球齿毕业设计

1．引言
1．1 介绍数控机床
数控机床是数字控制机床的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。

该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，从而使机床动作并加工零件。

数控机床的控制单元
数控机床的操作和监控全部在这个数控单元中完成，它是数控机床的大脑。

与普通机床相比，数控机床有如下特点：
●加工精度高，具有稳定的加工质量；
●可进行多坐标的联动，能加工形状复杂的零件；
●加工零件改变时，一般只需要更改数控程序，可节省生产准备时间；
●机床本身的精度高、刚性大,可选择有利的加工用量，生产率高（一般为普通机床的3~5倍）；
●机床自动化程度高，可以减轻劳动强度；
●对操作人员的素质要求较高，对维修人员的技术要求更高。

数控机床一般由下列几个部分组成：
●主机，他是数控机床的主题，包括机床身、立柱、主轴、进给机构等机械部件。

他是用于完成各种切削加工的机械部件。

●数控装置，是数控机床的核心，包括硬件（印刷电路板、CRT显示器、键盒、纸带阅读机等）以及相应的软件，用于输入数字化的零件程序，并完成
输入信息的存储、数据的变换、插补运算以及实现各种控制功能。

●驱动装置，他是数控机床执行机构的驱动部件，包括主轴驱动单元、进给单元、主轴电机及进给电机等。

他在数控装置的控制下通过电气或电液伺服系统实现主轴和进给驱动。

当几个进给联动时，可以完成定位、直线、平面曲线和空间曲线的加工。

●辅助装置，指数控机床的一些必要的配套部件，用以保证数控机床的运行，如冷却、排屑、润滑、照明、监测等。

它包括液压和气动装置、排屑装置、交换工作台、数控转台和数控分度头，还包括刀具及监控检测装置等。

●编程及其他附属设备，可用来在机外进行零件的程序编制、存储等。

1.2 数控加工技术简介
数控加工经历了半个世纪的发展已成为应用于当代各个制造领域的先进制造技术。

数控加工的最大特征有两点：一是可以极大地提高精度，包括加工质量精度及加工时间误差精度；二是加工质量的重复性，可以稳定加工质量，保持加工零件质量的一致。

也就是说加工零件的质量及加工时间是由数控程序决定而不是由机床操作人员决定的。

数控加工具有如下优点：
●提高生产效率；
●不需熟练的机床操作人员；
●提高加工精度并且保持加工质量；
●可以减少工装卡具；
●可以减少各工序间的周转，原来需要用多道工序完成的工件，用数控
加工可以一次装卡完成，缩短加工周期，提高生产效率。

●容易进行加工过程管理；
●可以减少检查工作量；
●可以降低废、次品率；
●便于设计变更，加工设定柔性；
●容易实现操作过程的自动化，一个人可以操作多台机床；
●操作容易，极大减轻体力劳动强度
随着制造设备的数控化率不断提高，数控加工技术在我国得到日益广泛的使用，在模具行业，掌握数控技术与否及加工过程中的数控化率的高低已成为企业是否具有竞争力的象征。

数控加工技术应用的关键在于计算机辅助设计和制造（CAD/CAM）系统的质量。

如何进行数控加工程序的编制是影响数控加工效率及质量的关键，传统的手工编程方法复杂、烦琐，易于出错，难于检查，难以充分发挥数控机床的功能。

在模具加工中，经常遇到形状复杂的零件，其形状用自由曲面来
描述，采用手式编程方法基本上无法编制数控加工程序。

近年来，由于计算机技术的迅速发展，计算机的图形处理功能有了很大增强，基于CAD/CAM技术进行图形交互的自动编程方法日趋成熟，这种方法速度快、精度高、直观、使用简便和便于检查。

CAD/CAM技术在工业发达国家已得到广泛使用。

近年来在国内的应用也越来越普及，成为实现制造业技术进步的一种必然趋势。

数控加工是将待加工零件进行数字化表达，数控机床按数字量控制刀具和零件的运动，从而实现零件加工的过程。

1.3数控车床的发展
数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，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，它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。

