控制阀的组合设计与数控加工论文.docx

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控制阀的组合设计与数控加工论文

1.1题目：

阀的组合设计与数控加工

本题目为工业生产流程中常见的控制阀，经抽象简化而成一阀体与阀芯的组合。

此阀体孔与阀芯的配合精度影响到生产流程中液体介质的输送控制，要求达到开启灵活，泄漏少，具体要求如下所示。

完成一套带底阀的圆筒型容器的设计、加工、检测、机器人组装及方案分析本题目的设计，考核学生在机电产品设计制造、数控编程、数控加工、工艺和成本分析等方面的综合能力和创新精神。

1.2阀体零件要求

阀体零件如下图所示。

1.阀体外侧面上部10mm范围，要求加工成基本尺寸为Ø78mm的圆柱面，尺寸公差按GB/T1804-m制造（自由尺寸公差）。

2.阀体外侧面下部20mm范围，要求加工成为Ø78mm上偏差为0，下偏差为-0.046的圆柱面，此尺寸作为尺寸测量环节的测量项目。

图1-1阀体及阀芯制作要求

3.在阀体外侧面中部，如图1-1中所标出50mm范围内的几何形状自定。

4.柱型结合面的配合高度为9±0.5mm；配合部位的形状、配合公差及阀体和阀芯表面粗糙度等各项技术要求由学生自行设计并标注在设计图纸上。

5.阀体内壁高度尺寸的有效测量范围为以阀体中心为原点，直径尺寸为φ45mm至φ65mm的阀体内侧底面部分。

6.阀体底孔或阀芯廓线须由不少于4段的圆弧和不少于4段直线组成。

要求至少有4段圆弧其各自的弧长应不小于8mm，至少有4段直线且每段直线长度应不小于8mm；阀体底孔或阀芯廓线少于4段圆弧和4段直线的判为未完成。

1.4阀体零件的加工要求

阀体和阀芯加工要有普通机床加工和数控加床加工相结合完成，加工精度达到图纸要求。

此阶段主要目的，考察学生的工艺综合能力，特别是数控编程和数控加工能力

第二章结构设计

2.1设计概述

在认真研究领会毕业设计要求的基础上，设计了一组阀体与阀芯组成的控制阀。

设计中充分考虑了结构形状、配合公差、表面粗糙度、生产批量等方面对比赛要求的影响，编制了合理的加工工艺，选择了合理的加工设备，确定了适当的加工参数，进行了实际加工、测量、装配，结果显示加工操作方便，易于装配，开户灵活、工作效率高。

