基于mastercam的轴零件加工工艺及数控仿真加工

摘 要数控车床技术在当今机械制造业中的重要地位和巨大效益，已经显示了其在国家基础工业现代化生产中的战略性作用，而且已成为了传统机械制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的重要手段和标志。数控车床的广泛应用，给机械制造业的产业结构、产品种类和档次以及生产方式带来了革命性的变化。数控车床是现代加工车间里面重要的加工设备，现代的CAD/CAM都是建立在数控技术之上的。掌握现代数控加工技术知识是现代机械专业里面必不可少的。在数控加工过程中，从零件的设计图纸到零件成品的合格。不仅要考虑到数控程序的编制，还要考虑到零件加工工艺路线的安排、加工机床型号的选择、切削刀具的选择、零件加工的定位装夹等一系列因素的影响。在开始编程前，必须要对零件设计图纸和技术要求进行详细的数控加工工艺分析。来最终确定哪些是零件的技术关键，哪些是数控加工的难点，以及程序的编制难易程度。本次设计内容为车削轴类零件数控加工工艺及编程加工。具体介绍了数控车床加工的特点、加工工艺分析以及数控编程加工过程，以及夹具的确定等等。关键词：数控车床；数控编程；数控加工工艺目 录摘 要1第1章 绪论21.1按加工工艺方法分类21.2按控制运动轨迹分类31.3按驱动装置的特点分类41.4数控未来的发展6第2章 数控加工工艺设计102.1加工方案的确定102.2装夹方案的确定112.3加工工序的划分122.4加工刀具的选择152.5切削用量的确定162.6数控加工工艺卡片的拟定17第3章 轴零件数控程序编制213.1编程理论依据213.2编程指令的选择23第4章 轴零件数控加工仿真264.1仿真加工软件简介264.2仿真加工过程274.2.1轴零件1仿真加工274.2.2轴零件右端的仿真加工33总 结35参考文献36致 谢3724第1章 绪论1.1按加工工艺方法分类1.金属切削类数控机床与传统的车、铣、钻、磨、齿轮加工相对应的数控机床有数控车床、数控铣床、数控钻床、 数控磨床、数控齿轮加工机床等。尽管这些数控机床在加工工艺方法上存在很大差别，具体的控 制方式也各不相同，但机床的动作和运动都是数字化控制的，具有较高的生产率和自动化程度。 在普通数控机床加装一个刀库和换刀装置就成为数控加工中心机床。加工中心机床进一步提高了 普通数控机床的自动化程度和生产效率。例如铣、镗、钻加工中心，它是在数控铣床基础上增加 了一个容量较大的刀库和自动换刀装置形成的，工轴零件次装夹后，可以对箱体零件的四面甚至五 面大部分加工工序进行铣、镗、钻、扩、铰以及攻螺纹等多工序加工，特别适合箱体类零件的加 工。加工中心机床可以有效地避免由于工件多次安装造成的定位误差，减少了机床的台数和占地 面积，缩短了辅助时间，大大提高了生产效率和加工质量。2.特种加工类数控机床除了切削加工数控机床以外，数控技术也大量用于数控电火花线切割机床、数控电火花成型 机床、数控等离子弧切割机床、数控火焰切割机床以及数控激光加工机床等。3.板材加工类数控机床常见的应用于金属板材加工的数控机床有数控压力机、数控剪板机和数控折弯机等。近年来，其它机械设备中也大量采用了数控技术，如数控多坐标测量机、自动绘图机及工业机器人等。1.2按控制运动轨迹分类1.点位控制数控机床位置的精确定位，在移动和定位过程中不进行任何加工。机床数控系统只控制行程终点的坐 标值，不控制点与点之间的运动轨迹，因此几个坐标轴之间的运动无任何联系。可以几个坐标同 时向目标点运动，也可以各个坐标单独依次运动。 这类数控机床主要有数控坐标镗床、数控钻床、数控冲床、数控点焊机等。点位控制数控机 床的数控装置称为点位数控装置。2.直线控制数控机床直线控制数控机床可控制刀具或工作台以适当的进给速度，沿着平行于坐标轴的方向进行直 线移动和切削加工，进给速度根据切削条件可在一定范围内变化。 直线控制的简易数控车床， 只有两个坐标轴，可加工阶梯轴。直线控制的数控铣床，有三个坐标轴，可用于平面的铣削加工。 代组合机床采用数控进给伺服系统，驱动动力头带有多轴箱的轴向进给进行钻镗加工，它也可算 是一种直线控制数控机床。数控镗铣床、加工中心等机床，它的各个坐标方向的进给运动的速度能在一定范围内进行调 整，兼有点位和直线控制加工的功能，这类机床应该称为点位/直线控制的数控机床。3.轮廓控制数控机床轮廓控制数控机床能够对两个或两个以上运动的位移及速度进行连续相关的控制，使合成的 平面或空间的运动轨迹能满足零件轮廓的要求。它不仅能控制机床移动部件的起点与终点坐标， 而且能控制整个加工轮廓每一点的速度和位移，将工件加工成要求的轮廓形状。 常用的数控车床、数控铣床、数控磨床就是典型的轮廓控制数控机床。数控火焰切割机、电 火花加工机床以及数控绘图机等也采用了轮廓控制系统。轮廓控制系统的结构要比点位/直线控 系统更为复杂，在加工过程中需要不断进行插补运算，然后进行相应的速度与位移控制。 现在计算机数控装置的控制功能均由软件实现，增加轮廓控制功能不会带来成本的增加。因此，除少数专用控制系统外，现代计算机数控装置都具有轮廓控制功能1.3按驱动装置的特点分类1.开环控制数控机床这类控制的数控机床是其控制系统没有位置检测元件，伺服驱动部件通常为反应式步进电动 机或混合式伺服步进电动机。