机械数控零件加工工艺与编程毕业设计.docx
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机械数控零件加工工艺与编程毕业设计
毕业设计
数控零件加工工艺与编程
CNCPartsMachiningTechnologyandProgramming
班级：
学生姓名：
学号：
指导教师：
职称：
导师单位：
论文提交日期：
摘要
数控加工因为其高柔性、高精度、高度自动化与高效率的特点，在机械制造业中的应用越来越广泛，在当今社会的位置越来越重要。
本次设计我使用手动编程。
本次毕业设计是关于某个零件的加工工艺与程序进行分析与编制，在本次设计中,通过对零件的图形分析,材料分析,选好了加工毛坯尺寸,另外还对加工的工序.工艺进行分析,从而手工将加工零件的全部工艺过程、工艺参数、位移数据等以规定的代码、程序格式写出,编制出了适合所选铣床的程序。
完成这次设计我做了以下工作：
1.零件图进行分析。
本零件是对称图形，尺寸要求不高，但是有圆角、曲面和二次曲线较复杂的结构，对加工的程序要求高。
根据零件图，合理的构思出加工顺序，并数字化建模，用UG软件画出零件的立体图，并选择毛坯材料和尺寸。
2.零件工艺性分析。
加工的零件是对称的图形，一零件的几何中心为进刀点，也作为程序的原点。
非加工的边缘四周区域是正方形，所以方便装夹，对夹具的要求不高。
台虎钳足以满足零件装夹的要求。
加工零件选择合理道具，粗铣毛坯量大，用面铣刀进行加工，其余的用φ6的立铣刀加工。
球面用φ6球面铣刀加工。
根据刀具和零件的要求算出切削用量，制定工艺卡片。
3.数控铣床零件加工程序的编制。
手动编写出零件的加工程序，零件的程序中应用到了倒圆角的宏程序，球面的宏程序，二次曲线的宏程序。
使用了G68旋转固定循环。
零件加工的是内部结构，所以由上之下，由中间到四周进行加工。
根据工艺卡片的要求分先后分别进行粗精加工。
关键词:
零件的分析装夹工艺编程宏程序
Abstract
Becausethenumericalcontrolprocessingitshighflexibility,thehighaccuracy,highlyautomatedandthehighefficiency'scharacteristic,isgettingmoreandmorewidespreadinmachine-buildingindustry'sapplication,isnowgettingmoreandmoreimportantinsociety'sposition.
Thisgraduationprojectiscarriesontheanalysisandtheestablishmentaboutsomecomponentsprocessingcraftandtheprocedure,inthisdesign,throughtothecomponentsgraphanalysis,thematerialanalysis,chosetheprocessingblankdimension,inadditiontoprocessingworkingprocedure.Thecraftcarriesontheanalysis,thusthehandworkwillprocessthecodewhich,theprogramformatthecomponentsthecompletetechnologicalprocess,thetechnologicalparameter,thedisplacementdataandsoonstipulatedtowrite,establishedhassuitedchoosesmillingmachine'sprocedure.Completesthisdesigntoobtainfromthefollowingseveralsteps:
1.thepairgivesthedetaildrawingcarriesontheanalysis.Thiscomponentsarethesymmetricfigure,thesizerequestarenothigh,buthasthefillet,thesurfaceandtheconicsectioncomplexstructure,requestshightotheprocessingprocedure.Accordingtothedetaildrawing,thereasonableideaprocessingsequence,andthedigitizedmodelling,drawsthecomponentswiththeUGsoftwaretheblockdiagram,andchoosesthesemifinishedmaterialsmaterialandthesize.
2.thecomponentscarryonthetechnologicalanalysis.Theprocessingcomponentsarethesymmetricalgraph,acomponents'geometriccenteristhefeedspot,alsoasprocedurezeropoint.Thenon-processing'sedgeallaroundregionisasquare,thereforetheconvenientattireclamps,isnothightojig'srequest.Thebenchvisesatisfiestherequestwhichsufficientlythecomponentsattireclamps.Theprocessingcomponentschoicereasonablestageprop,theroughmillingsemifinishedmaterialsquantityisbig,carriesontheprocessingwiththefacemillingcutter,otherusesφ6endmillprocessing.Thesphericalsurfaceprocesseswithφ6thesphericalcutter.Figuresoutthecuttingspecificationsaccordingtothecuttingtoolandthecomponentsrequest,theformulationprocesschart.
