数控机床轴类零件加工工艺分析的毕业设计.docx

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数控机床轴类零件加工工艺分析的毕业设计

数控机床轴类零件加工工艺分析的毕业设计

宜宾职业技术学院

说

明

书

姓名：

张淞

学号：

201212145

班级：

机电112033

第一章设计概述

设计题目：

数控机床轴类零件加工工艺分析

设计意义：

本次毕业综合实训实践项目为轴类零件的加工及工艺分析，用所学理论知识和实际操作知识，在工作中分析问题、解决实际问题的能力同时达到对我们基本技能的训练，例如：

计算、绘图、熟悉和运用设计资料（手册、标准、图册和规范等）的能力。

加强对在加工机械零件时的零件工艺分析、加工精度、刀具机床的选用、刀具补偿，工件的定位与装夹的分析等。

同时提高我们编写技术文件、编写数控程序、仿真数控机床操作的独立工作能力。

设计概述（观点）：

数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术,数控技术的应用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不但发展和应用领域的扩大，对归计民生的一些重要行业（IT、汽车、医疗、轻工等）的发展起着越来越重要的作用,因为这些行业所需要装备的数字化已是现代发展的大趋势.发展我国数控技术及装备是提高我国制造业信息化水平和国际竞争能力的重要性保证.数控加工与编程毕业设计是数控专业教学体系中构成数控加工技术专业知识及专业技能的重要组成部分，通过毕业设计使我们学会了对相关学科中的基本理论基本知识进行综合运用,同时使对本专业有较完整的系统的认识,从而达到巩固、扩大、深化所学知识的目的,培养和提高了综合分析问题和解决问题的能力以及培养了科学的研究和创新能力。

选这个题目的目的是它能体现出对所学知识的掌握程度和灵活规范的运用所学知识，用所学的知识来完成一份成功的毕业设计是必不可少的。

此次的毕业设计主要解决的问题是零件的装夹、刀具的对刀、工艺路线的制订、工序与工步的划分、刀具的选择、切削用量的确定、车削加工程序的编写、机床的熟练操作。

运用数控原理、数控工艺、数控编程、专业软件等专业知识和数控机床实际操作的一次综合练习，进一步认识数控技术，熟练数控机床的操作，掌握数控，开发数控内在潜力。

第二章零件图车削加工工艺分析

零件材料处理为：

45钢，调制处理HRC26～36，下面对该零件进行数控车削工艺分析。

零件如下图所示：

图1.1零件图

技术要求：

1.以小批量生产条件编程。

2.不准用砂布及锉刀等修饰表面。

3.未注倒角0.5×45°。

4.未注公差尺寸按GB1804-M。

（说明：

零件图中英文字母可根据实际情况定数据，为方便设计。

A取19mm.B取29

mm.C取17mm.D取21mm.E取23

mm.）

2.1数控加工工艺基本特点

数控机床加工工艺与普通机床加工原则上基本相同，但数控机床是自动进行加工，因而有如下特点：

①数控加工的工序内容比普通机床的加工内容复杂，加工的精度高，加工的表面质量高，加工的内容较丰富。

②数控机床加工程序的编制比普通机床工艺编制要复杂些。

这是因为数控机床加工存在对刀、换刀以及退刀等特点，这都无一例外的变成程序内容，正是由于这个特点，促使对加工程序正确性和合理性要求极高，不能有丝毫的差错。

否则加工不出合格的零件。

在编程前一定要对零件进行工艺分析，这是必不可少的一步，如图1.1要对该零件进行精度分析，选择加工方法、拟定加工方案、选择合理的刀具、确定切削用量。

该零件由螺纹、圆柱、圆锥、圆弧、槽等表面组成，其中较严格直径尺寸精度要求的如Φ28±0.02mm,ф

mm,轴线长度的精度如5±0.04mm，27.5±0.04mm，粗糙度3.2μｍ，球面Sф

mm。

可控制球面形状精度30°的锥度等要求。

经分析，可以采用以下几点工艺措施：

（1）零件上由精度较高的尺寸数据如圆柱ф28±0.02mm、ф

mm，轴向长度5±0.04mm、27.5±0.04mm，球Sф

mm，在加工时为了保证其尺寸精度应取其中间值分别取值为ф28mm、ф23.005mm长度5mm，27.5mm，球Sф29.015mm即可。

[注：

上述坐标值是以半径值给出的。

形式如（X，Z）]

