数控课程设计.docx
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数控课程设计
《数控编程》课程设计
姓名：
刘旺
系别：
机电工程学院
专业：
机械设计制造及其自动化
班级：
专升本2班
指导教师：
陈小静
学号：
12042010239
新乡学院
2013年12月
前言
数控技术也叫计算机数控技术，目前它是采用计算机实现数字程序控制的技术。
这种技术用计算机按事先存贮的控制程序来执行对设备的控制功能。
由于采用计算机替代原先用硬件逻辑电路组成的数控装置，使输入数据的存贮、处理、运算、逻辑判断等各种控制机能的实现，均可以通过计算机软件来完成。
数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生的一些重要行业（IT、汽车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用。
数控机床综合应用了电子计算机、自动控制、伺服系统、精密检测与新型机械结构等方面的技术成果，具有高的高柔性、高精度与高度自动化的特点，因此，采用数控加工手段，解决了机械制造中常规加工技术难以解决甚至无法解决的单件、小批量，特别是复杂型面零件的加工，应用数控加工技术是机械制造业的一次技术革命，使机械制造的发展进入了一个新的阶段，提高了机械制造业的制造水平，为社会提供高质量，多品种及高可靠性的机械产品。
本次设计主要是对数控加工工艺进行分析与具体零件图的加工，首先对数控加工技术进行了简单的介绍，然后根据零件图进行数控加工分析。
第一，根据本零件材料的加工工序、切削用量以及其他相关因素选用刀具。
第二，针对零件图图形进行编制程序，此零件为轴类零件，外轮廓由直线、圆弧和螺纹组成。
第三使刀位点与换刀点重合确定编程坐标系及编程原点，进行数控加工程序编制，最后用编程模拟软件对轴类零件进行仿真加工及校验。
一、课程设计任务书
1.1任务说明
本课程设计是学完数控技术之后，进行的实践性教学环节，可提高学生的数控编程能力，加深对数控原理及数控机床结构的理解,它一方面要求学生能根据零件图，编制数控加工工艺，用ISO码编制数控加工程序，熟悉加工程序输入、检查、编辑及执行的方法，另一方面，为今后的毕业设计、今后从事数控加工进行一次综合训练。
1．培养学生运用理论知识独立解决有关本课程实际问题的能力，使学生更深入掌握数控编程方法、数控原理等方面的知识。
2．使学生掌握数控加工工艺制定、手工编程方法。
3.掌握插补，刀补的使用方法。
1.2任务要求
掌握数控加工工艺特点及工序划分方法；掌握数控车床、铣床的手工及计算机辅助程序编写方法；掌握数控加工仿真的使用方法等。
1.绘制零件图（手绘或CAD制图）
2.根据零件图样要求、毛坯情况，确定工艺方案及加工路线；
3.选择机床设备；选择刀具；确定定位方案，选择或设计夹具确定切削用量；确定工件4.坐标系、对刀点和换刀点；制定加工工艺规程；
5.编写程序；
6.用加工仿真软件进行加工仿真；
1.3任务内容概述
根据下图1-1零件图及技术要求，进行相关数控加工工艺的制定，并用FUNUC数控系统（车削数控系统和铣削数控系统及加工中心）的编程指令编程，最后通过数控加工仿真软件加工出工件。
图1-1
二、数控加工工艺
2.1工艺分析
2.1.1零件的工艺分析
如图1-1所示，该零件为较复杂的轴类零件，包括台阶、圆弧、槽以及螺纹等加工轮廓。
右端为台阶轴，分别为
mm外圆、长为
mm，以及
mm外圆，其长度由
mm、
和槽宽4mm决定，槽的深度为1mm；零件中部为
螺纹，长度为60mm；零件左端为
mm和
mm外圆，与R20mm圆弧连接；零件表面粗糙度要求为Ra6.4，右端
mm外圆与
螺纹有同轴度要求。
该零件尺寸标注完整，轮廓描述清楚，零件材料为45钢，无热处理和硬度要求，适合在数控车床上加工。
2.1.2拟定工艺路线
由图1-1分析可知，该零件轮廓较多，需要计算螺纹轴的精车尺寸值以及R20mm圆弧面的起始和终止位置坐标，在编制程序时如何确保
mm
mm及
mm外圆的尺寸精度和表面质量要求，
mm外圆与
螺纹的同轴度要求，以及如何进行R20mm圆弧面的加工是难点。
为了解决加工难点，在编制加工工序时，可以按粗精加工分开，先近后远等原则进行编制和划定工艺路线；为了保证同轴度，采用一夹一顶的装夹方法，先夹住毛坯外圆，加工零件左端轮廓，然后掉头夹住
mm外圆，上顶尖，加工零件轮廓使
mm外圆与
螺纹在同一道工序中加工这样就可以保证同轴度要求了。
通过上面分析，制定工艺路线如下：
Ⅰ.加工右端面，钻中心孔，先用卡盘夹紧左端毛坯，手动平右端面手动钻中心孔。
Ⅱ.
