机械轴类零件的设计与编程

1、第一章 概述1.1 数控技术基础 数控机床是采用了数控技术的机床，或者说是装备了数控系统的机床。国际信息处理联盟（international federation of information processing， ifip）第五技术委员会，对数控机床作了如下定义：数控机床是一种装了程序控制系统的机床。该系统能逻辑地处理具有使用号码或其他符号编码指令规定的程序。 数控机床的研制最早是从美国开始的。1948年，美国帕森斯公司（parsonsco.)在研制加工直升飞机桨叶轮廓用检查样板的加工机床任务时，提出了研制数控机床的初始设想。1949年，在美国空军部门的支持下，帕森斯公司正式接受委托，与麻

2、省理工学院伺服机构实验室（servo mechanism laboratory of the massachusetts institute of technology）合作，开始从事数控机床的研制工作。经过三年时间的研究，于1952年试制成功世界上第一台数控机床试验性样机。这是一台采用脉冲乘法器原理的直线插补三坐标连续控制铣床。其数控系统全部采用电子管元件，数控装置体积比机床本体还要大。后又经过三年的改进和自动编程研究，于1955年进入实用阶段。一直到20世纪50年代末，由于价格和技术上的原因，数控机床局限在航空工业中应用，品种也多为连续控制系统。到了60年代，由于晶体管的应用，数控系统提高

3、了可靠性且价格开始下降，一些民用工业开始发展数控机床，其中多数是钻冲，冲床等点位控制的机床。数控技术不仅在机床上得到实际应用，而且逐步推广到焊接机，火焰切割机等，使数控技术不断地扩展应用范围。1.2 数控技术的特点和应用范围 数控机床与普通机床相比，一般有以下几个特点。1.对加工对象改型的适应性强。 2.加工精度高。 3.加工生产率高。 4.减轻劳动强度，改善劳动条件。 5.良好的经济效应。 6.有利于生产管理的现代化。虽然数控机床有以上优点，但初期投资大，维修费用高，要求管理及操作人员素质也较高，因此，应合理地选择及使用数控机床，使企业获得最好的经济效益。作为一种高度自动化的机床，数控机床有

4、一般机床所不具备的许多优点，所以数控机床的应用范围在不断扩大。但数控机床是一种高度机电一体化产品，技术含量高，成本高，使用维修都有一定难度。因此，若从最经济的方面出发，数控机床适用于加工的应用范围一般是下面几种：（1） 多品种小批量零件。（2） 结构较复杂，精度要求较高的零件。（3） 需要频繁改型的零件。（4） 价格昂贵，不允许报废的关键零件。（5） 要求精密复制的零件。（6） 需要最短生产周期的急需零件。（7） 要求100%检验的零件。第二章 工艺方案分析 2.1 零件图零件车削工艺分析如2-1所示，零件材料处理为：45钢，调制处理hrc2636，下面对该零件进行数控车削工艺分析。图2-1考

5、核要求： （1） 以小批量生产条件编程 。 （2）不准用砂布及锉刀等修饰表面。 （3） 未注倒角0.545。 （4）未注公差尺寸按 gb1804-m。2.2 零件图分析该零件表面由圆柱，顺圆弧，逆圆弧，圆弧，螺纹等表面组成。尺寸标注完整，选用毛坯为45#钢，30mm120mm，调制处理hrc2636。2.3 确定加工方法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面粗糙度地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，尺寸大小和形位公差要求等全面考虑。通过图c-3的数据分析，考虑加工的效率和加工的经济性，最理想的加工方式为车削。（1） 加工路线

6、应保证被加工工件的精度和表面粗糙度。（2） 设计加工路线要减少空行程时间，提高加工效率。（3） 简化数值计算和减少程序段，降低编程工作量。（4） 根据工件的外形，刚度，加工余量，机床系统的刚度等情况，确定循环加工次数。（5） 合理设计刀具的切入与切出的方向。采用单向趋近定位方法，避免传动系统反向间隙而产生的定位误差。2.4 确定加工方案零件上比较精密表面的加工，常常是通过粗加工，半精加工和精加工逐步达到的。对这些表面仅仅根据质量要求选择相应的最终加工方法是不够的，还应正确地确定从毛坯到最终成形的加工方案。加工顺序的安排应根据工件的结构和毛坯状况，选择工件定位和安装方式，重点保证工件的刚度不被破

