数控车火箭模型实用工艺品组合件加工.docx

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数控车火箭模型实用工艺品组合件加工

项目五火箭模型工艺品组合件加工

项目导入

本项目是火箭模型工艺品制作加工，火箭模型头部是由椭圆线所形成的内外回转曲面的薄壁件；火箭模型中部为薄壁套；火箭模型尾部为薄壁喇叭口。

薄壁在此项目中占重要位置。

薄壁套筒类零件是机械中常见的一种零件，它的应用范围很广，广泛应用在各工业部门。

如支承旋转轴的各种形式的滑动轴承、夹具上引导刀具的导向套、内燃机气缸套、液压系统中的液压缸以及一般用途的套筒，由于其功用不同，套筒类零件的结构和尺寸有着很大的差别，但其结构上仍有共同点，即：

零件的主要表面为同轴度要求较高的内外圆表面；零件壁的厚度较薄且易变形；零件长度一般大于直径等。

同时它具有重量轻，节约材料，结构紧凑等特点。

项目描述

一、项目任务

1.根据给定样图编制火箭模型工艺品的加工工艺规程

2.根据工艺方案加工火箭模型工艺品设计并制作所需专用刀具

3.设计并制作加工火箭模型工艺品所需专用夹具

4.薄壁件加工的特点，掌握减少薄壁件变形的方法

4.加工火箭模型工艺品组件

5.火箭模型工艺品零件质量检验及质量分析

二、重点难点

1.薄壁件技术要求及工艺分析

2.薄壁件加工精度和配合精度的保证方法

3．宏程序的编制

4.夹具的制作

三、相关知识要点

1．零件加工精度、装配精度的获得方法及工艺尺寸链的计算

2．软爪的镗削方法

项目准备

一、资源要求

1．普及型数控车床（或经济型数控车床）若干台（根据学生人数按平均两人一台配置）

所用机床为CK6140普及型数控车床FANUCOiMATE-TB，或其它经济型数控车床，根据学生20人，每两人配一台，机床为20台。

2．各种常用数控车刀若干把

根据对薄壁零件特点、刀具的要求进行了分析选择刀具如下：

见表1-1

各种常用数控车刀若干把

3．通用量具及工具若干

二、原材料准备

LY12、45钢

三、相关资料

《机械加工手册》、《金属切削手册》和《数控编程手册》。

项目计划

一、项目任务分析

1．本项目的特点

2．本项目中的关键工作

3．预计完成本项目所需时间

二、分工与进度计划

1．分组每组学员为3—4人，应注意强弱组合

2．编写项目计划（包括任务分配及完成时间）如下表5-1

表1-1项目计划安排表

任务

内容

零件

时间

安排

人员

安排

备注

任务1

工艺分析与工艺编制

零件1

1人

任务可以同时进行，人员可以交叉执行。

零件2

1人

零件3

1人

任务2

加工零件

零件1

1人

零件2

1人

零件3

1人

任务3

零件检验及质量分析

零件1-3及组合件

1人

项目实施

一、技术要求分析

1．件1与件3、件4与件5组装后外圆接合处的间隙应最小，而且接合面应平整。

要保证该项精度，各零件加工后其相应端面必须与外圆中心线有一定垂直度要求，各零件加工时垂直度要求为0.05，因此，加工中只要保证零件的加工要求，该项精度就能保证。

2．组装后各件间的同轴度小于0.05。

要保证该项精度，同样注意各零件加工时的精度，工件有掉头要保证同轴度小于0.05或更小，这样该项精度就能保证。

3．件4与件5、件5与件6处的螺纹配合要牢固，保证该项要求，加工这三件螺纹时注意螺纹精度。

项目图纸如下：

技术要求：

1.件1与件3、件4与件5接合面应平整、无间隙

2.组装后各件间的同轴度应小于0.05

名称

火箭模型装配图

第1页共7页

比例

图号

SKC007

数量

材料

铝合金

设计

审核

厂名

标记

校对

批准

技术要求：

1.工件表面不能有磕碰、划痕、毛刺等，曲面光滑

2.未注公差为IT9-IT11

名称

火箭模型（件1）

第2页共7页

比例

图号

SKC001

数量

材料

ZL102

设计

审核

厂名

标记

校对

批准

技术要求：

1.工件表面不能有磕碰、划痕、毛刺等

2.未注公差为IT9-IT11

名称

火箭模型（件2）

第3页共7页

比例

图号

SKC002

数量

材料

不锈钢

设计

审核

厂名

标记

校对

批准

技术要求：

1.工件表面不能有磕碰、划痕、毛刺等

2.未注公差为IT9-IT11

名称

火箭模型（件3）

第4页共7页

比例

图号

SKC003

数量

材料

ZL102

设计

审核

厂名

标记

校对

批准

技术要求：

1.工件表面不能有磕碰、划痕、毛刺等

2.未注公差为IT9-IT11

名称

火箭模型（件4）

第5页共7页

比例

图号

SKC004

数量

材料

ZL102

设计

审核

厂名

标记

校对

批准

技术要求：

1.工件表面不能有磕碰、划痕、毛刺等

2.未注公差为IT9-IT11

名称

火箭模型（件5）

第6页共7页

比例

图号

SKC005

数量

材料

ZL102

设计

审核

厂名

标记

校对

批准

技术要求：

1.工件表面不能有磕碰、划痕、毛刺等

2.未注公差为IT9-IT11

名称

火箭模型（件6）

第7页共7页

比例

图号

SKC006

数量

材料

ZL102

设计

审核

厂名

标记

校对

批准

一、火箭模型（件1）相关知识准备

（一）宏程序的应用

用户宏指令功能是把编好的宏程序事先作为子程序登陆在存储器中，用NC指令程序，随时都可以用简单的操作调用。

使用宏程序指令登陆的子程序称为用户宏程序，又称宏程序。

因此，就可以按照某些工件加工要求用宏指令列出各坐标的计算过程，在加工时根据零件尺寸再输入相应数据，宏指令根据这些数据进行计算，并与已知条件进行比较，再与NC指令配合，使机床运行加工。

