菱形凸台零件的数控加工及工艺分析毕业设计

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毕业设计

题目：菱形凸台零件的数控加工及工艺分析

系部现代制造工程系

专业名称数控技术及应用

班级数控 2052

姓名

指导教师

2009年9月10日

目录

1绪论 (1)

2零件分析 (2)

2.1零件的结构特点 (2)

2.2.1零件图纸的工艺分析 (2)

2.2.2加工内容以及相关要求 (3)

2.2.3加工要点分析 (3)

2.2.4零件图纸上的尺寸标注 (3)

2.2.5分析变形情况 (3)

2.2.6零件的精度要求 (4)

3毛坯的选择 (4)

3.1分析毛坯的加工余量 (4)

3.2零件毛坯形状及余量的确定 (4)

4机床的选择 (4)

5零件加工定位基准的选择 (5)

5.1工件的装夹 (5)

5.2零件粗基准的选择 (5)

5.3零件精基准的选择 (6)

6选择并确定工艺装备 (6)

6.1刀具尺寸的选择 (6)

6.2刀具材料的选择 (7)

6.2.1刀具材料性能 (7)

6.2.2各种刀具材料 (7)

6.3量具的使用表 (8)

6.4切削用量的确定 (8)

6.4.1主轴转速的确定 (9)

6.4.2进给速度的确定 (10)

6.4.3背吃刀量的确定 (11)

7切削液的选择 (12)

8工艺方案的制订 (12)

8.1加工方案的制订 (12)

8.2刀具卡片的制订 (13)

8.3工艺过程卡 (14)

8.4工序卡 (16)

8.5走刀路线图 (27)

9程序编制 (31)

10加工零件 (39)

10.1建立工件坐标系 (39)

10.2对刀及刀补设定 (39)

10.3加工零件过程 (39)

11精度检验 (40)

总结 (41)

致谢 (42)

参考文献 (43)

附录 (44)

1绪论

随着科学技术的飞速发展和经济竞争的日趋激烈,产品更新速度越来越快,复杂形状的零件越来越多,精度要求越来越高,多品种、小批量生产的比重明显增加,激烈的市场竞争使产品研制生产周期越来越短,传统的加工设备和制造方法已难以适应这种多样化、柔性化与复杂形状零件的高速高质量加工要求。

本课题来源于生产，是对所学知识的应用，它包括了五年所学的全部知识，在数控专业上具有代表性，而且提高了综合运用各方面知识的能力。程序的编制到程序的调试，零件的加工运用到了所学的AutoCAD、 CAXA制造工程师软件、机床操作、子程序、刀具的选择、零件的工艺分析、数学处理、工艺路线等一系列的内容。这将所学到的理论知识充分运用到了实际加工中，切实做到了理论与实践的有机结合。

2零件分析

2.1零件的结构特点

要选择对某个零件进行数控加工，在一般情况下，不是所有加工内容都适合在数控机床上完成，而往往只是其中的一部分工艺内容适合数控加工，这就需要对零件图样进行仔细的工艺分析，选择那些最适合、最需要进行数控加工的内容和工序。根据我院数控基地现有的的设备，故本次毕业设计的所有内容都选择在数控加工中心上加工。

2.2.1零件图纸的工艺分析

零件的精度要求需要从尺寸公差、表面粗糙度等方面综合分析。

图2-1 菱形凸台零件图

2.2.2加工内容以及相关要求

（1）上表面加工，保证零件的高度为25±0.1mm，粗糙度一般为Ra6.3μm。其余为Ra12.5μm。

（2）零件中部菱形凹槽加工。这部分轮廓深度为10mm，要保证R9mm的圆弧尺寸，中间五边行凹槽深度为5mm,要保证R8mm的圆弧尺寸。凹槽侧面的粗糙度为Ra6.3μm、深度为10mm和深度为5mm处的平面粗糙度均为Ra6.3μm。

（3）四个圆弧凸台部分的轮廓加工。要保证圆弧凸台部分的尺寸5mm以及上表面的高度差12mm。

2.2.3加工要点分析

数控加工中心的主要加工特点是工序集中，即工件在一次装夹后，连续完成铣、钻、镗、铰、攻丝加工等多道工序，从而减少了零件在不同机床之间的转换搬运时间，提高了效率。例如铣菱形凹槽时，应该把粗精加工安排在一起，这样就减少了换刀次数，在加工时，要保证零件的尺寸精度和表面粗糙度。

