典型零件的数控加工工艺设计.docx
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典型零件的数控加工工艺设计
摘要
数控技术是以数字的形式实现自动加工控制得一门技术，其指令得数字和文字编码得方式，记录在控制介质上，经过计算机得处理后，对机床各种动作得顺序位移量及速度实现自动控制。
本课题贯穿本专业所学到的议论知识与实践操作技术，从分析设计到计算操作得到成品，同时本次选题提供了自主学习，自主选择，自主完成的机会。
设计有实践性，综合性，探索性，应用性等特点，本次选题的目的是数控专业教学体系中构成数控技术专业知识及专业技能的重要组成部分，是运用数控机床实际操作的一次综合练习。
通过本次毕业设计让我对盘零件的设计（包括零件图的分析、毛坯的选择、刀具的选择、切屑量等）有了系统的整理，加深了对本专业的认识水平。
本次设计就是进行数控加工工艺设计典型零件，侧重于设计该零件的数控加工工艺和编程，主要设计内容有：
完成该零件的工艺规程（包括工艺过程卡、工序卡和数控刀具卡）和主要工序的工装设计。
并绘制零件图。
用G代码编制该零件的数控加工程序。
运用CAD/CAM相关软件将零件的构架完整的表达出来。
学会使用图表资料和手册，将与本设计有关的各种资料的名称、出处，能够做到熟练应用。
关键字：
数控，编程，工艺，建模
ABSTRACT
Numericalcontroltechnologyistheformofdigitalrealizationofautomaticmachiningcontroltoaforeigntechnology,itsinstructionNumbersandwordscodingway,therecordinthecontrolmedium,aftercomputerhavetodealwith,allkindsofactionofncmachinetoolsindisplacementandspeedtorealizeautomaticcontrol.
Thistopicthroughtheprofessionalhavelearnedabouttheknowledgeandthepracticeoperationtechnology,fromtheanalysisofthedesigntocalculatingoperationgetfinishedproducts,atthesametime,thistopicprovidesautonomouslearning,independentchoice,independentcompletedopportunity.Designapractical,comprehensiveapplication,exploratory,etc,thistopicisthepurposeofthenumericalcontrolmajorteachingsystemconstituteanumericalcontroltechnologyprofessionalknowledgeandprofessionalskillsisanimportantcomponentofthencmachinetoolbyusingtheactualoperationofacomprehensivepractice.
Throughthisgraduationdesignletmeforcomplexshaftpartsdesign（includingpartsdiagramanalysis,blankselection,toolselection,scraprate,etc.）isthesystemarrangement,deepenedourunderstandingoftheprofessionallevel.Thisdesignisforncmachiningprocessdesignoftypicalparts,focusonthedesignofthecomponentsofthencmachining
processandprogramming,themaindesigncontent:
completethepartsoftheprocessplanning（includingprocesscard,processCARDSandCNCtoolcard）andthemainprocessoftoolingdesign.Anddrawingpartsdrawing.Gcodecompiledwiththecomponentsofthencmachiningprogram.UsingCAD/CAMsoftwarewillbepartoftheframecompleteexpressioncomesout.Learntousechartdataandmanual,andthisdesignrelatedmaterialname,origin,canskilledapplication.
