数控编程中的工艺分析.ppt

第2章 数控编程中的工艺分析,2.1 概 述 2.2 数控加工的工艺分析与工艺设计2.3 数控加工工艺文件,2.1 概 述,在数控机床上加工零件时要把被加工的全部工艺过程、工艺参数和位移数据编制成程序，加工程序就是数控机床的指令性文件。因此，数控加工程序不仅包括零件的工艺过程，而且还包括切削用量、刀具参数以及机床的运动过程。同时，数控加工具有工序内容复杂、工步安排更为详尽等特点。,2.1.1 数控加工工艺的基本特征,数控加工工艺处理的主要内容有：(1)选择适合在数控机床上加工的零件，确定工序内容。(2)分析被加工零件图样，明确加工内容和技术要求，在此基础上确定零件的加工方案，制定数控加工工艺路线，如工序的划分、加工顺序的安排与传统加工工序的衔接等。(3)设计数控加工工序。如工步的划分、零件的定位与夹具、刀具的选择和切削用量的确定等。,2.1.2 数控加工工艺分析,(4)调整数控加工工序的程序。如对刀点和换刀点的选择，加工路线的确定和刀具的补偿。(5)分配数控加工中的容差。(6)处理数控机床上部分工艺指令。,2.2.1 数控机床的合理选用 1.数控机床的应用范围(1)多品种、小批量生产的零件或新产品试制中的零件，短期急需的零件。(2)轮廓形状复杂，对加工精度要求较高的零件。(3)用普通机床加工较困难或无法加工(需昂贵的工艺装备)的零件。(4)价值昂贵，加工中不允许报废的关键零件。,2.2 数控加工工艺分析与工艺设计,一般地，数控车床适合于加工形状比较复杂的轴类零件和由复杂曲线回转形成的模具内型腔；立式数控铣床适合于加工平面凸轮、样板、形状复杂的平面或立体零件，以及模具的内、外型腔等；卧式数控铣床则适合于加工箱体、泵体和壳体类零件；多坐标联动的加工中心还可以用于加工各种复杂的曲线、曲面、叶轮和模具等。,2.把握好技术经济尺度,选择数控机床 选择普通机床、数控机床还是专用机床加工零件，要考虑3个方面因素。(1)要保证被加工零件的技术要求，加工出合格的产品。,(2)有利于提高生产率；(3)尽可能降低生产成本。,图2-1为数控机床的定性分析。,零件批量,零件复杂程度,a)零件复杂程度与零件批量的关系,A,B,C,专用机床,普通机床,数控机床,综合费用,零件批量数,b)零件批量数与综合费用的关系,专用机床,普通机床,数控机床,50,100,图2-1 数控机床加工范围的定性分析,2.2.2 数控加工零件的工艺性分析,零件图样上的尺寸数据的给出便于编程零件图上尺寸标注方法应适应数控加工的特点,在数控加工零件图上，应以同一基准引注尺寸或直接给出坐标尺寸。(2)构成零件图的几何要素的条件应充分(如相切、相交、平行和垂直)(3)认真分析零件的技术要求(4)零件材料分析,2.零件的结构工艺性应符合数控加工的要求(1)零件的内腔和外形最好采用统一的几何类型和尺寸，这样可以减少刀具规格和换刀次数。(2)内槽圆角的大小决定着刀具直径的大小，所以内槽圆角半径不应太小。(3)零件铣槽底平面时，槽底圆角半径r不要过大。(4)应采用统一的基准定位。,2.2.3 加工方法的选择与加工方案的确定,1.加工方法的选择 加工方法的选择应满足加工精度和表面粗糙度的要求为原则。由于获得同一级加工精度及表面粗糙度的加工方法一般有许多，在实际选择时，要结合零件的形状、尺寸和热处理要求等全面考虑。表2-1为孔加工精度与加工方法之间的相互关系。