安装底座工艺设计与数控加工.doc

摘 要数控加工技术是现代制造技术的基础，它的广泛应用使普通机械被数控机械所代替，使全球制造业发生了根本变化。本次设计主要完成以下设计内容：安装底座的零件图纸与技术要求分析、零件二维图绘制及三维建模；制定数控加工工艺卡片文件；进行零件的夹具设计并进行夹具图二维图及三维建模装配图绘制；对零件编程并完成加工仿真。根据铸件的形状特点、零件尺寸及精度，选定合适的机床设备以及专用夹具设计，通过准确的计算并查阅设计手册，确定了安装底座的尺寸及精度，在材料的选取及技术要求上也作出了详细说明，并在结合理论知识的基础上，借助于计算机辅助软件绘制了各部分零件及装配体的立体图和工程图，以保障安装底座的加工制造。关键字：图纸分析，数控加工工艺，专用夹具，数控编程，加工仿真安装底座工艺设计与数控加工姓名 学号0 引言0.1 概述本课题起源于装配制造业安装底座工艺设计与数控技术，通过此次毕业设计，可以初步掌握编制数控加工工艺规程的方法，学会查阅有关资料，能合理编制数控加工过程卡片、数控加工工序卡片、数控加工刀具卡片等工艺文件，能合理的确定加工工序的定位与夹紧方案。能使用AutoCAD正确绘制机械零件的二维图形，能通过使用UGNX6.0软件绘制零件的三维图，提高结构设计能力及建模能力。编写符合要求的设计说明书，并正确绘制有关图表。在毕业设计工作中，综合运用多学科的理论知识与实际操作技能，分析与解决设计任务书中的相关问题。在毕业设计中，综合运用数控加工刀具和数控工艺、工装夹具的设计等专业知识来分析与解决毕业设计中的相关问题。依据技术课题任务，进行资料的调研、收集、加工与整理和正确使用工具书；掌握有关工程设计的程序、方法与技术规范；掌握实验、测试等科学研究的基本方法；以及与解决工程实际问题的能力。0.2 本设计的主要工作内容本次对于安装底座工艺设计及数控加工的主要任务是：1、 分析零件图纸与技术要求；2、 三维建模。根据零件二维视图建立三维视图；3、 制定机械加工工艺文件。根据产品技术资料、 生产条件与生产纲领，制定零件机械加工工艺规程，编写工艺规程卡片；4、 夹具设计。绘制工件夹具图；5、 编制数控加工程序、仿真加工与课题制作6、 工件检验。选用合理的测量工具与设备检验工件的加工质量。在这整个过程中，综合运用多学科的理论、知识与技能，分析与解决实际相关问题。1 零件分析1.1 零件图分析图1.1所示为安装底座零件二维图，其结构形状复杂，中批量生产1000件。图1.2为零件的三维图。图1.1 安装底座零件二维图图1.2 安装底座三维图该零件材料为40Cr，需进行锻打，毛坯为精铸件，主要应用于装配管道，起管道的连接及固定作用，为中批量生产类型产品。该零件为由外螺纹，内螺纹，凹形槽，圆弧曲面，内孔，沉孔，倒斜角，台阶等表面组成，加工表面较多且都为平面、曲面及各种孔，因此适合采用加工中心加工。1.2 技术要求分析该零件在热处理后有众多精度要求较高的项目：23mm内孔公差尺寸为230.05mm，2.2mm内孔到23mm内孔间中心距为9.50.2mm，18mm内孔公差尺寸为18mm，15内孔公差尺寸为15mm，14.2mm内孔公差尺寸为14.2mm，20.1mm内圆深度为2.1mm，20.1mm内圆公差尺寸为20.1mm，14.2mm内孔到20.1mm内孔间中心距为49.20.01mm，29mm圆柱公差尺寸为29mm，29mm圆柱高度尺寸为2mm，R9.1内圆深度为2mm，M221外螺纹相当于基准A面的同轴度为0.02，18mm内孔当于基准A面的同轴度为0.02，29mm圆柱当于基准A面的同轴度为0.02，以及其他各表面粗糙度要求等。上述技术要求决定了须加工的表面及相应加工方案。2 零件的数控加工工艺设计2.1 选定毛坯根据零件的热处理前尺寸及考虑夹具方案的设计，选择的毛坯材料牌号为40Cr，毛坯种类为精铸件，毛坯外形尺寸为75.7mm75mm58mm。如图1.3所示。