Keywords：
Numericalcontrol,programming,process,modeling
第一章绪论
1.1课题的背景及意义
随着计算机技术的高速发展，传统的制造业开始了根本性变革，各工业发达国家投入巨资，对现代制造技术进行研究开发，提出了全新的制造模式。
在现代制造系统中，数控技术是关键技术，它集微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技术于一体，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。
机械制造业正在越来越多的采用数控技术改善其生产加工方式。
数控技术的应用是提高制造业的产品质量和劳动生产率必不可少的重要手段；数控机床是国防工业现代化的重要战略装备，是关系到国家战略地位和体现国家综合国力水平的重要标志。
专家们预言:
二十一世纪机械制造业的竞争，其实质是数控技术的竞争。
加入世贸组织后，中国正在逐步变成“世界制造中心”。
为了增强竞争能力，中国制造业开始广泛使用先进的数控技术。
近几年来，机械加工业大量采用数控机床取代传统的普通机床进行机械加工，普通机械逐渐被数控机械所代替。
数控机床综合了微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制、电机与拖动，电子和电力、精密测量、气液压及现代机械制造技术等多种先进技术的机电一体化产品，是数控机床的心脏。
具有高精度，高效率，柔性自动化等特点决定了今后发展数控机床是我国机械制造业技术改造的必由之路，是工厂自动化的基础。
数控机床在各个机械制造企业已成为大、中型企业的主要技术装备。
作为装备制造业的母机，数控机床将获得高速发展。
根据中国机床工具工协会的调查，航天航空、国防军工制造业需要大型、高速、精密、多轴、搞笑数控机床；汽车、摩托车、家电制造业需求高效、高可靠性、高自动化的数控机床和成套柔性生产线；电站设备、造船、冶金石化设备、轨道交通设备制造业；IT业、生物工程等高技术产业需求纳米级亚微米级加工数控机床；工程机械、农业机械等传统制造业的产业升级，特别是民营企业的蓬勃发展，需要大量数控机床进行扎装备。
通过对数控技术的兴起和对未来的推测来看，随着数控机床的广泛应用与现代化企业对零件加工精度的要求提高，社会对其相应技术人才的需求也越来越高。
这就需要我们对数控机床有更深刻的认识和了解。
数控机床作为机电一体化的典型产品,在机械制造业中发挥着巨大的作用,很好的解决了现代机械制造中结构复杂，精密，批量小,多变零件的加工问题,且能稳定产品的加工质量,大幅度提高生产效率，由于高技术水平的人才越来越缺，现在新上的企业多采用数控，以提高生产率和产品质量，降低废品率。
而数控铣床主要是加工盘类零件，典型的加工表面不外乎铣平面、圆弧、铣槽等。
要实现数控加工，编程是关键。
由于数控铣床可以加工普通铣床无法加工的复杂曲面，加工精度高，质量容易保证，发展前景十分广阔，因此掌握数控车床的加工编程技术尤为重要。
本课题就平面、圆弧面、槽和孔的加工的工艺分析和加工方法进行分析，虽然只对一例数控铣床加工零件的进行了分析，但它具有一定的代表性。
本次课程的设计正是一次实践，运用学过的数控车床的基础课程、技术课程和专业课程，对所学的进行综合整理与应用。
这是一次理论与实际结合的锻炼过程。
1.2数控机床及数控技术的应用和发展
随着数控技术的发展，采用数控系统的机床品种日益增多，有车床、铣床、镗床、磨床等。
