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数控加工工艺设计毕业论文
序言
数控技术也叫计算机数控技术，目前它是采用计算机实现数字程序控制的技术。
这种技术用计算机按事先存贮的控制程序来执行对设备的控制功能。
由于采用计算机代替原先用硬件逻辑电路组成数控装置，使输入数据存贮、处理、运算、逻辑判断等各种控制技能的实现，均可通过计算机软件来完成。
现在数控技术又包括两部分：
一是直接数字控制简称DNC；二是计算机数字控制简称CNC。
DNC系统显著特点是：
可以实现控制大量机床；更需机器数量和所需的计算机程度化。
有时需要使用卫星计算机，卫星计算机是更小的计算机，可以分担中央计算任务。
每台卫星控制着几台机床，零件加工指令程序由计算机接受，储存在内存中，当需要卫星计算机发送指令程序到每台独立机床时，来自机床的反馈数据在电脑中央存储接收之前存储在卫星内存的程序指令。
CNC的外部系统与传统的NC机相似，然而CNC中的程序使用方法是不同的。
识别计算机数控系统对于在设计中选择不同加工类型的数控机床有很重要的意义。
输出轴的用途很广泛，该输出轴用在动力输出装置中，是动力输出的关键零件之一。
该输出轴在工作中需要承受一定冲击载荷和较大的扭矩，因此该零件应具有足够的耐磨性和抗扭强度，所以设计中一定要注意表面热处理。
零件图的设计
一、正确选择视图
零件的视图应选择清楚而正确的表达出零件各部分的结构形状和尺寸的视图，视图及剖视图的数量应为最少。
二、图形比例
除较大或较小的零件外通常尽可能采用1:
1的比例绘制零件图，以直观的反映出零件的实际大小。
需注意留出尺寸界线和尺寸线的位置；由于所设计的零件长为244mm，最大直径为176mm，而选用的是A1图纸绘制，所以所选择的比例为2:
1
三、技术要求
凡是不便于用图样或符号表示而在制造时又必须保证的条件要求，都应该以“技术要求”的形式加以说明，技术要求的内容广泛多样，具体须由零件的要求而定，一般有如下要求：
（一）对铸件毛坯的要求不能允许有缩孔、缩松或疏松氧化皮及毛刺等；
（二）对锻件毛坯的要求不允许有氧化皮、夹皮及裂纹等；
（三）对零件表面机械性能的要求，如热处理方法及热处理后表面硬度、淬火范围和渗碳深度等；
（四）对加工的要求，如是否要求与其他零件一起配合加工；
（五）对未标注的圆角、倒角的说明，个别部位修饰的加工要求，如表面涂色等；
（六）其他特殊要求。
技术要求所用的文字应简明、扼要、完整，不得含糊不清，以免引起误会。
所设计的零件图要求为：
调质处理217-255HBS；中心孔2-B6.3/18GB145-85,Ra=2.5μm。
机械加工工艺过程的设计
概述：
在机械产品的生产过程中，把那些由原材料变为成品直接有关的过程，如毛坯的制造、机械加工、热处理和装配等过程，称为工艺过程。
用机械加工的方法，直接改变毛坯的形状、尺寸和表面质量，使之成为产品零件的工艺过程，称为机械加工工艺过程。
机械加工工艺过程由若干个工序组成，而每一个工序又可细分为安装、工位、工步和走刀等。
机械加工工艺过程列出了整个零件加工所经过的工艺路线（包括毛坯、机械加工和热处理等），它是制订其他工艺文件的基础，也是生产技术准备、安排计划组织生产的依据。
单件小批生产中，一般简单零件只编制工艺过程卡片直接用来指导生产。
制订工艺过程的方法步骤：
1、零件图的工艺分析；
2、毛坯设计；
3拟定零件的加工工艺路线；
4、工序设计；
5、填写工艺过程卡片。
一、零件图分析
（一）零件的作用
零件图是制定工艺规程的原始资料。
因此在制定工艺时，必须要对零件图进行分析。
所要设计的零件为输出轴，而轴类零件主要作用为：
