毕业论文
题目 飞轮的数控加工工艺及程序设计
学生姓名 夏萍萍
学 号
工作单位
班 级 104
专 业 数控
指导教师 卿娇
时 间 2013-11-20
飞轮的数控加工工艺及程序设计
摘要
数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他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，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势, 是提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力, 是使国家加速经济发展、提高综合国力和
国家地位的重要途径。 飞轮是一个惯性储能零件, 拿四冲程发动机来说, 进气, 压缩, 爆燃, 排气, 这是个冲程之间只有爆燃冲程是对外做正功的, 其他三个冲程都是为了这个爆燃冲程所做的准备工作, 这三个冲程的能量就是飞轮提供的, 飞轮的能量是爆燃冲程积攒下来的, 当然这是少部分能量, 大部分都变成动力对外输出了。
飞轮是发动机中有重要作用但结构形状相对简单的零件之一，本文主要介绍了某发动机飞轮的数控加工工艺，从零件图纸的分析到工艺的制定，再到程序的编制，最终完成该零件的加工。
由于本人水平有限，加之时间过急，文中有不足之处还望老师加以指点。 关键词：零件图 工艺规程 数控刀具 程序设计
目 录
1 飞轮的作用........................................................ 4
2 零件图分析........................................................ 5
2.1 零件图 ...................................................... 5
2.2、零件的工艺分析 ............................................. 6
3、工艺规程设计..................................................... 6
3.1、毛坯的制造形式 ............................................. 6
3.2、基准面的选择 ............................................... 7
3.2.1、粗基准的选择.......................................... 7
3.2.2、精基准的选择.......................................... 7
3.3、制定工艺路线 ............................................... 7
4、数控加工工艺分析................................................. 8
4.1、数控加工内容 ............................................... 8
4.2、数控机床的选择 ............................................. 8
4.2.1、数控车床参数.......................................... 8
4.2.2、数控插床参数.......................................... 9
4.2.3、数控铣床参数......................................... 11
4.3、夹具的选择 ................................................ 11
4.3.1、数控车床夹具......................................... 12
4.3.2、数控插床夹具......................................... 12
4.3.3、数控铣床夹具......................................... 12
4.4、数控刀具的选择 ............................................ 12
4.4.1、刀具的材料和性能..................................... 12
4.4.2、刀具的选择........................................... 13
4.5、切削用量的选择 ............................................ 14
5、工艺卡片........................................................ 15
5.1、机械加工工艺过程卡片 ...................................... 15
5.2、数控车削加工工序卡片 ...................................... 16
6、数控加工程序清单................................................ 17
6.1、数控车床程序 .............................................. 17
6.2、数控铣床程序 .............................................. 21
总结............................................................... 22
致谢............................................................... 23
参考文献........................................................... 24
飞轮的数控加工工艺及程序设计
前言
飞轮是一个惯性储能零件, 拿四冲程发动机来说, 进气, 压缩, 爆燃, 排气, 这是个冲程之间只有爆燃冲程是对外做正功的, 其他三个冲程都是为了这个爆燃冲程所做的准备工作, 这三个冲程的能量就是飞轮提供的, 飞轮的能量是爆燃冲程积攒下来的, 当然这是少部分能量, 大部分都变成动力对外输出了。 至于冷却水箱, 它是作为发动机散热的一个液体回路, 吸收缸体的热量, 防止发电机过热. 由于水的比热容是自然界中最大的, 热导率也相当高, 所以发动机的热量通过冷却水这个液体回路, 利用水作为载热体, 再通过大面积的散热片传递给空气, 效率会比较高。而且冷却效果更均匀(相对直接空气冷却) 。
1 飞轮的作用
柴油机上的飞轮看上去就是一块笨重的铸铁圆盘，它到底有什么作用呢?
