数控车典型机械零件的数控工艺设计与编程加工

1、数控车典型机械零件的数控工艺设计与编程加工数控车典型机械零件的数控工艺设计与编程加工 摘要摘要 ：数控机床加工工艺与普通机床加工工艺在原则上基本相同，但数控加工的整个过程是自 动进行的。数控加工的工序内容比普通机床的加工的工序内容复杂。这是因为数控机床价格昂贵， 若只加工简单的工序，在经济上不合算，所以在数控机床上通常安排较复杂的工序，甚至是在通用 机床上难以完成的那些工序。数控机床加工程序的编制比普通机床工艺规程编制复杂。这是因为在 普通机床的加工工艺中不必考虑的问题，如工序内工步的安排、对刀点、换刀点及走刀路线的确定 等问题，在数控加工时，这一切都无例外地都变成了固定的程序内容，正由于这个

2、特点，促使对加 工程序的正确性和合理性要求极高，不能有丝毫的差错，否则加工不出合格的零件。 关键词关键词：轴类零件 数控车削 工艺设计 目录目录 一、一、 零件工艺分析零件工艺分析 .1 1 （一）零件工艺分析 .1 1.零件图分析.1 2.工艺分析.1 (二）选择零件毛坯 .1 二二 加工方法的选择加工方法的选择 .2 2 （一）数控车削加工方法拟订 .2 1. 数控车削加工外圆回转体零件与端面加工方法的选择.2 2. 数控车削加工内圆回转体加工方法的确定.2 3 .数控车削加工螺纹加工方法的确定.3 三三 机床与刀具的选择机床与刀具的选择 .3 3 (一） 机床的选择 .3 1.SSCK2

3、0/500 数控车床布局 .3 （二）刀具的选择 .9 四四 定位与夹紧方式的确定定位与夹紧方式的确定 .4 4 （一）定位与夹紧方式 .4 五五 加工顺序的安排加工顺序的安排 .5 5 六六 确定走刀路线和工步顺序确定走刀路线和工步顺序 .5 5 （一） 确定加工顺序和走刀路线 .5 1.工步顺序的确定.5 2.走刀路线的确定.6 （一） 切削用量的选择 .7 (二） 数控加工工艺卡片拟订 .9 八八 对刀点与换刀点的确定对刀点与换刀点的确定 .1010 （一） 对刀点 .10 （二） 换刀点 .11 九九 高速切削技术高速切削技术 .1212 十十 程序的编制程序的编制 .1313 （一）

4、 零件各结点尺寸计算就 .12 （二）程序的编制 .13 致谢致谢 .1818 参考文献参考文献 .1818 （一）（一）零件工艺分析零件工艺分析 图 1-1 1.1.零件图分析零件图分析 图 1-1 零件从结构图来看该零件包括内外的加工。内表面主要是孔、外表面由圆柱、圆锥、 顺圆弧、逆圆弧及螺纹等表面组成。但是，其中多个直径以及宽度尺寸有较严的尺寸精度和表面粗 糙度等要求，适合数控车削加工；球面 S48的尺寸公差还兼有控制该球面形状（线轮廓）误差 的作用。尺寸标注完整，轮廓描述清楚。零件材料为 45 钢，该材料具有较高的强度以及较好的韧 性塑性，可在供应状态和正火状态下使用，制照力学性能要求

5、不高的零件；进行调质处理后，制 造要求良好力学性能的零件。无热处理和硬度要求。零件生产批量为单件小批量。 2.2.工艺分析工艺分析 (1)图样上给定的内孔直径 28,圆柱尺寸 3542 和 52,宽度尺寸 4 和 3,取中值作为编 程的尺寸依据。其他尺寸皆取基本尺寸作为编程尺寸依据； (2)52 的圆柱与 28 的孔有较高的同轴度要求,加工时必须以同一个定位基准进行加工； (3)28 的公差等级为 IT8 表面粗糙度 Ra 为 1.6，宜采用钻扩铰进行加工以保证尺寸和表 面粗糙度的要求； (4)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

