毕业设计（论文）花键轴数控加工

洛阳理工学院毕业设计（论文）花键轴数控加工摘 要数控技术（数字控制技术）在制造业的广泛运用，使当今的制造业生产面貌焕然一新，通过毕业设计能使我们熟练掌握数控加工零件的编程技术，掌握设计机床用夹具的基本原理和方法，能根据加工要求设计出相应的产品，提高结构设计能力。花键轴零件在现代生活中占据十分重要和不可忽视的地位，它的数控生产加工工艺对于我们熟练掌握运用数控编程等相关技术有很大的帮助。为此我在所学数控基础知识和原有的加工工艺设计基础上对花键轴零件的数控加工等工艺作出阐述，希望通过对此设计能使我们在数控技术应用和产品的加工方面得到一定的经验。本文详细的论述了数控加工技术在加工花键轴零件中的加工工艺，通过对被加工零件的工艺分析，道具选择，车削的工装，工艺卡片的制订，数控编程时应注意的问题等运用数控技术加工花键轴零件，使自己在数控技术运用方面得到一次较为全面、系统的训练，基本上达到了灵活运用数控技术加工各种零件，掌握数控编程和数控机床操作的目的。关键词：机械制造，加工工艺，花键轴，数控编程Axis NC Machining Spline GraduationABSTRACTCNC technology (digital control technology) widely used in the manufacturing sector, the new look of todays manufacturing output, through the graduate design enables us to master the programming of CNC machining parts, machine tools designed fixture to master the basic principles and methods that can according to the processing requirements of the appropriate product design, improve design capabilities. Spline shaft part in modern life is very important and occupy the position can not be ignored, and its production and processing of CNC master the use of our CNC programming and other related technologies have great help. I learned this basic knowledge of CNC machining process design and the original based on the spline shaft and other parts of the CNC machining process to elaborate the hope that through this design enables us to CNC technology and products in the processing of a certain experience. This article discusses in detail CNC machining technology in the processing part of the spline process, by processing parts of the process analysis, prop selection, turning tooling, process card development, CNC programming problems should pay attention to the use of CNC machining technology spline shaft part, makes the use of numerical control technology in terms of their own get a more comprehensive, systematic training, basically meeting the flexible use of CNC technology and processing of various parts, master CNC programming and CNC machine operation purposes.KEY WORDS: Machine manufacture, Processing craft, Crankshaft, working procedure目录前言1第1章数控加工的概述31.1 数控加工31.2 数控加工工艺内容3第2章数控机床特点52.1 具有高度柔性52.2 加工精度高52.3 加工生产率高62.4 减轻劳动强度，改善劳动条件62.5 有利于实现机械加工的现代化管理6第3章数控技术和装备发展趋势及对策73.1 数控技术的发展73.1.1 数控（NC）阶段3（19521970年）83.1.2 计算机数控（CNC）阶段（1970年现在）83.2当前数控技术的基本情况83.2.1 数控系统结构的变化83.2.2 软件伺服驱动技术83.2.3 CNC系统的连网技术83.2.4 功能的扩大93.3 