宏指令调出与子程序的调出方法相同。

变量的设定可以用程序输入，也可以采用MDI方式。

1.A类宏程序的相关知识

（1）变量的类型及表示

变量分为通用变量和系统变量两种。

编程时经常用的为通用变量。

在FANUC－0MA系统中变量为#100～#131和#500～#515。

两者区别为#100～#131在电源切断后被清除，电源接通时全部为“0”，而#500～#515在电源被切断后不被清除，它的值一直保持。

变量用来置换地址后面的数值。

用#i（i=1，2，3…）表示。

（2）宏指令的形式

一般形式为：

G65HmP#iQ#jR#k

其中：

m——取01～99表示宏指令功能；

#i——运算结果的变量名；

#j——待运算的变量名1，也可以是常数；

#k——待运算的变量名2，也可以是常数

#i=#j

为运算符，用Hm表示。

2.B类宏程序的相关知识

虽然子程序对编制相同加工操作的程序非常有用，但用户宏程序由于允许使用变量、算术和逻辑运算及条件转移，使得编制相同加工操作的程序更简便。

可将相同加工操作编为通用程序，如型腔加工宏程序和固定加工循环宏程序。

使用时，加工程序可用一条简单指令调出用户宏程序，和调用子程序完全一样。

调用格式如下。

（1）变量

普通加工程序直接用数值指定G代码和移动距离，例如：

G100和X100.0。

使用用户宏程序时，数值可以直接指定或用变量指定。

当用变量时，变量值可用程序或用MDI面板上的操作改变。

例如：

（2）变量的表示

变量用变量符号#和后面的变量号指定，例如：

#1；

表达式可以用于指定变量号。

此时，表达式必须封闭在括号中，例如：

#[#1+#2-12]。

（3）变量的类型

变量根据变量号可以分为四种类型：

（4）宏程序语句和NC语句

下面的程序段为宏程序语句：

包含算术或逻辑运算（=）的程序段；

包含控制语句（例如，GOTO，DO，END）的程序段；

包含宏程序调用指令（例如，用G65，G66，G67或其它G代码，M代码调用宏程序）的程序段。

除了宏程序语句以外的任何程序段都为NC语句。

（5）转移和循环

在程序中，使用GOTO语句和IF语句可以改变控制的流向。

有三种转移和循环操作可供使用：

条件转移

IF<条件表达式>GOTOn

无条件转移

转移到标有顺序号n（1～99999）的程序段。

例：

GOTO1；GOTO#10

说明：

条件表达式条件表达式必须包括算符，算符插在两个变量中间或变量和常数中间，并且用（[]）封闭。

表达式可以代替变量。

运算符运算符由两个字母组成，用于两个值的比较，以决定它们的的关系

3.此项目中用的是椭圆的变量公式：

X=2*b*SIN（θ）

Z=a*COS（θ）-a（θ为起始角度）

（二）火箭模型（件1）中的薄壁件相关知识

1.薄壁件的特点

对于薄壁套筒类零件，普遍存在的问题是壁薄，假如用卡盘直接装夹，零件就会发生变形；另外加工过程中薄壁零件还会在切削力的作用下，产生变形，而造成零件报废。

因此必须采取补强措施。

即加工内孔及内端面时，应从外侧补强；加工外圆及外端面时，应从内侧补强，往往从内向外胀，既可以提高薄壁的强度又可以提高工艺系统的刚性。

此类零件往往采用端面及内、外圆柱面作为定位基准。

定位方式常采取不完全定位方式。

所以有时会设计专用的数控车削夹具。

薄壁套筒类零件是机械中常见的一种零件，它的应用范围很广，广泛应用在各工业部门。

零件的主要表面为同轴度要求较高的内外圆表面；零件壁的厚度较薄且易变形；零件长度一般大于直径等。

同时它具有重量轻，节约材料，结构紧凑等特点。

但薄壁零件的加工车削中比较棘手的问题，原因是薄壁零件刚性差，强度弱，在加工中极容易变形，使零件的形位误差增大，不易保证零件的加工质量。

为此对薄壁零件的装夹，刀具的选用，切削用量的选择要合理，保证薄壁零件加工质量。

2．车削薄壁套筒零件对刀具的要求：

（1）选用合理的切削用量

薄壁零件车削时变形是多方面的。

装夹工件时的夹紧力，切削工件时的切削力，工件阻碍刀具切削时产生的弹性变形和塑性变形，使切削区温度升高而产生热变形。

切削力的大小与切削用量密切相关。

从《金属切削原理》中可以知道:

背吃刀量ap，进给量f，切削速度V是切削用量的三个要素。

1）背吃刀量和进给量同时增大，切削力也增大，变形也大，对车削薄壁零件极为不利。

2）减少背吃刀量，增大进给量，切削力虽然有所下降，但工件表面残余面积增大，表面粗糙度值大，使强度不好的薄壁零件的内应力增加，同样也会导致零件的变形。

所以，粗加工时，背吃刀量和进给量可以取大些;精加工时，背吃刀量一般在0.2-0.5 mm,进给量一般在0.1-0.2 mm/r,甚至更小，切削速度6-120 m/min,精车时用尽量高的切削速度，但不易过高。

