齿轮轴零件加工工艺程序编制及仿真.docx

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齿轮轴零件加工工艺程序编制及仿真

齿轮轴零件加工工艺、程序编制及仿真

一、数控机床的组成部分

数控机床的组成部分包括测量系统、控制系统、伺服系统及开环或闭环系统，在对数控零件进行实际程序设计之前，了解各组成部分是重要的。

数控中，测量系统这一术语指的是机床将一个零件从基准点移动到目标点的方法。

目标点可以是钻一个孔、铣一个槽或其它加工操作的一个确定的位置。

用于数控机床的两种测量系统是绝对测量系统和增量测量系统。

绝对测量系统（亦称坐标测量系统）采用固定基准点（原点），所有位置信息正是以这一点基准。

换句话说，必须给出一个零件运动的所有位置相对于原始固定基准点的尺寸关系。

X和Y两维绝对测量系统，每维都以原点为基准。

增量测量系统有一个移动的坐标系统。

运用增量系统时，零件每移动一次，机床就建立一个新的原点（基准点）。

使用增量测量系统时的X和Y值。

注意，使用这个系统时，每个新的位置在X和Y轴上的值都是建立在前一个位置之上的。

这种系统的缺陷是，如果产生的任何错误没有被发现与校正，则错误会在整个过程中反复存在。

用于数控设备的控制系统通常有两类，即点位控制系统和连续控制系统。

点位控制数控系统机床（有时称为位置控制系统数控机床）只有沿直线运动的能力。

然而，当沿两轴线以等值（X2.000,Y2.000）同时编程时，会形成45度斜线。

点位控制系统常用于需确定孔位的钻床和需进行直线铣削加工的简单铣床上，以一系列小步运动形成弧形和斜线。

然而，用这种方法时，实际加工轨迹与规定的切削轨迹略有不同。

具有在两个或多个坐标轴方向上同时运动的能力的机床，归属连续轨迹控制或轮廓控制类机床。

这些机床用于加工两维或三维空间中各种不同大小的弧形，圆角，圆及斜角。

连续轨迹控制的数控机床比点位控制的机床贵得多，在加工复杂轮廓时，一般需要计算机辅助程序设计。

数控伺服机构是使工作台或滑座沿坐标轴准确运动的装置。

用于数控设备的伺服机构常有两种：

步进电机和液压马达。

步进电机伺服机构常用于不太贵重的数控设备上。

这些电机通常是大转矩的伺服机构，直接安装在工作台或刀座的丝杠上。

大多数步进电机是由来自定子和转子组件的磁力脉冲驱动的，这种作用的结果是电机轴转一转产生200步距。

把电机轴接在10扣/英寸的丝杠上，每步能产生0.0005英寸的移动（1/200X1/10=0.0005英寸）。

液压伺服马达使压力液体流过齿轮或柱塞，从而使轴转动。

丝杠和滑座的机械运动是通过各种阀和液压马达的控制来实现的。

液压伺服马达产生比步进电机更大的转矩，但比步进电机贵，且噪声很大。

大多数大型数控机床使用液压伺服机构。

使用开环系统的数控机床，没有反馈信号来确保机床的坐标轴是否运动了所需的距离。

即，如果接受的输入信号是使一特定工作台坐标轴移动1.000英寸，伺服装置通常使工作台运动1.000英寸，但无法将共子台的实际运动与输入信号加以比较。

使工作台实际移动了1.000英寸的唯一保证是所用的伺服机构的准确性。

当然，开环系统比闭环系统便宜。

闭环系统能将实际输出（工作台一英寸的运动量）与输入信号加以比较，并对任何误差进行了比较。

用于闭环系统的一些反馈装置是传感器，电尺或磁尺以及同步器等。

闭环系统大大增加了数控机床的准确性。

二、零件图

三、加工分析工艺

（1）零件图工艺分析

该零件由圆柱面、螺纹及中心孔组成，该零件的尺寸的尺寸精度和表面粗糙度要求很高，该图尺寸标注完整，轮廓描述清楚。

材料为40Cr，有热处理和硬度要求。

通过以上描述，可以采取以下几点工艺措施：

（一）对图样上给定的有精度要求的尺寸，因为公差数值很小，所以编程时不可以取平均值，或者不能省去小数点后面的，要对好刀。

（二）在轮廓曲线上，没有要进行间隙补偿的。

但也要保证轮廓曲线的准确性。

（三）为便于装夹，采用三角卡盘，先车左端面，再车出一个夹头，再打中心孔。

然后掉头，车右端面，打中心孔，再进行精车。

再掉头，进行精车。

（2）确定装夹方案

确定坯件轴线和右端大端面（设计基准）为定位基准。

左端采用三角自定心卡盘夹紧。

（3）确定加工顺序及走刀路线

加工顺序的确定按由左到右、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作表面。

结合本零件的结构特征，可以加工外轮廓表面，然后加工内孔各表面，由于该零件为单件中批量生产，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。

