平面凸轮零件的加工工艺和数控编程_毕业论文.doc

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1、摘摘 要要 平面凸轮零件的加工体现在对材料的选择、刀具的选择、工装夹 具、定位元件、基准的选择、定位方式、对刀、工艺路线拟定、程 序的编制、数控车、数控铣等。 着重说明了数控加工工艺设计的主要内容 、数控加工工艺与普通加 工工艺的区别及特点 、数控刀具的要求与特点 、数控刀具的材料 、选择数控刀具时应考虑的因素、工件的安装 、定位误差的概念和 产生的原因 、数控车床的主要加工对象、数控车床的坐标系、零件 图形的数学处理及编程尺寸设定值的确定 、工步顺序的安排 、切 削参数选择 、数控铣床的主要加工对象等。全面审核投入生产制造 中。其中轴的数控加工工艺分析、装夹、基准的选择、工艺路线的 拟定、程

2、序的编制既是重点又是难点。 关键词 刀具，加工工艺，铣床类型，程序编程，夹具，等等。 第 1 页 目录目录 摘 要 1 一、零件图样分析 .3 （一）结构分析.4 （二）选材分析.4 二、工件的装夹 .6 （一）技术要求分析.6 （二）数控铣床夹具.7 （三）通用夹具.8 （四）数控铣削夹具的选用原则.8 （五）工件的装夹方法和装夹方式.9 （六）工件的定位.9 （七）定位基准的选择.11 (八)数控铣刀的选择12 （九）铣刀的直径选择.14 （十）零件图的工艺性分析.15 （十一）零件的结构工艺性分析.18 （十二）工序的划分.20 第 2 页 一、零件图样分析 如图所示 图 1-1 （一）

3、结构分析（一）结构分析 该零件为平面凸轮零件，外型是一个厚度为 19MM，直径为 280 的圆 盘。中间有一个凹槽宽度为 41MM。靠左方向有一个直径为 65 的凸 轮。中间还有一个圆孔直径为 35。因为结构比较简单所以只需要用 数控铣床铣出来就可以在保证它的质量之前。 第 3 页 （二）选材分析（二）选材分析 机械加工的目的是将毛坯加工成符合产品要求的零件。通常，毛坯 需要经过若干工序才能转 化为符合产品要求的零件。一个相同结构相同要求的机器零件，可 以采用几种不同的工艺过 程完成，但其中总有一种工艺过程在某一特定条件下是最经济、最 合理的。 所以此平面凸轮零件应选择最经济，最符合实际条件的

4、材料。因为 凸轮运转速度 比较高所以强度要求高。塑性和韧性要求都比较高。所以我们选择 45 号钢。我们可以分析以下 45 号的性能。45 号钢又名优质碳素钢。 抗拉强度: 600 (MPa) 屈服强度: 355 (MPa) 延 长 率: 16% 断面收缩率: 40% 布氏硬度: 197 材料化学成分组成 元素 比例(%) 碳 C : 0.420.50 铬 Cr ; 0.25 锰 Mn ; 0.500.80 第 4 页 镍 Ni ; 0.25 磷 P ; 0.035 硫 S ; 0.035 硅 Si ; 0.170.37 试样毛坯尺寸/mm300 推荐热处理/|正火: 850 推荐热处理/|淬火

5、: 840 推荐热处理/|回火: 600 力学性能|b/MPa: 600 力学性能|s/MPa: 355 力学性能|5(%): 16 力学性能|(%): 40 力学性能|AKU/J: 39 钢材交货状态硬度 HBS10/3000，|未热处理钢: 229 钢材交货状态硬度 HBS10/3000，|退火钢: 197 特性及应用 未热处理时：HB229 热处理：正火 冲击功：Aku39J 强度较高，塑性和韧性尚好，用于制作承受负荷较大的小截面调质 件和应力较小的大型正火零件，以及对心部强度要求不高的表面淬 火零件，如曲轴、传动轴、齿轮、蜗杆、键、销等。水淬时有形成 第 5 页 裂纹的倾向，形状复杂的

