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数控车技师论文
油缸活塞的加工工艺改进
摘要
近年来，随着工业水平的不断发展，油缸活塞强化程度的不断提高，油缸活塞的平均有效压力和平均速度都较以前有了大幅度的提高，由于活塞在油缸中的重要作用，活塞的技术要求也越来越高。
活塞好比油缸的中枢部位，在油缸工作中占了极其重要的地位。
所以，在制造方面也就需要合理的加工工艺，才能满足现代社会中高要求的标准。
本文以挖掘机油缸活塞为例，结合该零件的结构特点与加工难点对零件进行了详细的工艺分析，并设计夹具，制定加工方法和走刀路线、选择刀具和切削用量等方案，完成了该活塞的加工，并解决了普通装夹中出现的问题，为数控车削加工提供参考。
关键词：
活塞工艺分析芯轴
前言：
在数控编程中，工艺分析和工艺设计是至关重要的，无论是手工编程还是自动编程，在加工前都要对所加工零件进行工艺分析，拟定加工方案，选择加工设备、刀具、夹具，确定切削用量，安排加工顺序，制定走刀路线等。
在编程过程中，还要对一些工艺问题（如对刀点，换刀点，刀具补偿等）做相应处理。
因此程序编制中的工艺分析和工艺设计是一项十分重要的工作。
随着数控技术的发展，性能良好的数控设备使许多零件的加工更加方便。
利用这些高性能、高精度的设备可以高效地加工出优质零件。
而在数控车床上加工的工件，相对铣床加工的工件比较简单，但在加工过程中有时也需要使用一些夹具，这样既有利提高加工效率，又可保证加工精度。
而我校实训中心所使用的却是普通的两轴半数控车床，利用此种机床进行加工较高同轴度的零件比较困难，通常需要进行多次装夹打百分表找正或针对加工工件的特点设计夹具，其中用夹具装夹工件进行加工时，能有效地减少工件的装夹和定位时间，提高了加工精度和加工效率。
一、工艺分析
1.1分析活塞零件
由图1可知，该活塞图纸主要由内、外圆柱面，内、外沟槽、内螺纹组成。
本文选用毛坯材料为45#钢，根据企业需求进行中小批量生产。
图1活塞图纸
1.2确定加工方法
加工方法的选择原则是保证加工表面的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等要求全面考虑。
从图样上分析，内、外圆的同轴度（0.02mm）的加工精度为数控加工中的难点，也是活塞加工的关键部分，其次是内孔、外圆的精度和表面粗糙度值，使用普通刀具材料也是较难以保证的。
所以应该选择合适的刀具按照先粗后精的加工原则进行加工。
考虑加工的效率和加工的经济性，车床选用我校现有设备华中世纪星HNC-22T数控车床。
为了能够保证此产品的合格率，现有以下两种加工方法：
第一种：
传统加工方法，选择毛坯料
，长度多出30mm左右，其中包括夹持长度（20mm左右）、切断长度（5mm）和端面精车余量（3mm）。
在同一次装夹下依次完成钻孔、镗孔、车螺纹、车内沟槽、车外圆、车外沟槽、倒圆角和切断等工步。
第二种：
设计制作芯轴夹具的方法，选择毛坯料
，先加工内孔、内沟槽和内螺纹部分，然后拆下工件，拿到另一台装有芯轴的机床上，依靠内外圆和内外螺纹配合、定位加工活塞的外圆、外沟槽、倒角等剩余部分。
以上两种加工方法对比如表1所示：
使用夹具前
使用夹具后
1.毛坯预留装夹长度和切断长度
浪费材料，提高成本
1.轴向不需要太大余量，节约材料，降低成本
2.需要切断，并且外圆较大，
切断相对比较困难
2.不需要切断，不用买切断刀，减少刀具损耗
3.每加工一个活塞对一次刀
浪费时间
3.依靠限位台阶定位，只需开机之后对刀即可，省略对刀时间
