数控车零件工艺设计及NC编程毕业论文

单位代码 10006

学号12988800123

分类号

密级

毕业综述

数控车零件工艺设计及NC编程

学习中心名称北航校本部

专业名称机械工程及自动化专业

学生姓名

指导教师

2014年9 月15 日

数控车零件工艺设计及NC编程

摘要

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。

数控车床种类较多，但主体结构都是由：车床主体、数控装置、伺服系统三大部分组成。

NC编程就是将加工零件的加工顺序、刀具运动轨迹的尺寸数据、工艺参数（主运动和进给运动速度、切削深度）以及辅助操作（换刀、主轴正反转、冷却液开关、刀具夹紧、松开等）加工信息，用规定的文字、数字、符号组成的代码，按一定格式编写成加工程序。

数控机床程序编制过程主要包括：分析零件图纸、工艺处理、数学处理、编写零件程序、程序校验。

关键词：数控，车床，编程，加工

Abstract

Expands unceasingly along with the development of NC technology and application field, some of the major industries of the NC machining technology of beneficial to the people's livelihood (IT, automobile, light industry,medical and so on) plays a more and more important rolein the development, because the efficiency, quality is the subject of advanced manufacturing technology. High speed, high precision machining technology can greatlyimprove efficiency, improve product quality and grade,shorten the production cycle and improve the market competitive ability. For CNC machining, either manual or automatic programming, the programming before goingthrough the process analysis of the parts processing,processing scheme worked, choose a suitable tool,determine the amount of cutting, some process problems(such as the knife point, processing route etc) also need to do some processing. And control the accuracy of the method in the process, to produce qualified products.

CNC lathe type are many, but the main structure iscomposed of three parts: Main lathe, numerical control device, servo system.

NC programming is the processing parts of the processing order, tool

trajectory size data, process parameters (main movement and feed velocity, cutting

depth) and auxiliary operation (ATC, spindle positive inversion, coolant switch,release

the tool clamping, etc.) the processing of information, consisting with the provisions of

the text,numbers, symbols code, prepared according to a certain format into processing procedures.

Process of NC machine program mainly include: analysis of

parts drawings, process, mathematical processing,writing part program, program verification.

Keywords: CNC lathes, machining, programming,

一、引言 (5)

二、数控概述 (5)

1数控系统的发展 (5)

2机床的发展趋势 (5)

三、数控加工工艺 (6)

1数控加工工艺内容的选择 (6)

2数控加工工艺的主要内容 (7)

四、数控编程方法 (7)

1数控编程的基本概念 (7)

2数控编程步骤 (8)

2数控车床程序的编制 (9)

五、刀具及切削用量 (10)

1选择数控刀具的原则 (10)

2选择数控车削用刀具 (11)

3设置刀点和换刀点 (12)

4确定切削用量 (12)

六、夹具的选择、工件装夹方法的确定 (12)

1夹具的选择 (12)

2夹具的类型 (13)

3零件的安装 (13)

七、零件加工编程实例 (14)

1零件的工艺分析 (14)

2确定加工路线 (15)

3制定加工方案 (15)

4选择刀具及对刀 (15)

5确定工件坐标系、对刀点和换刀点 (16)

结束语 (17)

致谢 (18)

参考文献 (18)

一、引言

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，随着数控加工的日益普及，越来越多的数控机床用户感到，数控加工工艺掌握的水平是制约手工编程与CAD/CAM集成化自动编程质量的关键因素。

本文主要讨论数控车床的零件加工工艺以及程序编制，主要以FANUC数控系统为例，结合典型零件对数控车零件进行讲解。主要内容有关于数控车床的编程方法、编程的注意事项、加工工艺分析、刀具的选用、刀位轨迹计算。

