数控加工和数控设备的应用.docx
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数控加工和数控设备的应用
数控加工和数控设备的应用
目录
1绪论1
2菱型凸台零件分析2
2.1零件介绍2
2.2零件结构的工艺分析2
3零件毛坯及余量的确定3
3.1毛坯的确定3
3.2确定加工余量的方法3
3.3分析毛坯的变形及余量大小的均匀性4
4设备的选择4
4.1机床选择4
4.2夹具选择4
5定位基准的选择5
5.1粗基准选择6
5.2精基准选择6
6零件加工工艺方案拟定6
6.1零件工序安排原则6
6.2加工工艺路线的制定7
6.3确定刀具和起刀、进刀和退刀的工艺问题的处理7
6.3.1刀具尺寸选择包括直径尺寸和长度尺寸7
6.3.2程序起始点、返回点和切入点切出点的确定8
6.3.3程序起始点、返回点和切入点、切出点的方法8
6.4零件加工方案分析10
7冷却液的选择10
8切削用量选择11
8.1确定背吃刀量11
8.2确定主轴转速11
8.3进给速度13
9工艺文件编制14
9.1零件加工工艺卡片14
9.2零件刀具卡片15
9.3工具、量具清单15
9.4工序卡片的制定16
10走刀路线的确定20
结论23
致谢24
参考文献25
附录:
A加工程序
B零件图
1绪论
21世纪科学技术高速发展,自从中国加入世界贸易组织后,制造业也成为我国为数不多而有具有竞争优势的行业之一。
近年来数控加工和数控设备的应用呈突飞猛进之势,而数控机床是一种技术密集及自动化程度很高的机电一体化设备,也是综合应用计算机技术、自动检测技术的产物,数控机床加工技术给现代制造业带来了巨大的效益。
随着数控机床的普及,现代企业对零件加工精度的要求也越来越高。
因此作为一名数控专业的学生,对数控机床的应用将是一项重要技能。
本设计是根据我们数控专业学生所需掌握的知识及技术要求编写的,它突出了数控加工的特点,零件在加工过程中的工艺性特点。
全面培养我们数控加工能力,并制定出合理的数控加工工艺规划。
我能够制定出合理的加工工艺过程并编制程序进行一系列数学处理,还掌握如何对夹具的合理选用,了解刀具的材料、特点、以及如何选用刀具等一系列问题。
数控设备为精密复杂零件的加工提供了基本条件,但要达到预期的加工效果,编制高质量的数控程序是必不可少的,这是因为数控加工程序不仅包括零件的工艺过程,而且还包括刀具的形状和尺寸、切削用量、走刀路径等工艺信息。
对于简单的零件,通常采用手工编程的方法,对于复杂的零件,往往需要借助于CAM软件编制加工程序,如MasterCAM等。
这不仅学到了理论知识还将理论运用在了实际加工当中,将理论与实践有机的结合在一起,是一次总结性的零件铣削加工设计。
2菱型凸台零件分析
2.1零件介绍
结合零件图2-1所示,该零件的加工表面主由平面轮廓、凸台、型腔等部分组成。
需要经过铣削上平面、外轮廓、多边形凸台、菱形凸台、花形凸台、型腔等加工工序才能完成。
从保证加工精度上考虑零件适合用数控铣削加工中心进行加工。
图2-1菱型凸台的铣削加工
2.2零件结构的工艺分析
(1)零件图纸尺寸完全按国家规定标注,编制程序时通过软件能够准确的找到各点的坐标,图形几何要素间的相互位置关系准确。
除平面宜在普通铣床上加工外,各部位均适合在数控铣削加工中心上加工。
根据零件材料分析该件毛坯属于铝合金,且具有良好的切削性能,能满足加工要求。
(2)零件的技术要求主要是指尺寸精度、形状精度、位置精度、表面粗糙度及热处理等这些要求在保证零件使用性能的前提下应经济合理。
过高的精度和表面粗糙度要求会使工艺过程复杂,加工困难,成本提高。
