轴类零件的数控加工编程.docx
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轴类零件的数控加工编程
设计任务书
设计题目：
轴类零件的数控加工编程
设计要求：
1、了解数控的构成与使用规程。
2、绘制零件的CAD图。
3、一定要保证零件的车削精度，不能出现零件有损坏的情况。
4、选择合适的刀具。
5、选择合适的夹具。
6、编写零件的数控程序，并检查执行程序。
设计进度要求：
第一周：
确定毕业设计题目。
第二周、第三周：
查阅资料。
第四周、第五周：
进行初步的设计。
第六周：
对设计进行修改。
第七周：
对设计进行进一步的修改优化。
第八周：
完成设计，打印初稿。
指导教师（签名）：
摘要
随着科学技术和工业生产的飞速发展，国民经济各个部门迫切需要各种各样质量优、性能好、效率高、能耗低、价格廉的机械产品。
其中，产品设计是决定产品性能、质量水平、市场竞争力和经济效益的重要环节。
因此，采用数控加工就成了最好的选择，因为它加工效率高、质量好、加工精度高。
本文主要介绍数控加工技术概述、数控加工的切削基础、数控加工工艺设计及数控加工工艺文件、数控加工的工具系统、数控加工夹具、复杂形状零件的数控加工工艺、数控车削和加工中心的加工工艺。
关键词：
数控工艺，加工夹具
目 录
1数控技术概述
数控技术是综合运用计算机数字化信息对精密机械运动过程进行自动控制的技术，是先进的光电一体化高薪技术工种。
随着科学技术的迅速发展和以济竞争日趋激烈，产品更新换代的周期越来越短，机械产品的性能，结构及形状不断改进，对零件加工质量和精度要求越来越高，为有效保证产品质量，提高劳动生产率和降低成本，要求机床不仅具有较好的通用性和灵活性，而且要求加工过程实现自动化。
因此，发展数控机床是当前机械制造技术改造的必由之路，是未来工厂自动化的发展方向。
随着经济发展和科学技术的进步，数控机床在机械加工范围和加工精度等方面有了惊人的发展，特别是使用了小型计算机和微处理机以来，数控机床在机械加工领域的应用已相当普遍，已从开始阶段的小批量复杂性零件的加工，发展到为减轻劳动强度，提高生产率，保证产品质量，降低成本等层面。
随着航空工业，汽车工业、轻工业等需求量快速增长，对机械零件精度要求更加精密，大规模的数控应用必将取代传统加工设备，数控机床是综合运用计算机、自动控制、自动检测和精密机械等高新及时的产物。
它的出现以及所带来的巨大效益，引起世界各国科技界和工业界的普遍重视。
随着科学技术的迅猛发展，数控机床已是衡量一个国家制造工业的重要标志。
发展数控机床是我国机械制造业技术改造的必由之路，是未来工厂自动化的基础。
数控机床的大量使用，需要大批能熟练掌握现代数控机床编程、操作、维修的人员和工程技术人员因此，数控人才严重短缺已成为我国现代工业的当务之急，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术，已成为世界各国加速经济发展，提高综合国力和国家地位的重要途径。
本设计共分为数控技术概述、刀具的选择、装夹方法、数控车削工艺、切削用量等几方面。
数控加工主要用于中小型零件的批量加工，具有加工效率高，精度高等诸多优点，是现在大多数机械加工企业的首要选择的加工方法。
我国现在的数控机床数量还不是很多，不过我相信随着我国的不断发展，我们国家的数控技术会越来越强。
数控加工，是指在数控机床上进行零件加工的一种工艺方法，数控机床加工与传统机床加工的工艺规程从总体上说是一致的，但也发生了
明显的变化。
1.1数控机床的产生与发展
1．数控机床的产生
社会需求是推动生产力发展最有力的因素。
二十世纪四十年代，由于航空航天技术的飞速发展，对飞行器的加工提出了更高的要求，这些零件大多形状非常复杂，材料多为难加工的合金。
