数控铣床主轴加工工艺设计与数控程序编制.docx
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数控铣床主轴加工工艺设计与数控程序编制
摘要
本文主要针对数控铣床主轴加工工艺设计与数控程序编制进行数控加工分析，在生产过程中，使生产对象（原材料，毛坯，零件或总成等）的质和量的状态发生直接变化的过程叫工艺过程，如毛坯制造，机械加工，热处理，装配等都称之为工艺过程。
在制定工艺过程中，要确定各工序的工序需要的工步和该安装工位，确定加工该工序的机床及机床的进给量，主轴转速，切削速度和切削深度，确定该工序的刀具，夹具及量具，还有走刀长度，走刀次数，最后计算该工序的基本时间，辅助时间。
课题贯穿本专业所学到的知识与实践操作技术，从分析设计到计算、加工成成品，同时本次选题提供了自主学习，自主选择，自主完成的机会。
本次毕业设计具有实践性，探索性，和应用性等特点，本次选题的目的是学习数控专业教学体系中数控专业知识及专业技能，是运用数控机床及铣床实际操作的一次综合练习。
关键词:
工序，工艺，工步，加工余量
ABSTRACT
ThispaperfocusesonCNCmillingmachinespindlemachiningprocessdesignandNCprogrammingforNCmachininganalysis，Enableproducingthetargetinprocessofproduction（rawmaterials,theblank,stateofqualityandquantityonpartbecomealways）takeplacedirectcourseofchangeaskcraftcourse,iftheblankismade,machining,heattreatment,assembleetc.andcallitthecraftcourse.Inthecourseofmakingthecraft,isitconfirmeveryerectorlocationandworkerstepthatprocessneedthisofprocesstowant,thelocomotiveofprocessing,thisprocess,andtheenteringthegivingamountofthelathe,cutdepth,therotationalspeedofthemainshaftandspeedofcutting,thejigofthisprocess,thecutterandmeasuringtool,aonehundredsheetsofnumberoftimesstillleavesandaonehundredsheetsoflengthleaves,calculatebasictimeofthisprocess,auxiliarytimeandservicetimeofplaceofworkingfinally.Topicslearnedthroughoutthediscussionofthisprofessionalknowledgeandpracticaloperatingtechniques,fromanalysisanddesigntothecalculation,theoperationthatfinishedatthesametimethisprovidesaself-learningtopics,self-selection,self-completionopportunities.Graduationdesignpractical,comprehensive,exploration,andapplicability,thistopicspurposeconstitutetheteachingsystemofnumericalcontrolCNCtechnicalexpertiseandprofessionalskillsimportantpartistousetheactualoperationofaCNCmachinetoolExercises.
Keywords：
Theprocess,workerone,worker'sstep,thesurplusofprocessing
