机电一体化毕业设计.doc

毕业设计轴类零件加工工艺设计摘 要当今社会数控技术在企业中发挥越来越重要的作用。本设计通过对数控加工的工艺特点、加工零件工艺性等进行分析，选择正确的加工方法，设计合理的加工工艺过程，充分发挥数控加工的优质、高效、低成本的特点。设计说明书以数控车床车削轴类零件为例，根据被加工工件的材料、轮廓形状、加工精度等选用合适的机床，制定加工方案，确定零件的加工顺序，各工序所用刀具，夹具和切削用量等，编写加工零件的程序。按照说明书要求将加工出零件，说明在加工过程中应注意的事项。关键词： 数控车床；工艺分析；刀具；编程第一章 概 述1.1 数控机床的发展史数控的产生依赖于数据载体和二进制形式数据运算的出现。1908年，穿孔金属薄片互换式数据载体问世；19世纪末，以纸为数据载体并具有辅助功能的控制系统被发明；1938年，美国麻省理工学院进行了数据快速运算和传输，奠定了现代计算机，包括计算机数字控制系统的基础。数控技术是与机床控制密切结合发展起来的。1952年，第一台数控机床问世，成为世界机械工业史上一件划时代的事件，从此数控机床产生了实质性的变化。近半个世纪以来，数控机床经历两个阶段、六代的发展史。（1） 数控（NC）阶段（19521970年）早期计算机运算速度低，对当时的科学计算和数据处理影响还不大，不能适应机床实时控制的要求。人们不得不采用数字逻辑电路“搭”成一台机床专用计算机实作为数控系统，被成为硬件连接数控，简称未数控（NC）。（2） 计算机数控（CNC）阶段（1970-现在）到1970年，通用小型计算机业已出现并成批量生产。其运算速度比五、六十年代大幅度提高，这比专门“搭”成的专用计算机成本低，而且可靠性高。于是将它移植过来作为数控系统的核心部件，从此进入计算机数控（CNC）阶段。到了1990年，PC机（个人计算机，国内习称微机）的性能已发展到很高的阶段，总之计算机阶段也经历了三代。即1970年第四代小型计算机；1974年第五代微处理器；1990年第六代基于PC（国外称为PCBASED）。1.2 数控机床的分类及组成数控机床是一种用电子计算机和专业电子计算装置控制的高效自动化机床。主要分为立式和卧式两种。立式机床装夹零件方便，但切屑排除较慢；卧式装夹零件不是非常方便，但排屑性能好，散热很高。数控铣床分三坐标和多坐标两种。三坐标机床（X、Y、 Z）任意两轴都可以联动，主要用于加工平面曲线的轮廓和开敞曲面的行切。多坐标机床是在三坐标机床的基础上，通过增加数控分度头或者回转工作台，成为4坐标或者5坐标机床（甚至多坐标机床）。多坐标机床主要用于曲面轮廓或者由于零件需要必须摆角加工的零件，如法向钻孔，摆角行切等。摆角形式4坐标的主要为A或B；5坐标机床主要为AB，AC，BC，可根据零件要求选用。摆角大小由加工的零件决定。数控机床从组成来看，主要分为以下两方面：1.2.1 机床本身的技术参数（1） 作台工：零件加工工作平台，尺寸大小应根据加工零件的大小进行选用。（2） T形槽：工作台上的T形槽主要用于零件的装夹，其中T形槽的槽数、槽宽、相互间距，需要根据加工工件的特点进行规定。（3） 主轴：主轴形式，主轴孔形式等。（4） 进给范围：机床X Y Z三个方向的可移动距离（行程），移动速度的大小；摆角（A B C）的摆动范围，摆动的速度。（5） 主轴的旋转：主轴的转速，主轴的功率，伺服电机的转矩等。1.2.2 数控系统 数控系统时数控机床的核心。现代数控系统通常是一台带有专门系统软件的专用微型计算机。它由输入装置、控制运算器和输出装置等构成，它接受控制介质上的数字化信息，通过控制软件和逻辑电路进行编译、运算和逻辑处理后，输出各种信号和指令控制机床的各个部分，进行规定、有序的动作。 