轴套类零件加工工艺分析论文.docx

轴套类零件加工工艺分析论文.docx

《轴套类零件加工工艺分析论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《轴套类零件加工工艺分析论文.docx（20页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

轴套类零件加工工艺分析论文

毕业论文

论文题目:

轴套类零件加工工艺分析

系别及专业:

机电系数控技术

姓名:

刘丽

完成日期:

2011年3月30日

摘要

数控技术是数字控制（NumericalControl）技术的简称。

它采用数字化信号对被控制设备进行控制，使其产生各种规定的运动和动作。

利用数控技术可以把生产过程用某中语言编写的程序来描述，将程序以数字形式送入计算机或专用的数字计算装置进行处理输出，并控制生产过程中相应的执行程序，从而使生产过程能在无人干预的情况下自动进行，实现生产过程的自动化。

采用数控技术的控制系统称为数控系统（NumericalControlSystem）。

根据被控对象的不同，存在多种数控系统，其中产生最早应用最广泛的是机械加工行业中的各种机床数控系统。

安装有数控系统的机床称为数控机床。

它是数控系统与机床本体的结合体。

数控车床是数控系统与车床本体的结合体；数控铣床是数控系统与铣床本体的结合体。

除此之外还有数控线切割机床和数控加工中心等。

数控机床是具有高附加值的技术密集型产品，是集机械、计算机、微电子、现代控制及精密测量等多种现代技术为一体的高度机电一体化设备。

数控机床的产生使传统的机械加工发生了巨大的变化，这不仅表现在复杂工件的制造成为可能，更表现在采用了数控技术后使生产加工过程真正实现了自动化。

关键词：

数控技术  轴类零件加工运动

第一章概述

1.1数控机床的生产与发展

 1．数控机床的产生

  社会需求是推动生产力发展最有力的因素。

二十世纪四十年代，由于航空航天技术的飞速发展，对飞行器的加工提出了更高的要求，这些零件大多形状非常复杂，材料多为难加工的合金。

用传统的机床和工艺方法进行加工，不能保证精度，也很难提高生产效率。

为了解决零件复杂形状表面的加工问题，1952年，美国帕森斯公司和麻省理工学院研制成功了世界上第一台数控机床。

半个世纪以来，数控技术得到了迅猛的发展，加工精度和生产效率不断提高。

数控机床的发展至今已经历了两个阶段和六个时代：

（1）数控（NC）阶段（1952年～1970年）

  早期的计算机运算速度低，不能适应机床实时控制的要求，人们只好用数字逻辑电路“搭”成一台机床专用计算机作为数控系统，这就是硬件连接数控，简称数控（NC）。

随着电子元器件的发展，这个阶段经历了三代，即1952年的第一代——电子管数控机床，1959年的第二代——晶体管数控机床，1965年的第三代——集成电路数控机床。

（2）计算机数控（CNC）阶段（1970年～现在）

  1970年，通用小型计算机已出现并投入成批生产，人们将它移植过来作为数控系统的核心部件，从此进入计算机数控阶段。

这个阶段也经历了三代，即1970年的第四代——小型计算机数控机床，1974年的第五代——微型计算机数控系统，1990年的第六代——基于PC的数控机床。

  随着微电子技术和计算机技术的不断发展，数控技术也随之不断更新，发展非常迅速，几乎每5年更新换代一次，其在制造领域的加工优势逐渐体现出来。

 2、数控机床的发展趋势

数控机床的出现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发展和应用领域的扩大，它对国计民生的一些重要行业（IT、汽车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。

