刀芯軸數控車削加工工藝及編程設計

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畢 業(yè) 設 計（論 文） 設計題目： 刀芯軸數控加工工藝及編程 專 業(yè)： 數控技術 班 級： 學 號： 姓 名： 指導老師： 起訖日期 年 月 日～ 年 月 日 摘要 刀芯軸部件由主軸、軸承、傳動件（如齒輪、帶輪）和固定件（如螺母）等組成，是機床的重要組成部分。機床工作時由刀芯軸夾持工件（車床）或刀具（鉆床、鏜床、銑床、磨床等）直接參加表面成形運動，所以，刀芯軸軸部件的工作性能對加工質量和機床生產率有重要影響。 本文針對提供的刀芯軸零件，并對刀芯軸進行加工工藝的規(guī)程設計，包括了刀芯軸軸的數控車削加工，介紹了數控車的加工工藝及數控編程，以此刀芯軸軸進行數控車的加工工藝編制和數控編程的設計。 關鍵詞：刀芯軸，數控車削，數控編程，加工工藝 目 錄 摘要...........................................................I 1章 緒論.......................................................5 1.1數控機床的介紹....................................................7 1.2數控編程的介紹...................................................10 2主軸零件加工工藝設計.........................................16 2.1芯軸零件的工藝分析...............................................16 2.2刀芯軸零件的工藝安排.............................................16 2.3編制加工工藝.....................................................16 2.4手動編制程序.....................................................19 3刀芯軸零件的數控編程加工.....................................21 3.1數控編程的定義...................................................21 3.2數控編程的分類...................................................22 3.2.1編程方法的選擇...............................................24 3.3數控編程原點的確定...............................................26 3.4數控加工程序清單.................................................27 致謝..........................................................28 參考文獻......................................................29 附錄..........................................................30 1緒論 1.1數控機床的介紹 數字控制（Numerical Control,簡稱NC）技術是近代發(fā)展起來的一種用數字化信息進行控制的自動控制技術，在機床領域具體指的是用數字化信號對機床運動及加工過程進行控制的一種方法。定義中的“機床”不僅指金屬切削機床，還包括其他各類機床，如線切割機床，三坐標測量機等。 數控系統(tǒng)（NC System）是指采用數字控制技術的控制系統(tǒng)。這種控制系統(tǒng)，能自動閱讀輸入載體上預先給定的數字值和指令，并將其譯碼，處理，從而自動的控制機床進給運動進行零件加工。裝備了數控系統(tǒng)的機床稱為數控機床。 數控機床（NC Machine Tools）又稱CNC機床，數字化信息實現機床控制的機電一體化產品。它能利用數字化信息（指令，代碼）對機床的進給運動和加工過程進行控制，即把刀具和工件之間的相對位置，機床電動機的啟動和停止，主軸變速，刀具的選擇，工件的夾緊松開，冷卻電動機的開關等各種操作和順序動作等信息用代碼化的數字信息送入數控裝置，經過譯碼，運算，發(fā)出各種指令控制機床伺服系統(tǒng)或其他執(zhí)行元件，使機床自動加工出所需要的工件。 1.1.1 數控機床的產生和發(fā)展 （1）產生 ①機械產品的自身要求 ②單件、多品種小批量零件約占80%以上 （2）發(fā)展 1952年 美國Parsons公司和MIT 三坐標數控立銑床 1955年 數控機床進入實用化階段-復雜曲面加工 數控系統(tǒng)采用電子管元件-電子管時代 1959年 采用晶體管和印制板電路-第二代數控系統(tǒng) 1965年 出現小規(guī)模集成電路-第三代數控系統(tǒng) 1970年 出現小型計算機代替專用硬接線裝置 ——第四代數控系統(tǒng)（CNC系統(tǒng)） 1974年 以微處理為核心的數控系統(tǒng) ——第五代數控系統(tǒng)（MNC系統(tǒng)） （3）我國 1958年 起步 20世紀 60年代末70年代初 — 研制出一些晶體管式數控系統(tǒng) 20世紀80年代初 1985年 進入實用階段 1986—1990年 