調頭加工軸數控加工工藝的設計

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　　摘要：本次設計主要是對數控加工工藝進行分析與具體零件圖的加工，首先對數控加工技術進行了簡單的介紹，然后根據零件圖進行數控加工分析。第一，根據本零件材料的加工工序、切削用量以及其他相關因素選用刀具及刀柄和零件的輪廓特點確定需要7把刀具分別為外圓粗車刀、外圓精車刀、外切槽刀、外螺紋刀、內鏜孔刀、內切槽刀。第二，針對零件圖圖形進行編制程序，此零件為軸類零件，外輪廓由直線、圓弧和螺紋組成，零件的里面要鏜出一個錐孔，在加工過程中，工件需要調頭鉆孔再鏜孔，第三，早鉆孔對刀時要先回參考點，要以孔中心作為對刀點，刀具的位置要以此來找正，使刀位點與換刀點重合。

　　關鍵詞：刀具的確定、走刀路線的選擇、刀具的對刀點、工件的定位

　　前 言

　　數控加工是機械制造中的先進的加工技術是一種高效率，高精度與高柔性特點的自動加工方法，數控加工技術可有效解決復雜、精密、小批多變零件的加工問題，充分適應了現代化生產的需要，制造自動化是先進制造技術的重要組成部分，其核心技術是數控技術，數控技術是綜合計算機、自動技術、自動檢測及精密機械等高新技術的產物，它的出現及所帶來的巨大利益，已引起了世界各國技術與工業界的普遍重視，目前，國內數控機床使用越來越普及，如何提高數控加工技術水平已成為當務之急，隨著數控加工的日益普及，越來越多的數控機床用戶感到，數控加工工藝掌握的水平是制約手工編程與CAD/CAM集成化自動編程質量的關鍵因素。

　　數控加工工藝是數控編程與操作的基礎，合理的工藝是保證數控加工質量發揮數控機床的前提條件，從數控加工的實用角度出發，以數控加工的實際生產為基礎，以掌握數控加工工藝為目標，在介紹數控加工切削基礎，數控機床刀具的選用，數控加工的定位與裝夾以及數控加工工藝基礎等基本知識的基礎上，分析了數控車削的加工工藝。

　　1 緒論

　　1.1 數控加工技術的概論

　　1.1.1 數控技術

　　數控技術是本世紀中期發展起來的機床控制技術，是用數字信息對機械運動和工作過程進行控制的技術。數控裝備是以數控技術為代表的新技術對傳統制造產業和新興制造業的滲透形成的機電一體化產品，即所謂的數字化裝備。

　　這里先介紹“數控”，“數控機床”,“數控系統”等基本概念。

　　(1) 數控與數控車床

　　數控是數字控制的簡稱，英文為 Numerical Control，簡稱NC。數控

　　(Numerical Control,NC 數字控制)是指用數字、文字和符號組成的數字指令來實現一臺或多臺機械設備動作控制的技術。它所控制的通常是位置、角度、速度等機械量和與機械能量流向有關的開關量。數控的產生依賴于數據載體和二進制形式數據運算的出現。1908年，穿孔的金屬薄片互換式數據載體問世;19世紀末，以紙為數據載體并具有輔助功能的控制系統被發明;1938年，香農在美國麻省理工學院進行了數據快速運算和傳輸，奠定了現代計算機，包括計算機數字控制系統的基礎。數控技術是與機床控制密切結合發展起來的。1952年，第一臺數控機床問世，成為世界機械工業史上一件劃時代的事件，推動了自動化的發展。

　　現在，數控技術也叫計算機數控技術(Computer Numerical Control )

　　數控機床(Numerical Control MACHINE TOOLS)技術密集度及自動化程度很高的機電一體化加工設備。簡單地說就是采用了數控技術的機床，或者說是裝備了數控系統的機床。國際定義為：數控機床是一種有程序控制的機床。該系統能邏輯地處理具有特定代碼和其他的符號編碼指令規定的程序。

