毕业设计（论文）-复杂特型轴的数控车削加工工艺及编程（全套图纸） .pdf

第 1 页 共 23 页 *校名 设计题目 典型轴零件的数控车削加工工 艺及程序设计 学生姓名学生姓名 学学 号号 指导教师指导教师 专专 业业 年年 级级 第 2 页 共 23 页 摘 要 本文的主要写作目的是为了验证在校三年的学校以及实践过程中所学的知 识，所以选择了一个典型的车削零件来阐述数控车削的加工工艺以及编程设计， 此次设计不仅能够验证自己的知识，同时也能提高自己的知识，通过此次设计， 使我发现了自己原来很多不足的地方，同时在设计中不断的改进，使自己的能力 上了个新台阶，使我对数控车削工艺有了更高的认识。 关键词：关键词：工艺分析、装夹方案、工艺流程、程序设计 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 第 3 页 共 23 页 目录 摘 要. 2 前言 4 1、典型实例分析. 5 1.1、零件图的分析. 5 1.1.1、尺寸标注分析. 5 1.1.2、零件的几何要素. 5 1.1.3、精度和技术要求分析. 5 2、工件的装夹. 6 2.1、机床的选择. 6 2.2、数控车床夹具的定义和分类. 7 2.3、夹具作用. 7 2.4、夹具的选择. 7 3、零件的工艺规程设计. 7 3.1、加工顺序的安排. 7 3.2、刀具的选择. 9 3.3、切削用量的选择 10 3.3.1、主轴转速的确定 11 3.3.2、进给速度的确定 12 3.3.3、背吃刀量的选择 12 3.4、工艺卡片 13 4、数控编程及加工仿真 14 4.1、加工程序清单 14 4.2、加工仿真 19 小结. 21 参考文献. 23 第 4 页 共 23 页 前言 随着数控机床的发展与普及，现代化企业对于懂得数控加工技术、能进行数 控加工编程的技术人才的需求量必将不断增加。 数控车床是目前使用最广泛的数 控机床之一。本文就数控车床零件加工中的程序编制问题进行探讨。 数控机床是一种技术密集度及自动化程度很高的机电一体化加工设备， 是综 合应用计算机、自动控制、自动检测及精密机械等高新技术的产物。随着数控机 床的发展与普及，现代化企业对于懂得数控加工技术、能进行数控加工编程的技 术人才的需求量必将不断增加。数控车床是目前使用最广泛的数控机床之一。本 文就数控车床零件加工中的程序编制问题进行探讨。 （1）编程方法 数控编程方法有手工编程和自动编程两种。 手工编程是指从零件图样分析工 艺处理、数据计算、编写程序单、输入程序到程序校验等各步骤主要有人工完成 的编程过程。它适用于点位加工或几何形状不太复杂的零件的加工，以及计算较 简单，程序段不多，编程易于实现的场合等。但对于几何形状复杂的零件（尤其 是空间曲面组成的零件） ，以及几何元素不复杂但需编制程序量很大的零件，由 于编程时计算数值的工作相当繁琐，工作量大，容易出错，程序校验也较困难， 用手工编程难以完成，因此要采用自动编程。所谓自动编程即程序编制工作的大 部分或全部有计算机完成，可以有效解决复杂零件的加工问题，也是数控编程未 来的发展趋势。同时，也要看到手工编程是自动编程的基础，自动编程中许多核 心经验都来源于手工编程，二者相辅相成。 （2）编程步骤 拿到一张零件图纸后，首先应对零件图纸分析，确定加工工艺过程，也即确 定零件的加工方法（如采用的工夹具、装夹定位方法等） ，加工路线（如进给路 线、对刀点、换刀点等）及工艺参数（如进给速度、主轴转速、切削速度和切削 深度等） 。其次应进行数值计算。绝大部分数控系统都带有刀补功能，只需计算 轮廓相邻几何元素的交点（或切点）的坐标值，得出各几何元素的起点终点和圆 弧的圆心坐标值即可。最后，根据计算出的刀具运动轨迹坐标值和已确定的加工 参数及辅助动作，结合数控系统规定使用的坐标指令代码和程序段格式，逐段编 写零件加工程序单，并输入 cnc 装置的存储器中。 