杆螺纹轴数控车削加工工艺过程及编程设计

优秀设计
摘要
从20世纪数控技术出现以来，数控机床给机械制造业带来了革命性的变化。

数控加工具有加工柔性好，加工精度高，生产率高，减轻劳动强度、改善劳动条件，现代化的生产管理和良好的经济效益等特点。

数控机床是一种高度机电一体化的产品，适用于加工多品种小批量、结构复杂、精度要求高、需频繁改型、要求精密复制、价格昂贵且不允许报废的关键零件等。

当今世界，为满足用户更多需求，各国机床制造商为争夺用户、扩大市场，竞相发展机电一体化、高精、高效、高自动化机床。

关键词：数控机床杆螺纹轴加工小批量
Abstract
Since twentieth Century of numerical control technology, numerical control machine tool to bring a revolutionary change in the mechanical manufacturing industry. NC machining processing with good flexibility, high machining precision, high productivity, reduce labor intensity, improve working conditions, the modernization of production management and good economic benefit etc.. NC machine tool is a kind of mechanical and electrical products, applicable to the processing of many varieties of small batch, complex structure, high precision, need frequent modification, precision replication, expensive and does not allow the scrap key parts etc.. In today's world, to meet the user more demand, machine tool manufacturers for the user, enlarge the market, competing for the development of electromechanical integration, high precision, high efficiency, high automation machine.
Keywords: CNC machine tool rod threaded shaft processing small quantities
目录
摘要 (2)
1.引言 (4)
2.数控车床概述 (4)
2.1数控车床的基本构成及特点 (4)
2.1.1数控车床的基本构成 (4)
2.1.2数控车床的结构特点 (5)
2.2数控车床的分类 (5)
2.2.1按数控系统的功能分类 (6)
2.2.2按加工零件的基本粪型分类 (6)
2.2.3 按数控车床主轴位置分类 (6)
2.2.4 按刀架数量分类 (7)
2.3数控车床的加工特点 (8)
3.数控车削加工工艺编制基础 (9)
4. 3.1零件图工艺分析 (9)
3.1.1结构工艺性分析 (9)
3.1.2精度及技术要求分析 (9)
3.2加工方案确定 (10)
3.3夹具的选择 (11)
3.3.1用于轴类工件的夹具 (11)
3.3.2用于盘类工件的夹具 (12)
3.4刀具的选择 (12)
3.4.1车刀刀片材料的选用 (12)
3.4.2车刀类型及其几何参数的选用 (9)
3.5切削用量的选择 (17)
3.5.1数控车削加工时切削用量的确定方法 (9)
3.5.2进给速度的确定 (18)
4.杆螺纹轴的加工程序单 (21)
参考文献 (25)
1.引言
机床是制造业的主要生产设备,许多产品的零件都直接或间接的经过机床加工。

对于大批量生产的产品，如机电产品，为了提高生产率和加工精度，一般采用组合机床等专用机床，或由这类机床组成的生产线进行加工；对于单件和小批量生产的产品，它们的零件一般采用通用机床进行加工。

随着科学技术和社会生产的迅速发展，机械产品日趋复杂，身会对机械产品的质量和生产率提出了越来越高的要求。

在航空航天、造船、军工、计算机等工业中，在进行个性化产品的生产中，其零件精度高、形状复杂、批量小、经常改动、加工困难、劳动强度大、质量难以保证。

传统的刚性生产线很难满足这些加工要求，为解决这些问题，一种灵活、通用、高精度、高效率的“柔性”自动化生产设备------------数控机床在这种情况下应运而生，制造业进入了自动加工时代。

