典型轴类零件的数控车加工工艺分析及斯沃仿真加工

I第一章绪论数控加工是机械制造中的先进的加工技术是一种高效率，高精度与刚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。数控技术不断的发展，数控技术很快会普极中国工业基地，成为工业发展的标志，数控技术的成熟也是当代科技发展的标志，所以数控技术也是国家经济的体现。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。数控车床是数字程序控制车床的简称，它集通用性好的万能型车床、加工精度高的精密型车床和加工效率高的专用型车床的特点于一身，是国内使用量最大，覆盖面最广的一种数控机床。数控车床加工的典型零件一般为轴套类零件和盘类零件，其具有加工精度高、效率高、自动化程度高的特点；数控车床可分为卧式和立式两大类。卧式车床又有水平导轨和倾斜导轨两种。档次较高的数控卧车一般都采用倾斜导轨。按刀架数量分类，又可分为单刀架数控车床和双刀架数控车，前者是两坐标控制，后者是4坐标控制。双刀架卧车多数采用倾斜导轨。第二章零件工艺规程设计2.1零件的结构特点分析本零件是轴零件。该零件有外圆、倒角、槽、螺纹、内孔等组成。该零件形如图2.1所示，零件图尺寸标注完整，符合数控加工尺寸标注要求。这些特征在普通车床上很难完成，需要在数控车床上进行加工，并且是数控车削加工中常见的形状特征。如图2.1所示零件图，分析其加工工艺性。图2.1轴零件CAD图该零件尺寸精度等级较高，其中外圆尺寸精度有φ40mm、20mm，长度尺寸精度97±0.05mm，内孔尺寸精度有φ20mm（等等，其余的请参照零件图纸）；该零件的表面粗糙度要求较高，全部表面粗糙度要求达到Ra3.2um。技术要求：1.未注尺寸偏差±0.1mm2.未注倒角C13.去除毛刺飞边4.表面不应有划痕等损坏表面的缺陷2.2确定毛坯毛坯是用来加工各种工件的坯料,毛坯的生产方法主要有:铸造、锻造、焊接、冲压件,以及各种型材也可以用作毛坯。（一）铸件对形状较复杂的毛坯，一般可用铸造方法制造。目前大多数铸件采用砂型铸造，对尺寸精度要求较高的小型铸件，可采用特种铸造，如永久型铸造、精密铸造、压力铸造、熔模铸造成和离心铸造等。（二）锻件锻件毛坯由于经锻造后可得到连续和均匀的金属纤维组织。因此锻件的力学性能较好，常用于受力复杂的重要钢质零件。其中自由锻件的精度和生产率较低，主要用于小批生产和大型锻件的制造。模型锻造件的尺寸精度和生产率较高，主要用于产量较大的中小型锻件。（三）型材型材主要有板材、棒材、线材等。常用截面形状有圆形、方形、六角形和特殊截面形状。就其制造方法，又可分为热轧和冷拉两大类。热轧型材尺寸较大，精度较低，用于一般的机械零件。冷拉型材尺寸较小，精度较高，主要用于毛坯精度要求较高的中小型零件。（四）焊接件焊接件主要用于单件小批生产和大型零件及样机试制。其优点是制造简单、生产周期短、节省材料、减轻重量。但其抗振性较差，变形大，需经时效处理后才能进行机械加工。（五）其它毛坯其它毛坯包括冲压件，粉末冶金件，冷挤件，塑料压制件等。根据上述分析，本次零件不大并且是圆柱体形状，所以毛坯材料选择型材中的棒料。根据该零件的尺寸，设毛坯为φ42X100mm，材料为45钢。2.3定位基准的选择及装夹2.3.1确定定位基准定位基准有粗基准和精基准两种，用未加工过的毛坯表面作为定位基准称为粗基准，用己加工过的表面作为定位基准称为精加工。除第一道工序用粗基准外，其余工序都应使用精基准。