数控专业毕业论文数控机床加工工艺编制及实例分析.docx
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数控专业毕业论文数控机床加工工艺编制及实例分析
摘要
数控机床是一种技术密集度及自动化程度很高的机电一体化加工设备,是综合应用计算机、自动控制、自动检测及精密机械等高新技术的产物。
数控加工的实质就是通过用特定处理方式下的数字信息去自动控制机械装置进行动作。
数控机床是数字控制技术与机床相结合的产物，机床数控技术是通过数控机床加工技术而实现的，应用数控技术的关键在于用好数控机床。
数控车床是数字控制车床的简称，它集通用性好的万能型车床、加工精度高的精密型车床和加工效率高的专用型普通车床的特点于一身，是国内使用面最大、覆盖面最广的一种数控机床。
数控车床的功能主要是用于加工回转类工件，而加工的过程是先编程后加工，编程前先要进行工艺分析，确定加工工艺路线，针对所选用的数控系统指令的特点，确定编程的方法。
目前数控车床的编程方法主要有两种，即手工编程和自动编程。
随着我国机加工水平的提高数控机床的使用会更普及,但数控机床工艺编程在使用单位中是个常见的问题,本文将对数控机床中较常用的数控车床加工工艺问题进行探讨。
文中介绍了数控车削加工工艺制定的一般流程，包括：
在编制数控程序初期，分析零件图特征结构，以确定出合理的加工方案；根据零件的外形及几何尺寸，选择合理的夹装方式；选择合适的程序原点和换刀点；合理选择加工路线以减少空行程、提高生产效率，并利用循环等数控指令提高编程的速度和质量；刀具选择；切削用量选择等。
为学习和掌握数控编程提供有效的方法与技巧。
最后通过实例，进一步分析了典型零件的数控加工工艺编制的具体过程。
以及编制工艺时应注意的细节问题。
关键词：
数控车床、车削加工、加工工艺、工件装夹
第一章数控车削加工工艺的一般过程
1.1分析零件图,确定加工内容1
1.2确定装夹方案2
1.3择合适的程序原点和换刀点2
1.4确定加工顺序及走刀路线4
1.5刀具选择6
1.6切削用量选择9
第二章典型零件数控加工工艺编制实例分析
2.1数控车床编程指令10
2.2典型零件加工实例分析12
2.3数控车床加工操作步骤16
2.4工艺编制时的注意问题17
2.5数控技术的发展趋势17
总结
致谢
参考文献
第一章数控车削加工工艺的一般流程
1.1分析零件图，确定加工内容
1.1.1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
（1）适于数控加工的内容
在选择时，一般可按下列顺序考虑：
●通用机床无法加工的内容应作为优先选择内容；
●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；
●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
（2）不适于数控加工的内容
加工内容采用数控加工后，在产品质量、生产效率与综合效益等方面都会得到明显提高。
相比之下，下列一些内容不宜选择采用数控加工：
●占机调整时间长。
如以毛坯的粗基准定位加工第一个精基准，需用专用工装协调的内容；
●加工部位分散，需要多次安装、设置原点。
这时，采用数控加工很麻烦，效果不明显，可安排通用机床补加工；
●按某些特定的制造依据（如样板等）加工的型面轮廓
1.1.2数控加工工艺性分析
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。
（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。
如左下图所示的零件，为增加定位的稳定性，可在底面增加一工艺凸台，如下图所示。
1.2确定装夹方案
数控编程前，一定要根据加工零件的形状特点和精度要求，考虑零件的装夹方法。
在选取定位夹紧方案时，应考虑如何提高数控机床的工作效率和降低操作者的劳动强度。
同时也便于加工程序的编制。
设计的工装夹具应力求以最少的装夹次数完成所有表面的加工，以减少装夹误差，尽可能选用组合夹具、标准化和通用化的夹具。
特别是在数控铣床、加工中心等机床上加工批量不大、形状复杂的零件时。
使用的工装夹具更应具有通用性。
