轴类零件的加工工艺及编程

目录
摘要 (11)
Abstract (12)
第一章轴类零件 (13)
1.1轴零件的功能与结构特点 (13)
1.2轴类零件的技术要求 (14)
1.3轴类零件的材料与热处理 (14)
1.4轴类零件毛坯 (15)
第二章零件图的加工工艺分析 (16)
2.1工件的工艺分析 (16)
2.2工件装夹方案与设备技术 (16)
2.3夹具的选择 (17)
2.4加工顺序与进给路线 (17)
2.5选择切削刀具 (18)
2.6选择切削用量 (19)
第三章工艺系统几何误差 (20)
3.1机床导轨误差 (20)
3.2刀具误差 (20)
3.3夹具误差 (21)
3.4调整误差 (21)
第四章定位基准与定位方式 (22)
4.1定位基准的选择 (23)
4.2常见定位方式与定位元件 (25)
4.3定位误差 (26)
第五章典型轴零件的工艺分析和数控编程 (27)
5.1设定工件坐标系 (28)
5.2确定工件的装夹方式及加工工艺路线 (29)
5.3刀具选择 (30)
5.4数控加工工艺卡片 (31)
5.5编写加工程序 (32)
总结 (33)
参考文献 (35)
摘要
本设计主要是轴类零件加工工艺分析及编程，讲述轴类零件的功能，结构特点，技术要求和热处理。

通过对零件图的加工工艺分析，确定了轴类零件的精度和粗糙度的要求，加工方法，装夹方案，工艺系统的几何误差以及调整误差，从而编写了它的数控编程。

对典型的轴类零件数控加工工艺的分析，对于提高制造质量、实际生产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的工艺分析具有非常重要的作用。

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，他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。

关键词
轴零件结构特点工艺分析加工工艺误差精度数控加工
Abstract
CNC processing technology is gradually being widely used for spare parts for programming processing before the technical analysis has a very important role. The graduation of the part drawing process analysis, spare parts processing methods and carried out to determine the choice of fixture. Through the design process that will enable us to spare parts processing, the basic process analys is, familiar with processing of basic prepared steps, spare parts and the accuracy and roughness, processing, installation of programs, the craft system geometric errors and adjustment error analysis. Through a typical shaft parts CNC machining process analysis, for improving manufacturing quality, the actual production of a certain significance.
Keywords
Shaft spare parts Process analysis Technology Analysis Error CNC machining
第一章轴类零件
1.1 轴零件的功能与结构特点
轴类零件是机械零件中的关键零件之一，在机器中，主要用于支撑齿轮、带轮、凸轮、以及连杆等传动件。

它的主要功能是支承传动零件、传递扭矩、承受载荷，以及保证装在轴上的零件等有一定的回转精度。

轴类零件是回转体零件，其长度大于直径。

加工表面通常有内外圆柱面、内外锥面、螺纹、键槽、横向孔和沟槽等。

轴类零件按结果形状可分为阶梯轴、光轴、空心轴和偏心轴等类，如图1.1所示。

a) b)
c) d)
图1.1 轴的种类
a)阶梯轴b）光轴c)空心轴d)偏心轴
1.2 轴类零件的技术要求
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。

