数控毕业设计数控机床零件的加工工艺编制编程.docx
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数控毕业设计数控机床零件的加工工艺编制编程
毕业设计（论文）
题目数控机床零件的加工工艺编制编程
一、绪言……………………………………………………………………………………1
二、毕业设计任务书……………………………………………………………
三、二维图…………………………………………………………………………………
四、三维图………………………………………………………………………………
五、零件的工艺分析…………………………………………………………………………………
六、确定装夹方案……………………………………………………………………………………七、数学计算……………………………………………………………………………………………
八、切削用量的确定…………………………………………………………………………………
九、刀具选择……………………………………………………………………………………………
十、数控加工工艺卡…………………………………………………………………………………
十一、零件粗加工手工编程……………………………………………………………………
十二、刀具轨迹路径及加工……………………………………………………………………
十三、安全操作和注意事项……………………………………………………………………
十四、设计小结………………………………………………………………………………………十五、参考文献………………………………………………………………………………………
十六、致谢………………………………………………………………………………………………
一、绪论
数控技术及数控机床在当今机械制造业中的重要地位和巨大效益，显示了其在国家基础工业现代化中的战略性作用，并已成为传统机械制造工业提升改造和实现自动化、柔性化、集成化生产的重要手段和标志。
数控技术及数控机床的广泛应用，给机械制造业的产业结构、产品种类和档次以及生产方式带来了革命性的变化。
数控机床是现代加工车间最重要的装备。
它的发展是信息技术（1T）与制造技术（MT）结合发展的结果。
现代的CAD/CAM，FMS，CIMS，敏捷制造和智能制造技术，都是建立在数控技术之上的。
一、20世纪中期，随着电子技术的发展，自动信息处理数据处理以及电子计算机的出现给自动化技术带了新的概念。
用数字化信号对机床运动及加工过程进给控制，推动了机床自动化的发展。
采用数字技术进行机械加工，最早是在40年代初，由美国北密支安的一个小型飞机工业承包商派尔逊期公司实现的，他们在制作飞机的框架集直升飞机的转动机翼时，利用数字电子计算机对机翼加工路径进行数据处理，并考虑到刀具直径对加工路线的影响，使加工精度达到±0.038/mm，达到了当时的最高水平。
1952年麻省理工学院在一台立式铣床上安装了一套试用性的数控系统。
成功地实现了同时控制三轴的运动。
这台数控机床被大家称为世界上第一台数控机床。
这台数控机床使一台试验性机床，到了1954年11月，在派尔逊斯的专利基础上，第一台工业用的数控机床由美国本迪克斯公司生产生产出来。
在此以后，从1960年开始，其他一些工业国家，如德国、日本都陆续开始生产机试用了数控机床。
发展至今，数控机床已被广泛应用到机械加工行业中。
二、数控是数字控制的简称，它是利用数字化信息，对机床运动及加工过程中进行控制的一种方法。
用数控技术实施加工控制的基础，或者说装有数控设备的机床称为数控（NC）机床。
数控系统包括：
数控装置、可编程序控制器、主轴驱动及进给装置等部分。
数控机床是机、电、液、光高度一体化的产品。
