毕业设计（论文）-气动操作机构凸轮轴的数控加工工艺及编程仿真

绪论1.1本课题的目的及意义目的：通过这次设计可以使我们学会对相关学科中的基本理论、基本知识进行综合运用，同时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，培养和提高综合分析问题和解决问题的能力，以及培养科学的研究和创造能力。意义：随着社会经济的快速发展，人们对生活用品的要求也越来越高，企业生产效率也有相应的提高。数控机床的出现实现了广大人们的这一愿望。数控车削加工工艺是实现产品设计、保证产品的质量、保证零件的精度，节约能源、降低消耗的重要手段，是企业进行生产准备、计划调度、加工操作、安全生产、技术检测和健全劳动组织的重要依据。也是企业对高品质、高品种、高水平、加速产品更新，提高经济效益的技术保证。这不但满足广大消费者的目的，即实现了产品多样化、产品高质量、更新速度快的要求，同时推动了企业的快速发展，提高了企业的生产效率。机械工艺是国民经济各部门的装备军，而数控加工在机械行业占有领头羊的地位，因此国民经济各部门的生产技术水平和所取得的经济效益，在很大程度上取决于机械行业和数控行业中所能提供的机械装备的技术性能、指令和可靠性。因此数控加工技术水平和生产规模是衡量一个国家科技水平和经济实力的重要标志。数控工艺规程的编制是直接指导产品或零件制造工艺过程和操作方法的工艺文件，它将直接影响企业产品质量、效益、竞争能力。本文通过对典型零件数控加工工艺的分析，对零件进行编程加工，给出了对于凸台板零件的数控加工工艺分析的方法，对于提高制造质量、实际生产具有一定的意义。1.2数控机床及数控技术的应用与发展（1）数控机床的应用与发展随着电子信息技术的发展世界机床已经进入以数字化制造技术为核心的机电一体化时代，其中数控机床就是其带表机床之一。数控机床是制造业的加工母机和国民经济的重要基础。随着科学技术不断发展，数控机床的发展也越来越快，数控机床也正朝着高性能、高精度、高速度、高柔性化和模块化方向发展。我国近几年数控机床虽然发展较快，但与国际先进水平还存在一定的差距，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。为了缩小与世界先进水平的差距，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，提高数控机床的无故障率；2）跟踪国际水平，使数控机床向高效高精度方面发展；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的需求；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，国内国际市场容量也越来越大，但竞争也会加剧，我们只有紧跟先进技术进步的大方向，并不断创新，才能赶超世界先进水平。（2）数控技术的应用与发展数控技术是数字程序控制数控机械实现自动工作的技术。它广泛用于机械制造和自动化领域，较好地解决多品种、小批量和复杂零件加工以及生产过程自动化问题。随着计算机、自动控制技术的飞速发展，数控技术已广泛地应用于数控机床、机器人以及各类机电一体化设备上。同时，社会经济的飞速发展，对数控装置和数控机械要求在理论和应用方面有迅速的发展和提高。2工艺性分析2.1零件介绍以下图2.1为零件的二维图纸,若图纸不清楚详见附件CAD零件图图2.1零件二维图图2.2零件三维图2.2零件加工工艺性分析该零件材料为45钢。本工件的最大外形尺寸为φ40×154.5mm。由图可知，该零件主要由圆柱体、孔、六边形、偏心轴组成，全部加工面集中在外表面。该零件形状结构不是很复杂，主要有Φ20.18及Φ30.18的外圆柱面、宽度5mm的键槽、M8螺纹孔，φ28及φ40的偏心部分，其余特征详细见零件图。