先进技术实训报告课件.docx
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先进技术实训报告课件
先进制造技术综合实训
实习报告
实习题目数控铣床加工及3D打印
学院机械工程学院
专业机械设计制造及自动化
学生姓名王瑞
学号201310111314年级2013级
指导教师李晓晓职称助教
2016年9月
机械工程学院机械系
成
先进制造技术综合实训任务书
实习题目数控铣床加工及3D打印
实习内容：
1、样件数控加工及相关技术文件编制
2、样件3D打印及技术文件编制
3、实习报告
专业机械设计制造及自动化
学生姓名王瑞
学号201310111314年级2013级
指导教师李晓晓职称助教
机械工程学院机械系
2016年9月
1数控加工部分
1.1数控技术分析
1.1.1数控加工技术概况
数控技术是机械加工现代化的重要基础和关键技术。
应用数控加工可大大提高生产率、稳定加工质量、缩短加工周期、增加生产柔性、实现对各种复杂精密零件的自动化加工，易于在工厂或车间实行计算机管理，还使车间设备总数减少，节省人力，改善劳动条件，有利于加快产品的开发和更新换代，提高企业对市场的适应能力和综合经济效益。
数控加工技术的应用，使机械加工的大量前期准备工作与机械加工过程联为一体，使零件的计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工艺规划（CAPP）和计算机辅助制造（CAM）的一体化成为现实，使机械加工的柔性自动化水平不断提高。
1.1.2数控加工技术特点
同常规加工相比，数控加工具有如下特点。
1、自动化程度高在数控机床上加工零件时，除了手工装卸工件外，全部加工过程都由机床自动完成。
在柔性制造系统上，上下料、检测、诊断、对刀、传输、调度、管理等也都由机床自动完成，这样减轻了操作者的劳动强度，改善了劳动条件。
2、加工精度高，加工质量稳定数控加工的尺寸精度通常在0.005mm~0.1mm之间，目前最高的尺寸精度可达±0.0015mm，不受零件形状复杂程度的影响，加工中消除了操作者的人为误差，提高了同批零件尺寸的一致性，使产品质量保持稳定。
3、对加工对象的适应性强数控机床上实现自动加工的控制信息是加工程序。
当加工对象改变时，除了相应更换刀具和解决工件装夹方式外，只要重新编写并输入该零件的加工程序，便可自动加工出新的零件，不必对机床作任何复杂的调整，这样缩短了生产准备周期，给新产品的研制开发以及产品的改进、改型提供了捷径。
4、生产效率高数控机床的加工效率高，一方面是自动化程度高，在一次装夹中能完成较多表面的加工，省去了划线、多次装夹、检测等工序；另一方面是数控机床的运动速度高，空行程时间短。
目前，数控车床的主轴转速已达到5000r/min~7000r/min，数控高速磨削的砂轮线速度达到100m/s~200m/s，加工中心的主轴转速已达到20000r/min~50000r/min，各轴的快速移动速度达到18m/min~70m/min。
5、易于建立计算机通信网络由于数控机床是使用数字信息，易于与计算机辅助设计和制造（CAD/CAM）系统联接，形成计算机辅助设计和制造与数控机床紧密结合的一体化系统。
当然，数控加工在某些方面也有不足之处，其表现在数控机床价格昂贵，加工成本高，技术复杂，对工艺和编程要求较高，加工中难以调整，维修困难。
为了提高数控机床的利用率，取得良好的经济效益，需要切实解决好加工工艺与程序编制、刀具的供应、编程与操作人员的培训等问题。
1.1.3数控加工技术发展前景
随着航空工业、汽车工业和轻工消费品生产的高速增长，复杂形状的零件越来越多，精度要求也越来越高；此外，激烈的市场竞争要求产品研制生产周期越来越短，传统的加工设备和制造方法已难以适应这种多样化、柔性化与复杂形状的高效高质量加工要求。
