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法兰盘加工工艺与数控加工毕业设计论文
毕业（设计）论文
法兰盘的加工工艺分析与数控编程
法兰盘的加工工艺分析与数控编程
摘要
数控加工技术体现着一个国家的工业化生产能力，是现代制造技术的核心和标志。
法兰盘是一个统称，通常是指在一个类似盘状的金属体的周边开上几个固定用的孔用于连接其它东西，法兰盘在机械上应用很广泛。
法兰连接也是管道施工的重要连接方式。
随着我国的工业不断发展，法兰盘在工业管道中连接的使用越来越广泛。
本文通过对法兰盘结构特征和工艺进行仔细的分析，然后确定一套合理的加工方案，加工方案要求简单，操作方便，并能保证零件的加工质量，提高加工效率。
本文重点从三个方面进行研究课题：
一、法兰盘零件的设计；实现了基于典型的CAD/CAM软件的实际应用，确定法兰盘的毛坯件，并分析零件，绘制零件图。
二、法兰盘加工工艺过程的设计；零件的机械加工过程是比较复杂的，往往是根据零件的不同结构，不同材料，不同的技术要求，采用不同加工方法、设备、刀具等，确定加工工艺路线，将毛坯变成成品。
三、法兰盘的数控加工过程；针对法兰盘的加工工序，为其设计在数控铣床上的数控加工程序，包括普通程序和宏程序的应用。
通过该课题研究，可为法兰盘的加工工艺方案和数控铣床宏程序提供参考，对法兰盘的应用、加工有极大的推广作用。
关键词：
法兰盘，加工工艺，CAD，数控编程
目录
1.绪论1
1.1课题研究背景1
1.2数控编程技术的应用现状1
1.3课题目标2
1.4课题意义2
1.5论文主要内容3
2.零件的分析4
2.1零件的结构工艺性分析4
2.2零件的尺寸精度分析5
2.3零件毛坯的选择5
3.零件的工艺规程设计7
3.1基准的选择7
3.2工序的划分8
3.3加工顺序的安排8
3.4机床的选择9
4.法兰盘的数控加工10
4.1数控加工工艺的设计10
4.2编制零件加工程序12
4.3数控加工操作明细单20
5.总结23
参考文献24
致谢25
附图一26
附图二27
附图三27
1绪论
1.1课题研究背景
装备制造业是一国工业发展的基石，它为新技术、新产品的开发和现代工业化生产提供重要的手段，是重要的战略性产业。
近年来，随着我国国民经济迅速发展和国防建设的需要，尤其是各行业产品的更新换代日益频繁，我国自主创新步伐加快，新产品不断涌现，对像法兰盘这样的零件提出了大量需求。
法兰连接使用方便，可以使用在管道直径大并且可以承受较大的压力的工业管道中，也广泛使用在家庭内，管道直径小，并且是低压。
如果在1个锅炉房或者生产现场，到处都是法兰连接的管道和器材。
可以这样说，凡是在两个平面周边使用螺栓或焊接连接，同时封闭的连接零件，一般都称为“法兰”，如通风管道的连接，这一类零件可以称为“法兰类零件”。
通俗的讲，法兰盘的作用就是使管件与管件连接处固定并密封：
1、连接管路并保持管路有良好的密封性能。
2、易于某段管路的更换。
3、易于拆开检查管路环境。
4、易于某段管路的封闭。
1.2数控编程技术的应用现状
众所周知之，我国目前被誉为“世界工厂”，“制造大国”，这其中以制造业高度发达的华南（以珠三角地区为代表）和华东（以长江及浙江地区为代表）最具代表性，我国制造工业在高速发展的同时，与世界制造业先进水平的差距也在不断缩小。
