摘要
随着全球经济的发展，科学技术不断地提升，也使得基础行业的不断地发展，制造业崛起时代即将来临，这就需要各种高精密的机械加工装备，数控机床的使用大大的加快传统加工的效率，在高科技加持的效果下，传统制造业的发展必是日新月异；对于在数据时代的背景之下，发展计算机与传统机床相互结合，使得人机交互也出现在了制造行业，为国家建成社会主义现代化强国打下了坚实的基础。本篇文章主要介绍的是轴类零部件的数控加工工艺，所以将会清楚的展现工艺流程，由于真实的加工会有一定的危险性，所以在计算机中模拟工艺流程，本次主要是在以UG软件为核心下进行的，在此软件中设置有CAM模块，故本次模拟需要CAM进行设置输入对应的参数，接着就可以模拟刀具的运动轨迹，可以修改运动轨迹来达到相关的要求，最后就能生成NC程序。
关键词：轴类零件；数控加工；工艺分析
前言
数控加工技术是在二十一世纪崛起的一项新兴技术，并且在基础制造行业进行大力的发展，在未来的趋势之下，传统制造业将迈入数控数字化控制的时代。现在的工程技术人员通过计算机为主体，与传统加工工艺相互结合，研发出了新型的数控加工工艺流程，实现了人机交互流动，在这项技术的发展之下，出现了一种由计算机数控系统控制的机电一体化机械制造设备，而这种设备又叫做数控机床，它已经在逐渐的代替传统的机床的，成为当下企业最主要的设备；数控机床的诞生，使得机械加工的效率得到显著的提高，对于加工高精度的零部件也能达到其技术要求，一些结构比较复杂的零件，人工加工难以实现，而在数控机床上面可以轻松实现；数控机床能够实现这么多难以复杂的操作，是依靠机床上面的数控系统，数控系统通过识别技术人员编写的程序代码，来控制机床进行对应的操作。
本篇文章主要介绍的是，通过数字信息化的技术，在计算机控制系统下，对轴类零部件进行机械加工制造，最后生产出完整的成品的过程。加工零件的第一步就是先要明确零件毛坯的材料，然后在对零件图进行技术要求的分析，确定各种切削参数，接着在选择夹具、定位基准，选择加工过程中所需的刀具，最后确定加工方案。由于条件有限，零件的数控加工就在计算机软件中进行模拟加工；整个模拟加工过程主要是从选择毛坯到加工成完整的零件，其中包括毛坯的切端面、外径粗加工、外径开槽、外径精加工、部件分离等工序，最后模拟加工完成后就可以确认刀轨，进行加工的后处理，导出NC程序。
我国是制造大国，制造业又是我国的经济命脉。制造业中又属机械加工最为核心，在日夜发展的国民经济时代下，传统制造业已经跟不上时代的脚步，所以由于科技的发展逐步的出现了数控机床，从而也衍生出了数控加工工艺流程，这使得制造业也能紧跟时代的步伐；数控加工的出现使得制造工业发展的节奏加快，提高了生产的效率，为我国制造业走向世界奠定了道路。
第1章选择轴类零件及毛坯
1.1轴类零件
在典型零件和配件中经常遇见的一种零件就是轴类零部件，在机械结构中它大多与齿轮等零件配合，传递齿轮旋转带来的动力，也能传递其它零部件的运动，还有些情况下，当作轮子中间的轴，承载壳体重量载荷，通过轴类零部件的外形结构，有些轴被称为光轴、阶梯轴、空心轴和异形轴，虽然他们形状各不相同，但是它们在机械结构中主要是与齿轮相互配合，传递来自齿轮转动产生的动力，也可以传递一些机构的运动。以下将介绍一些轴类的零件。
光轴主要用于传递扭矩传递动力支撑传动的一个典型零部件，表面需要进行特殊的研磨处理，能适用于各种机械产品中。
空心轴顾名思义，轴的中心是空的，在中心轴区域开了一个通孔，并且在通孔内还开了内键槽，才能与相应的部件进行配合；空心轴根据自生空间体积大，重量轻的特点，适用于一些需要传递大力矩的机械结构。
