阶梯轴数控车削工艺设计及加工难点分析编程斯沃仿真.doc
阶梯轴数控车削工艺设计及加工难点分析编程斯沃仿真含NX三维及CAD图.zip
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阶梯轴数控车削工艺设计及加工难点分析编程斯沃仿真含NX三维及CAD图.zip,阶梯,数控,车削,工艺,设计,加工,难点,分析,编程,仿真,NX,三维,CAD
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摘要近数控技术是现代制造技术的基础，它的广泛应用使普通机械被数控机械所代替，使全球制造业发生了根本变化。数控技术的水准、拥有和普及程度已经成为衡量一个国家综合国力和工业现代化水平的重要标志之一。本次设计任务是阶梯轴的工艺设计与程序编制，使用CAD制图软件将零件的二维图形画出来。接着对零件结构、精度、技术要求进行分析。设计加工零件的数控工艺方案，选择毛坯、刀具、机床，以及合理的切削参数等。选择出最佳的加工工艺方案，然后对零件的数控加工程序进行编制，完成本次设计。关键词:阶梯轴；数控技术；加工工艺；程序编制；IIAbstractNear numerical control technology is the foundation of modern manufacturing technology, it is widely used to make the ordinary machinery is replaced by CNC machinery, so that the global manufacturing industry has been a fundamental change. The level of numerical control technology, the degree of ownership and popularity has become a measure of a countrys comprehensive national strength and an important symbol of the level of industrial modernization.The task of this design is a typical shaft parts processing process design and programming, use of CAD drawing software parts of the two-dimensional graphics drawing out. Then for structural parts, precision, technical requirements are analyzed. Design and processing components of the NC process scheme, selection of blank, tools, machine tools, and the reasonable cutting parameters. Choose the best processing program, and the parts of the NC machining program is compiled, to complete the design.Keywords: typical shaft; numerical control technology; processing technology; programming;目 录摘要IAbstractII目 录III前言41 零件的图纸分析51.1 零件的结构特点分析51.2 零件的加工难点分析61.2 确定毛坯62 零件的工艺规程设计72.1 表面加工方法的确定72.2 加工顺序的安排72.3 定位基准及装夹方式的选择82.4 制订加工工艺方案92.5选择加工设备机床102.6选择刀具112.7确定切削用量112.7.1 背吃刀量的确定112.7.2 切削用量的具体选择122.8数控加工工艺卡片拟订132.9走刀路线133 程序编制与模拟仿真183.1 数控编程183.1.1 编程原点的确定183.1.2程序193.2模拟仿真233.2.1程序的导入233.2.2设置毛坯233.2.3设置刀具243.2.4对刀和输入刀补243.2.5仿真加工24设计小结28参考文献29致 谢30III前言此次毕业设计的编制和零件加工是我对大学期间学习的一个总结。