轴套类典型零件加工工艺设计与分析

轴套类典型零件加工工艺设计与分析摘要：数控技术是技术性极强的工作，尤其在模具领域应用最为广泛，所以这要求从业人员具有很高的机械加工工艺知识，数控编程知识和数控操作技能。轴套类零件是机械行业中常见的零件，用处广泛，其加工工艺文件规则制定是否合理，直接影响产品的质量。本文依据机械加工工艺规程的步骤，进行轴套零件的机械加工工艺规程进行设计，主要针对具有内外结构、内螺纹、钻孔等加工特点进行举例说明，列出相应的机械加工工艺过程卡片和刀具卡片。关键词:轴套；机械加工；机械加工工艺过程卡

1．引言数控技术是先进制造技术的基础，它是综合应用了计算机、自动控制、电气传动、自动检测、精密机械制造和管理信息等技术而发展起来的高新科技。作为数控加工的主体设备，数控机床是典型的机电一体化产品。本文主要讨论数控车床的零件加工工艺以及程序编制，主要以FANUC数控系统为例，结合典型零件对数控车零件进行讲解。主要内容是有关于数控车床的编程方法、编程的注意事项、加工工艺分析、刀具的选用、刀位轨迹计算。。2．零件的分析2．1零件的结构分析该零件为轴类零件。表面由外圆柱面，阶梯外圆面，退刀槽及螺纹等表面组成，其中Φ39，Φ30这两个直径尺寸有较高的尺寸精度和表面粗糙度要求。表面粗糙度要求为1.6，为了保证同轴度通常减小切削力和切削热的影响，粗精加工分开，使粗加工中的变形在精加工中得到纠正，采用粗车——半精车——精车——粗磨——抛光，加工时需要零件材料为45号钢，毛胚尺寸为Φ45X 80,切削加工性能较好，无热处理和硬度要求。具体加工步骤如下：（1）车外圆和端面确定机床坐标原点（对刀）。（2）装夹左端面，车右端面并用尾座小钻头确定孔位，然后用顶尖装置顶紧。（3）粗车外圆留加工余量0.2-0.5mm。将图纸上尺寸加到到Φ39.5，Φ30.5，Φ20.5。（4）精加工各外圆尺寸，到达图纸的要求，重点保证Φ30外圆尺寸。（5）加工退刀槽，槽4x2。（6）用60°螺纹刀粗——精加工M20x2的螺纹达到图纸要求。（7）调头装夹，选用4mm的槽刀切断工件的同时将右端进行倒角。（8）去除毛刺，检测工件的各项要求。该套类零件→外圆柱面，内孔，内槽，内螺纹组成。其主要特点是内外圆柱面和相关端面的形状。同轴度要求高，加工内螺纹时要与外螺纹配合进行加工，使其达到图纸要求的配合精度。加工时将上道工序切断的棒料进行装夹，加工右面的端面，该棒料是45#钢，切削性能较好，无热处理。2．2加工步骤加工步骤如下：（1）车外圆和端面确定机床坐标原点。（2）车端面并用尾座小钻头钻定孔位，然后用顶尖装置顶紧。（3）粗车Φ39外圆，同时留余量2mm进行精加工，松开顶锥，然后用Φ15的钻孔刀钻至30mm的深度。（4）用内孔车刀镗孔粗加工内孔M20带有螺纹的孔，精镗孔的精加工余量为1.5mm。（5）用内螺纹车刀加工M20内螺纹，并与轴的外螺纹配合进行加工。（6）用45°硬质合金端面车刀倒角。（7）调头车削左端面，保证长度为30误差为正负0.08（8）用内孔车刀粗加工内孔Φ30的孔，精镗孔的精加工余量留1.5mm。（9）精加工Φ3的孔，保证配合件间隙在0.07～0.13mm。（10）用45°硬质合金端面车刀倒角。（11）去除毛刺，检测工件各项尺寸要求。通过上述分析，可采用以下几点工艺措施:(1)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，故编程时要取平均值，以更好的保证加工完的零件在图纸要求的精度范围以内。(2)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，工件2的坯件左端应预先粗找正，车出夹持部分，右端面也应先粗找正，车出夹持部分并钻好中心孔。工件一也是先找正车除左右两端的夹持部分，为该零件的加工建立粗基准。3．毛坯的选择3．1毛坯的种类（1）铸造毛坯：适合做形状复杂零件的毛坯（2）锻造毛坯：适合做形状简单零件的毛坯；（3）型材：适合做轴、平板类零件的毛坯；（4）焊接毛坯：适合板料、框架类零件的毛坯。3．2选择毛坯的原则(1)选择原则毛坯的形状和尺寸应尽量接近零件的形状和尺寸，以减少机械加工。(2)毛坯选择应考虑的因素1）生产纲领的大小：对于大批大量生产，应选择高精度的毛坯制造方法，以减少机械加工，节省材料。2）现有生产条件：要考虑现有的毛坯制造水平和设备能力。(3)举例a.轴类零件：车床主轴：45号钢模锻件；阶梯轴（直径相差不大）：棒料b.箱体：铸造件或焊接件c.