轴类零件加工工艺分析及数控编程1

数控加工

目录

摘要........................................................ - 5 - 第一章 零件加工工艺分析......................................... 2

1.1 零件的结构工艺性分析 .................................... 3 1.2零件技术要求分析......................................... 3 1.3 零件毛坯、材料的分析 .................................... 4 1.4 零件设备的选择 .......................................... 4 1.5确定工件的定位与夹具方案................................. 5 1.6确定走刀顺序和路线....................................... 5

1.6.1切削加工顺序的安排原则 ............................. 5 1.7刀具与切削用量的选择..................................... 8

1.7.1 刀具的选择......................................... 8 1.7.2.切削用量的选择..................................... 8 1.8数控加工工序卡片........................................ 10 1.9数控加工刀具卡片........................................ 12 1.10切削用量选择........................................... 12 1.11数控刀具卡片........................................... 13 1.12 保证加工精度的方法 .................................... 14 第二章 数控加工程序的编制..................................... 15

2.1确定编程坐标系及编程原点................................ 15 2.2数值的计算.............................................. 15 2.3加工程序........................................... -16 结论.......................................................- 26 - 参考文献.............. ....................................- 23 致谢....................................................... -24-

数控加工

轴类零件加工工艺分析及数控编程

摘要：

在车床上，利用工件的旋转运动和刀具的直线运动或曲线运动来改变毛坯的形状和尺寸，把它加工成符合图纸的要求。

车削加工是在车床上利用工件相对于刀具旋转对工件进行切削加工的方法。车削加工的切削能主要由工件而不是刀具提供。车削是最基本、最常见的切削加工方法，在生产中占有十分重要的地位。车削适于加工回转表面，大部分具有回转表面的工件都可以用车削方法加工，如内外圆柱面、内外圆锥面、端面、沟槽、螺纹和回转成形面等，所用刀具主要是车刀。

数控车削加工是现代制造技术的典型代表，在制造业的各个领域如航天、汽车、模具、精密机械、家用电器等各个行业有着日益广泛的应用，已成为这些行业不可或缺的加工手段。

为了子数控机床上加工出合格的零件，首先需根据零件图纸的精度和计算要求等，分析确定零件的工艺过程、工艺参数等内容，用规定的数控编程代码和格式编制出合适的数控加工程序。编程必须注意具体的数控系统或机床，应该严格按机床编程手册中的规定进行程序编制。但从数控加工内容的本质上讲，各数控系统的各项指令都是应实际加工工艺要求而设定的。

由于本人才疏学浅，缺乏知识和经验，在设计过程中难免出现不当之处，望各位给予指正并提出宝贵意见。 关键词：

车削加工具；零件的工艺过程；工艺参数；程序编制

第一章 零件加工工艺分析

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1.1 零件的结构工艺性分析

零件的结构工艺性是指所设计的零件在能满足使用要求的前提下制造的可行性和经济性，即所设计的零件结构应便于成形，并且成本低，效率高。

1.零件图纸的工艺分析 如图所示

1.2零件技术要求分析

小批量生产条件编程，不准用砂布和锉刀修饰平面，这是对平面高精度的要求，未注公差尺寸按GB1804-M，热处理，调质处理，HRC25-35，未注粗糙度部分光洁度按Ra6.3，毛胚尺寸ф50mmx130mm。

分析图纸可知，此零件对平面度的要求高，左端更有内轮廓加工，为提高零件质量，采用以下加工方案：

1. 对图样上给定的几个精度要求较高的尺寸，编程时采用中间值。 2.在轮廓曲线上，有一处既过象限又改变进给方向的轮廓曲线，因此在加工时应进行机械间隙补偿，以保证轮廓曲线的准确性。

