数铣课程设计曲面设计.doc

1、21沈阳城市学院目录1 性质和任务11.1 性质11.2 任务22 目的23设计步骤23.1零件模型23.2零件的工艺分析原则33.2.1本零件的工艺分析33.3装卡方案的确定原则33.3.1装卡方案的确定43.4加工顺序的确定原则43.4.1加工顺序的确定53.5.1本零件选用的刀具63.6数控铣床的选用原则73.6.1选用的数控机床及参数83.7切削用量的选择83.7.1背吃刀量的选择83.7.2切削速度Vc的确定93.7.3主轴转速的确定93.7.4进给速度的确定93.9根据加工工艺步骤编写加工程序103.9.1数控编程的内容及方法143.9.2编程方法154.0完成零件加工仿真165设

2、计步骤175.1零件模型175.2工艺分析175.3加工顺序176致谢207参考文献201 性质和任务1.1 性质数铣加工实训是机械类专业的重要的综合性实践教学课程。是对学生数控机床加工工艺、实施能力、数控编程及加工调整能力的综合评价。本是在“数铣加工工艺与编程”课程的基础上，结合本阶段已学课程及其它相关教学内容，使学生能掌握数控机床加工的特点及其发展前景，掌握数控系统的工作原理和加工编程的方法，并能理论联系实际解决数控机床加工编程的实际问题；培养学生数控加工编程的应用能力。1.2 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（包括刀具尺寸及材料）。（

3、5）合理选择切削用量。（6）拟订数控铣削加工工艺卡片。（7）根据加工工艺步骤编写加工程序。（8）完成工件的仿真加工操作。2 目的巩固和加深学生所学课程的理论知识，培养学生设计、计算、绘图、计算机应用能力，使学生逐步树立正确的设计思想。掌握数控机床加工工艺的编制，学会使用常用功能指令和自动编程方法及应用；会选刀、刀补、自动加工的应用和固定循环编制一个典型零件的数控加工程序。提高学生独立分析问题的能力，逐步增强实际工程训练。训练学生围绕设计内容查阅有关规范、设计手册等资料的能力。训练学生撰写技术文件的基本技能。加强理论联系实际，培养学生科学严谨、实事求是的工作作风和勇于探索的创新精神。3设计步骤3

4、.1零件模型图3-1-13.2零件的工艺分析原则制定零件的数控加工铣削加工工艺时，首先要对零件图进行工艺分析。其内容包括：（1） 数控铣削加工内容的选择。数控机床的加工范围比普通机床的工艺范围大，价格比普通机床高得多，因此，数控机床选择加工内容时，应从实际需要和经济性等方面考虑。（2） 零件毛坯的工艺性分析。零件在进行数控铣削加工时，由加工过程的自动化，余量的大小，如何装卡等问题在设计毛培时就要仔细考虑好。否则，如果毛坯不适合数控铣削，加工将很难进行下去。由于该零件有较高的粗糙度要求，选择毛坯时应留有充分，稳定的加工余量。毛坯的余量保留均匀，加工时考虑到刀具等原因，可设置分层切削。加工时先粗加

5、工，留0.5mm的加工余量，再进行精加工。另外，选择方料作为毛坯，适应性强，每次装卡可以加工较多的表面。（3） 加工方案分析。加工方案又称加工工艺方案，数控机床的加工方案包括制定工序，工步及走刀路线等内容。在数控机床的加工过程中，由于加工对象复杂多样，特别是轮廓曲线的形状及位置千变万化，加上材料不同，批量不同等多方面因素的影响，在对具体零件制定加工方案时，应该进行具体分析和区别，对待，灵活处理。只有这样，才能使所制订的加工合理，从而达到质量优，效率高和成本低的目的。3.2.1本零件的工艺分析该零件分为左右两部分，首先将毛坯装夹到铣床上，首先粗铣左半面，留0.5mm余量，然后粗铣右半面，余量也是