3.thenumericalcontrolmillingmachinecomponentsaddtheprojecttheforewordestablishment.Manualcompiledthecomponentstheprocessingprogram,inthecomponentsprocedureappliestheroundanglegreatprocedure,thesphericalsurfacegreatprocedure,theconicsectiongreatprocedure.UsedG68torevolvethefixedcycle.Whatcomponentsprocessingistheinternalstructure,thereforefrom,toallaroundcarriesontheprocessingfromamong.Carriesonthethickprecisionworkseparatelysuccessivelyaccordingtoprocesschart'srequestminute.
keyword:
ComponentsanalysisClampingProcessProgrammingMacroprograms
第一章绪论
数控是现代机械加工的主流，并随着科学技术的发展，在不断进步。
但是机械产品的结构越来越合理，其性能、精度和效率日趋提高，更新换代频繁，生产类型由大批量生产向多品种小批量生产转换。
[1]因此，数控技术应用加工效率有待提高。
据统计数控加工与编制加工程序的时间之比为1：
30，所以提高生产效率，程序的编制是关键。
短时间内制定零件的加工程序，可以有效的缩短数控加工时间。
本次零件的手动编程，缩短编程时间，提高生产效率。
数控零件加工工艺与编程设计中，采用了手动编程。
手动编程与自动编程应用较多。
自动编程是用CAD/CAM根据三维零件生成程序，虽然方便，可以生成复杂零件的程序，但是当需要改动时，改动较大，影响加工效率。
手动能绘制简单零件的程序，但是适应零件的范围广，改动很快捷，这次零件结构简单，适合手动编程。
在零件加工前对其进行工艺分析，编制程序的基本知识和基本理论进行了解；选用机床、刀具、夹具及零件表面的加工方法；掌握数控工艺加工方法和数控加工程序编程方法。
1.1零件图分析与数字化建模
分析零件图选择毛坯的尺寸，对零件加工尺寸、表面粗糙度等技术要求综合分析，得出零件的加工过程，最后选择合适的机床。
根据零件图，用UG生成零件图的同时定下零件的内部腔体的加工顺序。
目前主要的CAD/CAM软件有UG、PRO/E、CAXA、MasterCAM等。
但是UG作为模具行业适用最广的数字化制图软件，和数控联系紧密。
它不仅三维建模功能强大，而且整个软件功能齐全，仿真刀路加工很形象，再加上对UG数字化建模的熟悉，所以选择了UG这个软件生成零件的立体图。
适用UG时，我用到了长方体的命令来生成毛坯，用草图功能画出两正交椭圆，并修剪好两椭圆相交的二次曲线轮廓，再使用拉伸求差的命令得到内部结构。
再使用边倒圆功能来满足零件的要求。
最后在适用草图功能，画出球面的截面二维图形，最后回转求差得到球面图形。
两椭圆正交形成的内腔，然后倒圆角，再对内腔底部的轮廓进行边倒圆，最后铣出球面。
1.2零件的工艺分析
零件形状是对称的，所以用零件的几何中心为加工中心。
毛坯选择的是长方体，四周便与装夹，用台虎钳能满足零件的加工，而且现有数控铣床用的夹具就是台虎钳，节约选择夹具的时间。
装夹好零件，根据铣床的加工特点，合理的制定出加工路线。
零件是内腔结构，所以从中心入刀，每层进给3mm的深度，分层铣削，先粗加工，加工完测量尺寸，改刀补进行精加工。
根据需要加工的内部轮廓给出的条件，查相关的表，计算出加工零件时所需要的切削速度，主轴转速和背吃刀量，选择所需的刀具（精加工和粗加工选择不同的刀具加工），并制定出道具卡片和工艺卡片。
1.3手动编写程序
