数控毕业设计端盖类零件的加工与分析.docx
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数控毕业设计端盖类零件的加工与分析
声明
本人所呈交的端盖类零件的加工分析，是我在指导教师的指导和查阅相关著作下独立进行分析研究所取得的成果。
除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。
作者签名：
日期：
2011年4月8日
【摘要】
端盖类零件在实际生产中非常常见，该课题所涉及的零件“十字凸台”即为典型端盖类零件。
本文根据零件图纸及其技术要求，对该零件进行了详细的数控加工工艺分析，根据分析的结果，确定了该零件的设备选用、刀具使用、装夹方式、加工方法、走刀路线和切削用量等，并采用手工编程编制了该零件的数控加工程序。
【关键词】：
端盖类零件；数控加工；工艺分析；编程
引言
数字控制机床（NumericallyControlledMachineTool）简称数控（CNC）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。
数控机床是采用计算机实现数字程序控制的技术，通过计算机按事存贮的控制程序来执行对设备的控制功能。
由于采用计算机替代原先用硬件逻辑电路组成的数控装置，使输入数据的存贮、处理、逻辑判断等各种控制机能的实现，均可通过计算机软件来完成。
它的出现以及所带来的巨大效益，引起世界各国科技界的普遍重视。
随着科学技术的迅猛发展，数控机床已是衡量一个国家机械制造工业水平的重要标志。
数控机床作为装备制造业的核心技术应用，是现代制造业的关键设备，对制造业提高加工质量和效率有着重要的意义。
数控铣在数控加工中占了一定的地位，它可以加工外形、曲面、孔、螺纹等形状特征，下面来介绍一下一十字凸台数控铣削加工工艺过程及编程。
一、零件图样分析
分析零件图样是工艺准备中的首要工作，直接影响零件的工艺编制及加工结果。
主要包括以下几项内容：
分析加工轮廓的几何条件：
主要目的是针对图样上不清楚尺寸及封闭的尺寸链进行处理。
分析零件图样上的尺寸公差要求，以确定控制其尺寸精度的加工工艺，如刀具的选择及切削用量的确定等。
分析形状和位置公差要求：
对于数控切削加工中，零件的形状和位置误差主要受机床机械运动副精度的影响。
分析零件的表面粗糙度要求，材料与热处理要求，毛坯的要求，件数的要求也是对工序安排及走刀路线的确定等都是不可忽视的参数。
图1-1十字凸台的零件图
如图1-1所示为十字凸台的零件图，该零件主要加工部位有平面、轮廓、分层轮廓等，图中尺寸标注齐全，零件的尺寸公差较高，表面粗糙度一般，材料为铝件，质软，易于切削加工。
二、选择加工设备
由于该零件属于单件小批量生产，因此不用考虑生产效率等问题，只要在能够保证其精度要求的前提下选择相应的设备进行加工即可，但为了减少人为的换刀量，根据现有的数控机床，确定选择由云南CY集团有限公司生产的CY-VMC850系列数控立式加工中心，其主要技术参数如下：
系统配置：
FANUC
工作台面积（mm）：
460×950（500×1050）
行程（X-Y-Z）（mm）：
800×500×550
主轴锥孔：
BT40
主功率（KW）：
7.5/11
主轴转速（rpm）：
50-6000
机床结构：
台湾主轴、全防护、贴塑滑轨、电柜空调
备注：
16把斗笠式刀库、20把圆盘式刀库
机床重量（吨）：
6
三、毛坯的选择
毛坯是根据零件所要求的形状，工艺尺寸等方面而制成的供进一步加工使用的生产对象。
毛坯种类的选择不仅影响着毛坯制造的工艺装备及制造费用，对零件的机械加工工艺装备及工具的消耗，工时定额计算有很大影响。
确定毛坯的形状与尺寸的步骤是：
