数控加工工艺、编程与操作03项目三--阶梯轴加工

项目三：阶梯轴加工3.1导入项目图3-1所示为一滑轮轴零件图，属阶梯轴零件。已知其材料为45热轧圆钢，毛坯为φ35×72mm棒料。要求制定零件的加工工艺，编写零件的数控加工程序，并通过数控仿真加工调试、优化程序。图3-1滑轮轴零件图图3-2轴的结构3.2知识学习3.2.1阶梯轴加工工艺特点1.阶梯轴的结构工艺特点轴零件的类型很多，常见轴的结构形状如图3-2所示。轴类零件可由车床加工成型的的表面形状有：外圆柱面、内孔、圆锥面、螺纹面、圆弧面等，如图3-3所示。图3-3轴类零件表面形状3.2知识学习2.阶梯轴加工阶段的划分和加工顺序的安排一般把加工阶段划分为毛坯处理、粗加工、半精加工、精加工四个阶段。⑴毛坯处理毛坯备料、锻造和正火⑵粗加工阶段粗加工：锯去多余部分，车端面、钻中心孔和荒车外圆等。⑶半精加工阶段半精加工前热处理：对于45钢一般采用调质处理以达到220～240HBS；半精加工：半精车外圆、端面和钻、车内孔，车工艺锥面(定位锥孔)等。⑷精加工阶段对于轴表面硬度要求不高，精车就可满足要求的阶梯轴，可直接精车；对于轴表面硬度、精度和粗糙度要求较高的轴或轴段，要做磨削加工。零件加工用的粗、精基准选定后，总是先加工定位基准面，为后面的工序做好准备。3.2知识学习3.阶梯轴零件加工的刀具选择阶梯轴零件的数控车削主要有车外圆、端面、沟槽和切断。常用的刀具有外圆车刀和外圆切刀，如图3-4所示。⑴外圆车刀的选择粗车削加工阶段应选强度大、排屑好的车刀。一般应选主偏角90°、93°、95°，副偏角较小，前角和后角较小，刃倾角较小，排屑槽排屑顺畅的车刀。精车加工阶段应选用刀刃锋利、带有修光刃的车刀，并且排屑槽必须使切屑排向工件待加工表面方向。一般应选择主偏角95°、107°、117°，副偏角较小，前角和后角较大，刃倾角较大的车刀。⑵切断刀的选择根据所切槽宽选择切断刀的宽度；切削刃长度要大于槽深。⑶切刀的装夹①切刀伸出刀架不宜过长，刀头中心线必须装得与工件轴线垂直。②切断实心工件时，切刀刀尖必须装得与工件轴线等高。3.2知识学习4.阶梯轴的车削走刀路线阶梯轴的车削方法分低台阶车削和高台阶车削两种方法。⑴低台阶车削相邻两圆柱体直径差较小，可用车刀一次切出。加工路线为A→B→C→D→E。如图3-5a所示。(2)高台阶车削相邻两圆柱体直径差较大，采用分层切削，粗加工路线依次为A1→B1、A2→B2、A3→B3精加工路线为A→B→C→D→E。如图3-5b所示。(b)高台阶车削法(a)低台阶车削法图3-5阶梯轴车削方法3.2知识学习3.2.2数控系统功能指令不同的数控系统，其指令的功能不同，编程时需要参考机床制造厂的编程说明书。本书介绍FANUC0iMateTC系统的编程指令。1.准备功能(G指令)⑴指令功能与格式准备功能是使机床或数控系统建立起某种加工方式的指令。G代码由地址G和后面的两位数字组成。其G指令见表3-1。⑵指令使用说明①FANUC0iMate-TC系统G代码有A、B、C三种类型代码，表3-1中为A类型代码。②G代码按其功能的不同分为若干组。不同组的G代码在同一个程序段中可以出现多个。③G代码有两类：模态式G代码和非模态式G代码。非模态式G代码只限于在被指定的程序段中有效，而模态式G代码具有续效性，在后续程序段中，只要同组其他G代码未出现之前一直有效。00组的G代码为非模态，其他均为模态G代码。3.2知识学习2．辅助功能(M功能)辅助功能是用地址M及两位数字表示的。它主要用来表示机床操作时各种辅助动作及其状态。辅助功能代码及其功能见表3-2。3．主轴功能(S功能)主轴功能用于指定机床主轴的转速大小，用地址S和其后的数字组成。其后数值表示主轴转速值。S功能与G96、G97和G50配合使用，可以进行恒线速度控制、恒线速取消和主轴最高速度限定控制。图3-6恒线速度切削Ф40Ф60Ф80⑴恒线速度控制(G96)编程格式：G96S_S后面的数字表示的是恒定的线速度(m/min)。