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椭圆轴的设计与数控加工说明书

毕业设计说明书

题目椭圆轴的设计与数控加工

专业

班级

学生姓名XXX

指导教师

2015年05月02日

目录

1绪论1

2毕业设计任务2

2.1目的与要求2

2.2选题2

2.3设计要求2

2.4毕业设计课题3

2.5涉及的主要知识3

3二维图4

4三维图5

5零件工艺分析5

5.1零件结构工艺性的概念5

5.2零件图纸分析6

5.3毛坯的选择6

5.4定位基准的选择8

5.4.1粗基准的选择8

5.4.2精基准的选择8

5.5制定工艺路线8

6选择的设备8

6.1机床的选择8

6.2夹具的选择9

7切削用量的确定10

8刀具选择12

9手动编程13

11设计小结18

12参考文献19

.

摘要

椭圆轴在机械中主要用于支承齿轮带轮、凸轮以及连杆等传动件，传递扭矩，它是机器零件的重要组成部分。

由于很多零件有很多相同的组成部分，特别是轴类零件，由于对称性，所以很多零件的组成部分都是相同的，对于相同的部分数控加工通常可以用子程序编程，可以很大的提高效率。

用户宏程序允许使用变量，还可以进行算术和逻辑运算及条件转移，用户可根据需要开发一些固定循环，加工程序可用一条简单指令调出用户宏程序，使得编制形状相似零件或部位的加工程序更为方便，而且还能实现对复杂零件的手工编程加工，以及使一些特殊型面的加工变得非常方便。

本课题椭圆轴的设计主要是针对各传动零件传动轨迹为椭圆形的传动方式。

数控加工零件精度高、质量稳定。

数控机床的定位精度和重复定位精度都很高，较容易保证椭圆轴尺寸的一致性，只要工艺设计和程序正确合理，加之精心操作，就可以保证零件获得较高的加工精度，也便于对加工过程实行质量控制。

数控加工自动化程度高，可以减轻操作者的体力劳动强度。

加工过程是按输入的程序自动完成的，操作者只需起始对刀、装卸工件、更换刀具，在加工过程中，主要是观察和监督机床运行。

关键词：

椭圆轴；数控编程；

Abstract

Ellipticalshaftinthemachineismainlyusedforsupportingthebeltwheelgear,camandconnectingrodtransmissionparts,transmissiontorque,itisanimportantpartofmachineparts.Becausemanypartshavemanyofthesameparts,especiallyshaftparts,duetosymmetry,sothepartofalotofpartsarethesame,forNCmachiningofpartsofthesamecanusuallybeusedsubroutineprogramming,cangreatlyimprovetheefficiencyof.Usermacroprogramallowstheuseofvariables,canalsotransferarithmeticandlogicaloperationsandconditions,theusermayneedtodevelopsomefixedcycle,processingprogramusedasimplecommandtobringuptheusermacroprogram,theprocessingprogrammakespreparationofsimilarpartsorpartsoftheshapeismoreconvenient,butalsocanrealizethemanualprogrammingofcomplexpartsprocessing,andmakesomespecialsurfaceprocessinghasbecomeveryconvenient.

Thedesignismainlyaimedattheaxisofthetransmissionpartstransmissionpathfortransmissionoval.NCmachiningofhighprecision,stablequality.AccuracyandrepeatabilityofpositioningaccuracyofCNCmachinetoolsareveryhigh,iseasytoensuretheconsistencyoftheellipsesize,aslongastheprocessdesignandprogramarecorrectandreasonable,andcarefuloperation,canensurethatthepartstoobtainahigherprecision,butalsofacilitatetheimplementationofqualitycontrolofmachiningprocess.TheNCmachiningofhighdegreeofautomation,canreducelaborintensityoftheoperator'smanual.Theprocessiscompletedautomaticallyaccordingtotheinputprogram,theoperatoronlyneedstostartthetool,workpieceloadingandunloading,changetools,intheprocessingprocess,themainistoobserveandsupervisetheoperationofthemachinetool.