当前数控车床呈现以下发展趋势。

1.3.1. 高速、高精密化
高速、精密是机床发展永恒的目标。

随着科学技术突飞猛进的发展，机电产品更新换代速度加快，对零件加工的精度和表面质量的要求也愈来愈高。

为满足这个复杂多变市场的需求，当前机床正向高速切削、干切削和准干切削方向发展，加工精度也在不断地提高。

另一方面，电主轴和直线电机的成功应用，陶瓷滚珠轴承、高精度大导程空心内冷和滚珠螺母强冷的低温
高速滚珠丝杠副及带滚珠保持器的直线导轨副等机床功能部件的面市，也为机床向高速、精密发展创造了条件。

数控车床采用电主轴，取消了皮带、带轮和齿轮等环节，大大减少了主传动的转动惯量，提高了主轴动态响应速度和工作精度，彻底解决了主轴高速运转时皮带和带轮等传动的振动和噪声问题。

采用电主轴结构可使主轴转速达到10000r/min以上。

直线电机驱动速度高，加减速特性好，有优越的响应特性和跟随精度。

用直线电机作伺服驱动，省去了滚珠丝杠这一中间传动环节，消除了传动间隙(包括反向间隙)，运动惯量小，系统刚性好，在高速下能精密定位，从而极大地提高了伺服精度。

直线滚动导轨副，由于其具有各向间隙为零和非常小的滚动摩擦，磨损小，发热可忽略不计，有非常好的热稳定性，提高了全程的定位精度和重复定位精度。

通过直线电机和直线滚动导轨副的应用，可使机床的快速移动速度由目前的10～20m/mim提高到60～80m/min，甚至高达120m/min。

1.3.
2. 高可靠性
数控机床的可靠性是数控机床产品质量的一项关键性指标。

数控机床能否发挥其高性能、高精度和高效率，并获得良好的效益，关键取决于其可靠性的高低。

1.3.3. 数控车床设计CAD化、结构设计模块化
随着计算机应用的普及及软件技术的发展，CAD技术得到了广泛发展。

CAD不仅可以替代人工完成繁琐的绘图工作，更重要的是可以进行设计方案选择和大件整机的静、动态特性分析、计算、预测及优化设计，可以对整机各工作部件进行动态模拟仿真。

在模块化的基础上在设计阶段就可以看出产品的三维几何模型和逼真的色彩。

采用CAD，还可以大大提高工作效率，提高设计的一次成功率，从而缩短试制周期，降低设计成本，提高市场竞争能力。

通过对机床部件进行模块化设计，不仅能减少重复性劳动，而且可以快速响应市场，缩短产品开发设计周期。

1.3.4. 功能复合化
功能复合化的目的是进一步提高机床的生产效率，使用于非加工辅助时间减至最少。

通过功能的复合化，可以扩大机床的使用范围、提高效率，实现一机多用、一机多能，即一台数控车床既可以实现车削功能，也可以实现铣削加工；或在以铣为主的机床上也可以实现磨削加工。

宝鸡机床厂已经研制成功的CX25Y数控车铣复合中心，该机床同时具有X、Z轴以及C轴和Y 轴。

通过C轴和Y轴，可以实现平面铣削和偏孔、槽的加工。

该机床还配置有强动力刀架和副主轴。

副主轴采用内藏式电主轴结构，通过数控系统可直接实现主、副主轴转速同步。

该机床工件一次装夹即可完成全部加工，极大地提高了效率。

1.3.5智能化、网络化、柔性化和集成化
21世纪的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中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方面的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控等方面的内容，以方便系统的诊断及维修等。

网络化数控装备是近年来机床发展的一个热点。

数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式，如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。

