项目二阶台轴的工艺设计、编程与加工

项目二阶台轴的工艺设计、编程与加工项目导入2.1相关知识2.2项目实施2.32.1项目导入图2-1阶台轴图2-1所示为阶台轴，已知材料为45#热轧圆钢，毛坯为38×125mm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，最后进行零件的加工检验。2.2相关知识2.2.1阶台轴车削工艺2.2.2数控车床的编程特点2.2.3数控系统功能2.2.4轴类零件加工编程基本指令2.2.5轴类零件加工编程单一循环指令2.2.6轴类零件编程实例2.2.1阶台轴车削工艺1．轴类零件的结构工艺特点图2-2轴的种类2．轴类零件加工的主要问题轴类零件的加工工艺因其用途、结构形状、技术要求、产量大小的不同而存在差异，而轴的工艺规程的编制是生产中经常遇到的工作。轴类零件加工的主要问题是如何保证各加工表面的尺寸精度、表面粗糙度和主要表面之间的相互位置精度。轴类零件加工的典型工艺路线如下：毛坯及其热处理→预加工→车削外圆→铣键槽等→热处理→磨削。3．主要技术要求（1）尺寸精度。（2）几何形状精度。①位置精度。②表面粗糙度。4．定位基准的选择对实心的轴类零件，精基准面就是顶尖孔，满足基准重合和基准统一，而对于空心主轴，除顶尖孔外还有轴颈外圆表面并且两者交替使用，互为基准。5．加工阶段的划分轴类零件加工过程中的各加工工序和热处理工序均会不同程度地产生加工误差和应力，因此要划分加工阶段。轴类零件的加工基本上划分为下列3个阶段。（1）粗加工阶段毛坯处理：毛坯备料、锻造和正火；粗加工：锯去多余部分，车端面、钻中心孔和荒车外圆等。（2）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：车工艺锥面（定位锥孔），半精车外圆端面和钻深孔等。（3）精加工阶段精加工前热处理：局部高频淬火；精加工前各种加工：粗磨定位锥面、粗磨外圆、铣键槽和花键槽，以及车螺纹等；精加工：精磨外圆和内外锥面以保证轴最重要表面的精度。6．加工顺序的安排和工序的确定轴类零件各表面先后加工顺序，在很大程度上与定位基准的转换有关。当零件加工用的粗、精基准选定后，加工顺序就大致可以确定了。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面的工序准备好所用的定位基准。7．轴类零件的装夹与定位方法轴类零件常用的装夹方法如下。（1）在三爪卡盘自定心卡盘上装夹。（2）在两顶尖之间装夹。（3）用一夹一顶方式装夹。（4）用三爪自动夹紧拨盘装夹工件。8．轴类零件加工的刀具选择轴类零件数控车削的表面主要有外圆、端面以及沟槽和切断。轴类零件数控车削常用的刀具有外圆车刀和外圆切刀，如图2-4所示。（a）车削外圆（b）车削端面（c）切槽和切断图2-4轴类零件车削（1）外圆车刀的选择轴类零件数控车削一般要分粗、精加工阶段来完成，而各加工阶段对刀具的要求是不同的。轴类零件数控加工常用外圆机夹可转位车刀。（2）车刀的装夹注意事项①数控车刀的装夹首要原则是在不干涉前提下，尽可能短的刀杆悬伸，一般以不超过刀柄厚度的1.5倍为宜。②数控车床和数控车刀制造时对中心高的要求很高，一般车刀装夹时不需要垫刀片，应该能保证中心高。装夹时注意保证刀杆底面及侧面与刀座的定位面要贴合。③压紧（锁紧）及螺钉拧紧时不要用增力工具（如管子、活扳手）等，螺钉上应使用高温涂料。（3）切断刀的选择切断刀的几何形状和角度如图2-5所示。图2-5切断刀的几何形状和角度（4）切刀的装夹切刀装夹时应注意如下两点。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，以保证两副偏角相等、主切削刃与工件轴线平行。②切断实心工件时，切刀刀尖必须装得与工件轴线等高。9．轴类零件切削用量的选择数控车削加工中的切削用量包括背吃刀量ap、主轴转速s或切削速度v、进给速度或进给量f。这些参数均应在数控车床给定的允许范围内选取。切削用量的具体数值应根据所选择的机床性能、相关手册并结合实际经验确定。10．阶台轴的车削走刀路线阶台轴的车削方法分低台阶车削和高台阶车削两种方法，如图2-6所示。图2-6阶台轴车削方法11．轴类工件的测量阶台轴检验时的常用测量工具有游标卡尺（见图2-7）和外径千分尺（见图2-8）。图2-7游标卡尺1—下量爪2—内量爪3—尺身4—螺钉5—游标6—深度尺图2-8外径千分尺1—尺架2—固定量杆3—测微螺杆4—锁紧装置5—测力装置6—微分筒2.2.2数控车床的编程特点1．直径编程方式在车削加工的数控程序中，X轴的坐标值一般采用直径编程。因为被加工零件的径向尺寸在测量和图样上标注时，一般用直径值表示，采用直径尺寸编程与零件图样中的尺寸标注一致，这样可避免尺寸换算过程中可能造成的错误，给编程带来很大方便。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，为简化编程，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．进刀和退刀方式切削起点的确定与工件毛坯余量大小有关，以刀具快速走到该点时刀尖不与工件发生碰撞为原则。如图2-9所示。图2-9切削起始点的确定2.2.3数控系统的功能1．准备功能G指令准备功能也叫G功能或G代码。它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，从G00～G99共100种。G指令主要用于规定刀具和工件的相对运动轨迹（即插补功能）、机床坐标系、坐标平面、刀具补偿等多种加工操作。不同的数控系统，G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。2．辅助功能（M功能）辅助功能也叫M功能或M代码。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。