2.2设计思路和方案

设计思路按照工艺合理、成本最低、泄漏少的总体要求，以流体力学计算为依据，经比较选择确定适宜的结构、尺寸精度及公关配合形式。

通过论证分析，制定成本分析方案和工程管理方案。

设计方案：

阀体与阀芯配合柱面非圆轮廓曲线采用六段圆弧和六段直线相间，这种设计不但满足直线和圆弧长度、数量的要求，同时还满足建模计算确立的指导原则，符合大赛要求。

加工部位具有形状对称，加工相对简单，切屑最少等特点，按生产批量和具体加工条件，计算生产成本；对生产组织、资源匹配质量控制等进行工程管理方案设计。

2.3设计图纸

毕业实训

机械加工工艺过程卡片

总3页

第1页

编号：

1

产品名称

阀

生产纲领

1件/年

零件名称

阀体

生产批量

1件/月

材料

6061-T6

毛坯种类

棒料

毛坯外形尺寸

Φ80×85

每毛坯可制作件数

1

每台件数

1

备注

单件生产

序

号

工序

名称

工序内容

工序简图

机床

夹具

刀具

量具

附具

工时

（min）

1

数控车

夹毛坯外圆

①车端面

②钻中心孔

③钻Φ30mm通孔

④粗车Φ30mm的内孔至Φ68mm×2.5mm

⑤精车至Φ70-0.05-0.12mm×3mm

⑥粗车外圆面至Φ78.8mm长40mm

⑦粗车Φ78.8mm×20mm外圆面至Φ78.2mm

⑧精车Φ78.2mm×20mm外圆面至Φ780-0.046mm

CK6136数控车床三爪卡盘

外圆车刀

Φ3mm中心钻

内孔车刀

Φ30mm麻花钻

游标卡尺0-150mm

12

2

数控车

调头，夹精车后Φ780-0.046mm×20mm外圆一端，夹紧长度18mm,百分表以找正

①车端面,到规定长度80mm

②Φ40mm扩孔钻扩内孔深66mm

③Φ60mm扩孔钻扩内孔深66mm

④粗车内孔至Φ69mm×67mm

⑤精车内孔Φ70-0.05-0.09mm×68±0.1mm

⑥粗车、半精车Φ78.40-0.1mm×50mm，Φ78+0.12-0.02mm×10mm外圆加工余量为0.1mm

⑦精车两外圆至规定尺寸

CK6136数控车床四爪卡盘

外圆车刀

内孔车刀

Φ40mm扩孔钻

Φ60mm扩孔钻

游标卡尺0-150mm

百分表

18

编制（日期）

审核（日期）

标准化（日期）

会签（日期）

毕业实训

机械加工工艺过程卡片

总3页

第2页

编号：

2

产品名称

阀

生产纲领

1件/年

零件名称

阀体

生产批量

1件/月

材料

6061-T6

毛坯种类

棒料

毛坯外形尺寸

Φ80×85

每毛坯可制作件数

1

每台件数

1

备注

单件生产

序

号

工序

名称

工序内容

工序简图

机床

夹具

刀具

量具

附具

工时

（min）

3

铣

长孔向下夹Φ78mm外圆柱面,用寻边器对刀

①粗铣非圆柱面内孔留加工余量1mm

②半精铣非圆柱面内孔留加工余量0.1mm

③精铣达到实际尺寸

④钻两销孔中心孔

⑤Φ4.9mm麻花钻钻两销定位孔底孔

⑥Φ5mm铰刀铰两定位销孔,保证孔距为56±0.01mm

⑦雕刻学校标识

XKN713数控铣床三爪卡盘

Φ10mm立铣刀，Φ4.9mm麻花钻，Φ5mm铰刀，Φ3mm中心钻，

Φ4mm针式雕铣刀

寻边器

游标卡尺0-150mm

8

4

铣雕

用分度头撑夹Φ70-0.05-0.09mm内孔,

用投影法编程雕该标识（深度0.15mm）

XDK6050数控铣雕机

分度头

针式雕铣刀

18

编制（日期）

审核（日期）

标准化（日期）

会签（日期）

毕业实训

机械加工工艺过程卡片

总2页

第1页

编号：

3

产品名称

阀

生产纲领

1件/年

零件名称

阀芯

生产批量

1件/月

材料

6061-T6

毛坯种类

棒料

毛坯外形尺寸

Φ45×60

每毛坯可制作件数

1

