凸轮轴零件的数控加工工艺设计及数控编程

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2013年5月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；数控加工妄具图.d伽gS凸轮轴、曲第事命g如需要完整文档及cad图等其他文件，请加球球：一九八五六三九七五五CAMshaftpartsofncmachiningprocessdesignandNC

programmingAbstractThisgraduationdesignisaimtoCNCgrindingofshaftpartsunderstand,Thecamshaftisrelativelycomplexshaftpartsofashaft.Inthegrindingprocess,thecamshaftisalsomoredifficulttomachineshaft.Thispaperbeginswiththeprocessanalysistopartsofthecamshaftcamshaftall-roundanalysisaboutthechoiceofmaterials,thedeterminationofblankheattreatmentoptions,thebasicsizeandthedeterminationofsurfaceroughnessarequalitativequantitativereferencealargenumberofrelatedbooks,Medium-termprocessSettings,aswellasprocessingstepsofCAMshaftneckofmillingfixturedesign,andsomeprocessingdosageandtheselectionandcalculationofcuttingmachiningallowance,Finallyalsousenumericalcontroltechnologyandsimulationtechnologytonccamshaftpartseventuallyonthecomputersimulationandthesimulationprocessingtogenerateparts.Keywords:Thecamshaft；Processdesign；NumericalcontrolprocessingTOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"1绪论 1\o"CurrentDocument"1.1Pro/E和Mastercam9.0软件的特点及主要功能 2\o"CurrentDocument"1.2数控技术的相关知识 2\o"CurrentDocument"1.3凸轮轴设计背景 5\o"CurrentDocument"1.4凸轮轴设计方法 5\o"CurrentDocument"1.5凸轮轴设计的作用 5\o"CurrentDocument"1.6凸轮轴设计的结果和意义 6\o"CurrentDocument"2凸轮轴零件的工艺分析 7\o"CurrentDocument"2.1凸轮轴零件特点 7\o"CurrentDocument"2.2工艺设计原则及凸轮轴加工工艺分析 8\o"CurrentDocument"2.3小结 9凸轮轴工艺设计 错误!未定义书签。3.1工艺设计 错误!未定义书签。3.2工艺特点 错误!未定义书签。3.3凸轮轴工艺分析 错误!未定义书签。夹具的设计 错误!未定义书签。4.1夹具的设计 错误!未定义书签。4.2端面车削 错误!未定义书签。4.3凸轮轴颈磨削 错误!未定义书签。本章小结 错误!未定义书签。5凸轮轴的数控磨削加工编程及仿真 错误!未定义书签。5.1数控编程 错误!未定义书签。5.2仿真加工 错误!未定义书签。6设计总结与心得 错误!未定义书签。致谢 错误!未定义书签。参考文献 错误!未定义书签。附录 错误!未定义书签。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。1.1Pro/E和Mastercam9.0软件的特点及主要功能Pro/Engineering是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CAD（计算机辅助软件）/CAE（计算机辅助教育）/CAM（计算机辅助制造）界的极大震动。Mastercam9.0是美国CNCSoftware,Inc公和司开发的CAD/CAM一体化软件。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，CNC铣床，CNC车床，或CNC线切割等加工操作中，都能获得最佳效果。而且Mastercam9.0基于PC平台，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。1.2数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一一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CAD编程软件的熟练使用。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CAD编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（IT、汽车、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：高速、高精加工技术及装备的新趋势五轴联动加工和复合加工机床快速发展智能化、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PC平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一一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。CNC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。CAM软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CAD软件Mastercam9.0进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NC代码进行直接加工。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。1.3凸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、CAD技术、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。1.4凸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proe辅助制图，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。1.5凸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开、闭动作，保证汽缸充分的进气和排气。1.6凸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2.1凸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：20Cr，各主轴颈及端面的硬度HB180〜240，凸轮HRC48.2.1.1凸轮轴的三维图和简图图2.2凸轮轴二维图2.1.2发动机凸轮轴主要加工内容和精度要求支承轴径前轴径前端中32.50_010，后端中32.50_010，表面粗糙度Rz3.2中间轴径叫2.50_0.10,表面粗糙度Rz3.2后轴径®2.50_0.10,表面粗糙度Rz3.2凸轮图2・3凸轮形状示意图图中O点位凸轮旋转中心。EA是以O点位中心的圆弓瓜。6个凸轮基圆尺寸为叫3.50_0.10,表面粗糙度Rz3.2。各凸轮基圆相对与前后轴颈的基准轴线的径向跳动允差0.03mm各凸轮基圆相对与前后轴颈的基准轴线的平行度允差0.01mm各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土0.05mm凸轮型线误差作用段土0.02mm一缸凸轮轴对键槽位置112°32，±20，键槽宽50-0.14,深400.05，对称度0.0252.2工艺设计原则及凸轮轴加工工艺分析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。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。保证先进性与经济性相结合，再保证产品质量的前提下，降低成本充分考虑各生产缓解的安全性和操作的方便性。在投资允许的