内圆磨具主轴零件编程设计大学毕设论文.docx

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内圆磨具主轴零件编程设计大学毕设论文

UNIVERSITY

本科毕业论文（设计）

题目：

内圆磨具主轴零件编程设计

学院：

工学院

姓名：

学号：

专业：

机械设计制造及其自动化

年级：

指导教师：

职称：

讲师

二○一二年五月

摘要

本文主要针对内圆磨具主轴零件的加工进行工艺分析。

内圆磨具主轴零件通常由内外圆柱面、内外圆锥面、端面、台阶面、螺纹等组成，主要用于支撑传动零件，承受载荷，传递转矩等，有较高的精度和粗糙度要求。

为保证内圆磨具主轴零件的高精度要求，本设计针对零件进行了工艺分析、尺寸计算、程序编写以及数控仿真，制定了正确的工艺方案，包括：

装夹方案和工艺路线，选择合理的刀具和夹具，并能利用数控仿真软件进行了验证。

实现了数控车床的自动化，智能化，高精度、快速度，短周期等功能。

数控加工制造技术正逐渐得到广泛的应用。

零件加工之前，进行工艺分析、编程设计具有非常重要的作用。

本文通过对典型的轴类零件数控加工工艺的分析，给出了一般零件设计加工工艺分析的方法，对于提高制造质量和实际生产，具有一定的指导意义。

关键词:

零件图纸分析；加工工艺；编程

Abstract

Thisarticleisfocusonthetechnologyanalysisoftheprocessingfortheshaftcomponents.Generally,theshaftcomponentsaremadeupofinternalandexternalconicalsurfaces,Insideandoutsidetheconesurface,terminalsurfaces,stepsurfaces,screwthreadandcirclearc,Ithasbeenmainlyusedforsupportingtransmissionparts,bearloadsandtransmittorquesandneedthehighprecisionandroughness,

Inordertoensurehigh-precisionrequirementsoftheShaft,Thisarticledevelopstherighttechnologyprogramfortechnologyanalysis,sizecalculation,programmingandNCsimulation.Includingthesetupprocessandtechnologyroutes,choserightclampandcutters.IthasbeencheckedbyNCsimulationsoftware.Andachievestheautomation,intellectualization,highprecision,rapidproduction,shortproductionperiodoftheNCLathe.

NCmachiningandmanufacturingtechnologyiswidelyappliedinindustrialmanufactures.Itishighlycrucialtoproceedwithtechnologyanalysisandprogrammingbeforemachiningtheshaftcomponents.BasedonthetypicaltechnologyanalysisofNCmachiningoftheshaftcomponents,thispapercomesupwithamethodaboutanalysisofdesignprocessoftheusualcomponents,itraisesproducts’qualityandguideactualmanufacturingandhasacertainlevelofguidingsignificance.

KeyWordsComponentAnalysis；MachiningTechnology；Programming

第一章绪论

数字控制机床（NumericalControlMachineTools）简称数控机床，这是一种将数字计算技术应用于机床的控制技术。

它把机械加工过程中的各种控制信息用代码化的数字表示，通过信息载体输入数控装置。

经运算处理由数控装置发出各种控制信号，控制机床的动作，按图纸要求的形状和尺寸，自动地将零件加工出来。

数控机床较好地解决了复杂、精密、小批量、多品种的零件加工问题，是一种柔性的、高效能的自动化机床，代表了现代机床控制技术的发展方向，是一种典型的机电一体化产品。

制造自动化技术的广泛使用，给机械制造业生产方式、产业结构、管理方式带来了深刻变化，它的关联效益和辐射能力更是难以估计。

数控技术是制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础，离开了数控技术，先进制造技术就成了无本之木。

因此，数控技术及数控装备是关系到国家战略地位和体现国家综合国力水平的重要基础性产业，其水平高低是衡量一个国家制造业现代化程度的核心标志，实现加工机床及生产过程数控化，已经成为当今制造业的发展方向。

