摘要
随着科学技术的飞速发展和经济竞争的日趋激烈,产品更新速度越来越快,复杂形状的零件越来越多,精度要求越来越高,多品种、小批量生产的比重明显增加,激烈的市场竞争使产品研制生产周期越来越短,传统的加工设备和制造方法已难以适应这种多样化、柔性化与复杂形状零件的高速高质量加工要求。
本课题来源于生产，是对所学知识的应用，它包括了三年所学的全部知识，在数控专业上具有代表性，而且提高了综合运用各方面知识的能力。程序的编制到程序的调试，零件的加工运用到了所学的AutoCAD、 CAXA制造工程师软件、数控机床操作、子程序、刀具的选择、零件的工艺分析、数学处理、工艺路线等一系列的内容。这将所学到的理论知识充分运用到了实际加工中，切实做到了理论与实践的有机结合。
关键词：数控；加工；工艺；编程
目录
1引言 (1)
1.1数控技术的发展及趋势 (1)
1.2数控车削加工工艺分析的主要内容 (2)
2轴类零件的加工工艺设计 (3)
2.1轴类加工的内容及工艺分析 (3)
2.1.1轴类零件加工的内容 (3)
2.1.2轴类零件加工的工艺分析 (4)
2.2轴类零件工艺路线的拟定 (4)
2.2.1工艺路线的确定 (4)
2.2.2辅助工序的安排 (6)
2.3数控机床及其工艺设备的选择 (6)
2.3.1数控机床的选择 (6)
2.3.2检测量具的选择 (7)
2.4轴类零件切削用量参数的确定 (7)
2.4.1确定主轴转速 (7)
2.4.2确定进给速度 (8)
2.4.3确定背吃刀量 (8)
2.5拟定数控加工工艺卡 (8)
2.5.1 数控加工工序 (8)
2.5.2 数控加工工序表 (9)
2.6刀具的选择 (9)
2.6.1刀具 (9)
2.6.2确定对刀点与换刀点 (10)
3轴类零件夹具的选用 (12)
3.1对轴类零件夹具的基本要求 (12)
3.2.1 夹具的类型 (12)
3.2.2零件的安装 (12)
4车削零件数控加工的编程 (13)
4.1数控坐标系的确定 (13)
4.2走刀路线的确定 (13)
4.3程序编制 (14)
5结论 (22)
6致谢 (23)
7参考文献 (24)
1引言
1.1数控技术的发展及趋势
机床数控系统，即计算机数字控制(CNC)系统是在传统的硬件数控(NC)的基础上发展起来的。它主要由硬件和软件两大部分组成。通过系统控制软件与硬件的配合，完成对进给坐标控制、主轴控制、刀具控制、辅助功能控制等。CNC系统利用计算机来实现零件程序编辑、坐标系偏移、刀具补偿、插补运算、公英制变换、图形显示和固定循环等。使数控机床按照操作设计要求，加工出需要的零件。1908年，穿孔的金属薄片互换式数据载体问世；19世纪末，以纸为数据载体并具有辅助功能的控制系统被发明；1938年，香农在美国麻省理工学院进行了数据快速运算和传输，奠定了现代计算机，包括计算机数字控制系统的基础。数控技术是与机床控制密切结合发展起来的。1952年第一台数控机床问世后，数控系统已经先后经历了两个阶段和六代的发展，其六代是指电子管、晶体管、集成电路、小型计算机、微处理器和基于工控PC机的通用CNC系统。其中前三代为第一阶段，称作为硬件连接数控，简称NC系统；后三代为第二阶段，乘坐计算机软件数控，简称CNC系统。
数控加工技术是什么呢？简单的说就是利用数字化控制系统在加工机床上完成整个零件的加工。而且和传统的机械加工手段相比数控加工技术具有以下优点：
①加工效率高。
利用数字化的控制手段可以加工复杂的曲面。而加工过程是由计算机控制，所以零件的互换性强，加工的速度快。
②加工精度高。
同传统的加工设备相比，数控系统优化了传动装置,提高分辨率,减少了人为误差，因此加工的效率可以得到很大的提高。
③劳动强度低。
由于采用了自动控制方式，也就是说加工的全部过程是由数控系统完成，
①选择适合在数控机床上加工的零件，确定工序内容。
②分析被加工零件图样，明确加工内容及技术要求，在此基础上确定零件的加工方案，制定数控加工工艺路线，如工序的划分、加工顺序的安排、与传
