机械毕业设计1173配合件数控加工工艺分析与仿真

本科毕业设计论文题目：配合件数控加工工艺分析与仿真
专业名称机械设计制造及其自动化
学生姓名
指导教师
毕业时间2014.06
摘要
数控编程是一种可编程的柔性加工方法，它的普及大大提高了加工效率。

但是在加工技术方面，除要求数控机床具有较强的运动控制能力之外，更重要的是如何有效地获得高效优质的数控加工程序，并从加工过程整体上提高生产效率。

由于零件复杂性的增加，而且工人技术水平有限，手工编程越来越困难。

应用数控编程可大大提高生产率、稳定加工质量、缩短加工周期、增加生产柔性、实现对各种复杂精密零件的自动化加工,易于在工厂或车间实行计算机管理,使车间设备总数减少、节省人力、改善劳动条件,有利于加快产品的开发和更新换代,提高企业对市场的适应能力并提高企业综合经济效益。

本文以UG NX 7.5为工具,完成了配合件三维造型及仿真加工。

内容包括:首先,根据配合件的结构特点和技术要求,在对其进行加工工艺分析之后,确定了零件的加工方法。

然后,利用UG/CAD模块完成了零件几何体的参数化建模。

在此基础上,利用UG/CAM模块进行数控编程,设计了加工路线、刀具轨迹,切削方式等工艺参数,生成了零件的NC程序。

关键词：，三维建模，加工仿真，UG软件
ABSTRACT
CNC machining is a programmable flexible processing methods, its popularity greatly improve the processing efficiency. But in the processing technology, in addition to requirements of CNC machine tools has a strong ability to control movement and, more importantly, how to efficiently obtain high-quality CNC machining process, and from the process as a whole to improve production efficiency. As part of the increased complexity and limited skills of workers, manual programming more difficult.
CNC machining applications can greatly improve productivity, stability, processing quality, shorten the processing cycle, increasing the production of flexible, to achieve a variety of complex precision components for the automation of processing, easy to implement in a factory or workshop computer management, reducing the total number of workshop equipment, saving manpower, improve labor conditions, help speed up product development and upgrading, and improving the ability of the market to adapt and improve their overall economic efficiency.
In this paper, UG NX 7.5as a tool,complete the adjust frame three-dimensional modeling . Include: First, based on the adjusted frame structural features and technical requirements, in its process analysis, to determine the part of the processing methods. Then, using UG / CAD module to complete the part geometry parametric modeling. On this basis, the use of UG / CAM module for NC programming, design the machining line, the tool path, cutting mode and other parameters, to generate a part of the NC program.
KEYWORDS: CNC technology, UG ,three-dimensional modeling
目录
第一章绪论 (5)
1.1 课题研究的背景及意义 (5)
1.2计算机辅助设计、计算机辅助制造（CAD/CAM) (6)
1.3论文的章节安排 (7)
第二章数控编程的关键技术 (8)
2.1 数控程编的定义 (8)
2.2 数控程编研究的内容 (9)
2.3数控程编的步骤 (11)
2.4 数控程编的方法 (12)
2.5数控编程常用软件介绍 (13)
第三章配合件加工的工艺分析及三维建模 (16)
3.1配合件工艺分析 (16)
3.2配合件的三维模型建立 (16)
第四章配合件仿真加工的编程 (21)
4.1 分析部件 (21)
4.2 设置加工环境 (22)
4.3 配合件数控加工仿真 (23)
4.3.1 设置加工方法 (23)
4.3.2 定义加工坐标系 (23)
4.3.3 定义几何体 (24)
4.3.4 创建刀具 (24)
4.3.5 创建操作1 (25)
4.3.6 创建操作2 (26)
4.3.7 创建操作3 (27)
4.3.8 创建操作4 (28)
4.3.9 创建操作5 (28)
4.3.10 创建操作6 (30)
4.3.11 创建操作7 (31)
4.3.12 创建操作8 (32)
4.4 详细加工步骤 (33)
4.5配合件加工模型的输出 (33)
第五章后处理及程序输出 (35)
5.1后处理 (35)
5.2程序输出 (36)
第六章总结与展望 (39)
6.1论文总结 (39)
6.2后续展望 (40)
参考文献 (41)
致谢 (42)
毕业设计小结 (43)
附录 (45)
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第一章绪论
1.1 课题研究的背景及意义
数控加工是一种现代化的加工手段，数控加工技术也成为一个国家制造业发展的标志，利用数控加工技术可以完成很多以前不能完成的曲面零件的加工，而且加工的准确性和精度都可以得到很好的保证,数控加工是机械加工的一种，是新型加工技术，主要工作是编制加工程序，即将原来手工活转为电脑编程。

