有关轴类零件的加工工艺探讨

1 前言

科学技术和社会生产的不断发展，对机械产品的性能、质量、生产率和成本提出了越来越高的要求。机械加工工艺过程自动化是实现上述要求的重要技术措施之一。他不仅能够提高品质质量和生产率，降低生产成本，还能改善工人的劳动条件，但是采用这种自动和高效率的设备需要很大的初期投资，以及较长的生产周期，只有在大批量的生产条件下，才会有显著的经济效益。

随着消费向个性化发展，单件小批量多品种产品占到70%--80%，这类产品的零件一般采用通用机床来加工。而通用机床的自动化程度不高，基本上由人工操作，难于进一步提高生产率和保证质量。特别是由曲线、曲面组成的复杂零件，只能借助靠模和仿行机床或者借助画线和样板用手工操作的方法来完成，其加工精度和生产率受到极大影响。

为了解决上述问题，满足多品种、小批量，特别是结构复杂精度要求高的零件的自动化生产，迫切需要一种灵活的、通用的，能够适应产品频繁变化的“柔性”自动化机床。数控机床才得已产生和发展。

数控技术是数字控制（Numerical Control）技术的简称。它采用数字化信号对被控制设备进行控制，使其产生各种规定的运动和动作。利用数控技术可以把生产过程用某中语言编写的程序来描述，将程序以数字形式送入计算机或专用的数字计算装置进行处理输出，并控制生产过程中相应的执行程序，从而使生产过程能在无人干预的情况下自动进行，实现生产过程的自动化。采用数控技术的控制系统称为数控系统（Numerical Control System）。根据被控对象的不同，存在多种数控系统，其中产生最早应用最广泛的是机械加工行业中的各种机床数控系统。所谓机床数控系统就是以加工机床为控制对象的数字控制系统。

数控机床的产生使传统的机械加工发生了巨大的变化，这不仅表现在复杂工件的制造成为可能，更表现在采用了数控技术后使生产加工过程真正实现了自动化。

2 工件的装夹

2.1 定位基准的选择

在制定零件加工的工艺规程时，正确地选择工件的定位基准有着十分重要的意义。定位基准选择的好坏，不仅影响零件加工的位置精度，而且对零件各表面的加工顺序也有很大的影响。合理选择定位基准是保证零件加工精度的前提，还能简化加工工序，提高加工效率。

2.2 定位基准选择的原则

1)基准重合原则。为了避免基准不重合误差，方便编程，应选用工序基准作为定位基准，尽量使工序基准、定位基准、编程原点三者统一。

2）便于装夹的原则。所选择的定位基准应能保证定位准确、可靠，定位、夹紧机构简单、易操作，敞开性好，能够加工尽可能多的表面。

3）便于对刀的原则。批量加工时在工件坐标系已经确定的情况下，保证对刀的可能性和方便性。

2.3 确定零件的定位基准

以左右端大端面为定位基准。

2.4 装夹方式的选择

为了工件不致于在切削力的作用下发生位移，使其在加工过程始终保持正确的位置，需将工件压紧夹牢。合理的选择夹紧方式十分重要，工件的装夹不仅影响加工质量，而且对生产率，加工成本及操作安全都有直接影响。

2.5 数控车床常用的装夹方式

1）在三爪自定心卡盘上装夹。三爪自定心卡盘的三个卡爪是同步运动的，能自动定心，一般不需要找正。该卡盘装夹工件方便、省时，但夹紧力小，适用于装夹外形规则的中、小型工件。

