1、扬州工业职业技术学院毕业设计（论文）（课程设计）课题名称：左 框 架三维造型、数控工艺及编程毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日 期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：
2、按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书
3、本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名： 日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日目 录一、 数控专业的调研报告1二、 数控编程及其发展4三、 什么是不锈钢？10四、 有色金属及合金31五、 金属热处理基本知识43六、 热处理应力及其影响45七、 硬度对照表51加工阶段的划分54 一、数控专业的调研报告在经济全球化浪潮的冲击下，以数
4、字化为核心的先进设计和制造技术正促使我国传统机械行业发生深刻的变革，在这场不以人的意志为转移的变革中，上海，广东、浙江和苏南一带已远远走在了前面，这与他们相对完善的职业培训机制是分不开的，如何找准切入点，逐步缩小差距迎头赶上,这是我们职业教育必须面对的现实问题。数控加工精度好、效率高、适应性强，在发达国家已经基本取代了普通加工，正在向高速、高精发展。在我国的发展也非常迅速，但因为数控设备投资较大，运行成本比较高，目前主要应用在一些高附加值的行业，如高精度复杂零件的加工和模具加工。前者主要集中在一些大中型企业（以军工企业和外资企业为代表） ，而后者则集中了为数众多的中小企业（模具以单件加工为主，
5、非常适合中小企业） ，他们以模具设计和加工为主，同时也兼搞零件的加工。相对而言，后者对数控人才的需求量最大,是学生就业的主要方向。然而作为“机械工业的皇后” ，模具行业技术含量很高，除军工行业外，模具行业是最早应用并普及数控机床的民用行业，不仅如此，在高端三维软件应用方面也远远走在了其它行业的前面，如广东，浙江，上海，苏南等地数控加工和模具企业几年前就完成了模具由手工设计加工向软件设计和数控加工的转变，特别是PROE，UG 等高端三维软件的应用，革命性地提高了模具的设计效率和加工效率，这也是以上地区模具和数控加工业高速发展的主要原因。除了非常简单的零件加工，在大部分情况下，无论是加工模具还是加
6、工高精度复杂零件，软件编程在效率和质量上都远远超过手工编程, 软件编程水平的高低己成为数控专业人才竞争力的重要标志。这种革命性变化的产生一方面是因为“外因”:原来UG 等大型 CAM（计算机辅助加工）软件只能使用计算机图形工作站，但在几年前已经推出微机版本，加上盗版软件的推出和计算机价格的大幅下降，大大加快了软件编程的推广进程。另一方面存在着“内因”：企业内部单一品种大批量生产的情况越来越少，取而代之的是“小批量，多品种”的“短平快”生产，这对企业的应变能力是一个严峻的考验，在此背景下，尽管“手工编程”在数控加工早期广泛应用，有着“辉煌”的历史，但已经很难适应生产实际中“又快又好”的要求，只能
7、作为一种辅助手段。事实上随着软件技术的飞速发展，数控行业已经完成了由手工编程向软件编程的飞跃，这对传统思维是一种颠覆性的挑战，市场对专业人才的要求也发生了深刻的变化：几年前的要求是“懂编程会操作” ，操作和编程由操作工一人完成，要求和待遇都比较高。目前的情况是操作工可以不会软件和编程，他们只需负责工件的装夹、对刀换刀等技术含量相对较低的操作，数控工艺和软件编程由专业人员完成，即出现了明显的“二极分化”趋势：对操作工要求越来越低的同时,对工艺编程人员的综合要求越来越高，待遇上的差距也越来越大。这在就业市场上也明显地反映出来：数控操作工的培养难度不大（其难度甚至低于普通机加工，一般技校学生也完全可