要实现对机床的控制，需要用几何信息，描绘刀具和工件间的相对运动及工艺信息来描绘机床加工必须具备的一些工艺参数。
例如：
进给速度、主轴转速、换刀等。
这些信息按一定的格式形式加工文件存放在信息载体上，然后由机床上的数控系统读入，通过对其译码从而使机床工件和加工零件。
三、数控机床由加工零件的适应性好；加工精度高，产品质量好；生产效率高；减少人工劳动强度；生产管理水平提高等特点。
在机械加工中，对于小批量零件的生产由于生产过程中产品品种变换频繁，批量小，加工方法区别大，宜采用数控机床。
四、我国目前数控行业的现状
数控机床产业是关系到国家战略地位和体现国家综合国力水平的重要基础性产业，其制造水平高低和拥有数量是衡量一个国家工业现代化程度的重要标志。
1、国内数控机床现状
近年来我国企业的数控机床占有率逐年上升，在大中企业已有较多的使用，在中小企业甚至个体企业中也普遍开始使用。
在这些数控机床中，除少量机床以FMS模式集成使用外，大都处于单机运行状态，并且相当部分处于使用效率不高，管理方式落后的状态。
２００１年，我国机床工业产值已进入世界第５名，机床消费额在世界排名上升到第３位，达４７．３９亿美元，仅次于美国的５３．６７亿美元，消费额比上一年增长２５％。
但由于国产数控机床不能满足市场的需求，使我国机床的进口额呈逐年上升态势，２００１年进口机床跃升至世界第２位，达２４．０６亿美元，比上年增长２７．３％。
近年来我国出口额增幅较大的数控机床有数控车床、数控磨床、数控特种加工机床、数控剪板机、数控成形折弯机、数控压铸机等，普通机床有钻床、锯床、插床、拉床、组合机床、液压压力机、木工机床等。
出口的数控机床品种以中低档为主。
2、国内数控机床的特点：
a、新产品开发有了很大突破，技术含量高的产品占据主导地位。
例如：
全长３３公里的上海磁悬浮快速列车线，是“十五”期间国家重点建设项目，其中组成列车线的２５５０根轨道梁是整个工程的最关键部分，对加工轨道梁的精度提出了相当高的要求。
去年年初，沈阳机床集团机床股份有限公司中捷友谊厂以工期６个月、标的６２００万元在磁悬浮轨道专用数控机床项目公开招标中折桂，并于８月底将一次性验收合格的８台数控镗铣床组成的轨道梁生产线一次试车成功，目前这套铣镗加工中心已加工出轨道梁１１００根，确保了轨道梁的加工精度和速度，为实现今年年底试车打下了良好的基础。
b、数控机床产量大幅度增长，数控化率显著提高。
２００１年国内数控金切机床产量已达１．８万台，比上年增长２８．５％。
金切机床行业产值数控化率从２０００年的１７．４％提高到２００１年的２２．７％。
c、数控机床发展的关键配套产品有了突破。
近年来通过政府的支持，数控机床"套餐"开始摆上“餐桌”。
如北京航天机床数控系统集团公司建立了具有自主知识产权的新一代开放式数控系统平台；烟台第二机床附件厂开发了为数控机床配套的多种动力卡盘和过滤排屑装置；济南第二机床集团公司的数控龙门镗铣床、数控落地镗铣床及数控锻压设备等３０多个系列１００多个品种的数控"套餐"，吸引了人们广泛关注。
五、国外数控机床现状况：
1、国际机床市场的消费主流是数控机床。
如1998年世界机床进口额中大部分是数控机床，美国进口机床的数控化率达70%，我国为60%。
目前世界数控机床消费趋势已从初期以数控电加工机床、数控车床、数控铣床为主转向以加工中心、专用数控机床、成套设备为主。
2、国外数控机床的网络化。
随着计算机技术、网络技术日益普遍运用，数控机床走向网络化、集成化已成为必然的趋势和方向，互联网进入制造工厂的车间只是时间的问题。
从另一角度来看，目前流行的ERP即工厂信息化对于制造业来说，仅仅局限于通常的管理部门（人、财、物、产、供、销）或设计、开发等等上层部分的信息化是远远不够的，工厂、车间的最底层加工设备--数控机床不能够连成网络或信息化就必然成为制造业工厂信息化的制约瓶颈，所谓的ERP就比较“虚”没有能够真正地解决制造工厂的最关键的问题。