因此，近几十年来，能有效解决复杂、精密、小批多变零件加工问题的数控（NC）加工技术得到了迅速发展和广泛应用，使制造技术发生了根本性的变化。
努力发展数控加工技术，并向更高层次的自动化、柔性化、敏捷化、网络化和数字化制造技术推进，是当前机械制造业发展的方向。
1.2零件分析
图1：
工件零件图
如图1所示，这个零件外面是一个直径84mm的圆形的轮廓，中间有个3mm凸台，这个凸台轮廓由多条R10、R33以及长度为40mm、30mm、12mmd的直线围城，凸台中心有个直径15mm的通孔，凸台左侧有个沉孔，由两端R10的半圆和两段R17、R27的弧线组成。
精度方面外形轮廓公差为±0.05，凸台外轮廓公差为±0.05，凸台上两个孔的竖直方向的距离公差为±0.05，最后对于凸台左侧孔的直径公差也为±0.05。
1.3加工工艺设计
1.3.1工艺流程设计
如果以一个100×100×10的亚克力板作为零件毛坯，可以先圆型走刀铣出一个直径84mm的圆形，然后再铣出3mm深的型腔大轮廓，钻出两个个凸台中央的孔。
加工后的零件就像图2一样。
最后再精铣。
表1：
数控加工工艺卡
数控加工工艺卡
产品名称及代号
零件名称
图纸号
工序号
工步号
工序内容
程序号
刀具号
刀补号
主轴转速
r/m
进给速度
mm/m
背吃刀量
mm
备注
1
1
粗铣外轮廓
02，03，04
600
100
1.5
2次进给
2
粗铣型腔
05，06
600
150
1.5
2次进给
2
1
精铣外轮廓
07
600
150
3
1次进给
2
精铣型腔
08
600
150
3
1次进给
3
钻孔和扩孔
09
600
100
2
3次进给
编制
审核
时间
2016年9月10日
1.3.2绘制初加工后零件图
图2：
粗加工后零件图
1.3.3绘制粗加工和精加工刀轨图
图3：
粗加工刀轨图
图4：
精加工刀轨图
1.3.4加工程序编制
1、用CAD打开我们所画的刀轨图
2、把世界坐标拖到零件中心，输入UN，打开图形单位，把精度调到千分之一，把所有捕捉对象都勾选上。
3、把鼠标放到需要的地方左下角就会出现那儿的坐标值，根据这个坐标值就可以编写出程序了。
4、编程时通常会用到的指令有M指令（或辅助功能）辅助功能是用地址字M及二位数字表示的，它主要用于机床加工操作时的工艺性指令。
其特点是靠继电器的通、断，来实现其控制过程。
下面为编程过程中会用到的M指令。
M00：
程序暂停执行M00后，机床所有动作均被切断，重新按程序启动按键后，再继续执行后面的程序段；M01：
任选暂停执行过程和M00相同，只是在机床控制面板上的“任选停止”开关置于接通位置时，该指令才有效；M02：
主程序结束切断机床所有动作，并使程序复位；M03主轴正转；M04主轴反转；M05主轴停。
F指令是表示进给速度，进给速度是用字母F和其后面的若干数字来表示的。
S指令（主轴功能）主轴功能主要是表示主轴旋转速度，它是由S和其后的数字组成。
例如S300表示主轴转速300转/每分钟。
G指令（准备功能）准备功能G指令用地址字G和两位数值表示，共有G00-G99，下面为编程过程中会用到的M指令。
各G指令按功能分成若干组。
其中00组的指令称为非模态式G指令，其只限定在被指定的程序段中有效。
其余组的G指令属于模态式G指令，具有连续性，在后续程序中，只要同组其它G指令未出现之前一直有效。
不同组的G指令在同一个程序段中可以指令多个，同组的G指令在一个程序段中指令多个时，以最后一个为准。
G00：
快速定位；G01：
直线插补；G02：
圆弧插补（顺时针）G03：
圆弧插补（逆时针）；G90：
绝对值编程；G91：
增量值编程；G92：
坐标系设定；
1.3.5数控加工软件仿真
将编制好的程序导入到Mach3或者是宇龙仿真软件中进行仿真，认真观察仿真软件的走刀轨迹是否与自己刀具轨迹图上的相同，如果发现有错误之处及时进行修改，直到没有错误为止。