（4）刀具的选择

将所选定的刀具参数填入表所示的数控加工刀具卡片中，以便于编程和操作管理。

注意：

在车削外轮廓时，为防止副刀面与工件表面发生干涉，应选择较大的副谝角，必要时可作图检验。

（5）切削用量选择

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，然后公式计算主轴转速与进给速度，计算结果填入

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，根据材料以保证零件表面粗糙度要求，一般要多次加工。

（6）数控加工工艺卡片拟定

将前面分析的各项内容综合成表所示的数控加工工艺卡片，此表是编制加工程序的主要依据和操作人员配合数控加工的指导性文件，主要内容包括：

工步顺序、工步内容、各工步所用的刀具及切削用量等。

四、程序分析

O0608

N010T010190°外圆车刀

主轴用1号刀

N020M03S500

主轴正转,转速500

N030G90G95G0X32Z2加工零件右端

绝对值，快速定位到（32,2）

N040G71U1R0.5

外圆粗切循环

N050G71P60Q110U0.2W0F0.2

N060G1X9F0.1S800

精加工程序第一个程序段，转速800，进给速度为0.1

N070X15Z-1车Ø15倒角1X45

直线插补到（15,-1）

N080Z-79车Ø15

直线插补到（15,-79）

N090X22

直线插补到（22,-79）

N100X24Z-80车Ø24倒角1X45°

直线插补到（24,-80）

N110Z-140车Ø24

直线插补到（110,-115）

N120G70P60Q110

精加工程序最后一个程序段

N130G0X100Z100

快速定位到（100,100）

N140T0202宽1.1切槽刀

换2号刀

N150M03S300

主轴正转,转速300

N160G0X17Z-5

快速定位到（17,-5）

N170G1X14.3F0.05Ø15上切宽

深切至Ø14.3

直线插补到（14.3,-5）

N180G4X2

延时2秒

N190G0X26

快速定位到（26,-5）

N200Z-79

快速定位到（26,-79）

N210G1X14F0.05切2×0.5的槽

直线插补到（26,-79）,进给速度为0.05

N220G4X2

延时2秒

N230G0X17

快速定位到（17,-79）

N240Z-78.1

快速定位到（17,-78.1）

N250G1X14F0.05

直线插补到（14,-78.1）,进给速度为0.05

N260G4X2

延时2秒

N270G0X100

快速定位到（100,-78.1）

N280Z100

快速定位到（100,100）

N290M02

程序停止

换头

O0420

N010T010190°外圆车刀

主0轴用1号刀

N020M03S500

主轴正转,转速500

N030G90G95G0X32Z2

绝对值，快速定位到（32,2）

N040G71U1R0.5

外圆粗切循环

N050G71P60Q140U0.2W0F0.2

N060G1X4F0.1S800

精加工程序第一个程序段，转速800，进给速度为0.1

N070X9.87Z-1M10倒角1×45°

直线插补到（9.87,-1）

N080Z-23车M10

直线插补到（9.87,-23）

N090X14

直线插补到（14,-23）

N100Z-51车Ø14

直线插补到（14,-51）

N110X18

直线插补到（18,-51）

N120Z-82车Ø18

直线插补到（18,-82）

N130X20

直线插补到（20,-82）

