平面凸轮零件的加工工艺和数控编程_毕业论文.doc

摘 要 平面凸轮零件的加工体现在对材料的选择、刀具的选择、工装夹 具、定位元件、基准的选择、定位方式、对刀、工艺路线拟定、程 序的编制、数控车、数控铣等。 着重说明了数控加工工艺设计的主要内容 、数控加工工艺与普通加 工工艺的区别及特点 、数控刀具的要求与特点 、数控刀具的材料 、选择数控刀具时应考虑的因素、工件的安装 、定位误差的概念和 产生的原因 、数控车床的主要加工对象、数控车床的坐标系、零件 图形的数学处理及编程尺寸设定值的确定 、工步顺序的安排 、切 削参数选择 、数控铣床的主要加工对象等。全面审核投入生产制造 中。其中轴的数控加工工艺分析、装夹、基准的选择、工艺路线的 拟定、程序的编制既是重点又是难点。 关键词 刀具，加工工艺，铣床类型，程序编程，夹具，等等。 第 1 页 目录 摘 要 1 一、零件图样分析 .3 （一）结构分析 .4 （二）选材分析 .4 二、工件的装夹 .6 （一）技术要求分析 .6 （二）数控铣床夹具 .7 （三）通用夹具 .8 （四）数控铣削夹具的选用原则 .8 （五）工件的装夹方法和装夹方式 .9 （六）工件的定位 .9 （七）定位基准的选择 .11 (八) 数控铣刀的选择 12 （九）铣刀的直径选择 .14 （十）零件图的工艺性分析 .15 （十一）零件的结构工艺性分析 .18 （十二）工序的划分 .20 第 2 页 一、零件图样分析 如图所示 图 1-1 （一）结构分析 该零件为平面凸轮零件，外型是一个厚度为 19mm，直径为 280 的圆 盘。中间有一个凹槽宽度为 41mm。靠左方向有一个直径为 65 的凸 轮。中间还有一个圆孔直径为 35。因为结构比较简单所以只需要用 数控铣床铣出来就可以在保证它的质量之前。 第 3 页 （二）选材分析 机械加工的目的是将毛坯加工成符合产品要求的零件。通常，毛坯 需要经过若干工序才能转 化为符合产品要求的零件。一个相同结构相同要求的机器零件，可 以采用几种不同的工艺过 程完成，但其中总有一种工艺过程在某一特定条件下是最经济、最 合理的。 所以此平面凸轮零件应选择最经济，最符合实际条件的材料。因为 凸轮运转速度 比较高所以强度要求高。塑性和韧性要求都比较高。所以我们选择 45 号钢。我们可以分析以下 45 号的性能。45 号钢又名优质碳素钢。 抗拉强度: 600 (mpa) 屈服强度: 355 (mpa) 延 长 率: 16% 断面收缩率: 40% 布氏硬度: 197 材料化学成分组成 元素 比例(%) 碳 c : 0.420.50 铬 cr ; 0.25 锰 mn ; 0.500.80 第 4 页 镍 ni ; 0.25 磷 p ; 0.035 硫 s ; 0.035 硅 si ; 0.170.37 试样毛坯尺寸/mm300 推荐热处理/|正火: 850 推荐热处理/|淬火: 840 推荐热处理/|回火: 600 力学性能|b/mpa: 600 力学性能|s/mpa: 355 力学性能|5(%): 16 力学性能|(%): 40 力学性能|aku/j: 39 钢材交货状态硬度 hbs10/3000，|未热处理钢: 229 钢材交货状态硬度 hbs10/3000，|退火钢: 197 特性及应用 未热处理时：hb229 热处理：正火 冲击功：aku39j 强度较高，塑性和韧性尚好，用于制作承受负荷较大的小截面调质 件和应力较小的大型正火零件，以及对心部强度要求不高的表面淬 火零件，如曲轴、传动轴、齿轮、蜗杆、键、销等。水淬时有形成 第 5 页 裂纹的倾向，形状复杂的零件应在热水或油中淬火。焊 牌号: 45 应用举例: 主要用于制造强度高的运动件，如透平机叶轮、压缩机 活塞。轴、齿轮、齿条、蜗杆等。焊接件注意焊前预热，焊后消除 应力退火。 