内螺纹轴的数控加工工艺的设计及程序设计

南京信息职业技术学院

毕业设计论文

作者：学号：21053P34

系部：机电学院

专业：数控技术

题目：内螺纹轴的数控加工工艺设计及程序设计指导教师：

评阅教师：

完成时间：2013年05月22日

毕业设计(论文)中文摘要

毕业设计(论文)外文摘要

Title ：Design of NC machining internal thread axis. Abstract:Because of particularity and complexity of process thread structure, thread processing has low accuracy, low efficiency. Aiming at these problems, points out that in the thread processing, by selecting the appropriate programming instruction, correct processing tool, workpiece clamping and reasonable use of accurate cutting parameters, can accurately control thread in CNC lathe processing, high precision, high efficiency, stable and reliable manufacture thread products qualified. Don't screw the traditional processing methods to meet the production requirements of high efficiency, high quality.

Through the process of an instance of rational planning of production, based on process analysis of a threaded shaft, compiled NC program, to verify the correctness of NC programming and process, to provide a meaningful reference for NC machining of the parts. And in the machining center processing of the products and meet the technical requirements of products. Because a clamping molding, greatly improved work efficiency.

Keywords: CNC lathe CNC turning thread machining Analysis of the process of parts drawing

目录

1 引言 (6)

2 零件图的分析及加工设备选择 (6)

2.1 零件图 (6)

2.2 零件图分析 (7)

2.3选择机床 (7)

3 工件的定位和装夹 (8)

3.1 定位基准的选择 (8)

3.1.1 定位基准选择的原则 (8)

3.1.2 确定该内螺纹轴的定位基准 (9)

3.2数控车床常用的装夹方式 (9)

3.2.1装夹方式的选择原则 (9)

3.2.2确定该内螺纹轴的装夹方式 (10)

4 加工刀具的选择及切削用量的确定 (11)

4.1 选择数控刀具的原则 (11)

4.2 选择数控车削用刀具 (11)

4.3 选择刀具 (12)

4.4 确定切削用量 (12)

5 加工工艺分析 (13)

5.1分析加工方案 (13)

5.1.1外圆车削工艺 (13)

5.1.2螺纹加工工艺 (14)

5.1.3 圆弧加工工艺 (15)

5.1.4孔加工工艺 (16)

5.2 设置刀点和换刀点 (16)

5.3 确定加工工艺路线 (16)

6 内螺纹轴仿真编程程序设计 (18)

6.1仿真软件的介绍 (18)

6.2手动编程程序 (18)

结论 (20)

致谢 (21)

参考文献 (21)

1 引 言

随着科学技术飞速发展和经济竞争的日趋激烈，机械产品的更新速度越来 越快，数控加工技术作为先进生产力的代表，在机械及相关行业领域发挥着重要 的作用，机械制造的竞争，其实质是数控技术的竞争。同时数控加工技术对国计民生的 一些重要行业（IT 、汽车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用，因为 效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率，提 高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。

本文以与切削用量的选择，工件的定位装夹，加工顺序和典型轴类零件为例，结合数控加工的特点， 分别进行工艺方案分析， 机床的选择，刀具加工路线的确定， 数控程序的编制， 最终形成可以指导生产的工艺文件。在整个工艺过程的设计过 程中，要通过分析，确定最佳的工艺方案，使得零件的加工成本最低，合理的选 用定位夹紧方式，使得零件加工方便、定位精准、刚性好，合理选用刀具和切削 参数，使得零件的加工在保证零件精度的情况下，加工效率最高、刀具消耗最低。 最终形成的工艺文件要完整，并能指导实际生产。

2 零件图的分析及加工设备选择

2.1 零件图

本文加工的内螺纹轴如下图1所示

Φ32+0

-0.03

2.2 零件图分析

该零件表面由圆柱、顺圆弧、逆圆弧、内孔、内螺纹等表面组成。尺寸标注完整，选用毛坯为45#钢，Φ50mm×103mm，无热处理和硬度要求,粗糙度为1.6。

本零件的加工难点在于内螺纹、R8.5和R60两个圆弧连接以及和圆柱的连接的加工，还有标有上下公差的直线段和圆柱。只要在编程时算其相连接点的坐标（48，13.36）、（39.43,35.63）、（48,-48）。车内螺纹时分5次进给，对应的背吃刀量（直径值）依次为：0.9mm,0.6mm,0.6mm,0.4mm,0.1mm。在加工有上下公差的尺寸时，为了保证其精度一般在程序编写时取中间值。计算公式：中间值=基本尺寸+（上偏差+下偏差）/2。

