轴类零件的工艺设计及编程加工文档格式.docx
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与数控系统应用软件对应的是数控系统内部的系统软件，系统软件是用于数控系统工作控制的
1.1数控加工简介
1、高速加工技术发展迅速
高速加工技术发展迅速，在高档数控机床中得到广泛应用。
应用新的机床运动学理论和先进的驱动技术，优化机床结构，采用高性能功能部件，移动部件轻量化，减少运动惯性。
在刀具材料和结构的支持下，从单一的刀具切削高速加工，发展到机床加工全面高速化，如数控机床主轴的转速从每分钟几千转发展到几万转、几十万转；
快速移动速度从每分钟十几米发展到几十米和超过百米；
换刀时间从十几秒下降到10秒、3秒、1秒以下，换刀速度加快了几倍到十几倍。
应用高速加工技术达到缩短切削时间和辅助时间，从而实现加工制造的高质量和高效率。
2、精密加工技术有所突破
通过机床结构优化、制造和装配的精化，数控系统和伺服控制的精密化，高精度功能部件的采用和温度、振动误差补偿技术的应用等，从而提高机床加工的几何精度、运动精度，减少形位误差、表面粗糙度。
加工精度平均每8年提高1倍，从1950年至2000年50年内提升100倍。
目前，精密数控机床的重复定位精度可以达到1µ
m，进入亚微米超精加工时代。
3、技术集成和技术复合趋势明显
技术集成和技术复合是数控机床技术最活跃的发展趋势之一，如工序复合型——车、铣、钻、镗、磨、齿轮加工技术复合，跨加工类别技术复合——金切与激光、冲压与激光、金属烧结与镜面切削复合等，目前已由机加工复合发展到非机加工复合，进而发展到零件制造和管理信息及应用软件的兼容，目的在于实现复杂形状零件的全部加工及生产过程集约化管理。
技术集成和复合形成了新一类机床——复合加工机床，并呈现出复合机床多样性的创新结构。
4、数字化控制技术进入了智能化的新阶段
数字化控制技术发展经历了三个阶段:
数字化控制技术对机床单机控制；
集合生产管理信息形成生产过程自动控制；
生产过程远程控制，实现网络化和无人化工厂的智能化新阶段。
智能化指工作过程智能化，利用计算机、信息、网络等智能化技术有机结合，对数控机床加工过程实行智能监控和人工智能自动编程等。
加工过程智能监控可以实现工件装卡定位自动找正，刀具直径和长度误差测量，加工过程刀具磨损和破损诊断、零件装卸物流监控，自动进行补偿、调整、自动更换刀具等，智能监控系统对机床的机械、电气、液压系统出现故障自动诊断、报警、故障显示等，直至停机处理。
随着网络技术的发展，远程故障诊断专家智能系统开始应用。
数控系统具有在线技术后援和在线服务后援。
人工智能自动编程系统能按机床加工要求对零件进行自动加工。
在线服务可以根据用户要求随时接通INTERNET接受远程服务。
采用智能技术来实现与管理信息融合下的重构优化的智能决策、过程适应控制、误差补偿智能控制、故障自诊断和智能维护等功能，大大提高成形和加工精度、提高制造效率。
信息化技术在制造系统上的应用，发展成柔性制造单元和智能网络工厂，并进一步向制造系统可重组的方向发展。
5、极端制造扩张新的技术领域
极端制造技术是指极大型、极微型、极精密型等极端条件下的制造技术。
极端制造技术是数控机床技术发展的重要方向。
重点研究微纳机电系统的制造技术，超精密制造、巨型系统制造等相关的数控制造技术、检测技术及相关的数控机床研制，如微型、高精度、远程控制手术机器人的制造技术和应用；
应用于制造大型电站设备、大型舰船和航空航天设备的重型、超重型数控机床的研制；
