数控机床对轴类零件的加工工艺

 加工工艺

学    院：吉林大学

专    业：机械电子工程

班    级：1303

学生姓名：李小荣

指导老师：尚涛

                      2015年10 月19日

摘    要

随着世界贸易的兴旺便利，我国机械制造业迎来了空前地发展,为了进一步增强核心竞争力，中国制造业开始广泛使用更加先进的数控技术，二十一世纪机械制造业的竞争，归根结底是数控技术的竞争。随着数控技术的迅速发展及数控机床的广泛使用，我国机械企业急需大批数控机床编程、操作、维修、模具设计以及制造的人才，而目前劳动力市场这种技术应用型人才严重短缺。

高等职业教育的根本任务就是要从劳动力市场的实际需要出发，坚持以就业为向导，以全面素质为基础，以能力为本，努力造就数以百万计的制造业和现代服务业一线迫切需要的高素质技能型人才，用以缓解劳动力市场数控技能型人才紧缺的现状。

数控技术又称计算机数控技术，目前它是采用计算机实现数字程序控制的技术。这种技术用计算机按事先存贮的控制程序来执行对设备的控制功能。由于采用计算机替代原先用硬件逻辑电路组成的数控装置，使输入数据的存贮、处理、运算、逻辑判断等各种控制机能的实现，均可通过计算机软件来完成。

此次设计主要是介绍运用数控机床来加工轴类零件的整个工艺过程及其工艺分析，即从毛坯到所加工零件这一过程中的工艺及其相应的工艺分析，故此设计便以这一过程而展开设计，从而完成此次设计任务。当然，由于能力有限，设计当中可能有不足之处，希望老师给予批评指正。

关键词: 数控技术 ；工艺分析。

目    录

1 绪论    1

1.1 数控技术的概念及理论    1

1.1.1 数控技术的概念    1

1.1.2 数控技术的基本理论    1

1.2 数控技术的发展方向    1

2 零件的工艺分析及规程    3

2.1 零件的用途    3

2.2 零件的结构形状    3

2.3 零件的表面粗糙度    4

2.4 零件的尺寸精度    4

2.5 工艺规程的定义    5

2.6 加工工序的划分    5

2.6.1 首先 ，先明确一下加工工序划分的原则    5

2.6.2 具体加工工序划分如下    5

3 毛坯的选择    6

3.1 毛坯材料的选择    6

3.1.1 材料选择的一般标准如下    6

3.1.2 选择毛坯材料的基本过程    6

3.1.3 毛坯材料的选择结果    7

3.2 毛坯形状及尺寸的确定    7

4 机床、刀具及冷却液的选择    8

4.1 机床的选择    8

4.2 刀具的选择    8

4.3 冷却液的选择    9

5 量具和夹具的选择    10

5.1 量具的选择    10

5.2 夹具的选择    11

6 装夹方式和定位基准的选择    12

6.1 装夹方式的选择    12

6.2 定位基准的选择    12

7 切削参数的确定    14

7.1 切削用量的确定    14

7.2 加工余量的确定    14

7.3 走刀路线的确定    15

结  论    16

参考文献：    17

致  谢    18

1 绪论

1.1 数控技术的概念及理论

1.1.1 数控技术的概念

数控（英文名字：Numerical Control 简称:NC）技术是指用数字、文字和符号组成的数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制的技术。也可以说成是数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术。数控一般是采用通用或专用计算机实现数字程序控制，因此数控也称为计算机数控(Computer Numerical Control )，简称CNC，国外一般都称为CNC。它所控制的通常是位置、角度、速度等机械量和与机械能量流向有关的开关量。

1.1.2 数控技术的基本理论

    数控机床是按照事先编制好的加工程序，自动地对被加工零件进行加工。我们把零件的加工工艺路线、工艺参数、刀具的运动轨迹、位移量、切削参数(主轴转数、进给量、背吃刀量等)以及辅助功能(换刀、主轴正转、反转、切削液开、关等)，按照数控机床规定的指令代码及程序格式编写成加工程序单，再把这程序单中的内容记录在控制介质上(如穿孔纸带、磁带、磁盘、磁泡存储器)，然后输入到数控机床的数控装置中，从而指挥机床加工零件。

1.2 数控技术的发展方向

随着科学技术的发展，数控技术的应用不但给传统制造业带来了性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他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。世界先进制造技术的兴起和不断成熟，对数控加工技术提出了更高的要求，超高速切削、超精密加工等技术的应用，对数控机床的各个组成部分提出了更高的性能指标当今的数控机床正在不断采用最新技术成就，朝着高速化、高精度化、多功能化、智能化、系统化与高可靠性等方向发展。

