最新多边形深孔类零件数控铣床程序及工装设计.docx
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最新多边形深孔类零件数控铣床程序及工装设计
多边形深孔类零件数控铣床程序及工装设计
江苏交通技师学院本科毕业论文
多边形深孔类零件数控铣床程序及工装设计
学生姓名：
王志东
学生学号：
院（系）：
机械工程学院
专业班级：
0826
指导教师：
孙福庆
二〇一一年八月
多边形深孔类零件数控铣床程序及工装设计
摘要
大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展提高综合国力和国家地位的重要途径。
数控加工工艺设计的主要任务是制定加工工艺规程，也是数控机床加工前的准备工作。
工艺规程是规定零件、走到路线、刀具尺寸以及机床的运动过程。
因此，是编程人员对数控机床的性能、制造工艺过程和操作方法具有指导性的工艺文件。
数控机床加工的程序是数控机床的指令性文件。
数控机床加工程序不仅要包括零件的工艺过程，而且还要包括求学用量的选择、运动方式、刀具系统、切削规范以及工件的装夹方法。
工艺规程定的合理与否，对程序编制、机床的加工效率和零件的加工精度都有重要影响。
因此，应遵循一般的工艺原则并结合数控机床的特点认真而详细地制定数控加工工艺。
关键词：
数控技术，数控机床，数控加工
Polygonhole-typepartsandCNCmillingmachinetooldesignprocedure
ABSTRACT
Developingadvancedmanufacturetechnologyofnumericalcontroltechnologyasthecorehasbecometheworld'sdevelopedcountriestoaccelerateeconomicdevelopmentimportantwaytoenhanceoverallnationalstrengthandnationalstatus.MaintaskisthedevelopmentofprocessdesignforNCmachiningprocessoforder,isgettingreadyforanNCmachine.Processesrequiresparts,routes,tooldimensionsandmovingprocessofmachinetoolson.Therefore,istheprogrammerontheperformanceofCNCmachinetools,manufacturingprocessandhowtoprocessfileswiththeguidance.ProgramisaCNCmachinetoolofnumericalcontrolmachinetoolcommandfile.NCmachiningprogramtoincludenotonlypartoftheprocess,butalsoincludingschoolchoice,exercises,tools,systems,cuttingspecifications,aswellasworkpiececlampingmethod.Processplanningisreasonableornot,programming,processingefficiencyandpartsmachiningaccuracyofmachinetoolhasasignificantimpact.Therefore,shouldfollowtheGeneralprinciplesandtechnologyofcombiningthecharacterofCNCmachinetooloutaseriousanddetailednumericalcontrolprocessingtechnology.
