床的伺服系统发出脉冲信号，伺服系统对脉冲信号进行转换与放大处理，然后由驱动装置和传动机构驱动机床的进给部件按所编程序进行运动，就可以自动加工出所需求的零件形状。由于数控加工的整个过程都是自动进行的，因而数控加工工艺具有以下特点： 1.数控加工工艺的内容十分具体 如前所述，在用普通机床加工时，许多具体的工艺问题（如工步的划分，对刀点，换刀点和走刀路线等）在很大程度上都是由操 作工人根据自己经验和习惯自行决定的，一般无须工艺人员在设计工艺规程是进行过多的规定。而在数控加工时，上述这些具体工艺问题，不仅成为数控工艺处理时必须认真考虑的内容，而且还必须正确的选择并编至加工程序中。 2.数控加工的工艺处理相当严密 数控机床虽然自动化程度较高，但自适性差。它不可能对加工中出现的问题西北工业大学明德学院本科毕业设计 14 自由地进行人为调整。尽管现代数控机床在自适应调整方面作了不少改进，但还很不完善。因此，在进行数控加工的工艺处理时，必须考虑到加工过程中的每一个细节。实践证明，数控加工中出现差错或失误的主要原因是加工工艺方面考虑不周或计算与编程时出现错误。所以，编程人员必须具备较扎实的工艺基础知识和较丰富的工艺设计经验。 3.2 零件工艺分析 工艺分析是工艺员的中心工作也是设计者设计的一个重要环节，它是对工件进行数控加工的前期准备。合理正确的工艺分析也是编制数控加工程序的重要依据。故工艺分析是数控加工不可缺少的。 3.2.1 零件结构工艺性的概念 零件尺寸和公差的标注、零件的组成要素和零件的整体结构等三方面来阐述。 零件的结构工艺性是指在满足使用性能的前提下，是否能以较高的生产率和最低的成本方便地加工出来的特性。为了多快好省地把 所设计的零件加工出来，就必须对零件的结构工艺性进行详细的分析。主要考虑如下几方面。 (1)有利于达到所要求的加工质量 合理确定零件的加工精度与表面质量 加工精度若定得过高会增加工序，增加制造成本，过低会影响机器的使用性能，故必须根据零件在整个机器中的作用和工作条件合理地确定，尽可能使零件加工方便制造成本低。 保证位置精度的可能性 为保证零件的位置精度，最好使零件能在一次安装中加工出所有相关表面，这样就能依靠机床本身的精度来达到所要求的位置精度 (2) 有利于减少加工劳动量 尽量减少不必要的加 工面积减少加工面积不仅可减少机械加工的劳动量，而且还可 减少刀具的损耗，提高装配质量 数控车床加工的工艺与普通车床的加工工艺类似，但由于数控车床是一次装夹，连续自动加工完成所有车削工序，因而应注意以下几 点 : 西北工业大学明德学院本科毕业设计 15 1. 合理选择切削用量 2. 合理选择刀具 3. 合理选择夹具 4. 确定加工 路线 5. 确定 加工 余量 3.2.2 合理标注零件的尺寸、公差和表面粗糙度 1.按照加工顺序标注尺寸，避免多尺寸同时保证 2.由定位基准或调整基准标注尺寸，避免基准不重合误差 3.由形状简 单和易接近的轮廓要素为基准的标准尺寸避免尺寸运算 3.2.3 零件要素的工艺 性 零件要素的切削加工工艺性归纳起来有以下三点要求： 1.各要素的形状应尽量简单，面积应尽量小，规格应尽量标准和统一。 2.能采用普通设备和标准刀具进行加工，且刀具易进入、退出和顺利通过加工表面。 3.加工面与非加工面应明显分开，加工面之间也应明显分开。 3.2.4 零件整体结构的工艺性 零件整体结构的工艺性 ，具体有以下五点要求： 1.尽量采用标准、通用件、借用件和相似件。 2.有便于装夹的基准。 3.有位置要求或同方向的表 面能在一次装是中加工出来。 4.零件要有足够的刚性，便于采用高速和多刀切削。 5.节省材料，减轻质量。 