【工装夹具类】凸轮轴零件的数控加工工艺设计及数控编程【数控+夹具】【3张图纸】【优秀】
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【工装夹具类】凸轮轴零件的数控加工工艺设计及数控编程【数控+夹具】【3张图纸】【优秀】,工装,夹具,凸轮轴,零件,数控,加工,工艺,设计,编程,图纸,优秀,优良
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毕业设计 (论文 )中期报告 题目 : 凸轮轴零件的数控加工工艺设计及数控编程 系 别 机电信息系 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 姓 名 学 号 导 师 2013 年 3 月 12 日 - 1 - 1. 设计 （ 论 文） 进 展 状况 毕业设计工作已马上到了中期，我对自己的课题有了一定深度的认识。在初期，我已经完成了 原理图的设计及开题报告的相关工作。在假期的时间里，我又下载了有关于凸轮轴以及数控加工方面的外文数据，以及对其进行了翻译。并且我从开学到现在的这几个星期里对自己的凸轮轴进行了工艺分析，夹具设计以及工艺卡片的制作。 产纲领 生产类型 生产纲领的大小对生产组织和零件加工工艺过程起着重要的作用，它决定了各工序所需专业化和自动化的程度，以及所应选用的工艺方法和工艺装备。 零件生产纲领可按下式计算： N=+a%+b%) 由此公式可以算的凸 轮轴 的年生 产 量 为 10万件，根 据生 产纲领 和生 产类 型的关 系可以确定其生 产类 型是大批量生 产。 表 1生 产纲领 与生 产类 型 的关 系 11 生 产类 型 零件的年生 产纲领（ 件） 重型零件 中型零件 轻 型零件 单件 生 产 小批生 产 中批生 产 大批生 产 大量生 产 5 5 100 100 300 300 1000 1000 10 10 200 200 500 500 5000 5000 100 100 500 500 5000 500 50000 50000 料的 选择 凸 轮轴材 料的 选择 ：由于 轴 的 载 荷通常是 变载 荷，或 变应 力，故材 料应 具有 较 好的 强 度 和韧 性； 对轴 的表面与支承有相 对 滑 动 的 轴，还须 要求 较 好的耐磨性。 材料 常用材料与 热处 理：凸 轮轴常用材 料是 2020处 理及主要机构性能（ 参考 ）如表 110 - 2 - 表 2 20要机构性能 材料牌 号 热处 理 毛坯直 径 度拉 强度极限 b (弯 曲疲 劳极限扭 转 疲 劳 极限 服极限s/0 碳淬火 回火 15 30 60 表面0 850 650 650 550 400 400 375 280 280 215 160 160 处理分析 轴类零件 的 热处 理是保 证轴类零件 性能的重要 工艺过 程，它 对轴类零件 的如下性能有 着 直接的影 响 ： 6 1） 轴类零件 的制造精度： 组织转变 不均 匀 、不 彻 底及 热处 理后形成的 残余应 力 过 大 轴在热处 理后的加工、 装配 和使用 过 程中的 变形 ， 从 而降低 轴 的精度，甚至 报废。 2） 轴类零件 的 强 度： 热处 理 工艺 制定不 当、热处 理操作不 规 范或 热处 理 设备状态 不完好，造成被 处 理 轴 的 强 度（硬度） 达 不到 设计 要求。 3） 轴 的工作 寿命 ： 热处 理造成 的组织结 构不合理、晶粒度超 标等 ， 导 致主要性能如 轴的韧 性、抗 磨 损 性能等下降，影 响轴 的工作 寿命 。 4） 轴 的制造成本：作 为轴 制造 过 程的中 间环节 或最 终 工序， 热处 理造成的开 裂、 变形 超差及性能超差，大多 数 情 况下会 使 轴报废 ，即使通 过修补 可以使用，也 会 增加工 时 ， 从 而增加了 轴 的成本。 凸 轮轴材 料是 20对强 度 和韧 性要求比 较 高，而表面易磨 损 需 渗 碳。 渗 碳的目的就是增 加轴 的耐磨性能、表面硬度、抗拉 强 度及疲 劳 极限。 渗 碳以后首先要 进 行淬火，用 来 提高其硬度和 强 度极限。但淬火 时会 引 起内应 力使之 变 脆，所以淬火以后必 须 要回火，回火的目的就是用 来 消除淬火后的脆性和 内应 力，提高其塑性和 冲击韧 度。但是 对 于凸 轮轴来说 ，半成 品热处 理以前 还 有一道重要的工序，就是要 对 第一和第二 个 凸 轮之间 的外 圆 ；第五和第六 个 凸 轮之间 的外 圆 用 两顶 的 装 加方式 进 行粗磨。 这样 做是因 为 轴类零件热处理以后会产生变形，既保证其同轴度。以便在热处理以后以这两个外圆为基准进行校核。 具的设计 磨床夹具按其通用化的程度和结构特点，可以分为通用夹具、专用夹具、组合夹具和成组可调夹具等等。凸轮轴加工时采用的是传动夹头，属于组合夹 - 3 - 具类型。 组合夹具是在夹具零部件标准化的基础上发展起来的一种新型工艺装备。它是由一套预先制造好的标准元件组装而成的。这些元件 有各种不同的形状、不同规格的尺寸，它们相互配合部分的尺寸精度高、硬度高、耐磨性好，且具有完全的互换性。根据加工工艺的要求，可通过选择和使用标准元件和组合元件，很快装配出机械加工、检验、装配等所需的夹具来。使用完毕，可方便地拆卸、清洗、存放、留待以后再使用。 组合夹具的特点： 1、灵活多变； 2、保证加工质量、提高生产效率； 3、节省人力和物力； 4、减少夹具存放面积。 