塔形轴零件加工工艺及其加工毕业论文.docx
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塔形轴零件加工工艺及其加工毕业论文
塔形轴零件加工工艺及其加工毕业论文
绪论
1、数控加工在机械制造业中的地位和作用
随着科技技术的发展，机械产品更新换代频繁，生产类型由大批大量生产向多品种小批量生产转化。
因此，对机械产品的加工相应地提出了高精度、高柔性与高度自动化得要求。
数控机床综合应用了电子计算机、自动控制、伺服驱动、精密检测与新型机械结构等方面的技术成果，具有高柔性、高精度与高度自动化的特点，解决了机械制造中常规加工技术难以解决甚至无法解决的单件、小批量、特别是复杂型面零件的加工。
提高了制造业中的制造水平，为社会提供了高质量、多品种及高可靠性机械产品。
2、数控加工的发展
（1）、1952年美国麻省理工学院研制出第一台三坐标轴数控铣床；
（2）、1959年晶体管出现，数控系统跨入了第二代；
（3）、20世纪60年代，出现了集成电路，数控机床发展到了第三代；
（4）、小型计算机的应用，数控机床系统进入第四代；
（5）、20世纪70年代初，微处理机出现，数控系统进入第五代
3、数控技术的发展趋势
（1）、高速化：
由于数控装置及伺服系统功能的改进其主轴转速和进给速度大大提高，减少了切削时间和非切削时间。
（2）、高精度化：
数控机床的加工精度主要体现在定位精度和重复定位精度。
数控机床配置了新型、高速、多功能的数控系统，其分辨率可达到0.1um,有的可达到0.01um实现了高精度加工。
（3）、多功能化：
CNC装置功能的不断扩大，促进了数控机床的高度自动化及多功能化。
（4）、加工功能复合化：
在同一机床上实现多工序、多方法加工是数控机床发展的又一趋势。
（5）、结构新型化：
6条退的加工中心、没有任何导轨和滑台。
（6）、编程技术自动化：
为弥补手工编程和NC语言编程的不足，近年来开发
出多种自动编程系统。
（7）、数控系统的智能化
（8）、数控系统的开放性：
开放式新一代数控系统，其硬件、软件和总线规范
都是对外开放的。
4、此课题设计意义
数控技术是如此广泛、深入、系统地影响着先进制造技术，并强有力地支撑着先进制造技术，一浪高过一浪地向前蓬勃发展。
通过此设计，使我的专业知识得到了巩固，加深、扩展，为以后进入企业打下了基础。
第一章数控车床的概述
第一节数控机床的基本概念
一、什么是机床的数字控制
1、数控：
用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制的一种方法。
2、数控机床：
以数字指令方式控制机床各部件的相对运动和动作。
二、数控机床的工作原理
1、将被加工零件图样上的几何信息和工艺信息有规定的代码和格式编写成加工程序；
2、将加工程序输入到数控装置，按照程序的要求，经过数控系统信息处理分配，使各坐标轴移动若干个最小位移量，实现刀具与工件的相对运动，完成零件的加工。
三、数控机床的分类
1、按运动控制的特点分类：
点位控制数控机床、直线控制数控机床、轮廓控制数控机床。
2、按伺服系统的分类：
开环控制数控机床、闭环控制数控机床、半闭环控制数控机床。
3、按加工工艺方法分：
金属切削类数控机床、金属成型类及特种加工类数控机床。
四、数控机床的组成及特点
1、组成：
控制介质、数控系统、伺服系统、机床主体。
2、特点：
可以提高零件的加工精度、稳定产品的质量，可以完成普通机床难以完成或根本不能加工的复杂曲面的零件加工，可以实现一机多用，提高生产率，为实现生产过程自动化创造了条件。
第二节数控车床的概述
一、数控车床的用途：
数控车床主要用来加工轴类零件的内外圆柱面、圆锥面、螺纹表面、成型回转体表面等。
