项目二 阶梯轴的工艺设计、编程与加工

1、项目二阶梯轴的工艺设计、编程,教学内容,重点：,阶梯轴类零件的工艺性分析,1,数控系统指令G、S、T、F、M的掌握,2,难点：,轴类零件合理的加工工艺的编写,1,轴类零件加工刀具及相应参数的选择,3,工艺参数及切削用刀具的正确选择,3,1.掌握阶梯轴类零件的工艺性能及结构特点，能正确的分析并制定阶梯轴类零件的加工工艺2.掌握FANUC数控系统的G00/G01/G90/G94/S/T/F/M等指令的编程格式及应用时需注意的事项，能较合理的编写阶梯轴类零件的加工程序。3.掌握外圆车刀、切槽（断）刀的选用,【知识目标】,1正确的选择设备、刀具、夹具、切削用量，合理分析阶梯轴类零件的结构特点、工艺性能

2、及特殊加工要求，编制数控加工工艺卡2使用数控系统的基本指令正确编制阶梯轴类零件的数控加工程序3运用数控系统仿真软件，校验编写的零件数控加工程序，并虚拟加工零件,【能力目标】,一、项目导入,已知材料为45#热轧钢，毛坯为42110mm棒料。要求制定零件的加工工艺，编写零件的数控加工程序。,未注倒角145,二、相关知识,（一）阶梯轴的车削加工工艺,1轴类零件的结构工艺特点,功用：,光滑轴、阶梯轴、空心轴、异形轴,分类：,内外圆柱面、内外圆锥面以及螺纹、花键、键槽、横向孔、沟槽等,表面特点：,支撑传动零件（齿轮、皮带轮等）；传递扭矩、承受载荷；,2轴类零件的主要技术要求,加工精度,技术要求,表面粗糙

3、度,尺寸精度,几何形状精度,相互位置精度,普精0.010.03mm,高精0.0010.005mm,支颈Ra0.630.16m,配颈Ra2.50.63m,3轴类零件的材料和毛坯,材料,材料与毛坯,毛坯,一般：45钢,中等精度、较高转速：40cr,较高精度：GCr15、65Mn,高速、重载：20GrMnTi、20Mn2B、20Cr38CrMnAlA氮化钢,棒料,锻件,铸件,4轴类零件加工的主要问题,（1）锥堵和锥堵心轴的使用,空心轴类零件，加工完深孔后，为了尽可能使各工序的定位基准统一，一般采用锥堵或锥堵心轴的顶尖孔作为定位基准。,锥堵,带锥堵的拉杆心轴,轴件锥孔大锥度,轴件锥孔小锥度,两端顶尖孔

4、（或两端孔口60倒角）的质量好坏，对加工精度影响很大，应尽量做到两端顶尖孔轴线相互重合，孔的锥角要准确，它与顶尖的接触面积要大，粗糙度值小。顶尖孔在使用过程中的磨损及热处理后产生的变形都会影响加工精度。因此，在热处理之后，磨削加工之前，应安排修研顶尖孔工序，以消除误差。,（2）顶尖孔的修磨,深孔加工应安排在调质以后及外圆表面粗车或半精车之后；深孔加工中，应采用工件旋转，刀具送进的方式；刀具常采用分屑和断屑措施，切削区利用喷射法进行充分冷却，并使切屑顺利排出。,（3）深孔加工,深孔：,注意事项：,零件孔的L/D5,5定位基准的选择,对于精度要求高，变形要求小的细长轴类零件可采用双主轴驱动的数控车