表达单个零件的结构和形状、尺寸和技术要求的图样称为零件图。本章主要介绍零件图加工工艺分析以及程序的编辑。 西北工业大学明德学院本科毕业设计 16 第四章 零件加工工艺分析及三维建模 4.1 三维建模 （ 1） 打开 UG NX8，创建建模文件“ lingjiantu.prt”。进入界面，如图 4-1 所示。 图 4-1 建模界面 （ 2） 单击任务环境中的图标“草图”进入如图 4-2 界面，输入零件底座的尺寸数据。 图 4-2 长方体 （ 3） 单击“拉伸”图标进入如图 4-3 所示界面。 西北工业大学明德学院本科毕业设计 17 图 4-3 长方体 （ 4） 然后在长方块上表面建立草图，如图 4-4 所示。 图 4-4 草图 （ 5） 先拉伸 10mm厚的凸台，如图 4-5 所示。 图 4-5 凸台的生成 图 4-6 小孔的生成 （ 6） 打孔，如图 4-6 所示。 西北工业大学明德学院本科毕业设计 18 （ 7） 键槽形凸台，如图 4-7 所示。 图 4-7 键槽凸台的生成 （ 7） 切底面的圆弧槽，如图 4-8 所示。 图 4-8 圆弧槽 的生成 （ 8）打底面的四个螺纹孔，如图 4-9 所示。 图 4-9 螺纹孔 的生成 西北工业大学明德学院本科毕业设计 19 （ 8） 最后打中间圆孔完成零件的 造型 ， 右边是画图的顺序，如图 4-10 所示。 图 4-10 零件的三维造型 4.2 零件图工艺分析 本零件结构为凸模。 表面类型有通孔，键槽，定位孔 ，型腔 等。 主要表面精度要求一般，如孔周围半径平行度误差为 0.02MM,同时本零件要求零件去除氧化皮，未注形状公差应符合 GB01804-2000 的要求，以及未注圆角半径 R2。 图 4-11 和 4-12 所示零件表面由孔和两面的型腔组成，其中，零件的型腔有尺寸精度及表面粗糙度要求。零件图尺寸标注完整，符合数控加工尺寸标注要求，轮廓描述清楚完整，零件材料为 45，切削加工 性能较好。 通过上述分析采用以下几点工艺措施： 1.对图样上带公差的尺寸分析，因公差值较小而且同向，所以编程时不必取平均值，而取基本尺寸即可。 2.零件端面上下表面均有多个设计尺寸的基准，相应的工序加工之前，应首先把上表面加工出来。 3.孔的分布均匀，在铣床用极坐标把孔弄出来。 4.正面的凸台既可以用键槽铣刀，按着轮廓外形编程加工得出。 5.反面有圆弧凹槽，凹槽用球头铣刀既可一加工车光滑的圆弧凹槽来。 西北工业大学明德学院本科毕业设计 20 图 4-11 零件 图 4-12 零件 4.3 零件的工艺过程 在数控加工中还需要分析加工工艺过程，确定 好加工路线和加工方法以免零件加工一半而无法加工下去。 1. 通过图样了解零件的形状、结构并检验图样的完整性。 2. 分析图样上规定的尺寸及其公差、表面粗糙度、形状和位置公差等技术要求，并审查其合理性，必要时应参阅部、组件装配图或总装图。 3. 找出主要加工表面和某些特殊的工艺要求，分析其可行性，以确保其最终能顺利实现加工。 4.3.1 划分工艺过程 双腔加工工艺可分为： 1. 平面铣上表面 2. 加工上表面上的各种凸台 3. 钻 24、 76 孔的底孔 4. 铣 24、 76 孔孔 5. 翻转铣底面 西北工业大学明德学院本科毕业设计 21 6. 钻四个螺纹孔 的底孔 7. 攻丝 8. 铣底面的圆弧面 4.3.2 选择定位基准 在制定零件加工工艺规程时，正确选择定位基准对保证加工表面的尺寸精度和互相位置精度的要求，以及合理安排加工顺序都有重要影响，定位基准选择不同，工艺过程也随之而异。 定位基准包括粗基准和精基准。 粗基准：用未加工过的毛坯表面做基准。 