IT产业等高新技术的发展需要超精细加工和微纳米级加工技术，研制适应微小尺寸的微纳米级加工新一代微型数控机床和特种加工机床；
极端制造领域的复合机床的研制等
1.2数控加工必须遵循的一般原则
1、结合本校数控基地的情况，合理安排合计内容。
也可以采用与校外企业合作的方式设计课题。
2、必须保障人身安全和设备安全，在编程操作前应熟悉数控机床的操作说明书，并按照操作规程操作。
3、兼顾加工精度和加工效率，在保证加工精度的前提下，认真进行公工艺分析，制定出合理的工艺方案，选择合理的切削用量。
4、注意培养独立获取知识、新技术、新信息的能力，掌握科学研究的方法。
1.3数控加工工艺特点与内容
1、基本特点
在普通机床上加工零件时，使用工艺规程或工艺卡片来规定每道工序的操作程序，操作者按工艺卡上规定的程序加工零件。
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。
（1）数控加工的工序内容比普通机床的工序加工内容复杂。
（2）数控机床加工程序的编制比普通机床工艺规程的编制复杂。
2、基本内容
数控加工工艺主要包括以下几个方面：
（1）选择适合在数控机床上加工的零件，确定工序内容。
（2）分析被加工的零件图样，明确加工内容及技术要求，在此基础上确定零件的加工方案，制定数控加工工艺路线。
（3）设计数控加工工序。
如工步的划分零件的定位与家具的选择、刀具的选择、切削用量的确定等。
（4）调整数控加工工序的程序。
（5）分配数控加工的容差。
（6）处理数控机床上部分工艺指令。
1.4数控加工的步骤
必须利用设计前一到二周的时间研究设计计划和任务书，了解产品的工艺性和公差等级，在初步明确设计要求的基础上，可以步骤进行设计方案的论证。
1、分析零件图样
根据任务书，画出零件图，并对工件的形状、尺寸、精度等级、表面粗糙度、刀具及等技术进行分析。
2、确定加工工艺方案
根据上述的分析，选择加工方案，确定加工顺序，加工路线、装夹方式、切削用量材料等，要求有详细的设计过程和合理的参数。
3、数值计算
根据零件图的尺寸，确定工艺路线及设计的坐标系，计算运动轨迹，得到刀位数据
4、编写零件加工程序
根据数控系统的功能指令及程序格式，逐步编写加工程序单，写出有关的工艺文件如工序卡、数控刀具卡、刀具明细表、加工工序单等。
5、程序校验
程序编完后，对程序进行校验，一般采用机床空运转方式，来检查机床的动作和运行轨迹的正确性，以校验程序。
2刀具和切削用量的选择
2.1数控机床对刀具的要求
为了保证数控机床的加工精度，提高生产率及降低刀具的消耗，在选用刀具时对刀具提出了很高的要求，如能可靠的断屑，有高的耐用度，可快速调整和更换等。
因此数控机床对刀具的选择应满足以下要求：
1、适应高速切削要求，具有良好的切削性能
为提高生产率和加工高硬度材料的要求，数控机床向着高速度、大进给、高刚性和大功率发展。
工作中进给由0mm/min—5mm/min提高到0mm/min—15mm/min。
等规格的数控车床，其主轴最高转速一般为3000r/min—5000r/min。
2、高的可靠性
3、较高的刀具耐用度
4、高精度
5、可靠的断屑及排屑措施
6、精确迅速的调整
7、自动快速的换刀
8、刀具标准化、模块化、通用化及复合化
2.2数控加工刀具材料的选择
机械加工中常用的刀具材料主要有高速钢、硬质合金、立方氮化硼（CBN）、陶瓷等。
由于重型切削的特点（切削深度大，余量不均，表面有硬化层），刀具在粗加工阶段的磨损形式主要是磨粒磨损。