表面粗糙度外圆柱面要求为Ra3.2um，键槽要求为Ra6.3um，其余表面粗糙度为Ra6.3um。2.3零件的技术要求技术要求：1.为注长度尺寸偏差±0.1mm2.为注倒角C0.53.去除毛刺飞边4.零件表面不应有划痕、擦伤等损坏零件表面的缺陷3零件的工艺装备的选择3.1毛胚的选择3.1.1确定毛坯的类型毛坯的金属成形工艺类型多样，且每一种毛坯有多种不同的制造方法。常用的毛坯主要有：（1）铸件铸件常用于形状较复杂的毛坯；（2）锻件锻件常用于强度要求高、形状较简单的毛坯；（3）型材型材主要有板材、棒材、线材等。常用截面形状有圆形、方形、六角形和特殊截面形状。就其制造方法，又可分为热轧和冷拉两大类。（4）焊接件焊接件是将型材或板料焊接成所需毛坯，简单方便生产周期短。但需经时效处理消除应力才能进行机械加工；（5）其它毛坯选择毛坯时应全面考虑下列因素：（1）零件结构形状及尺寸；（2）零件材料及力学性能要求；（3）现有生产条件及能力；（4）生产纲领大小；（5）充分考虑利用新工艺、材料、技术的性能。根据该零件的图纸要求，由于零件并不是很长，形状为圆柱体，因此可以直接采用型材毛坯（棒材），能符合零件图纸的要求。3.1.2确定毛坯的余量毛坯的形状和尺寸主要由零件组成表面的形状、结构、尺寸及加工余量等因素确定的，并尽量与零件相接近，以达到减少机械加工的劳动量，力求达到少或无切削加工。但是，由于现有毛坯制造技术及成本的限制，以及产品零件的加工精度和表面质量要求愈来愈来高，所以，毛坯的某些表面仍需留有一定的加工余量，以便通过机械加工达到零件的技术要求。毛坯尺寸选择如下图3.1图3.1毛坯图本工件的最大外形尺寸为φ40×155mm，因此可以给毛坯的直径单边留2.5mm余量，长度单边各留2.5mm余量。以达到减少机械加工的劳动量的目的，减少加工成本。3.2加工工艺路线的确定3.2.1工序的划分原则机加工工序的划分方法在数控机床上加工零件，工序应比较集中，在一次装夹中应尽可能完成大部分工序，首先应根据零件图样，考虑被加工零件是否可以在一台数控机床上完成整个零件的加工工作。若不能，则应选择哪一部分零件表面需用数控机床加工，即对零件进行工序划分。一般工序划分有以下几种方式：l、按所用刀具划分工序。即以同一把刀具完成的哪一部分工艺过程为一道工具。目的：减少安装次数，提高加工精度；减少换刀次数，缩短辅助时间，提高加工效率。适用于工件的待加工表面较多，机床连续工作时间过长（如在一个工作班内不能完成），加工程序的编制和检查难度较大等情况。2、按安装次数划分工序即以一次安装完成的那一部分工艺过程为一道工序.适合于加工内容不多的工件，加工完成后就能达到待检状态。3、以粗、精加工划分工序即粗加工中完成的那一部分工艺过程为一道工序，精加工中完成的那一部分工艺过程为一道工序。适用于加工变形大，需要粗、精加工分开的零件，如薄壁件或毛坯为铸件和锻件，也适用于需要穿插热处理的零件。4、以加工部位划分工序。即完成相同型面的那一部分工艺过程为一道工序。适用于加工表面多而复杂的零件，此时，可按其结构特点（如内形、外形、曲面和平面）将加工划为分几个部分。3.2.2加工顺序的安排工件的机械加工工艺路线中要经过切削加工、热处理和辅助工序。因此，当拟定工艺路线时要合理、全面安排好切削加工、热处理和辅助工序的顺序。切削加工工序的安排原则1）基准先行选为精基准的表面，应先进行价格，以便为后续工序提供可靠的精基准。如轴类零件的中心孔、箱体的地面或剖分面、齿轮的内孔和一端面等，都应安排在初始工序加工完成。2）先粗后精各表面均应按照粗加工→半精加工→精加工的顺序依次进行，以便逐步提高加工精度和降低表面粗糙度。