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螺纹轴的数控加工工艺设计毕业论文 螺纹轴的数控加工工艺设计目 录 1 螺纹简述和工艺分析与设计511 螺纹的简述512 数控加工工艺分析与设计52 螺纹轴车削加工工艺及编程821 螺纹加工概念及加工工艺822 G32螺纹切削指令应用1323 螺纹切削单一固定循环G921724 螺纹切削复合循环G761925 内螺纹切削编程示例223 典型轴类零件螺纹轴的数控加工工艺分析2431零件图工艺分析2432选择设备2533确定零件的定位基准和装夹方式2534刀具选择2535确定加工顺序及进给路线2636切削用量选择274 结果分析2941零件的精度与尺寸检验2942产生误差的主要因素295轴类零件螺纹轴加工过程中几点说明30结 论32参考文献33致谢34摘 要数控车削加工方案的拟订是制订车削工艺规程的重要内容之一本设计是根据数控车削加工的工艺方法安排工序的先后顺序确定刀具的选择和切削用量的选择等设计的根据设计思想总结了数控车削加工工艺的一些综合性的工艺原则结合螺纹轴的设计加工提出设计方案并对比分析数控加工中经常遇到螺纹轴的加工在对某螺纹轴零件进行加工工艺分析的基础上编写了数控加工程序检验数控编程及各种工艺的正确性为该类零件的数控加工提供了很有意义的参考关键词数控车床 数控车削加工工艺 螺纹加工 零件图的工艺分析com 螺纹的简述在圆柱或圆锥母体表面上制出的螺旋线形的具有特定截面的连续凸起部分螺纹按其母体形状分为圆柱螺纹和圆锥螺纹按其在母体所处位置分为外螺纹内螺纹按其截面形状牙型分为三角形螺纹矩形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹及其他特殊形状螺纹三角形螺纹主要用于联接矩形梯形和锯齿形螺纹主要用于传动按螺旋线方向分为左旋螺纹和右旋螺纹一般用右旋螺纹按螺旋线的数量分为单线螺纹双线螺纹及多线螺纹联接用的多为单线传动用的采用双线或多线按牙的大小分为粗牙螺纹和细牙螺纹等按使用场合和功能不同可分为紧固螺纹管螺纹传动螺纹专用螺纹等12 数控加工工艺分析与设计零件结构工艺性是指所设计的零件在能满足使用要求的前提下制造的可行性和经济性良好的结构工艺性可以使零件加工容易节省工时和材料而较差的零件零件工艺性会使加工困难浪费工时和材料有时甚至无法加工因此零件各加工部位的结构工艺性应符合数控加工的特点分析零件技术要求包括5个方面123451工件在本工序加工之前的情况例如铸件锻件或棒料形状尺寸加工余量等前道工序已加工部位的形状尺寸或本工序需要前道工序加工出的基准面基准孔等本工序要加工的部位和具体内容23寻求最短加工路线最终轮廓一次走刀完成选择切入切出方向2 螺纹轴车削加工工艺及编程21 螺纹加工概念及加工工艺螺纹加工是在圆柱上加工出特殊形状螺旋槽的过程螺纹的常见的用途是连接紧固传递运动等螺纹常见的加工方法有滚丝或螺纹成型攻丝铣削螺纹车削螺纹等CNC车床可加工出高质量的螺纹本章主要用CNC车床车削螺纹的工艺编程方法车削螺纹加工是在车床上控制进给运动与主轴旋转同步加工特殊形状螺旋槽的过程螺纹形状主要由切削刀具的形状和安装位置决定螺纹导程由刀具进给量决定如图21所示的螺纹车削加工图21 车削螺纹加工CNC编程加工最多的是普通螺纹螺纹牙形为三角形牙型角为60普通螺纹分粗牙普通螺纹和细牙普通螺纹粗牙普通螺纹的螺距是标准螺距其代号用字母M及公称直径表示如M16M12等细牙普通螺纹代号用字母M及公称直径螺距表示如M2415M272等普通螺纹加工刀具刀尖角通常为60螺纹车刀片的形状跟螺纹牙型一样螺纹刀切削不仅用于切削而且使螺纹成型机夹式螺纹车刀如图22所示分为外螺纹车刀和内螺纹车刀两种可转位螺纹车刀是弱支撑刚度与强度均较差图22 