凸轮盘类零件数控铣削毕业设计

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1、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

2、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

3、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2030，可见数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。

4、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

5、，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Int

6、ernet/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。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

7、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。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

8、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3

9、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

10、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中完成的。数控机床是零件加工的工作机械，刀具直接对

11、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

12、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

13、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

14、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

15、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

16、，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序相对

17、集中，表现为工序数目少，工序内容多，并且由于在数控机床上尽可能安排较复杂的工序，所以数控加工的工序内容比普通机床加工的工序内容复杂。c.由于数控机床加工的零件比较复杂，因此在确定装夹方式和夹具设计时，要特别注意刀具与夹具和工件的干涉问题。（7）数控加工程序的编写、校验与修改是数控加工工艺的一项特殊内容普通工艺中，划分工序、选择设备等重要内容，对数控加工工艺来说属于已基本确定的内容，所以制定数控加工工艺的着重点是整个数控加工过程的分析，关键在确定进给路线及生成刀具运动轨迹。复杂表面的刀具运动轨迹生成需借助自动编程软件，既是编程问题，当然也是数控加工工艺问题。这也是数控加工工艺与普通加工工艺最大的

18、不同之处7,8,9。2.1.4 数控铣床加工工艺的主要内容 根据实际应用需要，数控铣床加工工艺主要包括以下内容： (1)确定适合在数控铣床上加工的零件或加工内容。(2)对拟定在数控铣床加工的零件或加工内容进行工艺分析。通过分析被加工零件的图样，针对零件加工结构内容及技术要求初步拟定适当的工艺措施。(3)确定零件的总体加工方案。包括确定零件整个加工过程的工序划分、各工序间的顺序、数控铣床上加工工序与非数控加工工序的衔接等。 (4)数控铣床上的加工工序的设计。如选取零件的定位基准、装夹方案的确定、工步的划分、刀具的选择和确定切削用量及确定加工路线等。(5)确定数控加工前的调整方案。如对刀方案、换刀

19、点、刀具补偿方案及确定加工路线等6,20。2.2 加工方法选择及加工方案确定2.2.1 数控机床的合理选用 （1）根据被加工工件对数控铣床的类型进行选择 数控机床的种类繁多，不同类型的数控铣床其使用范围也有一定的局限性，只有在一定的工作条件下加工一定的工件才能达到最佳的效果。因此，确定要选择的铣床之前，应首先明确加工的对象、内容和要求。 每一种加工机床都有其最适宜加工的典型零件。如卧式铣床配合回转工作台适用于加工箱体、泵体、壳体等有多面加工任务的零件。而立式CNC铣床适用于加工箱盖、壳体和平面凸轮等单面加工零件。对于已知的工件，数控铣床的类型选择不当将影响加工的质量和加工效率。如在卧式铣床上加

20、工适合立式铣床加工的典型零件，则要对零件的多个加工面、多工位加工需要更换夹具和倒换工艺基准，这样会降低加工精度和生产效率。又如将立式铣床的典型工件在卧式铣床上加工，则需要增加弯板夹具，降低工件加工工艺系统的刚性。（2）机床规格的选择 应根据被加工典型工件的大小尺寸选用相应规格的数控机床。数控机床的主要规格包括工作台尺寸、几个数控坐标的行程范围和主轴电动机功率。选用工作台尺寸时应保证工件在其上面能顺利装夹，被加工工件的加工尺寸应在各坐标的有效行程内。加工中心的工作台面尺寸和三个直线坐标行程都有一定比例关系，如机床的工作台一般为500500，其X轴行程一般为700800，Y轴为550700，Z轴为

21、500600，因此工作台的大小基本确定了被加工零件的空间大小。此外，选择数控机床时还应考虑工件与换刀空间的干涉及工作台回转时与护罩等附件干涉等一系列问题，而且还要考虑机床工作台的承载能力。对机床主要技术参数的了解是确定机床能否满足零件加工要求的重要依据。（3）机床精度的选择 选择机床的精度等级应根据被加工工件关键部位加工精度的要求来确定，批量生产的零件实际加工出的精度公差数值一般为机床定位精度公差数值的1520倍。数控铣床按精度分为普通型和精密型。普通型CNC机床可批量加工8级精度的工件，精密型CNC铣床加工精度可达56级，但对使用环境要求较严格且要有恒温等工艺措施。此外，普通型CNC铣床进给