另外，加工过程中尽可能减少换刀次数并使走刀路线最短，以减少辅助时间，提高效率。

2.2.4零件图纸上的尺寸标注

（1）按加工顺序标注尺寸，尽量减少尺寸换算，并能方便准确地进行测量。

（2）从实际存在的和易测量的表面标注尺寸，且在加工时应尽量使工艺基准与设计基准重合。

2.2.5分析变形情况

由于该零件菱形凹槽深10mm，在加工过程中如果进给速度过快容易变形，所以应采用合理的加工方式。在加工的过程中选用合理的切削参数、刀具、夹具等。该零件的加工轮廓由平面、外轮廓、型腔等构成。

2.2.6零件的精度要求

该零件最高精度等级为IT10级，外轮廓四周、型腔以及上表面的粗糙度为Ra 6.3μm，

其它表面粗糙度均为Ra12.5μm，比较容易加工。

3毛坯的选择

所谓毛坯的加工余量，就是指使加工表面达到所需的精度和表面的质量而应切除的多余金属层的厚度。

零件在进行数控铣削加工时，由于加工过程的自动化，使用余量的大小，如何安装、装夹等问题在选用毛坯时就要仔细考虑好，否则，如果毛坯不适合数控铣削加工，加工时将很难进行下去，根据经验，列举以下几点：

3.1 分析毛坯的加工余量

该图的毛坯采用铸铁，因为我考虑到我们学校现有的设备和自身的经济条件等问题，所以采用铸铁，毛坯尺寸105mm×105mm×30mm进行加工，由于该件是铸造件，毛坯的扭曲变形量的不同地方造成余量不充分，不稳定，因此，要采用数控铣削加工，其加工面都要具有充分的加工余量。

3.2分析毛坯的装夹

主要考虑毛坯在加工时定位和夹紧的可靠性与方便性，以便在一次安装中完成所以的加工表面。

4机床的选择

根据零件的结构、形状、精度以及加工的难易程度等条件来选择数控设备的型号，由于该零件由平面、凹槽、圆弧等组成。根据减少定位、装夹和多次换刀带来的影响，结合我院实际情况采用加工中心（KVC650）进行加工，便可达到零件的各项精度。该机床的X轴行程450mm，Y轴的行程为650mm，Z轴的行程为500mm，工作台为4500X1370mm，主轴中心线至工作台的距离为460mm,主轴端面至工作台中心线距离为100—600mm，斗笠式刀库容量为10把，进给速度为5—8000mmmin, 主轴转速为20—6000rmin,电动机功率为5517.5KW。

5零件加工定位基准的选择

正确选择定位基准对保证加工表面的尺寸精度和相互位置精度，确定各表面加工顺序和夹具结构的设计都有很大影响。因此，定位基准的选择是一个很重要的问题。

5.1工件的装夹

工件装夹情况的好坏，不仅直接影响工件加工精度，还关系到产品质量问题，而且工件装夹的快慢还直接影响到生产效率以及工件成本。在实际的应用中一般是先定位后夹紧，但是也有同时完成的，如三爪卡盘夹持工件。

该零件形状比较复杂、尺寸精度要求较高，但轮廓面精度要求不是很高，所以如图可选用平口虎钳，以底面和两侧面定位，零件先要加工上表面，因此以下平面为装夹面，加工完所需要素后，翻转夹持外轮廓，将夹持面铣掉。平口虎钳如图5-1所示：

图5-1装夹图

5.2零件粗基准的选择

用毛坯上未加工过的毛坯面作为定位基准，这种定位基准称为粗基准。粗基准的选择，一般情况下就是第一道工序定位基准的选择，往往是进行后续工序加工的基准。在选择粗基准时应考虑尽量减少装夹次数。粗基准一般情况下只使用一次。

零件是以A面作为粗基准。以B面作为精基准的装夹面。如图5-2所示：

图5-2粗精基准图

5.3零件精基准的选择

用已加工过的表面作为定位基准，称为精基准。精基准选择应保证从零件精度出发，同时也要考虑装夹方便，夹具结构简单。如图5-2以A面作为装夹面，翻面夹持，在以B面作为精基准，保证了一次装夹完成所有面的加工减少了换刀次数，定位误差，提高了加工精度，同时体现了基准统一原则。

6选择并确定工艺装备

6.1刀具尺寸的选择

（1）直径尺寸：根据零件图样不同，选取的刀具尺寸不一样。

选取直径尺寸原则是：在刀具能够满足加工前提下，尽量选取直径大的刀具，铣削刀具都是成型刀具且标准，在同时可根据选取的刀具直径提取刀具各异的刀具。

（2）长度尺寸：在加工中心上，刀具长度一般是指主轴端面量，刀尖的距离包括刀柄和刃具两部分。

选取的原则是：在满足各个部位加工要求前提下，尽量减少刀具长度，以提高工艺系统的刚性，制造工艺和编程时，一般不必准确确定刀具的长度，只需初步估算出刀具长度范围。

根据经验公式：=A-B-N+L++ (公式6-1)

