轴类零件的数控加工工艺.doc

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1、轴类零件数控加工工艺优化与实例分析通过轴类零件数控加工的特征描述方法，制定轴类零件数控加工工艺规程应注意的问题，轴类零件数控加工中的典型工艺处理方法，轴类零件数控加工中工艺过程的优化几个方面的探讨，旨在为轴类零件数控加工工艺的改进提供理论参考。关键词：轴类零件；数控；加工工艺目录前言41.轴类零件数控加工的特征描述方法41.1轴类零件的层次特征描述方法41.2几何形状特征分层描述方法42.制定轴类零件数控加工工艺规程应注意的问题52.1零件图工艺52.2渗碳件加工工艺路线52.3粗基准选择52.4精基准选择63.轴类零件数控加工中的典型工艺处理方法63.1轴类零件的预加工63.2轴类零件的半精

2、加工63.3轴类零件的精加工73.4一般台阶轴的加工工艺73.5改局部分散标注法尺寸为集中引注或坐标式尺寸83.6刀路尽量采用简单刀路93.7拐点的处理要合理，避免采用直角过渡93.8刀路的材料去除量要均匀，减小冲击产生94.轴类零件数控加工中工艺过程的优化94.1抛光工艺过程优化94.2电沉积工艺过程优化105.实例分析115.1非单调轴类零件的车削加工115.2台阶轴的楔型横轧工艺116.结语127.谢辞128.参考文献13前言轴类零件是机器中常用的典型零件之一。它主要用来支承传动零部件，传递扭矩和承受载荷。在机械加工中，轴类零件的加工是车削技能中最基本也是非常重要的项目。根据我国对机械装

3、备制造业产品加工工艺不断精益化的要求和国内表面处理行业日趋市场化的特点，经过研究和技术攻关，提出轴类零件数控加工工艺的改进方法，对该类零件大批量生产具有一定的指导意义。1轴类零件数控加工的特征描述方法1.1轴类零件的层次特征描述方法在零件加工工序中，影响一个零件工序设计的两个关键因素是零件的几何特征和材料特征和精度。几何特征又分为几何形状、主体尺寸。材料特性又分为硬度、热处理和其他材料属性。精度特征包括公差、表面光洁度。对组成轴类零件的每一个特征用一个特征码表示，组合为轴类零件的特征串。根据功能不同，将零件特征串分为主特征串和辅特征串。主特征串是沿着零件轴向方向的几何特征和精度的描述。辅特征串

4、表示零件的材料特征。轴类零件用主特征和辅特征来分层描述，具体见图1。图1轴类零件分层描述结构图1.2几何形状特征分层描述方法根据轴类零件的基本几何特点，定义了影响其加工工艺的基础的几何特征。这些特征，按照加工过程中几何形状特征的增加组织成树状结构。如图2、图3所示，每个几何特征用一个节点表示，一个节点可以代表两个对称的几何特征。树上每个节点到根节点的路径表示从根节点起的加工路径，连线表示增加几何形状特征的加工过程。因此，在路径中两个几何特征共享的路径越多，他们的加工就越相似。每个几何特征有直接和隐含两个标示。直接标示用来显示几何特征的结构关系。隐含标示用来计算相似度。图2直接标示树状结构图图3

5、隐含标示树状结构图2制定轴类零件数控加工工艺规程应注意的问题轴类零件中工艺规程的制定，直接关系到工件质量、劳动生产率和经济效益。一个零件可能有几种不同的加工方案，但综合考虑只有某一种较合理或为最优方案。在制定机械加工工艺规程中，须注意以下几点。2.1零件图工艺在零件图工艺分析中，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。2.2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（对不需提高硬度部分）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。2.3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

