螺纹球形轴的数控编程与加工工艺设计

摘要
螺纹球形轴是组成机器的重要零件之一，其主要功能是支持作回转运动的传动零件(如齿轮、蜗轮等)，并传递运动和动力。

这导致轴类的加工成为了数控车床重要的课题，直齿圆柱齿轮轴是典型的数控机床典型的例子，数控机床集计算机技术、电子技术、自动控制、传感测量、机械制造、网络通信技术于一体，是典型的机电一体化产品，它的发展和运用，开创了制造业的新时代，改变了制造业的生产方式、产业结构、管理方式，使世界制造业的格局发生了巨大变化。

现代的CAD／CAM、FMS、CIMS等，都是建立在数控技术之上。

数控技术水平的高低已成为衡量一个国家制造业现代化程度的核心标志，实现加工机床及生产过程数控化，已经成为当今制造业的发展方向。

数控系统是数控机床的控制部分，数控系统包括CNC装置、主轴及进给伺服驱动装置，以及主轴电动机、进给电动机和与其相关的检测反馈元件。

一个数控系统性能的好坏是与上述各个环节的性能密切相关的。

为了达到一定的精度要求，本次设计对进给伺服系统采用了开环控制。

用直流伺服电机做执行部件。

通过PWM调速系统来控制电机；利用LM629驱动PWM；采用编码盘作为主轴的速度检测元件来构成精度较高的半闭环控制。

在科技迅猛发展的今天，随着自动信息处理、数据处理以及电子计算机的出现，给自动化技术带来了新的概念，用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制，推动了机床自动化的发展。

因此，数控机床能够解决普通机床难于胜任的问题。

关键词：轴，数控机床，数控系统，伺服单元，半闭环控制，主轴
Abstract
It was representative electromechanical integration product，its extend and handle，initiate know clearly manufacturing epoch，transfer know clearly manufacturing churn , industrial structure, supervisor mode，dispose world manufacturing structure occur know clearly greatness change to out into that numerically-controlled machine multitude computer technology, electronics, auto control, transducer measure, machine manufacturing, internet work communication technology to oneness. The kernel attribute，realize process tool and/or churn numerical control melt，have BECAME today manufacturing trend for out of the modern CAD/CAM , firms , cams wait，big city yes rest up on numerical control transducer p .p .m. Numerical control technique level height afterwards BECAME scale one state manufacturing up to date.
It was numerically-controlled machine 'dam，numerical control system include CNC fit , principal axes and/or input servo-actuator，and spindle drive motor, feed motor AND than correlative detection feedback element as well up back that numerical control system. The velocity detecting element came form precision upper semi-closure loop Control of the it was inscribe state each link 'performance closely related to each other that one numerical control system behavioral stand or fall. in order to run up to definite accuracy requirement，these degree design versus input servo adopt know clearly open-loop control do execution unit about input servo adopt know clearly open-loop control. Servo motor. through the medium of PWM speed governing system came dam electric machine；avail lm629 drove PWM of back; adopt circle by way of principal axes.
Be on the today，with automated information processing, data processing and electronic computer 'appearance，bring know clearly new notion，numerically word melt signal versus tool movement very course of working progress control，impel running out bed automatic develop to on automated technique as well of science and technology fast hail unfold. wherefore，numerically-controlled machine in a position to set general machine tool had difficulty with equal problem at rest.
Keywords:numerically-controlled machine，numerical control system，servo-unit，semi-closure loop da m，principal axes back
前言 (1)
第1章编程方法与特点 (3)
第2章编程步骤 (3)
第3章加工工艺分析 (3)
3.1 确定工件的加工部位和具体内容 (3)
3.2 确定工件的装夹方式与设计夹具 (4)
3.3 确定加工方案 (4)
3.4 确定切削用量与进给量 (7)
3.5确定刀具的选择 (8)
3.6制作各工序卡片 (11)
致谢 (19)
参考文献 (20)
螺纹球形轴主要作用固定齿轮的，轴结构应满足的要求按装在轴上的零件，要能牢固而可靠的相对固定（轴向或周向固定），便于加工和减少应力集中轴上零件要便于装拆。

数控机床是一种高精度、高效率的自动化设备，是用数字代码形式的信息(程序指令)控制刀具按给定的工作程序、运动速度和轨迹进行自动加工的机床。

它是信息技术与机械制造技术相结合的产物，代表了现代基础机械的技术水平与发展趋势。

数控机床具有广泛的适应性，加工对象改变时只需要改变输入的程序指令；加工性能比一般自动机床高，可以精确加工复杂型面，因而适合于加工中小批量、改型频繁、精度要求高、形状又较复杂的工件，并能获得良好的经济效果。

