凸台零件的数控加工及工艺分析设计.docx

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凸台零件的数控加工及工艺分析设计

1绪论

随着科学技术的飞速发展和经济竞争的日趋激烈,产品更新速度越来越快,复杂形状的零件越来越多,精度要求越来越高,多品种、小批量生产的比重明显增加,激烈的市场竞争使产品研制生产周期越来越短,传统的加工设备和制造方法已难以适应这种多样化、柔性化与复杂形状零件的高速高质量加工要求。

本课题来源于生产，是对所学知识的应用，它包括了三年所学的全部知识，在数控专业上具有代表性，而且提高了综合运用各方面知识的能力。

程序的编制到程序的调试，零件的加工运用到了所学的AutoCAD、CAXA制造工程师软件、机床操作、子程序、刀具的选择、零件的工艺分析、数学处理、工艺路线等一系列的内容。

这将所学到的理论知识充分运用到了实际加工中，切实做到了理论与实践的有机结合。

2零件分析

2.1零件的结构特点

要选择对某个零件进行数控加工，在一般情况下，不是所有加工内容都适合在数控机床上完成，而往往只是其中的一部分工艺内容适合数控加工，这就需要对零件图样进行仔细的工艺分析，选择那些最适合、最需要进行数控加工的内容和工序。

根据我院数控基地现有的的设备，故本次毕业设计的所有内容都选择在数控加工中心上加工。

2.2.1零件图纸的工艺分析

零件的精度要求需要从尺寸公差、表面粗糙度等方面综合分析。

2.2.2加工内容以及相关要求

（1）上表面加工，保证零件的高度为38±0.1mm，粗糙度一般为Ra6.3μm。

其余为Ra12.5μm。

（2）零件中部方形凹槽加工。

这部分轮廓深度为5mm，要保证R10mm的圆弧尺寸。

凹槽侧面的粗糙度为Ra6.3μm。

（3）四个R3孔及R7.5凹槽部分的加工。

要保证圆弧部分的尺寸以及下表面的高度差8mm以及孔深13mm。

2.2.3加工要点分析

数控加工中心的主要加工特点是工序集中，即工件在一次装夹后，连续完成铣、钻、镗、铰、攻丝加工等多道工序，从而减少了零件在不同机床之间的转换搬运时间，提高了效率。

例如加工方形凹槽时，应该把粗精加工安排在一起，这样就减少了换刀次数，在加工时，要保证零件的尺寸精度和表面粗糙度。

另外，加工过程中尽可能减少换刀次数并使走刀路线最短，以减少辅助时间，提高效率。

2.2.4零件图纸上的尺寸标注

（1）按加工顺序标注尺寸，尽量减少尺寸换算，并能方便准确地进行测量。

（2）从实际存在的和易测量的表面标注尺寸，且在加工时应尽量使工艺基准与设计基准重合。

2.2.5分析变形情况

由于该零件方形凹槽深5mm，在加工过程中如果进给速度过快容易变形，所以应采用合理的加工方式。

在加工的过程中选用合理的切削参数、刀具、夹具等。

该零件的加工轮廓由平面、外轮廓、型腔、孔等构成。

2.2.6零件的精度要求

该零件最高精度等级为IT10级，外轮廓四周、型腔以及上表面的粗糙度为Ra6.3μm，其它表面粗糙度均为Ra12.5μm，比较容易加工。

3毛坯的选择

所谓毛坯的加工余量，就是指使加工表面达到所需的精度和表面的质量而应切除的多余金属层的厚度。

零件在进行数控铣削加工时，由于加工过程的自动化，使用余量的大小，如何安装、装夹等问题在选用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，加工时将很难进行下去，根据经验，列举以下几点：

3.1分析毛坯的加工余量

该图的毛坯采用铸铁，因为我考虑到我们学校现有的设备和自身的经济条件等问题，所以采用铸铁，毛坯尺寸120mm×120mm×38mm进行加工，由于该件是铸造件，毛坯的扭曲变形量的不同地方造成余量不充分，不稳定，因此，要采用数控铣削加工，其加工面都要具有充分的加工余量。

3.2分析毛坯的装夹

主要考虑毛坯在加工时定位和夹紧的可靠性与方便性，以便在一次安装中完成所以的加工表面。

4机床的选择

根据零件的结构、形状、精度以及加工的难易程度等条件来选择数控设备的型号，由于该零件由平面、凹槽、圆弧等组成。

根据减少定位、装夹和多次换刀带来的影响，结合我院实际情况采用加工中心进行加工，便可达到零件的各项精度。

该机床的X轴行程450mm，Y轴的行程为650mm，Z轴的行程为500mm，工作台为4500X1370mm，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，斗笠式刀库容量为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。

