轴类零件加工工艺分析41930

1 前言
科学技术和社会生产的不断发展，对机械产品的性能、质量、生产率和成本提出了越来越高的要求。

机械加工工艺过程自动化是实现上述要求的重要技术措施之一。

他不仅能够提高品质质量和生产率，降低生产成本，还能改善工人的劳动条件，但是采用这种自动和高效率的设备需要很大的初期投资，以及较长的生产周期，只有在大批量的生产条件下，才会有显著的经济效益。

随着消费向个性化发展，单件小批量多品种产品占到70%--80%，这类产品的零件一般采用通用机床来加工。

而通用机床的自动化程度不高，基本上由人工操作，难于进一步提高生产率和保证质量。

特别是由曲线、曲面组成的复杂零件，只能借助靠模和仿行机床或者借助画线和样板用手工操作的方法来完成，其加工精度和生产率受到极大影响。

为了解决上述问题，满足多品种、小批量，特别是结构复杂精度要求高的零件的自动化生产，迫切需要一种灵活的、通用的，能够适应产品频繁变化的“柔性”自动化机床。

数控机床才得已产生和发展。

数控技术是数字控制（Numerical Control）技术的简称。

它采用数字化信号对被控制设备进行控制，使其产生各种规定的运动和动作。

利用数控技术可以把生产过程用某中语言编写的程序来描述，将程序以数字形式送入计算机或专用的数字计算装置进行处理输出，并控制生产过程中相应的执行程序，从而使生产过程能在无人干预的情况下自动进行，实现生产过程的自动化。

采用数控技术的控制系统称为数控系统（Numerical Control System）。

根据被控对象的不同，存在多种数控系统，其中产生最早应用最广泛的是机械加工行业中的各种机床数控系统。

所谓机床数控系统就是以加工机床为控制对象的数字控制系统。

安装有数控系统的机床称为数控机床。

它是数控系统与机床本体的结合体。

数控车床是数控系统与车床本体的结合体；数控铣床是数控系统与铣床本体的结合体。

除此之外还有数控线切割机床和数控加工中心等。

数控机床是具有高附加值的技术密集型产品，是集机械、
计算机、微电子、现代控制及精密测量等多种现代技术为一体的高度机电一体化设备。

数控机床的产生使传统的机械加工发生了巨大的变化，这不仅表现在复杂工件的制造成为可能，更表现在采用了数控技术后使生产加工过程真正实现了自动化。

2 工件的装夹
2.1 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。

合理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。

2.2 定位基准选择的原则
1)基准重合原则。

为了避免基准不重合误差，方便编程，应选用工序基准作为定位基准，尽量使工序基准、定位基准、编程原点三者统一。

2）便于装夹的原则。

所选择的定位基准应能保证定位准确、可靠，定位、夹紧机构简单、易操作，敞开性好，能够加工尽可能多的表面。

3）便于对刀的原则。

批量加工时在工件坐标系已经确定的情况下，保证对刀的可能性和方便性。

2.3 确定零件的定位基准
以左右端大端面为定位基准。

2.4 装夹方式的选择
为了工件不致于在切削力的作用下发生位移，使其在加工过程始终保持正确的位置，需将工件压紧夹牢。

合理的选择夹紧方式十分重要，工件的装夹不仅影响加工质量，而且对生产率，加工成本及操作安全都有直接影响。

2.5 数控车床常用的装夹方式
1）在三爪自定心卡盘上装夹。

三爪自定心卡盘的三个卡爪是同步运动的，能自动定心，一般不需要找正。

该卡盘装夹工件方便、省时，但夹紧力小，适用于装夹外形规则的中、小型工件。

2）在两顶尖之间装夹。

对于尺寸较大或加工工序较多的轴类工件，为了保证每次装夹时
的装夹精度，可用两顶尖装夹。

该装夹方式适用于多序加工或精加工。

3）用卡盘和顶尖装夹。

当车削质量较大的工件时要一段用卡盘夹住，另一段用后顶尖支撑。

这种方式比较安全，能承受较大的切削力，安装刚性好，轴向定位准确，应用较广泛。

4）用心轴装夹。

当装夹面为螺纹时再做个与之配合的螺纹进行装夹，叫心轴装夹。

这种方式比较安全，能承受较大的切削力，安装刚性好，轴向定位准确。

2.6 确定合理的装夹方
装夹方法：先用三爪自定心卡盘毛坯左端，加工右端达到工件精度要求；再工件调头，用三爪自定心卡盘毛坯右端Φ52，再加工左端达到工件精度要求。

