轴套复合件毕业设计文档格式.docx

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数控车床由数控装置、床身、主轴箱、刀架进给系统、尾座、液压系统、冷却系统、润滑系统、排屑器等部分组成。

2．1．2数控车床分类

数控车床分为立式数控车床和卧式数控车床两种类型。

立式数控车床用于回转直径较大的盘类零件车削加工。

卧式数控车床用于轴向尺寸较长或小型盘类零件的车削加工。

卧式数控车床按功能可进一步分为经济型数控车床、普通数控车床和车削加工中心。

（1）经济型数控车床：

采用步进电动机和单片机对普通车床的车削进给系统进行改造后形成的简易型数控车床。

成本较低，自动化程度和功能都比较差，车削加工精度也不高，适用于要求不高的回转类零件的车削加工。

（2）普通数控车床：

根据车削加工要求在结构上进行专门设计，配备通用数控系统而形成的数控车床。

数控系统功能强，自动化程度和加工精度也比较高，适用于一般回转类零件的车削加工。

这种数控车床可同时控制两个坐标轴，即x轴和z轴。

（3）车削加工中心：

在普通数控车床的基础上，增加了C轴和动力头，更高级的机床还带有刀库，可控制X、Z和C三个坐标轴，联动控制轴可以是（X、Z）、（X、C）或（Z、C）。

由于增加了C轴和铣削动力头，这种数控车床的加工功能大大增强，除可以进行一般车削外，还可以进行径向和轴向铣削、曲面铣削、中心线不在零件回转中心的孔和径向孔的钻削等加工。

4．液压卡盘和液压尾架

液压卡盘是数控车削加工时夹紧工件的重要附件，对一般回转类零件可采用普通液压卡盘；

对零件被夹持部位不是圆柱形的零件，则需要采用专用卡盘；

用棒料直接加工零件时需要采用弹簧卡盘。

对轴向尺寸和径向尺寸的比值较大的零件，需要采用安装在液压尾架上的活顶尖对零件尾端进行支撑，才能保证对零件进行正确的加工。

尾架有普通液压尾架和可编程液压尾架。

5．数控车床的刀架

数控车床可以配备两种刀架：

（1）专用刀架由车床生产厂商自己开发，所使用的刀柄也是专用的。

这种刀架的优点是制造成本低，但缺乏通用性。

（2）通用刀架根据一定的通用标准（如VDI，德国工程师协会）而生产的刀架，数控车床生产厂商可以根据数控车床的功能要求进行选择配置。

6．铣削动力头

数控车床刀架上安装铣削动力头后可以大大扩展数控车床的加工能力。

如：

利用铣削动力头进行轴向钻孔和铣削轴向槽。

2．1．3数控系统的发展趋势

数控系统是由系统程序、输入输出设备、通信设备、数控装置、可编程控制器、伺服驱动装置和测量装置等组成。

数控装置是数控系统的核心，数控装置有两种类型：

一是完全由硬件逻辑电路的专用硬件组成的数控装置即NC装置；

二是由计算机硬件和软件组成的计算机数控装置即CNC装置。

从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，数控系统正在向电气化、电子化、高速化、精密化等方面高速发展，其主要研究热点有以下几个方面：