Keyword:
CNCTechnology;ComputerNumericalControl;CNCmachined
摘要ii
ABSTRACTiii
第一章引言-1-
1.1数控铣床的组成-1-
1.2数控铣床的分类-4-
1.2.1按主轴布置形式分类-4-
1.2.2按数控系统的功能分类-5-
1.3数控铣床加工的优势和特点-6-
1.4数控铣床的发展趋势-7-
第二章配合零件的加工工艺研究-9-
2.1加工工艺规程的设计原则-9-
2.2零件的工艺分析-9-
2.3毛坯选择-10-
2.4定位基准选择-10-
2.5工艺路线的拟定-11-
2.6加工余量、工艺尺寸的确定-13-
2.7切削余量的确定-15-
2.8数控铣床编程概述-19-
2.9数控铣床常用指令-20-
第三章加工前的准备-24-
3.1工序划分的主要原则-24-
3.2装夹方式和夹具的选择-25-
3.3刀具的选择-28-
第四章零件的数控编程-30-
4.1加工分析-30-
4.1.1形状结构分析-30-
4.1.2尺寸分析-30-
4.1.3技术要求分析-30-
4.2确定装夹方案-31-
4.3确定加工方案-31-
4.4选择刀具和切削用量-32-
4.4.1选择刀具-32-
4.4.2选择切削用量-32-
4.2加工工序安排-34-
4.3数控铣床加工刀具-35-
4.4数控铣床程序及说明-36-
参考文献-52-
致谢-53-
附录-54-
Appendix-58-
第一章引言
数控铣床是铣床设备中应用非常广泛的加工铣床，它可以进行平面铣削、平面型铣削、外形轮廓铣削、三维及三维以上复杂型面铣削，还可进行钻削、镗削、螺纹切削等孔加工。
加工中心、柔性制造单元等都是在数控铣床的基础上产生和发展起来的。
数控铣床就是将加工过程的各种铣床动作，由数字化的代码表示，通过某种载体将信息输入数控系统，控制计算机对输入的数据进行处理，来控制铣床的伺服系统或其它执行元件，使铣床加工出所需要的工件。
数控铣床的控制系统就是数控系统，它能够逻辑地处理具有使用号码或其它符号编码指令规定的程序。
1.1数控铣床的组成
数控铣床的种类繁多，但从组成上讲，它由控制介质、数控装置、伺服系统和铣床本体四大部分以及辅助设备组成，如图1-1所示。
图1-1数控铣床组成示意图
控制介质实际上是信息的载体，是操作者与数控铣床发生联系的中间媒介物。
它用于记载零件加工过程中所需要的各种加上信息，以控制铣床的运动，实现零件的加工。
常用的信息载体有穿孔纸带、磁盘、磁带等。
对于计算机数控铣床（CNC数控铣床），也可用操作面板上的键盘直接输入加工程序。
现代先进的信息传输则是采用计算机联机通信的方式传送加工程序，即所谓的DNC。
数控装置是铣床实现自动加工的控制核心。
它具有零件程序的读人、存储、输入信息的处理和计算，以及加工过程实时控制等铣能。
其工作过程是：
当由输入设备输入加工信息之后，经过处理与计算，发出相应的脉冲给伺服系统，通过伺服系统使铣床按预定的轨迹运动。
数控装置一般有专用装置和通用数控装置两种类型。
专用数控装置简称NC数控装置，它是指根据零件加工功能的要求，采用专用硬接线逻辑电路的方法构成的控制装置。
要想增加或更改某种功能，就必须改变控制装置内部的逻辑电路。
因此这种数控系统灵活性差，使用很不方便，现已逐渐被淘汰。
通用数控装置简称CNC数控装置，它是由一台小型或微型计算机作为控制硬件，再配以适当的接口电路构成的数控装置将预先设计调试好的控制软件存人计算机内，以实现数控铣床的控制逻辑和各种控制功能，只要改变控制软件就可改变控制功能。
因此这种数控装置的灵活性和通用性很强，现代数控系统大都采用这种通用数控装置，图1-2是CNC系统的组成框图。
