螺纹轴的数控加工工艺设计

摘 要 数控车削加工方案的拟订是制订车削工艺规程的重要内容之一，本设计是根据数控车削加工的工艺方法，安排工序的先后顺序，确定刀具的选择和切削用量的选择等设计的。根据设计思想总结了数控车削加工工艺的一些综合性的工艺原则，结合螺纹轴的设计加工，提出设计方案，并对比分析。 数控加工中经常遇到螺纹轴的加工，在对某螺纹轴零件进行加工工艺分析的基础上，编写了数控加工程序，检验数控编程及各种工艺的正确性，为该类零件的数控加工提供了很有意义的参考。 关键词 数控车床 数控车削加工工艺 螺纹加工 零件图 的工艺分析 he is of of to of of of to of of of in of a on of of nc NC of NC of 目 录 引 言 . 1 第一章 螺纹简述和工艺分析与设计 . 2 纹的简述 . 2 控加工工艺分析与设计 . 2 第二章 螺纹轴车削加工工艺及编程 . 4 纹加工概念及加工工艺 . 4 32螺纹切削指令应用 . 8 纹切削单一固定循环 . 11 纹切削复合循环 . 12 螺纹切削编程示例 . 14 第三章 典型轴类零件（螺纹轴）的数控加工工艺分析 . 16 . 16 . 17 . 17 . 17 . 17 . 18 第四章 轴类零件（螺纹轴）加工过程中几点说明 . 20 结 论 . 21 致 谢 . 22 参考文献 . 23 引 言 科学技术日新月异，工业生产不断进步，市场对产品的质量和生产效率提出了越来越高的要求。 根据数控车削加工的工艺方法，安排工序的先后顺序，确定刀具的选择和切削用量的选择等设计 。 一 般生产加工中，螺纹的加工方式多采用攻丝这种传统工艺，随着数控技术的发展、软件的创新、控制精度的提高、三轴联动 或多轴联动数控系统的产生及其在生产领域的广泛应用，相应的先进加工工艺 螺纹铣削逐渐得以实现，其加工精度、光洁度以及柔性是攻丝无法比拟的，另外其经济性在某种情况下也更优于传统工艺。 良好的结构工艺性，可以使零件加工容易，节省工时和材料。而较差的零件零件工艺性，会使加工困难，浪费工时和材料，有时甚至无法加工。因此，零件各加工部位的结构工艺性应符合数控加工的特点。 第一章 螺纹简述 和工艺分析与设计 纹的简述 在圆柱或圆锥母体表面上制出的螺旋线形的、具有特定截面的连续凸起部分。螺纹按其母体形状分为圆柱螺 纹和圆锥螺纹；按其在母体所处位置分为外螺纹、内螺纹，按其截面形状（牙型）分为三角形螺纹、矩形螺纹、 梯形螺纹 、锯齿形螺纹及其他特殊形状螺纹，三角形螺纹主要用于联接，矩形、梯形和锯齿形螺纹主要用于传动；按螺旋线方向分为 左旋螺纹 和 右旋螺纹 ，一般用右旋螺纹；按螺旋线的数量分为单线螺纹、双线螺纹及多线螺纹；联接用的多为单线，传动用的采用双线或多线；按牙的大小分为粗牙螺纹和细牙螺纹等，按使用场合和功能不同，可分为紧固螺纹、管螺纹、传动螺纹、专用螺纹等。 数控加工工艺 分析与 设计 零件结构工艺性是指所设计的零件在能满足使用要求的前提下，制造的可行性和经济性。良好的结构工艺性，可以使零件加工容易，节省工时和材料。而较 差的零件零件工艺性，会使加工困难，浪费工时和材料，有时甚至无法加工。因此，零件各加工部位的结构工艺性应符合数控加工的特点。 分析零件，技术要求包括 5 个方面： （ 1）加工表面的尺寸精度，该零件图的表面尺寸精度要求较高； （ 2）主要加工表面的形状精度，该零件主要加工的形状为外圆弧表面； （ 3）主要加工表面的相互位置精度； （ 4）加工表面的粗糙度和机械物理性能； （ 5）热处理及其它要求。 