軸類零件的工藝分析與數(shù)控仿真加工

吳雪梅 吳冉

摘 要：軸類零件的加工是機(jī)械加工中常見(jiàn)的制造形式，利用數(shù)控車床進(jìn)行軸類零件的批量加工能夠很大程度的提高生產(chǎn)效率，同時(shí)提高復(fù)雜零件的加工質(zhì)量。通過(guò)對(duì)軸類零件加工工藝分析過(guò)程的介紹，舉例說(shuō)明了指定軸類零件的工藝制定過(guò)程，并對(duì)該零件進(jìn)行了數(shù)控仿真加工，以保證工藝和編程的正確性。

關(guān)鍵詞：軸類零件；數(shù)控加工；工藝分析；仿真加工

中圖分類號(hào)：TG519文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2018.07.006

數(shù)控加工技術(shù)主要是在傳統(tǒng)機(jī)械加工的基礎(chǔ)上，結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助工藝技術(shù)和計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)形成的新的機(jī)械加工方法。與傳統(tǒng)加工相比，其在批量生產(chǎn)的加工效率與加工精度上都有明顯優(yōu)勢(shì)。軸類零件作為機(jī)械行業(yè)中最常加工的零件之一，它在傳動(dòng)和支撐等方面起著重要的作用。

在使用數(shù)控車床加工軸類零件時(shí)，最后的加工效果受工藝和程序編制的影響很大，而軸類零件的工藝分析與制定是數(shù)控加工的基礎(chǔ)，無(wú)論是進(jìn)行手工編程還是計(jì)算機(jī)的自動(dòng)編程，都必須在編程之前完成軸類零件的工藝分析以及制定。如果工藝分析和設(shè)計(jì)不合理，很可能導(dǎo)致編程的復(fù)雜性和工作量成倍增加，增加加工過(guò)程的消耗甚至出現(xiàn)加工差錯(cuò)。因此，合理的工藝分析是數(shù)控加工的必要環(huán)節(jié)，同時(shí)為提升數(shù)控加工質(zhì)量，減少試制零件的材料及時(shí)間消耗，采用先進(jìn)的仿真加工技術(shù)進(jìn)行零件加工的虛擬驗(yàn)證也是十分必要的。

1 數(shù)控加工中工藝分析的方式及示例

1.1 數(shù)控工藝分析特點(diǎn)及方法

通常情況下工藝分析在明確需加工零件的材料、尺寸、熱處理方式等前提下，重點(diǎn)的工作還是根據(jù)零件的特點(diǎn)，確定零件加工的步驟和先后過(guò)程，為后續(xù)的編程和加工提供基礎(chǔ)性的支持。

首先，根據(jù)設(shè)計(jì)人員提供的圖紙，分析并初定加工尺寸及刀具的起始加工點(diǎn)，分析確定零件的各加工尺寸是否充分。通常情況下，機(jī)械設(shè)計(jì)人員的尺寸標(biāo)注以配合零件的尺寸對(duì)等為依據(jù)，其余尺寸采用分散式的重點(diǎn)標(biāo)注法，這些標(biāo)注有利于快速讀懂圖紙，但可能并不適合于數(shù)控加工編程使用。由于數(shù)控車床采用了高精度的控制模塊，其在加工的過(guò)程中不易產(chǎn)生很大的累積誤差，因此，數(shù)控加工通常以同一基準(zhǔn)進(jìn)行尺寸標(biāo)注與設(shè)計(jì)，以減緩數(shù)控編程的復(fù)雜性，同時(shí)又有利于保持設(shè)計(jì)基準(zhǔn)、工藝基準(zhǔn)、測(cè)量基準(zhǔn)與編程基準(zhǔn)點(diǎn)的一致性，因此在選取基準(zhǔn)點(diǎn)時(shí)應(yīng)注意盡量減小基準(zhǔn)點(diǎn)導(dǎo)致的加工誤差，同時(shí)有利于編程和測(cè)量。其次，考慮工藝尺寸的合理性。由于軸類零件在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，為避免應(yīng)力集中，可能會(huì)設(shè)計(jì)過(guò)度圓弧，這就要求數(shù)控車床在完成直線加工的過(guò)程中充分考慮刀尖半徑的大小，注意預(yù)留圓角的加工余量，以免出現(xiàn)過(guò)度切削或欠切削的現(xiàn)象，若出現(xiàn)這種情況，可以考慮使用刀尖半徑自動(dòng)補(bǔ)償?shù)姆绞接枰越鉀Q。

