轴类零件数控加工工艺分析

摘要对于轴类零件数控加工与在普通机床上加工所涉及的工艺问题大致相同，处理方法也无多大差别。首先要对被加工零件进行工艺分析和处理，然后根据工艺装备（机床、夹具、刀具等）的特点拟定出合理的工艺方案，最后编制出零件加工的工艺规程（简称工艺）和加工程序。工艺规程是工人在加工时的指导性文件。由于普通机床受控于操作工人，因此，在普通机床上用的工艺规程实际上只是一个工艺过程卡。机床的切削用量、进给路线、工序的工步等，往往都是有操作工人自行选定。而轴类零件的数控加工的程序是数控机床的指令性文件，数控机床受控于程序指令，加工的全过程都是按程序指令自动进行的。因此，轴类零件的数控加工程序与普通机床工艺规程有较大的差别，涉及的内容也较广，数控机床加工程序不仅包括零件的工艺过程，还要包括切削用量，进给路线，刀具尺寸以及机床的运动过程。因此，要求编程人员对数控机床的性能，特点，运动方式，刀具系统，切削规范以及工件的装夹方法都要非常熟悉。工艺方案的好坏，不仅会影响机床效率的发挥，而且将直接影响零件的加工质量。因此，我们要正确合理的安排轴类零件在数控机床上加工工艺。关键词：加工工艺文件；加工路线；数控编程；加工余量的确定；加工工艺设计。目录1数控加工工艺文件…………………11.1概述………………11.2工序卡……………11.3数控刀具调整单…………………11.4机床调整单………………………11.5数控加工程序单…………………12加工路线的确定……………………22.1概述………………22.2最短的空行程路线………………22.3最短的切削进给路线……………23手工编程……………33.1手工编程的数学处理……………33.2手工编程实例分析………………44加工余量的确定……………………54.1概述………………54.2影响加工余量的因素……………54.3确定加工余量的方法……………55工序尺寸及其公差的确定…………65.1概述………………65.2工序尺寸及公差的计算…………66轴类零件数控加工工艺设计过程…………………76.1数控加工工艺设计准备…………76.2机床的选择………………………76.3对刀点与换刀点的选择…………76.4加工方法的选择与加工方案的确定……………86.5切削用量的确定…………………86.6进给路线的确定…………………87轴类零件数控加工工艺分析实例…………………9结论…………………12参考文献……………13致谢…………………141数控加工工艺文件1.1概述数控加工工艺文件主要包括数控加工工序卡，刀具调整单，机床调整单，零件加工程序单等。这些文件尚无统一的标准，各个企业可根据单位的特点制定上述工艺文件。1.2工序卡数控加工工序卡与普通加工工序卡有许多相似之处，但不同的是该卡中反应使用的辅具，刀具切削参数，切削液等。它是操作人员配合数控程序进行数控加工的主要指导性工艺资料。1.3刀具调整单刀具调整单主要包括数控刀具卡片和数控刀具明细表两部分。刀具卡主要反映刀具编号，刀具结构，尾柄规格，组合件名称代号，刀片型号和材料等。它是组装刀具和调整刀具的依据。1.4机床调整单它是机床操作人员在加工前调整机床的依据。主要包括机床控制面板开关调整单和数控加工零件安装零点设定卡片两部分。几点说明如下：程序中给出速度代码（如F1,F2或F100，F0.1等）在机床调整单中给出各个代码的进给速度值。对于有刀具半径补偿运算的应将补偿开关记入机床调整单。冷却方式开关给出的是油冷还是雾冷。1.5加工程序单它是由编程员根据工艺分析情况经过数值计算，按照机床特定的指令代码编制。它是记录数控加工工艺过程，工艺参数，位移数据清单。也是手动数据输入和署备控制介质，实现数控加工的主要依据。2加工路线的确定2.1概述在数控机床加工过程中，每道工序加工路线的确定都非常重要。因为它与工件的加工精度和表面粗糙度直接相关。在数控加工中，刀具刀位点相对于零件运动的轨迹称加工路线。加工路线的确定原则：应保证被加工零件的精度和表面粗糙度且效率较高。