3．主轴功能（S功能）（1）恒线速取消（G97）。编程格式：G97S＿G97是取消恒线速度控制的指令。（2）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：单位为m/min。G96是恒线速度控制的指令。（3）主轴最高速度限定（G50）。编程格式：G50S＿G50除有坐标系设定功能外，还有主轴最高转速设定功能，即用S指定的数值设定主轴每分钟的最高转速。4．F功能（进给功能）（1）每转进给量（G99）。编程格式G99F＿F后面的数值表示主轴每转刀具的进给量，单位为mm/r。如：G99F0.2，表示进给量为0.2mm/r。（2）每分钟进给量（G98）。编程格式G98F＿F后面的数值表示刀具每分钟的进给量，单位为mm/min。如：G98F200表示进给量为200mm/min。5．刀具功能T编程格式：T＿T功能指令用于指定加工所用刀具和刀具参数。T后面通常有两位数表示所选择的刀具号码。2.2.4轴类零件加工编程基本指令1．工件坐标系设定指令G50编程格式：G50X＿Z＿；该指令是规定刀具起刀点（或换刀点）至工件原点的距离。坐标值X、Z为起刀点刀尖（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2-11所示，设置工件坐标系的程序段如下：G50X128.7Z375.1;执行该程序段后，系统内部即对（X128.7Z375.1）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。图2-11坐标系设定指令G502．公制/英制变换（G21、G20）G20指令坐标尺寸以英制输入。G21指令坐标尺寸以公制输入。3．快速点位运动指令G00功能：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，其移动速度由机床参数来设定。编程格式：G00X（U）＿Z（W）＿；式中：X、Z为刀具移动的目标点坐标。X、Z为绝对坐标，U、W为相对坐标。4．直线插补指令G01G01X（U）＿Z（W）＿F＿；功能：使刀具以指定进给速度F，从当前点出发以直线插补方式移动到目标点。应用于端面、内外圆柱和圆锥面的加工。应用举例如下。例：（见图2-13，选右端面回转中心O为编程原点）图2-13直线插补指令G01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；N20G01W-45.0F100；N30U30.0W-20.0；N40G00U120.0W160.0；…5．暂停指令G04编程格式：G04X（P）＿；功能及应用：该指令可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铁屑充分排出，在加工到孔底或槽底时，暂停适当时间。例：如图2-14所示，为利用暂停指令G04进行切槽加工的实例。对槽的外圆柱面粗糙度有要求，编写加工程序如下。图2-14暂停指令应用…N060G00X1.6；快速到①N070G01X0.75F0.05；以进给速度切削到②N080G04X0.24；暂停0.24sN090G00X1.6；快速到①…2.2.5轴类零件加工编程单一循环指令单一固定循环可以将一系列连续加工动作，如“切入—切削—退刀—返回”，用一个循环指令完成，从而简化程序。圆柱面或圆锥面切削循环是一种单一固定循环，圆柱面单一固定循环如图2-15所示，圆锥面单一固定循环如图2-16所示。图2-15圆柱面切削循环图2-16圆锥面切削循环①圆柱面切削循环。编程格式：G90X（U）＿Z（W）＿F＿；②圆锥面切削循环。编程格式：G90X（U）＿Z（W）＿R＿F＿；程序中：X、Z—圆柱面切削的终点坐标值；U、W—圆柱面切削的终点相对于循环起点的增量坐标。R—圆锥面切削的起点相对于终点的半径差。如果切削起点的X向坐标小于终点的X向坐标，R值为负，反之为正。应用举例：应用G90切削循环功能编写图2-17所示零件的加工程序。具体加工程序如下：图2-17G90指令的应用O0010N10T0101；N20M03S1000；N30G00X55.0Z5.0M08；（刀具定位到循环起点）N40G01G96F2.5S150；N50G90X45.0Z-25.0F0.2；N60X40.0；N70X35.0；N80G00X200.0Z200.0；N90M30；2.2.6轴类零件编程实例例2-1：零件图如图2-18所示，毛坯为40的棒料，要求采用G90指令编写加工程序。图2-18G90指令的应用示例图2-18G90指令的应用示例1．确定加工方案①粗车38、32外圆，留余量0.5mm。②从右至左精加工个面。③切断。2．确定刀具①90°外圆车刀T0101：用于粗、精车外圆。②切槽刀（3mm宽）T0202：用于切断。3．编程编程原点设在零件的右端面，程序见表2-3。表2-3程序清单程序说明O0001G97G99；T0101；S500M03；G00X45.0Z0；G01X0F0.2；G01X45.0；G00X41.0Z10；G90X38.5Z-33.0；X35.0Z-14.5;X32.5;G00X32.0Z1.0;M03S1000;G01X32.0Z-15.0F0.1;Z-4.0;X32.0;Z-19.0;X36.0;X38.0W-1.0;Z-33.0;X45.0;G00X100.0Z100.0;M03S400;T0202;G00X42.0Z-33.0M08;G01X1.0F0.05;X45.0M09;G00X100.0Z100.0M05;M30;程序名设定主轴转速为r/min，进给率为mm/r换1号刀主轴正转，转速为500r/min刀具快速定位车端面退刀刀具快速定位粗车外圆至38.5，长度为33mm粗车外圆至35，长度为14.5mm粗车外圆至32.5，长度为18.5mm刀具快速定位，准备进行精车主轴