数控加工工艺设计.docx
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数控加工工艺设计
数控加工工艺设计
日照职业技术学院毕业设计（论文）
数控加工工艺
姓名:
付卫超
院部：
机电工程学院
专业：
数控设备应用与维护
指导教师：
张华忠
班级：
11级数控设备应用与维护二班
2014年05月
摘要
随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，数控加工技术对国计民生的一些重要行业（IT、汽车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用，因为效率和质量是先进制造技术的主体。
高速、高精加工技术可极大提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。
而对于数控加工，无论是手工编程还是自动编程，在编程前都要对所加工的零件进行工艺分析，拟定加工方案，选择合适的刀具，确定切屑用量，对一些工艺问题（如对刀点、加工路线等）也需要做一些处理，并在加工过程掌握控制精度的方法，才能加工出合格的产品。
本文根据数控机床的特点。
针对具体的零件，进行了工艺方案的分析，工装方案的确定，刀具和切屑用量的选择，确定加工顺序和加工路线，数控加工程序编制。
通过整个工艺的过程的制定，充分体现了数控设备在保证加工精度、加工效率、简化工序等方面的优势。
关键词工艺分析加工方案进给路线控制尺寸
第1章前言-----------------------------------第2页
第2章工艺方案的分析-------------------------第3页
2.1零件图-------------------------------第3页
2.2零件图分析---------------------------第3页
2.3零件技术要求分析---------------------第3页
2.4确定加工方法-------------------------第3页
2.5确定加工方案-------------------------第4页
第3章工件的装夹-----------------------------第5页
3.1定位基准的选择-----------------------第5页
3.2定位基准选择的原则-------------------第5页
3.3确定零件的定位基准-------------------第5页
3.4装夹方式的选择-----------------------第5页
3.5数控车床常用的装夹方式---------------第5页
3.6确定合理装夹方式---------------------第5页
第4章刀具及切削用量-------------------------第6页
4.1选择数控刀具的原则-------------------第6页
4.2选择数控车削刀具---------------------第6页
4.3设置刀点和换刀点---------------------第6页
4.4确定切削用量-------------------------第7页
第5章轴类零件的加工-------------------------第8页
5.1轴类零件加工工艺分析-----------------第8页
5.2轴类零件加工工艺---------------------第11页
5.3加工坐标系设置-----------------------第13页
5.4保证加工精度方法---------------------第14页
参考文献---------------------------------第15页
第1章前言
数控加工是机械制造中的先进的加工技术，也是一种高效率、高精度与高柔性特点的自动加工方法，数控加工技术可有效解决复杂、精密、小批多变零件的加工问题，充分适应了现代化生产的需要，制造自动化是先进制造技术的重要组成部分，其核心技术是数控技术，数控技术是综合计算机、自动技术、自动检测及精密机械等高新技术的产物，它的出现及所带来的巨大利益，已经引起了世界各国技术与工业界的普遍重视，目前，国内数控机床使用越来越普及，如何提高数控加工技术水平已成为当务之急，随着数控加工的日益普及，越来越多的数控机床用户感到，数控加工工艺掌握的水平是制约的手工编程与CAD/CAM集成化自动编程质量的关键因素。
第2章工艺方案分析
2.1零件图
2.2零件图分析
该零件表面有圆柱、顺圆弧、圆锥、槽、螺纹等表面组成。
