典型零件的数控加工工艺分析毕业设计论文.docx
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典型零件的数控加工工艺分析毕业设计论文
毕业（设计）论文
典型零件的数控加工工艺分析
摘要
数控加工技术体现着一个国家的工业化生产能力，是制造业发展的基础。
数控技术是一种对机械运动和动作过程进行自动控制的新兴技术。
随着微电子技术和软件技术的发展，数控技术迅速普及并广泛应用于需要运动和动作控制的各个领域。
数控机床是数控技术在制造业应用的直接表现，它依靠数控系统控制数控机床的坐标运动和辅助动作过程。
在工作中，数控系统按照预定工作程序对机床主轴、坐标轴的运动和位置以及加工过程中的各个辅助动作进行协调控制，使其成为高效、自动化的加工工具。
本次设计是进行一个直径是80MM长120MM的圆柱台阶轴进行设计，这个轴上有圆弧、工艺退刀槽、螺纹退刀槽、螺纹及球面构成，材料为45#钢。
轴，支承转动零件并与之一起回转以传递运动、扭矩或弯矩的机械零件。
一般为金属圆杆状，各段可以有不同的直径。
机器中作回转运动的零件就装在轴上。
本文所设计的轴，既承受弯矩有承受扭矩。
在设计过程中我通过Autocad辅助设计软件绘制出零件二维图，运用所学知识作出加工工艺分析，制定加工路线并编制出数控加工程序，然后用用数控仿真软件加工出零件实体。
关键词：
数控加工台阶轴Autocad辅助设计数控仿真
第一章绪论
1.1数控加工在机械制造业中的地位和作用
随着国家经济的发展，制造业起着重要的作用，数控加工技术体现着一个国家的工业化生产能力，是制造业发展的基础。
数控加工是机械加工的精加工的一种，是机械加工的发展方向，数控加工的加工范围更广，加工精度更高，未来的机械加工将普遍使用数控加工。
1.2数控加工技术的特点
数控加工柔性好，自动化程度高，特别适宜加工轮廓形状复杂的曲线，曲面零件，以及具有大量孔、槽加工的复杂箱体，棱体零件，在多品种、小批量生产情况下，使用数控机床加工能获得较高的经济效益。
其具体特点如下：
（1）自动化程度高，具有很高的生产效率。
（2）对加工对象的适应性强。
（3）加工精度高，质量稳定。
（4）易于建立与计算机间的通信联络，容易实现群控。
1.3数控加工的内容
对于一个零件来说，并非全部加工工艺过程都适合在数控机床上完成,而往往只是其中的一部分工艺内容适合数控加工。
这就需要对零件图样进行仔细的工艺分析，选择那些最适合、最需要进行数控加工的内容和工序。
在考虑选择内容时，应结合本企业设备的实际，立足于解决难题、攻克关键问题和提高生产效率，充分发挥数控加工的优势。
1、适于数控加工的内容
在选择时，一般可按下列顺序考虑：
（1）通用机床无法加工的内容应作为优先选择内容；
（2）通用机床难加工，质量也难以保证的内容应作为重点选择内容；
（3）通用机床加工效率低、工人手工操作劳动强度大的内容，可在数控机床尚存在富裕加工能力时选择。
2、不适于数控加工的内容
一般来说，上述这些加工内容采用数控加工后，在产品质量、生产效率与综合效益等方面都会得到明显提高。
相比之下，下列一些内容不宜选择采用数控加工：
（1）占机调整时间长。
如以毛坯的粗基准定位加工第一个精基准，需用专用工装协调的内容；
（2）加工部位分散，需要多次安装、设置原点。
这时，采用数控加工很麻烦，效果不明显，可安排通用机床补加工；
（3）按某些特定的制造依据（如样板等）加工的型面轮廓。
主要原因是获取数据困难，易于与检验依据发生矛盾，增加了程序编制的难度。
1.4数控加工技术的发展趋势
进入20世纪90年代以来，随着国际上计算机技术突飞猛进的发展，数控技术正不断采用计算机、控制理论等领域的最新技术成就，使其朝着高速化、高精化、复合化、智能化、高柔性化及信息网络化等方向发展。
