零件数控加工工艺分析及工艺装备设计可行性研究报告.docx

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零件数控加工工艺分析及工艺装备设计可行性研究报告

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摘要

高效率、高精度加工是数控机床加工最主要特点之一。

利用数控机床加工，其产品加工的质量一致性好，加工精度和效率均比普通机床高出很多，尤其在轮廓不规则、复杂的曲线或曲面、多工艺复合化加工和高精度要求的产品加工时，其优点是传统机床所无法比拟的。

本课题对异性体、复杂的曲线、多工艺复合化加工进行探索，设计出三种切实可行的工艺流程及工艺装备。

在产品的加工过程中，工件在夹具内的定位和夹紧显得特别重要。

须根据六点定位对产品进行合理的定位，欠定位、完全定位还是过定位都须根据实际的生产过程决定。

夹具是涵盖了从加工到组装的几乎所有操作过程的一种装夹设备。

由于大量的加工操作需要装夹，夹具设计在制造系统中就变得非常重要，它直接影响加工质量，生产率和制造成本。

本文通过分析支承套的结构特点和加工要求，制定了一套较合理的夹具设计，从而为保证该零件的加工精度将提供一种经济实用的工艺装备，具有一定的实用价值。

通过对各种定位夹紧装置的分析比较，选择并组合了一套既能够满足加工要求的，又比较简洁的装置，并对各工步进行数控编程。

关键词：

数控加工，工艺流程，工艺装备，夹具设计

摘要…………………………………………………………………………1

ABSTRACT……………………………………………………………………2

0引言………………………………………………………………………4

1数控加工技术概述………………………………………………………5

1．1数控加工技术的发展…………………………………………………5

1．2数控加工工艺的特点…………………………………………………6

1．3数控机床与普通机床相比具有的优越性……………………………7

2夹具设计过程……………………………………………………………9

2．1设计夹具的目的………………………………………………………9

2．2夹具的分类…………………………………………………………10

2．3专用夹具的组成……………………………………………………12

2．4典型的定位元件……………………………………………………13

2．5夹具中的夹紧机构…………………………………………………16

2．6夹具的发展趋势……………………………………………………17

3机械加工工艺规程的制定……………………………………………19

3．1机械加工工艺规程的作用…………………………………………20

3．2机械加工工艺规程的制定程序……………………………………20

3．3毛坯的选择…………………………………………………………21

3．4定位基准的选择……………………………………………………22

3．5零件表面加工方法的选择…………………………………………24

3．6加工顺序的安排……………………………………………………25

4．1支承套………………………………………………………………27

4．1．1零件加工工艺分析………………………………………………27

4．1．2毛坯的选择………………………………………………………28

4．1．3数控加工工艺分析及工序设计…………………………………31

4．1．4夹具设计…………………………………………………………34

5结论……………………………………………………………………36

6致谢……………………………………………………………………37

参考文献…………………………………………………………………38

附录1……………………………………………………………………39

引言

随着科技的进步，机械制造业也正日新月异地变化着，对机械产品的要求也日趋严格，特别是在加工精度方面。

为了保证产品的精度要求，必须协调产品加工中的每一个方面，因为任一方面的误差累积起来，将对产品的精度产生间接的影响。

制造业中尤其是机械制造业，在产品生产过程中按照特定工艺，不论其生产规模如何，都需要种类繁多的工艺装备，而制造业产品的质量、生产率、成本无不与工艺装备有关。

随着不规则形状零件在现代制造业中的广泛应用，如何保证这类零件的加工精度就显得尤为重要。

高效率、高精度加工是数控机床加工最主要特点之一。

数控加工取代传统加工占据生产制造的主导地位已成为一种趋势，但由于历史的原因，传统的加工设备与先进的数控机床并存，是目前乃至今后很长一段时期内大多数制造企业的设备现状。

如何从工艺的角度根据各企业的设备现状、产品生产规模、零件结构形式与加工精度要求等方面来合理地进行产品工艺方案设计，充分发挥企业现有数控设备与传统设备的加工效率，使企业设备资源与人力资源得到充分利用，需要从多个方面来探讨。