2.加工方案的确定原则 零件上比较精密的尺寸及表面的加工，除了要选择相应的加工方法，还应正确地确定从毛胚到最终成型的加工方案。,表2-1 加工精度与加工方法(孔深/孔径5),2.2.4 加工工序与工步的划分,1工序划分的原则(1)基面先行原则 用作精基准的表面应优先加工出来，因为定位基准的表面越精确，装夹误差就越小。(2)先粗后精原则 各个表面的加工顺序按照粗加工 半精加工 精加工 光整加工的顺序进行，逐步提高表面的加工精度。(3)先主后次原则(4)先面后孔原则,2工序划分的方法(1)按零件装夹定位方式划分工序 由于每个零件结构形状不同，各表面的技术要求也有所不同，故加工时其定位方式各有差异。一般在加工外形时，以内形定位；在加工内形时，则以外形定位。因而可根据定位方式的不同来划分工序。如书上图2-10所示，加工内轮廓时，以外形面定位；加工外轮廓时，以内形面定位。,(2)按粗、精加工方式划分 根据零件的加工精度、刚度和变形等因素来划分工序时，可按粗、精加工分开的原则来划分工序，即先粗加工再精加工。此时，可用不同的机床或不同的刀具顺次同步进行加工。对单个零件要先粗加工、半精加工，而后精加工。或者一批零件，先全部进行粗加工、半精加工，最后再进行精加工。通常在一次安装中，不允许将零件某一部分表面粗、精加工完毕后，再加工零件的其他表面；否则，可能会在对新的表面进行大切削量加工过程中，因切削力太大而引起已精加工完成的表面变形。如书上图2-11所示车削零件，应先切除整个零件的大部分余量，再将其表面精车一遍，以保证加工精度和表面粗糙度的要求。粗精加工之间，最好隔一段时间，以使粗加工后零件的变形能得到充分恢复，再进行精加工，以提高零件的加工精度。,(3)按所用刀具划分工序 为了减少换刀次数，压缩空程时间，减少不必要的定位误差，可按刀具集中工序的方法加工零件。即在一次装夹中，尽可能用同一把刀具加工完成所有可能加工到的部位，然后再换另一把刀具加工其他部位。在专用数控机床和加工中心上常采用此法。,3.工步的划分,工步的划分主要从加工精度和效率两方面考虑。为了便于分析和描述较复杂的工序，在工序内又细分为工步，工步划分的原则为：(1)同一表面按粗加工、半精加工、精加工依次完成，或全部加工表面按先粗加工后精加工分开进行。(2)对既有铣面又有镗孔的零件，可先铣面后镗孔。(3)按刀具划分工步。以减少换刀次数，提高加工效率。,2.2.5 零件的装卡方法与夹具的选择 1安装定位的基本原则 在数控机床上加工零件时，定位安装的基本原则与普通机床相同。也要合理选择定位基准和夹紧方案。为提高数控机床的效率，在确定定位基准与夹紧方案时应注意下列三点：(1)力求设计、工艺与编程计算的基准统一。(2)尽量减少装夹次数，尽可能在一次定位装夹后，加工出全部待加工表面。(3)避免采用占机人工调整式加工方案，以充分发挥数控机床的效能。,2选择夹具的基本原则 数控加工的特点对夹具提出了两个基本要求：一是要保证夹具的坐标方向与机床的坐标方向相对固定；二是要协调零件和机床坐标系的尺寸关系。除此之外，还要考虑以下几点：(1)当零件加工批量不大时，应尽量采用组合夹具、可调式夹具和其他通用夹具，以缩短生产准备时间，节省生产费用。当达到一定批量生产时才考虑用专用夹具，并力求结构简单。(2)零件的装卸要快速、方便、可靠，以缩短机床的停顿时间。,(3)夹具上各零部件应不妨碍机床对零件各表面的加工。