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数控车轴类零件设计毕业设计论文
2013届毕业设计
数控车轴类零件工艺设计及程序编制
系别：
信息与工程系
专业名称：
数控技术班级：
10数控技术
摘要
随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，数控加工技术对国计民生的一些重要行业的发展起着越来越重要的作用，因为效率、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。
而对于数控加工,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，拟定加工方案，选择合适的刀具，确定切削用量，对一些工艺问题（如对刀点、加工路线等）也需做一些处理。
并在加工过程掌握控制精度的方法,才能加工出合格的产品。
本文根据数控机床的特点，针对具体的零件，进行了工艺方案的分析，工装方案的确定，刀具和切削用量的选择，确定加工顺序和加工路线，数控加工程序编制。
通过整个工艺的过程的制定，充分体现了数控设备在保证加工精度，加工效率，简化工序等方面的优势。
关键词：
轴类零件，工艺分析，数控编程，数控加工
数控车轴类零件工艺设计及程序编制
李汪洋
一、引言
为了在激烈的巿场竞争中立于不败之地，各工业发达国家均投入了大量的资金，对现代制造技术进行研究开发，并提出了各式各样全新的制造模式。
如集成制造、柔性制造、智能制造、数字制造、网络制造等，其目标是提高制造的效率、精度和加工的适应性并且降低生产成本。
数控机床作为现代制造系统的基础单元，其功能的强弱和性能的好坏决定着制造模式的成败。
为适应复杂的制造过程，数控技术正在发生根本性的变化。
在体系结构方面，数控系统已基本上实现由专用型封闭式结构模式向通用型开放式结构模式的转变，并向基于PC的数字化体系结构发展；在网络化基础上，数控系统可与CAD/CAM集成为一体，数控机床的联网运行，使车间网络化监控、维护与管理融为一体；在数控的高速、高精、高效方面，采取了许多措施，如高速下的平滑控制算法、提高系统的快速响应能力、提高反馈和控制环节的数据分辨率等等，得到了不错的效果；在智能化控制方面，通过采样加工过程中影响产品加工质量的外部变量，实现了加工参数的自动修正、调节与补偿，有效提高了CNC的工作效率。
[5]
本课题需要设计者在设计零件的数控加工工艺时，首先遵循普通加工工艺的基本原则与方法，还需要考虑数控加工本身的特点、材料的性质和零件程序编制以及对刀具的认识。
全面了解数控加工工艺的特点及内容，在选择和决定数控加工零件及其内容后，应对零件的数控加工工艺流程进行全面的分析。
最后根据生产实践中所得出总结的一些工艺原则，结合生产的实际条件，制定较好的工艺路线。
二、轴类零件加工工艺分析
在数控机床上加工零件，与普通机床有所不同，不仅要考虑夹具、刀具、切削用量等常规工艺的选择，更要考虑对刀点、编程原点等设置，在保证质量的前提下，尽可能提高机床的加工效率。
[1]
（一）典型轴类零件的加工工艺
1.轴类零件的功用与结构
轴是组成机器的重要零件，也是机械加工中常见的典型零件之一。
它支撑着其他转动件回转并传递扭矩，同时又通过轴承与机器的机架连接。
[7]
轴类零件是旋转零件，其长度大于直径，由外圆柱面、圆锥面、内孔、螺纹及相应端面所组成。
加工表面通常除了内外圆表面、圆锥面、螺纹、端面外，还有花键、键槽、横向孔、沟槽等。
[1]
图1CAD软件画零件图
2.轴类零件的技术要求
（1）加工精度
①尺寸精度
轴类零件的尺寸精度主要指轴的直径尺寸精度和轴长尺寸精度。
按使用要求，主要轴颈直径尺寸精度通常为IT4级——IT9级，精密的轴颈也可达IT5级。