1948年，由美国帕森斯公司在研制飞机螺旋桨叶片轮廓加工设备的过程中提出了计算机控制机床的设想。
1949年该公司在美国麻省理工学院的协助下开始数控机床研究，并与1952年试制成功一台三坐标数控铣床。
1959年，制成了晶体管元件和印刷电路板，使数控装置进入了第二代。
1960年以后，较为简单和经济的点位数控钻床和直线控制数控铣床得到较快发展。
1974年，研制成功使用微处理器和半导体存储器的微型计算机数控装置，可靠性得到极大的提高。
80年代初，随着计算机软硬件技术的发展，出现了能进行人机对话式自动编程的数控装置，使数控机床的自动化程度进一步提高，具有自动监视刀具破损和自动检测工件等功能
我国近几年数控机床虽然发展较快，但与国际先进水平还存在一定的差距，主要表现在：
可靠性差，外观质量差，产品开发周期长，应变能力差。
为了缩小与世界先进水平的差距，有关专家建议机床企业应在以下6个方面着力研究：
1）加大力度实施质量工程，提高数控机床的无故障率；
2）跟踪国际水平，使数控机床向高效高精方面发展；
3）加大成套设计开发能力上求突破；
4）发挥服务优势，扩大市场占有率；
5）多品种制造，满足不同层次的用户的需求；
6）模块化设计，缩短开发周期，快速响应市场。
数控机床使用范围越来越大，国内国际市场容量也越来越大，但竞争也会加剧，我们只有紧跟先进技术进步的大方向，并不断创新，才能赶超世界先进水平。
第二章 零件工艺分析
2.1零件图分析
设计任务的零件如图2-1所示。
待加工的部分有3个120×80、120×80、80×30的外平面、R192mm的圆弧面和R185mm的圆弧面、1个槽48×32的槽和1个120×12的槽以及8个M4的孔，其中多个直径尺寸与轴向尺寸有较高的尺寸精度和表面粗糙度的要求。
零件图尺寸标注完整，符合数控加工尺寸标注要求；轮廓描述清楚完整；零件材料为45＃钢，加工性能较好。
2.2毛坯的选择
毛坯是根据零件所要求的形状、工艺尺寸等制成的机械加工对象。
它是制定加工工艺规程的基础。
毛坯的不同种类及制造方法对零件工艺过程影响很大，零件工艺过程中的工序数量、材料消耗、机械加工劳动量等在很大程度上取决于所选的毛坯，故正确选择毛坯具有重要的技术经济意义。
毛坯的选择的原则：
1）经济合理性原则
2）功能适应性原则
3）资源最佳利益原则
4）能量消耗最小原则
5）环境保护原则
6）安全宜人原则
毛坯的种类：
1）铸件适用于做形状复杂的零件毛坯
2）锻件适用于要求强度较高、形状比较简单的零件
3）型材热轧型材的尺寸较大、精度低，多用于一般零件毛坯
4）焊接类对于大件来说，焊接件简单方面，特别是单件小批生产可大大缩短生产周期
5）冷冲压件适用于形状复杂的板料零件
本课题中已给定毛坯的材料为45钢，根据不同的工作条件采用不同的热处理规范（如正火、调质、淬火等），以获得一定的强度、韧性和耐磨性。
45钢是优质碳素结构钢中应用最广泛的一类，也是工厂中常用的一种加工材料，这类钢经调质后具有良好的综合力学性能，即具有较高的刚度、硬度，且相对于其他同类达到要求的材料价格较便宜。
毛坯尺寸为130mm×90mm×40mm。
2.3工艺分析
2.3.1零件结构工艺性
零件的结构工艺性是指根据加工工艺特点，对零件的设计所产生的要求，即零件的结构设计会影响或决定工艺性的好坏。
本课题的零件图中图形各几何要素明确，从图2-1上看出零件有表面有粗糙度要求，其中4个尺寸也有严格的尺寸精度要求，有极限偏差尺寸标注，零件图尺寸标注完整，轮廓描述清楚。
轮廓内圆弧半径常常限制刀具的直径，本图中圆弧半径较大，工艺性较好。