对于盘类零件可进行钻孔、扩空、绞孔、镗孔等加工。
机床还可以完成车端面、切槽、倒角等加工。
二、数控车床的类型：
卧式车床、自动及半自动车床、立式车床。
三、数控车削的主要加工对象：
（1）、精度要求高的回转体零件：
由于数控车床刚性好，制造和对刀精度高以及能方便和精确地进行人工补偿和自动补偿，所以能加工精度要求高的零件。
（2）、表面形状复杂的回转体零件：
由于数控车床具有直线和圆弧插补功能，所以可以车削由任意直线和曲线组成的形状复杂的回转体零件。
（3）、表面粗糙度要求高的回转体零件：
数控车床具有恒线速切削功能，能加工出表面粗糙度值小而均匀的零件。
（4）、带特殊螺纹的回转体零件。
四、此塔形轴零件需加工圆柱面、螺纹表面、槽等表面，数控车床主要用来加工轴类零件的内外圆柱面、圆锥面、螺纹表面、成型回转体表面等。
此零件适合用数控车进行加工。
第二章塔形轴零件材料选择以及热处理工艺
第一节常用的工程材料
一、常用工程材料：
工程上常用的材料主要有金属材料和非金属材料。
在所有工程材料中，钢铁材料占据着主导地位。
二、工业用钢：
1、钢的分类：
钢的种类繁多，其按用途可分为结构钢、工具钢、特殊钢；结构钢又可分为工程用钢和优质结构钢。
2、钢的用途：
结构钢是工程中应用最多的材料。
碳素结构钢用于机械零件的只是小部分，低合金高强度结构钢具有良好的焊接性、较好的韧性、塑性、其强度高于一般碳钢。
优质碳素结构钢广泛用于较重要的机械零件，最典型的牌号是45钢,其力学性能和用途看表2—1。
碳素铸钢是冶炼后直接铸造成毛坯或零件的碳素铸钢适用于形状复杂且韧性、强度要求较高的零件，也常用于韧性、强度要求较高的大型零件。
碳素钢的化学成分、力学性能和用途看表2—2、。
渗碳钢主要用于制造高耐磨性，并承受动载荷的零件。
调质钢具有高强度和良好韧性，具有良好的综合力学性能，常用于制造重要的机器零件。
表2—1优质谈素结构钢的力学性能和用途（GB699-88）
牌号
力学性能≥
用途
σ/MPa
σ/MPa
δ5（%）
φ（%）
Ak/J
这类低碳钢由于强度低，塑性好，一般用于制造受力不大的冲压件，如螺栓、螺母、垫圈等。
经过渗碳处理或氰化处理可用做表面要求耐磨、耐腐蚀的机械零件，如凸轮、滑块等
08
195
325
33
60
10
205
335
31
55
15
225
375
27
55
20
245
410
25
55
25
275
450
23
50
71
30
295
490
21
50
63
这类中碳钢的力学性能和切削加工性能均较好，可用用于制造较大的零件，如主轴、曲轴、齿轮等
35
315
530
20
45
55
40
335
570
19
45
47
45
355
600
16
40
39
50
375
630
14
40
31
55
380
645
13
35
这类钢有较高的强度，弹性和耐磨性，主要用于制造凸轮、车轮、螺旋弹簧和钢丝绳等
60
400
675
12
35
65
410
695
10
30
表2—2碳素铸钢的化学成分、力学性能和用途
铸钢编号
化学元素最高含量（%）
室温下试样力学性能最小值≥
用途
ω
ω
ωω
/MPa
MPa
）
Ak/J
ZG200-400
0.20
0.50
0.80
0.04
200
400
25
40
30
有良好的塑性，任性和焊接性能，用于受力不大，要求韧性好的各种机械零件
ZG230-450
0.30
0.09
230
450
22
32
25
有一定的强度和较好的塑性、韧性和焊接性能。
用于受力不大，要求韧性好的各种机械零件
ZG270-500
0.40
270
500
18
25
22
有较高的强度和较好的韧性，铸造性能良好，焊接性能好，切削性好，用于轴承麻、箱体、曲轴和缸体等
