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机械电子工程系 本科毕业设计（论文） 题 目 薄壁气缸类零件加工研究 专业班级 学 号 学生姓名 指导教师 设计所在单位 薄壁气缸类零件加工研究薄壁气缸类零件加工研究 摘要： 本文主要研究了薄壁气缸零件的加工过程，通过研究薄壁气缸零件在数控车床加 工过程中所遇到的问题如：零件在装夹中易变形、要保证零件的尺寸精度、位置精度 和表面粗糙度等。针对这些问题我们通过完善夹具设计和切削参数来保证其变形及切 削精度，并给出了加工工艺过程及工艺卡片。最后，根据加工工艺卡片编写出了零件 的数控加工程序并做了仿真。 关键词：薄壁零件 数控车床 夹具 工艺过程 The Processing of Thin Wall Cylinder Parts Abstract: This thesis mainly described the NC machining process of the thin-wall cylinder parts, through researching in the numerical control lathe thin-walled cylinder parts processing the problems encountered ,such as parts in the clamping easy deformation, to ensure that parts of the dimension precision, position precision and surface roughness, etc. To solve these problems, we do our best to find the perfect fixture design and cutting parameters to ensure the deformation and the cutting precision, and give the processing technology process and process card. Finally, according to the processing process card writes out the parts CNC programming and the simulation. Keywords: Thin Wall parts；Numerically Controlled Lathe；Fixture； Technical Process 目 录 目目 录录 第一章第一章 绪论绪论1 1.1 切削加工的发展趋势1 1.2 选题目的及意义2 第二章第二章 薄壁气缸零件分析薄壁气缸零件分析3 2.1 零件分析3 2.2 加工难点分析及加工工艺的初步确定3 第三章第三章 薄壁气缸零件加工工艺分析薄壁气缸零件加工工艺分析5 3.1 机床的选择5 3.2 加工工艺过程分析.5 3.2.1 加工阶段的划分.6 3.2.2 定位基准.6 3.2.3 加工工艺过程.7 3.3 各种参数的选择11 3.3.1 刀具的选择.11 3.3.2 切削用量的确定.11 3.3.3 冷却与润滑.12 3.4 简易夹具设计13 第四章第四章 数控加工程序的编制数控加工程序的编制15 4.1 数控程序设计流程15 4.2 数控程序的编写15 4.2.1 编程指令简介.15 4.2.2 数控编程的步骤.17 4.2.3 主要程序的编制.18 4.3 数控仿真19 4.3.1 数控仿真操作环境.19 4.3.2 薄壁气缸加工图20 总结总结22 致谢致谢23 参考文献参考文献24 附录附录25 西安文理学院本科毕业设计（论文） 1 第一章第一章 绪论绪论 在机械加工行业中，薄壁气缸由于其壁薄、刚性差、在加工过程中容易产生振动 和变形，形位精度要求严等特点，使得开发和生产难度大大提高。随着数控加工技术 的广泛运用，数控机床精度高、稳定性好、效率高、自动化强等一系列优点在机械加 工中得到了充分体现，近几年，伴随着新的刀具材料、新的表面涂层及新式刀具的出 现，出现了新的切削加工工艺和加工方法。 1.11.1 切削加工的发展趋势切削加工的发展趋势 20 世纪 80 年代以来，随着全球化市场竞争日趋激烈，为争取技术优势，各国纷 纷开展先进制造技术的研究与开发。伴随着信息技术的不断发展，先进制造技术一方 面发展了以数控机床为基础的自动化加工技术，另一方面发展了各种新的加工方法和 加工工艺，比较典型的有（超）高速切削、干切削、硬切削、（超）精密切削技术等。 微机械(MMC)是另一个新型研究领域，其加工技术的开发具有巨大的产业化应用前景。 虚拟切削加工技术是在计算机上借助虚拟现实、立体建模和仿真技术，检验产品的设 计合理性和可加工性，对产品的加工过程进行模拟与仿真，预测产品的加工质量、制 造周期、使用性能等，以便及时修改设计，缩短产品的研制周期，获得最佳产品质量、 最低生产成本和最短开发周期。本文主要综述（超）高速切削、干切削、硬切削、 （超）精密切削、虚拟切削加工技术的主要研究内容及其关键技术。 