（1）使机械运转均匀 飞轮高速旋转，由于惯性作用可贮藏能量，也可放出能量，克服运动阻力，使发动机运转平稳。当超速运转时，它能把能量贮藏起来，使其缓慢提速，避免猛然高速运转，造成来不及操纵而失去控制；当低速运转时，它能把能量释放出来，使其慢慢降速，避免猛然低速导致停车。因此可使机械运转均匀，旋转平稳。
（2）协助启动 柴油机是压缩点火的，启动时，首先必须快速摇转飞轮，使其具有启动惯性，帮助活塞越过压缩上止点，达到启动目的。同时，在使用中，可使曲轴连杆机构越过不作功的进气、压缩、排气三个辅助行程，使曲轴能平稳旋转。
（3）方便校正供油提前角 各种型号的柴油机，都有不同的供油提前角，如190A 柴油机的供油提前角是在上止点前35度~39度；S195柴油机的供油提前角是在上止点前16度~20度。供油提前角过大，就会使喷入的柴油提前燃烧，工作粗暴，气缸有敲击声，柴油机功率下降，启动摇车时易发生反转；供油提前角过小，就会启动困难，燃烧不完全，机温过高，油耗增大，排气管冒黑烟和功率下降。但活塞是装在机体内面的，怎样才知道供油提前角是多大呢？所以，为了准确调整供油提前角，就在飞轮边缘上刻有供油提前角的记号，校正供油提前
角时，看准飞轮边缘上的刻度去校正就行了。
（4）方便调整气门间隙 气门间隙过小，零件受热膨胀伸长时，引起气门关闭不严而漏气，燃烧不完全，烧坏气门与气门座，还有可能发生活塞顶部与气门相撞的现象; 气门间隙过大，会使气门迟开早关，开启延续时间缩短，气门开度减小，引起进气不足，废气排不干净，加剧气门与摇臂的撞击，增加其磨损。总之，不管是过大还是过小，都会使柴油机功率下降，油耗上升。因此在飞轮边缘上打有“0”号的上止点刻线，在校正气门间隙时，把飞轮转向压缩行程上止点，即“0”刻线，对准机体上的标志，使气门都处在关闭的情况下，才可进行气门间隙的调整。
（5）降低柴油机温度 190A型柴油机的飞轮前端铸有许多叶片，成为柴油机的冷却风扇。柴油机工作时，飞轮高速旋转，由于离心力作用，使飞轮室中心处的空气加速流动，降低柴油机、冷却水的温度。
2 零件图分析
2.1 零件图
图2.1 零件图
从零件图2.1中可以看出该零件属于盘形零件，该零件主要由圆柱面、孔、键槽等特征组成。
2.2、零件的工艺分析
飞轮的零件图规定了一些技术要求，如图2.1所示。
Ф200外圆表面粗糙度为Ra3.2um ；Ф200外圆右端面粗糙度为Ra12.5um ；这些尺寸要求均不高，而图中中间的Ф38mm 内孔的尺寸精度与表面粗糙度均有要求，在车削中，应重点保证，以及孔中的键槽精度要求也较高。由于Ф200外圆表面对基准面A 有同轴度要求，因此该两部位需要在一道工序内完成。该零件中的技术要求，在数控车削中能够将其保证，适合在数控车削中加工，对于键槽也可在插床中得以保证，在插削时，应该设计好工装夹具。
3、工艺规程设计
3.1、毛坯的制造形式
零件的材料为HT200，考虑到零件材料的综合性能及材料成本和加工成本, 保证零件工作的可靠, 采用铸造。由于年产量为1000件以上，属于中批生产的水平，而且零件轮廓尺寸不大，故可以采用铸造成型，这从提高生产率、保证加工精度上考虑，也是应该的。确定该零件的毛坯零件图如图3.1所示。
图3.1 毛坯图
3.2、基准面的选择
基面的选择是工艺规程设计中的重要工作之一，基面选择的正确与合理，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，更有甚者，还会造成零件大批报废，使生产无法正常进行。
3.2.1、粗基准的选择
对于一般轴类零件而言，以外圆作为粗基准是完全合理的。按照有关的粗基准选择原则（保证某重要表面的加工余量均匀时，选该表面为粗基准。若工件每个表面都要求加工，为了保证各表面都有足够的余量，应选择加工余量最小的表面为粗基准。）；本设计选择轴的ф100的外圆面作为粗基准。