數控機床大發(fā)展時期 1991年 300多種 1.1.2 數控技術發(fā)展趨勢 1）高可靠性 ①提高元器件和系統(tǒng)的可靠性 ②采用抗干擾技術，提高數控系統(tǒng)對環(huán)境的適應能力 ③使數控系統(tǒng)模塊化、通用化和標準化 ④提高自診斷及保護功能 2）高柔性化 柔性：指機床適應加工對象變化的能力 3）高精度化 ①利用數控系統(tǒng)的補償功能 ②采用高分辨率，高響應性的絕對位置傳感技術 ③提高數控機床機械本體中基礎大件的結構剛性和熱穩(wěn)定性 4）高速度化 ①機械方面：提高切削速度和減少輔助時間 ②數控系統(tǒng)：CPU 5）復合化 ①工序復合化 ②功能復合化 6）制造系統(tǒng)自動化 1.1.3數控機床的組成 數控機床的基本組成包括加工程序載體、數控裝置、伺服驅動裝置、機床主體和其他輔助裝置。下面分別對各組成部分的基本工作原理進行概要說明。 加工程序載體數控機床工作時，不需要工人直接去操作機床，要對數控機床進行控制，必須編制加工程序。零件加工程序中，包括機床上刀具和工件的相對運動軌跡、工藝參數（進給量主軸轉速等）和輔助運動等。將零件加工程序用一定的格式和代碼，存儲在一種程序載體上，如穿孔紙帶、盒式磁帶、軟磁盤等，通過數控機床的輸入裝置，將程序信息輸入到CNC單元。數控裝置數控裝置是數控機床的核心?，F代數控裝置均采用CNC（Computer Numerical Control）形式，這種CNC裝置一般使用多個微處理器，以程序化的軟件形式實現數控功能，因此又稱軟件數控（Software NC）。CNC系統(tǒng)是一種位置控制系統(tǒng)，它是根據輸入數據插補出理想的運動軌跡，然后輸出到執(zhí)行部件加工出所需要的零件。因此，數控裝置主要由輸入、處理和輸出三個基本部分構成。而所有這些工作都由計算機的系統(tǒng)程序進行合理地組織，使整個系統(tǒng)協(xié)調地進行工作。 1）輸入裝置：將數控指令輸入給數控裝置，根據程序載體的不同，相應有不同的輸入裝置。主要有鍵盤輸入、磁盤輸入、CAD/CAM系統(tǒng)直接通信方式輸入和連接上級計算機的DNC（直接數控）輸入，現仍有不少系統(tǒng)還保留有光電閱讀機的紙帶輸入形式。 （1）紙帶輸入方式?？捎眉垘Ч怆婇喿x機讀入零件程序，直接控制機床運動，也可以將紙帶內容讀入存儲器，用存儲器中儲存的零件程序控制機床運動。 （2）MDI手動數據輸入方式。操作者可利用操作面板上的鍵盤輸入加工程序的指令，它適用于比較短的程序。在控制裝置編輯狀態(tài)（EDIT）下，用軟件輸入加工程序，并存入控制裝置的存儲器中，這種輸入方法可重復使用程序。一般手工編程均采用這種方法。 在具有會話編程功能的數控裝置上，可按照顯示器上提示的問題，選擇不同的菜單，用人機對話的方法，輸入有關的尺寸數字，就可自動生成加工程序。 （3）采用DNC直接數控輸入方式。把零件程序保存在上級計算機中，CNC系統(tǒng)一邊加工一邊接收來自計算機的后續(xù)程序段。DNC方式多用于采用CAD/CAM軟件設計的復雜工件并直接生成零件程序的情況。2）信息處理：輸入裝置將加工信息傳給CNC單元，編譯成計算機能識別的信 不同類型的數控機床(13張)息，由信息處理部分按照控制程序的規(guī)定，逐步存儲并進行處理后，通過輸出單元發(fā)出位置和速度指令給伺服系統(tǒng)和主運動控制部分。CNC系統(tǒng)的輸入數據包括：零件的輪廓信息（起點、終點、直線、圓弧等）、加工速度及其他輔助加工信息（如換刀、變速、冷卻液開關等），數據處理的目的是完成插補運算前的準備工作。數據處理程序還包括刀具半徑補償、速度計算及輔助功能的處理等。 3） 輸出裝置：輸出裝置與伺服機構相聯(lián)。輸出裝置根據控制器的命令接受運算器的輸出脈沖，并把它送到各坐標的伺服控制系統(tǒng)，經過功率放大，驅動伺服系統(tǒng)，從而控制機床按規(guī)定要求運動。伺服與測量反饋系統(tǒng)伺服系統(tǒng)是數控機床的重要組成部分，用于實現數控機床的進給伺服控制和主軸伺服控制。伺服系統(tǒng)的作用是把接受來自數控裝置的指令信息，經功率放大、整形處理后，轉換成機床執(zhí)行部件的直線位移或角位移運動。由于伺服系統(tǒng)是數控機床的最后環(huán)節(jié)，其性能將直接影響數控機床的精度和速度等技術指標，因此，對數控機床的伺服驅動裝置，要求具有良好的快速反應性能，準確而靈敏地跟蹤數控裝置發(fā)出的數字指令信號，并能忠實地執(zhí)行來自數控裝置的指令，提高系統(tǒng)的動態(tài)跟隨特性和靜態(tài)跟蹤精度。伺服系統(tǒng)包括驅動裝置和執(zhí)行機構兩大部分。驅動裝置由主軸驅動單元、進給驅動單元和主軸伺服電動機、進給伺服電動機組成。步進電動機、直流伺服電動機和交流伺服電動機是常用的驅動裝置。測量元件將數控機床各坐標軸的實際位移值檢測出來并經反饋系統(tǒng)輸入到機床的數控裝置中，數控裝置對反饋回來的實際位移值與指令值進行比較，并向伺服系統(tǒng)輸出達到設定值所需的位移量指令。機床主體機床主機是數控機床的主體。它包括床身、底座、立柱、橫梁、滑座、工作臺、主軸箱、進給機構、刀架及自動換刀裝置等機械部件。它是在數控機床上自動地完成各種切削加工的機械部分。與傳統(tǒng)的機床相比，數控機床主體具有如下結構特點： 1）采用具有高剛度、高抗震性及較小熱變形的機床新結構。通常用提高結構系統(tǒng)的靜剛度、增加阻尼、調整結構件質量和固有頻率等方法來提高機床主機的剛度和抗震性，使機床主體能適應數控機床連續(xù)自動地進行切削加工的需要。采取改善機床結構布局、減少發(fā)熱、控制溫升及采用熱位移補償等措施，可減少熱變形對機床主機的影響。 