首先选取毛坯加工余量和毛坯公差；其次将毛坯加工余量叠加在零件相应加工表面上，从而计算出毛坯尺寸，最后标注毛坯尺寸与公差，其总的要求是：
减少“肥头大耳”，实现少屑或无屑加工。
因此毛坯要力求接近成品形状，以减少机械加工的劳动量。
根据零件的图样分析以及零件的材料要求，选择铝件；依据毛坯的选择原则，综合考虑零件的使用要求，以及机械加工的效率和经济性，确定毛坯的尺寸为50×50×30mm。
四、确定装夹方案
从图1-1中可以看出该零件属于规则的方形零件，易于装夹，因此可以选择数控铣削通用夹具——机用虎钳，在数控铣床加工中，对于较小的零件，在粗加工、半精加工和精度要求不高时，是利用机用虎钳进行装夹的。
机用虎钳装夹的最大优点是快捷，但夹持范围不大。
使用机用虎钳安装工件时的注意事项：
1．在工作台上安装机用虎钳时，要保证机用虎钳的正确位置。
当机用虎钳底面没有定位键时，应该使用百分表找正固定钳口面。
2．夹持工件时的位置要适当，不应该装夹在机用虎钳的一端。
3．安装工件时要考虑铣削时的稳定性。
4．铣削长形工件时，可使用两个夹具把工件夹紧。
五、工艺路线
零件机械加工的工艺路线是指零件生产过程中，由毛坯到成品所经过的工序先后顺序。
在拟定工艺路线时，除了首先考虑定位基准的选择外，还应当考虑各表面加工方法的选择工序集中和分散的程度，加工阶段的划分和工序先后顺序的安排等问题。
（一）表面加工方法的选择
表面加工方法的选择就是为零件上每一个有质量要求的表面选择一套合理加工方法。
在选择时一般先根据表面的精度及粗糙度要求选定最终加工方法，然后再确定精加工前准备工序的，即确定加工方案。
由于获得同一精度和粗糙度的加工方法有几种，在选择时除了考虑生产率要求和经济效益外，还应考虑下列因素：
1．工件材料的性质。
2．工件的结构和尺寸。
3．生产类型。
4．具体的生产条件。
从图1中可以看出，该零件表面粗糙度为Ra3.2um，精度要求较高，又因该零件为铝，其切削性能好，硬度低，因此确定该表面的加工方法为：
粗铣→精铣。
在粗铣时应尽快的去除零件的加工余量，给精加工留与合适的切削深度，本题中给0.3mm余量。
（二）加工阶段的划分
针对该零件的形状特性及精度要求，将该零件划分为以下几个阶段：
粗加工阶段——主要任务是切除表面上的大部分余量，其关键问题是提高生产率。
精加工阶段——保证各主要表面达到图样尺寸及精度要求，其主要问题是如何保证加工质量。
（三）工艺路线的安排
根据该零件的结构工艺性、生产规模和技术要求，确定该零件的工艺路线如下所述：
工序1下料，准备50×50×30mm的方块，材料为铝。
工序2装夹零件，加工零件外型、阶梯等轮廓。
工序3去上道工序毛刺。
工序4调头装夹，铣削零件底面，保证总厚度为16mm。
工序5去毛刺。
工序6检验。
六、刀具的选择
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。
（一）刀具的选择原则
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。
（二）数控铣削刀具的选择
在数控加工中，铣削平面零件内外轮廓及铣削平面常用平底立铣刀，该刀具有关参数的经验数据如下：
一是铣刀半径RD应小于零件内轮廓面的最小曲率半径Rmin，一般取RD=（0.8-0.9）Rmin。
二是零件的加工高度H<（1/4-1/6）RD，以保证刀具有足够的刚度。
三是用平底立铣刀铣削内槽底部时，由于槽底两次走刀需要搭接，而刀具底刃起作用的半径Re=R-r，即直径为d=2Re=2（R-r），编程时取刀具半径为Re=0.95（Rr）。
对于一些立体型面和变斜角轮廓外形的加工，常用球形铣刀、环形铣刀、鼓形铣刀、锥形铣刀和盘铣刀。
