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数控机床零件设计及加工
作者: xzh 时间: 2022-11-04 浏览:

数控机床零件设计及加工

成人专升本毕业设计)

1、零件图样工艺分析

1. 未注倒角1×45o,锐角倒钝0.2×45°
2. 端面允许打中心孔。
3. 材料:45#,调质处理HRC 26~36

1.1零件图样分析

由零件图所示,该零件是复杂的轴类零件,在很多方面都得到了广泛的应用。零件尺寸精度和位置精度高,表面粗糙度也由一定的要求,欲加工该零件必须选择合适的机床和刀具,以及切削用量,相关的切削参数。在选择基准方面有一定的要求,先加工零件的左端,以零件的内孔面轴线为基准,在掉头,然后加工零件的右端,以加工后的零件左端为基准面,进行车削。

1.2零件结构工艺分析

该零件表面由圆柱面、圆锥面、顺圆弧面、逆圆弧面、螺纹面、沟槽面及内孔面等表面组成.图示零件各几何元素之间关系表达清楚完整,其中多个直径尺寸有较严的尺寸精度和表面粗糙度要求.¢320-0.05的 外圆面、锥面、¢380-0.05的外圆表面粗糙度为Ra1.6um。零件材料为45钢,调质处理26-36HRC,材料的切削加工性能好。
 根据上述零件几何结构分析及技术分析,选择棒料,毛坯尺寸为¢55×120。在数控车床上按粗加工阶段、半精加工阶段和精加工阶段进行加工。粗加工时,为保证高的表面质量,留余量0.25mm待精加工。依据基准统一原则与重合的原则,精加工时,以¢22-0.050的内孔面轴线为基准,加工轮廓的外形,按“先基准后其他”的加工顺序原则,先加工¢22-0.050的内孔面。由于工件有硬度要求,粗加工后、精加工之前进行调质处理,加工过程中,应穿插安排检验的辅助工序。

2、选择加工设备与刀、夹、量具

2.1加工设备的选择

CK6140的技术参数:
最大回转直径(mm) 400
大托板上最大回转直径(mm) 245
最大工件长度(mm) 750 1000  1500
主轴通孔直径(mm) 52
主轴转速(rpm) 300-2000
主轴孔莫氏锥度 N O.6
快速进给速度(mm/min) 6000
最小设定单位(mm) 0.001
回转刀架工位数 4(标配)
刀架最大行程横向(mm) 239
顶尖套筒直径(mm) 75
顶尖套筒行程(mm) 120
顶尖锥孔锥度 N O.5
机床外形尺寸(mm) 2100X1050X1600
机床净重(kg) 1600
CK6140机床的主要特性是轨超音频淬火,精密磨削。 床鞍导轨贴塑,运行平稳,无爬行。 进给滚珠丝杆无间隙传动,无键连接。全封闭防护,调整维修方便。根据上述的技术参数和特性所示,再联系到我们所要加工的零件,选择CK6140数控机床来加工该零件符合要求。

2.2刀具的选择

机械加工刀具是机械制造过程中不可缺少的重要工具,也是切削加工中影响生产率、加工质量与成本的最活跃的因素,因此,在加工过程中针对相应的零件几何形状和加工要求选择合适的刀具进行加工,是相当重要的。
  根据该零件的加工要求,我选择的加工刀具及刀具材料如下两表:
所选用刀具材料 允许切削速度 硬度 耐热性
硬质合金 V 允≤30(米/分) 63-70HRC 600-700℃
高速钢 V允=80-100(米/分) 71-76HRC 800-1000℃
表1刀具材料表
名称及型号规格 刀具号 刀具材料
 55度外圆车刀 T0101 硬质合金
切槽刀,刀宽4mm T0202 硬质合金
60度螺纹车刀 T0303 硬质合金
焊接镗刀 T0404 硬质合金
中心钻 T0505 高速钢
麻花钻 T0606 高速钢
表2选用的刀具表   

2.3夹具

车床夹具的主要功能,就是在车削加工工件的过程中,按照正确的位置和方向,稳定可靠的装夹工件。即使工件在加工过程中受到切削力和其它外力影响,仍然始终保持工件被装夹在正确的位置和方向。同时,车床夹具应该保持工件不因受夹紧力影响而造成尺寸精度或形状位置精度超过允许范围。    
在设计机床使用夹具时,其结构应保证在一次定位后实现多面的加工,使工件加工部位都可以得以加工。应力求使夹具结构简单,标准化,通用化和自动化。以提高加工效率和降低成本.加工费用。尽可能使用通用元件的拼装的组合可调夹具,以缩短生产准备周期。通用元件重复使用,经济效益好。
夹具设计时,应保证工件装卸方便迅速,以减少工件的夹紧松开时间,机床所使用的夹具应具有足够的精度,并具有良好的精度保持性和足够的刚度,以防止受力变形而失去原有的精度。
考虑以上几点,我们的夹紧方案如下:
1.粗车时.采用一夹一顶装夹方式,其夹具前三爪卡盘和后顶尖
2.半精车时:同样采用上述装夹方式。

