轴类零件工艺设计程序编制与零件加工.docx
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轴类零件工艺设计程序编制与零件加工
毕业设计
设计题目轴类零件工艺设计、
程序编制与零件加工
专业数控技术
班级
学号___
姓名______
指导教师
起止日期2013.3.1-2013.4.25
成绩评定
机电信息工程系制
重庆航天职业技术学院机电信息工程系
数控技术专业毕业设计任务书
设计题目：
轴类零件工艺设计、程序编制与零件加工
1、内容：
包括零件二维、三维图、工艺分析、工艺方案拟定、工艺规程设计、数控程序编制（坐标点位计算、刀具夹具、量具及切削用量选择）、零件仿真加工（加工过程、加工结果、仿真效果图）、零件加工过程中出现的问题及预防措施等。
2、学生交出全部设计的期限：
2013年4月20日
3、设计的原始数据：
①零件图：
零件图
②年产量：
10000件.
③废品率：
1.5%备品率1%.
④生产条件：
工种齐全，设备完好.
⑤工作制：
单班制（每天8小时）
⑥数控机床和数控系统：
根据现有条件和自己能力选择
4、计算及说明部分的内容（设计应包括的项目）.
①摘要及目录
②零件结构特点及工艺特点分析讨论
③综合确定最佳工艺方案
④主要工艺环节技术讨论
⑤毛坯、加工余量、工艺装备、加工要求、产量计算及确定
⑥编写数控加工工艺文件，按表格填写工艺文件（刀具卡、夹具、量具、工装卡片、切削参数），填写工序卡片，单独装订
⑦用CAD/CAM软件（上海宇龙仿真软件）进行仿真加工，自动生成数控程序，完成工艺文件的编写。
⑧参考资料
⑨编写完整的设计说明书一份，字数：
8000-10000字
5、绘图部分的内容：
（明确说明必绘之图）
零件图各1张（A4）。
毛坯图各1张（A4）。
装配图1张（A3或A1）。
三维零件图各1张。
三维装配图1张。
工序卡片若干张、坐标点位图、坐标系建立图、零件装夹图等。
6、发出日期2013年3月10日
设计指导教师：
完成任务日期：
2013年4月20日
学生签名：
前言
数控加工是机械制造中的先进的加工技术是一种高效率，高精度与高柔性特点的自动加工方法，数控加工技术可有效解决复杂、精密、小批多变零件的加工问题，充分适应了现代化生产的需要，制造自动化是先进制造技术的重要组成部分，其核心技术是数控技术，数控技术是综合计算机、自动技术、自动检测及精密机械等高新技术的产物，它的出现及所带来的巨大利益，已引起了世界各国技术与工业界的普遍重视，目前，国内数控机床使用越来越普及，如何提高数控加工技术水平已成为当务之急，随着数控加工的日益普及，越来越多的数控机床用户感到，数控加工工艺掌握的水平是制约手工编程与CAD/CAM集成化自动编程质量的关键因素。
数控加工工艺是数控编程与操作的基础，合理的工艺是保证数控加工质量发挥数控机床的前提条件，从数控加工的实用角度出发，以数控加工的实际生产为基础，以掌握数控加工工艺为目标，在介绍数控加工切削基础，数控机床刀具的选用，数控加工的定位与装夹以及数控加工工艺基础等基本知识的基础上，分析了数控车削的加工工艺。
关键词：
刀具的确定、走刀路线的选择、刀具的对刀点、工件的定位
1绪论
1.1数控加工技术的概论
1.1.1数控技术
数控技术是本世纪中期发展起来的机床控制技术，是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术。
数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品，即所谓的数字化装备。
这里先介绍“数控”，“数控机床”,“数控系统”等基本概念。
（1）数控与数控车床
数控是数字控制的简称，简称NC。
数控是指用数字、文字和符号组成的数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制的技术。
它所控制的通常是位置、角度、速度等机械量和与机械能量流向有关的开关量。
数控的产生依赖于数据载体和二进制形式数据运算的出现。
