多用轴数控车床加工工艺设计.docx

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多用轴数控车床加工工艺设计

摘要

第一章概述...............................................

1.1数控发展概况..............................................

1.2数控技术发展趋势..........................................

1.3智能化新一代PCNC数控系统.................................

第二章零件加工工艺分析...................................

2.1零件图在工艺分析..........................................

2.2零件技术要求分析..........................................

2.3零件毛坯、材料的分析.......................................

2.4零件设备的选择............................................

2.5确定工件的定位与夹具方案....................................

2.6刀具与切削用量的选择......................................

2.7确定走刀顺序和路线........................................

2.8数控加工工序卡...........................................

2.9数控加工刀具卡...........................................

2.10保证加工精度的方法.......................................

第三章数控加工程序及程序检验............................

3.1确定编程坐标系及编程原点..................................

3.2进行对刀操作..................................................

3.3在自动方式下自动加工并测量修调................................

设计总结...................................................

致谢.......................................................

参考文献

摘要

随着数控加工的日益成熟越来越多的零件产品都用数控机床来加工,因此如何改进数控加工的工艺问题就越来越重要。

在数控机床上由于机床空间及机床的其他局限了数控加工的灵活性，这样就要求我们要懂得如何改进加工工艺，提高数控机床的应用范围和加工性能。

从而达到提高生产效率和产品质量。

数控加工作为一种高效率高精度的生产方式，尤其是形状复杂精度要求很高的模具制造行业，以及成批大量生产的零件。

因此数控加工在航空业、电子行业还有其他各行业都广泛应用。

然而在数控加工从零件图纸到做出合格的零件需要有一个比较严谨的工艺过程，必须合理安排加工工艺才能快速准确的加工出合格的零件来，否则不但浪费大量的时间，而且还增加劳动者的劳动强度，甚至还会加工出废品来。

一般数控机床的加工工艺和普通机床的加工工艺是大同小异的，只是数控机床能够通过程序自动完成普通机床的加工动作，减轻了劳动者的劳动强度，同时能比较精准的加工出合格的零件。

由于数控加工整个加工过程都是自动完成的，因此要求我们在加工零件之前就必须把整个加工过程有一个比较合理的安排，其中不能出任何的差错，否则就会产生严重的后果。

数控编程设计是在完成了《机械制造基础》、《数控加工工艺》、《数控编程》等课程的学习并进行实习后，进行的一个重要教学环节。

通过设计，一方面能获得综合运用过去所学的知识进行工艺分析的基本能力，另一方面，也是对数控加工过程进行的一次综合训练。

通过此次设计，我可以在以下各方面得到锻炼：

1、能熟练地运用已学过的基本理论知识，以及在生产实习中学到相应的实践知识，掌握从零件图开始到正确地编制加工程序的整个步骤、方法。

2、提高编程能力。

根据被加工零件的技术要求，选择合理的工艺，编制出既经济又合理，又能保证加工质量的数控程序。

3、学会使用各类设计手册及图表资料。

我这次的毕业设计是进行一个多用轴的零件进行设计，这个轴上有圆弧、工艺退刀槽、螺纹退刀槽、螺纹、锥面螺纹、内孔和内圆弧等构成，材料为45号钢。

对于这次所设计的多用轴，将采用“粗车—精车”的车削方式，即分别对本零件的两个端面、外圆、螺纹、外圆锥度、切槽、圆弧、钻孔七个步骤进行粗加工和精加工。

这次设计主要是对数控加工工艺进行分析与具体零件图的加工，首先对数控加工技术进行了简单的介绍，然后根据零件图进行数控加工分析。

第一，根据本零件材料的加工工序、切削用量以及其他相关因素选用刀具及刀柄和零件的轮廓特点确定需要5把刀具。

第二，针对零件图图形进行编制程序，此零件为多用轴，外轮廓由直线、退刀槽、圆弧和螺纹组成，零件的左端里面要钻出一个锥孔和内圆弧，在加工过程中，工件需要钻孔再车内圆弧，第三，钻孔对刀时要先回参考点，要以孔中心作为对刀点，刀具的位置要以此来找正，使刀位点与换刀点重合确定编程坐标系及编程原点，进行数控加工程序编制，最后用编程模拟软件对轴类零件进行仿真加工及校验。

