数控加工工艺及编程.ppt
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1、,第七章 数控加工工艺及编程,授课教师:陈 天 炎,2019年5月24日星期五,7.1 数控加工工艺 7.2 程序编制 思考题与习题,内容概要:,教学要求:,掌握数控加工工艺方案的制订、工艺文件的准备、加工程序的编制、填写及校验。,7.0 引言,在数控机床上加工零件与在普通机床上加工零件所涉及的工艺问题大致相同。首先要对被加工零件进行工艺分析和处理,然后根据工艺装备(机床、夹具、刀具等)的特点拟定出合理的工艺方案,最后编制出零件加工的工艺规程(简称工艺)或加工程序。下面针对数控机床加工的特性介绍数控加工工艺及编程。,7.1 数控加工工艺,7.1.1 数控加工工艺的基本特点,数控机床不同于普通机
2、床,它受控于程序指令,加工的全过程都是按程序指令自动进行的。因此,数控加工程序与普通机床工艺规程有较大差别,涉及的内容也较广。数控机床加工程序不仅要包括零件的工艺过程,而且还要包括切削用量、进给路线、刀具尺寸以及机床的运动过程。因此,要求编程人员对数控机床的性能、特点、运动方式、刀具系统、切削规范以及工件的装夹方法都要非常熟悉。工艺方案的好坏不仅会影响机床效率的发挥,而且将直接影响到零件的加工质量。,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。,7.1 数控加工工艺,7.1.2 数控加工工艺的主要内容,概括起来数控加工
3、工艺主要包括如下内容: 1)选择适合在数控机床上加工的零件,确定工序内容。 2)分析被加工零件的图样,明确加工内容及技术要求。 3)确定零件的加工方案,制定数控加工工艺路线。如划分工序、安排加工顺序、处理与非数控加工工序的衔接等。 4)加工工序的设计。如选取零件的定位基准、确定夹具方案、划分工步、选取刀辅具、确定切削用量等。 5)数控加工程序的调整。选取对刀点和换刀点、确定刀具补偿、确定加工路线。 6)分配数控加工中的容差。 7)处理数控机床上的部分工艺指令。,7.1 数控加工工艺,7.1.3 数控加工的工艺分析,当加工零件和数控机床确定之后,编程人员就要对零件加工工艺进行分析。 工艺分析主要
4、从零件数控加工的可能性、程序编制的方便性等方面进行。具体要分析的内容大致有如下7个方面:,1)零件毛坯的可安装性分析。为工件定位、安装和夹具设计提供依据。,2)毛坯材质的加工性分析。即分析所提供的毛坯材质本身的力学性能和热处理状态,毛坯的铸造品质和被加工部位的材料硬度,是否有白口、夹砂、疏松等。判断其加工的难易程度,为刀具材料和切削用量的选择提供依据。,7.1.3 数控加工的工艺分析,3)刀具运动的可行性分析。分析工件毛坯(或坯件)外形和内腔是否有碍刀具定位、运动和切削的地方,对有碍部位是否允许进行刀检,为刀具运动路线的确定和程序设计提供依据。,4)加工余量状况的分析。分析毛坯(或坯料)是否留
5、有足够的加工余量,孔加工部位是通孔还是盲孔,有无沉孔等,为刀具选择、加工安排和加工余量分配提供依据。,5)分析零件图样尺寸的标注方法是否适应数控加工的特点。通常零件图的尺寸标注方法都是要根据装配要求和零件的使用特性分散地从设计基准引注,这样的标注方法会给工序安排、坐标计算和数控加工增加许多麻烦。,7.1.3 数控加工的工艺分析,数控加工零件图要求从同一基准引注尺寸或直接给出相应的坐标值(或坐标尺寸),这样有利于编程和协调设计基准、工艺基准、测量基准与编程零点的设置和计算,如图7-1a。用坐标标注法,编程时就十分方便,如图7-1b。,7.1.3 数控加工的工艺分析,6)分析零件图样给出构成零件轮