以缩短零件加工的生产准备时间，减少制造费用，设计出的夹具应装夹方便、快速，定位准确、可靠。
★在确定定位和夹紧方案时应注意以下几个问题：
（1）尽可能做到设计基准、工艺基准与编程计算基准的统一；
（2）尽量将工序集中，减少装夹次数，尽可能在一次装夹后能加工出全部待加工表面；
（3）避免采用占机人工调整时间长的装夹方案；
（4）夹紧力的作用点应落在工件刚性较好的部位
如下图所示薄壁套的轴向刚性比径向刚性好，用卡爪径向夹紧时工件变形大，若沿轴向施加夹紧力，变形会小得多。
1.3择合适的程序原点和换刀点
1.3.1基本原则：
工件坐标系是编程者根据编程需要确定的坐标系，坐标系原点也称为程序原点。
当对刀点选定0囊对刃过程完成）以后，便确定了机床坐标系与工件坐标系之间的相互位置关系。
工件坐标系的合理确定。
对数控加工程序的编制及工件的找正都很重要。
程序原点的选择要尽量满足编程简单、尺寸换算少、加工误差小等要求。
为了提高加工精度，方便计算和编程，通常在编制车自4数控加工程序时。
将程序原点选定在工件轴线与工件前端面或后端面或卡盘爪前端面的交点上。
并尽量使编程基准与设计基准或装配基准重舍。
在编制数控加工程序时，应考虑不同工序问的换刀位置。
数控车床的换刀位置没有固定点，换刀点应设置在零件的外部。
并确保换刀过程的安全性。
要避免刀具与非加工表面干涉。
并防止刀具与工件或机床碰撞。
如加工工件上的退刀槽，进刀时切削速度应较低，退刀的方向必须与工件退刀槽方向平行；如径向退刀槽，应先退x方向，再退Z方向；斜向退刀槽应x，z方向同时斜向退刀。
1.3.2基本概念
（1）刀位点：
用于确定刀具在机床坐标系中位置的刀具上的特点。
（2）对刀点：
确定刀具与工件相对位置的点（起刀点）。
对于数控机床来说，在加工开始时，确定刀具与工件的相对位置是很重要的，这一相对位置是通过确认对刀点来实现的。
对刀点是指通过对刀确定刀具与工件相对位置的基准点。
对刀点可以设置在被加工零件上，也可以设置在夹具上与零件定位基准有一定尺寸联系的某一位置，对刀点往往就选择在零件的加工原点。
对刀点的选择原则如下：
●所选的对刀点应使程序编制简单；
●对刀点应选择在容易找正、便于确定零件加工原点的位置；
●对刀点应选在加工时检验方便、可靠的位置；
●对刀点的选择应有利于提高加工精度。
●对刀点可以是工件或夹具上的点，或者与它们相关的易于测量的点。
●对刀点确定之后，机床坐标系与工件坐标系的相对关系就确定了。
例如，加工下图所示零件时，当按照图示路线来编制数控加工程序时，选择夹具定位元件圆柱销的中心线与定位平面A的交点作为加工的对刀点。
显然，这里的对刀点也恰好是加工原点。
（3）换刀点：
换刀点是为加工中心、数控车床等采用多刀进行加工的机床而设置的，因为这些机床在加工过程中要自动换刀。
对于手动换刀的数控铣床，也应确定相应的换刀位置。
为防止换刀时碰伤零件、刀具或夹具，换刀点常常设置在被加工零件的轮廓之外，并留有一定的安全量。
1.4确定加工顺序及走刀路线
1.4.1加工工序一般的排列原则
（1）先粗加工，后精加工
用较短加工时间，得到较高质量和精度的零件。
在进行切削加工时，应合理安排粗加工、精加工工序。
粗加工：
应当在保证加工质量、刀具耐用度和机床-工件-刀具系统刚性的前提下，充分发挥机床的性能和刀具切削性能，尽量采用较大的切削深度、较大走刀速度，并使各部分余量尽可能均匀，即尽可能减少走刀次数，缩短粗加工时间。
精加工主要实现零件加工的精度和表面质量，通常零件的最终轮廓（表面）应由最后一刀连续加工而成。
（2）同一把刀工序尽量集中
在数控加工时，为了减少换刀所占用的辅助时间，即可按刀具集中工序的方法加工零件，尽可能用同一把刀具加工完零件表面上的切削部分。
（3）走刀路径最短
走刀路径的选择主要是粗加工及空行程走刀路径的选定。
数控加工一个零件的时间（工时）是切削加工与辅助时间两部分总和。
零件加工的时间与选择的加工路径和切削走刀的方式相关，粗加工时选择较大的切削深度便可有效地减少切削走刀的次数，有利于减少切削时间；同样，粗加工若能取较大的进给速度，也能切实减少切削时间，因此，在保证加工质量的前提下，使加工程序具有最短的走刀路线，不仅可以节省整个加工过程的切削时间，还能减少一些不必要的刀具磨损及其他浪费。
通常情况下，空行程路线的长短对零件的加丁时间影响较大。