1908年，穿孔的金属薄片互换式数据载体问世；19世纪末，以纸为数据载体并具有辅助功能的控制系统被发明；1938年，香农在美国麻省理工学院进行了数据快速运算和传输，奠定了现代计算机，包括计算机数字控制系统的基础。
数控技术是与机床控制密切结合发展起来的。
1952年，第一台数控机床问世，成为世界机械工业史上一件划时代的事件，推动了自动化的发展。
现在，数控技术也叫计算机数控技术
数控机床技术密集度及自动化程度很高的机电一体化加工设备。
简单地说就是采用了数控技术的机床，或者说是装备了数控系统的机床。
国际定义为：
数控机床是一种有程序控制的机床。
该系统能逻辑地处理具有特定代码和其他的符号编码指令规定的程序。
（2）数控系统
数控系统是数字控制系统简称，早期是由硬件电路构成的称为硬件数控，1970年代以后，硬件电路元件逐步由专用的计算机代替称为计算机数控系统。
（3）计算机控制系统
计算机数控系统是用计算机控制加工功能，实现数值控制的系统。
CNC系统根据计算机存储器中存储的控制程序，执行部分或全部数值控制功能，并配有接口电路和伺服驱动装置的专用计算机系统。
（4）数控加工
数控加工是根据零件图样及工艺要求等原始条件编制零件数控加工程序，输入数控系统，控制数控机床中刀具与工件的相对运动，从而完成零件加工。
（5）数控程序
数控程序或零件是输入数控系统中的，使数控机床执行一个确定加工任务的具有特定代码和编程的一系列指令。
（6）数控编程
数控编程是指生成用数控机床进行零件加工的数控程序的过程。
2数控加工工艺
2.1数控加工工艺内容的选择
2.1.1选择适合数控加工的零件
虽然数控机床具有高精度，高柔性，高效率等优点。
但不是所有的零件都适合数控机床加工的。
一般可分为三类：
（1）最适合类
1.形状复杂，加工精度要求高通用机床无法加工或很难保证加工质量的零件；
2.具有复杂曲线或曲面轮廓的零件；
3.具有难测量，难控制进给，尺寸行腔的壳体或盒型零件；
4.必须在一次装夹中完成镗，绞或攻丝等多道工序的加工零件；
（2）较适合类
1.零件价值高，在普通机床上加工容易受人工因素干扰而影响质量，从而造成较大经济损失的零件；
2.在通用机床上加工时必须制造复杂专用工装的零件；
3.在通用机床上需要做长时间调整的零件；
4.需要多次更改设计才能定型的零件；
（3）不适合类
1.生产大批量的零件；
2.装夹困难的零件；
3.加工余量不稳定，而且数控机床上无法在线检测系统可自动调整零件坐标位置的零件；
4.必须用特定的加工工艺装备协调加工的零件；
2.2数控加工工艺的主要内容
1．选择适合在数控上加工的零件，确定工序内容。
2．分析加工零件的图纸，明确加工内容及技术要求，确定加工方案，制定数控加工路线，如工序的划分、加工顺序的安排、非数控加工工序的衔接等。
设计数控加工工序，如工序的划分、刀具的选择、夹具的定位与安装、切削用量的确定、走刀路线的确定等等。
3．调整数控加工工序的程序。
如对刀点、换刀点的选择、刀具的补偿。
4．分配数控加工中的容差。
5．处理数控机床上部分工艺指令。
2.3轴类零件加工工艺分析
（1）技术要求轴类零件的技术要求主要是支承轴颈和配合轴颈的径向尺寸精度和形位精度，轴向一般要求不高。
轴颈的直径公差等级通常为IT6-IT8，几何形状精度主要是圆度和圆柱度，一般要求限制在直径公差范围之内。
相互位置精度主要是同轴度和圆跳动；保证配合轴颈对于支承轴颈的同轴度，是轴类零件位置精度的普遍要求之一。
图为特殊零件，径向和轴向公差和表面精度要求较高。
（2）毛坯选择轴类零件除光滑轴和直径相差不大的阶梯轴采用热轧或冷拉圆棒料外，一般采用锻件；发动机曲轴等一类轴件采用球墨铸铁铸件比较多。
如图典型轴类直径相差不大，采用直径为50mm，材料45#钢，在锯床上按90mm长度下料。
（3）定位基准选择轴类零件外圆表面、内孔、螺纹等表面的同轴度，以及端面对轴中心线的垂直度是其相互位置精度的主要项目，而这些表面的设计基准一般都是轴中心线。
用两中心孔定位符合基准重合原则，并且能够最大限度地在一次装夹中加工出多格外圆表面和端面，因此常用中心孔作为轴加工的定位基准。
3具体零件加工
3.1零件图工艺分析
3-1轴类零件图
（1）零件图
见图3-1中心轴类零件图
（2）结构性分析
通过读图3-1，典型轴零件加工内容包括外圆、圆弧、切槽、倒角等。
