十字凹槽的数控铣削编程与加工毕业设计.doc

开封大学机械制造与自动化专业2015届毕业设计说明书

目 录

摘 要 2
一． 零件的分析 4
(一) 零件的技术要求分析 4
(二) 零件图纸的工艺分析 4
(三) 加工思路和加工方案 5
二．加工工艺的设定 6
(一) 加工刀具的选择 6
(二) 主轴转速的确定 7
(三) 进给速度的确定 9
(四) 后置设置 10
三． 零件实体造型设计 11
(一) 实体造型软件的介绍和选择 11
(二) 利用CAXA软件进行零件造型 11
四．零件的加工仿真 17
(一) 毛坯的确定 17
(二) 零件加工轨迹与仿真 19
五．生成G代码和工艺清单 27
(一) 生成G代码 27
(二) 生成加工工艺清单 29
结 束 语 31
参考文献 32

摘 要

数控技术在当今机械制造业中的重要地位和巨大效益，是现代制造技术的核心，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。数控加工具有自动化程度高，加工质量稳定，加工精度高，柔性好等一系列优点。在数控加工过程中，数控加工工艺设计是否合理，将直接影响到机床效能的发挥，刀具的使用寿命以及工件的加工精度和加工效率。
该十字凹槽零件的数控加工工艺设计，首先应根据零件的图纸以及技术要求，对该零件进行了详细的数控加工工艺分析，根据分析的结果，对该零件进行了数控加工工艺设计，制定了加工方案，选择了合适的数控加工设备，加工刀具，夹具，确定了装夹方案，切削用量，切削速度，制定加工路线，走刀路线，编制了零件的数控加工工序卡片和选用刀具卡片等。最后综合运用计算机软件进行加工路线的仿真和自动编程编制了该零件的数控程序
本次造型设计过程中主要用到了CAXA软件的拉伸增料、拉伸除料、过渡、钻孔等功能，数控加工过程中主要用到了CAXA软件的平面区域粗加工、平面轮廓精加工、钻孔加工等功能。通过对该零件的三维造型及数控加工，使自己对CAXA软件有更深一刻的了解。

关键词: 数控加工 加工工艺 加工路线 仿真加工
前 言

数控加工是机械制造中的先进的加工技术是一种高效率，高精度与高柔性特点的自动加工方法，数控加工技术可有效解决复杂、精密、小批多变零件的加工问题，充分适应了现代化生产的需要，制造自动化是先进制造技术的重要组成部分，其核心技术是数控技术，数控技术是综合计算机、自动技术、自动检测及精密机械等高新技术的产物，它的出现及所带来的巨大利益，已引起了世界各国技术与工业界的普遍重视，目前，国内数控机床使用越来越普及，如何提高数控加工技术水平已成为当务之急，凹槽零件所占的比例越来越大。传统的加工速度慢，效率低，已经不能满足机械加工行业的要求。数控技术是制造业实现自动化，集成化的基础，是提高产品质量，提高劳动生产率必不可少的手段。专家们预言“二十一世纪机械制造业是竞争的时代，其实则是数控技术的竞争”。由于数控加工具有生产效率高，加工质量好等优点，因此应用越来越广泛。CAXA制造工程师，是我国自住研发的集三维设计，虚拟仿真加工，自动生成G代码等功能于一体的CAD/CAM软件，能通过加工仿真或代码反读，检验加工工艺和代码校验。
数控加工工艺是数控编程与操作的基础，合理的工艺是保证数控加工质量发挥数控机床的前提条件，从数控加工的实用角度出发，以数控加工的实际生产为基础，以掌握数控加工工艺为目标，在介绍数控加工切削基础，数控机床刀具的选用，数控加工的定位与装夹以及数控加工工艺基础等基本知识的基础上，分析了数控车削的加工工艺。

