数控课程设计--车削加工设计.doc

前 言随着科学技术的高速发展制造业发生了根本性的变化。由于数控技术的广泛应用，普通机械逐渐被高效率、高精度的数控机械所代替，形成了巨大的生产力。专家们预言：二十一世纪机械制造业的竞争，其实质是数控技术的竞争，而数控技术又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。当今世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。 数控技术的广泛应用，给机械制造业生产方式、产品结构、产业结构带来深刻的变化。随着我国工业现代化进程逐步加快，数控技术在制造业中越来越多地得到应用。目前，我国制造工业中，从事数控机床制造和生产的科技人员以及数控机床的操作员、程序员和维修人员都非常缺乏。特别是在我国的经济特区，数控人才非常抢手。因此，数控人才的缺乏是制约我国数控技术推广应用的极其重要的因素。 机床数控技术这门课是实践性很强的课程，学生只有通过认识和具体操作、使用数控机床才能加深理解所学的知识，并达到真正掌握的目的。为了配合机床数控技术的教学，巩固数控编程的知识，我们安排了数控编程课程设计，编写了课程设计说明书，达到掌握微机数控系统的数控编程的目的。本次数控课程设计是为了让我们更清楚地理解怎样确定零件的加工方案，对零件进行编程，并在仿真软件上进行模拟加工。这样的课程设计对我们即将走上工作岗位的毕业生来说无疑是对我们说学知识的一次检验和提高。1、 课程设计目的 本课程设计是学完数控编程之后，进行的下一个实践性教学环节，课程设计的目的在于： （1）巩固和加深学生所学课程的理论知识，培养学生设计、计算、绘图、计算机应用能力，使学生逐步树立正确的设计思想。 （2）掌握数控机床加工工艺的编制，学会使用常用功能指令和固定循环指令的编程方法及应用；会用选刀、换刀、对刀、刀补和固定循环编制一个轴类、套类或箱体类零件的数控加工程序。 （3）提高学生独立分析问题、解决问题的能力，逐步增强实际工程训练。 （4）训练学生围绕设计内容查阅有关规范、设计手册等资料的能力。 二、课程设计题目及要求 2.1本课程设计共有2类课题 （1）车削类零件数控加工程序编制； （2）铣床工作台设计。 2.2课程设计基本要求 （1）零件的工艺分析。 （2）程编中工艺指令的处理。 （3）编制数控车床加工工艺过程卡。 （4）编制数控加工程序，写设计说明书。 （5）工作台的分析计算313、 课程设计内容 车削加工设计3.1.1设计题目. 在数控车床上加工如图2-34所示零件，其材料为45钢。图 2-34 零件图3.1.2分析零件数控加工工艺（1）确定装夹定位方案根据毛坯和零件图，确定工件的装夹方式。由于该工件是一个盘类零件，采用工件的左端面和外圆作为定位基准。使用普通三爪卡盘夹紧工件，并且两次装夹即可完成全部加工，取工件的右端面中心为工件坐标系的原点。（2）确定加工顺序三爪卡盘夹住毛坯右端，首先加工左端面并钻19通孔，加工内孔及锥面之后加工左端外轮廓至尺寸要求调头后加工右端面至长度尺寸要求，加工外轮廓，切外沟槽，加工外螺纹，加工内孔，最后加工内螺纹。（3）选择刀具与切削用量1）由于毛坯材料为45#钢材，采用硬质合金刀具进行加工。为了避免停车换刀，考虑粗、精加工以及端面加工采用不同刀具。