22、伺服驱动机构大都采用半闭环方式，故对滚珠丝杠受温度变化引起的伸长无法检测，因此会影响工件的加工精度。在一些要求较高的加工中心上，需要对丝杠伸长采取预拉伸措施，这不仅减少了丝杠热变形，也提高了传动刚度。CNC铣床的直线定位精度和重复定位精度综合反映了该轴各运动元部件的综合精度。尤其是重复定位精度，它反映了该控制轴在全行程内任意点定位的稳定性，这是衡量该控制轴能否稳定可靠工作的基本指标。铣圆精度是综合评价CNC铣床有关数控轴的伺服跟随运动特性和数控系统插补功能的指标。由于数控机床具有一些特殊功能。因此，在加工中等精度的典型工件时，一些大孔径圆柱面和大圆弧面可以采用高切削性能的立铣刀铣削。2.2.2

23、 加工方法的选择机械零件的结构形状是多种多样的，但它们基本是由平面、外圆柱面、内圆柱面或曲面、廓形面等基本表面组成的。加工方法的选择原则是保证加工表面的精度和表面粗糙度达到设计要求。由于获得同一级精度及表面粗糙度的加工方法一般有许多，因而在实际选择时，应结合零件的结构形状、尺寸大小、材料及生产类型等因素全面考虑。2.2.3 加工方案设计的原则零件表面的加工，常常是通过粗加工半精加工和精加工逐步达到，对这些表面仅根据质量要求选择相应的最终加工方法是不够的，应正确地确定从毛坯到最终成形的加工方案。2.3 数控加工工艺路线的设计数控加工工艺路线设计是下一步工序设计的基础，其设计的质量会直接影响零件的

24、加工质量与生产效率。设计工艺路线时应对零件图、毛坯图认真消化，结合数控加工的特点灵活运用普通加工工艺的一般原则，做到把数控加工工艺路线设计得更趋向合理。2.3.1 数控铣削加工零件的工序顺序在数控铣床上加工零件，工序相对集中，在一次装夹中，应尽可能完成全部工序。根据数控机床的特点，为了保持数控铣床的精度，降低生产成本，延长使用寿命，通常把零件的粗加工，特别是基准面、定位面的加工在普通机床上进行10。零件的加工工序通常包括切削加工工序、热处理工序和辅助工序(包括表面处理、清洗和检验等)，这些工序的顺序直接影响到零件的加工质量、生产效率和加工成本。因此，在设计工艺路线时，应合理安排好切削加工、热处

25、理和辅助工序的顺序，并解决好工序间的衔接问题。 铣削加工零件划分工序后，各工序的先后顺序排定通常要考虑如下原则：(1)基面先行原则：用作精基准的表面应优先加工出来。(2)先粗后精原则：各个表面的加工顺序按照粗加工半精加工精加工光整加工的顺序依次进行，逐步提高表面的加工精度和减小表面粗糙度。(3)先主后次原则：零件的主要工作表面、装配基面应先加工，从而能及早发现毛坯中主要表面可能出现的缺陷。次要表面可穿插进行，放在主要加工表面加工到一定程度后、最终精加工之前进行。(4)先面后孔原则：对平面轮廓尺寸较大的零件，一般先加工平面，再加工孔和其他尺寸，这样安排加工顺序，一方面用加工过的平面定位，稳定可靠

26、；另一方面在加工过的平面上加工孔，孔加工的编程数据比较容易确定，并能提高孔的加工精度，特别是钻孔时的轴线不易歪斜14。 对于平面盘形凸轮来说，后三个原则很容易理解，下面讲述基面先行原则，对它的应用往往是排列工序的关键，也是难点。 定位基准的选择是决定加工顺序的重要因素。在安排加工工序之前，应先找出零件的主要加工表面，并了解它们之间主要的相互位置精度的要求。而定位基准的选择对零件各主要表面的相互位置精度又有着直接的影响。一些彼此有较高精度要求的表面应尽量在一次安装中加工出来，这样可减少零件的安装误差对它们之间的相互位置精度的影响。应优先加工用作精基准的表面，因为定位基准的表面越精确，装夹误差就越

27、小。任何一个较高精度的表面在加工之前，作为其定位基准的表面必须已加工完毕。加工这些定位基准面时须以其他的表面来作为定位粗基准。把工艺分析时所需工序的精定位基准确定后，往前可推出加工定位精基准的工序，向后推出以工序的精定位基准加工的工序，这样便可以得到整个加工工艺过程顺序的大致轮廓。2.3.2 按零件装夹定位方式划分工序由于每个零件结构形状不同，各表面的技术要求也有所不同，所以按加工时的定位方式划分工序，也就是以完成相同表面的那一部分工艺过程为一道工序。对于加工表面多而复杂的零件，可按其结构特点(如内形、外形、曲面和平面等)划分成多道工序。一般加工外形时，以内形定位，加工内形时以外形定位。因而可

