螺纹配合件的设计与加工_组合件数控车工艺与编程.doc

1 西安机电信息学院 毕毕 业业 设设 计（论计（论 文）文） 机电系数控加工与维护 专业 题 目： 组合件数控车工艺与编程 班 级： 高数一班 2 摘要摘要 随着改革开放的进一步深入，中国的制造行业得到了迅速发展，特别是数 控加工的应用呈突飞猛进之势，自从我国进入 wto 后，社会上对数控加工技术 的要求也更高了。我所设计和加工的螺纹配合零件时一种集合各种工艺设计在 内的综合型零件。它能够有效地把我们二年所学的各类知识综合在一起运用。 我从数控加工工艺分析，设备的选择，螺纹配合精度，刀具，夹具的选择， 切削用量的选择，工艺卡片的制作，都经过了慎重考虑。为使零件经过数控加 工得到最佳的精度和工艺设计要求，我还查阅了辅导设计与辅助制造 （cad/cam） 、 数控加工工艺 、数控刀具等书籍。确定了该零件的合理的数控 加工工艺方案，最终才完成的零件的加工。 关键词 工艺分析工艺分析 螺纹配合精度螺纹配合精度 刀具选择刀具选择 数控加工数控加工 3 目录目录 摘要摘要5 引言引言7 一一 数控机床概述数控机床概述.8 1.1 数控机床的组成 8 1.2 数控机床的分类 8 1.2.1 按工艺用途分类.8 1.2.2 按数控机床的运动轨迹分类 8 1.2.3 按伺服系统的控制方式分类.8 1.2.4 数控装置的简介 .9 二二 数控加工工艺分析数控加工工艺分析.10 2.1 加工方法和加工方案的选择 .10 2.2 加工顺序的安排 .10 三三 螺纹配合螺纹配合.11 3.1 零件工艺分析 .11 3.2 确定加工方案 .11 3.3 确定工序顺序、进给路线和所用刀具 .11 3.3.1 粗车外表面12 3.3.2 精车外表面12 3.3.3 切槽 .12 3.3.4 切螺纹 .12 3.3.5 切断13 3.4 确定切削用量 .13 3.5 填写工艺文件 .13 四四 程序编制程序编制.13 4.1 螺纹配合零件程序编程 .14 4.2 进刀的方法分析.14 4.2 零件工艺分析 15 4.3 确定装夹方案 15 4.4 确定工步顺序、进给路线和所用刀具16 4.6 填写工艺卡文件17 五五 结果分析结果分析 .18.18 5.1 零件的精度与尺寸检验 .19 5.2 产生误差的主要因素 .20 结论结论22 参考文献参考文献23 致谢致谢24 4 引言引言 今年来，数控加工技术的应用呈突飞猛进之势，包括以组合机床为主的大 量生产方式都向以数控设备为主的生产方式转变，社会上对掌握数控技术的人 才需求量越来越大，特别是对数控加工技术的人才需求量更大，而数控设备的 高精度，高效率决定数控设备是当前我国机械制造业的基础，也是未来工厂自 动化的基础。 本课题主要是螺纹配合的设计与加工，是根据仔细查阅相关资料文献及网 上查阅资料进行设计。利用手工编织零件程序，在 cjk6132a 数控机床进行零 件车削加工。对零件尺寸和形状进行设计时，考虑到是一组配合件，要求精巧， 配合精度高，形状美观，尺寸设计较大，选择钢件作为加工材料，要求对零件 图形进行工艺分析，选择机床，刀具，确定加工方案，涉及到内螺纹与外螺纹 轴的配合，尺寸设计较大，加工起来在进给量，转速，背吃刀量等有一定的难 度，所以要合理选择，虽然两个零件选择的是数控机床炯性加工，但是切削用 量的选择原则与通用机床加工相似。螺纹配合轴零件加工的切削用量的选择是 按零件材料和刀具材料以及加工经验等确定的。还得分析进给速度的选择，应 与主轴转速和背吃刀量相适应。 5 一一 数控机床概述数控机床概述 1.1 数控机床的组成数控机床的组成 数控机床一般由控制介质、数控装置、伺服系统和机床本体组成。