空心轴类零件加工工艺设计及程序编制.docx

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空心轴类零件加工工艺设计及程序编制

摘要

空心轴是在轴的中心制一个孔或通孔，它通常是和轴承配合在机架或箱体上以实现传递运动和动力。

空心轴有的内壁光滑，有的有键槽，轴体的外面有阶梯形圆柱。

空心轴不但占用空间体积少，还可减轻设备重量、简化结构。

空心轴零件内部可穿测量电线，压缩空气，加入液压油或润滑油，或者做机器人的手臂等，还可以和其他零件进行配合，螺纹连接等。

虽空心轴有如此多的好处与用处，但空心轴类零件的加工却有它的难处，例如细长轴、内工艺槽、键槽以及有工艺精度等的加工。

所采用的加工设备也根据加工类型的不同而不同，但大多数是用数车加工。

关键词：

空心轴；工艺；程序；数控车床

Abstract

Thehollowshaftispreparedinthecenteroftheaxisofanapertureorthroughhole,whichisusuallyfittedintherackorcabinetandbearingtotransmitmotionandpower.Somehollowshaftwallissmooth,somekeywaysteppedcylindricalshaftbodyoutside.Hollowshaftnotonlytakeuplessspacevolume,canalsoreducetheweightoftheequipment,andsimplifythestructure.Insidethehollowshaftwearmeasurementwire,compressedair,addinghydraulicoilorlubricatingoil,ordotherobotarm,andotherpartswiththreadedconnection.Althoughtherearesomanybenefitsandusefulhollowshaft,hollowshaftpartsprocessingithasdifficulties,suchasslendershaftaxisprocesstank,keyways,andprocessprecisionmachining.Theprocessingequipmentusedisalsodifferentdependingonthetypeofmachining,butmostareprocessedwithseveralvehicles.

Keywords:

Hollowshaft;process;program;CNClathe;

绪论

国内空心长轴深孔的长径比很大，由于其刀具系统自身的刚性差，在切削过程中极易产生让刀变形和机械振动，不仅制约了生产效率的提高，造成零件内孔中心线偏移，也直接导致加工表面质量的下降。

1.1写论文的目的

改论文的目的仅仅是分享所有空心轴类零件大致的加工工艺和一些编程技巧，论文中偏向理论的较多。

由于复杂的空心轴类加工所用的加工切削机床各不一样，所以这里只讨论程序编制方法和加工路线设定，以及简单的常用切削指令。

.

