数控加工零件工艺设计.docx

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数控加工零件工艺设计

1.1数控加工的特点

数控加工具有如下特点：

1.自动化程度高；

2.加工精度高；

3.对加工对象的适应性强；

4.生产效率高；

5.易于建立计算机通信网络。

20世纪40年代末，美国开始研究数控机床，1952年，美国麻省理工学院（MIT）伺服机构实验室成功研制出第一台数控铣床，并于1957年投入使用。

这是制造技术发展过程中的一个重大突破，标志着制造领域中数控加工时代开始。

数控加工是现代制造技术的基础，这一发明对于制造行业而言，具有划时代的意义和深远的影响。

世界上主要工业发达国家都十分重视数控加工技术的研究的发展。

我国于是1958年开始研制数控机床，成功试制出配有电子数控系统的数控机床，1965年开始批量生产配有晶体管数控系统的三坐标数控铣床。

经过几十年的发展，目前的数控机床已经在工业界得到广泛应用，在模具制造行业的应用尤为普及。

数控机床种类繁多，模具制造常用数控加工机床有：

数控铣床、数控电火花成型机床、数控电火花线切割机床、数控磨床和数控车床。

数控机床通常由控制系统、伺服系统、检测系统、机械传动系统及其它辅助系统组成。

控制系统用于数控机床的运算、管理和控制，通过输入介质得到数据，对这些数据进行解释和运算并对机床产生作用；伺服系统根据控制系统的指令驱动机床，使刀具和零件执行数控代码规定的运动；检测系统则是用来检测机床执行件（工作台、转台、滑板等）的位移和速度变化量，并将检测结果反馈到输入端，与输入指令进行比较，根据其差别调整机床运动；机床传动系统是由进给伺服驱动元件至机床执行件之间的机械进给传动装置；辅助系统种类繁多，如：

固定循环（能进行重复加工）、自动换刀（可交换指定的刀具）、传动间隙补偿（补偿机械传动系统产生的间隙误差）等等。

1.2数控实际加工中需要注意的问题

一、轴类零件的功用、结构特点及技术要求

轴类零件是机器中经常遇到的典型零件之一。

它主要用来支承传动零部件，传递扭矩和承受载荷。

轴类零件是旋转体零件，其长度大于直径，一般由同心轴的外圆柱面、圆锥面、内孔和螺纹及相应的端面所组成。

根据结构形状的不同，轴类零件可分为光轴、阶梯轴、空心轴和曲轴等。

轴的长径比小于5的称为短轴，大于20的称为细长轴，大多数轴介于两者之间。

轴用轴承支承，与轴承配合的轴段称为轴颈。

轴颈是轴的装配基准，它们的精度和表面质量一般要求较高，其技术要求一般根据轴的主要功用和工作条件制定，通常有以下几项：

（一）尺寸精度

起支承作用的轴颈为了确定轴的位置，通常对其尺寸精度要求较高（IT5~IT7）。

装配传动件的轴颈尺寸精度一般要求较低（IT6~IT9）。

（二）几何形状精度

轴类零件的几何形状精度主要是指轴颈、外锥面、莫氏锥孔等的圆度、圆柱度等，一般应将其公差限制在尺寸公差范围内。

对精度要求较高的内外圆表面，应在图纸上标注其允许偏差。

（三）相互位置精度

轴类零件的位置精度要求主要是由轴在机械中的位置和功用决定的。

通常应保证装配传动件的轴颈对支承轴颈的同轴度要求，否则会影响传动件（齿轮等）的传动精度，并产生噪声。

普通精度的轴，其配合轴段对支承轴颈的径向跳动一般为0.01~0.03mm，高精度轴（如主轴）通常为0.001~0.005mm。

（四）表面粗糙度

一般与传动件相配合的轴径表面粗糙度为Ra2.5~0.63μm，与轴承相配合的支承轴径的表面粗糙度为Ra0.63~0.16μm。

1.3轴类零件的毛坯和材料

（一）轴类零件的毛坯

轴类零件可根据使用要求、生产类型、设备条件及结构，选用棒料、锻件等毛坯形式。

对于外圆直径相差不大的轴，一般以棒料为主；而对于外圆直径相差大的阶梯轴或重要的轴，常选用锻件，这样既节约材料又减少机械加工的工作量，还可改善机械性能。

根据生产规模的不同，毛坯的锻造方式有自由锻和模锻两种。

中小批生产多采用自由锻，大批大量生产时采用模锻。

（二）轴类零件的材料

轴类零件应根据不同的工作条件和使用要求选用不同的材料并采用不同的热处理规范（如调质、正火、淬火等），以获得一定的强度、韧性和耐磨性。

T45钢是轴类零件的常用材料，它价格便宜经过调质（或正火）后，可得到较好的切削性能，而且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。