8、以胜任） ，人员开始饱和；而合格的工艺编程人员则供不应求，显然目前所谓的“数控紧缺型高技能人才”不是也不可能是普通操作工，而是既懂工艺、工装又会软件编程的复合型人才，他们必须对图纸有深刻的理解（如设计基准和工艺基准的掌握） ，根据数控加工的特点，选择相应的装夹方式和工装,确定合理的工艺流程，编制数控加工程序并进行首件的试加工，试件完全符合图纸要求后才能交给操作工批量生产;必须能够进行三维曲面造型，能够进行模具的分模和数控软件编程，当然可以有所侧重，但不管是模具设计还是加工都建立在软件平台上，以往只要会一些简单的手工编程就可以轻松就业的情况已经一去不返。需要特别注意的是：相当部分职业院校的数控专
9、业都在强调“懂编程，会操作”,但由于种种原因,对“懂编程”的概念还停留在几年前的“懂手工编程”上，很难适应市场对向高素质人才的要求。因此数控专业必须克服恋旧情结和畏维情绪，积极适应市场变化和需求，真正做到“以就业为导向” ， 通过和用人单位直接沟通以及在网上查询用人单位的要求来把握市场信息，将工艺能力和软件能力作为教学重点，及时调整培养方向。不但要将教学重心由手工编程向软件编程转变，而且还要将软件编程向广度和深度发展，在目前 CAD/CAM 的基础上增加复杂曲面造型的设计和加工，同时另外增加模具设计课程，课程内容应符合模具行业的生产实际，以软件设计课程为主，重点讲述模具行业人才应该具备的一些主
10、要技能，如分模和拆电极等，如果能够完成这一转型，那么学生就会具有用高端三维软件进行机械零件和工装设计，模具设计，数控编程等高端的和通用的能力，会极大提高他们在就业市场（特别是上海，浙江和苏南等发达地区就业市场）的竞争力，不但拓宽了就业面（即使不搞数控加工，也可以搞软件三维设计和造型，适应面很广） ，也提高了就业层次（不再局限于操作工，还能成为工艺编程人员） ，可喜的是，与兄弟院校相比，我们在软件编程方面已经走在了前面，2002 年我们就选定了 UG 作为教学软件。UG 是世界一流的高端 CADCAMCAE（计算机辅助设计，加工，分析）三维软件，是数字化设计和制造的领军软件，原来主要用于航空，航
11、天，汽车，模具等高端领域大型企业，但目前在发达地区如上海，浙江，广东和苏南的中小企业中，由于大量承接国外大公司的外包产品，因此必须在软件上与其保持同步，纷纷花大力气引进 UG 软件， “机械工程师必须面对 UG”已经成为一种趋势，对这方面人才的需求也大幅增加，如果学生能在学校里打下良好的基础并在工作中灵活运用，那么他们的就业前景就非常广阔，我们的专业就能办出自己的特色和水平，就能在数控职业教育中具有较强的比较优势。如何围绕教学这个中心,做到产,学,研相结合,在打好手工编程基础的同时，着力强化学生的动手能力和软件编程能力,这是我们的工作重点也是工作难点,我们的采取的措施是：1，通过增加数控机床利
12、用率，增加学生的上机时间由于数控机床数量有限， 始终存在人多机少的矛盾，我们为每台数控机床特别是数控加工中心和数控铣床各配置一台电脑(配置无需太高，二手机也可)。在部分学生上机床实际操作的同时，其余学生可通过电脑上的数控模拟软件编制，检查,修改并传输自己的程序，不但大幅度减少因手工输入程序导致的停机时间， 提高机床利用率,还能明显减少撞机事故和高昂的机床维修费用，尽可能保持贵重设备的精度。采取这一措施后，学生对生产中常用的编程,调试和传输有了一个全面的，系统的认识。 2，建立数控专业实验室科研要服务于教学但要高于教学，数控专业实验室主要研究一些企业里难以解决的具体课题，如一些复杂的，易变形零件
13、的加工，这样不但可以提高教师的实战水平，还可以对生产中的经验进行总结并穿插到教学中去，将对学生来说抽象难懂的问题具体化，实施案例教学；同时还承接部分中低难度的零件，学生可以在教师指导下进行全过程的包括工艺，工装和编程在内的实际零件的加工，使学生将原来相对分散的机械设计，机械工艺，机械零件，热处理等专业基础课有机的结合起来，最大限度地符合实战的要求。数控专业只有走市场化之路，才能不断适应市场变化和需求，才能够形成自己的教学特色和核心竞争力，与时俱进不断提高教学水平，对学生负责、对学校负责、对社会负责！二、数控编程及其发展 数控编程是目前 CAD/CAPP/CAM 系统中最能明显发挥效益的环节之一