7、坏，尽量减少变形，因此加工顺序的安排应遵循以下原则：（1） 上道工序的加工不能影响下道工序的定位和夹紧。（2） 先加工工件的内腔后加工工件的外轮廓。（3） 尽量减少重复定位和换刀次数。（4） 在一次安装加工多道工序中，先安排对工件刚性破坏较小的工序。2.5 工件加工工艺措施（1）零件上由精度较高的尺寸数据如圆柱280.02mm、mm，轴向长度50.04mm、27.50.04mm，球smm，在加工时为了保证其尺寸精度应取其中间值分别取值为28mm、23.005mm长度5mm，27.5mm，球s29.015mm即可。注：上述座标值是以半径值给出的。形式如（x，z）（2）在轮廓曲线上，有四处圆弧依次

8、相连，既过象限又改变进给方向的轮廓曲线。为了保证其轮廓曲线的准确性，我们通过计算到端部r5mm的圆弧与直线的切点坐标为（2.922，0），与rcmm的圆弧切点坐标为（7.791，-6.136），rc与sbmm的切点坐标为（11.210，-20.791），sbnmm与r5mm的切点为（12.271，-37.739），r5mm与emm的切点坐标为（11.5，-40.406）。注：上述座标值是以半径值给出的。形式如（x，z）。（3）为便于装夹，为了保证工件的定位准确、稳定，夹紧方面可靠，支撑面积较大，零件的左端是螺纹，中段最大的直径的圆柱28mm。右端是依次相连的圆弧，显然右端都是圆弧相连不可能装夹

9、，所以应留在最后加工，应先装夹毛坯加工出左端螺纹及圆柱28mm。调头装夹28mm的圆柱加工右端圆弧，毛坯选30120mm。3.6工序与工歩的划分(1) 按工序划分工序划分有三种方法按零件的装夹定位方式划分按粗、精加工划分工序按所用的刀具划分工序。由于零件需要调头加工，如果按粗、精加工划分工序。在调头加工前后各有一次粗加工和精加工，显得比较繁琐，所以不可取；如果按所用的刀具划分工序，刀具有四把，虽然不多，但是在调头加工前后至少要重复使用三把刀，而同一把刀的两次粗、精加工分别在调头加工前后，加工内容不连续，所以也不合理，不易划分工序；只有按零件的装夹定位方式划分工序比较符合该零件的加工工序，且能保

10、证两次装夹的位置精度，每一次装夹为一道工序。该零件只需调头前、后加工两道工序即可完成所有的加工表面，且能保证各尺寸精度及表面粗糙度。(2) 工歩的划分因为每一把刀在粗加工的背吃刀量一致，在精加工中背吃刀量相同，不易划分工歩；这里选用加工不同的表面来划分工序就比较容易：车削螺纹端的工歩为:90外圆车刀平端面右端面外圆车刀车削1.545的倒角，d25mm端面28mm圆柱28mm30的锥台面e10mm切槽刀切槽51.5mm外螺纹车刀车削md1.5mm。车削圆弧端的工歩为：90外圆车刀平端面右端面外圆车刀圆弧r5mm圆弧rcmm球bmm圆弧r5mme5mm切槽刀切槽51.5mm2.7 进给路线在数控加

11、工中，刀具好刀位点相对于工件运动轨迹称为加工路线。编程时，加工路线的确定原则主要有以下几点：（1）加工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）应使加工路线最短，这样既可减少程序段，又可减少空行程时间。（4）确定加路线时，还要考虑工件的加工余量和机床、刀具的刚度等情况，确定一次走刀，还是多次走刀来完成所有加工表面。具体综合上面进给线的特点再根据具体零件具体分析，我确定该零件的进给路线有两步如下图所示：图2-2零件轮廓第一步: 车削带有的螺纹的一端，从右到左先粗车外形dmmm、28mm、emm到槽50.04mm的左端面处后，精车外形路线统粗车

12、一样，再换刀切削51.5mm的槽，最后再换刀切削螺纹。如图2-3螺纹加工路线。图2-3螺纹加工路线第二步: 车削带有圆弧的一端，从右到左先粗车外形r5mm、rcmm、bmm到emm后2mm后精车外形路线同粗车一样。最后切削50.04mm的槽。如图2-4螺纹加工路线。图2-4圆弧加工路线 2.8 刀具的选择刀具的选择是数控加工中重要的工艺内容之一，它不仅影响机床的加工效率，而且直接影响加工质量。编程时，选刀具通常要考虑机床的加工能力、工序内容、工件材料等因素。与传统的加工方法相经，数控加工对刀具的要求更高。不仅要求精度高、刚度高、红硬性好、耐用度高，而且要求尺寸稳定、安装调整方便，能适应高速和大

