基于Mastercam的数控车复合件的加工工艺编程及仿真-两件套

摘 要在零件的数控加工过程中，零件的数控加工工艺分析和工艺设计至关重要。无论是手工编程还是自动编程，在加工前都要对所加工零件进行工艺分析，制定加工方案，选择加工设备、夹具、刀具、量具、确定切削用量、安排加工顺序、制定走刀路线等。在编程过程中，还要对一些工艺问题（如工件的装夹、对刀、换刀、刀具补偿等）做相应处理。如果在加工零件之前不做这一系列的准备工作，很难加工出符合标准的零件，因此程序编制中的工艺分析和工艺设计是一项十分重要的工作。轴在现实生活中应用很广泛，本设计的零件为轴类配合件，它属于轴类零件，本文根据该零件的图纸及技术要求，对该零件进行了详细的数控加工工艺分析，根据分析的结果，确定了该零件的加工方法、装夹方式、定位基准、使用刀具、加工顺序安排、工步划分，走刀路线和切削用量等，并编制了零件的数控加工工艺卡片、数控加工工序卡片和刀具卡片，最后，采用手工编程编制了该零件的数控加工程序。关键词：数控加工；轴类配合件；加工工序；加工程序全套图纸加扣3012250582AbstractIn the process of NC machining, the analysis and design of NC machining process are very important. Whether it is manual or automatic programming, the processing parts should be processed before the process analysis, design a processing plan, choose processing equipment, fixtures, tools, measuring tools, determine the amount of cutting, arrange the order of processing, make the path of the knife. In the programming process, some process problems(such as the assembly of workpiece, knife, change knife, tool compensation, etc.) should be dealt with accordingly. If this series of preparatory work is not done before processing the parts, it is difficult to produce the parts that meet the standard, so process analysis and design in programming is very important.In this paper, according to the drawing and technical requirements of the part, the detailed numerical control machining process analysis of the part is carried out, based on the result of the analysis, and the design of the part is determined.Keywords:NC machining; Axial type fitting; Processing processes; ProcessIII目 录摘 要IAbstractII绪 论11 零件介绍22加工工艺方案分析42.1定位基准的选择42.2确定加工方案43 零件的三维建模73.1 Mastercam软件简介73.2 零件三维造型设计84.加工准备124.1毛坯的确定124.2 加工设备的选择124.3夹具的确定134.4刀具的选择144.5选择切削用量144.5.1背吃刀量的确定144.5.2主轴转速的确定154.5.3进给速度的确定164.6 量具的选择165数控加工工艺卡片的拟定176 仿真加工186.1配合件1仿真加工186.2配合件2仿真加工276.3后处理35总 结36致 谢37参考文献38IV绪 论本次车削轴类零件数控加工工艺及编程加工毕业设计是学院为了提高我们的数控技术及相关技能等综合运用能力。