典型轴零件的数控车削加工工艺设计与编程

1典型轴零件的数控车削加工工艺设计与编程摘 要随着科技的不断发展，数控技术在企业中发挥越来越重要的作用。本设计通过对数控加工的工艺特点、加工零件工艺性等进行分析，选择正确的加工方法，设计合理的加工工艺过程，充分发挥数控加工的优质、高效、低成本的特点。设计说明书以数控车床车削轴类零件为例，根据被加工工件的材料、轮廓形状、加工精度等选用合适的机床，制定加工方案，确定零件的加工顺序，各工序所用刀具，夹具和切削用量等，编写加工零件的程序。按照说明书要求将加工出零件，并对零件自检数据进行分析，说明在加工过程中应注意的事项。关键词：工艺分析；刀具；切削用量；加工程序 2目 录摘 要 .31 零件图的分析 .41.1 零件的结构工艺性分析 .51.2.2 零件的技术要求分析 .52 轴零件的工艺规程设计 .62.1 零件毛坯的选择 .62.2 定位基准的确定 .62.3 装夹方式的选择 .72.4 表面加工方法的选择 .72.5 加工顺序的安排 .82.6 加工工序的划分 .92.6.1 加工工序划分方法 .92.6.2 工序的最终确定 .103 设备及其工艺装备的选择 .123.1 机床的选择 .123.2 刀具的选择 .134 切削用量的选择 .154.2 填写工艺文件 .164.2.1 工艺过程卡片 .164.2.2 工序过程卡片 .175 数控加工程序的编制 .195.1 编程方法的选择 .195.2 编程原点的确定 .195.3 程序的编写 .195.3.1 编程代码的解析 .195.5.2 加工程序清单 .20 3结束语 .25致 谢 .26参考文献 .27 41 零件图的分析如图 1.1 所示零件图，轴零件图，其材料为 45 钢，单击小批量生产。图 1-1 零件图 51.1 零件的结构工艺性分析从图 1-1 分析得知，该零件的结构主要由外圆柱面、外圆锥面、外圆弧面、外沟槽、外螺纹、内孔等组成，该零件的集聚了轴零件的常见的结构，它典型的体现了数控车削加工的内容，具有良好的工艺性能和切削性能。1.2.2 零件的技术要求分析零件的技术要求主要包括尺寸精度、形状精度、位置精度、表面粗糙度要求等，这些技术要求应当是能够保证零件使用性能前提下的极限值。进行零件技术要求分析，主要是分析这些技术要求的合理性，以及实现的可能性，重点分析重要表面和部位的加工精度和技术要求，为制定合理的加工方案做好准备。同时通过分析以确定技术要求是否过于严格，因为过高的精度和过小的表面粗糙度要求会使工艺过程变得复杂，加工难度大，增加不必要的成本。 62 轴零件的工艺规程设计工艺规程设计是零件在加工前必不可少的重要步骤，是零件加工前的准备，其内容包括定位基准的确定、装夹方式、加工方法、工序及工步的划分、切削用量、机床、刀具等内容，下面进行逐一分析。2.1 零件毛坯的选择毛坯是根据零件所要求的形状，工艺尺寸等方面而制成的供进一步加工使用的生产对象。毛坯种类的选择不仅影响着毛坯制造的工艺装备及制造费用，对零件的机械加工工艺装备及工具的消耗，工时定额计算有很大影响。确定毛坯的形状与尺寸的步骤是：首先选取毛坯加工余量和毛坯公差；其次将毛坯加工余量叠加在零件相应加工表面上，从而计算出毛坯尺寸，最后标注毛坯尺寸与公差，其总的要求是：减少“肥头大耳” ，实现少屑或无屑加工。因此毛坯要力求接近成品形状，以减少机械加工的劳动量。根据零件图样中对工件材料的规定，工件材料确定为 45 钢。毛坯的尺寸为 41mm102mm 圆棒料。2.2 定位基准的确定定位基准有粗基准和精基准两种，用未加工过的毛坯表面作为定位基准称为粗基准，用己加工过的表面作为定位基准称为精加工。 7除第一道工序用粗基准外，其余工序都应使用精基准。