(1) 尺寸精度。

尺寸精度包括直径尺寸精度和长度尺寸精度。

精密轴颈为IT5级，重要轴颈为IT6～IT8级，一般轴颈IT9级。

轴向尺寸一般要求较低，当阶梯轴的阶梯长度要求较高时，其公差可达0.005～0.01mm。

(2) 几何形状精度。

几何形状精度主要指轴颈的圆度、圆柱度，一般应在直径公差范
围内。

当几何形状精度要求较高时，零件图上应注出规定允许的偏差。

(3) 相互位置精度。

相互位置精度，主要指装配传动件的轴颈相对于支承轴劲的同轴度及端面对轴心线的垂直度等，通常用径向圆跳动来标注。

普通精度轴的配合轴颈相对支承轴径向圆跳动为0.01～0.03mm,高精度的轴通常为
0.005～0.01mm。

端面圆跳动为0.005~0.01mm
(4) 表面粗糙度。

轴类零件的表面粗糙度和尺寸精度应与表面工作要求相适应。

通常支承轴颈的表面粗糙度值Ra为3.2～0.4µm,配合轴颈的表面粗糙度值Ra为0.8～0.1µm。

1.3 轴类零件的材料与热处理
轴类零件应根据不同的工作状况，选择不同的材料和热处理规范。

一般轴类零件常用中碳钢，如45钢，经正火、调质及部分表面淬水等热处理，得到所要求的强度、韧性和硬度。

对中等精度而转速较高的轴类零件，一般选用40Cr 等合金结构钢，经过调质和表面淬火处理，使其具有较高的综合力学性能。

对在高转速、重载荷等条件下工作的轴类零件，可选用20CrMnTi、20Mn2B、20Cr 等低碳合金钢，经渗碳淬火处理后，使其具有很高的表面硬度，心部则获得较高的强度和韧性。

对高精度、高转速的轴，可选用38CrMoAl氮化钢，经调质和表面氮化后，使其具有很高的心部强度和表面硬度，优良的耐磨性和耐疲劳性，热处理变形也较小。

为改善工件材料切削性能而进行热处理的工序（如退火，正火等），应安排在切削加工之前；为消除内应力而进行的热处理工序（如退火，人工时效等），最好安排在粗加工之前，也可安排在切削加工之前；为了改善工件材料的物理性质而进行的热处理工序（如调质，淬火等）通常安排在粗加工之前，精加工之后进行。

其中渗碳淬火一般安排在切削加工后，磨削加工前。

而表面淬火和渗氮等变形小的热处理工序，允许安排在精加工后进行；为了提高零件表面耐磨性或耐蚀性而进行的热处理工序以及装饰为目的热处理工序或表面处理工序（如镀铬，镀锌，氧化，发黑等）一般放在工艺过程的最后。

1.4 轴类零件的毛坯
数控车削加工零件时，加工过程是自动的，毛坯余量的大小，如何装夹等问题在选择毛坯就要仔细考虑好，否则，一旦毛坯不适合数控车削，加工将很
难进行下去，根据经验，确定毛坯的余量和装夹应注意一下两点：(1)毛坯加工余量应充足并尽量均匀（2）分析毛坯的装夹适应性。

轴类零件的毛坯常采用棒料、锻件和铸件等毛坯形式。

一般光轴或外圆直径相差不大的阶梯轴采用棒料，外圆直径相差较大或较重要的轴常采用锻件，某些大型的或结构复杂的轴（如曲轴）可采用铸件。

根据生产规模的不同，毛坯的锻造方式分为自由锻造和模锻两种，中小批生产的采用自由锻、大批生产时采用模锻。

第二章零件图的加工工艺分析图
图2 轴类零件图
2.1 工件的工艺分析
图2所示是本设计的轴类零件图。

该零件表面由圆柱、圆锥、顺圆弧、逆圆弧以及螺纹等表面组成，零件图尺寸标注完整，加工要求明确，零件材料为45号钢，比较容易切削加工。

通过以上分析，采用以下工艺措施。

对图样上带公差的尺寸，因公差的尺寸较小，故编程地不必取平均取，而取基本尺寸即可。

左右端面均为多个尺寸的设计基准，相应工序加工前，应该先将左右端面车出来。

2.2 工件装夹方案及设备选择
设定零件的轴线为定位基准，以工件右端面与零件轴线的交点为工件坐标系的原点，左端采用三爪自定心卡盘定心夹紧。

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。

由于该零件为单件小批量生产，走刀路线设计不必考虑最短进给路线或最短空运行程路线，外轮廓表面车削走刀路线沿零件轮廓顺序进行。

根据被加工零件的外形和材料等条件，选用数控车床。

2.3夹具的选择
数控车床上的夹具主要有两类：一类用于盘类或短轴类零件，工件毛坯装夹在带可调卡爪的卡盘（三爪、四爪）中，由卡盘传动旋转；另一类用于轴类零件，毛坯装在主轴顶尖和尾架顶尖间，工件由主轴上的拨动卡盘传动旋转。

