数控加工工艺教案资料.docx
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数控加工工艺教案资料
课题：
第一章数控机床
第一节数控机床的工作原理及组成
课次：
第一次
教学方法：
板书、讲授
教学目的及要求：
掌握数控机床的工作原理
教学重难点：
数控机床的原理及组成
教学小结：
初步认识数控车床是怎样工作的
导入新课：
同学们，大家好，我们学习的是数控机床，有没有人知道数控机床是个什么东西，大家一定会说，加工工件的机器。
还有呢，现在我们就正式开始学习数控机床的工作原理以及它的组成
讲授新课：
一、数控机床的工作原理
①②③④⑤
工件
（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。
二、数控机床的组成
图1-1数控机床组成示意图
1.控制介质
纸带、磁带、磁盘、键盘
控制介质上存储着加工零件所需要的全部操作信息和刀具相对工件的移动信息.
2、数控装置
数控装置是由专用计算机或通用计算机所组成。
控制系统的主要作用是对输入的零件加工程序进行数字运算和逻辑运算，然后向伺服系统发出控制信号。
3、伺服机构
伺服系统的主要作用是根据数控系统发出的控制信号驱动执行元件运动。
4、辅助控制装置
辅助控制装置是介于数控装置和机床机械、液压部件之间的强电控制装置。
5、检测反馈装置
检测反馈装置将数控机床各个坐标轴的实际位移量、速度参数检测出来，转换成电信号，并反馈到机床的数控装置中。
6、机床本体
机床本体是数控机床的主体，是用于完成各种切削加工的机械部分，包括主运动部件、进给运动执行部件和床身、立柱、支承部件等。
课外作业：
P271、2
课题：
第二节数控机床的分类
课次：
第二次
教学方法：
板书、讲授
教学目的及要求：
掌握数控机床的分类
教学重难点：
数控机床的分类与伺服系统的分类
教学小结：
数控机床的种类很多，可以按不同的方法对数控机床进行分类
复习旧课：
上节课我们学习了数控机床的工作原理和组成
导入新课：
这节课我们进一步的学习数控机床的分类
讲授新课：
数控机床的分类介绍
数控机床的种类很多，可以按不同的方法对数控机床进行分类：
一、按工艺用途可分为：
数控车床、数控铣床、数控钻床、数控磨床、数控镗铣床、数控电火花加工机床、数控
线切割机床、数控齿轮加工机床、数控冲床、数控液压机等各种用途的数控机床。
二、按控制运动方式分类：
1）点位控制数控机床：
数控系统只控制刀具从一点到另一点的准确位置，而不控制运
动轨迹，各坐标轴之间的运动是不相关的，在移动过程中不对工件进行加工（图1）。
这类数控机床主要有数控钻床、数控坐标镗床、数控冲床等。
2）直线控制数控机床：
数控系统除了控制点与点之间的准确位置外，还要保证两点间的移动轨迹为一直线，并且对移动速度也要进行控制，也称点位直线控制（图2）。
这类数控机床主要有比较简单的数控车床、数控铣床、数控磨床等。
单纯用于直线控制的数控机床已不多见。
3）轮廓控制数控机床：
轮廓控制的特点是能够对两个或两个以上的运动坐标的位移和速度同时进行连续相关的控制，它不仅要控制机床移动部件的起点与终点坐标，而且要控制整个加工过程的每一点的速度、方向和位移量，也称为连续控制数控机床（图3）。
这类数控机床主要有数控车床、数控铣床、数控线切割机床、加工中心等。
三、按同时控制且相互独立的轴数
1.二坐标机床
2.三坐标数控机床
3.二轴半坐标数控机床
4.多坐标数控机床
四、按伺服控制方式分：
1）开环控制数控机床：
这类机床不带位置检测反馈装置，通常用步进电机作为执行机
构。
输入数据经过数控系统的运算，发出脉冲指令，使步进电机转过一个步距角，再通过机械传动机构转换为工作台的直线移动，移动部件的移动速度和位移量由输入脉冲的频率和脉冲个数所决定。
图4 开环控制系统框图
2）半闭环控制数控机床：
在电机的端头或丝杠的端头安装检测元件（如感应同步器或光电编码器等），通过检测其转角来间接检测移动部件的位移，然后反馈到数控系统中。
由于大部分机械传动环节未包括在系统闭环环路内，因此可获得较稳定的控制特性。