在轴类零件中阶梯轴是属于比较常见的，它的加工方法和加工过程也比较简单，所以本文章选择的就是阶梯轴的加工工艺。
1.2零件图样分析
本课题选择的是轴类零件，并且外形可知为阶梯轴，所以在CAD软件上进行工程图的绘制，根据零件图可以分析得知，该轴类零件选用45号钢，进行调质处理HRC26-36，是单件生产，其中没有标注的倒角为0.5×45°，在定义毛坯时一般选择棒料，故毛坯长度为68mm直径为23mm。
1.3零件的材料、毛坯及热处理
1.轴类零件的材料
一般来说，45钢用作轴零件的材料，但在高转速的轴中，精度要求不是特别高。可选用40Cr等合金结构钢。
2.轴类零件的毛坯
车轴零件中选择最多的毛坯是杆件和锻件。一些相对特殊或结构相对特殊的轴向选择性铸造产品在加热锻造材料后，可以沿金属表面均匀分割。因此，为了获得较高的张力、弯曲和扭转强度，通常重要的轴被用作锻造产品。在本篇文章中的毛坯下料为Ø23mm×68mm。
3.轴类零件的热处理
轴类零件为了使其发挥相应的作用，需要对其材料进行仔细地筛选，选择符合性能的；当然除了材料之外，还有毛坯的热处理也是能影响其性能，所以在进行加工毛坯之前，还要对毛坯进行热处理，毛坯的热处理主要就是正火处理或退火处理，从经济方面考虑，正火处理所需的时间较短，并且对于能源的消耗也是比较少的，所以优先选择正火处理，并且正火处理可以改善毛坯的硬度，提高切削加工的性能，在调质处理下可以获得很好的抗疲劳强度等力学性能；而对于某些表面技术要求比较高的，还可以进行淬火或回火来提高表面的硬度和刚度。
第2章定位基准及夹具的选择
2.1定位基准的选择
基准的选用准则在大方向上是先选择粗基准，在选择精基准。
粗基准的选用原则：选用的粗基准应夹具简单、拆卸方便、操作方便；粗基准应选择非加工面，以防止加工面作为粗基准造成较大误差；选择加工余量最小的表面作为粗基准；选择尽可能大的平面，应尽量平整，表面粗糙度应小；同一方向的粗基准只能使用一次，以避免两加工平面之间的较大误差。
精基准的选择原则：尽量选择加工面，避免基准不重合造成的误差；为了达到统一和满足精度要求，选择一组毛坯作为精度基准，还可以减少后续的复杂工序，简化夹具结构，优化加工工艺，提高加工效率；在选择精基时，两个曲面可以互为基准，可以使曲面满足更高的精度要求；有些精加工或精加工工序要求余量小而均匀，因此尽量选择已加工面作为基准面。
2.2夹具的选择
在加工工序进行的时候，需要有东西来夹住零部件毛坯，使其不能摆动、晃动，牢牢地固定在机床的工作台上。它主要有两大特点：为了保证部件稳定且夹紧，需要有一定的强度和刚度；为了能更好的选择定位基准，还应有可靠的定位基准。
第3章零件的数控模拟加工方案
3.1数控加工简介
在当今社会科技日夜发展，传统制造业也必须跟上时代的脚步，所以自动化的时代来临，为满足有些零件形状结构比较复杂的条件、尺寸精度和表面粗糙度等精度要求较高，逐渐出现了一种由计算机控制的加工机床，实现了从毛坯到部件的转变，实现了自动化一条龙，还提高了加工的效率；从而诞生了数控加工工艺。
数控机床是传统制造业自动化的产物，它包含了许多现代技术，比如控制技术、计算机技术、伺服驱动、传感器技术等，这些技术共同完成了数控机床中的所有动作；这些动作主要是主轴的运动和机床的运动，机床的运动主要是主轴的上下、左右、前后等各个方位十五运动，还有主轴的启动停止、旋转方向、转速，各种的切削用量参数，辅助运动是冷却液的开关，夹具的运动等；在加工过程中的所有的动作和运动都是由工程技术人员编写的程序来控制的，而这些程序的编写需要工程技术人员考虑零件的形状、材料、精度要求等条件，技术人员编写的程序在控制系统中进行解读，然后在把读取到的指令传到相应的伺服系统，让其进行驱动；在伺服系统得到指令后，机床的部件就会进行运动，从而达到控制机床进行加工。