综上所述，并根据该零件的结构特性，确定该零件的数控加工刀具如表6-1所示。
表6-1数控铣削刀具卡片
刀具号
刀具名称
刀具规格
加工表面
T01
面铣刀
Φ60mm
上下两平面
T02
立铣刀
Φ10mm
粗铣第一个阶梯轮廓以及外轮廓
T03
立铣刀
Φ12mm
精铣第一个阶梯轮廓以及外轮廓
T04
立铣刀
Φ6mm
粗铣第二个阶梯轮廓
T05
立铣刀
Φ8mm
精铣第二个阶梯轮廓
T06
立铣刀
Φ16mm
粗精铣八方轮廓
七、切削用量的选择
（一）切削用量对机械加工的影响
1．对加工质量的影响
Vc的影响。
因为Vc对切削温度θ影响最大，所以Vc主要是通过θ来影响加工质量的。
随着Vc的增加，θ上升，工件的温升变形和刀具磨损加快，使误差加大。
同时，工件表面层的热应力、金相组织发生变化，使工件表面质量下降。
F的影响。
F主要是通过已加工表面的残留面积来影响表面粗糙度的。
在中等以上f时，降低f可降低表面粗糙度值；但当低速切削（0.05——0.15mm/r）时，由于存在塑性变形故可使Ra增大。
的影响，
主要是通过切削力来影响加工质量的。
随着
的加大，切削力成正比地增加，工艺系统发生变形、振动等，使加工精度和表面粗糙度下降。
2．对刀具使用寿命的影响
刀具耐用度T与刀具总刃磨次数n的乘积称为刀具寿命。
它是一把刀从开始使用到完全报废所经过的切削时间。
对刀具寿命的影响主要从对耐用度的影响来分析。
Vc、f、
增加时，刀具磨损加剧，耐用度降低，其中影响最大的是Vc，其次是f，影响最小的是
，因此，贵重、精密的刀具是不宜采用高速切削和大进给量切削的。
3．对生产效率的影响
在一定的切削条件下，合理选择切削用量是提高切削效率、保证刀具耐用度和加工质量的主要手段。
（二）切削用量的选取
粗加工时，一般以提高生产率为主，但也应考虑经济性和加工成本。
它的主要目的是快速地去除工件表面的残余金属，所以在机床功率允许的前提下应尽可能的提高效率，以便提高机床的利用率。
在确定切削用量时，首先应该考虑切削深度，这样可以达到在短时间内快速除去金属的目的，提高单位时间内的切削量。
精加工时，应在保证加工质量的前提下，兼顾切削效率、经济性和加工成本。
它的目的是要得到加工尺寸和降低工件的表面粗糙度，理想的尺寸精度取决于机床精度和加工残余的均匀程度，因此，要避免在加工过程中受力的突然变化，使切削力均匀；工件的表面粗糙度主要取决于切削速度，切削速度的大小是由刀具直径的大小和主轴转速的高低决定的。
综上所述，根据该零件的工艺特性，确定该零件的切削用量如表7-1所示。
表7-1切削用量表
加工部位
加工刀具号
主轴转速
（r/min）
进给速度
（mm/min）
切深
（mm）
粗
精
粗
精
粗
精
铣平面
T01
600
1000
200
120
3
0.5
第一个台阶轮廓及外轮廓
T02/T03
1200
1800
150
100
2
0.3
第二个台阶轮廓
T04/T05
1800
2500
200
150
2.5
0.3
铣八方轮廓
T06
1200
1800
150
100
2.5
0.3
八、机械加工工艺过程卡片
编制机加工艺卡片是用来指导工人加工的，一般简易的工艺卡片中需编制简易的工艺流程、工序名称、工装等。
固定产品的工艺卡片比较复杂，每一工步都需编制卡片，卡片中包含本工序加工图，加工刀具，测量量具，设备，定位等。
表8-1机械加工工艺过程卡片
机械加工工艺过程
产品名称
十字凸台
材料
铝
毛坯尺寸
50×50×30mm
序号
工序名称
工序内容
车间
设备
工装
1
下料
制作50×50×30mm板块
机加车间
2
铣
铣削零件外形轮廓及阶梯轮廓，上表面等
机加车间
铣削加工中心
机用虎钳
3
钳
去毛刺
4
铣
铣削平面
机加车间
