凸轮轴零件的数控编程与加工.docx
《凸轮轴零件的数控编程与加工.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《凸轮轴零件的数控编程与加工.docx（37页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
凸轮轴零件的数控编程与加工
题目凸轮轴零件的数控编程与加工
摘要
第一节零件图的分析
零件的材料及其力学性能………………………………………………………………1
1.2零件的结构工艺分析……………………………………………………………………1
第二节毛坯的分析
2.1毛坯的选择………………………………………………………………………………2
毛坯图的设计……………………………………………………………………………3
第三节工艺路线的拟定
3.1定位基准的选择…………………………………………………………………………4
3.2加工方法的选择…………………………………………………………………………5
加工顺序的安排…………………………………………………………………………8
第四节加工余量及工序尺寸的确定
4.1加工余量…………………………………………………………………………………10
4.2总加工余量和工序加工余量……………………………………………………………10
4.3加工余量、最大加工余量和最小加工余量……………………………………………10
4.4影响加工余量的因素……………………………………………………………………11
4.5工序尺寸…………………………………………………………………………………12
第五节机床和工艺装备的选择
5.1机床的选择………………………………………………………………………………13
5.2夹具的选择………………………………………………………………………………16
5.3刀具的选择………………………………………………………………………………17
5.4量具的选择………………………………………………………………………………18
第六节切削用量…………………………………………………………………………19
第七节程序编制…………………………………………………………………………21
设计心得……………………………………………………………………………………25
参考文献……………………………………………………………………………………26
摘要
本文主要针对凸轮轴类零件的加工进行工艺分析。
凸轮轴类零件通常由圆柱面、端面、台阶面、螺纹、圆弧等组成，主要用于支撑传动零件，承受载荷，传递转矩等，有较高的精度和粗糙度要求。
为保证凸轮轴类零件的高精度要求，本设计针对零件进行了工艺分析、尺寸计算、程序编写以及数控仿真，制定了正确的工艺方案，包括：
装夹方案和工艺路线，选择合理的刀具和夹具，并能利用数控仿真软件进行了验证。
实现了数控车床的自动化，智能化，高精度、快速度，短周期等功能。
数控加工制造技术正逐渐得到广泛的应用。
零件加工之前，进行工艺分析、编程设计具有非常重要的作用。
本文通过对典型的凸轮轴类零件数控加工工艺的分析，给出了一般零件设计加工工艺分析的方法，对于提高制造质量和实际生产，具有一定的指导意义
一、零件图的分析
1.1零件的材料及其力学性能
（1）材料
根据图纸可知该零件的材料是45号钢，俗称“油钢”。
属于优质碳素结构钢中的中碳钢。
其成分是碳量为--0.37%，Mn含量为-0.80%，Cr含量
0.25%，Ni含量
0.30%。
，Cu含量
0.25%。