二、工件的装夹 （一）技术要求分析 由零件简图可知，该零件是一个盘型凸轮。它的质量要求是： 第 6 页 （1）：表面间的平行度和垂直度，为了保证配合能够紧密贴和。 所以工件应该装的平稳。 （2）：表面粗糙度和经济等级，一般表面精度为 it6 以上。表 面粗糙度0.1 高精度的表面。 （3）：孔和槽的精度，垂直度，粗糙度。最终精度可达 it6- it10。粗糙度 1.6-0.4m。垂直度要求高。 （4）其它部分达到尺寸要求即可。 加工的关键问题是如何保证平面凸轮零件的尺寸、形状、位置精 度和表面粗糙度。 （二）数控铣床夹具 1.数控铣床夹具的定义和分类 在数控铣床上用于装夹工件的装置称为车床夹具。 铣床夹具可分万能组合夹具，专用铣切夹具，多工位夹具，气 动或液压夹具，真空夹具。还有虎钳和分度头三爪卡盘这几种通用 夹具。 夹具的作用：简单的定位和夹紧。 （1）：为保持零件安装方位与机床坐标系及程编坐标系方向的 一致性，夹具应能保证在机床上实现定向安装，还要求能协调零件 定位面与机床之间保持一定的坐标尺寸联系。 第 7 页 （2）：为保持工件在本工序中所有需要完成的待加工面充分暴 露在外，夹具要做得尽可能开敞，因此夹紧机构元件与加工面之间 应保持一定的安全距离，同时要求夹紧机构元件能低则低，以防止 夹具与铣床主轴套筒或刀套、刃具在加工过程中发生碰撞。 （3）夹具的刚性与稳定性要好。尽量不采用在加工过程中更换 夹紧点的设计，当非要在加工过程中更换夹紧点不可时，要特别注 意不能因更换夹紧点而破坏夹具或工件定位精度。 （三）通用夹具 数控铣削加工常用的夹具大致有下列几种： 1）万能组合夹具 适用于小批量生产或研制时的中、小型工 件在数控铣床上进行铣加工。 2）专用铣切夹具 是特别为某一项或类似的几项工件设计制 造的夹具，一般在批量生产或研制时非要不可时采用。 3）多工位夹具 可以同时装夹多个工件，可减少换刀次数， 也便于一面加工，一面装卸工件，有利于缩短准备时间，提高生产 率，较适宜于中批量生产。 4）气动或液压夹具 适用于生产批量较大，采用其他夹具又 特别费工、费力的工件。能减轻工人劳动强度和提高生产率，但此 类夹具结构较复杂，造价往往较高，而且制造周期较长。 5）真空夹具 适用于有较大定位平面或具有较大可密封面积 的工件。有的数控铣床(如壁板铣床)自身带有通用真空平台，在安 第 8 页 装工件时，对形状规则的矩形毛坯，可直接用特制的橡胶条（有一 定尺寸要求的空心或实心圆形截面）嵌入夹具的密封槽内，再将毛 坯放上，开动真空泵，就可以将毛坯夹紧。对形状不规则的毛坯， 用橡胶条已不太适应，须在其周围抹上腻子(常用橡皮泥)密封，这 样做不但很麻烦，而且占机时间长，效率低。为了克服这种困难， 可以采用特制的过渡真空平台，将其叠加在通用真空平台上使用。 除上述几种夹具外，数控铣削加工中也经常采用虎钳、分度头和 三爪夹盘等通用夹具。 （四）数控铣削夹具的选用原则 在选用夹具时，通常需要考虑产品的生产批量，生产效率，质量 保证及经济性等，选用时可参照下列原则： 1）在生产量小或研制时，应广泛采用万能组合夹具，只有在组 合夹具无法解决工件装夹时才可放弃； 2）小批或成批生产时可考虑采用专用夹具，但应尽量简单； 3）在生产批量较大时可考虑采用多工位夹具和气动；液压夹具。 因为此种零件属于大批量生产，外型比较简单可以采用多工位夹 具和气动；液压夹具。 （五）工件的装夹方法和装夹方式 在数控机床上加工零件时，定位安装的基本原则是合理选择定位 第 9 页 基准和夹紧方案。在选择时应注意以下几点： 1）力求设计、工艺和编程计算的基准统一。 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。 3）避免采用占机人工调整式加工方案，以充分发挥数控机床的 效能。 