组合夹具的元件按其用途不同可以分为八大类 ，即：基础元件、支承元件、定位元件、导向元件、压紧元件、紧固元件、辅助元件及合件。其中，紧固元件包括各种螺栓、螺钉、螺母和垫圈等这些紧固元件均为常用的标准件。 图 1 图 1 夹具图 传动夹头由非标准件手柄、定位销、定位板、弹簧、螺母、压盖、定位螺钉、传动板和标准件圆柱销、螺钉组合而成。 - 4 - 图 2 传动板 传动板是整个夹具的夹具体，也是夹具的关键部位（如图 2），它上面有一个锥度孔，用来装夹凸轮轴的锥形端面。锥度孔和锥度面有自锁，在磨削时对凸轮轴进行夹紧，限制其自由度。 图 3定位板 定位板是通过定位螺杆固定在传动板上，它的作用是用来放置定位销（如图 3）所示。 - 5 - 图 4手柄 手柄是用来装定位销的，以便于定位销在使用时方便。如图 4所示 图 5定位销 定位销是在加工时对凸轮轴进行定位，装夹时定位销应放在凸轮轴装夹端的键槽内，限制凸轮轴的转动和移动的自由度。如图 5 所示 定工艺路线 清洗 热处理 钻中心孔 车螺纹 外圆磨（中间轴颈，轴间轴颈，锥面） 凸轮磨（凸轮以及偏心轮） 辅助加工 清洗去毛刺 检验入 1、机床选定： 选用最常见的有 圆磨床和 面外圆磨床 2、夹紧方案： 利用螺母和两顶尖进行夹紧 3、刀 具： 外圆磨砂轮 4、切削用量的选择 ： 切削用量选择的顺序是先确定背吃刀量 确定进给量 f，最后确定切削速度 背吃刀量 选择尽量大的背吃刀量，尽量在一次走刀中，把本工序加工应切除的加工余量切除掉。在粗加工时，当加工余量过大或工艺系统刚性较差时，也可分两次走刀。在这一道工序中采用一次进刀： 2/3 3/4） A（ 2/3 3/4） 中 A 单边余量， 给量 f 定义：工件或刀具每转一周时，刀具与工件在进给运动方向上的相对位移量。 进给量的选择与背吃刀量也有关，在已选定背吃刀量为 - 6 - 有关手册，选择进给量为： r 切削速度 c D n 粗 /1000 式中 D 刀具直径 n 加工时的速度 查有关手册，取加工时的主轴转速为 400r/ 所以， D n 粗 /1000 400 /1000 r 1、机床选定： 常选用的机床有 轮磨床和 控凸轮磨床 2、夹紧方案： 专用夹具和机床两顶尖 3、刀 具： 凸轮磨专用砂轮 4、削用量的选择： 切削用量选择的顺序是先确定背吃刀量 确定进给量 f，最后确定切削速度 背吃刀量 选择尽量大的背吃刀量，尽量在一次走刀中，把本工序加工应切除的加工余量切除掉。在粗加工时，当加工余量过大或工艺系统刚性较差时，也可分两次走刀。 在这一道工序中采用一次进刀： 2/3 3/4） A（ 2/3 3/4） *（ 中 A 单边余量 给量 f 定义：工件或刀具每转一周时，刀具与工件在进给运动方向上的相对位移量。 切削速度 c D n 粗 /1000 式中 D 刀具直径 n 加工时的速度 查有关手册，取加工时的主轴转速为 3000r/ - 7 - 所以， D n 粗 /1000 3000 /1000 18651600mm/r 2. 存在的问题及解决措施 本课题主要研究的是凸轮轴零件的数控加工，主要难点就在于对凸轮轴的上的凸轮的定位进行加工，刀具的选择等。还有就是自己的数控模拟仿真技术软件的运用还不太熟练。 解决措施：认真下功夫进行软件的学习并进行多次的模拟实践，和老师进行沟通，自己查阅书籍对凸轮轴进行更深一步的了解，借鉴别人经验进行对自己的凸轮轴加工方案的修改。 3. 后期工作安排 （ 1） 9 成工艺规程方案设计以及其他的零件图绘制 （ 2） 13写毕业设计论文 （ 3） 15 周： 准备论文答辩 指导教师签字： 年 月 日 - 8 - 第 - 1 - 页 共 7 页 毕业设计 (论文 )开题报告 题目： 凸轮轴零件的数控加工工艺设计及数控编程 系 别 机电信息系 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 姓 名 学 号 导 师 2012 年 12 月 15 日 第 2 页 共 7 页 撰写内容要求（可加页，小四号宋体，行距 22 磅）： 毕业设计（论 文）综述（题目背景、研究意义及国内外相关研究情况） 凸轮轴是 活塞 发动机里的一个部件。它的作用是控制气门的开启和闭合动作。虽然在 四冲程发动机 里凸轮轴的转速是的一 曲轴 半（在 二冲程发动机 中凸轮轴的转速与曲轴相同），不过通常它的转速依然很高，而且需要承受很大的 扭矩 ，因此设计中对凸轮轴在强度和支撑方面的要求很高，其材质一般是特种铸铁，偶尔也有采用锻件的。由于气门运动规律关系到一台发动机的动力和运转特性，因此凸轮轴设计在发动机的设计过程中占据着十分重要的地位。 凸轮轴的主体是一根与汽缸组长度相同的圆柱形棒体。上面套有若干 个 凸轮 ，用于驱动气门。凸轮轴的一端是 轴承 支撑点，另一端与驱动轮相连接。 凸轮的侧面呈鸡蛋形。其设计的目的在于保证汽缸充分的进气和排气，具体来说就是在尽可能短的时间内完成气门的开、闭动作。另外考虑到发动机的耐久性和运转的平顺性，气门也不能因开闭动作中的加减速过程产生过多过大的冲击，否则就会造成气门的严重磨损、噪声增加或是其它严重后果。因此，凸轮和发动机的功率、 扭矩输出以及运转的平顺性有很直接的关系。 一般来说直列式发动机中，一个凸轮都对应一个气门， V 型发动机 或水平对置式发动机则是每两个气门共享一个凸轮。而 转子发动机 和无阀配气发动机由于其特殊的结构，并不需要凸轮。 