唐学勇轴类零件设计及加工工艺分析.docx

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唐学勇轴类零件设计及加工工艺分析

1数控技术概述

数控技术的应用范围很广，而数控机床则是数控技术在机械行业中的应用，是机电一体化的典型产品。

数控机床是一种高效的自动化加工设备，它严格按照加工程序，自动对工件进行加工。

凡是采用数字化信息对机床的运动及其加工过程进行控制的方法，均称为数控，数控加工是一种具有高效率、高精度与高柔性特点的自动化加工方法，可有效解决复杂、精密、小批量多变量零件的加工问题，充分适应现代化生产的需要，数控加工必须由控制机床来实现。

1.1数控加工简介

一、高速加工技术发展迅速

高速加工技术发展迅速，在高档数控机床中得到广泛应用。

应用新的机床运动学理论和先进的驱动技术，优化机床结构，采用高性能功能部件，移动部件轻量化，减少运动惯性。

在刀具材料和结构的支持下，从单一的刀具切削高速加工，发展到机床加工全面高速化，如数控机床主轴的转速从每分钟几千转发展到几万转、几十万转；快速移动速度从每分钟十几米发展到几十米和超过百米；换刀时间从十几秒下降到10秒、3秒、1秒以下，换刀速度加快了几倍到十几倍。

应用高速加工技术达到缩短切削时间和辅助时间，从而实现加工制造的高质量和高效率。

二、精密加工技术有所突破

通过机床结构优化、制造和装配的精化，数控系统和伺服控制的精密化，高精度功能部件的采用和温度、振动误差补偿技术的应用等，从而提高机床加工的几何精度、运动精度，减少形位误差、表面粗糙度。

加工精度平均每8年提高1倍，从1950年至2000年50年内提升100倍。

目前，精密数控机床的重复定位精度可以达到1µm，进入亚微米超精加工时代。

三、技术集成和技术复合趋势明显

技术集成和技术复合是数控机床技术最活跃的发展趋势之一，如工序复合型——车、铣、钻、镗、磨、齿轮加工技术复合，跨加工类别技术复合——金切与激光、冲压与激光、金属烧结与镜面切削复合等，目前已由机加工复合发展到非机加工复合，进而发展到零件制造和管理信息及应用软件的兼容，目的在于实现复杂形状零件的全部加工及生产过程集约化管理。

技术集成和复合形成了新一类机床——复合加工机床，并呈现出复合机床多样性的创新结构。

四、数字化控制技术进入了智能化的新阶段

数字化控制技术发展经历了三个阶段:

数字化控制技术对机床单机控制；集合生产管理信息形成生产过程自动控制；生产过程远程控制，实现网络化和无人化工厂的智能化新阶段。

智能化指工作过程智能化，利用计算机、信息、网络等智能化技术有机结合，对数控机床加工过程实行智能监控和人工智能自动编程等。

加工过程智能监控可以实现工件装卡定位自动找正，刀具直径和长度误差测量，加工过程刀具磨损和破损诊断、零件装卸物流监控，自动进行补偿、调整、自动更换刀具等，智能监控系统对机床的机械、电气、液压系统出现故障自动诊断、报警、故障显示等，直至停机处理。

随着网络技术的发展，远程故障诊断专家智能系统开始应用。

数控系统具有在线技术后援和在线服务后援。

人工智能自动编程系统能按机床加工要求对零件进行自动加工。

在线服务可以根据用户要求随时接通INTERNET接受远程服务。

采用智能技术来实现与管理信息融合下的重构优化的智能决策、过程适应控制、误差补偿智能控制、故障自诊断和智能维护等功能，大大提高成形和加工精度、提高制造效率。

信息化技术在制造系统上的应用，发展成柔性制造单元和智能网络工厂，并进一步向制造系统可重组的方向发展。

五、极端制造扩张新的技术领域

极端制造技术是指极大型、极微型、极精密型等极端条件下的制造技术。

极端制造技术是数控机床技术发展的重要方向。

重点研究微纳机电系统的制造技术，超精密制造、巨型系统制造等相关的数控制造技术、检测技术及相关的数控机床研制，如微型、高精度、远程控制手术机器人的制造技术和应用；应用于制造大型电站设备、大型舰船和航空航天设备的重型、超重型数控机床的研制；IT产业等高新技术的发展需要超精细加工和微纳米级加工技术，研制适应微小尺寸的微纳米级加工新一代微型数控机床和特种加工机床；极端制造领域的复合机床的研制等。

