五叶电风扇毕业设计.docx
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五叶电风扇毕业设计
工学院毕业设计（论文）
“五叶电风扇”CAD/CAM实践
专业：
数控技术
班级：
数控0911
学号：
0901107104
学生姓名：
钱新荣
校外指导教师：
校内指导教师：
刘正平
二零一二年五月
目录
摘要1
引言2
第一章数控加工概述3
1.1数控加工的定义3
1.2数控加工的特点3
1.3数控机床程序编制3
第二章零件设计及造型5
2.1加工任务分析5
2.2零件造型设计15
2.3零件造型设计6
第三章零件加工8
3.1图纸分析8
3.1.1几何元素分析：
8
3.1.2精度分析：
8
3.1.3材料分析：
8
3.2工艺分析9
3.3刀具的选择9
3.3.1数控加工刀具的选择11
3.3.2刀具的设置11
3.4毛坯设置12
3.5加工阶段的划分13
3.6加工余量的确定15
3.6.1加工余量的基本概念15
3.6.2影响加工余量大小的因素15
3.6.3确定加工余量大小的方法有三种16
3.7精加工18
3.8平面加工20
3.9模拟仿真21
4.0后处理22
4.1结论24
第四章参考文献25
第五章结束语26
五叶电风扇”CAD/CAM实践
摘要：
在这里主要介绍CAM三维曲面造型和CAD二维图形的数控加工。
CAM三维曲面造型的线性结构：
所有的三维设计软件，都有共性和个性，要进行三维造型的学习必要了解一些个性的概念规定，否则不能顺利地创建出符合设计意图的曲面。
CAD二维图形的数控加工，本文主要利用Cimatron软件对零件进行造型设计和加工。
Cimatron内容主要包括：
二维和三维图形设计。
Cimatron内容主要包括：
二维加工主要由二维刀具模组来生成二维刀具加工路径，以完成各种二维加工任务，其加工路径主要包括外形铣削、面铣削、挖槽、钻孔及雕刻等。
关键词：
造型、铣削加工、车削加工
引言
Cimatron不仅有三维造型功能——线架造型、实体造型和曲面造型，而且还有铣床的二维加工和多轴加工系统。
它提供了这些条件，所以对制造来说就很简单了。
只是对毛坯以及刀具、安全距离等参数的设置后，就会自动完成走刀路线还有模拟加工，每一步走刀，清晰可见，而且还有相应的后置处理，即加工程序就会自动生成，既简单方便又快捷，有效地代替了脑力劳动，提高了生产率。
在零件造型中Cimatron起了很大的作用，曲面造型也方便了很多。
曲面造型（SurfaceModeling）是计算机辅助几何设计（ComputerAidedGeometricDesign,CAGD）和计算机图形学（ComputerGraphics）的一项重要内容，主要研究在计算机图像系统的环境下对曲面的表示、设计、显示和分析。
现在的利用计算机辅助工具设计制造自动化时代以取代了早期的手工绘图，科技的力量难以磨灭，不仅它的发展迅速，而且它的功能强大。
Cimatron通过后处理器将NCR转换为机械数控系统，能识别到的NC程序，并能模拟刀具路径，验证NC程序，然后通过计算机输入到数控铣床或加工中心，选用适合工件的刀具即可完成工件的加工，比以前的数控机床使用手工编程和数字化技术编制程序更为先进，它能计算出加工时间，可以将Cimatron软件绘制的图形转化到Cimatron中，使绘图更容易简单，编织加工程序更快更准确。
第一章数控加工概述
1.1数控加工的定义
所谓数控加工就是用数控机床加工零件的方法。
数控加工是伴随着数控机床的产生、发展而逐步完善起来的一种应用技术，它是人们长期从事数控加工实践的经验总结。
1.2数控加工的特点
数控加工与普通机床加工相比具有以下特点：
（1）加工零件的精度高数控机床在整体设计中考虑了整机刚度和零件的制造刚度，又采用高精度的滚珠丝杠传动副，机床的定位精度和重复定位精度都很高。
特别是有的数控机床具有加工过程自动检测和误差补偿功能，因而能可能的保证加工精度和尺寸的稳定性。
