套筒零件的加工工艺分析及编程.doc

江苏徐州机电工程高等职业学校2011届毕业论文

江苏省南京市钟山职业技术学院
毕 业 论 文
（2011届）

题 目：套筒类零件的数控加工与编程
姓 名： 聂新鹏
学 号： 1109040119
系 部： 工业与信息化学院
班 级： 机械制造与自动化1班
指导教师： 曹冬梅 徐留明

2011年4月

南京钟山职业技术学院毕业论文
任 务 书

系部 数控技术系 专业年级 06高职数控4班 学生姓名 丁鹏伟

任务下达日期：2010 年 4 月 8 日

毕业论文日期：2010 年 4 月 8 日至2011 年 4 月 日

毕业论文题目：套筒零件的加工工艺分析及编程

毕业论文专题题目：数控车床的典型零件设计与加工

毕业论文主要内容和要求：

1、零件分析；
2、零件毛坯的设计（包括毛坯种类的选择、毛坯的选择）；
3、零件装夹及夹具的选择；
4、确定走刀路线和工步顺序（包括走刀路线和加工工步）；
5、刀具及切削用量的选择；
6、建立坐标系及对刀（包括建立坐标系、对刀及对刀点确定）
7、加工程序编制（包括数控加工特点、数控编程方法及特点、编程零点的选择、加工程序）;

系主任签字： 指导教师签字：

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指导教师评阅书

指导教师评语（①基础理论及基本技能的掌握；②独立解决实际问题的能力；③研究内容的理论依据和技术方法；④取得的主要成果及创新点；⑤工作态度及工作量；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意答辩等）：

成 绩： 指导教师签字：

年 月 日

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评阅教师评阅书

评阅教师评语（①选题的意义；②基础理论及基本技能的掌握；③综合运用所学知识解决实际问题的能力；③工作量的大小；④取得的主要成果及创新点；⑤写作的规范程度；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意答辩等）：

成 绩： 评阅教师签字：

年 月 日

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答辩及综合成绩
答 辩 情 况
提 出 问 题
回 答 问 题
正确
基本正确
有一般性错误
有原则性错误
没有回答

