基于复杂零件的工艺分析和数控编程课程设计.docx
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基于复杂零件的工艺分析和数控编程课程设计
成绩
东南大学
课程设计报告
题目基于复杂零件的工艺分析和数控编程
课程名称复杂零件数控加工工艺设计
专业机械设计制造及其自动化
班级
学生姓名
学号
设计地点
指导教师
设计起止时间：
2014年1月8日至2014年1月21日
目录
第一章概述2
1.1、制订工艺过程的基本要求2
1.2、制定工艺路线的过程2
第二章零件图的工艺分析3
2.1、技术要求分析3
2.1.1零件的图样分析3
2.1.2零件的技术要求分析4
第三章毛坯的设计5
3.1、毛坯种类的选择5
3.1.1机械零件常用毛坯的种类5
3.1.2毛坯的选择原则5
3.2、毛坯的形状和尺寸设计6
第四章加工方案7
4.1、装夹方案7
4.2、定位基准7
4.2.1基准及其种类7
4.2.2粗基准的选择8
4.2.3精基准的选择8
4.3、零件加工工艺路线的拟定9
4.3.1零件表面加工方法的选择9
4.3.2加工顺序的安排10
第五章走刀路线的确定13
5.1、数控加工确定走刀路线的原则13
5.2、走刀路线部分设计平面图14
第六章机床的选择15
第七章机械工艺装备的选择17
7.1、铣刀的分类17
7.2、铣刀的装夹17
7.3、铣刀的材质选择18
第八章数控加工编程加工程序19
8.1、零件三维造型19
8.2、部分数控加工程序19
第九章小结22
参考文献23
第一章概述
1.1、制订工艺过程的基本要求
不同的零件，由于结构、尺寸、精度和表而粗糙度等要求不同，其加工工艺也随之不同。
一个零件可能有几种工艺方案，但其中总有一个是更为合理的。
合理的加工工艺必须能保证零件的全部技术要求。
制订一个合理的加工工艺，并非轻而易举。
往往要经过反复实践、反复修改，使其逐步完善的过程。
同时，还应在充分利用本企业现有生产条件的基础上，尽可能采用国内、外先进工艺技术和经验，并保证良好的劳动条件。
1.2、制定工艺路线的过程
制订工艺规程的步骤大致如下:
（1）对零件进行工艺分析;
（2）毛坯的选择;
（3）定位基准的选择;
（4）工艺路线的制订;
（5）选择或设计、制造机床设备
（6）选择或设计、制造刀具、夹具、量具及其他辅助工具;
（7）确定工序的加工余量、工序尺寸及公差;
（8）确定工序的切削用量;
（9）估算时间定额;
（10）填写工艺文件。
第二章零件图的工艺分析
2.1、技术要求分析
2.1.1零件的图样分析
图1.1零件二维平面图
零件的图样是设计工艺过程的依据，必须仔细地分析、研究。
通过分析、研究零件图样，对零件的主要及加工顺序获得初步概念，为具体设计工序规程的各个阶段的细节打下必要的基础。
本次课程设计的零件如图1.1所示。
该零件有以下不分组成：
（1）1个曲面凸台;
（2）1个
通孔，一个带圆倒角
通孔;
（3）1个U形键槽;
（4）1个
半圆台阶;
（5）1个矩形键槽
（6）2个斜台阶;
2.1.2零件的技术要求分析
通过对给定零件图样进行分析，可知其对加工尺寸精度、几何公差、粗糙度有严格要求。
两通孔内表面粗糙度要求为1.6，小孔需进行铰孔加工，大孔需粗镗半精镗和精镗。
键槽侧面，台阶周边平面粗糙度要求为1.6，需要粗加工半精加工精加工。
其余加工面有粗糙度为3.2需要粗加工精加工，零件的重要尺寸都有公差要求。
台阶面之间有平行度要求，减少装夹次数可以保证其平行度。
零件的整体技术要求中等偏高。
需要正确的装夹定位和精确的加工操作。
第三章毛坯的设计