3.2.2、精基准的选择
按照有关的精基准选择原则（基准重合原则；基准统一原则；可靠方便原则），对于本零件可以采用ф200外圆作为精基准。
3.3、制定工艺路线
制订工艺路线的出发点，应当是使零件的几何形状、尺寸精度以及位置精度等技术要求能得到合理的保证。在生产纲领已经确定为中批生产的条件下，考虑采用普通机床以及部分高效专用机床，配以专用夹具，多用通用刀具，万能量具。部分采用专用刀具和专一量具。并尽量使工序集中来提高生产率。除此以外，还应当考虑经济效果，以便使生产成本尽量下降。
工艺路线：
工序1 铸造毛坯，如图3.1所示。
工序2 清砂。
工序3 热处理，对零件进行人工时效。
工序4 细清砂。
工序5 喷漆，在非加工表面上涂上一层防锈漆。
工序6 装夹Ф100外圆表面，车削加工，内容包括：车右端面，控制右端面至
孔底的深度为22.5；车外圆Ф200至图样尺寸；钻车内孔38mm 至尺寸
要求；倒角2×45°。
工序7 掉头装夹Ф200外圆表面，内容包括：车左端面，保证尺寸110mm ；车
Ф100外圆表面，保证尺寸95mm 。
工序8 划线，在Ф100端面上划10±0.018mm 键槽线。
工序9 在插床上插削键槽。
工序10 以200的外圆及其一端面定位，用键槽定向，钻4-Ф20的孔。 工序11 零件静平衡检查。
工序12 按照图纸要求，检查各部分尺寸要求。
工序14 入库。
4、数控加工工艺分析
4.1、数控加工内容
① 数控车削包括端面、内外轮廓面、成形表面、螺纹、切断等工序的切削加工；
② 数控车床主要用于加工轴类、盘类等回转体零件；
③ 车削中心上可以实现车削和铣削的复合加工；
④ 数控车削工艺灵活多变，其丰富的循环功能指令、各类刀具的选择，是学习的重点内容。
⑤ 在数控车床和车削中心上加工的零件，一般采用手工编程，对具有复杂外轮廓的回转体零件可以采用自动编程。
4.2、数控机床的选择
从该零件的图纸分析可以得出，该零件精度要求一般，选用数控机床加工的目的是为了提高生产效率，降低人力劳动，从而也能更有效的保证零件的加工精度，根据现场的设备。
4.2.1、数控车床参数
车床选择的机床是CKA340A ，其技术参数如下所示：
全自动变频调速主轴系统 型号 CK340A 。
广州数控系统 最大工件回转直径 340mm 。
伺服电机/步进电机 刀架上最大回转直径 180mm 。
手动脉冲 最大加工长度 350mm 。
变频电机 自动刀架工位数 4 。
四工位电动刀架 主轴转速范围 50-2000r/min变频调速 。
精密滚珠丝杠付。
手动卡盘 主轴通孔 φ42 。
自动润滑系统 主轴内孔锥度 MT6# 。
冷却系统 尾座套筒行程 110mm 。
手动尾座 尾座套筒锥度 MT4# 。
半封闭防护罩 导轨硬度 HRC52 。
主电机功率 4KW 。
驱动电机 伺服 步进 。
X-4N X-8N 。
Z-6N Z-12N 。
快速移动速度 X-8m/min X-6m/min 。
Z-8m/min Z-6m/min 。
刀架重复定位精度 ≤0.005mm 。
X 轴重复定位精度 ≤0.010mm 。
Z 轴重复定位精度 ≤0.010mm 。
自动润没间歇时间 12min/time 。
外形尺寸 1650×950×1400 。
机床重量 1500KG 。
4.2.2、数控插床参数
参数如下：
型号：SKB5050A
主电机功率：7500（kw ）
工件尺寸范围：1000*660*1000mm
技术参数
4.2.3、数控铣床参数
根据现场的设备，选择XK714床身式数控铣床，具体参数如下：
FANUC-Oi 系统 型号XK714 规格 400*800