未来数控技术的发展趋势93.3.1 高速化、高精加工技术及装备的新趋势103.3.2 资源丰富，产品开发容易113.3.3 系统柔性大，控制形式多样化113.3.4 高精度化113.3.5 高可靠性113.3.6 5轴联动加工和复合加工机床快速发展123.3.7 智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势123.4 数控加工技术国内外发展状况133.4.1数控技术和数控设备国内发展现状143.4.2数控化改造在国外的应用现状15第4章花键轴零件分析174.1 图例174.2 花键轴零件加工工艺分析174.2.1 技术要求184.2.2毛坯选择184.2.3花键轴加工时切削用量的选择184.2.4走刀路线和对刀点选择224.2.5花键轴加工工艺卡22第5章工艺规程设计255.1 选择装备255.2确定零件定位基准和装夹方式255.3 夹具的选择265.4刀具及刀位号275.5 量具的选择285.6 冷却液的选择285.7 制定加工路线方案295.8 编写程序30结论34谢 辞35参考文献3635前言机械制造工艺是机械工业的基础，是机械产品的生产的基本技术，工艺工作是每一个机械企业基本的活动内容，加强工艺技术研究，提高工艺水平，搞好工艺管理是提高机械产品质量，降低消耗的根本措施。随着科技的进步，机械制造业也正日新月异地变化着，对机械产品的要求也日趋严格，特别是在加工精度方面。为了保证产品的精度要求，必须协调产品加工中的每一个方面，因为任一方面的误差累积起来，将对产品的精度产生间接的影响。制造业中尤其是机械制造业，在产品生产过程中按照特定工艺，不论其生产规模如何，都需要种类繁多的工艺装备，而制造业产品的质量、生产率、成本无不与工艺装备有关。随着不规则形状零件在现代制造业中的广泛应用，如何保证这类零件的加工精度就显得尤为重要。高效率、高精度加工是数控机床加工最主要特点之一。数控加工取代传统加工占据生产制造的主导地位已成为一种趋势，但由于历史的原因，传统的加工设备与先进的数控机床并存，是目前乃至今后很长一段时期内大多数制造企业的设备现状。如何从工艺的角度根据各企业的设备现状、产品生产规模、零件结构形式与加工精度要求等方面来合理地进行产品工艺方案设计，充分发挥企业现有数控设备与传统设备的加工效率，使企业设备资源与人力资源得到充分利用，需要从多个方面来探讨。其中数控编程系统正向集成化，网络化和智能化方向发展。花键轴零件的数控生产加工工艺对我们熟练掌握运用数控编程等相关技术具有很大的帮助。为此我们在原有的加工工艺设计基础上对花键轴零件的数控加工等工艺在此作出较为详细的阐述，希望通过对此设计能使我们在数控技术应用和产品的加工方面得到一定的经验。数控技术是一门全新的技术，它整合了机械技术、物理技术、电子技术、计算机技术、网络通信技术等多门学科的知识。它是先进的数字控制技术与传统的机床制造技术相结合的产物。目前，数控加工技术成为了机械制造领域中最具活力、最有前途的先进制造技术之一，数控技术的应用已渗入到制造业的各个行业，无论是传统的机械加工和精密加工，还是电子产品的生产都广泛应用数控技术及数控设备。区别于普通机械加工，数控加工技术更适合于多品种、小批量、结构复杂、精度要求较高的零件的自动化生产，它具有加工精度高、加工对象适应性强、自动化程度高、劳动强度低、生产效率高、经济效益好、现代化管理程度高等特点。随着社会的进步，科技的发展，数控技术应用越来越广泛，数控专业人才倍受企业的青睐。也就是说，数控技术专业应用型人才有着广阔的就业前景和发展空间。伴随着制造业的发展，我国的发动机曲轴生产得到较大的发展，总量已具相当的规模，无论是设计水平，还是产品品种、质量、生产规模、生产方式都有很大的发展。花键轴在机器中是承受载荷传递动力的重要零部件，其性能、水平直接影响整机的性能水平及可靠性。因此，各工业发达国家十分重视花键轴的生产，不断改进其材质及加工手段， 以提高其性能水平，满足发动机行业的需要。近几年来， 国内花键轴加工发展十分迅速。先进的加工工艺加工出的花键轴质量好、效率高且稳定，伴随着汽车工业的发展，我国的花键轴生产得到较大的发展，总量已具相当的规模，无论是设计水平，还是产品品种、质量、生产规模、生产方式都有很大的发展。第1章数控加工的概述1.1 数控加工数控加工，也称之为NC（Numerical Control）加工，是以数值与符号构成的信息，控制机床实现自动运转。数控加工经历了半个世纪的发展已成为应用于当代各个制造领域的先进制造技术。数控加工的最大特征有两点：一是可以极大地提高精度，包括加工质量精度及加工时间误差精度；二是加工质量的重复性，可以稳定加工质量，保持加工零件质量的一致。也就是说加工零件的质量及加工时间是由数控程序决定而不是由机床操作人员决定的。数控加工具有如下优点：1需熟练的机床操作人员；2提高加工精度并且保持加工质量；3可以减少工装夹具；4可以减少各工序间的周转，原来需要用多道工序完成的工件， 数控加工一次装夹完成加工，缩短加工周期，提高生产效率；5容易进行加工过程管理；6可以减少检查工作量；7. 可以降低废、次品率；8. 便于设计变更，加工设定柔性；9. 容易实现操作过程的自动化，一个人可以操作多台机床；10. 操作容易，极大减轻体力劳动强度。随着制造设备的数控化率不断提高，数控加工技术在我国得到日益广泛的使用，在模具行业，掌握数控技术与否及加工过程中的数控化率的高低已成为企业是否具有竞争力的象征。数控加工技术应用的关键在于计算机辅助设计和制造（CAD/CAM）系统的质量。