2）在两顶尖之间装夹。对于尺寸较大或加工工序较多的轴类工件，为了保证每次装夹时的装夹精度，可用两顶尖装夹。该装夹方式适用于多序加工或精加工。

3）用卡盘和顶尖装夹。当车削质量较大的工件时要一段用卡盘夹住，另一段用后顶尖支撑。这种方式比较安全，能承受较大的切削力，安装刚性好，轴向定位准确，应用较广泛。

4）用心轴装夹。当装夹面为螺纹时再做个与之配合的螺纹进行装夹，叫心轴装夹。这种方式比较安全，能承受较大的切削力，安装刚性好，轴向定位准确。

2.6 确定合理的装夹方

装夹方法：先用三爪自定心卡盘毛坯左端，加工右端达到工件精度要求；再工件调头，用三爪自定心卡盘毛坯右端Φ52，再加工左端达到工件精度要求。

3 轴类零件的加工工艺

轴类零件是机器中经常遇到的典型零件之一。它主要用来支承传动零部件，传递扭矩和承受载荷。轴类零件是旋转体零件，其长度大于直径，一般由同心轴的外圆柱面、圆锥面、内孔和螺纹及相应的端面所组成。根据结构形状的不同，轴类零件可分为光轴、阶梯轴、空心轴和曲轴等。轴的长径比小于5的称为短轴，大于20的称为细长轴，大多数轴介于两者之间。轴用轴承支承，与轴承配合的轴段称为轴颈。轴颈是轴的装配基准，它们的精度和表面质量一般要求较高，其技术要求一般根据轴的主要功用和工作条件制定，主要要求如下：

1 尺寸精度比一般的零件的尺寸精度要求高。轴类零件中支承轴颈的精度要求最高，为IT5～IT7；配合轴颈的尺寸精度要求可以低一些，为IT6～IT9。

2 形状精度高。

3 位置精度高，其一般轴的径向跳动为0.01～0.03，高精度的轴为0.001～0.005。

4 表面粗糙度比一般的零件高，支承轴颈和重要表面的表面粗糙度Ra常为0.1～0.8um，配合轴颈和次要表面的表面粗糙度Ra为0.8～3.2um。

轴类零件一般常用的材料有45钢、40Cr合金钢、轴承钢GCr15和弹簧钢65Mn，还有20CrMoTi、20Mn2B、20Cr等。轴类零件最常用的毛坯是棒料和锻件，只有一些大型或结构复杂的轴，在质量允许时才采用铸件。由于毛坯经过锻造后，能使金属内部纤维组织沿表面均匀分布，可获得较高的抗拉、抗弯及抗扭强度。所以除了光轴、直径相差不大的阶梯轴可使用热轧料棒料或冷拉棒料外，一般比较重要的轴大都采用锻件。另外轴类零件的毛坯还需要经过热处理。

轴的结构设计原则：

1 节约材料，减轻重量尽量采用等强度的外形尺寸，或大的截面系数的截面形状。

2 易于轴上零件的精确定位，稳固装配拆卸和调整。

3 采用各种减少应力应用和提高强度的结构措施。

4 便于加工制造和保证精度。

轴类零件中工艺规程的制订，直接关系到工件质量、劳动生产率和经济效益。一零件可以有几种不同的加工方法，但只有某一种较合理，在制订机械加工工艺规程中，须注意以下几点：

1 零件图工艺分析中，需理解零件结构特点、精度、材质、热处理等技术要求，且要研究产品装配图，部件装配图及验收标准。

2 渗碳件加工工艺路线一般为：下料→锻造→正火→粗加工→半精加工→渗碳→去碳加工→淬火→车螺纹、钻孔或铣槽→粗磨→低温时效→半精磨→低温时效→精磨。

3 粗基准选择：有非加工表面，应选非加工表面作为粗基准。对所有表面都需加工的铸件轴，根据加工余量最小表面找正。且选择平整光滑表面，让开浇口处。选牢固可靠表面为粗基准，同时，粗基准不可重复使用。

4 精基准选择：要符合基准重合原则，尽可能选设计基准或装配基准作为定位基准。符合基准统一原则。尽可能在多数工序中用同一个定位基准。尽可能使定位基准与测量基准重合。选择精度高、安装稳定可靠表面为精基准。

