轴类零件数控车削加工工艺及编程分析Word下载.docx
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确定加工工艺方案
2015年3月24日至4月13日
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数值计算（零件粗精加工运动轨迹）
2015年4月14日至5月4日
4
编写零件加工程序
2015年5月5日至6月1日
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整理设计说明书
2015年6月2日至22日
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摘要：
随着科学技术的发展，机械产品结构越来越合理，其性能、精度和效率日趋提高，更新换代频繁，生产类型由大批大量生产向多品种小批量生产转换。
对机械产品的加工相应地提出了高精度、高柔性与高度自动化的要求。
为实现高产、优质的目标，多采用专用的工艺装备、专用自动化机床或专用的自动化生产线进行生产。
在机械产品中，单件小批量产品一般都采用通用机床加工，当产品改变时，机床与工艺装备均需作相应的变换和调整，难以提高生产效率和保证产品质量。
数控机床综合应用了电子计算机、自动控制、伺服驱动等方面的技术成果，具有高柔性、高精度与高度自动化的特点。
关键词：
数控机床、加工工艺、加工
ShaftpartsCNCturningtechnologyandprogramminganalysis
窗体底端
Abstract：
窗体顶端
Withthedevelopmentofscienceandtechnology,mechanicalproductstructuremorereasonable,performance,accuracy,andefficiencyisrising,frequentreplacement,typeofproductionbythelargenumberofmassproductiontomorevarietiesofsmallbatchconversion.Processingmachineryproductsaccordinglyproposedhigh-precision,highflexibilityandahighdegreeofautomation.
Toachievehighyieldandqualitygoals,theuseofspecialtechnologyandequipment,automatedmachinetoolsdedicatedordedicatedautomatedproductionlineforproduction.Inmechanicalproducts,singleandsmallbatchproductsaregenerallyadoptacommonmachining,whentheproductischanged,machineandprocessequipmentrequiredforthecorrespondingtransformationandadjustment,itisdifficulttoincreaseproductivityandensureproductquality.CNCmachinetoolsintegratedapplicationoftheresultsofcomputertechnology,automaticcontrol,servodrives,etc.,withhighflexibility,precisionandahighdegreeofautomation.
Keywords：
CNCmachinetools,machiningtechnology,processing
1前言
1.1数控技术的发展过程
科学技术和社会生产的不断发展，对机械产品性能、质量、生产率和成本提出了越来越多高的要求。
机械加工工艺过程自动化是实现上述要求的最重要技术措施之一，它不仅能够提高产品质量和生产率，降低生产成本，还能改善工人的劳动条件。
为此，许多企业采用自动机床、组合机床和专用机床组成自动化或半自动生产线。
但是，采用这种自动和高效率的设备，需要很大的初期投资以及较长的生产准备周期，只有在大批量的生产条件下（如汽车、拖拉机、家用电器等主要零件生产），才会有显著的经济效益。