本次设计零件最高尺寸精度等级为IT8级,最高表面粗糙度值为Ra1.6,部分表面为Ra3.2,其余表面为数控铣削粗、精加工可达到IT9~IT7级,表面粗糙度值可达到Ra6.3~Ra1.6,故比较容易加工,但加工时如果装夹不当容易产生振荡,定位不好可能使表面粗糙度值增大,加工精度难以保证。
所以在加工过程中对工艺方案还是有比较严格的要求
3零件毛坯及余量的确定
3.1毛坯的确定
零件在加工时,由于加工过程的自动化,余量的大小、如何装夹等问题应在选择毛坯时就要仔细考虑好。
否则,如果毛坯不适合数控铣削加工,加工将很难进行下去。
根据材料选择的一般原则对零件材料有以下三个方面的要求:
(1)材料应具有良好的使用性能。
(2)材料应具有良好的工艺性能。
(3)材料应具有良好的切削性能。
本次设计是零件的加工,材料选用铝合金,这样既可以方便的买到,又具有很好的经济性。
根据零件的形状、结构和各工序的加工余量,确定毛坯尺寸。
零件毛坯尺寸为105mm×85mm×35mm,其加工面均有充分的余量。
3.2确定加工余量的方法
零件加工余量的大小,直接影响到零件的加工质量和生产效率。
加工余量大,不仅增加机械加工劳动量,降低生产率;而且还增加材料、工具和电力消耗、增加成本。
但加工余量小,又不能保证前工序的各种误差和表面缺陷在预计的范围内,甚至产生废品。
因此必须合理的确定加工余量。
其确定方法有:
(1)经验估算法:
经验估算法是根据工艺人员的经验来确定的加工余量。
(2)查表修正法:
根据手册,查表得出加工余量的数值,然后根据实际情况进行适当的修正。
(3)分析计算法:
对影响加工余量的因素进行分析,然后根据一定的计算公式来计算加工余量的方法。
由于我院的设备限制和通过分析得出此零件采用经验估算法来确定加工余量,粗加工余量为0.5mm,精加工余量为0.2mm。
3.3分析毛坯的变形及余量大小的均匀性
由于该件材料为铝合金,具有良好的铸造性能,广泛用来制造形状复杂的零件。
由于零件不是薄壁件,所以加工过程中不会存在很大的变形情况,且具有良好的切削性能,各部分的加工余量均匀,能够满足加工要求。
4设备的选择
4.1机床选择
结合零件图分析,该零件有平面、凹槽、型腔,形状较为复杂。
结合我院机床的实际。
采用加工中心进行加工,该机床的X轴的行程450mm,Z轴的行程为500mm,Y轴的行程为650mm,工作台为4500×1370mm,主轴中心线至工作台的距离为460mm,主轴端面至工作台中心线距离为100~600mm,T型槽(槽数×宽×间距)=5×16×60mm,盘式刀库容量为10把,进给速度为5~8000mm/min,主轴转速为20~6000r/min电动机功率为5517.5KW。
4.2夹具选择
在选择加工中心进行铣削加工零件的同时,对于夹具也有一定的要求,要根据已选定的加工表面和定位基准来确定工件的定位与夹持方式,在确定装夹方案时,要考虑以下几个因素:
(1)由于夹紧力不够及切削力大时,影响到零件偏移;
(2)保证零件最小尺寸夹紧不变形;
(3)零件几何形状;
(4)考虑夹具的支撑点、定位点和夹紧点;
(5)夹具应便于与机床工作台及工件定位表面间的定位元件连接。
从零件结构情况以及考虑的因素分析,对于单件零件小批量生产不需要专用夹具,可选用通用夹具平口虎钳。
数控加工工艺特别强调定位加工,若无统一的基准定位会因工件重新安装产生的定位误差而导致加工后的两个面轮廓位置及尺寸不协调现象。
因此,为保证两次装夹加工后的两个面相对位置的准确性,应采用统一的基准定位。
终上所述,采用增加工艺,铣两个夹持面作为基准。
装夹夹持面加工上表面,完成加工内容,最后翻夹,将夹持面铣掉。
由于毛坯为铝合金,在装夹时勿过于紧,以免发生变形造成加工精度的误差。