2.数控车床概述
数控车床是应用最广泛的一种数控机床之一，主要用于加工轴类、盘类等回转体零件。

它能够通过程序控制自动完成内外圆柱面、内外圆锥面、螺纹等工序的加工，并能进行切槽、钻孔、扩孔和铰孔等工作。

现代数控车床都具备刀具位置和刀尖圆弧半径的补偿功能以及固定循环加工功能。

其主要特点是：加工精度稳定性好、加工灵活、通用性强，能适应多品种、小批量生产自动化的要求，特别适合形状复杂的轴类或盘类零件加工。

2.1数控车床的基本构成及特点
2.1.1数控车床的基本构成
数控车床一般由车床主体、数控系统和伺服系统三大部分组成。

其中车床主体部分包括主轴、床身与导轨、机械传动机构、刀架以及辅助装置（如配备位置检测反馈装置、自动编程系统及自动排屑装置）等，如图2.1所示。

2.1.2数控车床的结构特点
与普通车床相比，数控车床有以下几个特点
1）传动链短，机床结构变得简单，数控车床刀架的两个方向运动分别由两台伺服电机驱动。

伺服电机直接与丝杆联接带动刀架运动，伺服电机也丝杠间也可以用同步皮带副联接，取消了挂轮箱、进给箱、溜板箱及绝大部分传动机构，结构变得简单，传动率得到了提高。

此外多功能数控车床是采用直流或交流主轴控制单元来驱动主轴，它可以按控制指令进行无级变速，它与主轴之间无须用再多级齿轮副来进行变速。

因此，床头箱内的结构也比普通车床简单多。

2）刚性高为满足高糈度的加工要求，数控车床主体各部分的刚性都比普通车床的高，以便与控制系统的高精度控制相匹配。

3）轻拖动刀架移动一般采用滚珠丝杠副，为了拖动轻便，数控车床的润滑都比较充分，大部分采用油雾自动润滑。

为了提高数控卒床导轨的耐磨性，一般采用镶钢导轨，这样机床精度保持的时间就比较长，也可延长使用寿命。

另外，数控车床还具有加工冷却充分、防护严密等结构特点，自动运转
2.2 数控车床的分类
数控车床的品种繁多，规格不一，其可按如下方法进行分类：
2.2.1按数控系统的功能分类
数控车床的品种繁多，规格不一，其可按如下方法进行分类
1）简易数控车床简易数控车床一般由单片机进行控制，机床主体部分由普通车床略作改进而成。

此类车床结构简单，价格低廉，但功能较低，无刀尖圆弧半径自动补偿功能。

2）经济型数控车床经济型数控车床一般采用开环或半闭环控制系统，此类车床显著特点是无恒线速度切削功能。

3）全功能数控车床全功能型数控车床一般采用半闭环或闭环控制系统，具有高刚度、高精度和加工高速度等特点。

此类车床具备恒线速度切削和刀尖圆弧半径自动补偿功能。

4）数控车削中心车削中心是在数控车床的基础上增加其他的附加坐标轴，并配置刀库和自动上下料机构，因此其功能更加全面，但价格较高。

2.2.2按加工零件的基本粪型分类
1）卡盘式数控车床这类数控车床未设置尾座，适于车削盘类（含短轴类）零件，其夹紧方式多为电动液压控制。

2）顶尖式数控车床这类数控车床设置有普通尾座或数控尾座，适于车削较长的轴类零件及直径不大的盘、套类零件。

2.2.3 按数控车床主轴位置分类
1）立式数控车床，车床主轴轴线处于直于水平面，并有一个直径很大的圆形工作台，供装夹工具用。

这类数控车床主要用于加工径向尺寸较大，轴向尺寸较小的大型复杂零件。

2）卧式数控车床，车床主轴轴线处于水平位置，它的床身和导轨有多种布局形式(如图2．2 )
2.2.4 按刀架数量分类
1）单刀架数控车床，普通数控车床一般都配备有各种形式的单刀架，如四刀位卧式
回转刀架、多刀位回转刀架等，如图2.3所示。

是同轨直交错结构，如图2.4所示。

2．3 数控车床趵加工特点
利用数控车床加工零件，主要有以下几个特点。

（1）功能全，加工质量高
由于数控车床刚性好，制造和对刀精度高，且能方便和精确地进行各种补偿，所以能加工尺寸精度要求高的零件，在有些场合甚至可以做到以车代磨。

数控车床具有恒线速切削功能，能够选择最佳线速度来切削锥面和端面，使车削后的表面粗糙度值小而均匀。

还适合于车削各部位表面粗糙度要求不同的零件，粗糙度要求大的部位选用大的进给量，要求小的部位选用小的进给量。

（2）适合加工表面形状复杂的回转体
由于数控车床具有直线和圆弧插补功能，所以
可以车削由任意直线和曲线组成的形状复杂回转
体零件。

如一些壳体零件封闭内腔的成型面，如图
2.5所示。

这在普通车床上是无法加工的，而在数
控车床上则很容易加工。

当零件轮廓由直线或圆弧组成时，可直接利用
机床的直线或圆弧插补功能；当零件轮廓由非圆曲
线组成时，可先用直线或圆弧去拟合；然后再用直线或圆弧插补功能进行切削加工。