是传递转矩，使主轴获得旋转的动力和承受工作载荷还有就是支撑传动零部件。
（二）零件的材料及其力学性能
从零件图可知生产类型为中批；零件的材料为45钢，是常用中碳调质钢，具有较高的强度刚度和人性，可承受较高的载荷，综合力学性能好。
（三）零件的结构工艺分析
由所给的零件图可知，该零件所要加工的工步繁多，属于比较复杂的零件；其中难加工的部位有φ8的两个通油孔和φ8的配钻孔还有16的键槽，因为他们在工件的不同部位上，加工是定位比较难。
加工误差要求严格的有φ55左端面，φ65和φ75的外圆柱面还有就是φ20的内圆柱面。
其主要加工的面有φ55、φ60、φ65、φ75、φ176的外圆柱面，φ50、φ80、φ104的内圆柱表面，10个φ20的通孔，结合零件图得知，部分部位尺寸精度较高，公差等级要求在IT7级到IT9级之间；φ20通孔内表面和φ80内圆柱表面的粗糙度为Ra2.5um；φ55，φ60，φ65，φ75外圆柱面表面粗糙度为Ra1.25，所以表面粗糙度要求较高但其余的粗糙度为Ra20；热处理为调质处理到217HBS至255HBS。
从综合角度考虑，该零件的加工难度要求为一般；该零件为轴类零件大部分部位可通过车床来完成，其装夹方式可以用三爪卡盆定位和平口钳。
二、毛坯的设计
毛坯的形状和尺寸越接近成品零件，材料消耗越少，机械加工的劳动量也越少，因而会提高机械加工效率，降低成本。
但毛坯的费用却因此而提高。
所以，毛坯的设计要从机械加工和毛坯制造两方面综合考虑，以求得到最佳效果。
设计毛坯包括选择毛坯种类及其制造方法，画出毛坯图。
（一）毛坯种类
零件的毛坯种类主要分为型材、锻件、铸件和焊接、冲压等半成品件。
（二）毛坯的选择
（1）根据图纸规定的材料及机械性能选择。
图纸标定的材料基本确定了毛坯的种类。
例如，材料是铸铁，就要用铸造毛坯；材料是钢材，若力学性能要求高，可选锻件；若力学性能要求较低，可选用型材或铸钢
（2）根据零件的功能选择。
主要根据工作条件、材料、结构特点三者综合考虑。
如材料为45钢，则轴以锻件为主；光轴也可以用圆钢，各台阶直径相差不大的，可用棒料；若直径相差较大，可选用锻件；
（3）根据生产类型选择。
大量生产选择精度和生产率都较高的毛坯制造方法。
如铸件应采用金属模机器造型或精密铸造；锻件应采用模锻或冷轧型材等。
（4）根据具体生产条件选择。
确定毛坯必须结合具体生产条件，如现场毛坯制造的实际水平和能力、外协的可能性等
综合上述条件和结合零件要求分析，该零件为45钢而且生产类型为中批的轴类零件，性能要求一般，因此应该选用锻件
（三）该锻件的毛坯图设计（以用图纸画出）。
三、工艺路线拟定
（1）定位基准的选择
工件在加工第一道或最初几道工序时，一般选毛坯上未加工的表面作为定位基准，这个是粗基准，该零件选用φ55外圆柱面作为粗基准来加工φ176外圆柱面和右端面。
以上选择符合粗基准的选择原则中的余量最小原则、便于装夹原则，在以后的工序中，则使用经过加工的表面作为定位基准，φ176的外圆柱面和右端面作为定位基准，这个基准就是精基准。
在选精基准时采用有基准重合，基准统一原则。
这样定位比较简单可靠，为以后加工重要表面做好准备。
（2）、加工方法的确定
所选用的加工方法一定要经济、加工省时和要有效率，而在具体的选择上，一般根据机械加工资料和工人的经验来确定。
由于方法的多种多样，工人在选择时一般结合具体的工件和现场的加工条件来确定最佳的加工方案。
具体加工方案为：
加工表面
表面粗糙度
公差/精度等级
加工方法
φ176外圆柱面
Ra6.3
自由公差
粗车
φ55外圆柱表面
Ra1.25
IT7
粗车-半精车-精车
φ60外圆柱面