而作为现代制造技术的灵魂和核心，数控技术在上述地区得到最为广泛的应用，这些地区的数控加工技术的应用水平，在某中程度上也代表了我国数控加工技术的最高水平。
数控铣削是数控加工中最为广泛的加工方法之一，同常规方法相比，加工效率加工精度更高，也可加工出形状较为复杂的零件。
我国六成以上的数控铣床都是应用在模具行业，有模具加工的特殊性和和一些非技术性原因，ＣＡＤ/ＣＡＭ软件的应用也越来越广泛，并且日益成熟。
1.3课题目标
毕业设计是在学完了机械基础课程、进行了生产实习之后的最后一个教学环节。
它一方面要求学生通过设计能获得综合运用过去所学过的全部课程进行工艺结构设计的基本能力，另外，也为以后参加工作进行了一次综合训练和准备。
学生通过机械制造技术基础毕业设计，应在下述各方面得到锻炼：
（1）能熟练运用制造技术基础课程中的基础理论以及在生产实习中学到的实践知识，正确地解决一个零件在加工中的定位、夹紧以及工艺路线安排、工艺尺寸确定等问题，保证零件的加工质量。
（2）提高数控编程能力。
通过数控编程的训练，应当获得被加工零件的加工要求，设计出高效、省力、经济合理而能保证加工质量的程序的能力。
学会熟练应用宏程序和普通程序。
（3）掌握与本设计有关的各种资料的名称、出处，能够做到熟练运用。
基本技能的训练，对计算、制图、运用设计资料（如手册、图册、技术标准、规范等）以及进行经验估算等机械设计方面的基本技能得到一次综合训练，提高技能水平。
1.4课题意义
法兰又叫法兰盘或突缘。
使管子与管子相互连接的零件。
连接于管端。
法兰上有孔眼，可穿螺栓，使两法兰紧连。
法兰间用衬垫密封。
法兰管件指带有法兰（突缘或接盘）的管件。
它可由浇铸而成，也可由螺纹连接或焊接构成。
法兰联接是由一对法兰、一个垫片及若干个螺栓螺母组成。
垫片放在两法兰密封面之间，拧紧螺母后，垫片表面上的比压达到一定数值后产生变形，并填满密封面上凹凸不平处，使联接严密不漏。
有的管件和器材已经自带法兰盘，也是属于法兰连接。
法兰连接是管道施工的重要连接方式。
一般常称的法兰盘是指专用于连接管道的连接件。
如两根Ø100的钢管，可用烧焊或电焊将它们连接起来，一但焊好后就不好拆开，除非用切割机或电焊来切割开，但如果用法兰盘（一盘为圆形），再加上胶垫密封之后用螺丝帽固定就可以了。
当管道出现故障或检修时，也可很方便拆开。
另外，在大的闸阀开关处两边都设有法兰盘，就是为了拆换开关方便。
在机械加工种，法兰连接使用方便，即能够承受较大的压力，也可以起到毗连的作用。
例如，有种法兰盘是用来毗连主轴和卡盘的，好比DB6140B用的卡盘是Ø250的三爪卡盘，标准的卡盘是六个孔，直接可以把在主轴上，如果Ø250不能满足要求需要Ø320的卡盘，这时如果Ø320还是无法与主轴毗连，就需要用个法兰盘起个中间毗连的作用。
1.5论文主要内容
论文的内容应包括法兰盘结构设计编程设计，具体内容如下：
1设计准备
阅读设计任务书，明确设计要求、工作条件、内容和步骤；阅读有关资料，明确课程设计的方法和步骤，初步拟定设计计划。
2、设计的要求
（1）了解法兰盘的工作环境、工作原理、作用等。