（2）生产效率高数控机床在加工零件的装夹次数少，一次加工可加工很多表面，省去了划线找正和检测等许多中间环节，据统计普通机床的净切削时间一般占去总切削时间的15%—20%，而数控机床可达65%—70%，可实现自动换刀的带刀库数控机床可达75%—80%。
加工复杂工件时，效率可达5—10倍。
（3）特别适合加工复杂的轮廓表面如复杂的回转表面和空间表面。
（4）有利于实现计算机辅助制造目前在机械制造业中，CAD/CAM已经被广泛使用，数控机床及其技术是计算机辅助制造系统的基础。
（5）初始投资大，加工成本高数控机床的价格一般是普通机床的若干倍，机床备件的价格也高；另外，加工首件也需要编程、调试程序和是加工，时间较长因此使零件的加工成本高于普通机床。
1.3数控机床程序编制
数控编程内容
一般来讲，数控编程的过程包括：
分析零件图样，工艺处理，数值计算，编写加工程序单，制作控制介质，程序校检验，和首次加工。
数控编程的具体步骤与要求如下：
1工艺分析
要分析零件的材料、形状、尺寸、精度、批量、毛坯形状、和热处理等，以便确定该零件是否适合在数控机床上加工，或适合在哪种数控机床上加工。
同时要明确加工内容和要求。
2工艺处理
在分析零件图的基础上，进行工艺分析，确定零件的加工方法（如采用的工夹具、装夹定位方法等）、加工如线（如对刀点、换刀点、进给路线）及切削用量（如主轴转速、进给速度和背吃刀量）等工艺参数。
数控加工工艺分析与处理是数控编程的前提和依据，而数控编程就是将数控加工工艺内容程序化。
制定数控加工工艺时，要合理选择加工方案，确定加工顺序、加工路线、装夹方式、刀具及切削参数等。
同时还要考虑所用数控机床的指令功能，充分发挥机床的效能，尽量缩短加工路线，正确的选择对刀点、换刀点，减少换刀次数，并使数值计算的方便；合理选取起到点、切入点和切入方式，保证切入过程平稳；避免刀具与非加工面的干涉，保证加工过程安全可靠等。
3数值计算
根据零件图的尺寸、确定的工艺路线及设定的坐标系，计算零件粗、精加工运动的轨迹，得到到位数据。
对于形状比较简单的零件（如由直线和圆弧组成的零件）的轮廓加工，要计算出几何元素的起点、终点，圆弧的圆心，两几何元素的交点或切点的坐标值，如果数控装置无刀具补偿功能，还有计算刀具中心的运动轨迹坐标值。
对于形状比较复杂的零件（如非圆曲线、曲面组成的零件），需要用直线或圆弧逼近，根据加工精度的要求计算出节点坐标值，这种数值一般由计算机来完成
4编写加工程序单
根据加工路线、切削用量、刀具号码、刀具补偿量、机床铺助动作及刀具运动轨迹，按照数控系统使用的指令代码和程序段的格式编写零件加工的程序单，并校核上述两个步骤的内容，纠正其中的错误。
5制作控制介质
把编制好的程序单上的内容记录在控制介质上，作为数控装置的输入信息。
通过程序的手工输入或通信传输送入数控系统。
6程序校验与首次试切
编写的程序单和制备好的控制介质，必须经过校验和试切才能正式使用。
校验的方法是直接将控制介质上的内容输入到数控系统中，让机床运转以检查机床的运动轨迹是否正确。
在有CRT图形显示的数控机床上，用模拟刀具与工件切削过程是方法进行检验更为方便，但这些方法只能检验运动是否正确，不能检验被加工零件的加工精度。
因此要进行试切。
当发现有加工误差时，应分析误差产生的原因，找出问题所在，并加以修正，直至达到零件图纸的要求。
第二章零件设计及造型
2.1加工任务分析
本次加工的零件为五叶片风扇的凸模，主要加工表面为风扇的叶片和型架的轮毂，因为在这两项中，包含的曲面比较多而且复杂，所以在加工的过程中对机器和设计者的要求比较高。
在对叶片和型架轮毂的技工为了保证其精度和质量，特采用了粗加工、余量加工、精加工三步完成，特作以下说明，详细说明如表一。
表一五叶电风扇工序卡
工艺处
数控编程任务书
零件名称
五叶电风扇
使用数控设备
加工中心
主要工序说明及技术要求：