图1.3 安装底座热处理前三维图2.2 选择定位基准 选择定位基准时，首先是从保证工件加工精度要求出发的，因此，选择定位基准时先选择粗基准，再选择精基准。2.2.1 粗基准的选择：按照粗基准的选择原则，为保证不加工表面和加工表面的位置要求，应选择不加工表面为粗基准，故在加工凹形曲面时，选择18mm内孔以及工件底平面作为粗基准。2.2.2 精基准的选择：按照精基准的选择原则，为符合基准重合原则以及基准统一原则，故在加工M221时，选择18mm内孔作为精基准。2.3 工艺路线的设计（1）工艺路线的设计 为保证几何形状、尺寸精度、位置精度及各项技术要求，必须判定合理的工艺路线。由于生产纲领为成批生产，所以XH714立式加工中心配以专用的工、夹、量具，并考虑工序集中，以提高生产率和减少机床数量，使生产成本下降。针对零件图样确定零件的加工工序为：工序一：（18孔及底平面定位）1)粗铣凹形槽。2)精铣凹形槽至尺寸要求。3)孔的定位，钻4.5沉孔。工序二：（29圆柱面及工件上下平面定位）1) 钻15及18孔的中心孔。2) 粗钻铰15孔，锪18孔。3) 精钻铰15孔，锪18孔至尺寸要求。工序三：（18孔及工件上下平面定位）1)钻4-M4螺纹孔中心孔。2)攻4-M4螺纹孔至尺寸要求。3)粗钻铰2.2孔。4)精钻铰2.2孔至尺寸要求。5)粗铣R9.1及20.1内圆。6)精铣R9.1及20.1内圆至尺寸要求。7)所有面去锐边毛刺。2.4 确定切削用量和工时定额切削用量包括背吃刀量、进给速度或进给量、主轴转速或切削速度（用于恒线速切削）。其具体步骤是：先选取背吃刀量，其次确定进给速度，最后确定切削速度。（参考资料数控加工工艺及设备）工时定额包括基本时间、辅助时间、地点工作服务时间、休息和自然需要时间以及准备终结时间。2.4.1 背吃刀量的确定根据零件图样知工件表面粗糙度要求为全部3.2，故分为粗铣、半精铣、精铣三步进行。因此选择粗铣的背吃刀量为3.5mm，半精铣的背吃刀量取1.5mm，精铣时圆周铣侧吃刀量取0.35mm。2.4.2 进给量f的确定由文献10表2.4-73，选择粗铣时：=0.20mm/z；精铣时：=0.5mm/z2.4.3 切削速度的确定由文献10表3.1-74，选择粗铣时：主轴转速n=900r/min；精铣时：主轴转速n=1000r/min。因此，相应的切削速度分别为：粗铣时：精铣时：2.4.4 工时定额的确定下面计算工序一中4.5mm孔的时间定额。（1） 基本时间 由文献8得，钻孔的计算公式为： 式中：； ，钻通孔时，=3；L=11，=0，f=0.3，n=1000。因此 所以 （2） 辅助时间 文献8确定 开停车 0.015min升降钻杆 0.015min主轴运转 0.02min清除铁屑 0.04min卡尺测量 0.10min装卸工件时间由文献8取1min所以辅助时间 =（0.015+0.015+0.02+0.04+0.10+1）min=1.19min（3） 地点工作服务时间 由文献8确定 取， 则（4） 休息和自然需要时间 由文献8确定 取， 则（5） 准备终结时间 由文献8，部分时间确定 简单件 26min 深度定位 0.3min 使用夹具 6min 由设计给定1000件，则 （6） 单件时间 （7） 单件计算时间 2.5 各工序的设备、刀具、量具的设计(1) 选择NC加工机床根据2.3 工艺路线的设计的工序安排，由于零件的复杂性及不规则性，故选择立式加工中心。加工内容有：铣凹槽曲面、钻孔、镗孔及攻螺纹等，所需刀具不超过20把。选用立式加工中心即可满足上述要求。本设计选用FANUC 18i-MateMC系统XH714立式数控加工中心，如图1所示。