铝合金的设计加工以及编程概论.docx
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铝合金的设计加工以及编程概论
江苏省徐州机电工程高等职业学校
毕业设计
姓名：
温莉莉
学号：
09070332
系部：
电气工程系
专业：
机电一体化
设计题目：
基于铝合金薄壁异形的设计以及加工
指导教师：
崔东艳
职称：
讲师
年月
江苏徐州机电工程高等职业学校毕业设计
任务书
系部电气工程系专业年级08高职电气自动化学生姓名蔡亚云
任务下达日期：
2012年3月01日
毕业设计日期：
2012年3月01日至2012年5月10日
毕业设计题目：
基于铝合金薄壁异形的设计以及加
毕业设计主要内容和要求：
主要内容：
论文要求：
（1）有必要的理论分析
（2）有硬件图和程序的设计
（3）论文编写按照学校统一格式要求。
系主任签字：
指导教师签字：
江苏徐州机电工程高等职业学校毕业设计
指导教师评阅书
指导教师评语（①基础理论及基本技能的掌握；②独立解决实际问题的能力；③研究内容的理论依据和技术方法；④取得的主要成果及创新点；⑤工作态度及工作量；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意答辩等）：
成绩：
指导教师签字：
年月日
江苏徐州机电工程高等职业学校毕业设计
指导教师评阅书
指导教师评语（①基础理论及基本技能的掌握；②独立解决实际问题的能力；③研究内容的理论依据和技术方法；④取得的主要成果及创新点；⑤工作态度及工作量；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意答辩等）：
成绩：
指导教师签字：
年月日
江苏徐州机电工程高等职业学校毕业设计
答辩及综合成绩
答辩情况
提出问题
回答问题
正确
基本
正确
有一般性错误
有原则性错误
没有
回答
答辩委员会评语及建议成绩
答辩委员会主任签字：
年月日
系部领导小组综合评定成绩
系部领导小组负责人：
年月日
【摘要】1
【关键词】1
绪言1
第一章零件技术和加工分析及设计流程2
1.1铝合金薄壁异形简介2
1.2铝合金零件的结构特点2
1.3铝合金零件的技术要求2
1.4铝合金零件的加工要求2
1.5数控加工的特点3
第二章工艺规程的设计4
2.1生产类型及工艺特征4
2.2零件材料及毛坯4
2.3定位基准的选择5
2.4工艺路线的拟定5
2.41毛坯制造6
2.42强化处理6
2.5数控加工6
2.6钳工6
2.7表面处理6
第三章切削用量的选择7
3.1主轴转速7
3.2背吃刀量7
3.3进给速度7
3.4铣削功率校验8
3.5刀具品牌的选择8
第四章专用夹具设计9
4.1被加工零件图9
4.2专用夹具设计10
4.3定制夹具品牌的选择11
第五章数控加工程序编制12
5.1数控加工程序12
5.2数控机床的选择24
参考文献24
【摘要】
以达到轻重量，高强度，高精度为目的，通过可靠性设计方法设计出对铝合金薄壁异形件的加工方法。
本文介绍了一种方法，通过分析铝合金薄壁异形件的外形，用途和受力情况，以及考虑到节约成本，提高生产率，减轻工人劳动强度，因此采用数控加工并设计了专用工装，这样能有效地保证尺寸加工精度，并通过考虑该零件的具体工作条件及可能产生的破坏形式，选择出零件最终工序加工方法。
这种设计方案设计出的零件能够达到应用在记载设备中的基本要求。
同时本文还列举了相关工装夹具，刀具以及机械加工相关的优质供应商品牌，另外对于测量设备的选择也做了浅显的说明。
【关键词】:
薄壁异形专用工装数控机载设备精密测量
绪言