1.3 数控机床的特点（1）具有高度柔韧性 保证加工表面的精度，主要取决于加工程序，它与普通机床不同，不必制造、更换许多工具、夹具，不需要经常调整机床。因此，数控机床适用于零件频繁更换的场合。也就是适合单件、小批生产及新产品的开发，缩短了生产准备周期，节省了大量工艺设备的费用。（2）加工精度高 数控机床的加工精度，一般可达到0.0050.1mm，数控机床是按数字信号形式控制的，数控装置每输出一个脉冲信号，则机床移动部件移动一个脉冲当量（一般为0.001mm），而且机床进给传动链的反向间隙与丝杠螺距平均误差可由数控装置进行补偿，因此，数控机床定位精度比较高。 （3）加工质量稳定、可靠 加工同一批零件，在同一机床，在相同加工条件下，使用相同刀具和加工程序，刀具的走刀轨迹完全相同，零件的一致性好，质量稳定。（4）生产效率高数控机床可有效地减少零件的加工时间和辅助时间，数控机床的主轴转速和进给量的范围大，允许机床进行大切削量的强力切削，数控机床移动部件的快速移动和定位及高速切削加工，减少了半成品的工序间周转时间，提高了生产效率。 （5）改善劳动条件数控机床加工前经调整好后，输入程序并启动，机床就能自动连续的进行加工，直至加工结束。操作者主要是程序的输入、编辑、装卸零件、刀具准备、加工状态的观测，零件的检验等工作，劳动强度极大降低，机床操作者的劳动趋于智力型工作。另外，机床一般是封闭式加工，即清洁，又安全。（6）利于生产管理现代化 数控机床的加工，可预先精确估计加工时间，所使用的刀具、夹具可进行规范化、现代化管理。数控机床使用数字信号与标准。目前已与计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）有机地结合起来，是现代集成制造技术的基础。第二章 数控机床编程及夹具的选择2.1 数控编程的基本概念数控编程就是将加工零件的加工顺序、刀具运动轨迹尺寸数据、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。（1）手工编程由人工完成零件图样分析、工艺处理、数值计算、书写程序清单直到程序的输入和检验。适用于点位加工或几何形状不太复杂的零件，不仅费时，而且编制复杂零件还容易出错。（2）自动编程自动编程是用计算机把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，也就是说数控编程的大部分工作由计算机来实现。利用CAD或者CAM软件，实现造型及图象自动编程。其中典型的是Master CAM软件，其可以完成铣削二坐标、三坐标、四坐标和五坐标、车削、线切割的编程，这种软件功能单一，简单易学。2.2 数控编程的步骤数控编程是指从零件图纸到获得数控加工程序的全部工作过程。如图1所示，编程工作主要包括：图1 数控程序编制的内容及步骤 2.3 夹具的分类机床夹具的种类很多，按使用机床类型分类，可分为车床夹具、铣床夹具、钻床夹具、镗床夹具、加工中心夹具和其他夹具等。按驱动夹具工作的动力源分类，可分为手动夹具、气动夹具、液压夹具、电动夹具、磁力夹具和自夹紧夹具等。按专门化程度可分为以下几种类型的夹具：通用夹具是指已经标准化、无需调整或稍加调整就可以用来装夹不同工件的夹具。如三爪卡盘、四爪卡盘、平口虎钳和万能分度头等。这类夹具主要用于单件小批生产。专用夹具是指专为某一工件的某一加工工序而设计制造的夹具。结构紧凑，操作方便，主要用于固定产品的大量生产。组合夹具是指按一定的工艺要求，由一套预先制造好的通用标准元件和部件组装而成的夹具。使用完毕后，可方便地拆散成元件或部件，待需要时重新组合成其他加工过程的夹具。适用于数控加工、新产品的试制和中、小批量的生产。