合理选用三要素就能减少切削力，从而减少变形。

（2）合理选择刀具的几何角度

在薄壁零件的车削中，合理的刀具几何角度对车削时切削力的大小，车削中产生的热变形、工件表面的微观质量都是至关重要的。

刀具前角大小，决定着切削变形与刀具前角的锋利程度。

前角大，切削变形和摩擦力减小，切削力减小，但前角太大，会使刀具的楔角减小，刀具强度减弱，刀具散热情况差，磨损加快。

所以，一般车削钢件材料的薄壁零件时，刀具的后角大，摩擦力小，切削力也相应减小，但后角过大也会使刀具强度减弱。

在车削薄壁零件时，精车时取较大的后角，粗车时取较小的后角。

主偏角在30°-90°范围内、车薄壁零件的内外圆时，取大的主偏角。

副偏角取8°-15°，精车时取较大的副偏角，粗车时取较小的副偏角。

二、火箭模型（件1）工艺分析

（一）火箭模型（件1）的的结构特点及技术要求分析

火箭模型（件1）是带有内螺纹孔及椭球面的薄壁类零件，结构比较简单，但精度要求高，加工比较困难，适合在数控车床上加工。

难点是内椭球面的加工和薄壁的加工。

外圆精度较高的是端面上的2mm宽的ø44精度，公差是0.016，其它尺寸精度为未注公差，按照IT9-IT11加工。

外椭球表面粗糙度为Ra1.6µm；内椭球面表面粗糙度为Ra3.2µm，螺纹内孔与外圆ø54的同轴度要求要高。

内外表面不能有磕碰，划痕，毛刺等，表面要光滑，而且内表面是实心的，加工时注意刀具的正确使用。

（二）火箭模型（件1）加工工艺编制

1.火箭模型（件1）加工的工艺过程见表5-2

表5-2火箭模型（件1）数控加工工艺过程

数控加工工艺过程综合卡片

产品名称

零件名称

零件图号

材料

厂名（或院校名称）

火箭模型组合件工艺品

火箭模型

SKC001

ZL102

序号

工序名称

工序内容及要求

工序简图

设备

工夹具

下料

毛坯棒料ø60mm×65mm（留夹持量）和辅助件棒料ø60mm×40mm

略

锯床

略

钻中心孔

夹持毛坯外圆打中心孔

略

CK6140

三爪自定心卡盘

钻孔

以毛坯外圆为夹持面，用ø12的钻头钻40mm深

CK6140

三爪自定心卡盘

扩孔

以毛坯外圆为夹持面，用ø20的钻头钻30mm深

CK6140

三爪自定心卡盘

加工内轮廓

以毛坯外圆为夹持面加工

（1）端面和ø44的外圆

（2）加工40的内孔和内椭圆面

（3）加工3X44的内螺纹退刀槽

（4）加工M41X1.5的内螺纹

CK6140

三爪自定心卡盘

加工辅助件

以毛坯外圆为夹持面加工

（1）端面和ø41的外圆

（2）加工M41X1.5的外螺纹

CK6140

三爪自定心卡盘

加工外椭球面

夹持辅助件的毛坯外圆，内外螺纹旋合加工外椭球面

CK6140

三爪自定心卡盘

检验

通用量具检测各部分精度

略

CK6140

三爪自定心卡盘

2.火箭模型（件1）加工的工艺过程分析

（1）根据技术要求，零件外圆曲面应光滑无刀痕，无毛刺，且尺寸精度和表面粗糙度要求较高。

因此，外椭球面需一次装夹加工完成，并按粗车、精车两个工步进行车削，粗精加工刀具应分开。