使数值计算简便，减少编程工作量。使加工路线最短，减少程序段，减少空刀时间。进给路线指刀具从对刀点开始运动起，直至返回该点并结束加工程序。所经过的路线包括切削加工路径，刀具引入，切出等非切削空行程。在保证加工质量前提下，使加工程序具有最短进给路线，可减少执行时间，刀具消耗及机床滑动部件的磨损。2.2最短空行程路线方法：巧用起刀点；巧设换刀点；合理安排“回参考点”路线；巧排空程进给路线。2.3最短的切削进给路线在安排粗加工和半精加工时应考虑被加工零件的刚性及加工的工艺性要求。确定加工路线时考虑工件的加工余量和机床，刀具的刚性来确定一次进给还是多次进给。加工过程中，在轮廓加工中，应避免进给停顿，以免留下刀痕，影响表面粗糙度的要求。3手工编程3.1手工编程的数学处理数值换算：图样上的尺寸基准与编程所需要的尺寸基准不一致时，应将图样上的换算为编程坐标系中的尺寸。直接换算：即直接通过图样上的标注尺寸即可获得编程尺寸的一种方法。3.2手工编程实例分析所选择数控机床为：数控车床，系统为法拿克。编程所需要的常用指令：编程指令；刀具功能指令；主轴转速；程序名；程序内容；程序结束指令。编程指令：G00快速点定位；G01直线插补；G02顺时针圆弧插补；G03逆时针圆弧插补；G04暂停刀具功能指令：T0101即前两位为刀位号，后两位为刀补模号。主轴转速：S500;S1000r/min程序名：法拿克：O0001（1-9999）程序结束：M5;M2例图3.1编程：O0001M3S500T0101F0.2(粗加工)G0X50Z1G1X46Z-15G0X50Z1G1X42Z-15G0X45Z1G1X40.5Z-15G0X42Z1G1X36Z-5G0X40Z1G1X32Z-5G0X40Z1G1X30.5Z-5G0X40Z1S1000T0202F0.08(精加工)G1X30Z-5X40Z-15X51G0X100Z100M5M2注：毛坯直径为50mm；长度为30mm。最大切削深度为4mm；精加工余量为0.5mm；刀具号为T0101为粗加工90度硬质合金车刀，T0202为粗加工90度硬质合金车刀。4加工余量的确定4.1概述加工余量是指加工过程中所切去的金属层厚度，余量有工序余量和加总余量之分。加工余量是相邻两工序的工序尺寸之差，加工总余量是毛坯尺寸与零件图的设计尺寸之差，它等于各个工序余量之和。加工余量有单边余量和双边余量之分。平面加工余量指单边余量，等于实际切削金属层厚度，对于内圆和外圆等回转体表面，加工余量指双边余量。即指直径方向计算实际切削的金属层厚度为加工余量的一半。由于工序尺寸有公差，实际切除的余量是一个变值，因此，工序余量分为基本余量，最大工序余量和最小工序余量。为了便于加工，工序尺寸的公差一般按入体原则标注。即被包容面的工序尺寸取上偏差为零，包容面的工序尺寸取下偏差为零，毛坯尺寸的公差一般采取双向的对称分布。4.2影响加工余量的因素上工序的各种表面缺陷和误差为了使工件的加工质量逐渐提高，一般每道工序都应切到待加工表面以下的正常金属组织，将上工序留下的表面粗糙度和缺陷层全部切去。上工序的尺寸公差直接影响本工序的基本余量，因此，本工序的余量应包含上工序的尺寸公差。本工序的装夹误差装夹误差包括定位误差，夹紧误差，夹具本身的误差。由于装夹误差的影响，使工件待加工表面偏离了正确的位置，所以确定加工余量时还应考虑装夹误差的影响。4.3确定加工余量的方法一般有：经验估算法此法是凭借工艺人员的实践经验估计加工余量。查表修正法将工厂生产实践和实验研究积累的有关加工余量的资料制成表格，并汇编成手册。分析计算法此法根据加工余量计算公式和一定的实验资料对影响加工余量的各个因素进行综合分析和计算来确定加工余量的一种方法。5工序尺寸及其公差的确定5.1概述零件上的尺寸一般要经过几道机械加工工序的加工才能得到。在每道工序所能保证的尺寸称工序尺寸。与其对应的公差即尺寸的公差。