数控铣高级工零件工艺设计及程序编制.docx

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数控铣高级工零件工艺设计及程序编制

摘要

在数字化制造技术中，计算机数控技术和数控编程技术是最重要的技术之一，

本文主要对模具加工所使用的动模板进行CNC加工，采用西门子系统对动模板进行数控编程加工。

首先是对工件进行加工工序的确定，并且进行工艺分析，装夹方式的选择，切削用量的确定。

再对刀具进行了选择。

然后就工艺路线进行编程加工。

当前数控加工的重点发展方向是无图化生产、单件高精度并行加工、少人化无人化加工，这就要求数控机床能满足高速、高动态精度、高刚性、热稳定性、高可靠性、网络化以及与之配套的控制系统，最重要的是模具三维型面加工特别注重机床的动态性能国内已有一些公司引进了高速铣床，并开始应用。

国内机床厂陆续开发出一些准高速的铣床，并正开发高速加工机床。

数控技术是指用数字、文字和符号组成的数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制的技术。

它所控制的通常是位置、角度、速度等机械量和与机械能量流向有关的开关量。

数控的产生依赖于数据载体和二进制形式数据运算的出现。

1908年，穿孔的金属薄片互换式数据载体问世；19世纪末，以纸为数据载体并具有辅助功能的控制系统被发明；1938年，香农在美国麻省理工学院进行了数据快速运算和传输，奠定了现代计算机，包括计算机数字控制系统的基础。

数控技术是与机床控制密切结合发展起来的。

1952年，第一台数控机床问世，成为世界机械工业史上一件划时代的事件，推动了自动化的发展。

数控机床是一种技术密集度及自动化程度很高的机电一体化加工设备,是综合应用计算机、自动控制、自动检测及精密加工精度高,质量容易保证,发展前景十分广阔,因此掌握数控车床的加工编程技术尤为重要

关键词：

数控技术、手工编程、精度

摘要…………………………………………………………………………………1

第一章概述……………………………………………………………………3

1.1数控机床的优点……………………………………………………………3

1.2数控机床的发展趋势………………………………………………………3

第二章加工前的准备………………………………………………………7

2.1加工步骤……………………………………………………………………7

2.2工序划分的主要原则………………………………………………………7

2.3数控机床的选择……………………………………………………………7

2.4装夹方式和夹具的选择……………………………………………………7

2.5刀具的选择…………………………………………………………………8

2.6切削用量……………………………………………………………………9

2.7确定定位基准………………………………………………………………11

第三章数控加工……………………………………………………………12

3.1加工工艺决策………………………………………………………………12

3.2零件图形……………………………………………………………………12

3.3加工刀具……………………………………………………………………13

3.4加工工序……………………………………………………………………14

3.5加工程序……………………………………………………………………19

第四章小结…………………………………………………………………28

参考文献………………………………………………………………………29

后记……………………………………………………………………………30

附录………………………………………………………………………………30

第一章概述

1.1数控机床的优点

数控机床采用了计算机数控（ Computerized Nuinerically Control ）系统，因此也称为计算机数控机床或 CNC 机床。

数控机床作为一种新型的自动化机床、在具有高自动程度的同时还具有广泛的通用性。

这是因为数控机床都具有以下一些共同的优点：

（1）数控机床能缩短生产准备时间，增加切削加工时间的比率。

最佳切削参数和最佳走刀路线的合理使用，能够大大地缩短加工时间，提高生产率。

（2）数控机床按照程序自动加工，不需要人工干预，而且还可以利用软件进行校正及补偿。

因此，使用数控机床进行生产，可以保证零件的加工精度。

稳定产品质量。

（3）只要改变程序，就能改变数控机床刀具与工件之间的相对运动轨迹，就可以加工不同的零件，使数控加工具备了广泛的适应性和较大的灵活性。

从而能够完成很多普通机床难以完成或者不能加工的、具有复杂型面的零件的加工。

（4）许多数控机床能够实现生产加工过程中的自动换刀，使得零件一次性装夹之后，数控机床就能完成零件的多个加工部位的加工，真正实现了一机多用，大节省了设备和厂房面积。

生产者可以精确计算生产成本，并对生产进度进行合理的安排，从而在一事实上程度上可以加速资金的周转，切实提高经济效益。

（5）在一般情况下，数控机床在加工生产过程中不需要特别的专用夹具，普通的通用夹具就能满足数控加工的要求。

与普通机床相比，使用数控机床进行生产时，专用夹具设计制造和存放的费用可以大大的减少。

（6）运用数控机床进行生产，能够大减轻工人的劳动强度。

1.2数控机床的发展趋势

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，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。

