轴类零件数控加工工艺及编程.docx
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轴类零件数控加工工艺及编程
毕业论文
题目：
轴类零件数控加工工艺及编程
轴类零件数控加工工艺及编程
摘要：
数控机床加工工艺与普通机床加工工艺在原则上基本相同，但数控加工的整个过程是自动进行的。
数控加工的工序内容比普通机床的加工的工序内容复杂，这是因为数控机床价格昂贵，若只加工简单的工序，在经济上不合算，所以在数控机床上通常安排较复杂的工序，甚至是在通用机床上难以完成的那些工序。
数控机床加工程序的编制比普通机床工艺规程编制复杂，这是因为在普通机床的加工工艺中不必考虑的问题，如工序内工步的安排、对刀点、换刀点及走刀路线的确定等问题，在数控加工时，这一切都无例外地都变成了固定的程序内容。
正由于这个特点，促使对加工程序的正确性和合理性要求极高，不能有丝毫的差错，否则加工不出合格的零件。
关键词：
轴类零件数控车削工艺设计
一、零件加工工艺分析
1.零件图分析
如图1.1所示该零件从结构上来看包括内﹑外表面：
内表面主要是孔，外表面由圆柱、圆锥、顺圆弧、逆圆弧及螺纹等表面组成，其中多个直径以及宽度尺寸有较严格的尺寸精度和表面粗糙度要求，适合数控车削加工；球面Sφ48㎜的尺寸公差还兼有控制该球面形状（线轮廓）误差的作用；零件材料为45钢，该材料具有较高的强度以及较好的韧性﹑塑性；无热处理和硬度要求。
图1.1
2.工艺分析
（1）如图1.1所示内孔直径φ28,圆柱尺寸φ35﹑φ42和φ52,宽度尺寸4和3,取中值作为编程的尺寸依据。
其他尺寸皆取基本尺寸作为编程尺寸依据。
（2）φ52的圆柱与φ28的孔有较高的同轴度要求,加工时必须以同一个定位基准进行加工。
（3）φ28的公差等级为IT8表面粗糙度Ra为1.6，宜采用钻→扩→铰进行加工以保证尺寸和表面粗糙度的要求。
（4）在轮廓曲线上，有三处为圆弧，其中两处为既过象限又改变进给方向的轮廓曲线，因此在加工时应进行机械间隙补偿，以保证轮廓曲线的准确性。
（5）零件中有比较大的圆弧需要进行加工，为了不使加工过程中出现过切现象选择较大副偏角的车刀进行加工。
3.编程原点选择
零件在加工中需要二次掉头装夹,从图纸上进行尺寸坐标分析,应设置两个编程原点。
两个工件坐标系的编程原点均应选在零件装夹后的右端面（精加工面）,如图1.2、1.3所示。
1.2第一次装夹工件原点1.3第二次装夹工件原点
二、零件毛坯选择
由图1.1可知该零件为45钢，生产类型为单件小批量生产。
根据上述原始资料以及加工工艺，确定毛坯尺寸如下：
该零件最大外圆直径为Ф52mm，查《机械制造工艺设计简明手册》（以下简称《工艺手册》）表2.2得毛坯直径为Ф55mm，长度尺寸为145±0.08。
三、加工方法选择
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有许多，因而在实际选择时，要结合零件的形状、尺寸大小和热处理要求等全面考虑。
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。
1.数控车削加工外圆回转体零件与端面加工方法的选择
（1）φ52、φ42和φ35的尺寸精度等级为IT7，并且φ52和φ35外圆柱表面粗糙度Ra为1.6，参考《数控加工工艺简明教程》表3-14可知加工这些圆柱时宜采用粗车→半精车→精车三步加工。
（2）零件左端外圆尺寸精度以及表面粗糙度要求不高，所以可以采用粗车→精车加工工艺以缩短工时。