总体上说，和传统的机械加工手段相比数控加工技术具有以下优点：
1）具有较大的柔性
数控机床是按照记录在载体上的信息指令自动进行加工的，当加工对象改变时只需要重新编制数控加工程序，而无需对机床结构进行调整，也不需要制造凸轮、靠模一类的辅助机械装置。

这样，便可以快速地从一种零件的加工变到另一种零件的加工，使生产准备周期大为缩短。

2）加工效率高
利用数字化的控制手段可以加工复杂的曲面。

而加工过程是由计算机控制，所以零件的互换性强，加工的速度快。

3）加工精度高
同传统的加工设备相比，数控系统优化了传动装置,提高分辨率,减少为误差，因此加工的效率可以得到很大的提高。

4）有力于加工复杂形状的零件
数控机床能同时控制多个坐标联动，可以加工其他机床难以加工甚至不可能加工的复杂零件，如曲线的二维复杂轮廓零件、含曲面的三维实体零件。

5）劳动强度低
由于采用了自动控制方式，也就是说加工的全部过程是由数控系统完成，传统加工手段那样烦琐，操作者在数控机床工作时，只需要监视设备的运行状态。

所以劳动强度很低。

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6）适应能力强
数控加工系统就象计算机一样，可以通过调整部分参数达到修改或改变其运作方式，因此加工的范围可以得到很大的扩展。

而本文所要研究的内容就是在UG软件平台上，进行回转体带腔体类清根零件的加工模拟仿真，提高回转体带腔体类零件的加工效率[1]。

通过计算机模拟五坐标机床实际加工过程，达到对数控加工程序验证、切削过程优化和加工结果预测的目的。

1.2计算机辅助设计、计算机辅助制造（CAD/CAM)
计算机辅助设计指工程技术人员以计算机为辅助工具来完成产品设计过程中的各项工作，如草图绘制、零件设计、装配设计、工程分析等，并达到提高产品设计质量、缩短产品开发周期、降低产品成本的目的。

计算机辅助工艺过程设计指在工艺人员借助于计算机，根据产品设计阶段给出的信息和产品制造工艺要求，交互地或自动地确定产品加工方法和方案，如加工方法选择、工艺路线确定、工序设计等。

计算机辅助制造有广义和狭义两种定义。

广义CAM是指借助计算机来完成从生产准备到产品制造出来的过程中的各项活动，包括工艺过程设计（CAPP)、工装设计、计算机辅助数控加工编程、生产作业计划、制造过程控制、质量检测与分析等。

狭义CAM通常是指NC程序编制，包括刀具路径规划、刀位文件生成、刀具轨迹仿真及NC代码生成等。

随着计算机的高速发展数控加工仿真技术得到了广泛应用，数控技术是应用计算机自动控制、自动检验及精密机器等高科技术的产物。

数控加工仿真是利用计算机技术模拟实际的机床加工过程，它验证数控加工程序的可靠性和预测切削过程的作用，减少工件的试切，提高工作效率。

典型零件的数控加工研究非常普遍，但是在实际的加工中，却存在很多问题。

因此，还有很大的探索空间。

鉴于此，选择本课题主要是根据在数控加工中，典型零件数控编程及加工仿真进行研究。

使我们对加工典型零件采用更加形象、经济、科学、安全的加工方法进行加工，在此基础上使自己的理论水平和实际操作水平得到进一步的巩固和完善。

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1.3论文的章节安排
根据论文选题的要求，在近三个月的论文阶段，基于UG软件的仿真平台，在导师的认真指导下完成了大量的工作，对计算机辅助数控加工进行了深入的研究，在此基础上并对典型零件进行仿真模拟加工。

