轴类零件工艺设计、程序编制与零件加工

毕业设计设计题目轴类零件工艺设计、程序编制与零件加工专业数控技术姓名_指导教师重庆航天职业技术学院机电信息工程系数控技术专业毕业设计任务书设计题目轴类零件工艺设计、程序编制与零件加工1、内容包括零件二维、三维图、工艺分析、工艺方案拟定、工艺规程设计、数控程序编制（坐标点位计算、刀具夹具、量具及切削用量选择）、零件仿真加工（加工过程、加工结果、仿真效果图）、零件加工过程中出现的问题及预防措施等。2、学生交出全部设计的期限2013年4月20日3、设计的原始数据零件图零件图年产量10000件废品率15备品率1生产条件工种齐全，设备完好工作制单班制（每天8小时）数控机床和数控系统根据现有条件和自己能力选择4、计算及说明部分的内容（设计应包括的项目）摘要及目录零件结构特点及工艺特点分析讨论综合确定最佳工艺方案主要工艺环节技术讨论毛坯、加工余量、工艺装备、加工要求、产量计算及确定编写数控加工工艺文件，按表格填写工艺文件（刀具卡、夹具、量具、工装卡片、切削参数），填写工序卡片，单独装订用CAD/CAM软件（上海宇龙仿真软件）进行仿真加工，自动生成数控程序，完成工艺文件的编写。参考资料编写完整的设计说明书一份，字数800010000字5、绘图部分的内容（明确说明必绘之图）零件图各1张（A4）。毛坯图各1张（A4）。装配图1张（A3或A1）。三维零件图各1张。三维装配图1张。工序卡片若干张、坐标点位图、坐标系建立图、零件装夹图等。6、发出日期2013年3月10日设计指导教师完成任务日期2013年4月20日学生签名目录1绪论511数控加工技术的概论6111数控技术62数控加工工艺621数控加工工艺内容的选择6211选择适合数控加工的零件722数控加工工艺的主要内容823轴类零件加工工艺分析83具体零件加工831零件图工艺分析832确定工件的定位与装夹方案1333确定走刀顺序及走刀路线1434加工工艺分析1535切削用量的选择1636数控加工工艺文件的填写164数控加工程序1841加工坐标系设置三维实体图1842手工编程215输入零件加工程序226三维实体图24致谢25参考文献26前言数控加工是机械制造中的先进的加工技术是一种高效率，高精度与高柔性特点的自动加工方法，数控加工技术可有效解决复杂、精密、小批多变零件的加工问题，充分适应了现代化生产的需要，制造自动化是先进制造技术的重要组成部分，其核心技术是数控技术，数控技术是综合计算机、自动技术、自动检测及精密机械等高新技术的产物，它的出现及所带来的巨大利益，已引起了世界各国技术与工业界的普遍重视，目前，国内数控机床使用越来越普及，如何提高数控加工技术水平已成为当务之急，随着数控加工的日益普及，越来越多的数控机床用户感到，数控加工工艺掌握的水平是制约手工编程与CAD/CAM集成化自动编程质量的关键因素。数控加工工艺是数控编程与操作的基础，合理的工艺是保证数控加工质量发挥数控机床的前提条件，从数控加工的实用角度出发，以数控加工的实际生产为基础，以掌握数控加工工艺为目标，在介绍数控加工切削基础，数控机床刀具的选用，数控加工的定位与装夹以及数控加工工艺基础等基本知识的基础上，分析了数控车削的加工工艺。关键词刀具的确定、走刀路线的选择、刀具的对刀点、工件的定位1绪论11数控加工技术的概论111数控技术数控技术是本世纪中期发展起来的机床控制技术，是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术。数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品，即所谓的数字化装备。这里先介绍“数控”，“数控机床”,“数控系统”等基本概念。（1）数控与数控车床数控是数字控制的简称，简称NC。数控是指用数字、文字和符号组成的数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制的技术。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。1908年，穿孔的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，香农在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，推动了自动化的发展。现在，数控技术也叫计算机数控技术数控机床技术密集度及自动化程度很高的机电一体化加工设备。简单地说就是采用了数控技术的机床，或者说是装备了数控系统的机床。国际定义为数控机床是一种有程序控制的机床。该系统能逻辑地处理具有特定代码和其他的符号编码指令规定的程序。（2）数控系统数控系统是数字控制系统简称，早期是由硬件电路构成的称为硬件数控，1970年代以后，硬件电路元件逐步由专用的计算机代替称为计算机数控系统。