车削螺纹加工 装夹外螺纹车刀时刀尖应与主轴线等高 可根据尾座顶尖高度检查 车刀刀尖角的对称中心线必须与工件轴线垂直装刀时可用样板来对刀一个螺纹的车削需要多次切削加工而成每次切削逐渐增加螺纹深度否则刀具寿命也比预期的短得多为实现多次切削的目的机床主轴必需恒定转速旋转且必须与进给运动保持同步保证每次刀具切削开始位置相同保证每次切削深度都在螺纹圆柱的同一位置上最后一次走刀加工出适当的螺纹尺寸形状表面质量和公差并得到合格的螺纹图23 螺纹加工路线如图23编程中每次螺纹加工走刀至少有4次基本运动 直螺纹 运动将刀具从起始位置X向快速G00方式移动至螺纹计划切削深度处运动加工螺纹轴向螺纹加工 进给率等于螺距 运动刀具X向快速G00方式退刀至螺纹加工区域外的X向位置运动快速G00方式返回至起始位置1224所示a b 斜线退出图24 螺纹退刀通常如果刀具在比较开阔的地方结束加工例如退刀槽或凹槽那么可以使用直线退出车螺纹Z向终点位置一般选在退刀槽的中点使用快速运动G00指令编写直线退出动作如N63 G32 Z-20 F2 螺纹加工程序 N64 G00 X50如果刀具结束加工的地方并不开阔那么最好选择斜线退出斜线退出运动可以加工出更高质量的螺纹也能延长螺纹刀片的使用寿命斜线退出时螺纹加工G代码和进给率必须有效退出的长度通常为导程推荐使用的角度为45退出程序如下 N63 G32 Z-20 F2螺纹加工程序N64 U4 W2 斜线退出螺纹加工状态 N65 G00 X50 快速退出 3式中P为螺纹导程单线螺纹导程与螺距相同 车三角形外螺纹时由于受车刀挤压会使螺纹大径尺寸胀大所以车螺纹前大径一般应车得比基本尺寸小约01P车削三角形内螺纹时内孔直径会缩小所以车削内螺纹前的孔径要比内螺纹小径略大些可采用下列近似公式计算车外螺纹前外圆直径 公称直径D01P车削塑性金属的内螺纹底孔直径公称直径dP 车削脆性金属的内螺纹底孔直径公称直径d一105P422 G32螺纹切削指令应用G32是Fanuc控制系统中最简单的螺纹加工代码该螺纹加工运动期间控制系统自动使进给率倍率无效com G32螺纹切削指令指令格式G32 X U Z W F Q 等螺距螺纹切削指令 X U Z W 为直线螺纹的终点坐标F为直线螺纹的导程如果是单线螺纹则为直线螺纹的螺距Q为螺纹起始角该值为不带小数点的非模态值其单位为0001如果是单线螺纹则该值不用指定这时该值为0com G32螺纹切削编程实例试用G32指令编写图25所示工件的螺纹加工程序图25 螺纹加工工件126a26 示例工件螺纹加工相关设计车外螺纹前外圆直径公称直径D01P2401152385螺纹牙高 8061343P06134315092外螺纹小径 外圆直径2牙高238520922201设计螺纹分五次切削加工出所需深度第一刀切深032mm然后每刀逐渐减少螺纹加工深度最后精加工切深0045mm分层切削染余量分配如图26b拟定主轴转速使用恒定转速500rmin 进给量则是导程15mmr2G99T0404 调用第4号外螺纹刀具 G97S500 M03 N20 G00 X30 Z6 M08 起始点 导人距离5 mm N21 G00 X2321 刀具从起始位置X向快速移动至螺纹计划切削深度处N22 G32 Z-21 F15 轴向螺纹加工进给率等于螺距 N23 U4 W-2 刀具退出的方式为45斜线保持螺纹切削状态N24 G00 X30 刀具X向快速退刀至螺纹加工区域外的X30位置N25 Z6 快速G00方式返回至起始位置 N21N25完成螺纹的第一刀切削 N26 G00 X2276 N27 G32 Z-21 F15 N28 U4 W-2 N29 G00 X30 N30 Z6 N26N30完成螺纹的第二刀切削 