数控系统每发出一个进给指令，经驱动电路功率放大后，驱动步进 电机旋转一个角度，再经过齿轮减速装置带动丝杠旋转，通过丝杠螺母机构转换为移动部件的直 线位移。移动部件的移动速度与位移量是由输入脉冲的频率与脉冲数所决定的。此类数控机床的 信息流是单向的，即进给脉冲发出去后，实际移动值不再反馈回来，所以称为开环控制数控机床。 开环控制系统的数控机床结构简单，成本较低。但是，系统对移动部件的实际位移量不进行 监测，也不能进行误差校正。因此，步进电动机的失步、步距角误差、齿轮与丝杠等传动误差都 将影响被加工零件的精度。开环控制系统仅适用于加工精度要求不很高的中小型数控机床，特别 是简易经济型数控机床。2.闭环控制数控机床接对工作台的实际位移进行检测，将测量的实际位移值反馈到数控装置中，与输入的指令位 移值进行比较，用差值对机床进行控制，使移动部件按照实际需要的位移量运动，最终实现移动 部件的精确运动和定位。从理论上讲，闭环系统的运动精度主要取决于检测装置的检测精度，也 与传动链的误差无关，因此其控制精度高。图1-3 所示的为闭环控制数控机床的系统框图。图中 A 为速度传感器、C 为直线位移传感器。当位移指令值发送到位置比较电路时，若工作台没有移 动，则没有反馈量，指令值使得伺服电动机转动，通过A 将速度反馈信号送到速度控制电路，通过C 将工作台实际位移量反馈回去，在位置比较电路中与位移指令值相比较，用比较后得到的差 值进行位置控制，直至差值为零时为止。这类控制的数控机床，因把机床工作台纳入了控制环节，故称为闭环控制数控机床。 闭环控制数控机床的定位精度高，但调试和维修都较困难，系统复杂，成本高。3.半闭环控制数控机床半闭环控制数控机床是在伺服电动机的轴或数控机床的传动丝杠上装有角位移电流检测装 置（如光电编码器等），通过检测丝杠的转角间接地检测移动部件的实际位移，然后反馈到数控 装置中去，并对误差进行修正。通过测速元件A 和光电编码盘B 可间接检测出伺服电动机的转速，10从而推算出工作台的实际位移量，将此值与指令值进行比较，用差值来实现控制。由于工作台没有包括在控制回路中，因而称为半闭环控制数控机床。 半闭环控制数控系统的调试比较方便，并且具有很好的稳定性。目前大多将角度检测装置和 伺服电动机设计成一体，这样，使结构更加紧凑。4.混合控制数控机床将以上三类数控机床的特点结合起来，就形成了混合控制数控机床。混合控制数控机床特别 适用于大型或重型数控机床，因为大型或重型数控机床需要较高的进给速度与相当高的精度，其 传动链惯量与力矩大，如果只采用全闭环控制，机床传动链和工作台全部置于控制闭环中，闭环 调试比较复杂。混合控制系统又分为两种形式：（1）开环补偿型。它的基本控制选用步进电动机的开环伺服机构，另外附加一个校正电路。用装在工作台的直线位移测量元件的反馈信号校正机械系统的误差。（2）半闭环补偿型。它是用半闭环控制方式取得高精度控制，再用装在工作台上的直线位移测 量元件实现全闭环修正，以获得高速度与高精度的统一。其中A 是速度测量元件（如测速发电机），B是角度测量元件，C是直线位移测量元件。1.4数控未来的发展1.数控系统向开放式体系结构发展20 世纪90 年代以来，由于计算机技术的飞速发展，推动数控技术更快的更新换代。世界上 许多数控系统生产厂家利用PC 机丰富的软、硬件资源开发开放式体系结构的新一代数控系统。 开放式体系结构使数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、可扩展性，并可以较容易的实现智能化、网络化。近几年许多国家纷纷研究开发这种系统，如美国科学制造中心(NCMS)与空军共 同领导的“下一代工作站/机床控制器体系结构”NGC，欧共体的“自动化系统中开放式体系结 构”OSACA，日本的OSEC 计划等。开放式体系结构可以大量采用通用微机技术，使编程、操作 以及技术升级和更新变得更加简单快捷。开放式体系结构的新一代数控系统，其硬件、软件和总 线规范都是对外开放的，数控系统制造商和用户可以根据这些开放的资源进行的系统集成，同时 它也为用户根据实际需要灵活配置数控系统带来极大方便，促进了数控系统多档次、多品种的开 发和广泛应用，开发生产周期大大缩短。同时，这种数控系统可随CPU 升级而升级，而结构可 以保持不变。2.数控系统向软数控方向发展现在，实际用于工业现场的数控系统主要有以下四种类型，分别代表了数控技术的不同发 展阶段，对不同类型的数控系统进行分析后发现，数控系统不但从封闭体系结构向开放体系结构 发展，而且正在从硬数控向软数控方向发展的趋势。 传统数控系统，如FANUC 0 系统、MITSUBISHI M50 系统、SINUMERIK 810M/T/G 系统等。这是一种专用的封闭体系结构的数控系统。目前，这类系统还是占领了制造业的大部分市场。 但由于开放体系结构数控系统的发展，传统数控系统的市场正在受到挑战，已逐渐减小。 “PC 嵌入NC”结构的开放式数控系统，如FANUC18i、16i 系统、SINUMERIK 840D 系统、 Num1060 系统、AB 9/360 等数控系统。这是一些数控系统制造商将多年来积累的数控软件技术 和当今计算机丰富的软件资源相结合开发的产品。它具有一定的开放性，但由于它的NC 部分仍 然是传统的数控系统，用户无法介入数控系统的核心。