其中数控编程系统正向集成化，网络化和智能化方向发展。

1数控加工技术概述

1.1数控加工技术的发展

数控加工的发展趋势是高速和精密，另一个发展趋势是完整加工，即在一台机床上完成复杂零件的全部加工工序。

数控加工中的程序编制也随着数控机床的更新而改变。

50年代，MIT设计了一种专门用于机械零件数控加工程序编制的语言，称为APT（AutomaticallyProgrammedTool）。

其后，APT几经发展，形成了诸如APTII、APTIII（立体切削用）、APT（算法改进，增加多坐标曲面加工编程功能）、APTAC（Advancedcontouring）（增加切削数据库管理系统）和APT/SS（SculpturedSurface）（增加雕塑曲面加工编程功能）等先进版。

采用APT语言编制数控程序具有程序简练，走刀控制灵活等优点，使数控加工编程从面向机床指令的“汇编语言”级，上升到面向几何元素.APT仍有许多不便之处：

采用语言定义零件几何形状，难以描述复杂的几何形状，缺乏几何直观性；缺少对零件形状、刀具运动轨迹的直观图形显示和刀具轨迹的验证手段；难以和CAD数据库和CAPP系统有效连接；不容易作到高度的自动化，集成化。

针对APT语言的缺点，1978年，法国达索飞机公司开始开发集三维设计、分析、NC加工一体化的系统，称为CATIA。

随后很快出现了像EUCLID，UGII，INTERGRAPH，MasterCAM，Pro/Engineering及NPU/GNCP等系统，这些系统都有效的解决了几何造型、零件几何形状的显示，交互设计、修改及刀具轨迹生成，走刀过程的仿真显示、验证等问题，推动了CAD和CAM向一体化方向发展。

到了80年代，在CAD/CAM一体化概念的基础上，逐步形成了计算机集成制造系统（CIMS）及并行工程（CE）的概念。

目前，为了适应CIMS及CE发展的需要，数控编程系统正向集成化，网络化和智能化方向发展。

1.2数控加工工艺的特点

数控加工工艺具有以下特点：

（1）数控机床加工精度高。

一般只需一次加工即能达到加工部位的精度，而不需分粗加工、精加工。

（2）在数控机床上工件一次装夹，可以进行多个部位的加工，有时甚至可完成工件的全部加工内容。

（3）由于刀具库或刀架上装有几把甚至更多的备用刀具，因此，在数控机床上加工工件时刀具的配置、安装与使用不需要中断加工过程，使加工过程连续。

（4）根据数控机床加工时工件装夹特点与刀具配置、使用的特点区别于普通机床加工时的情况，工件的各部位的数控加工顺序可能与普通、机床上加工工件的顺序也有很大的区别。

此外根据数控机床高速、高效、高精度、高自动化等特点，数控加工还具有以下工艺特点：

1）切削量用比普通机床大。

2）工序相对集中。

3）较多地使用自动换刀（ATC）。

4）首件需试切削。

5）工艺内容更具体更详细，工艺要求更严密更精确。

高效率、高精度加工是数控机床加工最主要特点之一。

利用数控机床加工，其产品加工的质量一致性好，加工精度和效率均比普通机床高出很多，尤其是在轮廓不规则、复杂空间曲面、多工艺复合化加工和高精度要求的产品加工时，其优点是传统机床所无法比拟的。

数控加工另一个特点是产品装夹定位灵活，同一产品零件可能有多种加工方案。

然而正是其灵活性和高精度要求对其高效应用带来了的局限性，如存在数控程序的编制、刀具工装夹具的准备周期长等不利因素。

数控工艺的合理性与高质量数控程序的快速编制是限制数控加工的瓶颈问题之一。

数控加工的成本相对较高也是制约其广泛应用的一个因素。

数控加工对技术人员的水平要求相当高，数控工艺和程序的质量是保证产品加工质量合格最主要和最关键的因素。

数控加工时，产品的质量完全靠数控工艺和数控程序来保证。

产品加工的具体细节在进行工艺设计和程序编制时必须全面考虑，只有设计正确才能保证产品加工的质量要求。

在数控加工朝高速、超高速和复合化加工方向发展的趋势下，对技术人员就提出了更高的要求。

1.3数控机床与普通机床相比具有的优越性

普通机床加工时，其加工成本相对较低，工序较长，且工步中很多具体细节由技术工人来完成，对技术工人的水平要求相对较高。

数控机床加工工艺相比较普通机床加工工艺的优越性有以下几点：

（1）数控加工工艺的“内容十分具体、工艺设计工作相当严密”。

数控机床加工工艺与普通机床加工工艺相比较，由于采用数控机床加工具有加工工序少，所需专用工装数量少等特点，克服了普通传动工艺方法的弱点，一般说来，数控加工的工序内容要比普通机床加工的工序内容复杂。

