数控机床的数控加工工艺设计与编程设计书.docx
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数控机床的数控加工工艺设计与编程设计书
数控机床的数控加工工艺设计与编程设计书
1设计的内容及目的
1.1设计的内容
结构件的工艺与编程。
其要求如下:
(1)图形的分析;
(2)刀的选择;
(3)工艺路线;
(4)编写数控加工工序卡片;
(5)程序清单;
(6)废品分析及问题的解决。
1.2设计的目的
高等院校的毕业设计是完成教学计划达到本科生培养目标的重要环节。
它通过深入实践、了解社会、完成毕业设计任务或撰写论文等诸环节,着重培养学生综合分析和解决问题的能力和独立工作能力、组织管理和社交能力;同时,对学生的思想品德,工作态度及作风等诸方面都会有很大影响。
对于增强事业心和责任感,提高毕业生全面素质具有重要意义。
是学生在校期间的学习和综合训练阶段;是学习深化、拓宽、综合运用所学知识的重要过程;是学生学习、研究与实践成果的全面总结;是学生综合素质与工程实践能力培养效果的全面检验;是实现学生从学校学习到岗位工作的过渡环节;是培养优良的思维品质,进行综合素质教育的重要途径,培养学生综合运用多学科理论知识的能力;是学生毕业及学位资格认定的重要依据;是衡量高等教育质量和办学效益的重要评价内容。
2数控机床的知识
2.1数控机床的产生和发展
⏹2.1.1产生
随着科学技术的发展,机械产品结构越来越合理,其性能、精度和效率日趋提高更新换代频繁,生产类型由大批大量生产向多品种小批量生产转化。
因此,对机械产品的加工相应得提出了高精度、高柔性与高度自动化的要求。
数字控制机床就是为了解决单件、小批量、特别是复杂型面零件加工的自动化并保证质量要求而产生的。
第一台数控机床是1952年美国PARSONS公司与麻省理工学院(MIT)合作研制的三坐标数控铣床,它综合应用了电子计算机、自动控制、伺服驱动、精密检测与新型机械结构等多方面的技术成果,可用于加工复杂曲面零件。
数控机床的发展先后经历了电子管(1952年)、晶体管(1959年)、小规摸集成电路(1965年)、大规模集成电路及小型计算机(1970年)和微处理机或微型机算机(1974年)等五代数控系统。
●2.1.2数控机床的发展趋势
1高速化:
采用高速的32位以上的微处理器,可提高数控系统的分辨率及实现连续小程序段的高速、高精加工。
日本产的FANUC15系统开发出64位CPU系统,能达到最小移动单位0.1um时,最大进给速度为100m/min。
2多功能化
3智能化:
引进了自适应控制技术.自适应控制(AdaptiveControl,简称AC)技术是能调节在加工过程中所测得的工作状态特性,且能使切削过程达到并维持最佳状态的技术。
4高精度化:
通过减少数控系统误差和采用补偿技术可提高数控机床的加工精度。
5高可靠性:
通过提高数控系统的硬件质量,采用模块化、标准化和通用化来提高其可靠性。
2.2数控技术的基本概念
1数字控制(NumericalControl),简称NC,它是采用数字化信息实现加工自动化的控制技术,用数字化信号对机床的运动及其加工过程进行控制的机床称作数控机床。
2NC机床:
早期的数控机床的NC装置是由各种逻辑元件、记忆元件组成随机逻辑电路由硬件来实现数控功能,称作硬件数控,用这种技术实现的数控机床称作NC机床。
3CNC机床:
现代数控系统采用微处理器或专用微机的数控系统(ComputerNumericalControl)由事先存放在存储器里的系统程序(软件)来实现控制逻辑,实现部分或全部数控功能,并通过接口与外围设备进行联接,这样的机床称作CNC机床。
2.3数控机床的组成
●2.3.1组成
(1)程序的存储介质(纸带、磁带或磁盘等)
(2)输入输出装置