零件装夹如图4-1所示:
图4-1装夹及定位基准示意图
5定位基准的选择
根据零件图及加工要求选择设备为加工中心KVC650,同普通机床一样在加工中心加工时装夹仍应遵守六点定位原则:
(1)尽量选择零件上的设计基准作为定位基准;
(2)当无法一次性在加工中心上完成包括设计基准在内的全部表面加工时,要考虑用所选择基准定位后,一次装夹能够完成全部关键部位的加工;
(3)定位基准的选择要保证完成尽可能多的加工内容;
(4)必须多次安装时应遵从基准统一原则;
定位基准分粗基准和精基准两种。
用未加工的面作为定位基准的称为粗基准,用已加工的面作为定位基准的称为精基准。
5.1粗基准选择
在零件加工时,从不同的角度看,必须选择一个较好的基准,才能加工出合格的零件产品。
基准根据功用不同分为设计基准和工艺基准两大类。
所谓设计基准是指设计图样上采用的基准,而工艺基准则是在机械加工过程中用来确定加工表面加工后的尺寸、形状、位置和基准。
工艺基准按不同的用途分为工序基准、定位基准、测量基准和装配基准。
在制定加工工艺时,还要考虑定位基准选择是否正确,如果不合理,直接影响到零件尺寸质量,就将成为废品。
5.2精基准选择
精基准的选择应保证工件定位准确、夹紧可靠、操作方便。
根据精基准选取原则得出夹持面为精基准来加工零件,零件加工完毕,在以加工后的上平面为精基准来铣削夹持面。
6零件加工工艺方案拟定
6.1零件工序安排原则
加工顺序安排的合理与否将直接影响到零件的加工质量、生产率和加工成本,切削加工顺序通常遵循以下几个原则:
(1)基准统一原则;
(2)先粗后精的原则;
(3)先面后孔的原则;
(4)先主后次的原则。
根据零件图样分析,首先为了编写程序方便以及零件工艺性好,应考虑减少换刀次数,整个加工过程采用一把刀具所加工的内容安排在一个工序(或工步)中;其次根据零件表面精度要求,要把粗、精加工分层次依次进行;再次在考虑有凹槽和型腔的同时,还要遵循先主后次的原则;最后还要考虑先加工精度要求较低的面或轮廓,再加工精度要求较高的面或轮廓。
6.2加工工艺路线的制定
根据零件图样,制定以下加工顺序方案,选取最佳一种,(即加工工时最短,且又能保证质量)下面分析两套加工顺序方案进行比较。
方案一:
下料→退火→铣3mm的夹持面→翻面夹持→粗铣上平面→精铣上平面→粗铣外轮廓→精铣外轮廓→粗铣菱形→精细菱形→粗铣花瓣→精铣花瓣→粗铣内腔→精铣内腔→粗铣三角形→精铣三角形→铣掉夹持面→钻孔→检验。
方案二:
下料→退火→铣3mm的夹持面→翻面夹持→粗铣上平面→粗铣外轮廓→粗铣三角形→粗铣菱形凸台→粗铣花瓣→粗铣内腔→精铣上平面→精铣外轮廓→精铣三角形→精铣铣菱形凸台→精铣花瓣→精铣内腔→铣掉夹持面→钻孔→检验。
方案二换刀次数多,加工工时较长,严重影响加工效率,方案一能达到加工要求。
故两个零件都选择方案一进行。
6.3确定刀具和起刀、进刀和退刀的工艺问题的处理
刀具的合理选择和使用,对提高数控加工效率、降低生产成本、缩短交货期及加快新产品开发等方面有十分重要的作用。
国外有资料表明,刀具费用一般占制造成本2.5%-4%,如果进给速度和切削速度提高15%-20%,则可降低制造成本10%-15%。
这说明使用好的刀具会增加成本,但效率提高则会使机床费用和人工费用有很大的降低,这正是工业发达国家制造业所采用的加工策略之一。
应根据机床的加工能力、工件材料的性质、加工工序、切削用量以及其他相关因素正确选择刀具及刀柄。
6.3.1刀具尺寸选择包括直径尺寸和长度尺寸
(1)直径尺寸:
根据零件图样不同,选用的刀具尺寸不一样,因图而异。
选取的原则是:
在刀具能够满足加工前提下,尽量选取直径大的刀具,铣削刀具都是标准成型刀具,同时可根据选取刀具的直径提取刀具各异的刀具。
