数控车削编程与加工技术

1. 数控车削编程与加工技术 任务六：轴类零件的 数控车削加工工艺分析

2. 课 题 引 入 提出问题 数控加工在大批量生产、小批量生产、单件加工中是如何安排加工工艺的？

3. 讲 授 新 课 2.3.1 零件的结构特点和技术要求 轴类零件是各种机械设备中最主要和最基本的典型零件，主要用来支承传动件（如齿轮、带轮、凸轮等）和传递扭矩，除承受交变弯曲应力外，还受冲击载荷作用。因此，轴类零件除了要求具有较高的综合机械性能外，还需具有较高的疲劳强度。

4. 讲 授 新 课 轴类零件的结构特点是均为长度大于直径的回转体，长径比小于6mm的称为短轴，大于20mm的称为细长轴。轴类零件一般由同轴线的外圆柱面、圆锥面、圆弧面、螺纹及键槽等组成。按结构形状的不同，轴类零件可分为光轴、阶梯轴、空心轴和曲轴四种。 （a）光轴 （b）阶梯轴 （d）曲轴 （c）空心轴 图2-15典型轴类零件

5. 讲 授 新 课 轴类零件的技术要求是设计者根据轴的主要功用以及使用条件确定的，通常有以下几方面的内容。 1．加工精度 轴的加工精度主要包括结构要素的尺寸精度、形状精度和位置精度。 （1）尺寸精度 主要指结构要素的直径和长度的精度。直径精度由使用要求和配合性质确定；对于主要支承轴颈，常为IT9～IT6；特别重要的轴颈，也可为IT5。轴的长度精度按未注公差尺寸加工；要求较高时，其允许偏差约为0.05 ～ 0.2mm。 （2）形状精度 主要指轴颈的圆度、圆柱度等，因轴的形状误差直接影响与之相配合零件的接触质量和回转精度，因此一般限制在公差范围内；要求较高时可取直径公差的1/2 ～ 1/4，或另外规定允许偏差。 （3）位置精度 包括装配传动件的配合轴颈对于支承轴颈的同轴度、圆跳动及端面对轴心线的垂直度等。普通精度的轴，配合轴颈对支承轴颈的径向圆跳动一般为0.01 ～ 0.03mm，高精度的轴为0.005 ～ 0.01mm。

6. 讲 授 新 课 2．表面粗糙度 轴类零件主要工作表面的粗糙度，根据其运动速度和尺寸精度等级决定。支承轴颈的表面粗糙度Ra值一般为0.8～0.2μm；配合轴颈的表面粗糙度Ra值一般为3.2～0.8μm。 3．其它要求 为改善轴类零件的切削加工性能或提高综合力学性能及使用寿命等，还必须根据轴的材料和使用条件，规定相应的热处理和平衡要求。

7. 讲 授 新 课 2.3.2 轴类零件的材料、毛坯及热处理 轴类零件大都用优质中碳钢（如45钢）制造；对于中等精度而转速较高的轴，可选用40Cr、20CrMnTi等低碳合金钢，这类钢以渗碳淬火处理后，心部保持较高的韧性，表面具有较高的耐磨性和综合力学性能，但热处理变形大。若选用38CrMoAlA经调质和表面渗氮，不仅具有优良的耐磨性我耐疲劳性，而且热处理变形小。常用的热处理工艺有正火、调质、表面淬火、渗碳淬火和氮化等。 轴类零件的毛坯类型和轴的结构有关。一般光轴或直径相差不大的阶梯轴可用热轧或冷拔的圆棒料；直径相差较大或比较重要的轴，大都采用锻件；少数结构复杂的大型轴，也有采用铸钢的。

8. 讲 授 新 课 2.3.3 轴类零件的加工工艺分析 1.加工顺序的安排和工序的确定 具有空心和内锥特点的轴类零件，在考虑支承轴颈、一般轴颈和内锥等主要表面的加工顺序时，可有以下几种方案（深孔应在粗车外圆后就进行加工）。 ①外表面粗加工——钻深孔——外表面精加工—— 锥孔粗加工——锥孔精加工。 ②外表面粗加工——钻深孔——锥孔表面粗加工—— 锥孔表面精加工——外表面精加工。 ③外表面粗加工——钻深孔——锥孔粗加工—— 外表面精加工——锥孔精加工。

9. 讲 授 新 课 如图2-16所示，针对CA6140型车床主轴的加工顺序来说，可作这样的分析比较。 图2-16 CA6140型车床主轴简图

10. 讲 授 新 课 ★ 第一方案：在锥孔粗加工时，由于要用已精加工过的外圆表面作精基准面，会破坏外圆表面质量，所以此方案不宜采用。 ★ 第二方案：在精加工外圆表面时，还要再插上锥堵，这样会破坏锥孔精度。另外，在加工锥孔时不可避免的会有加工误差（锥孔的磨削条件比外圆磨削条件差），加上锥堵本身的误差等就会造成外圆表面和内锥面的同轴度误差的增大，故此方案也不宜采用。 ★ 第三方案：在锥孔精加工时，虽然也要用已精加工过的外圆表面作为精基准面，但由于锥面精加工的加工余量已很小，磨削力不大；同时锥孔的精加工已处于轴加工的最终阶段，对外圆表面的精度影响不大；加上这一方案的加工顺序，可以采用外圆表面和锥孔互为基准，交替使用，能逐步提高同轴度。 经过这一比较可知，像CA6140型车床主轴一类的轴件加工顺序，以第三方案为佳。