第 5 页 共 23 页 1、典型实例分析 1.1、零件图的分析 下图为加工零件的二维， 试利用数控加工知识将毛坯加工成图 1- 1 所示: 材 料为 45 钢，毛坯为：62mm165mm。 图 1.1 零件二维图 1.1.1、尺寸标注分析 零件图上的尺寸是制造、检验零件的重要依据，生产中要求零件图中的尺寸 不允许有任何差错。在零件图上标注尺寸，除要求正确、完整和清晰外，还应考 虑合理性，既要满足设计要求，又要便于加工、测量。 关于尺寸标注主要包括功能尺寸、非功能尺寸、公称尺寸、基本尺寸、参考 尺寸、重复尺寸等等。 该零件图说标注的尺寸均完整，符合国家要求，位置准确，表达清楚。 1.1.2、零件的几何要素 该零件的结构特征主要由圆柱面、圆锥面、圆弧、内外槽、内孔、螺纹等组 成，这些特征在普通车床上难以加工，需要在数控机床上进行加工。 1.1.3、精度和技术要求分析 该零件的尺寸精度要求较高， 最高公差为 0.05mm， 如20 033 . 0 0 + 、 60 0 03. 0 等， 在加工这些部位时应该合理的选择切削用量及刀具的锋利度； 该零件无热处理要 第 6 页 共 23 页 求。 2、工件的装夹 2.1、机床的选择 分析零件图可知，本设计加工的零件特征包括：外圆、内外槽、螺纹、圆弧、 圆锥， 加工工序复杂。 为减少换刀和对刀时间， 保证良好精度和表面粗糙度要求， 选择温州广州数控设备有限公司生产的 ck61401000，该机床项目技术参数项 目技术参数如下： 床身上最大回转直径 400mm 卡盘直径 250mm 拖板上最大回转直径 210mm 主轴转速机械：25-1600rpm 变频：300-2000rpm x 轴最大行程 250mm 尾座套筒内孔锥度 mt4 z 轴最大行程 1000mm 尾座套筒移动量 140mm 最大加工长度 800mm 尾座套筒直径 60mm x/z 轴快速进给速度 5/10m/min 刀位数 4 x/z 轴脉冲当量 0.001mm 刀方尺寸 25mmx25mm 定位精度 0.01mm 主电机功率 5.5kw 重复定位精度 0.006mm 机床外形尺寸( 长宽高 )2250mmx1200mmx1600mm 主轴通孔直径 46mm 机床重量 2000kg 主轴内孔锥度 mt。 第 7 页 共 23 页 2.2、数控车床夹具的定义和分类 在数控车床上用于装夹工件的装置称为车床夹具。 车床夹具可分为通用夹具和专用夹具两大类。 通用夹具是指能够装夹两种或 两种以上工件的夹具，例如车床上的三爪卡盘、四爪卡盘、弹簧卡套和通用心轴 等；专用夹具是专门为加工某一特定工件的某一工序而设计的夹具。 2.3、夹具作用 在数控车削加工过程中，夹具是用来装夹被加工工件的，因此必须保证被加 工工件的定位精度，并尽可能做到装卸方便、快捷， 选择夹具时应优先考虑通 用夹具。 使用通用夹具无法装夹、或者不能保证被加工工件与加工工序的定位精度 时，才采用专用夹具。专用夹具的定位精度较高，成本也较高。专用夹具的作用 为：保证产品质量、提高加工效率、解决车床加工中的特殊装夹问题、扩大机床 的使用范围。 使用专用夹具可以完成非轴套、 非轮盘类零件的孔、 轴、 槽和螺纹等的加工， 可扩大机床的使用范围。 2.4、夹具的选择 该零件需要进行两次装夹才能完成所有的工序。 第一次装夹时可直接装夹零 件毛坯外圆表面，加工零件左端轮廓，可直接选用三爪自定心卡盘装夹即可。第 二次装夹时由于该零件对基准 a-b 有同轴度要求， 所以采用三爪自定心卡盘无法 达到精度要求，因此需要采用软爪进行装夹，软爪既可以保证同轴度要求，又可 以使零件的表面不受损伤。 软爪是在三爪卡盘上焊接铜棒而成的卡爪，在装夹时需要对其进行车削，可 一根据零件的外圆直径大小来确定车削卡爪的直径大小， 一般卡爪直径要稍大于 工件直径，这样可以让卡爪与工件线接触，不易夹伤工件表面。 3、零件的工艺规程设计 3.1、加工顺序的安排 在分析了零件图样和确定了工序装夹方式后， 接下来即要确定零件的加工顺 序。