ZG310-570
0.50
0.60
310
570
15
21
15
强度和韧性良好，塑性韧性较低。
用于在和较高的零件。
如大齿轮、缸体和制动轮等
ZG340-640
0.60
340
640
10
18
10
有高的强度、硬度和耐磨性，切削性、流动性好，焊接性较差。
用作起重运输机齿轮、联轴器等重要零件
三、铸铁：
铸铁具有良好的减振、减摩作用，良好的铸造性能及切削加工性能，其价格低等优点。
但其力学性能与钢相比较低，脆性较大，提高刚性的热处理复杂
四、非铁合金：
工程中通常将钢铁材料以外的金属或合金，统称为非铁金属及非铁合金。
因其具有优良的物理、化学和力学性能而成现代化工业中不可缺少的重要工程材料。
主要有铝、铜。
1、铝的特点为密度小、导电性和导热性好，抗腐蚀性好
但其强度低。
2、纯铜具有优良的导电、导热、耐蚀和焊接性能，广泛用于导热、导电、耐蚀器件。
五、45钢：
45钢是优质碳素结构钢中较典型的一类中碳钢，其综合力学性能和切削加工性均较好，可用于制造受力较大的零件。
如主轴，曲轴。
第二节零件材料选择的一般原则
材料选择是否合理，是保证材料工作时具有良好的功能，降低生产成本和提高劳动生产率的主要保证。
在众多的可选择材料中，如何选择一个能充分发挥材料潜能的适宜材料，一般应遵循以下三个原则：
一、使用性能
1.零件服役条件分析零件服役条件包括：
受力状况、工作温度、环境介质、特殊性能要求；
2.常用力学性能指标在材料中的应用常用的力学性能指标是强度、硬度、塑性、韧性等。
二、工艺性能
材料性能的好坏，对零件加工的难易程度，生产效率高低，生产成本大小等起着重要作用，同使用性能相比，工艺性能处于次要地位，但在特殊情况下，工艺性能也可能成为选材了的主要依据。
切削加工性能主要取决于加工表面质量，切削排除难易程度和刀具磨损大小，钢铁材料控制在170~230HBS之间便于切削。
通过热处理可以改善钢材料的切削加工性能。
三、经济性
保证零件的生产和使用的总成本最低。
总成本与零件的寿命、重量、加工、研究和维修费用以及材料价格等有关。
选材是要尽量积累和利用各种材料，作出定量分析，使所选材料最经济并产生作大效益。
四、塔型轴主要用来支撑传动零件,传递运动和扭矩,塔型轴的服役条件和失效形式主要有:
1、因传动运动，要承受压缩、拉伸的应力以及剪切应力；
2、传递扭矩，要承受扭转应力和弯曲力；
3、塔型轴主要失效形式有：
变形、断裂、磨损。
五、塔型轴的力学性能有：
1、要有较高的强度、硬度以承受大的压力；
2、高的接触疲劳强度和高的弯曲疲劳强度；
3、高的耐磨性和足够的冲击韧性；
六、轴类零件常用材料选择：
一般轴类零件的材料常用45钢；中等精度而转速较高的轴类零件可选用40cr等合金结构钢；精度较高的轴可选用GCr15和弹簧钢65Mn等，高转速、重载等条件下工作的轴可选用20CrMnTi、20Cr、38CrMoAl等。
第三节材料的热处理工艺
一、钢的热处理：
钢的热处理是将钢在固态下进行加热、保温和冷却，以改变其内部组织，从而获得所需要性能的一种工艺方法。
二、钢的热处理的目的不仅可改变钢的加工工艺性能，更重要的是能充分发挥钢材的潜力，提高钢的使用性能，节约成本，延长工件的使用寿命。
三、按加热和冷却方法不同，钢的热处理分类如下：
1、整体热处理：
退火、正火、淬火、回火等。
退火和正火经常作为钢的预先热处理工序，安排在铸造、锻造、和焊接之后或粗加工之前，以消除前一工序所造成的某些组织缺陷及内应力，为随后的切削加工及热处理作好组织上的准备。
（1）、退火是将钢材加热到适当温度，保温一段时间，随后缓慢冷却以获得接近平衡状态组织的热处理工艺。
其工艺特点和应用范围看表2—3。