N40 G00 X2201N41 G32 Z-21 F15N42 U4 W-2N43 G00 X30 N44 Z6 N40N44完成螺纹的最后切削 G00 X100 Z100 M09M05N41 M30 程序结束 23 螺纹切削单一固定循环G92127G92螺纹加工程序段在加工过程中刀具运动轨迹为图27 G92螺纹切削路线首先刀具沿X轴进刀至螺纹计划切削深度X坐标第二步沿Z轴切削螺纹第三步启动45倒角螺纹斜线切出第四步刀具沿X轴退刀至X初始坐标第四步沿Z轴退刀至Z初始坐标在G92程序段里须给出每一层切削动作相关参数必须确定螺纹刀的循环起点位置螺纹切削的终止点位置2X u Z w 为螺纹切削终点处的坐标F为螺纹导程的大小如果是单线螺纹则为螺距的大小 45斜线螺纹切出距离在01 L至127 L之间指定指定单位为01 L可通过系统参数进行修改L为导程R为圆锥螺纹切削参数R值为零时可省略不写螺纹为圆柱螺纹3G99T0404 调用第4号外螺纹刀具 G97 S500 M03 N20 G00 X30 Z6 M08 外螺纹刀具到达切削起始点 导入距离6 mm G92 X2321 Z-23 F15 完成第一层螺纹切削 X2276 完成第二层螺纹切削 X2240 完成第三层螺纹切削 X2210 完成第四层螺纹切削 X2201 完成螺纹的最后切削 G00 X100 Z100 M09M05N41 M30 程序结束 显然用G92编程的程序O2002比O2001简洁多了24 螺纹切削复合循环G761图28 G76螺纹切削路线及有关参数使用G32方法的程序中每刀螺纹加工需要4个甚至5个程序段使用G92循环每刀螺纹加工需要一个程序段但是G76循环能在一个程序段或两个程序段中加工任何单头螺纹在机床上修改程序也会更快更容易如图28所示表明G76指令的加工动作G76螺纹加工循环需要输入初始数据2 Q最小切深R 精加工余量 G76 X U ZWP牙高Q最大切深R锥螺纹参数F导程FANUC 0i复合螺纹加工循环指令G76格式分两个程序段格式中各参数含义如下表1表1 G76格式说明第一程序段 G76 Pm r Q RPm精加工重复次数为199的两位数r倒角量当螺距为L从00L到99L设定单位为01L为199的两位数刀尖角度选择80605530290六种中的一种由两位数规定Q为最小切深 用半径值指定 切深小于此值时切深钳在此值R精加工余量微米第二程序段 G76 X U ZWR P Q FX U ZW螺纹最后切削的终端位置的XZ坐标X U 表示牙底深度位置Q第一刀切削深度半径值正值微米P牙高半径值正值微米R锥螺纹半径差圆柱直螺纹切削省略F螺距正值3 G99T0404 调用第4号外螺纹刀具 G97S500 M03 N20 G00 X30 Z6 M08 外螺纹刀具到达切削起始点 导入距离6 mm N30 G76 P011060 Q100 R01螺纹参数设定N40 G76 X2201 Z-23 P920 Q320 F15G00 X100 Z100 M09M05M30 程序结束 显然用G76编程的程序O2003比O2001和O2002又简洁多了G76程序段N30N40说明程序段N30 G76 P011060 Q100 R01中P011060表示精加工次数是一次倒角量为一个导程刀尖角度60Q100表示最小切深钳制在半径值100微米R01表示精加工余量01mm程序段N40 G76 X2201 Z-21 P920 Q320 F15中X2201 Z-23表示牙底深度X值为X2201螺纹切削Z终点Z-23P920表示牙高为半径值920微米Q320表示第一刀切深为半径值320微米F15表示螺距15mm25 内螺纹切削编程示例试编写图29所示工件的内螺纹加工程序图29 