6、补偿，以保证轮廓曲线的准确性； (5)零件中有比较大的圆弧需要进行加工，为了不使加工过程中出现过切现象选择较大副偏角 的车刀进行加工。 (二）选择零件毛坯二）选择零件毛坯 该零件为 45 钢，生产类型为单件小批量生产。 根据上述原始资料以及加工工艺，确定毛坯尺寸如下： 该零件最大外圆直径为 52mm 查机械制造工艺设计简明手册 （以下简称工艺手册 ）表 2.2 得知毛坯直径应为 55mm。长度尺寸为 1450.08 二、二、 加工方法的选择加工方法的选择 （一）（一）数控车削加工方法拟订数控车削加工方法拟订 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

7、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、尺寸大小和热处理要 求等全面考虑。 1 1. . 数控车削加工外圆回转体零件与端面加工方法的选择数控车削加工外圆回转体零件与端面加工方法的选择 (1)5242 和 35 的尺寸精度等级为 IT7，并且 52 和 35 外圆柱表面粗糙度 Ra 为 1.6， 参考数控加工工艺简明教程表 3-14 可知加工这些圆柱时宜采用粗车半精车精车三步加工； (2)零件左端外圆尺寸精度以及表面粗糙度要求不高所以可以采用粗车精车进行加工以缩短工 时，由于零件左端有螺纹需要加工并且螺纹精度要求较高，而为了达到螺纹加工的精度要求所以在 加工零件左端外圆

8、时须将外圆尺寸加工为 29.8mm； (3)对于圆锥面采用衡线速度进给切削，以保证圆锥尺寸精度。 2.2. 数控车削加工内圆回转体加工方法的确定数控车削加工内圆回转体加工方法的确定 28+00.04 盲孔:孔的精度要求在 IT8IT9 之间,参考数控加工工艺简明教程表 3-16 获知宜 采用钻扩铰进行加工,以保证尺寸和表面粗糙度的要求。参考工艺手册表 2.3-9 以及 2.3-12 确定工序尺寸及余量为钻孔: 26.0mm 扩孔:27.8mm 2Z=1.8mm 铰孔:28+00.04 2Z=0.2mm 。 3 3 . .数控车削加工螺纹加工方法的确定数控车削加工螺纹加工方法的确定 由于该零件中

9、螺纹加工精度要求较高,为了保证其螺距和牙深的精度故采用 G92 螺纹加工指令 进行加工。 三、三、 机床与刀具的选择机床与刀具的选择 (一）一） 机床的选择机床的选择 数控车床,其型号为 SSCK20/500，装配 FANUC-OTC 系统 1.1.SSCK20/500SSCK20/500 数控车床布局数控车床布局 SSCK20/500 数控车床为两坐标联动控制的卧式车床。床身采用向后倾斜 45，使刀具的调整及 操作更为方便安全。导轨采用直线滚动导轨或镶钢导轨，因摩擦系数小，从而增加了耐磨性和精度 的保持性，提高了刀架的快移速度并延长机床使用寿命。主轴采用普通电动机、变频调速，主轴卡 盘和尾座

10、在结构设计上均采用液压控制，压力的大小可分别用减压阀进行调整。倾斜滑板上安装有 回转刀架，设有 6 个工位。滑板上分别安装有 X 轴和 Z 轴的进给传动装置。根据用户的要求，主轴 箱前端面上可以安装对刀仪，用于数控车床的对刀。 （二）刀具的选择（二）刀具的选择 将所选刀具参数填如表 3-1 数控加工刀具卡片中，以便于编程和操作管理。注意：车削外轮廓 时，为防止副后刀面与工件表面发生干涉，应选择较大副偏角，必要时可以作图检验。图 3-1 所示， 为一圆弧面过渡到圆柱面时交点的切线与圆柱面的夹角，由图可知在加工这一过渡表面时 kr最小 为 560。同时，为了使粗加工时候能够切除更多的毛坯余量参考图

11、 3-2 确定粗加工刀具最小后角 kr=430 。 图3-1 图 3-2 四、四、 定位与夹紧方式的确定定位与夹紧方式的确定 （一）定位与夹紧方式（一）定位与夹紧方式 此工件必须分两次装夹。由于左端外表面为螺纹，不适于做装夹表面，所以第一次装夹工件左 端，加工右端，为了防止由于切削力的作用而产生轴向位移, 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。此处利用工件台阶面进行定位。使用三爪自定心卡盘夹持，考虑到此工序 需要加工的零件较长所以需要在右端面加一顶尖，采取一夹一顶的方式进行装夹，如图 4-1a 所示。 第一次装夹完成 S48 球面R48 圆弧R9 圆弧R8 圆弧35 外圆5