从编程来看，加工程序的编制要比普通机床编制工艺规程复杂。

（2）数控加工的工艺“复合性”。

采用数控加工后，工件在一次装夹下能完成镗、铣、铰、攻丝等多种加工，因此，数控加工工艺具有复合性特点，也可以说数控加工工艺的工序把传统工艺中的工序“集成”了，这使得零件加工所需的专用夹具数量大为减少，零件装夹次数及周转时间也大大减少了，从而使零件的加工精度和生产效率有了较大的提高。

数控加工工艺设计是对工件进行数控加工的前期工艺准备工作，无论是手工编程还是自动编程，这项工作必须在程序编制工作以前完成。

为了优化数控程序设计、提高编程效率、合理使用数控机床，我们有必要对数控加工工艺设计等技术问题加以分析、研究，以做好数控机床加工前的技术准备工作。

数控加工取代传统加工占据生产制造的主导地位已成为一种趋势，但由于历史的原因，传统的加工设备与先进的数控机床并存，是目前乃至今后很长一段时期内大多数制造企业的设备现状。

如何从工艺的角度根据各企业的设备现状、产品生产规模、零件结构形式与加工精度要求等方面来合理地进行产品工艺方案设计，充分发挥企业现有数控设备与传统设备的加工效率，使企业设备资源与人力资源得到充分利用，需要从多个方面来探讨。

数控工艺与普通工艺结合的好坏直接影响到数控机床与普通机床加工效率的发挥，进而影响到生产计划任务的完成。

提高产品机械加工工艺与数控程序的编制质量，是早日实现制造业产品的高精度、高效率、高质量加工必需解决的问题之一。

因此，寻求传统加工工艺与数控加工工艺的合理衔接途径与措施，对于提高企业的经济效益是非常有意义的。

数控工艺与普通工艺结合的途径和措施，具体可从以下几个方面来实施：

（1）产品的设计状态与生产批量。

（2）粗精加工与加工精度的结合。

（3）精密设备与一般设备的结合。

（4）加工工种之间的结合。

（5）技术交流和技术创新相结合。

2.夹具设计过程

2.1设计夹具的目的

在机械制造的机械加工、检验、装配、焊接和热处理等冷、热工艺过程中，使用着大量的夹具。

所谓夹具就是一切用来固定加工对象，使之占有正确位置，接受施工或者检测的装置。

在机械制造中采用大量的夹具，机床夹具就是夹具中的一种。

它装在机床上，使工件相对刀具与机床保持正确的相对位置，并能承受切削力的作用。

机床夹具的作用主要有以下几个方面：

较容易、较稳定地保证加工精度，因为用夹具装夹工件时，工件相对机床（刀具）的位置由夹具来保证，基本不受工人技术水平的影响，因而能较容易、较稳定地保证工件的加工精度；提高劳动生产率，因为采用夹具后，工件不需要划线找正，装夹也方便迅速，显著地减少了辅助时间，提高了劳动生产率；扩大机床的使用范围，因为使用专用夹具可以改变机床的用途、扩大机床的使用范围，例如，在在车床或摇臂转床上安装镗模夹具后，就可以对箱体孔系进行镗削加工；改善劳动条件、保证生产安全，因为使用专用机床夹具可以减轻工人的劳动强度、改善劳动条件，降低对工人操作技术水平的要求，保证安全。

