数控加工工艺基础ppt.ppt
第2章 数控加工工艺基础,21 数控加工工艺概述,22 数控加工工艺分析与设计,23 数控编程中的数学处理,24 数控加工工艺文件,学习目标和重点,目标：了解数控加工工艺的基本特点掌握数控加工工艺分析和设计的内容与方法。熟悉数控加工刀具及其角度的概念掌握正确选择切削用量参数的方法。重点：数控加工刀具及其角度的概念掌握正确选择切削用量参数的方法。数控加工工艺知识的综合能力,2.1 数控加工工艺概述,合理确定数控加工工艺对实现优质、高效和经济的数控加工具有极为重要的作用。其内容主要包括选择合适的机床、刀具、夹具、走刀路线及切削用量等，只有选择合适的工艺参数及切削策略才能获得较理想的加工效果。从加工的角度看，数控加工技术主要是围绕加工方法和加工参数的合理确定及其实现的理论与技术。数控加工通过计算机控制刀具做精确的切削加工运动，是完全建立在复杂的数值运算之上的，它能实现传统的机加工无法实现的合理的、完整的工艺规划。,2.1.1 数控加工工艺的基本特点,1、内容十分明确而具体2、工艺工作要求相当准确而严密3、采用多坐标联动自动控制加工复杂表面4、采用先进的工艺装备5、采用工序集中,2.1.2 数控加工工艺的主要内容,1、选择适合在数控机床上加工的零件，确定工序内容。2、对零件图样进行数控加工工艺分析，明确加工内容及技术要求。3、确定零件的加工方案，制定数控加工工艺路线。如划分工序、安排加工顺序以及处理与非数控加工工序的衔接等。4、加工工序的设计。如选取零件的定位基准、夹具方案的确定、划分工步、选取刀辅具和确定切削用量等。5、数控加工程序的调整。选取对刀点和换刀点，确定刀具补偿，确定加工路线。6、分配数控加工中的容差。7、处理数控机床上的部分工艺指令。,2.2 数控加工工艺分析与设计,数控加工工艺的实质，就是在分析零件精度和表面粗糙度的基础上，对数控加工的加工方法、装夹方式、刀具使用、切削进给路线及切削用量等工艺内容进行正确和合理的选择。,2.2.1 机床的合理选择,根据国内外数控技术实践，数控机床加工的适用范围如下图所示：,2.2.1 机床的合理选择,数控机床最适合加工的零件：1、多品种、小批量生产的零件或新产品试制中的零件。2、轮廓形状复杂或对加工精度要求较高的零件。3、用普通机床加工时需用昂贵工艺装备（工具、夹具和模具）的零件。4、需要多次改型的零件。5、价值昂贵、加工中不允许报废的关键零件。6、需要最短生产周期的急需零件。,采用集中标注，或以同一基准标注，即标注坐标尺寸。,2.2.2 数控加工零件的工艺性分析,1、零件的工艺性分析产品的零件图和装配图分析零件图的完整性与正确性分析。零件技术要求分析。尺寸标注方法分析。零件材料分析零件的结构工艺性分析人们把零件在满足使用要求的前提下所具有的制造可行性和加工经济性叫做零件的结构工艺性。2、毛坯的确定毛坯种类毛坯种类有铸件、锻件、型材、焊接件等毛坯的制造方法,零件的技术要求主要指尺寸精度、形状精度、位置精度、表面粗糙度及热处理等。这些要求在保证零件使用性能的前提下应经济合理。过高的精度和表面粗糙度要求会使工艺过程复杂、加工困难、成本提高。,2.2.3 定位基准的选择,粗基准 机加工的第一道工序中，只能用毛坯上未加工过的表面作定位基准，称为粗基准。精基准 在随后的工序中，用加工过的表面作定位基准，称为精基准。辅助基准 有时，为方便装夹或易于实现基准统一，在工件上专门制出一种定位基准，称为辅助基准。,1、精基准的选择原则,精基准的选择主要应考虑如何减少加工误差、保证加工精度(特别是加工表面的相互位置精度)以及实现工件装夹的方便、可靠与准确。