最新数控加工教案.docx
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最新数控加工教案
数控加工教案
第一章数控机床概述
一、组织教学：
（考勤、学习准备等）
二、引入新课：
三、讲授新课：
（简单讲解、举例）
（一）、数控机床
1、数控的定义（板书）
数控即数字控制——是数字程序控制的简称。
数控的实质：
通过特定处理方式的数字信息（不连续变化的数字量）自动控制机械装置动作，与连续变化的模拟量进行的程序控制有截然不同的性质。
2、数控机床：
采用了数控技术的机床，或者说装备数控系统的机床。
（二）、数控机床的加工特点及应用范围
1、数控机床的加工特点
（1）、高精度。
（2）、高难度。
（3）、多工序加工。
（4）、改善劳动条件。
（5）、改型方便。
（6）、高效率。
（7）、有利于生产管理。
（8）、价格较贵。
（9）、调试和维修较复杂。
2、数控机床的应用范围
（1）、适用分期（不定期或周期）进行的轮番生产。
（2）、适用于多品种，中、小批量的生产。
（3）、在满足加工要求的前提下，应选择档次尽可能低一点的数控机床。
（4）、数控机床加工依赖于各种数字化信息指令。
（三）、数控机床的组成及工作过程
1、数控机床的组成
（1）、控制介质。
（2）、人机交互设备。
（3）、计算机数控（CNC）装置。
（4）、进给伺服驱动系统。
（5）、主轴驱动系统。
（6）、辅助控制装置。
（7）、可编程控制器（PLC）。
（8）、反馈系统。
（9）、自动适应控制。
（10）、机床本体。
2、数控机床的工作过程
（1）、根据零件图样进行各项准备。
（2）、按规定格式编制出加工程序。
（3）、将加工程序以代码形式完整记录在信息介质上。
（4）、将代码转变为电信号输出。
（5）、数控装置将结果以脉冲信号形式向伺服系统发出执行信号。
（6）、伺服系统向执行电机驱动机床进给机构发出严格指令。
（四）、数控机床分类
1、按工艺用途分类
（1）一般数控机床
（2）数控加工中心
2、按加工路线分类
（1）、点位控制数控机床
实行点对点的准确控制，而对其点到点之间的运动轨迹不作要求，刀具在定位运动过程中不进行切削，只是快速进给到定位位置（不与工件接触）。
数控钻床、数控冲床属于点位控制数控机床。
（2）、直线控制数控机床
除了要控制刀具相对于工件（或工作台）的起点和终点的准确位置外，还要控制每一程序段的起点与终点的位移过程，使刀具以给定的进给速度作平行于某一坐标轴方向的直线运动。
数控车床、数控磨床属于直线控制数控机床。
（3）、连续控制数控机床
又称轮廓控制数控机床，能同时对两个或两个以上的坐标轴进行控制，从而按给定的规律和速度进行准确的轮廓控制，使其运动轨迹成为所需要的直线、曲线或曲面。
数控车床、数控铣床、线切割机床等属于轮廓控制数控机床。
3、按控制的坐标轴数分类（简略）
（1）、两坐标数控机床
（2）、三坐标数控机床
（3）、2.5坐标数控机床
（4）、多坐标数控机床
4、按数控装置的类型分类（简略）
（1）硬件数控
（2）计算机数控
5、按伺服系统的类型分类（重点讲述）
（1）开环控制数控机床（讲清工作过程）
（2）半闭环控制数控机床（讲清工作过程）
（3）全闭环控制数控机床（讲清工作过程）
（五）、数控机床的坐标系
数控机床的标准坐标系——右手直角笛卡儿坐标系。
1、坐标轴和运动方向命名原则
（1）假定刀具相对于静止的工件而运动。
（2） 正方向——刀具远离工件的运动方向。
（3）机床主轴旋转运动——的正方向是按照右旋螺纹进入工件的方向。
2、机床坐标系的确定
（1）机床相对运动的规定
在机床上，我们始终认为工件静止，而刀具是运动的。
这样编程人员在不考虑机床上工件与刀具具体运动的情况下，就可以依据零件图样，确定机床的加工过程。
（2）机床坐标系的规定
标准机床坐标系中X、Y、Z坐标轴的相互关系用右手笛卡尔直角坐标系决定。
在数控机床上，机床的动作是由数控装置来控制的，为了确定数控机床上的成形运动和辅助运动，必须先确定机床上运动的位移和运动的方向，这就需要通过坐标系来实现，这个坐标系被称之为机床坐标系。