3.2基于UG的CAM加工分析
3.2.1UG软件简介说明
UG自开发以来，已广泛应用于航天探测、载人航天、移动运输平台、平台工具、医疗平台等高科技平台设计系统和模具加工领域。在X，UG软件也广泛应用于航空航天行业。UG软件还占据了俄罗斯航空航天行业90%以上的市场份额。此外，UG广泛应用于交通运输、医疗机械、电子产品、高科技、日用品等行业。
自20世纪90年代UG软件进入中国市场以来，其先进的理论、强大的工程背景和完善的机载模块迅速成为中国的关注焦点作为东部地区发展最快的国家，它在中国的应用也迅速扩大。该软件不仅具有实体设计、曲面设计、虚拟装配和工程制图等功能Cheng等人，设计平台功能强大，还可以进行设计中的约束元素分析、劳动分析和仿真。另外，它可以直接创建三个尺寸模型及NC控制代码生成。它也可以用于共识处理。加工程序与各种数控控制台仪表相对应。它也很容易学习以及二次开发语言UG和Open API。
3.2.2建立零件三维模型
图3.1零件三维图
在UG软件中进行零件的三维模型。
首先打开UG软件，选取建模模块环境，随后就是创建文件名，选取保存路径，最后就可以进行一系列的建模的操作；建立模型一般都是要用最快捷最简洁的步骤建立完整的模型，这才符合高效的理念。观察零件可知，零件是轴类的，大体上是一个圆柱，可以选用旋转命令来实现。由此思路就可先选定一个基准平面，在平面上进行草图的绘制，绘制草图时只需要绘制零件图的一半就可以；按照零件图的尺寸绘制，进行约束，最后就退出草图环境；接下来是对草图进行旋转命令，点击旋转命令，选定草图曲线，选定绕旋转的轴，最后就生成了零件的几何体。
3.2.3生成加工几何体
加工几何体就相当于是零件的三维模型几何体，对于加工几何体就是零件从毛坯加工完整后得到的零件。在准备加工环节，需要选择确定加工几何体，直接点击零件模型几何体就可以。
图3.2加工几何体图
3.2.4选取刀具
图3.3 80度刀具定义
精加工的刀具定义。精加工工序需要主轴转速较大，但进给量比较小，所以刀具选用的是一把35度的菱形刀，刀尖半径(R)为0.4，方向角度(OA)为52度，刀具编号为2。
图3.4 35度刀具定义
开槽的刀具定义。开槽加工的刀具刀片形状选择系统默认的标准形状，尺寸方面方向角度(OA)为90度，刀片长度(IL)为18mm，刀片宽度(IW)为2mm，半径(R)为2mm，其余按照系统默认，刀具编号为3。
图3.5切槽刀定义
3.2.5创建粗加工
首先在ug软件中，加工模块环境下，选择车床加工，点击创建工序命令，出现了各种加工方法，选择相应的加工方法，就能创建相应的加工工序。
（1）切端面
该零件为轴类零件，需要先加工一个端面作为基准平面。在创建工序命令中，选择端面加工方法，选择对应的刀具，对需要切削的区域进行修剪，去掉不必要的区域。设置对应的切削参数，在非切削移动选项中，指定进刀点，指定退刀点，根据前面确定的设置进给率和主轴转速，进行设置，就可生成刀轨。
图3.6端面加工
（2）粗加工(外轮廓加工)
创建粗加工工序，选择外圆粗车方法，选择经过切端面工序的毛坯，选用一把硬质合金80度的刀，接着系统会自动选择切削区域，如果不合适可以修剪；切削策略选择单向线性切削；设置相应的切削参数，其中粗加工的面余量设置为0.5mm径向余量设置为0.7mm，对于拐角、浅角和凹角处的加工刀轨形状都为延伸，如下图所示：
