矩形槽板的三维造型及数控铣加工工艺设计与编程说明书.doc
矩形槽板的三维造型及数控铣加工工艺设计与编程仿真含NX三维及CAD图
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矩形
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矩形槽板的三维造型及数控铣加工工艺设计与编程仿真含NX三维及CAD图,矩形,三维,造型,数控,加工,工艺,设计,编程,仿真,NX,CAD
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摘 要数控机床加工工艺与普通机床加工工艺在原则上基本相同，但数控加工的整个过程是自动进行的。数控加工的工序内容比普通机床的加工的工序内容复杂。这是因为数控机床价格昂贵，若只加工简单的工序，在经济上不合算，所以在数控机床上通常安排较复杂的工序，甚至是在通用机床上难以完成的那些工序。本文主要介绍了矩形槽板的数控加工工艺设计，开篇首先介绍了数控技术的概述，紧接着对零件图进行了简要的分析，然后确定零件的毛坯、定位基准、装夹方式、刀具、量具、切削用量等等，再制定出合理的加工方案，并制定相关的工艺文件，最后编制出零件的加工程序。关键词: 结构分析；工艺规程，切削要素；程序的编制4AbstractThe machining technology of NC machine tool is basically the same as that of common machine tool in principle. But the whole process of NC machining is automatic. The process content of NC machining is more complicated than that of common machine tools. Therefore, more complicated processes are usually arranged on NC machine tools, even those difficult to complete on general purpose machine tools.This paper mainly introduces the NC machining process design of rectangular slot plate, first introduces the outline of numerical control technology, then analyzes the parts drawing briefly, then determines the blank, positioning datum, clamping mode, cutting tool, etc. The measuring tools, cutting parameters and so on, and then work out a reasonable processing plan, and make relevant process documents, and finally work out the processing procedures of the parts.Key words: structure analysis; process planning; cutting elements; programming目 录摘 要1Abstract2第一章 绪 论51.1 数控机床的产生和发展51.2 数控加工的特点51.3 本课题的主要内容6第二章 零件图分析72.1 零件图形分析72.1.1 图形分析82.1.2 零件材料分析82.1.3 精度分析82.2 结构工艺性分析82.2.1 结构分析82.2.2 毛坯、余量的确定8第三章 零件加工工艺分析93.1 基准的分类93.2 定位基准的选择93.2.1 粗基准的选择93.2.2 精基准的选择103.2.3基准的确定113.3工序与工步的划分11第四章 