（2）在轮廓曲线上，有四处圆弧依次相连，既过象限又改变进给方向的轮廓曲线。

为了保证其轮廓曲线的准确性，通过计算到端部R5mm的圆弧与直线的切点坐标为（2.922，0），与R17mm的圆弧切点坐标为（7.791，-6.136），R17与Sф29

mm的切点坐标为（11.210，-20.791），Sф29

mm与R5mm的切点为（12.271，-37.739），R5mm与ф23

mm的切点坐标为（11.5，-40.406）。

[注：

上述坐标值是以半径值给出的。

形式如（X，Z）。

]

（3）为便于装夹，为了保证工件的定位准确、稳定，夹紧方面可靠，支撑面积较大，零件的左端是螺纹，中段最大的直径的圆柱ф28mm。

右端是依次相连的圆弧，显然右端都是圆弧相连不可能装夹，所以应留在最后加工，应先装夹毛坯加工出左端螺纹及圆柱ф28mm。

调头装夹ф28mm的圆柱加工右端圆弧，毛坯选ф30×120mm。

2.2设备选择 

根据该零件的外形是轴类零件，比较适合在车床上加工，由于零件上既有切槽尺寸精度又有圆弧数值精度,在普通车床上是难以保证其技术要求。

所以要想保证技术要求,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。

选择数控机床HNC-CK6140加工该零件。

数控机床HNC-CK6140实物图见附录一。

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）为了保证不加工表面与加工表面之间的位置要求，应选不加工表面作粗基准。

（2）合理分配各加工表面的余量，应选择毛坯外圆作粗基准。

（3）粗基准应避免重复使用。

（4）选择粗基准的表面应平整，没有浇口、冒口或飞边等缺陷。

以便定位可靠。

2.3.2精基准选择原则

（1）基准重合原则：

选择加工表面的设计基准为定位基准；

（2）基准统一原则；

（3）自为基准原则；

（4）互为基准原则。

2.3.3定位基准

综合上述，粗、精基准选择原则，由于是轴类零件，在车床上只需用三抓卡盘装夹定位，定位基准应选在零件的轴线上，以毛坯ф35mm的棒料的轴线和右端面作为定位基准。

2.3.4装夹方式

数控机床与普通机床一样也要全里选择定位基准和夹紧应力求设计、工艺与编程计算的基准统一，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，避免采用占机人工调整式加工方案，以充分发挥数控机床的效能。

装夹应尽可能一次装夹加工出全部或最多的加工表面。

由零件图可分析，应先装夹毛坯ф30mm的棒料的一端，夹紧其40mm的长度加工螺纹。

一直加工到零件右端的ф23

mm，然后将棒料卸下。

装夹ф28mm的圆柱表面，加工另一端的圆弧。

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。

装夹图如下：

图2.3.1 加工螺纹的装夹图

图2.3.2加工圆弧的装夹图

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是在保证加工表面的加工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。

因为该零件是轴类零件，比较适合在车床上加工，又经过对零件图尺寸分析，尺寸精度比较高。

如ф28±0.02mm，ф29

mm，ф23

mm等，在普通车床是难以保证其尺寸精度、表面粗糙度，所以应该选择在数控车床上加工。

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工序与工歩的划分

2.5.1按工序划分

工序划分有三种方法：

 ①按零件的装夹定位方式划分工序 ；②按粗、精加工划分工序 ；③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工序比较符合该零件的加工工序，且能保证两次装夹的位置精度，每一次装夹为一道工序。

该零件只需调头前、后加工两道工序即可完成所有的加工表面，且能保证各尺寸精度及表面粗糙度。

2.5.2工歩的划分

因为每一把刀在粗加工的背吃刀量一致，在精加工中背吃刀量相同，不易划分工歩；这里选用加工不同的表面来划分工序就比较容易：

①车削螺纹端的工歩为:

90°外圆车刀平端面─→右端面外圆车刀车削1.5×45°的倒角，ф21×25mm─→端面ф28mm─→圆柱ф28mm─→30°的锥台面─→ф23

×10mm─→切槽刀切槽5×1.5mm─→外螺纹车刀车削MD×1.5mm。

②车削圆弧端的工歩为：

90°外圆车刀平端面─→右端面外圆车刀圆弧R5mm─→圆弧R17mm─→球ф29

mm─→圆弧R5mm─→ф23

×5mm─→切槽刀切槽5×1.5mm

2.6确定加工顺序及进给路线  

2.6.1零件加工必须遵守的安排原则

（1）基面先行 先加工基准面，为后面的加工提供精基准面，所以应先选平右端面作为基准面。

（2）先主后次 由于所加工的表面均为重要表面，所以应按照顺序从右到左依次加工MD×1.5mm，ф28mm，ф23

mm螺纹调头后一次加工R5mm，ф29

mm，ф23

mm等。

（3）先粗后精  先车削去大部分的金属余量，再进行成形切削保证零件的尺寸要求和质量要求。

（4）先面后孔 由于该零件没有孔，所以在该处不做考虑。

2.6.2进给路线

在数控加工中，刀具对好刀位点相对于工件运动轨迹称为加工路线。

编程时，加工路线的确定原则主要有以下几点：

（1）加工路线应保证被加工零件的精度和表面粗糙度，且效率高；

（2）使数值计算简单，以减少编程工作量；

（3）应使加工路线最短，这样既可减少程序段，又可减少空行程时间。

（4）确定加路线时，还要考虑工件的加工余量和机床、刀具的刚度等情况，确定一次走刀，还是多次走刀来完成所有加工表面，具体综合上面进给线的特点再根据具体零件具体分析，确定该零件的进给路线有两步。

如下图所示：

图2.6.1 零件轮廓

第一步:

车削带有的螺纹的一端，从右到左先粗车外形ф21mmm、ф28mm、ф23

mm到槽5±0.04mm的左端面处后，精车外形路线同粗车一样，再换刀切削5×1.5mm的槽，最后再换刀切削螺纹。

如图2.6.2螺纹加工路线。

图2.6.2 螺纹加工路线

第二步:

车削带有圆弧的一端，从右到左先粗车外形R5mm、R17mm、ф29

mm到ф23

mm后2mm后精车外形路线同粗车一样。

最后切削5±0.04mm的槽。

如图2.6.3螺纹加工路线。

图2.6.3 圆弧加工路线

2.7刀具的选择 

刀具的选择是数控加工中重要的工艺内容之一，它不仅影响机床的加工效率，而且直接影响加工质量。

编程时，选刀具通常要考虑机床的加工能力、工序内容、工件材料等因素。

与传统的加工方法相经，数控加工对刀具的要求更高。

不仅要求精度高、刚度高、硬度好、耐用度高，而且要求尺寸稳定、安装调整方便，能适应高速和大切削用量切削。

选刀具时，要使刀具的尺寸与被加工工件的表面尺寸和形状相适应，结合零件轮廓相对还是较复杂。

所以具体选刀如下：

1、平端面可选用90°WC-Co的硬质合金外圆车刀，粗车、精车时在这里选择一把硬质合金右端面外圆车刀，为防止在进行圆弧切削时刀具的副后刀面与工件轮廓表面发生干涉，副偏角应选择Kr′大一点的，取Kr′=40°右端面外圆车刀。