选择定位基准要遵循基准重合原则，即力求没计基准、工艺基准和编程基准统一，这样做可以减少基准不重合产生的误差和数控编程中的计算量，并且能有效地减少装夹次数。该零件为回转型零件，其加工 2 次成型，故只有一个精基准，基准为端面及回转中心线。2.3 装夹方式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。数控加工的特点对夹具提出了两个基本要求：一是要保证夹具的坐标方向与机床的坐标方向相对固定；二是要协调零件和机床坐标系的尺寸关系。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。三爪自定心卡盘可以自动定心，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中小型零件。零件第一次装夹时车削左端，此次装夹可直接采用机床的三爪卡盘进行装夹，第二次装夹时，车削右端，端面及其内孔，由于左端装夹面为已加工面，且表面的光洁度较高，故需要垫上铜皮再用三爪卡盘装夹。2.4 表面加工方法的选择（1）外轮廓的加工方法该零件的外轮廓成阶梯状，其加工是先加工左端，再加工右端， 8左右两端的轮廓成递增，可采用 G71 的走刀方式进行粗加工，G70进行精加工。（2）外螺纹的加工方法外螺纹在加工前，首先车出螺纹大径，然后再用 G92 的螺纹车削走刀方式进行车削。2.5 加工顺序的安排工件的机械加工工艺路线中要经过切削加工、热处理和辅助工序。因此，当拟定工艺路线时要合理、全面安排好切削加工、热处理和辅助工序的顺序。切削加工工序的安排原则 基准先行 选为精基准的表面，应先进行价格，以便为后续工序提供可靠的精基准。如轴类零件的中心孔、箱体的地面或剖分面、齿轮的内孔和一端面等，都应安排在初始工序加工完成。 先粗后精 各表面均应按照粗加工半精加工精加工的顺序依次进行，以便逐步提高加工精度和降低表面粗糙度。 先主后次 先加工主要表面（如定位基面、装配面、工作面），后加工次要表面（如自由表面、键槽、螺纹孔等） ，次要表面常穿插进行加工，一般安排在主要表面达到一定精度之后、最终精加工之前。根据以上原则，确定该零件的加工顺序为：车左端面粗车外轮廓精车外轮廓钻孔粗镗孔精镗孔掉头，粗车外轮廓精车外轮廓车槽车槽车外螺纹。 92.6 加工工序的划分2.6.1 加工工序划分方法(1) 工序集中 1）概念：是将零件的加工集中在少数几道工序中完成，每道工序加工内容多，工艺路线短。2）特点：可以采用高效机床和工艺装备，生产率高； 减少了设备数量以及操作工人人数和占地面积，节省人力、物力； 减少了工件安装次数，利于保证表面间的位置精度； 采用的工装设备结构复杂，调整维修较困难，生产准备工作量大。 (2) 工序分散 1）概念：工序分散就是将零件的加工分散到很多道工序内完成，每道工序加工的内容少，工艺路线很长。1）特点：设备和工艺装备比较简单，便于调整，容易适应产品的变换；对工人的技术要求较低； 10可以采用最合理的切削用量，减少机动时间；所需设备和工艺装备的数目多，操作工人多，占地面积大。（3）工序集中或分散的程度分析考虑的因素：主要取决于生产规模、零件的结构特点和技术要求，有时，还要考虑各工序生产节拍的一致性 具体分析：一般情况下，单件小批生产时，只能工序集中；大批大量生产时，既可以采用多刀、多轴等高效、自动机床，将工序集中，也可以将工序分散后组织流水生产。 对于重型零件，为了减少工件装卸和运输的劳动量，工序应适当集中；对于刚性差且精度高的精密工件，则工序应适当分散。 发展趋势：倾向于采用工序集中的方法来组织生产。 综上所述，根据该零件的生产规模，确定该零件采用工序集中的方式进行划分。2.6.2 工序的最终确定根据该零件的结构特性，确定其加工工艺路线如下：工序 1：制造毛坯 41mm112mm 圆棒料。