軸類零件的工藝分析與數控仿真加工

吳雪梅 吳冉

摘 要：軸類零件的加工是機械加工中常見的制造形式，利用數控車床進行軸類零件的批量加工能夠很大程度的提高生產效率，同時提高復雜零件的加工質量。通過對軸類零件加工工藝分析過程的介紹，舉例說明了指定軸類零件的工藝制定過程，并對該零件進行了數控仿真加工，以保證工藝和編程的正確性。

關鍵詞：軸類零件；數控加工；工藝分析；仿真加工

中圖分類號：TG519文獻標識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2018.07.006

數控加工技術主要是在傳統機械加工的基礎上，結合計算機輔助工藝技術和計算機輔助制造技術形成的新的機械加工方法。與傳統加工相比，其在批量生產的加工效率與加工精度上都有明顯優勢。軸類零件作為機械行業中最常加工的零件之一，它在傳動和支撐等方面起著重要的作用。

在使用數控車床加工軸類零件時，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控加工的基礎，無論是進行手工編程還是計算機的自動編程，都必須在編程之前完成軸類零件的工藝分析以及制定。如果工藝分析和設計不合理，很可能導致編程的復雜性和工作量成倍增加，增加加工過程的消耗甚至出現加工差錯。因此，合理的工藝分析是數控加工的必要環節，同時為提升數控加工質量，減少試制零件的材料及時間消耗，采用先進的仿真加工技術進行零件加工的虛擬驗證也是十分必要的。

1 數控加工中工藝分析的方式及示例

1.1 數控工藝分析特點及方法

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，重點的工作還是根據零件的特點，確定零件加工的步驟和先后過程，為后續的編程和加工提供基礎性的支持。

首先，根據設計人員提供的圖紙，分析并初定加工尺寸及刀具的起始加工點，分析確定零件的各加工尺寸是否充分。通常情況下，機械設計人員的尺寸標注以配合零件的尺寸對等為依據，其余尺寸采用分散式的重點標注法，這些標注有利于快速讀懂圖紙，但可能并不適合于數控加工編程使用。由于數控車床采用了高精度的控制模塊，其在加工的過程中不易產生很大的累積誤差，因此，數控加工通常以同一基準進行尺寸標注與設計，以減緩數控編程的復雜性，同時又有利于保持設計基準、工藝基準、測量基準與編程基準點的一致性，因此在選取基準點時應注意盡量減小基準點導致的加工誤差，同時有利于編程和測量。其次，考慮工藝尺寸的合理性。由于軸類零件在設計的過程中，為避免應力集中，可能會設計過度圓弧，這就要求數控車床在完成直線加工的過程中充分考慮刀尖半徑的大小，注意預留圓角的加工余量，以免出現過度切削或欠切削的現象，若出現這種情況，可以考慮使用刀尖半徑自動補償的方式予以解決。

1.2 數控加工工藝設計舉例

以數控車床加工圖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，需進行詳細的工藝分析并確定加工方案，此零件可通過一次裝卡完成整體加工過程，為保證加工過程的穩定性，采用一夾一頂的固定方式，初步的工藝方案如下表所示。

1.2.1 裝夾方式的選擇

對于圓鋼材料的裝夾，使用數控車床上最常使用的三爪卡盤即可完成，同時為了避免在加工的過程中產生不同部位的加工誤差和加工振動，使用一夾一頂的方式進行固定更為合理，這在自動進給料和批量生產一致性上有更好的質量保證。

1.2.2 刀具的選擇

數控機床與普通機床相比，對于刀具的選擇與使用更為嚴格，不僅要求刀具具有良好的剛性，同時在精度、穩定性、耐用度、排屑性等方面都有較高的要求，而且還必須便于調整、便于更換。因此選用主偏角93°、副偏角55°的大偏角刀進行零件的主體加工，在保證加工精度的同時，還能有效避免圓弧位置的過切現象。

1.2.3 刀具加工更換位置的選擇

在確定了一夾一頂的裝夾方式后，可以通過確定工件的原點來為加工過程建立坐標系，也就是說，想要通過數控加工來制造零件，就必須要確定刀具在加工前與零件的相對起始點，在實際加工中，起始點即原點的位置要通過自動對刀來確定，因此，起始點又稱作對刀點，對刀點的選擇要符合以下幾項要求：（1）有利于簡化編程程序且便于數值的處理；（2）對刀的過程中易于找正；（3）對整個加工過程造成的誤差小。在圖1所示零件的加工中，對刀點的選擇位置為右側端面與中心軸線的交點處，這樣既滿足了上述的三點要求，又易于避免換刀過程中與零件產生的干涉，一舉多得。

1.2.4 刀具切削量的分析與選擇

在數控加工的過程中，程序編制人員必須明確每一道工序的切削用量，并按照標準形式編寫到程序之中，切削量的具體參數包括了切削速度、進給速度、背吃刀量三方面，對于粗加工及精加工的過程，或是不同的加工條件都要設計不同的切削量參數，好的切削參數選擇有利于提高零件的加工精度，提升表面光潔度，同時增加刀具的使用壽命并提高生產效率。

（1） 切削速度的選擇。數控車床的切削速度應根據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，由于標準螺紋的加工過程車削量較大，排屑較多，可考慮選用200 r/min的切削速度進行加工。

（2） 進給速度的選擇。進給速度是數控車床加工過程中的另一個重要參數，它主要依據零件的精度要求、表面粗糙度要求、工件材料等因素選取，由于機床性能的不同，每個車床的許用最大進給速度也各不相同，通常來說，粗加工的過程選擇較快的進給速度，以利于快速去除毛坯余量，而精加工為保證優秀的表面粗糙度和精度，通常選擇較慢的進給速度。

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

2 數控仿真加工的過程介紹

2.1 切削區域的確定

由于所加工的軸類零件幾何形狀較為規則，因此，通過CAD軟件設計加工的外輪廓部分，并對兩端的尺寸進行適當地延長，與55 mm的圓鋼形成閉合的切削區域，該區域即為粗、精加工需要去除的毛坯余量（如圖2所示），打開輪廓編程按鈕，依次確定輪廓形狀部分和毛坯形狀，最后確定進、退點位置，自動生成零件的粗、精加工軌跡。

2.2 切削參數的設置

利用仿真加工軟件，對零件的參數、切削速度、進給速度、背吃刀量等主要參數進行設置并給定數值，以便于仿真加工的過程與實際生產加工過程更為接近，參數選擇與設置界面如圖3、圖4、圖5所示。

2.3 數控仿真加工

將刀具軌跡、各項參數設置完成后，即可通過數控仿真軟件驗證程序的準確性，通過直觀的觀察粗加工和精加工過程是否存在問題或加工缺陷，來對編程的內容和細節進行適當的調整，其中粗加工仿真如圖6所示，精加工仿真如圖7所示。

3 結語

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

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