1.2 数控加工工艺内容1. 选择适合在数控上加工的零件，确定工序内容。2. 分析加工零件的图纸，明确加工内容及技术要求、确定加工方案、制定数控加工路线，如工艺的划分、加工顺序的安排，非数控加工工序的衔接等。设计数控加工工序，如工序的划分，刀具的选择，夹具的定位与安装，切削用量的确定，走刀路线的确定。3. 调整数控加工工序的程序。如对刀点、换刀点的选择，刀具的补偿。4. 进行数控编程。5. 自动运动使至程序结束。第2章数控机床特点数控机床是机电一体化的典型代表，与通用机床和专用机床相比，数控机床具有以下主要特点。2.1 具有高度柔性数控机床是按照被加工零件的数控程序来进行自动加工的，当改变加工零件时，只要改变数控程序软件，不需要更换工具、夹具，也不需改变数控机床机械部分和控制部分的硬件，就能适应加工。大大缩短了生产、技术准备时间，节省了大量工艺装备的费用，因此，应变能力很强，适合于多品种、单件小批零件的加工。2.2 加工精度高由于数控机床的主传动和进给传动采用直流或交流伺服电机，可实现无级调速。大大简化了主传动和进给传动系统，传动链短。进给传动链中有消除间隙的装置。丝杆螺距误差、传动误差等造成的位置误差，可由测量装置和数控装置进行补偿因此，数控机床具有较高的加工精度。对于中、小型数控机床，定位精度普遍可达到0 . 02mm，重复定位精度可达到0 . 01-0 . 005mm。数控机床的自动加工方式避免了人工干预造成的操作误差。同一批加工零件的一致性很好，加工质量十分稳定数控机床一般都具有刀具半径补偿和位置补偿功能。可以方便地消除由于刀具磨损、刀具调整误差所造成的工件尺寸误差，提高了工件加工精度。数控机床可以对结构形状复杂的零件进行手工编程或自动编程。机床可进行多轴联动或多维插补。因此，数控机床适于高精度、形状复杂零件的加工。2.3 加工生产率高工机床加工生产率主要是指加工一个零件所需的时间。加工时间包括机动时间和辅助时间。数控机床的主轴转速和进给速度范围大，并可无级调速。加工时可选用最佳的切削速度和进给速度，可进行恒转速或恒切削速度的切削。在保证工件加工质量和刀具一定使用寿命的前提下，可尽量加大切削用量。良好的结构刚度允许数控机床进行强力切削、高速切削。数控机床移动部件的快速移动和定位采用加速与减速措施，选用了很高的空行程运动速度消耗在空行程和定位的时间比普通机床少得多，有效地节省了辅助时间。由于数控机床具有侧量系统，减少零件装卡到机床上的调整时间和零件加工过程中的检验时间。另外，配合加工中心的刀库使用，可实现一次装夹下进行多工序的连续加工，减少了半成品的工序间周转时间，提高了生产率。2.4 减轻劳动强度，改善劳动条件数控机床加工前经调整好后，输人程序并启动，机床就能自动连续进行加工，直至加工结束。零件一次装卡可完成多道工序。特别是加工中心可进行多工位、多工序的自动加工。操作者主要是程序的输入、编辑，装卸零件，刀具准备，加工状态的观测，零件的检验等工作，劳动强度极大降低。数控机床一般是封闭式加工，既清洁，又安全。2.5 有利于实现机械加工的现代化管理数控机床加工能准确地计算出或自动记录单件加工工时和总的加工工时，实现对半成品、成品的统计与管理；对所使用的刀具、夹具可进行规范化、现代化管理；能实现一台中央计算机对几台、十几台数控机床的集中控制和管理（DNC）。实现计算机辅助设计( CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助质量监督（CAQ）等的有机结合，是现代集成制造技术的基础。第3章数控技术和装备发展趋势及对策装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度，数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业（如信息技术及其产业、生物技术及其产业、航空、航天等国防工业产业）的使能技术和最基本的装备。马克思曾经说过“各种经济时代的区别，不在于生产什么，而在于怎样生产，用什么劳动资料生产”。制造技术和装备就是人类生产活动的最基本的生产资料，而数控技术又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。当今世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。此外世界上各工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业，而且在“高精尖”数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。总之，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。 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，数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品，即所谓的数字化装备，其技术范围覆盖很多领域，如机械制造技术、信息处理、加工、传输技术、自动控制技术、伺服驱动技术、传感器技术、软件技术等。 3.1 数控技术的发展1946年诞生了世界上第一台电子计算机，它为人类进入信息社会奠定了基础。6年后，即在1952年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床。