凸轮轴是发动机的关键零件之一，凸轮轴桃尖部位的硬度和白口层深度是决定凸轮轴使用寿命和 发动机效率 的关键技术指标。在保证凸轮有足够高的硬度和相当深的白口层的前提下，还应考虑轴颈不出现较高的碳化物，使其具有较好的切削加工性能 。 目前，国内外生产凸轮轴的主要方法有：采用钢质锻造毛坯经切削加工后，凸轮桃尖部分经高频淬火形成马氏体层的工艺。 20 世纪 70 年代末， 德国 和法国相继开发了凸轮轴氩弧重熔新工艺；另有以美国为主的可淬硬铸铁凸轮轴；以日本和法国为主的冷硬铸 铁凸轮轴；以及凸轮部位用 金涂料进行铸件表面合金化的生产工艺等。 数控技术，简称数控（ 即采用数字控制的方法对某一工作过程实现自动控制的技术。它所控制的通常是位置、角度、速度等机械量和与机械能量流向有关的开关量。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。 随着制造业的发展，机床是制造业的主要生产设备其发展也是日新月异。社会的 第 3 页 共 7 页 进步，人们对各类产品的要求也越来越高，因此不能采用传统的刚性生产线进行生产，还须考虑到适应的柔性。一些小产品其复杂要求和 精度要求已经使通用机床难以胜任。在这样的情况下数控机床的出现满足了自动化程度高、柔性强、操作强度低，易于组成自动化生产系统的生产要求。 数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术和最基本的装备。世界各国信息产业、生物产业、航空、航天等国防工业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对市场的适应能力和竞争能力。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，不仅大力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。因此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。 现在，数控技术也叫计算机数控技术，目前它是采用计算机实现数字程序控制的技术。这种技术用计算机按事先存贮的控制程序来执行对设备的运动轨迹和外设的操作时序逻辑控制功能。由于采用计算机替代原先用硬件逻辑电路组成的数控装置，使输入操作指令的存贮、处理、运算、逻辑判断等各种控制机能的实现，均可通过计算机软件来完成，处理生成的微观指令传送给伺服驱动装置驱动电机或液压执行元件带动设备运行。 1. 本课题研究的主要内容和拟采用的研究方案、研究方法或措施 要完成好这次设计任务，我们必需做到以下几点： 阅读任务书，明确设计任务及要求；合理选择材料、刀具、夹具、加工路线。通过这次设计来巩固自己的专业理论知识，熟练掌握查阅资料的能力，提高自己的动手设计能力，为以后的工作打下坚定的基础。 本课题的设计 是综合运用机械制造基础、数控加工工艺、数控编程 与加工 、公差配合与测量技术、机械制图、 技术等课程的学习内容，进行的一个重要的实践应用环节。 通过设计，一方面能获得综合运用过去 所学的知识进行工艺分析的基本能力，另一方面，也是对数控加工过程进行的一次综合训练。 以下是主要思路和方法： 1) 分析工件图并绘出工件的二维图及三维图。 第 4 页 共 7 页 2) 制定工件加工路线：确定工件的等级要求、尺寸要求来选择刀具及夹具。 3) 利用仿真软件对工件进行加工，跟据所编程序选择合理的刀具等参数进行数控模拟加工。 4） 编写设计说明书。 2. 本课题研究的重点及难点，前期已开展工作 1) 确定所选毛胚时应正确计算零件的强度、刚度。 2) 根据零件的设计要求进行数控编程，编程时要选择好加工路线、刀具号、切削用量并 按照数控机床规定 的使用功能指令代码及程序段格式，逐段编写加工程序 ；由于编程时会出现太多的不确定因素，因此要根据加工情况合理进行编程 第 5 页 共 7 页 加工。 3) 零件数控加工工艺性分析 ； 据加工零件的设计图纸及相关技术文件，对零件的材料、毛坯种类、形状、尺寸、精度、表面质量以及热处理要求等进行综合分析。 4) 利用卡盘等夹紧工具对工件进行夹紧。 5) 根据工件的表面等要求合理选择基准面。 6）对工件进行数控加工时数控机床出现的一些故障应及时排除。 3. 完成本课题的工作方案及进度计划（按周次填写） 1 - 2 周 翻译 明确设计要求，查阅文献，手机相关资料，撰写 开题报告 3 - 4 周 零件的结构分析，零件的技术要求分析 5 - 6 周 进行工艺规程方案设计 7 - 8 周 填写工艺文件，完成中期答辩 9 - 10 周 夹具结构方案的设计 11 夹具总图设计 ,绘制夹具零件图 13 编写设计说明书 总体修改 4. 主要参考文献 陈金贵 技术 M机械工业出版社 ,2003. 路长厚 艾兴 J 虞至正 J车 ,2004(4). 汪学明 J 齐治昌 M国防工业出版社 ,2007. 5 指导教师意见（对课题的深度、广度及工作量的意见） 指导教师： 年 月 日 第 6 页 共 7 页 6 所在系审查意见： 系主管领导： 年 月 日 第 7 页 共 7 页 本科毕业设计 (论文 ) 题目： 凸轮轴零件的数控加工工艺设计及数控编程 系 别 机电信息系 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 姓 名 学 号 导 师 2013 年 5 月 I 凸轮轴零件的数控加工工艺设计及数 控编程 摘 要 这次毕业设计的目的就是要对轴类零件的数控磨削加工有所了解，凸轮轴是轴类零件中比较复杂的一种轴类。