N140X26Z-85Ø24倒角2×45°

直线插补到（26,-85）

N150G70P350Q440

精加工程序最后一个程序段

N160G0X100Z100

快速定位到（100,100）

N170T0202宽1.1切槽刀

主轴用2号刀

N180M03S300

主轴正转,转速300

N190G0X16Z-23

快速定位到（16,-23）

N200G1X7.8F0.05M10上切3×1.1的槽

直线插补到（7.8,-23）,进给速度为0.05

N210G4X2

延时2秒

N220G0X16

快速定位到（16,-23）

N230Z-22

快速定位到（16,-22）

N240G1X7.8F0.05

进给速度为0.05

N250G4X2

延时2秒

N260G0X12

快速定位到（12,-22）

N270Z-21.1

快速定位到（84,0）

N280G1X7.8F0.05

直线插补到（7.8,0）,进给速度为0.05

N290G4X2

延时2秒

N300G0X20

快速定位到（20,0）

N310Z-51

快速定位到（22,-51）

N320G1X13F0.05Ø14上切2×0.5的槽

直线插补到（13,-51）,进给速度为0.05

N330G4X2

延时2秒

N340G0X16

快速定位到（16,-51）

N350Z-50.1

快速定位到（16,-50.1）

N360G1X13F0.05

直线插补到（13,-50.1）,进给速度为0.05

N370G4X2

延时2秒

N380G0X20

快速定位到（20,-50.1）

N700Z-54.1

快速定位到（20,-54.1）

N390G1X17F0.05Ø18上切宽

深至Ø

直线插补到（17,-54.1）,进给速度为0.05

N400G4X2

延时2秒

N410G0X24

快速定位到（24,-54.1）

N420Z-82

快速定位到（24,-82）

N430G1X17F0.05Ø18上切2×0.5的槽

直线插补到（17,-82）,进给速度为0.05

N440G4X2

延时2秒

N450G0X24

快速定位到（24,-82）

N780Z-81.1

快速定位到（24,-81.1）

N460G1X17F0.05

直线插补到（17,-81.1）,进给速度为0.05

N470G4X2

延时2秒

N480G0X100

快速定位到（100,-81.1）

N490Z100

快速定位到（100,-81.1）

N500T0303

主轴用3号刀60°螺纹刀

N510G0X12Z5

快速定位到（12,5）

N520G76P021060Q100R0.1攻螺纹M10-6h

螺纹切削循环

N530G76X8.05Z-22P975Q400F1.5

螺纹切削循环终点（8.05，-22）

N540G0X100

快速定位到（100,-22）

N550Z100

快速定位到（100,100）

N560M05

主轴停

N570M02

程序结束

五、数控车床的概述

数控车床是目前使用较广泛的数控机床之一，主要用在加工轴类和盘类回转体零件的内外圆柱面、锥面、圆弧、螺纹面，并能进行切槽、钻、扩、铰等工作，特别适用于形状复杂的零件加工。

一般数控车床的主轴由直流或交流调速电动机驱动，主轴作主运动，刀架的纵、横向分别由伺服电动机驱动。

为了车削螺纹，在主传动系统里装有主轴脉冲发生器，以检测主轴的转速，保证车削螺纹时，主轴（工件）每转一转，Z轴（刀具）移动一个加工螺纹的导程。

普通数控车床的主轴不是卧式的，刀架运动的纵方向即为Z方向，刀架的横向即为X方向，当刀架沿Z向和X向协调运动时，可形成各种复杂的平面曲线，以这条曲线绕轴线回转时，可形成各种复杂的回转体。

