键槽的数控加工工艺与编程

键槽的数控加工工艺与编程

摘要

本设计分析了数控机床加工轴外键槽的工艺以及引起加工误差的因素。分析对比了普通机床加工轴外键槽和数控加工的优劣。提出了加工轴外键槽的工装设计方案及加工工艺。在设计方案确定以后，根据具体使用要求和工作情况设计夹具的定位元件，夹紧机构，定位键和夹具体。在生产加工中，应用本设计装夹工件，定位夹紧可靠，可以提高工件的加工精度。

关键词：数控，键槽，加工工艺，编程

绪论

数控（英文名字：Numerical Control 简称：NC）技术是指用数字、文字和符号组成的数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制的技术。数控的产生依赖于数据载体和二进制形式数据运算的出现。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，成为世界机械工业史上一件划时代的事件，推动了自动化的发展。

数控机床是按照事先编制好的加工程序，自动地对被加工零件进行加工。我们把零件的加工工艺路线、工艺参数、刀具的运动轨迹、位移量、切削参数(主轴转数、进给量、背吃刀量等)以及辅助功能(换刀、主轴正转、反转、切削液开、关等)，按照数控机床规定的指令代码及程序格式编写成加工程序单，再把这程序单中的内容记录在控制介质上(如穿孔纸带、磁带、磁盘、磁泡存储器)，然后输入到数控机床的数控装置中，从而指挥机床加工零件。

这种从零件图的分析到制成控制介质的全部过程叫数控程序的编制。数控机床与普通机床加工零件的区别在于数控机床是按照程序自动加工零件，而普通机床要由人来操作，我们只要改变控制机床动作的程序就可以达到加工不同零件的目的。因此，数控机床特别适用于加工小批量且形状复杂要求精度高的零件。

本文主要介绍了键槽及数控的加工工艺，还有键槽加工的编程。

第2章键槽

轴类零件外键槽是与键配合构成键连接。键是用来连接轴与轴上传动件（例如齿轮，带轮等等）以实现周向（或轴向）固定，以便传动件与轴一起转动传递转矩和旋转运动。轴外键槽的加工精度高，则键在键槽中的轴向固定良好，连接更为可靠。

键槽加工中，对称度是重要的技术指标。运用普通立铣床加工轴外键槽，采用传统加工工艺，一般用抱钳装夹工件，用键槽铣刀或是立铣刀加工，在加工过程中受力不均衡，容易引起加工误差。生产效率较低,运动刚性差，质量稳定性差.

运用数控铣床加工轴外键槽，可以实现X轴与Z轴联动，形成“之”字形走刀路线，较普通走刀路线受力更均衡，从而改变了工件的受力情况，有利于提高工件的加工精度。

2.1 零件的分析

2.1.1 零件的作用

轴类零件外键槽与键配合构成键连接。键是用来连接轴与轴上传动件（例如齿轮，带轮等等）周向或是轴向固定，以便传动件与轴一起转动传递转矩和旋转运动。轴外键槽的加工精度高，则键在键槽中固定良好，连接可靠。当被连接的毂类零件在工作过程中必须在轴上做轴向移动时（如变速箱中的滑移齿轮），需要采用导向平键或是滑键，则需铣削出较长的键槽，以实现毂类零件的轴向移动。

2.2 零件的工艺分析

轴类零件主要加工表面是各外圆表面。次要加工表面是轴外键槽，花键，螺纹。

通常先安排定位基面的加工，为加工其他表面做好准备。后安排次要表面的加工。所以轴外键槽的加工安排在外圆精车或粗磨以后，精磨之前进行。否则会在外圆终加工时产生冲击，不利于保证加工质量影响刀具的寿命，或是会破坏主要加工表面已经获得的精度。

