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曲轴零件的加工工艺设计

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2020年5月29日
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绪论
毕业设计是对所学各课程的一次深入的综合性的总复习,也是一次理论联系实际的训练,因此,它在我们三年的大学生活中占有重要的地位。
就我个人而言,我希望能经过这次毕业设计对自己未来将从事的工作进行一次适应性训练,从中锻炼自己分析问题、解决问题的能力,为今后打下一个良好的基础。
本设计书是根据数控加工综合设计的,数控机床已成为国家先进制造技术的基础设备,并关系到国家发展的战略地位,从20世纪中叶数控技术出现以来。数控机床给机械制造带来了革命性的变化,数控加工具有自动化,高效率,适应性强,精度高等特点。现代数控加工正向高速化,高精度化,高柔性化,高一体化和智能化方向发展。
本毕业设计内容主要是详叙如何对双拐曲轴进行工艺分析,大致包含了零件的分析、毛坯、工艺规程设计,另外还分了毕业设计小结、附录、参考文献等版块。
数控加工工艺分析是数控专业教学体系中构成数控加工技术专业知识及专业技能的重要组成部分,经过毕业设计使我们更深了解了相关学科中的基本理论、基本知识,以及理论实践相结合,同时对本专业有了较完整的、系统的认识,从而达到巩固、扩大、深化所学知识的目的,培养和提高了综合分析问题和解决问题的能力,以及培养了科学的研究和创造能力。
本毕业设计内容主要是如何工艺分析双拐曲轴零件,基本含概了我们所学到的所有专业知识。

第1章 零件的分析
1.1零件的作用
曲轴这种零件的运用很广泛,就拿柴油机曲轴来说,它的作用是将连杆传来的力转变成为绕其本身轴线旋转的扭矩,并将此扭矩输出给汽车或其它.同时,曲轴还驱动配气机构以及其它各辅助装置。
1.2零件图样

图1.1

图1.2
1.3零件图样分析
1.3.1分析零件的形状及主要加工表面的尺寸
在分析零件图时,要分析几何元素的给定条件是否充分。尺寸标注方法分析,零件图上尺寸标注的方法应适应数控车床加工的特点,应以同一基准标注尺寸或直接给出坐标尺寸。这种标注方法既便于编程,又有利于设计基准、工艺基准、测量基准和编程原点的统一。
由图可知该零件加工表面由螺纹、圆锥面、圆柱面等组成。其中4个轴肩、3个轴颈、圆柱表面和内孔表面的直径尺寸精度要求严格,而轴肩与轴颈的长度精度要求较为严格。
1.3.2零件的形位公差分析
零件图样上给定的形状和位置公差是保证零件精度的重要依据。加工时,要按照其要求确定零件的定位基准和测量基准,还能够根据数控车床的特殊需要进行一些技术性处理,以便有效地控制零件的形状和位置精度。由图可知:
加工精度要求:左端的锥度1:5对中心线的跳动为0.06mm,锥度大端,4 处轴肩对中心线的同心度为φ0.03,轴肩上有6处5×30°的倒角、右端内孔倒角2×30°、左端端面与最两边轴肩上有2×45°倒角、最右端倒角1×45°,轴颈上6处R2mm过渡圆角,最左端端面中心孔B3.15/10,两端轴颈的偏心距为(8±0.75)mm。
1.3.3零件表面粗糙度分析
表面粗糙度是保证零件表面微观精度的重要要求,也是合理选择数控车床、刀具及确定切削用量的依据。
因此要对零件的表面粗糙度进行分析,根据图样所知:表面直径粗糙度Ra3.2um,端面粗糙度Ra6.3um。
1.3.4分析零件的设计基准
设计基准是在零件图上所采用的基准。它是标注设计尺寸的起点。分析零件的设计基准有助于避免定位基准与设计基准不重合而引起的基准不重合误差。因此曲轴零件的设计基准分析如下:
该零件的中心线是各外圆和内孔的设计基准,也是圆锥面的跳动误差的设计基准,还是4个轴肩的同轴度误差的设计基准。螺纹左端面是螺纹右端面、4个轴肩右端面和圆柱右端面的设计基准,而圆柱右端面则是螺纹左端面、圆锥左端面和4个轴肩左端面的设计基准。
1.3.5零件的材料分析
在满足零件功能的前提下,零件材料应立足国内,选用较低廉的材料,避免用贵重、紧缺材料。同时,零件材料选用不当,也会增加工艺难度。
一般轴类零件的材料常见45钢,经正火、调质或淬火等热处理后获得一定的强度、韧性和耐磨性。