由于切削温度高，尽管切削速度处于积屑瘤发生区，但高温可以使切屑与前刀面的接触部位处于液态，减小了摩擦力，抑制了积屑瘤的生成，所以刀具材料的选择应要求耐磨损、抗冲击，刀具涂层后硬度可达80HRC，具有高的抗氧化性能和抗粘结性能，因而有较高的耐磨性和抗月牙洼磨损能力。
硬质合金涂层具有较低的摩擦系数，可降低切削时的切削力及切削温度，可以大大提高刀具耐用度（涂层硬质合金刀片的耐用度至少可提高1倍）等优点，但由于涂层刀片的锋利性、韧性、抗剥落和抗崩刃性能均不及未涂层刀片，故不适用高硬度材料和重载切削的粗加工。
只有硬质合金刀具适合于重型切削的粗加工。
硬质合金分为钨钴类（YG）、钨钴钛类（YT）和碳化钨类（YW）。
加工钢料时，由于金属塑性变形大，摩擦剧烈，切削温度高，YG类硬质合金虽然强度和韧性较好，但高温硬度和高温韧性较差，因此在重型切削中很少应用。
与之相比，YT类硬质合金刀具适于加工钢料，由于YT类合金具有较高的硬度和耐磨性，尤其是具有高的耐热性，抗粘结扩散能力和抗氧化能力也很好，在加工钢料时刀具磨损较小，刀具耐用度较高，因此YT类硬质合金是重型加工时较常用的刀具材料。
因此，本次加工选用YG类硬质合金材料的刀具。
根据加工要求选用四把刀具，T01为粗加工车刀，故选用90°
硬质合金机夹偏刀；
T02为硬质合金机夹偏刀，其副偏角应较大，用于加工圆弧和精加工；
T03为硬质合金机夹切断刀，其刀片宽度为3mm，用于切槽、切断等车削加工；
T04为60°
硬质合金机夹螺纹刀，用于螺纹车削加工。
同时把四把到在自动换刀刀架上安装好，且都对好刀，把它们的刀偏值输入相应的刀具参数中。
本设计中加工的工件材料为45号钢，因此选择的刀具材料为YT类硬质合金。
2.3切削用量的选择
合理选择切削用量的原则是，粗加工时，一般以提高生产率为主，但也应考虑经济性和加工成本；
半精加工和精加工时，应在保证加工质量的前提下，兼顾切削效率、经济性和加工成本。
具体数值应根据机床说明书、切削用量手册，并结合经验而定。
切削深度ap。
在机床、工件和刀具刚度允许的情况下，ap就等于加工余量，这是提高生产率的一个有效措施。
为了保证零件的加工精度和表面粗糙度，一般应留一定的余量进行精加工。
数控机床的精加工余量可略小于普通机床。
切削宽度ae。
一般ae与刀具直径d成正比，与切削深度成反比。
经济型数控加工中，一般ae的取值范围为：
ae=（0.6～0.9）Dc。
切削速度Vc。
提高Vc也是提高生产率的一个措施，但Vc与刀具耐用度的关系比较密切。
随着Vc的增大，刀具耐用度急剧下降，故Vc的选择主要取决于刀具耐用度。
另外，切削速度与加工材料也有很大关系，例如车削合金刚30CrNi2MoVA时，Vc可采用8mm/min左右；
而用同样车削铝合金时，Vc可选200mm/min以上。
数控编程时，编程人员必须确定每道工序的切削用量，并以指令的形式写入程序
中。
切削用量包括主轴转速、背吃刀量及进给速度等。
对于不同的加工方法，需要选用不同的切削用量。
切削用量的选择原则是：
保证零件加工精度和表面粗糙度，充分发挥刀具切削性能，保证合理的刀具耐用度；
并充分发挥机床的性能，最大限度提高生产率，降低成本。
从刀具的寿命（耐用度）出发，切削用量的选择方法是：
先选取被吃刀量，其次确定进给速度，最后确定主轴转速。
1、被吃刀量
背吃刀量根据机床、工件和刀具的刚度来决定，在刚度允许的条件下，应尽可能使背吃刀量等于工件的加工余量，这样可以减少走刀次数，提高生产效率。
为了保证加工表面质量，可留少量精加工余量，一般0.1～0.5mm。
2、进给速度的确定
进给速度是数控机床切削用量中的重要参数，主要根据零件的加工精度和表面粗糙度要求以及刀具、工件的材料性质选取。