28、根据定位方式的不同来划分工序。图2.2 盘形凸轮零件图如图2.2所示的盘状凸轮零件的加工，分析工艺路线的方法是：首先分析出零件的设计基准是中心孔的中心和A面(或B面)，精定位基准显然由一面两孔定位比较合适，因此可向前推出加工定位精基准中心孔的加工及另一个工艺孔的加工和A面(或B面)的加工工序第一阶段采用普通机床的加工工序，第二阶段采用数控机床的加工工序，由一面两孔定位，加工凸轮的曲线轮廓表面。再插入适当的热处理工序和辅助的工序等，盘状凸轮零件整个工艺过程的加工顺序就明确了。故在选择并做出决定时，还需要结合实际，如生产批量、生产周期、工序间周转情况等。总之，要尽量做到合理，努力解决难题、攻克难点

29、和提高生产效率，充分发挥数控加工的优势。一般适合数控铣削加工零件的大致的加工顺序是： (1)加工精基准。 (2)粗加工主要表面。 (3)加工次要表面。 (4)安排热处理工序。 (5)精加工主要表面。 (6)最终检查。2.3.3 数控铣削工序的各工步顺序 由于数控机床有集中工序加工的特点，在数控铣床上的一个加工工序，一般有多个工步，需要使用多把刀具。因此在一个加工工序中需要合理安排工步顺序，它直接影响到数控铣床加工的精度、效率和经济性。安排工步时除了要考虑通常的工艺要求之外，还应多从下列几个因素出发：(1)以相同定位、夹紧方式或者用同一把刀具加工的内容，最好接连进行，以减少刀具更换次数，节省加工

30、时间。(2)在一次安装的工序中进行的多个工步，应先安排对工件刚性破坏较小的工步。 (3)工步顺序安排和工序顺序安排是类似的，如都遵循由粗到精的原则。先进行重切削、粗加工，去除毛坯大部分加工余量，然后安排一些发热小、加工要求不高的加工内容(如钻小孔、攻螺纹等)，最后再精加工。(4)考虑走刀路线，减少空行程。如决定某一结构的加工顺序时，还应兼顾到邻近加工结构的加工顺序，把相邻加工结构的一些相似的加工工步统一起来，用一把刀连续进行加工，减少换刀次数和空行程移动量。2.3.4 数控加工工序与普通加工工序的衔接数控加工工序前后一般都有其他普通工序穿插衔接，如果衔接不好，相互之间很容易产生矛盾，因此在熟悉

31、整个加工工艺内容的同时，应相互建立一定的技术要求，如是否需要留加工余量，留多少；定位面与孔的精度要求及形位公差；对毛坯的热处理等，最终目的是相互间能够满足加工的条件，且质量及技术要求明确，交接验收有依有据。数控工艺路线的设计是下一步走刀路线的设计基础，会对零件的加工质量与生产效率造成较大的影响，设计工艺路线时应认真分析零件图，将数控加工的特点和实际灵活运用普通加工工艺的经验相结合，尽量把数控加工工艺路线设计得更趋合理。2.4 走刀路线的设计 在数控加工中，刀具刀位点在整个加工工序中相对于工件的运动轨迹称为走刀(加工)路线，它不但包括了工序的内容，而且也反映出工序的顺序。走刀路线是编写程序的依据

32、之一。因此，在确定走刀路线时最好画一张工序简图，将已经拟定出的走刀路线画上去(包括进刀、退刀路线)，这样可为编程带来方便。编程时，加工路线的确定原则主要有以下几点： (1)加工路线应保证被加工零件的加工精度和表面粗糙度达到要求，且有较高的效率。(2)应使其拥有最短的加工路线，这样不仅可简化程序段，而且可减少空走刀的时间，提高生产效率。 (3)保证零件的工艺要求。 (4)利于简化数值计算，减少程序段的数目和程序编制的工作量。 另外确定加工路线时，还要考虑工件的加工余量和机床刀具的刚度等，确定是一次走刀还是分多次走刀完成加工15。2.4.1 铣削平面的加工路线刀具切入工件时，应避免沿零件外廓的法向

33、切入，而应沿外廓曲线延长线的切向切入，以避免在切入处由于法向力过大产生刀具的刻痕而影响表面质量，保证零件外轮廓曲线平滑过渡。同理，在切离工件时，在工件的轮廓处直接退刀，会造成进给停顿，使工件表面出现凹坑，因此也应该沿零件轮廓延长线的切向逐渐切离工件。 为保证零件表面质量，对刀具的切入和切出程序需要精心设计。铣削外表面轮廓时，铣刀的切入和切出点应沿零件轮廓曲线的延长线上切入和切出零件表面，而不应沿法向直接切入零件，以避免加工表面产生划痕，保证零件轮廓光滑。铣削封闭的内轮廓表面时，若内轮廓曲线允许外延，则应沿切线方向切人、切出。若内轮廓曲线不允许外延，刀具可以在内轮廓曲线的边缘切一个半圆，让半圆与