第2章 确定毛坯
2.1毛坯的种类
常见的毛坯种类有铸件、锻件、压制件、冲压件、焊接件、型材和板材等。
(1)铸件:适用于形状复杂的毛坯。薄壁零件不可用砂型铸造;尺寸大的铸件宜用砂型铸造;中、小型零件可用较先进的铸造方法。
(2)锻件:适用于零件强度较高、形状较简单的零件。
(3)型材:热轧型材的尺寸较大,精度低,多用作一般零件的毛坯;冷轧型材尺寸较小,精度较高,多用于毛坯精度要求较高的中、小零件,适用于自动机床加工。
(4)焊接件:对于大件来说,焊接件简单、方便,特别是单件小批生产可大大缩短生产周期;但焊接后变形大,需经时效处理。
(5)冷压件:适用于形状复杂的板料零件,多用于中、小尺寸零件的大批量生产。
由此能够看出毛坯种类选型材最为合适。
2.2毛坯种类的选择
由于轴的材料是钢材,而且力学性能较低,则毛坯种类选择型材。型材是具有一定的几何形状断面的轧制材料,型材按其截面形状分类有圆钢、方钢、角钢、线材以及各种异型钢等,这些材料按一定的长度切断即可成为零件的毛坯。
根据零件的图形看出选形状类型为圆钢的最为合适。
2.3毛坯的形状与尺寸的选择
选择毛坯形状和尺寸总的要求是:减少”肥头大耳”,实现少屑或无屑加工。对于选择的毛坯余量过大会造成加工难度增加、浪费人力物力;而对于选择的毛坯余量过小则可能会造成加工精度不能保证。因此毛坯形状要接近成品形状,在采用数控加工时其加工表面应有较充分的余量,因此根据图纸所规定的尺寸,毛坯尺寸选φ52mm×200mm为最佳。

