典型轴类配合件的工艺设计与数控编程.docx
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典型轴类配合件的工艺设计与数控编程
1绪论
随着计算机、通信、电子、检测、控制和机械等各相关技术的发展，特别是计算机控制在机床上的应用。
数控技术和数控装备是制造工业现代化的重要基础。
这个基础是否牢固直接影响到一个国家的经济发展和综合国力，关系到一个国家的战略地位。
因此，世界上各工业发达国家均采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业。
现代数控技术的发展日新月异，社会上对掌握数控技术的应用技能型人需求越来越大。
提倡培养技术型人才的基本理念更是符合当前国情的发展需求，为达到这一目标，我们更要将理论知识和实际操作紧密联系起来。
工业上使用大量的圆柱形零件配合，如轴承配合、衬套配合、螺纹配合等，都要求零件有较高的精度和配合公差才能满足机械的需要。
本课题设计的零件为轴类配合件，零件有较复杂的曲面，需要数控机床来完成。
零件的表面粗糙度、尺寸精度和形位公差要求较高，配合精度也要求较高。
适合我们大专学生去研究和探索，在下面的章节中将详细介绍零件的工艺分析和程序的编制。
2零件介绍
该零件为轴类配合件。
它由轴（附图1）、锥形轴套（附图2）、锥形外套（附图3）、螺母（附图4）零件组成，零件材料选用45钢。
轴由圆柱面、椭圆弧、螺纹组成，加工困难，普通的车床难以加工，选择数控车床来加工轴。
轴套类零件由内、外圆柱面，内、外圆锥面，内螺纹等组成，结构形状简单，加工容易，可由普通机床加工，也可由数控机床加工。
螺母由抛物线、圆柱面、内螺纹组成，加工困难，选择数控车床来加工。
图2-1装配图
3工艺设计
3.1轴的工艺分析
3.1.1轴的图样分析
该零件表面由圆柱、椭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要求。
尺寸标注完整，轮廓描述清楚。
根据零件图的公差等级为（IT8--IT10），表面粗糙度为3.2
，因其公差数值较小，所以在编程时不必取平均值，全部取基本尺寸。
图3-1轴
3.1.2毛坯的选择
轴类零件的材料一般为碳素结构钢和合金结构钢两类，以中碳钢45钢应用最多，该零件材料为45钢，轴类零件的常用毛坯是型才圆棒料和锻件，直径相差不大的阶台轴常采用热轧或冷拉的圆棒料。
此零件为阶梯轴，各台阶直径相差不大，因此选择圆棒料。
由于毛坯大小主要考虑加工余量、加工面及加工情况来选择，所以毛坯大小定为φ50mm×122mm。
3.1.3定位基准的选择
定位基准是工件在定位时所依据的基准。
它的选择原则是：
尽量选择零件上的设计基准作为定位基准，一次装夹就能够完成全部关键精度部位的加工。
为了保证加工表面与其设计基准间的相对位置精度（即同轴度），工件定位时应使加工表面的设计基准相对机床占据一个正确的位置。
粗基准的选择：
在起始工序中，工件定位只能选择未经加工的毛坯表面，称为粗基准。
粗基准选择总的要求是为后续工序提供必要的定位基面。
它的选择原则有：
（1）对于具有不加工表面的工件，为保证不加工表面之间的相对位置要求，一般选不加工表面为粗基准。
（2）对于具有较多加工表面的工件，粗基准的选择，应合理分配各加工表面的加工余量。
为保证第一项要求，粗基准应选择毛坯上加工余量最小的表面。
为保证第二项要求，应选择那些重要表面为粗基准。
应选择工件上那些加工表面较大，形状比较复杂，加工劳动量较大的表面为粗准。
综上述，该零件的粗基准应选择为毛坯的左端面。
精基准的选择：
在最终工序和中间工序中，应采用已加工表面定位，这种定位基面称为精基准。
它的原则如下：
