项目二 阶梯轴的工艺设计、编程与加工

教学内容项目导入1相关知识2项目实施3小结4重点：阶梯轴类零件的工艺性分析1数控系统指令G、S、T、F、M的掌握2难点：轴类零件合理的加工工艺的编写1轴类零件加工刀具及相应参数的选择3工艺参数及切削用刀具的正确选择31.掌握阶梯轴类零件的工艺性能及结构特点，能正确的分析并制定阶梯轴类零件的加工工艺2.掌握FANUC数控系统的G00/G01/G90/G94/S/T/F/M等指令的编程格式及应用时需注意的事项，能较合理的编写阶梯轴类零件的加工程序。3.掌握外圆车刀、切槽（断）刀的选用【知识目标】1．正确的选择设备、刀具、夹具、切削用量，合理分析阶梯轴类零件的结构特点、工艺性能及特殊加工要求，编制数控加工工艺卡2．使用数控系统的基本指令正确编制阶梯轴类零件的数控加工程序3．运用数控系统仿真软件，校验编写的零件数控加工程序，并虚拟加工零件【能力目标】一、项目导入已知材料为45#热轧钢，毛坯为Φ42×110mm棒料。要求制定零件的加工工艺，编写零件的数控加工程序。未注倒角1×45°二、相关知识（一）阶梯轴的车削加工工艺1．轴类零件的结构工艺特点功用：光滑轴、阶梯轴、空心轴、异形轴分类：内外圆柱面、内外圆锥面以及螺纹、花键、键槽、横向孔、沟槽等表面特点：支撑传动零件（齿轮、皮带轮等）；传递扭矩、承受载荷；2．轴类零件的主要技术要求加工精度技术要求表面粗糙度尺寸精度几何形状精度相互位置精度普精0.01～0.03mm高精0.001～0.005mm支颈Ra0.63～0.16μm配颈Ra2.5～0.63μm3．轴类零件的材料和毛坯材料材料与毛坯毛坯一般：45钢中等精度、较高转速：40cr较高精度：GCr15、65Mn高速、重载：20GrMnTi、20Mn2B、20Cr38CrMnAlA氮化钢棒料锻件铸件4．轴类零件加工的主要问题（1）锥堵和锥堵心轴的使用空心轴类零件，加工完深孔后，为了尽可能使各工序的定位基准统一，一般采用锥堵或锥堵心轴的顶尖孔作为定位基准。锥堵带锥堵的拉杆心轴轴件锥孔大锥度轴件锥孔小锥度两端顶尖孔（或两端孔口60°倒角）的质量好坏，对加工精度影响很大，应尽量做到两端顶尖孔轴线相互重合，孔的锥角要准确，它与顶尖的接触面积要大，粗糙度值小。顶尖孔在使用过程中的磨损及热处理后产生的变形都会影响加工精度。因此，在热处理之后，磨削加工之前，应安排修研顶尖孔工序，以消除误差。（2）顶尖孔的修磨①深孔加工应安排在调质以后及外圆表面粗车或半精车之后；②深孔加工中，应采用工件旋转，刀具送进的方式；③刀具常采用分屑和断屑措施，切削区利用喷射法进行充分冷却，并使切屑顺利排出。（3）深孔加工深孔：注意事项：零件孔的L/D≥55．定位基准的选择对于精度要求高，变形要求小的细长轴类零件可采用双主轴驱动的数控车床加工。机床两主轴轴线同轴、转动同步，零件两端同时分别由三爪自定心卡盘装夹并带动旋转，这样可减少切削加工时切削力矩引起的工件扭转变形。实心轴：精基准面就是顶尖孔，满足基准重合和基准统一空心轴：顶尖孔轴颈外圆表面两者交替使用，互为基准6．加工阶段的划分3个基本阶段：（1）粗加工阶段毛坯备料、锻造和正火；车端面、钻中心孔和荒车外圆等。（2）半精加阶段预热处理（对于45#钢一般采用调质处理以达到220～240HBS）车工艺锥面（定位锥孔）半精车外圆端面和钻深孔等。（3）精加工阶段最终热处理（局部高频淬火）；完成精加工前各项加工，包括粗磨定位锥面、粗磨外圆、铣键槽和花键，以及车螺纹等；精加工最终表面，精磨外圆和内外锥面以保证轴最重要表面的精度。7．加工顺序的安排和工艺路线的确定（1）加工顺序的安排注意问题：①先大端后小端，保证轴加工刚性；②尽量用中心孔定位，避免用锥堵；空心轴的内孔加工要安排在外轮廓粗加工之后。③精车之后，粗磨之前加工花键和键槽，避免破坏切削面的完成性，既影响质量又易损坏刀具，而且也难以控制键槽的尺寸精度。④因主轴的螺纹对支承轴颈有一定的同轴度要求，故放在淬火之后的精加工阶段进行，以免受半精加工所产生的应力以及热处理变形的影响。