1.2论文主要内容

（1）空心轴类零件的加工工艺设计。

主要讨论了加工技术要求，热处理，毛坯的选用。

（2）空心轴类零件的程序编制。

主要讨论了编程的概念，手编程序的特点与步骤，以及加工方案的确定。

（3）实例分析。

浅谈典型零件的加工。

第1章空心轴类零件的加工

1.1空心轴类零件的公用与结构特点

轴类零件是机器中主要的零件之一，而空心轴类零件也不例外。

它的主要功能是支承传动零件和传动扭矩，例如齿轮、带轮、离合器、机器手臂、液压等。

空心轴类零件和普通轴类零件一样，都是长度L大于直径d，轴通常是刚性轴。

空心轴类零件的加工表面主要有内外圆柱面、内外圆锥面、轴肩、螺纹、花键、沟槽等。

1.2空心轴类零件加工的技术要求

空心轴大部分是支承轴在机器的机架或箱体上，实现传动运动和动力的功能。

而在支承轴颈表面的精度及其与轴上传动件的配合表面的位置精度对轴的工作状态和精度有直接的影响。

当空心轴内孔与其他零件配合时，其内表面精度与圆度和同轴度也对整个机器的运转有直接的影响。

因此，空心轴类零件的技术要求通常包括以下几个方面。

1.2.1尺寸精度

空心轴类零件的支承轴颈一般与轴承配合，也是该零件的主要表面，影响轴的回转精度与工作状态，通常对其尺寸精度要求较高，为IT5～IT7级：

装配传动件的轴颈尺寸精度要求可以低一些，为IT6～IT9。

1.2.2形状精度

空心轴类的形状精度主要是支承轴颈的圆度、圆柱度，一般应将其控制在尺寸公差范围内，对精度要求的轴，应在图样上标注其形状公差。

1.2.3位置精度

保证配合轴颈相对支承轴颈的同轴度和圆跳动是轴类也是空心轴类零件位置精度的普遍要求，它会影响传动件的传动精度。

1.2.4表面精度

一般与传动零件配合的轴颈的表面粗糙度Ra值为2.5～6.3µｍ，与轴承相配合的支承轴颈的表面粗糙度Ra值为0.15～0.63µｍ。

1.3空心轴类零件加工的主要困难及措施

空心轴类零件形状多样，有轴表面有很多孔的，有细长的，内孔有很多阶梯且有尺寸公差的，所以在加工过程中难免会遇见很多难点。

常见的难点有一下几点。

（1）有以前没有见过的或是没有加工过的零件类型。

（2）在加工过程中，零件的刚性差尺寸长，加工时刀具很容易磨损。

（3）圆柱表面有很多需要有加工的焊接孔。

（4）加工过程中震动大，会发生沉闷刺耳的尖叫声，表面的粗糙度很难保证。

（5）加工时因刀具的磨损，切削力过大以及长度的影响容易出现锥度。

（6）被加工工件细长，内孔台阶、工艺槽、螺纹等代加工表面多，要求精度

也高，这类工件不论对刀具、机床精度、辅助工具的精度、切削用量的选择以及工艺安排都有很高的要求，需要公益性较强的综合技术。

根据以上的难点目前主要采取以下两大措施。

a.在加工时尽量减少加工时间，缩短加工周期。

工件在机床上被装夹的时间

尽量少，减小工件自然变形的程度。

如果刀具有所磨损应该及时更换刀具，在更换道具时机床主轴不宜停止运转，尤其是在精加工走最后一刀时尽量一刀走完。

b.根据刀具磨损和应刀具产生的锥度问题，在粗精加工时应采用合理的几何角度，减少刀具的磨损和震动；采用硬质合金材料的刀片与刀杆以解决深孔加工时道具系统刚性不足的问题都可以防止锥度的出现。

除此之外还可以才采用边加工边进刀的办法来克服锥度的出现，但这都是要根据夯实的经验进行的。

c.在加工细长空心轴时，通常采用改进工件的装夹方法（一般采用一夹一顶法），采用跟刀架、反进给以及合理选用车刀几何形状和角度。

1.4空心轴类零件的材料、毛坯以及热处理

为了保证空心轴类零件能够可靠的传递动力，除了正确的结构设计以外还应该正确的选材、毛坯类型和热处理方法。

1.4.1空心轴类零件的材料

空心轴类零件应根据其不同的工作条件和使用要求选择不同的材料和不同的

热处理方法，以获得一定的强度、韧性和耐磨性。

例如某药厂生产65,.,.

冰糖结晶器关键部件的空心轴,它的材质为1Cr18Ni9Ti的模锻件；再例如某航空发动机空心长轴涡轮轴是典型的薄壁空心细长轴类零件，其工作转速在10000r/min以上，材料为1Cr11Ni2W2MoV实心模锻件。

45号钢是一般空心轴类零件的常用材料，经过调制处理可以得到较好的切削韧性，而且也能获得较高的强度和综合力学性能。

40Cr等合金材料结构钢适合应用于中等精度而且转速较高的轴，这类钢料经过调质和表面淬火处理后也能具有较好的力学性能。

像轴承钢GCr15和弹簧钢65Mn可制造精度较高的空心轴类零件，这类钢材经过调质处理和表面高频感应加热淬火后在回火，表面硬度可以达到50～58HRC，也具有较高的耐疲劳韧性和耐磨性。

