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数控专业毕业设计

前言

随着科学技术飞速发展和经济竞争的日趋激烈，机械产品的更新速度越来越快，数控加工技术作为先进生产力的代表，在机械及相关行业领域发挥着重要的作用，机械制造的竞争，其实质是数控技术的竞争。

本次设计就是进行数控加工工艺设计织机导板零件，侧重于设计该零件的数控加工夹具，主要设计内容有：

完成该零件的工艺规程（包括工艺过程卡、工序卡和数控刀具卡）和主要工序的工装设计。

并绘制零件图、夹具图。

用G代码编制该零件的数控加工程序，在则学习计算机辅助工艺设计（CAPP）相关知识，并编制其构架。

限于编者的水平有限，对书中的不妥之处，敬请读者批评指正。

第一章工艺设计说明书

1.零件图工艺性分析

如图1.1所示零件图，其生产规模为中批量生产，试根据零件图分析其加工工艺。

图1.1轴套零件图

1.1零件图的完整性和正确性

经审查，该零件视图准确、完整，表达直观清晰，符合国家标准，尺寸、公差以及技术要求的标注齐全、合理。

1.2零件技术要求分析

零件的技术要求主要包括尺寸精度、形状精度、位置精度、表面粗糙度要求等，这些技术要求应当是能够保证零件使用性能前提下的极限值。

进行零件技术要求分析，主要是分析这些技术要求的合理性，以及实现的可能性，重点分析重要表面和部位的加工精度和技术要求，为制定合理的加工方案做好准备。

同时通过分析以确定技术要求是否过于严格，因为过高的精度和过小的表面粗糙度要求会使工艺过程变得复杂，加工难度大，增加不必要的成本。

该零件的尺寸精度要求有：

¢93

精度等级为IT6、¢106

精度等级为IT6、¢107

精度等级为IT6、¢110

精度等级IT6、¢123

精度等级为IT6，其余精度等级为IT10；形状精度有：

¢107G6的圆跳动为0.03mm；位置精度：

端面A对¢167的跳动允差0.03mm、¢93G6对¢107G6的跳动允差0.10mm；表面粗糙度：

¢93

表面粗糙度Ra1.6um、¢107

表面粗糙度Ra1.6um、¢5和¢9两斜孔表面粗糙度6.3、¢164表面为不加工表面，其余表面粗糙度为Ra3.2um。

1.3零件结构工艺性分析

该零件属于轴类零件，其结构特征主要由内外圆柱面、外槽、内槽、斜孔、端面孔等组成。

其中内外圆柱面、内外槽可在数控车床上加工；端面孔可在数控铣床上加工；斜孔在钻床上加工。

2.毛坯的选择

2.1毛坯类型

（1）铸件

铸件适用于形状较复杂的零件毛坯。

其铸造方法有砂型铸造、精密铸造、金属型铸造、压力铸造等。

（2）锻件

锻件适用于强度要求高、形状比较简单的零件毛坯。

其锻造方法有自由锻和模锻两种。

（3）型材

型材有热轧和冷拉两种。

热轧适用于尺寸较大、精度较低的毛坯；冷拉适用于尺寸较小、精度较高的毛坯。

（4）焊接件

焊接件是根据需要将型材或钢板等焊接而成的毛坯件

（5）冷冲压件

冷冲压件毛坯可以非常接近成品要求，在小型机械、仪表、轻工电子产品方面应用广泛。

2.2毛坯余量确定

毛坯图的尺寸都是在零件图尺寸的基础上，加减总加工余量得到毛坯尺寸，毛坯各面的设计基准一般同零件图一致。

笔者认为这种设计方法并不合理，这是因为从毛坯尺寸的作用来讲并不要求它和零件图一致，对它提出的要求是:

（1）保证它在机械加工时有最均匀合理的粗加工余量：

（2）保证非加工面与加工面有最准确的位置及尺寸。

根据该零件的图纸要求，确定该零件毛坯材料为铸件，径向余量为单边3mm，长度余量为12mm（即总长为145mm）。

毛坯尺寸如图1.2所示。

2.3毛坯-零件合图

有毛坯余量确定该零件的毛坯图如图1.2所示。

图1.2毛坯-零件合图

3.机械加工工艺路线确定

05下料制造毛坯

10热处理正火

15车1.夹212外圆，车¢167外圆控制长度尺寸20、下端面、镗内孔¢107

控制长度尺

寸22、内槽。

2.调头夹¢167外圆，车上端面、镗内孔¢93

、内槽。

20铣1.钻3-¢9中心孔。

2.钻3-¢9底孔¢8.5。

3.铰3-¢9孔。

4.铣3-¢14沉孔。

25钻1.钻孔¢10

2.钻斜孔¢5。

3.钻斜孔¢9。

30热处理局部淬火。

35磨削磨内孔及槽。

40钳去毛刺

45检验检验各尺寸。

50入库

3.1加工方法的确定

（1）¢167外圆粗车（精度等级IT12，表面粗糙度Ra6.3um）→精车（精度等级IT10，表面粗糙度Ra3.2um）。

（2）¢107

内孔粗车（精度等级IT10，表面粗糙度Ra6.3um）→半精车（精度等级IT8，表面粗糙度Ra3.2um）→磨削（精度等级IT6，表面粗糙度Ra1.6um）。

（3）¢93

内孔粗车（精度等级IT10，表面粗糙度Ra6.3um）→半精车（精度等级IT8，表面粗糙度Ra3.2um）→磨削（精度等级IT6，表面粗糙度Ra1.6um）。

（4）¢106

槽粗车（精度等级IT10，表面粗糙度Ra6.3um）→半精车（精度等级IT8，表面粗糙度Ra3.2um）→磨削（精度等级IT6，表面粗糙度Ra1.6um）。

（5）¢123

槽粗车（精度等级IT10，表面粗糙度Ra6.3um）→半精车（精度等级IT8，表面粗糙度Ra3.2um）→磨削（精度等级IT6，表面粗糙度Ra1.6um）。

（6）¢110

槽粗车（精度等级IT10，表面粗糙度Ra6.3um）→半精车（精度等级IT8，表面粗糙度Ra3.2um）→磨削（精度等级IT6，表面粗糙度Ra1.6um）。

（7）3-¢9孔钻中心孔→钻底孔（精度等级IT12，表面粗糙度Ra6.3um）→铰孔（精度等级IT10，表面粗糙度Ra3.2um）。

（8）¢10孔钻中心孔→钻底孔（精度等级IT12，表面粗糙度Ra6.3um）→铰孔（精度等级IT10，表面粗糙度Ra3.2um）。

（9）¢5斜孔钻中心孔→钻孔（精度等级IT12，表面粗糙度Ra6.3um）。

（10）¢9斜孔钻中心孔→钻孔（精度等级IT12，表面粗糙度Ra6.3um）。

3.2加工顺序的安排

工件的机械加工工艺路线中要经过切削加工、热处理和辅助工序。

因此，当拟定工艺路线时要合理、全面安排好切削加工、热处理和辅助工序的顺序。

切削加工工序的安排原则

1）基准先行选为精基准的表面，应先进行价格，以便为后续工序提供可靠的精基准。

如轴类零件的中心孔、箱体的地面或剖分面、齿轮的内孔和一端面等，都应安排在初始工序加工完成。

2）先粗后精各表面均应按照粗加工→半精加工→精加工的顺序依次进行，以便逐步提高加工精度和降低表面粗糙度。

3）先主后次先加工主要表面（如定位基面、装配面、工作面），后加工次要表面（如自由表面、键槽、螺纹孔等），次要表面常穿插进行加工，一般安排在主要表面达到一定精度之后、最终精加工之前。