我们是否能通过这次的毕业设计论文也是学院对毕业生毕业资格的审核条件，同时也为我们以后的工作打下理论与实践的基础。 数控车床技术是通过数字程序控制数控机械实现自动工作的技术。现在的车床广泛用于机械制造和自动化领域，较好地解决多品种、中小批量和复杂零件加工以及生产过程自动化问题。数控加工和编程是数控专业教学体系中构成数控加工技术专业知识及专业技能的重要组成部分，通过毕业设计使我们学会了对相关学科中的基本理论、基本知识进行综合运用，同时使对本专业有较完整的、系统的认识，从而达到巩固、扩大、深化所学知识的目的，培养和提高了综合分析问题和解决问题的能力，以及培养了科学的研究和创造能力。381 零件介绍零件一（如图1.1），是车削配合件的主体。从总体上看，其右端是外圆、外圆槽以及外螺纹组成，左侧是阶梯轴、外圆槽，最重要的部分加工工艺难点是34的外圆槽以及椭圆弧，件一呈长轴形，因为长度比较适中，所以加工控制精度以避免加工轴晃动，导致精度质量差。零件的表面粗糙度全部要求Ra1.6较高，除了材料的制作外，其余工序在数控车床上完成零件加工。图1.1 零件1零件二（如图1.2），由外圆及内孔组成的。本次异形曲线内孔是零部件加工的难点，从零件图可以看出零件的外圆42没有明显的阶梯组成，由于整个零件二的外圆比较短，导致没有地方装夹，在加工时需要经过螺纹配合零件1装夹才能加工外圆部分，除了材料的制作外，其余工序在数控车床上完成零件加工。图1.2 件2图1.3是在图1.1和图1.2中进行组装的撞配图，通过图1.3可以看出装配间隙比较小。图1.3 装配图2加工工艺方案分析2.1定位基准的选择为了保证定位精度，采用三爪自定心的卡盘，寻找工件的轴线，将工件的右端面作为粗加工的定位基准。这样，它不仅符合统一和标准的一致性原则，而且有利于提高生产率。请参阅定位基准。图2.1 定位基准简图2.2确定加工方案综合数控加工工艺路线设计与普通机加工工艺路线设计，主要区别在于它不是从毛坯到成品的整个过程，只有具体说明的几个数控加工工艺。因此，在路线设计过程中必须注意，因为数控加工部分一般都是在零件加工的全过程中体现，因此要与其他加工工艺相连接。在数控加工工艺设计中应注意以下几个问题：1工序的划分根据数控加工的特点，对数控加工过程可以分为以下几种：（1）以安装一次并加工作为一个工序。该方法适用于具有较少加工内容的零件，加工后将能够达到状态。（2）用同把刀具加工划分工序。有的零部件在一次安装过程中有很多道加工表面，由于考虑程序太长，会受到一定的限制，如控制系统传输的限制，机器的连续工作时间限制，机器的负载平衡等。另外，程序太长会增加错误和检索的难度，所以程序不能太长，内容的过程不能太多。（3）以加工零件部位的工序。对于工件的加工加工项目很多的件，根据其结构特点将加工件分为几个部分，如凹腔、曲面、外形或平面，并将每一部分的加工过程作一个工序。（4）以粗加工和精加工区分工序。对于工件易变形的加工，由于对粗加工可能产生的变形需要对其进行验形，所以一般说来，不管是粗加工还是精加工，都要将工序划分。2. 加工顺序的安排加工顺序的安排应根据零件的结构和毛坯，以及需要进行定位、安装和夹紧来考虑。并依据下列原则安排：（1）在加工的过程中，前面得工序不能影响到下一个工序的定位与装夹，还应考虑一般机床加工穿插的影响。（2）首先进行内腔加工，加工内腔后在加工外形；（3）在同一个定位、装夹方式或同一刀具加工过程中，最好的式连续加工，以减少重复定位的次数，刀具的更换的次数和移动压板的次数；（4）在一次定位和安装后的几道工序，必须先安排对工件刚性影响小的加工工序。3. 普通工序和数控加工工序的衔接普通加工工序一般都是穿插在数控加工过程中，如衔接不好，容易产生矛盾。所以在熟悉全部加工过程工序的内容同时，要明确数控加工工艺要求和普通机床加工加工工艺各自的加工特点，如：校正形状对工艺要求；热处理工艺上的安排，这样才能使各个工序满足加工需要，并有明确的质量目标和技术要求，验收依据。在上述分析的基础上，零件的主要加工部分是外圆表面，以及少见的特殊形状表面，所以加工方法是根据经济精度选择的。