34、内轮廓曲线两几何元素正好相连，且切出时也以一个半圆切出，这样在内轮廓曲线表面不会留下划痕9。此外，轮廓加工中应避免进给停顿。因为加工过程中的切削力会使工艺系统产生弹性变形并处于相对平衡状态，进给停顿时，切削力突然减小会改变系统的平衡状态，刀具会在进给停顿处的零件轮廓上留下刻痕。为提高工件精度和减小表面粗糙度，可以采用多次走刀的方法，精加工余量一般以为宜，而且精铣时宜采用顺铣，以减小零件被加工表面粗糙度的值。一般情况下，在铣外轮廓时采用顺铣，而内轮廓则采用逆铣。2.5 确定零件的夹紧方法和夹具的选择2.5.1 工件的定位与夹紧方案的确定工件的定位基准与夹紧方案的确定，应遵循前面所述有关定位基准的

35、选择原则与工件夹紧的基本要求。此外，还应该注意下列三点：(1)力求设计基准、工艺基准与编程原点统一，以减少基准不重合误差和数控编程中的计算量。(2)设法减少装夹次数，尽可能做到在一次定位装夹中，能加工出工件上全部或大部分待加工表面，以减少装夹误差，提高加工表面之间的位置精度，这样可以充分发挥数控机床的加工效率。(3)应尽量避免采用占机人工调整方案，减少占机时间，提高加工效率。2.5.2 夹具的选择数控铣床工件装夹一般都是以平面工作台为安装的基础，定位夹具或工件，并通过夹具最终定位夹紧工件，使工件在整个加工过程中始终与工作台保持正确的相对位置。数控加工的特点对夹具提出了两个基本要求：一是保证夹具

36、的坐标方向与机床的坐标方向相对固定；二是要能协调零件与机床坐标系的尺寸。除此之外，重点考虑以下几点： (1)在单件小批量生产中装夹定位基准面比较简单的工件时，优先选用组合夹具、可调夹具和其他标准化通用夹具，以缩短生产准备时间，且可反复使用，节省生产费用。 (2)在成批生产时，才考虑采用专用夹具，设计力求结构紧凑、操作简单、使用方便。 (3)零件的装卸要快速、方便、可靠，以缩短机床的停顿时间，减少辅助时间，提高加工效率。 (4)为满足数控加工精度，要求夹具定位、夹紧精度高。 (5)夹具上各零部件应不妨碍机床对零件各表面的加工，即夹具要敞开，其定位，夹紧元件不能影响加工中的走刀(如产生碰撞等)。

37、(6)夹具在机床上安装要准确可靠，以保证工件在正确的位置上按程序操作。这样可以保证数控加工重复安装的一致性。 (7)夹紧应力求通过靠近支点附近。应力要靠近切削部位，并在刚性较好的地方，尽量不要在被加工孔径上方，减小零件变形。当有条件时，应多采用气、液夹具。这种夹紧方式，动作快，工件变形均匀、加工部位敞开。此外为了提高数控加工的效率，还可以采用多工位夹具。根据数控铣床的特点和加工需要，目前常用的夹具类型有通用夹具、可调夹具、组合夹具、成组夹具和专用夹具。一般的选择顺序是单件生产中尽量选用机床用平口虎钳、压板螺钉等通用夹具，批量生产时优先考虑组合夹具，其次考虑可调夹具，最后考虑选用成组夹具和专用夹

38、具。选择时，要综合考虑各种因素，选择经济、合理的夹具19。机床夹具是在机床上用以装夹工件的一种装置，其作用是使工件相对于机床或刀具有一个正确的位置，并在加工过程中保持这个位置不变。了解夹具的基本组成，根据其功用一般可分为如下几部分： (1)定位元件或装置：用以确定工件在夹具中的位置，如圆柱销和菱形销。 (2)刀具导向元件或装置：用以引导刀具或用以调整刀具相对于夹具的位置，如对刀块。 (3)夹紧元件或装置：用以夹紧工件，如压板、螺母、螺栓等。 (4)连接元件：用以确定夹具在机床上的位置并与机床相连接，如定位键、夹具底板等。 (5)夹具体：用以连接夹具各元件及装置，使之成为一个整体，并通过它将夹具

39、安装在机床上，如夹具底板。(6)其他元件或装置：除上述各部分以外的元件或装置，如某些夹具上的分度装置、防错装置和安全保护装置等。2.6 刀具的选择 刀具的选择是数控加工工艺中的重要内容之一，其选择的恰当与否不仅影响机床的加工效率，而且直接影响工件的加工质量。编程时，机床的加工能力、工序内容、工件材料等因素在刀具选择都要考虑进去。与传统加工方法相比，数控加工对刀具的要求，尤其在刚性和寿命方面更为严格。刀具及刀柄的选择应从多方面进行考虑，如机床的加工能力、加工工序、工件的材料性能、切削用量的选择以及其他一些相关的因素。刀具选择总的原则是：既要求精度高、强度大、刚性好、寿命长，又要求尺寸稳定，安装调

