《数控编程与加工》
课程设计
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指导老师
上海电机学院高职学院
2013年6月
目录
《数控编程与加工》课程设计任务书································《数控编程与加工》课程设计课题··································
1.课题分析···············································
1.1 零件图分析···················································
1.2 加工要求·····················································
2.工艺规划···············································
2.1选择加工方案·················································
2.2工装设计·····················································
2.3工序划分·····················································
2.4工艺文件·····················································
3.程序编制·············································
3.1编程准备····················································
3.2特色指令···················································
3.3程序单······················································
4.数控仿真·············································
4.1仿真概述····················································
4.2工装准备····················································
4.3程序编制与输入··············································
4.4加工仿真····················································总结
参考文献
《数控编程与加工》课程设计任务书
一、课程设计目的
1．复习和巩固已学过的“数控编程与操作”理论知识和操作技能，适当拓展“数控编程与操作”的深度和广度。
2．培养学生运用“数控编程与操作”技能，结合学过的机床、工艺、工夹具等专业知识，
完成零件编程和加工的综合能力。
3．学习和训练查阅各种技术资料，编制相关的专业技术文件的基本技能。
二、课程设计要求
1．完成指定的课程设计课题，达到以下基本要求：
1）课题分析：明确加工内容和加工要求。
2）工艺规划：制定工艺方案；选定工艺参数；完成零件、刀具、夹具的选择、定位和安装；编制工序卡、刀具卡等技术文件。
3）程序编制：建立编程坐标系；编写数控加工程序单。
4）刀轨模拟：检验加工程序准确无误。
5）仿真加工：检验零件加工尺寸的基本正确。
6）打印输出：正确反映模拟、仿真等加工信息。
2．编写能够体现整个设计思想、设计要求、设计过程的课程设计说明书，并装订成册。3．准备课程设计答辩。
三、课程设计课题
（见下一页）
四、课程设计步骤
1．复习、巩固学过并将要用到的专业基础知识和“数控编程与操作”知识，做好各项准备工作。
2．完成课题各项要求。
3．编写课程设计说明书，说明书参考格式：