在机械制造过程中，工艺技术水平不仅对企业的产品质量有至关重要的影响，而且影响着企业生产的物耗、能耗和效率等方面。

也就是说，企业的工艺技术水平直接决定着各种投入资源在生产过程中的变换效率，决定着企业经济效益的优劣。

在企业工艺技术不变的情况下，尽管可以通过强化管理及其他手段，在一定程度上提高企业的经济效益，但这种可能性是有限的。

一定的工艺技术水平决定了企业经济效益的大致区间，要持续不断地提高企业的经济效益，就必须不断地开展工艺创新。

目前，随着国内数控机床用量的剧增，急需培养一大批各种层次的数控人才，特别是应用型高级技术人才及能熟练操作数控设备的技能人才。

本课题以数控零件加工工艺的编制为主要内容，重点掌握零件图的分析以及工艺过程卡的制定和程序的编制。

难点是三个相交圆弧在加工过程中不能与刀具发生干涉，另外要保证同轴度零件同轴度的要求。

从此典型零件中能让我们对所学书本知识达到巩固与加强的目的，对数控零件的加工有一个全新的认识。

为了磨削深度达30毫来的内孔,我们对131W万能磨床的内圆磨具进行了装配,经多年使用,加工潜孔钻机冲击器缸体内孔,效果很好。

加长后的内圆磨具如图所示,将原内圆磨具的接长轴与主轴合成一体制作并加长,主轴接长轴端接长300毫米、接长部位呈圆锥形,轴承部位将跨度加大40毫米,对外套、内衬套等其它零件也相应地加长,修改其它结构、组装技术要求不变。

