轴类零件数控加工工艺设计及编程.doc

本科毕业设计(论文)

题目：轴类零件的数控加工工艺设计及编程

2013年5月

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轴类零件的数控加工工艺及编程
摘要
本次设计是根据被加工轴的技术要求和年生产量，进行机械加工工艺设计，然后运用夹具设计的基本原理和方法，拟定夹具设计方案，完成夹具结构设计。主要工作包括绘制毛坯图、零件图、夹具总的设计图。了解零件的结构特点和技术要求；根据生产类型和生产条件，对零件进行结构分析和工艺分析；确定毛坯的种类及制造方法；拟定零件的加工工艺规程；选择各工序的加工设备和工艺设备，确定各工序的加工余量和工序尺寸，计算各工序的切削用量额定工时；填写加工工艺过程卡片、机械加工工序卡片等工艺卡片；设计制定选定的加工工序的专用夹具，绘制装配总图和主要零件图。

关键词：轴;加工工艺;夹具;编程

Axial parts of Numerical Control Machining Process Planning and Programming
Abstract
The design is based on the shaft by processing technical requirements and production, machining process design, then use of fixture design of the basic principles and methods, formulate fixture design, completion tongs structure design. The main work of drawing a blank drawing, general, fixture design, understanding of the structure characteristics of the spare parts and technical requirements; according to the type of production and production conditions, parts of the analysis of structure and process; The rough determine the type and method of manufacture; make parts of the processing order of the processes; selection of equipment and processing equipment, to determine the process of machining allowance and process dimensions, calculation of the process of cutting amount and industrial design norm; Fill in machining process card, machining process card and process card; design of selected processing procedures for the fixture, drawing assembly assembly drawing and the main parts of the map.

Key Words: shaft;processing; technology ;fixture;programming

符号表
——机动时间 ——辅助时间
——基本时间 ——切削速度
——背吃刀量 ——进给量
——进给次数 ——机床主轴转速
——切削加工长度 ——刀具切入长度
——刀具切出长度 ——刀具或工作台行程长度
——工件刀具直径

如需要完整文档及cad图等其他文件，请加球球：一九八五六三九七五五

目 录
摘要 I
ABSTRACT II
符号表 III
1 绪论 1
1.1研究背景和意义 1
1.2设计目的 2
1.3研究现状 2
1.4研究内容 4
2 零件加工工艺分析 5
2.1零件结构工艺性分析 5
2.1.1零件图纸工艺分析 5
2.1.2零件结构分析 6
2.2零件技术要求分析 6
2.3确定毛坯材料和制造形式 6
2.3.1材料分析 7
2.3.2毛坯分析 7
2.4零件设备选择 7
2.5基面选择 8
2.5.1粗基准选择 8
2.5.2精基准选择 8
2.6确定走刀顺序和路线 9
2.6.1基面先行 9
2.6.2确定工序尺寸 10
2.7确定切削用量及基本工时 11
2.8刀具及量具选择 17
2.8.1刀具选择 18
2.8.2量具选择 19
3 专用夹具设计 20
3.1设计主旨 20

3.2确定夹具结构设计方案 20
3.2.1数控车床常用装夹方式 20
3.2.2确定合理装夹方式 20
3.2.3钻孔专用夹具设计 21
4 数控加工程序编程及仿真 23
4.1数控加工特点 23
4.2数控编程分类 23
4.2.1手工编程 23
4.2.2自动编程 23
4.3确定编程坐标系及编程原点 23
4.4数值计算 24
4.4.1R6mm、R20mm两圆弧切点坐标计算 24
4.4.2圆锥大端直径计算 24
4.4.3螺纹尺寸计算 25
4.5程序编程 25
4.5.1左端 25
4.5.2右端 26
4.6MasterCAM仿真 27
4.6.1建立模型 27
4.6.2工件及刀具设置 28
4.6.3实体加工模拟过程 28
5 结论 32
参考文献 33
致谢 34
毕业设计（论文）知识产权声明 35
毕业设计（论文）独创性声明 36
附录1 MASTER CAM仿真程序代码 37

