轴类零件的加工与工艺分析毕业设计书

毕业设计说明书 I 目目录录 轴类零件的加工与工艺分析. 1 摘要：.1 第 1 章 概述.2 1.1 数控机床的产生.2 1.2 数控机床的国内外研究现状.3 1.3 数控机床的发展趋势.4 第 2 章 数控机床介绍.6 2.1 数控机床的基本结构.6 2.2 数控机床的分类.7 第 3 章 数控编程.9 3.1 数控机床坐标系统.9 3.2 数控机床程序指令.9 第 4 章 加工工艺.11 4.1 刀具的分类及特点.11 4.2 刀具的分类.11 4.3 数控加工工艺分析.12 第 5 章 零件加工实例.14 5.1 零件分析.14 5.2 确定加工方案.15 5.3 定位基准的选择.16 5.4 选择数控刀具的原则.18 5.5 零件加工工艺分析.20 第 6 章 结束语.29 6.1 总结.29 6.2 展望.29 太原城市职业技术学院毕业设计说明书 II 参考文献.30 致谢.31 毕业设计说明书 1 轴类零件的加工与工艺分析 摘要： 随着科学技术的高速发展，机电一体化技术迅猛发展，数控机床在企业得到 了普遍应用。数控机床加工能完成许多传统加工无法完成的工艺内容，是制造业 信息化和集成化的核心技术支撑。数控机床是装备了数字程序控制系统的机床， 该系统能逻辑地处理具有特定代码和其他符号编码指令规定的程序，它是由装有 数控系统程序的专用计算机、输入/输出设备、可编程序控制器、存储器、主轴驱 动及进给驱动装置等组成。 本文首先介绍了数控机床的产生和发展趋势，然后介绍了数控机床的基本结 构和工作原理，以及数控机床的分类。接着介绍了数控机床的核心-数控系统的 构成、工作方式和设计方法，在论文的最后介绍了数控系统的程序编制和工艺方 法。 关键词： 数控机床、零件加工、数控系统 毕业设计说明书 2 第 1 章 概述 1.1 数控机床的产生 制造业是我国国民经济的支柱产业，其增加值约占我国国内生产总值的 40% 以上，而先进的制造技术是振兴制造业系统工程的重要组成部分。21 世纪是科学 技术突飞猛进、不断取得新突破的世纪，它是数控技术全面发展的时代。数控机 床代表一个民族制造工业现代化的水平，随着现代化科学技术的迅速发展，制造 技术和自动化水平高低已成为衡量一个国家或地区经济发展水平的重要标志。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。 在机械制造工业中并不是所有的产品零件都具有很大的批量，单件与小批量 生产的零件（批量在 10100 件）约占机械加工总量的 80%以上。尤其是在造船、 航天、航空、机床、重型机械以及国防工业更是如此。 为了满足多品种，小批量的自动化生产，迫切需要一种灵活的，通用的，能 够适用产品频繁变化的柔性自动化机床。数控机床就是在这样的背景下诞生与发 展起来的。它为单件、小批量生产的精密复杂零件提供了自动化的加工手段。 根据国家标准，对机床数字控制的定义：用数 字控制的装置（简称数控装置） ，在运行过程中，不断地引入数字数据，从而对某 一生产过程实现自动控制，叫数字控制，简称数控。用计算机控制加工功能，称 计算机数控（computerized numerical ，缩写） 。 数控机床即使采用了数控技术的机床，或者说装备了数控系统的机床。从应 用来说，数控机床就是将加工过程所需的各种操作（如主轴变速、松加工件、进 刀与退刀、开车与停车、选择刀具、供给切削液等）和步骤，以及刀具与工件之 间的相对位移量都用数字化的代码来表示，通过控制介质将数字信息送入专用的 或通用的计算机，计算机对输入的信息进行处理与运算，发出各种指令来控制机 床的伺服系统或其他执行元件，是机床自动加工出所需要的零件。 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。 太原城市职业技术学院毕业设计说明书 3 1.2 数控机床的国内外研究现状 从 1952 年美国麻省理工学院研发第一台数控机床到现在已有近 60 年的历史。 按照电子器件的发展可分为五个发展阶段：电子管数控，晶体管数控，中小规模 IC 数控，小型计算机数控，微处理器数控；从体系结构的发展，可分为以硬件及 连线组成的硬数控系统、计算机硬件及软件组成的 CNC 数控系统，后者也称为软 数控系统：从伺服及控制的方式可分为步进电机驱动的开环系统和伺服电机驱动 的闭环系统。总之，数控技术的发展向着高速化，精密化，高效能化，系列化及 复合化方向发展。人类发明了机器，延长和扩展人的手脚功能：当出现数控系统 以后，制造厂家逐渐希望数控系统能部分代替机床设计师和操作者的大脑，具有 一定的智能，能把特殊的加工工艺、管理经验和操作技能放进数控系统， 同时也 希望系统具有图形交互、诊断功能等。 