可调夹具包括通用可调夹具和成组夹具，它们都是通过调整或更换少量元件就能加工一定范围内的工件，兼有通用夹具和专用夹具的优点。通用可调夹具适用范围较宽，加工对象并不十分明确；成组夹具是根据成组工艺要求，针对一组形状及尺寸相似、加工工艺相近的工件加工而设计的，其加工对象和范围很明确，又称为专用可调夹具。数控机床夹具常用通用可调夹具、组合夹具。2.4 工件在数控车床上的装夹（1） 常用装夹方式：三爪自定心卡盘装夹；两顶尖之间装夹；卡盘和顶尖装夹；双三爪定心卡盘装夹。（2） 采用找正的方法：找正装夹时必须将工件的加工表面回转轴线（同时也是工件坐标系Z轴）找正到与车床主轴回转中心重合。一般为打表找正。通过调整卡爪，使工件坐标系Z轴与车床主轴的回转中心重合。（3） 薄壁零件的装夹：薄壁零件容易变形，普通三爪卡盘受力点少，采用开缝套筒或扇形软卡爪，可使工件均匀受力，减小变形。也可以改变夹紧力的作用点，采用轴向夹紧的方式。第三章 轴类零件加工3.1 零件分析3.1.1毛坯的选择毛坯的的选择应以生产批量的大小、零件的复杂程度、加工表面及非加工表面的技术要求等几个方面综合考虑。正确选择毛坯的制造方式，可以使整个工艺过程更加经济合理，故应慎重对待。在通常情况下，主要应以生产类型来决定。本次设计的零件材料为：45号钢，零件如下图：图2 根据零件图的尺寸大小，毛坯选择30120mm。3.1.2机床的选择根据该零件的外形是轴类零件，比较适合在车床上加工，由于零件上既有切槽尺寸精度又有圆弧数值精度,在普通车床上是难以保证其技术要求。所以要想保证技术要求,只有在数控车床上加工才能保证其加工的尺寸精度和表面质量。由于资源的限制，就用本校的数控车床，利用现有资源。3.2零件图加工工艺分析3.2.1 粗基准选择原则（1）为了保证不加工表面与加工表面之间的位置要求，应选不加工表面作粗基准。（2）合理分配各加工表面的余量，应选择毛坯外圆作粗基准。（3）粗基准应避免重复使用。（4）选择粗基准的表面应平整，没有浇口、冒口或飞边等缺陷。以便定位可靠。3.2.2 精基准选择原则（1）基准重合原则：选择加工表面的设计基准为定位基准；（2）基准统一原则，自为基准原则，互为基准原则。3.2.3 定位基准的选择综合上述，粗、精基准选择原则，由于是轴类零件，在车床上只需用三抓卡盘装夹定位，定位基准应选在零件的轴线上，以毛坯30mm的棒料的轴线和右端面作为定位基准。3.3 零件的装夹数控机床与普通机床一样也要全里选择定位基准和夹紧应力求设计、工艺与编程计算的基准统一，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，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。装夹应尽可能一次装夹加工出全部或最多的加工表面。由零件图可分析，应先装夹毛坯30mm的棒料的一端，夹紧其40mm的长度加工螺纹。一直加工到零件右端的22mm，然后将棒料卸下。装夹28mm的圆柱表面，加工另一端的圆弧。这样两次装夹即可完成零件的所有加工表面，且能保证其加工要求。3.4 加工刀具的选择刀具的选择是数控加工中重要的工艺内容之一，它不仅影响机床的加工效率，而且直接影响加工质量。编程时，选刀具通常要考虑机床的加工能力、工序内容、工件材料等因素。与传统的加工方法相经，数控加工对刀具的要求更高。不仅要求精度高、刚度高、红硬性好、耐用度高，而且要求尺寸稳定、安装调整方便，能适应高速和大切削用量切削。选刀具时，要使刀具的尺寸与被加工工件的表面尺寸和形状相适应。