底座零件的数控加工与编程.docx

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底座零件的数控加工与编程

底座零件的数控加工与编程

信息商务学院

课程设计说明书

学生姓名：

学号：

系：

机械自动化系

专业：

机械设计制造及其自动化

题目：

数控技术课程设计

——底座零件数控工艺分析与编程

指导教师：

职称:

讲师

职称:

副教授

2014年1月9日

摘要

（2）

1绪论

1.1数控加工工艺规程制定.（4）

1.2数控加工工艺主要内容（4）

1.3数控加工工艺过程组成（5）

1.4数控编程种类及常用代码（6）

1.5数控加工程序基本结构（7）

1.6数控机床分类（7）

1.7数控刀具选择（7）

2底座零件加工分析

2.1底座零件选材（13）

2.2夹具、刀具选择及切削用量确定（15）

2.3底座数控加工工艺规程（17）

2.4数控编程坐标系（19）

2.5零件数控加工程序（19）

2.6加工轨迹（24）

2.7加工结果（25）

3结论

3.1本文总结（26）

致谢（27）

参考文献（27）

摘要：

数控技术及数控机床在当今机械制造业中重要地位和巨大效益，显示了其在国家基础工业现代化中战略性作用，并已成为传统机械制造工业提升改造和实现自动化、柔性化、集成化生产重要手段和标志。

数控技术及数控机床广泛应用，给机械制造业产业结构、产品种类和档次以及生产方式带来了革命性变化。

在数控机床发展过程中，值得一提是数控加工中心出现。

这是一种具有自动换刀装置数控机床，它能实现一次装夹并进行多工序加工。

数控加工中心现在已经成为数控机床中一个非常重要品种，不仅有立式、卧式等镗铣类加工中心用于箱体类零件加工，还有车削加工中心用于回转体零件加工以及磨削加工中心等。

这些高性能、高精度、高自动化数控机床就组成了完整数控机床家族。

本文通过对自行设计一简单底座零件结构分析，并对其进行编程、钻孔、铣削等数控加工，能较好地满足实际精度要求，提高加工质量和设计效率。

合适工艺规程可以加工出符合精度要求合格零件。

依据整体功能确定各部位结构并进行设计造型。

从结构上分析零件，制定加工所需工艺规程，从毛坯确定到设计工艺路线，根据所需选择适当机床、刀具、相应夹具、加工程序编制和零件检验。

文中程序编制采用MasterCAM自动编程与手动编程相结合方法生成。

关键词：

数控加工，数控编程，AutoCAD

1　绪论

1）数控起源与发展

　　1946年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动工具。

它与人类在农业、工业社会中创造那些只是增强体力劳动工具相比，起了质飞跃，为人类进入信息社会奠定了基础。

　　6年后，即在1952年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床。

从此，传统机床产生了质变化。

近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段和六代发展。

1．数控（NC）阶段（1952～1970年）

　　早期计算机运算速度低，对当时科学计算和数据处理影响还不大，但不能适应机床实时控制要求。

人们不得不采用数字逻辑电路"搭"成一台机床专用计算机作为数控系统，被称为硬件连接数控（HARD-WIREDNC），简称为数控（NC）。

随着元器件发展，这个阶段历经了三代，即1952年第一代--电子管；1959年第二代--晶体管；1965年第三代--小规模集成电路。

2．计算机数控（CNC）阶段（1970年～现在）

　　到1970年，通用小型计算机业已出现并成批生产。

于是将它移植过来作为数控系统核心部件，从此进入了计算机数控（CNC）阶段（把计算机前面应有"通用"两个字省略了）。

到1971年，美国INTEL公司在世界上第一次将计算机两个最核心部件--运算器和控制器，采用大规模集成电路技术集成在一块芯片上，称之为微处理器（MICROPROCESSOR），又可称为中央处理单元（简称CPU）。

