数控车辊轴的加工编程机电系毕业设计.docx
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数控车辊轴的加工编程机电系毕业设计
济源职业技术学院
毕业设计
题目
数控车辊轴的加工编程
系别
机电工程系
专业
机电一体化技术
班级
姓名
学号
指导教师
日期
设计任务书
设计题目：
数控车辊轴的加工编程
设计要求：
1、了解数控的构成与使用规程。
2、绘制零件的CAD图。
下图所示：
3、一定要保证零件的车削精度，不能出现零件有损坏的情况。
4、选择合适的刀具。
5、选择合适的夹具。
6、编写零件的数控程序，并检查执行程序。
设计进度要求：
第一周：
确定毕业设计题目。
第二、三周：
查阅文献，收集资料。
第四周：
拟定总体方案设计。
第五、六周：
完成零件图绘制及其他设计任务。
第七周：
对设计进行完善、修改。
第八周：
完成设计，打印初稿。
指导教师（签名）：
孙海燕
摘 要
本次设计是进行一个直径是50mm长95mm的轴类零件设计，材料为42CrMo合金钢，这个轴类零件由圆弧、倒角、工艺退刀槽及螺纹面构成，它几乎涉及到数控。
起来综合运用。
其表面参数要求严格，比如：
零件部分表面粗糙度要达到Ra1.6，其余不重要的表面要达到Ra12.5。
这个轴零件的主要参数、设计要求、加工程序等都很重要。
通过对课题任务的分析，先用CAD把零件图画出来，从中温习了以往学的CAD知识；对零件图进行分析，确定零件的加工工艺（选择夹具，工件装夹方法与刀具的选择，对刀点与换刀点的确定，切削用量的选择，以及确定加工顺序和走刀路线确定）；然后根据零件图用华中数控系统编程要求进行加工程序的编制，并在数控机床上加工出符合要求的零件。
关键词：
CAD，华中数控，编程，加工工艺
目 录
1数控机床的加工特点及发展趋势
1.1数控机床的加工特点
1.可以加工有复杂型面的工件
由前述数控机床加工过程可以看出，数控机床刀具的运动轨迹是由加工程序决定的，因此只要能编制出程序，多么复杂的型面工件都能加工。
例如采用五轴联动的数控机床，就能加工螺旋桨的空间曲面。
2.加工精度高，尺寸一致性好
数控机床本身的精度都比较高，一般数控机床的定位精度为正负0.01mm，重复定位精度为正负0.005mm，在加工过程中工人不参与操作，因此工件的加工精度全部由数控机床保证，消除了操作着的人为误差。
因而加工出来的工件精度高，尺寸一致性好，质量稳定。
3.生产效率高
数控机床的主轴转速、进给速度和快速定位速度高，可以合理地选择高的切削参数，充分发挥刀具的性能，减少切削时间，还可以自动地完成一些辅助动作，精度高且稳定，不需要在加工过程中进行中间测量，因而能连续地完成整个加工过程，减少了辅助动作时间和停机时间，因此数控机床的生产效率高。
4.减轻工人劳动强度，可实现一人多机操作
一般数控机床加工出第一个合格工件后，工人只需要进行工件的装夹和启动机床的操作，因此减轻了工人的劳动强度。
现在的数控机床的可靠性提高，保护功能齐全，因此当一个工件的加工时间超出工件的装夹时间时，就能实现一人多机操作。
5.经济效益明显
虽然数控机床一次性投资及日常维修保养费用较普通机床高很多，但是如能充分地发挥数控机床的能力，将会带来很高的经济效益。
这些效益不仅表现在生产效率高，加工质量好，废品少上，使用数控机床还能带来减少工装和量刃具，缩短生产周期，减少在制品数量，缩短新产品试制周期等方面。
因此，使用数控机床能带来明显的经济效益。
1.2数控机床今后的发展趋势
目前，数控机床的品种、规格很多，几乎所有的机床均有数控化的品种了，而其精度、生产效率和自动化均已发展到相当高的程度，但是随着一些相关技术的发展，例如刀具新材料和超高速切削理论的出现、主轴伺服和进给伺服技术的发展和用户对生产效率和精度日益提高的要求，数控机床的发展势头不仅没有停止，反而更加快了。