工序 2：夹毛坯外圆，向外伸出 50mm 的长度，车外轮廓、钻孔、镗孔。工步 1：粗车外轮廓 32、36 外圆、22、20 内孔，预留 0.5mm 精加工余量。工步 2：精车外轮廓 32、36 外圆，控制各表面粗糙度 11及精度。工步 3：钻孔 18mm工步 4：粗镗 22、20 内孔，预留 0.5mm 精加工余量。工步 5：精镗 22、20 内孔，控制各表面粗糙度及精度。工序 3：调头，车右端面、车外圆轮廓、切槽、螺纹。工步 1：粗车外轮廓，预留 0.5mm 精加工余量。工步 2：精车外轮廓，保证总长 107mm，控制各表面粗糙度及精度。工步 3：切槽工步 4：车 M30X2.5 螺纹工序 4：去毛刺。工序 5：检验。 123 设备及其工艺装备的选择3.1 机床的选择分析零件图可知，本设计加工的零件特征包括：外圆、内外槽、螺纹、圆弧、圆锥，加工工序复杂。为减少换刀和对刀时间，保证良好精度和表面粗糙度要求，选择温州广州数控设备有限公司生产的 CK61401000，该机床项目技术参数项目技术参数如下：床身上最大回转直径 400mm卡盘直径 250mm拖板上最大回转直径 210mm主轴转速（机械） 25-1600rpm变频 300-2000rpmX 轴最大行程 250mm尾座套筒内孔锥度 MT4Z 轴最大行程 1000mm尾座套筒移动量 140mm最大加工长度 800mm尾座套筒直径 60mmX/Z 轴快速进给速度 5/10m/min刀位数 4X/Z 轴脉冲当量 0.001mm刀方尺寸 25mmx25mm 13定位精度 0.01mm主电机功率 5.5kw重复定位精度 0.006mm机床外形尺寸(长宽高) 2250mmx1200mmx1600mm主轴通孔直径 46mm机床重量 2000kg主轴内孔锥度 MT3.2 刀具的选择由于工件材料、生产批量、加工精度以及机床类型、工艺方案的不同，车刀的种类也异常繁多。根据与刀体的联接固定方式的不同，车刀主要可分为焊接式与机械夹固式两大类。l）焊接式车刀 将硬质合金刀片用焊接的方法固定在刀体上称为焊接式车刀。这种车刀的优点是结构简单，制造方便，刚性较好。缺点是由于存在焊接应力，使刀具材料的使用性能受到影响，甚至出现裂纹。另外，刀杆不能重复使用，硬质合金刀片不能充分回收利用，造成刀具材料的浪费。根据工件加工表面以及用途不同，焊接式车刀又可分为切断刀、外圆车刀、端面车刀、内孔车刀、螺纹车刀以及成形车刀等。2）机夹可转位车刀 可转位车刀由刀杆、刀片、刀垫以及夹紧元件组成。刀片每边都有切削刃，当某切削刃磨损钝化后，只需松开夹紧元件，将刀片转一个位置便可继续使用。 14根据零件图的特性，本题两零件中的外圆表面及内孔表面采用可转位车刀进行车削，槽及螺纹，选用焊接式车刀进行切削，具体刀具选用请参照表 2-1。表 2-1 刀具表刀具号 刀具名称 刀具规格 刀具材料 加工表面T01 外圆粗车刀 35左偏刀 硬质合金 粗车外圆表面T02 外圆精车刀 35左偏刀 硬质合金 精车外圆表面T03 镗孔刀 60 硬质合金 车内孔T04 切槽刀 4mm 宽 硬质合金 切螺纹退刀槽T05 外螺纹车刀 60左偏刀 硬质合金 车外螺纹 154 切削用量的选择（1）切削用量的选用原则粗车时，应尽量保证较高的金属切除率和必要的刀具耐用度。选择切削用量时应首先选取尽可能大的背吃刀量 ap，其次根据机床动力和刚性的限制条件，选取尽可能大的进给量 f，最后根据刀具耐用度要求，确定合适的切削速度 vc。增大背吃刀量 ap 可使走刀次数减少，增大进给量 f 有利于断屑。精车时，对加工精度和表面粗糙度要求较高，加工余量不大且较均匀。选择精车的切削用量时，应着重考虑如何保证加工质量，并在此基础土尽量提高生产率。