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山山 东东 省省 水水 利利 职职 工工 大大 学学 毕毕 业业 论论 文文 设计（论文）题目设计（论文）题目轴类零件加工工艺分析轴类零件加工工艺分析 系系 别别 及及 专专 业业机电系机电系数控技术数控技术 姓姓名名冯雪莲冯雪莲 指指导导教教师师隋汉辉隋汉辉刘承信刘承信 完完成成日日期期2009 年年 1 月月 20 日日 山东水利职工大学设计用纸 I 摘要 在数字化制造技术中，计算机数控技术和数控编程技术是最重要的技术之一。本文 主要对轴类零件的加工工艺和常用工艺设备作以概述并简单陈述轴类零件的功用与结 构，轴类零件的技术要求及轴类零件的材料和毛坯选择。 零件的数控加工工艺分析是编制数控程序中最重要而又极其复杂的环节,也是数控 加工工艺方案设计的核心工作,必须在数控加工方案制定前完成。 数控加工工艺是伴随着 数控机床的产生,不断发展和逐步完善起来的一门应用技术,研究的对象是数控设备完成 数控加工全过程相关的集成化技术,最直接的研究对象是与数控设备息息相关的数控装 置、控制系统、数控程序及编制方法。 数控加工柔性好，自动化程度高，特别适宜加工轮廓形状复杂的曲线，曲面零件， 以及具有大量孔、槽加工的复杂箱体，棱体零件，在多品种、小批量生产情况下，使用 数控机床加工能获得较高的经济效益。本文对轴类零件加工工艺分析轴类零件加工工艺分析首先是对工件进行 加工工序的确定，并且进行工艺分析，装夹方式的选择，切削用量的确定。再对刀具进 行了选择。然后就工艺路线进行编程加工。 关键词：加工工艺分析、手工编程、精度、定位、装夹 山东水利职工大学设计用纸 II 目录 第一章 概述 1 1. 数控加工工艺基础 1 2. 选择设备 2 3. 定位与夹紧方案的确定2 4. 夹具的选择 2 5. 走刀路线和工步顺序的确定3 6. 刀具的选用 .3 7. 切削用量的选择.4 8. 数控加工工艺文件的填写. 4 9. 轴类零件的一般功用.5 10. 轴类零件单件小批生产一般的工艺过程.5 第二章典型轴类零件的加工工艺分析(一)6 1)零件各主要部分的功用和技术要求.6 2）零件图工艺分析.7 3）确定零件的定位基准和装夹方案.8 4）选择设备.9 5）确定加工顺序及进及路线.10 6)刀具选择.13 7)零件基本工艺过程.14 8)切削用量选择 14 9)数控加工程序.16 10)校验 19 谢辞.20 参 考 文 献.21 山东水利职工大学设计用纸 1 第一章 概述 轴类零件工艺设计是对工件进行数控加工的前期工艺准备工作， 因为只有工艺沒 设计方案确定以后程序编制才有依据，所以它必须在程序编制工作以前完成。规定零 件制造工艺过程和操作方法等的工艺文件，称为工艺规程。工艺规程用于指导生产。 在数控机床上加工零件时，要把被加工的全部工艺过程；工艺参数等编制成程序，整 个加工过程是自动进行的， 因此程序编制前的工艺分析是一项十分重要的工作。工艺 设计方面考虑不周是造成数控加工差错的主要原因之一。 工艺设计搞不好往往要成倍 增加工作量。 在选择并决定数控加工零件及加工内容后，应对零件的数控加工工艺进行全面、 认真、仔细的分析。 1.数控加工工艺基础 对零件图进行数控加工工艺分析时分析零件图是工艺制订中的首要工作， 它主要 包括以下内容： 结构工艺性分析 零件的结构工艺性是指零件对加工方法的适应性， 即所设计的零件结构应便于加 工成性型。在数控车床上加工零件时，应根据数控车削的特点，认真审视零件结构的 合理性。 零件轮廓几何要素分析 在手工编程时，要计算每个基点坐标，在自动编程时，要对构成零件轮廓的所有 几何元素进行定义，因此在分析零件图时，要分析几何元素的给定条件是否充分。由 于设计等多方面的原因， 可能在图样上出现构成加工零件轮廓的条件不充分，尺寸模 糊不清且有缺陷，增加了编程工作的难度，有的甚至无法编程。总之，图样上给的尺 寸要完整，且不能自相矛盾，所确定的加工零件轮廓是唯一的。 