圆弧轴数控车削加工工艺的编制.docx
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圆弧轴数控车削加工工艺的编制
南通纺织职业技术学院毕业设计（论文）
圆弧轴数控车削加工工艺的编制
薛拾建
班级07电气二
专业电气自动化
教学系机电系
指导老师康宜平
完成时间2010年02月1日至2010年05月23日
摘要
随着科技的不断发展，数控技术在企业中发挥越来越重要的作用。
数控加工制造技术正逐渐得到广泛的应用，对零件进行编程加工之前，工艺分析具有非常重要的作用。
本设计通过对典型的数控车床轴类零件工艺特点、数控加工工艺的分析，给出了对于一般零件数控加工工艺分析的方法，设计合理的加工工艺过程，充分发挥数控加工的优质、高效、低成本的特点。
设计说明书以典型的数控车床轴类零件为例，根据被加工工件的材料、轮廓形状、加工精度等选用合适的机床，制定加工方案，确定零件的加工顺序，各工序所用刀具，夹具和切削用量等，编写加工零件的程序。
按照说明书要求将加工出零件，并对零件自检数据进行分析，说明在加工过程中应注意的事项。
对于提高制造质量、实际生产具有一定的指导意义。
关键词：
轴类零件；数控加工；工艺设计；工艺分析；刀具；切削用量；加工程序；加工注意事项
目录
摘要2
目录3
1机床的选用及简介1
1.1机床的选择1
1.2机床的组成2
1.2.1数控机床的组成2
1.2.2数控系统与数控机床的组成2
1.3机床的工作原理2
1.3.1数控机床的工作原理与工作方式2
1.4机床的工作特点3
2零件的工艺分析4
2.1零件工艺分析4
2.1.1零件图的分析4
2.2确定加工方案5
2.3加工路线和加工顺序的确定5
2.3.1加工工艺路线6
2.4切削用量的选择6
2.5刀具的选择9
3加工工序的编排10
3.1工序与工步的划分10
3.2加工工序的编排10
3.3加工工序卡片12
3.4加工程序12
3.5零件加工中的难点与解决方案16
4数控车床操作注意事项17
5结论18
6致谢19
7参考文献19
附录一常用公制螺纹切削的进给次数与背吃刀量（双边）mm20
附录二数控机床设备安全操作规程21
附录三指令字符22
附录四常用G指令代码23
1机床的选用及简介
1.1机床的选择
在选择机床时，即要考虑其生产的经济性，又要考虑其适用性和合理性。
其选择的原则是：
①机床的工作区域尺寸必须与所加工零件的外形轮廓尺寸相适应。
如直径不大的导柱、导套等可选在卧式车床上加工，而外径较大长度较短的轴类零件，则应选择在立式车床上加工；小的零件的孔可用立式普通钻床加工；而大工件上的孔宜在
摇臂钻床上加工；对于孔径和孔距要求比较高的孔，可选择在坐标
镗床或立式镗床上加工，以做到合理使用设备。
②机床的功率和加工量应与零件工序的加工要求相适应。
如粗加工工序应选择功率较大的机床加工；在利用刀具做精细切削时，应选择转速较高的机床。
③选用的机床精度应与工序要求的加工精度相适应。
④选用机床应与现有设备条件相适应。
即要充分利用现有的设备，又要充分考虑生产的发展方向规模，以及添置新设备的可能性。
根据毛坯的材料和类型、零件轮廓形状复杂程度、尺寸大小、加工精度、工件数量、生产条件等要求，选用经济型数控车床可达到要求。
图1.1数控机床的选择
1.2机床的组成
1.2.1数控机床的组成
数控机床一般由控制介质、数控装置、伺服系统和机床本体组成。
图1.1的实线所示为开环控制的数控机床框图。
图1.1数控机床的组成
1.2.2数控系统与数控机床的组成
图1.2数控系统与数控机床的组成
1.3机床的工作原理
1.3.1数控机床的工作原理与工作方式
图1.3数控机床的工作原理