一般数控车床只需要两坐标联动。

同样数控立式车床也是刀架沿着工件的轴向和径向运动实现两坐标联动

数控车床又称为CNC（ComputerNumericalControl）车床，既用计算机数字控制的车床。

普通卧式车床是靠手工操作机床来完成各种切削加工，而数控车床是将编制好的加工程序输入到数控系统中，由数控系统通过车床X、Z坐标轴的伺服电动机去控制车床进给运动部件的动作顺序、移动量和进给速度，再配以主轴转速的转向，和自动换刀系统，使能加工出各种形状不同的轴类或盘类回转体零件。

因此，数控车床是目前使用较为广泛的机床。

六、数控车床的使用

数控车床、车削中心，是一种高精度、高效率的自动化机床。

它具有广泛的加工艺性能，可加工直线圆柱、斜线圆柱、圆弧和各种螺纹。

具有直线插补、圆弧插补各种补偿功能，并在复杂零件的批量生产中发挥了良好的经济效果。

合理选用数控车床，应遵循如下原则：

1.选用原则

1）前期准备

确定典型零件的工艺要求、加工工件的批量，拟定数控车床应具有的功能是做好前期准备，合理选用数控车床的前提条件

满足典型零件的工艺要求

典型零件的工艺要求主要是零件的结构尺寸、加工范围和精度要求。

根据精度要求，即工件的尺寸精度、定位精度和表面粗糙度的要求来选择数控车床的控制精度。

根据可靠性来选择

可靠性是提高产品质量和生产效率的保证。

数控机床的可靠性是指机床在规定条件下执行其功能时，长时间稳定运行而不出故障。

即平均无故障时间长，即使出了故障，短时间内能恢复，重新投入使用。

选择结构合理、制造精良，并已批量生产的机床。

一般，用户越多，数控系统的可靠性越高。

2）机床附件及刀具选购

机床随机附件、备件及其供应能力、刀具，对已投产数控车床、车削中心来说是十分重要的。

选择机床，需仔细考虑刀具和附件的配套性。

3）注重控制系统的同一性

生产厂家一般选择同一厂商的产品，至少应选购同一厂商的控制系统，这给维修工作带来极大的便利。

教学单位，由于需要学生见多识广，选用不同的系统，配备各种仿真软件是明智的选择。

4）根据性能价格比来选择

做到功能、精度不闲置、不浪费，不要选择和自已需要无关的功能。

5）机床的防护

需要时，机床可配备全封闭或半封闭的防护装置、自动排屑装置。

在选择数控车床、车削中心时，应综合考虑上述各项原则。

2.安装方法

1）起吊和运输

机床的起吊和就位，应使用制造厂提供的专用起吊工具，不允许采用其他方法进行。

不需要专用起吊工具，应采用钢丝绳按照说明书规定部位起吊和就位。

2）基础及位置

机床应安装在牢固的基础上，位置应远离振源；避免阳光照射和热幅射；放置在干燥的地方，避免潮湿和气流的影响。

机床附近若有振源，在基础四周必须设置防振沟。

3）机床的安装

机床放置于基础上，应在自由状态下找平，然后将地脚螺栓均匀地锁紧。

对于普通机床，水平仪读数不超过0.04/1000mm，对于高精度的机床，水平仪超过0.02／1000mm。