图3.7拐角处的加工
在非切削移动中进行设置，进刀点设置为指定点，退刀点设置为指定点；根据进给率(0.3mmpr)和主轴转速(500r/min)进行设置，最后生成刀轨。
图3.8粗加工
3.2.6创建精加工
（1）创建开槽工序
点击外径开槽命令，确定加工几何体，选择加工所需的刀具(硬质合金切槽刀)，切削策略选择单向插销方法，设置相应的切削参数，对于拐角、浅角和凹角处的加工刀轨形状都为延伸如下图所示：
图3.9拐角处加工
在非切削移动中进行设置，进刀点设置为指定点，退刀点设置为指定点，最后就是进给率和速度，设定主轴速度500r/min，进给率0.1mmpr，其他根据系统默认，完成后就生成刀轨。
图3.10切槽
（1）创建精加工工序
然后我们需要选择的是外径精车命令，确定好加工几何体选择事先定义好的刀具(硬质合金35度刀)，随后进入到各种参数的设置；编辑切削区域，切削区域系统会根据情况自动设置，观察系统定义的区域是否合适，根据情况进行修剪；随后设置相应的切削参数，进刀点和退刀点都设置为径向轴向都远离部件的指定点，指示框中其他的参数没有作特殊要求，就保持系统默认就行，最后就是生成刀路。
图7.11精加工
第4章基于UG的加工仿真
此次的模拟加工是基于UG软件的加工模块。在零件仿真加工过程中，最主要是设置、编程、输出三大部分。
4.1设置
在加工过程中需要设置对应的参数和相应的零部件。其中包括：测量零件、设置各层次、设置几何体、设置碰撞区域、定义刀具。
（1）测量零件。主要是测量几何体的长度、直径。
（2）设置各层次。本此将对工序导航器中各类型进行设置。
创建一个新文件，选择单位毫米，选择功能车加工方法。选择确定。
在工序导航器框中，单击几何视图，点击加号“+”，展开组。
（3）设置几何体
1）确认工作坐标系
工作坐标系(WCS)是在建立模型时，输入模型数据的坐标系。为了便于观察，将视图定位于俯视图，然后再使坐标系显示出来，在菜单栏→点击格式→点击WCS→点击显示。工作坐标系(WCS)的原点是在零部件的轴线上。所以应将坐标轴XC指向右侧，坐标轴YC指向上方。
图4.2工作坐标系
如图所示，WCS定位正确。
2）确认机床坐标系
机床坐标系(MCS)是输出刀轨的坐标系。所以此坐标系应该位于刀具移动的平面。单击几何视图。在工序导航器一栏中，点击MCS_SPINDLE对其进行设置。为此部件正确定位MCS(1)。还将显示工作平面(2)和主轴中心线(3)。
图4.3机床坐标系
双击MCS_SPINDLE。
在设置机床坐标系(MCS)对话框中，因为刀具将在此平面上移动，所以需要选择指定平面为ZM_XM平面。设定为此平面是为了导出程序的坐标不需要转换。在MCS主轴对话框中单击取消。
3）定义部件几何体
在工序导航器选项中，编辑选定部件几何体，选择对应零件的三维模型，进行指定部件体。使用快速拾取列表以确保选择的是部件几何体而不是棒料。
图4.4部件几何体
4）定义毛坯几何体
在工件对话框中，单击指定毛坯选择棒料。单击确定。
图4.5毛坯几何体
5）查看部件和毛坯边界
在工序导航器对话框中，单击TURNING_WORKPIECE使其显示出储存在当中的部件和毛坯边界。如果显示部件旋转轮廓或毛坯旋转轮廓警告，则单击确定。这将显示毛坯(1)和部件(2)边界。
图4.6部件毛坯边界
（4）设置碰撞区域
定义碰撞区域是第四个设置任务。碰撞区域允许刀通过使用轴向包容平面(1)、起点和返回点(2)及安全平面(3)来避让对象。
1）定义起点和返回点
以下步骤将定义起点和返回点，以放置刀具使其脱离部件。