随着技术的发展，特别在精密机械加工领域，例如航空材料，军工材料，对于产品本身材料以及产品质量的要求日益提高，这样更加促进这个机械精密加工技术的提高和完善。
同时，也催生了无数高科技公司，在工装夹具，切削加工和加工中心各领风骚。
那么，在具体的产品设计和加工中，如何更好体现高效，成本节约以及高质量正是本文所探讨的内容。
第一章零件技术和加工分析及设计流程
1.1铝合金薄壁异形件简介
铝合金薄壁异形件主要应用在航空航天等机载设备中,因此要求壁厚薄以达到减轻重量的目的,同时需要保证一定的强度与刚度。
通过它将若干只微波器件按一定的相互位置关系装配在一起，按电信设计要求实现微波信号的发射与接收，这是它的主要用途。
因此该类零件的加工精度要求相当高，所以需要我们进行详尽的工艺分析和加工流程设计。
1.2铝合金零件的结构特点
铝合金薄壁异形件的种类很多，其尺寸、大小和结构形式随其用途的不同也有很大的差异。
一般来说铝合金薄壁异形件的主要结构特点是：
有加工精度要求高的安装孔；结构复杂、形状怪异、没有明显基准面；壁厚薄而且不均匀；铝合金材料与一般钢件相比，切削后容易产生切削应力，导致变形等。
1.3铝合金零件的技术要求
（1）零件加工后要求保证T6状态，HB＞75
（2）零件表面不允许有任何划伤,磕碰等缺陷。
（3）去清毛刺，锐边倒钝，但所有光孔孔口不得倒角。
（4）未注线性尺寸公差按IT14，未注形位公差按C级。
（5）零件加工后要求表面处理AL/Ct.Ocd3。
1.4零件加工要求
该零件的加工精度要求较高，加工面主要是孔和平面，位置、形状、尺寸精度都各有要求。
工艺设计时要考虑到节约成本，提高生产率，减轻工人劳动强度，因此采用数控加工并设计了专用工装，能有效地保证尺寸加工精度。
分析本次设计给出的零件图（见图3—1）,零件的主要加工要求如下。
（1）孔的尺寸精度及表面粗糙度
ø21.5+0.030孔、ø18.5+0.030孔、ø25+0.050孔，表面粗糙度Ra为1.6µm；
12×ø3.5+0.020孔、2×ø6.4+0.020孔、8×ø3+0.020孔，表面粗糙度Ra为1.6µm。
（2）孔的相互位置精度
ø21.5+0.030孔与ø18.5+0.030孔孔距公差为±0.02mm；
ø25+0.050孔与2×ø6.4+0.020孔孔距公差为±0.02mm。
（3）主要平面的形状精度、相互位置精度和表面粗糙度
基准A为结合面，平面度公差为0.1mm，表面粗糙度Ra为1.6µm。
外侧面的表面粗糙度Ra为3.2µm。
.
（4）平面与平面的相互位置精度
长度两侧面与基准A的垂直度公差为0.15mm；
高度两面平行度公差为0.05mm。
图3-1零件简图
（5）加工完成后有一定的强度要求，需进行强化处理。
1.5数控加工的特点
数控加工是指在数控机床上进行零件切削加工的一种工艺方法。
数控加工是现代制造的重要组成部分，它和传统的机加工方法相比有如下优点。
（1）自动化程度高在数控机床加工零件时，除了手工装卸工件外，其余加工过程都由机床自动完成。
在柔性制造系统中，上下料、检测、诊断、对刀、传输、调度、管理等也都由机床自动完成，这样减轻了操作者的劳动强度，改善了劳动条件。
（2）加工精度高，加工质量稳定数控加工的尺寸精度通常在0.005~0.1mm之间,不受零件形状复杂程度的影响,加工中消除了操作者的人为误差,提高了同批零件尺寸的一致性,使产品质量保持稳定。
（3）对加工对象的适应性强数控机床上实现自动加工的控制信息是加工程序。
当加工对象改变时，除了相应更换刀具和解决工件装夹方式外，只要重新编写并输入该零件的加工程序，便可自动加工出新的零件，不必对机床作复杂的调整，这样缩短了生产准备周期，给新产品的研制开发以及产品的改进、改型提供了捷径。