14、，其在实现设计加工自动化、提高加工精度和加工质量、缩短产品研制周期等方面发挥着重要作用。在诸如航空工业、汽车工业等领域有着大量的应用。由于生产实际的强烈需求，国内外都对数控编程技术进行了广泛的研究，并取得了丰硕成果下面就对数控编程及其发展作一些介绍。 数控编程的基本概念 数控编程是从零件图纸到获得数控加工程序的全过程。它的主要任务是计算加工走刀中的刀位点（cutter location point 简称 CL 点）。刀位点一般取为刀具轴线与刀具表面的交点，多轴加工中还要给出刀轴矢量。 1、数控编程技术的发展概况 为了解决数控加工中的程序编制问题，50 年代， MIT 设计了一种专门用于机械零件
15、数控加工程序编制的语言，称为APT：Automatically Programmed Tool 其后，APT 几经发展，形成了诸如APTII、APTIII （立体切削用）、 APT（算法改进，增加多坐标曲面加工编程功能）、APT-AC （Advanced contouring）(增加切削数据库管理系统)和 APT-/SS（Sculptured Surface）( 增加雕塑曲面加工编程功能)等先进版。 采用 APT 语言编制数控程序具有程序简炼，走刀控制灵活等优点，使数控加工编程从面向机床指令的“ 汇编语言”级，上升到面向几何元素.APT 仍有许多不便之处：采用语言定义零件几何形状，难以描述复杂
16、的几何形状，缺乏几何直观性；缺少对零件形状、刀具运动轨迹的直观图形显示和刀具轨迹的验证手段；难以和 CAD 数据库和 CAPP 系统有效连接；不容易作到高度的自动化，集成化。 针对 APT 语言的缺点，1978 年，法国达索飞机公司开始开发集三维设计、分析、NC 加工一体化的系统，称为为 CATIA。随后很快出现了象EUCLID，UGII ，INTERGRAPH，Pro/Engineering，MasterCAM 及NPU/GNCP 等系统，这些系统都有效的解决了几何造型、零件几何形状的显示，交互设计、修改及刀具轨迹生成，走刀过程的仿真显示、验证等问题，推动了CAD 和 CAM 向一体化方向发
17、展。到了 80 年代，在 CAD/CAM 一体化概念的基础上，逐步形成了计算机集成制造系统（CIMS）及并行工程（CE ）的概念。目前，为了适应 CIMS 及 CE 发展的需要，数控编程系统正向集成化和智能化方向发展。 在集成化方面，以开发符合 STE（Standard ForThe Exchange of ProductModel Data）标准的参数化特征造型系统为主，目前已进行了大量卓有成效的工作，是国内外开发的热点；在智能化方面，工作刚刚开始，还有待我们去努力。 2、NC 刀具轨迹生成方法研究发展现状 数控编程的核心工作是生成刀具轨迹，然后将其离散成刀位点，经后置处理产生数控加工程序。
18、下面就刀具轨迹产生方法作一些介绍。 （1）基于点、线、面和体的 NC 刀轨生成方法 CAD 技术从二维绘图起步，经历了三维线框、曲面和实体造型发展阶段，一直到现在的参数化特征造型。在二维绘图与三维线框阶段，数控加工主要以点、线为驱动对象，如孔加工，轮廓加工，平面区域加工等。这种加工要求操作人员的水平较高，交互复杂。在曲面和实体造型发展阶段，出现了基于实体的加工。实体加工的加工对象是一个实体（一般为 CSG 和 B-REP 混合表示的），它由一些基本体素经集合运算（并、交、差运算）而得。实体加工不仅可用于零件的粗加工和半精加工，大面积切削掉余量，提高加工效率，而且可用于基于特征的数控编程系统的研
19、究与开发，是特征加工的基础。 实体加工一般有实体轮廓加工和实体区域加工两种。实体加工的实现方法为层切法（SLICE），即用一组水平面去切被加工实体，然后对得到的交线产生等距线作为走刀轨迹。本文从系统需要角度出发，在 ACIS 几何造型平台上实现了这种基于点、线、面和实体的数控加工。 （2）基于特征的 NC 刀轨生成方法 参数化特征造型已有了一定的发展时期，但基于特征的刀具轨迹生成方法的研究才刚刚开始。特征加工使数控编程人员不在对那些低层次的几何信息（如：点、线、面、实体）进行操作，而转变为直接对符合工程技术人员习惯的特征进行数控编程，大大提高了编程效率。 W.R.Mail 和 A.J.Mcle