1）高速切削加工技术 提高切削速度一直是切削加工领域十分关注并为之不懈努力的重要目标。虽然目 前国内外专家尚未对高速切削的切削速度的界定达成共识，但通常认为高速切削的切 削速度比常规切削速度高 5-10 倍以上。 高速切削加工具有以下特点：切削力随着切削速度的提高而下降；切削产生 的热量绝大部分被切屑带走；加工表面质量提高；在高速切削范围内机床的激振 频率远离工艺系统的固有频率范围。以上特点有利于提高生产效率；有利于改善工件 的加工精度和表面质量；有利于减少模具加工中的手工抛光；有利于减小工件变形； 有利于使用小直径刀具；有利于加工薄壁零件和脆性材料；有利于加工较大零部件； 可替代其它加工工艺(如磨削)，获得显著的经济效益。但是，随着切削速度的提高， 刀具寿命会下降。 西安文理学院本科毕业设计（论文） 2 2）干切削加工技术 在切削加工中，使用切削液对于降低切削温度、断屑与排屑、改善零件加工质量 均可起到重要作用，但同时也存在诸多弊端，例如：切削液系统的购置、使用与维护 需花费大量资金；切削液需定期更换、添加防腐剂等，增加了加工辅助时间；切削液 是机械加工中的重要污染源；切削液中的有害物质对工人的健康及安全也具有一定危 害。为此，作为一种绿色制造工艺的干切削加工技术应运而生。 干式切削由于缺少切削液的润滑、冷却、冲洗和排屑断屑等功能，导致刀具与工 件、切屑之间摩擦加剧、切削热急剧增加，导致切削区温度显著升高，刀具耐用度降 低。为使干切削加工可顺利进行，达到甚至超过湿切削时的加工质量、生产率和刀具 耐用度，就必须通过分析干切削的各种特定边界条件和影响干切削的各种因素，寻求 相应的技术解决方案及措施来弥补不使用切削液的缺陷。例如：干切削刀具材料必须 具有极高的红硬性和热韧性、良好的耐磨性、耐热冲击和抗粘结性。此外，应针对不 同的工件材料和切削用量设计刀具结构、几何参数和相应的断屑槽，以满足干切削的 加工要求。 3）硬切削加工技术 硬切削是指对高硬度(54HRC)材料直接进行切削加工。硬切削工件材料包括淬硬 钢、冷硬铸铁、粉末冶金材料及其它特殊材料。硬切削通常可直接作为最终精加工工 序，而传统加工常以磨削作为最终工序。与磨削相比，硬切削具有如下优点：加工 灵活性强，精度易于保证；硬切削的加工成本低于磨削(通常仅为磨削的 1/4)；硬 切削不需要专用机床、刀具和夹具，在现有加工设备上即可实现；硬切削的生产效 率高于磨削；磨削产生的磨屑与废液混合物易污染环境，难以处理和再利用；而硬 切削易于实现干切削，产生的切屑可再利用。由于硬切削具有以上优势，因此“以切 代磨”已成为切削加工的发展趋势之一。 4）微细、精密和超精密切削加工技术 微细加工技术是指对微型机械、微小尺寸零件的加工技术。随着航空航天、国防 工业、现代医学以及生物工程技术的发展，各种小型化、微型化设备和微小尺寸零件 的应用越来越多，各种微型机械和微型机电系统(MEMS)的制造对微细加工技术提出 了新的要求，向现有制造技术的加工极限挑战，发展精密加工、超微细加工和纳米加 西安文理学院本科毕业设计（论文） 3 工技术已成为现代先进制造技术的一个发展方向。 5）虚拟切削加工技术 虚拟切削加工技术是在对零件几何参数、材料物理性能、加工过程切削参数以及 加工物理过程(受力变形、热变形等)进行全面物理建模的基础上，利用计算机数值仿 真技术对加工过程的动态情况和加工结果进行实际综合分析的一种新兴技术。通过虚 拟切削加工可得到一个优化的加工方案，据此进行实际加工，可提高加工成功率，减 少原材料消耗，改善产品质量，降低生产成本和缩短产品开发周期。 1.21.2 选题目的及意义选题目的及意义 薄壁零件已日益广泛地应用在各产业部分的产品上，它具有重量轻、节材省料、 节约能源、结构紧凑等特点。但薄壁零件在加工切削中是比较棘手的题目，因薄壁零 件的刚性差，加工轻易变形，使零件的形位误差增大，很难保证零件的加工质量。因 此我们可以通过针对它的这些缺点来对它的加工过程来进行研究，通过研究我们可以 尽可能的减少其在加工中的误差，尽大可能的保证其加工质量。 本课题通过对薄壁气缸类零件的加工进行研究，就能够了解薄壁气缸类零件是如 何进行加工的。加工零件的主要机器就是数控车床，所以首先要了解并掌握数控车床 的基本操作。然后在其加工过程中要保证薄壁零件的表面粗糙度、同轴度、垂直度等。 因此要对零件的表面粗糙度、同轴度、垂直度的定义以及如何保证这些要求要有一定 的了解及掌握。最后的绘图需要掌握 P-ROE、CAD 等绘图软件，编程要求要熟练掌握 南京宇航编程软件。在设计过程中掌握的知识对我们在以后在工作帮助很大。 通过对该零件的综合分析与设计，使我们对于本科阶段学习的专业课程能够有更 进一步的理解，综合运用所学的知识解决实际的加工生产问题，提高我们实际的动手 与动脑能力。 分析零件在实际生产运用中的功能、特性，了解其生产环境，它在生产中的主要 任务，才能够有目标的明确其加工过程中应当注意的问题与工艺方案。 为保证被加工零件的必要的精度，根据被加工工件的材料、轮廓形状、加工精度 等选用合适的机床，指定加工方案，确定零件的加工顺序、各工序所有刀具和夹具、 切削用量等。