（1）应选择加工表面的设计基准为定位基准；
（2）定位基准的选择应便于工件的安装与加工；
（3）当工件以某一组精基准定位，可以比较方便地加工其他各表面时，应尽可能在多数工序中采用此同一组精基准定位，这是“基准统一”原则；
（4）某些要求加工余量小而均匀的精加工工序，可选择加工表面本身作为定位基准。
根据精基准的选择原则，该零件的精基准为右端面为精基准。
3.1.4确定装夹方案
在确定装夹方案时，要根据已选定的加工表面和定位基准来确定工件的定位夹持方式，并选择合理的夹具。
对于此轴类零件，轴心线为工艺基准，采用三爪自定心卡盘夹紧。
尽量一次装夹完成粗精加工。
但此零件右端为椭圆，所以需两次装夹完成粗精加工。
两次装夹方案如图3-2所示:
图3-2
3.1.5确定加工顺序及进给路线
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），再从左到右进行精车，然后粗、精车削螺纹；然后在调头装夹，粗精车外轮廓。
在数控加工中，刀具相对于工件的运动轨迹和方向的加工路线就是进给路线。
因为数控车床具有粗精车循环和车螺纹循环的功能，只要正确使用编程指令，机床数控系统就会自行确定其进给路线。
根据该零件的公差等到级（IT8～IT10）和表面粗糙度为3.2
，确定外圆柱面加工方法为：
粗车---半精车---精车。
首先车端面，然后粗车外圆φ22mm---φ24mm，半精车，精车至尺寸；然后切5×2的退刀槽，粗、精车螺纹；
调头装夹，车端面保证总长；然后粗车椭圆---φ40mm---φ46mm,半精车，精车至尺寸。
3.1.6刀具的选择
（1）粗车及平端面选用90°硬质合金右偏刀，为防止副后刀面与工件轮廓干涉，副偏角不宜太小，选副偏角为35°。
（2）车螺纹选用硬质合金60°外螺纹车刀，刀尖圆弧半径应小于轮廓最小圆角半径，取
=0.15-0.2mm。
将所选定的刀具参数填入数控加工刀具卡片中，以便于编程和操作管理。
表3-1数控加工刀具卡片
产品名称或代号
数控车工工艺分析
零件名称
轴
零件图号
1
序号
刀具号
刀具规格名称
数量
加工面
刀具半径
备注
1
T01
硬质合金90°外圆车刀
11
车端及粗车轮廓
0．15
右偏刀
2
T02
硬质合金93°外圆车刀
1
精车外轮廓
3
T03
硬质合金60°外螺纹车刀
1
粗精车螺纹
4
T04
刃宽为5mm
1
切槽、切断
编制
周星星
审核
张德红
批准
张德红
共1页
第1页
3.1.7加工余量的确定
加工余量是指加工过程中所切去的金属厚度。
加工余量的大小对于工件的加工质量和生产率均有较大的影响。
加工余量过大，不仅增加机械加工的劳动量，降低了生产率，而且增加材料、工具和电力消耗。
若加工余量过小，则既不能消除上工序的各种表面缺陷和误差，又不能补偿本工序加工时工件的装夹误差，造成废品。
因此，应当合理地确定加工余量。
确定加工余量的基本原则是：
在保证加工质量的前提下越小越好。
该零件表面的粗糙度值要求均为Ra3.2
，粗车后，留余量0.5mm,精车完成。
3.1.8切削用量的选择
切削用量的大小对切削力、切削功率、刀具磨损、加工质量和加工成本均有显著影响。
数控加工中选择切削用量时，就是在保证加工质量和刀具耐用度前提下，充分发挥机床性能和刀具切削性能，使切削效率最高，加工成本最低。
要达到高的生产率，应按背吃刀量、进给量、切削速度的顺序来选择切削用量，即应首先考虑尽可能大的切削背吃刀量，其次选用尽可能大的进给量，最后在保证刀具合理耐用度的条件下，选取尽可能大的切削速度。
粗、精加工时切削用量的选择。
（1）粗加工时切削用量的选择如下：
首先尽可能大的背吃刀量；其次要根据机床动力和刚性的限制条件等，选取尽可能大的进给量；最后根据刀具耐用度确定最佳的切削速度；