12、2 外圆圆锥面槽 28 内孔1X45倒角的粗精加工。第二次装夹如图 4-1b 所示，完成 30 外圆、螺纹 2X45倒角1X45倒角的粗精加工。 图 4-1a 零件的第一次装夹 图 4-1b 零件的第二次装夹 五、五、 加工顺序的安排加工顺序的安排 （一）加工顺序的安排（一）加工顺序的安排 按照加工内容确定加工顺序如下: 第一次装夹时 第一步: 装夹 55 圆柱表面,钻 5 中心孔； 第二步：用顶尖顶紧工件右端面，粗车 S48 球面R9 外圆R8 外圆35 圆柱圆锥面 52 圆柱； 第三步：半精车外圆表面； 第四步：钻 26 孔； 第五步：扩孔至 27.8； 第六步：铰孔至尺寸要求； 第七步：

13、精车外圆表面。 调头装夹 第二次装夹时 第一步：粗车 30 外圆表面，加工 2X450和 1X450倒角； 第二步：从左至右精车外圆表面； 第三步：车削 M30X2-6g 螺纹。 以上工艺过程详见表 7-1“数控加工工序卡” 。 六、六、 确定走刀路线和工步顺序确定走刀路线和工步顺序 （一）（一） 确定加工顺序和走刀路线确定加工顺序和走刀路线 1.1. 工步顺序的确定工步顺序的确定 在第一次装夹时，工步顺序的确定按照由内到外由粗到精由近到远的原则确定，在一次装 夹中尽可能加工出较多的工件表面。结合本零件的结构特征，可以先粗、半精加工外圆各表面（考 虑到粗加工刀具为了保证刀具的耐用度副角不宜过大

14、，为了避免粗加工时候刀具后刀面与零件发生 干涉，使得零件报废，造成不必要的浪费从而确定如图 6-1 所示粗加工零件轮廓图，调整后尺寸如 图所示，其它基本尺寸不变） ，再加工内孔各表面至尺寸以及表面粗糙度要求，然后再进行外圆各表 面的精加工。 在第二次装夹时，结合零件的结构特征，首先对零件外圆进行粗、精加工再车 M302-6g 螺纹。 图 6-1 2.2. 走刀走刀路线的确定路线的确定 在数控加工中，刀具刀位点相对于工件运动轨迹称为走刀路线。编程时，走刀路线的确定原则 主要有以下几点： （1）走刀路线应保证被加工零件的精度和表面粗糙度，且效率高； （2）使数值计算简单，以减少编程工作量； （3）

15、应使走刀路线最短，这样既可减少程序段，又可减少空刀时间。 （4）此外，确定走刀路线时，还要考虑工件的加工余量和机床、刀具的刚度等情况，确定是 一次走刀，还是多次走刀来完成加工等。 由于该数控车床具有循环功能，只要编程正确，数控系统就会自动确定粗车以及螺纹车削路线。 因此，该零件的粗车以及螺纹车削路线不需要人为确定进给路线，我们只要指定零件的精车路线。 本工件的精车路线如图 6-2 所示。由于该零件为单件小批量生产，走刀路线设计不必考虑最短进给 路线或最短空行程路线。 图 6-2 a 图 6-2 b 说明:图 6-2 a 示为第一次装夹时外圆精车走刀路线,图中点 A(250.0,150.0)为换

16、刀点点 B( 55.0,7.0)为精车起刀点,点 C(12.735,4.543)为切入点,为切了避免切入时损坏工件故采取圆弧切切 入。图 6-2 b 示为第二次装夹时外圆精车走刀线，图中 a 点为换刀点（100.0，100.0） ， 点 b 为精 车起刀点（55.0，5.0） ， 精车切入点 c(53.985,35)。 七、七、 切削用量的选择切削用量的选择 （一）（一） 切削用量的选择切削用量的选择 切削用量的选择根据被加工表面质量要求刀具材料和工件材料，参考切削用量手册或有关资 料选取切削速度和每转进给量然后根据式 1-1 和 1-2 计算主轴转速与进给速度， VC=dn/1 000 (1