即夹具要开敞，其定位夹紧机构元件不能影响加工中的走刀(如产生碰撞等)。(4)为提高数控加工的效率，批量较大的零件加工可以采用多工位、气动或液压夹具。此外，为提高数控加工的效率，在成批生产中，还可采用多位、多件夹具。例如，在数控铣床或立式加工中心的工作台上，可安装一块与工作台大小一样的平板，既可用它作为大工件的基础板，也可作多个中小工件的公共基础板，依次加工并排装夹的多个中小工件，如书上图2-12所示。,2.2.6 对刀点与换刀点的确定 在进行数控加工编程时，往往是将整个刀具浓缩视为一个点，那就是“刀位点”。它是在刀具上用于表现刀具位置的参照点。一般来说，立铣刀、端铣刀的刀位点是刀具轴线与刀具底面的交点；球头铣刀的刀位点为球心；镗刀、车刀的刀位点为刀尖或刀尖圆弧中心；钻头是钻尖或钻头底面中心；线切割的刀位点则是线电极的轴心与零件面的交点。加入图说明。,对刀点（程序原点）：就是在数控机床上加工零件时，刀具相对于工件运动的起始点。对刀操作就是要测定出在程序起点处刀具刀位点(即对刀点，也称起刀点)相对于机床原点以及工件原点的坐标位置。如图2-2所示，对刀点相对于机床原点为(X0，Y0)，相对于工件原点为(X1，Y1)，据此便可明确地表示出机床坐标系、工件坐标系和对刀点之间的位置关系。,图2-2 对刀点与换刀点,数控机床对刀时常采用千分表、对刀测头或对刀瞄准仪进行找正对刀，具有很高的对刀精度。对有原点预置功能的CNC系统，设定好后，数控系统即将原点坐标存储起来。即使你不小心移动了刀具的相对位置，也可很方便地令其返回到起刀点处。有的还可分别对刀后，一次预置多个原点，调用相应部位的零件加工程序时，其原点自动变换。在编程时，应正确地选择“对刀点”的位置。其大致选择原则是：(1)便于数学处理和简化程序编制。(2)在机床上找正容易，加工中便于检查。(3)引起的加工误差小。,对刀点可以设置在零件、夹具上或机床上面，尽可能设在零件的设计基准或工艺基准上。对于以孔定位的零件，可以取孔的中心作为对刀点。成批生产时，为减少多次对刀带来的误差，常将对刀点既作为程序的起点，也作为程序的终点。换刀点则是指加工过程中需要换刀时刀具的相对位置点。换刀点往往设在工件的外部，以能顺利换刀、不碰撞工件和其他部件为准。如在铣床上，常以机床参考点为换刀点；在加工中心上，以换刀机械手的固定位置点为换刀点；在车床上，则以刀架远离工件的行程极限点为换刀点。选取的这些点，都是便于计算的相对固定点。,2.2.7 加工路线的确定 1.加工路线的确定原则 刀位点相对于工件运动的轨迹称为加工路线。(1)加工方式、路线应保证被加工零件的精度和表面粗糙度。如铣削轮廓时，应尽量采用顺铣方式，可减少机床的“颤振”，提高加工质量。(2)尽量减少进、退刀时间和其他辅助时间，尽量使加工路线最短(如图2-3所示)。(3)进、退刀位置应选在不大重要的位置，并且使刀具尽量沿切线方向进、退刀，避免采用法向进、退刀和进给中途停顿而产生刀痕。,图2-3 最短加工路线的选择,2.孔加工路线的确定 对点位控制机床，只要求定位精度较高，定位过程尽可能快，而刀具相对于工件的运动路线无关紧要。因此，这类机床应按空程最短来安排加工路线。但对孔位精度要求较高的孔系加工，还应注意在安排孔加工顺序时，防止将机床坐标轴的反向间隙带入而影响孔位精度。如图2-4所示零件，若按(a)图所示路线加工时，由于5、6孔与1、2、3、4孔定位方向相反，Y方向反向间隙会使定位误差增加，影响5、6孔与其他孔的位置精度。