本次加工零件为风扇叶片，根据其零件的复杂性，可以将零件的加工分为粗加工和精加工两步进行；
1、方法，运用8mm的牛鼻刀的最大进给量2mm；
2、余量加工：
采用螺旋式加工方法对于在粗、精加工中的剩余的残留量进行休整，做出最后的凸模成品；
3、精加工：
对于在粗加工时留有的0.3mm的精加工余量加工，以保持零件对各个曲面的表面精度要求在精加工中要保持表面能够达到7级精度，采用精铣所有加工方式，以提高加工效率。
编程日期
任务书（编号）
共页
第页
编制
钱新荣
审核
刘正平
编程
钱新荣
审核
批准
2.2零件造型设计1
人们根据系统功能的要求，用有限的特征来描述设计问题，通过形式化用计算机的数据结构来表达特征，并将用数据结构描述的“特征”数据存放在数据库之中，这样，“设计”过程变成了对数据库的处理。
这一过程可以看做似建模过程，模型被用来表示实际的或抽象的对象，是对被处理对象进行计算、分析、模拟和研究的基础。
因此，模型是实际结构在CAD系统中的具体表现，是计算机“认知”产品的基础，我们知道，产品和工程结构本身能表现出来的属性（“特征”）是无限的，但可用的计算机资源、人们的认识是有限的，我们只能“认知”实际结构的部分属性，只能处理产品和工程结构设计的某些方面。
根据模型的不同，CAD系统一般分为二维CAD和三维CAD系统。
二维CAD系统一般将产品和工程设计图纸看成是“点、线、圆、弧、文本”等几何元素的集合，系统内表达的任何设计都变成了几何图形，所依赖的数学模型是几何模型，系统记录了这些图素的几何特征。
二维CAD系统一般由图形的输入与编辑、硬件接口、数据接口和二次开发工具等几部分组成。
三维CAD系统的核心是产品的三维模型。
三维模型是在计算机中将产品的实际形状表示成为三维的模型，模型中包括了产品几何结构的有关点、线、面、体的各种信息。
计算机三维模型的描述经历了从线框模型、表面模型到实体模型的发展，所表达的集合体信息越来越完整和准确，能解决“设计”的范围越广。
其中，线框模型只是用几何体的棱线表示几何体的外形，就如同用线架搭出的形状一样，模型中没有表面、体积等信息。
表面模具是利用几何形状具有了一定的轮廓，可以产生诸如阴影、消隐等效果，但模型中缺少几何形状体积的概念，如同一个集合体的空壳。
几何模型发展到实体模型阶段，封闭的几何表面构成了一定的体积，形成了几何形状体的概念，如同在几何体的中间填充了一定的物质，使之具有了如重量、密度等特性，且可以检查两个几何体的碰撞和干涉等。
由于三维CAD系统的模型包含了更多的实际结构特征，使用户在采用三维CAD造型工具进行产品结构设计时，更能反映实际产品的结构或加工制造过程。
2.3零件造型设计
选择启动CimatronE8.0，在主菜单上选择【文件】→【新建文件】命令，或者单击（新建文档）,，弹出【新建文件】窗口，按图所示设置参数，单击确定按钮，建立新文档。
2建立主基面
单击窗口上方菜单【基准】→【基准面】→【主平面】，拾取屏幕中心坐标系，单击
，显示三位轴侧视图，如图2-3-1所示，单击“特征向导”下面的按钮
确定，建立的主基准面如图2-3-2所示。
图2-3-1拾取坐标图2-3-3主平面
3绘制草图
先设置一个主平面，以YZ面为草绘平面，单击图标
，吧YZ平面旋转成屏幕界面，以便绘制草图，单击选中图标，标注尺寸,先绘制一个线架如图2-3-4（a）
选择【实体】→【新建】→【旋转】。
取刚绘制的草图轮廓单击鼠标中键，设置参数，单击确定，建立旋转实体，如图2-3-4（b）。
图2-3-4（a）轮廓型架图2-3-4（b）轮廓外形
选择【基本面】→【平行】，取XY主基准面，向下偏移15mm，单击确定。
选择【基本轴】→【平行】，取刚绘制的平面，单击确定，取平行面单击中健，拾取平行轴为参考，确定，输入角度15度，确定，得到倾斜面。
以如图2-3-5
绘制风扇叶片，【选择】→【倾斜面】，以倾斜面为构图平面选用两点做圆弧的方法绘制电风扇叶片外形。
如图2-3-6.