其中运用了在大学期间所学到的各门课程，如：机械制图、公差、数控技术、数控工艺等。此次毕业不仅巩固了我所学过的知识，还使我对典型零件的工艺分析和数控加工有了更深入的了解。本次设计从自己设计选择零件图，收集大量的资料，到最后加工出零件，其间遇到了很多的问题，但就此次的毕业设计来说，首先要根据零件图进行结构分析、工艺分析，加工路线的确定，加工方法的选择，加工顺序的安排，加工工艺参数的确定，选择出合适的毛坯和加工设备，制定定位装夹方案，合理选择刀具，编制程序，对加工的零件进行零件质量分析。通过这次毕业设计，我真正认识到理论和实践相结合的重要性。我的课题并不复杂，而且生产实际应用中也可以常见。结构由螺纹、圆弧面等组成。此类零件用于数控编程中，难度程度适中，同时在老师的帮助下我可以充分得到锻炼，也培养了我综合运用所学理论知识和实际操作知识的能力。还有，它提高了我设计、绘图、编写数控程序、数控机床操作的独立工作能力，更培养了我虚心请教不懂就问的工作态度。 由于初次设计，缺少设计经验，设计中难免存在一点错误，望老师指正批评，从而让我更好的完成这次毕业设计，感谢在毕业设计中指导老师的帮助，对此我表示衷心的感谢！1 零件的图纸分析1.1 零件的结构特点分析如图1.1所示轴零件图（若插图不清晰，详见附件CAD零件图），分析其加工工艺性。图1.1 零件的二维平面图图1.2 零件的三维平面图1.2 零件的加工难点分析本次阶梯轴都属于轴类零件，其结构主要由内外圆柱面、槽、倒角、内孔等特征组成，精度要求较高在普通车床上很难完成，需要在数控车床上进行加工，并且是数控车削加工中常见的形状特征。零件尺寸精度要求很高，其中左端外圆40尺寸精度最高为0.03mm，内孔的一段4015的内孔槽，是加工的第一个难点，加工中可能会出现振刀现象，所以必须减小背吃刀量；而零件中间的54连续圆弧的精度更是达到IT7，我们用切球头槽刀很难保证在指定的精度内，所以务必分成粗加工和半精加工以及精加工。右端的尺寸螺纹的精度要求为M302-6g也需要保证；位置精度有：左端内孔30对两端外圆64尺寸的圆跳动为0.025mm（等等，其余的请参照零件图纸）；该零件的表面粗糙度要求较高，全部表面粗糙度要求为3.2um以上。1.2 确定毛坯根据该零件的图纸要求，由于轴零件并不是很长可以采用一个毛坯加工，因此可以直接采用型材毛坯（棒料），又零件的最大外圆为60mm，零件长度总和为120mm，因此可以给毛坯的外圆单边留5mm余量，长度留5mm余量。由毛坯余量的选择，可确定该零件的毛坯尺寸为65125mm。312 零件的工艺规程设计2.1 表面加工方法的确定（1）左端面轮廓加工：粗车（精度等级IT12，粗糙度Ra12.5um）精车（精度等级IT67，粗糙度Ra1.6um）切外槽（精度等级IT67，粗糙度Ra1.6um）钻孔（精度等级IT12，粗糙度Ra12.5um）粗镗（精度等级IT910，粗糙度Ra3.2um）精镗（精度等级IT910，粗糙度Ra3.2um）切内槽（精度等级IT67，粗糙度Ra1.6um）。（2） 右端面轮廓加工：粗车（精度等级IT12，粗糙度Ra12.5um）精车（精度等级IT67，粗糙度Ra1.6um）切外槽（精度等级IT67，粗糙度Ra1.6um）车螺纹。在数控车床上加工零件时，要把被加工的全部工艺过程、工艺参数等编制成程序，整个加工过程时自动进行的，因此程序编制前的工艺分析是一项十分重要的工作。2.2 加工顺序的安排工件的机械加工工艺路线中要经过切削加工、热处理和辅助工序。因此，当拟定工艺路线时要合理、全面安排好切削加工、热处理和辅助工序的顺序。切削加工工序的安排原则1）基准先行 选为精基准的表面，应先进行价格，以便为后续工序提供可靠的精基准。如轴类零件的中心孔、箱体的地面或剖分面、齿轮的内孔和一端面等，都应安排在初始工序加工完成。2）先粗后精 各表面均应按照粗加工半精加工精加工的顺序依次进行，以便逐步提高加工精度和降低表面粗糙度。3）先主后次 先加工主要表面（如定位基面、装配面、工作面），后加工次要表面（如自由表面、键槽、螺纹孔等），次要表面常穿插进行加工，一般安排在主要表面达到一定精度之后、最终精加工之前。该零件的加工顺序应严格按照以上原则进行加工。