（2）精加工时切削用量的选择如下：
首先根据粗加工后的余量确定背吃刀量；其次根据已加工表面的粗糙度要求，选取较小的进给量，最后在保证刀具耐用度的前提下，尽可能选取较高的切削速度。
1.背吃刀量的确定
背吃刀量的选择要根据机床、工件和刀具的刚度来决定，在刚度允许的情况下，就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。
因此轮廓粗车循环时选背吃刀量为3mm,精车循环时选背吃刀量为0.25mm,螺纹粗车循环时选背吃刀量为0.2mm，螺纹精车循环时选背吃刀量为0.1mm。
2.主轴转速的确定
（1）车外圆时的主轴转速
车外圆时主轴转速应根据零件上被加工部位的直径，并按零件和刀具材料及性质等条件所允许的切削速度来确定。
切削速度是切削用量中对切削加工影响最大的因素。
要综合考虑切削条件和要求，选择适当的切削速度。
当切削速度确定后，用度以下公式计算主轴转速：
（3-1）
车圆弧和直线时，选粗车切削速度
=90m/min，精车切削速度
=120m/min，然后利用公式（3-1）计算主轴转速，（粗车工件直径D=50mm，精车工件直径取平均值）。
粗车：
=573．25（r/min）≈600（r/min）
精车：
=
=1200（r/min）
（2）车螺纹时主轴转速
在车削螺纹时，车床的主轴转速将受到螺纹的螺距（或导程）大小、驱动电动机的升降频特性及螺纹插补运算速度等多种因素影响，大多数普通车床数控系统车螺纹时的主轴转速为：
注：
k为保险系数，一般取80。
=720r/min
根据机床的不同转速是可以改变的，在学院的车床上一般取400r/min。
3.进给速度的确定
进给速度是指切削单位时间内工件与进给方向相对位移，单位为mm/min。
进给速度的大小直接影响表面粗糙度的值和车削效率。
主要根据零件的加工精度和表面粗糙度以及刀具、工件的材料性质参考用量手册选取。
确定进给速度的原则：
（1）当工件的质量要求能够得到保证时，可选择较高的进给速度。
一般在100～200mm/min范围内选取；
（2）在切断、加工深孔时，宜选较低的进给速度，一般在20～50mm/min范围内选取；
（3）在加工精度、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；
（4）刀具空行程时，特别是远距离回零时，可以选择机床数控系统给定的最高速度。
一般根据零件的表面粗糙度、刀具及工件材料等因素，查阅切削用量手册选取。
每转进给量，进给速度的计算公式：
（3-2）
注：
精车时常取,每转进给量f，粗车时一般选取为（0.3～0.8）mm/r，精车时（0.1～0.3）mm/r，切断常取（0.05～0.2）mm/r。
选择粗车、精车每转进给量分别为0.4mm/r和0.15mm/r，再根据公式（3-2）
粗车：
=0.4×600
=240（mm/min）
精车：
=0.15×1200
=180（mm/min）
将上面分析的各项内容综合为以下所示的数控加工工艺过程卡片中。
表3-2机械加工工艺过程卡
工序号
工序名称
工序内容
设备
1
备料
毛坯为φ50mm×122mm
砂轮机
2
数车
加工零件内外轮廓
数控车床
3
钳工
去毛刺，矫正死角
钳工工具
4
钳工精修
全面按图纸要求
5
检测
测量各部分尺寸、形状精度检测
3.2锥形轴套的工艺分析
3.2.1零件图样分析
图3-3锥形轴套
该零件表面由内外圆柱面、外圆锥面组成。
其中多个直径尺寸与轴向尺寸有较高的尺寸精度、表面粗糙和形位公差要求。
零件图尺寸标注完整，符合数控加工尺寸标注要求，轮廓描述清楚完整。