在磨削加工方面，凸轮轴也是比较难以加工的轴。本文则是从最开始的凸轮轴零件的工艺分析开始对凸轮轴进行全方位的分析关于材料的选择，毛坯的确定，热处理选择，基本尺寸以及表面粗糙度的确定都参考了大量的相关书籍进行定性定量的选择，中期的工序设定，以及关于加工步骤中的关于凸轮轴轴颈铣削的夹具设计，还有一些加工用量和加工余量的切削选择和计算，最后还运用了数控技术和仿真技术对凸轮轴零件最终在电脑上进行数控模拟和 仿真加工生成零件。 关键词 :凸轮轴 ； 工艺设计 ； 数控加工 AM of nc C is NC of is of a In is to to of of of of a of as as AM of of to nc on to 录 1 绪论 . 1 和 件的特点及主要功能 . 2 控技术的相关知识 . 2 轮轴设计背景 . 5 轮轴设计方法 . 5 轮轴设计的作用 . 5 轮轴设计的结果和意义 . 6 2 凸轮轴零件的工艺分析 . 7 轮轴零件特点 . 7 艺设计原则及凸轮轴加工工艺分析 . 8 结 . 9 3 凸轮轴工艺设计 . 10 艺设计 . 10 艺特点 . 11 轮轴 工艺分析 . 12 4 夹具的设计 . 14 具的设计 . 14 端面车削 . 20 轮轴颈磨削 . 21 本章小结 . 22 5 凸轮轴的数控磨削加工编程及仿真 . 23 控编程 . 23 真加工 . 26 6 设计总结与心得 . 31 致谢 . 32 参考文献 . 33 附录 . 33 1 绪论 1 1 绪论 凸轮轴是汽车发动机配气机构中 重要的零件，凸轮轴的结构设计与加工质量好坏，直接影响发动机的性能。 凸轮轴专司控制内燃机进气门和排气门开启和关闭的时间。就其功能而言，凸轮轴多少年来都没有什么改变。自从气门控制的内燃机问世以来，直至今天凸轮轴还是以曲轴转速之半运转。 但是，凸轮轴设计的发展从来都没有停止过 :在现代发动机中，凸轮轴的位置已经从下置式改成了上置式。上置式凸轮轴通过挺杆、圆柱齿轮、链条、摇臂或者辊子随动件驱动顶置式气门。此外，由于采用多气门的缘故，每一台内燃机凸轮轴的数量也增加了。还开发了各种各样可变气门定时的凸轮轴。同时，在材料 和制造工艺上也发生了改变。 近年来，又因环境保护的需要，正在开发低油耗、无污染的汽车发动机。为解决汽车尾气无污染排放问题，实现发动机的高转速、高输出功率，许多发动机采用多气门及配气相位、气门升程可变的结构，这就增加了气门弹簧的载荷。同时，为降低油耗及摩擦损耗，轮与摇臂间采用滚子结构，凸轮与滚子的接触面形成高压力区。 另外，为达到汽车轻型化、低成本的目的，在不影响各个零件性能要求的前提下，应该使零件尽可能简化加工、降低重量，材料使更趋合理。为实现上述目标，对发动机部件，尤其是凸轮轴的设计必须重新考虑，要求其结 构紧凑、质量小，能承受更高接触压力，更好的耐胶着、耐点蚀、耐磨损的能力。在配气机构中，对凸轮轴各个部位的性能要求是不同的。 对于凸轮，要求耐磨损、耐胶着、耐点蚀 ;对于轴颈要求滑动性能好；对于轴则要求刚性、弯曲、扭转性能好。传统的凸轮轴主要是铸造或锻造加工而成，各部位金属性能相同。 这种由单一金属组成的凸轮轴很难达到上述要求。因此，质量小、加工成本低、材料利用合理的装配式凸轮轴受到 了 业内人士的高度重视。 目前在汽车工业发达国家，装配式凸轮轴制造新技术已应用于生产中。而且，这一改变进程还没有到达发展的尽头，因为 采用电磁气门驱动系统的无凸轮轴内燃机离成批生产还需要时间。 凸轮轴是一种不断地加速和减速的旋转质量。这种加速和减速伴随着能量的消耗。减轻凸轮轴的质量可以对内燃机节能发挥积极影响。所以今天凸轮轴上的创新往往与减轻重量分不开。毕业设计（论文） 2 和 件的特点及主要功能 美国公司开发的软件，该软件能够完整的展现某一产品从设计，加工到生产样本的全部工作流程，让所有的用户同时进行某一产品的设计工作流程，让所有的用户同时进行统一产品的设计工作。 它是一款全方位的产品 开发软件，集合了众多的功能。因此，自 1988 年问世以来，及引起 算机辅助软件） /算机辅助教育） /算机辅助制造）界的极大震动。 美国 和司开发的 体化软件。它是集二维绘图，三维实体，曲面设计，体素拼合，数控编程，刀具路径模拟及真实感模拟等功能于一身，对系统运行环境要求较低，使用户无论是在造型设计， 床， 床，或 切割等加工操作中，都能获得最佳效果。 而且 于 台，支 持中文环境，价位适中，对于广大的中小企业来说是最理想的选择。 控技术的相关知识 数控机床是采用数字化的信号进行对工件的自动生产制造的一种高效自动化设备。 它最早出现于二十世纪四十年代初期的美国的一个小公司，在制造飞机框架和直升机叶片时，利用全数字电子计算机对叶片轮廓的加工路径精确地控制，直到 1952 年出现了世界第一台数控机床 直线插补连续控制的三坐标立式铣床。 数控铣床主要用于加工平面和曲面轮廓的零件，还可以加工复杂型面的零件，如凸轮、样板、模具、螺旋槽等。同时也可以对零件进行钻、扩、铰 、锪和镗孔加工。它有适应性强、灵活性好，加工精度高、加工质量稳定可靠，生产自动化程序高，生产效率高等等特点。 