该零件有端面、外圆、倒角、圆弧、螺纹、退刀槽等，故为典型轴零件，最适合数控车床加工，选择 列机床。 （ 1）确 定工件的加工部位和具体内容 确定被加工工件需在本机床上完成的工序内容及其与前后工序联系。 工件在本工 序加工之前的情况。例如铸件、锻件或棒料、形状、尺寸、加工余量 等。 前道工序已加工部位的形状、尺寸或本工序需要前道工序加工出的基准面、基准孔等。 本工序要加工的部位和具体内容。 （ 2）确定工件的装夹方式 根据已确定的工件加工部位、定位基准和夹紧要求，选用或设计夹具。数控车床多采用三爪自定心卡盘夹持工件；轴类工件还可以采用尾座顶尖支持工件。由于数控车床主轴转速极高，为便于工件夹紧，多采用液压高速动力卡盘，因 它在生产厂已通过了严格的平衡，具有高转速（极限转速可达 4000 6000 r/高夹紧力（最大推拉力为2000 8000 N）、高精度、调爪方便、通孔、使用寿命长等优点。还可使用软爪夹持工件，软爪弧面由操作者随机配制，可获得理想的夹持精度。通过调整油缸压力，可改变卡盘夹紧力，以满足夹紧各种薄壁和易变形工件的特殊需要。为减少细长轴加工时受力变形，提高加工精度，以及在加工带孔轴类工件内孔时，可采用液压自动定心中心架，定心精度可达 由于螺纹轴是一个普通轴类零件，所以采用三爪卡盘进行定位装夹 。加工时以右端面为定位基准，取工件的左端面中心为工件坐标系的原点。 （ 3）走刀路线的确定标准 走刀路线就是刀具在整个加工工序中的运动轨迹，它不但包括了工步的内容，也反映出工步顺序。走刀路线是编写程序的依据之一。确定走刀路线时应注意以下几点： 寻求最短加工路线； 最终轮廓一次走刀完成； 选择切入切出方向； 第二章 螺纹轴车削加工工艺及编程 纹加工概念及加工工艺 螺纹加工是在圆柱上加工出特殊形状螺旋槽的过程，螺纹的常见的用途是连接紧固、传递运动等。螺纹常见的加工方法有：滚丝或螺纹成型、攻丝、铣 削螺纹、车削螺纹等。 床可加工出高质量的螺纹，本章 主要用 床车削螺纹的工艺编程方法。 车削螺纹加工是在车床上，控制进给运动与主轴旋转同步，加工特殊形状螺旋槽的过程。螺纹形状主要由切削刀具的形状和安装位置决定。螺纹导程由刀具进给量决定。如图 示的螺纹车削加工。 图 削螺纹加工 程加工最多的是普通螺纹，螺纹牙形为三角形，牙型角为 60 ，普通螺纹分粗牙普通螺纹和细牙普通螺纹。粗牙普通螺纹的螺距是标准螺距，其代号用字母 “ M”及公称直径表示，如 。细牙普通螺纹代号用 字母 “ M” 及公称直径 螺距表示，如 2 等。 普通螺纹加工刀具刀尖角通常为 60 ，螺纹车刀片的形状跟螺纹牙型一样，螺纹刀切削不仅用于切削，而且使螺纹成型。 机夹式螺纹车刀如图 示，分为外螺纹 车刀和内螺纹车刀两种。可转位螺纹车刀是弱支撑，刚度与强度均较差。 图 车削螺纹加工 装夹外螺纹车刀时，刀尖应与主轴线等高 (可根据尾座顶尖高度检查 )。车刀刀尖角的对称中心线必须与工件轴线垂直，装刀时可用样板来对刀。 一个螺纹的车削需要多次切削加工而成，每次切削逐渐增加螺纹深度，否 则，刀具寿命也比预期的短得多。为实现多次切削的目的，机床主轴必需恒定转速旋转，且必须与进给运动保持同步，保证每次刀具切削开始位置相同，保证每次切削深度都在螺纹圆柱的同一位置上，最后一次走刀加工出适当的螺纹尺寸、形状、表面质量和公差，并得到合格的螺纹。 图 螺纹加工路线 如图 程中，每次螺纹加工走刀至少有 4次基本运动 (直螺纹 )。 运动：将刀具从起始位置 动至螺纹计划切削深度处。 运动：加工螺纹 轴向螺纹加工 (进给率等于螺距 )。 