精度及技术要求分析 对被加工零件的精度及技术要求进行分析，是零件工艺性分析的重要内容。只有 在分析零件尺寸精度和表面质量的基础上，才能对加工方法、装夹方式、刀具及切削 用量进行正确而合理的选择。 精度及技术要求分析的主要内容：一是 分析精度及 各项技术要求是否齐全、是 否合理；二是分析本工序的 数控车削加工精度能否达到图样要求，若达不到，需采 山东水利职工大学设计用纸 2 取其他措施弥补时，则应给后续工序留有一定余量；三是 找图样上有位置精度要求 的表面。这些表面应在一次装夹下完成；四是 对表面粗糙要求较高的表面，应确定 用恒线速度切削。 2选择设备 数控车床是一种高精度、高效率的自动化机床，也是使用数量最多的数控机床， 约占数控机床总数的 25%。它通主要用于精度要求高、表面粗糙度好、轮廓形状复杂 的轴类、盘类等回转体零件的加工，并进行切槽、钻孔、扩、绞孔的加工。 数控车床的基本构成架、尾座、进给机构和床身等。 数控铣床一般指规格较小的升降台数控铣床，其工作台宽度多在 400 毫米以下， 规格较大的数控铣床（例如工作台在 500、630 毫米以上的）多属于床身式布局或龙 门式布局。数控铣床可进行钻孔、镗孔、攻螺纹、外形轮廓铣削、平面铣削、平面型 腔铣削及三维复杂性面的铣削加工。加工中心、柔性加工单元是在数控铣床的加工基 础上产生和发展起来的，其主要加工也是铣削加工。 3.定位与夹紧方案的确定 除应遵循普通机床加工有关定位基准的选择原则和有关工件夹紧的基本要求外， 数控加工中工件的定位基准与夹紧方案的确定还应该注意下列三点： 力求设计基准、 工艺基准与编程原点统一，以减少基准不重合误差和数控编程 中的计算工作量。 设法减少装夹次数， 尽可能做到一次定位装夹后能加工出工件上全部或大部分 待加工表面，以减少装夹误差，提高加工表面之间的相互位置精度，充分发挥数控机 床的效率。 避免采用机人工调整式方案，以免占机时间太多，影响加工效率。 4.夹具的选择 数控加工的特点对夹具提出了两个基本要求： 一是保证夹具的坐标方向与机床的 坐标方向相对固定，二是要能直协调零件与机床坐标系的尺寸。具体地来说，要重点 考虑以下几点： 山东水利职工大学设计用纸 3 单件小批量生产时，优先选用组合夹具、可调夹具和其他通用夹具，以缩短生 产准备时间和节省生产费用。 在成批生产时，才考虑采用专用夹具，并力求结构简单。 零件的装卸要快速、方便、可靠，以缩短机床的停顿时间。 夹具上各零部件应不妨碍机床对零件各表面的加工，即夹具要敞开，其定位、 夹紧机构元件不能影响加工中的走刀。 为了提高数控加工的效率， 批量较大的零件加工可以采用多工位、气动或液压 夹具。 5.走刀路线和工步顺序的确定 走刀路线是指刀具在整个加工工序中相对于工件的运动轨迹， 它不但包括了工步 的内容，也反映出工步的顺序。走刀路线也是编程的主要依据之一，因此，在确定走 刀路线时最好画一张工序简图，将已经拟定出的走刀路线画上去（包括进退刀路线）。 工步顺序是同一道工序中各个加工表面的先后次序。它对零件的加工质量，加工效率 和数控加工中的走刀路线有直接影响， 应根据零件的结构特点和工序的加工要求等合 理安排。工步的划分与安排一般可随走刀路线来进行，在确定走刀路线时，主要考虑 以下几点： 对点位加工的数控机床（如钻、铣床），要考虑尽可能缩短走刀路线，以减少 空程时间，提高加工效率。 为了保证工件轮廓表面加工后的粗糙度要求， 最终轮廓应安排最后一次走刀连 续加工。 刀具的进退路线须认真考虑， 要尽量避免在轮廓处停刀或垂直切入、 切入工件， 以免留下刀痕（切削力发生突然变化而造成弹性变形）。 铣削轮廓的加工路线要合理选择，一般采用三种走刀方式：1)为 Z 字形双方向 走刀方式，2）为单方向走刀方式，3)为环形走刀方式。 6.刀具的选用 山东水利职工大学设计用纸 4 数控加工用刀具的合理选择是保证加工质量和提高加工效率的关键环节。 使用不 合适的刀具会限制机床性能的发挥， 即使具有高性能的机床也不能取得相应的经济效 益。