（3）计算机控制系统计算机数控系统是用计算机控制加工功能，实现数值控制的系统。CNC系统根据计算机存储器中存储的控制程序，执行部分或全部数值控制功能，并配有接口电路和伺服驱动装置的专用计算机系统。（4）数控加工数控加工是根据零件图样及工艺要求等原始条件编制零件数控加工程序，输入数控系统，控制数控机床中刀具与工件的相对运动，从而完成零件加工。（5）数控程序数控程序或零件是输入数控系统中的，使数控机床执行一个确定加工任务的具有特定代码和编程的一系列指令。（6）数控编程数控编程是指生成用数控机床进行零件加工的数控程序的过程。2数控加工工艺21数控加工工艺内容的选择211选择适合数控加工的零件虽然数控机床具有高精度，高柔性，高效率等优点。但不是所有的零件都适合数控机床加工的。一般可分为三类（1）最适合类1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；2具有复杂曲线或曲面轮廓的零件；3具有难测量，难控制进给，尺寸行腔的壳体或盒型零件；4必须在一次装夹中完成镗，绞或攻丝等多道工序的加工零件；（2）较适合类1零件价值高，在普通机床上加工容易受人工因素干扰而影响质量，从而造成较大经济损失的零件；2在通用机床上加工时必须制造复杂专用工装的零件；3在通用机床上需要做长时间调整的零件；4需要多次更改设计才能定型的零件；（3）不适合类1生产大批量的零件；2装夹困难的零件；3加工余量不稳定，而且数控机床上无法在线检测系统可自动调整零件坐标位置的零件；4必须用特定的加工工艺装备协调加工的零件；22数控加工工艺的主要内容1选择适合在数控上加工的零件，确定工序内容。2分析加工零件的图纸，明确加工内容及技术要求，确定加工方案，制定数控加工路线，如工序的划分、加工顺序的安排、非数控加工工序的衔接等。设计数控加工工序，如工序的划分、刀具的选择、夹具的定位与安装、切削用量的确定、走刀路线的确定等等。3调整数控加工工序的程序。如对刀点、换刀点的选择、刀具的补偿。4分配数控加工中的容差。5处理数控机床上部分工艺指令。23轴类零件加工工艺分析（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IT6IT8，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50MM，材料45钢，在锯床上按90MM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。3具体零件加工31零件图工艺分析31轴类零件图（1）零件图见图31中心轴类零件图（2）结构性分析通过读图31，典型轴零件加工内容包括外圆、圆弧、切槽、倒角等。零件尺寸及标注完整。（3）尺寸分析该零件图尺寸完整，主要尺寸分析该零件表面由圆柱、顺圆弧、逆圆弧、圆锥、槽等表面组成。尺寸标注完整，选用毛坯为45钢，50MM90MM，无热处理和硬度要求。未标注的尺寸按公差等级IT12，按照“孔正轴负，其余中间值”的原则，确定不同尺寸的公差值。各尺寸公差如下圆弧尺寸2025长度尺寸7001MM、1101MM宽度尺寸4802102102138021倒角C1C2对于有公差的尺寸，取极限尺寸的平均值作为编辑尺寸，即2下偏差上偏差基本尺寸编程尺寸（4）表面粗糙度分析图31中，表面粗超度有较高的要求，要求加工面的粗糙度值为RA16M，其余RA32M。（5）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。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。（6）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。如图31所示是轴类零件便面由柱面，圆锥面，顺圆弧，逆圆弧构成，其中多个直径尺寸由较高的精度，表面粗糙，大部分的尺寸均达到IT8IT7级精度。零件图尺寸编注完整，符合数控加工尺寸标注要求，轮廓描述清楚完整，零件材料为45钢，毛胚为直径50X90，如图32。32毛坯图刀具选择1粗车及平端面选用90硬质合金刀，为防止副后刀面与工件轮廓干涉，副偏角不宜太小，选KR60。如图332精车刀选用硬质合金90硬质合金刀，刀尖圆弧半径应小于轮廓最小圆角半径，取RE01502MM。如图33（3）切槽和切断选用切断刀。如图34（4）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，KR90度,KR60度E30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3390度外圆车刀34左偏切断刀数控刀具的选择和切削用量的确定是数控加工工艺中的重要内容，它不仅影响数控机床的加工效率，而且直接影响加工质量。