其控制精度虽不如闭环控制数控机床，但调试比较方便，因而被广泛采用。
图5 半闭环控制系统框图
3）闭环控制数控机床：
这类数控机床带有位置检测反馈装置，其位置检测反馈装置
采用直线位移检测元件，直接安装在机床的移动部件上，将测量结果直接反馈到数控装置中，通过反馈可消除从电动机到机床移动部件整个机械传动链中的传动误差，最终实现精确定位。
图6 闭环控制系统框图
五、主要数控机床介绍
1.数控车床
2.数控铣床
3.加工中心
4.数控钻床
5.数控磨床
6.数控电火花成形机床
7.数控线切割机床
课外作业：
P274
课题：
第三节机床坐标系和工作坐标系
课次：
第三次
教学方法：
板书、讲授
教学目的及要求：
掌握数控机床的机床坐标系和工作坐标系
教学重难点：
数控机床坐标的轴向
教学小结：
数控车床一般有两个轴向，用X、Z表示，数控铣或加工中心是多轴的
复习旧课：
上节课我们学习了机床的分类，从不同的角度分不同的种类
导入新课：
这节课我们来学习非常重要的一个知识点，那就是机床的坐标系
讲授新课：
一、数控机床的坐标系
1）确定原则（JB3052-82）
1．刀具相对静止、工件运动的原则：
这样编程人员在不知是刀具移近工件还是工件移近刀具的情况下，就可以依据零件图纸，确定加工的过程。
2．标准坐标系原则：
即机床坐标系确定机床上运动的大小与方向，以完成一系列的成形运动和辅助运动。
3．运动方向的原则：
数控机床的某一部件运动的正方向，是增大工件与刀具距离的方向。
2）坐标的确定
1．Z坐标
标准规定，机床传递切削力的主轴轴线为Z坐标（如：
铣床、钻床、车床、磨床等）；如果机床有几个主轴，则选一垂直于装夹平面的主轴作为主要主轴；如机床没有主轴（龙门刨床），则规定垂直于工件装夹平面为Z轴。
2．X坐标
X坐标一般是水平的，平行于装夹平面。
对于工件旋转的机床（如车、磨床等），X坐标的方向在工件的径向上；对于刀具旋转的机床则作如下规定：
当Z轴水平时，从刀具主轴后向工件看，正X为右方向。
当Z轴处于铅垂面时，对于单立柱式，从刀具主轴后向工件看，正X为右方向；龙门式，从刀具主轴右侧看，正X为右方向。
3．Y、A、B、C及Ｕ、Ｖ、Ｗ等坐标
由右手笛卡儿坐标系来确定Y坐标，A，B，C表示绕X，Y，Z坐标的旋转运动，正方向按照右手螺旋法则（见图１）。
若有第二直角坐标系，可用Ｕ、Ｖ、Ｗ表示。
4．坐标方向判定
当某一坐标上刀具移动时，用不加撇号的字母表示该轴运动的正方向；当某一坐标上工件移动时，则用加撇号的字母（例如：
A’、X’等）表示。
加与不加撇号所表示的运动方向正好相反。
图１ 右手直角笛卡儿坐标系 图2 数控二坐标车床图3 数控卧式铣床
二、机床坐标系和工件坐标系
机床坐标系不能直接用来供用户编程，它是帮助机床生产厂家确定机床参考点（零点）的。
机床参考点由厂家设定后，用户不得随意改变，否则影响机床的精度。
供用户编程的工件坐标系（编程坐标系）和机床坐标系通过机床零点发生联系。
课外作业：
P276
课题：
第四节数控机床的机械结构
课次：
第四次
教学方法：
板书、讲授
教学目的及要求：
了解数控机床的结构，是由哪几部分构成的，这些组成分别有什么作用
教学重难点：
数控机床的主传动系统、滚珠丝杠螺母副系统
教学小结：
数控机床的构成学完以后，机床的运动方式及工作原理就更加清晰了
复习旧课：
上节课我们学的是非常适用的一个知识点，那就是坐标系
导入新课：
这节课我们进一步学习机床的构成
讲授新课：
一、数控机床的主体机构有以下特点：
1）由于采用了高性能的无级变速主轴及伺服传动系统，数控机床的极限传动结构大为简化，传动链也大大缩短；
2）为适应连续的自动化加工和提高加工生产率，数控机床机械结构具有较高的静、动态刚度和阻尼精度，以及较高的耐磨性，而且热变形小；
3）为减小摩擦、消除传动间隙和获得更高的加工精度，更多地采用了高效传动部件，如滚珠丝杠副和滚动导轨、消隙齿轮传动副等；
4）为了改善劳动条件、减少辅助时间、改善操作性、提高劳动生产率，采用了刀具自动夹紧装置、刀库与自动换刀装置及自动排屑装置等辅助装置。