4.加工效率低
4.加工效率高
表1
通过表1对比，本文选择第二种加工方法，其大概加工步骤如下：
1）钻中心孔。
车平端面后先使用
5中心钻钻一个中心孔，这样不但能够起到定位的目的，还能使麻花钻的钻头更容易钻入，转速1000rpm，进给F=30mm/min。
转速不要低于500rpm，进给不要过快，否则都会折断中心钻。
2）钻
38的通孔。
由于
38麻花钻比较大，切削厚度比较大。
所以可以采用
20的麻花钻先钻一个小孔，再用
38的麻花钻进行扩孔（注意：
为了保证螺纹底孔有足够的加工余量，扩孔时不宜选用大于
38的麻花钻）。
钻孔时，要加切削液并及时退出钻头进行排屑，否则容易烧坏、折断麻花钻。
钻孔时可以根据材料、麻花钻的大小选择合理的转速。
3）镗孔。
根据M42x2确定内螺纹底孔直径为
39.8mm。
依次粗车内孔
39.8mm
45mm，再精车两内孔至尺寸要求。
4）车内沟槽。
一般的内沟槽都是螺纹退刀槽，而此沟槽的作用与往常不同，主要是密封和储存润滑油的功能，宽度为4mm，并且精度要求较高。
5）车内螺纹。
螺纹车刀的有效长度要足够长，并且有足够的强度，对刀要准确。
车螺纹时，转速500rpm、螺距为2（F2）即可。
6）以芯轴定位活塞，粗、精加工外圆。
定位要牢固可靠，不允许有松动和轴向串动，精加工余量要根据刀尖圆弧半径适当预留，不得小于刀尖圆弧半径，否则会出现过切现象。
7）车外沟槽。
沟槽的精度要求相对较高，要分粗、精加工，并且外圆台阶处和槽底有倒圆角，避免热处理时应力过大或者散热不及时烧伤工件，因此，应当妥善处理。
二、夹具设计与制作
机床夹具在生产加工中有着不可忽略的作用。
首先，使用机床夹具装夹工件时，能准确确定工件与刀具、机床之间的相对位置关系，可以保证加工精度。
其次,提高生产效率,机床夹具能快速地将工件定位和夹紧，可以减少辅助时间，提高生产效率。
再者，机床夹具采用机械、气动、液动夹紧装置，可以减轻工人的劳动强度。
最后，利用机床夹具，能扩大机床的加工范围，例如，在车床或钻床上使用镗模可以代替镗床镗孔，使车床、钻床具有镗床的功能。
下面对本文夹具的主要部分进行设计和制作。
2.1芯轴的设计。
为了保证活塞的内、外圆同轴度能够达到精度要求，考虑设计一个芯轴，如图2所示：
（1）芯轴的外螺纹要能够与活塞的内螺纹M42x2配合，并且内外螺纹配合应当紧凑，不应有径向跳动和轴向窜动，外螺纹长度与内螺纹长度相当，螺纹长度定为30mm；
（2）芯轴的外圆尺寸要与活塞的内孔尺寸
形成间隙配合，配合紧凑，其长度涉及到活塞轴向定位的问题，如果过长，活塞在轴向位置无法确定，如果过短，活塞内孔和外圆的同轴度难以保证，因此长度应略小于内孔的长度20mm，外圆长度定为18mm即可。
（3）为了保证活塞的端面能够很好地进行轴向定位，芯轴的限位台阶外圆不小于活塞外圆
，本设计中取
，长度没什么要求，但不宜太短，本文取36mm。
（4）右端的锥体采用的国际标准莫氏5号，用于静配合以精确定位，由于锥度很小，利用摩擦力的原理，可以传递一定的扭矩，大端直径为
，长度为70mm.
图2芯轴
2.2主轴套筒的设计
为了能够让主轴带动芯轴旋转，根据主轴锥孔的尺寸大小加工成与之匹配的套筒，如图3所示。
由于所使用的华中数控世纪星HNC-22T机床的主轴的锥孔采用国际标准莫氏6号，锥孔长度为90mm。
所以套筒的外锥大端直径为
，长度为80mm，小于主轴的锥孔长度90mm。
套筒的内锥要与芯轴的外锥相配合，并且要求两个端面之间有间隙。
所以，套筒内锥的大端直径为
.
