数控加工课程设计说明书

南昌航空大学

《数控加工工艺与编程》

课程设计说明书

学院：航空制造工程学院

专业：机械设计制造及其自动化

课程名称：《数控加工工艺与编程》课程设计

学生姓名：王瑞祥学号：12031335

设计题目：复杂阶梯轴的数控加工工艺与编程设计

起迄日期:2015年11月9日~11月13日

指导教师:于斐

上交资料要求：1、电子文档：零件的模型与工程图文档、NC

文件、设计说明书word稿等

2、设计说明书纸质打印稿等（与电子档相同）

课程设计任务书

1．设计目的：

本课程设计是《CAM 技术与应用》课程配套的实践性教学环节，要求学生在学完该课程后，结合前期所学相关知识，通过查阅资料、设计某中等复杂程度零件的机械加工工艺过程，并重点熟悉其中数控加工自动编程与应用的内容。通过设计使学生掌握零件的建模、工程图与数控编程的设计方法，并撰写设计说明书，达到一次综合数控加工工艺与编程的训练目的。

2．设计内容与要求（包括原始数据、技术参数、设计要求等）：

2.1原始数据：教师指定或学生自行设计一个中等复杂程度的含有数控加工要求

的零件（零件结构要求包含 UG 中不少于两种不同类别的加工方式：即零件结构中包含普通加工机床不便或不能加工的几何结构特征，并至少用到 UG 中的平面铣、型腔铣、固定轴轮廓铣、孔或孔系加工、车削加工中的两种加工方法），并完成其三维建模与工程图设计工作。

2.2技术要求：数控加工的内容是基于三轴数控铣床或加工中心或二轴数控车床

加工为主，按照单件小批量生产纲领，默认为典型材料 45 钢（允许指定其他材料）。

2.3设计要求：设计要求完成以下工作：

1）零件三维建模与工程图设计。

2）零件的加工工艺过程设计。（允许在设计说明数中完成）

3）基于 UG 的数控加工编程设计（包括：工件坐标系与毛坯的设定，刀具的设定，加工方法的设定（粗、半精和精加工等），编程过程中的相关参数设定，生成数控加工轨迹并分析，加工模拟的仿真，后处理生成 N 加工代码。）4）撰写设计说明书。（设计说明书要求采用图文并茂的方式描述设计过程、相关参数的设定分析与选值说明，刀路轨迹和比较、分析与说明，NC 代码的必要说明等）

3．成绩评定：

成绩：指导教师签名：

评语：

摘要

数控技术又称计算机数控技术，目前它是采用计算机实现数字程序控制的技术。这种技术用计算机按事先存贮的控制程序来执行对设备的控制功能。由于采用计算机替代原先用硬件逻辑电路组成的数控装置，使输入数据的存贮、处理、运算、逻辑判断等各种控制机能的实现，均可通过计算机软件来完成。

此次设计主要是介绍运用数控机床来加工轴类零件的整个工艺过程及其工艺分析，即从毛坯到所加工零件这一过程中的工艺及其相应的工艺分析，故此设计便以这一过程而展开设计，从而完成此次设计任务。

本课程设计是《CAM 技术与应用》课程配套的实践性教学环节，要求学生在学完该课程后，结合前期所学相关知识，通过查阅资料、设计某中等复杂程度零件的机械加工工艺过程，并重点熟悉其中数控加工自动编程与应用的内容。通过设计使学生掌握零件的建模、工程图与数控编程的设计方法，并撰写设计说明书，达到一次综合数控加工工艺与编程的训练目的。

当然，由于能力有限，设计当中可能有不足之处，希望老师给予批评指正。关键词：数控技术；工艺分析。

目录

1 绪论 (5)

1.1.1 数控技术的概念 (5)

1.1.2 数控技术的基本理论 (5)

2 零件的工艺分析及规程 (6)

2.1 零件的用途 (6)

2.2 零件的结构形状 (6)

2.3 零件的表面粗糙度 (7)

2.4 零件的尺寸精度 (7)

2.5 工艺规程的定义 (8)

2.6 加工工序的划分 (8)

2.6.1 首先，先明确一下加工工序划分的原则 (8)

2.6.2 具体加工工序划分如下 (8)

3 毛坯的选择 (9)

3.1 毛坯材料的选择 (9)

3.1.2 选择毛坯材料的基本过程 (9)

3.1.3 毛坯材料的选择结果 (10)

3.2 毛坯形状及尺寸的确定 (10)

4装夹方式和定位基准的选择 (11)

4.1 装夹方式的选择 (11)

4.2 定位基准的选择 (11)

5切削参数的确定 (12)