按由基面先行、先粗到细、先主到次、先面到孔、就近的加工原则确定车削配件（如图1.1）的加工过程安排如下：处理方案的制定和选择根据零件图样到工序原则，制定了以下的加工方案，选择最佳的一个，（即，工作时间最短，并可以保证质量）的2套加工方案进行比较。件一工艺安排：工序1：粗车件1左端外形轮廓精车件1左端外形轮廓切345外圆槽工序2：粗车件1右端外形轮廓精车件1右端外形轮廓切245退刀槽切M301.5-6g外螺纹工序3：去毛刺、检测件二工艺安排：工序1：切端面，倒C1.5外圆角打底孔并钻孔20通孔粗镗件2左端内孔精镗件2左端内孔切324内孔槽切M301.5-6H内螺纹工序2：粗车件2右端外形轮廓精车件2右端外形轮廓粗镗件2右端内孔精镗件2右端内孔工序3：去毛刺、检测3 零件的三维建模3.1 Mastercam软件简介Mastercam是美国CNC Software NC公司研制与开发的CAD/CAM一体化软件。自1981年推出第一代产品开始就以其强大的加工功能闻名于世。二十年来在此基础上进行不断地更新与完善，Mastercam是被工业界及学校广泛采用。Mastercam作为众多CAD/CAM软件中的一种，之所以能有第一位的装机量，其优点是显而易见的。它对硬件的要求不高，在一般配置的计算机上就可运行；它操作灵活，界面友好，易学易用，适用于大多数用户，能使企业迅速使用并取得很好的经济效益。另外，Mastercam的性价比，是其他同类软件所不能比拟的。随着我国加工制造业的崛起， Mastercam在中国的销量逐步提升，在全球的CAM市场份额雄居榜首。因此对每个机械设计与加工人员来说，学习Mastercam是十分必要的。Mastercam x是Mastercam的最新版本，它在以前版本的基础上做了较大的改进，特别是在三维造型及加工方面增加了新的功能和模块，使其操作更方便，功能更强大，更适合用户的要求。Mastercam包括4大模块：Design、Lathe、Mill和Wire。Design模块用于被加工零件的造型设计，Mill模块主要用于生成铣削加工刀具路径，Lathe模块主要用于生成车削加工刀具路径，Wire模块主要用于生成线切割刀具路径。这4个模块可单独使用，在Mill模块，Lathe模块和Wire模块中也可以进行Design模块中的完整的造型设计，在其中一个模块中就可以实现造型设计与加工过程的统一。Mastercam x还增加了Router模块和 The MetaCut Utullities模块。本书仅对Mastercam X版本中的Mill模块进行介绍。3.2 零件三维造型设计首先我们要建立新文件，文件名只能是英文和数字组成。建好新文件后，分别对零件进行线架造型。（1）进入初始界面首先点击Mastercam进入Mastercam界面。如下图所示：图3.1 Mastercam界面（2）新建模型点击新建右上角先创建一个模型，并输入文件名3D，文件名不允许出现中文件了。在应用栏中点击模型按钮。（3）件1绘制步骤点击确定按钮，通过草图工具栏绘制草图，草图轮廓1如下图所示：图3.2 件1草图点击回转指令，对刚才的绘制的草图进行回转，如下图所示：图3.3 回转草图通过以上的步骤，最后得到三维图，如下图所示：图3.4 三维图（4）件2绘制步骤点击确定按钮，通过草图工具栏绘制草图，草图轮廓2如下图所示：图3.5 件2草图点击回转指令，对刚才的绘制的草图进行回转，如下图所示：图3.6 回转草图通过以上的步骤，最后得到三维图，如下图所示：图3.7 三维图4.加工准备4.1毛坯的确定轴类零件按要求、生产设备条件及结构、零件的工艺特点及组织和零件材料的性能要求，零件的形状和外观的结构、零件的尺寸、现有的生产条件等形式来确定。但对于外圆直径的轴的主要材料没有很大的差异。本次车削配合件选择45 钢材料，45钢广泛用于机械制造业中常用的轴，它相对廉价，经过调质（或正火）可以得到较好的切削性能，而且能获得较高的强度和韧性等综合机械性能。综上更适合车削零件的设计。在考虑零件的工艺确定毛坯尺寸45120mm、4555mm。4.2 加工设备的选择加工设备，我们选择了数控车床，由于数控系统的选择要综合考虑系统功能的需要，我们用华中数控系统来加工可以实现。