机械设计制造及其自动化 毕业设计论文 数控加工工艺分析.doc

本科毕业论文（设计） 题 目 数控加工工艺分析 学 院 机 电 学 院 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 08机制统本02班 学 号 081102402002 学生姓名 张 荣 指导教师 杨 宏 伟 完成日期 2012年 4月28日 西安思源学院教务处制二一二年四月中文摘要数控技术是机械制造业中最先进加工手段之一。它的广泛应用给机械制造业的生产方式、产品结构、产业结构带来了深刻的变化，是制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础。数控技术及数控装备是关系到国家战略地位和体现国家综合国力水平的重要基础性产业，其水平高低是衡量一个国家制造业现代化程度的核心标志，实现加工机床及生产过程数控化，已经成为当今制造业的发展方向。本文运用有关的专业知识来分析解决数控加工工艺的问题；掌握工艺的编程和设计； 绘制准确的零件图；制定完善的工艺流程；选择合适的刀具和夹具；设计合适的数控程序。根据对数控加工工艺的分析，使零件的加工精度得以提升，优化零件加工工艺。关键词：数控 工艺 设计 abstractnumerical control technology is the most advanced mechanical manufacturing process means one of. its widely used to mechanical manufacturing mode of production, product structure, industrial structure brings profound changes, and are manufacturing automation, flexibility, integration of the production of the foundation. numerical control technology and the numerical control equipment is related to the national strategic status and reflect the national comprehensive national strength level of fundamental industry, its level is the measure of a country the core of modern manufacturing industry degree mark, realize the processing machine and production process to numerical control, has become the most manufacturing development direction. in this paper, the relevant professional knowledge to analyze and solve the problem of nc machining process; master process programming and design; draw accurate parts graph; formulate the perfect technology process; choose the right tools and fixtures; the design appropriate cnc program. according to the analysis