盘类零件数控车削工艺分析与加工

1、 . . . 冶金职业技术学院自学考试毕业设计(论文)题目:盘类零件数控加工工艺分析与加工实例系 (部): 机械工程系 专业名称: 数控技术应用姓 名:号: 1 班级名称: 08数控本科班 提交时间:目 录前言1一、零件图工艺分析1 1.1选择设备11.2确定零件的定位基准和装夹方式11.3制定加工方案11.4刀具选择与刀位号21.5确定切削用量21.6数控加工工艺卡片拟订3 二、数控加工的工艺分析42.1零件的结构特点42.2 工艺分析42.3 精加工型腔时零件的定位与装夹5 三、加工型腔的数控加工程序总方案6四、加工中心精铣削过程7五、 工艺设计105.1精加工某发动机

2、飞轮105.2精加工某发动机飞轮正反两个平面115.3精加工某制动盘12六、工装设计146.1保证定心精度的方法146.2保证端面跳动精度的方法14七、设备选择意见167.1机床结构的选择167.2刀塔结构的选择17结束语19致 20参考文献2117 / 19盘类零件数控加工工艺分析与加工实例引言理想的加工程序不仅应保证加工出符合图样的合格工件，同时应能使数控机床的功能得到合理的应用和充分的发挥。数控机床是一种高效率的自动化设备，它的效率高于普通机床的23倍，要充分发挥数控机床的这一特点，必须在编程之前对工件进行工艺分析，根据具体条件，选择经济、合理的工艺方案。数控加工工艺考虑不周是影响数控机

3、床加工质量、生产效率与加工成本的重要因素。一、零件图工艺分析   如图所示工件，该零件属于典型的盘类零件，材料为45钢，可选用圆钢为毛坯，为保证在进行数控加工时工件能可靠的定位，可在数控加工前将左侧端面、95外圆加工，同时将55孔钻53孔。 图1-1带孔圆盘1.1选择设备     根据被加工零件的外形和材料等条件，选定Vturn-20型数控车床。 1.2确定零件的定位基准和装夹方式1.2.1定位基准 以已加工出的95外圆与左端面为工艺基准。1.2.2装夹方法 采用三爪自定心卡盘自定心夹紧。1.3 制定加工方案根据图样要求、毛坯与前道工

4、序加工情况，确定工艺方案与加工路线。工步顺序：1.3.1 粗车外圆与端面 1.3.2 粗车孔1.3.3 精车外轮廓与端面1.3.4 精车孔 1.4刀具选择与刀位号选择刀具与刀位号如图1-2。 图1-2将所选定的刀具参数填入表1-1带孔圆盘数控加工刀具卡片中。 表1-1带孔圆盘数控加工刀具卡片1.5确定切削用量对于高效率的金属切削机床加工来说，被加工材料、切削刀具、切削用量是三大要素。这些条件决定着加工时间、刀具寿命和加工质量。经济的、有效的加工方式，要求必须合理地选择切削条件。编程人员在确定每道工序的切削用量时，应根据刀具的耐用度和机床说明书中的规定去选择。也可以结合实际经验用类比法确定切削用

5、量。在选择切削用量时要充分保证刀具能加工完一个零件，或保证刀具耐用度不低于一个工作班，最少不低于半个工作班的工作时间。背吃刀量主要受机床刚度的限制，在机床刚度允许的情况下，尽可能使背吃刀量等于工序的加工余量，这样可以减少走刀次数，提高加工效率。对于表面粗糙度和精度要求较高的零件，要留有足够的精加工余量，数控加工的精加工余量可比普通机床加工的余量小一些。编程人员在确定切削用量时，要根据被加工工件材料、硬度、切削状态、背吃刀量、进给量，刀具耐用度，最后选择合适的切削速度。1.6数控加工工艺卡片拟订     以工件右端面为工件原点，换刀点定为X200、Z200。数控加工