第3章 工艺规程设计
3.1选择机床及刀、量、夹具
3.1.1机床的选择
选择机床时主要考虑以下因素:
(1)机床规格应与工件的外形尺寸相适应,即大件用大机床,小件用小机床。
(2)机床精度应与工件加工精度要求相适应。机床精度过低,不能保证加工精度;机床精度过高,又会增加工件的制造成本,应根据工件的精度要求合理选择。
(3)机床的生产效率应与工件的生产类型相适应。单件小批生产用通用设备或数控机床,大批大量生产应选高效专用设备。
(4)与现有的条件相适应。要根据现有设备及设备负荷状况、外协条件等确定机床,避免”闭门造车”。
在确定用数控机床加工时还应注意,不同类型的零件应在不同的数控机床上加工。数控车床适用于加工形状比较复杂的轴类零件。
因此机床选用数控车床,毛坯为200mm使用卧式车床为最好,根据轴的最大尺寸,选床身上工件最大回转直径选400mm,因此机床选CK6140
3.1.2刀具的选择
选择刀具应考虑的要素:(1)被加工工件材料的类别(2)被加工工件材料性能(3)切削工艺的类别(4)被加工工件的几何形状、零件精度和加工余量等因素(5)要求刀片能承受的切削用量(6)生产现场的条件(7)被加工工件的生产批量,影响到刀片的经济寿命。
数控机床刀具从制造所采用的材料上能够分为:高速钢刀具、硬质合金刀具、陶瓷刀具,立方氮化刀具,聚晶金刚石刀具。在数控机床、车削中心、加工中心等现代机床中,采用最广泛的是硬质合金和高速钢这两类。因为这两类材料从经济性、成熟性、适应性、多样性、工艺等各方面,当前综合效果都优于陶瓷、立方氮化硼、聚晶金刚石等刀具材料。
选择内孔刀具的考虑要点:镗孔刀具的选择,主要问题是刀杆的刚性,要尽可能地防止或消除振动(1)尽可能选择大的刀杆直径,接近镗孔直径(2)尽可能选择短的刀臂(工作长度),当工作长度小于4倍刀杆直径时可用钢制刀杆,加工要求高的孔时最好采用硬质合金制刀杆。当工作长度为4～7倍的刀杆直径时,小孔用硬质合金制刀杆,大孔用减振刀杆。当工作长度为7～10倍的刀杆直径时,要采用减振刀杆(3)选择主偏角大于75°,接近90°(4)选择无涂层的刀片品种和小的刀尖半径(5)精加工采用正切削刃刀片和刀具,粗加工采用负切削刃刀片和刀具(6)镗深的盲孔时,采用压缩空气或冷却液(7)选择正确的、快速的镗刀柄夹具
由上述与零件图可知:
粗车及平端面选用主偏角为90°的硬质合金刀;为防止副后刀面与工件表面发生干涉,应选择较大的副偏角,必要时可作图检验。Kr′=35°
加工3个轴颈时,选用主偏角为45°的硬质合金刀;为防止副后刀面与工件表面发生干涉,选择Kr′=45°
由零件图可知,内孔是不通孔因此选用不通孔车刀,不通孔车刀是车台阶孔或不通孔用的,切削部分的几何形状基本上跟偏刀相同。它的主偏角大于90°(Kr=92°～95°)刀尖在刀柄的最前端,刀尖到刀柄外端的距离a应小于内孔半径R,否则孔的底平面就无法车平。车内孔台阶时,只要不碰即可。因此车内轮廓时选用主偏角为92°的硬质合金刀
车内孔时选用宽度为3mm的硬质合金车槽刀
车内螺纹时选用主偏角为30°的硬质合金刀
精车右边外轮廓时选用主偏角为90°的硬质合金左偏刀
精车左边外轮廓时选用主偏角为90°的硬质合金右偏刀
车外螺纹时选用主偏角为30°的硬质合金刀
根据零件需要的尺寸选用宽度为3mm的硬质合金车断刀
在加工曲轴轴颈时选用宽度为8mm的硬质合金车断刀进行开粗加工
在钻偏心中心孔时选择不带护维(A型),基本尺寸为2的中心钻
在钻中心孔时选择带护维(B型),基本尺寸为3.15的中心钻
在加工内孔时选用φ18的高速钢钻头
3.1.3量具的选择
数控加工主要用于单件小批生产,一般采用通用量具,如游标卡尺、百分表等。对于成批生产和大批大量生产中部分数控工序,应采用各种量规和一些高生产率的专用检具与量仪等。量具精度必须与加工精度相适应。
由图可知:测量零件总长时需用钢直尺规格为300mm,测量外径用游标卡尺规格为0mm～150mm,测量内径深度用游标深度尺规格为0mm～150mm,为保证精度更精确还需用千分尺规格为25mm～50mm,为保证偏心距在公差范围内还需用磁座百分表、内径百分表规格分别为20mm～50mm、18mm～35mm,由于图中有外螺纹与内螺纹因此还需用螺纹环规与螺纹塞规规格分别为M24×2、M20×2,各处的倒角需用万能角度尺测量。
3.1.4夹具的选择
为保证加工精度,在数控机床上加工零件时,必须先使工件在机床上占据一个正确的位置,即定位,然后将其夹紧。这种定位与夹紧的过程称为工件的装夹。用于装夹工件的工艺装备就是机床夹具。
车床主要用于加工内外圆柱面、圆锥面、回转成形面、螺纹及端平面等。上述各表面都是绕车床主轴轴心的旋转而形成的,根据这一加工特点和夹具在车床上安装的位置,将车床夹具分为两种基本类型:一类是安装在车床主轴上的夹具,这类夹具和车床主轴相连接并带动工件一起随主轴旋转,除了三爪自定心卡盘、四爪单动卡盘、顶尖等通用夹具或其它机床附件外,往往根据加工的需要设计出各种心轴或其它专用夹具;另一类是安装在滑板或床身上的夹具