45号钢经调质处理后具有良好的综合机械性能，广泛应用于各种重要的结构零件，特别是那些在交变负荷下工作的连杆、螺栓、齿轮及轴类等。
但表面硬度较低，不耐磨。
可用调质和表面淬火提高零件表面硬度。
（2）力学性能
①45号钢为优质碳素结构用钢，硬度不高，易切削加工。
其热处理的温度为：
正火850ºC，淬火840ºC，回火600ºC。
②45号钢淬火后没有回火之前，硬度大于HRC55（最高可达HRC62）为合格，实际应用的最高硬度为HRC55（高频淬火HRC58），不要采用渗碳淬火的热处理。
③45号钢的抗拉强度为590--650Mpa；屈服强度为315--355Mpa；伸长率为14%--18%。
1.2零件的结构工艺分析
根据零件简图分析
①圆柱面及螺纹：
加工尺寸
公差等级
表面粗糙度（um）
其他
IT8
其中心轴线相对于
IT8
其中心轴线相对于
IT8
其中心轴线为基准A
R20±
IT7
其表面相对于
M12-7h
IT7
粗牙螺纹，螺距为
②凸轮
加工尺寸
公差等级
表面粗糙度（um）
备注
IT9
两处
IT9
两处
IT9
两处
IT11
四周
IT9
两处
③长度加工
加工尺寸
公差等级
其他
IT10
IT11
右端为基准D
IT10
IT8
IT11
IT8
IT11
零件结构工艺性分析
零件的结构工艺性是指所设计的零件在满足使用的要求的前提下，制造的可行性和经济性，它是评价零件结构设计优劣的主要技术经济指标之一。
零件切削加工的结构工艺性涉及加工时的装夹、对刀、测量和切削效率等。
结论：
该轴结构较规则且为阶梯结构的凸轮轴，由于长度与直径之比小于5，所以该工件属于短轴。
从表面加工类型看,主要加工表面有圆柱面、凸轮、单键槽、螺纹等表面组成，其中多个直径尺寸于轴向尺寸有较高的尺寸精度和表面粗糙度。
零件尺寸标注完整，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，加工切削性能较好，无热处理和硬度要求。
二、毛坯的分析
2.1毛坯的选择
毛坯类型:
毛坯是用来加工各种工件的坯料，毛坯主要有：
铸件，锻件，焊件，冲压件及型材等。
（1）铸件对形状较复杂的毛坯，一般可以用铸造的方法制造。
目前大多数铸件采用砂型铸造，对尺寸精度要求较高的小型铸件，可采用特种铸造，如永久型铸造，精密型铸造，压力铸造等。
（2）锻件锻件毛坯由于经锻造后可得到连续和均匀的金属纤维组织，因此锻件的力学性能较好，常用于受力复杂的重要钢质零件。
其中自由锻件的精度和生产率较低，主要用于小批生产和大批生产锻件的制造。
模型锻件的尺寸精度和生产率较高，主要用于产量较大的中小型锻件。
（3）型材型材主要有板材，棒材，线材等，常用截面形状有圆形，方形和特殊截面形状。
就其制造方法，又分为热轧和冷拉两大类。
热轧型材尺寸较大，精度较低，用于一般的机械零件。
冷拉型材尺寸较小，精度较高，主要用于毛坯精度要求较高的中小型零件。
（4）焊接件焊接件主要用于单件小批生产和大型零件及样机试制。
其优点是制造简单，生产周期短，节省材料，重量轻。
但其抗震性较差，变形大，需经时效处理后才能进行机械加工。
根据轴类零件的特性：
在传递力矩过程中要承受很强的冲击力和很大的交变载荷，要求材料应有较高的强度、冲击韧性、疲劳强度和耐磨性，而且其轮廓形状不复杂，故采用型材。
其属于凸轮轴，该材料为45钢，本例传动轴属于中、小传动轴，并且各外圆直径尺寸相差不大，故选择￠55mm的热轧圆钢作毛坯。
零件尺寸不大，而且零件属于小批量生产，故采用棒料。
2.2毛坯图的设计
（1）毛坯余量确定