根 据 工 件 特 点 ， 用 一 块 320 320 40 的 垫 块 ， 在 垫 块 上 分 别 精 镗 35 及 12 两 个 定 位 孔 （ 当 然 要 配 定 位 销 ） ， 孔 距 离 800.015 ， 垫 板 平 面 度 为 0.05 ， 该 零 件 在 加 工 前 ， 先 固 定 夹 具 的 平 面 ， 使 两 定 位 销 孔 的 中 心 连 线 与 机 床 x轴 平 行 ， 夹 具 平 面 要 保 证 与 工 作 台 面 平 行 ， 并 用 百 分 表 检 查 。 （六）工件的定位 工件的定位的目的是使工件在夹具中相对机床，刀具都有一个确定的 位置。工件上用来定位的表面称为定位基准面，而在工序图上，用来 规定本工序加工表面的位置的基准为工序基准。 （1）工件定位的意义 在切削加工过程中，要使工件的各个加工表面的尺寸、形状及位置精 度符合规定要求，必须使工件在机床或夹具中占有一个确定的位置。 定位就是确定工件在机床上或夹具中占有正确位置的过程。工件定位 是否准确，决定了工件的加工精度能否达到要求。在成批生产中，工 第 10 页 件夹紧后，使之与车床、刀具保持一个确定的相对位置，也是缩短加 工时间，提高生产效率的决定因素之一。 （2）工件的定位原理 1六点定位原理 物体在空间的任何运动，都可以分解为相互垂直的空间直角坐标系中 的六种运动。其中三个是沿三个坐标轴的平行移动，分别以 x,y、z 表 示；另三个是绕三个坐标轴的旋转运动，分别以 x,y,z 表示，如图 2- 1 所示。这六种运动的可能性，称为物体的六个自由度。在夹具中适 当地布置六个支承，使工件与六个支承接触，就可消除工件的六个自 由度，使工件的位置完全确定。这种采用布置恰当的六个支承点来消 除工件六个自由度的 图 2-1 在图 2-1 中，xoy 坐标平面上的三个支承点限制了工件的 z,x,y 三个 自由度；y02 坐标平面的两个支承点限制了 z.x 两个自由度;xoz 坐标 平面上的一个支承点限制了矿一个自由度。这种必须使定位元件所相 第 11 页 当的支承点数目刚好等于六个，且按 3：1：1 的数目分布在三个相互 垂直的坐标平面上的定位方法称为六点定则，或称为六点定位原理。 （3）工件的定位形式 1完全定位 工件在夹具中定位时，如果夹具中的六个支承点恰好限制了工件的 六个自由度，使工件在夹具中占有完全确定的位置，这种定位方式 称为完全定位，如图 22 所示。 2不完全定位 定位元件的支承点，完全限制了按加工工艺要求需要限制的自由度 数目，但却少于六个自由度。 如图 2-2 所示为阶梯面零件，需要在铣床上铣阶梯面。其底面 和左侧面为高度和宽度方向的定位基准，阶梯槽是前后贯通的，故 只需限制五个自由度(底面三个支承点，侧面两个支承点)。 图 2-2 因为工件无须铣台阶面。所以我们可以采用完全定位方式。 第 12 页 （七）定位基准的选择 （1）基准及分类 （1）：基准：零件上用来确定其他点，线，面所依据的点线，面。 （2）基准的分类：依据用途不同基准可分为两类，设计基准，工艺 基准。 (2)定位基准的选择 1.精基准的选择 选择精基准时，应能保证加工精度和装夹的可靠方便，可按下列原 则： 1）基准重合原则 2）基准统一 3）自为基准原则 4）互为基准原则 5）保证工件定位准确、加紧可靠、操作方便的原则 2、 粗基准的选择 粗基准选择的要求应能保证加工面与非加工面之间的位置要求及合 理分配各加工面的余量，同时为后续工序提供精基准面。具体按以 下原则选择： 1)为了保证加工面和非加工面的位置要求，应选非加工面为粗基准。 2)合理分配各加工面的余量 第 13 页 3)粗基准要避免重复使用。 4)粗基准的表面应平整光洁。 5)余量均匀原则 此凸轮零件我们先用毛坯夹在车床上车一个平整光滑的平面，再以 此平面作为粗基准。