答辩委员会评语及建议成绩

答辩委员会主任签字： 年 月 日
系部领导小组综合评定成绩

系部领导小组负责人： 年 月 日

20

套筒零件的加工工艺分析及编程
丁鹏伟
06高职数控4班

摘要：本文通过套筒零件的加工进行了系统的分析，阐述了加工时的工艺要求及工序的划分，总结了对几种典型刀具选择和对刀具加工的切削用量做了详细的分析，选择使用刀具是数控机床的选择要点，合理选用刀具能使程程序员更好的去设计编程。
关键词：数控车操作 工艺设计 编程设计
前言
数字控制机床（Numerically Controlled Machine Tool）简称数控(CNC)是数控发展起来的一种自动控制技术，是用数字信息实现自动控制机床运转的一种技术。数控机床是综合应用计算机，自动控制，自动检测及精密机械等高新技术的产物。它的出现给世界带来了巨大的效益，引起了世界各国科技界和工业界的普遍重视。随着数控的发展，数控机床已是衡量一个国家机械制造工业水平的重要标志。
套筒类零件是机械中常见的一种零件，它的应用范围很广。由于其功用不同，套筒类零件的结构和尺寸有着很大的差别，但其结构上仍有共同点，即：零件的主要表面为同轴度要求较高的内外圆表面；零件壁的厚度较薄且易变形；零件长度一般大于直径等。
1零件图纸分析
该零件是一个套筒类，总长为70mm, 最大直径为52mm。该零件加工表面由外圆柱面,内圆锥面,外圆弧面,外螺纹，退刀槽等组成,结构形状较复杂。加工的部位比较多，其中外圆柱面φ52mm,退刀槽圆柱面φ46mm及其轴向尺寸L=70mm、L=25mm、L=6mm等都有如图1.1标注的加工精度要求，且由图纸可知其加工精度要求较高。零件的尺寸标注完整清晰，轮廓描述清楚。零件没有表面粗糙读要求。其材料为45＃钢，切削加工性能良好，无热处理要求。
2零件毛坯设计
2.1套筒类零件毛坯的材料
套筒类零件一般用钢、铸铁、青铜或黄铜制成。有些滑动轴承采用双金属结构，以离心铸造法在钢或铸铁内壁上浇注巴氏合金等轴承合金材料，既可节省贵
重的有色金属，又能提高轴承的寿命。
2.2套筒类零件的毛坯选择
套筒零件毛坯的选择与其材料、结构、尺寸生产批量有关。孔径小的套筒，一般选择热轧或冷拉棒料，也可采用实心铸件；孔径较大的套筒，常选择无缝钢管或带孔的铸件、锻件；大量生产时，可采用冷挤压和粉未冶金等先进的毛坯制造工艺，既提高生产率，又节约材料。本例中我选择棒料，且为45＃钢。
3零件的装夹及夹具的选择
工件的定位基准与夹紧方案的确定，应遵循前面所述有关定位基准的选择原则与工件夹紧的基本要求。此外，还应该注意下列三点：
(1)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。
(2)设法减少装夹时的次数，尽可能做到在一次定位装夹中，能加工出工件上全部或大部分待加工表面，以减少装夹误差，提高加工表面之间的相互位置精度，充分发挥数控机床的效率。
(3)避免采用占机人工调整方案，以免占机时间太多，影响加工效率。
根据以上原则我选用数控车床自带的三爪自定心卡盘，毛坯伸出三爪卡盘以外的长度应大于60mm。且由工件的形状和加工要求以及实际情况可知，因为工件的右端为螺纹面，不可以用来做为装夹面，所以该零件需分两次装夹加工才能得到。第一次装夹右端加工左端，第一次装夹完成左端面，C2倒角，R13的圆弧，φ52的外圆的粗、精加工；钻中心孔；钻通孔；φ36和φ42的内圆柱轮廓粗、精加工。第二次装夹可以完成右端面，C2倒角，φ52外圆柱面，φ42退刀槽，φ36、φ42内圆柱轮廓，螺纹的粗、精加工。

图1.1
4确定走刀路线和工步顺序
4.1走刀路线
走刀路线是刀具在整个加工工序中相对于工件的运动轨迹，不但包括了工步的内容，而且也反映出工步的顺序。走刀路线是编写程序的依据之一。在确定走刀路线时，主要遵循以下原则：
(1)保证零件的加工精度和表面粗糙度
加工位置精度要求较高的孔系时，应特别注意安排孔的加工顺序。若安排不当，就可能将坐标轴的反向间隙带入，直接影响位置精度。
(2)使走刀路线最短，减少刀具空行程时间，提高加工效率。
(3)最终轮廓一次走刀完成
4.2加工工步
根据零件图纸分析得加工内容我门可以确定走到路线如下：
①工序1第1步：装夹φ60mm 表面，粗车毛坯左端面，倒C2角，R13的圆弧。
②工序1第2步：钻中心孔，钻通孔。
③工序1第3步：粗加工φ36和φ42的内圆柱轮廓。