二、根据数控机床的适用场合和机构特点，对数控机床结构因提出以下要求：
1.较高的机床静、动刚度
数控机床是按照数控编程或手动输入数据方式提供的指令自动进行加工的。
由于机械结构（如机床床身、导轨、工作台、刀架和主轴箱等）的几何精度与变形产生的定位误差在加工过程中不能为地调整与补偿，因此，必须把各处机械结构部件产生的弹性变形控制在最小限度内，以保证所要求的加工精度与表面质量。
为了提高数控机床主轴的刚度，不但经常采用三支撑结构，而且选用钢性很好的双列短圆柱滚子轴承和角接触向心推力轴承铰接出相信忒力轴承，以减小主轴的径向和轴向变形。
为了提高机床大件的刚度，采用封闭界面的床身，并采用液力平衡减少移动部件因位置变动造成的机床变形。
为了提高机床各部件的接触刚度，增加机床的承载能力，采用刮研的方法增加单位面积上的接触点，并在结合面之间施加足够大的预加载荷，以增加接触面积。
这些措施都能有效地提高接触刚度。
为了充分发挥数控机床的高效加工能力，并能进行稳定切削，在保证静态刚度的前提下，还必须提高动态刚度。
常用的措施主要有提高系统的刚度、增加阻尼以及调整构件的自振频率等。
试验表明，提高阻尼系数是改善抗振性的有效方法。
钢板的焊接结构既可以增加静刚度、减轻结构重量，又可以增加构件本身的阻尼。
因此，近年来在数控机床上采用了钢板焊接结构的床身、立柱、横梁和工作台。
封砂铸件也有利于振动衰减，对提高抗振性也有较好的效果。
2.减少机床的热变形
在内外热源的影响下，机床各部件将发生不同程度的热变形，使工件与刀具之间的相对运动关系遭到破环，也是机床季度下降。
对于数控机床来说，因为全部加工过程是计算的指令控制的，热变形的影响就更为严重。
为了减少热变形，在数控机床结构中通常采用以下措施。
减少发热，机床内部发热时产生热变形的主要热源，应当尽可能地将热源从主机中分离出去。
控制温升，在采取了一系列减少热源的措施后，热变形的情况将有所改善。
但要完全消除机床的内外热源通常是十分困难的，甚至是不可能的。
所以必须通过良好的散热和冷却来控制温升，以减少热源的影响。
其中部较有效的方法是在机床的发热部位强制冷却，也可以在机床低温部分通过加热的方法，使机床各点的温度趋于一致，这样可以减少由于温差造成的翘曲变形。
三、数控机床布局的特点
1.满足多刀加工的布局，如图7-1
特点：
多刀同时运动，可同时加工，有刀架，可自动转位换刀
2.满足换刀要求的布局，如图7-2，7-3
特点：
每次只有一把刀进行加工，可自动换刀，有刀库、机械手
3.满足多坐标联动要求的布局，如图7-4（五轴联动），7-5a,b
4.适应快速换刀要求的布局，如图7-6，7-7
特点：
换刀速度快，效率提高
5.适应多工位加工要求布局，如图7-8
特点：
多工位同时加工，可实现多面同时加工，效率高
6.适应可换工作台要求的布局，如图7-9
特点：
有两个工作台，一个进行加工，另一个可同时装卸工件，减少辅助时间，提高效率
7.工件不移动的布局，如图7-10
特点：
工作台固定不动，机床立柱移动，适用于大型工件
8.为提高刚度，减小热变形要求的布局，如图7-11
特点：
采用框架式立柱结构，减少热变形，提高精度
9.龙门式双立柱加工中心，如图7-12
特点：
用于加工较大工件，刚性好，热变形小
四、数控机床的主传动系统
一.主传动变速方式
数控机床主传动系统主要有三种配置方式：
1．带有变速齿轮的主传动
2．通过带传动的主传动
3．由主轴电机直接驱动
二.主轴部件结构
1.主轴的支承
数控机床主轴轴承配置三种主要形式。
a）为前支承采用双列短圆柱滚子轴承和600角接触双列向心推力球轴承，后支承采用成队向心推力球轴承。
b）前支承采用多个高精度向心推力球轴承。
c）前支承采用双列圆锥滚子轴承，后支承为单列圆锥滚子轴承
2.主轴内部刀具自动夹紧机构
3．主轴准停装置
三.滚珠丝杠螺母副
滚珠丝杠副的优点是：
1）摩擦系数小，传动效率高；
2）灵敏度高，传动平稳，不易产生爬行，随动精度和定位精度高；
3）磨损小，寿命长，精度保持性好；
4）可通过预紧和间隙消除措施提高轴间刚度和反向精度；
5）运动具有可逆性。
四．滚动导轨
滚动导轨块：