用传统的机床和工艺方法进行加工，不能保证精度，也很难提高生产效率。
为了解决零件复杂形状表面的加工问题，1952年，美国帕森斯公司和麻省理工学院研制成功了世界上第一台数控机床。
半个世纪以来，数控技术得到了迅猛的发展，加工精度和生产效率不断提高。
数控机床的发展至今已经历了两个阶段和六个时代：
（1）数控（NC）阶段（1952年～1970年）
早期的计算机运算速度低，不能适应机床实时控制的要求，人们只好用数字逻辑电路“搭”成一台机床专用计算机作为数控系统，这就是硬件连接数控，简称数控（NC）。
随着电子元器件的发展，这个阶段经历了三代，即1952年的第一代——电子管数控机床，1959年的第二代——晶体管数控机床，1965年的第三代——集成电路数控机床。
（2）计算机数控（CNC）阶段（1970年～现在）
1970年，通用小型计算机已出现并投入成批生产，人们将它移植过来作为数控系统的核心部件，从此进入计算机数控阶段。
这个阶段也经历了三代，即1970年的第四代——小型计算机数控机床，1974年的第五代——微型计算机数控系统，1990年的第六代——基于PC的数控机床。
随着微电子技术和计算机技术的不断发展，数控技术也随之不断更新，发展非常迅速，几乎每5年更新换代一次，其在制造领域的加工优势逐渐体现出来。
2、数控机床的发展趋势
数控机床的出现不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的发展和应用领域的扩大，它对国计民生的一些重要行业（IT、汽车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。
当前世界上数控机床的发展呈现如下趋势：
（1）高速度、高精度化
速度和精度是数控机床的两个重要技术指标，它直接关系到加工效率和产品质量。
对于数控机床，高速度化首先是要求计算机数控系统在读入加工指令数据后，能高速度处理并计算出伺服电机的位移量，并要求伺服电机高速度地做出反应。
此外，要实现生产系统的高速度化，还必须谋求主轴转速、进给率、刀具交换、托盘交换等各种关键部件也要实现高速度化。
提高数控机床的加工精度，一般是通过减少数控系统的误差和采用补偿技术来达到。
在减少数控系统误差方面，一般采取三种方法：
①提高数控系统的分辨率、以微小程序段实现连续进给；②提高位置检测精度；③位置伺服系统采用前馈控制与非线性控制。
在采用补偿技术方面，除采用间隙补偿、丝杠螺距补偿和刀具补偿等技术外，还采用了热变形补偿技术。
（2）多功能化
一机多能的数控机床，可以最大限度地提高设备的利用率。
为了提高效率，新型数控机床在控制系统和机床结构上也有所改革。
例如，采取多系统混合控制方式，用不同的切削方式（车、钻、铣、攻螺纹等）同时加工零件的不同部位等。
目前，国产数控系统控制轴数多达16轴，同时联动的轴数已达到9轴。
（3）智能化
数控机床应用高技术的重要目标是智能化。
智能化技术主要体现在以下几个方面：
①引进自适应控制技术
自适应控制技术是要求在随机的加工过程中，通过自动调节加工过程中所测得的工作状态、特性，按照给定的评价指标自动校正自身的工作参数，以达到或接近最佳工作状态。
②附加人机会话自动编程功能
建立切削用量专家系统和示教系统，从而达到提高编程效率和降低对编程人员技术水平的要求。
③具有设备故障自诊断功能
数控系统出了故障，控制系统能够进行自诊断，并自动采取排除故障的措施，以适应长时间无人操作环境的要求。
（4）小型化
蓬勃发展的机电一体化设备，对数控系统提出了小型化的要求，体积小型化便于将机、电装置揉合为一体。
日本新开发的FS16和FS18都采用了三维安装方法，使电子元器件得以高密度地安装，大大地缩小了系统的占有空间。
（5）高可靠性
数控系统比较贵重，用户期望发挥投资效益，因此要求设备具有高可靠性。