装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程 度，数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业（如信息技术及其产业、 生物技术及其产业、航空、航天等国防工业产业）的使能技术和最基本的装备。 马克思曾经说过“各种经济时代的区别，不在于生产什么，而在于怎样生产，用 什么劳动资料生产”。制造技术和装备就是人类生产活动的最基本的生产资料， 而数控技术又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。当今世界各国制造业广 泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞 争能力。此外世界上各工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物 资，不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业，而且在“高精尖”数控 关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。总之，大力发展以数控技术为 核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家 地位的重要途径。 数控技术是近代发展起来的一种自动控制技术，机械加工现代化的重要基础 与关键技术。数控机床是制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础，是国 防工业现代化的重要战略装备，是关系到国家战略地位和体现国家综合国力水平 的重要标志。 太原城市职业技术学院毕业设计说明书 4 1.3 数控机床的发展趋势 从年第一台数控机床问世后，数控系统已经先后经历了两个阶段和 六代的发展，其六代是指电子管、晶体管、集成电路、小型计算机、微处理器和 基于工控机的通用 CNC 系统。其中前三代为第一阶段，称作为硬件连接数控， 简称系统；后三代为第二阶段，乘坐计算机软件数控，简称系统。 数控机床总的发展趋势是工序集中、高速、高效、高精度以及方便使用、提 高可靠性等。 （1）工序集中 20 世纪 50 年代末期，在一般数控机床的基础上开发了数控加工中心，即自备 刀具库的自动换刀数控机床。在加工中心机床上，工件一次装夹后，机床的机械 手可以自动更换刀具，连续的对工件进行多种工序加工。 目前，加工中心机床的刀具库容量可达到 100 多把刀具，自动换刀装置的换 刀时间仅需 0.52 秒。加工中心机床使工序集中在一台机床上完成，减少了由于 工序分散，工件多次安装引起的定位误差，提高了加工精度，同时也减少了机床 的台数与占地面积，压缩了半成品的库存量，减少了工序间的辅助时间，有效的 提高了数控机床的生产效率和数控加工的经济效益。 （2）高速、高效、高精度 高速、高效、高精度是机械加工的目标，数控机床因其价格昂贵，在上述三 方面的发展也就更为突出。 （3）方便使用 数控机床制造厂把建立友好的人机界面、提高数控机床的可靠性作为提高竞 争能力的主要方面。手工编程和自动编程已经使用了几十年，有了长足的发展， 在手工编程方面，开发了多种加工循环、参数编程和除直线、圆弧以外的各种插 补功能，CAD/CAM 的研究发展，从技术上来讲可以替代手工编程。但是一套适用的 CAD/CAM 软件加上计算机硬件，投资较大，学习、掌握时间较长，对大多数的简单 工件很不经济。 近年来，发展起来的图形交互式编程系统（WOP，又称面向车间编程） ，很受 用户欢迎。这种编程方式不使用 G、M 代码，而是借助图形菜单，输入整个图形块 以及相应参数作为加工指令，形成加工程序，与传统加工时的思维方式类似。图 太原城市职业技术学院毕业设计说明书 5 形交互编程方法在制定标准后，有可能成为各种型号的数控机床统一的编程方法。 太原城市职业技术学院毕业设计说明书 6 第 2 章 数控机床介绍 2.1 数控机床的基本结构 数控机床一般由输入/输出设备、CNC 数控装置、进给伺服驱动装置、可编程 控制器及电气控制装置、机床本体及位置检测装置等组成。除机床本体外的部分 统称数控系统。 （1）数控装置： 数控装置是数控机床的核心，由计算机系统、位置控制板、PLC 接口、通讯接 口板、特殊功能模块以及相应的控制软件等组成，其作用是根据输入的零件加工 程序进行相应的处理（如与运动轨迹处理、机床输入输出处理等） ，输出控制命令 到相应的执行部件（伺服单元、驱动装置和 PLC 等） 。