典型数控大赛车削试题分析.doc

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本篇论文是对一道典型数控大赛铣削试题的分析，其中主要有内/外圆柱、圆锥面、圆弧回转面、内/外槽、端面槽和内/外螺纹、端面螺纹加工等等。此题中包含了这些绝大部分要素。试题种安排交叉孔和偏心孔是为了加强我们找正的难度。让我们能够更好的把在学校所学的专业知识用在实际加工中去，通过对这些要素和难点的理解逐渐熟悉了在加工中应该多注意的自身缺少的因素，认识了不足点。我相信通过这次的论文设计对我们以后的发展中有很大的帮助和指引。关键词 数控大赛、数控车削、试题分析、数控加工 第一章 工艺条件一、 机床采用型号为CKA6150的经济型卧式数控机床，其规格为：在床身上的最大加工直径为500mm，在床鞍上的最大加工直径为350mm，最大加工长度为750mm，变频调速手动三挡，变速范围为25-3000r/min。X向导轨水平布置，刀架前置配置，为卧式六工位转塔刀架，配有手动尾座。二 、数控系统数控系统有三种，分别为FANUC Oi Mate TB、SIEMENS 802D和华中数控世纪星HNC-21T。其中FANUC Oi Mate TB是配在经济型车床上的系统，它使用的是型伺服电动机，单色CRT，内、外圆粗车复合固定循环（G71）只有A组，没有B组。三、 坯料 毛坯用45钢，经调质处理，硬度为180-200HBW,坯料的10个平面都已加工过，其中有两个侧面还经过了磨削。四、 夹具采用250mm，规格的四爪单动卡盘。五、刀具 加工中需要的刀具，刃具，见表1-1。序号名称型号及牌号最小加工直径mm190外圆车刀体PCLNR2525M16280等边菱形刀片CNMG160612MP KC5025390外圆车刀体MCLNR2525M12N480等边菱形刀片CNMG160604MP KU30T590外圆车刀体MJNR2525M16N635等边菱形刀片VNMG160408 KU10T716mm内圆车刀体S16R-SCLCR0920mm880孔定位刀片CCMT09T304MF KU30T912mm内圆车刀体S12M-SCLCR0616mm1080孔定位刀片CCMT060204 MF KU30T11端面车刀刀体KGMSR2525M5012端面车刀刀板A4M50R0414B044807248-72mm13端面车刀片A4G0405M04U04GMN KU30T14内螺纹车刀SNR0020 Q1625mm15内螺纹刀片16NR11.5NPT EC103016中心钻A317标准麻花钻（4种）11mm、15.7mm、18mm、25mm表 1-1六、量具加工中需要的量具、检具，见表1-2。序号名称规格1游标卡尺0-150mm2深度千分尺0-100mm3外径千分尺（5把）0-25mm、25-50mm、50-75mm、75-100mm、100-125mm4百分表0-10mm5 杠杆表行程1mm6磁力表座7内径百分表（2种）10-18mm、18-35mm8螺纹塞规NPT1”9金属直尺300mm表 1-2七、工具、辅具和辅料加工中需要的工具、辅具和辅料，见表1-3。序号名称规格1回转顶尖莫氏5号2钻卡头3莫氏锥套（5变2）莫氏5号变莫氏2号4莫氏锥套（5变3）莫氏5号变莫氏3号5过渡刀套32mm变12mm6过渡刀套32mm变16mm7过渡刀套32mm变25mm8扁锉8”9纯铜棒10纯铜垫片2mm厚11呆扳手8mm12内六方扳手6mm13内六方扳手4mm14卡盘扳手15套管16斜铁17记号笔18磨石19刷子20铁勾21防护眼镜22白布23大头针24黄油表 1-3第二章 零件图样一、图样及技术要求1.图样及技术要求（见图2-1）。图2-12.轴测图（见图2-2）。图2-2图2-2二、图样分析该工件的横断面看起来是正八边形，而对加工来说，实质是正方形，应为4个去掉的角是不用加工的。