随着数控技术的发展，采用数控系统的机床品种日益增多，有车床、铣床、镗床、钻床、磨床、齿轮加工机床和电火花加工机床等。

此外还有能自动换刀、一次装卡进行多工序加工的加工中心、车削中心等。

数控机床主要由数控装置、伺服机构和机床主体组成。

输入数控装置的程序指令记录在信息载体上，由程序读入装置接收，或由数控装置的键盘直接手动输入。

数控装置包括程序读入装置和由电子线路组成的输入部分、运算部分、控制部分和输出部分等。

数控装置按所能实现的控制功能分为点位控制、直线控制、连续轨迹控制三类。

点位控制是只控制刀具或工作台从一点移至另一点的准确定位，然后进行定点加工，而点与点之间的路径不需控制。

采用这类控制的有数控钻床、数控镗床和数控坐标镗床等。

直线控制是除控制直线轨迹的起点和终点的准确定位外，还要控制在这两点之间以指定的进给速度进行直线切削。

采用这类控制的有平面铣削用的数控铣床，以及阶梯轴车削和磨削用的数控车床和数控磨床等。

连续轨迹控制(或称轮廓控制)能够连续控制两个或两个以上坐标方向的联合运动。

为了使刀具按规定的轨迹加工工件的曲线轮廓，数控装置具有插补运算的功能，使刀具的运动轨迹以最小的误差逼近规定的轮廓曲线，并协调各坐标方向的运动速度，以便在切削过程中始终保持规定的进给速度。

采用这类控制的有能加工曲面用的数控铣床、数控车床、数控磨床和加工中心等。

伺服机构分为开环、半闭环和闭环三种类型。

开环伺服机构是由步进电机驱动线路，和步进电机组成。

每一脉冲信号使步进电机转动一定的角度，通过滚珠丝杠推动工作台移动一定的距离。

这种伺服机构比较简单，容易掌握使用，但精度和速度的提高受到限制。

半闭环伺服机构是由比较线路、伺服放大线路、伺服马达、速度检测器和位置检测
器组成。

位置检测器装在丝杠或伺服马达的端部，利用丝杠的回转角度间接测出工作台的位置。

常用的伺服马达有宽调速直流电动机、宽调速交流电动机和电液伺服马达。

位置检测器有旋转变压器、光电式
脉冲发生器和圆光栅等。

这种伺服机构所能达到的精度、速度和动态特性优于开环伺服机构，为大多数中小型数控机床所采用。

闭环伺服机构的工作原理和组成与半闭环伺服机构相同，只是位置检测器安装在工作台上，可直接测出工作台的实际位置，故反馈精度高于半闭环控制，但掌握调试的难度较大，常用于高精度和大型数控机床。

闭环伺服机构所用伺服马达与半闭环相同，位置检测器则用长光栅、长感应同步器或长磁栅。

为了保证机床具有很大的工艺适应性能和连续稳定工作的能力，数控机床结构设计的特点是具有足够的刚度、精度、抗振性、热稳定性和精度保持性。

进给系统的机械传动链采用滚珠丝杠、静压丝杠和无间隙齿轮副等，以尽量减小反向间隙。

机床采用塑料减摩导轨、滚动导轨或静压导轨，以提高运动的平稳性并使低速运动时不出现爬行现象。

由于采用了直流调速的进给伺服电动机和宽调速的主轴电动机，利用同步带传递速度变速，这就简化了机床的传动机构。

机床布局便于排屑和工件装卸，部分数控机床带有自动排屑器和自动工件交换装置。

大部分数控机床采用具有微处理器的可编程序控制器，以代替强电柜中大量的继电器，提高了机床强电控制的可靠性和灵活性。

随着微电子技术、计算机技术和软件技术的迅速发展，数控机床的控制系统日益趋向于小型化和多功能化，具备完善的自诊断功能；可靠性也大大提高；数控系统本身将普遍实现自动编程。

未来数控机床的类型将更加多样化，多工序集中加工的数控机床品种越来越多；激光加工等技术将应用在切削加工机床上，从而扩大多工序集中的工艺范围；数控机床的自动化程度更加提高，并具有多种监控功能，从而形成一个柔性制造单元，更加便于纳入高度自动化的柔性制造系统中。