到1974年微处理器被应用于数控系统。

这是因为小型计算机功能太强，控制一台机床能力有富裕（故当时曾用于控制多台机床，称之为群控），不如采用微处理器经济合理。

而且当时小型机可靠性也不理想。

早期微处理器速度和功能虽还不够高，但可以通过多处理器结构来解决。

由于微处理器是通用计算机核心部件，故仍称为计算机数控。

　　到了1990年，PC机（个人计算机，国内习惯称微机）性能已发展到很高阶段，可以满足作为数控系统核心部件要求。

数控系统从此进入了基于PC阶段。

　　总之，计算机数控阶段也经历了三代。

即1970年第四代--小型计算机；1974年第五代--微处理器和1990年第六代--基于PC（国外称为PC-BASED）。

　　还要指出是，虽然国外早已改称为计算机数控（即CNC）了，而我国仍习惯称数控（NC）。

所以我们日常讲"数控"，实质上已是指"计算机数控"了。

2）国内数控机床量现状

　　近年来我国企业数控机床占有率逐年上升，在大中企业已有较多使用，在中小企业甚至个体企业中也普遍开始使用。

在这些数控机床中，除少量机床以FMS模式集成使用外，大都处于单机运行状态，并且相当部分处于使用效率不高，管理方式落后状态。

2001年，我国机床工业产值已进入世界第5名，机床消费额在世界排名上升到第3位，达47.39亿美元，仅次于美国53.67亿美元，消费额比上一年增长25%。

但由于国产数控机床不能满足市场需求，使我国机床进口额呈逐年上升态势，2001年进口机床跃升至世界第2位，达24.06亿美元，比上年增长27.3%。

　目前，中国机床工业厂多人众。

2000年，金切机床制造厂约358家（20.6万人），成形机床制造厂191家（约6.5万人），共计549家（27.1万人）。

其中生产数控金切机床约150家，生产数控成形机床约30家，共计约180家，占厂家总数1/3。

2001年金切机床产量19.2万台内数控金切机床1.752万台，约占9%。

1.1数控加工工艺规程制定

生产过程和工艺过程

生产过程

机械产品生产过程是将原材料转化为成品全过程。

包括生产技术准备、毛坯制造、机械加工、热处理、装配、测试检验及涂装等过程，凡对加工对象尺寸、形状或性能产生一定变化均为直接生产过程。

机械生产过程还包括工艺装备制造、原材料供应、工件运输和储存、设备维修及动力供应等。

不使加工对象发生变化称为辅助生产过程。

工艺过程

在生产过程中改变生产对象形状、尺寸、相对位置和性质等，使其成为成品或半成品过程称为工艺过程，如毛坯制造、机械加工、热处理和装配等过程，均为工艺过程。

工艺过程是生产过程主要组成部分。

采用机械加工方法，直接改变毛坯形状、尺寸和表面质量，使成为合格零件过程成为机械加工工艺过程。

1.2数控加工工艺主要内容

1.2.1数控加工工艺主要内容

数控加工工艺分析主要内容实践证明，数控加工工艺分析主要包括以下几方面：

1）选择适合在数控机床上加工零件，确定工序内容。

2）分析被加工零件图样，明确加工内容及技术要求，在此基础上确定零件加工方案，制定数控加工工艺路线，如工序划分、加工顺序安排、与传统加工工序衔接等。

3）设计数控加工工序。

如工步划分、零件定位与夹具选择、刀具选择、切削用量确定等。

4）调整数控加工工序程序。

如对刀点、换刀点选择、加工路线确定、刀具补偿。

5）分配数控加工中容差。

6）处理数控机床上部分工艺指令。

1.2.2数控加工工艺特点

数控加工与通用机床加工相比较，许多方面遵循原则基本一致。

但由于数控机床本身自动化程度高，控制方式不同，设备费用高，使数控加工工艺响应形成了以下几个特点。

工艺内容十分具体

工艺设计非常严密

注重加工适应性

1.3数控加工工艺过程组成

根据被加工工件材料、轮廓形状、加工精度等选用例行机床，制定加工方案，确定零件加工顺序，各工序所用刀具，夹具和切削用量等。

