基于mastercam轴类零件的数控车削加工工艺设计与编程仿真

摘 要现代的CAD/CAM都是建立在数控技术之上的。现代数控加工技术知识是现代机械专业学生必需掌握的。在数控加工过程中，要考虑到零件加工工艺路线的安排、加工机床型号的选择、切削刀具的选择、零件加工的定位装夹及数控程序的编制等一系列因素的影响。所涉及到的知识面非常广阔，基本将我们在大学几年里所学知识综合运用起来了所以通过这次毕业设计不仅是一次对我们大学几年来的知识的运用，也是对我们的考验。本次设计内容为零件数控加工工艺及编程加工。具体介绍了数控车床加工的特点、加工工艺分析以及数控编程加工过程，以及夹具的确定等等。关键词：数控车床；数控编程；数控加工工艺全套图纸加扣3012250582AbstractThe modern CAD/CAM is based on the numerical control technology. Modern CNC machining technology knowledge is the modern mechanical professional students must master. In NC machining process, considering the components processing craft route arrangement, processing machine type selection, cutting tool selection, machining positioning device clamp and NC program compiling and a series of factors. Very broad range of knowledge involved, will we in the university three years have learned knowledge comprehensive up so through this graduation design is not only one of our university three years of knowledge use, but also for our test.This design content is the part numerical control processing craft and the programming process. This paper introduces the characteristics of CNC lathe processing, processing technology analysis and NC programming process, as well as fixture and so on.Key words: CNC lathe; NC programming; NC Machining Technology5目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论41.1课题的意义41.2数控机床的发展趋势4第2章 轴零件数控加工工艺设计62.1加工方案的确定62.2装夹方案的确定72.3加工工序的划分82.4加工刀具的选择112.5切削用量的确定12第3章 加工工艺卡的制定14第4章 轴零件数控加工仿真154.1仿真加工软件简介154.2仿真加工过程164.2.1外圆仿真加工164.4.2内孔仿真加工194.4.3切槽仿真加工234.4.4车T型螺纹仿真加工274.5程序编制30总 结32致 谢33参考文献34第1章 绪论1.1课题的意义装备工业的技术水平和现代程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度，数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业（如信息技术及其产业、生物技术及其产业、航空、航天等国防工业产业）的使能技术和最基本的装备。马克思曾经说过“各种经济时代的区别，在于生产什么，而在于怎样生产，用什么劳动资料生产”。制造技术和装备就是人类生活的最基本的生产资料，而数控又是当今先进制造技术和装备最核心和技术。当今世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造业能力和水平，提高对动态多变市场和适应能力和竞争能力。