零件尺寸及标注完整。
（3）尺寸分析
该零件图尺寸完整，主要尺寸分析
该零件表面由圆柱、顺圆弧、逆圆弧、圆锥、槽等表面组成。
尺寸标注完整，选用毛坯为45#钢，Φ50mm×90mm，无热处理和硬度要求。
未标注的尺寸按公差等级IT12，按照“孔正轴负，其余中间值”的原则，确定不同尺寸的公差值。
各尺寸公差如下：
圆弧尺寸：
长度尺寸：
70±0.1mm、11±0.1mm
宽度尺寸：
倒角：
C1C2
对于有公差的尺寸，取极限尺寸的平均值作为编辑尺寸，即：
（4）表面粗糙度分析
图3-1中，表面粗超度有较高的要求，要求加工面的粗糙度值为Ra1.6μm，其余Ra3.2μm。
（5）确定加工方法
加工方法的选择原则是保证加工表面的加工精度和表面粗糙度的要求。
由于获得同一级精度及表面粗糙度的加工方法一般有许多，因而在实际选择时，要结合零件的形状、尺寸大小和形位公差要求等全面考虑。
图上几个精度要求较高的尺寸，因其公差值较小，所以编程时没有取平均值，而取其基本尺寸。
通过以上数据分析，考虑加工的效率和加工的经济性，最理想的加工方式为车削，考虑该零件为大批量加工，故加工设备采用数控车床。
根据加工零件的外形和材料等条件，选用CJK6032数控机床。
（6）确定加工方案
零件上比较精密表面的加工，常常是通过粗加工、半精加工和精加工逐步达到的。
对这些表面仅仅根据质量要求选择相应的最终加工方法是不够的，还应正确地确定从毛坯到最终成形的加工方案。
如图3-1所示是轴类零件便面由柱面，圆锥面，顺圆弧，逆圆弧构成，其中多个直径尺寸由较高的精度，表面粗糙，大部分的尺寸均达到IT8-IT7级精度。
零件图尺寸编注完整，符合数控加工尺寸标注要求，轮廓描述清楚完整，零件材料为45钢，毛胚为直径Φ50x90，如图3-2。
3-2毛坯图
刀具选择：
（1）粗车及平端面选用90°硬质合金刀，为防止副后刀面与工件轮廓干涉，副偏角不宜太小，选Kr´=60°。
如图3-3
（2）精车刀选用硬质合金90°硬质合金刀，刀尖圆弧半径应小于轮廓最小圆角半径，取re=0.15～0.2mm。
如图3-3
（3）切槽和切断选用切断刀。
如图3-4
（4）车端面：
选用硬质合金45度车刀，粗、精车用一把刀完成。
2）粗、精车外圆：
（因为程序选用G71循环所以粗、精车选用同一把刀）硬质合金90度放型车刀，Kr=90度,Kr＇=60度;E=30度,（因为有圆弧轮廓）以防与工件轮廓发生干涉,如果有必要就用图形来检验
3-390度外圆车刀3-4左偏切断刀
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内容，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。
选取刀具时，要使刀具的尺寸与被加工工件的表面尺寸相适应。
生产中，平面零件周边轮廓的加工，常采用立铣刀；铣削平面时，应选硬质合金刀片铣刀；加工凸台、凹槽时，选高速钢立铣刀；加工毛坯表面或粗加工孔时，可选取镶硬质合金刀片的玉米铣刀；对一些立体型面和变斜角轮廓外形的加工，常采用球头铣刀、环形铣刀、锥形铣刀和盘形铣刀。
在进行自由曲面（模具）加工时，由于球头刀具的端部切削速度为零，因此，为保证加工精度，切削行距一般采用顶端密距，故球头常用于曲面的精加工。
而平头刀具在表面加工质量和切削效率方面都优于球头刀，因此，只要在保证不过切的前提下，无论是曲面的粗加工还是精加工，都应优先选择平头刀。
另外，刀具的耐用度和精度与刀具价格关系极大，必须引起注意的是，在大多数情况下，选择好的刀具虽然增加了刀具成本，但由此带来的加工质量和加工效率的提高，则可以使整个加工成本大大降低。
在加工中心上，各种刀具分别装在刀库上，按程序规定随时进行选刀和换刀动作。
因此必须采用标准刀柄，以便使钻、镗、扩、铣削等工序用的标准刀具迅速、准确地装到机床主轴或刀库上去。
编程人员应了解机床上所用刀柄的结构尺寸、调整方法以及调整范围，以便在编程时确定刀具的径向和轴向尺寸。
目前我国的加工中心采用TSG工具系统，其刀柄有直柄（3种规格）和锥柄（4种规格）2种，共包括16种不同用途的刀柄。