根据加工方案和工件材料，编制11数控加工刀具卡加工内容刀具号刀具名称主轴转速(r/min)进给速度(r/min)车端面T0145偏刀4000.1钻中心孔T02中心钻头2500.02钻通孔T0319钻头2500.2粗车外圆精车外圆T0490偏刀4005000.250.1粗镗内孔精镗内孔T05内孔镗刀3503000.20.1车外环槽T06切断刀2500.05车内沟槽T07内沟槽车刀2500.05加工外螺纹T08螺纹车道500加工内螺纹T09内螺纹车刀500（4）设计数控加工工序卡零件号零件名称编制日期程序号编制工步号工步内容刀具号切削速度/（r/min）进给速度/(mm/r)切深/(mm)备注1装夹50*72mm的毛坯右端外圆，车右端面T014000.112钻中心孔T022500.0253钻通孔T032500.24粗/精车外圆轮廓T044005000.250.11.50.55粗/精镗内孔T053503000.20.110.56调头装夹7车端面T014000.118粗/精车外轮廓T044005000.250.11.50.59切外沟槽T062500.0510车外螺纹T0850011粗/精镗孔T053503000.20.110.512切内沟槽T072500.0513车内螺纹T09500（5）数控加工走刀路线图3.1.3编写数控加工程序 00001;M41;G50 S1500;N1;G00 G40 G99 S400 T0101 M03 F0.1;X55.0 Z0;G96 S120;G01 X0;G00 G97 S500 Z80.0;G28 U0 WO TO M05;N2;G00 G40 G97 G99 S800 M03 T0202 F0.02;XO Z2.0;G74 R0.2;G74 Z-5.0 Q2000;G28 U0 W0 TO MO5;N3;G00 G40 G97 G99 S250 M03 T0303 F0.2;X0 Z2.0;G74 R1.0;G74 Z-72.0 Q3000;G28 U0 W0 T0 M05;N4;G00 G40 G97 G99 S400 M03 T0404 F1.5;X55.0 Z2.0;G71 U2.0 R0.5;G71 P10 Q11 U0.4 W0.1;N10 GOO X45.0;G02 X48.0 Z-3.0 R3;Z-10.0;G03 X48.0 Z-30.0 R20;N11 Z-42.0;G70 P10 Q11;G01 G40 X55.0;G28 U0 W0 T0 MO5;N5;GOO G40 G97 G99 S350 T0505 M03 F0.2;X17.0 Z2.0;G71 U1.5 R0.5;G71 P12 Q13 U0 W0;N12 G00 G41 X35.0;G01 X27.0 Z0;X25.0 Z-20.0;Z-28.0;X20.0;N13 Z-50.0;G70 P12 Q13 F0.1;G01 G40.0 X17.0;G28 U0 W0 T0 M05;N6;G00 G40 G99 S400 T0101 M03 F0.1;X55.0 Z0;G96 S120;G01 X0;G00 G97 S500 Z80.0;G28 U0 WO TO M05;N7;G00 G40 G97 G99 S400 M03 T0404 F1.5;X55.0 Z2.0;G71 U2.0 R0.5;G71 P14 Q15 U0.4 W0.1;N14 GOO X36.0;G01 X38.0 Z-2.0;Z-10.0;X42.0 Z-26.0 ;Z-30.0;X46.0;G03 X48.0 Z-32 R2.0;G01 Z-40; N15 X50;G70 P14 Q15;G01 G40 X55.0;G28 U0 W0 T0 MO5;N8;GOO G40 G97 G99 S500 T0606 M03 F0.05;X52.0 Z-28.0;G01 X38.0;G01 X52.0 F0.5;G28 UO WO TO