毕业设计红酒杯在数控车床上的工艺设计编程和加工过程.docx
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毕业设计红酒杯在数控车床上的工艺设计编程和加工过程
红酒杯设计及加工
摘要
论文通过红酒杯的设计和加工，一方面力求做到按红酒杯的设计理论制定出一套合理的设计方案，所设计的红酒杯要符合经济、实用、精美的原则。
产品的造型部分将运用UGNX4.0和AutoCAD这两款软件，前者用于实体建模，后者用来绘制二维工程图。
在按要求完成产品造型的同时，也进一步了解和熟悉这两款软件的各个功能。
另一方面，产品零件的加工将在数控车床上完成，因工件的形状较规则，编程简单，故可采用手工编程加工。
加工前将编写详尽的生产加工程序单和加工工艺流程表。
产品的实际加工将作为检验产品设计方案的有效途径，最后再根据加工情况修改和完善产品的设计方案，最终生产出符合要求的红酒杯产品。
关键词：
红酒杯；手工编程；数控车削.
绪论
进入21世纪，制造业已成为推进社会生产力的重要力量，数控技术作为现代制业的先进方式，已得到了广泛的普及。
作为数控专业的毕业生，必须达到熟练掌握常用数控机床的操作，了解不同产品的加工工艺并制定出合理的加工方案，还应具备产品设计和利用工具软件造型等技能。
因此，本次毕业设计就是要通过设计及加工一款红酒杯产品，加深对数控加工的认识，培养产品设计造型的能力。
毕业设计包括论文誊写和产品数控加工两部分，产品的数控加工将是难点。
因红酒杯零件属于薄壁、细长的悬伸件，自身结构刚性和承受切削、加紧能力差，加工过程中易产生多种变形。
所以必须首要解决如何采取适当的措施减小和补偿形变，保证加工精度的问题。
产品的理论设计将结合实际加工，根据加工情况将修改和完善产品的设计方案，最终生产出符合要求的红酒杯产品。
1红酒杯的基本构造
杯座
平坦的杯座使酒杯可以立着，不会翻到，尤其是倒满酒的时候
杯茎
杯茎的出现是为了让饮酒人的手不需要和杯肚接触，以避免把酒弄花或是让体温提升酒的温度。
杯肚
杯肚可能是酒杯最重要的组成，也是最程式化的。
杯肚形状和尺寸影响香气的汇聚和散发、通气的程度和葡萄酒的视觉呈现效果。
最常见的形状是郁金香型，表现为底部稍宽、顶端附近呈锥形。
这种形状使得人们可以晃动葡萄酒、进行观察，而香气又会被汇聚在狭窄的开口处，直接朝着鼻子的方向。
用来饮用丰满酒体红酒的酒杯通常在底部都是宽阔而圆满的，目的是让葡萄酒与空气有更多的接触，为丰富的味道和香气提供更多的散发空间;而饮用白葡萄酒的酒杯底部相比较窄，为的是帮助保持酒的凉爽，在更小的空间里汇聚较淡的香气。
香槟型酒杯是又细又长，以展示升腾的气泡，以及帮助保持低温。
尺寸
酒杯有很多的形状和尺寸，但有一个经验法则是酒杯应该足够大，这样有了足够的空间在晃动酒杯时避免了酒的溢出，香气也可以在杯子里散发并汇聚起来。
颜色
尽管彩色酒杯或者那些突出装饰的酒杯会很漂亮，但是最好的酒杯应该是光滑、平整，而且可以让酒杯中葡萄酒的美丽和精细透过杯壁清楚地展现出来。
杯口
优质的酒杯会有一个切割而成的杯口，触感平滑，不会对葡萄酒流出杯子造成阻碍。
应该避免用轧制杯口或者杯口不平整的酒杯。
2红酒杯设计
2.1结构设计不同造型、弧度的红酒杯对于酒液的香气与口感所造成的差异与影响很大。
喝红酒要选肚子大一些的酒杯，因为红酒需要和氧气接触，才能使香味释放出来。
如果是陈年的红酒，就更需要用大杯子，这样可以快速散掉常年存放的陈腐气味，避免干扰红酒的醇香。
不同结构的红酒杯，其酒液的容积和表面积之比不同，表面X力和毛细管作用也不同，酒中的芳香成分挥发程度也就大不一样。
如果酒杯的杯身太高，酒液表面离鼻孔太远，或者酒杯的喇叭口太大，易吸入外面的空气，那么杯中显现的香气就比较弱；如果用半球形的杯，其杯身短，鼻孔能更贴近酒液表面，香气虽易被发觉，但由于开口过大容易吸入外面的空气。
