阀门数控专业毕业设计.docx
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阀门数控专业毕业设计
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数控专业毕业设计(论文)任务书
2007年3月5日至2007年6月4日
题目:
阀体的数控加工
姓名:
肖源
学院:
福州大学工程技术学院
专业:
数控加工技术
年级:
04级
指导教师:
(签名)
系主任(或教研室主任):
(签章)
目录
1.数控加工的概念
2.数控机床的特点1
3.数控机床在使用中的注意事项3
4.国内外数控发展的趋势3
5.阀体的数控加工实例10
5.1阀体的零件图10
5.2阀体加工工艺的比较及刀具的选择11
5.3阀体的加工路线14
5.4阀体的加工工序卡15
5.5阀体的加工程序23
6.结束语29
7.参考文献30
一、数控加工的概念
数控机床的工作原理就是将加工过程所需的各种操作(如主轴变速、工件的松开与夹紧、进刀与退刀、开车与停车、自动关停冷却液)和步骤以及工件的形状尺寸用数字化的代码表示,通过控制介质(如穿孔纸带或磁盘等)将数字信息送入数控装置,数控装置对输入的信息进行处理与运算,发出各种控制信号,控制机床的伺服系统或其他驱动元件,使机床自动加工出所需要的工件。
所以,数控加工的关键是加工数据和工艺参数的获取,即数控编程。
数控加工一般包括以下几个内容:
(1)对图纸进行分析,确定需要数控加工的部分;
(2)利用图形软件(如CAXA制造工程师)对需要数控加工的部分造型;
(3)根据加工条件,选择合适的加工参数,生成加工轨迹(包括粗加工、半精加工、精加工轨迹);
(4)轨迹的仿真检验;
(5)生成G代码;
(6)传给机床加工。
二、数控机床的特点
(1)具有高度柔性
在数控机床上加工零件,主要取决于加工程序,它与普通机床不同,不必制造、更换许多工具、夹具,不需要经常调整机床。
因此,数控机床适用于零件频繁更换的场合。
也就是适合单件、小批生产及新产品的开发,缩短了生产准备周期,节省了大量工艺设备的费用。
(2)加工精度高
数控机床的加工精度,一般可达到0.005~0.1mm,数控机床是按数字信号形式控制的,数控装置每输出一个脉冲信号,则机床移动部件移动一个脉冲当量
(一般为0.001mm),而且机床进给传动链的反向间隙与丝杠螺距平均误差可由数控装置进行补偿,因此,数控机床定位精度比较高。
(3)加工质量稳定、可靠
加工同一批零件,在同一机床,在相同加工条件下,使用相同刀具和加工程序,刀具的走刀轨迹完全相同,零件的一致性好,质量稳定。
(4)生产率高
数控机床可有效地减少零件的加工时间和辅助时间,数控机床的主轴转速和进给量的范围大,允许机床进行大切削量的强力切削,数控机床目前正进入高速加工时代,数控机床移动部件的快速移动和定位及高速切削加工,减少了半成品的工序间周转时间,提高了生产效率。
(5)改善劳动条件
数控机床加工前经调整好后,输入程序并启动,机床就能自动连续的进行加工,直至加工结束。
操作者主要是程序的输入、编辑、装卸零件、刀具准备、加工状态的
观测,零件的检验等工作,劳动强度极大降低,机床操作者的劳动趋于智力型工作。
另外,机床一般是封闭式加工,即清洁,又安全。
(6)利于生产管理现代化
数控机床的加工,可预先精确估计加工时间,所使用的刀具、夹具可进行规范化、现代化管理。
数控机床使用数字信号与标准代码为控制信息,易于实现加工信息的标准化,目前已与计算机辅助设计与制造(CADCAM)有机地结合起来,是现代集成制造技术的基础。
三、数控机床使用中应注意的事项
使用数控机床之前,应仔细阅读机床使用说明书以及其他有关资料,以便正确操作使用机床,并注意以下几点:
(1)机床操作、维修人员必须是掌握相应机床专业知识的专业人员或经过技术培训的人员,且必须按安全操作规程及安全操作规定操作机床;
(2)非专业人员不得打开电柜门,打开电柜门前必须确认已经关掉了机床总电源开关。
只有专业维修人员才允许打开电柜门,进行通电检修;
(3)除一些供用户使用并可以改动的参数外,其它系统参数、主轴参数、伺服参数等,用户不能私自修改,否则将给操作者带来设备、工件、人身等伤害;