CNC 装置内硬件和软件 协 调配合，使整个系统有条不紊地工作。 （2）变频调速主轴单元： 现代数控机床的主轴大多采用矢量控制的变频器配三相异步电动机的变频无 级调速或直接将主轴作为电机转子的“电主轴”形式。经济型数控机床的主轴变 速还保留用传统的齿轮减速箱的手动换挡变速形式，这类机床通常不接受 S 指令 功能。也有些机床采用机械-液压的自动换挡结构，此时若用 S 指令，其功能仅在 于控制吸合的电液阀的序号。 （3）进给轴伺服驱动单元： 如果说 CNC 系统是数控机床的“大脑”，是发布“命令”的指挥机构，伺服 驱动系统便是数控机床的“四肢”，是执行机构，它能准确地执行由 CNC 系统发 来的运动命令。伺服控制系统是连接数控系统与机床的枢纽，其性能是影响数控 机床的精度、稳定性、可靠性、加工效率等方面的重要因素。 （4）输入/输出装置： 开关量输入/输出装置通过输入接线端子板和继电器板，作输入/输出接口的 转接单元用，以方便连接及提高可靠性。开关量控制是用于主轴启停、正反转、 冷却液启停、刀架（刀库）换刀等的信号开关控制。 按下操作面板上的“循环启动”按钮后，就向 CNC 装置发出中断请求。一旦 CNC 装置所处状态符合启动条件，则 CNC 装置就响应中断，控制程序转入相应的控 太原城市职业技术学院毕业设计说明书 7 制机床运动的中断服务程序。进行插补运算，逐段计算出各轴的进给速度，插补 轨迹等。并将结果输出到进给伺服控制接口及其它输出接口，控制工作台（或刀 具）的位移或其它辅助动作。这样机床就自动地按照零件加工程序的要求进行切 削运动。 2.2 数控机床的分类 数控机床按驱动装置可以分为： 1. 开环控制数控机床 这类控制的数控机床是其控制系统没有位置检测元件，伺服驱动部件通常为 反应式步进电动机或混合式伺服步进电动机。数控系统每发出一个进给指令，经 驱动电路功率放大后，驱动步进电机旋转一个角度，再经过齿轮减速装置带动丝 杠旋转，通过丝杠螺母机构转换为移动部件的直线位移。移动部件的移动速度与 位移量是由输入脉冲的频率与脉冲数所决定的。此类数控机床的信息流是单向的， 即进给脉冲发出去后， 实际移动值不再反馈回来， 所以称为开环控制数控机床。开 环控制系统的数控机床结构简单，成本较低。但是，系统对移动部件的实际位移 量不进行监测，也不能进行误差校正。因此，步进电动机的失步、步距角误差、 齿轮与丝杠等传动误差都将影响被加工零件的精度。开环控制系统仅适用于加工 精度要求不很高的中小型数控机床，特别是简易经济型数控机床 2. 闭环控制机床 接对工作台的实际位移进行检测，将测量的实际位移值反馈到数控装置中， 与输入的指令位移值进行比较，用差值对机床进行控制，使移动部件按照实际需 要的位移量运动，最终实现移动部件的精确运动和定位。从理论上讲，闭环系统 的运动精度主要取决于检测装置的检测精度，也与传动链的误差无关，因此其控 制精度高。图 1-3 所示的为闭环控制数控机床的系统框图。图中 A 为速度传感器、 C 为直线位移传感器。当位移指令值发送到位置比较电路时，若工作台没有移动， 则没有反馈量，指令值使得伺服电动机转动，通过 A 将速度反馈信号送到速度控 制电路，通过 C 将工作台实际位移量反馈回去，在位置比较电路中与位移指令值 相比较，用比较后得到的差值进行位置控制，直至差值为零时为止。这类控制的 数控机床，因把机床工作台纳入了控制环节，故称为闭环控制数控机床。闭环控 制数控机床的定位精度高，但调试和维修都较困难，系统复杂，成本高。 太原城市职业技术学院毕业设计说明书 8 3. 半闭环控制机床 半闭环控制数控机床是在伺服电动机的轴或数控机床的传动丝杠上装有角位 移电流检测装置（如光电编码器等） ，通过检测丝杠的转角间接地检测移动部件的 实际位移，然后反馈到数控装置中去，并对误差进行修正。通过测速元件 A 和光 电编码盘 B 可间接检测出伺服电动机的转速，从而推算出工作台的实际位移量， 将此值与指令值进行比较，用差值来实现控制。由于工作台没有包括在控制回路 中，因而称为半闭环控制数控机床。 半闭环控制数控系统的调试比较方便，并且 具有很好的稳定性。目前大多将角度检测装置和伺服电动机设计成一体，这样， 使结构更加紧凑。 3. 混合控制数控机床 将以上三类数控机床的特点结合起来，就形成了混合控制数控机床。混合控 制数控机床特别适用于大型或重型数控机床，因为大型或重型数控机床需要较高 的进给速度与相当高的精度，其传动链惯量与力矩大，如果只采用全闭环控制， 机床传动链和工作台全部置于控制闭环中，闭环调试比较复杂。