公式中：

—刀具长度

A—主轴端面至工作台中心最大距离

B—主轴在Z向的最大行程

N—加工表面距工作台中心距离

L—工件的加工深度尺寸

—刀具切出工件长度（以加工表面取2-5 mm，毛坯表面取5-8 mm）刀具长度示意图如图6-1所示：

图6-1 刀具长度示意图

根据不同的加工内容，则需要不同规格的刀具来进行加工，该零件材料为铸铁，毛坯为105mm×105mm×30mm，而零件实际尺寸为100mm×100mm×25mm。考虑到加工的效率，接刀痕迹，走刀的重叠量，综合分析确定粗、精平面采用直径为Ф20mm的立铣刀；轮廓采用Ф18mm和Ф16mm的键槽铣刀；圆弧最小尺寸为R6mm则采用直径为Ф12mm的立铣刀。

6.2刀具材料的选择

6.2.1刀具材料性能

切削用刀具材料应具备的性能如表6-1所示：

表6-1 切削用刀具材料应具备的性能

6.2.2各种刀具材料

(1)高速钢在仍能保持较高的硬度，较之其他工具钢耐磨性好且比硬质合金韧性高，但压延性较差，热加工困难，耐热冲击性较弱。不适合高速切削和硬的材料。

(2)硬质合金具有较高的红硬性，能在保持较好的加工性能，允许切削速度就高速刚的4～10倍。复合碳化物系硬质合金在铣削金属的切削中显示出极好的性能。于是，硬质合金得到了很大的普及。

(3)陶瓷加工中陶瓷刀具很容易因热裂纹产生崩刃等损伤，且切削温度易较高。陶瓷刀具因其材质的化学稳定性好、硬度高，在耐热合金等难加工材料的加工中有广泛的应用。

(4)立方氮化硼主要适用于高速加工。

(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。

数控机床对刀具的要求与普通机床的切削相比，数控机床对刀具的要求更高。不仅要精度、刚度好、耐用度高而且尺寸稳定，安装调整方便。从以上刀具材料看，金刚石的硬度、耐磨性最高，递次降低到高速钢但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。但是根据零件材料和我院数控基地刀具的实际情况，我选用了高速钢刀具加工零件。

6.3量具的使用表

量具的使用表如表6-2所示：

6.4切削用量的确定

制定切削用量，是在选择好刀具材料和几何角度的基础上，确定背吃刀量进给量和

切削速度制定切削用量的原则，是在保证加工质量降低成本和提高生产率的前提下，使ap、F、Vc的乘积最大。

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。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，充分发挥机床性能和刀具切削性能，使切削效率最高。

粗加工时应选取尽可能大的背吃刀量；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。

精加工时应根据加工后的余量确定背吃刀量；其次根据已加工表面粗糙度要求，选取最小的进给量；最后在保证刀具耐用度的前提下尽可能选用较高的切削速度。

6.4.1主轴转速的确定

主轴转速n(rmin):

n=1000（Vcπd）（公式6-2）

公式中：

Vc—切削速度，单位mmin

d—铣刀直径，单位mm由于每把刀计算方式相同，现选取粗、精铣平面Ф20的立铣刀为例说明其计算过程。

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。如表6-3所示:

表6-3 铣削时切削速度

从理论上讲，切削速度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屑瘤的临界速度，获得较低的表面粗糙度值。但实际上由于机床、刀具等的限制，综合考虑：

取粗铣时=20mmin精铣时=25mmin

代入6-2式中：= （1000×20）（3.14×20）= （1000×25）（3.14×20）

=318.4rmin =398rmin

6.4.2进给速度的确定

在保证机床、刀具不超出工件精度充许的数值，表面粗糙度值不太大的前提下，尽量选择大的进给量，粗加工时限制进给量的主要是切削力，半精加工和精加工时，限制进给量的主要是表面粗糙度。

切削进给量F是切削时单位时间内工件与铣刀沿进方向的相对位移，单位为mmmin。它与铣刀转速n、铣刀齿数z及每齿进给量fz（mmz）的关系为:

F=fz·Z·N （公式6-3）

公示中：

z—铣刀齿数单位：（mmmin）

fz—铣刀每齿工作台移动距离，即每齿进给量（mmz）

每齿进给量fz的选取主要取决与工具材料的力学性能、刀具材料、工件表面粗糙度等因素。工具材料的强度和硬度越高，fz越小，反之越大。硬质合金铣刀的每齿进给量高于同类高速钢铣刀。铣刀每齿进给量如表6-4所示：

表6-4 铣刀每齿进给量

综合选取：粗铣=0.08 mmz

精铣=0.05mmz

铣刀齿数z=3

上面计算出： =318.4rmin =398 rmin

将它们代入式子6-3计算。

粗铣时：F=0.08×3×318精铣时：F=0.05×3×398

=76mmmin =60mmmin

切削进给速度也可由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。

6.4.3背吃刀量的确定

主要根据机床刀具和工件的刚度允许的情况下。粗加工（Ra10～80um）时，一次进给尽可能切削全部余量。在中等功率机床上，背吃刀量可达8～10 mm。半精加工（Ra1.25～10um）时，背吃刀量取为0.5～2mm。精加工（Ra0.32～1.25um）时，背吃刀量取为0.1～0.4mm。最好一次切净余量，以提高生产效率。

根据零件材料和我院刀具性能考虑，粗加工时：ap=2mm；精加工时：ap=0.5mm；从这当中选择最为合适，即提高了生产效率，又可延长刀具使用寿命。

7切削液的选择

合理的选择切削液可以改善工件与刀具间的摩擦状况降低切削力和切削温度，减轻刀具摩损减小工件的热变形，从而可以提高刀具耐用度提高加工效率和加工质量。切削液具有冷却、润滑、清洗、防锈的作用，因此在数控加工中使用切削液是一个必须的选择。

常用的冷却液主要有三种表7-1所示：

表7-1 常用冷却液

切削液应根据工件材料，刀具材料，加工方法和技术要求等具体情况进行选用。下述几条供参考：

（1）高速的刀具红硬性差，需采用切削液，硬质合金刀具红硬性好，一般不加切削液；若硬质合金刀具使用切削液，必须连续、充分的浇注；不能间断。

（2）切削铸铁和铝合金时，一般不用切削液。如要使用切削液，选用煤油为宜。

（3）粗加工时，以冷却为主，可选用水溶液或低浓度的乳化液，精加工时，主要以润滑为主，可选用切削油或浓度高的乳化液。

（4）低速加工时，可选用油性较好的切削油；重切削时，可选用极压切削液。

综上所述：根据我选择的材料铸铁我选择乳化液为冷却液。它的主要作用是：冷却、润滑、清洗而且还有一定的防锈作用。

8工艺方案的制订

8.1加工方案的制订

加工中心具有刀库功能，也就是说在加工中心上加工零件，一般是多工步，多刀具的零件加工，在安排加工顺序时同样要遵循，“基面先行”、“先粗后精”、“先主后次”及“先面后孔”的一般工艺原则。

根据该零件的外型我制定了下面两种方案：

方案一：铣夹持面→翻面夹持→粗精铣上平面→粗精铣外轮廓→粗精铣菱形凹槽→粗精铣五边行凹槽→粗精铣菱形外轮廓→粗精铣四个大弧形凸台→粗精铣四个小弧形凸台→翻面铣底平面

方案二：铣夹持面→翻面夹持→粗精铣上平面→粗铣四个小弧形凸台→粗铣四个大弧形凸台→粗铣菱形外轮廓→粗铣外轮廓→粗铣菱形凹槽→粗铣五边行凹槽→精加工→翻面铣底平面

以上两种方案中第二种方案是从外面逐层往里面铣第一种方法与第二种相反。该零件菱形凹槽与五边形凹槽的深度不一致，菱形凹槽的深度是10mm,五边形凹槽的深度是5mm，第一种可减少在加工中的变形。第二种方案是先粗加工，后精加工，而第一种方案是一道工序粗精加工完了才加工下一个工序，大大的减少了换刀的时间。综上所述我

选择第一种加工方法进行加工。

8.2刀具卡片的制订

根据零件结构特点，铣削菱形凹槽轮廓、菱形凸轮廓、圆弧凸台轮廓时，铣刀直径受槽宽限制，同时考虑刀铸铁的材质，因此对刀具选用设计的刀具卡片，如表8-1所示：

表8-1 数控加工刀具卡片

8.3工艺过程卡

此零件的工艺过程卡片如表8-2所示：

表8-2 数控加工工艺过程卡片

8.4 工序卡

表8-3 工序1工序卡

表8-4 工序2工序卡