(1)三爪自定心卡盘是一种常见的自动定心夹具,装夹方便,应用较广,但它夹紧力较小,不便于夹持外形不规则的工件,一般适用于装夹轴类、盘套类零件。
(2)四爪单动卡盘其四个爪都可单独移动,安装工件时需找正,夹紧力大,适用于外形不规则、非圆柱体、偏心、有孔距要求(孔距不能太大)及位置与尺寸精度要求高的零件。
(3)花盘与其它车床附件一起使用,适用于外形不规则、偏心及需要端面定位夹紧的工件。
(4)心轴常见心轴有圆柱心轴、圆锥心轴和共花键心轴。圆柱心轴主要用于套筒和盘类零件的装夹;圆锥心轴(小锥度心轴)的定心精度高,但工件的轴向位移误差加大,多用于以孔为定位基准的工件;花键心轴用于以花键定位的工件。
根据上述介绍,曲轴零件在加工内轮廓时可选三爪自定心卡盘进行装夹、在钻偏心中心孔时可选用四爪单动卡盘进行装夹。
3.2确定零件的装夹方式和定位基准
3.2.1装夹方法
数控车床上零件安装方法与普通车床一样,要尽量选用已有的通用夹具装夹,且应注意减少装夹次数,尽量做到在一次装夹中能把零件上所有要加工的表面都加工出来。零件定位基准应尽量与设计基准重合,以减少定位误差对尺寸精度的影响。
加工零件时一般常见的装夹方法有以下几种:
外梅花顶尖装夹,顶尖顶紧即可车削,装夹方便,迅速。适用于带孔工件,孔径大小应在顶尖允许的范围内。
内梅花顶尖装夹,顶尖顶紧即可车削,装夹简便,迅速。适用于不留中心孔的轴类工件,需要磨削时,采用无心磨床磨削。
摩擦力装夹,利用顶尖顶紧工件后产生的摩擦力克服切削力。适用于精车加工余量较小的圆柱面或圆锥面。
中心架装夹,三爪自定心卡盘或四爪单动卡盘配合中心架紧固工作,切削时中心架受力较大。适用于加工曲轴等较长的异形轴类工件。
锥形心轴装夹,心轴制造简单,工件的孔径可在心轴锥度允许的范围风适当变动。适用于齿轮拉孔后精车外圆等。
夹顶式整体心轴装夹,工件与心轴间隙的配合,靠螺母旋紧后的端面摩擦力克服切削力。适用于孔与外圆同轴度要求一般的工件外圆车削。
胀力心轴装夹,心轴经过圆锥的相对位移产生弹性变形而胀开把工件夹紧,装卸工件方便。适用于孔与外圆同轴度要求较高的工件外圆车削。
带花键心轴装夹,花键心轴外径带有锥度,工件轴向推入即可夹紧。适用于具有矩形花键或渐开线花键孔的齿轮和其它工件。
外螺纹心轴装夹,利用工件本身的内螺纹旋入心轴后紧固,装卸工件不方便。适用于有内螺纹和外圆同轴度要求不高的工件。
内螺纹心轴装夹,利用工件本身外螺纹旋入心套后紧固,装卸工件不方便。适用于多台阶而轴向尺寸较短的工件。
根据上述可知:
加工曲轴右端内轮廓、切内槽、内螺纹时为减少加工受力变形,提高加工精度,选用中心架与三爪自定心外圆配合装夹最为合适。
毛坯钻中心孔A2/4.25时采用的装夹方法为三爪自定心卡盘夹外圆。
粗车外圆至φ48mm时左端采用三爪自定心卡盘定心夹紧,右端采用活动顶尖支承的装夹方式。
精车两端端面和钻中心孔B3.15/10采用的装夹方法为三爪自定心卡盘夹外圆。
精车外圆至φ47mm时采用顶两端的方式
在钻偏心中心孔A2/4.25时选用四爪单动卡盘装夹外圆。
精车左右两边外轮廓时选用顶两端的装夹方式。
在加工曲轴中间轴颈时采用顶两端中心孔的方式装夹。
在加工曲轴右边轴颈时采用顶两端偏心中心孔的方式装夹,为保证加工的零件不发生受力变形和提高加工精度,在加工时用拨杆辅助加工。
在加工曲轴左边轴颈时采用顶两端另外两个偏心中心孔的方式装夹,为保证加工的零件不发生受力变形和提高加工精度,在加工时用拨杆辅助加工。
加工螺纹时运用螺纹塞规辅助工具选用中心架与三爪自定心外圆配合装夹。
3.2.2精基准与粗基准的选择原则
选择精基准时,主要应考虑保证加工精度和工件安装方便可靠。其选择原则如下:
(1)基准重合原则即选用设计基准作为定位基准,以避免定位基准与设计基准不重合而引起的基准不重合误差。
(2)基准统一原则采用同一组基准,定位加工零件上尽可能多的表面这就是基准统一原则。
(3)自为基准原则某些加工要求加工余量较小且均匀的精加工工序,选择加工表面本身作为定位基准
(4)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,重复进行加工,以保证位置精度要求。
(5)便于装夹原则所选精基准应保证工件安装可靠,夹具设计简单、操作方便。
选择粗基准时,主要要求保证各加工面有足够的余量,使加工面与不加工面间的位置符合图样要求,并特别注意尽快获得精基面。具体选择时应考虑下列原则:
(1)选择重要表面为粗基准。
(2)选择不加工表面为粗基准。
(3)选择加工余量最小的表面为粗基准。
(4)选择较为平整光洁、加工面积较大的表面为粗基准。
(5)粗基准在同一尺寸方向上只能使用一次。