因此，可以应用于实际生产，此类零件的工艺制定及夹具设计等具有现 实的工程意义。 西安文理学院本科毕业设计（论文） 4 第二章第二章 薄壁气缸零件分析薄壁气缸零件分析 2.12.1 零件分析零件分析 薄壁气缸就是如下图所示的一种零件，其内腔由台阶孔和倒角构成，mm 2 . 0 0 142 外圆表面镀银 50m，零件毛坯材料选用外径150300mm、内径为120mm 的铝管 材。内孔、各台阶孔表面及两端面粗糙度为 Ra6.3m，外圆表面粗糙度为 Ra1.6m。 mm 内孔与mm 内孔要求同轴度公差为 0.04mm， 063 . 0 0 8128 H 015 . 0 025 . 0 130 mm 台阶孔与mm 台阶孔间台阶面对 A 面的垂直度公差为 063 . 0 0 8128 H5 . 0122 0.05mm。薄壁气缸零件的形状尺寸及精度要求如图 2.1 所示。 图图 2.1 薄壁气缸零件薄壁气缸零件 2.22.2 加工难点分析及加工工艺的初步确定加工难点分析及加工工艺的初步确定 1）基准 基准是机械制造中应用十分广泛的一个概念，机械产品从设计时零件尺寸的标注， 制造时工件的定位，校验时尺寸的测量，一直到装配时零部件的的装配位置确定等， 都要用到基准的概念。基准就是用来确定生产对象上几何关系所依据的点,线或面。 由图 1-1 可看出，同轴度和垂直度都与 A 有关，因此把中心轴线 A 作为基准。由 图可以看出基准就是气缸的中心线。 西安文理学院本科毕业设计（论文） 5 2）形位公差 加工后的零件不仅有尺寸误差，构成零件几何特征的点、线、面的实际形状或相 互位置与理想几何体规定的形状和相互位置还不可避免地存在差异，这种形状上的差 异就是形状误差，而相互位置的差异就是位置误差，统称为形位误差。 由图 2-1 可看出，零件主要的加工难点是要保证 mm 的内孔对 063 . 0 0 8128 H mm 的内孔的同轴度，mm 台阶孔与mm 台阶孔间台 015 . 0 025 . 0 130 063 . 0 0 8128 H5 . 0122 阶面对 A 面的垂直度。 3）尺寸精度 由图 1-1 可看出，mm 的外圆与mm 的外圆的表面质量以及各 2 . 0 0 1425 . 0136 内孔尺寸精度的加工，其中mm 内孔深度为 250mm，其最薄处壁厚为 015 . 0 025 . 0 130 3mm。因为该零件刚性差、强度弱，在加工中极易变形，表面质量、垂直度及同轴度 难以保证。镗削内孔时应一次装夹中加工出来，以保证该零件mm 内孔 063 . 0 0 8128 H 与mm 内孔的同轴度在 0.04mm 以内，mm 台阶孔与 015 . 0 025 . 0 130 063 . 0 0 8128 H mm 台阶孔间台阶面对mm 内孔表面的垂直度不大于 0.05mm，针5 . 0122 015 . 0 025 . 0 130 对气缸零件壁薄、刚性差、易变形的特点，可设计该薄壁零件专用夹具装夹，以保证 零件的尺寸精度和形位公差达到图纸技术要求。这些加工难点的存在，使得加工过程 中刀具选择、加工工艺路线安排、工艺装夹方式确定等对于该零件是否合格非常关键。 因此在加工中要把各主要表面的粗、精加工要分开这样才能保证各表面的精度要求。 西安文理学院本科毕业设计（论文） 6 第三章第三章 薄壁气缸零件加工工艺分析薄壁气缸零件加工工艺分析 本章主要对零件的具体加工工艺进行分析，选择数控车床作为主要加工工具，其 加工工艺分析主要分了四个阶段第一针对薄壁零件的特点对影响其加工精度的要素进 行分析、第二对其加工阶段进行划分、第三是对其基准的定位、第四是简述加工过程 制作工艺卡片。 3.13.1 机床的选择机床的选择 机床是人类进行生产劳动的重要工具，也是社会生产力发展水平的重要标志。普 通机床经历了近两百年的历史。随着电子技术、计算机技术及自动化，精密机械与测 量等技术的发展与综合应用，生产了机电一体化的新型机床（数控机床）。8 在普通车床上加工形状较复杂、有一定精度要求、且需要多把刀具进行加工的批 量零件时，不仅需要频繁换刀和装夹，花费大量的人力和时间，而且加工出来的零件 质量取决于加工人员的技术水平, 产品质量得不到充分的保证。而运用数控车床，结 合传统的加工工艺，不但能大大缩短加工时间、提高加工精度，而且成品率高、产品 质量稳定。 数控机床有独特的优越性和强大生命力，使原来不能解决的许多问题，找到了科 学解决的途径。数控机床是一种通过用数字进行编程来给机床设定一定的轨迹让其自 动加工的一种设备。经过半个多世纪的发展，数控机床已是现代机械加工行业的标志 之一，在我国，数控机床的应用也越来越广泛，由于其自动化程度高，所需劳动力少， 加工速度快，因此数控机床越来越普及，它的多少对企业综合实力有着一定的影响。 我国数控车床发展，始于 20 世纪 70 年代，通过近 40 年的发展，我国生产的数控 车床，按中国需求的特色，形成经济型卧式数控车床(平床身卧式数控车床)、普及型 数控车床(斜床身数控卧式车床和数控立式车床)和中高档数控车床(3 轴控制以上)三种 形式。随着科学技术不断发展，我国数控车床的发展也越来越快，数控车床也正朝着 西安文理学院本科毕业设计（论文） 7 高性能、高精度、高速度、高柔性化和模块化方向发展。