前言
毕业设计是每个毕业生在搞完毕业生产实习以及完成全部基础课、专业课后进行的，是我们对所学全部课程的一次综合性的检测和复习，也是在走上工作岗位之前的一次理论联系实际的训练，它将为我们今后工作的一次较为全面的准备。
我希望通过本次设计，能够培训自己分析问题的能力，锻炼自己独立处理各方面的问题的能力，为今后走上社会新岗位打下较为结实的基础。
由于能力、水平有限；由于时间的仓促，我的设计中难免存在许多问题和错误，恳请各位老师批评指正。
第一章绪论
主轴是数控机床的关键零部件之一，其前端直接与夹具（卡盘、刀具等）相连接用以夹持并带动工件或刀具旋转完成表面成型运动。
主轴加工的主要问题是如何保证主轴支承轴颈的尺寸、形状、位置精度和表面粗糙度，主轴前端内、外锥面的形状精度、表面粗糙度以及它们对支承轴颈的位置精度。
主轴是典型的回转体零件，而轴类零件的材料常用综合性能好的40cr钢，这种材料经调质或正火后，能得到较高的切削性能以及较高的强度和一定的韧性，具有良好的综合力学性能。
毛坯制造方法主要与零件的使用要求和生产类型有关，对于铣床主轴，多采用圆棒料毛坯。
在加工主轴的过程中，首先要分析零件图，分析零件所要达到的技术要求。
然后根据加工条件合理的选择加工方案，确定所需刀具、冷却方法以及加工工序等等。
因为主轴比较长，所以要参照细长轴的装夹方式和锥度心轴来确定主轴的装夹。
在加工前和加工后都确定了检验方法。
随着科学技术的不断发展，对机械产品的质量和生产率提出了越来越高的要求。
机械加工工艺过程的自动化是实现上述要求的最主要的措施之一。
它不仅提高产品的质量、提高生产效率、降低生产成本、还能够大大改善工人的劳动条件。
大批量的自动化生产广泛采用自动机床、组合机床和专用机床以及专用自动生产线，实行多刀、多工位多面同时加工，以达到高效率和高自动化。
但这些都属于刚性自动化，在面对小批量生产时并不是适用，因为小批量生产需要经常变化产品的种类，这就要求生产线具有柔性。
而从某种程度上说，数控机床的出现正是很地满足了这一要求。
数控编程是数控加工准备阶段的主要内容之一，通常包括分析零件图样，确定加工工艺过程；计算走刀轨迹，得出刀位数据；编写数控加工程序；制作控制介质；校对程序及首件试切。
有手工编程和自动编程两种方法。
总之，它是从零件图纸到获得数控加工程序的全过程。
基本概念数控编程是数控加工准备阶段的主要内容，通常包括分析零件图样，确定加工工艺过程；计算走刀轨迹，得出刀位数据；编写数控加工程序；制作控制介质；校对程序及首件试切。
总之,它是从零件图纸到获得数控加工程序的全过程。
第二章零件的分析
2.1零件的作用
本设计题目为数控铣床主轴加工工艺设计与数控程序编制,它夹紧刀具直接参加表面成形运动。
因此，它的工作性能对加工质量和机床的生生率有着重要的影响。
由于主轴在一定的转速下，传递一定的扭矩，保证轴上的传动件和轴承的工作条件，况且主轴直接带动刀具进行切削。
因此，对旋转精度、静刚度、抗震性、热变性、耐磨性都有较高的要求。
由于主轴前端的锥孔或面加工的刀具或接杆零件上Φ65k5和Φ40k5分别装上轴承起支撑作用，所以为了提高耐磨性在前端的锥孔上及Φ88h5和Φ65k5的外圆进行热处理淬硬及HRC48-53，况且主轴组件要做轴向移动，传动齿轮安装在套筒上，套筒与主轴靠双键传动扭矩。
2.2零件的工艺分析
从零件图上可以看出共有6组加工面。
1．轴所有的外圆表面包括车Φ88mm,Φ65mm,Φ55mm,Φ42mm,Φ40mm和切槽倒角。
2．轴上两对称键槽。
3．内锥孔保证锥度Δ7：
24
4．拉削孔Φ17，Φ22
5．钻孔、攻丝M12，M6
6．铣槽15.9
由于零件的几个加工表面都有位置度要求，精度要求，因此，需使用专用夹具。
钻端面螺纹孔M12，M6采用的钻模，加工两对称键槽所需的铣床夹具。
况且为了提高生产率保证加工质量，降低劳动强度也需采用专用夹具。
2.3零件图分析
零件图分析是制定数控车削工艺的首要任务。
主要进行尺寸标注方法分析、轮廓几何要素分析以及精度和技术要求分析。
此外还应分析零件结构和加工要求的合理性，选择工艺基准。
2.2.1尺寸标注方法分析
零件图上的尺寸标注方法应适应数控车床的加工特点，以同一基准标注尺寸或直接给出坐标尺寸。