毛坯的形状和尺寸越接近成品零件，即毛坯精度越高，则零件的机械加工劳动量越少，材料消耗越少，可充分提高劳动生产率，降低成本，但是毛坯制造费用会提高，在确定毛坯时，应根据机械加工和毛坯制造两方面考虑。
由于毛坯制造技术的限制，零件被加工表面的技术要求还不能从毛坯制造直接得到，因此毛坯上某些表面需要留一定的加工余量，通过查《机械设计与制造工艺简明手册》得毛坯尺寸为长度为90mm，直径为55mm的棒料。
（2）毛坯－－零件合图草图
三、工艺路线的拟定
3.1定位基准的选择
定位基准有粗基准与精基准之分。
在机械加工的第一道工序中，只能用毛坯上未经加工的表面作定位基准，则该表面称为粗基准。
在随后的工序中，用加工过的表面作定位基准，称为精基准。
选择各工序定位基准时，应先根据工件定位要求确定所需定位基准的个数，再接基准选择原则选定每个定位基准。
为使所选的定位基准能保证整个机械加工下艺过程的顺利进行，通常应先考虑如何选择精基准来加工各个表面，然后考虑如何选择粗基准把作为精基准的表面先加工出来。
（1）、精基准的选择
选择精基准首先考虑的是要保证加工精度，特别是加丁表面的相互位置精度。
在此基础之上，还要考虑使工件装夹方便、可靠、准确。
精基准的选择一般应遵循以下原则：
①基准重合原则。
直接选用设计基准作为定位基准，称为基准重合原则。
采用基准重台原则可以避免由于定位基准与设计基准不重台引起的定位误差（称为基准不重台误差），使被加工工件的尺寸精度和位置精度得到可靠的保证。
在数控机床上装夹的工件应力求使其设计基准、工艺基准与编程原点重合，以减少基准不重合误差及数控编程时的计算工作量。
②基准统一原则。
工件加工过程中尽可能地采用统一的定位基准，称为基准统一原则（也称基准单一原则或基准不变原则）。
采用基准统一原则可以保证各加T表面间的相互位置精度，避免或减少因基准转换而引起的误差，并可使各工序所用夹具的结构相同或相似，简化夹具的设计和制造作，降低成本，缩短生产准备周期。
③自为基准原则。
当精加工或光整加工工序要求余量小而均匀时．可选择加工表面本身作为精基准，称为自为基准原则。
采用自为基准原则只能提高加工表面的尺寸精度。
而不能提高加工表面与其他表面之间的相互位置精度，后者应由先行工序保证磨削床身导轨面，先用百分表（或观察磨削火花）拽正工件的导轨面，然后再对其表面进行加工。
这种以导轨面本身为基准来找正定位就符合自为基准原则。
④互为基准原则。
为使加工表面问有较高的位置精度及均匀的加工余量，有时可采用两个加工表面互为基准反复加工的方法，称为互为基准原则。
例如，主轴前端的莫氏锥孔与支承轴颈在加工时，先以支承轴颈为定位基准加工莫氏锥孔，然后以莫氏锥孔定位加工支承轴颈，最后叉以支承轴颈定位加工奠氏锥孔，反复轮换使用，使两者获得很高的圆度及同轴度精度。
叉如加工精密齿轮时，当把齿面淬硬后，需要进行磨齿，因其淬硬层较薄，故磨削余量要小而均匀。
为此，需先以齿轮分度圆为基准磨内孔，再磨齿面。
这样加工不仅可以使磨齿余量小而均匀，而且还能保证齿轮分度圆对内孔有较小的同轴度误差。
⑤保证工件定位稳定准确、夹紧可靠，夹具结构简单、操作方便的原则。
一般采用面积大、精度较高和表面粗糙度值较低的表面作为精基准。
（2）、粗基准的选择
粗基准的选择，主要考虑如何保证加工表面与不加工表面之间的位置和尺寸要求，保证加工表面的加工余量均匀和足够，以及减少装夹次数等。
具体原则有以下几方面：
①．如果零件上有一个不需加工的表面，在该表面能够被利用的情况下，应尽量选择该表面作粗基准。
②．如果零件上有几个不需要加工的表面，应选择其中与加工表面有较高位置精度要求的不加工表面作第一次装夹的粗基准。