然后把此平面安装在铣床上加工出厚度为 35mm 的工件。 定 位 基 准 采 用 “一 面 两 孔 ”定 位 ， 即 用 圆 盘 x 面 和 两 个 基 准 孔 作 为 定 位 基 准 。加工出此零件的外型。再以以上的定 位基准加工出凹槽和凸轮以及凸轮上面的通孔。 (八) 数控铣刀的选择 （1）对刀具的要求 1）铣刀刚性要好 一是为提高生产效率而采用大切削用量的需 要；二是为适应数控铣床加工过程中难以调整切削用量的特点。当 工件各处的加工余量相差悬殊时，通用铣床遇到这种情况很容易采 取分层铣削方法加以解决，而数控铣削就必须按程序规定的走刀路 线前进，遇到余量大时无法象通用铣床那样“随机应变”，除非在 编程时能够预先考虑到，否则铣刀必须返回原点，用改变切削面高 度或加大刀具半径补偿值的方法从头开始加工，多走几刀。但这样 势必造成余量少的地方经常走空刀，降低了生产效率，如刀具刚性 较好就不必这么办。 2）铣刀的耐用度要高 尤其是当一把铣刀加工的内容很多时， 如刀具不耐用而磨损较快，就会影响工件的表面质量与加工精度， 第 14 页 而且会增加换刀引起的调刀与对刀次数，也会使工作表面留下因对 刀误差而形成的接刀台阶，降低了工件的表面质量。 除上述两点之外，铣刀切削刃的几何角度参数的选择及排屑性能 等也非常重要，切屑粘刀形成积屑瘤在数控铣削中是十分忌讳的。 总之，根据被加工工件材料的热处理状态、切削性能及加工余量， 选择刚性好，耐用度高的铣刀，是充分发挥数控铣床的生产效率和 获得满意的加工质量的前提。 （2）常用铣刀种类 1）盘铣刀 一般采用在盘状刀体上机夹刀片或刀头组成，常用 于端铣较大的平面。 2）端铣刀 端铣刀是数控铣加工中最常用的一种铣刀，广泛用 于加工平面类零件，图 2-3 是两种最常见的端铣刀。端铣刀除用其 端刃铣削外，也常用其侧刃铣削，有时端刃、侧刃同时进行铣削， 端铣刀也可称为圆柱铣刀。 图 2-3 3）成型铣刀 成型铣刀一般都是为特定的工件或加工内容专门 设计制造的，适用于加工平面类零件的特定形状（如角度面、凹槽 面等），也适用于特形孔或台。图 2-4 示出的是几种常用的成型铣 刀。 第 15 页 图 2-4 4）球头铣刀。适用于加工空间曲面零件，有时也用于平面类零 件较大的转接凹圆弧的补加工。图 2-5 是一种常见的球头铣刀。 图 2-5 图 2-6 5）鼓形铣刀。图 2-6 是一种典型的鼓形铣刀，主要用于对变斜 角类零件的变斜角面的近似加工。 除上述几种类型的铣刀外，数控铣床也可使用各种通用铣刀。但因 不少数控铣床的主轴内有特殊的拉刀装置，或因主轴内孔锥度有别， 须配制过渡套和拉杆。 第 16 页 因为此零件比较简单。 （1）铣较大平面时，为了提高生产效率 和提高加工表面粗糙度，一般采用刀片镶嵌式盘形面铣刀。 （2）孔 加工时，可采用钻头、镗刀等孔加工刀具。 （3）铣键槽时，为了保 证槽的尺寸精度、一般用两刃键槽铣刀。 （4）立铣刀主要用于立式铣床上加工凹槽，台阶面，成型面等 是数控铣削中最常用的一种铣刀。 （九）铣刀的直径选择 （1）平面铣削应选用不重合磨硬质合金端铣刀，立铣刀，或可转位 铣刀。一般采用二次走刀，一次粗铣，一次精铣。 （2）镶硬质合金刀片的端铣刀和立铣刀主要用于加工凸台，凹槽和 箱口面。为了提高槽宽的加工精度，减少铣刀的种类，加工时采用 直径比槽宽小的铣刀，先铣槽的中间部分，然后利用刀具的半径补 偿功能铣削槽的两边，直径达到精度要求为止。 （3）加工余量小并且要求表面粗糙度较底时应采用立方 cbn 刀片 端铣刀或陶瓷刀片端铣刀。 （4）铣削盘类零件的周边轮廓一般采用立铣刀。所用铣刀的刀具半 径一定要小于零件内轮廓的最小曲率半径，一般采用采用最小曲率 半径为 0.8-0.9 即可。