平面凸轮数控铣工艺分析及程序编制.docx
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平面凸轮数控铣工艺分析及程序编制
西京学院
毕业设计（论文）
成绩
题目:
平面凸轮数控铣工艺分析及程序编制
姓名:
系（院）:
机电工程系
专业:
数控技术
班级:
学号:
*****
指导老师:
日期:
2011年11月15日
摘要
平面凸轮零件的加工体现在对材料的选择、刀具的选择、工装夹具、定位元件、基准的选择、定位方式、对刀、工艺路线拟定、程序的编制、数控车、数控铣等。
本文着重说明了平面数控加工工艺设计的主要内容、数控加工工艺与普通加工工艺的区别及特点、数控刀具的要求与特点、数控刀具的材料、选择数控刀具时应考虑的因素、工件的安装、定位误差的概念和产生的原因、数控车床的主要加工对象、数控车床的坐标系、零件图形的数学处理及编程尺寸设定值的确定、工步顺序的安排、切削参数选择、数控铣床的主要加工对象等。
目的是培养和提高自己综合运用专业知识分析和解决实际问题的能力，进一步将自己学到的理论知识运用到实际问题当中去，使所学的理论知识得到巩固、扩大、加深和系统化。
学会利用现代数控技术解决普通铣床难以解决的零件，使用现代数控铣床编程数控程序铣削凸轮零件，学会和同学们一起互相合作，互相探讨，培养团队合作精神
关键词：
刀具，加工工艺，铣床类型，程序编程，夹具
1.2课题的目的及意义（含国内外的研究现状分析）……………6
2.1结构分析……………………………………………………9
3.1加工质量方面………………………………………12
3.2劳动量方面……………………………………………13
第四章工件的装夹
4.1数控铣床夹具…………………………………………15
4.2通用夹具…………………………………………15
4.3数控铣削夹具的选用原则…………………………………16
4.4工件的装夹方法和装夹方式………………………………17
4.5工件的定位……………………………………………………17
第五章数控刀具的选择
5.1数控刀具的要求与特点………………………………………20
5.2常用铣刀的种类………………………………………………20
5.3铣刀的直径选择…………………………………………………21
第六章程序的编制
6.1结构分析……………………………………………………24
6.2加工调整………………………………………………………24
6.3数学处理………………………………………………………25
6.4编写加工程序…………………………………………………28
致谢…………………………………………………………………31
参考文献…………………………………………………………………32
第一章绪论
1.1课题背景
制造业是所有与制造有关的行业的总称，是一个国家国民经济的支柱产业。
它一方面为全社会日用消费品生产创造价值，另一方面也为国民经济各部门提供生产资料和装备。
据估计，工业化国家70%~80%的物质财富来自制造业，约有1/4的人口从事各种形式的制造活动。
可见，制造业对一个国家的经济地位和政治地位具有至关重要的影响，在21世纪的工业生产中具有决定性的地位与作用。
由于现代科学技术日新月异的发展，机电产品日趋精密和复杂，且更新换代速度加快，改型频繁，用户的需求也日趋多样化和个性化，中小批量的零件生产越来越多。
这对制造业的高精度、高效率和高柔性提出了更高的要求，希望市场能提供满足不同加工需求、迅速高效、低成本地构筑面向用户的生产制造系统，并大幅度地降低维护和使用的成本。
同时还要求新一代制造系统具有方便的网络功能，以适应未来车间面向任务和定单的生产组织和管理模式。