这种标注方法既便于编程，又有利于设计基准、工艺基准、测量基准和编程原点的统一。
如果零件图上各方向的尺寸没有统一的设计基准，可考虑在不影响零件精度的前提下选择统一的工艺基准。
计算转化各尺寸，以简化编程计算。
2.2.2轮廓几何要素分析
在手工编程时，要计算工件每个节点坐标。
在自动编程时要对零件轮廓的所有几何元素进行定义。
因此在零件图分析时，要分析几何元素的给定条件是否充分。
2.2.3精度和技术要求分析
对加工零件的精度和技术进行分析，是零件工艺性分析的重要内容，只有在分析零件尺寸精度和表面粗糙度的基础上，才能正确合理地选择加工方法、装夹方式、刀具及切削用量等。
其主要内容包括：
分析精度及各项技术要求是否齐全、是否合理；分析本工序的数控车削加工精度能否达到图纸要求，若达不到，允许采取其他加工方式弥补时，应给后续工序留有余量；对图纸上有位置精度要求的表面，应保证在一次装夹下完成；对表面粗糙度要求较高的表面，应采用恒线速度切削（注意：
在车削端面时，应限制主轴最高转速）。
2.2.4零件图如下：
图2—1
毛坯图如下：
图2—2
第三章工艺规程设计
3.1确定毛坯的制造方法
零件材料为40CR，且是一根中空的棒料，生产批量为中小批，同时，由于该零件机械性能要求较高。
锻件和型材的组织结构致密。
机械性能好，但锻件的纤维组织方向明显。
且该轴工作时所受循环载荷和冲击较大，不宜采用锻件，而型材可获得符合零件受力要求的纤维组织，故采用圆棒料。
3.2基面的选择
定位基面的选择是工艺规程设计中最重要的环节。
基面选择正确合理，可以保证加工质量，提高生产效率。
粗基准的选择，对轴类零件来说一般以外圆定为粗基准。
因此，选该轴外圆作为粗基准。
精基准的选择，应考虑到基准重合问题。
若设计基准与工序基准不重合时必须进行尺寸计算。
3.3工艺路线的制定
制定工艺路线的出发点是应使用零件的几何形状、尺寸精度及位置精度等技术要求能得到妥善保证。
在生产纲领已确定为成批生产的条件下，可以考虑采用外能性机床配以专用夹具，并尽量使工序集中来提高生产率。
除此以外，还必须考虑经济效果，以便使生产尽量下降。
3.4工艺方案的比较与分析
加工方案的制定如表1所示：
两方案的特点：
方案一先车后磨且螺纹安排在精车后，便于保证精度要求，以加工好的表面为定位基准，这种方案符合典型轴类零件的机械加工工艺过程，能较好地保证各种技术要求，保证另工质量；方案二是先加工轴表面然后发中心线为定位基准加工轴端面螺纹孔M6，M12，这样难以保证加工质量，易产生形位误差。
况且使加工复杂，生产效率低。
综合考虑采用方案一进行加工
其具体工艺过程如下：
表1工艺方案表
工艺路线方案一（工序1）
工艺路线方案二（工序2）
1）正火
1）预先热处理（正火）
2）车端面
2）粗车各外圆
3）粗车外圆
3）热处理（调质）
4）拉削Φ17孔
4）半精车
5）热处理（调质）
5）车M45X1.5螺纹
6）半精车
6）拉削Φ17孔
7）铣凹槽
7）钻螺纹孔M12，M6
8）钻螺纹孔
8）热处理（淬火）
9）钳工
9）钳工（去毛刺）
10）热处理（淬火）
10铣凹槽
11）精车
11）精车
12）钳（去毛刺）
12）立铣对称键槽
13）粗磨
13）热处理
14）成型刀铣削加工（花键）
14）粗磨
15）热处理
15）半精磨
16）钳工
16）车M45Ｘ1.5
17）半精磨
17）精磨
18）车M45Ｘ1.5
18）钳工（去毛刺）
19）精磨
19）检验入库
20）钳工（去毛刺）
21）检验入库
表格3—1
故采用方案一
其具体工艺过程如下：
1.热处理（正火）
2.车端面
3.粗车各外圆留余量2mm,车大外圆Φ92mm，车小端面
4.拉削Φ17孔，车大端面，倒角C1
5.热处理（调质）
6.半精车，退刀槽倒角2X45车锥度7：
24内锥孔Φ25孔
7.铣凹槽
8.钻螺丝纹孔M6、M12攻丝Φ5，Φ11
9.钳工
10.热处理（淬火）
11.精车各外圆车25.30+0.31孔
12.钳（去毛刺）
13.粗磨各外圆
14.成型刀铣削加工（花键）
15.热处理（油煮定性）
16.钳
17.半精磨各处圆，磨内锥孔Φ44.45
18.车螺纹M45X1.5
19.精磨各外圆
20.钳（去毛刺）
21.检验入库
第四章定机械加工余量，工序尺寸，毛坯尺寸