6、廓几何元素的条件是否充分。如果不充分,一是手工编程时无法计算基点或节点的坐标;二是自动编程时,无法对构成零件轮廓的几何元素进行定义。,7)分析零件结构工艺性是否有利于数控加工。一是分析零件的外形、内腔是否可以采取统一的几何类型或尺寸,尽可能减少刀具数量和换刀次数;二是分析零件内槽圆角是否过小,不易保证加工质量,零件槽的底部的圆角半径尺是否过大,影响底部铣削。数控加工工艺性对比如图7-2所示。,7.1.4 加工内容及工艺路线的确定,通过上述工艺分析并结合零件的技术要求,确定加工内容及工艺路线。加工内容和工艺路线是工艺方案拟定的重要内容之一,它涉及到三个方面的问题:一是能否在一台数控机床上,经一次
7、装夹完成零件图样中的全部加工内容;二是所确定的工艺路线是否经济合理;三是工艺路线是否能保证最终加工质量。,1加工内容的确定,根据工艺分析和技术要求,确定零件的主要加工表面和非加工表面。 数控机床适于多品种、中小批量的生产,特别适合新产品的试生产。,7.1.4 加工内容及工艺路线的确定,数控车床适于回转类的轴类零件和盘类零件的内外表面。 数控镗铣床和立式加工中心适于箱体、箱盖、板类零件、平面凸轮等复杂表面的加工。 三轴联动的立式加工中心可以用来加工叶片和模具的表面。卧式加工中心较立式加工中心适宜复杂的箱体零件、曲型零件、泵体、阀体零件表面加工。 多轴(五轴)联动的数控镗铣床、五面体加工中心,可以
8、用来加工复杂的曲型面、叶轮螺旋桨以及模具表面。,7.1.4 加工内容及工艺路线的确定,最适合在数控机床上加工的内容可归纳如下: 1)轮廓形状复杂,加工精度较高的零件表面。 2)需要制作复杂的工艺装备、工艺路线过长、工装过多的零件表面。 3)价值昂贵,加工中不许报废的关键零件表面。 4)集铣、钻、镗、扩、铰、攻螺纹等多种工序于一体的箱体零件表面。,7.1.4 加工内容及工艺路线的确定,2数控加工工序划分,在工序划分时要考虑下面3个原则: 1)按所用刀具划分工序的原则,这样可以减少换刀次数,压缩空行程和减少换刀时间,减少不必要的换刀误差。 2)按先粗后精的原则划分加工工序,这样可以减少粗加工变形对
9、精加工的影响。 3)按先面后孔的原则划分工序,这样可以提高孔加工精度,避免面加工时引起的变形。,7.1.4 加工内容及工艺路线的确定,3加工余量的选择,加工余量泛指毛坯实体尺寸与零件(图样)尺寸之差。零件加工就是把大于零件(图样)尺寸的毛坯实体加工掉,使加工后的零件尺寸、精度、表面粗糙度均能符合图样的要求。通常要经过粗加工、半精加工和精加工才能达到最终要求。因此,零件总的加工余量应等于中间工序加工余量之和。余量大小可参阅有关切削加工手册。,7.1.4 加工内容及工艺路线的确定,4工件定位与安装的确定,工件定位与安装的确定是工艺设计中不可缺少的环节,对任何加工方法来讲都十分重要,合理地选择工件的
10、定位基准和夹压方式是确定工件安装的关键。工件安装的好坏会直接影响工件的加工质量。在工序高度集中的数控机床上加工零件,如何提高零件的定位精度,最大限度地减少零件的夹压变形更为重要,应给予足够的重视。 数控车床、数控铣床上加工平面或曲面常采用较为简单的夹具,如三爪或平口钳等。在数控镗床、加工中心上钻孔和镗孔,常采用无钻模的悬臂式加工。这种加工方式有利于大量采用组合夹具,只有特殊的情况下才设计专用夹具。无论是采用组合夹具还 是专用夹具,一定要充分考虑数控机床运动的特点,避开夹压点对刀具运动的干涉。,7.1.4 加工内容及工艺路线的确定,4工件定位与安装的确定,工件定位与安装的确定主要包括:,(1)选
11、择合适的定位方式,(2)确定合适的夹紧方式,(3)选择有足够刚度和强度的夹具,7.1.4 加工内容及工艺路线的确定,4工件定位与安装的确定,(1)选择合适的定位方式 加工中心的工作台是夹具和工件定位与安装的基础,但因加工中心的形式和工作台的结构差异而有所不同,常见的定位方式有下面5种,见图7-3所示。,1)以侧面定位板定位。利用侧定位板可直接计算出工件或夹具在工作台上的位置,并能保证与回转中心的相对位置,定位安装十分方便。,7.1.4 加工内容及工艺路线的确定,(1)选择合适的定位方式,2)以中心孔定位。不管是利用工件的外径或内径进行定位,均能保证工件中心与工作台中心有较高的一致性。,7.1.