由于零件左端有螺纹需要加工并且螺纹精度要求较高，为了达到螺纹加工的精度要求，所以在加工零件左端外圆时须将外圆尺寸加工为Ф29.8mm。
（3）对于圆锥面采用衡线速度进给切削，以保证圆锥尺寸精度。
2.数控车削加工内圆回转体加工方法的确定
Ф28+00.04盲孔:
孔的精度要求在IT8～IT9之间,参考《数控加工工艺简明教程》表3-16，获知宜采用钻→扩→铰加工工艺,以保证尺寸和表面粗糙度的要求。
参考《工艺手册》表2.3-9以及2.3-12确定工序尺寸及余量为钻孔:
Ф26.0mm；扩孔:
Ф27.8mm，2Z=1.8mm；铰孔:
Ф28+00.04mm，2Z=0.2mm。
3.数控车削加工螺纹加工方法的确定
由于该零件中螺纹加工精度要求较高,为了保证其螺距和牙深的精度故采用G92螺纹加工指令进行加工。
四、机床与刀具的选择
1.机床的选择
从实际零件的特点考虑加工的经济性，选择数控车床,其型号为SSCK20/500，装配FANUC-OTC系统。
（1）SSCK20/500数控车床的用途
SSCK20/500数控车床主要用于加工轴类零件和盘类零件的内外圆柱表面、圆锥面、螺纹表面、成形回转体表面，还可以进行钻孔、扩孔、铰孔、镗孔、镗孔和车端面、切槽、倒角等加工。
（2）SSCK20/500数控车床布局
SSCK20/500数控车床为两坐标联动控制的卧式车床。
床身采用向后倾斜45°，使刀具的调整及操作更为方便安全。
导轨采用直线
滚动导轨或镶钢导轨，摩擦系数小，从而增加了耐磨性和精度的保持性，提高了刀架的快移速度并延长机床使用寿命。
主轴采用普通电动机、变频调速，主轴卡盘和尾座。
在结构设计上均采用液压控制，压力的大小可分别用减压阀进行调整。
倾斜滑板上安装有回转刀架，设有6个工位。
滑板上分别安装有X轴和Z轴的进给传动装置。
根据用户的要求，主轴箱前端面上可以安装对刀仪，用于数控车床的对刀。
（3）SSCK20/500数控车床主要技术参数
表3.1
机身上最大回转直径
Ф400mm
夹盘直径
Ф200mm
最大切削直径
Ф200mm
最大切削长度
500mm
主轴转速范围
24r/min~2400r/mm（连续无级）
主轴直径
Ф55mm
滑鞍最大纵向行程
550mm
滑板最大横向行程
200mm
快速移动速度
X轴6m/min;Z轴12m/min
刀架工位数
6工位
刀具规格
车刀20mm×20mm
工具孔直径
Ф32mm
选刀方式
顺时针方向
最小输入当量
X轴（直径）0.001mm；Z轴0.001mm
尾坐套筒直径
Ф70mm
尾座套筒最大行程
60mm
顶尖锥孔
莫式4号
主电动机功率
连续载荷11kw
进给伺服电动机功率
X轴AC0.6kw；Z轴AC0.6kw
液压站电动机功率
1.1kw
切削液电动机功率
0.0125kw
机床外形尺寸（长×宽×高）
2600mm×12400mm×1715mm
机床净质量
2300kg
2.刀具的选择
将所选刀具参数填如表3.2数控加工刀具卡片中，以便于编程和操作管理。
注意：
车削外轮廓时，为防止副后刀面与工件表面发生干涉，应选择较大副偏角，必要时可以作图检验。
如图3.1所示，为一圆弧面过渡到圆柱面时交点的切线与圆柱面的夹角，由图可知在加工这一过渡表面时kr′最小为560。
为了使粗加工时候能够切除更多的毛坯余量参考图3.2，确定粗加工刀具最小后角kr′=430。
表3.2数控加工刀具卡
产品名称或代号
零件名称
零件图号
序号
刀具号
刀具规格名称
数量
加工表面
刀尖半径
备注
1
T01
90°硬质合金外圆车刀
1
车端面及粗车外轮廓
0.5
刀具后角>43°
2