近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段，六代的发展。3.1.1 数控（NC）阶段3（19521970年）采用数字逻辑电路“搭”成一台机床专用计算机作为数控系统，被称为硬件连接数控（HARD-WIRED NC），简称为数控（NC）。这个阶段历经了三代：第一代电子管；第二代晶体管；第三代小规模集成电路。3.1.2 计算机数控（CNC）阶段（1970年现在）通用小型计算机移植过来作为数控系统的核心部件， 1974年微处理器被应用于数控系统称为计算机数控。到了1990年，PC机（个人计算机或称微机）可以满足作为数控系统核心部件的要求。数控系统从此进入了基于PC的阶段。计算机数控阶段也经历了三代。第四代小型计算机；第五代微处理器和第六代基于PC（国外称为PC-BASED）。3.2当前数控技术的基本情况3.2.1 数控系统结构的变化数控体系结构从以硬件及连线组成的硬数控系统发展到以计算机硬件及软件组成的CNC数控系统，伺服及控制的方式逐步从步进电机驱动的开环系统变化为伺服电机驱动的闭环、半闭环系统。3.2.2 软件伺服驱动技术伺服技术是数控系统的重要组成部分。采用计算机控制，控制算法采用软件的伺服装置称为“软件伺服”。它有无温漂、稳定性好、基于数值计算、精度高、通过参数设定、减少调整工作等优点。交流数字驱动系统，目前应用在数控机床的伺服进给和主轴装置上最为适合。3.2.3 CNC系统的连网技术数控系统从控制单台机床到控制多台机床的分级式控制需要网络进行通信；一般称为DNC功能。通过DNC功能形成网络可以实现对零件加工程序的上传或下传，读、写CNC的数据，PLC数据的传送，存贮器操作控制，系统状态采集和远程控制等。还可以对CAD/CAM/CAPP以及CNC的程序进行传送和分级管理，传递维修数据，使用户与NC生产厂直接通信。进而把制造厂家连系一起，构成虚拟制造网络。3.2.4 功能的扩大现代NC系统具备的功能如：系统可通过光纤与PC机连接，采用WindowS兼容软件和开发环境；高速加工能力；具有高精插补运算功能；具有高速高精加工的智能控制功能，预计算出多程序段刀具轨迹，并进行预处理，实现智能控制机床的性能；高级复杂的功能，包括各种轨迹的插补，也可以进行NURBS插补；强力的联网通信功能，支持标准FA网络及DNC的连接，适应工厂自动化需要；具有高速内装的PLC（有的厂商称为PMC），以减少加工的循环的时间，梯形图和顺序程序由专用的PLC处理器控制，可进行快速大规模顺序控制；先进的操作性和维修性，具有触摸面板，容易操作，可采用存储卡改变输入输出。3.3 未来数控技术的发展趋势数控技术从发明到现在，已有近50年的历史。按照电子器件的发展可分为五个发展阶段：电子管数控，晶体管数控，中小规模IC数控，小型计算机数控，微处理器数控；从体系结构的发展，可分为以硬件及连线组成的硬数控系统、计算机硬件及软件组成的CNC（Computericel Numericel Control）数控系统，后者也称为软数控系统：从伺服及控制的方式可分为步进电机驱动的开环系统和伺服电机驱动的闭环系统。数控系统装备的机床大大提高了加工精度、速度和效率。经过几十年数控技术的不断革新，制造厂家逐渐希望数控系统能部分代替机床设计师和操作者的大脑，具有一定的智能，能把特殊的加工工艺、管理经验和操作技能放进数控系统，同时也希望系统具有图形交互、诊断功能等。首先就要求数控系统具有友好的人机界面和开发平台，通过这个界面和平台开放而自由地执行和表达自己的思路。这就产生了开放结构的数控系统。机床制造商可以在该开放系统的平台上增加一定的硬件和软件构成自己的系统。 3.3.1 高速化、高精加工技术及装备的新趋势效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。为此日本先端技术研究会将其列为5大现代制造技术之一，国际生产工程学会（CIRP）将其确定为21世纪的中心研究方向之一。 在轿车工业领域，年产30万辆的生产节拍是40秒/辆，而且多品种加工是轿车装备必须解决的重点问题之一；在航空和宇航工业领域，其加工的零部件多为薄壁和薄筋，刚度很差，材料为铝或铝合金，只有在高切削速度和切削力很小的情况下，才能对这些筋、壁进行加工。近来采用大型整体铝合金坯料“掏空”的方法来制造机翼、机身等大型零件来替代多个零件通过众多的铆钉、螺钉和其他联结方式拼装，使构件的强度、刚度和可靠性得到提高。这些都对加工装备提出了高速、高精和高柔性的要求。从EMO2001展会情况来看，高速加工中心进给速度可达80m/min，甚至更高，空运行速度可达100m/min左右。目前世界上许多汽车厂，包括我国的上海通用汽车公司，已经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床。美国CINCINNATI公司的 HyperMach 机床进给速度最大达60m/min，快速为100m/min，加速度达2g，主轴转速已达60 000r/min。加工一薄壁飞机零件，只用30min，而同样的零件在一般高速铣床加工需3h，在普通铣床加工需8h；德国DMG公司的双主轴车床的主轴速度及加速度分别达12*!000r/mm和1g。 在加工精度方面，近10年来，普通级数控机床的加工精度已由10m提高到5m，精密级加工中心则从35m，提高到11.5m，并且超精密加工精度已开始进入纳米级(0.01m)。 在可靠性方面，国外数控装置的MTBF值已达6 000h以上，伺服系统的MTBF值达到30000h以上，表现出非常高的可靠性。 