选择定位基准要遵循基准重合原则，即力求没计基准、工艺基准和编程基准统一，这样做可以减少基准不重合产生的误差和数控编程中的计算量，并且能有效地减少装夹次数。该零件为回转型零件，其加工2次成型，故只有一个精基准，基准为端面及回转中心线。2.3.2夹具的选择为了工件不致于在切削力的作用下发生位移，使其在加工过程始终保持正确的位置，需将工件压紧夹牢。合理的选择夹紧方式十分重要，工件的装夹不仅影响加工质量，而且对生产率，加工成本及操作安全都有直接影响。1．数控加工的特点对夹具提出了两个基本要求：一是保证夹具的坐标方向与机床的坐标方向相对固定；二是要能协调零件与机床坐标系的尺寸。除此之外，重点考虑以下几点：（1）单件小批量生产时，优先选用组合夹具、可调夹具和其它通用夹具，以缩短生产准备时间和节省生产费用；（2）在成批生产时，才考虑采用专用夹具，并力求结构简单；（3）零件的装御要快速、方便、可靠，以缩短机床的停顿时间，减少辅助时间；（4）夹具上各零部件应不妨碍机床对零件各表面的加工，即夹具要敞开，其定位、夹紧元件不影响加工中的走刀；（5）为提高数控加工的效率，批量较大的零件加工可采用气动或液压夹具、多工位夹具。2．在选择装夹方案时，要根据已选定的加工表面和定位基准来确定工件的定位夹持方式，并选择合理的夹具。我们数控车床通用夹具包括有以下：（1）三爪卡盘三爪卡盘是最常用的车床也是数控车床的通用卡具。三爪卡盘最大的优点是可以自动定心。它的夹持范围大，但定心精度不高，不适合于零件同轴度要求高时的二次装夹.（2）卡盘加顶尖在车削质量较大的工件时，一般工件的一端用卡盘夹持，另一端用后顶尖支撑。为了防止工件由于切削力的作用而产生的轴向位移，必须在卡盘内装一限位支撑，或者利用工件的台阶面进行限位。此种装夹方法比较安全可靠，能够承受较大的轴向切削力，安装刚性好，轴向定位准确，所以数控车削加工中应用较多。（3）弹簧夹套弹簧夹套定心精度高，装夹工件快捷方便，常用于精加工的外圆表面定位。它特别适用于尺寸精度较高，表面质量较好的冷拔圆棒料的夹持。它夹持工件的内孔是规定的标准系列，并非任意直径的工件都可以进行夹持。（4）四爪卡盘加工精度要求不高，偏心距较小，零件长度较短的工件时，可以采用四爪卡盘进行装夹，四爪卡盘的四个卡爪是各自独立移动的，通过调整工件夹持部位在车床主轴上的位置，使工件加工表面的回转中心与车床主轴的回转中心重合。但是，四爪卡盘的找正烦琐费时，一般用于单件小批生产。四爪卡盘的卡爪有正爪和反爪两种形式。根据上述几种通用夹具的简介分析，由于该零件一般不会产生夹紧变形，零件尺寸小、结构和形状比较复杂，毛坯为棒料，在数控车加工中只需要用三爪卡盘来装夹。图2.2三爪卡盘2.4刀具的选择在加工的过程中，对刀具的选择是非常重要的，一个零件好与坏直接给刀具的选择有关，刀具的好坏会影响整个加工过程，所以我们要注意刀具的材料和刀具的性能综上数控机床加工中采纳最普遍的是硬质合金类刀具。当前因其性价比高，适应性稳定且多样化，综合效果最优。由于轴车削的材料为45钢，如（表2.1）的刀具来加工此零件。表2.1所用刀具规格序号刀具名称刀具规格刀片材料加工方法1外圆车刀75°刀尖YT15车外轮廓2切槽刀刀宽5MMYT15切槽3外螺纹车刀60°刀尖YT15车螺纹4麻花钻Φ18高速钢手动钻孔5内孔镗刀60°YT15内孔6内螺纹车刀60°刀尖YT15车螺纹2.5冷切液的选择 由于在切削加工过程在，被切削层金属的变形、切屑与刀具前面的摩擦和工件与刀具后面的摩擦要产生大量的热——切削热。由于热长冷缩的原理，工件和刀具吸收了一部分的热量后，工件和刀具会产生变形，最终影响加工精度。