图1-2CNC系统的组成框图
伺服系统是数控系统的执行部分，是数控装置与铣床本体间的电传动联系环节，由速度控制装置、位置控制装置、驱动伺服录动机和相应机械传动装置组成其功能接受数控装置输出的指令脉冲信号，使铣床卜的移动部件作牛日直的移动，并对定位的精度和速度加以控制。
每一个指令脉冲信呼使铣床移动部件产生的位移量为脉冲当量，常用脉冲当量为0.01mm/脉冲、0.005mm/脉冲、0.001/脉冲等。
因此，伺服系统的精度、快速性及动态响应影响加精度、表面质量和生产率的主要困素之一。
目前在数控铣床的伺服系统中，常用位移执行机构有功率步进电机、直流伺服电动机和交流伺服电动机，后两种都带有感应同步器、光电编码器等位置测量元件。
所以，伺服机构的性能决定数控铣床的精度和快速性。
数控铣床的伺服系统按其控制方式分为开环控制系统、半闭环控制系统和闭环控制系统三大类。
开环控制系统是指不带反馈装置的控制系统。
它是根据数据指令，经过控制运算发出脉冲信号，输送到伺服驱动装置（如步进电动机），使伺服驱动装置转过相应的角度，然后经过减速齿轮和丝杠螺母机构，转换为移动部件的直线位移。
开环控制系统不具有反馈装置，所以对移动部件实际位移量测量、不反馈，无法与原指令值进行比较，因而不能进行误差校正，故系统精度较低（±0.02mm），虽然开环控制系统具有结构简单、工作稳定、使用维修方便及成本低的优点，但它已不能满足数控铣床日益提高的精度要求。
半闭环控制系统是在开环控制系统的伺服机构中装有角位移检测装置，通过检测伺服机构的滚珠丝杠转角，引接检测移动部件的化移，然后反馈到数控装置的比较器中，与输入原指令位移值进行比较，用比较后的差值进行控制，使移动部件补充位移，直到差值消除为止。
由于半闭环控制系统将移动部件的传动丝杠螺母机构包括在闭环之内，所以传动丝杠螺母机构的误差仍然会影响移动部件的位移精度。
半闭环控制系统调试方便，稳定性好．目前应用比较广泛。
闭环控制系统是在铣床移动位置上直接装有直线位置检测装置，将检测到的实际位移反馈到数控装置的比较器中，与输入的原指令位移值进行比较，用比较后的差值控制移动部件作补充位移，直到差值消除时才停止移动，达到精确定位的控制系统。
闭环控制系统定位精度高（一般可达±0.01mm，最高可达±0.001mm），一般应用在高精度数控铣床上。
由于系统增加了检测、比较和反馈装置，所以结构比较复杂，调试维修比较困难。
铣床本体指的是数控铣床机械构造实休，它与普通铣床的差别，主要是机械传动机构及功能性部件，由此形成了数控铣床构造的特色。
数控铣床加工时，零件的粗、精加工．通常是在铣床上一次安装，自动完成整个加工过程，进给量的变换是靠伺服电动机本身变速来实现的。
因此数控铣床的铣床本体具有刚性好、热变形小、精度高和机械传动系统比较简单等特点。
图1-3是XK5040A数控铣床外观图。
图1-3XK5040A数控铣床外观图。
l.底座；2.强电柜；3.变压器箱；4.伺服电动机；5.主轴变速手柄和按钮板；6.床身；7.数控柜；8.保护开关；9.挡铁；10.操纵台；l2.横向溜板；13.纵向进给伺服电机；14.横向进给伺服电机；15.升降台16.纵向工作台
1.2数控铣床的分类
数控铣床种类很多，按其体积大小可分为小型、中型和大型数控铣床，其中规格较大的，其功能已向加工中心靠近，进而演变成柔性加工单元。
1.2.1按主轴布置形式分类
立式数控铣床
立式数控铣床的主轴轴线与工作台面垂直，是数控铣床中最常见的一种布局形式。
立式数控铣床一般为三坐标（X、Y、Z）联动,其各坐标的控制方式主要有以下两种：
工作台纵、横向移动并升降，主轴只完成主运动。
目前小型数控铣床一般采用这种方式。
2）工作台纵、横向移动，主轴升降。