6、0.5mm，其次精铣左半面，最后精铣右半面，结束加工。3.3装卡方案的确定原则数控铣床可以加工形状复杂的零件，但数控机床上工件的装卡与普通铣床一样，所使用的夹具往往并不复杂，只要有简单的定位，夹紧机构就可以了。在数控机床上加工零件是，定位安装的基本原则是合理选择定位基准和夹紧方案。（1） 尽可能使设计基准、工艺基准与编程计算基准统一，已减小基准不重合误差和数控编程中的计算工作量。（2） 减少装夹次数，尽可能在一次装夹后能加工出全部或大部分的待加工表面，以提高加工效率和保证加工精度。（3） 避免采用占机人工调整时间长的装夹方案。（4） 夹紧力的作用点应落在工件刚性较好的部位，保持最小的夹紧变形。

7、另一方面，数控加工的特点对夹具提出了两个基本要求：意思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，还要考虑以下几点：（1） 当零件加工批量不大时，应尽量采用组合夹具，可调试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，方便，可靠，以便缩短机床的停顿时间。夹紧机构或其他元件不得影响进给，夹具上的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，夹紧结构部件不能影响加工中的走刀（如产生碰撞等）。为满足数控加工精度，要求夹具定位、夹具精度高。3.3.1装

8、卡方案的确定基于以上原则，考虑到本零件加工产品批量较大，在装夹工件时要力求简单快速，因此选择符合本零件装夹的机用平口虎钳，因为虎钳两个钳口的上端有一矩形凹槽，正好可以放心零件，这样既减少了垫片的使用，使装夹变得简单快速，保证了每次装卡的精度，当换零件或换面装卡时会减少定位误差。其型号：Q19100E，图片及参数如下：图3-3-13.4加工顺序的确定原则零件的加工工序通常包括切削加工工序、热处理工序和辅助工序。工序的顺序安排直接影响零件的加工质量、生产效率和加工成本。以下是加工工序顺序安排原则。（1）基面先行原则。用作精基准的表面要首先加工，因为定位基准的表面越精确，装夹误差就越小。（2）先粗后

9、精原则。零件各表面的加工顺序按照先粗加工，再半精加工，最后精加工和光整加工的顺序依次进行，逐步提高表面加工精度和减小表面粗糙度。先主后次原则。零件的装配基面和主要工作表面应先加工，次要表面可穿插加工。由于次要表面加工工作量小，且又常与主要表面有位置精度要求，所以在一般主要表面半精加工之后精加工之前进行。（3） 先面后孔原则。对于箱体、支架、底座等零件，应先加工用做定位的平面和孔的端面，再加工孔和其他尺寸。这样可使工件定位夹紧可靠，有利于保证孔与平面的位置精度，减小刀具的磨损，特别是钻孔，孔的轴线不移偏斜。（4） 选择切入切出方向。铣削零件轮廓时，为保证零件的加工精度与表面粗糙度要求，避免在切入

10、切出处产生刀具的刻痕，设计刀具切入切出路线时应避免沿零件轮廓的法向切入切出。切入工件时沿切削起始点延伸线或切线方向逐渐切入工件，保证零件曲线的平滑过渡。同样，在切离工件时，也应避免在切削终点处直接抬刀，要沿着切削终点延伸线或切线方向逐渐切离工件。（5）避免机械进给系统反间隙对加工精度的影响。数控机床长期使用或由于本身传动系统结构上的原因，有可能存在反向间隙误差，反向间隙误差会影响坐标轴定位精度，而定位精度的高低在孔群加工时，不但影响各孔之间中心距，还会由于定位精度不高，造成加工余量不均匀，引起几何形状误差。走到路线是刀具在整个加工过程中相对于工件的运动轨迹。走到路线是指刀具从对刀点开始运动起，