3.1、毛坯种类的选择
毛坯的种类及其不同的制造方法，对零件的质量、加工方法、材料利用率，机械加工劳动量和制造成本等都有很大的影响。
机械加工对毛坯的精度有严格的要求，不可能再装夹定位时进行个别调整，毛坯的一致性甚至是正常运行的必要条件。
3.1.1机械零件常用毛坯的种类
（1）型材型材有热轧和冷拉两种。
热轧型材尺寸范围较大，精度较低，用于一般机器零件。
冷拉型材尺寸范围较小，精度较高，多用于制造毛坯精度要求较高的中小零件。
（2）铸件形状复杂的毛坯易采用铸造方法制造。
铸件毛坯的制造方法有砂型铸造、金属型铸造、精密铸造、压力铸造和离心铸造等。
（3）锻件锻件毛坯由于经锻造后可得到金属纤维组织的连续性和均匀分布，从而提高了零件的强度，适用于对强度有一定要求，形状比较简单的零件。
锻件有自由锻件、模锻件和精锻件3种。
模锻毛坯精度高，加工余量小，生产率高，但成本也高，适用于小型零件毛坯的大批大量生产。
（4）焊接件焊接件的优点是制造简单，生产周期短，节省材料，减轻重量。
但其抗震性较差，变形大，需经时效处理后才能进行机械加工。
（5）其他毛坯其他毛坯类型包括冲压、粉末冶金、冷挤和塑料压制等毛坯。
3.1.2毛坯的选择原则
（1）零件的材料及力学性能零件的材料大致决定了毛坯的种类，毛坯的工艺过程对材料的组织和性能又产生一定影响。
零件的材料及力学性能都会影响其可加工性。
（2）零件的结构形状与外形尺寸零件的结构形状和外形尺寸往往限制了毛坯的选择，设计时应考虑到毛坯制造的方便。
（3）生产纲领大小当零件的产量较大时，应选精度和生产率较高的毛坯制造方法。
相反，零件的产量较小时，应选精度和生产率均较低的毛坯制造方法。
（4）现有生产条件选毛坯时，既要考虑到毛坯制造的实际工艺水平和能力，又要考虑实行专业化协作生产，可通过市场购买毛坯。
（5）充分考虑利用新技术、新工艺、新材料的可能如少切削、无切削毛坯制造，如精铸、精锻、精冲、冷轧、冷挤压、粉末冶金、压塑注塑成型等，可节约材料和能源。
由于该零件整体外形轮廓类似于矩形，以矩形毛胚块加工较为方便，对于一个简单的矩形块毛坯，无复杂外形结构，选用金属锻造加工就行，所以该毛坯种类选用锻件，材料为45钢。
3.2、毛坯的形状和尺寸设计
根据设计要求，确定毛坯形状为矩形，根据最终尺寸为120mm×160mm×38.5mm，毛坯四周留有5mm余量，底面和上表面各留有2.5mm的余量，零件毛坯尺寸为130mm×170mm×45mm.
第四章加工方案
4.1、装夹方案
数控加工的特点对夹具提出了两个基本要求：
一是要保证夹具的坐标方向与机床的坐标方向相对固定：
二是要协调零件和机床坐标系的尺寸关系。
除此之外，还要考虑以下四点：
（1）当零件加工批量不大时，应尽量采用组合夹具、可调式夹具及其他通用夹具，以缩短生产准备时间、节省生产费用。
（2）在成批生产时才考虑采用专用夹具，并力求结构简单。
（3）零件的装卸要快速、方便、可靠，以缩短机床的停顿时间。
（4）夹具上各零部件应不妨碍机床对零件各表面的加工，即夹具要开敞其定位、夹紧机构元件不能影响加工中的走刀（如产生碰撞等）。
此次设计的零件毛坯为矩形，采用平口虎钳进行装夹并用垫铁进行调整，保证各边的垂直度和平行度。
4.2、定位基准
4.2.1基准及其种类
在零件图样和实际零件上，总要依据一些制定的点、线、面来确定另一些点、线、面的依据。
这些作为依据的点、线、面就称为基准。
根据基准功用的不同，它可以分为设计基准和工艺基准两大类。
（1）设计基准设计基准是在零件图上用于标注尺寸和表面相互位置关系的基准，它是标注设计尺寸的起点。