了解数控程序的意义和编制的格式、要求、特点等，在结合零件的内部结构，编制出合理的程序。
以零件上表面的几何中心为零件的程序原点，用宏程序编写出曲线的轮廓，球面轮廓，倒圆角轮廓。
虽然现在程序有自动编程，半自动编程，但是我选择手动编程是因为，在简单的程序，自动与半自动都是由很多的坐标构成的，这对于机床本身就有不小的运算负荷，机床存储空间不能满足不说，加工的效率也很难保证，对于球面加工CAD/CAM软件是不能智能分辨曲面的概念。
[2]手动编制宏程序，不仅语言简练而且严谨。
[3]它把机床功能参数与编程语言结合，而且灵活的参数设置也使机床具有最佳的工作性能，同时也给予操作人员极大的调整空间。
另外宏程序使编程人员从繁琐的、大量重复性的编程工作中解脱出来。
+
所以用宏程序编制了曲线、圆角、球面的加工程序，结合数控铣床的加工特点，完成这次设计。
随着科学的进步，数控技术也在随着提高，我觉得以后的数控加工会有很大的发展前景。
这次的毕业设计很重要，贴合实际，跟住了时代的步伐。
第二章零件图的分析与数字化建模
2.1零件图见图1
图1数控加工二维零件图
2.2零件图的分析
根据零件图1可知该零件整体是由（100mm*100mm）的正方形拉伸30mm成的长方体，所以准备一个105*105*35的长方体为加工毛坯，加工表面后得到100*100*30的尺寸。
在长方体上表面由两个椭圆正交形成的阶梯形内腔，第一阶梯2mm深，第二阶梯向里偏置2mm深度为8mm。
并且在两椭圆正交形成的四个拐角进行倒圆角，第一阶梯椭圆圆角半径R=8mm，第二阶梯椭圆半径R=10mm。
，在内腔的底部整个轮廓进行边倒圆，边倒圆半径R=4mm。
在零件底部中央需要加工一个深度为4mm，宽度为35mm的球面。
圆球的半径R=40.28mm。
2.2.1零件的加工表面分析
本零件表面未给出加工要求，所以只要按照一般的表面处理方法即：
先铣毛坯的四周便与装夹，因为零件是对称的，所以再以把不加工的一面加工平，把其作为放置平面，用台虎钳装夹在铣床工作台上。
留粗加工余量。
2.2.2零件的技术要求分析
由零件图1可知，该零件的加工轮廓由曲线、圆弧及直线构成，其形状复杂，所以加工需要采用数控机床铣削加工。
零件的尺寸公差为IT14，表面粗糙度为给出要求，按一般数控加工方法，可以保证达到要求。
腹板厚度30mm，且面积大，加工时不易发生振动，对加工的不利影响较小。
该零件为对称图形，且只在一面上加工铣削，所以只需要一次装夹就能加工出来。
零件的加工深度最深为14mm所以选择刀具长度在20mm以上的刀具。
改腔体内部有边倒圆（R=4mm），所以要选择球头铣刀。
该腔体有阶梯布置，第一第二阶梯拐角出倒圆角半径分别为R=8mmR=10mm，但是这些圆角在XZ平面内，只需要一把Φ6mm的立铣刀就够了。
零件的尺寸标注较统一，且无封闭尺寸；构成该零件轮廓形状的各几何元素条件充分无互相矛盾之处，有利于编程和数控加工。
2.3零件的材料分析
已给出材料45钢，HBS250，适合数控加工。
2.4零件的加工过程
整体加工步骤是由上而下的加工，以零件的中心为原点，每次下3mm的深度，把大部分的余量铣去。
然后用椭圆一层层的往下铣削除，每次铣3mm的深度，最后一次铣4mm，然后旋转90度，重复以上步骤。
注意的是在底部加工椭圆是留一个高4mm宽4mm的台阶，为下面边倒圆留加工余量。
用宏程序编出两椭圆相交拐角处倒圆角的四分之一轮廓，然后旋转加工成整体轮廓。
一同样的方法一层层套用该宏程序，加工出圆角。
接下来是边倒圆，宏程序边倒圆。
最后是在底部加工圆球。
2.5零件毛坯的设计
根据本设计的要求，给出的毛坯的尺寸是除上表面以外的其它表面均已经加工，固定毛坯的尺寸为100*100*30mm，材料用45钢。
2.6数字化建模
UG软件建模如：
图2
图2零件的立体图
打开UG，新建prt文件，Ctrl+m进入建模环境，选择立方体命令，创建100*100*30的长方体。
以上表面几何中心原点为椭圆的中心点，创建椭圆，长轴为80，短轴为30的椭圆。