当前世界上数控机床的发展呈现如下趋势：

（1）高速度、高精度化

速度和精度是数控机床的两个重要技术指标，它直接关系到加工效率和产品质量。

对于数控机床，高速度化首先是要求计算机数控系统在读入加工指令数据后，能高速度处理并计算出伺服电机的位移量，并要求伺服电机高速度地做出反应。

此外，要实现生产系统的高速度化，还必须谋求主轴转速、进给率、刀具交换、托盘交换等各种关键部件也要实现高速度化。

提高数控机床的加工精度，一般是通过减少数控系统的误差和采用补偿技术来达到。

在减少数控系统误差方面，一般采取三种方法：

①提高数控系统的分辨率、以微小程序段实现连续进给；②提高位置检测精度；③位置伺服系统采用前馈控制与非线性控制。

在采用补偿技术方面，除采用间隙补偿、丝杠螺距补偿和刀具补偿等技术外，还采用了热变形补偿技术。

（2）多功能化

   一机多能的数控机床，可以最大限度地提高设备的利用率。

为了提高效率，新型数控机床在控制系统和机床结构上也有所改革。

例如，采取多系统混合控制方式，用不同的切削方式（车、钻、铣、攻螺纹等）同时加工零件的不同部位等。

目前，国产数控系统控制轴数多达16轴，同时联动的轴数已达到9轴。

 （3）智能化

  数控机床应用高技术的重要目标是智能化。

智能化技术主要体现在以下几个方面：

  ①引进自适应控制技术

  自适应控制技术是要求在随机的加工过程中，通过自动调节加工过程中所测得的工作状态、特性，按照给定的评价指标自动校正自身的工作参数，以达到或接近最佳工作状态。

  ②附加人机会话自动编程功能

  建立切削用量专家系统和示教系统，从而达到提高编程效率和降低对编程人员技术水平的要求。

  ③具有设备故障自诊断功能

  数控系统出了故障，控制系统能够进行自诊断，并自动采取排除故障的措施，以适应长时间无人操作环境的要求。

 （4）小型化

  蓬勃发展的机电一体化设备，对数控系统提出了小型化的要求，体积小型化便于将机、电装置揉合为一体。

日本新开发的FS16和FS18都采用了三维安装方法，使电子元器件得以高密度地安装，大大地缩小了系统的占有空间。

 （5）高可靠性

  数控系统比较贵重，用户期望发挥投资效益，因此要求设备具有高可靠性。

特别是对在长时间无人操作环境下运行的数控系统，可靠性成为人们最为关注的问题。

由于采取了各种有效的可靠性措施，现代数控机床的平均无故障时间（MTBF）可达到10000～36000h。

数控机床加工的特点及应用

 3、数控机床加工的特点

  数控机床与普通机床相比，具有以下特点：

（1）可以加工具有复杂型面的工件

  在数控机床上加工零件，零件的形状主要取决于加工程序。

因此只要能编写出程序，无论工件多么复杂都能加工。

例如，采用五轴联动的数控机床，就能加工螺旋桨的复杂空间曲面。

（2）加工精度高，质量稳定

  数控机床本身的精度比普通机床高，一般数控机床的定位精度为±0.01㎜，重复定位精度为±0.005㎜，在加工过程中操作人员不参与操作，因此工件的加工精度全部由数控机床保证，消除了操作者的人为误差；又因为数控加工采用工序集中，减少了工件多次装夹对加工精度的影响，所以工件的精度高，尺寸一致性好，质量稳定。

 （3）生产率高

  数控机床可有效地减少零件的加工时间和辅助时间。

数控机床主轴转速和进给量的调节范围大，允许机床进行大切削量的强力切削，从而有效地节省了加工时间。

数控机床移动部件在定位中均采用了加速和减速措施，并可选用很高的空行程运动速度，缩短了定位和非切削时间。

对于复杂的零件可以采用计算机自动编程，而零件又往往安装在简单的定位夹紧装置中，从而加速了生产准备过程。

尤其在使用加工中心时，工件只需一次装夹就能完成多道工序的连续加工，减少了半成品的周转时间，生产率的提高更为明显。

此外，数控机床能进行重复性操作，尺寸一致性好，减少了次品率和检验时间。

 （4）改善劳动条件

  使用数控机床加工零件时，操作者的主要任务是程序编辑、程序输入、装卸零件、刀具准备、加工状态的观测、零件的检验等，劳动强度极大降低，机床操作者的劳动趋于智力型工作。