3.零图纸中含有圆柱度，为保证其形位公差，应尽量一次装夹完成左端面的加

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工以保证其数值。

4.本设计图纸中的各平面和外轮廓表面的粗糙度要求可采用粗加工---精加工加工方案，并且在精加工的时候将进给量调小些，主轴转速提高。

5.螺纹加工时，为保证其精度，在精车时选择改程序的方法，将螺纹的大径值减小0.18-0.2mm，加工螺纹时利用螺纹千分尺或螺纹环规保证精度要求。

选择以上措施可保证尺寸、形状、精度和表面粗糙度

1.3 零件毛坯、材料的分析

1）.材料的分析

该轴零件加工中，刀具与工件之间的切削力较大。工件材料的可切削性能。强度、硬度、塑性、提供冷切削加工、机械性能都跟工件的材料有关。所以选择45钢为该轴类零件的材料。45钢相对切削性硬质合金刀具1.0，高速钢刀具1.0，45钢经济合理对加工刀具的要求也合理，45钢用途广泛，主要是用来制造汽轮机、压缩机，泵的运动零件制造齿轮、轴活塞销等零件。根据以上数据适合该轴的加工。

2）.毛坯的分析

轴类零件的毛坯有棒料、锻件和铸件三种。

锻件：适用与零件强度较高,形状较简单的零件。尺寸大的零件因受设备限制，故一般用自由锻；中、小型零件可选模锻；形状复杂的刚质零件不宜用自由锻。

铸件：适用于形状复杂的毛坯。

钢质零件的锻造毛坯，其力学性能高于钢质棒料和铸钢件。根据该轴零件的结构形状和外轮廓尺寸，所以采用锻件。

本零件的毛坯宜采用锻件，由棒料锯割，模锻毛坯至Φ40X425mm,使钢材经过锻压，获得均匀的纤维组织，提高其力学性能，同时也提高零件与毛坯的比重，减少材料消耗

1.4 零件设备的选择

数控车床能对轴类或盘类等回转体零件自动地完成内外圆柱面、圆锥表面、

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圆弧面等工序的切削加工，并能进行切槽、钻、扩等的工作。根据零件的工艺要求，可以选择经济型数控车床，一般采用步进电动机形式半闭环伺服系统。此类车床机构简单，价格相对较低，这类车床设置三爪自定心卡盘、普通尾座或数控液压尾座，适合车削较长的轴类零件。根据主轴的配置的要求选择卧式数控车床。数控车床具有加工精度高，能做直线和圆弧插补，数控车床刚性良好，制造和对刀精度高，能方便和精确地进行人工补偿和自动补偿，能够加工尺寸精度要求较高的零件。能加工轮廓形状特别复杂的表面和尺寸难于控制的回转体，而且能比较方便的车削锥面和内外圆柱面螺纹，能够保持加工精度，提高生产效率。所以对加工时非常有利的。

1.5确定工件的定位与夹具方案

1.5.1确定装夹方案

在数控车床上工件定位安装的基本原则与普通机床相同。工件的装夹方法影响工件的加工精度和效率，为了充分发挥数控机床的工作特点，在装夹工件时，应考虑以下几种因素：

1.尽可能采用通用夹具，必须时才设计制造专用夹具； 2.结构设计要满足精度要求； 3.易于定位和装夹； 4.易于切削的清理； 5.抵抗切削力由足够的刚度；

使用三爪自定心卡盘夹持零件的毛坯外圆，确定零件伸出合适的长度（应将机床的限位距离考虑进去）。零件需要加工两端，因此需要考虑两次装夹的位置，该图先加工左端，然后调头加工右端。

1.6确定走刀顺序和路线

1.6.1切削加工顺序的安排原则

1)先粗后精 先安排粗加工，中间安排半精加工，最后安排精加工和光整加工。

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2)先主后次 先安排零件的装配基面和工作表面等主要表面的加工，后安排如键槽、紧 固用的光孔和螺纹孔等次要表面的加工。由于次要表面加工工作量小，又常与主要表面有位 置精度要求，所以一般放在主要表面的半精加工之后，精加工之前进行。

3)先面后孔 对于箱体、支架、连杆、底座等零件，先加工用作定位的平面和孔的端面，然后再加工孔。这样可使工件定位夹紧稳定可靠，利于保证孔与平面的位置精度，减小刀具的磨损，同时也给孔加工带来方便。