这类系统结构复杂、功能强大，价格昂贵。 17 “NC 嵌入PC”结构的开放式数控系统 它由开放体系结构运动控制卡和PC 机共同构 成。这种运动控制卡通常选用高速DSP 作为CPU，具有很强的运动控制和PLC 控制能力。它本身就是一个数控系统，可以单独使用。它开放的函数库供用户在WINDOWS 平台下自行开发 构造所需的控制系统。因而这种开放结构运动控制卡被广泛应用于制造业自动化控制各个领域。 如美国Delta Tau 公司用PMAC 多轴运动控制卡构造的PMAC-NC 数控系统、日本MAZAK 公司 用三菱电机的MELDASMAGIC 64 构造的MAZATROL 640 CNC 等。SOFT型开放式数控系统,这是一种最新开放体系结构的数控系统.它提供给用户最大的选择和灵活性,它的CNC软件全部装在计算机中,而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部I/O之间的标准化通用接口.就像计算机中可以安装各种品牌的声卡和相应的驱动程序一样.用户可以在WINDOWS平台上,利用开放的CNC内核,开发所需的各种功能,构成各种类型的高性能数控系统,与前几种数控系统相比,SOFT型开放式数控系统具有最高的性能价格比,因而最具有生命力.通过软件智能替代复杂的硬件,正在成为当代数控系统发展的重要趋势.其他型产品有美国MDSI公司的OpenCNC、德国Power Automation 公司的PA8000 NT等。3.数控系统控制性能向智能化方向发展智能化是21世纪制造技术发展的一个大方向。随着人工智能在计算机领域的渗透和发展，数控系统引入了自适应控制、模糊系统和神经网络的控制机理，不但具有自动编程、前馈控制、模糊控制、学习控制、自适应控制、工艺参数自动生成、三维刀具补偿、运动参数补偿等功能，而且人机界面极为友好，并具有故障诊断专家系统使自诊断和故障监控功能更趋完善。伺服系统智能化的主轴交流驱动和智能化进给伺服装置，使自动识别负载并自动化调整参数。世界上正在进行研究的智能化切削加工系统很多，其中日本智能化数控装置研究会针对钻削的智能加工方案具有代表。4.数控系统向网络化方向发展数控系统的网络化，主要指数控系统与外部的其他控制系统或尚未计算机进行网络连接盒网络控制。数控系统一般首先面向生产现场和企业内部的局域网，然后再经由因特网通向企业外部，这就是所谓Internet/Intranet技术。随着网络技术的成熟和发展，最近业界又提出了数字制造的概念。数字制造，又称“e-制造”，是机械制造企业现代化的标志之一，也是国际先进机床制造商当今标准配置的供货方式。随着信息化技术的大量采用。越来越多的国内用户在进口数控机床时要求具有远程通讯服务等功能。数控系统的网络化进一步促进了柔性自动化制造技术的发展，现代柔性制造系统从点（数控单机、加工中心和数控符合加工机床）、线（FMC、FMS、FTL、FML）向面（工段车间独立制造岛、FA）、体（CIMS、分布式网络集成制造系统）的方向发展。柔性自动化技术以易于联网和集成为目标。同时注重加强单元技术的开拓、完善、数控机床及其构成柔性制造系统能方便地与CAD、CAM、CAPP、MTS联结，向信息集成方向发展，网络系统向开放、集成和智能化方向发展。5.数控系统向高可靠性方向发展随着数控数控机床网络化英语的日趋广泛，数控系统的高可靠性已经成为数控系统制造商追求的目标。对于每天工作两班的无人工厂而言，如果要求在16小时内连续正常工作，无故障率在P（t）=99%以上，则数控机床的平均无故障运行时间MTBF就必须大于3000小时。我们只对某一台数控机床而言，如主机与数控系统的失效率之比10:1（数控的可靠比主机高一个数量级）。此时数控系统的MTBF就要大于3333.3小时，而其中的数控装置、主轴及驱动等的MTBF就必须大于10万小时。如果对整条生产线而言，可靠性要求还要更高。当前国外数控装置的MTBF值已达6000小时以上，驱动装置达30000小时以上，但是，可以看到距理想的目标还有差距。6.数控系统向复合化方向发展在零件加工过程中有大量的无用时间消耗在工件搬运、上下料、安装调整、环岛和主轴的升降速上，为了尽可能降低这些无用时间，人们希望不同的加工功能整合在同一台机床上，因此，复合功能的机床成为近年来发展很快的机种。柔性制造范畴的机床复合加工概念时指将工轴零件次装夹后，机床便能按照数控加工程序，自动进行同一类工艺方法或不同类工艺方法的多工序加工，以完成一个复杂形状零件的主要乃至全部车、铣、钻、镗、磨、攻丝、铰孔和扩孔等多种加工工序。普通的数控系统软件针对不同类型的机床使用不同的软件版本，比如Siemens的810M系统和802D系统就有车床版本和铣床版本之分。复合化的要求促使数控系统功能的整合。目前，主流的数控系统开发商能提供高性能的复合机床数控系统。7.数控系统问多轴联动化方向发展由于在加工自由曲面时，3轴联动控制的机床无法避免切速接近于零的球头铣刀端部参予切削，进而对工件的加工质量造成破坏性影响，而5轴联动控制对球头铣刀的数控编程比较简单，并且能使球头铣刀在铣削3维曲面的过程中始终保持合理的切速，从而显着改善加工表面的粗糙度和大幅度提高加工效率，因此，各大系统开发商不遗余力地开发5轴、6轴联动数控系统，随着5轴联动数控系统和编程软件的成熟和日益普及。