1.2 數(shù)控加工工藝設(shè)計(jì)舉例

以數(shù)控車床加工圖1所示的軸類零件為例，選取的毛坯材料是材質(zhì)為Q235的55 mm圓鋼。由于此軸類零件包含了圓柱、球形、圓弧等多種形狀，為更好地完成零件的加工，需進(jìn)行詳細(xì)的工藝分析并確定加工方案，此零件可通過(guò)一次裝卡完成整體加工過(guò)程，為保證加工過(guò)程的穩(wěn)定性，采用一夾一頂?shù)墓潭ǚ绞剑醪降墓に嚪桨溉缦卤硭尽?/p>

1.2.1 裝夾方式的選擇

對(duì)于圓鋼材料的裝夾，使用數(shù)控車床上最常使用的三爪卡盤(pán)即可完成，同時(shí)為了避免在加工的過(guò)程中產(chǎn)生不同部位的加工誤差和加工振動(dòng)，使用一夾一頂?shù)姆绞竭M(jìn)行固定更為合理，這在自動(dòng)進(jìn)給料和批量生產(chǎn)一致性上有更好的質(zhì)量保證。

1.2.2 刀具的選擇

數(shù)控機(jī)床與普通機(jī)床相比，對(duì)于刀具的選擇與使用更為嚴(yán)格，不僅要求刀具具有良好的剛性，同時(shí)在精度、穩(wěn)定性、耐用度、排屑性等方面都有較高的要求，而且還必須便于調(diào)整、便于更換。因此選用主偏角93°、副偏角55°的大偏角刀進(jìn)行零件的主體加工，在保證加工精度的同時(shí)，還能有效避免圓弧位置的過(guò)切現(xiàn)象。

1.2.3 刀具加工更換位置的選擇

在確定了一夾一頂?shù)难b夾方式后，可以通過(guò)確定工件的原點(diǎn)來(lái)為加工過(guò)程建立坐標(biāo)系，也就是說(shuō)，想要通過(guò)數(shù)控加工來(lái)制造零件，就必須要確定刀具在加工前與零件的相對(duì)起始點(diǎn)，在實(shí)際加工中，起始點(diǎn)即原點(diǎn)的位置要通過(guò)自動(dòng)對(duì)刀來(lái)確定，因此，起始點(diǎn)又稱作對(duì)刀點(diǎn)，對(duì)刀點(diǎn)的選擇要符合以下幾項(xiàng)要求：（1）有利于簡(jiǎn)化編程程序且便于數(shù)值的處理；（2）對(duì)刀的過(guò)程中易于找正；（3）對(duì)整個(gè)加工過(guò)程造成的誤差小。在圖1所示零件的加工中，對(duì)刀點(diǎn)的選擇位置為右側(cè)端面與中心軸線的交點(diǎn)處，這樣既滿足了上述的三點(diǎn)要求，又易于避免換刀過(guò)程中與零件產(chǎn)生的干涉，一舉多得。

1.2.4 刀具切削量的分析與選擇

在數(shù)控加工的過(guò)程中，程序編制人員必須明確每一道工序的切削用量，并按照標(biāo)準(zhǔn)形式編寫(xiě)到程序之中，切削量的具體參數(shù)包括了切削速度、進(jìn)給速度、背吃刀量三方面，對(duì)于粗加工及精加工的過(guò)程，或是不同的加工條件都要設(shè)計(jì)不同的切削量參數(shù)，好的切削參數(shù)選擇有利于提高零件的加工精度，提升表面光潔度，同時(shí)增加刀具的使用壽命并提高生產(chǎn)效率。