3 轴类零件的加工工艺
轴类零件是机器中经常遇到的典型零件之一。

它主要用来支承传动零部件，传递扭矩和承受载荷。

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。

轴的长径比小于5的称为短轴，大于20的称为细长轴，大多数轴介于两者之间。

轴用轴承支承，与轴承配合的轴段称为轴颈。

轴颈是轴的装配基准，它们的精度和表面质量一般要求较高，其技术要求一般根据轴的主要功用和工作条件制定，主要要求如下：
1 尺寸精度比一般的零件的尺寸精度要求高。

轴类零件中支承轴颈的精度要求最高，为IT5～IT7；配合轴颈的尺寸精度要求可以低一些，为IT6～IT9。

2 形状精度高。

3 位置精度高，其一般轴的径向跳动为0.01～0.03，高精度的轴为0.001～0.005。

4 表面粗糙度比一般的零件高，支承轴颈和重要表面的表面粗糙度Ra常为0.1～0.8um，配合轴颈和次要表面的表面粗糙度Ra为0.8～3.2um。

轴类零件一般常用的材料有45钢、40Cr合金钢、轴承钢GCr15和弹簧钢65Mn，还有20CrMoTi、20Mn2B、20Cr等。

轴类零件最常用的毛坯是棒料和锻件，只有一些大型或结构复杂的轴，在质量允许时才采用铸件。

由于毛坯经过锻造后，能使金属内部纤维组织沿表面均匀分布，可获得较高的抗拉、抗弯及抗扭强度。

所以除了光轴、直径相差不大的阶梯轴可使用热轧料棒料或冷拉棒料外，一般比较重要的轴大都采用锻件。

另外轴类零件的毛坯还需要经过热处理。

轴的结构设计原则：
1 节约材料，减轻重量尽量采用等强度的外形尺寸，或大的截面系数的截面形状。

2 易于轴上零件的精确定位，稳固装配拆卸和调整。

3 采用各种减少应力应用和提高强度的结构措施。

4 便于加工制造和保证精度。

轴类零件中工艺规程的制订，直接关系到工件质量、劳动生产率和经济效益。

一零件可以有几种不同的加工方法，但只有某一种较合理，在制订机械加工工艺规程中，须注意以下几点：
1 零件图工艺分析中，需理解零件结构特点、精度、材质、热处理等技术要求，且要研究产品装配图，部件装配图及验收标准。

2 渗碳件加工工艺路线一般为：下料→锻造→正火→粗加工→半精加工→渗碳→去碳加工→淬火→车螺纹、钻孔或铣槽→粗磨→低温时效→半精磨→低温时效→精磨。

3 粗基准选择：有非加工表面，应选非加工表面作为粗基准。

对所有表面都需加工的铸件轴，根据加工余量最小表面找正。

且选择平整光滑表面，让开浇口处。

选牢固可靠表面为粗基准，同时，粗基准不可重复使用。

4 精基准选择：要符合基准重合原则，尽可能选设计基准或装配基准作为定位基准。

符合基准统一原则。

尽可能在多数工序中用同一个定位基准。

尽可能使定位基准与测量基准重合。

选择精度高、安装稳定可靠表面为精基准。

4 轴类零件实例加工
4.1 加工工艺分析
图4.1 零件图
4.1.1 分析零件图纸和工艺分析
该轴类零件由圆柱、圆锥、圆弧、螺纹和槽等表面组成。

零件材料为45号钢，无热处理要求，该零件进行精加工，图4.1中Φ70不加工。

通过上述分析，可以采用下面的工艺措施：
选用具有直线、圆弧插补功能的数控车床加工，机床名称：CJK6032A数控机床,如下图:4.1.1所示。

如图:4.1.1相关参数如下：
1 零件螺纹外径、圆锥、侧角、外圆和台阶可一次加工，圆弧已大于90°，加工是要注意保证加工不干涉。

2 为便于装夹，坯件左端预车出加持部分，右端也应先车出并钻好中心孔，毛坯用料为直径70mm棒料。

3 该零件在加工中只需要一次装夹加工，从图纸上进行尺寸标注分析：工件坐标系的工件原点应选择定在零件装夹后的右端面圆心处O（0，0）点，如图4.1.1所示。

4.1.2 确定装夹方案
由于夹具确定了零件在数控机床坐标系中的位置，因而根据要求夹具能保证零件在机床的正确坐标方向，同时协调零件与机床坐标系的尺寸。

因此数控机床的夹具应定位可靠、稳定，一般采用三爪自定心卡盘、四爪单动卡盘或弹簧夹头。

分析本工件为外轮廓加工，外表面可以依次加工，无内孔，可采用一次装夹完成粗、精加工。

为了保证在加工螺纹时确保工件不来回晃动,减少误差,一般以轴线和左端面为定位基准,左端采用三爪自定心卡盘定心夹紧,右端采用活动顶尖支撑装夹方案。

4.1.3 确定加工路线及进给路线
加工顺序的确定按由内到外、由粗到精、由近到远的原则确定，在一次装夹中尽可能加工出较多的工件表面。

因此在本设计中加工路线是按先粗车（给精车留余量1mm），然后再精车，按先主后次的加工原则尽量使“刀具集中”，即用一把刀加工完相应的部位，在换另一把刀加工其他部位。