2.2夹具的分类

（1）通用夹具

通用夹具是指已经标准化的，在一定范围内可用于加工不同工件的夹具。

例如，车床上的三爪卡盘和四爪卡盘、顶尖和鸡心夹头；铣床上的平口钳、分度头和回转工作台等。

它们有很大的通用性，无需调整或稍加调整就可以用于装夹不同的工件。

这类夹具一般已经标准化。

由专业工厂生产，作为机床附件供应给用户。

（2）专用夹具

专用夹具是指专为某一工件的某道工序的加工而专门设计的夹具，具有结构紧凑，操作迅速、方便等优点。

专用夹具通常由使用厂根据要求自行设计和制造，适用于产品固定且批量较大的生产中。

（3）组合夹具

组合夹具是在机床夹具零部件标准化的基础上，由一整套预先制造好的，具有各种不同形状、不同规格尺寸的标准元件和合件，按照组合化的原理，针对工件的加工要求组装成各种专用夹具。

夹具使用完毕后，可以拆卸，留待组装新夹具时使用。

组合夹具的应用范围十分广泛。

它最适合于品种多、产品变化快、新产品试制和单件小批生产等场合，在批量生产中也可利用组合夹具代替临时短缺的专用夹具，以满足生产要求。

用组合夹具元件可以组装成各类机床夹具。

数控机床和柔性制造单元的出现，更加推动了组合夹具技术的进步，扩大了组合夹具的应用范围。

组合夹具具有以下特点：

组合夹具元件可供多次使用，但其一旦组装成某个夹具后，该夹具结构仍属专用性，只能一次使用。

当变换加工对象时，一般仍需全部拆开，重新组装成新夹具结构，以满足新工件的加工要求。

和专用夹具不一样，组合夹具的最终精度，是靠各组成元件的精度，直接组合来保证的，不允许进行任何补充加工，否则无法保证元件的互换性。

由于组合夹具是由各标准元件组合起来的，因此刚性较差，尤其是元件连接的结合面接触刚度，对加工精度影响较大。

一般组合夹具的外形尺寸较大，不及专用夹具那样紧凑。

这种夹具不受生产类型的限制，可以随时组装，以应生产之急。

（4）拼装夹具

拼装夹具是指按某一工件的某道工序的加工要求，由标准化、系列化的夹具元件，直接按专用夹具的装配方法（销钉定位、螺栓紧固）装配成的专用夹具。

采用拼装夹具大大缩短了专用夹具的设计与制造周期，而且当产品改型时原来夹具的大部分元件仍可拆下重新使用，适用于多品种、小批量生产中。

（5）通用可调夹具

通用可调夹具是指根据不同尺寸或种类的工件，调整或更换个别定位元件或夹紧元件而形成的专用夹具。

加工对象不很确定，通用范围较大，适用于多品种、小批量生产中。

（6）成组夹具

成组夹具是指专为加工成组工艺中某一组零件而设计的可调夹具。

加工对象明确，只需调整或更换个别定位元件或夹紧元件便可使用，调整范围只限于本零件组被的工件，适用于成组加工。

通用可调夹具和成组夹具都是一种比较先进的、继承性好的新型夹具。

采用这两种夹具可大大减少专用夹具数量，缩短生产准备周期，降低生产成本，加快产品的更新换代，并可有效地促进并实现机床夹具标准化、系列化和通用化。

通用可调夹具与成组夹具的区别在于：

前者的加工对象不很确定，其更换调整部分的结构设计，往往具有较大的适应性，通用范围大；而成组夹具则是为成组加工工艺中一组零件而专门设计的，加工对象十分明确，可调范围也只限于本组内的零件，因此后者亦称为专用可调夹具。

