心轴设计与加工

课题名称    心轴加工与加工      

系    部     现代制造工程系        

专业名称       数控专业            

班    级      数控1105班          

姓    名     王        旭          

学    号      *********            

指导老师       刘学 航             

班    级     数控1105班            

                   2012年  9  月  18  日

摘　要

数控机床集计算机技术、电子技术、自动控制、传感测量、机械制造、网络通信技术于一体，是典型的机电一体化产品，它的发展和运用，开创了制造业的新时代，改变了制造业的生产方式、产业结构、管理方式，使世界制造业的格局发生了巨大变化。现代的CAD／CAM、FMS、CIMS等，都是建立在数控技术之上。数控技术水平的高低已成为衡量一个国家制造业现代化程度的核心标志，实现加工机床及生产过程数控化，已经成为当今制造业的发展方向。

数控系统是数控机床的控制部分，数控系统包括CNC装置、主轴及进给伺服驱动装置，以及主轴电动机、进给电动机和与其相关的检测反馈元件。一个数控系统性能的好坏是与上述各个环节的性能密切相关的。为了达到一定的精度要求，本次设计对进给伺服系统采用了开环控制。用直流伺服电机做执行部件。通过PWM调速系统来控制电机；利用LM629驱动PWM；采用编码盘作为主轴的速度检测元件来构成精度较高的半闭环控制。

 在科技迅猛发展的今天，随着自动信息处理、数据处理以及电子计算机的出现，给自动化技术带来了新的概念，用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制，推动了机床自动化的发展。因此，数控机床能够解决普通机床难于胜任的问题。

关键词：数控机床 ，数控系统，伺服单元，半闭环控制，主轴

                                     Abstract

CNC machine tool set, computer technology, electronic technology, automatic control, sensing, machinery manufacturing, network communication technology, is a typical mechatronic product, its development and use, founded the manufacturing industry new times, changed the manufacturing industry production, industry structure, management mode, make the world manufacturing industry a dramatic change in the pattern of. Modern CAD / CAM, FMS, CIMS etc, are built in the numerical control technology. CNC technology level has become a measure of national manufacturing industry modernization degree core markers, realize the processing machine and the production process of NC, has become the development direction of manufacturing industry.

CNC system CNC machine tool control part, CNC system comprises an CNC device, the spindle and feed servo drive unit, and a spindle motor, feed motor and related detection feedback element. A numerical control system performance is with the link performance is closely related to. In order to achieve a certain precision requirements, the design of servo feed system employs an open loop control. DC servo motor as executive component. Through the PWM control system to control the motor driver using LM629; PWM; using the coding disc as spindle speed detecting element to constitute a high precision closed loop control.

The rapid development in science and technology today, along with the automatic information processing, data processing and the emergence of computer, automation technology to bring a new concept, using the digital signals of the machine and process control, promote the development of automated machine tools. Therefore, numerical control machine tool can solve the difficult problems of general machine tools for.