所以只有选择杯杯体杯身高度适中、大肚收口、倒入酒的量使其在杯中的表面积最大，才能给出香气成分的最大强度挥发。
品尝红酒最简便最好的工具就是高脚卵形伸长切顶的透明玻璃杯。
理想的红酒杯应该是杯身薄、无色透明且杯口内缩的郁金香杯。
而且一定要有四至五公分长的杯脚，这样才能避免用手持拿杯身时，手的温度间接影响到酒温，而且也方便观察酒的颜色。
一个好的高脚杯，一般有210～225ml的容量。
高脚杯的腿要足够高，脚盘要平，杯身也不能太短。
若杯腿不够高，人们的手会抓住杯身，将加热杯中的酒，改变酒的原始状态；若杯脚盘不够大和平，就不能平稳地放在桌子上；若杯上身太矮，会影响盛酒的量，香味表现不充分。
杯壁的厚薄应轻薄。
普通的红酒杯，杯体高155±5mm，杯上身高100±2mm，杯大肚直径65±2mm，杯口直径46±2mm，杯口壁厚0.8±0.1mm，杯腿高55±3mm，腿粗9±1mm，脚盘直径65±5mm。
此外，不同酸甜度的红酒对红酒杯郁金香形的结构要求也有所不同。
例如自身酸甜协调、酸度适中的红酒要用含苞欲放的郁金香型红酒杯盛放。
酸度较高、需要特别突出果味的红酒适合用盛开的郁金香型酒杯盛放，以平衡酒中的果味、甜度和酸度。
而果味浓烈而酸度相对较弱的红酒则适合用圆肚的郁金香型酒杯盛放。
2.2材质选择
红酒杯的材质，应选择玻璃或水晶，杯身要轻薄且无色透明，方便判断酒的颜色和色泽。
高档的红酒杯当然是用水晶玻璃打造的精品，这种酒杯透明度非常高，折射率也很小。
水晶之外，也有更便宜的玻璃质地的红酒杯。
水晶杯和玻璃杯带来的香气与口感会有细微差别，其原因主要是两者表面的粗糙程度不同而造成的。
通过显微镜可以观察到，水晶的表面的凹凸要比玻璃。
水晶根据它的原材料分为两种:
一种是铅人造水晶，主要是白水晶玻璃，含24％铅（或以上）称为全铅水晶，低于24％者则称为铅水晶，它有较好的折射率、硬度，以及较大的比重。
但容易折断、较软、易磨花，且含铅水晶杯中的铅会析出并溶于酒或酸性饮料之中，长期使用会引起铅蓄积而导致中毒，损害健康。
另一种是无铅人造水晶，就是以其它元素（如光学玻璃常用的钾）代替原本生产过程中所使用的铅加入玻璃中，它既包含了有铅人造水晶的优点，又极富弹性、特别晶莹透澈，使杯身透光度极佳，呈现晶莹剔透的质感。
因不含铅，所以环保健康，是目前市场上水晶玻璃杯的主流。
选料精良的水晶酒杯，应看不到星点状、云雾状和絮状分布的气液包体，质地纯净、光润、晶莹。
此外，金属及陶瓷质地的红酒杯也广受人们的追捧。
如纯银、镀银红酒杯一直是西方贵族的餐具及收藏品首选，纯锡、纯铝及黄铜镀金等制成的红酒杯则常作为工艺品和礼品被人们青睐。
而上了彩釉的陶瓷杯在广大家庭和酒馆里比较常见。
2.3主要品牌Riedel：
公元1756年创立于奥地利的Riedel，两百多年来，已是全世界最富盛名的专业酒杯领导品牌。
不管是优雅精致的造型、清亮透明的外观、细致灵巧的杯脚与杯座、以及纤薄的外壁，都令品味人士趋之若鹜。
尤其是Sommeliers系列，更早已成为葡萄酒痴们最渴望拥有的典藏级梦幻商品，影响极其深远。
全系列共40支杯子，除了全为纯手工精制的水晶杯，造型、设计与清澈度均属上乘之外，更依不同酒类、地区、品种、甚至等级，从杯身形状到大小都作了不同区分。
比方单以Bordeaux与Bourgogne这两个目前红酒里最脍炙人口的法国产区为例，Sommeliers便为之分别出了「Bordeaux」与「BordeauxGrandCru」、「Bourgogne」「BourgogneGrandCru」（GrandCru指「一级酒庄」）等四支杯子，吹毛求疵程度，着实令人咋舌，也因而成为其它酒杯品牌的区分指针。