1.4机床的工作特点
与普通机床相比，数控机床具有以下特点[1]。
①适应性强：
由于数控机床能实现多个坐标的联动，所以数控机床能完成复杂型面的加工，特别是对于可用数学方程式和坐标点表示的形状复杂的零件，加工非常方便。
当改变加工零件时，数控机床只需更换零件加工的NC程序，不必用凸轮、靠模、样板或其它模具等专用工艺装备，且可采用成组技术的成套夹具。
因此，生产准备周期短，有利于机械产品的迅速更新换代。
所以，数控机床的适应性非常强。
②加工质量稳定：
对于同一批零件，由于使用同一机床和刀具及同一加工程序，刀具的运动轨迹完全相同，且数控机床是根据数控程序自动进行加工，可以避免人为的误差，这就保证了零件加工的一致性好且质量稳定。
③生产效率高：
数控机床上可以采用较大的切削用量，有效地节省了机动工时。
还有自动换速、自动换刀和其他辅助操作自动化等功能，使辅助时间大为缩短，而且无需工序间的检验与测量，所以，比普通机床的生产率高3～4倍甚至更高。
数控机床的主轴转速及进给范围都比普通机床大。
目前数控机床的最高进给速度可达到100m/min以上，最小分辨率达0.01μm。
一般来说，数控机床的生产能力约为普通机床的三倍，甚至更高。
数控机床的时间利用率高达90%，而普通机床仅为30%～50%。
④加工精度高：
数控机床有较高的加工精度，一般在0.005～0.1mm之间。
数控机床的加工精度不受零件复杂程度的影响，机床传动链的反向齿轮间隙和丝杠的螺距误差等都可以通过数控装置自动进行补偿，其定位精度比较高，同时还可以利用数控软件进行精度校正和补偿。
⑤工序集中，一机多用：
数控机床特别是带自动换刀的数控加工中心，在一次装夹的情况下，几乎可以完成零件的全部加工工序，一台数控机床可以代替数台普通机床。
这样可以减少装夹误差，节约工序之间的运输、测量和装夹等辅助时间，还可以节省车间的占地面积，带来较高的经济效益。
加工中心的工艺方案更与普通机床的常规工艺方案不同，常规工艺以“工序分散”为特点，而加工中心则以工序集中为原则，着眼于减少工件的装夹次数，提高重复定位精度。
⑥减轻劳动强度：
在输入程序并启动后，数控机床就自动地连续加工，直至零件加工完毕。
这样就简化了工人的操作，使劳动强度大大降低。
数控机床是一种高技术的设备，尽管机床价格较高，而且要求具有较高技术水平的人员来操作和维修，但是数控机床的优点很多，它有利于自动化生产和生产管理，使用数控机床的经济效益还是很高的。
2零件的工艺分析
2.1零件工艺分析
图2.1零件工艺图纸
2.1.1零件图的分析
①零件长度为138mm，从右到左依次为：
长20mm、公称直径为30mm、有2mm的45°倒角的双头螺纹；长5mm、公称直径为26mm的退刀槽；长10mm的53°锥面；长10mm直径为36mm的圆柱面；依次相连半径为15mm的逆弧面、半径为25mm的顺弧面、直径为50mm的球面和半径为15mm的顺弧面；长5mm、公称直径为34mm的槽；长15mm的30°锥面；长10mm、公称直径为56mm的圆柱面。
该零件表面由圆柱、圆锥、顺圆弧、逆圆弧及螺纹等表面组成。
其中多个直径尺寸有较严的尺寸精度和表面粗糙度等要求；球面SΦ50mm的尺寸公差还兼有控制该球面形状（线轮廓）误差的作用。
视图正确，表达直观、清楚，绘制符合国家标准，尺寸、公差、表面粗糙度以及技术要求的标注齐全、合理。
②分析零件图可知：
Φ26-Φ36锥面、Φ30圆柱端面和Φ26圆柱端面表面粗糙度Ra为3.2μm，其余表面粗糙度Ra为6.3μm。
③零毛坯材料为45#，强度、硬度、塑性等力学性能好，切削性能、热处理性能等加工工艺性能好，便于加工，能够满足使用性能。
毛坯下料为Φ60mm×145mm。
2.2确定加工方案
