数控加工的毕业设计.docx
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数控加工的毕业设计
齿轮轴的数控加工
系（院）：
学生姓名：
专业班级：
学号：
指导教师：
2012年11月5日
声明
本人所呈交的齿轮轴的数控加工，是我在指导教师的指导和参阅相关著作下独立进行分析研究所取得的成果。
除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。
作者签名：
日期：
【摘要】
齿轮轴零件在现代生活中有十分重要和不可忽视的地位，数控生产的加工工艺对于我们熟练应用数控编程等相关技术有很大的帮助。
在此我通过所学数控基础知识和原有的加工工艺设计基础上对齿轮轴零件的数控加工等工艺做出说明，希望通过这毕业设计使我们在数控技术应用和产品的加工方面得到一定的经验。
本论文针对典型零件的工艺设计与加工及对数控技术的发展进行了简单的阐述。
对轴类零件的分类，轴类零件的加工材料，选用刀具及其加工方法进行了简单的描述，本文中详细的描述了对轴类中心孔的定位方法。
【关键词】：
齿轮轴、数控编程与加工、工艺分析、加工方案、定位方法
引言
大学学习了数控技术，数控这个专业在学校可以说是学院相当重视的一个专业了，在这个三年里我们学了很多与数控相关的课程，数控加工工艺、数控编程、数控机床、机械制设计基础、数控机床控制技术与系统、公差测量与配合等相关专业课程以及UGCAD、AUTOCAD等绘图软件，并且实训了加工中心等加工机床，为的只是让我们的专业知识愈加完善。
临近毕业，毕业设计是必过的一关，是检验我这三年所学的检验标准，也是一个毕业生将正式走入这个社会的开始。
这份毕业设计是在学完数控技术（含机床夹具设计）和大部分相关专业课，并进行了实训的基础上进行的一个环节。
使我能综合的运用机械制造工艺学的基础理论，并结合生产实习中学到的实践知识，具备了设计一个零件（高速铣头齿轮轴）的工艺规程的能力，也是熟悉和运用夹具设计的基本原理和方法，拟计夹具设计方案，完成夹具结构设计的能力，也是熟悉和运用有关手册，图表等技术资料及编写技术文件等基本技能的一次实践机会，为今后的毕业设计及未来从事的相关工作打下良好的基础。
我更可以自信的说我的大学是不会白费的，而是辉煌的。
一、数控机床的特点
数控机床的组成部分包括测量系统、控制系统、伺服系统及开环或闭环系统，在对数控零件进行实际程序设计之前，了解各组成部分是重要的。
数控中，测量系统这一术语指的是机床将一个零件从基准点移动到目标点的方法。
目标点可以是钻一个孔、铣一个槽或其它加工操作的一个确定的位置。
用于数控机床的两种测量系统是绝对测量系统和增量测量系统。
绝对测量系统（亦称坐标测量系统）采用固定基准点（原点），所有位置信息正是以这一点基准。
换句话说，必须给出一个零件运动的所有位置相对于原始固定基准点的尺寸关系。
X和Y两维绝对测量系统，每维都以原点为基准。
增量测量系统有一个移动的坐标系统。
运用增量系统时，零件每移动一次，机床就建立一个新的原点（基准点）。
使用增量测量系统时的X和Y值。
注意，使用这个系统时，每个新的位置在X和Y轴上的值都是建立在前一个位置之上的。
这种系统的缺陷是，如果产生的任何错误没有被发现与校正，则错误会在整个过程中反复存在。
用于数控设备的控制系统通常有两类，即点位控制系统和连续控制系统。
点位控制数控系统机床（有时称为位置控制系统数控机床）只有沿直线运动的能力。
然而，当沿两轴线以等值（X2.000,Y2.000）同时编程时，会形成45度斜线。
点位控制系统常用于需确定孔位的钻床和需进行直线铣削加工的简单铣床上，以一
系列小步运动形成弧形和斜线。
然而，用这种方法时，实际加工轨迹与规定的切削轨迹略有不同。
具有在两个或多个坐标轴方向上同时运动的能力的机床，归属连续轨迹控制或轮廓控制类机床。
这些机床用于加工两维或三维空间中各种不同大小的弧形，圆角，圆及斜角。
连续轨迹控制的数控机床比点位控制的机床贵得多，在加工复杂轮廓时，一般需要计算机辅助程序设计。
数控伺服机构是使工作台或滑座沿坐标轴准确运动的装置。
用于数控设备的伺服机构常有两种：
步进电机和液压马达。
步进电机伺服机构常用于不太贵重的数控设备上。
这些电机通常是大转矩的伺服机构，直接安装在工作台或刀座的丝杠上。