（1）高精度化数控机床的精度，包括机床的几何精度和加工精度，而高的几何精度是提高加工精度的基础。
几何精度中最主要的是定位精度。
到80年代末期，国外一般的加工中心的全程定位精度已达到正负0.005―0.008mm。
90年代初中期全程定位精度达到正负0.002―0.005mm的加工中心已经越来越多。
定位精度的提高，加上机床的结构特性和热稳定的提高，使得数控机床加工精度也得到了大幅度地提高。
同样仍以加工中心为例，加工精度从过去的正负0.01mm提高到正负0.005mm，个别的已经达到正负0.0015mm。
（2）高速化提高生产率一直是机床技术发展的一个基本目标，数控机床的出现和快速的发展，其原因之一，就是其生产效率比一般普通机床要高。
进10年来，数控机床的生产效率又提高了很多，主要方法是减少切削时间和非切削时间。
减少切削时间是从提高切削速度，即提高主轴转速来实现的。
加工中心的主轴转速已从10年前一般为4000―6000r/min提高到8000―12000r/min，最高的在100000r/min以上，数控车床的主轴转速也提高到5000―20000r/min，磨削的砂轮线速度提高到100―200m/s。
根据最新的统计，加工中心的切削时间不超过整个工作时间的55%，因此减少非切削时间是提高生产效率的一个主要手段。
费切削时间由两部分组成：
一是空程时间，即快速移动所需的时间；另一是辅助时间，即主要是刀具交换时间和工件交换时间。
要缩短空程时间，就需要提高快速移动的时间。
目前，一般的快速移动速度已达到20―24m/min，个别的在30m/min左右，最快的可达60m/min。
特别是直线移动进给伺服电动机的出现，为进一步提高快速移动速度带来了新的可能性。
要减少辅助动作的时间，就需要缩短自动变换刀具的时间和自动交换工作的时间。
目前，数控车床刀架的转位时间已达到0.4―0.6s，加工中心刀具自动交换时间已达到3s左右，快的能达到1s以内。
而加工中心托板交换时间已达从过去的12―20s缩短到6―10s，快的已达到2.5s。
（3）高自动化自数控装置发展到以微处理器为主题组成的CNC系统以后，系统的功能得到不断扩大，因此数控机床的自动化程度也不断提高。
除了自动换刀和自动交换工件外，先后出现了刀具寿命管理、自动更换备用刀具、刀具尺寸自动测量和补偿、工件尺寸自动测量及补偿、切削参数的自动调整等功能，使单机自动化达到了很高的程度。
刀具的破损和磨损的监控功能也在不断地完善。
（4）高复合化所谓复合化，就是把不同机床的功能集中在一台机床中体现出来，其典型代表当是加工中心，它将钻、铣、镗床的功能集于一身。
它可以完成钻、铣、镗、扩孔、铰孔、攻螺丝等程序。
近年来，又出现了复合化程度更高的数控机床，例如在加工中心上增加车削和磨削功能。
由于这种机床不仅能保证更高的加工精度，还可以大大提高工作效率、节约占地面积、节约投资，因而受到用户的普遍欢迎，使得这一发展趋势方兴未艾。
（5）新型结构的数控机床不断出现近年来，美国、瑞士、俄罗斯等国开发出了所谓六条腿的加工中心，这种加工中心突破了原来数控机床结构技术。
它采用可以伸缩的六条腿（伺服轴）支撑并联接上平台（安装有主轴头）与下平台（安装有工件）的结构型式，取代了传统的床身、立柱等支撑结构，而没有任何导轨和滑板的所谓“虚轴机床”，具有机械结构简单化和运动轨迹计算复杂化的特征，其最显著的优点是机床的基本性能高，精度相当于坐标测量机。
与传统的加工中心相比，精度高2―10倍，加工效率高5―10倍。
今后，随着这种结构技术的发展与成熟，预示着数控机床的技术将进入一个有重大变革和创新的时代。
2数控编程基本知识
2.1机床坐标轴