如果大量的切削热传入刀具，容易使刀具损坏——造成“烧刀”的现象。为了提高加零件的精度和刀具的耐用度及使用寿命，在切削加工过程中必须使用冷却液对工件和刀具进行冷却，以避免造成“烧刀”的现象和零件精度的影响。该工件材料为45钢，为了避免刀具与工件摩擦产生大量热影响工件精度，在加工时主要是以冷却为主，多采用乳化液作为冷却液。常用的冷却液如表2.2所示。表2-2常用冷却液冷却液名称主要成份主要作用水溶液水、防锈添加剂冷却乳化液水、油、乳化剂冷却、润滑、清洗切削油矿物油、动植物油、极压添加剂或油性润滑从工件材料考虑，切削时不得使用水溶液，考虑到冷却液作用和价格，选择乳化液可以满足要求。从刀具材料考虑，硬质合金刀具一般采用乳化液作为冷却液，其冷却效果很好。综合以上的种种分析，采用乳化液作为冷却液效果很好。它的主要作用：冷却、润滑、清洗而且还有一定的防锈作用。2.6机床的选择 类机床都有不同的形式，其工艺范围、技术规格、加工精度、生产率及自动化程度都各不相同。为了正确地为每一道工序选择机床，除了充分了解机床的性能外，从加工工艺的角度分析，选用的数控机床功能还必须适应被加工零件的形状、尺寸精度和生产节拍等要求。依据上述各选择原则，我们选用的Ck6140型数控车床（如图2.3），系统为华中系统，配置前置式刀架。图2.3Ck6140型数控车床2.7切削要素的确定2.7.1背吃刀量的确定在机床功率容许的情况下，应尽量采选较大的背吃刀量，进给次数才会有所减少。当精度要求较高的零件时，半精铣或精铣的余量需要被留出，正常半精加工的余量是0.5mm左右，精加工余量在半加工之后，通常少于普通加工的余量，一般选取0.1～0.3mm。由于该零件精度要求相对要高，固必须至少有粗加工及精加工两种。通过表2.3来采选背吃刀量。表2.3数控切削用量推荐表加工内容背吃刀量Ap/（mm）切削速度vc(m·min)进给量f/(mm·r)粗加工2～380～1200.2～0.4精加工0.1～0.5120～1500.1～0.2综合考虑粗车时背吃刀量选取2mm，留出精车余量为0.5mm，精车时背吃刀量为0.5mm。2.7.2零件切削用量的具体选择确定主轴转速应根据零件上加工部位的直径，并按零件和刀具材料以及加工性质等条件所允许的切削速度来确定。切削学速度除了计算和查表选取外，还可以根据实践经验确定。主要根据允许的切削速度Vc(m/min)选取由公式n=来进行计算。式中Vc为切削速度；D为工件或刀具的直径（mm）（1）粗车右端外圆轮廓粗车外圆时，选取Vc=60m/min，f=0.2mm/r，ap=1mm，粗加工时直径取中间值30mm。则：主轴转速：n=1000Vc/πd

=[（1000×60）/（3.14×30）]r/min=636.9r/min取650r/min进给速度：F=f×n=（0.2×650）mm/min=130mm/min（2）精车右端外圆轮廓精车外圆时，选取Vc=70m/min，f=0.1mm/r，ap=0.5mm，精加工时直径取中间值30mm。则：主轴转速：n=1000Vc/πd

=[（1000×70）/（3.14×30）]r/min=743r/min取750r/min进给速度：F=f×n=（0.1×750）mm/min=75mm/min（3）车右端槽切槽时，选取Vc=50m/min，f=0.1mm/r，ap=0.5mm，加工时直径取20mm。则：主轴转速：n=1000Vc/πd