铣削加工中心
机用虎钳
5
钳
去毛刺
6
检
检验图上各处尺寸
表8-2数控加工工序卡片
机械加工工序卡
（工序2）
产品名称
十字凸台
材料
铝
毛坯尺寸
50×50×30mm
工步号
工步内容
主轴转速（r/min）
进给速度（mm/min）
背吃刀量（mm）
1
装夹零件，对刀。
2
粗铣零件上表面
600
200
2
3
精铣零件上表面
1000
120
0.5
4
粗铣外轮廓
1200
150
2
5
精铣外轮廓
1800
1200
0.3
6
粗铣第一个台阶轮廓
1200
150
2
7
精铣第一个台阶轮廓
1800
120
0.3
8
粗铣第二个台阶轮廓
1800
150
2
9
精铣第二个台阶轮廓
2500
150
0.3
10
粗铣八方形轮廓
1200
150
2
11
精铣八方形轮廓
1800
120
0.3
九、数控编程
编程是将加工零件的加工顺序、刀具运动轨迹的尺寸数据、工艺参数（主运动和进给运动速度、切削深度）以及辅助操作（换刀、主轴正反转、冷却液开关、刀具夹紧松开等）加工信息，用规定的文字、数字、符号组成的代码，按一定格式编写成加工程序。
数控编程又可分为手工编程和自动编程两类。
手工编程时，整个程序的编制过程是由人工完成的。
这要求编程人员不仅要熟悉数控代码及编程规则，而且还必须具备有机械加工工艺知识和数值计算能力。
对于点位加工或几何形状不太复杂的零件，数控编程计算较简单，程序段不多，手工编程即可实现。
自动编程是用计算机把人们输入的零件图纸信息改写成数控机床能执行的数控加工程序，就是说数控编程的大部分工作有计算机来实现。
本题中的零件形状复杂，尺寸不易于计算，因此采用自动编程，但对于平面铣削，仍然采用手工编制。
以下便是该零件的加工程序清单
（一）铣削平面时的程序
O0001
T01M06
M01
G00G90G54X60Y0
G43H1Z25M08
G00Z-2
G01X-60F200
Z-2.5S1000
X60F150
G00Z150
M30
（二）铣削轮廓时的加工程序
该部分的加工是由MastercamX3自动编制的程序，其走刀轨迹如图9-1、9-2、9-3、9-4所示。
图9-1铣削零件外轮廓的走刀路径
该次切削过程中，Z轴分两次切削，每次的进刀量为9mm；X-Y方向分3次进刀，最后一次进刀时的切削量为0.3mm，即精加工。
图9-2铣削第一个台阶轮廓的走刀路径
该次走刀过程中，Z轴一次切削完成，X-Y方向分4次切削，最后一次进刀量为0.3mm，即精加工。
图9-3第二个阶梯轮廓的走刀路径
图9-4第三个阶梯轮廓的走刀路径
根据以上走刀路径，采用CAM软件自动生成这几个轨迹的程序如下：
N100O0002
N102T2M6
N104G0G90G54X57.452Y-4.265A0.S3000M3
N106G43H1Z25.
N108Z5.
N110G1Z-7.85F50.
N112X50.381Y2.806F150.
N114G3X36.239R10.
N116G2X27.541Y-.796R12.301
N118G1X-11.459
N120G2X-23.759Y11.504R12.3
N122G1Y50.504
N124G2X-11.459Y62.804R12.3
N126G1X27.541
N128G2X39.841Y50.504R12.3
N130G1Y11.504
N132G2X36.239Y2.806R12.3
N134G3Y-11.336R10.
N136G1X43.31Y-18.407
N138G0Z17.15
N140X53.916Y-.729
N142Z5.
N144G1Z-7.85F50.
N146X46.845Y6.342F150.
N148G3X32.703R10.
