轴类零件数控加工工艺过程及编程分析

1.引言

随着计算机技术的高速发展,传统的制造业开始了根本性变革,各工业发达国家投入巨资,对现代制造技术进行研究开发,提出了全新的制造模式。20世纪中叶数控技术的出现,给机械制造业带来了革命性的变化。

数控加工,是指在数控机床上进行零件加工的一种工艺方法,数控机床加工与传统机床加工的工艺规程从总体上说是一致的,但也发生了明显的变化。用数字信息控制零件和刀具位移的机械加工方法。它是解决零件品种多变、批量小、形状复杂、精度高等问题和实现高效化和自动化加工的有效途径。

二十一世纪机械制造业的竞争,其实质是数控技术的竞争。长期以来,我国的数控系统为传统的封闭式体系结构,加入世贸组织后,中国正在努力逐步成为“世界制造中心”,为了增强竞争能力,中国制造业开始广泛使用和创新先进的数控技术。

2.数控机床的特点

1 通用性强,生产率高,加工精度高且稳定,操作者劳动强度低。

2 换批调整方便,适合于多种中小批柔性自动化生产。

3 适合于复杂零件的加工

4 便于实现信息流自动化,在数控车床基础上,可实现计算机集成制造系统。

零件图分析

零件加工图如下:

图1 轴零件图

如图1所示,该零件表面由圆柱、圆锥,圆弧、槽、螺纹、内孔等表面组成,尺寸标注完整,材料为45钢,毛坯为,无热处理和硬度要求。

加工方法的选择原则是保证加工表面的精度和表面粗糙度的要求,由于获得同一级精度及表面粗糙度的加工方法一般有许多,因而在实际选择时,要结合零件的形状、尺寸大小和形位公差等要求全面考虑。

图上几个精度较高的尺寸,因其公差值较小,所以编程时取其基本尺寸。

数控机床与系统的选择

4.1数控机床的选择:

选择台州市温岭金东数控机械厂生产的经济型CJK6134数控仪表车床作为加工设备,其外形图如下:

图2 CK6132S数控机床外形图

本车床是适用国内外市场需要而设计的车床,其用途广泛,适用于各种系统,能加工各种零件的外圆,内圆,端面,锥度,切槽以及螺纹等,故在48mm以下的可以直接进入主轴孔内夹持加工,该车床结构简单,操作灵便,刚性强,适宜于利用黑色金属,其加工精度可达6级。

表1 CK6132S主要技术参数:

床身上最大回转直径340mm

滑板上最大回转直径190mm

最大工件长度750mm

主轴锥孔M6

主轴通孔直径52mm

主轴转速范围40-1800r/min

主轴电机功率3/4.5kw

外形尺寸1950*950*1245

机床重量1150kg

控制系统HZK602T

运动方式步进电机或伺服电机任选

主电机功率 2.2(kw)KW

用途数控特种加工

主轴转速范围300~3000(rpm)rpm

刀具数量 4

布局形式卧式

数控机床调整单如下:

表2 数控机床调整单

零件号 001 零件名称轴工序号 NO.1 制表陈雷F----位码调整旋钮

F1 F2 F3 F4 -- F5 --

F6 -- F7 -- F8 -- F9 -- F10 --

刀具补偿拨盘

1 -- -- -- -- 6 -- -- -- -- --

2 -- -- -- -- 7 -- -- -- -- --

3 -- -- -- -- 8 -- -- -- -- --

4 -- -- -- -- 9 -- -- -- -- --

5 -- -- -- -- 10 -- -- -- -- --

对称切削开关位置

X -- -- Y -- -- Z -- -- B -- --

-- -- -- -- -- -- -- --

垂直校验开关位置开

工件冷却油冷

零件加工工艺分析

1.零件图的分析

1.1零件图的正确性及完整性分析

在了解零件形状和结构之后,应检查零件视图是否正确、足够,表达是否直观、清楚,绘制是否符合国家标准,尺寸、公差以及技术要求的标准是否齐全、合理等。

本次设计的工件为综合轴数控加工工艺规程制订,零件的图纸包括:一张零件图。其中零件图中的图形都是采用主视图的画法,这样就已经能够表达清楚零件的各部分尺寸。图纸当中有对连接轴数控加工工艺规程制订各部分表面粗糙度的要求大部分为3.2μm。