40Cr等合金结构钢适用于中等精度而转速较高的轴类零件，这类钢经调质和淬火后，具有较好的综合机械性能。

轴承钢GCr15和弹簧钢65Mn，经调质和表面高频淬火后，表面硬度可达50~58HRC，并具有较高的耐疲劳性能和较好的耐磨性能，可制造较高精度的轴。

精密机床的主轴（例如磨床砂轮轴、坐标镗床主轴）可选用38CrMoAIA氮化钢。

这种钢经调质和表面氮化后，不仅能获得很高的表面硬度，而且能保持较软的芯部，因此耐冲击韧性好。

与渗碳淬火钢比较，它有热处理变形很小，硬度更高的特性。

三、轴类零件的功用、结构特点及技术要求

轴类零件是机器中经常遇到的典型零件之一。

它主要用来支承传动零部件，传递扭矩和承受载荷。

轴类零件是旋转体零件，其长度大于直径，一般由同心轴的外圆柱面、圆锥面、内孔和螺纹及相应的端面所组成。

根据结构形状的不同，轴类零件可分为光轴、阶梯轴、空心轴和曲轴等。

轴的长径比小于5的称为短轴，大于20的称为细长轴，大多数轴介于两者之间。

轴用轴承支承，与轴承配合的轴段称为轴颈。

轴颈是轴的装配基准，它们的精度和表面质量一般要求较高，其技术要求一般根据轴的主要功用和工作条件制定，通常有以下几项：

（一）尺寸精度

起支承作用的轴颈为了确定轴的位置，通常对其尺寸精度要求较高（IT5~IT7）。

装配传动件的轴颈尺寸精度一般要求较低（IT6~IT9）。

（二）几何形状精度

轴类零件的几何形状精度主要是指轴颈、外锥面、莫氏锥孔等的圆度、圆柱度等，一般应将其公差限制在尺寸公差范围内。

对精度要求较高的内外圆表面，应在图纸上标注其允许偏差。

（三）相互位置精度

轴类零件的位置精度要求主要是由轴在机械中的位置和功用决定的。

通常应保证装配传动件的轴颈对支承轴颈的同轴度要求，否则会影响传动件（齿轮等）的传动精度，并产生噪声。

普通精度的轴，其配合轴段对支承轴颈的径向跳动一般为0.01~0.03mm，高精度轴（如主轴）通常为0.001~0.005mm。

（四）表面粗糙度

一般与传动件相配合的轴径表面粗糙度为Ra2.5~0.63μm，与轴承相配合的支承轴径的表面粗糙度为Ra0.63~0.16μm。

1.4数控加工工艺内容

数控加工工艺主要包括以下几方面：

1.选择在数控机床上进行加工的零件，并确定加工的工序内容。

2.分析被加工零件的加工部位形状，明确加工内容与加工要求，在此基础上确定零件的加工方案，制定零件数控加工的工艺路线，如工序的划分、加工顺序的安排、与普通加工工序的衔接等。

3.设计数控加工工序。

如工步的划分、零件的定位和夹具的选择、刀具的选择、切削用量的确定等。

4.数控加工中运行轨迹各节点的计算。

5.调整数控加工工序的程序。

如对刀点、换刀点的选择、加工路线的确定、刀具的补偿等。

6.合理分配数控加工中的容差。

7.处理数控机床上的部分工艺指令。

1.5数控加工零件工艺设计要求

数控技术毕业设计应包括数控加工工艺分析、数控刀具及其选择、工件装夹方式与数控加工夹具的选择、程序编制中的数值计算、数控加工程序的编制、数控车削加工、数控铣削加工、数控加工中心编程与操作及自动编程技术等内容。