为了实现高速、高精加工，与之配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发展，应用领域进一步扩大。 3.3.2 资源丰富，产品开发容易在PC机上开发数控系统可以充分利用PC机的丰富的软件资源，如Windows操作系统、各种高级编程语言等，方便地生成友好的人机界面、编辑等软件，这样系统开发商可以集中精力从事关键部分的开发工作，简化了系统开发过程，使得数控产品的开发周期大大的缩短。如美国Ormec System公司仅仅用了两年的时间就开发了以IBM-结构为基础的控制器，可同时控制14个轴运动。3.3.3 系统柔性大，控制形式多样化由于系统对硬件的依赖程度大大降低，系统的很多功能都是依靠软件得以实现，使得系统的柔性增大。系统制造商可以方便地利用PC机的一些新技术，如触摸屏输入技术、声控技术、联网技术等，可以使得数控系统使用更加方便。3.3.4 高精度化精密化是为了适应高新技术发展的需要，也是为了提高普通机电产品的性能、质量和可靠性，减少其装配时的工作量从而提高装配效率的需要。从精密加工发展到超精密加工（特高精度加工），是世界各工业强国致力发展的方向。其精度从微米级到亚微米级，乃至纳米级（10nm），其应用范围日趋广泛。超精密加工主要包括超精密切削（车、铣）、超精密磨削、超精密研磨抛光以及超精密特种加工（三束加工及微细电火花加工、微细电解加工和各种复合加工等）。随着现代科学技术的发展，对超精密加工技术不断提出了新的要求。新材料及新零件的出现，更高精度要求的提出等都需要超精密加工工艺，发展新型超精密加工机床，完善现代超精密加工技术，以适应现代科技的发展。3.3.5 高可靠性数控系统的可靠性要高于被控设备的可靠性在一个数量级以上，但也不是可靠性越高越好，仍然是适度可靠，因为是商品，受性能价格比的约束。对于每天工作两班的无人工厂而言，如果要求在16小时内连续正常工作，无故障率P(t)99%以上的话，则数控机床的平均无故障运行时间MTBF就必须大于3000小时。综上所述，由于数控机床不断采纳科学技术发展中的各种新技术，使得其功能日趋完善，数控技术在机械加工中的地位也显得越来越重要，数控机床的广泛应用是现代制造业发展的必然趋势。 3.3.6 5轴联动加工和复合加工机床快速发展采用5轴联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何形状进行切削，不仅光洁度高，而且效率也大幅度提高。一般认为，1台5轴联动机床的效率可以等于2台3轴联动机床，特别是使用立方氮化硼等超硬材料铣刀进行高速铣削淬硬钢零件时，5轴联动加工可比3轴联动加工发挥更高的效益。但过去因5轴联动数控系统、主机结构复杂等原因，其价格要比3轴联动数控机床高出数倍，加之编程技术难度较大，制约了5轴联动机床的发展。 当前由于电主轴的出现，使得实现5轴联动加工的复合主轴头结构大为简化，其制造难度和成本大幅度降低，数控系统的价格差距缩小。因此促进了复合主轴头类型5轴联动机床和复合加工机床（含5面加工机床）的发展。 在EMO2001展会上，新日本工机的5面加工机床采用复合主轴头，可实现4个垂直平面的加工和任意角度的加工，使得5面加工和5轴加工可在同一台机床上实现，还可实现倾斜面和倒锥孔的加工。德国DMG公司展出DMUVoution系列加工中心，可在一次装夹下5面加工和5轴联动加工，可由CNC系统控制或CAD/CAM直接或间接控制。3.3.7 智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。 为解决传统的数控系统封闭性和数控应用软件的产业化生产存在的问题。目前许多国家对开放式数控系统进行研究，如美国的NGC(The Next Generation Work-Station/Machine Control)、欧共体的OSACA(Open System Architecture for Control within Automation Systems)、日本的OSEC(Open System Environment for Controller)，中国的ONC(Open Numerical Control System)等。数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象（数控功能），形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统，形成具有鲜明个性的名牌产品。目前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。 网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。国内外一些著名数控机床和数控系统制造公司都在近两年推出了相关的新概念和样机，如在EMO2001展中，日本山崎马扎克（Mazak)公司展出的“CyberProduction Center”（智能生产控制中心，简称CPC)；日本大隈（Okuma）机床公司展出“IT plaza”（信息技术广场，简称IT广场)；德国西门子(Siemens)公司展出的Open Manufacturing Environment（开放制造环境，简称OME）等，反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势。