13、切削用量切削。选刀具时，要使刀具的尺寸与被加工工件的表面尺寸和形状相适应。接合零件轮廓相对还是较复杂，所以具体选刀如下：(1) 平端面可选用90wc-co的硬质合金外圆车刀，粗车、精车及在这里我选择一把硬质合金右端面外圆车刀，为防止在进行圆弧切削时刀具的副后刀面与工件轮廓表面发生干涉（可用作图法检验），副偏角应选择kr大一点的，取kr=40右端面外圆车刀的材料选择及kr值。 (2) 切槽时由于零件中槽宽50.04mm，一般都选刀宽4mm,刀杆2525mm材料为高速钢w18crv4r的切断刀，切槽时选用4mm 刀宽即可。(3) 切螺纹时为了保证其螺纹刀的强度这里选用w18crv4r高速金60外螺

14、纹车刀，为了保证螺纹牙深，刀尖应小于轮廓最小圆弧半径r，r=0.150.2mm。刀具表如表2-5所示：表2-5数控车加工刀具卡片 产品名称或代号 考试件 零件名称 轴类零件 零件图号 gdskc020107 序号 刀具号刀具规格名称 数量 加工表面 备注 1 t01 90硬质合金外圆车刀 1 平端面、粗车轮廓 右偏刀 2 t02右端面外圆车刀 1 精车轮廓 右偏刀 3 t03高速钢切槽刀 1 切槽 4 t04 60高速钢外螺纹车刀 1 车削螺纹 编制 审核 批准 共1页 第1页第三章工件的装夹3.1 定位基准的选择在制定零件加工的工艺规程时，正确地选择工件的定位基准有着十分重要的意义。定位基准

15、选择的好坏，不仅影响零件加工的位置精度，而且对零件各表面的加工顺序也有很大的影响。合理选择定位基准是保证零件加工精度的前提，还能简化加工工序，提高加工效率。3.2 定位基准选择的原则（1） 基准重合原则。为了避免基准不重合误差，方便编程，应选用工序基准作为定位基准，尽量使工序基准、定位基准、编程原点三者统一。（2） 便于装夹的原则。所选择的定位基准应能保证定位准确、可靠定位，夹紧机构简单、易操作、敞开性好，能够加工尽可能多的表面。（3） 便于对刀的原则。批量加工时在工件坐标系已经确定的情况下，保证对刀的可能性和方便性。3.3 确定零件的定位基准粗、精基准选择原则，由于是轴类零件，在车床上只需用

16、三抓卡盘装夹定位，定位基准应选在零件的轴线上，以毛坯35mm的棒料的轴线和右端面作为定位基准。3.4 数控车床常用的装夹方法（1） 在三爪自定心卡盘上装夹。三爪自定义卡盘的三个卡爪是同步运动的能自动定心，一般不需要找正。该卡盘装夹工件方便、省时，但夹紧力小，适用于装夹外形规则的中、小型工件。（2） 在两顶尖之间装夹。对于尺寸较大或加工工序较多的轴类工件，为了保证每次装夹时的装夹精度，可用两顶尖装夹。该装夹方式适用于多序加工或精加工。（3） 用卡盘和顶尖装夹。当车削质量较大的工件时要一段用卡盘夹住，另一段用后顶尖支撑。这种方式比较安全，能承受较大的切削力，安装刚性好，轴向定位准确，应用广泛。（4

17、） 用心轴装夹。当装夹面为螺纹时再做个与之配合的螺纹进行装夹，叫心轴装夹。这种方式比较安全，能承受较大的切削力，安装刚性好，轴向定位准确。3.5 装夹方式数控机床与普通机床一样也要全里选择定位基准和夹紧应力求设计、工艺与编程计算的基准统一，减少装夹次数，尽可能在一次定位装夹后，加工出全部待加工表面，避免采用占机人工调整式加工方案，以充分发挥数控机床的效能。装夹应尽可能一次装夹加工出全部或最多的加工表面。由零件图可分析，我应先装夹毛坯30mm的棒料的一端，夹紧其40mm的长度加工螺纹。一直加工到零件右端的emm，然后将棒料卸下。装夹28mm的圆柱表面，加工另一端的圆弧。这样两次装夹即可完成零件的