4）基面先行 用作精基准的表面，要首先加工出来。所以，第一道工序一般是进行定位面的粗加工和半精加工(有时包括精加工)，然后再以精基面定位加工其它表面。例如，轴类零件顶尖孔的加工

此零件的的加工顺序如下：一:先用三爪卡盘夹实ф55毛坯面，右侧伸出外端90mm。二：粗车ф50外圆面，R8圆弧面，切直径ф30的槽及锥度比为1:10的圆锥面，留0.5加工余量，然后精车至规定尺寸。三：镗内孔直径为ф20mm深为20mm的孔，然后精车。四：再掉头装夹ф50外圆面，工件伸出外端90фmm，粗车ф35.8mm，,19.8 mm外圆面，切直径为34mm,18mm的槽，然后精车，最后车螺纹去毛刺。

(1) 工序Ⅰ 车左端面，将毛坯车为163mm的棒料

(2）工序Ⅱ 左端面打中心孔 选用Φ5mm的中心钻（手动钻孔） (3）工序Ⅲ 左端钻孔（钻Φ20mm深-25mm的孔）手动钻孔

加工孔Φ20mm，刀具选用硬质合金钻头，直径为20mm，使用切削液位乳化液。《机械加工工艺手册》

1)确定进给量f，由于孔径较大，故采用数控车床CK6132A, 查得f=0.26～0.40mm/r，选择f=0.35mm/r。

2）钻头磨钝标准及刀具寿命，根据表查得钻头的磨钝标准为0.8～1.2mm，寿命为T=75min。

3）钻孔速度v，

查Z535型钻床取n=195r/min，实际切削速为v=16r/min。

=14，zv=0.25，xv=0，yu=0.4，m=0.125

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钻头走刀路线如下图：

(4）工序Ⅳ 粗、精车左端内孔至要求尺寸

(5)工序Ⅴ 粗、精车零件左端面各部、倒角。

(6)工序Ⅵ 调头车右端面将零件车至要求尺寸进给路线。 (7)工序Ⅶ 调头粗、精车右端面各部倒角、切外螺纹退刀槽。

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1.7刀具与切削用量的选择

1.7.1 刀具的选择

数控刀具的选择和切削用量的确定是数控加工工艺中的重要内容，它不仅影响数控机床的加工效率，而且直接影响加工质量。刀具的选择是在数控编程的人机交互状态下进行的。应根据机床的加工能力、工件材料的性能、加工工序、切削用量以及其它相关因素正确选用刀具及刀柄。刀具选择总的原则是：安装调整方便、刚性好、耐用度和精度高。在满足加工要求的前提下，尽量选择较短的刀柄，以提高刀具加工的刚性。

在经济型数控机床的加工过程中，由于刀具的刃磨、测量和更换多为人工手动进行，占用辅助时间较长，因此，必须合理安排刀具的排列顺序。一般应遵循以下原则：①尽量减少刀具数量；②一把刀具装夹后，应完成其所能进行的所有加工步骤；③粗精加工的刀具应分开使用，即使是相同尺寸规格的刀具；④先铣后钻 ；⑤先进行曲面精加工，后进行二维轮廓精加工；⑥在可能的情况下，应尽可能利用数控机床的自动换刀功能，以提高生产效率等。

综上所述：本零件的加工，(1)用ф18mm的钻头加工左端的孔，(2) 粗车及平端面选用60°硬质合金左偏刀，为防止副后刀面与工件轮廓干涉，副偏角不宜太小，选Kr´=60°。

为减少刀具数量和换刀次数，精车和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re=0.15～0.2mm 。

与传统的车削方法相比，数控车削对刀具的要求较高。不仅要求精度高、钢度好、耐用度高、而且要求尺寸稳定、安装调整方便。这就要求采用新型优质材料制造数控加工刀具，并优选刀具参数。

1.7.2.切削用量的选择

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

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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。根据本例中零件的加工要求，考虑工件材料为45钢，刀具材料为硬质合金钢，粗加工选择转速600r/min,精加工选择800r/min车削外圆，考虑细牙螺纹切削力不大，采用300r/min来车螺纹，而内孔由于刚性较差，采用粗车300 r/min，比较容易达到加工要求，切槽的切削刀较大，采用300 r/min更稳妥。