以原点为旋转中心，把上一步创建的椭圆旋转90度。
用修建命令留下椭圆的外部轮廓①，并向外偏置2mm的距离向内偏置4mm的距离，为轮廓②和③。
将生成的椭圆轮廓②向Z轴负方向拉伸2mm的距离，并与长方体求差。
生成的椭圆轮廓①同方向拉伸6mm的距离，与长方体求差。
生成的椭圆轮廓③同方向拉伸10mm与长方体求差。
形成的内部腔体的四个边角，进行倒圆角。
第一阶梯的倒圆角R=8mm，第二阶梯的倒圆角R=10mm。
再对内腔底部进行R=4mm的边倒圆。
最后用草图在XZ平面内画出半个球面的截面轮廓，用回转中心的命令与底部求差，在底部的平面上生成一个深度为4mm，宽度为35mm的球面，球的半径R=40.28mm，完毕后保存。
第三章零件工艺规程的设计
3.1定位基准的的选择
3.1.1粗、精基准的选择
为精加工做准备前，需要加工一个平面，保证它的平面度。
所以粗基准为毛坯的待加工表面，及毛坯的上表面。
以它为基准，加工出一个平面，来保证零件加工的精度。
把上一步加工的平面作为精基准，这样使加工表面在一个平面的位置上。
用精基准为最终基准。
即设计基准、工艺基准和编程基准统一，这样可以减少基准不重合时产生的误差和数控编程中的计算量，并可以较少装夹次数，更保证了零件的尺寸要求。
零件的毛坯是规则（100*100*30）长方体，零件也是规则的图形，所以基准无特殊要求。
3.2装夹方案的确定
在机床加工工件时，为保证工件加工精度，必须正确装夹工件，使其相对机床切削成形运动和刀具占有正确的位置。
由于设计要求中明确提出加工工件具有对称度和平行度的特征，因此本设计中，在确定装夹方案时，重点考虑到保证工件上被加工表面的尺寸精度、平行度、对称度等。
[4]
在本设计中，采用虎台钳机构对工件进行装夹。
台虎钳夹具是常规夹具，价格便宜，而且本零件对装夹的要求不高，只要能加紧零件，保证加工平面水平即可。
所以装夹零件时候，底部加上垫块，保证毛坯水平的底面放置水平，这样粗铣加工平面，保证加工平面的平行度，台虎钳能满足要求。
虎台钳的两爪夹住100*30mm的两个面，基面用粗糙度较高的垫块顶住，防止在加工过程中，被加工工件产生振动或相对偏移。
装夹示意如图3所示。
图3零件的装夹
3.3确定加工顺序及走刀路线
加工顺序的拟定按照基面先行、先粗后精的原则确定。
该零件是对称图形，先找到零件的中心，就能够实现零件的加工。
该零件的铣削加工中的路线包括平面内轨迹的加工进给和深的进给。
用两轴联动的数控铣床上进行加工。
对于平面内的两椭圆正交形成的内轮廓，先从中间原点开始加工，去除大部分的余量。
余量的去除时，先走中间的圆，然后十字相交去除其余的余量。
余量去完后开始进行椭圆的加工。
先从原点进刀，走到椭圆圆弧的起点，走单一椭圆，然后旋转加工出另一个椭圆。
每一层的加工都是如此。
注意的是底部留个边倒圆的余量。
加工完后进行倒圆角。
对于零件加工的深度进给有两种方法：
一种是在XZ或YZ平面内往复铣削进给到要求的深度位置，另一种是先打出一个工艺孔，然后从工艺孔的上方进给到要求的深度位置。
该零件的加工是选的第一种。
每次进给3-4mm的深度。
最后换球头铣刀加工球面。
3.4机床的选择及说明
根据以上计算要求，本设计用TK7640（不带刀库）数控铣床进行加工，这是采用FANUC-Oi系统，其自身重量为3000kg，工作台行程X、Y、Z的范围是600*400*600mm，主轴为无极变速，其变速范围是20-3000
，G00快速点定位速度最大是5000
G01直线插补速度最大是2500
，刀柄采用BT-40的型号，电源有24V低压提供控制电路以及380V高压提供主轴工作，工作台允许的最大重量为300
，气压源要求是0.6m
。
3.5选择零件铣削加工时的刀具
3.5.1加工本零件刀具的基本要求
（1）铣刀的刚性要好
要求铣刀刚行好的目的，因为在粗铣105*105*35的毛坯时为了提高生产效率而采用的大切削用量的需要。
再者为了适应数控铣床加工过程中切削用量难以调整的特点。