（2）外椭球面车削时无装夹得地方，但是内轮廓有内螺纹，因此可以想到用工艺辅助件，配合加工外椭球面（如5-2表里的工序07）。

（3）内椭球面加工也是有一定困难，相当于端面圆弧，因此在刀具上注意刀具的选择，刀具的主副偏角要大，而且刀尖绝对对工件回转中心线。

如下图：

（4）注意内螺纹孔与外圆的同轴度要求及端面与外圆中心线的垂直度要求都很高。

因此，以毛坯外圆为基准，加工大端面及内螺纹时，必须采用减小工件的圆周跳动，并用百分表找正，才能保证加工要求。

另外，车端面时要保证总长尺寸。

3．刀具及切削用量的选择见表5-3

根据上述对薄壁零件特点、刀具的要求进行了分析选择刀具如下：

见表5-3

表5-3刀具切削参数表

序号

加工面

刀具号

刀具规格

主轴转速n/r.min-1

进给速度V/mm.r-1

类型

材料

以内圆为基准粗车端面及外圆

T0404

90度偏刀（机夹式）

涂

层

刀

600

0.2

粗车内轮廓面

T0101

内孔圆弧刀（机夹式）

600

0.2

精车内轮廓面

T0101

内孔圆弧刀（机夹式）

1200

0.1

加工内沟槽

T0303

沟槽刀（机夹式）

300

0.08

加工内三角螺纹

T0202

内三角螺纹刀（机夹式）

600

／

粗车外椭球及端面

T0101

90°偏刀（机夹式）

600

0.2

精车外椭球及端面

T0101

尖刀（机夹式）

1300

0.1

4.火箭模型（件1）数控加工的参考程序如下

以FANUC系统为例程序：

O0001;（件1内轮廓）

M3S500;

主轴正转500/r.min-1

T0404;

镗孔刀4号刀

G0X20Z2;

快速定位

G71U1.5R0.5;

粗加工内孔

G71P10Q20U-0.3W0F0.2;

N10G0X41S1200;

G1Z0F0.1;

Z-2;

X39.5Z-3;

Z-15;

N20X20;

G0Z200;

M05;

暂停测量

M00;

M3S1200;

主轴正转1200/r.min-1

T0404;

G0X20Z2;

G70P10Q20;

内孔精加工

G0Z200;

M05;

暂停测量

M00;

M3S300;

T0303;

内沟槽刀加工内槽

G0X38;

Z-15;

G1X44F0.1;

切槽

G4X1;

暂停1秒

G1X38F0.5;

退刀

G0Z200;

快速退刀

M3S600;

T0202;

内三角螺纹刀

G0X38Z5;

G92X39.9Z-13F1.5;

加工螺纹

X40.3;

X40.6;

X40.9;

X41.3;

X41.45;

G0Z200;

退刀

M05;

主轴停止

M00;

M3S600;

T0101;

端面圆弧车刀

#9=40;

N40G0X38Z[#9];

#1=90;

椭圆起始角度90°

N30#2=40*SIN[#1];

直径方向的变量计算公式

#3=50*COS[#1]-5;

长度方向的变量计算公式

G64G1X#2Z[#3+#9]F0.2;