这种方式一般运用在中型数控铣床中。
立式数控铣床结构简单，工件安装方便，加工时便于观察，但不便于排屑。
卧式数控铣床
卧式数控铣床的主轴轴线与工作台面平行，主要用来加工箱体类零件。
般配有数控回转工作台以实现四轴或五轴加工，从而扩大功能和加工范围。
卧式数控铣床相比立式数控铣床，结构复杂，在加工时不便观察，但排屑顺畅。
龙门式数控铣床
大型数控立式铣床多采用龙门式布局，在结构上采用对称的双立柱结构，以保证铣床整体刚性、强度。
主轴可在龙门架的横梁与溜板上运动，而纵向运动则由龙门架沿床身移动或由工作台移动实现，其中工作台床身特大时多采用前者。
龙门式数控铣床适合加工大型零件，主要在汽车、航空航天、铣床等行业使用。
立卧两用数控铣床
立卧两用数控铣床的主轴轴线可以变换，使一台铣床具备立式数控铣床和卧式数控铣床的功能。
这类铣床适应性更强，应用范围更广，尤其适合于多品种、小批量又需立卧两种方式加工的的情况，但其主轴部分结构较为复杂。
1.2.2按数控系统的功能分类
经济型数控铣床
经济型数控铣床一般是在普通立式铣床或卧式铣床的基础上改造而来的，采用经济型数控系统，成本低，铣床功能较少，主轴转速和进给速度不高，主要用于精度要求不高的简单平面或曲面零件加工。
全功能数控铣床
全功能数控铣床一般采用半闭环或闭环控制，控制系统功能较强，数控系统功能丰富，一般可实现四坐标或以上的联动，加工适应性强，应用最为广泛。
高速铣削数控铣床
我们一般把主轴转速在8000～40000r/min的数控铣床称为高速铣削数控铣床，其进给速度可达10～30m/min。
这种数控铣床采用全新的铣床结构（主体结构及材料变化）、功能部件（电主轴、直线电机驱动进给）和功能强大的数控系统，并配以加工性能优越的刀具系统，可对大面积的曲面进行高效率、高质量的加工。
1.3数控铣床加工的优势和特点
数控铣床以其精度高、效率高、能适应小批量多品种复杂零件的加工等优点，在机械加工中得到日益广泛的应用。
概括起来，数控铣床的加工有以下几方面的优点。
适应性强。
适应性即所谓的柔性，是指数控铣床随生产对象变化而变化的适应能力。
在数控铣床上改变加工零件时，只需重新编制程序，输入新的程序后就能实现对新的零件的加工；而不需改变机械部分和控制部分的硬件，且生产过程是自动完成的。
这就为复杂结构零件的单件、小批量生产以及试制新产品提供了极大的方便。
适应性强是数控铣床最突出的优点，也是数控铣床得以生产和迅速发展的主要原因。
精度高，质量稳定。
数控铣床是按数字形式给出的指令进行加工的，一般情况下工作过程不需要人工干预，这就消除了操作者人为产生的误差。
在设计制造数控铣床时，采取了许多措施，使数控铣床的机械部分达到了较高的精度和刚度。
数控铣床工作台的移动当量普遍达到了0.01～0.0001mm，而且进给传动链的反向间隙与丝杠螺距误差等均可由数控装置进行补偿，高档数控铣床采用光栅尺进行工作台移动的闭环控制。
数控铣床的加工精度由过去的±0.01mm提高到±0.005mm甚至更高。
定位精度九十年代初中期已达到±0.002mm～±0.005mm。
此外，数控铣床的传动系统与铣床结构都具有很高的刚度和热稳定性。
通过补偿技术，数控铣床可获得比本身精度更高的加工精度。
尤其提高了同一批零件生产的一致性，产品合格率高，加工质量稳定。
生产效率高。
零件加工所需的时间主要包括机动时间和辅助时间两部分。
数控铣床主轴的转速和进给量的变化范围比普通铣床大，因此数控铣床每一道工序都可选用最有利的切削用量。
由于数控铣床结构刚性好，因此允许进行大切削用量的强力切削，这就提高了数控铣床的切削效率，节省了机动时间。
数控铣床的移动部件空行程运动速度快，工件装夹时间短，刀具可自动更换，辅助时间比一般铣床大为减少。
数控铣床更换被加工零件时几乎不需要重新调整铣床，节省了零件安装调整时间。