此外世界上各工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家战略物资，不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业，而且在“高精尖”数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。总之，大力发展以数控技术为核心的先进制造业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。1.2数控机床的发展趋势随着科学技术不断发展，数控机床的发展越来越快，数控机床也正朝着高性能、高精度、高速高柔性化和模块化方向发展。 高性能：随着数控系统集成度的增强，数控机床出实现多台集中控制，甚至远距离遥控。 高精度：数控机床本身的精度和加工件的精度越来越高，而精度保持性要好。 高速度：数控机床各轴运行的速度将大大加快。 高柔性：数控机床的柔性化将向自动化程度更高的发展方向，将管理、物流及各相应辅机集成柔性制造系统。 模块化：数控机床要缩短周期和降低成本，就必然向模块化方向发展，这既有利于制造商又有利于客户。我国近几年数控机床虽然发展较快，但与国际先进水平还有一定的差距，主要表现在：可靠性差，外观质量差，产品开发周期长，应变能力差。为了缩短与世界水平的差距，有关专家建议机床企业应在以下6个方面着力研究：1.加大力度实施质量工程，提高数控机床无故障率。2.跟踪国际水平，使数控机床向高效高精方面发展。3.加大成套设计开发能力上求突破。4.发挥服务优势，扩大市场占有率。5.多品种制造，满足不同层次的用户。6.模块化设计，缩短开发周期，快速响应市场。数控机床使用范围越来越大，国际市场容量也越来越大，但竞争也会加剧。第2章 轴零件数控加工工艺设计随着时代的发展，在科学技术突飞猛进的今天，自动化生产逐渐成为生产制造业的主流行业，数控机床就是自动化生产的一个典型设备。本设计即为一篇关于数控车床加工T型外三角螺纹的轴件，并且带有外圆曲线工件的设计。主要是采用Mastercam X自动编程软件生成G代码，然后软件进行仿真检验。粗基准定为棒料的外圆，精基准定为工件的外圆和端面。2.1加工方案的确定零件图纸工艺分析确定装夹方案确定工序方案确定工步顺序确定进给路线确定 所用刀具确定切削参数编写加工程序。具体零件图纸工艺分析。图2.1 二维图图2.2 三维图该零件主要左、右、中三部分组成。属于轴类零件。左端由圆柱面、内孔组成；右端由连续圆弧面，中间为T型螺纹等部分组成。螺纹退刀槽是为了车螺纹时退刀方便, 螺纹用于安装各种锁紧螺母和调整螺母。根据工作性能与条件，零件属于圆柱面配合，加工尺寸精度要求较高。图纸的难点之一在于外T螺纹的加工部分，加工螺纹时，注意螺纹刀的装夹角度，以防切出乱牙。难点之二就是外圆精度，刀具安装一定要刚好对中心高，又需要不断修正轴零件的尺寸，才能达到公差要求。2.2装夹方案的确定形位精度的要求确定了零件的装夹方案，从该零件可看出，零件均需要经过掉头装夹才能达到要求。先夹住零件右端加工左端外圆及内孔。然后掉头，端面定位需采用百分表找正，保证同轴度，加紧力要适当，后加工右端外圆、外圆槽及外T螺纹Tr426。由于夹具确定了零件在机床坐标系中的位置，即加工原点的位置，因而首先要求夹具能保证零件在机床坐标系中的正确坐标方向，同时协调零件与机床坐标系的尺寸。除此之外，主要考虑下列几点：小批量或成批生产时才考虑采用专用夹具，但应力求结构简单；夹具要开敞，其定位、夹紧机构元件不能影响加工中的走刀（如产生碰撞等）；装卸零件要方便可靠，以缩短准备时间，有条件时，批量较大的零件应采用气动或液压夹具、多工位夹具。综合零件（图2.1）的工艺路线拟定。典型的轴类零件,形状很规则，故夹具选用三爪自定心卡盘如图（2.2），三爪卡盘装夹工件时可自动定心，不需找正。但需要注意的是，用三爪卡盘夹紧工件时，为保证足够的夹紧力，一般要留有20mm以上的夹持长度。如图2.2 三爪卡盘2.3加工工序的划分以高切削速度、高进给速度和高加工精度为主要特征的高速切削技术，最近十几年发展迅在 航空航天、模具制造及精密微细加工等领域得到了广泛应用。因此，高速加工技术的研究已成为国内外制造领域重要的研究项目之一。1.确定刀具路径应满足的基本要求高速切削不仅提高了对机床、夹具、刀具和刀柄的要求，同时也要求改进刀具路径策略，因为若 路径不合理，在切削过程中就会引起切削负荷的 突变，从而给零件、机床和刀具带来冲击，破坏加工质量，损伤刀具。在高速切削中由于切削速度和进给速度都很快，这种损害比在普通切削 中要严重的多，因此， 必须研究适合高速切削的路径，将切削过程中切削负荷的突变降至最低。 可以说，高速切削机床只有有了合理的高速刀具轨迹才能真正获得最大效益。