T02
Ф5中心钻
1
钻Ф5mm中心孔
3
T03
Ф25钻头
1
钻孔
4
T04
扩刀
1
扩孔
5
T05
绞刀
1
绞刀
6
T06
90°硬质合金外圆车刀
1
半精车外轮廓
0.3
刀具后角为56°
7
T07
93°硬质合金外圆车刀
1
精车外轮廓
0.2
刀具后角为56°
8
T08
宽度为3mm切槽刀
1
切槽
9
T09
60°外螺纹车刀
1
车M30螺纹
0.1
刀尖角为59°30′
图3.1图3.2
五、定位与夹紧方式的确定
经过分析可知此工件必须分两次装夹。
由于左端外表面为螺纹，不适于做装夹表面，所以第一次装夹工件左端，加工右端。
为了防止由于切削力的作用而产生轴向位移,必须在卡盘内装一限位支撑或利用工件的台阶面进行限位。
此处利用工件台阶面进行定位。
使用三爪自定心卡盘夹持，考虑到此工序需要加工的零件较长，所以需要在右端面加一顶尖，采取一夹一顶的方式进行装夹。
第一次装夹如图5.1所示，完成Sφ48球面﹑R48圆弧﹑R9圆弧﹑R8圆弧﹑φ35外圆﹑φ52圆﹑圆锥面﹑槽﹑φ28内孔﹑1X45°倒角的粗﹑精加工；第二次装夹如图5.2所示，完成φ30外圆、螺纹﹑2X45°倒角、1X45°倒角的粗精加工。
图4.1零件的第一次装夹图4.2零件的第二次装夹
六、加工顺序安排
1.加工顺序的安排
按照加工内容确定加工顺序如下:
（1）第一次装夹时
第一步:
装夹φ55圆柱表面,钻φ5中心孔；
第二步：
用顶尖顶紧工件右端面，粗车Sφ48球面﹑R9外圆﹑R8外圆﹑φ35圆柱﹑圆锥面﹑φ52圆柱；
第三步：
半精车外圆表面；
第四步：
钻φ26孔；
第五步：
扩孔至φ27.8；
第六步：
铰孔至尺寸要求；
第七步：
精车外圆表面。
调头装夹
（2）第二次装夹时
第一步：
粗车φ30外圆表面，加工2X450和1X450倒角；
第二步：
从左至右精车外圆表面；
第三步：
车削M30X2-6g螺纹。
以上工艺过程详见表8.1“数控加工工序卡”所示。
七、走刀路线和工步顺序确定
1.确定加工顺序和走刀路线
（1）工步顺序的确定
在第一次装夹时，工步顺序的确定按照由内到外﹑由粗到精﹑由近到远的原则确定，在一次装夹中尽可能加工出较多的工件表面。
结合本零件的结构特征，可以先粗、半精加工外圆各表面（考虑到粗加工刀具为了保证刀具的耐用度副角不宜过大，为了避免粗加工时候刀具后刀面与零件发生干涉，使得零件报废，造成不必要的浪费从而确定如图7.1所示粗加工零件轮廓图，调整后尺寸如图所示，其它基本尺寸不变，再加工内孔各表面至尺寸以及表面粗糙度要求，然后再进行外圆各表面的精加工。
在第二次装夹时，结合零件的结构特征，首先对零件外圆进行粗、精加工再车M30X2-6g螺纹。
图7.1
（2）走刀路线的确定
在数控加工中，刀具刀位点相对于工件运动轨迹称为走刀路线。
编程时，走刀路线的确定原则主要有以下几点：
①走刀路线应保证被加工零件的精度和表面粗糙度，且效率高。
②使数值计算简单，以减少编程工作量。
③应使走刀路线最短，这样既可减少程序段，又可减少空刀时间。
此外，确定走刀路线时，还要考虑工件的加工余量和机床、刀具的刚度等情况，确定是一次走刀，还是多次走刀来完成加工等。
由于该数控车床具有循环功能，只要编程正确，数控系统就会自动确定粗车以及螺纹车削路线。
因此，该零件的粗车以及螺纹车削路线不需要人为确定进给路线，我们只要指定零件的精车路线。
本工件的精车路线如图7.2所示。
由于该零件为单件小批量生产，走刀路线设计不必考虑最短进给路线或最短空行程路线。
图7.2
图7.3
说明:
如图7.2所示为第一次装夹时外圆精车走刀路线,图中点A（250.0,150.0）为换刀点B（55.0,7.0）为精车起刀点,点C（12.735,4.543）为切入点,为切了避免切入时损坏工件故采取圆弧切切入。
图7.3所示为第二次装夹时外圆精车走刀线，图中a点为换刀点（100.0，100.0），点b为精车起刀点（55.0，5.0），点c精车切入点（53.985,35）。
八、切削用量的选择
1.切削用量的选择
切削用量的选择根据被加工表面质量要求﹑刀具材料和工件材料，参考切削用量手册或有关资料选取切削速度和每转进给量然后根据式1-1和1-2计算主轴转速与进给速度，
VC=∏dn/1000（1-1）
n≤1200/p-k（1-2）
式中VC—切削速度，单位m/min;
d—切削刃上选定点处所对应的工件或刀具的回转直径,单位mm;
n—工件的转速,单位为r/min;
P—被加工螺纹螺距，单位为mm；
K—保险系数，一般为80。
2.第一次装夹切削用量计算
（1）钻孔Ф28+00.04mm、钻孔Ф26：
①背吃刀量ap=13mm。
②进给量根据《数控加工工艺简明教程》表6-4，选用f=0.4mm/r。
③切削速度根据《数控加工工艺简明教程》表6-4，选用Vc=20m/min。
④主轴转速由公式1-1得20=3.14*26n/1000
求得n=245r/min经查表取n=250r/min
（2）扩孔Ф27.8mm：
①背吃刀量ap=18.9mm。
②进给量根据《数控加工工艺简明教程》表6-4，选用f=0.4mm/r。
③切削速度根据《数控加工工艺简明教程》表6-4，选用Vc=20m/min。
④主轴转速由公式1-1得20=3.14*27.8n/1000
求得n=229r/min经查表取n=250r/min
（3）铰孔Ф28+00.04mm：
①背吃刀量ap=14mm。
②进给量根据《数控加工工艺简明教程》表6-5，选用f=0.5mm/r。
③切削速度根据《数控加工工艺简明教程》表6-5，选用Vc=4m/min。
④主轴转速由公式1-1得4=3.14*28n/1000
求得n=45r/min经查表取n=50r/min
（4）粗车外轮廓
进给量选择：
查表得f=0.5mm/r。
（5）半精车外轮廓
进给量选择：
由于在粗车外轮廓时留了1.1mm的余量,考虑到还需要对零件进行精加工并取精加工余量为0.25mm,半精车外轮廓进给量为0.85mm,显然进给量过大。
综合加工效率方面问题考虑最后取进给量f=0.85/2=0.425mm/r。
（6）精车外轮廓
进给量选择：
由于在半精车外轮廓时留了0.25mm的精加工余量，综合加工效率方面问题考虑最后取进给量f=0.25/2=0.125mm/r。
3.第二次装夹切削用量计算
（1）粗车Ф30mm外圆柱面
①背吃刀量根据《数控加工工艺简明教程》表4-1，选用ap=5mm。
②进给量根据《数控加工工艺简明教程》表4-1，选用f=0.5mm/r。
③切削速度根据《数控加工工艺简明教程》表4-1，选用Vc=100m/min。
（2）精车Ф30mm外圆柱面
①背吃刀量根据《数控加工工艺简明教程》表4-1，选用ap=0.25mm。
②进给量根据《数控加工工艺简明教程》表4-1，选用f=0.2mm/r。
③切削速度根据《数控加工工艺简明教程》表4-1，选用Vc=140m/min。
④主轴转速由公式1-1得140=3.14*30n/1000
求得n=1486r/min经查表取n=1500r/min
（3）车螺纹M30×2-6g
①背吃刀量刀具寿命T=60min，车削螺纹用G92循环指令,需进行5次切削，每次背吃刀量如下：