6、零件应在热水或油中淬火。焊 牌号: 45 应用举例: 主要用于制造强度高的运动件，如透平机叶轮、压缩机 活塞。轴、齿轮、齿条、蜗杆等。焊接件注意焊前预热，焊后消除 应力退火。 二、工件的装夹二、工件的装夹 （一）技术要求分析（一）技术要求分析 由零件简图可知，该零件是一个盘型凸轮。它的质量要求是： 第 6 页 （1）：表面间的平行度和垂直度，为了保证配合能够紧密贴和。 所以工件应该装的平稳。 （2）：表面粗糙度和经济等级，一般表面精度为 IT6 以上。表 面粗糙度0.1 高精度的表面。 （3）：孔和槽的精度，垂直度，粗糙度。最终精度可达 IT6- IT10。粗糙度 1.6-0.4m。垂直度要求

7、高。 （4）其它部分达到尺寸要求即可。 加工的关键问题是如何保证平面凸轮零件的尺寸、形状、位置精 度和表面粗糙度。 （二）数控铣床夹具（二）数控铣床夹具 1.数控铣床夹具的定义和分类 在数控铣床上用于装夹工件的装置称为车床夹具。 铣床夹具可分万能组合夹具，专用铣切夹具，多工位夹具，气 动或液压夹具，真空夹具。还有虎钳和分度头三爪卡盘这几种通用 夹具。 夹具的作用：简单的定位和夹紧。 （1）：为保持零件安装方位与机床坐标系及程编坐标系方向的 一致性，夹具应能保证在机床上实现定向安装，还要求能协调零件 定位面与机床之间保持一定的坐标尺寸联系。 第 7 页 （2）：为保持工件在本工序中所有需要完成的

8、待加工面充分暴 露在外，夹具要做得尽可能开敞，因此夹紧机构元件与加工面之间 应保持一定的安全距离，同时要求夹紧机构元件能低则低，以防止 夹具与铣床主轴套筒或刀套、刃具在加工过程中发生碰撞。 （3）夹具的刚性与稳定性要好。尽量不采用在加工过程中更换 夹紧点的设计，当非要在加工过程中更换夹紧点不可时，要特别注 意不能因更换夹紧点而破坏夹具或工件定位精度。 （三）通用夹具（三）通用夹具 数控铣削加工常用的夹具大致有下列几种： 1）万能组合夹具 适用于小批量生产或研制时的中、小型工 件在数控铣床上进行铣加工。 2）专用铣切夹具 是特别为某一项或类似的几项工件设计制 造的夹具，一般在批量生产或研制时非要

9、不可时采用。 3）多工位夹具 可以同时装夹多个工件，可减少换刀次数， 也便于一面加工，一面装卸工件，有利于缩短准备时间，提高生产 率，较适宜于中批量生产。 4）气动或液压夹具 适用于生产批量较大，采用其他夹具又 特别费工、费力的工件。能减轻工人劳动强度和提高生产率，但此 类夹具结构较复杂，造价往往较高，而且制造周期较长。 5）真空夹具 适用于有较大定位平面或具有较大可密封面积 的工件。有的数控铣床(如壁板铣床)自身带有通用真空平台，在安 第 8 页 装工件时，对形状规则的矩形毛坯，可直接用特制的橡胶条（有一 定尺寸要求的空心或实心圆形截面）嵌入夹具的密封槽内，再将毛 坯放上，开动真空泵，就可以

10、将毛坯夹紧。对形状不规则的毛坯， 用橡胶条已不太适应，须在其周围抹上腻子(常用橡皮泥)密封，这 样做不但很麻烦，而且占机时间长，效率低。为了克服这种困难， 可以采用特制的过渡真空平台，将其叠加在通用真空平台上使用。 除上述几种夹具外，数控铣削加工中也经常采用虎钳、分度头和 三爪夹盘等通用夹具。 （四）数控铣削夹具的选用原则（四）数控铣削夹具的选用原则 在选用夹具时，通常需要考虑产品的生产批量，生产效率，质量 保证及经济性等，选用时可参照下列原则： 1）在生产量小或研制时，应广泛采用万能组合夹具，只有在组 合夹具无法解决工件装夹时才可放弃； 2）小批或成批生产时可考虑采用专用夹具，但应尽量简单；