（1）加工左端面，毛坯掉头装夹，用卡盘夹紧，手动平左端面，保证零件总长。
（2）加工退刀槽，在加工R20圆弧之前为防止出现干涉先在圆弧右侧加工出退刀槽。
（3）粗精车工件左端两段
mm外圆和圆弧轮廓至要求尺寸。
Ⅲ.
（1）掉头装夹，用铜皮包住加工好的左端外圆，并用卡盘夹持，粗精车右端面
mm
mm及
螺纹的外圆柱面、倒角。
（2）加工右端面46mm处的4mm槽、倒角。
（3）加工
螺纹。
Ⅳ.终检
2.2选择毛坯
2.2.1常见的毛坯种类
（1）铸件
铸件适用于形状较复杂的零件毛坯。
其铸造方法有砂型铸造、精密铸造、金属型铸造、压力铸造等。
（2）锻件
锻件适用于强度要求高、形状比较简单的零件毛坯。
其锻造方法有自由锻和模锻两种。
（3）型材
型材有热轧和冷拉两种。
热轧适用于尺寸较大、精度较低的毛坯；冷拉适用于尺寸较小、精度较高的毛坯。
（4）焊接件
焊接件是根据需要将型材或钢板等焊接而成的毛坯件。
（5）冷冲压件
冷冲压件毛坯可以非常接近成品要求，在小型机械、仪表、轻工电子产品方面应用广泛。
2.2.2毛坯选用原则
（1）零件的材料及机械性能要求零件材料的工艺特性和力学性能大致决定了毛坯的种类。
（2）零件的结构形状与外形尺寸
（3）生产纲领的大小
（4）现有生产条件
（5）充分利用新工艺、新材料
为节约材料和能源，提高机械加工生产率，应充分考虑精密铸造、精锻、冷轧、冷挤压、粉末冶金、异型钢材及工程塑料等在机械中的应用。
2.2.3毛坯确定
根据毛坯种类。
选用原则以及零件图纸的技术要求，确定毛坯材料为45钢，
该零件最大外圆直径为
36长度尺寸为180mm查《机械制造工艺设计简明手册》表2.2得知毛坯直径应为
45mm。
长度尺寸为186mm。
毛坯图如下图2-1
图2-1
2.3工件的定位和装夹
2.3.1定位基准选用的原则
1）基准重合原则。
为了避免基准不重合误差，方便编程，应选用工序基准作为定位基准，尽量使工序基准、定位基准、编程原点三者统一。
2）便于装夹的原则。
所选择的定位基准应能保证定位准确、可靠，定位、夹紧机构简单、易操作，敞开性好，能够加工尽可能多的表面。
3）便于对刀的原则。
批量加工时在工件坐标系已经确定的情况下，保证对刀的可能性和方便性。
2.3.2确定零件的定位基准
该零件为轴类零件的加工，在加工左右端面时可以采用零件的左右大端面和外圆柱面作为定位基准。
2.3.3确定零件装夹方案
三爪自定心卡盘的三个卡爪是同步运动的，能自动定心，一般不需要找正。
该卡盘装夹工件方便、省时，但夹紧力小，适用于装夹外形规则的中、小型工件。
该零件为典型轴类零件，可以采用三爪自定心卡盘上装夹来满足加工要求。