⑤主轴系加工要求很高的零件，需安排多次检验工序。检验工序一般安排在各加工阶段前后，以及重要工序前后和花费工时较多的工序前后，总检验则放在最后。（2）加工路线的确定①一般渗碳钢的轴类零件加工工艺路线:备料→（锻造→正火）→打顶尖孔→粗车→半精车、精车→渗碳(或碳氮共渗)→淬火、低温回火→粗磨→次要表面加工→精磨。②一般精度调质钢的轴类零件加工工艺路线:备料→（锻造→正火(退火)）→打顶尖孔→粗车→调质→半精车、精车→表面淬火、回火→粗磨→次要表面加工→精磨。③精密氮化钢轴类零件的加工工艺路线：备料→锻造→正火(退火)→打顶尖孔→粗车→调质→半精车、精车→低温时效→粗磨→氮化处理→次要表面加工→精磨→光磨。④整体淬火轴类零件的加工工艺路线：备料→锻造→正火（退火）→打顶尖孔→粗车→调质→半精车、精车→次要表面加工→整体淬火→粗磨→低温时效→精磨。8．轴类零件的装夹与定位方法①在三爪自定心卡盘上装夹，三爪自定心卡盘是数控车床上最常用的通用夹具，只能用于较短轴的加工。②在两顶尖之间装夹，这种方法安装工件不需找正，每次装夹的精度高，适用于长度尺寸较大或加工工序较多的轴类工件装夹。1.拔盘2、5前顶尖3、7.鸡心夹头4.后顶尖6.卡爪8.工件两顶尖中夹装夹工件③用一夹一顶方式装夹:装夹工件刚性好，轴向定位准确，能承受较大的轴向切削力，比较安全，适用于车削质量较大的工件，一般在卡盘内装一限位支撑或利用工件台阶限位，防止工件由于切削力的作用而产生轴向位移。限位支撑限位工件台阶限位卡盘和顶尖配合夹持工件9．轴类零件加工的刀具选择轴类零件数控车削常用的刀具车端面车外圆切径向外槽切断轴类零件常用刀具（1）外圆车刀的选择粗车:一般应选择主偏角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: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，排屑槽排屑顺畅且要排向工件待加工表面的车刀。较大主偏角的外圆车刀，车外圆时产生的径向力小，不易将轴类零件顶弯，也能用来车削端面。左偏刀右偏刀右偏刀外形90°外圆车刀（2）切断刀的选择切刀的宽度要根据沟槽的宽度来选择；切削刃长度要大于槽深，以防撞刀。切断刀车削时是以横向进给为主，前端的切削刃是主切削刃，两侧的切削刃是副切削刃，一般切断刀的主切削刃较窄，刀头较长，刀头强度比其他车刀差，所以在选择几何参数和切削用量时应特别注意，高速钢切断刀硬质合金切断刀切断刀类型和角度10．轴类零件切削用量的选择pa（1）背吃量留出精加工余量0.1～0.5mm后，尽可能选择较大的背吃量，以减少走刀次数，提高生产效率；cv（2）主轴转速n或切削速度dvnc1000fvf（3）进给速度或进线量fnvff进线量进给量与背吃刀量有着较密切的关系精车：一般取0.1～0.3mm/r切断：一般取0.05～0.2mm/r粗车：一般取0.3～0.8mm/r11．阶梯轴的车削走刀路线（1）小落差阶梯轴车削（2）大落差阶梯轴车削（二）数控车床坐标系及工件坐标系1．数控车床坐标系2．数控车削加工工件坐标系工件坐标系的原点O选在便于测量或对刀的基准位置，一般取在工件右端面或左端面与中心线的交点处。（三）数控车床编程的特点1．直径编程方式B（40，60）A（30，80）直径编程2．绝对坐标与增量坐标FANUC数控系统的数控车床，是用地址符来指令坐标字的输入形式的，在一个程序段中，可以采用绝对值编程或增量值编程，也可以采用混合编程，地址符X、Z表示绝对坐标编程，地址U、W表示增量坐标编程。3．具有固定循环加工功能由于车削加工常用棒料或锻料作为毛坯，加工余量较大，加工时需要多次走刀，为简化程序，数控装置常具备不同形式的固定循环功能，可自动进行多次重复循环切削。4．进刀和退刀方式进刀：采用快速走刀接近工件切削起点附近的某个点，再改用切削进给，以刀具快速走到该点时刀尖不与工件发生碰撞为原则沿轮廓延长线工进退出至工件外侧，再快速退刀。