运动：刀具 X 向快速（ 退刀至螺纹加工区域外的 X 向位置。 运动：快速（ 回至起始位置。 （ 1） 螺纹切削起始位置 螺纹切削起始位置，既是螺纹加工的起点，又是最终返回点，必须定义在工件外，但又必须靠近它。 X 轴方向每侧比较合适的最小间隙大约为 牙螺纹的间隙更大一些。 Z 轴方向的间隙需要一些特殊考虑。在螺纹刀接触材料之前，其速度必须达到 100编程进给率。由于螺纹加工的进给量等于螺纹导程，所以需要一定的时间达到编程进给率。如同汽车在达到正常行驶速度以前需要时间来加速一样，螺纹刀在接触材料前也必须达到指定的进给率 ，确定前端安全间隙量时必须考虑加速的影响，故必须设置合理的导入距离。导入距离一般为 螺纹导程长度的 3 4 倍。 同理，螺纹切削结束前，存在减速问题，故必须合理设置的导出距离 。 在某些情况下，由于没有足够空间而必须减小 Z 轴间隙，惟一的补救办法就是降低主轴转速 (r 不要降低进给率。 （ 2） 从螺纹退刀 为了避免损坏螺纹，刀具沿 须立即离开工件，退刀运动有两种形式 沿一根轴方向直线离开 (通常沿 X 轴 )，或沿两根轴方向斜线离开 (沿 ，如图 （ a)直线退出 (b)斜线退出 图 螺纹退刀 通常如果刀具在比较开阔的地方结束加工，例如退刀槽或凹槽，那么可以使用直线退出，车螺纹 使用快速运动 令编写直线退出动作，如： 32 2 （螺纹加工程序） 00 果刀具结束加工的地方并不开阔，那么最好选择斜线退出，斜线退出运动可以加工出更高质量的螺纹，也能延长螺纹刀片的使用寿命。斜线退出时，螺纹加工 出的长度通常为导程，推荐 使用的角度为 45，退出程序如下： 32 2；（螺纹加工程序） 4 (斜线退出，螺纹加工状态 ) 00 (快速退出 ) （ 3） 螺纹加工直径和深度 由于螺纹不能一次切削加工出所需深度，所以总深度必须分成一系列可操控的深度，每次的深度取值，不仅要考虑螺纹直径，还要考虑加工条件：刀具类型、材料以及安装的总体刚度。 螺纹加工中随着切削深度的增加，刀片上的切削载荷越来越大。对螺纹、刀具或两者的损坏可以通过保持刀片上的恒定切削载荷来 避免。要保持恒定切削载荷，一种方法是逐渐减少螺纹加工深度。 每次切削深度的计算并不需要复杂的公式 ,但需要一些常识和经验。螺纹加工循环在控制系统中建立了自动计算切削深度的算法，手动计算的逻辑是一样的。有关螺纹加工的一些数值可由下面列出经验计算方法得到： 外螺纹小径 =外圆直径 2牙高； 螺纹牙高 =刀次数 =； 走刀次数牙高最大切深 走刀次数最大切深最小切深 式中： 线螺纹导程与螺距相同 车三角形外螺纹时， 由于受车刀挤压会使螺纹大径尺寸胀大，所以车螺纹前大径一般应车得比基本尺寸小约 削三角形内螺纹时，内孔直径会缩小，所以车削内螺纹前的孔径要比内螺纹小径略大些，可采用下列近似公式计算： 车外螺纹前外圆直径 =公称直径 D 车削塑性金属的内螺纹底孔直径 公称直径 d P 车削脆性金属的内螺纹底孔直径公称直径 4） 主轴转速以及进给率 螺纹加工时将以特定的进给量切削，进给量与螺纹导程相同， 螺纹加工模式 下控制主轴转速与螺纹加工进给同步运行。螺纹加工是典型高进给率加工，比如加 工导程为 3 给量则是 3r。 螺纹加工的主轴转速直接使用恒定转速（ r/程，而绝不是恒线速度 (这就意味着准备功能 须与地址字 S 一起使用来指定每分钟旋转次数，例如“ 500 表示主轴转速为 500r 么如果加工导程为 3进给速度计算如下： F 700r 3r 2100保证正确加工螺纹 ,在螺纹切削过程中，主轴速度倍率功能失效 ,进给速度倍率无效 。 