3.4 数控加工技术国内外发展状况近年来，随着计算机技术的发展，数字控制技术已经广泛应用于工业控制的各个领域，尤其是机械制造业中，普通机械正逐渐被高效率、高精度、高自动化的数控机械所代替。目前国外机械设备的数控化率已达到85%以上，而我国的机械设备的数控化率不足20%，随着我国机制行业新技术的应用，我国世界制造业加工中心地位形成，数控机床的使用、维修、维护人员在全国各工业城市都非常紧缺，再加上数控加工人员从业面非常广，可在现代制造业的模具、钟表业、五金行业、中小制造业、从事相应公司企业的电脑绘图、数控编程设计、加工中心操作、模具设计与制造、 电火花及线切割工作，所以目前现有的数控技术人才无法满足制造业的需求，而且人才市场上的这类人才储备并不大，企业要在人才市场上寻觅合适的人才显得比较困难，以至于导致模具设计、CAD/CAM工程师、数控编程、数控加工等已成为我国各人才市场招聘频率最高的职位之一。在各种招聘会上，数控专业人才更是企业热衷于标注“急聘”、“高薪诚聘”等字样的少数职位之一，以致出现了“月薪6000元难聘数控技工”，“年薪16万元招不到数控技工”的现象。据报载，我国高级技工正面临着“青黄不接”的严重局面，原有技工年龄已大，中年技工为数不多，青年技工尚未成熟。在制造业，能够熟练操作现代化机床的人才已成稀缺， 据统计，目前，我国技术工人中，高级技工占3.5%，中级工占35%，初级工占60%。而发达国家技术工人中，高级工占35%、中级工占50%、初级工占15%。这表明，我们的高级技工在未来510年内仍会有大量的人才缺口。 随着产业布局、产品结构的调整，就业结构也将发生变化。企业对较高层次的第一线应用型人才的需求将明显增加。 而借助国外的发展经验来看，当进入产业布局、产品结构调整时期，与产业结构高度化匹配、培养相当数量的具有高等文化水平的职业人才，成为迫切要求。而对于数控加工专业，不仅要求从业人员有过硬的实践能力，更要掌握系统而扎实的机加理论知识。因此，既有学历又有很强操作能力的数控加工人才更是成为社会较紧缺、 企业最急需的人才 。3.4.1数控技术和数控设备国内发展现状近年来，我国数控加工技术发展迅速，国产数控车床已完全能满足国内市场需要。高性能的卧式车削中心和车铣复合中心，通过合资、引进技术和自主开发，某些产品已能满足部分国内高端用户要求。但是，卧式车铣复合加工中心、带Y轴或C轴的卧式车削中心、双主轴卧式车削中心和高精度卧式车削中心仍然主要依靠进口。国产立式加工中心在技术上比较成熟，技术性能与国际水平接近，生产厂家较多并具有一定批量，得到了国内用户认可。由于在性价比上具有优势，保质期过后维修服务费用较低，基本可以满足国内市场的需要。当前的关键是大力提高产品的质量和可靠性，加强售前和售后服务。国产卧式加工中心虽能满足市场部分需要，但在精度和性能上与国外同类产品相比还有一定差距。国外卧式加工中心大多都装有温度补偿系统，定位精度较高，而且精度保持性好。因此，近年卧式加工中心进口较多。在高速加工中心、五轴加工中心方面，国内各企业都开发出不少新产品。但是多数产品还没有经过严格的生产考验，难以取得用户的普遍认可，仅个别品种进入企业生产现场。关键在于需要经过不同类型用户的生产考核，并加以不断改进和完善。高精度（亚微米级和纳米级）加工中心我国基本上处于空白状态，绝大部分依赖国外进口。 中国目前机床数控化率不到3,机床的年产量数控化率为6。中国机床役龄10年以上的占60以上；10年以下的机床中，自动/半自动机床不到20，FMC/FMS等自动化生产线更屈指可数。可见大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。所以必须大力提高机床的数控化率。机床的数控化可通过两条途径完成，一是购买新装备替代旧的，二是对旧装备进行数控化改造；根据中国国情，采取“两条腿走路”是稳妥、经济的选择。使用数控系统对机床进行改造，数字化电气控制系统的开发设计问题成为关系改造成败的关键，直接影响机床的工作特性。3.4.2数控化改造在国外的应用现状在美国、日本和德国等发达国家，它们的机床改造作为新的经济增长行业，生意盎然，正处在黄金时代。用数控技术改造机床和生产线具有广阔的市场，已形成了机床数控改造和生产线数控改造的新的行业。在美国，机床改造业称为机床再生（Remanufacturing）业4。在日本，机床改造业称为机床改装（Retrofitting）业。国外数控化改造主要做法有：1. 恢复原功能。对机床、生产线存在的故障部分进行诊断与维修；2. NC化。在普通机床上加数显装置，或加数控系统，改造成NC机床、CNC机床；3. 翻新。为提高精度、效率和自动化程度，对机械、电气部分进行翻新，对机械部分重新装配加工，恢复原精度；对其不满足生产要求的CNC系统以最新CNC进行更新；(4) 技术更新或技术创新。为提高性能或档次，或为了使用新工艺、新技术，在原有基础上进行较大规模的技术更新或技术创新，较大幅度地提高水平和档次的更新改造。第4章花键轴零件分析4.1 图例下图（4-1）所示即为待加工的花键轴零件图。图4-1花键轴零件4.2 花键轴零件加工工艺分析零件的结构工艺性是指在满足使用要求的前提下制造、维修的可行性和经济性。即所设计的零件结构应便于成形，并且成本低，效率高。它的涉及面广，因此有必要对零件进行结构工艺性分析，找出技术关键，以便在拟定工艺规程时采用适当的加工措施加以保证。该零件的视图符合国家标准的要求，位置准确，表达清楚，几何元素之间的关系准确，尺寸标注完整、清晰。4.2.1 技术要求(1) 尺寸精度轴是轴类零件的主要表面，它影响轴的回转精度及工作状态。