接合零件轮廓相对还是较复杂，所以具体选刀如下表：表1 数控车加工刀具卡片产品名称或代号毕业设计零件名称轴类零件零件图号1序号刀具号刀具规格名称数量加工表面备注1T0190硬质合金外圆车刀1平端面、粗车轮廓右偏刀2T02右端面外圆车刀1精车轮廓右偏刀3T03高速钢切槽刀1切槽4T0460高速钢外螺纹车刀1车削螺纹编制审核批准共1页第1页3.5 加工顺序及进给路线的确定3.5.1 零件加工必须遵守的安排原则（1）基面先行先加工基准面为后面的加工提供经基准面，所以我应线平右端面作为基准面。（2）先主后次由于所加工的表面均为重要表面，所以应按照顺序从右到左依次加工201.5mm，28mm，22mm螺纹调头后一次加工R5mm，18mm，22mm等。（3）先粗后精 先车削去大部分的金属余量，再进行成形切削保证零件的尺寸要求和质量要求。（4）先面后孔由于该零件没有孔，所以在该处不做考虑。3.5.2 进给路线在数控加工中，刀具好刀位点相对于工件运动轨迹称为加工路线。编程时，加工路线的确定原则主要有以下几点：（1）加工路线应保证被加工零件的精度和表面粗糙度，且效率高；（2）使数值计算简单，以减少编程工作量；（3）应使加工路线最短，这样既可减少程序段，又可减少空行程时间。（4）确定加路线时，还要考虑工件的加工余量和机床、刀具的刚度等情况，确定一次走刀，还是多次走刀来完成所有加工表面，具体综合上面进给线的特点再根据具体零件具体分析，我确定该零件的进给路线有两步。第一步: 车削带有的螺纹的一端，从右到左先粗车外形20mm、28mm、22mm到槽50.04mm的左端面处后，精车外形路线统粗车一样，再换刀切削51.5mm的槽，最后再换刀切削螺纹。第二步: 车削带有圆弧的一端，从右到左先粗车外形R5mm、R16mm、18mm到22mm后2mm后精车外形路线同粗车一样。最后切削50.04mm的槽。3.6 切削用量的选择切削用量包括主轴转速（切削速度）、切削深度或宽度、进给速度（进给量）等。对于不同的加工方法，需选择不同的切削用量，并应编入程序单内。合理选择切削用量的原则是：粗加工是，一般以提高生产率为主，但也考虑经济性和加工成本；精加工进，应在保证加工质量的前提下，兼顾切削效率、经济性加工成本。具体数值应根据机床说明书、切削用量手册，并结合经验而定。零件轮廓粗车循环时选2mm，精加工时选0.2mm，螺纹粗车时选0.4mm，逐渐减少粗车4次后，精选时选0.1mm。3.7 主轴转速的选择粗车直线和圆弧时n=800r/min，精车时n=1500r/min，切槽时n=600r/min，切螺纹时n=300r/min，精车时选n=300r/min。3.8 进给速度的选择粗车直线、圆弧时选F=150mm/min，精车时选F=50mm/min，切槽时选F=8mm/min，粗车螺纹时选F=100mm/min，精车时选F=50mm/min第四章 零件加工工艺设计4.1 工序和工步的划分4.1.1 按工序划分工序划分有三种方法按零件的装夹定位方式划分按粗、精加工划分工序按所用的刀具划分工序。由于零件需要调头加工，如果按粗、精加工划分工序。在调头加工前后各有一次粗加工和精加工，显得比较繁琐，所以不可取；如果按所用的刀具划分工序，刀具有四把，虽然不多，但是在调头加工前后至少要重复使用三把刀，而同一把刀的两次粗、精加工分别在调头加工前后，加工内容不连续，所以也不合理，不易划分工序；只有按零件的装夹定位方式划分工序比较符合该零件的加工工序，且能保证两次装夹的位置精度，每一次装夹为一道工序。该零件只需调头前、后加工两道工序即可完成所有的加工表面，且能保证各尺寸精度及表面粗糙度。4.1.2 工歩的划分因为每一把刀在粗加工的背吃刀量一致，在精加工中背吃刀量相同，不易划分工歩；这里选用加工不同的表面来划分工序就比较容易：车削螺纹端的工歩为:90外圆车刀平端面右端面外圆车刀车削1.545的倒角，2025mm端面28mm圆柱28mm30的锥台面2210mm切槽刀切槽51.5mm外螺纹车刀车削M201.5mm。