1.2零件结构及结构工艺性分析

该零件连接轴数控加工工艺规程制订是由一部分组成。

零件结构工艺性好还是差对其工艺过程的影响非常大,不同结构的零件尽管都能满足使用性能要求,但它们的加工方法和制造成本却可能有很大的差

别。良好的结构工艺性就是指在满足使用性能的前提下,能以较高的生产率和最低的成本而方便地加工出来。零件结构工艺性审查是一项复杂而细致的工作,要凭借丰富的实践经验和理论知识。审查时,发现问题应向设计部门提出修改意见加以改进。

首先我们应当清楚工艺安排应做到正确、完整、统一和清晰,所用术语、符号、计量单位和编号都要符合相应标准。由于该零件有内孔、内螺纹、钻孔、切槽、外螺纹、外表面需要加工,且各表面之间有较高的尺寸精度和长度的要求,考虑到数控机床具有在一次安装下加工出多个表面的特点,因此该零件加工适宜采用工序集中的方式,这样就使每道工序加工内容很多,工艺路线变短。选用工序集中的方式加工不仅能够保证加工精度、充分利用了现有设备,而且也减少了工件装夹次数,利于保证表面间的位置精度,缩短了生产加工时间,大大提高了劳动生产率。

1.3零件精度及技术要求分析

零件的技术要求包括下列几个方面:

(1)加工表面的尺寸精度

(2)主要加工表面的形状精度

(3)主要加工表面之间的相互位置精度

(4)加工表面的粗糙度以及表面质量方面的其他要求

(5)热处理要求

(6)其他要求(如动平衡、未注圆角或倒角、去毛刺、毛坯要求等)

要注意分析这些要求在保证使用性能的前提下是否经济合理,在现有生产条件下能否实现。特别要分析主要表面的技术要求,因主要表面的加工确定了

零件工艺过程的大致轮廓。

该零件连接轴在加工时要保证它的各项精度指标,如:各项尺寸精度、表面粗糙度等。

(1)首先毛坯的外形尺寸为φ85×165,加工后要求达到一定的精度要求。

(2)零件中的内螺纹要达到M40×1.5长12.5的要求。

(3)零件加工时保证不同的长度尺寸和直径尺寸及表面粗糙度要求。

(4)零件的外轮廓要光滑。

2.数控设备选择

2.1根据零件的结构及形状特点,选择机床的类型

由于本人设计的是轴套类零件,单件小批量生产,适合单工位连续加工,由于该件为精度要求较高、表面粗糙度要求较高、表面形状复杂的回转体零件,而数控车床刚性好,制造和对刀精度高,而毛坯的规格是φ85×165的毛坯,以及能方便和精确地进行人工补偿和自动补偿,所以能加工尺寸精度要求较高、表面粗糙度要求较高、表面形状复杂的回转体的零件,在普通机床上不容易加工,所以需要采用数控车床加工。

2.2根据零件的外形及尺寸特点,选择机床的规格

1机床加工尺寸范围应与零件的外轮廓相适应。

2机床的工作精度应与工序的精度要求相适应。

3机床的生产效率应与零件的生产类型相适应。

4机床的选择应考虑车间现有设备条件,尽量采用现有设备。

本次加工的零件为回转体, φ80×150,零件是由圆圆柱、曲面、孔等组成的,形状比较复杂。各精度要求较高。而数控机床最大回转直径320 厘米 ,主

轴转速(rpm):200-2000,快速进给速度(mm/min):3000,最大工件距离(mm):750,横溜板上最大回转直径mm:160 数控车床可用于加工复杂轴、盘类的零件。数控车床机床主轴采用高性能的变频无级调速驱动系统,具有过载保护功能。数控车床步进或交流伺服驱动,进给传动采用预载荷滚珠丝杆驱动,定位精度高。数控车床采用四工位电动刀架,适合复杂形状零件的加工。数控机床满足所需的加工要求,学校现有设备本工件选择华中数控车床所以我采用了CK6132S卧式数控机床。

2.3根据零件的加工精度及表面质量要求,选择机床的精度等级

选择机床的精度等级应根据典型零件关键部位加工精度要求来定,数控机床精度一般可分为为普通型和精密型两种。另外还有一些经济性数控机床配置开环伺服系统的则精度更低一些,每台机床的精度检验项目很多,但反应数控机床关键精度的项目只有几项。