二、数控概述

1数控系统的发展

[1]从１９５２年第一台数控机床问世后，数控系统已经先后经历了两个阶段和六代的发展，其六代是指电子管、晶体管、集成电路、小型计算机、微处理器和基于工控ＰＣ机的通用CNC系统。其中前三代为第一阶段，称作为硬件连接数控，简称ＮＣ系统；后三代为第二阶段，乘坐计算机软件数控，简称ＣＮＣ系统。

2机床的发展趋势

数控机床总的发展趋势是工序集中、高速、高效、高精度以及方便使用、提高可靠性等。

1）工序集中 20世纪50年代末期，在一般数控机床的基础上开发了数控加工

中心，即自备刀具库的自动换刀数控机床。在加工中心机床上，工件一次装夹后，机床的机械手可以自动更换刀具，连续的对工件进行多种工序加工。

目前，加工中心机床的刀具库容量可达到100多把刀具，自动换刀装置的换刀时间仅需0.5～2秒。加工中心机床使工序集中在一台机床上完成，减少了由于工序分散，工件多次安装引起的定位误差，提高了加工精度，同时也减少了机床的台数与占地面积，压缩了半成品的库存量，减少了工序间的辅助时间，有效的提高了数控机床的生产效率和数控加工的经济效益。

2）高速、高效、高精度

高速、高效、高精度是机械加工的目标，数控机床因其价格昂贵，在上述三方面的发展也就更为突出。

3）方便使用

数控机床制造厂把建立友好的人机界面、提高数控机床的可靠性作为提高竞争能力的主要方面。

（1）加工编程方便

手工编程和自动编程已经使用了几十年，有了长足的发展，在手工编程方面，开发了多种加工循环、参数编程和除直线、圆弧以外的各种插补功能，CAD/CAM的研究发展，从技术上来讲可以替代手工编程。但是一套适用的CAD/CAM软件加上计算机硬件，投资较大，学习、掌握时间较长，对大多数的简单工件很不经济。

近年来，发展起来的图形交互式编程系统（WOP，又称面向车间编程），很受用户欢迎。[2]这种编程方式不使用G、M代码，而是借助图形菜单，输入整个图形块以及相应参数作为加工指令，形成加工程序，与传统加工时的思维方式类似。图形交互编程方法在制定标准后，有可能成为各种型号的数控机床统一的编程方法。

（2）使用方法

数控机床普遍采用彩色CRT进行人机对话、图形显示和图形模拟的。有的数控机床将采用说明书、编程指南、润滑指南等存入系统共使用者调阅。

三、数控加工工艺

1数控加工工艺内容的选择

选择适合数控加工的零件

虽然数控机床具有高精度，高柔性，高效率等优点。但不是所有的零件都适合数控机床加工的。[3]一般可分为三类：

（1）最适合类

1.形状复杂，加工精度要求高通用机床无法加工或很难保证加工质量的零件；

2.具有复杂曲线或曲面轮廓的零件；

3.具有难测量，难控制进给，尺寸行腔的壳体或盒型零件；

4.必须在一次装夹中完成镗，绞或攻丝等多道工序的加工零件；

（2）较适合类

1.零件价值高，在普通机床上加工容易受人工因素干扰而影响质量，从而造成较大经济损失的零件；

2.在通用机床上加工时必须制造复杂专用工装的零件；

3.在通用机床上需要做长时间调整的零件；

4.需要多次更改设计才能定型的零件；

（3）不适合类

1.生产大批量的零件；

2.装夹困难的零件；

3.加工余量不稳定，而且数控机床上无法在线检测系统可自动调整零件坐标位置的零件；

4.必须用特定的加工工艺装备协调加工的零件；

2数控加工工艺的主要内容

1)选择适合在数控上加工的零件，确定工序内容。

2)分析加工零件的图纸，明确加工内容及技术要求，确定加工方案，制定数控加工路线，如工序的划分、加工顺序的安排、非数控加工工序的衔接等。设计数控加工工序，如工序的划分、刀具的选择、夹具的定位与安装、切削用量的确定、走刀路线的确定等等。