1 绪论
1.1研究背景和意义
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。在现代 制造系统中，数控技术是关键技术，它集微电子、计算机、信息处理、自动检测、 自动控制等高新技术于一体，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点。对制造 业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。
目前，数控技术正在发生根本性变革，由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。在集成化基础上，数控系统实现了超薄型、超小型化；在智能化基础上，综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学科技术，数控系统实现了高速、高精、高效控制，加工过程中可以自动修正、调节及补偿各项参数，实现了在线诊断和智能化故障处理；在网络化基础上，CAD/CAM及数控系统集成为一体，机床联网，实现了中央集中控制的群控加工。
机械制造工艺及机床夹具设计是机械制造工艺学及机床夹具教学的一个不可少的辅助环节。机械制造工艺学是机械工业的基础，是机械产品生产的基本技术，工艺工作是每一个机械企业主要的活动内容，加强工艺技术设计研究，旨在提高工艺水平，提高机械产品质量，降低能源消耗。此次设计的目的在于：根据加工零件的设计要求，运用夹具设计的基本原理和方法，制定夹具设计方案，完成夹具结构设计及加工工艺规程。本次设计是我们全面综合运用本课程的理论知识及实际的一次重要实践，它对于培养学生编制机械加工工艺规程和机床夹具设计的能力，以及从事机械方面工作具有十分重要的意义。
进入21世纪以后,典型轴在制造工艺、刀具等方面都发生了巨大的变化,及以前加工工艺有很多不同。领导了近半个多世纪的多刀车削工艺和手工磨削工艺,由于加工精度低和柔性差等原因,将逐步退出历史舞台。而高速、高效、复合加工技术及装备迅速进入汽车及零部件制造业,轴的高速高效复合加工技术在行业内已有相当程度的应用,也必将代表这一行业的未来发展趋势。本设计说明书就是针对轴类零件的加工工艺及工装的设计进行详细说明的。
本设计详细介绍了轴类零件的结构和各项技术要求及要达到的加工精度；并结合轴的生产类型和材料种类对轴的加工工艺做了详细的分析，另外还对轴的加
工进行了经济性分析，确定了生产方案的可行性；详细介绍了此轴加工过程中所采用的夹具的设计原则、步骤及其工作原理和结构。验正了它的可靠性，还对定位误差进行了分析，确保其能够满足加工精度的要求；还细述了轴加工过程中的刀、量具各一套的设计，使用它们可以提高轴的加工效率。
机械加工工艺和工装设计是机械工程师必备的基本技能，通过本设计说明书的介绍，我们可以清楚地了机械加工的工艺、工装设计的基本原则、方法和步骤，使大家对机械工艺技术工作有一个深入的全方位的了解和认识。
1.2设计目的
通过设计，一方面能获得综合运用过去所学的知识进行工艺分析的基本能力，另一方面，也是对数控加工过程进行的一次综合训练。
通过此次设计，我们可以在以下各方面得到锻炼：能运用已学过的基本理论知识，以及在生产实习中学到相应的实践知识，掌握从零件图开始到正确地编制加工程序的整个步骤、方法。根据被加工零件的技术要求，选择合理的工艺，编制出既经济又合理，又能保证加工质量的数控程序，并且学会使用各类设计手册及图表资料。还可以运用MasterCAM软件进行三维仿真。
1.3研究现状
轴类零件是机器中经常遇到的典型零件之一。它在机械中主要用于支承齿轮带轮、凸轮以及连杆等传动件，传递扭矩。机器中作回转运动的零件就装在轴上。按轴类零件结构形式不同，一般可分为光轴、阶梯轴和异形轴三类；或分为实心轴和空心等。
轴类零件的技术要求主要是支承轴颈和配合轴颈的径向尺寸精度和形位精度，轴向一般要求不高。几何形状精度主要是圆度和圆柱度，一般要求限制在直径公差范围之内。相互位置精度主要是同轴度和圆跳动；保证配合轴径对于支承轴颈的同轴度，是轴类零件位置精度的普遍要求之一。