为了消除切削过程中切削负荷的突变，刀具路径应满足以下基本要求： 切削是等体积切削，即切削过程中切削力恒定。尽量减少空行程。 尽量减少进给速度的损失。通用的刀具路径2.刀具进给要求进刀时采用螺旋或弧进刀，使刀具逐渐切入零件，以保证切削力不发生突变，延长刀具寿命。 切削速度的连续和无突变，使切削连续平稳，否则，将产生冲击。 切削时使用顺铣使切削过程稳定，不易过切，刀具磨损小，表面质量好。 采用小的轴向切深以保证小的切削力、少的切削热和排屑的顺畅。无切削方向突变，即刀具轨迹 是无尖角的，普通加工轨迹的尖角处用圆弧或其他曲线来取代，从而保证切削方向的变化是逐渐 的而不 是突变的。这样有两点好处：一是现代高速机床的控制系统都有程序段前视和尖角自动 减速功能，即在到达尖角前，将自动降低进给速度，这样虽然减小了冲击，且 避免了过切，但却损失了进给速度。轨迹是无尖角的，自然也就避免了这种情况的发生；二是在尖角处切削负荷 会突然加大，引起冲击。轨迹是无尖角的 时候这种问题同样不存在。 采用等高线轨迹，加工余量均匀的走刀路线可取得好的效果。为采用等高线法的刀具轨迹，刀具沿 X 或 Y 轴方向平动，完成金属的切除， 这样可保证高速加工中切削余量均匀，对加工稳定，尤其是刀具寿命的延长有利.3.粗加工刀具要求粗加工时常用的刀具路径有：Z向等高线层切法，即将零件分成若干层，一层一层逐层往下切，在每层中将零件的所有区 域加工完再进人下一层，在每一层均采用螺旋或圆弧进刀，同时 采用无尖角刀具轨迹。这样有 利于排屑，也避免了切削力发生突变。对薄壁件来说，更应采用这种刀具轨迹，因为这种刀具轨 迹在切削过程中还能使薄壁 保持较好的刚性。 插铣刀具路径。对于深度很深的腔体的粗加工可采用插铣的方法来进行，因为腔体很深时，需要很长的刀具，这时刀具的刚性很差，按常规的切削路线切削刀具易变形，而且也易产生振动，影响加工质量和效率，采用插铣的轨迹正好可解决这一问题。 摆线刀具路径。另一种更新的粗加工刀具轨迹是摆线刀具轨迹，“摆线”是指当一个圆沿着一条曲线作纯滚动时，圆上某一固定点的轨迹。采用 这种刀具轨迹使刀具在切削时距某条曲线(一 般是零件的轮廓线及其平移线)保持一个恒定的半径，从而可使进给速度在加工过程中可保持不 变，而且这时的径向吃刀量一般取刀具直径的 5%左右，因此刀具的冷却条件良好，刀具的寿命 较长。这对高速加工是非常有利的。4.精加工刀具路径要求加工时常用的刀具路径有：先在陡峭面用Z 向等高线层切法加工，然后在非陡峭面采用表面轮廓轨迹法加工； 先用表面轮廓轨迹法加工所有面，再在垂直方向上加工陡峭面。 薄壁件的精加工采用Z 向等高线层切法。 当然在加工过程中同样每一层都要尽量作到螺旋或园弧进刀，采用无尖角刀具轨迹。5.其他刀具路径要求如加工的是单一型腔的薄壁件，它比单纯的等高线逐层切法对保持薄壁的刚性更好，从而保 证加工余量均匀，零件变形小。 对薄底零件应采用所示的走刀轨迹。即从离支撑最远的点开始切削，分层切削直到深度到位；每次深度铣到以后再向支撑处移动一个径向切深，重复上一步的过程，直至切削完成。相当于将薄壁件的等高线逐层切法转动90。这样才能在切削时较好地保持零件刚性，避免振动。因此轴零件共分为两个工序：工序1：夹住2.1零件右端，使伸出长70mm，加工2-1左端外圆38、43及粗、精切左端328外圆槽。图2.3工序1工序2：夹住2-1零件左端的43，伸长85mm，加工外圆、切R6-R8圆弧槽及外T螺纹Tr426，程序保证零件长度。图2.4工序22.4加工刀具的选择确定进给路线的工作重点，主要在于确定粗加工及空行程的进给路线，因精加工切削过程的进给路线基本上都是沿其零件轮廓顺序进行的。 进给路线泛指刀具从对刀点（或机床固定原点）开始运动起，直至返回该点并结束加工程序 所经过的路径，包括切削加工的路径及刀具切入、切出等非切削空行程。 在保证加工质量的前提下，使加工程序具有最短的进给路线，不仅可以节省整个加工过程的 执行时间，还能减少一些不必要的刀具消耗及机床进给机构滑动部件的磨损等。 而刀具的选择也是数控加工中重要内容之一，它不仅影响机床的加工效率，而且直接影响加 工质量。编程时，选择刀具通常要考虑机床的加工能力、工序内容、工件材料等因素。如下是对该零件工步顺序、刀具的选择。14表2-1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高速钢2T023mm切断刀ZQ1616R刀片宽3mm3T03外螺纹T型刀SER2020K16高速钢4T04内孔镗刀MVJNR2020K16高速钢5T05球头切槽刀ZQ1616R刀片宽R1.5mm6T0616钻头CD20高速钢2.5切削用量的确定切削用量是衡量工作运动大小的数值，它的选择与保证工件质量和提高生产效率有密切的关系。