M05;N9;G00 G40 G97 G99 S500 T0808 M03;X45.0 Z6.0;G92 X41.7 Z-36.0 R-3.0 F1.5;X40.2;X39.4;X38.7;X38.0;X37.5;X37.0;X36.7;X36.5;G28 UO WO TO M05;N10;G00 G40 G97 G99 S350 T0505 M03 F0.2;X42.0 Z2.0;G71 U1.5 0.5;G71 P16 Q17 U0 W0;N16 GO0 G41 X25.0;G01 Z0;X24.0;X22.0 Z-2.0;Z-20.0;X20.0;N17 GO1 G40 X18.0;G70 P16 Q17 F0.1;G28 U0 W0 T0 M05;N11;G00 G40 G97 G99 S250 T0707 M03 F0.05;X20.0 Z-18.0;G01 X24;G01 X20 F0.2;G28 UO W0 TO MO5;N12;G00 G40 G97 G99 S500 T0909 M03;GOO X0 Z2.0;G99 G92 X-22.0 Z-18.0 F0.2;X-22.8;X-23.5;X-24.0;G00 X0;G28 U0 W0 TO MO5;M30; XK1632立式数控铣床工作台（X轴）设计3.2.1概述 数控铣床 定义:数控铣床是在一般铣床的基础上发展起来的,两都的加工工艺基本相同,结构也有些相似,但数控铣床是靠程序控制的自动加工机床,所以其结构也与普通铣床有很大区别. 如图所示，数控铣床一般由数控系统、主传动系统、进给伺服系统、冷却润滑系统等几大部分组成： 1、主轴箱 包括主轴箱体和主轴传动系统，用于装夹刀具并带动刀具旋转，主轴转速范围和输出扭矩对加工有直接的影响。 2、 进给伺服系统 由进给电机和进给执行机构组成，按照程序设定的进给速度实现刀具和工件之间的相对运动，包括直线进给运动和旋转运动。 3、控制系统 数控铣床运动控制的中心，执行数控加工程序控制机床进行加工。 4、辅助装置 如液压、气动、润滑、冷却系统和排屑、防护等装置。 5、机床基础件 通常是指底座、立柱、横梁等，它是整个机床的基础和框架XK1632 立式数控铣床X6132X6132X6132X6132 特点与用途：XK1632立式数控铣床主要用于中小型零件模具等多品种加工，工件一次装夹后，可自动高效、高精度的连续完成铣、钻、镗、铰等工序。该机床主要构件刚度高，主轴转速恒功率范围宽，低转速扭矩大，可进行强力切削。主轴轴承采用进口轴承，主轴运转时精度高、噪声低、震动小、热变形小。XK1632立式数控铣床技术参数 项目单位 参数 型号 XK6132工作台面尺寸mm 1250330坐标行程（X、Y、Z）mm 750400120主轴最高转速rpu 4000 主电机功率KW 3.7 主轴镗孔 MAS403 BT40工作台最大承重kg350主轴端面至工作台面距离 mm 125735定位精度 mmX:0.06 Y:0.05 Z:0.04重复定位精度mm0.025数控系统HNC-21M/22M华中“世纪星”数控系统1.1技术要求 X向拖板(上拖板)尺寸为: 长*宽*高=1250*330*120重量:按重量=体积*材料比重估算为: = 上导轨重量为 电机重量 夹具及工件重量: 约1588NX-Y工作台运动部分总重量为: 