最大进给速度受机床刚度和进给系统的性能限制。
确定进给速度的原则：
（1）当工件的质量要求能够得到保证时，为提高生产效率，可选择较高的进给速度。
一般在100～200mm/min范围内选取。
（2）在切断、加工深孔或用高速钢刀具加工时，宜选择较低的进给速度，一般在20～50mm/min范围内选取。
（3）当加工精度，表面粗糙度要求高时，进给速度应选小些，一般在20～50mm/min范围内选取。
（4）刀具空行程时，特别是远距离“回零”时，可以设定该机床数控系统设定的最高进给速度。
（5）由于本设计的加工属于半精加工，因此，选用介于两者之间的进给速度，即50mm/min—100mm/min。
3、主轴转速的确定
（1）光车外圆时主轴转速。
光车外圆时主轴转速应根据零件上被加工部位的直径，并按零件和刀具材料以及加工性质等条件所允许的切削速度来确定。
切削速度除了计算和查表选取以外，还可以根据实践经验确定。
需要注意的是，交流变频调速的数控车床低速输出力矩小，因而切削速度不能太低。
切削速度确定后，用公式n=1000v/πD计算主轴转速n（r/min）。
式中
v----切削速度，单位为m/min，由刀具的耐用度决定；
n----主轴转速，单位为r/min；
D----工件直径或刀具直径，单位为mm。
计算的主轴转速n最后要根据机床说明书选取机床有的或较接近的转速
表2.1硬质合金外圆车刀切削速度的参考值
工件材料
热处理状态
ap（mm）
（0.3，2]
（2,6]
（6,10]
f（mm/r）
（0.08,0.3]
（0.3,0.6]
（0.6,1]
vc（m/min）
低碳钢、易切钢
热轧
140～180
100～120
70～90
中碳钢
130～160
90～110
60～80
调质
100～130
50～70
合金结构钢
80～110
40～60
工具钢
退火
90～120
灰铸铁
HBS<
190
HBS=190～225
高锰钢
10～20
铜及铜合金
200～250
120～180
铝及铝合金
300～600
200～400
150～200
铸铝合金（WSI13%）
100～180
80～150
60～100
注：
切削钢及灰铸铁时刀具耐用度约为60min
（2）车螺纹时主轴的转速。
在车削螺纹时，车床的主轴转速将受到螺纹的螺距P（或导程）大小、驱动电机的升降频特性，以及螺纹插补运算速度等多种因素影响，故对于不同的数控系统，推荐不同的主轴转速选择范围。
大多数经济型数控车推荐车螺纹时的主轴转速n（r/min）为：
n≤（1200/P）-k。
式中：
P----被加工螺纹螺距（mm）；
k----保险系数，一般取为80。
此外，在安排粗、精车削用量时，应注意机床说明书给定的允许切削用量范围，对于主轴采用交流变频调速的数控车床，由于主轴在低速时扭矩降低，尤其应注意此时的切削用量的选择。
3夹具的选择
3.1夹具的基本概念
在车床上广泛使用的三爪卡盘，顶尖和铣床上用的平口虎钳等都属于夹具。
一般来说，夹具夹具是安装在机床上的，用以装夹工件和引导刀具的装置.它属于工艺装备。
在机床---刀具---工件---夹具组成的工艺系统中，夹具是一个重要的环节。
进一步讲，夹具安装于机床的工作台或底座上，或机床的主轴上,工件安装并夹紧于夹具中的正确位置，引导或调整刀具或砂轮使之处于相对夹具的正确位置，进行工件的加工，从而获得合格的工件。
3.2夹具的选择
数控加工对夹具主要有两大要求：
一是夹具应具有足够的精度和刚度；
二是夹具应有可靠的定位基准。
选用夹具时，通常考虑以下几点：