对于在高速、重载荷等条件下工作的轴，可选用20CrMnTi、20Mn2B等低碳合金钢或38CrMoAl中碳渗氮钢。

1.4.2空心轴类零件的毛坯

空心轴类零件常用的毛坯是圆棒料和锻件，某些大型或结构复杂的空心轴在质量允许下可用铸件来代替。

比较重要的，像航空发动机的涡轮轴等都采用锻件。

1.4.3空心轴类零件的热处理

空心轴类零件在机加工前后过程中一般都需要进行热处理工序。

在加工前对毛坯进行热处理的目的是改善材料的切削性能，消除毛坯在加工过程中的应力作用。

例如锻造毛坯在加工前进行退火或正火，这样可以使钢的晶粒细化，降低硬度有利于切削加工的同时也消除了锻造应力。

关于圆棒料毛坯，通过调制处理可以有效的或正火可以有效的改善材料的切削韧性。

加工前的热处理主要是防止在加工时产生切削应力，以保证后续加工工序的加工精度。

最终加工后的热处理是用来保证加工表面能达到设计要求的力学性能，同时消除加工带来的应力。

1.5空心轴类零件的加工工艺分析

1.5.1空心轴类零件的加工定位基准与装夹方法的选择

在空心轴类零件加工过程中，为了保证主要加工表面的相对位置，在选择定位基准是应当尽可能与装配基准重合并让各加工工序的定位基准统一，且还要考虑到在安装过程中尽可能加工出较多的待加工面。

在空心轴类零件加工时，精度基准通常有两种选择：

首选方法是采用顶尖作为定位基准，这样可以实现定位基准的统一，能在一次安装过程中加工出各段外圆表面及端面，这样可以很好的保证各个外圆表面的同轴度以及端面得到垂直度。

这样不仅可以得到较高的加工效益，被选用的夹具结构也简单。

加工空心轴轴类零件的原则一般为先面后孔原则，所以在加工轴的表面前先打中心孔，以后的工序都用顶尖定位。

若空心轴类零件在加工孔时，中心孔会消失，那么可以采用以下两种方法解决：

（1）在空心轴被加工的孔的直径较小时，可直接在孔口倒出宽度不大于2mm

的

锥面，用倒角锥面来代替中心孔。

（2）在不宜采用倒角锥面作为定位基准时，可以采用中心孔的锥堵或带锥

堵的拉杆心轴。

锥堵与工件配合表面应根据工件形状做成相应的锥形。

如果轴的一端是圆孔，那么锥堵的锥度应取1:

500。

一般情况下，锥堵安装好后不宜拆卸和更换，如果必须拆卸，重新安装后必须按重要外圆进行找正和修磨中心孔。

如果轴的长径较长，且刚性也较差，通常情况下还需要增加中间支承来提高整个系统的刚性，常用的支架有跟刀架和中心架。

基准选择的另一个方案是采用支承轴径来定位,因为支承轴既是装配基准，也是个表面相互位置的设计基准。

这样的定位基准重合的原则不会产生基准不重合的误差，也容易保证各表面间的位置精度。

1.5.2空心轴类零件中心孔和锥堵的修研

中心孔或锥堵作为定位基准时中心孔的形状误差会复制到加工表面上去，中心孔与顶尖的接接触精度也将直接影响加工误差，因此对于精密空心轴类零件在拟定工艺过程时必须保证中心孔或锥堵具有较高的加工精度。

在加工单件小批量空心轴类零件时，该中心孔主要是在卧式车床或钻床上钻出；在大批量生产时，均用铣削端面打孔机床来加工孔，不但生产效率高，而且能保证两端面的中心孔能在同一轴线上和保证一批工件两端的中心孔间距离相等。

空心轴类零件的中心孔或锥堵经过多次使用后有可能磨损或者拉毛，也有可能在热处理时以及应力的作用下让表面产生氧化皮或发生位置变动，因此在各个加工阶段必须研修中心孔或锥堵，甚至要重新钻中心孔或重新换锥堵。

若锥堵采用特殊硬质材料研制，则可以具有较好的抗磨损能力。

修研中心孔的常用方法有：

（1）采用油石或橡胶砂轮修研

修研时将圆柱形的油石或橡胶砂轮装夹在机床的主轴卡盘上，用装在装刀架

金刚石笔将它前端修成尖形，然后将工件顶在油石或橡皮砂轮和车床后顶尖之间，加入少量的润滑油之后，用高速开动机床使油石或橡皮砂轮转动进行修研；同时手持工件继续转动已达到均匀修整的目的。