（3）能加工特殊螺纹
普通车床只能车削等导程的圆柱、圆锥面、公英制螺纹，且某种型号的车床只能限定加工者干种导程。

而数控车床不但能车削任何等导程的圆柱、圆链和端面螺纹，而且能车削增、减导程以及要求等导程与变导程之间平滑过渡的螺纹。

在车削时，主轴也不必像普通车床那样不断正反交替，而可以一刀一刀不停顿地循环，直到完成。

所以数控车床的精度和效率都很高。

3.数控车削加工工艺编制基础
3.1零件图工艺分析
分析零件图是工艺编制的首项工作，它主要包括以下内容：
3.1.1结构工艺性分析
零件的结构工艺性是指零件对加工方法的适应性，即所设计的零件结构便于加工成型。

在数控车床上加工零件时，应根据数控车削的特点，认真审视零件结构的合理性。

在进行零件结构工艺性分析时，若发现问题应向设计人员或有关部门提出修改意见。

3.1.2精度及技术要求分析
对被加工的零件的精度及技术要求进行分析，是零件工艺性分析的重要内容，只有在分析零件尺寸精度和表面粗糙度的基础上，才能对加工方法、装夹方式、刀具及切削用量进行正确而合理的选择。

精度及技术要求分析的主要内容：一是分析精度及各项技术要求是否齐全、是否合理；二是分析工序的数控车削加工精度能否达到图样要求，若达不到，需采取其他措施（如磨削）弥补的话，则应给后续工序留有余量；三是找出图样上有位置精度要求的表面，这些表面应在一次安装下完成；四是对表面粗糙度要求较高的表面，应群规定用恒线速切削。

3.2加工方案的确定
数控车床的加工方案包括制定工序、工步及走刀路线等。

数控车床所加工的零件一般与普通车床所加工的零件基本相同，但数控车床也有其加工的特点，如加工轮廓形状较复杂或难以控制尺寸的回转体零件等。

在制定具体零件加工方案时，应根据图样形状、大小材料、刀具、批量等不同因素，具体分析，区别对待，灵活处理。

只有这样才能制定合理的加工方案，才能确保优质高效的完成零件加工。

制定加工方案的一般原则为先粗后精、先进后远、先内后外、程序段最少，走刀路线最短，特殊情况的特殊处理等。

如下图：
图3.1螺纹轴零件图
该零件分三次装夹完成加工：
第一次装夹：以靠近图3.1所示的工件右端处φ35外圆毛胚面作为安装基准，夹于车床的卡盘上。

加工工艺路线为：
工序一：手动车端面；
工序二：粗车（φ32X62.58）mm外圆——粗车（φ34X52）mm外圆及相联的R16mm 球面——粗车（φ22X40）mm外圆——粗车（φ18X12）mm外圆；
工序三：倒角2X45——精车（φ18X12）mm外圆——倒角2X45——精（22X40）mm外圆；
工序四：车（φ6X2）mm的槽——倒角2X45；
工序五：车（M22X2）螺纹。

第二次装夹：工件掉头，夹持以靠近图3.1所示的工件右端出φ35mm外圆毛胚面作为安装基准，夹于车床的卡盘上。

加工工艺路线为：
工序一：车端面取总长——钻（φ26X13.5）mm的平底孔——钻中心孔；
工序二：粗车孔的左侧端面，留余量0.1mm——粗车内孔，留余量0.3 mm；
工序三：倒角0.5X45——精车内孔——精车孔的左侧端面。

第三次装夹：工件向右伸出，工件左端用卡盘夹持φ18mm外圆面作为安装基准，右端用顶尖顶住中心孔，“一顶一夹”装夹工件，其加工工艺路线为：
工序一：粗车（φ32X50）mm外圆——粗车（φ30X10）mm外圆；
工序二：循环粗车轮廓；
工序三：精车轮廓。