大多数步进电机是由来自定子和转子组件的磁力脉冲驱动的，这种作用的结果是电机轴转一转产生200步距。
把电机轴接在10扣/英寸的丝杠上，每步能产生0.0005英寸的移动（1/200X1/10=0.0005英寸）。
液压伺服马达使压力液体流过齿轮或柱塞，从而使轴转动。
丝杠和滑座的机械运动是通过各种阀和液压马达的控制来实现的。
液压伺服马达产生比步进电机更大的转矩，但比步进电机贵，且噪声很大。
大多数大型数控机床使用液压伺服机构。
使用开环系统的数控机床，没有反馈信号来确保机床的坐标轴是否运动了所需的距离。
即，如果接受的输入信号是使一特定工作台坐标轴移动1.000英寸，伺服装置通常使工作台运动1.000英寸，但无法将共子台的实际运动与输入信号加以比较。
使工作台实际移动了1.000英寸的唯一保证是所用的伺服机构的准确性。
当然，开环系统比闭环系统便宜。
闭环系统能将实际输出（工作台一英寸的运动量）与输入信号加以比较，并对任何误差进行了比较。
用于闭环系统的一些反馈装置是传感器，电尺或磁尺以及同步器等。
闭环系统大大增加了数控机床的准确性。
二、齿轮轴零件的加工目的
作为一名刚踏出学校走向社会的学生，在平时的工作实践不断的总结经验学习知识是尤为重要的，数控技术在生产实践中的应用越来越广泛，它使得制造业生产面貌焕然一新，它所带来的巨大效益也受到世界各国科技界的高度重视，齿轮轴零件的数控生产加工工艺对我们熟练掌握运用数控编程等相关技术具有很大的帮助。
为此我们在原有的加工工艺设计基础上对齿轮轴零件的数控加工等工艺在此作出较为详细的阐述，希望通过对此设计能使我们在数控技术应用和产品的加工方面得到一定的经验。
三、零件图工艺分析
（一）零件图分析
该零件尺寸的尺寸精度要求和表面粗糙度要求都比较高，该图尺寸标注完整，轮廓描述清楚。
材料是40Cr，毛坯是ø25mm，长度222mm。
（见图3-1，图3-2）
图3-1零件图
零件图中从左至右是ø10mm的螺纹→3x1.1槽→ø14mm圆柱段→2x1.5槽→ø17圆柱段→ø24mm的齿轮→2x0.5mm槽→ø15mm圆柱段。
右边的ø15mm轴上有ø5mm深度7mm的孔和一个键槽。
图3-2实体图
（二）选择毛坯
毛坯选择ø25mmx222mm的圆柱棒，毛坯要求左右端面加工完成，热处理完成。
（三）划分工序
通过以上描述，可以采取以下几点工艺措施：
数控车床加工外圆柱，退刀槽以及螺纹；加工中心加工孔（图3-3）和键槽（图3-4）。
图3-3孔图3-4键槽
4、数控车床加工部分
（一）确定加工顺序以及进给路线
1.对图样上给定的有精度要求的尺寸，因为公差数值很小，所以编程时不可以取平均值，或者不能省去小数点后面的，对刀准确即可。
2.在轮廓曲线上，没有要进行间隙补偿的。
但也要保证轮廓曲线的准确性。
3.因为零件采用两头分别装夹方案。
4.为便于装夹，采用三角卡盘，先夹持零件右端，从左端面开始加工，直到ø24mm圆柱（图4-1），切左端退刀槽（图4-2），加工ø10mm的螺纹，最后打中心孔。
然后掉头，夹持ø24mm圆柱，从右端面开始加工，同样到ø24mm圆柱（图4-3），切右端退刀槽（图4-4），打中心孔。
图4-1左端外圆加工路线
图4-2左端退刀槽加工路线
图4-3右端外圆加工路线
图4-4右端退刀槽加工路线
目前，在数控车床还未达到普及使用的条件下，一般应把毛坯上过多的余量，特别是含有锻、铸硬皮层的余量安排在普通车床上加工。
如必须用数控车床加工时，则需注意程序的灵活安排。
（二）数控车床和刀具的选择
1.数控车床（见图4-5）
图4-5数控车床
2.刀具选择
（1）粗车时，要选强度高、耐用度好的刀具，以便满足粗车时大背吃刀量、大进给量的要求。
（2）精车时，要选精度高、耐用度好的刀具，以保证加工精度的要求。
（3）为减少换刀时间和方便对刀，应尽量采用机夹刀和机夹刀片。
（4）将所选定的刀具参数填入表所示的数控加工刀具卡片中，以便于编程和操作管理。
注意：
在车削外轮廓时，为防止副刀面与工件表面发生干涉，应选择较大的副谝角，必要时可作图检验。
（5）根据刀具的选择原则，选择刀具
表4-1数控车床刀具卡
T1号刀—90°外圆车刀
加工内容：
加工零件外圆
T2号刀—切槽刀宽1.1
加工内容：
切槽深度
T3号刀—螺纹刀
加工内容：