标准机床坐标系中X、Y、Z坐标轴的相互关系用右手笛卡尔直角坐标系决定：
图1.1 直角坐标系
1）伸出右手的大拇指、食指和中指，并互为90°。
则大拇指代表X坐标，食指代表Y坐标，中指代表Z坐标。
2）大拇指的指向为X坐标的正方向，食指的指向为Y坐标的正方向，中指的指向为Z坐标的正方向。
3）围绕X、Y、Z坐标旋转的旋转坐标分别用A、B、C表示，根据右手螺旋定则，大拇指的指向为X、Y、Z坐标中任意轴的正向，则其余四指的旋转方向即为旋转坐标A、B、C的正向,见图1.1。
（3）运动方向的规定
增大刀具与工件距离的方向即为各坐标轴的正方向，如图1.2所示为数控车床上两个运动的正方向。
3、坐标轴方向的确定
（1）Z坐标
Z坐标的运动方向是由传递切削动力的主轴所决定的，即平行于主轴轴线的坐标轴即为Z坐标，Z坐标的正向为刀具离开工件的方向。
如果机床上有几个主轴，则选一个垂直于
工件装夹平面的主轴方向为Z坐标方向；如果主轴能够摆动， 图1.2 机床运动的方向
则选垂直于工件装夹平面的方向为Z坐标方向；如果机床无主轴，则选垂直于工件装夹平面的方向为Z坐标方向。
图1.3所示为数控车床的Z坐标。
（2）X坐标
X坐标平行于工件的装夹平面，一般在水平面内。
确定X轴的方向时，要考虑两种情况：
1）如果工件做旋转运动，则刀具离开工件的方向为X坐标的正方向。
图1.3 数控车床的坐标系
2）如果刀具做旋转运动，则分为两种情况：
Z坐标水平时，观察者沿刀具主轴向工件看时，+X运动方向指向右方；Z坐标垂直时，观察者面对刀具主轴向立柱看时，+X运动方向指向右方。
图1.3所示为数控车床的X坐标。
（3）Y坐标
在确定X、Z坐标的正方向后，可以用根据X图1.3 数控车床的坐标系
和Z坐标的方向，按照右手直角坐标系来确定Y坐标的方向。
图1.3所示为数控车床的Y坐标。
图1.4 数控立式铣床的坐标系
四、小结例：
根据图1.4所示的数控立式铣床结构图，试确定X、Y、Z直线坐标。
1、Z坐标：
平行于主轴，刀具离开工件的方向为正。
2、X坐标：
Z坐标垂直，且刀具旋转，所以面对刀具主轴向立柱方向看，向右为正。
3、Y坐标：
在Z、X坐标确定后，用右手直角坐标系来确定。
五、布置作业 习题册
六、辅导答疑
第三章、数控加工工艺基础
一、组织教学：
考勤、学习准备等。
二、复习旧课：
数控机床的分类以及数控机床的坐标系。
三、讲授新课：
（举例讲解）
（一）、数控加工工艺概述
1、基本特点
数控机床的加工工艺与通用机床的加工工艺有许多相同之处，但在数控机床上加工零件比通用机床加工零件的工艺规程要复杂得多。
在数控加工前，要将机床的运动过程、零件的工艺过程、刀具的形状、切削用量和走刀路线等都编入程序，这就要求程序设计人员具有多方面的知识基础。
合格的程序员首先是一个合格的工艺人员，否则就无法做到全面周到地考虑零件加工的全过程，以及正确、合理地编制零件的加工程序。
2、数控加工工艺内容的选择
对于一个零件来说，并非全部加工工艺过程都适合在数控机床上完成,而往往只是其中的一部分工艺内容适合数控加工。
这就需要对零件图样进行仔细的工艺分析，选择那些最适合、最需要进行数控加工的内容和工序。
在考虑选择内容时，应结合本企业设备的实际，立足于解决难题、攻克关键问题和提高生产效率，充分发挥数控加工的优势。
适于数控加工的内容：
在选择时，一般可按下列顺序考虑：
（1）通用机床无法加工的内容应作为优先选择内容；
（2）通用机床难加工，质量也难以保证的内容应作为重点选择内容；
（3）通用机床加工效率低、工人手工操作劳动强度大的内容，可在数控机床尚存在富裕加工能力时选择。
3、数控加工工艺性分析
被加工零件的数控加工工艺性问题涉及面很广，下面结合编程的可能性和方便性提出一些必须分析和审查的主要内容。
（1）尺寸标注应符合数控加工的特点
在数控编程中，所有点、线、面的尺寸和位置都是以编程原点为基准的。
因此零件图样上最好直接给出坐标尺寸，或尽量以同一基准引注尺寸。
（2）几何要素的条件应完整、准确