数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是：从点(数控单机、加工中心和数控复合加工机床)、线(FMC、FMS、FTL、FML)向面(工段车间独立制造岛、FA)、体(CIMS、分布式网络集成制造系统)的方向发展，另一方面向注重应用性和经济性方向发展。

柔性自动化技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主要手段，是各国制造业发展的主流趋势，是先进制造领域的基础技术。

其重点是以提高系统的可靠性、实用化为前提，以易于联网和集成为目标，注重加强单元技术的开拓和完善。

CNC单机向高精度、高速度和高柔性方向发展。

数控机床及其构成柔性制造系统能方便地与CAD、CAM、CAPP及MTS等联结，向信息集成方向发展。

网络系统向开放、集成和智能化方向发展。

2.1确定总体加工方案
此零件由图纸可知，仅φ38的外圆及O型圈槽的精度为1.6，齿部要求留尖角，其它尺寸均为 3.2的精度，没有位置度要求。

结论:φ38的外圆及O型圈槽、齿部可采用精车达到要求，其余部分采用半精车即可达到要求。

我们将整个加工过程分为两个阶段进行。

第一阶段，加工φ38+0.00
外圆与O型密封槽
-0.05
1．为了方便加工和节约材料，一次下两个工件，长加上放量10mm尺寸为φ40X54
外圆和O型密封槽2．以φ40外圆定位，加工φ38+0.00
-0.05
3．调头用开口套夹已加工一端，按上一步工序尺寸再加工一个工件。

4．上锯床，从中间锯开
5．用开口套夹住已加工一端，按图纸要求将总长粗加工到23mm
第二阶段，加工R48齿形和R30圆弧
1．利用专用夹具，以O型槽和φ38外圆定位装夹。

在一次性装夹下完成对R48齿形和圆弧的粗车、半精车和精车加工。

2.2专用夹具设计：
机床夹具是机床上用以装夹工件（和引导刀具）的一种装置。

其作用是将工件定位以获得相对机床或刀具的正确位置，并把工件可靠的夹紧。

对机床夹具的基本要求可总括为四个方面：
①稳定地保证工件的加工精度；
②提高机械加工的劳动生产率；
③结构简单，有良好的结构工艺性和劳动条件；
④能降低工件的制造成本。

夹具的组成：定位元件、夹紧装置、联接元件、对刀或导向元件、其它装置、夹具体。

1) 定位元件：用于确定工件在夹具中的位置。

2) 夹紧装置：用于夹紧工件。

3) 对刀、导引元件：确定刀具相对夹具定位元件的位置。

4) 其它装置：如分度元件等。

5) 连接元件和连接表面：用于确定夹具本身在机床主轴或工作台上的位置。

6) 夹具体：用于将夹具上的各种元件和装置连接成一个有机整体。

作用：(1)保证稳定可靠地达到各项加工精度要求；(2)缩短加工工时，提高劳动生产率；(3)降低生产成本；(4)减轻工人劳动强度；(5)可由较低
技术等级的工人进行加工；(6)能扩大机床工艺范围。

2.2.1在加工的第一阶段，工件调头后，需用开口套夹具如图1示
1.开口套
2.三爪卡盘
3.工件
图1
2.2.2工件加工的第二阶段，齿部及R30内圆弧的加工。

可设计夹具，数控车床走斜线，圆弧插补可将齿部加工出来，走直线插补可将R30内圆弧加工出来。

具体见图2
1.夹具
2.工件
3.内六角螺钉
图2
将两件工件安装在该夹具上,则将R48的圆弧加工转换成车外圆(图中φ96),将R30的圆弧加工转换成车内孔(图中φ60),而车齿形则转换成圆弧直线加工.
本工件所需两个夹具：开口套、车球齿圆弧夹具详见附录一：CAD图
2.3数控车削加工工艺分析
工艺分析是数控车削加工的前期工艺准备工作。