11 针对薄壁气缸零件的薄壁、精度要求高、表面粗糙度细等特点，本课题选用的加 工设备为数控车床。 3.23.2 加工工艺过程分析加工工艺过程分析 薄壁气缸是一种薄壁类零件，由于薄壁零件刚性差、强度弱，在加工中极易变形， 使零件的形位公差增大，不易保证零件的加工质量。因此对薄壁零件的加工需要注意 各方面对其的影响。 在薄壁气缸的加工中有以下因素影响加工精度： 1）薄壁气缸本身的刚度比较差，在外力（切削力、夹紧力）的作用下容易变形。 2）薄壁气缸毛坯为150300mm 的锻铝管，孔的加工余量大，切削时会产生较 大的残余应力，并引起内应力的重新组合。 3）切削力金属切削过程中重要的物理现象之一，他直接影响着工件质量、刀具寿 命、机床动力消耗。它是设计机床、刀具、夹具不可缺少的要素之一。切削加工时， 工件材料抵抗刀具切削所产生的阻力，称为切削力。切削力的分解根据生产实际需要 及测量方便，通常将总切削力 F 分解为三个互相垂直的分力，即：主切削力、背向力、 进给力。因此在加工中切削力也对精度有影响，要合理选择。 4）切削过程中，影响工件表面质量的主要因素有切削时产生的积屑瘤、磷刺、振 动以及切削刃的刃磨质量、工件材料组织的缺陷、切削液使用情况等。高速切削与普 通切削相比，切削速度快、材料变形速度块、应变率大，不易产生积屑瘤和磷刺。同 时，由于切削速度较快，切削表面来不及产生塑性变形，切削加工已经完成。高速切 削加工对刀具系统的动平衡要求较高，切削时振动性相对普通切削加工要好。因此， 高速切削加工精度和表面质量非常好。 因此在安排工艺时，就需要把各主要表面的粗精加工工序分开。这样，粗加工产 生的误差和变形就可以通过半精加工和精加工予以修正，并逐步提高零件的精度和表 面质量，最后达到零件的技术要求。通过对该零件的基本情况及加工难点的分析，划 分出薄壁气缸零件的加工阶段并制定出其加工工艺过程。 3.2.1 加工阶段的划分 薄壁气缸的加工分为三个阶段： 西安文理学院本科毕业设计（论文） 8 1）粗加工阶段。主要包括粗车外圆和粗镗内孔来去掉大部分余量。 2）半精加工阶段。主要完成零件一些次要表面的加工，并达到零件表面量和未知 精度的要求。其次，采用半精车加工在精加工之前达到必要的精度和加工余量，从而 为气缸外圆的精加工做准备。 3）精加工阶段。为保证薄壁气缸零件外圆表面质量达到图纸的技术要求，采用精 车零件外圆最后达到所需的精度和粗糙度。 3.2.2 定位基准 基准是机械制造中应用十分广泛的一个概念，机械产品从设计时零件尺寸的标注, 制造时工件的定位，校验时尺寸的测量，一直到装配时零部件的的装配位置确定等， 都要用到基准的概念。基准就是用来确定生产对象上几何关系所依据的点,线或面。 基准分为： 1) 设计基准（在零件图上用以确定其它点、线、面位置的基准，称为设计基准。 例如轴套零件，各外圆和内孔的设计基准是零件的轴心线，端面 A 是端面 B、C 的设 计基准，内孔的轴线是外圆径向跳动的基准。）、 2)工艺基准（机械图纸上的基准都是用大写字母 A、B、C、D 等用一个特定的带 圈的基准符号表示的。当基准符号对准的面及面的延伸线或该面的尺寸界限时，表示 是以该面为基准。当基准符号对准的是尺寸线，表示是以该尺寸标注的实体中心线为 基准。） 工艺基准又分为： 1)工序基准： 在工序图上，用来确定本工序所加工表面加工后的尺寸、形状、位 置所采用的基准，称为工序基准。 2)定位基准：在加工时，用以确定工件在机床上或夹具中正确位置所采用的基准， 称为定位基准。 3) 测量基准：工程测量时作为标准的原点称为测量基准点。按照用途分类，有高 程基准点、重力基准点、地磁基准点等。按照基准点在测量体系中所处的位置可分为 相对基准点和绝对基准点。 4)装配基准 ：装配基准是测量时所采用的基准，即装配时所确定生产对象上的某 些点、线、面的位置所依据的那些点、线、面。 西安文理学院本科毕业设计（论文） 9 薄壁气缸是一种薄壁零件，在外力作用下很容易产生变形，薄壁气缸内孔与台阶 孔表面的尺寸精度和位置精度的要求比较高，因此希望以一个统一基面定位来加工这 些要求较高的表面。实际加工中我们选择外圆表面和端面 C 作为加工定位基面。 采用外圆表面和端面 C 作为基面有以下优点： 1）用这种定位方法可以加工外圆表面、端面、内孔及台阶面。且在一次装夹中完 成精度要求较高的表面的加工，既提高了生产效率，又能保证各表面的尺寸精度和位 置精度。 2）以外圆作为定位基面一次装夹同时完成外圆和内孔的加工，可以减小薄壁气缸 的壁厚差，从而保证其壁厚均匀。 3）所选定位基面与设计基准重合，可以避免因基准不重合而引起的定位误差，更 好的保证精度。 3.2.3 加工工艺过程 薄壁气缸的尺寸精度、加工形位精度的要求比较高。但薄壁气缸壁薄、刚性差， 容易产生变形，这就给薄壁气缸零件机械加工带来了很多困难，必须予以充分重视。 薄壁气缸需要加工的表面有：外圆、内腔台阶孔及左右端面等。各主要表面的工 序安排如下： 1）外圆面：粗车、半精车、精车； 2）两端面；粗车、半精车、精车； 3）台阶孔：粗镗、半精镗、精镗； 考虑薄壁气缸零件需要加工的内容不多，加工完成后就能达到待检状态，因此以 一次安装加工作为一道工序。