按(b)图路线，加工完4孔后往上多移动一段距离到P点，然后再折回来加工5、6孔，使方向一致，可避免引入反向间隙。,图2-4 孔加工路线的确定,3.铣削平面零件的加工路线的确定 铣削平面零件时，一般采用立铣刀侧刃进行切削。为减少接刀痕迹，保证零件表面质量，应对刀具的切入和切出程序精心设计。如图2-5(a)所示，铣削外表面轮廓时，铣刀的切入、切出点应沿零件轮廓曲线的延长线上切向切入和切出零件表面，而不应沿法线方向直接切入零件，引入点选在尖点处较妥。如图2-5(b)所示，铣削内轮廓表面时，切入和切出无法外延，这时铣刀可沿法线方向切入和切出或加引入引出弧改向，并将其切入、切出点选在零件轮廓两几何元素的交点处。但是，在沿法线方向切入/切出时，还应避免产生过切的可能性。,图2-5 铣削平面加工路线的确定,对于槽形铣削，若为通槽，可采用行切法来回铣切，走刀换向在工件外部进行，如图2-6(a)所示。若为封闭凹槽，可有图示(b)、(c)、(d)三种走刀方案。图(b)为行切法，图(c)为环切法，图(d)为先用行切法，最后用环切法一刀光整轮廓表面。这三种方案中，(b)图方案最差，(d)图方案最好。,图2-6 铣槽方案,4.内形腔加工路线设计,5.曲面加工路线的确定 对于曲面铣削，常用球头铣刀采用“行切法”进行加工。如图2-7所示大叶片类零件，当采用图2-7(a)所示沿纵向来回切削的加工路线时，每次沿母线方向加工，刀位点计算简单，程序少，加工过程符合直纹面的形成，可以准确保证母线的直线度。当采用图2-7(b)所示沿横向来回切削的加工路线时，符合这类零件数据给出情况，便于加工后的检验，叶形准确度高，但程序较多。,图2-7 曲面加工的走刀路线,2.2.8 刀具的选择 选择刀具通常要考虑机床的加工能力、工序内容和工件材料等因素。数控加工不仅要求刀具的精度高、刚度好、耐用度高，而且要求尺寸稳定、安装调整方便。1.数控车刀的选择 数控车床兼作粗精车削。粗车时，要选强度高、耐用度好的刀具，以便满足粗车时大吃刀量、大进给量的要求。精车时，要选精度高、耐用度好的刀具，以保证加工精度的要求。此外，为减少换刀时间和方便对刀，应尽可能采用机夹刀和机夹,刀片。夹紧刀片的方式要选择得比较合理，刀片最好选择涂层硬质合金刀片。刀片的选择是根据零件的材料种类、硬度、加工表面粗糙度要求和加工余量的已知条件来决定刀片的几何结构(如刀尖圆角)、进给量、切削速度和刀片型号。具体选择可参考相关切削用量手册。2.数控铣刀的选择 铣削加工选取刀具时，要使刀具的尺寸与被加工工件的表面尺寸和形状相适应。在生产中加工平面零件周边轮廓时，常采用立铣刀。,铣削平面时，应选硬质合金刀片铣刀；加工凸台、凹槽时，选高速钢立铣刀；加工毛坯表面或粗加工孔时，可选镶硬质合金的立铣刀或玉米铣刀；对一些立体形面和变斜角轮廓外形的加工，常采用球头铣刀、环形铣刀、鼓形刀、锥形刀和盘形刀。曲面加工时常采用球头铣刀；但在加工曲面较平坦部位时，刀具以球头顶端刃切削，切削条件较差，因而应采用环形刀。在单件或小批量生产中，为取代多坐标联动机床，常采用鼓形刀或锥形刀来加工一些变斜角零件。若加镶齿盘铣刀，适用于在五坐标联动的数控机床上加工一些球面，其效率比用球头铣刀高近10倍，并可获得好的加工精度，如图2-8所示。常用立铣刀具的有关参数，可按下述经验数据选取。