设备的参数具体看（表4-1）：表4-1机床型号单位CK6140数控车床床身最大回转直径mm400拖板最大回转直径mm200最大切削直径mm400最大加工长度mm1000X/Z轴最大行程mm280/1000X/Z轴最小位移单位mm0.001主轴通孔直径mm83主轴内孔锥度1：20主轴级数无极主轴极限转速rpm150-2000工件夹紧方式mm手动卡盘主电机功率（变频）kW7.5变频器kW11X/Z轴N.m6/6X/Z轴快移速度M/min5/8刀架型式4工位电动刀架刀杆尺寸mm2020刀架重复定位精度mm0.004尾座型式有尾座套筒直径mm60尾座套筒行程mm100尾座顶尖锥孔莫氏4#机床净重kg1560机床外型尺寸（LWH）mm223012801640电力需求（功率/电流）kW/A10/20重量kg16504.3夹具的确定由于夹具确定零件在机床坐标系中的具体位置，为加工原点位置，所以首先夹具要求能保证零件在机床坐标系中的正确方向，并协调零件和机床坐标系的尺寸。此外，还应考虑以下几点：1.小批量或批量生产时考虑使用专用夹具，但应力求简单的结构；2、夹具要开口设计，且定位、夹紧机构等部件，能不影响加工路线（如碰撞等）；3.装卸零件要方便、可靠，以缩小准备时间，在条件允许的情况下，加工量较大的零件应采取液压夹具、气动或多工位夹具。综合车削配合件（图2.1）和工艺路线。车削配合件是典型的轴类零件，形状较规则，但在加工过程中由于工件太长，导致在加工过程中可能会致使横向切削力受力过大而偏离工件中心。因此，对夹具的选择三爪自定心卡盘如图，三爪卡盘在夹工件时可以自动定心，方便对中。但要注意的是，三爪卡盘夹紧工件，在保证足够的夹紧力时候，一般夹持长度应大于20mm。4.4刀具的选择数控加工刀具的选择是数控加工工艺设计的主要内容一部分，它不仅影响加工效率，而且直接导致加工质量不好。伴随着刀具材料性能不断地的提高和结构特性的持续完善，在其耐久性、断屑、抗脆性、刚度、调整更换等方面的性能有了很大的提高。从加工方式角度来看，合理选择加工工具的类型和工艺方案是非常重要的。以下对本次配合轴零件刀具进行了初步列举：表4-2所用刀具规格序号刀具号刀具名称型号备注1T0193外圆右偏车刀MVJNR2020K16硬质合金2T023mm切槽刀ZQ1616R刀片宽3mm3T0360外螺纹刀SER2020K16硬质合金4T04内孔镗刀MVJNR2020K16硬质合金5T053mm切断刀WQ1616R刀片宽2mm6T06内螺纹刀WER2020K16硬质合金7T0820钻头高速钢4.5选择切削用量4.5.1背吃刀量的确定确定切削深度是根据加工余量确定的。在机床功率条件允许的情况下，尽量选择切削深度较大，以使进给次数减少。当零件的精度要求高时，应留有半精加工和精车加工，半精加工余量一般约为0.5mm，精车留余量在半精车后，精车一般比普通车削余量小。它通常需要0.2 0.5mm。因为零件的精度要求不是很高，因此只需要粗加工和精加工两步。下表位选择背吃刀量的选用参考。表4-3 数控切削用量推荐表加工内容背吃刀量Ap/（mm）切削速度vc(mmin)进给量f/(mmr)粗加工23801200.20.4精加工0.10.51201500.10.2综合考虑粗车德背吃刀量选取2mm，精加工的背吃刀量为0.5mm。4.5.2主轴转速的确定主轴转速应根据零件的加工直径，并根据零件和切削刀具材料和加工性能等条件确定切削速度。加工过程中切削速度不仅根据计算和查表可以选择外，还应依据实践经验判断最终的价格参数。在依据选用的切削速度Vc(m/min)选取由公式n=进行计算如下。式中Vc为切削速度；D为工件或刀具的直径（mm）现选取工件的中间尺寸为46的直径为例来阐述其计算过程。D=42mm参考切削参数表选用，理论上分析，（切削速度）的数值越大越好，因线速度大不可以提升生产效率，并且可以避免产生积屑瘤的临界速度，且获得较好的表面粗糙度质量。由于实际加工会受刀具、机床等因素限制，最终考虑：粗车时vc=80m/min精车时vc=100m/min代入式中：粗车时n=100080/（3.1442）=550.38r/min精车时n=1000100/（3.1442）=692.33r/min主轴转速的计算n应依据机床接近或有的转速来选取。粗车时n=550r/min精车时n=700r/min4.5.3进给速度的确定在选择进给速度时，应依照零件的要求选择合适的进给速度。