制定零件车削加工顺序遵循下列原则： 第 8 页 共 23 页 （1）先粗后精 按照粗车精车的顺序进行，逐渐提高加工精度。粗车将在较短的时间内 将工件表面上的大部分余量切掉，一方面提高金属切削率，另一方面满足精车的 余量均匀性要求。 （2）先近后远 按加工部件相对于刀点的距离大小而言的。在一般情况下，离对刀点远的部 位后加工，以便缩短刀具移动的距离，减少空行程。对于车削而言，先近后远还 有利于保持坯件或半成品的刚性，改善其切削条件。这样就 节省了大量时间， 采用就近原则，该工件就是先加工右端面，然后从右向左加工。 （3）内外交加 即对有内表面，又有外表面需加工的零件，安排加工顺序时，应先进行内外 表面粗加工，后进行内外表面精加工。切不可将零件上一部分表面加工完毕后， 再加工其它表面。该工件也可以采用内外交加的办法，先将外表面全部粗加工， 再换刀进行精加工。 根据以上原则以及该零件的结构工艺性，现对其加工顺序做如下安排： （1） 装夹零件毛坯外圆表面， 向外伸出 70mm， 粗车左端轮廓， 车寸 40 0 039 . 0 车至 40.3，长度为 30.5mm；60 0 03. 0 车至 60.3，长度为 25mm。 （2）手动钻 18mm 孔。 （3）粗镗内轮廓，30 033 . 0 0 + 镗至 29.7mm，长度为 43mm；20 033 . 0 0 + 镗至 19.7mm，长度为 12mm。 （4）精镗内轮廓。 （5）切槽 335，1534（边角倒 r2 圆角） 。 （6）精车外轮廓。 （7）掉头装夹 60 0 03. 0 外圆，装夹长度为 12mm，以其左端面定位。 （8）粗车右端轮廓，m300.75 螺纹大径车至 30，长度为 33mm；锥度由 g71 复合循环自动计算余量，54 0 033 . 0 车至 54.3mm，长度为 42mm。 （9）粗镗内孔。 （10）精镗内孔。 第 9 页 共 23 页 （11）精车以上各尺寸。 （12）切螺纹退刀槽，在两凹圆弧处切槽，槽深为 5mm。 （13）车螺纹 m300.75。 （14）车靠左边凹圆弧。 （15）车靠右边凹圆弧。 3.2、刀具的选择 由于工件材料、生产批量、加工精度以及机床类型、工艺方案的不同，车刀 的种类也异常繁多。根据与刀体的联接固定方式的不同，车刀主要可分为焊接式 与机械夹固式两大类。 l）焊接式车刀 将硬质合金刀片用焊接的方法固定在刀体上称为焊接式车 刀。这种车刀的优点是结构简单，制造方便，刚性较好。缺点是由于存在焊接应 力， 使刀具材料的使用性能受到影响， 甚至出现裂纹。 另外， 刀杆不能重复使用， 硬质合金刀片不能充分回收利用，造成刀具材料的浪费。根据工件加工表面以及 用途不同，焊接式车刀又可分为切断刀、外圆车刀、端面车刀、内孔车刀、螺纹 车刀以及成形车刀等。 2）机夹可转位车刀 可转位车刀由刀杆、刀片、刀垫以及夹紧元件组成。 刀片每边都有切削刃，当某切削刃磨损钝化后，只需松开夹紧元件，将刀片转一 个位置便可继续使用。 根据零件图的特性， 本题两零件中的外圆表面及内孔表面采用可转位车刀进 行车削，槽及螺纹，选用焊接式车刀进行切削，具体刀具选用请参照表 3.2。 表 3.2 数控加工刀具卡 程序号 刀具编号 刀具规格及型号 刀杆规格 刀具材料 o0001 t0101 90可转位外圆车刀 2020 yt15 t0202 45镗刀 2020 yt15 t0303 内切槽刀，刀宽 3mm 2020 p20 t0404 内成型切槽刀，刀宽 15mm， 刀尖角度为 r2 2020 yt15 o0002 t0101 90可转位外圆车刀 2020 yt15 t0202 镗刀 2020 yt15 第 10 页 共 23 页 t0303 切槽刀 2020 yt15 t0404 螺纹车刀 2020 yt15 t0505 55外圆车刀， 右偏刀 2020 yt15 t0606 55外圆车刀， 左偏刀 2020 yt15 3.3、切削用量的选择 数控车削加工中的切削用量包括：背吃刀量 、主轴转速 n 或切削速度 （用 于恒线速度切削） 、进给速度或进给量。