一、机床合理选用。

（1）要保证加工零件技术要求，加工出合格产品。

（2）有利于提高生产率。

（3）尽可能降低生产成本。

二、数控国加工零件工艺性分析。

（1）零件加工零件工艺性分析。

（2）零件各加工部位结构工艺性应符合数控加工特点。

三、加工方法选择与加工方案确定。

（1）加工方法选择原则是保证加工表面加工精度和表面粗糙度要求。

（2）加工方案确定原则零件比较精密最终加工，常常是通过粗加工、半精加工和精加工逐步达到。

四、工序与工步划分。

五、零件安装与夹具选择。

六、刀具选择与切削用量确定。

七、对刀点与换刀点确定。

八、加工路线确定。

数控加工工艺过程是由一个或若干个顺序排列工序组成，而工序又可分为安装、工位、工步和行程。

工序

一个或一组工人，在一个工作地对同一个或同时对几个工件所连续完成那部分工艺过程，称为工序。

工步与行程

工步是指在加工表面（或装配时连接表面）、切削用量（主要是进给量f和速度v）和加工工具不变条件下所连续完成那一部分工序称为工步。

一个工序可以包括几个工步，也可以只有一个工步。

安装与工位

工件在加工之前，在机床或夹具上先占剧一个正确位置（定位），然后在予以加紧过程称为装夹。

工件在经一次装夹后所完成那部分工序内容称为安装。

为了完成一定工序内容，一次装夹后，工件与夹具或设备可动部分一起相对刀具或设备固定不分所占据每一个位置称为工位。

1.4数控编程种类及常用代码

手工编程和计算机辅助编程（CAM）本零件加工用后者。

常用G代码：

G00快速点定位

G01直线插补

G02顺圆弧插补

G03逆圆弧插补

G04暂停

G40半径补偿取消

G41半径补偿（左）

G42半径补偿（右）

G90绝对尺寸

G91增量尺寸

G98每分钟进给

G99每转进给

常用M指令：

M00程序停止

M01计划停止

M02程序结束

M03主轴顺时针旋转

M04主轴逆时针旋转

M05主轴停止

M06换刀

M07M08切削液开

M09切削液关

M30程序结束并返回

常用F、S、T指令：

进给功能指令F

主轴功能指令S

刀具功能代码T

1.5数控加工程序基本结构

程序说明

O1212程序开始

N10G00G92X0Y0Z0;程序段1

N20G42G01X-30Y30F150;程序段2

N30G02X40R30;程序段3

N40G00G40X0Y0;程序段4

N50M02；程序结束

或者M30

1.6数控机床分类

数控机床品种和规格繁多，分类方法不一。

根据不完全统计，目前已有近500种数控机床。

根据数控机床功能和组成，一般可分为以下几类。

分类方法

机床类 型

按坐标轴数分类

一般数控机床

数控加工中心机床

多坐标数控机床

按系统控制特点分类

点位控制数控机床

直线控制数控机床

轮廓控制数控机床

按有无测量装置分类

开环数控系统

半闭环数控系统

闭环数控系统

按功能水平分类

经济型

普及型

高级型

1.7刀具选择

刀具选择和切削用量确定是数控加工工艺中重要内容，它不仅影响数控机床加工效率，而且直接影响加工质量。

CAD/CAM技术发展，使得在数控加工中直接利用CAD设计数据成为可能，特别是微机与数控机床联接，使得设计、工艺规划及编程整个过程全部在计算机上完成，一般不需要输出专门工艺文件。

现在，许多CAD/CAM软件包都提供自动编程功能，这些软件一般是在编程界面中提示工艺规划有关问题，比如，刀具选择、加工路径规划、切削用量设定等，编程人员只要设置了有关参数，就可以自动生成NC程序并传输至数控机床完成加工。

因此，数控加工中刀具选择和切削用量确定是在人机交互状态下完成，这与普通机床加工形成鲜明对比，同时也要求编程人员必须掌握刀具选择和切削用量确定基本原则，在编程时充分考虑数控加工特点。