在工序导航器的几何视图中，双击AVOIDANCE以编辑该组。
图4.7各类部件
在该对话框的运动到起点(ST)区段，从运动类型列表中选择直接。单击下图近似屏幕位置处的起点。
图4.8起点返回点
定义起点，在轴向和径向两个方向上都远离毛坯的地方选择一个点，选定这个点为起点，刀具直接运动到起点位置；设置返回点，返回点的选择可以与起点为同一位置。
2）设置安全平面
以下步骤将定义一个安全平面，可防止刀刃在进出内径时过切部件。
展开对话框的径向安全平面区段，在轴向限制选项中选择为距离，并且设置距离为13，单击显示，就可以看到在XM-ZM平面中离原点13mm的一个平面。
图4.9安全平面
3）避让卡盘
以下步骤将定义一个包容平面，可防止刀具与卡盘爪碰撞。外径粗加工和精加工工序需要使用此包容组。
选择主页选项卡→创建几何体。
单击CONTAINMENT。
在ZM-XM平面上，进行轴向平面的修剪工作，需要避让的区域离XM轴60mm，故在输入框中输入-60.0。单击显示，最后点击确定。
图4.10避让区域
（5）定义刀具
单击创建刀具，选择一把80度的菱形刀、一把35度的菱形刀、一把切槽刀，设置好每把刀的具体参数，点击确定，刀具就创建好。
4.2工序
1.对部件进行面加工
1）创建面加工工序
单击创建工序，单击面加工。以下步骤将指定用于定义面加工基本信息的工序类型和组。指定以下各项。
图4.11面加工工序
它将使用由设置定义的OD_80_L刀具。LATHE_FINISH方法去除所有余里。单击确定。
2）定义修剪平面
以下步骤将定义一个修剪平面，将切削区域限制为部件的端部。
在该对话框的几何体区段，单击切削区域旁边的编辑。在该对话框的轴向修剪平面1区段，从限制选项列表中选择点。选择部件外径上的曲线端点。
图4.12定义修剪面
单击确定以接受切削区域对话框设置。
3）生成刀轨
单击生成
图4.13生成刀轨
单击确定，完成面加工工序。
2.外径粗加工
1）创建外径粗加工工序
单击创建工序，单击外径粗车。指定以下各项。
图4.14粗加工工序
单击确定。单击切削区域旁的显示
图4.15粗加工切削区域
该工序中的CONTAINMENT已经定义了轴向限制区域，所以可以直接使用显示的限制区域来避让。
2）生成刀轨
单击生成放大槽，注意刀轨向下切入槽。
图4.16粗加工过切
这可以通过省略“变换模式”进行更正。这将防止刀具下降到部件中直径较小的区域。从变换模式列表中选择省略。单击生成。
图4.17正常粗加工刀轨
单击确定，完成粗加工工序。
（3）外径开槽
1）创建外径开槽工序
单击创建工序，单击外径开槽。指定以下各项。
图4.18开槽工序
单击确定。
2）定义修剪平面
以下步骤将定义两个修剪平面，将切削区域约束于槽。在该对话框的几何体区段，单击切削区域旁边的编辑。
图4.19修剪平面
在该对话框的轴向修勇平面1区段，从限制迭项列表中选择点。选择用于定义槽底座的直线的左端。在该对话框的轴向修剪平面2区段，从限制迭项列表.中选择点。选择用于定义槽底座的直线的右端。
3）指定非切削移动
以下步骤将指定前往返回点的运动，它可以避免与部件碰撞。
单击丰切削移动，进行对应设置。
在切槽工序加工完成后，刀具需要返回起点处，所以在运动类型中选择先径向移动在轴向移动，最后返回起点。单击确定以接受切削移动对话框设置。
4）生成刀轨
单击生成。
图4.20切槽刀轨
单击确定，完成开槽工序。
（4）外径精加工
1）创建外径精加工工序
单击创建工序，单击外径精车。指定以下各项。
图4.21精加工工序
单击确定。
2）定义切削区域
以下步骤将定义修剪点，以将切削区域限制在轮廓外径。