11、 3）在生产批量较大时可考虑采用多工位夹具和气动；液压夹具。 因为此种零件属于大批量生产，外型比较简单可以采用多工位夹 具和气动；液压夹具。 （五）工件的装夹方法和装夹方式（五）工件的装夹方法和装夹方式 在数控机床上加工零件时，定位安装的基本原则是合理选择定位 第 9 页 基准和夹紧方案。在选择时应注意以下几点： 1）力求设计、工艺和编程计算的基准统一。 2）尽量减少装夹次数，尽可能在一次定位装夹后，加工出全部 待加工表面。 3）避免采用占机人工调整式加工方案，以充分发挥数控机床的 效能。 根据工件特点，用一块 32032040的垫块，在垫块 上分别精镗 35及12两个定位孔（当然要配定位销）

12、，孔 距离800.015，垫板平面度为 0.05，该零件在加工前，先 固定夹具的平面，使两定位销孔的中心连线与机床x轴平行，夹 具平面要保证与工作台面平行，并用百分表检查。 （六）工件的定位（六）工件的定位 工件的定位的目的是使工件在夹具中相对机床，刀具都有一个确定的 位置。工件上用来定位的表面称为定位基准面，而在工序图上，用来 规定本工序加工表面的位置的基准为工序基准。 （1 1）工件定位的意义）工件定位的意义 在切削加工过程中，要使工件的各个加工表面的尺寸、形状及位置精 度符合规定要求，必须使工件在机床或夹具中占有一个确定的位置。 定位就是确定工件在机床上或夹具中占有正确位置的过程。工件定

13、位 是否准确，决定了工件的加工精度能否达到要求。在成批生产中，工 第 10 页 件夹紧后，使之与车床、刀具保持一个确定的相对位置，也是缩短加 工时间，提高生产效率的决定因素之一。 （2 2）工件的定位原理）工件的定位原理 1六点定位原理 物体在空间的任何运动，都可以分解为相互垂直的空间直角坐标系中 的六种运动。其中三个是沿三个坐标轴的平行移动，分别以 x,y、z 表 示；另三个是绕三个坐标轴的旋转运动，分别以 x,y,z 表示，如图 2- 1 所示。这六种运动的可能性，称为物体的六个自由度。在夹具中适 当地布置六个支承，使工件与六个支承接触，就可消除工件的六个自 由度，使工件的位置完全确定。这

14、种采用布置恰当的六个支承点来消 除工件六个自由度的 图 2-1 在图 2-1 中，xOy 坐标平面上的三个支承点限制了工件的 z,x,y 三个 自由度；y02 坐标平面的两个支承点限制了 z.x 两个自由度;xoz 坐标 平面上的一个支承点限制了矿一个自由度。这种必须使定位元件所相 第 11 页 当的支承点数目刚好等于六个，且按 3：1：1 的数目分布在三个相互 垂直的坐标平面上的定位方法称为六点定则，或称为六点定位原理。 （3 3）工件的定位形式）工件的定位形式 1完全定位 工件在夹具中定位时，如果夹具中的六个支承点恰好限制了工件的 六个自由度，使工件在夹具中占有完全确定的位置，这种定位方式

15、 称为完全定位，如图 22 所示。 2不完全定位 定位元件的支承点，完全限制了按加工工艺要求需要限制的自由度 数目，但却少于六个自由度。 如图 2-2 所示为阶梯面零件，需要在铣床上铣阶梯面。其底面 和左侧面为高度和宽度方向的定位基准，阶梯槽是前后贯通的，故 只需限制五个自由度(底面三个支承点，侧面两个支承点)。 图 2-2 因为工件无须铣台阶面。所以我们可以采用完全定位方式。 第 12 页 （七）定位基准的选择（七）定位基准的选择 （1 1）基准及分类）基准及分类 （1）：基准：零件上用来确定其他点，线，面所依据的点线，面。 （2）基准的分类：依据用途不同基准可分为两类，设计基准，工艺 基准