块内有许多滚柱，在导轨块内部作循环运动，如图7-41，滚动导轨块通常在固定在床身上的镶钢导轨条上滚动。
五．自动换刀数控机床主轴部件设有准停装置，其作用是使主轴每次都准确地停止在固定的周向位置上，以保证换刀时主轴上的端面键能对准刀夹上的键槽，同时使每次装刀时刀夹与主轴的相对位置不变，提高刀具的重复安装精度，从而提高孔加工时孔径的一致性。
课外作业：
P2715
课题：
第五节数控系统及数控机床的发展
课次：
第五次
教学方法：
板书、讲授
教学目的及要求：
了解数控机床的发展过程
教学重难点：
数控机床的特点
教学小结：
初步认识数控车床是怎样工作的
复习旧课：
上节我们学习了数控机床的构成
导入新课：
这节我们来学习数控机床的特点及发展
讲授新课：
一、数控机床的特点
1.具有高度柔性
2.加工精度高、质量稳定、可靠
3．加工生产效率高
4.改善劳动条件
5.利于生产管理现代化
二、数控系统
1.FANUC系统
2.SIEMENS系统
3.华中数控系统
4.北京航天数控系统
5.开放式数控系统介绍
三、数控机床的发展
1.高速切削
2．高精加工
3.复合化加工
4.控制智能化
5.互联网络化
6.计算机集成制造系统
课题：
第二章数控加工工艺基础
第一节生产过程和工艺过程
课次：
第六次
教学方法：
板书、讲授
教学目的及要求：
掌握加工工艺中的基本概念
教学重难点：
生产过程和工艺过程机械加工工艺过程的组成
教学小结：
初步认识数控车床是怎样工作的
复习旧课：
通过上一章的学习，我们对数控机床有了一个基本的了解
导入新课：
在这一节的学习中我们将学习什么是加工工艺，什么是数控加工工艺
讲授新课：
一、基本概念
1.生产过程和工艺过程
1．生产过程机械产品的生产过程是将原料转变为成品的全过程，它一般包括原材料的运输和保管、生产技术准备、毛坯制造、机械加工、热处理、产品的装配、机器的检验调试及油漆和安装等。
2．工艺过程工艺过程是指生产过程中直接改变生产对象的形状、尺寸、相对位置和性质等，使其成为成品或半成品的过程。
3.机械加工工艺过程采用机械加工的方法，直接改变毛坯的形状、尺寸和表面质量，使其成为零件的过程称为机械加工工艺过程。
2.机械加工工艺过程的组成
1．工序一个或一组工人，在一个工作地点对同一个或同时对几个工件所连续完成的那一部分工艺过程，称为工序。
划分工序的主要依据是设备（或工作地点）是否变动和加工是否连续，若改变其中任意一个就构成另一个工序。
（如图4—1）、（表4—1和表4—2）
2．安装安装是指工件在加工之前，在机床或夹具上占据正确的位置（即为定位），然后加以夹紧的过程。
在一个工序中，工件可能安装一次，也可能需要安装几次。
（表4—1工序1和工序2）
3.工位为完成一定的工序内容，一次装夹工件后，工件（或装配单元）与夹具或机床的可动部分一起相对刀具或机床的固定部分所占据的每一个位置，称为工位。
为了减少工件的安装次数，常采用各种回转工作台、回转夹具或移动夹具，使工件在一次安装中，先后处于几个不同的位置进行加工，不仅缩短了装夹工件的时间，而且提高了加工精度和生产效率。
（如图4—2）
4.工步在加工表面（或装配时的连接面）和加工（或装配）工具都不变的情况下，所连续完成的那一部分工序称为工步。
划分工步的依据是加工表面和工具是否变化。
（表4—1工序1）一次安装中连续进行的若干相同的工步看作是一个工步。
（图4—3）用几把刀具同时加工一个零件上的几个表面的工步，称为复合工步。
（如图4—4）在数控加工中，有时将在一次安装下用一把刀具连续切削零件的多个表面划分为一个工步。
5.进给进给也称走刀。
在一个工步中，由于余量较大或其他原因，需要用同一把刀具对同一表面进行多次切削，这样，刀具对工件每切削一次就称为一次进给。
（如表4—2工序4）
二、生产纲领、生产类型
1.生产纲领是指企业在计划期内应当生产的产品产量和进度计划。
计划期常定为一年，所以生产纲领也称年产量。
2．生产类型
（1）单件生产产品的品种繁多，而每个品种数量较少，各工作地加工对象很少有重复生产。
（2）大量生产产品的品种少，产量大，大多数工作地点长期进行某种零件的某道工序的重复加工。