2)进给速度（进给量）F(mm/r，mm/min)的选择

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，

粗加工时，由于对工件的表面质量没有太高的要求，这时主要根据机床进给机构的强度和刚性、刀杆的强度和刚性、刀具材料、刀杆和工件尺寸以及已选定的背吃刀量等因素来选取进给速度。精加工时，则按表面粗糙度要求、刀具及工件材料等因素来选取进给速度。进给速度Vf可以按公式Vf =f×n计算，式中f表示每转进给量，粗车时一般取0.3～0.8mm/r；精车时常取0.1～0.3mm/r；切断时常取0.05～0.2mm/r。

应选择较低的进给速度，得出下表

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

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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。本例中，背吃刀量的选择大致为

比方法确定。同时，使主轴转速、切削深度及进给速度三者能相互适应，以形成最佳切削用量。

切削用量对于不同的加工方法，需选用不同的切削用量。合理的选择切削用量，对零件的表面质量、精度、加工效率影响很大。

切削用量的选择方法：粗车时，应尽量保证较高的金属切除率和必要的刀具耐用度。精车时，对加工精度和表面粗糙度要求较高，加工余量不大且较均匀，应着重考虑如何保证加工精度，且在此基础上如何提高加工效率。因此，要求精车时应选用较小（但不能太小）的背吃刀量和进给量，并选用性能高的刀具材料和合理的

几何参数，以尽可能提高切削速度。

1.8数控加工工序卡片

数控加工工序卡片

材料

工步

45#钢

零件图号 G功

T刀具

夹具名称

三爪自定心卡盘 背吃刀量

注

备

工步内容

主轴转速S/

进给量f/

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号

1

钻孔 粗车零件左端内轮廓 精车零件左端内轮廓 粗车零件左端外轮廓 精车零件左端外轮廓 切10mm×20mm的

槽 粗车零件右端外轮廓 精车零件右端

能

G71

G71

G73

G73

G01

G71

G71

G01

G92

G01

T0303

T0303

T0101

T0101

T0202

T0101

T0101

T0202

T0404

T0101

（r/min） （mm/r） ap/mm

500

30

手动

自动

自动 2 0.5 2

动

自动

自动

自动 2

自动

自动

自动

手动

自动

自

2 300 0.2 2 0.5

3 600 0.1

4 600 0.2

5 800 0.1

6 300 0.05

7 600 0.2 2 0.5

8

外轮廓 9 10 11 12

800 0.1

切6mm×2mm退刀

槽 车削M20mm×2.5外螺纹 车削端面

300 0.05

300

600 0.15

检测、校核

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1.9数控加工刀具卡片

数控加工刀具卡片

序号 1

刀具号

T0303 T0101 T0202 T0404

刀具名称及规

格 Φ20mm钻头

刀尖半径R

刀尖位置T

数量 1

加工表面

备注 手动 自动 自动 自动 自动

钻孔

2 镗孔刀 60°左偏外圆车刀 切槽车刀 60°外螺纹车

刀

0.1mm 3mm 1 镗孔 粗精车外轮廓 切槽 三角形螺纹

3 0.2mm 2mm 1

4 B=4mm 1

5 0.2mm 0 1

1.10切削用量选择

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1.11数控刀具卡片

表1左端刀具卡片

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1.12 保证加工精度的方法

为了保证和提高加工精度，必须根据生产加工误差的主要原因，采取相应的误差预防或误差补偿等有效的工艺途径措施来直接控制原始误差或控制原始误差对零件加工精度的影响。

1.12.1刀具半径的选定

1.刀具的半径R比工件转角处半径大时不能加工。 2.刀具较小时不能用较大的切削量加工（刀具刚性差）。 1.12.2采用合适的切削液

1.切削液主要用来减少切削过程中的摩擦和降低切削温度。合理使用切削液，对提高刀具耐用度和加工表面质量、加工精度起重要的作用。

2.非水溶性切削液：切削油、固体润滑剂，非溶性切削液主要起润滑作用。 3.水溶性切削液：水溶液、乳化液，水溶性切削液有良好的冷却作用和清洗作用。

故本设计加工时采用水溶液进行冷却。

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第二章 数控加工程序的编制 2.1确定编程坐标系及编程原点