2.3 定位基准及装夹方式的选择（1）定位基准的选择1）粗基准的选择：粗车时以外圆和两端面为粗基准，并加工出精基准2）精基准的选择：精加工时以粗加工时加工出的端面和外圆为基准。（2）装夹方式的选择该零件为回转型零件，其装夹方式可直接采用三爪卡盘进行装夹，由于零件至少需要进行两次装夹方能完成，在第二次装夹时为保证加工面不被夹伤，需要垫上铜皮或者采用软爪进行装夹。图2.1加工左端装夹示意图在加工左端的外圆及内孔时，使用三爪卡盘对毛坯外圆进行夹紧，需要留出足够的工件长度来。图2.2加工右端装夹示意图在加工左端的外圆及内孔后，我们掉头装夹。使用百分百对零件进行打表，保证零件的同轴度，三爪卡盘夹紧在60的外圆上，夹紧的时候工件需要伸出卡盘50mm的距离。2.4 制订加工工艺方案由于本次设计的两个零件外圆尺寸一样，并且两个零件长度不是很长，结构并不复杂，属于可以采用一个毛坯一次加工两个零件，然后采用切断刀进行切断，把两个工件拆分开来。（1）工艺路线方案一工序1：下料65X125毛坯工序2：夹左端毛坯，使伸出52mm，加工右端 工步1：平端面，循环粗、精加工零件右端外形轮廓 工步2：加工外圆槽 工步3：切M30X2-6g外螺纹 工序3：调头装夹，打表校正同轴度在0.02以内，平端面，加工左端 工步1：循环粗、精加工零件左端外形轮廓 工步2：切外形连续圆弧槽 工步3：钻内孔 工步4：循环粗、精加工零件左端内孔 工步5：加工内孔槽刀工序4：拆下零件，去毛刺，检测（2）工艺路线方案二工序1：下料65X125毛坯工序2：夹右端毛坯，使伸出92mm，加工左端 工步1：循环粗、精加工零件左端外形轮廓 工步2：切外形连续圆弧槽 工步3：钻内孔 工步4：循环粗、精加工零件左端内孔 工步5：加工内孔槽刀工序3：调头装夹，打表校正同轴度在0.02以内，取总长120mm，平端面，加工右端 工步1：平端面，循环粗、精加工零件右端外形轮廓 工步2：加工外圆槽 工步3：切M30X2-6g外螺纹工序4：拆下零件，去毛刺，检测（3）工艺方案的比较与分析上述两种工艺方案的特点在于：方案一考虑先加工右端，在加工左端时，会导致没地方装夹。而方案二则是先加工左端，掉头后有地方装夹，而且保证其圆跳动等精度要求。因此选择方案二作为加工工艺路线比较合理。2.5选择加工设备机床当工件表面的加工方法确定之后，机床的种类也就基本上确定了。但是，每一类机床都有不同的形式，其工艺范围、技术规格、加工精度、生产率及自动化程度都各不相同。为了正确地为每一道工序选择机床，除了充分了解机床的性能外，从加工工艺的角度分析，选用的数控机床功能还必须适应被加工零件的形状、尺寸精度和生产节拍等要求。依据上述各选择原则，我们选用的Ck6140型数控车床（如图3.3），系统为FANUCoi，配置前置式刀架。图2.3Ck6140型数控车床2.6选择刀具加工本零件选择标准刀具，以减少加工成品和提高加工效率。刀具的选择也是数控加工中重要内容之一，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，选择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。如下是对该零件工步顺序、刀具的选择。 该零件的数控加工中主要为车外圆、镗内孔、车螺纹，具体的刀具选择情况表3.1所示。表3.1 数控加工刀具卡片序号刀具名称刀具规格刀片材料加工表面T01端面车刀（焊接式）90刀尖YT15车端面T02外圆车刀（可转位）75刀尖YT15车外轮廓T03外螺纹车刀60YT15车M50X1.5的螺纹T04内孔镗刀60YT15镗内轮廓T05麻花钻20高速钢钻底孔2.7确定切削用量2.7.1 背吃刀量的确定在机床功率容许的情况下，应尽量采选较大的背吃刀量，进给次数才会有所减少。当精度要求较高的零件时，半精铣或精铣的余量需要被留出，正常半精铣的余量是0.5mm左右，精铣余量在半精铣之后，通常少于普通铣削的余量，一般选取0.10.3mm。由于该零件精度要求相对要高，固必须至少有粗加工及精加工两种。通过表3.2来采选背吃刀量。表3.2 数控切削用量推荐表加工内容背吃刀量Ap/（mm）切削速度vc(mmin)进给量f/(mmr)粗加工23801200.20.5精加工0.10.51201500.10.2综合考虑粗车时背吃刀量选取1mm，留出精车余量为0.5mm，精车时背吃刀量为0.5mm。