（2）工艺基准在零件加工、测量和装配过程中所使用的基准，标为工艺基准。
根据用途不同可以分为工序基准、定位基准、测量基准和装配基准。
a工序基准在工序图上，用以标注本工序被加工后表面的尺寸、形状、位置的基准称为工序基准，其所标注的加工面位置尺寸成为工序尺寸。
b定位基准在机床上加工工件时，必须使工件在机床夹具上处于某一正确的位置，这一过程成为定位，用于确定工件在机床或夹具上的位置的基准称为定位基准。
定位基准是工件与夹具的定位元件直接接触的点、线或面。
定位基准除可以是工件的实际表面外，也可以是表面的几何中心、对称线或对称面等。
所以，有时定位基准在工件上并不一定存在，但它可由一些相应的实际表面来体现，如内孔的中心线用内孔表外圆的中心线用外圆表面来体现，我们称这些表面为定位基面。
c测量基准检验工件时，用于测量已加工表面的尺寸及各表面之间位置精度的基准称为测量基准。
d装配基准机器装配时用以确定零件或部件在机器中正确位置的基准。
在零件加工过程中合理选择定位基准对保证零件加工质量起着决定性的作用。
定位基准按工件用于定位的表面状况分粗基准，精基准以及辅助基准。
以毛坯上未加工的表面作定位基准的为粗基准；经过机械加工的表面作为定位基准的为精基准。
4.2.2粗基准的选择
工件加工的第一道工序所用基准都是粗基准，其选择正确与否既影响第一道工序的加工，更影响工件加工的全过程。
粗基准选择有两个出发点：
一是要保证各加工表面有足够余量，二是要保证不加工表面的位置与尺寸符合图样要求，并应尽快获得精基准面。
粗基准选择原则为：
（1）选择不加工表面作粗基准的原则被加工零件上如有不加工表面，选择不加工表面作粗基准，这样能保证零件加工表面相对于不加工表面具有一定位置度。
（2）合理分配加工余量的原则对于具有较多加工表面的工件，粗基准的选择应保证各加工表面的加工余量分配合理及相互位置要求。
选择毛坯上加工余量最小的表面作粗基准来保证各加工表面都有足够的加工余量。
选择那些重要表面为粗基准，尽量使其加工余量均匀，以便能获得硬度和耐磨性更好的表面。
选择那些加工面积较大、形状比较复杂、加工余量较大的表面为组基准，使工件上各加工表面总的金属切除量最小。
（3）便于装夹与定位可靠的原则为使工件定位稳定，夹紧可靠，要求所选的粗基准尽可能平整、光洁，不允许有锻造飞边，铸造浇冒口切痕和其它缺陷，并有足够的支撑面积。
（4）粗基准只能使用一次的原则粗基准一般都很粗糙，重复使用同一粗基准所加工的两组表面之间的位置误差相当大
4.2.3精基准的选择
（1）基准重合原则应尽量选择加工表面的设计基准作为精基准，即为基准重合原则。
用设计基准作为定位基准，可以避免因基准不合而产生的定位误差。
否则，定位误差有时会造成零件尺寸超差而报废。
（2）基准同一原则当零件要多道工序加工时，应尽可能在多数工序中选择同一精基准定位，称为基准同一原则。
例如一般轴类零件加工，其工艺过程中多数以中心孔定位。
基准同一有利于保证各加工面的位置关系，避免或减少因基准转换而带来的加工误差，同时可以简化夹具的设计和制造。
（3）互为基准原则工件上有两个位置关系要求很高的表面，采用这两个表面互为定位基准，反复加工，称为互为基准原则。
互为基准可使两个加工表面间获得高的位置精度，且加工余量小、均匀。
如精密齿轮的磨削工序，先以齿面为基准定位，磨孔；然后以孔定位，磨齿面。
（4）自为基准原则用精加工后光整加工方法加工零件的某些重要表面时要求余量小且均匀，则应以这些重要表面本身作为定位基准，称为自为基准原则，如拉孔、铰孔、研磨、无心磨等。
但这些重要表面与其他表面的位置关系则由前道工序保证。