在程序编制中，编程人员必须充分掌握构成零件轮廓的几何要素参数及各几何要素间的关系。
因为在自动编程时要对零件轮廓的所有几何元素进行定义，手工编程时要计算出每个节点的坐标，无论哪一点不明确或不确定，编程都无法进行。
但由于零件设计人员在设计过程中考虑不周或被忽略，常常出现参数不全或不清楚，如圆弧与直线、圆弧与圆弧是相切还是相交或相离。
所以在审查与分析图纸时，一定要仔细核算，发现问题及时与设计人员联系。
（3）定位基准可靠
在数控加工中，加工工序往往较集中，以同一基准定位十分重要。
因此往往需要设置一些辅助基准，或在毛坯上增加一些工艺凸台。
如图3.1a所示的零件，为增加定位的稳定性，可在底面增加一工艺凸台，如图3.1b所示。
在完成定位加工后再除去。
a）改进前的结构
b）改进后的结构
图3.1工艺凸台的应用
（4）统一几何类型及尺寸
零件的外形、内腔最好采用统一的几何类型及尺寸，这样可以减少换刀次数，还可能应用控制程序或专用程序以缩短程序长度。
零件的形状尽可能对称，便于利用数控机床的镜向加工功能来编程，以节省编程时间。
（二）、数控加工工艺文件
填写数控加工专用技术文件是数控加工工艺设计的内容之一。
这些技术文件既是数控加工的依据、产品验收的依据，也是操作者遵守、执行的规程。
技术文件是对数控加工的具体说明，目的是让操作者更明确加工程序的内容、装夹方式、各个加工部位所选用的刀具及其它技术问题。
数控加工技术文件主要有：
数控编程任务书、工件安装和原点设定卡片、数控加工工序卡片、数控加工走刀路线图、数控刀具卡片等。
以下提供了常用文件格式，文件格式可根据企业实际情况自行设计。
1、数控编程任务书
它阐明了工艺人员对数控加工工序的技术要求和工序说明，以及数控加工前应保证的加工余量。
它是编程人员和工艺人员协调工作和编制数控程序的重要依据之一，详见表3.1。
表3.1 数控编程任务书
工艺处
数控编程任务书
产品零件图号
任务书编号
零件名称
使用数控设备
共页第页
主要工序说明及技术要求：
编程收到日期
月日
经手人
编制
审核
编程
审核
批准
2、数控加工工件安装和原点设定卡片（简称装夹图和零件设定卡）
它应表示出数控加工原点定位方法和夹紧方法，并应注明加工原点设置位置和坐标方向，使用的夹具名称和编号等，详见表3.2。
表3.2工件安装和原点设定卡片
零件图号
J30102-4
数控加工工件安装和原点设定卡片
工序号
零件名称
行星架
装夹次数
3
梯形槽螺栓
2
压板
1
镗铣夹具板
GS53-61
编制（日期） 审核（日期）
批准（日期）
第 页
共 页
序号
夹具名称
夹具图号
3、数控加工工序卡片
数控加工工序卡与普通加工工序卡有许多相似之处，所不同的是：
工序简图中应注明编程原点与对刀点，要进行简要编程说明（如：
所用机床型号、程序编号、刀具半径补偿、镜向对称加工方式等）及切削参数（即程序编入的主轴转速、进给速度、最大背吃刀量或宽度等）的选择，详见表3.3。
表3.3数控加工工序卡片
单位
数控加工工序卡片
产品名称或代号
零件名称
零件图号
工序简图
车间
使用设备
工艺序号
程序编号
夹具名称
夹具编号
工步号
工步作业内容
加工面
刀
具
号
刀补量
主轴转速
进给速度
背
吃
刀
量
备注
编制
审核
批准
年月日
共页
第页
4、数控刀具卡片
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预先调整刀具直径和长度。
刀具卡反映刀具编号、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，详见表3.4。
表3.4数控刀具卡片
零件图号
J30102-4
数 控 刀 具 卡 片
使用设备
刀具名称
镗刀
TC-30
刀具编号
T13006
换刀方式
自动
程序编号
刀
具
组
成
序号
编号
刀具名称
规格
数量
备注
1
T013960
拉钉
1
2
390、140-5050027
刀柄
1
3
391、01-5050100
接杆
Φ50×100