工艺制定的合理与否，对程序编制、机床利用率和零件的加工精度都有重要影响。

因此，除遵循一般机械加工工艺基本原则外还要结合数控车床的特点，着重考虑零件图的工艺性分析，工件在车床上的装夹，刀具、夹具和切削用量的选择，刀具的进给路线等。

数控加工工序的划分
在数控机床上加工零件，工序比较集中，一次装夹应尽可能完成全部工序，常用的工序划分原则有以下两种。

1 .保证精度原则
数控加工具有工序集中的条件，粗、精加工常在一次装夹中完成，以保证零件的加工精度，当热变形和切削力变形对零件的加工精度影响较大时，应将粗、精加工分开进行。

2. 提高生产效率的原则
数控加工中，为减少换刀次数，节省换刀时间，应将需用同一把刀加工的加工部位全部完成后，再换另一把刀来加工其它部位。

同时应尽量减少
空行程，用同一把刀加工工件的多个部位时，应以最短的路线到达各加工部位。

实际生产中，数控加工常按刀具或加工表面划分工序。

车刀刀位点的选择
数控加工中，数控程序应描述出刀具相对于工件的运动轨迹。

在数控车削中，工件表面的形成取决于运动着的刀刃包络线的位置和形状，但在程序编制中，只需描述刀具系统上某一选定点的轨迹即可。

刀具的刀位点即为在程序编制时，刀具上所选择的代表刀具所在位置的点，程序所描述的加工轨迹即为该点的运动轨迹。

在数控车削中，从理论上讲可选择刀具上任意一点作为刀位点，但为了方便编程和保证加工精度，刀位点的选择有一定的要求和技巧。

在数控加工中，刀位点的选择一般遵循以下规则：立铣刀应是刀具轴线与刀具底面的交点：球头铣刀是球头的球心：钻头应是钻尖：车刀应是假想刀尖或刀尖圆弧中心，刀具刀位点在选择时应注意：
1 选择刀具上能够直接测量的点，刀位点与刀具长度预调时的测定点应尽量一致：
2 在可能的情况下，刀位点应直接与精度要求较高的尺寸或难于测量的尺寸发生联系：
3 所选择的刀位点能使刀具极限位置直接体现于程序的运动指令中：
编程人员应有习惯性的刀位点选择方法，不宜多变：
4 所选定的刀位点，在刀具调整图中应以图形标示。

2.3.1零件图工艺分析
该零件由齿形、O型密封槽、圆弧组成，零件结构复杂，尺
寸精度较高。

零件材料为42CrMo，齿部表面硬度为HRC55-60，其余部分硬度为HRC35-39，并做发黑处理。

经过上述分析，可将此零件的加工分为8个工序：
1．下料
2．粗精车φ38外圆，O型密封槽
3．锯断
4．粗车锯过后的端面
5．上专用夹具粗精车R48，齿形，R30
6．打毛刺
7．齿部表面渗碳
8．表面发黑
2.3.2设备选择：
1．用于下料和锯断工序的带锯一台，型号：G4025-1
2．根据被加工零件的形状和材料等条件选用C JK6140X750数控车床
CJK6140X750的主要参数：
工件床身/最大回转直径：400mm
最大车削长度：750mm
主轴最大/小转速：4000/45r/min
快速进给速度：纵向：10m/min 横向：6m/min
主轴系统：FAUNC-0i系统
2.3.3工件在数控车床上的定位
使工件在机床上或夹具中占有正确位置的过程，称为定位。

在工件的机械加工工艺过程中，合理地选择定位基准对保证工件的尺寸精度和互相位置精度起着重要的作用。

定位基准有粗基准和精基准两种。

毛坯在开始加工时，都是以未加工的表面定位，这种基准称为粗基准；用已加工后的表面作为定位基准面称为精基准。

1．粗基准的选择
图3
如图3以毛坯外圆φ40为基准,伸出卡盘长度28mm定位夹紧车φ38外圆和O型密封槽
2.精基准的选择
图4
如图4示, 以O型槽止口定位X方向,以φ38外圆定位Z方向.加工R48外圆及齿部与加工R30内孔采用同一精基准定位,并且此精基准定位尺寸精度高,形状简单,尺寸较大,这样有利于减少误差,使定位稳固,还可使工件减少变形.
2.3.4刀具的选择：
2.3.4.1工件材料分析
●材料名称：合金结构钢；牌号：42CrMo；标准：GB/T 3077-1988
●特性及适用范围：
强度、淬透性高，韧性好，淬火时变形小，高温时有高的蠕变强度和持久强度。