所以，对于面临日益全球化竞争的现代制造工厂来说，第一是要大大提高机床的数控化率，即数控机床必须达到起码的数量或比例；第二就是所拥有的数控机床必须具有双向、高速的联网通讯功能，以保证信息流在工厂、车间的底层之间及底层与上层之间通讯的畅通无阻。
以FANVC和西门子为代表的数控系统生产厂商已在几年前推出了具有网络功能的数控系统。
在这些系统中，除了传统的RS232接口外，还备有以太网接口，为数控机床联网提供了基本条件。
由于国外企业的发展水平，数控机床的网络接口功能被定义为用于远程监控、远程诊断。
六、专家分析预测：
1、数控机床推广应用逐步由经济型为主向普及型为主转变。
据预测分析，到2005年我国机床的数控化率为9.5%～10.36%，到2010年将达到16.5%～19.27%。
在2001～2010年，经济型所占比重继续减少，普及型所占比重继续增长，高级型的需求缓慢增长。
2、数控金切机床的构成比逐渐趋于合理。
数控机床工序集中的加工特点，将使具有复合功能的高效数控机床的需求增长，这将导致数控机床拥有量和市场消费量中各类数控机床的构成比不同于传统的机床构成比。
3、数控机床的应用由单机向单元（系统）方向发展。
目前欧、美、日等国应用DNC已很普遍，柔性制造单元已占数控机床销售量的30%以上。
而我国FMC、FMS和FML的拥有量不足50套，相当于日本80年代的水平，占数控机床消费额不到5%。
二、毕业设计任务书
一、目的与要求
1．培养学生综合运用所学职业基础知识、职业专业知识和职业技能，提高解决实际问题的能力，从而达到巩固、深化所学的知识与技能。
2．培养学生建立正确的科学思想，培养学生认真负责、实事求是的科学态度和严谨求实作风。
3．培养学生调查研究，收集资料，熟悉有关技术文件，运用国家标准、手册、资料等工具书进行机械零件设计或加工（如设计计算，数据处理，工程制图等）、编写技术文件等独立工作能力。
4、为社会培养高级技术“应用型”人才，缓解社会上数控加工制造人才的紧缺现象，提高学生的就业能力。
二、选题
学生在教师指导下，独立完成一项给定的数控加工等方面的设计任务，设计任务包括以下几部分：
绪论1份（不少于500字）；轴套类零件图1张（4#）；三维造型图1张（4#）；CNC程序1份；加工工艺卡1份；设计说明书1份（不少于5000字）。
题目：
数控机床零件的加工工艺编制及编程加工
三、题目要求
毕业设计图形见附件1-9。
四、设计要求
绘制零件的二维图、三维图、进行零件的工艺分析、选择设备、切削用量的确定、刀具选择、数控加工工艺卡、零件粗精加工手工编程、刀具轨迹路径及加工（可采用仿真加工）、设计小结和参考文献。
五、设计进度
学生及时与指导教师联系，根据指导教师要求，安排设计进度。
时间
需完成的具体内容
第9-10周
发设计任务书后，学生调查实习，查阅文献，收集相关资料。
填写开题报告表。
第11周
指导教师确定设计题目，明确设计要求，并对学生提交的设计方案提出修改意见，由学生进行最终修改。
第12-13周
绘制数控车加工零件图纸（可采用手绘或利用AutoCAD绘制1张零件图纸）。
完成对零件的工艺分析及加工准备工作。
第14周
完成装夹方案、数学计算、切削用量的确定、刀具选择。
第15-16周
数控工艺卡的制定，数控加工程序的编写。
第17周
编写数控加工程序并试制零件。
第18周
编写毕业设计说明书，总结并整理整个设计过程。
第19周
在教师的指导下，学生修改完善毕业设计中不足的地方。
六、毕业论文要求：
⑴结构合理、详略得当，思路清晰。
⑵语言通俗易懂，文笔流畅，杜绝病句、错别字。
⑶图文并茂，排版合理。