这些内容在论文中都得到了反映，论文内容的章节安排如下：
首先是数控加工研究的背景及其意义，以及数控加工研究所必须的软件—计算机辅助设计、计算机辅助制造（CAD/CAM）的大体情况。

然后了解本课题的中心一环—数控编程的关键技术，包括数控编程的定义、内容、步骤、方法以及常用软件。

接着，就开始对零件进行工艺分析，三维建模以及加工编程，加工编程需注意加工顺序，严格按照加工顺序加工零件。

最后，对加工步骤进行后处理，导出程序。

第二章数控编程的关键技术
计算机辅助制造CAM的含义有广义和狭义之分：从广义上讲，计算机辅助制造是指利用计算机辅助完成制造过程的全部工作环节，即从原材料到产品的全部制造过程，包括直接制造过程和间接制造过程。

内容涉及计算机辅助制造的环境，辅助设计和辅助制造的衔接，计算机辅助零件信息分类和编码的成组技术（GT），计算机辅助工艺设计和工艺规划（CAPP），计算机数控技术（CNC），计算机辅助工装设计，计算机辅助质量管理和质量控制，计算机辅助数控编程，计算机加工过程仿真，数控加工工艺，计算机辅助加工过程监控等。

从狭义上讲，计算机辅助制造就是计算机辅助机械加工，也就是数控加工，其核心是数控编程和数控加工工艺的设计。

在这一章中介绍与数控加工技术有关的内容。

2.1 数控程编的定义
生成数控机床进行零件加工的数控程序的过程，称为数控程编（NC programming），有时也称为零件程编（part programming）。

数控程编可以手工完成，即手工程编（manual programming），也可以由计算机辅助完成，即计算机辅助数控程编（computer aided NC programming）。

采用计算机辅助数控程编需要一套专用的数控编程软件，现在数控编程软件主要分为批处理命令方式为主的各种类型的APT语言和以CAD/CAM软件为基础的图形交互式自动程编如UG软件、CATIA等软件。

编程方式分为手工和自动两种类型。

手工编程是指编程的各个阶段均由人工完成。

利用一般的计算工具，通过各种数学方法，人工进行刀具轨迹的运算，并进行指令编制。

这种方式比较简单，很容易掌握，适应性较大。

适用于中等复杂程度程序、计算量不大的零件编程，对机床操作人员来讲必须掌握。

对于几何形状复杂的零件需借助计算机使用规定的数控语言编写零件源程序，经过处理后生成加工程序，称为自动编程。

随着数控技术的发展，先进的数控系统不仅向用户编程提供了一般的准备功能和辅助功能，而且为编程提供了扩展数控功能的手段。

FANUC6M数控系统的参数编程，应用灵活，形式自由，具备计算机高级语言的表达式、逻辑运算及类似的程序流程，使加工程序简练易懂，实现普通编程难以实现的功能。

2.2 数控程编研究的内容
数控程编研究的内容主要有六部分工作组成:
1)数控加工工艺分析及规划
(1)加工对象的确定：
通过对模型的分析，确定工件的哪些部位需要在数控机床或在数控加工中心加工。

数控铣削加工的工艺适用性也是有一定限制的，对于尖角、细小的筋条部位是不适合数控铣削加工的，应使用线切割或者电火花加工。

而某些部位使用普通机床有更好的经济效益（如飞机起落架的耳片部位）。

(2)加工区域的规划：
即对加工对象进行分析，按其形状特征、功能特征及精度、光洁度要求将加工对象分成若干个加工区域。

对加工区域的合理规划，可以达到提高加工效率和加工质量的目的。

(3)加工工艺路线的规划：
从粗加工到半精加工、精加工、再到清根加工的加工流程规划（其中包括加工余量的分配及残留余量的在现加工）。

目的是提高加工效率、控制加工表面质量，防止加工变形。

2）完善零件加工模型：
由于CAD造型人员更多地考虑零件设计的完整性，较少地考虑地零件模型对CAM加工的影响，因此，要根据加工对象的确定及加工区域划分对模型进行一些完善。

