数控机床轴类零件加工实用工艺与加工仿真.docx
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数控机床轴类零件加工实用工艺与加工仿真
涪江机器厂职工大学
2012级数控加工
毕业设计（论文）
课题轴类零件工艺分析与数控加工仿真
姓名王政
指导教师齐春林
2016年3月1日
摘要
在车床上，利用工件的旋转运动和刀具的直线运动或曲线运动来改变毛坯的形状和尺寸，把它加工成符合图纸的要求。
车削加工是在车床上利用工件相对于刀具旋转对工件进行切削加工的方法。
车削加工的切削能主要由工件而不是刀具提供。
车削是最基本、最常见的切削加工方法，在生产中占有十分重要的地位。
车削适于加工回转表面，大部分具有回转表面的工件都可以用车削方法加工，如外圆柱面、外圆锥面、端面、沟槽、螺纹和回转成形面等，所用刀具主要是车刀。
在各类金属切削机床中，车床是应用最广泛的一类，约占机床总数的50%。
车床既可用车刀对工件进行车削加工，又可用钻头、铰刀、丝锥和滚花刀进行钻孔、铰孔、攻螺纹和滚花等操作。
按工艺特点、布局形式和结构特性等的不同，车床可以分为卧式车床、落地车床、立式车床、转塔车床以及仿形车床等，其部分为卧式车床。
数控车削加工是现代制造技术的典型代表，在制造业的各个领域如航天、汽车、模具、精密机械、家用电器等各个行业有着日益广泛的应用，已成为这些行业不可或缺的加工手段。
为了子数控机床上加工出合格的零件，首先需根据零件图纸的精度和计算要求等，分析确定零件的工艺过程、工艺参数等容，用规定的数控编程代码和格式编制出合适的数控加工程序。
编程必须注意具体的数控系统或机床，应该严格按机床编程手册中的规定进行程序编制。
但从数控加工容的本质上讲，各数控系统的各项指令都是应实际加工工艺要求而设定的。
由于本人才疏学浅，缺乏知识和经验，在设计过程中难免出现不当之处，望各位给予指正并提出宝贵意见。
关键词：
车削加工刀具零件的工艺过程工艺参数程序编制
前言
一、设计目的
通过设计，一方面能获得综合运用过去所学的知识进行工艺分析的基本能力，另一方面，也是对数控加工过程进行的一次综合训练。
通过此次设计，学生可以在以下各方面得到锻炼：
1、能熟练地运用已学过的基本理论知识，以及在生产实习中学到相应的实践知识，掌握从零件图开始到正确地编制加工程序的整个步骤、方法。
2、提高编程能力。
根据被加工零件的技术要求，选择合理的工艺，编制出既经济又合理，又能保证加工质量的数控程序。
3、学会使用各类设计手册及图表资料。
二、设计任务
本次设计主要是通过对零件图工艺特点，工艺安排，机械加工工艺过程几个方面对零件加工工艺进行分析，然后对零件的程序进行编制，最后用仿真加工以达到完成对零件的加工程序进行检验。
零件图如下：
三、设计意义
数控加工技术对我国经济建设的发展具有重要的意义。
当前我国企业的生产正逐步从原来的粗放型转向涵型，产品生产也从原来的“粗制”转变为“精制”。
为了保证产品质量，降低成本，提高生产效率，企业在未来的生产中自动化程度将大大的提高，一线的生产将向机电一体化，程控化，数字化方向发展，形成迫使我们在机械加工方面不仅要会操作普通机床而且要会操作数控机床，此外，还要求我们具有分析、判断、处理生产过程中的突发事件的能力；具有开拓创新能力，团队协作能力和交际能力。
通过本课题的完成，我们能够加强自己对数控知识的掌握。
第一章零件加工工艺分析
1.1零件的结构工艺性分析
零件的结构工艺性是指所设计的零件在能满足使用要求的前提下制造的可行性和经济性，即所设计的零件结构应便于成形，并且成本低，效率高。
1.零件图纸的工艺分析
如图所示
1.2零件技术要求分析
小批量生产条件编程，不准用砂布和锉刀修饰平面，这是对平面高精度的要求，未注公差尺寸按GB1804-M，热处理，调质处理，HRC25-35，未注粗糙度部分光洁度按Ra6.3，毛胚尺寸ф50mmx130mm。
加工难点及处理方案
分析图纸可知，此零件对平面度的要求高，左端更有轮廓加工，为提高零件质量，采用以下加工方案：
1.对图样上给定的几个精度要求较高的尺寸，编程时采用中间值。
2.在轮廓曲线上，有一处既过象限又改变进给方向的轮廓曲线，因此在加工时应进行机械间隙补偿，以保证轮廓曲线的准确性。
