数控车床加工工艺设计.docx

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数控车床加工工艺设计

数控车床加工工艺设计

摘要:

数控车削加工设计以机械制造中的工艺基本理论为基础，结合数控机床高精度、高效率和高柔性等特点综合多方面的知识，解决数控加工中的工艺问题。

对零件进行编程加工之前，工艺分析具有非常重要的作用。

在比较数控车床加工工艺与传统加工工艺的基础上，对数控车床加工工艺中的关键问题进行了深入分析，总结了数控车床的工艺设计方法。

通过实例，证明了正确地进行数控车床加工工艺分析与设计有助于提高零件加工质量和生产效率。

本文通过对零件图样分析、工艺路线的拟订、切削用量的选择等几方面进行了介绍。

关键词:

数控加工工艺分析图样分析工艺路线

Abstract:

thenumericalcontrolturningprocessingdesigninmechanicalmanufacturingprocessofthebasictheory,combinedwiththecharacteristicsofncmachineandhighprecision,highefficiencyandhighflexibleintegratedvariousknowledge,solveprocessproblemsinncmachining.Analysisofpartsbeforeusingtheprogrammingprocess,processhasaveryimportantrole.Incomparingnumericalcontrollathemachiningprocessandtraditionalprocessingtechnology,onthebasisofthekeyissuesintheprocessofnclathecarriedonthethoroughanalysis,summarizestheprocessdesignmethodofnclathe.Throughtheinstance,provesthecorrectlyforCNClathemachiningprocessanalysisanddesigntoimprovepartsprocessingqualityandproductionefficiency.Thisarticlethroughtopartspatternanalysis,theformulationofprocessroute,severalaspectssuchastheselectionofcuttingparameterareintroduced.

Keywords:

thencmachiningprocessanalysispatternanalysisprocessroute

摘要 ……………………………………………………………………………I

引言 ……………………………………………………………………………II

第1章数控加工概述…………………………………………………………5

1.1数控加工原理………………………………………………………………5

1.2数控加工的特点……………………………………………………………5

第2章数控加工工艺分析……………………………………………………7

2.1机床的合理选用 …………………………………………………………7

2.2数控加工零件的工艺性分析………………………………………………7

2.3加工方法的选择与加工方案的确定………………………………………7

2.4工艺与工步的划分…………………………………………………………7

2.5零件的安装与夹具的选择…………………………………………………8

2.6刀具的选择与切削用量的确定 …………………………………………9

2.7对刀点和换刀点的确定 …………………………………………………9

2.8工艺加工路线的确定……………………………………………………10

第3章数控加工程序编制……………………………………………………11

3.1数控程序编制的定义……………………………………………………11

3.2数控程序编制的方法……………………………………………………11

3.3字与字的功能 …………………………………………………………11

3.4程序格式 ………………………………………………………………12

3.5数控机床的坐标系………………………………………………………12

3.6常用编程指令 …………………………………………………………13

第4章数控车床加工实例…………………………………………………15

4.1零件图样分析……………………………………………………………15

4.2工艺措施…………………………………………………………………15

4.3确认定位基准和装夹方式………………………………………………15

4.4加工路线及进给路线……………………………………………………16

4.5刀具选择…………………………………………………………………17

4.6工艺卡片…………………………………………………………………18

4.7切削用量选择……………………………………………………………18

4.8数控加工程序单…………………………………………………………19

第5章数控车加工操作流程…………………………………………………21

5.1开机………………………………………………………………………21

5.2参考工艺分析……………………………………………………………21

5.3编程………………………………………………………………………21

5.4模拟………………………………………………………………………21

5.5用试刀法对刀……………………………………………………………22

5.6自动循环加工……………………………………………………………23

结 论…………………………………………………………………………24

致 谢…………………………………………………………………………25

参考文献………………………………………………………………………26

引言

制造业是我国国民经济的支柱产业，其增加值约占我国国内生产总值的40%以上，而先进的制造技术是振兴制造业系统工程的重要组成部分。

21世纪是科学技术突飞猛进、不断取得新突破的世纪，它是数控技术全面发展的时代。

数控机床代表一个民族制造工业现代化的水平，随着现代化科学技术的迅速发展，制造技术和自动化水平的高低已成为衡量一个国家或地区经济发展水平的重要标志。

数控车床是目前使用最广泛的数控机床之一。

数控车床主要用于加工轴类、盘类等回转体零件。

通过数控加工程序的运行，可自动完成内外圆柱面、圆锥面、成形表面、螺纹和端面等工序的切削加工，并能进行车槽、钻孔、扩孔、铰孔等工作。

车削中心可在一次装夹中完成更多的加工工序，提高加工精度和生产效率，特别适合于复杂形状回转类零件的加工。

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。

在数控加工对刀前，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。

本文主要讨论的就是作为制造业的组成部分数控车床。

主要内容有关于数控车床的数控加工原理、加工工艺分析、刀具的选用、数控车加工操作流程。

第1章  数控加工概述

1.1数控加工原理

当我们使用机床加工零件时，通常都需要对机床的各种动作进行控制，一是控制动作的先后次序，二是控制机床各运动部件的位移量。

采用普通机床加工时，这种开车、停车、走刀、换向、主轴变速和开关切削液等操作都是由人工直接控制的。

采用自动机床和仿形机床加工时，上述操作和运动参数则是通过设计好的凸轮、靠模和挡块等装置以模拟量的形式来控制的，它们虽能加工比较复杂的零件，且有一定的灵活性和通用性，但是零件的加工精度受凸轮、靠模制造精度的影响，而且工序准备时间也很长。

采用数控机床加工零件时，只需要将零件图形和工艺参数、加工步骤等以数字信息的形式，编成程序代码输入到机床控制系统中，再由其进行运算处理后转成驱动伺服机构的指令信号，从而控制机床各部件协调动作，自动地加工出零件来。