表2—3退火工艺特点和应用范围
类别
工艺名称
工艺特点
主要用途
用途
第
一
类
退
火
扩散退火
加热至Ac3+（150~200）℃长时间保温后缓冷
消除成分偏析和组织均匀化
铸件及具有成分偏析的锻轧等
再结晶退火
加热至再结晶温T再+（100~250）℃，保温后缓冷
消除冷变形强化，提高塑性
冷变形钢材和钢件
去应力退火
加热至Ac1以下（100~200）℃，
保温后缓冷
消除残余内应力
铸件、焊接件及锻轧件
第
二
类
退
火
完全退火
加热至Ac3+（30~50）℃，保温后缓冷
细化组织、降低硬度、提高塑性、消除铸造偏析
中碳钢及中碳合金钢，铸、焊、锻、轧制件等
不完全退火
加热至Ac1+（30
~50）℃，保温后缓冷
细化组织、降低硬度
晶粒末粗化的
锻轧件等
等温退火
加热至Ac3+（30~50）℃（亚共析钢）或Ac1+（30~50）℃（共析钢和过共析钢），保温后等温冷切
细化组织、降低硬度
大型的铸、锻件及冲压件
球化退火
加热至Ac3+（10~20）℃或Ac1以下（20~30）
℃，保温后等温冷切
碳化物球化，降低硬度，提高塑性
共析钢、过共析钢锻压件，结构钢冷挤压件
（2）、正火将钢材加热到Ac以上30~50℃，保温一定时间，在静止的空气中冷却的工艺。
正火可以消除和减少过共析钢的网状先共析渗碳体组织为球化退火作准备；其次，还可以改变亚共共析钢的切削性能；还可以作为一般结构件的最终热处理；再次，一些形状复杂零件，当淬火有危险时可用正火替代，回火处理。
（3）、钢的淬火是为了获得马氏体，提高钢的硬度和耐磨性。
淬火需要三要素有：
加热温度、保温时间、冷却速度。
（4）、工件淬火后通常获得马氏体加残余奥氏体组织，这种组织不稳定，存在很大的内应力，因此必须回火。
回火时的组织转变分为四个阶段：
第一阶段:
马氏体开始分解；
第二阶段：
残余奥氏体分解；
第三阶段：
马氏体分解完成及渗碳体的形成。
第四阶段：
渗碳体的聚集长大和α固溶体的回复已在结晶。
回火的种类和应用看表2—4
表2—4
种类
温度℃
组织
目的
回火后的硬度
用途
低温回火
150~250
回火马氏体
减小或消除淬火内应力提高钢的韧性
60HRC
常用于刃具、量具、冷作模具、滚动轴承以及表面淬火和渗碳淬火件
中温回火
350~500
回火托氏体
提高弹性和韧性并保持一定的硬度
35~45HRC
主要用于各种弹簧、锻模、压铸模
高温回火（调质）
500~650
回火索氏体
这种组织具有良好综合力学性能
28~33HRC
用于各种重要构件，传动轴、连杆、曲轴、齿轮等
2、表面热处理：
表面淬火
（1）、仅对工件表面进行淬火的工艺。
（2）、常用的有感应加热表面淬火法和火焰加热表面淬火法。
3、化学热处理：
渗碳、碳氮共渗、渗氮等。
（1）、渗碳的目的是提高工件表层的含碳量，在经过淬火和低温回火，提高工件表面的硬度、耐磨性和疲劳强度，而心部任保持良好的塑性和韧性。
（2）、渗氮提高工件表面的硬度、耐磨性、疲劳强度、腐蚀性及热硬性。
（3）、碳氮共渗后进行淬火加低温回火耐磨性比渗碳更好。
第四节塔形轴零件的材料选择
此塔型轴的精度为IT12，而且根据塔型轴的力学性能、服役条件和失效形式的要求，比较了常用工程材料后可以看出此轴最适合选用的材料为45钢。
其硫、磷的质量分数低，力学性能和切削加工性较好。
一、根据塔型轴的使用来看，其应该具有高的韧性、强度和耐磨性。
所以，45钢经正火、调质、淬火等不同的热处理，可获得一定的强度、硬度、耐磨性。
1、在获得毛坯后，对其进行正火热处理，不仅可以消除内应力、细化晶粒、降低硬度，而且工艺过程较为简单。
2、粗加工之后可进行调质处理以获得回火索氏体，提高零件的综合力学性能，消除粗加工中产生的内应力。
