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轴套类零件加工工艺分析论文
毕业论文
论文题目:
轴套类零件加工工艺分析
系别及专业:
机电系数控技术
姓名:
刘丽
完成日期:
2011年3月30日
摘要
数控技术是数字控制(NumericalControl)技术的简称。
它采用数字化信号对被控制设备进行控制,使其产生各种规定的运动和动作。
利用数控技术可以把生产过程用某中语言编写的程序来描述,将程序以数字形式送入计算机或专用的数字计算装置进行处理输出,并控制生产过程中相应的执行程序,从而使生产过程能在无人干预的情况下自动进行,实现生产过程的自动化。
采用数控技术的控制系统称为数控系统(NumericalControlSystem)。
根据被控对象的不同,存在多种数控系统,其中产生最早应用最广泛的是机械加工行业中的各种机床数控系统。
安装有数控系统的机床称为数控机床。
它是数控系统与机床本体的结合体。
数控车床是数控系统与车床本体的结合体;数控铣床是数控系统与铣床本体的结合体。
除此之外还有数控线切割机床和数控加工中心等。
数控机床是具有高附加值的技术密集型产品,是集机械、计算机、微电子、现代控制及精密测量等多种现代技术为一体的高度机电一体化设备。
数控机床的产生使传统的机械加工发生了巨大的变化,这不仅表现在复杂工件的制造成为可能,更表现在采用了数控技术后使生产加工过程真正实现了自动化。
关键词:
数控技术 轴类零件加工运动
第一章概述
1.1数控机床的生产与发展
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数控机床的分类
1)按控制刀具与工件相对运动轨迹分类
点位控制(PointtoPointControl)或位置控制(Positioning)数控机床
轮廓控制ContouringControl数控机床
2)按加工方式分类
a.金属切削类:
如数控车、钻、镗、铣、磨、加工中心等。
b.金属成型类:
如数控折弯机、弯管机、四转头压力机等。
c.特殊加工类:
如数控线切割、电火花、激光切割机等。
d.其他类:
如数控火焰切割机、三坐标测量机等。
3)按控制坐标轴数分类
a.两坐标数控机床:
两轴联动,用于加工各种曲线轮廓的回转体,如数控车床。
b.三坐标数控机床:
三轴联动,多用于加工曲面零件,如数控铣床、数控磨床。
c.多坐标数控机床:
四轴或五轴联动,多用于加工形状复杂的零件。
4).按驱动系统的控制方式分类
a.开环控制数控机床
b.闭环控制(ClosedLoopControl)数控机床
c.半闭环控制(Semi-closedLoopControl)数控机床
第二章轴套类零件加工工艺分析
2.1轴套类零件加工工艺分析
轴类零件是机器中经常遇到的典型零件之一。
它主要用来支承传动零部件,传递扭矩和承受载荷。
轴类零件是旋转体零件,其长度大于直径,一般由同心轴的外圆柱面、圆锥面、内孔和螺纹及相应的端面所组成。
根据结构形状的不同,轴类零件可分为光轴、阶梯轴、空心轴和曲轴等。
轴的长径比小于5的称为短轴,大于20的称为细长轴,大多数轴介于两者之间。
轴用轴承支承,与轴承配合的轴段称为轴颈。
轴颈是轴的装配基准,它们的精度和表面质量一般要求较高,其技术要求一般根据轴的主要功用和工作条件制定。
主要要求如下:
a.尺寸精度比一般的零件的尺寸精度要求高。
轴类零件中支承轴颈的精度要求最高,为IT5~IT7;配合轴颈的尺寸精度要求可以低一些,为IT6~IT9。
b.形状精度高。
c.位置精度高,其一般轴的径向跳动为0.01~0.03,高精度的轴为0.001~0.005。
d.表面粗糙度比一般的零件高,支承轴颈和重要表面的表面粗糙度Ra常为0.1~0.8um,配合轴颈和次要表面的表面粗糙度Ra为0.8~3.2um。