（4）生产效率高数控机床的加工效率高，一方面是自动化程度高，在一次装夹中能完成较多表面的加工，省去了划线、多次装夹、检测等工序；另一方面是数控机床的运动速度高，空行程时间短。
目前，数控车床的主轴转速已达到5000~7000r/min,数控高速磨削的砂轮线速度达到100~200m/s,加工中心主轴转速已达到20000~50000r/min,各轴的进给
速度达到18~24m/s。
（5）易于实现网络制造由于数控机床是使用数字信息，易于与计算机辅助设计和制造
（CAD/CAM）系统连接,便于网络传输,形成计算机辅助设计和制造与数控机床紧密结合的一体化系统。
一般来说，数控加工方法与通用机床加工方法在工艺原则上多半是相似的，但数控加工工序内容要比通用机床加工内容复杂，这是因为数控机床价格昂贵，若只加工简单的工序，既不经济也不合理，所以在数控机床上尽可能安排较复杂的工序，以及那些通用机床上难以完成的工序。
加工工艺技术难度越大越能显示出数控加工方法的优越性。
第2章工艺规程的设计
零件加工的工艺规程就是一系列不同工序的综合。
由于生产规模和具体情况的不同对同一零件的加工工序综合可能有很多的方案，应当根据具体条件采用其中较完善和较经济的方案，工艺规程选择要考虑的基本因素前面已有叙述。
2.1生产类型及工艺特征
划分生产类型时，既要根据生产纲领，同时还要考虑零件的体积、质量等因素。
值得一提的是，生产类型将直接影响工艺过程的内容和生产的组织形式，并在一定程度上对产品的结构设计也起着重要的作用。
该零件的生产纲领为2000件/年,属于中批生产。
它的主要工艺特征是普通加工以通用机床为主，辅以专用夹具，工件在各机床上的装卸和传递均需人工完成。
2.2零件材料及毛坯
由于该零件生产纲领为中批生产，零件属于薄壁异形件，为了节省原材料，使资源得以充分的利用，同时提高生产效率，降低生产成本，零件毛坯选用焊接件，原材料选用牌号6063（旧牌号LD31）的铝合金热轧板材。
这种材料经固熔加时效处理，可获得良好的力学性能，焊接性能良好。
零件原材料选用铝合金热轧板材，并进行T射线探伤检查，不得含有夹渣,夹层,裂纹等缺陷。
焊接件毛坯在焊接过程中受热不均匀，导致焊后变形，因此需留有一定的加工余量。
根据零件的结构特点，考虑零件外表面留1~2mm精加工余量，具体见表3-1其外形如图3-2所示。
表3-1加工余量/mm
加工表面
基本尺寸
尺寸公差
毛坯尺寸
总余量
说明
外侧长
169
IT14
171
2
双侧加工
总长度
306
0.2~0.4
308
2
双侧加工
壁厚
2
IT14
3
1
单侧加工
壁厚
2
IT14
3
1
单侧加工
壁厚
2
IT14
3
1
单侧加工
总厚度
136.5
±0.15
138.5
2
双侧加工
总宽度
151
±0.15
153
2
双侧加工
2.3定位基准的选择
根据基准选择原则并结合该零件的特点，设计了专用工装。
由于该零件最大的特点就是壁薄，导致铣削加工时刚性不足。
因此在工装设计时既要考虑定位可靠、夹紧方便，还要考虑如何增加工件的刚性，减少铣削时的振动及由于刚性不足而引起的变形，从而有效保证零件加工精度。
图3-2零件毛坯图
注：
板1、板2、板3分别为待焊接的板。
技术要求：
1.各零件均采用铝钎焊焊接$并强化处理。
2.零件表面不允许有多余焊疤。
2.4工艺路线的拟定
根据零件结构特点、技术要求，从数控加工工艺性及工厂现有生产条件考虑，制订了如下加工工艺方案。
毛坯制造→强化处理→数控加工→钳工→表面处理
2.41毛坯制造
该零件采用焊接件毛坯，焊接方法采用手工铝钎焊。
将该零件分成三块，见图3-2中的板1、板2、板3、对它们分别进行加工。