(3)数控装置(是数控机床的核心,接受脉冲信号经过译码、运算和逻辑处理将指令信息输出给伺服系统,使设备按轨定的动作执行)
(4)伺服装置(是数控机床执行机构的驱动部件,作用是把来自数控装置的脉冲信号转换成机床执行部件的运动)
(5)检测反馈装置(作用是对机床的实际运动速度、方向、位移量以及加工状态加以检测并将结果反馈给数控装置,计算出与指令位移之间的偏差并发出纠正误差指令)
(6)机床主体(是加工运动的实际机械部件,主要包括主运动部件、进给运动执行部件如工作台、拖板、刀架,和支承部件如床身、立柱等,还有冷却、润滑、转位部件、夹紧、换刀机械手等辅助装置。
●2.3.2数控系统的主要功能
(1)多坐标控制(多轴联动)
(2)准备功能(G功能)
(3)实现多种函数的插补(直线、圆弧、抛物线等)
(4)代码转换(EIA/ISO代码转换、英制/公制转换、绝对值/增量值转换等)
(5)固定循环加工
(6)指定进给速度
(7)指定主轴转速
(8)辅助功能:
指定主轴的起、停、反向,冷却系统的开、关等。
(9)刀具选择功能
(10)各种补偿功能:
如刀具半径、刀具长度补偿等。
(11)字符图形在显示器(CRT)上的显示
(12)故障的诊断及显示、与外部设备的连网及通信。
(13)存储加工程序,人机对话、程序的输入、编辑及修改。
●2.3.3数控机床的特点
数控机床与普通机床相比,具有以下特点:
(1)适应性强 适应性是指数控机床随生产对象变化而变化的适应能力。
(2)精度高 工作过程不需要人工干预,而是自动工作的,且通过实时检测装置来修正或补偿以获得更高的精度。
(3)效率高 数控机床可以采用较大的切削用量,而且具有自动换速、自动换刀和其他辅助操作自动化的功能。
(4)减轻劳动强度、改善劳动条件。
(5)有利于生产管理的现代化。
2.4数控机床的分类
●2.4.1按工业用途分类
(1)数控车床(NCLathe)
(2)数控铣床(NCMillingMachine)
(3)数控钻床(NCDrillingMachine)
(4)数控镗床(NCBoringMachine)
(5)数控齿轮加工机床(NCGearingHoldingMachine)
(6)数控平面磨床(NCSurfaceGrindingMachine)
(7)数控外圆磨床(NCExternalCylindricalGrindingMachine)
(8)数控轮廓磨床(NCContourGrindingMachine)
(9)数控工具磨床(NCToolGrindingMachine)
(10)数控坐标磨床(NCJigGrindingMachine)
(11)数控电火花加工机床(NCDieselingElectricDischargeMachine)
(12)数控线切割机床(NCWireDischargeMachine)
(13)数控激光加工机床(NCLaserBeamMachine)
(14)数控冲床(NCPunchingPress)(15)加工中心(MachineCenter)
(16)数控超声波加工机床NCUltrasonicMachine)
(17)其他(如三坐标测量机等)
●2.4.2按运动方式分类
(1)点位控制系统(PositioningControl)只控制刀具从一点到另一点的位置,而不控制移动轨迹,在移动过程中刀具不进行切削加工。
(2)直线控制系统(Straight-lineControl)是控制刀具或机床工作台以给定的速度,沿平行于某一坐标轴方向,由一个位置到另一个位置的精确移动,并且在移动过程中进行直线切削加工。
(3)轮廓控制系统(ContourControl)是对两个或两个以上的坐标轴同时进行连续控制,并能对机床移动部件的位移和速度进行严格的控制,即要控制加工的轨迹,加工出要求的轮廓。
其运动轨迹是任意斜率的直线、圆弧、螺旋线等。