技术参数：
4.3、夹具的选择
4.3.1、数控车床夹具
本题中的零件为回转型零件，切同轴度要求不高。可直接选用机床的自带的三爪自定心卡盘装夹即可。
三爪卡盘是最常用的车床也是数控车床的通用卡具。三爪卡盘最大的优点是可以自动定心。它的夹持范围大，但定心精度不高，不适合于零件同轴度要求高时的二次装夹。
三爪卡盘常见的有机械式和液压式两种。液压卡盘装夹迅速、方便，但夹持范围小，尺寸变化大时需重新调整卡爪位置。数控车床经常采用液压卡盘，液压卡盘特别适用于批量加工。
4.3.2、数控插床夹具
由于键槽部位的精度要求较高，为了保证其精度要求，并提高生产效率，在插削时选用专用夹具进行装夹，夹具名称为B5020，此夹具为组合夹具。夹具如图4.1所示。
图4.2 夹具三视图
4.3.3、数控铣床夹具
在铣床上主要是用来钻孔，目的为了提高加工效率，夹具选用钻床的夹具进行装夹，即选用Z525专用钻模进行装夹。
4.4、数控刀具的选择
4.4.1、刀具的材料和性能
刀具材料的发展对切削技术的进步起着决定性的作用。切削中所使用的刀具材料有金刚石、聚晶立方氮化硼、陶瓷、硬质合金、高速钢等。刀具损坏机理是刀具材料合理选用的理论基础，刀具材料与工件材料的性能匹配合理是切削刀具材料选择的关键依据，要根据刀具材料与工件材料的力学、物理和化学性能选择刀具材料，才能获得良好的切削效果。
（1）高速钢是一种加入了较多的钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金工具
钢。高速钢具有较高的强度和韧性，并且具有一定的硬度和耐磨性。适合各类刀具的要求。高速钢刀具制造工艺简单，容易磨成锋利切削刃，因此尽管各种新型刀具材料不断出现，高速钢刀具在金属切削中仍占较大的比例。可以加工有色金属和高温合金。由于高速钢具有以上性能，活塞加工中的铣浇冒口、铣横槽及铣膨胀槽用铣刀、钻油孔用钻头等刀具都为高速钢材料。
（2）硬质合金是由难熔金属碳化物(如WC 、TiC 、TaC 、NbC 等) 和金属粘结剂(如Co 、Ni 等) 粉末经粉末冶金的方法制成。
由于硬质合金中都含有大量的金属碳化物，这些碳化物都有熔点高、硬度高、化学稳定好、热稳定性好等特点，因此，硬质合金材料的硬度、耐磨性、耐热性都很高。常用硬质合金的硬度为89～93HRA ，比高速钢的硬度(83～86.6HRA) 高，在800～1000℃时尚能进行切削。在540℃时，硬质合金的硬度为82～87HRA ，在760℃时，硬度仍能保持77～85HRA 。因此，硬质合金的切削性能比高速钢高得多，刀具耐用度可提高几倍到几十倍，在耐用度相同时，切削速度可提高4～10倍。
4.4.2、刀具的选择
根据刀具材料的性能以及零件的材料及热处理要求，可确定该零件的刀具材料可选择YT15、YW1、YW2。根据现场的刀具情况，决定选择YT15进行车削。具体的刀具请参见表4.1。
表4.1 数控加工刀具卡
图4.3
4.5、切削用量的选择
切削用量包括主轴转速、背吃刀量及进给速度，并常被称为切削三要素。其确定原则是：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。
影响切削用量的因素很多，工件的材料和硬度、加工精度的要求、刀具的材料和耐用度，是否使用切削液等都是直接影响到切削用量的大小。在数控程序中，决定用量的参数是主轴转速和进给速度，它们两者的选择与在普通机床加工时的值相似，可以通过查表和计算得到，也可以查阅金属切削工艺手册根据经验数值给定。
本文在这里主要讲述车削用量的选择。 （1）主轴转速
主轴转速应根据允许的切削速度和工件（或刀具）直径来选择。其计算公式为：n=1000v/πD 式中