另外，机床一般是封闭式加工，既清洁，又安全。

 （5）有利于生产管理现代化

  使用数控机床加工零件，可预先精确估算出零件的加工时间，所使用的刀具、夹具可进行规范化、现代化管理。

数控机床使用数字信号与标准代码为控制信息，易于实现加工信息的标准化，目前已与计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）有机地结合起来，是现代集成制造技术的基础。

  4、数控机床的适用范围

  从数控机床加工的特点可以看出，数控机床加工的主要对象有：

（1）多品种、单件小批量生产的零件或新产品试制中的零件；

（2）几何形状复杂的零件；

 （3）精度及表面粗糙度要求高的零件；

 （4）加工过程中需要进行多工序加工的零件；

 （5）用普通机床加工时，需要昂贵工装设备（工具、夹具和模具）的零件。

1.2数控机床的分类

1）按控制刀具与工件相对运动轨迹分类

点位控制（PointtoPointControl）或位置控制（Positioning）数控机床

轮廓控制ContouringControl数控机床

2）按加工方式分类

a.金属切削类：

如数控车、钻、镗、铣、磨、加工中心等。

b.金属成型类：

如数控折弯机、弯管机、四转头压力机等。

c.特殊加工类：

如数控线切割、电火花、激光切割机等。

d.其他类：

如数控火焰切割机、三坐标测量机等。

3）按控制坐标轴数分类

a.两坐标数控机床：

两轴联动，用于加工各种曲线轮廓的回转体，如数控车床。

b.三坐标数控机床：

三轴联动，多用于加工曲面零件，如数控铣床、数控磨床。

c.多坐标数控机床：

四轴或五轴联动，多用于加工形状复杂的零件。

4）.按驱动系统的控制方式分类

a.开环控制数控机床

b.闭环控制（ClosedLoopControl）数控机床

c.半闭环控制（Semi-closedLoopControl）数控机床

第二章轴套类零件加工工艺分析

2.1轴套类零件加工工艺分析

轴类零件是机器中经常遇到的典型零件之一。

它主要用来支承传动零部件，传递扭矩和承受载荷。

轴类零件是旋转体零件，其长度大于直径，一般由同心轴的外圆柱面、圆锥面、内孔和螺纹及相应的端面所组成。

根据结构形状的不同，轴类零件可分为光轴、阶梯轴、空心轴和曲轴等。

轴的长径比小于5的称为短轴，大于20的称为细长轴，大多数轴介于两者之间。

轴用轴承支承，与轴承配合的轴段称为轴颈。

轴颈是轴的装配基准，它们的精度和表面质量一般要求较高，其技术要求一般根据轴的主要功用和工作条件制定。

主要要求如下：

a.尺寸精度比一般的零件的尺寸精度要求高。

轴类零件中支承轴颈的精度要求最高，为IT5～IT7；配合轴颈的尺寸精度要求可以低一些，为IT6～IT9。

b.形状精度高。

c.位置精度高，其一般轴的径向跳动为0.01～0.03，高精度的轴为0.001～0.005。

d.表面粗糙度比一般的零件高，支承轴颈和重要表面的表面粗糙度Ra常为0.1～0.8um，配合轴颈和次要表面的表面粗糙度Ra为0.8～3.2um。

轴类零件一般常用的材料有45钢、40Cr合金钢、轴承钢GCr15和弹簧钢65Mn，还有20CrMoTi、20Mn2B、20Cr等。

轴类零件最常用的毛坯是棒料和锻件，只有一些大型或结构复杂的轴，在质量允许时才采用铸件。