5轴联动控制的加工中心和数控铣床已经成为当前的一个开发热点。最近，国外主要的系统开发商在6轴联动控制系统的研究上已经取得和很大进展，在6轴联动加工中心上可以使用非旋转刀具加工任意形状的三维曲面，且切深可以很薄，但加工效率太低一时尚难实用化。电子技术、信息技术、网络技术、模糊控制技术的发展使新一代数控系统技术水平大大提高，促进了数控机床产业的蓬勃发展，也促进了现代制造技术的快速发展。数控机床性能在高速度、高精度、高可靠性和复合化、网络化、智能化、绿色化方面取得了长足的进步。现代制造业正在迎来一场新的技术革命。第2章 数控加工工艺设计随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，数控加工技术对国计民生的一些重要行业（IT、 汽车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用，因为效率、质量是先进制造技术的主体。 高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争 能力。而对于数控加工,无论是手工编程还是自动编程，在编程前都要对所加工的零件进行工艺 分析，拟定加工方案，选择合适的刀具，确定切削用量，对一些工艺问题(如对刀点、加工路线 等)也需做一些处理。并在加工过程掌握控制精度的方法,才能加工出合格的产品.2.1加工方案的确定零件图纸工艺分析确定装夹方案确定工序方案确定工步顺序确定进给路线确定 所用刀具确定切削参数编写加工程序具体零件图纸工艺分析。图2.1 轴零件该零件主要由轴类零件。都属于长轴类零件。轴零件由圆柱面组成；轴零件由三角螺纹、螺纹退刀槽、圆柱面、圆弧曲线等部分组成。螺纹退刀槽是为了车螺纹时退刀方便, 螺纹用于安装各种锁紧螺母和调整螺母。根据工作性能与条件，轴零件加工尺寸尺寸精度都比较难。图纸的难点之一在于零件调头的装夹部分，为了保证调头装夹时三角螺纹不被破坏，需要在夹持左端时用铜皮包住，以防夹伤。2.2装夹方案的确定形位精度的要求确定了零件的装夹方案，从该两个零件可看出，零件均需要经过掉头装夹才能达到要求。先夹住2-1右端，加工2-1左端的，然后掉头加工2-1左端。2-2图先夹住2-2左端，加工2-2右端，然后掉头。端面定位需采用百分表找正，保证同轴度，还需注意，薄壁处易变形（特别是梯形螺纹部分），加紧力要适当。由于夹具确定了零件在机床坐标系中的位置，即加工原点的位置，因而首先要求夹具能保证零件在机床坐标系中的正确坐标方向，同时协调零件与机床坐标系的尺寸。除此之外，主要考虑下列几点：小批量或成批生产时才考虑采用专用夹具，但应力求结构简单；夹具要开敞，其定位、夹紧机构元件不能影响加工中的走刀（如产生碰撞等）；装卸零件要方便可靠，以缩短准备时间，有条件时，批量较大的零件应采用气动或液压夹具、多工位夹具。综合零件（图2.1）的工艺路线拟定。典型的轴类零件,形状很规则，故夹具选用三爪自定心卡盘如图（2-2），三爪卡盘装夹工件时可自动定心，不需找正。但需要注意的是，用三爪卡盘夹紧工件时，为保证足够的夹紧力，一般要留有20mm以上的夹持长度。如图2-2 三爪卡盘2.3加工工序的划分以高切削速度、高进给速度和高加工精度为主要特征的高速切削技术，最近十几年发展迅在 航空航天、模具制造及精密微细加工等领域得到了广泛应用。因此，高速加工技术的研究已成为国内外制造领域重要的研究项目之一。1.确定刀具路径应满足的基本要求高速切削不仅提高了对机床、夹具、刀具和刀柄的要求，同时也要求改进刀具路径策略，因为若 路径不合理，在切削过程中就会引起切削负荷的 突变，从而给零件、机床和刀具带来冲击，破坏加工质量，损伤刀具。在高速切削中由于切削速度和进给速度都很快，这种损害比在普通切削 中要严重的多，因此， 必须研究适合高速切削的路径，将切削过程中切削负荷的突变降至最低。 可以说，高速切削机床只有有了合理的高速刀具轨迹才能真正获得最大效益。为了消除切削过程中切削负荷的突变，刀具路径应满足以下基本要求： 切削是等体积切削，即切削过程中切削力恒定。尽量减少空行程。 尽量减少进给速度的损失。通用的刀具路径2.刀具进给要求进刀时采用螺旋或弧进刀，使刀具逐渐切入零件，以保证切削力不发生突变，延长刀具寿命。 切削速度的连续和无突变，使切削连续平稳，否则，将产生冲击。 切削时使用顺铣使切削过程稳定，不易过切，刀具磨损小，表面质量好。 采用小的轴向切深以保证小的切削力、少的切削热和排屑的顺畅。无切削方向突变，即刀具轨迹 是无尖角的，普通加工轨迹的尖角处用圆弧或其他曲线来取代，从而保证切削方向的变化是逐渐 的而不 是突变的。这样有两点好处：一是现代高速机床的控制系统都有程序段前视和尖角自动 减速功能，即在到达尖角前，将自动降低进给速度，这样虽然减小了冲击，且 避免了过切，但却损失了进给速度。轨迹是无尖角的，自然也就避免了这种情况的发生；二是在尖角处切削负荷 会突然加大，引起冲击。轨迹是无尖角的 时候这种问题同样不存在。 采用等高线轨迹，加工余量均匀的走刀路线可取得好的效果。为采用等高线法的刀具轨迹，刀具沿 X 或 Y 轴方向平动，完成金属的切除， 这样可保证高速加工中切削余量均匀，对加工稳定，尤其是刀具寿命的延长有利.3.