3)调整数控加工工序的程序。如对刀点、换刀点的选择、刀具的补偿。

4)分配数控加工中的容差。

5)处理数控机床上部分工艺指令。

四、数控编程方法

1数控编程的基本概念

编程就是将加工零件的加工顺序、刀具运动轨迹的尺寸数据、工艺参数（主运动和进给运动速度、切削深度）以及辅助操作（换刀、主轴正反转、冷却液开关、刀具夹紧、松开等）加工信息，用规定的文字、数字、符号组成的代码，按一定格式编写成加工程序。[7]数控机床程序编制过程主要包括：分析零件图纸、工艺处理、数学处理、编写零件程序、程序校验。

2数控编程步骤

数控编程是指从零件图纸到获得数控加工程序的全部工作过程。

1）分析零件图样和工艺处理

根据图样对零件的几何形状尺寸，技术要求进行分析，明确加工的内容及要求，决定加工方案、确定加工顺序、设计夹具、选择刀具、确定合理的走刀路线及选择合理的切削用量等。同时还应发挥数控系统的功能和数控机床本身的能力，正确选择对刀点，切入方式，尽量减少诸如换刀、转位等辅助时间。

2）数学处理

编程前，根据零件的几何特征，先建立一个工件坐标系，根据零件图纸的要求，制定加工路线，在建立的工件坐标系上，首先计算出刀具的运动轨迹。对于形状比较简单的零件（如直线和圆弧组成的零件），只需计算出几何元素的起点、终点、圆弧的圆心、两几何元素的交点或切点的坐标值。

3）编写零件程序清单

加工路线和工艺参数确定以后，根据数控系统规定的指定代码及程序段格式，编写零件程序清单。

4）程序输入

5）程序校验与首件试切

如图1所示，编程工作主要包括：

图1 数控程序编制的内容及步骤

2数控车床程序的编制

数控车削加工包括内外圆柱面的车削加工、端面车削加工、钻孔加工、螺纹加工、复杂外形轮廓回转面的车削加工等。

1、F功能：

F功能指令用于控制切削进给量。在程序中，有两种使用方法：F后面的数字表示的是主轴每转进给量，单位为mm/r；F后面的数字表示的是每分钟进给量，单位为 mm/min。

2、S功能：

S后面的数字表示主轴转速，单位为r/min。S后面的数字表示的是最高转速：r/min。S后面的数字表示的是恒定的线速度：m/min。

3、T功能：

T功能指令用于选择加工所用刀具。T后面通常有两位数表示所选择的刀具号码。

但也有T后面用四位数字，前两位是刀具号，后两位是刀具长度补偿号，又是刀尖圆弧半径补偿号。

4、M功能：

M00：程序暂停，可用NC启动命令（CYCLE START）使程序继续运行；

M01：计划暂停，与M00作用相似，但M01可以用机床“任选停止按钮”选择是否有效；

M03：主轴顺时针旋转；

M04：主轴逆时针旋转；

M05：主轴旋转停止；

M08：冷却液开；

M09：冷却液关；

M30：程序停止，程序复位到起始位置。

例如一些常用的编程代码：

G90 绝对值输入； G31 等导程螺纹切削

G91 相对值输入； G32 跳步功能

G00 快速点定位； M02、M03 程序结束

G01 直线插补； M00 程序停机

G02、G03 顺圆和逆圆插补； M01 选择停机

G28 自动返回参考点； M98 调用子程序

G04 暂停； M99 子程序结束

五、刀具及切削用量

1选择数控刀具的原则

刀具寿命与切削用量有密切关系。在制定切削用量时，应首先选择合理的刀具寿命，而合理的刀具寿命则应根据优化的目标而定。一般分最高生产率刀具寿命和最低成本刀具寿命两种，前者根据单件工时最少的目标确定，后者根据工序成本最低的目标确定。