机械制造工业中，单件、小批量生产的零件约占机械加工总量的80%左右，此外，科学技术的进步和机械产品市场竞争日趋激烈，致使机械产品不断改型更新换代，批量相对减少，质量要求越来越高，采用专用的自动化机床加工这类零件就显得很不合理，而调整或改装专用的“刚性”自动化生产线投资大，周期长。
有时从技术上讲是不可能实现的。
采用各类仿型机床加工虽然可以部分地解决小批量复杂零件的加工，但在更换零件时，需制造靠模和调整机床，生产准备周期长。
而且由于靠模误差的影响，加工零件的精度很难达到较高的要求。
为解决上述问题，满足多品种、小批量，特别是结构复杂、精度要求高的零件的自动化生产，需要一种灵活的、通用、能够适用产品频繁变化的“柔性”自动化机床。
由于计算机科学技术的发展，1952年，美国泊森斯公司和麻省理工学院合作，研制成功了世界上第一台以数字计算机原理为基础的数字控制三坐标铣床，开创了机械加工自动化的新纪元。
1955年，数字控制机床进入实用化阶段，在复杂曲面的加工中发挥了重要的作用。
我国从1958年开始研制数控机床，60年代中期进入实用阶段。
近年来，由于改革开放，引进国外的数控系统和伺服系统的制造技术，使我国的数控机床在品种、数量和质量方面得到了迅速发展。
目前我国已有许多机床厂能够生产不同类型的数控机床。
我国经济型数控机床的研究、生产和推广也取得较大的发展，有力地推动了各行业的技术改造，取得了明显的经济效益和社会效益。
1.2数控技术的基本概念与原理
数字控制技术，简称数控技术，是采用数字指令信号对机电产品或设备进行控制的一种自动控制技术。
数控技术与传统的设备自动控制技术的一个显著区别在于，数控技术不仅具有顺序逻辑控制功能。
而且更重要的是具有关于运动部件位置的坐标控制功能，即采用数字指令信号对设备的坐标运动进行控制的功能。
数控技术的基本原理是，将被数控设备末端执行部件的运动（或多个末端执行部件的合成运动）纳入到适当的坐标系中，将所要求的复杂运动分解成各坐标轴的简单直线运动或回转运动，并用一个满足精度要求的基本长度单位对各坐标轴进行离散化，由电子控制装置（即数控装置）按数控程序规定的运动控制规律产生与基本长度单位对应的数字指令脉冲对各坐标轴的运动进行控制，并通过伺服执行元件加以驱动，从而实现所要求的复杂运动。
数控技术的核心是插补与驱动。
插补装置的功用是将期望的设备运动轨迹沿各坐标轴微分成基本长度单位，并转换成可控制各坐标轴运动的一系列数字指令脉冲。
驱动装置是指伺服驱动系统，其功用是将插补装置输入的数字指令脉冲进行转换与放大，驱动执行元件，实现由数字指令脉冲序列规定的坐标运动，并最终由各坐标运动合成所期望的运动轨迹。
对应于插补装置输出的每一个数字指令脉冲，伺服驱动系统末端执行部件所实现的理论位移被称为脉冲当量，它是系统所能控制的最小位移，又称系统的控制分辨率，一般取为基本长度单位。
数控机床是采用数控技术对工作台运动和切削加工过程进行控制的机床，是典型的机电一体化。
它的效率高于普通机床的2～3倍，要充分发挥数控机床的这一特点。
数控加工程序不仅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。
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床加工质量、生产效率及加工成本的重要因素。
1.3数控加工在机械制造业中的地位和作用
大批量的产品，如汽车、拖拉机与家用电器的零件，为了实现高优质的目标，多采用专用的工艺设备、专用自动化机床或专用的自动生产线和自动车间进行生产。
但是应用这些专用生产设备进行生产，生产准备周期长，产品改型不易，使产品的开发周期增长。
在机械产品中，单件与小批量产品占到70%～80%，这类产品一般都采用通用机床加工，当产品改变时，机床与工艺装备均需作相应的变换和调整，而且通用机床的自动化程度不高，基本上由人工操作，难以提高生产效率和保证产品质量。
特别是一些曲线、曲面轮廓组成的复杂零件，只能借助靠模和仿形机床，或者借助划线和样板用手工操作的方法来加工，加工精度和生产效率受到很大的限制。
数控机床综合应用了电子计算机、自动控制、伺服驱动、精密检测与新型机械结构等方面的技术成果，具有高柔性、高精度与高度自动化的特点，因此，采用数控加工手段，很好地解决了机械制造中常规加工技术难以解决甚至无法解决的单件、小批量、特别是复杂型零件的加工问题。