因此，精车时应选用较小（但不能太小）的背吃刀量和进给量，并选用性能高的刀具材料和合理的几何参数，以尽可能提高切削速度。（2）切削用量的选取方法背吃刀量的选择 粗加工时，除留下精加工余量外，一次走刀尽可能切除全部余量。也可分多次走刀。精加工的加工余量一般较小，可一次切除。在中等功率机床上，粗加工的背吃刀量可达810mm；半精加工的背吃刀量取 0.55mm；精加工的背吃刀量取0.21.5mm。进给速度（进给量）的确定 粗加工时，由于对工件的表面质量没有太高的要求，这时主要根据机床进给机构的强度和刚性、 16刀杆的强度和刚性、刀具材料、刀杆和工件尺寸以及已选定的背吃刀量等因素来选取进给速度。精加工时，则按表面粗糙度要求、刀具及工件材料等因素来选取进给速度。进给速度 f 可以按公式f =fn 计算，式中 f 表示每转进给量，粗车时一般取0.30.8mmr；精车时常取 0.10.3mm/r；切断时常取0.050.2mm/r。切削速度的确定 切削速度 vc 可根据己经选定的背吃刀量、进给量及刀具耐用度进行选取。实际加工过程中，也可根据生产实践经验和查表的方法来选取。粗加工或工件材料的加工性能较差时，宜选用较低的切削速度。精加工或刀具材料、工件材料的切削性能较好时，宜选用较高的切削速度。切削速度 vc 确定后，可根据刀具或工件直径（D）按公式 n=l000vc/D 来确定主轴转速 n（r/min） 。通过以上分析，查表确定该零件的切削用量如附件 2 数控加工工序卡所示。4.2 填写工艺文件4.2.1 工艺过程卡片机械加工工艺过程产品名称 轴材料45钢 毛坯尺寸 41mm112mm序号工序名称 工序内容 车间 设备 工装 171 下料下料，制造毛坯36mm115mm 圆棒料2 车夹毛坯外圆，向外伸出 50mm的长度，车外轮廓，钻孔、镗孔。金工 数控车床 三爪卡盘3 车调头，车右端面、车外圆轮廓、切槽、车螺纹金工 数控车床 三爪卡盘4 钳工 去毛刺5 终检 检验图上各尺寸6 入库4.2.2 工序过程卡片产品名称或代号零件名称 材料 零件图号（工厂） 数控加工工序 卡轴 45 钢工序号 程序编 号 夹具名称 夹具编号 使用设备 车间2 O0001 三爪卡盘 数控车床工步号 工步内容 刀具 号刀具规格/mm主轴转速/（r/min）进给速度/(mm/min)背吃刀量/mm备注1 车左端面 T0101 35 1000 200 1.5 自动2粗车外轮廓，预留0.5mm 精加工余量。T0101 35 1000 200 1.5自动3精车外轮廓，控制各表面粗糙度及精度。T0202 35 1200 150 0.2自动 18产品名称或代号零件名称 材料 零件图号（工厂） 数控加工工序 卡轴 45 钢工序号 程序编 号 夹具名称 夹具编号 使用设备 车间2 O0002 三爪卡盘 数控车床工步号 工步内容 刀具 号刀具规格/mm主轴转速/（r/min）进给速度/(mm/min)背吃刀量/mm备注1 粗车外轮廓，预留0.5mm 精加工余量 T0101 35 1000 200 1.5 自动2精车外轮廓，保证总长 112mm，控制各表面粗糙度及精度。T0202 35 1200 150 0.2 自动3 切槽 T0404 宽度 4mm 800 50 自动4 车 M30X2.5 螺纹 T0505 60 600 150 1 自动编制 审核 批准 共 2 页 第 2 页4 钻孔 - 18 600 - - 手动5 镗孔 T0303 60 750 120 1 自动编制 审核 批准 共 2 页 第 1 页 195 数控加工程序的编制5.1 编程方法的选择数控编程主要分为手工编程与自动编程。（1）手工编程整个程序的编制过程是由人工完成的。这要求编程人员不仅要熟悉数控代码及编程规则，而且还必须具备有机械加工工艺知识和数值计算能力。