1.3.6数控机床加工
1、将毛坯安装在夹具上
2、准确的装夹定位是成功加工的前提下对刀，要先将刀具缓慢下降到一定高度后然后再将X轴、Y轴的位置对齐到毛坯中心（因为毛坯中心就是我设置的程序起点位置）。
将各坐标轴的数据清零。
3、对刀完成后就是加工过程了，加载G代码
4、确认程序无误后就可以开始加工了。
加工的时候主要是要注意观察刀具的轨迹是不是按照设定的加工轨迹行走的，如果出现异象应及时停止加工以防损坏刀具或者工件。
5、加工完之后需要将加工台清理干净，因为干净的加工台和加工机是有效准确工作的前提，也是一个必须养成的好习惯，同时也是为后来的同学加工负责。
在这里有一个需要特别注意的就是在加工的时候不能用吸尘器吸取废削，不然会对机器产生影响。
在加工完成后，取下工件进行检查工作。
检查各方面的尺寸以及加工精度是否符合设计要求。
1.4零件加工分析
1.4.1零件加工过程分析
在本次零件加工中，我进行了两次加工，第一次加工出的零件不符合零件要求，第一次加工具体问题如下：
加工过程中发现在凸台轮廓加工时，由于走刀的起点和终点在同一位置，导致衔接处不圆滑。
将终点和起点位置进行一部分重合后解决了次问题。
加工时粗加工和精加工分为了两个程序，粗加工完成后，载入精加工程序时没有关闭Mach3软件，导致软件出错。
修改后把两个程序综合到了一起。
加工时每次走刀距离为2.3mm，导致零件表面的粗糙度过大。
修改走刀图后以改为1.15mm。
1.4.2加工精度分析
根据指导教师要求，本次零件加工有4个有精度要求的尺寸，具体要求尺寸和实际尺寸如表2
表2：
数控加工零件检验报告表
序号
检验项目
理论尺寸与公差
检验尺寸
检验工具
1
零件高度
5
0.05
4.99
合格
游标卡尺
2
零件外形尺寸
84
0.05
83.96
合格
游标卡尺
3
沉孔深度
2
0.05
2.02
合格
游标卡尺
4
孔直径
15
0.05
14.97
合格
游标卡尺
5
型腔深度
3
0.05
3.02
合格
游标卡尺
加工产生误差的原因有：
1、程序不准确，编程时坐标精度低。
2、数控加工在加工过程有震动。
3、装甲不牢固。
4、对刀时不准确。
5温度较高引起了热膨胀以及刀具的刀尖破损。
23D打印部分
2.13D打印技术分析
2.1.13D打印技术概况
3D打印并非是新鲜的技术，使用打印机就像打印一封信：
轻点电脑屏幕上的“打印”按钮，一份数字文件便被传送到一台喷墨打印机上，它将一层墨水喷到纸的表面以形成一副二维图像。
而在3D打印时，软件通过电脑辅助设计技术（CAD）完成一系列数字切片，并将这些切片的信息传送到3D打印机上，后者会将连续的薄型层面堆叠起来，直到一个固态物体成型。
3D打印机与传统打印机最大的区别在于它使用的“墨水”是实实在在的原材料。
堆叠薄层的形式有多种多样。
有些3D打印机使用“喷墨”的方式。
例如，使用3D打印机喷头将一层极薄的液态塑料物质喷涂在铸模托盘上，此涂层然后被置于紫外线下进行处理。
之后铸模托盘下降极小的距离，以供下一层堆叠上来。
另外可以使用一种叫做“熔积成型”的技术，整个流程是在喷头内熔化塑料，然后通过沉积塑料纤维的方式才形成薄层。
还有一些系统使用粉末微粒作为打印介质。
粉末微粒被喷撒在铸模托盘上形成一层极薄的粉末层，然后由喷出的液态粘合剂进行固化。
它也可以使用一种叫做“激光烧结”的技术熔铸成指定形状。
这也正是德国EOS公司在其叠加工艺制造机上使用的技术。
而瑞士的Arcam公司则是利用真空中的电子流熔化粉末微粒。
以上提到的这些仅仅是许多成型方式中的一部分。
2.1.23D打印技术特点
3D打印技术的优缺点以及应用领域3D打印技术经过这些年的发展，技术上已基本上形成了一套体系，同样，可应用的行业也逐渐扩大，从产品设计到模具设计与制造，材料工程、医学研究、文化艺术、建筑工程等等都逐渐的使用3D打印机技术，使得3D打印机技术有着广阔的前景。