特别是对在长时间无人操作环境下运行的数控系统，可靠性成为人们最为关注的问题。
由于采取了各种有效的可靠性措施，现代数控机床的平均无故障时间（MTBF）可达到10000～36000h。
数控机床加工的特点及应用
3、数控机床加工的特点
数控机床与普通机床相比，具有以下特点：
（1）可以加工具有复杂型面的工件
在数控机床上加工零件，零件的形状主要取决于加工程序。
因此只要能编写出程序，无论工件多么复杂都能加工。
例如，采用五轴联动的数控机床，就能加工螺旋桨的复杂空间曲面。
（2）加工精度高，质量稳定
数控机床本身的精度比普通机床高，一般数控机床的定位精度为±0.01㎜，重复定位精度为±0.005㎜，在加工过程中操作人员不参与操作，因此工件的加工精度全部由数控机床保证，消除了操作者的人为误差；又因为数控加工采用工序集中，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。
（3）生产率高
数控机床可有效地减少零件的加工时间和辅助时间。
数控机床主轴转速和进给量的调节范围大，允许机床进行大切削量的强力切削，从而有效地节省了加工时间。
数控机床移动部件在定位中均采用了加速和减速措施，并可选用很高的空行程运动速度，缩短了定位和非切削时间。
对于复杂的零件可以采用计算机自动编程，而零件又往往安装在简单的定位夹紧装置中，从而加速了生产准备过程。
尤其在使用加工中心时，工件只需一次装夹就能完成多道工序的连续加工，减少了半成品的周转时间，生产率的提高更为明显。
此外，数控机床能进行重复性操作，尺寸一致性好，减少了次品率和检验时间。
（4）改善劳动条件
使用数控机床加工零件时，操作者的主要任务是程序编辑、程序输入、装卸零件、刀具准备、加工状态的观测、零件的检验等，劳动强度极大降低，机床操作者的劳动趋于智力型工作。
另外，机床一般是封闭式加工，既清洁，又安全。
（5）有利于生产管理现代化
使用数控机床加工零件，可预先精确估算出零件的加工时间，所使用的刀具、夹具可进行规范化、现代化管理。
数控机床使用数字信号与标准代码为控制信息，易于实现加工信息的标准化，目前已与计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）有机地结合起来，是现代集成制造技术的基础。
4、数控机床的适用范围
从数控机床加工的特点可以看出，数控机床加工的主要对象有：
（1）多品种、单件小批量生产的零件或新产品试制中的零件；
（2）几何形状复杂的零件；
（3）精度及表面粗糙度要求高的零件；
（4）加工过程中需要进行多工序加工的零件；
（5）用普通机床加工时，需要昂贵工装设备（工具、夹具和模具）的零件。
1.2数控加工的特殊之处
1、工序集中
数控机床一般带有可以自动换刀的刀架、刀库，换刀过程由程序控制自动进行，因此，工序比较集中。
工序集中带来巨大的经济效益：
（1）减少机床占地面积，节约厂房；
（2）减少或没有中间环节（如半成品的中间检测、暂存搬运等），既省时间又省人力。
2、加工自动化
数控机床加工时，不需人工控制刀具，自动化程度高。
带来的好处很明显。
（1）对操作工人的要求降低：
一个普通机床的高级工，不是短时间内可以培养的，而一个不需编程的数控工培养时间极短（如数控车工需要一周即可，还会编写简单的加工程序）。
并且，数控工在数控机床上加工出的零件比普通工在传统机床上加工的零件精度要高，时间要省。
（2）降低了工人的劳动强度：
数控工人在加工过程中，大部分时间被排斥在加工过程之外，非常省力。
（3）产品质量稳定：
数控机床的加工自动化，免除了普通机床上工人的疲劳、粗心、估计等人为误差，提高了产品的一致性。
（4）加工效率高：
数控机床的自动换刀等使加工过程紧凑，提高了劳动生产率。
3、柔性化高