2 零件的工艺分析及规程

2.1 零件的用途

图中所设计的零件为一复杂的轴类零件，而轴类零件又是机器中经常遇到的典型零件之一。它主要用来连接和支承传动零部件，传递扭矩和承受载荷，图示的零件也不例外。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，图示零件则为阶梯轴。所以，图中所示零件的用途是连接其它配合件，起的作用是支承其它传动零部件，传递扭矩和承受载荷，可用于汽车、机械等行业。

2.2 零件的结构形状

                              图2.1

如图2.1所示，此零件为结构较为复杂的不规则轴类零件，且右端最小，左端次之，中间最大，包含着曲面、内孔、螺纹及槽等一些较难加工的部分。

零件的右端是一个半球面，其左边是一个螺纹台阶，再接着是一个槽。零件的左端含有一内孔，且内孔外沿倒有圆角。左端的第一个台阶上含有一个内凹圆弧面。整体上说，此零件由左向右呈中、大、小结构分布。

2.3 零件的表面粗糙度

    定义：表面粗糙度是指加工表面具有的较小间距和微小峰谷不平度。其两波峰或两波谷之间的距离（波距）很小（在1mm以下），用肉眼是难以区别的，因此它属于微观几何形状误差。表面粗糙度越小，则表面越光滑。表面粗糙度的大小，对机械零件的使用性能有很大的影响，因此，要在满足零件表面功能的前提下，合理选用表面粗糙度参数。

    由零件图所示可知，所示零件的表面粗糙度大部分需要控制在以内，即轮廓的算术平均偏差Ra的上限值为1.6μm。除了零件右端的半球面、螺纹及槽等要控制在～以外，其余的部分都要控制在以内。

2.4 零件的尺寸精度

由图2-1可知，此零件的总长是88mm，最大直径是，即=42～41.961mm；左端最大直径是，即=36～35.961mm；孔的长为，即=20.10～20mm；直径为，即=24.036～24mm。由以上几个尺寸可以得知此零件有几处的尺寸精度要求是相当高的，这也给此零件的加工带来了一定的难度，这就需要加工者选择合适的加工方法和熟练的加工技巧等。

2.5 工艺规程的定义

机械加工工艺规程简称工艺规程，是规定零件加工工艺过程和操作方法等的工艺文件。它是在具体的生产条件下，将最合理或较合理的工艺过程和操作方法，按规定的形式制成工艺文本，经审批后用来指导生产并严格贯彻执行的指导

性文件。一般包括以下内容：工件加工工艺路线及所经过的车间和工段；各个工序的内容及采用的机床和工艺装备；工件的检验项目及检验方法；切削用量；工时定额及工人的技术等级等。

2.6 加工工序的划分

2.6.1 首先 ，先明确一下加工工序划分的原则

    按工序集中划分工序的原则；按粗,精加工划分工序的原则；按刀具划分工序的原则；按加工部位划分工序的原则。

2.6.2 具体加工工序划分如下

    先加工零件的右端，切端面；粗车外圆；精车外圆；切槽；车螺纹；再掉头加工零件的左端，切端面；用麻花钻钻孔；粗车外圆；精车外圆；镗孔；检验。

3 毛坯的选择

零件是由毛坯按照其技术要求经过各种加工而最后形成的。毛坯种类的选择不仅影响毛坯的制造技术及费用，而且也与零件的机械加工技术和加工质量密切相关。为此需要毛坯制造和机械加工两方面的技术人员密切配合，合理地确定毛坯的材料、结构形状及尺寸。

3.1 毛坯材料的选择

3.1.1 材料选择的一般标准如下

材料的力学性能。根据零件的工作条件、损坏（或失效）形式，选择满足力学性能的材料。

材料的工艺性能。对零件加工生产有直接的影响，甚至是决定性的。

材料的经济性。主要是价格比。

3.1.2 选择毛坯材料的基本过程

       首先得从毛坯材料的服役条件开始，通过对失效形式的分析从而完成材料的预选，然而失效形式的分析又得从材料的力学性能、工艺性能和经济性着手。完成材料的预选过后就需设计计算，强度校核，主要是从材料的耐用性、结构尺寸的合理性及材料的变形和抗断裂能力三个方面考虑，进而最终选定毛坯材料。