Keywords：

EllipticalaxisNCprogramming;

1绪论

在现时代,工业发达国家随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，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，可见对机床工业高度重视,竞相发展机电一体化、高精、高效、高自动化先进机床,以加速工业和国民经济的发展。

长期以来,欧、美、亚在国际市场上相互展开激烈竞争,已形成一条无形战线,特别是随微电子、计算机技术的进步,数控机床在20世纪80年代以後加速发展,各方用户提出更多需求,早已成为四大国际机床展上各国机床制造商竞相展示先进技术、争夺用户、扩大市场的焦点。

现代机械制造业的高技术趋势，促进机械制造业发展的有物理学、数学、生物学等机械制造业发展的方向主要是有切削加工技术的研究、精密、超精密加工技术和纳米加工技术的研究、先进制造技术的研究。

目前，数控机床的发展日新月异，高速化、高精度化、复合化、智能化、开放化、并联驱动化、网络化、极端化、绿色化已成为数控机床发展的趋势和方向。

中国作为一个制造大国，主要还是依靠劳动力、价格、资源等方面的比较优势，而在产品的技术创新与自主开发方面与国外同行的差距还很大。

中国的数控产业不能安于现状，应该抓住机会不断发展，努力发展自己的先进技术，加大技术创新与人才培训力度，提高企业综合服务能力，努力缩短与发达国家之间的差距。

力争早日实现数控机床产品从低端到高端、从制造大国到制造强国的转变。

数控加工技术是数控专业必须重视的课程。

这次的课题对于数控专业的学生来说是一个对数控加工技术的学习及总结。

课题涉及机械制造基础、机械机构的设计、实体设计软件及仿真软件。

对平时所学的理论知识是一个全面的考核，让学生系统的运用所学知识，让学生更好的掌握知识。

让学生在专业知识上分析问题、解决问题的能力有一定的提高。

从1952年世界第一台数控机床在美国诞生开始，数控机床对促进社会进步，提高大众的物质生活水平，改善人们的精神生活都起了非常重要的作用。

但随着世界工业的不断发展，数控机床技术迅速发展。

一个国家的工业水平好坏才可以正在体现出该国家的发展现状。

近年来，随着计算机技术的发展，数字控制技术已经广泛应用于工业控制的各个领域，尤其是机械制造业中，普通机械正逐渐被高效率、高精度、高自动化的数控机械所代替。

21世纪机械制造业的竞争，实质上是数控技术的竞争，一个国家的数控技术发展的程度也就反应了该国家机械制造业自动化能力的高低。

数控机床是集机械、电气、液压、气动、微电子和信息等多项技术为一体的机电一体化产品，是机械制造设备中具有高精度、高效率、高自动化和高柔性化等优点的工作母机。

数控机床的技术水平高低及其在金属切削加工机床产量和总拥有量的百分比是衡量一个国家国民经济标志之一。

数控车床是数控机床的主要品种之一，它在数控机床中占有非常重要的位置，几十年来一度发展成为自动化程度高、具有加工复杂形状零件的能力、加工精度高、质量稳定、生产效率高和易于建立计算机通信网络的特点。

近年来，随着计算机技术的发展，数字控制技术已经广泛应用于工业控制的各个领域，尤其是机械制造业中，普通机械正逐渐被高效率、高精度、高自动化的数控机械所代替。

目前国外机械设备的数控化率已达到85%以上，而我国的机械设备的数控化率不足20%，随着我国机制行业新技术的应用，我国世界制造业加工中心地位形成，数控机床的使用、维修、维护人员在全国各工业城市都非常紧缺，再加上数控加工人员从业面非常广，可在现代制造业需求大批数控专业的人才。

为满足国家的需要，国家正大力培养数控专业人才以满足市场的需要。

通过本次课程设计，应该得到下述各方面的锻炼：

1）能汇总所学的知识，让知识灵活运用于实际。

2）学会使用手册及图表资料。

掌握与本设计有关的各种资料的名称、出处、能够做到熟练运用。

2毕业设计任务

2.1目的与要求

1）培养学生综合运用所学的基础知识、专业知识和技能，提高解决实际问题的能力，而达到巩固、深化所学的知识与技能。

2）培养学生建立正确的科学思想，培养学生认真负责、实事求是的科学态度和严谨求实作风。

3）培养学生调查研究，收集资料，熟悉有关技术文件，运用国家标准、手册、资料等工具书进行机械零件设计或加工。

（如设计计算，数据处理，工程制图等）、编写技术文件等独立工作能力。

2.2选题

1）在充分满足教学要求和对学生技能训练的情况下尽可能结合实际选题。

2）题目的难易程度适当，使学生经过努力在规定时间内能独立完成为宜。

编写出符合要求的设计说明、正确编制数控加工程序、绘制二维、三维图形。

2.3设计要求

（1）拟定轴上零件的装配方案。

（2）各轴段直径和长度的确定。

（3）进行轴的强度和刚度校核计算。

2.4毕业设计课题

1）椭圆轴的设计与数控加工

工件名:

椭圆轴材料:

45#毛坯：

Φ50mm╳155mm设计总体要求:

数控车编程、（仿真）加工，根据图纸要求加工出满足设计要求的零件.