一项是机床的基础部件和运动大件(如床身、立柱、工作台、主轴箱等)的直线度、平面度、垂直度等的要求,如工作台面的平面度,各坐标方向移动的直线度和相互垂直度,X、Y(立式)或X、Z(卧式)坐标方向移动时工作台面的平行度,X坐标方向移动时工作台面T型槽侧面的平行度等;另一项是对机床主轴的要求,如主轴的轴向窜动,主轴孔的径向跳动,主轴箱移动时主轴轴线的平行度,主轴轴线与工作台面的垂直度或平行度等。

由于零件的加工精度要求较高,结合实际设备的选用,我加工的零件符合普通型数控加工机床,所以我选择CK6132S来加工我所设计的零件。

3.定位基准及装夹方式的确定

3.1选择定位基准

(1)粗基准的选择原则

选择粗基准时,主要要求保证各加工面有足够的余量,并注意尽快获得精基面。本综合轴的加工应遵循的原则有:

(1)合理分配加工余量原则

(2)保证零件相互位置要求原则

(3)夹紧原则

(4)不重复使用原则

本次设计的连接轴粗基准的选择遵循的是合理分配加工余量原则,所选的基准为零件的外圆柱表面。

2)精基准的选择原则

选择精基准时,主要考虑保证加工精度。本综合轴数控加工工艺规程制订的加工应遵循的原则有:

(1)基准重合原则综合轴数控加工工艺规程制订为轴类零件即选用外表面基准作为定位基准,以避免定位基准与设计基准不重合误差。

(2) 自为基准原则选择加工表面本身作为定位基准,本零件对加工表面没有太高的尺寸精度要求,所以不必考虑此原则。

(3)互为基准原则当对工件上两个相互位置精度要求很高的表面进行加工时,需要用两个表面互相作为基准,反复进行加工,以保证位置精度要求。

(4)所选精基准应保证工件安装可靠,夹具设计简单、操作方便。

无论是精基准还是粗基准的选择,上述原则都不可能同时满足,有时还相互矛盾的,因此,选择根据实际情况分析,权衡利弊,保证其主要要求。

本次设计的连接轴数控加工工艺规程制订精基准的选择遵循的是基准重

合原则,连接轴数控加工工艺规程制订轴类零件即选用外表面基准作为定位基准,以避免定位基准与设计基准不重合误差。

由于毛坯已经确定采用钢棒,比较适用于尺寸较小、精度较高的毛坯。钢料的毛坯精度较高,硬度较大,外圆柱表面的毛坯余量均匀。所以,可以直接采用钢料的外圆柱表面作为粗加工定位基准。以毛坯的外圆柱表面作为粗定位基准,加工出零件的精加工定为基准。这样可以确保重要表面的精加工余量,采用外圆柱表面作为粗加工定位基准,达到了简单、方便、快捷的目的。缩短了加工时间,提高了生产效率。

3.2确定工件的装夹方式

常用装夹方式

1.在三爪自定心卡盘上装夹

三爪自定心卡盘的三个爪是同步运动的,能自动定心,一般不需要找正。三爪自定心卡盘装卡工件方便、省时,自动定心好,但夹紧力较小,所以适用于装夹外形规则的中小型工件。三爪自定心卡盘可装成正爪或反爪两种形式。反爪用于装夹直径较大的工件。用三爪自定心卡盘装夹精加工后的表面时,被夹住的工件表面应包一层铜皮,以免夹伤工件表面。

2.在两顶尖之间装夹

对于长度尺寸较大或加工工序较多的轴类工件,为保证每次装夹时的装夹精度,可用两顶尖装夹。两顶尖装夹工件方便,不需要找正,装夹精度高,但必须先在工件的两端面钻出中心孔。该装夹方式适用与多工序加工或精加工。

3.用卡盘和顶尖装夹

用两顶尖装夹工件虽然精度高,但刚性差。因此,车削质量较大工件时要

一端用卡盘夹住,另一端用后顶尖支撑。为了防止工件由于切削力的作用而产生轴向位移,必须在卡盘内装一限位支撑,或利用工件的工作台面限位。这种方法比较安全,能承受较大的轴向切削力,安装刚性好,轴向定位准确,所以应用广泛。