若能合理选择起刀点、换刀点，合理安排各路径间空行程（走刀）衔接，都能有效缩短空行程长度。
走刀最短路径的优化除了依靠实践经验之外，还应多加分析，并可辅以一些简单四则运算、三角关系校验。
有一些中、高档CAM软件带有空行程轨迹优化功能，对空行程轨迹进行裁剪，可缩短单件辅助时间，有助于提高数控加工的效率，切实有效地降低生产成本，增加竞争力。
对于回转体类的车削零件，一般包括圆柱面（外圆、内孔）、回转曲面、倒角、圆锥、退刀槽、螺纹加工、割断等操作工序，一般工艺为：
粗车——（割槽）——精车（包括倒角）——螺纹——割断等工序。
1.4.2确定走刀路线
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
如加工下图所示零件上的孔系。
中图的走刀路线为先加工完外圈孔后，再加工内圈孔。
若改用右图的走刀路线，减少空刀时间，则可节省定位时间近一倍，提高了加工效率。
件零路线1路线2
（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。
如下图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。
所以如采用中图的走刀路线，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。
右图也是一种较好的走刀路线方式。
（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，如右图所示。
（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。
1.5刀具的类型及选用
1.5.1车刀的类型
数控车削用的车刀一般分为三类：
即尖形车刀、圆弧形车刀和成型车刀。
⏹尖形车刀
以直线形切削刃为特征的车刀一般称为尖形车刀。
如90o内、外圆车刀，左、右端面车刀，切槽（断）车刀及刀尖倒棱很小的各种外圆和内孔车刀。
这类车刀加工时，零件的轮廓形状主要由直线形主切削刃位移后得到
⏹圆弧形车刀
圆弧形车刀的特征是：
构成主切削刃的刀刃形状为一圆度误差或线轮廓度误差很小的圆弧。
该圆弧刃上每一点都是圆弧形车刀的刀尖，因此，刀位点不在圆弧上，而在该圆弧的圆心上，编程时要进行刀具半径补偿。
⏹成型车刀
成型车刀俗称样板车刀，其加工零件的轮廓形状完全由车刀刀刃的形状和尺寸决定。
数控车削加工中，常见的成型车刀有小半径圆弧车刀、非矩形车槽刀和螺纹车刀等。
在数控加工中，应尽量少用或不用成型车刀，当确有必要选用时，则应在工艺准备的文件或加工程序单上进行详细说明。
1.5.2常用车刀的几何参数
⏹尖形车刀的几何参数
尖形车刀的几何参数主要指车刀的几何角度。
选择方法与使用普通车削时基本相同，但应结合数控加工的特点如走刀路线及加工干涉等进行全面考虑。
选择尖形车刀不发生干涉的几何角度，可用作图或计算的方法。
⏹圆弧形车刀的几何参数
①圆弧形车刀的选用
圆弧形车刀具有宽刃切削（修光）性质，能使精车余量相当均匀而改善切削性能，还能一刀车出跨多个象限的圆弧面。
②圆弧形车刀的几何参数
圆弧形车刀的几何参数除了前角及后角外，主要几何参数为车刀圆弧切削刃的形状及半径。
选择车刀圆弧半径的大小时，应考虑两点：
第一，车刀切削刃的圆弧半径应当小于或等于零件凹形轮廓上的最小曲率半径，以免发生加工干涉，第二，该半径不宜选择太小，否则既难于制造，还会因其刀头强度太弱或刀体散热能力差，使车刀容易受到损坏。
1.5.3机夹可转位车刀的选用
为了减少换刀时间和方便对刀，便于实现机械加工的标准化，数控车削加工时，应尽量采用机夹刀和机夹刀片，机夹刀片常采用可转位车刀。
⏹刀片材质的选择
其中应用最多的是硬质合金和涂层硬质合金刀片。
选择刀片材质的主要依据是被加工工件的材料、被加工表面的精度、表面质量要求、切削载荷的大小以及切削过程有无冲击和振动等。
⏹可转位车刀的选用
①刀片的紧固方式
在国家标准中，一般紧固方式有上压式（代码为C）、上压与销孔夹紧（代码M）、销孔夹紧（代码P）和螺钉夹紧（代码S）四种。
②刀片外形的选择
刀片外形与加工的对象、刀具的主偏角、刀尖角和有效刃数等有关。
在选用时，应根据加工条件恶劣与否，按重、中、轻切削有针对性地选择。