图2-3-5倾斜平面图2-3-6扇形曲面
选择【实体】→【新建】→【拉伸】点击刚绘制的曲线，将其拉伸1mm。
单击确定图2-3-7。
选择【编辑】→【复制几何体】→【旋转阵列】，选择原始曲面，中键确定，然后选择旋转轴线，设置旋转角度145度，预览生成的旋转阵列，如图2-3-8。
图2-3-7曲面拉伸图2-3-8扇形成型
选择【实体】→【切除】，选择所有叶片按中键，选取绘制的轮廓与之切除，就这样形成了产品的外形轮廓。
第三章零件加工
3.1图纸分析
3.1.1几何元素分析：
该工件外形复杂，包含了平面、圆弧面、曲面等几何元素。
3.1.2精度分析：
该工件被加工部分的各尺寸和形位公差、表面粗糙度要求较高，部分尺寸达到IT8-IT7级精度。
3.1.3材料分析：
底座的材料为45钢，调制状态，硬度为HRC20-30，适合加工中心加工。
3.2工艺分析
装夹：
本次零件的设计师采用虎口钳夹具装夹，可以很好地限制五个自由度，见表二。
表二数控加工工件安装夹具图
零件图号
T0003
数控加工工件安装夹具图
工序号
2
夹具名称
虎钳
装夹次数
2
4
旋转推动杆
3
可移动夹块
2
固定压板
1
底板
GS53-61
编制
（日期）
审核
（日期）
批准
（日期）
第页
序号
夹具名称
夹具图号
2011-12-6
共页
1
虎钳夹具
3
调入工件
单击【加工向导】工具栏的【调入模型】按钮，把绘制的电风扇调入确定完成。
创建坐标系
设置一个使用模型坐标系，系统弹出UCS，点击确定。
3.3刀具的选择
数控刀具的选择是数控加工工艺的重要内容，它不仅影响数控机床的加工效率，而且直接影响加工质量。
CAD/CAM技术的发展，使得在数控加工中直接使用CAD的设计数据成为可能，特别是DNC系统微机与数控机床的联接，使得设计、工艺规则及编程的整个过程全部在计算机上完成，一般不需要输出专门的工艺文件。
目前，许多CAD/CAM软件包都提供自动编程的功能，这些软件一般是在编程界面中提示工艺规划的有关问题，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的参数，就可以自动生成NC程序并传输至数控机床完成加工。
因此，数控加工中的刀具选择和切削用量确定是在人机交互状态下完成的，这与普通机床加工形成鲜明的对比，同时也要求编程人员必须掌握刀具选择和切削用量确定的基本原则，在编程时充分考虑数控加工的特点，能够正确选择刀刃具及切削用量。
数控加工常用道具的种类及特点
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的特点，一般应包括通用刀具、通用连接刀柄及少量专用刀柄。
刀柄要联接道具并装在机床动力头上，因此已逐渐标准化和系列化。
数控刀具的分类有多种方法，根据刀具结构可分为：
①整体式；②镶嵌式，采用焊接或机夹式联接，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。
从切削工艺上可分为：
1）车削刀具，分外圆、内孔、螺纹、切削刀具等多种；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，近几年机夹式可转换位刀具得到广泛的应用，在数量上达到整个数控刀具的30%-40%，金属切除量占总数的80%-90%。