在利用数控机床进行生产制造前，我们必须先了解数控系统的功能及规格，因为不同的数控系统在编写数控加工程序时，在格式及指令上是不完全相同的，而且不同的机床也有不同的操作面板。我们必须对使用的铣床操作熟练，对程软件的熟练使用。 毕业设计（论文） 3 接着我们首先要认真分析零件图，熟悉零件的加工工艺。选择合要求、高效率的加工工艺；对其每个不同的加工选择合理的刀具、夹具及切削用量、切削液。并 程软件设置好各参 数，编好工件程序后， 拟定数控铣削加工工序卡片 ， 根据加工工序步骤，将对应步骤的加工程序 输入到数控仿真铣床对零件进行仿真加工，并确定无错误便可到铣床车间将工件加工出来。 数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生的一些重要行业（ 车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。 从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，其主要研究热点有以下几个方面： 1高速、高精加 工技术及装备的新趋势 2五轴联动加工和复合加工机床快速发展 3智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势 数控技术和数控装备是制造工业现代化的重要基础。这个基础是否牢固直接影响到一个国家的经济发展和综合国力，关系到一个国家的战略地位。因此，世界上各工业发达国家均采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业。 在我国，数控技术与装备的发展亦得到了高度重视，近年来取得了相当大的进步。特别是在通用微机数控领域，以 台为基础的国产数控系统，已经走在了世界前列。 但是，我国在数控技术研究和产业 发展方面亦存在不少问题，特别是在技术创新能力、商品化进程、市场占有率等方面情况尤为突出。 在新世纪到来时，如何有效解决这些问题，使我国数控领域沿着可持续发展的道路，从整体上全面迈入世界先进行列，使我们在国际竞争中有举足轻重的地位，将是数控研究开发部门和生产厂家所面临的重要任务。 在普通机床上加工零件时，首先应由工艺人员对零件进行工艺分析，制定零件加工的工艺规程，包括机床、刀具、定位夹紧方法及切削用量等工艺参数。同样，在数控机床上加工零件时，也必需对零件进行工艺分析，制定工艺规程，同时要将工艺参数、几何图形数 据等，按规定的信息格式记录在控制介质上，将此控制介质上的信息输入到数控机床的数控装置，由数控装置控制机床完成零件的全部加工。 我们将从零件图样到制作数控机床的控制介质并校核的全部过程称为数控加工的程序编制，简称数控编程。数控编程是数控加工的重要步骤。 理想的加工程序不仅应保证加工出符合图样要求的合格零件，同时应能使毕业设计（论文） 4 数控机床的功能得到合理的利用与充分的发挥，以使数控机床能安全可靠及高效地工作。 一般来讲，数控编程过程的主要内容包括：分析零件图样、工艺处理、数值计算、编写加工程序单、制作控制介质、程序校 验和首件试加工。 数控机床与加工， 数控机床是按照事先编制好的数控程序自动地对工件进行加工的高效自动化设备。数控加工就是将加工数据和工艺参数输入到机床，机床的控制系统对输入信息进行运算与控制，并不断地向直接指挥机床运动的电动机功能部件 机床的伺服机构发送脉冲信号，伺服机构对脉冲信号进行转换与放大处理，然后由传动机构驱动数控机床，从而加工零件。所以数控加工的关键是加工数据和工艺参数的获取，即数控编程。 数控编程， 数控程序的编制是指从分析零件图样开始到获得正确的程序载体为止的全过程。 在数控机床上加工零 件时，首先要分析零件图样的要求、确定合理的加工路线及工艺参数、计算刀具中心运动轨迹及其位置数据；然后把全部工艺过程以及其他辅助功能 (主轴的正转与反转、切削液的开与关、变速、换刀等 )按运动顺序，用规定的指令代码及程序格式编制成数控加工程序，经过调试后记录在控制介质 (或称程序载体 )上，最后输人到数控机床的数控装置中，以此控制数控机床完成工件的全部加工过程。 序中的每一指定皆有一定的固定格式，使用不同的控制器其格式亦不同，故必须依据该控制器的指令格式书写指令，若其格式有错误，则程序将不被执行而出现警示讯息 。 件是将加工零件以图形形式输人计算机，由计算机自动进行数值计算、前置处理，在屏幕上形成加工轨迹，及时修改，再通过后置处理形成加工程序输人数控机床进行加工。自动编程的出现使得一些计算繁琐、手工编程困难、或手工无法编出的程序都能够实现。 然而本设计的零件铣床加工主要是用 件 行零件的画图和程序的编制。然后通过软件后处理出机床能识别的 码进行直接加工。 在自动编程过程中，加工工艺决策是加工能否顺利完成的基础，必须依据零件的形状特点、工件的材料、加工的精度要求、表面粗糙度 要求，选择最佳的加工方法、合理划分加工阶段、选择适宜的加工刀具、确定最优的切削用量、确定合理的毛坯尺寸与形状、确定合理的走刀路线，最终达到满足加工要求、减少加工时间、降低加工费用的目的。 数控仿真加工， 数控加工仿真软件包括数控车床、数控铣床、加工中心等毕业设计（论文） 5 虚拟制造系统同步仿真操作功能；还能对加工的工件进行精确测量、智能测量等等的仿真操作。我们可以通过仿真软件对零件进行模拟加工，从而达到熟练各种数控机床的操作面板，而且通过仿真软件还能对加工程序的校正和加工工艺的优化，最终达到简化程序，减少加工错误，提高加工效率。 