统加工工序的衔接等。
③设计数控加工工序。如工步的划分、零件的定位与夹具的选择、刀具的选择、切削用量的确定等。
④调整数控加工工序的程序。如对刀点、换刀点的选择、加工路线的确定、刀具的补偿。
⑤分配数控加工中的容差。
⑥处理数控机床上部分工艺指令。
总之，数控加工工艺内容较多，有些与普通机床加工相似。
2轴类零件的加工工艺设计
2.1轴类加工的内容及工艺分析
2.1 球头轴零件图
2.1.1轴类零件加工的内容
数控车床与普通车床相比，具有加工精度高、加工零件的形状复杂、加工范围广等特点。但是数控车床价格较高，加工技术较复杂。球头轴零件可分为粗车、半精车和精车等阶段。一般分为：
①车削外圆。车削外圆是最常见、最基本的车削方法使用各种不同的车刀车削中小型零件外圆(包括车外回转槽)的方法。其中，左偏刀主要用于需要从左向右进给，车削右边有直角轴肩的外圆以及右偏刀无法车削的外圆。
②车削内圆。车削内圆(孔)是指用车削方法扩大工件的孔或加工空心工件的内表面。这也是常用的车削加工方法之一。常见的车孔方法在车削盲孔和台阶孔时，车刀要先纵向进给，当车到孔的根部时再横向进给，从外向中心进给车端面或台阶端面。
③车削平面。车削平面主要指的是车端平面(包括台阶端面)，常见的方法是用左偏刀车削平面，可采用较大背吃刀量，切削顺利，表面光洁，大、小平面均可车削使用90·左偏刀从外向中心进给车削平面，适用于加工尺寸较小的平面或一般的台阶端面用90·左偏刀从中心向外进给车削平面，适用于加工中
心带孔的端面或一般的台阶端面使用右偏刀车削平面，刀头强度较高，适宜车削较大平面，尤其是铸锻件的大平面。
④车削锥面。锥面可分为内锥面和外锥面，可以分别视为内圆、外圆的一种特殊形式。内外锥面具有配合紧密、拆卸方便、多次拆卸后仍能保持准确对中的特点，广泛用于要求中准确和需要经常拆卸的配合件上。在普通车床上加工锥面的方法有小滑板转位法、尾座偏移法、靠模法和宽刀法等，小滑板转位法主要用于单件小批量生产，内外锥面的精度较低，长度较短(≤100mm)；尾座偏移法用于单件或成批生产轴类零件上较长的外锥面；靠模法用于成批和大量生产较长的内外锥面；宽刀法用于成批和大量生产较短(≤20mm)的内外锥面。
⑤车削螺纹。在普通车床上一般使用成形车刀来加工螺纹，加工普通螺纹、方牙螺纹梯形螺纹和模数螺纹时使用的成形车刀。
⑥车削台阶、槽。
选择数控加工内容时，可按下列顺序考虑：
①普通机床无法加工的内容应优先选择；
②普通机床难加工，质量难保证的内容应重点选择
③普通机床加工效率低，手工操作劳动强度大的内容。
虽然数控车床加工范围广泛，但是因受其自身特点的制约，某些零件仍不适合在数控车床上加工。
2.1.2轴类零件加工的工艺分析
①粗加工：主要是下料，下料的要求是棒料的直径55㎜，长度是150㎜，并且要求下料长度的误差不能超过正负1㎜并在棒料两端钻中心孔，中心孔：A48.5，并且，要求中心应均匀一致，为下一步工序做准备。
②半精加工：半精车外圆，先粗车外圆然后，再半精车外圆，而其他的各尺寸以及跳动的要求都要符合图纸的要求。
③精加工：精车外圆，先半精车外圆,最后精车外圆，而其他的各尺寸以及跳动的要求都符合图纸的要求。
2.2轴类零件工艺路线的拟定
2.2.1工艺路线的确定
图2.2是加工工序及每个步骤的注释和注意事项。
加工此段工序时要保证球面的表面质量及数据
加工此段工序事要保证后面圆球的加工余量所以不能用大的车削速度
加工此段工件是为最后车罗纹做铺垫,其表面质量要求不高但基本尺寸一定要保证正确
加工此段工件时的注意事项要和上段工序一样,必须保证零件数据和表面质量的正确
加工此段工件时要注意吃刀量的选择,此段工序有圆弧的存在要保证好加工质量和机器设备的安全
由于此次设计是在普通数控车床上进行,有写步骤必须进行手动操作,比如:用尾部顶尖,零件的掉头装夹等
车削 70圆柱,零件掉头装夹需要用卡盘夹住此处,因此这个加工步骤很重要.要注意此段加工步骤的尺寸,精度,表面质量等重要参数