该薄壁零件的数控加工工艺过程如表 3.1 所示。 表表 3.1 薄壁气缸机械加工工艺过程薄壁气缸机械加工工艺过程 产品名称零件名称零件图号材料 数控加工工 艺过程综合 卡片 薄壁气缸锻铝管 程序编号夹具名称使用设备车间 O0001扇形软三爪卡盘数控车床数控中心 序 号 工序 名称 工序内容、技术要求及工序简图备注 西安文理学院本科毕业设计（论文） 10 数控加工工 艺过程综合 卡片 产品名称零件名称零件图号材料 薄壁气缸锻铝管 程序编号夹具名称使用设备车间 O0001扇形软三爪卡盘数控车床数控中心 序 号 工序 名称 工序内容、技术要求及工序简图备注 1 粗车 左端 面 粗车端面 C，保证其长度为 290mm 工序一简图 2 粗镗 内孔 及台 阶孔 粗镗内孔及台阶孔，保证其各孔尺寸为 132mm、130mm、124mm、122mm，并保证其总长为 290mm 工序二简图 3 自然 时效 处理 按薄壁气缸时效工艺进行，时间为一个月 西安文理学院本科毕业设计（论文） 11 数控加工工 艺过程综合 卡片 产品名称零件名称零件图号材料 薄壁气缸锻铝管 程序编号夹具名称使用设备车间 O0001扇形软三爪卡盘数控车床数控中心 序 号 工序 名称 工序内容、技术要求及工序简图备注 4 半精 镗内 孔及 台阶 孔 内孔加工到129.8mm 台阶孔保留 0.4 的双边余量，半精镗台阶孔分别到 121.6mm 深度 8.2mm，127.6mm 加工深度尺寸 10.2mm 工序四简图 5 精镗 各内 孔台 阶孔 及倒 角 （1）精镗内孔及各台阶孔分别至mm 其深度为 80.2mm、5 . 0122 mm 其加工深度为mm 与内孔mm，各孔 043 . 0 0 8128 H2 . 010 015 . 0 025 . 0 130 表面的粗糙度 Ra6.3 （2）A 面与台阶面的垂直度公差为 0.05mm A 面与mm台阶 043 . 0 0 8128 H 孔表面的同轴度公差为0.04mm 工序五简图 西安文理学院本科毕业设计（论文） 12 数控加工工 艺过程综合 卡片 产品名称零件名称零件图号材料 薄壁气缸锻铝管 程序编号夹具名称使用设备车间 O0001扇形软三爪卡盘数控车床数控中心 序 号 工序 名称 工序内容、技术要求及工序简图备注 6 粗车 外圆 粗车外圆尺寸到 142.4mm、136.4mm，并保证台阶长 15.6mm、总长为 267.6mm 工序六简图 7 半精 车及 精车 外圆 （1）精车外圆尺寸到mm，台阶外圆至mm 保证长度 2 . 0 0 1425 . 0136 mm，各外圆表面粗糙度 Ra1.62 . 016 （2）两外圆以 45锥面联接 工序七简图 西安文理学院本科毕业设计（论文） 13 数控加工工 艺过程综合 卡片 产品名称零件名称零件图号材料 薄壁气缸锻铝管 程序编号夹具名称使用设备车间 O0001扇形软三爪卡盘数控车床数控中心 序 号 工序 名称 工序内容、技术要求及工序简图备注 8 精车 右端 面 精车右端面保证工件长度为mm，并保证右端面的粗糙度 Ra6.35 . 0268 工序八简图 9检验按图纸上要求的尺寸及技术要求对已加工零件进行检查 3.33.3 各种参数的选择各种参数的选择 3.3.1 刀具的选择 数控编程时，正确选择刀具是数控加工工艺中的重要内容，其不仅影响机床的加 工效率，而且直接影响加工质量。选择刀具通常考虑工件材料、加工型面类型、切削 用量，以及其他相关因素。 刀具选择总的原则是：既要求精度高、强度大、刚性好、耐用度高，又要求尺寸 稳定，安装调整方便。在满足加工要求的前提下，尽量选择较短的刀柄，以提高刀具 的刚性。在此原则上，综合考虑铝合金材料的加工特点以及加工中振动和切削力引起 的变形，薄壁气缸零件的加工刀具均选用机夹可转位车刀，切削刀具参数选择见表 3.2。 西安文理学院本科毕业设计（论文） 14 表表 3.2 刀具的参数选择刀具的参数选择 刀具名称 刀具半径 /mm 主偏角 前角 后角 刀片材质 外圆粗车刀 0.490259YG6 外圆半精车刀 0.2752511YW1 外圆精车刀 0.2752511YW1 粗镗刀 0.490259YG8 半精镗刀 0.290255YW1 精镗刀 0.290255YW1 3.3.2 切削用量的确定 数控编程中，必须确定每道工序的切削用量，并以指令的形式写入程序中。切削 用量包括主轴转速、背吃刀量及进给速度等。其选择原则是保证零件加工精度和表面 粗糙度，充分发挥刀具切削性能，保证合理的刀具耐用度，并充分发挥机床的性能， 最大限度的提高生产率，降低成本。 由于此零件为薄壁零件，加工时，刚性较差，易产生振动，刀具的切削硬度又不 足以满足加工需求，为此，在刀具和夹紧力相对固定的情况下，只能通过优化切削参 数进行调整，以表面粗糙度计算公式： （式 3-1） r f Ra 50 2 （进给量，刀尖圆弧半径）为参考，切削用量选择见表 3.3。