,图2-8 铣刀类型及其尺寸关系,(1)刀具半径r应小于零件内轮廓面的最小曲率半径(，一般取r=(0.80.9)。(2)零件的加工高度H=(1/41/6)r，以保证刀具有足够的刚度。(3)对深槽孔，选取l=H+(510)mm。l为刀具切削部分长度，H为零件高度。(4)加工外形及通槽时，选取l=H+re+(510)mm。re为刀尖转角半径。(5)粗加工内轮廓面时，铣刀最大直径D粗可按下式计算,式中：D轮廓的最小凹圆角半径；圆角邻边夹角等分线上的精加工余量；1精加工余量；圆角两邻边的最小夹角。(6)加工肋时，刀具直径为D=(510)b(b为肋的厚度)。,在加工中心上，各种刀具分别安装在刀库上，按程序规定随时进行选刀和换刀工作。因此，必须有一套连接普通刀具的接杆，以便使钻、镗、扩、铰、铣削等工序用的标准刀具，迅速、准确地装到机床主轴或刀库上去。作为编程人员应了解机床上所用刀杆的结构尺寸以及调整方法、调整范围，以便在编程时确定刀具的径向和轴向尺寸。目前，我国的加工中心采用TSG工具系统，其柄部有直柄(三种规格)和锥柄(四种规格)两类，共包括16种不同用途的刀具。,2.2.9 切削用量的确定 切削用量包括主轴转速(切削速度)、背吃刀量和进给量。对于不同的加工方法，需要选择不同的切削用量，并应编入程序单内。1.合理选择切削用量的原则 粗加工时，一般以提高生产率为主，但也应考虑经济性和加工成本，通常选择较大的背吃刀量和进给量，采用较低的切削速度；半精加工和精加工时，应在保证加工质量的前提下，兼顾切削效率、经济性和加工成本，通常选择较小的背吃刀量和,进给量，并选用切削性能高的刀具材料和合理的几何参数，以尽可能提高切削速度。具体数值应根据机床说明书、切削用量手册并结合经验而定。2.切削用量的选择方法(1)背吃刀量ap(mm)的选择，亦称切削深度。主要根据机床、夹具、刀具和工件的刚度来决定。粗加工时，背吃刀量可达810mm；半精加工时，背吃刀量为0.52mm；精加工时，则应着重考虑如何保证加工质量，并在此基础上尽量提高生产率。在数控机床上，精加工余量可小于普通机床，一般取0.20.4 mm。,(2)主轴转速n(r/min)主要根据允许的切削速度c(m/min)选取。,式中：vc切削速度，根据已经选定的背吃刀量、进给量及刀具的耐用度决定；D工件或刀具直径(mm)。主轴转速n要根据计算值在机床说明书中选取标准值，并填入程序单中。,(3)进给量(进给速度)f(mm/min或mm/r)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、工件材料性质选取。最大进给量则受机床刚度和进给系统的性能限制并与脉冲当量有关。当加工精度、表面粗糙度要求高时，进给速度(进给量)应选小些，一般在2050 mm/min范围内选取。粗加工时，为缩短切削时间，一般进给量就取得大些。工件材料较软时，可选用较大的进给量；反之，应选较小的进给量。车、铣、钻等加工方式下的切削用量可参考表2-2、2-3、2-4和2-5选取。,表2-2 数控车削用量推荐表,表2-3 铣刀的切削速度(m/min),表2-4 铣刀进给量(mm/每齿),表2-5 高速钢钻头的切削用量(v：m/mm，f：mm/r),2.3 数控加工工艺文件 数控加工工艺文件既是数控加工、产品验收的依据，又是操作者要遵守、执行的规程，同时还为产品零件重复生产作了技术上的必要工艺资料积累和储备。