　　(2) 數控系統

　　數控系統是數字控制系統簡稱，英文名稱為Numerical Control System，早期是由硬件電路構成的稱為硬件數控(Hard NC)，1970年代以后，硬件電路元件逐步由專用的計算機代替稱為計算機數控系統。

　　(3)計算機控制系統

　　計算機數控(Computerized numerical control,簡稱CNC)系統是用計算機控制加工功能，實現數值控制的系統。CNC系統根據計算機存儲器中存儲的控制程序，執行部分或全部數值控制功能，并配有接口電路和伺服驅動裝置的專用計算機系統。

　　(4)數控加工

　　數控加工是根據零件圖樣及工藝要求等原始條件編制零件數控加工程序，輸入數控系統，控制數控機床中刀具與工件的相對運動，從而完成零件加工。

　　(5)數控程序

　　數控程序或零件是輸入數控系統中的，使數控機床執行一個確定加工任務的具有特定代碼和編程的一系列指令。

　　(6)數控編程

　　數控編程是指生成用數控機床進行零件加工的數控程序的過程。

　　2 數控加工工藝

　　2.1數控加工工藝內容的選擇

　　2.1.1選擇適合數控加工的零件

　　雖然數控機床具有高精度，高柔性，高效率等優點。但不是所有的零件都適合數控機床加工的。一般可分為三類：

　　(1) 最適合類

　　1.形狀復雜，加工精度要求高通用機床無法加工或很難保證加工質量的零件;

　　2.具有復雜曲線或曲面輪廓的零件;

　　3.具有難測量，難控制進給，尺寸行腔的殼體或盒型零件;

　　4.必須在一次裝夾中完成鏜，絞或攻絲等多道工序的加工零件;

　　(2)較適合類

　　1.零件價值高，在普通機床上加工容易受人工因素干擾而影響質量，從而造成較大經濟損失的零件;

　　2.在通用機床上加工時必須制造復雜專用工裝的零件;

　　3.在通用機床上需要做長時間調整的零件;

　　4.需要多次更改設計才能定型的零件;

　　(3)不適合類

　　1.生產大批量的零件;

　　2.裝夾困難的零件;

　　3.加工余量不穩定，而且數控機床上無法在線檢測系統可自動調整零件坐標位置的零件;

　　4.必須用特定的加工工藝裝備協調加工的零件;

　　2.2數控加工工藝的主要內容

　　1.選擇適合在數控上加工的零件，確定工序內容。

　　2.分析加工零件的圖紙，明確加工內容及技術要求，確定加工方案，制定數控加工路線，如工序的劃分、加工順序的 安排、非數控加工工序的銜接等。設計數控加工工序，如工序的劃分、刀具的選擇、夾具的定位與安裝、切削用量的確 定、走刀路線的確定等等。

　　3.調整數控加工工序的程序。如對刀點、換刀點的選擇、刀具的補償。

　　4.分配數控加工中的容差。

　　5.處理數控機床上部分工藝指令

　　3 具體零件加工

　　3.1零件圖工藝分析

　　如圖所示零件便面由柱面，圓錐面，順圓弧，逆圓弧及外螺紋構成，外螺紋絞復雜其中多個直徑尺寸由較高的精度，表面粗糙，零件圖尺寸編注完整，符合數控加工尺寸標注要求，輪廓描述清楚完整，零件材料為45鋼，毛胚為直徑60mm*122mm

　　(1) 刀具選擇：

　　(1) 選用φ5mm中心鉆鉆削中心孔。

　　(2) 粗車及平端面選用90°硬質合金右偏刀，為防止副后刀面與工件輪廓干涉，副偏角不宜太小，選Kr´=35°。

　　(3) 為減少刀具數量和換刀次數，精車和車螺紋選用硬質合金60°外螺紋車刀，刀尖圓弧半徑應小于輪廓最小圓角半徑，取re=0.15～0.2mm 。

　　數控刀具的選擇和切削用量的確定是數控加工工藝中的重要內容，它不僅影響數控機床的加工效率，而且直接影響加工質量。刀具的選擇是在數控編程的人機交互狀態下進行的。應根據機床的加工能力、工件材料的性能、加工工序、切削用量以及其它相關因素正確選用刀具及刀柄。刀具選擇總的原則是：安裝調整方便、剛性好、耐用度和精度高。在滿足加工要求的前提下，盡量選擇較短的刀柄，以提高刀具加工的剛性。