本文对数控编程中必须面对刀具选择和切削用量确定问题进行了探讨，给出了若干原则和建议，并对应该注意问题进行了讨论。

1.7.1数控加工常用刀具种类及特点

数控加工刀具必须适应数控机床高速、高效和自动化程度高特点，一般应包括通用刀具、通用连接刀柄及少量专用刀柄。

刀柄要联接刀具并装在机床动力头上，因此已逐渐标准化和系列化。

数控刀具分类有多种方法。

根据刀具结构可分为：

①整体式；②镶嵌式，采用焊接或机夹式连接，机夹式又可分为不转位和可转位两种；③特殊型式，如复合式刀具，减震式刀具等。

根据制造刀具所用材料可分为：

①高速钢刀具；②硬质合金刀具；③金刚石刀具；④其他材料刀具，如立方氮化硼刀具，陶瓷刀具等。

从切削工艺上可分为：

①车削刀具，分外圆、内孔、螺纹、切割刀具等多种；②钻削刀具，包括钻头、铰刀、丝锥等；③镗削刀具；④铣削刀具等。

为了适应数控机床对刀具耐用、稳定、易调、可换等要求，近几年机夹式可转位刀具得到广泛应用，在数量上达到整个数控刀具30%～40%，金属切除量占总数80%～90%。

　　数控刀具与普通机床上所用刀具相比，有许多不同要求，主要有以下特点：

　　⑴刚性好（尤其是粗加工刀具），精度高，抗振及热变形小；

　　⑵互换性好，便于快速换刀；

　　⑶寿命高，切削性能稳定、可靠；

　　⑷刀具尺寸便于调整，以减少换刀调整时间；

　　⑸刀具应能可靠地断屑或卷屑，以利于切屑排除；

　　⑹系列化，标准化，以利于编程和刀具管理。

1.7.2数控加工刀具选择

刀具选择是在数控编程人机交互状态下进行。

应根据机床加工能力、工件材料性能、加工工序、切削用量以及其它相关因素正确选用刀具及刀柄。

刀具选择总原则是：

安装调整方便，刚性好，耐用度和精度高。

在满足加工要求前提下，尽量选择较短刀柄，以提高刀具加工刚性。

选取刀具时，要使刀具尺寸与被加工工件表面尺寸相适应。

生产中，平面零件周边轮廓加工，常采用立铣刀；铣削平面时，应选硬质合金刀片铣刀；加工凸台、凹槽时，选高速钢立铣刀；加工毛坯表面或粗加工孔时，可选取镶硬质合金刀片玉米铣刀；对一些立体型面和变斜角轮廓外形加工，常采用球头铣刀、环形铣刀、锥形铣刀和盘形铣刀。

在进行自由曲面加工时，由于球头刀具端部切削速度为零，因此，为保证加工精度，切削行距一般取得很能密，故球头常用于曲面精加工。

而平头刀具在表面加工质量和切削效率方面都优于球头刀，因此，只要在保证不过切前提下，无论是曲面粗加工还是精加工，都应优先选择平头刀。

另外，刀具耐用度和精度与刀具价格关系极大，必须引起注意是，在大多数情况下，选择好刀具虽然增加了刀具成本，但由此带来加工质量和加工效率提高，则可以使整个加工成本大大降低。

在加工中心上，各种刀具分别装在刀库上，按程序规定随时进行选刀和换刀动作。

因此必须采用标准刀柄，以便使钻、镗、扩、铣削等工序用标准刀具，迅速、准确地装到机床主轴或刀库上去。

编程人员应了解机床上所用刀柄结构尺寸、调整方法以及调整范围，以便在编程时确定刀具径向和轴向尺寸。

目前我国加工中心采用TSG工具系统，其刀柄有直柄（三种规格）和锥柄（四种规格）两种，共包括16种不同用途刀柄。

在经济型数控加工中，由于刀具刃磨、测量和更换多为人工手动进行，占用辅助时间较长，因此，必须合理安排刀具排列顺序。

一般应遵循以下原则：

①尽量减少刀具数量；②一把刀具装夹后，应完成其所能进行所有加工部位；③粗精加工刀具应分开使用，即使是相同尺寸规格刀具；④先铣后钻；⑤先进行曲面精加工，后进行二维轮廓精加工；⑥在可能情况下，应尽可能利用数控机床自动换刀功能，以提高生产效率等。