(4)修改参数后,进行第一次加工时,机床在不装刀具和工件的情况下用机床锁住、单程序段等方式进行试运行,确认机床正常后再使用机床;
(5)机床的PLC程序是机床制造商按机床需要设计的,不需要修改。
不正确的修改,操作机床可能造成机床的损坏,甚至伤害操作者;
(6)建议机床连续运行最多24小时,如果连续运行时间太长会影响电气系统和部分机械器件的寿命,从而会影响机床的精度;
(7)机床全部连接器、接头等,不允许带电拔、插操作,否则将引起严重的后果。
四、国内外数控发展的趋势:
20世纪人类社会最伟大的科技成果是计算机的发明与应用,计算机及控制技术在机械制造设备中的应用是世纪内制造业发展的最重大的技术进步。
自从1952年美国第1台数控铣床问世至今已经历了50个年头。
数控设备包括:
车、铣、加工中心、镗、磨、冲压、电加工以及各类专机,形成庞大的数控制造设备家族,每年全世界的产量有10~20万台,产值上百亿美元。
世界制造业在20世纪末的十几年中经历了几次反复,曾一度几乎快成为夕阳工业,所以美国人首先提出了要振兴现代制造业。
90年代的全世界数控机床制造业都经过重大改组。
如美国、德国等几大制造商都经过较大变动,从90年代初开始已出现明显的回升,在全世界制造业形成新的技术更新浪潮。
如德国机床行业从2000年至今已接受3个月以后的订货合同,生产任务饱满。
我国数控机床制造业在80年代曾有过高速发展的阶段,许多机床厂从传统产品实现向数控化产品的转型。
但总的来说,技术水平不高,质量不佳,所以在90年代初期面临国家经济由计划性经济向市场经济转移调整,经历了几年最困难的萧条时期,那时生产能力降到50%,库存超过4个月。
从1995年“九五”以后国家从扩大内需启动机床市场,加强限制进口数控设备的审批,投资重点支持关键数控系统、设备、技术攻关,对数控设备生产起到了很大的促进作用,尤其是在1999年以后,国家向国防工业及关键民用工业部门投入大量技改资金,使数控设备制造市场一派繁荣。
从2000年8月份的上海数控机床展览会和2001年4月北京国际机床展览会上,也可以看到多品种产品的繁荣景象。
但也反映了下列问题:
(1)低技术水平的产品竞争激烈,互相靠压价促销;
(2)高技术水平、全功能产品主要靠进口;
(3)配套的高质量功能部件、数控系统附件主要靠进口;
(4)应用技术水平较低,联网技术没有完全推广使用;
(5)自行开发能力较差,相对有较高技术水平产品主要靠引进图纸、合资生产或进口件组装。
当今世界工业国家数控机床的拥有量反映了这个国家的经济能力和国防实力。
目前我国是全世界机床拥有量最多的国家(近300万台),但我们的机床数控化率仅达到1.9%左右,这与西方工业国家一般能达到20%的差距太大。
日本不到80万台的机床却有近10倍于我国的制造能力。
数控化率低,已有数控机床利用率、开动率低,这是发展我国21世纪制造业必须首先解决的最主要问题。
每年我们国产全功能数控机床3000~4000台,日本1年产5万多台数控机床,每年我们花十几亿美元进口7000~9000台数控机床,即使这样我国制造业也很难把行业中数控化率大幅度提上去。
因此,国家计委、经贸委从“八五”、“九五”就提出数控化改造的方针,在“九五”期间,我协会也曾做过调研。
当时提出数控化改造的设备可达8~10万台,需投入80~100亿资金,但得到的经济效益将是投入的5~10倍以上。
因此,这两年来承担数控化改造的企业公司大量涌现,甚至还有美国公司加入。
“十五”刚刚开始,国防科工委就明确提出了在军工企业中投入6.8亿元,用于对1.2~1.8万台机床的数控化改造。
数控技术经过50年的2个阶段和6代的发展:
第1阶段:
硬件数控(NC)第1代:
1952年的电子管第2代:
1959年晶体管分离元件第3代:
1965年的小规模集成电路
第2阶段:
软件数控(CNC)第4代:
1970年的小型计算机第5代:
1974年的微处理器第6代:
1990年基于个人PC机(PC-BASEO)第6代的系统优点主要有:
(1)元器件集成度高,可靠性好,性能高,可靠性已可达到5万小时以上;
(2)基于PC平台,技术进步快,升级换代容易;
(3)提供了开放式基础,可供利用的软、硬件资源丰富,使数控功能扩展到很宽的领域(如CAD、CAM、CAPP,连接网卡、声卡、打印机、摄影机等);