加长后的内圆磨具配装PDA型单面凹砂轮,能满足315磨削深度的要求,加大了轴承间跨度,对改善轴承受力状态。

延长磨头寿命、提高加工效率和加工精度都起一定积极作用。

在数控加工内圆磨具主轴零件时不断的追求工艺效果，提高生产经济效益。

为不断做出更优质的内圆磨具主轴零件而不断总结经验。

第二章轴类零件的加工

2.1机械制造工艺基础的研究

机械制造工艺，是指各种机械的制造方法和过程的总称。

机械制造工艺涉及的行业五花八门，产品的种类成千上万，但机械制造工艺基础所研究的问题可归结为质量、生产率和经济性大类。

2.1.1保证和提高产品的质量

产品质量包括整台机器的装配精度、使用性能、使用寿命和可靠性以及零件的加工精度和加工表面质量。

现在，由于航空航天、精密机械、电子工业和军工的需要，对零件的精度和表面质量的要求越来越高，相继出现了新工艺和新技术。

如精密加工、超精密加工和微细加工等，加工精度由1

级提高到0.1

级～0.001

级，并正向纳米（nm）级（1nm=0.001

）精度迈进。

2.1.2提高劳动生产率

提高劳动生产率的方法如下。

一是提高切削用量，采用高速切削、高速磨削和重磨削。

例如，近年来出现的聚晶金刚石和聚晶立方氮化硼等新型刀具材料，其切削速度可达1200m/min，高速磨削的磨削速度可达300m/s。

重磨削是高速磨削的发展方向，包括大进给、深切深缓进给的强力磨削、荒磨和切断磨削等。

二是改进工艺方法、创造新工艺。

如利用锻压设备实现少无切屑加工，对高强度、高硬度的难切削材料采用特种加工等。

三是提高自动化程度，实现高度自动化。

如采用数控机床、加工中心、柔性制造单元（FMC）、柔性控制系统（FMS）、计算机集成制造系统（CIMS）和无人化车间或工厂等。

成组技术的出现，能解决多品种，尤其是中、小批生产中存在的生产周期长、生产效率低的问题，也是企业实现高度自动化的基础。

2.1.3降低成本

降低成本是要节省和合理选择原材料，研究新材料；合理使用和改进现有设备，研制新的高效设备等。

对上述3类问题，要辩证地、全面地进行分析，要在满足质量要求的前提下，不断提高劳动生产率和降低成本。

能以优质、高效、低耗的工艺去完成零件的加工和产品的装配，这样的工艺才是合理和先进的工艺。

工艺的发展不仅要依赖于生产的发展，还要进行实验研究，用科学的方法分析和研究工艺问题，解决工艺问题，提高工艺水平。

工艺的发展也促进了设备和工艺装备的改进和发展。

2.2轴的类型及其功用

轴类零件主要用于支承传动零件（齿轮、带轮等），承受载荷、传递转矩以及保证装在轴上零件的回转精度。

根据结构形状，轴的分类如图所示，根据轴的长度L与直径d之比，

又可分为刚性轴（L/d≤12）和挠性轴（L/d>12）2种。

图1-1轴的种类

（a）光轴（b）空心轴（c）半轴

（d）阶梯轴（e）花键轴（f）偏心轴

2.3轴类零件的技术要求

装轴承的轴颈和装传动零件的轴头处表面，一般是轴类零件的重要表面，其尺寸精度、形状精度（圆度、圆柱度等）、位置精度（同轴度、与端面的重直度等）及表面粗糙度要求均较高，是在制订轴类零件机械加工工艺规程时，应着着重考虑的因素。

2.3.1尺寸精度和几何形状精度

轴的轴颈是轴类零件的重要表面，它的质量好坏直接影响工作时的回转精度。

轴颈的直径精度是根据使用要求通常为IT7，有时可达到IT5。

轴颈的几何形状精度（圆度，圆柱度）应配制在直径公差之内，精度要求高的轴则应在图上专门标注形状公差。

2.3.2位置精度

配合轴颈（装配传动件的轴颈）相对支承轴（装配轴承的轴颈）的同轴度以轴颈与支承端面的垂直度通常要求较高。

普通精度轴的配合轴颈相对支承轴颈的径向圆跳动一般为0.02mm~0.03mm，精度高的轴为0.002mm~0.005mm，端面圆跳动为0.006mm~0.01mm。

2.3.3表面粗糙度

轴类零件的各加工表面均有表面粗糙度的要求。

一般说来，支承轴颈的表面精糙度要求最小，为

。

配合轴颈的表面精糙度次之，为

。

2.4轴类零件的材料、毛坯及热处理

2.4.1轴类零件的材料

精度较高的轴，可选用轴承钢GCr15等，也可选用球墨铸铁，对于高转速、重载荷条件下工作的轴轴类零件材料常用45钢，对于中等精度而转速较高的轴，可选用40Cr等合金结构钢；，选用20CrMnTi、20Cr等低碳合金钢或38CrMoAL氮化钢。

低碳钢经渗碳淬火处理后，具有很高的表面硬度、心部强度和耐冲击韧度，但是热处理变形较大。

而氮化钢经调质和表面氮化后，有很高的心部强度、优良的耐磨性和耐疲劳强度，热处理变形却很小。

2.4.2轴类零件的毛坯

轴类零件最常用的毛坯是圆棒料和锻件；有些大型轴或结构复杂的轴采用铸件，毛坯经过加热锻造后，可使金属内部纤维组织沿表面均匀分布，从而获得较高的抗拉、抗弯及抗扭强度，故一般比较重要的轴，多采用锻件。

2.4.3轴类零件的热处理

轴类零件的使用性能除与所选钢材种类有关外，还与所采用的热处理有关。

锻造毛坯在加工前，均需安排正火或退火处理（含碳量大于

=0.7%的碳钢和合金钢），以使用材内部晶粒细化，消除锻造应力，降低材料硬度，改善切削加工性能。

对于精度要求较高的轴，在局部淬火和粗磨之后，还需安排低温时效处理，以消除淬火及磨削中产生的残余应力和残余奥氏体，控制尺寸稳定；对于整体淬火精密主轴，在淬火粗磨后，要经过较长时间的低温时效处理；对于精度更高的主轴，在淬火之后，还要进行定性处理，定性处理一般采用冰冷处理方法，以进一步消除加应力，保持主轴精度。