11. 2. 大批量生产和小批量生产工艺过程的比较 如表2-4所示是大批量生产时加工CA6140型车床主轴的工艺过程，但对于小批量生产大体上也是适应的区别较大的地方一般在于定位基准面、加工方法以及加工装备的选择。 表2-4 不同生产类型的主轴加工基准面的选择

12. 在大批量生产时，主轴的工艺过程基本体现了基准重合、基准统一与互为基准的原则，而在单件小批量生产时，按具体情况有较多的变化。同样一种类型主轴的加工，当生产类型不同时，定位基准面的选择也会不一样，如表2-3所示可供参考。在大批量生产时，主轴的工艺过程基本体现了基准重合、基准统一与互为基准的原则，而在单件小批量生产时，按具体情况有较多的变化。同样一种类型主轴的加工，当生产类型不同时，定位基准面的选择也会不一样，如表2-3所示可供参考。 轴端两中心孔的加工，在单件小批量生产时，一般在机床上通过画线找正中心，并经两次安装才加工出来，不但生产效率低，而且精度也低。在成批生产时，可在中心孔钻床上，一次安装加工出两个端面上的中心孔，生产效率高，加工精度也高。若采用专用机床（如双面铣床）加工，则能在同一工序中铣出两端面并钻好中心孔，更可应用于大批量生产中。

13. 外圆表面的车削加工，在单件小批量生产时，一般在普通机床上进行；而在大批生产时，则广泛采用高生产率的多刀半自动车床或液压仿形车床等设备，其加工生产率高，但加工精度则要取决于调整精度（指多刀半自动车床）或机床本身的精度（如液压仿形车床时，主要取决于液压仿形系统的精度及靠模的精度）。大批量的生产通常都组成专用生产线（用专用车床或组合车床组成流水线或自动线）。外圆表面的车削加工，在单件小批量生产时，一般在普通机床上进行；而在大批生产时，则广泛采用高生产率的多刀半自动车床或液压仿形车床等设备，其加工生产率高，但加工精度则要取决于调整精度（指多刀半自动车床）或机床本身的精度（如液压仿形车床时，主要取决于液压仿形系统的精度及靠模的精度）。大批量的生产通常都组成专用生产线（用专用车床或组合车床组成流水线或自动线）。 深孔加工，在单件小批量生产时，通常在机床上用麻花钻头进行加工，当砖头长度不够时，可用焊接的办法把钻头柄接长。为了防止引偏（钻歪），可以用几个不同长度的钻头分几次钻，先用短的后用长的。有时也可以从轴的两端分别钻孔，以减短钻孔深度，但在孔的结合部会产生台阶。在大批量生产中，可采用锻造的无缝钢管作为毛坯，从根本上免去了深孔加工工序；若是实心毛坯，可用深孔钻头在深孔钻床上进行加工；如果孔径较大，还可采用套料的先进工艺，不仅生产率高，还能节约大量金属材料。

14. 花键轴加工，在单件小批量生产时，常在卧式铣床上用分度头以圆盘铣刀铣削；而在成批生产（甚至小批生产）时，都广泛采用花键滚刀在专用花键铣床上加工。花键轴加工，在单件小批量生产时，常在卧式铣床上用分度头以圆盘铣刀铣削；而在成批生产（甚至小批生产）时，都广泛采用花键滚刀在专用花键铣床上加工。 前后支承轴颈以及与其有较严格的位置精度要求的表面精加工，在单件小批生产时，一般在普通外圆磨床上加工；而在成批大量生产中则采用高效的组合磨床加工。

15. 3.锥堵和锥堵心轴的作用 对于空心轴类零件，在深孔加工后，为了尽可能使各工序定位基准面统一，一般都采用锥堵和锥堵心轴的中心孔作为定位基准。 当主轴锥孔的锥度比较小时，例如，CA6140型车床主轴的锥孔分别为1:20和莫氏6号时就常用锥堵，如图2-17所示。 图2-17 锥堵

16. 当锥堵较大时，例如X6132型卧式铣主轴锥孔是7:24，常用带锥堵的拉杆心轴，如图2-18所示。当锥堵较大时，例如X6132型卧式铣主轴锥孔是7:24，常用带锥堵的拉杆心轴，如图2-18所示。 图2-18 带有锥堵的拉杆心轴