这种方法油石或砂轮的损耗量比较大，不适合大批量修研。

（2）用硬质合金顶尖修研

当修研的工具为硬质合金时，它的结构是在

锥面上磨出六角形来，并留有

f=0.2～0.5mm的等宽切削刃。

这种方法生产效率高，但研修的质量稍微差些，多用于普通待加工空心轴孔孔前的中心孔,经常用于普通空心轴中心修研或作为精密轴中心修研。

（3）用中心孔专用磨床磨削

采用这种方法可以达到较高的精度和效率，表面粗糙度可达Ra0.32μm，圆度可达。

1.5.3空心轴类零件典型加工工艺路线

关于表面粗糙度为Ra1～0.5μm，精度为7级的一般传动空心轴，起典型工艺路线为：

正火→车端面、打中心孔→粗车各表面→精车各表面→铣花键、键槽等→热处理精车外圆→精车内圆→精磨外圆→检验。

空心轴类零件的粗车、半精车虽然都是在车床上进行，但随着批量不同，所选的机床也不同，加工方法存在较大差异。

一般单件小批量生产中使用卧式车床，大批量则广泛采用液压仿形车床或多刀位半自动车床；对于形状复杂的零件，在转塔车床或数控车床上加工的效果会更好。

轴上有花键、键槽等次要加工的空心轴类零件，一般在精车外圆后磨削之前进行。

因为若在精车前就铣出键槽，在精车时由于断续切削而容易产生振动，影响加工质量，又容易损坏刀具，也难以控制键槽的尺寸要求；当然，它们的加工也不宜放在主要表面的磨削之后进行，以免划伤已加工好的主要表面。

在空心轴类零件的加工过程中，通常都要安排适当的热处理，以保证零件的力学性能和加工精度，并改善切削加工性。

一般毛坯锻造后安排正火工序，而调质处理则安排在粗加工后，以消除粗加工产生的应力以及获得加好的金相组织。

如果工件表面有一定的硬度要求，则需要在磨削之前安排淬火工序或在粗磨后、精磨前安排离子渗氮等处理温度较低的处理工序。

第2章空心轴类零件的程序编制

数控加工工艺与编程是一门重要的专业课程，理论和实践性强，是对所学的专业知识的综合应用，这门课程对于实际操作数控机床提出了一定级别的要求，与相关课程知识有着紧密的联系。

数控车削加工工艺遵循机械加工工艺理论的基本原理。

而在空心轴类零件中孔的加工为居多。

孔加工是机械加工中面广量大的加工方式。

工程上规定孔深L和孔径d0之比大于5的孔称为深孔。

在孔加工中,40%以上是深孔加工。

在数控加工中采用立式加工中心和数控铣床进行孔加工是最普通的加工方法。

但是当进行深孔加工时,则较为困难。

深孔加工中除合理选择刀具和切削用量外,还需解决3个主要问题:

排屑、冷却钻头和使加工周期最小化。

本文从编程方面讨论解决深孔加工的主要问题。

所以数控程序编制也是很有技术含量的。

2.1数控编程的概念

数控机床是一种高效的自动化加工设备，他严格按照加工程序自动对被加工工件进行切削加工。

我们把从数控系统外部输入的直接用于加工的程序称为数控加工程序。

与数控系统应用软件相对应的是数控系统内部的系统软件，系统软件用于系统工作内部的控制。

数控系统的种类繁多，他们使用的数控程序语言规则和格式也不尽相同。

在编制数控加工程序前，首先应了解数控程序的主要工作内容，程序编制的工作步骤，每一步应遵循的工作原则等，最终才能获得满足加工要求的数控程序。

采用数控机床加工零件，首先要编写表示加工零件的全部工艺过程、工艺参数和位移数据的加工程序，以控制机床的运作来切削加工零件。

所以应必须根据零件图纸与工艺方案用数控机床规定程序格式和指定的代码来编制零件程序给出工件运动的方向和坐标值，以及数控机床进给的速度，主轴的启停，正反转以及冷却开关的动作，刀具夹紧等加工信息，将之记录在控制介质上，并输入数控装置，从而控制数控机床的运动。