12、4 加工内容及工艺路线的确定,3)以中央T形槽定位 以中央T形槽进行定位的方式,多用于立式加工中心。通常把标准定位块插入T形槽,使安装的工件或夹具紧靠标准块,达到定位的目的。,(1)选择合适的定位方式,7.1.4 加工内容及工艺路线的确定,4)以基准槽定位 立式和卧式加工中心上均用这种定位方式,在工作台上除了有基准槽外,还有供夹紧用的T形槽(有的是螺孔),通常是在基准槽中插人标准定位块或止动块,作为工件或夹具的定位基准。采用高精度的止动件,可使定位精度的保持性较高。,(1)选择合适的定位方式,7.1.4 加工内容及工艺路线的确定,5)以基准销孔定位 多在立式加工中心辅助工作台上采用,适合于多工
13、件频繁装卸工件的加工方法。,(1)选择合适的定位方式,7.1.4 加工内容及工艺路线的确定,(2)确定合适的夹紧方式 考虑夹紧方案时,要注意夹紧力的作用点和方向。夹紧力应力求通过和靠近中心点上,或在支持点所组成的三角区之内,应力求靠近切削部位,并在刚性较高的地方,尽量不要在被加工孔上方进行夹压。 (3)选择有足够刚度和强度的夹具 夹具主要任务是保证零件的加工精度,因此要求夹具必须具备有足够的刚度和强度。特别对切削用量较大的粗加工夹具,其刚度和强度更为突出。,7.1.4 加工内容及工艺路线的确定,5选择数控加工刀具,(1)数控刀具的结构与选择 数控车床使用的刀具,无论是车刀、镗刀、切刀还是螺纹加
14、工刀具均有焊接式和机夹式之分,除经济型数据车床外,目前已广泛地使用机夹式刀具。图7-4为一现代数控车刀,它主要由刀体、刀片和刀片紧固系统3部分组成。,7.1.4 加工内容及工艺路线的确定,5选择数控加工刀具,1)刀片紧固方式:机夹式车刀按刀片紧固方法的差异可分为杠杆式、楔块式、螺钉式、上压式。图7-5是上压式紧固系统结构图,它由模块式夹具、销、刀垫和螺钉组成。不同的刀夹方式是为了满足不同用途的需要而设计的。,7.1.4 加工内容及工艺路线的确定,5选择数控加工刀具,2)刀片材质:按刀片材料分有硬质合金刀片、涂镀刀片、陶瓷刀片、陶瓷金属刀片、氮化硼刀片等。影响刀片选择最重要的因素有零件的加工精度
15、、工件的材料软硬程度、耐热、切屑长短(断屑)、加工的间断或连续、振动倾向等。 3)刀片的形状与边长:刀片形状有三角形、正方形、正六边形、棱形和多边形刀片。刀片形状与切削边长均已标准化。 4)刀具的编码:在ISO中对可转位嵌刀、车刀架和镗刀架都规定了编码方式,可参考有关资料。 数控机床特别是加工中心,主轴转速较普通机床的主轴转速高25倍,某些特殊用途的数控机床、加工中心其主轴转速高达数万转,因此数控刀具的强度与寿命至关重要。目前涂镀刀具、立方氮化硼刀具等广泛应用于加工中心,陶瓷刀具与金刚石刀具也开始在加工中心上运用。 数控刀具与工具已自成体系,详见附录C。,7.1.4 加工内容及工艺路线的确定,
16、5选择数控加工刀具,7.1.4 加工内容及工艺路线的确定,5选择数控加工刀具,为了提高槽宽的加工精度减少铣刀的种类,加工时可采用直径比槽宽小的铣刀,先铣槽的中间部分,然后用刀具半径补偿功能来铣槽的两边,以达到提高槽的加工精度。,7.1.4 加工内容及工艺路线的确定,5选择数控加工刀具,2)钻孔刀具:在加工中心上钻孔都是无钻模直接钻孔,因此一般应使钻头直径D满足LD5 (L为钻孔深度)。细长孔的加工易于折断钻头,要注意冷却和排屑,图7-7是镶三面刃机夹刀片的强力高速钻头,它的一片刀片位于中心线上,另一刀片位于周边上,它的形状类似深孔钻头,切削液可以从钻头中心引入。,为了提高刀片的寿命,刀片上涂有
17、一层碳化钛层,寿命为一般刀片的23倍,使用这种钻头钻箱体孔比普通麻花钻要提高工效46倍。目前国外加工中心广泛采用这种钻头。,7.1.4 加工内容及工艺路线的确定,5选择数控加工刀具,在钻孔前最好先用中心钻钻一中心孔或用一刚性较好的短钻头划一窝,这可以解决在铸件毛坯表面引正等问题,还可以代替孔的倒角、提高小钻头的寿命等。划窝一般采用815的钻头(见图7-8)。,当毛坯表面非常硬,钻头无法划窝时可先用硬质合金立铣刀,在欲钻孔部位先铣小平面,然后再用中心钻钻一引孔,解决硬表面钻孔引正问题。,Tips:,7.1.4 加工内容及工艺路线的确定,5选择数控加工刀具,为了提高工效、减少工步数和换刀次数可以采
18、用如图7-9所示的阶梯式钻头。,这个钻头每个阶梯均有自己的螺旋槽,比共螺旋槽的复合钻头易于排屑。这种钻头不仅可以提高工效33.5倍,而且可以提高孔距精度。,7.1.4 加工内容及工艺路线的确定,5选择数控加工刀具,3)镗孔刀具的使用特点 在加工中心上进行镗削加工通常是采用悬臂式的加工,因此要求镗刀有足够的刚度和较好的精度。 在镗孔过程中一般都是采用移动工作台或立柱完成Z向进给(卧式),保证悬伸不变,从而获得进给的刚性。 对于精度要求不高的几个同尺寸的孔,在加工时,可以用一把刀完成所有孔的加工后,再更换一把刀加工各孔的第二道工序,直至换最后一把刀加工最后一道工序为止。 精加工孔则须单独完成,每道