18、所有加工表面，且能保证其加工要求。装夹图如下： 图3-1加螺纹的装夹图 图3-2 加工圆弧的装夹图第四章 常见代码和编程4.1准备功能字g准备功能字是使数控机床建立起某种加工方式的指令，如插补、刀具补偿、固定循环等。g功能字由地址符g和其后的两位数字组成，从g00g99共100种功能。jb3208-83标准中规定如下表：代码 功能作用范围 功能 代码 功能作用范围 功能 g00 点定位 g50 * 刀具偏置0/- g01 直线插补 g51 * 刀具偏置+/0 g02 顺时针圆弧插补 g52 * 刀具偏置-/0 g03 逆时针圆弧插补 g53 直线偏移注销 g04 * 暂停 g54 直线偏移x

19、g05 * 不指定 g55 直线偏移y g06 抛物线插补 g56 直线偏移z g07 * 不指定 g57 直线偏移xy g08 * 加速 g58 直线偏移xz g09 * 减速 g59 直线偏移yz g10-g16 * 不指定 g60 准确定位（精） g17 xy平面选择 g61 准确定位（中） g18 zx平面选择 g62 准确定位（粗） g19 yz平面选择 g63 * 该丝 g20-g32 * 不指定 g64-g67 * 不指定 g33 螺纹切削，等螺距 g68 * 刀具偏置，内角 g34 螺纹切削，增螺距 g69 * 刀具偏置，外角 g35 螺纹切削，减螺距 g70-g79 * 不指

20、定 g36-g39 * 不指定 g80 固定循环注销 g40 刀具补偿/刀具偏置注销 g81-g89 固定循环 g41 刀具补偿-左 g90 绝对尺寸 g42 刀具补偿-右 g91 增量尺寸 g43 * 刀具偏置-正 g92 * 预置寄存 g44 * 刀具偏置-右 g93 进给率，时间倒数 g45 * 刀具偏置+/+ g94 每分钟进给 g46 * 刀具偏置+/- g95 主轴每转进给 g47 * 刀具偏置-/- g96 恒线速度 g48 * 刀具偏置-/+ g97 每分钟转数（主轴） g49 * 刀具偏置0/+ g98-g99 * 不指定 注：*表示如作特殊用途，必须在程序格式中说明 4.2

21、 辅助功能字m辅助功能字是用于指定主轴的旋转方向、启动、停止、冷却液的开关，工件或刀具的夹紧和松开，刀具的更换等功能。辅助功能字由地址符m和其后的两位数字组成。jb3208-83标准中规定如下表：代码 功能作用范围 功能 代码 功能作用范围 功能 m00 * 程序停止 m36 * 进给范围1 m01 * 计划结束 m37 * 进给范围2 m02 * 程序结束 m38 * 主轴速度范围1 m03 主轴顺时针转动 m39 * 主轴速度范围2 m04 主轴逆时针转动 m40-m45 * 齿轮换档 m05 主轴停止 m46-m47 * 不指定 m06 * 换刀 m48 * 注销m49 m07 2号冷却

22、液开 m49 * 进给率修正旁路 m08 1号冷却液开 m50 * 3号冷却液开 m09 冷却液关 m51 * 4号冷却液开 m10 夹紧 m52-m54 * 不指定 m11 松开 m55 * 刀具直线位移，位置1 m12 * 不指定 m56 * 刀具直线位移，位置2 m13 主轴顺时针，冷却液开 m57-m59 * 不指定 m14 主轴逆时针，冷却液开 m60 更换工作 m15 * 正运动 m61 工件直线位移，位置1 m16 * 负运动 m62 * 工件直线位移，位置2 m17-m18 * 不指定 m63-m70 * 不指定 m19 主轴定向停止 m71 * 工件角度位移，位置1 m20-

23、m29 * 永不指定 m72 * 工件角度位移，位置2 m30 * 纸带结束 m73-m89 * 不指定 m31 * 互锁旁路 m90-m99 * 永不指定 m32-m35 * 不指定 注：*表示如作特殊用途，必须在程序格式中说明 4.3 编程误差及其控制 （1） 编程误差编程阶段的误差是不可避免的，误差来源主要有三种形式：近似计算误差、插补误差、尺寸圆整误差，直接影响加工尺寸精度，本次加工主要误差是计算误差与圆弧相切的切点坐标及未知交点坐标值。我们是经过笔算的数值，存在着较大的误差。 （2 ) 误差控制为了尽可能的减少笔算误差，我们采取在autocad上按其尺寸精度绘出零件图，再利用“工具”