方便直观的几何造型MasterCAM提供了设计零件外形所需的理想环境，其强大稳定的造型功能可设计出复杂的曲线、曲面零件。MasterCAM具有强劲的曲面粗加工及灵活的曲面精加工功能。MasteCAM提供了多种先进的粗加工技术，以提高零件加工的效率和质量。MasterCAM还具有丰富的曲面精加工功能，可以从中选择最好的加工方法，加工最复杂的零件。MasterCAM的多轴加工功能，为零件的加工提供了更多的灵活性。可靠的刀具路径校验功能MasterCAM可模拟零件加工的整个过程，模拟中不但能显示刀具和夹具，还能检查刀具和夹具及被加工零件的干涉、碰撞情况。
CAD/CAM是随着轴类零件的设计理论和CAD/CAM技术的发展而发的。轴类由最初的只能代替手工进行计算，逐步发展到能实现三维实体造型、机构仿真、自动编程等功能,并且还在不断发展下去。
轴类零件在整个制造工业中发挥着重要作用，数控机床代表着一个民族制造工业现代化的水平。随着现代化科学技术的迅速发展，制造技术和自动化水平的高低已成为衡量一个国家或地区经济发展水平的重要标志。当今世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。此外世界上各工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及产业，而且在“高精尖”数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。总之，大力发展以数控技术为核心的先进技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。
数控编程技术是数控技术重要的组成部分。从数控机床诞生之日起，数控编程技术就受到了广泛关注，成为CAD/CAM系统的重要组成部分，各工业发达国家也投入了大量的人力物力开发实用的数控编程系统。在CAD/CAM一体化概念的基础上，出现了并行工程的概念。为了适应并行工程发展的需要，数控编程技术正向集成化和智能化方向发展。进入二十世纪九十年代，随着Web技术的不断发展，传统的产品设计、制造和生产模式正在发生深刻的变革，出现了协同设计制造、异地设计制造、全球制造等一系列新概念和新技术。将Web技术和CAM技术相结合，成为CAM系统的又一重要发展方向。
21世纪数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的内容包括在数控系统的各个方面：追求加工效率和加工质量方面的智能化，如工艺参数的自动生成，简化编程、简化操作方面的智能化，智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断以及维修等。
数控加工制造技术正逐渐得到广泛的应用,对零件进行编程加工之前，工艺分析具有非常重要的作用。工艺分析是数控加工编程的前期工艺准备工作，无论是手工编程还是自动编程，在编程之前均需对所加工的轴类零件进行工艺分析。如果工艺分析考虑不周，往往会造成工艺设计不合理,从而引起编程工作反复，工作量成倍增加，有时还会发生推倒重来的现象,造成一些不必要的损失，严重者甚。本文通过对典型的轴类零件数控加工工艺的分析，给出了对于一般零件数控加工工艺分析的方法，对于提高制造质量、实际生产具有一定的指导意义。
目前正在研制的新一代CAM系统将采用面向对象、面向工艺特征的基本处理模式，系统的自动化水平、智能化程度将大大提高。国内外企业家和专家们已形成共识：今后相当一段时间内，机械加工技术的发展和竞争，主要是数控技术的发展及应用。
1.4研究内容
本次设计主要是通过工艺特点，工艺安排，机械加工工艺过程几个方面对零件加工工艺进行分析，然后对零件的程序进行编制，最后用仿真加工以达到完成对零件的加工程序进行检验。
首先对该课题进行深入的分析，深入研究，认真完成此次毕业设计，主要以论述及设计相结合进行研究及探讨，完成对本设计轴主要部位：内孔、外圆柱面、圆锥面、圆弧面、退刀槽、螺纹等的加工工艺设计及指定工序的夹具设计。
难点在于设计轴加工工艺过程及其加工时的专用夹具，确定工件的尺寸、公差和技术条件。通过查阅期刊、书籍等相关资料进行对轴加工工艺和夹具的设计进一步了解，思考、分析和掌握轴加工的基本环节，完成计算并设计出轴加工工艺及夹具设计。