第一次ap=0.45mm；第二次ap=0.3mm；第三次ap=0.3mm；第四次ap=0.2mm；第五次ap=0.05mm。
②主轴转速的选择
根据式1-2得n≦1200/2-0.8求出n≦1000
由于该数控车床具有循环功能，只要编程正确，数控系统就会自动确定螺纹车削路线进给量以及切削速度以及车外圆时的主轴转速。
因此，该零件的螺纹车削路线不需要人为确定进给量和切削速度，外圆车削不需要给定每次进刀时的主轴转速。
4.计算结果汇总
表8.1数控加工工序卡
工厂
数控加工工序卡
产品名称
零件名称
材料
零件图号
工序号
程序编号
夹具名
夹具编号
使用设备
专用夹具
车间
工步号
工步内容
刀具号
刀具规格/
mm
主轴转速
/r·min-1
进给速度
/mm·min-1
背吃刀量/mm
备注
1
车削端面
01
255×2
300
5
手动
2
钻Ф5中心孔
2
Ф5
200
2.5
手动
3
粗车外表面X方向留1.1mm余量
01
25×25
400
100
5
自动
4
半精车外表面X向留0.25mm的精加工余量
06
25×25
500
200
3
自动
5
钻孔
03
Ф26
250
40
13
自动
6
扩孔
04
Ф27.8
250
40
13.9
自动
7
铰孔至尺寸要求
05
Ф28
50
20
14
自动
8
精车外表面至尺寸要求
07
25×25
600
300
0.25
自动
9
切槽
08
3
500
150
0.2
自动
10
调头装夹
手动
11
粗车外表面X向留0.25mm的精加工余量
01
25×25
300
100
5
自动
12
精车外表面至尺寸要求
07
25×25
600
300
0.25
自动
13
车削M30X2-6g螺纹
09
25×25
≦1000
150
自动
由于背吃刀量的选择因粗﹑精加工而有所不同。
粗加工时，在工艺系统刚性和机床功率允许的情况下，尽可能取较大的背吃刀量，以减少进给次数；精加工时，为保证零件表面粗糙度要求，因此，背吃刀量一般取0.1～0.4mm较为合适。
将前面分析的各项内容综合成表8.1所示的数控加工工艺卡片，此表是数控加工程序的主要依据和操作人员配合数控程序进行数控加工的指导性文件，主要内容包括：
工步顺序﹑工步内容﹑各工步所用的刀具及切削用量等。
九、对刀点与换刀点的确定
1.对刀点选择
“对刀点”就是在数控机床上加工零件时，刀具相对于工件运动的起点。
由于程序段从该点开始执行，所以对刀点心也叫做“程序起点”或“起刀点”。
选择对刀点的原则是：
①要便于数学处理和简化程序编制
②在机床上找正容易
③加工过程中检查方便
④引起的加工误差小
对刀点可选在工件上，也可选在工件外面（如选在夹具上或机床上），但必须与零件的定位基准有一定的尺寸联系，这样才能确定机床坐标系和工件坐标系的关系。
为了提高加工精度，对刀点应尽量选在零件的设计基准或工艺基准上，如以孔定位的工件，可选孔的中心作为对刀点。
刀具的位置则以此孔来找正，使“刀位点”与“对刀点”重合。
所谓“刀位点”是指车刀、镗刀的刀尖；钻头的钻尖；立铣刀、端铣刀刀头底面的中心、球头铣刀的球头中心。
对刀点既是程序的起点，也是程序的终点，因此在成批生产中要考虑对刀点的重复精度，该精度可用对刀点相距机床原点的坐标值来校核。
所谓“机床原点”是指机床上一个固定不变的极限点。
例如，对车床而言，是指车床主轴回转中心与车头卡盘端面的交点。
2.换刀点选择
由于在第一次装夹中需要加工的工件毛坯尺寸为115Xφ55mm，为了避免换刀时发生刀架与毛坯相撞以及考虑到刀具的空行程问题所以工序一换刀点选定为（100.0,200.0）。