5零件加工定位基准的选择

正确选择定位基准对保证加工表面的尺寸精度和相互位置精度，确定各表面加工顺序和夹具结构的设计都有很大影响。

因此，定位基准的选择是一个很重要的问题。

5.1工件的装夹

工件装夹情况的好坏，不仅直接影响工件加工精度，还关系到产品质量问题，而且工件装夹的快慢还直接影响到生产效率以及工件成本。

在实际的应用中一般是先定位后夹紧，但是也有同时完成的，如三爪卡盘夹持工件。

该零件形状比较复杂、尺寸精度要求较高，但轮廓面精度要求不是很高，所以如图可选用平口虎钳，以底面和两侧面定位，零件先要加工上表面，因此以下平面为装夹面，加工完所需要素后，翻转夹持外轮廓，将夹持面铣掉。

平口虎钳如图5-1所示：

图5-1装夹图

5.2零件粗基准的选择

用毛坯上未加工过的毛坯面作为定位基准，这种定位基准称为粗基准。

粗基准的选择，一般情况下就是第一道工序定位基准的选择，往往是进行后续工序加工的基准。

在选择粗基准时应考虑尽量减少装夹次数。

粗基准一般情况下只使用一次。

零件是以侧表面作为粗基准。

以下表面作为精基准的装夹面。

5.3零件精基准的选择

用已加工过的表面作为定位基准，称为精基准。

精基准选择应保证从零件精度出发，同时也要考虑装夹方便，夹具结构简单。

以侧表面作为装夹面，翻面夹持，在以下面作为精基准，保证了一次装夹完成所有面的加工减少了换刀次数，定位误差，提高了加工精度，同时体现了基准统一原则。

6选择并确定工艺装备

6.1刀具尺寸的选择

（1）直径尺寸：

根据零件图样不同，选取的刀具尺寸不一样。

选取直径尺寸原则是：

在刀具能够满足加工前提下，尽量选取直径大的刀具，铣削刀具都是成型刀具且标准，在同时可根据选取的刀具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量，刀尖的距离包括刀柄和刃具两部分。

选取的原则是：

在满足各个部位加工要求前提下，尽量减少刀具长度，以提高工艺系统的刚性，制造工艺和编程时，一般不必准确确定刀具的长度，只需初步估算出刀具长度范围。

根据经验公式：

=A-B-N+L+

+

（公式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）

刀具长度示意图如图6-1所示：

图6-1刀具长度示意图

根据不同的加工内容，则需要不同规格的刀具来进行加工，该零件材料为铸铁，毛坯为125mm×125mm×45mm，而零件实际尺寸为120mm×120mm×38mm。

考虑到加工的效率，接刀痕迹，走刀的重叠量，综合分析确定粗、精平面采用直径为Ф10mm的立铣刀；轮廓采用Ф10mm的键槽铣刀；圆弧最小尺寸为R3mm的孔则采用直径为Ф6mm的键槽铣刀。