1
4
391、68-03650085
镗刀杆
1
5
R416.3-12205325
镗刀组件
Φ41-Φ53
1
6
TCMM110208-52
刀片
1
7
2
GC435
备注
编制
审校
批准
共页
第页
不同的机床或不同的加工目的可能会需要不同形式的数控加工专用技术文件。
在工作中，可根据具体情况设计文件格式。
（三）、数控加工路线的确定
在数控加工中，常常要注意并防止刀具在运动过程中与夹具或工件发生意外碰撞，为此必须设法告诉操作者关于编程中的刀具运动路线（如：
从哪里下刀、在哪里抬刀、哪里是斜下刀等）。
在数控加工中，刀具刀位点相对于零件运动的轨迹称为加工路线
1、加工路线确定的原则：
（1）加工路线应保证被加工零件的精度和表面粗糙度，且效率高。
（2）使数值计算简便，以减少编程工作量。
（3）应使加工路线最短，这样既可减少程序段，又可减少空刀时间。
2、数控加工工艺设计方法
在选择了数控加工工艺内容和确定了零件加工路线后，即可进行数控加工工序的设计。
数控加工工序设计的主要任务是进一步把本工序的加工内容、切削用量、工艺装备、定位夹紧方式及刀具运动轨迹确定下来，为编制加工程序作好准备。
走刀路线就是刀具在整个加工工序中的运动轨迹，它不但包括了工步的内容，也反映出工步顺序。
走刀路线是编写程序的依据之一。
确定走刀路线时应注意以下几点：
（1）寻求最短加工路线
如加工图3.2a所示零件上的孔系。
3.2b图的走刀路线为先加工完外圈孔后，再加工内圈孔。
若改用3.2c图的走刀路线，减少空刀时间，则可节省定位时间近一倍，提高了加工效率。
a）零件图样
b）路线1
c）路线2
图3.2最短走刀路线的设计
（2）最终轮廓一次走刀完成
为保证工件轮廓表面加工后的粗糙度要求，最终轮廓应安排在最后一次走刀中连续加工出来。
如图3.3a为用行切方式加工内腔的走刀路线，这种走刀能切除内腔中的全部余量，不留死角，不伤轮廓。
但行切法将在两次走刀的起点和终点间留下残留高度，而达不到要求的表面粗糙度。
所以如采用3.3c图的走刀路线，先用行切法，最后沿周向环切一刀，光整轮廓表面，能获得较好的效果。
图3.3b也是一种较好的走刀路线方式。
a）路线1
b）路线2
c）路线3
图3.3铣削内腔的三种走刀路线
（3）选择切入切出方向
考虑刀具的进、退刀（切入、切出）路线时，刀具的切出或切入点应在沿零件轮廓的切线上，以保证工件轮廓光滑；应避免在工件轮廓面上垂直上、下刀而划伤工件表面；尽量减少在轮廓加工切削过程中的暂停（切削力突然变化造成弹性变形），以免留下刀痕，如图3.4所示。
（4）选择使工件在加工后变形小的路线
对横截面积小的细长零件或薄板零件应采用分几次走刀加工到最后尺寸或对称去除余量法安排走刀路线。
安排工步时，应先安排对工件刚性破坏较小的工步。
图3.4 刀具切入和切出
（四）、加工余量的确定
1、加工余量的概念
在机械加工过程中从加工表面切除的金属层厚度称为加工余量。
加工余量分为工序余量和加工总余量。
工序余量是指为完成某一道工序所必须切除的金属层厚度，即相邻两工序的工序尺寸之差。
加工总余量是指由毛坯变为成品的过程中，在某加工表面上所切除的金属层总厚度，即毛坯尺寸与零件图设计尺寸之差。
由于毛坯尺寸和各工序尺寸不可避免地存在公差，因此无论是加工总余量还是工序余量实际上是个变动值，因而加工余量又有基本余量、最大余量和最小余量之分，通常所说的加工余量是指基本余量。
加工余量、工序余量的公差标注应遵循“入体原则”即：
“毛坯尺寸按双向标注上、下偏差；被包容表面尺寸上偏差为零，也就是基本尺寸为最大极限尺寸（如轴）；对包容面尺寸下偏差为零，也就是基本尺寸为最小极限尺寸（如内孔）。
加工过程中，工序完成后的工件尺寸称为工序尺寸。
由于存在加工误差，各工序加工后的尺寸也有一定的公差，称为工序公差。
工序公差带的布置也采用“入体原则”法。
图3.5表示加工余量及其公差的关系。
从图中可见，不论是被包容面还是包容面，其加工总余量均等于各工序余量之和。
Z
＝Z
＋Z
＋Z
＋…
即
式中
——加工总余量；