根据零件图样，该零件图的内孔的公差等级为IT7，它的表面粗糙度3.2
；零件图的外圆的公差等级为（IT7～IT8），表面粗糙度为3.2
。
其余的表面粗糙度为6.4
。
由于他尺寸因公差值较小，因此编程时取基本尺寸即可。
3.2.2毛坯选择
套类零件的毛坯选择与零件的材料、结构及尺寸等因素有关。
材料为45钢，毛坯大小主要考虑加工余量、夹持长度及加工情况来选择。
所以毛坯大小定为φ50mm×70mm。
3.2.3确定装夹方案
定位基准是工件在定位时所依据的基准。
在加工内孔时以外圆定位。
用三爪自动定心卡盘夹紧。
加工外轮廓时，为保证同轴度要求和便于装夹，以坯件左端面和轴心线为定位基准。
用三爪卡盘夹持左端，如图3-4所示：
图3-4
3.2.4确定加工顺序及走刀路线
加工顺序的确定由内到外、由粗到精、由远到近的原则确定。
在一次装夹中尽可能加出多的工件表面。
结合本零件的结构特征，可先粗、精车加工内孔各表面，然后粗、精加工外轮廓表面。
由于该零件为单件生产，走刀路线设计不必考虑最短进给路线或最短空行程路线，外轮廓表面车削走刀路线可沿零件轮廓顺序进行车削。
根据该零件的内孔的公差等级和表面粗糙度，可以确定加工内孔的方法为：
钻孔---车孔---铰孔，外圆的加工方法为粗车---半精车—精车。
首先车右端面，钻中心孔；孔至φ23mm,粗车孔到φ23.5mm，精车内孔到尺寸；粗车外圆至φ37mm～φ33mm，半精车，然后精车外圆φ37mm至尺寸，φ33mm至尺寸。
3.2.5刀具的选择
（1）车削端面选用90°硬质合金端面车刀、车外轮廓-------T01
（2）精车削外圆------T02
（3）车内孔至φ23.5mm-----T03
（4）切断------T04
（5）φ4中心钻，钻中心孔以利于钻削底孔时刀具找正------T05
（6）φ22mm高速钢钻头，钻内孔底孔------T06
将所选定的刀具参数填入数控加工刀具卡片中，以便于编程和操作管理。
表3-3数控加工刀具卡片
产品名称或代号
零件名称
锥形外套
零件图号
2
序号
刀具号
刀具规格
数量
加工表面
刀具半径
备注
1
T01
外圆车刀
1
车端面粗车外轮廓
0.15
2
T02
93°外圆车刀
1
精车外轮廓
0.15
自动
3
T03
内孔车刀
1
车内孔
自动
4
T04
刃宽5mm
1
切断
5
T05
A3.15
1
钻φ3.15mm中心孔
手动
6
T06
φ30mm
1
钻φ30mm的通孔
手动
编制
周星星
审核
张德红
批准
张德红
共1页
第1页
3.2.6确定切削用量
根据被加工表面质量要求，刀具材料和工件材料，参考切削用量手册或有关资料选取切削速度与每转进给量。
然后根据公式（3-1）和公式（3-2）计算主轴转速和进给速度。
（1）被吃刀量的选择
粗车外圆表面时选背吃刀量3mm,精车背吃刀量0.25mm；粗车内孔时背吃刀量1mm，精车内孔时背吃刀量0.1mm；
（2）主轴转速的选择
粗车外圆时，取切削速度90mm/r；
精车外圆时，切削速度取120mm/r；
粗车：
=
=573．25（r/min）≈600（r/min）
精车：
=
=1200（r/min）
（2）进给速度的确定
根据在切断、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。
根据公式（3-2）来计算进给速度：
粗车时f一般选取为（0.3～0.8）mm/r,精车时一般取（0.1～0.3）mm/r。
粗车：
=0.4×600
=240（mm/min）
精车：
=0.2×1200
=240（mm/min）
3.2.7填写工艺文件
将上面分析的内容填入机械加工工艺过程卡
表3-4机械加工工艺过程卡
工序号
工序名称
工序内容
设备
1
备料