对于点位加工或几何形状不太复杂的零件，数控编程计算较简单，程序段不多，手工编程即可实现。（2）自动编程用计算机把人们输入的零件图纸信息改写成数控机床能执行的数控加工程序，就是说数控编程的大部分工作有计算机来实现。3 编程方法的选择该零件的结构为圆弧与直线组成，无双曲线、抛物线、正弦曲线、椭圆等高级曲线，故其所有加工程序均选用手工编制。5.2 编程原点的确定该零件为回转型零件，其编程坐标系一般设置在零件的回转中心上，即工序 2 中的编程原点为左端面中心，工序 3 中的编程原点为右端面上。5.3 程序的编写5.3.1 编程代码的解析该零件图使用 G71 外径粗车循环指令，G70 精车循环指令，G76螺纹车削指令。说明如下：1.G71 外圆粗车循环 20格式：G71 Ud Re；G71 P ns Q nf Uu Ww F ；式中d精加工每次切深；ns精加工程序第一个程序段的序号；nf精加工程序最后一个程序段的序号；uX 轴方向精加工留量（直径值） ；wZ 轴方向精加工留量；e退刀量；2.多重螺纹切削循环 G92指令格式：G92X_Z_F_指令功能：通过多次螺纹粗车、螺纹精车完成规定牙高（总切深）的螺纹加工，如果定义的螺纹角度不为 0 度，螺纹的切入点由螺纹牙顶逐步移至螺纹牙底，使得相邻两牙螺纹的夹角为规定的螺纹角度。G92 指令可加工带螺纹退尾的直螺纹和锥螺纹，可实现单侧刀刃螺纹切削，吃刀量逐渐减少，有利于保护刀具、提高螺纹精度。G92 指令不能加工端面螺纹。3.G70 外圆精车循环格式：G70 Pns Qnf；ns精加工程序第一个程序段的序号；nf精加工程序最后一个程序段的序号；5.5.2 加工程序清单零件左端加工程序 21表 6 加工程序清单程序名:O0001程序段号 程序内容 程序段解释N10 O0001 程序名N20 M03S1000T0101 1 号刀粗车N30 G0X45Z1 快速定位N40 G71U1R1 外圆车削循环N50 G71P60Q120U0.5W0.1F200 外圆车削循环N60 G01X28F150 直线插补N70 Z0 直线插补N80 X32W-2 倒角N90 Z-32 直线插补N100 X36 直线插补N110 Z-42 直线插补N120 G01X45 直线插补N130 G0X100Z100 退刀N140 T002 换刀N150 S1200 提高转速精车N160 G0X36Z1 快速定位N170 G70P1Q2 精车循环 22N180 G0X100Z100 退刀N190 M03S600T0303 换刀，镗孔N200 G0X18Z1 快速定位N210 G71U1R1 外圆车削循环N220 G71P230Q270U-0.5W0.1F200 外圆车削循环N230 N1G01X22F150 直线插补N240 Z-20 直线插补N250 X20 直线插补N260 Z-25 直线插补N270 X18N280 Z100 退刀N290 G0X100 退刀N300 M30 程序结束零件右端加工程序表 6 加工程序清单程序名:O0002程序段号 程序内容 程序段解释N10 O0002 程序号N20 M03S1000T0101 调用 1 号刀具车外圆 23N30 G0X45Z1 快速定位N40 G71U1R1 外圆车削循环N50 G71P1Q2U0.5W0.1F200 外圆车削循环N60 N1G01X0F150 直线插补N70 Z0 直线插补N80 G03 X19.5 Z-10R10 车铣圆弧N90 G02 X20 Z-13.87R3 车铣圆弧N100 G01X26 W-10N110 X30 W-2N120 Z-56N130 X32N140 Z-66N150 N2X45 直线插补N160 G0X100Z100 