精基准：用以加工过的表面做基准。 1. 粗基准的选择原则： 粗基准影响：位置精度、各加工表面的余量大小 重点考虑：如何保证各加工表面有足够余量，使不加工表面和加工表面间的尺寸、位置符合零件图要求。 1） 合理分配加 工余量的原则 A、应保证各加工表面都有足够的加工余量，如外圆加工以轴线为基准； B、以加工余量小而均匀的重要表面为粗基准，以保证该表面加工余量分布均匀、表面质量高； 2） 保证零件加工表面相对于不加工表面具有一定位置精度的原则 一般应以非加工面做为粗基准，这样可以保证不加工表面相对于加工表面具有较为精确的相对位置。当零件上有几个不加工表面时，应选择与加工面相对位置精度要求较高的不加工表面作为粗基准。 2、精基准的选择原则： 精基准的选择应从保证零件加工精度出发，同时考虑装夹方便，夹具结构简单。 1）“基准重 合”原则。为了较容易地获得加工表面对其设计基准的相对位置精度要求，应选择加工表面的设计基准作为定位基准。 2）“基准统一”原则。当工件以某一精基准定位可以比较方便地加工其他表面时，应尽可能在多数工序中采用此组精基准定位。 西北工业大学明德学院本科毕业设计 22 3）“自为基准”原则。当精加工或光整加工工序要求余量尽可能小且均匀时，应选择加工表面本身作为精基准。 4）“互为基准”原则。为了获得均匀的加工余量或较高位置精度，可采用互为基准、反复加工的原则。 5）保证工件定位基准、夹紧可靠、操作方便的原则。 本论文所加工的零件选用零件上下表面为基准。 4.3.3 选择零件加工方法和加工顺序 零件表面加工方法：铣 铣平面（ T1 30 的平面铣刀） 铣各个型腔和孔所用刀（ T2 10 的键槽铣刀） 钻底孔 15（ T3 15 的钻头） 它的工艺过程卡为 机械加工工艺过程卡 产品名称 零件名称 零件图号 材料名称及牌号 毛坯种类或材料规格 370 250 70 总工时 （不填） 工 序号 工序名称 工序简要内容 设备名称及型 号 夹具 量具 工时 1 铣 平面铣 铣床 平口钳 游标卡尺 型腔铣 钻 15 孔 铣 24、 76 的孔孔 铣底面 钻螺纹底孔 攻丝 铣圆弧面 4.4 毛坯的确定 在零件图纸进行工艺性分析后，还应结合数控车削的特点，对所用毛坯进行西北工业大学明德学院本科毕业设计 23 工艺性分析，否则，如果毛坯不适合数控车削，后续加工将很难进行下去。 根据经验，以下几个方面应作为毛坯工艺性分析的要点： 1. 毛坯的 加工余量是否充分，零件加工时的毛坯余量是否稳定。 2. 分析毛坯在安装定位方面的适应性。主要是考虑毛坯在加工时的安装定位方面的可靠性和方便性，以便充分发挥数控车削在一次装夹中加工出许多待加工面。 3. 分析毛坯的余量大小及均匀性。主要是考虑在加工时要不要分层切削，分几层切削，也要分析加工中与加工后的变形程度，考虑是否应采取预防性措施与补救措施。 此零件毛坯选用的是 370mmX250mmX70mm 4.5 工序设计 数控加工工序设计的主要任务是为每一道工序选择机床、夹具、刀具及量具，确定定位夹紧方案、走刀路线 、工步顺序、加工余量、工序尺寸及其公差、切削用量和工时定额等，为编制加工程序做好充分准备。 4.5.1 机床的选择和工艺装备 1. 机床的选择 1.要保证加工零件的技术要求，能加工出合格的产品。 2.有利于提高生产率。 3.尽可能降低生产成本即生产费用。 根据毛坯的材料和类型、零件轮廓形状复杂程度、尺寸大小、加工精度、工件数量、现有的生产条件要求。选用 TXK56 数控 铣 床 ，如图 4-13 所示。 图 4-13 数控机床 西北工业大学明德学院本科毕业设计 24 2. 