零件的加工高度最好不要超过刀具的半径。 （5）铣毛坯面时，最好选用应质合金波纹立铣刀。应质合金波纹立 铣刀在机床，刀具，工件系统允许的情况下可进行强力切削。 第 17 页 （十）零件图的工艺性分析 针对数控铣削加工的特点，下面列举出一些经常遇到的工艺性问 题，作为对零件图进行工艺性分析的要点来加以分析与考虑。 第 18 页 图 2-7 图 2-8 （1）图纸尺寸的标注方法是否方便编程，构成工件轮廓图形的 各种几何元素的条件是否充要，各几何元素的相互关系(如相切、相 交、垂直和平行等)是否明确，有无引起矛盾的多余尺寸或影响工序 安排的封闭尺寸等等。 （2）零件所要求的加工精度、尺寸公差是否都可以得到保证。 不要以为数控机床加工精度高而放弃这种分析。特别要注意过薄的 腹板与缘板的厚度公差，“铣工怕铣薄”，数控铣削也是一样，因 为加工时产生的切削拉力及薄板的弹性退让极易产生切削面的振动， 第 19 页 使薄板厚度尺寸公差难以保证，其表面粗糙度也将提高。根据实践 经验，当面积较大的薄板厚度小于 3mm 时就应充分重视这一问题。 因为此零件的厚度比较厚因此加工方面无须担心。 （3）零件图中各加工面的凹圆弧(r 与 r)是否过于零乱，是否可 以统一。因为在数控铣床上多换一次刀要增加不少新问题，如增加 铣刀规格，计划停车次数和对刀次数等，不但给编程带来许多麻烦， 增加生产准备时间而降低生产效率，而且也会因频繁换刀增加了工 件加工面上的接刀阶差而降低了表面质量。所以，在一个零件上的 这种凹圆弧半径在数值上的一致性问题对数控铣削的工艺性显得相 当重要。一般来说，即使不能寻求完全统一，也要力求将数值相近 的圆弧半径分组靠拢，达到局部统一，以尽量减少铣刀规格与换刀 次数。 （4）零件上有无统一基准以保证两次装夹加工后其相对位置的 正确性。有些工件需要在铣完一面后再重新安装铣削另一面，如图 b 所示。由于数控铣削时不能使用通用铣床加工时常用的试削方法 来接刀，往往会因为工件的重新安装而接不好刀(即与上道工序加工 的面接不齐或造成本来要求一致的两对应面上的轮廓错位)。为了避 免上述问题的产生，减小两次装夹误差，最好采用统一基准定位， 因此零件上最好有合适的孔作为定位基准孔。如果零件上没有基准 孔，也可以专门设置工艺孔作为定位基准(如在毛坯上增加工艺凸耳 或在后继工序要铣去的余量上设基准孔)。如实在无法制出基准孔， 起码也要用经过精加工的面作为统一基准。如果连这也办不到，则 第 20 页 最好只加工其中一个最复杂的面，另一面放弃数控铣削而改由通用 铣床加工。 （5）分析零件的形状及原材料的热处理状态，会不会在加工过程中 变形，哪些部位最容易变形。因为数控铣削最忌讳工件在加工时变 形，这种变形不但无法保证加工的质量，而且经常造成加工不能继 续进行下去， “中途而废” 。这时就应当考虑采取一些必要的工艺措 施进行预防，如对钢件进行调质处理，对铸铝件进行退火处理，对 不能用热处理方法解决的，也可考虑粗、精加工及对称去余量等常 规方法。此外，还要分析加工后的变形问题，采取什么工艺措施来 解决。 因为此工件结构形状简单，适合编程。 （十一）零件的结构工艺性分析 零件的结构工艺性是指在满足使用性能的前提下，是否能以较高的 生产率和最低的成本方便地加工出来的特性。为了多快好省地把所 设计的零件加工出来，就必须对零件的结构工艺性进行详细的分析。 主要考虑如下几方面。 (1) 有利于达到所要求的加工质量 合理确定零件的加工精度与表面质量 第 21 页 图 2-9 加工精度若定得过高会增加工序，增加制造成本，过低会影响机器 的使用性能，故必须根据零件在整个机器中的作用和工作条件合理 地确定，尽可能使零件加工方便制造成本低。 保证位置精度的可能性 为保证零件的位置精度，最好使零件能在一次安装中加工出所有相 关表面，这样就