3.3 夹具的选择
为了充分发挥数控机床的高速度、高精度和自动化的效能，还应有相应的数控夹具进行配合。

数控车床夹具除了使用通用三爪自定心卡盘、四爪卡盘、大批量生产中使用便于自动控制的液压、电动及气动夹具外，数控车床加工中还有多种相应的夹具，它们主要分为两大类，即用于轴类工件的夹具和用于盘类工件的夹具。

3.3.1用于轴类工件的夹具
数控车床加工轴类工件时，坯件装卡在主轴顶尖和尾座顶尖之间，工件由主轴上的拔盘或拔齿顶尖带动旋转。

这类夹具在粗车时可以传递足够大的转矩，以适应主轴高速旋转车削用于轴类工件的夹具有自动夹紧拨动卡盘、拔齿顶尖、三爪拨动卡盘和快速可调万能卡盘等。

图3.1所示为加工实心轴所用的鸡心夹头夹具
3.3.2用于盘类工件的夹具
这类夹具适用在无尾座的卡盘式数控车床上。

用于盘类工件的夹具主要有可调卡爪式讣盘和快速可调卡盘。

3.4刀具的选择
刀具的选择是数控加工工艺设计中的重要内容之一。

刀具选择合理与否不仅影响机
床田加工效率，而且还会影响加工质量。

选择刀具通常要考虑机床的加工能力、工序内容、工件稠料等因素。

与传统的车削方法相比，数控车削对刀具的要求更高。

不仅要求精度高、刚度好、耐用岿高、而且要求尺寸稳定、安装调整方便。

这就要求采用新型优质材料制造数控加工刀具，并梢选刀具参数。

车刀刀具的选择主要包括车刀刀片材料、车刀类型及其几何参数的选用。

3.4.1车刀刀片材料的选用
车刀刀片的材料圭要有高速钢、硬质合金、涂层硬质合金、陶瓷和金刚石等，其中应用最豸的是硬质合金和涂层硬质合金刀片。

刀片材质的选择，主要依据是被加工工件的材料、加工荔面的精度、表面质量、切削载荷的大小以及切削过程中有无冲击和振动等因素。

3.4.2车刀类型及其几何参数的选用
数控车削加工用的刀具很多，除钻头、铰刀等定值刀具外，主要是车刀。

数控车床车削削车刀一般可分为五类：即尖形车刀、圆弧形车刀、成型车刀、特殊形状车刀和机夹可转位车刀。

图3.3为几种常见的焊接式尖形车刀及成型车刀。

图3.2 实心轴加工所用夹具
l ）尖形车刀
以直线形切削刃为特征的车刀一般称为尖形车刀。

这类车刀的刀尖（同时也为其刀位点）由直线形的主、副切削刃构成，如90°内、外圆车刀，左、右端面车刀、切槽（断）车刀及刀尖倒棱很小的各种外圆和内孔车刀，见图2．19。

尖形车刀在数控车床上应用广泛，各种车刀的几何参数、使用方法与选择方法，与普通车床车削时的选择方法基本相同，但也要根据数控车床的加工特点（如走刀路线及加工干涉）等全面考虑后选用，适用于批量小、精度要求一般的各类零件加工。

选择尖形车刀形状可根据零件的几何轮廓灵活制定，尽可能一刀多用。

利用作图或计算的方法，确保所选车刀不会发生干涉的几何角度，同时刀头又具有足够的强度。

如加工图3.4所示零件，可用一把车刀将φ35，φ20，R50及两个45°锥面一次加工出来，那么车刀的主偏角可取50°～52°，副偏角取50°～52°（见图3.5），这样既可保证刀头有足够的强度，又可保证在车削两个45°锥面时主、副切削刃不致发生加工干涉（即主、副切削刃不参加切削部分不碰到工件表面）。