5、床加工。机床两主轴轴线同轴、转动同步，零件两端同时分别由三爪自定心卡盘装夹并带动旋转，这样可减少切削加工时切削力矩引起的工件扭转变形。,实心轴：,精基准面就是顶尖孔，满足基准重合和基准统一,空心轴：,顶尖孔轴颈外圆表面,两者交替使用，互为基准,6加工阶段的划分,3个基本阶段：,（1）粗加工阶段,毛坯备料、锻造和正火；车端面、钻中心孔和荒车外圆等。,（2）半精加阶段,预热处理（对于45#钢一般采用调质处理以达到220240HBS）车工艺锥面（定位锥孔）半精车外圆端面和钻深孔等。,（3）精加工阶段,最终热处理（局部高频淬火）；完成精加工前各项加工，包括粗磨定位锥面、粗磨外圆、铣键槽和花键，以及车螺

6、纹等；精加工最终表面，精磨外圆和内外锥面以保证轴最重要表面的精度。,7加工顺序的安排和工艺路线的确定,（1）加工顺序的安排,注意问题：,先大端后小端，保证轴加工刚性；尽量用中心孔定位，避免用锥堵；空心轴的内孔加工要安排在外轮廓粗加工之后。,精车之后，粗磨之前加工花键和键槽，避免破坏切削面的完成性，既影响质量又易损坏刀具，而且也难以控制键槽的尺寸精度。,因主轴的螺纹对支承轴颈有一定的同轴度要求，故放在淬火之后的精加工阶段进行，以免受半精加工所产生的应力以及热处理变形的影响。主轴系加工要求很高的零件，需安排多次检验工序。检验工序一般安排在各加工阶段前后，以及重要工序前后和花费工时较多的工序前后，总

7、检验则放在最后。,（2）加工路线的确定,一般渗碳钢的轴类零件加工工艺路线:备料（锻造正火）打顶尖孔粗车半精车、精车渗碳(或碳氮共渗)淬火、低温回火粗磨次要表面加工精磨。一般精度调质钢的轴类零件加工工艺路线:备料（锻造正火(退火)）打顶尖孔粗车调质半精车、精车表面淬火、回火粗磨次要表面加工精磨。,精密氮化钢轴类零件的加工工艺路线：备料锻造正火(退火)打顶尖孔粗车调质半精车、精车低温时效粗磨氮化处理次要表面加工精磨光磨。整体淬火轴类零件的加工工艺路线：备料锻造正火（退火）打顶尖孔粗车调质半精车、精车次要表面加工整体淬火粗磨低温时效精磨。,8轴类零件的装夹与定位方法,在三爪自定心卡盘上装夹，三爪自定

8、心卡盘是数控车床上最常用的通用夹具，只能用于较短轴的加工。,在两顶尖之间装夹，这种方法安装工件不需找正，每次装夹的精度高，适用于长度尺寸较大或加工工序较多的轴类工件装夹。,1.拔盘2、5前顶尖3、7.鸡心夹头4.后顶尖6.卡爪8.工件两顶尖中夹装夹工件,用一夹一顶方式装夹:装夹工件刚性好，轴向定位准确，能承受较大的轴向切削力，比较安全，适用于车削质量较大的工件，一般在卡盘内装一限位支撑或利用工件台阶限位，防止工件由于切削力的作用而产生轴向位移。,限位支撑限位工件台阶限位卡盘和顶尖配合夹持工件,9轴类零件加工的刀具选择,轴类零件数控车削常用的刀具,车端面车外圆切径向外槽切断轴类零件常用刀具,（1

9、）外圆车刀的选择,粗车:一般应选择主偏角90、93、95，副偏角较小，前角和后角较小，刃倾角较小，排屑槽排屑顺畅的车刀。精车:一般应选择主偏角95、107、117，副偏角较小，前角和后角较大，刃倾角较大，排屑槽排屑顺畅且要排向工件待加工表面的车刀。较大主偏角的外圆车刀，车外圆时产生的径向力小，不易将轴类零件顶弯，也能用来车削端面。,左偏刀右偏刀右偏刀外形90外圆车刀,（2）切断刀的选择,切刀的宽度要根据沟槽的宽度来选择；切削刃长度要大于槽深，以防撞刀。切断刀车削时是以横向进给为主，前端的切削刃是主切削刃，两侧的切削刃是副切削刃，一般切断刀的主切削刃较窄，刀头较长，刀头强度比其他车刀差，所以在选