17. 2.3.3轴类零件的数控车削加工工艺分析案例 【案例2.1】如图2-19所示的典型轴类零件，毛坯直径 φ32mm×110mm。材料45钢。 未标注处倒角：1×45°，棱边倒钝0.2×45°，要求 在数控车床上完成加工，小批量生产。 图2-19 典型轴类零件

18. 零件图工艺分析 • 该零件表面由圆柱、圆锥、顺圆弧、逆圆弧及螺纹等表面组成。其中多个直径尺寸有较严的尺寸精度和表面粗糙度等要求；球面Sφ28㎜的尺寸公差还兼有控制该球面形状（线轮廓）误差的作用。尺寸标注完整，轮廓描述清楚。零件材料为45 钢，无热处理和硬度要求。 通过上述分析，可采用以下几点工艺措施。 • ① 对图样上给定的几个精度要求较高的尺寸，因其公差数值较 • 小，故编程时不必取平均值，而全部取其基本尺寸即可。 • ② 在轮廓曲线上，有三处为圆弧，其中两处为既过象限又改变 • 进给方向的轮廓曲线，因此在加工时应进行机械间隙补偿， • 以保证轮廓曲线的准确性。 • ③ 为便于装夹，坯件左端应预先车出夹持部分，右端面也应 • 先粗车出并钻好中心孔。毛坯选φ32㎜棒料。

19. （2）确定装夹方案 确定坯料轴线和左端大端面（设计基准）为定位基准。 左端采用三爪自定心卡盘定心夹紧，右端采用活动顶尖支承的装夹方式。

20. （3）确定加工顺序及进给路线 按由粗到精、由近到远（由右到左）的原则确定。即先从右到左进行粗车（留0.4㎜精车余量），换精车刀，然后从右到左进行精车；换切槽刀，采用车槽循环或端面车削方式粗、精加工普通螺纹大径，车削螺纹退刀槽，换螺纹刀，最后车削螺纹，切断工件。 数控车床具有粗、精车外圆循环和车螺纹循环功能，只要正确使用编程指令，机床数控系统就会自行确定其进给路线。

21. （4）刀具选择 ① 选用φ4㎜中心钻钻削中心孔。 ② 粗车外轮廓及平端面选用90°硬质合金右偏刀，为防止 副后刀面与工件轮廓干涉（可用作图法检验），副偏角 不宜太小，选刀尖角为35°或55°、刀尖圆弧半径 r＝0.2mm的外圆车刀。 ③ 精车外轮廓选用刀尖角为35°、刀尖圆弧半径r＝0.2mm 的涂层刀或硬质合金刀 ④ 切削工件左边螺纹外径和退刀槽时采用车槽刀。 ⑤ 粗车外螺纹选用硬质合金60°外螺纹车刀，刀尖圆弧 半径应小于轮廓最小圆角半径，取r＝0.15～0.2㎜。

22. 将所选定的刀具参数填入如表2-5所示的数控加工刀具卡片中，以便于编程和操作管理。 表2-5 案例2.1中的数控加工刀具卡

23. （5）切削用量选择 ① 背吃刀量的选择 轮廓粗车循环时选 =2 ㎜， 精车 =0.25㎜； 螺纹车循环时选用 = 0.4 ㎜，精车 =0.1㎜。 ② 主轴转速的选择车直线和圆弧时，查表选用 粗车切削速度 =90m/min、精车切削速度 =120m/min。 然后利用公式计算主轴转速（粗车工件直径D=60 ㎜，精车工件直径取平均值）：粗车500r/min、精车1200 r/min。 车螺纹时，主轴转速n =320 r/min. ③ 进给速度的选择 先查表2-3选择： 粗车、精车每转进给量分别为0.4mm/r和0.15mm/r， 粗车、精车进给速度分别为180 ㎜ /min和120 ㎜/min。

24. 45 如表2-6所示，为编制加工程序的主要依据和操作人员配合数控程序进行数控加工的指导性文件。主要内容包括：工步顺序、工步内容、各工步所用的刀具及切削用量等。

25. 表2-6 案例2.1工序和操作清单 45

26. 任 务 总 结 2.3 轴类零件的数控车削加工工艺分析 2.3.1 零件的结构特点和技术要求 1．加工精度 （1）尺寸精度 （2）形状精度 （3）位置精度 2．表面粗糙度 2.3.2轴类零件的材料、毛坯及热处理

27. 任 务 总 结 • 2.3.3 轴类零件的加工工艺分析 • 1.加工顺序的安排和工序的确定 • 2. 大批量生产和小批量生产工艺过程的比较 • 3.锥堵和锥堵心轴的作用 • 2.3.4轴类零件的数控车削加工工艺分析案例 • （1）零件图工艺分析 • （2）确定装夹方案 • （3）确定加工顺序及进给路线 • （4）刀具选择 • （5）切削用量选择

28. 布 置 作 业 自主完成教材P35习题2中的： 16．数控加工中大批量生产、小批量生产、单件加工在加工 工艺安排上有何不同？ Z zz zzz！！ 又要做作业！！

29. 谢 谢 ！ 机电与数控教研室 赵峥嵘