轴长尺寸通常规定为公称尺寸，对于阶梯轴的各台阶长度按使用要求可相应给定公差。
②几何精度
轴类零件一般是用两个轴颈支撑在轴承上，这两个轴颈称为支撑轴颈，也是轴的装配基准。
除了尺寸精度外，一般还对支撑轴颈的几何精度（圆度、圆柱度）提出要求。
对于一般精度的轴颈，几何形状误差应限制在直径公差范围内，要求高时，应在零件图样上另行规定其允许的公差值。
③相互位置精度
轴类零件中的配合轴颈（装配传动件的轴颈）相对于支撑轴颈间的同轴度是其相互位置精度的普遍要求。
通常普通精度的轴，配合精度对支撑轴颈的径向圆跳动一般为0.01mm——0.03mm，高精度轴为0.001mm——0.005mm。
此外，相互位置精度还有内外圆柱面的同轴度，轴向定位端面与轴心线的垂直度要求等。
（2）表面粗糙度
根据机械的精密程度，运转速度的高低，轴类零件表面粗糙度要求也不相同。
一般情况下，支撑轴颈的表面粗糙度Ra值为0.43um—0.14um；配合轴颈的表面粗糙度Ra值为2.5um—0.43um。
[2]
3．轴类零件加工的工艺路线
外圆加工的方法很多，对于此次所加工的轴类零件，将采用“粗车—精车”的车削方式。
（二）数控车床的概述
数控车床是当今应用较为广泛的数控机床之一，数控车床主要用于加工轴类、盘类等回转体零件的内外圆柱面，任意角度的内外圆锥面，复杂回转内外曲面，圆柱、圆锥螺纹等，并能进行切槽、钻孔、扩孔、铰孔、镗孔等切削加工。
[3]
图2数控车床
1．数控车床主要功能
不同数控车床其功能也不尽相同，各有特点，但都应具备以下主要功能：
（1）直线插补功能。
控制刀具沿直线进行切削，在数控车床中利用该功能可加工圆柱面、圆锥面和倒角。
（2）圆弧插补功能。
控制刀具沿圆弧进行切削，在数控车床中利用该功能可加工圆弧面和曲面。
（3）固定循环功能。
固化了机床常用的一些功能，如粗加工、切螺纹、切槽和钻孔等，使用该功能简化了编程。
（4）恒线速度切削。
通过控制主轴转速保持切削点处的切削速度恒定，可获得一致的加工表面。
（5）刀尖半径自动补偿功能。
可对刀具运动轨迹进行半径补偿，具备该功能的机床在编程时可不考虑刀具半径，直接按零件轮廓进行编程，从而使编程变得方便简单。
[4]
2.数控车床加工特点
数控车床与普通车床相比较，主要有以下一些特点：
（1）高精度。
数控车床的控制系统性能和机床制造能力不断提高，机械结构更加合理，机床精度不断提高，且零件精度的一致性高。
（2）高效率。
随着机床结构的不断完善，以及新工艺、新刀具材料的应用，数控车床的切削效率、主轴转速、机床功率等不断提高，大大提高了数控车床的加工效率。
数控车床的加工效率比普通车床高2—5倍。
加工零件形状越复杂，越能体现数控车床的高效率加工特点。
（3）高柔性。
数控车床具有高柔性的特点，适应加工零件变化的能力强。
通常它能适应70%以上的多品种、小批量零件的自动加工。
（4）工艺能力强。
数控车床既能用于粗加工也能用于精加工，且在一次装夹中完成全部或大部分工序，体现出很强的工艺性能。
（5）高可靠性。
随着数控系统性能的可靠性和机床制造精度的不断提高，以及机械结构工作性能的提高，数控机床的平均无故障时间大大提高。
[4]
3．工作内容
根据零件图要求，工作人员进行数控编程，输入到数控车床数控系统；将零件原料按规定要求放置在预定位置上；等数控车床自动生产出产品后，使用测量检测仪器，对有精度误差的产品进行误差补偿；日常的车床维护和保养及常用故障排除。
4．本零件的加工所用机床型号、特点
C2-360HK：
该车床可以实现轴类、盘类的内外表面，锥面、圆弧、螺纹加工，也可以实现非圆曲线加工。
本零件将采用FANUC系统进行加工：
主要特点
FANUC公司的数控系统具有高质量、高性能、全功能，适用于各种机床和生产机械的特点。
