轴类零件加工工艺分析.doc

江苏省徐州机电工程高等职业学校
毕 业 论 文
（2016届）

题 目： 轴类零件的加工工艺分析

姓 名： 张开诚
学 号： 110706752
系 部： 数控技术系
班 级： 11高职数控6班
指导教师： 郁岩

2016年5月

轴类零件的加工工艺分析
张开诚
11高职数控6班

摘要：随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，数控加工技术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，
本文根据数控机床的特点，针对具体的零件，进行了工艺方案的分析，工装方案的确定，刀具和切削用量的选择，确定加工顺序和加工路线，数控加工程序编制。通过整个工艺的过程的制定，充分体现了数控设备在保证加工精度，加工效率，简化工序等方面的优势。

关键词：工艺分析；加工方案；进给路线；控制尺寸

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图1 零件图
技术要求
1 去除毛刺 尖角倒钝
2 未注倒角均为1*45°
3 无热处理和硬度要求

一、工艺方案分析
（一）零件图分析
该零件属于抽油机里面的装配零件，表面由圆柱、顺圆弧、逆圆弧、圆锥、槽、螺纹等表面组成。尺寸标注完整，对精度要求较高，我们选用毛坯为45#钢，Φ55mm×150mm。
（二）确定加工方法
加工方法的选择原则是保证加工表面的加工精度和表面粗糙度的要求。由于获得同一级精度及表面粗糙度的加工方法一般有许多，因而在实际选择时，要结合零件的形状、尺寸大小和形位公差要求等全面考虑。
图上几个精度要求较高的尺寸，因其公差值较小，所以编程时没有取平均值，而取其基本尺寸。
在轮廓线上，有个锥度10度坐标P1、 和一处圆弧切点P2，在编程时要求出其坐标，P1（45.29 ，75） P2（35，56.46）。
通过以上数据分析，考虑加工的效率和加工的经济性，最理想的加工方式为车削，考虑该零件为大批量加工，故加工设备采用数控车床。
根据加工零件的外形和材料等条件，选用CJK6032数控机床。
（三）确定加工方案
零件上比较精密表面的加工，常常是通过粗加工、半精加工和精加工逐步达到的。对这些表面仅仅根据质量要求选择相应的最终加工方法是不够的，还应正确地确定从毛坯到最终成形的加工方案。
毛坯先夹持左端，车右端轮廓113mm处，右端加工Φ39mm、SΦ42mm、 R9mm、Φ35mm、锥度为10度的外圆，Φ52mm.调头装夹已加工Φ52mm外圆，左端加工Φ25mm×33mm、切退刀槽、加工螺纹M25mm×1.5mm.
该典型轴加工顺序为：
预备加工---车端面---粗车右端轮廓---精车右端轮廓---切槽---工件调头 ---车端面---粗车左端轮廓---精车左端轮廓---切退刀槽---粗车螺纹---精车螺纹。
二、工件的装夹
（一）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。
（二）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。
（三）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。
（四）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。
（五）确定合理的装夹方式
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。
三、刀具及切削用量
（一）选择数控刀具的原则
刀具寿命与切削用量有密切关系。在制定切削用量时，应首先选择合理的刀具寿命，而合理的刀具寿命则应根据优化的目标而定。一般分最高生产率刀具寿命和最低成本刀具寿命两种，前者根据单件工时最少的目标确定，后者根据工序成本最低的目标确定。