退刀N170 T0202S1200 提高转速，换精车刀具N180 G0X25Z1 快速定位N190 G70P1Q2 精车循环N200 G0X100Z100 退刀N210 T0404S800 提高转速，换切槽刀具N220 G0X35Z1 快速定位 24N230 Z-52N240 G01X26F50 切槽N250 X35N260 Z-56N270 X26 切槽N280 X35 退刀N290 G0X100Z100 退刀N300 M03S800T0404 调用外螺纹车刀N310 G0X31Z-20 快速定位N320 G92X29.5Z-36F2 外螺纹车削循环N330 X29 外螺纹车削循环N340 X28.5 外螺纹车削循环N350 X28 外螺纹车削循环N360 X27.5 外螺纹车削循环N370 G0X100 退刀N380 Z100 退刀N390 M30 程序结束 25结束语本次课题贯穿本专业所学到的议论知识与实践操作技术，从分析设计到计算、操作得到成品，同时本次选题提供了自主学习，自主选择，自主完成的机会。毕业设计有实践性，综合性，探索性，应用性等特点，通过对该零件的加工设计，使自己能够完成轴承盖零件的自动编程，对刀具路径有了更深一步的理解。这次毕业设计，给我最大的体会就是熟练操作技能来源我们对专业的熟练程度。除了对自动编程的熟练掌握之外，还需要你掌握零件工艺方面的知识，对于夹具的选择，切削参数的设定我们必须十分清楚。在上机操作时，我们只有练习各功能键的作用，在编程时才得心应手。因此，我总结出一个结论“理论是指导实践的基础，只有不断在实践中总结验，并对先前的理论进行消化和创新，自己的水平会很快的提高” 。本毕业的选题、设计内容、及设计的形成是在老师的悉心指导下完成的。在毕业论文的完成过程中倾注了老师大量的心血，因此，在论文完成之际，特向我尊敬的老师表示衷心的感谢。通过此次设计使我掌握了科学研究的基本方法和思路，为今后的工作打下了基础，在以后的日子我将会继续保持这份做学问的态度和热情。 26致 谢经过一个多月的研究分析，我的毕业设计终于完成。作为一名数控专业的毕业生，由于本专业的特殊性，在设计过程中，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有指导的指导，以及身边朋友们的帮助，想靠一己之力完成此次设计是相当困难的。首先，向刘老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。从最初的选题到中后期修改，再到最后定稿，指导一直给我提供了许多宝贵的建议。老师严肃的工作态度、谨的治学精神、益求精的工作作风、深地感染和激励了我。除了敬佩老师的专业水平外，其朴实无华、平易近人的人格魅力更对我影响深远，不仅使我树立了远大的学术目标、掌握基本的研究方法，还使我明白了许多待人接物与为人处事的道理。其次，要感谢学院所有教导老师，你们教会我的不仅仅是专业知识，更多的是对待学习、对待生活的态度，乃至做人的道理。最后，我要感谢这一路上给过我帮助的那些认识乃至不认识的朋友们，因为你们的鼓励和支持，我的毕业设计才得以顺利完成。感谢你们，在我最需要帮助和鼓励的时候，给与我的一切，我永远不会忘记我们一起奋斗过的日日夜夜，此时此刻，就让一切在记忆中封存。 27参考文献1 现代数控铣削技术/杨江河，余云龙编.-北京:机械工业出版社,2006.92 数控编程与加工/陈红康,杜洪春主编.-济南:山东大学出版社,2004.83 数控机床加工工艺及设备/田萍主编.-北京:电子工业出版社,2005.34 数控加工工艺与编程/晏初宏主编.-北京:化学工业出版社,2004.35 机床数控技术/杜国臣,王士军主编.-北京:中国林业出版社;北京大学出版社,2006.8