1.7.3数控加工切削用量确定

合理选择切削用量原则是，粗加工时，一般以提高生产率为主，但也应考虑经济性和加工成本；半精加工和精加工时，应在保证加工质量前提下，兼顾切削效率、经济性和加工成本。

具体数值应根据机床说明书、切削用量手册，并结合经验而定。

⑴切削深度t。

在机床、工件和刀具刚度允许情况下，t就等于加工余量，这是提高生产率一个有效措施。

为了保证零件加工精度和表面粗糙度，一般应留一定余量进行精加工。

数控机床精加工余量可略小于普通机床。

数控刀具（分两大系统：

车削系统和铣镗削系统）特点与要求

数控刀具要求精度高、刚性好、装夹调整方便，切削性能强、耐用度高。

合理选用既能提高加工效率又能提高产品质量。

刀具选择应考虑主要因素

１、被加工工件材料、性能：

金属、非金属，其硬度、刚度、塑性、韧性及耐磨性等。

２、加工工艺类别；车削、钻削、铣削、镗削或粗加工、半精加工、精加工和超精加工等。

３、工件几何形状、加工余量、零件技术经济指标。

４、刀具能承受切削用量。

５、辅助因数：

操作间断时间、振动、电力波动或突然中断等。

车削系统（整体式工具系统）

１、组成：

由刀片（刀具）、刀体、接柄（或柄体）、刀盘等

２、可转位刀片代码及参数

３、可转位刀片断屑槽槽型：

断屑自如、排屑流畅

４、可转位刀片夹紧方式：

楔块上压式、杠杆式、螺钉上压式

要求：

夹紧可靠、定位准确、排屑流畅、结构简单、操作方便

５、可转位刀片选择

１）、刀片材料选择：

高速钢、硬质合金、涂层硬质合金、陶瓷、立方碳化硼或金刚石

２）、刀片尺寸选择：

有效切削韧长度、被吃刀量、主偏角等

３）、刀片形状选择：

依据表面形状、切削方式、刀具寿命、转位次数等

４）、刀片刀尖半径选择：

Ａ、粗加工、工件直径大、要求刀刃强度高、机床刚度大时选大刀尖圆弧

Ｂ、精加工、切深小、细长轴加工、机床刚度小选小刀尖圆弧

刀具系统（模块式工具系统）

１、组成；刀片（刀具）、刀杆（或柄体）、主轴或刀片（刀具）、工作头、连接杆、主柄、主轴所组成

２、数控铣削刀具选择

１）、铣刀类型选择：

Ａ、加工较大平面选择面铣刀，

Ｂ、加工凸台、凹槽、小平面立铣刀，

Ｃ、加工毛坯面和粗加工孔选择镶硬质合金玉米铣刀，

Ｄ、曲面加工选择球头铣刀，

Ｅ、加工空间曲面模具型腔与凸模表面选择模具铣刀，

Ｆ、加工封闭键槽选键槽铣刀，等等

２）、铣刀参数选择

Ａ、面铣刀主要参数选择

a）、标准可转位面铣刀直径在Φ16－Φ630）：

粗铣时直径选小，精铣时铣刀直径选大，

b）、依据工件材料和刀具材料以及加工性质确定其几何参数：

铣削加工通常选前角小铣刀，强度硬度高材料选负前角，工件材料硬度不大选大后角、硬选小后角，粗齿铣刀选小后角，细齿铣刀取大后角，铣刀刃倾角通常在-５－-１５度，主偏角在４５－９０度

Ｂ、立铣刀主要参数选择　

a）、刀具半径r应小于零件内轮廓最小曲率半径ρ

b）、零件加工高度H≤（1/4－1/6）r

c）、不通孔或深槽选取l=H+（5~10）mm

d）、加工外形及通槽时选取l=H+rε+（5~10）mm

e）、加工肋时刀具直径为D=（5~10）b

f）、粗加工内轮廓面时，铣刀最大直径D

D=d+2[δsin（φ/2）-δ1]/[1-sin（φ/2）]

３、加工中心刀具选择

加工中心刀具通常由刃具和刀柄两部分组成,刃具有面加工用各种铣刀和孔加工用各种钻头、扩孔钻、镗刀、铰刀及丝锥等，刀柄要满足机床主轴自动松开和夹紧定位，并能准确地安装各种刃具和适应换刀机械手夹持等要求。