④工序2第1步：进行左端面，C2倒角，52外圆柱面，R13的圆弧面精加工。
⑤工序2第2步：精车φ36，φ42的内圆柱轮廓。
⑥工序3第1步：工件掉头装夹，加工工件右端面，装夹φ52的外圆柱面，工件伸出长度大于60mm。粗车右端面C2倒角，φ52外圆住面。
⑦工序3第2步：粗车φ36、φ42内圆住面。
⑧工序3第3步：精车右端面，C2倒角，φ52外圆轮廓。
⑨工序4：切退刀槽。
⑩工序3第4步：精车φ36、φ42的内圆柱轮廓。
（11）工序5；切螺纹。
5刀具的选择
刀具的选择是数控加工工艺中重要的内容之一，不仅影响机床的加工效率，而且直接影响加工质量。为了能够实现数控机床上刀具高效,多能,快换,和经济的目的，数控加工对刀具要有一定的要求，尤其在刚性和耐用度方面更为严格。应根据机床的加工能力、工件材料的性能、加工工序、切削用量以及其他相关因素正确选用刀具及刀柄。刀具选择总的原则是：既要求精度高、强度大、刚性好、耐用度高，又要求尺寸稳定，安装调整方便。在满足加工要求的前提下，尽量选择较短的刀柄，以提高刀具的刚性
数控机床所使用的刀具切削部分材料必须具有高的硬度和耐磨性,足够的强度和韧性.较高的耐热性，好的导热性和好的工艺性。现在数控所使用的金属切削刀具材料主要有五类：高速钢、硬质合金、陶瓷、立方氮化硼(CBN)、聚晶金刚石。
根据实际加工需要,为了保证零件达到图纸要求的精度，提高加工效率，方便加工和简化编程，我在此选择外圆车刀T0101,内圆车刀T0202，中心钻T0303，φ30的麻花钻T0404，刀宽为5mm的切槽刀T0505，螺纹车刀T0606，总共六把刀具进行加工

工序
刀具
切削参数
余量
名称
刀片材料
切削速度
走刀量（mm/r）
背吃刀量/mm
外圆车刀
T0101
硬质合金
600m/min
0.2(粗)0.05（精）
1
0.5
内圆车刀
T0202
硬质合金
400m/min
0.1(粗)0.05（精）
2
0.4
钻中心孔
T0303
高速钢
1500m/min
0.1

φ30麻花钻
T0404
高速钢
800m/min
0.2

切槽刀
T0505
硬质合金
1500m/min
0.04

螺纹刀
T0606
硬质合金
300m/min

表5—1切削参数表
6切削用量的选择
切削用量是指切削速度v、进给量f、背吃刀量a三者的总称。也称为切削三要素。切削用量的顺序硬是先确定背吃刀量a,再确定进给量f,最后确定切削速度v
(1) 背吃刀量a 通过切削刃基点并垂直于工作平面的方向上测量的吃刀量。单位用（mm）。在机床、夹具、刀具刚度允许的条件下，应选择尽量大的背吃刀量，尽可能一次走刀切除本工序中要切除的加工余量，以减少走刀次数，提高生产效率。如果加工余量过大或工艺系统刚性太差时，可分两次切除。
a=(Dw-Dm)/2
式中：Dw—工件等加工表面直径（mm）。
Dm—工件已加工表面直径（mm）。
(2)进给速度f 工件或刀具每转一周时，刀具与工件在进给运动方向上的相对位移量。当在机床刚度和强度允许的条件下，选取一个较大的进给f。单位为mm/r
v=fnπ
(3) 切削速度v 切削刃上选定点相对于工件的主运动的瞬间时速度。计算工公式如下
v=(πdn)/1000
式中：d—工件或刀具切削刃上选定点的回转直径（mm）;
n—为工件的转速(r/s);
影响切削用量的因素很多，工件的材料、加工的精度和表面粗糙度、刀具的材料和耐用度、是否使用切削液、工艺系统的刚度和机床功率等都直接影响到切削用量的大小。在数控程序中，决定用量的参数是主轴转速S和进给速度F、主轴转速S、进给速度F值的选择与在普通机床加工时的值相似，可以通过计算的方得到，也可以查阅金属切屑工艺手册，或根据经验数据给定。根据选择刀具和工件的不同，它的转速和进给量也不同。
7建立坐标系和对刀
7.1建立坐标系
数控机床的运动是靠数控装置控制，要确定机床的运动方向和移动距离，需要在机床上建立一个坐标系，这个坐标系被称为标准坐标系，即机床坐标系。各坐标轴关系可用右手笛卡儿直角坐标系决定。各轴运动方向均以刀具相对工件运动为准，即工件相对静止，而刀具相对于静止的工件运动。有了机床坐标系,编程人员就可以以其为标准,来规定运动的方向和距离,为接下来的编程提供了参考系。
当机床通电源后，进行机床回零操作后，机床返回参考点（机床），此时机床坐标系就建立了。
但是在实际编程过程中，为了定义工件形状和刀具相对工件的位置，编程人员在编程时设定了工件坐标系，其也采用右手笛卡儿直角坐标系。工件坐标系的原点即是工件的原点，它是零件图纸上最重要的几何基准点。有了工件原点，计算与编程，机床调整，对刀等变得方便简洁。工件坐标系原点可以任意选择，但最好是能够设在工件图形的尺寸能够方便地转换成坐标植的地方。车床工件零点一般设置在主轴中心线上，工件的左端或右端。
故根据本例图纸和编程加工的实际要求，需要设置两个工件坐标系，各自的坐标系原点分别为零件的左、右端面。
7.2对刀及其对刀点确定