轮轴设计 背景 这次毕业设计的目的就是要对轴类零件的半成品以后的磨削加工有所了解，也是为了巩固所学的关于磨削加工的理论知识 ,培养分析和解决问题的能力 ,提高自己的数控加工软件的设计应用能力 ， 让我们综合运用我们所学的机械设计基础、数控编程、机械制图、 术、机械制造工艺等知识，来完成凸轮轴零件的三维造型设计、凸轮轴零件工艺规程文件编制、相关数控程序编制和相关夹具的设计。 轮轴设计方法 常规设计方法 常规的设计方法就是传统的设计方法。 他们是根据力学和数学建立的理论公式和经验公式，运用图表 和手册等技术资料，以实践经验为基础，进行设计计算、绘图和编写设计说明书，利用普通凸轮磨机床进行加工。 创新设计方法 现代设计方法强调是以计算机为工具，以工程软件为基础，运用现代设计理念，进行机械产品的设计。 如凸轮轴设计就是运用 助制图，这样就可以优化设计，就可以提高其生产效率，降低原材料的浪费率。 轮轴设计的作用 凸轮轴是在综合运用机械制图、机械制造原理、机械制造工艺、机械加工、数控编程等多门课程的总结。通过这一环境的训练，使我不但更加深入了解毕业设计的基本理论、基本知识、而且学会使用这些理 论、基本知识去了解解决工程中的问题。 凸轮轴是活塞发动机里的一个部件。凸轮轴的作用是控制气门的开启和闭合动作。凸轮轴的主体是一根与汽缸组长度相同的圆柱形棒体。上面套有若干个凸轮，用于驱动气门。凸轮轴的一端是轴承支撑 点，另一端与驱动轮相连接。凸轮的侧面呈鸡蛋形。目的就是在尽可能短的时间内完成气门的毕业设计（论文） 6 开、闭动作，保证汽缸充分的进气和排气。 轮轴设计的结果和意义 凸轮轴设计的结果 这次设计运用计算机辅助制图软件，优化设计。在提高生产效率、提高产品质量的前提下，寻求最好的工艺方案，以至于减少砂轮的磨损。这些将在 工艺和编程上得到体现。 凸轮轴设计的意义 凸轮轴是一个精密零件，也是轴类零件中比较复杂的一种曲轴。它的磨削要求也比较严格，每一个凸轮的角度都要控制在公差范围内。但是还有一些复杂的问题没有得到改善，在工艺规程设计方面也欠佳，编程方面也不是很完好以及其他地方还存在很大的问题。 2 凸轮轴零件的工艺分析 7 2 凸轮轴零件的工艺分析 轮轴零件特点 凸轮轴生产线承担每台发动机凸轮轴的机加工，每台发动机上使用一根凸轮轴。 材料： 20主轴颈及端面的硬度 40，凸轮 轮轴的三维 图和简图 图 轮轴三维图 图 轮轴二维图 动机凸轮轴主要加工内容和精度要求 a. 支承轴径 前轴径前端 端 面粗糙度 文） 8 中间轴径 面粗糙度 轴径 面粗糙度 b. 凸轮 图 轮形状示意图 图中 O 点位凸轮旋转中心。 以 O 点位中心的圆弧。 6 个凸轮基圆尺寸为 面粗糙度 各凸轮基圆相对与前后轴颈的基准 轴线的径向跳动允差 凸轮基圆相对与前后轴颈的基准轴线的平行度允差 凸轮对称中心线相对于键槽的相对位置偏差（相位角） 20 凸轮型线误差作用段 轮型线误差作用段 缸凸轮轴对键槽位置 1123220 c. 键槽 宽 称度 艺设计原则及凸轮轴加工工艺分析 (1)保证工艺具有合理的先进性，再保证节拍的基础上，吸收先进技术提高产品的竞争力。 (2)对于关键设备和技术，优先考虑国内外可靠厂家的先进设备。 (3)保证先进性与经济性相结合，再保证产品质量的前提下，降低成本 (4)充分考虑各生产缓解的安全性和操作的方便性。 (5)在投资允许的情况下，尽量考虑柔性生产。 由于凸轮轴具有细长且形状复杂的结构特点，技术要求又高，尤其是凸轮毕业设计（论文） 9 的加工，因此其加工工艺性较差。在凸轮轴的加工过程中，有两个主要因素影响其加工精度。其一是易变形性，其二是加工难度大。 变形特性 从细长轴的角度来说，突出的问题就是工件本身的刚度低，切削加工时会产生较大的受力变形，其表面残余应力也会引起变形。尤其是在加工凸轮和齿轮时，这种变 形会更为显著。 凸轮轴在加工过程中的变形，不仅影响到后续工序加工中的余量分配是否均匀，而且变形过大会导致后序加工无法进行，甚至造成中途报废。凸轮轴加工后的变形，将直接影响到装配后凸轮轴的使用性能 2。 因此，在安排其工艺过程时，必须针对工件易变形这一特点采取必要的措施。不仅要把各主要表面的粗精加工工序分开，以使粗加工时产生的变形在精加工中得到修整，半精加工中产生的变形在精加工中得到修正，还必须在加工过程中增设辅助支承以采取分段加工等措施，这是保证凸轮轴加工精度所必须解决的问题。 工难度大 从形状复杂的角度来说，突出的问题凸轮、齿轮这些复杂表面的加工。 对于这些表面，不仅有尺寸精度要求，还有形状、位置精度要求，如采用普通的加工设备和一般表面常规加工方法，显然是根本无法保证其加工质量和精度的。 例如对于凸轮的加工，从满足使用要求的角度来说，既要求其相位角准确又要求凸轮曲线升程满足气门开启和关闭时升降过程的运动规律，但注意到凸轮曲线上的各点相对其回转中心的半径是变化的，当选用一般的靠模机床加工时，由于加工半径的变化，势必引起切削速度和切削力的变化，加之工件旋转时的惯性力和靠模弹簧张力的瞬间变化 ，将会使加工后的凸轮曲线产生形状误差，即曲线的升程误差，从而直接影响凸轮轴的使用性能。 结 综上所述，虽然各种方案都各有优点，但其技术的不成熟或者成本问题，都成为在国内实施的困难。考虑到成本及大批量生产，选择成熟技术和成熟的设备，使工艺方案符合经济性与合理性原则。 3 凸轮轴工艺设计 10 3 凸轮轴工艺 设计 艺设计 位基准的选择 对于一般的轴类零件来说，其轴线即为它的设计基准。