f r 表表 3.3 切削用量的选择切削用量的选择 刀具名称转速 r/min进给量/mm背吃刀量/mm 外圆粗车刀6000.43 外圆半精车刀12000.150.9 外圆精车刀12000.150.1 背镗刀（粗）6000.48 西安文理学院本科毕业设计（论文） 15 背镗刀（半精）10000.150.9 背镗刀（精）10000.150.1 3.3.3 冷却与润滑 切削液是一种用在金属切、削、磨加工过程中，用来冷却和润滑刀具和加工件的 工业用液体,切削液由多种超强功能助剂经科学复合配伍而成，同时具备良好的冷却性 能、润滑性能、防锈性能、除油清洗功能、防腐功能、易稀释特点。克服了传统皂基 乳化液夏天易臭、冬天难稀释、防锈效果差的的毛病，对车床漆也无不良影响，适用 于黑色金属的切削及磨加工，属当前最领先的磨削产品。 切削液各项指标均优于皂化 油，它具有良好的冷却、清洗、防锈等特点，并且具备无毒、无味、对人体无侵蚀、 对设备不腐蚀、对环境不污染等特点。 近十几年来, 由于切削技术的不断提高，先进切削机床的不断涌现，刀具和工件 材料的发展，推动了切削液技术的发展，并让其有了更多的作用，如下： 润滑作用： 金属切削加工液（简称切削液）在切削过程中的润滑作用，可以减小前刀面与切 屑，后刀面与已加工表面间的摩擦，形成部分润滑膜，从而减小切削力、摩擦和功率 消耗，降低刀具与工件坯料摩擦部位的表面温度和刀具磨损，改善工件材料的切削加 工性能。在磨削过程中，加入磨削液后，磨削液渗入砂轮磨粒工件及磨粒磨屑之 间形成润滑膜，使界面间的摩擦减小，防止磨粒切削刃磨损和粘附切屑，从而减小磨 削力和摩擦热，提高砂轮耐用度以及工件表面质量。 冷却作用： 切削液的冷却作用是通过它和因切削而发热的刀具（或砂轮）、切屑和工件间的 对流和汽化作用把切削热从刀具和工件处带走，从而有效地降低切削温度，减少工件 和刀具的热变形，保持刀具硬度，提高加工精度和刀具耐用度。切削液的冷却性能和 其导热系数、比热、汽化热以及粘度（或流动性）有关。水的导热系数和比热均高于 油，因此水的冷却性能要优于油。 清洗作用； 在金属切削过程中，要求切削液有良好的清洗作用。除去生成切屑、磨屑以及铁 粉、油污和砂粒，防止机床和工件、刀具的沾污，使刀具或砂轮的切削刃口保持锋利， 西安文理学院本科毕业设计（论文） 16 不致影响切削效果。对于油基切削油，粘度越低，清洗能力越强，尤其是含有煤油、 柴油等轻组份的切削油，渗透性和清洗性能就越好。含有表面活性剂的水基切削液， 清洗效果较好，因为它能在表面上形成吸附膜，阻止粒子和油泥等粘附在工件、刀具 及砂轮上，同时它能渗入到粒子和油泥粘附的界面上，把它从界面上分离，随切削液 带走，保持切削液清洁。 防锈作用： 在金属切削过程中，工件要与环境介质及切削液组分分解或氧化变质而产生的油 泥等腐蚀性介质接触而腐蚀，与切削液接触的机床部件表面也会因此而腐蚀。此外， 在工件加工后或工序之间流转过程中暂时存放时，也要求切削液有一定的防锈能力， 防止环境介质及残存切削液中的油泥等腐蚀性物质对金属产生侵蚀。特别是在我国南 方地区潮湿多雨季节，更应注意工序间防锈措施。 3.43.4 简易夹具设计简易夹具设计 (1)夹持薄壁气缸零件的软三爪时，应首先根据零件结构及切削参数计算出卡盘的 夹紧力范围和切削力，再调整气压卡盘的夹紧力9。 卡爪夹紧力公式： （式 3- nDf KM W 2 2） 式中：卡爪数；n 安全系数；K 摩擦系数；f 切削扭矩；M 零件直径。D 切削力公式： （式 3- FFFFMF nF c yFxF pF cKKKKKvfaCF sr ccc c 0 3） 切削扭距公式： （式 3- 2 DF M c 4） 西安文理学院本科毕业设计（论文） 17 式中：系数； 、指数； c F C c xF c yF c nF 吃刀深度；进给量； p af 切削速度； 材料修正系数； c v MF K 前角修正系数； F K 0 刃倾角修正系数； F s K 主偏角修正系数； F r K 刀尖圆弧半径修正系数。 F K 经查切削手册，该零件加工时的主切削力为： FFFFMF nF c yFxF pF cKKKKKvfaCF sr ccc c 0 N)87 . 0 0 . 190 . 0 89 . 0 0 . 20 . 115 . 0 6 . 1392( 75 . 0 0 . 1 N 7 . 210 切削扭距：mmNmmN DF M c 7 . 14959 2 142 7 . 210 2 卡爪夹紧力：NN nf KF nDf KM W c 3 . 585 3 . 03 7 . 2105 . 22 根据公式计算结果，留出一定的安全保障系数后，将卡爪夹紧力确定为 600N。此 外，软三爪的结构可设计成扇形结构，增加软爪夹持接触面积，使夹紧力均匀的分布 在零件上，减小零件夹紧变形，扇形软三爪如图 3.1 所示。 图图 3.1 扇形软三爪扇形软三爪 西安文理学院本科毕业设计（论文） 18 (2)在零件内孔加工完时，由于加工圆周时扇形软三爪对零件的加紧力会造成内孔 的圆周处出现局部变形。因此可通过增加开槽套筒，来增加零件的有效壁厚，提高刚 性，破坏振频，降低振动。开槽套筒尺寸及形状特点见零件图 3.2 所示 图图 3.2 开槽套筒零件图开槽套筒零件图 第四章第四章 数控加工程序的编制数控加工程序的编制 数控加工是按照已编制的零件加工程序，经机床数控系统处理后获得的数字信息 对零件过程进行定义，并控制机床进行自动运行的一种自动化加工方法。