经过分析零件的尺寸精度、几何形状精度、位置精度和表面粗糙度要求，确定如下加工方法：
①对图样上给定的几个精度要求较高的尺寸，因其公差值较小，故编程时不不必取平均值，而全部取其基本尺寸即可。
②在轮廓曲线上，有三处为圆弧，其中两处为既过象限又改变进给方向的轮廓曲线，因此在加工时应该进行机械间隙补偿，以保证轮廓曲线的准确性。
③为便于装夹，胚件需在左端左端，右端面也应先粗车出并钻好中心孔。
采用一夹一顶的方式，毛胚选φ60mm棒料。
④用手动中心钻钻孔，再用Φ18的麻花钻，再用镗刀粗精加工
⑤外圆表面：
粗车——精车
⑥外螺纹：
在精车的外圆表面分数次进给加工
2.3加工路线和加工顺序的确定
在数控加工中，刀具刀位点相对于工件的运动轨迹和方向称为加工路线。
即刀具从对刀点开始运动起，直至结束，加工程序所经过的路径，包括切削加工的路径及刀具引入、返回等非切削空行程。
加工路线的确定原则主要有以下几点：
①应能保证零件的加工精度和表面粗糙度的要求，且效率高。
②应尽量缩短加工路线，既可以减少程序段，又可以减少刀具空程移动时间。
③应使数值计算简单，以减少编程工作量。
此外，确定加工路线时，还要考虑工件的加工余量和机床、刀具的刚度等情况，确定是一次走刀，还是多次走刀完成加工。
按照上述原则，确定如下加工路线：
加工顺序按由粗到精、由近到远（由右到左）的原则确定。
即先从右到左进行粗车（留0.5mm精车余量），然后从右到左进行精车，最后车削螺纹。
CK6140数控卧式车床具有粗车循环和车螺纹循环功能，只要正确使用编程指令，机床数控系统就会自动确定其进给路线，因此，该零件的粗车循环和车螺纹循环不需要人为确定其进给路线（但精车的进给路线需要人为确定）。
该零件从右到左沿零件表面轮廓精车进给，如图2.2所示。
图2.2精车轮廓进给路线
2.3.1加工工艺路线
①工序一加工工艺：
a.工件伸出三爪自定心卡盘外145mm，找正后夹紧。
b.手动车工件右端面。
c.打中心孔。
d.用活顶尖顶住中心孔，完成一夹一顶装夹方式。
e.用φ18mm的麻花钻，再用内镗刀粗精加工。
②工序二加工工艺：
a.调头装夹，用93°外圆刀车粗车φ56×142，外径留0.5mm精车余量（以下各粗车直径处均留0.5mm精车余量）。
b.粗车φ30×45外圆。
c.粗车φ36×25外圆。
d.用切槽刀车26×5退刀槽，再用切槽刀倒左、右两端C2角。
e.用90°外圆刀车右端圆锥。
f.用硬质合金尖刀循环车削右端圆弧轮廓。
g.用硬质合金尖刀精刀精车工件所有轮廓。
h.用螺纹车刀车M30×2双头螺纹。
2.4切削用量的选择
数控编程时，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、进给速度及背吃刀量等。
切削用量的选择原则是：
保证零件加工精度和表面粗糙度，充分发挥刀具的切削性能，保证合理的刀具寿命，充分发挥机床的性能，最大限度的提高生产率，降低成本。
①主轴转速的确定
a.车外圆时主轴转速
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
其中 v—切削速度（m/min），由刀具寿命决定；
n—主轴转速（r/min）；
d—工件直径或刀具直径（mm）。
b.车螺纹时主轴的转速
在车削螺纹时，车床的主轴转速将受到螺纹的螺距P（或导程）大小、驱动电机的升降频特性，以及螺纹插补运算速度等多种因素影响，故对于不同的数控系统，推荐不同的主轴转速选择范围。
大多数经济型数控车床推荐车螺纹时的主轴转速n（r/min）为：
n≤（1200/P）－k
式中P——被加工螺纹螺距，mm；
k——保险系数，一般取为80。