七、毕业答辩
答辩时间:
2011年7月（具体时间另行通知）。
三、二维图
图1-1
技术要求：
1、以小批量生产条件编。
2、未注倒角0.5×45°
3、不准用砂布及锉刀等修饰表面。
4、选用45#材料
4、三维图
技术要求：
1、以小批量生产条件编。
2、未注倒角0.5×45°
3、不准用砂布及锉刀等修饰表面。
4、选用45#材料
五、零件的工艺分析
1、设计的零件由螺纹、退刀槽、台阶、凹圆弧、凸圆弧与内孔构成，内孔的尺寸要求为Ф38
、Ф30
，同时内孔有同轴度要求，螺纹的尺寸要求为M45×1.5，外圆的尺寸要求为Ф45
、Ф36
，长度的尺寸要求为112、26、18.5、13、10、8、5的上下偏差为
，槽的尺寸要求为Ф42
×3，要完成零件加工需要两顶尖装夹来完成，并且有技术要求内孔与外圆的表面粗糙度Ra为1.6，其余Ra为3.2。
禁止使用锉刀，砂布，油石对零件进行修饰，在进行内孔加工时，装刀，一定要与机床轴线平齐，否则在镗孔加工时，会造成对圆弧锥度出现配合的误差，钻孔时，因为内孔最小尺寸为Ф30，所以选择Ф26钻头。
对于刀具的选择，可以选择机夹刀具内孔刀具大小为Ф20，长设为60mm，可以选择机夹左偏刀、机夹右偏刀、机夹切断刀刀宽为3mm、机夹螺纹刀。
对于此零件加工步骤：
1）首先根据工件长度，夹一边，车另一端端面，留适当余量，再车一小段外圆。
2）调头夹装已加工过的外圆，车另一端端面，再车外圆。
（同时确保同轴度）
3）钻中心孔，两端面用顶尖的装夹方式加工工件。
4）两顶尖装夹后，首先从螺纹端开始加工，把外圆（螺纹大径：
Ф45外圆）做好，切槽宽为3mm的螺纹退刀槽，之后再加工两个圆弧面，加工完成后，用特制夹具夹紧一端，在用Ф26的钻头钻螺纹端一段长度为19.5mm的孔。
然后镗内孔轮廓，（零件的加工完成需要三次装夹）。
2、零件加工方案如下：
1）毛胚为45#，长度Ф48mmX120mm的棒料
2）热处理硬度为28~32HRC
3）车削（第一次装夹）三爪自定义夹住棒料，棒料的一端校平端面3mm见光即可，粗车后的工件为Ф46X112mm
4）车削（第二次装夹）两顶尖装夹校正平面，保证总长为112mm，加工外圆轮廓，进行粗精加工，切退刀槽螺纹加工。
5）车削（第三次装夹）用特制夹具夹紧任一端的圆柱校正平面，保证总长112±0.03mm
（1）粗车内孔轮廓Ф30
内孔，Ф38
内孔
（2）然后进行半精车
（3）最后精车
6、确定装夹方案
由零件已知，多用传动轴的加工内容为回转体的回转面，根据我们的平面图已知为轴套类零件，直接选用三爪自定心卡盘可以直接定心，我们确定用三爪自定心卡盘为夹具保证零件在机床坐标系的正确要求，夹具保证零件在机床坐标系的正确坐标方向，根据零件的结构特点对零件进行车削加工，装夹如图6—1所示
图6—1
1、材料选用
为了保证夹具卡爪的质量，其材料应有足够的强度，高的稳定性和良好的加工性。
还有为了保证夹具在使用时，不会对零件的已加工表面造成损伤，则其材料的硬度要比零件的硬度低。
所以，其材料应选择低碳钢（碳素钢）。
2、夹具的结构
夹具的结构如下图所示：
以上所示需要事先数控铣床进行加工完成
夹具的结构如下图6—2所示：
1.软爪2.T型螺母3.卡爪座4.卡盘体5.支撑板
图6—2液压卡盘
以上所示需要采用装夹在数控车床进行加工，因为这样夹具可以保证夹具与机床的主轴的轴线在同一线上，即夹具与机床同轴度相等。
所以在使用夹具加工零件时，同样也可以保证零件的同轴度，从而使零件达到技术要求。
3、工艺分析
数控车床一般用液压卡盘来夹持工件。
液压卡盘通常都配备有未经淬火的卡爪，即所谓软爪。
软爪分为内夹和外夹两种形式，卡盘闭合时夹紧工件的软爪为内夹式软爪，卡盘张开时撑紧工件的软爪为外夹式
软爪。