10、择几何参数和切削用量时应特别注意，,高速钢切断刀硬质合金切断刀切断刀类型和角度,10轴类零件切削用量的选择,（1）背吃量,留出精加工余量0.10.5mm后，尽可能选择较大的背吃量，以减少走刀次数，提高生产效率；,（2）主轴转速n或切削速度,（3）进给速度,或进线量,进线量,进给量与背吃刀量有着较密切的关系,精车：一般取0.10.3mm/r,切断：一般取0.050.2mm/r,粗车：一般取0.30.8mm/r,11阶梯轴的车削走刀路线,（1）小落差阶梯轴车削,（2）大落差阶梯轴车削,（二）数控车床坐标系及工件坐标系,1数控车床坐标系,2数控车削加工工件坐标系,工件坐标系的原点O选在便于测量或对刀

11、的基准位置，一般取在工件右端面或左端面与中心线的交点处。,（三）数控车床编程的特点,1直径编程方式,B（40，60）,A（30，80）,直径编程,2绝对坐标与增量坐标,FANUC数控系统的数控车床，是用地址符来指令坐标字的输入形式的，在一个程序段中，可以采用绝对值编程或增量值编程，也可以采用混合编程，地址符X、Z表示绝对坐标编程，地址U、W表示增量坐标编程。,3具有固定循环加工功能,由于车削加工常用棒料或锻料作为毛坯，加工余量较大，加工时需要多次走刀，为简化程序，数控装置常具备不同形式的固定循环功能，可自动进行多次重复循环切削。,4进刀和退刀方式,进刀：采用快速走刀接近工件切削起点附近的某个点

12、，再改用切削进给，以刀具快速走到该点时刀尖不与工件发生碰撞为原则,沿轮廓延长线工进退出至工件外侧，再快速退刀。从安全角度考虑，一般先退X轴，后退Z轴。,退刀：,（四）数控系统功能,1.G功能,不同的系统各指令功能会有所区别，所以在操作一台新的数控机床前一定要首先阅读机床操作说明书。本书介绍的G指令是Fanuc0i-TC系统常用的G指令。,G功能表,B：基本功能0：选购功能数控车设定A功能数控镗铣、加工中心B、C功能,G代码的几点说明：,1.G功能以组别可区分为二大类：属于“00”组别者，为非续效指令，其余的为续效指令。2.不同级别的G功能可以在同一程序段中使用。但若是同一组别的G功能，在同一程

13、序段中出现两个或以上时，则以最后一个G有效。3.本G功能表中有“”记号的G代码，是表示数控机床一经开机后或按了Reset键后就设启用的默认状态。,2.常用M功能简介,M00：程序停止可用NC启动命令（CYCLESTART）使程序继续运行；,M01：选择停止M01必须配合执行操作面板上的选择停止功能键OpsStop一起使用，此键“灯亮”执行M01，否则不执行。,M03：主轴正转程序执行至M03，主轴即正方向旋转（由主轴向尾座看）；,M04：主轴反转程序执行至M04，主轴即反方向旋转（由主轴向尾座看）；,M05：主轴停止程序执行至M05，主轴旋转瞬间停止。,1.程序结束前；2.若数控车床有主轴高速

14、档（M42）、主轴低速档（M41）指令时，在换档之前，必须使用M05，使主轴停止。3.主轴正、反转之间的转换时，必须使用M05，以免伺服电动机受损。,说明：,M08：切削液开程序执行至M08，即启动润滑泵，但必须配合执行操作面板上的CLNTauto键，处于“NO”状态。,M09：切削液关用于程序执行完毕之前，将润滑泵关闭。,M02：程序结束置于程序最后，表示程序执行结束。但程序执行指针不会自动回到程序的开关。,M30：程序结束置于程序最后，表示程序执行结束。但程序执行指针会自动回到程序的开关。,M98：子程序调用当程序执行M98指令时，控制器即调用M98所指定的子程序出来执行。,M99：子程序