主轴转速n最后要根据上述计算值、机床说明书而定，选取机床有的或较接近计算值的转速。
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是：
a.当工件的质量要求能得到保证时，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。
b.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。
c.当加工精度、表面粗糙度要求较高时，进给速度应选小一些，一般在20～50mm/min范围内选取。
d.当刀具空行程，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。
③背吃刀量的确定
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，可以留少许加工余量，一般为0.2～0.5mm。
切削用量的选择是否合理，对于能否充分发挥机床潜力与刀具的切削性能，实现优质、高产、低成本和安全操作具有很重要的作用。
车削用量的具体选择如下：
粗车时，首先选择一个尽可能大的背吃刀量，其次选择一个较大的进给量，最后确定一个合适的切削速度。
精车时，加工精度和表面粗糙度要求较高，加工余量不大且均匀，因此选择较小的背吃刀量和进给量。
如何确定加工时的切削速度，除了可参考《数控加工技术》表2-1列出的数值外，主要根据实践经验进行确定。
根据《数控车削用量推荐表》,选择合适的切削用量。
a.用端面车刀手动车端面时，主轴转速为500r/min；
b.打中心孔时主轴转速选取400r/min。
c.粗、精车外轮廓时，切削用量的选择与车左端时相同：
粗车时，主轴转速为600r/min，进给速度为150mm/min，背吃刀量为2mm；精车时，主轴转速为1200r/min，进给速度为100mm/min,背吃刀量为0.2mm。
d.钻孔时主轴转速选取400r/min。
e.粗镗孔时，选取Vc=80m/min，f=0.2，ap=1mm，加工时直径为22mm。
则：
主轴转速：
n=1000Vc/πd=[（1000×80）/（3.14×22）]r/min=1158r/min
进给速度：
F=f×n=（0.2×1158）mm/min=231mm/min。
考虑刀具强度，机床刚度等实际加工情况，选择n=600r/min，F=150mm/min,ap=1mm。
f.精镗孔时，选取Vc=120m/min，f=0.1mm/r，ap=0.2mm，精加工时取直径27mm。
则：
主轴转速：
n=1000Vc/πd=[（1000×120）/（3.14×27）]r/min=1415r/min
进给速度：
F=f×n=（0.1×1415）mm/min=141mm/min
考虑刀具强度，机床刚度等实际情况，选择n=1000r/min，F=80mm/min，ap=0.2mm，n=400r/min。
表2.1数控车削用量推荐表
工件材料
工件材料
切削深度/mm
切削速度/（m.min-1）
进给量/（mm.r-1）
刀具材料
碳素钢（δb >600Mpa）
粗加工
5～7
60～80
0.2～0.4
YT类
粗加工
2～3
80～120
0.2～0.4
精加工
0.2～0.3
120～150
0.1～0.2
钻中心孔
500～800
W18Cr4V
钻孔
0～30
0.1～0.2
切断（宽度＜5mm）
70～110
0.1～0.2
YT类
铸铁
（200HBS以下）
粗加工
50～70
0.2～0.4
YG类
精加工
70～100
0.1～0.2
切断（宽度＜5mm）
50～70
0.1～0.2