当更换加工对象时，只需要重新编写程序代码，输入给机床，即可由数控装置代替人的大脑和双手的大部分功能，控制加工的全过程，制造出任意复杂的零件。

数控加工的原理如图1-1所示。

图1-1 数控加工原理框图

1.2数控加工的特点

总的来说，数控加工有如下特点：

（1）自动化程度高，具有很高的生产效率。

除手工装夹毛坯外，其余全部加工过程都可由数控机床自动完成。

若配合自动装卸手段，则是无人控制工厂的基本组成环节。

数控加工减轻了操作者的劳动强度，改善了劳动条件；省去了划线、多次装夹定位、检测等工序及其辅助操作，有效地提高了生产效率。

（2）对加工对象的适应性强。

改变加工对象时，除了更换刀具和解决毛坯装夹方式外，只需重新编程即可，不需要作其他任何复杂的调整，从而缩短了生产准备周期。

（3）加工精度高，质量稳定。

加工尺寸精度在0.005～0.01mm之间，不受零件复杂程度的影响。

由于大部分操作都由机器自动完成，因而消除了人为误差，提高了批量零件尺寸的一致性，同时精密控制的机床上还采用了位置检测装置，更加提高了数控加工的精度。

（4）易于建立与计算机间的通信联络，容易实现群控。

由于机床采用数字信息控制，易于与计算机辅助设计系统连接，形成CAD/CAM一体化系统，并且可以建立各机床间的联系，容易实现群控。

（5）在可靠性方面，国外数控装置的MTBF值已达6000h以上，伺服系统的MTBF值达到30000h以上，表现出非常高的可靠性。

第2章 数控加工工艺分析

2.1机床的合理选用

数控机床通常最适合加工具有以下特点的零件：

（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。

2.2数控加工零件的工艺性分析

（1）零件图上尺寸数据的给出，应符合程序编制方便的原则

（2）零件各加工部位的结构工艺性应符合数控加工的特点

2.3加工方法的选择与加工方案的确定

（1）加工方法的选择

加工方法的选择原则是：

同时保证加工精度和表面粗糙度的要求。

此外，还应考虑生产率和经济性的要求，以及现有生产设备等实际情况。

（2）确定加工方案的原则

零件上精度要求较高的表面加工，常常是通过粗加工、半精加工和精加工逐步达到的。

对于这些表面，要根据质量要求、机床情况和毛坯条件来确定最终的加工方案。

确定加工方案时，首先应该根据主要表面的精度和表面粗糙度的要求，初步确定为达到这些要求所需要的加工方法。

此时要考虑到数控机床使用的合理性和经济性，并充分发挥数控机床的功能。

原则上数控机床仅进行较复杂零件重要基准的加工和零件的精加工。

2.4工艺与工步的划分

（1）工序的划分

1）以零件的装夹定位方式划分工序

由于每个零件结构形状不同，各个表面的技术要求也不同，所以在加工中，其定位方式就各有差异。

一般加工零件外形时，以内形定位；在加工零件内形时以外形定位。

可根据定位方式的不同来划分工序。

2）按粗、精工序划分加工

根据零件的加工精度、刚度和变形等因素来划分工序时，可按粗、精加工分开的原则来进行划分工序，即先进行粗加工，再进行精加工。

此时可以使用不同的机床或不同的刀具进行加工。

通常在一次安装中，不允许将零件的某一部分表面加工完毕后，再加工零件的其它表面。

为了减少换刀次数，缩短空行程运行时间，减少不必要的定位误差，可以按照使用相同刀具来集中加工工序的方法来进行零件的加工工序划分。

尽可能使用同一把刀具加工出能加工到的所有部位，然后再更换另一把刀具加工零件的其它部位。

在专用数控机床和加工中心中常常采用这种方法。

（2）工步的划分

工步的划分主要从加工精度和生产效率两方面来考虑。

在一个工序内往往需要采用不同的切削刀具和切削用量对不同的表面进行加工。

为了便于分析和描述复杂的零件，在工序内又细分为工步。

工步划分的原则是：

1）同一表面按粗加工、半精加工、精加工依次完成，或全部加工表面按先粗加工后精加工分开进行。

2）对于既有铣削平面又有镗孔加工表面的零件，可按先铣削平面后镗孔进行加工。

因为按此方法划分工步，可以提提高孔的加工精度。