这个正方形有一对面已经预磨削，这一对面也不用加工，而且显然是车加工的基准面。从图2-1可看出，主要加工内容有：两端面、侧面、交叉孔、阶梯孔、偏心孔、锥孔、内锥螺纹、端面槽和外圆弧回转面等。尺寸精度要求较高，多为7级。表面粗糙度在各种孔和外圆弧回转面等处均为1.6m。位置公差有5个：相邻侧平面间的垂直度（对正方形而言）、20mm孔与中心平面的对称度、两交叉孔之间的垂直度、端面与16.8mm孔之间的垂直度、49mm台阶孔与16.8mm孔之间的同轴度。这些位置公差相互间有牵连，既是决定加工顺序的重要根据，也是装夹找正时的重点。坯料的两个待加工侧面若与基准侧面间的垂直度较好，这两个侧面加工其中一个就可以了 ；若垂直度不好，这一对侧面都应加工，否则0.10的尺寸精度达不到，或者加工面与基准侧面间的垂直度超差。16.8mm的小孔较长，加工所用的12mm粗镗刀伸出较多，所以尺寸精度和表面粗糙度都较难达到。32mm台阶孔的尺寸在加工时一不小心就可能超差。偏心孔的偏心距公差仅为0.1mm，全得靠找正达到。加工锥孔的锥度可以靠程序来保证，因没有提供量具、检具，它的直径尺寸只能靠精确对刀、程序中X向指令使用偏差中值和程序中使用刀尖圆弧半径自动补偿指令来达到。内锥螺纹是此工件加工的难点，尺寸计算要有一定技巧，加工操作也要有较高技能。只有这两方面都做好，才能使它的中径尺寸、牙型和表面粗糙度值都达到要求。端面槽的两壁都有尺寸公差要求，只有在编程、对刀和切削操作三个环节上都注意才能达到要求。外圆弧的轮廓半径主要靠程序中加进刀尖圆弧半径自动补偿指令来达到，其尺寸精度可通过改变刀具补偿值来实现。第三章 工艺分析及操作要点一、确定加工方案本工件可有多种加工方案，可分为两种：一种是先加工侧平面和横向孔，后加工两端面、纵向孔（含内螺纹）和端面槽；另一种是反过来，先加工两端面、纵向孔和端面槽，后加工侧平面和横向孔。第一种方案的第1工序和第2工序都是一样的，其中少许不同是尺寸（820.1）mm加工到（800.1）mm可以分在两道工序内完成（两道工序内各车去1mm），也可以在第1工序中直接车到尺寸，即第2工序中对侧平面不再加工。这种方案要么夹得比较多，要么用顶尖顶住，所以装夹比较牢靠，加工安全性好，背吃刀量和进给量可以取大些。此方案的缺点是工序较多，回增加一些装夹时间。还有一些减少工序的方案：例如不加找正槽、第3工序只夹17.5mm长，在第3工序中把端面、端面槽、内孔、锥孔和台阶孔都车出来，调头进行第4工序，车另一端面、锥螺纹和台阶孔，再调头进行第5工序，顶上顶尖车外回转轮廓。这个方案工序少，找正时间也少，只是第3工序夹得较少，尤其是在车端面时只能将背吃刀量和进给量取得小一些，否则容易把工件顶下来。第二种方案大体是先纵向夹持加工一头（包括内孔），在调头夹持续加工另一头，再横向夹持加工一个侧平面和通孔、台阶孔，再翻过身来夹持，加工对面的侧平面和偏心台阶孔，最后夹持有螺纹的一端、顶上回转顶尖后车出回转面外形。这一种方案内可以有几个具体的加工方案。上述两种多个方案各有各的长处，也各有各的短处。选时以质量（主要是保证位置公差）、切削效率（加工时间）和装夹找正的时间难易程度为标准。下面选定的方案是：先横向装夹车一个侧面和该侧面的阶梯孔，再翻身横向装夹车偏心孔（这个侧面不加工），后分别夹持一头车另一头，最后夹住一头、用回转顶尖顶住另一头车外轮廓。在车两头之前加两道起辅助作用的工序：钻中心孔和在外轮廓上车两条找正槽，目的是为随后车两头及外轮廓时找正方便、准确。 二、加工难点分析（1）关于坐标系设定问题 坐标系设定关系着编程和操作， 对于 FANUC 0i系统，坐标系设定一般有三种方法。第一种方法是选定一把基准刀，以这把基准刀的假想刀尖点为注视点，用G54来设定工件（编程）坐标系， 刀架上其他刀具的长短（两个方向）通过各自的刀补值来补正。此法的特点是在程序开始部分有一个G54 指令，而再全程序内没有G55-G59指令；在刀补“形状”页面中，基准刀的X、Z向刀补值均为零，其余各刀的刀补值是该刀假想刀尖点与基准刀假想刀尖点之间的位置差。