一． 零件的分析

图1-1零件图

(一) 零件的技术要求分析
零件包括尺寸精度，形状精度，位置精度的技术要求，表面粗糙度的要求，这些要求应能保证使用性能的前提下，保证加工工艺在公差范围内。还应遵循以下几个原则：
1. 各要素的形状尽量简单，规格应尽量标准和统一。
2. 刀具能正常的进入，退出和顺利通过加工各个轮廓、凹槽、孔等等。
3. 减少刀具或工件的装夹次数，提高工作效率。
4. 根据图纸上的公差要求，确保加工的区域在公差范围内。
(二) 零件图纸的工艺分析
根据图纸1-1零件图所示，该凹槽零件表面有凹槽，方形凸台，椭圆凹槽及通孔加工等表面组成，其中有多个尺寸精度和表面粗糙度要求较高。零件图上尺寸标注完整，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钢锻件，切削加工性能较好，加工完后去边上的毛刺，无热处理和硬度要求。从零件图1-1分析得知，该零件的分析的技术要求如下：
1. 外轮廓为80mm×80mm，厚14mm，表面粗糙度为Ra1.6um，表面粗糙度为Ra1.6um。
2. 零件中心的椭圆形凹槽的深度为2mm，表面粗糙度为Ra1.6um。椭圆形凹槽的长半轴为25 mm，短半轴为15 mm以零件顶面为基准。
3. 零件上面正方形凸台内部的凹台深度为5mm，正方形凸台的内外四个过渡角的半径分别为10 mm和12 mm，以零件的底面为基准。

(三) 加工思路和加工方案
1. 此零件是需要多工步，多刀具加工的，在加工顺序上应遵循，“基面先行”，“先粗后精”，“先主后次”，及先面后孔的工艺原则。
2. 从零件的结构上看，该零件需要装夹两次方能完成所有加工内容。在第一次装夹时，加工底面，控制高度尺寸16mm，然后进行外轮廓精加工把毛坯余量去除，再加工凹槽和孔，本次装夹可以直接选用平口虎钳进行装夹；第二次装夹时，加工凸台、凹槽等剩下的所有加工面。
3. 加工方案:铣下底面---铣外轮廓---铣椭圆凹槽---钻孔----铣上平面---铣凹台外围---铣凹台内的凸台---铣十字凹槽。
二．加工工艺的设定
(一) 加工刀具的选择
在数控加工中，刀具的选择是和加工精度加工质量和加工效率都有这影响。选择适当的刀具及切削参数的合理设置，可以使数控加工以最低的成本达到最佳的加工质量，用最短时间。总之，刀具选择总的原则是：安装调整方便，刚性好，耐用和高精度。为了满足加工要求，尽量选择短柄，为了提高刀具刚性。还应考虑以下因素：
1. 刀具选择应考虑的主要因素
刀具的选则是数控加工的重要工艺内容之一，不仅要精度高，刚度高，耐用度高，要求尺寸稳定，安装方便，这就要求采用新型优质材料制造数控加工工具，并优选刀具参数。选刀具时，要考虑加工零件的材料，性能，硬度，刚度，塑性，韧性及耐磨性等。还应考虑工件的几何形状，加工余量，零件的技术经济指标。刀具能承受的切削用量等。
2. 刀具材料材料的选择
常用刀具材料为高速钢，硬质合金。非金属材料刀具使用较少。高速钢刀具易磨损，价格低，常用于加工硬度较低的工件。硬质合金刀具耐温高，硬度高，主要用于加工硬度较高的工件，硬质合金刀具加工效率和质量比高速钢刀具好。
根据零件的要求，先采用半径r=5mm的立铣刀，定义为T01。再采用半径r=3mm和r=5mm的钻头，定义为分别为T02和T03。并把该刀具的半径输入刀具参数表中。如下图2.1

(二) 主轴转速的确定
主要根据允许的切削速度Vc（m/min）选取:
N= 1000V/πD
其中Vc-切削速度（m/min）
D--工件或刀具的直径（mm）
由于每把刀计算方式不同，现选取直径为10 mm的立铣刀为例，代入公式计算可得①和②。
D=10mm
根据切削原理可知，切削速度的高低主要取决于被加工零件的精度，材料，刀具的材料和刀具耐用度等因素。参考表选取
从理论上讲，Vc的值越大越好，因为这不仅可以提高生产率，而且可以避免生成积削瘤的临界速度，获得较低的表面粗糙值。但实际上由于机床，刀具等的限制，综合考率。