v----切削速度，单位为m/min，由刀具的耐用度决定； n----主轴转速，单位为 r/min； D----工件直径或刀具直径，单位为mm 。
综合公式、机床说明书及加工经验, 加工粗车主轴转速S=600r/min，精车外表面S=1200r/min，精车内轮廓S=800r/min。 （2）进给速度
进给速度是数控机床切削用量中的重要参数，主要根据零件的加工精度和表面粗糙度要求以及刀具与零件的材料性质来选取。当加工精度和表面粗糙度要求
高时，进给量应选择的小些。最大进给量受机床刚性和进给系统的性能影响，并与数控系统脉冲当量的大小有关。
车削加工时，进给量F 与进给速度之间关系为：f=v/n
本加工中粗车F=0.2~0.25mm/r；精车F=0.15~0.2mm/r，部分圆角、倒角F=0.1mm/r。 （3）背吃刀量
背吃刀量根据机床、工件和刀具的刚度来决定，在刚度允许的条件下，应尽可能使背吃刀量等于工件的加工余量，这样可以减少走刀次数，提高生产效率。为了保证加工表面质量，可留少量精加工余量，一般0.2～0.5mm 。本加工中粗车背吃刀量为1.5mm ，精车被吃刀量为0.5mm 。
此外，车削加工中，切削三要素是相互关联的。在粗加工中，为提高效率，一般采用较大背吃刀量，此时切削速度和进给量相对较小；而在半精加工和精加工阶段，一般采用较大切削速度、较小进给量和背吃刀量，以获得加工质量。
总之，切削用量的具体数值应根据机床性能、相关的手册并结合实际经验用类比方法确定。同时，使主轴转速、切削深度及进给速度三者能相互适应，以形成最佳切削用量。
5、工艺卡片
5.1、机械加工工艺过程卡片
5.2、数控车削加工工序卡片
6、数控加工程序清单
6.1、数控车床程序
（1）第一次装夹程序 O0001
T0101(端面车刀) M03 S600 M08
G00 X212 Z7 G94 X200 Z0 F0.2
X190 X180 X170 X160 X150 X140 X130 X120 X110 X100 X90 X80 X70 X60 X50 X40 X30 X20 X10 X0
G00 X212 Z0 S1200 G01 X0 F0.15 G00 Z2 X300 Z150 T0202(外圆车刀) M03 S600 G00 X212 Z2 G90 X208 Z-98 F0.2
X206 X204 X202 X200.5 X200 S1200 G00 X196 G01 Z0 F0.2
G01 X200 Z-2 F0.15(倒角) G00 X300 Z150 T0303(麻花钻) M03 S300 G00 X0 Z5 G01 Z-125 F0.2 Z5 F0.5 G00 X300 Z150 T0404(镗刀) M03 S600 G00 X28 Z2
G90 X32 Z-125 F0.15
X34 X36
X38 F0.05 S800 G00 X42 G01 Z0 F0.15 X38 Z-2 F0.05 G00 X30 Z150 X300 M30
(2)第二次装夹程序 O0002 T0101 M03 S600 M08
G00 X102 Z7 G94 X90 Z0 F0.2
X80 X70 X60 X50 X40 X38 G00 Z0
G01 X0 F0.1 S1200 G00 Z2 X202 Z-8 S600
G94 X190 Z-15 F0.2
X180
X160 X150 X140 X130 X120 X110 X100 G00 Z-15
G01 X100 F0.1 S1200 Z2 F0.1 G00 Z150 X300
