多階梯軸數控車削工藝設計與仿真加工

金 江

(重慶科創職業學院，重慶 402160)

0 引言

多階梯軸零件在數控車削加工中較為常見,因其結構復雜,加工技術難度較大,涉及到零件節點坐標的計算、加工刀具選擇與安裝、工件的裝夾與定位、切削用量的合理選用、加工精度與表面粗糙度等多項技術要點。本文針對多階梯軸進行了數控車削工藝設計及仿真加工。

1 零件圖分析與計算

圖1為本文加工的多階梯軸零件圖。零件結構較為復雜,包含了5處圓柱面、2處圓錐面、3處倒角需要加工。

圖1 多階梯軸零件圖

(1) 5處圓柱表面直徑從右往左分別為8 mm、10 mm、20 mm、30 mm、20 mm,尺寸上偏差都為0,下偏差分別為0.1 mm、0.04 mm、0.021 mm、0.039 mm、0.1 mm。尺寸精度要求較高,需要嚴格控制精車余量[1],保證加工尺寸在公差范圍之內。

(2) 第1處圓錐面錐度值為1∶5,最小圓錐直徑d1=12 mm,圓錐體長度L1=20 mm,上偏差0,下偏差0.1;第2處圓錐面圓錐角度為60°,最小圓錐直徑d2=20 mm,圓錐體長度L2=5 mm。

最大圓錐直徑計算公式為:

tan(α/2)=C/2=(D-d)/(2L).

(1)

其中:α/2為圓錐半角;C為錐度;D為最大圓錐直徑;d為最小圓錐直徑;L為圓錐體長度。

將數值代入式(1)計算得:第1處最大圓錐直徑D1=16 mm,第2處最大圓錐直徑D2=25.774 mm。

(3) 考慮3處倒角尺寸C1采用外圓車刀在精車路徑中完成加工,零件最小加工直徑為8 mm,最大加工直徑為30 mm,零件總長為70 mm,零件剛性較差;3處工件表面粗糙度要求Ra1.6,其余表面粗糙度Ra3.2,加工中需要考慮切削用量的合理選用,盡量減少車削加工中的變形量,達到加工精度及表面粗糙度的要求。

2 加工工藝設計

2.1 工件安裝方案

本零件采用三爪卡盤進行工件安裝,技術要點如下:三爪卡盤具有自動定心作用,一般不需校正,但裝夾較長的工件時,工件離卡盤夾持部分較遠處的旋轉中心不一定與車床主軸旋轉中心重合,需校正[2]。考慮到加工變形問題,將零件分為左端和右端,采用雙向掉頭裝夾方式進行毛坯定位及夾緊。

2.2 刀具的選擇與安裝

本零件結構較為復雜,零件尺寸較多,公差要求較高,除了選擇合理的刀具外,還需根據刀具參數進行正確安裝,刀尖位置嚴格對準零件中心,切槽刀刀片切削刃應嚴格與零件母線保持平行,防止切削加工過程中發生干涉及振動。

2.3 量具的選擇

多階梯軸零件測量表面較多,包含了圓柱面尺寸、長度尺寸、角度尺寸、錐度尺寸、表面粗糙度等多種測量要求,本文采用游標卡尺檢驗圓柱面尺寸及長度尺寸,采用萬能角度尺檢驗圓錐角度尺寸,采用表面粗糙度樣板對比檢驗Ra值。

2.4 切削用量的選擇

考慮到工藝系統剛性問題,外圓粗車選擇2 mm背吃刀量,以減少走刀次數,提高效率;外圓精車選擇0.5 mm背吃刀量,以減小加工變形,保證零件尺寸精度。

2.5 工序卡片設計

根據多階梯軸零件的工藝分析,編寫數控車削工藝,如表1所示。

表1 多階梯軸數控車削工藝

3 編制零件加工程序

采用華中數控系統HNC-21T指令編寫的多階梯軸數控車削加工程序[3]如表2所示。

表2 多階梯軸數控車削加工程序

4 多階梯軸仿真加工

4.1 毛坯參數設置及安裝

根據零件圖尺寸,考慮選擇直徑Φ35 mm、長度75 mm的棒料作為毛坯,材質為40碳素結構鋼,毛坯形狀為圓柱形,選擇三爪卡盤安裝,毛坯懸長應超過零件加工長度10 mm左右。

4.2 刀具參數設置及安裝

考慮采用刀尖角度為80°、主偏角為95°、刀刃長度為12 mm、刀尖圓弧半徑為0.8 mm的外圓車刀進行圓柱表面及圓錐表面的加工,刀具安裝位置為1號刀位;選用刀片寬度5 mm、刀尖圓弧半徑為0.2 mm的切槽刀進行端面及零件總長尺寸加工,刀具安裝位置為2號刀位。

4.3 建立工件坐標系

在手輪方式下,調用1號刀具,試切端面,操作數控操作面板進入刀偏表,選擇刀偏號為#0001號,對應試切長度參數欄,輸入試切長度值為0.0,點擊確定按鈕;然后繼續使用1號刀具,試切毛坯外圓,測量試切后的外圓直徑值,對應試切直徑欄,輸入試切直徑值,點擊確定按鈕;完成1號刀具工件坐標系的建立。

4.4 零件仿真加工

完成毛坯參數設置及安裝、刀具參數設置及安裝并建立工件坐標系工作以后,將程序導入數控系統,進入自動方式,便可使用數控仿真系統完成對多階梯軸數控車削仿真加工,加工效果如圖2、圖3所示。

圖2 多階梯軸右端仿真加工

5 結語

本文對多階梯軸進行數控車削工藝設計及仿真加工,通過數控仿真系統完成了毛坯尺寸的選擇與安裝,刀具參數的選擇與安裝,工件的定位與裝夾方案的實施,刀具路徑的設計與仿真加工,有效地檢驗了零件車削工藝的可行性,校驗了零件數控車削程序的正確性,杜絕了試切原材料的浪費,節省了大量的機床占機調整時間[4],為從事數控車床編程與加工工作的專業技術人員提供了較為實用的參考。