2.5涉及的主要知识

1）数控机床的合理选择

2）通过机械制造基础、机械制造工艺学查取相关知识

3）通过AUTOCAD、Mastercam制作二维、三维图

4）数控加工编程与斯沃仿真操作

3二维图

图3

4三维图

图4-1

图4-1

5零件工艺分析

5.1零件结构工艺性的概念

零件的结构工艺性是指在满足使用性能的前提下，是否能以较高的生产率和最低的成本方便地加工出来的特性。

为了多快好省地把所设计的零件加工出来，就必须对零件的结构工艺性进行详细的分析。

主要考虑如下几方面：

1）有利于达到所要求的加工质量

①合理确定零件的加工精度与表面质量加工精度若定得过高会增加工序，增加制造成本，过低会影响机器的使用性能，故必须根据零件在整个机器中的作用和工作条件合理地确定，尽可能使零件加工方便制造成本低。

②保证位置精度的可能性为保证零件的位置精度，最好使零件能在一次安装中加工出所有相关表面，这样就能依靠机床本身的精度来达到所要求的位置精度。

2）有利于减少加工劳动量

①尽量减少不必要的加工面积减少加工面积不仅可减少机械加工的劳动量，而且还可以减少刀具的损耗，提高装配质量。

5.2零件图纸分析

1）加工内容

零件主要是轴的加工，表面有椭圆、圆弧，并且零件被钻孔。

加工主要是外椭圆、外圆弧、钻孔、镗内孔、车内螺纹的加工。

2）加工要求

零件加工主要要求为：

Φ50mm的外圆表面上偏差为0，下偏差为-0.016mm，粗糙度Ra1.6um；Φ44mm的外圆表面上偏差为0，下偏差为-0.016mm，粗糙度Ra1.6um；Φ40的外圆表面上偏差为0，下偏差为-0.025mm。