工艺装备的确定124.1确定夹具124.2 确定加工机床134.3刀具材料的选择134.4刀具的选择144.5确定主轴转速及进给15第五章 零件的三维造型175.1创建底板175.2创建凸台175.3倒角19第六章 编制加工程序及仿真加工206.1创建几何体206.2创建刀具226.3创建操作22总 结26参考文献27致 谢28第一章 绪 论1.1 数控机床的产生和发展数控机床(Numerical Control Machine Tools)是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、运动速度和轨迹进行自动加工的机床，简称数控机床。数控机床是在机械制造技术和控制技术的基础上发展起来的，其过程大致如下： 随着电子技术的发展,1946年世界上第一台电子计算机问世,由此掀开了信息自动化的新篇章。1948年，美国帕森斯公司接受美国空军委托，研制直升飞机螺旋桨叶片轮廓检验用样板的加工设备。由于样板形状复杂多样，精度要求高，一般加工设备难以适应，于是提出采用数字脉冲控制机床的设想。 1949年，该公司与美国麻省理工学院(MIT)开始共同研究，并于1952年试制成功第一台三坐标数控铣床，当时的数控装置采用电子管元件。1959年，数控装置采用了晶体管元件和印刷电路板，出现带自动换刀装置的数控机床，称为加工中心( MC Machining Center)，使数控装置进入了第二代。1965年，出现了第三代的集成电路数控装置，不仅体积小，功率消耗少，且可靠性提高，价格进一步下降，促进了数控机床品种和产量的发展。 60年代末，先后出现了由一台计算机直接控制多台机床的直接数控系统(简称 DNC)，又称群控系统；采用小型计算机控制的计算机数控系统(简称 CNC)，使数控装置进入了以小型计算机化为特征的第四代。 1.2 数控加工的特点(1) 自动化程度高，具有很高的生产效率。除手工装夹毛坯外，其余全部加工过程都可由数控机床自动完成。若配合自动装卸手段，则是无人控制工厂的基本组成环节。数控加工减轻了操作者的劳动强度，改善了劳动条件；省去了划线、多次装夹定位、检测等工序及其辅助操作，有效地提高了生产效率。(2) 对加工对象的适应性强。改变加工对象时，除了更换刀具和解决毛坯装夹方式外，只需重新编程即可，不需要作其他任何复杂的调整，从而缩短了生产准备周期。(3) 加工精度高，质量稳定。加工尺寸精度在0.0050.01 mm之间，不受零件复杂程度的影响。由于大部分操作都由机器自动完成，因而消除了人为误差，提高了批量零件尺寸的一致性，同时精密控制的机床上还采用了位置检测装置，更加提高了数控加工的精度。1.3 本课题的主要内容本文主要讲述了零件的数控加工工艺中的问题，如毛坯的选择、定位基准的选择、装夹方式的选择、刀具及量具的选择、切削参数的选择等相关问题，在分析完这些问题后，制定出合理的加工方案，并制定相关工艺文件，编制出零件的数控加工程序。第二章 零件图分析在数控铣削加工中，对零件图进行工艺分析的主要内容包括零件结构工艺性分析、选择数控铣削的加工内容、零件毛坯的工艺性分析和加工方案分析。2.1 零件图形分析图2-1零件图图2-2三维零件图2.1.1 图形分析如图2-1和图2-2所示零件图，图中有不清晰之处请参加附图，从图中可以看出，该零件的结构为：该零件的面很规则，只有上表面面都有加工内容，这些结构形状涉圆弧，在普通铣床上加工难以加工出不规则的零件，而在数控铣床上加工这些结构属于易加工产品。此零件也很典型的反映出数控铣床在机械加工中的应用。2.1.2 零件材料分析在满足零件功能的前提下，零件材料应立足现实情况，应选用较好加工的材料，避免用贵重的紧缺的材料。同时，零件材料选用不当，也会增加工艺难度。按照这些要求确定零件应选用45钢作为材料。2.1.3 精度分析该零件最高精度等级要求比较高。外轮廓四周无尺寸精度要求。零件的凸台、粗糙度为Ra为3.2um。2.2 结构工艺性分析2.2.1 结构分析从图2-1上可以看出，此矩形槽板零件的加工轮廓主要由圆弧、直线和凹槽组成，该零件的加工内容主要有平面、凸台、凹槽等。需要合理的安排加工工序。2.2.2 毛坯、余量的确定毛坯的形状和尺寸越接近成品零件 ，材料消耗就越少，机械加工的劳动量就越少，因此会提高机械加工效率，降低成本，但毛坯的制造费用却提高了。