随着社会经济发展对制造业的要求不断提高，以及科学技术特别是计算机技术的高速发展，传统的制造业已发生了根本性的变革，以数控技术为主的现代制造技术占据了重要地位。
数控技术集微电子、计算机、信息处理、自动检测及自动控制等高新技术于一体，是制造业实现柔性化、自动化、集成化及智能化的重要基础。
这个基础是否牢固，直接影响到一个国家的经济发展和综合国力，也关系到一个国家的战略地位。
因此，世界各工业发达国家均采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业。
在我国，数控技术与装备的发展亦得到了高度重视，近年来取得了相当大的进步，特别是在通用微机数控领域，基于PC平台的国产数控系统，已经走在了世界前列。
毕业设计是在修完所有课程之后，我们走向社会之前的一次综合性设计。
主要用到所学的数控加工工艺设计、机械设计等方面的知识。
着重说明一轴的数控加工方法,即零件图样的分析、数控加工的工艺分析、工艺路线的制定、数控程序的编制。
通过本次毕业设计，使我更加了解数控加工的含义，以及懂得如何查阅相关资料和怎样解决在实际工作中遇到的实际问题，这为我以后从事这项职业打下了良好的基础。
1.2课题的目的及意义（含国内外的研究现状分析）
数控铣床铣削平面凸轮零件，是理论知识和实践的课题。
它主要的意义是让我们了解数控技术，了解数控技术给我们生活带来的方便，给我国的传统工艺带来的巨大的改变。
同过去的传统加工相比，数控不仅加工自动化程度高，在数控机床加工零件时，除了手工装卸工件外，全部加工过程都是由机床自动完成。
而且，数控加工精度高，加工质量稳定。
数控加工尺寸精度通常在0.005-0.1MM之间。
数控加工对象比较广泛，生产的效率也比较高：
一方面自动化程度高，在一次装夹中能完成较多表面，省去了划线，多次装夹，检测等工序；例如平面凸轮零件在加工过程中，先把刀对好，再利用数控编程技术使加工深度逐渐的加深，这样既能不损坏刀具，又能达到加工要求。
这样就提高了效率。
数控技术生产的效率.质量是先进技术的主题。
21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：
为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适用控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用链接方便的智能化，如智能化的自动编程，自动化的人机界面等；还有智能诊断.智能监控方面的内容，方便系统的诊断和维修等。
为了充分发挥数控加工优势，数控加工正在向工序集中.更高速高效率.更高精度.更高可靠性及更完善的功能方向发展。
课题目的：
（1）培养和提高自己综合运用专业知识分析和解决实际问题的能力，进一步将自己学到的理论知识运用到实际问题当中去，使所学的理论知识得到巩固、扩大、加深和系统化。
（2）学会利用现代数控技术解决普通铣床难以解决的零件，使用现代数控铣床编程数控程序铣削凸轮零件，学会和同学们一起互相合作，互相探讨，培养团队合作精神。
课题任务、设计内容、实现途径
课题任务：
（1）分析平面凸轮零件的数控铣削加工工艺。
（2）合理的选择数控机床，
（3）利用数控铣床铣削凸轮零件。
（4）利用CAD/CAM技术画图根据其图样自动生成加工程序，然后转换到数控铣床，让其加工出合格的凸轮零件
设计内容：
数控加工工艺设计、程序编制；机床、刀具、材料的选择；工件的装夹；数控车、数控铣；工艺路线的拟定。
实现途径：
根据我所学的知识，加上指导老师的指导，参考有关数控加工工艺与设备的书本和文献，还有数控现场的调查和分析。
第二章零件的图样分析
平面凸轮如图2-1所示
图2-1平面凸轮