=[（1000×50）/（3.14×20）]r/min=796r/min取800r/min进给速度：F=f×n=（0.1×800）mm/min=80mm/min（4）粗车左端外圆轮廓粗车外圆时，选取Vc=80m/min，f=0.2mm/r，ap=1mm，粗加工时直径取值40mm。则：主轴转速：n=1000Vc/πd

=[（1000×80）/（3.14×40）]r/min=636.9r/min取650r/min进给速度：F=f×n=（0.2×650）mm/min=130mm/min（5）精车左端外圆轮廓精车外圆时，选取Vc=90m/min，f=0.1mm/r，ap=0.5mm，精加工时直径取值40mm。则：主轴转速：n=1000Vc/πd

=[（1000×90）/（3.14×40）]r/min=716.5r/min取750r/min进给速度：F=f×n=（0.1×750）mm/min=75mm/min（6）粗镗左端内孔轮廓粗镗内孔时，选取Vc=60m/min，f=0.2mm/r，ap=1.5mm，粗加工时直径取值20mm。则：主轴转速：n=1000Vc/πd

=[（1000×60）/（3.14×20）]r/min=955r/min取950r/min进给速度：F=f×n=（0.2×950）mm/min=190mm/min（7）精镗左端内孔轮廓精镗内孔时，选取Vc=70m/min，f=0.1mm/r，ap=0.5mm，粗加工时直径取值20mm。则：主轴转速：n=1000Vc/πd

=[（1000×70）/（3.14×20）]r/min=1114r/min取1100r/min进给速度：F=f×n=（0.1×1100）mm/min=110mm/min2.8加工工艺制定轴车削零件的主要加工表面是外表面，以及最多见的轮廓表面，所以关于零件的加工面精度等级以及表面粗糙度的需求，务必考虑符合经济精度来选择加工方法。通过零件图并依据工序原则等来制定合理加工方案，以下是零件的加工顺序方案。经过分析最终确定轴车削的加工方案为：零件的加工路线安排如下工序1：下料工序2：夹持毛坯外圆，车削右边外圆轮廓工步1：粗车φ20外圆、M27螺纹外径、φ36外圆，留有精加工余量工步2：精车φ20外圆、M27螺纹外径、φ36外圆精加工至图纸尺寸要求工步3：切槽加工工步4：车削M27X2的外螺纹工序3：夹持毛坯外圆，车削左边外圆轮廓工步1：钻孔φ18mm。工步2：粗车外圆锥面、圆弧面，留有精加工余量工步3：精车圆锥面、圆弧面，精加工至图纸尺寸要求工步4：粗镗台阶孔，留有精加工余量工步5：精镗台阶孔，精加工至图纸尺寸要求工步6：内螺纹车削工序4：去毛刺、清洗工序5：终检工序6：入库2.9数控加工工艺卡片拟订详细工艺卡片见附件。第三章零件的数控编程3.1数控编程的定义及分类3.1.1数控编程的定义编程是将加工零件的加工顺序、刀具运动轨迹的尺寸数据、工艺参数以及辅助操作加工信息，用规定的文字、数字、符号组成的代码，按一定格式编写成加工程序。3.1.2数控编程的分类数控编程方法可分为手工编程和自动编程两种。手工编程的定义

手工编程是指主要由人工来完成数控机床程序编制各个阶段的工作。当被加工零件形状不十分复杂和程序较短时，都可以采用手工编程的方法。对于几何形状不太复杂的零件，所需要的加工程序不长，计算也比较简单，出错机会较少，这时用手工编程既经济又及时，因而手工编程被广泛地应用于形状简单的点位加工及平面轮廓加工中。手工编程的意义