(4)对数控系统生产厂来说,提供了优良的开发环境,简化了硬件。
目前,国际上最大的数控系统生产厂是日本FANUC公司,1年生产5万套以上系统,占世界市场约40%左右,其次是德国的西门子公司约占15%以上,再次是德海德汉尔,西班牙发格,意大利菲地亚,法国的NUM,日本的三菱、安川。
国产数控系统厂家主要有华中数控、北京航天机床数控集团、北京凯恩帝、北京凯奇、沈阳艺天、广州数控、南京新方达、成都广泰等,国产数控生产厂家规模都较小,年产都还没有超过300~400套。
近10年数控机床为适应加工技术发展,在以下几个技术领域都有巨大进步。
(1)高速化由于高速加工技术普及,机床普遍提高各方面速度,车床主轴转速由3000~4000rmin提高到8000~10000rmin,铣床和加工中心主轴转速由4000~8000rmin提高到12000rmin、24000rmin、40000rmin以上快速移动速度由过去的10~20mmin提高到48mmin、60mmin、80mmin、120mmin在提高速度的同时要求提高运动部件起动的加速度,其已由过去一般机床的0.5G(重力加速度)提高到1.5~2G,最高可达15G,直线电机在机床上开始使用,主轴上大量采用内装式主轴电机。
(2)高精度化数控机床的定位精度已由一般的0.01~0.02mm提高到0.008mm左右,亚微米级机床达到0.0005mm左右,纳米级机床达到0.005~0.01μm,最小分辨率为1nm(0.000001mm)的数控系统和机床已有产品。
数控中两轴以上插补技术大大提高,纳米级插补使两轴联动出的圆弧都可以达到1μ的圆度,插补前多程序段预读,大大提高插补质量,并可进行自动拐角处理等。
(3)复合加工、新结构机床大量出现如5轴5面体复合加工机床,5轴5联动加工各类异形零件。
也派生出各新颖的机床结构,包括6轴虚拟轴机床,串并联铰链机床等。
采用特殊机械结构,数控的特殊运算方式,特殊编程要求。
(4)使用各种高效特殊功能的刀具使数控机床“如虎添翼”。
如内冷钻头由于使高压冷却液直接冷却钻头切削刃和排除切屑,在钻深孔时大大提高效率。
加工钢件切削速度能达1000mmin,加工铝件能达5000mmin。
(5)数控机床的开放性和联网管理,已是使用数控机床的基本要求,它不仅是提高数控机床开动率、生产率的必要手段,而且是企业合理化、最佳化利用这些制造手段的方法。
因此,计算机集成制造、网络制造、异地诊断、虚拟制造、异行工程等等各种新技术都在数控机床基础上发展起来,这必然成为21世纪制造业发展的一个主要潮流。
从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看,其主要研究热点有以下几个方面。
1.高速、高精加工技术及装备的新趋势
效率、质量是先进制造技术的主体。
高速、高精加工技术可极大地提高效率,提高产品的质量和档次,缩短生产周期和提高市场竞争能力。
为此日本先端技术研究会将其列为5大现代制造技术之一,国际生产工程学会(CIRP)将其确定为21世纪的中心研究方向之一。
在轿车工业领域,年产30万辆的生产节拍是40秒辆,而且多品种加工是轿车装备必须解决的重点问题之一;在航空和宇航工业领域,其加工的零部件多为薄壁和薄筋,刚度很差,材料为铝或铝合金,只有在高切削速度和切削力很小的情况下,才能对这些筋、壁进行加工。
近来采用大型整体铝合金坯料“掏空”的方法来制造机翼、机身等大型零件来替代多个零件通过众多的铆钉、螺钉和其他联结方式拼装,使构件的强度、刚度和可靠性得到提高。
这些都对加工装备提出了高速、高精和高柔性的要求。
从EMO2001展会情况来看,高速加工中心进给速度可达80mmin,甚至更高,空运行速度可达100mmin左右。
目前世界上许多汽车厂,包括我国的上海通用汽车公司,已经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床。
美国CINCINNATI公司的HyperMach机床进给速度最大达60mmin,快速为100mmin,加速度达2g,主轴转速已达60000rmin。
加工一薄壁飞机零件,只用30min,而同样的零件在一般高速铣床加工需3h,在普通铣床加工需8h;德国DMG公司的双主轴车床的主轴速度及加速度分别达12*!