6、工艺卡片见表1-2。 表1-2 带孔圆盘的数控加工工艺卡片二、数控加工的工艺分析2.1零件的结构特点 该零件材料为硬铝LY12，其切削性能良好，属于典型的薄壁盘类结构，外形尺寸较大，周边与部筋的厚度仅为2mm，型腔深度为27mm。该零件在加工过程中如果工艺方案或加工参数设置不当，极易变形，造成尺寸超差，零件结构如图2-1所示。图2-1零件结构示意图2.2 工艺分析 该零件毛坯选用棒料，采用粗加工、精加工的工艺方案，具体工艺流程如下：毛坯粗车粗铣时效精车精铣。 粗车：分别在外圆与端面预留1.5mm精加工余量，并预钻中心孔。  粗铣：分别在型腔侧面与底面预留

7、余量1.5mm，并在12mm孔位处预钻工艺孔。 时效：去除材料与加工应力。 精车：精车端面、外圆并镗工艺孔6mm，要求一次装夹完成，以便保证同轴度，为后序加工打好基础。精铣：保证零件的最终要求，是本文论述的重点。2.2.1粗铣型腔粗加工主要是去除大余量，并为后序精加工打好基础，所以加工型腔时，选择低成本的普通数控铣床加工。该工序要求按所示零件结构图加工出形轮廓，圆弧拐角为R5mm，所留精加工余量均匀，为1.5mm。而且本道工序还需要在12mm孔位处预先加工精加工所需的定位孔。 2.2.2精铣型腔高速加工技术是近年应用起来的制造技术。在高速切削加工中，由于切削力小，可减小零件的加工变形

8、，比较适合于薄壁件，而且切屑在较短时间被切除，绝大部分切削热被切屑带走，工件的热变形小，有利于保证零件的尺寸、形状精度；高速加工可以获得较高的表面质量，加工周期也大大缩短，所以结合该类薄壁盘类零件的特点，精加工型腔时选用高速加工。 2.2.3 定位孔的加工  该零件精加工选用中心孔6mm与12mm孔作为定位孔，所以精加工型腔前必须先将其加工到位。中心孔6mm在车工精车外圆301.5mm时将其镗削为6H8；12mm孔由数控铣床钻、铰至12H8。 2.3 精加工型腔时零件的定位与装夹 为了使工件在机床上能迅速、正确装夹，而且在加工一批工件时不必逐个找正，所以此次加工采用一面两销

9、的定位方式。以零件上已经存在的6mm与12mm孔作为定位孔，做简易工装，该工装采用一个圆柱销和一个扁形销作为定位元件。由于该零件属于薄壁件，容易变形，在夹紧工件时，压板应压在工件刚性较好的部位，分布尽可能均匀，以保证夹紧的可靠性，而且夹紧力的大小应适当，以防破坏工件的定位或使工件产生不允许的变形。其具体定位与装夹示意图见图2-2。此装夹方式完全符合加工中心的特点，一次装夹可以完成型腔与所有孔的加工。图2-2 零件的定位与装夹方式示意图三、加工型腔的数控加工程序总方案3.1编程软件该零件的数控加工程序是基于软件MasterCAM生成的。该软件无须画出实体，只需按1：1正确画出要加工的轮廓线，选择

10、适当的图形和参数即可生成用于加工的程序。  3.2设备的选择精加工型腔选用加工中心设备：德国HERMLE(悍马)C1200U，该设备的操作系统是HEIDENHIN(海德汉)，其性能指标为：主轴最高转速18000r/mm，快速移动30000mm/min，行程1200mm×1000mm×800mm，响应灵敏，适合高速加工。该零件以前曾选用其他加工中心设备进行加工，但因为壁薄，筋厚度仅为2mm，型腔深，为27mm，为防止零件变形，只能选用小规格刀具，较小的加工速度，并进行多次时效，加工周期很长，所以此次加工选用了适合高速加工的数控设备。  3.3刀具的选择根据