（5）便于装夹原则所选精基准应能保证工件定位准确，稳定，装夹方便可靠，夹具结构简单，操作灵活，同时定位基准应有足够的接触面积。
在实际加工过程中，我们选择上表面作为初次加工的粗基准来加工下表面，在选择下表面作为加工的精基准来加工上表面和四周面，这样能有效的保证上表面跟下表面，各个台阶面之间的平行度的要求，还能保证上下表面跟四周面的垂直度的要求，而且还能减少的装夹的次数，从而减少误差。
4.3、零件加工工艺路线的拟定
4.3.1零件表面加工方法的选择
机械加工中，每种加工方法能够保证相当大的加工精度和表面粗糙度范围。
但如果要求得到过高的精度和表面粗糙度，需要采取一些特殊的工艺措施，将加大加工成本。
每种加工方法都有一个经济精度和经济表面粗糙度的加工范围。
所谓加工经济精度，就是指在正常条件下（即采用符合质量标准的设备、工艺装备和标准技术等级的工人，不延长加工时间）所能保证的加工精度。
相应的粗糙度称为经济粗糙度。
某一表面加工方法的确定，主要由该表面所要求的加工精度和表面粗糙度来确定。
通常根据零件图上给定的要求按加工经济精度确定最终工序的加工方法，然后按加工经济精度确定倒数第二次表面加工方法，一直反推至第一次加工，从而获得该表面的加工方案。
对形状复杂和加工质量要求较高的零件，工艺过程划分阶段进行，一般划分为粗加工、半精加工和精加工三个阶段。
若要求零件精度特高、表面粗糙度很低时，还应增加精密加工和超精密加工。
各阶段的任务等如表4-3-1所示。
表4-3-1机械加工阶段的划分
阶段名称
目的与任务
加工方法
尺寸公差等级
粗糙度
粗加工
尽快切除毛坯表面的大部分加工余量而接近零件，获得精基准
粗车、粗镗、粗铣、粗刨、钻孔等
半精加工
达到一定的精度和降低粗糙度值，预留合适的加工余量，为主要表面的精加工做准备，完成次要表面的钻孔、铣键槽和攻螺纹
半精车、半精镗、半精铣、半精刨、扩孔等
精加工
主要表面的精度和粗糙度值达到图纸的要求，或为要求很高的主要表面进行精密加工做准备
精车、精镗、精铣、精刨、粗磨、粗拉、粗铰等
一般精加工
（精车外圆可达
）
精磨、精拉、精铰等
精密精加工
（精磨可达
）
4.3.2加工顺序的安排
机械加工工序的安排原则
（1）基准先行先加工出用做精基准的表面，然后以精基准定位加工其他表面。
如轴类零件一般以中心孔为精基准，所以先以外圆作粗基准加工中心孔，然后再以中心孔为精基准加工其他表面。
精加工阶段之前，有时还需对精基准进行修复以确保定位精度。
（2）先粗后精精基准加工好后，整个零件的加工，应是粗加工在先，待所有粗加工完成后，接着半精加工，最后安排精加工和光整加工。
（3）先主后次次要表面（如键槽、螺孔、销孔等）一般与主要表面之间有相对位置要求，所以应先安排加工主要表面（如零件的工作表面、装配基准）作为精基准，次要表面一般安排在半精加工之后，精加工之前一次完成。
如果放在最后加工，应注意不要碰伤以加工好的主要表面。
（4）先面后孔先加工平面，后加工内孔。
对于箱体、底座、支架等类的零件，平面的轮廓尺寸较大，用它作为精基准加工孔，稳定可靠，易于加工，也有利于保证孔与平面的位置精度。
结合本次设计零件的具体要求，我们的此次设计的加工顺序如表4-3-2所示。
表4-3-2数控加工工序卡
数控加工工艺卡片
产品型号
A
零件图号
A-1
共1页
产品名称
复杂零件
零件名称
复杂零件
第1页
材料
毛坯种类
毛坯外形尺寸
毛坯件数
加工数量
程序号
45钢
铸造
170x130x45mm
1
1
工序号
工序内容
加工设备
工艺装备
切削用量
备注
刀具号
刀具名称及规格
检验量具
主轴转速r/min
进给速度mm/min
背吃刀量mm