③．如果零件上所有表面都需机械加工，则应选择加工余量最小的毛坯表面作粗基准。
④．同一尺寸方向上，粗基准只能用一次。
⑤．粗基准要选择平整、面积大的表面。
根据以上分析，对于该零件的加工的定位基准选择如下：
①粗基准的选择
在车左端（或右端）时选择毛坯右端（或左端）面作为加工的粗基准。
②精基准的选择
在加工右端各外圆轮廓时，以Φ50外圆中心轴线为精基准；铣削凸轮时以凸轮中心及凸轮底部作为基准加工。
3.2加工方法的选择
加工方法的选择原则是保证加工质量、生产率和经济型。
表面加工方法的选择，出了考虑加工质量、零件的结构形状和尺寸、零件的材料和硬度以及生产类型外，还要考虑加工的经济性。
（1）加工经济精度
加工经济精度是指在正常的加工条件下（符合质量的标准设备、工艺装备和标准技术等级的工人，不延长加工工时）所能保证零件的加工精度。
经济粗糙度等同于经济精度的概念。
即是指在正常的加工条件下（符合质量的标准设备、工艺装备和标准技术等级的工人，不延长加工工时）所能保证零件的加工粗糙度。
下面表1表2分别摘录了外圆、平面的加工方法和加工方案以及所能达到的加工经济精度和经济粗糙度（经济精度以公差等级表示），选择时用作参考。
表1外圆表面加工方案
序号
加工方法
公差等级
表面粗糙度Ra（μm）
适用范围
1
粗车
IT13～IT11
12.5～50
适用于淬火钢以外的各种金属
2
粗车—半精车
IT10～IT9
3
粗车—半精车—精车
IT7～IT6
4
粗车—半精车—精车—抛光（滚压）
IT7～IT6
0.0250～.02
5
粗车—半精车—磨削
IT7～IT6
使用于淬火钢、未淬火钢、钢铁等，不宜加工强度低、韧性大的有色金属
6
粗车—半精车—粗磨—精磨
IT6～IT5
7
粗车—半精车—粗磨—精磨—高精度磨削
IT5～IT3
8
粗车—半精车—粗磨—精磨—研磨
IT5～IT3
适用于有色金属
9
粗车—半精车—精车—精细车（研磨）
IT6～IT5
表2平面加工方法
序号
加工方法
公差等级
表面粗糙度Ra（μm）
适用范围
1
粗车
IT11～13
12.5～50
端面
2
粗车
IT8～10
3
粗车—半精车—精车
IT7～8
4
粗车—半精车—磨削
IT6～8
5
粗铣（或粗刨）
IT11～13
6.3～25
一般不淬硬平面（端铣表面）Ra较小
6
粗铣（或粗刨）—精铣（或精刨）
IT6～7
7
粗铣（或粗刨）—精铣（或精刨）—刮研
IT8～10
1.6～25
精度要求较高不淬硬平面，批量较大时宜采用宽刃精刨方案
8
以宽刃精刨代替上述刮研
IT6～7
9
粗铣（或粗刨）—精铣（或精刨）—磨削
IT7
精度要求较高的淬硬平面或不淬硬平面
10
粗铣（或粗刨）—精铣（或精刨）—粗磨—精磨
IT6～7
11
粗铣—拉
IT7～9
大量生产，较小的平面
12
粗铣—精铣—磨削—研磨
T5以上
高精度平面
（3）选择加工方法时应考虑的因素
在选择加工方法时，具体考虑因素如下。
①选择相应能获得经济精度的加工方法；
②工件的材料性质例如，淬火钢的精加工要用磨削，有色金属圆柱面的精加工则不适合磨削，因为有色金属在磨削时易堵塞砂轮，只适用于高速高速精细车或精细镗（金刚镗）。
③工件的结构形状和尺寸大小如精度要求同为IT7的孔，如为回转体的中心孔，则采用镗削、铰削、拉削和磨削均可达到要求，但在箱体上的孔，一般不宜选用拉孔或磨孔，而宜采用镗孔（大孔）或铰孔（小孔）。
④结合生产类型考虑生产率与经济性大批量生产时，应采用高效率的先进工艺，以提工效，降低成本。
例如用拉削方法加工孔和平面，同时加工几个表面的组合铣削等。
