盘类零件数控车削工艺分析.docx
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盘类零件数控车削工艺分析
江西冶金职业技术学院
自学考试毕业设计（论文）
题目：
盘类零件数控加工工艺分析
系（部）：
机械工程系
专业名称：
数控技术与应用
姓名：
准考证号：
班级：
09数控技师班
提交时间：
年月日
摘要
近年来，随着数控技术的发展，性能良好的加工中心设备使许多零件的加工更为方便。
利用这些设备如何能高效地加工出更为优质的零件，已成为企业关心的问题。
本文以盘类零件数控车削为例，基于近年应用起来的高速加工制造技术的优势，利用工厂现有的数控设备，积极探索出加工该类零件的较好的工艺方案及数控加工过程。
关键词：
盘类零件；数控车削；加工工艺
目录
前言1
一、加工设备概述1
1.1设计思想1
1.2设计要求1
二、加工系统的组成及工作原理1
三、加工设备的运动关系2
3.1驱动轴转速的设定2
四、加工系统切削力与切削功率的验算4
4.1切削力计算4
4.2切削功率与电机功率计算4
五、普通盘类零件的车削加工5
六、盘类零件数控车削工艺实例分析7
6.1零件图工艺分析7
6.2选择设备7
6.3确定零件的定位基准和装夹方式7
6.4制定加工方案7
6.5刀具选择及刀位号8
6.6确定切削用量9
6.7数控加工工艺卡片拟订10
结束语11
致谢12
参考文献13
盘类零件数控加工工艺分析
前言
一般来说，直径不太大的圆盘类零件可在中小型立式车床上加工，若零件的直径很大，如大型水电、水泥、化工设备中所用到的大型圆盘（环）类零件，有时其外径可达10～15m，这就需要用超大型的机床或者设计专用的加工设备对其进行加工。
据了解，在我国的大型企业中10m直径的立式车床已经十分罕见。
目前我国最大的立式车床是德国生产的15m立式车床，而对于直径在15m以上的零件加工几乎没有什么成熟的加工设备。
重要的是，由于零件超常的尺寸和重量，给运输和装卸带来了极大的困难。
因此，需要研制一种简单、实用、造价低、便于运输的加工设备到产品安装现场来完成此类零件的圆周车削加工任务。
一、加工设备概述
1.1设计思想
本加工设备的设计与一般的车削加工机床不同，我们可以使工件固定，把刀具调整到工件表面所需的尺寸并围绕工件的几何中心作旋转运动，每旋转1周轴向进给一定距离，逐步加工出工件的整个圆周表面。
这样，在切削用量不大的情况下，所需的电机功率很小，它所消耗的动力主要是用于克服切削阻力和设备自身的惯性力。
对加工设备的要求仅是能够进行圆周切削和变速。
这样的加工设备结构简单，容易实现。
1.2设计要求
加工设备安装在一个可绕工件几何中心旋转的转臂上，转臂设计成可伸缩的形式。
刀架可沿工件的轴向移动一定的距离，以便加工出工件的轴向厚度。
有可变速的驱动行走装置，保证加工设备沿圆周方向均匀旋转。
刀架可在导轨中作微量手动移动，并安装在一个能回转一定角度的圆盘上，以满足加工锥面的需要。
二、加工系统的组成及工作原理
加工设备的主要传动系统如图2-1所示，1为被加工的超大型圆盘工件，其半径R可在4m以上，厚度为50～150mm，材料为由多块板材焊接或拼接而成普通碳素钢：
2为回转支承座，由底盘、心轴、圆锥滚子轴承等组成，用螺栓将其与工件上的工艺孔联接并调定在工件的几何中心位置上：
为转臂，由U型钢、工字钢等焊接而成，用螺栓紧固在回转支承座的轴承外圈上，转臂底架下可设置若干滚动轮架（右图中未画出），用于支撑右端悬臂的转臂架和变速箱6：
主运动由双速电机，经过Ⅰ-Ⅱ轴的两对固定齿轮（20/28）、Ⅱ-Ⅲ轴的两对滑移齿轮（37/53、30/60）、Ⅲ-Ⅳ轴的两对滑移齿轮（44/32、20/56），再经过Ⅳ-Ⅴ轴的挂轮组的降速部分（20/40、25/35、30/30），最后由1对皮带轮（15、16）传动（Ø120：
Ø180）将运动和动力提供给驱动轴Ⅵ。
驱动轴共有10种不同的转速（30～660r/min），通过驱动轮14（外层为耐磨橡胶材料）在工件表面上的运动，克服切削阻力、整个加工设备的惯性力和摩擦阻力进行圆周运动，若驱动轮的直径选定，刀具即可得到相应的切削速度，以适应不同加工条件的需要。
设备的切削进给系统为里外两个，分别用于加工内外圆柱面。
它们由进给刀架座8、丝杠螺母9、手轮10、转盘11、刀夹12、车刀等组成。
刀夹装在转盘上，将转盘上的刻度调整好并用螺钉将其紧固后，即可加工工件的圆柱面或圆锥面。
因为加工1转才需要轴向进给一定距离，要实现自动进给比较困难，考虑到加工的轴向尺寸不大，可采用人工手动定期进给或采用间歇缓进机构进给。
图2-1设备传动系统图
三、加工设备的运动关系
3.1驱动轴转速的设定
考虑到加工设备的安装和调试方便，其传动部分的体积和重量都不宜过大，因此所选用双速电机的功率为3/4.5kW，转速为710/1440r/min。
（2）主运动传动路线
电机
{
1440
710
}
→Ⅰ（
20
28
）→Ⅱ
{
37/53
30/60
}
→Ⅲ
{
44/32
20/56
}
→Ⅳ
{
20/40
25/35
30/30
}
→
a.