如图3-6所示，用G96S150指令加工Ф80、Ф60、Ф40三段不同轴颈时，其切削点线速度为150m/min，而主轴转速分别为：n=597r/min；n=795r/min；n=1193r/min。⑵恒线速取消(G97)编程格式：G97S_S后面的数值表示恒线速度控制取消后的主轴每分钟的转数（单位为r/min）。3.2知识学习⑶主轴最高速度限定(G50)。编程格式：G50S_指令功能是用S指定的数值设定主轴的最高转速。如G50S2000表示最高转速限定为2000r/min。4.进给功能(F功能)进给功能用于指定刀具中心运动时的进给速度，用地址F和其后的数字组成。⑴每转进给量(G99)编程格式：G99F_进给量的单位为mm/r。如:G99F0.2，表示进给量为0.2mm/r。⑵每分钟进给量(G98)编程格式：G98F_进给量的单位为mm/min。如：G98F200表示进给量为200mm/min。⑶指令使用说明①编写程序时，第一次编写直线(G01)或圆弧(G02/G03)插补指令时，必须编写F指令，否则，CNC采用F0。②G98、G99均为模态指令，实际切削进给的速度可由操作面板上的进给倍率修调旋钮在0%～150%之间来调节，但螺纹切削时无效。3.2知识学习5．刀具功能(T功能)刀具功能用于指定加工所用刀具和刀具补偿号，用地址T和其后的两位数字或四位数字组成。⑴编程格式T_⑵指令使用说明T后面是两位数的，表示所选刀具号码；T后面是4位数字的，前两位是刀具号，后两位是刀具补偿号。例如，T0202表示选用2号刀及2号刀具长度补偿和刀尖圆弧半径补偿号。T0200表示取消刀具补偿。3.2知识学习3.2.3轴类零件加工基本编程指令1.工件坐标系设定指令(G50)该指令的功能是规定刀具起刀点至工件原点的距离。⑴编程格式G50X_Z_；式中：X、Z——起刀点刀尖(刀位点)相对于加工原点的位置。在数控车床编程时，所有X坐标值均使用直径值，例如图3-7所示，A的值为100，B的值为80，设置工件坐标系的程序段如下：G50X100.0Z80.0；执行该程序段后，系统内部即对(X100.0Z80.0)进行记忆，并显示在显示器上，这就相当于在系统内部建立了一个以工件原点为坐标原点的工件坐标系。⑵指令使用说明在执行程序段G50X_Z_前，必须先对刀，通过调整，将刀尖放在程序所要求的起刀点位置上。图3-7坐标系设定指令G50XФAZBO3.2知识学习2．公制/英制变换(G21、G20)该指令的功能是指定坐标尺寸的制式。G20指令坐标尺寸以英制输入；G21指令坐标尺寸以公制输入。⑴编程格式G20/G21⑵指令使用说明①必须在程序的开头一个独立的程序段指定G20或G21，然后才能输入坐标尺寸。②当系统通电后，NC保留前次关机时的G20或G21；程序中间G20和G21不能转换；G20和G21相互转换时，偏移量相应转换。③FANUC系统需使用小数点输人数字，用于输入十进制的距离、速度、角度或时间。例如：Z15.0表示Z向15mm或Z向15英寸；G98F10.0表示速度为10mm/min或10英寸/min；G04X1.0表示暂停1.0s。3.快速点位运动指令(G00)该指令的功能是控制刀具以点位控制方式，从刀具当前点快速移动到目标点。⑴编程格式G00X(U)_Z(W)_；式中：X(U)、Z(W)——刀具移动目标点坐标。X、Z为绝对坐标，U、W为增量坐标。如图3-8所示，刀具从A点快速移动到B点，绝对坐标编程格式为：G00X6.0Z6.0；增量坐标编程格式为：G00U4.0W4.0；3.2知识学习图3-8刀具由A点移动到B点zxABO6213⑵指令使用说明①使用G00指令时，刀具的实际运动路线因机床的数控系统而异，不一定是直线，有可能是折线。使用时，要了解具体的数控系统，要注意刀具是否与工件和夹具发生干涉。对不适合联动的场合，可逐轴单动。②使用G00指令时，其移动速度由机床参数来设定的，与F指令无关。3.2知识学习4．