此工件在加工中须分两次装夹但在右端面轴径上有同轴度要求，故在加工右端面时采用三爪定心卡盘、和顶针采取一夹一顶的方式进行装夹可以防止轴在加工过程中受切削力而产生径向弯曲、这样就可以在加工中比较好的保证同轴度如图2.2-1，在加工左端面时因为技术要求比较简单，加工长度又不太长故一端采用三爪自定心卡盘来装夹工件即可满足加工要求。
如图2.2-2
图2.2-1加工零件左端轮廓的装夹
图2.2-2加工零件右端轮廓的装夹
2.4选择数控机床
根据零件的工艺要求，以及对零件图样的分析选择CKA6150型数控车床并装配FANUC-OiT系统。
2.4.1CKA6150型数控车床的用途
CKA6150型数控车床能对轴类或盘类等回转体零件自动地完成内外圆柱面、圆锥表面、圆弧面等工序的切削加工，并能进行切槽、钻、扩镗孔和车端面、切槽、倒角等加工。
2.4.2CKA6150型数控车床的布局
CKA6150型数控车床为两坐标联动控制的卧式车床一般采用步进电动机形式半闭环伺服系统。
车床设置三爪自定心卡盘、普通尾座或数控液压尾座，适合车削较长的轴类零件。
根据主轴的配置的要求可选择CKA6150卧式数控车床。
卧式数控车床具有加工精度高，能做直线和圆弧插补，数控车床刚性良好，制造和对刀精度高，能方便和精确地进行人工补偿和自动补偿，能够加工尺寸精度要求较高的零件。
能加工轮廓形状特别复杂的表面和尺寸难于控制的回转体，而且能比较方便的车削锥面、圆弧面和内外圆柱面螺纹，能够保持加工精度，提高生产效率。
2.5选择刀具
2.5.1数控刀具选用原则
数控车床一般采用机夹可转位刀具，所用的刀具，要求有可靠的断屑性能，足够的耐用，刀片转位后有精确的重复定位精度，刀片要有足够的夹紧可靠性，此外，由于数控车床功率比较大，刚性强，要求刀具寿命较长，质量相对稳定，因此，对刀片材料的要求高，以保证刀具寿命，刀片材料要根据零件材料及热处理后的材料性能合理选用，一般情况下大多使用涂层刀片。
2.5.2外圆、端面、外轮廓车刀选用
加工外圆及台阶是刀片的形状有刀尖角为80°菱形刀片，55°菱形刀片，圆形刀片，方形刀片，等边三角形刀片和35°菱形刀片，其标准后角通常有0°、7°、11°、25°、30°等几种规格。
主偏角主要有45°、50°、60°、75°、85°、90°、93°、95°等形式。
粗加工外圆或端面时选用90°硬质合金偏刀（如下图2.3-1），这样的刀尖强度，不仅提高了刀片的利用率还有效提高粗加工时的加工效率。
在精加工外圆和外轮廓时选用35°角菱形刀片机夹刀（如下图2.3-2）从成本和使用方便性，避免零件加工时刀具与零件其他部位产生干涉上考虑应优先采用正方形截面刀杆，刀杆的标准长度125mm，既能能够满足加工需要，又不会与零件其他部位产生干涉。
图2.3-190°硬质合金偏刀
图2.3-235°角菱形机夹刀
2.5.3切槽刀具的选用