关键词：

数控编程加工方案切削用量加工程序

第一章概述

1.1国内外数控发展概况

随着计算机技术的高速发展，传统的制造业开始了根本性变革，各工业发达国家投入巨资，对现代制造技术进行研究开发，提出了全新的制造模式。

在现代制造系统中，数控技术是关键技术，它集微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技术于一体，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。

目前，数控技术正在发生根本性变革，由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。

在集成化基础上，数控系统实现了超薄型、超小型化；在智能化基础上，综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学科技术，数控系统实现了高速、高精、高效控制，加工过程中可以自动修正、调节与补偿各项参数，实现了在线诊断和智能化故障处理；在网络化基础上，CAD/CAM与数控系统集成为一体，机床联网，实现了中央集中控制的群控加工。

长期以来，我国的数控系统为传统的封闭式体系结构，CNC只能作为非智能的机床运动控制器。

加工过程变量根据经验以固定参数形式事先设定，加工程序在实际加工前用手工方式或通过CAD/CAM及自动编程系统进行编制。

CAD/CAM和CNC之间没有反馈控制环节，整个制造过程中CNC只是一个封闭式的开环执行机构。

在复杂环境以及多变条件下，加工过程中的刀具组合、工件材料、主轴转速、进给速率、刀具轨迹、切削深度、步长、加工余量等加工参数，无法在现场环境下根据外部干扰和随机因素实时动态调整，更无法通过反馈控制环节随机修正CAD/CAM中的设定量，因而影响CNC的工作效率和产品加工质量。

由此可见，传统CNC系统的这种固定程序控制模式和封闭式体系结构，限制了CNC向多变量智能化控制发展，已不适应日益复杂的制造过程，因此，对数控技术实行变革势在必行。

1.2数控技术发展趋势

1.2.1性能发展方向

⑴高速高精高效化　速度、精度和效率是机械制造技术的关键性能指标。

由于采用了高速CPU芯片、RISC芯片、多CPU控制系统以及带高分辨率绝对式检测元件的交流数字伺服系统，同时采取了改善机床动态、静态特性等有效措施，机床的高速高精高效化已大大提高。

⑵柔性化　包含两方面：

数控系统本身的柔性，数控系统采用模块化设计，功能覆盖面大，可裁剪性强，便于满足不同用户的需求；群控系统的柔性，同一群控系统能依据不同生产流程的要求，使物料流和信息流自动进行动态调整，从而最大限度地发挥群控系统的效能。

⑶工艺复合性和多轴化　以减少工序、辅助时间为主要目的的复合加工，正朝着多轴、多系列控制功能方向发展。

数控机床的工艺复合化是指工件在一台机床上一次装夹后，通过自动换刀、旋转主轴头或转台等各种措施，完成多工序、多表面的复合加工。

数控技术轴，西门子880系统控制轴数可达24轴。

⑷实时智能化　早期的实时系统通常针对相对简单的理想环境，其作用是如何调度任务，以确保任务在规定期限内完成。

而人工智能则试图用计算模型实现人类的各种智能行为。

科学技术发展到今天，实时系统和人工智能相互结合，人工智能正向着具有实时响应的、更现实的领域发展，而实时系统也朝着具有智能行为的、更加复杂的应用发展，由此产生了实时智能控制这一新的领域。