数控机床采用右手笛卡儿直角坐标系，其基本坐标轴为X、T、Z直角坐标系，相对于每个坐标轴的旋转运动坐标为A、B、C。

编程原点也称工件原点，一般用G92或G54-G59（对于数控镗铣床）和G50（对于数控车床）设置。

根据以上可以知道，编程坐标系及编程原点的选择要满足以下几个方面的要求： 1.所选的编程原点及坐标系要使程序编制简单。

2.编程原点应选在容易找正，并在加工过程中便于检查的位置。 3.引起的加工误差小。

4.一般回转体零件的编程零点选在其加工面的回转轴线与端面交点处。

2.2数值的计算

（1）圆锥大端直径计算： 由公式C=D-d ∕L

得1／5=50-44／L，即内圆锥的长度为D=30mm。 （2）螺纹尺寸计算：

M20×2.5的螺纹：牙高=1.3×2.5=3.25，小径=大径-牙高=19.8-3.25=16.55，根据螺距查表得刀具每次走刀路线为Φ18.8，Φ18.1，Φ17.5，Φ17.1，Φ16.7，Φ16.55。

M36×2的螺纹：牙高=1.3×2=2.6，小径=大径-牙高,35.8-2.6=33.2，根据螺距查表得刀具每次走刀路线为Φ34.9，Φ34.3，Φ33.7，Φ33.3，Φ33.2。

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2．3.加工程序

左端

数控加工

G00 X57 Z2 G70 P10 Q20 G00 X100 Z100 M05 M00 T0202 M03 S300 G00 X52 Z-70 G01 X30 F0.05 G04 X1 G01 X52 F0.5 G00 Z-66 G01 X30 F0.05 G04 X1 G01 X52 F0.5 G00 Z-64 G01 X30 F0.05 G04 X1 G01 X52 F0.5 G00 X100 Z100

快速移动至循环点 精车循环 换刀点

程序暂停 换二号刀 主轴转速300转 快速移动至循环点

停顿一秒

停顿一秒

快速定位至安全起点

退刀至换刀点

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M05 M00 T0303 M03 S300 G00 X18 Z5 G71 U2 R1 G71 P30 Q40 U-0.5 F0.2 N30 G00 X22 G01 Z0 F0.1 G01 X20 Z-1 G01 Z-20 N40 G00 X18 Z5 G00 X100 Z100 M05 M00 T0303 M03 S600 G00 X18 Z5 G70 P30 Q40 G00 X100 Z100

主轴停止 程序暂停 换3刀 主轴正转，主轴转速300 r/min 镗孔

主轴停止 程序暂停 换三号刀 精车主轴正转，主轴转速600r/min 快速移动至循环点

快速退回换刀点

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右端

数控加工

M00

T0101 M03 S800 G00 X57 Z5 G70 P10 Q20 G00 X100 Z100 M05 M00 T0202 M03 S300 G00 X25 Z-30 G01 X16 F0.05 G04 X1 G01 X25 F0.5 G00 Z-28 G01 X16 F0.05 G04 X1 G01 X25 F0.5 G00 X40 Z-80 G01 X30 F0.05

换一号刀 主轴正转，主轴转速800r/min 快速移动至循环点 精车循环 快速退回换刀点

程序暂停 换二号刀 主轴正转，主轴转速300r/min 快速移动至循环点

数控加工

G04 X1 G01 X40 F0.5 G00 Z-78 G01 X30 F0.05 G04 X1 G01 X40 F0.5 G00 X100 Z100 M05 M00 T0404 M03 S300 G00 X22 Z2 G92 X19 Z-26 X19 X18.4 X18 X17.85 X17.85 G00 X38 Z28 G92 X34.9 Z-76 快速移动至循环点 加工螺距为2mm的螺纹 程序暂停 换四号刀 主轴正转，主轴转速300 r/mm 快速移动至循环点 加工螺距为1.5 mm的螺纹 快速退回换刀点

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