6.2刀具材料的选择

6.2.1刀具材料性能

切削用刀具材料应具备的性能如表6-1所示：

表6-1切削用刀具材料应具备的性能

材料

刀具使用时的性能

希望具备的性能

作为刀具使用时的性能

高硬度

耐磨损性

化学稳定良好

耐氧化性、耐挎散性

高韧性

耐崩刃性破损性

低亲和性

耐熔点、凝点、粘力性

高耐热性

耐塑性变形性

磨削成型性能良好

刀具制造的高生产率

热传导能力良好

耐热冲击性耐热裂纹性

锋刃性良好

刃口锋利表面质量好

微小切削可能

6.2.2各种刀具材料

（1）高速钢在

仍能保持较高的硬度，较之其他工具钢耐磨性好且比硬质合金韧性高，但压延性较差，热加工困难，耐热冲击性较弱。

不适合高速切削和硬的材料。

（2）硬质合金具有较高的红硬性，能在

保持较好的加工性能，允许切削速度就高速刚的4～10倍。

复合碳化物系硬质合金在铣削金属的切削中显示出极好的性能。

于是，硬质合金得到了很大的普及。

（3）陶瓷加工中陶瓷刀具很容易因热裂纹产生崩刃等损伤，且切削温度易较高。

陶瓷刀具因其材质的化学稳定性好、硬度高，在耐热合金等难加工材料的加工中有广泛的应用。

（4）立方氮化硼主要适用于高速加工。

（5）聚晶金刚石适用于高效地加工有色金属和非金属材料，能得到高精度、高光亮的加工表面，使其在高精加工领域中得到了普及。

数控机床对刀具的要求与普通机床的切削相比，数控机床对刀具的要求更高。

不仅要精度、刚度好、耐用度高而且尺寸稳定，安装调整方便。

从以上刀具材料看，金刚石的硬度、耐磨性最高，递次降低到高速钢但材料的韧性则是高速钢最高，金刚石最低。

在数控机床中，采用最广泛的是硬质合金类。

因为这类材料目前从经济性、适应性、多样性、工艺性等各方面，综合效果都优于陶瓷、立方氮化硼、聚晶金刚石。

但是根据零件材料和我院数控基地刀具的实际情况，我选用了高速钢刀具加工零件。

6.3量具的使用表

量具的使用表如表6-2所示：

表6-2量具表

名称

规格

用途

游标卡尺

0.02mm

主要用于测量内、外尺寸和深度等

千分尺

0-25mm

75-100mm

主要用于长度测量工具

直尺

0-100mm

主要用来测量工件的长度和垂直度

6.4切削用量的确定

制定切削用量，是在选择好刀具材料和几何角度的基础上，确定背吃刀量进给量和切削速度制定切削用量的原则，是在保证加工质量降低成本和提高生产率的前提下，使ap、F、Vc的乘积最大。

切削用量的大小对切削力、切削功率、刀具磨损、加工质量和加工成本均有显著影响。

选择切削用量时，就是在保证加工质量和刀具耐用度的前提下，充分发挥机床性能和刀具切削性能，使切削效率最高。

粗加工时应选取尽可能大的背吃刀量；其次要根据机床动力和刚性的限制条件等，选取尽可能大的进给量；最后根据刀具耐用度确定最佳的切削速度。

精加工时应根据加工后的余量确定背吃刀量；其次根据已加工表面粗糙度要求，选取最小的进给量；最后在保证刀具耐用度的前提下尽可能选用较高的切削速度。

6.4.1主轴转速的确定

主轴转速n（r/min）:

n=1000（Vc/πd）　　　　　（公式6-2）

公式中：

Vc—切削速度，　　　　　　　单位m/min

d—铣刀直径，单位mm由于每把刀计算方式相同，现选取粗、精铣平面Ф20的立铣刀为例说明其计算过程。

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。

如表6-3所示:

表6-3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

70~120

100~200

200~400

从理论上讲，切削速度Vc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：

取粗铣时

=20m/min精铣时

=25m/min

代入6-2式中：

=（1000×20）/（3.14×20）

=（1000×25）/（3.14×20）

=318.4r/min　　　　=398r/min

6.4.2进给速度的确定

在保证机床、刀具不超出工件精度充许的数值，表面粗糙度值不太大的前提下，尽量选择大的进给量，粗加工时限制进给量的主要是切削力，半精加工和精加工时，限制进给量的主要是表面粗糙度。

切削进给量F是切削时单位时间内工件与铣刀沿进方向的相对位移，单位为mm/min。

它与铣刀转速n、铣刀齿数z及每齿进给量fz（mm/z）的关系为:

　　　　　　　　　　F=fz·Z·N　　　　　　　　　　　（公式6-3）

公示中：

z—铣刀齿数单位：

（mm/min）

fz—铣刀每齿工作台移动距离，即每齿进给量（mm/z）

每齿进给量fz的选取主要取决与工具材料的力学性能、刀具材料、工件表面粗糙度等因素。

工具材料的强度和硬度越高，fz越小，反之越大。

硬质合金铣刀的每齿进给量高于同类高速钢铣刀。

铣刀每齿进给量如表6-4所示：

表6-4铣刀每齿进给量

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

=0.08mm/z

精铣

=0.05mm/z

铣刀齿数z=3

上面计算出：

=318.4r/min

=398r/min

将它们代入式子6-3计算。

粗铣时：

F=0.08×3×318精铣时：

F=0.05×3×398

=76mm/min=60mm/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。

6.4.3背吃刀量的确定

主要根据机床刀具和工件的刚度允许的情况下。

粗加工（Ra10～80um）时，一次进给尽可能切削全部余量。

在中等功率机床上，背吃刀量可达8～10mm。

半精加工（Ra1.25～10um）时，背吃刀量取为0.5～2mm。

精加工（Ra0.32～1.25um）时，背吃刀量取为0.1～0.4mm。

最好一次切净余量，以提高生产效率。

根据零件材料和我院刀具性能考虑，粗加工时：

ap=2mm；精加工时：

ap=0.5mm；从这当中选择最为合适，即提高了生产效率，又可延长刀具使用寿命。

7切削液的选择

合理的选择切削液可以改善工件与刀具间的摩擦状况降低切削力和切削温度，减轻刀具摩损减小工件的热变形，从而可以提高刀具耐用度提高加工效率和加工质量。

切削液具有冷却、润滑、清洗、防锈的作用，因此在数控加工中使用切削液是一个必须的选择。

常用的冷却液主要有三种表7-1所示：

表7-1常用冷却液

冷却液名称

主要成份

主要作用

水溶液

水、防锈添加剂

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

切削液应根据工件材料，刀具材料，加工方法和技术要求等具体情况进行选用。

下述几条供参考：

（1）高速的刀具红硬性差，需采用切削液，硬质合金刀具红硬性好，一般不加切削液；若硬质合金刀具使用切削液，必须连续、充分的浇注；不能间断。

（2）切削铸铁和铝合金时，一般不用切削液。

如要使用切削液，选用煤油为宜。

（3）粗加工时，以冷却为主，可选用水溶液或低浓度的乳化液，精加工时，主要以润滑为主，可选用切削油或浓度高的乳化液。

（4）低速加工时，可选用油性较好的切削油；重切削时，可选用极压切削液。

综上所述：

根据我选择的材料铸铁我选择乳化液为冷却液。

它的主要作用是：

冷却、润滑、清洗而且还有一定的防锈作用。

8工艺方案的制订

8.1加工方案的制订

加工中心具有刀库功能，也就是说在加工中心上加工零件，一般是多工步，多刀具的零件加工，在安排加工顺序时同样要遵循，“基面先行”、“先粗后精”、“先主后次”及“先面后孔”的一般工艺原则。