而自1986年起，为因应现代葡萄酒品饮习惯与风潮，还推出实用级机器吹制的Vinum水晶杯系列，虽不若Sommeliers级的绝对行家身段，一组25支杯子，却也一样依照品种、产地特性作了翔实的分类，价格上也显得平易近人不少，至今已成酒饕们人手一套的必要配备之一。
Riedel的酒杯做工很精细，当然价格也不菲。
其Sommelier和Vinum两个系列的水晶酒杯种类都超过了30种。
图2.3Riedel的酒杯
Spiegelau：
成立于1521年、位于德国水晶重镇Passau的Spiegelau，也是极具知名度的水晶品牌。
据传其原本为Riedel的OEM厂商，所推出的酒杯形制一般认为与Riedel极为相似，且价格相对平易许多，故而颇受入门级酒客的青睐。
旗下商品分为手工吹制与机器吹制两个项目，项下再细分为多个系列，手工吹制部分以GrandPalais系列款式较多；机器吹制方面则以VinoGrande系列较为完整，不仅有Bourgogne、Bordeaux、Chianti等产地区分，甚至还推出较年轻的白酒、以及Magnum大瓶装红酒专用的杯子，十分有趣。
Baccarat创立于1764年的Baccarat是法国极著名的皇室御用级水晶品牌，包括法国、英国、俄国、印度皇室都是此品牌的爱用者。
图2.4Spiegelau的酒杯
德国的ScottZwiesel酒杯做工精细，杯腿很长，看起来精美优雅，只是形状不如Riedel和Spiegelau那样多。
图2.5ScottZwiesel酒杯
另外，也有为适合不同产区的葡萄品种而量身定做的红酒杯，多由葡萄产区命名。
如波尔多杯相对深长，适合用来品尝饮用来自波尔多地区的葡萄种类，无论是浓郁厚重的CabernetSauvignon还是单宁柔顺、酸度较低的Merlot，都能很好地表现；而勃根地杯体态更圆和浅，几近球形，在品尝勃根地产区的酸度较高的黑皮诺葡萄（PinotNoir）时更出色。
图2.6不同产区的葡萄品种特制红酒杯
2.4设计初稿
通过以上论述，作出红酒杯的初步设计。
如图2.7所示。
（详见附录工程图）
图2.7红酒杯零件图
主要尺寸:
杯体高102±1mm，杯上身高60±1mm，杯大肚直径62±2mm，杯口直径52±2mm，杯壁厚3±0.1mm，杯腿高30±3mm，腿粗10±2mm，脚盘高5±0.5mm，脚盘直径49±1mm。
考虑到本课题重点在通过实例操作进一步了解数控加工，故材料选用钢材。
3红酒杯实体造型
3.1零件造型思路
红酒杯形状比较规X，造型过程相对比较简单。
可先作出红酒杯轮廓的截面曲线草图，再利用回旋命令生成红酒杯实体，最后利用边倒角命令使杯口和底座光滑圆润。
图3.1红酒杯
红酒杯可通过以下步骤进行造型：
绘制红酒杯轮廓截面曲线草图，利用回旋命令生成红酒杯实体，实体边倒角，隐藏实体多余轮廓线。
造型过程每一步骤的结果如图3.2所示。
→
→
→
图3.2红酒杯造型流程
3.2红酒杯实体造型
3.2.1新建零件文件
①在桌面上双击UGSNX6.0的快捷方式，打开UGSNX6.0
②在工具条上单击“新建文件”按钮。
系统弹出新建文档对话框。
③选择新建文档的存放位置为Ｅ盘，“文件名”为hongjiubei，“文件类型”为部件文件（*.prt），“单位”为毫米，单击“ＯＫ”按钮新建一个部件文件。
3.2.2绘制截面曲线的草图
①进入草图状态。
单击“起始”按钮，选择“建模”进入建模界面。
再单击“草图”按钮，系统直接以默认的XOY平面为绘画平面，进入草图绘制状态。
②绘制截面曲线。
利用草图工具栏上的“直线”、“圆弧”、“圆”等
命令绘制截面曲线，利用“约束”命令使各段圆弧光滑连接。
完成以上操作后的草图图形如图3.3所示。
图3.3截面曲线
③退出草图状态。