3.零图纸中含有圆柱度，为保证其形位公差，应尽量一次装夹完成左端面的加工以保证其数值。
4.本设计图纸中的各平面和外轮廓表面的粗糙度要求可采用粗加工---精加工加工方案，并且在精加工的时候将进给量调小些，主轴转速提高。
5.螺纹加工时，为保证其精度，在精车时选择改程序的方法，将螺纹的大径值减小0.18-0.2mm，加工螺纹时利用螺纹千分尺或螺纹环规保证精度要求。
选择以上措施可保证尺寸、形状、精度和表面粗糙度
1.3零件毛坯、材料的分析
1）.材料的分析
该轴零件加工中，刀具与工件之间的切削力较大。
工件材料的可切削性能。
强度、硬度、塑性、提供冷切削加工、机械性能都跟工件的材料有关。
所以选择45钢为该轴类零件的材料。
45钢相对切削性硬质合金刀具1.0，高速钢刀具1.0，45钢经济合理对加工刀具的要求也合理，45钢用途广泛，主要是用来制造汽轮机、压缩机，泵的运动零件制造齿轮、轴活塞销等零件。
根据以上数据适合该轴的加工。
2）.毛坯的分析
轴类零件的毛坯有棒料、锻件和铸件三种。
锻件：
适用与零件强度较高,形状较简单的零件。
尺寸大的零件因受设备限制，故一般用自由锻；中、小型零件可选模锻；形状复杂的刚质零件不宜用自由锻。
铸件：
适用于形状复杂的毛坯。
钢质零件的锻造毛坯，其力学性能高于钢质棒料和铸钢件。
根据该轴零件的结构形状和外轮廓尺寸，所以采用锻件。
本零件的毛坯宜采用锻件，由棒料锯割，模锻毛坯至Φ40X425mm,使钢材经过锻压，获得均匀的纤维组织，提高其力学性能，同时也提高零件与毛坯的比重，减少材料消耗
1.4零件设备的选择
数控车床能对轴类或盘类等回转体零件自动地完成外圆柱面、圆锥表面、圆弧面等工序的切削加工，并能进行切槽、钻、扩等的工作。
根据零件的工艺要求，可以选择经济型数控车床，一般采用步进电动机形式半闭环伺服系统。
此类车床机构简单，价格相对较低，这类车床设置三爪自定心卡盘、普通尾座或数控液压尾座，适合车削较长的轴类零件。
根据主轴的配置的要求选择卧式数控车床。
数控车床具有加工精度高，能做直线和圆弧插补，数控车床刚性良好，制造和对刀精度高，能方便和精确地进行人工补偿和自动补偿，能够加工尺寸精度要求较高的零件。
能加工轮廓形状特别复杂的表面和尺寸难于控制的回转体，而且能比较方便的车削锥面和外圆柱面螺纹，能够保持加工精度，提高生产效率。
所以对加工时非常有利的。
1.5确定工件的定位与夹具方案
1.确定装夹方案
在数控车床上工件定位安装的基本原则与普通机床相同。
工件的装夹方法影响工件的加工精度和效率，为了充分发挥数控机床的工作特点，在装夹工件时，应考虑以下几种因素：
1.尽可能采用通用夹具，必须时才设计制造专用夹具；
2.结构设计要满足精度要求；
3.易于定位和装夹；
4.易于切削的清理；
5.抵抗切削力由足够的刚度；
使用三爪自定心卡盘夹持零件的毛坯外圆，确定零件伸出合适的长度（应将机床的限位距离考虑进去）。
零件需要加工两端，因此需要考虑两次装夹的位置，该图先加工左端，然后调头加工右端。
2.定位基准
工件的定位与基准应与设计基准保持一致，应防止过定位，对与箱体工件最好选择“一面两销”作为定位基准，定位基准在数控机床上要仔细找正。
由于这个工件是个实心轴，末端要镗一个20的锥孔，因轴的长度不是很长，所以采用工件的左端面和50的外圆作定位基准，使用普通三爪卡盘夹紧工件，取工件的右端面中心为工件坐标的原点，对刀点在（100.100）处。
由于此零件全部表面都需加工，应选用外圆及一端面为粗基准，然后通过“互为基准的原则”进行加工。
遵循“基准重合”的原则。
加工左端时选择在毛坯外圆柱段的右端外圆表面，加工右端时选择在Φ50mm外圆柱段的表面，以体现定位基准是轴的中心线。
1.6确定走刀顺序和路线
1.6.1切削加工顺序的安排原则
1）先粗后精先安排粗加工，中间安排半精加工，最后安排精加工和光整加工。
2）先主后次先安排零件的装配基面和工作表面等主要表面的加工，后安排如键槽、紧固用的光孔和螺纹孔等次要表面的加工。
由于次要表面加工工作量小，又常与主要表面有位置精度要求，所以一般放在主要表面的半精加工之后，精加工之前进行。
3）先面后孔对于箱体、支架、连杆、底座等零件，先加工用作定位的平面和孔的端面，然后再加工孔。
这样可使工件定位夹紧稳定可靠，利于保证孔与平面的位置精度，减小刀具的磨损，同时也给孔加工带来方便。
