数控轴类零件车削毕业设计正文完结版.docx
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数控轴类零件车削毕业设计正文完结版
轴套类零件车削及加工工艺
宋星星
【摘要】数控加工是机械行业一门新的专业，数控技术是数字程序控制数控机械实现自动工作的技术。
它广泛用于机械制造和自动化领域，较好地解决多品种、小批量和复杂零件加工以及生产过程自动化问题。
随着计算机、自动控制技术的飞速发展，数控技术已广泛地应用于数控机床、机器人以及各类机电一体化设备上。
同时，社会经济的飞速发展，对数控装置和数控机械要求在理论和应用方面有迅速的发展和提高。
本篇设计是对轴、套类零件的工艺设计，其中包括加工方法的选择，加工顺序的安排，毛坯的选择，刀具的类型及选用，切削用量的选择，数控加工中数值计算等。
在零件的加工过程中要注意切削用量的选择正确，加工顺序的安排等，有关工步工序的计算相对较复杂。
本设计从数控加工前应做的准备开始到数控加工工艺分析、数控刀具及其选择、工件装夹方式与数控加工夹具的选择、程序编制等内容以及数控加工时应注意的问题做了一一的说明。
【关键词】：
数控机床工艺设计程序编制
1概述
1.1国内外数控发展概况
1.1.1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。
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。
1.1.2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。
2工艺方案分析
2.1零件图
图一
图二
2.2零件图分析
该零件表面由圆柱、逆圆弧、椭圆、槽、内孔、等表面组成的配合工件（如下图），尺寸标注完整，选用毛坯为45号钢，Φ55mm×168mm，无热处理和硬度要求。
在数控车削加工中，零件属于非圆曲面和外圆配合的零件加工。
零件的轮廓较复杂，为了保证互相配合，必须有严格的尺寸要求，所以加工难度大，而且零件的轨迹精度和精工精度要求高。
零件总体结构主要包括圆柱面、圆弧面、沟槽、内外配合圆柱面、内外配合椭圆面等。
在数控车削加工中，零件1重要的径向加工部位有两处Φ
mm，圆柱段（表面粗糙度为Ra=1.6μm）、左端Φ
mm圆柱段（面上连续两个
mm沟槽，两处底槽直径为Φ
mm）、R10mm与R20mm的圆弧面相切部分、内椭圆曲面（表面粗糙度Ra=1.6μm）、Φ
内孔（表面粗糙度为Ra=1.6μm），其余表面粗糙度均为Ra=3.2μm。
零件2重要的径向加工部位有Φ
mm圆柱段（表面粗糙度为Ra=3.2μm）、Φ
mm圆柱段（表面粗糙度为Ra=1.6μm）、Φ
mm圆柱段（表面粗糙度为Ra=1.6μm）、Φ
mm圆柱段（表面粗糙度Ra=1.6μm），其余表面粗糙度均为Ra=3.2μm。
零件重要的轴向加工部位为R10mm的凹圆弧面、内椭圆曲面和Φ
mm内孔部分，零件的其他轴向加工部位也应根据尺寸精度进行加工。
零件材料为#45钢，毛坯规格为Φ55×168mm，无热处理硬度要求。
2.3加工方案
（1）装夹方案使用三爪自定心卡盘加持零件的毛坯外圆，零件1的外轮廓在一次装夹中完成，应确定零件伸出适合的长度（应将零件切断的长度及机床的限位距离考虑进去），卡盘的限位安全距离5mm；零件2的加工需调头，加工时左右两端互为基准。
（2）定位基准零件轴向的定位基准选择在毛坯的外圆表面，以体现定位基准是轴的中心线。
（3）位置点
1）换刀点。
零件原点设在零件的右端面，为防止换刀时刀具与零件或尾座相碰，换刀点可以设置在（X100，Z100）的位置。
2）起刀点。
零件材料的毛坯尺寸为Φ55×168mm，为了减少循环加工的次数，循环的起刀点可以设置在（X55，Z2）的位置。
2.4确定加工工艺路线
（1）先加工零件1
1）加紧零件毛坯，伸出卡盘90mm，加工零件。
2）钻孔Φ20mm，深度约为55mm。
3）粗、精加工左端内轮廓至要求尺寸。
4）粗车零件的左端外轮廓。
5）精车零件的左端外轮廓，利用外径千分尺保证尺寸精度要求。
6）切工艺槽2×
mm至尺寸要求。
7）检测、校核。
（2）再加工零件2
1）加紧零件毛坯，伸出卡盘38mm，加工零件左端。
2）粗车零件左端外轮廓至Φ53mm×31mm处。
3）精车零件左端外轮廓，利用外径千分尺保证尺寸精度要求。
4）调头装夹，使用铜皮加紧Φ53的外圆，校正，加工右端。
5）粗车零件右端外轮廓。
6）精车零件右端外轮廓，与零件1配做，保证配合精度要求。
7）检测、校核。
2.5制定加工工艺卡片
（1）刀具卡（见表1）
（2）工序卡（见表2）
2.6数值处理
1）设定编程原点，以右端面与主轴的交点为编程原点建立工件坐标系。
2）计算各基点位置坐标值，零件尺寸如图所示。
①R10mm与R20mm圆弧交点坐标的计算：
画辅助线如图所示。
图中两个三角形为相似三角形，运用相似三角形对应边成比例求未知边。