选择刀具寿命时可考虑如下几点根据刀具复杂程度、制造和磨刀成本来选择。复杂和精度高的刀具寿命应选得比单刃刀具高些。对于机夹可转位刀具，由于换刀时间短，为了充分发挥其切削性能，提高生产效率，刀具寿命可选得低些，一般取15-30min。对于装刀、换刀和调刀比较复杂的多刀机床、组合机床与自动化加工刀具，刀具寿命应选得高些，尤应保证刀具可靠性。车间内某一工序的生产率限制了整个车间的生产率的提高时，该工序的刀具寿命要选得低些当某工序单位时间内所分担到的全厂开支M较大时，刀具寿命也应选得低些。大件精加工时，为保证至少完成一次走刀，避免切削时中途换刀，刀具寿命应按零件精度和表面粗糙度来确定。[6]与普通机床加工方法相比，数控加工对刀具提出了更高的要求，不仅需要冈牲好、精度高，而且要求尺寸稳定，耐用度高，断和排性能坛同时要求安装调整方便，这样来满足数控机床高效率的要求。数控机床上所选用的刀具常采用适应高速切削的刀具材料(如高速钢、超细粒度硬质合金)并使用可转位刀片。

2选择数控车削用刀具

数控车削车刀常用的一般分成型车刀、尖形车刀、圆弧形车刀以及三类。成型车刀也称样板车刀，其加工零件的轮廓形状完全由车刀刀刃的形伏和尺寸决定。数控车削加工中，常见的成型车刀有小半径圆弧车刀、非矩形车槽刀和螺纹刀等。在数控加工中，应尽量少用或不用成型车刀。尖形车刀是以直线形切削刃为特征的车刀。这类车刀的刀尖由直线形的主副切削刃构成，如90°内外圆车刀、左右端面车刀、切槽(切断)车刀及刀尖倒棱很小的各种外圆和内孔车刀。尖形车刀几何参数(主要是几何角度)的选择方法与普通车削时基本相同，但应结合数控加工的特点(如加工路线、加工干涉等)进行全面的考虑，并应兼顾刀尖本身的强度。

二是圆弧形车刀。圆弧形车刀是以一圆度或线轮廓度误差很小的圆弧形切削刃为特征的车刀。该车刀圆弧刃每一点都是圆弧形车刀的刀尖，应此，刀位点不在圆弧上，而在该圆弧的圆心上。圆弧形车刀可以用于车削内外表面，特别适合于车削各种光滑连接(凹形)的成型面。选择车刀圆弧半径时应考虑两点车刀切削刃的圆弧半径应小于或等于零件凹形轮廓上的最小曲率半径，以免发生加工干浅该半径不宜选择太小，否则不但制造困难，还会因刀尖强度太弱或刀体散热能力差而导致车刀损坏。

3设置刀点和换刀点

刀具究竟从什么位置开始移动到指定的位置呢?所以在程序执行的一开始，必须确定刀具在工件坐标系下开始运动的位置，这一位置即为程序执行时刀具相对于工件运动的起点，所以称程序起始点或起刀点。此起始点一般通过对刀来确定，所以，该点又称对刀点。在编制程序时，要正确选择对刀点的位置。对刀点设置原则是:便于数值处理和简化程序编制。易于找正并在加工过程中便于检查，引起的加工误差小。对刀点可以设置在加工零件上，也可以设置在夹具上或机床上，为了提高零件的加工精度，对刀点应尽量设置在零件的设计基准或工艺基谁上。实际操作机床时，可通过手工对刀操作把刀具的刀位点放到对刀点上，即“刀位点”与“对刀点”的重合。所谓“刀位点”是指刀具的定位基准点，车刀的刀位点为刀尖或刀尖圆弧中心。平底立铣刀是刀具轴线与刀具底面的交点。球头铣刀是球头的球心，钻头是钻尖等。用手动对刀操作，对刀精度较低，且效率低。而有些工厂采用光学对刀镜、对刀仪、自动对刀装置等，以减少对刀时间，提高对刀精度。加工过程中需要换刀时，应规定换刀点。所谓“换刀点”是指刀架转动换刀时的位置，换刀点应设在工件或夹具的外部，以换刀时不碰工件及其它部件为准。