Ra1.25
IT7
粗车-半精车-精车
φ65外圆柱面
Ra1.25
IT7
粗车-半精车-精车
φ75外圆柱面
Ra1.25
IT7
粗车-半精车-精车
φ50内圆柱面
Ra6.3
自由公差
粗镗
φ80孔
Ra2.5
IT9
粗镗-半精镗
φ104孔
Ra6.3
自由公差
粗镗
φ20通孔
Ra2.5
IT8
钻-扩-铰
左端面
Ra6.3
自由公差
粗车
右端面
Ra2.5
IT8
粗车-半精车
键槽
Ra2.5
IT9
粗铣-精铣
倒角
Ra6.3
自由公差
-
四、加工顺序的安排
（1）工序的安排
1、加工阶段的划分
因为零件的加工质量要求较高时,所以不可能用一道工序来满足要求,而要用几道工序逐步达到所要求的加工质量和合理地使用设备、人力,零件的加工过程通常按工序性质不同,可以分为粗加工,半精加工,精加工三个阶段。
①粗加工阶段：
其任务是切除毛坯上大部分余量，使毛坯在形状和尺寸上接近零件成品，因此，主要目标是提高生产率，去除内孔，端面以及外圆表面的大部分余量，并为后续工序提供精基准，如加工φ176、φ55、φ60、φ65、φ75外圆柱表面。
② 半精加工阶段：
其目的是使主要表面达到一定的精加工余量，为主要表面的精加工做好准备，如φ55、φ60、φ65、φ75外圆柱面，φ80、φ20孔等。
③ 精加工阶段：
其目的是使零件表面达到规定的尺寸精度，留一定的精加工余量，为主要表面的精加工做好准备，并可完成一些次要表面的加工。
如精度和表面粗糙度要求，主要目标是全面保证加工质量。
2、基面先行原则
该零件进行加工时，要将端面先加工，再以左端面、外圆柱面为基准来加工，因为左端面和φ55外圆柱面是为后续精基准表面加工而设定的，才能使定位基准更准确，从而保证各位置精度的要求，然后再把其余部分加工出来。
3、先粗后精
即要先安排粗加工工序，再安排精加工工序，粗车将在较短时间内将工件表面上的大部分余量切掉，一方面提高金属切削效率，另一方面满足精车的余量均匀性要求，若粗车后留余量的均匀性满足不了精加工的要求时，则要安排半精车，以此为精车做准备。
4、先面后孔
对该零件应该先加工平面，后加工孔，这样安排加工顺序，一方面是利用加工过的平面定位，稳定可靠，另一方面是在加工过的平面上加工孔，比较容易，并能提高孔的加工精度，所以对于输出轴来讲先加工φ75外圆柱面，做为定位基准再来加工其余各孔。
（2）工序划分的确定
工序集中与工序分散：
工序集中是指将工件的加工集中在少数几道工序内完成每道工序加工内容较多，工序集中使总工序数减少，这样就减少了安装次数，可以使装夹时间减少，减少夹具数目，并且利用采用高生产率的机床。
工序分散是将工件的加工分散在较多的工序中进行，每道工序的内容很少，最少时每道工序只包括一简单工步，工序分散可使每个工序使用的设备，刀具等比较简单，机床调整工作简化，对操作工人的技术水平也要求低些。
综上所述：
考虑到工件是中批量生产的情况，采用工序分散
辅助工序的安排：
辅助工序一般包括去毛刺，倒棱角，清洗，除锈，退磁，检验等。
（3）、热处理工序的安排
热处理的目的是提高材料力学性能，消除残余应力和改善金属的加工性能，热处理主要分预备热处理，最终热处理和内应力处理等，该输出轴材料为45钢，在加工过程中预备热是消除零件的内应力，在毛坯锻造之后。
最终热处理在半精车之后精车之前，按规范在840℃温度中保持30分钟释放应力。
根据以上各个零部件的分析以及加工工艺确定的基本原则，可以初步确定加工工艺路线，具体方案如下：
1 备料 锻造毛坯
2 热处理 退火（消除内应力）
3 普车 粗车各圆柱面留半精车、精车余量以及左端面
4 普车 粗、精车右端面钻中心孔