of nc machining process, make parts processing precision to be promoted, optimize parts processing technology. key words ：numerical control, process, design 第一章 绪论- 1 -一、数控机床的加工优势- 1 -第二章 数控加工工艺分析- 3 -一、刀具、夹具和机床的选择- 3 -（一）刀具材料及其运用- 4 -（二）夹具的选择- 6 -（三）机床的选择- 6 -二、制定工艺方案- 7 -（一）零件加工工艺分析- 7 -（二）切削用量的选择分析- 8 -(三)材料的性能分析- 9 -（四）定位基准的选择、分析- 10 -(五)对刀点与换到点的确定、分析- 10 -三、工艺路线的设定- 11 -（一）加工方法的选择- 11 -（二）平面加工方法的选择- 11 -（三）平面轮廓加工方法的选择- 12 -（四）加工路线的确定- 12 -第三章 数控编程加工- 14 -一、手工编程- 14 - 第四章 数控仿真- 16 -一、仿真的基本操作- 16 -二、数控仿真加工- 16 -参考文献- 19 - 致谢- 20 - 西安思源学院本科毕业论文（设计）第一章 绪论数字控制技术是集成化的基础，是提高产物质量、劳动生产率的有效手段。数字化制造在产品设计、制造活动中，需要进行两个层次的虚拟过程，并通过虚拟运作实现事先风险评估、实时运筹调度和全局优化等，是科技发展和现代企业需求的必然结果。数控加工技术是机械制造中的先进加工技术。它的广泛使用给机械制造业的生产方式、产品结构和产业结构带来了深刻的变化，是制造业实现自动化、柔性化和集成化生产的基础。离开了数控技术，先进制造技术就成了无本之木。数控技术是国际技术和商业贸易的重要构成，工业发达国家把数控机床视为具有高利润、高技术附加值的重要出口产品，世界贸易额逐年增加。而采用数控技术的典型产品是机电工业的重要基础设备，是汽车、石化、电子等支柱产业及重矿业生产现代化的最重要的手段，也是世界第三次产业革命的一个重要内容。因此，数控装备和数控技术是关系到国家战略地位和体现国家综合国力水平的重要基础性产业，其水平的高低是衡量一个国家制造业和现代化程度的核心标志，实现加工机床及生产过程数控化，已经成为当今制造业发展的方向。一、数控机床的加工优势1、可以加工有复杂型面的工件。数控机床的刀具运动轨迹是由加工程序决定的，因此只要能编制出程序，多么复杂的型面工件都能加工。2、加工精度高，尺寸一致性好。机床本身的精度都比较高，一般数控机床的定位精度为0.01mm，重复定位精度为0.005mm，在加工过程中操作人员不参与操作，工件的加工精度全部由机床保证，消除了操作者的人为误差。3、生产效率高。数控机床的主轴转速、进给速度和快速定位速度高，可以合理地选择高的切削参数，充分发挥刀具的切削性能，减少切削时间，还可以自动地完成一些辅助动作，精度高而且稳定，不需要在加工过程中进行中间测量，能连续完成整个加工过程，减少了辅助动作时间和停机时间。4、可以减轻工人劳动强度，可以实现一人多机操作。 一般数控机床加工出第一个合格工件后，工人只需要进行工件的装夹和启动机床，减轻了工人的劳动强度。现在的数控机床可靠性高，保护功能齐全，并且数控系统有自诊断和自停机功能，当一个工件的加工时间超出工件的装夹时间时，就能实现一人多机操作。5、经济效益明显。虽然数控机床一次投资及日常维护的保养费用比普通机床高的多，但是如果能充分地发挥数控机床的能力，将带来很高的经济效益。这些效益不仅表现在生产效率高、加工质量好、废品少上，而且为企业带来明显的经济效益。6、可以精确地计算成本和安排生产进度。在数控机床上，加工所需的时间是可以预计的，并且每件是不变的。