有统计结果显示，刀具仅占零件加工总成本的 3%，如果延长刀具寿命 50%，每个 零件总成本也仅降低 1%，但是切削效率如果提高 20%，零件加工成本将降价低 15%。 选用数控刀具时的一般原则时首先看，具体加工时刀具与机床性能、零件材质、 毛坯余量、精度要求等因素，合理的选择不仅可以提高加工质量，还可以充分发挥数 控机床性能，提高加工效率，降低加工成本。就数控加工特点而言，在选用数控刀具 时一般遵循如下原则： 应尽可能选用机夹可转位涂层刀具。 应根据工件形状选择适当的刀具形式。 在大批量生产时，应尽量采用各种高效刀具。 7.切削用量的选择 数控车床加工中的切削用量可以在机床说明书中给定的允许范围内选取。 8.数控加工工艺文件的填写 数控加工艺文件既是数控加工、产品验收的依据，也是需要操作者遵守、执行的 规程； 有的则是加工程序的具体说明或附加说明，目的是让操作者更加明确程序的内 容、安装与定位方式、各个加工部位所选用的刀具及其他问题。编写数控加工专用技 术文件是数控加工工艺设计的主要内容之一。 为了加强技术文件的管理， 数控加工专用技术文件应该走标准化、 规范化的道路， 但目前还有较大困难， 只能先按部门或按单位局部统一。下面介绍几种数控加工工艺 专用技术文件，以供参考。 数控加工工序卡片 数控加工工序卡片与普通加工工序卡片有许多相似之处，所不同的是：草图中应 注明编程原点（对刀点），要进行编程简要说明（所用控制型号、程序介质、程序编 号、镜像加工对称方式、刀具半径补偿界限等）及切削参数（程序编入的主轴转数、 进给速度、最大切削深度或宽度等）的选定。在工序加工内容不十分复杂的情况下， 山东水利职工大学设计用纸 5 用数控加工工序卡的形式较好。可以把零件草图、尺寸、技术要求、工序内容及程序 要说明的问题集中反映在一张卡片上，做到一目了然。 数控加工程序说明卡片 实践证明， 仅用加工程序单、工艺规程和控制带来进行实际加工还有许多不足之 处。由于操作者对程序的内容不清楚，对编程人员的意图理解不够透彻，经常需要编 程人员在现场进行口头解释、说明与指导，这种做法在程序仅使用一、二次就不用了 的场合还是可以的。但是，若程序是用于长期批量生产的，则编程人员很难随时到现 场。还有，若编程人员临时不在场或调离，已经熟悉的操作工人不在场或调离，麻烦 就更多了，甚至会造成质量事故或临时停产。因此，对加程序进行必要的详细说明是 很有用的，特别是对于那些需要长期保存和使用的程序就显得龙为重要。 9.轴类零件的一般功用： 轴是组成机械的重要零件，也是机械加工中常见的典型零件之一。它支撑着其它 转动件回转并传递扭矩，同时又通过轴承与机器的机架连接。 轴类零件是在车床、磨床上加工的零件，重要作用是支撑轴上的零件（如轴承、 齿轮、 皮带轮等； 套类零件与轴类零件的结构相似， 但它多为空心的零件， 用来容纳、 支撑轴类零件。 轴套类零件上常见的结构有：倒角、螺纹、中心孔、花键、退刀槽、键槽、圆角 等。 10.轴类零件单件小批生产一般的工艺过程： 备料（棒料或锻件）粗车（平端面齐全长、钻中心孔、粗车各部分）调质 精车划线（键槽、孔线）铣（钻）淬火（表淬）磨检验 山东水利职工大学设计用纸 6 第二章 典型轴类零件的加工工艺分析 轴类零件的数控车削需要零件图样计算各几何元素的交点,然后按零件长度确定 装夹方法.以上图所示零件(小轴零件图)为例,所用机床为 TND360 数控车床,其数控 车削加工工艺分析(本工艺分析以车床加工部分为主)如下： 1）零件各主要部分的功用和技术要求 （1） 为了传递运动和动力, 在轴段上分别铣有键槽.并且在带键 槽轴段上安装齿轮。 （2） 端面对基准 AB（轴线）的端面圆跳动公差为 0.04mm。 （3） 端面对基准 AB（轴线）的端面圆跳动公差为 0.04mm。 （4） 端面对基准 AB（轴线）的端面圆跳动公差为 0.04mm。 山东水利职工大学设计用纸 7 （5） 在轴段上倒角。 （6） 淬火处理要求轴段上洛氏硬度 GHRC4042。 （7） 键槽的中心面对基准 C（轴线）的对称度公差为 0.05mm。 （8） 在，轴向的表面粗糙度 Ra 值均为 0.8m。 （9） 在，（近基准 A） ，径向的表面粗糙度 Ra 值均为 1.6m。 （10）（近基准 B）径向的表面粗糙度 Ra 值为 3.2m。 （11） 其余表面粗糙度 Ra 值均为 6.3m。 （12） 工艺退刀槽均为 2mm。 （13） 工件材料选用 45 钢，并经调质处理，布氏硬度 HBS235。 （14） 未注尺寸公差按 IT14 级。 （15） 未注形位公差的公差等级按 C 级。 2）零件图工艺分析 轴类零件是旋转零件，其长度大于直径，由外圆柱面、圆锥面、内孔、螺纹及相 应端面所组成。加工表面通常除了内外圆表面、圆锥面、螺纹、端面外，还有花键、 键槽、横向孔、沟槽等。根据功用和结构形状，轴类有多种形式，如光轴、空心轴、 半轴、阶梯轴、花键轴、偏心轴、曲轴、凸轮轴等。 结合零件图纸分析，该零件表面由圆柱、螺纹等表面组成。其中多个直径尺寸有 较严格的尺寸精度和表面粗糙度等要求。尺寸标注完整，轮廓描述清楚。 轴类零件材料的选取， 主要根据轴的强度、 刚度、 耐磨性以及制造工艺性而决定， 力求经济合理。 轴类零件的毛坯常见的有型材（圆棒料）和锻件。大型的，外形结构复杂的轴也 可采用铸件。内燃机中的曲轴一般均采用铸件毛坯。 山东水利职工大学设计用纸 8 零件材料为 45 钢，有热处理和硬度要求。 轴上矩形花键的加工，通常采用铣削和磨削加工，产量大时常用花键滚刀在花键 铣床上加工。以外径定心的花键轴，通常只磨削外径，而内径铣出后不必进行磨削， 但如经过淬火而使花键扭曲变形过大时，也要对侧面进行磨削加工。以内径定心的花 键，其内径和键侧均需进行磨削加工。淬火处理、调质（淬火、高温回火）处理提高 表面硬度。 该轴需进行调质处理。它应放在粗加工后，半精加工前进行。如采用锻件毛坯， 必须首先安排退火或正火处理。该轴毛坯为热轧钢，可不必进行正火处理。轴上的花 键、键槽等表面的加工应在外圆精车或粗磨之后，精磨外圆之前。 轴上的螺纹一般有较高的精度，如安排在局部淬火之前进行加工，则淬火后产生 的变形会影响螺纹的精度。因此螺纹加工宜安排在工件局部淬火之后进行。 通过上述分析，可采取以下几点工艺措施： 图样上给定的几个精度要求较高的尺寸， 基本尺寸结合公差数值故编程时取平值编 程。 在加工轮廓曲线时应进行机械间隙补偿，以保证轮廓曲线的准确性。 为了便于装夹配件左右端面应先粗车出兵钻好中心孔。 毛坯选=40mm 的棒料。 3）确定零件的定位基准和装夹方案 轴类零件一般选用两端中心孔作为粗、精加工的定位基准。由于符合基准同一原 则和基准重合原则，保证了各轴段的位置精度，也有利于生产率的提高。因此为了保 证定位基准的精度和粗糙度， 以及轴的各配合表面加工后的形状精度和粗糙度，热处 山东水利职工大学设计用纸 9 理后应该修研中心孔，大型轴类零件需要磨削中心孔。 为了给车削时提供一个精基准，先以右端面为粗基准，粗车外圆和端面。这样在 车削时保证了加工余量均匀。 然后掉头卡住右端外圆， 以右端外圆和肩面为定位基准， 再一次安装中加工外圆及端面，以保证所要求的位置精度。 加工键槽时，可采用加装两个 V 型块来安装工件。 零件装夹方法的确与夹具选择，数控机床上被加工零件的装夹方法与一般机床上 一样，也要合理选择定位基准和夹紧方案。在选择精基准时，也要遵循“基准统一” 和“基准重合”等原则 由上结合小轴零件图分析得到： (1) 定位基准。 确定坯料轴线和左端大断面(设计基准)为定位基准。 (2) 装夹方式。 左端采用三爪自定心卡盘定心夹紧，右端采用活动顶尖支撑的装夹方式。 4）选择设备 根据被加工零件的外形和材料等条件，选用 TND360 数控车床。 山东水利职工大学设计用纸 10 5）确定加工顺序及进及路线 加工顺序按由粗到精、 由近到远 （由右到左） 的原则确定。 