16、。 (2)(2)定位基准的选择定位基准的选择 1.精基准的选择 选择精基准时，应能保证加工精度和装夹的可靠方便，可按下列原 则： 1）基准重合原则 2）基准统一 3）自为基准原则 4）互为基准原则 5）保证工件定位准确、加紧可靠、操作方便的原则 2、 粗基准的选择 粗基准选择的要求应能保证加工面与非加工面之间的位置要求及合 理分配各加工面的余量，同时为后续工序提供精基准面。具体按以 下原则选择： 1)为了保证加工面和非加工面的位置要求，应选非加工面为粗基准。 2)合理分配各加工面的余量 第 13 页 3)粗基准要避免重复使用。 4)粗基准的表面应平整光洁。 5)余量均匀原则 此凸轮零件我们先用

17、毛坯夹在车床上车一个平整光滑的平面，再以 此平面作为粗基准。然后把此平面安装在铣床上加工出厚度为 35MM 的工件。 定位基准 采用“一面两孔 ”定位，即用圆盘 X 面和 两个基准孔作为定位基准 。加工出此零件的外型。再以以上的定 位基准加工出凹槽和凸轮以及凸轮上面的通孔。 (八八)数控铣刀的选择数控铣刀的选择 （1 1）对刀具的要求）对刀具的要求 1）铣刀刚性要好 一是为提高生产效率而采用大切削用量的需 要；二是为适应数控铣床加工过程中难以调整切削用量的特点。当 工件各处的加工余量相差悬殊时，通用铣床遇到这种情况很容易采 取分层铣削方法加以解决，而数控铣削就必须按程序规定的走刀路 线前进，遇

18、到余量大时无法象通用铣床那样“随机应变”，除非在 编程时能够预先考虑到，否则铣刀必须返回原点，用改变切削面高 度或加大刀具半径补偿值的方法从头开始加工，多走几刀。但这样 势必造成余量少的地方经常走空刀，降低了生产效率，如刀具刚性 较好就不必这么办。 2）铣刀的耐用度要高 尤其是当一把铣刀加工的内容很多时， 如刀具不耐用而磨损较快，就会影响工件的表面质量与加工精度， 第 14 页 而且会增加换刀引起的调刀与对刀次数，也会使工作表面留下因对 刀误差而形成的接刀台阶，降低了工件的表面质量。 除上述两点之外，铣刀切削刃的几何角度参数的选择及排屑性能 等也非常重要，切屑粘刀形成积屑瘤在数控铣削中是十分忌

19、讳的。 总之，根据被加工工件材料的热处理状态、切削性能及加工余量， 选择刚性好，耐用度高的铣刀，是充分发挥数控铣床的生产效率和 获得满意的加工质量的前提。 （2 2）常用铣刀种类）常用铣刀种类 1）盘铣刀 一般采用在盘状刀体上机夹刀片或刀头组成，常用 于端铣较大的平面。 2）端铣刀 端铣刀是数控铣加工中最常用的一种铣刀，广泛用 于加工平面类零件，图 2-3 是两种最常见的端铣刀。端铣刀除用其 端刃铣削外，也常用其侧刃铣削，有时端刃、侧刃同时进行铣削， 端铣刀也可称为圆柱铣刀。 图 2-3 3）成型铣刀 成型铣刀一般都是为特定的工件或加工内容专门 设计制造的，适用于加工平面类零件的特定形状（如角

20、度面、凹槽 面等），也适用于特形孔或台。图 2-4 示出的是几种常用的成型铣 刀。 第 15 页 图 2-4 4）球头铣刀。适用于加工空间曲面零件，有时也用于平面类零 件较大的转接凹圆弧的补加工。图 2-5 是一种常见的球头铣刀。 图 2-5 图 2-6 5）鼓形铣刀。图 2-6 是一种典型的鼓形铣刀，主要用于对变斜 角类零件的变斜角面的近似加工。 除上述几种类型的铣刀外，数控铣床也可使用各种通用铣刀。但因 不少数控铣床的主轴内有特殊的拉刀装置，或因主轴内孔锥度有别， 须配制过渡套和拉杆。 第 16 页 因为此零件比较简单。 （1）铣较大平面时，为了提高生产效率 和提高加工表面粗糙度，一般采用