从安全角度考虑，一般先退X轴，后退Z轴。退刀：（四）数控系统功能1.G功能不同的系统各指令功能会有所区别，所以在操作一台新的数控机床前一定要首先阅读机床操作说明书。本书介绍的G指令是Fanuc0i-TC系统常用的G指令。G功能表组群G功能类型G功能B/OABC01★G00★G00★G00快速定位BG01G01G01直线插补BG02G02G02顺时针圆弧插补BG03G03G03逆时针圆弧插补B00G04G04G04暂停BG09G09G09准确定位B06G20G20G70英制O★G21★G21★G71米制OB：基本功能0：选购功能数控车设定——A功能数控镗铣、加工中心——B、C功能G代码的几点说明：1.G功能以组别可区分为二大类：属于“00”组别者，为非续效指令，其余的为续效指令。2.不同级别的G功能可以在同一程序段中使用。但若是同一组别的G功能，在同一程序段中出现两个或以上时，则以最后一个G有效。3.本G功能表中有“★”记号的G代码，是表示数控机床一经开机后或按了Reset键后就设启用的默认状态。2.常用M功能简介M00：程序停止可用NC启动命令（CYCLESTART）使程序继续运行；M01：选择停止M01必须配合执行操作面板上的选择停止功能键OpsStop一起使用，此键“灯亮”执行M01，否则不执行。M03：主轴正转程序执行至M03，主轴即正方向旋转（由主轴向尾座看）；M04：主轴反转程序执行至M04，主轴即反方向旋转（由主轴向尾座看）；M05：主轴停止程序执行至M05，主轴旋转瞬间停止。1.程序结束前；2.若数控车床有主轴高速档（M42）、主轴低速档（M41）指令时，在换档之前，必须使用M05，使主轴停止。3.主轴正、反转之间的转换时，必须使用M05，以免伺服电动机受损。说明：M08：切削液开程序执行至M08，即启动润滑泵，但必须配合执行操作面板上的CLNTauto键，处于“NO”状态。M09：切削液关用于程序执行完毕之前，将润滑泵关闭。M02：程序结束置于程序最后，表示程序执行结束。但程序执行指针不会自动回到程序的开关。M30：程序结束置于程序最后，表示程序执行结束。但程序执行指针会自动回到程序的开关。M98：子程序调用当程序执行M98指令时，控制器即调用M98所指定的子程序出来执行。M99：子程序结束并返回主程序用于子程序最后一个程序段，表示子程序结束，且程序指针跳回主程序中M98的下一程序段继续执行。指令格式：M98P□□□□□□□□调用次数，调用一次可省略子程序号F功能指令用于在程序中控制切削进给量，有两种指令模式：3.进给功能（F功能）编程格式：G99F___；F后面的数字表示主轴每转一转刀具的进给量。单位：mm/r。说明：模态指令，一经指定直到被G98取代，一直有效。系统默认状态，车床上一般常用此种进给量指令方式。G99F0.2表示进给量为：0.2mm/r。例：（1）每转进给模式（G99）编程格式：G98F____；F后面的数字表示刀具每分钟的进给量，单位：mm/min。（2）每分钟进给模式（G98）G98F100表示进给量为：100mm/min。例：模态指令。说明：S功能指令用于控制主轴转速。4.主轴转速功能（S功能）编程格式：S～种类：恒线速控制恒转速控制S后面的数字表示主轴转速，单位：r/min。在具有恒线速功能的机床上，S功能指令可限制主轴最高转速注意：G50S3000；表示主轴最高转速限制：3000r/min。（1）主轴最高转速限制（G50）编程格式：G50S～；例：该指令可防止因主轴转速过高，离心力太大，产生危险及机床寿命。说明：G96S150；表示切削点线速度控制在150m/min。（2）恒线速控制（G96）编程格式：G96S～；S后面的数字表示的是恒定的线速度：m/min例：A：n=1000×150÷(π×40)=1193r/minB：n=1000×150÷(π×60)=795r/minC：n=1000×150