工作台、工件和夹具的总重量=1000kg（所受的重力W=7600N），其中，工作台的质量=495kg（所受的重力=3860N）；工作台的最大行程=750mm；工作台快速移动速度=6000；工作台采用贴塑导轨，导轨的动摩擦系数=0.15,静摩擦系数=0.2；工作台的定位精度为40，重复定位精度为25；机床的工作寿命为20000h（即工作时间为10年）机床采用主轴服电机，额定功率=3.7，机床采用端面铣刀进行强力切削，铣刀直径D=125mm，主轴转速n=4000，切削状况如表2-1所示表2-1数控铣床的切削状况切削方式进给速度/时间比例/(%)备注强力切削0.610主电动机满功率条件下切削一般切削0.830 粗加工精加工切削150 精加工快速进给1510空载条件下工作台快速进给1.2总体方案设计为了满足以上技术要求，采取以下技术方案。（1）工作台工作面尺寸（宽度长度）确定为330mm1250mm。（2）工作台的导轨采用矩形导轨，在与之相配的动导轨滑动面上贴聚四氟乙烯（PT-FE）导轨板。同时采用斜镶条消除导轨导向面的间隙，在背板上通过设计偏心轮结构来消除导轨背面与背板的间隙，并在与工作台导轨相接触的斜镶条接触面上和背板接触面上贴塑。（3）对滚珠丝杆螺母副采用预紧措施，并对滚珠丝杆进行预拉伸。（4）采用伺服电机驱动。（5）采用膜片弹性联轴器将伺服电动机与滚珠丝杆直连。3.2.2设计计算2.1主切削力及其切削分力计算（1）计算主切削力。根据已知条件，采用端面铣刀在主轴计算转速下进行强力切削（铣刀直径D=125mm）时，主轴具有最大扭矩，并能传递主电动机的全部功率。此时，铣刀的切削速度为若主传动链的机械效率，按式可计算主切削力；-机床主轴的计算转速（主轴转速全部功率时的最低切削速度，；-机床主传动系统的传动功率，一般取。（2）计算各切削分力。根据表2-2可得工作台纵向切削力、横向切削力和垂向切削力分别为表2-2 工作台工作载荷与切向铣削力的经验比值切削条件比值对称端铣不对称端铣逆铣顺铣端铣圆柱铣、立铣、盘铣和成形铣-2.2导轨摩擦力的计算（1）按式(2-8a)计算在切削状态下的导轨摩擦力。此时，动摩擦系数，、-主切削力的垂向切削分力（N）和横向切削分力（N）；W-坐标轴上移动部件的全部重量（包括机床夹具和工件的重量，N）；-摩擦系数，随导轨形式不同而不同，对于帖塑导轨，=0.15；对于滚动直线导轨，=0.01；-镶条紧固力（N）,其推荐值可查表2-3得镶条紧固力=800N，则=0.15(7600+800+107.45+62.21)N=1285.45N表2-3 镶条紧固力推荐值导轨形式主电动机功率/kw2.23.75.57.5111518贴塑滑动导轨50080015002000250030003500滚动直线导轨254075100125150175(2) 按式,计算在吧切削状态下的导轨摩擦力和导轨静摩擦力。=0.15（7600+800）N=1260N=0.2(7600+800)N=1680N2.3计算滚珠丝杆螺母副的轴向负载力（1）按式， -主切削力的纵向切削力 =（45.24+1285.45）N=1330.69N（2）按式N计算最小轴向负载力 =1260N2.4滚珠丝杆的动载荷计算与直径估算1）确定滚珠丝杆的导程根据已知条件，取电动机的最高转速，则由式得：2)计算滚珠丝杆螺母副得平均转速和平均载荷（1）估算在各种切削方式下滚珠丝杆的轴向载荷。将强力切削时的轴向载荷定为最大轴向载荷，快速移动和钻镗定位时的轴向载荷定为最小轴向载荷。一般切削(粗加工)和精细切削（精加工）时，滚珠丝杆螺母副的轴向载荷、分别可按下列公式计算：，并将计算结果填入表2-4。切削方式轴向载荷/N进给速度/()时间比例/()备注强力切削1330.6910一般切削（粗加工）1526.1430精细加工（精加工）1326.5350快移和定镗定位126010表2-4 数控铣床滚珠丝杆的计算(2) 计算滚珠丝杆螺母副在各种切削方式下的转速（3）按式计算滚珠丝杆螺母副的平均转速。