这些参数均应在机床给定的允许范围内 选取。 切削用量的选用原则 车削用量（ 背吃刀量、主轴转速、进给速度）选择是否合理，对于能否充 分发挥机床潜力与刀具切削性能，实现优质、高产、低成本和安全操作具有很重 要的作用。车削用量的选择原则是粗车时，首先考虑选择尽可能大的背吃刀量， 其次选择较大的进给量 ，最后确定一个合适的切削速度 。增大背吃刀量 可使 走刀次数减少，增大进给量 有利于断屑。 精车时，加工精度和表面粗糙度要求较高，加工余量不大且较均匀，因此选 择精车的切削用量时，应着重考虑如何保证加工质量，并在此基础上尽量提高生 产率。因此，精车时应选用较小（但不能太小）的背吃刀量和进给量 ，并选用 性能高的刀具材料和合理的几何参数，以尽可能提高切削速度 。表 1 是推荐的 切削用量数据，供参考。 表 3.3 数控车削用量推荐表 刀具 材料 工件 材料 粗加工 精加工 切削速度 （ m/min ） 进 给 量 （mm/r） 背 吃 刀 量 （mm） 切削速度 （m/min） 进给 量 (mm/r) 背吃 刀量 （ mm ） 硬 质 合 金 或 涂 碳钢 220 0.2 3 260 0.1 0.4 低合 碳钢 180 0.2 3 220 0.1 0.4 第 11 页 共 23 页 层 硬 质 合 金 铸铁 120 0.2 3 160 0.1 0.4 不锈 钢 80 0.2 3 120 0.1 0.4 3.3.1、主轴转速的确定 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之外，还可以 根据经验确定，需要注意的是交流变频调速数控车床低速输出力矩小，因而切削 速度不能太低。 光车时，主轴的速度应根据允许切削的速度 vc 来选取，计算公式如下： n = d vc 1000 (3.1) 式中：vc切削速度，单位 m/min；d工件切削部分的直径（通常选用最 大直径） ，单位 mm；n车床主轴转速，单位 r/min； 而车螺纹时的主轴转速如下： n p 1200 -k (3.2) 式中：p工件螺纹的螺距或导程，单位 mm；k保险系数，一般取 80；n 车床主轴转速，单位 r/min。 根据切削原理可知，切削速度的高低取决于被加工零件的精度、材料、刀具 的材料、和刀具的耐用度等因素。从理论上讲，vc 的值越大越好，因为不仅可 以提高生产效率，而且可以避免积屑瘤的临界速度，获得较低的表面粗糙度。但 实际上由于机床、刀具、工件材料等因素的影响和限制，车削切削用量可参考表 3-3 选取。 综合以上原则，在实际加工中考虑到加工内孔时排屑难、冷却难、刀杆刚性 差和观察困难的特点，在选择切削用量时，可参照对应外部加工切削用量的 30% 50%进行选取。具体如下： 外部轮廓加工时选取：粗车 vc=150m/min 精车 vc=200m/min 内部轮廓加工时选取：粗车 vc=50m/min 精车 vc=70m/min 第 12 页 共 23 页 由公式 （3.1） 、（3.2） 、 表 （3.3） ， 按照毛坯直径为 62mm， 螺纹导程为 0.75mm， 计算可得： 外部轮廓加工时： 粗车 n=750r/min； 精车 n=1000r/min； 内部轮廓加工时： 粗车 n=280r/min； 精车 n=360r/min； 车螺纹时：n1520 r/min；据经验，取 n=600 r/min。 3.3.2、进给速度的确定 对于不同种类的机床，进给量的单位是不同的。对于普通车床，进给量为工 件（主轴）每转过一转，刀具沿进给方向与工件的相对移动量，单位为 mm/r； 对于数控车床，由于其控制原理与普通车床不同，进给量也可以定义为刀具在单 位时间内沿着进给方向上相对于工件的位移量（mm/min） 。其他类型的机床则根 据其结构不同，进给量的单位分别为刀具或工件每转的位移量（mm/min，车床等 大部分机床；或 mm/r，使用多齿刀具的机床）或每行程的位移量（mm/一个行程， 刨床等机床） 。 