工艺装备的选择包括夹具、刀具和量具的选择： 1）夹 具的选择： 夹具尽量要开放，其定位、夹紧机构元件不能影响加工中的走刀，以免产生碰撞。装卸零件要方便可靠，以缩短准备时间。平口钳适用加紧规则的零件，适用于装夹外形规则的中小型工件。 2）量具的选择： 我所用的量具为游标卡尺（ 0-150mm）、外径千分尺（ 0-20mm、 25-50mm） 3）刀具的选择： 刀具的选择应从切削性能好、精度高、可靠性高、耐用度高、排屑性能好等多方面考虑。 (1）孔加工定位用中心钻 (2) 选用 8.6、 10 的钻头加工孔 (3）用 4 ， 40 的键槽铣刀 (4) 选用 16 锪口钻 1铣床加工刀具卡 序号 刀具号 刀具名称 刀具材质 数量 加工表面 1 T01 平面铣刀 P10 1 铣平面 2 T02 10 键槽铣刀 P20 1 铣凸台和孔 3 T03 15 钻头 P10 1 钻孔的底孔 4 T04 12 钻头 P10 1 钻螺纹底孔 5 T05 M14 丝锥 P10 1 攻丝 6 T05 铣底面圆弧 P10 1 铣圆弧面 西北工业大学明德学院本科毕业设计 25 4.5.2 确定切削用量 切削用量包括主轴转数、进给速度和切削深度。 合理选择切削用量的原则是：粗加工时，一般以提高生产 效率为主，但也应考虑经济性和加工成本；半精加工和精加工时，应在保证加工质量的前提下，兼顾切削效率、经济性和加工中心加工成本。具体数值应根据机床说明书、切削用量手册，并结合经验而定。 主轴转数的确定： 主轴转速的确定方法，应根据零件上被加工部位的直径，并按零件和刀具的材料及加工性质等条件所允许的切削速度来确定。 进给速度的确定： 进给速度通常是根据零件的加工精度和表面粗糙度及刀具和材料进行选择。 确定进给速度的原则： 当工件的质量要求能得到保证时，为提高生产效率，可选择较高转速：在切断、加工深孔或高速钢刀具加 工时，宜选择较低转速；当加工精度较高时，进给速度应小一点，常在 2050mm/min 选取；刀具空运行时，特别是远距离“回零”时，可以设定尽量高的转速。 切削深度的确定： 即背吃刀量。在机床、夹具、刀具和零件的刚度运行的条件下，应尽量选择较大背吃刀量，以减少走刀次数，提高生产效率。西北工业大学明德学院本科毕业设计 26 第五章 基于 UG 自动编程的数控加工 5.1 设置加工环境 打开零件图，单击开始图标，选择“加工”选项，如图 5-1 所示设置加工环境。 图 5-1 设置加工环境 5.2 创建铣大平面加工工序 5.2.1 设置加工方法 （ 1）单击 “加工方法视图”图标，操作导航器自动显示加工方法视图，如图5-2，双击“ mill-rough”选项，弹出“铣削方法”对话框，如图 5-3 设置部件余量为 0.35，其他为默认值。 图 5-2 加工方法 图 5-3 铣削方法 西北工业大学明德学院本科毕业设计 27 （ 2）重复上面的步骤，设置“ mill-semi-finish”的部件余量为 0.18，设置“ mill-finish”的部件余量为 0。 5.2.2 定义加工坐标系 单击创建几何体，建立工件加工坐标系 ,如图 5-4 和图 5-5 所示。 图 5-4 创建几何体 图 5-5 设置坐标系 5.2.3 定义几何体 （ 1）单击“几何试图”图标，操作导航器显示几何视图。 双击“ workpiece”，弹出工件图 5-6 对话框，单击“指定部件”图标，单击“指定毛坯”图标，弹出如对话框，确定完成设置。 图 5-6 部件几何体 西北工业大学明德学院本科毕业设计 28 5.2.4 创建刀具 （ 1）单击“创建刀具”图标，弹出相应的对话框，如图 5-7 所示，确定后弹出相应刀具参数设置对话框，如图 5-8 所示。 