T0202(外圆车刀) M03 S800 G00 X202 Z-15 G01 X196 F0.2 X200 Z-17 F0.1 (倒角) G00 X300 Z150 T0404(镗刀) M03 S800 G00 X42 Z2 G01 Z0 F0.2
X38 Z-2 F0.1（倒角） G00 X36 Z150 X300 M30
6.2、数控铣床程序
O0003
T01 M06(中心钻)
M01
G00 G90 G54 X65 Y0 M03 S1200
G43 H1 Z50 M08
G98 G81 Z-39.5 R-37.5 F120
X0 Y65
X-65 Y0
X0 Y-65
G80 G00 Z150
T02 M06（麻花钻）
M01
G00 G90 G54 X0 Y-65 M03 S650
G43 H2 Z50
G98 G83 Z-115 R-37.5 F100
X65 Y0
X0 Y65
X-65 Y0
G80 G00 Z150
M30
此次毕业设计是我们从大学毕业生走向未来工程师重要的一步。从最初的选题，开题到计算、绘图直到完成设计。其间，查找资料，老师指导，与同学交流，反复修改图纸，每一个过程都是对自己能力的一次检验和充实。
经过这几周的设计, 成功地完成了飞轮零件的工艺设计和编程。通过本次设计，我对数控加工地整个过程有了较全面的理解。经过设计中选择刀具，我对数控机床工具系统的特点和数控刀具材料和使用范围有了较深的了解，基本掌握了数控机床刀具的选用方法；经过设计加工工艺方案，进一步了解了工件定位的基本原理、定位方式和定位元件及数控机床用夹具的种类与特点，对教材中有关定位基准的选择原则和数控加工夹具的选择方法有了更深的理解；经过编制零件的加工程序，基本熟悉数控编程的主要内容及步骤、编程的种类、程序的结构与格式，对数控编程前数学处理的内容、基点坐标、辅助程序段的数值计算有了进一步的认识。
此次毕业设计是对我专业知识和专业基础知识一次实际检验和巩固，同时也是走向工作岗位前的一次热身。但是毕业设计也暴露出自己专业基础的很多不足之处。比如缺乏综合应用专业知识的能力，对材料的不了解，等等。这次实践是对自己大学三年所学的一次大检阅，使我明白自己知识还很浅薄，虽然马上要毕业了，但是自己的求学之路还很长，以后更应该在工作中学习，努力使自己 成为一个对社会有所贡献的人，为中国数控制造业添上自己的微薄之力。
本人在毕业课题的设计中，学习了不少的新知识，体会到了学习的重要性，同时，感谢学校具远瞻的规划与教育，给予我们良好的学习环境，并提供给我们对学业及个人生涯发展的多元信息，帮助我们成长。
感谢学校领导对我的关怀和重视，使我得以发挥自己的特长，找到人生的价值。
感谢两年来陪伴我们学习与生活的恩师，感谢您们对我精心的教育，感谢您们没使我的学习变成劳作而成为一种快乐；. 感谢您们让我明白自身的价值；. 感谢您们帮助我发现了自己的专长，而且让我把事情做得更好。感谢您们容忍我的任性与错误，不仅教会了我知识，更教会了我如何做事，如何做人。
特别感谢乔世众谆谆教导，他的悉心指导与斧正，对于论文. 架构之启迪，及其内容的细心斟酌与指导，倍极辛劳。
最后感谢两年来陪伴我一起的同学们，伙伴们，所有的欢笑和泪水、成功和失败、骄傲和苦恼，我们曾一起分享；那是我们青春中最灿烂的一页，最辉煌的回忆，而回忆中的每个人，都是栩栩如生，这些都将是我一生的财富。三年时间虽然短暂，但它必将在我的记忆里永恒。
参考文献
（1）. 余英良. 数控加工编程及操作. 北京：高等教育出版社，2004年9月
（2）. 赵云龙. 先进制造技术. 北京：机械工业出版社，2005，3
（3）. 胡学林．可编程控制器原理及应用. 北京：电子工业出版社，2004
（4）. 倪森寿．机械设计基础．北京：高等教育出版社，2003
（5）. 唐应谦．数控加工工艺学．北京：中国劳动社会保障出版社，2000