从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，其主要研究热点有以下几个方面：

1．2.1 高速、高精加工技术及装备的新趋势

    效率、质量是先进制造技术的主体。

高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。

为此日本先端技术研究会将其列为5大现代制造技术之一，国际生产工程学会（CIRP）将其确定为21世纪的中心研究方向之一。

    在轿车工业领域，年产30万辆的生产节拍是40秒/辆，而且多品种加工是轿车装备必须解决的重点问题之一；在航空和宇航工业领域，其加工的零部件多为薄壁和薄筋，刚度很差，材料为铝或铝合金，只有在高切削速度和切削力很小的情况下，才能对这些筋、壁进行加工。

近来采用大型整体铝合金坯料“掏空”的方法来制造机翼、机身等大型零件来替代多个零件通过众多的铆钉、螺钉和其他联结方式拼装，使构件的强度、刚度和可靠性得到提高。

这些都对加工装备提出了高速、高精和高柔性的要求。

    从EMO2001展会情况来看，高速加工中心进给速度可达80m/min，甚至更高，空运行速度可达100m/min左右。

目前世界上许多汽车厂，包括我国的上海通用汽车公司，已经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床。

美国CINCINNATI公司的HyperMach机床进给速度最大达60m/min，快速为100m/min，加速度达2g，主轴转速已达60 000r/min。

加工一薄壁飞机零件，只用30min，而同样的零件在一般高速铣床加工需3h，在普通铣床加工需8h；德国DMG公司的双主轴车床的主轴速度及加速度分别达12*!

000r/mm和1g。

    在加工精度方面，近10年来，普通级数控机床的加工精度已由10μm提高到5μm，精密级加工中心则从3～5μm，提高到1～1.5μm，并且超精密加工精度已开始进入纳米级（0.01μm）。

    在可靠性方面，国外数控装置的MTBF值已达6 000h以上，伺服系统的MTBF值达到30000h以上，表现出非常高的可靠性。

为了实现高速、高精加工，与之配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发展，应用领域进一步扩大。

1.2 .2轴联动加工和复合加工机床快速发展

    采用5轴联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何形状进行切削，不仅光洁度高，而且效率也大幅度提高。

一般认为，1台5轴联动机床的效率可以等于2台3轴联动机床，特别是使用立方氮化硼等超硬材料铣刀进行高速铣削淬硬钢零件时，5轴联动加工可比3轴联动加工发挥更高的效益。

但过去因5轴联动数控系统、主机结构复杂等原因，其价格要比3轴联动数控机床高出数倍，加之编程技术难度较大，制约了5轴联动机床的发展。

    当前由于电主轴的出现，使得实现5轴联动加工的复合主轴头结构大为简化，其制造难度和成本大幅度降低，数控系统的价格差距缩小。

因此促进了复合主轴头类型5轴联动机床和复合加工机床（含5面加工机床）的发展。

    在EMO2001展会上，新日本工机的5面加工机床采用复合主轴头，可实现4个垂直平面的加工和任意角度的加工，使得5面加工和5轴加工可在同一台机床上实现，还可实现倾斜面和倒锥孔的加工。

德国DMG公司展出DMUVoution系列加工中心，可在一次装夹下5面加工和5轴联动加工，可由CNC系统控制或CAD/CAM直接或间接控制。

1.2.3 智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势

    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，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。

     网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。

数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。

国内外一些著名数控机床和数控系统制造公司都在近两年推出了相关的新概念和样机，如在EMO2001展中，日本山崎马扎克（Mazak）公司展出的“CyberProduction Center”（智能生产控制中心，简称CPC）；日本大隈（Okuma）机床公司展出“IT plaza”（信息技术广场，简称IT广场）；德国西门子（Siemens）公司展出的Open Manufacturing Environment（开放制造环境，简称OME）等，反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势。

1.2.4 重视新技术标准、规范的建立

如前所述，开放式数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性，美国、欧共体和日本等国纷纷实施战略发展计划，并进行开放式体系结构数控系统规范（OMAC、OSACA、OSEC）的研究和制定，世界3个最大的经济体在短期内进行了几乎相同的科学计划和规范的制定，预示了数控技术的一个新的变革时期的来临。

我国在2000年也开始进行中国的ONC数控系统的规范框架的研究和制定。

    数控标准是制造业信息化发展的一种趋势。

数控技术诞生后的50年间的信息交换都是基于ISO6983标准，即采用G，M代码描述如何（how）加工，其本质特征是面向加工过程，显然，他已越来越不能满足现代数控技术高速发展的需要。