如图6—3所示，软爪1是以端面齿槽与卡爪座3定位，通过螺钉和卡爪座中的T型螺母，固定在卡爪座3上。
液压卡盘工作时，软爪在卡爪座的带动下，作闭合或张开运动，将工件夹紧或松开。
夹持不同工件时，通过改变软爪在卡爪座上的位置来改变液压卡盘的夹持尺寸。
1.软爪2.T型螺母3.卡爪座4.卡盘体5.支撑板
图6—3液压卡盘
在加工批量较大的轴类或盘类零件时，为防止破坏工件已加工表面，保证工件被夹持面和被加工面的同轴度要求，必须将液压卡盘软爪的夹持面车削一下。
加工卡爪所需刀具如下表6—1
刀具卡表6—1
序号
刀具号
刀具名称及规格
刀尖半径
数量
加工内容
1
T0101
内镗孔机夹刀
0.2
1
镗孔
2
T0202
内切槽机夹刀
1
切内槽
7、数学计算
图7—1
计算方法如下:
取编程零点为0
辅助线如图7—1所示
在△BbQ中，作Bb垂直于Qa
已知Qa=22，ab=15.5
可得Qb=Qa-ab=22-15.5=6.5
∵Qb=6.5已知QB是圆弧的半径为10
∴Bb
=QB
-Qb
=10
-6.5
=7.6
故Bb=7.6
如图7—1所示
由图可知Qa是圆弧线的平分线
∵AB=2Bb=2*7.6=15.2
故Ab=Bb=7.6
在图1-1所示
已知点F相对于起点的距离为26
点a相对于起点的距离为39
∴aF=Oa-OF=39-26=13
∵Ab=7.6aF=13
∴AF=aF-Ab=13-7.6=5.4
OF=26
又因为OF+AF=DA=26+5.4=31.4
点A相对于起点为31.4
则A点的坐标值为（X31，Z-31.4）
∵AB=15.2OA=31.4
∴AB+OA=OB=15.2+31.4=46.6
点B相对于起点为46.6
则B点的坐标值为（X31，Z-46.6）
图7—2
辅助线如图7—2所示
在
HCG中，作HC垂直JG
已知GI=31，JK=44
∴2JH=44-31=13
JH=6.5
已知JG与CG是圆弧的半径为45
∴JG-JH=HG=45-6.5=38.5
由三角形的平方差公式得：
HC
=CG
-HG
=45
-38.5
=23.4
∴HC=23.4
如图7—2所示
得CD=2HC=2*23.4=46.8
已知OB=46.6，JG直线相对于起点为71
又∵HC=23.4
∴得到CB=1
故点C的坐标值为CX31，Z-47.67
∵CD=46.8
47.6+46.8=94.4
∴点D相对于起点的距离为94.4
则点D的坐标为（X31，Z-94.4）
八、切削用量的确定
（1）第一步先粗车外圆时，需要用到的主轴转数可以用800r/min粗车，背吃刀量单边为1mm。
进给量先用F120，由于需要精车外圆，转数可以选择最高转速精车，1600r/min,精车余量为0.5mm，进给量F80.（注：
根据精车多次来试车出Ra1.6的表面粗糙度）
（2）切退刀槽时，因为用的是机夹刀具主轴转速精车可以达到1000r/min，进给量为F45，背吃刀量ap=3mm=刀宽。
（3）车螺纹：
主轴转速为800r/min。
背吃刀量为牙高，分三刀切削，即递减方式《防止一刀切削吃刀深对刀具有阶损坏》。
（4）钻孔：
主轴转速360r/min，背吃刀量为钻头宽度，进给为手动
（5）镗孔：
粗加工转速800r/min，背吃刀量单边为1mm，F为100.精车内孔轮廓；主轴转速为1600r/min，背吃刀量为0.5mm，进给量F为80.（注：
根据精车多次来试出Ra1.6的表面粗糙度值）,如下表8—1所示。
表8—1
材料
45#
零件图号
系统
GSK980TD
工序号
操作序号
工步内容及走刀路线
G功能
T刀具
切削用量
转速mm/min
进给速度Fmm/min
切削深度mm
1
光端面
T0101
800
手动操作
0.5
2
粗车端面台阶外圆