40、整方便。在满足加工要求的前提下，尽量选择较短的刀柄，以提高刀具的刚性1。2.6.1 铣削用刀及其选择 数控加工中，铣削平面零件内外轮廓及铣削平面常用平底立铣刀，该刀具有关参数的数据如下：(1)铣刀半径应小于零件内轮廓面的最小曲率半径，一般取。(2)零件的加工高度，以保证刀具有足够的刚度。(3)粗加工内轮廓时，铣刀最大直径可按下(2.1)计算： (2.1)式中 轮廓的最小凹圆角半径； 圆角邻边夹角等分线上的精加工余量； 精加工余量；圆角两邻边的最小夹角。(4)用平底立铣刀铣削内槽底部时，由于槽底两次走刀需要搭接，而刀具底刃起作用的半径，即直径为，编程时取刀具半径为。对于一些立体型面和变斜角轮廓外

41、形的加工，常用球形铣刀、环形铣刀、鼓形铣刀、锥形铣刀和盘铣刀。2.6.2 刀具材料应该满足零件的加工要求如今所使用的金属切削材料主要有五类：高速钢、硬质合金、陶瓷、立方氮化硼（CBN）、聚晶金刚石。 (1)根据数控加工对刀具的要求，选择刀具材料的一般原则是尽可能选用硬质合金刀具。只要加工情况允许则选用硬质合金刀具，就不用高速钢刀具。 (2)陶瓷刀具不仅用于加工各种铸铁和不同钢材料，也适用于加工有色金属和非金属材料。使用陶瓷刀片，无论什么情况都要用负前角。为了不易崩刃，必要时可将刃口倒钝。陶瓷刀具在下列情况下使用效果欠佳：短零件的加工；冲击大的断续切削和重切削；铍、镁、铝和钛等的单质材料及其合金

42、的加工(易产生亲合力，导致切削刃剥落或崩刃)。 (3)金刚石和立方氮化硼都属于超硬刀具材料，它们可用于加工任何硬度的工件材料，具有很高的切削性能，加工精度高，表面粗糙度值小。一般可用切削液。聚晶金刚石刀片一般仅用于加工有色金属和非金属材料。立方氮化硼刀片一般适用加工硬度HBW的冷硬铸铁、合金结构钢、工具钢、高速钢、轴承钢以及硬度HBS的镍基合金、钴基合金和高钴粉末冶金零件。 (4)从刀具的结构应用方面，数控加工应尽可能采用镶块式机夹可转位刀片，以减少刀具磨损后的更换和预调时间。(5)选用涂层刀具，以提高耐磨性和寿命。2.7 铣削用量的确定在铣削过程中，如果能在同一时间内切除较多的工件材料，就会

43、有较高的生产效率。可见较高的背吃刀量、进给量、切削速度均能增加工件材料的切除量。但是，影响铣刀使用寿命最显著是切削速度，其次是进给量，而背吃刀量的影响最小。所以，为了保证铣刀较长的使用寿命，应当优先采用较大的吃刀量，其次是选择较大的进给量，最后才是选择适宜的铣削速度。2.7.1 吃刀量的选择当刀具铣削加工时，刀具切入工件包括两个方向和深度，即铣削深度和铣 削宽度。(1)切削深度(背吃刀量)切削深度也称为背吃刀量，在机床、工件和刀具刚度允许的情况下，可以等于加工余量，即尽量做到一次进给铣去全部的加工余量，这是提高生产效率的一个有效措施。只有当表面粗糙度要求小于时，为了保证零件的加工精度和表面粗糙

44、度，才需要考虑保留一定的余量后进行精加工。(2)切削宽度(侧吃刀量)在编程软件中称为步距，一般切削宽度与刀具直径成正比。在粗加工中，取较大的步距有利于提高加工效率。使用平底刀进行切削时，一般的取值范围为：。而使用圆鼻刀进行加工，刀具直径应扣除刀尖的圆角部分，即 (为刀具直径，为刀尖圆角半径)，而可以取到。而在使用球头刀进行精加工时，步距的确定应首先考虑所能达到的精度和表面粗糙度。(3)背吃刀量或侧吃刀量与表面质量的要求a.在工件表面粗糙度要求为时，如果圆周铣削的加工余量小于，端铣的加工余量小于，粗铣一次进给就可以达到要求。当余量较大、工艺系统刚性较差或机床动力不足时，可以分两次进给完成。b.在