Keywords: CNC machine tools, CNC system, servo unit, loop control, spindle

第一节  零件分析 ……………………………………………………（1）

一、零件图 ………………………………………………………（1）

二、零件结构分析 ………………………………………………（1）

三．数值运算 ……………………………………………………（1）

第二节  工件的定位与夹装 …………………………………………（2）

一、加工精度要求 ………………………………………………（2）

二、零件装夹与定位基准选择 …………………………………（2）

三、加工刀具分析与确定 ………………………………………（2）

四、加工处理 ……………………………………………………（3）

第三节  数控车削加工工艺 …………………………………………（4）

一、数控车削加工编程任务书………………………………………（4）

二、零件的装夹安装方式 ………………………………………（4）

三、数控加工工序卡 ……………………………………………（6）

四、数控加工刀具表 ……………………………………………（7）

五、加工用量的选择与确定 ……………………………………（8）

第四节  机床刀具运行轨迹图 ………………………………………（8）

第五节  数控加工程序单 ……………………………………………（11）

第六节  数控车削加工的操作 ………………………………………（14）

一、数控编程和辅助参数的确定 ………………………………（14）

二、数控加工的刀具安装 ………………………………………（15）

三、工件的装夹 …………………………………………………（15）

四、工件的校正 …………………………………………………（16）

五、数控加工的对刀 ……………………………………………（16）

六、数控加工首件试切 …………………………………………（17）

七、零件的生产加工………………………………………………（17）

第七节  结论 …………………………………………………………（18）

参考文献 ………………………………………………………………（19）

前言

毕业设计是高等职业教育教学计划的重要组成部分，是加强理论与实际相结合的实践性教学环节，是各专业的必修课程，在学生完成所有专业课程学习、结合毕业实习进行。大学生活即将结束,我们也将迎接的最后一次考验和竞争就是毕业设计。

这次毕业设计中，我的设计题目是《内螺纹深槽椭圆球头心轴加工》。为了更好的完成设计，我仔细研究了零件图，查阅了《金属切削原理与刀具》、《数控加工编程及操作》、《数控加工工艺学》《数控加工曲型案例》等资料。但在设计过程中，因自己经验不足，遇到了很多实际问题，使我体会到了在现场实习调研仅证明可不可以实干，而不能代表能不能干好。所以我积极与设计指导老师、操作指导老师沟通，在各位老师的全力帮助、指导下问题得到了全面解决，同时受到各位老师优良工作品质的影响，培养出了我缓中求稳、虚心求教、实事求是、一丝不苟的工作作风，为今后从事工作打下了良好的基础。

通过毕业设计，我真正认识到理论和实践相结合的重要性，并培养了我综合运用所学理论知识和实际操作知识去理性的分析问题和解决实际工作中的一般技术工程问题的能力，使我建立了正确的设计思想，掌握了工艺设计的一般程序、规范和方法，并进一步巩固、深化地吸收和运用了所学的基本理论知识和基本操作技能。还有，它提高了我设计计算、绘图、编写技术文件、编写数控程序、数控机床操作、实际加工零件和正确使用技术资料、标准、手册等工具书的工作能力，更培养了我勇于创新的精神及严谨的学风及工作作风。

由于本人能力有限，缺少设计经验，设计中漏误在所难免，敬请各位老师指正批评，以使我对自己的不足得到及时的发现并修改，避免我在今后的工作中避免再次出现。

在这里，向在这次毕业设计中给予过我鼓励、指导及帮助的每位老师表示我虔诚和衷心的感谢！

第一节零件分析    

一、零件图：

图1.1.1

二、零件结构分析

该零件结构如图1.1.2，包括有有圆柱、圆锥、椭圆球头、内孔及内螺纹。在数据车削加工中，零件车削加工成形的结构形状并不复杂，但零件的尺寸精度尤其是零件的几何精度要求很高，其多个直径尺寸有较严的尺寸公差和表面粗糙度值等要求。

图1.1.2 内螺纹深槽椭圆球头心轴

三、数值计算

生活中，我们对几何信息的认知有多种方法常用的有，数形结合法（解析法）。但有时面对复杂的图形，解析法会带来繁重的数学计算。AUTO CAD作为一套专业的绘图软件，它强大的信息处理功能为图形中繁杂点的计算带来了可能。我们在操作界面中绘制图形后就可以打开状态栏中的捕捉、对象捕捉按钮，在绘图区捕捉相关的点。同时，在状态栏中就可以看到这些点的坐标。

第二节  工件的定位与装夹

一、加工精度要求

参见图1.1.1：在数控车削加工中，零件重要的径向加工部位有：Φ44—00.016mm的圆柱段，零件中间有Φ28—00.016mm的圆柱段的精度要求和表面粗糙度要求，零件的左端有Φ38—00.016mm的圆柱段以及深度为29.5mm的内孔和M22×1.5mm的内螺纹，零件右端有椭圆球头。由上述尺寸可以确定，零件的轴向加工尺寸该以左端面为基准。