即先从右到左粗车 （留 0.25mm 精车余量） ，然后从右到左进行精车，车出倒角，再掉头装夹，按标注尺寸加 工出形状，最后车削螺纹。 TND360 数控车床具有粗车循环和车螺纹循环功能，只要正确使用编程指令，机床 数控系统就会自行确定其进给路线。因此，该零件的粗车循环和车螺纹循环不需要人 为确定其进给路线（但精车的进给路线需要人为确定） 。 该零件从右到左沿零件表面轮廓精车进给，如图 1.11 所示。 数控加工时，结合零件长度尺寸及形状要素，综合考虑零件尺寸公差要求，采用 先加工零件图纸的右侧部分，即将螺纹段加工放在掉头安装之后。 该零件从右侧零件表面轮廓进行数控加工，如下图 a 所示。 山东水利职工大学设计用纸 11 该零件从右侧零件表面轮廓进给路线，如下图 a1所示。 山东水利职工大学设计用纸 12 按照零件图纸，右侧部分加工完以后，数控加工程序暂停（由模态指令 M05,M01 保证） ，此时零件掉头装夹，并重新进行对刀。 该零件掉头装夹之后，零件表面轮廓进行数控加工，如下图 b 所示。 该零件掉头装夹之后，零件表面轮廓进给路线，如下图 b1所示。 山东水利职工大学设计用纸 13 6)刀具选择 用5 中心钻钻削中心孔。 粗车及平端面选用 90硬质合金右偏刀，为了防止副后刀面与工件轮廓干涉（可 用作图法检验） ，副偏角不宜太小，选 K=35。 为了减少刀具数量和换刀次数，精车和车螺纹选用硬质合金 60外螺纹车刀，刀 尖圆弧半径应小于轮廓最小圆角半径，取 K=0.150.2mm。 将所选定的刀具参数填入数控加工刀具卡片中（见表 1.12） ，以便于编程和操作 管理。 山东水利职工大学设计用纸 14 7）零件基本工艺过程 此零件单件小批生产的基本工艺过程如下： 备料（=40mm 的棒料）粗车（平端面齐全长、钻中心孔、粗车各部分）调质 精车划线（键槽、孔线）铣键槽掉头装夹粗车（去除大余量毛坯）精车 车螺纹淬火（表淬）磨检验 8)切削用量选择 1背吃刀量的选择 轮廓粗车循环时,选 aP=3mm,精车 aP=0.25mm；螺纹粗车循环时，选 aP=0.4mm，精 车 aP=0.1mm。 （注：磨削时预留 0.1-0.2mm 的磨削余量） 主轴转速的选择 山东水利职工大学设计用纸 15 车直线和圆弧时，查表知，可选粗车车削速度 vC=90m/min,精车车削速度 vC=120m/min，然后利用公式 vC=dn/1000 计算主轴转速 n(粗车工件直径 D=40mm， 精车工件直径取平均值） ； 粗车 n=500r/min,精车 n=1200r/min。车螺纹时计算主轴转 速 n=220r/min。 进给速度的选择 先查表选择粗车、精车每转进给量(粗车每转进给量=0.4r/min,精车每转进给量 =0.15r/min),然后根据公式 V=n计算粗车、精车进给速度（粗车进给速度 =200mm/min,精车进给速度=180mm/min） 。 综合前面分析的各项内容，并将其填入表 1.13 所示的数控加工工艺卡片。此表 是编制加工程序的主要依据和操作人员配合数控程序进行数控加工的指导性文件， 主 要内容包括：工步顺序、工步内容、各工步所用的刀具及切削用量等。 山东水利职工大学设计用纸 16 9)数控加工程序 山东水利职工大学设计用纸 17 山东水利职工大学设计用纸 18 山东水利职工大学设计用纸 19 10）校验 零件加工完成后，需要利用测量工具测量其尺寸，用以保证零件尺寸在图纸要求 的公差范围内。如果尺寸不合格，在零件尺寸与图纸要求相差不大的情况下，合理修 正。最后应进行淬火出理，以达到零件图纸的热处理要求。 首件适切后，经校验该零件达到图纸要求。 山东水利职工大学设计用纸 20 谢辞谢辞 本文是在隋汉辉，刘承信老师精心指导和大力支持下完成的。隋汗 辉，刘承信老师以其严谨求实的治学态度、高度的敬业精神、兢兢业业、 孜孜以求的工作作风和大胆创新的进取精神对我产生重要影响。他们渊 博的知识、开阔的视野和敏锐的思维给了我深深的启迪，使我在学习和 生活的道路上更多了一份自信！在学习和生活期间，也始