G71
T0101
800
120
1
3
精车端面台阶外圆
G70
T0101
1600
100
0.8
4
切刀槽
G01
T0303
800
40
5
粗车端面台阶外圆
G73
T0101
800
120
1
6
精车台阶外圆
G70
T0101
1600
100
0.8
7
切螺纹
G92
T0202
800
8
钻孔
手动操作Ф26钻头
360
9
粗镗内孔内圆
G71
T0404
800
100
1
10
精镗内孔内圆
G70
T0404
1600
80
0.8
（注：
在加工以上工序前先确定装夹留出长度112mm.用于加工）
调头做另外一边，由于工件调头新一次定位装夹会发生误差。
工件夹伤不同轴等因素，所以要用之前所做的卡爪作为夹具，防止夹紧力过大，夹伤工件，还需要用百分表校正工件的同轴度，为了防止内孔后与外圆的同轴度产生误差，造成工件不及格。
在工序1工完成后需要调头进行另一端的加工，此时应保证工件长度为112
mm，之后进行通孔，钻孔时可以钻通孔，之后镗孔，由于我们用的刀具是机用夹刀,刀粒带刀尖圆弧，为了防止在加工过程中的圆弧、锥度、外圆的加工是与刀匠圆弧半径有关的，需要用到刀尖圆弧半径补偿，因为机床刀架前置刀架，所以用G42补偿。
1、加工余量的确定
1）加工余量的概念
加工余量是指加工过程中所切去的金属层厚度。
余量有加工余量和加工总余量之分。
工序余量是指相邻两工序的工序尺寸之差；加工总余量是毛胚尺寸与零件图的设计尺寸之差，它等于各工序余量之和。
--------总加工余量
Zi----------第i道工序余量
n-----------工序数量
由于工序尺寸有公差，实际切除的余量是一个变值，因此，工序余量分为基本余量（又称公称余量）。
最大工序余量和最小工序余量。
对于内圆和外圆等回转体表面，在数控机床加工过程中，加工余量有时指双边余量，而以直径方向计算，实际切削的金属层厚度为加工余量的一半。
如下图8—1所示：
图8—1
对于外圆表面2Z=da-db
对于内圆表面2Z=db-da
式中2Z-------直径上的加工余量
da-------上工序的尺寸
db-------本工序的基本尺寸
2）影响加工余量的因素
（1）上工序的各种表面缺陷和误差
（2）本工序的装夹误差
3）确定加工余量的方法
（1）经验估算法
（2）查表修正法
（3）分析计算法
在确定加工余量时，总加工余量（毛胚余量）和工序余量要分别确定。
总加工余量的大小与所选择的毛胚制造精度有关。
用查表法确定工序余量时，粗加工工序的加工余量不能用查表法确定，而是由总加工余量减去其他各工序之和而获得。
2确定工件坐标系和对刀点
1）FANUC系统确定工件坐标系的三种方法
第一种是：
通过对刀将到偏值写入参数从而获得工件坐标系。
这种方法操作简单，可靠性好，他通过刀偏与机械坐标系紧密联系在一起，只要不断电、不改变刀偏值，工件坐标系就会存在且不会变，即使断电，重启后回到参考点，工件坐标系还在远离的位置。
第二种是：
用G50设定坐标系，对刀后将刀移动到G50设定的位置才能加工。
对到时先对基准刀，其他刀的刀偏都是相对于基准刀的。
第三种是：
MDI参数，运用G54~G59可以设定六个坐标系，这种坐标系是相对于参考点不变的，与刀具无关。
这种方法适用于批量生产且工件在卡盘上有固定装夹位置的加工。
2）对刀点
对刀点是数控加工中刀具相对工件运动的起点，还是对工件相对刀具移动，都是把工件看作静止，刀具在运动。
通常把刀点称为程序原点，它可以设在被加工零件上（如零件的定位孔中心距机床工作台或夹具表面的某一点处），也可以设在与零件定位基准有固定尺寸关系的夹具上的某一
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