手工编程的意义在于加工形状简单的零件(如直线与直线或直线与圆弧组成的轮廓)时，快捷、简便；不需要具备特别的条件(价格较高的硬件和软件等)；对机床操作或程序员不受特殊条件的制约；还具有较大的灵活性和编程费用少等优点。本次零件主要采用了手动编程的方法进行编制程序。3.2工件坐标系的设定工件坐标系是固定于工件上的笛卡尔坐标系，是编程人员在编制程序时用来确定刀具和程序起点的，该坐标系的原点可使用人员根据具体情况确定，但坐标轴的方向应与机床坐标系一致并且与之有确定的尺寸关系。工件坐标系是编程时使用的坐标系，又称编程坐标系，该坐标系是人为设定的。建立工件坐标系是数控车床加工前的必不可少的一步。不同的系统，其方法各不相同。图3.2左端坐标系零点图3.3右端坐标系零点3.2数控加工程序代码的编写3.2.1车右端时的加工程序程序解释说明O0002程序号T0101;换1号刀，75°外圆车刀M03S700;主轴正转，转速700r/minM08;切削液开G00X45Z0.5;快速走刀至粗车位置G01X-1F140;粗车端面Z2;G00X45;Z0;快速走刀至精车位置M03S800;主轴正转，转速800r/minG01X-1F80;精车端面Z2;G00X45Z2;快速运动至循环起点G71U1.5R1P100Q200X0.3Z0.3F120建立复合车削循环N100G00X0;快速运动至切削起点G01Z0F80;靠近工件G03X20Z-10R10;车半圆G01Z-26.5;车外圆X23;车端面X27W-2;倒角Z-49.5车外圆X32车端面G03X36Z-51.5R2车圆弧G01Z-64.5车外圆X38车端面X40W-1倒角Z-75车外圆N200G00X45;退刀G00X100Z100快速运动至换刀点T0202;换2号刀，外切槽刀M03S550;主轴正转，转速为550G00X40Z2;快速运动至第一个切槽点Z-49.5快速运动至第一个切槽点G01X23F55;切槽X40;退刀G00X100Z100快速运动至换刀点T0303;换3号刀，外螺纹车刀M03S500;G00X28Z2;快速走刀至循环起点G82X27Z-45F2复合螺纹切削循环G82X26.5Z-45F2复合螺纹切削循环G82X26Z-45F2复合螺纹切削循环G82X25.5Z-45F2复合螺纹切削循环G82X25Z-45F2复合螺纹切削循环G00X100Z100;快速走刀至换刀点M30;程序结束3.2.2车左端时的加工程序程序解释说明O0001程序号T0101;换1号刀，75°外圆车刀M03S650;主轴正转，转速650r/minM08;切削液开G00X45Z0.5;快速走刀至粗车位置G01X-1F130;粗车端面Z2;G00X45;Z0;快速走刀至精车位置M03S600;主轴正转，转速600r/minG01X-1F60;精车端面Z2;G00X45Z2;快速运动至循环起点G71U1.5R1P100Q200X0.3Z0.3F73建立外圆车削循环N100G00X29.7;快速走刀至切削起点G01Z0F100;靠近工件X33.3Z-18;锥度G02X40Z-22.5R6车圆弧N200G01X45;车台阶面G00X200Z200快速运动至换刀点T0202;换2号刀M03S860;主轴正转，转速为860G00X18Z2;快速运动至循环起点G71U1R1P300Q400Z-0.3Z0.3F172建立复合车削循环N300G00X22快速运动至切削起点G01Z0F60;靠近工件G01Z-20;镗内孔X20Z-25X18;退刀N400G00Z2;退刀G00X200Z200;快速运动至换刀点T0303;换3号刀，内螺纹车刀M03S500;G00X21Z2;快速走刀至循环起点G82X22Z-15F2复合螺纹切削循环G82X22.5Z-15F2复合螺纹切削循环G82X23Z-15F2复合螺纹切削循环G82X23.5Z-15F2复合螺纹切削循环G82X24Z-15F2复合螺纹切削循环G00X200Z200;快速运动至换刀点M30;程序结束第四章模拟仿真4.1软件介绍计算机数控仿真是应用计算机技术对数控加工操作过程进行模拟仿真的一门新技术。