2.1结构分析
从图上要求看出，凸轮曲线分别由几段圆弧组成，φ30孔为设计基准，其余表面包括4-φ13H7孔均已加工。
故取φ30孔和一个端面作为主要定位面，在联接孔φ13的一个孔内增加削边销，在端面上用螺母垫圈压紧。
因为孔是设计和定位的基准，所以对刀点选在孔中心线与端面的交点上，这样很容易确定刀具中心与零件的相对位置。
2.2材料的选择
机械加工的目的是将毛坯加工成符合产品要求的零件。
通常，毛坯需要经过若干工序才能转化为符合产品要求的零件。
一个相同结构相同要求的机器零件，可以采用几种不同的工艺过程完成，但其中总有一种工艺过程在某一特定条件下是最经济、最合理的。
所以此平面凸轮零件应选择最经济，最符合实际条件的材料。
因为凸轮运转速度比较高所以强度要求高。
塑性和韧性要求都比较高。
所以我们选择45号钢。
我们可以分析以下45号的性能。
45号钢又名优质碳素钢。
抗拉强度:
≥600（MPa）屈服强度:
≥355（MPa）
延长率:
≥16%断面收缩率:
≥40%
布氏硬度:
≤197材料化学成分组成
元素比例（%）
碳C:
0.42～0.50铬Cr;≤0.25锰Mn;0.50～0.80
镍Ni;≤0.25磷P;≤0.035硫S;≤0.035
硅Si;0.17～0.37
试样毛坯尺寸/mm300
推荐热处理/℃|正火:
850推荐热处理/℃|淬火:
840
推荐热处理/℃|回火:
600
力学性能|σb/MPa≥:
600力学性能|σs/MPa≥:
355
力学性能|δ5（%）≥:
16力学性能|ψ（%）≥:
40
力学性能|AKU/J≥:
39
钢材交货状态硬度HBS10/3000，≤|未热处理钢:
229
钢材交货状态硬度HBS10/3000，≤|退火钢:
197
特性及应用
未热处理时：
HB≤229热处理：
正火冲击功：
Aku≥39J
强度较高，塑性和韧性尚好，用于制作承受负荷较大的小截面调质件和应力较小的大型正火零件，以及对心部强度要求不高的表面淬火零件，如曲轴、传动轴、齿轮、蜗杆、键、销等。
水淬时有形成裂纹的倾向，形状复杂的零件应在热水或油中淬火。
焊牌号:
45
应用举例:
主要用于制造强度高的运动件，如透平机叶轮、压缩机活塞。
轴、齿轮、齿条、蜗杆等。
焊接件注意焊前预热，焊后消除应力退火。
第三章零件的工艺分析
零件的结构工艺性是指在满足使用性能的前提下，是否能以较高的生产率和最低的成本方便地加工出来的特性。
为了多快好省地把所设计的零件加工出来，就必须对零件的结构工艺性进行详细的分析。
主要考虑如下几方面。
3.1有利于达到所要求的加工质量
①合理确定零件的加工精度与表面质量
图3-1有利于保证位置精度的工艺结构
（a）错误（b）正确
加工精度若定得过高会增加工序，增加制造成本，过低会影响机器的使用性能，故必须根据零件在整个机器中的作用和工作条件合理地确定，尽可能使零件加工方便制造成本低。
②保证位置精度的可能性
为保证零件的位置精度，最好使零件能在一次安装中加工出所有相关表面，这样就能依靠机床本身的精度来达到所要求的位置精度。
如图3-1（a）所示的结构，不能保证φ80㎜与内孔φ60㎜的同轴度。
如改成图（b）所示的结构，就能在一次安装中加工出外圆与内孔，保证二者的同轴度。
3.2有利于减少加工劳动量
①尽量减少不必要的加工面积减少加工面积不仅可减少机械加工的劳动量，而且还可以减少刀具的损耗，提高装配质量。
图3-2（b）中的轴承座减少了底面的加工面积，降低了修配的工作量，保证配合面的接触。
图3-3（b）中减少了精加工的面积，又避免了深孔加工。
图3-2减少轴承座底面加工面积
（a）错误（b）正确
图3-3避免深孔加工的方法
（a）错误（b）正确
②尽量避免或简化内表面的加工