此外，在安排粗、精车削用量时，应注意机床说明书给定的允许切削用量范围，对于主轴采用交流变频调速的数控车床，由于主轴在低转速时扭矩降低，尤其应注意此时的切削用量选择。
2.5刀具的选择
数控加工中的刀具选择和切削用量确定是在人机交互状态下完成的要求编程人员必须掌握刀具选择和切削用量确定的基本原则，在编程时充分考虑数控加工的特点，能够正确选择刀刃具及切削用量。
数控刀具有以下特点：
刚性好（尤其是粗加工刀具）、精度高、抗振及热变形小；互换性好，便于快速换刀；寿命高，切削性能稳定、可靠；刀具的尺寸便于调整，以减少换刀调整时间；刀具应能可靠地断屑或卷屑，以利于切屑的排除；系列化、标准化，以利于编程和刀具管理。
数控机床上用的刀具应满足安装调整方便、刚性好、精度高、耐用度好等要求。
数控车床兼作粗精车削，粗车时吃刀深、进给快，要求车刀有足够的强度，能一次进给车去较多的余量；精车时要达到图样要求的尺寸精度和较小的表面粗糙度，车去的余量较少，要求车刀锋利，切削刃平直光洁，必要时还可磨出修光刃。
为减少换刀时间、方便对刀、提高生产效率，便于实现机械加工的标准化，在数控车削加工时，应尽量采用机夹刀和机夹片刀，机夹片刀常采用可转位车刀。
刀片材质的选择主要依据被加工工件的材料、被加工表面的精度、表面质量要求、切削载荷的大小以及切削过程有无冲击和振动，故加工此零件选择硬质合金刀片。
根据零件的外形结构，加工需要如下刀具：
①粗车及端面选用93°硬质合金外圆正偏刀，为防止副后刀面与工件轮廓干涉（可用作图法检验），副偏角不宜太小，选Kr’=35°
②5mm切槽刀。
③60°硬质合金三角形外螺纹刀。
④选用Φ5mm中心钻钻削中心孔。
⑤Φ18mm麻花钻。
⑥65°内孔镗刀。
将所选定的刀具参数填入数控加工刀具卡片中（见表2-2），以便编程和操作管理。
表2.2数控加工刀具卡片
产品名称或代码
零件名称：
圆弧轴
零件图号
序号
刀具号
刀具规格名称
数量
加工表面
备注
1
T01
硬质合金90°外圆车刀
1
车端面及外轮廓
正偏刀
2
T02
5mm外切槽刀
1
切槽
右偏刀
3
T03
60°硬质合金外螺纹刀
1
加工外螺纹
自动
4
T04
Φ5mm中心钻
1
钻Φ5mm中心孔
手动
5
T05
Φ18mm麻花钻
1
钻Φ20mm孔
手动
6
T06
65°内孔镗刀
1
镗孔
自动
3加工工序的编排
3.1工序与工步的划分
在数控机床上加工零件，工序可以比较集中，一次装夹应尽可能完成全部工序。
常用工序划分原则有[6]：
①保证精度原则。
数控加工要求工序应尽可能集中，通常粗、精加工在一次装夹下完成，为减少热变形和切削力变形对工件的形状、位置精度、尺寸精度和表面粗糙度的影响，应将粗、精加工分开进行。
此时可用不同的机床或不同的刀具进行加工，通常在一次安装中，不允许将零件的某一部分表面加工完毕后，再加工零件的其他表面。
对轴类或盘类零件，将待加工面先粗加工，留少量余量再精加工，以保证表面质量要求。
对轴上有孔、螺纹加工的工件，应先加工表面而后加工孔、螺纹。
②提高生产效率的原则。
在数控加工中，为减少换刀次数，节省换刀时间，应在需用同一把刀加工的加工部位全部完成后，再换另一把刀来加工其他部位。
同时应尽量减少空行程，当用同一把刀加工工件的多个部位时，应以最短的路线到达各加工部位。
按照上述划分原则，综合本零件的工艺性，装夹一次为一个工序，换一次刀为一个工步。
故加工此零件划分两个工序，加工右端为第一道工序，有5个工步；调头后加工为第二道工序，有8个工步。
3.2加工工序的编排
经过零件的工艺分析，确定加工零件时采用调头加工，编程时尺寸公差取中间值。
编程所用尺寸说明：
图3.1零件加工需用到的坐标
（1）求右端R25与Sφ50处切点A的坐标。
Tana=