混合控制系统又 分为两种形式： （1）开环补偿型。它的基本控制选用步进电动机的开环伺服机 构，另外附加一个校正电路。用装在工作台的直线位移测量元件的反馈信号校正 机械系统的误差。 （2）半闭环补偿型。它是用半闭环控制方式取得高精度控制， 再用装在工作台上的直线位移测量元件实现全闭环修正，以获得高速度与高精度 的统一。其中 A 是速度测量元件（如测速发电机） ，B 是角度测量元件，C 是直线 位移测量元件。 此外，数控机床按加工工艺方法也可分为金属切削类数控机床；特种加工类 数控机床；板材加工类数控机床。按控制轨迹也可以分为点位控制数控机床；直 线控制数控机床；轮廓控制数控机床。 太原城市职业技术学院毕业设计说明书 9 第 3 章 数控编程 3.1 数控机床坐标系统 机床坐标系：数控车床的坐标系以径向为 x 轴方向，纵向为 z 轴方向。指向 主轴箱的方向为 z 轴的负方向，指向尾架方向是 z 轴的正方向。x 轴是以操作者面 向的方向为 x 轴正方向。 x 坐标和 z 坐标指令，在按绝对坐标编程时，使用代码 x 和 z；按增量坐标（相对坐标）编程时，使用代码 U 和 W。 程序原点：程序原点是指程序中的坐标原点，即在数控加工时，刀具相对于 工件运动的起点，所以也称为“对刀点” 。 机械原点（或称机床原点） ：以 L-10MC 数控车铣中心为例介绍 x 和 y 轴机械 原点：1）x 轴机械原点：x 轴的机械原点被设定在刀盘中心距离主轴中心 500mm 的位置； （2）z 轴机械原点：z 轴的机械原点可以通过改变挡块的安装位置来改变。 z 轴机械原点挡块可以被安装在、或4 个不同的位置上。 3.2 数控机床程序指令 程序段的构成：NGX(U)Z(W)FMST 其中，N：程序段顺序号；顺序号又称程序段号或程序段序号。顺序号位 于程序段之首，由顺序号字 N 和后续数字组成。其作用为校对、条件跳转、 固定循环等。 G：准备；准备功能字的地址符是 G，又称为 G 功能或 G 指令，是用于 建立机床或控制系统工作方式的一种指令。 X(U)：x 轴移动指令； Z(W)：z 轴移动； F：进给功能；进给功能字的地址符是 F，又称为 F 功能或 F 指令，用于 指定切削的进给速度。对于车床，F 可分为每分钟进给和主轴每转进给两种， 对于其它数控机床，一般只用每分钟进给。F 指令在螺纹切削程序段中常用 来指令螺纹的导程。 M：辅助功能；辅助功能字的地址符是 M，后续数字一般为 13 位正整 数，又称为 M 功能或 M 指令，用于指定数控机床辅助装置的开关动作。 太原城市职业技术学院毕业设计说明书 10 S：主轴功能；主轴转速功能字的地址符是 S，又称为 S 功能或 S 指令， 用于指定主轴转速。单位为 r/min。 T：工具功能。刀具功能字的地址符是 T，又称为 T 功能或 T 指令，用于 指定加工时所用刀具的编号,如 T01。对于数控车床，其后的数字还兼作指定 刀具长度补偿和刀尖半径补偿用。 太原城市职业技术学院毕业设计说明书 11 第 4 章 加工工艺 4.1 刀具的分类及特点 刀具材料是指刀具切削部分的材料。在金属切削加工中，刀具材料的切削性 能直接影响着生产效率、工件的加工精度和已加工表面质量、刀具消耗和加工成 本。正确选择刀具材料是设计和选用刀具的重要内容之一。数控机床刀具从制造 所采用的材料上可以分为：高速钢刀具，硬质合金刀具，陶瓷刀具，立方氮化硼 刀具，聚晶金刚石刀具。目前数控机床用得最普遍的刀具是硬质合金刀具。 数控机床刀具的特点：刀片和刀具几何参数和切削参数的规范化、典型化； 刀片或刀具材料及切削参数与被加工工件的材料之间匹配的选用原则；刀片或刀 具的耐用度及其经济寿命指标的合理化；刀片及刀柄的定位基准的优化；刀片及 刀柄对机床主轴的相对位置的要求高；对刀柄的强度、刚性及耐磨性的要求高； 刀柄或工具系统的装机重量限制的要求；对刀具柄的转位，装拆和重复精度的要 求；刀片及刀柄切入的位置和方向的要求；刀片和刀柄高度的通用化、规则化、 系列化；整个数控工具系统自动换刀系统的优化。 4.2 刀具的分类 在机床上加工工件时，为了在工件的某一部位加工出符合工艺规程要求的表 面，加工前需要使工件在机床上占有正确的位置定位。由于在加工过程中工 件受到切削力、重力、振动、离心力、惯性力等作用，所以还应采用一定的机构， 使工件在加工过程中始终保持在原先确定的位置上夹紧。在机床上使工件占 有正确的加工位置并使其在加工过程中始终保持不变的工艺装备称为机床夹具。 机床夹具的作用 a. 易于保证工件的加工精度。 b. 使用夹具可改变和扩大原机床的功能，实现“一机多用” c. 