4确定切削用量

数控编程时，编程人员必须确定每道工序的切削用量，并以指令的形式写人程序中。切削用量包括主轴转速、背吃刀量及进给速度等。对于不同的加工方法，需要选用不同的切削用量。[5]切削用量的选择原则是:保证零件加工精度和表面粗糙度，充分发挥刀具切削性能，保证合理的刀具耐用度，并充分发挥机床的性能，最大限度提高生产率，降低成本。

六、夹具的选择、工件装夹方法的确定

1夹具的选择

数控加工对夹具主要有两大要求：

一是夹具应具有足够的精度和刚度；

二是夹具应有可靠的定位基准。选用夹具时，通常考虑以下几点：

1）尽量选用可调整夹具、组合夹具及其它通用夹具，避免采用专用夹具，以缩短生产准备时间。

2）在成批生产时才考虑采用专用夹具，并力求结构简单。

3）装卸工件要迅速方便，以减少机床的停机时间。

4）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加工。

2夹具的类型

数控车床上的夹具主要有两类：

一类用于盘类或短轴类零件，工件毛坯装夹在带可调卡爪的卡盘（三爪、四爪）中，由卡盘传动旋转；另一类用于轴类零件，毛坯装在主轴顶尖和尾架顶尖间，工件由主轴上的拨动卡盘传动旋转。

数控铣床上的夹具，一般安装在工作台上，其形式根据被加工工件的特点可多种多样。

如：通用台虎钳、数控分度转台等。

3零件的安装

数控机床上零件的安装方法与普通机床一样，要合理选择定位基准和夹紧方案，注意以下两点：

1）力求设计、工艺与编程计算的基准统一，这样有利于编程时数值计算的简便性和精确性。

2）尽量减少装夹次数，尽可能在一次定位装夹后，加工出全部待加工表面。

七、零件加工编程实例

1零件的工艺分析

图2零件

1）分析零件图样：

如图2所示,该零件包括有圆柱、圆锥、顺圆弧、逆圆弧及双线螺纹等表面；其多个直径尺寸有较严的尺寸公差和表面粗糙度值等要求；球面SΦ50mm的尺寸公差还兼有控制该球面形状（线轮廓）误差的作用。

该零件材料为45#钢，可以用Φ60mm棒料，无热处理和硬度要求。

2）选定设备：

根据被加工零件的外形和材料等条件，选定数控车床；其数控系统为FNAUC。

3）确定零件的定位基准和装夹方式：

定位基准：确定坯件轴线和左端大端面（设计基准）为定位基准。

装夹方式：左端采用三爪自定心卡盘夹紧、右端采用活动顶尖支顶的装夹方式。

4）确定切削用量

（1）背吃刀量：粗车时，确定其背吃刀量为3mm左右；精车时为0.25mm。

（2）主轴转速：

车直线和圆弧轮廓时的主轴转速。参考表1并根据实践经验确定其切削速度为90m/min；粗车时确定主轴转速为500r/min，精车时确定主轴转速为800 r/min。编程中还可以对直线、圆弧采用不同的主轴转速。

车螺纹时的主轴转速。主轴转速定为320 r/min。

（3）进给速度：粗车时，按式时，按式υf=nf可选择υf1=200mm /min；精车时，兼顾到圆弧插补运行，故选择其υf2=60mm /min左右；短距离空行程的υf3=300mm /min。

2确定加工路线

按由粗到精、由近到远（由右到左）的原则，确定加工路线。加工路线自右向左加工，先用1号刀用G70粗加工出零件外轮廓，具体路线为先倒角（2×45°）→切削螺纹实际外径Φ29.6→切削Φ26→切削Φ36→切削圆弧部分→切削Φ34→切削锥度部分→切削Φ56,最后切削螺纹。