第二种方法是如果刀架上的刀不超过6把（四方刀架和六角刀架必定符合此条件），就是用 G54-G59分别为每把刀设定各自的工件坐标系，当然注视点是各把刀的假想刀尖点。此法的特点是G54-G59指令分别与1-6号刀相对应，即加工中用到几把刀 ，程序中就会出现G54-G59中几个对应的指令。在刀补“形状”页面内所有的长度补偿值均为零。第三种方法是不用G54-G59指令，也不用G50指令。假设有把车刀，当刀架位于参考点时，此刀的假想刀尖点正好在工件原点。此法是把这把假设的“车刀”作为基准刀，这样其他各刀（实际是每把刀）的刀补值就是刀架在参考点时该刀的假想刀尖点到工件原点的距离（有正/负且X向分直/半径指定）。此法的特点是：程序中没有G54-G59及G50指令，各刀在刀补“形状“页面内的刀补值均为负值，且绝对值都比较大。在这三种方法中比较起来使用第二种方法更方便、更直观，所以本设计采用这种方法。 （2）关于NPT内螺纹的分析 NPT螺纹是60牙型角的内锥螺纹，在液压件上用得很普遍。NPT螺纹的锥度是1：16，有效牙高是螺距的0.8倍（而米制螺纹的有效牙高是螺距的0.54125倍），所以牙比较尖；而25.4mm（1英寸）内牙数（螺距）、基面（即内、外螺纹管的端面）上的大径、中径、小径，基准距离等都可以从相关手册中查到本设计是车NPT 1内螺纹，查得25.4mm内11.5牙，螺距2.209mm，牙高1.767mm，在内螺纹管端面上的螺纹小径为29.694mm，大径为32.228mm，中径为31.461mm，有效长度为17.5mm，这些尺寸中的中径对于加工没有直接的用途，而有效长度在编程时也只是参考数据。（3）关于NPT内螺纹的加工方法 分三个工步加工。第一工步，用复合循环车出两个圆柱内孔。第二工步。车倒角和螺纹的锥底孔。第三工步，车螺纹。 这里介绍车这种内锥螺纹时如何通过正确的操作来保证螺纹中径和牙顶的尖秃适当程度。在车NPT内螺纹的底孔时，由于是锥面，其孔径较难测量，又由于NPT螺纹的牙顶比普通米制螺纹的牙顶要尖，所以只能通过正确的操作做到其牙顶既不过尖、有不过秃。对好刀后的具体操作步骤结合看O3161号程序。三、制定工艺方案及划分工步这里采用7道工序来完成整个加工，其中第3、4工序是辅助工序，所以实际共有5道工序，见表31.工序号工序内容1车平面、钻中心孔、钻通孔、车台阶孔2车偏心孔3车断面、钻中心孔4车找正槽5钻车16.8mm通孔和锥孔车端面槽6车端面、车49mm孔、车28.6mm孔、车螺纹7车圆弧面表3-1 工艺流程卡片 第1道工序分5个工步,加工3个要素.工步1是装夹找正。横向装夹时一定要找正两磨削过的平面与车床的Z轴平行，以保证车出的（侧）面与磨削过的面垂直； 二要找正两磨过的面与夹盘的回转中心线对称。工步2是车平面（工件的一个侧）工步3是钻中心孔。工步4是用18mm的钻头钻通孔。工步5是用16mm粗的镗刀镗20mm和32mm阶梯孔。第2道工序分2个工步，加工1个要素。工步1是装夹找正。在上工序的基础上翻180装夹，还是横向装夹。装夹时一要找正到两磨过的平面与车床的Z轴平行；二要找正到两磨削过的平面的对称线（面）距夹盘回转中心10.02mm之内。工步2是用16mm粗的车刀车32mm偏心孔。第3道工序分3个工步，加工1个要素。工步1是装夹找正。纵向装夹，夹偏心孔偏向的那头。装夹时一要找正到夹盘回转中心线与工序1加工的那个侧面垂直，二要找正到磨削过的。两侧面与夹盘回转中心线对称。工步2是车端面。工步3是打中心孔 第4道工序分3个工步，加工为随后各工序找正用的找正槽。工步1是装夹找正，夹的方向与上工序一样，只是比上工序少夹一段，右侧用回转顶尖顶上。装夹时只要找正左侧，主要是找正磨削过的两侧面与夹盘回转中心线对称。工步2是加工左找正槽，工步3是加工右找正槽。第5道工序分5个工步，加工3个要素。