图 1-1 所示为开环控制的数控机床框图 图 1-1 数控机床的组成 1.2 数控机床的分类数控机床的分类 1.2.1 按工艺用途分类按工艺用途分类 1 一般数控机床 2 数控加工中心数控机床 3 特种数控机床 1.2.2 按数控机床的运动轨迹分类按数控机床的运动轨迹分类 1 点位控制数控机床 2 点位直线控制数控机床 3 轮廓控制数控机床 1.2.3 按伺服系统的控制方式分类按伺服系统的控制方式分类 1 开环控制数控机床 2 闭环控制数控系统 3 半闭环控制数控机床 6 1.2.4 数控装置数控装置的简介的简介 数控装置是数控机床的中枢，在普通数控机床中一般由输入装置、存储器、控 制器、运算器和输出装置组成。 数控装置接收输入介质的信息，并将其代码加 以识别、储存、运算，输出相应的指令脉冲以驱动伺服系统，进而控制机床动 作。在计算机数控机床中，由于计算机本身即含有运算器、控制器等上述单元， 因此其数控装置的作用由一台计算机来完成。 数控装置（习惯称为数控系统）对机床进行控制，并完成零件自动加工的专用 电子计算机。它接收数字化了的零件图样和工艺要求等信息，按照一定的数学 模型进行插补运算，用运算结果实时地对机床的各运动坐标进行速度和位置控 制，完成零件的加工。 随着科学技术的进步，特别是微电子技术和计算机技术的发展，使数控系统不 断得到最新硬软件资源而飞速发展。各著名的数控系统生产厂家，平均每三年 就有一种新型号数控系统产品诞生。数控机床的应用也从解决疑难零件加工、 批量零件自动化生产，到进入家庭作坊，越来越广泛地应用到各种场合，同时 也不断对数控系统的硬软件提出新的要求。集中地表现在要求有开放式结构的 数控系统、适应技术发展和用户自己开发的功能。目前一些发达家和地区，如 欧洲、美国、日本等，都相继进行开放式结构数控系统的研究和开发，开放式 数控系统的基本结构有硬件平台、软件平台、一个用户可扩展的硬软件空间和 应用开发环境。 1. 硬件平台：由数控系统生产厂提供，或是选择通用的标准模块，但其配置可 由用户在较大范围内选择，如控制轴数、控制方式、各种外部设备等。 2.软件平台：由数控系统生产厂提供，或 cnc 软件开发商提供，它是系统的核 心软件，即 cnc、plc 的基本软件，同时提供好的用户开发应用软件的环境。 3.应用软件：用户在数控系统生产厂提供的硬软件平台基础上，开发专用软件、 硬件，实现用户要求的控制功能。 计算机（personalcomputer-pc）的高速发展和广泛应用，为我们开发以 pc 为 基础（pcbased） 、开放式结构的数控系统提供了一种有效的途径。pc 从 80 年 代初作为办公用的计算机，发展到今天，已成为进入各领域的主流计算机，被 广泛用于过程控制和自动化领域。pc 的主频已达到 450mhz，可以满足各种 cnc 高速实时控制系统的要求，丰富的软件资源，如 dos、windows、c 语言 等开发工具，大量可利用的外部设备，如 crt、平板显示器、光盘驱动器、软 盘驱动器、硬盘驱动器、键盘等硬件支持。pc 的芯片集成度越来越高，pc 的 产量逐年增加，都为以 pc 为基础的 cnc 系统缩小体积、有高的性能价格比提 供了条件，由于以 pc 为基础的 cnc 系统充分利用 pc 的硬软件资源，就可以 跟随 pc 的发展而不断采用新的技术。 早期使用 intel80286、80386，现在是 pentium，操作系统也从 dos 发展到 windows 等，所以以 pc 为基础的 cnc 系统得到越来越快的发展和应用。 7 二二 数控加工工艺分析数控加工工艺分析 2.1 加工方法和加工方案的选择加工方法和加工方案的选择 在选择加工表面的加工方法和加工方案时，应考虑一下因素： （1）加工表面的技术要求 （2）工件材料的性质 （3）工件的形状和尺寸 （4）生产类型 （5）具体生产条件 2.2 加工顺序的安排加工顺序的安排 零件表面的加工方法和加工方案确定后，就要安排加工工序。 