2）廣泛采用高性能的主軸伺服驅動和進給伺服驅動裝置，使數控機床的傳動鏈縮短，簡化了機床機械傳動系統(tǒng)的結構。 3）采用高傳動效率、高精度、無間隙的傳動裝置和運動部件，如滾珠絲杠螺母副、塑料滑動導軌、直線滾動導軌、靜壓導軌等。數控機床輔助裝置輔助裝置是保證充分發(fā)揮數控機床功能所必需的配套裝置，常用的輔助裝置包括：氣動、液壓裝置，排屑裝置，冷卻、潤滑裝置，回轉工作臺和數控分度頭，防護，照明等各種輔助裝置。 1.1.4 數控加工的介紹 1.1.4.1 數控加工過程 與傳統(tǒng)加工比較，數控加工與普通機床加工方法與內容上有許多相似之處，不同點主要表現在控制方式上。以機械加工為例，用普通機床加工零件時，工序的安排、機床運動的先后次序、走刀線路及有關切削參數的選擇等，都是由操作者自行考慮和確定的，而且是用手工操作方式來進行控制的。操作者總是根據零件和工序卡的要求，在加工過程中不斷改變刀具與工件的相對運動軌跡和加工參數（位置、速度等），使刀具對工件進行切削加工，從而得到所需要的合格零件。如果采用自動車床，仿形車床和仿形銑床加工，雖然也能達到對加工過程的自動控制目的，但其控制是通過預先配置的凸輪、擋塊及靠模來實現的。而在CNC機床上，傳統(tǒng)的人工操作均被數控系統(tǒng)的自動控制所取代。其工作過程是：首先要將被加工的零件圖上的幾何信息和工藝信息數字化，即將刀具與工件的相對運動軌跡、加工過程中主軸速度和進給速度的變換、冷卻液的開關、工件和刀具的交換等控制和操作，按規(guī)定的代碼和格式編成加工程序，然后將該程序送入數控系統(tǒng)。數控系統(tǒng)則按照程序的要求，先進行相應的運算、處理，然后發(fā)出控制命令，使各坐標軸、主軸以及輔助動作相互協(xié)調，實現刀具與工件的相對運動，自動完成零件的加工。 1.1.4.2 數控加工中的數據轉換過程 CNC系統(tǒng)的數據轉換過程如圖所示 成形運動 進給伺服系統(tǒng) 插補處理 刀補處理 譯碼 加工程序 切削運動、機床I/O裝置 PLC控制 （1） 譯碼 譯碼程序的主要功能就是將用文本格式（通常用ASCII碼）表達的零件加工程序，以程序段為單位轉換成刀補處理程序所需要的數據結構（格式），該數據結構用來描述一個程序段解釋后的數據信息。它主要包括：X、Y、Z等坐標值，進給速度，主軸轉速， G代碼，M代碼，刀具號，子程序處理和循環(huán)調用處理等數據或標志的存放順序和格式。 （2） 刀補處理（計算刀具中心軌跡） 為方便編程，零件加工程序通常是按零件輪廓或按工藝要求設計的進給路線編制的，而數控機床在加工過程中控制的是刀具中心（準確地說是刀位點）軌跡因此在加工前必須將編程軌跡變換成刀具中心的軌跡。刀補處理就是完成這種轉換的處理程序 （3） 插補計算 數控編程提供了刀具運動的起點、終點和運動軌跡，而刀具怎么從起點沿運動軌跡走向終點則由數控系統(tǒng)的插補裝置或插補軟件來控制。該程序以系統(tǒng)規(guī)定的插補周期定時運行，它將由各種線性（直線、圓弧等）組成的零件輪廓，按程序給定的進給速度F，實時計算出各個進給軸在內的位移指令（），并送給進給伺服系統(tǒng)，實現成形運動。 （4） PLC控制 CNC系統(tǒng)對機床的控制分為對各坐標軸的速度和位置的“軌跡控制”和對機床動作的“順序控制”或稱“邏輯控制”。后者是指在數控機床運行過程中，以CNC內部和機床各行程開關、傳感器、按鈕、繼電器、等開關信號狀態(tài)為條件，并按預先規(guī)定的邏輯關系對諸如主軸的起停、換向，刀具的更換，工件的夾緊、松開，液壓、冷卻、潤滑系統(tǒng)的運行等進行控制，PLC控制就是實現上述功能的模塊 通過所述，數控機床加工原理就是講預先編好的加工程序以數據的形式輸入數控系統(tǒng)，數控系統(tǒng)通過譯碼、刀補處理、插補計算等數據處理和PLC協(xié)調控制，最終實現零件的自動化加工。 1.1.5 數控機床的特點 與通用機床和專用機床相比，數控機床具有以下主要特點： 1) 加工精度高，質量穩(wěn)定，現在一般的數控機床的精度都能達到0.001mm 2) 能完成普通機床難以完成的加工或根本不能加工的復雜零件的加工。 3) 生產效率高，數控機床的主軸轉速，進給速度和快速定位速度高，通過合理選擇切削參數，可充分發(fā)揮刀具的切削性能，減少切削時間，不僅加工過程穩(wěn)定，而且能保證加工效果的高精度。而且不需要在加工過程中進行測量檢查，就能連續(xù)的完成整個加工過程，減少輔助動作時間和停機時間 4) 柔性高，通用性強 5) 有利于制造技術向綜合自動化方向發(fā)展。數控機床是機械加工自動化的基礎設備之一，當今以數控機床為基礎建立起來的FMC,FMS,CIMS等綜合自動化系統(tǒng)使機械制造的集成化，自動化和智能化得以逐步實現。 6) 功能豐富。CNC系統(tǒng)不僅能控制機床的運動，而且還對機床進行全面的監(jiān)控，自診斷報警，通信管理等。 7) 減少人工勞動強度，改善勞動條件，實現一人多機操作 8) 不足：初期投資大，維修維護難度大，同時對操作人員的技術水平要求較高。 1.1.6 數控機床的特點與分類 1.1.6.1 按工藝用途分類 （1） 普通數控機床 為了不同的工藝需要，與傳統(tǒng)的通用機床一樣，有數控車、銑、鉆、磨及鏜床等，而且每一類都有好多品種。這類機床的工藝性能與通用機床相似，所不同的是它們能自動的加工精度較高、形狀更復雜的零件。 （2）數控加工中心 數控加工中心是帶有刀庫和自動換刀裝置的數控機床。典型的機床有鏜銑加工中心和車削加工中心。 （3）多坐標數控機床 有些復雜形狀的零件，用三坐標數控機床無法完成加工，需要三個以上的坐標的合成運動才能加工出來所需要的曲面形狀，于是出現多坐標聯(lián)動的數控機床，其特點是數控裝置同時控制多坐標的聯(lián)動，現在常用的有4、5、6坐標聯(lián)動的數控機床。 （4）數控特種加工機床 包括數控電火花加工機床、數控線切割機床、數控激光切割機床。 1.1.6.2 按控制運動的方式分類 （1）點位控制數控機床：它是指能控制刀具相對于工件的精確定位控制系統(tǒng),而在相對運動的過程中不能進行任何加工。 通過采用分級或連續(xù)降速，低速趨近目標點，來減少運動部件的慣性過沖而引起的定位誤差。 （2）直線控制數控機床:它是指控制機床工作臺或刀具以要求的進給速度，沿平行于某一坐標軸或兩軸的方向進行直線或斜線移動和切削加工的機床。這類數控機床要要求具有準確的定位功能和控制位移的速度，而且也要偶刀具半徑和長度的補償功能以及主軸轉速控制的功能?，F代組合機床也算是一種直線運動控制數控機床。 （3）輪廓控制的數控機床:它是指能實現兩軸或兩軸以上的聯(lián)動加工，而且對各坐標的位移和速度進行嚴格的不間斷控制，具有這種控制功能的數控機床。現代數控機床大多數有兩坐標或以上聯(lián)動控制、刀具半徑和長度補償等等功能。按聯(lián)動軸數也可分兩軸聯(lián)動、兩軸半、三軸、四軸、五軸聯(lián)動等。隨著制造技術的發(fā)展，多坐標聯(lián)動控制也越來普遍。 1.1.6.3 按進給伺服系統(tǒng)類型分類 由數控裝置發(fā)出脈沖或電壓信號，通過伺服系統(tǒng)控制機床各運動部件運動。數控機床按進給伺服系統(tǒng)控制方式分類有三種形式：開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)和半閉環(huán)控制系統(tǒng)。 （1）開環(huán)數控機床 這種控制系統(tǒng)采用步進電機，無位置測量元件，輸入數據經過數控系統(tǒng)運算，輸出指令脈沖控制步進電機工作，如圖1-1所示，這種控制方式對執(zhí)行機構不檢測，無反饋控制信號，因此稱之為開環(huán)控制系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)的設備成本低，調試方便，操作簡單，但控制精度低，工作速度受到步進電機的限制。 圖1-1 開環(huán)控制系統(tǒng) （2）閉環(huán)數控機床 這種控制系統(tǒng)絕大多數采用伺服電機，有位置測量元件和位置比較電路。如圖1-2所示，測量元件安裝在工作臺上，測出工作臺的實際位移值反饋給數控裝置。位置比較電路將測量元件反饋的工作臺實際位移值與指令的位移值相比較，用比較的誤差值控制伺服電機工作，直至到達實際位置，誤差值消除，此稱之為閉環(huán)控制。閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制精度高，但要求機床的剛性好，對機床的加工、裝配要求高，調試較復雜，而且設備的成本高。 圖1-2 閉環(huán)控制系統(tǒng) （3）半閉環(huán)數控機床(圖1-3) 這種控制系統(tǒng)的位置測量元件不是測量工作臺的實際位置，而是測量伺服電機的轉角，經過推算得出工作臺位移值，反饋至位置比較電路,與指令中的位移值相比較，用比較的誤差值控制伺服電機工作。這種用推算方法間接測量工作臺位移，不能補償數控機床傳動鏈零件的誤差，因此稱之為半閉環(huán)控制系統(tǒng)。半閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制精度高于開環(huán)控制系統(tǒng)，調試比閉環(huán)控制系統(tǒng)容易，設備的成本介于開環(huán)與閉環(huán)控制系統(tǒng)之間。 圖1-3 半閉環(huán)控制系統(tǒng) 1.1.6.4 按數控系統(tǒng)的功能水平分類 將機床分為高、中、低擋（經濟型）數控機床 見下表 功能 抵擋 中檔 高檔 分辨率 10 1 0.1 進給速度 815 1524 15100 驅動軸數（軸） 開環(huán) 半閉環(huán)或閉環(huán)直流或交流伺服系統(tǒng) 通信功能 23 24 35 顯示功能 一般無 RS-232或DNC接口 可有MAP通信接口，有聯(lián)網能力 內裝PLC 無 有 有較強的PLC 主CPU 8位、16位 32位或32位以上的多CPU 1.2. 數控編程 數控機床和普通機床不同，整個加工過程中不需要人的操作，而由程序來進行控制。在數控機床加工零件時，首先要分析零件圖樣的要求、確定合理的加工路線及工藝參數、計算刀具中心運動軌跡及其位置數據；然后然后把全部工藝過程以及其他輔助功能（主軸的正轉與反轉、切削液的開關、變速。換刀等）按運動順序，用規(guī)定的指令代碼及程序格式編制成數控加工程序，經過調試后記錄在控制介質（或稱程序載體）上；最后輸入到數控機床的數控裝置中，以此控制數控機床完成工件的全部加工過程。因此，把從分析零件圖樣開始到獲得正確的程序載體為止的全部過程為零件加工程序的編制。 數控編程一般分為手工編程和自動編程兩種 1.2.1手工編程 手工編程是指程序編制的整個步驟幾乎全部是由人工完成的。對于幾何形狀不太復雜的零件，所需要的加工程序不長，計算也比較簡單，出錯機會較少，這時用手工編程即及時又經濟，因而手工編程仍被廣泛的應用于形狀簡單的點位加工及平面輪廓加工中。但是工件輪廓復雜，特別是加工非圓弧曲線、曲面等平面，或工件加工程序較長時，使用手工編程將十分繁瑣、費時，而且容易出錯，常會出現手工編程工作跟不上數控機床的加工情況，影響數控機床的開動率。此時必須用自動編程的方法編制程序。 