该轴材料为40G硬度为HB200——250，生产类型为中小批量生产，采用模锻毛坯由上述原始资料及加工工艺过程，分别对各加工表面的机械加工余量，工序尺寸，毛坯尺寸确定如下：
4.1毛坯尺寸的确定采用查表法（查《机械制造工艺设计手册》）
名义直径表面加工方法加工余量（mm）说明
粗车4.3
半精车0.4
精车0.23
Φ88.88mm粗磨0.10
半精磨0.18
精磨0.06
粗车3.4
半粗车0.35
粗车0.20
Φ65mm粗磨0.10
半精磨0.08
精磨0.06
粗车3.4
半精车0.35
精车0.2
粗磨0.1
4.2毛坯直径的确定
工件直径公差加工余量毛坯公差毛坯尺寸
Φ88mm0.152×5.141Φ100
Φ65mm0.0152×4.22Φ75
Φ55mm0.0192×3.952Φ65
4.3毛坯长度的确定
由表《机械制造工艺手册》知
L1=（102/2）tg20°=20.38取L1=20mm
L2=35+4+4=43取L2=43mm
L3=64+2-3=63取L3=63mm
L4=337-2+3=335取L4=335mm
L5=（68/2）tg20º=12.3取L5=12mm
故毛坯长度L=L2+L3+L4=443mm
4.4毛坯过度圆角的确定
（1）L2毛坯的最小余量
Z1min=2×（4.3+6.4+0.23+0.76+0.06）=12.96mm
故其名义余量Z1名=Z1min+1=11.96mm
（2）L3段毛坯的最小余量
Z2min=2×4.11=8.22mm
故其名义余量Z2名=Z2min+2=10.22mm
（3）L4段毛坯的最小余量
Z1min=2×4.11=8.22mm
故其名义余量Z3名=Z3min+2=10.22mm
（4）棒料毛坯圆角的确定
由r´=r2+z名
r´毛1≥11.2mmr´毛2≥10.2mmr´毛3≥10.2mm
4.5加工余量的确定
加工余量可以根据加工条件采用查表法确定，查〈〈机械制造工艺手册〉〉表1—27得如下：
计算项目计算内容及过程计算结果
工序3毛坯Φ92
Φ88.8mm粗车Φ90.6211.38
外圆半精车Φ89.820.8
精车Φ89.380.46
外圆粗磨Φ89.180.2
半精磨Φ89.020.16
精磨
0.136
毛坯Φ76
粗车Φ66.580.42
外圆半精车Φ65.860.74
精车Φ65.460.4
粗磨Φ65.260.2
半精磨Φ65.100.16
精磨
0.1
Φ42mm已粗车至Φ46.36
外圆粗车Φ42.980.7
半精车Φ42.380.6
精车Φ420.38
已粗车至Φ42.98
外圆粗车Φ41.280.7
半精车Φ40.780.5
精车Φ40.480.3
粗磨Φ40.280.16
粗磨Φ400.12
Φ40h11已粗车至Φ41.28
外圆半精车Φ40.40.88
精车Φ40h110.4
钻孔Φ17
内锥孔粗车Φ42.655.65
Φ44mm半精车Φ43.250.6
锥度7：
24粗磨Φ43.850.6
半精磨Φ44.650.2
精磨
0.2
内孔
Φ25.3粗车Φ24.87.8
精车Φ25.30.5
4.6刀具选择：
将所选刀具参数填入下表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，为防止副刀面与工件表面发生干涉，应该选择较大的副偏角，必要时可作图检验。
零件数控加工刀具卡
序号
刀具
刀具规格名称
数量
加工表面
刀尖半径
备注
1
T01
45°硬质合金外圆车刀
1
车端面、车外圆，倒角
25x25
T02
硬质合金外圆车刀
精车外圆
0.2
2
T03
车内孔刀
1
车内轮廓
3
T04
螺纹刀
1
车螺纹
刀尖36º
4
T05
切槽刀
切槽
刀尖35º
5
T06
端面车刀
1
切端面
第五章确定切削用量及基本工时
5.1加工条件
工件材料：
40Crδb=0.735Gpa圆棒料
加工要求：
车两端面，拉削Φ17孔，车外圆表面，车台阶面，车内孔，车Φ92mm。
要求精度为粗糙度为此6.3；Φ65K5要求Ra=6.3mm；Φ55.2mmRa=Φ45的Ra=6.3；Φ42和Φ40的粗糙度为Ra=1.6；扩孔Φ22F9×20要求Ra=3.2
设备条件：
CA6140普通车床
刀具：
外圆车刀YT1516×25MMγ0=15ºKr=75ºλs=0
端面车刀YT1516×25MMγ=90ºKr=15º