粗加工刀具要求粗加工时常用的刀具路径有：Z向等高线层切法，即将零件分成若干层，一层一层逐层往下切，在每层中将零件的所有区 域加工完再进人下一层，在每一层均采用螺旋或圆弧进刀，同时 采用无尖角刀具轨迹。这样有 利于排屑，也避免了切削力发生突变。对薄壁件来说，更应采用这种刀具轨迹，因为这种刀具轨 迹在切削过程中还能使薄壁 保持较好的刚性。 插铣刀具路径。对于深度很深的腔体的粗加工可采用插铣的方法来进行，因为腔体很深时，需要很长的刀具，这时刀具的刚性很差，按常规的切削路线切削刀具易变形，而且也易产生振动，影响加工质量和效率，采用插铣的轨迹正好可解决这一问题。 摆线刀具路径。另一种更新的粗加工刀具轨迹是摆线刀具轨迹，“摆线”是指当一个圆沿着一条曲线作纯滚动时，圆上某一固定点的轨迹。采用 这种刀具轨迹使刀具在切削时距某条曲线(一 般是零件的轮廓线及其平移线)保持一个恒定的半径，从而可使进给速度在加工过程中可保持不 变，而且这时的径向吃刀量一般取刀具直径的 5%左右，因此刀具的冷却条件良好，刀具的寿命 较长。这对高速加工是非常有利的。4.精加工刀具路径要求加工时常用的刀具路径有：先在陡峭面用Z 向等高线层切法加工，然后在非陡峭面采用表面轮廓轨迹法加工； 先用表面轮廓轨迹法加工所有面，再在垂直方向上加工陡峭面。 薄壁件的精加工采用Z 向等高线层切法。 当然在加工过程中同样每一层都要尽量作到螺旋或园弧进刀，采用无尖角刀具轨迹。5.其他刀具路径要求如加工的是单一型腔的薄壁件，它比单纯的等高线逐层切法对保持薄壁的刚性更好，从而保 证加工余量均匀，零件变形小。 对薄底零件应采用所示的走刀轨迹。即从离支撑最远的点开始切削，分层切削直到深度到位；每次深度铣到以后再向支撑处移动一个径向切深，重复上一步的过程，直至切削完成。相当于将薄壁件的等高线逐层切法转动90。这样才能在切削时较好地保持零件刚性，避免振动。因此轴零件共分为两个工序：工序1：夹住2-1零件右端，使伸出长65mm，加工2-1左端外圆、切槽及外螺纹。图2-3工序2：夹住2-1零件左端的52,伸长95mm，加工内孔40及右端外圆及外圆槽，程序保证零件长度145mm。图2-4工序22.4加工刀具的选择确定进给路线的工作重点，主要在于确定粗加工及空行程的进给路线，因精加工切削过程的进给路线基本上都是沿其零件轮廓顺序进行的。 进给路线泛指刀具从对刀点（或机床固定原点）开始运动起，直至返回该点并结束加工程序 所经过的路径，包括切削加工的路径及刀具切入、切出等非切削空行程。 在保证加工质量的前提下，使加工程序具有最短的进给路线，不仅可以节省整个加工过程的 执行时间，还能减少一些不必要的刀具消耗及机床进给机构滑动部件的磨损等。 而刀具的选择也是数控加工中重要内容之一，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。如下是对该零件工步顺序、刀具的选择。 1.粗车外圆表面。刀具：93外圆刀。52、39外圆。2.精车外圆表面。刀具：93外圆刀。52、39外圆。3.切槽。刀具：宽3mm外槽刀。4.车螺纹。刀具：60螺纹刀。 M25X1.5外螺纹。2.5切削用量的确定切削用量是衡量工作运动大小的数值，它的选择与保证工件质量和提高生产效率有密切的关系。切削用量主要包括切削速度、进给量和切削深度。切削用量大小决定着加工时间、刀具寿命 和加工质量。经济有效的加工方式必然是合理的选择了切削用量。如下是对该零件切削用量的选择。 外圆柱面 粗车:S=600r/min F=80mm/min ap=2mm 精车: S=800r/min F=100mm/min ap=1mm 内圆柱面粗车:S=600r/min F=60mm/min ap=2mm 精车:S=800r/min F=80mm/min ap=1mm 外螺纹S=500r/min 外槽S=500r/min F=40mm/min ap=2mm 2.6数控加工工艺卡片的拟定机械加工工艺卡是以工序为单位来简单明确的说明工件的加工工艺路线，主要用来表示工件的加工流向，共安排生产计划、组织生产调度用；而机械加工工序卡是在工艺卡的基础上，按照每道工序所编制的一种工艺文件，主要是用于指导工人完成某一工序所使用的卡片。将前面分析的各项内容综合成数控加工工艺卡片，具体卡片请查看下表。表2-1 工艺过程卡片机械加工工艺过程产品名称轴材料45钢毛坯尺寸55mm150mm序号工序名称工序内容车间设备工装1锻造下料，制造毛坯55mm150mm圆棒料2车夹住零件右端，使伸出长65mm，加工2-1左端外圆、切槽及外螺纹数控数控车床三爪卡盘3车夹住零件左端的52,伸长95mm，加工内孔40及右端外圆及外圆槽，程序保证零件长度145mm数控数控车床三爪卡盘4钳工去毛刺5终检检验图上各尺寸6入库表2-2 轴零件工序卡1零件名称轴零件加工方法数控车零件图号机床型号CK6140夹具标准三爪卡盘零件材料钢序号工步内容刀具主轴转速进给速度背吃刀量加工控制代号r/minmm/rmm1安装工件2平端面T01018000.150.3手动34粗、精车外圆T0101600、6500.2/0.12/0.5自动表2-3 轴零件工序卡2零件名称轴零件1右加工方法数控车零件图号机床型号CK6140夹具标准三爪卡盘零件材料钢序号工步内容刀具主轴转速进给速度背吃刀量加工控制代号r/minmm/rmm1调头安装切断T08086500.150手动2平端面T01018000.10.8手动3粗、精镗內孔T0404650/7000.15/0.081.5、0.5自动表2-4 轴零件刀具卡序号刀具号刀具名称刀具材料数量加工内容刀补1T010193外圆刀硬质合金1粗，精车外圆轮廓012T02024mm外槽刀硬质合金1切退刀槽023T030360外螺纹刀硬质合金1切螺纹034T040455尖刀硬质合金1车外圆曲线04第3章 轴零件数控程序编制3.1编程理论依据1.