二、零件装夹与定位基准选择

定位基准选择原则

（1）基准重合原则

（2）基准统一原则

（3）便于装夹原则

（4）便于对刀原则

根据定位基准选择原则，避免不重合误差，便于编程，以工序的设计基准作为定位基准。参见图1.1.1：该零件左端为Φ44的圆柱，右端为椭圆球头。加工该零件时，先以右端毛坏外圆柱为定位基准加工出零件的左端的，再以Φ44—00.016mm的圆柱为定位基准加工零件的右端。采用三爪自动定心卡盘的装夹方式进行零件的装夹定位。零件轴向的定位基准选择在Φ44—00.016mm圆柱段的左端面。

三、加工刀具分析与确定

参见图1.1.1：在该零件的数控车削加工中采用硬质合金Kr=900外圆车刀，副偏角取为600，断屑性较好。零件中间锥台处使用硬质合金外圆精车车刀，刀尖圆弧半径取为0.2mm。零件中间圆柱槽部分使用宽度为8mm的切槽刀。零件内孔部位使用刀柄宽度为15mm的内螺纹车刀，刀柄宽度为15mm主切削刃宽度为5mm的内切槽车刀，镗孔车刀，就可以满足加工所需。

由零件加工的上述工艺分析，确定加工使用的设备、辅具与材料如下：

（一）案例加工选择在FANUC数控系统的车床上进行；

（二）配备零件毛坯1件，毛坯材料为45#钢；毛坯尺寸Φ45mm×105mm；

（三）配备三爪自动定心卡盘等相关装夹工具；

（四）刀具配备：中心钻（B=2.5mm）1支；

Φ20钻头1支；

外圆车刀（正刀、主偏角Kr=900）1把；

切槽车刀（刀刃宽B=8mm）1把；

外圆精车车刀1把；

镗孔车刀1把；

内切槽车刀（刀刃宽B=5mm）1把；

内螺纹车刀1把。

七、加工处理

在生产实际中，大部分零件的加工往往是以混合工艺的形式来进行编制的；有的加工工艺在数控车床上不能进行操作或操作比较繁琐。所以在数控加工前要对零件的某些部位进行预加工，目的是为数控车削加工工序提供可靠的装夹工艺基准。对于该零件在数控加工前的预加工就是在零件一端钻打直径为20mm深度为28mm的内孔。

第三节  数控车削加工工艺

该零件有尺寸精度要求和粗糙度要求。当零件的加工工艺和走刀路线确定后，就要正确地计算刀位点的编程坐标系，如果对刀点的坐标系计算错误或误差较大那么将直接导致零件尺寸误差较大甚至不合格。零件上有配合尺寸和自由尺寸，它们都是有公差要求的，编程时一定要把公差考虑进去，否则，加工的零件有可能不符合公差要求。要根据加工零件的材料、切削性和表面形状，合理地选择刀具的类型、牌号和刀具的几何参数，刀具的前角、后角和修光刃对提高零件的表面加工质量都 有很大的作用。在对零件加工进，切削用量的选择对零件表面的加工精度和表面粗糙度有直接的影响，为了达到加工要求，要合理地选择切削用量。

其工艺内容见下述数控工艺文件。

一、数控车削加工的数控编程任务书：见表1.1.1

                          表1.1.1  数控编程任务书          年   月   日

该零件一端为圆柱另一端为椭圆球头，采用两顶尖装夹也不好装夹，所以分两次掉头装夹加工该零件。零件左端外圆柱尺寸有精度要求，为了保证加工精度，装夹左端时用垫片垫起装夹。加工时采用三爪自动定心卡盘装夹零件，工件加工安装和工件坐标原点设定卡见表1.1.2。