每台件数

1

备注

单件生产

序

号

工序

名称

工序内容

工序简图

机床

夹具

刀具

量具

附具

工时

（min）

1

数控车

夹毛坯外圆一端：

①车端面

②粗车外圆至Φ41mm×22.5

③粗车、半精车外圆至Φ20mm×10

④精车Φ20mm外圆

⑤钻中心孔

⑥钻Φ4.2mm螺纹底孔

⑦攻丝M5

⑧倒角

⑨切断保证长度23mm

CK6140车床

三爪卡盘

外圆车刀

切断刀

Φ3中心钻

Φ4.2mm麻花钻

M5丝锥

游标卡尺0-150mm

7.5

2

数控车

调头，夹Φ20mm外圆

①车端面,到保证长度12mm

②倒角

CK6140车床

三爪卡盘

外圆车刀

游标卡尺0-150mm

1.5

3

铣

夹Φ20mm外圆，

①编程加工非圆曲面,粗铣留加工余量0.2mm

②精铣至标准尺寸

③锪钻倒角

CKN713数控铣床

三爪卡盘

Φ12mm立铣刀

30°锪钻

游标卡尺0-150mm

寻边器

7.8

毕业实训

机械加工工艺过程卡片

总2页

第1页

编号：

4

产品名称

阀

生产纲领

36000件/年

零件名称

阀芯

生产批量

3000件/月

材料

6061-T6

毛坯种类

棒料

毛坯外形尺寸

Φ42×25

每毛坯可制作件数

1

每台件数

1

备注

单件生产

序

号

工序

名称

工序内容

工序简图

机床

夹具

刀具

量具

附具

工时

（min）

1

车

夹毛坯外圆一端

①加工端面车平

②钻中心孔

③粗车毛坯外圆至Φ21mm

④精车外圆至Φ20mm

⑤钻Φ4.2mm孔

⑥攻丝M5

⑦切断

Ck6136数控车床

液压卡盘

外圆车刀切断刀

A3中心钻

Φ4.2mm麻花钻M5丝锥

游标卡尺0-150mm

2.1

2

铣

夹Φ20mm外圆，

①铣上端面，到规定长度

②编程加工非圆曲面

③锪钻倒角

CKN713数控铣床

液压卡盘

Φ12mm立铣刀

30°锪钻

游标卡尺0-150mm

4.5

编制（日期）

审核（日期）

标准化（日期）

会签（日期）

第四章数控机床的选择

4.2.1数控机床的分类

1.按运动方式分类

（1）点位控制系统点位控制系统是指数控系统只控制刀具或机床工作台，从一点淮确地移动到另一点，而点与点之间运动的轨迹不需要严格控制的系统。

为了减少移动部件的运动与定位时间，一般先以快速移动到终点附近位置，然后以低速准确移动到终点定位位置，以保证良好的定位精度。

移动过程中刀具不进行切削。

使用这类控制系统的主要有数控坐标镗床、数控钻床、数控冲床等。

（2）点位直线控制系统点位直线控制系统是指数控系统不仅控制刀具或工作台从一个点准确地移动到下一个点，而且保证在两点之间的运动轨迹是一条直线的控制系统。

刀具移动过程可以进行切削。

应用这类控制系统的有数控车床、数控钻床和数控铣床等。

（3）轮廓控制系统轮廓控制系统也称连续切削控制系统，是指数控系统能够对两个或两个以上的坐标轴同时进行严格连续控制的系统。

它不仅能控制移动部件从一个点淮确地移动到另一个点，而且还能控制整个加工过程每一点的速度与位移量，将零件加工成一定的轮廓形状。

应用这类控制系统的有数控铣床、数控车床、数控齿轮加工机床和加工中心等。

2.按控制方式分类

（1）开环控制数控机床

开环控制系统的特征是系统中没有检测反馈装置，指令信息单方向传送，并且指令发出后，不再反馈回来，故称开环控制。

受步进电动机的步距精度和工作频率以及传动机构的传动精度影响，开环系统的速度和精度都较低。

但由于开环控制结构简单，调试方便，容易维修，成本较低，仍被广泛应用于经济型数控机床上。

（2）半闭环控制数控机床

半闭环控制数控机床不是直接检测工作台的位移量，而是采用转角位移检测元件，测出伺服电动机或丝杠的转角，推算出工作台的实际位移量，反馈到计算机中进行位置比较，用比较的差值进行控制。