齿轮：小齿轮：棒料；大多数中型齿轮：模锻件；大型齿轮：铸钢件对于本零件的加工我们采用棒料来加工，选用45号钢，Φ50X100的材料加工工件一，Φ50X90的材料加工工件2，因为我们都是单件生产，所以我们以便于加工为主要目的。4．数控加工工艺设计4．1定位基准的确定4．1．1基准的概念及分类1、基准的定义：在零件图上或实际的零件上，用来确定其它点、线、面位置时所依据的那些点、线、面，称为基准。2、基准的分类：按其功用可分为：1）设计基准：零件工作图上用来确定其它点、线、面位置的基准，为设计基准。2）工艺基准：是加工、测量和装配过程中使用的基准，又称制造基准。a.工序基准：是指在工序图上，用来确定加工表面位置的基准。它与加工表面有尺寸、位置要求。b.定位基准：是加工过程中，使工件相对机床或刀具占据正确位置所使用的基准。c.度量基准（测量基准）：是用来测量加工表面位置和尺寸而使用的基准。e.装配基准：是装配过程中用以确定零部件在产品中位置的基准。4．1．2定位基准的选择定位基准包括粗基准和精基准。粗基准：用未加工过的毛坯表面做基准。工件一工件二的粗基准都是采用毛坯面。精基准：用已加工过的表面做基准。工件一的精基准为Φ36的外圆柱面，工件二的精基准是Φ46的外圆柱面。4．2工艺路线的拟订拟订工艺路线是设计工艺规程最为关键的一步，需顺序完成以下几个方面的工作。工件一的工艺路线：下料车左端面钻引正孔钻孔热处理粗车精车掉头粗车精车检验工件二的工艺路线：下料正火平端面钻引正孔钻孔热处理（调制）粗车精车切断掉头粗车精车检验4．2．1表面加工方法的选择（1）各种加工方法的经济加工精度和表面粗糙度不同的加工方法如车、磨、刨、铣、钻、镗等，其用选各不相同，所能达到的精度和表面粗糙度也大不一样。即使是同一种加工方法，在不同的加工条件下所得到的精度和表面粗糙度也大不一样，这是因为在加工过程中，将有各种因素对精度和粗糙度产生影响，如工人的技术水平、切削用量、刀具的刃磨质量、机床的调整质量等等。某种加工方法的经济加工精度：是指在正常的工作条件下（包括完好的机床设备、必要的工艺装备、标准的工人技术等级、标准的耗用时间和生产费用）所能达到的加工精度。（2）加工方法和加工方案的选择1）根据加工表面的技术要求，确定加工方法和加工方案；这种方案必须在保证零件达到图纸要求方面是稳定而可靠的，并在生产率和加工成本方面是最经济合理的。2）要考虑被加工材料的性质；例如，淬火钢用磨削的方法加工；而有色金属则磨削困难,，一般采用金刚镗或高速精密车削的方法进行精加工。3）要考虑生产纲领，即考虑生产率和经济性问题。如：大批大量生产应选用高效率的加工方法，采用专用设备。例如，平面和孔可用拉削加工，轴类零件可采用半自动液压仿型车床加工，盘类或套类零件可用单能车床加工等。4）应考虑本厂的现有设备和生产条件：即充分利用本厂现有设备和工艺装备。在选择加工方法时，首先根据零件主要表面的技术要求和工厂具体条件，先选定它的最终工序方法，然后再逐一选定该表面各有关前导工序的加工方法。4．3机床设备与工艺装备的选择（1）机床设备和工艺装备的选择1、所选机床设备的尺寸规格应与工件的形体尺寸相适应；2、精度等级应与本工序加工要求相适应；3、电机功率应与本工序加工所需功率相适应；4、机床设备的自动化程度和生产效率应与工件生产类型相适应。（2）工艺装备的选择将直接影响工件的加工精度、生产效率和制造成本，应根据不同情况适当选择。1、在中小批生产条件下，应首先考虑选用通用工艺装备(包括夹具、刀具、量具和辅具)；2、在大批大量生产中，可根据加工要求设计制造专用工艺装备。（3）机床设备和工艺装备的选择不仅要考虑设备投资的当前效益，还要考虑产品改型及转产的可能性，应使其具有足够的柔性。4．4加工阶段的划分1）根据零件的技术要求划分加工阶段。分以下几个阶段：粗加工阶段：在此阶段主要是尽量切除大部分余量，主要考虑生产率。精加工阶段：在此阶段主要是保证各主要表面达到图纸要求，主要任务是保证加工质量。2）将零件的加工过程划分为加工阶段的主要目的是：(1)保证零件加工质量（因为工件有内应力变形、热变形和受力变形，精度、表面质量只能逐步提高，）；(2)有利于及早发现毛坯缺陷并得到及时处理；(3)有利于合理利用机床设备。(4)便于穿插热处理工序：穿插热处理工序必须将加工过程划分成几个阶段，否则很难充分发挥热处理的效果。此外，将工件加工划分为几个阶段，还有利于保护精加工过的表面少受磕碰损坏。4．5工序的划分工序集中原则按工序集中原则组织工艺过程，就是使每个工序所包括的加工内容尽量多些，将许多工序组成一个集中工序。