因此确定毛坯要从机械加工和毛坯制造两方面综合考虑，以求得最佳效果，零件在进行数控铣削加工时，余量的大小、如何装夹等问题在设计毛坯时就要仔细考虑好，否则，如果毛坯不适合数控铣削，加工就很难进行下去。该图的毛坯采用45钢，整个零件的外形尺寸为100mm80mm20mm，毛坯外形尺寸选取105mm85mm25mm。28第三章 零件加工工艺分析3.1 基准的分类基准分为设计基准和工艺基准两大类。设计基准：是指设计工作图上所采用的基准。工艺基准：是指加工过程中所采用的基准。又分为有工序基准、定位基准和测量基准等。（1）工序基准:工序图上用来确定本工序所加工表面加工后的尺寸、形状和位置的基准。（2）定位基准：是指在加工中用作定位的基准。（3）测量基准：是指测量时所采用的基准。此外还有装配过程中用于确定零、部件间相互位置的装配基准。要求掌握基准的分类，定义，同等重要的是在训练中提高选择基准的能力。3.2 定位基准的选择选择工件的定位基准，实际上是确定工件的定位基面。根据选定的基面加工与否，又将定为基准分为粗基准和精基准。在起始工序中，只能选择未经加工的毛坯表面作为定位基准，这种基准称为粗基准。已加工过的表面作为定位基准，则称为精基准。在选择定位基准时，是从保证工件精度要求出发的，因此分析定位基准选择的顺序就应为从精基准到粗基准。3.2.1 粗基准的选择选择粗基准时，应保证加工面与不加工面之间的位置要求并合理分配各加工面的余量，保证加工面与不加工面的位置尺寸和位置精度，同时还要为后续工序提供可靠精基准。具体可按下列原则选择：（1）非加工表面原则。为了保证加工面与不加工面之间的位置要求，应选不加工面为粗基准。（2）加工余量最小原则。义余量最小的表面作为粗基准，以保证各加工表面有足够的加工余量。（3）重要表面原则。为保证重要表面的加工余量均匀，应选择重要加工面为粗基准。（4）不重复使用原则。 （5）便于装夹原则。做为粗基准的表面，应尽量平整光滑，没有飞边、冒口、浇口或其他缺陷，以便使工件定位准确、夹紧可靠。3.2.2 精基准的选择选择精基准时，应保证加工精度和装夹可靠、方便，可参照下列原则进行：（1）“基准重合”原则加工零件时应直接选择加工表面的设计基准为定位基准，可以避免由定位基准与设计基准不重合而引起的定位误差。（2）“基准统一”原则 加工同一零件的多道工序时尽可能选择同一个定位基准，这样可以保证加工表面间的相互位置精度，避免或减少因基准转换而引起的误差，也简化了夹具的设计与制造工作，降低了成本，缩短了生产准备周期。例如，轴类零件加工采用采用两端中心孔作统一定位基准加工各阶梯外圆表面，可保证各阶梯外圆表面的同轴度误差。基准重合和基准统一原则是选择精基准的两个重要原则，但实际生产中有时会遇到两者相互矛盾的情况。此时，若采用统一定位基准能够保证加工表面的尺寸精度，则应遵循基准统一原则；若不能保证尺寸精度，则应遵循基准重合原则，以避免使工序尺寸的实际公差值减小，增加加工难度。（3）“自为基准”原则当工件精加工或光整加工工序要求余量尽可能小而均匀时，应选择加工表面本身作为定位基准。（4）“互为基准”原则 当个加工表面之间具有较高的位置精度，或为是加工表面具有均匀的加工余量，则可采用两个加工表面互为基准反复加工的方法。（5）“便于装夹”原则 所选精基准应保证工件定位准确稳定，装夹方便可靠，夹具结构简单适用，操作方便灵活。同时定位基准应有足够大的接触面积，以承受较大的切削力。3.2.3基准的确定（1）粗基准根据其原则，确定该零件的粗基准为毛坯外边及底面,对零件的四周和上表面进行加工，再以加工的面做为精基准，加工剩余部位。（3）精基准根据其原则，确定该零件的精基准为零件的外轮廓及零件底面。3.3工序与工步的划分 工序划分主要考虑生产纲领、所用设备及零件本身的结构和技术要求等。大批量生产时，若使用多轴、多刀的高效加工，可按工序集中原则组织生产；若在由组合机床组成的自动线上加工，工序一般按分散原则划分。随着现代数控技术的发展。特别是加工中心的应用，工艺路线的安排更多地趋向于工序集中。单件小批量生产时，通常采用工序集中原则。成批生产时，可按工序集中原则划分，也可按工序分散原则划分，应视具体情况而定。