当零件的加工质量要求比较高时，往往不可能在一道工序中完成全部加工的内 容，而必须分几个阶段来进行加工。 （1）加工阶段 （2）划分加工阶段的原因 8 三三 螺纹配合螺纹配合 3.1 零件工艺分析零件工艺分析 图 3.1 的形状图 该零件图 3.1 所示，零件时 86mm60mm，所以，经过考虑，最终选择的 零件毛坯为 160mm62mm 的 45 钢，它是由圆弧、圆柱面、螺纹、退刀槽、 锥面、端面连接而成，结构形状复杂，加工部位多，对槽的右端外螺纹尺寸精 度，位置精度和形状精度要求高，表面粗糙度 ra1.6.这类零件有一定的加工难 度，非常适合数控车床加工。 3.2 确定加工方案确定加工方案 这个零件从图纸上可以看出，对于加工装夹上还是比较好装夹的，为了使 工序基准与定位基准重合，便于加工所有的需加工部位，将毛坯的任意端用三 爪卡盘装夹固定就可以，利用这样一种简单的装夹方法，可以限制供件的四个 自由度，可以有效保证零件在加工中的定位，达到加工效果。 3.3 确定工序顺序、进给路线和所用刀具确定工序顺序、进给路线和所用刀具 在这个零件加工过程中，所需要的工序很少，对加工刀具形状的要求不是 很高，只是在加工中注意到几个处圆弧，锥面相互夹角的处理就可以，所以选 用一把刀尖角为 30 度的硬质合金尖刀和一把硬质合金的 5mm 切断刀，就可以解 决零件的加工，但因加工的材料是钢件，同时也得注意刃磨刀具。根据工步顺 序和切削加工进给路线的确定原则，本工序具体的工步顺序，进给路线及所用 刀具具体确定如下： 9 3.3.1 粗车外表面粗车外表面 选用刀尖角为 30 度的硬质合金尖刀对外表面进行粗车，走刀路线及加工部 位如图 3-2 所示。 由于粗车的外表面是通过递增且具有圆弧，加工零件的材料又是钢件。可 以采用这把刀尖角为 30 度的硬质合金尖刀直接将工件车削成型，在编制加工程 序的时候采用的是 fanuc 系统的 g71 外圆循环加工指令，所以在进行这段加 工的时候，走刀路线和一般的加工不同。 加工步骤： 切断面-切圆弧-切外圆-切圆弧-切外圆-退刀-回到起点 3.3.2 精车外表面精车外表面 选用刀尖角为 30 度的硬质合金尖刀对零件进行精加工，其加工步骤及走刀 路线如图 3-3 所示： 图 3-3 走刀路线图 3.3.3 切槽切槽 选用刀尖宽度为 5mm 的切槽刀，加工部位及走到路线如图 3-4 所示： 10 图 3-4 切槽部位走刀路线图 3.3.4 切螺纹切螺纹 选用刀尖角度为 60 度的硬质合金材料的螺纹刀，在编制螺纹加工程序时， 为了能使与内螺纹完全配合的得当，加工时应使外螺纹小于图纸尺寸的 0.1mm0.2mm，其加工部位及走刀路线如图 3-5 所示： 图 3-5 切螺纹走刀路线 3.3.5 切断切断 在精车削完毕后，将进行零件的切断，选用 5mm 切断刀，其走刀路线如图 3-6 所示： 11 图 3-6 切断走刀路线 3.4 确定切削用量确定切削用量 数控加工的切削用量包括：背吃刀量，主轴转速、进给速度。切削用量的 选择原则与普通机床加工相似，具体数值应根据数控机床使用说明书和金属切 削原理中规定的方法及原则，结合实际加工经验来确定。在工艺系统刚性和机 床功率允许的条件下，尽可能选取较大的背吃刀量，以减少进给次数。光车时 主轴转速应根据零件上被加工部位的直径，并按零件和刀具的材料以及加工性 质等条件所允许的切削速度来确定。在程序设计时，必须确定每道工序的切削 用量，选择切削用量时一定要充分考虑影响切削的各种因素，正确的选择切削 条件，合理的确定切削用量，可以有效地提高机械加工的质量和效率。 