确定以工件左端面与轴心线的交点O为工件原点，建立XOZ工件坐标系。采用手动试切对刀方法（操作与上面数控车床的对刀方法相同）把点O作为对刀点。换刀点设置在工件坐标系下X200、Z100处。
8加工过程中零件变形的分析及解决方法
薄壁套筒在加工过程中，往往由于夹紧力、切削力和切削热的影响而引起变形，致使加工精度降低。需要热处理的薄壁套筒，如果热处理工序安排不当，也会造成不可校正的变形。从而使加工的工件在工艺和加工方法都正确的情况下达不到要求，甚至造成零件报废，因此加工人员在加工过程当中要给与重视和提前考虑。
防止薄壁套筒的变形，可以采取以下措施：
（1）减小夹紧力对变形的影响
①夹紧力不宜集中于工件的某一部分，应使其分布在较大的面积上，以使工件单位面积上所受的压力较小，从而达到减少工件变形的目的。例如工件外圆用卡盘夹紧时，可以采用软卡爪，用来增加卡爪的宽度和长度。
②采用轴向夹紧工件的夹具。
在工件上做出加强刚性的辅助凸边，加工时采用特殊结构的卡爪夹紧，如图8-1所示。当加工结束时，将凸边切去。
（2）减少切削力对变形的影响
①减小径向力，通常可借助增大刀具的主偏角来达到。
②内外表面同时加工，使径向切削力相互抵消，见图8-1所示

8-1轴向夹紧工件 8-2辅助凸边的作用
③粗、精加工分开进行，使粗加工时产生的变形能在精加工中能得到纠正。
（3）减少热变形引起的误差
工件在加工过程中受切削热后要膨胀变形，从而影响工件的加工精度。为了减少热变形对加工精度的影响，应在粗、精加工之间留有充分冷却的时间，并在加工时注入足够的切削液。
此外热处理对套筒变形的影响也很大，除了改进热处理方法外，在安排热处理工序时，应安排在精加工之前进行，以使热处理产生的变形在以后的工序中得到纠正。
9加工程序编制
9.1数控加工的特点
通过平时的学习总结，我归纳出数控加工有五个特点。
（1）它的技术性强。
（2）自动化程度高。