2.3选择机床

通过以上数据分析，考虑加工的效率和加工的经济性，最理想的加工方式为车削，考虑该零件为大批量加工，故加工设备采用CNC6140D数控车床。该车床可以实现轴类、盘类的内外表面，锥面、圆弧、螺纹、镗孔、铰孔加工，也可以实现非圆曲线加工。 FANUC 公司的数控系统具有高质量、高性能、全功能，适用于各种机床和生产机械的特点，其技术参数如下表1。

表1CNC6140D的技术参数

3 工件的定位和装夹

3.1 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。

3.1.1 定位基准选择的原则

1)粗基准的选择原则

①相互位置要求原则

②相互位置要求原则

③重要表面原则

④不重复使用原则

⑤便于工件装夹原则

2）精基准的选择原则

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基准统一原则

就是选用的基准必须与设计基准、工艺基准、加工基准是同一基准。

③便于装夹原则

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。

④便于对刀原则

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。

3.1.2 确定该内螺纹轴的定位基准

根据定位基准选择原则，避免不重合误差，便于编程，以工序的设计基准作为定位基准。本零件加工时，先以Φ50 mm外圆的轴线作为轴向定位基准，加工零件右端面轮廓；然后以零件轴线作为轴向定位基准，加工左端面轮廓。

3.2数控车床常用的装夹方式

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。

3.2.1装夹方式的选择原则

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。

3.2.2确定该内螺纹轴的装夹方式

左端装夹方法：先夹持毛坯左端，伸长量为70mm，加工右端φ48mm的外圆、R60mm和R8.5mm的外圆弧、M24X2mm的内螺纹，加工总长为66mm。装夹方式如图2所示。

图2左端装夹方式

右端装夹方式：

调头装夹已加工φ48mm外圆，并用顶尖顶紧左端，左端加工φ32mm、φ38mm、φ48mm的外圆。装夹方式如图3所示。

图3 右端装夹方式

4 加工刀具的选择及切削用量的确定

4.1 选择数控刀具的原则

刀具寿命与切削用量有密切关系。在制定切削用量时，应首先选择合理的刀具寿命，而合理的刀具寿命则应根据优化的目标而定。一般分最高生产率刀具寿命和最低成本刀具寿命两种，前者根据单件工时最少的目标确定，后者根据工序成本最低的目标确定。选择刀具寿命时可考虑如下几点根据刀具复杂程度、制造和磨刀成本来选择。`数控加工对刀具提出了更高的要求，不仅需要冈牲好、精度高，而且要求尺寸稳定，耐用度高，断和排性能坛同时要求安装调整方便，这样来满足数控机床高效率的要求。数控机床上所选用的刀具常采用适应高速切削的刀具材料(如高速钢、超细粒度硬质合金)并使用可转位刀片。

4.2 选择数控车削用刀具

数控车削车刀常用的一般分成型车刀、尖形车刀、圆弧形车刀以及三类。成型车刀也称样板车刀，其加工零件的轮廓形状完全由车刀刀刃的形伏和尺寸决定。尖形车刀是以直线形切削刃为特征的车刀。圆弧形车刀是以一圆度或线轮廓度误差很小的圆弧形切削刃为特征的车刀。该车刀圆弧刃每一点都是圆弧形车刀的刀尖，应此，刀位点不在圆弧上，而在该圆弧的圆心上。圆弧形车刀可以用于车削内外表面，特别适合于车削各种光滑连接(凹形)的成型面。选择车刀圆弧半径时应考虑两点车刀切削刃的圆弧半径应小于或等于零件凹形轮廓上的最小曲率半径，以免发生加工干浅该半径不宜选择太小，否则不但制造困难，还会因刀

尖强度太弱或刀体散热能力差而导致车刀损坏。

4.3 选择刀具

根据被加工零件的特征确定其加工刀具，如下表2所示

表2 数控加工刀具卡片

4.4 确定切削用量

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。

根据被加工表面质量要求、刀具材料和工件材料，参考切削用量手册或有关资料选取切削速度与每转进给量，然后利用公式Vc=∏dn/1000和Vf=nf,计算主轴转速和进给速度。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，竟可能原则较大的背吃刀量，以减少进给次数；精加工时，为保证零件表面粗糙度的要求，背吃刀量一般取0.1-0.4较为合适。结合上述确定该内螺纹轴的切削用量如下表3所示。

表3内螺纹轴的切削用量

5 加工工艺分析

5.1分析加工方案

加工方法的选择原则是保证加工精度和表面粗糙度的要求。由于获得同一级精度及表面粗糙度的加工方法一般有许多，因而在实际选择时，要结合零件的形状、尺寸大小和形位公差要求全面考虑。