切削用量主要包括切削速度、进给量和切削深度。切削用量大小决定着加工时间、刀具寿命和加工质量。经济有效的加工方式必然是合理的选择了切削用量。如下是对该零件切削用量的选择。 切削用量计算：（1）粗车切削量的选择切削用量选择，粗车取ap=3mm。根据工件材料、刀杆尺寸、工件直径及背吃刀量，从机械切削手册表2-38查得f=0.30.4mm/r，取f=0.4mm。根据加工材料为结构碳钢ap=3mm、f=0.4mm/r，由机械切削手册表2-41查出切削速度为125m/min。(考虑各种因素对切削速度的影响，须乘以修正系数)由机械切削手册表2-42查得，刀具寿命系数为1.15；由表2-43查得，工件材料修正系数为0.87；由表2-47查得，主偏角修正系数为0.81。故计算出的切削速度为：Vc=1251.150.870.8188.1（m/min）计算转速 n=1000Vc/（d）=100088.1/(3.1440)702（r/min）综上实际加工取n=700r/min，Vc=88m/min。（2）精车切削用量的选择背持刀量ap=1mm。根据工件材料、表面粗糙度Ra为1.6um，并预估切削速度Vc50m/min、刀尖圆弧半径为R0.5mm，从机械切削手册表2-39查得f=0.10.15mm/r，根据机床说明书中实有的进给量，取f=0.15mm/r根据加工材料为结构碳钢ap=1mm、f=0.15mm/r，由机械切削手册表2-41查出切削速度为190m/min。在乘以以上述的修正系数，得到计算出的切削速度为：Vc=1901.150.870.81154（m/min）计算转速 n=1000Vc/（d）=1000154/(3.1440)1227（r/min）综上实际加工取n=1200r/min，Vc=154m/min。（2）切槽计算由机械切削手册表2-58查得，硬质合金切槽刀宽为3mm，进给量为0.10.14取F0.1，查表2-59切削速度为150m/min。根据转速 n=1000Vc/（d）=1000150/（3.1426）1837（r/min）综上实际加工取n=1800r/min，Vc=150m/min。（3） 螺纹计算Tr42切钢三要素：由机械切削手册表3-11查得，硬度HBS 为225375之间且螺纹直径大于25mm时，第一次走刀量为0.4mm，最后一次走刀为0.025mm，硬质合金的切削速度为3060取切削速度50m/min。根据转速 n=1000Vc/（d）=100050/（3.1446）530（r/min）结合实际加工取n=530r/min，Vc=50m/min。第3章 加工工艺卡的制定机械加工工艺卡是以工序为单位来简单明确的说明工件的加工工艺路线，主要用来表示工件的加工流向，共安排生产计划、组织生产调度用；而机械加工工序卡是在工艺卡的基础上，按照每道工序所编制的一种工艺文件，主要是用于指导工人完成某一工序所使用的卡片。将前面分析的各项内容综合成数控加工工艺卡片，具体卡片请查看附件。35第4章 轴零件数控加工仿真4.1仿真加工软件简介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。4.2仿真加工过程4.2.1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4.1（3）刀具选取和仿真加工点击工具栏，选择“粗车”，选择加工路径如下图所示，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4.2图4.3 图4.4 （4）仿真验证。点击右侧验证按钮，点击验证，粗加工仿真如图4.5所示走刀路仿真图，表示仿真正确；精加工仿真如图4.6所示仿真图，表示仿真正确。图4.5 图4.64.4.2内孔仿真加工机床选择、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“车床粗加工”，选择加工路径如图（4.7），然后确定，选取槽刀，设置“进给率”，“下刀速率”，“主轴转速”等参数如图（4.8）。然后点击“径向粗车参数”，设置如图（4.9）所示，最后点击“径向精车参数”，设置如图（4.10）所示。图 4.7图 4.8图 4.9（2）仿真验证。点击右侧验证按钮，点击验证，切槽仿真如图4.10所示走刀路线仿真图。图4.10 1.外圆仿真加工机床选择、材料设置以及验证请参考内圆仿真加工。（1）刀具选取和仿真加工点击工具栏，选择“粗车”，选择加工路径如图（4.11）所示，然后确定，选取外圆刀，设置“进给率”，“下刀速率”，“主轴转速”等参数如图（4.12）。