15、结束并返回主程序用于子程序最后一个程序段，表示子程序结束，且程序指针跳回主程序中M98的下一程序段继续执行。,指令格式：M98P,调用次数，调用一次可省略,子程序号,F功能指令用于在程序中控制切削进给量，有两种指令模式：,3.进给功能（F功能）,编程格式：G99F_；F后面的数字表示主轴每转一转刀具的进给量。单位：mm/r。说明：模态指令，一经指定直到被G98取代，一直有效。系统默认状态，车床上一般常用此种进给量指令方式。,G99F0.2表示进给量为：0.2mm/r。,例：,（1）每转进给模式（G99）,编程格式：G98F_；F后面的数字表示刀具每分钟的进给量，单位：mm/min。,（2）每分

16、钟进给模式（G98）,G98F100表示进给量为：100mm/min。,例：,模态指令。,说明：,S功能指令用于控制主轴转速。,4.主轴转速功能（S功能）,编程格式：S,种类：恒线速控制恒转速控制,S后面的数字表示主轴转速，单位：r/min。,在具有恒线速功能的机床上，S功能指令可限制主轴最高转速,注意：,G50S3000；表示主轴最高转速限制：3000r/min。,（1）主轴最高转速限制（G50）,编程格式：G50S；,例：,该指令可防止因主轴转速过高，离心力太大，产生危险及机床寿命。,说明：,G96S150；表示切削点线速度控制在150m/min。,（2）恒线速控制（G96）,编程格式：G

17、96S；S后面的数字表示的是恒定的线速度：m/min,例：,A：n=1000150(40)=1193r/minB：n=1000150(60)=795r/minC：n=1000150(70)=682r/min,对图中所示的零件，为保持A、B、C各点的线速度在150m/min，则各点在加工时的主轴转速分别为：,该指令在车削端面或工件直径变化较大时使用。转速与线速度的转换关系为：,（3）恒转速控制（线速取消）G97,编程格式：G97S；,S后面的数字表示恒线速度控制取消后的主轴转速，如S未指定，将保留G96的最终值。,例：,G97S3000；表示恒线速控制取消后主轴转速3000r/min。,恒转速控

18、制一般在车螺纹或车削工件直径变化不大时使用，该指令可设定主轴转速并取消恒线速度控制,说明：,T后面四位数字，前两位是刀具号，后两位是刀具长度补偿号，又是刀尖圆弧半径补偿号。,T0303：表示选用3号刀及3号刀具长度补偿值和刀尖圆弧半径补偿值；T0300：表示取消刀具补偿。,5.T功能,作用:T功能指令用于选择加工所用刀具。,编程格式:T,例：,说明:,图中T03号刀具表示基准刀，其补偿号为03，则在补偿参数设置页面中NO.003补偿中X轴、Z轴的补偿值均设为零；T05号刀为内孔车刀，其补偿号为05，它与基准刀在X轴、Z轴方向的长度差值如图示，则在补偿参数设定页面中，NO：005补偿常数中X轴与

19、Z轴的补偿值分别为-10mm和12.5mm。,若要T03刀具到达A点，程序段为：,G00X20Z20T0303；,若要T05刀具到达A点，程序段为：,G00X20Z20T0505；,（五）轴类零件加工编程基本指令,1.工件坐标系设定（G50）,坐标X、Z值分别为刀尖（刀位点）起始点相对工件原点的X向和Z向坐标，注意X值为直径值。,G50X_Z_；,编程格式：,G50指令编程举例：当以工件左端面为工件原点时,G50X200.0Z150.0；,功能：规定刀具起刀点（或换刀点）至工件原点的距离。,（1）系统执行G50XZ前，必须先行对刀，通过调整机床，将刀尖放在程序所要求的起刀点位置上。,注意事项：