5.1.1外圆车削工艺

车外圆常用的车指令：

1）快速点位运动G00

G00 X(U) __ Z(W) __

其中X、Z表示目标点在编程坐标系下的绝对坐标U、W表示终点相对起点坐标的增量，在绝对方式编程时用X、Z，用增量方式编程时用U、W，其中U表示X方向的增量，W表示Z方向的增量。X(U)坐标一般按直径方式输入。

2）直线插补指令--G01

G01 X(U) __ Z(W) __ F __

直线插补也称直线进给，它的特点是刀具以直线插补运算联动方式由某坐标点移动到另一坐标点，移动速度是由进给指令F设定。机床执行G01指令时，

在该程序段中必须含有F指令。G01和F都是模态指令。

3）内(外)径粗车复合循环G71

G71 U(△d) R(e) P(ns) Q(nf) X(△u) Z(△w) F S T

其中：

△d—切削深度(背吃刀量、每次切削量)，半径值，无正负号，方向由矢量AA′决定；

e—每次退刀量，半径值，无正负；

ns—精加工路线中第一个程序段(即图6中AA′段)的顺序号；

nf--精加工路线中最后一个程序段(即图6中BB′段)的顺序号；

△u—X方向精加工余量，直径编程时为△u，半径编程为△u/2；

△w—Z方向精加工余量

5.1.2螺纹加工工艺

普通螺纹的尺寸分析

数控车床对普通螺纹的加工需要一系列尺寸，普通螺纹加工所需的尺寸计算分析主要包括以下两个方面：

①螺纹加工前工件直径：考虑螺纹加工牙型的膨胀量，螺纹加工前工件直径D/d －0.1P，即螺纹大径减0.1螺距，一般根据材料变形能力小取比螺纹大径小0.1到0.5。

②螺纹小径为：大径－2倍牙高；牙高=0.54P（P为螺距）

5.2.2.2普通螺纹的编程加工

在目前的数控车床中，螺纹切削一般有三种加工方法：G32直进式切削方法、G76斜进式切削方法和G92直进式切削方法，由于切削方法的不同，编程方法不同，造成加工误差也不同。我们在操作使用上要仔细分析，争取加工出精度高的零件。

G32直进式切削方法，但是其加工的牙形精度较高，因此一般多用于小螺距螺纹加工。G76斜进式切削方法，其为单侧刃工作，刀具负载较小，排屑容易，并且切削深度为递减式。因此，此加工方法一般适用于大螺距螺纹加工。由于此加工方法排屑容易，刀刃加工工况较好，在螺纹精度要求不高的情况下，此加工方法更为方便。G92直进式切削方法，螺纹切削循环同G32螺纹切削一样，在进

给保持状态下，该循环在完成全部动作之后再停止动作。

由于本零件加工的螺纹螺距较小且精度较高以及从刀具的使用寿命和个人对三个指令的熟悉程度来考虑，采用G92直螺纹切削循环加工的方法，并且使用粗车与精车结合切削方式（精加工余量为0.5mm），须先倒角后车螺纹。

G92螺纹切削循环指令

G92有对螺纹进行循环加工，循环中包括了进刀和退刀路线。

G92X（U）__ Z（W）__ F__

其中：

X（U）、Z（W）为螺纹终点坐标。

F为以螺纹长度L给出的每转进给率（即螺距）。

如果螺纹牙型较深、螺距较大，可分几次进给。每次进给的背吃刀量用螺纹深度减精加工背吃刀量所得的差按递减规律分配。螺纹加工完成后可以通过观察螺纹牙型判断螺纹质量及时采取措施，当螺纹牙顶未尖时，增加刀的切入量反而会使螺纹大径增大，增大量视材料塑性而定，当牙顶已被削尖时增加刀的切入量则大径成比例减小，根据这一特点要正确对待螺纹的切入量，防止报废。

5.1.3 圆弧加工工艺

圆弧加工工艺

一般圆弧的加工都用G02、G03指令。

G02/G03是数控加工技术指令中的圆弧插补指令（顺/逆时针旋转）。

G02 /GO3X（U）__ Z（W）__ I__ K__ F__

或G02 /G03X（U）__ Z（W）__ R__ F__

其中：

X、Z为圆弧的终点绝对坐标值；

U、W为圆弧的终点相对于起点的增量坐标；

I、K为圆弧的圆心相对于起点的增量坐标；

R为圆弧半径，当圆弧的起点到终点所夹圆心角小于等于180度时，R为正值；当圆心角大于180度时，R为负值。由于数控车床加工圆球面时，起点到终点所对的圆心角始终小于180度，所以R一般都为正值。