3）先主后次先加工主要表面（如定位基面、装配面、工作面），后加工次要表面（如自由表面、键槽、螺纹孔等），次要表面常穿插进行加工，一般安排在主要表面达到一定精度之后、最终精加工之前。该零件的加工顺序应严格按照以上原则进行加工。3.2.3工艺路线安排根据以上原则本零件的工艺路线如下：工序1：下料φ45X155mm工序2：车削加工左端外轮廓特征工步1：用外圆车刀对零件的端面、φ20.18及φ30.18外圆柱面进行粗加工，留有精加工余量工步2：用外圆车刀对零件的端面、φ20.18及φ30.18外圆柱面进行精加工，至图纸尺寸要求。工步3：切槽1.35Xφ19工序3：车削加工右端外轮廓特征工步1：用对零件的端面、φ20.18外圆面进行粗加工，留有精加工余量工步2：对零件的端面、φ20.18外圆面进行精加工，至图纸尺寸要求。工序4：对φ28偏心部分进行车削工步1：对零件的端面、φ28偏心部分进行粗加工，留有精加工余量工步2：对零件的端面、φ28偏心部分进行精加工，至图纸尺寸要求。工序5：对φ40偏心部分进行车削工步1：对零件的端面、φ40偏心部分进行粗加工，留有精加工余量工步2：对零件的端面、φ40偏心部分进行精加工，至图纸尺寸要求。工序6：对41X5mm的键槽进行加工工序7：对六边形进行铣削加工工序8：对零件底部M8孔进行加工工步1：对零件底部M8孔，先用麻花钻钻孔工步2：对零件底部M8孔进行攻牙。工序9：去毛刺、清洗工序10：检验3.3选择并确定工艺装备3.3.1数控机床的选择一般来说，上述这些加工内容采用数控加工后，在产品质量、生产效率与综合效益等方面都会得到明显提高。相比之下，下列一些内容不宜选择采用数控加工：（1）占机调整时间长。如以毛坯的粗基准定位加工第一个精基准，需用专用工装协调的内容；（2）加工部位分散，需要多次安装、设置原点。这时，采用数控加工很麻烦，效果不明显，可安排通用机床补加工；（3）按某些特定的制造依据（如样板等）加工的型面轮廓。主要原因是获取数据困难，易于与检验依据发生矛盾，增加了程序编制的难度。此外，在选择和决定加工内容时，也要考虑生产批量、生产周期、工序间周转情况等等。总之，要尽量做到合理，达到多、快、好、省的目的。要防止把数控机床降格为通用机床使用。通过以上工艺路线的分析选定数控机床为本零件的加工制造的实用机床，可以达到本零件的要求，本零件是回旋体零件，适合数控车床加工，但部分结构特征需要使用数控铣床来加工，所以选择数控车床和数控铣床为本次设计的加工机床。并且零件尺寸不大，在经济性的原则下可以选择行程较小的机床。3.3.2夹具的选择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：

1.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；2.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）；3.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。

综合图纸及工艺路线拟定。本次零件为轴类零件,形状很规则，故夹具选用三爪自定心卡盘如图3.2，三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。偏心部分需要使用专用夹具夹持，铣床加工部分也可以采用三爪卡盘。图3.2三爪卡盘3.3.3量具的使用表在数控铣削加工工件中，为了确保工件的尺寸精度，必须选择正确的测量工具，量具种类很多，但不同的工件采用不同的量具作为测量工具。采用千分尺和游标卡尺及直尺作为测量工件的量具。由于游标卡尺是一种通用量具使用方便的特点。对一般精度高的零件选用千分尺。如表3.1所示。