其选择应遵循以下原则：“基准重合”原则 即直接选择加工表面的设计基准为定位基准，称为基准重合原则。采用基准重合原则可以避免由定位基准与设计基准不重合而引起的定位误差(称为基准不重合误差)。,设计基准与定位基准的关系,1、精基准的选择原则,“基准统一”原则 在加工各表面时尽可能使用同一组定位基准为精基准，称为基准统一原则。这样既可保证各加工表面间的相互位置精度，避免或减少因基准转换而引起的误差，而且简化了夹具的设计与制造工作，降低了成本，缩短了生产准备周期。,1、精基准的选择原则,“互为基准”原则 当两个加工各表面相互位置精度及其尺寸与形状精度都较高时，或为使加工表面具有小而均匀的加工余量，可采取两个加工表面互为基准反复加工的方法，称为互为基准反复加工原则。,图321 床身导轨面自为基准的实例,1、精基准的选择原则,“自为基准”原则 某些要求加工余量小而均匀的精加工或光整加工工序，选择加工表面本身作为定位基准，称为自为基准原则。,1卡盘 2滚柱 3齿轮,1、精基准的选择原则,“便于装夹”原则 所选精基准应能保证工件定位准确稳定，装夹方便可靠，夹具结构简单适用，操作方便灵活。同时，定位基准应有足够大的接触面积，以承受较大的切削力。因此，精基准应选择尺寸精度、形状精度较高而表面粗糙度值较小、面积较大的表面。,支座的定位,2、粗基准的选择原则,粗基准的选择主要影响不加工表面与加工表面之间的相互位置精度，以及加工表面的余量分配：相互位置要求原则 若工件必须首先保证加工表面与不加工表面之间的位置要求，则应选不加工表面为粗基准，以达到壁厚均匀，外形对称等要求。若有好几个不加工表面，则粗基准应选取位置精度要求较高者。,套筒粗基准的选择,拨杆粗基准的选择,2、粗基准的选择原则,加工余量合理分配原则 若工件上每个表面都要加工，则应以余量最小的表面作为粗基准，以保证各加工表面有足够的加工余量。,阶梯轴的粗基准选择,2、粗基准的选择原则,重要表面原则 为保证重要表面的加工余量均匀，应选择重要加工面为粗基准。,床身导轨面的粗基准的选择(a)正确(b)不正确,2、粗基准的选择原则,不重复使用原则 粗基准未经加工，表面比较粗糙且精度低，二次安装时，其在机床上(或夹具中)的实际位置可能与第一次安装时不一样，从而产生定位误差，导致相应加工表面出现较大的位置误差。因此，粗基准一般不应重复使用。,基准重复使用的误差,2、粗基准的选择原则,便于工件装夹原则 作为粗基准的表面，应尽量平整光滑，没有飞边、冒口、浇口或其他缺陷，以便使工件定位准确、夹紧可靠。,3、辅助基准的选择原则,辅助基准是为了便于装夹或易于实现基准统一而人为制成的一种定位基准。,辅助基准典型实例,左图所示为车床小刀架的形状及加工底面时采用辅助基准定位的情况。加工底面用上表面定位，但上表面太小，工件成悬臂状态，受力后会有一定的变形，为此，在毛坯上专门铸出了工艺搭子（工艺凸台），和原来的基准齐平。工艺凸台上用作定位的表面即是辅助基准面，加工完毕后应将其从零件上切除。,2.2.4 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要同时保证加工精度和表面粗糙度的要求。获得同一级精度和表面粗糙度的加工方法很多，要结合零件的形状、尺寸的大小和热处理等具体要求来考虑。常用加工方法的经济加工精度与表面粗糙度可查阅有关工艺手册。2、确定加工方案的原则零件上精度要求较高的表面，要根据质量要求、机床情况和毛坯条件来确定最终加工方案。