图3主轴套筒
2.3拉杆设计
根据主轴的长短制作一拉杆，一端有螺纹，与芯轴上的内螺纹连接，拉住芯轴使其不至于轴向窜动。
如图4所示:
图4拉杆
2.4挡板设计
根据主轴轴孔的大小，制作一个挡板，挡板的尺寸介于主轴轴孔的大径和小径之间，使拉杆在一端轴向固定。
如图5所示：
图5挡板
2.5芯轴夹具装配图
为了保证芯轴不会轴向窜动，在主轴后端，垫一块合适的挡板，通过拉杆将芯轴牢固的拉紧。
如图6所示，
图6夹具装配图
三、刀具及其材料的选择
在切削加工中，刀具材料的切削性直接影响着生产效率、工作的加工精度和已加工表面质量、刀具消耗成本，正确选择刀具材料是设计和选用刀具的重要内容之一。
切削加工时，刀具切削部分直接和工件及切屑相接触，不但要承受切削过程中的高温高压及冲击载荷，而且还要受到切屑及工件的强烈磨擦，因此，作为刀具切削部分的材料应具备下列性能：
第一、硬度和耐磨性高，刀具材料的硬度必须比工件材料高，一般都在60HRC以上。
一般来说，刀具材料的硬度越高，耐磨性就越高。
第二、足够的强度和韧性，主要是指刀具材料的抗弯强度及冲击韧性要求高，以防止切削过程中刀具发生脆性断裂及崩刃现象。
一般刀具材料的抗弯强度表示它的强度大小，冲击韧度反映刀具材料抗脆性和崩刃的能力。
第三、耐热性高，而热性是指刀具材料在高温下保持硬度、耐磨性、强度和韧性的性能，也包括刀具在高温下抗氧化、粘结、扩散的性能，所以耐热性有时也称为热稳定性，耐热性是衡量刀具材料切削性能的主要指标。
第四、有良好的工艺性，工艺性能主要包括刀具材料的热处理性能，可磨削性能、锻造性能及高温塑性变形性能等。
刀具选择总的原则是：
适用、经济、安全。
基于以上刀具的选择原则和活塞零件的技术要求，本文选用硬质合金机夹车刀作为本文活塞零件的加工，因为硬质合金的常温硬度很高，大约为78～82HRC，耐熔性好，热硬性可达800～1000ºC以上，允许的切削速度也比较高，是加工塑性材料常用的刀具，经济适用，而机夹刀更换方便、快捷，能够提高加工效率。
其中，内孔车刀和内螺纹车刀的截面尺寸合适，不干涉内孔，另外，还要具有足够的刚性，保证加工过程当中不让刀，能够加工出符合精度要求的活塞零件。
切槽刀的刀尖半径不宜过大（≤0.2），而且刀头不宜太宽。
如图所示：
1.内孔车刀2.内沟槽车刀3.内螺纹车刀4.外圆车刀5.外切槽刀
四、机械加工工艺过程卡
机械加工工艺过程卡
工序号
工序
名称
工
步
工序
内容
设备
工艺装备
夹具
刃具
量具
01
粗精车
右端面及30°倒角
1
端面平整及Z向对刀
CK6140
卧式数控
车床
三爪自定心卡盘
外圆刀
游标
卡尺
02
钻中心孔
2
打定位孔，方便钻头钻入
CK6140
卧式数控
车床
三爪自定心卡盘
中心钻
游标
卡尺
工序号
工序
名称
工
步
工序
内容
设备
工艺装备
夹具
刃具
量具
03
mm
钻头
钻孔
3
钻通孔
CK6140
卧式数控
车床
三爪自定心卡盘
麻花钻
游标
卡尺
04
mm
钻头
钻孔
4
扩通孔
CK6140
卧式数控
车床
三爪自定心卡盘
mm
麻花钻
游标
卡尺
05
镗孔
5
镗孔
mmx20
CK6140
卧式数控
车床
三爪自定心卡盘
镗刀
游标
卡尺
内径百分表
06
粗精车
内沟槽
6
槽宽4
CK6140
卧式数控
车床
三爪自定心卡盘
内沟
槽刀
内沟槽卡尺
07
粗精车
内螺纹
7
2导程螺纹长度50mm
CK6140
卧式数控
车床
三爪自定心卡盘
内三角螺纹车刀
螺纹塞规
调头在螺纹芯轴上装夹
08
粗精车
mm
外圆
8
长度
70mm
CK6140
卧式数控
车床
螺纹芯轴
定位
外圆
车刀
游标卡尺
千分尺
9
粗精车
外沟槽
9
槽宽15mm
槽直径
mm
CK6140
卧式数控
车床
螺纹芯轴
定位
切槽刀
游标
卡尺
千分尺
10
粗精车
外沟槽
10
槽宽
10mm
槽直径
mm
CK6140
卧式数控
车床
螺纹芯轴
定位
切槽刀
游标
卡尺
千分尺
11
粗精车
mm
外圆及30°倒角
11
长度
5mm
CK6140
卧式数控
车床
螺纹芯轴
定位
外圆
车刀
千分尺
12
粗精车
左端面
12
端面
平整
CK6140
卧式数控
车床
螺纹芯轴
定位
外圆
车刀
游标卡尺
五、CAXA自动编程
使用CAXA数控车2008编程软件操作如下：
【步骤1】配置机床（正确输入代码的关键）；
【步骤2】看懂图纸，绘制加工轮廓；