若条件允许，还可以增加数控电加工技术和数控机床的安装、调试与验收等设计内容。

一、数控技术综合设计必须遵循的一般原则

（1）结合本校数控毕业实训设计基本情况，合理安排毕业实训设计内容。

也可以采用与校外的实践教学基地（企业）合作的方式共同制定并完成相关设计课题。

（2）必须保障人身和设备的安全。

在编程操作前应熟悉数控机床的操作说明书，并严格按照操作规程操作。

数控加工时精力应高度集中，出现问题应立即切断机床电源，并向指导教师报告。

（3）兼顾加工精度和加工效率，在保证加工精度的前提下，认真进行工艺分析，制定合理的工艺方案，选择合理的切削用量。

（4）注重培养学生独立获取新知识、新技术和新信息的能力，使学生初步掌握科学研究的基本方法和思路。

环启动键，对零件图形进行仿真加工，并通过图形判断程序编制是否正确。

二、数控加工工艺设计的基本内容：

（1）零件图的工艺性分析。

（2）加工方法的选择。

（3）工序的划分。

（4）定位与夹紧方式的选择。

（5）加工顺序的安排。

（6）确定走刀路线和工步顺序。

（7）切削用量的选择。

（8）对刀点和换刀点的确定。

（9）数控加工刀具的选择。

（10）工件在数控机床上的装夹与夹具的选择。

三、数控加工程序编制主要的几个方面的工作：

（1）加工工艺分析。

（2）数值计算。

（3）编写零件加工程序单。

（4）制作控制介质。

（5）程序校验与首件试切。

四、数控机床操作技能的主要内容：

（1）数控车削加工编程与操作。

（2）数控铣削加工编程与操作。

（3）数控加工中心的编程与操作。

（4）数控电火花加工。

（5）数控线切割加工。

（6）数控机床安装、调试与验收。

工艺分析与选择

图1.1典型铣削加工零件

2.1典型铣削零件数控加工工艺设计一、设计要求：

加工零件如图2.1所示，材料为HT200，毛坯尺寸：

长×宽×高为170mm×110mm×50mm。

设计任务

（1）零件图工艺分析。

（2）确定装夹方案。

（3）确定加工顺序。

（4）选择加工用刀具。

（5）合理选择切削用量。

（6）拟定数控铣削加工工序卡片。

（7）根据加工工序步骤编写加工程序。

（8）完成工件的加工。

二、数控加工的工作原理

数控加工就是将加工数据和工艺参数输入到机床，机床的控制系统对输入信息进行运算与控制，并不断地向直接指挥机床运动的电动机功能部件——机床的伺服机构发送脉冲信号，伺服机构对脉冲信号进行转换与放大处理，然后由传动机构驱动数控机床，从而加工零件。

所以数控加工的关键是加工数据和工艺参数的获取，即数控编程。

三、数控编程及其发展

数控机床和普通机床不同，整个加工过程中不需要人的操作，而由程序来进行控制。

在数控机床上加工零件时，首先要分析零件图样的要求、确定合理的加工路线及工艺参数、计算刀具中心运动轨迹及其位置数据；然后把全部工艺过程以及其他辅助功能（主轴的正转与反转、切削液的开与关、变速、换刀等）按运动顺序，用规定的指令代码及程序格式编制成数控加工程序，经过调试后记录在控制介质（或称程序载体）上，最后输人到数控机床的数控装置中，以此控制数控机床完成工件的全部加工过程。

因此，把从分析零件图样开始到获得正确的程序载体为止的全过程称为零件加工程序的编制。

数控编程一般分为手工编程和自动编程两种。

（1）手工编程。

手工编程是指程序编制的整个步骤几乎全部是由人工来完成的。

对于几何形状不太复杂的零件，所需要的加工程序不长，计算也比较简单，出错机会较少，这时用手工编程既及时又经济，因而手工编程仍被广泛地应用于形状简单的点位加工及平面轮廓加工中。

但是工件轮廓复杂，特别是加工非圆弧曲线、曲面等表面，或工件加工程序较长时，使用手工编程将十分繁琐、费时，而且容易出错，常会出现手工编程工作跟不上数控机床加工的情况，影响数控机床的开动率。