（2）明确法兰盘数控铣床的编程设计方案，根据法兰盘的加工工艺确定编程原点、程序设计等。
（3）熟悉应用CAD、UG软件，绘制法兰盘零件图。
3、设计的内容及步骤
（1）零件的分析；
（2）工艺规程分析；
（3）数控程序的编制；
2零件的分析
2.1零件的结构工艺性分析
论文题目的零件是管道连接中的法兰盘，它位于管道与管道的连接处，外圆上钻有Ø16mm的定位孔，实现精确定位。
该零件为连接性的法兰盘的盘状体，其外形尺寸为Ø160mm×112mm，属于小型盘状体零件，结构简单，孔多刚性较好。
其主要加工面和加工要求如下：
1、三组孔系
三组孔系中有一组孔系用于定位，另外两组孔系用于连接。
都具有较高的尺寸精度和表面粗糙度。
2、左端面
左端面是与其他相关部件联结的结合面，表面粗糙度要求较高。
3、右端面
在法兰盘的右端面上有R7的圆角，它能使该零件与其它组件充分结合。
为了保证连接的准确性，要求与左端面的平行度较高，与中间两孔的同轴度误差也较高。
4、其他表面
除了上述主要表面外，还有Ø80、Ø160的外圆表面，及Ø40、Ø22的内圆表面，以及Ø16、Ø22的孔。
经过对以上加工表面的分析，我们可先选定粗基准，加工出精基准所在的加工表面，然后借助精基准对其他加工表面进行加工，保证它们的位置精度。
该零件的结构简单，加工工艺性较好。
图2.1法兰盘零件图
2.2零件的尺寸精度分析
尺寸精度：
零件内、外形尺寸均未标注公差，属自由尺寸，可按IT13确定工件尺寸公差，经查公差表[3]，各尺寸公差分别为：
零件外形：
160
80
零件内形：
40
22
16
2.3零件毛坯的选择
2.3.1毛坯的选用
该零件材料45#中碳钢，在小批量生产类型下，考虑到零件结构比较简单，锻件组织细密，强度、硬度和冲击韧性高于力学性能要求较高，精度较低，锻孔的余量较大而不均匀。
45#钢的强度较高，塑性和韧性较好，可加工性较好。
2.3.2毛坯的形状尺寸的确定
法兰盘的最大直径为Ø160mm，经粗加工-精加工-内外圆磨可完成加工，若单边粗加工余量为2～3mm，单边精加工余量为0.4～0.5mm，Ø80外圆余量为0.5～0.6mm，Ø160端面余量为0.2～0.3mm，所以选用毛坯尺寸为Ø165×115mm。
如图2.3所示：
（1）毛坯图
（2）毛坯实体图
图2.3法兰盘毛坯图
3零件的工艺规程设计
3.1基准的选择
1.“基准重合”原则
为了较容易地获得加工表面对其设计基准的相应位置精度要求，应选择加工表面的设计基准为其定位基准，这一原则称为基准重合原则。
如果加工表面的设计基准与定位基准不重合，则会增大定位误差，影响加工精度。
2.“基准统一”原则
当工件以某一精基准定位可以比较方便的加工其他表面时，应尽可能在多数工序采用此组精基准定位，这就是“基准统一”原则。
例如轴类零件大多数工序都以中心孔为定位基准；齿轮的齿坯和齿形加工多采用齿轮内孔及端面为定位基准。
这里选择中心线、左端面为定位基准。
采用“基准统一”的原则可减少装夹设计制造的费用，提高生产效率，并可避免因基准转换所造成的误差。
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，这就是“自为基准’的原则。
例如磨削床身导轨面时，就已床身导轨面则为定位基准。