这种从零件图纸到制成数控控制介质的过程称为数控程序的编制。

2.2手编数控程序的特点与步骤

手工编制主要有人工来完成程序编制工作中的各个阶段的工作。

一般是针对几何形状不太复杂的零件，所需加工程序不长，计算也比较简单的适合用手工来编制程序。

手工编程的特点是，消耗的时间长，容易出现错误，无法胜任复杂零件的编程。

据国外的资料统计，当采用手工编程时，一段程序的编制时间与在机床上运行的时间之比的值平均为30：

1，而数控机床很难开动的原因中20%～30%是由于加工程序编制困难，编程时间较长。

手工编程的步骤。

2.2.1分析工件图样

分析工件的材料、形状、尺寸、精度以及毛坯形状和热处理条件等，以便确定

该零件是否适合在机床上加工，或适合在哪一种机床上加工。

只要有那些属于小批量，形状复杂，精度要求高以及加工周期短的零件才适合数控加工。

同时要明确加工类容和要求。

2.2.2确定加工工艺过程

对零件图样作了全面分析的前提下，确定零件加工方法（例如采用的工件夹具，装夹定位方法等、加工路线（如对刀点、换刀点、进给路线等）及切削用量等工艺参数（例如切削速度，进给速度、主轴转速、切削升读和宽度）。

制定数控加工时，除考虑数控机床使用的合理性及经济外，还应考虑所用工件夹具应便于安装，便于协调工件以及数控机床坐标系的尺寸关系。

对刀点应选在容易找正并在加工过程中容易检查的位置，进给路线尽量短，并使数值容易计算，加工安全可靠等。

2.2.3数值计算

根据工件图及确定的加工路线和切削用量，计算出数控车床所需要的输入数据。

数值计算主要包括计算工件的轮廓基点和节点坐标等。

2.2.4编写零件加工程序单

根据加工路线，计算出刀具运动的轨迹坐标值和已确定的切削用量以及辅助动作，依据数控装置规定使用的指令代码和程序格式，逐段编写零件加工程序单。

编程人员必须对所用数控机床的性能、程序指令和代码都非常熟悉才能正确编写出加工程序。

2.2.5程序输入数控系统

程序单编好之后，需要通过一定的方法将其输入到数控系统。

通常的输入方法有：

（1）手动数据输入

所编写程序单的内容，通过数控系统键盘上各种数值、字母、符号键进行输入，

同时利用CRT显示内容进行检查。

这就是将程序单的内容通过数控机床的键盘手动输入到数控系统。

（2）用控制介质输入

控制介质多采用穿孔纸带、磁带、磁盘等。

穿孔纸带上的程序代码通过光电阅读机输入给系统，控制数控机床工作。

而磁带、磁盘是通过磁带收录机、磁盘驱动器等装置输入数控系统。

（3）通过数控机床的通信接口输入

将数控加工程序通过与机床控制通信接口的电缆快速直接输入到数控机床。

2.2.6校对加工程序

通常数控加工程序输入完成之后，需要校对其是否有误。

一般是将其加工程序

到数控机床后空运行检验同时看其模拟轨迹，以检验机床运作和运动轨迹是否正确。

2.2.7首件试加工

校对后的加工程序还不能确定出因程序计算不准确或刀具调整不适当造成加工误差大小，因此还必须通过首件试切的方法来来进行实际检查，进一步考察程序单的正确性并检验工件的加工精度是否达到要求。

根据试切情况反应来进行修改程序单和尺寸补偿等，知道加工出满意的为止。

2.3数控车编程如何确定加工方案

2.3.1零件分析

分析被加工零件图样，明确加工路线和技术要求。

在数控机床上加工零件时，考虑主要因素概括为三点：

零件技术要求能否保证，对提高生产率是否利，经济上是否合算。

（1）确定工件坐标。

工件坐标系的选择原则是既方便编程，又方便在机床上建立坐标系。

（2）选择合理的加工参数。

在加工过程中，应根据刀具和零件精度要求来选择合理的主轴转速、进给速度和加工深度。

（3）确定工艺路线。

首先应确定起刀点应便于检查和装夹工件；其次确定粗、

精车路线，在保证零件尺寸精度和表面光洁度以及加工参数要求的前提下，尽可能以最少的加工路线完成零件加工，以提高效率；最后确定换刀点，换刀点是加工过程中刀架进行自动换刀的位置，换到位置的选择应考虑在换刀过程中不发生干涉现象。