【步骤3】选择合适的加工方式，生成刀路轨迹；
【步骤4】刀路轨迹仿真验证；
【步骤5】后置生成G代码，传给机床加工。
完成活塞试件如图7所示：
图7
其中部分程序如下：
%5车外圆
O005
G00G95G97S800M03T0505
G00X115.000Z2.000
G00X123.214Z3.107
G00X113.214
G00X111.800Z2.400
G01Z-69.600F50.000
G01X114.600
G00X113.186Z-68.893
G00X123.186
G00Z3.107
G00X109.214
G00X107.800Z2.400
G01Z-2.307F50.000
G01X109.639Z-3.900
G03X109.800Z-4.200R0.600
G01Z-19.608
G03X110.800Z-20.200R0.600
G01Z-54.700
G03X110.782Z-54.804R0.600
G01X109.800Z-57.588
G01Z-69.600
G01X111.800
G00X110.386Z-68.893
G00X120.386
G00Z3.107
G00X105.214
G00X103.800Z2.400
G01Z1.157F50.000
G01X107.800Z-2.307
G00X108.318Z-1.341
G00X118.318
G00Z3.066
G00X103.229
G00X102.711Z2.100
G01X103.800Z1.157F50.000
G00X104.318Z2.123
G00X123.214
G00X115.000Z2.000
M01
G50S10000
G00G97S1800T0505
M03
G00X124.600Z1.900
G00X102.018
G01X108.946Z-4.100F50.000
G03X109.000Z-4.200R0.200
G01Z-20.000
G01X109.600
G03X110.000Z-20.200R0.200
G01Z-54.700
G03X109.994Z-54.735R0.200
G01X109.000Z-57.553
G01Z-70.000
G01X114.600
G00X124.600
G00X115.000Z2.000
M30
%
%6车外沟槽
O006
G00G95G97S500M03T0606
G00X115.000Z2.000
G00Z-14.200
G00X113.800
G00X111.800
G01X99.800F50.000
G04X0.500
G00X113.800
G00Z-17.200
G00X111.800
G01X99.800F50.000
G04X0.500
G00X113.800
G00Z-19.600
G00X111.800
G01X99.800F50.000
G04X0.500
G00X113.800
G00X112.000
G00X111.800
G00X109.800
G01X99.800F50.000
G04X0.500
G00X111.800
G00Z-14.200
G00X108.800
G01X99.800F50.000
G04X0.500
G00X111.800
G00X112.000
G00X103.800
G00X101.800
G01X95.800F50.000
G04X0.500
G00X103.800
G00Z-17.200
G00X101.800
G01X95.800F50.000
G04X0.500
G00X113.800
G00Z-19.600
G00X101.800
G01X95.800F50.000
G04X0.500
G00X103.800
G00X112.000
G00X101.800
G00X99.800
G01X95.800F50.000
G04X0.500
G00X111.800
G00Z-14.200
G00X99.800
G01X95.800F50.000
G04X0.500
G01Z-19.600
G04X0.500
G00X101.800
G00X112.000
G00Z-13.800
G00X111.800
G00X108.800
G01X95.000F50.000
G01Z-20.000
G01X109.800
G00X111.800
G00X115.000