5.1.4孔加工工艺

G74端面深空钻销循环指令

G74 R（e);

G74Z(W)Q(h）F（f)

其中:

e表示退刀量；

Z表示钻销深度；

k表示每次钻销的长度。

G74端面深空钻销循环指令走刀路线如下图4所示

图4 G74端面深空钻销循环指令走刀路线

5.2 设置刀点和换刀点

刀点又称对刀点。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:便于数值处理和简化程序编制。易于找正并在加工过程中便于检查，引起的加工误差小。所谓“换刀点”是指刀架转动换刀时的位置，换刀点应设在工件或夹具的外部，以换刀时不碰工件及其它部件为准。

1）换刀点：零件原点设置在右端面，为了防止换刀是刀具与零件或尾架相碰，换刀点可设置在（X100，Z100）。

2）起刀点：为了减少循环加工的次数，外圆起刀点可设置在（X52，Z2）的位置，内轮廓可设置在（X20，Z2）。

5.3 确定加工工艺路线

将前面的分析的各项综合合成下表4所示的数控加工工艺卡片

表4内螺纹轴数控加工工艺卡片

单位名称

产品名称或代号零件名称零件图号

6 内螺纹轴仿真编程程序设计

6.1仿真软件的介绍

本文使用了南京斯沃数控仿真软件，该软件是南京斯沃软件技术有限公司结合机床厂家实际加工制造经验与高校教学训练一体所开发的，其包括八大类，28个系统，62个控制面板。具有FANUC、SIEMENS、MITSUBISHI、广数数控GSK、华中世纪星HNC、北京凯恩帝KND系统、大连大森DASEN、南京华兴WA编程和加工功能。

6.2手动编程程序

①钻孔程序

O0001

M03S600

M08

T0101

G00X0Z5

G74R0.3

G74Z-30Q16000F0.1 G00Z100

M30

②粗、精车右端外轮廓O0002

M03S1000T0202 M08

G00X52

Z0

G01X0F0.5

G00Z4

X52

G71U1.0R1.0

G71P10Q20U0.5W0.25F0

.5S550

N10G00X44F0.15S700

G01X48Z-2

Z-13.36

G03X39.43Z-35.63R60F

0.15

G02X48Z-48R8.5

G01Z-64

N20G00X52

X100

Z100

M05

M30

③粗、精镗内孔

O0003

M03T0303S800

M08

G00X20Z5

G71U1R0.5

G71P110Q170U-0.5W0.1 F100

N110G00X20

Z5

X21Z4

X24Z2

G01Z0F100

X22Z-1

Z-25

N170X20

G00X19

Z50

M05

M30

④粗、精车内螺纹

O0004

M03S800T0404

M08

G00X21.5Z5

G92X22Z-18F0.2

X22.9 X23.5

X24.1

X24.2

G00X10

Z50

M05

M30

右端外轮廓加工仿真图

如图5所示

图5右端外轮廓加工仿真图

⑤粗精车左端面外轮廓

O0005

M03S1000T0202

M08

G00X52

Z0

G01X0F0.5

G00Z4

X52

G71U1.0R1.0

G71P10Q20U0.5W0.25F0

.5S550

N10G00X44F0.15S700

G01X48Z-2

Z-13.36

G03X39.43Z-35.63R60F

0.15

G02X48Z-48R8.5

G01Z-64

N20G00X52

X100

Z100

M05

M30

左端外轮廓加工仿真图

如图6所示

图6左端外轮廓加工仿真图

结论

通过本次的毕业设计使我更加巩固了我的理论知识，并有效的将理论知识运用与实践，知道了理论跟实际还是有一些区别的，只有自己实践了才能发现问题，懂得了怎样合理有效地去分析和解决一些理论和实践中产生的问题，学会了怎样去更好的把这次的毕业设计零件做好。知道了数控机床在机械加工工业中占有了很重要的地位。数控机床作为一种精密加工设备，不但应用广泛，也是一种高科技、高精度、高度机电一体化产品，对国民经济的发展起到了非常重要的作用。只有把理论跟实践牢牢结合，这样才能把数控技术发挥更好的作用。

此次毕业设计的零件由外圆轮廓,锥度,螺纹和内孔组成,通过了这个零件的设计,我明白了要完在它并不是很简单,需要实习时的师傅们的细心指导,也在他们身上学到了一些平时理论课上没有学到的东西,也通过这次的设计,使我更深入地了解了数控机床在社会上的地位。

由于时间有限和本人对许多技术方面的知识掌握还不够全面,设计中出现了诸多不足这处,希望指导老师和各位评委老师批评指导。我一定虚心接受你们的意见，争取把这次的毕业设计零件做得更好。