Ø120
Ø180
Ⅴ（驱动轴）
a.驱动轴的各级转速
主运动平衡式n主=n电iuⅠ-ⅡuⅡ-ⅢuⅢ-Ⅳ
（1）
b.可计算出驱动轴的10级转速（r/min）分别为：
30、40、60、80、120、170、230、325、470、660。
为方便使用，实用中可将各驱动轴转速所对应的各级变速齿轮的位置和挂轮配比做成选择表，以供加工时选择使用。
切削速度的设定
c.驱动轮的行走速度
由图1所示的关系，驱动轮的行走速度为：
v驱=
πd驱n驱（1-α）
1000×60
（2）
式中：
d驱为驱动轮直径（mm）；
n驱为驱动轮转速（r/min）；
α为皮带和驱动轮的摩擦滑动率，可取α=0.1。
d.车刀的切削速度
当驱动轴的转速和驱动轮直径确定之后，可计算出驱动轮的行走速度，加工外圆的计算公式为：
v=v驱
R工
R工-t
（3）
式中：
R工为被加工工件的半径（mm）；
t为驱动轮中心与工件加工面的距离（mm）。
注意：
若是加工内圆柱面时，其计算公式则为：
v=v驱
R工
R工+t'
此时的t'为内圆加工面到驱动轮的距离，大约为1000mm，这样，在驱动轮转速相同的情况下，内圆加工的切削速度则要比外圆加工要小得多。
例如，加工一个外圆柱面，取驱动轮的直径为150mm，R为5000mm，t为200mm，n驱为120r/min时，则可分别计算出驱动轮的行走速度和车刀的切削速度。
由式
（2），驱动轮的行走速度为：
v驱=
πd驱n驱η
=
π×150×120×0.9
=0.85（m/s）
1000×60
1000×60
由式（3），车刀的切削速度为：
v=v驱
R工
=0.85×
5000
0.88（m/s）
R工-t
5000-200
当然，在使用时若需要其它的切削速度时，只要变换驱动轴的转速即可选择使用。
要说明的是，在进行实际加工的时候，若选择的切削用量较高，设备的功率不能满足需要时，可降低切削速度或减少背吃刀量，只要能满足正常的切削需要即可，加工效率并不是主要目的，保证人身和设备的安全以及工件的加工质量才是第一位的。
因此在选择切削用量时，应根据被加工工件的材料、钢板厚度、直径大小、最大切削力等因素来合理选择。
四、加工系统切削力与切削功率的验算
4.1切削力计算
可用车削力指数计算公式来初步计算，即：
Fc=CFcapXFcfYFcvZFcKFc
（4）
按加工中碳钢的一般条件，用YT15刀头，正常的几何角度，中等切削速度，可得：
Fc=1640apf0.84v-0.15
若取ap=4mm，f=1mm/r，由式（4）可得：
Fc=1640apf0.84v-0.15=1640×4×10.84×60-0.15=3550（N）
实际上，刀具旋转1周才轴向手动进给1次，且在很短距离内完成，所以切削力的大小主要由背吃刀量和切削速度决定。
4.2切削功率与电机功率计算
a.切削功率
车削时的切削功率计算公式为
Pc=Fc·vc
（5）
若取v=0.88m/s（即n驱=120r/min），可得：
Pc=3550×0.88=3124（W）=3.1（kW）
考虑此加工设备的驱动力要克服进给抗力、设备重力和摩擦阻力，可取
Pm=1.2Pc
（6）
由式（6）可得：
Pm=1.2×3.1=3.72（kW）
b.电机功率
由电机功率计算公式
PE=
Pm
（kW）
η
（7）
式中：
η为加工设备的总效率，取η=0.9。
可得：
PE=
3.72
=4.13（kW）
0.9
实际上，当转速为120r/min时，电机功率为4.5kW（1440r/min），完全可满足切削用量不太大时的加工需要。
为了增大驱动力，加工设备可采用前后轮双驱动，驱动轴为两个，每根轴上有两个轮子，里侧的为空套轮，只起支承作用，外侧的为驱动轮，固定在驱动轴上，驱动加工设备沿工件圆周运动。
驱动力的大小与电机的功率、设备的重量、切削进给阻力、驱动轮的数量和宽度、驱动轮与工件的摩擦系数等因素有关，设计时应综合考虑。
此加工设备可以对零件的外、内圆柱面进行粗精加工，还可对圆周附近上的倒角、斜面、沟槽等进行加工。