4}基面先行用作精基准的表面，要首先加工出来。
所以，第一道工序一般是进行定位面的粗加工和半精加工（有时包括精加工），然后再以精基面定位加工其它表面。
例如，轴类零件顶尖孔的加工
综上所诉：
此零件的的加工顺序如下：
一:
先用三爪卡盘夹实ф55毛坯面，右侧伸出外端90mm。
二：
粗车ф50外圆面，R8圆弧面，切直径ф30的槽及锥度比为1:
10的圆锥面，留0.5加工余量，然后精车至规定尺寸。
三：
镗孔直径为ф20mm深为20mm的孔，然后精车。
四：
再掉头装夹ф50外圆面，工件伸出外端90фmm，粗车ф35.8mm，,19.8mm外圆面，切直径为34mm,18mm的槽，然后精车，最后车螺纹去毛刺。
（1）工序Ⅰ车左端面，将毛坯车为163mm的棒料
（2）工序Ⅱ左端面打中心孔选用Φ5mm的中心钻（手动钻孔）
（3）工序Ⅲ左端钻孔（钻Φ20mm深-25mm的孔）手动钻孔
加工孔Φ20mm，刀具选用硬质合金钻头，直径为20mm，使用切削液位乳化液。
《机械加工工艺手册》
1）确定进给量f，由于孔径较大，故采用数控车床CK6132A,查得f=0.26～0.40mm/r，选择f=0.35mm/r。
2）钻头磨钝标准及刀具寿命，根据表查得钻头的磨钝标准为0.8～1.2mm，寿命为T=75min。
3）钻孔速度v，=14，zv=0.25，xv=0，yu=0.4，m=0.125
，钻孔速度的修正系数，=0.88=0.75
查Z535型钻床取n=195r/min，实际切削速为v=16r/min。
钻头走刀路线如下图：
（4）工序Ⅳ粗、精车左端孔至要求尺寸
（5）工序Ⅴ粗、精车零件左端面各部、倒角。
（6）工序Ⅵ调头车右端面将零件车至要求尺寸进给路线。
（7）工序Ⅶ调头粗、精车右端面各部倒角、切外螺纹退刀槽。
1.7刀具与切削用量的选择
1.7.1刀具的选择
数控刀具的选择和切削用量的确定是数控加工工艺中的重要容，它不仅影响数控机床的加工效率，而且直接影响加工质量。
刀具的选择是在数控编程的人机交互状态下进行的。
应根据机床的加工能力、工件材料的性能、加工工序、切削用量以及其它相关因素正确选用刀具及刀柄。
刀具选择总的原则是：
安装调整方便、刚性好、耐用度和精度高。
在满足加工要求的前提下，尽量选择较短的刀柄，以提高刀具加工的刚性。
在经济型数控机床的加工过程中，由于刀具的刃磨、测量和更换多为人工手动进行，占用辅助时间较长，因此，必须合理安排刀具的排列顺序。
一般应遵循以下原则：
①尽量减少刀具数量；②一把刀具装夹后，应完成其所能进行的所有加工步骤；③粗精加工的刀具应分开使用，即使是相同尺寸规格的刀具；④先铣后钻；⑤先进行曲面精加工，后进行二维轮廓精加工；⑥在可能的情况下，应尽可能利用数控机床的自动换刀功能，以提高生产效率等。
综上所述：
本零件的加工，
（1）用ф18mm的钻头加工左端的孔，
（2）粗车及平端面选用60°硬质合金左偏刀，为防止副后刀面与工件轮廓干涉，副偏角不宜太小，选Kr´=60°。
（3）为减少刀具数量和换刀次数，精车和车螺纹选用硬质合金60°外螺纹车刀，刀尖圆弧半径应小于轮廓最小圆角半径，取re=0.15～0.2mm。
刀具的选择是数控加工工艺设计中的重要容之一。
刀具选择合理与否不仅影响机床的加工效率、而且还影响加工质量。
选择刀具通常考虑机床的加工能力、工序容、工件材料等。
与传统的车削方法相比，数控车削对刀具的要求较高。
不仅要求精度高、钢度好、耐用度高、而且要求尺寸稳定、安装调整方便。
这就要求采用新型优质材料制造数控加工刀具，并优选刀具参数。
1.7.2.切削用量的选择
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45钢，刀具材料为硬质合金钢，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300r/min来车螺纹，而孔由于刚性较差，采用粗车300r/min，比较容易达到加工要求，切槽的切削刀较大，采用300r/min更稳妥。
2、进给速度（进给量）F（mm/r，mm/min）的选择
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，