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。
3.2确定工件的定位与装夹方案
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，因轴的长度不是很长，所以采用工件的右端面作定位基准，使用普通三爪卡盘（如图3-5）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（100.1000）处。
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；
3-5三爪卡盘
3.3确定走刀顺序及走刀路线
走刀路线（如图3-6）是指数控加工过程中刀具相对于被加工件的运动轨迹和方向。
加工路线的合理选择是非常重要的，因为它与零件的加工精度和表面质量密却相关。
在确定走刀路线是主要考虑下列几点:
1）保证零件的加工精度要求。
2）方便数值计算，减少编程工作量。
3）寻求最短加工路线，减少空刀时间以提高加工效率。
4）尽量减少程序段数。
5）保证工件轮廓表面加工后的粗糙度的要求，最终轮廓应安排最后一走刀连续加工出来。
6）刀具的进退刀（切入与切出）路线也要认真考虑，以尽量减少在轮廓处停刀（切削力突然变化造成弹性变形）而留下刀痕，也要避免在轮廓面上垂直下刀而划伤工件。
加工顺序的安排应根据零件的结构和毛坯状况，以及定位夹紧的需要来考虑，重点是工件的刚性不被破坏。
顺序一般应按下列原则进行：
（1）上道工序的加工不能影响下道工序的定位与夹紧，中间穿插有通用机床加工工序的也要综合考虑。
（2）以相同定位、夹紧方式或同一把刀加工的工序最好连接进行，以减少重复定位次数，换刀次数与挪动压板次数。
（3）在同一次安装中进行的多道工序，应先安排对工件刚性破坏小的工序。
切削加工顺序的安排：
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。
3-6加工路线
3-7切槽路线
3.4加工工艺分析
如图3-7选用三爪卡盘装夹，使之与工作台X轴移动方向平行。
毛坯为φ50×90的钢（如图3-2），工件材料为45号钢，根据零件图样要求其加工工序为：
工序一：
装夹毛坯φ50mm,伸长90mm
该典型轴加工顺序为：
预备加工---车端面---粗车右端轮廓---精车右端轮廓---切槽
工步1：
车端面
工步2：
粗车顺圆弧、逆圆弧
工步3：
精车顺圆弧、逆圆弧及各端面
工步4：
切槽
3-7加工零件图
3.5切削用量的选择
根据零件的结构特点，外轮廓用采用90度外圆车刀，轮廓粗加工时留1mm的精车余量，粗加工时选主轴转速为s=800r/min，进给速度Vf=150mm/min；精加工选主轴转速S=1200r/min；进给速度Vf=50mm/min
3.6数控加工工艺文件的填写
表3-1数控加工工艺卡
单位名称
重庆航天职业技术学院
数控加工工序卡片
零件名称
零件图号
材料牌号
材料硬度
典型轴
HTJD-01
45钢
HRC28-32
工序号
工序名称
程序编号
加工车间
设备名称
设备型号
工艺装备
1
车
O0001
数控车实训室
车削中心
CJK6032
三爪定位卡盘
工步号
工步内容
刀具
量具
切削用量
进给次数
备注
刀具号
刀具名称
量具名称
规格
切削速度
主轴转速
进给量
背吃刀量
1
车端面
T0101
硬质合金刀
游标卡尺
45度刀
110
800
0.1
0.3
1
手动
2
粗车各外圆
T0101
硬质合金刀
游标卡尺
45度刀
100
800
0.25
2
1
自动
3
精车外圆
T0101
硬质合金刀
千分尺
120
1200
0.06
0.5
1
自动
4
切槽
T0202
焊接合金切刀
游标卡尺
切槽刀
60
600
0.08
1
自动
5
切断
T0202
焊接合金切刀
游标卡尺
切槽刀
60
600
0.06
1
自动
表3-2轴刀具卡片
产品名称或代号
轴
零件名称
轴
零件图号
HTJD-01
序号
刀具号
刀具名称及规格
刀具参数
刀补地址
刀尖半径
刀杆规格
半径
形状
1
T0101
外圆粗车刀
（刀尖角60度）
0.4
25X25
02
如图3-3
2