由于反馈环内没有包含工作台，故称半闭环控制。

半闭环控制精度较闭环控制差，但稳定性好，成本较低，调试维修也较容易，兼顾了开环控制和闭环控制两者的特点，因此应用比较普通。

（3）闭环控制数控机床

闭环控制系统的特点是，利用安装在工作台上的检测元件将工作台实际位移量反馈到计算机中，与所要求的位置指令进行比较，用比较的差值进行控制，直到差值消除为止。

可见，闭环控制系统可以消除机械传动部件的各种误差和工件加工过程中产生的干扰的影响，从而使加工精度大大提高。

速度检测元件的作用是将伺服电动机的实际转速变换成电信号送到速度控制电路中，进行反馈校正，保证电动机转速保持恒定不变。

常用速度检测元件是测速电动机。

闭环控制的特点是加工精度高，移动速度快。

这类数控机床采用直流伺服电动机或交流伺服电动机作为驱动元件，电动机的控制电路比较复杂，检测元件价格昂贵。

因而调试和维修比较复杂，成本高。

按工艺用途分类，数控机床可分为数控钻床、车床、铣床、镗床、磨床和齿轮加工机床等，还有压床、冲床、弯管机、电火花切割机、火焰切割机等。

加工中心是带有刀库及自动换刀装置的数控机床，它可以在一台机床上实现多种加工。

工件一次装夹，可完成多种加工，既节省辅助工时，又提高加工精度。

加工中心特别适用于箱体、壳体的加工。

车削加工中心可以完成所有回转体零件的加工。

4.2.2数控机床的结构及各部件工作原理

数控机床由程序编制及程序载体、输入装置、数控装置（CNC）、伺服驱动及位置检测、辅助控制装置、机床本体等几部分组成。

1.程序编制及程序载体

数控程序是数控机床自动加工零件的工作指令。

在对加工零件进行工艺分析的基础上，确定零件坐标系在机床坐标系上的相对位置，即零件在机床上的安装位置；刀具与零件相对运动的尺寸参数；零件加工的工艺路线、切削加工的工艺参数以及辅助装置的动作等。

得到零件的所有运动、尺寸、工艺参数等加工信息后，用由文字、数字和符号组成的标准数控代码，按规定的方法和格式，编制零件加工的数控程序单。

编制程序的工作可由人工进行；对于形状复杂的零件，则要在专用的编程机或通用计算机上进行自动编程（APT）或CAD/CAM设计。

编好的数控程序，存放在便于输入到数控装置的一种存储载体上，它可以是穿孔纸带、磁带和磁盘等，采用哪一种存储载体，取决于数控装置的设计类型。

2.输入装置

输入装置的作用是将程序载体（信息载体）上的数控代码传递并存入数控系统内。

根据控制存储介质的不同，输入装置可以是光电阅读机、磁带机或软盘驱动器等。

数控机床加工程序也可通过键盘用手工方式直接输入数控系统；数控加工程序还可由编程计算机用RS232C或采用网络通信方式传送到数控系统中。

零件加工程序输入过程有两种不同的方式：

一种是边读入边加工（数控系统内存较小时），另一种是一次将零件加工程序全部读入数控装置内部的存储器，加工时再从内部存储器中逐段逐段调出进行加工。

3.数控装置

数控装置是数控机床的核心。

数控装置从内部存储器中取出或接受输入装置送来的一段或几段数控加工程序，经过数控装置的逻辑电路或系统软件进行编译、运算和逻辑处理后，输出各种控制信息和指令，控制机床各部分的工作，使其进行规定的有序运动和动作。

零件的轮廓图形往往由直线、圆弧或其他非圆弧曲线组成，刀具在加工过程中必须按零件形状和尺寸的要求进行运动，即按图形轨迹移动。

但输入的零件加工程序只能是各线段轨迹的起点和终点坐标值等数据，不能满足要求，因此要进行轨迹插补，也就是在线段的起点和终点坐标值之间进行“数据点的密化”，求出一系列中间点的坐标值，并向相应坐标输出脉冲信号，控制各坐标轴（即进给运动的各执行元件）的进给速度、进给方向和进给位移量等。

4.驱动装置和位置检测装置

驱动装置接受来自数控装置的指令信息，经功率放大后，严格按照指令信息的要求驱动机床移动部件，以加工出符合图样要求的零件。

因此，它的伺服精度和动态响应性能是影响数控机床加工精度、表面质量和生产率的重要因素之一。

驱动装置包括控制器（含功率放大器）和执行机构两大部分。

目前大都采用直流或交流伺服电动机作为执行机构。

位置检测装置将数控机床各坐标轴的实际位移量检测出来，经反馈系统输入到机床的数控装置之后，数控装置将反馈回来的实际位移量值与设定值进行比较，控制驱动装置按照指令设定值运动。

5.辅助控制装置

辅助控制装置的主要作用是接收数控装置输出的开关量指令信号，经过编译、逻辑判别和运动，再经功率放大后驱动相应的电器，带动机床的机械、液压、气动等辅助装置完成指令规定的开关量动作。