尺寸完整，选用毛坯为45#钢，￠37mmⅹ120mm,无热处理和硬度要求。
2.3零件技术要求分析
中批量生产条件编程，不准用砂布及锉刀等修饰表面，这是对平面高精度的要求，未注公差尺寸按GB1804-M，调质处理HRC26~36，未注粗糙度部分光洁度按Ra6.3,毛坯尺寸￠37mmⅹ120mm。
2.4确定加工方法
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、尺寸大小和行为公差要求等全面考虑。
图上几个精度要求较高的尺寸，因其公差值较小，所以编程时没有取平均值，而取其基本尺寸。
通过上图数据分析，考虑加工效率和加工的经济性，最理想的加工方式为车削，考虑该零件为中批量加工，故加工设备采用数控车床。
根据加工零件的外形和材料以及环境条件，故选用CA6140数控机床。
2.5确定加工方案
零件上比较精密的表面加工，常常是通过粗加工、半精加工和精加工逐步达到的。
对这些表面仅仅根据质量要求选择相应的最终加工方法是不够的，还应正确的确定从毛坯到最终成形的加工方案。
毛坯先夹持右端，车至左端轮廓50mm处，左端加工￠16mm、倒角C1.5mm、螺纹M24mmⅹ2mm、￠32mm。
调头加工装夹已加工￠32mm外圆，右端加工R9mm、￠15mm、倒角C2mm、R7mm、锥度为10度的外圆、切退刀槽、螺纹M24mmⅹ2mm。
该轴的加工顺序为：
预备加工---车端面---粗车左端轮廓---精车左端轮廓---粗精车螺纹---工件调头---车端面---粗车右边轮廓---精车右边轮廓---切退刀槽---粗精螺纹。
第3章工件的装夹
3.1定位基准的选择
在制定零件加工的工艺规程时，正确的选择工件的定位基准有着十分重要的意义。
定位基准选择的好坏，不仅影响零件加工的位置精度，而且对零件各表面的加工顺序也有很大的影响。
合理选择定位基准是保证零件加工精度的前提，还能简化加工工序，提高加工效率。
3.2定位基准选择的原则
1）基准重合原则。
为了避免基准不重合误差，方便编程，应选用工序基准作为定位基准，尽量使工序基准、定位基准、编程原点三者统一。
2）便于装夹原则。
所选择的定位基准应能保证定位的准确、可靠，定位夹紧机构简单、易操作、敞开性好，能够加工尽可能多的表面。
3）便于对刀的原则。
批量加工时在工件坐标系已经确定的情况下，保证对刀的可能性和方便性。
3.3确定零件的定位基准
以左右端大端面为定位基准。
3.4装夹方式的选择
为了工件不致于在切削力的作用下发生位移，使其在加工过程始终保持正确位置，需将工件压紧夹牢。
合理的选择夹紧方式十分重要，工件的装夹不仅影响加工质量，而且对生产率、加工成本及操作安都有直接影响。
3.5数控车床常用的装夹方式
1）在三爪自定心卡盘上装夹。
三爪自定心卡盘的三个卡爪是同步运动的，能自动定心，一般不需要找正。
该卡盘装夹工件方便，省时，但夹紧力小，适用于装夹外形规则的中、小型工件。
2）在两顶尖之间装夹。
对于尺寸较大或加工工序较多的轴类工件，
为了保证每次装夹时的装夹精度，可用两顶尖装夹。
该装夹方式适用于多序加工或精加工。
3）用卡盘和顶尖装夹。
当车削质量较大的工件时，要一段用卡盘夹住，另一段用后顶尖支撑。
这种方式比较安全，能承受较大的切削力，安装刚性好，轴向定位基准，应用较广泛。
4）用心轴装夹。
当装夹面为螺纹时再做个与之配合的螺纹进行装夹，叫心轴装夹。
这种方式比较安全，能承受较大的切削力，安装刚性好轴向定位准确。
3.6确定合理的装夹方式
装夹方法：
先用三爪自定心卡盘毛坯右端，加工左端达到工件精度要求，再工件调头加工，用三爪自定心卡盘卡住毛坯左端￠32，加工左端达到精度要求。
第4章刀具及切削用量
4.1选择数控刀具的原则
刀具寿命与切削用量有密切关系。
在制定切削用量时，应首先选择合理的刀具寿命，而合理的刀具寿命则根据优化的目标而定。
一般分最高生产率刀具寿命和最低成本刀具寿命两种，前者根据单件工时最少的目标确定，后者根据工序成本最低的目标确定。
选择刀具寿命时可考虑如下几点，根据刀具复杂程度、制造和磨刀成本来选择。
复杂和精度高的刀具寿命应选的比单刃刀具高些。
对于机夹可转位刀具，由于换刀时间短，为了充分发挥其切削性能，提高生产率，刀具寿命可选的低些，一般取15—30min。
对于装刀、换刀和调刀比较复杂的多刀机床、组合机床与自动化加工刀具，刀具寿命应选的高些，应保证刀具可靠性。
车间内某一工序的生产率限制了整个车间的生产率的提高时，该工序的刀具寿命要选的低些，当某些工序单位时间内所分担到的全厂开支较大时，刀具寿命应选的低些。
大件精加工时，为保证至少完成一次走刀，避免切削时中途换刀，刀具寿命应按零件精度和表面粗糙度来确定。