五、普通盘类零件的车削加工
这类零件的径向和轴向尺较大，一般要求加工外圆、端面及内孔，有时还需调头加工。
为保证加工要求和数控车削时工件装夹的可靠性，应注意加工顺序和装夹方式。
图5-1所示为一个比较典型的盘类零件，除端面和内孔的车削加工外，两端内孔还有同轴度要求。
为保证车削加工后工件的同轴度，采取先加工左端面和内孔，并在内孔预留精加工余量0.3mm，然后将工件调头安装，在锤完右端内孔后，反向锤左端内孔，以保证两端内孔的同轴度。
其数控车削程序编写如下：
图5-1典型盘形件
（1）左端面的加工 左端面的加工过程如图5-2所示，图中▲为定位点，▽为夹紧点，工件原点设置在右端，数控程序如下：
图5-2左端加工过程
O0022／程序编号O0022
N0G50X200.0Z60.0； ／设置工件原点在右端面
N2G30U0W0； ／直接回第二参考点
N4G50S1500T0101M08； ／限制最高主轴转速为1500r／min，调01号车刀
N6G96S200M03； /指定恒切削速度为200m／min
N8G00X198.0Z3.0； /快速走到外圆粗车始点
N10G0lZO.3F0.3； ／接近端面圆弧切削起点
N12G03X200.6Z-1.0Rl.3 ／车削开始
N14G0lZ-20.0； /Φ200mm外圆粗车
N16G00X200.6Z0.3； ／快速走到右端面粗车起点
N18G01X98.0； ／右端面粗车
N20G30U0W0；
N22T0202； ／调02号精车刀
N24G00X198.OZl.0； ／快速走到端面精车起点
N26G42G01Z0.0F0.15； ／刀具右偏
N28G03X200.OZ-1.0R1.O； ／R1端面圆角精车
N30Z-20.0； /Φ200mm外圆精车
N32G00X200.6Z0； ／快速走到右端面精车起点
N34G41X200.0； ／刀具左偏
N36X98.0； /右端面精车起点
N38G40G30U0W0；
N40T0303; /调03号粗镗刀
N42G00X69.4Z0； ／快速走到内孔粗镗起点
N44Z-12.0； ／刀具快进
N46G0lZ-32.0； ／Φ69mm内孔粗镗
N48G03X66.0Z-33.7R1.7； /R2mm内圆角粗镗
N50X57.4；
N52Z45.0； /Φ58mm内孔粗镗
N54G03X56.0Z45.7R0.7； ／R1mm内圆角粗镗
N56X53.0；
N58Z-60.0； /53mm内孔粗
N60G00U-1Z3.0M09； ／快速退刀
N62G30U0W0：
N64M30：
六、盘类零件数控车削工艺实例分析
如图4-1所示带孔圆盘工件，材料为45钢，分析其数控车削工艺。
6.1零件图工艺分析
如图6-1所示工件，该零件属于典型的盘类零件，材料为45钢，可选用圆钢为毛坯，为保证在进行数控加工时工件能可靠的定位，可在数控加工前将左侧端面、Φ95㎜外圆加工，同时将Φ55㎜内孔钻Φ53㎜孔。
图6-1 带孔圆盘
6.2选择设备
根据被加工零件的外形和材料等条件，选定Vturn-20型数控车床。
6.3确定零件的定位基准和装夹方式
（1）定位基准 以已加工出的Φ95㎜外圆及左端面为工艺基准。
（2）装夹方法 采用三爪自定心卡盘自定心夹紧。
6.4制定加工方案
根据图样要求、毛坯及前道工序加工情况，确定工艺方案及加工路线。
工步顺序：
（1）粗车外圆及端面
（2）粗车内孔
（3）精车外轮廓及端面
（4）精车内孔
图6-2 刀具及刀位号
6.5刀具选择及刀位号
选择刀具及刀位号如图6-2。
将所选定的刀具参数填入表6-1带孔圆盘数控加工刀具卡片中。
表6-1带孔圆盘数控加工刀具卡片
产品名称或代号
×××
零件名称
带孔圆盘
零件图号
×××
序号
刀具号
刀具规格名称
数量
加工表面
备注
1
T01
硬质合金外圆车刀
1
粗车端面、外圆
2
T04
硬质合金内孔车刀
1
粗车内孔
3
T07
硬质合金外圆车刀
1
精车端面、外轮廓