由于毛坯经过锻造后，能使金属内部纤维组织沿表面均匀分布，可获得较高的抗拉、抗弯及抗扭强度。

所以除了光轴、直径相差不大的阶梯轴可使用热轧料棒料或冷拉棒料外，一般比较重要的轴大都采用锻件。

另外轴类零件的毛坯还需要经过热处理。

轴的结构设计原则：

a.节约材料，减轻重量尽量采用等强度的外形尺寸，或大的截面系数的截面形状。

b.易于轴上零件的精确定位，稳固装配拆卸和调整。

c.采用各种减少应力应用和提高强度的结构措施。

d.便于加工制造和保证精度。

轴类零件中工艺规程的制订，直接关系到工件质量、劳动生产率和经济效益。

一零件可以有几种不同的加工方法，但只有某一种较合理，在制订机械加工工艺规程中。

须注意以下几点：

a.零件图工艺分析中，需理解零件结构特点、精度、材质、热处理等技术要求，且要研究产品装配图，部件装配图及验收标准。

b.渗碳件加工工艺路线一般为：

下料→锻造→正火→粗加工→半精加工→渗碳→去碳加工→淬火→车螺纹、钻孔或铣槽→粗磨→低温时效→半精磨→低温时效→精磨。

c.粗基准选择：

有非加工表面，应选非加工表面作为粗基准。

对所有表面都需加工的铸件轴，根据加工余量最小表面找正。

且选择平整光滑表面，让开浇口处。

选牢固可靠表面为粗基准，同时，粗基准不可重复使用。

d.精基准选择：

要符合基准重合原则，尽可能选设计基准或装配基准作为定位基准。

符合基准统一原则。

尽可能在多数工序中用同一个定位基准。

尽可能使定位基准与测量基准重合。

选择精度高、安装稳定可靠表面为精基准。

2.2零件图纸的工艺分析

如图3.2.1-1

该轴类零件由圆柱、圆锥、圆弧、螺纹和槽等表面组成。

零件材料为45号钢，无热处理要求，该零件进行精加工，图3.2.1-1中Φ70不加工。

通过上述分析，可以采用下面的工艺措施：

选用具有直线、圆弧插补功能的数控车床加工，机床名称：

CJK6032A数控机床,如下图:

3.2.1-2所示。

如图:

3.2.1-2

相关参数如下：

a.零件螺纹外径、圆锥、侧角、外圆和台阶可一次加工，圆弧已大于90°，加工是要注意保证加工不干涉。

b.为便于装夹，坯件左端预车出加持部分，右端也应先车出并钻好中心孔，毛坯用料为直径70mm棒料。

c.该零件在加工中只需要一次装夹加工，从图纸上进行尺寸标注分析：

工件坐标系的工件原点应选择定在零件装夹后的右端面圆心处O（0，0）点，如图3.2.1-1所示。

2.3确定装夹方案

由于夹具确定了零件在数控机床坐标系中的位置，因而根据要求夹具能保证零件在机床的正确坐标方向，同时协调零件与机床坐标系的尺寸。

因此数控机床的夹具应定位可靠、稳定，一般采用三爪自定心卡盘、四爪单动卡盘或弹簧夹头。

分析本工件为外轮廓加工，外表面可以依次加工，无内孔，可采用一次装夹完成粗、精加工。

为了保证在加工螺纹时确保工件不来回晃动,减少误差,一般以轴线和左端面为定位基准,左端采用三爪自定心卡盘定心夹紧,右端采用活动顶尖支撑装夹方案。

2.4确定加工路线及进给路线

加工顺序的确定按由内到外、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件表面。

因此在本设计中加工路线是按先粗车（给精车留余量1mm），然后再精车，按先主后次的加工原则尽量使“刀具集中”，即用一把刀加工完相应的部位，在换另一把刀加工其他部位。