2.3专用夹具的组成

（1）定位装置

这种装置包括定位元件及其组合，其作用是确定工件在夹具中的位置，即通过它使工件加工时相对于刀具及切削成形运动处于正确的位置，如支撑钉、支撑板、V形块、定位销等。

（2）夹紧装置

它的作用是将工件压紧夹牢，保证工件在定位时所占据的位置在加工过程中不因受重力、惯性力以及切削力等外力作用而产生位移，同时防止或减小振动。

它通常是一种机构，包括夹紧元件（如夹爪、压板等），增力及传动装置（如杠杆、螺纹传动副、斜楔、凸轮等）以及动力装置（如气缸、油缸）等。

（3）对刀—引导装置

它的作用是确定夹具相对于刀具的位置，或引导刀具进行加工，如对刀块、钻套、镗套等。

（4）其他元件及装置

如定向件、操作件以及根据夹具特殊功用需要设置的一些装置，如分度装置、工件顶出装置、上下料装置等。

（5）夹具体

用于连接夹具各元件及装置，使其成为一个整体的基础件，并与机床有关部位连接，以确定夹具相对于机床的位置。

2.4典型的定位元件

工件以平面定位：

工件以平面作为定位基面，是最常见的定位方式之一。

如箱体、床身、机座、支架等类零件的加工中，较多采用了平面定位。

工件以平面定位时常用的定位元件如下所述。

A主要支承：

它主要用来限制工件的自由度，起定位作用。

1）固定支承，有支承釘和支承板两种形式，在使用过程中他们都是固定不动的。

当工件以粗糙不平的粗基准定位时，采用球头支承釘。

齿纹头支承釘用在工件的侧面，它能增大摩擦因数，防止工件滑动。

当工件以加工过的平面定位时，可采用平头支承釘或支承板。

为保证各固定支承的定位表面严格共面，装配后，需将其工作表面一次磨平。

支承钉与夹具体孔的配合采用H7/r6或H7/n6,当支承需要经常更换时，应加衬套。

衬套外径与夹具体孔的配合一般采用H7/n6或者H7/r6，衬套内径与支承钉的配合选用H7/s6。

可调支承，是指支承钉的高度可以调节。

调整时要先松后调，调好后用防松螺母锁紧。

可调支承主要用于工件以粗基准面定位、或者定位基面的形状复杂（如成型面、台阶面等），以及各批毛坯的尺寸、形状变化较大时的情况。

可调支承在一批工件加工前调整一次。

在同一批工件加工中，它的作用同固定支承相同。

自位支承（浮动支承）在工件定位过程中，它能自动地调整位置，其特点是：

支承点的位置能随着工件定位基面的不同而自动调节，定位基面压下其中一点，其余点便上升，甚至各点都与工件接触。

接触点数的增加，提高了工件的装夹刚度和稳定性，但其作用仍相当于一个固定支承，只限制工件一个自由度。

B辅助支承

辅助支承用来提高工件的刚度和稳定性，不起定位作用。

辅助支承的工作特点是：

待工件定位夹紧后，再调整支承钉的高度，使其与工件的有关表面接触并锁紧。

每安装一个工件就调整一次辅助支承。

另外，辅助支承还可以起预定位的作用。

常见的辅助支承有：

螺旋式辅助支承、自位式辅助支承和推引式辅助支承。

工件以圆孔定位：

工件以圆孔表面作为定位基面时，常用以下定位元件：

圆柱销（定位销）当工件孔径较小时（D=3-10mm），为增加定位销刚度，避免销子因受撞击而折断，或热处理时淬裂，通常把根部倒成圆角。

这时夹具体上应有沉孔，使定位销的圆角部分沉入孔内而不会妨碍定位。

大批大量生产时，可以采用带衬套的结构形式。

为了便于工件装入，定位销的头部应有15度的倒角。

定位销的工作部分直径可按g5、g6、f6、f7制造，定位销和夹具体的配合可用H7/r6、H7/n6，衬套与夹具体选用过渡配合H7/n6，其内径和定位销为间隙配合H7/h6、H7/h5。

2）圆柱心轴

其定位部分直径按h6、g6或f6制造，装卸工件方便，但定心精度不高。

为了减少因配合间隙而造成的工件的倾斜，工件常以孔和端面联合定位，因而要求工件定位孔和端面有较高的垂直度，最好能在一次装夹中加工出来。

使用开口垫圈可实现快速装卸工件，开口垫圈的两端面应互相平行。

当工件内孔和端面垂直度误差很大时，因采用球面垫圈。

3）圆锥销限制了X、Y、Z三个自由度。

4）圆锥心轴（小锥度心轴）这种定位方式的定心精度较高，不用另设夹紧装置，但工件的轴向定位误差较大，传递的扭矩较小，适用于工件定位孔不低于IT7的精车和磨削加工，不能加工端面。