因为铣削平面时切削力较大，零件易发生变形。

先铣平面后镗孔，可以使其有一段时间恢复变形，并减少由此变形引起对孔的精度的影响。

3）按使用刀具来划分工步。

某些机床工作台的回转时间比换刀时间短，可以采用按使用刀具划分工步，以减少换刀次数，提高加工效率。

2.5零件的安装与夹具的选择

（1）定位安装的基本原则

1）力求设计基准、工艺基准和编程计算基准统一。

2）尽量减少装夹次数，尽可能在一次定位装夹后，加工出全部待加工表面。

3）避免采用占机人工调整加工方案，以便能充分发挥出数控机床的效能。

（2）选择夹具的基本原则

数控加工的特点对夹具提出了两点要求：

一是要保证夹具的坐标方向要与机床的坐标方向相对固定不变；二是要协调零件的和机床坐标系的尺寸关系。

除此之外，还应该考虑以下几点：

1）当零件加工批量不大时，应该尽量采用组合夹具、可调式夹具或其它通用夹具，以缩短生产准备时间，节省生产费用。

2）在成批生产时才考虑使用专用夹具。

3）零件的装卸要快速、方便、可靠，以缩短数控机床的停顿时间。

4）夹具上各零部件应该以不妨碍机床对零件各表面的加工。

夹具要敞开，其定位夹紧机构的元件不能影响加工中的走刀运行。

2.6刀具的选择与切削用量的确定

（1）刀具的选择

数控加工的刀具材料，要求采用新型优质材料，一般原则是尽可能选用硬质合金；精密加工时，还可选择性能更好更耐磨的陶瓷、立方氮化硼和金刚石刀具，并应优选刀具参数。

（2）切削用量的确定

合理选择切削用量的原则是：

粗加工时，一般以提高生产率为主，但也应该考虑加工成本。

半精加工和精加工时，一般应在保证加工质量的前提下，兼顾切削效率和经济性和加工成本。

1）确定切削深度t（mm）。

在机床、工件和刀具刚度允许的情况下，应以最少的进给次数切除待加工余量，最好一次切除待加工余量，以提高生产效率。

2）确定切削速度V（m/min）。

加大切削速度，也能提高生产效率。

但提高生产效率的最有效措施还是应尽可能采用大的切削深度t。

3）确定进给速度f（mm/min或mm/r）。

进给速度是数控机床切削用量中的重要参数。

主要根据零件的加工精度和表面粗糙度要求以及刀具与零件的材料性质来选取。

当加工精度和表面粗糙度要求高时，进给速度f应该选择得小些。

最大进给速度受机床刚度和进给系统的性能决定，并与数控系统脉冲当量的大小有关。

2.7对刀点和换刀点的确定

选择对刀点的原则是：

（1）选择的对刀点便与数学处理和简化程序编制。

（2）对刀点在机床上容易校准。

（3）加工过程中便于检查。

（4）引起的加工误差小。

2.8工艺加工路线的确定

确定工艺加工路线的原则是：

（1）保证零件的加工精度和表面粗糙度。

（2）方便数值计算，减少编程工作量。

（3）缩短加工运行路线，减少空运行行程。

在确定工艺加工路线时，还要考虑零件的加工余量和机床、刀具的刚度，需要确定是一次走刀，还是多次走刀来完成切削加工，并确定在数控铣削加工中是采用逆铣加工还是顺铣加工等。

第3章 数控加工程序编制

3.1数控程序编制的定义

编制数控加工程序是使用数控机床的一项重要技术工作，理想的数控程序不仅应该保证加工出符合零件图样要求的合格零件，还应该使数控机床的功能得到合理的应用与充分的发挥，使数控机床能安全、可靠、高效的工作。

数控编程是指从零件图纸到获得数控加工程序的全部工作过程。

编程工作主要包括：

（1）分析零件图样和制定工艺方案

（2）数学处理

（3）编写零件加工程序

（4）程序检验

3.2数控程序编制的方法

数控加工程序的编制方法主要有两种：

手工编制程序和自动编制程序。

（1）手工编程

手工编程指主要由人工来完成数控编程中各个阶段的工作。

（2）计算机自动编程

自动编程是指在编程过程中，除了分析零件图样和制定工艺方案由人工进行外，其余工作均由计算机辅助完成。

采用计算机自动编程时，数学处理、编写程序、检验程序等工作是由计算机自动完成的，由于计算机可自动绘制出刀具中心运动轨迹，使编程人员可及时检查程序是否正确，需要时可及时修改，以获得正确的程序。