（1） 切削速度的選擇。數(shù)控車床的切削速度應(yīng)根據(jù)零件直徑和車床允許的車削速度綜合考慮，圖1中需加工的零件為Q235材料，為碳鋼材料加工，因此選擇粗加工的速度為800 r/min，精加工的速度為1200 r/min，最后使用外螺紋刀加工螺紋，由于標(biāo)準(zhǔn)螺紋的加工過(guò)程車削量較大，排屑較多，可考慮選用200 r/min的切削速度進(jìn)行加工。

（2） 進(jìn)給速度的選擇。進(jìn)給速度是數(shù)控車床加工過(guò)程中的另一個(gè)重要參數(shù)，它主要依據(jù)零件的精度要求、表面粗糙度要求、工件材料等因素選取，由于機(jī)床性能的不同，每個(gè)車床的許用最大進(jìn)給速度也各不相同，通常來(lái)說(shuō)，粗加工的過(guò)程選擇較快的進(jìn)給速度，以利于快速去除毛坯余量，而精加工為保證優(yōu)秀的表面粗糙度和精度，通常選擇較慢的進(jìn)給速度。

（3）背吃刀量的選擇。通常情況下，背吃刀量的選擇應(yīng)接近或等于工件的加工余量，這樣有利于減少數(shù)控車床的走刀次數(shù)，提高機(jī)械加工的生產(chǎn)效率，但由于受限于機(jī)床條件、工件材料的硬度等影響，通常采用粗加工大背吃刀量進(jìn)行，并預(yù)留0.2～0.5 mm的精加工余量，以保證零件加工的表面質(zhì)量。

2 數(shù)控仿真加工的過(guò)程介紹

2.1 切削區(qū)域的確定

由于所加工的軸類零件幾何形狀較為規(guī)則，因此，通過(guò)CAD軟件設(shè)計(jì)加工的外輪廓部分，并對(duì)兩端的尺寸進(jìn)行適當(dāng)?shù)匮娱L(zhǎng)，與55 mm的圓鋼形成閉合的切削區(qū)域，該區(qū)域即為粗、精加工需要去除的毛坯余量（如圖2所示），打開(kāi)輪廓編程按鈕，依次確定輪廓形狀部分和毛坯形狀，最后確定進(jìn)、退點(diǎn)位置，自動(dòng)生成零件的粗、精加工軌跡。

2.2 切削參數(shù)的設(shè)置

利用仿真加工軟件，對(duì)零件的參數(shù)、切削速度、進(jìn)給速度、背吃刀量等主要參數(shù)進(jìn)行設(shè)置并給定數(shù)值，以便于仿真加工的過(guò)程與實(shí)際生產(chǎn)加工過(guò)程更為接近，參數(shù)選擇與設(shè)置界面如圖3、圖4、圖5所示。

2.3 數(shù)控仿真加工

將刀具軌跡、各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置完成后，即可通過(guò)數(shù)控仿真軟件驗(yàn)證程序的準(zhǔn)確性，通過(guò)直觀的觀察粗加工和精加工過(guò)程是否存在問(wèn)題或加工缺陷，來(lái)對(duì)編程的內(nèi)容和細(xì)節(jié)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，其中粗加工仿真如圖6所示，精加工仿真如圖7所示。

3 結(jié)語(yǔ)

數(shù)控加工與傳統(tǒng)的機(jī)械加工對(duì)操作者技能的考驗(yàn)方向是不同的，數(shù)控車床的加工對(duì)于不同的零件需要編制不同的程序，這對(duì)單件的產(chǎn)品加工可能并不適宜，但對(duì)于批量加工卻是一勞永逸的事。因此，數(shù)控車床使用過(guò)程的工藝分析、編程與仿真是使用者必須熟練掌握的技能，對(duì)于提升數(shù)控車床的加工效率，減少零件的廢品率都有十分重要的作用。

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