高精高速高效化速度

柔性化

多轴化

软硬件开放化

实时智能化

2．2轴类零件的加工概述

2．2．1轴类零件的功用与结构

轴是组成机械的重要零件，也是机械加工中常见的典型零件之一。

它支撑着其它转动件回转并传递扭矩，同时又通过轴承与机器的机架连接。

轴类零件是旋转零件，其长度大于直径，由外圆柱面、圆锥面、内孔、螺纹及相应端面所组成。

加工表面通常除了内外圆表面、圆锥面、螺纹、端面外，还有花键、键槽、横向孔、沟槽等。

根据功用和结构形状，轴类有多种形式，如光轴、空心轴、半轴、阶梯轴、花键轴、偏心轴、曲轴、凸轮轴等。

2．2．2轴类零件的技术要求

1．加工精度

（1）尺寸精度轴类零件的尺寸精度主要指轴的直径尺寸精度和轴长尺寸精度。

按使用要求，主要轴颈直径尺寸精度通常为IT6-IT9级，精密的轴颈也可达IT5级。

轴长尺寸通常规定为公称尺寸，对于阶梯轴的各台阶长度按使用要求可相应给定公差。

（2）几何精度轴类零件一般是用两个轴颈支撑在轴承上，这两个轴颈称为支撑轴颈，也是轴的装配基准。

除了尺寸精度外，一般还对支撑轴颈的几何精度（圆度、圆柱度）提出要求。

对于一般精度的轴颈，几何形状误差应限制在直径公差范围内，要求高时，应在零件图样上另行规定其允许的公差值。

（3）相互位置精度轴类零件中的配合轴颈（装配传动件的轴颈）相对于支撑轴颈间的同轴度是其相互位置精度的普遍要求。

通常普通精度的轴，配合精度对支撑轴颈的径向圆跳动一般为0.01-0.03mm，高精度轴为0.001-0.005mm。

此外，相互位置精度还有内外圆柱面的同轴度，轴向定位端面与轴心线的垂直度要求等。

2．2．3表面粗糙度

根据机械的精密程度，运转速度的高低，轴类零件表面粗糙度要求也不相同。

一般情况下，支撑轴颈的表面粗糙度Ra值为0.63-0.16μm；

配合轴颈的表面粗糙度Ra值为2.5-0.6μm

第三章任务加工工艺分析与设计

3．1零件图纸

该配合零件分为壳体和轴两部分，都为45号钢。

壳体加工完成后的最终尺寸长为36mm，最大直径为Ø

40mm。

如图3.1-1

图形3.1-1

轴加工完成后的最终尺寸长为96mm，最大直径为Ø

如图3.1-2

图3.1-2

由此确定其毛坯尺寸,如图3.1-3

图3.1-3

最终配合后,还要保证其配合尺寸为

如图3.1-4

图3.1-4

3．2任务描述

轴套配合件为典型的轴类零件。

该配合件形状轨迹复杂，综合了台阶、圆弧、圆球、直槽、圆弧槽、螺纹、椭圆、锥面和内孔等形状，而且还要保证相互的配合，有内外螺纹配合、圆锥面配合、球孔配合和台阶面间的配合。

另外尺寸精度、几何精度和形位公并差方面要求严格，都在正负偏差0.02mm左右，粗糙度要求在3.2-0.8。

所以加工该零件重点在于数控加工知识的运用和加工中相互衔接的总体考虑。

3．3任务分析

这对配合件主要加工的面有内外圆柱面、内外圆锥面、内外螺纹、半椭圆、圆弧及孔的加工，故而选择卧式数控车床即可完成所有加工面的加工要求（我选用的是我学院由沈阳机床厂生产的FANUC-0i型经济数控机床）。