11、零件材料，选择国产的镶齿硬质合金立铣刀，双刃，大螺旋角，刃前空间大，耐磨，成本低。经过实践发现该刀具非常适合铝材的高速加工。对具体的参数选择，需要在实际切削中摸索，发现合适速度，当然还要参考厂家的资料。四、加工中心精铣削过程该型腔的铣削加工分两步进行，分别为底面和侧面加工，先底面，后侧面。数控程序的中心设在工件外圆圆心，安全高度在零件表面上方50mm处。 4.1底面加工刀具规格：选用14mm的立铣刀。下刀方式：采用螺旋下刀，可以改善进刀时的切削状态，保持较高的进刀速度和较低的切削负荷。  走刀方式：选用PocketParallel，Spiral，clean Cor-ners(平行环绕

12、并清角)方式，从到外，三个型腔分别加工，可以减少提刀，提升铣削效率。  加工时按顺铣方式，将底面1.5mm的加工余量分两次完成，第一刀背吃刀量1.4mm，刀路重叠50，转速8000r/min，进给速度1400mm/min；精加工时，背吃刀量0.1mm，转速升至12000r/min，进给不变，底面的表面质量非常好。其刀路轨迹如图4-1所示，由里向外逐步扩展，与外形相似，刀路平顺、柔和，尽量减少剧烈变化，以免引起机床振动。注意：精加工底面时，给侧面预留了3mm余量，以免铣到侧面时吃刀量增大。图4-1型腔底面刀路轨迹4.2侧面加工刀具规格：为防止在拐角处走刀路径突然改变而导致冲击力太大，所

13、以高速加工时应尽量避免选用与拐角半径一致的刀具，此次选用8mm的立铣刀(拐角为R5mm)。装刀时，刀具尽可能缩短伸出长度，以保证高速加工时的刀具强度。进、退刀方式：以圆弧方式接近、离开工件，可以避免突然接触工件时产生的接刀痕，保证零件的表面质量。走刀方式：选用Contour(外形铣削)方式。加工时，按Z轴分层并以顺铣的方式进行，转速10000r/min，进给速度1000mm/min，三个型腔同时逐层向下铣，每次背吃刀量为2mm。注意：不可一个型腔铣削后再铣削下一个型腔。因为，当第一个型腔加工完后，部筋的壁厚只剩3.5mm，而加工下一个型腔时，部筋的切削量将是1.5mm，这会导致局部支撑力变小，

14、工件容易受切削力的影响而变形；若三个型腔同时逐层向下铣削时，筋的壁厚是5mm，相对而言支撑力要大得多。加工的刀路轨迹如图4-2所示。图4-2型腔侧面刀路轨迹加工操作完成后，选择HEIDENHIN后置处理，生成NC程序，用网线传到机床。 盘类零件的数控车床加工编程源程序如下：N10 G92X100Z100N20 M06T0101N25 G04P3N30 M03M07N40 G90G00X42Z2N50 G01Z0F200N60 X15N70 G90G00X60Z10N80 G73U7W0R5P90Q170X0.5Z0F200N90 G01X28Z10F100N100 Z0N110 X30Z-1N

15、120 Z-10N130 X26Z-12N140 Z-22.775N150 G02X30.8Z-28R7N160 G01X38Z-48N170 Z-52N180 G90G00X100Z100N190 T0100N200 M05M00N210 M06T0303N215 G04P3N220 M03N225 G90G00X15Z4N230 G71U1W0R1P240Q270X-0.5Z0F200N240 G01X22Z4F100N250 Z0N260 X18Z-10N270 Z-52N280 G90G00X100Z100N290 T0300N300 M05N310 M00N320 M06T0202N

16、330 G04P3N340 M03N350 G90G00X34Z4N360 G82X29.3Z-14F0.75N370 G82X29.1Z-14F0.75N380 G82X29.03Z-14F0.75N390 G90G00X100Z100N400 T0200N410 M05M00N420 M06T0404N430 M03N480 G90G00X42Z-54（假定切刀宽4mm）N490 G01X15F20N500 G90G00X100Z100N510 T0400N520 M05M09N530 M30五、 工艺设计盘类零件的数控加工工艺设计，最重要的是将有相互行位公差要求的加工面安排在一