表2-1铣削时切削速度表
工件材料
硬度/HBS
切削速度Vc/（min）
高速钢铣刀

硬质合金铣刀
钢
<225
18-42
66-150
225-325
12-36
54-120
325-425
6-21
36-75
铸铁
<190
6-21
36-75
190-260
9-18
45-90
160-320
4.5-10
21-30
铝
70-120
100-200
200-400
黄铜
53-56
20-50
100-180
铣削加工: 取粗铣Vc=25m/min 精铣Vc=30m/min
D=10mm
代入式中： N= 1000V/πD
① N粗=790.1r/min ② N精=955.4r/min
计算的主轴转速N要根据机床有的或接近的转速选取：
即：取N粗=800r/min N精=1000r/min
同理计算D=10mm钻的头： N精=955.4r/min 取N精=1000r/min
D=6mm的钻头： N精=1592.3 r/min 取N精=1600 r/min
(三) 进给速度的确定
切削进给速度F时切削时单位时间内工件与铣刀沿进给方向的相对位移，单位mm/min。它与铣刀的转速N，铣刀齿数Z以及每齿进给量fz（mm/z）的关系为
F=fz*z*n
每齿进给量fz的选取主要取决于工件材料的力学性能，刀具材料，工件表面粗糙度等因素。工件材料的强度和硬度越高，fz越小，反之则越大：工件表面粗糙度值越小，fz就越小：硬质合金铣刀的每齿进给量高于同类高速钢铣刀。可参考表
表2-2 铣刀每齿进给
工件材料
每齿进给量Fz/(mm/z)
粗铣
精铣
高速钢铣刀
硬质合金铣刀
高速钢铣刀
硬质合金铣刀
钢
0．10-0.15
0．10-0.25
0.02-0.05
0.10-0.15
铸铁
0.12-0.20
0.15-0.30

铝
0.06-0.20
0.10-0.25
0.05-0.10
002-0.05
综合选取，铣削加工：D=10mm
粗铣fz=0.10mm/z 精铣fz=0.04mm/z 铣刀齿数z=2
上面计算出： n粗=800r/min n精=1000r/min
将它们代入式子计算：
粗铣时：F=0.10x2x800=160mm/min
精铣时：F=0.04x2x1000=80mm/min
切削进给速度也可有机床操作者根据被加工工件表面的具体情况进行手动调整，以获得最佳切削状态。
(四) 后置设置
用户可以增加当前使用的机床，给出机床名，定义适合自己机床的后置格式。系统默认的格式为FANUC系统的格式。
1．选择屏幕左侧的“加工管理”结构树， 双击结构树中的“机床后置”，弹出“机床后置”对话框。
2．增加机床设置。选择当前机床类型，如下图2.2所示。

图2.2
3. 后置处理设置。选择“后置处理设置”标签，根据当前的机床，设置各参数，如下图2.3所示。

图2.3
三． 零件实体造型设计
(一) 实体造型软件的介绍和选择
1. 在这次设计加工中我选择的是CAXA制造工程师软件，它是国内自主版权加工软件的代表，是北航海尔软件公司及北京航空航天大学科技实力的具体体现，是取代国外软件的最佳选择。CAXA制造工程师使实体设计跨越了传统参数化造型在复杂性方面受到的限制，不论是经验丰富的专业人员，还是刚接触CAXA制造工程师的初学者，CAXA制造工程师都能为您提供便利的操作
2. CAXA 软件的CAD／CAM／在PLM领域自主知识产权的中国制造的软件和一个知名品牌的行业信息化的一个很好的代表。CAXA制造工程师10年来坚持“概念的软件服务业”，20多个系列软件产品的开发，四领域覆盖了制造业信息化技术，设计，制造和管理，已连续五年荣获“全国十大优秀软件”和中国软件行业协会20年“金软件奖”荣誉；CAXA始终坚持走市场化的道路。
3. CAM系统的编程基本步骤如下：
(1) 理解二维图纸或其它的模型数据；
(2) 建立加工模型或通过数据接口读入；
(3) 确定加工工艺（装卡刀具等）；
(4) 生成刀具轨迹；
(5) 加工仿真；
(6) 产生后置代码；
(7) 输出加工代码；
(8) 生成加工工艺清单；
(二) 利用CAXA软件进行零件造型
1. 在XOY平面上创建草图，绘出80mmX8Omm的正方形，然后倒角，倒角圆半径为10mm，用拉伸增料命令进行实体拉伸，增料深度为4mm，单击确定如图3.1所示：

图3.1
2. 以正方体上表面为基准平面创建草图，绘制出两正方形边长分别为60 mm和56 mm，过渡圆弧半径分别为12 mm和10 mm，利用拉伸增料，拉伸增料深度为10mm。如图3.2所示：

图3.2
3. 以正方体上平面作为基准平面创建草图，作出四个草图如图3.3.1，然后进行拉伸增料，深度为5mm。如图3.3所示：

图3.3.1

图3.3
4. 以正方体下平面为基准创建草图，绘制八个D=6 mm的通孔和D=19 mm的中心孔，然后利用拉伸除料功能贯穿命令，即得到下图，如图3.4所示:

图3.4
5. 以正方体的下平面为基准创建草图，对内测的四个孔进行扩孔，如图3.5.1所示。然后进行拉伸除料，深度为5 mm。即得到下图，如图3.5所示:

图3.5.1

图3.5
6. 以零件下表面为基准面创建草图，绘制出长半轴为25 mm短半轴为15 mm的椭圆，如图3.6.1所示。然后用拉伸除料功能进行拉伸，深度为2 mm。即得到下图，如图3.6所示:

图3.6.1

图3.6
以上就是零件实体造型设计，零件实体造型绘制完成后，并对加工零件进行加工仿真。

四．零件的加工仿真
(一) 毛坯的确定
1. 零件在加工时，由于加工过程的自动化，余量的大小，如何装夹等问题应在选择毛坯时仔细考虑好。否则，如果毛坯不适合数控铣削加工，加工将很难进行下去。毛坯材料的选择应考虑以下要求，材料应具有良好的使用性能，工艺性能，切削性能。 该零件的长为80 mm，宽80 mm，高14 mm，毛坯的长，宽，高应大于零件的长，宽，高，但要在便于加工的前提下要选择合理的尺寸，做到不浪费材料，减少成本。根据零件图纸要求及毛坯的选择原则确定毛坯尺寸长为84 mm，宽84 mm，高18 mm的矩形45钢材料。利用CAXA软件绘好实体造型图后，然后进行毛坯设定命令。即如下图1.1所示：

图1.1
2. 零件加工参数的的设定
(1) 粗加工参数的设定
选择加工命令中的平面区域粗加工命令，通过上面对主轴转速和切削进给速度等计算。即加工参数如下图1.2所示：

图1.2
(2) 精加工参数设定
选择加工命令中的平面轮廓精加工，通过计算得出的数值，把参数输到对话框中。即得如下图1.3所示：

图1.3
(二) 零件加工轨迹与仿真
1.零件加工轨迹
(1) 平面区域粗加工下表面。在CAXA软件中建立新坐标系，以零件的上面为基准建立坐标系1，新的坐标系与原来坐标系Z的方向相反。选取1坐标系，利用D10mm的的立铣刀对工件的下表面进行加工，来确定工件的基准。走刀路线轨迹如图4.1所示：

图4.1
（2）精铣外轮廓。对零件进行平面轮廓精加工，去掉毛坯周围多余的2mm的量，即得到如图4.2所示：

图4.2

（3）加工下底面椭圆形凹槽。零件下底面椭圆形凹槽的加工，利用平面区域粗加工，铣削凹槽，用D10mm的立铣刀对工件的椭圆形凹槽进行加工，铣削深度为2mm。走刀路线如图4.3所示：

图4.3

（4）钻孔。用D=6 mm的钻头钻八个孔，走刀路线如下图所示4.4

图4.4

（5）钻孔。用D=10mm的钻头扩凸台内的四个孔，孔深5mm，加工路线如图4.5所示：

图4.5

（6）钻中心孔。用D=10mm的钻头钻中心通孔，加工路线如图4.6所示：

图4.6

（7）扩铣中心孔。用D=10mm的铣刀扩铣中心通孔，即得到如下轨迹图4.7所示：

图4.7

（8）平面区域粗加工上表面。用D=10mm的铣刀粗铣上表面。如图4.8所示：

图4.8
（9）铣凸台外围。用D=10mm的铣刀粗铣凸台外侧，如图4.9所示：

图4.9
10）铣凸台内凹槽上平面。用D=10mm的铣刀粗铣凸台上平面，如图5.1所示：

图5.1
（11）铣十字凹槽。用D=10mm的铣刀粗铣十字凹槽，如图5.2所示：

图5.2
2.零件的实体仿真模拟
全选特征树中的所有加工刀路，如下图7.1所示。然后点击【加工】→【实体仿真】，将弹出如下图所示界面，最后得到的仿真效果图如图7.2和7.3所示。

图7.1走刀轨迹

仿真界面图7.2

仿真效果图7.3

五．生成G代码和工艺清单
(一) 生成G代码
1. 单击CAXA软件中的【加工】－【后置处理】－【生成G代码】，在弹出的“选择后置文件”对话框中给定要生成的NC代码文件名（十字凹槽零件.cut）及其存储路径，按“确定”退出。 如图7.4所示：

图7.4
2. 分别拾取下面加工轨迹与上面加工轨迹，按右键确定，生成加工G代码（详细G代码见电子稿）。如图7.5 所示:

图7.5
(二) 生成加工工艺清单
生成加工工艺单的目的有三个：一是车间加工的需要，当加工程序较多时可以使加工有条理，不会产生混乱。二是方便编程者和机床操作者的交流，凭嘴讲的东西总不如纸面上的文字更清楚。三是车间生产和技术管理上的需要，加工完的工件的图形档案、G代码程序可以和加工工艺单一起保存，以备以后需要再加工此工件，那么可以立即取出来就加工，一切都是很清楚的，不需要再做重复的劳动。
1. 选择CAXA软件【加工】→【工艺清单】命令，弹出工艺清单对话框，输入零件名等信息后，按拾取轨迹按钮，点中粗加工和精加工轨迹，右键确认后，按生成清单按钮生成工艺清单。如图7.6所示:(详细工艺清单见电子稿 )

图7.6

2. 工艺清单输出结果共有general(NC数据检查表)、function(功能参数)、tool(刀具路径)、ncdata(NC数据)5个NC数据检查表文件。点中工艺清单输出结果中的各项，可以查看到毛坯、工艺参数、刀具等信息。见附表：至此，凹槽零件的造型、生成加工轨迹、加工轨迹仿真检查、生成G代码程序，生成加工工艺单的工作已经全部做完。加工结果的好坏，是一个综合性的问题，它不单纯决定于程序代码的优劣，还决定于加工的材料，刀具，加工参数设置，加工工艺、机床特点等等。几种因素配合好了我们才能够得到最好的加工结果。
3. 工艺单可以用浏览器来看，也可以用WORD来看并且可以用WORD来进行修改和添加。究竟用哪一种加工方式来生成轨迹，要根据所要加工形状的具体特点，不能一概而论。对于本例来说，参数线方式加工效果最好。最终加工结果的好坏，是一个综合性的问题，它不单纯决定于程序代码的优劣，还决定于加工的材料，刀具，加工参数设置，加工工艺、机床特点等等。几种因素配合好了我们才能够得到最好的加工结果。

结 束 语

通过这次毕业设计，使我对大学三年所学的知识有了一次全面的综合运用，也学到了许多上课时没涉及到的知识，例如：数控编程、数控仿真加工等一系列知识，这些对今后毕业出去工作都有很大的帮助。
在这次毕业设计中，我基本完成了毕业设计的任务，达到了毕业设计的目的，但是，我知道自己的设计还有许多不足，希望老师们能够谅解，谢谢！
非常感谢校领导和各位老师，给我们创造了一个学习的机会，让我在毕业的最后一段时间里学到了更多的知识，本次的设计是三年来学习过程中涵盖面最广的一次设计，它不仅体现了我们对设计的思考，更重要的是对我们三年来所学的知识应用到了实践，使我明白了在今后设计过程中的一般步骤和方法，经过这几个月紧张的毕业设计，使我在理论和动手能力上都有了进一步的提高。
此次毕业设计的顺利完成离不开指导老师刘老师的大力支持，在这里，我特别要感谢我的指导老师，是他将最新的毕业设计信息通知给我们，并且在自己紧张的工作中，还尽量抽出时间关心我们的设计进度情况，督促我们抓紧学习。
在整个设计中，用到了以前所学的知识，最开始刘老师就教给了我们遇到问题，应如何去分析、去解决，这使我们受益非浅，从确定设计题目到现在完成毕业设计论文的过程中，尤其是在课题设计的前期准备工作和设计的过程中，刘老师提出了许许多多宝贵的设计意见，在短暂的相处时间里，渊博的知识、敏锐的思路和实事求是的工作作风给我留下了深刻的印象，这也将对我以后的工作，起到很大的鼓动作用，将使得我终身受益，谨此向刘老师表达我衷心的感谢和崇高的敬意！
在此，我还要感谢机械与汽车工程学院所有老师，正是因为他们的鼓励和支持，才使我不畏困难，迎难而上，不断地克服一个又一个的困难，直到毕业设计的圆满结束。
最后，衷心感谢机械与汽车工程学院全体老师多年来的辛勤培养和教诲。

参考文献
[1] 王金城主编 ，数控机床实训技术，电子工业出版社.（2006.8）
[2] 顾晔 楼章华主编 ，数控加工编程与操作，人民邮电出版社.（2009.5）
[3] 杨伟群主编 ，数控工艺培训教程—数控铣部分，清华大学出版社.（2006.8
[4] 刘颖主编 ，CAXA制造工程师2006教程，清华大学出版社.（2006.4）
[5] 潘毅主编，CAXA模具设计与制造指导，清华大学出版社.（2004.5）
[6] 唐应谦主编数控加工工艺学，中国劳动社会保障出版社. （2000.6）
[7] 李正峰主编，数控加工工艺，上海交通大学出版社.（2004.8）
[8] CAXA制造工程师V2实例教程，北京航空航天大学出版社.（2001.6）
[9] 杨伟群主编CAXA-CMD应用实例，高等教育出版社.（2004.2）

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