以减少空行程和换刀时间，因此：
1 车外圆：自右向左加工，起加工路线为：先倒角——切削螺纹的实际外圆Φ28——侧角——切削锥度部分——撤消圆弧部分——车削Φ66。

2 切槽：考虑到槽不太宽，可采用一把刀一刀完成，选择刀具宽度与槽宽相等，分多刀步进切削。

步进深度为1mm。

3 车螺纹：分析螺纹深度不深，采用两刀完成螺纹加工。

4 切断：零件加工结束后，选择切断刀将工件从棒料上分离出来完成一个零件的加工。

加工路线如下图4.1.3所示（数控自动加工工序卡）：
表4.1.3
软件职业技术
学院
数控自动加工工序卡
型
别
车削零件图号零件名称轴类零件3—1设备名
称
车床设备型号CJK6032A程序号%0001基本材
料
45＃钢硬度
HRC26-
28
工序名称
区域车
削
工序
号
NC01工步号工步内容
夹刀具量具
编号名称编号名称
4.1.4 刀具的选择
与普通机床相比，数控加工时对刀具提出了更高的要求，不仅要求刚性好、精度高，而且要求尺寸稳定、耐用度高、断屑和排屑性能好，同时要求安装调整方便，满足数控机床的高效率。

因此，刀具的选择是数控车削加工工艺中的重要内容之一,它不仅影响机床加工效率而且直接影响零件的加工质量。

在编程时选择刀具通常要考虑机床的加工能力、工序内容、被加工零件材料等因素。

数控加工刀具材料要求采用新型优质材料，一般原则是尽可能选择硬质合金精密加工时还可选择性能更好、更耐磨的陶瓷立方氮化硼和金刚石刀具并优选刀具参数。

一般来说需将所选定的刀具参数填入表轴承套数控加工刀具卡片中，以便于编程和操作管理。

常见的轴套类数控加工刀具如下。

轴承套数控加工刀具卡片
根据加工要求，选用三把刀具，Ⅰ号刀车外圆，Ⅱ号刀切槽，Ⅲ号刀车螺纹及进行精加工。

刀具应正确的选择换刀点，以便在换刀过程中，刀具与工作机床和夹具不会碰撞。

此设计中，换刀点为P（100，100）见图4.1.1。

（1）粗车外轮廓选择硬质合金90度外圆刀，其副偏角应取大一些为防止干涉，现取副偏角为35度；
（2）切槽选择硬质合金切槽刀，刀尖宽度为5mm；
（3）精车倒角、外圆、圆锥、圆弧。

车M28Χ1.5螺纹，应选用硬质合金60°外螺纹刀，取刀尖半径为0.15～0.2mm。

刀具选择完毕、工件装夹方式确定后，即可通过确定工件原点来确定工件坐标系。

如果要运行这一程序来加工工件，必须确定刀具在工件坐标系开始运动的起点。

程序起始点或起刀点一般通过对刀来确定，所以，该点又称为对刀点。

在编制程序时，要正确选择对刀点的位置。

对刀点设置原则是：
（1）便于数值处理和简化程序编制；
（2）易于找正并在加工过程中便于查找；
（3）引起的加工误差小。

对刀点可以设置在加工零件上，也可以设置在夹具或机床上。

4.2 实体零件的生成
实体是利用Pro/E软件生成的：首先打开Pro/E软件新建一个零件窗口，然后草绘出来零件的二维零件图，在利用软件中的实体把二维图转换成实体（如图4—2所示）。

先保存一下，然后在打开一个制造的窗口，这样会弹出一个对话框，先点装配，有回弹出一个子菜单，再点装配，把刚才保存的零件装配到制造这个窗口上，调一下约束，把零件调到完全约
束状态。

然后点击完成。

点里面的创建按扭，在下面的菜单栏里点定义后会弹出一个窗口，然后在实体零件上选一个与轴长平行的基准面，在选一个与轴垂直的基准面，然后会自动弹出草绘界面，在那上面草绘出一个比实体零件大的圆（Φ70），然后点确定按扭，把生成的毛坯覆盖住零件长度146。