车削零件的最大外圆(加工此处时不必要全部都车削,因为根据分析零件图没有必要车削完,零件图中要求的尺寸只有22)
作为零件加工及编程的基准,对以后的加工很重要
在程序编制中，编程人员必须充分掌握构成零件轮廓的几何要素参数及各几何要素间的关系。因为在自动编程时要对零件轮廓的所有几何元素进行定义，手工编程时要计算出每个节点的坐标，无论哪一点不明确或不确定，编程都无
法进行。但由于零件设计人员在设计过程中考虑不周或被忽略，常常出现参数不全或不清楚，如圆弧与直线、圆弧与圆弧是相切还是相交或相离。所以在审查与分析图纸时，一定要仔细核算，发现问题及时与设计人员联系。
零件的外形最好采用统一的几何类型及尺寸，这样可以减少换刀次数，还可能应用控制程序或专用程序以缩短程序长度。零件的形状尽可能对称，便于利用数控机床的镜向加工功能来编程，以节省编程时间。
2.2.2辅助工序的安排
辅助工序一般包括去毛刺、清洗、上油、检验等。检验工序是主要的辅助工序，是合格证产品质量的重要措施，零件的每道工序加工完成之后，和零件全部加工完成之后都要进行检验工序。
2.3数控机床及其工艺设备的选择
2.3.1数控机床的选择
根据零件产量、加工要求选择生产设备（根据专业要求需要选择数控车床）。我们选择SIEMENS的SINUMERIK802SC数控车床。
数控车床常用的功能指令有准备功能G、辅助功能M、刀具功能T、主轴转速功能S和进给功能F。由于车床种类不同，系统配置也各不相同。
表2.1 SIEMENS的SINUMERIK802SC数控车系统的常用功能指令
2.3.2检测量具的选择
①游标卡尺
②数显测位尺
③外径千分尺
④螺纹塞规
2.4轴类零件切削用量参数的确定
数控编程时，编程人员必须确定每道工序的切削用量，并以指令的形式写人程序中。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。
2.4.1确定主轴转速
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。其计算公式为：n=1000v3.14×D
式中：v-切削速度，单位为mm动，由刀具的耐用度决定；n-主轴转速，单位为rmin，D-工件直径或刀具直径，单位为mm。
计算的主轴转速n，最后要选取机床有的或较接近的转速为：
车外圆，粗车主轴转速为1300rmin ,精车主轴转速为1600rmin 。
表2.2刀具的切削参数
2.4.2确定进给速度
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精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。确定进给速度的原则：当工件的质量要求能够得到保证时，为提高生产效率，可选择较高的进给速度。一般在200——800mmmin范围内选取；车外圆，进给速度为400㎜r，精车时，进给速度为200㎜r。刀具空行程时，特别是远距离“回零”时，可以设定该机床数控系统设定的最高进给速度。
2.4.3确定背吃刀量
车削用量的选择原则是：
，其次选择一个较（1）粗车时，首先考虑选择一个尽可能大的背吃刀量a
p
可使走刀次数大的进给量f,最后确定一个合适的切削进度v 。增大背吃刀量a
p
减少，增大进给量f有利于断屑，因此根据以上原则选择粗车切削用量对于提高生产效率，减少刀具消耗，降低加工成本是有利的。
（2）精车时，加工精度和表面粗糙度要求较高，加工余量不大且均匀，因
和进给量f ，并选用切削性能高的刀具此选择较小（但不太小）的背吃刀量a
p
材料和合理的几何参数，以尽可能提高切削速度v。
，以保证刀具有足够的刚度。
（3）零件的加工高度H≤（14-16）R
D
切削用量的具体数值应根据机床性能，相关的手册并结合实际经验用模拟
方法确定。同时，使主轴转速、背吃刀量及进给速度三者能相互适应，以形成最佳切削用量。
2.5拟定数控加工工艺卡
2.5.1 数控加工工序