图3-4将内表面转化为外表面加工
（a）错误（b）正确
因为外表面的加工要比内表面加工方便经济，又便于测量。
因此，在零件设计时应力求避免在零件内腔进行加工。
如图3-4所示箱体，将图（a）的结构改成图（b）所示的结构，这样不仅加工方便而且还有利于装配。
再如图3-5所示，将图（a）中件2上的内沟槽a加工，改成图（b）中件1的外沟槽加工，这样加工与测量就都很方便。
图3-5将内沟槽转化为外沟槽加工
（a）错误（b）正确
第四章工件的装夹
4.1数控铣床夹具
1.数控铣床夹具的定义和分类
在数控铣床上用于装夹工件的装置称为车床夹具。
铣床夹具可分万能组合夹具，专用铣切夹具，多工位夹具，气动或液压夹具，真空夹具。
还有虎钳和分度头三爪卡盘这几种通用夹具。
夹具的作用：
简单的定位和夹紧。
（1）：
为保持零件安装方位与机床坐标系及程编坐标系方向的一致性，夹具应能保证在机床上实现定向安装，还要求能协调零件定位面与机床之间保持一定的坐标尺寸联系。
（2）：
为保持工件在本工序中所有需要完成的待加工面充分暴露在外，夹具要做得尽可能开敞，因此夹紧机构元件与加工面之间应保持一定的安全距离，同时要求夹紧机构元件能低则低，以防止夹具与铣床主轴套筒或刀套、刃具在加工过程中发生碰撞。
（3）夹具的刚性与稳定性要好。
尽量不采用在加工过程中更换夹紧点的设计，当非要在加工过程中更换夹紧点不可时，要特别注意不能因更换夹紧点而破坏夹具或工件定位精度。
4.2通用夹具
数控铣削加工常用的夹具大致有下列几种：
（1）万能组合夹具适用于小批量生产或研制时的中、小型工件在数控铣床上进行铣加工。
（2）专用铣切夹具是特别为某一项或类似的几项工件设计制造的夹具，一般在批量生产或研制时非要不可时采用。
（3）多工位夹具可以同时装夹多个工件，可减少换刀次数，也便于一面加工，一面装卸工件，有利于缩短准备时间，提高生产率，较适宜于中批量生产。
（4）气动或液压夹具 适用于生产批量较大，采用其他夹具又特别费工、费力的工件。
能减轻工人劳动强度和提高生产率，但此类夹具结构较复杂，造价往往较高，而且制造周期较长。
（5）真空夹具适用于有较大定位平面或具有较大可密封面积的工件。
有的数控铣床（如壁板铣床）自身带有通用真空平台，在安装工件时，对形状规则的矩形毛坯，可直接用特制的橡胶条（有一定尺寸要求的空心或实心圆形截面）嵌入夹具的密封槽内，再将毛坯放上，开动真空泵，就可以将毛坯夹紧。
对形状不规则的毛坯，用橡胶条已不太适应，须在其周围抹上腻子（常用橡皮泥）密封，这样做不但很麻烦，而且占机时间长，效率低。
为了克服这种困难，可以采用特制的过渡真空平台，将其叠加在通用真空平台上使用。
除上述几种夹具外，数控铣削加工中也经常采用虎钳、分度头和三爪夹盘等通用夹具。
4.3数控铣削夹具的选用原则
在选用夹具时，通常需要考虑产品的生产批量，生产效率，质量保证及经济性等，选用时可参照下列原则：
（1）在生产量小或研制时，应广泛采用万能组合夹具，只有在组合夹具无法解决工件装夹时才可放弃；
（2）小批或成批生产时可考虑采用专用夹具，但应尽量简单；
（3）在生产批量较大时可考虑采用多工位夹具和气动；液压夹具。
因为此种零件属于大批量生产，外型比较简单可以采用多工位夹具和气动；液压夹具。
4.4工件的装夹方法和装夹方式
在数控机床上加工零件时，定位安装的基本原则是合理选择定位基和夹紧方案。
在选择时应注意以下几点：
（1）力求设计、工艺和编程计算的基准统一。
（2）尽量减少装夹次数，尽可能在一次定位装夹后，加工出全部待加工表面。
（3）避免采用占机人工调整式加工方案，以充分发挥数控机床的效能。
4.5工件的定位
工件的定位的目的是使工件在夹具中相对机床，刀具都有一个确定的位置。