这样就完成了毛坯的生成（如图4—2所示）。

图4—2
4.3 选择切削用量
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。

切削用量包括主轴转速、背吃刀量及进给速度等。

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。

4.3.1 主轴转速的确定
主轴转速应根据允许的切削速度和工件（或刀具）直径来选择。

根据本次加工的实际情况选择主轴转速为：车直线、圆弧和切槽时其粗车主轴转速为400r/min，精车时，主轴转速900r/min，车螺纹时的主轴转速为400r/min。

4.3.2 进给速度的确定
进给速度是数控机床切削用量中的重要参数，主要根据零件的加工进度和表面粗糙度要求以及刀具、工件的材料性质选取。

最大进给速度受机床刚度和进给系统的性能限制。

一般
粗车选用较高的进给速度，以便较快去除毛坯余量，精车以考虑表面粗糙和零件精度为原则，应选择较低的进给速度，得出下表
在本例中选择进给速度为：粗车时，选取进给量为0.14mm/r，精车时，选取进给量为0.08mm/r，车螺纹时，进给量等于螺纹导程，选为1.5mm/r。

4.3.3 背吃刀量确定
背吃刀量根据机床、工件和刀具的刚度来决定，在刚度允许的条件下，应尽可能使背吃刀量等于工件的加工余量(除去精车量)，这样可以减少走刀次数，提高生产效率。

为了保证加工表面质量，可留少量精加工余量，一般0.2-0.4mm。

本例中，背吃刀量的选择大致为如下表4.3.3：
如表4.3.3：
注意：背吃刀量的选择因粗、精加工而有所不同。

粗加工时，在工艺系统刚性和机床功率允许的情况下，尽可能取较大的背吃刀量，以减少进给次数；精加工时，为保证零件表面粗糙度要求，背吃刀量一般取0.l~0.4 mm较为合适。

故在本例中粗加工时：切削深度为
4mm，精车时切削深度为0.4mm。

4.4 编程
数控机床是一种技术密集度及自动化程度很高的机电一体化加工设备，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。

随着数控机床的发展与普及，现代化企业对于懂得数控加工技术、能进行数控加工编程的技术人才的需求量必将不断增加。

数控车床是目前使用最广泛的数控机床之一。

4.4.1 编程特点
1)在一个程序段中，根据图样上标注的尺寸，可以采用绝对值编程、增量值编程或二者混合编程。

2)由于被加工零件的径向尺寸在图样上和测量时，都是以直径值表示。

所以直径方向用绝对值编程时，X以直径值表示，用增量值编程时，以径向实际位移量的二倍值表示，并附上方向符号(正向可以省略)。

3)为提高工件的径向尺寸精度，X向的脉冲当量取Z向的一半。

4)由于车削加工常用棒料或锻料作为毛坯，加工余量较大，所以为简化编程，数控装置常具备不同形式的固定循环，可进行多次重复循环切削。

5)编程时，常认为车刀刀尖是一个点，而实际上为了提高刀具寿命和工件表面质量，车刀刀尖常磨成一个半径不大的圆弧，因此为提高工件的加工精度，当编制圆头刀程序时，需要对刀具半径进行补偿。

大多数数控车床都具有刀具半径自动补偿功能(G41、G42)这类数控车床可直接按工件轮廓尺寸编程。

对不具备刀具半径自动补偿功能的数控车床，编程时，需先计算补偿量。

4.4.2 编程方法
数控编程方法有手工编程和自动编程两种。

手工编程是指从零件图样分析工艺处理、数据计算、编写程序单、输入程序到程序校验等各步骤主要有人工完成的编程过程。

它适用于
点位加工或几何形状不太复杂的零件的加工，以及计算较简单，程序段不多，编程易于实现的场合等。

但对于几何形状复杂的零件，以及几何元素不复杂但需编制程序量很大的零件，由于编程时计算数值的工作相当繁琐，工作量大，容易出错，程序校验也较困难，用手工编程难以完成，因此要采用自动编程。

所谓自动编程即程序编制工作的大部分或全部有计算机完成，可以有效解决复杂零件的加工问题，也是数控编程未来的发展趋势。

4.4.3 编程步骤
拿到一张零件图纸后，首先应对零件图纸分析，确定加工工艺过程，也即确定零件的加工方法，加工路线及工艺参数。

其次应进行数值计算。

绝大部分数控系统都带有刀补功能，只需计算轮廓相邻几何元素的交点（或切点）的坐标值，得出各几何元素的起点终点和圆弧的圆心坐标值即可。

最后，根据计算出的刀具运动轨迹坐标值和已确定的加工参数及辅助动作，结合数控系统规定使用的坐标指令代码和程序段格式，逐段编写零件加工程序单，并输入CNC装置的存储器中。