发动机凸轮轴遵循这一设计基准，由于凸轮轴各表面的加工难以在一次装夹中完成，因此，减小工件在多次装夹中的定位误差，就成为保证 凸轮轴加工精度的关键。本文采用两顶尖孔作为轴类零件的定位基准，这不仅避免了工件在多次装夹中因定位基准的转换而引起的定位误差，也可作为后续工序的定位基准，即符合 “基准统一 ”原则。 这种方法不仅使工件的装夹方便、可靠。简化了工艺规程的制定工作，使各工序所使用的夹具结构相同或相近，从而减少了设计、制造夹具的时间和费用，而且有可能在一次装夹中加工出更多表面。这对于大量生产来说，不仅便于采用高效专用机床和设备以提高生产效率，而且也使得所加工的各表面之间具有较高的相互位置精度。 工阶段的划分与工序顺序的安排 a. 加工阶段的划分 由于凸轮轴的加工精度较高，整个加工不可能在一个工序内全不完成。为了利于逐步地达到加工要求，所以把整个工艺过程划分为三个阶段，以完成各个不同加工阶段的目的和任务。 发动机凸轮轴的加工的三个阶段 3： (1) 粗加工阶段包括车各支承轴颈、齿轮外圆轴颈和粗磨凸轮。该阶段要求机床刚性好，切削用量选择尽可能大，以便以提高生产率切除大部分加工余量。 (2) 半精加工是精车各支承轴颈和精磨齿轮外圆轴颈。该阶段主要为支承轴颈齿轮的加工做准备。(3) 精加工包括精磨各支承轴颈、止推面和凸轮以及斜齿 轮加工。该阶段加工余量和切削量小，加工精度高。 工艺编排：首先以 毛坯面为定位基准，然后以大端外圆的端面作轴向定位，具体每序的定位基准和夹紧位置，见表 3动机凸轮轴生产工艺毕业设计（论文） 11 简介。 b. 工序顺序的安排 加工顺序的安排与零件的质量要求有关，工序安排是否合理，对于凸轮轴加工质量、生产率和经济性都有很大影响。对于各支承轴颈是按粗车 精车精磨加工的，对于是按凸轮粗磨 精磨加工的，对于斜齿轮是按粗车 精车 精磨 滚齿加工的。各表面的加工顺序按从粗到精、且主要表面与次要表面的加工工序相互交叉 进行，从整体上说，符合 “先粗后精 ”的加工原则。 轮形面的加工 在凸轮轴的加工中，最重要同时难度最大的是凸轮形面的加工。该形面的加工方法目前主要有车削和磨削两种。 凸轮形面的粗加工目前在国内主要是凸轮轴车床车削加工，也有采用铣削加工和磨削加工的。如采用双靠模凸轮轴磨床，机床有两套靠模，当砂轮直径在一定范围内时，使用第一个靠模来工作。当砂轮磨损到一定程度时，靠模自动转换，使用第二个靠模来工作 4。该磨床通过对砂轮直径的控制来提高凸轮外形的精度，不仅提高了凸轮形面的加工精度，也使砂轮的利用更经济、合 理。 发动机凸轮轴毛坯采用精铸的方法制造，毛坯精度较高，切削量小，故采用磨削的加工工艺，简化了凸轮形面的加工。 凸轮形面的加工采用磨削的方法，在凸轮磨床上完成粗磨及精磨的加工。工件安装在两顶尖之间并以键槽做轴向定位，在支承轴颈处安装辅助支承保证凸轮形面的加工精度。 发动机凸轮轴形面的加工所采用的凸轮轴磨床是立方氮化硼磨床，该磨床能迅速地变换磨削的凸轮形状，超过一般仿珩磨的生产率。机床具有较大的刚度，能承受大的工作负荷。由于立方氮化硼（ 轮的使用寿命高，因此，砂轮的直径变化所造成的凸轮形状误差显著减小 ，也大大提高了凸轮形面的磨削精度。 艺特点 发动机凸轮轴工艺特点： a. 毛坯硬度高 （冷激区 非冷激区 02） b. 生产节拍 钟 c. 轮轴数控车床用于支撑轴颈的粗加工 凸轮部分在铸造时冷激，不需加工后淬火 d. 凸轮采用粗、精磨加工，以磨代车，凸轮轮廓直接磨削 e. 凸轮精加工采用全数控无靠磨磨削 毕业设计（论文） 12 f. 加工中主要定位基准中心孔采用打孔后修磨，保证加工质量 轮轴工艺分 析 产纲领 生产类型 生产纲领的大小对生产组织和零件加工工艺过程起着重要的作用，它决定了各工序所需专业化和自动化的程度，以及所应选用的工艺方法和工艺装备。 零件生产纲领可按下式计算： N=+a%+b%) 由此公式可以算的凸轮轴的年生产量为 5000 件，根据生产纲领和生产类型的关系可以确定其生产类型是大批量生产。 表 1 生产纲领与生产类型的关系 料选择 凸轮轴材料的选择：由于轴的载荷通常是变载荷，或变应力，故材料应具有较好的强度和韧性；对轴的表面与支承有相对滑动的轴，还须要求较好的耐磨性。 材料 ： 常用材料与热处理：凸轮轴常用材料是 2020热处理及主要机构性能（参考）如表 2 表 2 20要机构性能 材料牌号 热处理 毛坯直径 度拉强度极限 b (弯曲疲劳极限扭转疲劳极限服极限s/0碳淬火 回火 15 30 60 表面0 850 650 650 550 400 400 375 280 280 215 160 160 处理分析： 生产类型 零件的年生产纲领（件） 重型零件 中型零件 轻型零件 单件生产 小批生产 中批生产 大批生产 大 量生产 5 5 100 100 300 300 1000 1000 10 10 200 200 500 500 5000 5000 100 100 500 500 5000 500 50000 50000 毕业设计（论文） 13 轴类零件的热处理是保证轴类零件性能的重要工艺过程，它对轴类零件的如下性能有着直接的影响 6： a. 轴类零件的制造精度：组织转变不均匀、不彻底及 热处理后形成的残余应力过大轴在热处理后的加工、装配和使用过程中的变形，从而降低轴的精度，甚至报废。 b. 