此时床脚平面只是起一个支撑平面的作用，它并非是一个定位基准面。
此外，用浮动铰刀铰孔、用拉刀拉空、用磨床磨外圆等，均为自为基准的实例。
4.“互为基准”原则
为了获得均匀的加工余量和较高的位置精度，可采用互为基准反复加工的原则。
例如，加工精密齿轮时，先以内孔定位加工齿形面，齿面淬硬后需进行磨齿。
因为齿面淬硬层较薄，所以要求磨削余量小而均匀，此时可用齿面为定位基准磨削内孔，再以内孔为定位基准磨削齿面，从而保证齿面的磨削余量均匀，且与齿面的相互位置精度又较易得到保障。
3.2工序的划分
数控机床与普通机床相比较，加工工序更加集中，根据数控机床的加工特点，加工工序的划分有以下几种：
1）根据装夹定位划分工序：
这种方法一般适用于加工内容不多的工件，主要是将加工部位分几个部分，每道工序加工其中一部分。
如加工外形时，以内腔夹紧;加工外形时，以外形加紧。
2）按所用刀具划分工序：
为了减少换刀次数和空程时间，可采用刀具集中地原则划分工序，在一次装夹中用一把刀完成可以加工的全部加工部位，然后再换第二把刀，加工其他部位。
在专用数控机床上或加工中心上大多采用这种方法。
3）以粗、精加工划分工序：
对易产生加工变形的零件，考虑到工件的加工精度、变形等因素，可按粗、精加工分开的原则来划分工序，即先粗加工后精加工。
在工序的划分中，要根据工件的结构要求、工件的安装方式、工件的加工工艺性、数控机床的性能等因素灵活掌握，力求合理。
详细制定工序步骤如下：
工序一：
平面加工。
工序二：
粗、精加工Ø80的外轮廓。
工序三：
钻Ø40、Ø22的孔。
工序四：
用Ø8的刀采用螺旋下刀的方式粗、精铣Ø40的孔。
工序五：
将工件调头装夹，粗、精铣右端面并定总长。
工序六：
用Ø16的平底刀平Ø160的右端面。
工序七：
用Ø8的球头铣刀加工Ø40的右端面和R7的圆角。
工序八：
用Ø8的平底刀粗、精加工Ø22的孔。
工序九：
用Ø8的平底刀加工6XØ16的孔。
工序十：
用Ø16的平底刀加工Ø160的外表面。
3.3加工顺序的安排
加工顺序的安排应根据工件的结构和毛坯形状，选择工件定位和安装方式，重点保护工件的刚度不被破坏，尽量减少变形，因此加工顺序的安排应遵循以下原则：
1）上道工序的加工不能影响下道工序的定位与加紧。
2）先加工工件的内腔后加工工件的外轮廓。
3）尽量减少重复定位与换刀次数。
4）在一次安装加工多道工序中，先安排对工件刚性较小的工序。
3.4机床的选择
对于轴类零件的加工大多是采用数控车床来完成，但对于不在轴线上的孔就要在铣床上加工，这里采用的全部是数控铣床来加工完成的。
选用的是FAUNC0i数控铣床，装夹方便，用三爪卡盘夹紧，用光电式寻边器对刀即可。
4法兰盘的数控加工
4.1数控加工工艺的设计
步骤1装夹方案的确定。
该零件的形状比较简单，毛坯尺寸为Ø165×115，左右端面都要加工，并且加工要素较多，加工面与面之间的位置要求很高，故可选用通用的三爪卡盘，采用左、右两面两次装夹加工。
首先，以毛坯的一端为基准用三爪卡盘夹紧加工Ø80的外表面Ø40的孔等；然后以加工好的端面作为精基准，加工零件另一端的所有未加工要素。
图4.1.1数控仿真装夹图
步骤2加工顺序和刀具的选择。