图1 XH714立式数控加工中心(2) 机床主要技术参数工作台面积(长宽) 900400 mm工作台左右行程(X向) 630 mm工作台前后行程(Y向) 400 mm主轴上、下行程(Z向) 500 mm工作台最大承重 600 kg主轴端面至工作台面距离 250760 mm主轴锥孔 MAS403 BT40刀库容量 12 把 刀具最大尺寸 100250 mm主轴最高转速 8000 rpm进给速度 5-8000 mm/min快速移动速度 20000 mm/min主电机功率 7.5/11KW定位精度 X:0.016 mm，Y、Z：0.014 mm全程重复定位精度 X:0.010 mm，Y、Z:0.008mm全程进给电机扭矩 FANUC 8 N.m数控系统 FANUC 0i-MateMC插补方式 直线插补、圆弧插补（3）机床性能XH714为纵床身，横工作台，单立柱立式加工中心机床；可以实现X、Y、Z任意坐标移动以及三坐标联动控制；X、Y、Z三坐标轴伺服进给采用交流伺服电机，运动平稳；X、Y、Z三轴采用进口精密滚珠丝杠副，及进口滚珠丝杠专用轴承支承；主轴采用交流伺服调速电机，其额定功率11KW；主轴最高转速为8000rpm。主轴轴承采用高速、高精度主轴轴承，油循环冷却；采用蝶形弹簧夹紧刀具，气压松刀；刀库为20把刀的斗笠式刀库，无机械手换刀。2.6 工艺文件的设计根据2.3 工艺路线的设计的工序安排，编出机械加工工艺过程卡片及工序卡片。见附表1：机械加工工艺过程卡片；附表24：数控加工工序卡；附表78：数控加工进给路线图。2.7 数控加工刀具卡片的设计根据2.3 工艺路线的设计的工序安排，编出机械加工刀具卡片。见附表56：机械加工刀具卡片。2.8 数控编程根据2.3 工艺路线的设计的工序安排，编出数控加工程序。见附表9：数控加工程序。3 安装底座铣凹槽夹具工序工艺装备的设计3.1 夹具设计方案的设计根据安装底座的特点对夹具提出了两个基本要求：一是保证夹具的坐标方向与机床的坐标方向相对固定。二是要能协调安装底座零件与机床坐标系的尺寸。除此之外，重点考虑以下几点： 1、在成批生产时，才考虑采用专用夹具，并力求结构简单。 2、夹具上个零件部件应不妨碍机床对零件各表面的加工，即夹具要敞开，其定位。夹紧原件不能影响加工中的走刀。根据课题要求，批量生产1000件安装底座零件，故需要设计专用夹具进行装夹。3.1.1 夹具的定位方案的设计工件定位方案的确定，首先应考虑满足加工要求。按基准重合原则，选用18孔以及工件底平面作为定位基准，定位方案如图3-1所示。平面机构自由度计算公式为：，其中：n 为活动构件，n=N-1，N为构件； 低副； 高副；所以：即3个支承钉限制工件的x、y方向的转动度以及z方向的移动度，可换圆柱销限制工件的x、y方向的的移动度以及z方向的转动度。图3-1 安装底座的定位方案3.1.2 夹具的夹紧方案的确定工件夹紧方案的确定，取工件的29圆柱端面进行夹紧，采用固定手柄压紧螺钉夹紧机构，如图3-2所示。采用固定手柄压紧螺钉夹紧机构，在夹具设计过程中，以考虑工件的受力情况，故在29圆柱端面与固定手柄压紧螺钉之间增加光面压块，光面压块在此处起到缓冲及平衡受力的作用。采用固定手柄压紧螺钉通过光面压块将工件在侧面夹紧，其结构紧凑、操作方便。固定手柄压紧螺钉选用：AM10120 JB/T 8006.3-1999。图3-2 安装底座的夹紧方案3.1.3 夹具对刀装置方案的确定因考虑零件的复杂性，故将夹具本次零件加工选择机床对刀点在工件坐标系的20.1圆心上，这有利于保证精度，减少误差。采用试切的对刀方法：具体步骤为该零件选择20.1孔为编程零点，本次试切首先选择零件的右侧面为试切点，左右拨动主轴，手轮移动X轴，使刀具微碰零件，此时记下X的机械坐标输入到G54或G55的X中，本次试切再选择零件的下表面为试切点，上下拨动主轴，手轮移动Y轴，使刀具微碰零件，此时记下Y的机械坐标输入到G54或G55的Y中，至此，X，Y轴对刀完成；Z轴的对刀，如以工件端面为0点，将铣刀擦到工件表面，记下此时Z轴的机械坐标，输入到G54或G55中。3.1.4 夹具与机床连接方案的设计该夹具为孔系夹具，它的元件以孔定位，螺纹连接，元件定位精度高，夹具的组装简便，刚性好，又便于数控机床编制加工程序。