数控机床坐标系系统数控机床的坐标系统，包括坐标系、坐标原点和运动方向，对于数控加工及 编程，是一个十分重要的概念。每一个数控编程员和数控机床的操作者，都必须 对数控机床的坐标系统有一个完整且正确的理解，否则，程序编制将发生混乱， 操作时更会发生事故。2.坐标系数控机床的坐标系采用右手直角坐标系，其基本坐标轴为X、Y、Z 直角坐 标，相对于每个坐标轴的旋转运动坐标为A、B、C。3.坐标轴及其运动方向不论机床的具体结构是工件静止、刀具运动，还是工件运动、刀具静止，数 控机床的坐标运动指的是刀具相对静止的工件坐标系的运动。ISO对数控机床的坐标轴及其运动方向均有一定的规 定：Z 轴定义为平行于机床主轴的坐标轴，如果机床有一系列主轴，则选尽可能 垂直于工件装夹面的主要轴为 Z 轴，其正方向定义为从工作台到刀具夹持的方 向，即刀具远离工作台的运动方向；X 轴作为水平的，平行于工件装夹平面的坐 标轴，它平行于主要的切削方向，且以此方向为主方向；Y 轴的运动方向则根据 X 轴和 Z 轴按右手法则确定。旋转坐标轴 A、B、C 相应地在 X、Y、Z 坐标轴正方向上，按右手螺纹前进方向来确定。4.坐标原点机床原点现代数控机床一般都有一个基准位置（set location），称为机床 原点（machine origin 或home position）或机床绝对原点（machine absolute origin）， 是机床制造商设置在机床上的一个物理位置，其作用是使机床与控制系统同步， 建立测量机床运动坐标的起始点。 机床参考点与机床原点相对应的还有一个机床参考点（reference point）， 它也是机床上的一个固定点，一般不同于机床原点。一般来说，加工中心的参考 点为机床的自动换刀位置。 程序原点对于数控编程和数控加工来说，还有一个重要的原点就是程序 原点（program origin），是编程人员在数控编程过程中定义在工件上的几何基准 点，有时也称为工件原点（part origin）。程序原点一般用 G92 或 G54G59（对 于数控镗铣床）和G50（对于数控车床）指定。 装夹原点除了上述三个基本原点以外，有的机床还有一个重要的原点， 即装夹原点（fixture origin）。装夹原点常见于带回转（或摆动）工作台的数控机 床或加工中心，一般是机床工作台上的一个固定点，比如回转中心，与机床参考 点的偏移量可通过测量存入CNC 系统的原点偏移寄存器（origin offset register） 中，供CNC 系统原点偏移计算用。5.原点偏移现代 CNC 系统一般都要求机床在回零操作，即使机床回 到机床原点或机床参考点之后，通过手动或程序命令（比如G92X0 Y0 Z0）初始 化控制系统后，才能启动。机床参考点和机床原点之间的偏移值存放在机床常数 中。初始化控制系统是指设置机床运动坐标X，Y，Z，A，B 等的显示为零。 对于程序员而言，一般只要知道工件上的程序原点就够了，与机床原点、机床参考点及装夹原点无关，也与所选用的数控机床型号无关。但对于机床操作者来说，必须十分清楚所选用的数控机床上上述各原点及其之间的偏移关系。6.绝对坐标编程和增量坐标编程数控系统的位置/运动控制指令可采用两种编程坐标系统进行编程，即绝对 坐标编程（absolute programming）和增量坐标编程（incremental programming）。 绝对坐标编程在程序中用 G90 指定，刀具运动过程中所有的刀具位置 坐标是以一个固定的编程原点为基准给出的，即刀具运动的指令数值（刀具运动 的位置坐标），与某一固定的编程原点之间的距离给出的。 增量坐标编程在程序中用 G91 指定，刀具运动的指令数值是按刀具当前所在位置到下一个位置之间的增量给出的。3.2编程指令的选择1.数控车编程指令介绍FANUC系统数控车的编程指令及其指令格式FANUC 0-TD系统 G 代码命令 代码组及其含义“模态代码” 和 “一般” 代码“形式代码” 的功能在它被执行后会继续维持，而 “一般代码” 仅仅在收到该命令时起作用。定义移动的代码通常是“模态代码”，像直线、圆弧和循环代码。反之，像原点返回代码就叫“一般代码”。每一个代码都归属其各自的代码组。在“模态代码”里，当前的代码会被加载的同组代码替换。表3.2.1 常用G代码G代码功能说明G代码功能说明G00快速点定位模态指令G53机床坐标系设定非模态指令G01直线插补G54-G59选择工件坐标系16G02顺时针圆弧插补G65调用宏程序非模态指令G03逆时针圆弧插补G70精加工循环G04暂停非模态指令G71外径/内径粗车复合循环G20英制尺寸编程G72端面粗车复合循环G21米制尺寸编程G73轮廓粗车复合循环G27返回参考点检查非模态指令G76多头螺纹复合循环G28返回参考点位置G90外径/内径自动车循环模态指令 G32螺纹切削模态指令G92螺纹自动车循环G40取消刀具半径补偿G94端面自动车循环G41刀具半径左补偿G96恒表面切削速度控制G42刀具半径右补偿G97恒表面切削速度控制取消G50主轴最大速度设定非模态指令G98每分钟进给G52局部坐标系设定G99没转进给2.