以加工刀具划分工序，零件的加工顺序和刀具选择如表4.1.2所示。
表4.1.2加工顺序和刀具选择单位：
mm
程序名
刀具规格
类型
材料
加工内容
零件左端面及侧面的加工顺序和刀具的选择
手动铣削
Ø80
盘铣刀
硬质合金
左端面的加工，深度为1mm
O0001
Ø15
立铣刀
硬质合金
粗、精加工Ø80的外轮廓,深度为54mm
O0002
Ø20
钻头
高速钢
钻Ø40和Ø22的孔，深度为115mm
O0003
Ø8
球刀
硬质合金
精加工Ø40的孔和孔底R4的圆角，深度为96mm
零件右端面、侧面和孔的加工顺序和刀具的选择
手动铣削
Ø80
盘铣刀
硬质合金
右端面的加工，定总长，
O0004
Ø8
球刀
硬质合金
精加工Ø80的侧面，深度28mm和R7的圆角
O0005
Ø16
平底刀
硬质合金
平Ø160的右端面
O0006
Ø8
平底刀
硬质合金
粗、精加工Ø22的孔
O0007
Ø8
平底刀
硬质合金
粗、精加工6XØ16的孔
O0008
Ø8
平底刀
硬质合金
定Ø160的直径尺寸
步骤3加工余量的确定。
①粗加工内、外轮廓，留下加工余量为0.2~0.4mm；
②半精加工内、外轮廓，留下加工余量为0.1~0.15mm；
③粗加工平面，留下加工余量为0.1~0.2mm；
步骤4切削用量和切削液的选用。
①切削用量：
根据加工材料、刀具材料等因素的确定，具体见数控加工操作明细单。
②切削液：
根据加工材料、刀具材料等因素，选择油性切削液。
4.2编制零件加工程序
根据加工顺序和刀具的选择，以FNAUC0i标准机床系统进行手动编制程序，各图中粗实线为走到路线。
（1）零件左端面及侧面的加工步骤。
加工时，可先用刀具进行粗加工，再换新刀具进行精加工；
步骤1平面加工，加工程序及编程示意图如表4.2.1所示。
表4.2.1平面加工程序
程序名
手动铣削
步骤2粗、精加工Ø80的外轮廓，加工程序及编程示意图如表4.2.2所示。
表4.2.2外轮廓加工程序
程序名
O0001
O0001;
G01X#5；
#1=165;（孔直径赋值）
G03I-#5Z-#4F1000;
#2=54;（孔深赋值）
G01x#6;
#3=16;（刀具直径赋值）
G03I-#6F1000;
#4=0;（起始平面）
G01x#7;
#17=2;（每次切削量）
G03I-#7F1000;
#5=[#1-#3+1.]/2;
END1;
#6=[#1-3*#3+2.]/2;
G01X#5;
#7=[#1-5*#3+5.]/2;
G03I-#5Z-54.F1000;
M03S1200;
G01X#6;
G54G80G40G90X0.Y0.Z30.;
G03I-#6;
G00X#5;
G01X#7;
Z[-#4+1.];
G03I-#7;
G01Z-#4F200;
G01X[#7+2.];
WHILE[#4LT#2]DO1;
G00Z30.;
#4=#4+#17;
M30;
步骤3钻Ø40、Ø22的孔，加工程序及编程示意图如表4.2.3所示。
表4.2.3外轮廓加工程序
程序名
O0002
O0002;
G54G40G80G90G49X0.Y0.Z30.;
M03S800;
G73X0.Y0.Z-120.R2.Q2.F200;
G73深孔加工循环
G00Z30.