17、-1) n1200/p-k (1-2) 式中 VC切削速度，单位 m/min; d切削刃上选定点处所对应的工件或刀具的回转直径,单位 mm; n工件的转速,单位为 r/min; P被加工螺纹螺距，单位为 mm； K保险系数，一般为 80。 计算过程如下： 第一次装夹 钻孔 28+00.04mm 钻孔 26 （1） 背吃刀量 ap=13mm。 （2） 进给量 根据数控加工工艺简明教程表 6-4，选用 f=0.4mm/r。 （3） 切削速度 根据数控加工工艺简明教程表 6-4，选用 Vc=20m/min。 （4） 主轴转速 由公式 1-1 得 20=3.14*26n/1 000 求得 n=245r

18、/min 经查表取 n=250r/min 扩孔 27.8mm： （1）背吃刀量 ap=18.9mm。 （2）进给量 根据数控加工工艺简明教程表 6-4，选用 f=0.4mm/r。 （3）切削速度 根据数控加工工艺简明教程表 6-4，选用 Vc=20m/min。 (4) 主轴转速 由公式 1-1 得 20=3.14*27.8n/1 000 求得 n=229r/min 经查表取 n=250r/min 铰孔 28+00.04mm： (1) 背吃刀量 ap=14mm。 (2) 进给量 根据数控加工工艺简明教程表 6-5，选用 f=0.5mm/r。 (3) 切削速度 根据数控加工工艺简明教程表 6-5，

19、选用 Vc=4m/min。 (4) 主轴转速 由公式 1-1 得 4=3.14*28n/1 000 求得 n=45r/min 经查表取 n=50r/min 粗车外轮廓 (1)进给量 查有关方面表得出 f=0.5mm/r。 半精车外轮廓 (2)进给量 由于在粗车外轮廓时留了 1.1mm 的余量,考虑 到还 需 要对零件进行精加工并 取精加工余量为 0.25mm , 半精车外轮廓进给量为 0.85mm,显然进给量过大。综合加工效率方面问题 考虑最后取进给量 f=0.85/2=0.425mm/r。 精车外轮廓 进给量 由于在半精车外轮廓时留了 0.25mm 的精加工余量，综合加工效率方面问题考虑最后

20、 取进给量 f=0.25/2=0.125mm/r。 第二次装夹 车 30mm 外圆柱面 粗车时 (1) 背吃刀量 根据数控加工工艺简明教程表 4-1，选用 ap=5mm。 (2) 进给量 根据数控加工工艺简明教程表 4-1，选用 f=0.5mm/r。 (3) 切削速度 根据数控加工工艺简明教程表 4-1，选用 Vc=100m/min。 精车时 (1) 背吃刀量 根据数控加工工艺简明教程表 4-1，选用 ap=0.25mm。 (2) 进给量 根据数控加工工艺简明教程表 4-1，选用 f=0.2mm/r。 (3) 切削速度 根据数控加工工艺简明教程表 4-1，选用 Vc=140m/min。 (4)

21、 主轴转速 由公式 1-1 得 140=3.14*30n/1 000 求得 n=1486r/min 经查表取 n=1500r/min 车螺纹 M302-6g (1)背吃刀量 见切削用量手册 （艾兴肖诗纲编，机械工业出版社，1985） ，刀具寿命 T=60min，车削螺纹用 G92 循环指令,需进行 5 次切削，每次背吃刀量如下： 第一次 ap=0.45mm 第二次 ap=0.3mm 第三次 ap=0.3mm 第四次 ap=0.2mm 第五次 ap=0.05mm (2)主轴转速 根据式 1-2 得 n1200/2-0.8 求出 n1000 因该数控车床具有循环功能，只要编程正确，数控系统就会自动