编程指令选择G00 定位 （1）格式 G00 X_ Z_ 这个命令把刀具从当前位置移动到命令指定的位置 (在绝对坐标方式下)， 或者移动到某个距离处 (在增量坐标方式下)。 （2） 非直线切削形式的定位 我们的定义是：采用独立的快速移动速率来决定每一个轴的位置。刀具路径不是直线，根据到达的顺序，机器轴依次停止在命令指定的位置。 （3） 直线定位 刀具路径类似直线切削(G01)那样，以最短的时间（不超过每一个轴快速移动速率）定位于要求的位置。 （4）举例 N10 G0 X100 Z65 G01 直线插补 （1） 格式 G01 X(U)_ Z(W)_ F_ ;直线插补以直线方式和命令给定的移动速率从当前位置移动到命令位置。X, Z: 要求移动到的位置的绝对坐标值。U,W: 要求移动到的位置的增量坐标值。 圆弧插补 (G02, G03) （2） 格式 G02(G03) X(U)_Z(W)_I_K_F_ ;G02(G03) X(U)_Z(W)_R_F_ ; G02 顺时钟 (CW)G03 逆时钟 (CCW)X, Z 在坐标系里的终点U, W 起点与终点之间的距离I, K 从起点到中心点的矢量 (半径值)R 圆弧范围 (最大180 度)。（3）举例 绝对坐标系程序G02 X100. Z90. I50. K0. F0.2或G02 X100. Z90. R50. F02; 增量坐标系程序G02 U20. W-30. I50. K0. F0.2;或G02 U20. W-30. R50. F0.2; 功能螺纹切削循环。 内外直径的切削循环(G90) （1） 格式 直线切削循环:G90 X(U)_Z(W)_F_ ;按开关进入单一程序块方式，操作完成如图所示 1234 路径的循环操作。U 和 W 的正负号 (+/-) 在增量坐标程序里是根据1和2的方向改变的。锥体切削循环:G90 X(U)_Z(W)_R_ F_ ;必须指定锥体的 “R” 值。切削功能的用法与直线切削循环类似。 383.3数控程序编制先编写图2-1轴零件左端为例，先编写外圆部分，用G71车外圆，然后编写内槽用G00,G01切内槽，最后用G76编写内螺纹。再编写图2-1轴零件右端，编写外圆部分，用G71指令车外圆和外弧面。车T型螺纹部分程序：T0303G99(选择T螺纹车刀)G00X100Z100(定位安全距离)M03S450(主轴正转，转速450r/min)G00X27Z3(定位到循环点)G76 P01060 Q50 R0.02(G76循环螺纹切削)G76 X41 Z-55. P20 Q15 F1.5G00X100Z100(退至安全距离)M30(结束)第4章 轴零件数控加工仿真4.1仿真加工软件简介Mastercam是美国CNC Software NC公司研制与开发的CAD/CAM一体化软件。自1981年推出第一代产品开始就以其强大的加工功能闻名于世。二十年来在此基础上进行不断地更新与完善，Mastercam是被工业界及学校广泛采用。Mastercam作为众多CAD/CAM软件中的一种，之所以能有第一位的装机量，其优点是显而易见的。它对硬件的要求不高，在一般配置的计算机上就可运行；它操作灵活，界面友好，易学易用，适用于大多数用户，能使企业迅速使用并取得很好的经济效益。另外，Mastercam的性价比，是其他同类软件所不能比拟的。随着我国加工制造业的崛起， Mastercam在中国的销量逐步提升，在全球的CAM市场份额雄居榜首。因此对每个机械设计与加工人员来说，学习Mastercam是十分必要的。Mastercam x是Mastercam的最新版本，它在以前版本的基础上做了较大的改进，特别是在三维造型及加工方面增加了新的功能和模块，使其操作更方便，功能更强大，更适合用户的要求。Mastercam包括4大模块：Design、Lathe、Mill和Wire。Design模块用于被加工零件的造型设计，Mill模块主要用于生成铣削加工刀具路径，Lathe模块主要用于生成车削加工刀具路径，Wire模块主要用于生成线切割刀具路径。这4个模块可单独使用，在Mill模块，Lathe模块和Wire模块中也可以进行Design模块中的完整的造型设计，在其中一个模块中就可以实现造型设计与加工过程的统一。Mastercam x还增加了Router模块和 The MetaCut Utullities模块。本书仅对Mastercam X版本中的Mill模块进行介绍。4.2仿真加工过程4.2.1轴零件1仿真加工1.外圆仿真加工(1)机床选择打开Mastercam，点击工具栏,选择“车削”，点击“默认”。（2）材料设置点击左侧机床设置中的，点击Stock的按钮，根据工艺设置如图（4-1）所示的毛坯，设置“外径”，“内径”，“长度”，“轴向位置”，然后点击“”设置完毕。图4-1（3）刀具选取和仿真加工点击工具栏，选择“粗车”，选择加工路径如图（4-2）所示，然后确定，选取外圆刀，设置“进给率”，“下刀速率”，“主轴转速”等参数如图（4-2）。然后点击“粗加工参数”，如图（4-3）所示。