按图纸要求原材料选用牌号为6063铝合金热轧板材，采用铣、线切割等加工工艺加工成焊接之前工艺图尺寸。
零件其外表面留有焊后加工余量，内表面直接加工至图纸尺寸，为了保证零件最终尺寸及形状精度，所有安装孔暂不加工。
焊接时需采用专用工装夹紧定位，以保证焊接后毛坯形状精度，确保精加工余量均匀性。
尽管采用专用工装焊接，焊后仍有一定的变形，需由钳工校正。
并由钳工按焊接工艺图钻工艺孔9×φ3.5，以便后道工序装夹使用。
2.42.强化处理
为了使零件在加工后获得一定的强度，必须在焊接后精加工前进行强化处理。
强化工艺过程如下。
（1）将零件清洗干净，装入专用工装，并用螺钉紧固。
（2）立式铝合金淬火炉进行固熔处理，加热温度及保温时间按技术规范Q/HXJS-GF001-2005处理。
（3）由钳工将零件从工装上卸下进行校正,消除固熔处理后的变形量,并将零件再次装入工装,用螺钉紧固。
（4）进行人工时效处理。
（5）检测零件表面硬度HB＞75
2.5数控加工
传统的机加工通常是加工、测量、再加工的模式，其加工工艺某种程度上有一定的随意性，且和操作人员的经验有很大关系。
数控加工是通过计算机控制刀具做精确的切削加工运动，是完全建立在复杂的数值运算基础之上的，能实现传统的机加工无法实现的合理、完整的工艺规划。
根据零件结构特点和技术要求选用卧式加工中心加回转工作台进行加工，专用工装装夹。
精加工转运阶段，要求保护好已加工零件表面，表面贴保护膜，海绵隔离装周转箱，严禁表面划伤。
具体工艺过程见工艺过程卡片。
2.6钳工
钳工去清所有毛刺,锐边倒钝,但光孔孔口不能倒角。
焊接后按图划线钻工艺孔。
所有螺纹孔按图攻螺纹，螺口倒角0.3X45°,表面处理后按图装入钢丝螺套。
2.7表面处理
铝及其合金在大气中会自然形成一层氧化膜，但膜薄而且疏松多孔，是非晶态的，不均匀也不连续，不能作为防护装饰性膜层。
因此需采用一定的表面处理工艺$按技术要求进行AL/Ct.Ocd3处理。
经化学氧化处理后获得的化学氧化膜，质软、抗磨和抗蚀性能均较好，同时具有较好的吸附能力。
第三章切削用量的选择
数控加工中切削用量根据加工技术要求,刀具耐用度,切削条件等加以确定。
3.1主轴转速
主轴转速n应根据允许的切削速度v（m/min）来选取:
n=1000v/（πd）r/min
式中d——工件或刀具直径，mm。
切削速度v是由刀具耐用度决定的。
自动换刀数控机床往主轴或刀库上装刀花费时间较多，所以确定的切削用量要保证刀具能加工完一个零件或保证刀具耐用度不低于一个工作班，至少不低于半个工作班。
3.2背吃刀量
背吃刀量ɑp要根据机床、工件和刀具的刚性来确定。
在刚性允许的情况下，应尽可能使ɑp等于加工表面的加工余量，以便减少走刀次数，提高加工效率，当加工精度和表面粗糙度要求高时，可以留一点余量（一般0.2mm左右），最后光一刀。
数控机床的精加工余量可较普通机床的精加工余量小一些。
3.3进给速度
进给速度指令F是数控机床切削用量中的一个重要参数，通常根据加工精度和表面粗糙度来选取。
当要求较高时，进给速度应选得小些，例如通常可在200~500mm/min范围内选取。
而精铣时可取200~250mm/min。
最大进给速度受机床刚性和拖动系统性能限制。
铣基准A面时，选用φ=10mm直柄立铣刀，刀齿数Z=3，刀具材料为高速钢，现对主轴转速n、背吃刀量进给速度f作如下选择。
（1）查《切削加工简明实用手册》可知：
采用高速钢铣刀加工铝合金（95~100HBS）时，可取v=3~8m/s,现取V=3m/s,则n=1000v/（πd）=5732r/min,考虑刀具耐用度及机床条件限制,故选取n=4000r/min。