夹具的定位与安装：一般使用。

装夹方便，自动定心方便，但夹紧力较小。

适用于中尺寸、形状规则、长度不宜过长的工件。

提高夹持精度的措施。

使用铸铁套圈。

精加工的表面不至于被卡爪夹坏，工作时套圈套在工件上，卡盘夹紧套圈。

铸铁套圈也适于薄壁工件镗孔时的装夹，因为它增加了卡爪和工件的接触面积，可以减少装夹力引起的工件变形。

在本设计中，由于工件为轴类零件。

所以我们选择三角卡盘和顶尖。

2.4 加工顺序及进给路线
加工顺序按由粗到精、由近到远的原则确定。

先车削加工工件右端面后车削加工工件外圆，从右到左进行粗车（留0.3～0.2mm精车余量），然后从右到左进行精车，最后车削螺纹。

数控车床Fanuc-0I系统的循环指令能以设定的切削参数和进刀路线对零件表面轮廓进行粗、精加工（图3）。

图3车削加工路线
2.5 选择切削刀具
在数控车床加工中，产品质量和生产率在相当大的程度上受到刀具的制约。

虽然数控刀具的切削原理与普通车床刀具基本相同，但由于数控加工特性的要求，在刀具参数的选择上，特别是切削部分的几何参数选择上，就要满足一定的要求，才能达到数控车床的加工要求，充分发挥数控车床的优势。

金属切削过程中，刀具切削部分在高温下承受着很大切削力与剧烈摩擦。

在断续切削工作时，还伴随着冲击与振动，引起切削温度的波动。

因此，在刀具选择时，刀具必须满足强度高、精度高、适应高速和大进给量切削、可靠性好、使用寿命长、断屑及排屑性能好等性能。

一般刀具材料在室温下应具有60HRC以上的硬度。

材料硬度越高耐磨性越好，但抗冲击韧性就相对降低。

所以要求刀具材料在保持有足够的强度与韧性条件下，尽可能有高的强度与耐磨性。

高耐磨性是指在高温下仍能维持刀具切削性的一种特性，通常用高温硬度值来衡量，也可用刀具切削时允许的耐热温度值来衡量。

它是影响刀具材料切削性能的重要指标。

耐热性能越好的材料允许的切削速度就越高。

刀具材料还需要较好的工艺性与经济型。

工具钢应有较好的热处理工艺性：淬火变形小，淬透层深，脱碳曾浅；高硬度材料需要有可磨削加工性；需焊接的材料，宜有较好的导热性与焊接工艺性。

此外，在满足以上性能要求时，宜尽可能满足资源丰富，价格廉价的要求。

根据零件的加工精度和表面的粗糙度要求及工件材料的性质选择适当的刀具。

经分析，本零件需用粗车刀（端面，圆弧）、精车刀（端面，圆弧）、螺纹刀。

2.6 选择切削用量
切削用量包括主轴转速（切削速度）、切削深度或宽度、进给速度（进给量）等。

对于不同的加工方法，需选择不同的切削用量。

合理选择切削用量的原则是：（1）粗车时，首先考虑选择一个尽可能大的背吃刀量a
，其次选择一个较大的进给量f,最后确定一个合适的切削进度v 。

p
可使走刀次数减少，增大进给量f有利于断屑，因此根据以上增大背吃刀量a
p
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。

（2）精车时，加工精度和表面粗糙度要求较高，加工余量不大且均匀，
和进给量f ，并选用切削性能高的刀因此选择较小（但不太小）的背吃刀量a
p
具材料和合理的几何参数，以尽可能提高切削速度v。