N150G2X27.541Y4.204R7.3
N152G1X-11.459
N154G2X-18.759Y11.504R7.3
N156G1Y50.504
N158G2X-11.459Y57.804R7.3
N160G1X27.541
N162G2X34.841Y50.504R7.3
N164G1Y11.504
N166G2X32.703Y6.342R7.3
N168G3Y-7.8R10.
N170G1X39.774Y-14.871
N172G0Z17.15
N174X53.704Y-.517
N176Z5.
N178G1Z-7.85F50.
N180X46.633Y6.554F150.
N182G3X32.491R10.
N184G2X27.541Y4.504R7.
N186G1X-11.459
N188G2X-18.459Y11.504R7.
N190G1Y50.504
N192G2X-11.459Y57.504R7.
N194G1X27.541
N196G2X34.541Y50.504R7.
N198G1Y11.504
N200G2X32.491Y6.554R7.
N202G3Y-7.588R10.
N204G1X39.562Y-14.659
N206G0Z17.15
N208X57.452Y-4.265
N210Z-2.85
N212G1Z-15.7F50.
N214X50.381Y2.806F150.
N216G3X36.239R10.
N218G2X27.541Y-.796R12.301
N220G1X-11.459
N222G2X-23.759Y11.504R12.3
N224G1Y50.504
N226G2X-11.459Y62.804R12.3
N228G1X27.541
N230G2X39.841Y50.504R12.3
N232G1Y11.504
N234G2X36.239Y2.806R12.3
N236G3Y-11.336R10.
N238G1X43.31Y-18.407
N240G0Z9.3
N242X53.916Y-.729
N244Z-2.85
N246G1Z-15.7F50.
N248X46.845Y6.342F150.
N250G3X32.703R10.
N252G2X27.541Y4.204R7.3
N254G1X-11.459
N256G2X-18.759Y11.504R7.3
N258G1Y50.504
N260G2X-11.459Y57.804R7.3
N262G1X27.541
N264G2X34.841Y50.504R7.3
N266G1Y11.504
N268G2X32.703Y6.342R7.3
N270G3Y-7.8R10.
N272G1X39.774Y-14.871
N274G0Z9.3
N276X53.704Y-.517
N278Z-2.85
N280G1Z-15.7F50.
N282X46.633Y6.554F150.
N284G3X32.491R10.
N286G2X27.541Y4.504R7.
N288G1X-11.459
N290G2X-18.459Y11.504R7.
N292G1Y50.504
N294G2X-11.459Y57.504R7.
N296G1X27.541
N298G2X34.541Y50.504R7.
N300G1Y11.504
N302G2X32.491Y6.554R7.
N304G3Y-7.588R10.
N306G1X39.562Y-14.659
N308G0Z9.3
N310X57.452Y-4.265
N312Z-10.7
N314G1Z-16.F50.
N316X50.381Y2.806F150.
N318G3X36.239R10.
N320G2X27.541Y-.796R12.301
N322G1X-11.459
N324G2X-23.759Y11.504R12.3
N326G1Y50.504
N328G2X-11.459Y62.804R12.3
N330G1X27.541
N332G2X39.841Y50.504R12.3
N334G1Y11.504
N336G2X36.239Y2.806R12.3
N338G3Y-11.336R10.
N340G1X43.31Y-18.407
N342G0Z9.
N344X53.916Y-.729
N346Z-10.7
N348G1Z-16.F50.
N350X46.845Y6.342F150.
N352G3X32.703R10.
N354G2X27.541Y4.204R7.3
N356G1X-11.459
N358G2X-18.759Y11.504R7.3
N360G1Y50.504
N362G2X-11.459Y57.804R7.3
N364G1X27.541
N366G2X34.841Y50.504R7.3
N368G1Y11.504
N370G2X32.703Y6.342R7.3
N372G3Y-7.8R10.
N374G1X39.774Y-14.871
N376G0Z9.
N378X53.704Y-.517
N380Z-10.7
N382G1Z-16.F50.
N384X46.633Y6.554F150.
N386G3X32.491R10.
N388G2X27.541Y4.504R7.
N390G1X-11.459
N392G2X-18.45
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