１）、对加工中心刀具基本要求

Ａ、刀具应有较高刚度

Ｂ、重复定位精度高

Ｃ、刀刃相对主轴一个定位点轴向和径向位置应能准确调整

２）、孔加工刀具选择

Ａ、钻孔刀具及其选择

Ｂ、扩孔刀具及其选择

Ｃ、镗孔刀具及其选择，应特别重视刀杆刚度

３）、刀具尺寸确定

主要是刀具长度和直径选择，如加工孔依据其深度和孔径选择

４、刀柄选择

１）、依据被加工零件工艺选择刀柄

２）、刀柄配备数量：

与被加工零件品种、规格、数量、难易程度、机床负荷有关

３）、正确选择刀柄柄部形式

４）、坚持选择加工效率高刀柄

５）、综合考虑合理选用模块式和复合式刀柄

工具系统

１、工具系统发展趋势：

向着柔性制造系统和模块化组合结构发展

２、车削类工具系统

３、镗铣类工具系统：

分整体失和模块式工具系统

４、刀具管理系统：

１）、是柔性制造系统中一个很重要、技术难度很大系统

２）、刀具管理系统任务

３）、刀具管理系统基本功能

原始资料、系统计划、硬件配置和软件系统等等。

总结：

1、数控刀具要求精度高、刚性好、装夹调整方便，切削性能强、耐用度高。

合理选用既能提高加工效率又能提高产品质量。

2、刀具选择应考虑主要因素。

3、工具系统向着柔性制造系统和模块化组合结构发展

2底座零件加工分析

2.1查表对不同零件进行选材，表格如下：

表2-1具钢牌号、成分、性能和用途

牌号

化学成分ωMe/％

硬度

用途举例

C

Mn

Si

退火状态

试样淬火

HBS不大于

淬火温度/℃和冷却剂

HRC不小于

T7、T7A

0.65～0.74

≤0.40

≤0.35

187

800～820水

62

淬火、回火后，常用于制造能承受震动、冲击，并且在硬度适中情况下有较好韧性工具，如凿子、冲头、木工工具、大锤等

T8、T8A

0.75～0.84

≤0.40

≤0.35

187

780～800水

62

淬火、回火后，常用于制造要求有较高硬度和耐磨性工具、如冲头、木工工具、剪切金属用剪刀等。

T8Mn、T8MnA

0.80～0.90

0.40～0.60

≤0.35

187

780～800水

62

性能和用途和T8相似，但加入了锰提高淬透性，故可以制作横截面较大工具。

T9、T9A

0.85～0.94

≤0.40

≤0.35

192

760～780水

62

用于制造一定韧性工具，如冲模、冲头、凿岩石用凿子等。

T10、T10A

0.95～1.04

≤0.40

≤0.35

197

760～780水

62

用于制造耐磨性要求较高，不受剧烈震动，具有一定韧性及具有锋利刃口各种工具，如刨刀、车刀、钻头、丝锥、手锯锯条、拉丝模、冷冲模等。

T11、T11A

1.05～1.14

≤0.40

≤0.35

207

760～780水

62

用途与T10钢基本相同，一般习惯上采用T10钢

T12、T12A

1.15～1.24

≤0.40

≤0.35

207

760～780水

62

用于制造不受冲击、要求高硬度工具，如丝锥、锉刀、刮刀、绞刀、板牙、量具等

T13、T13A

1.25～1.35

≤0.40

≤0.35

217

760～800水

62

适用于制造不受震动、要求极高硬度各种工具，如剃刀、刮刀、刻字刀具等

表2-3牌号、力学性能及用途（摘自GB9439—88）

牌号

铸件类别

铸件壁厚/mm

铸件最小抗拉强度b/Pa

适用范围及举例

HT100

铁素体

灰铸铁

2.5～10

130

低载荷和不重要零件，如盖、外罩、手轮、支架、重锤等

10～20

100

20～30

90

30～50

80

HT150

珠光体+铁素体灰铸铁

2.5～10

175

承受中等应力（抗弯应力小于100MPa）零件，如支柱、底座、齿轮箱、工作台、刀架、端盖、阀体、管路附件及一般无工作条件要求零件

10～20

145

20～30

130

30～50

120

HT200

珠光体

灰铸铁

2.5～10

220

承受较大应力（抗弯应力小于300MPa）和较重要零件，如汽缸体、齿轮、机座、飞轮、床身、缸套、活塞、刹车轮、联轴器、齿轮箱、轴承座、液压缸等

10～20

195

20～30

170

30～50

160

HT250

4.0～10

270

10～20

240

20～30

220

30～50

200

HT300

孕育铸铁

10～2