最大限度的工序集中，就是在一个工序内完成工件所有表面的加工。采用数控机床、加工中心按工序集中原则组织工艺过程，生产适应性反而好，转产相对容易，虽然设备的一次性投资较高，但由于有足够的柔性，仍然受到愈来愈多的重视。工序分散原则按工序分散原则组织工艺过程，就是使每个工序所包括的加工内容尽量少些。最大限度的工序分散就是每个工序只包括一个简单工步。传统的流水线、自动线生产基本是按工序分散原则组织工艺过程的，这种组织方式可以实现高生产率生产，但对产品改型的适应性较差，转产比较困难。4．6工序顺序的安排1)机械加工工序的安排原则1)先基准面后其它表面先把基准面加工出来，再以基准面定位来加工其它表面，以保证加工质量。2)先粗加工后精加工即粗加工在前，精加工在后，粗精分开。3)主要表面后次要表面如主要表面是指装配表面、工作表面，次要表面是指键糟、联接用的光孔等。4)先加工平面后加工孔平面轮廓尺寸较大，平面定位安装稳定，通常均以平面定位来加工孔。2)热处理工序及表面处理工序的安排根据热处理的目的，安排热处理在加工过程中的位置。1）退火：将钢加热到一定的温度，保温一段时间，随后由炉中缓慢冷却的一种热处理工序。其作用是：消除内应力，提高强度和韧性，降低硬度，改善切削加工性。应用：高碳钢采用退火，以降低硬度；放在粗加工前，毛坯制造出来以后。2)正火：将钢加热到一定温度，保温一段时间后从炉中取出，在空气中冷却的一种热处理工序。注：加热到的一定的温度，其与钢的含C量有关，一般低于固相线200度左右。其作用是：提高钢的强度和硬度，使工件具有合适的硬度，改善切削加工性。应用：低碳钢采用正火，以提高硬度。放在粗加工前，毛坯制造出来以后。3）回火：将淬火后的钢加热到一定的温度，保温一段时间，然后置于空气或水中冷却的一种热处理的方法。其作用是：稳定组织、消除内应力、降低脆性。4）调质处理（淬火后再高温回火）：其作用：是获得细致均匀的组织，提高零件的综合机械性能。应用：安排在粗加工后，半精加工前。常用于中碳钢和合金钢。5）时效处理：其作用：是消除毛坯制造和机械加工中产生的内应力。应用：一般安排在毛坯制造出来和粗加工后。常用于大而复杂的铸件。6）淬火：将钢加热到一定的温度，保温一段时间，然后在冷却介质中迅速冷却，以获得高硬度组织的一种热处理工艺。其作用是：提高零件的硬度。应用：一般安排在磨削前。7）渗碳处理：提高工件表面的硬度和耐磨性，可安排在半精加工之前或之后进行。8）为提高工件表面耐磨性、耐蚀性安排的热处理工序以及以装饰为目的而安排的热处理工序，例如镀铬、镀锌、发兰等，一般都安排在工艺过程最后阶段进行3)检验工序的安排为保证零件制造质量，防止产生废品，需在下列场合安排检验工序：(1)粗加工全部结束之后；(2)送往外车间加工的前后；(3)工时较长和重要工序的前后；(4)最终加工之后。除了安排几何尺寸检验工序之外，有的零件还要安排探伤、密封、称重、平衡等检验工序。4)其它工序的安排(1)零件表层或内腔的毛刺对机器装配质量影响甚大，切削加工之后，应安排去毛刺工序。(2)零件在进入装配之前，一般都应安排清洗工序。工件内孔、箱体内腔易存留切屑，研磨、珩磨等光整加工工序之后，微小磨粒易附着在工件表面上，要注意清洗。(3)在用磁力夹紧工件的工序之后，要安排去磁工序，不让带有剩磁的工件进入装配线。4．7工序顺序的安排1、加工余量：为了保证零件的质量（精度和粗糙度值），在加工过程中，需要从工件表面上切除的金属层厚度，称为加工余量。加工余量又有总余量和工序余量之分。2、总余量：某一表面毛坯尺寸与零件设计尺寸之差称为总余量，以Zo表示。3、工序余量：该表面加工相邻两工序尺寸之差称为工序余量Zi。总余量Z0与工序余量Zi的关系可用下式表示：式中：n为某一表面所经历的工序数。工序余量有单边余量和双边余量之分。1）单边余量：非对称结构的非对称表面的加工余量，称为单边余量，用Zb表示。Zb＝la-lb式中：Zb—本工序的工序余量；lb—本工序的基本尺寸；la—上工序的基本尺寸。2）双边余量：对称结构的对称表面的加工余量，称为双边余量。对于外圆与内孔这样的对称表面，其加工余量用双边余量2Zb表示，对于外圆表面有：2Zb＝da-db；对于内圆表面有：2Zb＝Db－Da工序余量有公称余量（简称余量）、最大余量Zmax、最小余量Zmin之分。由于工序尺寸有偏差，故各工序实际切除的余量值是变化的，因此，工序余量有公称余量（简称余量）、最大余量Zmax、最小余量Zmin之分。对于上右图所示被包容面加工情况，本工序加工的公称余量：Zb＝la-lb