根据加工要求确定切削用量，具体确定如下： （1） 粗车外表面 车削端面时主轴转 1000r/min，圆弧、直外圆面、锥面 s=800r/min，圆弧 f=0.18-0.2mm/r 直外圆面、锥面 f=0.2-0.25mm/r。 （2） 精车外表面 车削端面时主轴转速 1500r/min，圆弧、直外圆面、端部倒角 s=1500r/min 位 圆弧，直外圆面、锥面 f=0.1mm/r （3） 切断 主轴转速 s=300r/min，进给量 f=0.12mm/r. (4)数学计算 m302 螺纹计算： 牙深（直径）：t=1.3p2=2.6 螺纹大径：d大+=d公称-0.1p=30-0.12=29.8 螺纹小径：d小=d公称-1.3p=30-1.32=27.4 根据牙深，螺纹分为五刀加工，第一刀：0.9mm，第二刀：0.6mm，第三刀： 12 0.6mm，第四刀：0.4mm，第五刀：0.1mm。 3.5 填写工艺文件填写工艺文件 （1）将选定的各工部所用刀具的刀具型号、刀片型号及刀剑圆弧半径等填入 31 数控加工刀具卡片中。 零件名称螺纹配合（件一） 零件图号01程序编号00001 工步号刀具号刀具名称刀具型号刀片型号刀片牌号刀具半径/mm备注 01t01机夹可转位车刀pcgc12525-09qccmt097308gc4350.4 02t02机夹可转位车刀pcgc12525-09qccmt097308gc4350.2 03t03切槽刀（宽为5mm） pcgc12525-09qccmt097308gc4350.2 04t04车螺纹pcgc12525-09qccmt097308gc4350.2 指导老师审核共一页 第一页 产品名称代号 表3-1 数控加工刀具卡片 批准编制 13 (2)按加工顺序将各工步的加工内容、所用刀具及 用量等填入表 32 数控加工 工序卡片中。 表3-2数控加工工序卡片 产品名称零件名称材料 螺纹配合 螺纹配合 （件一） 45钢 程序编号 夹具编号使用设备 00001 001 (三爪卡 盘) cjk6032a 01粗车外表面t010800 0.2-0.25 0.2-0.25 1.5 02精车外表面t02015000.10.1 03切槽t030200-3000.1-0.15 04螺纹刀t043200-4000.05-0.1 05切断t030200-3000.1 编制审核 备注 共一页 第一页 1 批注指导老师 工步内容刀具号 刀具规格 /mm 工序号 主轴转速 （r/min） 进给速度 mm/min 背吃刀量 /mm 车间 学院数控车削加工中心 工步号 数控加工 工艺卡片 零件名称 零件图号 01 14 四四 程序编制程序编制 4.1 螺纹配合零件程序编程螺纹配合零件程序编程 15 续上表 16 4.2 进刀方法分析进刀方法分析 控车床中，螺纹切削一般有三种加工方法：g32 直进式切削方法、g92 直进式切 削方法和 g76 斜进式切削方法，由于切削方法的不同，编程方法不同，造成加工误差 也不同。我们在操作使用上要仔细分析。 （1）g32 直进式切削方法，由于两侧刃同时工作，切削力较大，而且排削困难， 因此在切削时，两切削刃容易磨损。在切削螺距较大的螺纹时，由于切削深度较大， 刀刃磨损较快，从而造成螺纹中径产生误差；但是其加工的牙形精度较高，因此一般 多用于小螺距螺纹加工。由于其刀具移动切削均靠编程来完成，所以加工程序较长； 由于刀刃容易磨损，因此加工中要做到勤测量。 （2）g92 直进式切削方法简化了编程，较 g32 指令提高了效率。 （3） g76 斜进式切削方法，由于为单侧刃加工，加工刀刃容易损伤和磨损，使 加工的螺纹面不直，刀尖角发生变化，而造成牙形精度较差。 但由于其为单侧刃工 作，刀具负载较小，排屑容易，并且切削深度为递减式。因此，此加工方法一般适用 于大螺距螺纹加工。