(2)长度尺寸:
在加工中心上,刀具长度一般是指主轴端面到刀尖距离,
包括刀柄和刀具。
选择刀具的原则是:
安装调整方便,刚性好,耐用度和精度高。
在满足加工要求的前提下,尽量选择较短的刀柄,以提高刀具加工的刚性,结合我院实际,采用高速钢刀具加工。
根据经验公式:
=A-B-N+L+
+
(6-1)
公式中:
—刀具长度
A—主轴端面至工作台中心最大距离
B—主轴在Z向的最大行程
N—加工表面距工作台中心距离
L—工件的加工深度尺寸
—刀具切出工件长度(以加工表面取2~5mm毛坯表面取5~8mm)
图6-1刀具长度示意图
6.3.2程序起始点、返回点和切入点切出点的确定
(1)程序起始点
是指程序开始时,刀尖(刀位点)的初始停留点。
(2)程序返回点
是指一把刀程序执行完毕后,刀尖返回后的停留点为换刀点。
(3)切入点(进刀点)
是指在曲面的初始切削位置上,刀具与曲面的接触点。
(4)切出点(退刀点)
是指曲面切削完毕后,刀具与曲面的接触点。
6.3.3程序起始点、返回点和切入点、切出点的方法
(1)起始点、返回点的确定原则
在同一个程序中,起始点和返回点最好应相同,图6-2的程序起始点就是在X0Y0Z100的位置,在加工时,多个程序的设置最好也完全相同。
(2)切入点选择原则
在进刀或切削过程中,要使刀具不受损坏,一般来说,对粗加工而言,选择曲面内的最高角点作为曲面的切入点(初始切削点)。
因为该点的余量较小,进刀时不易损坏刀具。
对精加工而言,选择曲面内某个曲率比较平缓的角点作为曲面的切入点,因为在该点处,刀具所受的弯矩小,不易折断刀具。
总之,要避免将铣刀当钻头用,立铣刀不能轴向进刀,最否则因受力大,排屑不便而使刀具受损。
(3)切出点的选择原则
这个主要考虑在切完工件后退出工件是否要损伤工件的其它表面及是否与机床的其它部分和夹具相互撞击的情况。
图6-2刀具在加工中的几个平面
1)起始平面
是程序开始时刀具的初始位置所在的Z平面,如前所述,一般定义在被加工零件的最高点之上50~100mm左右的某一位置上,在加工时取高出工件100mm。
2)返回平面
是指程序结束时,刀尖点(不是刀具中心)所在的Z平面,它也定义在被加工表面的最高处50~100mm的某一个位置上,在加工时取高出工件100mm。
3)进刀平面
以快速下刀的位置到达安全平面,一般为(10~20mm)以G01速度在Z向下刀的平面,取高出工件20mm。
4)退刀平面
加工完零件之后,退出加工表面,一般是退出加工表面(10~20mm)快速至退刀平面,取高出工件20mm。
5)安全平面
就是加工时,为了提高工作效率而进行设置的一个平面,一般是高出工件(10~30mm),取高出工件30mm。
在数控加工中刀具相对运动轨迹和方向称为加工路线,加工路线的确定首先必须保证被加工零件的尺寸精度和表面质量,其次考虑数值计算简单,走刀路线尽量短、效率高等,对于进刀和退刀也有一定的要求,进刀和退刀不仅要影响加工时间,还要影响零件的质量。
安排零件走刀方式时,首先要考虑进刀和退刀直接影响的加工精度,在进刀时,最好选取的有利于加工又不影响加工精度,直线进刀容易在工件表面上留下进刀、退刀痕迹或撞刀,而沿圆弧段方向进刀、退刀就不同,既不会留下痕迹而且还不会影响表面加工质量。
在面铣时,可以正方向直接退刀。
在退刀时,刀具位置先要退到不会与零件轮廓相撞击的位置,再退到安全平面。
如:
在加工花型凸台零件轮廓完成后,刀具应沿圆弧顺铣方向退出,应当有G01慢速退出轮廓表面,再快速退回安全平面。
6.4零件加工方案分析
此零件图样中可以看到轮廓的周边曲线圆弧和粗糙度值要求都很高,零件的装夹采用平口装夹。