6零件三维建模 (13)

7数控加工仿真 (14)

结论 (14)

参考文献： (15)

附录 (16)

绪论

1.1.1 数控技术的概念

数控（英文名字：Numerical Control 简称:NC）技术是指用数字、文字和符号组成的数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制的技术。也可以说成是数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术。数控一般是采用通用或专用计算机实现数字程序控制，因此数控也称为计算机数控(Computer Numerical Control )，简称CNC，国外一般都称为CNC。它所控制的通常是位置、角度、速度等机械量和与机械能量流向有关的开关量。

1.1.2 数控技术的基本理论

数控机床是按照事先编制好的加工程序，自动地对被加工零件进行加工。我们把零件的加工工艺路线、工艺参数、刀具的运动轨迹、位移量、切削参数(主轴转数、进给量、背吃刀量等)以及辅助功能(换刀、主轴正转、反转、切削液开、关等)，按照数控机床规定的指令代码及程序格式编写成加工程序单，再把这程序单中的内容记录在控制介质上(如穿孔纸带、磁带、磁盘、磁泡存储器)，然后输入到数控机床的数控装置中，从而指挥机床加工零件。

2 零件的工艺分析及规程

2.1 零件的用途

图中所设计的零件为一复杂的轴类零件，而轴类零件又是机器中经常遇到的典型零件之一。它主要用来连接和支承传动零部件，传递扭矩和承受载荷，图示的零件也不例外。轴类零件是旋转体零件，其长度大于直径，一般由同心轴的外圆柱面、圆锥面、内孔和螺纹及相应的端面所组成。根据结构形状的不同，轴类零件可分为光轴、阶梯轴、空心轴和曲轴等，图示零件则为阶梯轴。所以，图中所示零件的用途是连接其它配合件，起的作用是支承其它传动零部件，传递扭矩和承受载荷，可用于汽车、机械等行业。

2.2 零件的结构形状

如图2.1所示，此零件为结构较为复杂的不规则轴类零件，且右端最小，左端次之，中间最大，包含着曲面、内孔、螺纹及槽等一些较难加工的部分。

零件的右端是一个半球面，其左边是一个螺纹台阶，再接着是一个槽。零件的左端含有一内孔，且内孔外沿倒有圆角。左端的第一个台阶上含有一个内凹圆弧面。整体上说，此零件由左向右呈中、大、小结构分布。

2.3 零件的表面粗糙度

定义：表面粗糙度是指加工表面具有的较小间距和微小峰谷不平度。其两波峰或两波谷之间的距离（波距）很小（在1mm以下），用肉眼是难以区别的，因此它属于微观几何形状误差。表面粗糙度越小，则表面越光滑。表面粗糙度的大小，对机械零件的使用性能有很大的影响，因此，要在满足零件表面功能的前提下，合理选用表面粗糙度参数。

由零件图所示可知，所示零件的表面粗糙度大部分需要控制在以内，即轮廓的算术平均偏差Ra的上限值为1.6μm。除了零件右端的半球面、螺纹及槽等要控制在～以外，其余的部分都要控制在以内。

2.4 零件的尺寸精度

由图可知，此零件的总长是88mm，最大直径是，即?=42～

41.961mm；左端最大直径是，即?=36～35.961mm；孔的长为，即

?=20.10～20mm；直径为，即?=24.036～24mm。由以上几个尺寸可以得

知此零件有几处的尺寸精度要求是相当高的，这也给此零件的加工带来了一定的难度，这就需要加工者选择合适的加工方法和熟练的加工技巧等。

2.5 工艺规程的定义

机械加工工艺规程简称工艺规程，是规定零件加工工艺过程和操作方法等的工艺文件。它是在具体的生产条件下，将最合理或较合理的工艺过程和操作方法，按规定的形式制成工艺文本，经审批后用来指导生产并严格贯彻执行的指导性文件。一般包括以下内容：工件加工工艺路线及所经过的车间和工段；各个工序的内容及采用的机床和工艺装备；工件的检验项目及检验方法；切削用量；工时定额及工人的技术等级等。

2.6 加工工序的划分

2.6.1 首先，先明确一下加工工序划分的原则

按工序集中划分工序的原则；按粗,精加工划分工序的原则；按刀具划分工序的原则；按加工部位划分工序的原则。

2.6.2 具体加工工序划分如下

一、先加工零件的右端；

二、切端面；

三、粗车外圆；

四、精车外圆；

五、切槽；

六、车螺纹；

七、再掉头加工零件的左端，切端面；

八、用麻花钻钻孔；

九、粗车外圆；

十、精车外圆；

十一、钻孔；

十二、镗孔；

十三、检验。

3 毛坯的选择

零件是由毛坯按照其技术要求经过各种加工而最后形成的。毛坯种类的选择不仅影响毛坯的制造技术及费用，而且也与零件的机械加工技术和加工质量密切相关。为此需要毛坯制造和机械加工两方面的技术人员密切配合，合理地确定毛坯的材料、结构形状及尺寸。