整体数控加工技术向CIMS（计算机集成制造系统）方向发展。
1.高速切削
受高生产率的驱使，高速化已是现代机床技术发展的重要方向之一。
机床高速化既表现在主轴转速上，也表现在工作台快速移动和进给速度的提高，以及刀具交换、托盘交换时间的缩短上，并且具有高加（减）速率。
高速切削机床主轴的高转速减少了切削力，也减小了切削深度，有利于克服机床振动，排屑率大大提高，热量被切屑带走，传人零件中的热量减低，热变形大大减小，提高了加工精度，也改善了加工面粗糙度。
因此，经过高速加工的工件一般不需要精加工。
2.高精度加工
高精度加工实际上是高速加工技术和数控机床的广泛应用的必然结果。
以前汽车零件的加工精度要求在0.01mm数量级上，但随着计算机硬盘、高精度液压轴承等精密零件的增多，精整加工所需精度已提高到0.1μm，加工精度进入了亚微米世界。
提高数控设备的加工精度，除通过提高机械设备的制造精度和装配精度外，还可通过减小数控系统的控制误差和采用补偿技术来达到。
在减小CNC系统控制误差方面，通常采用提高数控系统的分辨率、以微小程序段实现连续进给、使CNC控制单位精细化、提高位置检测精度以及位置伺服系统采用前馈控制与非线性控制等方法。
在采用补偿技术方面，除采用齿隙补偿、丝杆螺距误差补偿和刀具误差补偿等技术外，近年来设备的热变形误差补偿和空间误差综合补偿技术的研究已成为世界范围的研究热点。
3.复合化加工
机床高速化主要是从提高机床的运行速度来提高机床的加工生产率，而机床的复合化加工则是通过增加机床的功能，减少工件加工过程中的多次装夹、重新定位、对刀等辅助工艺时间，来提高机床利用率的，因此复合化加工是现代机床技术发展的另一重要方面。
4.控制智能化
随着人工智能技术的不断发展，并为满足制造业生产柔性化、制造自动化的发展需求，数控技术智能化程度不断提高，具体体现在以下几个方面：
（1）加工过程自适应控制技术
（2）加工参数的智能优化与选择
（3）故障自诊断功能
（4）智能化交流伺服驱动装置
5.互联网络化
随着信息技术和数字计算机技术的发展，尤其是计算机网络的发展，世界正在经历着一场深刻的“革命”。
在以网络化、数字化为基本特征的时代，网络化、数字化以及新的制造哲理深刻地影响新世纪的制造模式和制造观念。
6.计算机集成制造系统
计算机集成制造反映了制造系统的这一新发展。
计算机集成制造系统则是技术上的具体实现，它能为现代制造企业追求在激烈变化中、动态市场条件下，具有快速、灵活响应的竞争优势提供所要求的战略性系统技术。
计算机集成制造系统的发展可以实现整个机械制造厂的全盘自动化，成为自动化工厂或无人化工厂，是自动化制造技术的发展方向。
第二章数控加工工艺的特点和内容
数控加工工艺是以数控加工机床加工中的工艺为研究对象的一门加工技术。
它以机械制造业中的工艺的基本理论知识为基准，结合数控机床的特点，综合运用了多方面的知识解决面临数控加工中的工艺问题。
数控加工工艺的内容包括了机械加工工艺和数控加工程序编制的基本知识和基本理论、典型零件加工工艺分析的方法。
无论是手工编程还是自动编程，在编程前都要对所加工的零件进行工艺分析，拟订工艺方案，选择合适的刀具，确定切削用量。
在编程中，对一些工艺问题（如对刀点，加工路线等）也需要做一些处理。
因此，数控编程的工艺处理是一项十分重要的工作。
2．1数控加工工艺的基本特点
（1）数控加工的工艺内容十分明确而具体。
进行数控加工时，数控机床受数控系统的指令，完成各种运动、实现各种加工要求。
因此在编程加工之前，需要对影响加工过程的各种加工工艺因素，如：
切削用量、进给路线、刀具的几何形状，甚至工步的划分与安排等一一工作做出定量描述。
（2）数控加工的工艺要求相当准确和严密。
数控加工不能像通用机床那样加工，可以对加工过程中出现的问题由操作工人依据自己的实践经验和习惯自行调整的。