工序尺寸及其公差的确定不仅取决于设计尺寸，加工余量及各工序所能表达到的经济精度而且还与定位基准，工序基准，测量基准，编程坐标系原点的确定及其基准转换有关。所以计算工序尺寸及其公差时，应根据不同的情况，采用不同的方法。5.2工序尺寸与公差的计算确定毛坯总余量和工序余量确定工序公差最终工序尺寸公差等于零件图上设计尺寸公差，其余工序尺寸公差按经济精度确定。计算工序基本尺寸从零件图上的设计尺寸开始向前推算，直至毛坯尺寸。最终工序尺寸等于零件图上的基本尺寸，其余工序基本尺寸等于后道工序基本尺寸加上或减去后道工序余量标注工序尺寸公差最后一道工序的公差按零件图上的设计尺寸标注。中间工序尺寸公差按入体原则标注，毛坯尺寸公差按双向标注。当基准不重合时工序尺寸及其公差的计算当工序基准，测量基准，定位基准或编程原点与设计基准不重合时，工序尺寸及其公差的确定，需要借助于工艺尺寸链的基本知识和计算方法，通过解工艺尺寸链才能获得。工艺尺寸链是指在机械装配或零件加工过程中互相联系且按一定顺序排列的封闭尺寸组合称为尺寸链。其中，由单个零件在加工过程中的各个有关工艺尺寸所组成的尺寸链，称为工艺尺寸链。工艺尺寸链的特征关联性任何一个直接保证的尺寸及其精度的变化，必将影响间接保证的尺寸及其精度。封闭性尺寸链中各个尺寸的排列呈封闭性。首尾相接组成封闭的尺寸组合。工艺链的组成我们把组成工艺尺寸链的各个尺寸称为环。工艺链由的组成有：封闭环；组成环；组合环的判断。6轴类零件加工工艺设计过程6.1加工工艺设计准备选择并决定进行数控加工的内容一般按下列顺序考虑：普通机床无法加工的内容应作为优先选择内容。普通机床难加工，质量也难保证的内容应作为重点选择内容。普通机床加工效率低，工人手工操作劳动强度大的内容，可在数控机床尚存在富余能力的基础上进行选择。一般来说上述加工内容采用数控加工后，在产品质量，生产效率和综合经济效益等方面都会得到明显提高。对零件图进行数控加工工艺性分析关于数控加工的工艺性分析问题，其涉及面很广，下面仅从数控加工的可能性与方便性两个角度提出一些必须分析和审查的主要内容。审查与分析零件图样中的尺寸标注方法是否适应数控加工的特点审查与分析零件图样中构成轮廓的几何元素是否充分审查与分析定位基准的可靠性审查和分析零件所要求的加工精度，尺寸公差是否都可以得到保证。零件毛坯的工艺性分析对在零件图进行工艺性分析后，还应结合数控加工的特点，对所用毛坯进行工艺性分析，否则毛坯不适合数控加工，加工将很难进行，甚至会造成前功尽弃的后果。毛坯的工艺性分析一般从几个方面考虑：毛坯的加工余量是否充分，批量生产时的毛坯余量是否稳定分析毛坯在安装定位方面的适应性分析毛坯的余量大小和均匀性6.2机床的选择不同的零件应在不同的数控机床上加工，要根据零件的设计要求选择机床。数控车床适于加工形状比较复杂的轴类零件和复杂曲线回转形成的模具内型腔。6.3对刀点与换刀点的选择对刀点是数控加工中刀具相对工件运动的起点。在编程时不论是刀具相对工件的移动，还是工件相对刀具的移动，都是把工件看做静止，刀具在运动。通常把对刀点称为程序原点，它设在被加工零件上，也可设在与零件定位基准有固定尺寸关系的夹具上的某一位置。其选择如下：找正容易编程方便对刀误差小加工时检查方便、可靠对刀时应使对刀点与刀位点重合。所谓刀位点，是指刀具定位基准点。对于车刀，取为刀尖，钻头取为钻尖。换刀点是为加工中心、数控车床等多刀加工的机床编程而设置的，因为这些机床在加工过程中间要自动换刀。为防止换刀时碰伤零件或夹具，换刀点常常设在被加工零件的外面，并要有一定的安全量。6.4加工方法的选择与加工方案的确定1.加工方法的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和表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。2.加工方案确定的原则零件上比较精密表面的加工，常常通过粗加工、半精加工、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，还应正确的确定从毛坯到最终成形的加工方案。