4
T08
硬质合金内孔车刀
1
精车内孔
编制
×××
审核
×××
批准
×××
共 页
第 页
6.6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。
（1）主轴转速的确定
主轴转速应根据允许的切削速度和工件（或刀具）直径来选择。
其计算公式为：
n=1000v/πD
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。
（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。
（3）背吃刀量确定
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0.2～0.5mm。
在数控机床上加工零件时，切削用量都预先编入程序中，在正常加工情况下，人工不予改变。
只有在试加工或出现异常情况时．才通过速率调节旋钮或电手轮调整切削用量。
因此程序中选用的切削用量应是最佳的、合理的切削用量。
只有这样才能提高数控机床的加工精度、刀具寿命和生产率，降低加工成本。
影响切削用量的因素有：
机床切削用量的选择必须在机床主传动功率、进给传动功率以及主轴转速范围、进给速度范围之内。
机床—刀具—工件系统的刚性是限制切削用量的重要因素。
切削用量的选择应使机床—刀具—工件系统不发生较大的“振颤”。
如果机床的热稳定性好，热变形小，可适当加大切削用量
6.7数控加工工艺卡片拟订
以工件右端面为工件原点，换刀点定为X200、Z200。
数控加工工艺卡片见表6-2。
表6-2带孔圆盘的数控加工工艺卡片
单位名称
×××
产品名称或代号
零件名称
零件图号
×××
带孔圆盘
×××
工序号
程序编号
夹具名称
使用设备
车间
001
×××
三爪卡盘
Vturn-20数控车床
数控中心
工步号
工步内容
刀具号
刀柄规格
/mm
主轴转速
/r.min
进给速度
/mm.min
背吃刀量
/mm
备注
1
粗车端面
T01
20×20
400
80
2
粗车外圆
T01
20×20
400
80
3
粗车内孔
T04
Φ20
400
60
4
精车外轮廓及端面
T07
20×20
1100
110
5
精车内孔
T08
Φ32
1000
100
编制
×××
审核
×××
批准
×××
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第 页
总结
本文介绍的这种加工设备主要应用于超大直径圆盘或圆环零件的圆周表面的加工，不需要专门的加工机床，造价低，加工方法简单可行，设备的安装和调整也比较方便。
尤其是对于一些超大型的难以运输的圆盘类零件进行加工时，可因地制宜，就地加工，加工周期短，能满足一般的外圆加工需要。
另外，此加工设备的结构也很简单，普通的机械厂均可自行生产和制作。
致谢
短暂的三年大学生活很快就要结束了，我曾多么憧憬美好的学生时代，如今当自己临近毕业时，我又留恋已经流逝的三年学生生涯。
本文是在老师悉心指导和亲切关怀下，并且在实习期间得到数控工厂有关老师的帮助，经过不断的学习和修改完成的。
老师严谨的学风，渊博的学识，谦逊的为人，丰富的实践经验，高瞻远瞩、敏锐的科学眼光，将是我永远学习的楷模；老师乐观、正直、朴实的生活态度，令我深深敬佩。
老师的谆谆教诲，将使我终生受益。
在此，谨致以衷心的感谢和崇高的敬意。
再次真诚地感谢所有在我三年读书期间帮助过我的老师、同学和朋友，祝大家一生平安！
参考文献
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机械工业出版社,2006.
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高等教育出版社，2002.7.
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