由选用的毛坯料可确定加工路线：

先加工轴图3.1-2的左端，再调头加工壳体图3.1-1的左端，加工完成后切断，选用二级开口套夹住已加工壳体的左端，加工壳体的右端与轴的左端配合加工轴的右端。

加工中要分粗加工,半精加工和精加工以确保零件的尺寸精度和表面粗糙度。

由于配合尺寸占了8分，所以最后要保证其配合尺寸

正确。

3．4工艺解析

3．4．1零件加工工艺分析

（1）结构分析

在数控车削加工中，该零件属典型的轴套配合零件加工。

零件车削加工成形轮廓的结构形状复杂，再从零件配合角度考虑，零件的轨迹精度和零件的几何形位精度要求较高。

（2）精度分析

在该零件车削加工中，尺寸精度主要集中在轴上，占分也高，但其精度却主要由壳体加工时保证。

因为加工轴左端时要与壳体配合后加工，壳体的精度将影响轴的精度，包括圆度、轴跳动和对称度等。

检验壳体零件的重要尺寸有：

两圆弧保证的

台阶，因为此台阶关系到配合尺寸的测量；

内槽车刀要保证的

内孔的长度，因为此尺寸直接关系到零件的配合长度；

60°

的内锥面，因为此面与轴的锥面要接触配合，也关系到零件的配合。

轴零件的重要尺寸有：

圆球

，此圆球跳动较大且要与壳体

的内孔配合；

圆弧

，虽然精度要求不高，但此处与壳体

孔相接触，影响着配合尺寸；

的外锥面；

椭圆加工，整个尺寸占了8分；

Ø

11的薄壁孔，因为容易变形的粗糙度不好保证。

整体分析：

在加工薄壁端时，要保证配合尺寸

。

此配合件粗糙度要求达到了0.8所以要选择合理的切削用量和良好的刀具。

由于壳体的精度直接影响了轴的装配的形位肥差，所以壳体的装夹和加工要精细。

3．4．2零件装夹与定位基准分析

该零件毛坯为150mm长的料，所以先夹住毛坯Ø

45外圆留出65长，加工轴的螺纹端，采用三爪自定心卡盘对零件装夹定位。

调头加工壳体的圆弧端，用三爪自定心卡盘夹毛坯Ø

45处留出45长加工。

切断工件。

将二级开口套夹于三爪自定心卡盘中，再将壳体已加工端夹于开口套内，上紧卡盘。

所以壳体R100的圆弧面作为了基准面。

对壳体的外圆和内孔粗加工完之后，要适当松一下卡盘，以释放应力，再进行精加工。

最后将轴配合于壳体内对轴的薄壁端进行加工。

第四章任务加工前准备与配置

该零件车削加工在刀具配置上用到了外圆刀车刀、仿形车刀、切槽车刀、外圆螺纹车刀、左偏车刀、内孔车，内孔螺纹车刀、内切槽刀、切断刀、球头刀、铰刀和钻头等刀具，所以在刀具方面的知识相当重要。