此时必须用自动编程的方法编制程序。

（2）自动编程。

自动编程有两种：

APT软件编程和CAM软件编程。

APT软件是利用计算机和相应的处理程序、后置处理程序对零件源程序进行处理，以得到加工程序的编程方法。

在具体的编程过程中，除拟定工艺方案仍主要依靠人工进行外（有些自动编程系统能自动确定最佳的加工工艺参数），其余的工作，包括数值计算、编写程序单、制作控制介质、程序检验等各项工作均由计算机自动完成。

编程人员只需要根据图样的要求，使用数控语言编写出零件加工的源程序，送人计算机，由计算机自动地进行数值计算、后置处理，编写出零件加工程序单，并在屏幕模拟显示加工过程，及时修改，直至自动穿出数控加工纸带，或将加工程序通过直接通信的方式送入数控机床，指挥机床工作。

CAM软件是将加工零件以图形形式输人计算机，由计算机自动进行数值计算、前置处理，在屏幕上形成加工轨迹，及时修改，再通过后置处理形成加工程序输人数控机床进行加工。

自动编程的出现使得一些计算繁琐、手工编程困难、或手工无法编出的程序都能够实现。

本设计根据零件的具体加工部位和零件的结构工艺特点，可以选择手工编程的方式编程，也可以选择利用计算机进行自动编程的方式。

四、工艺分析与选择

2.2零件图工艺分析

该零件主要由平面、孔系及外轮廓组成，内孔表面的加工方法有钻孔、扩孔、铰孔、镗孔、拉孔、磨孔和光整加工等。

根据加工方法选择原则，中间

40mm孔的尺寸公差为H7，表面粗造度要求较高，可采用钻→粗镗→精镗方案，两端

13mm和

22mm孔处没有尺寸公差要求，可按自由尺寸公差IT11~IT12处理，表面粗造度要求不高，可采用钻

13mm孔→锪孔

22mm的方案；平面轮廓常用的加工方法有数控铣、线切割及磨削等。

在本设计中，平面与外轮廓表面粗糙度要求Ra6.3mm，可采用粗铣→精铣方案。

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。

图1.2装夹方式

1--开口垫圈2–压紧螺母3—带螺纹圆柱销4—削边销

5—辅助压紧螺母6—垫圈7—工件8—垫块

2.3确定装夹方案

由于夹具确定了零件在数控机床坐标系中的位置，因而根据要求夹具能保证零件在机床坐标系的正确坐标方向，同时协调零件与机床坐标系的尺寸。

根据零件的结构特点，加工上表面、

60mm外圆及其台阶面和孔系时，可选用平口虎钳夹紧；铣削外轮廓时，应采用一面两孔定位方式，即以底面、

40H7和一个

13mm定孔位，如图2.4.2所示。

选择上述装夹方式，结构相对简单，能保证加工要求，便于实施。

2.4确定加工顺序

加工顺序的选择直接影响到零件的加工质量、生产效率和加工成本。

按照基面先行、先面后孔、先主后次、先粗后精的原则确定加工顺序，即粗加工定位基准面（底面）→粗、精加工上表面→

60mm外圆及其台阶面→孔系加工→外轮廓铣削→精加工底面并保证尺寸40mm。

2.5刀具选择

刀具的选择是数控加工中重要的工艺内容之一，它不仅影响机床的加工效率，而且直接影响加工质量。

编程时，选择刀具通常要考虑机床的加工能力、工序内容、工件材料等因素。

与传统的加工方法相比，数控加工对刀具的要求更高。

不仅要求精度高、刚度高、耐用度高，而且要求尺寸稳定、安装调整方便。

这就要求采用新型优质材料制造数控加工刀具，并优选刀具参数。

选取刀具时，使刀具的尺寸与被加工工件的表面尺寸和形状相适应。

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，应选硬质合金刀片铣刀；加工凸台、凹槽时，选高速钢立铣刀。