单击草图工具栏上的“完成草图”按钮，退出草图绘制状态。
3.2.3利用回旋生成实体
①选择回旋功能。
选择主菜单上“插入”→“设计特征”→“回旋”，系统将弹出回旋实体特征向导栏。
选择刚生成的草图，单击“自动判断的矢量”按钮，选择草图上CY方向的直线。
单击“应用”按钮，显示参数并自动生成回旋实体。
②确认生成实体。
在图形预览确定模型正确后，在特征向导栏中单击“取消”按钮生成实体。
生成的回旋实体如图3.4所示。
图3.4回旋实体
3.2.4实体倒圆角
①选择倒圆角功能。
单击“边倒角”按钮，系统弹出边倒角特征向导栏。
②选择实体上边界。
在图形上选择回旋体的上底面的边界，在浮动菜单中输入“半径值=6”。
单击特征向导栏中的“确定”按钮生成实体圆角。
③选择实体下边界。
在图形上至上往下选择回旋体的四个下底面的边界，在浮动菜单中依次输入“半径值=6”、“半径值=2”、“半径值=2”、“半径值=6”。
单击特征向导栏中的“确定”按钮生成实体圆角。
结果如图3.5所示。
图3.5完成实体倒圆角
3.2.5隐藏实体多余轮廓线
选择隐藏功能。
选择主菜单上“编辑”→“隐藏”，系统弹出字菜单，选择隐藏选项，选择截面曲线和XC－YC主平面，单击浮动菜单中的“确定”按钮
完成操作。
生成效果如图3.6所示。
图3.6完成实体多余轮廓线隐藏
3.2.6保存文件
完成实体造型各个特征的建立后，选择主菜单的“文件”→“保存”，系统弹出UGSNX4.0浏览器，选择需要保护的文件夹，并输入文件名“hongjiubei”单击“保存”按钮保存文件。
4红酒杯编程加工
4.1加工工艺分析
红酒杯零件的加工,可按先进行零件内表面的粗、精车加工,后进行外轮廓的粗、精车加工的方式进行切削加工。
加工时,相关参数的选择,直接关系零件的加工质量。
主要参数有主轴转数、进给速率、刀具切入时的S进给速率、步距宽度和切削深度等。
主轴转速一般根据切削速度来计算,公式:
n=1000Vc/πd,式中d为刀具直径（mm）,Vc为切削速度（m/min）,切削速度的选择与刀具的耐用度密切相关。
进给速度关系到零件的加工精度和表面粗糙度,其计算公式为F=nzf,式中n为主轴转速（r/min）,z为铣刀齿数,f为每齿进给量（mm/齿）。
在粗加工的时候需要留有0.2～0.5mm的精加工余量,通常采用比较节省时间的方式；精加工则将粗加工的余量全部加工,选择的加工方式在达到要求的前提下采用时间较少的方式。
表4.1所示为加工中工艺参数。
加工方式
刀具选择
切削量
主轴转数
进给倍率
切端面
外圆刀
/
800
0.2
钻孔
中心钻
/
200
/
Ф20mm钻头
/
200
/
内轮廓加工
粗车
内孔刀
1
300
0.15
精车
内孔刀
0.5
350
0.05
外表面加工
粗车
外圆刀
1.5
800
0.2
精车
外圆刀
1
1200
0.08
切断
切槽刀
/
400
0.2
表4.1工艺参数
4.2分析零件图样，确定加工方案
零件轮廓几何要素分析：
红酒杯零件主要由直线、圆弧及曲线组成。
考虑到加工所使用的数控车床没有曲线插补功能，所以设计时红酒杯杯身的曲线部分采用圆弧相切的方式连接而成，各切点坐标已知。
零件中各节点的坐标都已知，便于手工编程。
零件结构工艺性分析：
红酒杯零件属于薄壁、细长的悬伸件。
自身结构刚性差，易产生振动变形；承受切削和加紧能力差，易引起热变形。
所以在切削过程中，必须采取适当的措施，如正确选择刀具和切削余量，合理安排加工工序，以减小和补偿形变，保证加工精度。
精度及技术要求分析：
通过以上对零件的分析，初步确定红酒杯的加工方案：
零件毛坯采用钢材。
机床采用CYNC-400TA数控车床，系统为FANUCSeriesoiMate-TC。
刀具选择：