4.4.4 实例分析
数控车床主要是加工回转体零件，典型的加工表面不外乎外圆柱、外圆锥、螺纹、圆弧面、切槽等。

由于该零件的加工路线、切削用量、刀具选择在上文已分析完毕，在此不在做重复分析。

走刀路线图：
编写程序单，确定O为工件坐标系的原点（见图4.2.1-1 ）并将A点作为换刀点，即程序的起点。

4.4.5 加工程序
%0001
M03S600T0101
G00X75Z0
G01X0F0.3
G00Z2
G00X72.5
G73U42W45R7
G73P30Q40U0.5W0.2F0.3
N30G00X22
G01Z0F0.05
X48
Z-35
X40Z-45
X22Z-105
G02X46Z-117R12 G03X66Z-127R10 G01Z-145
N40X70
G00P30Q40
G00X100Z100
T0202S500
G00X30Z-35
G01X20
X30
Z-33
X20
G00X100Z100
T0303
G00X28Z6
G92X27.4Z-33F1.5 X26.9
X26.4
X26.15
G00X100Z100
T0100
M30
结论
要实现数控加工，编程是关键。

例数控车床加工零件的进行了编程分析，但它具有一定的代表性。

由于数控车床可以加工普通车床无法加工的复杂曲面，加工精度高，质量容易保证，发展前景十分广阔，因此掌握数控车床的加工编程技术尤为重要。

同时，数控机床在机械制造业中得到日益广泛的应用，是因为其具有许多如下优越的特点。

1生产柔性大。

在数控机床上加工不同零件时，只需要改变加工程序而不需要特别制造或更换刀具和夹具。

2加工精度高，产品质量稳定性好。

数控机床采用了精密机械组件、灵敏的测量系统、精确的位置控制器和告警度的加工处理技术，所以具有很高的控制精度和加工精度。

其自动加工方法除了操作者的人为误差，提高了同一批零件加工尺寸的一致性，使加工质量稳定、产品合格率高。

3生产效率高。

具有较大的切削用量、自动更换刀具实现了多工序集中加工，快速移动和停止采用了加速、减速控制措施，大大节省工时；一般不用专用夹具，节省夹具设计、制造和更换的时间。

4 较高的可靠性、较好的宜人性。

在数控系统中集成了对部件的监控和诊断功能。

5良好的经济效率。

采用数控机床可以提高产品质量、降低材料及其他资源损耗使生产成本降低，可以缩短新产品开发的生产周期，降低其他生产设备投资的费用，所以总体成本下降。

可获得很好的经济效益。

6减轻劳动强度，改善劳动条件。

其是按预先编好的程序自动完成加工的，操作者只操作键盘，装卸零件和监视加工过程，不需进行繁重的、重复性的手工操作。

7有利于生产管理的现代化。

数控机床使用数字信息与标准代码处理、传递信息。

特别
是在数控机床上使用计算机控制，为计算机辅助设计、制造及管理一体化奠定了基础。

制造业为人类创造着辉煌的物质文明，我国人民在各个历史年代在机械方面都有过自己的贡献，因此制造业是一个国家的立国之本。

而制造业已不再仅仅是以前的力学、切削理论为主要基础的一门学科而是涉及了机械科学、系统科学、信息科学和管理科学的一门综合科学。

数控机床又代表了当今制造也的发展方向。

因此，掌握好这门学科必须通过理论学习、自我设计及工厂实践来更好的体会加深理解。

通过此次设计，我初步具有了分析和设计零件轮廓的能力，为以后解决生产实际问题和技术改造工作建立基础，并了解了，现代制造技术与现代生产管理的结合，是制造技术发展的前沿与趋势。

但同时通过对比也发现了自己的缺陷，深刻的认识到知识和实践结合的重要性。

特别是在专业知识方面学习不够牢固，实践经验少，在技术设计方面考虑不够周全。

所以，在制造业这门科学中，光凭基本概念与理论根本无法全面理解掌握这门科学，还需要靠大量的实践经验。

因此，我体会最深的就是：百看不如一练，全面学好这门科学，必须在不断的实践——理论——实践的循环中善于总结，才能达到令人满意的成绩。

总之，在本次设计中，我获得了许多新知识和新的学习方法，更多的实践经验，为以后工作生涯打下了坚定的基础。