内螺纹示例工件及加工相关设计 单位mm 螺纹加工前的底孔直径公称直径dP30228确定工件坐标系如图29 设计螺纹切削循环G76起点在X24Z6选择X24不仅保证刀具X向与实体的安全间隙又避免螺纹刀退出时碰撞工件Z6是螺纹切削导入距离6mm如图29设计螺纹最后一刀切削的终点与起点相对形成矩形切削区域坐标是X30Z35X30为内螺纹的牙底直径Z35保证刀具足够切出距离又不至于让刀具碰撞到夹具如图29内螺纹的其它切削参数计算如下螺纹牙高 061343P0613432122 mm 走刀次数 28P49 mm mm 拟定主轴转速使用恒定转速400rmin 进给量则是导程2mmr设螺纹底孔已经加工完毕内螺纹加工程序O2004如下O2004 G21 G99T0404 调用第4号外螺纹刀具 G97 S400 M03 N20 G00 X24 Z6 M08 外螺纹刀具到达切削起始点 导入距离6 mm N30 G76 P011060 Q130 R01注意内螺纹精加工余量取负值N40 G76 X30 Z-35 P1220 Q400 F2G00 X100 Z100 M09M05M30 程序结束 3 典型轴类零件螺纹轴的数控加工工艺分析典型轴类零件如图31所示毛坯为58100棒材零件材料为45钢数控车削前毛坯已粗车端面钻好中心孔无热处理和硬度要求试对该零件进行数控车削工艺分析图31 典型轴类零件31零件图工艺分析该零件表面由圆柱圆锥顺圆弧逆圆弧及螺纹等表面组成其中多个直径尺寸有较严的尺寸精度和表面粗糙度等要求球面S50的尺寸公差还兼有控制该球面形状线轮廓误差的作用尺寸标注完整轮廓描述清楚零件材料为45钢无热处理和硬度要求通过上述分析可采用以下几点工艺措施对图样上给定的几个精度要求较高的尺寸因其公差数值较小故编程时不必取平均值而全部取其基本尺寸即可在轮廓曲线上有三处为圆弧其中两处为既过象限又改变进给方向的轮廓曲线因此在加工时应进行机械间隙补偿以保证轮廓曲线的准确性为便于装夹坯件左端应预先车出夹持部分双点画线部分右端面也应先粗车出并钻好中心孔毛坯选60棒料32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33确定零件的定位基准和装夹方式定位基准 确定坯料轴线和左端大端面设计基准为定位基准装夹方法 左端采用三爪自定心卡盘定心夹紧右端采用活动顶尖支承的装夹方式34刀具选择选用5中心钻钻削中心孔粗车及平端面选用900硬质合金右偏刀为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 350精车选用900硬质合金右偏刀车螺纹选用硬质合金600外螺纹车刀刀尖圆弧半径应小于轮廓最小圆角半径取r 01502将所选定的刀具参数填入数控加工刀具卡片中见表2以便编程和操作管理表2数控加工刀具卡片产品名称或代号轴类零件加工零件名称典型轴零件图号31序号刀具号刀具规格名称数量加工表面备注1T015中心钻1钻5 mm中心孔2T02硬质合金90外圆车刀1车端面及粗车轮廓右偏刀3T03硬质合金90外圆车刀1精车轮廓右偏刀4T04硬质合金60外螺纹车刀1车螺纹35确定加工顺序及进给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进行粗车留025精车余量然后从右到左进行精车最后车削螺纹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动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32所示图32 精车轮廓进给路线36切削用量选择背吃刀量的选择 轮廓粗车循环时选ap 3 精车ap 025螺纹粗车时选ap 04 