11、至程序加工结束所经过的路径，包括切削加工的路径和刀具切入、切出等非切削的空行程。它不仅包括了工步的内容，而且也反映出工步的顺序。设计好走到路线是编制合理的加工程序的前提条件之一。数铣加工走到路线的设计主要遵循以下原则：（1）保证零件表面粗糙度和加工精度；（2）提高加工效率；（3）保证零件表面粗糙度和加工精度选择使工件在加工后变形小的路线。对横截面积小的细长零件或薄板零件应采用分几次走到加工到最后尺寸或对称去除余量法安排走到路线。安排工步时，应先安排对工件刚性破坏较小的工步。（4）寻求最短加工路线。确定走到路线时，在满足零件加工质量的前提下应使走到路线最短，减少刀具空行程时间，提高生产效率。（5

12、）铣削曲面的加工路线。铣削曲面时，常用球头刀采用“行切法”进行加工。所谓行切法是指刀具与零件轮廓的切点轨迹是一行一行的，而行间的距离是按零件加工精度的要求确定的。顺铣和逆铣对于加工影响。在铣削加工时，采用顺铣还是逆铣方式是影响加工表面粗糙度的重要原因之一，逆铣时切削力的水平分力的方向与进给运动方向相反，顺铣时切削力的水平分力的方向与进给方向相同。切削方式的选择应视零件图样的加工要求，工件材料的性质、特点以及机床、刀具等综合考虑。通常，由于数控机床传动采用滚珠丝杠结构，其进给传动间隙很小，顺铣的工艺性由于逆铣。所以本加工方案选择顺铣。3.4.1加工顺序的确定 第一道工序：粗铣毛坯左半面，留有0.

13、5mm余量。第二道工序：粗铣毛坯右半面，留有0.5mm余量。第三道工序：精铣毛坯左半面。第四道工序：精铣毛坯右半面。3.5刀具的选择原则刀具的选择是数控加工工艺中的重要内容，它不仅影响数控机床的加工工艺效率，而且直接影响加工质量。选择刀具主要是选择刀具的材料、种类及几何参数，主要是根据零件材料切削加工性，工件表面几何外形和尺寸大小来选择。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。另外，数控加工刀具与普通机床上所用的刀具相比，有许多不同的要求，主要有以下几点：（1） 刚性要好（尤其是粗加工刀具），精度高，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

14、靠。（4） 刀具尺寸便于调整，以减少换刀调整时间。（5） 刀具应能可靠地断屑和卷屑，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。数控加工刀具的选择是在数控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，切屑用量及其他相关因素来正确选用刀具及刀柄。刀具选择的总原则是：安装调整方便，刚性好，耐用度高，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。3.5.1本零件选用的刀具加工本零件铣削上表面时，可选用硬质合金面铣刀，零件周边及内部轮廓的加工，可选择硬质合金立铣刀，由于 零件上表面有四个平底盲孔，不宜用钻头打孔，故选用键槽刀。硬质合金是

15、数控加工刀具最常用的材料，它是由难熔金属碳化物（如TiC、WC、NbC等）和金属粘结剂（Co、Ni等）经粉末冶金方法制成，有较高的耐磨性和耐热性。 球铣刀（粗）图3-5-1 球铣刀（精）图3-5-23.6数控铣床的选用原则(1) 根据被加工零件的尺寸选用规格较小的升降台式数控铣床，其工作台宽度多在400mm以下，它最适宜中小零件的加工和复杂形面的轮廓铣削任务。(2) 根据加工零件的精度要求选用我国已制定了数控铣床的精度标准，其中数控立式升降台铣床已有专业标准。标准规定其直线运动坐标的定位精度为0.04300mm。重复定位精度为0.025mm，铣圆精0.035。实际上，机床出厂精度均有相当的储备