由于此加工方法排屑容易，刀刃加工工况较好，在螺纹精度要求 不高的情况下，此加工方法更为方便。在加工较高精度螺纹时，可采用两刀加工完成 ，既先用 g76 加工方法进行粗车，然后用 g32 加工方法精车。但要注意刀具起始点要 准确，不然容易乱扣，造成零件报废。 （4）螺纹加工完成后可以通过观察螺纹牙型判断螺纹质量及时采取措施，当螺 纹牙顶未尖时，增加刀的切入量反而会使螺纹大径增大，增大量视材料塑性而定，当 牙顶已被削尖时增加刀的切入量则大径成比例减小，根据这一特点要正确对待螺纹的 切入量，防止报废。 在机械制造业中采用数控车削的方法加工螺纹是目前常用的方法。与普通车削 相比，螺纹车削的进给速度要高出 10 倍，螺纹刀片刀尖处的作用力要高 1001000 倍，切削速度较快，切削力较大和作用力聚集范围较窄导致螺纹的加工难度高。笔者 通过大量的实验，认为要从刀具的几何参数、切屑液和程序的编辑 3 个方面来提高数 控车削螺纹的精度。 4.3 零件工艺分析零件工艺分析 17 图 4-1 形状图 该零件图 3-1 所示，零件是 86mm60mm 所以，经过考虑，最终选择的零件 毛坯为 160mm62mm 的 45 钢。它是由圆弧、圆柱面、螺纹、退刀槽、锥面、圆 弧、端面相连组成，结构形状复杂，加工部位多，对槽的右端外螺纹尺寸精度、位置 精度和形状精度要求高，表面粗糙度 ra1.6。这类零件有一定的加工难度，非常适合 数控车床加工。 4.4 确定装夹方案确定装夹方案 这个零件从图纸上可以看出，对于加工装夹上还是比较好进行装夹的，为了使工 序基准与定位基准重合，便于加工所有的需加工部位，将毛坯的任意端用三爪卡盘装 夹固定就可以，利用这样一种相对简单的装夹方法，可以限定工件的四个自由度，可 以有效保证零件在加工中的定位，达到加工效果。 4.5 确定工步顺序、进给路线和所用刀具确定工步顺序、进给路线和所用刀具 在这个零件的加工中，所需要的工序很少，对加工刀具形状的要求不是很高，只 是在加工中注意到几个处圆弧、锥面相互夹角的处理就可以，所以选用一把刀尖角为 30 度的硬质合金尖刀和一把硬质合金的 5mm 切断刀，就可以解决零件的加工，但因加 工的材料是钢件，同时也要注意刃磨刀具。根据工步顺序和切削加工进给路线的确定 原则，本工序具体的工步顺序、进给路线及所用刀具确定如下： 4.5.1 粗车外表面粗车外表面 选用刀尖角为 30 度的硬质合金尖刀对外表面进行粗车，走刀路线及加工部位如 图 3-2 所示。 图 4-2 路线图 由于粗车的外表面是递增且有圆弧,加工零件的材料又是钢件，可以采用这把刀 尖角为 30 度的硬质合金尖刀直接将工件车削成形。在编制加工程序的时候采用的是 fanuc 系统的 g71 外圆循环加工指令，所以在进行这加工的时候，走刀路线和一般 的加工不同。 加工步骤：切端面-切圆弧-切外圆-切堆面-切圆弧-切外圆-退刀- -回起到点。 18 4.5.2 精车外表面精车外表面 选用刀尖角为 30 度的硬质合金尖刀对零件进行精加工，其加工步骤及走刀路线 如 图 4-3 所示 图 4-3 走刀路线图 4.5.3 切槽切槽 选用刀尖宽度为 5mm 的切槽刀，加工部位及走刀路线如图 4-4 所示 图 4-4 切槽部分走刀路线 4.5.4 切螺纹切螺纹 选用刀尖角度为 60 度的硬质合金材料的螺纹刀，在编制螺纹加工的程序时，为 了能使与内螺纹完整配合得当，加工时应使外螺纹小于图纸标注尺寸的 0.1mm 0.2mm,其加工部位及走刀路线如图 4-5 所示： 19 图 4-5 切螺纹走刀路线 4.5.5 切断切断 在精车削完毕后，将进行零件的切断。选用 5mm 切槽刀，其走刀路线如图 4-6 所 示： 图 4-6 切断走刀路线图 4.6 确定切削用量确定切削用量 数控加工的切削用量包括：被吃刀量、主轴转速或切削速度、进给速度或进给量。