应用数控加工技术是机械制造业的一次技术革命，使机械制造业的发展进入了一个新的阶段，提高了机械制造业的制造水平，为社会提高了高质、多品种及高可靠性的机械产品。
目前应用数控加工技术的领域已从当初的航空工业逐步扩大到汽车、造船、机床、建筑等民用机械制造业，并已取得了巨大的经济效益。
1.4数控机床加工工艺研究的内容及任务
数控机床加工工艺是以数控机床加工中的工艺问题为研究对象的一门加工技术。
它以机械制造中的工艺基本理论为基础，结合数控机床的特点，综合运用多方面的知识解决面临的数控加工中的工艺问题。
数控机床加工工艺的内容包括金属切削、加工工艺的基本知识和基本理论、金属切削刀具等。
数控机床加工工艺研究的宗旨是如何科学地、最优地设计加工工艺，充分发挥数控机床加工过程中的优点，实现在数控加工中的优质、高产、低耗。
数控机床加工工艺是数控技术应用专业和机电类专业的主要专业课之一。
应基本掌握数控加工的金属切削及加工工艺的基本知识和基本理论；
学会选择机床、刀具、夹具及零件表面的加工方法；
学会选择合理的切削参数；
掌握数控加工工艺设计方法。
2现代数控技术发展状况
20世界90年代开始，数控系统完成了16位机向32位机转变，伺服驱动从直流向交流全数字式转变，系统体系机构从封闭向开始转变，控制系统由专用计算机向通用计算机转变，从而使数控系统可充分利用计算机技术丰富的资源，能根据控制对象的要求，迅速、灵活地更改软硬件，并能及时吸收新技术，使数控技术的发展步伐加快。
数控技术的进步突出表现在高精度、高效率，具有联网通信功能等方面。
进入21世纪，我国经济与国际全面接轨，进入了一个蓬勃发展的新时期。
机床制造业既面临着机械制造业需求水平提升而引发的制造装备发展的良机，也遭遇到加入世界贸易组织后激烈的国际市场竞争的压力，加速推进数控机床的发展是解决机床制造业持续发展的一个关键。
随着制造业对数控机床的大量需求以及计算机技术和现代设计技术的飞速进步，数控机床的应用范围还在不断扩大，并且不断发展创新以更适应生产加工的需要。
[1]
2.1先进的CAD/CAPP/CAM系统广泛应用
广泛应用CAD/CAPP/CAM/CAE自动化设计制造应用软件以及DFX等并行工程，并有足够的工艺知识数据库、切削参数数据库、各种规范化的技术资料作为使能工具。
因而设计与工艺手段先进，工艺精良，NC加工程序优质，缩短了工艺准备周期，提高了设备利用率和生产效率，大大缩短了零件生产周期。
CAD是指设计人员以计算机为辅助工具来完成产品设计过程中的各项工作，达到提高质量、缩短产品开发周期和降低产品成本的目的。
计算机辅助设计可以帮助设计人员完成诸如数值计算、产品性能分析、实验数据处理、计算机辅助制图以及动态模拟仿真等工作。
CAD技术在工程设计中的应用，迅速取代了传统的实物模型制作方法、大大缩短了产品的设计周期。
CAM有广义和狭义之分。
广义是指借助计算机来完成从生产准备到产品制造出来的整个过程中的各项活动，包括计算机辅助工艺过程设计、工装设计、计算机辅助数控编程、制造过程控制、质量检测与分析等。
狭义CAM通常是指计算机辅助NC程序编程，包括刀具路径规划、刀位文件生产、刀具轨迹仿真和NC代码生成等。
2.2高速切削技术的应用
高速加工被认为是21世纪机加工艺中最重要的手段。
高速切削与常规切削相比具有明显优点：
加工时间减少约60%～80%，进给速度提高5～10倍，材料去除率提高3～5倍，刀具耐用度提高70%，切削力减少约30%，表面粗糙度Ra可达8～10μm，工件温升低，热变形、热膨胀减小，适宜加工细长、复杂薄壁零件等。
高速切削是实现高效率制造的核心技术，工序的集约化和设备的通用化使之具有很高的生产效率。
可以说，高速切削加工是一种很不增加设备数量而大幅度。
提高加工效率所必不可少的技术。
与传统加工相比，由于高速切削显著地提高了切削速度，从而导致工件与前刀面的摩擦增大并导致切屑和刀具接触面温度的提高。
在该接触点，摩擦带来的高温能达到工件材料的熔点，使得切屑变软甚至液化，因而大大减小了对切削刀具的阻力，也就是减小了切削力，使得切削变得轻快，切屑的产生更加流畅。
同时由于加工产生的热量的70%～80%都集中在切屑上，而切屑的去除速度很快，所以传导到工件上的热量大大减少，提高了加工精度。
高速切削加工技术的优点主要在于：
提高生产效率；
提高加工精度和表面质量；
降低切削阻力。
数控机床精度的要求现在已经不局限于静态的几何精度，机床的运动精度、热变形以及对振动的监测和补偿越来越获得重视。