因而工时和费用可以估计得很精确。这有利于精确编制生产进度表，有利于均衡生产和取得更高的预计产量。 第二章 数控加工工艺分析一、刀具、夹具和机床的选择（一）刀具材料及其运用在金属切削加工中，刀具材料的切削性能影响着生产效率、工件的加工精度和已加工表面质量、刀具消耗和加工成本。正确选择刀具材料是选用刀具的重要内容其中之一，特别是对某些难加工材料的切削，刀具材料的选用显得尤为重要。 1、刀具材料应具备的基本性能金属切削时，刀具切削部分直接和工件及切屑相接触。受到很大的切削压力和冲击，并受到工件及切屑的剧烈摩擦产生很高的切削温度。刀具应具备的性能如下：（1）硬度，刀具材料的硬度必须高于被加工工件材料的硬度，否则在高温高压下，就不能保持刀具锋利的几何形状。目前，切削性能最差的刀具材料是碳素工具钢，硬度在室温条件下也应在62hrc以上,高速纲的硬度为6370hrc，硬质合金的硬度为8993hrc.（2）有足够的韧性和强度，刀具切削部分的材料在切削时要承爱很大的切削力和冲击抗力。（3）有足够的耐热性和耐磨性，刀具材料的耐磨性指抵抗磨损的能力。一般情况，刀具材料硬度越高，耐磨性就越好。另外，刀具材料的耐磨性和金相组织中化学成分、颗粒数量大小和分切状况有关。金相组织中碳化物越多，颗粒就越细，分布就越均匀，耐磨性也就越高。耐热性通常用它在高温下保持较高硬度的性能，即高温硬度来衡量，或叫红硬性。高温硬度越高，表示耐热性越好。刀具材料由于高温下硬度显著下降并会很快磨损及会发生塑性变形，丧失其切削能力。（4）良好的导热性、热导率大，表示导热性越好，切削对产生的热量容量传导出去，从而降低切削部分的温度，减轻刀具磨损，导热性越好的刀具，抗热裂和耐热冲击的性能增强。（5）抗粘接性强。防止工件与刀具材料分子间在高温高压作用下互相吸附产生粘接。 （6）化学稳定性高。刀具在高温下，不容易与周围介质发生化学反应。 2、典型立铣刀主要参数的选择1）立铣刀参数选择：立铣刀主切削刃的前角在法向剖面内测量，后角在端剖面内测量，前后角的标注如图2-1b所示。前后角都为正值，分别根据工件材料和铣刀直径选取，其具体数值可参考表2-1、表2-2。 图 2-1 立铣刀刀具参数 表2-1工件材料直径选取的参考表工件材料前角钢b0.589gpa0.589gpab0.981gpa 25 1510铸铁150hrs150hrs1510 铣刀直径do/mm后角101020202520 15表2-2铣刀直径选取的参考表 2）选用刀具的注意事项 在铣削平面时，一般采用两次走刀，一次粗铣，一次精铣，当连续切削时，粗铣刀具直径要小一些，精铣刀直径要大一些；最好包含待加工表面的整个宽度。加工余量时，尽量先用直径小的刀。 加工精度要求较高的凹槽时，可采用直径比槽宽小的立铣刀。3、麻花钻的选用 钻孔刀具及其选择钻孔刀具较多，有普通麻花钻、喷吸钻、可转位浅孔钻和扁钻等。应根据加工材料、加工质量及加工尺寸要求等合理选用。在加工中心上钻孔，普通麻花钻应用最广泛，尤其是加工30以下的孔时，以麻花钻为主。麻花钻有硬质合金和高速钢两种。它主要由柄部和工作部分组成。工作部分包括导向部分和切削部分。麻花钻导向部分起导向、修光、输送和排屑切削液，直径为4880mm的麻花钻多为莫氏锥柄，可直接装在带有莫氏锥孔的刀柄内，刀具长度不能调节。直径为0.120mm的麻花钻多为圆柱柄，可装在钻夹头刀柄上。中等尺寸麻花钻有两种形式都可选用。麻花钻有标准型和加长型，为了提高钻头刚性，应该选用较短的钻头，但麻花钻的工作部分应大于孔深，以便输送切削液和输送。在加工中心上钻孔，因为无夹具钻模导向，受两切削刃上切削力不对称的影响，容易引起钻孔偏斜，因此要求钻头的两切削刃必须有较高的刃磨精度。另外多采用深孔刀片，通过该中心压紧刀片。靠近钻心的刀，用韧性较好的材料。