在数控加工的工艺设计中必须注意加工过程中的每一个环节，做到万无一失。
在实际中一个字符、一个小数点或一个逗号的差错都可能酿成重大的机床事故和质量事故。
因此，要求编程人员除必须具备较扎实的工艺基本知识和较丰富的实际工作经验外，还要必须具备耐心和严谨的工作作风。
（3）数控加工的工序相对集中。
一般来说，在普通机床上是根据机床的种类进行单工序加工，而在数控机床上往往是在一次装夹中完成钻、扩、铰、铣、镗攻螺纹等多工序加工。
这种“多序和一”的现象也属于“工序集中”的范畴，极端情况下，在一台加工中心上可以完成加工的全部加工内容。
2.2数控加工工艺的主要内容
一般来说数控加工工艺主要包括的内容如下：
（1）选择并确定进行数控加工的零件及内容；
（2）对零件图纸进行数控加工的工艺分析；
（3）数控加工的工艺设计；
（4）对零件图纸的数学处理；
（5）编写加工程序单；
（6）按程序单制作控制介质；
（7）程序的校验与修改；
（8）首件试加工与现场问题处理；
（9）数控加工工艺文件的定型与归档。
第三章零件图的分析
3.1零件图的绘制
本次设计是进行一个直径是80MM长120MM的圆柱台阶轴进行设计，这个轴上有圆弧、工艺退刀槽、螺纹退刀槽、螺纹及球面构成，材料为45#钢。
轴，支承转动零件并与之一起回转以传递运动、扭矩或弯矩的机械零件。
一般为金属圆杆状，各段可以有不同的直径。
机器中作回转运动的零件就装在轴上。
本文所设计的轴，既承受弯矩有承受扭矩。
图3-1零件图
3.2尺寸的分析
尺寸标注应符合数控加工的特点
在数控编程中，所有点、线、面的尺寸和位置都是以编程原点为基准的。
因此，零件图样上最好直接给出坐标尺寸，或尽量以同一基准上引注尺寸。
在本设计零件图，宽度方向以中心轴线为基准，主零件长度方向是以R10的半圆球右端面为基准。
几何要素的条件应完整、准确。
在程序编制中，编程人员必须充分掌握构成零件轮廓的几何要素参数及几何要素之间的关系。
因为在自动编程时要对零件轮廓的所有几何元素进行定义，手动编程时要计算出每个节点的坐标，无论哪一点不明确或不确定，编程都无法进行。
所以我在尺寸标注时都非常仔细，以主要基准为准对零件各个部位的尺寸逐一进行标注，确保每个尺寸都标注完整，便于以后的编程。
3.3图样工艺分析
如图1所示，根据图样零件的数据显示选择毛坯为：
直径85MM*125MM的棒料。
此零件外型规则，被加工部分的各尺寸、形位、表面粗糙度值及凹凸配合等要求较高。
零件结构较为复杂，包含了圆弧，外轮廓，螺纹，切槽以及三维曲面的加工，且大部分的尺寸均达到IT8--IT7级精度。
工件选用三爪自定心卡盘装夹，由于该零件形状复杂所以把零件分为两步骤完成：
先车基准（零件左端面）→钻中心孔→车零件最大外圆ø80→车ø70及台阶面然后调头装夹车ø65台阶轴→车圆锥面→车ø24圆柱→车ø20圆柱以及R10半圆球切M24x2螺纹，以零件右端半圆球的端点做工件坐标系的原点（也是编程原点）。
第四章数控加工工艺路线的设计
数控加工工艺路线的设计与通用机床加工工艺路线的设计的主要区别，在于它往往不是指从毛坯到成品的整个工艺过程，而仅是几道数控加工工序工艺过程的具体描述。
因此在工艺路线设计中一定要注意到，由于数控加工工序一般都穿插于零件加工中的整个工艺过程中，因而要与其他加工工艺衔接好。
4.1毛坯材料的选择
材料为45#钢。
因本次设计的零件为一般阶梯轴，所受扭矩不大，所以45#钢即可满足使用要求。
此零件外型规则，被加工部分的各尺寸、形位、表面粗糙度值及凹凸配合等要求较高。
毛坯料选为85*125的棒料，如图4-1所示。
图4-1毛坯图
4.2选择机床
CK7525数控车床具有粗车循环及螺纹加工循环，故选用CK7525数控车床。
4.3定位基准的选择