零件上精度要求较高的表面，常常是经过粗加工、半精加工和精加工逐步达到。,2.2.5 工序与工步的划分,1、工序的划分 在数控机床上加工的零件按工序集中原则划分工序的方法：以零件的装夹定位方式划分工序。按粗、精加工划分工序。按所用刀具划分工序。按加工部位划分工序。2、工步的划分零件上精度要求较高的表面，要根据质量要求、机床情况和毛坯条件来确定最终加工方案。零件上精度要求较高的表面，常常是经过粗加工、半精加工和精加工逐步达到。,即以完成相同型面（如内形、外形、曲面和平面等）的那每一部分工艺过程为一道工序。用于加工表面多而复杂的零件。,2.2.6 加工顺序的安排,切削加工顺序的安排原则 热处理工序的安排 辅助工序的安排,1、切削加工顺序的安排原则,基面先行原则 加工一开始，总是先把精基面加工出来，因为定位基准的表面越精确，装夹误差就越小，所以任何零件的加工过程，总是首先对定位基准面进行粗加工和半精加工，必要时还要进行精加工。如果精基面不止一个，按照基面转换的顺序和逐步提高加工精度的原则来安排基面和主要表面的加工。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依次进行，这样才能逐步提高加工表面的精度和减小表面粗糙度。先主后次原则 零件上的工作表面及装配面属于主要表面，应先加工，从而能及早发现毛坯中主要表面可能出现的缺陷。自由表面、键槽、紧固用的螺孔和光孔等表面，属于次要表面，可穿插进行，一般安排在主要表面加工达到一定精度后、最终精加工之前进行。先面后孔原则 对于箱体、支架和机体类零件，平面轮廓尺寸较大，一般先加工平面，后加工孔和其他尺寸。先内后外原则 即先进行内型内腔加工工序，后进行外形加工工序,此外：上道工序的加工不能影响下道工序的定位与夹紧。以相同安装方式或用同一刀具加工的工序，最好连续进行，以减少重复定位次数。在同一次安装中进行的多道工序，应先安排对工件刚性破坏较小的工序。,2、热处理工序的安排,预备热处理 安排在机械加工之前，以改善材料的切削性能及消除内应力为主要目的。常用的方法有退火、正火和调质。去除内应力热处理 主要是消除毛坯制造或工件加工过程中产生的残余应力。一般安排在粗加工之后，精加工之前，常用的方法有人工时效、退火等。最终热处理 以达到图样规定的零件的强度、硬度和耐磨性为主要目的，常用的方法有表面淬火、渗碳、渗氮和调质、淬火等应安排在半精加工之后，磨削加工之前。渗氮处理可以放在半精磨之后，精磨之前。另外，对于床身、立柱等铸件，常在粗加工前及粗加工后进行自然时效，以消除内应力。,热处理工序的安排,3、辅助工序的安排,辅助工序的种类很多，如检验、去毛刺、倒棱边、去磁、清洗、动平衡、涂防锈漆和包装等。辅助工序也是保证产品质量所必要的工序，若缺少了辅助工序或辅助工序要求不严，将给装配工作带来困难，甚至使机器不能使用。其中检验工序是主要的辅助工序，它是监控产品质量的主要措施，除在每道工序的进行中操作者都必须自行检查外，还须在下列情况下安排单独的检验工序：粗加工阶段结束之后。重要工序之后。零件从一个车间转到另一个车间时。特种性能(磁力擦伤、密封性等)检验之前。零件全部加工结束之后。,4、数控加工工序与普通工序的衔接,有些零件的加工是由普通机床和数控机床共同完成的，数控机床加工工序前后一般都穿插有其他普通工序，如衔接不好就容易产生矛盾，因此要解决好数控工序与普通工序之间的衔接问题。较好的解决办法是建立工序间的相互状态要求。