对于结构尺寸和重量都很大的重型零件应采用工序集中原则，以减少装夹次数和运输量。对于刚性差、精度高的零件，应按工序分散原则划分工序。工序的划分有很多种，主要有按装夹次数划分工序、按使用刀具划分工序、按加工部位划分工序等划分方法，本设计主要采用根据加工部位划分方法设计出零件的加工工序与工步如下：工序1：下料工序2：铣削好零件六个表面至工件最大尺寸，表面粗糙度Ra3.2um工序3：加工的零件上表凸台及凹槽轮廓工步1：粗加工上表凸台及凹槽轮廓，留有精加工余量工步2：精加工上表凸台及凹槽轮廓，致图纸尺寸要求工序4：加工上表面2-10mm通孔工步1：麻花钻钻孔工步2：铰孔工序5：去毛刺工序6：检验第四章 工艺装备的确定4.1确定夹具夹具是用一装夹工件（和引导刀具）的装置。用夹具装夹能使工件迅速获的正确位置，定位精度高而稳定。用精基准定位时，工件的定位精度一般可达0.01mm。夹具装夹工件广泛用于成批大量生产。夹具种类很多，广泛的应用于机械制造过程的切削加工、热处理、配件、焊接和检测等工艺过程中。它直接影响着工件加工的精度、劳动生率和产品的制造成本等。按专门化程度可分为以下几种：专用夹具：该夹具是指专为某一工件的某一加工工序而设计制造的夹具，其 结构紧凑，操作方便，主要用于固定产品的大批量生产。可调夹具：可调夹具包括通用夹具和组合夹具，见有通用和专用夹具的优点，其适用范围较宽，加工对象并不十分明确。通用夹具：通用家具是指已经标准化、无需调整或稍加调整就可以用来装夹不同工件的夹具，如三爪卡盘、四爪卡盘、平口虎钳和万能分度头等。这类夹具适应性强，可用于一定形状和尺寸范围内的各种工件，价格便宜。其缺点是夹具精度不高，生产率也比较低，较难装夹。一般实用于单件小批量生产中。数控加工的特点对夹具提出几点要求：（1）当零件加工批量不大时，应尽量采用组合夹具、可调试夹具及其他通用夹具，以缩短生产准备时间、节约生产费用。（2）在成批生产时才考虑采用专用夹具，并力求结构简单。（3）零件的装卸要快速、方便、可靠，以缩短机床的停顿时间。（4）夹具上各零件应不防机床对零件各表面的加工，即夹具要开敞，其定位、夹紧机构元件不能影响加工中的走刀。该零件不仅精度要求较高，可以看到轮廓的周边曲线圆弧和粗糙度值要求也较高，零件采用通用夹具中的平口虎钳装夹。平口虎钳如图4-1所示。图4-1平口虎钳4.2 确定加工机床选定数控机床为 本零件的加工制造的实用机床，可以达到本零件的要求，本零件不是回旋体零件，不适合数控车床加工，为复杂零件适合数控铣床来加工，所以选择数控铣床。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铣床。因此我选择CY-VMC850加工中心加工该零件。由于该零件属于单件小批量生产，因此不用考虑生产效率等问题，只要在能够保证其精度要求的前提下选择相应的设备进行加工即可，但为了减少人为的换刀量，根据现有的数控机床，确定选择由云南CY集团有限公司生产的CY-VMC850系列数控立式加工中心，其主要技术参数如下：系统配置： FANUC 工作台面积(mm)：460950(5001050) 行程(X-Y-Z)(mm)：800500550主轴锥孔：BT40 主功率(KW)：7.5/11 主轴变速系统转速(rpm)：50-6000伺服 机床结构：台湾主轴、全防护、贴塑滑轨、电柜空调 4.3刀具材料的选择刀具材料主要指刀具切削部分的材料。刀具切削性能的优劣（如表7-1），直接影响着生产效率、加工质量和生产成本。而刀具的切削性能，首先取决于切削部分的材料；其次是几何形状及刀具结构的选择和设计是否合理。在切削过程中，刀具切削部分不仅要承受很大的切削力，而且要承受切削变形和摩擦产生的高温。要保持刀具的切削能力，刀具应具备如下的切削性能：（1）高硬度和耐磨性。刀具材料的硬度必须高与工件材料的硬度，常温下一般应在HRC60以上。一般来说，刀具材料的硬度越高，耐磨度也越好。（2）足够的强度和韧性。刀具切削部分要承受很大的切削力和冲击力因此刀具材料必须要有足够的强度和韧性。（3）良好的耐热性和导热性。刀具材料的耐热性是指在高温下仍能保持其硬度和强度的性能，这是刀具材料必备的关键性能。耐热性越好，刀具材料在高温时抗塑性变形的能力、抗磨损的能力越强。