标准切槽刀一般分为双刃单面结构、按工艺方法不同主要分为径向、轴向、切断三种类型。
通常情况下，切槽刀大多为成形刀，刀头形状根据零件上槽的形状可分为直切槽刀和圆弧切槽刀也可根据零件需要定做特殊槽型和复合刀具。
依据本零件图上尺寸要求在避免与零件发生干涉，并且要满足加工质量，确保刚性，降低车削振动、经济实惠的前提下，选用4mm径向直切槽刀如下图2.4-1
图2.4-14mm径向切槽刀
2.5.4螺纹加工刀具的选用
车螺纹刀片按切削形式可以分为切顶槽型螺纹刀片和非切顶槽螺纹刀片；按螺纹标准分为米制和英制两种形式，按加工特点可分为内、外螺纹刀片、按螺纹线方向分为正、反螺纹。
刀片结构主要分为两刃单面和三刃单面两种形式。
通常情况下应尽量选用可重磨底面带有120V形定位面的切顶型升刃单面式刀片，为减少切削刀和振动力，刀片应选择正面前角结构，刀片的其他角度要结合上述不同情况区别选用。
螺纹刀杆分方形和圆形截面两种类型，前者价格较低，后者刚性和加工精度较好，刀片与刀杆连接时需要增加力垫，刀杆按照螺纹旋线方向为标准型反向型，一定要根据零件螺纹旋线方向合理选用。
依据选用原则和本零件结构图选取60°外螺纹车刀，刀片形式为三刃单面，刀杆为方形如下图2.5-1
图2.5-160°外螺纹车刀
2.5.5刀具明细表
根据零件的结构特性以及刀具类型，确定加工该零件所需要的全部刀具如下表2.6-1
表2.6-1数控加工刀具卡
产品名称或代号
零件名称
传动轴
零件图号
程序号
序号
刀具号
刀具名称
加工表面
刀片
刀尖半径mm
备注
型号
材料
1
T01
90°硬质合金偏刀
工件外轮廓粗车
12x3
硬质合金
0.5
15x25
2
T02
35°菱形机夹刀
工件外轮廓精车
12x3
硬质合金
0.2
15x25
3
T03
4mm切槽刀
加工退刀槽切4mmx1mm槽
10x4
硬质合金陶瓷涂层
15x25
4
T04
60°外螺纹车刀
螺纹
2x3
硬质合金
0.1
15x25
5
T05
35°硬质合金偏刀
工件外轮廓精加工
12x3
硬质合金
15x25
编制
审核
批准
共页
第页
2.6确定切削用量
2.6.1选择切削用量原则
数控机床加工的切削用量包括切削速度Vc （或主轴转速n）、切削深度ap和进给量f，其选用原则与普通机床基本相似，合理选择切削用量的原则是：
粗加工时，以提高劳动生产率为主，选用较大的切削量；半精加工和精加工时，选用较小的切削量，保证工件的加工质量。
2.6.2计算切削用量
1）计算切削深度ap
在工艺系统刚性和机床功率允许的条件下，尽可能选取较大的切削深度，以减少进给次数。
当工件的精度要求较高时，则应考虑留有精加工余量，一般为0.1～0.5mm。
切削深度ap计算公式：
式中：
dw—待加工表面外圆直径，单位mm
dm—已加工表面外圆直径，单位mm.
