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本科毕业设计说明书（论文）第1页共50页1绪论凸轮机构由于本身具有传递力的特性，因而广泛应用于各种机械设备,使其实现各种运动规律。由于凸轮的轮廓含有非圆的平面曲线,以前常受到设计和加工条件的限制，往往采用作图法来设计凸轮轮廓并加工凸轮，其加工质量难以保证，且生产效率低[3]。随着机械制造不断向着高速精密和自动化方向的发展，在凸轮机构的转速和精度方面也作出了更高的要求，因此利用计算机进行辅助设计和使用数控机床加工是很有必要的[4]。不论是手工编程还是自动编程，在编程前都需要对所加工的零件进行工艺过程分析，包括数控加工工艺的设计、加工方法与加工方案、数控加工工艺路线的设计、走刀路线的设计、零件夹紧与夹具设计、刀具选择、切削量的选择、工艺文件设计等。因此，在编程中合理确定数控加工工艺对实现优质、高效和经济的数控加工具有极为重要的作用。1.1课题背景及研究意义当今，在电子技术和计算机技术的高速发展下，制造业也随之发生了根本性的变化，其中重要的一个标志就是数控技术得到了广泛的应用。普通机床正逐渐被高效率、高精度的数控机床所替代，制造业正朝着高自动化、高智能化的方向迅速发展。与普通机床相比，数控机床显著提高了加工效率和加工精度，例如凸轮轮廓中非圆的平面曲线，在普通机床上基本都无法加工出来，或是加工精度低、加工时间长，而数控机床就可以在很短的时间内完成，其加工精度和加工效率都是普通机床所无法达到的。在近几十年当中，数控技术的高速发展提高了制造业水平，给社会带来了巨大的生产力。数控编程技术是数控技术中最重要的一个组成部分。从数控机床的诞生开始，数控编程技术就成为了各工业发达国家和地区竞争的焦点，成为了CAD/CAM系统重要组成的一个部分。因此，在今后相当一段时间内，机械加工技术的竞争和发展，主要是数控技术的竞争和发展。1.2发展现状及前景零件加工程序的编制是数控加工的基础，根据国内外数控加工统计的数据表明，在造成数控设备空闲的诸多原因中，由编程引起的大约占其中的20％～30％，可见数本科毕业设计说明书（论文）第2页共50页控编程的好坏对机械设备的使用效率有直接的影响。数控机床出现不久，计算机就被用来帮助解决复杂零件的计算以及输出可执行的代码，称为计算机辅助编程或自动编程。根据编程信息的输入和计算机对信息的处理方式不同，计算机辅助编程分成APT语言自动编程和CAD/CAM一体化数控编程语言进行图形交互自动编程两种。语言自动编程是用专用语句书写源程序，再输入计算机进行处理转换成数控机床所要求的数控指令格式。这种程序编写方法直观性差，并且较复杂，编程过程中不便于进行检查。近年来，随着计算机在图形处理能力方向得到了很大的提高，“图形交互自动编程”应运而生，并在70年代以后，得到了迅速的发展及推广应用。“图形交互自动编程”是通过专用的计算机软件(如机械CAD软件)来实现。利用CAD软件的图形编辑功能将零件的几何图形绘制在计算机上，形成零件的图形文件，然后调用数控编程模块，采用人机对话的方式，在计算机屏幕上指出零件需要进行加工的部位，再输入相关的加工参数，计算机就会自动进行相应的数学处理并编制出零件的加工程序，同时在计算机屏幕上动态地显示出刀具的加工轨迹。这种编程方法与手工编程和语言自动编程相比，编程方法简单易学，具有速度快、直观性好、精度高、便于检查等优点。因此，“图形交互自动编程”目前已成为国内外先进的CAD/CAM软件所普遍采用的数控编程方法[5]。到了二十世纪八十年代，在CAD/CAM一体化概念的基础上，又出现了并行工程的概念。为了适应并行工程发展的需要，数控编程技术正向集成化、智能化、网络化、并行化和虚拟化的方向发展。到了二十世纪九十年代中期，由于Internet/Intranet与Web技术在制造业的普及和广泛应用以及基于PC的开放式数控技术取得了实质性进展，传统产品的设计、制造和生产模式发生了改变，向异地制造、全球制造等一些新概念的方式转变。