高温硬度是耐热性的重要指标，常用的耐热温度表示，如高速钢约为600，硬质合金可达8001000。（4）良好的工艺性。为便于制造，要求刀具材料具有良好的可加工性，包括热加工性能（热塑性、可焊性、淬透性）和机械加工性能。 表5-1常用刀具材料性能比较刀具材料切削速度耐磨性硬度硬度随温度变化高速钢最低最差最低最大硬质合金低差低大陶瓷刀片中中中中金刚石高高高小根据该表所显示的内容可以看出硬质合金钢刀具材料的切削速度和硬度都较低且耐磨性较差，而该零件的材料为45钢，切削速度和硬度较低，该零件所选用的刀具应该为硬质合金钢。4.4刀具的选择刀具的选择是数控加工中重要的工艺内容之一，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考虑机床的加工能力、工序内容、工件材料等因素。刀具寿命与切削用量有密切的关系。在制定切削用量时，应首先选择合理的刀具寿命，而合理的刀具寿命则应根据优化的目标而定。一般分最高生产率刀具寿命和最低成本刀具寿命两种，前者根据单件工时最少的目标确定，后者根据工序成本最低的目标确定。选择刀具寿命时可考虑如下几点根据道具复杂程度、制造和磨刀成本来选择。复杂和精度高的刀具寿命应选的比单刃刀具高些。对于机夹可转位刀具，由于换到时间短，为了充分发挥其切削性能，提高生产效率，刀具寿命可选的低些，一般取15-30min对于装刀、换刀和调刀比较复杂的多刀机床、组合机床与自动化加工刀具，刀具寿命应选的高些，尤其保证刀具可靠性。车间内某一工序的生产率限制了整个车间的生产率的提高时，该工序的刀具寿命要选的低些，当某工序单位时间内所分担到的全厂开支较大时，刀具寿命也应选的低些。大件精加工时，为保证至少完成一次走刀，避免切削时中途换刀，刀具寿命应按零件精度和表面粗糙度来定。与普通机床加工方法相比，数控加工对刀具提出了更高的要求，不仅需要刚性好、精度高，而求要求尺寸稳定，耐用度高断和排性能同时要求安装和调整方便，这样来满足数控机床高效率的要求。数控机床上所选用的道具常采用适应高速切削的刀具材料（如高速钢、超细粒质硬质合金）并使用可转位刀片。根据上述刀具选择原则和零件结构的实际情况相结合，而不同的加工内容需要不同的刀具，根据零件的实际情况选用以下刀具。表5-2刀具卡片工步号刀具号刀具名称刀柄型号刀具直径/mm材质1T01立铣刀BT4020硬质合金2T02立铣刀BT4012硬质合金3T03球头刀BT406硬质合金4T04立铣刀BT406硬质合金4.5确定主轴转速及进给确定主轴转速时，主要根据工件材料、刀具材料、机床功率和加工性质（如粗、精加工）等条件确定其允许的切削速度。它是指切削是刀具切削刃上某点相对于待加工表面在主运动方向上的瞬时速度，切削速度确定后，即可计算出主轴转速。主轴根据允许的切削速度Vc(m/min)选择N=1000Vc/D其中：N-主轴转速Vc-切削速度(m/min)由刀具寿命来确定切削速度，D-工件或刀具的直径(mm)（1）10立铣刀粗加工时根据查表及经验，选取Vc=70m/min，f=0.3mm/r，ap=1mm。则：主轴转速：n =1000Vc/d =（100070）/（3.1410）r/min=2229.3r/min取2200r/min 进给速度：F =fn =（0.32200）mm/min=660mm/min精加工时根据查表及经验，选取Vc=90m/min，f=0.2mm/r，ap=0.5mm。则：主轴转速：n =1000Vc/d =（100090）/（3.1410）r/min=2866.24r/min取2800r/min 进给速度：F =fn =（0.22800）mm/min=560mm/min（3）9.8麻花钻加工时根据查表及经验，选取Vc=25m/min，f=0.1mm/r。则：主轴转速：n =1000Vc/d =（100025）/（3.149.8）r/min=812r/min取800r/min 进给速度：F =fn =（0.1800）mm/min=80mm/min（3）10铰刀加工时根据查表及经验，选取Vc=28m/min，f=0.05mm/r。