1.2数控加工遵循的一般原则

数控加工具有自动化程度高、加工质量稳定、可以实现多轴联动、工序集中、工人劳动强度低等优点，但数控加工也存在投资大、加工费用高、技术要求高等缺陷。

所以应根据工厂的实际情况全面考虑，一般可参考以下原则：

1、形状复杂、加工面多、加工量大、生产批量较小的零件。

2、普通机床无法加工，或需要使用复杂工装才能加工的零件表面。

3、加工精度要求高的零件。

4、零件上某些尺寸难以测量和控制的情况。

5、零件一次装夹，可完成铣、镗、钻、铰、攻螺纹等多种操作的情况。

1.3数控加工的步骤

通过了解产品的工艺性和公差等级，在初步明确设计要求的基础上，可以将步骤进行设计方案的论证。

1、分析零件图样

根据任务书，画出零件图，并对工件的形状、尺寸、精度等级、表面粗糙度、刀具及等技术进行分析。

2、确定加工工艺过程

根据上述的分析，选择加工方案，确定加工顺序，加工路线、装夹方式、切削用量材料等，要求有详细的设计过程和合理的参数。

3、数值计算

根据零件图样上零件的几何尺寸及确定的加工路线、切削用量和刀具半径补偿方式等，计算刀具的运动轨迹，得到数控机床所需要输入的刀位数据。

4、编写零件加工程序单

根据计算出来的刀具运动轨迹坐标值和已确定的的加工路线、刀具、切削用量以及辅助动作，依据数控系统规定使用的指令代码及程序段格式，逐步编写加工程序单，写出有关的工艺文件如工序卡、数控刀具卡、刀具明细表、加工工序单等。

5、程序输入数控系统

程序单编好之后，将编写完成的程序输入给数控系统。

6、校核加工程序和首件试切加工

程序编完后，对程序进行校验，一般采用机床空运转方式，来检查机床的动作和运行轨迹的正确性，以校验程序。

2零件图样分析

该零件是由圆弧面、球面、外圆柱面、螺纹、凹槽构成的外形较复杂的轴类。

其属于一般传动轴，故零件材料处理为：

45钢，调制处理HRC26～36,即可满足其要求，选择毛坯为Φ45mm×123mm。

零件如图2-1所示：

图2-1零件图

2.1零件工艺分析

2.1.1.结构及精度分析（如图2-1所示）

该零件由球面、螺纹、圆柱面、圆弧面、槽等表面组成，其中较严格直径尺寸精度要求的如圆柱面Φ25

mm,Φ35

mm,Φ42

mm,Φ35

，该零件加工粗糙度全部为3.2μｍ。

2.1.2工艺分析

1、零件上有精度较高的尺寸数据如圆柱Φ25

㎜、Φ35

㎜、Φ42

mm、Φ35

。

为了便于编程，取其整数值分别是Φ25㎜、Φ35㎜、Φ42mm、Φ35mm。

2、从零件轮廓曲线上看，有螺纹M30X1.5，为了保证轮廓曲线的准确性，在数控编程中我们通过计算以确定精确的螺纹深度，具体计算下文会给出。

3、为了便于装夹，保证工件的定位准确、稳定、加紧方面可靠，支撑面积较大，零件的右端是螺纹，中段有最大的直径的圆柱Φ42㎜，左端有轴的直径为Φ40㎜的圆柱面,但有2X4X2.5的槽、R10的圆弧面，左右加工难易程度相当，又考虑到圆弧面R14先加工时容易保证其精度，故应先装夹毛坯加工出右端的球面、圆柱面Φ30㎜、Φ35mm、R14的圆弧面、槽及M30X1.5的螺纹，再调头装夹Φ42的圆柱面加工出左端。

2.2设备的选择

根据该零件的外形知是回转体轴类零件，零件形状复杂精度要求又高，在普通车床上是难以保证其技术要求，所以要想达到技术要求，只有在数控车床上加工才能保证其加工的尺寸精度和表面质量。