5.3毛坯的选择

轴类零件是机器中经常遇到的典型零件之一。

它主要用来支承传动零部件，传递扭矩和承受载荷。

轴类零件是旋转体零件，其长度大于直径，一般由同心轴的外圆柱面、圆锥面、内孔和螺纹及相应的端面所组成。

根据结构形状的不同，轴类零件可分为光轴、阶梯轴、空心轴和曲轴等。

轴的长径比小于5的称为短轴，大于20的称为细长轴，大多数轴介于两者之间。

轴类零件的毛坯和材料：

1）轴类零件的毛坯轴类零件可根据使用要求、生产类型、设备条件及结构，选用棒料、锻件等毛坯形式。

对于外圆直径相差不大的轴，一般以棒料为主；而对于外圆直径相差大的阶梯轴或重要的轴，常选用锻件，这样既节约材料又减少机械加工的工作量，还可改善机械性能。

根据生产规模的不同，毛坯的锻造方式有自由锻和模锻两种。

中小批生产多采用自由锻，大批大量生产时采用模锻。

2）轴类零件的材料轴类零件应根据不同的工作条件和使用要求选用不同的材料并采用不同的热处理规范（如调质、正火、淬火等），以获得一定的强度、韧性和耐磨性。

45钢是轴类零件的常用材料，它价格便宜经过调质（或正火）后，可得到较好的切削性能，而且能获得较高的强度和韧性等综合机械性能，淬火后表面硬度可达45～52HRC。

40Cr等合金结构钢适用于中等精度而转速较高的轴类零件，这类钢经调质和淬火后，具有较好的综合机械性能。

轴承钢GCr15和弹簧钢65Mn，经调质和表面高频淬火后，表面硬度可达50～58HRC，并具有较高的耐疲劳性能和较好的耐磨性能，可制造较高精度的轴。

精密机床的主轴（例如磨床砂轮轴、坐标镗床主轴）可选用38CrMoAIA氮化钢。

这种钢经调质和表面氮化后，不仅能获得很高的表面硬度，而且能保持较软的芯部，因此耐冲击韧性好。

与渗碳淬火钢比较，它有热处理变形很小，硬度更高的特性。

45号钢广泛用于机械制造，这种钢的机械性能很好。

但是这是一种中碳钢，淬火性能并不好，45号钢可以淬硬至HRC42~46。

所以如果需要表面硬度，又希望发挥45＃钢优越的机械性能，常将45＃钢表面渗碳淬火，这样就能得到需要的表面硬度。

通过以上分析选择加工该椭圆轴的零件的材料为：

45#钢,毛坯尺寸为Φ50mmX100mm棒料。

5.4定位基准的选择

5.4.1粗基准的选择

根据粗基准选择应合理分配加工余量的原则，应选Φ50mm外圆表面为粗基准定位，车削左端面及转内孔，，以保证其加工余量均匀。

5.4.2精基准的选择

精基准选则时，重点考虑的是减少工件的定位误差，保证零件的加工精度和加工表面之间的位置精度，同时也要考虑零件的装夹方便、可靠、准确。

由零件的工艺分析可以知道，此零件的设计基准零件左端面，根据基准重合原则，应选设计基准为精基准，即以左端面为精基准。

由于多数工序的定位基准都是一面两孔，也符合基准同一原则。

5.5制定工艺路线

根据给定的零件图纸进行分析，需要两次装夹

1）第一道工序装夹工件一头加工图纸左边的零件部分。

用90°的外圆车刀车左端面及粗车外圆表面，再用35°外圆车刀精车外圆表面，

2）第二道工序。

零件掉头装夹加工椭圆及外圆表面的切槽。

掉头加工时已加工工件要套上铜管，这样就可以在装夹的时候不损伤已加工面。

6选择的设备

6.1机床的选择

数控车床的型号：

CA6140，机床的数控系统为FANUC-0iT.

床身上最大回转直径mm400

刀架上回转直径mm210二顶尖间距离mm750

主轴通孔直径mm52/76/80

主轴头形式A6；C8；D8

床身导轨宽度mm400

床身导轨硬度RC52

主电机功率kW7.5

技术参数

主轴转速范围（24）r/min10-1400

进给量范围（标准）mm/r0.08-1.59

进给量范围（细进给）mm/r0.028-0.054

进给量范围（加大进给）mm/r1.71-6.33

加工公制螺纹范围（44种）mm1-192

加工英制螺纹范围（20种）tpi24-2

加工模数螺纹范围（39种）mm0.25-48

加工径节螺纹范围（37种）DP1-96

性能描述

本机床适用于车削内外圆柱面，圆锥面及其它旋转面，车削各种公制、

英制模数和径节螺纹，并能进行钻孔，铰孔和拉油槽等工作。

6.2夹具的选择

车削薄壁工件时，由于工件的刚性差，在车削过程中受切削力和加紧力的作用极易产生变形，影响工件的尺寸精度和形状精度。

因此，合理的选择装夹方法是保证加工薄壁零件精度的关键。

此零件属于批量生产，而且加工精度不是很高，则采用通用夹具装夹。

由于此零件比较薄，选用夹具时必须考虑在夹紧力作用下易产生变形，从而影响加工精度和尺寸精度。

我们选择三爪卡盘（数控车床自带夹具）。

由于本设计加工轴类零件，根据加工要求，我们采用不完全定位装夹，只需约束Z轴的转动自由度和X、Y轴的移动自由度。

三爪卡盘（数控车床自带夹具）。

如下图

图6-1

7切削用量的确定

1）车Φ50mm端面。

①端面最大加工余量为3±0.05mm，由于两端都要加工，因此端面不必全部加工，而可以留出一部分，待以后加工另一个端面时加工掉，分两次加工，ap=1.5mm计。

②确定进给量f：

根据《切削用量简明手册》（第3版）（以下简称《切削手册》）表1.4，当刀杆长度为16mmX25mm，ap=1.5mm以及工件直径为Φ50mm时f=0.5~0.6mm/r，按CA6140车床说明书取f=0.3mm/r。