加工时零件轮廓有倒角、圆弧、锥面等复杂形面，所以刀具半径补偿知识也要用到，该零件在尺寸分析以及在配合上还需用到尺寸链的相关知识。

在车削加工时切削用量方面的知识自然是必不可少的。

结合该零件对这几方面的知识做详细介绍。

4．1刀具的材料与选用

数控刀具应具有高硬度、足够的强度和韧性、高的耐磨性和耐热性、良好的导热性、化学稳定性好、良好的亲和性和良好的工艺。

4．1．1刀具的材料

1．高速钢

（典型牌号：

W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2）

硬度：

HRC63~70

热硬性：

550~650℃

切削速度：

V=40m/min

特点：

强度和韧性好、工艺性好、容易磨得锋利

主要制作复杂形状刀具：

如铣刀、孔加工刀具、螺纹刀具、拉刀、齿轮刀具等

2．硬质合金

（1）制作方法：

是由高硬度和高熔点的金属碳化物（碳化钨WC、碳化钛TiC、碳化钽TaC、碳化铌NbC等）和金属粘结剂（Co、Mo、Ni等）用粉末冶金工艺制成。

（2）特点：

硬质合金刀具常温硬度为89～93HRA，化学稳定性好，热稳定性好，耐磨性好，耐热性达800～1000°

C。

硬质合金刀具允许的切削速度比高速钢刀具高5～10倍。

但强度、韧度均较高速钢低，工艺性也不如高速钢。

常制成各种型式的刀片，焊接或机械夹固在车刀、刨刀、端铣刀等的刀柄（刀体）上使用。

（3）常用种类及性能及应用

①K类硬质合金（红色），相当于旧牌号YG类硬质合金（WC+Co）韧性好，导热性好，工艺性好，适宜加工短切屑的金属材料或非金属材料

②P类硬质合金（蓝色），相当于旧牌号YT类（WC+TiC+Co）高硬度，耐热性、抗粘接性、抗氧化性好，主要用于以钢为代表的塑性材料等，

③M类硬质合金（黄色），相当于旧牌号YW类（添加稀有金属碳化物）（WC+TiC+Co）加入TaC、NbC，提高高温硬度和高温强度，同时改善工艺性（焊接、刃磨）

3．涂层材料

（1）涂层刀具：

通过气相沉积或其它技术方法，在韧牲较好的刀具基体上，涂覆一层耐磨性好的难熔金属化合物，既能提高刀具材料的耐磨性，又不降低其韧性。

常用的涂层材料有TiC、TiN、Al203及其复合材料等,涂层厚度随刀具材料不同而异。

（2）常见涂层：

TiC、TiN、MoS2、金刚石、CBN、多相涂层

TiC涂层：

硬度高、耐磨性好、抗氧化性好，切削时能产生氧化钛膜，减小摩擦及刀具磨损。

TiN涂层：

在高温时能产生氧化膜，与铁基材料摩擦系数较小，抗粘结性能好，并能有效降低切削温度

TiC-TiN复合涂层：

第一层涂TiC，与刀具基体粘牢不易脱落。

第二层涂TiN,减少表面层与工件间的摩擦。

TiC-Al203复合涂层：

第一层涂TiC,与刀具基体粘牢不易脱落。

第二层涂Al203可使刀具表面具有良好的化学稳定性和抗氧化性能。

常用涂层方法：

CVD物理涂层法，其特点是硬涂层、涂层厚，

左右喷制而成。

PVD化学涂层法，其特点是软涂层、涂层薄，

左右电渡而成。

4．陶瓷刀具

以氧化铝或以氮化硅为基体再添加少量金属，在高温下烧结而成的一种刀具材料。

其优点是硬度高，耐磨性、耐高温性能好，有良好的化学稳定性和抗氧化性，与金属的亲合力小、抗粘结和抗扩散能力强；

其缺点是脆性大、抗弯强度低，冲击韧性差，易崩刃，所以使用范围受到限制；

可用于钢、铸铁类零件的车削、铣削加工。

5．金刚石

碳的同素异形体，在高温、高压下由石墨转化而成，是目前人工制造出的最坚硬物质。

由于硬度极高，耐磨性好，切削刃口锋利，刃部表面摩擦系数较小，不易产生粘结或积屑瘤，可用于加工硬质合金、陶瓷等硬度达65～70HRC的材料。

也可用于加工高硬度的非金属材料，如石材、压缩木材、玻璃等，还可加工有色金属，如铝硅合金材料以及复合难加工材料的精加工或超精加工。

缺点是热稳定性差，强度低、脆性大，对振动敏感，只宜微量切削，与铁有强烈的化学亲合力，不能用于加工钢材。

6．CBN（立方氮化硼）

是靠高压、高温技术人工合成的新型刀具材料，与铁族元素亲和力小，摩擦力小，不易产生积削瘤，可加工占火钢。