在数控技术领域，实时智能控制的研究和应用正沿着几个主要分支发展：

自适应控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制、学习控制、前馈控制等。

例如在数控系统中配备编程专家系统、故障诊断专家系统、参数自动设定和刀具自动管理及补偿等自适应调节系统，在高速加工时的综合运动控制中引入提前预测和预算功能、动态前馈功能，在压力、温度、位置、速度控制等方面采用模糊控制，使数控系统的控制性能大大提高，从而达到最佳控制的目的。

1.2.2功能发展方向

⑴用户界面图形化　用户界面是数控系统与使用者之间的对话接口。

由于不同用户对界面的要求不同，因而开发用户界面的工作量极大，用户界面成为计算机软件研制中最困难的部分之一。

当前INTERNET、虚拟现实、科学计算可视化及多媒体等技术也对用户界面提出了更高要求。

图形用户界面极大地方便了非专业用户的使用，人们可以通过窗口和菜单进行操作，便于蓝图编程和快速编程、三维彩色立体动态图形显示、图形模拟、图形动态跟踪和仿真、不同方向的视图和局部显示比例缩放功能的实现。

⑵科学计算可视化　科学计算可视化可用于高效处理数据和解释数据，使信息交流不再局限于用文字和语言表达，而可以直接使用图形、图像、动画等可视信息。

可视化技术与虚拟环境技术相结合，进一步拓宽了应用领域，如无图纸设计、虚拟样机技术等，这对缩短产品设计周期、提高产品质量、降低产品成本具有重要意义。

在数控技术领域，可视化技术可用于CAD/CAM，如自动编程设计、参数自动设定、刀具补偿和刀具管理数据的动态处理和显示以及加工过程的可视化仿真演示等。

⑶插补和补偿方式多样化　多种插补方式如直线插补、圆弧插补、圆柱插补、空间椭圆曲面插补、螺纹插补、极坐标插补、2D+2螺旋插补、NANO插补、NURBS插补（非均匀有理B样条插补）、样条插补（A、B、C样条）、多项式插补等。

多种补偿功能如间隙补偿、垂直度补偿、象限误差补偿、螺距和测量系统误差补偿、与速度相关的前馈补偿、温度补偿、带平滑接近和退出以及相反点计算的刀具半径补偿等。

⑷内装高性能PLC　数控系统内装高性能PLC控制模块，可直接用梯形图或高级语言编程，具有直观的在线调试和在线帮助功能。

编程工具中包含用于车床铣床的标准PLC用户程序实例，用户可在标准PLC用户程序基础上进行编辑修改，从而方便地建立自己的应用程序。

⑸多媒体技术应用　多媒体技术集计算机、声像和通信技术于一体，使计算机具有综合处理声音、文字、图像和视频信息的能力。

在数控技术领域，应用多媒体技术可以做到信息处理综合化、智能化，在实时监控系统和生产现场设备的故障诊断、生产过程参数监测等方面有着重大的应用价值。

1.2.3体系结构的发展

⑴集成化　采用高度集成化CPU、RISC芯片和大规模可编程集成电路FPGA、EPLD、CPLD以及专用集成电路ASIC芯片，可提高数控系统的集成度和软硬件运行速度。

应用FPD平板显示技术，可提高显示器性能。

平板显示器具有科技含量高、重量轻、体积小、功耗低、便于携带等优点，可实现超大尺寸显示，成为和CRT抗衡的新兴显示技术，是21世纪显示技术的主流。

应用先进封装和互连技术，将半导体和表面安装技术融为一体。

通过提高集成电路密度、减少互连长度和数量来降低产品价格，改进性能，减小组件尺寸，提高系统的可靠性。

⑵模块化　硬件模块化易于实现数控系统的集成化和标准化。

根据不同的功能需求，将基本模块，如CPU、存储器、位置伺服、PLC、输入输出接口、通讯等模块，作成标准的系列化产品，通过积木方式进行功能裁剪和模块数量的增减，构成不同档次的数控系统。