毛坯为φ55mm×70mm
砂轮机
2
数车
加工零件内外轮廓
数控车床
3
钳工
去毛刺，矫正死角
钳工工具
4
钳工精修
全面按图纸要求
5
检测
测量各部分尺寸、形状精度检测
3.3锥形外套的工艺分析
图3-5锥形外套
3.3.1零件图样分析
该零件由内外圆柱面、内圆锥面、顺圆弧组成，其中一些尺寸有同轴度和平行度的形位公差，表面粗糙度，锥度的要求。
零件图尺寸标注完整，符合数控加工尺寸标注要求；
该零件的外圆的公差等级为IT10，表面粗糙度为3.2，其余为6.4；内孔的公差等级为IT8，表面粗糙度为3.2。
左端面为多个尺寸的设计基准，应该先将左端面车出来。
3.3.2毛坯的选择
该零件的材料为45钢，因为零件的结构形状及其外形尺寸是影响毛坯的重要因素，对于回转体零件，可采用型材圆棒料；因此，此零件选用圆棒料。
根据零件图的尺寸，确定毛坯的大小为：
φ50mm×75mm。
3.3.3确定装夹方案
在加工内孔时以外圆作为定位基准，用三爪自动定心卡盘夹紧。
因为三爪自定卡盘的三只卡爪均匀分布在卡盘的圆周上，能同步沿径向移动，实现对工件夹紧或松开，并能实现自动定心，装夹工件时一般不需要找正，使用方便。
在加工外轮廓时，为保证同轴度要求，以坯件左端面和轴心线为定位基准。
如图3-8所示：
图3-6
3.3.4确定加工顺序及走刀路线
加工顺序可以粗精先加工出外圆表面，然后再加工内孔，再加工圆锥形内孔。
外轮廓的车削走路线沿零件的轮廓顺序进行。
首先车削左端面，然后粗车削外轮廓至φ47mm，再精车外轮廓φ47mm至尺寸；然后以外轮廓为定位基准，钻中心孔，钻孔φ30mm，车孔φ35.5mm至20mm，车孔φ31.5mm至43mm。
最后切断。
3.3.5刀具的选择
（1）选主偏角
=90°的偏刀，这种刀可以车外圆、端面。
由于主偏角很大，切削时背向分力较小，不易引起工件弯曲和振动，但刀尖强度较低，散热条件差，容易磨损------T01
（2）选硬质合金93°的外圆车刀精车外轮廓------T02
（3）粗、精车内孔选用内孔车刀------T03
（4）切断，选用切槽刀------T04
（5）选择φ4mm中心钻，钻中心孔以利于钻削底孔时刀具找正------T05
（6）φ30mm高速钢钻头，钻内孔底孔------T06
将所选定的刀具参数填入数控加工刀具卡片中，以便编程和操作管理。
表3-5数控加工刀具卡片
产品名称或代号
零件名称
锥形外套
零件图号
3
序号
刀具号
刀具规格
数量
加工表面
刀具半径
备注
1
T01
外圆车刀
1
车端面粗车外轮廓
0.15
自动
2
T02
93°外圆车刀
1
精车外轮廓
0.15
自动
3
T03
内孔车刀
1
车内孔
0.15
自动
4
T04
刃宽5mm
1
切断
5
T05
A3.15
1
钻φ3.15mm中心孔
手动
6
T06
φ30mm
1
钻φ30mm的通孔
手动
编制
周星星
审核
张德红
批准
张德红
共1页
第1页
3.3.6加工余量的确定
加工余量的大小对于工件的加工质量和生产率有较大的影响。
根据经验估计法来估算加工余量，一般情况下，为防止因余量过小而产生废品，经验估计的数值总是偏大。
在粗车外圆后留0.5mm的精车余量，车孔后留0.5mm的精加工余量。
3.3.7切削用量的选择
切削用量是表示机床主运动和进给运动大小的重要参数，包括切削速度、进给量和背吃刀量。
（1）背吃刀的选择：
粗车外轮廓时
3mm，精车外轮廓时
0.15mm；车内孔时的
0.2mm。
主轴转速的确定：
粗车外轮廓时，切削速度取90mm/r；
精车外轮廓时，切削速度为120mm/r；
再根据公式（3-1），计算得：
粗车：
=1000×90/3.14×50