20、,（2）在G50指令中如果将X、Z各轴数值设置为零时，则工件坐标系原点与刀具起始点重合。（3）G50指令的作用只是分离工件坐标系原点和刀具起始点，加工中并不产生运动。注：SIEMENS数控系统使用的代码为G92。,（4）用G50XZ在机床数控系统中建立起来的工件坐标系，没有存贮功能，机床重启后工件坐标系的位置在系统中的记忆消失。,（5）用刀尖当前位置设定工件坐标系，当刀具当前位置的时，所设定的工件坐标系的工件原点也会随之改变，所以用该方法编制的程序，程序结束前必须让刀具返回起刀点。,G50指令编程思考题：,当以工件左端面为工件原点时：,G50X70.0Z68.0;,当以工件右端面为工件原点时：

21、,G50X70.0Z45.0;,当以卡爪前端面为工件原点时：,G50X70.0Z56.0;,（1）此指令是使刀具以系统预先设定的速度快速移动定位所指定的位置,刀具运动轨迹没有严格要求。（2）不运动的坐标可以省略。（3）X、Z表示目标点的绝对坐标值，U、W表示目标点的相对前一点的增量坐标。（4）用G00编程时，也可以定作G0。,2.快速定位（G00）,编程格式：G00X（U）_Z（W）_；,说明：,例:,如图所示刀具要快速移到指定位置，用G00编写程序段：,绝对值方式编程：,G00X50.0Z6.0；,G00U-70.0W-84.0;,增量方式编程：,2.直线插补（G01）,编程格式：G01X（

22、U）_Z（W）_F_；,说明：,（1）采用绝对尺寸编程时，刀具以F指令指进给速度进行插补，运行至坐标值为X、Z的某轨迹点上；（2）采用相对尺寸编程时，刀具运行到距当前点（起始点）的距离为U、W的某轨迹点上；（3）机床在执行G01指令时，在该程序段中必须具有或在该程序段前已经有F指令，否则系统认为进给速度为零。单位：mm/r。,例:,用G01编写如图所示刀具运动轨迹的加工程序段：,绝对值编程：G0lX40.0Z20.1F0.1；,增量值编程：G01U20.0W-25.9F0.1；,利用G00、G01指令分别采用绝对、增量和混合方式编写图示工件的加工程序段，选右端面回转中心O为编程原点。,例：,绝

23、对值编程：S800M03；G00X50.0Z2.0T0101；（AB）G01Z-36.0F0.3；（BC）X80.0Z-64.0；（CD）G00X150.0Z100.0；（DA）,增量值编程：S800M03；G00U-100.0W-98.0T0101；（AB）G01W-38.0F0.3；（BC）U30.0W-28.0；（CD）G00U70.0W164.0；（DA）,混合编程：S800M03；G00X50.0Z2.0T0101；（AB）G01Z-36.0F0.3；（BC）X80.0W-28.0；（CD）G00X150.0Z100.0；（DA）,4.暂停指令（G04）,指令格式：G04X_；或G0

24、4U_；或G04P_；,例：暂停2秒,1.横向切槽、倒角、车顶尖孔时；2.对盲孔进行钻削时；3.钻深孔时；4.锪孔、车台阶轴清根时；,G04X2.0;G04X2000；G04U2.0;G04U2000；G04P2000；,P后面不能使用小数点，所以单位为毫秒（ms）,应用：,功能：该指令可使刀具在无进给的情况下做短时间的停顿,（六）轴类零件加工编程的单一循环指令（G90、G94）,单一固定循环可以将一系列连续加工动作，如“切入-切削-退刀-返回”，用一个循环指令完成，从而简化程序。,当工件毛坯的轴向余量比径向多时，使用G90轴向切削循环；当材料的径向余量比轴向多时，使用G94径向切削循环指令。