1）封面 2）目录 3）课程设计任务书（下发） 4）课程设计课题（下发） 5）课程设计说明 6）课程设计小结 7）课程设计参考书目4．课程设计答辩，缴课程设计说明书。
五、课程设计评分标准
1．工作表现 30%
2．说明书质量 50%
3．答辩情况 20%
《数控编程与加工》课程设计课题（13）
课题名称：数控铣床加工程序的编制与仿真检验。
已知条件：数控铣床加工零件图。
课题内容：编制内外轮廓铣和孔加工的数控加工程序单，并进行加工仿真检验。
1.课程分析
1.1零件图分析
图1-1零件图
图示零件从结构来看，该零件包括了凹台，平面，打孔等加工。凹台在零件的内表面的四边，有四个。打孔在这四个凹台上进行加工。零件中间的凸台平面是对称结构。其中多个长度以及宽度尺寸，有较严格的尺寸精度和表面粗糙度等要求，适合数控铣床铣削加工。尺寸标注完整，轮廓描述清楚。零件的材料为45 刚，该材料具有较高的强度和较好的韧性、塑性。零件成产批量为单件小批量。
1.2加工要求
根据所给的图纸，分析工件，制定加工工艺。手工编写程序，并用数控仿真加工系统进行模拟加工，制作出合格的工件。加工要求如下：
1）毛胚尺寸，材料合理。
2）所有尺寸都需在尺寸公差范围内。
3）对称度需符合要求。
4）表面粗糙度符合要求。
5）道具选择合理。
6）手工编程，程序正确合理且简洁。铣削参数合理。
7）工艺卡片、刀具卡片填写正确。
2工艺规划
2.1选择加工方案
2.1.1工艺分析
制定数控加工工艺是数控加工的前期工艺准备工作。数控加工工艺贯穿于数控程序中，数控加工工艺制定的合理与否，对程序的编制，机床的加工效率和零件的加工精度都有重要的影响。因此，应遵循一般的工艺原则并结合数控加工的特点认真而详细地分析零件的数控加工工艺。
数控加工工艺包括，零件结构公益心分析、轮廓几个要素分析、精度要求及技术要求分析、零件图的数字处理、加工工序的划分、加工余量的确定、加工路线的确定、工件定位、刀具选择、工艺卡片和刀具卡片的制定等。
2.1.2加工顺序方案的制定
根据零件图样，制定以下加工顺序方案，选取最佳一种，（即加工工时最短，且又能保证质量）下面分析两套加工顺序方案进行比较。
方案一：夹持零件→粗铣上平面→精铣上平面→粗铣凹槽→精铣凹槽→粗铣凹台→精铣凹台方案二：夹持零件→粗铣上平面→精铣上平面→粗铣凹台→精铣凹台→粗铣凹槽→精铣凹槽方案二换到次数多，加工工时较长，严重影响加工效率，方案一能达到加工要求。
故选择方案一进行加工。
2.1.3机床的选择
根据图形结构有圆弧、内腔、凸台、深孔等型面，加工内容较为复杂，为了避免重复定位带来的误差，减少手工换刀操作，故用数控铣床来完成此次加工任务。
数控铣床的特点：
1、零件加工的适应性强、灵活性好，能加工轮廓形状特别复杂或难以控制尺寸的零件，如模具类零件、壳体类零件等。
2、能加工普通机床无法加工或很难加工的零件，如用数学模型描述的复杂曲线零件以及三维空间曲面类零件。
3、能加工一次装夹定位后，需进行多道工序加工的零件。
4、加工精度高、加工质量稳定可靠。
5、生产自动化程度高，可以减轻操作者的劳动强度。有利于生产管理自动化。
6、生产效率高。
7、从切削原理上讲，无论是端铣或是周铣都属于断续切削方式，而不像车削那样连续切削，
因此对刀具的要求较高，具有良好的抗冲击性、韧性和耐磨性。在干式切削状况下，还要求有良好的红硬性。
2.2工艺设计
2.2.1毛胚尺寸
零件在进行数控铣削加工时，由于加工过程的自动化，实用余量的大小，如何装夹等问题在选用毛胚就要仔细考虑好，否则，如果毛胚不适合数控铣削，加工将很难进行下去。根据分析零件图得到，所选毛胚尺寸为：80mm*20mm 。 2.2.2刀具选择
刀具尺寸选择包括直径尺寸和长度尺寸：
（1）直径尺寸：根据零件图样不同，选用的刀具尺寸不一样，因图而异。
选择的原则是：在道具能够满足加工前提下，尽量选取直径大的刀具，铣削刀具都是成型刀具且标准，在同时可根据选择刀具的直径提取刀具。
（2）长度尺寸：在铣床上，刀具长度一般是指主轴端面到刀尖距离，包括刀柄和刃具。 选取的原则是：在满足个部分加工要求的前提下，尽量减小刀具长度，以提高工艺系统的刚性，制造工艺和编程时，一般不必准确的确定刀具的长度，只需初步估算出道具长度的范围。