6、，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。2.4精基准选择要符合基准重合原则，尽可能选择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。3轴类零件数控加工中的典型工艺处理方法3.1轴类零件的预加工轴类零件在切削加工之前，应对其毛坯进行预加工。预加工包括校正、切断和切端面和钻中心孔。（1）校正：校正棒料毛坯在制造、运输和保管过程中产生的弯曲变形，以保证加工余量均匀及送料装夹的可靠，校正可在各种压力机上进行。（2）切断：当采

7、用棒料毛坯时，应在车削外圆前按所需长度切断。切断可在弓锯床上进行。高硬度棒料的切断可在带有薄片砂轮的切割机上进行。（3）切端面钻中心孔：中心孔是轴类零件加工最常用的定位基准面，为保证钻出的中心孔不偏斜，应先切端面后再钻中心孔。（4）荒车：如果轴的毛坯是锻件或大型铸件，则需要先进行荒车加工，以减少毛坏外圆表面的形状误差，使后续工序的加工余量均匀。3.2轴类零件的半精加工半精加工之前要进行热处理，对于45号钢一般用调质处理以达到220HBS240HBS。车工艺锥面，（定位锥孔）半精车外圆端面和钻深孔等。车工艺锥面采用三爪自定心卡盘夹热轧圆钢的毛坯外圆，车端面、把端面车平。在尾座上搭上卡头，钻中心孔

8、。但必须注意，一般不能用毛坯外圆装夹两次钻两端中心孔，而应该以毛坯外圆作粗基准，先加工一个端面，钻中心孔，车出一端外圆；然后以已车过的外圆作基准，用三爪自定心卡盘装夹（有时在上工步已车外圆处搭上中心架）、车另一端面、钻中心孔。如此加工中心孔，才能保证两中心孔同轴。3.3轴类零件的精加工（1）精加工前应热处理，局部高频淬火。（2）精加工前进行各种加工，粗磨定位锥面，粗磨外圆、铣键槽以及车螺纹等。（3）精加工前，精磨外圆和内外锥面以保证主轴最重要表面的精度。3.4一般台阶轴的加工工艺（1）零件图样分析。图1所示零件是减速器中的传动轴。它属于台阶轴类零件，由圆柱面、轴肩、螺纹、螺尾退刀槽、砂轮越程槽

9、和键槽等组成。轴肩一般用来确定安装在轴上零件的轴向位置，各环槽的作用是使零件装配时有一个正确的位置，并使加工中磨削外圆或车螺纹时退刀方便；键槽用于安装键，以传递转矩；螺纹用安装各种锁紧螺母和调整螺母。根据工作性能与条件，该传动轴图样规定了主要轴颈M，N，外圆P，Q以及轴肩G，H，I有较高的尺寸，位置精度和较小的表面粗糙度值，并有热处理要求。这些技术要求必须在加工中给予保证。因此，该传动轴的关键工序是轴颈M，N和外圆P，Q的加工。（2）确定毛坯。该传动轴材料为45号钢，因其属于一般传动轴，故选45号钢可满足其要求。且本例传动轴属于中、小传动轴，并且各外圆直径尺寸相差不大，所以选择d60mm的热轧

10、圆钢作毛坯。（3）确定主要表面的加工方法。传动轴大都是回转表面，主要采用车削与外圆磨削成形。由于该传动轴的主要表面M，N，P，Q的公差等级（IT6）较高，表面粗糙度Ra值（Ra=0.8m）较小，故车削后还不需磨削，外圆表面的加工方案可为:粗车半精车磨削。表1为传动轴的加工工艺过程。（4）确定定位基准。合理地选择定位基准，对于保证零件的尺寸和位置精度有着决定性的作用。由于该传动轴的见个主要配合表面（Q，P，N，M）及轴肩面（H，G）对基准线AB均有径向圆跳动和端面圆跳动的要求，它又是实心轴，所以应选择两端中心孔为基准，采用双顶尖装夹方法，以保证零件的技术要求。（5）划分阶段。对精度要求较高的零件