进给速度 vf 可以按公式 vf =fn 计算，式中 f 表示每转进给量，在加工本 设计中的组合零件时进给速度，依据表 3.3 进行选取，粗加工时取 f =0.2mm/r， 精加工时取 f =0.1mm/r，则所得加工时的进给速度如下： 外部轮廓加工时： 粗车 vf = 150mm/min； 精车 vf = 100mm/min； 内部轮廓加工时： 粗车 vf = 58mm/min； 精车 vf = 36mm/min； 车螺纹时的进给速度为螺纹的导程。 3.3.3、背吃刀量的选择 背吃刀量根据机床、工件和刀具的刚性来决定，在刚度允许的条件下，应尽 可能使背吃刀量等于工件加工余量（除去精车量） ，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， 一般为 0.10.8mm， 具体背吃刀量参照表 3.3 进行选择，如下表所列： 表 3.4 背吃刀量 第 13 页 共 23 页 粗 精 外轮廓加工 1.52mm 0.10.4 内轮廓加工 0.81.2mm 0.10.3 螺纹 随进刀次数依次减少。 总之切削用量的具体数值应根据机床性能、 相关的手册并结合实际经验用类 比方法确定。同时，使主轴转速、切削深度及进给速度三者能相互适应，以形成 最佳切削用量。 3.4、工艺卡片 表 3.5 机械加工工艺卡片 机械加工工艺过 程 产 品 名 称 轴零件 材料 45 钢 毛坯尺寸 62165mm 序 号 工序名 称 工序内容 车间 设备 工装 1 下料 将 62棒 料 剪 至 165mm 长 机加 车间 剪料机 2 车削 车削零件内外轮廓、 内外槽、螺纹等 机加 车间 ck6140 三爪自定心卡 盘 3 检验 表 3.6 数控加工工序卡片 机械加工工序卡 产品名称 轴零件 材料 45 钢 毛坯 尺寸 62165mm 工 步 号 工步内容 主轴转速 （r/min） 进给速度 （mm/min） 背吃刀量 （mm） 1 装 夹 毛 坯 外 圆 ， 向 外 伸 出 70mm，粗车左端外轮廓 750 150 1.5 2 粗镗内轮廓 280 56 0.8 3 精镗内轮廓 360 36 0.2 4 精车外轮廓 1000 100 0.3 第 14 页 共 23 页 5 切槽 380 40 6 掉头装夹，粗车右端外轮廓 750 150 1.5 7 粗镗内孔 280 56 0.8 8 精镗内孔 360 36 0.2 9 精车外轮廓 1000 100 0.3 10 切槽 350 50 11 车螺纹 600 0.75 12 粗车左凹圆弧 750 150 1 13 精车左凹圆弧 1000 100 0.3 14 粗车右凹圆弧 750 150 1 15 精车右凹圆弧 1000 100 0.3 4、数控编程及加工仿真 编程是将加工零件的加工顺序、刀具运动轨迹的尺寸数据、工艺参数（主运 动和进给运动速度、切削深度）以及辅助操作（换刀、主轴正反转、冷却液开关、 刀具夹紧松开等）加工信息，用规定的文字、数字、符号组成的代码，按一定格 式编写成加工程序。 数控编程又可分为手工编程和自动编程两类。 手工编程时，整个程序的编制过程是由人工完成的。这要求编程人员不仅要 熟悉数控代码及编程规则，而且还必须具备有机械加工工艺知识和数值计算能 力。对于点位加工或几何形状不太复杂的零件，数控编程计算较简单，程序段不 多，手工编程即可实现。 自动编程是用计算机把人们输入的零件图纸信息改写成数控机床能执行的 数控加工程序，就是说数控编程的大部分工作有计算机来实现。 （1）工件坐标系的确定 该零件为回转型零件，坐标系原点可直接设在轴的端面，即端面的中心。 （2）数值的计算 该零件的编程数值可通过 cad 中查询得知，不必过多的计算，有些尺寸可 以通过口算得知。 