逐刀减少精车ap 01主轴转速的选择 车直线和圆弧时选粗车切削速度vc 90mmin精车切削速度vc 120mmin然后利用公式vc dn1000计算主轴转速n粗车直径D 60 精车工件直径取平均值粗车500rmin精车1200 rmin车螺纹时计算主轴转速n 320 rmin进给速度的选择 选择粗车精车每转进给量再根据加工的实际情况确定粗车每转进给量为04r精车每转进给量为015r最后根据公式vf nf计算粗车精车进给速度分别为200 min和180 min表3 典型轴类零件数控加工工艺卡片学校名称娄底职院产品名称或代号零件名称零件图号轴类零件加工典型轴31工序号程序编号夹具名称使用设备车间001三爪卡盘和活动顶尖TND360数控车床数控中心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mmmi-1背吃刀量 mm备注1平端面T022525500手动2钻中心孔T015950手动3粗车轮廓T022525500200综合前面分析的各项内容并将其填入表3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4结果分析41零件的精度与尺寸检验零件的加工质量对其工作性能和使用寿命有着较大的影响现对加工后零件质量分析零件的尺寸精度基本得到保证零件的上下表面粗糙度值偏大原因是其加工精度与机床夹具刀具本身误差和使用中的调速误差及工件的装夹定位误差以及自己的操作技能水平等多方面因素有关这些原始误差反映到工件质量上形成零件的加工误差42产生误差的主要因素从零件加工质量分析得出零件出现误差或粗糙度值偏大与刀具夹具的误差及工件的定位误差有关机床主轴或因为刀具的装夹不当引起的径向或端面的圆跳动等因素都会使工件产生误差夹紧力对加工精度也有影响工件在加紧时由于工件的刚度较低加紧的作用力或方向不当均可造成定位端面不垂直切削用量对加工精度的影响从零件的表面质量分析这与合理择切削用量很有关系选择较大的切削速度V适量减小进给量f 通过对零件的系统分析得知零件表面粗糙度值尺寸精度基本得到保证之所以出现这些问题与安排加工的工艺过程刀具的质量机床的定位零件的装夹定位基准的选择以及自己的操作技术水平也有关系可以通过合理的选择刀具的几何参数合理的选择切削用量从而提高零件的加工精度5轴类零件螺纹轴加工过程中几点说明1采用了二中心孔为定位基准符合基准重合及基准统一原则2该零件先以外圆作为粗基准车端面和钻中心孔再以二中心孔为定位基准粗车外圆又以粗车外圆为定位基准加工锥孔此即为互为基准原则使加工有一次比一次精度更高的定位基准面3号莫氏圆锥精度要求很高因此需用V型夹具以230js5外圆为定位基准达到形位公差要求车内锥时一端用卡爪夹住一端搭中心架亦是以外圆作为精基准3半精加工精加工外圆时采用了锥堵以锥堵中心孔作为精加工该轴外圆面的定位基准对锥堵要求 锥堵具有较高精度保证锥堵的锥面与其顶尖孔有较高同轴度 锥堵安装后不宜更换以减少重复安装引起的安装误差 锥堵外径靠近轴端处须制有外螺纹以方便取卸锥堵4主轴用20Cr低碳合金钢渗碳淬硬对工件不需要淬硬部分发M30156g左M30156gM126HM66H表面留253mm去碳层5螺纹因淬火后在车床上无法加工如先车好螺纹后再淬火会使螺纹产生变形因此螺纹一般不允许淬硬所以在工件中的螺纹部分的直径和长度上必需留去碳层对于内螺纹在孔口也应留出3mm去碳层6为保证中心孔精度工件中心孔也不允许淬硬为此毛坯总长放长6mm7为保证工件外圆的磨削精度热处理后须安排研磨中心孔的工序并要求达到较细的表面粗糙度外圆磨削时影响工件的圆度主要是由于二顶尖孔的同轴度及顶尖孔的圆度误差8为消除磨削应力粗磨后安排低温时效工序烘9要获高精度外圆磨削时应分粗磨半精磨精