使用夹具后，不仅省去划线找正等辅助时间，而且有还可采用高效率的多 件、多位、机动夹紧装置，缩短辅助时间，从而大大提高劳动生产率。 d. 用夹具装夹工件方便、省力、安全。当采用气动、液压等夹紧装置时，可 减轻工人的劳动强度，保证安全生产。 太原城市职业技术学院毕业设计说明书 12 e. 在批量生产中使用夹具时，由于劳动生产率的提高和允许使用技术等级较 低的工人操作，故可明显地降低生产成本。但在单件生产中，使用夹具的生产成 本仍较高。 定位元件 定位元件用于确定工件在夹具中的位置，使工件在加工时相对刀具及运动轨 迹有一个正确的位置，其定位精度将直接影响工件的加工精度。 夹紧装置 夹紧装置用于保持工件在夹具中的既定位置，使工件不致因加工时受到外力 而改变原定的位置，通常包括夹紧元件、增力装置和动力源等组成部分。 安装 联接元件 安装联接元件用于确定夹具在机床上的位置，从而保证工件与机床之间的正 确加工位置。 导向元件和对刀元件 a. 用于确定刀具位置并引导刀具进行加工的元件，称为导向元件，如图 3-1 中的钻套 3 就是引导钻头用的导向元件。 b. 用于确定刀具在加工前正确位置的元件，称为对刀元件，如对刀块。 夹具体 夹具体是夹具的基础件，用来联接夹具上各个元件或装置，使之成为一个整 体，它也用来与机床的有关部件相联接。 其他元件或装置 根据加工需要，有些夹具上还可有分度装置、靠模装置、上下料装置、顶出 器和平衡块等其他元件或装置。 4.3 数控加工工艺分析 1、选择适合数控加工的零件 1）最适应类 形状复杂，加工精度要求高，通用机床无法加工或很难保证加工质量的零 件； 具有复杂曲线或曲面轮廓的零件； 具有难测量、难控制进给、难控制尺寸型腔的壳体或盒型零件； 太原城市职业技术学院毕业设计说明书 13 必须在一次装夹中完成铣、镗、锪、铰或攻丝等多工序的零件。 对于此类零件，首要考虑的是能否加工出来，只要有可能，应把采用数控加 工作为首选方案，而不要过多地考虑生产率与成本问题。 2）较适应类 零件价值较高，在通用机床上加工时容易受人为因素（如工人技术水平高 低、情绪波动等）干扰而影响加工质量，从而造成较大经济损失的零件； 在通用机床上加工时必须制造复杂专用工装的零件； 需要多次更改设计后才能定型的零件； 在通用机床上加工需要作长时间调整的零件； 用通用机床加工时，生产率很低或工人体力劳动强度很大的零件。 此类零件在分析其可加工性的基础上，还要综合考虑生产效率和经济效益， 一般情况下可把它们作为数控加工的主要选择对象。 3）不适应类 生产批量大的零件（不排除其中个别工序采用数控加工） ； 装夹困难或完全靠找正定位来保证加工精度的零件； 加工余量极不稳定、而且数控机床上无在线检测系统可自动调整零件坐标 位置的零件； 必须用特定的工艺装备协调加工的零件。 这类零件采用数控加工后，在生产率和经济性方面一般无明显改善，甚至有 可能得不偿失，一般不应该把此类零件作为数控加工的选择对象。 另外，数控加工零件的选择，还应该结合本单位拥有的数控机床的具体情况 来选择加工对象。 太原城市职业技术学院毕业设计说明书 14 第 5 章 零件加工实例 5.1 零件分析 图 1-2 典型轴类零件图 零件图分析：该零件表面由圆柱、顺圆弧、逆圆弧、圆锥、槽、螺纹等表面 组成。尺寸标注完整，选用毛坯为 45#钢，55mm150mm，无热处理和硬度要求。 确定加工方法：加工方法的选择原则是保证加工表面的加工精度和表面粗糙 度的要求。由于获得同一级精度及表面粗糙度的加工方法一般有许多，因而在实 际选择时，要结合零件的形状、尺寸大小和形位公差要求等全面考虑。 图上几个精度要求较高的尺寸，因其公差值较小，所以编程时没有取平均值， 而取其基本尺寸。 在轮廓线上，有个锥度 10 度坐标 P1、 和一处圆弧切点 P2，在编程时要求出 其坐标，P1（45.29 ，75） P2（35，56.46） 。 通过以上数据分析，考虑加工的效率和加工的经济性，最理想的加工方式为 车削，考虑该零件为大批量加工，故加工设备采用数控车床。 根据加工零件的外形和材料等条件，选用 CJK6032 数控机床。 太原城市职业技术学院毕业设计说明书 15 5.25.2 确定加工方案确定加工方案 零件上比较精密表面的加工，常常是通过粗加工、半精加工和精加工逐步达 到的。对这些表面仅仅根据质量要求选择相应的最终加工方法是不够的，还应正 确地确定从毛坯到最终成形的加工方案。 毛坯先夹持左端，车右端轮廓 113mm 处，右端加工39mm、S42mm、 R9mm、 35mm、锥度为 10 度的外圆，52mm.