2.3.2工艺方案的确定
该铣削零件由平面，孔，槽和外轮廓组成，无热处理和硬度要求，但是所有表面都必须加工。
为提高加工效率，可以先采用大直径刀具进行粗加工，然后按要求选择刀具对轮廓上的残留余量过大的局部区域处理后再对整个轮廓进行精加工。
上表面对圆弧面有平行度要求，外轮廓相互也有平行度要求且要垂直于圆弧面。
三个外表面的表面粗糙度为Ra1.6，槽的表面粗糙度为Ra3.2，都可采用粗铣-精铣方案；可采用顺铣的方式。
两个圆弧面的表面粗糙度为Ra0.8，可用球头铣刀和鼓形铣刀，以直线或圆弧插补方式进行分层铣削加工，加工后的残留面积用钳修的方法清除。
8个内孔没有表面粗糙度和尺寸公差要求，直接用麻花钻钻孔即可。
工艺方案一：
先加工上表面，然后以上表面为定位基准加工下表面、外轮廓以及各孔。
工艺方案二：
先加工下表面，以下表面为定位基准加工上表面、圆弧面以及外轮廓。
通过分析零件的结构及工艺性，选择第二种加工工艺方案。
综上所述，选择以上方法完全可以保证尺寸、形状精度和表面粗糙度的要求。
2.4选用数控设备
加工此铣削件采用FANUC系统的数控立式铣床，型号DXK45，配备各种所需刀具，所需刀具里有立铣刀和端面铣刀。
2.5夹具的选用
2.5.1数控铣床对夹具的基本要求
实际上数控铣床加工时一般不需要很复杂的夹具，只要求有简单的定位、夹紧机构就可以了。
结合数控铣削加工的特点，有以下几种要求：
为保持零件安装方位与机床坐标系及编程坐标系方向的一致性，夹具应能保证在机床上实现定位安装，还要求能协调零件定位面与机床之间保持一定的坐标尺寸联系。
1）为保持工件在本工序中所需要完成的待加工面充分暴露在外，夹具要做得尽可能开敞，因此夹紧机构元件与加工面之间应保持一定的安全距离，同时要求夹紧机构元件能低则低，以防止夹具与铣床主轴套筒或刀套、刃具在加工过程中发生碰撞。
2）夹具的刚性与稳定性要好。
尽量不采用加工过程中更换夹紧点的设计，当非要在加工过程中更换夹紧点不可时，要特别注意不能因更换夹紧点而破坏夹具或工件定位精度。
2.5.2数控铣床常用夹具种类
数控铣床加工常用的夹具大致有下列几种：
1）虎钳适用于小批量生产或研制时的中、小型工件在数控铣床上进行铣加工。
2）专用铣切夹具是特别为某一项或类似的几项工件设计制造的夹具，一般在批量生产或研制时非要不可时采用。
3）多工位夹具可以同时装夹多个工件，可减少换刀次数，也便于一面加工，一面装卸工件，有利于缩短准备时间，提高生产率，较适宜于中批量生产。
4）气动或液压夹具适用于生产批量较大，采用其他夹具又特别费工、费力的工件，能减轻工人劳动强度和提高生产率，但此类夹具结构较复杂，造价往往较高，而且制造周期较长。
5）真空夹具适用于有较大的定位平面或具有较大可密封面积的工件。
有的数控铣床（如壁板铣床）自身带有通用真空平台，在安装工件时，对形状规则的矩形毛坯，可直接用特制的橡胶条（有一定尺寸要求的空心或实心圆形截面）嵌入夹具的密封槽内，再将毛坯放上，开动真空泵，就可以将毛坯夹紧。
对形状不规则的毛坯，用橡胶条已不太适应，须在其周围抹上腻子（常用橡皮泥）密封，这样做不但很麻烦，而且占机时间长，效率低。
为了克服这种困难，也可以采用特制的过渡真空平台，将其叠加在通用真空平台上使用。
除上述几种夹具外，数控铣床加工中也经常采用虎钳、分度头和三爪夹盘等通用夹具。
2.5.3数控铣床夹具的选用原则
在选用夹具时，通常需要考虑产品的生产批量，生产效率，质量保证及经济性等，选用时可参照一下原则：