5．数控车床的应用范围
（1）多品种、小批量生产的加工零件或新产品个体零件。
（2）形状、结构比较复杂的加工零件。
（3）需要进行修改的精密零件。
（4）用普通机床加工时需用昂贵工艺装备的零件。
（5）短时间内需要急需零件。
（6）批量较大、精度要求高的零件。
[6]
（三）分析加工对象
1.零件分析
该零件表面是由圆弧、椭圆、直线等表面组成的轴类零件，零件最大外径是￠46，所以材料是￠50的圆棒料，材料为铝材，如下图所示。
图3零件图
2.工艺分析
（1）该零件分两次装夹：
左端用五个工步来完成加工，先粗精车外圆，再钻孔，然后粗精车内轮廓，再来切内槽，最后车内螺纹；右端用三个工步来完成加工，先粗精车轮廓，再切槽，最后车外螺纹。
（2）棒料伸出三爪卡盘65mm装夹工件车左端，然后掉头车右端。
（3）选择01号外圆车刀、02号镗刀、03内切槽刀、04号内螺纹、05外切槽刀、06外螺纹刀六把刀。
（4）G73进行外圆粗加工时，粗车吃刀量1mm，R退刀量的值为0.5mm，精车余量0.8mm；G71进行内轮廓粗加工时，粗车吃刀量0.5mm，R退刀量的值为1mm，精车余量0.5mm。
（5）建立坐标系，以前置刀架，设工件右端面为编程原点。
（6）编程。
（7）程序导入仿真加工。
（8）数控车床加工。
（四）夹具和刀具的选择
1.工件的装夹与定位
数控车削加工中尽可能做到一次装夹后能加工出全部或大部分代加工表面，尽量减少装夹次数，以提高加工效率、保证加工精度。
对于轴类零件，通常以零件自身的外圆柱面作定位基准；数控车床夹具除了使用通用的三爪自定心卡盘、四爪卡盘、液压、电动及气动夹具外，还有多种通用性较好的专用夹具。
本次操作选用的夹具是三爪自定心卡盘。
[6]
2.刀具的选择
刀具的使用寿命除与刀具材料相关外，还与刀具的直径有很大的关系。
刀具直径越大，能承受的切削用量也越大。
所以在零件形状允许的情况下，采用尽可能大的刀具直径是延长刀具寿命，提高生产率的有效措施。
图4
三、零件工艺过程卡设计
（一）数控加工步骤、工艺特点及内容
1.数控加工的步骤
必须利用设计前一到二周的时间研究设计计划和任务书，了解产品的工艺性和公差等级，在初步明确设计要求的基础上，可以步骤进行设计方案的论证。
（1）分析零件图样
根据任务书，画出零件图，并对工件的形状、尺寸、精度等级、表面粗糙度、刀具及等技术进行分析。
（2）确定加工工艺方案
根据上述的分析，选择加工方案，确定加工顺序，加工路线、装夹方式、切削用量材料等，要求有详细的设计过程和合理的参数。
（3）数值计算
根据零件图的尺寸，确定工艺路线及设计的坐标系，计算运动轨迹，得到刀位数据。
（4）编写零件加工程序
根据数控系统的功能指令及程序格式，逐步编写加工程序单，写出有关的工艺文件如工序卡、数控刀具卡、刀具明细表、加工工序单等。
（5）程序校验
程序编完后，对程序进行校验，一般采用机床空运转方式，来检查机床的动作和运行轨迹的正确性，以校验程序。
[6]
2.基本特点
在普通机床上加工零件时，使用工艺规程或工艺卡片来规定每道工序的操作程序，操作者按工艺卡上规定的程序加工零件。
数控机床加工工艺与普通机床加工工艺在原则上基本相同，但数控加工的整个过程是自动进行的。
（1）数控加工的工序内容比普通机床的工序加工内容复杂。
（2）数控机床加工程序的编制比普通机床工艺规程的编制复杂。
3.数控加工工艺内容
数控车削加工工艺是采用数控车床加工零件时所运用的方法和技术手段的总和。
其主要内容包括以下几个方面：
（1）选择并确定零件的数控车削加工内容；
（2）对零件图纸进行数控车削加工工艺分析；
（3）工具、夹具的选择和调整设计；
（4）工序、工步的设计；
（5）加工轨迹的计算和优化；
（6）数控车削加工程序的编写、校验与修改；
（7）首件试加工与现场问题的处理；