轴外键槽与轴类零件外圆有位置要求。

键槽与工件外圆的对称度公差为0.08mm。

由以上分析，需要先加工工件的主要加工表面，然后借助专用夹具加工轴外键槽，并且保证它们之间的位置精度要求。

2.3 基面的选择

基面的选择是工艺规程设计中的重要工作之一。基面选择得正确与合理，可以使加工质量得到保证，生产率得以提高。否则，加工工艺过程中会问题百出，会造成零件报废，使生产无法顺利进行。

（1）粗基准的选择。对于轴类零件的加工，以外圆作为粗基准。

（2）精基准的选择。采用顶尖孔作为定位基准。以顶尖孔为精基准可以实现基准统一，能够在一次装夹中加工出各段外圆表面及端面，可以很好的保证各外圆表面的同轴度以及外圆与端面的垂直度，加工效率高并且所用的夹具结构简单。所以对于实心轴（棒料或锻件毛胚），在粗加工之前，应先打顶尖孔，以后的工序都以顶尖孔定位。

（3）加工轴外键槽以工件外圆柱面作为定位基准。

2.4 制定工艺路线

对于7级精度，表面粗糙度R a1-0.5μm的一般传动轴，工艺路线方案为：

（1）用工件外圆表面作为粗基准，钻顶尖孔。

（2）用顶尖孔定位，粗车外圆表面和端面。

（3）用顶尖孔定位，精车外圆表面和端面。

（4）用外圆柱面定位，加工轴外键槽。

（5）热处理。

（6）修研顶尖孔。

（7）用顶尖孔定位，粗磨外圆。

（8）用顶尖孔定位，精磨外圆。

（9）检验。

第3章轴外键槽的传统加工工艺与传统加工方式

3.1 加工轴外键槽的传统工艺与传统工艺分析

3.1.1 传统工艺

运用传统工艺加工轴外键槽如图6所示：现将铣刀垂直进给移向工件，到一定深度后，将纵向进给切至键槽全长；再进行垂直进给，然后反向纵向进给，反复多次直至切刀要求深度。

3.1.2 传统工艺分析

运用传统工艺加工轴外键槽会带来两个弊端：

其一垂直切削分力加大，引起刀具挠度和转角加大，这样就加剧键槽侧面倾斜，另外顺铣与逆铣时产生的不对称变形，这些都会给对称度带来不利影响。

其二吃深较大，铣刀与工件接触弧长，切削沿前刀面滑动时间较长，因此前后刀面同时磨损，而后刀面磨损尤为严重，这样键槽宽度尺寸会受到影响，同时减少刀具重磨次数。

基于以上两点，此工艺对于加工轴外键槽的效果较差。

3.2 轴外键槽的传统加工方式

图6 传统加工方式

圆轴类外键槽通常使用键槽铣刀或立铣刀加工，如图6所示。用键槽铣刀铣削封闭式键槽时，一般用抱钳装夹工件或v型体装夹工件

夹紧工件前必须校正夹具在工作台中的位臵，然后利用螺栓与工作台T型槽连接。键槽长度进给量由工作台纵向进给手轮控制，深度进给由工作台升降进给手柄来控制，宽度由铣刀直径控制。其工作循环如图6所示；先将铣刀垂直进给移向工件，切削少量的深度，将工件纵向进给切至键槽的全长；再进行垂直进给，

然后方向纵向进给，反复多次直至完成。用传统的工艺方法和普通铣床来加工精度要求不是很高的键槽，应用较为广泛，随处可见。

3.3 传统加工方式分析

用传统的工艺方法和普通铣床来加工精度要求不是很高的轴外键槽，应用较为广泛。

运用传统工艺加工轴外键槽，在精度要求较高，尺寸范围变化大的时候存在如下弊端：

（1）质量稳定性差

夹具在工作台中的位臵是引起键槽的对称平面与轴的纵向对称面不重合的重要因素，在加工中若工件长度的变化没有任何规律性，工作台上中央T型槽磨损量不均衡，必然会影响夹具定位的准确性，进而造成键槽定位的不准确，引起质量稳定性较低。