5 普车 粗车φ176外圆柱面倒角
6 热处理 调质
7 数控车 半精车左端各圆柱面到要求
8 数控车 精车左端台阶到要求并倒角
9 数控车 钻φ45的底孔，车φ104，车φ80孔留镗孔余量
10 数控车 铰φ80孔到要求，倒角
11 数控车 倒角
12 铣 铣φ50、φ20孔到要求
13 铣 铣键槽
14 去毛刺
15 检验
（4）、加工路线的确定
确定刀具走刀路线主要是提高生产效率，正确的加工工艺程序，在确定走刀路线时主要考虑以下几个方面：
1、应能保证零件的加工精度和表面粗糙度
2、应使走刀路线最短，减少刀具空行程时间，提高加工效率
3、应使数值计算简单，程序段数量少，以减少编程工作量
具体加工路线见走到路线图。
（5）、加工设备的选择
①、工序3、4、5、6、7采用CA6140普通车床，车床的参数如下：
型号TYPECA6140，中心距750mm1000mm1500mm，床身上下最大回转直径￠400mm，马鞍内最大工作回转路径￠550mm，横拖板上最大回转直径￠214mm，主轴孔径￠52mm，主轴内锥孔MT6#，主轴速度级数16级，主轴速度范围20-1800r.p.m，公制螺纹（30种）0.45-20mm（30种），英制螺纹（30种）40-0.875t.p.i（30种），模数螺纹0.125-5mm，径节螺纹160-4D.P，横拖板行程239mm小刀架行程150mm，尾坐套孔锥度MT5#，套筒行程120mm，主电机功率4/5.5KW，外形尺寸2350×1020×1250mm
②、工序9、10、11采用数控车床CK7150A，车床参数如下：
8工位电动转塔刀架，可实现自动换刀，数控装置：
FANUCOI，最大回转直径590mm，最大加工直径500mm，最大加工长度1000mm，主轴转速范围30-2000RMP/min，主轴电机功率7.5KW，主要精度X定位精度≤0.016mm,Z定位精度≤0.025mm,X重复定位精度≤0.007mm,Z重复定位精度≤0.01mm
③工序12采用X51，铣床的参数如下：
型号X51,主轴孔锥度7:
24,主轴孔径25mm。
主轴转速65～1800r/min。
工作台面积（长×宽）1000×250。
工作台最大行程:
纵向（手动/机动）620mm,横向手动190mm、机动170mm，升降手动370mm、机动350mm。
工作台进给量:
纵向35～980mm/min、横向25～765mm/min、升降12～380mm/min。
工作台快速移动速度:
纵向2900mm/min、横向2300mm/min、升降1150mm/min。
工作台T型槽数:
槽数3、宽度14、槽距50。
主电机功率7.5KW。
（6）、刀具的选择
刀具的选择应考虑以下几方面：
1、根据零件材料切削性能选择刀具；
加工塑性材料时，为减小切屑变形和刀具磨损，应取较大前角；加工脆性材料时，为保证切削刃有足够的强度，应选取较小前脚角
当工件材料的强度和硬度低时，因为切削力较小，可选较大前角，以使切削刃保持锋利；当工件材料的强度和硬度高时，可取较小前角。
加工淬火钢等特硬材料时，应选取较小前角，甚至负前角。
2、根据零件加工阶段选择刀具；
粗加工时，因切削厚度大，切削力大，切削温度也高，为保证刀具强度，改善散热条件，所以选择较小的刀具后角；精加工时，为保证工件表面质量，应选择较大的刀具后角，减小刃口钝圆半径，是刀刃锋利，便于切下薄切屑。
3、根据加工区域的加工特点选择道具和几何参数。
为了保证加工质量，提高生产效率，降低成本，合理选择刀具几何参数是冲发挥刀具效能的重要环节。
刀具的几何参数主要指刀具的角度。
（1）刀具的前角主要影响切屑变形和切削力的大小及刀具耐用度和加工表面质量的高低。