实际上,无论精基准还是粗基准的选择,上述原则是不可能同时满足,有时还是互相矛盾的。因此,在选择时应根据具体情况进行分析,权衡利弊,保证其主要的要求。
3.2.3定位基准的确定
第一道工序钻中心孔所需要的定位基准为外表面与中心轴线。
第二道工序粗车外圆至φ48mm根据基准统一原则选择中心轴线为定位基准。
第三道工序调头精车端面与钻中心孔B3.15/10所需要的定位基准为中心轴线与另一端面。
第四道工序调头精车端面与钻中心孔B3.15/10所需要的定位基准为中心轴线与已加工端面。
第五道工序精车外圆至φ47mm根据基准统一原则选择中心轴线为定位基准。
第六道工序钻左端偏心中心孔加工要求尺寸为8±0.075mm根据基准重合原则与基准统一原则选择中心轴线与最左端端面为定位基准。
第七道工序工件旋转180°钻偏心中心孔加工要求尺寸为8±0.075mm根据基准重合原则与基准统一原则选择中心轴线与最左端端面为定位基准。
第八道工序调头钻右端偏心中心孔加工要求尺寸为8±0.075mm并保证与另一端的偏心孔在一条水平线上根据基准重合原则与基准统一原则选择中心轴线和右端端面为定位基准。
第九道工序工件旋转180°钻偏心中心孔加工要求尺寸为8±0.075mm并保证与另一端的偏心孔在一条水平线上根据基准重合原则与基准统一原则选择中心轴线右端端面为定位基准。
第十道工序精车外圆至φ46.5mm根据基准统一原则选择中心轴线为定位基准。
第十一道工序精车右边外轮廓加工尺寸为23±0.026mm、20±0.026mm, 2个轴肩与中心轴线的同心度φ0.03根据基准重合原则与基准统一原则选择中心轴线和最右端端面为定位基准。
第十二道工序精车左边外轮廓加工尺寸为20±0.026mm、20mm、35mm、67±0.06mm,圆锥表面与中心轴线的圆跳度0.06及2个轴肩与中心轴线的同心度φ0.03根据基准重合原则与基准统一原则选择中心轴线和最左端端面为定位基准。
第十三道工序车中间轴颈加工要求尺寸为20±0.026mm根据基准统一原则与互为基准原则选择中心轴线与轴颈左端端面为定位基准。
第十四道工序车右端偏心轴颈加工要求尺寸为8±0.075mm、20±0.026mm根据基准统一原则与互为基准原则选择偏心中心轴线与轴颈左端端面为定位基准。
第十五道工序车左端偏心轴颈加工要求尺寸为8±0.075mm、20±0.026mm根据基准统一原则与互为基准原则选择偏心中心轴线与轴颈左端端面为定位基准。
第十六道工序右端钻φ18mm的内孔根据基准统一原则选择中心轴线与最右端端面为定位基准。
第十七道工序车右端内轮廓加工要求尺寸为2×30°、6mm、23±0.042mm根据基准重合原则与基准统一原则选择中心轴线和最右端端面为定位基准。
第十八道工序切右端内孔槽加工要求尺寸为3×φ21根据基准重合原则与基准统一原则选择中心轴线和内孔最左端端面为定位基准。
第十九道工序车右端内螺纹加工要求尺寸M20×2-6H根据基准统一原则选择中心轴线与内孔最左端端面为定位基准。
第二十道工序切左端的槽加工尺寸3×φ17根据基准重合原则与基准统一原则选择中心轴线和切槽端的右端面为定位基准。
第二十一道工序车外螺纹加工尺寸M24×2-6g根据基准统一原则选择中心轴线与最左端端面为定位基准。
3.3加工工艺路线的制定
3.3.1加工阶段的划分
当零件的加工质量要求较高时,往往不可能用一道工序来满足其要求,而要用几道工序逐步达到所要求的加工质量。为保证加工质量和合理地使用设备、人力,零件的加工过程一般按工序性质不同,可分为粗加工、半精加工、精加工和光整加工四个阶段。
(1)粗加工阶段 其任务是切除毛坯上大部分多余的金属,使毛坯在形状和尺寸上接近零件成品,因此,其主要目标是提高生产率。
(2)半精加工阶段 其任务是使主要表面达到一定的精度,留有一定的精加工余量,为主要表面的精加工做好准备。并可完成一些次要表面加工。
(3)精加工阶段 其任务是保证各主要表面达到规定的尺寸精度和表面粗糙要求。主要目标是全面保证加工质量。
(4)光整加工阶段 对零件上精度和表面粗糙度要求很高(IT6级以上,表面粗糙度为Ra=0.2um以下)的表面,需进行光整加工,其主要目标是提高尺寸精度、减小表面粗糙度。一般不用来提高位置精度。
划分加工阶段的目的在于以下几个方面:保证加工质量、合理使用设备、便于及时发现毛坯缺陷、便于安排热处理工序。
加工阶段的划分也不应绝对化,应根据零件的质量要求、结构特点和生产纲领灵活掌握。由图可知曲轴零件的精度和表面粗糙度要求较高,因此加工阶段划分为粗加工阶段、半精加工阶段、精加工阶段
3.3.2工序的划分
工序的划分能够采用两种不同原则,即工序集中原则和工序分散原则。
(1)工序集中原则是指每道工序包括尽可能多的加工内容,从而使工序的总数减少。
(2)工序分散原则就是将工件的加工分散在较多的工序内进行,每道工序的加工内容很少。