●2.4.3按控制方式分类
(1)开环控制(OpenLoopControl)即不带位置测量元件,数控装置根据控制介质上的指令信号,经控制运算发出指令脉冲,使伺服驱动元件转过一定的角度,并通过传动齿轮、滚珠丝杠螺母副,使执行机构(如工作台)移动或转动。
特点是没有来自位置测量元件的反馈信号,对执行机构的动作情况不进行检查,指令流向为单向,控制精度较低。
(2)闭环控制(ClosedLoopControl)是将位置检测装置安装于机床运动部件上,加工中将测量到的实际位置值反馈。
另外通过与伺服电机刚性连接的测速元件,随时实测驱动电动机的转速,得到速度反馈信号,并与速度指令信号相比较,其比较的差值对伺服电动机的转速随时进行校正,直至实现移动部件作台的最终精确定位。
(3)半闭环控制(Semi-ClosedLoopControl)是将位置检测装置安装于驱动电动机轴端或安装于传动丝杠端部,间接地测量移动部件(工作台)的实际位置或位移。
(4)2.5主要数控机床介绍
1数控车床:
机床主体包括主轴、溜板、刀架等。
数控系统包括电显示器(CRT)、控制面板、强电控制系统。
2数控铣床:
适于加工三维复杂曲面。
3加工中心:
即具有自动刀具交换装置,并能进行多种工序加工的数控机床。
4数控钻床:
主要完成钻孔、功丝功能,同时也可以完成简单的铣削功能,刀库可以存放多种刀具。
5数控磨床:
主要用在高精度、高硬度加工表面。
6数控电火花成形机床:
是利用两个不同极性的电极在绝缘液体中产生放电现象,去除材料进而完成加工。
7数控线切割机床:
工作原理与电火花成形机床一样,其电极是电极丝,加工液一般采用去离子水。
3.零件工艺分析及加工前的准备
3.1零件图的工艺分析
数控加工工艺是随着数控机床的产生、发展而逐步建立起来的一种应用技术,是通过大量数控加工实践的经验总结,是数控机床加工零件过程中所使用的各种技术、方法的总和。
分析加工零件的图纸,明确加工内容及技术要求,确定加工方案,制定数控加工路线,要清楚数控加工的技术要求、加工目的、加工特点,如要留加工余量,留多少;定位面与孔的精度要求及形位公差;对校形工序的技术要求;对毛坯的热处理状态等,这样才能使各工序达到相互满足加工需要。
经过对本次加工的零件图分析,配合件主要有外圆的车削、端面车削、钻孔、镗孔,车削时要分粗车和精车。
零件的表面粗糙度都为1.6,所以有粗车和精车即可达到要求
3.2数控机床的选择
选择数控机床时,一般应考虑以下几个方面的问题:
(1)数控机床主要规格的尺寸应与工件的轮廓尺寸相适应。
即小的工件应当选择小规格的机床加工,而大的工件则选择大规格的机床加工,做到设备的合理使用。
(2)机床结构取决于机床规格尺寸、加工工件的重量等因素的影响。
(3)机床的工作精度与工序要求的加工精度相适应。
根据零件的加工精度要求选择机床,如精度要求低的粗加工工序,应选择精度低的机床,精度要求高的精加工工序,应选用精度高的机床。
(4)机床的功率与刚度以及机动范围应与工序的性质和最合适的切削用量相适应。
如粗加工工序去除的毛坯余量大,切削余量选得大,就要求机床有大的功率和较好的刚度。
(5)装夹方便、夹具结构简单也是选择数控设备是需要考虑的一个因素。
选择采用卧式数控机床,还是选择立式数控机床,将直接影响所选择的夹具的结构和加工坐标系,直接关系到数控编程的难易程度和数控加工的可靠性。
应当注意的是,在选择数控机床时应充分利用数控设备的功能,根据需要进行合理的开发,以扩大数控机床的功能,满足产品的需要。
然后,根据所选择的数控机床,进一步优化数控加工方案和工艺路线,根据需要适当调整工序的内容。
选择加工机床,首先要保证加工零件的技术要求,能够加工出合格的零件。
其次是要有利于提高生产效率,降低生产成本。