传统的通用机床，虽然柔性好，但效率低下；而传统的专机，虽然效率很高，但对零件的适应性很差，刚性大，柔性差，很难适应市场经济下的激烈竞争带来的产品频繁改型。
只要改变程序，就可以在数控机床上加工新的零件，且又能自动化操作，柔性好，效率高，因此数控机床能很好适应市场竞争。
4、加工能力强
数控机床能精确加工各种轮廓，而有些轮廓在普通机床上无法加工。
数控机床特别适合以下场合：
（1）不许报废的零件。
（2）新产品研制。
（3）急需件的加工。
1.3数控加工工艺特点与内容
1.3.1基本特点
在普通机床上加工零件时，使用工艺规程或工艺卡片来规定每道工序的操作程序，操作者按工艺卡上规定的程序加工零件。
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。
1）数控加工的工序内容比普通机床的工序加工内容复杂。
2）数控机床加工程序的编制比普通机床工艺规程的编制复杂。
1.3.2基本内容
数控加工工艺主要包括以下几个方面：
1）选择适合在数控机床上加工的零件，确定工序内容。
2）分析被加工的零件图样，明确加工内容及技术要求，在此基础上确定零件的加工方案，制定数控加工工艺路线。
3）设计数控加工工序。
如工步的划分零件的定位与家具的选择、刀具的选择、切削用量的确定等。
4）调整数控加工工序的程序。
5）分配数控加工的容差。
6）处理数控机床上部分工艺指令。
2刀具和切削用量的选择
2.1数控机床对刀具的要求
为了保证数控机床的加工精度，提高生产率及降低刀具的消耗，在选用刀具时对刀具提出了很高的要求，如能可靠的断屑，有高的耐用度，可快速调整和更换等。
因此数控机床对刀具的选择应满足以下要求：
1．适应告诉切削要求，具有良好的切削性能
为提高生产率和加工高硬度材料的要求，数控机床向着高速度、大进给、高刚性和大功率发展。
中等规格的数控车床，其主轴最高转速一般为3000r/min—5000r/min,工作进给由0m/min—5m/min提高到0m/min—15m/min。
2．高的可靠性
数控机床加工的基本前提之一是刀具的可靠性。
3．较高的刀具耐用度
4.高精度
5.可靠的断屑及排屑措施
6．精确迅速的调整
7．自动快速的换刀
8．刀具标准化、模块化、通用化及复合化
2.2数控刀具材料的选择
机械加工中常用的刀具材料主要有高速钢、硬质合金、立方氮化硼（CBN）、陶瓷等。
由于重型切削的特点（切削深度大，余量不均，表面有硬化层），刀具在粗加工阶段的磨损形式主要是磨粒磨损。
由于切削温度高，尽管切削速度处于积屑瘤发生区，但高温可以使切屑与前刀面的接触部位处于液态，减小了摩擦力，抑制了积屑瘤的生成，所以刀具材料的选择应要求耐磨损、抗冲击，刀具涂层后硬度可达80HRC，具有高的抗氧化性能和抗粘结性能，因而有较高的耐磨性和抗月牙洼磨损能力。
硬质合金涂层具有较低的摩擦系数，可降低切削时的切削力及切削温度，可以大大提高刀具耐用度（涂层硬质合金刀片的耐用度至少可提高1倍）等优点，但由于涂层刀片的锋利性、韧性、抗剥落和抗崩刃性能均不及未涂层刀片，故不适用高硬度材料和重载切削的粗加工。
只有硬质合金刀具适合于重型切削的粗加工。
硬质合金分为钨钴类（YG）、钨钴钛类（YT）和碳化钨类（YW）。
加工钢料时，由于金属塑性变形大，摩擦剧烈，切削温度高，YG类硬质合金虽然强度和韧性较好，但高温硬度和高温韧性较差，因此在重型切削中很少应用。
与之相比，YT类硬质合金刀具适于加工钢料，由于YT类合金具有较高的硬度和耐磨性，尤其是具有高的耐热性，抗粘结扩散能力和抗氧化能力也很好，在加工钢料时刀具磨损较小，刀具耐用度较高，因此YT类硬质合金是重型加工时较常用的刀具材料。
因此，本次加工选用YG类硬质合金材料的刀具。
根据加工要求选用四把刀具，T01为粗加工刀，故选用900外圆刀T02精加工刀，T03为切槽刀，刀宽为2mm，T04为切断刀,刀宽为3mm（刀具补偿设置在左刀尖处）。