◆工序1
车端面
a.确定加工余量切削用量：
加工总余量X=15mm.留余量2mm，确定单边余量等于7.5mm，二次走刀ap1=5mmap2=2.5mm
b.确定走刀量：
由查〈〈机械制造工艺设计手册〉〉表3—13知f=0.7mm/r由表3—18查知耐用度t=45min
V1=Cv/（tapf）kv
=292/（450.18×50.15×0.70.3）×0.81×0.8×1.54
=128mmV1=128m/min
V2=292/（450.18×2.50×0.15×0.7×0.3）×0.81×0.8×1.54
=142m/minV2=142m/min
c.确定机床主轴转速：
ns1=1000v1/Πdw=1000×128/（3.14×100）=364r/min
ns1=364r/min
ns2=1000×v/Πdw=1000×128/（3.14×100）=443r/min
ns2=443r/min
由表4-3-1查知选取机床主轴转速nw=450r/min
nw=450r/min
机床实际切削速度由
V=nwdw/100v=450×100×3.14×/（1000×128）=144r/min
v=144r/min
d.切削工时的确定：
大端面tm=l1+l2+l3+l（nwf）
其中l=102/2=51mmL1=2mm（切入长度）
L2=0（切入长度）L3=5mm
tm大=51+2+0+5）/（450×0.7）×2=0.37mintm大=0.37min
小端面tm小=l1+l2+l3+l（nwf）
其中l=66/2=33mm
tm小=（33+2+0+5）/（450×0.7）×2=0.25mintm小=0.25min
故所以总的切削工时：
T总=tm小+tm大=0.37+0.25=0.62min
T总=0.62min
f机床转速的校核：
不计算
由机床CA6140说明书中可知其纵向进给机构所能受的最大满足要求，因此，机床能进行正常工作。
◆工序2
车Φ88mm外圆
a确定切削深度：
外圆单边余量z=5.3mm一次走刀ap=5.3mm
b进给量f由：
由表3-1-3知取f=1.0mm/r
由表3-1-3知取f=1.02mm/r
c计算切削速度由表3-18查知
v=w/（tmapxyfw）kv
=292/（450.18×5.30×0.15×1.02×0.3）×0.81×
0.8×0.54=114m/min
v=114m/min
d确定机床主轴转速
ns=103v/Πdw=1000×114/Π88.882
=408r/minns=408r/min
由表4-3-1按机床选取nw=450y/min
实际切削速度：
V=nwdwΠ/1000=450×88.882×3.14/1000
=125.6r/min
e切削工时的确定：
由于L=53mmL1=2mm（切入长度）L2=0mmL3=10mm（试切长度）
Tm=（L1+L2+L3+L）/nwf
=（53+2+0+10）/（450×1.02）=0.14min
由于考虑到该轴台阶面较多，如果各台阶面都被采用。
不同的转速和不同的进给量都将导致生产效率不高的现象，所以在不影响加工质量的情况下，粗车该轴时都采用机床主轴转速nw=450r/min,粗车进给量：
f=0.3mm/r（由表4-3-2查知）
◆工序3
拉削孔Φ17mm：
a.确定进给量：
由查表知f=0.08mm/r
b.切削速度的确定：
v=nwdwΠ/1000=7.5×8Π/1000=0.29m/s
f=0.08mm/r
c.确定切削工时：
L=15mmL1=4mm（切入长度）L2=0
Tm=（L1+L2+L3）/mwf
=0.59min
◆工序4
车Φ88mm外圆与Φ65mm圆间的台阶面：
a.确定切削深度：
由于单边余量Z=0.4mm一次走刀ap=0.23mm
b.确定切削速度：
v=nwdwΠ/103f
◆工序5
半精车Φ88.8mm外圆
a.定切削速度
由查表知ap=0.4mmf=0.3mm/r（查表3-14）
b.确定机床主轴转速
ns=1000v/Πdw=1000×241/（Π×90.62）
=847r/min
查表4-3-1按机床选取nw=900r/mi
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