纹切削指令应用 制系 统中最简单的螺纹加工代码，该螺纹加工运动期间，控制系统自动使进给率倍率无效。 32 螺纹切削指令 指令格式： (U) Z(W) F Q； (等螺距螺纹切削指令 ) X(U) Z(W) 为直线螺纹的终点坐标； F 为直线螺纹的导程，如果是单线螺纹，则为直线螺纹的螺距； Q 为螺纹起始角，该值为不带小数点的非模态值，其单位为 如果是单线螺纹，则该值不用指定，这时该值为 0； 32 螺纹切削编程实例 试用 编写图 图 螺纹加工工件 （ 1） 相关工艺 设计螺纹切削导入距离 6具退出的方式为 45斜线，长度为导程 如图 a） 所示。 图 例工件螺纹加工相关设计 车外螺纹前外圆直径公称直径 D 24 螺纹牙高 = 外螺纹小径 =外圆直径 2牙高 2 设计螺纹分五次切削加工出所需深度，第一刀切深 后，每刀逐渐减少螺纹加工深度，最后精加工切深 分层切削染余量分配如图 b） 所示。 拟定主轴转速使用恒定转速 500r/进给量则是导程 r。 （ 2） 螺纹加工程序 编写螺纹加工程序 99 调用第 4号外螺纹刀具 ) 03 00 6 (起始点 , 导人距离 5 00 （刀具 从起始位置 32 （轴向螺纹加工，进给率等于螺距 )。 4 （刀具退出的方式为 45斜线，保持螺纹切削状态） 00 （刀具 30 位置） 6 ； (快速 。 ( 00 32 4 00 6 ( 00 41 4 00 6 ( 100 09 41 程序结束 ) 螺纹切削单一固定循环 1） 单一循环螺纹加工指令 由程序 见，用 写螺纹多次分层切削程序是比较繁琐，每一层切削要五个程序段，多次分层切削程序中包含大量重复的 信息。 统可用 令的一个程序段代替每一层螺纹切削的五个程序段，可避免重复信息的书写，方便编程。 令称单一循环加工螺纹指令，如图 纹加工程序段在加工过程中，刀具运动轨迹为： 图 纹切削路线 首先：刀具沿 X 轴进刀至 螺纹计划切削深度 X 坐标；第二步：沿 Z 轴切削螺纹；第三步：启动 45倒角 螺纹（斜线切出）；第四步：刀具沿 X 轴退刀至 X 初始坐标；第四步沿 Z 轴退刀至 Z 初始坐标。 在 给出每一层切削动作相关参数，必须确定螺纹刀的循环起点位置，螺纹切削 的终止点位置。 （ 2） 单一循环螺纹加工指令 指令格式： (U) Z(W) F R； 格式说明： X(u)、 Z(w)为螺纹切削终点处的坐标； F 为螺纹导程的大小，如果是单线螺纹，则为螺距的大小； 45斜线 螺纹切出距离在 至 之间指定，指定单位为 ，可通过系统 参数进行修改。（ L 为导程） R 为圆锥螺纹切削参数。 R 值为零时，可省略不写，螺纹为圆柱螺纹。 （ 3） 螺纹加工程序 92编程可改写成程序 2002 99 调用第 4号外螺纹刀具 ) 500 00 6 (外螺纹刀具到达切削起始点 , 导入距离 6 (完成第一层螺纹切削 ) (完成第二层螺纹切削 ) (完成第三层螺纹切削 ) (完成第四层螺纹切削 ) (完成螺纹的最后切削 ) 100 09 41 程序结束 ) 显然用 2002比 洁 多了。 纹切削复合循环 1） 复合循环螺纹加工指令 展的早期， 一螺纹加工循环方便了螺纹编程。随着计算机技术的迅速发展， 统提供了更多重要的新功能，这些新功能进一步简化了程序编写。螺纹复合加工循环 具有很多功能强大的内部特征。 图 使用 刀螺纹加工需要 4个甚至 5个程序段；使用 是 。在机床上修改程序也会更快更容易。 