（2）刀具的后角主要功用是减小刀具后刀面与过度表面和以加工表面的摩擦。
（3）副后角可减少负后刀面与以加工表面的摩擦。
一般车刀，刨刀等的副后角与主后角相等；而切断刀，切槽刀及锯片铣刀等的副后角因受刀头强度的限制，只能取得较小，通常为1到2度
（4）主偏角主要影响刀具耐用度和已加工表面粗糙度及切削力的大小。
住偏角较小，则刀头强度高，散热性条件好，已加工表面残留面积高度小，主切削刃的工作长度长，单位长度上的切削负荷小；其负面效应为背向力大，切削厚度小，断屑效果差。
住偏角较大时，所产生的影响与上述情况刚好相反。
综上所述和根据切削输出轴的需要，由于我们要加工的零件材料为45钢，根据要求选择硬质合金钢刀具。
零件部位
刀具编号
刀具类型
刀具名称
粗车外圆
01
90°
外圆车刀
精车外圆
02
70°
外圆车刀
端面
03
90°
端面车刀
打孔钻头
04,05
φ18，φ45
高速钢钻刀
内圆
06
90°
内孔刀
键槽
07
3.0*13
键槽铣刀
五、工艺设计
1、加工余量，工序尺寸，及其公差的确定
根据各资料及制定的零件加工工艺路线，采用计算与查表相结合的方法确定各工序加工余量，中间工序公差按经济精度选定，上下偏差按入体原则标注，确定各加工表面的机械加工余量，工序尺寸及毛坯尺寸如下：
1）外圆柱面φ176
工序名称
工序余量
工序公差
工序尺寸公差
表面粗糙度
半精车
1.8
IT9
φ176
2.5
粗车
2.2
IT12
φ177.8
6.3
毛坯
4
φ180
2）外圆柱面φ55
工序名称
工序余量
工序公差
工序尺寸公差
表面粗糙度
精车
0.3
IT7
φ55
1.25
半精车
1.8
IT10
φ55.3
3.2
粗车
12.9
IT12
φ57.1
6.3
毛坯
15
φ70
3）外圆柱面φ60
工序名称
工序余量
工序公差
工序尺寸公差
表面粗糙度
精车
0.3
IT7
φ60
1.25
半精车
1.8
IT10
φ60.3
3.2
粗车
7.9
IT12
φ62.1
6.3
毛坯
10
φ70
4 ） 外圆柱面φ65
工序名称
工序余量
工序公差
工序尺寸公差
表面粗糙度
精车
0.3
IT7
Φ65
1.25
半精车
1.8
IT10
Φ65.3
3.2
粗车
2.9
IT12
Φ67.1
6.3
毛坯
5
φ70
5）外圆柱面φ75
工序名称
工序余量
工序公差
工序尺寸公差
表面粗糙度
精车
0.3
IT7
Φ75
1.25
半精车
1.8
IT10
Φ75.3
3.2
粗车
2.9
IT12
Φ77.1
6.3
毛坯
5
Φ80
6 ）内圆柱面φ80
工序名称
工序余量
工序公差
工序尺寸公差
表面粗糙度
半精镗
1.0
IT9
Φ80
2.5
粗镗
79
IT12
Φ79
6.3
7 ）加工通孔φ20
工序名称
工序余量
工序公差
工序尺寸公差
表面粗糙度
铰
0.3
IT8
φ20
2.5
扩
1.7
IT9
φ19.7
3.2
钻
18
IT12
φ18
6.3
8 ）加工键槽
工序名称
工序余量
工序公差
工序尺寸公差
表面粗糙度
精铣
IT9
Φ16
2.5
粗铣
IT12
Φ12
6.3
2、确定切削用量及功率的校核
Ⅰ 加工外圆柱面φ176
粗车：
查《机械加工工艺设计手册》P433得知：
f=0.8～1.2mm/r取f=0.81mm/r ap=2.5mm
查《金属切削手册》知Vc=70～90m/min取Vc=80m/min则n=1000Vc/d=195.85r/min由CA6140说明书取n=125r/min
故实际切削速度：
Vc=nd/1000=125×3.14×180/1000=70.65m/min