21、刀片镶嵌式盘形面铣刀。 （2）孔 加工时，可采用钻头、镗刀等孔加工刀具。 （3）铣键槽时，为了保 证槽的尺寸精度、一般用两刃键槽铣刀。 （4）立铣刀主要用于立式铣床上加工凹槽，台阶面，成型面等 是数控铣削中最常用的一种铣刀。 （九）铣刀的直径选择（九）铣刀的直径选择 （1）平面铣削应选用不重合磨硬质合金端铣刀，立铣刀，或可转位 铣刀。一般采用二次走刀，一次粗铣，一次精铣。 （2）镶硬质合金刀片的端铣刀和立铣刀主要用于加工凸台，凹槽和 箱口面。为了提高槽宽的加工精度，减少铣刀的种类，加工时采用 直径比槽宽小的铣刀，先铣槽的中间部分，然后利用刀具的半径补 偿功能铣削槽的两边，直径达到精度要求为止。

22、 （3）加工余量小并且要求表面粗糙度较底时应采用立方 CBN 刀片 端铣刀或陶瓷刀片端铣刀。 （4）铣削盘类零件的周边轮廓一般采用立铣刀。所用铣刀的刀具半 径一定要小于零件内轮廓的最小曲率半径，一般采用采用最小曲率 半径为 0.8-0.9 即可。零件的加工高度最好不要超过刀具的半径。 （5）铣毛坯面时，最好选用应质合金波纹立铣刀。应质合金波纹立 铣刀在机床，刀具，工件系统允许的情况下可进行强力切削。 第 17 页 （十）零件图的工艺性分析（十）零件图的工艺性分析 针对数控铣削加工的特点，下面列举出一些经常遇到的工艺性问 题，作为对零件图进行工艺性分析的要点来加以分析与考虑。 第 18 页 图

23、2-7 图 2-8 （1）图纸尺寸的标注方法是否方便编程，构成工件轮廓图形的 各种几何元素的条件是否充要，各几何元素的相互关系(如相切、相 交、垂直和平行等)是否明确，有无引起矛盾的多余尺寸或影响工序 安排的封闭尺寸等等。 （2）零件所要求的加工精度、尺寸公差是否都可以得到保证。 不要以为数控机床加工精度高而放弃这种分析。特别要注意过薄的 腹板与缘板的厚度公差，“铣工怕铣薄”，数控铣削也是一样，因 为加工时产生的切削拉力及薄板的弹性退让极易产生切削面的振动， 第 19 页 使薄板厚度尺寸公差难以保证，其表面粗糙度也将提高。根据实践 经验，当面积较大的薄板厚度小于 3mm 时就应充分重视这一问题

24、。 因为此零件的厚度比较厚因此加工方面无须担心。 （3）零件图中各加工面的凹圆弧(R 与 r)是否过于零乱，是否可 以统一。因为在数控铣床上多换一次刀要增加不少新问题，如增加 铣刀规格，计划停车次数和对刀次数等，不但给编程带来许多麻烦， 增加生产准备时间而降低生产效率，而且也会因频繁换刀增加了工 件加工面上的接刀阶差而降低了表面质量。所以，在一个零件上的 这种凹圆弧半径在数值上的一致性问题对数控铣削的工艺性显得相 当重要。一般来说，即使不能寻求完全统一，也要力求将数值相近 的圆弧半径分组靠拢，达到局部统一，以尽量减少铣刀规格与换刀 次数。 （4）零件上有无统一基准以保证两次装夹加工后其相对位置

25、的 正确性。有些工件需要在铣完一面后再重新安装铣削另一面，如图 b 所示。由于数控铣削时不能使用通用铣床加工时常用的试削方法 来接刀，往往会因为工件的重新安装而接不好刀(即与上道工序加工 的面接不齐或造成本来要求一致的两对应面上的轮廓错位)。为了避 免上述问题的产生，减小两次装夹误差，最好采用统一基准定位， 因此零件上最好有合适的孔作为定位基准孔。如果零件上没有基准 孔，也可以专门设置工艺孔作为定位基准(如在毛坯上增加工艺凸耳 或在后继工序要铣去的余量上设基准孔)。如实在无法制出基准孔， 起码也要用经过精加工的面作为统一基准。如果连这也办不到，则 第 20 页 最好只加工其中一个最复杂的面，另