1）在生产量小或研制时，应广泛采用万能组合夹具，只有在组合夹具无法解决工件装夹时才可放弃；
2）小批或成批生产时可考虑专用夹具，但应尽量简单；
3）在生产批量较大时可采用多工位夹具和气动、液压夹具。
2.5.4夹具的选择
各夹具的使用特点、应用及工件装夹方式的分析，结合我所加工的零件的是较为规则的形状，且不是批量生产，为了避免花费较大的人力物力，所以采用平口虎钳。
2.6刀具的选择
2.6.1刀具应具备的性能
在金属加工中根据被加工工件的特点选择合适的刀具，能够充分发挥机床的性能，提高生产效率，降低生产成本。
将单价、效率、寿命及缩短的辅助时间等因素综合起来看，选择正确的刀具将会事半功倍。
1）高的硬度和耐磨性硬度是刀具应具备的基本特性。
刀具要从工具上切下切屑，其硬度必须比工件材料的硬度大。
切削金属所用刀具的切削刃硬度一般都在60HRC以上。
耐磨性是材料抵抗磨损的能力。
一般来说，刀具材料的硬度越高，其耐磨性就越好。
2）足够的强度和韧性要使刀具在承受很大压力，以及在切削过程中经常出现的冲击和振动条件下工作，而不产生崩刃和折断，刀具材料就必须具有足够的强度和韧性。
3）高的耐热性（热稳定性）耐热性是衡量刀具材料切削性能的主要标志。
刀具材料还应该具有抗氧化的能力以及良好的抗粘结合和抗扩散的能力，即刀具材料用具有良好的化学稳定性。
4）良好的热物理性能和耐热冲击性能刀具在断续切削或使用切削液时，常常受到很大的热冲击因而刀具内会产生裂纹而导致断裂刀具材料导热性能越好，切削热越容易从切削区散开，有利于降低切削温度。
耐热冲击性能好的刀具材料，切削加工时可以使用切削液。
5）良好的工艺性能为了便于刀具的制造，要求刀具材料具有良好的工艺性能，如锻造性能、热处理性能、高温塑性变形性能、磨削加工性能等。
6）经济性经济性是刀具材料的重要指标之一，优质刀具材料虽然单件刀具成本很高，但因其使用寿命长，分摊到每个零件成本则不一定高。
因此在选用刀具材料时要综合考虑。
2.6.2各种刀具材料简介
1）高速钢具有较高的强度和韧性，并且具有一定硬度和耐磨性。
在600℃仍能保持较高的硬度，较之其他工具钢耐高，但压延性较差，热加工困难，耐热冲击性较弱。
磨性好且比硬质合金韧性
2）硬质合金硬质合金材料中含有大量金属碳化物，这些碳化物熔点高、化学稳定好、热稳定性好。
因此，硬质合金材料的硬度、耐磨性、耐热性都很高，能在800~1000℃保持较好的加工性能。
切削性能比高速钢高得多，刀具耐用度可提高几倍到几十倍，在耐用度相同时，切削速度可提高4~10倍。
3）陶瓷有很高的耐热性与耐磨性，常温硬度达9195HRC，1200℃高温下硬度为80HRC而且高温下抗弯强度、韧性降低极少。
有很高的化学稳定性，陶瓷与金属亲和力小，高温抗氧化性好，在耐热合金等难加工材料的加工中广泛的应用。
4）立方氮化硼热压成形后的氮化硼BN制品易于进行机械加工，且加工精度可高达0.01mm可制成形状复杂而精度要求较高的零件。
其使用寿命、加工精度、抗裂纹能力、抗磨损能力都要优于硬质合金刀具和陶瓷刀具。
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。
上述五大类刀具材料的硬度、耐磨性，金刚石最高，递次降低到高速钢。
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。
2.6.3铣刀的种类及选择
在数控铣床上使用的刀具主要有立铣刀、面铣刀、球头刀、环形刀、鼓行刀和锥形刀等，除此之外，还有各种孔加工刀具，如钻头（锪钻、铰刀、丝锥等）镗刀等。