（2）背吃刀量=0.8mm（半精铣），或=0.2mm（精铣）
（3）根据《切削加工简明实用手册》可知，当机床主轴功率小于5KW时，高速钢立铣刀铣削铝合金时每齿进给量为0.05~0.1mm/z,现取ƒz=0.05mm/z,因此
ƒ=ƒz·Z·n=0.05x3x4000=600mm/min,考虑多方面因素,实际取值需小于理论值,故选取f=450mm/min。
3.4铣削功率校验
在切削用量确定以后，为了验证所选切削用量是否满足机床主轴功率要求，还必须进行铣削功率的校验。
机床功率校验的计算公式为
PC＜Pe×η（3-2）
式中PC——切削功率；
Pe——机床主轴功率；
η——主轴传动效率，通常取0.7~0.9。
切削功率即为刀具切削工件时住切削力所消耗的功率，切削功率计算公式为
PC=FC×vCkW（3-3）
式中FC——主切削力（圆周切削力）；
vC——切削速度。
式（3-3）中铣削力计算公式为
FC=Cf×Z×d-0.86t×α0.86e×α0.72f×αp（3-4）
式中Cf——系数；
αe——铣削接触弧深（mm）；
αf——每齿进给量（mm/齿）；
dt——铣刀直径（mm）；
αp——铣削深度；
Z——铣刀齿数。
根据式（3-4）和实际铣削状况分别计算铣削力FC、切削功率PC。
因切削材料为铝合金，选用圆柱立铣刀，齿数Z=3，直径dt=10mm，查表取系数Cf=20，铣削接触弧深αe=6，每齿进给量αf=0.05mm/z，铣削深度αp=0.8mm，将该数据代入式（3-4）得：
FC=Cf×Z×d-0.86t×α0.86e×α0.72f×αp
=20×3×10-0.86×60.86×0.050.72×0.8×9.8=32.9N
当切削速度vC=3m/s时，切削功率为：
PC=FC×vC=32.9×3m/s=98.7W=0.0987kW
由于EBM1000卧式加工中心机床主轴功率为3.5kW，则：
Pe×η=3.5×0.8=2.8kW
因为0.0987＜2.8
所以PC＜Pe×η
通过以上计算表明，所选切削用量是符合机床功率要求的。
3.5刀具品牌的选择
目前在市场使用比较多的刀具品牌为山高，山特维克，伊斯卡等国外品牌，这个与目前国内刀具生产商的技术能力和材料的来源有关。
在非标刀具方面和标准刀具方面，在常州西夏墅已经形成了一个成熟的专业刀具加工群体，他们生产的刀具不仅供应国内市场，同样出口国际市场，他们已经具备根据客户加工条件而设计定制专用刀具的能力。
企业在考虑成本和加工精度的关键因素后，西夏墅的刀具产业圈不适为最好的选择。
第四章专用夹具设计
机床夹具是在加工时用来正确确定工件位置并将它牢固夹紧的工艺装备它的主要作用如下
（1）保证发挥机床的基本工艺性能。
（2）扩大机床的使用工艺范围。
（3）保证加工精度。
（4）提高加工效率。
（5）减轻劳动强度，做到安全生产。
4.1被加工零件工序图
因该零件在焊接前是分成三块的（即板1、板2、板3），对它们分别进行加工。
被加工零件工序图分别如图3-3、图3-4、图3-5所示。
图3-3板1加工简图
图3-4板2加工简图
图3-5板3加工简图
4.2专用夹具设计
在经过对本加工零件结构特点、精度要求详细分析的基础上，设计了如图所示的专用工装。
该零件为薄壁异型类零件，为中批量生产，通用夹具难以满足该零件的加工需要、保证该零件的各种精度要求，故在充分考虑本零件的结构特点和加工精度要求的基础上，并借鉴了薄壁类零件的通用加工方法，设计出了此零件的专用夹具，如图3-6所示。
图3-6夹具装配图
在工装的结构方面，使用了组合的方式，先加工好各零件再通过普通螺纹连接组合而成，各定位面在组合后进行精加工。