该技术面向实际生产过程的机床仿真操作，加工过程三维动态的逼真再现，能使每一个学生，对数控加工建立感性认识，可以反复动手进行数控加工操作，有效解决了因数控设备昂贵和有一定危险性，很难做到每位学生“一人一机”的问题，在培养全面熟练掌握数控加工技术的实用型技能人才方面发挥显著作用。打开仿真软件，选择FANUCOiT系统，进入后将看到如图4.1所示操作界面，打开机床，进行急停解除、程序解锁、机床回零等操作。图4.1操作界面4.2仿真加工1、首先将所编制的程序复制到记事本中，分别取名为O0001，O0002，然后在机床中新建程序O0001，点击“文件”菜单下的“打开”，找到刚才所新建的记事本O0001.TXT，确定，即可完成程序的导入；同理新建O0002，将程序O0002也导入到机床中记录。2、根据该零件的毛坯，在仿真机床中设置其毛坯尺寸为Ф42×100m，如图4.2所示。图4.2设置毛坯3、根据刀具卡片中的刀具，在仿真机床中设置好卡片中的刀具，首先打开菜单栏中“机床操作”下的“刀具管理”，在里面加入所需要的刀具。4、设置好刀具和毛坯后，接下来的工作就是对刀了，对刀是在数控加工中必不可少的环节，它的准确性直接影响到零件的加工质量，下面来介绍下对刀操作。首先在刀具管理中，将1号刀转到加工位置（一般机床默认1号刀在加工位），然后单击菜单栏中“工件操作”下的“快速定位”，得到如图4.3所示对话框，选择默认对刀点。图4.3刀具定位图4.4刀补设置界面将刀具移到轴中心后，然后在操作面板中单击“刀补”按钮，将出现如图4.4所示界面，选择MDI（录入）方式，根据现在位置（相对位置）下的坐标值，将其输入至1号刀补中，如：先输入“X50”，再按“测量”键；然后再输入“Z5”，按下“测量”键，这样第1把刀的刀补就设置好了。同理将其他刀也进行相应的设置。4.2.1外圆加工在设置好刀具补偿后，可以开始仿真加工了，首先关闭机床窗门，然后将功能键中的“循环启动”打开，再按下“循环启动”按钮，开始切削，最终得到的零件如图4.5所示。图4.5仿真图图4.6仿真图4.2.2内孔加工图4.7仿真图4.2.3螺纹加工图4.8仿真图图4.9仿真图结束语通过短短这段时间论文的设计，对数控技能操作以及理论知识有了一定得了解，为之得到了很多以前在学校难以解决得答案。这段时间通过与同伴们仔细研究与探讨，了解到了数控专业在当今社会的发展以及所在地区的热点信息。通过论文让我对数控有了一定的了解以及需要掌握的基础知识。根据以上参考文献及书籍让我从中了解了一下基本知识,使我对机械方面的知识也产生了一定的兴趣。1.在加工零件的工艺分析时应当选择数控加工零件及其加工的主要内容，应该对零件的数控加工工艺性进行全面、认真、仔细的分析。主要内容包括产品得零件图样分析、结构工艺分析和零件安装方式的选择等内容。数控加工工艺性分析涉及的知识面很广。2.我们在加工零件时通常对表面加工比较精确，他时通过从粗加工到半精加工再到精加工这一过程中逐步形成的，对那些表面形成仅仅只是根据质量的要求选择相应的的加工过程和步骤，这样才能确认我们最终所加工出来的零件是否合样！3.在做零件加工时我们应当确认加工方案，根据主要的表面精度和粗糙度的要求确认零件的加工方法。总而言之，本次设计使我对数控有了深入的了解，以前，虽然自己使数