4 轴类零件实例加工

4.1 加工工艺分析

图4.1 零件图

4.1.1 分析零件图纸和工艺分析

该轴类零件由圆柱、圆锥、圆弧、螺纹和槽等表面组成。零件材料为45号钢，无热处理要求，该零件进行精加工，图4.1中Φ70不加工。

通过上述分析，可以采用下面的工艺措施：

选用具有直线、圆弧插补功能的数控车床加工，机床名称：CJK6032A数控机床,如下图:4.1.1所示。

如图:4.1.1

相关参数如下：

1 零件螺纹外径、圆锥、侧角、外圆和台阶可一次加工，圆弧已大于90°，加工是要注

意保证加工不干涉。

2 为便于装夹，坯件左端预车出加持部分，右端也应先车出并钻好中心孔，毛坯用料为直径70mm棒料。

3 该零件在加工中只需要一次装夹加工，从图纸上进行尺寸标注分析：工件坐标系的工件原点应选择定在零件装夹后的右端面圆心处O（0，0）点，如图4.1.1所示。

4.1.2 确定装夹方案

由于夹具确定了零件在数控机床坐标系中的位置，因而根据要求夹具能保证零件在机床的正确坐标方向，同时协调零件与机床坐标系的尺寸。因此数控机床的夹具应定位可靠、稳定，一般采用三爪自定心卡盘、四爪单动卡盘或弹簧夹头。分析本工件为外轮廓加工，外表面可以依次加工，无内孔，可采用一次装夹完成粗、精加工。

为了保证在加工螺纹时确保工件不来回晃动,减少误差,一般以轴线和左端面为定位基准,左端采用三爪自定心卡盘定心夹紧,右端采用活动顶尖支撑装夹方案。

4.1.3 确定加工路线及进给路线

加工顺序的确定按由内到外、由粗到精、由近到远的原则确定，在一次装夹中尽可能加工出较多的工件表面。因此在本设计中加工路线是按先粗车（给精车留余量1mm），然后再精车，按先主后次的加工原则尽量使“刀具集中”，即用一把刀加工完相应的部位，在换另一把刀加工其他部位。以减少空行程和换刀时间，因此：

1 车外圆：自右向左加工，起加工路线为：先倒角——切削螺纹的实际外圆Φ28——侧角——切削锥度部分——撤消圆弧部分——车削Φ66。

2 切槽：考虑到槽不太宽，可采用一把刀一刀完成，选择刀具宽度与槽宽相等，分多刀步进切削。步进深度为1mm。

3 车螺纹：分析螺纹深度不深，采用两刀完成螺纹加工。

4 切断：零件加工结束后，选择切断刀将工件从棒料上分离出来完成一个零件的加工。

加工路线如下图4.1.3所示（数控自动加工工序卡）：

表4.1.3

软件职业技术

学院

数控自动加工工序卡

型

别

车削零件图号零件名称轴类零件3—1

设备名

称

车床设备型号CJK6032A 程序号%0001

基本材料45＃钢硬度

HRC26-2

8

工序名称

区域车

削

工序

号

NC01

工步号工步内容

夹刀具量具

编号名称编号名称

1 粗车外圆01 外圆车

刀

01

游标卡

尺

2 精车槽02 切槽刀02 千分尺

3 精车螺纹03 螺纹刀01 游标卡尺

4 精车外圆03 螺纹刀02 千分尺

4.1.4 刀具的选择

与普通机床相比，数控加工时对刀具提出了更高的要求，不仅要求刚性好、精度高，而且要求尺寸稳定、耐用度高、断屑和排屑性能好，同时要求安装调整方便，满足数控机床的高效率。因此，刀具的选择是数控车削加工工艺中的重要内容之一,它不仅影响机床加工效率而且直接影响零件的加工质量。在编程时选择刀具通常要考虑机床的加工能力、工序内容、被加工零件材料等因素。数控加工刀具材料要求采用新型优质材料，一般原则是尽可能选择

硬质合金精密加工时还可选择性能更好、更耐磨的陶瓷立方氮化硼和金刚石刀具并优选刀具参数。一般来说需将所选定的刀具参数填入表轴承套数控加工刀具卡片中，以便于编程和操作管理。常见的轴套类数控加工刀具如下。

轴承套数控加工刀具卡片

产品名称或代

数控车工艺分析实例零件名称轴承套零件图号Lathe-01 号

刀具规格名称数量加工表面刀尖半径mm 备注

序号刀具

号

1 T01 45°硬质合金端面车刀 1 车端面

2 T02 中心钻 1 钻中心孔

3 T03 割槽刀 1 割槽

4 T04 镗刀 1 镗内孔各表面

5 T05 90°外圆车刀 1 车外圆表面

6 T06 大钻头 1 钻底孔

7 T07 60°外螺纹车刀 1 车M45螺纹

编制张忠祥审核批准年月日共1页第1页根据加工要求，选用三把刀具，Ⅰ号刀车外圆，Ⅱ号刀切槽，Ⅲ号刀车螺纹及进行精加工。刀具应正确的选择换刀点，以便在换刀过程中，刀具与工作机床和夹具不会碰撞。此设计中，换刀点为P（100，100）见图4.1.1。