1.2.2自動編程 自動編程有兩種：APT軟件編程和CAM軟件編程 APT軟件是利用計算機和相應的處理程序、后置處理程序對零件源程序進行處理，以得到加工程序的編程方法。在具體的編程過程中，除擬定工藝方案仍主要依靠人工進行外（有些自動編程系統(tǒng)能確定最佳的加工工藝參數），其余的工作，包括數值計算、編寫程序單、制作數控介質、程序檢驗等各項工作均有計算機自動完成。編程人員只需要根據圖樣的要求，使用數控語言編寫出零件加工的源程序，送入計算機，由計算機自動地進行數值計算、后置處理，編寫出零件加工程序單，并在屏幕模擬顯示加工過程，及時修改，將加工程序通過直接通信的方式送入數控機床，指揮機床工作。 CAM軟件是將加工零件以圖形的形式輸入計算機，有計算機自動進行數值計算、前置處理，在屏幕上形成加工軌跡，及時修改，再通過后置處理形成加工程序輸入數控機床進行加工。自動編程的出現使得一些計算繁瑣、手工編程困難、或手工無法編出的程序都能夠實現。 2主軸零件加工工藝設計 2.1刀芯軸零件的分析 如圖所示的是刀芯軸零件的圖紙，零件圖紙是二維零件圖，試制定出刀芯軸的加工工藝方案，編制其數控加工程序，并列出部分關鍵加工部位程序清單。 圖1.1 刀芯軸的零件圖 2.2零件的尺寸標注分析 零件圖上的尺寸是制造、檢驗零件的重要依據，生產中要求零件圖中的尺寸不允許有任何差錯。在零件圖上標注尺寸，除要求正確、完整和清晰外，還應考慮合理性，既要滿足設計要求，又要便于加工、測量。 關于尺寸標注主要包括功能尺寸、非功能尺寸、公稱尺寸、基本尺寸、參考尺寸、重復尺寸等等。 該零件圖說標注的尺寸均完整，符合國家要求，位置準確，表達清楚。 2.3零件的幾何要素分析 從圖分析得知，該零件的結構主要由圓柱面、圓錐面、螺紋孔、內孔等特征組成，這些特征在普通車床上難以完成，需要在數控車上加工。 2.4零件的技術要求分析 該零件的尺寸精度要求有：尺寸的尺寸精度等級為IT7級、尺寸Ф25的尺寸精度等級為IT12級、外圓尺寸Ф68的尺寸精度等級為IT12級、內螺紋尺寸M32X2的尺寸精度等級為IT9級、尺寸φ34的尺寸精度等級為IT7級，其余未注尺寸精度公差按IT12進行控制。 各軸段的位置精度有：161的精度為IT6級、96+0.2的精度等級為IT7級、其余等級按IT12等級進行控制。 表面粗糙度要求有：外圓、34內孔、17φ69圓錐面表面粗糙度為1.6、內孔尺寸φ34內孔的表面粗糙度為Ra1.6um，其余未注表面粗糙度為Ra6.3um。 綜上所述，該零件的加工精度較高，應設計比較合理的加工方案，選擇合適的刀具，合適的切削參數等等。 2.5毛坯及夾具的確定 2.5.1毛坯的確定 2.5.1.1常見的毛坯種類 (1) 鑄件 鑄件適用于形狀較復雜的零件毛坯。其鑄造方法有砂型鑄造、精密鑄造、金屬型鑄造、壓力鑄造等。 (2) 鍛件 鍛件適用于強度要求高、形狀比較簡單的零件毛坯。其鍛造方法有自由鍛和模鍛兩種。 (3) 型材 型材有熱軋和冷拉兩種。熱軋適用于尺寸較大、精度較低的毛坯；冷拉適用于尺寸較小、精度較高的毛坯。 (4) 焊接件 焊接件是根據需要將型材或鋼板等焊接而成的毛坯件。 (5) 冷沖壓件 冷沖壓件毛坯可以非常接近成品要求，在小型機械、儀表、輕工電子產品方面應用廣泛。 2.5.1.2毛坯選擇時應考慮的因素 (1) 零件的材料及機械性能要求 零件材料的工藝特性和力學性能大致決定了毛坯的種類。 (2) 零件的結構形狀與外形尺寸 (3) 生產綱領的大小 (4) 現有生產條件 (5) 充分利用新工藝、新材料 為節(jié)約材料和能源，提高機械加工生產率，應充分考慮精密鑄造、精鍛、冷軋、冷擠壓、粉末冶金、異型鋼材及工程塑料等在機械中的應用。 2.5.1.3毛坯的確定 綜合考慮，根據以上因素及零件的技術要求，確定該零件的毛坯為棒料，其尺寸為Ф120290mm，材料為40Cr鋼。 2.6.刀具的選擇 數控車床一般采用機夾可轉位刀具，所用的刀具，要求有可靠的斷屑性能，足夠的耐用，刀片轉位后有精確的重復定位精度，刀片要有足夠的夾緊可靠性，此外，由于數控車床功率比較大，剛性強，要求刀具壽命較長，質量相對穩(wěn)定，因此，對刀片材料的要求高，以保證刀具壽命，一般情況下大多使用涂層刀片。 2.6.1刀具材料的選擇 刀片材料要根據零件材料及熱處理后的材料性能合理選用。對與一般低碳鋼，低碳低合金鋼的加工刀片材料可以選擇普通硬質合金或超微粒子硬質合金材料，在國際標準中（ISO），硬質合金通常分為三大類，即K、P、M分別相當與我國國標中的YG、YT YW類。通常情況下又分別在K、P、M三種代號后附加上01、05、20、40、50等數字進行更進一步細分。一般來講數字越小者硬度更高，但 韌性降低，數字越大韌性高但硬度降低。一般情況下K類主要用于加工鑄鐵、有色金屬及非金屬材料；P類主要用于加工普通鋼；M類主要用于加工難加工鋼，鑄鐵及有色金屬。超微粒子硬質合金適合加工不銹鋼、高錳高及耐熱鋼，選用時可結合具體加工工藝參數合理選擇。在數控車削中，為提高刀具壽命，實際應用中大多使用涂層刀具材料。涂層刀具是在韌性較好的工具表面涂上一層耐磨損，耐溶著、耐反應的物質，使刀具在切削中同時具有硬而不易破損的性能。涂層的方法分為兩大類，一為物質涂層PVD，另為化學涂層CVD，一般來說，物理涂層是在550℃以下將金屬和氣體離子化后噴涂在工具表面；而化學涂層則是將各種化合物通過化學反應來沉積在工具上形成表面皮膜，一般普遍采用中溫涂層，溫度控制在800℃左右。用于涂層常見的材料有Tic、TiN、TiCN、AI2O3等陶瓷材料，涂層厚度為5?15um。由于這些陶瓷材料都具有耐磨損（硬度高），耐化學反應等性能。所以涂層刀具是數控機床最為廣泛使用的刀具類型，從非金屬、鋁合金、到鑄鐵鋼以及高強度鋼、高硬度鋼和耐熱合金、鈦合金等難加工材料的切削中均可使用，比普通較硬質合金的性能要好，性能價格比較高，是數控機床用刀具材料的首選。