校核功率：
Pc=Kc×ap×Vcf/60000=2305×2.5×0.81×73.4/60000=5.4Kw
由于机床说明书查得Pc=7.5Kw，效率为0.8，机床功率Pn＜Pc，所以机床功率足够；
实际取值为Vc=70.34m/min，n=125r/min，f=0.81mm/r
半精车：
查《机械加工工艺设计手册》P433得知：
f=0.25～0.35mm/r取f=0.30mm/rap=0.9mm取Vc=120m/min
故n=1000Vc/d=660.04r/min圆整得n=660r/min
功率Pc=Kc×ap×Vc×f/60000=2305×0.3×120/60000=1.24Kw
由于机床说明书查得Pc=7.5Kw，效率为0.75，机床功率Pn＜Pc，所以机床功率足够，实际取值为Vc=120m/min，n=660r/minf=0.3mm/r
Ⅱ 加工外圆柱面φ55
粗车：
确定进给量f：
查《金属机械加工工艺人员手册》增订组编 上海科学出版社表10-8知f=0.6～0.9mm/r结合CA6140说明书取f=0.71mm/rap=2.5mm 查《金属切削手册》知Vc=70～90m/min取Vc=75m/min则n=1000Vc/d=341.22r/min由CA6140说明书取n=320r/min
故实际切削速度Vc=nd/1000=320×3.14×70/1000=70.34m/min
功率Pc=Kc×ap×Vc×0.71/60000=2305×2.5×70.34×0.66/60×1000=4.4Kw
由于机床说明书查得Pc=7.5Kw，效率为0.8，机床功率Pn＜Pc，所以机床功率足够；
实际取值为Vc=70.34m/min，n=320r/minf=0.71mm/r
半精车：
查《机械加工工艺设计手册》P433得知：
f=0.25～0.35mm/r取f=0.30mm/rap=0.9mm取Vc=120m/min
故n=1000Vc/d=660.04r/min圆整得n=660r/min
功率Pc=Kc×ap×Vc×f/60000=2305×0.3×120/60000=1.24Kw
由于机床说明书查得Pc=7.5Kw，效率为0.75，机床功率Pn＜Pc，所以机床功率足够；
实际取值为Vc=120m/min，n=660r/minf=0.3mm/r
精车：
查《机械制造工艺与机床夹具课程设计》表2-20知：
Vc=150～160m/min取Vc=160m/minf=0.18mm/r
ap=0.55mm
则n=1000Vc/d=908.29r/min圆整得n=910r/min 功率Pc=Kc×ap×Vc×f/60000=2305×0.55×0.18×160/60000=0.6Kw 由于机床说明书查得Pc=7.5Kw，效率为0.75，机床功率Pn＜Pc，所以机床功率足够；
实际取值为Vc=160m/min，n=910r/minf=0.18mm/r
Ⅲ 加工外圆柱面φ60
粗车：
d=70确定进给量f：
查《金属机械加工工艺人员手册》增订组编 上海科学出版社表10-8知f=0.6～0.9mm/r取f=0.71
查《金属切削手册》知Vc=70～90m/min取Vc=75m/min则n=1000Vc/d=341.2r/min由CA6140说明书取n=320r/min
故实际切削速度Vc=nd/1000=320×3.14×70/1000=70.34m/min取ap=2.5mm
校核功率Pc=Kc×ap×Vc×f/60000=2305×2.5×70.34
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