工件以外圆柱面定位：

工件以外圆柱面定位时，常用以下元件：

V形块它有固定式和活动式两种。

固定式V形块在夹具体上的装配，一般用两个定位销和2-4个螺钉连接，活动式V形块除限制工件一个移动自由度外，还兼有夹紧作用。

它定位最大的优点就是对中性好，它可使一批工件的定位基准轴线对中在V形块两斜面的对称平面上，而不受定位基准直径误差的影响。

V形块定位的另一个特点是无论定位基准是否经过加工，是完整的圆柱面还是局部圆弧面，都可采用V形块定位。

因此，V形块是用得最多的定位元件。

定位套它用来限制沿轴向的自由度，常与端面联合定位。

用端面作为主要定位面时，应控制套的长度，以免夹紧时工件产生不允许的变形。

它结构简单，容易制造，但定心精度不高，一般适用于精基准定位。

半圆套这种定位方式主要用于大型轴类零件及不便于轴向装夹的零件。

定位基面的精度不低于IT8-IT9，半圆的最小内径取工件定位基面的最大直径。

2.5夹具中的夹紧机构

夹具中的夹紧装置一般由动力源和夹紧机构两个部分组成。

动力源是产生原始作用力的部分，如用人的体力对工件进行夹紧，称为手动夹紧；若采用气动，液动，电动以及机床的运动等动力装置来代替人力进行夹紧，则称为机动夹紧。

夹紧机构是接受和传递原始作用力，使其变为夹紧力并执行夹紧任务的部分，包括中间传递力机构和夹紧元件。

中间传递力机构把来自人力或者动力装置的力传给夹紧元件，再由夹紧元件直接与工件受压面接触，最终完成夹紧任务。

在夹紧的组成中可以看出，不论采用任何动力源（手动或者机动），外加的原始作用力要转化为夹紧力，都必须通过夹紧机构。

夹具中常用的夹紧机构有斜碶夹紧机构、螺旋夹紧机构、圆偏心夹紧机构、铰链夹紧机构、定心对中夹紧机构以及联动夹紧机构等。

（1）斜碶夹紧机构：

斜碶夹紧机构是夹紧机构中最基本的形式之一，螺旋夹紧机构，圆偏心夹紧机构，定心对中夹紧机构等均是斜碶夹紧机构的变形，由于手动的斜碶夹紧机构在夹紧工件时既费时又费力，效率很低，故实际上多在机动夹紧装置中采用。

（2）螺旋夹紧机构：

利用螺杆直接夹紧工件，或者与其他元件组成复合夹紧机构夹紧工件，是应用较广泛的一种夹紧机构，由于螺旋夹紧机构具有结构简单，容易制造，夹紧可靠，扩力比较大和夹紧行程不受限制等特点，所以在手动夹紧装置中被广泛使用，在夹具中除采用螺杆直接夹紧工件外，经常采用螺旋压板夹紧机构。

（3）圆偏心夹紧机构：

由于偏心圆的夹紧力小，自锁性能又不是很好，故只使用于切削负荷不大而且无很大震动的场合，为满足自锁条件，其夹紧行程也相应受到限制，用与夹紧行程较小的场合。

（4）铰链夹紧机构：

因铰链夹紧机构的结构简单，扩力比较大，适用于多点或多件夹紧，在气动或者液动夹具中广泛应用。

（5）定心、对中夹紧机构：

定心，对中夹紧机构是一种特殊的夹紧机构，工件在其上同时实现定位和夹紧。

（6）联动夹紧机构：

工件装夹所使用的夹具，有的需要同时有几个点对工作的工件进行夹紧，而有的则需要同时夹紧几个工件，为了提高效率，减少装夹时间，可采用联动夹紧机构。

2.6夹具的发展趋势

夹具是机械加工不可缺少的部件，在机床技术向高速、高效、精密、复合、智能、环保方向发展的带动下，夹具技术正朝着高精、高效、模块、组合、通用、经济方向发展。

 1）高精度

随着机床加工精度的提高，为了降低定位误差，提高加工精度，对夹具的制造精度要求更高。

高精度夹具的定位孔距精度高达±5μm，夹具支承面的垂直度达到0.01mm/300mm，平行度高达0.01mm/500mm。

德国demmeler（戴美乐）公司制造的4m长、2m宽的孔系列组合焊接夹具平台，其等高误差为±0.03mm；精密平口钳的平行度和垂直度在5μm以内；夹具重复安装的定位精度高达±5μm；瑞士EROWA柔性夹具的重复定位精度高达2~5μm。

机床夹具的精度