（1）粗车外轮廓选择硬质合金90度外圆刀，其副偏角应取大一些为防止干涉，现取副偏角为35度；

（2）切槽选择硬质合金切槽刀，刀尖宽度为5mm；

（3）精车倒角、外圆、圆锥、圆弧。车M28Χ1.5螺纹，应选用硬质合金60°外螺纹刀，取刀尖半径为0.15～0.2mm。

刀具选择完毕、工件装夹方式确定后，即可通过确定工件原点来确定工件坐标系。如果要运行这一程序来加工工件，必须确定刀具在工件坐标系开始运动的起点。程序起始点或起刀点一般通过对刀来确定，所以，该点又称为对刀点。在编制程序时，要正确选择对刀点的位置。对刀点设置原则是：

（1）便于数值处理和简化程序编制；

（2）易于找正并在加工过程中便于查找；

（3）引起的加工误差小。

对刀点可以设置在加工零件上，也可以设置在夹具或机床上。

4.2 实体零件的生成

实体是利用Pro/E软件生成的：首先打开Pro/E软件新建一个零件窗口，然后草绘出来零件的二维零件图，在利用软件中的实体把二维图转换成实体（如图4—2所示）。先保存一下，然后在打开一个制造的窗口，这样会弹出一个对话框，先点装配，有回弹出一个子菜单，再点装配，把刚才保存的零件装配到制造这个窗口上，调一下约束，把零件调到完全约束状态。然后点击完成。点里面的创建按扭，在下面的菜单栏里点定义后会弹出一个窗口，然后在实体零件上选一个与轴长平行的基准面，在选一个与轴垂直的基准面，然后会自动弹出草绘界

面，在那上面草绘出一个比实体零件大的圆（Φ70），然后点确定按扭，把生成的毛坯覆盖住零件长度146。这样就完成了毛坯的生成（如图4—2所示）。

图4—2

4.3 选择切削用量

数控编程时，编程人员必须确定每道工序的切削用量，并以指令的形式写入程序中。切削用量包括主轴转速、背吃刀量及进给速度等。对于不同的加工方法，需要选用不同的切削用量。切削用量的选择原则是：保证零件加工精度和表面粗糙度，充分发挥刀具切削性能，保证合理的刀具耐用度；并充分发挥机床的性能，最大限度提高生产率，降低成本。

4.3.1 主轴转速的确定

主轴转速应根据允许的切削速度和工件（或刀具）直径来选择。根据本次加工的实际情况选择主轴转速为：车直线、圆弧和切槽时其粗车主轴转速为400r/min，精车时，主轴转速900r/min，车螺纹时的主轴转速为400r/min。

4.3.2 进给速度的确定

进给速度是数控机床切削用量中的重要参数，主要根据零件的加工进度和表面粗糙度要求以及刀具、工件的材料性质选取。最大进给速度受机床刚度和进给系统的性能限制。一般粗车选用较高的进给速度，以便较快去除毛坯余量，精车以考虑表面粗糙和零件精度为原则，应选择较低的进给速度，得出下表

粗精

外圆0.15min/r 0.08min/r

内孔0.05min/r 0.04min/r

槽0.04 min/r

在本例中选择进给速度为：粗车时，选取进给量为0.14mm/r，精车时，选取进给量为0.08mm/r，车螺纹时，进给量等于螺纹导程，选为1.5mm/r。

4.3.3 背吃刀量确定

背吃刀量根据机床、工件和刀具的刚度来决定，在刚度允许的条件下，应尽可能使背吃刀量等于工件的加工余量(除去精车量)，这样可以减少走刀次数，提高生产效率。为了保证加工表面质量，可留少量精加工余量，一般0.2-0.4mm。本例中，背吃刀量的选择大致为如下表4.3.3：

粗精

外圆 1.5-2(mm) 0.2-0.4(mm)

内孔1-1.5(mm) 0.1-0.3(mm)