零件在加工过程中只需要普通的加工方法就能达到要求，降低了生产难度，而整个夹具的具体精度要求只是在最后一道精加工完成，既方便了零件的制造，又提高了夹具总的位置精度，又能在较短的时间内，保证零件的生产需要。
在定位上，使用了精加工过的顶面和侧面的两销孔。
零件的内表面已加工到位，能够满足定位精度的要求。
两销孔在工件安装在夹具上后再与工件配钻而成，精度能够满足。
而且在主要配合面，使用了淬火的T10A材料加工的镶块，增加了夹具的耐磨性，在整个加工过程中，保证了定位的稳定性和加工的连续性。
在夹紧的问题中，该零件外表有余量，还要进行加工，则普通的压板结构不能使用，零件又属于薄壁类零件，其他的夹紧方式也不是太有效，但工件上有许多孔结构，因此，使用了螺钉夹紧的方式，既保证了零件的夹紧，又方便了加工。
使用时，夹具连同工件安装在卧式加工中心的旋转工作台上，为了能够旋转加工时主轴不碰撞工作台，工作台下安装了一加高垫块。
夹具通过三颗M10螺钉与垫块相连，校正基准槽与旋转台中心同心后，即可进行加工。
通过以上的特点可以说明，对此薄壁异形类零件采用本夹具是可行的，是能够满足零件各方面的精度和工艺要求的。
4.3定制夹具品牌的选择
目前市场选用的夹具定制品牌也是龙蛇混杂，但德国的Horn是独树一帜，产品质量绝对让客户放心，但唯一的缺点及时交货周期表较长，另外价格也是非常昂贵的。
当然，国内也同样有许多夹具制作公司，只要选择合适的材料，严格按照图纸加工，同样也是可以满足产品的加工要求的。
第五章数控加工程序编制
数控加工程序编制时，首先对零件图纸进行工艺分析，并作出各种处理，如确定对刀点、加工路线，数控加工程序编制时，首先对零件图纸进行工艺分析，并作出各种处理，如确定对刀点、加工路线，选择刀具和切削用量等，然后进行必要的计算（如坐标计算等），再将确定的工艺过程、工艺参数、刀具位移量与方向以及其他辅助动作（冷却、夹紧、换刀等），按走刀路线和所用数控机床的数控系统规定的指令代码及程序格式编制出程序，并将程序输入控制机，以控制机床加工。
数控系统采用的是“三菱数控系统”,程序原点选在圆弧槽中心。
（一）A面加工程序
/T=Φ14（直柄立铣刀）
/T=Φ4.2（直柄麻花钻）
G80G17G40G90G49
M6T1
G90G54X0Y0
G43Z4H1M8
M3S900
#1=0.2
M98H100（留0.2余量待精铣）
#1=0
M98H100（精铣0.2余量）
#1=-10
M98H110（第一刀铣深10）
#1=-16.575
M98H110（第二刀铣深16.575）
G0Z150
N2
M6T2
G90G54G0XY
G43Z4H2M8
M3S2000
G98G83Z—9Q3F100R1L0
X75.Y486
X—75
G83Z—26Q3F100R—15L0
X147.Y414
X—147
G80
G0Z150
M30
N100（铣平面子程序）
G90G00X149.Y332
Z2
G01Z#1.F100
Y437.8137F250
X81.5Y469.285
Y497
X76.Y482
Y496
X—72.4005
X—76.Y482
Y496.3372
X—81.5
Y469.285
X—149.Y437.8137
Y340
G00Z4
M99
N110（铣两侧台阶子程序）
G90G00X—149.Y332
Z2
G01Z#1F100
Y441.6755F200
X—147.3875Y442.4273
Y431.3575
G00Z4
X149.Y332
Z2
G01Z#1F100
Y441.6755F200
X14
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