（3）零件的加工高度H ，以保证刀具有足够的刚度。

背吃刀量ap(mm),亦称切削深度。

≤（1/4-1/6）R
D
背吃刀量取1mm,主要根据机床、夹具、刀具和工件的刚度来决定。

在刚度允许的情况下，应以最少的进给次数切除加工余量，最好一次切除余量，以便提高生产效率。

精加工时，则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效率。

吃刀深度：粗车时ap =3mm；精车时ap= 0.25mm。

主轴转速：车削直线和圆弧轮廓时，根据零件材料与加工要求查得，粗车切削速度Vc=90mm/min，精车切削速度Vc=120mm/min，按公式Vc=πdn/1000，计算粗车主轴转速n=500r/min，精车主轴转速n=1200r/min。

车削螺纹主轴转速：按公式n≤1200/p-k，计算主轴转速n=320r/min。

进给速度：根据零件材料与加工要求查表得，粗车时进给速度f=0.4mm/r，精车时进给速度f=0.15mm/r, 经换算得进给速度：粗车Vf=200mm/min，精车Vf=180mm/min。

根据图纸加工要求，螺纹车削进给速度f=3mm/r。

第三章工艺系统的几何误差
指机床、刀具和夹具本身在制造时所产生的误差，以及使用时产生的磨损误差和调整误差。

这类原始误差在加工过程中开始之前已客观存在，并在加工过程中反映到工件上去。

机床的成形运动主要包括两大类，即主轴的回转运动和移动件的直线运动。

因而在分析机床的几何误差主要包括主轴回转误差、导轨导向误差和传动链误差。

主轴的回转运动误差及影响因素。

由于主轴部件在制造、装配、使用中的各种因素影响，如主轴轴径的误工、轴承的误差、轴承的间隙、与轴承配合零件的误差及热变形等，会使主轴产生回转运动误差，其误差形式可以分解为：径向跳动、轴向窜动和角度摆动三种。

3.1 机床导轨误差
导轨是机床各部件运动的基准，对于进给运动是直线运动的机床，其直线运动精度主要取决于机床导轨的精度，机床导轨的误差一般包括：垂直面内的直线度、水平面内的直线度、前后导轨的平行度和导轨对机床主轴轴线的位置误差。