本科毕业设计说明书（论文）第3页共50页2数控加工工艺分析及设计2.1数控加工工艺数控铣床加工工艺的过程一般是：先通过分析零件图样，确定工件在数控铣削中的加工内容、加工要求，然后以此为出发点确定零件在数控铣削的加工工艺和加工过程顺序。接着确定数控加工的工艺设备，如：确定何种规格、类型、技术参数的数控机床；思考工件如何装夹及装夹方案的拟定；选择适合加工表面、结构特征和技术要求的刀具并进行调试，明确和细化工步的具体内容，包括对走刀路线、进给量和切削参数的确定。数控铣床加工工艺过程如图2.1所示。加工图样加工方案装夹方法标准夹具特殊夹具刀具选择标准刀具特殊刀具加工中心数据表刀具对刀试运行试切削工件毛坯数控铣床加工零件设计加工程序编制程序输入介质图2.1数控铣床加工工艺过程2.1.1分析零件图（1）分析零件图的尺寸标注在分析零件图时，除了考虑尺寸数据是否有遗漏或重复、尺寸标注是否模糊不清和尺寸是否封闭等因素外，还应该分析零件图的尺寸标注方法是否便于编程。无论是用绝对、增量、还是混合方式编程，都希望零件结构的形位尺寸都以同一基准为出发点进行标注尺寸或直接给出坐标尺寸。这种标注方法，不仅方便程序的编制，而且利于尺寸之间的相互协调，确保设计、制造及检验基准与编程原点的一致性。不从同一本科毕业设计说明书（论文）第4页共50页基准出发标注的分散类尺寸，可以考虑通过编程时变换坐标系的方法（如建立子坐标系），或通过工艺尺寸链解算的方法来统一基准的工艺尺寸。此外，对于一些封闭尺寸，为了同时保证孔间距的公差，在编程时必须计算尺寸链，不能直接按名义尺寸编程，适当调整原孔位尺寸，确保加工后的孔距尺寸符合公差要求。在实际生产中碰到与此相类似的情况时，编程时一定要格外注意。（2）分析加工的质量要求检查零件加工结构的质量要求，如尺寸加工精度、形位公差及表面粗糙度在现有的加工条件下是否可以得到保证，是否还有更经济的加工方法或方案。虽然数控铣床的加工精度高，但对一些过薄的腹板零件应认真分析其结构特性。这类零件在实际加工中因受到较大切削力的作用而使薄板产生弹性形变，零件的加工精度和表面粗糙度将会受到影响。当薄板的面积较大并且厚度又小于3mm时，就必须重视这一问题，并采取相应的措施来确保其加工的精度。如在加工工艺上，用减小每次进刀的切削深度或切削速度的方法来减小切削力，控制零件在加工过程中的发生的变形，并利用CNC机床的循环编程功能减少编程工作量。数控铣床主要采用铣削方式来加工工件的数控机床。它能够进行外形轮廓铣削、平面或曲面铣削以及对三维复杂型面的铣削，如凸轮、模具、叶片、螺旋桨等。另外，数控铣床还具有孔加工的功能，通过特定的功能指令可进行一系列孔的加工，如钻孔、扩孔、铰孔、镗孔和攻螺纹等等。数控铣床的加工工艺是在普通铣床加工工艺的基础上，结合数控铣床的特点，综合运用多方面的知识来解决数控铣床加工过程中面临的工艺问题，其中包括金属切削原理与刀具、加工工艺、典型零件加工及工艺性分析等方面的基础知识和基本理论。2.1.2数控加工工艺概念与工艺过程（1）工艺过程数控加工工艺是指采用数控机床加工零件时，运用各种加工方法和技术手段，来应用于整个数控加工工艺过程。数控加工工艺是伴随着数控机床的产生、发展而逐步完善起来的一种应用技术，它是经过人们大量数控加工的实践而总结出来的经验。数控加工工艺过程是在数控机床上利用切削刀具直接改变加工对象的形状、尺寸、表面位置、表面状态等，使其成为成品或半成品的一个过程。数控加工过程是在一个由数控机床、刀具、夹具和工件构成的数控加工工艺系统本科毕业设计说明书（论文）第5页共50页中完成的。数控机床是零件加工的工作机械，刀具直接对零件进行切削，夹具用来固定被加工零件并使零件露出正确的加工位置，加工程序控制刀具与工件之间的相对运动轨迹。工艺设计的好坏直接影响数控加工的尺寸精度和表面粗糙度、加工时间的长短、材料和人工的耗费，甚至直接影响加工的安全性。所以掌握数控加工工艺的内容和数控加工工艺的方法非常重要[18]。