2.5轴类零件的加工工艺过程与工艺分析

轴类零件的加工工艺过程随结构形状、技术要求、材料种类、生产批量等因素有所差异。

日常工艺工作中遇到的大量工作是一般轴的工艺编制。

2.5.1零件加工的装夹方法和夹具选择

数控车床上零件安装方法与普通车床一样，要尽量选用已有的通用夹具装夹，且应注意减少装夹次数，尽量做到在一次装夹中能把零件上要加工表面都加工出来。

零件定位基准应

尽量与基准重合，以减少定位误差对尺寸精度的影响。

数控车床多采用三爪自动定位中心卡盘夹持工件；轴类工件还可采用尾座顶尖支持工件。

由于数控车床主轴转速极高，为便于工件夹紧，多采用液压高速动力卡盘，因为它在生产厂已通过了严格平衡，具有高转速（极限转速可达4000～5000r/min）、高夹紧力（最大推拉力为2000-7000N）、高精度、调爪方便、通孔、使用寿命长等优点。

还可使用软爪夹持工件，软爪弧面由操作者随机配制，可获得理想的夹持精度。

通过调整缸压力，可改变卡盘夹紧力，以满足夹持各种薄壁和易变形工件的特殊需要。

为减少细长轴加工时受力变形，提高加工精度，以及在加工带孔轴类工件内孔时，可采用液压自动定位中心架，其定心精度可达0.003mm。

此外，数控车床加工中还有其它的夹具，它们主要分为两大类，即用于轴类工件的夹具和用于盘类工件的夹具。

用于加工轴类零件的夹具有自动夹紧拨动卡盘、拨齿顶尖、三爪拨动卡盘和快速可调万能卡盘等。

数控车床加工轴类零件时，坯件装夹在主轴顶尖和尾座顶尖之间，由主轴上的拨盘或拨齿顶尖带动旋转。

夹具在粗车时可以传递足够大的转距，以适应于主轴的高速旋转车削。

2.5.2轴的加工工艺过程与工艺分析

以车床主轴加工为例来分析

1）车床主轴加工工艺过程

通过对主轴的技术要求和结构特点进行深入分析，根据生产比量、设备条件、工人技术水平等因素，就可以拟订其机械加工工艺过程。

2）车床主轴加工工艺过程分析

⑴加工阶段的划分由于主轴是多阶梯带通孔的零件，切除大量金属后，会引起残余应力重新分布而变形，故安排工序时，一定要粗精分开，先粗后精。

粗加工开始前先准备毛坯并正火；粗加工阶段为切端面钻中心孔、粗车外圆等；半精加工阶段是半精车外圆，各辅助表面（键槽、花键、螺纹等）的加工与表面淬火；精加工阶段是主要表面（外圆表面与锥孔）的精加工。

⑵定位基准的选择轴类零件的定位基准，尽量采用两中心孔。

因为轴类零件各外圆表面、锥孔、螺纹等表面的设计基准都是轴线，采用两中心也定位，既符合基准重合原则，又符合基准统一原则。

轴类零件的定位基面，最常用的是两中心孔。

因为轴类零件各外圆表面、螺纹表面的同轴度及端面对轴线的垂直度是相互位置精度的主要项目，而这些表面的设计基准一般都是轴的中心线，采用两中心孔定位就能符合基准重合原则。

而且，由于多数工序都采用中心孔作为定位基面，能最大限度地加工出多个外圆和端面，这也符合基准统一原则。

但下列情况不能用两中心孔作为定们基面。

①粗加工外圆时，为提高工件刚度，则采用轴外圆表面为定位基面，或以外圆和中心孔同作定位基面，即一夹一顶。

②当轴为通孔零件时，在加工过程中，作为定位基面的中心孔因钻出通孔而消失。

为了在通孔加工后还能用中心孔作为定位基面，工艺上常采用以下3种方法。

●当中心通孔直径较小时，可直接在孔口倒出宽度不大于2mm的

内锥面来代替中心孔。

●当轴有圆柱孔时，可采用1：

500锥度的锥堵；当轴孔锥度较小时，取锥堵与工作两端定位孔锥相同。

●当轴通孔的锥度较大时，可采用带锥堵的心轴，简称锥心轴。

综上所述，空心主轴零件定位基准的使用与转换，大致采用这样的方式：

开始时以外圆作粗基准铣端面钻中心孔，为粗车外圆准备好定位基准。

粗车外圆又为深孔加工准备好定位基准，钻深孔时采用一夹（夹一头外圆）一托（托一头外圆）的装夹方式，之后即加工好前后锥孔，以便安装锥堵，为半精加工和精加工外圆准备好定位基准。