T0202
切断刀
0.4
25X25
如图3-4
编制
审核
批准
共页
第页
4数控加工程序编制
4.1加工坐标系设置
（1）建立工件坐标系
为了便于在编程时对工件的几何要素位置进行描述，编程人员必须在零件图上选择建立一个过渡坐标系，即工件坐标系，也称为编程坐标系。
数控编程时应该首先确定工件坐标系和工件原点。
零件在设计中有设计基准，在加工过程中有工艺基准，同时应尽量将工艺基准与设计基准统一，该基准点通常称为工件原点。
设立如下图4-1所示：
图4-1坐标系设定
（2）试切法对刀
在数控加工中，工件坐标系确定后，还要确定刀尖点在工件坐标系中的位置，即通常所说的对刀问题。
在数控车床上，目前常用的对刀方法为试切对刀法。
将工件安装好之后，先用MDI方式操作机床，用已选好的刀具将工件端面车一刀，然后保持刀具在纵向（Z）尺寸不变，沿横向（x）退刀。
当取工件右端面O为工件原点时，对刀输入为Z0，如图（4-2（a））;用同样的方法，再将工件的表面车一刀，然后保持刀具在横向上的尺寸不变，从纵向退刀，停止主轴转动，再量出工件车削后的直径（如图4-3（b））根据长度和直径，既可确定刀具在工件坐标系中的位置。
其他各刀都需要进行以上操作，从而确定每把刀具在工件坐标系中的位置。
图4-2（a）Z轴方向对刀
图4-3（b）X轴方向对刀
表4-1切削用量选择
主轴转速s/（r/min）
进给量f/（mm/r）
背吃刀量ap/mm
粗车外圆
800
0.1
1.5
精车外圆
800
0.05
0.2
切槽
110
0.04
4.2手工编程
数控编程方法有手工编程和自动编程两种。
对于几何形状复杂的零件需借助计算机使用规定的数控语言编写零件源程序，经过处理后生成加工程序，称为自动编程。
手工编程是指从零件图样分析工艺处理、数据计算、编写程序单、输入程序到程序校验等各步骤主要有人工完成的编程过程。
它适用于点位加工或几何形状不太复杂的零件的加工，以及计算较简单，程序段不多，编程易于实现的场合等。
由于该零件相对比较简单，所以采用手工编程。
应用华中世纪星数控系统编程
从工件右端加工
O0001
%0001
G00X80Z150
G99M03S800T0101M08主轴正转600r/min，换1号刀
G0X55Z72调外圆硬质合金刀，并开冷却液
G71U2R0.5快速靠近工件
G71P70Q180U0.3W0.1F0.25粗车循环每次进4mm退1mm
N70G42G0X0S1200刀具半径右补偿，精车转速1200r/min
G1Z70F0.06从N70至N180粗车循环，留余量X0.3Z0.1
X20车削右端面
X24W-2倒C2角
Z-29
G3X36Z-38R10F0.25车R10的外圆弧
G1X37.9Z-49车1比5的锥度
W-11
X46车台阶端面
X46Z-60
X47.99W-1倒C1角
N180G0G40X52取消刀补
G0X80Z150
G70P70Q180F0.06从N70到N180段精车
G0X80Z150
T0202M03S600调切刀宽2mm，以左刀尖为基准
G0X26Z-14
G1X24F0.04
X20W-2
X20W-2
X24W-2
G0X80
Z150切槽，倒角完成
G0X52Z-72.5粗切总长留0.5mm为70.5mm
G1X15F0.07
G0X48.1
W2.5
G1X46W-1F0.05
X0
G0X80Z150
M0.5S0M09T0101主轴停止，转速停止，关冷却液，取消刀补
M30；程序结束，机床复位
5零件图加工步骤
5.1输入零件加工程序
（1）.机床的开机开机先检查，一切没有问题后在打开机床总电源，然后打开数控系统的电源，在显示屏上应出现机床的初始位置坐标，再检查面板上的按钮指示灯是否正常，若一切正常，就卡伊进行其他操作。
（2）.回零操作开机正常后，机床应首先进行回零操作。
（3）.加工程序的输入按下主功能键（如PROGRAM），进行加工程序编辑，在此状态下可通过手动数据输入方式或RS-232接口加工程序输入机床，可对程序进行编辑和修改。
（4）.将数控的程序仔细校对
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