轴类零件一般常用的材料有45钢、40Cr合金钢、轴承钢GCr15和弹簧钢65Mn,还有20CrMoTi、20Mn2B、20Cr等。
轴类零件最常用的毛坯是棒料和锻件,只有一些大型或结构复杂的轴,在质量允许时才采用铸件。
由于毛坯经过锻造后,能使金属内部纤维组织沿表面均匀分布,可获得较高的抗拉、抗弯及抗扭强度。
所以除了光轴、直径相差不大的阶梯轴可使用热轧料棒料或冷拉棒料外,一般比较重要的轴大都采用锻件。
另外轴类零件的毛坯还需要经过热处理。
轴的结构设计原则:
a.节约材料,减轻重量尽量采用等强度的外形尺寸,或大的截面系数的截面形状。
b.易于轴上零件的精确定位,稳固装配拆卸和调整。
c.采用各种减少应力应用和提高强度的结构措施。
d.便于加工制造和保证精度。
轴类零件中工艺规程的制订,直接关系到工件质量、劳动生产率和经济效益。
一零件可以有几种不同的加工方法,但只有某一种较合理,在制订机械加工工艺规程中。
须注意以下几点:
a.零件图工艺分析中,需理解零件结构特点、精度、材质、热处理等技术要求,且要研究产品装配图,部件装配图及验收标准。
b.渗碳件加工工艺路线一般为:
下料→锻造→正火→粗加工→半精加工→渗碳→去碳加工→淬火→车螺纹、钻孔或铣槽→粗磨→低温时效→半精磨→低温时效→精磨。
c.粗基准选择:
有非加工表面,应选非加工表面作为粗基准。
对所有表面都需加工的铸件轴,根据加工余量最小表面找正。
且选择平整光滑表面,让开浇口处。
选牢固可靠表面为粗基准,同时,粗基准不可重复使用。
d.精基准选择:
要符合基准重合原则,尽可能选设计基准或装配基准作为定位基准。
符合基准统一原则。
尽可能在多数工序中用同一个定位基准。
尽可能使定位基准与测量基准重合。
选择精度高、安装稳定可靠表面为精基准。
2.2零件图纸的工艺分析
如图3.2.1-1
该轴类零件由圆柱、圆锥、圆弧、螺纹和槽等表面组成。
零件材料为45号钢,无热处理要求,该零件进行精加工,图3.2.1-1中Φ70不加工。
通过上述分析,可以采用下面的工艺措施:
选用具有直线、圆弧插补功能的数控车床加工,机床名称:
CJK6032A数控机床,如下图:
3.2.1-2所示。
如图:
3.2.1-2
相关参数如下:
a.零件螺纹外径、圆锥、侧角、外圆和台阶可一次加工,圆弧已大于90°,加工是要注意保证加工不干涉。
b.为便于装夹,坯件左端预车出加持部分,右端也应先车出并钻好中心孔,毛坯用料为直径70mm棒料。
c.该零件在加工中只需要一次装夹加工,从图纸上进行尺寸标注分析:
工件坐标系的工件原点应选择定在零件装夹后的右端面圆心处O(0,0)点,如图3.2.1-1所示。
2.3确定装夹方案
由于夹具确定了零件在数控机床坐标系中的位置,因而根据要求夹具能保证零件在机床的正确坐标方向,同时协调零件与机床坐标系的尺寸。
因此数控机床的夹具应定位可靠、稳定,一般采用三爪自定心卡盘、四爪单动卡盘或弹簧夹头。
分析本工件为外轮廓加工,外表面可以依次加工,无内孔,可采用一次装夹完成粗、精加工。
为了保证在加工螺纹时确保工件不来回晃动,减少误差,一般以轴线和左端面为定位基准,左端采用三爪自定心卡盘定心夹紧,右端采用活动顶尖支撑装夹方案。
2.4确定加工路线及进给路线
加工顺序的确定按由内到外、由粗到精、由近到远的原则确定,在一次装夹中尽可能加工出较多的工件表面。
因此在本设计中加工路线是按先粗车(给精车留余量1mm),然后再精车,按先主后次的加工原则尽量使“刀具集中”,即用一把刀加工完相应的部位,在换另一把刀加工其他部位。
以减少空行程和换刀时间,因此:
a.车外圆:
自右向左加工,起加工路线为:
先倒角——切削螺纹的实际外圆Φ28——侧角——切削锥度部分——撤消圆弧部分——车削Φ66。
b.切槽:
考虑到槽不太宽,可采用一把刀一刀完成,选择刀具宽度与槽宽相等,分多刀步进切削。
步进深度为1mm。
c.车螺纹:
分析螺纹深度不深,采用两刀完成螺纹加工。
d.切断:
零件加工结束后,选择切断刀将工件从棒料上分离出来完成一个零件的加工。
加工路线如下图3.2.3所示(数控自动加工工序卡):
如图3.2.3
软件职业技术学院
数控自动加工工序卡
型别
车削
零件图号
零件名称
轴类零件
3—1
设备名称
车床
设备型号
CJK6032A
程序号
%0001
基本材料
45#钢
硬度
HRC26-28
工序名称
区域车削
工序号
NC01
工步号
工步内容
夹刀具
量具
编号
名称
编号
名称
1
粗车外圆
01
外圆车刀
01
游标卡尺
2
精车槽
02
切槽刀
02
千分尺
3
精车螺纹
03
螺纹刀
01
游标卡尺
4
精车外圆
03
螺纹刀
02
千分尺
2.5刀具的选择
与普通机床相比,数控加工时对刀具提出了更高的要求,不仅要求刚性好、精度高,而且要求尺寸稳定、耐用度高、断屑和排屑性能好,同时要求安装调整方便,满足数控机床的高效率。
因此,刀具的选择是数控车削加工工艺中的重要内容之一,它不仅影响机床加工效率而且直接影响零件的加工质量。
在编程时选择刀具通常要考虑机床的加工能力、工序内容、被加工零件材料等因素。
数控加工刀具材料要求采用新型优质材料,一般原则是尽可能选择硬质合金精密加工时还可选择性能更好、更耐磨的陶瓷立方氮化硼和金刚石刀具并优选刀具参数。
一般来说需将所选定的刀具参数填入表轴承套数控加工刀具卡片中,以便于编程和操作管理。
常见的轴套类数控加工刀具如下。
轴承套数控加工刀具卡片
产品名称或代号
数控车工艺分析实例
零件名称
轴承套
零件图号
Lathe-01
序号
刀具号
刀具规格名称
数量
加工表面
刀尖半径mm
备注
1
T01
45°硬质合金端面车刀
1
车端面
2
T02
中心钻
1
钻中心孔
3
T03
割槽刀
1
割槽
4
T04
镗刀
1
镗内孔各表面
5
T05
90°外圆车刀
1
车外圆表面
6
T06
大钻头
1
钻底孔
7
T07
60°外螺纹车刀
1
车M45螺纹
编制
张忠祥
审核
批准
年月日
共1页
第1页
根据加工要求,选用三把刀具,Ⅰ号刀车外圆,Ⅱ号刀切槽,Ⅲ号刀车螺纹及进行精加工。
刀具应正确的选择换刀点,以便在换刀过程中,刀具与工作机床和夹具不会碰撞。
此设计中,换刀点为P(100,100)见图2.2.1-1。
a.粗车外轮廓选择硬质合金90度外圆刀,其副偏角应取大一些为防止干涉,现取副偏角为35度;
b.切槽选择硬质合金切槽刀,刀尖宽度为5mm;
c.精车倒角、外圆、圆锥、圆弧。
车M28Χ1.5螺纹,应选用硬质合金60°外螺纹刀,取刀尖半径为0.15~0.2mm。
刀具选择完毕、工件装夹方式确定后,即可通过确定工件原点来确定工件坐标系。
如果要运行这一程序来加工工件,必须确定刀具在工件坐标系开始运动的起点。
程序起始点或起刀点一般通过对刀来确定,所以,该点又称为对刀点。
在编制程序时,要正确选择对刀点的位置。
对刀点设置原则是:
a.便于数值处理和简化程序编制;
b.易于找正并在加工过程中便于查找;
c.引起的加工误差小。
对刀点可以设置在加工零件上,也可以设置在夹具或机床上。
2.6选择切削用量
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。
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。
根据本次加工的实际情况选择主轴转速为:
车直线、圆弧和切槽时其粗车主轴转速为400r/min,精车时,主轴转速900r/min,车螺纹时的主轴转速为400r/min。