根据该零件的外型我制定了下面两种方案：

方案一：

粗精铣外轮廓→粗精铣方形凹槽及外轮廓→粗精铣四个凹槽及孔→粗精铣方形外轮廓

方案二：

粗铣方形外轮廓→粗铣外轮廓→粗铣方形凹槽及外轮廓→粗铣四个凹槽及孔→精加工

以上两种方案中第二种方案是从外面逐层往里面铣第一种方法与第二种相反。

该零件方形凹槽与四个凹槽的深度不一致，方形凹槽的深度是5mm,四个凹槽的深度是8mm，第一种可减少在加工中的变形。

第二种方案是先粗加工，后精加工，而第一种方案是一道工序粗精加工完了才加工下一个工序，大大的减少了换刀的时间。

综上所述我选择第一种加工方法进行加工。

8.2刀具卡片的制订

根据零件结构特点，铣削方形凹槽轮廓、方形凸轮廓、圆弧凹槽时，铣刀直径受槽宽限制，同时考虑刀铸铁的材质，因此对刀具选用设计的刀具卡片，如表8-1所示：

表8-1数控加工刀具卡片

零件名称

凸台

编制

序

刀具号

刀具规格、名称

刀柄型号

半径补偿值

号

粗加工

精加工

1

T01

φ10立铣刀

BT40

5

5

2

T02

φ10键槽铣刀

BT40

5

5

3

T03

φ6键槽铣刀

BT40

3

3

8.3工艺过程卡

此零件的工艺过程卡片如付图所示

8.4工序卡

此零件的工序卡片如付图所示

9程序编制

工序1备料（120×120×38mm）的45号钢如下图：

工序2粗精铣凸台及方形凹槽外轮廓

数控铣床编程如下：

%123

S800M03

G54G90G00X0Y0Z50

G00Z5

X-50Y-50

G01G42X-60Y-60D01F400

Z-13

G01X-55Y-55

X45Y-55

X55Y-45

X55Y45

X45Y55

X-45Y55

X-55Y45

X-55Y-45

X-45Y-55

X60Y-55

G01G40X-60Y-60

G01Z5

G01G42X-45Y-45D01F400

Z-5

G01X45Y-45

X45Y45

X-45Y45

X-45Y-45

X-35Y-35

X35Y-35

X35Y35

X-35Y35

X-35Y-35

X-15Y-35

X15Y-35

G03X20Y-30R5

G02X30Y-20R10

G03X35Y-15R5

G01X35Y15

G03X30Y20R5

G02X20Y30R10

G03X15Y35R5

G01X-15Y35

G03X-20Y30R5

G02X-30Y20R10

G03X-35Y15R5

G01X-35Y-15

G03X-30Y-20R5

G02X-20Y-30R10

G03X-15Y-35R5

G01X15Y-35

G40G01X-55Y-55

Z5

G00X-60Y-60Z60

M05M30

仿真图如下：

工序3粗铣方形凹槽：

数控铣床编程如下：

%123

S800M03

G54G90G00X0Y0Z50

G00Z5

X-50Y-50

G01G42X0Y0D01F400

Z-5

G01X-10Y0

X-10Y10

X10Y10

X10Y-10

X-10Y-10

X-20Y10

G02X-10Y20R10

G01X10Y20

G02X20Y10R10

G01X20Y-10

G02X10Y-20R10

G01X-10Y-20

G02X-20Y-10R10

G01X-20Y10

G01Z5

G40G01X0Y0

G00X-60Y-60Z60

M05M30

仿真图如下：

工序4粗铣4个R7.5圆凹槽并精铣4个R3孔及R7.5圆凹槽：

数控铣床编程如下：

%123

S800M03

G54G90G00X0Y0Z50

G00Z5

G01X38Y38F400

Z-13

Z5

X38Y-38

Z-13

Z5

X-38Y38

Z-13

Z5

X-38Y-38

Z-13

Z5

G00X0Y0Z60

G00Z5

G01X38Y38

Z-18

Z5

X38Y-38

Z-18

Z5

X-38Y38

Z-18

Z5

X-38Y-38

Z-18

Z5

G00X0Y0Z60

M30M05

仿真图如下：

10加工零件

10.1建立工件坐标系

加工零件时使用G54建立工件坐标系，将凸台中心作为坐标原点，使用试切法建立工件坐标系。

将刀具移动到毛坯左端面记录下当前坐标位置并置零；再移动刀具到工件右端面记录下当前坐标位置，这样间接的找到零件的中点，X方向的中点坐标为零加右端读数除2，将此点设X轴的原点。

同理将刀具移动到毛坯的前端面记录下当前坐标位置，并且置零。

再移动刀具到工件后端面记录下当前的坐标位置，这样间接的得到零件的宽度。

Y方向的中点坐标为零加后端读数除2，将此点设Y轴的原点。

将刀具移动到零件的上平面，使刀具靠近工件，直到有切削飞出，将此点设为Z零。

10.2对刀及刀补设定

该零件采用试切法对刀，即每试切一次工件的一个基准，分别记下数控系统显示的坐标，然后将它们折算成刀具相对于工件原点的数据，这样建立了工件坐标系与机床坐标系之间的固定关系。

10.3加工零件过程

加工零件的过程如下：

开机→回参考点→建立机床坐标系→程序导入→程序效验→加工零件。

加工过程中严格遵守纪律。

按照工艺过程将该零件加工出来，在加工的过程中要细心的观察切削用量的选择是否合理，并做及时的调整。

总结

经过本次课程设计，巩固了大学所学的课程，对数控技术的运用有了更深的认识和了解。

对典型零件的加工也有更加深刻的印象，也使我对学院基地的铣削、加工中心的独立操作有了进一步的提高。

从设计图纸到产品的加工，在指导老师的带领下，每一个环节都是由自己全部设计制作的。

但在设计的过程中，深感在平时的学习不够，在此之中遇到了很多问题，经过老师的指导和同学的帮助，再加上自身的不懈努力，使问题得到了解决。

此次的设计是加工一个凸台凹槽类零件，首先要根据零件图进行结构分析、工艺分析，精度分析、毛坯余量分析，加工路线的确定，加工方法的选择，加工顺序的安排，加工工艺参数的确定，选择出毛坯适宜的加工设备，选择出定位装夹方案，合理选择刀具，并进行程序的编制，以及程序的校核，还利用AutoCAD软件绘制零件图，CAXA制造工程师软件生成实体进行轨迹仿真，最后对加工的零件进行零件质量分析，分析零件在加工过程时所选择的工艺方案是否合理。

经过这次对零件图形进行加工及毕业设计的制作，使我对以前所学的知识进行了巩固、深化和融会贯通，在涉及较少的机械加工领域都有了更多的了解，扩展了我的知识面，学到了一些设计思路，同时零件的加工使我对数控编程和加工都更加的熟练。

切实做到将理论联系到了实际生产中，也只有理论与实际巧妙的结合在一起，才能达到规定的各项性能指标，加工出完美的、符合要求的零件，对程序的编制也是此说明书的一个重要内容，只有合理的编制程序，制定出走刀路线，才能在最短的时间内加工出满足要求的零件。

它不仅使自己的专业技能更加熟练，也强化了我在大学阶段所学到专业理论知识。

经过这次的毕业设计，让我受益匪浅。

参考文献

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