工件上用来定位的表面称为定位基准面，而在工序图上，用来规定本工序加工表面的位置的基准为工序基准。
（1）工件定位的意义
在切削加工过程中，要使工件的各个加工表面的尺寸、形状及位置精度符合规定要求，必须使工件在机床或夹具中占有一个确定的位置。
定位就是确定工件在机床上或夹具中占有正确位置的过程。
工件定位是否准确，决定了工件的加工精度能否达到要求。
在成批生产中，工件夹紧后，使之与车床、刀具保持一个确定的相对位置，也是缩短加工时间，提高生产效率的决定因素之一。
（2）工件的定位原理
1．六点定位原理
物体在空间的任何运动，都可以分解为相互垂直的空间直角坐标系中的六种运动。
其中三个是沿三个坐标轴的平行移动，分别以x,y、z表示；另三个是绕三个坐标轴的旋转运动，分别以x,y,z表示，如图4—l所示。
这六种运动的可能性，称为物体的六个自由度。
在夹具中适当地布置六个支承，使工件与六个支承接触，就可消除工件的六个自由度，使工件的位置完全确定。
这种采用布置恰当的六个支承点来消除工件六个自由度的
图4-1图4-2
在图4—2中，xOy坐标平面上的三个支承点限制了工件的z,x,y三个自由度；y02坐标平面的两个支承点限制了z.x两个自由度;xoz坐标平面上的一个支承点限制了矿一个自由度。
这种必须使定位元件所相当的支承点数目刚好等于六个，且按3：
1：
1的数目分布在三个相互垂直的坐标平面上的定位方法称为六点定则，或称为六点定位原理。
（3）工件的定位形式
1．完全定位工件在夹具中定位时，如果夹具中的六个支承点恰好限制了工件的六个自由度，使工件在夹具中占有完全确定的位置，这种定位方式称为完全定位，如图—2所示。
2．不完全定位
定位元件的支承点，完全限制了按加工工艺要求需要限制的自由度数目，但却少于六个自由度。
如图4—3所示为阶梯面零件，需要在铣床上铣阶梯面。
其底面和左侧面为高度和宽度方向的定位基准，阶梯槽是前后贯通的，故只需限制五个自由度（底面三个支承点，侧面两个支承点）。
图4-3
因为工件无须铣台阶面。
所以我们可以采用完全定位方式
第五章数控刀具的选择
5.1数控刀具的要求与特点
（1）铣刀刚性要好 一是为提高生产效率而采用大切削用量的需要；二是为适应数控铣床加工过程中难以调整切削用量的特点。
当工件各处的加工余量相差悬殊时，通用铣床遇到这种情况很容易采取分层铣削方法加以解决，而数控铣削就必须按程序规定的走刀路线前进，遇到余量大时无法象通用铣床那样“随机应变”，除非在编程时能够预先考虑到，否则铣刀必须返回原点，用改变切削面高度或加大刀具半径补偿值的方法从头开始加工，多走几刀。
但这样势必造成余量少的地方经常走空刀，降低了生产效率，如刀具刚性较好就不必这么办。
（2）铣刀的耐用度要高 尤其是当一把铣刀加工的内容很多时，如刀具不耐用而磨损较快，就会影响工件的表面质量与加工精度，而且会增加换刀引起的调刀与对刀次数，也会使工作表面留下因对刀误差而形成的接刀台阶，降低了工件的表面质量。
除上述两点之外，铣刀切削刃的几何角度参数的选择及排屑性能等也非常重要，切屑粘刀形成积屑瘤在数控铣削中是十分忌讳的。
总之，根据被加工工件材料的热处理状态、切削性能及加工余量，选择刚性好，耐用度高的铣刀，是充分发挥数控铣床的生产效率和获得满意的加工质量的前提。
5.2常用铣刀种类
（1）盘铣刀 一般采用在盘状刀体上机夹刀片或刀头组成，常用于端铣较大的平面。
（2）端铣刀 端铣刀是数控铣加工中最常用的一种铣刀，广泛用于加工平面类零件，图5-1是两种最常见的端铣刀。
端铣刀除用其端刃铣削外，也常用其侧刃铣削，有时端刃、侧刃同时进行铣削，端铣刀也可称为圆柱铣刀。
图 5-1
（3）成型铣刀 成型铣刀一般都是为特定的工件或加工内容专门设计制造的，适用于加工平面类零件的特定形状（如角度面、凹槽面等），也适用于特形孔或台。