为简化编程和保证程序的通用性，对数控机床的坐标轴和方向命名制订了统一的标准，规定直线进给坐标轴用X,Y,Z表示，常称基本坐标轴。
X,Y,Z坐标轴的相互关系用右手定则决定，如图2.1所示，图中大拇指的指向为X轴的正方向，食指指向为Y轴的正方向，中指指向为Z轴的正方向。
图2.1机床坐标轴
围绕X，Y，Z轴旋转的圆周进给坐标轴分别用A，B，C表示，根据右手螺旋定则，如图所示，以大拇指指向+X，+Y，+Z方向，则食指、中指等的指向是圆周进给运动的+A，+B，+C方向。
数控机床的进给运动，有的由主轴带动刀具运动来实现，有的由工作台带着工件运动来实现。
上述坐标轴正方向，是假定工件不动，刀具相对于工件做进给运动的关系，工件运动的正方向恰好与刀具运动的正方向相反，即有：
+X=﹣X＇，+Y=﹣Y＇，+Z=﹣Z＇，
+A=﹣A＇，+B=﹣B＇，+C=﹣C＇
同样两者运动的负方向也彼此相反。
机床坐标轴的方向取决于机床的类型和各组成部分的布局，对车床而言：
——Z轴与主轴轴线重合，沿着Z轴正方向移动将增大零件和刀具间的距离；
——X轴垂直于Z轴，平行于横向拖板的方向，以轴心线为界，刀架沿着X轴正方向移动将增大零件和刀具间的距离；
——Y轴与X轴和Z轴一起构成循环右手定则的坐标系统。
图2.2车床坐标轴及其方向
注意：
上述针对数控车床进行说明，其为X、Z两轴联动
2.2机床坐标系、机床零点和机床参考点
机床坐标系是机床固有的坐标系，机床坐标系的原点称为机床原点或机床零点。
在机床经过设计、制造和调整后，这个原点便被确定下来，它是固定的点。
数控装置上电时并不知道机床零点，为了正确地在机床工作时建立机床坐标系，通常在每个坐标轴的移动范围内设置一个机床参考点，机床起动时，通常要进行机动或手动回参考点以建立机床坐标系。
机床参考点可以与机床零点重合，也可以不重合，通过参数指定机床参考点到机床零点的距离。
机床回到了参考点位置，也就知道了该坐标轴的零点位置，找到所有坐标轴的参考点，CNC就建立起了机床坐标系。
机床坐标轴的机械行程是由最大和最小限位开关来限定的。
机床坐标轴的有效行程范围是由软件限位来界定的，其值由制造商定义。
机床零点（OM）、机床参考点（Om）、机床坐标轴的机械行程及有效行程的关系如下图2.3所示：
图2.3机床零点（OM）和机床参考点（Om）
3复合固定循环
复合固定循环主要用于轮廓形状较为复杂的轴类零件的车削循环加工。
华中系统的复合循环指令与其他系统的复合循环指令相比，无需用精车循环指令（G70）便可完成零件的粗精加工全部动作，更加简洁、方便。
3.1外径车削循环指令（G71）
（1）作用适用于圆柱毛坯料外径车削及圆筒毛坯料内径车削。
（2）指令格式：
G71U（d）R（e）P（ns）Q（nf）X（u）Z（w）F（f）S（s）T（t）
注释：
d——粗加工时X向每刀背吃刀量（半径值）；
e——粗加工每刀退刀量（半径值）；
ns——顺循环程序中第一个程序段序号；
nf——顺循环程序中最后一个程序段序号；
u——X轴方向精车余量；
w——Z轴方向精车余量；
f——粗加工进给速度；
s——粗加工主轴转速；
t——粗加工所用刀具号。
3.2端面车削复合循环指令（G72）
（1）作用适用于圆柱棒料毛坯端面的车削。
（2）指令格式：
G72W（d）R（e）P（ns）Q（nf）X（u）Z（w）F（f）T（t）S（s）
注释：
d——粗加工时Z向每刀背吃刀量（半径值）；
e——粗加工Z向每刀退刀量（半径值）；
ns——顺循环程序中第一个程序段序号；
nf——顺循环程序中最后一个程序段序号；
u——X轴方向精车余量；
w——Z轴方向精车余量；
f——粗加工进给速度；
s——粗加工主轴转速；
t——粗加工所用刀具号。
3.3封闭轮廓循环指令（G73）