③确定切削速度：

按《切削手册》表1.27，切削速度的计算公式得（寿命选T=60min）.Vc=.124.1m/min所以切削速度取150m/min

④确定机床主轴转速：

ns=1000vc/Πdw=1000x150/Πx50r/mm=955.4r/mm。

按机床说明书选取n=1000r/mm.min。

2）粗车外圆

该工件外圆加工采用循环加工切削，故车削外圆背吃刀量、进给量、主轴转速及切削速度保持一致。

背吃刀量ap=2mm，进给量：

根据《切削手册》表1.4，选用f=0.3mm/r。

计算切削速度：

见《切削手册》表1.27，vc=122.9m/min，主轴转速ns=652r/mm，按机床说明书选取n=710r/mm,所以实际切削速度为v=114.5m/min。

3）精车外圆。

背吃刀量0.25mm，进给量f=0.07mm/r,同上vc=168m/min，ns=815r/mm,按机床说明书选取n=900r/mm，所以实际切削速度为v=150m/min。

4车轮廓凹槽

背吃刀量ap=1.5mm，进给量f=0.1～0.12mm/r（见《车工操作技能手册》（第2版）表3-49）。

按CA6140车床说明书选取f=0.1mm/r，通过查《切削手册》计算vc=100m/min，ns=1000r/mm。

调头加工另一端

1）端面切削同上

2）粗车外圆轮廓时（采用循环切削）

背吃刀量ap=1mm，f=0.4～0.5mm/r,按机床说明书选取f=0.46mm/r,切削速度：

按《切削手册》表1.27，根据切削速度计算公式（寿命选T=60min）vc=cv/Tmapxvfyvkv.所以Vc=128.3m/min。

确定机床主轴转速：

ns=1000vc/Πdw=817.2r/min,按机床说明书选取n=900r/min，实际切削速度v=150m/min。

6）精车外圆轮廓

背吃刀量ap=0.15mm,f=0.2mm/r（见《切削手册》及机床说明书），切削速度：

vc=234m/min，ns=989m/min，按机床说明书选取n=1200r/min

8刀具选择

数控加工台时费用高，为提高效益，数控加工对刀具提出了更高要求，不仅要刚性好，精度高，而且要尺寸稳定、耐用度高。

调整方便。

因此凡加工情况允许选用硬质合金刀具时，就不应选用高速钢具刀。

应尽量选用可转位刀片以减少刀具磨损后的更换和预调时间，选用涂层刀具以提高耐磨性。

精密镗孔应选用性能更好更耐磨的金刚石和立方氧化硼刀具。

车床上用刀选择可转位硬质合金刀具，根据工件材料，选择刀具材料为硬质合金，代号为YW类。

刀杆B×H=16×25。

1#粗车端面、外圆、凹槽：

Kr=90°kr′=15°a0=8°γ0=12°刀片边长10mm刀片厚度4mm

2#精车端面、外圆：

35°菱形刀片kr′=15°γ0=12°a0=14°~16°

3#切槽：

刀片直径为12mm刀宽为1.5mm

9手动编程

1）现用三爪卡盘夹住￠50mmX100mm棒料的一端，加工外圆及内孔的一些加工程序如下：

O01;

T0101;/90°外圆车刀/车外圆

G96S120M03;

G00X0Z92;

G94X0Z-3F0.2;

G71P10Q20U0.2W0.05F0.2;

N10G00X44Z90;

G01Z-5.2F0.07S180；

G01Z0;

N20G00X54.0Z92;

G00X40Z90;

G01Z70;

Z92;

M05;

M30;

O02;

T0101;/槽刀/

G97S600M03;

G00X45;

Z92;

G0X41Z85

G01X37.5F0.5;

Z83.3;

G00X45;

Z92;

M05;

M30;

2）调头车另一头，用三爪卡盘装夹在￠50的外圆上并用铜皮包着，加工程序如下：

O03;

T0101;/90°外圆刀/

G96S120M03;

G00X54.0Z3.0;

G71U2.0R0.5;

G71P10Q80U0.2W0.05F0.2;

N10G00X0;

G01Z0F0.1;

#101=0;

N20#102=30*SIN[#101];

#103=25*COS[#101]-25;

#101=#101+0.5;

G01X#102Z#103F0.2;

IF[#103GE-19]GOTO20;

G01X40.0Z-29.0;

W-17.0;

X43;

X50W-1.5;

Z-57.0;

N80G00X54.0;

G00X80.0Z80.0;

T0202;/35°外圆刀/

X54.0Z3.0;

G70P10Q80;

G00X80.0Z80.0;

M05;

M30;

11设计小结

此次设计贯穿了本专业所学到的理论知识与实践操作技术，从分析设计到计算