以减少空行程和换刀时间，因此：

a.车外圆：

自右向左加工，起加工路线为：

先倒角——切削螺纹的实际外圆Φ28——侧角——切削锥度部分——撤消圆弧部分——车削Φ66。

b.切槽：

考虑到槽不太宽，可采用一把刀一刀完成，选择刀具宽度与槽宽相等，分多刀步进切削。

步进深度为1mm。

c.车螺纹：

分析螺纹深度不深，采用两刀完成螺纹加工。

d.切断：

零件加工结束后，选择切断刀将工件从棒料上分离出来完成一个零件的加工。

加工路线如下图3.2.3所示（数控自动加工工序卡）：

如图3.2.3

软件职业技术学院

数控自动加工工序卡

型别

车削

零件图号

零件名称

轴类零件

3—1　

设备名称

车床　

设备型号

CJK6032A

程序号

%0001　

基本材料

45＃钢

硬度

HRC26-28

工序名称　

区域车削

工序号

NC01　

工步号

工步内容

夹刀具

量具

编号

名称

编号

名称

　1

粗车外圆　

　01

外圆车刀

　01

游标卡尺

　2

精车槽

　02

切槽刀

　02

千分尺

　3

精车螺纹

　03

螺纹刀

　01

游标卡尺

　4

精车外圆

　03

螺纹刀

　02

千分尺

2.5刀具的选择

与普通机床相比，数控加工时对刀具提出了更高的要求，不仅要求刚性好、精度高，而且要求尺寸稳定、耐用度高、断屑和排屑性能好，同时要求安装调整方便，满足数控机床的高效率。