刀具的选择是在数控编程的人机交互状态下进行的。应根据机床的加工能力、工件材料的性能、加工工序、切削用量以及其它相关因素正确选用刀具及刀柄。刀具选择总的原则是安装调整方便、刚性好、耐用度和精度高。在满足加工要求的前提下，尽量选择较短的刀柄，以提高刀具加工的刚性。选取刀具时，要使刀具的尺寸与被加工工件的表面尺寸相适应。生产中，平面零件周边轮廓的加工，常采用立铣刀；铣削平面时，应选硬质合金刀片铣刀；加工凸台、凹槽时，选高速钢立铣刀；加工毛坯表面或粗加工孔时，可选取镶硬质合金刀片的玉米铣刀；对一些立体型面和变斜角轮廓外形的加工，常采用球头铣刀、环形铣刀、锥形铣刀和盘形铣刀。在进行自由曲面模具加工时，由于球头刀具的端部切削速度为零，因此，为保证加工精度，切削行距一般采用顶端密距，故球头常用于曲面的精加工。而平头刀具在表面加工质量和切削效率方面都优于球头刀，因此，只要在保证不过切的前提下，无论是曲面的粗加工还是精加工，都应优先选择平头刀。另外，刀具的耐用度和精度与刀具价格关系极大，必须引起注意的是，在大多数情况下，选择好的刀具虽然增加了刀具成本，但由此带来的加工质量和加工效率的提高，则可以使整个加工成本大大降低。在加工中心上，各种刀具分别装在刀库上，按程序规定随时进行选刀和换刀动作。因此必须采用标准刀柄，以便使钻、镗、扩、铣削等工序用的标准刀具迅速、准确地装到机床主轴或刀库上去。编程人员应了解机床上所用刀柄的结构尺寸、调整方法以及调整范围，以便在编程时确定刀具的径向和轴向尺寸。目前我国的加工中心采用TSG工具系统，其刀柄有直柄（3种规格）和锥柄（4种规格）2种，共包括16种不同用途的刀柄。在经济型数控机床的加工过程中，由于刀具的刃磨、测量和更换多为人工手动进行，占用辅助时间较长，因此，必须合理安排刀具的排列顺序。一般应遵循以下原则尽量减少刀具数量；一把刀具装夹后，应完成其所能进行的所有加工步骤；粗精加工的刀具应分开使用，即使是相同尺寸规格的刀具；先铣后钻；先进行曲面精加工，后进行二维轮廓精加工；在可能的情况下，应尽可能利用数控机床的自动换刀功能，以提高生产效率等。32确定工件的定位与装夹方案工件的定位与基准应与设计基准保持一致，应防止过定位，对与箱体工件最好选择“一面两销”作为定位基准，定位基准在数控机床上要仔细找正。由于这个工件是个实心轴，因轴的长度不是很长，所以采用工件的右端面作定位基准，使用普通三爪卡盘（如图35）夹紧工件，取工件的右端面中心为工件坐标的原点，对刀点在（1001000）处。在数控车床上工件定位安装的基本原则与普通机床相同。工件的装夹方法影响工件的加工精度和效率，为了充分发挥数控机床的工作特点，在装夹工件时，应考虑以下几种因素1尽可能采用通用夹具，必须时才设计制造专用夹具；2结构设计要满足精度要求；3易于定位和装夹；4易于切削的清理；5抵抗切削力由足够的刚度；35三爪卡盘33确定走刀顺序及走刀路线走刀路线（如图36）是指数控加工过程中刀具相对于被加工件的运动轨迹和方向。加工路线的合理选择是非常重要的，因为它与零件的加工精度和表面质量密却相关。在确定走刀路线是主要考虑下列几点1）保证零件的加工精度要求。2）方便数值计算，减少编程工作量。3）寻求最短加工路线，减少空刀时间以提高加工效率。4）尽量减少程序段数。5）保证工件轮廓表面加工后的粗糙度的要求，最终轮廓应安排最后一走刀连续加工出来。6）刀具的进退刀（切入与切出）路线也要认真考虑，以尽量减少在轮廓处停刀（切削力突然变化造成弹性变形）而留下刀痕，也要避免在轮廓面上垂直下刀而划伤工件。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1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。2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。3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。切削加工顺序的安排先粗后精先安排粗加工，中间安排半精加工，最后安排精加工和光整加工。先主后次先安排零件的装配基面和工作表面等主要表面的加工，后安排如键槽、紧固用的光孔和螺纹孔等次要表面的加工。由于次要表面加工工作量小，又常与主要表面有位置精度要求，所以一般放在主要表面的半精加工之后，精加工之前进行。先面后孔对于箱体、支架、连杆、底座等零件，先加工用作定位的平面和孔的端面，然后再加工孔。这样可使工件定位夹紧稳定可靠，利于保证孔与平面的位置精度，减小刀具的磨损，同时也给孔加工带来方便。基面先行用作精基准的表面，要首先加工出来。