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、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Vf可以按公式Vf=f×n计算，式中f表示每转进给量，粗车时一般取0.3～0.8mm/r；精车时常取0.1～0.3mm/r；切断时常取0.05～0.2mm/r。
应选择较低的进给速度，得出下表
粗
精
外圆
0.2min/r
0.1min/r
孔
0.2min/r
0.1min/r
槽
0.05min/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。
本例中，背吃刀量的选择大致为
粗
精
外圆
1.5-2（mm）
0.2-0.5（mm）
孔
1-1.5（mm）
0.1-0.5（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。
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。
切削用量的选择方法：
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。
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，应着重考虑如何保证加工精度，且在此基础上如何提高加工效率。
因此，要求精车时应选用较小（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。
1.8数控加工工序卡片
数控加工工序卡片
材料
45#钢
零件图号
夹具名称
三爪自定心卡盘
工步号
工步容
G功能
T刀具
主轴转速S/（r/min）
进给量f/（mm/r）
背吃刀量ap/mm
备注
1
钻孔
500
30
手动
2
粗车零件左端轮廓
G71
T0303
300
0.2
2
自动
3
精车零件左端轮廓
G71
T0303
600
0.1
0.5
自动
4
粗车零件左端外轮廓
G73
T0101
600
0.2
2
自动
5
精车零件左端外轮廓
G73
T0101
800
0.1
0.5
自动
6
切10mm×20mm的槽
G01
T0202
300
0.05
2
自动
7
粗车零件右端外轮廓
G71
T0101
600
0.2
2
自动
8
精车零件右端外轮廓
G71
T0101
800
0.1
0.5
自动
9
切6mm×2mm退刀槽
G01
T0202
300
0.05
2
自动
10
车削M20mm×2.5外螺纹
G92
T0404
300
自动
11
车削端面
G01
T0101
600
0.15
自动
12
检测、校核
手动
1.9数控加工刀具卡片
数控加工刀具卡片
序号
刀具号
刀具名称及规格
刀尖半径R
刀尖位置T
数量
加工表面
备注
1
Φ20mm钻头
1
钻孔
手动
2
T0303
镗孔刀
0.1mm
3mm
1
镗孔
自动
3
T0101
60°左偏外圆车刀
0.2mm
2mm
1
粗精车外轮廓
自动
4
T0202
切槽车刀
B=4mm
1
切槽
自动
5
T0404
60°外螺纹车刀
0.2mm
0
1
三角形螺纹
自动
1.10切削用量选择
主轴转速S/（r/min）
进给量
F/（mm/r）
吃刀量
F/（mm/r）
背吃刀量
ap/mm
粗车外圆
600
100
1
1.5
精车外圆
800
100
0.05
0.2
钻孔
300
100
0.1
0
粗镗孔
300
100
1
1.5
精镗孔
600
100
0.05
0.2
退刀槽
300
50
0.04
0
车外螺纹
300
0.75
0.1
0.4
1.11数控刀具卡片
表1左端刀具卡片
产品名称或代号
零件名称
典型轴
零件图号
序号
刀具号
刀具规格名称
数量
加工表面
备注
1
T0101
硬质合金端面60度车刀
1
粗、精车端面
自动
2
T0101
硬质合金60度放型车刀
1
粗、精车外轮廓
自动
3
T0303
硬质合金镗刀
1
粗、精镗孔
自动
4
T0202
硬质合金切槽刀
1
切槽
自动
5
尾座
硬质合金Ф18钻头
1
钻孔
手动
表2右端刀具卡片
产品名称或代号
零件名称
典型轴
零件图号
序号