在粗铣量大时铣削防止刚性差而断刀，要选择刚性好的。
（2）铣刀的耐用度要高
在本次零件加工是φ6的立铣刀多次使用，如果刀具耐用度不高，磨损的快，不仅影响零件表面的质量和加工精度，而且会曾加换倒与对刀次数，从而导致零件加工表面留下因对刀误差形成的接刀台阶，降低零件的表面质量。
（3）其他的注意点
除以上两点之外，铣刀切削刃的几何角度参数的选择与排屑性能等也非常重要。
因为加工的是内部腔体，排削更加重要，不然切屑粘刀形成积屑瘤在数控铣削在倒圆角，铣球面时影响表面质量。
[5]
总之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并或得满意加工质量的前提条件。
3.5.2本次加工使用铣刀种类
加工中心刀具一般由刀具和刀柄两部分组成,由于要完成自动换刀功能,要求刀柄满足主轴的自动松开夹紧的功能,以及满足自动换刀机构的机械抓取、移动定位功能。
常用的铣刀有：
高硬度铣刀、T型槽铣刀、球头端铣刀、超长硬质合金球头铣刀、精加工镜面球头铣刀、半精加工球头铣刀、球头铣刀等。
为了零件加工的需要，现在主要以常用的面铣刀、立铣刀、模具铣刀（包括球头铣刀）加以简要介绍。
（1）面铣刀
粗铣毛坯105*105*35时，需要大面积切削量的铣刀，面铣刀适用于加工平面，尤其适合加工大面积平面。
主偏角为90°的面铣刀还能同时加工出与平面垂直的直角面。
（2）立铣刀
在这次加工中，为内部腔体的加工，铣到内部的圆角，曲面面，边倒圆等。
立铣刀主要用于加工沟槽、台阶面、平面和二维曲面很适合本次加工。
（3）模具铣刀
在这次加工中，要加工R40.28mm球面，所以用到了球头铣刀。
球头立铣刀它的结构特点是球头或断面上布满了切削刃，圆周刃和球头刃圆弧连接，可以作径向和轴向进给。
3.5.3加工零件刀具的选用
根据零件的结构特点，铣削内腔轮廓时，铣刀直径受到椭圆内腔限制见图4，取φ6的立铣刀。
粗加工时选用φ6的高速钢立铣刀，精加工时选用φ6的硬质合金立铣刀。
加工底面的球时，选择φ6的硬质合金球头立铣刀。
所选刀具及其加工表面见表1[6]零件加工刀具卡片。
图4刀具在椭圆最小轮廓位置时的加工
表1零件加工刀具卡片
产品名称或代号
零件名称
平面两椭圆正交内腔零件
零件图号
1
序号
刀具号
刀具
加工表面
备注
规格名称
数量
刀长/mm
1
T01
Φ80面铣刀
1
45
粗铣毛坯
2
T02
Φ6平头立铣刀
1
30
去除内腔大部分余量
3
T02
Φ6平头立铣刀
1
30
铣两椭圆
4
T02
Φ6平头立铣刀
1
30
铣内腔轮廓
铣圆角
5
T02
Φ6平头立铣刀
1
30
内腔底部边倒圆
6
T03
Φ6球头立铣刀
1
30
底部球面
附：
粗加工时选用φ6的高速钢立铣刀，精加工时选用φ6的硬质合金立铣刀
3.6切削用量的选择
切削用量包括主轴转速（切削速度）、切削深度或宽度、进给速度（进给量）等。
切削用量的大小对切削力、切削功率、刀具磨损、加工质量和加工成本均有显著影响。
精加工内腔两椭圆轮廓时留0.1mm的铣削余量。
3.6.1进给量
（
）与进给速度
（
）的选择
铣削加工的进给量是指刀具转一周，工件与道具沿进给运动方向的相对位移量；进给速度是指单位时间内工件与铣刀沿进给方向的相对位移量。
进给量与进给速度是数控铣床加工切削用量中的重要参数，根据零件表面的表面粗糙度、加工要求精度、刀具及材料等因素，参考表2选取。
工件刚性差或刀具强度低时，应取小值。
铣刀为多齿刀具，其进给速度
、刀具转速
、道具齿数
及进给量
的关系为
。
[6]
表2铣刀每齿进给量fz
工件材料
每齿进给量
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
钢
0.10-0.15
0.10-0.25
0.02-0.05
0.10-0.15
铸铁
0.12-0.20
0.15-0.3
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