切 削用量的选择原则与普通机床加工相似，具体数值应根据数控机床使用说明书和金属 切削原理中规定的方法及原则，结合实际加工经验来确定。在工艺系统刚性和机床功 率允许的条件下，尽可能选取较大的被吃刀量，以减少进给次数。光车时主轴转速应 根据零件上被加工部位的直径，并按零件和刀具的材料及加工性质等条件所允许的切 削速度来确定。在程序设计时，必须确定每道工序的切削用量。选择切削用量时一定 要充分考虑影响切削的各种因素，正确的选择切削条件，合理的确定切削用量，可以 有效的提高机械加工的质量和效率。 20 根据加工要求确定切削用量，具体确定如下： （1）粗车外表面 车削端面时主轴转 1000r/min，圆弧、直外圆面、锥面 s=800r/min,圆弧 f=0.180.2mm/r 直外圆面、锥面 f=0.20.25mm/r。 （2）精车外表面 车削端面时主轴转速 1500r/min,圆弧、直外圆面、直外圆面、端部倒角 s=1500r/min 位圆弧、直外圆面、锥面 f=0.1mm/r。 （3）切断 主轴转速 s=300r/min,进给量 f=0.12mm/r。 （4）数学计算 m302 螺纹计算： 牙深（直径）：t=1.3p=1.32=2.6 螺纹大径: d 大=d 公称-0.1p=30-0.12=29.8 螺纹小径：d 小= d 公称-1.3p=30-1.32=27.4 段根据牙深,螺纹分五刀加工,第一刀:0.9mm, 第二刀:0.6mm,第三刀:0.6mm,第 四刀:0.4mm,第五刀:0.1mm. 4.7 填写工艺卡文件填写工艺卡文件 （1）将选定的各工步所用刀具的刀具型号、刀片型号、刀片牌号及刀尖圆弧半径等 填入表 4-1 数控加工刀具卡片中。 表表 4-14-1 数控加工刀具卡片数控加工刀具卡片 产品名称 代号 零件 名称 螺纹 配合 （件 一） 零件 图号 01 程序编 号 000 1 工 步 号 刀具号 刀具 名称 刀具 型号 刀片 型号 刀片 牌号 刀具 半径 /mm 备 注 0 1 t01 机 夹可 转位 车刀 pcgcl2 525- 09q ccmt09 7308 gc4350.4 0 2 t02 机夹可 转位车 刀 pcgcl2 525- 09q ccmt09 7308 gc43 5 0.2 21 0 3 t03 切槽刀 （宽 5mm） pcgcl2 25-09q ccmt 0973 08 gc4350.2 0 4 t04车螺纹 pcgcl2 525- 09q ccmt09 7308 gc4350.2 （2）按加工顺序将各工步的加工内容、所用刀具及切削用量等填入表 32 数控 加工工序卡片中。 表表 4-24-2 数控加工工序卡片数控加工工序卡片 产品 名称 零件名称材料 零 件 图 号 零 件 名 称 数控加 工工艺 卡片 螺纹 配合 螺纹配合 （件一） 45 钢01 工 序 号 程序编 号 夹具 编号 使用设备车间 1o0001 001（ 三爪卡 盘） cjk6032a学院数控车削加工中心 工 步 号 工 步 内 容 刀 具 号 刀 具 规 格 /m m 主轴转 速 （r/mm ） 进给速度 （mm/min ） 背 吃 刀 量 /m m 备 注 0 1 粗 车 t0 1 0800 0.18-0.2 0.2-0.25 1.5 22 外 表 面 0 2 精 车 削 表 面 t0 2 015000.10.1 0 3 切 槽 t030200-3000.1-0.15 0 4 螺 纹 刀 t043200-4000.05-0.11.0 0 5 切 断 t030200-3000.1 23 五五 结果分析结果分析 5.1 零件的精度与尺寸检验零件的精度与尺