目前数控加工工艺文件尚未制定国家统一标准，各企业一般都根据本单位的特点制定了一些必要的工艺文件，主要包括数控加工工序卡、数控刀具调整单、机床调整单和零件加工程序单等。现以图2-9所示零件加工为例作简单介绍，以供参考。,图2-9 座架零件图样,1数控加工工件安装和零点设定卡片 它应表示出数控加工零件定位方法和夹紧方法，并应标明工件零点设定位置和坐标方向、使用的夹具名称和编号等。假设上图座架零件的下台阶面已在其他机床上加工出，现需要在数控机床上一次装夹后加工剩下的表面和各个孔，采用通用台钳作为夹具，其工件装夹和零点设定卡如表2-6所示。,表2-6 工件安装和零点设定卡片,2工序卡 由编程员根据图纸和加工任务书编制数控加工工艺和作业内容，并反映使用的辅具、刃具和切削参数、切削液等，工序卡中应按已确定的工步顺序填写。如果在数控机床上只加工零件的一个工步时，也可不填写工序卡。不同的数控机床，其工序卡也有差别。上述座架零件在数控机床上的加工安排是：先用端面铣刀铣出上表面，再用立铣刀铣四周侧面及A、B工作面，最后用钻头分别钻6个小孔和两个大孔。填写工序卡如表2-7所示。,表2-7 数控加工工序卡片,3数控刀具调整单 数控刀具调整单主要包括数控刀具卡片和数控刀具明细表(简称刀具表)两部分。数控加工时，对刀具的要求十分严格，一般要在机外对刀仪上，事先调整好刀具直径和长度。刀具卡主要反映刀具编号、刀具结构、尾柄规格、组合件名称代号、刀片型号和材料等，它是组装刀具和调整刀具的依据。其格式如表2-8所示。,表2-8 数控刀具卡片,表2-9 数控刀具明细表,4.数控加工程序单 数控加工程序单是编程人员通过对被加工零件的工艺分析，经过数值计算，按照所使用机床的编程规则编制的。是记录数控加工工艺过程、工艺参数、位移数据的清单。,思考与练习题,1数控机床与普通机床加工的过程有什么区别？2数控系统主要组成部分有哪些？功用如何？3说说NC与CNC的区别。4什么是插补？试由直线的逐点比较工作节拍说明其插补过程。5某机床允许使用的程序格式为：N04 G02 X053 Y053 F32 M02。试解释其含义。6试区别一下手工编程和自动编程的过程以及适用场合。,7数控机床常用的程序输入方法有哪些？8华中1型数控系统的组成有什么特点？其程序传送、存储有何优势？9MDI是什么？为什么说MDI输入是每种数控系统不可缺少的？10数控加工机床按加工控制路线应分为哪几类？其控制过程有何不同？11数控加工机床按使用的进给伺服系统不同应分为哪几类？哪类的控制质量高，为什么？12简要说明数控机床坐标轴的确定原则。,13试标出题图1-1中各机床的坐标系。,题图1-1,14数控车床、数控铣床的机械原点和参考点之间的关系各如何？15试画出表示数控机床各坐标系零点及参考点的图形符号。16绝对值编程和增量值编程有什么区别？17数控加工工艺处理的内容有哪些？18数控加工的工序可有哪几种划分方法？19对刀点、换刀点指的是什么？一般应如何设置？常用刀具的刀位点怎么规定？20加工路线的确定应遵循哪些主要原则？,21槽形铣削有哪些方法？22什么是二维半坐标加工和三坐标加工？分别用于什么加工场合？23说说常用立铣刀具参数的确定原则。24粗、精加工时选用切削用量的原则有什么不同？25程序中常用的工艺指令有哪些？什么叫模态指令和非模态指令？26数控加工常用的工艺文件有哪些？,