选择加工机床一般要考虑到机床的结构、载重、功率、行程和精度。
还应依据加工零件的材料状态、技术状态要求和工艺复杂程度,选用适宜、经济的数控机床,综合考虑以下因素的影响。
(1)机床的类别(车、铣、加工中心等)、规格(行程范围)、性能(加工材料)。
(2)数控机床的主轴功率、扭矩、转速范围,刀具以及刀具系统的配置情况。
(3)数控机床的定位精度和重复定位精度。
(4)零件的定位基准和装夹方式。
(5)机床坐标系和坐标轴的联动情况。
(6)控制系统的刀具参数设置,包括机床的对刀、刀具补偿以及ATC等相关的功能。
根据上述基本原则我们采用武汉华中数控股份有限公司独立研发的华中数控系统世纪之星CK6140型车床进行加工。
1西门子SINUMERIK802C或GSK980T系统,带有标准循环及自诊断功能,多种语言菜单;
2、模块结构,可通过RS232C借口与PG或PC连接;
3、主轴采用德国IBC高精密滚柱轴承支承,以保证主轴高速旋转时的精度。
主轴通孔直径φ52mm,转速达2100rpm;
4、全封闭结构,流线型设计;
5、刀架可选用四、六工位电动刀架或刀排;
6、高性价比,完善的售后服务。
。
3.3毛坯的选择及确定
零件毛坯的加工选择应具有如下要求:
满足设计使用需要、具有良好的经济性、良好的切削性、取材方便。
在制定工艺规程中正确的选择毛坯有着重大的经济意义,而且对零件机械加工工艺、设备和刀具的消耗以及工时定额也都有很大的影响。
毛坯的选择不仅要考虑经济性、实用性,还要考虑到现有的设备及工人的技术等级等。
因此,为正确选择毛坯需要毛坯制造和机械加工两方面紧密联系,以兼顾冷热加工两方面的要求。
●3.3.1常见毛坯的种类
常见毛坯的种类有五种:
铸件、锻件、型材、焊接件和冷冲压件。
在制订机械加工工艺规程时,正确选择合适的毛坯,对零件的加工质量、材料消耗和加工工时都有很大的影响。
显然毛坯的尺寸和形状越接近成品零件,
机械加工的劳动量就越少,但是毛坯的制造成本就越高,所以应根据生产纲领,综合考虑毛坯制造和机械加工的费用来确定毛坯,以求得最好的经济效益。
(1)铸件铸件适用于形状较复杂的零件毛坯。
其铸造方法有砂型铸造、精密铸造、金属型铸造、压力铸造等。
较常用的是砂型铸造,当毛坯精度要求低、生产批量较小时,采用木模手工造型法;当毛坯精度要求高、生产批量很大时,采用金属型机器造型法。
铸件材料有铸铁、铸钢及铜、铝等有色金属。
(2)锻件锻件适用于强度要求高、形状比较简单的零件毛坯。
其锻造方法有自由锻和模锻两种。
自由锻毛坯精度低、加工余量大、生产率低,适用于单件小批生产以及大型零件毛坯。
模锻毛坯精度高、加工余量小、生产率高,但成本也高,适用于中小型零件毛坯的大批大量生产。
(3)型材型材有热轧和冷拉两种。
热轧适用于尺寸较大、精度较低的毛坯;冷拉适用于尺寸较小、精度较高的毛坯。
(4)焊接件焊接件是根据需要将型材或钢板等焊接而成的毛坯件,它简单方便,生产周期短,但需经时效处理后才能进行机械加工。
(5)冷冲压件冷冲压件毛坯可以非常接近成品要求,在小型机械、仪表、轻工电子产品方面应用广泛。
但因冲压模具昂贵而仅用于大批大量生产。
●3.3.2毛坯的选择
本次设计为单件小批量生产,所以设计选材应从满足工件使用性、经济性和切削性、取材的方便性考虑。
单从经济性考虑毛坯的选择应使毛坯的形状和尺寸与零件尽量接近。
可以考虑选择铸件,但本次计为单件小批量生产,所以设计选材应从满足工件使用性、经济性和切削性、取材的方便性考虑,选择铸件虽满足工件的使用性和切削性能但从经济性考虑不经济,取材也不方便,所以铸铁件不作为首选。
毛坯选择时应考虑的因素有:
(1)零件材料及其力学性能;
(2)零件的结构结构形状与外形尺寸;
(3)生产类型;
(4)现在生产条件;
(5)充分考虑利用新工艺、新技术和新材料。