数控铣床加工质量稳定，一般只作首件检验和工序间关键尺寸的抽样检验，因此节省了停机检验时间。
在加工中心铣床上加工时，一台铣床实现了多道工序的连续加工，生产效率的提高更为显著。
能实现复杂的运动。
普通铣床难以实现或无法实现轨迹为三次以上的曲线或曲面的运动，如螺旋桨、汽轮机叶片之类的空间曲面；而数控铣床则可实现几乎是任意轨迹的运动和加工任何形状的空间曲面，适应于复杂异形零件的加工。
良好的经济效益。
数控铣床虽然设备昂贵，加工时分摊到每个零件上的设备折旧费较高。
但在单件、小批量生产的情况下，使用数控铣床加工可节省划线工时，减少调整、加工和检验时间，节省直接生产费用。
数控铣床加工零件一般不需制作专用夹具，节省了工艺装备费用。
数控铣床加工精度稳定，减少了废品率，使生产成本进一步下降。
此外，数控铣床可实现一机多用，节省厂房面积和建厂投资。
因此使用数控铣床可获得良好的经济效益。
有利于生产管理的现代化。
数控铣床使用数字信息与标准代码处理、传递信息，特别是在数控铣床上使用计算机控制，为计算机辅助设计、制造以及管理一体化奠定了基础。
1.4数控铣床的发展趋势
从20世纪中叶数控技术出现以来，数控铣床给机械制造业带来了革命性的变化。
数控加工具有如下特点：
加工柔性好，加工精度高，生产率高，减轻操作者劳动强度、改善劳动条件，有利于生产管理的现代化以及经济效益的提高。
数控铣床是一种高度机电一体化的产品，适用于加工多品种小批量零件、结构较复杂、精度要求较高的零件、需要频繁改型的零件、价格昂贵不允许报废的关键零件、要求精密复制的零件、需要缩短生产周期的急需零件以及要求100%检验的零件。
数控铣床的出现使其成为国民经济和国防建设发展的重要装备。
进入21世纪，我国经济与国际全面接轨，进入了一个蓬勃发展的新时期。
铣床制造业既面临着机械制造业需求水平提升而引发的制造装备发展的良机，也遭遇到加入世界贸易组织激烈的国际市场竞争的压力，加速推进数控铣床的发展是解决铣床制造业持续发展的一个关键。
随着制造业对数控铣床的大量需求以及计算机技术和现代设计技术的飞速进步，数控铣床的应用范围还在不断扩大，并且不断发展以更适应生产加工的需要。
高速化
随着汽车、国防、航空、航天等工业的高速发展以及铝合金等新材料的应用，对数控铣床加工的高速化要求越来越高。
主轴转速：
铣床采用电主轴（内装式主轴电机），主轴最高转速达200000r/min；
进给率：
在分辨率为0.01μm时，最大进给率达到240m/min且可获得复杂型面的精确加工；
运算速度：
微处理器的迅速发展为数控系统向高速、高精度方向发展提供了保障，开发出CPU已发展到32位以及64位的数控系统，频率提高到几百兆赫、上千兆赫。
由于运算速度的极大提高，使得当分辨率为0.1μm、0.01μm时仍能获得高达24～240m/min的进给速度；
换刀速度：
目前国外先进加工中心的刀具交换时间普遍已在1s左右，高的已达0.5s。
德国Chiron公司将刀库设计成篮子样式，以主轴为轴心，刀具在圆周布置，其刀到刀的换刀时间仅0.9s。
高精度化
数控铣床精度的要求现在已经不局限于静态的几何精度，铣床的运动精度、热变形以及对振动的监测和补偿越来越获得重视。
提高CNC系统控制精度：
采用高速插补技术，以微小程序段实现连续进给，使CNC控制单位精细化，并采用高分辨率位置检测装置，提高位置检测精度（日本已开发装有106脉冲/转的内藏位置检测器的交流伺服电机，其位置检测精度可达到0.01μm/脉冲），位置伺服系统采用前馈控制与非线性控制等方法；
采用误差补偿技术：
采用反向间隙补偿、丝杆螺距误差补偿和刀具误差补偿等技术，对设备的热变形误差和空间误差进行综合补偿。
研究结果表明，综合