（8）编制数控加工工艺技术文件；
总之，数控加工工艺内容较多，有些与普通机床加工相似。
（二）加工工序的划分
数控加工工序的划分一般可按下列方法进行。
1.刀具集中分序法就是按所用刀具划分工序，用同一把刀具加工完零件上所有可以完成的部位。
在用第二把刀、第三把完成它们可以完成的其它部位。
这样可减少换刀次数,压缩空程时间，减少不必要的定位误差。
2.以加工部位分序法对于加工内容很多的零件，可按其结构特点将加工部分分成几个部分，如内形、外形、曲面或平面等。
一般先加工平面、定位面，后加工孔；先加工简单的几何形状，再加工复杂的几何形状；先加工精度较低的部位，再加工精度要求较高的部位。
3.以粗、精加工分序法对于易发生加工变形的零件，由于粗加工后可能发生的变形而需要进行校形，故一般来说凡要进行粗、精加工的都要将工序分开。
综上所述，在划分工序时，一定要视零件的结构与工艺性，机床的功能，零件数控加工内容的多少，安装次数及本单位生产组织状况灵活掌握。
另建议采用工序集中的原则还是采用工序分散的原则，要根据实际情况来确定，但一定力求合理。
而本文中的零件则需采用第二种方法，即“以加工部位分序法”，该零件由外圆、圆锥、平面、圆弧四部分组成，所以用这种分序法最为合适。
运用编制加工工艺过程卡与工序卡的方式来叙述本零件的加工，显得简易明了，通俗易懂，是数控加工本零件的必然要求。
（三）编制工艺过程卡
表1工艺过程卡
数控加工工艺过程卡
单位
闽北职业技术学院
零件名称
零件图号
夹具名称
工序简图
轴类零件
图2
三爪卡盘
毛坯种类
毛坯尺寸
共一页
铝材
￠50mm*135mm
第一页
工具
序号
工种
工艺内容
备注
夹具
刀具
量具
1
车
床
粗车端面
卡
盘
外圆车刀
游标卡尺
2
精车端面
外圆车刀
千分尺
3
粗车外圆
外圆车刀
游标卡尺
4
精车外圆
外圆车刀
千分尺
5
切槽
切槽刀
游标卡尺
6
螺纹
螺纹刀
7
粗车内孔
镗刀
游标卡尺
8
精车内孔
镗刀
游标卡尺
（四）切削用量的确定
切削用量的选择应根据机床说明书、切削原理中的有关理论，并结合实践经验来确定。
切削用量包括：
主轴转速、进给速度、背吃刀量等。
切削用量的所有参数都应在加工程序中体现出来。
1.背吃刀量
背吃刀量由机床、夹具、刀具、工件的刚度确定。
在系统刚度允许的条件下，尽可能选取背吃刀量等于加工余量，以减少走刀次数，提高生产率；精加工时取较小切削深度，以获得较高表面质量。
精加工余量一般取0.1—0.5mm。
2.进给速度F（mm/min或mm/r）
进给速度又称进给量。
进给速度按零件加工精度、表面粗糙度的要求选取。
粗加工取较大值，精加工取较小值（通常在20—50mm/min）。
最大进给速度受机床刚度及进给系统性能限制。
在实际加工中，一般数控机床都具有控制进给速度的倍率开关，这样可便于初学者编程。
在编程时，可使进给速度的值稍大些。
而在实际加工时，应根据实际切削情况调节倍率开关（控制数控机床的实际进给速度）。
3.主轴转速n
主轴转速由机床允许的切削速度及工件直径选取。
n=1000v/πd
式中，n为主轴转速（r/min）；v为切削速度（m/min），由刀具寿命来确定；d为工件或刀具直径（mm）。
在本次操作加工中粗加工转速为600，精加工转速为1000。
[3]
（五）编制加工工序卡
表2加工工序卡
数控加工工序卡片
单位
闽北职业技术学院
零件名称
零件图号
夹具名称
工序简图
轴类零件
图2
三爪卡盘
设备名称及型号
数控车床C2-360HK
切削用量
刀具
量具
n
f
α
编号
名称
名称
工步号
工步内容
1
粗车端面
600
0.14
1.5
1
T0101
游标卡尺
2
精车端面
1000
0.04
0.1
1
T0101
千分尺
3
粗车外圆
600
0.14