2.4量具

检验是测量和监控主轴加工质量的一个重要环节。除了工序间检验以外,在全部工序完成之后,应对主轴的尺寸精度.形状精度.位置精度和表面粗糙度进行全面的检查。以便确定主轴是否达到各项技术要求,还可以从检验是否达到各项技术要求,而且还可从检验的结果及时发现各道工序中存在的问题,以便及时纠正,监督工艺过程正常进行。
检验的依据是主轴工作图。检验工作按一定顺序进行,先检验各级外圆的尺寸精度,素线平行度和圆度,用外观比较法检验各表面的粗糙度及表面缺陷,然后在专用夹具上测量位置偏差。在成批生产时,若工艺过程比较稳定,且机床精度较好,有些项目常常采用抽检的办法,并不逐项检验。主要配合表面的硬度应在热处理车间检验。
量具我们选用:
1.游标卡尺
2.千分尺
3.百分表
4.塞规
5.通止规
6.主轴检测棒

3、数控车削加工的对刀

3.1对刀的概念

往需要几把不同的刀具,而每把刀具在安装时是根据数控车床装刀要求安放的,当它们转至切削位置时,其刀尖所处的位置各不相同。但是数控系统要求在加工一个零件时,无论使用哪一把刀具,其刀尖位置在切削前均应处于同一点,否则,零件加工程序就缺少一个共同的基准点。为使零件加工程序不受刀具安装位置而给切削带来影响,必须在加工程序执行前,调整每把刀的刀尖位置,使刀架转位后,每把刀的刀尖位置都重合在同一点,这一过程称为数控车床的对刀。
(1)刀位点
刀位点是刀具的基准点,一般是刀具上的一点。尖形车刀的刀位点为假想刀尖点,圆形车刀的刀位点为圆弧中心,钻头的刀位点为钻尖,平底立铣刀的刀位点为端面中心,球头铣刀的刀位点为球心。数控系统控制刀具的运动轨迹,就是控制刀位点的运动轨迹。刀具的轨迹是由一系列有序的的刀位点位置和连接这些位置点的直线或圆弧组成的。
(2)起刀点
起刀点是刀具相对工件运动的起点,即加工程序开始时刀具刀尖点的起始位置,经常也将它做为加工程序运行的终点。
(3)对刀点与对刀
对刀点是用来确定刀具与工件的相对位置关系的点,是确定工件坐标系与机床坐标系的关系的点。对刀就是将刀具的刀位点置于对刀点上,以建立工件坐标系。
(4)对刀基准点
对刀时确定对刀点的位置所依据的基准。该基准可以是点、线或面。对刀基准点一般设置在工件上(定位基准或测量基准)或夹具上(夹具元件设置的起始点)或机床上。
(5)对刀参考点
是代表刀架、刀台或刀盘在机床坐标系内位置的参考点,即CRT显示的机床坐标系中坐标值的点,也叫做刀架中心或刀具参考点。可以利用此坐标值进行对刀操作。数控加工中回参考点时应该使刀架中心与机床参考点重合。
(6)换刀点
数控加工程序中指定用于换刀的位置点。在数控加工中,需要经常换刀,所以在加工程序中要设置换刀点。换刀点的位置应该避免与工件、夹具和机床发生干涉。普通数控车床的换刀点由编程指定,通常将其与对刀点重合。车削中心的换刀点一般为一固定点。不能将换刀点与对刀点混为一谈。

3.2对刀点或对刀基准点的一般原则

对刀点或对刀基准点可以设置在被加工工件上,也可以设置在与零件定位基准有关联尺寸的夹具的某一位置上,也可以设置在机床三爪卡盘的前端面上。选择原则如下:
(1)对刀点的位置容易确定;
(2)能够方便换刀,以便与换刀点重合;
(3)对刀点应与工件坐标系原点重合;
(4)批量加工时,为使得一次对刀可以加工一批工件,对刀点应该选取在定位元件的起始基准上,并将编程原点与定位基准重合,以便直接按照定位基准对刀。