16、量，比国家标准的允差值大约压缩20%左右。因此从精度来看，一般的数控铣床即可满足大多数零件的加工需要。对于精度要求比较高的零件，则应考虑选用精密型的数控铣床。(3) 根据加工零件的加工特点来选择。对于加工部位是框形平面或不等高的各级台阶，那么选用点位，直线系统的数控铣床即可如果加工部位是曲面轮廓，应根据曲面的几何形状决定选择两坐标联动和三坐标联动的系统。也可根据零件加工要求，在一般的数控铣床的基础上，增加数控分度头或数控铣床的基础上，增加数控分度头或数控回转工作台，这时基础的系统为四坐标的数控系统，可以加工螺旋槽、叶片零件等。(4) 根据零件的批量或其他要求选择对于大批量的，用户可采用专用铣床

17、。如果是中小批量而又是经常周期性重复投产的话，那么采用数控铣床是非常合适的，因为第一批量中准备好多工夹具、程序等可以存储起来重复使用。从长远考虑，自动化程度高的铣床代替普通铣床，减轻劳动者的劳动量提高生产率的趋势是不可避免的。3.6.1选用的数控机床及参数由于本零件加工需要多把刀具，且因为加工量大，所以需在最短时间内进行换刀，为了争取最大的加工效率，如果人工换刀效率太低，所以应该选择拥有刀库和自动换刀装置的加工中心。根据本零件加工的基本要求，故选XH714加工中心采用FANUCOIMA数控系统。图3-6-1XH714主要参数：动力类型：电动运动方式：点动控制主轴转速范围：0-8000（rpm）

18、换刀时间3-5s适用行业：通用加工尺寸范围：610400550（mm）主电机功率：5.5（kw）控制系统：FANUCOIMA布局形式：立式数控机床分类：数控铣床品牌：森特数控型号：XH714刀具数量：12控制方式：半闭环控制表3-6-13.7切削用量的选择切削用量主要包括主轴转速、进给量和背吃到量。切削用量的大小直接影响机床性能、刀具磨损、加工质量和生产效率。数控加工中心选择切削用量时，就是在保证加工质量和刀具耐用度的前提下，充分发挥机床的性能，查阅切削用量手册病结合实践经验，正确合理的选择切削用量，使切削效率最高，加工成本最低。（1） 粗加工时切削用量的选择原则：首先选取尽可能大的背吃刀量；

19、其次要根据机床动力和刚性的限制条件等，选取尽可能大的进给量；最后根据刀具耐用度确定最佳的切削速度。（2） 精加工时切削用量的选择原则：首先根据粗加工后的余量确定背吃刀量；其次根据已加工表面的粗糙度要求，选取较小的进给量；最后在保证刀具耐用度的前提下，尽可能选取较高的切削速度。在选择切削用量时要充分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，最少不能低于半个工作班的时间。3.7.1背吃刀量的选择背吃刀量ap是指平行于铣刀轴线的切削层尺寸，端铣时为切削层深度。侧吃刀量ae是指垂直与铣刀轴线的切削层尺寸，端铣时为被加工表面的宽度。吃刀量对刀具的耐用度影响最小，在确定背吃刀量和侧吃刀量

20、时，要根据机床、夹具、刀具、工件的刚度和被加工零件的精度要求来确定。如果零件精度要求不高，在工艺系统和机床动力范围内，尽量加大吃刀量，提高加工效率。如果零件要求精度高，应减少吃刀量，增加走刀次数。当侧吃刀量aed/2（d为铣刀直径）时，取ap（1/31/2）d；当侧吃刀量d/2aed时，取，ap（1/41/3）d；当侧吃刀量ae=d时，（即满刀切削时）取ap=（1/51/4）d。当机床刚性较好，且刀具的直径较大时，ap可取的更大。因此，本零件外轮廓没有表面粗糙度的要求，为一般精度，应尽可能选取较大的吃刀量，当加工外轮廓时ae=6mm=d/2，此时ap=（1/51/4）d，因为机床和刀具性能较好