直线插补指令(G01)功能是使刀具以指定进给速度F，从当前点以直线插补方式移动到目标点。⑴编程格式G01X(U)_Z(W)_F_；⑵指令使用说明进给速度由F指令决定,F指令是模态指令。⑶应用举例刀具运动轨迹如图3-9所示，选右端面回转中心O为编程原点。绝对值编程：…N10G00X50.0Z5.0S800T0101M03；(P0→P1)N20G01Z-40.0F0.3；(P1→P2)N30X80.0Z-60.0；(P2→P3)N40G00X200.0Z100.0；(P3→P0)…增量值编程：…N10G00U-150.0W-95.0S800T0101M03；(P0→P1)N20G01W-45.0F0.3；(P1→P2)N30U30.0W-20.0；(P2→P3)N40G00U120.0W160.0；(P3→P0)…图3-9直线插补指令G01举例3.2知识学习5.暂停指令（G04）指令的功能是使刀具做短时间的停顿。其应用于车削沟槽或钻孔时，为提高槽底或孔底的表面加工质量及有利于切屑充分排出，在加工到孔底或槽底时，暂停适当时间。⑴编程格式G04X(P)_⑵指令使用说明地址码X或P为暂停时间。其中：X后面可用带小数点的数，单位为s,如G04X5.0表示前面的程序执行完后，要经过5s的暂停；地址P后面不允许用小数点，单位为ms。如G04P1000表示暂停1s。3.2知识学习6.外径/内径单一固定循环指令（G90）单一固定循环可以将加工的一系列连续动作：切入-切削-退刀-返回，用一个循环指令完成。圆柱加工如图3-10a所示，圆锥面加工如图3-10b所示。(a)圆柱面单一固定循环(b)圆锥面单一固定循环图3-10单一固定循环指令（G90）⑴编程格式①圆柱面切削循环：G90X(U)_Z(W)_F_；②圆锥面切削循环：G90X(U)_Z(W)_R_F_；式中：X(U)、Z(W)——循环切削终点坐标：X、Z——每次循环切削终点（图3-10中C点）的绝对坐标值；U、W——每次循环切削终点相对于循环起点（图3-10中A点）的增量坐标值。R——圆锥面切削的起点（如图3-10中B点）相对于终点的半径差。3.2知识学习图3-11单一循环指令（G90）应用XФ4525OФ50Ф40X55.0Z2.0ZXФ4525OФ50Ф40ZФ20X55.0Z2.0(a)圆柱面(b)圆锥面⑵应用举例应用G90指令编写图3-11所示的零件加工程序。①圆柱面加工（绝对值编程）T0101;M03S1000;G00X55.0Z2.0;G90X45.0Z-25.0F0.4;X40.0;G00X100.0;Z100.0;M30;②圆锥面加工（增量值编程）T0101;M03S1000;G00X55.0Z2.0;G90U-10.0W-27.0R-10.0F0.4;U-15.0;G00X100.0;Z100.0;M30;注意：G90和尺寸代码都是模态代码。3.3项目实施3.3.1工艺分析1.零件图分析如图3-1所示阶梯轴，该零件结构简单，有3个左右对称的台阶面，尺寸精度要求都较高，φ24mm外圆有圆跳动公差要求，且φ24mm表面粗糙度要求较高Ra1.6，其余Ra3.2。轴向尺寸中需要控制总长70。2．装夹方案为保证φ30mm大外圆的圆跳动公差，选用两顶尖装夹，以轴心线定位，在保证形位公差的前提下加工此工件。选取工件右端面中心为工件坐标系原点。3．确定加工顺序及走刀路线工序一：在普车上车两端面并打好中心孔。工序二：两顶尖装夹，车削右轮廓至尺寸要求。工步一：粗φ30及右端φ20mm、φ24mm圆柱面。工步二：车右端宽2mm的沟槽。工步三：精车φ30及右端φ20mm、φ24mm圆柱面至尺寸要求，倒角。工序三：反头，两顶尖装夹，车削左轮廓至尺寸要求。工步一：粗车左端φ20mm、φ24mm圆柱面。工步二：车左端宽2mm的沟槽。工步三：精车左端φ20mm、φ24mm圆柱面至尺寸要求，倒角。3.3项目实施4．刀具与工艺参数⑴确定刀具车外圆选用93°外圆车刀（装刀架1号