该零件的加工顺序应严格按照以上原则进行加工。

3.3定位基准的选择

（1）粗基准的选择粗车时以¢212外圆和¢212上端面为粗基准，并加工出精基准。

（2）精基准的选择精加工时以¢167外圆及¢212下端面为精基准。

3.4加工阶段的划分

零件加工时，往往不是依次加工完各个表面，而是将各表面的粗、精加工分开进行，为此，一般都将整个工艺过程划分几个加工阶段，这就是在安排加工顺序时所应遵循的工艺过程划分阶段的原则。

按加工性质和作用的不同，工艺过程可划分如下几个阶段：

（1）粗加工阶段——这阶段的主要作用是切去大部分加工余量，为半精加工提供定位基准，因此主要是提高生产率问题。

（2）半精加工阶段——这阶段的作用是为零件主要表面的精加工作好准备，并完成一些次要表面的加工。

（3）精加工阶段——对于零件上精度和表面粗糙度要求（精度在IT7级或以上，表面粗糙度在Ra0.8以下）的表面，还要安排精加工阶段。

这阶段的主要任务是提高加工表面的各项精度和降低表面粗糙度。

3.5主要机加工工序简图

工序号

工序内容

工序简图

15

1..夹212外圆，车¢167外圆控制长度尺寸20、下端面、镗内孔¢107

控制长度尺寸22、内槽。

2.调头夹¢167外圆，车上端面、镗内孔¢93

、内槽

20

1.钻3-¢9中心孔

2.钻3-¢9底孔¢8.5

3.铰3-¢9孔。

4.铣3-¢14沉孔。

25

1.钻孔¢1。

2.钻斜孔¢5。

3.钻斜孔¢9.

4.工序尺寸及公差的确定

每道工序完成后应包子的尺寸成为该工序的工序尺寸。

工件上的设计尺寸及其公差是经过各加工工序后得到的。

每道工序的工序尺寸都不相同，他们组不向设计尺寸接近。

为了最终保证工件的设计要求，各中间工序的工序尺寸及其公差需要计算确定。

工序余量确定后，就可计算工序尺寸。

工序尺寸及其公差的确定要根据工序基准或定位基准与设计基准是否重合，采取不同的计算方法。

4.1基准重合时的工序尺寸

加工尺寸

工序余量（单边）mm

工序尺寸及公差mm

表面粗糙度Ra/μm

粗

半精

精

粗

半精

精

粗

半精

精

¢107

2

0.5

0.15

¢106

¢106.7

¢107

6.3

3.2

1.6

¢110

1.35

0.15

¢109.7

¢110

3.2

1.6

¢123

8

0.15

¢122.7

¢123

3.2

1.6

加工尺寸

工序余量（单边）mm

工序尺寸及公差mm

表面粗糙度Ra/μm

粗

半精

精

粗

半精

精

粗

半精

精

¢93

2.5

0.35

0.15

¢92

¢92.7

¢93

6.3

3.2

1.6

¢106

6.35

0.15

¢105.7

¢106

3.2

1.6

4.2基准不重合时的工序尺寸

尺寸链图

尺寸计算

L1=133-35-20=78

EI=0-0-0.21=-0.21

ES=-0.4-（-0.25）-0=-0.15

因此L1为78

5.设备及其工装的确定

5.1机床及夹具的选用

工序15该工序主要加工外圆、内孔及槽，在普通机床上很难完成且加工效率低，所以选择在数控车床上加工，夹具选用三爪卡盘装夹，第二次装夹时需要选用软爪进行装夹，这样可以保证各表面的跳动量。