表3.1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75-100mm0.001mm用于外径测量工具内径千分尺50-75mm0.001mm用于内径测量工具直尺0-200mm0.1mm用来测量毛坯等的长度3.3.4刀具的选择在现代的数控加工中，数控刀具的材料主要有以下五种：1）高速钢（HSS）高速钢是指加入了较大的钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金工具钢。由于高速工具钢热处理技术（真空、保护气热处理）的进步以及成形金切工艺（全磨制钻头、丝锥等）的更新，使得高速钢刀具的红硬性、耐磨性和表面层质量都得到了很大的提高和改善。其按用途分可分为：通用型和高性能型；按制造工艺可分为：熔炼型和粉末冶金型。2）硬质合金是指将钨钴类（Wc）、钨钛钴类（Wc-TiC）、钨钛钽（铌）钴类(Wc-TiC-TaC）等硬质化合物以Co为结合剂烧结而成的物质。按ISO标准主要以硬质合金的硬度、抗弯强度等指标为依据，对一般切削工具所使用的硬质合金分为：P类——适用于加工长切削的黑色金属；K类——适用于加工短切削的黑色金属，有色金属和非金属材料；M类——成分和性能介于P与K类之间，适用于加工钢件和铸件。涂层硬质合金刀具是是在韧性较好的工具钢表面涂上一层耐磨耐热耐腐蚀的物质，使得刀具在切削过程中不易破损有利于保证加工精度。涂层的方法有两大类：物理涂层（PVD）、化学涂层（CVD）。涂层刀具的应用范围十分广泛，非金属、铝合金到铸铁、钢、高强度钢、高硬度钢、耐热合金钢、钛合金等难加工的材料的切削都可以使用，而且普遍较硬质合金的性能要好。3）陶瓷4）立方氮化硼5）聚晶金刚石本设计中，由于零件材料是45钢，其硬度相对较低，塑性与韧性较好，可选硬质合金刀。由上述分析结合本次设计所选的工件材料和学校的实际情况选择P类材料（相当于YT类）硬质合金刀和高速钢刀为本次设计切削加工刀具材料。在本次所采用的刀具明细见表3.2。表3.3数控加工刀具卡片产品名称或代号凸轮轴零件零件名称凸轮轴零件图号1序号刀具号刀具名称及规格刀具参数规格刀杆规格材料备注1T01外圆车刀90°刀尖YT15自动2T02切槽刀1mmYT15自动3T03立铣刀Φ2硬质合金自动4T04立铣刀Φ4BT40硬质合金5T05麻花钻Φ7BT40高速钢自动6T06丝锥M8BT40高速钢编制审核批准共1页第1页4工艺参数选择4.1切削用量的选择原则所谓合理的切削用量是指充分利用刀具的切削性能和机床性能，在保证加工质量的前提下，获得高的生产率和低的加工成本的切削用量。不同的加工性质，对切削加制订切削用量，就是要在已经选择好刀具材料和几何角度的基础上，合理地确定切削深度ap、进给量f和切削速度υc。所谓合理的切削用量是指充分利用刀具的切削性能和机床性能，在保证加工质量的前提下，获得高的生产率和低的加工成本的切削用量。不同的加工性质，对切削加工的要求是不一样的。因此，在选择切削用量时，考虑的侧重点也应有所区别。粗加工时，应尽量保证较高的金属切除率和必要的刀具耐用度，故一般优先选择尽可能大的切削深度ap，其次选择较大的进给量f，最后根据刀具耐用度要求，确定合适的切削速度。精加工时，首先应保证工件的加工精度和表面质量要求，故一般选用较小的进给量f和切削深度ap，而尽可能选用较高的切削速度υc。切削深度ap的选择切削深度应根据工件的加工余量来确定。粗加工时，除留下精加工余量外，一次走刀应尽可能切除全部余量。当加工余量过大，工艺系统刚度较低，机床功率不足，刀具强度不够或断续切削的冲击振动较大时，可分多次走刀。切削表面层有硬皮的铸锻件时，应尽量使ap大于硬皮层的厚度，以保护刀尖。半精加工和精加工的加工余量一般较小时，可一次切除，但有时为了保证工件的加工精度和表面质量，也可采用二次走刀。