硬度达到4500HV。

4．1．2刀具结构

刀具由工作部分（切削部分）的非工作（刀杆）部分组成

1．刀具切削部分的定义

（1）刀面

前刀面切屑流过的刀面。

主后刀面与工件正在被切削加工的表面（过渡表面）相对的刀面。

副后刀面与工件已切削加工的表面相对的刀面。

如图4.1-1

图4.2-1

（2）刀刃

主切削刃前刀面与主后刀面在空间的交线。

副切削刃前刀面与副后刀面在空间的交线。

（3）刀尖

三个刀面在空间的交点，也可理解为主、副切削刃二条刀刃汇交的一小段切削刃。

在实际应用中，为增加刀尖的强度与耐磨性，一般在刀尖处磨出直线或圆弧形的过渡刃。

2．定义刀具角度的参考系

刀具角度是刀具设计、制造、刃磨和测量时所使用的几何参数，它们是确定刀具切削部分几何形状（各表面空间位置）的重要参数。

参考系：

用于定义和规定刀具角度的各基准坐标面。

分为刀具静止参考系和刀具工作参考系。

（1）刀具静止参考系

刀具静止参考系或标注角度参考系：

在设计、制造、刃磨和测量时，用于定义刀具几何参数的参考系。

在该参考系中定义的角度称为刀具的标注角度。

静止参考系中最常用的是正交平面参考系。

（2）正交平面参考系

基面pr通过切削刃上选定点，垂直于该点切削速度方向的平面。

通常平行于车刀的安装面（底面）。

切削平面ps通过切削刃上选定点，垂直于基面并与主切削刃相切的平面。

正交平面po通过切削刃上选定点，同时与基面和切削平面垂直的平面。

3．刀具的标注角度

（1）基面中测量的刀具角度

主偏角κr主切削刃在基面上的投影与进给运动速度vf方向之间的夹角。

副偏角κr′副切削刃在基面上的投影与进给运动速度vf反方向之间的夹角。

（2）切削平面中测量的刀具角度

刃倾角λs主切削刃与基面之间的夹角。

（3）正交平面中测量的刀具角度

前角γO前面与基面之间的夹角。

后角αo后面与切削平面之间的夹角。

4．刀具角度的选择

（1）前角γO

功用增大前角使切削刃锋利，但使切削刃强度下降，散热降低，刀具寿命降低。

选择工件材料强度、硬度较低时，应取较大前角，反之应取较小的前角。

•加工塑性材料时，应取较大前角，加工脆性材料时，应取较小的前角。

•刀具材料韧性好（高速钢），取较大前角，反之（硬质合金）取较小前角。

•粗加工时，取较小前角，精加工时，取较大前角。

（2）后角αo

功用增大后角使后刀面与工件的的磨擦降低

选择粗加工或工件材料较硬，后角取较小值；

•工件材料越软、塑性越大，后角越大；

•工艺系统刚度较差时，适当减小后角；

（3）主偏角κr和副偏角κr′

功用增大主偏角或副偏角刀刃强度增大，散热增强，刀具寿命增加，背向力增大。

选择工艺系统刚性较好时，主偏角取较小值；

反之取较大值。

•副偏角大小取决于表面粗糙度（5°

〜15°

），粗加工时取大值，精加工取小值。

（4）刃倾角λs

功用主要影响刀头的强度、切削分力和切屑的流动方向。

选择加工一般钢料和铸铁，无冲击时：

粗车λs＝0°

〜－5°

，精车λs＝0°

〜+5°

；

有冲击时：

λs＝－5°

〜－15°

特别大时：

λs＝－30°

〜－45°

•切削加工高强度钢、冷硬钢时：

λs＝－30°

5．刀具结构

（1）整体式式车刀切削部分与夹持部分材料相同，对贵重的刀具材料消耗较大。

多用高速钢制造。

（2）硬质合金焊接式车刀将硬质合金刀片用紫铜、黄铜等焊接在开有刀槽的刀杆上。

结构简单、紧凑，抗振性能好，制造方便，使用灵活。

但刀片易产生应力和裂纹。

（3）硬质合金机夹重磨式车刀避免焊接引起的缺陷，提高了刀具耐用度；

刀杆可重复使用利用率较高。

但结构复杂、不能完全避免由于刃磨而可能引起刀片的裂纹。

（4）机夹可转位式车刀将压制有一定几何参数的多边形刀片，用机械夹固的方法装夹在标准的刀体上。

如图4.1-2

图4.1-2

4．1．3刀具命名

随着数控行业向着高速加工发展，各式各样的机夹可转位式车刀广泛被运用。

其命名也成为一门知识。

机夹可转位式车刀命名可分为刀片命名和刀杆命名。

1．刀片命名

一般由十位数字和字母组成

（1）刀片的形状：