2、切槽时由于零件中槽宽5±0.04mm，一般都选刀宽4mm,刀杆25×25mm，材料为高速钢W18CrV4R的切断刀，切槽时选用4mm刀宽即可。

3、切螺纹时为了保证其螺纹刀的强度这里选用W18CrV4R高速金60°外螺纹车刀，为了保证螺纹牙深，刀尖应小于轮廓最小圆弧半径Rε，Rε=0.15～0.2mm。

使用刀具如表7-1所示：

表2.7.1 数控车加工刀具卡片

序号

刀具号

刀具规

格名称

数量

加工表面

备注

1

T01

90°硬质合金外圆车刀

1

平端面、粗车轮廓

右偏刀

2

T02

右端面外圆车刀

1

精车轮廓

右偏刀

3

T03

高速钢切槽刀

1

切槽

4

T04

60°高速钢外螺纹车刀

1

车削螺纹

2.8切削用量选择 

切削用量包括主轴转速（切削速度）、切削深度或宽度、进给速度（进给量）等。

对于不同的加工方法，需选择不同的切削用量，并应编入程序单内。

合理选择切削用量的原则是：

粗加工是一般以提高生产率为主，但也考虑经济性和加工成本；精加工是应在保证加工质量的前提下，兼顾切削效率、经济性加工成本。

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。

2.8.1背吃刀量的选择

零件轮廓粗车循环时选ap=2mm，精加工时选ap=0.2mm，螺纹粗车时选ap=0.4mm，逐刀减少粗车4次后，精车时选ap=0.1mm。

2.8.2主轴转速的选择

粗车直线和圆弧时n=800r/min，精车时n=1500r/min，切槽时n=600r/min，切螺纹时n=300r/min，精车时选n=300r/min。

粗车和精车的主轴转速的选取应具体问题具体分析。

2.8.3进给速度的选择

粗车直线、圆弧时选F=150mm/min，精车时选F=50mm/min，切槽时选F=8mm/min，粗车螺纹时选F=100mm/min，精车时选F=50mm/min。