终磨锥孔之前，必须磨好轴颈表面，以便用支承轴颈定位来磨锥孔，从而保证锥孔的精度。

⑶工序顺序安排安排主轴加工工序的顺序时应注意如下几点：

①基准先行机械加工工艺安排时，总是先加工好定位基准面，使零件便于定位和夹紧。

主轴加工也总是首先安排铣端面钻中心孔，以便为后续工序准备好定位基准。

②深孔加工的安排为了安排中心孔能够在多道工序中使用，希望深孔加工安排在最后。

但深孔加属粗加工，余量大，发热多，变形也大，会使得加工精度难以保持，故不能放到最后。

一般深孔加安排在外圆粗车之后，以便有一个较为精确的轴颈作定位基准用来搭中心架，这样加工出的孔也容易保证主轴均厚均匀。

③先外后内与先大后小先加工外圆，再以外圆定位加工内孔。

如上述主轴锥孔安排在轴颈精磨之后再进行精磨；加工阶梯外圆时，先加工直径较大的，后加工直径较小的，这样可避免过早地削弱工作的刚度。

加工阶梯深孔时，先加工直径较大的，后加工直径较小的，这样可以便于使用刚度较大的孔加工工具。

④次要表面加工的安排主轴上的花键、键槽、螺纹等次要表面加工，通常均安排在外圆精车或粗磨之后、精磨外圆之前进行。

如果精车前就铣出健槽，精车时因断续切削而易产生振动，既影响加工质量，又容易损坏刀具，也难控制健槽的深度。

这些加工也不能放到主要表面精磨之后，否则会破坏主要表面已获得的精度。

⑷热处理工序的安排轴需进行调质处理时，应放在粗加工后，半精加工前进行。

如采用锻件毛坯，必须首先安排退火或正火处理。

如轴毛坯为热轧钢，可不必进行正火处理。

⑸主要工序加工方法

①外圆的加工外圆车削是粗加工和半精加工外圆表面应用最广泛的加工方法。

成批生产时采用转塔车床、数控车床；大量生产时，采用多刀半自动车床、液压仿形半自动车床等。

磨削是外圆表面主要的精加工方法，适于加工精度高、表面粗糙度值较小的外圆表面，特别适用于加工淬火钢等高硬度材料。

当生产批量较大时，常采用组合磨削、成形砂轮磨削及无心磨削等高效磨削方法。

②螺纹的加工为了保证螺纹大径的精确，在螺纹加工前，在外圆的时候应多削0.1～0.3mm。

在加工螺纹的时候，主轴转速和进给都不能太大，背吃刀量也应当逐渐减小。

在螺纹加工的最后一步，应重复多走一次，这样螺纹加工完后会更光滑一些。

③槽的加工槽在轴类零件经常的遇见，槽的加工应特别注意转速和进给的调整，实际的转速和进给要根据零件的材料和刀子的质量而定。

第三章零件图样及要求

3.1设计技术要求

为了磨削深度达30毫来的内孔,我们对131W万能磨床的内圆磨具进行了装配,经多年使用,加工潜孔钻机冲击器缸体内孔,效果很好。

加长后的内圆磨具如图所示,将原内圆磨具的接长轴与主轴合成一体制作并加长,主轴接长轴端接长300毫米、接长部位呈圆锥形,轴承部位将跨度加大40毫米,对外套、内衬套等其它零件也相应地加长,修改其它结构、组装技术要求不变。