在该对话框的几何体区段，单击切削区域旁边的编辑。
在该对话框的轴向修剪平面1，从选项列表中选择距离。
在该对话框的区域选择部分，从区域加工选项列表中选择多个。从区域序列列表中选择单向。单击确定，完成切削区域。
3）生成刀轨
单击生成
单击确定，完成精加工工序。
（5）切除部件
1）调用分型刀具
以下步骤将从库中调用分型刀具。
首先单击创建刀具，无法直接定义分型刀具，需要从库中调用刀具，随后在库类选择对话框中，单击加号”+”选择类型为车加工类型，再单击分型，单击确定。在搜索准则对话框中，单击确定。最后在搜索结果对话框中，从库号列表选择ugt0114_001。
图4.25调用分型刀具
单击确定，单击取消，关闭创建刀具对话框。
2）创建部件分离工序
单击创建工序、单击部件分离、指定以下各项。
图4.26部件分离工序
单击确定。
在对话框的”刀轨设置’区段中，”部件分离位置”允许您确定沿主轴放置刀轨的位置。“自动’选项可以将刀轨位置确定为相对于IPW的最左或最右位置。使用”自动”选项时，“与XC的夹角”应设为0.0000，以使系统从左侧开始查找第一个适当的切除位置。“延伸距离”用于指定正值或负值来加长或缩短切削距离。
图4.27延伸距离和夹角
在延伸距离框中键入1.0。这样将完全分离部件。单击进给率和速度。展开对话框的部件分离进给率区段。
“减速”选项确定部件分离之前和分离时刀具的切削进给率。
“长度”从切削端部开始测童。
图4.28部件分离进给率
在减速框中键入25.0，并确保列表中显示切削百分比。
在长度框中键入10.0，并确保列表中显示%。
这样将使最后10%的切削刀轨的切削进给率降低到当前切削进给率的25%。
3.生成刀轨
单击生成
图4.29部件分离刀轨
单击确定，完成工序。
4.3输出
后处理文件
1.检查刀轨状态
更进行后处理，工序中必须包含生成的刀轨。每个工序均应显示”重新后处理”或”完成”状态符号。
单击程序顺序视图。
程序中的每个工序都显示“重新后处理”状态。
2.后处理
以下步骤将对程序进行后处理。
在工序导航器中，单击程序PROGRAM。
图4.31总程序
单击后处理。系统中提供的后处理器显示在‘后处理器”的列表框中。在后处理署文本对话框中，在后处理器列表中可以选择LATHE_2_AXIS_TURRET_REF。
结论
本篇论文主要介绍了轴类零部件的数控加工工艺，前期先是加工零部件毛坯的准备工作，主要是对于毛坯的材料的选择，然后是为了达到零部件的各种要求和需要，对毛坯进行热处理，中期主要是选择设置对应的条件和各种参数的输入，根据已知的条件和数据输入，就可以生成刀具运动的轨迹，最后利用计算机进行模拟仿真加工，规划刀轨位置，优化加工工艺；此过程可以在企业中，真实加工之前进行模拟，找出在加工过程可能出现的难题，避免一下较大的问题，在这个过程中我学习到许多的知识，增强了对数控加工工艺的认识，为今后学习数控加工打下基础。
致谢
毕业论文的已经按照要求完成了，在这过程中，非常感谢指导老师的帮助，是老师在本人迷茫的时候，给了本人方向，指导如何完成毕业设计；是老师在本人遇到知识盲区的时候，帮助解疑答惑，扫除了本人前进道路的障碍；是老师的传道授业解惑，助本人完成了毕业设计；并且在这过程中，本人也学习到在数控加工方面的知识，在零件的数控加工工艺过程中，有许多参数的选择能影响到零件的精度要求，还有切削用量的选择影响到加工的效率和加工成本等其他经济方面的因素。最后再次感谢指导老师。
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