1、论CAD在机械设计中的应用机械设计制造及其自动化毕业论文哈尔滨职业技术学院13级毕业论文 题 目 论CAD在机械设计中的应用 学生姓名 孙朋 年 级13级机制四班专 业 机械设计制造及其自动化 指导教师 陈强2016年3月23日星期三 摘要 目前，CAD技术突飞猛进的发展，为机械制造业提供了强大的技术支持。从CAD的概念及应用、CAD技术在机械设计中的优点、CAD技术在机械设计中的不足和CAD技术的发展趋势四个方面对这个问题进行了论述，提出了一些思考。关键词：CAD；机械设计；应用摘要一、引言二、数控概述三、数控加工工艺分析3.1 数控加工工艺概念3.2 数控加工工艺内容3.3工序的公分与划分
2、四、数控编程方法4.1数控编程的基本概念4.2数控编程的步骤4.3数控车床程序的编制五、数控刀具的选用六、夹具的选择和装夹七、零件加工编程实例7.1零件的工艺分析7.2确定加工路线7.3制定加工方案7.4选择刀具及对刀7.5确定工件坐标系、对刀点和换刀点八、结论参考文献二、数控概述（一）数控机床简介数控机床是数字控制机床（Computer numerical control machine tools）的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，从而使机床动作并加工零件。数控机床种类繁多，由数控系统通过伺服驱动系统去控制
3、各运动部件的动作，主要用于轴类和盘类回转体零件的多工序加工，具有高精度、高效率、高柔性化等综合特点，适合中小批量形状复杂零件的多品种、多规格生产。（二）数控机床特点数控机床的操作和监控全部在这个数控单元中完成，它是数控机床的大脑。与普通机床相比，数控机床有如下特点： 1、加工精度高，具有稳定的加工质量； 2、可进行多坐标的联动，能加工形状复杂的零件； 3、加工零件改变时，一般只需要更改数控程序，可节省生产准备时间；4、机床本身的精度高、刚性大,可选择有利的加工用量，生产率高（一般为普通机床的35倍）； 5、机床自动化程度高，可以减轻劳动强度； 6、对操作人员的素质要求较高，对维修人员的技术要求
4、更高。（三）数控机床的组成数控机床一般由下列几个部分组成： 1、主机，他是数控机床的主题，包括机床身、立柱、主轴、进给机构等机械部件。他是用于完成各种切削加工的机械部件。 数控机床2、数控装置，是数控机床的核心以及实现各种控制功能。 3、驱动装置，他是数控机床执，包括硬件（印刷电路板、CRT显示器、键盒、纸带阅读机等）以及相应的软件，用于输入数字化的零件程序，并完成输入信息的存储、数据的变换、插补运算行机构的驱动部件，包括主轴驱动单元、进给单元、主轴电机及进给电机等。他在数控装置的控制下通过电气或电液伺服系统实现主轴和进给驱动。当几个进给联动时，可以完成定位、直线、平面曲线和空间曲线的加工。
5、4、辅助装置，指数控机床的一些必要的配套部件，用以保证数控机床的运行，如冷却、排屑、润滑、照明、监测等。它包括液压和气动装置、排屑装置、交换工作台、数控转台和数控分度头，还包括刀具及监控检测装置等。 5、编程及其他附属设备，可用来在机外进行零件的程序编制、存储等。（四）数控机床发展趋势高速、精密、复合、智能和绿色是数控机床技术发展的总趋势，近几年来，在实用化和产业化等方面取得可喜成绩。主要表现在以下方面。1、机床复合技术进一步扩展随着数控机床技术进步，复合加工技术日趋成熟，包括铣-车复合、车铣复合、车-镗-钻-齿轮加工等复合，车磨复合，成形复合加工、特种复合加工等，复合加工的精度和效率大大提高
6、。“一台机床就是一个加工厂”、“一次装卡，完全加工”等理念正在被更多人接受，复合加工机床发展正呈现多样化的态势。 2、智能化技术有新突破数控机床的智能化技术有新的突破，在数控系统的性能上得到了较多体现。如：自动调整干涉防碰撞功能、断电后工件自动退出安全区断电保护功能、加工零件检测和自动补偿学习功能、高精度加工零件智能化参数选用功能、加工过程自动消除机床震动等功能进入了实用化阶段，智能化提升了机床的功能和品质。3、机器人使柔性化组合效率更高机器人与主机的柔性化组合得到广泛应用，使得柔性线更加灵活、功能进一步扩展、柔性线进一步缩短、效率更高。机器人与加工中心、车铣复合机床、磨床、齿轮加工机床、工具