21、，为使一次切削完成整个外轮廓的加工这里ap选取5mm。当加工内轮廓时，内轮廓为型腔，加工时为满刀切削，对刀具磨损较大，应分层切削，第一层ap为3mm，第二层ap选取2mm完成内型腔的加工。3.7.2切削速度Vc的确定切削速度是刀具切削刃的圆周线速度，应根据刀具耐用度和机床刚度选取尽可能大的切削速度，可用经验公式计算，也可根据生产实践经验在在机床说明书允许的切削速度范围内查表选取，或参考有关切削用量手册选用。本零件材料为45#钢是中碳钢，选择切削刀具均为硬质合金铣刀，因此查数控铣削加工工艺编程与操作表1-3各种常用工件材料的铣削速度参考值知Vc=80-150m/min.3.7.3主轴转速的确定在

22、切削速度Vc（m/min）确定后，主轴转速n（r/min）可根据切削速度和刀具直径按下式计算：n=1000Vc/D当铣上表面时，选用125硬质合金面铣刀铣削平面，考虑到机床和刀具的性能和零件的要求，这里粗加工时选取Vc=100m/min。精加工时选取Vc=150m/min。根据公式可得粗铣时主轴转速n=254r/min.精铣时主轴转速n=382r/min.选用12 硬质合金立铣刀，铣外轮廓以及内型腔时，外轮廓没有精度要求，为一般精度，粗加工时切削速度Vc选取80m/min，精加工切削速度Vc选取100m/min，就能加工出理想零件，根据公式可得粗加工时主轴转速n=2123r/min。精加工时主

23、轴转速n=2654r/min。同理可根据公式算出10键槽刀打孔时主轴转速n=3184r/min.3.7.4进给速度的确定进给速度F是刀具切削时，单位时间内工件与刀具沿进给方向的相对位移，单位mm/min。进给速度是影响刀具耐用度的主要因素，在确定进给速度时，要综合考虑零件的加工精度、表面粗糙度、刀具及工件材料等因素。粗加工时主要考虑机床进给机构和刀具的强度、刚度等限制因素，根据被加工零件的材料、刀具尺寸和已确定的背吃刀量，选择进给速度。精加工时主要考虑被加工零件的精度、表面粗糙度工件和刀具的材料性能等因素的影响。工件表面粗糙度值越小，进给速度也越小；工件材料的硬度越高，进给速度也越低；工件、刀

24、具的刚度和强度越低时，进给速度应选较小值。工件表面加工余量大，切削进给速度应低一些，反之，加工余量较小，切削进给速度应高一些。对于多齿刀具，其进给速度F、刀具转速n、刀具齿数z和每齿进给量fz的关系为： F=nzfz因此，参考数控铣削加工工艺编程与操作表1-2，铣刀每齿进给量fz参考值选取粗加工时fz=0.15mm，精加工时fz=0.1mm用125硬质合金面铣刀铣削上表面，粗加工时进给F=305mm/min，精加工时进给F=306mm/min。用12硬质合金立铣刀铣削内外轮廓时，粗加工时进给F=955mm/min，精加工时进给F=796mm/min.3.9根据加工工艺步骤编写加工程序3.9.1

25、数控编程的内容及方法 数控编程是数控加工的重要步骤。用数控机床对零件进行加工时，首先对零件进行加工工艺分析，以确定加工方法、加工工艺路线，正确的选择数控机床加工刀具和装夹方法。然后按照工艺要求，根据所选数控机床规定的指令代码及程序格式，将刀具的运动轨迹、位移量、切削参数以及辅助功能编写成加工程序单，传送或传入到数控装置中，从而指挥机床加工零件。数控程序的编制一般包括一下内容： 分析零件图样，定制工艺方案。编程人员首先要根据零件图，分析零件的材料、形状、尺寸、精度及毛坯形状和热处理要求等，明确加工的内容和要求，并结合所用数控机床的规格、性能、数控系统的功能等，充分发挥机床的效能。加工路线尽可能短