3.1 毛坯材料的选择

3.1.1 材料选择的一般标准如下

材料的力学性能。根据零件的工作条件、损坏（或失效）形式，选择满足力学性能的材料。

材料的工艺性能。对零件加工生产有直接的影响，甚至是决定性的。

材料的经济性。主要是价格比。

3.1.2 选择毛坯材料的基本过程

首先得从毛坯材料的服役条件开始，通过对失效形式的分析从而完成材料的预选，然而失效形式的分析又得从材料的力学性能、工艺性能和经济性着手。完成材料的预选过后就需设计计算，强度校核，主要是从材料的耐用性、

结构尺寸的合理性及材料的变形和抗断裂能力三个方面考虑，进而最终选定毛坯材料。

3.1.3 毛坯材料的选择结果

综合上考虑，加工此零件所选用的毛坯材料为45号钢，因为45号钢为优质碳素结构用钢 ,硬度不高，易切削加工,常用来做模板、连杆、螺栓、齿轮及轴类等，且需进行热处理（推荐热处理温度：正火850?C，淬火840?C，回火600?C）。

3.2 毛坯形状及尺寸的确定

毛坯是根据零件所要求的形状、力学性能及工艺尺寸等而制成的供进一步加工用的生产对象。此次设计根据工件材料、零件形状、力学性能及工艺尺寸等特性的要求，应当选择的毛坯材料为φ50mm的45号钢，并要尽量使各个回转表面上的余量分布均匀。由于零件图样尺寸为88mm×φ42mm，所以，为了使毛坯尽量的最小化，毛坯材料应当选择尺寸为120mm×φ50mm的棒状材料。综上所述，此次设计的零件毛坯材料应当是尺寸为120mm×φ50mm的棒状45号钢，且需进行过热处理。（如图3.1）

图3.1

4 装夹方式和定位基准的选择

工件的装夹和定位不仅影响零件的加工质量，而且对生产率、加工成本及操作安全都有直接的影响。所以，选择正确的装夹方式和定位基准是很有必要的。

4.1 装夹方式的选择

定位和夹紧的整个过程合起来称为装夹。

选择合适的装夹方式是保证精度的前提。常用的装夹方式有悬臂支撑方式、两端支撑方式、桥式支撑法、专用夹具装夹法。对一般无特殊要求的零件，我们力求装夹方便，通常会选用两端支撑方式或桥式支撑法，可以克服由于悬臂支撑方式引起的工件变形。当要求批量生产时，为保证精度，提高效率，通常可选择专用夹具装夹法。另外还应注意的是，装夹时工件基准面应清洁，无毛刺。经过热处理的工件一定要清除热处理留下的渣物及氧化皮。

此次设计所选用的装夹方式是悬臂支撑方式，即采用三爪卡盘直接装夹，因为装夹工件方便，省时省力，且工件安装后一般不需要校正，适用于装夹外形规则的中小型零件。

4.2 定位基准的选择

在制定零件加工的工艺规程时，正确地选择工件的定位基准有着十分重要的意义。定位基准选择的好坏，不仅影响零件加工的位置精度，而且对零件各表面的加工顺序也有很大的影响。

基准，指零件上用来确定其它点、线、面所依据的点、线、面。

定位基准的选择分为粗基准和精基准。粗基准为用未加工过的表面所作的定位基准。精基准为用已加工过的表面所作的定位基准。

选择粗基准时，主要考虑的问题是如何使各道工序均有足够的加工余量以及工件安装的稳定性。

选择精基准时，主要考虑的问题是如何保证零件的加工精度以及安装可靠。

此次设计所选用的是以工件的中心孔定位，因为轴类零件各外圆表面、螺纹表面的同轴度及端面对轴线的垂直度是相互位置精度的主要项目，而这些表面的设计基准一般都是轴的中心线，采用两中心孔定位就能符合基准重合原则。而且由于多数工序都采用中心孔作为定位基面，能最大限度地加工出多个外圆和端面，这也符合基准统一原则。

5 切削参数的确定

在切削加工中，切削速度、切削深度、进给量等切削参数的合理选择对于保证加工质量、降低加工成本、提高生产效率具有重要意义。在机床、刀具、工件等工艺条件一定的情况下，切削参数的选择具有一定的灵活性和能动性，如切削参数选择适当，则可最大限度地发挥生产潜力。