（2）生产效率低

因为工件上对称度要求越高，就对机床的定位精度要求高，而且对工件在夹具上的定位精度要求也越高，因此调试难度就会加大。

（3）运动刚性差

普通铣床调节环节多，引起误差的几率高（如梯形丝杠与螺母之间的间隙调整；刀杆与主轴连接的间隙调整等），导致相对运动刚性差。此外，由作用于铣刀刀刃上的不均衡切削力导致铣刀的微量变形也会引起对称度误差。

第4章轴外键槽的数控加工工艺与加工方式

4.1 数控加工工艺

“之”字形数控工艺如图7所示。采用数控加工能够实现两轴联动，即X 轴与Z轴同时发出进给指令，刀具形成“之”字形循环进给，每一次循环进给的过程中吃深量逐渐加大，与传统工艺相比，吃刀量相对减小而进给速度显著增大这样在基本相同的生产效率下，可以大大改变切削过程中工件的受力状况，减小刀具变形所引起的对称度误差，使轴外键槽的对称精度得以保证。

采用数控装臵实现两轴联动，即X,Z轴同时发出进给指令，使之形成“之”字形循环进给，与传统工艺相比每一循环减小了吃刀量而增大了进给速度，这样在同等的生产效率下既可以保证改变切削过程中工件的受力状态，减小刀具变形所引起的对称度误差，间接的提高主轴的刚性[18]。

此外，减小了刀具磨损，可以延长刀具使用寿命。

图7 数控工艺

4.2 数控加工生产的优势

4.2.1 生产率的提高

数控机床可以采用较大的切削用量，具有自动变速，自动换刀，自动交换工件，生产率得以极大的提高，一般为普通机床的3-4倍，甚至更高，尤其是对于复杂的零件，加工量大的工件和易出差错的工件，生产率可以大大提高，减轻了工人的劳动强度。

数控加工工艺的基本特点：

1）工序的内容复杂。这是由于数控机床比普通机床价格贵，若只加工简单工序在经济上不合算，所以数控机床上通常安排较复杂的工序，甚至在普通机床上难以完成的工序。

2）工步的安排更为详尽。这是因为在普通机床上的加工工艺中不必考虑的问题，如工序内工步的安排、对刀点、换刀点及加工路线的确定等问题，在编制数控机床加工工艺时却不能忽略。

4.2.2 数控机床的适应性与灵活性

数控机床具有广泛的适应性和较大的灵活性。加工完这一种（或这一批）零件后，需要更换为另一种（或另一批）零件时，只需要更换新的零件加工程序。所以数控机床是产品更新换代频繁时代的首选柔性设备。

4.2.3 机床刚性的提高

数控机床进给系统中传动执行机构采用高精度滚珠丝杠传动副，并取消Y 向变速环节运动环节，减小调整间隙环节，可以提高机床的运动刚度。

4.2.4 采用数控加工工艺，改变受力状况

数控加工工艺如图7所示。采用数控装置实现两轴联动，即X,Z 轴同时发出进给指令，使之形成“之”字形循环进给，与传统工艺相比每一循环减小了吃刀量而增大了进给速度，这样在同等的生产效率下既可以保证改变切削过程中工件的受力状态，减小刀具变形所引起的对称度误差，间接的提高主轴的刚性。又可以减小刀具的磨损，提高其使用寿命。

4.3数控加工工艺

4.3.1数控加工工艺性分析

被加工零件的数控加工工艺性问题涉及面很广，下面结合编程的可能性和方便性提出一些必须分析和审查的内容。

1、尺寸标注应符合数控加工的特点

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。因此零件图样上最好直接给出坐标尺寸，或尽量以同一基准引注尺寸。

2、几何要素的条件应完整、准确

在程序编制中，编程人员必须充分掌握构成零件轮廓的集合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到或被忽略，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。

3、定位基准可靠

在数控加工中，加工工序往往较集中，以同一基准定位十分重要。因此往往需要设置一些辅助基准，或在毛坯上增加一些工艺凸台。

4、统一几何类型及尺寸

零件的外形、内腔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。