（3）加工精度高，产品质量稳定。
（4）可生成非常复杂的加工轨迹，生产出形状复杂的零件。
（5）要求工人的技术性强。
9.2数控编程的方法及其特点
数控编程有绝对坐标编程法、相对坐标编程法及两种方法配合使用的混合编程方法
（1）绝对值编程
绝对值编程是根据预先设定的编程原点计算出绝对坐标值进行编程的一种方法。采用绝对值编程，首先要指出编程原点的位置，并用地址X、Y、Z进行编程。这种方法编出程序来直观，有利于程序的校验
（2）增量值编程
增量值编程是根据与前一个位置的坐标值增量来表示位置的一种编程方法，采用增量编程时，用地址U、W、代替X、Z进行编程。这种方法编程，当零件各尺寸的基准不单一，而且分成好几段时，此法非常简单有效，不易出错。
（3）混合编程
绝对值编程与增量编程混合起来进行编程的方法叫混合编程，编程时也必须先设定编程原点。这种方法在适当地方加子程序很方便。
9.3编程零点的选择
一般情况下，编程零点即编程人员在编制程序时不考虑工件在机床上的安装位置所假设的零件的坐标原点，选择该点时应注意：
（1）编程零点应选择在零件图的尺寸基准上，这样便于坐标值的计算并减少错误。
（2）编程零点尽量选在零件精度较高的表面上以提高工件的加工精度。
（3）对于对称特点的零件，编程零点应设在其对称中心。
（4）对于一般的零件，工件的零点应设在外轮廓的某一点上。
（5）Z方向的零点一般设在工件表面。
9.4加工程序
具体程序的编制方法很多，本例中因零件形状相对简单，采用手工编程。有一点要注意，手工编程一般要求编制的程序规范，可读性强，修改方便，本例参考程序（使用FANUC—0—MA 数：控系统）
程序1（左端加工程序）
O0001
N10T0101； (使用外圆车刀)
N20M03S600:
N30G00X56Z5；
N40G71R1.5U0.5；
N50G71P60Q130U0.5W0F0.2； （用G71粗车循环指令）
N60N10G00X0；
N70G01Z0F005； （平左端面）
N80X52C2； （倒角）
N90Z-16.693； （粗车外圆至16.693mm处）
N100G02X52Z-33.307； （加工R13的圆弧）
N110G01Z-41； （粗车外圆至41mm处）
N120G00Z100；
N130X56； (退刀至（56.100）)
N140M03S400；
N150T0404；
N160G00X0；
N170Z5；
N180G74R2；

N190G74X0Z-70P0Q10F0； （用端面深孔钻削循环指令G74加工通孔）
N200G00Z100；
N210M03S800；
N220T0202； （换内圆车刀）
N230G00X34Z2；
N240G71U1.5R0.5；
N250G71P260Q310U-0.5W0F0.2； (用G71粗车循环指令加工阶梯孔)
N260G00X42.015；
N270G01Z-6.015F0.05； （粗加工φ42内圆）
N280X36.015
N290Z-70； (粗加工φ36内圆)
N300G00X34；
N310Z2；
N320M03S1000；
N330G70P260Q310； (精车阶梯孔)
N340G00Z100；
N350T0101；
N360M03S800；
N370G00X56Z2；
N380G70P60Q130； (精车端面,倒角,外圆,圆弧,)
N390M05；
N400M30；
程序2(右端加工程序)
O0002
N010T0101； (外圆车刀)
N020M03S600；
N030G00X58Z3；
N040G90X53Z-30F0.1； (粗车外圆至30mm处)
N050X52； (精车外圆至要求的尺寸)
N060G00Z0.5；

N070G01X33F0.1；
N080Z0；
N090G01X48；
N100X52Z-2； (平右端面)
N110G00X53；
N120Z100；
N130T0505； (换刀宽为5mm切槽刀)
N140M03S400；
N150G00X54；
N160Z-29.98；
N170G01X46F0.05； (切槽)
N180G04P2000； (切槽刀在工件上暂停2秒)
N190G01X53；
N200G00Z100；
N210T0202； (换内圆车刀)
N220M03S400；
N230G00X34Z2；
N240G90Z-5.9F0.1；
N250X41.9； (粗加工φ42内圆)
N260M03S1000；
N270G00Z-6.015；
N280G01X42.015F0.05； (精加工φ42内圆)
N290Z1；
N300G00Z100；
N310T0606； (换螺纹刀)
N320M03S300；
N330G00X53Z2；
N340G76P0 200 60Q50R100；
N350G76X49.4Z-28P800Q600F2； (用G76螺纹切削复循环加工螺纹)
N340G00Z200；
N350M05；
N360M30；