多次走刀时，应尽量将第一次走刀的切削深度取大些，一般为总加工余量的2/3~3/4。在中等功率的机床上、粗加工时的切削深度可达8~10mm，半径加工（表面粗糙度为Ra6.3~3.2μm）时，切削深度取为0.5~2mm，精加工（表面粗糙度为Ra1.6~0.8μm）时，切削深度取为0.1~0.4mm。进给量f的选择切削深度选定后，接着就应尽可能选用较大的进给量f。粗加工时，由于作用在工艺系统上的切削力较大，进给量的选取受到下列因素限制；机床—刀具—工件系统的刚度，机床进给机构的强度，机床有效功率与转矩，以及断续切削时刀片的强度。半精加工和精加工时，最大进给量主要受工件加工表面粗糙度的限制。

4.2切削用量的选择切削用量的合理选择直接影响到零件的表面质量以及加工效率，因此切削用量的选择是数控加工工艺编制过程中不可缺少的一部分，根据经验及查表计算确定该零件在数控加工过程中的切削用量。主轴转速应根据零件上加工部位的直径，并按零件和刀具材料以及加工性质等条件所允许的切削速度来确定。切削学速度除了计算和查表选取外，还可以根据实践经验确定。主要根据允许的切削速度Vc(m/min)选取由公式n=来进行计算。式中Vc为切削速度；D为工件或刀具的直径（mm）现选取工件的外径中间尺寸为Ø25的直径为例说明其计算过程。1、车外轮廓（1）粗车右端外轮廓留0.5mm作为精加工余量，取粗加工背吃刀量ap=1mm。由文献查得进给量f=0.2~0.3mm/r，初步确定f=0.2mm/r。选择切削速度由文献查得=1.5~1.83m/s，取=1.5m/s=90m/min。计算主轴转速s==m/min=1146r/min取s=1100r/min。计算进给速度计算进给速度F=Sf=220㎜/min。（2）精车右端外轮廓，保证其加工精度及表面粗糙度，取ap=0.5mm。由文献查得进给量f=0.1~0.2mm/r，初步确定f=0.1mm/r。选择切削速度由文献查得=1.5~1.83m/s.取=100m/min。计算主轴转速s==m/min=1273r/min取1200r/min。计算进给速度F=Sf=120㎜/min。2、铣刀的参数计算φ4硬质合金立铣刀刀具材质为涂层高速钢刀具齿数为3。查《手册》，可知v的取值范围为，精铣时取，粗铣时取。由公式：可得主轴转速为粗铣：精铣：查《手册》，铣刀每齿进给量取值范围为，取精铣:;粗铣:;由公式可得：粗铣：精铣：3、直柄麻花钻刀具材质为高速钢，齿数为2。查《手册》，可知v取值范围为，本次设计取；铣刀每齿进给量取值范围为，本次取。由公式：可得主轴转速为由公式可得：5加工工艺文件制定5.1制定工艺文件详细机械加工工艺过程卡件附件A5.2工序卡详细机械加工工序卡件附件A6加工程序编制6.1数控编程的分类数控编程主要分为手工编程与自动编程。（1）手工编程整个程序的编制过程是由人工完成的。这要求编程人员不仅要熟悉数控代码及编程规则，而且还必须具备有机械加工工艺知识和数值计算能力。对于点位加工或几何形状不太复杂的零件，数控编程计算较简单，程序段不多，手工编程即可实现。（2）自动编程用计算机把人们输入的零件图纸信息改写成数控机床能执行的数控加工程序，就是说数控编程的大部分工作有计算机来实现。6.2数控编程6.2.1基于UG数控车的编程（1）创建刀具单击，在弹出对话框中从刀具子类型中选择“OD_80_L_1”外圆刀，创建其名称为OD_80_L_1(菱形刀片机夹车刀，用于车外圆)。单击确定后，对于刀具设置为：选择ISO刀片形状为【E菱形80】，在“尺寸”栏中设置【刀尖半径】为0，【方向角度】为5，【刀具号】设置为1，其余保持默认；切换到【夹持器】视图，在【使用车刀夹持器】处打钩，选择【样式】为“J样式”，【视图】为“右视图”，【夹持器角度】设置为“90”，其余保持默认，单击“确定”。具体操作如图6.1所示。