工序20该工序主要加工孔，选择在数控铣床上加工，夹具选用三爪卡盘装夹，卡爪用软爪。

工序25该工序加工斜孔及直孔¢10，选择在钻床上加工，夹具选用钻床专用夹具。

5.2刀具的选择

从零件图中分析，根据其加工特性，确定该零件的加工刀具如表5.1所示。

表5.1机械加工刀具卡片

刀具名称

刀具材料

刀具规格

加工部位

外圆粗车刀

YT15

90°刀尖

粗车外圆轮廓、端面

外圆精车刀

YT15

75°刀尖

精车外圆轮廓、端面

粗镗刀

YT15

60°刀尖

粗镗内孔

精镗刀

YT15

45°刀尖

精镗内孔

内切槽刀

YT15

3mm刀宽

切内直槽

成型槽刀（内）

YT15

专用刀具

切内梯形槽

中心钻

高速钢

¢2mm

钻中心孔

麻花钻

硬质合金

¢8.5mm

钻3-¢9底孔

铰刀

硬质合金

¢9

铰3-¢9孔

立铣刀

硬质合金

¢14mm

铣沉孔

麻花钻

硬质合金

¢9.5

钻¢10底孔

铰刀

硬质合金

¢10

铰¢10孔

麻花钻

硬质合金

¢5

钻斜孔¢5

麻花钻

硬质合金

¢9

钻斜孔¢9

5.3量具的选择

该零件属于中批量生产，因此选用通用量具进行测量，外圆尺寸可直接采用游标卡尺测量；内孔¢107

和¢93

选用内径表进行测量；梯形槽底径选用内径卡爪进行测量；各孔选用专用量具进行测量。

具体请参见第三章量具设计说明书。

6.切削用量的确定

数控车削加工中的切削用量包括背吃刀量ap、主轴转速n或切削速度vc（用于恒线速度切削）、进给速度vf或进给量f。

这些参数均应在机床给定的允许范围内选取。

6.1切削用量的选用原则

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。

选择切削用量时应首先选取尽可能大的背吃刀量ap，其次根据机床动力和刚性的限制条件，选取尽可能大的进给量f，最后根据刀具耐用度要求，确定合适的切削速度vc。

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。

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。

选择精车的切削用量时，应着重考虑如何保证加工质量，并在此基础土尽量提高生产率。

因此，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。

6.2切削用量的选取方法

①背吃刀量的选择 粗加工时，除留下精加工余量外，一次走刀尽可能切除全部余量。

也可分多次走刀。

精加工的加工余量一般较小，可一次切除。

在中等功率机床上，粗加工的背吃刀量可达8～10mm；半精加工的背吃刀量取0.5～5mm；精加工的背吃刀量取0.2～1.5mm。

②进给速度（进给量）的确定  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νf可以按公式νf=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。