图 5-7 创建刀具 图 5-8 刀具参数 （ 2）重复上述步骤，创建 D10 铣刀。创建 D15 的钻头。 5.2.5 创建操作 1 （ 1）单击“创建工序”图标，弹出相应对话框，如图 5-9 设置。 （ 2）设置完成之后点击确定退出设置。弹出对话框，如图 5-10 所示。 （ 3）然后进行刀轨设置和进给率和速度的设置 ,如图 5-11 和 5-12 所示。 西北工业大学明德学院本科毕业设计 29 图 5-9 创建操作 图 5-10 设置参数 图 5-11 刀轨设置 图 5-12 进给率和速度 最后生成刀路和仿真如图 5-13 和 5-14 所示。 图 5-13 生成刀轨 图 5-14 仿真 西北工业大学明德学院本科毕业设计 30 5.2.6 创建操作 2 （ 1）单击“创建操作”确定后，弹出型腔铣对话框，如图 5-15 所示。 （ 2）对型腔铣对话框进行设置，同图 5-16 设置。 图 5-15 创建操作 图 5-16 型腔铣设置 （ 3）单击切削层按钮，使范围 6 成为当前范围，并删除范围 6. （ 4）单击切削参数按钮，在“策略”选项下，设置如图 5-17。余量中将底部余量设置为 0.15，确定返回。 （ 5）单击非切削移动按钮，如图 5-18 设置。 图 5-17 策略设置 图 5-18 非切削移动 西北工业大学明德学院本科毕业设计 31 （ 8）单击进给和速度按钮，设置主轴速度为 2200，进给率为 500，进刀为500，点击确定返回。 （ 9）生成刀轨，并确认刀轨，确定返回，如图 5-19 和 图 5-20 所示。 图 5-19 刀轨 图 5-20 仿真 5.2.7 创建操作 3 （ 1）单 击创建操作按钮，弹出相应对话框，如图 5-21 设置，点击确定返回，弹出“钻”界面如图 5-22 所示 。 图 5-21 创建操作 图 5-22 钻 （ 2）设置安全距离值为 1，在循环类型中单击 ，弹出对话框，默认原设置，点击确定，进如“ cycle 参数”对话框，如图 5-23 所示 。单击“模型参数”西北工业大学明德学院本科毕业设计 32 选择穿过底面，确定返回。单击“ Rtrcto-无”选择自动，确定返回。单击“ step”设置 step#1 为 1，确定返回。 图 5-23cycle 参数 （ 3）单击 按钮选择零件顶面为底面。 （ 4）按照之前的方法，制定钻孔位置，设置主轴转速为 1500，进给速度为 100，并生成刀轨确定完成。 （ 5）单击 按钮，选择孔的上圆弧。 （ 6）单击 按钮，选择沉孔底面作为底面，确定返回。 （ 7）单击 按钮，最大值设置为 0.3。 （ 8）单击 按钮，弹出相应对话框，如图 5-24 所示。 （ 9）单击 按钮，弹出对话框，如图 5-25 所示。 图 5-24 切削参数设置 图 5-25 进给和速度设置 西北工业大学明德学院本科毕业设计 33 （ 10）生成刀轨，并且确认刀轨。 （ 11）阵列刀具路径，生成加工其它 3 个孔，如图 5-26 和 图 5-27 所示。 图 5-26 阵列刀具路径 图 5-27 生成孔 5.2.8 创建操作 4 （ 1）点击创建程序按钮，创建新的程序，如图 5-28 所示。 （ 2）点击创建操作按钮，弹出相应的对话框，如图 5-29 所示，点击确定。 图 5-28 创建操作 图 5-29 深度加工轮廓 （ 4）点击指定切削区域按钮，选择零件的基准面以上的表面为指定切削区域。 （ 5）单击切削参数按钮，弹出对话框，在策略选项下，设置如图 5-30 所示。连接下，选择直接对部件进刀，确定返回。 