在数控机床上加工的零件,一般按工序集中原则划分工序,划分方法如下:
(1)按所用刀具划分 以同一把刀具完成的那一部分工艺过程为一道工序,这种方法适用于工件的待加工表面较多、机床连续工作时间过长、加工程序的编制和检查难度较大等情况。加工中心常见这种方法划分。
(2)按安装次数划分 以一次安装完成的那一部分工艺为一道工序。这种方法适用于工件的加工内容不多的工件,加工完成后就能达到待检状态。
(3)按粗、精加工划分 即粗加工中完成的那一部分工艺过程为一道工序,精加工中完成的那一部分工艺过程为一道工序。这种划分方法适用于加工后变形较大,需粗、精加工分开的零件,如毛坯为铸件、焊接件或锻件。
(4)按加工部位划分 即以完成相同型面的那一部分工艺过程为一道工序,对于加工表面多而复杂的零件,可按其结构特点划分成多道工序。
曲轴零件属于较为复杂的工件按加工部位划分最为合适。
3.3.3加工顺序的安排及确定
在选定加工方法、划分工序后,工艺路线拟定的主要内容就是合理安排这些加工方法和加工工序的顺序。零件的加工工序一般包括切削加工工序、热处理工序和辅助工序(包括表面处理、清洗和检验等),这些工序的顺序直接影响到零件的加工质量、生产效率和加工成本。因此,在设计工艺路线时,应合理安排好切削加工、热处理和辅助工序的顺序,并解决好工序间的衔接问题。
(1)切削加工工序的安排
切削加工工序一般按以下原则安排顺序:基面先行、先粗后精、先主后次、先面后孔、先近后远加工,减少空行程时间、内外交叉。①尽量使工件的装夹次数、工件台转动次数、刀具更换次数及所有空行程空行程时间减至最少,提高加工精度和生产率;②先内后外原则,即先进行内型内腔加工,后进行外形加工;③为了及时发现毛坯的内在缺陷,精度要求较高的主要表面的粗加工一般应安排在次要表面粗加工之前,大表面加工时因内应力和热变形对工件影响较大,一般也需先加工;④在同一次安装中进行的多个工步,应先安排对工件刚性破坏较小的工步;⑤为了提高机床的使用效率,在保证加工质量的前提下,可将粗加工和半精加工合为一道工序;⑥加工中容易损伤的表面(如螺纹等),应放在加工路线的后面。
(2)热处理工序的安排
为提高材料的为学性能、改进材料的切削加工性和消除工件的内应力,在工艺过程中要适当安排一些热处理工序。热处理工序在工艺路线中的安排主要取决于零件的材料和热处理的目的。预备热处理、消除残余应力热处理、最终热处理。
(3)辅助工序的安排
辅助工序主要包括:检验、清洗、去毛刺、去磁、倒棱边、涂防锈油和平衡等。
(4)数控加工工序与普通工序的衔接
数控工序前后一般都穿插有其它普通工序,如衔接不好就容易产生矛盾,因此要解决好数控工序与非数控工序之间的衔接问题。
在数控机床加工过程中,由于加工对象复杂多样,特别是轮廓曲线的形状及位置千变万化,加上材料不同、批量不同等多方面因素的影响,在对具体零件制定加工顺序时,应该进行具体分析和区别对待,灵活处理。只有这样,才能使所制定的加工顺序合理,从而达到质量优、效率高和成本低的目的。数控车削的加工顺序一般按照前面叙述的总体原则确定,因此在加工曲轴零件时的加工顺序为:
先粗车外圆轮廓(留2mm精车余量);接着精车外圆轮廓(留1mm精车余量);再精车右边轮廓、左边轮廓;再粗加工曲轴的轴颈(留0.25mm精车余量);接着精加工曲轴轴颈;然后钻孔、精车内轮廓、切内孔槽、车削内螺纹;最后切槽,车削外螺纹。
3.3.4加工进给路线的确定
在数控加工中,刀具(严格说是刀位点)相对于工件的运动轨迹和方向称为加工路线,即刀具从对刀点开始运动起,直至加工结束所经过的路径,包括切削加工的路径及刀具引入、返回等非切削空行程。加工路线的确定首先必须保持被加工零件的尺寸精度和表面质量,其次考虑数值计算简单、走刀路线尽量短、效率较高等。因精加工的进给路线基本上都是沿其零件轮廓顺序进行的,因此确定进给路线的工作重点是确定粗加工及空行程的进给路线。
(1)加工路线与加工余量的关系;(2)刀具的切入、切出;(3)确定最短的空行程路线;(4)确定最短的切削进给路线。
方案一:粗加工整体外轮廓至φ48mm;精加工整体外轮廓至φ47mm;先粗加工旁边两个轴颈,再粗加工中间轴颈;精加工旁边两个轴颈,精加工中间轴颈;精加工整体外轮廓至φ46.5mm;加工右边的内孔;精加工右边的外轮廓;精加工左边的外轮廓;车外螺纹。
方案二:粗加工整体外轮廓至φ48mm;精加工整体外轮廓至φ47mm;精加工整体外轮廓至φ46.5mm;精加工右边的外轮廓;精加工左边的外轮廓;先粗加工中间轴颈,再粗加工旁边两个轴颈;精加工中间轴颈,精加工旁边两个轴颈;加工右边的内孔;车外螺纹
根据方案一与方案二可知,方案一不能完全保证零件的刚性,因此选择方案二较为合适。
在精加工右边的外轮廓时用主偏角为90°的硬质合金左偏刀进行加工。进给路线如图所示:

图3.1
精加工左边的外轮廓时用主偏角为90°的硬质合金右偏刀进行加工。进给路线如图所示:

图3.2
加工曲轴中间的轴颈时,用顶尖顶住已钻好的中心孔对零件进行加工,要加工的曲轴轴颈相对于毛坯较窄且深的,直接用外圆车刀会发生撞刀的情况,因此用宽为8mm的硬质合金车断刀进行开粗加工,然后用主偏角为45°的硬质合金刀进行精加工。精加工的进给路线如下图所示:

图3.3
加工曲轴右边轴颈时零件也是偏心的,因此用顶尖顶住已钻好的偏心中心孔对零件进行加工,要加工的曲轴轴颈相对于毛坯都也是较窄且深的,直接用外圆车刀会发生撞刀的情况,因此也用宽为8mm的硬质合金车断刀进行开粗加工,然后用主偏角为45°的硬质合金刀进行精加工。精加工的进给路线如下图所示:

图3.4
加工曲轴左边轴颈时由于零件也是偏心的,因此用顶尖顶住已钻好的另外两个偏心中心孔进行加工,由于要加工的曲轴轴颈相对于毛坯也是较窄且深的,直接用外圆车刀会发生撞刀的情况,因此也用宽为8mm的硬质合金车断刀进行开粗加工,然后用主偏角为45°的硬质合金刀进行精加工。精加工的进给路线如下图所示:

图3.5
在精加工内轮廓前先用φ18的高速钢钻头进行粗加工,再用主偏角为92°的硬质合金刀对内轮廓进行加工。进给路线如图所示:

图3.6
车内螺纹前用车槽刀进行退刀槽的加工,由于选的车槽刀与要加工的槽刚好相同,因此进刀路线与退刀路线一样。如图3.5所示:

图3.7
车内螺纹的进给路线如图所示:

图3.8
在车螺纹前先要车好退刀槽,由于选的车槽刀与要加工的槽刚好相同,因此进刀路线与退刀路线一样。如图所示:

图3.9
车螺纹的进给路线如图所示:

图3.10
3.4工序加工余量的确定
确定加工余量的方法有三种:查表修正法、经验估计法、分析计算法。
在确定加工余量时,总加工余量和工序加工余量要分别确定。总加工余量的大小与选择的毛坯制造精度有关。用查表法确定工序加工余量时,粗加工工序的加工余量不应查表确定,而是用总加工余量减去各工序余量求得。同时要对求得的粗加工工序余量进行分析,如果过小,要增加总加工余量;过大,应适当减少总加工余量,以免造成浪费。
为了便于加工,工序尺寸都按”入体原则”标注极限偏差,即被包容面的工序尺寸取上偏差为零;包容面的工序尺寸取下偏差为零。毛坯尺寸则按双向布置上、下偏差。
精车端面,查<实用机械加工工艺手册>表6-16加工余量为0.8mm
粗车外圆至φ48mm时的总加工余量为4mm,工序余量为2mm
精车外圆至φ47mm时的总加工余量为1mm,工序余量为1mm
粗加工曲轴的两个偏心轴颈时总加工余量为18mm,查<实用机械加工工艺手册>表6-19工序余量为2mm
精加工曲轴的两个偏心轴颈时总加工余量为3mm,查<实用机械加工工艺手册>表6-19工序余量为0.4mm
粗加工曲轴中间轴颈时总加工余量为10mm,查<实用机械加工工艺手册>表6-19工序余量为2mm
精加工曲轴中间轴颈时总加工余量为3mm,查<实用机械加工工艺手册>表6-19工序余量为0.4mm
半精加工外轮廓时工序余量为1 mm,精加工外轮廓时工序余量为0.5 mm
半精加工内轮廓时工序余量为1 mm,精加工内轮廓时工序余量为0.5 mm
加工槽时,查<实用机械加工工艺手册>表6-19工序余量为1 mm
3.5切削用量的选择
切削用量(ap、f、v)选择是否合理,对于能否充分发挥机床潜力与刀具切削性能,实现优质、高产、低成本和安全操作具有很重要的作用。对于切削用量的选择有一个总的原则:首先选择尽量大的背吃刀量,其次选择最大的进给量,最后是选择最大的切削速度。即粗车时,首先考虑选择一个尽可能大的背吃刀量,其次选择一个较大的进给量,最后确定一个合适的切削速度。增大背吃刀量可使走刀次数减少;增大进给量有利于断屑。因此,根据以上原则选择粗车切削用量对于提高生产效率,减少刀具消耗,降低加工成本是有利的。精车时,加工精度和表面粗糙度要求较高,加工余量不大且较均匀,因此选择精车切削用量时,应着重考虑如何保证加工质量,并在此基础上尽量提高生产率。因此精车时应选用较小(但不能太小)的背吃刀量和进给量,并选用切削性能高的刀具材料和合理的几何参数,以尽可能提高切削速度。
当然,切削用量的选择还要考虑各种因素,最后才能得出一种比较合理的最终方案。
(1)背吃刀量的选择
背吃刀量的选择根据加工余量确定。切削加工一般分为粗加工、半精加工、精加工几道工序,各工序有不同的选择方法。粗加工时(表面粗糙度Ra50～12.5um),在允许的条件下,尽量一次切除工序的全部余量。中等功率机床,背吃刀量可达8～10mm。但对于加工余量大,一次走刀会造成机床功率或刀具强度不够,或加工余量不均匀引起振动,或刀具受冲击严重出现打刀等情况,则需要采用多次走刀。如分两次走刀,则第一次背吃刀量尽量取大,一般为加工余量的2/3～3/4左右;第二次背吃刀量尽量取小些,可取加工余量的1/3～1/4左右。
半精加工时(表面粗糙度Ra6.3～3.2um),背吃刀量一般为0.5～2mm。
精加工时(表面粗糙度Ra1.6～0.8um),背吃刀量一般为0.1～0.4mm。
由上述与加工余量可知:
精车端面的背吃刀量可选0.3mm
粗车外圆至φ48mm的背吃刀量为1.5mm
精车外圆至φ47mm的背吃刀量为0.6mm
加工外轮廓的背吃刀量为0.5mm
粗加工轴颈的背吃刀量为1.5mm
精加工轴颈的背吃刀量为0.5mm
加工内轮廓的背吃刀量为0.5mm
加工内孔槽的背吃刀量为0.5mm
加工左端的槽的背吃刀量为0.5mm
车内螺纹的背吃刀量为0.2mm
车螺纹的背吃刀量为0.2mm
(2)进给量的选择
粗加工时,选择进给量主要考虑工艺系统所能承受的最大进给量,如机床进给机构的强度、刀具强度与刚度、工件的装夹刚度等。
精加工和半精加工时,选择最大进给量主要考虑加工精度和表面粗糙度。另外还要考虑工件材料、刀尖圆弧半径和切削速度等。当刀尖圆弧半径增大、切削速度提高时,能够选择较大的进给量。
在实际生产中,进给量常根据经验选取。粗加工时,根据工件材料、车刀刀杆直径、工件直径和背吃刀量按<数控加工工艺与装备>表1-8所示的数据进行选取。精加工和半精加工时,可根据表面粗糙度要求选取,同时考虑切削速度和刀尖圆弧半径因素,查<数控加工工艺与装备>表1-9
根据查表可知:
精车端面的进给量为0.5mm/r
粗车外圆至φ48mm的进给量为0.5mm/r
精车外圆至φ47mm的进给量为0.5mm/r
加工外轮廓的进给量为0.3mm/r
粗加工轴颈的进给量为0.5mm/r
精加工轴颈的进给量为0.3mm/r
加工内轮廓的进给量为0.3mm/r
加工内孔槽的进给量为0.5mm/r
加工左端槽的进给量为0.5mm/r
车内螺纹的进给量为0.3mm/r
车外螺纹的进给量为0.3mm/r
(3)切削速度、主轴转速、进给速度的确定
确定了背吃刀量、进给量和刀具耐用度,则能够查<数控加工工艺与装备>表1-12确定切削速度和机床转速。
半精加工和精加工时,切削速度,主要受刀具耐用度和已加工表面质量限制。在选取切削速度时,要尽可能避开积屑瘤的速度范围。
切削速度的选取原则是:粗车时,因背吃刀量和进给量都比较大,应选取较低的切削速度,精加工时选择较高的切削速度;加工材料强度硬度较高时,选较低的切削速度,反之取较高切削速度;刀具材料的切削性能越好,切削速度越高。
确定切削速度之后能够根据公式:
v=nf
计算出主轴转速与进给速度
根据查表和计算可知:
精车端面的切削速度为150m/min,主轴转速为1000r/min,进给速度为500mm/min
粗车外圆至φ48mm的切削速度为120m/min,主轴转速为800r/min,进给速度为400mm/min
精车外圆至φ47mm的切削速度为150m/min,主轴转速为800r/min,进给速度为400mm/min
加工外轮廓的切削速度为150m/min,主轴转速为1000r/min,进给速度为300mm/min
粗加工轴颈的切削速度为100m/min,主轴转速为500r/min,进给速度为250mm/min
精加工轴颈的切削速度为100m/min,主轴转速为1200r/min,进给速度为400mm/min
加工内轮廓的切削速度为120m/min,主轴转速为1000r/min,进给速度为300mm/min
加工内孔槽的切削速度为30m/min,主轴转速为500r/min,进给速度为250mm/min
加工左端的槽的切削速度为30m/min,主轴转速为500r/min,进给速度为250mm/min
车内螺纹的切削速度为20m/min,主轴转速为300r/min,进给速度为90mm/min
车螺纹的切削速度为20m/min,主轴转速为300r/min,进给速度为90mm/min
3.6数控加工工序卡和数控加工刀具卡
1按加工顺序将各工步的加工内容、所用刀具及切削用量等填入数控加工工序卡中,见表3.1
表3.1 曲轴数控加工工序卡
单位名称

产品名称或代号
零件名称
零件图号

曲轴

工序号
程序编号
夹具名称
使用设备
车间

三爪卡盘、四爪单动卡盘、工艺软爪、鸡心夹
CA6140
数控中心
工步号
工步内容
刀具号
刀具规格/mm
主轴转速/(r/min)
进给速度/(mm/min)
背吃刀量/mm
备注
1
钻中心孔A2/4.25
T01
A2/5
1000
/
/
手动
2
粗车外圆至φ48mm
T02
20×30
800
400
0.5
自动
3
调头,精车端面
T02
20×30
1000
500
0.5
自动
4
钻中心孔B3.15/10
T03
B3.15/10
1500
/
/
手动
5
调头,精车端面
T02