用于制造要求较35C rMo钢强度更高和调质截面更大的锻件，如机车牵引用的大齿轮、增压器传动齿轮、后轴、受载荷极大的连杆及弹簧夹，也可用于2000m 以下石油深井钻杆接头与打捞工具等。

●化学成份：
碳 C ：0.38～0.45
硅S i：0.17～0.37
锰Mn：0.50～0.80
硫S：允许残余含量≤0.035
磷P ：允许残余含量≤0.035
铬Cr：0.90～1.20
镍N i：允许残余含量≤0.030
铜C u：允许残余含量≤0.030
钼Mo：0.15～0.25
●力学性能：
抗拉强度σb (MP a)：≥1080(110)
屈服强度σs (MPa)：≥930(95)
伸长率δ5 (％)：≥12
断面收缩率ψ (％)：≥45
冲击功Ak v (J)：≥63
冲击韧性值αk v (J/cm2)：≥78(8)
硬度：≤217HB
试样尺寸：试样毛坯尺寸为25mm
2.3.4.2.刀具的确定
在数控车削加工中，产品质量和劳动生产率在相当大的程度上受到刀具的制约。

虽然数控车削的切削原理与普通车床基本相同,但由于数控加工的特性要求,在刀具的选择上,特别是切削部分的几何参数,对刀具的形状就须做到特别的处理,才能满足数控车床的加工要求,充分发挥数控车床的效益.数控车床对刀具性能的
要求如下:
①.强度高
②.精度高
③.切削和进给速度高
④.可靠性能好
⑤.使用寿命高
⑥.切削及排屑性能好
在选用刀具时,应尽可能选用通用的标准刀具,不用或少用特殊的非标准刀具;尽量使用不重磨刀片,少用焊接刀片;优先使用标准的模块化刀夹(刀柄和刀杆等).
1.选用刀杆时，首先应选用尺寸尽可能大的刀杆，同时要考虑以下几个因素：
①夹持方式；
②切削层截面形状，即背吃刀量和进给量；
③刀柄的悬伸。