3.2 刀具误差
刀具的制造、磨损，安装误差及几何参数等。

刀具的几何参数主要包括：刀具角度，前面与后面型式，切削刃与刃口形状等。

刀具合理的几何参数是指达到加工质量和刀具寿命的前提下并使生产效率提高，生产成本降低的几何参数。

在生产中由于切削条件的差别，确定了刀具几何参数的效果也不同，因此，刀具几何参数的选择也是刀具引起误差的一个重要因素之一。

刀具对加工精度的影响，因刀具种类而定。

一般车刀，如普通车刀、单刃镗刀等的制造精度没有直接影响。

成形刀具和定尺寸刀具，如成形车刀、铰刀，麻花钻等的制造和磨损误差主要影响被加工表面的形状精度和尺寸精度。

3.3 夹具误差
夹具可分为通用夹具和专用夹具。

通用夹具是指能够装夹两种或两种以上工件的同一夹具，例如车床上的三爪卡盘，四爪卡盘，弹簧卡套和通用心轴等；专用夹具是专门为加工某一指定工件的某一工序而设计的夹具。

夹具的主要作用是：保证产品质量，提高加工效率，解决车床加工中的特殊装夹问题，扩大机床的使用范围。

夹具误差包括定位误差、夹紧误差、夹具安装误差及对刀误差。

这些误差主要与夹具的制造和装与精度有关。

所以在夹具的设计、制造时，凡是影响零件加工精度的尺寸和形位公差都应严格控制。

3.4 调整误差
刀具之间的相互位置，所以量具等检测仪的制造误差，测量方法误差及测量时的主客观因素（温度、接触力等）都直接影响测量精度。

第四章定位基准与定位方式
4.1定位基准的选择
1、基准
零件图、实际零件或工艺文件上用来确定某个点、线、面的位置所依据的点、线、面，称为基准。

2、基准的分类
根据基准功用不同，分为设计基准和工艺基准。

1）设计基准
设计图样上所采用的基准，称为设计基准。

2）工艺基准
在工艺过程中所采用的基准，称为工艺基准。

它包括：
(1) 装配基准
装配时用以确定零件在部件或产品中的相对位置所采用的基准。

(2) 测量基准
测量时所采用的基准。

(3) 工序基准
在工序图上用来确定本工序所加工表面后的尺寸、形状、位置的基准。

(4)定位基准
在加工中确定工件的位置所采用的基准。

作为基准的点、线、面有时在工件上并不一定实际存在（如孔和轴的轴心线，两平面之间的对称中心面等），在定位时是通过有关具体表面体现的，这些表面称为定位表面。

工件以回转表面（如孔、外圆）定位时，回转表面的轴心线是定位基准，而回转表面就是定位基面。

工件以平面定位时，其定位基准与定位基面一致。

二、定位基准的选择
定位基准又分粗基准和精基准两种。

用未机加工过的毛坯表面作为定位基准的称为粗基准；用已机加工过的表面作为定位基准的称为精基准。

1、粗基准的选择
粗基准的选择是否合理，直接影响到各加工表面加工余量的分配，以及加工表面和不加工表面的相互位置关系。

因此，必须合理选择。

具体选择时一般应遵循下列原则：
1)为保证不加工表面与加工表面之间的位置要求，应选择不加工表面为粗加工基准。

2）为保证重要加工面的余量均匀，应选择重要加工面为粗基准。

3）为保证各加工表面都有足够的加工余量，应选择毛坯余量小的面为粗基准。

4）粗基准比较粗糙且精度低，一般在同一尺寸方向上不应重复使用。

否则，因重复使用所产生的定位误差，会引起相应加工表面间出现较大的位置误差。

5）作为粗基准的表面，应尽量平整，没有浇口、冒口或飞边等其他表面缺陷，以便使工件定位可靠，夹紧方便。

2、精基准的选择
除第一道工序采用粗基准外，其余工序都应使用精基准。

选择精基准主要考虑如何减少加工误差，保证加工精度、使工件装夹方便，并使零件的制造较为经济、容易。

具体选择时可遵循下列原则：
（1）基准重合原则
选择加工表面的设计基准作为定位基准，称为基准重合原则。

采用基准重合原则可以避免由定位基准与设计基准不重合而引起的定位误差。

定位基准应尽量与设计基准重合，否则会因基准不重合产生定位误差，有时甚至因此造成尺寸超差而报废。

（2）基准统一原则
当工件以某一组精基准可以比较方便地加工其它各表面时，应尽可能在多数工序中采用此同一组精基准定位，这就是基准统一原则。

采用基准统一原则可以避免基准变换所产生的误差，提高各加工表面之间的位置精度，同时简化夹具的设计和制造工作量。