为此，国际上正在研究和制定一种新的CNC系统标准ISO14649（STEP－NC），其目的是提供一种不依赖于具体系统的中性机制，能够描述产品整个生命周期内的统一数据模型，从而实现整个制造过程，乃至各个工业领域产品信息的标准化。

    STEP-NC的出现可能是数控技术领域的一次革命，对于数控技术的发展乃至整个制造业，将产生深远的影响。

首先，STEP-NC提出一种崭新的制造理念，传统的制造理念中，NC加工程序都集中在单个计算机上。

而在新标准下，NC程序可以分散在互联网上，这正是数控技术开放式、网络化发展的方向。

其次，STEP-NC数控系统还可大大减少加工图纸（约75％）、加工程序编制时间（约35％）和加工时间（约50％）。

    目前，欧美国家非常重视STEP-NC的研究，欧洲发起了STEP-NC的IMS计划（1999.1.1～2001.12.31）。

参加这项计划的有来自欧洲和日本的20个CAD/CAM/CAPP/CNC用户、厂商和学术机构。

美国的STEP Tools公司是全球范围内制造业数据交换软件的开发者，他已经开发了用作数控机床加工信息交换的超级模型（Super Model），其目标是用统一的规范描述所有加工过程。

目前这种新的数据交换格式已经在配备了SIEMENS、FIDIA以及欧洲OSACA-NC数控系统的原型样机上进行了验证。

数控加工是对学生完成课程后，对机械加工工艺过程、数控加工工艺和夹具结构进一步了解的练习性的实践环节，是学习深化与升华的重要过程，是对学生综合素质与工程实践能力的培养。

课程内容:

学生应在指导教师指导下独立完成型板设计任务，编写符合要求的设计说明书，并正确绘制有关图表。

第二章加工前的准备

2．1加工步骤：

在自动编程过程中，加工工艺决策是加工能否顺利完成的基础，必须依据零件的形状特点、工件的材料、加工的精度要求、表面粗糙度要求，选择最佳的加工方法、合理划分加工阶段、选择适宜的加工刀具、确定最优的切削用量、确定合理的毛坯尺寸与形状、确定合理的走刀路线，最终达到满足加工要求、减少加工时间、降低加工费用的目的。

2.2工序划分的主要原则；

1、保证加工质量；

2、合理使用设备；

3、先粗后精。

4、先主后次。

5、先基准后其他。

6、尽量减少换刀次数

2.3数控机床的选择：

初步选用普通数控机床本机床适用于成批、小批及单件生产加工圆柱齿轮和蜗轮，也可用花键滚刀连续分度滚切长度小于300mm的齿及6齿以上的短花键轴。

加工圆柱齿轮时可采用逆铣和顺铣滚切，可采用轴向进给（垂直进给）的方法加工出全齿宽。

本机床滚切普通蜗轮是采用手动径向进给的方法进行加工。

本机床加工花键轴时机床调整及加工方法与加工圆柱只齿轮时一样。

刀架采用快速电机和手动调整。

根据用户的特殊要求可配置西门子数控系统，完成鼓形齿和小锥度锥齿轮的加工，还可以将机床加高、加长扩展机床的加工范围。

通过对加工零件图纸进行分析后，最后确定采用加工中心对零件进行加工。

2.4装夹方式和夹具的选择：

2.4.1．夹具的选择

　　数控加工对夹具主要有两大要求：

一是夹具应具有足够的精度和刚度；二是夹具应有可靠的定位基准。

选用夹具时，通常考虑以下几点：

1）尽量选用可调整夹具、组合夹具及其它通用夹具，避免采用专用夹具，以缩短生产准备时间。

2）在成批生产时才考虑采用专用夹具，并力求结构简单。

3）装卸工件要迅速方便，以减少机床的停机时间。

4）夹具在机床上安装要准确可靠，以保证工件在正确的位置上加工。

2.4.2．夹具的类型

　　数控车床上的夹具主要有两类：

一类用于盘类或短轴类零件，工件毛坯装夹在带可调卡爪的卡盘（三爪、四爪）中，由卡盘传动旋转；另一类用于轴类零件，毛坯装在主轴顶尖和尾架顶尖间，工件由主轴上的拨动卡盘传动旋转。