4、加工工艺规程设计

4.1.加工顺序的安排

制定工艺路线的出发点应当是使零件的几何形状.尺寸精度及位置精度等技术要求能得到合理的保证.在生产纲领已确定为成批生产的条件下,可以考虑采用万能机床配以专用工装夹具,并尽量使工序集中来提高生产率.除此之外,还应当考虑经济效益用以降低成本,提高效益.。
A.工艺路线
     1.先加工零件左端。棒料伸出卡盘外约65mm,找正后夹紧。
     2.把直径20mm锥柄麻花钻装入尾座,移动尾座是麻花钻切削刃接近端面后锁紧,主轴转速500r/min,手动移动尾座,钻直径20mm的底孔。
     3.用1号刀,采用G71进行零件左端部分的轮廓循环粗加工。
     4.用1号刀,采用G70进行零件的左端部分的轮廓精加工。
     5.用4号刀镗直径22mm的内孔并倒角。
     6.卸下工件,用铜皮包住已加工过直径32mm的外圆,跳头使零件上直径32~38台阶端面与卡盘端面紧密接触后夹紧,准备加工零件的右端。
     7.手动车端面控制零件总长,也可采用G94端面切削循环。
     8.用1号刀,采用G71进行零件的右端粗加工循环。
     9.用1号刀,采用G70进行零件的右端的精加工循环。
     10.用2号刀,才用G75进行的槽切削循环。
     11.用3号刀,采用G92进行螺纹的切削循环。
B.加工方案分析
以上方案是合理的,是通过仔细考虑(零件加工的技术要求,装夹次数,加工先后)以及可能采取的加工手段之后,开加工的,符合先粗后精的原则,集中体现工序集中的原则.由于零件的加工精度要求较高,减少了装夹次数,能够减少装夹误差,使加工精度大大提高。
4.2装夹方式
零件没有较高的同轴度要求。因此采用三爪自定心卡盘装卡。零件右端为圆弧面不易装夹,所以应先加工左端,Φ32表面可以作为掉头装夹表面。
1 )装卡零件毛坯外露65mm。
2 )加工时,以毛坯的轴线为基准,左端用三爪自定心卡盘定心夹紧。精加工时,以¢220+0.052的内孔面轴线为基准,采用顶尖夹紧。
3 )再调头装夹,将装卡零件毛坯外露>53mm。

4.3定位基准的选择

零件各表面的加工顺序,在很到程度上与各工序定位基准的选择有关,因为各阶段开始总是先加工定位基准面,即先行工序必须为后续工序准备好定位基准,同时采用一定压锅措施来保证定位精度,倒角锥面作为定位基准而准备条件的,因为主轴调质后会变形,在加工孔口倒角时,不仅要车端面,而且要车内孔,使尾座上的顶尖与倒角锥面无论在外缘上或内边缘上部能准确定位。
轴类零件的定位基准,最常见的为两中心孔,因为轴类零件各外圆表面,锥孔,螺纹表面的同轴度,以及端面对旋转轴线的垂直度,均与主轴的轴线有关,而这些表面的设计基准都是轴的轴线,若用两中心孔定位,就能符合基准重合的原则,而且,用中心孔作定位基准,能够最大限度的在一次装夹中加工出多个外圆和端面,符合基准统一原则,所以,只要有可能,就应尽量采用中心孔作轴加工的定位基准。
主轴的工艺过程中,半精车,精车,粗磨和精磨各部外圆和端面,车螺纹等工序,都是以中心孔作定位基准,在加工过程中,作为定位基准的中心孔,因钻出通孔而消失,为了在通孔加工之后还能使用中心孔作定位基准,故采用带有中心孔的锥套心轴。
精加工主轴外圆可用外圆本身来定位,即安装工件时以支承轴颈表面来定位,这时可用拆卸式锥套心轴,心轴和锥套的锥面与工件锥孔有很少间隙,心轴靠螺母和垫圈压紧在主轴的端面上,心轴安装机床前后顶尖上后,按工件支承轴颈找正,主轴大端锥孔磨削应以主轴颈为定位基面,主轴颈是主轴的装配几面。也是测量基面,这样三重基面重合就不会产生定位误差,保证了锥孔相对与主轴颈的同轴度要求。