（3）自为基准原则
某些要求加工余量小而均匀的精工序，选择加工表面本身作为定位基准，称为自为基准原则。

（4）互为基准原则
为使各加工表面之间有较高的位置精度，又为了使其加工余量小而均匀，可采用两个表面互为基准反复加工，称为互为基准原则。

除了上述四条原则外，选择精基准时，还应考虑所选精基准能使工件定位准确、稳定，
装夹方便，进而使夹具结构简单、操作方便。

4.2常见定位方式及定位元件
工件以平面定位
工件以平面作为定位基准时，常用的定位元件如下所述。

1、主要支承
主要支承用来限制工件的自由度，起到定位作用。

（1）固定支承固定支承有支承钉和支承板两种形式。

支撑钉
A型用于精基准，B型用于粗基准，C型用于侧面定位。

支承钉与夹具孔的配合为H7/r6或H7/n6。

若支承钉需经常更换时可加衬套，其外径与夹具体孔的配合亦为H7/r6或H7/n6，内径与支承钉的配合为H7/js6。

使用几个A型支承钉时，装配后应磨平工作表面，以保证等高性
支承板
适用于精基准。

A型用于侧面和顶面定位，B型用于底面定位。

支承板用螺钉紧固在夹具体上。

若受力较大或支承板有移动趋势时，应增加圆锥销或将支承板嵌入夹具体槽内。

采用两个以上支承板定位时，装配后应磨平工作表面，以保证等高性
（2）可调支承
可调支承用于在工件定位过程中，支承钉的高度需要调整的场合。

适用于毛坯（如铸件）分批制造，其形状和尺寸变化较大的粗基准定位。

亦可用于同一夹具加工形状相同而尺寸不同的工件，或用于专用可调整夹具和成组夹具中。

在一批工件加工前调整一次，调整后用锁紧螺母锁紧。

（3）自位支承（浮动支承）自位支承是在工件定位过程中，能自动调节位置的支承。

支承本身在定位过程中所处的位置，随工件定位基准面位置的变化而自动与之适应，其作用相当于一个固定支承，只限制一个自由度。

由于增加了与定位基准面接触的点数，故可提高工件的安装刚性和稳定性。

适用于工件以粗基准定位或刚性不足的场合。

2．辅助支承
辅助支承用来提高工件的装夹刚性和稳定性，不起定位作用，也不允许破坏原有的定位。

螺旋式辅助支承：旨在提高工件的装夹刚性和定位的稳定性，并不起消除自由度的作用。

使用时必须逐个工件进行调整，以适应工件支承表面的位置变
化结构简单，但效率较低。

自位螺旋式辅助支承：支承销的高度高于主要支承，当工件装夹在主要支承上后，支承销被工件定位基准面压下，并与其他主要支承一起与工件定位基准面保持接触，然后锁紧。

适用于工件重量较轻，垂直作用的切削负荷较小的场合。

二、工件以外圆柱面定位
工件以外圆柱面定位有支承定位和定心定位两种。

1、支承定位
支承定位最常见的是V形块定位。

1）固定V形块
对中性好，能使工件的定位基准轴线在V形块两斜面的对称平面上，而不受定位基准直径误差的影响，并且安装方便。

可用于粗、精基准。

2）活动V形块
用于定位夹紧机构中，起消除一个自由度的作用。

2、定位套
适用于大型轴类零件。

三、工件以圆孔定位
工件以圆孔内表面定位时，常用以下定位元件。

1、定位销：当工作部分直径D<3mm时采用小定位销（JB/T 8014.1－1999），夹具体上应有沉孔，使定位销圆角部分沉入孔内而不影响定位。

大批量生产时，应采用可换定位销（JB/T 8014.3－1999）。

工作部分的直径，可根据工件的加工要求和安装方便，按g5、g6、f6、f7制造，与夹具体配合为H7/r6或H7/n6，衬套外径与夹具体配合为H7/h6，其内径与定位销配合为H7/h6或H7/h5。

当采用工件上孔与端面组合定位时，应该加上支承垫板或支承垫圈。

2、定位心轴：
当工件基准孔的长径比L/D>1时，心轴的工作部分应稍带锥度，直径D1按r6制造，其基本尺寸为孔的最大极限尺寸；直径D2按r6制造，其基本尺寸为基准孔的最小极限尺寸。

心轴上的凹槽供车削工件端面时退刀用。

这种心轴制造简便，定心准确，但装卸工件不便，且易损伤工件定位孔。

多用于定心精度要求较高的场合；图c为花键心轴，用于以花键孔为定位基准的工件。

四、工件以一面两孔定位
利用工件上的一个大平面和与该平面垂直的两个圆孔作定位基准进行定位。