不断提高3D打印技术的应用水平是推动这项技术发展的重点。
优点：
最直接的好处就是节省材料，不用剔除边角料，提高材料利用率，通过摒弃生产线而降低了成本；
能做到很高的精度和复杂程度，除了可以表现出外形曲线上的设计；
不再需要传统的刀具、夹具和机床或任何模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件；
它可以自动、快速直接和精确地将计算机中的设计转化为模型，甚至直接制造零件或模具，从而有效的缩短产品研发周期；
3D打印能在数小时内成形，它让设计人员和开发人员实现了从平面图到实体的飞跃；六是它能打印出组装好的产品，因此它大大降低了组装成本，它甚至可以挑战大规模生产方式。
缺点：
任何一个产品都应该具有功能性，而如今由于受材料等因素限制，通过3D打印制造出来的产品在实用性上要打一个问号。
（1）强度问题：
房子、车子固然能“打印”出来，但是否能抵挡得住风雨，是否能在路上顺利跑起来？
（2）精度问题：
由于分层制造存在“台阶效应”，每个层次虽然很薄，但在一定微观尺度下，仍会形成具有一定厚度。
的一级级“台阶”，如果需要制造的对象表面是圆弧形，那么就会造成精度上的偏差；
（3）材料的局限性：
目前供3D打印机使用的材料非常有限，无外乎石膏、无机粉料、光敏树脂、塑料等。
能够应用于3D打印的材料还非常单一，以塑料为主，并且打印机对单一材料也非常挑剔。
2.1.33D打印技术的发展前景
国际情况：
经过十多年的探索和发展，3D打印技术有了长足的进步，目前已经能够在0.01mm的单层厚度上实现600dpi的精细分辨率。
目前国际上较先进的产品可以实现每小时25mm厚度的垂直速率，并可实现24位色彩的彩色打印。
目前，在全球3D打印机行业，美国3DSystems和Stratasys两家公司的产品占据了绝大多数市场份额。
此外，在此领域具有较强技术实力和特色的企业/研发团队还有美国的Fab@Home和Shapeways、英国的Reprap等。
国内情况：
自20世纪90年代以来，国内多所高校开展了3D打印技术的自主研发。
清华大学在现代成型学理论、分层实体制造、FDM工艺等方面都有一定的科研优势；华中科技大学在分层实体制造工艺方面有优势，并已推出了HRP系列成型机和成型材料；西安交通大学自主研制了三维打印机喷头，并开发了光固化成型系统及相应成型材料，成型精度达到0.2mm；中国科技大学自行研制了八喷头组合喷射装置，有望在微制造、光电器件领域得到应用。
但总体而言，国内3D打印技术研发水平与国外相比还有较大差距。
近年来，国内如深圳维示泰克、南京紫金立德、北京殷华、江苏敦超等企业已实现了3D打印机的整机生产和销售，这些企业共同的特点是由海外归国团队建立，规模较小，产品技术与国外厂商同类产品相比尚处于低端。
目前，国产3D打印机在打印精度、打印速度、打印尺寸和软件支持等方面还难以满足商用的需求，技术水平有待进一步提升。
在服务领域，我国东部发达城市已普遍有企业应用进口3D打印设备开展了商业化的快速成型服务，其服务范围涉及到模具制作、样品制作、辅助设计、文物复原等多个领域。
与内地相比，我国港台地区3D打印技术引入起步较早，应用更为广泛，但港台主要着重于技术应用，而非自主研发。
3D打印产业的未来发展前景根据国际快速制造行业权威报告《WohlersReport2011》发布的调查结果，全球3D打印产业产值在1988～2010年间保持着26.2%的年均增长速度。
报告预期，3D打印产业未来仍将持续较快地增长，到2016年，包含设备制造和服务在内的产业总产值将达到31亿美元，2020年将达到52亿美元。
但3D打印技术要进一步扩展其产业应用空间，目前仍面临着多方面的瓶颈和挑战：