——第i道工序余量，n为工序数。
1）对于被包容面（图3.5a）
图3.5加工余量及公差
a）被包容面加工余量及公差b）包容面加工余量及公差
本工序的基本余量Z
＝L
－L
本工序的最大余量Z
＝Z
＋T
本工序的最小余量Z
＝Z
－T
本工序余量公差T
＝T
＋T
式中L
、T
分别为上工序的基本尺寸和尺寸公差；
L
、T
为本工序的基本尺寸和尺寸公差。
2）对于包容面（图3.5b）
本工序的基本余量Z
=L
—L
本工序的最大余量Z
=Z
＋T
本工序的最小余量Z
=Z
—T
本工序余量公差T
=T
＋T
式中L
、T
为上工序的基本尺寸和尺寸公差；
L
、T
为本工序的基本尺寸和尺寸公差。
加工余量还有双边余量和单边余量之分，平面加工余量是单边余量，它等于实际切削的金属层厚度。
对于外圆和孔等回转表面，加工余量是指双边余量，即以直径方向计算，实际切削的金属为加工余量数值的一半。
如图3.6所示，由图可知：
图3.6加工余量
对于外表面的单边余量Zb=a—b
对于内表面的单边余量Zb=b—a
对于轴2Zb=Da—Db
对于孔2Zb=Db—Da
式中Zb—本工序的基本余量；
Da—上工序的基本尺寸；
Db—本工序的基本尺寸。
2、影响加工余量的因素
为切除前工序在加工时留下的各种缺陷和误差的金属层，又考虑到本工序可能产生的安装误差而不致使工件报废，必须保证一定数值的最小工序余量。
为了合理确定加工余量，首先必须了解影响加工余量的因素。
影响加工余量的主要因素有：
1）前工序的尺寸公差由于工序尺寸有公差，上工序的实际工序尺寸有可能出现最大或最小极限尺寸。
为了使上工序的实际工序尺寸在极限尺寸的情况下，本工序也能将上工序留下的表面粗糙度和缺陷层切除，本工序的加工余量应包括上工序的公差。
2）前工序的形状和位置公差当工件上有些形状和位置偏差不包括在尺寸公差的范围内时，这些误差又必须在本工序加工纠正，在本工序的加工余量中必须包括它。
3）前工序的表面粗糙度和表面缺陷为了保证加工质量，本工序必须将上工序留下的表面粗糙度和缺陷层切除。
4）本工序的安装误差安装误差包括工件的定位误差和夹紧误差，若用夹具装夹，还应有夹具在机床上的装夹误差。
这些误差会使工件在加工时的位置发生偏移，所以加工余量还必须考虑安装误差的影响。
如图3.7所示用三爪自动定心卡盘夹持工件外圆加工孔时，若工件轴心线偏移机床主轴回转轴线一个e值，造成内孔切削余量不均匀，为使上工序的各项误差和缺陷在本工序切除，应将孔的加工余量加大2e。
图3.7工件的安装误差
3、确定加工余量的方法
确定加工余量的方法有3种：
分析计算法、经验估算法和查表修正法。
（1）分析计算法
本方法是根据有关加工余量计算公式和一定的试验资料，对影响加工余量的各项因素进行分析和综合计算来确定加工余量。
用这种方法确定加工余量比较经济合理，但必须有比较全面和可靠的试验资料。
目前，只在材料十分贵重，以及军工生产或少数大量生产的工厂中采用。
（2）经验估算法
本方法是根据工厂的生产技术水平，依靠实际经验确定加工余量。
为防止因余量过小而产生废品，经验估计的数值总是偏大，这种方法常用于单件小批量生产。
（3）查表修正法
此法是根据各工厂长期的生产实践与试验研究所积累的有关加工余量数据，制成各种表格并汇编成手册，确定加工余量时，查阅有关手册，再结合本厂的实际情况进行适当修正后确定，目前此法应用较为普遍。
（五）、工序尺寸及其公差的确定
1、基准重合时工序尺寸确定
在加工过程中，多数情况属于基准重合。
此时，可按如下方法确定各工序尺寸和公差：
1）确定各工序加工余量；
2）从最终加工工序开始，即从设计尺寸开始，逐次加上（对于被包容面）或减去（对于包容面）每道工序的加工余量，可分别得到各工序的基本尺寸；
3）除最终加工工序取设计尺寸公差外，其余各工序按各自采用的加工方法所对应的加工经济精度确定工序尺寸公差；
4）除最终加工工序按图纸标注公差外，其余各工序按"入体原则"标注
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