對于普通鋼材，優(yōu)先選擇涂層刀片，高速連續(xù)切削選用涂層厚度為5—15um多為CVD法制造刀片。沖擊較強的斷續(xù)切削時，要求涂膜的附著強度以及涂層對工具的韌性不會產生太大的影響，所以選擇涂層厚度為2?3um左右采用PVD涂層的刀片。對于普通灰鑄鐵加工來講，線速度小于300m/min以下宜采用涂層硬質合金，線速度300?500m/min以內可采用陶瓷刀具。 2.6.2常用的車刀選用 2.6.2.1外圓、端面車刀的選用 加工外圓及臺階是刀片的形狀有刀尖角為80菱形刀片，55菱形刀片，圓形刀片，方形刀片，等邊三角形刀片和35菱形刀片，其標準后角通常有0、7、11、25、30等幾種規(guī)格。主偏角主要有45、50、60、75、85、90、93、95等形式。一般情況下加工臺階軸類零件宜采用裝有80菱形刀片的95車刀，這種車刀的特點是前角和副偏角較大，摩擦小，消振散熱性好，不易拉毛零件表面，加工外圓或端面都很好用。粗加工外圓或端面則可采用裝80菱形刀片的車刀，這時不用80刀尖而是用100刀尖的菱形刀片，這樣不但進一步提高刀尖的強度，而且還提高了刀片的利用率有效提高粗加工時的加工效率。重切削時應考慮選擇圓形刀片，以滿足切削要求，提高加工效率。斷屑槽形式選用應結合粗、精加工，切削用量，切削連續(xù)性等方面合性選用。標準刀桿截面通常為矩形、正方形和圓性三種，從成本和使用方便性上考慮，應優(yōu)先采用正方形截面刀桿，刀桿的標準長度32?500mm，一般情況下，為提高切削過程的刀具剛度，在能夠滿足加工需要，又不會與零件其他部位產生干涉的情況下，刀桿長度不宜過長。刀桿結構還要根據零件加工時的走刀方向，選擇左手刀或右手刀。選擇刀片角度和刀桿結構和連接形式時，要充分考慮零件的結構特點，以避免零件加工時刀具與零件其他部位產生干涉。刀片主要裝夾形式同前所述，采用正方形刀片的刀具具有結構簡單，制造工藝好等優(yōu)點。80---84角菱形刀片，刀尖和刀邊抗破損的能力最強。 2.6.2.2孔加工刀具的選用 加工內孔時，最常采用裝有80菱形刀片的95車刀或采用裝有60三角形刀片的91車刀。若加工內孔徑比外空徑大的臺階孔時宜采用裝有55菱形刀片的110車刀，這樣在加工大內徑臺階孔時，可避免與零件直徑小的內孔發(fā)生干涉（圖3.1）。為了防止切削拉毛零件加工表面，刀片斷屑槽的選擇一定要合理，要求選用槽性較窄有多級斷屑槽或點式斷屑槽等斷屑性能好的刀片。選擇刀片角度和刀桿結構和連接形式時，要充分考慮零件內孔的結構特點，避免零件加工時刀具與零件發(fā)生干涉。一般情況下，只要不影響排屑，應盡量選擇剛性較好的車刀，由于圓形刀桿比方形刀桿截面積大些，刀具剛性好，并且刀尖還能與刀桿軸線在同一平面內，所以應優(yōu)先選擇圓形刀桿加工內孔。對于一些精度要求高，變形要求小的零件加工，應考慮選用帶冷卻孔的刀桿，以降低加工過程中的切削熱，減少零件變形。 2.6.2.3切槽刀具的選用 標準切槽刀一般分為雙刃單面結構、按工藝方法不同主要分為徑向、軸向、切斷三種類型。通常情況下，切槽刀大多為成形刀，刀頭形狀根據零件上槽的形狀可分為直切槽刀和圓弧切槽刀也可根據零件需要定做特殊槽型和復合刀具。在使用切槽刀車削內槽時，為使排屑方便，防止切屑拉毛零件，應充分考慮斷屑槽的形狀。切槽刀的刀桿結構形式較多，刀片夾緊形式主要有兩種，即自夾式夾緊和螺釘上壓式壓緊結構。采用螺釘上壓式方式用與大直徑零件的切斷。刀片深槽，采用螺釘上壓式用于小直徑零件的切斷。刀片主要形式有單頭刀片和雙頭可轉位刀片，刀桿形式要避免與零件發(fā)生干涉，降低振動的前提下，要滿足加工質量，確保剛性，降低車削振動、經濟實惠。的原則合理選用。 2.6.2.4螺紋加工刀具的選用 車螺紋刀片按切削形式可以分為切頂槽型螺紋刀片和非切頂槽螺紋刀片；按螺紋標準分為米制和英制兩種形式，按加工特點可分為內、外螺紋刀片、按螺紋線方向分為正、反螺紋。刀片結構主要分為兩刃單面和三刃單面兩種形式。通常情況下應盡量選用可重磨底面帶有120V形定位面的切頂型升刃單面式刀片，為減少切削刀和振動力，刀片應選擇正面前角結構，刀片的其他角度要結合上述不同情況區(qū)別選用。螺紋刀桿分方形和圓形截面兩種類型，前者價格較低，后者剛性和加工精度較好，刀片與刀桿連接時需要增加力墊，刀桿按照螺紋旋線方向為標準型反向型，一定要根據零件螺紋旋線方向合理選用。 除以上刀具外，在一些特殊的形狀車削時，還引用到成型車刀。 2.7該零件加工所用的刀具 根據其結構特性以及刀具的類型，確定該零件所需的刀具如表3-1所示。 表2-1 數控車削加工刀具卡 待加工表面 刀具名稱 刀具規(guī)格 刀具材料 端面 端面車刀 95車刀 硬質合金 粗車外圓 外圓車刀 90 硬質合金 精車外圓 外圓車刀 84 硬質合金 車圓錐面 外圓車刀 75 硬質合金 車外菱角 外槽刀 刀寬1.5mm 硬質合金 鉆底孔 麻花鉆 Ф38mm 高速鋼 鏜內孔 鏜刀 60 硬質合金 車內螺紋 內螺紋車刀 刀寬2mm 硬質合金 該零件中還有的的內孔，此內孔不斷能夠在車床加工，同時也可以在鏜床上加工，在這里，我們選擇鏜床，所以選擇的加工刀具為鏜刀TYY810mm。 2.8.工藝路線及其工藝卡片 2.8.1工藝路線的確定 2.8.1.1表面加工方法的選擇 選擇表面加工方法時，一般先根據表面的加工精度和表面粗糙度要求，選定最終加工方法，然后再確定精加工前的準備工序的加工方法，即確定加工方案。由于獲得同一精度和同一粗糙度的方案有好幾種，選擇時還要考慮生產率和經濟性，考慮零件的結構形狀、尺寸大小、材料和熱處理要求及工廠的生產條件等。 該零件的表面加工方法如下： （1）外圓的加工方法 粗車→精車。 （2）內孔輪廓的加工方法 鉆→粗鏜→精鏜。 （3）外菱角槽的加工方法 粗切→精切。 2.8.1.2加工順序的安排 數控車削加工順序應按照一下原則進行。 （1）基面先行原則 用作基準的表面應優(yōu)先加工出來，因為定位基準的表面越精確，裝夾誤差就越小。故第一道工序一般是進行定位面的粗加工和半精加工(有時包括精加工)，然后再以精基準加工其他表面。加工順序安排遵循的原則是上道工序的加工能為后面的工序提供精基準和合適的夾緊表面。 （2）先粗后精 切削加工時，應先安排粗加工工序，在較短的時間內，將精加工前大量的加工余量去掉，同時盡量滿足精加工的余量均勻性要求。 當粗加工后所留余量的均勻性滿足不了精加工要求時，則可安排半精加工作為過渡性工序，以便使精加工余量小而均勻。 在安排可以一刀或多刀進行的精加工工序時，其零件的最終輪廓應由最后一刀連續(xù)加工而成。 為充分釋放粗切加工時殘存在工件內的應力，在粗、精加工工序之間可適當安排一些精度要求不高部位的加工。如切槽、倒角、鉆孔等 （3）先近后遠 盡可能采用最少的裝夾次數和最少的刀具數量，以減少重新定位或換刀所引起的誤差。一次裝夾的加工順序安排是先近后遠，特別是在粗加工時，通常安排離起刀點近的部位先加工，離起刀點遠的部位后加工，以便縮短刀具移動距離，減少空行程時間。對于車削加工，先近后遠有利于保持毛坯件或半成品件的剛性，改善其切削條件。 （4）先內后外，內外交叉 對既有內表面(內腔)，又有外表面需加工的零件，安排加工順序時，應先進行內、外表面的粗加工，后進行內、外表面的精加工。切不可將零件上一部分表面(外表面或內表面)加工完畢后，再加工其它表面(內表面或外表面)。 2.8.1.3工藝路線的確定 根據其表面加工方法及加工順序的原則，確定刀芯軸零件的工藝路線如下： 刀芯軸零件的工藝路線： 工序Ⅰ：粗車端面、外圓、打中心孔。 工步1 夾毛坯外圓粗車一頭端面及外圓，打中心孔。 工步2 夾上步粗車后的外圓，粗車另一頭端面及外圓，打中心孔。 工序Ⅱ：卡盤加頂尖裝夾，車右端圓錐面。 工步1 粗車外圓。 工步2 精車外圓。 工步3 車右邊外菱角槽面。 工步4 粗車右端圓錐面。 工步5 精車右端圓錐面。 工序Ⅲ：通過專用夾具進行裝夾，夾緊夾具裝置，對刀芯軸零件的內孔進行加工，包括鉆底孔、粗鏜內孔、精鏜內孔。 工步1 粗車外圓。 工步2 鉆底孔。 工步3 粗鏜內孔。 工步4 精鏜內孔。 工步5 精車外圓。 工序Ⅳ：車刀芯軸右端內螺紋。 工步1 粗車外圓。 工步2 粗車內螺紋。 工步3 精車內螺紋。 工步4 精車外圓。 工序IVI: 鉗工去除毛刺 工序III: 檢驗入庫 2.9工藝卡片的制定 數控加工工藝文件一般包括機械加工工藝過程卡片和數控加工工序卡片，它們指引者加工操作人員進行加工，是機械加工工藝規(guī)程設計中必不可少的部分，其填寫過程包括以下幾個方面。 （1）工藝文件的校核； （2）工藝文件的會簽； （3）工藝文件的批準； （4）工藝文件的更改。 該零件的工藝卡片如下列表所示。 表2-1 機械加工工藝過程卡 機械加工工藝過程卡 零件名稱 刀芯軸 材料 40Cr 毛坯尺寸 Ф120285mm 序號 工序名稱 工序內容 車間 設備 工裝 下料 裁剪毛坯 Ⅰ 普車 粗車端面、外圓、打中心孔。 金工 CA6140普車 三爪自定心卡盤 Ⅱ 數車 車右端圓錐面及菱角槽面。 金工 GS980TD 三爪卡盤、尾座頂尖 Ⅲ 數車 車內孔。 金工 GS980TD 三爪卡盤、尾座頂尖 Ⅳ 數車 車內螺紋 金工 GS980TD 軟爪 終檢 檢驗各尺寸是否合格 檢驗室 表2-2 刀芯軸零件的數控加工工序卡Ⅰ、Ⅱ 數控加工工序卡 零件名稱 夾具名稱 使用設備 工序號 Ⅰ、Ⅱ 程序編號 O0001 刀芯軸零件 三爪定心卡盤 數控車床 工步號 工序內容 刀具號 刀具名稱 背吃刀量 mm 主軸轉速r/mm 進給速度mm/r 備注 1 粗車端面和外圓 T01 90外圓車刀 1.2 650 150 自動 2 精車外圓 T02 84外圓車刀 0.2 1000 100 自動 3 車菱角槽面 T03 2mm外槽刀 1000 80 自動 4 粗車右端圓錐面 T04 75外圓車刀 600 80 自動 5 精車右端圓錐面 T04 75外圓車刀 0.2 1200 100 自動 6 檢驗 表2-3 刀芯軸零件工序Ⅲ的數控加工工序卡 數控加工工序卡 零件名稱 夾具名稱 使用設備 工序號 Ⅲ 程序編號 O0003 刀芯軸 三爪定心卡盤 數控車床 工步號 工序內容 刀具號 刀具名稱 背吃刀量 mm 主軸轉速r/mm 進給速度mm/r 備注 1 粗車外圓 T01 90外圓車刀 1 650 80 自動 2 手動鉆底孔 Ф38麻花鉆 350 45 手動 3 粗鏜內孔 T02 60鏜刀 0.8 500 80 自動 4 精鏜內孔 T02 60鏜刀 0.1 900 100 自動 表2-4 主軸零件工序Ⅳ的數控加工工序卡 數控加工工序卡 零件名稱 夾具名稱 使用設備 工序號 Ⅳ 程序編號 O0004 刀芯軸 三爪定心卡盤 數控車床 工步號 工序內容 刀具號 刀具名稱 背吃刀量 mm 主軸轉速r/mm 進給速度mm/r 備注 1 粗車外圓 T01 90外圓車刀 1 750 80 自動 2 粗車內螺紋 外螺紋車刀 650 60 自動 3 精車內螺紋 T02 外螺紋車刀 0.8 800 80 自動 3刀芯軸零件的數控編程加工 3.1數控編程的定義 編程是將加工零件的加工順序、刀具運動軌跡的尺寸數據、工藝參數（主運動和進給運動速度、切削深度）以及輔助操作（換刀、主軸正反轉、冷卻液開關、刀具夾緊松開等）加工信息，用規(guī)定的文字、數字、符號組成的代碼，按一定格式編寫成加工程序。 3.2數控編程的分類 數控編程又可分為手工編程和自動編程兩類。 手工編程時，整個程序的編制過程是由人工完成的。