　　選取刀具時，要使刀具的尺寸與被加工工件的表面尺寸相適應。生產中，平面零件周邊輪廓的加工，常采用立銑刀;銑削平面時，應選硬質合金刀片銑刀;加工凸臺、凹槽時，選高速鋼立銑刀;加工毛坯表面或粗加工孔時，可選取鑲硬質合金刀片的玉米銑刀;對一些立體型面和變斜角輪廓外形的加工，常采用球頭銑刀、環形銑刀、錐形銑刀和盤形銑刀。

　　在進行自由曲面(模具)加工時，由于球頭刀具的端部切削速度為零，因此，為保證加工精度，切削行距一般采用頂端密距，故球頭常用于曲面的精加工。而平頭刀具在表面加工質量和切削效率方面都優于球頭刀，因此，只要在保證不過切的前提下，無論是曲面的粗加工還是精加工，都應優先選擇平頭刀。另外，刀具的耐用度和精度與刀具價格關系極大，必須引起注意的是，在大多數情況下，選擇好的刀具雖然增加了刀具成本，但由此帶來的加工質量和加工效率的提高，則可以使整個加工成本大大降低。

　　在加工中心上，各種刀具分別裝在刀庫上，按程序規定隨時進行選刀和換刀動作。因此必須采用標準刀柄，以便使鉆、鏜、擴、銑削等工序用的標準刀具迅速、準確地裝到機床主軸或刀庫上去。編程人員應了解機床上所用刀柄的結構尺寸、調整方法以及調整范圍，以便在編程時確定刀具的徑向和軸向尺寸。目前我國的加工中心采用TSG工具系統，其刀柄有直柄(3種規格)和錐柄(4種規格)2種，共包括16種不同用途的刀柄。

　　在經濟型數控機床的加工過程中，由于刀具的刃磨、測量和更換多為人工手動進行，占用輔助時間較長，因此，必須合理安排刀具的排列順序。一般應遵循以下原則：①盡量減少刀具數量;②一把刀具裝夾后，應完成其所能進行的所有加工步驟;③粗精加工的刀具應分開使用，即使是相同尺寸規格的刀具;④先銑后鉆 ;⑤先進行曲面精加工，后進行二維輪廓精加工;⑥在可能的情況下，應盡可能利用數控機床的自動換刀功能，以提高生產效率等。

　　3.2確定工件的定位與裝夾方案

　　工件的定位與基準應與設計基準保持一致，應防止過定位，對與箱體工件最好選擇“一面兩銷”作為定位基準，定位基準在數控機床上要仔細找正。

　　由于這個工件是個實心軸，末端要鏜一個30的錐孔，因軸的長度不是很長，所以采用工件的右端面和48的外圓作定位基準，使用普通三爪卡盤夾緊工件，取工件的右端面中心為工件坐標的原點，對刀點在(100.1000)處。

　　在數控車床上工件定位安裝的基本原則與普通機床相同。工件的裝夾方法影響工件的加工精度和效率，為了充分發揮數控機床的工作特點，在裝夾工件時，應考慮以下幾種因素：

　　1.盡可能采用通用夾具，必須時才設計制造專用夾具;

　　2.結構設計要滿足精度要求;

　　3.易于定位和裝夾;

　　4.易于切削的清理;

　　5.抵抗切削力由足夠的剛度;

　　3.3確定走刀順序及走刀路線

　　走刀路線是指數控加工過程中刀具相對于被加工件的運動軌跡和方向。加工路線的合理選擇是非常重要的，因為它與零件的加工精度和表面質量密卻相關。在確定走刀路線是主要考慮下列幾點:

　　1) 保證零件的加工精度要求。

　　2) 方便數值計算，減少編程工作量。

　　3) 尋求最短加工路線，減少空刀時間以提高加工效率。

　　4) 盡量減少程序段數。

　　5)保證工件輪廓表面加工后的粗糙度的要求，最終輪廓應安排最后一走刀連續加工出來。

　　6) 刀具的進退刀(切入與切出)路線也要認真考慮，以盡量減少在輪廓處停刀(切削力突然變化造成彈性變形)而留下刀痕，也要避免在輪廓面上垂直下刀而劃傷工件。

　　加工順序的安排應根據零件的結構和毛坯狀況，以及定位夾緊的需要來考慮，重點是工件的剛性不被破壞。順序一般應按下列原則進行：

　　(1)上道工序的加工不能影響下道工序的定位與夾緊，中間穿插有通用機床加工工序的也要綜合考慮。

　　(2)先進行內形內腔加工序，后進行外形加工工序。

　　(3)以相同定位、夾緊方式或同一把刀加工的工序最好連接進行，以減少重復定位次數，換刀次數與挪動壓板次數。

　　(4)在同一次安裝中進行的多道工序，應先安排對工件剛性破壞小的工序。

　　切削加工順序的安排：

　　①先粗后精 先安排粗加工，中間安排半精加工，最后安排精加工和光整加工。

　　②先主后次 先安排零件的裝配基面和工作表面等主要表面的加工，后安排如鍵槽、緊 固用的光孔和螺紋孔等次要表面的加工。由于次要表面加工工作量小，又常與主要表面有位 置精度要求，所以一般放在主要表面的半精加工之后，精加工之前進行。

　　③先面后孔 對于箱體、支架、連桿、底座等零件，先加工用作定位的平面和孔的端面，然后再加工孔。這樣可使工件定位夾緊穩定可靠，利于保證孔與平面的位置精度，減小刀具的磨損，同時也給孔加工帶來方便。

　　④基面先行 用作精基準的表面，要首先加工出來。所以，第一道工序一般是進行定位面的粗加工和半精加工(有時包括精加工)，然后再以精基面定位加工其它表面。例如，軸類零件頂尖孔的加工。

　　3.4切削用量的選擇

　　根據零件的結構特點，外輪廓用采用90度外圓車刀，輪廓粗加工時留1mm的精車余量，粗加工時選主軸轉速為s=600r/min，進給速度Vf=150mm/min;精加工選主軸轉速s=1000r/min;進給速度Vf=50mm/min

　　3.5數控加工工藝文件的填寫

　　4 數控加工程序

　　O0001 零件左端

　　T0101 M03 S600 G0X100 Z100; 主軸正轉，換1號刀 G0 X52 Z0;

　　G1 X-1 F0.2; G0 X100 Z100; T0505;

　　G0 X19 Z2; G71 U1 R1; G71 P45 Q80 U-0.5 W0.1 F0.3; N45 G0 X32; G1 Z0 F0.1; X30 Z-1; Z-9; X26 Z-16; Z-24; X20; N80Z-29;

　　G0X100 Z100; M05;

　　M00; M03 S1000 T0505; G0 X19 Z2;

　　G70 P45 Q80; GO X100 Z100; M05; M00;

　　M03 S600 T0202; G0 X52 Z2; 車端面 循環起點 內孔粗加工循環 返回換刀點 暫停，測量，補償 內孔精加工循環 返回換刀點 換2號刀車外圓 循環起點

　　G71 U1 R1; 外圓粗加工循環 G71 P150 Q180 U0.5 W0.1 F0.3; N150G0 X37; G1 Z0 F0.1; X40 Z-1.5; Z-24; X46; X48 Z-25; N180Z-40; G0X100 Z100; M05; M00;

　　M03 S1000 T0202; G0 X52 Z2;

　　G70 P150 Q180; G0 X100 Z100;

　　M05; M30;

　　調頭加工：

　　O0002 T0101 M03 S600 G0 X100 Z100; G0 X52 Z0; G1 X-1 F0.2; G0 X100 Z100;

　　T0202; G0 X52 Z2; G73 U10 R15 ; G73 P45 Q110 U0.5 W0.1 F0.3; N45G0 X21; G1 Z0 F0.1;