17、道工序，在一次装夹下完成加工，消除二次装夹误差。 5.1精加工某发动机飞轮（图5-1）图5-1 某发动机飞轮若用图5-2所示的立式多刀自动车床加工，加工工艺为： 5.1.1 精车大平面。安排左、右其中一个刀架车平面，另一个刀架车孔（438mm、50mm）。5.1.2 再精车基准A面。安排左、右其中一个刀架车平面，另一个刀架车孔（128mm）和外圆（412mm）。图5-2 立式多刀自动车床该工艺受机床动作功能限制128mm孔与50mm孔不能在同一工序完成，需正反两次装夹加工，由于重复定位误差与夹具制造误差的存在，很难稳定满足产品两孔的同轴度要求。 为满足产品设计要求，稳定控制产品质量，可采用如图

18、5-3的数控车床加工，工艺设计上利用数控车床的自动换刀功能采用孔背镗刀用程序控制从A面加工50mm孔，将128mm、50mm安排在同一道工序加工完成。避免重复定位误差与夹具制造误差对加工精度的影响，保证产品0.03mm的同轴度要求。图5-3 立式数控车床5.2精加工某发动机飞轮正反两个平面（图5-4）图5-4 某发动机飞轮图5-5 专用背镗刀一般传统工艺是先精车一面，然后下道工序再精车另一面。第二序工件再次装夹的质量对加工精度（平行度）的影响非常大（用一般三爪卡盘夹紧，工件易产生夹紧抬起）。若采用数控车床，工艺设计上可根据工件的结构特点设计专用刀具（如图5-5）在一道工序上完成两面的精加工：大

19、平面朝上，程序控制专用刀具背镗F面。因为孔直径为48mm，F面最大加工直径100mm，切削宽度26mm，图示专用刀杆的强度最弱处尺寸为20mm，用于精加工强度足够。该工艺方案充分利用了产品的结构特点和数控设备动作控制灵活的特点，不但可减少一道加工工序，节约设备和加工成本，而且可稳定保证加工质量。 5.3精加工某制动盘 精加工图5-6所示基准A面与上下制动面，要满足产品要求三个平面必须一次装夹在同一工序完成加工，并且要采用图5-7所示专用刀夹和卡爪，同时精车上下制动面。这样加工并不完全是提高加工效率，更主要的是为了满足产品“两制动面一周厚度变化不大于0.01mm”的质量要求。虽然数控车可以采用两

20、把刀具通过程序控制分别加工。图5-6某制动盘图5-7 专用刀夹和卡爪上下制动面受主轴的摆差、加工变形等因素的影响，很难满足上述要求，只能采用“同时”加工，将系统的误差“同时”反映在上下制动面上才能满足产品的质量要求。两把刀加工完毕后不能直接退刀，否则，将在制动面上留下退刀痕迹。因此，下面一把刀必须具备向下“让刀”动作，然后机床程序控制刀塔上移，使上面的刀具“让刀”后两把刀一起快退，最后，下面一把刀必须向上“复位”，以保证上下制动面尺寸。这样，数控车要配备专用“液压双面刀架”。 尽管数控车加工精度高、加工灵活，在进行工艺设计时仍要根据产品特点仔细分析，没有正确的工艺设计，再先进的设备也发挥不了它

21、的价值。六、工装设计数控车床的主要装夹工具是卡盘，设计使用时应重点考虑卡盘的定心精度，避免工件夹紧变形和抬起现象。 6.1保证定心精度的方法 当加工面与装夹面有较高的同轴度要求时，卡盘的卡爪一般要在设备本身经过“自车”来保证定位面与主轴轴线同心度。“自车”时应尽量模拟在加工状态下自车：例如“自车”正爪时，应在卡爪行程的中间位置卡紧一个辅具（如图6-1），并且“自车”时的油缸压力应与正常工作时压力一致。图6-1自车卡爪图6-2 某发动机用飞轮卡爪“自车”后的圆弧面直径应与工件的卡紧外圆直径尽量一致。同样，“自车”反爪时，最好涨紧一个辅具。 6.2保证端面跳动精度的方法 工件的轴向定位支撑可以通过