2.选择刀片形状
“选择刀片形状”主要参数选择方法如下：
①刀尖角
刀尖角的大小决定了刀片的强度。

在工件结构形状和系统刚性允许的前提下，应选择尽可能大的刀尖角。

通常这个角度在35°与90°之间。

如R型圆刀片，在重切削时具有较好的稳定性，但易产生较
大的径向力。

②刀片形状的选择
刀片形状主要依据被加工工件的表面形状、切削方法、刀具寿命和刀片的转位次数等因素选择。

正三角形刀片可用于主偏角为60°或90°的外圆车刀、端面车刀和内孔车刀。

由于此刀片刀尖角小、强度差、耐用度低、故只宜用较小的切削用量。

正方形刀片的刀尖角为90°，比正三角形刀片的60°要大，因此其强度和散热性能均有所提高。

这种刀片通用性较好，主要用于主偏角为45°、60°、75°等的外圆车刀、端面车刀和镗孔刀。

正五边形刀片的刀尖角为108°，其强度、耐用度高、散热面积大。

但切削时径向力大，只宜在加工系统刚性较好的情况下使用。

菱形刀片和圆形刀片主要用于成形表面和圆弧表面的加工，其形状及尺寸可结合加工对象参照国家标准来确定。

本零件所有的刀具均选用机夹可转位式车刀
刀柄型号选用统一规格厂家:三禄
刀柄刀片型号见表1; 厂家：山特。

表1
2.3.5切削用量的确定
切削用量是表示机床主运动和进给运动大小的重要参数。

切削用量的确定是数控加工工艺中的重要内容, 切削用量的大小对加工效率、加工质量、刀具磨损和加工成本均有显著影响。

现在，随着CAD/CAM技术的发展，许多CAD/CAM软件都提供自动编程功能，这些软件一般是在编程界面中提示工艺规划的有关问题，比如：刀具选择、加工路径规划、切削用量设定等，编程人员只要设置了有关的参数，就可以自动生成NC程序并传输至数控机床完成加工。

因此，数控加工中切削用量的确定是在人机交互状态下完成的，这与普通机床加工形成鲜明的对比，同时也要求编程人员必须掌握切削用量确定的基本原则，在编程时充分考虑数控加工的特点来合理的选择切削用量。

切削用量包括切削速度( 主轴转速) 、背吃刀量、进给量，通常称为切削用量三要素。

数控加工中选择切削用量，就是在保证加工质量和刀具耐用度的前提下，充分发挥机床性能和刀具切削性能，使切削效率最高，加工成本最低。

粗、精加工时切削用量的选择原则如下。

粗加工时，一般以提高生产效率为主，但也应考虑经济性和加工成本。

切削用量的选择原则首先选取尽可能大的背吃刀量；其次要根据机床动力和刚性的限制条件等，选取尽可能大的进给量；最后根据刀具耐用度确定最佳的切削速度。

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。

切削用量的选择原则首先根据粗加工后的余量确定背吃刀量；其次根据已加工表面的粗糙度要求，选取较小的进给量；最后在保证刀具耐用度的前提下，尽可能选取较高的切削速度。

具体数值应根据机床说明书、切削用量手册，并结合实践经验而定。

切削用量(a p、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。

在数控编程时，编程人员必须确定每道工序的切削用量，并以指令的形式写入程序中。

对于不同的加工方法，需要选用不同的切削用量。

切削用量的选择原则是：保证零件加工精度和表面粗糙度，充分发挥刀具切削性能，保证合理的刀具耐用度；并充分发挥机床的性能，最大限度提高生产率，降低成本。

2.3.5.1、背吃刀量ap(mm)确定
背吃刀量ap根据加工余量和工艺系统的刚度确定。

在机床、工件和刀具刚度允许的情况下，ap就等于加工余量, 这是提高生产率的一个有效措施。

为了保证零件的加工精度和表面粗糙度，一般应留一定的余量进行精加工。

数控机床的精加工余量可略小于普通机床。

具体选择如下：
粗加工时，在留下精加工、半精加工的余量后，尽可能一次走刀将剩下的余量切除；若工艺系统刚性不足或余量过大不能一次切除，也应按先多后少的不等余量法加工。

第一刀的ap应尽可能大些，使刀口在里层切削，避免工件表面不平及有硬皮的铸锻件。

当冲击载荷较大（如断续表面）或工艺系统刚度较差（如细长轴、镗刀杆、机床陈旧）时，可适当降低ap，使切削力减小。

精加工时，ap应根据粗加工留下的余量确定，采用逐渐降低ap的方法，逐步提高加工精度和表面质量。

一般精加工时，取ap=0.05～0.8mm；半精加工时，取ap=1.0～3.0mm。

(2) 切削宽度L（mm）
一般L与刀具直径d成正比，与切削深度成反比。

在数控加工中，一般L的取值范围为: L=(0.6～0.9)d。

(3) 进给量(进给速度)f(mm/min或mm/r)的选择
进给量( 进给速度)是数控机床切削用量中的重要参数，根据零件的表面粗糙度、加工精度要求、刀具及工件材料等因素，参考切削用量手册选取。

对于多齿刀具, 其进给速度vf、刀具转速n、刀具齿数Z 及每齿进给量fz的关系为: Vf=fn=fzzn。