数控加工车削分十三次切削进行加工：
1.然后车削端面作为基准。
2.首先进行车削最大外圆?80。
3.车?70轴台阶轴
4.车削台阶平面。
5.调头装夹。
6.车削?65轴。
7.车削椎面。
8.车削?24圆柱。
9.车削?20圆柱。
10.车削球面。
11.切螺纹退刀槽。
12.车削工艺槽。
13.加工螺纹M24。
2.5.2 数控加工工序表
表2.3数控加工工序表
2.6刀具的选择
2.6.1刀具
刀具的选择的原则：刀具的使用的寿命和装夹是否很方便。在加工轴时一般都是批量生产的，那就要求加工的时候必须有效率，装夹要很方便的，根据上面的分析，我采用机夹式刀片，机夹式刀片的材料是超硬质合金钢。对于机夹可转位刀具，由于换刀时间短,可以充分发挥其切削性能，提高生产效率，刀具寿命可选得低些，一般取15-30min .数控机床所选用的刀具常采用适应高速切削的刀具材料（如高速钢、硬质合金）并使用可转位刀片。
根据以上的分析，在加工轴所采用的刀具是机夹式，超硬质合金钢的刀片,选择数控车削刀具。
数控加工刀具必须适应数控机床高速、高效和自动化程度高的特点，一般应包括通用刀具、通用连接刀柄及少量专用刀柄。刀柄要联接刀具并装在机床刀架上，因此已逐渐标准化和系统化。为了适应数控机床对刀具耐用、稳定、易调、可换等要求，近几年机夹式可转位刀具得到广泛的应用，在数量上达到整个数控刀具的30%-40%，金属切除量占总数的80%-90%。
而加工轴所用的刀片超硬质合金钢, 超硬质合金钢是以碳化钨(WC), 碳化钛(TiC)等,高熔点,高硬度的碳化物的粉末一起粘连的作用的金属钴粉末混合,加压成型,再烧结而制成一种粉末冶金制品。硬质合金具有高硬度(69-81HRC),
速度,耐磨性与寿命都比高速钢高, 超硬质合金钢制的刀片,装夹在刀体上使用.使用方便,大大的提高加工的效率。
此外，对所选择的刀具，在使用前都需对刀具尺寸进行严格的测量以获得精确数据，并由操作者将这些数据输入数据系统，经程序调用而完成加工过程，从而加工出合格的工件。根据以上的分析,采用超硬质合金钢制的刀片。根据加工要求,主要选用的刀具。
表2.4刀具表：
2.6.2确定对刀点与换刀点
对于数控机床来说，在加工开始时，确定刀具与工件的相对位置是很重要的，它是通过对刀点来实现的。“对刀点”是指通过对刀确定刀具与工件相对位置的基准点。在程序编制时，不管实际上是刀具相对工件移动，还是工件相对刀具移动，都把工件看作静止，而刀具在运动。对刀点往往也是零件的加工原点。选择对刀点的原则是：
①方便数学处理和简化程序编制；
②在机床上容易找正，便于确定零件的加工原点的位置；
③加工过程中便于检查；
④引起的加工误差小。
对刀点可以设在零件上、夹具上或机床上，但必须与零件的定位基准有已知的准确关系。当对刀精度要求较高时，对刀点应尽量选在零件的设计基准或工艺基准上。对于以孔定位的零件，可以取孔的中心作为对刀点。
对刀时应使对刀点与刀位点重合。所谓刀位点，是指确定刀具位置的基准
点。
3轴类零件夹具的选用
3.1对轴类零件夹具的基本要求
数控加工对夹具主要有两大要求：一是夹具应具有足够的精度和刚度；二是夹具应有可靠的定位基准。选用夹具时，通常考虑以下几点：
①尽量选用可调整夹具、组合夹具及其它通用夹具，避免采用专用夹具，以缩短生产准备时间。
②在成批生产时才考虑采用专用夹具，并力求结构简单。
③装卸工件要迅速方便，以减少机床的停机时间。
④夹具在机床上安装要准确可靠，以保证工件在正确的位置上加工。
本次设计采用普通的三爪自动定心卡盘，其工作效率高，使用方便、准确度高3.2工件装夹的类型及安装
3.2.1 夹具的类型
数控车床上的夹具主要有两类：一类用于盘类或短轴类零件，工件毛坯装夹在带可调卡爪的卡盘（三爪、四爪）中，由卡盘传动旋转；另一类用于轴类零件，毛坯装在主轴顶尖和尾架顶尖间，工件由主轴上的拨动卡盘传动旋转
3.2.2零件的安装
数控机床上零件的安装方法与普通机床一样，要合理选择定位基准和夹紧方案，注意以下两点：