与普通机床加工方法相比，数控加工对刀具提出了更高的要求，不仅需要刚性好、精度高，而且要求尺寸稳定，耐用度高，同时要求安装调整方便，这样来满足数控机床高效率的要求。
数控机床上所选用的刀具常采用适用高速切削的刀具材料（如高速钢、超细粒度硬质合金）并使用可转位刀片。
4.2数控车削用的工具
数控车床车刀常用的一般分成型车刀、尖形车刀、圆弧形车刀等三类。
成型车刀也称样板车刀，其加工零件的轮廓形状完全由车刀刀刃的形状和尺寸决定。
数控车削加工中，常见的成形车刀有小小半径圆弧车刀、非矩形车槽刀和螺纹刀等。
在数控加工中，尽量少用或不用成型车刀。
尖形车刀是以直线型切削刃为特征的车刀。
这类车刀的刀尖是由直线型的主副切削刃组成。
尖形车刀几何参数的选择方法与普通车削时基本相同，但应结合数控加工的特点（如加工路线、加工干涉等）进行全面的考虑。
并应兼顾刀尖本身的强度。
圆弧形车刀;圆弧形车刀是以一圆度或轮廓误差很小的圆弧形切削刃为特征的车刀。
该车刀圆弧刃每一点都是圆弧形车刀的刀尖。
因此,刀位点不在圆弧上,而在该圆的圆心上圆弧形车刀可以用于车削内外表面,特别适合于车削各种光滑连接（凹形）的成型面.选择车刀圆弧半径时应考虑两点，车刀切削刃的圆弧半径小于或等于零件凹型轮廓上的最小曲率半径，以免发生加工干涉。
该半径不宜选择太小，否则不但造成困难，还会因为刀尖太弱或刀体散热能力差而导致车刀损坏。
4.3设置刀点和换刀点
刀具究竞从什么位置开始移动到指定的位置呢？
所以在程序执行的一开始，心须确定刀具在工件坐标系下开始运动的位置，这一位置即为程序执行时刀具相对于工件运动的起点，所以称程序起点或起刀点，此起始点一般通过对刀来确定，所以，该点又称为起刀点。
在编制程序时，要正确选择对刀点的位置，对刀点设置原则是：
便于数值处理的简化和简化程序编制，易于找正并在加工过程中便于检查，引起的加工误差小。
对刀点可以设置在零件上，也可以设置在夹具上或机床上，为了提高零件的加工精度，对刀点应设置在零件的设计基准或工艺机床上，实际操作机床时，可通过手工对刀操作把刀具的刀位点放在对刀点上，即“刀位点”与“对刀点”重合。
所谓刀位点是指刀具的定位基准点，车刀的刀位点是刀尖或刀尖的圆弧中心。
平底立铣刀是是刀具轴线与刀具底面的交点。
球头铣刀是球的中心。
钻头是钻尖。
用于手动对刀操作，对刀精度较低。
且效率低。
有些工厂采用光学对刀镜、对刀仪、自动对刀装置等。
以减少对刀时间。
提高对刀精度。
加工过程中需要换刀时应规定换刀点。
所谓换刀点是指刀架转动换刀时的位置，换刀点应设在工件或夹具的外部，以换刀时不碰工件以及其他部件为准。
4.4确定切削用量
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，充分发挥刀具的切削性能，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。
第5章典型轴类零件的加工
5.1轴类零件加工工艺分析
（1）技术要求轴类零件的技术要求主要是支承轴颈的径向尺寸精度和形位精度，轴向一般要求不高。
轴颈的直径公差等级通常IT7—IT8.几何形状精度主要圆度和圆柱度。
一般要求限制在直径公差范围之内。
相互位置精度主要是同轴度和圆跳动；保证配合轴颈的同轴度，是轴类零件位置精度的普遍要求之一，图为特殊零件，径向和轴向公差和表面精度要求较高。
（2）毛坯选择轴类零件除光滑轴和直径相差不大的阶梯轴采用热轧或冷拉圆棒料外，一般采用锻件；发动机曲轴等一类轴件采用球墨铸铁件比较多，如图典型轴类直径相差不大，采用直径为37mm，材料45#钢，在锯床上按120mm下料
（3）定位基准选择:
轴类零件外圆表面、内孔、螺纹等表面的同轴度，以及端面对轴中心线，用两中心孔定位符合基准重合原则，并且能够最大限度地在一次装夹中加工出多个外圆表面和端面，因此，常用中心孔作为轴加工的定位基准。
当不能采用中心孔时或粗加工时为了提高工作装夹刚性，可以采用轴的外圆表面作为定位基准，或是以外圆表面和中心孔共同作为定位基准，能承受较大的切削力，但重复定位精度并不太高。
数控车削时，为了能用同一程序重复加工和工件调头加工轴向尺寸的准确性。
或为了端面余量均匀，工件轴向需要定为。
采用中心孔定位时，中心孔尺寸及两端中心孔间的距离要保持一致。
以外圆定位时，则应采用三爪自定心卡盘反爪装夹或采用限末支撑，以工件端面或台阶面作为轴向定位基准。
（4）轴类零件的预备加工。
车削之前常需要根据情况的具体安排预备加工，内容通常有：
直—毛坯出厂时或在运输和保管过程中，或热处理时常会发生弯曲变形。