3.1.3 毛坯材料的选择结果

综合上考虑，加工此零件所选用的毛坯材料为45号钢，因为45号钢为优质碳素结构用钢 ,硬度不高，易切削加工,常用来做模板、连杆、螺栓、齿轮及轴类等，且需进行热处理（推荐热处理温度：正火850C，淬火840C，回火600C）。

3.2 毛坯形状及尺寸的确定

     毛坯是根据零件所要求的形状、力学性能及工艺尺寸等而制成的供进一步加工用的生产对象。此次设计根据工件材料、零件形状、力学性能及工艺尺寸等特性的要求，应当选择的毛坯材料为φ50mm的45号钢，并要尽量使各个回转表面上的余量分布均匀。由于零件图样尺寸为88mm×φ42mm，所以，为了使毛坯尽量的最小化，毛坯材料应当选择尺寸为120mm×φ50mm的棒状材料。综上所述，此次设计的零件毛坯材料应当是尺寸为120mm×φ50mm的棒状45号钢，且需进行过热处理。（如图3.1）

                      图3.1

4 机床、刀具及冷却液的选择

 机床、刀具和冷却液的选择往往决定所加工零件的尺寸精度和表面粗糙度，虽然说加工参数起决定性作用，但是它们的合理选择也不容忽视。所以，要加工一个精度高的零件，正确合理地选择机床、刀具和冷却液是其前提。

4.1 机床的选择

    选择加工机床，首先要保证加工零件的技术要求，能够加工出合格的零件。其次是要有利于提高生产效率，降低生产成本。选择加工机床一般要考虑到机床的结构、载重、功率、行程和精度。还应依据加工零件的材料状态、技术状态要求和工艺复杂程度，选用适宜、经济的数控机床，综合考虑以下因素的影响。

    机床的类别（车、铣、加工中心等）、规格（行程范围）、性能（加工材料）等； 数控机床的主轴功率、转速范围、刀具以及刀具系统的配置情况；数控机床的定位精度和重复定位精度；零件的定位基准和装夹方式；机床坐标系和坐标轴的联动情况；控制系统的刀具参数设置，包括机床的对刀、刀具补偿以及ATC等相关的功能。 

根据所设计的零件图分析：该零件由外圆、槽、螺纹、圆弧和内孔构成，且加工工序较为复杂。所以，为减少对刀和换刀时间，保证良好的精度要求，并结合我院现有机床的实际情况，只有选用FANUC系统的CAK6140数控车床。

4.2 刀具的选择 

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。

数控机床具有高效率、高精度、高柔性的性能，是现代机械加工的先进工艺装备，但是只有配置了与数控机床性能相适应的刀具，才能使其性能得到充分的发挥。

数控机床上用的刀具应满足安装调整方便、刚性好、精度高、耐性好等要。

4.3 冷却液的选择 

   要想选择合适的冷却液，首先就需了解冷却液的作用。一般情况下，冷却液在数控车削加工中有如下几种作用。

    降低温度，带走切削中产生的大量热能，降低工件温度，减小工件的热变形。控制残余应力和微观裂纹的产生。

润滑作用，切削时，刀具与工件其实是一个挤压并摩擦的过程，在这个过程里面冷却液起到了润滑作用，即减小了磨擦阻力(在刀具与工件之间形成了一种润滑膜,降低刀具的磨损速度)，又保证了加工面的光洁度(减少了积屑瘤，鳞刺)。

及时清理残屑的作用，在进行粗加工时，高速切削，冷却液强劲的冲击车刀，使滞留的残屑得到及时的清理。

防止零件被氧化，往往在加工过程中零件已经出现了不同程度的氧化。温度的上升，各种不同的化学元素会变得突然活跃起来，产生化学反应，而冷却液恰恰能够对这种活动起到一种作用。加工中冷却液一定要充分,过滤的比较干净,另外还要注意冷却液的浓度。

综合各方面的考虑，此次设计中冷却液选择为水溶性切削液。因为它适宜切削低/中碳钢、铸铁、铝合金、合金/不锈钢等，且具有良好的润滑性能和防锈性能。相比于非水溶性切削液，冷却效果更好；不会引起机床周围的污染，从而保持操作环境的清洁；从价格上考虑，在适用范围内，水溶性切削液可大幅度降低切削液的成本。

5 量具和夹具的选择

在数控加工过程中，量具和夹具是绝对不可缺少的部分，否则无法进行加工，而且选择合适的量具和夹具将会对数控加工起到积极的作用，例如：节省加工时间，缩小尺寸误差及降低加工难度等。