1、尽量选用可调整夹具、组合夹具及其它通用夹具，避免采用专用夹具，以缩短生产准备时间。
2、在成批生产时才考虑采用专用夹具，并力求结构简单。
3、装卸工件要迅速方便，以减少机床的停机时间。
4、夹具在机床上安装要准确可靠，以保证工件在正确的位置上加工。
3.3夹具的类型
数控车床上的夹具主要有两类：
一类用于盘类或短轴类零件，工件毛坯装夹在带可调卡爪的卡盘（三爪、四爪）中，由卡盘传动旋转；
另一类用于轴类零件，毛坯装在主轴顶尖和尾架顶尖间，工件由主轴上的拨动卡盘传动旋转。
本设计加工的是小型零件，因此采用三爪卡盘。
3.4夹具的作用
1、保证工件加工精度，稳定产品质量。
由于夹具在机床上和工件在夹具中的装夹位置均已确定，所以工件在加工中的位置得到可靠的保证，且不受划线质量和找正技术水平等因素的影响。
2、扩大机床使用范围，充分发挥机床潜力，对于中小工厂，由于机床品种，规格和数量有限,为了适应生产的需要，充分发挥现有设备的潜力，往往通过设计不同的夹具来进一步扩大机床的工作范围达到一机多用的目的。
3.5零件的安装
数控机床上零件的安装方法与普通机床一样，要合理选择定位基准和夹紧方案，注意以下两点：
1、力求设计、工艺与编程计算的基准统一，这样有利于编程时数值计算的简便性和精确性。
2、尽量减少装夹次数，尽可能在一次定位装夹后，加工出全部待加工表面。
4数控机床的坐标系统
在数控编程时，为了描述机床的运动，简化程序编制的方法及保证记录数据的互换性，数控机床的坐标和运动方向均已标准化。
数控机床各坐标轴按标准JB3051-82<
数控机床及其数控机械的坐标系和运动方向的命名方法>
确定后，还要确定坐标系原点的位置，这样坐标系才能确定下来。
依原点的不同，数控机床的坐标系统分为机床坐标系和工件坐标系。
4.1机床坐标系
以机床原点为坐标原点建立起来的X、Y、Z轴直角坐标系，称为机床坐标系。
而标准的机床坐标系中x、y、z坐标轴的相互关系用右手笛卡尔直角坐标系决定。
机床原点是指在机床上设置的一个固定点，也称机床零点。
它在机床装配、调试时就已确定下来数控机床进行加工运动的基准参考点。
机床零点是通过机床参考点间接确定的，机床参考点也是机床上的一个固定点，其与机床零点间有一确定的相对位置，一般设置在刀具运动的X、Y、Z正向最大极限位置。
在机床每次通电之后，工作之前，必须进行回机床零点操作，使刀具运动到机床参考点，其位置由机械档块确定。
这样，通过机床回零操作，确定了机床零点，从而准确地建立机床坐标系，即相当于数控系统内部建立一个以机床零点为坐标原点的机床坐标系。
机床坐标系是机床固有的坐标系，一般情况下，机床坐标系在机床出厂前已经调整好，不允许用户随意变动。
4.2工件坐标系
工件图样给出以后，首先应找出图样上的设计基准点。
其他各项尺寸均是以此点为基准进行标注。
该基准点称为工件原点。
以工件原点为坐标原点建立的X、Y、Z轴直角坐标系，称为工件坐标系。
工件坐标系是用来确定工件几何形体上各要素的位置而设置的坐标系，工件原点的位置是人为设定的，它是由编程人员在编制程序时根据工件的特点选定的，所以也称编程原点。
数控车床加工零件的工件原点一般选择在工件右端面、左端面或卡爪的前端面与Z轴的交点上。
5数控车削工艺
在进行数控加工工艺设计时，一般应进行以下几方面的工作：
数控加工内容的选择；
数控加工工艺得分析；
数控加工工艺路线的设计。
5.1数控加工工艺内容的选择
对于一个零件来说，并非全部加工工艺过程都适合在数控机床上完成，而往往只是其中的一部分工艺内容适合数控加工。
这就需要对零件图样进行仔细的工艺分析，选择那些是最适合、最需要进行数控加工的内容和工序。