20、od 在他们的研究中给出了一个基于特征的 NC 代码生成子系统，这个系统的工作原理是：零件的每个加工过程都可以看成对组成该零件的形状特征组进行加工的总和。那么对整个形状特征或形状特征组分别加工后即完成了零件的加工。而每一形状特征或形状特征组的 NC 代码可自动生成。目前开发的系统只适用于 2.5D 零件的加工。 Lee and Chang 开发了一种用虚拟边界的方法自动产生凸自由曲面特征刀具轨迹的系统。这个系统的工作原理是：在凸自由曲面内嵌入一个最小的长方块，这样凸自由曲面特征就被转换成一个凹特征。最小的长方块与最终产品模型的合并就构成了被称为虚拟模型的一种间接产品模型。刀具轨迹的生成方法分成
21、三步完成：（1 ）、切削多面体特征；（ 2）、切削自由曲面特征；（ 3）、切削相交特征。 Jong-Yun Jung 研究了基于特征的非切削刀具轨迹生成问题。文章把基于特征的加工轨迹分成轮廓加工和内区域加工两类，并定义了这两类加工的切削方向，通过减少切削刀具轨迹达到整体优化刀具轨迹的目的。文章主要针对几种基本特征（孔、内凹、台阶、槽），讨论了这些基本特征的典型走刀路径、刀具选择和加工顺序等，并通过 IP（Inter Programming）技术避免重复走刀，以优化非切削刀具轨迹。另外，Jong-Yun Jong 还在他 1991 年的博士论文中研究了制造特征提取和基于特征的刀具及刀具路径。 特
22、征加工的基础是实体加工，当然也可认为是更高级的实体加工。但特征加工不同于实体加工，实体加工有它自身的局限性。特征加工与实体加工主要有以下几点不同： 从概念上讲，特征是组成零件的功能要素，符合工程技术人员的操作习惯，为工程技术人员所熟知；实体是低层的几何对象，是经过一系列布尔运算而得到的一个几何体，不带有任何功能语义信息；实体加工往往是对整个零件（实体）的一次性加工。但实际上一个零件不太可能仅用一把刀一次加工完，往往要经过粗加工、半精加工、精加工等一系列工步，零件不同的部位一般要用不同的刀具进行加工；有时一个零件既要用到车削，也要用到铣削。因此实体加工主要用于零件的粗加工及半精加工。而特征加工则
23、从本质上解决了上述问题；特征加工具有更多的智能。对于特定的特征可规定某几种固定的加工方法，特别是那些已在 STEP 标准规定的特征更是如此。如果我们对所有的标准特征都制定了特定的加工方法，那么对那些由标准特征够成的零件的加工其方便性就可想而知了。倘若 CAPP 系统能提供相应的工艺特征，那么 NCP 系统就可以大大减少交互输入，具有更多的智能。而这些实体加工是无法实现的；特征加工有利于实现从 CAD、CAPP、NCP 及 CNC 系统的全面集成，实现信息的双向流动，为 CIMS 乃至并行工程（CE）奠定良好的基础；而实体加工对这些是无能为力的。 3、现役几个主要 CAD/CAM 系统中的 NC
24、 刀轨生成方法分析 （1）现役 CAM 的构成及主要功能 目前比较成熟的 CAM 系统主要以两种形式实现 CAD/CAM 系统集成：一体化的 CAD/CAM 系统（如：UGII、Euclid 、Pro/ENGINEER 等）和相对独立的 CAM 系统（如：Mastercam 、Surfcam 等）。前者以内部统一的数据格式直接从 CAD 系统获取产品几何模型，而后者主要通过中性文件从其它 CAD 系统获取产品几何模型。然而，无论是哪种形式的 CAM 系统，都由五个模块组成，即交互工艺参数输入模块、刀具轨迹生成模块、刀具轨迹编辑模块、三维加工动态仿真模块和后置处理模块。下面仅就一些著名的 CAD