、
图3.3几种常用的车刀
图3.4零件图
图3.5尖形车刀
2）圆弧形车刀
圆弧形车刀是较为特殊的数控加工用车刀见图3.6，其特征是：构成主切削刃的刀刃形状为一圆度误差或轮廓误差很小的圆弧；该圆弧上的每一点都是圆弧形车刀的刀尖，因此，刀位点不在圆弧上，而在该圆弧的圆心上；车刀圆弧半径理论上与被加工零件的形状无关，并可按需要灵沿确定或经测定后确认。

当某些尖形车刀或成型车刀（如螺纹车刀）的刀尖具有一定的圆弧形状时，也可作为这类车刀使用。

圆弧车刀可以用于车削内、外表面，特别适宜于车削各
种光滑连接凹曲面零件（图3.7）或一刀跨多个象限的外圆弧面零件（图3.8）。

在具有刀尖半径补偿功能的数控车床使用圆弧形车刀加工零件，可用其圆心作为刀位点对零件进行轮廓编程，并根据刀具偏置方向进行半径补偿即可；对于无刀尖圆弧半径补偿功能的经济型数控车床，就必须以圆弧车刀的圆弧中心的实际运动轨迹来编制程序。

要保证圆弧形车刀的加工精度，就必须满足车刀圆弧刀刃的半径处处相等。

因而在刀具刃磨时要求该圆弧刃具有很小的圆度误差，即近似为一条理想圆弧，这需要采用特殊的制造工艺（如光学曲线磨削等），才能确保其圆弧刃做得准确。

圆弧型车刀前、后角的选择，原则上与普通车刀相同，只不过形成其前角（大于00时）的前刀面一般都为凹球面，形成其后角的后刀面一般为圆锥面（见图 3.6）。

圆弧形车刀前、后刀面的特殊形状，是为了满足在刀刃的每一个切削点上，
都具有恒定
图3.6圆弧形车刀
图3.7凹曲面零件车削
图3.8大手轮
的前角和后角，以保证切削过程的稳定性及加工精度。

为了制造车刀的方便，在精车时，其前角多选择为0°（无凹面）。

圆弧形车刀的几何参数除了前角和后角外，主要为圆弧切削刃的形状及半径。

选择车刀圆弧半径的大小时，应考虑两点：第一，车刀切削刃的圆弧半径应当小于或等干零件凹形轮廓上的最小曲率半径，以免发生加工干涉；第二，该半径不宜选择太小，否则既难于制造，又会因其刀头强度太弱或刀体散热能力差，使车刀容易受到损坏。

当车刀圆弧半径选定或通过测量并给予确认之后，应特别注意圆弧切削刃的形状误差对加工精度的影响。

3）成型车刀
成型车刀俗称样板车刀，其加工零件的轮廓形状完全由车刀刀刃的形状和尺寸决定。

在数控车削加工中，常见的成型车刀有小半径圆弧车刀、非矩形车槽刀和螺纹车刀等。

加工时可将车刀刀刃磨成与零件的轮廓形状尺寸完全相同的形状，直接加工而成。

成型车刀的几何角度与在普通车床上使用的基本相同。

但要注意由于这类车刀在车削时因接触面较大加工时易引起振动，从而导致加工质量的下降，故在数控加工中，尽量少用或不用成型车刀。

4）特殊形状车刀
鉴于数控车床加工的特性，对于一些零件，为了提高生产效率，可采用一些特殊形状的车刀（可根据零件的形状灵活制定）。

如一把刀有2个（或几个）刀头，设两组刀补，各自取用，不用换刀，用一把刀就能将零件加工完毕，这样可大大提高生产效率。

如图2，25所示的零件，需用3把尖形车刀加工才能将其加工完毕，即一把90°夕卜圆车刀加工φ26，φ22外圆及端面，一把镗孔刀加工R10圆弧及φ16孔，
图3.10特殊形状车刀
图3.9零件图
一把切槽刀加工另一端φ22外圆及倒角和切断。

由于3把刀车加工该零件，换刀时间、空行程走刀都增多，因而加工效率不高。

若采用图3.10的形状车刀，一把刀设两组刀补，分别调用，不用换刀即可完成该零件的加工，从而提高了加工效率。

特殊形状车刀的刀头部分几何参数与普通车刀基本相同，在决定是否选用这类车刀时，必须符合以下几个条件。

首先，被加工材料应属于易加工材料（如铜、铝、塑料等），使刀具的磨损较小；其次，零件的件数多、批量较大，否则没有必要；再次，刀具在制造、刃磨上（或换刀片）应比较方便；最后，选用的刀具形状应便于零件的加工，有利于提高加工效率。