2.7.2 切削用量的具体选择主轴转速应根据零件上加工部位的直径，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。切削学速度除了计算和查表选取外，还可以根据实践经验确定。主要根据允许的切削速度Vc(m/min)选取由公式n=来进行计算。式中Vc为切削速度；D为工件或刀具的直径（mm）1、车外轮廓（1）粗车左端外轮廓留0.5mm作为精加工余量，取粗加工背吃刀量ap=1mm。由文献查得进给量f=0.20.5mm/r，初步确定f=0.4mm/r,工件外径D=60mm。选择切削速度由文献查得=1.51.83m/s，取=1.5m/s=90m/min。计算主轴转速s=100060/（3.1460）m/min=573r/min 取s=570r/min。计算进给速度计算进给速度F=Sf=60/min。（2）精车左端外轮廓，保证其加工精度及表面粗糙度，取ap=0.5mm。由文献查得进给量f=0.10.2mm/r，初步确定f=0.2mm/r,工件外径D=50mm。选择切削速度由文献查得=1.51.83m/s.取=100m/min。计算主轴转速s=100080/（3.1460）m/min=636r/min取650r/min。计算进给速度F=Sf=80/min。2、镗内孔（1）镗内孔，取粗加工背吃刀量ap=0.5mm。由文献查得进给量f=0.20.5mm/r，初步确定f=0.3mm/r，工件内径D=30mm。选择切削速度由文献查得=1.51.83m/s，取=1.5m/s=70m/min。计算主轴转速s=100040/（3.1430）m/min=470r/min 取s=500r/min。计算进给速度计算进给速度F=Sf=70/min。2.8数控加工工艺卡片拟订将前面分析的各项内容综合成数控加工工艺卡片，具体卡片请查看附件。 2.9走刀路线以高切削速度、高进给速度和高加工精度为主要特征的高速切削技术，最近十几年发展迅在 航空航天、模具制造及精密微细加工等领域得到了广泛应用。因此，高速加工技术的研究已成为国内外制造领域重要的研究项目之一。1.确定刀具路径应满足的基本要求高速切削不仅提高了对机床、夹具、刀具和刀柄的要求，同时也要求改进刀具路径策略，因为若 路径不合理，在切削过程中就会引起切削负荷的 突变，从而给零件、机床和刀具带来冲击，破坏加工质量，损伤刀具。在高速切削中由于切削速度和进给速度都很快，这种损害比在普通切削 中要严重的多，因此， 必须研究适合高速切削的路径，将切削过程中切削负荷的突变降至最低。 可以说，高速切削机床只有有了合理的高速刀具轨迹才能真正获得最大效益。为了消除切削过程中切削负荷的突变，刀具路径应满足以下基本要求： 切削是等体积切削，即切削过程中切削力恒定。尽量减少空行程。 尽量减少进给速度的损失。通用的刀具路径2.刀具进给要求进刀时采用螺旋或弧进刀，使刀具逐渐切入零件，以保证切削力不发生突变，延长刀具寿命。 切削速度的连续和无突变，使切削连续平稳，否则，将产生冲击。 切削时使用顺铣使切削过程稳定，不易过切，刀具磨损小，表面质量好。 采用小的轴向切深以保证小的切削力、少的切削热和排屑的顺畅。无切削方向突变，即刀具轨迹 是无尖角的，普通加工轨迹的尖角处用圆弧或其他曲线来取代，从而保证切削方向的变化是逐渐 的而不 是突变的。这样有两点好处：一是现代高速机床的控制系统都有程序段前视和尖角自动 减速功能，即在到达尖角前，将自动降低进给速度，这样虽然减小了冲击，且 避免了过切，但却损失了进给速度。轨迹是无尖角的，自然也就避免了这种情况的发生；二是在尖角处切削负荷 会突然加大，引起冲击。轨迹是无尖角的 时候这种问题同样不存在。 采用等高线轨迹，加工余量均匀的走刀路线可取得好的效果。为采用等高线法的刀具轨迹，刀具沿 X 或 Y 轴方向平动，完成金属的切除， 这样可保证高速加工中切削余量均匀，对加工稳定，尤其是刀具寿命的延长有利.3.粗加工刀具要求粗加工时常用的刀具路径有：Z向等高线层切法，即将零件分成若干层，一层一层逐层往下切，在每层中将零件的所有区 域加工完再进人下一层，在每一层均采用螺旋或圆弧进刀，同时 采用无尖角刀具轨迹。这样有 利于排屑，也避免了切削力发生突变。对薄壁件来说，更应采用这种刀具轨迹，因为这种刀具轨 迹在切削过程中还能使薄壁 保持较好的刚性。 插铣刀具路径。