过量弯曲变形会造成加工余量不足及装夹不可靠。
因此，在车削前需要增加校直工序。
切断——用棒料刀切得所需长度的坯料。
切断可在弓形锯床、圆盘锯床等上面进行，也可以再普通车床上切断或在冲床上用冲模冲切。
车端面和钻中心孔---对数控车削而言，通常将他们作为预备加工工序安排。
（5）热处理工序：
铸、锻件毛坯在粗车前应根据材质和技术要求安排正火淬火和退火处理，以消除应力，改善组织和切削性能，性能要求较高的毛坯在粗加工后，精加工前应安排跳质处理，以提高零件的综合机械性能；对于硬度和耐磨要求不高的零件，调质也常作为最终的热处理。
相对运动的表面需在精加工前或后进行表面淬火处理或进行化学热处理，以提高其耐磨性。
（6）加工工序的划分一般可按下列方法进行
1）刀具集中分序法。
就是按照所用的刀具划分工序，用同一把刀具加工完零件上所有可以完成的部分。
再用第二把刀、第三把完成它们可以完成的所有部位。
这样，可以减少换到次数，压缩空行程的时间，减少不必要的定位误差。
2）以加工部位分序法。
对于加工内容很多的零件，可按其结构特点将加工部分分成几个部分，如内形、外形、曲面或平面等。
一般先加工平面、定位面。
后加工孔，先加工简单的几何形状，再加工复杂的几何形状，先加工精度要求比较低的部位，后加工精度要求比较高的部位。
3）以粗、精加工分序法。
对易发生加工变形的零件，由于粗加工后可能发生的变形而需要要进行校形，故一般来说凡要进行粗、精加工的都要将工序分开。
综上所述，在划分工序时，一定要视零件的结构和工艺性。
机床的功能，零件的数控加工内容有多少，安装的次数及本单位生产组织状况灵活掌握。
另建议采用工序集中的原则还是采用工序分散的原则，要根据实际情况来定，但一定要合理。
（7）工时安排。
加工顺序的安排应根据零件的结构和毛坯状况，以及定位夹紧的需要来考虑。
重点是工件的刚性不被破坏。
顺序一般按照下列原则进行；
1）上道工序的加工不能影响下道工序的定位与夹紧。
中间穿插有通用机床加工工序的也要综合考虑。
2）先进行内形内腔加工工序，后进行外形加工的工序。
3）以相同定位、夹紧方式或同一把刀加工的工序最好连接进行，以减少重复定位次数，换刀次数与挪动压板次数。
4）在同一安装中进行多道工序，应先安排对工件刚性破坏小的工序。
在数控车床上粗车、半精车分别用同一加工程序控制
（8）走刀路线和对刀点选择。
走刀路线包括切削加工轨迹，刀具运动到切削起始点、刀具切入、切出并返回切削起始点或对刀点等非切削空行程轨迹。
由于半精加工和精加工的走刀路线是其零件轮廓进行的，所以确定走刀路线主要在于规划好粗加工及空行程路线。
合理确定对刀点，对刀点可以设立在被加工零件上，但注意对刀点必须是基准位或已精加工部位，有时在第一道工序后对刀点被加工损坏，会导致第二道工序和之后的对刀点无从查找，因此在第一道工序对刀时注意要在与定位基准有相对固定尺寸关系的地方设立一个相对对刀位置，这样可以根据它们之间的相对位置关系找回原对刀点。
这个相对对刀位置通常设在机床工作台或夹具上。
通过对走刀路线以及数控加工工艺的分析，现确定工件左边加工部分走刀路线，如下图所示
图5.1—1工件加工路线
工件左边加工部分走刀路线，如下图所示
图5.1—2
5.2轴类零件加工工艺
（1）确定加工顺序及进给路线
加工顺序按粗到精、由近到远的原则确定。
工件左端加工：
即先从左到右进行外轮廓粗车（0.5mm余量精车），然后从左到右进行外轮廓精车，最后加工螺纹。
工件调头，工件右端加工：
粗加工外轮廓、精加工外轮廓、切退刀槽、最后精加工螺纹。
（2）选择刀具
1）车端面。
选用硬质合金45端度车刀，粗、精车用一把刀完成。
2）粗、精车外圆。
（因为程序选用G71循环，所以粗、精车选用同一把刀）硬质合金90度车刀，Kr=90度，Kr＇=60度；E=30度，（因为有圆弧轮廓）以防与工件轮廓发生干涉，如果有必要就用图形来检验。
3）车槽。
选用硬质合金车槽刀（刀长12mm,刀宽3mm）。
4）车螺纹。
选用60度硬质合金外螺纹车刀。
（3）选择切削用量及计算
切削速度、进给量和切削深度三者称为切削用量。
它们是影响工件加工质量和生产效率的重要因素。
车削时，工件加工表面最大直径的线速度称为切削速度，以v（m/min）表示，其计算公式
v=πdn/1000（m/min）
式中：
d——工件待加工表面的直径（mm）
n—车床主轴每分钟的转速（r/min）
根据零件的结构特点，外轮廓采用90度硬质合金外圆车刀，轮廓粗加工留0.5mm的精车余量，一般粗加工时选主轴转速为s=800r/mim，精加工选择主轴转速为s=1000r/min。
综合如表5.2—1.