（4） 按式计算滚珠丝杆螺母副的平均载荷。3)确定滚珠丝杆预期的额定动载荷（1）按预定工作时间估算。查表2-5得载荷性质系数。已知初步选择的滚珠丝杆的精度等级为2级，查表2-6得精度系数。查表2-7得可靠性系数，额定寿命 则由式得表2-5 载荷性质系数载荷性质无冲击（很平稳）轻微冲击伴有冲击或振动11.21.21.51.52 表2-6精度系数精度等级1、2、34、571010.90.80.7 表2-7可靠性系数可靠性/()90959697989910.620.530.440.330.21(2) 因对滚珠丝杆螺母副将实施预紧，所以可按式估算最大轴向载荷。查表2-8得欲加动载荷系数，则表2-8 欲加动载荷系数欲加载荷类型轻预载中预载重预载6.74.53.4（3）确定滚珠丝杆预期的额定动载荷。取以上两种结果的最大值，即=N。4）按精度要求确定允许的滚珠丝杆的最小螺纹底经（1）根据定位精度和重复定位精度的要求估算允许的滚珠丝杆的最大轴向变形。已知工作台的定位精度为40，重复定位精度为25，根据公式重复定位精度和定位精度以及定位精度和重复定位精度的要求，得，取上述计算结果的较小值，即。（2）估算允许的滚珠丝杆的最小螺纹底经。本机床工作台（X）轴滚珠丝杆螺母副的安装方式拟采用两端固定式。滚珠丝杆螺母副的两个固定支承之间的距离为L=行程+安全行程+2余程+螺母长度+支承长度（1.21.4）行程+（2530）取L=1.4行程+30=（1.4750+304）mm=1170mm,又=2460N，由式得3.2.3工作台部件的装配图设计将以上计算结果用于工作台部件的装配图设计。其计算简图如下图所示。 1389mm1225mm987.5mm612.5mm1095.5mm987mm375mm375mm3.2.4滚珠丝杆螺母副的承载能力校验4.1滚珠丝杆螺母副临界压缩载荷的校验本工作台的滚珠丝杆支承方式采用预拉伸结构，丝杆始终受拉而不受压，因此，不存在压杆补稳定问题。4.2滚珠丝杆螺母副临界转速的校验根据以上的计算可得滚珠丝杆螺母副临界转速的计算长度=987.5mm。已知弹性模量，材料密度，重力加速度，安全系数。查参考文献表2-44得。滚珠丝杆的最小惯性矩为滚珠丝杆的最小截面积为故可由式得 本丝杆螺母副的最高转速为1500，远远小于其临界转速，故满足要求。4.3滚珠丝杆螺母副额定寿命的校验滚珠丝杆螺母副的寿命，主要是指疲劳寿命。它是指一批尺寸、规格、精度相同的滚珠丝杆在相同的条件下回转时，其中90不发生疲劳剥落的情况下运转的总转速查参考文献附录A表A-3得滚珠丝杆的额定动载荷，运转条件系数，滚珠丝杆的轴向载荷,滚珠丝杆螺母副转速,由式，得， 一般来讲，在设计数控机床时，应保证滚珠丝杆螺母副的总时间寿命故满足要求3.2.5计算机械传动系统的刚度5.1机械传动系统的刚度计算(1)计算滚珠丝杆的拉压刚度。本工作台的丝杆支承方式为两端固定，当滚珠丝杆的螺母中心位于滚珠丝杆两支承的中心位置时时，滚珠丝杆螺母副具有最小拉压刚度，可按式计算： 当或时（即滚珠丝杆的螺母中心位于行程的两端位置时），滚珠丝杆螺母副具有最大拉压刚度，可按式计算：（2）计算滚珠丝杆螺母副支承轴承的刚度。已知轴承接触角，滚动体直径，滚动体个数Z=17，轴承的最大轴向工作载荷,查参考文献表2-45、2-46得（1） 计算滚珠与滚道的接触刚度查参考文献附录A表A-3得滚珠与滚道的接触刚度，额定载荷，滚珠丝杠上所承受的最大轴向载荷，故由式得（2） 计算进给传动系统的综合拉压刚度。由式得进给传动系统的综合拉压刚度的最大值为故。由式得进给传动系统的综合拉压刚度的最小值为故。