01
加工毛坯六表面至尺寸余量0.2mm
数控铣削加工中心
T01
Ø20立铣刀
1200
150
2
02
粗铣上表面及曲面凸台余量0.2mm
数控铣削加工中心
T01
Ø20立铣刀
1200
150
2
03
精铣上表面及曲面凸台至尺寸
数控铣削加工中心
T01
Ø20立铣刀
1800
100
04
粗铣4台阶面余量0.2mm
数控铣削加工中心
T02
Ø6立铣刀
1200
150
2
05
半精铣4台阶面周边余量0.1mm
数控铣削加工中心
T02
Ø6立铣刀
1600
120
06
精铣4台阶面底面周边至尺寸
数控铣削加工中心
T02
Ø6立铣刀
1800
100
07
钻Ø12，Ø38中心孔
数控铣削加工中心
T03
Ø3中心钻
1200
200
08
钻Ø12，Ø38底孔Ø10
数控铣削加工中心
T04
Ø10麻花钻
1800
120
09
铰Ø12孔至尺寸
数控铣削加工中心
T05
Ø12铰刀
1200
100
10
扩Ø38孔余量0.1mm
数控铣削加工中心
T02
Ø6立铣刀
1800
120
11
镗Ø38孔至尺寸
数控铣削加工中心
T06
Ø38mm镗刀
1800
100
12
精铣曲面凸台及圆形倒角至尺寸
数控铣削加工中心
T07
Ø3球头铣刀
2400
80
编制
审核
会签
日期
日期
日期
根据数控加工工艺卡，确定数控加工道具卡，如表4-3-3所示。
表4-3-3数控加工刀具卡片
数控加工刀具卡片
产品型号
A
零件图号
A-1
共1页
产品名称
零件名称
复杂零件
第1页
序号
刀具号
刀具
加工表面
备注
名称规格
数量
长度/mm
01
T01
面铣刀Ø20mm
1
毛坯六表面及曲面凸台
02
T02
立铣刀Ø6mm
1
台阶面及Ø38孔
03
T03
中心钻Ø3mm
1
Ø12，Ø38孔
04
T04
麻花钻Ø10
1
Ø12，Ø38孔
05
T05
铰刀Ø12
1
Ø12孔
06
T06
镗刀Ø38mm
1
Ø38孔
07
T07
球头铣刀Ø3mm
1
曲面凸台及圆形倒角
编制
审核
会签
日期
日期
日期
标记
处数
更改文件号
签字
日期
第五章走刀路线的确定
5.1、数控加工确定走刀路线的原则
走刀路线是指切削加工过程中刀具相对于被加工零件的运动轨迹和运动方向，即指刀具从对刀点开始运动起，直至返回该点并结束加工程序所经过的路径，包括切削加工的路径及刀具引入、返回等非切削空行程。
走刀路线是编制程序的依据之一。
（1）在确定走刀路线时最好画一张工序简图，将己拟定的加工路线画上去，包括刀具进退路线，这样可为编程带来不少方便。
走刀路线应保证被加工工件的精度和表面粗糙度。
为保证工件轮廓表面加工的表面粗糙度要求，最终轮廓表面应安排最后一次走刀连续加工出来。
（2）应尽量使加工路线最短，减少空行程时间，以提高加工效率，合理选用铣削加工中的顺铣或逆铣方式。
一般来说，数控机床采用滚珠丝杠，运动间除很小，因此，顺铣优点多于逆铣。
还要选择工件加工变形小的加工路线。
在一次安装加工多道工序中，先安排对工件刚性破坏较小的工序。
（3）根据工件的形状、刚度、加工余里、机床系统的刚度等情况，确定循环加工次数，合理设计刀具的切入与切出的方向。
采用单向趋近定位方法，避免传动系统反向间隙而产生的定位误差。
刀具的进退方向及路线要认真考虑，以尽量减少接刀痕迹。
另外，在切削过程中，刀具不能与工件轮廓发生干涉。
（4）在数控铣床上铣削外轮廓零件时，为了保证轮廓表面质量的要求，减少接刀的痕迹，应设计合理的刀具切入和切出时的进、退刀位置一般采用立铣刀侧刃切削，设计进给路线时应沿外轮廓的沿长线切向切入，尽量避免沿零件轮廓法向切入和进给中途停顿，尽童不要在连续的轮廓中安排切入和切出或换刀及停顿，以免因切削力突然变化而造成弹性变形，致使光滑连续轮廓上产生表面划伤、形状突变或滞留刀痕等。