因此，零件 加工程序的编制（数控编程）是实现数控加工的重要环节，而且有效地获得满足零件 加工要求的高质量的数控加工程序，不仅可以充分地发挥数控机床的性能，而其能够 获得更高的加工效率和加工质量。1 4.14.1 数控程序设计流程数控程序设计流程 数控程序设计流程图见图 4.1。 粗车左端 面 半精车左 端面 粗车外圆 精镗内孔 台阶孔 车右端面 粗镗内孔 及台阶孔 半精镗内孔 台阶孔 半精车及 精车外圆 西安文理学院本科毕业设计（论文） 19 图图 4.1 数控程序设计流程图数控程序设计流程图 4.24.2 数控程序的编写数控程序的编写 数控编程就是把零件的图形尺寸、工艺过程、工艺参数、机床的运动及刀具位移 等内容，按照数控机床的编程格式和能识别的语言记录在程序单上的全过程。这样编 制的程序还必须按规定把程序单制备成控制介质，如程序纸带、磁盘等，变成数控系 统能读取的信息，再送入数控系统。当然，也可以用手动数据输入方式（MDI）将程 序输入数控系统，因为这个程序称为零件加工程序，所以这个过程简称为加工程序编 制。3 4.2.1 编程指令简介 数控编程中，程序段的构成格式为：NGX(U)Z(W)FMST；其中， N：程序段顺序号； G：准备； X(U)：x 轴移动指令； Z(W)：z 轴移动； F：进给功能； M：辅助功能； S：主轴功能； T：工具功能。各功 能具体功能及格式如下： 1进给功能字 F 功能指令由地址符 F 和若干位数字组成，用于控制切削进给量。具体的进给速 度由 F 后跟的数字给出。其单位为 mm/min 和 mm/r 两种，可通过相关 G 指令设定。 在程序中，编程格式为 G94 F_ 2主轴转速功能字 S 功能指令由地址符 S 和若干位数字组成，用于控制主轴转速(r/min)或恒线速度 （m/min），具体转速由 S 后跟的数字给出。其单位的转换可由相关 G 指令设定。 在程序中，编程格式如下： (1)最高转速限制中，编程格式为 G50 S_ (2)恒线速控制中，编程格式为 G96 S_ 3刀具功能字 T 功能指令由地址符 T 和若干位数字组成，用于指定加工所用刀具和刀具补偿号。 西安文理学院本科毕业设计（论文） 20 刀具功能通常用两位或四位数表示，前两位数字表示刀具号，后两位数字表示刀具补 偿值组别号。若刀补号为 0，则表示取消刀具补偿。 在程序中，编程格式 T_ 4辅助功能字 M 功能指令由地址符 M 和其后二位数字组成，有 M00M99 共 100 种。M 指令是 控制机床在加工时做一些辅助动作的指令，数控车床常用 M 指令有： M00程序暂停，可用 NC 启动命令（CYCLE START）使程序继续运行； M01选择暂停，与 M00 作用相同，但 M01 必须要在预先按下机床数控操作 面板上的“选择停止”按钮的情况才有效； M02程序结束，在程序结束后，用该指令来切断机床所有动作，并使机床复 位，光标停留在程序结束处。该指令只出现在程序的最后一个程序段中； M03主轴顺时针旋转； M04主轴逆时针旋转； M05主轴旋转停止； M08冷却液开； M09冷却液关； M30程序结束，在全部程序结束后，该指令用来切断机床所有动作，并使机 床和数控系统复位，光标自动返回程序开头，为下一零件加工准备； M98子程序调出； M99返回主程序。 5准备功能字 G 功能指令是数控机床准备好某种运动方式的指令。一般由地址符 G 加两位数字 （0099）表示。G 功能指令常位于程序段中的坐标尺寸字之前。 在程序中，编程格式 西安文理学院本科毕业设计（论文） 21 G_X_Y_ 不同的系统都对 G 指令的功能做了不同规定，FANUC 0i 系统常用 G 指令主要有 G00快速点定位 G01直线插补 G17XY 面选择 G18ZX 面选择 G19YZ 面选择 G20英制输入 G21公制输入 G40刀具半径补偿注销 G41刀具补偿左 G42刀具补偿右 G50转速限制 G53机床坐标系选择 G54选择工件坐标系 1 G55选择工件坐标系 2 G56选择工件坐标系 3 G57选择工件坐标系 4 G58选择工件坐标系 5 G59选择工件坐标系 6 G65宏程序调用 G66宏程序模态调用 西安文理学院本科毕业设计（论文） 22 G90绝对值编程 G91增量值编程 G92工件坐标系设定 G94每分钟进给 4.2.2 数控编程的步骤 1）分析零件图纸 分析零件的材料、形状、尺寸、精度及毛坯形状和热处理要求等，以便确定该零 件是否适宜在数控机床上加工，适宜在哪台数控机床上加工。有时还要确定在某台数 控机床上加工该零件的哪些工序或哪几个表面。 2）工艺处理阶段 工艺处理阶段的主要任务是确定零件加工工艺过程。换言之，就是确定零件的加 工方法（如采用的工夹具、装夹定位方法等）、加工路线（如对刀点、走刀路线等） 和加工用量等工艺参数（如走刀速度、主轴转速、切削宽度和深度等）。主要内容如 下： （1）确定装夹方法和对刀点 首先分析零件图纸，选择装夹方法和定位基准。