提高CNC系统控制精度：
采用高速插补技术和误差补偿技术，并采用高分辨率位置检测装置，提高位置检测精度，同时采用反向间隙补偿、丝杆螺距误差补偿和刀具误差补偿等技术，对设备的热变形误差和空间误差进行综合补偿。
复合机床的含义是指在一台机床上实现或尽可能完成从毛坯至成品的多种要素加工。
根据其结构特点可分为工艺复合型和工序复合型两类。
工艺复合型机床如镗铣钻复合——加工中心、车铣复合——车削中心、铣镗钻车复合——复合加工中心等；
工序复合型机床如多面多轴联动加工的复合机床和双主轴车削中心等。
采用复合机床进行加工，减少了工件装卸、更换和调整刀具的辅助时间以及中间过程中产生的误差，提高了零件加工精度，缩短了产品制造周期，提高了生产效率和制造商的市场反应能力，相对于传统的工序分散的生产方法具有明显的优势。
2.3数控车床的特点
数控车床是目前国内数量最多，应用最广数控机床，由于采用了数控系统作为控制核心，利用伺服电机通过滚珠丝杆驱动溜板和刀架实现进给运动，其运动链与普通车床相比也更短，总体结构刚性好，抗振性好。
在数控车床上零件，零件的形状主要取决于加工程序，因此只要能编写程序，刀具与工件不发生干涉，无论工件多么复杂都能加工。
与普通车削相比，数控车削具有以下特点：
（1）加工精度高，质量稳定
因为数控车床本身的精度比普通车床高，一般数控车床的定位精度为±
0.01mm，重复定位精度为±
0.005mm，在加工过程中操作人员不参与，所以消除了操作者的人为误差，工件的加工精度全部由数控机床保证；
又因为数控车削加工采用工序集中，减少了工件多次装夹对加工精度的影响，所以工件的精度高，尺寸一致性好，质量稳定。
[2]
（2）改善劳动条件
在数控车床上从事加工的操作者，其主要任务是编辑程序、输入程序、装卸零件、准备刀具、观测加工状态、检验零件等，劳动强度极大降低。
此外，数控车床一般是封闭式加工，既清洁，又安全，劳动条件得到了改善。
（3）生产效率高
数控车削加工可有效地减少零件的加工时间和辅助时间。
由于数控车床的主轴转速、进给速度、快速定位速度高，通过合理选择切削用量，充分发挥刀具的切削性能，可以减少零件的加工时间。
此外，数控车削加工一般采用通用或组合夹具，加工过程中能进行自动换刀，减少了辅助时间。
综合上述几方面，数控车削加工的生产效率高。
（4）有利于生产管理现代化
数控车削加工可预先估算加工工件所需的时间，相同工件所用时间基本一致，因此，工时和工时费用可以精确估计。
这有利于编制生产进度表，有利于均衡生产和取得更高的预计产量；
此外，数控车削加工所使用的刀具、夹具可进行规范化管理。
这些均有利于生产管理现代化。
基于上述原因，认真研究和改进数控车削加工工艺过程及编程分析，对提高生产效率，提升员工素质，增加企业竞争力有着十分重要的意义。
3零件图工艺分析
零件图如图3.1所示。
图3.1轴类零件
由图1知，零件材料为Q235，无热处理和硬度要求。
该零件由圆柱、台阶、外螺纹、倒角、退刀槽、内孔等组成，其中外径尺寸及内孔尺寸有较高的尺寸要求和表面粗糙度要求。
外螺纹为细牙三角螺纹，有较高的公差等级要求。
尺寸标注完整，轮廓描述清楚。
通过分析，可采用以下几点工艺措施：
（1）对图样上给定的几个精度要求较高的尺寸，因其公差数值较小，故编程时不必取平均值，而全部取基本尺寸即可。
（2）由图纸分析，此零件需换向调头加工（两次装夹），因此需分设坐标系。
为保证其表面无夹伤痕迹，可以用铜皮包裹夹持的位置，便于加工。
（3）从图纸分析，长径比较大，可将此零件看成是细长轴的加工，为保证尺寸的稳定性和统一性，以及加工过程中的可靠性，采用一夹一顶的装夹方式来完成加工。
3.1设备的选定
数控机床选取沈阳机床CAK5085bj数控机床作为加工设备，其外形图如图3.2所示。
图3.2CAK5085bj数控车床
CAK5085bj型CAK系列数控车床是一种经济、实用的万能型加工机床，产品结构成熟，性能质量稳定可靠，可进行多次重复循环加工。
可实现轴类、盘类的内外表面，锥面、圆弧、螺纹、镗孔、铰孔加工，也可以实现非圆曲线加工。
根据用户的需求，可选配不同的数控系统和附件。
该系列车床采用卧式平床身，导轨淬火，床鞍贴有TSF导轨板，运动灵活，精度稳定。
主传动采用双速电机及电磁离合器变速，或用变频电机配合变频器实现自动换档无级变速。
刀架采用端齿盘精定位，重复定位精度高，刚性好。