在保证零件要求的前提下，毛坯加工中可以选择较高的进给率。而零件的精车过程中应选择较低的速度进给，而工件的加工孔或切断选用低进给率，从而不影响零件的加工精度。在零件的加工过程中必须考虑切削用量的选择，同时也要根据刀具的选择、刀具材料的选择等方面进行进给设定。选择一个较大的进给速度，才可以提高生产效率，通过精加工降低进给速度来保证零件的质量。由于我们程序中所用的加工方式为r/mm，所以F选用的粗进给速度为0.2mm/r；精加工F为0.1mm/r。4.6 量具的选择在数控加工中，为了保证工件的尺寸精度要求，必须选用正确测量工具，测量各种各样的类型，但不同的零件使用不同的测量工具作为测量工具。但在数控车削外圆的千分尺、游标卡尺、直尺测量工件的使用中，游标卡尺是最普遍的工具，因其简单易用。对于高精度零件则使用千分尺。如表4-4所示。表4-4 量具表名称规格分度值用途游标卡尺0-150mm0.02mm主要用于测量内、外尺寸和深度等千分尺0-150mm0.001mm用于长度测量工具直尺0-200mm1mm用来测量工件的长度簧规M30*1.5用来测量螺纹的标准5数控加工工艺卡片的拟定机械加工工艺过程卡是说明加工工艺路线的详细阐述，主要是用来描述工件的加工流程，安排生产计划，组织生产调度；而机械加工工序卡是在加工过程卡的基础上，根据各工序编制的工艺文件，主要用于指导工人完成每一个工艺加工操作。工艺卡片的设计见附件。6 仿真加工6.1配合件1仿真加工1.外圆仿真加工（1）机床选择打开Mastercam，点击工具栏,选择“车削”，点击“默认”。（2）材料设置点击左侧机床设置中的，点击Stock的按钮，根据工艺设置如下图所示：的毛坯，设置“外径”，“内径”，“长度”，“轴向位置”，然后点击“”设置完毕。图6.1（3）刀具选取和仿真加工点击工具栏，选择“粗车”，选择加工路径，然后确定，选取外圆刀，设置“进给率”，“下刀速率”，“主轴转速”等参数。然后点击“粗加工参数”，如下图所示： 图6.2 图6.3 图6.4（4）仿真验证。点击右侧验证按钮，点击验证，加工仿真图，表示仿真正确如下图所示： 6.5（5）件1最终仿真验证。点击右侧验证按钮，点击验证，加工仿真图，表示仿真正确如下图所示：图6.62.切槽仿真加工机床选择、材料设置以及验证请参考内圆仿真加工。（1）刀具选择和仿真加工点击工具栏，选择“径向车削刀具路径”，选择加工路径，然后确定，选取槽刀，设置“进给率”，“下刀速率”，“主轴转速”等参数。然后点击“径向粗车参数”，最后点击“径向精车参数”，如下图所示：图6.7图6.8图6.9图6.10（2）仿真验证。点击右侧验证按钮，点击验证，切槽仿真如下图所示：图6.11 图6.12 3车螺纹仿真加工机床选择、材料设置以及验证请参考外圆仿真加工。（1）刀具的选择和仿真加工点击工具栏，选择“车螺纹”，选择加工路径然后确定，选取螺纹刀，设置“进给率”，“下刀速率”，“主轴转速”等参数设置。然后点击“车螺纹参数”，如下图所示：图6.13图6.14（2）仿真验证。点击右侧验证按钮，点击验证，切槽仿真如下图所示：图6.156.2配合件2仿真加工1.內孔仿真加工机床选择、材料设置以及验证请参考外圆仿真加工。刀具选择和仿真加工点击工具栏，选择“粗车”，选择加工路径，然后确定，选取外圆刀，设置“进给率”，“下刀速率”，“主轴转速”等参数，然后点击“粗加工参数”，如下图所示：图6.16图6.17图6.18（2）仿真验证。点击右侧验证按钮，点击验证，镗孔仿真如下图所示： 图6.192.内孔切槽仿真加工机床选择、材料设置以及验证请参考内圆仿真加工。（1）刀具选择和仿真加工点击工具栏，选择“径向车削刀具路径”，选择加工路径，然后确定，选取槽刀，设置“进给率”，“下刀速率”，“主轴转速”等参数。然后点击“径向粗车参数”，最后点击“径向精车参数”，如下图所示：图6.20图6.21图6.22图6.23图6.24（2）仿真验证。点击右侧验证按钮，点击验证，切槽仿真如下图所示：图6.253.车内螺纹仿真加工机床选择、材料设置以及验证请参考外圆仿真加工。（1）刀具的选择和仿真加工点击工具栏，选择“车螺纹”，选择加工路径然后确定，选取螺纹刀，设置“进给率”，“下刀速率”，“