5.2滚珠丝杠螺母副的扭转刚度计算由以上计算可知，扭转作用点之间的距离已知剪切模量，滚珠丝杆的底径。由式得3.2.6驱动电动机的选型与计算6.1计算折算到电动机轴上的负载惯量（1）计算滚珠丝杠的转动惯量。已知滚珠丝杠的密度，由式得（2）计算联轴器的转动量。（3）计算折算到电动机轴上的移动部件的转动惯量。已知机床执行部件（即工作台、工件、夹具）的总质量，电动机每转一圈，机床执行部件在轴上移动的距离,则由式得（4）由式计算加在电动机轴上总的负载转动惯量。6.2计算折算到电动机轴上的负载力矩（1）计算切削负载力矩。已知在切削状态下坐标轴的轴向负载力，电动机每转一圈，机床执行部件在轴向移动的距离，进给传动系统总效率，由式得（2）计算摩擦负载力矩已知在不切削状态下坐标轴的轴向负载力（即为空载时的导轨摩擦力），由式得（3）计算由滚珠丝杠的预紧而产生的附加负载力矩。已知滚珠丝杠螺母副的预紧力滚珠丝杠螺母副的基本导程，滚珠丝杠螺母副的效率，由式得6.3计算坐标轴折算到电动机轴上的各种所需的力矩（1）计算线性加速力矩已知机床执行部件以最快速度运动时电动机的最高转速，电动机的转动惯量，坐标轴的负载惯量，进给伺服系统的位置环增益，加速时间，由式得 （2）计算阶跃加速力矩。已知加速时间，由式得（3）计算坐标轴所需的折算到电动机轴上的各种力矩。按式计算线性加速时空载启动力矩。按式计算阶跃加速时空载启动力矩。按式计算快进力矩。按式计算工进力矩。6.4选择驱动电动机的型号(1)选择驱动电动机的型号根据以上计算和查参考文献表2-47，选择日本FANUC公司生产的型交流伺服电动机为驱动电动机。主要技术参数如下:额定功率3kw；最高转速3000；额定力矩12；转动惯量；质量。交流伺服电动机的加速力矩一般为额定力矩的5-10倍。若按5倍计算，则该电动机的加速力矩为60，均大于本机床工作台的线性加速时所需 的空载启动力矩以及阶跃加速时所需的驱动力矩，因此，不管采用何种加速方式，本电动机均满足加速力矩要求。该电动机的额定力矩为12，均大于本机床工作台快进时所需的驱动力矩以及工进时所需的驱动力矩，因此，不管是快进还是工进，本电动机均满足驱动力矩要求。（2）惯量匹配验算。为了使机械传动系统的惯量达到较合理 的匹配，系统的负载惯量与伺服电动机的转动惯量之比一般应满足式而在本设计中，故满足惯量匹配要求。 3.2.7机械传动系统的动态分析 7.1计算丝杠-工作台纵向振动系统的最低固有频率已知滚珠丝杠螺母副的综合拉压刚度，而滚珠丝杠螺母副和机床执行部件的等效质量（其中、分别是机床执行部件的质量（）和滚珠丝杠螺母副的质量（），则 7.2计算扭转振动系统的最低固有频率折算到滚珠丝杠轴上的系统总当量转动惯量为已知丝杠的扭转刚度，则由以上计算可知，丝杠-工作台纵向振动系统的最低固有频率、扭转振动系统的最低固有频率都比较高。一般按的要求来设计机械传动系统的刚度，故满足要求。3.2.8计算传动系统的误差计算与分析 8.1计算机械传动系统的方向死区已知进给传动系统的最小综合拉压刚度，导轨的静摩擦力，则由式得即故满足要求。8.2计算机械传动系统由综合拉压刚度变化引起的定位误差由式得 即故满足要求。8.3计算滚珠丝杠因扭转变形产生的误差（1）计算由快速进给扭矩引起的滚珠丝杠螺母副的变形量。已知负载力矩，由以上计算得扭转作用点之间的距离，丝杠底径，由式得由扭转变形量引起的轴向移动滞后量将影响工作台的定位精度。由式得3.2.9确定滚珠丝杠螺母副的精度等级和规格型号 9.1确定滚珠丝杠螺母副的精度等级本机床工作台采用半闭环控制系统，、应满足下列要求： 滚珠丝杠螺母副拟采用的精度等级为1级，查参考文献表2-20得；查参考文献表2-21得，当螺纹长度