其内容如下：
(1)定义加工坐标系：
加工坐标系是加工的基准，将坐标系定位在适合机床操作人员确定的位置（即找正方便的位置）。

同时，最好保持模型坐标系与加工坐的统一。

(2) 清理隐藏对加工不产生影响的体素。

(3) 修补部分曲面:
如钻孔的曲面，狭小的凹槽部等，必要时重新构造三维曲面（重新构造U、V参数线）。

以便有利参数线曲面的刀位轨迹生成。

(4) 几何分析模块：
其作用是分析零件的图形文件，得到图形的一些特征参数，并将这些参数传递给需要它的加工子程序，用以协助加工的自动完成。

(5) 增加虚面、约束面、检查面、导引面等，提高加工质量防止刀具过切。

(6) 构造刀路边界、裁剪边界、检查边界、构造毛坯模型，防止刀具与夹具干涉、计算加工的工时。

3）加工参数的优化：
加工参数的设置可视为利用UG软件进行数控程编的主要内容，它直接影响生成数控程序的质量，它是根据所输入的零件工艺过程设计的工艺文件，对各工序设定切削用量，刀具补偿，加工坐标原点（刀具起点）等，其所需原始数据均取至工艺文件，按实际所选数控机床的情况进行设置。

其主要内容如下：(1) 创建程序组、创建刀具组、创建几何组（指定零件、毛坯、卡具、压板等检查体）、创建方法组（设置部件余量、部件的内外公差等)
(2) 选择程编方法（指UG软件中的加工类型）。

(3) 设置切削方式及参数：即刀具轨迹的类型及相关参数（如：进退刀方式、切削用量、刀路的行间距、切深。

、安全高度等）。

(4) 设置机械参数包括主轴转速、切削进给量、冷却液的控制等。

4) 刀位轨迹生成：
其作用是设计刀具的运动轨迹，产生历史文件和刀位文件。

根据加工工艺调用相应加工程序，自动产生加工的详细描述，这些描述及零件的图形被纪录为历史文件（类似数控APT语言的描述），同时也产生了刀位文件（二进制或ASCII格式）。

加工子程序是各种加工方法的处理程序，它是对各种加工方法的具体描述，所提供的加工方法越多，软件应用的范围越广。

5) 刀位轨迹验证
为了保证数控程序的安全性，必须对生成的刀位轨迹进行检查效验，检查刀轨是否过切或者加工不到位，同时检查是否发生与工件及夹具干涉。

对检查中发现的问题，应该进行参数调整，再进行重新计算、效验，直到准确无误（可通过可视化仿真软件VERICUT来实现）。

6) 生成数控代码指令（后置处理）：
UG软件生成的只是数控刀位源文件，还需要将刀位源文件转换成数控机床代码指令。

2.3数控程编的步骤
在数控程编之前，程编员应了解所用数控机床的规格、性能、CNC系统所具备的功能及程编指令格式等。

编制程序时，应先对图样规定的技术特性、零件的几何形状、尺寸及工艺要求进行分析，确定加工方法和走刀路线，在进行数值计算，获得刀位数据。

然后按数控机床规定的代码和程序格式，将工件的尺寸、刀位数据、加工路线、切削参数（主轴转速、进给速度、切削深度等）以及辅助功能（换刀、主轴正转、反转、冷却液开、关等）编制成加工程序，并输入数控系统，由数控系统控制数控机床自动地进行加工。

[8]
一般来说，数控程编过程主要包括：分析零件图样、工艺处理、数学处理、编写程序单、输入数控系统及程序检查，如图2—1所示。

图2-1数控编程过程
2.4 数控程编的方法
数控程编的分类方法有多种，大致可归纳为：
1) 根据程编地点进行分类：办公室或车间。

2) 根据程编计算机进行分类：CNC内部计算机，个人计算机（PC）或工作站（workstation）等。

3) 根据程编软件进行分类：CNC内部编程软件，APT语言或图形交互式自动编程软件。

下面探讨手工编程、APT语言自动编程和图形交互式自动编程：
1、手工编程是指编制零件数控加工程序的各个步骤，即从零件图样分析、工艺处理、确定加工路线和工艺参数、几何计算、编写零件的数控加工程序清单直至程序的检验，均由人工来完成。