③切削速度的确定 切削速度vc可根据己经选定的背吃刀量、进给量及刀具耐用度进行选取。

实际加工过程中，也可根据生产实践经验和查表的方法来选取。

粗加工或工件材料的加工性能较差时，宜选用较低的切削速度。

精加工或刀具材料、工件材料的切削性能较好时，宜选用较高的切削速度。

切削速度vc确定后，可根据刀具或工件直径（D）按公式n=l000vc/πD来确定主轴转速n（r/min）。

在工厂的实际生产过程中，切削用量一般根据经验并通过查表的方式进行选取。

常用硬质合金或涂层硬质合金切削不同材料时的切削用量推荐值见表1表2为常用切削用量推荐表，供参考。

表1 硬质合金刀具切削用量推荐表

刀具材料

工件材料

粗 加 工

精 加 工

切削速度（m／min

进给量（mm／r）

背吃刀量mm

切削速度（m／min

进给量（mm／r）

背吃刀量mm

硬质合金或涂层硬质合金

碳钢

220

0.2

3

260

0.l

0.4

低合金刚

180

0.2

3

220

0.l

0.4

高合金钢

120

0.2

3

160

0.l

0.4

铸铁

80

0.2

3

120

0.l

0.4

不锈钢

80

0.2

2

60

0.l

0.4

钛合金

40

0.2

1.5

150

0.l

0.4

灰铸铁

120

0.2

2

120

0.15

0.5

球墨铸铁

100

0.2

0.3

2

120

0.15

0.5

铝合金

1600

0.2

1.5

1600

0.l

0.5

表2 常用切削用量推荐表

工件材料

加工内容

背吃刀

ap／mm

切削速度vc／m·min-1

进给量f/mm·r-l

刀具材料

碳素钢σb>600MPa

粗加工

5-7

60～80

0.2～0.4

YT类

粗加工

2-3

80～120

0.2～0.4

精加工

2-6

120～150

0.1～0.2

碳素钢σb>600MPa

钻中心孔

500～800r·min-1

钻中心孔

W18Cr4V

钻孔

25～30

钻孔

切断（宽度<5mm）

70～110

0.1～0.2

切断（宽度<5mm）

YT类

铸铁HBS<200

粗加工

50～70

0.2～0.4

YG类

精加工

70～100

0.1～0.2

切断（宽度<5mm）

50～70

0.1～0.2

切断（宽度<5mm）

50～70

0.1～0.2

切断（宽度<5mm）

6.3选择切削用量时应注意的几个问题

主轴转速 应根据零件上被加工部位的直径，并按零件和刀具的材料及加工性质等条件所允许的切削速度来确定。

切削速度除了计算和查表选取外，还可根据实践经验确定，需要注意的是交流变频调速数控车床低速输出力矩小，因而切削速度不能太低。

根据切削速度可以计算出主轴转速。

综上所述，该零件的切削用量选择见工序卡片。

第二章第25号工序夹具设计说明书

1.工序尺寸精度分析

该工序的主要内容为钻¢10直孔、¢9斜孔、¢5斜孔，其精度等级为IT12，表面粗糙度为6.3，分别设计钻两斜孔的夹具，设计夹具的目的是为了能够有正确的位置加工两斜孔，并保证加工效率。

2.定位方案确定

根据工件的加工要求，该工件必须限制工件的五个自由度，即：

X移动、X转动、Z转动、Y移动、Y转动，为了方便控制刀具的走刀位置，还应控制Z移动，因而六个自由度均被控制了。

（1）加工¢5孔时以¢107内孔、¢9孔、¢167下端面为定位基准，以¢212上端面限制Z移动。

（2）加工¢9孔时以¢93内孔、¢9孔、零件上端面为定位基准，以¢167下端面限制Z移动。

3.定位元件确定

（1）加工¢5孔时的定位元件有定位板，在定位板上安装的有¢107的定位芯轴和¢9的定位销钉。

（2）加工¢9孔时的定位元件有定位板，在定位板上安装的有¢93的定位芯轴和¢9的定位销钉。

4.定位误差分析

基准不重合误差ΔB=0，基准位移误差ΔY=0.025mm。

ΔD=ΔY=0.025mm。

所以，ΔD<1/3T，满足要求。

5.夹紧方案及元件确定

（1）加工¢5孔时，选用压板进行压紧，因此选用的压紧元件有压板、双头螺栓、带肩六角螺母、连接螺母、球头螺栓等。

（2）加工¢9孔时，选择用盖板压紧的方式进行压紧，所选用的压紧元件有、盖板、双头螺栓、带肩六角螺母、连接螺母、垫片等。

6.夹具总装草图

钻¢5孔夹具装配图

钻¢9孔夹具装配图

第三章第15号工序刀具设计说明书

1.工序尺寸精度分析

该工序加工精度高，其中梯形槽的加工需要设计成型刀进行车削，其精度等级为IT6，表面粗糙度1.6。

2.刀具类型确定

该刀具完成的是粗车，余量较大，零件材料为45钢，所选刀具属于成型车刀，

3.刀具设计参数确定

序号

项目

数据来源或公式计算

采用值

1

车刀外行

表2-6、2-7

可换刀片式，梯形槽刀

2

刀片材料

YT15

刀杆材料

45钢

3

几何角度

表2-8、2-9

Λs=00γo=15°、αo=6°

κr=60°κr’=15°

4.刀具工作草图

第四章第20号工序量具设计说明书

1.工序尺寸精度分析

该工序测量3-¢9通孔，其中3-¢9的精度等级为IT8，表面粗糙度为Ra3.2um。

2.量具类型确定

对于3-¢9H8孔用光滑塞规进行测量，量具的材料为T10A，测量面的硬度为HRC58-HRC65。

3.极限量具尺寸公差确定

（1）确定工作量规制造公差和位置要素值，因Φ9H8的上偏差为ES=+0.042，下偏差EI=+0.02，尺寸为Φ9H8的量规公差为T=0.008mm，Z=0.008mm。