对一些主体型面和变斜角轮廓形的加工，常采用球头铣刀、环形铣刀、鼓形刀、锥形刀和盘形刀。

曲面加工常采用球头铣刀，但加工曲面较低和平坦部位时，刀具以球头顶端刃切削，切削条件较差，因而应采环形刀。

本设计中刀具的选择如表1.1所示。

表1-1数控加工刀具卡片

产品名称或代号

零件名称

端盖

零件图号

序号

刀具号

刀具规格名称

数量

加工表面

刀尖半径mm

备注

1

T01

Φ125硬质合金端面铣刀

1

铣削上下表面

0.8

2

T02

Φ63硬质合金立铣刀

1

铣削Φ60外圆及台阶面

2

3

T03

Φ38钻头

1

钻Φ40H2的底孔

4

T04

Φ40镗孔刀

1

镗Φ40的内孔表面

0.2

5

T05

Φ13钻头

1

钻2-Φ13的螺钉过孔

6

T06

Φ22×14忽钻

1

忽钻2-Φ22的沉头孔

0.2

7

T07

Φ25硬质合金立铣刀

1

铣削外轮廓

0.2

编制

审核

批准

年月日

共页

第页

2.6切削用量选择

切削用量包括主轴转速（切削速度）、切削深度或宽度、进给速度（进给量）等。

切削用量的大小对切削力、切削功率、刀具磨损、加工质量和加工成本均有显著影响。

对于不同的加工方法，需选择不同的切削用量，并应编入程序单内。

合理选择切削用量的原则是:

粗加工时，一般以提高生产率为主，但也考虑经济性和加工成本；半精加工和精加工时，应在保证加工质量的前提下，兼顾切削效率、经济性和加工成本。

具体数值应根据机床说明书、切削用量手册,并结合经验而定。

孔系加工切削用量见表1.2。

该零件材料切削性能较好，铣削平面、

60mm外圆及其台阶面和外轮廓面时，留0.5mm加工精余量，其余一次走刀完成粗铣。

确定主轴转速时，先查切削用量手册，硬质合金铣刀加工铸铁（190~260HB）时的切削速度为45~90m/min，取vc=70m/min，然后根据铣刀直径计算主轴转速，并填入工序卡片中（若机床为有级调速，应选择与计算结果接近的转速）。

确定进给速度时，根据铣刀齿数、主轴转速和切削用量手册中给出的每齿进给量，计算进给速度并填入工序卡片中。

背吃刀量的选择应根据加工余量确定。

粗加工时，一次进给应尽可能切除全部余量。

在中等功率的机床上，背吃刀量可达8~10mm。

半精加工时，背吃刀量取为0.5~2mm。

精加工时，背吃刀量取为0.2~0.4mm。

表1.2孔系加工刀具与切削用量参数

（6）拟订数控铣削加工工序卡片。

把零件加工顺序、所采用的刀具和切削用量等参数编人表1.3所示的数控加工工序卡片中，以指导编程和加工操作。

表1.3数控加工工序卡片

主要操作步骤及加工程序

3.1确定编程原点

铣床上编程坐标原点的位置是任意的，它是编程人员在编制程序时根据零件的特点选定的，为了编程方便，一般要根据工件形状和标注尺寸的基准以及计算最方便的原则来确定工件上某一点为编程坐标原点，具体选择应注意如下几点：

（1）编程坐标原点应选在零件图的尺寸基准上，这样便于坐标值的计算，并减少计算错误。

（2）编程坐标原点尽量选在精度较高的精度表面，以提高被加工零件的加工精度。

（3）对称的零件，编程坐标原点应设在对称中心上；不对称的零件，编程坐标原点应设在外轮廓的某一角点上。

（4）z轴方向的零点一般设在工作表面。

本设计选择

40圆的圆心处为工件编程X、Y轴原点坐标，Z轴原点坐标在工件上表面。

3.2按工序编制各部分加工程序

（1）粗铣定位基准面（底面）,采用平口钳装夹，在MDI方式下，用

125mm平面端铣刀，主轴转速为180r/min，起刀点坐标为（150，0，-4），指令为：

G01X-150.Y0.F40M03

（2）粗铣上表面，起刀点坐标为（150，0，-5），其余同步骤1。

（3）铣精上表面，起刀点坐标为（150，0，-0.5），进给速度为25mm/min，其余同步骤1。

（4）粗铣

60mm外圆及其台阶面，在自动方式下，用

63mm面端平铣刀，主轴转速为360r/min，修改后的零件粗加工程序如下：

%

O0010

（PROGRAMNAME-T）

（DATE=DD—MM—YY—04—05—28

TIME=HH：

MM—10：

29）

N100G21

N102G00G17G40G49G80G90

N112G00G90G54X30.Y-85.M03

N114G43H1Z10

N116X62.