在测量安装精度时，应在恒定温度下进行，测量工具需经一段定温时间后再使用。

机床安装时应竭力避免使机床产生强迫变形的安装方法。

机床安装时不应随便拆下机床的某些部件，部件的拆卸可能导致机床内应力的重要新分配，从而影响机床精度。

3.试运转前的准备

机床几何精度检验合格后，需要对整机进行清理。

用浸有清洗剂的棉布或绸布，不得用棉纱或纱布。

清洗掉机床出厂时为保护导轨面和加工面而涂的防锈油或防锈漆。

清洗机床外表面上的灰尘。

在各滑动面及工作面涂以机床规定使滑油。

仔细检查机床各部位是否按要求加了油，冷却箱中是否加足冷却液。

机床液压站、自动间润滑装置的油是否到油位批示器规定的部位。

检查电气控制箱中各开关及元器件是否正常，各插装集成电路板是否到位。

通电启动集中润滑装轩，使各润滑部位及润滑油路中充满润滑油。

做好机床各部件动作前的一切准备。

数控车床调试与验收

数控车床的验收应按国家颁布实行的《数控卧式车床制造与验收技术要求》进行，在验收过程中，如发生争执，应以国家有关标准为依据，通过协商解决。

1）开箱验收

按随机装箱单和合同中特定附件清单对箱内物品逐一核对检查。

并做检查记录。

有如下内容：

包装箱是否完好，机床外观有无明显损坏，是锈蚀、脱漆；

有无技术资料，是否齐全；

附件品种、规格、数量；

备件品种、规格、数量；

工具品种、规格、数量；

刀具〈刀片〉品种、规格、数量；

安装附件；

电气元器件品种、规格、数量；

2）开机试验

机床安装调试完成后，即通知制造厂派人调试机床。

试验主要有如下：

3）各种手动试验

a.手动操作试验试验手动操作的准确性。

b.点动试验

c.主轴变档试验

d.超程试验

2）功能试验

a.用按键、开关、人工操纵对机床进行功能试验。

试验动作的灵活性、平稳性及功能的可靠性。

b.任选一种主轴转速做主轴启动、正转、反转、停止的连续试验。

操作不少于7次。

c.主轴高、中、低转速变换试验。

转速的指令值与显示值允差为±5%。

d.任选一种进给量，在XZ轴全部行程上，连续做工作进给和快速进给试验。

快速行程应大于1/2全行程。

正反方和连续操作不少于7次。

e.在X、Z轴的全部行程上，做低、中、高进给量变换试验。

转塔刀架进行各种转位夹紧试验。

f.液压、润滑、冷却系统做密封、润滑、冷却性试验，做到不渗漏。

g.卡盘做夹紧、松开、灵活性及可靠性试验。

h.主轴做正转、反转、停止及变换主轴转速试验。

i.转塔刀架进行正反方向转位试验。

j.进给机构做低中高进给量为快速进给变换试验。

k.试验进给坐标超程、手动数据输入、位置显示，回基准点，程序序号批示和检索、程序暂停、程序删除、址线插补、直线切削徨、锥度切削循环、螺纹切削循环、圆弧切削循环、刀具位置补偿、螺距补偿、间隙补偿等功能的可靠性、动作灵活性等。