22、调整或“自车”来保证定位点“共面”。但是传统结构的三爪卡盘，卡爪要在卡爪座移动，必然要存在一定的滑动间隙。在夹紧过程中，不可避免的会产生 。工件“抬起”现象。当工件要求加工面与定位面之间有较严的跳动要求时，统结构的三爪卡盘是很难保证装夹精度的。图9是某发动机用飞轮，为保证孔、外圆的同轴度要求必须将它们安排在同一道工序完成（大平面向上装夹）。可是工件翻面加工A面时，要保证图示跳动要求，加工时必须保证工件的定位面紧贴卡盘的轴向定位面。若采用传统结构的三爪盘装夹很难满足加工要求。因此，应采用带有“向下拉力”的卡盘，工件夹紧时，有一个向下的分力将工件紧贴定位面。另外，卡盘作为数控车床的关键部件，要按说

23、明书指定的方法，按时润滑与拆解清洗，防止鉄屑加剧滑动面的磨损。七、设备选择意见7.1 机床结构的选择 7.1.1卧式“简易数控车床”（如图7-1）。这种机床采用平床身的布局，机床的制造工艺性好，便于导轨面的加工。水平床身配上水平放置的刀架，可提高刀架的运动精度。但是水平床身由于下部空间小，故排屑困难。从结构尺寸上看，刀架水平放置使滑板横向尺寸较长，从而加大了机床宽度方向的结构尺寸。该设备的主要特点是具备两轴联动功能并且设备价格便宜。但是之所以称其为“简易数控车床”是因为它的主轴不能无级调速、刀架装刀数量较少、快移速度慢、无自动排屑机构，床身整体结构比数控卧式车床的刚性差、加工精度低。但是该设备

24、经过多年改进，技术成熟、运转稳定，加工精度可达IT7IT8，可用于零件的粗加工、半精加工和简单的型面加工。 图7-1 卧式简易数控车床7.1.2卧式数控车床（如图7-2）。这类机床结构一般有斜床身结构和平床身斜滑板结构两种布局。导轨倾斜的角度小，排屑不便；倾斜角度大，导轨的导向性与受力情况差。其倾斜角度的大小还直接影响机床外形尺寸高度与宽度的比例。综合考虑以上因素，中小规格的数控车床，其床身的倾斜度以60°为宜。其中平床身斜滑板结构。 图7-2卧式数控车床一方面具有水平床身工艺性好的特点，另一方面机床又具有斜床身结构宽度方向的尺寸小、排屑方便、机床占地面积小，外形

25、美观，容易实现封闭式保护等优点。这两种布局形式被中、小型数控车床所普遍采用。在选择时，整体斜床身结构的刚性略高于平床身斜滑板结构，设备价格也略高一些。当存在重切削加工容时最好选用整体斜床身结构。卧式数控车床比较适宜轴类零件与直径较小（<300mm）重量较轻（<10kg）的盘类零件的加工。7.1.3立式数控车床。与卧式数控车床最大的区别是主轴与水平方向垂直，适宜直径较大、较重的盘类、轮毂类工件，工件装卸方便、定位可靠，便于组成加工自动线。另外德国埃马克公司研制的倒置式数控车，是对传统结构的一种革新，它更有利于组成自动线，实现自动上下料。但是此类设备价格较高，一般轿车用的盘类零件由于批

26、量大、直径小比较适宜选用。 7.2刀塔结构的选择图7-3为立式刀塔，该结构刀具的安装数量较多，适宜加工工件高度不高盘类零件。若加工类似轮毂这样需要镗深孔的工件，则适宜选择图7-14所示的卧式刀塔，因为刀具悬深较长，选择立式刀塔，刀具的干涉半径较小，装刀的数量将受到限制。为避免干涉，实际装刀数量将减少。图7-3 立式刀塔图7-4卧式刀塔另外在转位方式上有电动和液压两种方式。电动刀塔换刀快捷并且故障低、维修方便，但价格略高。 由于数控立车的投资比较大，在选择时，要广泛调研，结合加工工件特点与成本投入综合考虑。在选择数控系统时，应根据加工工件的复杂程度、工厂的应用习惯综合进行考虑。目前国产控制系统在一般加工应用中也很成熟和稳定。结束语本文介绍的这种加工设备主要应用于超大直径圆盘或圆环零件的圆周表面的