根据本次设计要求和选材原则可以考虑选用铝料。
3.4夹具的选择
在实际加工中能稳定地保证工件的加工精度。
(1)用夹具装夹工件时,工件相对于刀具及机床的位置精度由夹具保证,不受工人技术水平的影响,使一批工件的加工精度趋于一致。
(2)能减少辅助工时,提高劳动生产率
使用夹具装夹工件方便、快速,工件不需要划线找正,可显著地减少辅助工时;工件在夹具中装夹后提高了工件的刚性,可加大切削用量;可使用多件、多工位装夹工件的夹具,并可采用高效夹紧机构,进一步提高劳动生产率。
(3)能扩大机床的使用范围,实现一机多能
根据加工机床的成形运动,附以不同类型的夹具,即可扩大机床原有的工艺范围。
例如在车床的溜板上或摇臂钻床工作台上装上镗模,就可以进行箱体零件的镗孔加工。
因此,在实际加工中工件的定位也是非常重要的,在加工中夹具选择的是否合理直接影响到工件的精度、增加工人的劳动强度、加工成本严重时有可能造成工件报废、打刀或伤害到操作人员的人身安全等事故,所以,在实际加工中选择的夹具也是至关重要的,要求操作者对基本夹具及装夹方法有较深入的了解。
●3.4.1常见的装夹方式
(1)三爪自定心卡盘装夹这种卡盘能自动定心不必花费太多的时间找工正件,但在工件伸出较长的时候必须找正。
三爪卡盘装夹效率比四爪卡盘高,但加紧力没有四爪卡盘大,适合于装夹中小型工件。
(2)四爪单动卡盘装夹由于四爪单动卡盘的四个卡爪是各自独立运动的,因此卡盘没有自定心功能,必须通过找正,使工件的旋转中心与车床主轴的旋转中心重合,才能车削加工。
四爪单动卡盘加紧力较大,适用于装夹大型或形状不规则的工件。
(3)花盘花盘装夹适用车削大型盘类零件、外形比较复杂零件及被加工工件表面旋转轴线于基面垂直的工件,但在花盘加工时必须准备有附件如压板、平垫铁、方头螺钉等,并且,在装花盘和工件的时候都必须找正,夹紧力较小,而且工件及夹具系统复杂,运转向心力大,所以应采用低转速。
(4)一夹一顶装夹由于两顶尖装夹刚性较差,因此车削一般轴类零件,尤其是较重的工件时常采用一夹一顶装夹。
为防止工件的轴向位移,须在卡盘内装一限位支承,或利用工件的台阶轴作限位。
这种方法装夹工件的安装钢性好,轴向定位正确,且比较安全,能承受较大的切削力,使用于装夹较重、较长工件的场合。
(5)两顶尖装夹这种装夹方法比较方便,不须找正,装夹精度高,但承受切削力较小,适用于加工精度较高(如同轴度要求)、必须经过多次装夹才能加工好的较长工件或工序较多的工件。
所以选择花盘装夹夹紧比较合适。
3.5刀具的选择
主要取决于工序所采用的加工方法、加工表面的尺寸、工件材料、所要求的精度和表面粗糙度、生产率及经济性等,选择刀具时应尽可能采用标准刀具,必要时可采用高生产率的复合刀具和其他专用刀具。
而不同的工件材料要采用与之适应的刀具材料、刀片类型,要注意到可切削性。
可切削性良好的标志是,在高速切削下有效地形成切屑,同时具有较小的刀具磨损和较好的表面加工质量。
较高的切削速度、较小的背吃刀量和进给量,可以获得较好的表面粗糙度。
合理的恒切削速度、较小的背吃刀量和进给量可以得到较高的加工精度。
常见刀具材料性能见下表:
表2-1常用刀具材料的性能比较
刀具材料
切削速度
耐磨性
硬度
硬度随温度变化
高速钢
最低
最差
最差
最大
硬质合金
低
差
低
大
陶瓷刀片
中
中
中
中
金刚石
高
好
高
小
通过对各刀具材料的比较,由于本零件采用45刚,加之设备的限制,综合分析可采用硬质合金刀具加工工件
配合件1配合件2选择刀具类型如下表2-2:
表2-1
刀具
加工内容
90°外圆车刀
圆,外圆Φ26.6右端面,R3.7的圆弧
Φ18的钻头
钻孔以便镗孔
镗孔刀
Φ21.2深5mm的内孔,Φ25.6深14.6mm的内孔
切断刀
切断工件
4工艺路线
4.1切削参数的选择