表5.2—1切削用量选择
主轴转速
s（r/min）
进给量
f（mm/r）
背吃刀量
ap/mm
粗车外圆轮廓
800
0.1
2.5
精车外圆轮廓
1000
0.05
0.5
粗、纹
300
1.5
0.4
切槽
500
1.5
0.1
数控加工刀具卡片如下表5.2—2
表5.2—2刀具卡片
产品零件或代号
零件
名称
轴
图号
序号
刀具号
刀具规格名称
数量
加工表面
备注
1
T01
硬质合金端面45度车刀
1
粗、精车端面
2
T02
硬质合金90度外圆车刀
1
粗、精外轮廓面
3
T03
硬质合金车槽刀
1
切槽
4
4
60度合金外螺纹车刀
1
粗、精车螺纹
5.3加工坐标系设置
（1）建立工件坐标系如图5.3—1
图5.3—1坐标系设定
（2）试切法对刀
在数控加工中，工件坐标系确定后，还要确定刀尖点在工件坐标系中的位置，即通常所说的对刀问题。
在数控车床上，目前常用的对刀方法为试切对刀法。
将工件安装好后，先用MDI方式操作机床，用已选好的刀具将工件的端面车一刀，然后保持刀具在纵向（Z）尺寸不变，沿横向（X）退刀。
当取工件右端面0为工件原点时，对刀输入为Z0，如图2所示，用同样的方法，再将工件的表面车一刀，然后保持刀具在横向上的尺寸不变，从纵向退刀，停止主轴转动，再量出工件车削后的直径如图5.3—2，根据长度和直径，即可确定刀具在工件坐标系中的位置，其它各到都需要进行以上操作，从而确定每把刀具在工件坐标系中的位置。
图5.3—2
5.4保证加工精度方法
为了保证和提高加工精度，必须根据生产加工误差的重要原因，采取相应的误差预防或误差补偿等有效的工艺途径措施来直接控制原始误差或控制原始误差对精简加工精度的影响。
1）刀具半径的选定
a刀具的半径R比工件转角处半径大时不能加工。
b刀具较小时不能用较大的切削量加工（刀具刚性好）。
2）采用合适的切削液
a切削液主要用来减少切削过程中的摩擦和降低切削温度。
合理使用切削液，对提高刀具耐用度和加工表面质量、加工精度起重要作用。
b非水溶性切削液：
切削油、固体润滑剂，非溶性切削液主要起润滑作用。
c水溶性切削液：
水溶液、乳化液，水溶性切削液有良好的冷却作用和清洗作用。
故本设计加工时采用水溶液进行冷却。
参考文献
（1）<<数控加工工艺基础>>，主编：
潭岭，重庆大学出版社；
（2）<<数空机床编程>>，主编：
杜国成，北京机械工业出版社；
（3）<<现代机械制造工艺>>，主编：
陈锡渠，北京清华大学出版社；
（4）<<数控机床加工工艺>>，主编：
华茂发，北京机械工业出版社；
（5）<<公差配合与测量技术>>，主编：
姚云英，北京机械工业出版社；
（6）<<机械设计基础>>，主编：
胡家秀，北京机械工业出版社；
（7）<<金属工艺学>>，主编：
万德金，北京机械工业出版社；
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