工步1是装夹找正，夹的方向与上工序一样，只是比上工序多夹一段。装夹时找正夹盘回转中心线与两对侧面的对称平面的交线重合。工步2是钻中心孔。工步3是用15.7mm的钻头钻通孔。工步4是车16.8mm通孔和锥孔。工步5是车端面槽。第6道工序分5个工步，加工4个要素。工步1是装夹找正，是在上工序的基础上调头夹。装夹时找正的要求与上工序相同，有就是要找正夹盘回转中心线与上工序加工的孔同轴。工步2是车端面。工步3是车49mm孔和28.6mm孔。工步4是车螺纹的锥底孔及其上的倒角。工步5是车螺纹。第7道工序分3个工步，加工外回转型面。工步1是装夹找正。在上工序的基础上调头夹，右端用回转顶尖顶上。装夹时的找正要求同第5工序。工步2是车左半圆弧回转面和一段圆柱面。工步3是车右半圆回转面和一段圆柱面。四、编程要点工件加工程序的编制一定要针对具体的数控机床和具体的数控系统来做。为了做到这点，除了要弄清工件的情况外，还要弄清机床所配数控系统的具体功能。 本次设计所用机床配的是FANUC 0i系列用与车床的系统，即FANUC 0i Mate TB系统。一般来说，FANUC 0i系列用于车床的系统具有粗车内、外圆复合固定循环A（组）和B（组）功能。FANUC系统的粗车内、外圆复合固定循环指令是G71。A组粗车复合循环（G71）只能加工从卡盘远处往卡盘方向（负Z轴）外径不变或增大的工件，即工件的轮廓线不能倒锥和下凹。而B组粗车复合循环（G71）可以加工轮廓有倒锥和下凹的工件（下凹形状不能超过10处）。这次设计用车床配的是FANUC 0i系列用于车床的经济型系统（型号中的Mate就是经济型意思）。这种经济型系统的粗车内、外圆复合固定循环A组功能，没有B组功能。本工件外轮廓是下凹形，所以粗车外轮廓时若用了外圆复合固定循环G71，那么执行时会按1刀车成粗车轮廓来走，结果会造成打刀和工件顶下来的严重后果。工件外轮廓粗车的正确编程是使用闭合循环G73指令，用G73指令编程也很方便。在用柱状坯料车削工件的场合，用G73指令编程后，执行时会走不少空行程，即会增加一些加工时间，不过在单件生产场合，执行时多费几分钟会换来编程节省更多的时间，综合起来还很合算。若不用G73指令编出的外轮廓粗车程序就会较长，比较容易出错。第四章 加工工序卡片一、工序1的加工工序卡片见表4-1。工步号工步加工内容1装夹找正2车平面3钻中心孔4钻通孔5车台阶孔刀具清单切削参数工步刀具编号刀具名称刀具型号主轴转速/（r/min）背吃刀量/mm进给量/（mm/r）2T01外圆偏刀刀体PCLNR2525M1630020.15刀片CNMG160612MP KC50203中心钻A32504麻花钻18mm2505T02内孔车刀刀体S16R-SCLCR098000.5-0.80.08刀片CCMT09T304MFKU30T 表4-1二、工序2的加工工序卡片见表4-2。工步号工步加工内容1装夹找正 2车偏心孔刀具清单切削参数工步刀具编号刀具名称刀具型号主轴转速/（r/min）背吃刀量/mm进给量/（mm / r） 2T02内孔车刀刀体S16R-SCLCR098000.50.08-0.1刀片CCMT09T304MFKU30T表4-2三、工序3的加工工序卡片见表4-3。工步号工步加工内容1装夹找正2车端面3钻中心孔刀具清单切削参数工步刀具编号刀具名称刀具型号主轴转速/（r/min）背吃刀量/mm进给量/（mm/r）2T01外圆偏刀刀体PCLNR2525M1650020.15刀片CNMG160612MPKC50253中心钻A3250表4-3四、工序4的加工工序卡片见表4-4。工步号工步加工内容1装夹找正2车左端找正槽3车右端找正槽刀具清单切削参数工步刀具编号刀具名称刀具型号主轴转速/（r/min）背吃刀量/mm进给量/（mm/r）2T03外圆偏刀（正装）刀体MVJBR2525M1650010.15刀片VBMT160408KU10T3T03外圆偏刀（反装）刀体MVJBR2525M1650010.15刀片VBMT160408KU10T表4-4五、工序5的加工工序卡片见表4-5。