合理地选择定位基准，对于保证零件的尺寸和位置精度有着决定性的作用。
由于该传动轴的几个主要配合表面（Q、P、N、M）及轴肩面（H、G）对基准轴线A-B均有径向圆跳动和端面圆跳动的要求，它又是实心轴，所以应选择两端中心孔为基准，采用双顶尖装夹方法，以保证零件的技术要求。
定位基准包括粗基准和精基准。
粗基准：
用未加工过的毛坯表面做基准。
精基准：
用已加工过的表面做基准。
粗基准采用热轧圆钢的毛坯外圆。
中心孔加工采用三爪自定心卡盘装夹热轧圆钢的毛坯外圆，车端面、钻中心孔。
但必须注意，一般不能用毛坯外圆装夹两次钻两端中心孔，而应该以毛坯外圆作粗基准，先加工一个端面，钻中心孔，车出一端外圆；然后以已车过的外圆作基准，用三爪自定心卡盘装夹（有时在上工步已车外圆处搭中心架），车另一端面，钻中心孔。
如此加工中心孔，才能保证两中心孔同轴。
4.4工艺路线的拟定
1．各表面加工方法的选择加工方法的选择应以满足加工精度和表面粗糙度的要求为原则。
由于获得同一级加工精度及表面粗糙度的加工方法一般有许多，在实际选择时，要结合零件的形状、尺寸和热处理要求等全面考虑。
传动轴大都是回转表面，主要采用车削与外圆磨削成形。
由于该台阶轴的主要表面的公差等级（IT6）较高，表面粗糙度Ra值（Ra=1.6um）较小，故车削时对切削用量要求较高。
外圆表面的加工方案可为：
粗车→半精车→精车。
2．加工顺序的确定对精度要求较高的零件，其粗、精加工应分开，以保证零件的质量。
该轴加工划分为三个阶段：
粗车（粗车外圆、钻中心孔等），半精车（半精车各处外圆、台阶和修研中心孔及次要表面等），精车（各外圆面、螺纹）。
各阶段划分大致以热处理为界。
轴的热处理要根据其材料和使用要求确定。
对于阶梯轴，正火、调质和表面淬火用得较多。
该轴要求调质处理，并安排在粗车各外圆之后，半精车各外圆之前。
综合上述分析，该轴的工艺路线如：
下料→车基准（零件左端面）→车零件最大外圆ø80→车ø70及台阶面然后调头装夹车ø65台阶轴→车圆锥面→车ø24圆柱→车ø20圆柱以及R10半圆球、车螺纹→检验。
工序如图示。
图4-2工序图
数控加工工艺卡片见附图一。
4.5刀具的选择和切削参数
4.5.1车削用量的选择原则
（1）粗车时，首先考虑选择一个尽可能大的背吃刀量ap，其次选择一个较大的进给量f,最后确定一个合适的切削进度v。
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，因此根据以上原则选择粗车切削用量对于提高生产效率，减少刀具消耗，降低加工成本是有利的。
（2）精车时，加工精度和表面粗糙度要求较高，加工余量不大且均匀，因此选择较小（但不太小）的背吃刀量ap和进给量f，并选用切削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v。
（3）零件的加工高度H≤（1/4-1/6）RD，以保证刀具有足够的刚度。
切削用量的具体数值应根据机床性能，相关的手册并结合实际经验用模拟方法确定。
同时，使主轴转速、背吃刀量及进给速度三者能相互适应，以形成最佳切削用量。
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。
切削用量的选择原则是：
保证零件加工精度和表面粗糙度，充分发挥刀具切削性能，保证合理的刀具耐用度；并充分发挥机床的性能，最大限度提高生产率，降低成本。
1、主轴转速的确定
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。
根据本例中零件的加工要求，考虑工件材料为铝件，刀具材料为高建工具钢，粗加工选择转速600r/min,精加工选择800r/min车削外圆，考虑细牙螺纹切削力不大，采用400r/min来车螺纹，而内孔由于刚性较差，采用粗车400r/min，比较容易达到加工要求，切槽的切削刀较大，采用200r/min更稳妥。