所以，第一道工序一般是进行定位面的粗加工和半精加工有时包括精加工，然后再以精基面定位加工其它表面。例如，轴类零件顶尖孔的加工。36加工路线37切槽路线34加工工艺分析如图37选用三爪卡盘装夹，使之与工作台X轴移动方向平行。毛坯为5090的钢（如图32），工件材料为45号钢，根据零件图样要求其加工工序为工序一装夹毛坯50MM,伸长90MM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步1车端面工步2粗车顺圆弧、逆圆弧工步3精车顺圆弧、逆圆弧及各端面工步4切槽37加工零件图35切削用量的选择根据零件的结构特点，外轮廓用采用90度外圆车刀，轮廓粗加工时留1MM的精车余量，粗加工时选主轴转速为S800R/MIN，进给速度VF150MM/MIN；精加工选主轴转速S1200R/MIN；进给速度VF50MM/MIN36数控加工工艺文件的填写表31数控加工工艺卡零件名称零件图号材料牌号材料硬度单位名称重庆航天职业技术学院数控加工工序卡片典型轴HTJD0145钢HRC2832工序号工序名称程序编号加工车间设备名称设备型号工艺装备1车O0001数控车实训室车削中心CJK6032三爪定位卡盘刀具量具切削用量工步号工步内容刀具号刀具名称量具名称规格切削速度主轴转速进给量背吃刀量进给次数备注1车端面T0101硬质合金刀游标卡尺45度刀11080001031手动2粗车各外圆T0101硬质合金刀游标卡尺45度刀10080002521自动3精车外圆T0101硬质合金刀千分尺1201200006051自动4切槽T0202焊接合金切刀游标卡尺切槽刀606000081自动5切断T0202焊接合金切刀游标卡尺切槽刀606000061自动表32轴刀具卡片4数控加工程序编制41加工坐标系设置（1）建立工件坐标系为了便于在编程时对工件的几何要素位置进行描述，编程人员必须在零件图上选择建立一个过渡坐标系，即工件坐标系，也称为编程坐标系。数控编程时应该首先确定工件坐标系和工件原点。零件在设计中有设计基准，在加工过程中有工艺基准，同时应尽量将工艺基准与设计基准统一，该基准点通常称为工件原点。设立如下图41所示图41坐标系设定产品名称或代号轴零件名称轴零件图号HTJD01刀具参数刀补地址序号刀具号刀具名称及规格刀尖半径刀杆规格半径形状1T0101外圆粗车刀（刀尖角60度）0425X2502如图332T0202切断刀0425X25如图34编制审核批准共页第页（2）试切法对刀在数控加工中，工件坐标系确定后，还要确定刀尖点在工件坐标系中的位置，即通常所说的对刀问题。在数控车床上，目前常用的对刀方法为试切对刀法。将工件安装好之后，先用MDI方式操作机床，用已选好的刀具将工件端面车一刀，然后保持刀具在纵向（Z）尺寸不变，沿横向（X）退刀。当取工件右端面O为工件原点时，对刀输入为Z0，如图（42（A）用同样的方法，再将工件的表面车一刀，然后保持刀具在横向上的尺寸不变，从纵向退刀，停止主轴转动，再量出工件车削后的直径（如图43（B）根据长度和直径，既可确定刀具在工件坐标系中的位置。其他各刀都需要进行以上操作，从而确定每把刀具在工件坐标系中的位置。图42（A）Z轴方向对刀图43（B）X轴方向对刀表41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8000115精车外圆80000502切槽11000442手工编程数控编程方法有手工编程和自动编程两种。对于几何形状复杂的零件需借助计算机使用规定的数控语言编写零件源程序，经过处理后生成加工程序，称为自动编程。手工编程是指从零件图样分析工艺处理、数据计算、编写程序单、输入程序到程序校验等各步骤主要有人工完成的编程过程。它适用于点位加工或几何形状不太复杂的零件的加工，以及计算较简单，程序段不多，编程易于实现的场合等。由于该零件相对比较简单，所以采用手工编程。应用华中世纪星数控系统编程从工件右端加工O00010001G00X80Z150G99M03S800T0101M08主轴正转600R/MIN，换1号刀G0X55Z72调外圆硬质合金刀，并开冷却液G71U2R05快速靠近工件G71P70Q180U03W01F025粗车循环每次进4MM退1MMN70G42G0X0S1200刀具半径右补偿，精车转速1200R/MING1Z70F006从N70至N180粗车循环，留余量X03Z01X20车削右端面X24W2倒C2角Z29G3X36Z38R10F025车R10的外圆弧G1X379Z49车1比5的锥度W11X46车台阶端面X46Z60X4799W1倒C1角N180G0G40X52取消刀补G0X80Z150G70P70Q180F006从N70到N180段精车G0X80Z150T0202M03S600调切刀宽2MM，以左刀