工步号工步加工内容1装夹找正2钻中心孔3钻15.7mm通孔4车16.8mm通孔和锥孔5车端面槽刀具清单切削参数工步刀具编号刀具名称刀具型号主轴转速/(r/min)背吃刀量/mm进给量/(mm/r)2中心钻A32503麻花钻15.7mm2504T04内孔车刀刀体S12M-SCLCR068000.08-0.1刀片CCMT060204MFKU30T5T05端面车槽刀刀体A4M50R0414B048072KGMSR2525M5050020.05刀片A4G0405M04U04GMNKU30T表4-5六、工序6的加工工序卡片见表4-6。工步号工步加工内容1装夹找正2车端面3车49mm和28.6mm孔4车锥螺纹底孔5车锥管螺纹刀具清单切削参数工步刀具编号刀具名称刀具型号主轴转速/(r/min)背吃刀量/mm进给量/(mm/r)2T01外圆偏刀刀体PCLNR2525M1650020.2刀片CNMG160612MPKC50253T04内孔车刀刀体S12M-SCLCR068000.1刀片CCMT060204MFKU30T4T02内孔车刀刀体S16R-SCLCR098000.1刀片CCMT09T304MFKU30T5T06内螺纹车刀刀体SNR0020Q165002.209刀片16NR11.5NPTEC1030表4-6七、工序7的加工工序卡片见表4-7。工步号工步加工内容1装夹找正2车左半圆弧回转面3车右半圆弧回转面刀具清单切削参数工步刀具编号刀具名称刀具型号主轴转速/（r/min）背吃刀量/mm进给量/(mm/r)2T03外圆偏刀（正装）刀体MVJBR2525M1650010.15刀片VBMT160408KU10T3T03外圆偏刀（反装）刀体MVJBR2525M1650010.15刀片VBMT160408KU10T表4-7第五章 加工程序卡片一、工序1（车端面，车阶梯孔）加工程序见表5-1。序 号程序内容注 释O3110;程序名，工序1的加工工序N01T0101 S300 M03;选1号外径刀，300r/min,主轴正转N02G54 G00 X135. Z100. M08;快速到达准备点，切削液开N03Z80.;快速到达车平面的起点N04G01 X-2.4 F0.15;车平面N05G00 X-300. Z200. S250;退出，转速降为250r/min以上为工步2的程序（段）N06M00;刀架停止运动，用手动操作尾座钻中心孔和18mm通孔以上“程序停止”期间，用手动做第3、4工步N07T0202 S800;选2号16mm内径刀，转速升为800r/minN08G55 X20. Z100.;到达准备点N09Z82.;到达车20mm孔的起点N10G01 Z0 F0.08;车20mm孔N11G00 X19.8 Z82.;退到内台阶孔粗车循环起点N12G71 U1. R1;内台阶孔粗车循环N13G71 P14 Q16U-1. W0.1 F0.1;N14G00 G41 X32.;形状指定开始N15G01 Z64. F0.08;N16X19.8;形状指定结束N17G70 P14 Q16;内台阶孔精车循环N18G00 G40 X100. Z100. M09;退出，切削液停以上为工步5的程序（段）N19G28 U0 W0 M05;回参考点，主轴停转N20M30;程序结束表5-1二、工序2（车偏心孔）加工程序见表5-2。序 号程序内容注 释O3120；程序名，工序2的加工程序N01T0202 S800 M03;选2号16mm内径刀，800r/min,正转N02G55 G00 X19.8 Z12. M08;快速到达准备点，切削液开N03Z2.;快速到达内台阶孔循环起点N04G71 U1. R1.;内台阶孔粗车循环N05G71 P06 Q08 U-1. W0.1 F0.1;N06G00 G41 X32.;形状指定开始N07G01 Z-16. F0.08;N08X19.8;形状指定结束N09G70 P06 Q08;内台阶精车循环N10G00 G40 X100. Z100. M09;退出，切削液停N11G28 U0 W0 M05;回参考点，主轴停转N12M30;程序结束表5-2三、工序3中工步2（车端面）的程序见表5-3。