在第二次装夹时需要加工的工件毛坯尺寸为38Xφ55mm，同样为了避免换刀时发生刀架与毛坯相撞以及考虑到刀具的空行程问题所以工序二换刀点选定为（100.0，100.0）。
十、程序的编制
1.零件各结点尺寸计算
在计算零件各接点计算时可以采取比较直观便捷的画图法来计算出编程时各接点的尺寸坐标值如图10.1所示。
作图时应注意将零件精度高的基本尺寸换算为平均尺寸。
图10.1
图中点A（0，18.735）为SФ48mm的球面右端的起始点，点B（35.0478，-38.3841）为SФ48mm的球与R=9的圆弧的交点，点C（36.4522，-44.35）为R=8的圆弧与R=9的圆弧的交点，点H（0，-30.415）为钻头钻孔时刀尖点所处的位置，期于各点D（41.758，-65）、E（45.3058，-75.06）、F（47.7638，-82.03）、G（50.2218，-89）。
2.程序的编制
（1）第一次装夹
O0001
N10G54G00X100Z200;
设置换刀点
N20T0101；
粗加工外圆刀具
N30M03S400；
N40G42G0X60Z5
加刀具补偿
N50G73P60Q140U1.1W0.4F0.25；
粗加工循环
N60G00X18.735Z0；
N70G03X35.0478Z-38.3841R24F0.3；
N80G02X36.4522Z-44.35R9；
N90G03X41.758Z-65R8；
N100G01Z-65F0.2；
N110X37.687；
N120X52Z-94；
N130Z-115；
N140X58；
N150G40G00X100Z200；
取消刀补，返回换刀点
N160T0606S500；
外圆半精车刀
N170G42G00X55Z7；
加刀具补偿
N180G73P190Q260U0.25W0.1F0.25；
半精车循环
N190G00X12.735Z4.5430；
N200G03X35.0478Z-38.3841R24F0.3；
N210G02X36.4522Z-44.35R9；
N220G03X34.885Z-57R8；
N230G01Z-65F0.2；
N240X37.687；
N250X52Z-94；
N260Z-115；
N270X58；
N280G40G00X100Z200；
取消刀补，返回换刀点
N290T0303S250；
钻头
N300G00X0Z2；
N310G74R1；
钻孔循环
N320G74X0Z-30.415Q10F0.4；
N330G00X100Z200；
N340T0404S250；
扩孔刀
N350G00X0Z2；
N360G74R1；
扩孔循环
N370G74X0Z-30.415Q10F0.4；
N380G00X100Z200；
N390T0505S50；
铰刀
G00X0Z2；
N400G74R1；
铰孔循环
N410G74Z-26Q10F0.5；
N420G00X100Z200；
N430T0707S600；
精车外圆刀具
N440G42G00X55Z5；
N450G70P190Q260；
精车外圆
N460G40G00X100Z200；
N470T0808S500；
切槽刀具
N480G00X50Z-75.06；
N490X47；
切槽
N500G01X39F0.2；
N510X50；
N520Z-82.03；
N530G01X39；
N540X53；
N550G00Z-89；
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