则：主轴转速：n =1000Vc/d =（100028）/（3.1410）r/min=891r/min取900r/min 进给速度：F =fn =（0.05900）mm/min=45mm/min第五章 零件的三维造型5.1创建底板（1）点击创建草图，选择XY表面，作为基准平面，点击确定。 根据尺寸我们使用圆、直线指令、镜像完成下图，如图5.1。点击左键确定，再点击完成草图。图5.1绘制草图（2）完成草图后，点击拉伸按钮进行拉伸，选择拉伸曲线，拉伸方向，拉伸距离为15mm，矢量方向为Z向，如图5.2，点击确定，可在图中看到效果图。图5.2拉伸底板5.2创建凸台（1）完成凸台的创建后，点击拉伸的功能，选择已经创建好的上表面作为基准平面，根据尺寸我们使用圆弧、直线指令完成如下草图。图5.3绘制草图（2）完成草图后，点击拉伸按钮进行拉伸，选择拉伸曲线，拉伸方向，拉伸距离为5mm，矢量方向为Z向，布尔选择求和。如图5.4，点击确定，可在图中看到效果图。图5.4创建凸台5.3倒角（1）完成凸台的创建后，使用倒角功能，对零件进行倒4-R8、C5倒角完成如下图。图5.5倒圆角图5.6倒角第六章 编制加工程序及仿真加工在标准工具条中选择“开始”“加工”，系统将弹出“加工环境”对话框，在CAM设置选择栏中选择“mill-contour”模板，单击“初始化”按钮，系统将进入型腔铣加工环境。6.1创建几何体 在操作导航器的几何视图中，设置加工坐标系、零件和毛坯，为创建操作做准备。（1）设置加工坐标系。 先将操作导航器转换到几何体视图。 在“操作导航器-几何体”中选择“MCS-MILL”，单击右键，在其快捷菜单中选择“编辑”命令。 在弹出对话框中的“机床坐标系”中的“指定MCS”栏中，单击“自动判断”图标，然后在图形区域选择毛坯的顶面，之后单击“确定”，系统将自动在毛坯的顶面中心位置创建加工坐标系，如图3-10所示。图7-1几何体（2）设置几何体 在“操作导航器-几何体”中，双击“WORKPIECE”图标，将弹出“几何体”对话框。 指定部件几何体。在“几何体”对话框中，单击“指定部件”按钮，将弹出“部件几何体”对话框，在图形区域选择零件， 点击“确认”返回“几何体”对话框，如图3-11所示。图7-2部件几何体 指定毛坯几何体，在“几何体”对话框中，单击“指定毛坯”图标按钮，将弹出“毛坯几何体”对话框，选择“包容块”，单击“确定”后，返回“几何体”对话框，如图3-12所示。图7-3毛坯几何体 在“几何体”对话框中单击“确认”，结束几何体的设置操作。6.2创建刀具（1）在“创建操作”工具条中选择“创建刀具”命令，进入“创建刀具”对话框。（2）先在“创建刀具”对话框中的类型选择项内选择“mill-contour（铣型腔）”，然后在“刀具子类型”选项栏中选择“立铣刀（MILL）”图标，并输入刀具名称，然后单击“应用”，进入“刀具参数”对话框，设置参数后单击“确定”，完成刀具的创建。6.3创建操作（1） 在加工创建工具条中，单击“创建操作”命令，系统将弹出“创建操作”对话框。（2） 在“创建操作”对话框中，选择“类型”中选择“mill-contour（铣型腔）”，然后在“操作子类型”中，选择型腔铣模板图标CAVITY-MILL铣型腔。（3） 在“创建操作”对话框中设置其他参数：程序、刀具、几何体、方法、名称。（4） 在“创建操作”对话框中单击“确定”，选择切削区域、设置切削层、进给率。（5） 生成操作，如图7-4所示。图7-4凸台凹槽粗加工刀路图7-5凸台凹槽精加工刀路图7-6钻孔加工刀路6.4加工仿真对程序进行仿真加工，验证程序和工艺的合理性。图7-7仿真加工图7-8仿真加工6.5后处理数控编程后置处理包括加工刀具路径文件的生成和机床数控代码指令集的生成。通过后置处理器读取由系统生成的刀具路径文件，从中提取相关的加工信息，并根据指定数控机床的特点及NC程序格式要求进行分析、判断和处理，最终生成数控机床所能直接识别的NC程序，就是数控加工的后置处理，它直接影响CAD/CAM软件的使用效果及零件的加工质量。选择三坐标加工，并导出数控程序，如图所示。 图7-9后处理程序详见附录数控加工程序单总 结经过这段的时间，毕业设计的工作已经完成。通过对课题的认真学习和研究，基本
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