例如，要不要为后道工序留加工余量，留多少；定位孔与面的精度与形位公差是否满足要求；对校形工序的技术要求；对毛坯的热处理要求等等，都需要前后兼顾，统筹衔接。,2.2.7 工件的装夹方式,（1）工件的定位与夹紧方案的确定力求设计基准、工艺基准与编程计算的基准统一。尽量减少装夹次数，尽可能在一次定位装夹后就能加工出全部或大部分待加工表面，以减少装夹误差，提高加工表面之间的相互位置精度。避免采用占机人工调整式方案，以免占机时间太多，影响加工效率。（2）夹具的选择 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；二是要能协调零件与机床坐标系的尺寸关系。除此之外，还要考虑以下几点：当零件加工批量不大时，应尽量采用组合夹具、可调夹具和其它通用夹具。在成批生产时才考虑采用专用夹具，并力求结构简单，并应有足够的刚度和强度。因为在数控机床上通常一次装夹完成工件的全部工序，因此应防止工件夹紧引起的变形造成工件加工不良影响。夹紧力应靠近主要支承点，力求靠近切削部位；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，加工部位开阔，夹具的定位、夹紧机构元件不能影响加工中的进给(如产生碰撞等)。装卸零件要快速、方便、可靠，以缩短准备时间，批量较大时应考虑气动或液压夹具、多工位夹具。,2.2.8 数控刀具的选择,刀具选择的总原则 刀具几何角度,1、刀具选择的总原则,刀具选择的总原则是：安装调整方便，刚性好，耐用度和精度高。在满足加工要求的前提下，尽量选择较短的刀柄，以提高刀具加工的刚性。性能上：切削性能好 为适应刀具在粗加工或对难加工材料的工件加工时，能采用大的背吃刀量和高速进给，刀具必须具有能够承受高速切削和强力切削的性能。同时，同一批刀具在切削性能和刀具寿命方面一定要稳定，以便实现按刀具使用寿命换刀或由数控系统对刀具寿命进行管理。精度高 为适应数控加工的高精度和自动换刀等要求，刀具必须具有较高的精度。可靠性高 要保证数控加工中不会发生刀具意外损坏及潜在缺陷而影响到加工的顺利进行，要求刀具及与之组合的附件必须具有很好的可靠性及较强的适应性。耐用度高 数控加工的刀具，不论在粗加工或精加工中，都应具有更高的耐用度，以尽量减少更换或修磨刀具及对刀的次数，从而提高数控机床的加工效率及保证加工质量。断屑及排屑性能好 数控加工中，断屑和排屑不像普通机床加工那样，能及时由人工处理，影响加工质量和机床的顺利、安全运行，所以要求刀具应具有较好的断屑和排屑性能。,2、刀具的几何角度,刀具切削部分组成要素：前刀面(A)主后刀面(A)副后刀面(A)主切削刃(S)副切削刃(S)刀尖刀具切削部分的几何角度正交平面参考系基面Pr；切削平面PS；正交平面Po 刀具的主要标注角度前角o；后角o；楔角o；主偏角r；副偏角r；刀尖角r 刃倾角S 刀具几何参数的选择前角的选择后角的选择主偏角的选择副偏角的选择刃倾角的选择,刀尖的类型 a切削刃的实际交点；b 修圆刀尖；c 倒角刀尖,车刀切削部分的组成,刀具角度坐标系,车刀的角度,刃倾角对切屑流出方向的影响,刃倾角对刀尖强度的影响,2.2.9 切削用量的选择,切削用量的大小对切削力、切削功率、刀具磨损、加工质量和加工成本均有显著影响。选择切削用量时，就是在保证加工质量和刀具耐用度的前提下，充分发挥机床性能和刀具切削性能，使切削效率最高，加工成本最低。切削用量 切削用量的选择原则切削用量的确定,进给量（f）在主运动的一个循环内，刀具在进给方向上相对于工件的位移量称为进给量。其单位用mmr（如车削、镗削等）或mm行程(如刨削、磨削等)表示。