11、，其粗、精加工应分开，以保证零件的质量。该传动轴加工划分为3个阶段：粗车（粗车外圆、钻中心孔等），半精车（半精车各处外圆、台阶和修研中心孔及次要表面等），粗、精磨（粗、精磨各处外圆）。各阶段划分大致以热处理为界。（6）热处理工序安排。轴的热处理要根据其材料和作用要求确定。对于传动轴，正火、调质和表面淬火用得较多。该轴要求调质处理，并安排在粗车各外圆之后，半精车各外圆之前。综合上述分析，传动轴的工艺路线如下：下料车两端面，钻中心孔粗车各外圆调质修研中心孔半精车各外圆，车槽，倒角车螺纹划键槽加工线铣键槽修研中心孔磨削检验。（7）加工尺寸和切削用量。传动轴磨削余量可取0.5mm，半精车余量可选用1.

12、5mm。加工尺寸可由此而定（见表1）。车削用量的选择，单件、小批量生产时，可根据加工情况由工人确定；一般可由机械加工工艺手册或切削用量手册中选取。（8）拟定工艺过程。定位精基面中心孔应在粗加工之前加工，在调质之后和磨削之前各需安排一次修研中心孔的工序。调质之后修研中心孔为消除中心孔的热处理变形和氧化皮，磨削之前修研中心孔是为提高定位精准面的精度和减小锥面的表面粗糙度值。拟定传动轴的工艺过程时，在考虑主要表面加工的同时，还要考虑次要表面的加工。在半精加工d52mm，d44mm及M24mm外圆时，应做到图样规定的尺寸，同时加工出各退刀槽、倒角和螺纹；3个键槽应在半精车后以及磨削之前铣削加工出来，这

13、样可保证铣键槽时有较精确的定位基准，又可避免在精磨后铣键槽时破坏已精加工的外圆表面。在拟定工艺过程时，应考虑检验工序的安排，检查项目及检验方法的确定。3.5改局部分散标注法尺寸为集中引注或坐标式尺寸在数控编程中，所有点、线、面的尺寸和位置都是以编程原点为基准的。因此，零件图中最好直接给出坐标尺寸，或尽量以同一基准引注尺寸。这种标注法，既便于编程，也便于尺寸之间的相互协调，在保持设计、工艺、检测基准与编程原点设置的一致性方面带来很大方便。但是由于零件设计人员往往在尺寸标注中较多地考虑装配等使用特性方面，而不得不采取局部分散的标注方法，这样会给工序安排与数控加工带来诸多不便。事实上，由于数控加工精

14、度及重复定位精度都很高，不会因产生较大的累积误差而破坏零件的使用性能，因而改动局部的分散标注法尺寸为集中引注或坐标式尺寸是完全可以的。3.6刀路尽量采用简单刀路具体要求就是：尽量选用0度或者是90度方向切削。因为单轴插补加工其物理意义在于不存在轮廓误差；两轴或两轴以上插补加工，在两轴位置增益不相同时，存在轮廓误差，且平行刀路要选择较长边作为进给方向。单轴插补加工不存在轮廓误差，故对于数控铣床加工零件，必须使零件的直线轮廓平行或垂直于坐标轴，以提高零件的加工精度。3.7拐点的处理要合理，避免采用直角过渡在外角加工中选用圆角过渡，走刀方向不会因突然改变而损坏刀具，零件的拐角轮廓误差也得以有效控制。

15、如果确需直角过渡的，可在轮廓交接处加入G04指零，延时数十至数百ms，在这段时间里前段轮廓加工时的跟随误差会迅速得以修正，如车削轴类零件台肩等。在现代数控加工中可以用CAM软件来很好的处理这类问题。有些数控系统也可采用尖角过渡G07指令。3.8刀路的材料去除量要均匀，减小冲击产生材料投入切削量的突然改变会对刀具和机床产生冲击。特别是在留精加工余量时更应该注意，多数学生在使用复合固定循环时，易出现这现象。4轴类零件数控加工中工艺过程的优化4.1抛光工艺过程优化经过对改进后的抛光工艺过程的试验，不锈钢件经传统工艺抛光后与二次镀铬后的零件一样，分别再用不织布轮、斜裁麻轮、通风布轮进行粗、中、精抛。具