2 零件加工工艺分析
2.1零件结构工艺性分析
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。
2.1.1零件图
如零件图2.1、2.2所示。
图2.1 零件二维图
图2.2 零件三维图

2.1.2零件结构分析
本零件上由圆柱面、内孔、内圆锥面、圆弧面、沟槽、和螺纹等部分组成。零件车削加工成形轮廓的结构形状较复杂、需两头加工，零件的加工精度和表面质量要求都很高。
该零件重要的径向加工部位有mm圆柱段（表面粗糙度Rɑ=1.6µm）、圆柱段（表面粗糙度Ra=1.6µm）、R6mm圆弧及R20mm圆弧相切过渡区、
的内孔（表面粗糙度Ra=1.6µm）、长径比为1:2的内锥（小端直径为、M20*2-6g三角形外螺纹，其余表面粗糙度均为Ra=3.2µm）。零件符合数控加工尺寸标注要求，轮廓描述清楚完整，零件材料为45钢，毛坯为50mm*130mm。
2.2零件技术要求分析
小批量生产条件，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，未注粗糙度按Ra3.2，毛坯尺寸50mm*130mm。
加工难点及处理方案：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。
a. 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；
b. 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；
c. 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工以保证其数值；
d. 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；
e. 螺纹加工时，为保证其精度，在精车时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。
2.3确定毛坯的材料和制造形式
轴：本次设计轴主要技术指标：年产量5000台/年
该产品年产量Q=5000（件/年），n=1（件/台），设其备品率α%为10%，机械加工废品率β%为1%，现制定该曲轴零件的机械加工工艺规程及夹具设计。
年生产纲领： N =Q*n*(1+ α%+β%)
=5000*1*（1+10% +1%）
=5550（台/年）