面铣刀（也叫端铣刀）的圆周表面和端面上都有切削刃。
面铣刀多制成套式镶齿结构和刀片机夹可转位结构，刀齿材料为高速钢或硬质合金，刀体为40Cr。
立铣刀是数控铣床上用的最多的一种铣刀。
立铣刀的圆柱表面和端面上都有切削刃，他们可同时进行切削，也可单独进行切削。
结构有整体式和机夹式等，高速钢和硬质合金是铣刀工作部分的常用材料。
模具铣刀由立铣刀发展而成，可分为圆锥形立铣刀、圆柱形球头立铣刀和圆锥形球头立铣刀三种，其柄部有直柄、削平型直柄和莫式锥柄。
它的结构特点是球头或端面上布满切削刃，圆周刃与球头刃圆弧连接，可以做径向和轴向进给。
铣刀工作部分用高速钢或硬质合金制造。
首先根据加工内容和工件轮廓外形确定刀具类型，再根据加工部分大小选择刀具大小。
铣刀类型的选择原则：
1）加工较大平面选择面铣刀；
2）加工凸台、凹槽、平面轮廓选择立铣刀；
3）加工曲面较平坦的部位常采用环形（牛鼻刀）铣刀；
4）曲面加工选择球头铣刀；
5）加工空间曲面模具型腔与凸模表面选择模具铣刀；
6）加工封闭键槽选键槽铣刀等
铣刀参数的选择原则：
1）面铣刀主要参数选择
a）标准可转位面铣刀直径在Φ16-Φ630：
粗铣时直径选小的，精铣时直径选大些，最好能包容待加工表面的整个宽度（多20%）。
b）依据工件材料和刀具材料以及加工性质确定其几何参数：
铣削加工通常选前角小的铣刀，强度硬度高的材料选负前角，工件材料硬度不大选大后角、硬的选小后角，粗齿铣刀选小后角，细齿铣刀取大后角，铣刀的刃倾角通常在-5~-15度，主偏角在45-90度。
2.6.4刀具的选择
由于我选的材料为45钢，经调质后零件表面的硬度、、强度、耐磨性等都得到有效地提高。
这就需要相对较高的硬度、耐磨性、耐热性的刀具材料。
综上对刀具性能和刀具种类的分析，选用硬质合金刀。
这类刀具从价格、性能和市场供应来看都是最合理最经济最实用的。
表2-1本设计中刀具的选择
序号
刀具编号
刀具规格名称
数量
加工表面
刀尖半径/mm
备注
1
T01
键槽铣刀
1
铣削长槽
2
T02
Φ125mm硬质合金端面铣刀
1
铣削上、下表面
3
T03
Φ10硬质合金立铣刀
1
铣削外轮廓
4
T04
Φ12球头铣刀
1
铣削上下圆弧面
5
T05
Φ3麻花钻
1
钻Φ3孔
6
T06
Φ4丝锥
1
攻M4的螺纹孔
编制
审核
批准
日期
2.7冷却液的选择
金属切削过程中，合理选择切削液，可改善工件与刀具之间的摩擦状况，降低切削力和切削温度，减小刀具磨损和工件的热变形，从而可以提高刀具的耐用度、加工效率和加工质量。
切削液的选择应考虑下列几点因素：
1.润滑具有良好润滑能力的切屑液可减少刀具与工件或切屑间的直接接触，减轻摩擦和粘结，因此，可减少刀具磨损，提高工件表面质量。
2.冷却具有良好冷却作用的切屑液能从切削区域带走大量切削热，使切削温度降低。
3.清洗具有良好清洗能力的切屑液可以冲走切削区域与机床上的细碎切屑和脱落的磨粒，防止划伤已加工表面和导轨。
4.防锈切削液中加入防锈剂，如亚硝酸钠、磷酸三钠和石油磺酸钡等，可在金属表面形成一层保护膜，起防锈作用。
常用切削液的种类如表所示
冷却液名称
主要成份
主要作用
水溶液
水，防锈剂
冷却
乳化液
水、乳化油、乳化剂
冷却、润滑、清洗
切削油
矿物油、动植物油、
复合油
润滑
在加工此类零件时根据该工件材料、刀具材料、加工方法、加工要求及冷却液的
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