　　外圓精加工循環 返回換刀點 程序結束，機床復位 零件右端

　　主軸正轉，換1號刀 循環起點 車端面 換2號刀 循環起點

　　外圓輪廓粗加工循環

　　X23.8 Z-1.5;

　　Z-25;

　　X24;

　　Z-30;

　　G2 X28 Z-44 R10;

　　G1 Z-52;

　　X30;

　　G3 X40 Z-57 R5;

　　G1 Z-64;

　　X64;

　　X48 Z-65;

　　N110G0 U5;

　　X100 Z100;

　　T0303 S400;

　　G0 X25 Z-25;

　　G1 X21 F0.15;

　　G0 X25;

　　Z-24;

　　G1 X21 F0.15;

　　Z-25;

　　G0 X100;

　　Z100;

　　M05;

　　M00;

　　M03 S1000 T0202;

　　G0 X55 Z2;

　　G70 P45 Q110;

　　G0 X100 Z100;

　　T0404 S700;

　　G0 X26 Z2 ;

　　X23 Z-22 F1.5; 返回換刀點 切槽 暫停，測量，補償 外圓輪廓精加工循環 換4號刀 循環起點 螺紋切削固定循環

　　X22.725;

　　X22.425;

　　X22.125;

　　G0 X100 Z100; 返回換刀點 M05;

　　M30;

　　程序結束，機床復位

　　5 零件圖加工步驟

　　5.1輸入零件加工程序

　　(1).機床的開機 開機先檢查，一切沒有問題后在打開機床總電源，然后打開數控系統的電源，在顯示屏上應出現機床的初始位置坐標，再檢查面板上的按鈕指示燈是否正常，若一切正常，就卡伊進行其他操作。

　　(2).回零操作 開機正常后，機床應首先進行回零操作。

　　(3).加工程序的輸入 按下主功能鍵(如PROGRAM)，進行加工程序編輯，在此狀態下可通過手動數據輸入方式或RS-232接口加工程序輸入機床，可對程序進行編輯和修改。

　　(4).將數日的程序仔細校對檢查。

　　2.進行對刀操作

　　設定工件坐標系，進行試切對刀或機外對刀，并按下主功能的補償鍵，進行參數設置狀態，將所用各把刀具的刀偏量X，Z輸入刀具的參數數據庫里面。

　　3.在自動方式下自動加工并測量修調

　　(1).選擇主功能的自動執行狀態。

　　(2).選擇要執行零件程序。

　　(3).顯示工件坐標系。

　　(4).按下數控啟動鍵。

　　(5).在自動加工中如遇到非法事件，應立即按下急停鍵。

　　(6).加工完畢，取下工件，清潔機床

　　結 論

　　通過這次的畢業設計，我從設計的過程中學到了很多在書本上沒有的內容，加深了對數控機床的了解，鞏固了書本的知識。

　　結論總結如下：

　　1. 對于某個零件來說，并非全部加工工藝過程都適合在數控機床上完成。而往往只是其中的一部分適合于數控加工。這就需要對零件圖樣進行仔細的工藝分析，選擇那些最適合、最需要進行數控加工的內容和工序。

　　2.在確定走刀路線時，最好畫一張工序簡圖，將已經擬定出的走刀路線畫上去，這樣可為編程帶來不少方便。

　　3. 有些零件雖然能在一次安裝中加工出很多待加工面，但考慮到程序太長，會受到某些限制，如：控制系統的限制(主要是內存容量)，機床連續工作時間的限制等。此外，程序太長會增加出錯與檢索困難。因此程序不能太長，一道工序的內容不能太多。

　　由于本人水平有限，因此、難免會出現疏漏和錯誤，懇請各位讀者予于指正。

　　參考文獻：

　　[1]李正峰. 數控加工工藝[M]. 上海交通大學出版社，2004

　　[2]羅學科. 數控機床變成與操作實訓[M]. 北京化學工業出版社，2002

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　　[4]姜愛國. 數控機床技能數實訓[M]. 北京理工大學出版社，2006

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