计算过程如下：
工序Ⅱ
（1）加工左端面R20mm圆弧右侧退刀槽选用4mm切槽刀加工前毛坯直径为45mm加工后零件直径为25mm计算切削深度为
=10mm
（2）加工左端外圆和R20mm圆弧选用35°菱形外圆车刀根据毛坯的大径dw=45mm左端零件外径dm=25mm计算切削深度为：
=10mm
工序Ⅲ
（1）加工右端面
mm
mm及车削
螺纹的外圆柱面。
因为工序Ⅲ的加工在编程时也是采用固定循环一次加工出来的因此可以采用相同的切削深度计算切削深度为：
=12.5mm
（2）加工右端面46mm处的4mm槽加工时的切削深度ap=1mm
（3）加工
螺纹，查取《机械设计手册》表13-1普通螺纹基本尺寸确定
螺纹的小径D1=32.752mm则车削
螺纹的切削深度计算为：
=1.624mm
2）确定切削速度Vc主轴转速n进给量f
切削速度由工件材料、刀具的材料及加工性质等因素所确定，因此切削速度Vc的确定可以依据切削深度ap工件材料、刀具材料从下表1来选取
表1硬质合金外圆车刀切削速度参考表
工件材料
热处理状态
ap=0.3~2mm
ap=2~6mm
ap=6~10mm
f=0.08~0.3mm/r
f=0.3~0.6mm/r
f=0.6~1mm/r
Vc/m·min-1
Vc/m·min-1
Vc/m·min-1
低碳钢易切钢
热轧
140~180
100~120
70~90
中碳钢
热轧
130~160
90~110
60~80
调质
100~130
70~90
50~70
合金工具钢
热轧
100~130
70~90
50~70
调质
80~110
50~70
40~60
工具钢
退火
90~120
60~80
50~70
灰铸铁
HBS<190
90~120
60~80
50~70
HBS=190~225
80~110
50~70
40~60
高锰钢
10~20
铜及铜合金
200~250
120~180
90~120
铝及铝合金
300~600
200~400
150~200
铸铝合金
100~180
80~150
60~100
由计算得各工序切削深度和工件材料查表1确定各工序的切削速度和主轴转速如下：
工序Ⅱ
（1）加工左端面R20mm圆弧右侧退刀槽。
进给量f=0.6mm/r
切削速度Vc=80m/min
主轴转速由公式
计算得n=566r/min查机床手册取n=600r/min
（2）加工左端外圆和R20mm圆弧。
进给量f=0.6mm/r
切削速度Vc=80m/min
主轴转速由公式
计算得n=566r/min查机床手册取n=600r/min
工序Ⅲ
（1）加工右端面
mm
mm车削
螺纹的外圆柱面及倒角。
进给量f=0.6mm/r
切削速度Vc=80m/min
主轴转速由公式
计算得n=566r/min查机床手册取n=600r/min
（2）加工右端面46mm处的4mm槽及倒角。
进给量f=0.08mm/r
切削速度Vc=140m/min
主轴转速由公式
计算得n=990r/min查机床手册取n=1000r/min
（3）加工
螺纹
切削螺纹时，车床的主轴转速受加工工件的螺距大小、驱动电动机升降特性及螺纹插补运算速度等多种因素影响一般数控车床车螺纹时主轴转速计算公式：
式中：
p—工件螺纹的螺距或导程,单位mm。
k—保险系数，一般为80。
查《机械设计手册》选取螺距p=3则切削螺纹时主轴的转速为n≤（1200/p）-k=320查机床手册选取n=400r/min
2.6.3制定数控加工工艺卡片
根据上述拟定的工艺路线，以及刀具的选择和切削用量的确定制定出数控加工工艺卡片，此卡片包含工序名称，刀具号，加工设备（见附表）
2.6.4制定数控加工工序卡片
将前面分析的各项内容综合制定数控加工工艺卡片，卡片是数控加工程序的主要依据和操作人员配合数控程序进行数控加工的指导性文件，主要内容包括：
工步顺序﹑工步内容﹑各工步所用的刀具及切削用量等。
（见附表）
2.7确定走刀路线
在数控加工中，刀具刀位点相对于工件运动轨迹称为走刀路线。
编程时，走刀路线的确定原则主要有以下几点：
（1）走刀路线应保证被加工零件的精度和表面粗糙度，且效率高；
（2）使数值计算简单，以减少编程工作量；
（3）应使走刀路线最短，这样既可减少程序段，又可减少空刀时间。
（4）此外，确定走刀路线时，还要考虑工件的加工余量和机床、刀具的刚度等情况，确定是一次走刀，还是多次走刀来完成加工等。
由于该数控车床具有循环功能，只要编程正确，数控系统就会自动确定粗车以及螺纹车削路线。