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进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。
一般粗车选用较高的进给速度,以便较快去除毛坯余量,精车以考虑表面粗糙和零件精度为原则,应选择较低的进给速度,得出下表
粗
精
外圆
0.15min/r
0.08min/r
内孔
0.05min/r
0.04min/r
槽
0.04min/r
在本例中选择进给速度为:
粗车时,选取进给量为0.14mm/r,精车时,选取进给量为0.08mm/r,车螺纹时,进给量等于螺纹导程,选为1.5mm/r。
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(除去精车量),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0.2-0.4mm。
本例中,背吃刀量的选择大致为如下表3.3.3:
粗
精
外圆
1.5-2(mm)
0.2-0.4(mm)
内孔
1-1.5(mm)
0.1-0.3(mm)
螺纹
随进刀次数依次减少
槽
根据刀宽,分两次进行
注意:
背吃刀量的选择因粗、精加工而有所不同。
粗加工时,在工艺系统刚性和机床功率允许的情况下,尽可能取较大的背吃刀量,以减少进给次数;精加工时,为保证零件表面粗糙度要求,背吃刀量一般取0.l~0.4mm较为合适。
故在本例中粗加工时:
切削深度为4mm,精车时切削深度为0.4mm。
2.7典型轴套类零件实体分析
数控车床主要是加工回转体零件,典型的加工表面不外乎外圆柱、外圆锥、螺纹、圆弧面、
切槽等。
由于该零件的加工路线、切削用量、刀具选择在上文已分析完毕,在此不在做重复分析。
走刀路线图:
编写程序单,确定O为工件坐标系的原点(见图4.2.1-1)并将A点作为换刀点,即程序的起点。
该零件加工程序见附录A:
加工程序
2.8数控加工程序
%01234
N10G50S0
N12G00G97S1000T0100
N14M03
N16M08
N18G00X95.749Z12.970
N20G00X95.749Z1.007
N22G00X78.014Z1.007
N24G00X68.014Z1.007
N26G00X66.600Z0.300
N28G01X66.600Z-177.300F200.000
N30G00X68.014Z-176.593
N32G00X78.014Z-176.593
N34G00X78.014Z1.007
N36G00X64.014Z1.007
N38G00X62.600Z0.300
N40G01X62.600Z-122.255F200.000
N42G03X66.600Z-128.978I-10.300K-6.723
N44G01X66.600Z-146.000
N46G01X66.600Z-176.000
N48G00X68.600Z-176.000
N50G00X78.600Z-176.000
N52G00X78.600Z1.007
N54G00X60.014Z1.007
N56G00X58.600Z0.300
N58G01X58.600Z-119.901F200.000
N60G03X62.600Z-122.255I-8.300K-9.077
N62G00X64.275Z-121.709
N64G00X74.275Z-121.709
N66G00X74.275Z1.007
N68G00X56.014Z1.007
N70G00X54.600Z0.300
N72G01X54.600Z-118.414F200.000
N74G03X58.600Z-119.901I-6.300K-10.564
N76G00X59.950Z-119.163