1.5
1
T0101
游标卡尺
4
精车外圆
1000
0.04
0.1
1
T0101
千分尺
5
切槽
400
0.04
0.1
2
T0202
游标卡尺
6
螺纹
230
0.04
0.1
3
T0303
7
粗车内孔
600
0.14
1.5
4
T0404
游标卡尺
8
精车内孔
1000
0.04
0.1
4
T0404
千分尺
四、数控车削编程及仿真
（一）刀具加工进给路线的确定
加工路线的确定首先必须保持被加工零件的尺寸精度和表面质量，其次考虑数值计算简单、走刀路线尽量短、效率较高等。
因精加工的进给路线基本上都是沿其零件轮廓顺序进行的，因此确定进给路线的工作重点是确定粗加工及空行程的进给路线。
1.先近后远加工。
这里所说的远与近，是按加工部位相对于对刀点的距离大小而言的。
这样可以减少空行程时间，有利于保持毛坯件或半成品件的刚性，改善其切削条件。
2.分层切削时刀具的终止位置。
当某表面的余量较多需分层多次走刀切削时，从第二刀开始就要注意防止走刀到终点时切削深度的猛增。
设以90°主偏角刀分层车削外圆，合理的安排应是每一刀的切削终点依次提前一小段距离e （例如可取e=0.05mm）。
如果e=0，则每一刀都终止在同一轴向位置上，主切削刃就可能受到瞬时的重负荷冲击。
当刀具的主偏角大于90°，但仍然接近90°时，也宜作出层层递退的安排，经验表明，这对延长粗加工刀具的寿命是有利的。
3.确定最短的空行程路线和切削进给路线。
依靠合理地安排起刀点和退刀点，使得空行程和切削进给路线最短，可有效地提高生产效率，降低刀具损耗等。
这一点在循环加工程序中尤其重要。
另外，在安排粗加工或半精加工的切削进给路线时，应同时兼顾到被加工零件的刚性及加工的工艺性等要求，不要顾此失彼。
[2]
（二）本零件加工所用刀具
1．数控加工刀具卡片
表3数控加工刀具卡
数控加工刀具卡片
序号
刀具号
刀具名称
数量
加工表面
1
T0101
外圆车刀
1
外圆
2
T0202
镗刀
1
内孔
3
T0303
内割刀
1
内槽
4
T0404
内螺纹刀
1
内螺纹
5
T0505
外割刀
1
外槽
6
T0606
外螺纹刀
1
外螺纹
外圆车刀用于加工外圆柱面和外椭圆面。
外圆车刀按进给方向又分为左偏刀和右偏刀。
车刀在结构上可分为整体车刀、焊接车刀和机械夹固式车刀。
整体车刀主要是整体高速钢车刀，截面为正方形或矩形，使用时可根据不同用途进行刃磨；整体车刀耗用刀具材料较多，一般只用作切槽。
切断刀使用。
焊接车刀是将硬质合金刀片用焊接的方法固定在普通碳钢刀体上。
它的优点是结构简单、紧凑、刚性好、使用灵活、制造方便，缺点是由于焊接产生的应力会降低硬质合金刀片的使用性能，有的甚至会产生裂纹。
机械夹固车刀简称机夹车刀，根据使用情况不同又分为机夹重磨车刀和机夹可转位车刀。
2.数控加工刀具的特点
为了达到高效、多能、快换、经济的目的，数控加工刀具与普通金属切削刀具相比应具有以下特点：
（1）刀片及刀柄高度通用化、规格化和系列化。
（2）刀片或刀具的耐用度及经济寿命指标合理化。
（3）刀具或刀片几何参数和切削参数规范化、典型化。
（4）刀片或刀具材料及切削参数与被加工材料之间应相匹配。
（5）刀具应具有较高的精度，包括刀具的形状精度、刀片及刀柄对机床主轴的相对位置精度、刀片及刀柄的转位及拆装的重复精度。
（6）刀柄的强度精度要高、刚性及耐磨性要好。
（7）刀柄或刀具系统的装机重量有限度要求。
（8）刀片及刀柄切入的位置和方向有要求。
（9）刀片、刀柄的定位基准及自动换刀系统要优化。
数控机床上用的刀具应满足安装调整方便、刚性好、精度高和耐用度好等要求。
[1]
（三）编程基础
1.直径编程和半径编程
数控车床加工的是回转体类零件，其横截面为圆形，所以尺寸有直径指定和半径指定两种方法。