又由于计算机自动编程代替程序编制人员完成了繁琐的数值计算，可提高编程效率几十倍乃至上百倍，因此解决了手工编程无法解决的许多复杂零件的编程难题。

因而，自动编程的特点就在于编程工作效率高，可解决复杂形状零件的编程难题。

3.3字与字的功能

（1）字符与代码

字符是用来组织、控制或表示数据的一些符号，如数字、字母、标点符号、数学运算符等。

（2）字

在数控加工程序中，字是指一系列按规定排列的字符，作为一个信息单元存储、传递和操作。

字是由一个英文字母与随后的若干位十进制数字组成，这个英文字母称为地址符。

如：

“X2500”是一个字，X为地址符，数字“2500”为地址中的内容。

（3）字的功能

组成程序段的每一个字都有其特定的功能含义，以下是以FANUC-0M数控系统的规范为主来介绍的。

（4）顺序号字N

顺序号又称程序段号或程序段序号。

顺序号位于程序段之首，由顺序号字N和后续数字组成。

便于程序检查少用

（5）准备功能字G

准备功能字的地址符是G，又称为G功能或G指令，是用于建立机床或控制系统工作方式的一种指令。

（6）尺寸字

尺寸字用于确定机床上刀具运动终点的坐标位置。

其中，第一组X，Y，Z，U，V，W，P，Q，R用于确定终点的直线坐标尺寸；第二组A，B，C，D，E用于确定终点的角度坐标尺寸；第三组I，J，K用于确定圆弧轮廓的圆心坐标尺寸。

在一些数控系统中，还可以用P指令暂停时间、用R指令圆弧的半径等。

（7）进给功能字F

进给功能字的地址符是F，又称为F功能或F指令，用于指定切削的进给速度。

对于车床，F可分为每分钟进给和主轴每转进给两种，对于其它数控机床，一般只用每分钟进给。

F指令在螺纹切削程序段中常用来指令螺纹的导程。

（8）主轴转速功能字S

主轴转速功能字的地址符是S，又称为S功能或S指令，用于指定主轴转速。

单位为r/min。

（9）刀具功能字T

刀具功能字的地址符是T，又称为T功能或T指令，用于指定加工时所用刀具的编号。

对于数控车床，其后的数字还兼作指定刀具长度补偿和刀尖半径补偿用。

（10）辅助功能字M

辅助功能字的地址符是M，后续数字一般为1～3位正整数，又称为M功能或M指令，用于指定数控机床辅助装置的开关动作。

3.4程序格式

（1）程序段格式

一个数控加工程序是若干个程序段组成的。

程序段格式是指程序段中的字、字符和数据的安排形式。

程序段格式举例：

N30G01X88.1Y30.2F500S3000T02M08

N40X90（本程序段省略了续效字“G01，Y30.2，F500，S3000，T02，M08”，但它们的功能仍然有效）

在程序段中，必须明确组成程序段的各要素：

移动目标：

终点坐标值X、Y、Z   沿怎样的轨迹移动：

准备功能字G；

进给速度：

进给功能字F；     切削速度：

主轴转速功能字S；

使用刀具：

刀具功能字T；     机床辅助动作：

辅助功能字M。

3.5数控机床的坐标系

（1）机床坐标系的确定

机床相对运动的规定（运动定则）

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。

例如铣床上，有机床的纵向运动、横向运动以及垂向运动。

在数控加工中就应该用机床

坐标系来描述。

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：

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。

（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，下图为数控车床上两个运动的正方向。

（4）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。

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：

a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。

b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。

右图所示为数控车床的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。

（5）机床原点的设置

机床原点是指在机床上设置的一个固定点，即机床坐标系的原点。

它在机床装配、调试时就已确定下来，是数控机床进行加工运动的基准参考点。

（6）机床参考点

机床参考点是用于对机床运动进行检测和控制的固定位置点。

机床参考点的位置是由机床制造厂家在每个进给轴上用限位开关精确调整好的，坐标值已输入数控系统中。

因此参考点对机床原点的坐标是一个已知数。

通常在数控铣床上机床原点和机床参考点是重合的；而在数控车床上机床参考点是离机床原点最远的极限点。

下图为数控车床的参考点与机床原点。

3.6常用编程指令

数控加工程序是由各种功能字按照规定的格式组成的。

（1）绝对尺寸指令和增量尺寸指令

在加工程序中，绝对尺寸指令和增量尺寸指令有两种表达方法。

a绝对尺寸指机床运动部件的坐标尺寸值相对于坐标原点给出。

b增量尺寸指机床运动部件的坐标尺寸值相对于前一位置给出。

（2）G功能字指定

G90指定尺寸值为绝对尺寸。

G91指定尺寸值为增量尺寸。

（3）用尺寸字的地址符指定（本课程中车床部分使用）

绝对尺寸的尺寸字的地址符用X、Y、Z