椭圆变直线步进

IF[#1LE180]GOTO30;

条件转移

G0Z[5+#9];

#9=#9-2;

循环加工

IF[#9GE0]GOTO40;

条件转移

G0Z200;

退刀

M30;

程序结束

O0002;

M3S600;

粗加工件1外轮廓

T0101;

#9=60;

设定毛坯ø60

#11=0.25;

进给速度设定

M98P0002;

调用子程序

G0X100Z100;

M05;

M00;

暂停测量

M3S1300;

精加工件1外轮廓

T0101;

#9=0;

#11=0.1;

进给速度设定

G0X0Z2;

G1Z0F0.1;

定位起点

M98P0002;

G0X100Z100;

快速退刀

M30;

程序结束

O0002;

椭圆轮廓加工子程序

N20G0X62;

Z5;

X#10;

#1=60;

设定毛坯

#2=27;

#3=0;

N10#4=2*[#2]*SIN[#3]+#9;

#5=#1*COS[#3]-#1;

IF[#4GT60]GOTO30;

条件转移

G64G1X#4Z#5F#11;

连续进给

#3=#3+0.8;

角度累加

IF[#3LE90]GOTO10;

条件转移

N30#9=#9-4;

IF[#9GT1]GOTO20;

M99;

子程序结束

一、火箭模型（件2）的相关知识

（一）薄壁工件相关知识

1.薄壁工件的加工特点

车削薄壁工件时，由于工件的刚度低，在车削过程中，可能产生以下现象:

（1）因工件薄壁，在加紧力的作用下容易产生变形，从而影响工件的尺寸精度和形状精度。

（2）因工件壁较薄，切削热会引起工件热变形，使工件尺寸难以控制。

（3）在切削力尤其是背向力的作用下，容易产生振动和变形，影响工件的尺寸精度、表面粗糙度、形状精度和位置精度。

针对以上车薄壁工件时可能产生的问题，下面介绍防止和减少薄壁工件变形的方法。

2.防止和减少薄壁工件变形的方法

（1）把薄壁工件的加工分为粗车和精车两个阶段

粗车时加紧力稍大些，变形虽然也相应大些，但是由于切削余量比较大，不会影响工件的最终精度；精车时加紧力可稍小些，一方面加紧变形小，另一方面精车时还可以消除粗车时因切削力过大而产生的变形。

（2）合理选择刀具的几何参数

精车薄壁工件时，要求刀柄的刚度高，车刀的修光刀刃不宜过长（一般取0.2～0.3mm），刃口要锋利。

（3）增加装夹接触面积

使用开缝套筒或特制的软卡爪（如下图），增大装夹时的接触面积，使加紧力分布在薄壁工件上，因而夹紧时工件不易产生变形。

（4）应用轴向夹紧夹具

车削薄壁工件时，尽量不使用径向夹紧，而优先选用轴向夹紧的方法（如下图）。

薄壁工件装夹在车床夹具体内，用螺母的端面来夹紧工件，使夹紧力F沿工件轴向分布，这样可以防止薄壁工件内孔产生夹紧变形。

（5）增加工艺肋

有些薄壁工件可以在其装夹部位特制几根工艺肋，以增强刚度，使夹紧力更多地作用在工艺肋上，以减少工件的变形。

加工完毕后，再去掉工艺肋。

1-夹具体2-薄壁工件3-螺母

1-工艺肋2-薄壁工件

（6）浇注充分的切削液

浇注充分的切削液，可降低切削温度，减少工件热变形，是防止和减少薄壁工件变形的有效方法。

3.车削薄壁工件时切削用量的选择

针对薄壁工件刚度低、易变形的特点，车薄壁工件时应适当降低切削用量。

实践中，一般按照中速、小吃刀和快进给的原则来选择，具体参数可参考下表5-4

表5-4车削薄壁工件时的切削用量

加工性质

切削速度

／m.

进给量f

／mm.

背吃刀量

／mm

粗车

70～80

0.6～0.8

精车

100～120

0.15～0.25

0.3～0.5

（二）偏心工件的相关知识

1.偏心工件的特点

（1）在机械传动中，一般多采用曲柄滑块机构来实现运动形式的转换，使回转运动转变为往复直线运动或使往复直线运动转变为回转运动，偏心轴、曲柄、曲轴都是偏心工件的实例。

（2）偏心工件就是外圆与外圆、内孔与外圆的轴线平行但不重合的工件；其中，外圆与外圆偏心的工件称为偏心轴；外圆与内孔的轴线相互平行但不重合的工件，称为

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