数控车床加工工艺分析与程序设计.docx

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数控车床加工工艺分析与程序设计

数控车床加工工艺分析

与程序设计

姓名：

杨正基

单位：

宁县职业技术中专

日期：

二〇一一年六月三十日

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数控车床加工工艺分析与程序设计

杨正基

摘要：

数控技术及数控机床在当今机械制造业中起着重要地位。

而现代数控机床是综合应用了计算机、自动控制、自动检测以及精密机械等高新技术的产物，集成了数控仿真，可以检查出代码的正确性，从而可以提高编程质量，减少出错率，加快编程速度，是典型的机电一体化产品，是完全新型的自动化机床；这显示了其在国家基础工业现代化中的战略性作用，并已成为传统机械制造工业提升改造和实现自动化、柔性化、集成化生产的重要手段和标志。

关键词：

数控技术、数控仿真、机电一体化、自动化机床

引言：

随着科学技术的发展，机电产品日益精密复杂。

机械制造业的发展规模和水平，则是反映国民经济实力和科学技术水平的重要标志之一。

现在机械产品的性能，结构，形状和材料的不断的改进，精度不断提高，生产类型由大批量生产向多品种小批量转化。

对零件加工质量和精度要求越来越高。

而数控技术是现代化加工设备的基础，又是精密、高效、高可靠性、高柔性加工技术的支撑。

发展先进制造技术必须以数控技术为基础。

数控技术它综合了计算机、自动控制、电机、电气传动、测量、监控、机械制造等学科领域最新成果而形成的一门边缘科学技术。

对制造业实现自动化、柔性化、集成化、智能化生产起到举足轻重的作用。

目前，数控机床是车削加工能较全的数控机床。

它可以把车削、铣削、螺纹加工、钻削等集中到一台设备上，使其具有多种工艺手段。

由于产品的变化频繁，在一般机械加工中，单件小批量的生产约占70%以上。

这样一来采用数控车床进行加工可以大大提高产品的质量，保证加工零间的精度，减轻劳动强度，为新产品的研制和改型换代节省大量时间和费用，从而提高了企业产品的竞争力。

一、数控车床的发展简历

1946年第一台电子计算机诞生世界之上，这表明人们创造了可用机械这一代替脑力的劳动工具。

它为人类进入信息社会奠定了基础。

信息技术的飞速发展直接导致了知识经济的到来。

20世纪40年代末，美国开始研究数控机床，1952年，第一台数控机床诞生。

从此，传统机床产生了质的变化。

近半世纪来数控机床经历两个阶段和六代的发展。

（一）数控（NC）阶段（1952-1970年）

早期计算机运算速度低，对当时的科学计算和数据处理影响还不大，不能适应机床实时控制的要求。

人们不得不采用数字逻辑电路“搭”成一台机床专用计算机实作为数控系统，被成为硬件连接数控，简称未数控（NC）。

（二）计算机数控（CNC）阶段（1970-现在）

到1970年，通用小型计算机业已出现并成批量生产。

其运算速度比五、六十年代大幅度提高，这比专门“搭”成的专用计算机成本低，而且可靠性高。

于是将它移植过来作为数控系统的核心部件，从此进入计算机数控（CNC）阶段。

到了1990年，PC机（个人计算机，国内习称微机）的性能已发展到很高的阶段，总之计算机阶段也经历了三代。

即1970年第四代——小型计算机；1974年第五代——微处理器；1990年第六代——基于PC（国外称为PC——BASED）

二、数控车床编程特点

（一）采用绝对值编程、增量值编程或二者混合编程

根据被加工零件的图样标注尺寸，从便于编程的角度出发，在一个程序段中，以采用绝对值编程、增量值编程或二者混合编程。

按绝对坐标编程时，用坐标字X、Z表示；按增量坐标编程时，用坐标字U、W表示。

（二）可以采用直径值编程或半径值编程和半径值编程两种表示方法。

数控系统默认的编程方式为直径值编程，这是由于被加工零件的径向尺寸在图样上合测量时，都是以直径值表示的，因而采用直径值编程最方便，即在直径方向，用绝对值编程时，X以直径值表示；用增量值编程时，以径向实际位移量的二倍值表示，并附上方向符号（正向可以省略）。