因此，刀具的选择是数控车削加工工艺中的重要内容之一,它不仅影响机床加工效率而且直接影响零件的加工质量。

在编程时选择刀具通常要考虑机床的加工能力、工序内容、被加工零件材料等因素。

数控加工刀具材料要求采用新型优质材料，一般原则是尽可能选择硬质合金精密加工时还可选择性能更好、更耐磨的陶瓷立方氮化硼和金刚石刀具并优选刀具参数。

一般来说需将所选定的刀具参数填入表轴承套数控加工刀具卡片中，以便于编程和操作管理。

常见的轴套类数控加工刀具如下。

 轴承套数控加工刀具卡片

产品名称或代号

数控车工艺分析实例

零件名称

轴承套

零件图号

Lathe-01

序号

刀具号

刀具规格名称

数量

加工表面

刀尖半径mm

备注

1

T01

45°硬质合金端面车刀

1

 车端面

2

T02

中心钻

1

 钻中心孔

3

T03

割槽刀

1

 割槽

4

T04

镗刀

1

 镗内孔各表面

5

T05

90°外圆车刀

1

 车外圆表面

6

T06

大钻头

1

 钻底孔

7

T07

60°外螺纹车刀

1

 车M45螺纹

编制

张忠祥

审核

批准

年月日

共1页

第1页

根据加工要求，选用三把刀具，Ⅰ号刀车外圆，Ⅱ号刀切槽，Ⅲ号刀车螺纹及进行精加工。

刀具应正确的选择换刀点，以便在换刀过程中，刀具与工作机床和夹具不会碰撞。

此设计中，换刀点为P（100，100）见图2.2.1-1。

a.粗车外轮廓选择硬质合金90度外圆刀，其副偏角应取大一些为防止干涉，现取副偏角为35度；

b.切槽选择硬质合金切槽刀，刀尖宽度为5mm；

c.精车倒角、外圆、圆锥、圆弧。

车M28Χ1.5螺纹，应选用硬质合金60°外螺纹刀，取刀尖半径为0.15～0.2mm。

刀具选择完毕、工件装夹方式确定后，即可通过确定工件原点来确定工件坐标系。

如果要运行这一程序来加工工件，必须确定刀具在工件坐标系开始运动的起点。

程序起始点或起刀点一般通过对刀来确定，所以，该点又称为对刀点。

在编制程序时，要正确选择对刀点的位置。

对刀点设置原则是：

a.便于数值处理和简化程序编制；

b.易于找正并在加工过程中便于查找；

c.引起的加工误差小。

对刀点可以设置在加工零件上，也可以设置在夹具或机床上。

2.6选择切削用量

数控编程时，编程人员必须确定每道工序的切削用量，并以指令的形式写入程序中。

切削用量包括主轴转速、背吃刀量及进给速度等。

对于不同的加工方法，需要选用不同的切削用量。

切削用量的选择原则是：

保证零件加工精度和表面粗糙度，充分发挥刀具切削性能，保证合理的刀具耐用度；并充分发挥机床的性能，最大限度提高生产率，降低成本。

1、主轴转速的确定

主轴转速应根据允许的切削速度和工件（或刀具）直径来选择。

 根据本次加工的实际情况选择主轴转速为：

车直线、圆弧和切槽时其粗车主轴转速为400r/min，精车时，主轴转速900r/min，车螺纹时的主轴转速为400r/min。

2、进给速度的确定

进给速度是数控机床切削用量中的重要参数，主要根据零件的加工进度和表面粗糙度要求以及刀具、工件的材料性质选取。

最大进给速度受机床刚度和进给系统的性能限制。

一般粗车选用较高的进给速度，以便较快去除毛坯余量，精车以考虑表面粗糙和零件精度为原则，应选择较低的进给速度，得出下表

粗

精

外圆

0.15min/r

0.08min/r

内孔

0.05min/r

0.04min/r

槽

0.04min/r

在本例中选择进给速度为：

粗车时，选取进给量为0.14mm/r，精车时，选取进给量为0.08mm/r，车螺纹时，进给量等于螺纹导程，选为1.5mm/r。

3、背吃刀量确定

背吃刀量根据机床、工件和刀具的刚度来决定，在刚度允许的条件下，应尽可能使背吃刀量等于工件的加工余量（除去精车量），这样可以减少走刀次数，提高生产效率。

为了保证加工表面质量，可留少量精加工余量，一般0.2-0.4mm。

本例中，背吃刀量的选择大致为如下表3.3.3：

粗

精

外圆

1.5-2（mm）

0.2-0.4（mm）

内孔

1-1.5（mm）

0.1-0.3（mm）

螺纹

随进刀次数依次减少

槽

根据刀宽，分两次进行

注意：

 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，为保证零件表面粗糙度要求，背吃刀量一般取0.l~0.4mm较为合适。

故在本例中粗加工时：

切削深度为4mm，精车时切削深度为0.4mm。

2.7典型轴套类零件实体分析

数控车床主要是加工回转体零件，典型的加工表面不外乎外圆柱、外圆锥、螺纹、圆弧面、

切槽等。

由于该零件的加工路线、切削用量、刀具选择在上文已分析完毕，在此不在做重复分析。

走刀路线图：

编写程序单，确定O为工件坐标系的原点（见图4.2.1-1）并将A点作为换刀点，即程序的起点。

该零件加工程序见附录A：

加工程序

2.8数控加工程序

%01234

N10G50S0

N12G00G97S1000T0100

N14M03

N16M08

N18G00X95.749Z12.970

N20G00X95.749Z1.007

N22G00X78.014Z1.007

N24G00X68.014Z1.007

N26G00X66.600Z0.300

N28G01X66.600Z-177.300F200.000

N30G00X68.014Z-176.593

N32G00X78.014Z-176.593

N34G00X78.014Z1.007

N36G00X64.014Z1.007

N38G00X62.600Z0.300

N40G01X62.600Z-122.255F200.000

N42G03X66.600Z-128.978I-10.300K-6.723

N44G01X66.600Z-146.000

N46G01X66.600Z-176.000

N48G00X68.600Z-176.000

N50G00X78.600Z-176.000

N52G00X78.600Z1.007

N54G00X60.014Z1.007

N56G00X58.600Z0.300

N58G01X58.600Z-119.901F200.000

N60G03X62.600Z-122.255I-8.300K-9.077

N62G00X64.275Z-121.709

N64G00X74.275Z-121.709

N66G00X74.275Z1.007

N68G00X56.014Z1.007

N70G00X54.600Z0.300

N72G01X54.600Z-118.414F200.000

N74G03X58.600Z-119.901I-6.300K-10.564

N76G00X59.950Z-119.163