一是成本方面，现有3D打印机造价仍普遍较为昂贵，给其进一步普及应用带来了困难。
二是打印材料方面，目前3D打印的成型材料多采用化学聚合物，选择的局限性较大，成型品的物理特性较差，而且安全方面也存在一定隐患。
三是精度、速度和效率方面，目前3D打印成品的精度还不尽人意，打印效率还远不适应大规模生产的需求，而且受打印机工作原理的限制，打印精度与速度之间存在严重冲突。
四是产业环境方面，3D打印技术的普及将使产品更容易被复制和扩散，制造业面对的盗版风险大增，现有知识产权保护机制难以适应产业未来发展的需求。
Gartner公司2011年发布的最新技术发展展望报告判断：
3D打印技术目前正在进入概念炒作的5高峰阶段，其技术还有待充分成熟，主流市场也有待进一步培育。
Gartner公司研究人员认为，3D打印技术成熟到适应市场需求还将需要5～10年的时间。
在这一较为漫长的发展过程中，产业可能会面临增长期望落空、技术遭遇瓶颈以及投资撤离等风险。
总之，从中长期看来3D打印产业具有较为广阔的发展前景，但目前产业距离成熟阶段尚有较大距离，对于3D打印市场规模的短期发展不宜过分高估。
因此，现阶段产业界对3D打印领域的投入应以加强创新研发、技术引进和储备为主，尤其要重视自主知识产权的建设和维护，争取在未来的市场竞争中占据有利地位。
如受到概念炒作影响，在技术尚未充分完善的现阶段大规模投入产能扩张，则投资回报将面临着较大的风险。
2.2建造3D模型
使用SolidWorks建造出三维模型如图5，另存为STL格式。
图5：
三维图形
2.3进行3D打印
1.在打印之前需要将加工平台取下，用铲子把上面残余的渣去掉，平台铲平整，然后把平台装上去。
2.把平台清理完成后需要使用校准仪把加工平台的水平度校准了，然后再把喷头高度校准了。
3.使用UP软件打开3D图，调整好比例，布局好就可以开始加工了。
加工的时候需要注意风扇风口方向，如果在加工时风口方向对向喷头，会使ABS快速冷却导致粘不紧，工件会翘。
还有一个需要注意的是料盘上的线如果绕在一起会导致加工材料不能进入机器，让机器走空刀。
4.加工完成后在取下支撑的时候需要特别注意，不要损坏到工件。
2.4加工精度分析
表3：
3D打印零件检验报告表
序号
检验项目
理论尺寸与公差
检验尺寸
检验工具
1
零件高度
5
0.05
4.98
合格
游标卡尺
2
零件外形尺寸
84
0.05
84.02
合格
游标卡尺
3
沉孔深度
2
0.05
2.00
合格
游标卡尺
4
孔直径
15
0.05
15.02
合格
游标卡尺
5
型腔深度
3
0.05
2.98
合格
游标卡尺
3D打印产生误差的原因是：
1、在拆卸支撑时一些不恰当的操作。
2、工件在加工时温度较高，过一段时间后温度下降，由于热胀冷缩使精度变低。
3两种加工技术比较
3.1加工材料
1、数控加工：
数控加工常用来对金属材料进行加工，加工的材料一般有较高的的硬度和刚度且熔沸点高。
本次加工所用的为亚克力板，"亚克力"是一个音译词，英文是ACRYLIC。
它是一种化学材料。
化学名叫做"PMMA"属聚丙烯酸酯类，俗称"经过特殊处理的有机玻璃"，在应用行业亚克力的原材料一般以颗粒、板材、管材等形式出现。
亚克力又称特殊处理的有机玻璃，系有机玻璃换代产品，用亚克力制作的灯箱具有透光性能好、颜色纯正、色彩丰富、美观平整、兼顾白天夜晚两种效果、使用寿命长、不影响使用等特点，此外，亚克力板材与铝塑板型材、高级丝网印等可以完美结合，满足商家的需求，亚克力吸塑是提高营业店面档次，统一企业形象最好的户外广告形式。
2、3D打印：
ABS中文名称：
丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物简称：
ABS物质性质丙烯腈、丁二烯和苯乙烯的三元共聚物，A代表丙烯腈，B代表丁二烯，S代表苯乙烯。