图1为花键轴安装滚动轴承，直径公差等级IT7，两外圆同轴度要求较高；轴向右端1.3mm28.6mm沟槽用于安装卡簧，必须保证轴向尺寸公差在0.12mm。(2) 表面粗糙度的要求根据零件的表面工作部位的不同，可有不同的表面粗糙度。例如，普通机床主轴支承轴颈的表面粗糙度为Ra1.66.3m。随着机器运转速度的增大和精密度 的提高，轴类零件表面粗糙度值要求也将越来越小。该零件表面粗糙度均为0.8m。4.2.2毛坯选择毛坯材料为45#，强度、硬度、塑性等力学性能好，没有经过热处理、切削性能，等加工工艺性能好，加工放便，能够满足使用性能。花键轴直径相差不大，采用直径为36mm热轧圆棒料，在锯床上按250mm长度下料。零件图上的重要尺寸直接标注，在加工时使用工艺基准与设计基准重合，并符合尺寸链最短的原则。4.2.3花键轴加工时切削用量的选择A 切削用量的选择原则数控编程时，编程人员必须确定每道工序的切削用量，包括主轴转速、背吃刀量、进给速度等，并以数控系统规定的格式输入到程序中。切削用量对于不同的加工方法，需选用不同的切削用量。合理的选择切削用量，对零件的表面质量、精度、加工效率影响很大。这在实际中也很难把握，要有丰富的实践经验才能够确定合适的切削用量。在数控编程时只能凭借编程者的经验和刀具的切削用量推荐值初步确定，而最终的切削用量将根据零件数控程序的调试结果和实际加工情况来确定。切削用量的选择原则是：粗加工时以提高生产率为主，同时兼顾经济性和加工成本的考虑；半精加工和精加工时，应同时兼顾切削效率和加工成本的前提下，保证零件的加工质量。值得注重的是，切削用量（主轴转速、切削深度及进给量）是一个有机的整体，只有三者相互适应，达到最合理的匹配值，才能获得最佳的切削用量。确定切削用量时应根据加工性质、加工要求，工件材料及刀具的尺寸和材料性能等方面的具体要求，通过查阅切削手册并结合经验加以确定，确定切削用量时除了遵循一般的原则和方法外，还应考虑以下因素的影响：1、 刀具差异的影响不同的刀具厂家生产的刀具质量差异很大，所以切削用量需根据实际用刀具和现场经验加以修正。2、 机床特性的影响切削性能受数控机床的功率和机床的刚性限制，必须在机床说明书规定的范围内选择。避免因机床功率不够发生闷车现象，或刚性不足产生大的机床振动现象，影响零件的加工质量、精度和表面粗糙度。3、 数控机床生产率的影响数控机床的工时费用较高，相对而言，刀具的损耗成本所占的比重较低，应尽量采用高的切削用量，通过适当降低刀具寿命来提高数控机床的生产率。B 确定背吃刀量背吃刀量的大小主要依据机床、夹具、刀具和工件组成的工艺系统的刚度来决定，在系统刚度允许的情况下，为保证以最少的进给次数去除毛坯的加工余量，根据被加工零件的余量确定分层切削深度，选择较大的背吃刀量，以提高生产效率。在数控加工中，为保证零件必要的加工精度和表面粗糙度，一般留少量的余量（0.20.5mm），在最后的精加工中沿轮廓走一刀。粗加工时，除了留有必要的半精加工和精加工余量外，在工艺系统刚性允许的条件下，应以最少的次数完成粗加工。留给精加工的余量应大于零件的变形量和确保零件表面完整性。综合考虑得到：粗加工时选取3.0mm的背吃刀量。精加工余量取0.4mm。(3)确定主轴转速主轴转速应根据允许的切削速度和工件（或刀具）直径来选择。外圆车削及其计算公式为： n=1000v/D (4-1)式中 v-切削速度，单位为m/min，由刀具的耐用度决定； n-主轴转速，单位为 r/min； D-工件直径或刀具直径，单位为mm。而车螺纹时的主轴转速如下： (4-2)式中：P工件螺纹的螺距或导程（mm）；k保险系数，一般取75-85之间的值。计算的主轴转速n最后要根据机床说明书选取机床有的或较接近的转速。切削速度VC与刀具耐用度关系比较密切，随着VC的加大，刀具耐用度将急剧下降，故VC的选择主要取决于刀具耐用度。主轴转速n确定后，必须按照数控机床控制系统所规定的格式写入数控程序中。在实际操作中，操作者可以根据实际加工情况，通过适当调整数控机床控制面板上的主轴转速倍率开关，来控制主轴转速的大小，以确定最佳的主轴转速。综上所述：切削零件外圆时主轴转速粗加工转速为300mm/r，精加工转速为460 mm/r。螺纹转速为300 mm/r。(4)确定进给量或进给速度进给速度F是切削时单位时间内零件与铣刀沿进给方向的相对位移量，单位为mm/r或mm/min。进给量或进给速度在数控机床上使用进给功能字F表示的，F是数控机床切削用量中的一个重要参数，主要依据零件的加工精度和表面粗糙度要求，以及所使用的刀具和工件材料来确定。零件的加工精度要求越高，表面粗糙度要求越低时，选择的进给量数值就越小。实际中，应综合考虑机床、刀具、夹具和被加工零件精度、材料的机械性能、曲率变化、结构刚性、工艺系统的刚性及断屑情况，选择合适的进给速度。进给率数是一个非凡的进给量表示方法，即进给率的时间倒数FRN（Feed Rate Number的缩写），对于直线插补的进给率数为： (4-1)式中F进给量（m/min）。L程序段的加工长度，是刀具沿工件所走的有效距离（mm）。程序段中编入了进给率数FRN，实际上就规定了执行该程序段的时间T，它们之间的关系是：程序编制时选定进给量F后，刀具中心的运动速度就一定了。在直线切削时，切削点（刀具与加工表面的切点）的运动速度就是程序编制时给定的进给量。但是在做圆弧切削时，切削点实际进给量并不等于程序编制时选定的刀具中心的进给量。在轮廓加工中选择进给量F时，应注重在轮廓拐角处的“超程”问题，非凡是在拐角较大而且进给量也较大时，应用在接近拐角处适当降低速度，而在拐角过后再逐渐提速的方法来保证加工精度。