N118Z2.

N120G01Z-4.375F40

N122Y0.

N124G03X0.Y62.R62.

N126X-62.Y0.R62.

N128X0.Y-62.R62.

N130X62.Y0.R62.

N132G01Y85.

（5）精铣

60mm外圆及其台阶面，修改后的零件精加工程序如下：

%

O0011

（PROGRAMNAME—T1）

（DATE=DD—MM—YY—0405—28）

TIME：

HH：

MM—10：

49）

N100G21

N102G00G17G40G49G80G90

N106G00G90G54X30.Y-85.M03

N108G43H1Z10.

N110X61.5

N112Z2.

N114G01Z-18.F25.

N116Y0.

N118G03X0.Y61.R61.5

N120X-61.5Y0.R61.5

N122X0.Y-61.5R61.5

N124X61.5Y0.R61.5

N126G01Y85.

N128G00Z10.

N134M05

N140M30

%

（6）钻

40H7底孔，在MDI方式下，用

38mm的钻头，主轴转速为200r/min，指令为：

G98G83X0.Y0.Z-45.Q5.R10.F40.M03

（7）镗粗

40H7孔内表面，使用镗刀，刀杆尺寸为25mm×25mm，主轴转速为600r/min，指令为：

G98G76X0.Y0.Z-45.Q0.5R10.F40.M03

（8）镗精

40H7内孔表面，主轴转速为500r/min，指令为

G98G76X0.Y0.Z-45.Q0.5R10.F30.M03

（9）钻2mm×

13mm螺孔，在MDI方式下，用

13mm的钻头，主轴转速为500r/min，指令为

G98G83X60.Y0.Z-45.Q5.R10.F40.M03

G98G83X-60.Y0.Z-45.Q5.R10.F40.M03

（10）2mm×

22mm锪孔，在MDI方式下，用

22mm×14mm的锪钻，主轴转速为350r/min，指令为

G98G83X60.Y0.Z-30.Q5.R10.F40.M03

G98G83X-60.Y0.Z-30.Q5.R10.F40.M03

（11）铣粗外轮廓，在自动方式下，用

25mm平面立铣刀，主轴转速为900r/min，修改后的粗铣外轮廓加工程序如下：

%

O0012

（PROGRAMNAME—T1）

（DATE=DDMM—YY—04—05—28

TIME：

HH：

MM—11:

32）

N100G21

N102G00G17G40G49G80G90

（25．FLATENDMILLTOOL）

N106G43H2Z10.M03

N108G00G90G54X19.738Y-57.864

N110Z-16.

Nl12G01Z-29.F40.

N114X-75.116Y-28.997

N116G02X-92.7Y0.R32.7

N118X-75.116Y28.997R32.7

N120G01X-19.738Y57.864

（12）铣精外轮廓，在自动方式下，用

25mm平面立铣刀，主轴转速为900r/min，在Z轴方向不分层，一次铣削到位。

（13）铣精定位基面至尺寸们40mm，方法同步骤3。

四实习总结

经过几周在工厂实习和操作，成功地完成了数控铣削零件的编程与加工，加工的零件各部分尺寸精度和表面质量均达到零件图样的技术要求。

整个设计工艺方案选择合理，程序编制正确，加工过程中严格按照操作规程，没有出现撞刀或运动干涉的现象。

通过本课题的设计，我对数控加工的整个过程有了较全面的理解。

经过设计中选择刀具，我对数控机床工具系统的特点和数控机床刀具材料和使用范围有了较深的了解，基本掌握了数控机床刀具的选用方法；经过设计加工工艺方案，进一步了解了工件定位的基本原理、定位方式与定位元件及数控机床用夹具的种类与特点，对教材中