轴类零件数控加工工艺及编程分析

1、毕 业 论 文题 目：轴类零件数控加工工艺及编程 轴类零件数控加工工艺及编程摘要：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。正由于这个特点，促使对加工程序的正确

2、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：轴类零件 数控车削 工艺设计一、零件加工工艺分析1.零件图分析如图1.1所示该零件从结构上来看包括内外表面：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，其中多个直径以及宽度尺寸有较严格的尺寸精度和表面粗糙度要求，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；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；无热处理和硬度要求。图1.12.工艺分析(1)如图1.1所示内孔直径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

3、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。3.编程原点选择零件在加工中需要二次掉头装夹,从图纸上进行尺寸坐标分析,应设置两个编程原点。两个工件坐标系的编程原点均应选在零件装夹后的右端面（精加工面）,如图

4、1.2、1.3所示。 1.2 第一次装夹工件原点 1.3 第二次装夹工件原点 二、零件毛坯选择由图1.1可知该零件为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得毛坯直径为55mm，长度尺寸为145±0.08。三、 加工方法选择 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的加工方法有许多，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。通过以上数据分析，考虑加工的效率和加工的经济性，最理想的加工

5、方式为车削，考虑该零件为大批量加工，故加工设备采用数控车床。1. 数控车削加工外圆回转体零件与端面加工方法的选择(1)52、42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加工工艺以缩短工时。由于零件左端有螺纹需要加工并且螺纹精度要求较高，为了达到螺纹加工的精度要求，所以在加工零件左端外圆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. 数控车削加工内圆回转体加工方

6、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，获知宜采用钻扩铰加工工艺,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+00.04mm，2Z=0.2mm。3.数控车削加工螺纹加工方法的确定 由于该零件中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。四、机床与刀具的选择1.机床的选择从实际零件的特点考虑加工的经济性，选择数控车床,其型号为SSCK20/500，装配FANUC-OTC系统。（1）S

7、SCK20/500数控车床的用途SSCK20/500数控车床主要用于加工轴类零件和盘类零件的内外圆柱表面、圆锥面、螺纹表面、成形回转体表面，还可以进行钻孔、扩孔、铰孔、镗孔、镗孔和车端面、切槽、倒角等加工。（2）SSCK20/500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，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。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

8、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。（3）SSCK20/500数控车床主要技术参数表3.1机身上最大回转直径 400mm夹盘直径200mm最大切削直径200mm最大切削长度500mm主轴转速范围24r/min2400r/mm(连续无级)主轴直径55mm滑鞍最大纵向行程 550mm滑板最大横向行程 200mm快速移动速度 X轴6m/min;Z轴12m/min刀架工位数 6工位刀具规格车刀20mm×20mm工具孔直径 32mm选刀方式顺时针方向最小输入当量X轴(直径)0.001mm；Z轴

9、0.001mm 尾坐套筒直径70mm尾座套筒最大行程60mm顶尖锥孔莫式4号主电动机功率连续载荷11kw进给伺服电动机功率X轴AC0.6kw；Z轴AC0.6kw 液压站电动机功率 1.1kw切削液电动机功率0.0125kw机床外形尺寸(长×宽×高)2600mm×12400mm×1715mm机床净质量 2300kg 2.刀具的选择将所选刀具参数填如表3.2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。如图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

10、可知在加工这一过渡表面时kr最小为560。为了使粗加工时候能够切除更多的毛坯余量参考图3.2，确定粗加工刀具最小后角kr=430 。表3.2数控加工刀具卡产品名称或代号零件名称零件图号序号刀具号刀具规格名称数量加工表面刀尖半径备注1T0190°硬质合金外圆车刀1车端面及粗车外轮廓0.5刀具后角>43°2T025中心钻1钻5mm中心孔3T0325钻头1钻孔4T04扩刀1扩孔5T05绞刀1绞刀6T0690°硬质合金外圆车刀1半精车外轮廓0.3刀具后角为56°7T0793°硬质合金外圆车刀1 精车外轮廓0.2刀具后角为56°8T08宽

11、度为3mm切槽刀1切槽9T0960°外螺纹车刀1车M30螺纹0.1刀尖角为59°30 图3.1 图3.2 五、定位与夹紧方式的确定经过分析可知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。第一次装夹如图5.1所示，完成S48球面R48圆弧R9圆弧R8圆弧35外圆52圆圆锥面槽28内孔1X45

12、76;倒角的粗精加工；第二次装夹如图5.2所示，完成30外圆、螺纹2X45°倒角、1X45°倒角的粗精加工。 图4.1 零件的第一次装夹 图4.2 零件的第二次装夹 六、加工顺序安排1.加工顺序的安排按照加工内容确定加工顺序如下:（1）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：精车外圆表面。调头装夹（2）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

13、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8.1“数控加工工序卡”所示。七、走刀路线和工步顺序确定1. 确定加工顺序和走刀路线（1）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，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7.1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