这些控制包括主轴运动部件的变速、换向和启停指令，刀具的选择和交换指令，冷却、润滑装置的启动停止，工件和机床部件的松开、夹紧，分度工作台转位分度等开关辅助动作。

由于可编程逻辑控制器（PLC）具有响应快，性能可靠，易于使用、编程和修改程序并可直接启动机床开关等特点，现已广泛用作数控机床的辅助控制装置。

6.机床本体

数控机床的机床本体与传统机床相似，由主轴传动装置、进给传动装置、床身、工作台以及辅助运动装置、液压气动系统、润滑系统、冷却装置等组成。

但数控机床在整体布局、外观造型、传动系统、刀具系统的结构以及操作机构等方面都已发生了很大的变化。

这种变化的目的是为了满足数控机床的要求和充分发挥数控机床的特点。

4.3数控插补原理

4.5数控铣床的基本操作

1.现场了解数控机床的组成及功能。

2.数控铣床的安全启动：

（1）接通电源并启动系统；

（2）进行手动“回零”；

（3）利用手轮离开零点到安全位置（X、Y处于中间位置，Z处于较高位置）。

3.控制面板各功能键的使用：

“回零”、“手动”、“手轮”、“主轴正反转”、“编辑”、“POS”、“PROG”、“OFFSET”等的操作应用

图4-5KV650数控铣床的操作面板

4.用MDI功能控制机床运行（程序指令：

G91G00X-10Y-10Z10），观察工作台的移动及机床坐标的变化。

5.在数控铣床中输入以下程序，练习程序的录入。

O0001

G54G00X65.0Y50.0；

M03S800；

G43Z150.0H01；

Z10.0；

G01Z-1.0F100；

X-50.0F200；

G80G49G40G90G17；

Y-50.0；

X50.0；

Y65.0；

Z10.0

G00Z100.0；

M05；

M30；

6.现场讲解演示数控铣床对刀的基本步骤。

数控机床具有加工精度高、能作直线和圆弧插补以及在加工过程中能进行多轴联动等功能特点。

数控铣床主要用于壳体类零件的加工，能自动完成球面、抛物面、椭球面等各种曲面的加工，并能进行铣槽、钻孔、扩孔、铰孔、镗孔等工作；

熟悉掌握数控机床的操作面板是运用数控机床加工工件的前提；

数控铣床对刀操作是正确加工工件的基础，其目的是寻找编程原点在机床坐标系中的坐标值。

附：

《数控铣床安全操作规程》

（1）禁止随意乱动数控铣床及其附件，以免造成人身伤害。

（2）避免身体与铣床（如电器柜等）接触，以防触电；参观者必须与加工区域保持一定的安全距离。

（3）穿戴整齐；严禁戴手套上机床操作；女生务必戴安全帽。

（4）严格遵守先开线路总电源，再开铣床强电电源，然后开NC电源，最后才开驱动电源（即打开控制系统）的开机顺序操作。

（5）机床起动前应检查手柄、调节扳手等工具是否从机床上移开，以免工作台杂乱，引发事故。

工具、量具都应放在指定位置，不可随便乱放，更不能放在床面上。

（6）在更换钻头、铣刀等附件前，务必使机床完全停止；在加工过程中需要换刀时，务必按下“机床锁住”和“Z轴锁住”按钮，并按照换刀步骤正确换刀。

（7）加工时精力集中，头和身体远离机床回转部位；出现问题应立即按下机床的急停开关，并向实习老师报告。

机床工作时不许人离开。

无人加工时应切断电源，待机床完全停止运行后，方可离开。

（8）加工过程中出现任何问题都应及时向实习老师反映。

（9）爱护量具，保持量具的清洁，用后擦净、涂油，放入工具盒内。

（10）实习时保持机床清洁和工作周边位置环境清洁，每天用后必须清理机床和打扫卫生。

搞卫生时不准用湿棉纱或其他带水物件接触或擦拭机床。

（11）关机前，务必将X、Y轴停在中间位置，Z轴处于较高位置。

（12）关机时先按下急停开关，然后退出电脑系统，再关闭NC电源，最后关闭机床强电电源以及线路总电源。

第五章数控加工编程

5.1概述

把零件的加工工艺路线、工艺参数、刀具的运动轨迹、位移量、切削参数（主轴转速、进给量、切削深度等）以及辅助功能（换刀、主轴正反转、切削液开关等）按照数控机床规定的指令代码及程序格式编写成加工程序单，输入到数控机床的控制装置中，从而控制机床加工零件，这一过程称为数控机床程序的编制。