靠近钻头外径刀片，选用较为耐磨的材料，这种钻具有刀片可集中刃磨，刀杆刚度高，允许切削速度高，加工精度高和切削效率高等特点，最适合于箱体零件的钻孔加工。麻花钻是最常用的钻孔刀具，它适合加工精度低的孔，也可以用于扩孔选择麻花钻。麻花钻主要切削部分，是由两个前面，两个后面，两个副后面组成，选择麻花钻，要注意控制钻头的尺寸角度。 直径，直径是指切削部分测量两刃带间的距离。 远离切削部分的直径逐渐的小，减少刃带与孔壁的磨擦。 钻芯直径，影响钻头的容屑截面与刚性。 轴线的夹角为了提高钻头钢性，应尽量先择较短的钻头，但麻花钻的工作部分应大于孔的深度，以便排屑和输送切削液，靠近钻心的刀，用韧性较好的材料，靠近钻头外径刀片运用较为耐磨的材料，这种钻头具有刚度高，速度高，切削效率高及加工精度高等优点，适合于泵盖零件的钻孔加工。（二）夹具的选择 1、机床夹具是将工件进行夹紧、定位，将刀具进行导向式对刀，以保证工件和刀具间的相对位置关系的附加装置。2、夹具装置的要求（1）在夹紧过程中应能保持工件定位时所获得的正确位置；（2）夹紧机构一般要有自锁作用，保证在加工过程中不会产生振动或松动。夹紧工件时，不允许工件产生不适当的表面损伤和变形。（3）夹紧装置应操作方便、安全、省力。3、夹紧力的确定（1）夹紧力方向的作用方向应有利于工件的准确定位，而不能破坏定位。（2）夹紧力的作用方向应尽量与工件刚度最大方向相相同，以减小工件变形。（3）夹紧力的作用方向应尽量与切削力工件重力方向相同，以减小所需夹紧力。4、夹具的确定加工泵盖零件选择平虎钳就可以，在加上两块垫片固定两个孔，定做基准点。（三）机床的选择一般单件加工时最好选用立式加工中心，如各种板类零件，跨距较小的箱体等。数控铣床规格的选择：1、工作台规格的选择。工作台尺寸应保证工件在其上面能顺利装夹加工尺寸，还必须在各坐标行程内。2、加工范围的选择。应考虑加工中心各坐标行程，主轴端面到工作台中心距离的最小值，最大值。主轴中心的主工作台面距离的最小值，最大值等。在加工中心上加工的零件其各加工部位必须为机床各向行程的最小值与最大值。所决定的空间包含，加工中心工作台面尺寸与三坐标行程，一般都有一定的比例。若工件尺寸大于坐标行程，因此加工区域必须在坐标行程以内，另外，工件和夹具的总重量不能大于工作台的额定负载，交换刀具不得与工件相碰等。3、机床主轴功率及转矩的选择。主轴电动机功率反映了整机的切削效率，也反映了整机的切削刚性，加工中心一般都配置功率较大的交流或直流调速电动机，调速范围比较宽，可满足高速切削要求。若采用低速切削，由于输出功率小，转矩受限制，因此，主轴箱需要增加减速齿轮副来增大转矩。加工大直径、大余量的工件时，必须对低速切削时的转矩进行较准，否则必须将镗孔改为立铣刀铣孔。4、机床精度的选择。根据零件关键部位的加工精度选择机床的精度等级。加工中心按精度水平可分为精密型和普通型两种。根据工件的加工精度，选用相应精度及机床，批量生产的零件，实际加工出的精度数值，可能是定位精度的1.5-2倍；普通型机床批量加工8级精度工件；精密行机床加工精度可达5-6级。但要有恒温等工艺措施。一般应选择加工中心的各项精度为零件各项精度的0.5-0.65倍较为合理。5、刀库容量的选择。可以根据被加工工件的工艺分析结果来确定所需数量。因为换一种零件加工时，需要重新安排刀具，否则刀具管理复杂并容易出差错。二、制定工艺方案（一）零件加工工艺分析在选择并决定数控铣床加工零件时，应对零件加工工艺进行认真、仔细分析，主要对零件图零件结构和零件毛坯进行分析。图2-2工作零件图1、零件结构工艺分析（1）结构工艺性的好坏与转角圆弧半径的大小、被加工工件轮廓精度的高低等因数有关，转角圆弧半径较大，可以采用较大直径的立铣刀加工。