调头装夹已加工52mm 外圆，左端加工 25mm33mm、切退刀槽、加工螺纹 M25mm1.5mm. 该典型轴加工顺序为： 预备加工-车端面-粗车右端轮廓-精车右端轮廓-切槽-工件调头 -车端面-粗车左端轮廓-精车左端轮廓-切退刀槽-粗车螺纹-精车螺 纹。 毕业设计说明书 16 5.3 定位基准的选择 在制定零件加工的工艺规程时，正确地选择工件的定位基准有着十分重要的 意义。定位基准选择的好坏，不仅影响零件加工的位置精度，而且对零件各表面 的加工顺序也有很大的影响。合理选择定位基准是保证零件加工精度的前提，还 能简化加工工序，提高加工效率。 1）基准重合原则。为了避免基准不重合误差，方便编程，应选用工序基准作 为定位基准，尽量使工序基准、定位基准、编程原点三者统一。 2）便于装夹的原则。所选择的定位基准应能保证定位准确、可靠，定位、夹 紧机构简单、易操作，敞开性好，能够加工尽可能多的表面。 3）便于对刀的原则。批量加工时在工件坐标系已经确定的情况下，保证对刀 的可能性和方便性。 3.3确定零件的定位基准 以左右端大端面为定位基准。 3.4装夹方式的选择 为了工件不致于在切削力的作用下发生位移，使其在加工过程始终保持正确 的位置，需将工件压紧夹牢。合理的选择夹紧方式十分重要，工件的装夹不仅影 响加工质量，而且对生产率，加工成本及操作安全都有直接影响。 3.5数控车床常用的装夹方式 1）在三爪自定心卡盘上装夹。三爪自定心卡盘的三个卡爪是同步运动的，能 自动定心，一般不需要找正。该卡盘装夹工件方便、省时，但夹紧力小，适用于 装夹外形规则的中、小型工件。 2）在两顶尖之间装夹。对于尺寸较大或加工工序较多的轴类工件，为了保证 每次装夹时的装夹精度，可用两顶尖装夹。该装夹方式适用于多序加工或精加工。 3）用卡盘和顶尖装夹。当车削质量较大的工件时要一段用卡盘夹住，另一段 用后顶尖支撑。这种方式比较安全，能承受较大的切削力，安装刚性好，轴向定 位准确，应用较广泛。 4）用心轴装夹。当装夹面为螺纹时再做个与之配合的螺纹进行装夹，叫心轴 装夹。这种方式比较安全，能承受较大的切削力，安装刚性好，轴向定位准确。 3.6 确定合理的装夹方式 太原城市职业技术学院毕业设计说明书 17 装夹方法：先用三爪自定心卡盘毛坯左端，加工右端达到工件精度要求；再 工件调头，用三爪自定心卡盘毛坯右端52，再加工左端达到工件精度要求。 毕业设计说明书 18 5.4 选择数控刀具的原则 刀具寿命与切削用量有密切关系。在制定切削用量时，应首先选择合理的刀 具寿命，而合理的刀具寿命则应根据优化的目标而定。一般分最高生产率刀具寿 命和最低成本刀具寿命两种，前者根据单件工时最少的目标确定，后者根据工序 成本最低的目标确定。 选择刀具寿命时可考虑如下几点根据刀具复杂程度、制造和磨刀成本来选择。 复杂和精度高的刀具寿命应选得比单刃刀具高些。对于机夹可转位刀具，由于换 刀时间短，为了充分发挥其切削性能，提高生产效率，刀具寿命可选得低些，一 般取 15-30min。对于装刀、换刀和调刀比较复杂的多刀机床、组合机床与自动化 加工刀具，刀具寿命应选得高些，尤应保证刀具可靠性。车间内某一工序的生产 率限制了整个车间的生产率的提高时，该工序的刀具寿命要选得低些当某工序单 位时间内所分担到的全厂开支 M 较大时，刀具寿命也应选得低些。大件精加工时， 为保证至少完成一次走刀，避免切削时中途换刀，刀具寿命应按零件精度和表面 粗糙度来确定。与普通机床加工方法相比，数控加工对刀具提出了更高的要求， 不仅需要冈牲好、精度高，而且要求尺寸稳定，耐用度高，断和排性能坛同时要 求安装调整方便，这样来满足数控机床高效率的要求。数控机床上所选用的刀具 常采用适应高速切削的刀具材料(如高速钢、超细粒度硬质合金)并使用可转位刀 片。 选择数控车削用刀具，数控车削车刀常用的一般分成型车刀、尖形车刀、圆 弧形车刀以及三类。成型车刀也称样板车刀，其加工零件的轮廓形状完全由车刀 刀刃的形伏和尺寸决定。数控车削加工中，常见的成型车刀有小半径圆弧车刀、 非矩形车槽刀和螺纹刀等。在数控加工中，应尽量少用或不用成型车刀。尖形车 刀是以直线形切削刃为特征的车刀。这类车刀的刀尖由直线形的主副切削刃构成， 如 90内外圆车刀、左右端面车刀、切槽(切断)车刀及刀尖倒棱很小的各种外圆 和内孔车刀。尖形车刀几何参数(主要是几何角度)的选择方法与普通车削时基本 相同，但应结合数控加工的特点(如加工路线、加工干涉等)进行全面的考虑，并 应兼顾刀尖本身的强度。 二是圆弧形车刀，圆弧形车刀是以一圆度或线轮廓度误差很小的圆弧形切削 刃为特征的车刀。该车刀圆弧刃每一点都是圆弧形车刀的刀尖，应此，刀位点不 太原城市职业技术学院毕业设计说明书 19 在圆弧上，而在该圆弧的圆心上。