图4-2 图4-3 （4）仿真验证。点击右侧验证按钮，点击验证，粗加工仿真如图4-4所示仿真图，表示仿真正确；精加工仿真如图4-45所示仿真图，表示仿真正确。 图4-4 2.切槽仿真加工机床选择、材料设置以及验证请参考内圆仿真加工。（1）刀具选择和仿真加工点击工具栏，选择“径向车削刀具路径”，选择加工路径如图（4.-5），然后确定，选取槽刀，设置“进给率”，“下刀速率”，“主轴转速”等参数如图（4-6）。然后点击“径向粗车参数”，设置如图（4-7）所示，最后点击“径向精车参数”，设置如图（4-8）所示。图（4-5）图（4-6）图（4-7）（2）仿真验证。点击右侧验证按钮，点击验证，切槽仿真如图4-8所示仿真图，表示仿真正确。 图4-8 3车螺纹仿真加工机床选择、材料设置以及验证请参考外圆仿真加工。（1）刀具的选择和仿真加工点击工具栏，选择“车螺纹”，选择加工路径然后确定，选取螺纹刀，设置“进给率”，“下刀速率”，“主轴转速”等参数设置如图（4-9）。然后点击“车螺纹参数”，设置如图（4-10）。图4-9图4-10（2）仿真验证。点击右侧验证按钮，点击验证，切槽仿真如图4-11所示仿真图，表示仿真正确。图4-114.2.2轴零件右端的仿真加工轴零件右端的仿真加工与轴零件左端相似，如下图所示。图4-12右端外圆图4-13外圆槽图4-14右端内孔总 结控制机床时用数字代码形式的信息（程序指令），控制刀具按给定的工作程序、运动速度和轨迹进来自动加工的机床，简称数控机床。对于数控加工，无论是手工编程还是自动编程，在编程前都要对所加工的零件进行工艺分析，拟定加工方案，选择合适的刀具，确定切削用量，对一些艺问题（如对刀点、加工路线等）也需要一些处理。并在加工过程掌握控制精度的方法，才能加工出合格的产品为了更好地运用数控技术，合理编程，现将数控车床编程指令中意思新近功能相似，格式参数较多，轨迹复杂的指令加以分析。文章介绍了它们的异同点，难点，以便于合理运用我不仅学到了许多加工工艺方面的只是，更学到了课本上没有的知识。在实训的过程中遇到了不少问题，而犯的错误也不少，通过实训让我学会虚心求教，细心体察，大胆实践。任何能力都是在实践中积累起来的，都会有一个从不会到会，从不熟练到熟练的过程，人常说“生活是最好的老师”或是说只有在生活实践中不断磨练，才能提高独立思考和解决问题的能力；同时也培养了自己优良的学风、高尚的人生、团结和合作的精神；学会了勤奋、求实的学习态度。勤奋就是要发奋努力、不畏艰难。当然，在实训过程中，我们也收获了快乐，与同学的快乐，于老师的快乐。因为每当自己或自己和同学完成了一个项目时，或多或少有些欣慰，会感到开心，信息时和老师的交流的也是一种快乐。然然实训时间不长，但对我今后的学习有很大帮助。这只是起点，终点离我们还有一定距离，所以还是需要我们继续努力去走以后的路。而我们要把握好每一次的机会。错过了就再也找不回来了。参考文献1 许镇宇.机械零件.北京：高等教育出版社，1983；2 孔庆复.计算机辅助设计与制造.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1994；3 雷宏.机械工程基础.哈尔滨：黑龙江出版社 20024 王中发.实用机械设计.北京：北京理工大学出版社，1998；5 唐宗军.机械制造基础.大连：机械工业出版社，1997；6 吴组育，秦鹏飞.数控机床.上海：上海科学技术出版社，2003；7 许翔秦，刘艳芳.数控加工编程实用技术.北京：机械工业出版社，2000；8 吴明友.数控机床加工技术 江苏：东南大学出版社.2000；9 王宝成.现代想问机床.天津：天津科学技术出版社，2000；10 廖效果，朱启俅.数字控制机床.江西：华中科技大学出版社，2002；11 张树森.机械工程学.辽宁：东北大学出版社，2001；12 应云天.俄文翻译手册. 北京：高等教育出版社，1999；13 邓星钟.机电传动控制（第三版）.武汉：华中科技大学出版社，2001；14 曹锬.数控机床应用与维修.北京：电子工业出版社，1994；15 李福生.实用数控机床技术手册.北京：北京出版社，1993；16王爱玲.实用数控与编程技术.北京：国防工业出版社，1993致 谢本设计是在我在指导老师的精心指导和大力支持下完成的，这篇设计的每个细节和每个数据，都离不开老师的细心指导，而老师严谨的治学精神，精益求精的工作作风和宽容的教学态度都深深地感染和激励着我。并在此同时您还在思想上、学习上给予了我无微不至的关怀，在此谨向指导老师致以诚挚的谢意。我也要感谢我的母校，回想我在学院的两年多的时间里，感谢各位老师对我的栽培，他们不仅在学习方面给了我很大的帮助。而且，他们严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；他们循循善诱的教导和不拘一格的思维方式给予我无尽的启迪，这些都将使我终生受益。借此机会对他们表示深深的感谢，并祝福他们在以后的人生旅途中永远幸福快乐。我在这里生活和学习了两年多的时间，我们同学、朋友们无论是在学习还是在生活及其它各个方面都给了我很多的帮助和支持。在毕业设计的编写过程当中，我认真地听取他们的意见，使毕业设计说明书表述更加清晰，内容更加完善。同时感谢自己的家人 ，谢谢你们。也谢谢那么多提供我资料的人。