确定方案时，首先应根据主要表面的精度和表面粗糙度的要求，初步确定为达到这些要求所需要的加工方法。最终加工方法取精加工。3.加工余量的选择加工余量泛指毛坯实体尺寸与零件尺寸之差。零件加工就是把大于零件尺寸的毛坯实体加工掉，使加工后的零件尺寸、精度、表面粗糙度均能符合图样上的要求。通常要经粗加工、半精加工、精加工才能达到最终要求。因此，零件总的加工余量应等于中间工序加工余量之和。工序间加工余量的选择按以下两原则进行：采用最小加工余量原则，以求缩短加工时间，降低零件的加工费用；应有充分的加工余量，特别是最后一道工序。在选择加工余量时，还应考虑下列情况：由于零件大小不同，切削力、内应力、引起的变形误差，工件越大，变形会增加，加工余量也要增加。零件热处理时引起的变形，适当的增大加工余量。加工方法，装夹方式和工艺装备的刚性可能引起的零件变形，过大的加工余量也会由于切削力增大引起零件的变形。6.5切削用量的确定切削用量包括切削深度、主轴转速、进给量。合理选择切削用量的原则：粗加工时，一般以提高生产率为主，但也应考虑经济性和加工成本。半精加工和精加工时，应在保证加工质量的前提下，兼顾切削效率，经济性和加工成本。切削深度主要根据机床、夹具、刀具和工件的刚性来决定。在刚性允许的情况下，应以最少的进给次数，切除加工余量，最好一次切净余量，以便提高生产效率。主轴转速主要根据允许的切削速度选取。进给量或进给速度主要根据零件的加工精度和表面粗糙度要求以及刀具、工件的材料性质选取。编程员在选取切削用量时，一定要根据机床说明书的要求和刀具寿命，选择适合机床特点及刀具最佳寿命的切削用量。6.6进给路线的选择是指数控加工过程中刀具相对于被加工工件运动的轨迹和方向。包括了加工工艺内容，反应了工步顺序，是编写程序的重要依据。7轴类零件数控加工工艺分析实例例图：工序卡表7.1机械厂名数控加工工序卡片产品名称或代号零件名称备注：工艺序号程序编号夹具名称夹具编号使用设备车间零件图号111数控车床11工步号工步内容加工面刀具号主轴转速进给速度加工余量1粗加工整体表面T0101S500F0.20.5mm2精加工整体表面T0202S1000F0.0803切槽直径32mm宽为5mmT0303S400F0.080.4mm4切断直径46mm长度100mmT0303S400F0.082mm编制审核批准日期程序内容：O0002M3S500T0101F0.2（粗加工）G0X51Z1G71U2R0.5G71P10Q20U0.5N10G1X0Z0G03X30Z-15R15G01X38Z-35Z-70X40Z-80X46N20Z-105G0X100Z100S1000F0.08T0202（精加工）G70P10Q20G0X100Z100T0303S400F0.08（切槽）G0X42Z-70G1X32X41G0X100Z-105G1X2（切断）G0X100Z100M5M2结论数控机床作为一类高度自动化的机床，是在普通机床的基础上发展和演变而成的。在普通机床上加工零件时，用工艺规程和工艺卡片规定每道工序的操作和切削用量；操作工人按工艺卡片上规定的内容加工零件。数控加工不需要通过手工进行直接操作，而是给定一系列的指令，形成数控程序，经机床数控系统的处理后，使机床自动完成零件加工。即按加工程序来进行加工。改变加工程序便能在一台数控机床上加工多种零件。显然，在加工前需要编制零件加工程序又必须先确定工件的加工工艺。本文主要探讨了轴类零件的加工工艺。其内容包括：数控加工工艺文件；加工路线的确定；手工编程的方法；加工余量的确定；工序尺寸及其公差的确定；轴类零件数控加工工艺设计过程（包括工艺设计准备，机床的选择，对刀点与换刀点的选择，加工方法的选择与加工方案的确定，切削用量的确定，进给路线的选择）。最后，以一轴类零件为实例，编写数控加工工艺分析。但对于一些数控加工专用技术文件也是数控加工工艺设计的