同时把四把到在自动换刀刀架上安装好，且都对好刀，把它们的刀偏值输入相应的刀具参数中。
本设计中加工的工件材料为45号钢，因此选择的刀具材料为YT类硬质合金。
2.3切削用量的选择
合理选择切削用量的原则是，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。
具体数值应根据机床说明书、切削用量手册，并结合经验而定。
切削深度ap。
在机床、工件和刀具刚度允许的情况下，ap就等于加工余量，这是提高生产率的一个有效措施。
为了保证零件的加工精度和表面粗糙度，一般应留一定的余量进行精加工。
数控机床的精加工余量可略小于普通机床。
切削宽度ae。
一般ae与刀具直径d成正比，与切削深度成反比。
经济型数控加工中，一般ae的取值范围为：
ae=（0.6～0.9）Dc。
切削速度Vc。
提高Vc也是提高生产率的一个措施，但Vc与刀具耐用度的关系比较密切。
随着Vc的增大，刀具耐用度急剧下降，故Vc的选择主要取决于刀具耐用度。
另外，切削速度与加工材料也有很大关系，例如车削合金刚30CrNi2MoVA时，Vc可采用8m/min左右；而用同样车削铝合金时，Vc可选200m/min以上。
数控编程时，编程人员必须确定每道工序的切削用量，并以指令的形式写入程序中。
切削用量包括主轴转速、背吃刀量及进给速度等。
对于不同的加工方法，需要选用不同的切削用量。
切削用量的选择原则是：
保证零件加工精度和表面粗糙度，充分发挥刀具切削性能，保证合理的刀具耐用度；并充分发挥机床的性能，最大限度提高生产率，降低成本。
2．3．1主轴转速的确定
主轴转速应根据允许的切削速度和工件（或刀具）直径来选择。
其计算公式为：
n=1000v/πD式中
v----切削速度，单位为m/min，由刀具的耐用度决定；
n---主轴转速，单位为r/min；
D----工件直径或刀具直径，单位为mm。
计算的主轴转速n最后要根据机床说明书选取机床有的或较接近的转速。
2．3．2进给速度的确定
进给速度是数控机床切削用量中的重要参数，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。
最大进给速度受机床刚度和进给系统的性能限制。
确定进给速度的原则：
1）当工件的质量要求能够得到保证时，为提高生产效率，可选择较高的进给速度。
一般在100～200mm/min范围内选取。
2）在切断、加工深孔或用高速钢刀具加工时，宜选择较低的进给速度，一般在20～50mm/min范围内选取。
3）当加工精度，表面粗糙度要求高时，进给速度应选小些，一般在20～50mm/min范围内选取。
4）刀具空行程时，特别是远距离“回零”时，可以设定该机床数控系统设定的最高进给速度。
5）由于本设计的加工属于半精加工，因此，选用介于两者之间的进给速度，即50mm/min—100mm/min。
2．3．3背吃刀量确定
背吃刀量根据机床、工件和刀具的刚度来决定，在刚度允许的条件下，应尽可能使背吃刀量等于工件的加工余量，这样可以减少走刀次数，提高生产效率。
为了保证加工表面质量，可留少量精加工余量，一般0.2～0.5mm。
总之，切削用量的具体数值应根据机床性能、相关的手册并结合实际经验用类比方法确定。
同时，使主轴转速、切削深度及进给速度三者能相互适应，以形成最佳切削用量。
2.4数控车床刀具的选刀过程
数控车床刀具的选刀过程从被加工零件图样的分析开始到选定刀具,共需要经过10基本步骤.选刀工作过程,从第一图标零件图样开始,经箭头所示的两条路径共达最后一个图标选定刀具以完成走刀工作。
3夹具的选择
1.夹具的基本概念:
1）什么是夹具:
在车床上广泛使用的三爪卡盘，顶尖和铣床上用的平口虎钳等都属于夹具。