单件小批量生产时，宜采用刨削、铣削平面和钻、扩、铰孔等加工方法，没必要去追求高效，而只要保证质量即可。
⑤现有生产条件。
（4）外圆加工方法的选择
①最终加工工序为车削的加工方案，适用于出淬火钢以外的各种金属。
②最终工序为磨削的加工方案，适用于淬火钢、未淬火钢和铸铁，不适用于有色金属，因为有色金属韧性大，磨削时容易堵塞砂轮。
③最终工序为精细车或金刚车的加工方案，适用于要求较高的有色金属的精加工。
④最终工序为光整加工，如研磨、超精磨及超精加工等，为提高生产效率和加工质量一般在光整加工前进行精磨。
⑤对表面粗糙度要求较高而尺寸精度要求不高的外圆，可采用滚压或抛光。
对于该工件，综合以上加工原则和参考资料，结合本工件各尺寸的精度等级，具体加工方法选择如下：
（1）圆柱面及螺纹
加工面
公差等级
表面粗糙度（um）
加工方法
圆柱面
IT8
粗车—半精车—精车
圆柱面
IT8
粗车—半精车—精车
圆柱面
IT8
粗车—半精车—精车
圆弧R20±
IT7
粗车—半精车—精车
螺纹M12-7h
IT7
车螺纹
（2）凸轮
加工面
公差等级
表面粗糙度（um）
加工方法
IT9
粗铣—精铣
IT9
粗铣—精铣
IT9
粗铣—精铣
IT11
粗铣
IT9
粗铣—精铣
（3）长度加工
加工面
公差等级
加工方法
IT10
粗车—半精车
IT11
粗车
IT10
粗车—半精车
IT8
粗车—半精车—精车
IT11
粗车
IT8
粗车—半精车—精车
IT11
粗车
3.3加工顺序的安排
（1）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。
（2）热处理工序的安排
热处理可以提高材料的力学性能，改善金属的切削性能以及消除残余应力。
在制订工艺路线时，应根据零件的技术要求和材料的性质，合理地安排热处理工序。
①退火与正火 退火或正火的目的是为了消除组织的不均匀，细化晶粒，改善金属的加工性能。
对高碳钢零件用退火降低其硬度，对低碳钢零件用正火提高其硬度，以获得适中的较好的可切削性，同时能消除毛坯制造中的应力。
退火与正火一般安排在机械加工之前进行。
②时效处理 以消除内应力、减少工件变形为目的。
为了消除残余应力，在工艺过程中需安排时效处理。
对于—般铸件，常在粗加工前或粗加工后安排一次时效处理；对于要求较高的零件，在半精加工后尚需再安排一次时效处理；对于一些刚性较差、精度要求特别高的重要零件（如精密丝杠、主轴等），常常在每个加工阶段之间都安排一次时效处理。
③调质 对零件淬火后再高温回火，能消除内应力、改善加工性能并能获得较好的综合力学性能。
一般安排在粗加工之后进行。
对一些性能要求不高的零件，调质也常作为最终热处理。
④淬火、渗碳淬火和渗氮 它们的主要目的是提高零件的硬度和耐磨性，常安排在精加工（磨削）之前进行，其中渗氮由于热处理温度较低，零件变形很小，也可以安排在精加工之后。
（3）辅助工序的安排
检验工序是主要的辅助工序，除每道工序由操作者自行检验外，在粗加工之后，精加工之前，零件转换车间时，以及重要工序之后和全部加工完毕、进库之前，一般都要安排检验工序。
除检验外，其它辅助工序有：
表面强化和去毛刺、倒棱、清洗、防锈等。
正确地安排辅助工序是十分重要的。
如果安排不当或遗漏，将会给后续工序和装配带来困难，甚至影响产品的质量，所以必须给予重视。
综上所述，结合本零件的特点，可先加工各外圆轮廓表面再加工各槽及螺纹，最后加工凸轮。
由于该零件为小批量生产，走刀路线不必考虑最短进给路线或最短空行程，外轮廓表面车削走刀路线可沿零件除槽外的轮廓顺序进行（精加工路线如图1、图2）。