45、工件表面粗糙度要求为时，可分粗铣和半精铣两步进行。粗铣时背吃刀量或侧吃刀量应尽量做到一次进给去除全部的加工余量，工艺系统刚性较差或机床动力不足时，可分两次进给完成。粗铣后留加工余量，然后在半精铣时切除。c.在工件表面粗糙度要求为时，可分粗铣、半精铣、精铣三步进行。半精铣时背吃刀量或侧吃刀量取；精铣时，圆周铣削的侧吃刀量取，面铣刀背吃刀量取。2.7.2 每齿进给量的选择 粗铣时，切削力是限制提高进给量的主要因素，进给量主要是根据铣床进给机构的强度，刀杆的刚度，刀齿的强度及铣床、夹具、工件的工艺系统刚度综合来确定的。在强度和刚度许可的条件下，进给量可以选取得较大一些。精加工时，表面粗糙度是限制进给

46、量提高的主要因素。为了减少工艺系统的振动，减小已加工表面的残留面积高度，一般选取较小的进给量。每齿进给量的选择方法总结如下： (1)一般情况下，粗铣取大值，精铣取小值。 (2)对刚性较差的工件，或所用的铣刀强度较低时，铣刀每齿进给量应适当减小。 (3)在铣削加工不锈钢等冷硬倾向较大的材料时，应适当增大铣刀每齿进给量，以免刀刃在冷硬层上切削，最后导致加速刀刃的磨损。 (4)精铣时，铣刀安装后的径向及轴向圆跳动量越大，则铣刀每齿进给量应相应适当地减小。 (5)用带修光刃的硬质合金铣刀进行精铣时，只要工艺系统的刚性好，铣刀每齿进给量可适当增大，但修光刃必须平直，并与进给方向保持较高的平行度，这就是所

47、谓的大进给量强力铣削，可以充分发挥铣床和铣刀的加工潜力，提高铣削加工效率。确定铣刀每齿进给量正后，进给速度可按下(2.2)计算： (2.2)式中：为每齿切削量，为铣刀的齿数，为转速。2.7.3 主轴转速的确定 主轴转速主要根据切削速度确定： (2.3)式中：为切削速度,单位；为刀具直径, 单位。2.8 数控加工工艺文件数控加工工艺文件不仅是进行数控加工和产品验收的依据，也是操作者遵守和执行的规程，同时还为产品零件重复生产积累了必要的工艺资料，完成了技术储备。这些专用技术文件既是数控加工的依据，也是需要操作者遵守、执行的规则，有的则是加工程序的具体说明，目的是让操作者更明确加工程序的内容、装夹方

48、式、各个加工部位所选用的刀具及其他技术问题。该文件包括了编程任务书、数控加工工序卡、数控刀具卡片、数控加工程序单等。（1）数控加工编程任务书 编程任务书阐明了工艺人员对数控加工工序的技术要求、工序说明和数控加工前应保证的加工余量，是编程人员与工艺人员协调工作和编制数控程序的重要依据之一。（2）数控加工工序卡 数控加工工序卡与普通加工工序卡很相似，所不同的是：工序简图中应注明编程原点与对刀点，要有编程说明及切削参数的选择等，它是操作人员进行数控加工的主要指导性工艺资料。（3）数控加工刀具卡片 数控加工刀具卡主要有刀具名称、编号、规格、长度等内容。（4）数控加工程序单数控加工程序单是编程人员根据工

49、艺分析情况，按照机床特点的指令代码编制的。它是记录数控加工工艺过程、工艺参数的清单，有助于操作人员正确理解加工程序内容。3 凸轮零件的加工3.1 铣刀的切削分析铣刀的每一个刀齿相当于一把车刀，它的切削规律基本与车削相似。但铣削是断续切削，铣刀的每一把刀齿都受到切削力，因此铣削合力为铣刀的所有刀齿所受力的总和。铣削的方式主要有端铣与周铣如图3.1，凸轮加工的铣削方式是以周铣为主。3.1.1 铣削切削层参数 在工件切削过程中，铣削不同于车削，刀具开始旋转、工件进给，整个过程中，工件保持连续切削。铣刀上一般有多个刀刃，所以金属的铣削是后一刀齿在前一刀齿加工后进行切削的，因此铣削的切削层应是两把刀加工