5.1 量具的选择

正确合理的选用量具是保证零件质量的重要条件之一。但选择量具要考虑多方面的因素。例如,测量误差和加工误差之间的分配,被测对象的精度要求,结构尺寸的大小、形状、和所用的材料,加工的工艺条件、使用测量器具的精确度和经济性等。

所以，综合考虑，此次设计所选用的量具有：50分度游标卡尺（图5.1）和规格25～50mm内径千分尺（图5.2）。

图5.1

 图5.2                   

5.2 夹具的选择

数控加工的特点对夹具提出了两个基本要求：一是要保证夹具的坐标方向与机床的坐标方向相对固定；二是要能保证零件与机床坐标系之间的准确尺寸关系。依据零件毛坯的状态和数控机床的安装要求，应选取能保证加工质量、满足加工需要的夹具。除此之外，还要考虑以下几点。

当零件加工批量不大时，应尽量采用组合夹具、可调夹具和其他通用夹具，以缩短生产准备时间，节省生产费用。在成批生产时可以考虑采用专用夹具，同时要求夹具的结构简单。

装夹零件要方便可靠，避免采用占机人工调整的装夹方式，以缩短辅助

时间，尽量采用液压、气动或多工位夹具，以提高生产效率。

    在数控机床上使用的夹具，要能够安装准确，能保证工件和机床坐标系的相对位置和尺寸，力求设计基准、工艺基准与编程原点统一，以减少基准不重合误差和数控编程中的计算工作量。

尽量减少装夹次数，做到一次装夹后完成全部零件表面的加工或大多数表面的加工，以减少装夹误差，提高加工表面之间的相互位置精度，达到充分提高数控机床效率的目的。 

 由于此次设计的零件加工批量不大，且根据零件装夹的需要，此次设计中仅需三爪卡盘（图5.3）即可完成零件的加工。

                       图5.3 三爪卡盘

6 装夹方式和定位基准的选择

    工件的装夹和定位不仅影响零件的加工质量，而且对生产率、加工成本及操作安全都有直接的影响。所以，选择正确的装夹方式和定位基准是很有必要的。

6.1 装夹方式的选择

定位和夹紧的整个过程合起来称为装夹。

选择合适的装夹方式是保证精度的前提。常用的装夹方式有悬臂支撑方式、两端支撑方式、桥式支撑法、专用夹具装夹法。对一般无特殊要求的零件，我们力求装夹方便，通常会选用两端支撑方式或桥式支撑法，可以克服由于悬臂支撑方式引起的工件变形。当要求批量生产时，为保证精度，提高效率，通常可选择专用夹具装夹法。另外还应注意的是，装夹时工件基准面应清洁，无毛刺。经过热处理的工件一定要清除热处理留下的渣物及氧化皮。

此次设计所选用的装夹方式是悬臂支撑方式，即采用三爪卡盘直接装夹，因为装夹工件方便，省时省力，且工件安装后一般不需要校正，适用于装夹外形规则的中小型零件。

6.2 定位基准的选择

在制定零件加工的工艺规程时，正确地选择工件的定位基准有着十分重要的意义。定位基准选择的好坏，不仅影响零件加工的位置精度，而且对零件各表面的加工顺序也有很大的影响。

基准，指零件上用来确定其它点、线、面所依据的点、线、面。

定位基准的选择分为粗基准和精基准。粗基准为用未加工过的表面所作的定位基准。精基准为用已加工过的表面所作的定位基准。

选择粗基准时，主要考虑的问题是如何使各道工序均有足够的加工余量以及工件安装的稳定性。

选择精基准时，主要考虑的问题是如何保证零件的加工精度以及安装可靠。

此次设计所选用的是以工件的中心孔定位，因为轴类零件各外圆表面、螺纹表面的同轴度及端面对轴线的垂直度是相互位置精度的主要项目，而这些表面的设计基准一般都是轴的中心线，采用两中心孔定位就能符合基准重合原则。而且由于多数工序都采用中心孔作为定位基面，能最大限度地加工出多个外圆和端面，这也符合基准统一原则。

7 切削参数的确定

     在切削加工中，切削速度、切削深度、进给量等切削参数的合理选择对于保证加工质量、降低加工成本、提高生产效率具有重要意义。在机床、刀具、工件等工艺条件一定的情况下，切削参数的选择具有一定的灵活性和能动性，如切削参数选择适当，则可最大限度地发挥生产潜力。