结束语

写到这里,论文的写作和设计已经告一段落。回想写作的过程，从开始的一无所知和无所适从，到后来慢慢地走上正轨，现在终于完成了这份并不完美的论文。但是它至少可以向大家展示我五年技校在数控专业上的所获所得。
此次设计是由学生向工程技术人员转变的一个过渡阶段，我十分重视和珍惜，此次设计给予我的启迪与锻炼，使我对设计的认识有了一定的深度。
在毕业设计规定的时间内，我做了大量的调查研究。查阅了很多的技术资料。阅读了大量的专业文献并将它们应用到毕业设计中。并在设计中，咨询了相关的师傅，对套筒类零件的加工工艺有了进一步的认识。对不懂的问题经过与大家的探讨和研究后得到了解决，培养了我们团结互助，求真务实的严谨作风。
以上工作成绩的获得与指导老师的辛勤劳动及耐心细致地教导是分不开的。有了指导教师的细心帮助才有了我今天的成绩。在这里谨向在这次毕业设计中给予我关心与指导的老师表示诚心的感谢，在此我衷心地对老师说一声“谢谢”！
由于本人能力有限，缺乏实际工作经验，初次做本专业设计，出现漏洞和错误，敬请各位老师批评指正。
致 谢

在论文完成之际，我要特别感谢我的指导老师刘健老师的热情关怀和悉心指导。在我撰写论文的过程中，刘健老师倾注了大量的心血和汗水，无论是在论文的选题、构思和资料的收集方面，还是在论文的研究方法以及成文定稿方面，我都得到了刘健老师悉心细致的教诲和无私的帮助，特别是他广博的学识、深厚的学术素养、严谨的治学精神和一丝不苟的工作作风使我终生受益，在此表示真诚地感谢和深深的谢意。
烛炬成灰泪始干，春蚕到死丝方尽。毕业在即，我想对一直在我们身后，在三尺讲台上默默耕耘的恩师们。感谢你们多年来的尊尊教诲，平日里耐心的讲解，悉心的回答，我都时刻铭记在心。你们不但教会了我专业上的知识，更用你门的人格魅力和优秀的治学品质为我以后的人生树立了榜样。你们不仅教会了我如何做事，同时也教会了我如何做人。感谢你们对我的年少无知和任性的包容，在我最无助的时候，是你们耐心地开导我，使我明白自身的价值。
最后感谢和我同窗五年的技校同学，朝夕相伴的日子里，我门曾经一起笑过，哭过，彷徨过。正是你门为我创造的这个安定的学习环境，我才得以顺利地地过完得技校生活。多年来你们的帮助和关怀给了我莫大的安慰，帮助我度过了最困难的时候。技校里在一起的日子，是我们青春中最灿烂的一页，即将过去的大学生活将成为我们最美好的回忆，回忆里的每张面孔，都栩栩如生，我会将你们珍藏。五年的技校生活虽然短暂，但是有了你门的陪伴，关于技校的一切记忆都会变成永恒。在此离别之时，我祝愿大家都有一个美好的前程。

参考文献

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[2] 《机械制造工艺设计手册》 王绍俊 主编
[3] 《金属切削原理及刀具》 陆剑中、孙家宁 主编
[4] 《数控编程》 叶伯生、朱志 主编
[5] 《数控加工工艺》 赵长旭 主编
[6] 《数控编程及应用》 于春生.韩旻 北京:高等教育出版社,2001
[7] 《机械制造工艺学》 郑修文北京:机械工业出版社,1999.5
[8] 《机械制造基础》 乔世民北京高等教育出版社,2003.8