⑶网络化　机床联网可进行远程控制和无人化操作。

通过机床联网，可在任何一台机床上对其它机床进行编程、设定、操作、运行，不同机床的画面可同时显示在每一台机床的屏幕上。

⑷通用型开放式闭环控制模式　采用通用计算机组成总线式、模块化、开放式、嵌入式体系结构，便于裁剪、扩展和升级，可组成不同档次、不同类型、不同集成程度的数控系统。

闭环控制模式是针对传统的数控系统仅有的专用型单机封闭式开环控制模式提出的。

由于制造过程是一个具有多变量控制和加工工艺综合作用的复杂过程，包含诸如加工尺寸、形状、振动、噪声、温度和热变形等各种变化因素，因此，要实现加工过程的多目标优化，必须采用多变量的闭环控制，在实时加工过程中动态调整加工过程变量。

加工过程中采用开放式通用型实时动态全闭环控制模式，易于将计算机实时智能技术、网络技术、多媒体技术、CAD/CAM、伺服控制、自适应控制、动态数据管理及动态刀具补偿、动态仿真等高新技术融于一体，构成严密的制造过程闭环控制体系，从而实现集成化、智能化、网络化。

1.3智能化新一代PCNC数控系统

当前开发研究适应于复杂制造过程的、具有闭环控制体系结构的、智能化新一代PCNC数控系统已成为可能。

智能化新一代PCNC数控系统将计算机智能技术、网络技术、CAD/CAM、伺服控制、自适应控制、动态数据管理及动态刀具补偿、动态仿真等高新技术融于一体，形成严密的制造过程闭环控制体系。

第二章零件加工工艺分析

2.1零件图纸工艺分析

如图所示：

零件结构分析：

由图我们可知，本零件上由圆柱面、内孔、内圆锥面、圆弧面、沟槽、和螺纹等部分组成。

零件车削加工成形轮廓的结构形状较复杂、需两头加工，零件的加工精度和表面质量要求都很高。

该零件重要的径向加工部位有Ф54-0.0390mm圆柱段（表面粗糙度Rɑ=1.6µm）与R45的圆弧相连接、Ф40-0.0330圆柱段、Ф22+0.0210的内孔和半径R25的内孔。

零件符合数控加工尺寸标注要求，轮廓描述清楚完整，零件材料为45号钢，毛胚为ф60mm*110mm。

2.2零件技术要求分析

小批量生产条件编程，不准用砂布和锉刀修饰平面，这是对平面高精度的要求，未注公差尺寸按GB1804-M，热处理，调质处理，HRC25-35，未注粗糙度部分光洁度按Ra6.3，毛胚尺寸Ф60mm*110mm。

2.3零件毛坯、材料的分析

⑴材料的分析

该轴零件加工中，刀具与工件之间的切削力较大。

工件材料的可切削性能。

强度、硬度、塑性、提供冷切削加工、机械性能都跟工件的材料有关。

所以选择45钢为该轴类零件的材料。

45钢的化学成分中含C0.42%～0.50%，Si0.17%～0.37%，Mn0.50～0.80%，P≤0.035%，S≤0.035%，Cr≤0.25%，N≤0.25%,Cu≤0.25%.45钢在进行冷加工时硬度要求，热轧钢，压痕直径不小于3.9，布氏硬度不小于241HB，退火钢压痕直径不小于4.4，布氏硬度不小于187HB，45钢的机械性能：

δs≥335Mpa，δb≥600Mpa，∮≥40％，Ak≥47J。

45钢相对切削性硬质合金刀具1.0，高速钢刀具1.0，45钢经济合理对加工刀具的要求也合理，45钢用途广泛，主要是用来制造汽轮机、压缩机，泵的运动零件制造齿轮、轴活塞销等零件。