（5）铣削封闭内轮廓表面零件时也要注意刀具切入和切出时的运动轨迹。
为了提高加工精度和减少表面粗糙度，在铣削封闭的内轮廓时，因刀具切入、切出不允许外延，此时刀具的切入和切出点尽量选在内轮廓曲线两几何元素的交点处或者以圆弧切向进刀。
（6）用圆弧插补铣削整圆时，当整圆加工完毕后，不要在切点处直接退刀，要让刀具最好沿切线方向多运动一段距离，以免取消刀具补偿时，刀具与工件表面发生碰撞，造成工件报废。
同样铣削内圆时也要遵守切向切入的原则，以提高内孔表面的加工精度及表面质量。
（7）在铣削圆弧与直线的连接处，可能由于刀具的原因会产生“欠切”现象，这时在设计进给路线时，须选用直径较小的刀具，采用补加工的方式消除欠切现象。
同样，在空载运行过快和高速进给的轮廓加工中，由于工艺系统的惯性容易出现过切现象。
那么在加工过程中，采用先快后慢的进给方式，特别是拐角处应通过进给修调的方式，选择变化的进给速度进行加工。
5.2、走刀路线部分设计平面图
1、粗铣上表面级曲面凸台，如图5.2.1
图5.2.1上表面走刀图
2、粗铣U形键槽的走刀路线图，如图5.2.2
图5.2.2U行键槽走刀图
第六章机床的选择
选择数控机床时，一般应考虑以下几个方面的问题：
（1）数控机床主要规格的尺寸应与工件的轮廓尺寸相适应。
即小的工件应当选择小规格的机床加工，而大的工件则选择大规格的机床加工，做到设备的合理使用。
（2）机床结构取决于机床规格尺寸、加工工件的重量等因素的影响。
下表列出了数控设备最常见的重要规格和性能指标。
（3）机床的工作精度与工序要求的加工精度相适应。
根据零件的加工精度要求选择机床，如精度要求低的粗加工工序，应选择精度低的机床，精度要求高的精加工工序，应选用精度高的机床。
（4）机床的功率与刚度以及机动范围应与工序的性质和最合适的切削用量相适应。
如粗加工工序去除的毛坯余量大，切削余量选得大，就要求机床有大的功率和较好的刚度。
（5）装夹方便、夹具结构简单也是选择数控设备是需要考虑的一个因素。
选择采用卧式数控机床，还是选择立式数控机床，将直接影响所选择的夹具的结构和加工坐标系，直接关系到数控编程的难易程度和数控加工的可靠性。
应当注重的是，在选择数控机床时应充分利用数控设备的功能，根据需要进行合理的开发，以扩大数控机床的功能，满足产品的需要。
然后，根据所选择的数控机床，进一步优化数控加工方案和工艺路线，根据需要适当调整工序的内容。
选择加工机床，首先要保证加工零件的技术要求，能够加工出合格的零件。
其次是要有利于提高生产效率，降低生产成本。
选择加工机床一般要考虑到机床的结构、载重、功率、行程和精度。
还应依据加工零件的材料状态、技术状态要求和工艺复杂程度，选用
适宜、经济的数控机床，综合考虑以下因素的影响。
（1）机床的类别（车、铣、加工中心等）、规格（行程范围）、性能（加工材料）。
（2）数控机床的主轴功率、扭矩、转速范围，刀具以及刀具系统的配置情况。
（3）数控机床的定位精度和重复定位精度。
（4）零件的定位基准和装夹方式。
（5）机床坐标系和坐标轴的联动情况。
（6）控制系统的刀具参数设置，包括机床的对刀、刀具补偿以及ATC等相关的功能
此次设计的零件要求精度中等偏上，零件复杂度属中等，所以对加工设备要求不是很高，国内的中等数控加工中心能满足其加
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