這要求編程人員不僅要熟悉數控代碼及編程規(guī)則，而且還必須具備有機械加工工藝知識和數值計算能力。對于點位加工或幾何形狀不太復雜的零件，數控編程計算較簡單，程序段不多，手工編程即可實現。 自動編程是用計算機把人們輸入的零件圖紙信息改寫成數控機床能執(zhí)行的數控加工程序，就是說數控編程的大部分工作有計算機來實現。 3.2.1編程方法的選擇 該零件的刀具軌跡路徑主要由直線、圓弧組成，坐標點尺寸計算方便，故采用手工編程的方式編制其加工程序。 3.3編程原點的確定 該零件為規(guī)則的回轉型零件，其坐標原點可設在軸的兩端面中心上，這樣方便編程坐標的計算。其坐標原點如圖3.1所示。 圖3.1 坐標原點 致 謝 本課題在選題及研究過程中得到指導老師的悉心指導。老師多次詢問研究進程，并為我指點迷津，幫助我開拓研究思路，精心點撥、熱忱鼓勵。老師一絲不茍的作風，嚴謹求實的態(tài)度，踏踏實實的精神，不僅授我以文，而且教我做人，雖歷時三載，卻給以終生受益無窮之道。我對老師的感激之情是無法用言語表達的。 畢業(yè)設計是對我們畢業(yè)在大學期間所學知識的一個考驗，檢查我們幾年大學生活的所得和其他各個方面的綜合能力。它重在讓我們運用所學知識去發(fā)現、提出問題，并通過查找資料、分析、詢問他人解決問題。經過一個月的努力，我的設計已完成，通過此次設計，我對刀芯軸類零件的數控加工工藝有了更深刻的理解，這對我以后的工作有極大的幫助。此外，這次畢業(yè)設計還培養(yǎng)了我獨立工作及與別人團結合作的能力，各方面的綜合能力也有所提高，使我明白做任何事都必須有嚴謹認真的態(tài)度，須知“差之毫厘，謬以千里”。在以后的日子里，我會不斷提高自身的素質，使自己更適應社會的需求。 我還感謝所有幫過我和教過我的老師。他們細心指導我的學習和做人，在此，我要向諸位老師深深地鞠上一躬。 在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進入課題到論文的順利完成，有可敬的師長、朋友給了我無言的幫助，在這里請接受我誠摯的謝意!最后我還要感謝培養(yǎng)我長大含辛茹苦的父母，謝謝你們! 參考文獻 1. 張超英, 《數控機床加工工藝、編程及操作實訓》,高等教育出版社，2003.9 2. 倪森壽，《機械制造基礎》，高等教育出版社，2005.1 3. 陳立德，《機械設計基礎》，高等華教育出版社，2004.7 4. 李一民，《數控機床》,東南大學出版社,2005.7 5. 隋秀凜，《現代制造技術》，高等教育出版社，2002.11 6. 于榮賢等，《機械制圖與計算機繪圖》，機械工業(yè)出版社，2004.3 7．顧京，《數控加工編程及操作》，顧京主編，高等教育出版社，2003 .7 8．趙長明 劉萬菊 ，《數控加工工藝及設備》，高等教育出版社 2005.9 9．陳洪濤，《數控加工工藝及編程》，高等教育出版社，2006.10 附 錄 數控加工程序清單 本次刀芯軸的加工步驟較多，這里不一一列出，只是列出部分重要的加工程序。 1)內螺紋車削加工程序清單 N1 G92 X50 Z120 （設立坐標系，定義對刀點的位置） N2 M03 S650 （主軸以650r/min 旋轉） N3 G00 X29.2 Z101.5 （到螺紋起點，升速段 1.5mm，吃刀深 0.8mm） N4 G32 Z19 F1.5 （切削螺紋到螺紋切削終點，降速段 1mm） N5 G00 X40 （X 軸方向快退） N6 Z101.5 （Z 軸方向快退到螺紋起點處） N7 X28.6 （X 軸方向快進到螺紋起點處，吃刀深 0.6mm） N8 G32 Z19 F1.5 （切削螺紋到螺紋切削終點） N9 G00 X40 （X 軸方向快退） N10 Z101.5 （Z 軸方向快退到螺紋起點處） N11 X28.2 （X 軸方向快進到螺紋起點處，吃刀深 0.4mm） N12 G32 Z19 F1.5 （切削螺紋到螺紋切削終點） N13 G00 X40 （X 軸方向快退） N14 Z101.5 （Z 軸方向快退到螺紋起點處） N15 U-11.96 （X 軸方向快進到螺紋起點處，吃刀深 0.16mm） N16 G32 W-82.5 F1.5 （切削螺紋到螺紋切削終點） N17 G00 X40 （X 軸方向快退） N18 X50 Z120 （回對刀點） N19 M05 (主軸停) N20 M30 （主程序結束并復位） 2)菱角槽車削加工程序清單 N1 T0101 （換一號刀，確定其坐標系） N2 G00 X80 Z100 （到程序起點或換刀點位置） M03 S400 （主軸以 400r/min 正轉） N3 G00 X42 Z3 （到循環(huán)起點位置） N4G71U1R1P8Q19E0.3F100 （有凹槽粗切循環(huán)加工） N5 G00 X80 Z100 （粗加工后，到換刀點位置） N6 T0202 （換二號刀，確定其坐標系） N7 G00 G42 X42 Z3 （二號刀加入刀尖園弧半徑補償） N8 G00 X10 （精加工輪廓開始，到倒角延長線處） N9 G01 X20 Z-2 F80 (精加工菱角槽) N10 Z-8 （精加工Φ40 外圓） N11 G02 X28 Z-12 R2 （精加工 R2 圓?。? N12 G01 Z-17 （精加工Φ40 外圓） N13 U-10 W-5 （精加工下切錐） N14 W-8 （精加工 外圓槽） N15 U8.66 W-2.5 （精加工上切錐） N16 Z-37.5 （精加工Φ129.4 外圓） N17 G02 X30.66 W-14 R2 （精加工 R2 下切圓?。? N18 G01 W（精加工Φ34 內孔） N19 X40 （精加工輪廓結束） N20 G00 G40 X80 Z100 N21 M30