根据以上数据适合该轴的加工。

⑵毛坯的分析

轴类零件的毛坯有棒料、锻件和铸件三种。

锻件：

适用与零件强度较高,形状较简单的零件。

尺寸大的零件因受设备限制，故一般用自由锻；中、小型零件可选模锻；形状复杂的刚质零件不宜用自由锻

，适用于形状复杂的毛坯。

钢质零件的锻造毛坯，其力学性能高于钢质棒料和铸钢件。

根据该轴零件的结构形状和外轮廓尺寸，所以采用锻件。

本零件的毛坯宜采用锻件，由棒料锯割，模锻毛坯至Φ60X110mm,使钢材经过锻压，获得均匀的纤维组织，提高其力学性能，同时也提高零件与毛坯的比重，减少材料消耗。

2.4零件设备的选择

对于机床，每一类机床都有不同的精度、功能等，其工艺范围、技术规格、加工精度、生产率及自动化程度都不同。

为了正确地为每一道工序合理选择机床，充分发挥机床的性能优势，需要考虑以下几点：

⑴机床的类型应与工序加工内容相适应。

⑵机床的主要规格尺寸应与工件的外形尺寸和加工表面的相关尺寸适应。

⑶机床的精度与工序要求的加工精度相适应，原则上粗加工工序应选用精度低的机床，精度要求高的精加工工序则相应选用精度高的机床。

在一定的精度范围内不能偏移太多，机床精度过低，不能保证加工精度；机床精度过高，会增加零件制造成本。

应根据零件的规格尺寸、加工精度、所需要的功能层次等要求合理选择机床。

2.4.1机床的类型

数控车床能对轴类或盘类等回转体零件自动地完成内外圆柱面、圆锥表面、圆弧面等工序的切削加工，并能进行切槽、钻、扩等的工作。

根据零件的工艺要求，可以选择经济型数控车床，一般采用步进电动机形式半闭环伺服系统。

此类车床机构简单，价格相对较低，这类车床设置三爪自定心卡盘、普通尾座或数控液压尾座，适合车削较长的轴类零件。

根据主轴的配置的要求选择卧式数控车床。

数控车床具有加工精度高，能做直线和圆弧插补，数控车床刚性良好，制造和对刀精度高，能方便和精确地进行人工补偿和自动补偿，能够加工尺寸精度要求较高的零件。

能加工轮廓形状特别复杂的表面和尺寸难于控制的回转体，而且能比较方便的车削锥面和内外圆柱面螺纹，能够保持加工精度，提高生产效率。

所以对加工时非常有利的。

根据多用轴零件的结构、规格、精度等，选择车削中心会造成一定的功能浪费，故选择经济型数控车床，所以选择SSCK20/500数控车床。

2.4.2机床的规格

SSCK20/500型数控车床配备FANUC-OTE数控系统，规格大小（详见机床参数）适合多用轴零件的加工需要范围，且结构简单、性能稳定可靠，满足工件加工需要。

2.4.3机床精度

加工精度IT7～IT8级、Ra0.8～Ra1.6μm的除淬火钢以外的常用金属，可采用粗车→精车两步加工就可完成。

加工精度为IT5～IT6级、Ra0.2～Ra0.63μm的除淬火钢以外的常用金属，可采用精密型数控车床，按粗车→半精车→精车→细车的方案加工。

加工精度高于IT5、Ra<0.08μm的除淬火钢以外的常用金属，可采用精密型数控车床，按粗车→半精车→精车→精密车的方案加工。

对淬火钢等难车削的材料，其淬火前可采用粗车→半精车的方法，淬火后安排磨削加工。

因此，根据零件图样要求，SSCK20/500型数控车床精度适应多用轴的精度需要。

SSCK20/500数控车床主要技术参数

机身上最大回转直径

Ф400mm

夹盘直径

Ф200mm

最大切削直径

Ф200mm

最大切削长度

500mm

主轴转速范围

24r/min~2400r/mm（连续无级）

主轴直径

Ф55mm

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

Ф32mm

选刀方式

顺时针方向

最小输入当量