图5-2示出的是几种常用的成型铣刀。
图 5-2
（4）球头铣刀。
适用于加工空间曲面零件，有时也用于平面类零件较大的转接凹圆弧的补加工。
图5-3是一种常见的球头铣刀。
图 5-3 图5-4
（5）鼓形铣刀。
图5-4是一种典型的鼓形铣刀，主要用于对变斜角类零件的变斜角面的近似加工。
除上述几种类型的铣刀外，数控铣床也可使用各种通用铣刀。
但因不少数控铣床的主轴内有特殊的拉刀装置，或因主轴内孔锥度有别，须配制过渡套和拉杆。
因为此零件比较简单。
（1）铣较大平面时，为了提高生产效率和提高加工表面粗糙度，一般采用刀片镶嵌式盘形面铣刀。
（2）孔加工时，可采用钻头、镗刀等孔加工刀具。
（3）铣键槽时，为了保证槽的尺寸精度、一般用两刃键槽铣刀。
（4）立铣刀主要用于立式铣床上加工凹槽，台阶面，成型面等是数控铣削中最常用的一种铣刀。
5.3铣刀的选择
（1）平面铣削应选用不重合磨硬质合金端铣刀，立铣刀，或可转位铣刀。
一般采用二次走刀，一次粗铣，一次精铣。
（2）镶硬质合金刀片的端铣刀和立铣刀主要用于加工凸台，凹槽和箱口面。
为了提高槽宽的加工精度，减少铣刀的种类，加工时采用直径比槽宽小的铣刀，先铣槽的中间部分，然后利用刀具的半径补偿功能铣削槽的两边，直径达到精度要求为止。
（3）加工余量小并且要求表面粗糙度较底时应采用立方CBN刀片端铣刀或陶瓷刀片端铣刀。
（4）铣削盘类零件的周边轮廓一般采用立铣刀。
所用铣刀的刀具半径一定要小于零件内轮廓的最小曲率半径，一般采用采用最小曲率半径为0.8-0.9即可。
零件的加工高度最好不要超过刀具的半径。
（5）铣毛坯面时，最好选用应质合金波纹立铣刀。
第六章程序的编制
6.1图样分析
从图上要求看出，凸轮曲线分别由几段圆弧组成，φ30孔为设计基准，其余表面包括4-φ13H7孔均已加工。
故取φ30孔和一个端面作为主要定位面，在联接孔φ13的一个孔内增加削边销，在端面上用螺母垫圈压紧。
因为孔是设计和定位的基准，所以对刀点选在孔中心线与端面的交点上，这样很容易确定刀具中心与零件的相对位置。
6.2加工调整
加工坐标系在X和Y方向上的位置设在工作台中间，在G53坐标系中取X＝-400，Y＝-100。
Z坐标可以按刀具长度和夹具、零件高度决定，如选用φ20的立铣刀，零件上端面为Z向坐标零点，该点在G53坐标系中的位置为Z＝-80处，将上述三个数值设置到G54加工坐标系中。
加工工序卡如表1所示。
表1数控加工工序卡
数控加工工序卡
零件图号
零件名称
文件编号
第页
NC01
凸轮
工序号
工序名称
材料
50
铣周边轮廓
45#
加工车间
设备型号
XK5032
主程序名
子程序名
加工原点
O100
G54
刀具半径补偿
刀具长度补偿
H01＝10
0
工步号
工步内容
工装
1
数控铣周边轮廓
夹具
刀具
定心夹具
立铣刀φ20
更改标记
更改单号
更改者/日期
工艺员
校对
审定
批准
6.3数学处理
该凸轮加工的轮廓均为圆弧组成，因而只要计算出基点坐标，就可编制程序。
在加工坐标系中，各点的坐标计算如下：
BC弧的中心O1点：
X＝-（175＋63．8）sin8°59′＝-37．28
Y＝-（175＋63．8）cos8°59′＝-235．86
EF弧的中心O2点：
X2＋Y2＝692}联立
（X-64）2＋Y2＝212
解之得 X＝65．75，Y＝20．93
HI弧的中心O4点：
X＝-（175＋61）cos24°15′＝-215.18
Y＝（175＋61）sin24°15′＝96．93
DE弧的中心O5点：
X2
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