（三）具有各种不同形式的固定循环功能

由于车削加工常用圆棒料或锻料作为毛坯，进给那个余量较大，要加工到图样尺寸，需要一层一层切削，如果每层切削加工都编写程序，编程工作量会大大增加。

因此，为简化编程数控装置通常具备各种不同形式的固定循环功能，如车内、外圆柱表面固定循环，车端面、车螺纹固定循环等。

（四）具有刀具自动补偿功能

大多数数控车床都具有刀具自动补偿功能，利用此功能可以实现刀尖圆弧半径补偿、刀具磨损补偿以及在安装刀具时产生的位置误差补偿。

加工前操作人员只要将相关补偿值输入到规定的储存器中，数控系统就能自动进行刀具补偿。

无论刀尖圆弧半径、刀具磨损还是刀具位置的变化都无需更改加工程序，因而编程人员可以按照工件的实际轮廓尺寸进行编程。

（五）具有恒表面切削速度控制和主轴最高转速限定功能

在加工端面、圆弧、圆锥以及阶梯直径相差较大的零件时，沿X轴方向进给时，虽然进给速度不变，但切削线速度却不断地变化，导致加工表面质量变化。

为了保证加工表面质量，数控车床一般都具有恒表面切削速度控制功能。

该功能可以使数控系统根据刀尖所处的X坐标值，作为工件的直径值来计算主轴转速，使切削速度保持恒定。

当刀具逐渐移近工件旋转中心时，主轴转速越来越高，工件有从卡盘中飞出去的危险，为了防止出现事故，数控车床具有主轴最高转速限定功能。

三、典型例子的程序编制过程

毛坯尺寸ф50×114。

图1车削加工实例

（一）零件图分析

1.加工内容：

此零件加工包括车端面，外圆，倒角，圆弧，螺纹，槽等。

2.工件坐标系：

该零件加工需调头，从图纸上尺寸标注分析应设置2个坐标系，2个工件零点均定于装夹后的右端面（精加工面）

3.装夹ф50外圆，平端面，对刀，设置第1个工件原点。

此端面做精加工面，以后不再加工。

4.调头装夹ф48外圆，平端面，测量总长度，设置第2个工件原点（设在精加工端面上）

5.换刀点：

（120，200）

6.公差处理：

尺寸公差取中值。

加工工件特殊，加工工件时选用数控机床加工，而不选用普通机床加工的原因：

（1）数控车床的优点：

提高加工精度，结构上引入滚珠丝杠、采用软件精度补偿技术、加工全程由程序控制加工，减小人为因素对加工精度的影响，尤其提高了同批零件加工的一致性，使产品质量稳定。

提高生产效率，一般约提高效率3—5倍，使用数控加工中心则可提高生产率5—10倍，节约时间与资金。

可加工形状复杂的零件。

减轻了劳动强度，改善了劳动条件。

有利于生产管理和机械加工综合自动化的发展。

（2）数控车床的缺点：

由于费用高昂，加工大批量零件不利。

操作人员要求素质高，工资成本高。

系统复杂，修理复杂，维护费用高，需要好的工作环境。

（二）工艺处理

工步和走刀路线的确定，按加工过程确定走刀路线如下：

1.装夹ф50外圆表面，探出65mm,粗加工零件左侧外轮廓：

2×45°倒角，ф48外圆，R20，R16，R10圆弧。

2.精加工上述轮廓。

3.手工钻孔，孔深至尺寸要求。

4.粗加工孔内轮廓。

5.精加工孔内轮廓。

6.调头装夹ф48外圆，粗加工零件右侧外轮廓：

2×45°倒角，螺纹外圆，ф36端面，锥面，ф48外圆到圆弧面。

7.精加工上述轮廓。

8.切槽。

9.螺纹加工。

（三）刀具的选择及对刀

刀具的选择和切削用量的确定，根据加工内容确定所用刀具如图2所示：

图2刀具选择图

1.T0101外轮廓粗加工：

刀尖圆弧半径0.8mm,切深2mm，主轴转速800r/min,进给速度150mm/min。

2.T0202外轮廓精加工：

刀尖圆弧半径0.8mm,切深0.5mm，主轴转速1500r/min,进给速度80mm/min。

3.T0303切槽：

刀宽4mm，主轴转速450r/min,进给速度20mm/min。

4.T0404加工螺纹：

刀尖角60°，主轴转速400r/min,进给速度2mm/r（螺距）。

5.T0505钻孔：

钻头直径16mm，主轴转速450r/min。

6.T0606内轮廓粗加工：

刀尖圆弧半径0.8mm,切深1mm，主轴转速500r/min,进给速度100mm/min。

7.T0707内轮廓精加工：

刀尖圆弧半径0.8mm,切深0.4mm，主轴转速800r/min,进给速度60mm/min。

（四）数值计算

1.未知点坐标计算：

P1（40.7,-33.52）,P2（42.95,-53.36）

2.螺纹尺寸计算：

螺纹外圆＝32-0.2=31.8

（五）编写程序

外圆

O0002；

T0404；钻头

M03S500；

G00Z5；

X0；

G01Z-50F0.15；

G04X3；

G01Z10F0.6；

G00X80Z80；

M06T0303；内孔刀

G00Z10；

X0；

G01Z-28F0.2；

X10；

X19Z-10；

Z5；

G00X100；

Z100；

M05；

M30；

外圆

T0101；外圆刀

M03S600；

N10G00X30Z5；

G71Q3R1.5；

G71P20Q110u0.5w0.3F0.2；

N20G01Z0F0.2；

N30X30Z-2；