在机床刚性、功率允许的条件下，大余量、粗加工应选用刀尖角较大的刀片，反之，机床刚性和功率小、小余量、精加工时宜选用较小刀尖角的刀片。
③刀杆头部形式的选择
刀杆头部形式按主偏角和直头、弯头分有15～18种，各形式规定了相应的代码，国家标准和刀具样本中都一一列出，可以根据实际情况选择。
④刀片后角的选择
常用的刀片后角有N（0°）、C（7°）、P（11°）、E（20°）等。
一般粗加工、半精加工可用N型；半精加工、精加工可用C、P型。
⑤左右手刀柄的选择
左右手刀柄有R（右手）、L（左手）、N（左右手）三种。
选择时要考虑车床刀架是前置式还是后置式、主轴的旋转方向以及需要的进给方向等。
⑥刀尖圆弧半径的选择
刀尖圆弧半径不仅影响切削效率，而且关系到被加工表面的粗糙度及加工精度。
从刀尖圆弧半径与最大进给量关系来看，最大进给量不应超过刀尖圆弧半径尺寸80％，
否则将恶化切削条件。
因此，从断屑可靠出发，通常对于小余量、小进给车削加工应采用小的刀尖圆弧半径，反之宜采用较大的刀尖圆弧半径。
粗加工时，注意以下几点：
A、为提高刀刃强度，应尽可能选取大刀尖半径的刀片，大刀尖半径可允许大进给；
B、在有振动倾向时，则选择较小的刀尖半径；
C、常用刀尖半径为1.2～1.6㎜；
D、粗车时进给量不能超过下表给出的最大进给量，作为经验法则，一般进给量可取为刀尖圆弧半径的一半。
精加工时，注意以下几点：
刀尖半径（㎜）
0.4
0.8
1.2
1.6
2.4
最大推荐进给量（㎜/r）
0.25～0.35
0.4～0.7
0.5～1.0
0.7～1.3
1.0～1.8
A、精加工的表面质量不仅受刀尖圆弧半径和进给量的影响，而且受工件装夹稳定性、夹具和机床的整体条件等因素的影响；
B、在有振动倾向时选较小的刀尖半径；
C、非涂层刀片比涂层刀片加工的表面质量高
1.6切削用量选择
数控车削中的切削用量包括切削深度、主轴转速、进给速度。
它们的选择原则与普通车床所要求的基本对应—致，在一段连续的加工程序中可以设置多种不同的转速和进给量，甚至设定恒线速．以适应零件不同表面的加工情况。
还可以利用数控车床的操作面板上各种倍率开关随时手动进行调整，来实现切削用量的合理配置。
切削用量的选用一般遵循以下原则：
●对于高效率的金属切削机床加工来说，被加工材料、切削刀具、切削用量是三大要素。
经济的、有效的加工方式，要求必须合理地选择切削条件。
●编程人员在确定每道工序的切削用量时，应根据刀具的耐用度和机床说明书中的规定去选择。
在选择切削用量时要充分保证刀具能加工完一个零件，或保证刀具耐用度不低于一个工作班，最少不低于半个工作班的工作时间。
●背吃刀量主要受机床刚度的限制，在机床刚度允许的情况下，尽可能使背吃刀量等于工序的加工余量，这样可以减少走刀次数，提高加工效率。
对于表面粗糙度和精度要求较高的零件，要留有足够的精加工余量，数控加工的精加工余量可比通用机床加工的余量小一些。
●编程人员在确定切削用量时，要根据被加工工件材料、硬度、切削状态、背吃刀量、进给量，刀具耐用度，最后选择合适的切削速度。
下表为车削加工时的选择切削条件的参考数据。
●
被切削材料名称
轻切削
切深0.5~10mm
进给量
0.05~0.3mm/r
一般切削
切深1~4mm
进给量
0.2~0.5mm/r
重切削
切深5~12
进给量
0.4~0.8mm/r
优质碳素结构钢
10#
100~250
150~250
80~220
45#
60~230
70~220
80~180
合金钢
￠≤750MPa
100~220
100~230
70~220
￠＞750MPa
70~220
80~220
80~200
第二章典型零件数控加工工艺编制实例分析
2.1数控车床编程指令
快速定位指令（G00模态代码
指令格式G00X（U）_Z（W）_
指令说明:
X、Z后面的值为终点坐标值
U、W后面的值是现在点与目标点之间的距离
与方向
指令功能:
表示刀具以机床给定的快速进给速度移动
到目标点
直线插补指令（G01）模态代码
指令格式 G01 X（U）_Z（W）_F_
指令功能G01指令使刀具以设定的进给速度从所在
点出发，直线插补至目标点。
指令说明X、Z后面的值为终点坐标值
U、W后面的值是现在点与目标点之间的距离与方向
F以F给定速度进行切削加工，在无新的F指令替代前一直有效