在此拟定了两种方案，分别见表1、表2
图1图2
表1
工序号
工序名称
工序内容
热处理
10
下料
按Φ55X90/3下料
20
车
车左端端面、外圆
30
车
加工零件右端各尺寸到要求
40
铣
（1）加工凸轮至要求
（2）钻Φ8的孔
50
钳
去毛刺
60
检
终检、防锈处理
表2
工序号
工序名称
工序内容
热处理
10
下料
按Φ55X90/3下料
20
车
加工零件右端各尺寸到要求
30
铣
（1）铣端面
（2）加工凸轮至要求
（3）钻Φ8孔
40
钳
去毛刺
50
检
终检、防锈处理
比较两种加工方案，表2所示方案将长度通过铣来保证，增加了操作难度；另外表1所示方案相对表2，在加工右端外圆各个表面前将左端粗车，增加了基准精度，能较好地保证同轴度要求。
因此选择表1所示方案为最终加工方案。
四、加工余量及工序尺寸的确定
4.1加工余量的概念
加工余量是指加工过程中从加工表面切除的金属层厚度。
4.2加工余量和工序加工余量
总加工余量：
从毛坯表面上切除的多余金属层，称为该表面的总加工余量。
工序加工余量：
为完成一道工序而从某一表面上切除的金属层，称为该工序的工序加工余量。
零件某一方向上的总加工余量等于各工序在该方向的加工余量之和。
4.3加工余量、最大加工余量和最小加工余量
加工余量即指公称加工余量，其值等于前后工序的基本尺寸之差。
平面的加工余量是单边余量，它等于实际切削的金属层厚度。
对于外圆和孔等的回转表面，加工余量指双边余量。
对于外表面，最大加工余量是前工序最大工序尺寸和本工序最小工序尺寸之差；最小加工余量是前工序最小尺寸与本工序最大尺寸之差。
工序加工余量的变动范围（即加工余量公差）等于前工序与本工序两道工序尺寸公差和，如图a所示。
图a加工余量及其公差
加工余量的公差带，一般是分布在零件加工表面的“入体方向”。
毛坯尺寸的公差，一般采用双向标注，如图b所示。
（a）轴（b）孔
图b加工余量和加工尺寸分布图
4.4影响加工余量的因素
加工余量的大小对零件的加工质量和生产率均有较大的影响。
加工余量过大，不仅增加机械加工的劳动量，降低了生产率，而且增加了材料、工具、电力的消耗，提高加工成本。
但是，加工余量过小，又不能保证消除前工序的各种误差和表面缺陷，甚至产生废品。
因此，应该合理地确定加工余量。
各工序所留的最小加工余量，应该保证前工序所产生的形位误差和表面缺陷被相邻后续工序切除，这是确定工序最小余量的基本要求。
影响加工余量的因素可归纳为以下几项:
（1）.前工序的表面缺陷层与表面粗糙度（D
+R
）。
（2）.前工序的工序尺寸公差（T
）。
（3）.前工序的形位误差（ρ
）。
（4）.本工序的装夹误差（ε
）。
加工余量的基本公式为
Z
=T
+R
+D
+｜ρ
+ε
︱（单边余量时）
2Z
=T
+2（R
+D
）+｜ρ
+ε
︱（双边余量时）
4.5工序尺寸
（1）加工表面46
工序名称
工序余量
经济精度
工序尺寸（最小工序尺寸）
工序尺寸及其偏差
精铣
0.062（IT9）
46
粗铣
0.100（IT10）
粗车
2
0.16（IT11）
Ф
Ф53
毛坯尺寸
9（总余量）
±2
Ф53
Ф55
（2）加工表面Ф50
工序名称
工序余量
经济精度
工序尺寸（最小工序尺寸）
工序尺寸及其偏差
精车
0.039（IT8）
Ф
Ф50
半精车
0.062（IT9）
Ф
Ф
粗车
3
0.16（IT11）
Ф
Ф52
毛坯尺寸
5（总余量）
±2
Ф53
Ф55
（3）加工表面Ф24
工序名称
工序余量
经济精度
工序尺寸（最小工序尺寸
升级会员 