根据经验公式：t T Z L N B A T +++--=01 公式中：1T ―刀具长度
A ―主轴端面至工作台中心最大距离
B ―主轴在Z 方向的最大行程 N ―加工表面距工作台中心距离 L ―工件的加工深度尺寸
0Z ―刀具切出工件长度（以加工表面2-5mm ，毛坯表面取5-8mm ）
图2-1刀具长度示意图
表2-2刀具选择表
2.2.3定位安装
加工中定位基准的确定应注意一下几点：
1）应采用统一的基准定位，数控加工工艺特别强调定位加工，若无统一的基准定位会因工件重新安装产生的定位误差而导致加工后的两个面上的轮廓位置及尺寸不协调现象，因此为保证两次装夹加工后其相对位置的准确性，应采用统一的基准定位。
2）统一的基准可以是工件上已有表面，也可以是辅助基准，工件上最好有合适的孔作为定位基准，若没有，应专门设置工艺孔作为定位基准，称之为辅助基准，工件上如没有合适的辅助基准位置，可考虑采用在毛坯上增加工艺凸台，制出工艺孔或在后续加工工序要加工掉的余量上设置工艺孔，在完成定位加工后再去除的方法。
3）综上，图2-1中采用增加工艺凸台，铣两个夹持面作为基准，可以一次性装夹而加工完所要加工的表面，没有重复定位，故能保证基准统一。
2.3划分工序
2.3.1一般工序划分原则：
1）同一表面按粗加工、半精加工、精加工依次完成，或全部加工表面按先粗后精加工分开进行。
2）对于既有铣面又有镗孔的零件，可先铣面后镗孔，使其有一段时间恢复，可减少由变形引起的对孔的精度的影响。
3）按刀具划分工步。某些机床工作台回转时间比换刀时间短，可采用按刀具划分工步，以减少换刀次数，提高加工生产率。
故在此题中，按此原则制定工序如下：
1.粗加工凹槽，深度达到5cm。
2.精加工凹槽，深度下去2cm。
3.粗加工凹台，深度达到2cm。
4.精加工凹台，深度下去2cm。
5.去除凹台内的毛胚余量。
2.3.2工艺流程
对零件的加工制定重要工艺流程，如下表2-4所示
表2-4零件加工的工艺路线
2.3.2切削用量 (1) 主轴转速的确定
主要根据允许的切削速度Vc(m/min)选取：
D
Vc n π1000=
其中Vc-切削速度
D-工件或刀具的直径（mm ）
由于每把刀计算方式相同，现选取 16mm 的立铣刀为例说明其计算过程。
根据切削原理可知，切削速度的高低主要取决于被加工零件的精度、材料、刀具的材料和刀具耐用度等因素。
表2-5铣削速度
从理论上讲，
c
v 的值越大越好，因为这不仅可以提高生产率，而且可以避免生成积屑瘤的
临界速度，获得较低的表面粗糙度值。但实际上由于机床、刀具等的限制，综合考虑：
取： c v =40m/min
代入公式中： 粗n =1614.3401000??=800r/min 精n =16
14.350
1000??=1000r/min
(2)进给速度的确定
粗加工的时候一般尽量可能的最大每齿进给速度，每齿进给速度的取值主要考虑刀具的强度，对于立铣刀而言，直径越大，刀刃越多，其刀具强度就越大，允许取的每齿进给速度也越大;在一定的每齿进给速度，切削深度，切削宽度的取值过大，将会导致切削力过大，一方面可能会超出机床的额定负荷或损坏刀具;另一方面，如果切削速度也较大，可能会超出机床额定功率。通常如果切削深度必须取大值的时候，切削宽度就必须取很小的值。曲面轮廓的精加工的每齿进给速度、切削深度、切削宽度一般比较小，切削力很小，因此取很高的切削速度也不会超出机床的额定功率。粗加工的时候，过高切削度主要引起温度和切削功率过大，精加工的时候过高的切削速度主要爱温度的限制。通常，铣刀材料、工件材料、刀具耐用度一定，允许的浓度就一定，因此极限切削线速度也一定。
切削进给速度F 时切削时单位时间内工件与铣刀沿进给方向的相对位移，单位mm/min 。它与铣刀的转速n 、铣刀齿数z 及每齿进给量Z f （mm/z ）的关系为:
ZN f F Z =