4.用双三爪自定心卡盘装夹

对于精度要求较高、变形要求小的细长轴类零件可采用双主轴驱动式数控车床加工,机床两主轴轴线同轴、转动同步,零件两端同时分别有三爪自定心卡盘装夹并带动旋转,这样可以减少切削加工时切削力矩引起的工件扭转变形。

通过对零件图的分析,我设计的零件为了方便加工,选用三爪卡盘装夹即可。

4.选择对刀方式及对刀点

对刀点是用来确定刀具与工件的相对位置的关系点,是确定共建坐标系与机床坐标系的关系点。对刀就是将刀具的刀位点置于对刀点上,以便建立工件坐标系。本零件采用手动对刀。

4.1正确选择对刀方式

对刀方式分为机内对刀和机外对刀,本次因为加工的使用的刀具比较少,所以采用机内对刀。

对刀方法

1.试切对刀

采用G92指令建立工件坐标系对刀

采用G54~G59零点偏置指令建立工件坐标系对刀

改变参考点位置,通过回参考点直接对刀

多刀加工时的对刀?利用刀具长度补偿功能对刀

2.机外对刀仪对刀

3.ATC对刀

4.自动对刀

其操作步骤为:

a.将所用刀具装到自动回转刀架上并使主轴中速转动;

b.手动移动刀具沿+Z方向靠近工件,直至刀刃轻微接触到工件表面,即产生切屑;

c.保持X坐标不变,将刀具沿+Z向退离工件,测量工件直径,记下数值并输入到刀偏表的相应刀号的Z坐标处;

d.手动移动刀具沿-Z方向靠近工件轻微接触工件端面,然后沿-X方向车削工件,即产生切屑;

e.保持Z坐标不变,将刀具沿+X方向退离工件,在刀偏表中相应刀号的X 坐标处输入0;

f.依次将所用刀具进行对刀;

g.对完所有刀具后在外圆刀刀号的X磨损处输入0.4

4.2选择合理的对刀点及换刀点

正确选择对刀点:对刀点可以设在被加工零件上,也可以设在与零件定位基准有固尺寸联系的夹具的某一位置或机床上。其选择原则如下:

对刀点的位置容易确定;

能够方便换刀,以便与换刀点重合;

采用G54-G95建立工件坐标系时,对刀点应与工件坐标系原点重合;

批量加工时,为应用调整法获得尺寸,即一次对刀可加工一批工件,对刀

点应选在夹具定位元件的起始基准上,并将编程原点与定位基准重合,以便直接按定位基准对刀或将对刀点选在夹具中专设的对刀元件上,以方便对刀。

由于选择了G54来建立工件坐标系对刀,所以刀位点就与工件坐标系原点重合。所以对刀点就选在工件上。这样对刀点的位置就容易确定,换刀就很容易,可以直接从对刀点进给到换刀点。缩短了刀具的空行程,缩短了加工时间。

正确选择换刀点:数控程序中指定用于换刀的位置点。在数控车床上加工工件时,需要经常换刀,在程序编制时,就要设置换刀点。换刀点的位置应避免与工件,夹具和机床干涉。普通数控车床的换刀点由编程人员指定,通常将其与对刀点重合。由于是用G54建立的工件坐标系,对刀点在工件上,换刀点就无法与对刀点重合。为了使换刀点不与工件,夹具和机床干涉,缩短空行程的原则我把换刀点设立在X100 ,Z100的位置上。

5.制定合理的加工方案

5.1合理划分数控加工工序

对于多台不同的数控机床、多道工序才能完成加工的零件,工序的划分自然以机床为单位来进行。而对于需要很少的数控机床就能加工完零件全部内容的情况,数控加工工序的划分一般按照下列方法进行:

⑴以一次安装所进行的加工作为一道工序。

⑵以一个完整数控程序连续加工的内容作为一道工序。

⑶以工件上的结构内容组合用一把刀具加工为一道工序。

⑷以粗、精加工划分工序。所以综合考虑具体情况和经济性,机床设备、现有的工装设备等因素,为了更好的完成加工, 我模拟了2个加工工序方案。

方案一:以装夹划分需要两道工序。工序一,第一次装夹然后进行粗精加

工使工件达到加工精度。工序二,掉头装夹进行粗精加工。

方案二:以粗精加工划分需要两道工序。工序一,第一次装夹然后进行粗加工,掉头再进行粗加工。工序二,装夹工件进行精加工,再掉头,再进行精加工。

经过比较方案二要比方案一多装夹2次,在同样保证加工精度的情况下明显方案一更为方便快捷提高了工作效率所以我选择方案一做为我设计的零件的数控加工工序,以一次安装所进行的加工作为一道工序,以安装的加工作为工序,我的零件共需要两次装夹,分别进行粗加工、精加工。这样两道工序就能完成零间的加工,定位基准可以得到很好的保证,不会出现定位误差。每次装夹都要对刀,这样就只对刀两次,保证了刀位误差。

5.2确定各工序的工步顺序、进给路线,绘制走刀路线图。

制定零件数控车削加工工步顺序一般遵循下列原则:⑴先粗后精;⑵近后远;⑶内外交叉;⑷保证工件加工刚度原则;⑸同一把刀能加工的内容连续加工原则。

粗加工:首先加工粗加工按照外形把多余的地方去掉粗车出基本的外形以便精加工的进行。

精加工:使零件达到所要求的加工精度。

工序顺序的安排

先车轴右端:

工步1、车端面

工步2、粗车各表面保留0.5mm余量粗糙度Ra6.3um

工步3、精车各表面并保证精度,粗糙度Ra1.6um

工步4、车梯形槽和退刀槽

工步5、车46χ1.5的外螺纹并保证精度

再车轴左端:

工步1、车端面,保证全长

工步2、粗车各表面保留余量0.5mm粗糙度Ra6.3um

工步3、精车各表面并保证尺寸精度,粗糙度Ra3.2um

工步4、钻中心孔底孔φ20mm孔,深150mm

工步5、粗车内圆保留0.5mm余量

工步6、精车内圆保证尺寸精度,粗糙度Ra3.2um

工步7、车槽

工步8、车M40X1.5的内螺纹

我选择了目前比较主流的专业绘图软件autocad2008,来绘制的走刀路线图,以及其他工艺卡片等不可或缺的文件。走刀路线图共分13张,每一个工步既一张图,内容详细,路线清晰(详见走到路线图1-13页)。

5.3选择各工序刀具,填写刀具卡片

各工序刀具详见刀具卡片

6.确定数控加工余量,工序尺寸及公差

通过对零件的分析,对程序的审视和查表所得,我的零件其数控加工余量为2mm即可达到预期效果和标准由《加工余量简明手册》表10-40,查得精加工余量为0.5mm故其粗加工余量为1.5mm。