3、45钢还需要进行淬火热处理，以获得马氏体，提高钢的硬度和耐磨性。
第三章塔形轴零件的加工工艺
第一节塔形轴零件的零件图工艺分析
一、零件图工艺分析主要包括：
1、结构工艺性分析：
此塔形轴零件从结构上来看，中间部分的切槽宽都为10mm，只需一把宽3mm的槽刀就可以切所有槽，可以减少刀具数量少占了刀架刀位，节省了换刀时间。
2、轮廓几何要素分析：
此塔形轴由内外圆柱面、圆锥面、螺纹表面、成型回转体表面组成，其中，多个直径尺寸有较严格的尺寸精度，圆锥面有端面圆跳动的要求，尺寸标注完整，轮廓描述清楚。
零件材料为45钢。
3、精度要求分析：
（1）、分析精度及各项技术要求是否齐全，是否合理；
（2）、分析本工序的数控加工精度能否达到图样要求；
（3）、找出图样上有位置精度要求的表面；
（4）、粗糙度要求较高的表面，用恒线速切削
二、经过以上分析，采取以下几点工艺措施。
（1）、此塔型轴的精度要求为IT12,其精度要求低，粗糙度为0.0016mm，用数控车床便可以达到此要求。
（2）、在零件轮廓上有三处过象限，在加工时应进行机械的间隙补偿；
（3）、为便于装夹，坯件左端应预先车出夹持部分
第二节工序和装夹方式的确定
一、工序
工序是指，一个或一组工人，在一个工作地对一个或同时对几个工件所连续完成的那一部分工艺过程，称为工序。
二、工序的划分
1、工序划分原则：
（1）、工序集中原则；
（2）、工序分散原则；
大批量生产时，若使用多刀、多轴等高效机床，工序可按集中原则划分；若在有组合机床组成的自动线上加工，工序一般按分散原则划分。
单件小批量生产时，通常采用集中原则。
成批生产时，工序可按集中原则划分也可按分散原则划分，应视具体情况而定。
对于尺寸和质量都很大的重型零件，为减少装夹次数和运输量，应按集中原则划分。
对于刚性差而且精度高的零件应按工序分散原则划分工序。
2、工序划分方法：
（1）、按所用刀具划分；
（2）、按安装次数划分；
（3）、按粗、精加工划分；
（4）、按加工部分划分；
3、零件的加工工序通常包括切削加工工序、热处理工序和辅助工序等。
这些工序的顺序直接影响到零件的加工质量、生产率和加工成本。
因此，在设计工艺路线时，应合理的安排好切削加工工序、热处理工序和辅助工序的顺序，并解决好工序间的衔接问题。
（1）、切削加工工序的安排切削加工通常按以下原则安排顺序：
1）、基面先行原则用作精基准的面先加工，减小装夹误差。
所以，此塔型轴应先车左端面，将其车平。
2）、先粗后精原则个表面的加工顺序按粗加工—半精加工—精加工的顺序进行，才能提高加工表面的精度和减小表面粗糙度。
3）、先主后次原则主要表面应先加工
4）、先面后空原则此方法是对箱体类、支架类、机体类零件，在此不作要求。
（2）、热处理工序的安排为提高材料的力学性能，改善材料的加工切削加工性和消除工件内应力应适当安排热处理工艺。
1）、预备热处理安排在粗加工前后，改善材料的的加工切削加工性和消除毛坯内应力，常用的有退火、正火、调质。
2）、消除残余应力热处理常用的有人工时效、退火。
消除在制造过程中引起的内应力。
3）、最终热处理提高零件的强度、硬度和耐磨性，安排在精加工之后，常用的有渗碳淬火、渗氮淬火、表面淬火。
（3）、辅助工序的安排包括：
检验、清洗、去毛刺、去磁、防锈和平衡等。
正确分析各工序，是零件加工的必要过
三、工件的装夹
1、工件定位与夹紧的过程称为工件的装夹。
2、定位与夹紧方案的确定：
（1）力求设计基准、工艺基准与编程原点统一，以减少基准不重合误差和数控编程中的计算工作量。
（2）尽量减少装夹次数，做到一次装夹后能加工出工件上大部分待加工表面，甚至全部待加工表面，以减少装夹误差，提高加工表面之间的相互位置精度，并充分发挥数控机床的效率。