19、工序换一次刀,尽量减少各个坐标的运动以使减少定位误差对加工的影响。,7.1.4 加工内容及工艺路线的确定,5选择数控加工刀具,加工中心常用的精镗孔刀具,有如图7-11所示的精镗微调刀杆系统。,7.1.4 加工内容及工艺路线的确定,5选择数控加工刀具,图7-12是近年来广泛使用的双刃机夹镗刀; 7-13所示的可调双刃镗刀系统。,这种刀具的刀片更换十分方便,不需要重磨,易于调整,刚性好,对称切削镗孔的精度较高。,大孔径的镗孔加工可选用,7.1.4 加工内容及工艺路线的确定,5选择数控加工刀具,双刃镗刀,7.1.4 加工内容及工艺路线的确定,5选择数控加工刀具,4)攻螺纹刀具 在加工中心上攻螺纹一般
20、都用丝锥直接在底孔上攻螺纹。铸铁件多用手动丝锥进行攻螺纹,钢件要用机动丝锥的丝锥进行攻螺纹。,7.1.4 加工内容及工艺路线的确定,5选择数控加工刀具,在加工中心除用上述两种丝锥外,还有用如图7-14所示的螺头式丝锥和螺旋式丝锥。,7.1.4 加工内容及工艺路线的确定,5选择数控加工刀具,螺头式丝锥(图7-14a)包括咬入部和与排屑槽螺旋方向相反的1512的螺旋槽,一般用于通孔攻螺纹。该种丝锥有如下特点:切屑从切削方向排出,槽内不残留切屑,这样不会因切屑堵塞而损伤丝锥;由于切屑不堵塞,可以把沟槽设计得较一般丝锥小,从而提高了丝锥的强度;由于这种丝锥咬入部分的有效前角增大,刃尖锋利,切削阻力小,
21、所以可攻出较高精度的螺纹孔;对于切削性能较差的材料,用这种丝锥攻螺纹,也能获得较好的效果。,7.1.4 加工内容及工艺路线的确定,5选择数控加工刀具,螺旋式丝锥有螺旋刃槽(图7-14b),像钻头那样,一边进行切削,一边从排屑槽后面排出切屑。螺旋角越大越锋利,而且切屑排出也较顺利。 螺旋角过大,会降低刃尖的强度,而且会产生卷刃或剥离现象。这种丝锥的特点是:因切屑从后面排出,固最适合于盲孔、深孔攻螺纹;切屑不残留在刃槽内,这样不会发生因排屑堵塞而造成的损伤;对切削性能较差的材料同样可以获得较好的效果。,7.1.4 加工内容及工艺路线的确定,6切削用量的确定,编程人员选择切削用量时,一定要充分考虑影
22、响切削的各种因素,正确的选择切削条件,合理地确定切削用量,可有效地提高机械加工质量和总产量。而切削条件影响的因素有: 1)机床、工具、刀具及工件的刚性。 2)切削速度、背吃刀量和切削进给量。 3)工件精度及表面粗糙度。 4)刀具预期寿命及最大生产率。 5)切削液的种类、冷却方式。 6)工件材料的硬度及热处理状况。 7)工件数量。 8)机床的寿命。,7.1.4 加工内容及工艺路线的确定,6切削用量的确定,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、切削用量是三大主要要素。这些条件决定着加工时间、刀具寿命和加工质量。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
23、道工序的切削用量时,应根据被加工工件材料、硬度、刀具的耐用度和机床说明书中的规定去选择合适的吃刀量和切削速度(进给速度和主轴转速),也可以结合实际经验用类比法确定切削用量。,7.1.4 加工内容及工艺路线的确定,7加工路线的确定,在数控机床上加工零件,特别是在加工中心上加工零件,每道工序的加工路线的确定都是非常重要的,因为它不仅与被加工零件表面粗糙度有关,而且与尺寸精度和位置精度都有直接关系。过长的加工路线还会影响机床的寿命、刀具的寿命等。确定加工路线就是要确定刀具运动轨迹和运动方向(即编程轨迹和运动方向)。,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a所示零件上的
24、孔系。b图的走刀路线为先加工完外圈孔后,再加工内圈孔。若改用c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2,7加工路线的确定,(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a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b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c也是一种可考虑的走刀路线方式。
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