              表1.1.2  数控加工工件安装和零点设定卡     年   月  日

数控加工分粗加工和精加工进行，其工序如下：

（一）使用主偏角主偏角Kr=900的外圆车刀，对零件左端的的外圆和右端椭圆球头部分进行粗加工和精加工。数控加工工艺卡及选择切削用量见图表1.1.3。

（二）便用镗孔车刀、内螺纹车刀、刀刃宽度B=5mm的内切槽车刀加工零件左端内孔进行粗加工和精加工。数控加工工艺卡及选择切削用量见图表1.1.3。 

（三）使用刀刃宽度为B=8mm的切槽刀加工零件中间的圆柱槽和倒斜角。数控加工工艺卡及选择切削用量见图表1.1.3。 

（四）使用外圆精车车刀对零件中间圆锥部分进行精加工和粗加工。数控加工工艺卡及选择切削用量见图表1.1.3。

                      表1.1.3  数控加工工艺卡           年   月   日

T0: 中心钻B=2.5mm

T1：钻头Φ20mm

T2: 900外圆车刀（可转位车刀）

T3：刀刃宽B=8mm切槽车刀

T4: 外圆精车车刀

T5: 镗孔车刀

T6：刀刃宽B=5mm内切槽刀

T7: 内螺纹车刀

数控刀具结构及数控刀具明细表参见表1.1.4

表1.1.4  数控刀具结构及明细表

数控粗车加工中，每次切削进给背吃刀量2.0（单边），分数次切削进行粗车加工。加工后零件各部位均留精车余量1.0（单边）。数控粗、精加工转速与进给速度选择参见表1.1.3.

第四节  机床刀具运行轨迹图

数控加工左端的外形轨迹运行图见表1.1.5，数控加工左端内孔轨迹运行图见表1.1.6数控加工右端的外形轨迹运行图见表1.1.7。

表1.1.5  机床刀具运行轨迹图

第五节  数控加工程序单

零件右端加工程序清单见表1.1.8，零件左端加工程序清单见表1.1.9。

表1.1.8  数控加工程序单

┌ →Z(W、K)                    零件名称 内螺纹深槽椭圆球头心轴  校核   

↓X(U、I)                                                         P0130 

┌ →Z(W、K)                    零件名称 内螺纹深槽椭圆球头心轴  校核   

↓X(U、I)                                                         P0130 

┌ →Z(W、K)                    零件名称 内螺纹深槽椭圆球头心轴  校核   

↓X(U、I)                                                         P0140 

┌ →Z(W、K)                    零件名称 内螺纹深槽椭圆球头心轴  校核   

↓X(U、I)                                                         P0140 

一、数控编程和辅助参数的确定（刀号、刀补、间隙补偿等）

（一）刀具刀位号的设置。参见数控刀具明细表1.1.4.

（二）刀补值未设定（加工中未使用刀具补偿）。

（三) 刀偏值未设定（加工中运用程序在起始点换刀）。

（四）间隙补偿值设置为使用机床的间隙测量值。

（五）快速运行值采用数控系统默认值。

二、数控加工的刀具安装

车削外圆、车削台阶圆、车削端面包括车削内孔时各种类型车刀的安装与要求相同。车刀安装得是否正确，将直接影响切削能否顺利进行和工件的加工质量，因此车刀安装后必须做到：

（一）刀尖严格对准工件中心，以保证车刀前角和后角不变，否则车削工件端面时，工件中心会留下凸头并损坏刀具。如下图1.1.3：

车刀对准工件中心的方法：使用垫片来达到车刀刀尖对准工件中心，垫片一般使用150～200mm的钢片。垫片要垫实，垫片的数量应尽量少。正确的垫法是：使垫片在刀头一端与四方刀架垂直于刀杆的边对齐。

图1.1.3 车刀刀尖与工件中心未对准

（二）车刀刀杆就与进给方向垂直，以保证主偏角与副偏角不变。

（三）为避免加工中产生振动，要求车刀刀杆伸出长度应尽量短，一般不超过刀杆厚度的1～1.5倍；内孔车削加工的刀杆伸出的长度以被加工孔的深度为准，且大于被加工孔的深度。

（四）最少要用刀台上的两颗螺钉压紧车刀，并且要求轮流拧紧螺钉。当车刀紧后，试车削端面，观察车刀刀尖是否对准工件中心，否则应从新调整垫片并进行试切，直到车刀刀尖对准工件中心。