因此，该零件的粗车以及螺纹车削路线不需要人为确定进给路线，我们只要指定零件的精车路线。
本工件的左端面精车路线如图2.5-1所示，右端面的精车路线如图2.5-2
图2.5-1左端轮廓精车路线
图2.5-2右端轮廓精车路线
三、轨迹坐标的计算
3.1左端轮廓基点计算
3.1.1建立工件坐标系
加工左端轮廓时，夹住毛坯外圆，工件坐标系设在工件左端面轴线上如下图3.1-1
图3.1-1
3.1.2基点坐标
如图3.1-1各基点，在计算各个基点坐标时对于有公差要求的尺寸计算时按公差原则来计算一般取上下偏差差值的一半通过坐标系来计算基点坐标，对于没有公差要求的尺寸则直接通过坐标系运用数学公式来计算即可，则各计算基点的坐标值如下表3-1
表3-1基点坐标值
基点
坐标值（X，Z）
基点
坐标值（X，Z）
P1
（24.9895，0）
P3
（25.0，-60.612）
P2
（24.9895，-29.3880）
P4
（25.0，-74.075）
3.2右端轮廓基点计算
3.2.1建立工件坐标系
调头装夹
mm外圆，采用一夹一顶的装夹方式。
工件坐标系设在工件右端面轴线上，如图3.2-1
图3.2-1
3.2.2基点坐标
如图3.2-1各基点，在计算各个基点坐标时对于有公差要求的尺寸计算时按公差原则来计算一般取上下偏差差值的一半通过坐标系来计算基点坐标，对于没有公差要求的尺寸则直接通过坐标系运用数学公式来计算即可，则各计算基点的坐标值如下表3-2
表3-2基点坐标值
基点
坐标值（X，Z）
基点
坐标值（X，Z）
Q1
（17.9895，0）
Q7
（23.9875，-41.925）
Q2
（19.9895，-1.0）
Q8
（23.9875，-45.925）
Q3
（19.9895，-19.95）
Q9
（31.7，-45.925）
Q4
（23.9875，-19.95）
Q10
（35.7，-47.925）
Q5
（25.9875，-20.95）
Q11
（35.7，-103.925）
Q6
（25.9875，-40.925）
Q12
（31.7，-105.925）
四、数控加工程序的编制
4.1数控编程的特点
1.采用数控机床加工零件可以提高加工精度，稳定产品的质量。
2.数控机床可以完成普通机床难以完成，或根本不能加工的复杂曲面的零件加工。
3.采用数控机床在生产效率上，可以比普通机床提高2～3倍，尤其对某些复杂零件的加工，生产效率可提高十倍甚至几十倍。
4.可以实现一机多用。
5.采用数控机床有利于向计算机控制与管理方面发展，为实现生产过程自动化创造条件。
4.2数控编程的分类
数控编程又可分为手工编程和自动编程两类。
手工编程时，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。
自动编程是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。
4.3编程方法的选择
该零件的刀具轨迹路径主要由直线、圆弧组成，坐标点尺寸计算方便，故采用手工编程的方式编制其加工程序。
4.4编程原点的确定
该零件为规则的回转型零件，为了方便编程坐标的计算，可以将编程原点与工件坐标原点重合设在轴的中心线和两端面上，则编程坐标原点如图4-1所示。
图4-1
4.5程序清单
工序Ⅲ和工序Ⅳ的程序清单
程序
注释
O0001
程序名
N01T0303S600M03
设置刀具及主轴转速
N02G00X48.0Z-74.075M08
快速靠近工件开切削液
N03G75R0.1
设置切槽径向方向退刀量
N04G75X25.0Z-64.612P1000Q3000R0F50
外圆切槽循环
N05G00X48.0
X方向退刀
N06X100.0Z50.0
快速运动至换刀点
N07T0202
换2号刀
N08G00X48.0Z1.0
快速靠近工件开切削液
N09G73U10R15
设置粗车X向退刀量，循环次数
N010G73P11Q16U0.5W0.05F0.6
调用固定形状粗车循环程序
N011G42G00X25Z1.0
固定形状精车程序
N012G01Z0.0F0.005
N013Z-29.388
N014G03X25.0Z-60.612R20.0
N015G01Z-62
N016X45.0
N017G00X46.0
X向退刀
N018S1000
设置精车主轴转速
N019G70P110Q16
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