7.确定数控加工切削用量

7.1确定背吃刀量

背吃刀量指待加工面减已加工面除以2。背吃刀量是根据余量确定的。

可查表4-1和4-2(《数控加工工艺及设备》)。

由加工余量简明手册表14-68及计算得

粗车外轮廓的背吃刀量为1.5mm

精车外轮廓的背吃刀量为0.25mm

切内外槽的背吃刀量为5mm

粗车内轮廓的背吃刀量为1.5mm

精车内轮廓的背吃刀量为0.25mm

钻孔的背吃刀量为12.5mm

7.2确定切削速度、主轴转速、进给量及进给速度

工序1:车左端外轮廓工步1:车端面

毛坯端面的加工余量为5mm,一刀可以完成,故

ap 5mm

根据《切削用量简明手册》表 1.4,用硬质合金车刀车端面,其刀杆尺寸20mm×20 mm,

故

f0.15mm/r

由文献[1]P137表4-3查得切削速度 136m/min, 计算主轴转速

得

ns866r/min

圆整得n860r/min

进给速度得 Ffn0.15×860mm/min129mm/min

工步2、粗车各表面保留0.5mm余量粗糙度Ra6.3um

已知ap1.5mm

由文献[1]P137表4-3查得切削速度 122m/min, 计算主轴转速

圆整取700r/min

由文献[1]P137表4-3查得进给量f0.2?/r;计算进给速度FSf140?/min. 工步3、精车各表面并保证精度,粗糙度Ra1.6um

已知ap0.25mm

由文献[1]P137表4-3查得切削速度 100m/min, 计算主轴转速

圆整得取700r/min

由文献[1]P137表4-3查得进给量f0.1?/r计算进给速度FSf79.6?/min. 工步4、车梯形槽和退刀槽

根据所选刀具取ap5mm

由文献[3]查得切削速度 50m/min, 计算主轴转速

sm/min531r/min

圆整取500r/min

文献[3]查得进给量f0.1 mm/r;计算进给速度FSf50?/min

工步5、车M46χ1.5的外螺纹并保证精度

背吃刀量ap1.3mm

主轴转速 s≤-k520r/min

圆整取500r/min

FP2mm/r

工序2:车轴右端

工步1、车端面,保证全长

毛坯端面的加工余量为1mm,一刀可以完成,故

ap 1mm

根据《切削用量简明手册》表 1.4,用硬质合金车刀车端面,其刀杆尺寸20mm×20 mm,

故

f0.15mm/r

由文献[1]P137表4-3查得切削速度 136m/min, 计算主轴转速

得 ns866r/min

圆整得n860r/min

进给速度得 Ffn0.15×860mm/min129mm/min

工步2、粗车各表面保留余量0.5mm粗糙度Ra6.3um

已知ap1.5mm

由文献[1]P137表4-3查得切削速度 122m/min, 计算主轴转速

圆整取700r/min

由文献[1]P137表4-3查得进给量f0.2?/r;计算进给速度FSf140?/min.

工步3、精车各表面并保证尺寸精度,粗糙度Ra3.2um

已知ap0.25mm

由文献[1]P137表4-3查得切削速度 100m/min, 计算主轴转速

圆整取700r/min

由文献[1]P137表4-3查得进给量f0.1?/r计算进给速度FSf79.6?/min.

工步4、钻φ20mm孔,深150mm

根据《切削用量简明手册》表2.7,得 f0.47mm/r

背吃刀量ap 钻头直径/212.5mm

根据《切削用量简明手册》表2.21、2.30和2.31,当用高速钢钻头加工直径25mm孔时,6.6,0.4,0,0.5,m0.20,T50, Kv1。根据钻孔切削计算公式得 Vc 16m/min

主轴转速得 ns204r/min

圆整得n200r/min

进给速度得 Ffn0.47×200mm/min94mm/min

工步5、粗车内圆保留0.5mm余量

已知背吃刀量ap1.5mm

由文献[1]P137表4-3查得切削速度 50m/min, 计算主轴转速

圆整取600r/min

由文献[1]P137表4-3查得进给量f0.2?/r;计算进给速度FSf120?/min.

工步6、精车内圆保证尺寸精度,粗糙度Ra3.2um

由文献[1]P137表4-3查得背吃刀量ap0.3mm取ap0.25mm

由文献[1]P137表4-3查得切削速度 75m/min, 计算主轴转速 sm/min875r/min

圆整取900r/min

由文献[1]P137表4-3查得进给量f0.1?/r; 计算进给速度FSf90?/min.

工步7、车槽

根据所选刀具取ap3mm

由文献[3]查得切削速度 60m/min, 计算主轴转速

sm/min637r/min

圆整取600r/min

文献[3]查得进给量f0.1 mm/r;计算进给速度FSf60?/min 工步8、车M40×1.5的内螺纹

背吃刀量ap1.3mm

主轴转速 s≤-k520r/min

圆整取500r/min

FP2mm/r

8.编制数控加工程序并进行校验

8.1编制数控加工程序

编制的程序都是刀具在工件下方

%0100

N5 G90 G94

N10 G40 G49

N15 / MFG0001

N20 T0

N25 S800 M3

N30 G0 X25.2 Y0.

N35 Z-151.5

N40 G1 X21. F600

N45 G18

N50 G3 X19.5 Z-150. I21. K-150.

N55 G1 X21.7

N60 G0 X46.212

N65 Z3.494

N70 G1 X42.012 F600

N75 Z-150.

N80 X44.212

N85 G0 Z3.494

N90 G1 X40.024 F600

N95 Z-66.28

N100 X42.224

N105 G0 Z3.494

N110 G1 X38.036 F600

N115 Z-61.901

N120 G3 X40.024 Z-66.28 I15. K-75. N125 G1 X42.224

N130 G0 Z3.494

N135 G1 X36.048 F600

N140 Z-58.9

N145 G3 X38.036 Z-61.901 I15. K-75. N150 G1 X40.236

N155 G0 Z3.494

N160 G1 X35.3 F600