外圆车刀、内孔车刀、切槽刀及中心钻、Ф20mm钻头。
夹具为三爪自定心卡盘。
加工工序为先进行零件内表面的粗、精车加工，后进行外轮廓的粗、精车加工。
进给路线采用G00快速引刀，G01切点切入。
内表面加工结束采用轴－径向退刀，避免撞刀；外轮廓采用斜线退刀，提高加工效率。
编程选择手工编程。
4.3零件材料分析
金属材料的性能主要是指力学性能、物理性能、化学性能和工艺性能，其中金属材料是否易于加工成形的性能称为工艺性，如铸造性能、锻造性能、焊接性能、可切削加工性能和热处理工艺性能等。
红酒杯加工，零件材料选用45号钢材。
45号钢为优质碳素结构用钢,硬度不高易切削加工,广泛用于机械制造，机械性能好。
模具中常用来做模板,梢子,导柱等,但须热处理。
45钢是轴类零件的常用材料，它价格便宜，经过调质（或正火）处理后，可得到较好的切削性能，能获得较高的强度和韧性等综合机械性能，淬火后表面硬度可达45～52HRC。
GB/T699-1999标准规定45钢抗拉强度为600MPa，屈服强度为355MPa，伸长率为16％，断面收缩率为40％，冲击功为39J。
图4.1为45号钢工件毛胚。
图4.145号钢工件毛胚
4.4数控机床的选择
数控加工技术是现代制造行业不可缺少的加工手段，数控车床是普及最广泛的一种数控加工机床，主要由车床主体、数控系统、伺服驱动系统、辅助装置等几部分组成。
数控车削加工是在数控加工程序控制下，以工件旋转作主运动，车刀作进给运动的方式进行切削加工的。
在车床上除了进行车削加工外，还可以进行钻削、铰削、和液压加工等。
红酒杯零件为薄壁、细长的悬伸件,适用数控车床加工。
车床采用学校数控车实训室提供的CYNC-400TA卧式数控车床,系统为FANUCSeriesoiMate-TC。
床身上最大回转直径:
400mm，过拖板最大回旋直径:
230mm,最大工件长度:
750mm,X轴最大行程:
210mm,Z轴最大行程:
630mm,主轴头型号:
ISOA2-6,主轴通孔直径:
Ф52mm,变速方式:
无级,主轴转速:
200～300rpm/min,主轴电极功率:
7.5kw,尾座套筒直径与行程:
Ф52mm、100mm,尾座锥度孔:
MT4,刀架:
四工位电动刀架,冷却电机:
90w,冷却流量:
20L/min,润滑电机:
20w,润滑排量和时间:
3～6mL/次、15min/次,电源电压:
380V,相数:
3,频率:
50HZ,熔断器额定电压:
50A,设备容量:
20KVA,加工精度:
IT5～IT6。
图4.2为由XX机床厂XXCY航天数控机床XX出厂。
图4.2CYNC-400TA卧式数控车床
4.5工件的定位与装夹
机械加工中必须使工件相对刀具和机床处于正确的位置，这包括工件在夹具中的定位、夹具在机床上的安装以及夹具相对于刀具和整个工艺系统的调整等工作过程。
工件的定位能保证工件在夹具中占有正确的位置，对保证被加工表面的技术要求有着重要影响。
夹具是以定位元件的工作面与工件的定位面接触或配合来实现工件定位的。
夹具能迅速把工件固定在准确的位置，直接影响加工的质量、操作者的劳动强度、生产效率和成本。
任何工件在直角坐标系中都有六个自由度，要使工件在空间中有唯一确定的位置，必须限制这六个自由度。
红酒杯零件属于圆柱面定位，可用三爪自定心卡盘装夹。
三爪自定心卡盘装夹方便，有自定心作用，适应性强，可缩短生产准备周期，成本低。
但定心精度不高、夹紧力小。
用三爪自定心卡盘装夹适用于生产中小尺寸、形状规则的单件工件。
三爪自定心卡盘如图4.3所示。
图4.3三爪自定心卡盘
4.6刀具选择与安装
切削加工所得到的工件表面是由刀具的切削刃与工件作相对切削加工运动而形成的。
切削运动分主运动和进给运动，主运动是直接切削工件上的切削层，以形成工件新表面的基本运动。