（2）零件铣槽底平面时，铣刀端面刃与铣削平面最大接触直径d=d-2r3、零件毛坯的工艺分析零件在进行数控铣削加工时，由于加工过程的自动化会使余量的大小产生变化，引起装夹等如下问题：（1）毛坯应有充分稳定的加工余量（2）分析毛坯的装夹适应性，主要考虑毛坯在加工时定位和夹紧的方便性与可靠性，以便在一次安装中加工较多表面。（3）分析毛坯变形余量的大小及均匀性，应考虑在加工时分次切削，分层切削，也要分析加工中与加工后的变形程度。（二）切削用量的选择分析1、选择背吃刀量对于粗加工：在加工余量不多并较均匀、加工工艺系统刚性足够时应使背吃刀量一次切除余量，如果在加工面上有硬化层，氧化皮式硬杂质情况下，此时，加工余量若足够，背吃刀量也应加大。对于精加工：由于粗加工后形式表面的质量较为良好，应使半精加工的背吃刀量一次切除余量。2、选择进给量粗加工：增长进给量，可提高生产效率，但过大进给量，会使切削力剧增，因而影响机床进给系统，刀具和工件的强度钢性。此外，也会显著加大表面粗糙度。因而制定的进给量应考虑到上述影响因素，加工的进给量主要根据表面粗糙度要求选择。3、选择切削速度由于切削速度对刀具寿命的影响最大，因此确定了进给量和背吃刀量后，可根据要求达到的刀具寿命来确定刀具寿命允许的切削速度。(三)材料的性能分析1.机械性能 灰口铸铁组织是钢基体上分布的有片状石墨，石墨的密度为铸铁的1/3，体积约占铸铁的（710）%，石墨的抗拉强度小于20mpa，塑性近于零，石墨的这种特性是改变灰口铸铁机械性能的主要因素。 因为片状石墨像刀口一样对金属基体有严重割裂作用，减少了基体受力的有效面积，使铸件金属基体的作用不能充分发挥，根据统计灰口铸铁金属基体强度的利用率一般不超过（3050）%，这表现为铸铁抗拉强度比碳钢低得多，b为(120250)mpa，塑性、韧性比较差，而且几乎没有延伸率(0)，使普通灰口铸铁成为脆性材料，故常把灰口铸铁看成具有大量微小裂纹或孔洞的碳钢。但石墨对基体的割裂作用和造成的应力集中对压应力的有害影响比较小，所以灰口铸铁的抗压强度远大于抗拉强度，如图3-1所示，石墨数量愈多，愈粗大，分布愈不均匀，对基体的割裂就愈严重，其机械性能就愈差。图3-1 灰口铸铁抗拉强度与抗压强度的关系2.工艺性能由于铸铁很脆，因此不能进行锻造和冲压，焊接时易于产生裂纹，并出现白口组织，使切削加工难度增加，所以说焊接性能差。灰口铸铁接近共晶成分，铸造时流动性好，又因为石墨膨胀可使收缩减小，铸造性能最好，所以能够铸造形状复杂的零件。 由于石墨具有割裂基体连续性的作用，所以铸件的切削屑易脆断成碎片，具有良好的切削加工性。（四）定位基准的选择、分析1、选择零件上的设计基准作为定位基准，当加工中心不带自动测定工件功能时，刀具不能每件、每次安装都重新对刀，加工面和设计基准不在一次安装中，同时加工出来时，设计基准不重合，会存在误差。选择设计基准作为定位基准定位，不仅可以避免因基准不重合而引起的定位误差，而且提高加工精度，也可简化程序编制。2、当零件的定位基准与设计基准不能重合，而且加工面与其设计基准不能在一次安装内同时加工时，应认真分析装配图样，确定该零件设计基准的设计功能，通过尺寸链的计算严格规定定位基准与设计基准间的公差范围，确保加工精度需考虑各个表面都能被加工的定位方式。对非回转类工件最好采用一面两孔的定位方案，以便刀具对其他表面进行加工时，当工件上没有合适的孔，可增加工艺孔进行定位。(五)对刀点与换到点的确定、分析机床坐标系是机床出来后已经确定的，工件在机床加工尺寸范围内的安装位置却是任意的。确定工件在机床坐标系中的位置就要靠对刀。对刀点是工件在机床上定位点，工件装夹后，就可以确定工件原点在机床坐标系中位置。为保证正确加工，在编制程序时，应合理设置对刀点。在加工中心等使用多种刀具在机床上加工时，需要经常更换刀具，在编制程序时，就要考虑设置换刀点，换刀点位置的设定应接按照刀具不碰到工件、夹具和机床的原则确定，一般加工中心的换刀点往往是固定的安全点。