攻螺纹M10-6h
（三）切削用量选择
对于高效率的金属切削加工来说，被加工材料、切削工具、切削条件是三大要素。
这些决定着加工时间、刀具寿命和加工质量。
经济有效的加工方式必然是合理的选择了切削条件。
切削条件的三要素：
切削速度、进给量和切深直接引起刀具的损伤。
伴随着切削速度的提高，刀尖温度会上升，会产生机械的、化学的、热的磨损。
切削速度提高20%，刀具寿命会减少1/2。
进给条件与刀具后面磨损关系在极小的范围内产生。
但进给量大，切削温度上升，后面磨损大。
它比切削速度对刀具的影响小。
切深对刀具的影响虽然没有切削速度和进给量大，但在微小切深切削时，被切削材料产生硬化层，同样会影响刀具的寿命。
最适合的加工条件的选定是在这些因素的基础上选定的。
有规则的、稳定的磨损达到寿命才是理想的条件。
然而，在实际作业中，刀具寿命的选择与刀具磨损、被加工尺寸变化、表面质量、切削噪声、加工热量等有关。
在确定加工条件时，需要根据实际情况进行研究。
对于不锈钢和耐热合金等难加工材料来说，可以采用冷却剂或选用刚性好的刀刃。
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与每转进给量，然后公式计算主轴转速与进给速度，计算结果填入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，根据材料以保证零件表面粗糙度要求，一般要多次加工。
背吃刀量。
外圆粗车时，其背吃刀量确定为a=3mm；精车时a=0.25mm。
切退刀槽时，由于槽的加工要求比较低，所以不需要精加工，做适量补刀即可。
主轴转速。
车直线和圆弧轮廓时的主轴转速n=500r/min,精车时，主轴转速n=1200r/min。
切槽n=300r/min，车螺纹n=400r/min。
（四）数控加工工艺卡片拟定
将前面分析的各项内容综合成表所示的数控加工工艺卡片，此表是编制加工程序的主要依据和操作人员配合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。
（详见表4-2）
表4-2零件数车加工工序卡
零件
齿轮轴
产品名
称及代号
零件名称
零件图号
OM齿轮轴
轴类零件
GDSKC020107
工序号
程序编号
夹具名称
使用设备
车间
001
三抓卡盘
卧式车床
数控工段
工步号
工步内容
刀具号
主轴转速/（r·min-1）
进给速度/（mm·min-1）
背吃刀量/mm
备注
1
粗车零件左端
T01
500
0.1
3
自动
2
精车零件左端
T01
1200
0.05
0.5
自动
3
切槽
T02
300
0.05
/
自动
4
车螺纹
T03
150
1.5
0.5
自动
5
换头
/
/
/
/
手动
6
粗车零件右端
T01
500
0.1
3
自动
7
精车零件右端
T01
1200
0.05
0.5
自动
8
切槽
T02
300
0.05
/
自动
（五）数车程序分析
O0001
N010T0101主轴用1号刀，90°外圆车刀
N020M03S500主轴正转,转速500
N030G0X27Z2加工零件左端快速定位到（27,2）
N040G71U1R0.5外轮廓粗加工（图4-6）
N050G71P60Q150U0.2F0.2粗车余量0.2，进给速度0.2
图4-6左端加工部分
N060G1X8Z0
N070X10Z-1
N080Z-23
N090X14
N100X-51
N110X18
N120Z-82
N130X20
N140X24Z-84
N150Z-145
N160G0X100Z100粗车结束，快速定位到起到点
N170M0
N180T0101精车继续用1号刀
N190M03S1200精车转速1200r/min
N200GOX27Z2快速定位
N210G70P60Q150F0.05精车外轮廓,进给速度0.05
N220X100Z100精车结束
N230M30程序暂停
N240T0202切槽路径（图4-2）
N245M03S400切槽转速400r/min
N250G0X24Z2快速定位
N260Z-21.1定位到左端第一条槽
N270G1X7.8径向切入
N280Z-23轴向走刀
N290X24车完退出
N300Z-50.1定位到左端第二条槽