图6.1创建外圆车刀同理，可以设置第二把刀具内孔镗刀，可以按照6.2图片参数设置即可：图6.2创建内孔镗刀创建加工坐标系（根据实际机床操作，对刀点为零件前端面，故将工件坐标系MCS_SPINDLE设置到模拟毛坯前端面）单击“操作导航器”按钮，切换到“几何视图”，双击按钮，在弹出窗口中单击，再弹出对话框中设置“类型”为，选择【原点】为“坐标原点”，单击鼠标中键，选择【Z轴】为“工作坐标系”的“X轴”，选择【X轴】为“工作坐标系”的“Y轴”，并单击反向图标。操作过程如图6.3所示。图6.3创建加工坐标系（3）创建车加工横截面单击【工具】→【车加工横截面】，在弹出对话框中单击，选择整个目标实体，单击，选择“确定”，出现如图6.4所示的“虚线三角形”：图6.4加工横截面（4）创建部件边界打开“操作导航器”，鼠标双击，再单击“指定部件”，选择【全选】按钮，单击“确定”。然后单击“指定毛坯”，选择【自动块】，单击“确定”，单击【确定】。（5）创建毛坯边界双击图标，单击【指定毛坯边界】按钮，单击【杆材】图标，单击【安装位置】中的“选择”，用鼠标选中零件最左边的点，单击“确定”。在【长度】和【直径】处输入150和121，单击“确定”。再单击“确定”。（6）创建加工操作单击图标，在“操作子类型”中选择“ROUGH_TURN_OD”（粗车）；【程序】设置为：GONGBU01；【刀具】设置为“OD_55_R_GONGXU01”；【几何体】设置为：“TURNING_WORKPIECE”；【方法】设置为：“LATHE_ROUGH”；【名称】设置为：“ROUGH_TURN_OD_GONGXU01”，单击“确定”。对进给参数等进行设计，最终获得刀路轨迹图，如下图6.5。图6.5左端外圆加工刀路轨迹图图6.6切槽加工刀路轨迹图图6.7右端内孔加工刀路轨迹图图6.8偏心部分加工刀路轨迹图加工仿真打开“操作”页面，单击图标，完成GONGBU1操作的创建。单击图标，弹出模拟界面，切换到“3D动态”，“动画速度”调整为2，单击按钮。最终仿真图如下所示。图6.9加工仿真6.2.1基于UG数控铣床的编程选择创建刀具，弹出对话框（图6.10）选中，输入刀具体名称（图6.10）。点击选择进入对话框，输入刀具参数（图6.11）刀具直径为4，长度为75mm，刀刃为2。后面的刀具以这种方法继续创建刀具。图6.10刀具对话框图6.11刀具参数对话框2.选择创建几何体，弹出对话框（图6.12）。选中，输入几何体名称。点击确定，进入对话框（图6.13），设置安全距离为10mm，点击选择动态选择工件上表面，建立工件坐标系。（图6.14）图6.12对话框图6.13MCS图6.14工件坐标系3.选择创建几何体，弹出对话框。选中，输入几何体名称。点击确定，进入对话框（图6.15）图6.15几何体对话框点击指定部件，进入对话框，选择几何体，选中要加工的零件。点击指定毛坯，进入对话框选中建立好的毛坯，毛坯创建完成。3.点击按钮出现选择第二个型腔铣mill-contour进入设置切削参数，选择需要的铣刀。刀轨的设置选择跟随部件的铣切削方式，刀具平面直径为百分之60每刀深度为1mm，切削方式为层优先。如下图。图6.16铣孔加工刀路依照以上加工方法，精加工零件的轮廓形状，如下图6.16所示图6.17铣六边形加工刀路4.仿真加工图6.18加工仿真6.3程序的后处理加工完之后输出CLS刀具轨迹源文件然后生成机床数控系统所能接受的数控代码。生成G代码的过程：加工完成后就要生成G代码了如下点击文件按钮,后选择需要的系统后处理文件，设定文件名字，点击确定即可生成G代码，如下图所示。图6.19程序后处理总结经过一段时间的努力，毕业设计终于做好了。通过对鼠标凸模的数控铣加工工艺与编程课题的认真学习和研究，基本掌握了零件数控铣加工工艺分