三、工艺路线的设定（一）加工方法的选择对于数控铣床，应重点考虑几个方面：保证零件的加工精度和表面粗糙度的要求；使走刀路线最短，既可以简化程序段，又可以提高加工效率；应使数值计算简单，程序段数量少，以减少编程工作量。1、内孔表面加工方法的选择：在数控铣床上加工内孔表面的加工方法主要有：钻孔、扩孔、铰孔、镗孔和攻螺纹等，应根据被加工孔的加工要求、尺寸、具体生产条件、批量的大小及毛坯上有无预制孔等情况合理选用。（1）加工精度为it9级的孔，当孔径小于10mm时，可采用钻铰方案；当孔径小于30mm时，可采用钻扩方案；当孔径大于30mm时，可采用钻镗方案。（2）加工精度为it8级的孔，当孔径小于20mm时，可采用钻铰方案；当孔径大于20mm时，可采用钻扩铰方案，此方案适用于加式淬火钢以外的各种金属，但孔径应在2080mm，可采用最终工序为精镗的方案。（3）加工精度为it7级的孔，当孔径小于12mm时，可采用钻粗铰精铰方案；当孔径在1260mm范围时，可采用钻扩粗铰精-铰方案。当毛坯上已铸出或锻出孔，可采用粗镗半精镗精镗方案。最终工序为铰孔适用于未淬火钢、铸铁和有色金属。（4）加工精度为it6级的孔，最终工序可采用精镗，工件材料为非淬火钢。（二）平面加工方法的选择 在数控铣床上加工平面主要采用端铣刀和立铣刀加工。需要注意的是：当零件表面粗糙度要求较高时，应采用顺铣方式。（三）平面轮廓加工方法的选择 平面轮廓多由直线和圆弧或各种曲线构成，通常采用3坐标数控铣床进行两轴斗坐标加工。如图3-2，采用斗径为r的立铣刀沿周向加工，虚线abcdea为刀具中心的运动轨迹。为保证加工面光滑，刀具沿pa切入，沿ak切出。 图 3-2 加工轮廓线（四）加工路线的确定1、保证零件的加工精度和表面粗糙度，当铣削平面零件外轮廓时，一般采用立铣刀侧刃切削。刀具切入工件时，应避免刻痕太深而影响表面质量，保证零件外轮廓曲线平滑过渡。同理，在切离工件时，也应避免在工件的轮廓处直接退刀，而应该沿零件轮廓延长的切向逐渐切离工件。铣削封闭的内轮廓表面时期中内轮廓由线允许外延，则应沿切线方向切入切出。如内轮廓贴曲线不允许外延，则刀具只能沿内轮廓曲线的法向切入切出，此时刀具的切入切出点应尽量选在内轮廓曲线两极和元素的交点处。当内部内何元素相要无交点时，如图3-3a所示取消刀补会在轮廓拐角处留下凹口，应使刀具切入切出点远离拐角，如图3-3b所示。图3-3 无交点内轮廓加工刀具的切入和切出 当整圆加工完毕时，不要在切点处直接退刀，而应让刀具沿切线方向多运动一段距离，以免取消刀补时，刀具与工件表面相碰，造成工件报废。对于孔位置精度要求高的零件，在精镗孔系时，镗孔路线一定要注意各孔的定位方向一致，即采用单向趋近定位点的方法，以避免传动系统反向间隙误差或测量系统的误差对定位精度的影响。20西安思源学院本科毕业论文（设计）第三章 数控编程加工一、手工编程t0101m03 s800g54 g90 g00 x15 y-15z20x0 y0g41 g01 z-6.37 f200g01 x8g03 x-0.97 y4.565 r8g02 x-11.73 y4.22 r3g03 x-11.73 y-4.22 r6g02 x-6.97 y-4.565 r3g03 x6 y0 r8g01 x0g00 z20x10 y0g01 z-18.15g02 x0 y-10 r10g01 x-16.52 y-8g02 x-16.52 y8 r8g01 x0 y10g02 x10 y0 r10g00 z20g40 g00 x15 y-15t0202g00 x0 y0z10g01 z-15.47x3.5g02 z-3.5g00 z20x-16.52 y0g01 z-1