刀具号
刀具规格名称
数量
加工表面
备注
1
T0101
硬质合金端面60度车刀
1
粗、精车端面
自动
2
T0101
硬质合金60度放型车刀
1
粗、精车外轮廓
自动
3
T0202
硬质合金车槽刀
1
切槽
自动
4
T04
60度硬质合金外螺纹车刀
1
粗、精车螺纹
自动
1.12保证加工精度的方法
为了保证和提高加工精度，必须根据生产加工误差的主要原因，采取相应的误差预防或误差补偿等有效的工艺途径措施来直接控制原始误差或控制原始误差对零件加工精度的影响。
一、刀具半径的选定
1.刀具的半径R比工件转角处半径大时不能加工。
2.刀具较小时不能用较大的切削量加工（刀具刚性差）。
二、采用合适的切削液
1.切削液主要用来减少切削过程中的摩擦和降低切削温度。
合理使用切削液，对提高刀具耐用度和加工表面质量、加工精度起重要的作用。
2.非水溶性切削液：
切削油、固体润滑剂，非溶性切削液主要起润滑作用。
3.水溶性切削液：
水溶液、乳化液，水溶性切削液有良好的冷却作用和清洗作用。
故本设计加工时采用水溶液进行冷却。
第二章数控加工程序的编制
数控加工的特点：
1.采用数控机床加工零件可以提高加工精度，稳定产品的质量。
2.数控机床可以完成普通机床难以完成，或根本不能加工的复杂曲面的零件加工。
3.采用数控机床在生产效率上，可以比普通机床提高2～3倍，尤其对某些复杂零件的加工，生产效率可提高十倍甚至几十倍。
4.可以实现一机多用。
5.采用数控机床有利于向计算机控制与管理方面发展，为实现生产过程自动化创造条件。
数控编程的分类：
数控编程一般分为两种：
一种是手工编程，另一种是自动编程。
手工编程是由分析零件图，确定工艺过程，数值计算，编写零件加工程序单，程序的输入和检验都是由工人完成的。
特点：
对于加工形状简单的零件，计算比较简单，程序不是很多，采用手工编程（仍被广泛应用）较容易完成，而且经济，及时，因此在点位加工及直线与圆弧组成的轮廓加工中，手工编程仍广泛应用，但对于形状复杂的零件，特别是具有非圆曲线，列表曲线的零件，用手工编程就有一定的困难，出错的机率增大，有的无法编程序。
自动编程：
用计算机编制数控加工程序的过程。
特点：
计算机自动识图编程，编程准确，不易出错，安排走刀路线合理，从而使加工准确。
本零件的凸轮加工就采用自动编程来完成的。
2.1确定编程坐标系及编程原点
数控机床采用右手笛卡儿直角坐标系，其基本坐标轴为X、T、Z直角坐标系，相对于每个坐标轴的旋转运动坐标为A、B、C。
编程原点也称工件原点，一般用G92或G54-G59（对于数控镗铣床）和G50（对于数控车床）设置。
根据以上可以知道，编程坐标系及编程原点的选择要满足以下几个方面的要求：
1.所选的编程原点及坐标系要使程序编制简单。
2.编程原点应选在容易找正，并在加工过程中便于检查的位置。
3.引起的加工误差小。
4.一般回转体零件的编程零点选在其加工面的回转轴线与端面交点处。
2.2数值的计算
（1）圆锥大端直径计算：
由公式C=D-d∕L
得1／5=50-44／L，即圆锥的长度为D=30mm。
（2）螺纹尺寸计算：
M20×2.5的螺纹：
牙高=1.3×2.5=3.25，小径=大径-牙高=19.8-3.25=16.55，根据螺距查表得刀具每次走刀路线为Φ18.8，Φ18.1，Φ17.5，Φ17.1，Φ16.7，Φ16.55。
M36×2的螺纹：
牙高=1.3×2=2.6，小径=大径-牙高,35.8-2.6=33.2，根据螺距查表得刀具每次走刀路线为Φ34.9，Φ34.3，Φ33.7，Φ33.3，Φ33.2。
2．3.加工程序
左端
O0001
程序名
T0101
刀号
M03S600
主轴正转，主轴转速600mm/r
G00X57Z5
快速移动至循环点
G73U19.5R10
G73P10Q20U0.5F0.2
N10G00X44
快速定位
G01Z0F0.1
X50Z-30
Z-40
G02X50Z-50R8
G01X50Z-80
N20G01X57
G00X100Z100
退回换刀点
M05
M00
主轴停止
T0101
刀号
M03S800
精车转速
G00X57Z2
快速移动至循环点
G
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