50、面之间的加工层，周铣的切削层参数定义如下。(1)切削层公称厚度在基面内度量的相邻刀齿主切削刃运动轨迹间的距离。如图3.2所示，直齿圆柱铣刀刀齿在任意位置的切削厚度。图示的虚线为前刀齿加工轨迹，当现刀齿旋转角时，刀齿在加工轨迹上所在的位置为点，前刀齿在同样角度位置时加工轨迹上点为点，它们之间距离为每齿进给量，即铣刀每转一齿工件相对铣刀在进给方向上的移动距离。根据定义可知，此点切削层厚度为 (3.1) 可见，每齿进给量或角的增大都将增大切削层公称厚度。而且，当时，切削层厚度为，当时，切削层厚度最大。图3.1 a）周铣 b）端铣图3.2 铣削切削层参数(2)切削层公称宽度：铣削的切削层公称宽度是指主

51、切削刃与工件切削面的接触长度（近似值）。直齿圆柱铣刀铣削的切削层宽度为 (3.2)即切削层宽度等于背吃刀量，值得注意的是，铣削的背吃刀量与一般车削所定义的不同，它是平行于铣刀轴线方向度量的被切削层尺寸，因此，对于圆周铣，背吃刀量为工件在铣刀轴线方向上被切削的尺寸。(3)切削层公称横截面积直齿圆周铣削的公称截面面积同样为切削厚度与被吃刀量的积，。 (3.3)因为铣削切削层厚度是变化的，所以切削层公称横截面积也是变化的，由图可知，当时，切削层公称横截面面积最小，为，当时，公称横截面面积最大。3.1.2 立铣刀的切削受力与变形(1)立铣刀的切削受力分析 在切削金属材料时，立铣刀要受到阻止刀具切除切屑

52、的阻力（即铣削力）。在不同的加工条件下，铣削力的变化范围较大。分析认为，铣刀切削时，工件材料将发生部分弹性变形和塑性变形，并对刀具产生抗力；同时，刀具与切屑、刀具与工件之间要产生摩擦力，铣削力就是二者的合力。 在研究立铣刀受力情况时，通常可对一个刀齿进行分析。将铣削力分解为相互垂直的三个分力，即切向分力、径向分力和轴向分力如图3.3。图3.3 立铣刀受力与变形示意图 切向分力可视为与铣刀外圆相切，则铣刀所受的切削阻力矩为为铣刀刃部直径），它消耗主要动力，使刀具发生扭转变形，并影响主轴的扭转强度和刚度。径向分力是工件作用于铣刀半径方向上的推力，它使刀具发生弯曲变形，并影响主轴的弯曲强度和刚度。轴

53、向分力沿机床主轴的轴线方向作用于铣刀，它将刀杆推向主轴，使刀具发生压缩变形变形。铣削时，如果有个刀齿参与切削，则分力、和由各刀齿上的分力、和合成得到。(2)立铣刀铣削力的计算a.铣削力的计算立铣刀铣削时，任一瞬时作用于刀齿上的切向分力的计算公式为 (3.4)式中，为工件材料性能对铣削力的影响常数，为铣削深度()，为铣刀每齿进给量()，为铣削宽度()，为铣刀齿数，为铣刀直径()，为铣刀前角对铣削力的影响系数，为铣削速度对铣削力的影响系数。b.计算出切向分力后，其他分力和可根据经验公式由表3.1得出。表3.1 切削分力的比值铣削条件比值不对称铣削逆铣顺铣立铣：，1.01.11.11.20.350.

54、400.350.403.2 平面凸轮零件的加工3.2.1 盘型凸轮的加工 如图2.2所示，平面凸轮零件是平面轮廓零件加工的典型零件，它的轮廓是由圆弧与直线组成。（1）零件加工工艺分析零件图样的尺寸、视图都完整，表达清楚，几何关系明确，零件的结构工艺性也很好，无难以加工的结构。侧面与底面垂直，零件的厚度不厚，在垂直方向可一刀切削完成；零件的精度要求较高；，要采用粗铣一半精铣一精磨的工艺路线；用数控铣床只能完成半精加工，精加工需淬火后磨削完成；可用零件的大平面和两孔作定位基准；零件的材料是CrWMn刚，淬火后硬度为5862。数控铣削工艺完成半成品，为半精加工。已加工好孔和平面，经调质硬度为2226

55、，切削加工性较好。（2）夹具的选择根据零件被加工表面的情况，该零件需要限制5个自由度，可采用一面两孔的定位方法，如图3.4所示。为了露出被加工表面，不能从周边压紧，而采用螺钉、压板机构从中间压紧。应该注意，由于在加工过程中，切削力是由夹具、工件、垫板之间产生的摩擦力来平衡的，因此在不影响周边铣削的情况下，夹具、垫板的面积尽可能选大一些。这个夹具是一种专用夹具，凸轮批量较大时，用这个夹具可提高生产效率。图3.4 一面两孔夹具示意图（3）刀具的选择加工该凸轮用立铣刀，直径可大可小，根据刚性好、耐用度高这样一个特点，选择高速立铣刀。其切削长度L=40，可以满足要求。（4）切削用量的选择主轴转速，进给