采用网格解码器检查和提高加工中心的运动轨迹精度，并通过仿真预测铣床的加工精度，以保证铣床的定位精度和重复定位精度，使其性能长期稳定，能够在不同运行条件下完成多种加工任务，并保证零件的加工质量。
第二章配合零件的加工工艺研究
2.1加工工艺规程的设计原则
（1）技术要求必须保证
（2）生产纲领要能够满足
（3）工艺成本最低
（4）尽量减轻工人劳动强度
2.2零件的工艺分析
（1）零件结构工艺性的概念
零件尺寸和公差的标注、零件的组成要素和零件的整体结构等三方面来阐述。
（2）合理标注零件的尺寸、公差和表面粗糙度
1）按照加工顺序标注尺寸，避免多尺寸同时保证
2）由定位基准或调整基准标注尺寸，避免基准不重合误差
3）由形状简单和易接近的轮廓要素为基准的标准尺寸避免尺寸运算
（3）零件要素的工艺，零件要素的切削加工工艺性归纳起来有以下三点要求：
1）各要素的形状应尽量简单，面积应尽量小，规格应尽量标准和统一。
2）能采用普通设备和标准刀具进行加工，且刀具易进入、退出和顺利通过加工表面。
3）加工面与非加工面应明显分开，加工面之间也应明显分开。
（4）零件整体结构的工艺性，具体有以下五点要求：
1）尽量采用标准、通用件、借用件和相似件。
2）有便于装夹的基准。
3）有位置要求或同方向的表面能在一次装是中加工出来。
4）零件要有足够的刚性，便于采用高速和多刀切削。
5）节省材料，减轻质量。
（5）零件结构的工艺性的评定指标
1）加工精度系数Kac
2）结构继承性系数Ks
3）结构标准化系数Kst
4）结构要素统一化系数Ke
5）材料利用系数Km
2.3毛坯选择
毛坯上留作加工用的材料层，称为加工余量。
加工余量又有总余量和工序余量之分。
某一表面从毛坯到最后成品切除掉的总金属层厚度，即毛坯尺寸与零件设计尺寸之差称为总余量，以Z0表示。
该表面每道工序切除掉的金属层厚度，即相邻两工序尺寸之差称为工序余量。
工序尺寸公差一般按“入体原则”标注，对被包容尺寸（轴径），上偏差为0，其最大尺寸就是基本尺寸；对包容尺寸（孔径、槽宽），下偏差为0，其最小尺寸就是基本尺寸。
2.4定位基准选择
（1）基准的概念及其分类
1）基准：
用来确定生产对象（工件）上几何要素间的几何关系所依据的那些点、线、面叫做基准；
2）基准分为：
设计基准、工艺基准
设计基准：
设计图样上所采用的基准
尺寸基准：
（长宽高）
形状位置基准：
3）工艺基准：
工艺过程中采用的基准
工序基准（工序图标注尺寸）
定位基准（加工中用作定位）
测量基准（测量时采用）
装配基准（装配时用）
4）基准的分析
a.基准是依据的意思，必然都是客观存在的。
b.基准要确切。
（2）定位基准的选择
1）精基准的选择
选择精基准时，应能保证加工精度和装夹的可靠方便，可按下列原则：
a.基准重合原则
b.基准统一
c.自为基准原则
d.互为基准原则
e.保证工件定位准确、加紧可靠、操作方便的原则
2）粗基准的选择
粗基准选择的要求应能保证加工面与非加工面之间的位置要求及合理分配各加工面的余量，同时为后续工序提供精基准面。
具体按以下原则选择：
a.为了保证加工面和非加工面的位置要求，应选非加工面为粗基准
b.合理分配各加工面的余量
c.粗基准要避免重复使用
d.粗基准的表面应平整光洁
e.余量均匀原则
2.5工艺路线的拟定
工艺路线：
从毛坯到成品的加工顺序影响加工质量、效率、工人劳动强度、设备投资、车间面积、生产成本。
工艺拟定内容：
定位基准选择；各表面加工方法选择；工序集中和分散；加工阶段划分和先后顺序安排；设备及工装选择。
（1）表面加工方法选择
加工精度和表面粗糙度的概念
加工经济精度：
在正常的加工条件下（采用符合质量标准的设备、工艺装备和标准技术等级的工人，不延长加工时间的条件
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