16、体优化后的工艺参数见表1。表1抛光工艺参数一览表磨轮类别不织布轮斜裁麻轮通风布轮工件转速（r/min）6090120抛光磨轮线速度（m/s）18.6227.9355.86磨轮轴向线速度（mm/r）853抛光磨轮直径（mm）355.6355.6355.64.2电沉积工艺过程优化镀铬工艺流程为：毛坯检验抛光金属表面活性剂处理流动冷水预热一次镀铬流动冷水清洗抛光金属表面活性剂处理预热二次镀铬流动冷水清洗抛光检验包装对常规零件电沉积工艺过程参数进行了优化，并汲取了以往电镀铬的成功经验，在加有镀铬添加剂的镀液中，将一次光亮镀铬工艺改为二次光亮镀铬工艺，大大提高了镀层的光亮度和表面质量。一次镀铬时，工件入

17、槽温度一般控制在6065，采用小电流阳极活化处理，JA=810A/dm2，时间为t=2030s，然后转换为阴极，电流密度在5min内升至正常，10min后开始降温至5055。镀层厚度控制在0.020.025mm以内。抛光后进行二次镀铬，工件入槽预热温度控制在6065，时间10min。阳极活化(JA=20A/dm2，4050s)阴极（2530A/dm2，30s）阳极活化（JA=20A/dm2，5060s）阴极（810min内升至正常），开始降温至5863，总厚度0.070.075mm。5实例分析5.1非单调轴类零件的车削加工如图4所示零件，在车削类零件中属于非单调类，加工时具有较高的难度,必须合

18、理制定其加工工艺。该零件加工所用坯料设为66mm的棒料，批量生产，加工时用一台数控车床，图形的数学处理及数控加工工艺如下。图4非单调轴类零件的车削加工工艺模型5.2台阶轴的楔型横轧工艺预轧制件和原始坯料的尺寸确定利用Pro/E对图5所示的台阶轴坯件进行三维造型，以确定台阶轴各部分的体积，再根据体积不变原理计算出预轧制件和原始坯料的尺寸。预轧制件的大头部分直径为38mm，因此可选用38mm的2A12铝合金原始棒材，根据体积不变原理可得出原始坯料的长度为168.9mm。图5台阶轴预压制件示意图6结语轴类零件加工工艺是一项严谨的技术工作，随着现代加工技术的快速发展，轴类零件在“高速、高精度、自动化、

19、网络化”的发展道路上迈上了新的台阶，通过对轴类零件的预加工，轴类零件的半精加工，轴类零件的精加工，一般台阶轴的加工工艺，改局部分散标注法尺寸为集中引注或坐标式尺寸等工艺处理方法的研究，提出抛光工艺过程优化和电沉积工艺过程优化措施，希望能把轴承零件的质量提升到一个更高的发展水平。8参考文献1于华,数控机床的编程及实例M.北京：机械工业出版社,1994.2刘敏利.高速铣削铝合金加工技术的研究J.哈尔滨理工大学学报，2002，（12）：16-183王蝴.数控加工刀具技术的现状及发展趋势J.工具技术，2006，40（3）：35-384机械加工技术手册编写组.机械加工技术手册M.北京:北京出版社,1989.5杨伟群,数控工艺培训教程M.北京：清华大学出版社,2002.6张铁铭.干式切削及其所用刀具材料的现状J.工具展望,2000,(5):1-4.7蒋增福,车工工艺与技能训练M.北京：高等教育出版社,1997.8李义增.金属工艺学M.北京:机械工业出版社,2005.