2、进给速度的确定
进给速度是数控机床切削用量中的重要参数，主要根据零件的加工进度和表面粗糙度要求以及刀具、工件的材料性质选取。
最大进给速度受机床刚度和进给系统的性能限制。
一般粗车选用较高的进给速度，以便较快去除毛坯余量，精车以考虑表面粗糙和零件精度为原则，应选择较低的进给速度，得出下表
表4.1进给速度
粗
精
外圆
0.15min/r
0.08min/r
内孔
0.05min/r
0.04min/r
槽
0.04min/r
3、背吃刀量确定
背吃刀量根据机床、工件和刀具的刚度来决定，在刚度允许的条件下，应尽可能使背吃刀量等于工件的加工余量（除去精车量），这样可以减少走刀次数，提高生产效率。
为了保证加工表面质量，可留少量精加工余量，一般0.2-0.4mm。
本设计中中，背吃刀量的选择如表所示：
表4.2背吃刀量
粗
精
外圆
1.5-2（mm）
0.2-0.4（mm）
螺纹
随进刀次数依次减少
槽
根据刀宽，分两次进行
总之，切削用量的具体数值应根据机床性能、相关的手册并结合实际经验用类比方法确定。
同时，使主轴转速、切削深度及进给速度三者能相互适应，以形成最佳切削用量。
4.5.2刀具的选择
由于数控机床具有加工精度高、加工效率高、加工工序集中和零件装夹次数少的特点，对所使用的数控刀具提出了更高的要求。
从刀具性能上讲，数控刀具应高于普通机床所使用的刀具。
选择数控刀具时，首先要应优先选用标准刀具，必要时才可选用各种高效率的复合刀具及特殊的专用刀具。
在选择标准数控刀具时，应结合实际情况，尽可能选用各种先进刀具，如可转位刀具、整体硬质合金刀具、陶瓷刀具等。
本设计中的零件加工刀具主要是用硬质合金刀，刀具选择的结果如表4.3所示，刀具卡片见附图二。
表4.3刀具选择
加工步骤
刀具切削参数主轴转速
序号
加工内容
刀具规格
n/r.min
进给速度
v
/mm.min
类型
材料
1
粗加工外轮廓
（T01）93°外圆偏刀
硬质合金
700
200
2
精加工外轮廓
（T01）93°外圆偏刀
630
160
3
切螺纹退刀槽
（T02）切槽刀
500
80
4
车M24螺纹
（T03）60°普通螺纹车
500
800
4.6夹具的选择与类型
4.6.1夹具的选择
数控加工对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、组合夹具及其它通用夹具，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。
本次设计采用普通的三爪自动定心卡盘，其工作效率高，使用方便、准确度高。
如图4-2所示。
4.6.2夹具的类型
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，工件毛坯装夹在带可调卡爪的卡盘（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架顶尖间，工件由主轴上的拨动卡盘传动旋转。
4.6.3零件的安装
数控机床上零件的安装方法与普通机床一样，要合理选择定位基准和夹紧方案，注意以下两点：
（1）力求设计、工艺与编程计算的基准统一，这样有利于编程时数值计算的简便性和精确性。
（2）尽量减少装夹次数，尽可能在一次定位装夹后，加工出全部待加工表面。
由于本次设计的零件属于短轴类零件，故采用三爪自定心卡盘装夹。
其安装方便、安装精度较高，图4-2所示：
图4-2零件装夹图
第五章零件的加工工序及编程
5.1数控加工工序
数控加工车削分十三次切削进行加工：
1.然后车削端面作为基准。
2.首先进行车削最大外圆ø80。
3.车ø70轴台阶轴