N310X13径向切入
N320Z-51轴向走刀
N330X24车完退出
N340Z-54.1定位到左端第三条槽
N350X17径向切入
N360X24车完退出
N370Z-81.1定位到左端第四条槽
N380X17径向切入
N390Z-82轴向走刀
N400X24车完退出
N410G0X100Z100切槽结束
N420M02程序暂停
N430T0303螺纹3号刀
N440M03S150车螺纹
N450G0X12Z2快速定位到X12,Z2
N460G92X10Z-22螺纹第一刀
N470X9.5
N480X9.1
N490X8.9
N500G0X100Z100安全退刀
N510M30
零件左端加工完成，取下工件，换头，开始车右端
O0002
N010T0101右端粗车用1号刀（图4-7）
N020M03S500粗车转速500r/min
N030G0X16Z2快速定位
N040G71U1R0.5切1mm，退0.5mm
N050G71P60Q100U0.2F0.2粗车右端外轮廓，余量0.2
图4-7右端加工部分
N060G1X13Z0
N070X15Z-1
N080Z-81
N090X22
N100X24Z-82
N110G0X100Z100
N120M02
N130T0101
N140M03S800
N150G70P60Q100F0.05
N160G0X100Z100
N170T0202切槽（图4-4）
N180M03S400转速400r/min
N190G0X24Z2快速定位
N200Z-5
N210X14.3径向切入
N220X24安全退刀
N230Z-80.1快速定位
N240X14径向切入
N250Z-81轴向走刀
N260X24安全退刀
N270GOX100Z100程序结束前，退刀到起始点
N280M30
此时右端加工完成，数控车床加工结束
五、加工中心加工部分
（一）加工顺序以及进给路线
加工中心需要加工ø14mm的阶梯上的开口槽；然后换刀打孔ø5mm（见图3-3），因为孔的加工要求比较高，先用ø4mm的转头转孔，再用ø4.5mm的铰刀粗铰，最后用ø5mm的铰刀精铰；孔加工完后零件绕轴旋转180°，加工键槽（见图3-4），根据键槽的加工要求，用ø4立式平头铣刀粗铣，精细；最后加工齿轮，齿轮外径24mm，分度圆21mm，模数1.5mm，齿数16，每加工好一条齿槽，旋转22.5°，此处齿轮加工利用分度头（见图5-1），方法采用仿形法（见图5-2）。
原点选在ø14mm圆柱键槽顶端（见图5-3）。
图5-1分度头
仿形法加工原理:
刀具在其轴剖面内,刀刃的形状和被切齿槽的形状相同。
刀具:
盘形铣刀,指状铣刀等。
切制加工过程:
铣刀转动,同时毛坯沿自身的轴线方向移动实现进给运动,待切出一个齿槽后,将毛坯退回到原来的位置,并用分度头将毛坯转过一个齿,再继续切削下一个齿槽。
Z=16,所以每加工一条槽旋转22.5度。
图5-2仿形法加工原理图
图5-3加工中心定位原点
（二）加工中心和刀具选择
1.加工中心（见图5-4）
图5-4加工中心
2.刀具选择
表5-1刀具卡
刀具号
刀具名称
加工部位
备注
T01
ø2铣刀
T02
ø4转孔刀
转孔
T03
ø4.5铰刀
粗铰孔
T04
ø5铰刀
精铰孔
T05
ø4铣刀
粗、精铣键槽
（三）加工中心工序卡片拟定
将前面分析的各项内容综合成表所示的数控加工工艺卡片，此表是编制加工程序的主要依据和操作人员配合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。
（详见表5-2）
表5-2零件加工中心工序卡
零件
齿轮轴
产品名
称及代号
零件名称
零件图号
OM齿轮轴
轴类零件
GDSKC020107
工序号
程序编号
夹具名称
使用设备
车间
002
分度头
加工中心
数控工段
工步号
工步内容
刀具号
主轴转速/（r·min-1）
进给速度/（mm·min-1）
背吃刀量/mm
备注
1
铣开口槽
T01
1000
40
2
自动
2
钻ø5mm孔
T02
1000
100
5
自动
3
粗铰ø5mm孔
T03
1200
150
0.5
自动
4
精铰ø5mm孔
T04
1500
200
0.5
自动
5
粗铣键槽
T05
1000
100
2
手动
6
精铣键槽
T05
1500
200
0.5