14、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M30X2-6g螺纹。图7.1(2) 走刀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：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。使数值计算简单，以减少编程工作量。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。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

15、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7.2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7.2 图7.3 说明:如图7.2所示为第一次装夹时外圆精车走刀路线,图中点A(250.0,150.0)为换刀点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7.3所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），点c精车切入点(53.985,35)。八、切削用量的选择1. 切削用量的

16、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 (1-1) 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。2. 第一次装夹切削用量计算（1）钻孔28+00.04mm、钻孔26 ：背吃刀量 ap=13mm。 进给量 根据数控加工工艺简明教程表6-4，选用f=0.4mm/r。 切削速度 根据数控加工

17、工艺简明教程表6-4，选用Vc=20m/min。主轴转速 由公式1-1得 20=3.14*26n/1 000求得 n=245r/min 经查表取 n=250r/min（2）扩孔27.8mm： 背吃刀量 ap=18.9mm。进给量 根据数控加工工艺简明教程表6-4，选用f=0.4mm/r。切削速度 根据数控加工工艺简明教程表6-4，选用Vc=20m/min。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（3）铰孔28+00.04mm： 背吃刀量 ap=14mm。进给量 根据数控加工工艺简明教程表6-5，选用f=0.5mm

18、/r。切削速度 根据数控加工工艺简明教程表6-5，选用Vc=4m/min。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（4）粗车外轮廓 进给量选择：查表得 f=0.5mm/r。（5）半精车外轮廓 进给量选择：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。 （6）精车外轮廓 进给量选择：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

19、问题考虑最后取进给量 f=0.25/2=0.125mm/r。3. 第二次装夹切削用量计算（1）粗车30mm外圆柱面 背吃刀量 根据数控加工工艺简明教程表4-1，选用ap=5mm。进给量 根据数控加工工艺简明教程表4-1，选用f=0.5mm/r。切削速度 根据数控加工工艺简明教程表4-1，选用Vc=100m/min。（2）精车30mm外圆柱面背吃刀量 根据数控加工工艺简明教程表4-1，选用ap=0.25mm。进给量 根据数控加工工艺简明教程表4-1，选用f=0.2mm/r。切削速度 根据数控加工工艺简明教程表4-1，选用Vc=140m/min。主轴转速 由公式1-1得 140=3.14*30n/

20、1 000求得 n=1486r/min 经查表取 n=1500r/min（3）车螺纹M30×2-6g背吃刀量 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。 主轴转速的选择根据式1-2 得 n1200/2-0.8 求出n1000 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

21、要给定每次进刀时的主轴转速。4.计算结果汇总 表8.1 数控加工工序卡工厂数控加工工序卡 产品名称零件名称 材料零件图号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/ mm主轴转速/ r·min-1进给速度/mm ·min-1背吃刀量/mm备注1车削端面01255×23005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0125×254001005自动4半精车外表面X向留0.25mm的精加工余量0625×255002003自动5钻孔03262504013自动6扩孔0427.82504013

22、.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0725×25600300 0.25自动9切槽0835001500.2自动10调头装夹手动11粗车外表面X向留0.25mm 的精加工余量0125×253001005自动12精车外表面至尺寸要求0725×256003000.25自动13车削M30X2-6g螺纹0925×251000150自动由于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，因此，背吃刀量一般取0.10.4mm

23、较为合适。将前面分析的各项内容综合成表8.1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。九、对刀点与换刀点的确定1.对刀点选择“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：要便于数学处理和简化程序编制在机床上找正容易加工过程中检查方便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

24、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。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。2.换刀点选择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

25、架与毛坯相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）。 十、 程序的编制1. 零件各结点尺寸计算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10.1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10.1 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，

26、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（41.758，-65 ）、E（45.3058，-75.06）、F（47.7638，-82.03）、G（50.2218，-89）。 2.程序的编制（1）第一次装夹O0001N10 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 X

27、35.0478 Z-38.3841 R24F0.3；N80 G02 X36.4522 Z-44.35 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 X

28、35.0478 Z-38.3841 R24F0.3；N210 G02 X36.4522 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N3

29、50 G00 X0 Z2；N360 G74 R1；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 X

30、47；切槽N500 G01 X39 F0.2；N510 X50；N520 Z-82.03；N530 G01 X39；N540 X53；N550 G00 Z-89；N560 G01 X39；N570 X53；N580 X100 Z200；M30；（2） 第二次装夹O002N10 G54 G00 X100 Z100；N20 T0101；外圆粗车刀N30 M03 S400；N40 G42 X60 Z5；N50 G71 U4 R1；粗车外圆循环N60 G71 P70 Q140 U0.25 W0.1 F0.25；N70 G01 Z5；N80 G01 X-2 F0.2；N90 Z2；N100 G00 X22N110 G01 X30 Z-2；N120 Z-3