第1章编程方法与特点
数控编程的编程有直径、半径两种方法。

所谓直径编程是指X轴坐标值取为零件图的直径，半径是指X轴坐标值取为零件图的半径。

CK7150A数控车床通常采用直径编程。

这样可避免尺寸换算过程中可能造成的错误，给编程带来极大的方便。

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（尤其是空间曲面组成的零件），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。

同时，也要看到手工编程是自动编程的基础，自动编程中许多核心经验都来源于手工编程，二者相辅相成。

第2章编程步骤
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（如采用的工夹具、装夹定位方法等），加工路线（如进给路线、对刀点、换刀点等）及工艺参数（如进给速度、主轴转速、切削速度和切削深度等）。

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。

第3章加工工艺分析
3.1 确定工件的加工部位和具体内容
确定被加工工件需在本机床上完成的工序内容及其与前后工序的联系
(1)工件在本工序加工之前的情况。

例如铸件、锻件或棒料、形状、尺寸、加工余量等。

(2)前道工序已加工部位的形状、尺寸或本工序需要前道工序加工出的基准面、基准孔等。

(3)本工序要加工的部位和具体内容。

(4)为了便于编制工艺及程序，应绘制出本工序加工前毛坯图及本工序加工图。

（5）就本图而言，该零件属于轴类零件，加工内容包括外圆柱面、外圆弧面外倒角、外螺纹和沟槽。

（6）该图尺寸完整，主要尺寸分析如下：
¢-50：经查表，加工等级为IT6
¢-40；经查表，加工等级为IT6
M35*1.5-7H 经查表，加工等级为IT7
其余尺寸的加工等级为IT14
（7）表面粗糙的分析为外圆1.6。

其余3.2
3.2 确定工件的装夹方式与设计夹具
根据已确定的工件加工部位、定位基准和夹紧要求，选用或设计夹具。

数控车床多采用三爪自定心卡盘夹持工件；轴类工件还可采用尾座顶尖支持工件。

由于数控车床主轴转速极高，为便于工件夹紧，多采用液压高速动力卡盘，因它在生产厂已通过了严格的平衡，具有高转速(极限转速可达4000~6000r／min)、高夹紧力(最大推拉力为2000~8000N)、高精度、调爪方便、通孔、使用寿命长等优点。

还可使用软爪夹持工件，软爪弧面由操作者随机配制，可获得理想的夹持精度。

通过调整油缸压力，可改变卡盘夹紧力，以满足夹持各种薄壁和易变形工件的特殊需要。

为减少细长轴加工时受力变形，提高加工精度，以及在加工带孔轴类工件内孔时，可采用液压自动定心中心架，定心精度可达0.03mm。

3.3 确定加工方案
（一）确定加工方案的原则
加工方案又称工艺方案，数控机床的加工方案包括制定工序、工步及走刀路线等内容。

在数控机床加工过程中，由于加工对象复杂多样，特别是轮廓曲线的形状及位置千变万化，加上材料不同、批量不同等多方面因素的影响，在对具体零件制定加工方案时，应该进行具体分析和区别对待，灵活处理。

只有这样，才能使所制定的加工方案合理，从而达到质量优、效率高和成本低的目的。

制定加工方案的一般原则为：先粗后精，先近后远，先内后外，程序段最少，走刀路线最短以及特殊情况特殊处理。

（1）先粗后精
为了提高生产效率并保证零件的精加工质量，在切削加工时，应先安排粗加工工序，在较短的时间内，将精加工前大量的加工余量去掉，同时尽量满足精加工的余量均匀性要求。

当粗加工工序安排完后，应接着安排换刀后进行的半精加工和精加工。

其中，安排半精加工的目的是，当粗加工后所留余量的均匀性满足不了精加工要求时，则可安排半精加工作为过渡性工序，以便使精加工余量小而均匀。

在安排可以一刀或多刀进行的精加工工序时，其零件的最终轮廓应由最后一刀连续加工而成。

这时，加工刀具的进退刀位置要考虑妥当，尽量不要在连续的轮廓中安排切人和切出或换刀及停顿，以免因切削力突然变化而造成弹性变形，致使光滑连接轮廓上产生表面划伤、形状突变或滞留刀痕等疵病。