自动
7
加工齿轮
T06
1000
200
2
自动
（四）加工中心程序分析
O0003
N010G40G80G90取消半径补偿，钻孔，相对位置
N020M06T01换1号刀
N030G54G0X0Y0M03S1000位置，转速1000r/min
N040G43G0Z50H01M08高度，高度补偿，切屑液开启
N050GO0Z20快速定位
N060G01Z-2走刀
N070X5铣开口槽（见图5-3）
N080G01Z20退刀
N090G0Z50
N100M09关切屑液
N110M05程序暂停
N120M06T02换2号刀,钻孔（见图3-3）
N130G54G0X126Y0M03S1000孔的位置定位，转速1000r/min
N140G43G0Z50H02M08高度补偿
N150G82X126Y0Z-6.5P2F100钻孔，G82深孔钻削
N160G80M09取消钻孔，关切屑液
N170M05程序暂停
N180M06T03换3号刀
N190G54G0X126Y0M03S1200粗铰孔，转速1200r/min
N200G43G0Z50H03M08
N210G82X126Y0Z-6.5P2F100深孔钻铰
N220G80M09取消钻孔
N230M05
N240M06T04换刀精铰孔
N250G54G0X126Y0M03S1500
N260G43G0Z50H04M08
N270G82X126Y0Z-6.5P2F100
N280G80M09
N290M02
第一段程序结束，开口槽以及孔加工完成
此时将分度头旋转180°，开始加工键槽
O0004
N010G40G80G90取消半径补偿，钻孔，相对位置
N020M06T05换刀铣键槽（见图3-4）
N030G54G0X163Y0M03S1000位置定位
N040G43G0Z50H05M08高度定位
N050Z20快速定位
N060G01Z-4.5粗铣键槽轮廓
N070X175
N080Z20
N090G0Z50
N100M09
N110M05
N120M06T05
N130G54G0X163Y0M03S1500精铣键槽轮廓
N140G43G0Z50H05M08
N150G0Z10
N160G1Z-2.5
N170G42G1X163Y2.5D05（D05=4mm）
N180X175
N190G2Y-2.5J-2.5
N200G1X163
N210G2Y2.5J2.5
N230G40G1Y0
N240Z-4
N250G42G1X163Y2.5D05刀具右补偿
N260X175
N270G2Y-2.5J-2.5
N280G1X163
N290G2Y2.5J2.5
N300G40G1Y0取消半径补偿
N310G1Z20退刀
N320G0Z50
N330M09
N340M02程序结束
此时程序结束，键槽加工结束
开始加工齿轮部分（见图5-2）
O0005
N010G40G80G90第一条键槽
N020M06T06换6号刀
N030G54G0X59Y0M03S1000键槽定位
N040G43G0Z50H07M08
N050Z20
N060G01Z2齿轮加工循环程序
N070X94
N080Z20
N090MO5
此处加工完一条齿轮槽，旋转分度头22.5°，继续第二遍，......一共旋转16次，完成齿轮加工。
加工结束。
总结
整个毕业综合实践设计的内容即将完成，在这个过程中我个人总结认为产品的加工刀具的选择、加工步骤的合理性较为重要。
产品的加工程序应尽量简洁，这样既能提高加工效率，又方便操作人员看懂程序，更好的了解产品的加工工艺解决加工过程中出现的各种问题。
企业最重要的是经济效益，所以数控加工中最优先考虑的就是效益，以最低的成本获得最大的利益。
因此数控加工中在刀具承受范围内使用最高的进给率，走刀路径尽量减少空行程以提高加工效率。
对于UG软件在产品加工中的应用。
我认为加工内容较简单使用刀具较多的产品不适用UGCAM编程手动编程更为方便。
UGCAM自动编程适用于刀具加工内容较多的情况。
毕业综合实践设计已经接近尾声了。
所需要加工的零件也已经加工完成了。
在这一系列的零件分析、加工的过程中，其实遇到了不少的问题，比如夹具的选择，零件的装夹，如何确保零件
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