西北工业大学明德学院本科毕业设计 34 （ 6）单击非切削移动按钮，弹出相应的对话框，如图 5-31所示，并确定返回。 （ 7）单击进给和速度按钮，设置主轴转速为 2200，进给速度为 2000，进刀为 800，并确定返回。 图 5-30 策略设置 图 5-31 非切削移动 （ 8） 生成刀轨，并确认刀轨，确定退出，如图 5-32 和图 5-33 所示。 图 5-32 刀轨 图 5-33 仿真 5.2.9 创建操作 5 （ 1） 点击创建程序 按钮，创建底面圆弧加工的工序。其中刀轨设置 、 切削区与非切削区的参数设置和进给率和速度的设置如图 5-34、 图 5-35 和图 5-36 所示。 西北工业大学明德学院本科毕业设计 35 图 5-34 刀轨设置 5-35切削区与非切削区的参数设置 5-36进给率和速度的设置 （ 2）刀轨和仿真如图 5-37 和 5-38 所示 图 5-37 刀轨 图 5-38 仿真 西北工业大学明德学院本科毕业设计 36 第六章 后处理生成程序 6.1 后处理 在“ PROGRAM”上右键弹出菜单，选择“后处理”选项，弹出后处理器，在其中选择后处理文件，如图 6-1 所示。 图 6-1 后处理 图 6-2 后处理 这里选择已经编辑设置好的 MILL-3- AXIS 系统后处理文件，指定存放位置，确认输出，生成 G 代码，至此，加工完成。如图 6-2 所示。 6.2 生成程序 由于生成的程序太多，在此只截取部分程序，如图 6-3 和图 6-4 所示。 西北工业大学明德学院本科毕业设计 37 图 6-3 生成的程序 图 6-4 生成的程序 西北工业大学明德学院本科毕业设计 38 第七章 全文总结 本文将 CAD/CAM软件 UG与数控加工仿真相结合，通过建立集建模、加工与仿真为一体的虚拟数控加工链。 本文主要做了以下工作 : 1.总结了虚拟数控加工的基础技术，分析了各基础技术的国内外研究现状及发展趋势。 2.总结了虚拟数控加工中产品的建模方法，采用 UG对具有自由曲面特征的模型进行建模。分析了数控加工工艺的制定原则，并结合所建模型的结构特点与实际加工经验，为其制定了合理的加工工艺，选择了合理的切削参数。 3.研究了基于 UG的数控自动编程。结合前文的工艺分析和模型的结构特点，生成了各个工序的刀位轨迹，并获得了刀位文件。利用 FANUC通用后置处理器对刀位文件进行后置处理，得到了适合机床的 G代码文件。 通过这次独立的完成毕业设计，我们从模型的建立到最后的模型自动编程验。系统的学习了零件从数字化建模开始，直至最终完成零件的实际加工的各个环节。 在建模的过程中也让我认识到了软件经常熟悉操作的重要性，由于 UG 软件学习的时间较早，学完以后练习机会较少，所以在使用软件建模的过程中也遇到了软件操作不熟练，指令繁杂等小问题 ，通过了这次毕业设计建模，让我重新温习了一遍 UG 三维建模的相关知识与指令，在后期使用 UG 进行数控仿真加工的过程中，也遇到了很大的困难，以前学习的都是有关建模方面的知识， UG-CAM数控加工模块这是初次接触，不过好在通过在图书馆查阅相关资料，成功的进行了零件的数控加工仿真。 西北工业大学明德学院本科毕业设计 39 参考文献 1 韩鸿鸾 荣维芝 . 数控机床加工程序的编制 . 北京：机械工业出版社 .2002.12 2 朱焕池 . 机械制造工艺学 . 北京：机械工业出版社 .2003.4 3 刘治映 . 毕业设计（ 论文）写作导论 . 长沙：中南大学出版社 .2006.6 4 徐宏海 . 数控加工工艺 . 北京：化学工业出版社 .2003.11 5 焦小明 . 机械加工技术 . 北京：机械工业出版社 .2005.7 6 赵长明 刘文菊 . 数控