切削时的进给速度(单位为mmmin)是指切削刃上选定点相对于工件的进给运动的瞬时速度，它与进给量之间的关系为：,1、切削用量,切削速度（）在切削加工时，切削刃选定点相对于工件主运动的瞬时速度称为切削速度。即在单位时间内，工件和刀具沿主运动方向的相对位移，单位为。主运动是回转运动时，其切削速度为加工表面最大线速度：,背吃刀量()背吃刀量是已加工表面和待加工表面之间的垂直距离，其单位为mm。外圆车削时，为,2、切削用量的选择原则,粗加工时选择原则 首先优先选取尽可能大的背吃刀量，以尽量保证较高的金属切除率；其次要根据机床动力和刚性的限制条件等，选取尽可能大的进给量；最后根据刀具耐用度确定最佳的切削速度。精加工时选择原则 由于要保证工件的加工质量，首先应根据粗加工后的余量选用较小背吃刀量；其次根据已加工表面粗糙度要求，选取较小的进给量；最后在保证刀具耐用度的前提下尽可能选用较高的切削速度。,粗、精加工时切削用量的选择规律？,粗加工：ap、v/h、F 精加工：ap、v/h、F,3、切削用量的确定,确定背吃刀量ap（）背吃刀量ap主要根据机床、夹具、刀具和工件所组成的加工工艺系统的刚性来确定：在系统刚性允许的情况下，ap相当于加工余量，应以最少的进给次数切除这一加工余量，最好一次切净余量，以提高生产效率。在工艺系统刚性不足或毛坯余量很大，或余量不均匀时，粗加工要分几次进给，并且应当把第一、二次进给的背吃刀量尽量取得大一些，一般第一次走刀为总加工余量的2/33/4。在加工铸、锻件时应尽量使背吃刀量大于硬皮层的厚度，以保护刀尖。为了保证加工精度和表面粗糙度，一般都留有一定的精加工余量，其大小可小于普通加工的精加工余量，一般半精车余量为0.5左右，精车余量为0.10.5。,3、切削用量的确定,确定切削速度vc(m/min),式中：vc切削速度，（m/min）D刀具（或工件）直径，mm。,加大切削速度，也能提高生产率。因为切削速度与刀具耐用度的关系成反比，所以切削速度的选取主要取决于刀具耐用度。主轴转速由切削速度来选定：,3、切削用量的确定,确定进给速度vf（mm/min）,切削速度为切削用量中对切削加工影响最大的因素！,进给速度的大小直接影响表面粗糙度的值和切削效率，因此进给速度的确定应在保证表面质量的前提下，选择较高的进给速度。进给速度包括纵向进给速度和横向进给速度。一般根据零件的表面粗糙度、刀具及工件材料等因素，查阅切削用量手册选取每转进给量f，再按下式计算进给速度：,式中f每转进给量mm/r，粗车时一般选取为0.30.8 mm/r，精车时常取0.10.3 mm/r，切断时常取0.050.2 mm/r。,切削用量中哪个参数对切削影响最大？,2.2.9 对刀点与换刀点的确定,1、对刀点“对刀点”是指数控加工时，刀具相对工件运动的起点，这个起点也是编程时程序的起点。因此，“对刀点”也称“程序起点”或“起刀点”。在编程时应正确选择对刀点的位置：对刀点可以设置在零件、夹具或机床上，但必须与零件的定位基准有已知的尺寸关系；为提高零件的加工精度，应尽可能设置在零件的设计基准或工艺基准上，或与零件的设计基准有一定的尺寸关系。,2、换刀点 指刀架转为换刀时的位置。必须设置在零件的外部。,13、刀位点 指编制数控加工程序时用以确定刀具位置的基准点。,2.2.10 工艺加工路线的确定,在数控加工中，工艺加工路线是指数控加工过程中刀位点相对于被加工零件的运动轨迹。确定工艺加工路线的原则是：保证零件的加工精度和表面粗糙度；方便数值计算，减少编程工作量；缩短加工运行路线，减少空运行行程。