每齿进给量Z f 的选取主要取决于工件材料的力学性能、刀具材料、工件表面粗糙度值等因素。工件材料的强度和硬度越高，Z f 越小，反之则越大；工件表面粗糙度值越小，Z f 就越小；硬质合金铣刀的每齿进给量高于同类高速钢铣刀。
表2-6铣刀每齿进给量
综合选取：粗铣
Z f =0.05 mm/z
精铣
Z f =0.03mm/z
铣刀齿数z=2
上面计算出： 粗n =800r/min 精
n =1000r/min 将它们代入式子计算。
粗铣时：F=0.05×2×800 =80mm/min
精铣时：F =0.03×2×1000
=60mm/min
切削进给速度也可由机床操作者根据被加工工件表面的具体情况进行手动调整，以获得最佳切削状态。 （3）背吃刀量的确定
背吃刀量是根据机床、工件和刀具的刚度来决定，在刚度允许的条件下，应尽可能使被吃刀量等于工件的加工余量，这样可以减少走刀次数，提高生产效率。为了保证加工表面质量，可留少量精加工余量，一般留0.2～0.5mm 。
总之，切削用量的具体数值应根据机床性能、相关的手册并结合实际经验用类比方法确定。同时，使主轴转速、切削深度及进给速度三者能相互适应，以形成最佳切削用量。 2.3.3冷却液选择
由于在切削加工过程中，被切削层金属的变形、切屑与刀具前面的摩擦和工件与刀具后面的摩擦要产生大量的热——切削热。大量的切削热被工件吸收9%~30%、切屑吸收50%~80%/、刀具吸收4%~10%，其余由周围介质传出，而在钻削时切削热有52%传入麻花钻。
由于热胀冷缩的原理，工件和刀具吸收了一部分的热量，工件和刀具产生变形最终影响加工精度。如果大量的切削热传入刀具，容易使刀具损坏——造成“烧刀”的现象。为了提高加工零件的精度和刀具的耐用度及使用寿命，在切削加工过程中必须使用冷却液对工件和刀具进行冷却，以避免造成“烧刀”的现象和零件精度的影响。 通过查询资料知道常用的冷却液主要有一下三种：
表2-7常用冷却液
从工件材料考虑，切削45钢时不得使用水溶液，考虑到冷却作业和价格，选择乳化液
可以满足要求。
从刀具材料考虑，硬质合金刀具一般采用乳化液作为冷却液，其冷却效果很好。
综合以上的种种分析，采用乳化液作为冷却液效果很好。它的主要作用：冷却、润滑、清洗而且还有一定的防锈作用。
2.4工艺文件
表2-8数控加工工序卡
表2-9数控加工刀具卡
3程序编制
3.1编程准备
3.1.1编程概述
数控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，切割深度等）以及辅助操作（换刀，主轴正反转，冷却液开关，刀具加紧，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，理想的加工程序不仅应保证加工出符合图样要求的合格工作，而且应是数控机床的功能得到合理的应用和充分的发挥没事数控机床安全，可靠，高效地工作。在编制程序前，编程人员应充分了解数控加工特点，了解数控机床的规格，性能，数控系统所具备的功能以及编程指令格式代码。
5.1.2编程原点的选择
零件中有零件是轴对称零件，在编程时，应选用零件的中心作为编程的中心，这样更有利于编程和操作。
5.1.3坐标系的选择
1）图纸坐标系：在图纸上为了方便编程和将图纸坐标系转化到工件坐标系上，我们选择的坐标原点为工件的中心。平面坐标选择X轴（向右）和Y轴（向上）。
2）工件坐标系：为了方便对刀和换刀，我们选择的坐标原点为工件的中心。平面坐标选择X轴（向右）和Y轴（向上）。
3.2指令特色
3.2.1刀具半径补偿指令G40~G42
刀具半径补偿功能是指数控程序按零件的实际轮廓来编写，加工时系统自动偏离轮廓一个刀具半径(称偏置量)，生成偏置的刀具中心轨迹。
①刀具半径左补偿指令G41和右补偿指令G42。
刀具半径左补偿是指沿着刀具运动方向向前看(假设工件不动)，刀具位于零件左侧的刀具半径补偿，指令代码为G41，如图4.19所示。
刀具半径右补偿是指沿刀具运动方向向前看(假设工件不动)，刀具位于零件右侧的刀具半径补偿，指令代码为G42，如图4.20所示。
指令格式：
G00(G01)G41(G42)X—Y—D一；