对于点位加工和几何形状不复杂的零件，数控编程计算较简单，程序段不多，手工编程即可实现。

但对轮廓形状不是由简单的直线、圆弧组成的复杂零件，计算机编写程序则相当繁琐，工作量大，容易出错，且很难校对，采用手工编程是难以完成的。

因此，为了缩短生成周期，提高数控机床的利用率，有效的解决各种模具及复杂零件的加工问题，采用手工程编不能满足要求，而必须采用自动程编方法。

2、APT语言自动编程 APT是一种自动编程工具（Automatically Programmed Tool）的简称，是一种对工件、刀具的几何形状及刀具相对于工件的运动等进行定义时所用的一种接近于英语的符号语言。

把用APT语言书写的零件加工程序输入计算机，经过计算机的APT语言编程系统编译
产生刀位文件（CL DATA file），然后进行数控后置处理，生成数控系统能
接受的零件数控加工程序的过程，称为APT语言自动编程。

采用APT语言自动编程，由于计算机（或编程机）自动编程代替程序编制人员完成了繁琐的数值计算工作，并省去了编写程序单的工作量，因而可将程编效率提高数倍到数十倍，同时解决了手工程编中无法解决的许多复杂零件的程编难题。

3、图形交互式自动编程是以待加工零件CAD模型为基础的一种集成加工工艺
规划及数控程编为一体地自动编程方法。

其中零件CAD模型的描述方法多种多样，适用于数控编程的主要有线框模型、表面模型和实体模型，其中以表面模型和实体模型在数控编程中应用较为广泛。

2.5数控编程常用软件介绍
（1）UG
Unigraphics 是美国Unigraphics Solution公司开发的一套集CAD、CAM、CAE功能于一体的三维参数化软件，是当今最先进的计算机辅助设计、分析和制造的高端软件，用于航空、航天、汽车、轮船、通用机械和电子等工业领域。

UG软件在CAM领域处于领先的地位，产生于美国麦道飞机公司，是飞机零件数控加工首选编程工具。

UG 优点：提供可靠、精确的刀具路径，能直接在曲面及实体上加工，良好的使用者界面，客户也可自行化设计界面，多样的加工方式，便于设计组合高效率的刀具路径，完整的刀具库，加工参数库管理功能，包含二轴到五轴铣削、车床铣削、线切割，大型刀具库管理，实体模拟切削，泛用型后处理器等功能，高速铣功能，CAM客户化模板。

（2）Catia
Catia是法国达索（Dassault）公司推出的产品，法制幻影系列战斗机、波音737、777的开发设计均采用Catia。

CATIA 据有强大的曲面造型功能，在所有的CAD三维软件位居前列，广泛应用于国内的航空航天企业、研究所，以逐步取代UG成为复杂型面设计的首选。

CATIA具有较强的编程能力，可满足复杂零件的数控加工要求。

目前一些领域采取CATIA设计建模，UG编程加工，二者结合，搭配使用。

（3）Pro/E
Pro/E是美国 PTC （参数技术有限公司）开发的软件，是全世界最普及的三维 CAD/CAM （计算机辅助设计与制造）系统。

广泛用于电子、机械、模具、工业设计和玩具等民用行业。

具有零件设计、产品装配、模具开发、数控加工、造型设计等多种功能。

Pro/E在我国南方地区企业中被大量使用，设计建模采用PRO-E ，编程加工采用MASTERCAM 和 CIMATRON 是目前通行的做法。

（4）Cimatron系统
以色列Cimatron公司的CAD/CAM/PDM产品，是较早在微机平台上实现三维CAD/CAM全功能的系统。

该系统提供了比较灵活的用户界面，优良的三维造型、工程绘图，全面的数控加工，各种通用、专用数据接口以及集成化的产品数据管理。

CimatronCAD/CAM系统在国际上的模具制造业备受欢迎，国内模局制造行业也在广泛使用。

（5）Mastercam
美国CNC公司开发的基于PC平台的CAD/CAM软件，它具有方便直观的几何造型 Mastercam提供了设计零件外形所需的理想环境，其强大稳定的造型功能可设计出复杂的曲线、曲面零件。