25、,1.G90轴向内、外径切削循环指令,（1）圆柱面切削循环指令,X、Z-圆柱面切削的终点坐标值；U、W-圆柱面切削的终点相对于循环起点坐标分量。,G90X(U)_Z(W)_F_；,编程格式：,说明：,模态指令,轴向柱面切削循环,走刀路线：A-B-C-D-A,圆柱面固定循环切削如图所示。刀具从循环起点开始按照矩形循环，最后回到循环起点，图中虚线表示按R快速移动，实线表示按照F指定的进给速度移动。,使用循环切削指令，刀具必须先定位至循环起点，再执行循环切削指令，且完成一循环切削后，刀具仍回到此循环起点.,注意：,应用G90切削循环功能编写图示零件的加工程序。,例2-1：,参考程序如下：,O2011

26、；G50X200.Z200.；G96S150M03；G50S2500M08；G00X55.0Z5.0T0101；（刀具定位到循环起点）G90X40.0Z-29.8F0.2；X32.4；X32.0Z-30.0S180F0.1；G00X200.0Z200.0T0100；M30；,（2）圆锥面切削循环,G90X(U)_Z(W)_R_F_；,编程格式：,X、Z-圆柱面切削的终点坐标值；U、W-圆柱面切削的终点相对于循环起点坐标分量。,说明：,R为圆锥面切削起点相对于切削终点的半径差。,圆锥面固定循环切削如图所示。刀具从循环起点开始循环，最后回到循环起点，图中虚线表示快速移动，实线表示按照F指定的进给速

27、度移动。,说明：,走刀路线：,ABCDA,轴向锥面切削循环,应用G90切削循环功能编写图示零件的加工程序。,计算：由图分析通过三角形的相似关系有：,由此求得：,例2-2：,O2012；G50X200.Z200.；G96S150M03；G50S2500M08；G00X55.0Z5.0T0101；（刀具定位到循环起点）G90X53.0Z-19.8R-6.25F0.2；X47.0；X42.2Z-19.8；X42.0Z-20.0S180F0.1；G00X200.0Z200.0T0100；M30；,参考程序如下：,2.径向切削循环指令（G94）,用于加工直端面或锥端面车削循环。,X、Z为端平面切削终点坐

28、标值；U、W为端平面切削终点相对于循环起点的增量坐标；,编程格式：G94X（U）_Z（W）_F_；,说明：,（1）直端面车削循环,走刀路线：ABCDA,O2013；G50X150.Z200；G96S120M03；G50S3000M08；G00X85.0Z5.0T0404；（刀具定位到循环起点）G94X40.8Z4.0F0.2；X40.6Z8.0；X40.5Z9.9；X40.0Z10.0S150F0.1；G00X150.0Z200.0T0400；M30；,调用4号刀具，应用G94切削循环功能编写图示零件的加工程序。,例2-3,参考程序如下：,车直端面,（2）锥面端面切削循环,X、Z-端面切削的终

29、点坐标值；U、W-端面切削的终点相对于循环起点的坐标；R-端面切削的起点相对于终点在Z轴方向的坐标增量。,编程格式：G94X(U)_Z(W)_R_F_；,说明：,走刀路线：,ACBDA,例2-4,车锥端面,O2020；G50X150.Z200.;G96S120M03；G50S3000M08；G00X105.Z20.0T0202；（刀具定位到循环起点）G94X10.0Z15.0R-22.F0.2；Z10.0；Z5.0；Z0；Z-5.0；Z-9.5；Z-10.0S150F0.1；G00X150.0Z200.0T0000；M30；,调用2号刀具，应用G94切削循环功能编写图示零件的加工程序。,参考程序如下：,（七）轴类零件编程实例,加工图零件，毛坯为3245的棒料，要求采用G90指令编写加工程序。,例：,技术要求：外圆表面全部Ra3.2；未注倒角145；,粗车30、16外圆，留余量0.2mm；精加工轮廓表面至图示要求切断。,1确定加工方案,93外圆车刀T