（2）计算工作量规的极限偏差Φ9js8孔用塞规

通规：

上偏差=ES-Z+T/2=+0.042-0.008+0.008/2=0.038mm。

下偏差=ES-Z-T/2=0.042-0.008-0.008/2=0.03mm。

止规：

上偏差=EI+T=0.028mm。

下偏差=EI=0.02mm。

4.极限量具公差带图

5.极限量具结构设计

第五章第15、20号工序数控编程设计说明书

1.工序数控加工工艺分析

工序15该工序主要为数控车削，车削外圆时的公差等级不高，内孔的精度要求较高，达到IT6，车削时应保证精度为IT8-9，表面粗糙度控制为Ra3.2Um，留磨量0.3mm。

工序20该工序为数控铣削，加工的部位主要为孔，其精度等级不高，在数控铣床加工的目的是为了提高加工效率和减少工人的劳动量。

2.走刀路线确定

（1）夹¢212外圆，以¢212上端面定位，粗车下端面控总长139.5、¢167外圆至¢168，控制长度20.5。

（2）粗镗内孔¢107

至¢106，控制长度31.5（包括毛坯上端面尺寸）。

（3）精镗内孔¢107

至¢106，留磨量0.3mm。

（4）切直槽。

（5）切梯形槽。

（6）精车外圆¢167及下端面至尺寸要求。

（7）切外槽。

（8）调头装夹¢167外圆，以¢212下端面定位，粗、精车零件上端面。

（9）粗、精镗内孔¢93

，留磨量0.3mm。

（10）切梯形槽。

（11）换数控铣床加工，夹¢167外圆，以¢167外圆下端面定位，钻3-¢9中心孔。

（12）钻3-¢9底孔¢8.5。

（13）铰3-¢9孔。

（14）铣3-¢14沉孔。

3.刀具及切削用量的选择

3.1刀具的选择

该零件的数控加工中主要为车外圆、镗内孔、切内外槽以及铣床上钻孔，由于该零件属于中批量生产，因此在刀具的选择时采取粗加工、精加工各一把车刀，具体的刀具选择情况表5.1所示。

表5.1数控加工刀具卡片

工序号

刀具编号

刀具名称

刀具规格

刀片材料

加工表面

15

T0101

外圆粗车刀

90°刀尖

YT15

粗车外圆及端面

T0202

外圆精车刀

75°刀尖

YT15

精车外圆及端面

T0303

粗镗刀

60°

YT15

粗镗内孔

T0404

精镗刀

45°

YT15

精镗内孔

T0505

内切直槽

刀宽3mm

YT15

切直槽

T0606

内梯形槽刀

专用刀具

YT15

切梯形槽

T0707

外槽刀

3mm刀宽

YT15

切外槽

20

T01

中心钻

¢2mm

高速钢

钻中心孔

T02

麻花钻

¢8.5mm

硬质合金

钻3-¢9底孔

T03

铰刀

¢9

硬质合金

铰3-¢9孔

T04

立铣刀

¢14

硬质合金

铣3-¢14沉孔

3.2切削用量的选择

切削用量的合理选择直接影响到零件的表面质量以及加工效率，因此切削用量的选择是数控加工工艺编制过程中不可缺少的一部分，根据经验及查表确定该零件在数控加工过程中的切削用量如表5.2所示。

表5.2数控加工切削用量表

加工表面

刀具号

主轴转速（r/min）

背吃刀量（mm）

进给速度（mm/min）

粗车外轮廓及端面

T0101

500

2

100

精车外轮廓

T0202

800

0.5

80

粗镗内孔

T0303

450

1.5

80

精镗内孔

T0404

700

0.3

60

切直槽

T0505

350

40

切梯形槽

T0606

400

35

切外槽

T0707

350

40

钻中心孔

T01

1200

2

120

钻3--¢9底孔

T02

800

2

100

铰3-¢9孔