然后点击“粗加工参数”。图4.11图4.12图4.13（4）仿真验证。点击右侧验证按钮，点击验证，粗加工仿真如图4.14所示走刀路线仿真图，表示仿真正确；精加工仿真如图4.14所示仿真图。图4.144.4.3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”，选择加工路径如图（4.15），然后确定，选取槽刀，设置“进给率”，“下刀速率”，“主轴转速”等参数如图（4.16）。然后点击“径向粗车参数”，设置如图（4.17）所示，最后点击“径向精车参数”，设置如图（4.18）所示。图 4.15图 4.16图 4.17图 4.18图 4.19（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仿真图，表示仿真正确。图4.20 4.4.4车T型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”等参数设置如图（4.21）。然后点击“螺纹形式参数”，设置如图（4.22），最后点击“车螺纹参数”，设置如图（4.23）图4.21图4.22图4.23（2）仿真验证。点击右侧验证按钮，点击验证，切槽仿真如图4.24所示仿真图，表示仿真正确。图4.24图4.254.5程序编制通过后处理最终可得一下程序：N1 G0 T0808N2 G18N3 G97 S2000 M03N4 G0 G54 X0. Z5.N5 Z2.N6 G99 G1 Z-33. F.1N7 G0 Z5.N8 G28 U0. V0. W0. M05N9 T0800N10 M01N11 G0 T0101N12 G18N13 G97 S650 M03N14 G0 G54 X41.903 Z4.51N15 G50 S650N16 G96 S650N17 G1 Z2.51 F.2N18 Z-20.623N19 X43.105 Z-21.224N20 G18 G3 X43.574 Z-21.79 I-.566 K-.566N21 G1 Z-34.79N22 Z-42.99N23 X45.574N24 X48.402 Z-41.576N25 G0 Z4.51N26 X38.231N27 G1 Z2.51.由于程序过多，详见附件N367 Z-51.331N368 G1 X42.574 Z-49.917N369 X35.574 Z-49.01N370 X24.574N371 Z-42.01N372 G18 G2 X26.3 Z-41.964 K8.N373 G1 X26.6 Z-42.113N374 G0 X43.402N375 G28 U0. V0. W0. M05N376 T0200N377 M01N378 G0 T0303N379 G18N380 G97 S500 M03N381 G0 G54 X46. Z-45.N382 Z-46.N383 G76 P010000 Q0. R0.N384 G76 X35. Z-85. P35000 Q5425 R0. E6.N385 Z-45.N386 G28 U0. V0. W0. M05N387 T0300N388 M30% 总 结控制机床时用数字代码形式的信息（程序指令），控制刀具按给定的工作程序、运动速度和轨迹进来自动加工的机床，简称数控机床。对于数控加工，无论是手工编程还是自动编程，在编程前都要对所加工的零件进行工艺分析，拟定加工方案，选择合适的刀具，确定切削用量，对一些艺问题（如对刀点、加工路线等）也需要一些处理。并在加工过程掌握控制精度的方法，才能加工出合格的产品为了更好地运用数控技术，合理编程，现将数控车床编程指令中意思新近功能相似，格式参数较多，轨迹复杂的指令加以分析。文章介绍了它们的异同点，难点，以便于合理运用我不仅学到了许多加工工艺方面的只是，更学到了课本上没有的知识。在实训的过程中遇到了不少问题，而犯的错误也不少，通过实训让我学会虚心求教，细心体察，大胆实践。任何能力都是在实践中积累起来的，都会有一个从不会到会，从不熟练到熟练的过程，人常说“生活是最好的老师”或是说只有在生活实践中不断磨练，才能提高独立思考和解决问题的能力；同时也培养了自己优良的学风、高尚的人生、团结和合作的精神；学会了勤奋、求实的学习态度。勤奋就是要发奋努力、不畏艰难。当然，在实训过程中，我们也收获了快乐，与同学的快乐，于老师的快乐。因为每当自己或自己和同学完成了一个项目时，或多或少有些欣慰，会感到开心，信息时和老师的交流的也是一种快乐。然然实训时间不长，但对我今后的学习有很大帮助。这只是起点，终点离