再考虑选择内容时应结合本企业设备的实际，立足与解决难题、攻克关键问题和提高生产效率，充分发挥数控加工的优势。
1、适于数控加工的内容
在选择时，一般可按下列顺序考虑：
（1）通用机床无法加工的内容应做为优先选择内容；
（2）通用机床难加工，质量也难以保证的内容应作为重点选择内容；
（3）通用机床加工效率低、工人手工操作劳动强度大的内容，可在数控机床尚存在富裕加工能力时选择。
2、不适于数控加工的内容
一般来说，上述这些加工内容采用数控加工后，在产品质量、生产效率与综合效益方面会得到明显提高。
相比之下，下列一些内容不宜选择采用数控加工：
（1）占机调整时间长
（2）加工部位分散，需要多次安装、设置原点。
（3）按某些特定的制造依据（如样板等）加工的型面轮廓。
此外，再选择和决定加工内容时，也要考虑生产批量、生产周期、工序间周转情况等等。
总之要尽量做到合理，达到多、好、省的目的。
要防止把数控机床当普通机床使用。
5.2数控加工零件的工艺性分析
理想的加工程序不仅应保证加工出符合图样的合格工件，同时应能使数控机床的
功能得到合理的应用和充分的发挥。
数控机床是一种高效率的自动化设备，它的效率高于普通机床的2～3倍，所以，要充分发挥数控机床的这一特点，必须熟练掌握其性能、特点、使用操作方法，同时还必须在编程之前正确地确定加工方案。
由于生产规模的差异，对于同一零件的加工方案是有所不同的，应根据具体条件，选择经济、合理的工艺方案。
1、加工工序划分
在数控机床上加工零件，工序可以比较集中,一次装夹应尽可能完成全部工序。
与普通机床加工相比，加工工序划分有其自己的特点，常用的工序划分原则有以下两种。
（1）保证精度的原则
数控加工要求工序尽可能集中，常常粗、精加工在一次装夹下完成，为减少热变形和切削力变形对工件的形状、位置精度、尺寸精度和表面粗糙度的影响，应将粗、精加工分开进行。
对轴类或盘类零件，将各处先粗加工，留少量余量精加工，来保证表面质量要求。
同时，对一些箱体工件，为保证孔的加工精度，应先加工表面而后加工孔。
（2）提高生产效率的原则
数控加工中，为减少换刀次数，节省换刀时间，应将需用同一把刀加工的加工部位全部完成后，再换另一把刀来加工其它部位。
同时应尽量减少空行程，用同一把刀加工工件的多个部位时，应以最短的路线到达各加工部位。
实际中，数控加工工序要根据具体零件的结构特点、技术要求等情况综合考虑。
2、加工路线的确定
在数控加工中，刀具（严格说是刀位点）相对于工件的运动轨迹和方向称为加工路线。
即刀具从对刀点开始运动起，直至结束加工程序所经过的路径，包括切削加工的路径及刀具引入、返回等非切削空行程。
加工路线的确定首先必须保证被加工零件的尺寸精度和表面质量，其次考虑数值计算简单，走刀路线尽量短，效率较高等。
5.3工艺分析及处理
1、零件图工艺分析
该轴类零件表面有圆柱、圆锥、圆弧、螺纹和槽等表面组成，其尺寸标注完整，轮廓描述清楚。
零件材料为45钢，退火处理，无硬度要求。
根据情况分析，可以采用如下工艺措施：
（1）零件螺纹外径、圆锥、倒角、外圆和台阶可以一次加工
（2）工件是一个实心轴，并且轴的长度也不是很长，采用工件的有端面作为定为基准，左边使用三爪卡盘加紧工件。
（3）零件编程坐标系原点选在左端面中心。
2、装夹方案的确定
确定坯件轴线和右端面为基准，左端面采用三爪定心卡盘定心夹紧，三爪卡盘结构简单，而且还具有较高的定位精度和较强的刚性。
3、确定加工顺序
（1）车端
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