　　数控铣床上的夹具，一般安装在工作台上，其形式根据被加工工件的特点可多种多样。

如：

平口钳。

2.4.3．工件装夹方法的选择

　　数控机床上零件的安装方法与普通机床一样，要合理选择定位基准和夹紧方案，注意以下两点：

1）力求设计、工艺与编程计算的基准统一，这样有利于编程时数值计算的简便性和精确性。

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。

综合以上分析可选用：

平口钳。

2.5刀具的选择：

2.5.1选 择 数控刀具的原则

    刀具寿命与切削用量有密切关系。

在制定切削用量时，应首先选择合理的刀具寿命，而合理的刀具寿命则应根据优化的目标而定。

一般分最高生产率刀具寿命和最低成本刀具寿命两种，前者根据单件工时最少的目标确定，后者根据工序成本最低的目标确定。

    选择刀具寿命时可考虑如下几点根据刀具复杂程度、制造和磨刀成本来选择。

复杂和精度高的刀具寿命应选得比单刃刀具高些。

对于机夹可转位刀具，由于换刀时间短，为了充分发挥其切削性能，提高生产效率，刀具寿命可选得低些，一般取15-30min。

对于装刀、换刀和调刀比较复杂的多刀机床、组合机床与自动化加工刀具，刀具寿命应选得高些，尤应保证刀具可靠性。

车间内某一工序的生产率限制了整个车间的生产率的提高时，该工序的刀具寿命要选得低些当某工序单位时间内所分担到的全厂开支M较大时，刀具寿命也应选得低些。

大件精加工时，为保证至少完成一次走刀，避免切削时中途换刀，刀具寿命应按零件精度和表面粗糙度来确定。

与普通机床加工方法相比，数控加工对刀具提出了更高的要求，不仅需要冈牲好、精度高，而且要求尺寸稳定，耐用度高，断和排性能坛同时要求安装调整方便，这样来满足数控机床高效率的要求。

数控机床上所选用的刀具常采用适应高速切削的刀具材料（如高速钢、超细粒度硬质合金）并使用可转位刀片。

根据对零件图纸的分析，加工所选择的刀具请参看附录（刀具工序卡）。

2.6切削用量：

2.6.1确定进给速度

  进给速度是数控机床切削用量中的重要参数，主要根据零件的加工精度和表面粗糙度要求以及刀具、工件的材料性质选取。

最大进给速度受机床刚度和进给系统的性能限制。

确定进给速度的原则：

当工件的质量要求能够得到保证时，为提高生产效率，可选择较高的进给速度。

一般在100一200mm/min范围内选取；在切断、加工深孔或用高速钢刀具加工时，宜选择较低的进给速度，一般在20一50mm/min范围内选取；当加工精度，表面粗糙度要求高时，进给速度应选小些，一般在20--50mm/min范围内选取；刀具空行程时，特别是远距离“回零”时，可以设定该机床数控系统设定的最高进给速度。

数控编程时，编程人员必须确定每道工序的切削用量，并以指令的形式写人程序中。

切削用量包括主轴转速、背吃刀量及进给速度等。

对于不同的加工方法，需要选用不同的切削用量。

切削用量的选择原则是:

保证零件加工精度和表面粗糙度，充分发挥刀具切削性能，保证合理的刀具耐用度，并充分发挥机床的性能，最大限度提高生产率，降低成本。

2.6.2 确定主轴转速

S=1000V/πd

试中S--主轴转速,r/min;

v--切削速度,m/min

d--工件待加工表面直径;mm

计算的主轴转速n，最后要选取机床有的或较接近的转速。

铣削时的切削速度

工件材料

硬度/HBS

高速钢铣刀v/（m/min）

硬度合金铣刀v/（m/min）

18钢

<225

18~42

66~150

225~325

12~36

54~120

325~425

6~21

36~75

主轴 转 速 应根据允许的切削速度和工件（或刀具）直径来选择。

其计算公式为:

n= 1 0 00 v/7 1D

式 中:

 v— 切削速度，单位为m/m动，由刀具的耐用度决定; n一一主轴转速，单位为r/min, D— 工件直径或刀具直径，单位为mm。

计算的主轴转速n，最后要选取机床有的或较接近的转速。

主轴转速的计算举例：

已知铣刀直径5，选用上表的粗加工时15m/min,求S？

S=1000V/πd

S=1000x12/3.14x5=764.331r/min

取值S=800r/min

2.6.3 确定进给速度

    进给速度是数控机床切削用量中的重要参数，主要根据零件的加工精度和表面粗糙度要求以及刀具、工件的材料性质选取。

最大进给速度受机床刚度和进给系统的性能限制。

确定进给速度的原则:

当工件的质量要求能够得到保证时，为提高生产效率，可选择较高的进给速度。

一般在100一200mm/min范围内选取;在切断、加工深孔或用高速钢刀具加工时，宜选择较低的进给速度，一般在20一50mm/min范围内选取;当加工精度，表面粗糙度要求高时，进给速度应选小些，一般在20--50mm/min范围内选取;刀具空行程时，特别是远距离“回零”时，可以设定该机床数控系统设定的最高进给速度。

铣刀进给吃刀量afmm/z

工件材料

每齿进给量af

粗铣

精铣

高速钢铣刀

硬质合金铣刀

高速钢铣刀

硬质合金铣刀

18号钢

0.10~0.15

0.10~0.25

0.02~0.05

0.10~0.15

铸铁

0.12~0.20

0.15~0.30

进给速度的计算举例：

已知铣刀齿数3，主轴转速800r/min,进给吃刀量af=0.8mm求F？

F=af.S.z=0.8*800*3=1920mm/min

2.6.4确定背吃刀量

    背吃刀量根据机床、工件和刀具的刚度来决定，在刚度允许的条件下，应尽可能使背吃刀量等于工件的加工余量，这样可以减少走刀次数，提高生产效率。

为了保证加工表面质量，可留少量精加工余量，一般0.2一0.5m m,总之 ，切 削用量的具体数值应根据机床性能、相关的手册并结合实际经验用类比方法确定。

同时，使主轴转速、切削深度及进给速度三者能相互适应，以形成最佳切削用量。

    切削用量不仅是在机床调整前必须确定的重要参数，而且其数值合理与否对加工质量、加工效率、生产成本等有着非常重要的影响。

所谓“合理的”切削用量是指充分利用刀具切削性能和机床动力性能（功率、扭矩），在保证质量的前提下，获得高的生产率和低的加工成本的切削用量。

总之，切削用量的具体数值应根据机床性能、相关的手册并结合实际经验用类比方法确定。

同时，使主轴转速、切削深度及进给速度三者能相互适应，以形成最佳切削用量。

2.7确定定位基准：

工件在加工时，用来确定工件在夹具中正确位置的表面（点、线、面）称为定位基准。

定位基准的选择是夹具设计中的重要工作之一。

工件的定位基准确定后，其他部分的位置也随之确定。

为防止工件上下来回移动，我们用一个长定位销插入直径为14的孔中，从而相应得到定位。

在该图中定位基准是直径为14孔中的中心线。

定位基准除了工件的孔中心线外，也可以是工件上的实际表面、表面的几何中心或对称面。

由运动学可知，刚体在空间可以有六个独立运动，即有六个自由度。

将刚体置于OXYZ直角坐标系中，这六个自由度是沿X、Y、Z轴的平移运动，沿X、Y、Z轴的转动。

根据定模板工件的加工要求，可以看出关键只有厚度、平面度和垂直度要求，并不需要限制工件的全部自由度，只要限制X，Y方向的旋转和Z轴的移动。

第三章数控加工

3.1加工工艺决策

在自动编程过程中，加工工艺决策是加工能否顺利完成的基础，必须依据零件的形状特点、工件的材料、加工的精度要求、表面粗糙度要求，选择最佳的加工方法、合理划分加工阶段、选择适宜的加工刀具、确定最优的切削用量、确定合理的毛坯尺寸与形状、确定合理的走刀路线，最终达到满足加工要求、减少加工时间、降低加工费用的目的。

加工阶段划分

1.粗加工阶段    粗加工一般称为区域清除。

在此加工阶段中，应该公差允许范围内尽可能多地切除材料。

比较典型的区域清除方式是等高切面，即在毛坯上沿着高度方向等距离划分出数个切削层，每次切削一个层面的毛坯余量，如图所示。

    粗加工阶段主要任务是切削掉尽可能多的余量，精度保障不是主要目标，因此，在这个阶段一般采用圆柱立铣刀进行加工，除了切削角度外，选择刀具的主要参数是刀具直径。

同时在粗加工阶段一般采用行切方式进行切削，产生区域清除刀具径。

2.精加工阶段    对于复杂的曲面加工，我们可以把加工阶段进一步划分成半精加工和精加工阶段，也常常只划分成一个精加工阶段。

在精加工阶段主要任务是满足加工精度、表面粗糙度要求，而加工余量是非常小的。

如果是曲面铣削，一般选取球头铣刀，除了刀具角度外主要刀具参数就是球头直径参数。

精加工阶段可以采用行切方式，也可以采用环切方式。

3.2零件图形