26、一面放弃数控铣削而改由通用 铣床加工。 （5）分析零件的形状及原材料的热处理状态，会不会在加工过程中 变形，哪些部位最容易变形。因为数控铣削最忌讳工件在加工时变 形，这种变形不但无法保证加工的质量，而且经常造成加工不能继 续进行下去， “中途而废” 。这时就应当考虑采取一些必要的工艺措 施进行预防，如对钢件进行调质处理，对铸铝件进行退火处理，对 不能用热处理方法解决的，也可考虑粗、精加工及对称去余量等常 规方法。此外，还要分析加工后的变形问题，采取什么工艺措施来 解决。 因为此工件结构形状简单，适合编程。 （十一）零件的结构工艺性分析（十一）零件的结构工艺性分析 零件的结构工艺性是指在满足使用

27、性能的前提下，是否能以较高的 生产率和最低的成本方便地加工出来的特性。为了多快好省地把所 设计的零件加工出来，就必须对零件的结构工艺性进行详细的分析。 主要考虑如下几方面。 (1) 有利于达到所要求的加工质量有利于达到所要求的加工质量 合理确定零件的加工精度与表面质量 第 21 页 图 2-9 加工精度若定得过高会增加工序，增加制造成本，过低会影响机器 的使用性能，故必须根据零件在整个机器中的作用和工作条件合理 地确定，尽可能使零件加工方便制造成本低。 保证位置精度的可能性 为保证零件的位置精度，最好使零件能在一次安装中加工出所有相 关表面，这样就能依靠机床本身的精度来达到所要求的位置精度。

28、如图 4-6(a)所示的结构，不能保证 80与内孔 60的同轴度。 如改成图(b)所示的结构，就能在一次安装中加工出外圆与内孔，保 证二者的同轴度。 (2) 有利于减少加工劳动量有利于减少加工劳动量 尽量减少不必要的加工面积减少加工面积不仅可减少机械加工的 劳动量，而且还可以减少刀具的损耗，提高装配质量。图 2-10 中的 第 22 页 轴承座减少了底面的加工面积，降低了修配的工作量，保证配合面 的接触。图 4-8(b)中减少了精加工的面积，又避免了深孔加工。 图 2-10 图 2-11 尽量避免或简化内表面的加工 图 2-12 因为外表面的加工要比内表面加工方便经济，又便于测量。因此， 在零

29、件设计时应力求避免在零件内腔进行加工。如图 2-10 所示箱体， 将图(a)的结构改成图(b)所示的结构，这样不仅加工方便而且还有利 于装配。再如图 4-11 所示，将图(a)中件 2 上的内沟槽 a 加工，改 成图(b)中件 1 的外沟槽加工，这样加工与测量就都很方便。 第 23 页 图 2-13 （十二）工序的划分（十二）工序的划分 （1）刀具集中分序法 就是按所用刀具划分工序，用同一把刀具加 工完零件上所有可以完成的部位。在用第二把刀、第三把完成它们 可以完成的其它部位。这样可减少换刀次数,压缩空程时间，减少不 必要的定位误差。 （2）以加工部位分序法 对于加工内容很多的零件，可按其结构特 点将加工部分分成几个部分，如内形、外形、曲面或平面等。一般 先加工平面、定位面，后加工孔；先加工简单的几何形状，再加工 复杂的几何形状；先加工精度较低的部位，再加工精度要求较高的 部位。 （3）以粗、精加工分序法 对于易发生加工变形的零件，由于粗加 工后可能发生的变形而需要进行校形，故一般来说凡要进行粗、精 加工的都要将工序分开。 综上所述，在划分工序时，一定要视零件的结构与工艺性，机 床的功能，零件数控加工内容的多少，安装次数及本单位生产组织 第 24 页 状况灵活掌握。另建议采用工序集中的原则还是采用工序分散的原 则，要根据实际情况来确定，但一定力求合理。