选择刀具寿命时可考虑如下几点根据刀具复杂程度、制造和磨刀成本来选择。复杂和精度高的刀具寿命应选得比单刃刀具高些。对于机夹可转位刀具，由于换刀时间短，为了充分发挥其切削性能，提高生产效率，刀具寿命可选得低些，一般取15-30min。对于装刀、换刀和调刀比较复杂的多刀机床、组合机床与自动化加工刀具，刀具寿命应选得高些，尤应保证刀具可靠性。车间内某一工序的生产率限制了整个车间的生产率的提高时，该工序的刀具寿命要选得低些当某工序单位时间内所分担到的全厂开支M较大时，刀具寿命也应选得低些。大件精加工时，为保证至少完成一次走刀，避免切削时中途换刀，刀具寿命应按零件精度和表面粗糙度来确定。与普通机床加工方法相比，数控加工对刀具提出了更高的要求，不仅需要冈牲好、精度高，而且要求尺寸稳定，耐用度高，断和排性能坛同时要求安装调整方便，这样来满足数控机床高效率的要求。数控机床上所选用的刀具常采用适应高速切削的刀具材料(如高速钢、超细粒度硬质合金)并使用可转位刀片。
（二）选择数控车削用刀具
数控车削车刀常用的一般分成型车刀、尖形车刀、圆弧形车刀三类。成型车刀也称样板车刀，其加工零件的轮廓形状完全由车刀刀刃的形伏和尺寸决定。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刀等。在数控加工中，应尽量少用或不用成型车刀。尖形车刀是以直线形切削刃为特征的车刀。这类车刀的刀尖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(切断)车刀及刀尖倒棱很小的各种外圆和内孔车刀。尖形车刀几何参数(主要是几何角度)的选择方法与普通车削时基本相同，但应结合数控加工的特点(如加工路线、加工干涉等)进行全面的考虑，并应兼顾刀尖本身的强度。圆弧形车刀是以一圆度或线轮廓度误差很小的圆弧形切削刃为特征的车刀。该车刀圆弧刃每一点都是圆弧形车刀的刀尖，应此，刀位点不在圆弧上，而在该圆弧的圆心上。圆弧形车刀可以用于车削内外表面，特别适合于车削各种光滑连接(凹形)的成型面。选择车刀圆弧半径时应考虑两点车刀切削刃的圆弧半径应小于或等于零件凹形轮廓上的最小曲率半径，以免发生加工干浅该半径不宜选择太小，否则不但制造困难，还会因刀尖强度太弱或刀体散热能力差而导致车刀损坏。
（三）设置刀点和换刀点
刀具究竟从什么位置开始移动到指定的位置呢?所以在程序执行的一开始，必须确定刀具在工件坐标系下开始运动的位置，这一位置即为程序执行时刀具相对于工件运动的起点，所以称程序起始点或起刀点。此起始点一般通过对刀来确定，所以，该点又称对刀点。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:便于数值处理和简化程序编制。易于找正并在加工过程中便于检查，引起的加工误差小。对刀点可以设置在加工零件上，也可以设置在夹具上或机床上，为了提高零件的加工精度，对刀点应尽量设置在零件的设计基准或工艺基谁上。实际操作机床时，可通过手工对刀操作把刀具的刀位点放到对刀点上，即“刀位点”与“对刀点”的重合。所谓“刀位点”是指刀具的定位基准点，车刀的刀位点为刀尖或刀尖圆弧中心。平底立铣刀是刀具轴线与刀具底面的交点。球头铣刀是球头的球心，钻头是钻尖等。用手动对刀操作，对刀精度较低，且效率低。而有些工厂采用光学对刀镜、对刀仪、自动对刀装置等，以减少对刀时间，提高对刀精度。加工过程中需要换刀时，应规定换刀点。所谓“换刀点”是指刀架转动换刀时的位置，换刀点应设在工件或夹具的外部，以换刀时不碰工件及其它部件为准。
（四）确定切削用量
数控编程时，编程人员必须确定每道工序的切削用量，并以指令的形式写人程序中。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。
四、型轴类零件的加工
（一）轴类零件加工工艺分析
1.技术要求轴类零件的技术要求主要是支承轴颈和配合轴颈的径向尺寸精度和形位精度，轴向一般要求不高。轴颈的直径公差等级通常为IT6-IT8，几何形状精度主要是圆度和圆柱度，一般要求限制在直径公差范围之内。相互位置精度主要是同轴度和圆跳动；保证配合轴颈对于支承轴颈的同轴度，是轴类零件位置精度的普遍要求之一。图为特殊零件，径向和轴向公差和表面精度要求较高。
2.毛坯选择轴类零件除光滑轴和直径相差不大的阶梯轴采用热轧或冷拉圆棒料外，一般采用锻件；发动机曲轴等一类轴件采用球墨铸铁铸件比较多。如图典型轴类直径相差不大，采用直径为60mm，材料45#钢，在锯床上按150mm长度下料。
3.定位基准选择轴类零件外圆表面、内孔、螺纹等表面的同轴度，以及端面对轴中心线的垂直度是其相互位置精度的主要项目，而这些表面的设计基准一般都是轴中心线。用两中心孔定位符合基准重合原则，并且能够最大限度地在一次装夹中加工出多格外圆表面和端面，因此常用中心孔作为轴加工的定位基准。