进给系统由伺服电机带动滚珠丝杠，传动精度高。
机床采用机、电、液一体化的整体布局，线条流畅。
机床采用模块化设计，用户可根据需要选择不同的配置。
床身最大回转直径500mm，最大加工长度850mm，最大切削直径400。
数控系统选用FANUC系统，其外形图如图3.3所示。
图3.3FANUC系统
FANUC数控系统以其高质量、低成本、高性能、较全的功能，适用于各种机床和生产机械等特点，在市场的占有率远远超过其他的数控系统，主要体现在以下几个方面。
（1）系统在设计中大量采用模块化结构。
这种结构易于拆装，各个控制板高度集成，使可靠性有很大提高，而且便于维修、更换。
（2）具有很强的抵抗恶劣环境影响的能力。
其工作环境温度为0～45℃，相对湿度为75%。
（3）有较完善的保护措施。
FANUC对自身的系统采用比较好的保护电路。
（4）FANUC系统所配置的系统软件具有比较齐全的功能和选项功能。
提供大量丰富的PMC信号和PMC功能指令，这些丰富的信号和编程指令便于用户编制机床侧PMC控制程序，而且增加了编程的灵活性。
（5）具有很强的DNC功能，系统提供串行RS232C传输接口，使PC和机床之间的数据传输能够可靠完成，从而实现高速度的DNC操作。
3.2确定零件的定位基准和装夹方式
3.2.1定位基准的确定
内孔与外圆同轴度要求不高，本着先内后外的加工原则，先在普车上，或是手动预先钻孔，留出加工余量，先采用未加工零件Φ45毛坯表面作为粗基准，车削零件外表面各零件特征，外表面各特征一起加工完后再用铜套装夹，以车削过的Φ42端面和直径表面作为精基准定位，用百分表找正，以此来精加工内孔以及端面和倒角[3]。
其找正方法如图3.4所示
图3.4百分表找正示意图
3.2.2装夹方式的确定
左端采用三爪自定心卡盘定心夹紧，装夹长度在8mm左右。
用三爪自定心卡盘定心夹紧，由于工件伸出的太长，为保证加工的稳定性和可靠性，采用一夹一顶的装夹方式，右端用一回转式活动顶尖顶住。
以此来车削加工外表面各零件特征右端加工后装入专用铜套夹具（铜套左端端面紧贴三爪卡盘，将Φ42外圆装入夹具内孔，零件伸出长度为15mm）。
以方便用百分表找正工件，以及精加工内孔以及端面和倒角[3]。
编制《工件安装及零点设定卡片》如表3.1所示。
表3.1工件安装和零点设定卡片
零件图号
数控加工工件安装和零点设定卡片
工序号
零件名称
轴
装夹次数
2
O0001-01
三爪卡盘
自动定心卡盘
O0001-02
专用夹具
夹套
O0001-03
专用夹具
活动顶尖
编制
审核
批准
第1页
序号
夹具名称
夹具图号
工1页
3.3确定加工顺序及进给路线
根据零件图的工艺分析确定了零件加工的定位基准和装夹方式，由此进行加工顺序和进给路线的确定安排。
通过对零件图的进一步分析，可以看出内孔与外圆同轴度要求不高，本着先内后外的加工原则[4]，先在普车上，或是手动先用3.5mm的中心钻在零件两端打出中心孔，然后用直径18mm大的钻头预先钻孔到38mm深，留出加工余量，从零件图可以看出，虽然Φ42和Φ28的尺寸要求不高，以及同轴度要求也不高，是属于自由公差尺寸，自由公差尺寸并不是没有公差要求，通常情况下基本尺寸越小，它的尺寸公差就小，一般IT9-IT11选择，但是Φ35的尺寸要求较高，以及各台阶表面粗糙度Ra1.6要求较高，因此，为了保证各台阶的同轴度要求和个各台阶尺寸的一致性，以及减少装夹次数，同时此零件是属于典型的细长轴的加工，为了保证装夹加工的可靠和稳定性，此零件采用一夹一顶的装夹方式。
先采用未加工零件Φ45毛坯表面作为粗基准，用三爪卡盘夹住，夹持长度为8mm左右，右端用顶尖顶住，一刀完成车削零件外表面各零件特征，一气呵成，既保证了同轴度要求，又保证了尺寸的统一性，和工件加工的可靠性。
外表面各特征一起加工完后再用铜套装夹，以车削过的Φ42端面和直径表面作为精基准定位，铜套左端端面紧贴三爪卡盘，将Φ42外圆装入夹具内孔，零件伸出长度为15mm），以方便用百分表打表工件外圆找正，以此来精加工内孔以及端面和倒角。
3.3.1工序一零件外形特征的车削
采用一夹一顶的装夹方式，以未加工零件Φ45毛坯表面作为粗基准，用三爪卡盘夹住，夹持长度为8mm左右，右端用顶尖顶住,加工零件的右端：
其装夹方式如图3.5所示
图3.5工件装夹示意图
（1）加工时应按照由粗到精、由近到远（由右
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