圆弧插补指令（G02、G03）模态代码
指令格式
指令功能G02、G03指令表示刀具以Ｆ进给速度
从圆弧起点向圆弧终点进行圆弧插补
指令说明1）G02为顺时针圆弧插补指令
G03为逆时针圆弧插补指令
2）X、Z为圆弧终点坐标值
U、W为圆弧终点相对于圆弧起点的坐标增量
3）R为圆弧半径在0°～180°R为正值
在180°～360°R为负值
R编程只适用于非整圆的圆弧插补
直线切削循环指令（G90）（单一循环）
指令格式G90X（U）_Z（W）_F_
指令说明X、Z表示切削终点坐标值；
U、W表示切削终点相对循环起点的坐标分量；
F表示进给速度
轴向走刀轮廓切削循环指令（G71）
指令格式G71A_I_K_D_F_E_S_
G71P_Q_I_K_D_F_E_S_
指令说明A调用子程
P、QP起始段号Q结束段号
IX轴向精车余量（直径值）
KZ轴向精车余量
D粗车进刀深度（半径值）
F进给速度
E斜面上的进给量
径向走刀轮廓切削循环指令（G72）
指令格式G72A_I_K_D_F_E_S_
G72P_Q_I_K_D_F_E_S_
指令说明A调用子程序
P、QP起始段号Q结束段号
IX轴向精车余量
KZ轴向精车余量
D粗车进刀深度
F进给速度
E斜面上的进给量
平行工件轮廓切削循环指令（G73）
指令格式G73A_U_W_I_K_D_F_E_S_
G73P_Q_U_W_I_K_D_F_E_S_
指令说明U、WX轴和Z轴向粗车余量U（半径值）
IX轴向精车余量
KZ轴向精车余量
D循环次数（粗车）
2.2典型零件加工实例分析
例1：
模具芯轴的加工
图1是模具芯轴的零件图。
零件的径向尺寸公差为±0.01mm。
角度公差为±0.1’,材料为灰铸铁。
毛坯尺寸为<66mm×100mm,批量30件。
加工方案如下:
工序1:
用三爪卡盘夹紧工作一端,加工<66mm×38mm柱面。
工序2:
用三爪卡盘夹紧工件<64一端,另一端用顶尖顶住。
加工<24mm×62mm柱面,如图2所
示。
工序3:
①钻螺纹底孔;②精车<20表面,加工锥面,如图3所示;③攻螺纹。
工序4:
加工R19.4圆弧面、<24圆柱面、角14°锥面和角15°锥面,装夹方式如图7所示。
A为换刀
点,远离工作,以求安全。
B为起刀点,既是复合循环的起点,又是循环的终点。
装夹时增加一个工艺环,
目的是每加工一个零件进行一次校刀。
装夹时用手将工件推向三抓卡盘。
工序4的加工过程:
①先用复合循环G71指令分若干次一层层加工,逐渐靠近由E→F→G→H→I等基点组成的回转
面。
后两次循环的走刀路线都与B→C→D→E→F→G→H→I→B相似。
用G71指令完成粗加工。
精加
工用G70指令完成,走刀路线是B→C→D→E→F→G→H→I→B,如图4所示。
②再用固定循环指令加工出最后一个15°的到锥面,如图5所示。
例2：
外表面加工
例如,要加工形状图（略）所示的零件,采用手工编程方法比较合适。
由于不同的数控系统其编程指
令代码有所不同,因此应根据设备类型进行编程。
（1）确定加工路线
按先主后次,先粗后精的加工原则确定加工路线,采用固定循环指令对外轮廓进行粗加工,再精加工,然后车退刀槽,最后加工螺纹和圆弧。
（2）装夹方法和对刀点的选择
（3）选择刀具
根据加工要求,选用四把刀,1号为外圆车刀,2号为为车螺纹刀,3号为切槽刀,4号为圆弧车刀。
采用试切法对刀,对刀的同时把端面加工出来。
（4）确定切削用量
车外圆,粗车主轴转速为500r/min,进给速度为0.3mm/r,精车主轴转速为800r/min,进给速度为0.
08mm/r,切槽和车螺纹时,主轴转速为300r/min,进给速度为0.1mm/r。
（5）程序编制
确定轴心线与球头中心的交点为编程原点,零件的加工程序如下:
主程序
JXCP1.MPF
N05G90G95G00X80Z100（换刀点）
N10T1D1M03S500M08（外圆车刀）
-CNAME=“L01”
R105=1R106=0.25R108=1.5（设置坯料切削循环参数）
R109=7R110=2R111=0.3R112=0.08
N15LCYC95（调用坯料切削循环粗加工）
N20G00X80Z100M05M09
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