000rmm和1g。
在加工精度方面,近10年来,普通级数控机床的加工精度已由10μm提高到5μm,精密级加工中心则从3~5μm,提高到1~1.5μm,并且超精密加工精度已开始进入纳米级(0.01μm)。
在可靠性方面,国外数控装置的MTBF值已达6000h以上,伺服系统的MTBF值达到30000h以上,表现出非常高的可靠性。
为了实现高速、高精加工,与之配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发展,应用领域进一步扩大。
2.5轴联动加工和复合加工机床快速发展
采用5轴联动对三维曲面零件的加工,可用刀具最佳几何形状进行切削,不仅光洁度高,而且效率也大幅度提高。
一般认为,1台5轴联动机床的效率可以等于2台3轴联动机床,特别是使用立方氮化硼等超硬材料铣刀进行高速铣削淬硬钢零件时,5轴联动加工可比3轴联动加工发挥更高的效益。
但过去因5轴联动数控系统、主机结构复杂等原因,其价格要比3轴联动数控机床高出数倍,加之编程技术难度较大,制约了5轴联动机床的发展。
当前由于电主轴的出现,使得实现5轴联动加工的复合主轴头结构大为简化,其制造难度和成本大幅度降低,数控系统的价格差距缩小。
因此促进了复合主轴头类型5轴联动机床和复合加工机床(含5面加工机床)的发展。
在EMO2001展会上,新日本工机的5面加工机床采用复合主轴头,可实现4个垂直平面的加工和任意角度的加工,使得5面加工和5轴加工可在同一台机床上实现,还可实现倾斜面和倒锥孔的加工。
德国DMG公司展出DMUVoution系列加工中心,可在一次装夹下5面加工和5轴联动加工,可由CNC系统控制或CADCAM直接或间接控制。
3.智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势
21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统,智能化的内容包括在数控系统中的各个方面:
为追求加工效率和加工质量方面的智能化,如加工过程的自适应控制,工艺参数自动生成;为提高驱动性能及使用连接方便的智能化,如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等;简化编程、简化操作方面的智能化,如智能化的自动编程、智能化的人机界面等;还有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。
为解决传统的数控系统封闭性和数控应用软件的产业化生产存在的问题。
目前许多国家对开放式数控系统进行研究,如美国的NGC(TheNextGenerationWork-StationMachineControl)、欧共体的OSACA(OpenSystemArchitectureforControlwithinAutomationSystems)、日本的OSEC(OpenSystemEnvironmentforController),中国的ONC(OpenNumericalControlSystem)等。
数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。
所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上,面向机床厂家和最终用户,通过改变、增加或剪裁结构对象(数控功能),形成系列化,并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中,快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统,形成具有鲜明个性的名牌产品。
目前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。
网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。
数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求,也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。
国内外一些著名数控机床和数控系统制造公司都在近两年推出了相关的新概念和样机,如在EMO2001展中,日本山崎马扎克(Mazak)公司展出的“CyberProductionCenter”(智能生产控制中心,简称CPC);日本大隈(Okuma)机床公司展出“ITplaza”(信息技术广场,简称IT广场);德国西门子(Siemens)公司展出的OpenManufacturingEnvironment(开放制造环境,简称OME)等,反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势。
4.重视新技术标准、规范的建立
(1)关于数控系统设计开发规范
如前所述,开放式数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性,美国、欧共体和日本等国纷纷实施战略发展计划,并进行开放式体系结构数控系统规范(OMAC、OSACA、OSEC)的研究和制定,世界3个最大的经济体在短期内进行了几乎相同的科学计划和规范的制定,预示了数控技术的一个新的变革时期的来临。