7、磨床、电加工机床、锯床、冲压机床、激光加工机床、水切割机床等组成多种形式的柔性单元和柔性生产线已经开始应用。 4、精密加工技术有了新进展数控金切机床的加工精度已从原来的丝级（0.01mm）提升到目前的微米级（0.001mm），有些品种已达到0.05m左右。超精密数控机床的微细切削和磨削加工，精度可稳定达到0.05m左右，形状精度可达0.01m左右。采用光、电、化学等能源的特种加工精度可达到纳米级（0.001m）。通过机床结构设计优化、机床零部件的超精加工和精密装配、采用高精度的全闭环控制及温度、振动等动态误差补偿技术，提高机床加工的几何精度，降低形位误差、表面粗糙度等，从而进入亚微米、纳米级超
8、精加工时代。 5、功能部件性能不断提高功能部件不断向高速度、高精度、大功率和智能化方向发展，并取得成熟的应用。全数字交流伺服电机和驱动装置，高技术含量的电主轴、力矩电机、直线电机，高性能的直线滚动组件，高精度主轴单元等功能部件推广应用，极大的提高数控机床的技术水平。三、数控加工工艺分析3.1 数控加工工艺概念数控加工工艺是采用数控机床加工零件时所运用各种方法和技术手段的总和，应用于整个数控加工工艺过程中。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，它是人们大量数控加工实践的经验总结。数控加工工艺过程，是利用切削工具在数控机床上直接改变加工对象的形状、尺寸、表面位置、表
9、面状态等，使其成为成品或半成品的过程。3.2 数控加工工艺内容选择并确定进行数控加工的内容。1、对零件图样进行数控加工工艺分析。2、零件图形的数学处理及编程尺寸设定值的确定。3、数控加工工艺方案的制定。4、工步、进给路线的确定。5、选择数控机床的类型。6、刀具、夹具、量具的选择和设计。7、切削参数的确定。8、加工程序的编写、校验与修改。9、首件试切加工与现场问题处理。3.3 工序与工布的划分工序的划分：在数控机床上加工零件，工序可以比较集中，在一次装夹中尽可能完成大部分或全部工序。首先应根据图样，考虑是否可以在一台机床上完成整个零件的加工工作。若不能，则应决定其中那一部分在数控机床上加工，那一
10、部分在其他机床上完成。一般工序划分有以下几种方式： 1、按零件装卡定位方式划分工序 由于每个零件结构形状不同，各加工表面的技术要求也有所不同，故加工时，其定位方式则各有差异。一般加工外形时，以内形定位；加工内形时又以外形定位。因而可根据定位方式的不同来划分工序。 2、按粗、精加工划分工序 根据零件的加工精度、刚度和变形等因素来划分工序时，可按粗、精加工分开的原则来划分工序，即先粗加工再精加工。此时可用不同的机床或不同的刀具进行加工。通常在一次安装中，不允许将零件某一部分表面加工完毕后，再加工零件的其他表面。3、按所用刀具划分工序 为了减少换刀次数，压缩空程时间，减少不必要的定位误差，可按刀具集
11、中工序的方法加工零件，即在一次装夹中，尽可能用同一把刀具加工出可能加工的所有部位，然后再换另一把刀加工其他部位。在专用数控机床和加工中心中常采用这种方法。工步的划分：主要从加工精度和效率两方面考虑。在一个工序内往往需要采用不同的刀具和切削用量，对不同的表面进行加工。为了便于分析和描述较复杂的工序，在工序内又细分为工步。 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
12、次数，提高加工生产率。总之，工序与工步的划分要根据具体零件的结构特点、技术要求等情况综合考虑。四、数控编程方法4.1 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。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。如图1所示，编程工作主要包括：4.2 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
13、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
14、的指定代码及程序段格式，编写零件程序清单。 图1 数控程序编制的内容及步骤4.3 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
15、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