ABS塑料一般是不透明的，外观呈浅象牙色、无毒、无味，兼有韧、硬、刚的特性，燃烧缓慢，火焰呈黄色，有黑烟，燃烧后塑料软化、烧焦，发出特殊的肉桂气味，但无熔融滴落现。
ABS塑料具有优良的综合性能，有极好的冲击强度、尺寸稳定性好、电性能、耐磨性、抗化学药品性、染色性，成型加工和机械加工较好。
ABS树脂耐水、无机盐、碱和酸类，不溶于大部分醇类和烃类溶剂，而容易溶于醛、酮、酯和某些氯代烃中。
ABS塑料的缺点：
热变形温度较低，可燃，耐候性较差。
3、两种加工技术的材料有本质上的区别，这是和两种加工方法得到几何精度的方法有关系的，数控加工用去材料法加工，就要求材料必须有一定的硬度和较高的熔点。
相反，3D打印技术是用加材料法得到要求的精度，那么就会要求材料有较高的可塑性和较低的熔点。
3.2环境对加工产生的影响
数控加工：
（1）加工中心位置环境要求加工中心的位置应远离振源、应避免阳光直接照射和热辐射的影响，避免潮湿和气流的影响。
如数控机床附近有振源，则加工中心四周应设置防振沟。
否则将直接影响数控机床的加工精度及稳定性，将使电子元件接触不良，发生故障，影响加工中心的可靠性。
特别是本次实验加工时不能使用吸尘器来吸取切削过程掉落下来的切削，不然会对机器产生干扰，使机器跑偏加工零件报废。
（2）电源要求一般加工中心安装在机加工车间，不仅环境温度变化大，使用条件差，而且各种机电设备多，致使电网波动大。
因此，安装加工中心的位置，需要电源电压有严格控制。
电源电压波动必须在允许范围内，并且保持相对稳定。
否则会影响加工中心数控系统的正常工作。
（3）温度条件数控加工中心的环境温度低于30摄示度，相对温度小于80%。
一般来说，数控电控箱内部设有排风扇或冷风机，以保持电子元件，特别是中央处理器工作温度恒定或温度差变化很小。
过高的温度和湿度将导致控制系统元件寿命降低，并导致故障增多。
温度和湿度的增高，灰尘增多会在集成电路板产生粘结，并导致短路。
（4）按说明书的规定使用加工中心用户在使用加工中心时，不允许随意改变控制系统内制造厂设定的参数。
这些加工中心参数的设定直接关系到加工中心各部件动态特征。
只有间隙补偿参数数值可根据实际情况予以调整。
3D打印：
（1）3D打印机在打印过程中需要对材料加热，打印开始后一旦中断就要从头开始，一件3D打印作品一般需要连续工作几个小时甚至几天。
我们知道世间万物的运转都会产生一定的热量，而高温工作对设备的损害非常大，因此特别注意3D打印机各部件的工作温度。
3D打印喷头具有吐丝作用，其吐丝的连贯性与否。
与喷头温度控制的合理性与否有着明显的联系，一般来说，3D打印喷头的机械结构内部构成较为复杂，很容易受到各种因素的影响，而使得喷头吐丝的连续性受到影响，尤其是温度控制不合理的情况下，3D打印喷头的应用质量和效果也会大打折扣因此针对3D打印喷头温度进行分析，并有效的采取相关控制策略进行温度控制，有利于保障3D打印喷头吐丝的连续性。
我们可以为3D打印机配备散热片或者散热风扇。
同时要注意室内通风，条件允许可以在3D打印机工作的环境里放置空调，这样就可以保证散热了。
（2）至于湿度对3D打印的影响，这是大多数电子产品都会有的诟病，在湿度过高的环境下，却会严重影响3D打印机打印效果。
更容易造成充电之后转印电极对地短路，使打印任务出现中断的状况。
由于空气中的水份比较容易凝集在元器件的表面，所以严重时还可能让部分电路发生短路从而烧毁打印机。
但是如果湿度太低，也可能引起静电现象，静电的危害会使耐压不高的集成电路被击穿，轻微的静电则会给数据传输的准确性带来影响。
一般湿度的范围在20％－60％之间就比较适合3D打印机。
（3）因为本次实训加工的加工的工件都比较小，打印时间较短，并且是在室内。
所以温度和湿度影响
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