X轴（直径）0.001mm；Z轴0.001mm

尾坐套筒直径

Ф70mm

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

2.5确定工件的定位于夹具方案

2.5.1确定装夹方案

在数控车床上工件定位安装的基本原则与普通机床相同。

工件的装夹方法影响工件的加工精度和效率，为了充分发挥数控机床的工作特点，在装夹工件时，应考虑以下几种因素：

⑴.尽可能采用通用夹具，必须时才设计制造专用夹具；

⑵.结构设计要满足精度要求；

⑶.易于定位和装夹；

⑷.易于切削的清理；

⑸.抵抗切削力由足够的刚度；

使用三爪自定心卡盘夹持零件的毛坯外圆，确定零件伸出合适的长度（应将机床的限位距离考虑进去）。

零件需要加工两端，因此需要考虑两次装夹的位置，考虑到左端的Φ54mmx15mm的台阶可以用来装夹。

因此先加工右端，然后调头夹住M22╳Ph3P1.5的螺纹头，加工Φ54mmx15mm的台阶、Φ22内孔和R25的内圆弧。

2.5.2定位基准

工件的定位与基准应与设计基准保持一致，应防止过定位，对与箱体工件最好选择“一面两销”作为定位基准，定位基准在数控机床上要仔细找正。

由于这个工件是个实心轴，末端要镗一个30的锥孔，因轴的长度不是很长，所以采用工件的右端面和48的外圆作定位基准，使用普通三爪卡盘夹紧工件，取工件的右端面中心为工件坐标的原点，对刀点在（100.100）处。

由于此零件全部表面都需加工，应选用外圆及一端面为粗基准，然后通过“互为基准的原则”进行加工。

遵循“基准重合”的原则。

加工右端时选择毛坯外圆的左端外圆表面，加工左端时选择右边外圆的表面，以体现定位基准是轴的中心线。

2.6刀具与切削用量的选择

2.6.1刀具的选择

数控刀具的选择和切削用量的确定是数控加工工艺中的重要内容，它不仅影响数控机床的加工效率，而且直接影响加工质量。

刀具的选择是在数控编程的人机交互状态下进行的。

应根据机床的加工能力、工件材料的性能、加工工序、切削用量以及其它相关因素正确选用刀具及刀柄。

刀具选择总的原则是：

安装调整方便、刚性好、耐用度和精度高。

在满足加工要求的前提下，尽量选择较短的刀柄，以提高刀具加工的刚性。

在经济型数控机床的加工过程中，由于刀具的刃磨、测量和更换多为人工手动进行，占用辅助时间较长，因此，必须合理安排刀具的排列顺序。

一般应遵循以下原则：

①尽量减少刀具数量；②一把刀具装夹后，应完成其所能进行的所有加工步骤；③粗精加工的刀具应分开使用，即使是相同尺寸规格的刀具；④先铣后钻；⑤先进行曲面精加工，后进行二维轮廓精加工；⑥在可能的情况下，应尽可能利用数控机床的自动换刀功能，以提高生产效率等。

综上所述：

本零件的加工，

（1）粗、精车外圆及平端面选用35°硬质合金左偏刀，为防止副后刀面与工件轮廓干涉，副偏角不宜太小，选Kr´=35°，

（2）车槽刀，（3）车螺纹选用硬质合金60°外螺纹车刀，刀尖圆弧半径应小于轮廓最小圆角半径，取re=0.15～0.2mm，（4）用ф22mm的钻头加工左端的孔，（5）内圆车刀。

刀具的选择是数控加工工艺设计中的重要内容之一。

刀具选择合理与否不仅影响机床的加工效率、而且还影响加工质量。

选择刀具通常考虑机床的加工能力、工序内容、工件材料等。

与传统的车削方法相比，数控车削对刀具的要求较高。

不仅要求精度高、钢度好、耐用度高、而且要求尺寸稳定、安装调整方便。

这就要求采用新型优质材料制造数控加工刀具，并优选刀具参数。

所选刀具如图所示：

2.6.2切削用量的选择

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，