22、确定螺纹车削路线进给量以及 切削速度以及车外圆时的主轴转速。因此，该零件的螺纹车削路线不需要人为确定进给量和切削速 度，外圆车削不需要给定每次进刀时的主轴转速。 将计算结果填入表 7-1 中。 注意：背吃刀量的选择因粗精加工而有所不同。粗加工时，在工艺系统刚性和机床功率允许 的情况下，尽可能取较大的背吃刀量，以减少进给次数；精加工时，为保证零件表面粗糙度要求， 背吃刀量一般取 0.10.4mm 较为合适。 (二）二） 数控加工工艺卡片拟订数控加工工艺卡片拟订 将前面分析的各项内容综合成表 7-1 所示的数控加工工艺卡片，此表是数控加工程序的主要依 据和操作人员配合数控程序进行数控加工的指导性文

23、件，主要内容包括：工步顺序工步内容各 工步所用的刀具及切削用量等。 表 7-1 数控加工工序卡 产品名称或代号零件名称 材料零件图号 工厂数控加工工序卡 工序号程序编号夹具名夹具编号使用设备 专用夹具车间 工 步 号 工步内容刀具号 刀具规 格步 /mm 主轴转 速 rmin -1 进给速度 /mm min- 1 背吃刀量 /mm 备注 1 车削端面 0125523005 手动 2 钻 5 中心孔 252002.5 手动 3 粗车外表面 X 方向留 1.1mm 余量 0125254001005 自动 4 半精车外表面 X 向留 0.25mm 的精加工余量 0625255002003 自动 5

24、钻孔 03262504013 自动 6 扩孔 0427.82504013.9 自动 7 铰孔至尺寸要求 0528502014 自动 8 精车外表面至尺寸要求 0725256003000.25 自动 9 切槽 0835001500.2 自动 10 调头装夹手动 粗车外表面 X 向留 0.25mm 的精加工余量 0125253001005 自动 12 精车外表面至尺寸要求 0725256003000.25 自动 13 车削 M30X2-6g 螺纹 0925251000150 自动 编 制 审 核 批 准 共 1 页 第 1 页 八、八、 对刀点与换刀点的确定对刀点与换刀点的确定 （一）（一） 对刀

25、点对刀点 “对刀点”就是在数控机床上加工零件时，刀具相对于工件运动的起点。由于程序段从该点开 始执行，所以对刀点心也叫做“程序起点”或“起刀点” 。选择对刀点的原则是： （1）要便于数学处理和简化程序编制 （2）在机床上找正容易 （3）加工过程中检查方便 （4）引起的加工误差小 对刀点可选在工件上，也可选在工件外面（如选在夹具上或机床上） 。但必须与零件的定位基 准有一定的尺寸联系。这样才能确定机床坐标系和工件坐标系的关系。 为了提高加工精度，对刀点应尽量选在零件的设计基准或工艺基准上，如以孔定位的工件，可 选孔的中心作为对刀点。刀具的位置则以此孔来找正，使“刀位点”与“对刀点”重合。所谓“刀

26、 位点”是指车刀、镗刀的刀尖；钻头的钻尖；立铣刀、端铣刀刀头底面的中心、球头铣刀的球头中 心。 零件安装时，工件坐标系要与机床坐标系有确定的尺寸关系，在工件坐标系设定后，从对刀点 开始的第一个程序段的坐标值，为对刀点在机床坐标系中的坐标值。 对刀点既是程序的起点，也是程序的终点。因此在成批生产中要考虑对刀点的重复精度，该精 度可用对刀点相距机床原点的坐标值来校核。所谓“机床原点”是指机床上一个固定不变的极限点。 例如，对车床而言，是指车床主轴回转中心与车头卡盘端面的交点。 （二）（二） 换刀点换刀点 由于在第一次装夹中需要加工的工件毛坯尺寸为 115X55mm，为了避免换刀时发生刀架与毛坯 相

27、撞以及考虑到刀具的空行程问题所以工序一换刀点选定为(100.0,200.0)。 在第二次装夹时需要加工的工件毛坯尺寸为 38X55mm，同样为了避免换刀时发生刀架与毛坯相 撞以及考虑到刀具的空行程问题所以工序二换刀点选定为（100.0，100.0） 。 九、高速切削技术九、高速切削技术 高速切削的切削速度比常规切削速度高 510 倍以上。高速切削加工技术体系是机床、刀具、工 件、加工工艺、切削过程监控、切削机理等诸多方面的有机集成。 特点： 切削力随着切削速度的提高而下降； 切削产生的热量绝大部分被切屑带走； 加工表面质量提高； 在高速切削范围内，机床的激振频率远离工艺系统的固有频率范围。 优