N40Z-30；

N50X36；

N60X45Z-42；

N70Z-52；

N80G02X42.95Z-53.36R10F0.2；

N90G03X40.7Z-73.5R16F0.2；

N100G02X45Z-84R20F0.2；

N110G01Z-112F0.2；

N120G00X100；

Z100；

M06T0202；切断刀

M03S400；

N130G00Z-30；

X40；

G01X28F0.15；

G04X3；

G01X40F0.2

G00X100；

Z100；

M05；

M30；

四、系统仿真过程的实现

1、数控车削加工仿真流程：

随着加工零件的复杂性程度提高，反靠人工来检查NC程序显得越来越难，采用计算动态图形技术模拟NC程序的加工过程是解决这一问题的主要途径，由于机床的加工成本较高，因此采用计算机来模拟NC程序无疑是较为经济有效的方法。

整个仿真过程的流程图如图：

图3系统仿真过程

2、加工过程仿真原理

在加工过程中读取数控加工程序并以字符串的形式存储起来，然后再进行处理：

首先对字符串进行分析，分成若干个程序段，然后根据程序段号的大小进行排序，并把其值赋给相应的数组。

这样就得到一系列从小到大按程序号排列的子程序串，最后根据NC代码各功能的具体情况取出个功能的代码参数，并进入相应的子程序进行图形处理。

五、数控机床的应用范围

（—）适合数控车床加工的范围

1、能加工普通车床不能加工的多种零件。

2、能加工轮廓形状特别复杂或难以控制尺寸的零件。

3、能加工经一次装夹定位后，需进行多道工序加工的零件。

4、能加工更精的零件。

5、加工零件，能缩短加工的准备时间，降低生产费用。

（二）不适宜数控车床加工的范围

1、加工中，刀具的质量特别差时。

2、加工轮廓简单，精度要求低或生产批量特别大的零件。

3、加工余量特别大或材质及余量不均匀的坯件。

六、数控机床的发展趋势

（一）个性化的发展趋势

1.高速化、高精度化、高可靠性。

高速化：

提高进给速度与提高主轴转速。

高精度化：

其精度从微米级到亚微米级，乃至纳米级（

高可靠性：

一般数控系统的可靠性要高于数控设备的可靠性在一个数量级以上，但也不是可靠性越高越好，因为商品受性能价格比的约束。

2.复合化

数控机床的功能复合化的发展，其核心是在一台机床上要完成车、铣、钻、攻丝、绞孔和扩孔等多种操作工序，从而提高了机床的效率和加工精度，提高生产的柔性。

3.智能化

智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：

为追求加工效率和加工质量方面的智能化；为提高驱动性能及使用连接方便等方面的智能化；简化编程、简化操作方面的智能化；还有如智能化的自动编程、智能化的人机界面等，以及智能诊断、智能监控等方面的内容，方便系统的诊断及维修。

4.柔性化、集成化

当今世界上的数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是：

从点（数控单机、加工中心和数控复合加工机床）、线（FMC、FMS、FTL、FML）向面（工段车间独立制造岛FA）、体（CIMS、分布式网络集成制造系统）的方向发展，另一方面向注重应用性和经济性方向发展。

柔性自动化技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主要手段，是各国制造业发展的主流趋势，是先进制造领域的基础技术。

（二）个性化是市场适应性发展趋势

当今的市场，国际合作的格局逐渐形成，产品竞争日趋激烈，高效率、高精度加工手段的需求在不断升级，用户的个性化要求日趋强烈，专业化、专用化、高科技的机床越来越得到用户的青睐。

（三）开放性是体系结构的发展趋势

新一代数控系统的开发核心是开放性。

开放性有软件平台和硬件平台的开放式系统，采用模块化，层次化的结构，并通过形式向外提供统一的应用程序接口。

为解决传统的数控系统封闭性和数控应用软件的产业化生产存在的问题。

目前许多国家对开放式数控系统进行研究，数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。

目前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。

网络化数控装备是近两年的一个新的焦点。

数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。

国内外一些著名数控机床和数控系统制造公司都在近两年推出了相关的新概念和样机。

七、结论

利用数控机床加工零件：

生产效率高、自动化程度高、加工精度高、加工质量稳定、加工对象适应性强、易于建立计算机通信协议、能加工较为复杂的零件。

而自动编程与数控加工仿真系统模块的集成，可以在编程阶段检查数控加工程序的正确性，从而提高编程质量，减小出错率，加快编程速度，提高工作效率，为人们的生产生活带来更多的方便和效益。

参考文献

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