（1）作用适用于毛坯轮廓形状与零件轮廓形状基体接近时的车削加工，例如一些锻件、铸件的车削。
（2）指令格式：
G73U（i）W（k）R（d）P（ns）Q（nf）X（u）Z（w）F（f）S（s）T（t）
注释：
i——X轴上粗加工的总退刀量（半径值）；
k——Z轴上粗加工的总退刀量；
d——粗加工进给次数；
ns——精加工路线的第一个程序段的顺序序号；
nf——精加工路线的最后一个程序段的顺序序号；
u——X轴方向上精加工余量；
w——Z轴方向上精加工余量；
f——粗加工进给速度；
s——粗加工主轴转速；
t——粗加工所用刀具号。
4数控加工程序的格式及其指令
4.1程序的格式
零件的加工程序又程序段组成。
程序段格式是指一个程序段中字、字符、数据的书写规则，不同的数控系统往往有不同的程序段格式，格式不符合规格，则数据系统不能接受。
通常有字-地址程序段格式、使用分隔符的程序段格式和固定程序段格式；最常用的为字-地址程序段格式。
字-地址程序段格式由语句号字、数据字和程序段结束符组成。
其编排顺序如下：
N_G_X_Y_Z_I_J_K_P_Q_R_A_B_C_F_S_T_M_LF
注意：
上述格式段中包括的各种指令并非在加工程序的每个程序段都必须具备，而是根据各程序的具体功能来编入相应的指令。
4.2常用地址符
在程序段中表示地址的英文字母可分为尺寸字地址和非尺寸字地址两类。
尺寸字地址的英文字母有X、Y、Z、U、V、W、P、Q、I、J、K、A、B、C、D、E、R、H共18个字母，非尺寸字地址有N、G、F、S、T、M、L、O等8个字母。
4.3辅助功能及其它功能指令
4.3.1辅助功能指令（M指令）
所谓的M指令是控制数控机床开、关功能的指令，主要用于完成加工操作时的辅助动作。
M00——程序暂停指令；
M02——程序结束指令；
M03——主轴正转指令；
M04——主轴反转指令；
M05——主轴停止指令；
M06——换刀指令；
M07——切削液打开指令；
M09——切削液停止指令；
M98——子程序调用指令；
M99——从子程序返回指令。
4.3.2刀具功能指令（T指令）
T指令用于选刀，其后的数值表示选择的刀具号或刀具号和刀具补偿号。
T指令与刀具的关系是由机床制造厂规定的。
4.3.3进给功能指令（F指令）
F指令表示工件被加工时刀具相对于工件的合成进给速度，F的单位取决于使用G94（每分钟进给量，mm/min），还是G95（每转进给量，mm/r）。
4.3.4主轴转速功能指令（S指令）
主轴转速功能S指令控制主轴转速，其后的数值表示主轴转速，单位为r/mm，指定的速度可以通过机床面板上的主轴倍率开关调整。
4.3.5数控系统常用G指令
G00——快速定位
G01——直线插补
G02——圆弧顺时针插补
G03——圆弧逆时针插补
G04——暂停
G17——XY平面选择
G18——XZ平面选择
G19——YZ平面选择
G40——取消刀具半径补偿
G41——刀具半径左补偿
G42——刀具半径右补偿
G71——外径/内径车削复合循环
G72——端面车削复合循环
G73——螺纹车削复合循环/深孔钻削循环
G90——绝对编程
G91——相对编程
G92——工件坐标系设定
G94——每分钟进给
G95——每转进给
5零件工艺及编程加工
5.1数控工艺分析
5.1.1零件图工艺分析
如图5.1所示，零件是一个由圆弧面、外圆柱面、螺纹构成的外形较复杂轴类。
图5.1零件图
（1）零件材料为42CrMo，选择毛坯为Φ50mm×95mm，锻件，调质硬度HB=240―286。
未注倒角2×45°，其余表面粗糙R12.5。
（2）加工方案及加工路线的确定。
以零件右端面中心作为坐标原点建立工件坐标系。
根据零件尺寸精度及技术要求，应将粗、精加工分开来考虑，确定的加工工艺路线为要求，用：