3.2 夹具的结构设计在选择夹具体的毛坯的结构时，从结构合理性、工艺性、经济性、标准化的可能性以及工厂的具体条件为依据综合考虑。在机床夹具设计手册表1-9-1为各种夹具体毛坯结构的特点和应用场合。则选铸造结构，因为其可铸造出复杂的结构形状。抗压强度大，抗振性好。易于加工，但制造周期长，易产生内应力，故应进行时效处理。材料多采用HT15-30或HT20-40。将夹具分为基础体及夹具体，夹具体主要起到连接专用夹具的作用，而基础体则起到支撑及定位的作用。另外，在夹具体上还进行倒角，以便增加夹具的强度及刚度。3.3 夹具的理论计算3.3.1 定位误差的分析与计算主要是可换圆柱销及支承钉的定位。因此，定位误差在于可换圆柱销及支承钉之间的定位误差。支承钉的定位误差按公式3.1计算： （3.1）由于工件定位垂直表面与工件上表面间的角度为0。所以,3.3.2 夹紧力的分析与计算本套夹具靠固定手柄压紧螺钉实现夹紧。因此，夹紧力的计算则在于固定手柄压紧螺钉所需的力。固定手柄压紧螺钉夹紧力P按3.2公式计算： （3.2） 夹紧力，； 螺纹升角，M16选； 螺纹摩擦角，=； 支撑表面摩擦力矩的计算力臂，选择； 螺母支撑面的摩擦因素，选择=0.178；通过计算，M16孔定位的螺钉所需夹紧力为：T=180N因为光面压块起到缓冲作用，故夹紧力需增加一倍。因此总共所需夹紧力为：T总=2T=180N2=360N3.3.3 夹具的质量计算本套夹具的质量主要来自于夹具体及基础体的质量。因方便计算，故经过优化及对一些孔的忽略不计，最后得到的质量计算为：3.4 夹具的简要使用操作说明本夹具用于加工安装底座的凹形曲面（工件材料40Cr）。工件以底平面、内孔18和29圆柱端面在可换圆柱销5、支承钉6、固定手柄压紧螺钉9上定位，由固定手柄压紧螺钉9夹紧工件。4 零件的仿真加工4.1 UG NX6.0仿真加工图4.1 凹槽粗铣削 4.2 凹槽精铣削4.3 钻攻4-M4螺纹孔及2.2通孔4.4 钻铰4.5沉孔4.2 课题制作此次课题制作，本次设计共分为8个部分，第一部分为零件图及工艺分析，主要是图形分析。第二、三部分为加工机床的选择和装夹方法的确定。第四、五部分主要是写工艺方面的内容，其中包含工艺过程、工艺简图，并标注出定位和夹紧方式、所用机床、所用刀具、所用切削用量等。第六部分主要介绍了运用CAM软件编制零件的数控加工程序以及其生成过程。第七、八部分为设计总结及参考文献。在零件图分析方面分为三步，第一先分析零件的结构，了解零件大致形状。第二是尺寸精度公差要求。第三则是技术要求等等。在这一阶段，必须对零件图有所识别能力。特别是注意形位公差，零件尺寸公差，粗糙度等方面。在零件的工艺方面，根据零件各个部分的加工所要达到的粗糙度分别进行分析，如外形轮廓，沉孔，通孔等结构。在拟定工序方面，对上述的说法进行详细的说明。在加工顺序说明里，对三个工序安排进行分析。在数控加工工艺方面，涉及到许多方面，在脑海中必须出现如何加工零件、夹具的雏形、机床的各种参数等等。数控加工内容则是对零件加工顺序的检验；数控设备则是所使用的机床；对于加工工序与工步，当有清晰的加工顺序时，开始选择合适的刀具，并确定正确的进给路线制作工艺卡片。并通过查阅切削用量手册等相关参考文献，计算出主轴转速与进给速度，并分析切削用量。在定位方案与夹具设计方面，确定基准与夹紧方案，根据方案设计出夹具。5 结论（1） 设计过程中应用到的材料力学、机械原理、机械设计、数控编程等方面的知识。通过设计，加深了对所学知识在脑海中的印象，并提高了在实际中应用所学知识的能力。（2） 通过对零件和夹具的三维造型，实战练习了UG三维造型软件的造型模块和AtuoCAD工程图模块，加深了AutoCAD二维软件的操作和理解。（3） 通过对夹具的理论计算，证明本套夹具具有可行性。（4） 通过对零件的加工仿真，证明数控加工程序具有可行性。（5） 通过对夹具的三维建模，证明夹具的设计具有可行性。（6） 对