①力求设计、工艺与编程计算的基准统一，这样有利于编程时数值计算的简便性和精确性。
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。
由于本次设计的零件属于短轴类零件，故采用三爪自定心卡盘装夹。其安装方便、安装精度较高。
4车削零件数控加工的编程
4.1数控坐标系的确定
数控车床坐标系统分为机床坐标系和工件坐标系。
①机床坐标系
以机床原点为坐标系原点建立起来的X、Z轴直接坐标系，称为机床坐标系。车床的机床原点为主轴旋转中心与卡盘后端面之交点。机床坐标系是制造和调整机床的基础，也是设置工件坐标系的基础，一般不允许随意变动参考点参考点是机床上的一个固定点。该点是刀具退离到一个固定不变的极限点，其位置由机械挡块和行程开关来确定。以参考点为原点，坐标方向与机床坐标方向相同所建立的坐标系叫做参考坐标系，在实际使用中通常是以参考坐标系计算坐标值。
②工件坐标系
数控编程时应该首先确定工件坐标系和工件原点。零件在设计中有设计基准，在加工过程中有工艺基准，同时应尽量将工艺基准与设计基准统一，该基准点通常称为工件原点。以工件原点为坐标原点建立起来的X、Z轴直角坐标系为工件坐标系。在车床上工件原点可以选择在工件的左或右端面上，即工件坐标系是将参考坐标系通过对到平移得到的
4.2走刀路线的确定
①车端面。
②钻孔。将棒料运进另一个车间，工序是给棒料进行钻中心孔和车端面。这也是非常重要的一步工序。因为，钻中心孔的好坏将会直接影响下一道工序的进行。要求也是很高的，重要的一步去毛刺，由于上一道工序是锯料，在锯掉的地方会有毛刺，在把毛刺去掉后，要对每一个棒了进行测量，以防止上一道工序出现的废料。再进行认真的测量，将要加工的工件放在专门的钻床上，对工件进行钻孔，是两头同时进行，并且要求钻孔在棒料的中心位置。中心孔：A48.8，并且，要求中心孔应均匀一致。在进行好钻孔后，将料放到普通的车床进行车两端面，对于车的要求是很高的，要求棒料的长度是150㎜，正负0.5㎜，要求每一个工件都要进行检验。
②粗车外圆。
③精车外圆。上一道工序，将工件运进到另一个车间，主要数控车床车间，这道工序是最重要的一步。是进行精车外圆，先精车外圆，然后，是进行精车外圆，在数控车床上进行加工。用到的工装夹具是三爪液压卡盘，还需要顶针，
顶针的作用就是使加工的棒料，保持同轴度，使加工的零件的精度可以达到更高，也使加工时更加的安全。所用到的测量工具是游标卡尺，外径千分尺。同理，再加工时加工的要求和加工的要求是一样的，而其他的各尺寸以及跳动的要求都要符合图纸的要求。
④割槽。端面进行定位割槽并去毛刺；还要求对每批次量生产槽的轴向位置需结合内外球笼装配后之轴向窜动间隙以及总成压缩总长来定。同上一样，是在CNC车床上进行割槽，所用到的工装夹具是三爪卡盘，顶针，用到的测量的检具是游标卡尺。
⑤车螺纹。
4.3程序编制
数控车床主要是加工回转体零件，典型的加工表面不外乎外圆柱、外圆锥、螺纹、圆弧面、切槽等。我所做的工序是精车外圆，加工的程序如下：加工程序及其备注
N10 G50 S10000 ；程序开始
N12 G00 G97 S700 T01
N14 M03
N16 M08
N18 G00 X46.777 Z27.753
N20 G00 X49.807 Z0.807
N22 G00 X44.807 Z0.807
N24 G00 X44.100 Z0.100
N26 G01 X44.100 Z-24.100 F200
N28 G00 X44.807 Z-23.393
N30 G00 X49.807 Z-23.393
N32 G00 X49.807 Z0.807
N34 G00 X42.807 Z0.807
N36 G00 X42.100 Z0.100
N38 G01 X42.100 Z-24.100 F200
N40 G00 X42.807 Z-23.393
N42 G00 X47.807 Z-23.393
N44 G00 X47.807 Z0.807