5、切削用量

 金属切削过程是指通过切削运动,刀具从工件表面上切除金属、形成切削和已加工表面的过程。这个过程中伴随着金属的弹性变形和塑性变形,影响了工件的加工精度。并且,直接表现为产生积屑瘤,振动等现象。因此,在机械加工过程中合理地选择切削用量,可以提高切削效率,降低成本,改善加工质量。是进行现场加工之前非常重要的一个步骤。
切削用量包括切削速度v(m/min)或主轴转速n(r/min)、进给量f(mm/r)或进给速度v(mm/min)、切削深度(背吃刀量)a(mm)。选择好切削用量是工艺处理的重要内容之一。
切削用量的选择原则。一般地,粗加工时,应尽量保证较高的金属切削率和必要的刀具耐用度,故选择切削用量时应首先选取尽可能大的切削深度;其次根据机床功率和刚性的限制条件,选取尽可能大的进给量;最后根据刀具耐用度的要求,确定合适的切削速度。精加工时,首先根据粗加工的余量确定切削深度;其次根据已加工表面的粗糙度要求,选取合适的进给量;最后在保证刀具耐用度的前提下,选取较高的切削速度。

5.1切削深度的选择

切削深度主要根据机床、刀具、夹具、零件的刚度而定。粗加工时,在系统刚性允许的条件下,尽可能选择较大的切削深度,以减少进给次数,提高生产率;精加工时,通常选取较小的切削深度,以保证加工精度及表面粗糙度。切削表面有硬皮的锻铸件时,应尽量使切削深度大于硬皮层的厚度,以保护刀尖。于该小主轴零件的的切削深度选择,由于其精度要求不是很高,所以我根据粗、精加工分别选择为αp  =4mm、αp =0.8mm。

5.2进给量的选择

进给量(或进给速度)主要根据零件的加工精度和表面粗糙度要求以及刀具、工件的材料和性质选取。粗加工时,一般选用尽可能大的进给量;精加工时,当表面粗糙度要求较高时,宜选用较小的进给量;在切断、车削深孔或用高速钢刀具车削时,也宜选择较低的进给量。进给速度与进给量的关系式v=nf。于该零件的加工,进给速度粗车时为f=0.4mm/r,精车时为f=0.1mm/r,车削螺纹时的进给速度则为f=60 mm/r,车槽时的进给为f=0.2mm/r。

5.3切削速度的选择

主要是主轴转速的选择,切削速度可根据已经选定的切削深度、进给量以及刀具耐用度进行选取。在确定主轴转速时,首先要确定切削速度。切削速度与主轴转速的关系是v=πDn/1000(D是工件或刀具直径,单位为mm).所以综上所述,再经过分析和查阅相关手册确定本次加工的用量如下:粗车外圆时的背吃刀量αp  =4mm,主轴转速n=450r/min,进给速度f=0.4mm/r。精车时的背吃刀量αp =0.8mm,主轴转速n=910r/min,进给速度f=0.1mm/r。车削螺纹是的背吃刀量αp 根据进的次数和查阅的手册来定,主轴转速n=520r/min,进给速度f=60 mm/r。具体参见刀具工艺卡。车槽的时的背吃刀量αp=4mm,主轴转速n=400r/min,进给速度f=0.2mm/r。

6、工艺文件的填写 

6.1数控刀具卡

  刀具调整卡 型别   零件图号
零件名称 轴类零件  
设备名称 CK6140  设备型号   程序号  
基本材料 45#钢 硬度 200 工序名称    工序号  
序号 刀具序号 刀具名称 刀具参数 刀补 换刀 加工部位
直径 长度 直径 长度    
1 T01 外圆车刀 刀尖角55° 45(厚       加工零件外圆柱表面
2 T02 切槽刀 宽4mm 45       加工零件右端中间8mm直槽
3 T03 60º外螺纹车刀   150       加工30*2-6g螺纹
4 T04 焊接镗刀 刀尖角35° 150       加工零件左端内外圆柱表面
5 T05 中心钻 ¢5mm         钻¢5mm中心孔
6 T06 麻花钻 ¢20mm         钻¢22mm的底孔

6.2数控工序

 
 
单位名称
 
 
 
  产品名称或代号 零件名称 零件图号
典型数控车工分析实例 轴套类零件 Lathe-01
工序号 程序编号 夹具名称 使用设备 车间
001 Latheprg-01 三爪卡盘与活顶尖 Ck6140 数控中心
工步号 工步内容 刀具号 刀具规格
/mm
主轴转速
/(r/min)
进给速度
/(mm/min)
背吃刀量
/mm
备注
1 平端面 T01 25X25 500 450   手动
2 钻中心孔 T05 ¢5 800 120   手动
3 钻¢220+0.052的底孔 T06 ¢20 500 100   手动
4 粗精车左端外圆 T01 25X25 800 640 0.25 自动
5 镗¢220+0.052的内孔并倒角 T04 25X25 500 500 3 自动
6 掉头,粗精车右端外圆 T01 25X25 320 640 0.1 自动
7 切槽 T02 25X25 500 350 3 自动
8 车螺纹 T03 25X25 800 450 0.25 自动
7、程序的编制

7.1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(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。   
 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。