=573．25（r/min）≈600（r/min）
精车：
=1000×1200/3.14×30
=1200（r/min）
由于车内孔比车外圆困难，内孔车刀刀杆细而长，刚性差，车削时弹性变形大。
因此主轴转速应比车外圆时稍慢，车内孔时的主轴转速定为300r/min。
（2）进给速度的确定：
进给速度的确定根据公式（3-2）来计算，首先确定每转进给量，粗车时一般选取为（0.3～0.8）mm/r，精车时常取（0.1～0.3）mm/r。
粗车时：
=0.4×600=240（mm/min）
精车时：
=0.2×1200=240（mm/min）
3.3.8工艺文件
将上面分析的内容填入数控加工工艺过程卡中：
表3-6机械加工工艺过程卡
工序号
工序名称
工序内容
设备
1
备料
毛坯为φ55mm×75mm
砂轮机
2
数车
加工零件内外轮廓
数控车床
3
钳工
去毛刺，矫正死角
钳工工具
4
钳工精修
全面按图纸要求
5
检测
测量各部分尺寸、形状精度检测
3.4螺母的工艺分析
3.4.1零件图样分析
图3-7螺母
该零件由内螺纹、外圆柱面、内圆柱面、抛物线等组成。
其中的一些尺寸有表面粗糙度要求。
零件图尺寸标注完整，符合数控加工尺寸要求。
外圆表面的公差等级为IT9，内孔的公差等级也为IT9，表面粗糙度为3.2
。
零件图样上的尺寸公差值较小，因此编程时不必取平均值，取基本尺寸即可，内孔加工完成，再加工螺纹。
3.4.2毛坯选择
零件的材料为45钢。
在确定毛坯的形状和尺寸时应注意：
要使加工时工件安装稳。
因此毛坯的大小为φ50mm×60mm。
3.4.3确定装夹方案及定位基准
以工件的左端面及φ46mm为安装基准，内孔加工以外圆定位基准，以三爪自动定心卡盘夹紧，伸出卡盘31mm。
如图所示然后调头装夹左端，加工抛物线轮廓。
如图3-8所示
图3-8
3.4.4确定加工工艺路线及加工余量
首先车端面，钻φ4mm的中心孔，钻φ18mm的孔，粗精加工外轮廓，车φ26mm的孔，车φ20mm的孔，车内螺纹。
外轮廓在粗加工之后留0.5mm的精车余量，螺纹粗加工后留0.1mm的精车余量，粗车内孔后留1mm的精车余量。
调头装夹左端面，保证总长53mm，粗加工抛物线轮廓，留0.5mm余量，最后精加工抛物线轮廓。
3.4.5刀具的选择
（1）根据加工要求选用
=90°的偏刀车外圆，车端面，车阶台---T01；
（2）选用93°硬质合金的右偏刀精车外轮廓---T02；
（3）选不通孔车刀车内孔----T03；
（4）内螺纹切削选用60°内螺纹车刀-----T04
（5）切断选用φ5mm的切断刀-----T05
（6）选用φ4mm的中心钻钻中心孔----T06
（7）选用φ20mm的高速钢钻头，钻内孔至底孔-----T07
将所选刀具的参数填入数控加工刀具卡。
表3-7数控加工刀具卡片
产品名称或代号
零件名称
螺母
零件图号
4
序号
刀具号
刀具规格
数量
加工表面
备注
1
T01
外圆车刀
1
车端面及外圆
2
T02
93°外圆车刀
1
精车外轮廓
3
T03
内孔车刀
1
车内孔
自动
4
T04
内螺纹车刀
1
车内螺纹
自动
5
T05
5mm宽
1
切断
6
T06
φ4
1
钻中心孔
手动
7
T07
φ20
1
钻孔
手动
编制
周星星
审核
张德红
共1页
第1页
3.4.6切削用量的确定
（1）背吃刀量的确定
根据机床、工件和刀具的刚度来决定，在刚度允许的条件下，应尽可能使切削深度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。
在粗加工外轮廓时的背吃刀量为3mm，
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