三、工件的装夹

零件的加工采用三爪自动定心卡盘夹紧，为保证零件的尺寸精度，还须采用垫片包裹夹紧。

工件装夹时就注意如下：

（一）安装工件前，必须把三爪自动定心卡盘和被夹工件的部位探试干净。

（二）安装好工件后，让主轴转动，看工件是否甩动，否则从新装夹。

（三）为防止工件的轴向窜动，工件应采用轴向定位。使用限位支承进行轴向定位。

四、工件的校正

由于三爪自动定心卡盘能够进行自动定心，所以当工件轴向长度不大并且加工精度要求不高时，可以不进行校正。但是，当装夹较长的工件或者加工精度要求较高时，因为远离三爪自动定心卡盘的工件端有可能与车床的轴心不重合，所以必须进行工件的校证。校正方法有：

（一）用划线盘校正工件外圆和端面（划针分别指在工件的外圆和端面）。

（二）用百分表校正工件的外圆和端面。

五、数控加工的对刀

（一）数控车床是装夹零件，毛坯尺寸Φ45mm×105mm。

（二）在数控车削加工中，是以车刀刀尖圆弧中心进行加工的。因此在对刀时，对刀尺寸应该减去刀尖圆弧半径R2。

（三）X方向对刀。为了保证零件的尺寸精度要求，采用试切法对刀。在MDI指令下采用外圆循环切削指令加工出一段圆柱，先将车刀移到离工件毛坯X2.0mm、Z3.0mm的方位，用G91指令加工，设定U=2.0、W=-15.0，MDI指令运行结束后将刀具向Z轴方向移动X轴不动。测量出已加工圆柱的直径加上设定的U值得出工件坐标系X的设定值，输入机床坐标系即完成X轴方向的对刀。

（四）Z向对刀。起动车床主轴，先用切断刀将工件端面切平。再以加工刀具刀尖左侧顶点在Z方向上接触工件毛坯，此时记下刀尖的Z坐标值输入机床坐标系即完成Z轴方向的对刀。

六、数控加工首件试切

制定完数控加工工艺并编制完程序和数控加工的对刀后要进行首件试加工。由于现场机床自身存在的误差大小规律各不相同，使用同一程序，实际加工的尺寸可能发生较大的偏差。此时可根据实际测量零件尺寸的结果和现场问题处理方案，对所制定的工艺和所编制的程序进行修正和调整，直至满足零件技术要求为止。

七、零件的生产加工

通过对机床进行调试和工件的校正后，可以加工出达到零件图纸尺寸精度要求的零件。可进行零件的成批量生产加工。在加工过程中，由于刀具的磨损和对刀的误差存在，要时常在加工出的零件成品中抽出样品，对样品的尺寸和精度进行检查，如有达不到尺寸和精度要求，立即对所制定的工艺进行修正和对机床进行，要时时保证加工出的来成品是合格产品。

第七节 结论

数控机床作为一种使用广泛、典型的机电一体化产品，综合应用了微电子技术、计算机技术、自动控制、精密测量和机床结构等方面的最新成就，是一种高效的自动化机床。随着科学技术的不断发展，迄今，国际上又出现了以一台或多台加工中心、车削中心为主体，再配以工件自动装卸和监控检查装置的柔韧性制造系统FMS、计算机集成制造系统CIMS和无人化工厂FA。

由于数控机床极高效率、高精度和高柔韧性于一身，很好的代表了机床的主要发展方向。时代和社会生产力的不断发展，要求数控系统与数控机床向更高的水平与层次迈进（高精度化、运动高速化、高柔韧性化、智能化）。

  近年来，在国外的数控系统与伺服系统制造技术突飞猛进的大背景下，通过大量的技术引进，我过现代制造工业在飞速发展（数控技术得到广泛的应用）。同时，我们还要看清现阶段中国数控业与世界先进水平的差距。我国只有拥有完全自主知识产权上的数控核心技术，才能实现真正意义上的“世界工厂”和“制造大国”乃至“工业强国”。这使国人不得不开始重新思索中国数控在未来的发展之路………

参考文献

[1] 《数控加工编程及操作》  编者：余英良  高等教育出版社; 2004

[2] 《数控加工工艺》        编者：田春霞  机械工业出版社; 2006

[3] 《数控加工曲型案例》    编者：余英良  高等教育出版社；2004

[4] 《金属切削原理与刀具》  编者：陆剑中  机械工业出版社；2005