车削圆弧端的工歩为：90外圆车刀平端面右端面外圆车刀圆弧R5mm圆弧R18mm球28mm圆弧R5mm225mm切槽刀切槽51.5mm。4.2 工艺设计4.2.1工艺措施（1）零件上由精度较高的尺寸数据如圆柱280.02mm、mm，轴向长度50.04mm、27.50.04mm，球Smm，在加工时为了保证其尺寸精度应取其中间值分别取值为28mm、23.005mm长度5mm，27.5mm，球S29.015mm即可。注：上述座标值是以半径值给出的。形式如（X，Z）（2）为便于装夹，为了保证工件的定位准确、稳定，夹紧方面可靠，支撑面积较大，零件的左端是螺纹，中段最大的直径的圆柱28mm。右端是依次相连的圆弧，显然右端都是圆弧相连不可能装夹，所以应留在最后加工，应先装夹毛坯加工出左端螺纹及圆柱28mm。调头装夹28mm的圆柱加工右端圆弧，毛坯选30120mm。（3）确定装夹方案（4）确定加工顺序及进给路线4.3 工艺卡片表2 数控车削加工工艺卡片单位名称太原城市职业技术学院产品名称及代号零件名称零件图号毕业论文轴类零件1工序号程序编号夹具名称使用设备车间001三抓卡盘华中数控CK6140数控实训基地工步号工步内容刀具号刀具规格/mm主轴转速/（rmin-1）进给速度/（mmmin-1）背吃刀量/mm备注1对刀、平端面及试切外圆T01252550050手动2从右至左粗车轮廓T0225258001502自动3从右至左精车轮廓T02252510005002自动4切槽T03252580081.5自动5粗车螺纹T042525300自动6精车螺纹T042525300编制审核批准共1页第1页4.4.加工程序的编制程序内容%0001N10 T0101；N12 M03 S800；N14 G00 X35 Z3；N16 M08；N18 G71 U1 R2 P06 Q13 X0.2 Z0.2 F150；N20 G00 X18 Z3 S1000；N22 G01 Z0 F50；N24 X21 Z-1.5；N26 Z-25；N28 X28；N30 Z-38.169；N32 X23.05 Z-47.5；N34 G01 W-10；N36 G00 X100；N38 Z100；N40 T0202；N42 G00 X32 Z-25；N44 G01 X18 F10；N46 G04 P3；N48 G00 X25；N50 W1.5；N52 G01 X21；N54 X18 W-1.5；N56 G04 P3；N58 G00 X100；N60 Z100；N62 T0303；N64 G00 X30 Z3 S300；N66 G76 C2 R2 E3 A60 X19.04 Z-22 K0.974 U0.32 V0.16 Q0.5 F1.5；N68 G00 X100 Z100；N70 M09；N72 M05；N74 M30；%0002N10 T0101；N12 M03 S800；N14 G00 X30 Z3；N16 M08；N18 G71 U11 R2 P06 Q12 E0.2 F200；N20 G00 X5.844 Z3 S1000；N22 G01 Z0 F80；N24 G03 X15.582 Z-6.136 R5；N26 G02 X22.420 Z-20.791 R17；N28 G03 X24.542 Z-37.739 R14.508；N30 G02 X23.05 Z-40.406 R5；N32 G01 Z-44；N34 G00 X100；N36 Z100；N38 T0202；N40 G00 X