16、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、数控刀具的选用5.1 数控机床的刀具特点数控加工对刀具的要求不仅精度高、强度大、刚度好、寿命长。而且要求尺寸稳定、安装调整方便。切削刀具由传统的机械工具实现了向高科技产品的飞跃，刀具的切削性能有显著的提高。切削技术由传统的切削工艺向创新制造工艺的飞跃，大大提高了切削加工的效率。刀具工业由脱离使用、脱离用户的低级阶段向面向用户、面向使用的高级阶段的飞跃，成为用户可利用的专业化的社会资源和合作伙伴。切削刀具从低值易耗品过渡到全面进入“三高一专（高效率、高精度、
17、高可靠性和专用化）”的数控刀具时代，实现了向高科技产品的飞跃。成为现代数控加工技术的关键技术。与现代科学的发展紧密相连，是应用材料科学、制造科学、信息科学等领域的高科技成果的结晶。数控车床使用的刀具材料一般为高速钢、硬质合金、涂层硬质合金和陶瓷。在数控切削加工时，数控刀具切削部分与切屑、工件相互接触的表面上承受很大的压力和摩擦，数控刀具在高温下进行切削的同时，还承受切削力、冲击和振动，因此数控刀具材料应满足以下基本条件：1、硬度 刀具材料必须具有高于工件材料的硬度，常温硬度应在62HRC以上，并要求保持较高的高温硬度。2、耐磨性 耐磨性表示刀具抵抗磨损的能力，它是刀具材料力学性能、组织结构和化
18、学性能的综合反映。3、强度和韧性 一种好的刀具材料，应根据它的使用要求，兼顾硬度和耐磨性两方面的性能，有所侧重。满足高切削力、冲击和振动的条件。4、耐热性 数控刀具材料应在高温下保持较高的硬度、耐磨性、强度和韧性，并有良好的抗扩散、抗氧化能力。5、导热性和膨胀系数 在其他条件相同的情况下，刀具材料的热导率越大，则由刀具传出的热量越多，有利于降低切削温度和提高刀具使用寿命。线膨胀系数小，则可减少刀具的热变形。6、工艺性 为了便于制造，要求数控刀具材料有较好的可加工性，包括锻、轧、焊、切削加工和可耐磨性、热处理特性。材料的高温特性对热轧刀具十分重要。1、刀片形状的选择：正型（前角）刀片：对于内轮廓
19、加工，小型机床加工，工艺系统刚性较差和工件结构形状较复杂应优先选择正型刀片。负型（前角）刀片：对于外圆加工，金属切除率高和加工条件较差时应优先选择负型刀片。 2、一般外圆车削常用80凸三角形、四方形和80菱形刀片；仿形加工用55、35 菱形和圆形刀片；在机床刚性、功率允许的条件下，大余量、粗加工应选择刀尖角较大的刀片，反之选择刀尖角较小的刀片。3、前角的作用。大负前角用于：切削硬材料；需切削刃强度大，以适应断续切削、切削含黑皮表面层的加工条件。 大正前角用于：切削软质材料易切削材料被加工材料及机床刚性差时。4、后角的作用：小后角用于：切削硬材料；需切削刃强度高时。大后角用于：切削软材料；切削易
20、加工硬化的材料。5、主偏角的作用：大主偏角用于：切深小的精加工；切削细而长的工件；机床刚性差时。小主偏角用于：工件硬度高，切削温度大时；大直径零件的粗加工；机床刚性高时。6、副偏角具有减少已加工表面与刀具摩擦的功能。一般为515。7、刃倾角是前刀面倾斜的角度。重切削时，切削开始点的刀尖上要承受很大的冲击力，为防止刀尖受此力而发生脆性损伤，故需有刃倾角。推荐车削时为35。数控加工时对同一加工过程选用不同的切削用量，会产生不同的切削效果。合理的切削用量应能保证工件的质量要求（如加工精度和表面粗糙度），在切削系统强度、刚性允许的条件下充分利用机床功率，最大限度地发挥刀具的切削性能，并保证刀具具有一定
21、的使用寿命。1、 粗车时切削用量的选择：粗车时一般以提高效率为主，兼顾经济性和加工成本。提高切削速度、加大进给量和切削深度都能提高生产率。其中切削速度对刀具寿命的影响最大，切削深度对刀具寿命的影响最小，所以考虑粗加工切削用量时首先应选择一个尽可能大的切削深度，以减少进给次数，其次选择较大的进给速度，最后在刀具使用寿命和机床功率允许的条件下选择一个合理的切削速度。2、 精车、半精车时切削用量的选择：精车和半精车的切削深度是根据零件加工精度和表面粗糙度要求及粗车后留下的加工余量决定的，一般情况是一次去除余量。当零件精度要求较高时，通常留 0.2 0.4 mm （直径值）的精车余量。精车和半精车的切