数控刀具与普通机床上所用的刀具相比，有许多不同的要求，主要有以下特点：
①刚性好（尤其是粗加工刀具）、精度高、抗震及热变形小；②互换性好，便于快速换刀；③寿命高，切削性能稳定、可靠；④刀具的尺寸便于调整，以减少换刀调整时间；⑤刀具应能可靠地断头皮屑或卷屑，以利于切屑的排除；⑥系列化、标准化、以利于编程和刀具管理。
3.3.1数控加工刀具的选择
刀具的选择是在数控编程的人机交互状态下进行的，应根据机床的加工能力、工件材料的性能、加工工序、切削用量以及其他相关因素正确选用刀具及刀柄。
刀具选择总的原则是：
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。
选择刀具时，要使刀具的尺寸与被加工工件的表面尺寸相适应，生产中，平面零件周边轮廓的加工，常采用牛鼻刀；铣削平面时，应选平刀；加工凸凹、凹槽时，选高速刚立铣刀；加工毛坯表面或粗加工孔时，可选用镶硬质合金刀片的玉米铣刀；对一些立体型面和变斜角轮廓外形的加工，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（模具）加工时，由于球头刀具的端部切削速度为零，因此，为保证加工精度，切削行距一般采用顶端密距，故球刀常用于曲面的精加工，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，只要在保证不过切得前提下，无论是曲面的粗加工还是精加工，都应优先选择平头刀。
另外，刀具的耐用度和精度与刀具价格关系极大，必须引起注意的是，在大多数情况下，选择好的刀具虽然增加了刀具成本，但由此带来的加工质量和加工效率的提高，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，按程序规定进行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、铣削等工序用的标准刀具迅速、准确地装到机床主轴或刀库上去。
编程人员应了解及床上所用刀柄的结构尺寸、调整方法以及调整范围，以便在编程时确定刀具的径向和轴向尺寸。
目前我国的加工汇总新采用TSG工具系统，其刀柄有直柄（3中规格）和锥柄（4种规格）2种，共包括16种不同用途的刀柄。
3.3.2刀具的设置
（1）粗加工刀具：
牛鼻刀，Ф12×30mm，硬质合金
（2）二次开粗：
牛鼻刀，Ф8×30mm，硬质合金
（3）精加工刀具：
球头铣刀，Ф5×50mm，硬质合金
（4）平面加工：
平刀，Ф12×30mm，硬质合金
在CimatronE下的操作：
选取刀具时，要使刀具的尺寸与被加工工件的表面尺寸相适应。
生产中，平面零件周边轮廓的加工，常采用立铣刀；铣削平面时，应选硬质合金平铣刀；加工凸凹、凹槽时，选高速钢牛鼻刀；加工毛坯表面或粗加工孔时，可选取牛鼻铣刀；对一些立体型面和变斜角轮廓外形的加工，常采用球头铣刀、环形铣刀、锥形铣刀和盘形铣刀。
粗加工选用牛鼻刀，曲面选用用球头铣刀。
选择刀具可以通过【刀具】→【新建刀具】进入工件设置对话框，设置以上刀具，在刀具栏中填写【刀具名称】，设置刀具参数进行修改，单击确定，如图3-1.