式中的X、Y表示刀具移至终点时，轮廓曲线(编程轨迹)上点的坐标值；D为刀具半径补偿寄存器地址字，后面一般用两位数字表示偏置量的代号，偏置量在加工前可用MDI方式输入
为了保证刀具从无半径补偿运动到所希望的刀具半径补偿起始点，必须用一直线程序段G00或C01指令来建立刀具半径补偿。
注意：
1.在运用刀具半径补偿后的刀补状态中，如果存在有两段以上的没有移动指令值或存在非指定平面轴的移动指令段，则有可能产生进刀不足或进刀超差。
2.G41、G42与顺铣逆铣的关系。在立式铣床上铣外轮廓时，采M03、G41加工方式为顺铣：铣槽内轮廓时，采用M03、G41加工方式为逆铣。采用G42时相反。
②取消刀具半径补偿指令G40
指令格式：
G00(G01)G40X—Y—；
X、Y值是撤消补偿直线段的终点坐标
5.2.2子程序
1.子程序的格式
一个子程序应该具有如下格式：
在程序的开始，应该有一个由地址O指定的子程序号，在程序的结尾，返回主程序的指令M99是必不可少的。M99可以不必出现在一个单独的程序段中，作为子程序的结尾，这样的程序段也是可以的：
G90 G00 X0 Y100.M99；
2.调用子程序的编程格式M98 P～;
M98 P×××××××；
式中：P――表示子程序调用情况。P后共有8位数字，前四位为调用次数，省略时为调
用一次；后四位为所调用的子程序号。
子程序调用指令可以和运动指令出现在同一程序段中：
G90 G00 X75.Y50.Z53. M98P40035；
该程序段指令X、Y、Z三轴以快速定位进给速度运动到指令位置，然后调用执行4次35号子程序。
5.2.3 1、比例及镜向功能G51、G50
1.各轴按相同比例编程
编程格式：
G51X～Y～Z～P～
…………
G50
式中：
X、Y、Z--比例中心坐标(绝对方式)；
P--比例系数，最小输入量为0.001，比例系数的范围为：0.001～999.999。该指令以后的移动指令，从比例中心点开始，实际移动量为原数值的P倍。P值对偏移量无影响。
2.各轴以不同比例编程
各个轴可以按不同比例来缩小或放大，当给定的比例系数为-1时，可获得镜像加工功能。
编程格式：
G51X～Y～Z～I～J～K～
…………
G50
式中：
X、Y、Z--比例中心坐标；
I、J、K―-对应X、Y、Z轴的比例系数，在±0.001～±9.999范围内。本系统设定I、J、K 不能带小数点，比例为1时，应输入1000，并在程序中都应输入，不能省略。
5.2.3孔的固定循环指令G81
1.格式：
G99 (G98) G81 X～Y～Z～R～F～；
第一个G代码指定返回平面，G98为返回初始平面，G99为返回R点平面内。
第二个G代码为孔加工方式。
X,Y为孔位数据，指被加工孔的位置
Z为R点到孔底的距离（G91时）或孔底坐标（G90）时.
R为初始点到R点的距离或R点坐标值
F为切削进给速度
3.3程序单
O0001 （主程序名）
M03 S1000; （转速为1000r/min）G00 X0 Y0 Z5.; （快速定位）
G43 G01 X0 Y0 Z-7.H01 F100; （刀具长度补偿）
M98 P2; （调用子程序）
G51 X0 Y0 I-1000 J1000; （镜像）
M98 P2;
G51 X0 Y0 I-1000 J-1000;
M98 P2;
G51 X0 Y0 I1000 J-1000;
M98 P2;
G69;
G49;
G01 Z5.;
G00 X100. Y100. Z100.;
M30; （程序结束）
O0002; （子程序名）
G42 G01 X6. Y6. D01 F100; （刀具右补偿）
G01 X33.;
Y33.;
X6.;
Y6.;
Z5.;
G40; （取消刀补）
G01 X33. Y33.;
G01 Z-4. F100;
G41 G01 X15.5 Y33. D02 F100; （刀具左补偿）G03 X33. Y15.5 R20.;
G01 Z5.;
G40;
G00 X0 Y0;
G42 G01 Z-7. D01;
M99;