圆弧形车刀可以用于车削内外表面，特别适合 于车削各种光滑连接(凹形)的成型面。选择车刀圆弧半径时应考虑两点车刀切削 刃的圆弧半径应小于或等于零件凹形轮廓上的最小曲率半径，以免发生加工干浅 该半径不宜选择太小，否则不但制造困难，还会因刀尖强度太弱或刀体散热能力 差而导致车刀损坏。 设置刀点和换刀点，刀具究竟从什么位置开始移动到指定的位置呢?所以在程 序执行的一开始，必须确定刀具在工件坐标系下开始运动的位置，这一位置即为 程序执行时刀具相对于工件运动的起点，所以称程序起始点或起刀点。此起始点 一般通过对刀来确定，所以，该点又称对刀点。在编制程序时，要正确选择对刀 点的位置。对刀点设置原则是:便于数值处理和简化程序编制。易于找正并在加工 过程中便于检查，引起的加工误差小。对刀点可以设置在加工零件上，也可以设 置在夹具上或机床上，为了提高零件的加工精度，对刀点应尽量设置在零件的设 计基准或工艺基谁上。实际操作机床时，可通过手工对刀操作把刀具的刀位点放 到对刀点上，即“刀位点”与“对刀点”的重合。所谓“刀位点”是指刀具的定 位基准点，车刀的刀位点为刀尖或刀尖圆弧中心。平底立铣刀是刀具轴线与刀具 底面的交点。球头铣刀是球头的球心，钻头是钻尖等。用手动对刀操作，对刀精 度较低，且效率低。而有些工厂采用光学对刀镜、对刀仪、自动对刀装置等，以 减少对刀时间，提高对刀精度。加工过程中需要换刀时，应规定换刀点。所谓“换 刀点”是指刀架转动换刀时的位置，换刀点应设在工件或夹具的外部，以换刀时 不碰工件及其它部件为准。 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 指令的形式写人程序中。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。 毕业设计说明书 20 5.5 零件加工工艺分析 （1） 技术要求轴类零件的技术要求主要是支承轴颈和配合轴颈的径向尺 寸精度和形位精度，轴向一般要求不高。轴颈的直径公差等级通常为 IT6-IT8，几 何形状精度主要是圆度和圆柱度，一般要求限制在直径公差范围之内。相互位置 精度主要是同轴度和圆跳动；保证配合轴颈对于支承轴颈的同轴度，是轴类零件 位置精度的普遍要求之一。图为特殊零件，径向和轴向公差和表面精度要求较高。 （2）毛坯选择轴类零件除光滑轴和直径相差不大的阶梯轴采用热轧或 冷拉圆棒料外，一般采用锻件；发动机曲轴等一类轴件采用球墨铸铁铸件比较多。 如图典型轴类直径相差不大，采用直径为 60mm，材料 45#钢，在锯床上按 150mm 长度下料。 （3）定位基准选择轴类零件外圆表面、内孔、螺纹等表面的同轴度，以及 端面对轴中心线的垂直度是其相互位置精度的主要项目，而这些表面的设计基准 一般都是轴中心线。用两中心孔定位符合基准重合原则，并且能够最大限度地在 一次装夹中加工出多格外圆表面和端面，因此常用中心孔作为轴加工的定位基准。 当不能采用中心孔时或粗加工是为了提高工作装夹刚性，可采用轴的外圆表 面作定位基准，或是以外圆表面和中心孔共同作为定位基准，能承受较大的切削 力，但重复定位精度并不太高。 数控车削时，为了能用同一程序重复加工和工件调头加工轴向尺寸的准 确性，或为了端面余量均匀，工件轴向需要定位。采用中心孔定位时，中心孔尺 寸及两端中心孔间的距离要保持一致。以外圆定位时，则应采用三爪自定心卡盘 反爪装夹或采用限未支承，以工件端面或台阶儿面作为轴向定位基准。 （4）轴类零件的预备加工车削之前常需要根据情况安排预备加工，内容 通常有:直-毛坯出厂时或在运输、保管过程中，或热处理时常会发生弯曲变形。 过量弯曲变形会造成加工余量不足及装夹不可靠。因此在车削前需增加校直工序。 切断-用棒料切得所需长度的坯料。切断可在弓形锯床、圆盘锯床和带 锯上进行，也可以在普通车床切断或在冲床上用冲模冲切。 车端面和钻中心孔对数控车削而言，通常将他们作为预备加工工序安 排。 （5） 热处理工序铸、锻件毛坯在粗车前应根据材质和技术要求安排正 太原城市职业技术学院毕业设计说明书 21 火火退火处理，以消除应力，改善组织和切削性能。性能要求较高的毛坯在粗加 工后、精加工前应安排调质处理，以提高零件的综合机械性能；对于硬度和耐磨 性要求不高的零件，调质也常作为最终热处理。相对运动的表面需在精加工前或 后进行表面淬火处理或进行化学热处理，以提高其耐磨性。 加工工序的划分一般可按下列方法进行： 刀具集中分序法就是按所用刀具划分工序，用同一把刀具加工完零件上 所有可以完成的部位。再用第二把刀、第三把完成它们可以完成的其它部位。