图3-1刀具参数选择
3.4毛坯设置
数控铣床它的夹头用虎钳夹装夹毛坯，毛坯尺寸100×100×30mm。
用牛鼻铣刀Ф10×15粗铣刀，粗铣时最大进给量为2mm，主轴的转速为1000转/分钟。
粗加工余量为0.5mm，CimatronE8.下工件设置，
毛坯设置
尺寸设置：
100×100×30.76mm
材料：
45#钢
如表三所示，工件毛坯：
100×100×30.76mm。
表三工件毛坯设定卡片
零件图号
T0005
工件毛坯和零点设定卡片
工序号
0005
零件名称
五叶片电风扇
装夹次数
1
·
编制（日期）
审核（日期）
批准（日期）
第页
序号
夹具名称
夹具图号
2011-12-6
共页
1
虎钳夹具
3
3.5加工阶段的划分
当零件的加工质量要求比较高时，往往不可能在一道工序中完成全部加工工作，而必须分几个阶段进行加工。
1、粗加工阶段这一阶段的主要任务是切去大部分余量，关键问题提高生产效率。
作用：
曲面粗加工的目的就是为了尽可能地将曲面工件从毛坯中分离出来，在大多数情况下，需要在粗加工后留下余量给精加工去最后完成。
粗加工是以快速切除毛坯余量为目的，在粗加工时应选用大的进给量和尽可能大的切削深度，一边在较短的时间内切除尽可能多的切屑。
粗加工对表面质量的要求不高，道具的磨钝标准一般是切削力的明显增大，即以后刀面的磨损宽度VB为标准确定精基准。
2、半精加工阶段这一阶段的主要任务是为零件主要表面的精加工做好准备（达到一定的精度和表面粗糙度，留下合适的精加工余量），并完成一些次要的表面加工（如钻孔、攻螺纹、洗键槽等）。
3、精加工阶段这一阶段的主要任务是保证零件主要加工表面的尺寸精度、形状精度、位置精度及表面粗糙度要求。
这是关键的加工阶段，大多数零件的加工经过这一阶段就已完成。
4、完整加工阶段对于零件尺寸精度和表面粗糙度要求很高的表面，还有安排光整加工阶段。
这一阶段的主要任务是提高尺寸精度和减少表面粗糙度值，一般不用来纠正位置误差。
位置精度由前面工序保证。
方法介绍：
在CimatronE8.0中的加工方法是【创建加工程序】→【体积铣】→【环切】进行具体设置，如表四所示。
表四数控粗加工设定及工艺路线卡片
零件图号
0002
数控加工设定及工艺路线卡片
工序号
0004
零件名称
电风扇粗加工
装夹次数
1
编制
（日期）
审核
（日期）
批准
（日期）
第页
序号
夹具名称
夹具图号
2011-12-6
共页
虎钳
4
1、方法选择：
在曲面粗加工中提供了七种加工方法，主要由平行铣削、环切，二次开粗，插铣等。
提供了设计零件外形所需的理想环境，其强大稳定的造型功能可设计出复杂的曲线、曲面零件。
CimatronE8.0具有强劲的曲面粗加工及灵活的曲面精加工功能。
CimatronE8.0提供了多种先进的粗加工技术，以提供零件加工的效率和质量。
CimatronE8.0还具有丰富的曲面精加工功能，可以从中选择最好的方法，加工最复杂的零件。
CimatronE8.0的多轴加工功能，为零件的加工提供了更多的灵活性。
可靠的刀具路径校验功能：
CimatronE8.0可模拟零件加工的整个过程，模拟中不但能显示刀具和夹具，还能检查刀具和夹具与被加工零件的干涉、碰撞情况。
2、参数设置：
数控铣床它的夹头用虎钳夹装夹毛坯，用Ф12×30的牛鼻刀，设置零件加工余量为0.3，如图3-4-1，单击【刀路轨迹】，设置Z值最大值和最小值，切削深度为3。
如图3-4-2。
设置【机床参数】，主轴转速为1000，进给速度为500毫米/分钟，如图所示3-4-3。
设置【零件】，选择一条封闭的零件最大轮廓线，选择零件曲面选择所有显示对象，确定如图3-4-4。
图3-4-1设置零件加工余量图3-4-2设置刀路轨迹
图3-4-3设置机床参数图3-4-3设置零件参数
3.6加工余量的确定
3.6.1加工余量的基本概念
加工余量是指加工过程中从加工表面切去的材料层厚度。
加工余量主要分为工序余量和加工总余量两种。
1.工序余量
工序余量是指相邻工序的工序尺寸之差，即在一道工序中从某一加工表面切除的材料层厚度。
2.加工总余量
加工总余量等于各工序余量之和
3.6.2影响加工余量大小的因素
加工余量的大小对于零件的加工质量、生产率和生产成本均有较大的影响。
加工余量过大，不仅增加加工余量的劳动量，降低了生产率，而且增加材料、工具和电力等的消耗，加
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