对于深度很深的腔体的粗加工可采用插铣的方法来进行，因为腔体很深时，需要很长的刀具，这时刀具的刚性很差，按常规的切削路线切削刀具易变形，而且也易产生振动，影响加工质量和效率，采用插铣的轨迹正好可解决这一问题。 摆线刀具路径。另一种更新的粗加工刀具轨迹是摆线刀具轨迹，“摆线”是指当一个圆沿着一条曲线作纯滚动时，圆上某一固定点的轨迹。采用 这种刀具轨迹使刀具在切削时距某条曲线(一 般是零件的轮廓线及其平移线)保持一个恒定的半径，从而可使进给速度在加工过程中可保持不 变，而且这时的径向吃刀量一般取刀具直径的 5%左右，因此刀具的冷却条件良好，刀具的寿命 较长。这对高速加工是非常有利的。4.精加工刀具路径要求加工时常用的刀具路径有：先在陡峭面用Z 向等高线层切法加工，然后在非陡峭面采用表面轮廓轨迹法加工； 先用表面轮廓轨迹法加工所有面，再在垂直方向上加工陡峭面。 薄壁件的精加工采用Z 向等高线层切法。 当然在加工过程中同样每一层都要尽量作到螺旋或园弧进刀，采用无尖角刀具轨迹。5.其他刀具路径要求如加工的是单一型腔的薄壁件，它比单纯的等高线逐层切法对保持薄壁的刚性更好，从而保 证加工余量均匀，零件变形小。 对薄底零件应采用所示的走刀轨迹。即从离支撑最远的点开始切削，分层切削直到深度到位；每次深度铣到以后再向支撑处移动一个径向切深，重复上一步的过程，直至切削完成。相当于将薄壁件的等高线逐层切法转动90。这样才能在切削时较好地保持零件刚性，避免振动。因此轴零件共分为两个工序：工序1：循环粗、精加工零件左端外形轮廓。图2.4 工步1工序2：切外形连续圆弧槽图2.5 工步2工序3：循环粗、精加工零件左端内孔图2.6 工步3工序2：内孔槽刀加工内孔图2.7工步4调头装夹，打表校正同轴度在0.02以内，取总长120mm，平端面，加工右端。 工步4：循环粗、精加工零件右端外形轮廓图2.8 工步5 工步5：加工外圆槽图2.9 工序6 工步5：加工外圆槽图2.10 工序73 程序编制与模拟仿真3.1 数控编程该零件是数控车床加工的特征无复杂曲面、曲线，其结构比较规则，主要由直线等组成，可直接采用手工编程的方法进行编制。3.1.1 编程原点的确定该零件属于轴对称零件，因此数控车加工时，可选择轴的端面中心为编程原点，加工时编程原点如下图标注处。图3.1 左端加工编程原点图3.2 右端加工编程原点3.1.2程序程序O0001左端外圆T0101M03S600G00X67Z3G71U1R1G71P1Q2U0.5W0.1F0.2N1G01X36Z0G03X40Z-2R2G01Z-24G02X52Z-30R6G01X56G03X60Z-32R2G01Z-92N2X67G70P1Q2S650F0.1G00X100Z100M30程序O0002左端外槽N12G00G97S450T0202N14M03N16M08N18G00X72.932Z-19.520N20G00Z-39.500N22G00X64.400N24G00X62.400N26G99G01X60.400F0.100N28G04X0.500N30G00X64.400N32G00Z-42.000N34G00X62.400N36G01X58.455F0.100N38G04X0.500N40G00X64.400N42G00Z-44.500N44G00X62.400.由于程序过多详见附录程序O0003左端镗内孔N12G00G97S450T0404N14M03N16M08N18G00X17.818Z1.661N20G00Z0.707N22G00X19.637N24G00X21.637N26G00X23.051Z-0.000N28G99G01Z-33.000F0.100N30G01X20.000N32G01Z-45.000N34G01X19.451N36G00X17.451N38G00Z0.707N40G00X25.637N42G00X27.051Z-0.000N44G01Z-33.000F0.100N46G01X23.051N48G00X17.051.由于程序过多详见附录程序O0004左端内孔槽N12G00G97S450T0404N14M03N16M08N18G00X22.179Z2.036N20G00Z-22.000N22G00X26.000N24G00X28.000N26G99G01X30.400F0.100N28G04X0.500N30G00X26.000N32G00Z-20.000N34G00X28.000N36G01X34.000F0.100N38G04X0.500N40G00X26.000N42G00Z-18.000N44G00X28.000N46G01X34.000F0.100.