在安装工件时,要注意工件的安装,要放在钳口中间部位。
安装虎钳时,要对它的固定钳口找正,工件被加工部分要高出钳口,避免与钳口发生干涉。
安装工件时,注意工件上浮。
将工件坐标系建立在工件上表面、零件的几何中心处。
7冷却液的选择
零件加工时,由于切削时间过长,刀具与工件之间会产生摩擦热,温度会急剧升高,影响零件精度;冷却液是用来降低刀具和工件之间所产生摩擦的温度,不仅要减少切削热的产生,而且要改善散热条件。
使用切削液可以有效地降低温度,还可以防止切削层金属的变形。
为了提高加工零件精度和刀具的耐用度及使用寿命,在切削加工过程中必须使用冷却液对工件和刀具进行冷却,以免造成“烧刀”的现象和影响零件精度。
因为在零件选用材料为铝合金,对冷却液的要求并不是很高,考虑到零件不属于大批量生产,所以在选择冷却液时选择乳化液即可。
通过查询资料得出表7-1常用的三种冷却液:
表7-1常用冷却液
冷却液名称
主要成分
主要作用
水溶液
水、防绣添加剂
冷却
乳化液
水、油、乳化剂
冷却、润滑、清洗
切削油
矿物油、动植物油、极压添加剂或油性
润滑
从工件材料考虑,切削铝合金时不得使用切削油,考虑到冷却液作用和价格,选择乳化液可以满足要求。
从刀具材料考虑,高速钢刀具一般采用乳化液作为冷却液,其冷却效果很好。
综合以上的分析,采用乳化液效果很好。
它的主要作用:
冷却、润滑、清洗。
8切削用量选择
数控加工切削用量包括主轴转速n(切削速度Vc)、背吃刀量ap和进给量f(或进给速度Vf)其确定原则与普通机械加工相似,对于不同的加工方法,需要选择不同的切削用量,并编入程序单内。
合理选择切削用量的原则是:
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,应在保证质量的前提下,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,参考的切削用量手册,并结合经验而定。
8.1确定背吃刀量
主要根据机床、夹具、刀具和工件的刚度来决定,在刚度允许的情况下,粗加工时背吃刀量可以选择大一些,最好一次切净余量,以提高生产效率,为了保证加工精度和表面粗糙度,一般都要留一点余量最后精加工,在数控机床上,精加工余量可小于普通机床,除铣曲面留0.2mm余量,其他面都留0.5mm余量。
8.2确定主轴转速
主要根据允许的切削速度Vc(m/min)选取
n=
(8-1)
其中:
Vc-切削速度
D-工件或刀具的直径(mm)
由于每把刀计算方式相同,现选取20的立铣刀为例说明其计算过程。
D=20mm
根据切削原理可知,切削速度的高低主要取决于被加工零件的精度、材料、刀具的材料和刀具耐用度等因素,可参考表8-1选取。
表8-1铣削时切削速度
工件材料
硬度/HBS
切削速度
/(m/min)
高速钢铣刀
硬质合金铣刀
钢
<225
18~42
66~150
225~325
12~36
54~120
325~425
6~21
36~75
铸铁
<190
21~36
66~150
190~260
9~18
45~90
160~320
4.5~10
21~30
铝合金
70~120
100~200
200~400
黄铜
53~56
20~50
100~180
从理论上讲,
的值越大越好,因为这不仅可以提高生产率,而且可以避免生成积屑瘤的临界速度,获得较低的表面粗糙度值。
但实际上由于机床、刀具等的限制,综合考虑:
以加工铝合金为例:
粗铣时
=150m/min
精铣时
=200m/min
代入(8-1)式中:
=
=
=2388.5r/min=3184.7r/min
计算的主轴转速n要根据机床有的或接近的转速选取
=2389r/min