7.1 切削用量的确定

     切削用量是切削时各运动参数的总称，包括切削速度、进给量和背吃刀量（切削深度）。

合理选择切削用量对于发挥数控机床的最佳效益有着至关重要的关系。选择切削用量的原则是：粗加工时，一般以提高生产率为主，但也应考虑经济性和加工成本；半精加工和精加工时，应在保证加工质量的前提下，兼顾切削效率、经济性和加工成本。具体数值应根据机床说明书、刀具说明书、切削用量手册，并结合经验而定。

    本设计的所选择的切削用量是：切削速度vc=50～100mm/min,进给量f=0.1～0.2mm/r,背吃刀量ap=1.5mm。

7.2 加工余量的确定

加工余量是指加工过程中在工件表面所切去的金属层厚度。余量有总加工余量和工序余量之分。由毛坯转变为零件的过程中，在某加工表面上切除金属层的总厚度，称为该表面的总加工余量（亦称毛坯余量）；一般情况下，总加工余量并非一次切除，而是分在各工序中逐渐切除，故每道工序所切除的金属层厚度称为该工序加工余量（简称工序余量）。工序余量是相邻两工序的工序尺寸之差，毛坯余量是毛坯尺寸与零件图样的设计尺寸之差。

确定加工余量的方法如下。

计算法——采用计算法确定加工余量比较准确，但需掌握必要的统计资料和具备一定的测量手段。

查表法——利用各种手册所给的表格数据，再结合实际加工情况进行必要的修正，以确定加工余量。此法方便、迅速，生产上应用较多。

经验法——由一些有经验的工程技术人员或工人根据现场条件和实际经验确定加工余量。此法多用于单件小批生产。

采用经验法可得此次设计中精加工余量为0.3mm。

7.3 走刀路线的确定

走刀路线就是刀具在整个加工工序中的运动轨迹，它不但包括了工步的内容，也反映出工步顺序。走刀路线是编写程序的依据之一。

确定走刀路线时应注意以下几点：寻求最短加工路线，减少空刀时间以提高加工效率；为保证工件轮廓表面加工后的粗糙度要求，最终轮廓一次走刀完成；选择切入切出方向；选择使工件在加工后变形小的路线。

确定本次设计零件加工走刀路线为：先用G71加工出零件左端外轮廓；再用G01和G02镗出零件左端的内孔；接着用G71加工出零件右端外轮廓；再接着用G01切出零件上的槽；最后用G92加工出零件右端的螺纹。

结  论

随着大学毕业的临近，毕业设计也接近了尾声，经过老师几次指导修改，我的毕业设计终于完成了。在没有做毕业设计以前，我觉得毕业设计只是对这几年来所学知识的单纯总结,但是通过这次做毕业设计，我发现自己的看法有点太片面了。毕业设计不仅是对我前面所学知识的一种检验,也是对自己能力的一种提高。通过这次毕业设计使我明白了，原来自己所学的知识还比较欠缺。

毕业设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，是我们迈向社会、从事职业工作前一个必不可少的过程。通过这次毕业设计使我深深体会到了“千里之行始于足下”这句千古名言的真正含义。我今天认真地进行毕业设计，就是为了明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础。

通过这次毕业设计我深刻的体会到：做毕业设计是苦活，但是要细心；动手实践强于空想，因为实践是检验真理的唯一标准，只有经得起实践检验的想法、意识才是正确的。

克服困难换来的成功喜悦是一件最幸福的事。现在，我的毕业设计做完了，画上了一个完美的句号，同时我也尝到了成功的味道，但是漫漫的人生路还需我继续努力。我相信只要学好知识技术，以一种刻苦勤劳的精神对待工作，我定会活出我不平凡的人生。

参考文献：

[1] 刘治映.毕业论文（设计）写作导论.中南大学出版社.1995.325-331

[2] 王丽洁.数控加工工艺与设备.清华大学出版社.1995.20-32

[3] 沈建峰，金玉峰.数控编程200例.中国电力出版社.2005.102-105

[4] 梁旭坤，焦建雄.机械制造基础.中南大学出版社.2006.77-88

[5] 魏康民.机械加工技术.西安电子科技大学出版社.1999.99-102

[6] 徐宏海.数控加工工艺.化学工业出版社.2007.222-233

[7] 焦小明，孙庆群.机械加工技术.机械工业出版社.2010.50-60

[8] 孙小捞.数控技术实训.机械工业出版社.2009.80-90

[9] 韩鸿鸾，荣维芝.数控机床加工程序的编制.机械工业出版社.2010.10-18