（2）先近后远
这里所说的远与近，是按加工部位相对于对刀点的距离大小而言的。

在一般情况下，特别是在粗加工时，通常安排离对刀点近的部位先加工，离对刀点远的部位后加工，以便缩短刀具移动距离，减少空行程时间。

对于车削加工，先近后远有利于保持毛坯件或半成品件的刚性，改善其切削条件。

（3）先内后外
对既要加工内表面(内型、腔)，又要加工外表面的零件，在制定其加工方案时，通常应安排先加工内型和内腔，后加工外表面。

这是因为控制内表面的尺寸和形状较困难，刀具刚性相应较差，刀尖(刃)的耐用度易受切削热影响而降低，以及在加工中清除切屑较困难等。

（4）走刀路线最短
确定走刀路线的工作重点，主要用于确定粗加工及空行程的走刀路线，因精加工切削过程的走刀路线基本上都是沿其零件轮廓顺序进行的。

走刀路线泛指刀具从对刀点(或机床固定原点)开始运动起，直至返回该点并结束加工程序所经过的路径，包括切削加工的路径及刀具引入、切出等非切削空行程。

在保证加工质量的前提下，使加工程序具有最短的走刀路线，不仅可以节省整个加工过程的执行时间，还能减少一些不必要的刀具消耗及机床进给机构滑动部件的磨损等。

优化工艺方案除了依靠大量的实践经验外，还应善于分析，必要时可辅以一些简单计算。

上述原则并不是一成不变的，对于某些特殊情况，则需要采取灵活可变的方案。

如有的工件就必须先精加工后粗加工，才能保证其加工精度与质量。

这些都有赖于编程者实际加工经验的不断积累与学习。

（二）加工路线与加工余量的关系
在数控车床还未达到普及使用的条件下，一般应把毛坯件上过多的余量，特别是含有锻、铸硬皮层的余量安排在普通车床上加工。

如必须用数控车床加工时，则要注意程序的灵活安排。

安排一些子程序对余量过多的部位先作一定的切削加工。

（1）对大余量毛坯进行阶梯切削时的加工路线
（2）分层切削时刀具的终止位置
（三）车螺纹时的主轴转速
数控车床加工螺纹时，因其传动链的改变，原则上其转速只要能保证主轴每转一周时，刀具沿主进给轴(多为Z轴)方向位移一个螺距即可，不应受到限制。

但数控车床加工螺纹时，会受到以下几方面的影响：
（1）螺纹加工程序段中指令的螺距(导程)值，相当于以进给量（mm/r）表示的进给速度F，如果将机床的主轴转速选择过高，其换算后的进给速度(mm/min)则必定大大超过正常值；
（2）刀具在其位移的始/终，都将受到伺服驱动系统升/降频率和数控装置插补运算速度的约束，由于升/降频特性满足不了加工需要等原因，则可能因主进给运动产生出的“超前”和“滞后”而导致部分螺牙的螺距不符合要求；
（3）车削螺纹必须通过主轴的同步运行功能而实现，即车削螺纹需要有主轴脉冲发生器(编码器)。

当其主轴转速选择过高，通过编码器发出的定位脉冲（即主轴每转一周时所发出的一个基准脉冲信号) 将可能因“过冲”(特别是当编码器的质量不稳定时)而导致工件螺纹产生乱扣。

因此，车螺纹时，主轴转速的确定应遵循以下几个原则：
（1）在保证生产效率和正常切削的情况下，宜选择较低的主轴转速；
（2）当螺纹加工程序段中的导入长度δ1和切出长度δ2（如图所示）考虑比较充裕，即螺纹进给距离超过图样上规定螺纹的长度较大时，可选择适当高一些的主轴转速；
（3）当编码器所规定的允许工作转速超过机床所规定主轴的最大转速时，则可选择尽量高一些的主轴转速；
（4）通常情况下，车螺纹时的主轴转速(n螺)应按其机床或数控系统说明书中规定的计算式进行确定，其计算式多为：n螺≤n允／L(r／min) 式中n允—编码器允许的最高工作转速(r／min)；L—工件螺纹的螺距(或导程，mm)。

3.4 确定切削用量与进给量
在编程时，编程人员必须确定每道工序的切削用量。

选择切削用量时，一定要充分考虑影响切削的各种因素，正确的选择切削条件，合理地确定切削用量，可有效地提高机械加工质量和产量。

影响切削条件的因素有：机床、工具、刀具及工件的刚性；切削
速度、切削深度、切削进给率；工件精度及表面粗糙度；刀具预期寿命及最大生产率；切削液的种类、冷却方式；工件材料的硬度及热处理状况；工件数量；机床的寿命。