如图 明 （ 2） 复合螺纹加工循环指令 （ m r ） Q（ 最小切深 ） R(精加工余量 )； (U) Z（ W） P（ 牙高 ） Q（ 最大切深 ） R（ 锥螺纹参数 ） F（ 导程 ）； i 复合螺纹加工循环指令 式分两个程序段， 表 式说明 第一程序段： P（ m r ） Q R P （ m） 精加工重复次数，为 199的两位数 （ r） 倒角量，当螺距为 L，从 99位为 199的两位数 （ ） 刀尖角度，选择 80、 60、 55、 30、 29、 0六种中的一种，由两位数规定。 Q 为最小切深 (用半径值指定 ) 切深小于此值时，切深钳在此值 R 精加工余量（微米） 第二程序段： X(U) Z（ W） R P Q F X(U) Z（ W） 螺纹最后切削的终端位置的 X、 X(U)表示牙底深度位置 Q 第一刀切削深度，半径值， 正值，（微米） P 牙高，半径值，正值（微米） R 锥螺纹半径差；圆柱直螺纹切削省略。 F 螺距正值 （ 3） 螺纹加工程序 2003 99 调用第 4号外螺纹刀具 ) 03 00 6 (外螺纹刀具到达切削起始点 , 导入距离 6 76 100 螺纹参数设定） 76 320 100 09 30 (程序结 束 ) 显然用 程的程序 简洁多了。 30， 程序段“ 76 100 中： 加工次数是一次；倒角量为一个导程；刀尖角度 60。 小切深钳制在半径值 100 微米 示精加工余量 序段“ 76 320 中 底深度 纹切削 高为半径值 920微米 一刀切深为半径值 320微米 距 螺纹切削编程示例 试编写图 图 内螺纹示例工件及加工相关设计 (单位 : 螺纹加工前的底孔直径 公称直径 d P 30 2 28； 确定工件坐标系如图 设计螺纹切削循环 选择 向与实体的安全间隙，又避免螺纹刀退出时碰 撞工件。 螺纹切削导入距离 6图 设计螺纹最后一刀切削的终点（与起点相对形成矩形切削区域）坐标是（ Z35）。 Z 35保证刀具足够切出距离，又不至于让刀具碰撞到夹具。如图 内螺纹的其它切削参数计算如下： 螺纹牙高 =2 走刀次数 = 9； 走刀次数 牙高最大切深 ( 走刀次数最大切深最小切深 (拟定主轴转速使用恒定转速 400r/进给量则是导程 2r。 设螺纹底孔已经加工完毕，内螺纹加工程序 99； 调用第 4号外螺纹刀具 ) 400 00 6 (外螺纹刀具到达切削起始点 , 导入距离 6 76 130 R 注意：内螺纹精加工余量取负值） 76 400 100 09； (程序结 束 ) 第 三章 典型轴类零件（螺纹轴）的数控加工工艺分析 典型轴类零件如图 示，毛坯为 58 100 棒材， 零件材料为 45 钢， 数控车削前毛坯已粗车端面、钻好中心孔。 无热处理和硬度要求，试对该零件进行数控车削工艺分析。 图 型轴类零件 件图工艺分析 该零件表面由圆柱、圆锥、顺圆弧、逆圆弧及螺纹等表面组成。其中多个直径尺寸有较严的尺寸精度和表面粗糙度等要求；球面 0 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，无热处理和硬度要求。 通 过上述分析，可采用以下几点工艺措施。 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，故编程时不必取平均值，而全部取其基本尺寸即可。 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，坯件左端应预先车出夹持部分（双点画线部分），右端面也应先粗车出并钻好中心孔。毛坯选 60 棒料。 