当用直径值编程时，称为直径编程法：
用半径值编程时，称为半径编程法。
数控车床出厂时一般设定为直径编程。
如需用半径编程，要改变系统中相关参数，使系统处于半径编程状态；本章以后，若非特殊说明，各例均为直径编程。
2.数控机床常用编程指令（功能字）
◆F功能
F功能指令用于控制切削进给量。
在程序中表示每分钟进给量
编程格式G73F~
F后面的数字表示的是每分钟进给量，单位为mm/min。
例：
G73F100表示进给量为100mm/min。
◆S功能
S功能指令用于控制主轴转速。
编程格式S～
S后面的数字表示主轴转速，单位为r/min。
在具有恒线速功能的机床上，S功能指令还有如下作用。
恒线速取消
编程格式G97S～
S后面的数字表示恒线速度控制取消后的主轴转速，如S未指定，将保留G96的最终值。
例：
G97S600表示恒线速控制取消后主轴转速600r/min。
◆T功能
T功能指令用于选择加工所用刀具。
编程格式T～
T后面通常有两位数表示所选择的刀具号码。
但也有T后面用四位数字，前两位是刀具号，后两位是刀具长度补偿号，又是刀尖圆弧半径补偿号。
例：
T0101表示选用1号刀及1号刀具长度补偿值和刀尖圆弧半径补偿值。
T0100表示取消刀具补偿。
◆M功能
M00：
程序暂停，可用NC启动命令（CYCLESTART）使程序继续运行；
M03：
主轴顺时针旋转；
M30：
程序停止，程序复位到起始位置。
◆G指令
（1）快速定位指令G00
G00指令命令机床以最快速度运动到下一个目标位置，运动过程中有加速和减速，该指令对运动轨迹没有要求。
其指令格式：
G00X（U）____Z（W）____；
当用绝对值编程时，X、Z后面的数值是目标位置在工件坐标系的坐标。
当用相对值编程时，U、W后面的数值则是现在点与目标点之间的距离与方向。
（2）直线插补指令G01
G01指令命令机床刀具以一定的进给速度从当前所在位置沿直线移动到指令给出的目标位置。
指令格式：
G01X（U）____Z（W）____F；
其中F是切削进给率或进给速度，单位为mm/r或mm/min，取决于该指令前面程序段的设置。
使用G01指令时可以采用绝对坐标编程，也可采用相对坐标编程。
当采用绝对坐编程时，数控系统在接受G01指令后，刀具将移至坐标值为X、Z的点上；当采用相对坐编程时，刀具移至距当前点的距离为U、W值的点上。
（3）圆弧插补指令G02、G03
圆弧插补指令命令刀具在指定平面内按给定的F进给速度作圆弧插补运动，用于加工圆弧轮廓。
圆弧插补命令分为顺时针圆弧插补指令G02和逆时针圆弧插补指令G03两种。
其指令格式如下：
顺时针圆弧插补的指令格式：
G02X（U）____Z（W）____I____K____F____；
G02X（U）____Z（W）___R___F____；
逆时针圆弧插补的指令格式：
G03X（U）____Z（W）____I____K____F____；
G03X（U）____Z（W）___R___F____；
使用圆弧插补指令，可以用绝对坐标编程，也可以用相对坐标编程。
绝对坐标编程时，X、Z是圆弧终点坐标值；增量编程时，U、W是终点相对始点的距离。
圆心位置的指定可以用R，也可以用I、K，R为圆弧半径值；I、K为圆心在X轴和Z轴上相对于圆弧起点的坐标增量;F为沿圆弧切线方向的进给率或进给速度。
当用半径R来指定圆心位置时，由于在同一半径R的情况下，从圆弧的起点到终点有两种圆弧的可能性，大于180°和小于180°两个圆弧。
为区分起见，特规定圆心角α≤180°时，用“+R”表示；α>180°时，用“-R”。
注意：
R编程只适于非整圆的圆弧插补的情况，不适于整圆加工。
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