22、削深度较小，产生的切削力也较小，所以可在保证表面粗糙度的情况下适当加大进给量。六、夹具选择和装夹夹具的分类：机床夹具的种类很多，按使用机床类型分类，可分为车床夹具、铣床夹具、钻床夹具、镗床夹具、加工中心夹具和其他夹具等。按驱动夹具工作的动力源分类，可分为手动夹具、气动夹具、液压夹具、电动夹具、磁力夹具和自夹紧夹具等。按专门化程度可分为以下几种类型的夹具：通用夹具是指已经标准化、无需调整或稍加调整就可以用来装夹不同工件的夹具。如三爪卡盘、四爪卡盘、平口虎钳和万能分度头等。这类夹具主要用于单件小批生产。专用夹具是指专为某一工件的某一加工工序而设计制造的夹具。结构紧凑，操作方便，主要用于固定产品的大
23、量生产。组合夹具是指按一定的工艺要求，由一套预先制造好的通用标准元件和部件组装而成的夹具。使用完毕后，可方便地拆散成元件或部件，待需要时重新组合成其他加工过程的夹具。适用于数控加工、新产品的试制和中、小批量的生产。可调夹具包括通用可调夹具和成组夹具，它们都是通过调整或更换少量元件就能加工一定范围内的工件，兼有通用夹具和专用夹具的优点。通用可调夹具适用范围较宽，加工对象并不十分明确；成组夹具是根据成组工艺要求，针对一组形状及尺寸相似、加工工艺相近的工件加工而设计的，其加工对象和范围很明确，又称为专用可调夹具。数控机床夹具常用通用可调夹具、组合夹具。工件在数控车床上的装夹：1、常用装夹方式：三爪自
24、定心卡盘装夹；两顶尖之间装夹；卡盘和顶尖装夹；双三爪定心卡盘装夹。2、采用找正的方法：找正装夹时必须将工件的加工表面回转轴线（同时也是工件坐标系Z轴）找正到与车床主轴回转中心重合。一般为打表找正。通过调整卡爪，使工件坐标系Z轴与车床主轴的回转中心重合。3、薄壁零件的装夹：薄壁零件容易变形，普通三爪卡盘受力点少，采用开缝套筒或扇形软卡爪，可使工件均匀受力，减小变形。也可以改变夹紧力的作用点，采用轴向夹紧的方式。七、零件加工编程实例7.1 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；
25、球面S50mm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60mm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/mi
26、n，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f=nf可选择f1=200mm /min；精车时，兼顾到圆弧插补运行，故选择其f2=60mm /min左右；短距离空行程的f3=300mm /min。7.2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（245）切削螺纹实际外径29.6切削26切削36切削圆弧部分切削34切削锥度部分切削56,最后切削螺纹。7.3制定加工方案
27、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d=d-0.1P=30-0.1*1.5=29.85mm 螺纹小径d= d-1.3P=29.85-1.3*1.5=27.9mm3、用2号刀精车全部外形。7.4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5930，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
28、。（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。7.5 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。八、结论通过这次毕业设计，使我对大学三年所学的知识有了一次全面的综合运用，例如：数控编程、工艺分析，这些对今后毕业工作发展都有很大的帮助。数控技术是未来制造业不可缺少的一部分，将在经济发展与社会进步的今天发挥重要作用，作为跨世纪的新一代，我们有理由相信，我国机械制造业会更加辉煌,祖国的明天也会更加美好。参考文献（1）张超英等,数控机床加工工艺、编程及操作实训,北京；高等教育出版社，2003，9（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