择设备 根据被加工零件的外形和材料等条件，选用 控车床。 定零件的定位基准和装夹方式 定位基准 确定坯料轴线和左端大端面（设计基准）为定位基准。 装夹方法 左端采用三爪自定心卡盘定心夹紧，右端采用活动顶尖支承的装夹方式。 具选择 选用 5 中心钻钻削中心孔。 粗车及平端面选用 900 硬质合金右偏刀，为防止副后刀面与工件轮廓干涉（可用作图法检验），副偏角不宜太小，选 =350。 精车选用 900 硬质合金右偏刀，车螺纹选用硬质合金 600 外螺纹车刀，刀尖圆弧半径应小于轮廓最小圆角半径，取 。 将所选定的刀具参数填入数控加工刀具卡片中（见表 以便编程和操作管理。 表 产品名称或代号 零件名称 典型轴 零件图号 序号 刀具号 刀具规格名称 数量 加工表面 备注 1 5中心钻 1 钻 5 心孔 2 质合金 90外圆车刀 1 车端面及粗车轮廓 右偏刀 3 质合金 90外圆车刀 1 精车轮廓 右偏刀 4 质合金 60外螺纹车刀 1 车螺纹 编制 审核 批准 定加工顺序及进给路线 加工顺序按由粗到精、由近到远（由右到左）的原则确定。即先从右到 左进行粗车（留 精车余量），然后从右到左进行精车，最后车削螺纹。 控车床具有粗车循环和车螺纹循环功能，只要正确使用编程指令，机床 数控系统就会自动确定其进给路线，因此，该零件的粗车循环和车螺纹循环不需要人为确定其进给路线（但精车的进给路线需要人为确定）。该零件从右到左沿零件表面轮廓精车进给，如图 示。 图 车轮廓进给路线 削用量选择 背吃刀量的选择 轮廓粗车循环时选 ，精车 ；螺纹粗车时选 ，逐刀减少，精车 。 主轴转速的选择 车直线和圆弧时，选粗车切削速度 0m/车切削速度 20m/后利用公式 000 计算主轴转速 n（粗车直径 D=60 ，精车工件直径取平均值）：粗车 500r/车 1200 r/螺纹时，计算主轴转速 n =320 r/进给速度的选择 选择粗车、精车每转进给量，再根据加工的实际情况确定粗车每转进给量为 ，精车每转进给量为 /r，最后根据公式 算粗车、精车进给速度分别为200 / 180 / 表 典型轴类零件数控加工工艺卡片 单位名称 产品名称或代号 零件名称 零件图号 典型轴 工序号 程序编号 夹具名称 使用设备 车间 001 三爪卡盘和活动顶尖 数控中心 工步号 工步内容 刀具号 刀具规格 / 轴转速/给速度/吃刀量 / 注 1 平端面 5 25 500 手动 2 钻中心孔 5 950 手动 3 粗车轮廓 5 25 500 200 综合前面分析的各项内容，并将其填入表 示的数控加工工艺卡片。此表是编制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。 第四章 轴类零件 （螺纹轴） 加工过程中几点说明 1采用了二中心孔为定位基准，符合基准重合及基准统一原则 。 2该零件先以外圆作为粗基准，车端面和钻中心孔，再以二中心孔为定位基准粗车外圆，又以粗车外圆为定位基准加工锥孔，此即为互为基准原则，使加工有一次比一次精度更 高的定位基准面。 3 号莫氏圆锥精度要求很高。因此，需用 V 型夹具以 230内锥时，一端用卡爪夹住，一端搭中心架，亦是以外圆作为精基准。 3半精加工、精加工外圆时，采用了锥堵，以锥堵中心孔作为精加工该轴外圆面的定位基准。 对锥堵要求： 锥堵具有较高精度，保证锥堵的锥面与其顶尖孔有较高同轴度。 锥堵安装后不宜更换，以减少重复安装引起的安装误差。 锥堵外径靠近轴端处须制有外螺纹，以方便取卸锥堵。 4主轴用 20碳合金钢渗碳淬硬，对工