一般来说，夹具夹具是安装在机床上的，用以装夹工件和引导刀具的装置.它属于工艺装备。
在机床---刀具---工件---夹具组成的工艺系统中，夹具是一个重要的环节。
进一步讲，夹具安装于机床的工作台或底座上，或机床的主轴上,工件安装并夹紧于夹具中的正确位置，引导或调整刀具或砂轮使之处于相对夹具的正确位置，进行工件的加工，从而获得合格的工件。
2.夹具的选择:
数控加工对夹具主要有两大要求：
一是夹具应具有足够的精度和刚度；二是夹具应有可靠的定位基准。
选用夹具时，通常考虑以下几点：
1）尽量选用可调整夹具、组合夹具及其它通用夹具，避免采用专用夹具，以缩短生产准备时间。
2）在成批生产时才考虑采用专用夹具，并力求结构简单。
3）装卸工件要迅速方便，以减少机床的停机时间。
4）夹具在机床上安装要准确可靠，以保证工件在正确的位置上加工。
3．夹具的类型:
数控车床上的夹具主要有两类：
一类用于盘类或短轴类零件，工件毛坯装夹在带可调卡爪的卡盘（三爪、四爪）中，由卡盘传动旋转；另一类用于轴类零件，毛坯装在主轴顶尖和尾架顶尖间，工件由主轴上的拨动卡盘传动旋转。
本设计加工的是小型零件，因此采用三爪卡盘。
4.夹具的作用:
1）保证工件加工精度，稳定产品质量。
由于夹具在机床上和工件在夹具中的装夹位置均已确定，所以工件在加工中的位置得到可靠的保证，且不受划线质量和找正技术水平等因素的影响。
2）扩大机床使用范围，充分发挥机床潜力，对于中小工厂，由于机床品种，规格和数量有限,为了适应生产的需要，充分发挥现有设备的潜力，往往通过设计不同的夹具来进一步扩大机床的工作范围达到一机多用的目的。
5．零件的安装:
数控机床上零件的安装方法与普通机床一样，要合理选择定位基准和夹紧方案，注意以下两点：
1）力求设计、工艺与编程计算的基准统一，这样有利于编程时数值计算的简便性和精确性。
2）尽量减少装夹次数，尽可能在一次定位装夹后，加工出全部待加工表面。
4数控机床的坐标系统
在数控编程时，为了描述机床的运动，简化程序编制的方法及保证记录数据的互换性，数控机床的坐标和运动方向均已标准化。
数控机床各坐标轴按标准JB3051-82<数控机床及其数控机械的坐标系和运动方向的命名方法>确定后，还要确定坐标系原点的位置，这样坐标系才能确定下来。
依原点的不同，数控机床的坐标系统分为机床坐标系和工件坐标系。
4.1机床坐标系
以机床原点为坐标原点建立起来的X、Y、Z轴直角坐标系，称为机床坐标系。
而标准的机床坐标系中x、y、z坐标轴的相互关系用右手笛卡尔直角坐标系决定。
机床原点是指在机床上设置的一个固定点，也称机床零点。
它在机床装配、调试时就已确定下来数控机床进行加工运动的基准参考点。
机床零点是通过机床参考点间接确定的，机床参考点也是机床上的一个固定点，其与机床零点间有一确定的相对位置，一般设置在刀具运动的X、Y、Z正向最大极限位置。
在机床每次通电之后，工作之前，必须进行回机床零点操作，使刀具运动到机床参考点，其位置由机械档块确定。
这样，通过机床回零操作，确定了机床零点，从而准确地建立机床坐标系，即相当于数控系统内部建立一个以机床零点为坐标原点的机床坐标系。
机床坐标系是机床固有的坐标系，一般情况下，机床坐标系在机床出厂前已经调整好，不允许用户随意变动。
4.2工件坐标系
工件图样给出以后，首先应找出图样上的设计基准点。
其他各项尺寸均是以此点为基准进行标注。
该基准点称为工件原点。
以工件原点为坐标原点建立的X、Y、Z轴直角坐标系，称为工件坐标系。
工件坐标系是用来确定工件几何形体上各要素的位置而设置的坐标系，工件原点的位置是人为设定的，它是由编程人员在编制程序时根据工件的特点选定的，所以也称编程原点。
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