24、 “查询” “点坐标”捕捉各圆弧切点坐标，其精度达到0.001级，这样能有效地将误差控制在（0.10.2）倍的零件公差值内。4.4 程序编程主程序 程序段号程序内容程序注释 001 %0001；程序起始行 n01 t0101；右端面外圆车刀 n02 m03s800；主轴正转 n03 g00x35z3；循环起点 n04 m08；开切削液 n05 g71u1r2p06q13x0.2z0.2f150；粗车轮廓 n06 g00x18z3s1000；快速定位 n07 g01z0f50；精车起点 n08 x21z-1.5；精车倒角 n09 z-25；精车21的外圆 n10 x28；精车28的端面 n11

25、z-38.169；28的外圆表 n12 x23.05z-47.5；30的锥面 n13 g01w-10；e的外圆面 n14 g00x100；退刀快速定位 n15 z100；退刀快速定位 n16 t0202；换切槽刀 n17 g00x32z-25；快速定位 n18 g01x18f10；切槽至18 n20 g04p3；暂停修光 n21 g00x25；快速定位 n22 w1.5；快速定位 n23 g01x21；倒角起点 n24 x18w-1.5；倒角1.5 n25 g04p3；暂停修光 n26 g00x100；退刀快速定位 n27 z100；退刀快速定位 n28 t0303；换外螺纹车刀 n29 g0

26、0x30z3s300；车螺纹循环起点 n30 g76c2r2e3a60x19.04z-22k0.974u0.32v0.16q0.5f1.5；车螺纹 n31 g00x100z100；退刀快速定位 n32 m09；关切削液 n33 m05；主轴停转 n34 m30；程序结束并返回子程序 002 %0002 n01 t0101；右端面外圆车刀 n02 m03s800；主轴正转 n03 g00x30z3；循环起点 n04 m08；开切削液 n05 g71ui1r2p06q12e0.2f200；粗车轮廓 n06 g00x5.844z3s1000；快速定位 n07 g01z0f80；精车起点 n08 g0

27、3x15.582z-6.136r5；精车r5的圆弧 n09 g02x22.420z-20791r17；精车r17的圆弧 n10 g03x24.542z-37.739r14.508；精车29的圆弧 n11 g02x23.05z-40.406r5；精车r5的圆弧 n12 g01z-44；e的外圆面 n13 g000x100；退刀快速定 n14 z100；退刀快速定位 n15 t0202；换切槽刀 n16 g00x35z-46.5；快速定位 n17 g01x19f10；切槽至19 n18 g04p3；暂停修光 n19 g00x35；退刀 n20 z-47.5；快速定位 n21 g01x19；切槽至1

28、9 n22 g04p3；暂停修光 n23 g00x100；退刀 n24 z100；退刀 n25 m09；关切削液 n26 m05；主轴停转 n27 m30；程序结束并返回注:程序编制中有关数值单位一律采用毫米(mm)制4.5 模拟运行数控加工程序编制好后将其输入数控车床，然后对刀，在将机床锁住进行程序校验，仔细观察其模拟加工路线是否有干涉、过切、出错等现象，若有应及时对程序错误处进行修改，修改后保存，再次调出修改后的程序进行校验，直到程序万无一失，没有任何错误的情况下方可进行自动加工。注：这个环节是必不可少的，否则会发生打刀等损坏机床其它部件的情况，直接影响机床的加工精度及寿命，更严重的是存在

29、人身安全隐患。4.6 零件加工装夹好毛坯，调出编制好的程序，直接进行自动加工直至程序结束。4.7 精度自检将加工好的零件卸下，用游标卡尺、千分尺对零件的尺寸精度及粗糙度进行检测。看是否达到零件的技术要求即可。致谢三年的学习生活转瞬即逝,让人有些措手不及的感觉,好象还没开始已经结束。时间的流逝其过程中经历的坎坷使一个人慢慢成熟，因而我对过去的日子和给过我鼓励、帮助的人们总是心怀感激，并让我倍加珍惜未来的生活。在课堂上学到的都是以理论为主，实践为辅，而现实生活中不论是做什么事情都是以理论为办事依据，实际行动为主。比如：我们的毕业设计就是要以理论知识为原则来设计自已的数控车削加工过程，然后再根据你的设计步骤来进行实践验正，看实践操作是否满足工艺过程和