,2.3 数控编程中的数学处理,编程时的数学处理就是根据零件图样，按照已确定的加工路线和允许的编程误差，计算编程时所需要的数据的过程。数值计算的内容包括计算零件轮廓或刀具中心运动轨迹的基点和节点的坐标。基点：指各几何元素间的连接点，如直线与直线的交点，直线与圆弧的交点或切点，圆弧与圆弧的交点或切点等。节点：将轮廓曲线按编程允许的误差分割成许多小段，再用直线或圆弧去逼近这些小段。逼近直线小段和圆弧小段与轮廓曲线的交点或切点称为节点。,2.3.1 基点坐标计算,计算方法：代数、三角函数、几何或解析几何。【例】下图刀具轨迹（BCD）的基点计算？,解：,2.3.2 节点坐标计算,只具有直线和圆弧插补的数控机床无法直接加工除直线和圆弧以外的曲线，如渐开线、阿基米德螺旋线、双曲线、抛物线等这些非圆方程y=f(x)组成的曲线和列表曲线，只能用直线或圆弧去逼近。列表曲线：一系列实验或经验数据表表示的、没有表达轮廓形状的曲线方程的曲线称为列表曲线。非圆曲线的节点计算列表曲线的数学处理,1、非圆曲线的节点计算,等间距直线逼近法：这种方法是使每个程序段的某一坐标增量相等，然后根据曲线的表达式求出另一坐标值，即可得到节点坐标。,等弦长直线逼近法：这种方法是使所有逼近线段的弦长相等，计算时必须使最大逼近误差小于允，以满足加工精度的要求。,等误差直线逼近法：该方法是使零件轮廓曲线上各直线段的逼近误差相等，并小于或等于允。,圆弧逼近法：用圆弧逼近法去逼近零件的轮廓曲线时，计算的依据依然是要使圆弧段与零件轮廓曲线间的误差小于或等于允。常用的方法有三点圆法、相切圆法和曲率圆法。,2、列表曲线的数学处理,在实际应用中，有些零件的轮廓形状是通过实验或测量方法得到的，如飞机的机翼、叶片、某些检验样板等。这时常以列表坐标点的形式描绘轮廓形状。这种由列表点给出的轮廓曲线称为列表曲线。常用数学处理方法：牛顿插值法双圆弧法样条函数法三次样条函数拟合圆弧样条拟合,2.4 数控加工工艺文件的编制,工艺文件的内容和格式目前尚无统一的国家标准，企业应用的主要工艺文件有：数控加工工序卡数控加工刀具卡数控加工走刀路线图数控加工程序单,实训项目：数控加工工艺路线制订,毛坯为100mm80mm27mm的方形坯料，材料45钢,实训项目解答提示：,该零件可以先在普通机床上把底面和四个轮廓面加工好（基面先行原则），其余的顶面、孔及沟槽安排在立式加工中心上完成（工序集中原则），加工中心工序按“先面后孔”、“粗精分开”、“先主后次”等原则可以划分如下15个工步：,9、精铣顶面。10、铰12孔至尺寸。11、精镗32孔至尺寸。12、精铣60沉孔及沟槽至尺寸13、12孔口倒角。14、36、4M8孔口倒角。15、攻4M8螺纹,1、粗铣顶面。2、钻32、12孔中心孔。3、钻32、12孔至11.5。4、扩32孔至30。5、钻36孔至尺寸。6、粗铣60沉孔及沟槽。7、钻3M8底孔至6.8。8、镗32孔至31.7。,小结与复习思考题,小结 数控加工工艺的实质，就是在分析零件精度和表面粗糙度的基础上，对数控加工的工艺方法、装夹方法、刀具选择、切削进给路线及切削用量等 工艺内容进行正确而合理的选择。只有了解了数控加工刀具及其角度的基础知识和作用，才能谈得上选择运用切削用量参数；只有选择了合理的切削用量参数，及其装夹方式和切削进给路线等，才能发挥出数控机床的优势。掌握数控工艺规程制订的各环节内容，才能对数控编程与加工奠定坚实的基础。复习思考题 能进行一般工件加工工艺的分析与实际应用。（任取零件练习）,