一般速度最高，耗能最大，且主运动只有一个。
进给运动是指不断把切削层投入切削的运动。
进给运动速度较低，切削加工中可有一个或几个进给运动同时存在。
切削速度（Vc）是主运动的速度，数控车床的切削速度方向为工件圆周上选定的切线方向，大小为该点的圆周线速度。
进给速度（Vt）是进给运动的速度。
切削中要注意切削用量，包括切削速度、进给量和切削深度。
切削过程是通过切削刀具来完成的，刀具的种类很多。
数控车刀是应用广泛的切削刀具，主要由刀杆和刀头组成，刀头用于切削，刀杆用来装夹刀具。
不同的零件加工中应根据需要选用不同的刀具，以满足加工要求。
在红酒杯零件加工中主要要进行外圆和内孔的加工，所以应有合适的外圆刀和内孔刀。
另外，中心钻和麻花钻用于打孔，切断刀用于零件加工成形后从毛胚上切断取下。
刀架选用四工位电动刀架，分别装夹外圆刀、内孔刀和切断刀；麻花钻及中心钻装于尾座。
加工中使用刀具如图4.4所示。
图4.4加工中使用刀具
4.7编制数控加工程序
红酒杯杯身的曲线部分采用圆弧相切的方式连接而成，各切点坐标已知。
故可采用手工编程。
加工程序如下：
O0001;
N1;（粗加工内孔）
G99M03S400T0101F0.2；
G00X25Z2；
G71U2R0.5；
G71P10Q11U-0.3W0.05F0.15；
N10G01G42Z0F0.1；
X52.3867；
G02X51.1196Z-4.285R6.25；
G03X56.065Z-26.2884R116.7876；
G03X26.0412Z-61.8762R41.852；
N11G01G40X0F0.2；
G00Z50；
X100；
M05；
M00；
N2（精加工内孔）
M03S800T0101F0.08；
G00X25Z2；
G70P10Q11；
G00Z50；
X100；
M05；
M30；
O0002;
N1;（粗加工外圆）
G99M03S400T0303F0.2；
G00X75Z2；
G73U26R15；
G73P10Q11U0.3W0.05F0.15；
N10G00X0；
G01G42Z0F0.1；
X52.3867；
G03X56.978Z-3.6682R6；
G03X62.0639W-26.9964R119.7876；
G03X27.7959W-34.3942R44.852；
G02X16.0404W-28.9792R22.8215；
G02X26.5447W-3.0991R6；
G01X33.5748；
G03X37.0389W-1R2；
G02X39.8816W-0.9757R2；
G03X48.4363W-3.0773R6；
G01X49.0922W-0.574；
N11G01G40X75F0.2；
G00Z50；
X100；
M05；
M00；；
N2；（精加工外圆）
M03S800T0303F0.08；
G00X75Z2；
G70P10Q11；
G00X100；
Z50；
M05；
M30；
4.8数控加工注意事项
红酒杯零件属于薄壁细长工件，加工中径向受力容易增大圆度误差和直线度误差。
故应做到粗车时加紧力大，精车时适度减小夹紧力；孔内用撑杆支撑，使工件的承受力增强；刀具采用较大主偏角和刀刃锋利的车刀，选用切削用量时以减小切削力和切削热为原则，切削深度和进给量应减小。
防止工件温度过高，工件受热伸长会引起弯曲变形，切削用量不宜过大，要注意充分冷却。
如图4.5所示为加工零件内孔和外圆。
图4.5加工零件内孔（左）和外圆（右）
4.9工件验收与质量误差分析
工件的验收主要指工件的尺寸测量。
测量是将被测量与单位或标准的量进行比较，从而
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