数控编程时，编程人员必须确定每道工序的切削用量，并以指令的形式写入程序中。切削用量包括主轴转速、背吃刀量及进给速度等。对于不同的加工方法，需要选用不同的切削用量。为了获得最高的生产率和单位时间的最高切除率，在保证零件加工质量和刀具耐用度前提下，应合理地确定切削参数。所以，此处我们应当根据经验和粗精加工而定,粗加工选取F0.4左右。精加工时选取较少的加工余量F0.1F0.15。切屑用量如表（4-1）所示。表4-1切削用量选择主轴转速s/(r/min)进给量f/(mm/r)背吃刀量ap/mm粗车外圆3000.43.0半精车外圆4600.150.4车螺纹300 切槽4600.1 螺纹M161.5车削时大径去直径为15.8mm，总背吃刀量去0.65P=（0.651.5）mm=0.95mm,分三次循环切削，第一次被吃刀量取0.475mm，第二次取0.3mm，第三次取0.2mm。4.2.4走刀路线和对刀点选择 走刀路线包括切削加工轨迹，刀具运动到切削起始点、刀具切入、切出并返回切削起始点或对刀点等非切削空行程轨迹。由于半精加工和精加工的走刀路线是沿其零件轮廓顺序进行的，所以确定走刀路线主要在于规划好粗加工及空行程的走刀路线。合理确定对刀点,对刀点可以设在被加工零件上，但注意对刀点必须是基准位或已精加工过的部位，有时在第一道工序后对刀点被加工毁坏，会导致第二道工序和之后的对刀点无从查找，因此在第一道工序对刀时注意要在与定位基准有相对固定尺寸关系的地方设立一个相对对刀位置，这样可以根据它们之间的相对位置关系找回原对刀点。这个相对对刀位置通常设在机床工作台或夹具上。4.2.5花键轴加工工艺卡表4-2工艺卡片工序号工 序名 称工 序 内 容工 艺 设 备工 序程 序花键外圆倒角C2.15半精车花键外径至30.25mm,长69.3mm半精车外圆30.5mm至尺寸车右端20 js7处退刀槽2mm19mm车花键外圆处卡簧槽1.3mm28.6mm,保证尺寸85.26mm工件调头，用两顶尖装夹M00螺纹处倒角C1半精车螺纹大径15.8 mm,长20mm左端20h7处倒角C1.15半精车20h7外圆至20.25mm,长32.9mm半精车25js外圆至20.25mm,长48.1mm车螺纹处退刀槽2mm14mm车左端20h7处退刀槽2mm19mm车25js7处退刀槽2mm24mm车螺纹M161.5M007铣工件用顶尖装夹滚床、花键滚刀按零件图要求滚铣花键8铣工件用两顶尖装夹,加辅助支承X52K铣床、两顶尖、辅助支承、键槽铣刀按零件图要求铣键槽9磨工件两顶尖装夹M1420磨床、两顶尖、GB砂轮磨花键外圆磨左端20h7外圆和台阶面磨25js7外圆工件调头用两顶尖装夹磨右端20h7外圆和台阶面第5章工艺规程设计5.1 选择装备1、要保证加工零件的技术要求，能加工出合格的产品。2、有利于提高生产率。3、尽可能降低生产成本即生产费用。根据毛坯的材料和类型、零件轮廓形状复杂程度、尺寸大小、加工精度、工件数量、现有的生产条件要求。选用CAK6140数控车床、X52K铣床、M1420磨床。如图5-1所示。图5-1机床 5.2确定零件定位基准和装夹方式为保证花键轴各圆柱面的同轴度和其他位置精度，半精车、精车和磨削时应该选择基准轴线为定位基准，轴两端钻中心孔，用两顶尖装夹。两端中心孔相关尺寸和位置精度以及粗糙度是影响加工精度的重要因素，因此工件在调质等热处理后要安排修磨中心孔的工序。粗车时为了保证工件装夹刚性，常采用一夹一顶的装夹方法，左端采用三爪自定心卡盘夹紧、右端采用活动顶尖支顶。数控车床上零件的安装方法与普通车床一样，要合理选择定位基准和夹紧方案，主要注意以下两点：1、力求设计、工艺与偏程计算的基准统一，这样有利于提高编程时数值计算的简便性和精确性。2、尽量减少装夹次数，尽可能在一次装夹后，加工出全部待加工面。根据零件的尺寸、精度要求和生产条件选择最常用的车床通用的三爪自定心卡盘如图（5-2）。三爪自定心卡盘可以自定心，夹持范围大，适用于截面为圆形、三角形、六边形的轴类和盘类上小型零件。图5-2卡盘5.3 夹具的选择夹具用来装夹被加工工件以完成加工过程，同时要保证被加工工件的定位精度，并使装卸尽可能方便、快捷。数控加工时夹具主要有两大要求：一是夹具应具有足够的精度和刚度；二是夹具应有可靠的定位基准。选用夹具时，通常考虑以下几点：1、尽量选用可调整夹具，组合夹具及其它适用夹具，避免采用专用夹具，以缩短生产准备时间。 2、在成批生产时，才考虑采用专用夹具，并力求结构简单。3、装卸工件要迅速方便，以减少机床的停机时间。4、 夹具在机床上安装要准确可靠，以保证工件在正确的位置上加工。数控车床上的夹具主要有两类：一类用于盘类或短轴类零件，工件毛坯装夹在可调卡爪的卡盘（三爪、四爪）中，由卡盘传动旋转；另一类用于轴类零件，毛坯装在主轴顶尖和尾座顶尖间，工件由主轴上的拨动卡盘传动旋转。综上所述，三爪卡盘具有自动定心的特点，加工该零件选用三爪卡盘加工。5.4刀具及刀位号数控加工中的刀具选择和切削用量确定是在人机交互状态下完成的要求编程人员必须掌握刀具选择和切削用量确定的基本原则在编程时充分考虑数控加工的特点，能够正确选择刀具及切削用量。在全功能数控车床上,可预先安装812把刀具,当被加工工件改变后,一般不需要更换刀具就能完成工件的全部车削加工.为了满足要求,刀具配备时应注意以下几个问题。1、在可能的范围内,使被加工工件的形状、尺寸标准化,从而刀具的种类,实现不换刀或少换刀,以缩短准备和调整时间。2、使刀具规格化和通用化,以减少刀具的种类,便于刀具管