26、，要正确选择对刀点、换刀点，减少换刀次数，提高加工效率。 数值计算。在确定了工艺方案后，要根据零件的几何尺寸、加工路线等，计算刀具中心运动轨迹，以获得刀位数据。数控系统一般具有直线插补与圆弧插补功能，对于加工由圆弧和直线组成的较简单的平面零件时，只需计算出零件轮廓上相邻几何元素交点或切点的坐标值，得出各几何元素的起点、终点、圆弧的圆心坐标值等，就能满足编程要求。 编写零件加工程序。在完成上述工艺处理及数值计算后，根据使用数控系统规定的功能指令代码及程序段格式，逐段编写零件加工程序。 制备控制介质。将编写的零件加工程序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的方

27、式输入到数控系统。 程序校验和首件试切。在正式加工之前，必须对程序进行程序校验和首件试切。通常采用机床空运行的功能，来检验机床动作和运动轨迹的正确性，以检验程序。3.9.2编程方法 手工编程。手工编程就是从分析零件图样、制定工艺方案、图形的数字处理、编写零件加工程序单、制备控制介质到程序的校验等主要由人工来完成编程的过程。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，出错的机会较少，这时用手工编程即可实现。手工编程在数控机床加工应用广泛。将十分繁琐，费时，而且容易出错，有时甚至无法编程，常会出现手工编程工作跟不上数控机床加工的情况。此时必须用自动编程的方法编制程序。 自动编

28、程。自动编程是指在编程过程中，除了分析零件图样和制定工艺方案由人工进行外，其余工作全由计算机辅助完成。CAD/CAM软件是将加工零件以图形形式输入计算机，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入数控机床进行加工。自动编程的出现使一些计算繁琐，手工变成困难，或手工无法辨出的程序都能够实现。因此，自动编程的特点就在于编程工作效率高，可解决复杂零件的编程难题。CAD/CAM软件辅助变成常用于数控铣床及加工中心程序的编制。本设计根据零件的具体加工部位和零件的结构工艺特点，选择CAD/CAM计算机辅助编程的方式生成加工程序。4.0完成零件加工仿真

29、图4-0-15设计步骤5.1零件模型图5-1-15.2工艺分析本零件是一个人头模型，头部是半球状实体，比较容易加工。眼睛、鼻子、嘴巴和耳朵是比较难加工的部分，脸颊需要特殊加工方法才能得到。5.3加工顺序第一道工序：粗加工左半部分，方法为跟随周边，每刀切削深度为2mm，余量为0.5mm。刀具轨迹如下：图5-3-1 第二道工序：粗加工右半部分，方法为跟随部件，每刀切削深度为2mm，余量为0.5mm。刀具轨迹如下：图5-3-2第三道工序：精加工左半部分，方法为配置文件，每刀切削深度为1mm。切削轨迹如图所示：图5-3-3第三道工序：精加工右半部分，方法为配置文件，每刀切削深度为1mm。切削轨迹如图所

30、示：图5-3-4得到的结果如下：图5-3-56致谢本是在杨柠嘉老师精心指导下完成的，杨老师平时上课寓教于乐，课堂气氛十分活跃，更是运用了上课的方法。在杨老师严谨求实的工作和悉心指导下，让我们了解了很多工艺技巧。指导过程中，老师为我们找出错误和不足，并为我们认真地改正，提出了很多宝贵的指导意见，而我们就是在杨老师的帮助下不断增进自己的知识，这使得我们以后独立完成毕业设计打下良好的基础，成为我们通向成功的不二法门。在此谨向杨老师表示衷心的感谢！同时，在过程中，还得到了同组同学的帮助，在此一并表示感谢！7参考文献1霍苏萍 刘岩.数控铣削加工工艺编程与操作.北京:人民邮电出版社，20092魏杰.数控机床结构.北京：化学工业出版社，20093陆剑中.金属切削原理与刀具.机械工业出版社，200421