4）空动转试验

a.主动动机构运转试验，在最高转速段不得少于1小时，主轴轴承的温度值不超过70℃，温升值不超过40℃；

b.连续空运转试验，其运动时间不少于8小时，每个循环时间不大于15分钟。

每个循环终了停车，并模拟松卡工件动作，停车不超过一分钟，再继续运转。

5）负荷试验

用户准备好典型零件的图纸和毛坯，在制造厂调试人员指导下编程和输入程序，选择切削刀具和切削用量。

负荷试验可按如下三步进行，粗车、重切削、精车。

每一步又分单一切削和循环程序切削。

每一次切削完成后检验零件已加工部位实际尺寸并与指令值进行比较，检验机床在负荷条件下的运行精度、即机床的综合加工精度，转塔刀架的转位精度。

6）验收

机床开箱验收，功能试验，空运转试验、负荷试验完成后，加工出合格产品，即可办理验收移交手续。

如有问题，制造厂应负责解决。

4．数控车床的使用条件

数控车床的正常使用必须满足如下条件，机床所处位置的电源电压波动小，环境温度低于30摄示度，相对温度小于80%。

1）机床位置环境要求

机床的位置应远离振源、应避免阳光直接照射和热辐射的影响，避免潮湿和气流的影响。

如机床附近有振源，则机床四周应设置防振沟。

否则将直接影响机床的加工精度及稳定性，将使电子元件接触不良，发生故障，影响机床的可靠性。

2）电源要求

一般数控车床安装在机加工车间，不仅环境温度变化大，使用条件差，而且各种机电设备多，致使电网波动大。

因此，安装数控车床的位置，需要电源电压有严格控制。

电源电压波动必须在允许范围内，并且保持相对稳定。

否则会影响数控系统的正常工作。

3）温度条件

数控车床的环境温度低于30摄示度，相对温度小于80%。

一般来说，数控电控箱内部设有排风扇或冷风机，以保持电子元件，特别是中央处理器工作温度恒定或温度差变化很小。

过高的温度和湿度将导致控制系统元件寿命降低，并导致故障增多。

温度和湿度的增高，灰尘增多会在集成电路板产生粘结，并导致短路。

4）按说明书的规定使用机床

用户在使用机床时，不允许随意改变控制系统内制造厂设定的参数。

这些参数的设定直接关系到机床各部件动态特征。

只有间隙补偿参数数值可根据实际情况予以调整。

用户不能随意更换机床附件，如使用超出说明书规定的液压卡盘。

制造厂在设置附件时，充分考虑各项环节参数的匹配。

盲目更换造成各项环节参数的不匹配，甚至造成估计不到的事故。

使用液压卡盘、液压刀架、液压尾座、液压油缸的压力，都应在许用应力范围内，不允许任意提高。

数控车削的工艺与工装

数控车床加工的工艺与普通车床的加工工艺类似，但由于数控车床是一次装夹，连续自动加工完成所有车削工序，因而应注意以下几个方面。

1合理选择切削用量

对于高效率的金属切削加工来说，被加工材料、切削工具、切削条件是三大要素。

这些决定着加工时间、刀具寿命和加工质量。

经济有效的加工方式必然是合理的选择了切削条件。

切削条件的三要素：

切削速度、进给量和切深直接引起刀具的损伤。

伴随着切削速度的提高，刀尖温度会上升，会产生机械的、化学的、热的磨损。

切削速度提高20%，刀具寿命会减少1/2。

进给条件与刀具后面磨损关系在极小的范围内产生。

但进给量大，切削温度上升，后面磨损大。

它比切削速度对刀具的影响小。

切深对刀具的影响虽然没有切削速度和进给量大，但在微小切深切削时，被切削材料产生硬化层，同样会影响刀具的寿命。

用户要根据被加工的材料、硬度、切削状态、材料种类、进给量、切深等选择使用的切削速度。

如下表：

最适合的加工条件的选定是在这些因素的基础上选定的。

有规则的、稳定的磨损达到寿命才是理想的条件。

然而，在实际作业中，刀具寿命的选择与刀具磨损、被加工尺寸变化、表面质量、切削噪声、加工热量等有关。

在确定加工条件时，需要根据实际情况进行研究。

对于不锈钢和耐热合金等难加工材料来说，可以采用冷却剂或选用刚性好的刀刃。

2.合理选择刀具

1）粗车时，要选强度高、耐用度好的刀具，以便满足粗车时大背吃刀量、大进给量的要求。

2）精车时，要选精度高、耐用度好的刀具，以保证加工精度的要求。

3）为减少换刀时间和方便对刀，应尽量采用机夹刀和机夹刀片。

3.合理选择夹具

1）尽量选用通用夹具装夹工件，避免采用专用夹具；

2）零件定位基准重合，以减少定位误差。

4.确定加工路线

加工路线是指数控机床加工过程中，刀具相对零件的运动轨迹和方向。

1）应能保证加工精度和表面粗糙要求；

2）应尽量缩短加工路线，减少刀具空行程时间。

5.加工路线与加工余量的联系

目前，在数控车床还未达到普及使用的条件下，一般应把毛坯上过多的余量，特别是含有锻、铸硬皮层的余量安排在普通车床上加工。

如必须用数控车床加工时，则需注意程序的灵活安排。

6.夹具安装要点

目前液压卡盘和液压夹紧油缸的连接是靠拉杆实现的，如图1。

液压卡盘夹紧要点如下：

首先用搬手卸下液压油缸上的螺帽，卸下拉管，并从主轴后端抽出，再用搬手卸下卡盘固定螺钉，即可卸下卡盘。

刀具上的修光刃指的是在刀具