所以选择在FANUC数控系统的数控车床上进行实际调试和加工。

2.3确定零件的定位基准和装夹方式

2.3.1粗基准选择原则

1、保证相互位置要求原则。

为了保证工件上加工表面与不加工表面之间的位置要求，在该零件中应该选择毛坯Φ45的圆柱面即不加工表面作为粗基准。

2、余量均匀分布原则。

如果首先要求保证工件上某重要表面加工余量均匀时，应选择该表面的毛坯面作为粗基准。

从零件上看，选择毛坯Φ45的圆柱面作为粗基准，即可保证加工余量均匀。

3、便于工件装夹原则。

根据该零件的形状选择Φ45的圆柱面作为粗基准，这样可以使定位准确，加紧可靠，夹具结构简单，操作也较为方便。

4、粗基准在一个定位方向上只允许使用一次原则。

因为粗基准本身是毛坯表面，精度和表面粗糙度均较差，若工件两次安装中，重复使用同一粗基准，则在两次安装中加工出的各表面之间将会有较大的位置误差。

所以在该零件中，应以毛坯外圆表面作粗基准定位，加工出Φ42圆柱，再以Φ42圆柱表面作精基准定位，加工其它表面。

2.3.2精基准选择原则

1、“基准重合”原则：

应尽量选择加工表面的设计基准为定位精基准。

2、“基准统一”原则：

若工件以某一组表面作为精基准定位，可以比较方便地在各工序中加工出大多数（或所有）其他表面，则应尽早地把这一组基准表面加工出来，并达到一定精度，在后续工序中均以其作为精基准加工其他表面。

2.3.3定位基准

综合上述，基于从粗、精基准选择原则考虑，由于零件是轴类零件，因此在车床上只需用三抓卡盘装夹定位，零件应以Φ45mm外圆柱的轴线和右端面作为定位基准。

2.3.4装夹方式

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。

由零件图分析，选取先装夹棒料的的一端Φ45（Φ45为毛坯圆柱直径），夹紧其40mm的长度加工右端R12㎜球面、Φ24mm外圆、倒角、M30X1.5螺纹外圆Φ35

㎜、R14圆弧、Φ42

mm的圆柱面、凹槽以及螺纹，一直加工到中间段Φ42

㎜圆柱段且圆柱段Φ42

加工高度为12mm，然后将棒料卸下。

装夹Φ42

mm的圆柱表面，加工左端的倒角、圆弧圆柱及槽等。

这样两次装夹即可完成零件的所有加工表面，且能保证其加工要求。

装夹如图2-2、图2-3所示：

图2-2加工右端装夹图

图2-3加工左端装夹图

2.4加工方法的选择和加工方案的确定

2.4.1加工方法的选择

加工方法的选择原则：

保证加工表面的精度和表面粗糙度的前提下，兼顾生产效率和加工成本。

在实际选择中，要结合零件形状、尺寸大小、热处理要求和现有生产条件等全面考虑。

因为该零件时轴类零件，比较适合在车床上加工，又经过对零件图尺寸及表面质量分析，表面质量精度要求比较高。

如Φ42㎜、Φ35㎜、Φ25等圆柱面，在普通车床上是难以保证其表面粗糙度及精度，所以应该选择在数控车床上进行加工。

2.4.2加工方案的确定

零件上精度比较高的表面加工，常常是通过粗加工、半精加工和精加工逐步达到的。

该零件有两种加工方案：

1.直接用三抓卡盘装夹、调头加工。

2.用三抓卡盘装夹夹紧和自由端活动顶尖，经试验论证第二种方案装夹困难，对刀、退刀及换刀相当困难，所以在这里选择第一种方案加工，能够保证其技术要求。

2.5工序与工步的划分

工序是机械加工工艺过程的基本单元，是指由一个或一组工人在同一台机床或同一个工作地，对一个或同时对几个工件所连续完成的那一部分机械加工工艺过程。

工作地、工人、工件与连续作业构成了工序的四个要素，若其中任何一个要素发生变更，则构成了另一个工序。

在数控机床上加工零件的工序划分方法有：

按零件的装夹定位方式划分；按粗、精加工划分工序；按所用的刀具划分工序。

由于零件需要调头加工，如果按粗、精加工划分工序。

在调头加工前后各有一次粗加工和精加工，显得比较繁琐，所以不可取；如果按所用的刀具划分工序，刀具有四把，虽然不多，但是在调头加工前后至少要重复使用三把刀，而同一把刀的两次粗、精加工分别在调头加工前后，加工内容不连续，所以也不合理，不易划分工序；只有按零件的装夹定位方式划分比较符合该零件的加工工序，且能保证两次装夹的