5.1.1数控编程的基本概念

根据被加工零件的图纸及其技术要求、工艺要求等切削加工的必要信息，按数控系统所规定的指令和格式编制数控加工指令序列

5.1.2数控编程方法简介

数控编程方法：

数控编程方法可以分为两类：

一类是手工编程，另一类是自动编程。

（1）手工编程 

手工编程是指编制零件数控加工程序的各个步骤，即从零件图纸分析、工艺决策、确定加工路线和工艺参数、计算刀位轨迹坐标数据、编写零件的数控加工程序单直至程序的检验，均由人工来完成。

对于点位加工或几何形状不太复杂的轮廓加工，几何计算较简单，程序段不多，手工编程即可实现。

如简单阶梯轴的车削加工，一般不需要复杂的坐标计算，往往可以由技术人员根据工序图纸数据，直接编写数控加工程序。

 但对轮廓形状不是由简单的直线、圆弧组成的复杂零件，特别是空间复杂曲面零件，数值计算则相当繁琐，工作量大，容易出错，且很难校对，采用手工编程是难以完成的

（2）自动编程 

自动编程是采用计算机辅助数控编程技术实现的，需要一套专门的数控编程软件，现代数控编程软件主要分为以批处理命令方式为主的各种类型的语言编程系统和交互式CAD／CAM 集成化编程系统。

APT是一种自动编程工具（Automatically Programmed Tool）的简称，是对工件、刀具的几何形状及刀具相对于工件的运动等进行定义时所用的一种接近于英语的符号语言。

在编程时编程人员依据零件图样，以APT语言的形式表达出加工的全部内容，再把用APT语言书写的零件加工程序输入计算机，经APT语言编程系统编译产生刀位文件（CLDATA file），通过后置处理后，生成数控系统能接受的零件数控加工程序的过程，称为APT语言自动编程。

采用APT语言自动编程时，计算机（或编程机）代替程序编制人员完成了繁琐的数值计算工作，并省去了编写程序单的工作量，因而可将编程效率提高数倍到数十倍，同时解决了手工编程中无法解决的许多复杂零件的编程难题。

交互式CAD/CAM集成系统自动编程是现代CAD/CAM集成系统中常用的方法，在编程时编程人员首先利用计算机辅助设计（CAD）或自动编程软件本身的零件造型功能，构建出零件几何形状，然后对零件图样进行工艺分析，确定加工方案，其后还需利用软件的计算机辅助制造（CAM）功能，完成工艺方案的制订、切削用量的选择、刀具及其参数的设定，自动计算并生成刀位轨迹文件，利用后置处理功能生成指定数控系统用的加工程序。

因此我们把这种自动编程方式称为图形交互式自动编程。

这种自动编程系统是一种CAD与CAM高度结合的自动编程系统。

集成化数控编程的主要特点：

零件的几何形状可在零件设计阶段采用CAD/CAM集成系统的几何设计模块在图形交互方式下进行定义、显示和修改， 最终得到零件的几何模型。

编程操作都是在屏幕菜单及命令驱动等图形交互方式下完成的，具有形象、直观和高效等优点。

5.1.3数控编程的基础

数控机床是一种用计算机来控制的机床。

用来控制机床的计算机，不管是专用计算机还是通用计算机，都统称为数控系统。

数控机床的运动和辅助冻动作均受控于数控系统发出的指令。

而数控系统的指令是由程序员根据材料的材质、加工要求、机床的特性和系统所规定的指令格式编制的。

任何一种数控机床，在其数控系统中若没有输入程序指令，数控机床就不能工作。

数控系统的种类繁多，它们使用的数控程序语言规则和格式也不尽相同。

5.1.4编程的几何基础

标准规定，不论机床的具体运动结果如何，机床的运动统一按工件静止而刀具相对于工件运动来描述，并以右手笛卡尔坐标系表达，其坐标轴用X，Y，Z表示，用来描述机床的主要平动轴，称为基本坐标轴，若机床有转动轴，标准规定绕X，Y和Z轴转动的轴分别用A、B、C表示，其正向按右手螺旋定则确定。

5.2机床坐标系

为了确定机床的运动方向和移动距离，就要在机床上建立一个坐标系，该坐标系就叫机床坐标系，也叫标准坐标系。

5.2.1机床上固有的坐标系

数控机床的主轴与机床坐标系的Z轴重合或平行

2.孔加工刀具

孔加工刀具一般可分为两大类：

一类是从实体材料上