上述诸因素中以切削速度、切削深度、切削进给率为主要因素。

切削速度快慢直接影响切削效率。

若切削速度过小，则切削时间会加长，刀具无法发挥其功能；若切削速度太快，虽然可以缩短切削时间，但是刀具容易产生高热，影响刀具的寿命。

决定切削速度的因素很多，概括起来有：
（1）刀具材料。

刀具材料不同，允许的最高切削速度也不同。

高速钢刀具耐高温切削速度不到50m／min，碳化物刀具耐高温切削速度可达100m／min以上，陶瓷刀具的耐高温切削速度可高达1000m／min。

(2)工件材料。

工件材料硬度高低会影响刀具切削速度，同一刀具加工硬材料时切削速度应降低，而加工较软材料时，切削速度可以提高。

(3)刀具寿命。

刀具使用时间(寿命)要求长，则应采用较低的切削速度。

反之，可采用较高的切削速度。

(4)切削深度与进刀量。

切削深度与进刀量大，切削抗力也大，切削热会增加，故切削速度应降低。

(5)刀具的形状。

刀具的形状、角度的大小、刃口的锋利程度都会影响切削速度的选取。

（6）冷却液使用。

机床刚性好、精度高可提高切削速度；反之，则需降低切削速度。

上述影响切削速度的诸因素中，刀具材质的影响最为主要。

切削深度主要受机床刚度的制约，在机床刚度允许的情况下，切削深度应尽可能大，如果不受加工精度的限制，可以使切削深度等于零件的加工余量。

这样可以减少走刀次数。

主轴转速要根据机床和刀具允许的切削速度来确定。

可以用计算法或查表法来选取。

进给量f(mm／r)或进给速度F(mm／min)要根据零件的加工精度、表面粗糙度、刀具和工件材料来选。

最大进给速度受机床刚度和进给驱动及数控系统的限制。

编程员在选取切削用量时，一定要根据机床说明书的要求和刀具耐用度，选择适合机床特点及刀具最佳耐用度的切削用量。

当然也可以凭经验，采用类比法去确定切削用量。

不管用什么方法选取切削用量，都要保证刀具的耐用度能完成一个零件的加工，或保证刀具耐用度不低于一个工作班次，最小也不能低于半个班次的时间。

3.5确定刀具的选择
数控车床使用的刀具有焊接式和机夹式之分，目前机夹式刀具的数控车床上得到了广泛的应用，选择机夹式刀具的关键是选择刀片，在选择刀片上要考虑以下几点：（1）工件材料的类别
常用材料有：黑色金属、有色金属、非金属材料等
（2）工件材料的性能
包括硬度、强度、韧性和内部组织状态等
（3）切削工艺类别
粗加工、精加工、内孔、外圆加工等
（4）零件的几何形状、加工余量和加工精度
（5）要求刀片承受的切削用量
（6）零件的生产批量和生产条件
综上所述刀具选择如下：
外圆机夹粗车刀T0101（刀片的刀尖角为550）材料高速钢，用来车端面、粗车、半精车外圆。

外圆机夹粗车刀T0202（刀片的刀尖角为350）材料硬质合金，精车外圆。

外槽刀（宽3）T0303：材料高速钢，切外槽与切断。

外螺纹车刀T0303 材料高速钢，车外螺纹
量具选择如下：
量程为200，分度值是0.02的游标卡尺
测量范围25~50，分度值为0.001的外径千分尺
M30X2-7g 环规。

（7）确定工步和走刀路线。

按加工过程确定走刀路线如下：车端面——粗车各外圆——半精车各外圆——精车各外圆——切槽——车螺纹——切断
如图1所示，粗车各外圆走刀路线：1-2-3-4-5-6-7-4-8-9-6-10-11
图1 粗车各外圆走刀路线如图2所示，半精车各外圆走刀路线:a-b-c-d-e-f-g-h
图2 半精车各外圆走刀路线
如图3所示，精车各外圆走刀路线:A-B-C-D-E-F-G-H-I
图3 精车各外圆走刀路线
如图4所示，切槽走刀路线：K-L-K
图4 切槽走刀路线
（8）确定切削用量，被吃刀量：粗车时确定被吃刀量为2mm，精车时为0.5mm，主轴转速：粗车外圆时，确定主轴转速为800r/min ；精车外圆时，主轴转速为1200 r/min；车螺纹时，确定主轴转速为500 r/min；切槽时，确定主轴转速为600 r/min；切断时，确定主轴转速为400 r/min。

进给量：粗车外圆时，确定进给量为0.2mm/r。

精车外圆时，确定进给量为0.1mm/r。

切槽时，确定进给量为0.05mm/r。

切断时，确定进给量为0.05mm/r。

3.6制作各工序卡片
1、编制机械加工工艺过程卡如表1所示。

表1 螺纹球形轴机械加工工艺过程卡。