当不能采用中心孔时或粗加工是为了提高工作装夹刚性，可采用轴的外圆表面作定位基准，或是以外圆表面和中心孔共同作为定位基准，能承受较大的切削力，但重复定位精度并不太高。
数控车削时，为了能用同一程序重复加工和工件调头加工轴向尺寸的准确性，或为了端面余量均匀，工件轴向需要定位。采用中心孔定位时，中心孔尺寸及两端中心孔间的距离要保持一致。以外圆定位时，则应采用三爪自定心卡盘反爪装夹或采用限未支承，以工件端面或台阶儿面作为轴向定位基准。
4.轴类零件的预备加工车削之前常需要根据情况安排预备加工，内容通常有:直--毛坯出厂时或在运输、保管过程中，或热处理时常会发生弯曲变形。过量弯曲变形会造成加工余量不足及装夹不可靠。因此在车削前需增加校直工序。
切断---用棒料切得所需长度的坯料。切断可在弓形锯床、圆盘锯床和带锯上进行，也可以在普通车床切断或在冲床上用冲模冲切。
车端面和钻中心孔—对数控车削而言，通常将他们作为预备加工工序安排。
5.热处理工序铸、锻件毛坯在粗车前应根据材质和技术要求安排正火火退火处理，以消除应力，改善组织和切削性能。性能要求较高的毛坯在粗加工后、精加工前应安排调质处理，以提高零件的综合机械性能；对于硬度和耐磨性要求不高的零件，调质也常作为最终热处理。相对运动的表面需在精加工前或后进行表面淬火处理或进行化学热处理，以提高其耐磨性。
6.加工工序的划分一般可按下列方法进行：
(1)刀具集中分序法 就是按所用刀具划分工序，用同一把刀具加工完零件上所有可以完成的部位。再用第二把刀、第三把完成它们可以完成的其它部位。这样可减少换刀次数,压缩空程时间，减少不必要的定位误差。
(2)以加工部位分序法 对于加工内容很多的零件，可按其结构特点将加工部分分成几个部分，如内形、外形、曲面或平面等。一般先加工平面、定位面，后加工孔；先加工简单的几何形状，再加工复杂的几何形状；先加工精度较低的部位，再加工精度要求较高的部位。
(3)以粗、精加工分序法 对于易发生加工变形的零件，由于粗加工后可能发生的变形而需要进行校形，故一般来说凡要进行粗、精加工的都要将工序分开。
综上所述，在划分工序时，一定要视零件的结构与工艺性，机床的功能，零件数控加工内容的多少，安装次数及本单位生产组织状况灵活掌握。另建议采用工序集中的原则还是采用工序分散的原则，要根据实际情况来确定，但一定力求合理。
7.工时在加工顺序的安排应根据零件的结构和毛坯状况，以及定位夹紧的需要来考虑，重点是工件的刚性不被破坏。顺序一般应按下列原则进行：
(1)上道工序的加工不能影响下道工序的定位与夹紧，中间穿插有通用机床加工工序的也要综合考虑。
（2)先进行内形内腔加工序，后进行外形加工工序。
（3）以相同定位、夹紧方式或同一把刀加工的工序最好连接进行，以减少重复定位次数，换刀次数与挪动压板次数。
（4）在同一次安装中进行的多道工序，应先安排对工件刚性破坏小的工序。
在数控车床上粗车、半精车分别用一个加工程序控制。工件调头装夹由程序中的M00或M01指令控制程序暂停，装夹后按“循环启动”继续加工。
8.走刀路线和对刀点选择走刀路线包括切削加工轨迹，刀具运动到切削起始点、刀具切入、切出并返回切削起始点或对刀点等非切削空行程轨迹。由于半精加工和精加工的走刀路线是沿其零件轮廓顺序进行的，所以确定走刀路线主要在于规划好粗加工及空行程的走刀路线。合理确定对刀点,对刀点可以设在被加工零件上，但注意对刀点必须是基准位或已精加工过的部位，有时在第一道工序后对刀点被加工毁坏，会导致第二道工序和之后的对刀点无从查找，因此在第一道工序对刀时注意要在与定位基准有相对固定尺寸关系的地方设立一个相对对刀位置，这样可以根据它们之间的相对位置关系找回原对刀点。这个相对对对刀位置通常设在机床工作台或夹具上。
（二）典型轴类零件加工工艺
1.确定加工顺序及进给路线
加工顺序按粗到精、由近到远（由右到左）的原则确定。工件右端加工：既先从右到左进行外轮廓粗车（留0.5mm余量精车），然后从右到左进行外轮廓精车，最后切槽；工件调头，工件左端加工：粗加工外轮廓、精加工外轮廓，切退刀槽，最后螺纹粗加工、螺纹精加工。
2.选择刀具
（1）车端面：选用硬质合金45度车刀，粗、精车用一把刀完成。
（2）粗、精车外圆：（因为程序选用 G71循环所以粗、精车选用同一把刀）硬质合金90度放型车刀，Kr=90度,Kr＇=60度;E=30度,（因为有圆弧轮廓）以防与工件轮廓发生干涉,如果有必要就用图形来检验.
（3）车槽: 选用硬质合金车槽刀（刀长12mm，刀宽3mm）
（4）车螺纹:选用60度硬质合金外螺纹车刀.
3.选择切削用量