夹住Φ25h7一端→车削右端面→右偏刀加工M16、Φ20、R40、Φ35h7、Φ40各外圆达到图纸要求，用螺纹刀加工M16。
然后用左偏刀车加工Φ25h7和倒角达到图纸要求，最后倒角和切断零件。
5.1.2加工准备
在自动编程过程中，加工工艺决策是加工能否顺利完成的基础，必须依据零件的形状特点、工件的材料、加工的精度要求、表面粗糙度要求，选择最佳的加工方法、合理划分加工阶段、选择适宜的加工刀具、确定最优的切削用量、确定合理的毛坯尺寸与形状、确定合理的走刀路线，最终达到满足加工要求、减少加工时间、降低加工费用的目的。
5.1.3工序划分的主要原则：
1、保证加工质量；
2、合理使用设备；
3、先粗后精；
4、先主后次；
5、先基准后其他；
6、尽量减少换刀次数。
5.1.4数控机床的准备
选用以武汉华中数控公司生产的CJK6032数控车床进行加工。
在切削加工前，要求检查机床的各个部分是否可以正常工作进行，切削液的开启及机床的防护是否正常，并且对机床需润滑部分进行加油等。
5.1.5装夹方式和夹具的选择
数控加工对夹具主要有两大要求：
一是夹具有足够的精度和刚度；二是夹具应有可靠的定位基准。
选用夹具时，通常考虑以下几点：
（1）尽量选用可调整夹具、组合夹具及其它通用夹具，避免采用专用夹具，以缩短生产准备时间。
（2）在成批生产时才考虑采用专用夹具，并力求结构简单。
（3）装卸工件要迅速方便，以减少机床的停机时间。
（4）夹具在机床上安装要准确可靠，以保证工件在正确的位置上加工。
5.2夹具的类型
数控车床上的夹具主要有两类：
一类用于盘类或短轴类零件，工件毛坯装夹在带可调卡爪的卡盘（三爪、四爪）中，由卡盘传动旋转；另一类用于轴类零件，毛坯装在主轴顶尖和尾架顶尖，工件由主轴上的拨动卡盘传动旋转。
数控车床上的夹具，一般安装在工作台上，其形式根据被加工工件的特点可多种多样。
如：
三爪卡盘。
5.3工件装夹方法与刀具的选择
5.3.1工件装夹方法
数控机床上零件的安装方法与普通机床一样，要合理选择基准和夹紧方案，注意一下三点：
（1）力求设计、工艺与编程计算的基准统一，这样有利于编程时数值计算的简便性和准确性。
（2）尽量减少装夹次数，尽可能在一次定位装夹后加工出全部待加工表面。
（3）避免采用占机人工调整加工方案，以便能充分发挥出数控机床的效能。
5.3.2刀具的选择
刀具寿命与切削用量有密切关系。
在制定切削用量时，应首先选择合理的刀具寿命，而合理的刀具寿命则应根据优化的目标而定。
一般分最高生产率刀具和最低成本刀具寿命两种，前者根据单件工时最少的目标确定，后者根据工序成本最低的目标确定。
选择刀具寿命时可考虑如下几点：
根据刀具复杂程度、制造和磨刀成本来选择。
复杂和精度高的刀具寿命应选得比单刃刀具高些。
对于机夹可转位刀具，由于换刀时间短，为了充分发挥其切削性能，提高生产效率，刀具寿命可选得低些，一般取15~30min。
对于装刀、换刀和调刀比较复杂的多刀机床、组合机床与自动化加工刀具，刀具寿命应选得高些，尤其应保证刀具可靠性。
车间内某一工序的生产率限制了整个车间的生产率的提高时，该工序的刀具寿命要选得低些；当某工序单位时间内所分担到的全长开支较大时，刀具寿命也应选得低些。
大件精加工时，为保证至少完成一次走刀，避免切削时中途换刀，刀具寿命应按零件精度和表面粗糙度来确定。
与普通机床加工方法相比，数控加工对刀具提出了更高的要求，不仅需要刚性好、精度高，而且要求尺寸稳定，耐用度高，断和排性能坛同时要求安装调整方便，这样来满足数控机床高效率的要求。
数控机床上所选用的刀具常采用适应高速切削的刀具材料（如高速钢、超细粒度硬质合金）并使用可转位刀片。
根据对零件图纸的分析，加工所选择的刀具请参看表5.1（刀具卡）
表5.1刀具的切削参数