（4）合理选着刀具。

加工零件的形状和精度要求，选择适合的刀具进行加工。

2.3.2确定加工方案的原则

加工方案又称工艺方案，数控机床的加工方案包括制定工序、工步及走刀路线等内容。

在数控机床加工过程中，由于加工对象复杂多样，特别是轮廓曲线的形状及位置千变万化，加上材料不同、批量不同等多方面因素的影响，在对具体零件制定加工方案时，应该进行具体分析和区别对待，灵活处理。

只有这样，才能使所制定的加工方案合理，从而达到质量优、效率高和成本低的目的。

制定加工方案的一般原则为：

先粗后精，先近后远，先内后外，程序段最少，走刀路线最短以及特殊情况特殊处理。

2.3.3加工路线与加工余量的关系

在数控车床还未达到普及使用的条件下，一般应把毛坯件上过多的余量，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，则要注意程序的灵活安排。

安排一些子程序对余量过多的部位先作一定的切削加工。

（1）对大余量毛坯进行阶梯切削时的加工路线

（2）分层切削时刀具的终止位置

2.3.4车螺纹时的主轴转速

数控车床加工螺纹时，因其传动链的改变，原则上其转速只要能保证主轴每转一周时，刀具沿主进给轴轴方向位移一个螺距即可，不应受到限制。

但数控车床加工螺纹时，会受到以下几方面的影响：

（1）螺纹加工程序段中指令的螺距（导程）值，相当于以进给量（mm/r）表示

的进给速度F，如果将机床的主轴转速选择过高，其换算后的进给速度（mm/min）则必定大大超过正常值。

（2）刀具在其位移的始/终，都将受到伺服驱动系统升/降频率和数控装置插补

运算速度的约束，由于升/降频特性满足不了加工需要等原因，则可能因主进给运动产生出的“超前”和“滞后”而导致部分螺牙的螺距不符合要求。

（3）车削螺纹必须通过主轴的同步运行功能而实现，即车削螺纹需要有主轴脉

冲发生器（编码器）。

当其主轴转速选择过高，通过编码器发出的定位脉冲（即主轴每转一周时所发出的一个基准脉冲信号）将可能因“过冲”特别是当编码器的质量不稳定时而导致工件螺纹产生乱扣。

因此，车螺纹时，主轴转速的确定应遵循以下几个原则：

（4）在保证生产效率和正常切削的情况下，宜选择较低的主轴转速；

（6）当螺纹加工程序段中的导入长度和切出长度考虑比较充裕，即螺纹进给距

离超过图样上规定螺纹的长度较大时，可选择适当高一些的主轴转速；

（6）当编码器所规定的允许工作转速超过机床所规定主轴的最大转速时，则可

选择尽量高一些的主轴转速；

（7）通常情况下，车螺纹时的主轴转速螺应按其机床或数控系统说明书中规定

的计算式进行确定。

第3章空心轴实例数控加工简单分析

随着科学技术的发展，导致产品更新换代的加快和人们需求的多样化，产品的生产也趋向种类多样化、批量中小型化。

为适应这一变化，数控（NC）设备在企业中的作用愈来愈大。

我校作为国家级重点职校，为顺应时代潮流，重点建设数控专业，选购了FANUCMateOi数控车床。

它与普通车床相比，一个显著的优点是：

对零件变化的适应性强，更换零件只需改变相应的程序，对刀具进行简单的调整即可做出合格的零件，为节约成本赢得先机。

数控车床虽然加工柔性比普通车床优越，但单就某一种零件的生产效率而言，与普通车床还存在一定的差距。

因此，提高数控车床的效率便成为关键，而合理运用编程技巧，编制高效率的加工程序，对提高机床效率往往具有意想不到的效果。

在此总结的一些适用于FANUCMateOi数控车床指令，包括G、M、S、T。

其中G指令为准备功能指令，M指令为辅助功能指令，S为主轴转速控制指令，T为刀具选择指令。

下表列出了部分常用的指令代码及含义。

代码符号代码含义代码符号代码含义

G90绝对值输入G31等导程螺纹切削

G91相对值输入G32跳步功能

G00快速点定位M02、M03程序结束

G01直线插补M00程序停机

G02、G03顺圆和逆圆插补M01选择停机

G28自动返回参考点M98调用子程序

G04暂停M99子程序结束

3.1实例加工工艺简单分析