序 号程序内容注 释O3130;程序名，工序3的加工程序N01T0101 S500 M03;选1号外径刀500r/min,主轴正转N02G54 G00 X90. Z12. M08;快速到达准备点，切削液出N03Z0.;快速到达车端面的起点N04G01 X-2.4 F0.15;车端面N05G00 X200. Z200. M09;退出，切削液停N06G28 U0 W0 M05;回参考点，主轴停转N07M30;程序结束表5-3四、工序4中工步2（车左找正槽）的加工程序见表5-4。序 号程序内容注 释O3140;程序名，工序4的第1个程序N01T0303 S500 M03;选3号外径刀（正装），500r/min主轴正转N02G56 G00 X110. Z-71. M08;快速到达闭合循环的起点，切削液出N03G73 U3. W0 R4;闭合粗车循环N04G73 P05 Q08 U2. F0.15;N05G00 X88.5;形状指定开始N06G01 X78.5 Z-76. F0.12;N07Z-81.;N08X88.5;形状指定结束N09G70 P05 Q08;精车循环N10G00 X200. Z200. M09;退出，切削液停N11G28 U0 W0 M05;回参考点，主轴停转N12M30;程序结束表5-4五、工序4中工步3（车右找正槽）的加工程序见表5-5。序 号程序内容注 释O3141;程序名，工序4的第2个程序N01T0303 S500 M04;选3号外径刀（反装），500r/min,主轴反转N02G56 G00 X110. Z-29. M08;快速到达闭合循环的起点，切削液出N03G73 U3. W0 R4;闭合粗车循环N04G73 P05 Q08 U2. F0.15;N05G00 X88.5;形状指定开始N06G01 X78.5 Z-24. F0.12;N07Z-19.;N08X88.5;形状指定结束N09G70 P05 Q08;精车循环N10G00 X200. Z200. M09;退出，切削液停N11G28 U0 W0 M05;回参考点，主轴停转N12M30;程序结束表5-5六、工序5（车内锥孔，车端面槽）的加工程序见表5-6。序 号程序内容注 释O3150;程序号，工序5的加工程序N01T0404 S800 M03;选12mm粗的小车刀，800r/min,主轴正转N02G57 G00 X16.8 Z20. M08;快速到达车小孔准备点，切削液出N03Z2.;快速到达车小孔起点N04G01 Z-3. F0.08;车小孔N05G00 X16.2 Z2.;退到固定循环的起点N06G71 U0.6 R0.3;内径粗车循环N07G71 P08 Q12 U-0.8 W0.1 F0.1;N08G00 G41 X39.329;形状指定开始N09G01 X34.83 Z-1.896 F0.08;N10X32.52 Z-25.;N11Z-30.;N12X16.6;形状指定结束N13G70 P08 Q12;内径精车循环N14G00 G40 X100. Z150.;退刀以上为工步4的程序（段）N15T0505 S500;选5号端面槽刀，500r/minN16G58 X70. Z10.;快速到达准备点N17Z1.;快速到达粗切第1刀起点N18G01 Z-6. F0.05;粗切第1刀N19G00 Z1.;退出N20X64.;移到粗切第2刀起点N21G01 Z-6.;粗切第2刀N22G00 Z1.;退出N23X58.;移到粗切第3刀起点N24G01 Z-6.;粗切第3刀N25G00 Z1.;退出N26X53.8;移动倒