28、点： 1、有利于提高生产效率； 2、有利于改善工件的加工精度和表面质量； 3、有利于减少模具加工中的手工抛光； 4、有利于减小工件变形； 5、有利于使用小直径刀具； 6、有利于加工薄壁零件和脆性材料； 7、有利于加工较大零部件 应用： 加工材料 适于高速切削加工的工件材料包括铝合金、钢、铸铁、铅、铜及铜合金，此外还包括模具钢、 钛合金、不锈钢、镍基合金、纤维增强合成树脂等难加工材料。 应用范围： 目前，高速切削加工技术主要应用于车削和铣削工艺，今后将涵盖所有的传统加工范畴，从粗 加工到精加工，从车削、铣削到镗削、钻削、拉削、铰削、攻丝、滚齿等。 航空制造业、模具制造业、汽车制造业等行业均已积极

29、采用高速切削加工技术。 十、十、 程序的编制程序的编制 （一）（一） 零件各结点尺寸计算就零件各结点尺寸计算就 在计算零件各接点计算时可以采取比较直观便捷的画图法来计算出编程时各接点的尺寸坐标值 如图 11-1 所示。作图时应注意将零件精度高的基本尺寸换算为平均尺寸。 图 11-1 图中点 A（0，18.735）为 S48mm 的球面右端的起始点，点 B（35.0478，-38.3841）为 S48mm 的球与 R=9 的圆弧的交点，点 C（36.4522，-44.35）为 R=8 的圆弧与 R=9 的圆弧的交点， 点 H（0，-30.415）为钻头钻孔时刀尖点所处的位置，期于各点 D（41.

30、758，-65 ） 、E（45.3058，- 75.06） 、F（47.7638，-82.03） 、G（50.2218，-89） 。 （二）程序的编制（二）程序的编制 第一次装夹 O0001 N10 G54 G00 X100 Z200; 设置换刀点 N20 T0101；粗加工外圆刀具 N30 M03 S400； N40 G42 G0 X60 Z5 加刀具补偿 N50 G73 P60 Q140 U1.1 W0.4 F0.25；粗加工循环 N60 G00 X18.735 Z0； N70 G03 X35.0478 Z-38.3841 R24F0.3； N80 G02 X36.4522 Z-44.35

31、 R9； N90 G03 X41.758 Z-65 R8； N100 G01 Z-65 F0.2； N110 X37.687； N120 X52 Z-94； N130 Z-115； N140 X58； N150 G40 G00 X100 Z200；取消刀补，返回换刀点 N160 T0606 S500；外圆半精车刀 N170 G42 G00 X55 Z7；加刀具补偿 N180 G73 P190 Q260 U0.25 W0.1 F0.25；半精车循环 N190 G00 X12.735 Z4.5430； N200G03 X35.0478 Z-38.3841 R24F0.3； N210 G02 X36

32、.4522 Z-44.35 R9； N220 G03 X34.885 Z-57 R8； N230 G01 Z-65 F0.2； N240 X37.687； N250 X52 Z-94； N260 Z-115； N270 X58； N280 G40 G00 X100 Z200；取消刀补，返回换刀点 N290 T0303 S250；钻头 N300 G00 X0 Z2； N310 G74 R1；钻孔循环 N320 G74 X0 Z-30.415 Q10 F0.4； N330 G00 X100 Z200； N340 T0404 S250；扩孔刀 N350 G00 X0 Z2； N360 G74 R1；

33、扩孔循环 N370 G74 X0 Z-30.415 Q10 F0.4； N380 G00 X100 Z200； N390 T0505 S50；铰刀 G00 X0 Z2； N400 G74 R1；铰孔循环 N410 G74 Z-26 Q10 F0.5； N420 G00 X100 Z200； N430 T0707 S600；精车外圆刀具 N440 G42 G00 X55 Z5； N450 G70 P190 Q260；精车外圆 N460 G40 G00 X100 Z200； N470 T0808 S500； 切槽刀具 N480 G00 X50 Z-75.06； N490 X47；切槽 N500 G01 X39 F0.2； N510 X50； N520 Z-82.03； N5