G00Z2.000
M01
G50S10000
G00G97S500T0606
M03
G00Z-32.200
G00X113.800
G00X111.800
G01X105.800F50.000
G04X0.500
G00X113.800
G00Z-35.200
G00X111.800
G01X105.800F50.000
G04X0.500
G00X113.800
G00Z-38.200
G00X111.800
G01X105.800F50.000
G04X0.500
G00X113.800
G00Z-41.200
G00X111.800
G01X105.800F50.000
G04X0.500
G00X113.800
G00Z-42.600
G00X111.800
G01X105.800F50.000
G04X0.500
G00X113.800
G00X112.000
G00X111.800
G00X109.800
G01X105.800F50.000
G04X0.500
G00X111.800
G00Z-32.200
G00X109.800
G01X105.800F50.000
G04X0.500
G01Z-42.600
G04X0.500
G00X111.800
G00X112.000
G00Z-31.800
G00X111.800
G00X109.800
G01X105.000F50.000
G01Z-43.000
G01X109.800
G00X111.800
G00X115.000
G00Z2.000
M01
G50S10000
G00G97S500T0606
M03
G00Z-55.200
G00X113.800
G00X111.800
G01X99.800F50.000
G04X0.500
G00X113.800
G00Z-58.200
G00X111.800
G01X99.800F50.000
G04X0.500
G00X113.800
G00Z-60.600
G00X111.800
G01X99.800F50.000
G04X0.500
G00X113.800
G00X112.000
G00X110.800
G00X108.800
G01X99.800F50.000
G04X0.500
G00X111.800
G00Z-55.200
G00X109.800
G01X99.800F50.000
G04X0.500
G00X110.800
G00X112.000
G00X103.800
G00X101.800
G01X95.800F50.000
G04X0.500
G00X103.800
G00Z-58.200
G00X101.800
G01X95.800F50.000
G04X0.500
G00X113.800
G00Z-60.600
G00X101.800
G01X95.800F50.000
G04X0.500
G00X103.800
G00X112.000
G00X101.800
G00X99.800
G01X95.800F50.000
G04X0.500
G00X111.800
G00Z-55.200
G00X99.800
G01X95.800F50.000
G04X0.500
G01Z-60.600
G04X0.500
G00X101.800
G00X112.000
G00Z-54.800
G00X111.800
G00X109.800
G01X95.000F50.000
G01Z-61.000
G01X108.800
G00X111.800
G00X115.000
G00Z2.000
M30
%
六、总结
本文使用芯轴夹具工艺方案有以下优点，首先，毛坯不需要留装夹长度和切口长度，能够为企业节省大约30%的材料。
其次，由于不用每次加工活塞时都对刀，所以省略了对刀时间。
再者，毛坯材料适当，不用切断，减少刀具的损耗和省略了切断时间。
最后，制作的夹具芯轴可以重复利用，能够用来加工尺寸接近的类似零件，一劳永逸。
总之，采用本文设计的夹具，能够为企业节约材料，节省刀具损耗，减少工人的劳动强度，降低了生产成本，有效地提高了经济效益。
参考文献：
（1）数控加工项目进阶教程
（2）机械制造工程原理
（3）机床夹具设计
（4）切削用量简明手册
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