加长后的内圆磨具配装PDA型单面凹砂轮,能满足315磨削深度的要求,加大了轴承间跨度,对改善轴承受力状态。

延长磨头寿命、提高加工效率。

以下图轴零件为例

图3-1

3.1.1零件图如上图所示：

3.1.2技术要求如下：

（1）以中批量生产条件编程。

（2）不准用砂布及锉刀修饰表面。

（3）未注公差尺寸按GB1804—M。

（4）端面允许打中心孔。

（5）毛坯尺寸：

（Φ50X700）。

（6）材料：

45，调质处理HRC26~36。

3.2设计具体步骤

1、零件图工艺分析2、计算编程尺寸

3、画出加工路线图4、画出刀具调整图

5、列出数控刀具表6、编制加工工序卡

7、编写数控加工程序

第四章零件图工艺分析

4.1零件几何要素分析

从结构上看该零件主要由圆柱面、圆锥面、内孔及螺纹等表面组成,其结构形状复杂,很适合数控车床的车削加工。

4.2精度分析

4.2.1尺寸精度分析

该零件件精度要求较高的尺寸有:

右端内孔直径Φ10+0.040、左端内径Φ8内孔深26大圆外圆柱面直径Φ460-0.03、Φ35圆柱面的长度380-0.02、零件总长Φ6950-0.02。

需仔细对刀和认真调整机床，并采用合理的加工方案。

4.2.2形位精度分析

主要的形位精度有:

外圆Φ46轴线对基准轴线A的同轴度公差要求。

4.2.3表面粗糙度分析

Φ46圆柱面、Φ35圆柱面，加工后的表面粗糙度为Ra1.6um，其他表面的粗糙度为Ra3.2um。

要保证零件的加工精度和表面粗糙度,就要通过制定合适的加工工艺,合理选择工件的装夹方式,通过选用合适的刀具及几何参数,正确的粗、精加工路线,合理的切削用量等措施来保证。

4.3加工方案的拟订

由于该零件比较复杂,加工部位较多,因而采用两次装夹后完成粗、精加工的加工方案。

手动钻中心孔后，先加工工件左端外形，完成粗精加工后，掉头加工工件右端。

进行数控加工时尽可能采用沿轴向切削的方式进行加工,以提高加工过程中工件与刀具的刚性.

4.4工件的定位及装夹

为了减小工件加工过程中的定位误差，工件在CKY400型数控车床上采用三爪卡盘进行定位与装夹。

当掉头加工工件右端时，采用一夹一顶的装夹方式。

工件装夹过程中，应对工件进行找正，以保证工件轴线与主轴轴线同轴。

第五章编程尺寸的换算

5.1为了更精确的加工内圆磨具主轴零件，减少材料的用量，提高制造经济效益，将上下偏差换算成平均尺寸如下：

Φ28+0.040换算为Φ28.020-0.02

Φ350-0.03换算为Φ34.9850-0.015

Φ330-0.03换算为Φ33.9850-0.015

Φ200-0.03换算为Φ20.9850-0.015

Φ24+0.030换算为Φ24.015+0.0150

5.2利用尺寸链解出图中未标注的尺寸

图5-1

A0=A1+A2+A3+A4

解得A2=284

ES（A0）=ES（A1）+ES（A2）+ES（A3）+ES（A4）

解得ES（A2）=0

EI（A0）=EI（A1）+EI（A2）+EI（A3）+EI（A4）

解得EI（A2）=0A2=284

第六章加工路线图

6.1工序一

手动钻孔：

Φ4mm中心钻

6.2工序二

工步

（一）：

调用刀具T02外圆粗车刀，粗车右端面、台阶面

图6-1

主轴转速600（r/min）、进给量0.2（mm/r）、背吃刀量1.5（mm），留精加工余量X0.2mm、Z0.2mm。

工步如图6-1：

工步

（二）：

调用刀具T03外圆精车刀，精加工右端面、台阶面

主轴转速1200（r/min）、进给量0.1（mm/r）、背吃刀量0.1（mm）工步如图6-2：

图6-2

工步（三）：

调用T04螺纹刀，车螺纹至要求尺寸

图6-3

主轴转速400（r/min）、进给量2.0（mm/r）、背吃刀量0.9～0.1（mm）。

螺纹刀的背吃刀