有AD/AB=AE/AC与20mm圆弧的交点坐标（X37，Z-44.93）。
②椭圆计算公式：
长度变量公式为：
x²/a²+z²/b²=1
式中a—椭圆的长半轴；
b—椭圆的短半轴。
3工件的装夹
3.1定位基准的选择
在制定零件加工的工艺规程时，正确的选择工件的定位的基准有着十分中的意义。
定位基准选择的好坏，不仅影响零件加工的位置精度，而且对零件个表面的加工顺序也有很大的影响。
合理的选择定位基准是保证零件加工精度的前提，还能简化加工工序，提高加工效率。
3.2定位基准选择的原则
1）基准重合原则。
为了避免基准不重合误差，方便编程，应选用工序基准作为定位基准，尽量使用工序基准，定位基准、编程原点三者统一。
2）便于装夹的原则。
所选的定位基准应能保证定位准确、可靠，定位夹紧简单、易操作，敞开性好，能够加工尽可能多的表面。
3）便于对刀的原则。
批量加工时在工件坐标系已经确定的情况下，保证对刀的可能性和方便性。
3.3确定零件的定位基准
以左右端大端面为定位基准。
3.4装夹方式的选择
为了工件不至于在切削力的作用下发生位移，使其在加工过程始终保持正确的位置，需将工件压紧压牢。
合理的选择加紧方式十分重要，工件的装夹不仅影响加工质量，而且对生产率，加工成本及操作安全都有直接影响。
3.5数控车床常用装夹方式
1）在三爪自定心卡盘上装夹。
三爪自定心卡盘的三个爪是同步运动的，能自动定心，一般不需要找正。
该卡盘装夹工件方便、省时，但夹紧力小，适用于装夹外形规则的中、小型工件。
2）在两顶尖之间装夹。
对于尺寸较大或加工工序较多的轴类工件，为了保证每次装夹时的装夹精度，可用两顶尖。
该装夹方式适用于多序加工或精加工。
3）用卡盘和顶尖装夹。
当车削质量较大的工件时要一端用卡盘夹住，另一端用后顶尖支撑。
这种方式比较安全，能承受较大的切削力，安装刚性好，轴向定位基准，应用较广泛。
4）用心轴装夹。
当装夹面为螺纹时再做个与之配合的螺纹进行装夹，叫心轴装夹。
这种方式比较安全，能承受较大的切削力，安装刚性好，轴向定位基准。
3.6确定合理的装夹方式
装夹方法：
先用三爪自定心卡盘夹住右端，加工左端达到工件精度要求；再工件调头，用三爪自定心卡盘夹住工件右端，在加工到工件精度要求。
4刀具和切削用量的选择
4.1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。
4.2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，T0101为粗加工刀，故选用900刀（30°刀），T0202为切槽刀，刀宽为4mm，T0303为镗孔刀，T0404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。
4.3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。
4．3．1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。
4．3．2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。
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。
3）当加工精度，表面粗糙度要求高时，进给速度应选小些。
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。
4．3．3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。
5零件的程序（见表三）
【参考文献】
[1]黄华：
《数控车削编程与加工技术》，机械工业出版社，第288页
[2]曾国民，黄勇刚.数控编程与加工技术.北京：
中国电力出版社，2009.第225页
[3]宴初宏，实用数控加工程序编制技术.上海：
上海科学技术出版社，2008.11，第64页
[4]袁锋，数控车培训教程.第二版.北京：
机械工业出版社，2008.3，第84页
[5]孙汉卿．数控机床维修技术．北京.机械工业出版社，2001，第116页
[6]严爱珍．机床数控原理与系统．北京.机械工业出版社，2000，第33页
[7]李宏胜．机床数控技术及应用．北京.高等教育出版社，2003，第329页
表1
毕业设计课题
零件图号
序号
刀具号
刀具名称及规格
刀尖半径
数量
加工表面
备注
1
中心钻
1
左端面
手动
2
Φ20mm的钻头
1
钻孔
手动
3
T0101
90°外圆车刀
0.2mm
1
粗、精车外轮廓
4
T0202
切槽刀
B=4mm
1
切槽
左刀尖
5
T0303
镗孔刀
0.1mm
1
镗孔
6
T0404
30°尖刀
0.2mm
1
粗、精车外轮廓
表2
材料
#45钢
零件图号
系统
程序名
机床设备
夹具名称
三爪自定心卡盘