4.1、加工程序清单 第 15 页 共 23 页 （1）左端程序 o0001 t0101(90外圆车刀) m03 s750 g00 x64 z2 g71 u1.5 r0.5 g71 p100 q200 u0.3 w0.3 f150 n100 g00 x0 g01 z0 f100 x36 x40 z-2 z-34 g02 x46 w-6 r6 g01 x59.99 w-25 g00 x62 n200 z2 g00 x100 z100 m00（暂停，手动钻孔） t0202（镗刀） m03 s280 m08 g00 x16 z2 g71 u0.8 r0.3 g71 p300 q400 u-0.2 w0.2 f56 n300 g00 x30.01 g01 z-43 f36 x20 w-12 第 16 页 共 23 页 x16 n400 g00 z2 m03 s360 g70 p300 q400 g00 x100 z100 t0101 m03 s1000 g00 x64 z2 g70 p100 q200 g00 x100 z100 t0303 (切槽刀，3mm 宽) m03 s350 g00 x18 z-43 g01 x35 f40 x18 g00 z100 x100 t0404(切槽刀，15r2) m03 s400 g00 x28 z-25 g01 x34 f40 x28 g00 z100 x100 m30 (2)右端程序 o0002 t0101(90外圆车刀) m03 s750 第 17 页 共 23 页 m08 g00 x64 z2 g71 u1.5 r0.5 g71 p100 q200 u0.3 w0.3 f150 n100 g00 x0 g01 z0 f100 x26 x30 z-2 w-31 x40 x54 z-57 z-100 g03 x60 w-2 r2 g01 w-3 g00 x64 n200 z2 g00 x100 z100 m00（暂停，手动钻孔） t0202(镗刀) m03 s280 g00 x16 z2 g90 x18.8 z-33 f56 x19.6 x19.8 x20.01 f36 s360 g00 x24 g01 z0 f56 x20 z-2 f36 g00 x16 第 18 页 共 23 页 g00 z100 x100 t0101 m03 s1000 g00 x64 z2 g70 p100 q200 g00 x100 z100 t0303（切槽刀） g00 x42 z-33 g01 x26 f40 x42 g00 x56 g00 z-63 g01 x49 f40 x56 g00 x62 z-100 g01 x49 f40 x62 g00 x100 z100 t0404（螺纹车刀） m03 s600 g00 x32 z2 g76 p020060 q200 r400 g76 x29.025 z-32 p450 q300 f0.75 g00 x100 z100 t0505（55右偏刀） m03 s750 g00 x56 z-80 第 19 页 共 23 页 g73 u0.5 w0.5 r5 g73 p300 q400 u0.3 w0.3 f150 n300 g01 x54 f100 g03 x48.5 z-89.62 r18 g02 x44.08 z-95.39 r15 g02 x52 z-100 r4 g01 x62 g00 z-80 n400 x56 m03 s1000 g70 p300 q400 g00 x100 z100 t0505(55左偏刀) m03 s750 g00 x56 z-80 g73 u0.5 w0.5 r5 g73 p500 q600 u0.3 w0.3 f150 n500 g01 x54 f100 g02 x48.5 z-70.6 r18 g03 x44 z-64.5 r15 g03 x52 z-60 r4 g01 x56 n600 g00 z-80 m03 s1000 g70 p500 q600 g00 x100 z100 m30 4.2、加工仿真 （1）左端仿真后的图形 第 20 页 共 23 页 图