Mastercam具有较强的曲面粗加工及的曲面精加工的功能，曲面精加工有多种选择方式，可以满足复杂零件的曲面加工要求，同时具备多轴加工功能。

由于价格低廉，性能优越，成为国内民用行业数控编程软件的首选。

（6）FeatureCAM
美国DELCAM公司开发的基于特征的全功能CAM软件，全新的特征概念，超强的特征识别，基于工艺知识库的材料库，刀具库，图标导航的基于工艺卡片的编程模式。

全模块的软件，从2~5轴铣削，到车铣复合加工，从曲面加工到线切割加工，为车间编程提供全面解决方案。

DELCAM软件后编辑功能相对来说是比较好的。

近年来国内一些制造企业正在逐步引进，以满足行业发展的需求，属新兴产品。

（7）CAXA制造工程师
CAXA制造工程师是北京北航海尔软件有限公司推出一款全国产化的CAM产品，为国产CAM软件在国内CAM市场中占据了一席之地。

作为我国制造业信息化领域自主知识产权软件优秀代表和知名品牌，CAXA已经成为我国
CAD/CAM/PLM业界的领导者和主要供应商。

CAXA制造工程师是一款面向二至五轴数控铣床与加工中心、具有良好工艺性能的铣削/钻削数控加工编程软件。

该软件性能优越，价格适中，在国内市场颇受欢迎。

（8）EdgeCAM
英国Pathtrace公司出品的具有智能化的专业数控编程软件，可应用于车、
铣、线切割等数控机床的编程。

针对当前复杂三维曲面加工特点，EdgeCAM设计出更加便捷可靠的加工方法，目前流行于欧美制造业。

英国路径公司正在进行中国市场的开发和运作，为国内的制造业的客户提供更多的选择。

（9）VERICUTVERICUT
美国CGTECH公司出品的一种先进的专用数控加工仿真软件。

VERICUT 采用了先进的三维显示及虚拟现实技术，对数控加工过程的模拟达到了极其逼真的程度。

不仅能用彩色的三维图像显示出刀具切削毛坯形成零件的全过程，还能显示出刀柄、夹具,甚至机床的运行过程和虚拟的工厂环境也能被模拟出来，其效果就如同是在屏幕上观看数控机床加工零件时的录像。

第三章配合件加工的工艺分析及三维建模
3.1配合件工艺分析
1、本零件为一个复杂多样的箱体结构
2、表面类型有凸台，凹面，形状特殊的曲面，以及具有一定形位要求的槽，并且中心存在直径为20mm的通孔。

3、主要定位精度要求较高，如双凸台孔的平行度误差仅为0.05MM，孔径大小误差仅为0.018MM，双孔间距离误差仅为0.02MM，如此严格的定位，保证两个凸台的形位准确，确保了该零件在配合时的严密，同时由于和其他零件配合，所以凸台直径误差也必须保证在0.04MM，而且中心特殊曲面的上下、左右平行度误差也为0.05MM，同时尺寸误差为0.039MM。

而另外一面，零件内外表面的圆心误差为0.05MM，半径误差为0.054MM。

同时本零件要求未标注尺寸按GB/T-1804M执行加工以及尖角倒钝。

而配合完成则要求装配完成后，保证装配尺寸3705.001.0+-MM，合装完好后加工两侧沟槽，并保证其相关尺寸及公差要求。

4、工序间合理安排时效处理。

本零件结构复杂，壁厚不均匀，铸造残留内应力大。

为消除内应力，减少本零件在使用过程中的变形以保持精度稳定，铸造后一般需进行时效处理。

3.2配合件的三维模型建立
1、执行工具栏【文件】“新建”按钮，在新建对话框中输入零件名称“fagai”,单击“确定”按钮。

2、选择X-Y面，进入草图中，在其中绘制图形（如图3-1，图3-2，图3-3，。