4.车削台阶平面。
5.调头装夹。
6.车削ø65轴。
7.车削椎面。
8.车削ø24圆柱。
9.车削ø20圆柱。
10.车削球面。
11.切螺纹退刀槽。
12.车削工艺槽。
13.加工螺纹M24。
5.2数控加工程序的编写
O0001;
N0010M03T0101S500;
N0020G00X100.0Z100.0;
N0030G00X85.0Z2.0;
N0040G71U2.0R1.0;
N0050G71P0060Q0100U1.0W0F100.0;
N0060G00X64.0;
N0070G01X70.0Z-1.0;
N0080Z-10.0F50.0;
N0090X78.0;
N0100X80.0Z-11.0;
N0110Z-24.0;
N0120X85.0;
N0130G00X100.0Z100.0;
S800;
N0140G70P0060Q0100;
N0150G00X100.0Z100.0
N0160M30;
O0002;
N001M03T0101S500;
N002G00X100.0Z100.0;
N003X85.0Z2.0;
N004G71U2.0R1.0;
N005G71P006Q018U1.0W0F100.0;
N006G00X0.0;
N007G01Z0.0F50.0;
N008G03X20.0Z-10.0R10.0;
N009G01Z-18.0;
N010X22.0;
N011X23.8Z-19.0;
N012Z-53.0;
N013X30.0;
N014X44.992Z-75.0;
N015Z-78.0;
N016G03X65.0Z-88.0R10.0;
N017G01Z-98.0;
N018X78.0;
N019X82.0Z-100.0;
N020S800;
N021G70P006Q019;
N022G00X100.0Z100.0
N023T0202S500;
N024G00X50.0Z-78.0;
N025G01X40.0;
N026G00X50.0;
N027Z-53.0;
N028X30.0;
N029G01X20.0;
N030X25.0;
N031Z-51.0;
N032X20.0;
N033G00X30.0;
N034X100.0Z50.0;
N035T0303S500;
N036G00X23.2Z-16.0;
N037G92Z-50.0F2.0;
N038X22.6;
N039X22.2;
N040X21.8;
N041X21.4;
N042G00X100.0Z100.0;
N043M30;
总结
以上就是本次设计的全过程。
这次设计不仅使我对所设计的零件有了更深的了解，还使我学到了许多在书本上学不到的东西，这对我以后走上社会，走向工作岗位都有十分重要的意义。
毕业设计是综合运用所学知识进行设计实践的环节，为对我们在生产实际中进行调查研究的能力、观察问题、分析问题能力的培养至关重要。
通过毕业设计的锻炼，我们运用所学知识的能力、解决问题的能力、创新设计的能力都得到了很好的锻炼和加强。
首先，让我了解到理论与实践相结合的重要性。
以前在学习理论课、基础课的时候，自己不十分注意理论联系实际，眼高手底，忽略了很多问题。
通过毕业设计使我认识到只有把所学知识运用到实践中去才能发挥知识的最大魅力。
毕业设计运用到了以前所学基础理论知识和专业知识，使得我们对自己所欠缺的部分得到了补充，因此毕业设计也是对以前所学知识的总结。
其次，团队协作精神。
我们组每个人的设计任务是不相同的，但是所运用到的知识还是有共同之处的。
我们在一起的时候经常交流自己设计部分的进展情况，互相提供有用的资料。
在相互帮助中，我们也解决了许多难题，可以说每个人
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