加工步骤
刀具切削参数主轴转速
序号
加工内容
刀具规格
n/r.min
进给速度
v
/mm.min
类型
材料
1
粗、精加工外轮廓
（T01）93°外圆偏刀
硬质合金
800
100、80
2
车M16螺纹
（T02）60°普通螺纹车刀
800
100
3
切槽刀
（T03）切槽刀,刀宽4
800
30
4
粗、精加工Φ25
（T04）90°左偏刀
800
100、30
5.4对刀点与换刀点的确定
5.4.1对刀点
对刀点是指通过对刀确定刀具与工件相对位置的基准点。
对于数控机床来说，在加工开始时，确定刀具与工件的相对位置是很重要的，这一相对位置是通过确认对刀点来实现的。
对刀点可以设置在被加工零件上，也可以设置在夹具上与零件定位基准有一定尺寸联系的某一位置，对刀点往往就选择在零件的加工原点。
对刀点的选择原则如下：
（1）所选的对刀点应使程序编制简单。
（2）对刀点应选择在容易找正、便于确定零件加工原点的位置。
（3）对刀点应选在加工时检验方便、可靠的位置。
（4）对刀点的选择应有利于提高加工精度。
5.4.2刀位点
刀位点是指刀具的定位基准点。
在数控加工编程时，往往是将整个刀具浓缩视为一个点，那就是“刀位点”。
它是在刀具上用于表现刀具位置的参考点。
一般来说，立车刀、端车刀的刀位点是刀具轴线与刀具底面的交点；圆弧形车刀的刀位点为圆弧中心。
在使用对刀点确定加工原点时，就需要进行“对刀”。
所谓对刀是指使“刀位点”与“对刀点”重合的操作。
每把刀具的半径与长度尺寸都是不同的，刀具装在机床上后，应在控制系统中设置刀具的基本位置。
5.4.3换刀点
换刀点是指刀架转位换刀时的位置。
换刀点可以是某一固定点（如加工中心，其换刀机械手的位置是固定的），也可以是任意的一点（如数控车床）。
以防止换刀时碰伤零件及其他部件，换刀点常常设在被加工零件或夹具的轮廓之外，并留有一定的安全量。
5.5切削用量的选择
切削用量包括背吃刀量、切削速度、进给量。
各种切削用量的参数，都应明确在加工程序中，根据实际加工情况，结合机床说明书、切削用量册，特别是结合实践经验来确定各切削用量。
确定切削用量的总原则是：
粗加工时，首先选取尽可能大的背吃刀量，其次根据机床功率和刚性条件，选取尽可能大的进给量，最后根据刀具寿命确定最佳的切削速度。
精加工时，选择较小的背吃刀量和进给量，尽可能选择较高的切削速度，以保证加工表面精度。
5.5.1切削速度的确定
根据已经选定的背吃刀量、进给量及刀具寿命来选择切削速度。
可用经验公式计算，也可根据生产实践经验在机床说明书允许的切削速度范围内查表选取或参考有关情形用量手册选用。
切削速度确定后，按下式计算出机床主轴转速，对有级变速的机床，须按机床说明书选择与计算速度接近的转速，并填入程序单中。
n=1000V/πD
式中D——工件或刀具直径（mm）
V——切削速度（m/min）
n——主轴转速（r/min）
计算的主轴转速n最后要根据机床说明书选取机床有的或较接近的转速。
表5.2硬质合金外圆车刀切削速度的参考值
工件材料
热处理状态
ap（mm）
（0.3，2]
（2,6]
（6,10]
f（mm/r）
（0.08,0.3]
（0.3,0.6]
（0.6,1]
vc（m/min）
低碳钢、易切钢
热轧
140～180
100～120
70～90
中碳钢
热轧
130～160
90～110
60～80
调质
100～130
70～90
50～70
合金结构钢
热轧
100～130
70～90
50～70
调质
80～110
50～70
40～60
工具钢
退火
90～120
60～80
50～70
灰铸铁
HBS<190
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