综上所述，零件的数控车削工艺分析的内容，并将其填入在表8-1 所示的数控工艺卡上。

工艺卡片上其主要内容有：

工步分析、工步内容、各工步所用的主轴转速、刀具及进给速度。

表2.8.1数控车削加工工艺卡片

（1）

工序号

程序编号

夹具名称

使用设备

零件图号

001

三抓卡盘

华中数控CK6140

GDSKC020114

工步号

工步内容

刀具号

刀具规

格/mm

主轴转速/（r·min-1）

进给速度/（mm·min-1）

背吃刀量/mm

备注

1

对刀、平端面及试切外圆

T01

25×25

500

50

手动

2

从右至左

粗车轮廓

T02

25×25

800

150

2

自动

3

从右至左

精车轮廓

T02

25×25

1000

50

0．2

自动

4

切槽

T03

25×25

800

8

1.5  min/r

自动

5

粗车螺纹

T04

25×25

300

自动

6

精车螺纹

T04

25×25

300

工步号

工步内容

加工面

刀具号

刀具规格/mm

主轴转速/（r/min）

进给速度/（mm/min）

背吃刀量/mm

备注

1

对刀平端面及试切ф30mmr外圆

毛坯表面

T01

25×25

500

手动

2

粗车倒角1.5×45°mm

倒角面

25×25

800

150

2

自动

2

粗车фMD×25mm

Ф21的圆柱面

T02

25×25

800

150

2

自动

3

粗车ф28mm的端面

ф28的端面

T02

25×25

800

150

2

自动

4

粗车ф28×13.169mm的圆柱表面

ф28的圆柱表面

T02

25×25

800

150

2

自动

5

粗车ф30°的锥面

°30锥面

T02

25×25

800

150

2

自动

6

粗车ф23

×10mm

ф23

的外圆柱表面

T02

25×25

800

150

2

自动

7

精车倒角1.5×45°mm

倒角面

T02

25×25

1000

50

0.2

自动

8

精车фMD×25mm

Ф21的圆柱面

T02

25×25

1000

50

0.2

自动

9

精车ф28mm的端面

ф28的端面

T02

25×25

1000

50

0.2

自动

10

精车ф28×13.169mm的圆柱表面

ф28的圆柱表面

T02

25×25

1000

50

0.2

自动

11

精车30°的锥面

30°锥面

T02

25×25

1000

50

0.2

自动

12

精车ф23

×10mm

ф23

的外圆柱表面

T02

25×25

1000

50

0.2

自动

13

切槽5×1.5mm

ф18的外圆柱表面

T03

25×25

800

8

自动

14

粗车фMD×1.5mm

фMD×1.5螺纹面

T04

25×25

300

50

自动

15

精车фMD×1.5mm

фMD×1.5螺纹面

T04

25×25

300

50

自动

002

1

平右端面

右端面

T01

25×25

800

50

2

手动

2

粗车R5mm的圆弧

R5的曲面

T02

25×25

800

150

2

自动

3

粗车R17mm的圆弧

R17的曲面

T02

25×25

800

150

2

自动

4

粗车Sф29

mm的球面

车Sф29

的球面

T02

25×25

800

150

2

自动

5

粗车R5mm的圆弧

R5的曲面

T02

25×25

800

150

2

自动

6

粗车ф×23

×4.406mm

ф23

的圆柱面

T02

25×25

800

150

2

自动

7

精车R5mm的圆弧

R5的曲面

T02

25×25

1000

50

0.2

自动

8

精车R17mm的圆弧

R17的曲面

T02

25×25

1000

50

0.2

自动

9

精车Sф29

mm的球面

Sф29

的球面

T02

25×25

1000

50

0.2

自动

10

精车R5mm的圆弧

R5的曲面

T02

25×25

1000

50

0.2

自动

11

精车ф23

×4.406mm

ф23

的圆柱面

T02

25×25

1000

50

0.2

自动

12

切槽5±0.04mm

Ф19.5的圆柱表面

T03

25×25

800

8

自动

表2.8.2  数控车削加工工序卡片

（2）

2.9编程误差及其控制

2.9.1编程误差

编程阶段的误差是不可避免的，误差来源主要有三种形式：

近似计算误差、插补误差、尺寸圆整误差，直接影响加工尺寸精度，本次加工主要误差是计算误差与圆弧相切的切点坐标及未知交点坐标值。

因为这是经过笔算的数值，存在着较大的误差。

2.9.2误差控制

为了尽可能的减少笔算误差，采取在AutoCAD上按其尺寸精度绘出零件图，再利用“工具”─→“查询”─→“点坐标”捕捉各圆弧切点坐标，其精度达到0.001级，这样能有效地将误差控制在（0.1～0.2）倍的零件公差值内。

第三章.编程中工艺指令的处理

3.1常用G指令代码功能表

3.1.1 数控车床G功能指令（HNC-22T）

代码

组

意义

代码

组

意义

代码

组

意义

*G00

01

快速点定位

G28

00

回参考点

G52

00

局部坐标系设定

G01

直线插补

G29

参考点返回

G53

机床坐标系编程

G02

顺圆插补

*G40

09

刀径补偿取消

*G54～G59

11

工件坐标系1～6选择

G03

逆圆插补

G41

刀径左补偿

G33

螺纹切削

G42

刀径右补偿

G92

工件坐标系设定

G04

00

暂停延时

G43

10

刀长正补偿

G65

00

宏指令调用

G07

16

虚轴设定

G44

*G11

07

单段允许

*G49

G12

单段禁止

*G50

04

*G17

02

XY加工平面

G51

G18

ZX加工平面

G24

03

G19

YZ加工平面

*G25

G20

08

英制单位

G68

05

注：

①表内00组为非模态代码；只在本程序内有效。

其他组为模态指令，一次制定后持续有效，直到被其他组其他代码所取代。

②标有*的G代码为数控系统通电启动后的默认状态。

3.2常用M指令代码功能表

表3.1.2常用M指令代码

代码

作用时间

组别

意义

代码

作用时间

组别

意义

代码

作用时间

组别

意义

M00

★

00

程序暂停

M06

00

自动换刀

M19

★

主轴准停

M01

★

00

条件暂停

M07

#

b

开切削液

M30

★

00

程序结束并返回

M02

★

程序结束

M08

#

开切削液

M60

★

00

更换工件

M03

#

a

主轴正转

M09

★

关切削液

M98

00

子程序调用

M04

#

主轴反转

M10

c

夹紧

M99

00

子程序返回

M05

★

主轴停转

M11

松开

注：

①表内00组为非模态代码；其余为模态代码，同驵可相互取代。

②作用时间为“★”号者,表示该指令功能在程序段指令运动完成后开始作用；为“#”号者，则表示该指令功能与程序段指令运动同时开始。

第四章程序编制及模拟运行、零件加工或精度自检

程序段号

程序内容

程序注释

001

%0001

；程序起始行

N01

T0101

；右端面外圆车刀

N02

M03S800

；主轴正转

N03

G00X35Z3

；循环起点

N04

M08

；开切削液

N05

G71U1R2P06Q13X0.2Z0.2F150

；粗车轮廓

N06

G00X18Z3S1000

；快速定位

N07

G01Z0F50

；精车起点

N08

X21Z-1.5

；精车倒角

N09

Z-25

；精车ф21的外圆

N10

X28

；精车ф28的端面

N11

Z-38.169

；ф28的外圆表

N12

X23.05Z-47.5

；30°的锥面

N13

G01W-10

；фE的外圆面

N14

G00X100

；退刀快速定位

N15

Z100

；退刀快速定位

N16

T0202

；换切槽刀