=3185r/min
同理计算
10立铣刀:
取
=2000r/min
=3000r/min
8.3进给速度
切削进给速度F时切削时单位时间内工件与铣刀沿进给方向的相对位移,单位mm/min。
它与铣刀的转速n、铣刀齿数z及每齿进给量
(mm/z)的关系为
F=
zn (8-2)
每齿进给量
的选取主要取决于工件材料的力学性能、刀具材料、工件表面粗糙度值等因素。
工件材料的强度和硬度越高,fz越小,反之则越大;工件表面粗糙度值越小,fz就越小;硬质合金铣刀的每齿进给量高于同类高速钢铣刀,可参考8-2表选取
表8-2铣刀每齿进给量fz
工件材料
每齿进给量
/(mm/z)
粗铣
精铣
高速钢铣刀
硬质合金铣刀
高速钢铣刀
硬质合金铣刀
钢
0.10~0.15
0.10~0.25
0.02~0.05
0.10~0.15
铸铁
0.12~0.20
0.15~0.30
铝
0.06~0.20
0.10~0.25
0.05~0.10
0.02~0.05
综合选取:
粗铣
=0.16mm/z
精铣
=0.03mm/z
铣刀齿数z=3
上面计算出:
=318r/min
=478r/min
将它代入(8-2)计算:
粗铣时:
F=0.16×3×318=153mm/min
精铣时:
F=0.03×3×478=44mm/min
切削进给速度也可由机床操作者根据被加工工件表面的具体情况进行手动调整,以获得最佳切削状态。
9工艺文件编制
9.1零件加工工艺卡片
表9-1工艺过程卡
序号
工序名称
工序内容
设备
夹具
1
备料
准备105mm×105mm×35mm的毛坯
2
铣
铣3mm的夹持面
平口虎钳
翻面装夹粗精铣上平面
KVC650/1
平口虎钳
粗铣菱形凸台
KVC650/1
平口虎钳
粗铣花瓣凸台
KVC650/1
平口虎钳
精铣菱形凸台
KVC650/1
平口虎钳
精铣花瓣凸台
KVC650/1
平口虎钳
粗铣型腔
KVC650/1
平口虎钳
精铣型腔
KVC650/1
平口虎钳
钻孔
KVC650/1
平口虎钳
翻面铣掉夹持面
平口虎钳
3
检验
测量各部分尺寸大小、精度检验
编制
李亚洲
审核
9.2零件刀具卡片
表9-2数控加工刀具卡片
编号
刀具号
刀具名称
刀具规格(mm)
加工内容
备注
1
T01
立铣刀
20
铣平面、外轮廓
2
T02
立铣刀
10
铣凸台
3
T03
立铣刀
10
铣型腔
4
T04
麻花钻
10
钻孔
编制
李亚洲
审核
年月日
共页
9.3工具、量具清单
表9-3工具、量具表
工、量、刃具清单
图号
XKG01
序号
名称
规格
精度
单位
数量
1
带表游标卡尺
1-150
0.01
把
1
2
深度游标卡尺
0-200
0.02
把
1
3
外径千分尺
75-100
0.01
把
1
4
万能角度尺
0-320
2
把
1
5
粗糙度样板
N0-N1
12级
副
1
6
平口虎钳
Q12200
个
1
7
平行垫片
副
若干
8
固定扳手
把
若干
9
毛坯
尺寸为(105×85×35)
10
数控铣床
KVC650/1
9.4工序卡片的制定
对零件的加工制定重要工序卡片,如下表9-4、表9-5、表9-6、表9-7:
表9-4铣夹持面的工序卡
单位
数控加工工序卡片
零件名称
图样代号
宜宾职业技术学院
菱形凸台零件工序卡
菱型凸台零件
1-1
工序简图
使用设备
KVC650
材料
工序内容
铣夹持面
程序编号
夹具名称
平口虎钳
夹具编号
工步号
工步内容
刀具
量具
主轴转速(r/min)
进给速度(mm/min)
备注
1
铣夹持面
立铣刀
10m
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