轴的年产量为5550件，现在已知该产品为中型机械，根据《机械制造工艺设计手册》表1.1-2生产类型及生产纲领的关系，可确定其生产类型为大批量生产。
2.3.1材料分析
该轴零件加工中，刀具及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钢的化学成分中含C0.42%～0.50%，Si0.17%～0.37%，Mn0.50～0.80%，P0.035%，S0.035%，Cr0.25%，N0.25%，Cu0.25%。45钢在进行冷加工时硬度要求，热轧钢，压痕直径不小于3.9，布氏硬度不小于241HRB，退火钢压痕直径不小于4.4，布氏硬度不小于187HB，45钢的机械性能：δs335Mpa，δb600Mpa，40%，Ak47J。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。
2.3.2毛坯分析
轴类零件的毛坯有棒料、锻件和铸件三种。
锻件：适用及零件强度较高,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。
本零件的毛坯宜采用棒料锯割，毛坯至50*130mm，使钢材经过锻压，获得均匀的纤维组织，提高其力学性能，同时也提高零件及毛坯的比重，减少材料消耗。
2.4零件设备选择
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、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。
2.5基面选择
机械加工的最初工序只能用工件毛坯上的未加工表面作为定位基准，这种
位基准称之为粗基准。用以加工的表面作定位基准则称之为精基准。在制定零件机械加工工艺规程时，总是先考虑怎样的精基准定位能把工件加工到设计要求，然后再考虑如何运用选取的粗基准，把用作精基准的表面加工出来。
2.5.1粗基准选择
选择粗基准时，主要要求保证各加工面有足够的余量，使加工面及不加工面间的位置符合图样要求，粗基准选择的要求应能保证加工面及非加工表面之间的位置要求及合理的分配各加工面的加工余量。同时要为后续供需提供精基准，具体有以下原则：为了保证加工面及非加工面之间的位置要求，应该选择一非加工表面为粗基准；为了保证各加工表面都有足够的加工余量，应选择毛坯余量最小的面为粗基准；为了保证重要的加工面的余量均匀，应选择为粗基准；粗基准的选择应避免重复使用，在同一尺寸上，通常只允许使用一次，做为粗基准的表面应该足够光滑整洁，以使工件定位稳定可靠，加紧方便。轴类零件，以外圆作为粗基准。为了保证加工面及不加工面间的位置要求，一般应选择不加工面为粗基准。如果工件上有多个不加工面，则应选其中及加工面位置要求较高的不加工面为粗基准，以便保证精度要求，使外形对称等。
由于此零件全部表面都需加工，应选用外圆及一端面为粗基准，然后通过“互为基准的原则”进行加工。遵循“基准重合”的原则。加工左端时选择在毛坯外圆柱段的右端外圆表面，加工右端时选择在38mm外圆柱段的表面，以体现定位基准是轴的中心线。
在制定零件加工的工艺规程时，正确的选择工件的定位的基准有着十分中的意义。定位基准选择的好坏，不仅影响零件加工的位置精度，而且对零件个表面的加工顺序也有很大的影响。合理的选择定位基准是保证零件加工精度的前提，还能简化加工工序，提高加工效率。
2.5.2精基准选择
精基准选择时应能保证加工精度和装夹可靠方便，有以下原则：
基准重合原则；基准统一原则；自为基准原则；互为基准原则；保证工件定
位准确，夹紧可靠、操作方便原则。精基准的选择主要考虑基准重合的问题。当设计尺寸及工序尺寸的基准不重合时，应该进行尺寸计算。
a. 用工序基准作为精基准，实现“基准重合”，以免产生基准不重合误差。
b. 当工件以某一组精基准定位可以较方便的加工其他各表面时，应尽可能在多数工序中采用此组精基准定位，实现“基准统一”，以减少工装设计制造费用、提高生产率、避免基准转换误差。
c. 当精加工或光整加工工序要求余量尽量小而均匀时，应选择加工表面
本身作为精基准，即遵循“自为基准”原则。该加工表面及其他表面间的位度要求由先行工序保证。
d. 为了获得均匀的加工余量或较高的位置精度，可遵循互为基准、反复加工的原则。
由于此零件全部表面都需加工，而孔作为精基准应先进行加工，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。
工件的定位及基准应及设计基准保持一致，应防止过定位，这个工件是个实心轴，末端要镗一个25的锥孔，因轴的长度不是很长，所以采用工件的右端面和48的外圆作定位基准，使用普通三爪卡盘夹紧工件，取工件的右端面中心为
工件坐标的原点，对刀点在（100.100）处。
2.6确定走刀顺序和路线
加工路线的确定，直接关系到数控机床的使用效率、加工精度、刀具数量和经济性等问题，应尽量做到工序相对集中，工艺路线最短，机床的停顿时间和辅助时间最少。该零件采用棒料毛坯进行加工，由于毛坯余量较大，因此，采用阶梯切削路线去除毛坯余量，刀具切削路径短，效率高。
2.6.1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。
综上所诉：此零件的的加工顺序如下：
预备加工---车左端面---钻中心孔---镗孔---粗车左端外轮廓---精车左端外轮廓---调头---车右端面---粗车外轮廓---精车外轮廓---退刀槽---粗车螺纹---精车螺纹
工序1：车左端面，将毛坯车为127mm的棒料
工序2：左端面打中心孔 选用5mm的中心钻（手动钻孔）
工序3：左端钻孔（钻20mm深-32mm的孔）
工序4：粗车左端内孔23mm
工序5：粗车48mm的外圆柱面
工序6：粗车38mm的台阶外圆柱面及倒角
工序7：调头粗车右端面将零件车至要求尺寸进给路线
工序8：调头粗车右端面各部倒角、切外螺纹退刀槽、三角形螺纹
工步路线为：
工步一:自右向左倒角，粗车螺纹20mm圆柱段；
工步二:自右向左粗车R6和R20 mm圆弧面、38 mm圆柱段、R12.5 mm圆弧面、锥长8 mm 的圆锥段；
工步三:自右向左粗车R6和R20 mm 圆弧面、38 mm圆柱段、R12.5 mm圆弧面、锥长8 mm的圆锥段；
工步四:车4mm*16mm螺纹退刀槽；
工步五:粗车螺纹；
工序9：扩左端内孔25mm，深11mm
工序10：半精车48mm的外圆柱面
工序11：半精车38mm的台阶外圆柱面及倒角
工序12：调头半精车右端面将零件车至要求尺寸进给路线
工序13：调头半精车右端面各部倒角、切外螺纹退刀槽、三角形螺纹
工步路线为：
工步一:自右向左倒角，半精车螺纹20mm圆柱段；
工步二:自右向左精车R6和R20 mm 圆弧面、38 mm圆柱段、R12.5 mm圆弧面、锥长8 mm的圆锥段；
工步三:半精车4mm*16mm螺纹退刀槽；
工步四:半精车螺纹；
工序14：铰23mm的孔，再用1:2的铰刀铰小端为25mm的锥孔
工序15：精车mm的外圆柱面
工序16：精车38mm的台阶外圆柱面及倒角
工序17：调头精车右端38mm圆柱面、切外螺纹退刀槽、三角形螺纹
工序18：精车螺纹
工序19：去除全部毛刺并吹净
工序20：根据技术文件进行检验
工序21：入库