操作序号
工步内容（走刀路线）
G功能
T道具
切削用量
转速S（r/min）
进给量（mm/r）
退刀量（mm/r）
中心钻
1200
3
O1002
粗车1右端外圆
G71
T0101
600
1
1
O1002
精车1右端外圆
G70
T0101
1000
O1003
粗、精车1左端外圆
G01、G02、G03
T0404
600
4
O1003
切槽
G01
T0202
500
0.05
O1004
粗车镗孔
G71
T0303
600
1
1
O1004
精车镗孔
G70
T0303
800
O1005
粗车2左端外圆
G71
T0101
600
1
1
O1005
精车2左端外圆
G70
T0101
1000
O1006
粗车2右端外圆
G71
T0101
600
4
O1006
精车2右端外圆
G70
T0101
1000
检测、校核
表三
零件1
外圆
O1002;
N10M03S600;
N20T0101;
N30G00X55Z2;
N40G71U1R1;
N50G71P60Q90U0.5F0.2;
N60G00X47;
N70G01Z0;
N80G03X53Z-3R3;
N90G01Z-51;
N100G00X100;
N110Z100;
N120M05;
N130M00;
精车外圆
N140M03S1000;
N150T0101;
N160G00X55Z2;
N170G70P10Q20F0.2;
N180G00X100;
N190Z100;
N200M30;
掉头装夹，车削外圆
O1003;
N10M03S600;
N20T0404;
N30G00X55Z2;
N40G00X47;
N50G01Z0;
N60G03X53Z-3R3;
N70G01Z-29;
N80G03X37Z-44.93R20;
N90G02X49Z-63R10;
N100G01X53;
N110G00X100;
N120Z100;
N120M05;
N130M00;
切槽
N140M03S500;
N150T0202;
N160G00X55Z-8;
N170G01X45;
N180G04X3;
N190G00X55;
N200Z-20;
N210G01X45;
N220G04X3;
N230G00X100;
N240Z100;
N250M30;
镗孔
O1004;
N10M03S600;
N20T0303;
N30G00X42Z5;
N40G71U1R1;
N50G71P60Q160U-0.5F0.1;
N60G00X20;
N70#1=0;
N80#2=21/40*SQRT[40*40-#1*#1];
N90#3=2*#2;
N100#4=#1-0;
N110G01X[#2]Z[#4]F0.1;
N120#1=#1+0.1;
N130IF[#1LE29.81]GOTO80;
N140G01Z-30;
N150X24;
N160Z-52;
N170G00Z100;
N180X100;
N190M05;
N200M00;
内孔精车
N210M03S800;
N220T0303;
N230G00X42Z5;
N240G70P10Q20F0.1;
N250G00Z100;
N260X100;
N270M30;
零件2
车削外圆左端
O1005;
N10M03S600;
N20T0101;
N30G00X55Z2;
N40G71U1R1;
N50G71P60Q90U0.5F0.2;
N60G00X47;
N70G01Z0;
N80G03X53Z-3R3;
N90G01Z-40;
N100G00X100;
N110Z100;
N120M05;
N130M00;
精车外圆左端
N140M03S1000;
N150T0101;
N160G00X55Z2;
N170G70P10Q2OF0.2;
N180G00X100;
N190Z100;
N200M30;
车削外圆右端
O1006;
N10M03S600;
N20T0101;
N30G00X55Z2;
N40G71U1R1;
N50G71P60Q210U0.5F0.2;
N60G00X21;
N70G01Z0;
N80X24Z-1.5;
N90Z-20;
N100X26;
N110Z-21.59;
N120#1=22.74;
N130#2=21/40*SQRT[40*40-#1*#1];
N140#3=2*#2;
N150#4=#1-22.74;
N160G01X[#2]Z[#4]F0.1;
N170#1=#1-0.1;
N180IF[#1GE0]GOTO130;
N190G01Z-50;
N200X45;
N210G03X53Z-53;
N220G00X100;
N230Z100;
N240M05;
N250M00;
精车外圆右端
N260M03S1000;
N270T0101;
N280G00X55Z2;
N29
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