T三角形、S矩形、W

多边形、C

菱形、F偏

三角形、P五边形、R圆形、D

平行四边形、V

菱形。

（2）法后角：

A

、B

、C

、D

、E

、F

、G

、N

、P

、O其他。

（3）精度等级：

M级为最高级别。

（4）断屑槽类型：

主要有无断屑槽和是否带孔压紧方式分为A、N、M、S、G、F六种。

（5）切削刃边长：

由两位数字组成，由刃长不同分为T、F、W、S、P、R六种。

（6）刀片厚度：

也由两位数字组成。

（7）刀尖圆弧半径：

一般有02、04、08、12。

（8）切削刃形状：

F锋刃、E钝圆、T倒棱、S棱圆。

（9）切削偏向：

R右偏、N两边都可、L左偏。

（10）断屑槽型：

有DF、DM、DR、PM、HF、HM、HR。

例如该零件加工中精车刀片：

VNMG160404-DF

2．刀杆命名

（1）压紧方式：

P杠杆压紧、S螺钉压紧、M复合压紧、C压板压紧。

（2）刀片形式：

刀片和刀杆所用的刀片一致。

（3）刀具主偏角：

字母对应相应的角度。

（4）刀片后角

（5）切削方向：

L左偏、R右偏、N中性。

（6）刀尖高度

（7）刀体宽度

（8）刀具长度：

H100、K125、M150、P170、Q180、R200、S250、T300

（9）切削刃长

例如该零件加工精车刀刀杆：

MVJNR-2020K16

另外切断刀、切槽刀、螺纹刀、钻头、铰刀等命名与其略有不同。

但触类旁通，明白了这些其他的就懂了。

4．2刀具半径补偿

4．2．1刀尖的分析

编制数控车床加工程序时，理论上是将车刀刀尖看成一个点，如图4．2-1所示的A点就是理论刀尖。

但为了提高刀具的使用寿命和降低加工工件的表面粗糙度，通常将刀尖磨成半径不大的圆弧（一般圆弧半径在R（0.4～1.6）mm之间）。

如图所示X向和Z向的交点A称为假想刀尖，该点是编程时确定加工轨迹的点，数控系统控制该点的运动轨迹。

然而实际切削时，由于刀具产生磨损及精加工的需要，常将车刀刀尖修磨成半径较小的圆弧，这时刀的刀位点为刀尖圆弧的圆心，加工时刀具的刀尖圆弧圆心运动轨迹不能与被加工工件轮廓重合，而应与工件轮廓偏置一个刀具半径值。

图4．2-1

4．2．2未使用刀尖圆弧半径补偿时的加工误差分析

用圆弧刀尖的外圆车刀切削加工时，圆弧刃车刀的对刀点分别为圆弧两端点，所形成的假想刀位点为A点，但在实际加工过程中，刀具切削点在刀尖圆弧上变动，从而在加工过程中可能产生过切或欠切现象。

因此，采用圆弧刃车刀在不使用刀尖圆弧半径补偿功能的情况下，加工工件会出现以下几种误差情况：

1．加工台阶面或端面

加工台阶面或端面时，对加工表面的尺寸和形状影响不大，但端面的中心位置和台阶的清角位置会产生残留误差

2．加工圆锥面

加工圆锥面时，对圆锥的锥度不会产生影响，通常情况下，会使外锥面的尺寸变大，而使内锥面的尺寸变小。

3．加工圆弧

加工圆弧时会对圆弧的圆度和圆弧的半径产生影响。

加工外凸圆弧时，会使加工后的圆弧半径变大，加工内凹圆弧时，会使加工后的圆弧半径变小。

4．2．3刀具圆角的补偿方法

使用刀具圆弧半径补偿功能时的拐角过渡，根据刀具半径补偿在工件拐角处过渡方式的不同，通常分成B型刀补和C型刀补两种补偿方式。

（1）B型刀补如图4．2-2（a）所示。

B型刀补在工件轮廓的拐角处采用圆弧过渡（圆中圆弧DE）。

采用此种刀补方式，会使工件上尖角变钝，刀具磨损加剧，甚至在工件的内拐角处还会引起过切现象。

（2）C型刀补如图4．2-2（b）所示。

C型刀补采用了较为复杂的刀偏计算。

计算出拐角处交点（图中B点），使刀具在工件轮廓拐角处的过渡采用了直线过渡的方式，如图中的直线AB与BC，从而彻底解决了B型刀补的不足。

图4．2-2

4．2．4刀尖圆弧半径补偿指令

G41/G42/G40，G41刀尖圆弧半径左补偿/G42刀尖圆弧半径右补偿/G40取消刀尖圆弧半径补偿。

1．G41、G42指令的判别。

编程时，刀尖圆弧半径补偿偏置的方向的判别如图4．2-3所示。

沿Y轴的正方向并沿刀具的移动方向看，当刀具处在加工轮廓左侧时，称为刀尖圆弧半径左补偿，用G41表示；