=
a=53.13°
∴AC=
=OAsina=25sin53.13°=20
OC=
=OAcosa=25cos53.13°=15
A坐标（X40，Z-69）
（2）求左端R15与S50切点B的坐标。
Tana=
=
a=53.13°
∴BD=
=OBsina=25sin53.13°=20
OC=
=OBcosa=25cos53.13°=15
B坐标（X40，Z-99）
（3）求M30×2普通螺纹的直径
D=d-2×0.649P=30-2×0.62×2=27.404mm
（4）确定进刀量分布：
1mm、0.5mm、0.3mm、0.06mm。
3.3加工工序卡片
工序号
程序编号
零件图号
零件名称
使用设备
产品名称
夹具名称
夹具编号
材料
1，2
圆弧轴
数控车床
三爪卡盘
1
45#
加工内容
刀具号
刀具名称
刀具规格/mm
切削三要素
加工余量/mm
备注
主轴转速
r/min
背吃刀量
mm
进给进度
mm/min
鉆中心孔
T04
中心钻
800
手动
钻孔
T05
Φ18mm麻花钻
18
400
手动
粗精镗孔
T06
65°内镗刀
0.8
600
1
150
0.2
自动
粗精车外圆
T01
93°外圆车刀
0.85
600/1200
2
150/100
自动
切槽
T02
5mm切槽刀
5
400
80
0
自动
车削螺纹
T03
60°螺纹刀
60°
450
自动
3.4加工程序
左端钻孔程序：
O0001；
T0606；；用镗孔刀
G99；选用每转进给，；单位mm/r
G50S2000；最高转速限制为2000r/min
M03S600；；主轴正转，转速600r/min
G0X18Z3；；快速进刀
G71U0.5R0.3；
G71P10Q20U-0.5W0.2F0.2；
N10GOX24；
G01Z0F0.1；
X20Z-2；
Z-20；
X18；
N20Z3；
G00X100Z100；；退回起刀点
M05；；主轴停转
M00；；暂停
T0606；；用镗孔刀
M03S1200；；主轴正转，转速1200r/min
G00X18Z3；
G70P10Q20；；精加工内孔
G00X100Z100；；退回起刀点
M05；；主轴停转
M30；；程序结束
右端面车削外圆：
O0002；
T0101;；选用93°正偏刀
G99;；选用每转进给，单位mm/r
G50S2000；最高转速限制是2000r/min
M03S600;；主轴正转，转速600r/min
GOOX60Z3;；快速进刀
G73U19R19;；粗加工
G73P10Q20U0.5W0.02F0.2;
N10G00X26；
G01Z0F0.1；
X29.8Z-2;
Z-25;
X36W-20;
G02X40Z-69R25;
G03X40Z-99R50;
G02X34Z-108R15;
G01W-5;
X56W-15;
Z-138;
N20X65;
G00X100Z100;；退回起刀点
M05;；主轴停转
M00;；暂停
T0101;、
M03S1200;
G00X60Z3;；快速进刀
G70P10Q20;；精加工
G00X100Z100;；退回起刀点
M05;；主轴停转
M30;；程序结束
T0202;；切槽刀（切宽5mm）
G99;；选用每转进给，单位mm/r
M03S400;；主轴正转，转速400r/min
G00X40Z3;
Z-25;
G01X26F0.05;
G04X5;；刀具在原地暂停5秒
G01X36W-10;
W10;
X26;
X29.8W2;
X40;
G00X100Z100;；退回起刀点
M05;
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