表3-5切削用量选择

主轴转速s/(r/min)
进给量f/(mm/r)
背吃刀量ap/mm
粗车外圆
800
0.1
1.5
精车外圆
800
0.05
0.2
粗车螺纹
70
1.5
0.4
精车螺纹
70
1.5
0.1
切槽
115
0.04

数控加工刀具卡片

表3-1 刀具卡片
产品名称或代号

零件名称
典型轴
零件图号

序号
刀具号
刀具规格名称
数量
加工表面
备注
1
T01
硬质合金端面45度车刀
1
粗、精车端面

2
T02
硬质合金90度放型车刀
1
粗、精车外轮廓
左偏刀
3
T03
硬质合金车槽刀
1
切槽

4
T04
60度硬质合金外螺纹车刀
1
粗、精车螺纹

用以上数据编制工艺卡如下：
表3-2 数控加工工艺卡
单位名称
产品名称或代号
零件名称
零件图号

典型轴

工序号
程序编号
夹具名称
使用设备
车间
001
O1111
三爪自定心卡盘
Cjk6032
数控车间
工步号
工步内容
刀具号
刀具规格
主轴转速r/min
进给速度mm/r
背吃刀量mm
备注
1
车端面
T01
45度刀
500
0.1

手动
2
粗车外轮廓
T02
90度防型刀
800
0.1
1.5
自动
3
精车外圆轮廓
T02
90度防型刀
800
0.05
0.2
自动
4
切槽
T03
切槽刀
115
0.04

自动
工序号
程序编号
夹具名称
使用设备
车间
002
02222
三爪自定心卡盘
Cjk6032
数控车间
工步号
工步内容
刀具号
刀具规格
主轴转速r/min
进给速度mm/r
背吃刀量mm
备注
1
车端面
T01
45度刀
500
0.1

手动
2
粗车外轮廓
T02
90度防型刀
800
0.1
1.5
自动
3
精车外圆轮廓
T02
90度防型刀
800
0.05
0.2
自动
4
切退刀槽
T03
切槽刀
115
0.04

自动
5
粗车螺纹
T04
60度外螺纹刀
70
1.5
0.4
自动
6
精车螺纹
T04
60度外螺纹刀
70
1.5
0.1
自动
编制

审核

批准

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（三）加工坐标系设置
1.建立工件坐标系
图1-3坐标系设定
2.试切法对刀
在数控加工中，工件坐标系确定后，还要确定刀尖点在工件坐标系中的位置，即通常所说的对刀问题。在数控车床上，目前常用的对刀方法为试切对刀法。
将工件安装好之后，先用MDI方式操作机床，用已选好的刀具将工件端面车一刀，然后保持刀具在纵向（Z）尺寸不变，沿横向（x）退刀。当取工件右端面O为工件原点时，对刀输入为Z0，如图3-4（a）用同样的方法，再将工件的表面车一刀，然后保持刀具在横向上的尺寸不变，从纵向退刀，停止主轴转动，再量出工件车削后的直径如图3-4（b）根据长度和直径，既可确定刀具在工件坐标系中的位置。其他各刀都需要进行以上操作，从而确定每把刀具在工件坐标系中的位置。

图3-4（a） Z轴方向对刀

图3-4（b） X轴方向对刀
3.选择切削用量
表3-5切削用量选择

主轴转速s/(r/min)
进给量f/(mm/r)
背吃刀量ap/mm
粗车外圆
800
0.1
1.5
精车外圆
800
0.05
0.2
粗车螺纹
70
1.5
0.4
精车螺纹
70
1.5
0.1
切槽
115
0.04

为了螺纹容易配合，螺纹M25×1.5在车削大径时，加工到直径Φ24.7mm，总背吃刀量去0.65P=（0.65×1.5）mm=0.975mm.