56、速度。（5）进给路线的确定在x、y方向：a.选开始切削点，确定A点为开始切削点，同时选定下刀、抬刀点M、N。b.加工路线：MABCDEFGHIAN，如图3.5所示。在z方向：快速下刀点，切削深度，如图3.6所示。图3.5 凸轮在x、y方向的进给路线（6）填写数控加工工序卡片（见表3.2）4 凸轮零件的数控程序编制4.1 盘型凸轮的程序编制（1）数学处理（图见2.2）该凸轮加工的轮廓均为圆弧组成，因而只有计算出基点坐标，才可编制程序。在加工坐标系中，各点的计算坐标如下：BC弧的中心点： EF弧的中心点： 解之得 ，HI弧的中心点：DE弧的中心点： 解之得 ，B点： C点： 解之得 ，D点： 解之

57、得 ，y=0.03E点： 解之得 ，F点： 解之得 ，G点： 解之得 ，H点： I点： 解之得 ，根据上面的数值计算，可画出如图3.5凸轮加工走刀路线图。（2）参数设置D01=10.，S=1000（3）编写加工程序（见表4.1） 表4.1 加工程序及说明程序说明O0001N1 G17 G90 G40 G49 G80 G53 G00 Z-50； N2 G54；N3 M03 S1000；N4 G01 Z40 F800；N5 X-73.8 Y20； N6 Z0；N7 Z-16 F200；N8 G42 G01 X-63.8 Y10 F80 H01；N9 Y0；N10 G03 X-9.96 Y-63.0

58、2 R63.8；N11 G02 X-5.57 Y-63.76 R175；N12 G03 X63.99 Y-0.28 R64 ；N13 G03 X63.72 Y0.03 R0.3； N14 G02 X44.79 Y19.6 R21； N15 G03 X14.79 Y59.18 R46； N16 G03 X-55.26 Y25.05 R61； N17 G02 X-63.02 Y9.97 R175； N18 G03 X-63.8 Y0 R63.8； N19 G01 X-63.8 Y-10；N20 G01 G40 X-73.8 Y-20；N21 G00 Z40；N22 G00 X0 Y0；N23 M0

59、5；N24 M30；零件程序号程序初始化选择工件坐标主轴转动下刀至零件上表面移至下刀点下刀至零件表面下刀切人工件，深度为工件厚度+1mm刀具半径右侧补偿切入零件至A点切削AB切削BC切削CD切削DE切削EF切削FG切削GH切削HI切削IA切削零件取消刀具补偿,移至抬刀点Z向抬刀返回加工坐标系原点主轴停止程序结束4.2 槽型凸轮的程序编制在数控铣床上完成图3.7所示平面槽形凸轮零件的凸轮槽与孔的加工。工件编程X、Y原点坐标在圆的圆心处，Z原点坐标在工件上表面。操作步骤与加工程序如下。（1）钻中心孔，在手动方式下，用的中心钻，钻深的中心孔，孔的坐标分别为和。（2）钻孔，在MDI方式下，用的钻头，主

60、轴转速为，指令为：M03 S402；G98 G83 X0 Y-17.5 Z-38 R5 F40。 （3）钻孔，在MDI方式下，用的钻头，主轴转速为n，指令为：M03 S402；G98 G83 X0 Y17.5 Z-38 R5 F40。（4）铰孔，在MDI方式下，用的铰刀，主轴转速为，指令为：M03 S130；G98 G81 X0 Y-17.5 Z-38 R5 F20。（5）铰孔，在MDI方式下，用的铰刀，主轴转速为，指令为：M03 S130；G98 G81 X0 Y17.5 Z-38 R5 F20。（6）孔倒角，在手动方式下，用倒角铣刀，对孔进行倒角，定位坐标为。（7）粗铣凸轮槽内轮廓，用一面

61、两孔定位装夹，在自动方式下，采用高速钢立铣刀进行加工。a.数学处理基点坐标值的查询：使用AutoCAD等软件将图形绘制出来，查出基点坐标如下。(14.90，-35.15)，(27.03，-24.91)，(16.57,30.84)，(-16.57,30.84)，(-27.03，-24.91)，(-14.90，-35.15)。 子坐标系(10.57,30.84)，(-16.57，48.34)，(-21.03,-24.91)，(14.90,-17.65) 根据上面的数值计算，可画出如图4.1凸轮槽内轮廓加工走刀路线图。b.参数设置D01=6,S=1100,F=40(高速钢立铣刀) D02=4,S=500,F=30(钻头) D03=5.5,S=300,F=20(平顶钻) D04=6,S=1495,F=20(硬质合金立铣刀)图4.1 凸轮槽内轮廓加工走刀路线图c.编写加工程序（见表4.2）