5.1 切削用量的确定

切削用量是切削时各运动参数的总称，包括切削速度、进给量和背吃刀量（切削深度）。

合理选择切削用量对于发挥数控机床的最佳效益有着至关重要的关系。选择切削用量的原则是：粗加工时，一般以提高生产率为主，但也应考虑经济性和加工成本；半精加工和精加工时，应在保证加工质量的前提下，兼顾切削效率、经济性和加工成本。具体数值应根据机床说明书、刀具说明书、切削用量手册，并结合经验而定。

本设计的所选择的切削用量是：切削速度vc=50～100mm/min,进给量

f=0.1～0.2mm/r,背吃刀量ap=1.5mm。

5.2 加工余量的确定

加工余量是指加工过程中在工件表面所切去的金属层厚度。余量有总加工余量和工序余量之分。由毛坯转变为零件的过程中，在某加工表面上切除金属层的总厚度，称为该表面的总加工余量（亦称毛坯余量）；一般情况下，总加工余量并非一次切除，而是分在各工序中逐渐切除，故每道工序所切除的金属层厚度称为该工序加工余量（简称工序余量）。工序余量是相邻两工序的工序尺寸之差，毛坯余量是毛坯尺寸与零件图样的设计尺寸之差。

确定加工余量的方法如下。

计算法——采用计算法确定加工余量比较准确，但需掌握必要的统计资料和具备一定的测量手段。

查表法——利用各种手册所给的表格数据，再结合实际加工情况进行必要的修正，以确定加工余量。此法方便、迅速，生产上应用较多。

经验法——由一些有经验的工程技术人员或工人根据现场条件和实际经验确定加工余量。此法多用于单件小批生产。

采用经验法可得此次设计中精加工余量为0.3mm。

5.3 走刀路线的确定

走刀路线就是刀具在整个加工工序中的运动轨迹，它不但包括了工步的内容，也反映出工步顺序。走刀路线是编写程序的依据之一。

确定走刀路线时应注意以下几点：寻求最短加工路线，减少空刀时间以提高加工效率；为保证工件轮廓表面加工后的粗糙度要求，最终轮廓一次走刀完成；选择切入切出方向；选择使工件在加工后变形小的路线。

确定本次设计零件加工走刀路线为：先用G71加工出零件左端外轮廓；再用G01和G02镗出零件左端的内孔；接着用G71加工出零件右端外轮廓；再接着用G01切出零件上的槽；最后用G92加工出零件右端的螺纹。

6 阶梯轴零件三维建模和工程图绘制（见附录1）

7 数控加工仿真及程序设计

7.1 前端外轮廓粗车（具体步骤见附录2）

7.2 后端外轮廓粗车（具体步骤见附录2）

7.3 切槽以及倒角圆角粗车

7.4 车后端内孔

7.5 外轮廓精车

7.6 钻孔及镗孔(具体步骤见附录2)

结论

随着大学毕业的临近，学期也接近了尾声，经过一周周的奋战我的课程设计终于快完成了。在没有做课程设计以前，我觉得课程设计只是对这三年来所学知识的单纯总结,但是通过这次做课程设计，我发现自己的看法有点太片面了。课程设计不仅是对我前面所学知识的一种检验,也是对自己能力的一种提高。通过这次课程设计使我明白了，原来自己所学的知识还比较欠缺。

课程设计是我们专业课程数控和加工知识综合应用的实践训练，是我们迈向社会、从事职业工作前一个必不可少的过程。通过这次课程设计使我深深体会到了“千里之行始于足下”这句千古名言的真正含义。

参考文献：

[1] 王丽洁，数控加工工艺与设备.清华大学出版社.1995.20-32

[2] 沈建峰，数控编程200例.中国电力出版社.2005.102-105

[3] 梁旭坤，焦建雄.机械制造基础.中南大学出版社.2006.77-88

[4] 魏康民，机械加工技术.西安电子科技大学出版社.1999.99-102

[5] 徐宏海，数控加工工艺.化学工业出版社.2007.222-233

[6] 陈为国，数控加工编程技术.机械工业出版社.2010.50-60

[7] 赵玉刚，数控技术.机械工业出版社.2009.80-90

附录1

阶梯轴三维建模截图

阶梯轴零件工程图截图

附录2

一、外轮廓粗车仿真

1、打开模型文件进入加工环境

2、创建机床坐标系

3、创建部件几何体（选取整个部件）

4、指定部件边界

5、创建毛坯几何体

6、选择毛坯放置位置

7、创建刀具

8、设置刀具参数