（3）成批生产一年中分批轮流地制造若干种不同的产品，每种产品有一定的数量，生产对象周期性地重复，而每批所制造的相同零件的数量，称为批量。
单件小批生产：
小批生产在工艺方面接近单件生产，二者常相提并论，称为单件小批生产。
大批大量生产：
大批生产在工艺特征方面接近于大量生产，常合称为大批大量生产
中批生产：
中批生产的工艺特征介于单件生产和大批生产之间
课外作业：
P511
课题：
第二节数控加工工艺设计
课次：
第七次
教学方法：
板书、讲授
教学目的及要求：
数控加工内容的选择
教学重难点：
适于数控加工的内容和不适于数控加工的内容
教学小结：
初步认识数控车床是怎样工作的
复习旧课：
上节课我们学习了加工工艺的一系列概念
导入新课：
这节课我们接着看加工工艺设计
讲授新课：
一、数控加工内容的选择
1.适于数控加工的内容
（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。
2.不适于数控加工的内容
（1）占机调整时间长的加工内容。
如以毛坯的粗基准定位来加工第一个精基准的工序。
（2）加工部位分散，不能在一次安装中完成加工的其他零星加工表面，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，可安排通用机床加工；
（3）按某些特定的制造依据（如样板等）加工的型面轮廓。
主要原因是获取数据困难，易于与检验依据发生矛盾，增加了程序编制的难度。
（4）加工余量大而又不均匀的粗加工。
此外，在选择和决定加工内容时，也要考虑生产批量、生产周期、工序间周转情况等等。
二、数控加工工艺性分析
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。
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。
三、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。
课外作业：
P514
课题：
第三节定位基准的选择
课次：
第八次
教学方法：
板书、讲授
教学目的及要求：
掌握数控车床的工作原理
教学重难点：
定位基准的选择
教学小结：
定位基准的分类及选择
复习旧课：
上节我们学习了加工工艺设计
导入新课：
这节我们学习定位基准的选择
讲授新课：
一、基准的分类
（1）设计基准——零件图上的基准——尺寸→尺寸线的起点
相互位置→基准符号
（2）工艺基准——工艺中用的基准——①工序基准
②定位基准
③测量基准
④装配基准
二、定位基准的选择——毛坯面定位→粗基准
已加工面定位→精基准
（1）精基准的选择——可靠保证主要加工表面间的相互位置精度
1）基准重合原则——选设计基准为定位基准
2）基准统一原则——尽可能在多数工序中用一组精基准定位
3）定位稳定准确，简单方便的原则——选面大、精度高的面为精基准
4）互为基准原则——为加工余量均匀，位置精度高——反复加工
5）自为基准原则——要求余量小而均匀——选加工面本身为精基准
辅助基准——人为制造的基准——工艺需要而作的工艺凸台、中心孔
提高精度——一面两孔定位
（2）粗基准选择——可靠方便地加工精基准
1）保证不加工面与加工面间的位置关系——选择不加工面作粗基准
2）定位稳定可靠，简单方便——选大面、平整面，无缺陷
3）合理分配各面加工余量——①应保证各加工面有足够的余量
②某些重要面使其加工余量均匀
4）同一方向上的粗基准原则上只允许使用一次
课外作业：
P516
课题：
第四节数控加工工艺路线设计
课次：
第九次
教学方法：
板书、讲授
教学目的及要求：
掌握加工方案的选择加工阶段的划分
教学重难点：
加工方案的选择加工阶段的划分
教学小结：
加工方案的选择、加工阶段的划分、切削加工顺序的安排原则、工序划分原则加工余量
复习旧课：
上节我们学习定位基准的选择
导入新课：
这节我们学习加工方案的选择、加工阶段的
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