（2）数控加工工艺与数控编程的关系a.数控程序：执行一个确定加工任务所需的一系列指令，并将指令输入数控机床，称为数控程序或零件程序。b.数控编程：即把零件的工艺过程、工艺参数及其他辅助动作，以一定的顺序按数控机床规定的指令、格式，来编成加工程序，再记录于控制介质即程序载体(如磁盘等)，输入数控装置，从而指挥机床加工并根据加工结果来加以修正的过程。c.数控加工工艺与数控编程的关系：数控加工工艺分析与处理是数控编程的前提和依据，没有符合实际的、科学合理的数控加工工艺，就不可能有真正可行的数控加工程序。数控编程就是将制定的数控加工工艺内容程序化。2.1.3数控铣床加工的工艺设计特点工艺规程是工人在加工零件时的指导性文件。由于普通铣床的加工完全受控于操作工人，因此，在普通铣床上用的工艺规程实际上只是一个工艺过程卡，铣床的切削用量、进给路线、工序的工步等往往都是由操作工人自行选定。数控铣床加工的程序是数控铣床的指令性文件，数控铣床受控于程序指令，加工的全过程都是按程序指令自动进行的，因此，数控铣床加工工艺与普通铣床工艺规程有较大差别，涉及的内容也较广。数控铣床加工程序不仅要包括零件的工艺过程，而且还要包括切削用量、进给路线、刀具尺寸以及铣床的运动过程。工艺方案的好坏不仅会影响铣床的加工效率，而且将直接影响到零件的加工质量。正因为数控加工采用了计算机控制系统和数控机床，使得数控加工与普通加工相比具有生产效率高、自动化程度高、精度高、质量稳定、生产周期短、设备成本高等特点。在加工工艺上，数控加工工艺和普通加工工艺也具有一定的差别，其表现在：（1）数控加工工艺内容要求更加具体、详细普通加工工艺：在具体工艺问题上，很大程度是由操作人员根据个人的的实际生产经验自行考虑和决定的，如如何划分和安排工步、刀具几何形状和尺寸的的确定、走刀路线、加工余量和切削用量的确定等，工艺人员设计工艺规程时可不必作过多的本科毕业设计说明书（论文）第6页共50页规定，且可进行试切削来达到零件的尺寸精度。数控加工工艺：所有工艺问题必须事先设计和安排好，并编入加工程序中。数控工艺不仅包括详细的切削加工步骤，还包括夹具型号、规格、切削用量和其他特殊要求的内容，以及标有数控加工坐标位置的工序图等。加工中用到的各种工艺参数在自动编程中都需要详细的制定。（2）数控加工工艺要求更严密、精确普通加工工艺：加工过程中出现的问题，机床操作人员可以比较自由地进行人为调整。数控加工工艺：自适应性较差，加工过程中可能遇到的所有问题必须事先精心考虑，否则将会导致严重的后果。如攻螺纹时，数控机床不知道孔中是否已挤满切屑，是否需要退刀清理一下切屑再继续加工。又如在普通机床加工过程中，可以多次“试切”来满足零件的精度要求；而数控加工过程，必须严格按规定尺寸进给，要求准确无误。因此，数控加工工艺设计要求更加严密、精确。（3）制定数控加工工艺要进行零件图形的数学处理和编程尺寸设定值的计算编程尺寸并不是零件图上设计的尺寸的简单再现。在对零件图进行数学处理和计算时，编程尺寸设定值要根据零件尺寸公差要求和零件的形状几何关系重新调整计算，才能确定合理的编程尺寸。（4）考虑进给速度对零件形状精度的影响制定数控加工工艺时，选择切削用量时要考虑进给速度对加工零件形状精度的影响。在数控加工中，刀具的移动轨迹是由插补运算完成的。根据插补原理分析，在数控系统已定的条件下，进给速度越快，则插补精度越低，导致工件的轮廓形状精度越差。尤其在高精度加工时，这种影响非常明显。（5）强调刀具选择的重要性复杂形面的加工编程通常采用自动编程方式。在自动编程中，必须先选定刀具再生成刀具中心运动轨迹，因此对于不具有刀具补偿功能的数控机床来说，若刀具的选择不适当，程序只能进行重新编写。（6）数控加工工艺的特殊要求a.由于数控机床比普通机床的刚度高，所配的刀具也较好，因此在同等情况下，数控机床切削用量比普通机床大，加工效率也较高。b.数控机床的功能复合化程度越来越高，因此现代数控加工工艺的明显特点是工本科毕业设计说明书（论文）第