25、/CAM 系统的NC 加工方法进行讨论。 （2）UGII 加工方法分析 一般认为 UGII 是业界中最好，最具代表性的数控软件。其最具特点的是其功能强大的刀具轨迹生成方法。包括车削、铣削、线切割等完善的加工方法。其中铣削主要有以下功能： Point to Point：完成各种孔加工； Panar Mill：平面铣削。包括单向行切，双向行切，环切以及轮廓加工等；Fixed Contour：固定多轴投影加工。用投影方法控制刀具在单张曲面上或多张曲面上的移动，控制刀具移动的可以是已生成的刀具轨迹，一系列点或一组曲线； Variable Contour：可变轴投影加工； Parameter line：
26、等参数线加工。可对单张曲面或多张曲面连续加工； Zig-Zag Surface：裁剪面加工； Rough to Depth：粗加工。将毛坯粗加工到指定深度； Cavity Mill：多级深度型腔加工。特别适用于凸模和凹模的粗加工； Sequential Surface：曲面交加工。按照零件面、导动面和检查面的思路对刀具的移动提供最大程度的控制。 EDS Unigraphics 还包括大量的其它方面的功能，这里就不一一列举了。 （3）STRATA 加工方法分析 STRATA 是一个数控编程系统开发环境，它是建立在 ACIS 几何建模平台上的。它为用户提供两种编程开发环境，即 NC 命令语言接口和
27、 NC 操作C+类库。它可支持三轴铣削，车削和线切割 NC 加工，并可支持线框、曲面和实体几何建模。其 NC 刀具轨迹生成方法是基于实体模型。STRATA 基于实体的 NC 刀具轨迹生成类库提供的加工方法包括： Profile Toolpath：轮廓加工； AreaClear Toolpath：平面区域加工； SolidProfile Toolpath：实体轮廓加工； SolidAreaClear Toolpath：实体平面区域加工； SolidFace ToolPath：实体表面加工； SolidSlice ToolPath：实体截平面加工； Language-based Toolpath：
28、基于语言的刀具轨迹生成。 其它的 CAD/CAM 软件，如 Euclid, Cimitron, CV,CATIA 等的 NC 功能各有千秋，但其基本内容大同小异，没有本质区别。 现役 CAM 系统刀轨生成方法的主要问题 按照传统的 CAD/CAM 系统和 CNC 系统的工作方式， CAM 系统以直接或间接（通过中性文件）的方式从 CAD 系统获取产品的几何数据模型。CAM 系统以三维几何模型中的点、线、面、或实体为驱动对象，生成加工刀具轨迹，并以刀具定位文件的形式经后置处理，以 NC 代码的形式提供给 CNC 机床，在整个 CAD /CAM 及 CNC 系统的运行过程中存在以下几方面的问题：
29、CAM 系统只能从 CAD 系统获取产品的低层几何信息，无法自动捕捉产品的几何形状信息和产品高层的功能和语义信息。因此，整个 CAM 过程必须在经验丰富的制造工程师的参与下，通过图形交互来完成。如：制造工程师必须选择加工对象（点、线、面或实体）、约束条件（装夹、干涉和碰撞等）、刀具、加工参数（切削方向、切深、进给量、进给速度等）。整个系统的自动化程度较低。 在 CAM 系统生成的刀具轨迹中，同样也只包含低层的几何信息（直线和圆弧的几何定位信息），以及少量的过程控制信息（如进给率、主轴转速、换刀等）。因此，下游的 CNC 系统既无法获取更高层的设计要求（如公差、表面光洁度等），也无法得到与生成刀
30、具轨迹有关的加工工艺参数。 CAM 系统各个模块之间的产品数据不统一，各模块相对独立。例如刀具定位文件只记录刀具轨迹而不记录相应的加工工艺参数，三维动态仿真只记录刀具轨迹的干涉与碰撞，而不记录与其发生干涉和碰撞的加工对象及相关的加工工艺参数。 CAM 系统是一个独立的系统。CAD 系统与 CAM 系统之间没有统一的产品数据模型，即使是在一体化的集成 CAD/CAM 系统中，信息的共享也只是单向的和单一的。CAM 系统不能充分理解和利用 CAD 系统有关产品的全部信息，尤其是与加工有关的特征信息，同样 CAD 系统也无法获取 CAM 系统产生的加工数据信息。这就给并行工程的实施带来了困难。 4 数控仿真技术 （1）计算机仿真的概念及应用 从工程的角度来看，仿真就是通过对系统模型的实验去研究一个已有的或设计