N46 G00 X40.807 Z0.807
N48 G00 X40.100 Z0.100
N50 G01 X40.100 Z-24.100 F200 N52 G00 X40.807 Z-23.393
N54 G00 X45.807 Z-23.393
N56 G00 X45.807 Z-0.293
N58 G00 X40.807 Z-0.293
N60 G00 X40.100 Z-1.000
N62 G01 X40.100 Z-11.000 F200 N64 G01 X40.100 Z-23.000
N66 G00 X41.100 Z-23.000
N68 G00 X49.807 Z-23.000
N70 G00 X46.777 Z27.753
N72 M09
N74 M30
N75 G50 S0
N76 G00 G97 700 T02
N77 M03
N78 M08
N79 G00 X42.450 Z24.023
N80 G00 X46.966 Z24.023
N81 G00 X46.966 Z3.600
N82 G00 X46.966 Z-1.400
N83 G00 X46.100 Z-1.900
N84 G41
N85 G01 X-0.100 Z-1.900 F200 N86 G00 X0.766 Z-1.400
N88 G00 X0.766 Z24.023
N89 G00 X42.450 Z24.023
N90 G40
N91 M09
N92 M30
掉头装夹
N10 G50 S10000
N12 G00 G97 S700 T01
N14 M03
N16 M08
N18 G00 X27.033 Z41.455
N20 G00 X44.744 Z0.807
N22 G00 X39.744 Z0.807
N24 G00 X39.037 Z0.100
N26 G41
N28 G01 X39.037 Z-99.900 F200 N30 G01 X40.937 Z-99.900
N32 G00 X40.230 Z-99.193
N34 G00 X45.230 Z-99.193
N36 G00 X45.230 Z0.807
N38 G00 X37.744 Z0.807
N40 G00 X37.037 Z0.100
N42 G01 X37.037 Z-99.900 F200 N44 G01 X39.037 Z-99.900
N46 G00 X38.330 Z-99.193
N48 G00 X43.330 Z-99.193
N50 G00 X43.330 Z0.807
N52 G00 X35.744 Z0.807
N56 G01 X35.037 Z-99.900 F200
N58 G01 X37.037 Z-99.900
N60 G00 X36.330 Z-99.193
N62 G00 X41.330 Z-99.193
N64 G00 X41.330 Z0.807
N66 G00 X33.744 Z0.807
N68 G00 X33.037 Z0.100
N70 G01 X33.037 Z-99.900 F200
N72 G01 X35.037 Z-99.900
N74 G00 X34.330 Z-99.193
N76 G00 X39.330 Z-99.193
N78 G00 X39.330 Z0.807
N80 G00 X31.744 Z0.807
N82 G00 X31.037 Z0.100
N84 G01 X31.037 Z-84.603 F200
N86 G03 X32.600 Z-90.000I-8.537 K-5.397
N88 G01 X32.600 Z-99.900
N90 G01 X33.037 Z-99.900
N92 G00 X32.330 Z-99.193
N94 G00 X37.330 Z-99.193
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