M30;
步骤4用Ø8的刀采用螺旋下刀的方式精铣Ø40的孔，加工程序及编程示意图如表4.2.4所示。
表4.2.4精铣Ø40的孔加工程序
程序名
O0003
O0003;
G54G40G49G80G90X0.Y0.Z30.;
程序初始化
M03S1200;
G01Z2.F200;
#1=0;
深度变量赋值
N100#2=14;
#3=16;
G01X#2Z-#1;
G03I-#2;
G01X#3;
G03I-#3;
#1=#1+2.;
IF[#1NE98]GOTO100;
深度为96
G00Z30.;
M30;
步骤5将工件调头装夹，粗、精铣右端面并定总长，加工程序及编程示意图如表4.2.5所示。
表4.2.5手动铣削加工右端面
步骤6用Ø16的平底刀平Ø160的右端面，加工程序及编程示意图如表4.2.6所示。
表4.2.6平Ø16的右端面的加工程序
程序名
O0005
O0005;
G01X52.;
G54G40G49G80G90X0.Y0.Z30.;
G02I-52.;
M03S1200;
G01X74.5;
G00X74.5Y0.;
G02I-74.5;
Z2.;
G00Z30.;
G01Z-26.F200;
M30;
G02I-74.5Z-28.F500;
G01X62.5;
G02I-62.5;
步骤7用Ø8的球头铣刀加工Ø40的右端面和R7的圆角，加工程序及编程示意图如表4.2.7所示。
表4.2.7加工Ø40的右端面和R7圆角程序
程序名
O0004
O0004;
G02I-#5Z-#1;
G54G40G49G80G90X0.Y0.Z30.;
G01X#6;
M03S1200;
G02I-#6;
G00Z2.;
G01X#7;
#1=0;（长度变量）
G02I-#7;
N100#2=165;
G01X#8;
#3=8;
G02I-#8;
#4=[#2-#3]/2;
G01X#9;
#5=#4-7;（每次X轴的移动量）
G02I-#9;
#6=#5-7;
G00Z20.;
#7=#6-7;
#10=0;（角度变量）
#8=#7-7;
N200#11=11*SIN[#10];
#9=#8-6.5;
#12=7-11*COS[#10];
G01X#4Y0.F500;
#13=33+#11;
G02I-#4Z-#1F800;
G01X0.Y-#13F300;
G01X#5;
Z-#12;
G02I-#5Z-#1;（采用螺旋下刀）
G02J#13F500;
G01X#6;
#10=#10+1;
G02I-#6Z-#1;
IF[#10NE91]GOTO200;（角度为90度）
G01X#7;
G00Z30.;
G02I-#7Z-#1;
M30;
G01X#8;
G02I-#8Z-#1;
G01X#9;
G02I-#9Z-#1;
#1=#1+1;
IF[#1NE26]GOTO100;（深度为28mm）
留2mm的平底刀加工余量
G01X#4Y0.F500;
G02I-#4F800;
G01X#5;
步骤8用Ø8的平底刀粗、精加工Ø22的孔，加工程序及编程示意图如表4.2.8所示。
表4.2.8加工Ø22的孔加工程序
程序名
O0006
O0006;
N100G02I-7.Z-#1F500;
G54G40G49G80G90X0.Y0.Z30.;
#1=#1+2;
M03S1200;
IF[#1NE32]GOTO100;
G00X7.;
G01X0.;
Z2.;
G00Z30.;
G01Z0.F200;
M30;
#1=0;（深度变量）
步骤9用Ø8的平底刀加工6XØ16的孔，加工程序及编程示意图如表4.2.9所示。
表4.2.9加工Ø16的孔加工程序
程序名
O0007
O0007;
#2=#2+1;
G54G40G49G80G90X0.Y0.Z30.;
IF[#2NE60]GOTO200;（角度增量）
M03S1200;
G00Z30..;
G00Z2.;
#1=#1+360/6;
#1=0;（角度增量赋值）
G68X0.Y0.R#1;（G68旋转坐标系）
N100G00X64.Y0.;
IF[#1NE360]GOTO100;
#2=28;
G00Z100.;
N200G01Z-#2F200;
M30;
G02I-4.Z-#2F500;
步骤10用Ø16的平底刀加工Ø160的外表面，加工程序及编程示意图如表4.2.10所示。
表4.2.10加工Ø160外表面的程序
程序名
O0008
O0008;
G03X80.Y0.R10.F300;（切向切入）
G54G40G49G80G90G21G17;
G02I-80.;
M03S1200;
G03X90.Y10.R10.;（切向切出）
G00X120.Y-10.;
G00Z100.;
G42X90.Y-10.D01;
G40;
Z-60.;
M30;
4.3数控加工操作明细单
法兰盘数控加工操作明细单示意图如表4.3所示。
图号
零件名称
编程人员
编程时间
审核
审批
A4
法兰盘
顺序号
程序名
刀具
加工余量/mm
理论加工时间/min
备注
刀号
规格/mm
类型
材质
转速S/（r/min）
进给速度/（mm/min）
装刀长度/mm
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