数控编程时,编程人员必须确定每道工序的切削用量,并以指令的形式写入程序中,用程序来控制整个加工过程。
切削用量包括切削速度V、进给量f、切削深度ap(背吃刀量)。
对不同的加工方法,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,充分发挥刀具的切削性能;保证合理的刀具耐用度;充分发挥机床的性能,最大限度提高生产率和降低生产成本。
●4.1.1切削用量
根据机床、夹具、刀具和工件组成的工艺加工系统刚度来确定背吃刀量ap。
在工艺加工系统刚度允许的情况下,应以最少的切削次数切除加工余量,以提高生产效率。
当零件的加工精度要求较高时,在工艺加工系统刚度和机床功率允许的情况下,尽可能选取较大的背吃刀量,以减少切削次数,以提高生产效率。
当零件精度要求较高时,则应考虑留出精车余量,其所留的精车余量一般比普通车削时所留余量小,常取0.1~0.5㎜。
背吃刀量或侧吃刀量的选取主要由加工余量和对表面质量的要求决定。
进给量的确定:
工件在粗加工基本外形时采用硬质合金外圆刀由切削手册查得车工件直径为的35mm棒料时车刀刀杆尺寸为16x2.5mm背吃刀量小于等于3时进给量选择0.5—0.7(mm/r).由于本课题所用工件材料直径为35mm最接近,故参考工件直径为35的参数。
在加工工件右端尺寸为Φ25.6的粗糙度为R1.6经过切削手册查得切削速度为50到100(m/min)进给量为0.11到0.16(mm/r),这个参数的选用完全保证了其它面的技术要求。
由于右端面外圆表面粗糙度为R1.6当切削速度<50时进给量速0.18—0.25;当切削速度选>50时进给量选0.25—0.30。
进给速度粗车时,选取进给量f=0.4mm/r,精车时选取f=0.5mm/r,割据相关公式计算得:
粗车进给速度vf=200mm/min精车进给速度vf=180/min,车螺纹的进给量等于螺纹导程f=1.5mm/r。
●4.1.2切削用量的选择原则
数控车削加工中的切削用量包括背吃刀量ap、主轴转速n或切削速度vc(用于恒线速度切削)、进给速度vf或进给量f。
这些参数均应在机床给定的允许范围内选取。
车削加工主轴转速n应根据允许的切削速度v和工件直径d来选择。
切削速度可参考(3-1)选择。
表3-1硬质合金外圆车刀切削速度的参考值
工件材料
热处理状态
ap/㎜
(0.3,2)
(2,6)
(6,10)
f/(㎜.r-1)
(0.08,0.3)
(0.3,0.6)
(0.6,1)
vc(m.min-1)
低碳钢、易切钢
热轧
140-180
100-120
70-90
中碳钢
热轧
130-160
90-110
60-80
调质
100-130
70-90
50-70
合金结构钢
热轧
100-130
70-90
50-70
调质
80-110
50-70
40-60
工具钢
退火
90-120
60-80
50-70
灰铸铁
HBS<190
90-120
60-80
50-70
HBS=190-225
80-110
50-70
40-60
高锰钢
10-20
铜及铜合金
200-250
120-180
90-120
铝及铝合金
300-600
200-400
150-200
铸铝合金(wsi13%)
100-180
80-150
60-100
注:
切削钢及灰铸铁时刀具耐用度约为60mm。
进给转速Vf是数控机床切削用量的重要参数,其大小直接影响表面粗糙度值和车削效率。
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钢度和进给系统的性能限制。
确定进给速度的原则如下。
a.当工件的质量要求能够得到保证时,为提高生产效率
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