5）机夹可转位车刀
如图3.11所示，机械夹固式可转位车刀由刀杆1、刀片2、刀垫3以及夹紧元件4组成。

刀片每边都有切削刃，当某切削刃磨损钝化后，只需松开夹紧元件，将刀片转一个位置便可继续使用。

刀片是机夹可转位车刀的一个最重要组成元件。

可转位车刀的刀片形状很多，并经过精磨加工，预压有断屑槽。

车
刀上的硬质合金可转位刀片按国标CB ／T2076－1987规定，大致可分为带圆孔、带沉孔以及无孔三大类。

形状有：等边等角（如正方形、正三角形、正五边形）、等边不等角（如菱形）、等角不等边（攻口矩形）、不等角不等边（如平行四边形）和圆形等5种。

图3.12所示为常见的几种刀片形状。

正三角形刀片可用于主偏角为60°或90°的外圆、端面和内孔车刀，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。

图3.11机械夹固式可转
位车刀的组成
图3.12常见的硬质合金可转位刀片
正方形刀片刀尖角为90°,其强度和散热性能均有所提高，主要用于45°，60°，75°等的外圆车刀、端面车刀和镗孔车刀。

正五边形的刀尖角为108°，其强度、耐用度高、散热面积大，但切削径向力大，只宜在加工系统刚性较好的情况下使用。

为了适应数控车床的加工，减少辅助时间，并不断提高产品质量和生产效率，节省刀具费用，减轻操作者劳动强度，应尽量采用已系列化、标准化的机夹式车刀。

车刀刀具的选择只要包括车刀刀片材料、车刀类型及其几何参数的选用。

零件图3.1所选用的刀具如下：
第一次装夹：
工序一：用45度硬质合金车刀；
工序二：用90度硬质合金粗车刀；
工序三：用90度硬质合金粗车刀；
工序四：用高速钢切槽刀，刀宽为4mm，
工序五：用9硬质合金螺纹车刀；
第二次装夹：
工序一：用45度硬质合金车刀；φ26mm钻头及A3mm的中心钻；
工序二：用高速钢内孔粗车刀；
工序三：用高速钢内孔精车刀。

第三次装夹：
工序一：用90度硬质合金粗车刀；
工序二：用90度硬质合金尖刀粗车刀；
工序三：用90度硬质合金尖刀精车刀。

3.5切削用量的选择
数控车床加工中的切削用量是表示机床主体的主运动和进给运动速度大小的重
要参数，包括切削深度、主轴转速和进给速度，并与普通车床加工中所要求的各切削量基本一致。

在加工程序的编制工作中，选择好切削用量，使用切削深度、主轴转速和进给速度三者间能互相适应，形成最佳切削参数，是工艺处理的重要内容之一。

3.5.1数控车削加工时切削用量的确定方法
1）切削深度的确定
在车床主体——夹具——刀具——零件这一系统刚性允许的条件下，尽可能选取较大的切削深度，以减少走刀次数，提高生产效率。

当零件的精度要求较高时，则应考虑适当留出精车余量，其所留精车余量一般比普通车削时所留余量小，常取0.1~0.5mm。

2）主轴转速的确定
主轴转速的确定方法，除螺纹加工外，其他与普通车削加工时一样，应根据零件上被加工部位的直径，并按零件和刀具的材料及加工性质等条件所允许的切削速度来确定。

在实际生产中，主轴转速可用公式计算：
n=1000v/dπ
式中n——主轴转速（r/min）
V——切削速度（m/min）
d——零件待加工表面的直径（m m）
在确定主轴转速时，需要首先确定其切削速度，而切削速度又与切削深度和进给量有关。

I.进给量（f ）进给量是指工件每转一周，车刀沿进给方向上移动的距离
(mm/r) ，它与切削深度有着密切的关系。

粗车时一般为0.3~0.8mm/r, 精车
时常取0.1~0.3mm/r, 切断时宜取0.05~0.2mm/r, 具体选择时，可参照表3.1
进行。