（3）避免采用占机人工式方案，以免占机时间太多。
四、综合以上所述，此塔型轴零件应以外圆表面为定位基准，按加工部分划分工序，将零件加工划分为三个工序：
1、车左端面及直径为58mm的外圆：
将左端面车平，车58mm的外圆。
2、车右端面：
将右端面车平直至加工零件长度。
3、零件加工：
（1）粗车零件左端外圆；
（2）切槽；
（3）粗车外圆；
（4）精车外圆；
（5）加工螺纹。
第三节加工顺序的确定
一、制订零件车削加工顺序一般遵循下列原则：
1、先粗后精：
按照粗车、半精车、精车的顺序进行。
粗车将在较短的时间内将工件表面上的大部分加工余量切掉，一方面提高金属切削率，另一方面满足精车的余量。
2、先近后远：
这里说的远与近，是按加工部位相对于对刀点的距离大小而言的。
在一般境况下，离对刀点远的地方后加工，以便缩短刀具移动距离，减少空行程时间。
3、内外交叉：
这是对有内表面的零件而言。
二，此塔型轴加工顺序的安排应如下：
准备毛坯，正火，切端面，粗车，调质，半精车，精车，表面淬火。
第四节进给路线的确定
一、进给路线：
指刀具从对刀点开始运动起直至返回改点并结束加工程序的执行时间，还能减少一些不必要的刀具消耗及机床进给机构滑动部件的磨损等。
二、进给路线确定的原则：
（1）使工件表面获得所要求的加工精度和表面质量。
在加工中要避免刀具的法向切入及在工件轮廓处停刀；
（2）尽量使进给路线最短，减少空进给时间，提高加工效率；
（3）使数值计算容易，以减少数控编程中的计算工作量。
三、在保证加工质量的前提下，使加工程序具有最短的进给路线，不仅可以节省整个加工过程的执行时间，还能减少一些不必要的刀具消耗及机床进给机构滑动部件的磨损等。
实现最短进给路线的方法有：
1、最短的空行程路线
（1）、巧用起刀点现以右端直径为16的轴为例，设置起刀点0。
如图3—1所示，巧将起刀点与对刀点分离，并设于图示b点位置，其进给路线安排如下：
起刀点与对刀点的分离空行程为A—B；
第一刀为b→C→d→e→b；
第二刀为b→f→g→h→b；
第三刀为b→i→j→k→b。
图3—1巧用起刀点
（2）巧设换刀点为了考虑换刀的方便和安全，有时将换刀点设置在离工件较远的地方如o点，当换第二把刀时，空行程也就较长；所以将换刀点设在b点可以缩短空行程距离。
（3）合理安排“回零”路程在手工编程时，为了使计算过程简化，即不出错，又便于校核这就需要返回对刀点的指令，时期全部返回到对刀点，然后再执行后续程序，这就是回零。
但是，这样会增加进给路线的距离，从而大大降低生产效率。
因此，在合理安排回零路线时，应使其前一刀终点与后一刀起点间的距离尽量简短或者为零，即可满足进给路线为零的要求。
另外，在选择返回对刀点指令时，在必发生加工干涉现象的前提下，宜尽量采用x、z坐标轴双向同时回零指令，该指令功能的回零路线将是最短。
2、最短的切削进给路线切削进给路线为最短，可以有效的提高生产效率，降低刀具损耗等。
在安排粗加工或半精加工时，应同时兼顾到被加工零件的刚性及加工工艺性。
图3—2为粗车进给路线示意图，其进给路线为矩形进给路线，直线是最短的路线。
图3—2粗车最短进给路线
3、大余量毛坯的阶梯切削进给路线在粗加工中应该选用可以切去大量的毛坯的方法，所留余量应该相等且留下较少余量。
4,、精加工的进给路线在安排可以一刀或多刀进行的精加工工序时，其零件的完工轮廓因由最后一刀连续加工而成，这时，加工刀具的进、退刀位置要考虑妥当，尽量不要在连续的轮廓中安排切入和切出或换刀及停止，以免因切削力突然变化而造成弹性变形，致使光滑链接轮廓上产生表面划伤、形状突变或滞留刀痕等缺陷。
第五节
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