3制定加工方案

1）用1号刀粗车外形，留1.0mm（直径量）的半精车余量。

2）用2号刀车螺纹。

螺纹大径d1=d-0.1P=30-0.1*1.5=29.85mm

螺纹小径d2= d1-1.3P=29.85-1.3*1.5=27.9mm

3）用2号刀精车全部外形。

4选择刀具及对刀

1）粗、精车用刀具：

（1）硬质合金90°外圆车刀，副偏角以为60°，断屑性能应较好。

（2）硬质合金60°外螺纹车刀，刀尖角取为59°30′，刀尖圆弧半径取为0.2mm。

2）对刀

（1）将粗车用90°外圆车刀安装在绝对刀号自动转位刀架的1号刀位上，并定为1号刀。

（2）将精车外形（含外螺纹）用60°外螺纹车刀安装在绝对刀号自动转位刀架的2号刀位上，并定为2号刀。

（3）在对刀过程中，同时测定出2号刀相对于1号刀的刀位偏差。

5确定工件坐标系、对刀点和换刀点

1、加工坐标系如图3所示：O为坐标原

图3坐标点示意图

2、确定对刀点及换刀点位置：

（1）确定对刀点：确定对刀点距离车床主轴轴线30 mm，距离坯件右端端面140 mm；其对刀点在正X和正Z方向并处于消除机械间隙状态。

（2）确定换刀点：为使其各车刀在换刀过程中不致碰撞到尾座上的顶尖，故确定换刀点距离车床主轴轴线60mm，即在正X方向距离对刀点30mm，距离坯件右端端面0 mm，即在Z方向与对刀点一致。

结束语

本设计通过对机械设计制造及其自动化专业大学三年所学知识进行整合，完成一个特定功能、满足特殊要求的数控机床上下料机械手的设计，比较好地体现机械设计制造及其自动化专业毕业生的理论研究水平、实践动手能力以及专业精神和态度，具有较强的针对性和明确的实施目标，实现了理论和实践的有机结合。

机械手采用可编程序控制器控制,可以实行手动调整、手动及自动控制。系统结构紧凑、工作可靠，设计周期短且造价较低。PLC有较高的灵活性，当机械手工艺流程改变时，只要对I/O点的接线稍作修改，或对I/O重新分配，在控制程序中作简单修改，补充扩展即可。经过重新编制相应的控制程序，就能够比较容易的推广到其他类似的加工情况。

综上，经过资料的收集、方案的选择比较和论证，到分析计算，再到工程图纸的绘制以及毕业设计论文的撰写等各个环节，我对大学三年阶段的知识有了一个整体的深层次的理解，同时对工程的理解更加深刻和准确。因此，通过毕业设计实现了预期目标。

致谢

经过一段时间的努力，本次毕业论文终于完成。在这段时间里，我运用所学知识，通过对本设计的论证、计算以及图纸的绘制，对所学知识进行了一次系统的整合，使自己的理论和实际动手能力有了很大提高。

此次毕业设计能够顺利完成，我得到了很多老师和同学的帮助和支持，在此向他们表示感谢。也谢谢你们，是你们给我知识，谢谢！

此外，由于个人知识能力水平有限，论文中难免有纰漏错误指出，恳请各位老师批评指正，谢谢！

参考文献

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[2]王洪主编，数控加工程序编制，北京；机械工业出版社，2003.6

[3]古文生主编，数控机床及应用，北京；电子工业出版社，2002.3

[4]董兆伟主编，数控机床编程技术，北京；机械工业出版社，2009.9

[5]于华主编.数控机床的编程及实例.北京：机械工业出版社，1998.5

[6]刘雄伟主编.数控机床操作与编程培训教程.北京：机械工业出版社，2001.5

[7]王志平主编.数控机床及应用.北京：高等教育出版社，2002.3

[8]顾京主编.数控机床加工程序编制.北京：机械工业出版社，2003.10

[9]李佳主编.数控机床及应用.北京：清华大学出版社，2001.7