装夹方法的确定和普通机床一样， 尽可能采用通用的已有夹具 （2）确定加工路线 加工路线就是加工过程中刀具运动的轨迹。加工路线应保证零件的加工精度和表 面粗糙度，加工路线还应使数值计算工作简单、程序段少，以缩短程序长度，减少编 程工作量。 （3）选择刀具和确定切削用量12 选择刀具的要求是：安装调整方便，刚性好，精度高，耐用度好。切削用量包括 主轴转速、切削深度和宽度、进给速度等。 （4）确定编程中的工艺指令 程序编制中的工艺指令大体上分为俩大类。一类是准备性工艺指令。这类指令是 为插补运算做好准备的工艺指令。另一类是辅助性工艺指令，这类指令与插补运算无 西安文理学院本科毕业设计（论文） 23 关，如主轴的起停、正反转等，是根据机床加工时操作机床的需要予以规定。 （5）确定程序编制中的误差 零件的加工误差包括俩部分：一部分是整个工艺系统本身各种因素所产生的误差， 另一部分就是编程误差。 3)数学处理阶段 (1)基点和节点计算 一个零件轮廓曲线可能由许多不同元素组成，如直线、圆弧、二次曲线等。各几 何元素之间的连接点称为基点。 节点是在满足容差要求条件下当用若干插补线段（如直线段或圆弧段等）去逼近 实际轮廓曲线时，相邻俩插补线段的交点。其计算比较复杂，方法也很多，是手工编 程的难点。 （2）刀具中心轨迹的计算 对于没有刀具偏移运动的数控系统，应计算出刀具中心轨迹的基点和节点。而在 直线插补的数控系统中，虽然具有刀具偏移功能，但除了要求算出零件轮廓的基点和 节点外，往往还要求算出刀具中心轮廓的基点和节点。 （3）辅助计算 辅助计算包括增量值计算、计算脉冲数和辅助程序段的计算等。 4）编写程序单 根据计算出的数值和以确定的运动顺序、刀号、切削参数及辅助动作，按照数控 装置规定使用的功能指令代码及程序段格式，逐段编写加工程序单。在程序段之前加 上程序的顺序号，在其后加上程序段结束符号。 5）制作控制介质 在程序编写完后，还必须将其内容记录在控制介质上，作为机床的输入信息。控 制介质多为穿孔带，也可以是磁带。对于有些数控机床，也可以将程序直接用数控装 置的键盘输入存储。 6）程序校验和首件试切 程序单和程序介质制备完毕后必须经过校验和试切才能正式输入使用。 西安文理学院本科毕业设计（论文） 24 4.2.3 主要程序的编制 在本课题的程序编写中最主要的程序就是为了保证零件的同轴度、垂直度等精度， 因此此段程序尤为重要。程序如下： %0002 T0101 /调 1 号刀位上的刀 G00X120Z3M03S1000 /快速点定位、主轴正转转速 1000/min G71U1R1P1Q2X-0.2Z0F150 /循环加工 S1200F80 /最终转速及进给量 N1G01X128Z0 /直线进给 X130Z-1 Z-250 X128 W-10 X122 W-8 N2X120 G00Z200 /退刀 4.34.3 数控仿真数控仿真 数控仿真是应用计算机技术对数控加工操作过程进行模拟仿真的一门新技术。该 技术面向实际生产过程的机床仿真操作，加工过程三维动态的逼真再现，能使使用者 对数控加工建立感性认识，可以反复动手进行数控加工操作。 4.3.1 数控仿真操作环境 打开数控仿真系统，选择机床则进入类似下图所示主界面。显示屏上方为菜单栏， 下方分为左右两部分，左侧为三维仿真视图区，右侧为机床数控系统面板。功能简介 如下： 西安文理学院本科毕业设计（论文） 25 图 4.1 1.菜单 菜单栏有九个主菜单：“文件、视窗视图、显示模式、机床操作、工件操作、工件 测量、习题与考试、查看、帮助”。如图： 图 4.2 2.视图操作 三维仿真视图区内真实再现了数控加工的动态过程，利用其右下角的操作键可以 对三维视图扩大和缩小、局部扩大、旋转和移动等，以便从不同视角和比例显示机床、 刀具、工件及加工区状况。如下图： 西安文理学院本科毕业设计（论文） 26 图 4.3 3. 仿真加工步骤： 数控仿真加工通常按以下步骤进行： （1）针对加工对象进行工艺分析与设计。 （2）按机床数控系统规定格式与代码编制 NC 程序并存盘。 （3）打开仿真软件选择机床。 （4）机床开机回参考点。 （5）安装工件。 （6）安装刀具。 （7）建立工件坐标系。 （8）编辑或上传 NC 语言。 （9）校验程序。 （10）自动加工。 4.3.2 薄壁气缸加工图 薄壁气缸零件以其优点诸如重量轻、节约材料和结构紧凑等被广泛应用。然而薄 壁气缸零件由于其刚性差和强度弱，在机械加工中容易变形，导致加工质量难以确定。 由于一般的手工车床加工不能保证上述精度，因此在这就用数控加工。 下图为薄壁气缸零件的数控加工图： 西安文理学院本科毕业设计（论文） 27 图 4.4 图 4.5 西安文理学院本科毕业设计（论文） 28 总结总结 本课题主要是对薄壁气缸的加工进行研究，在研究过程中我们会遇到很多问题， 通过对问题的解决使我们能更多地了解这种薄壁零件。 1）再设计图上我们可以看到在加工过程中对薄壁气缸的要求，由于要在加工过程 中要保证薄壁气缸的同轴度和垂直度，因此在加工的过程中我们采用一次装夹来保证 其同轴度等问题。 2）薄壁气缸的优点有质量轻、结构紧凑和节约材料等，其缺点有壁薄、刚性差等， 针对其缺点在装夹过程中我们采用了一种