手工编程
工件右端加工
O1111；
M06 X200 Z100； 建立工件坐标系
T0202; 调用2号刀
M03 S800; 主轴以800r/min正转
G00 X60 Z5; 到循环加工起点
G71 U.1.5 R1 P01 Q02 X0.2 Z0.08 F80; 粗加工循环
N01 G00 X39 Z2； 到精加工起点
G01 X39 Z0 F40; 精加工轮廓开始
G01 X39 Z0 C2 倒角C2
Z-26; 加工Φ39
G03 X35 Z-56.46 R24; 加工SΦ48圆弧
G02 X35 Z-70 R9; 加工R9圆弧
G01 Z-75; 加工Φ35
X45.29; 加工Φ35外径左端面至斜线部分
X52 Z-94; 加工斜线部分
N02 Z-113; 精车循环结束
G00 X55 Z100; 到换刀点
M06 T0303 M03 S115 M08； 换3号切槽刀,打开切削液
G00 X55 Z2； 刀具起切的安全点
G00 X55 Z-89； 切槽切入点
G01 X39 F5； 切槽
G01 X55 F20； 切槽退刀
G01 Z-82； 切槽切入点
G01 X39 F5； 切槽
G01 X55 F20； 切槽退刀
G00 Z-18 切槽切入点
G01 X35 F5； 切槽切入点
G01 X50 F20； 切槽退刀
G00 X55 Z100 M09； 回换刀点,关闭切削液
M05； 主轴停止
M30； 程序结束

工件左端加工
O2222
T0202 M03 S800； 换号外圆刀主轴800r/min
G00 X55 Z2； 刀具起切的安全点
G71 U1.5 R1 P01 Q02 X0.2 Z0.08 F80； 外径粗精车循环
N01 G00 X50 Z2； 精车循环开始
G01 X0 Z0 F40； 开始加工
G01 X24.7 Z0 C2； 倒角
G01 Z-33； 车Φ25
G01 X52 Z-33 C2； 倒角
N02 G01 Z-35； 精车循环结束
G00 X100 Z100； 换刀点
M05； 主轴停止
M30； 程序结束
T0303 M03 S115 ； 换3号切槽刀
G00 X30 Z2； 刀具起切的安全点
G00 Z-28； 切槽切入点
G01 X21 F5 ； 切槽
G01 X30 F20； 退刀
G00 X50 Z100； 回换刀点
M05； 主轴停止
M30 ； 程序结束
T0404 M03 S70； 换4号螺纹刀
G00 X25 Z2 ； 刀具起始安全点
G76 C1 A60 X23.056 Z-26 K0.974 U0.1 V0.1 Q0.4 F1.5; 螺纹加工
G01 X40； 退刀
G00 X100 Z100； 回换刀点
M05； 主轴停止
M30； 程序结束

总结：轴类零件常用的方法是车削和磨削，当表面质量要求很高时应增加光整加工.加工时需注意：1表面粗糙度；2相互位置精度；3几何形状精度；4尺寸精度以及工艺的合理性和经济性.由于轴类零件在加工中产生的切削力、切削热、振动等将直接影响工件的尺寸精度和形位精度，加工难度大.因此轴类零件的加工应在确定合适的加工工艺、加工原则和合理安排加工顺序的基础上优化装夹方法，同时加强先进技术的应用，使轴类零件的加工生产效率高、表面质量好、环境污染小、性价比高、符合现代加工的发展趋势.
另外在加工轴类工件时，有时会遇到精度误差和表面粗糙度达不到要求等问题.精度误差是由于操作者不注意，测量时出差错，所以在测量时，要特别认真仔细，正确使用测量工具是非常重要的.而表面粗糙度达不到要求可能是由于在加工过程中刀具和零件表面的摩擦、工艺系统中存在的震动、切削速度过低、切削液不足等因素的影响，如果发现工件表面粗糙度未达标的话检查以上问题并重新精车.

参考文献：
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