螺纹随进刀次数依次减少

槽根据刀宽，分两次进行

如表4.3.3：

注意：背吃刀量的选择因粗、精加工而有所不同。粗加工时，在工艺系统刚性和机床功率允许的情况下，尽可能取较大的背吃刀量，以减少进给次数；精加工时，为保证零件表面粗糙度要求，背吃刀量一般取0.l~0.4 mm较为合适。故在本例中粗加工时：切削深度为4mm，精车时切削深度为0.4mm。

结论

要实现数控加工，编程是关键。

例数控车床加工零件的进行了编程分析，但它具有一定的代表性。由于数控车床可以加工普通车床无法加工的复杂曲面，加工精度高，质量容易保证，发展前景十分广阔，因此掌握数控车床的加工编程技术尤为重要。

同时，数控机床在机械制造业中得到日益广泛的应用，是因为其具有许多如下优越的特点。

1生产柔性大。在数控机床上加工不同零件时，只需要改变加工程序而不需要特别制造或更换刀具和夹具。

2加工精度高，产品质量稳定性好。数控机床采用了精密机械组件、灵敏的测量系统、

精确的位置控制器和告警度的加工处理技术，所以具有很高的控制精度和加工精度。其自动加工方法除了操作者的人为误差，提高了同一批零件加工尺寸的一致性，使加工质量稳定、产品合格率高。

3生产效率高。具有较大的切削用量、自动更换刀具实现了多工序集中加工，快速移动和停止采用了加速、减速控制措施，大大节省工时；一般不用专用夹具，节省夹具设计、制造和更换的时间。

4 较高的可靠性、较好的宜人性。在数控系统中集成了对部件的监控和诊断功能。

5良好的经济效率。采用数控机床可以提高产品质量、降低材料及其他资源损耗使生产成本降低，可以缩短新产品开发的生产周期，降低其他生产设备投资的费用，所以总体成本下降。可获得很好的经济效益。

制造业为人类创造着辉煌的物质文明，我国人民在各个历史年代在机械方面都有过自己的贡献，因此制造业是一个国家的立国之本。

而制造业已不再仅仅是以前的力学、切削理论为主要基础的一门学科而是涉及了机械科学、系统科学、信息科学和管理科学的一门综合科学。数控机床又代表了当今制造也的发展方向。

在本次设计中，我获得了许多新知识和新的学习方法，更多的实践经验，为以后工作生涯打下了坚定的基础。

致谢

毕业设计是一个终身难忘的旅程，作者就如沙漠中的骆驼，眼前是茫茫无际的沙海。但作者最终胜利的到达了目的地，靠的是什么？是沿途的绿洲，同行的伙伴，甚至还有那虚无缥缈的海市蜃楼。没有她们，作者也许会因为迷路、迷失方向而放弃。所以，无论作者做的好与坏，作者都要感谢他们——作者的老师与同学。

首先，作者要感谢的是本次毕业设计的指导老师在本次的设计过程中，作者遇到了很多的困难和问题，老师给我了很大的帮助。虽然他的工作很忙，但他仍然挤出大量时间与作者们探讨问题，为作者们解惑答疑。他虽然年纪不大，但是他的知识却相当丰富，很多的细微的问题他一眼就能看出来并给出合理的建议，设计中很多难点在老师的讲解下就变的浅显易懂，当作者们遇到都解决不了的问题时，老师会汇总其他老师的意见化成他独特的观点来给予解决。在此，我表示衷心的感谢。

同时，作者还要感谢其他所有帮助过作者的老师。虽然他们的工作都比较繁重，但当作者提出问题的时候，他们都能够耐心地为作者讲解，给予了我很大的帮助。老师们广博的知识，丰富的经验，严谨的治学态度是我学习的榜样。在此，作者对他们表示衷心的感谢！

在这次设计中我还要感谢作者周围的同学，设计中当作者遇到困难时，他们能够给作者提供参考资料与信息。同时一些同学富有创意的建议与想法也给了我莫大的帮助，使我少走弯路，能够顺利的完成这次的毕业设计。在此，我对他们表示由衷的感谢！

最后，再次对所有帮助过作者的老师和同学表示衷心感谢

参考文献

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2. 刘雄伟等.数控加工理论与编程技术.北京：机械工业出版社，1994

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