我国在2000年也开始进行中国的ONC数控系统的规范框架的研究和制定。
(2)关于数控标准
数控标准是制造业信息化发展的一种趋势。
数控技术诞生后的50年间的信息交换都是基于ISO6983标准,即采用G,M代码描述如何(how)加工,其本质特征是面向加工过程,显然,他已越来越不能满足现代数控技术高速发展的需要。
为此,国际上正在研究和制定一种新的CNC系统标准ISO14649(STEP-NC),其目的是提供一种不依赖于具体系统的中性机制,能够描述产品整个生命周期内的统一数据模型,从而实现整个制造过程,乃至各个工业领域产品信息的标准化。
STEP-NC的出现可能是数控技术领域的一次革命,对于数控技术的发展乃至整个制造业,将产生深远的影响。
首先,STEP-NC提出一种崭新的制造理念,传统的制造理念中,NC加工程序都集中在单个计算机上。
而在新标准下,NC程序可以分散在互联网上,这正是数控技术开放式、网络化发展的方向。
其次,STEP-NC数控系统还可大大减少加工图纸(约75%)、加工程序编制时间(约35%)和加工时间(约50%)。
目前,欧美国家非常重视STEP-NC的研究,欧洲发起了STEP-NC的IMS计划(1999.1.1~2001.12.31)。
参加这项计划的有来自欧洲和日本的20个CADCAMCAPPCNC用户、厂商和学术机构。
美国的STEPTools公司是全球范围内制造业数据交换软件的开发者,他已经开发了用作数控机床加工信息交换的超级模型(SuperModel),其目标是用统一的规范描述所有加工过程。
目前这种新的数据交换格式已经在配备了SIEMENS、FIDIA以及欧洲OSACA-NC数控系统的原型样机上进行了验证。
五、阀体的数控加工实例
接下来我将结合工厂的加工工艺和加工步骤对阀体进行加工分析。
本次的毛胚为:
铸件
毛胚的材料为:
铝
生产的方式为:
大批量生产
5.1、阀体零件的图形如下:
图1阀体零件图
5.2加工工艺分析比较
以下流程图是我将学校所学知识结合工厂见闻编制加工工艺流程(图2)。
图2加工流程图
分析:
1、选择刀具的大小。
在学校里学习时在选择刀具这一块老师有讲过,告诉我们刀具怎么创建,或者从哪里调出来,具体我们对刀具没有什么研究。
而出来以后才发现选择刀具的大小也是一门学问,刀具选得好不好直接影响加工的效率和加工的质量。
比如说粗加工刀具的选择:
学习的时候都是随便选择一把刀就用于进行计算了,而工件的大小就不管了。
在工厂实际加工中,一般粗加工会把毛坯上大部分材料以最高的效率清除,所以粗加工会选择尽量大的刀具。
刀具的大小取决于毛坯的大小,所以选择刀具的大小之前要先分析工件的大小,才不致于出现30*30MM的工件先用20的平刀。
此产品经过分析采用直径为60的面铣刀作为平面B的精加工,其它刀具的选择如下:
数控刀具明细表
零件图号
零件名称
材料
数控刀具明细表
程序编号
使用设备
阀体
铝
刀具
刀补地址
换刀方式
加工部位
刀号
刀
位
号
刀具名称
刀具图号
直径
长度
直径
长度
自动
直径
补偿
设定
01
1
直径为60的面铣刀
60
正向偏置
G43
无
01
自动
精加工平面B
02
2
麻花钻Ф16
16
正向偏置
G43
无
02
自动
钻16的孔
03
3
扩孔钻Ф17.0
17
正向偏置
G43
无
03
自动
扩孔17
04
4
铰刀Ф18
18
正向偏置
G43
无
04
自动
铰Ф18的孔
05
5
铣刀Ф5
5
正向偏置
G43
01
05
自动
精铣槽J
06
6
铣刀Ф10
10
正向偏置
G43
02
06
自动
精铣槽H
07
7
面铣刀Ф20
20
正向偏置
G43
无
07
自动
精铣面E
08
8
镗刀Ф24
24
正向偏置
G43
无
08
自动
半精加工孔b
09
9
丝锥M30
30
正向偏置
G43
无
09
自动
攻螺纹M30X1.5
10
10
丝锥
正向偏置
G43
无
10
自动
攻螺纹
11
11
倒角刀
正向偏置
G43
无
11
自动
倒角
12
12
偏刀
01
自动
加工右端面
13
13
镗孔刀
02
自动
精车孔b、d
2、加工工艺比较。
对于精度要求不是很高的一般过程是:
先进行粗加工
3、分析工件的最小圆角。
工件的最小圆角和圆角多少是决定加工成本的一个重要因素。
圆角越小、越多,被吃刀量就要越小,进给速度也就越小,加工时间就越长。
所以事先对图档中的圆角分析是很重要的一块。
它还决定精加工和清角的时候应该选择多大的刀,一般时候精加工的时候我们会选择一把接近大部份圆角半径的球刀,最后清角只要清除一小部分残料就可以了,当然不能说所有的圆角都非常小,如果这样的话我们会选择一把加工速度比较快的刀具,最后再来清角。
4、精加工。
在学习的时候只学习精加工有哪些方法和详细介绍各种精加工的方法。
但实际加工中只知道这一些还是不够的,实际加工中我们经常把一个工件分成几个部分分别加工。
一般分成以下几个部分:
1)平面;2)垂直面;3)、浅平面;4)陡斜面;5)角落。
在精加工的时候把它分别拿出来加工:
平面会用一把平刀用平行铣削来加工;垂直面也会用一把平刀用环绕等距来加工;浅平面用一把球刀用平行铣销来加工;陡斜面用一把球刀用等高外形来
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