这 样可减少换刀次数,压缩空程时间，减少不必要的定位误差。 以加工部位分序法对于加工内容很多的零件，可按其结构特点将加工部 分分成几个部分，如内形、外形、曲面或平面等。一般先加工平面、定位面，后 加工孔；先加工简单的几何形状，再加工复杂的几何形状；先加工精度较低的部 位，再加工精度要求较高的部位。 以粗、精加工分序法对于易发生加工变形的零件，由于粗加工后可能发 生的变形而需要进行校形，故一般来说凡要进行粗、精加工的都要将工序分开。 综上所述，在划分工序时，一定要视零件的结构与工艺性，机床的功能，零 件数控加工内容的多少，安装次数及本单位生产组织状况灵活掌握。另建议采用 工序集中的原则还是采用工序分散的原则，要根据实际情况来确定，但一定力求 合理。 （7）工时在加,加工顺序的安排应根据零件的结构和毛坯状况，以及定位夹 紧的需要来考虑，重点是工件的刚性不被破坏。顺序一般应按下列原则进行： 上道工序的加工不能影响下道工序的定位与夹紧，中间穿插有通用机床加 工工序的也要综合考虑。 先进行内形内腔加工序，后进行外形加工工序。 以相同定位、夹紧方式或同一把刀加工的工序最好连接进行，以减少重复 定位次数，换刀次数与挪动压板次数。 在同一次安装中进行的多道工序，应先安排对工件刚性破坏小的工序。 在数控车床上粗车、半精车分别用一个加工程序控制。工件调头装夹由程序 中的 M00 或 M01 指令控制程序暂停，装夹后按“循环启动”继续加工。 （8）走刀路线和对刀点选择走刀路线包括切削加工轨迹，刀具运动到切削 起始点、刀具切入、切出并返回切削起始点或对刀点等非切削空行程轨迹。由于 太原城市职业技术学院毕业设计说明书 22 半精加工和精加工的走刀路线是沿其零件轮廓顺序进行的，所以确定走刀路线主 要在于规划好粗加工及空行程的走刀路线。合理确定对刀点,对刀点可以设在被加 工零件上，但注意对刀点必须是基准位或已精加工过的部位，有时在第一道工序 后对刀点被加工毁坏，会导致第二道工序和之后的对刀点无从查找，因此在第一 道工序对刀时注意要在与定位基准有相对固定尺寸关系的地方设立一个相对对刀 位置，这样可以根据它们之间的相对位置关系找回原对刀点。这个相对对对刀位 置通常设在机床工作台或夹具上。 零件加工工艺 （1）确定加工顺序及进给路线 加工顺序按粗到精、由近到远（由右到左）的原则确定。工件右端加工：既 先从右到左进行外轮廓粗车 （留 0.5mm 余量精车） ， 然后从右到左进行外轮廓精车， 最后切槽；工件调头，工件左端加工：粗加工外轮廓、精加工外轮廓，切退刀槽， 最后螺纹粗加工、螺纹精加工。 （2）选择刀具 1）车端面：选用硬质合金 45 度车刀，粗、精车用一把刀完成。 2) 粗、精车外圆： （因为程序选用 G71 循环所以粗、精车选用同一把刀）硬 质合金 90 度放型车刀，Kr=90 度,Kr=60 度;E=30 度,（因为有圆弧轮廓）以防与 工件轮廓发生干涉,如果有必要就用图形来检验. 3)车槽: 选用硬质合金车槽刀（刀长 12mm，刀宽 3mm） 4)车螺纹:选用 60 度硬质合金外螺纹车刀. （3）选择切削用量 切削用量选择 主轴转速 s/(r/min) 进给量 f/(mm/r)背吃刀量 ap/mm 粗车外圆8000.11.5 精车外圆8000.050.2 粗车螺纹701.50.4 精车螺纹701.50.1 切槽1150.04 刀具卡片 太原城市职业技术学院毕业设计说明书 23 产品名称或代 号 零件名称典型轴 零件图 号 序号刀具号 刀具规格 名称 数量加工表面备注 1T01 硬质合金 端面45度 车刀 1粗、精车端面 2T02 硬质合金 90 度放型 车刀 1粗、精车外轮廓左偏刀 3T03 硬质合金 车槽刀 1切槽 4T04 60 度硬质 合金外螺 纹车刀 1粗、精车螺纹 用以上数据编制工艺卡如下： 数控加工工艺卡 产品名称或代号 零件名 称 零件图号 典型轴 工序号 程序编 号 夹具名称 使用设 备 车间 1O1111三爪自定心卡盘Cjk6032数控车间 工 步 号 工步内容 刀具 号 刀具规 格 主轴 转速 r/min 进给速 度 mm/r 背吃 刀量 mm 备注 1车端面T0145 度刀5000.1手动 2粗车外轮廓T02 90 度防 型刀 8000.11.5自动 太原城市职业技术学院毕业设计说明书 24 3精车外圆轮廓T02 90 度防 型刀 8000.050.2自动 4切槽T03切槽刀1150.04自动 工序号程序编号夹具名称 使用设 备 车间 22222三爪自定心卡盘Cjk6032数控车间 工步号工步内容 刀具 号 刀具规 格 主轴 转速 r/min 进给速 度 mm/r 背吃 刀量 mm 备