由于程序过多详见附录程序O0005右端外圆N12G00G97S600T0101N14M03N16M08N18G00X62.312Z1.503N20G00Z0.707N22G00X59.414N24G00X57.414N26G00X56.000Z0.000N28G99G01Z-30.000F0.100N30G01X57.766N32G01X59.883Z-31.059N34G00X61.883N36G00Z0.707N38G00X53.414N40G00X52.000Z0.000N42G01Z-30.000F0.100N44G01X56.000N46G00X58.000.由于程序过多详见附录程序O0006右端外圆槽N12G00G97S600T0202N14M03N16M08N18G00X60.000Z0.000N20G00Z-23.000N22G00X39.600N24G00X37.600N26G99G01X29.600F0.100N28G04X0.500N30G00X39.600N32G00Z-25.000N34G00X37.600N36G01X29.600F0.100N38G04X0.500N40G00X39.600N42G00Z-27.000N44G00X37.600N46G01X29.600F0.100.由于程序过多详见附录O0006右端外圆槽N12G00G97S300T0303N14M03N16M08N18G00X58.721Z1.895N20G00Z2.000N22G00X35.000N24G00X33.000N26G00X32.800N28G99G01X29.800F0.100N30G32Z-22.000F1.500N32G01X32.800N34G00X33.000N36G00X35.000N38G00X34.600Z2.000N40G00X32.600N42G00X32.400N44G01X29.400F0.100N46G32Z-22.000F1.500N48G01X32.400N50G00X32.600N52G00X34.600N54G00X34.200Z2.000N56G00X32.200N58G00X32.000N60G01X29.000F0.100N62G32Z-22.000F1.500N64G01X32.000.由于程序过多详见附录3.2模拟仿真打开斯沃数控仿真软件，选择系统，不同厂家生产的数控车床，其机床面板是不同的，FANUC 0i T机床面板示意图为例进行简介如下图所示。图3.1 FANUC Oi T输入编辑面板（一）图3.2 FANUC Oi T操作面板（二）3.2.1程序的导入我先将编制好的程序进行编号，分别取名为O0001，O0002然后在机床中新建程序，进行模拟加工。3.2.2设置毛坯根据该零件的毛坯，在仿真机床中设置其毛坯尺寸为65X125mm.3.2.3设置刀具根据各工步刀具及切削用量选择中的刀具，在仿真机床中设置好卡片中的刀具，首先打开菜单栏中“机床操作”下的“刀具管理”，在里面加入所需要的刀具。3.2.4对刀和输入刀补设置好刀具和毛坯后，接下来的工作就是对刀了，对刀是在数控加工中必不可少的环节，它的准确性直接影响到零件的加工质量，下面来介绍下对刀操作。首先在刀具管理中，将1号刀转到加工位置（一般机床默认1号刀在加工位），然后单击菜单栏中“工件操作”下的“快速定位”，得到如下图所示，选择默认对刀点。 图3.4 刀具定位 图3.5 刀补设置界面将刀具移到轴中心后，然后在操作面板中单击“刀补”按钮，将出现如下图所示界面，选择MDI（录入）方式，根据现在位置（相对位置）下的坐标值，将其输入至1号刀补中，如：先输入“X85”，再按“测量”键；然后再输入“Z0”，按下“测量”键，这样第1把刀的刀补就设置好了。同理将其他刀也进行相应的设置。3.2.5仿真加工在设置好刀具补偿后，可以开始仿真加工了，首先关闭机床窗门，然后将功能键中的“循环启动”打开，再按下“循环启动”按钮，开始切削，最终得到的零件如下所示。图3.6 左端仿真图图3
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