公称余量的变动范围：TZ＝Zmax—Zmin＝Tb＋Ta

式中：Tb—本工序工序尺寸公差；

Ta—上工序工序尺寸公差。工序尺寸公差一般按“入体原则”标注。对被包容尺寸(轴径)，上偏差为0，其最大尺寸就是基本尺寸；对包容尺寸（孔径、键槽），下偏差为0，其最小尺寸就是基本尺寸。而孔距和毛坯尺寸公差带常取对称公差带标注。余量过大——〉材料浪费，成本增大；余量过小——〉不能纠正加工误差，质量降低。所以，在保证质量的前提下，选余量尽可能小。4．7．1影响加工余量的因素（1）上道工序的表面粗糙度值Ra（2）上道工序的表面缺陷层深度Ha（3）上道工序各表面相互位置空间偏差ρa；（包括轴线的直线度、位移和平行度；轴线与表面的垂直度；阶梯轴内外圆的同轴度；平面的平面度等。）ρa的数值与上工序的加工方法和零件的结构有关，可用近似计算法或查有关资料确定。若存在两种以上的空间偏差时，可用向量和表示。（4）本工序的装夹误差Δεb它除包括定位和夹紧误差外，还包括夹具本身的制造误差，其大小为三者的向量和。（5）上工序的尺寸公差Ta（包括几何形状误差如锥度、椭圆度、平面度等。其大小可根据选用的加工方法所能达到的经济精度，查阅工艺手册确定。）本工序的公称余量为：Zb＝la-lb本工序的最大余量为：Zbmax＝lamax-lbmin本工序的最小余量为：Zbmin＝lamin-lbmax上述前四项之和构成最小余量，即

注：ρa和Δεb为矢量和。最小余量加上上道工序的尺寸公差，即为本道工序的加工余量。

即：Zb≥Ta+Zmin4．7．2加工余量的确定——计算法、查表法和经验估计法（1）经验估算法：靠经验估算确定，从实际使用情况看，余量选择都偏大，一般用于单件小批生产。（2）查表法(各工厂广泛采用查表法)：根据手册中表格的数据确定，应用较多。（3）分析计算法(较少使用)：根据实验资料和计算公式，综合确定，比较科学，数据较准确，一般用于大批大量。5．工序卡制定机械加工工序卡片是根据机械加工工艺卡片为一道工序制订的。它更详细地说明整个零件各个工序的要求，是用来具体指导工人操作的工艺文件。在这种卡片上要画工序简图，说明该工序每一工步的内容、工艺参数、操作要求以及所用的设备及工艺装备。一般用于大批大量生产的零件。6．工序卡制定数控加工程序中所用的各种代码，如坐标尺寸值、坐标系命名、数控准备功能指令、辅助动作指令、主运动和进给速度指令、刀具指令以及程序和程序段格式等方面，都已制订了一系列的国际标准，中国也参照相关国际标准制定了相应的国家标淮，这样极大地方便了数控系统的研制、数控机床的设计、使用和推广。但在编程的许多细节上，各国厂家生产的数