轴类零件的强度：热处理工艺制定不当、热处理操作不规范或热处理设备状态不完好，造成被处理轴的强度（硬度）达不到设计要求。 c. 轴的工作寿命：热处理造成的组织结构不合理、晶粒度超标等，导致主要性能如轴的韧性、抗磨损性能等下降，影响轴的工作寿命。 d. 轴的制造成本：作为轴制造过程的中间环节或最终工序，热处理造成的开裂、变形超差及性能超差，大多数情况下会使轴报废，即使通过修补可以使用，也会增加工时， 从而增加了轴的成本。 凸轮轴材料是 20强度和韧性要求比较高，而表面易磨损需渗碳。渗碳的目的就是增加轴的耐磨性能、表面硬度、抗拉强度及疲劳极限。渗碳以后首先要进行淬火，用来提高其硬度和强度极限。但淬火时会引起内应力使之变脆，所以淬火以后必须要回火，回火的目的就是用来消除淬火后的脆性和内应力，提高其塑性和冲击韧度。 但是对于凸轮轴来说，半成品热处理以前还有一道重要的工序，就是要对第一和第二个凸轮之间的外圆；第五和第六个凸轮之间的外圆用两顶的装加方式进行粗磨。这样做是因为轴类零件热处理以后会产生变形，既保 证其同轴度。以便在热处理以后以这两个外圆为基准进行校核。 4 夹具的设计 14 4 夹具的设计 具的设计 磨床夹具按其通用化的程度和结构特点，可以分为通用夹具、专用夹具、组合夹具和成组可调夹具等等。凸轮轴加工时采用的是传动夹头，属于组合夹具类型。 组合夹具是在夹具零部件标准化的基础上发展起来的一种新型工艺装备。它是由一套预先制造好的标准元件组装而成的。这些元件有各种不同的形状、不同规格的尺寸，它们相互配合部分的尺寸精度高、硬度高、耐磨性好，且具有完全的互换性。根据加工工艺的要求，可通过选择和使用标准元件和组合元件， 很快装配出机械加工、检验、装配等所需的夹具来。使用完毕，可方便地拆卸、清洗、存放、留待以后再使用。 组合夹具的特点： 1、灵活多变； 2、保证加工质量、提高生产效率； 3、节省人力和物力； 4、减少夹具存放面积。 组合夹具的元件按其用途不同可以分为八大类，即：基础元件、支承元件、定位元件、导向元件、压紧元件、紧固元件、辅助元件及合件。其中，紧固元件包括各种螺栓、螺钉、螺母和垫圈等，这些紧固元件均为常用的标准件。 本次夹具设计主要是应用于对凸轮轴的凸轮轴颈进行加工。由于凸轮轴在工作中需要很高的转速承受很大的 转矩， 因此 对凸轮轴轴颈的强度和可靠支撑方面的要求很高。而轴颈的同轴度需要也很高。由于进行大批量生产同一种凸轮轴所以设计一套专用的夹具。 凸轮轴的材料为 20由于凸轮轴颈的位置应该运用铣磨加工比较好。 该零件在数控磨铣加工前，工件是一个经过加工半圆槽的凸轮轴材料，凸轮轴上的半圆槽可以进行定位装夹，无需进行另做工艺孔进行定位。 凸轮轴的组成几何元素之间关系清楚，条件充分，编程时，所需基点坐标很容易求得。凸轮轴颈的的外轮廓面只要与加工刀具只有有垂直度的要求，只要提高装夹精度，使凸轮轴颈与铣刀轴线垂直， 加工凸 轮轴颈的同轴度即可保证。 在设计夹具体的时候传动板上的锥度孔要达到一定的高度才能在装夹时保毕业设计（论文） 15 证凸轮轴磨铣的同轴度，因此传动板的高度，中心孔的位置要自己设计，最后的夹具体 ， 如图 示。 图 夹具图 传动夹头由非标准件手柄、定位销、定位板、弹簧、螺母、压盖、定位螺钉、传动板和标准件圆柱销、螺钉组合而成。 毕业设计（论文） 16 图 动板 传动板是整个夹具的夹具体，也是夹具的关键部位 如图 示 ，它上面有一个锥度孔，用来装夹凸轮轴的锥形端面。 锥度孔和锥度面有自锁，在磨削时对凸轮轴进行夹紧，限制其自由度。 图 位板 定位板是通过定位螺杆固定在传动板上，它的作用是用来放置定位销 (示。 毕业设计（论文） 17 图 柄 手柄是用来装定位销的，以便于定位销在使用时方便。 (如图 示 图 位销 定位销是在加工时对凸轮轴进行定位，装夹时定位销应放在凸轮轴装夹端的键槽内，限制凸轮轴的转动和移动的自由度。 (如图 示 。 (如图 示 为夹具图的装配 三维图和夹具图的分解三维图 。 毕业设计（论文） 18 图 具三维装配图 图 具三维分解图 毕业设计（论文） 19 西安工业大学大学北方信息工程学院 机械加工工艺过程卡片 产品型号 零件图号 产品名称 凸轮轴 零件名称 凸轮轴 共页 第页 材料牌号 45 钢 毛坯种类 铸件 毛坯外形尺寸 每毛坯可制件数 1 每台件数 备注 工序号 工序名 称 工序内容 工段 设备 工艺装备 工时 准终 单件 1 铣端面打中心孔 铣端面打中心孔 钻铣组合机 2 校直 压床 3 粗车轴颈外圆 车支承轴颈外圆等 凸轮轴轴颈车床 4 钻孔 钻 7 孔 钻床 5 校直 校直 压床 6 磨轴颈外圆 磨轴颈外圆 外圆磨床 7 车侧面 车凸轮侧面和连接轴颈等 凸轮轴车床 8 校直 校直 压床 9 磨螺纹外圆 磨螺纹轴颈外圆等 外圆端面磨床 10 磨轴颈 磨五个支承轴颈外圆 外圆磨床 11 铣键槽 铣键槽 键槽铣床 12 粗磨凸轮 磨凸轮 凸轮磨床 13 铣螺纹 铣螺纹 螺纹铣床 14 去毛刺 去螺纹两端毛刺 去毛刺机 15 清洗 清洗 清洗机 16 检查 中间检查 17 淬火 支承轴颈、螺纹表面淬火 18 淬火 凸轮、偏心轮淬火 19 修中心孔 修中心孔 立式钻床 20 校直 校直 压床 毕业设计（论文） 20 21 半精磨凸轮 磨凸轮 凸轮磨床 22 校直 校直 压床 23 精磨端面止推面 精磨端面和止推面 端面外圆磨床 24
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