数控机床编程第2版教学课件杜国臣主编第3章数控机床的加工工艺xin.ppt

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2）轮廓形状复杂，对加工精度要求较高的零件。 3）用普通机床加工时，需要有昂贵的工艺装备（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。,3.1.2 数控加工工艺性分析,从数控加工的可能性和方便性两方面分析其工艺性。 零件图的尺寸标注应符合编程方便的原则 （1）零件图上尺寸标注方法应适应数控加工的特点。 （2）构成零件轮廓的几何元素的条件应充分。 零件的结构工艺性应符合数控加工的特点 （1）零件的内腔和外形最好采用统一的几何类型和尺寸。 （2）内槽圆角的大小决定着刀具直径的大小，因而内槽圆角半径不应过小 。如图3-3,图3-3 数控加工工艺性对比,图b与图a相比，转接圆弧半径大，可以采用较大直径的铣刀来加工。加工平面时，进给次数也相应减少，表面加工质量也会好一些，所以工艺性较好。,（3）零件铣削底平面时，槽底圆角半径r不应过大， 如图3-4所示。 （4）应采用统一的基准定位。,图3-4 零件底面圆弧对加工工艺的影响,3.1.3 加工方法与加工方案的确定,加工方法的选择 选择原则：保证加工表面的加工精度和表面粗糙度的要求。 1.结合零件的形状、尺寸大小和热处理要求等全面考虑。 例如，对于IT7级精度的孔采用镗削、铰削、磨削等加工方法均可达到精度要求，但箱体上的孔一般采用镗削或铰削。一般小尺寸的箱体孔宜选择铰孔，当孔径较大时则应选择镗孔。 2.考虑生产率和经济性的要求，以及工厂的生产设备等实际情况。 常用加工方法的经济加工精度及粗糙度可查阅有关工艺手册。,加工方案的确定 根据主要表面的精度和表面的粗糙度的要求，初步确定为达到这些要求所需要的加工方法。 例如，对于孔径不大的IT7级精度的孔，最终加工方法取精铰时，则精铰孔前通常要经过钻孔、扩孔和粗铰孔等加工。 表3-13-3列出了钻、镗、铰等几种加工方法所能达到的精度等级及其工序加工余量。,平面类零件斜面轮廓加工方法的选择 （1）有固定斜角的外形轮廓面 如图3-5所示 （2）有变斜角的外形轮廓面 如图3-6所示,图3-5 固定斜角斜面加工 图3-6 变斜角斜面加工,3.1.4 工序与工步的划分,数控加工工艺路线设计与普通机床加工工艺路线设计的主要区别,在于它往往不是指从毛坯到成品的整个工艺过程，而仅是几道数控加工工序工艺过程的具体描述。因此在工艺路线设计中一定要注意到，由于数控加工工序一般都穿插于零件加工的整个工艺过程中，因而要与其它加工工艺衔接好。常见工艺流程如右图所示。,工序的划分,（1）按零件装卡定位方式划分工序。,图3-7 片状凸轮,如图3-7所示的片状凸轮，按定位方式可分为两道工序，第一道工序可在数控机床上也可普通机床上进行。以外圆表面的B平面定位加工端面A和直径22H7的内孔，然后再加工端面B和4H7的工艺孔；第二道工序以已加工过的两个孔和一个端面定位，在另一台数控铣床或加工中心上铣削凸轮外表面轮廓。,（2）按粗、精加工划分工序（即先粗加工再精加工 ）,如图3-8所示批量生产的零件，第一道工序在数控车床上进行粗车削时，应切除整个零件的大部分余量；第二道工序在另一台数控车床上进行半、精车削，以保证加工精度和表面粗糙度的要求。,图3-8 车削加工的零件,（3）按所用刀具划分工序,为了减少换刀次数，压缩空程时间，减少不必要的定位误差，可按刀具集中工序的方法加工零件，即在一次装夹中，尽可能用同一把刀具加工出可能加工的所有部位，然后再换另一把刀加工其他部位。在专用数控机床和加工中心中常采用这种方法。,工步的划分,先粗后精的原则 先面后孔的原则 刀具集中的原则,3.1.5 零件的定位与安装,定位安装的基本原则,1）力求设计、工艺与编程计算的基准统一。 2）尽量减少装夹次数，尽可能在一次定位装夹中加工出全部 待加工面。 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。 如图下图a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。在夹紧图b所示的薄壁箱体时，夹紧力不应作用在箱体的顶面，而应作用在刚性较好的凸边上，或改为在顶面上三点夹紧，改变着力点位置，以减小夹紧变形,如图c所示。,a) b) c) 夹紧力作用点与夹紧变形的关系,选择夹具的基本原则,数控加工的特点对夹具提出了两个基本要求：一是要保证夹具的坐标方向与机床的坐标方向相对固定；二是要协调零件和机床坐标系的尺寸关系。此外，还要考虑以下四点： 1）当零件加工批量不大时，应尽量采用组合夹具、可调式夹具及其他通用夹具，以缩短生产准备时间、节省生产费用。在成批生产时才考虑专用夹具，并力求结构简单。 2）零件的装卸要快速、方便、可靠，以缩短机床的停顿时间。 3）夹具上各零部件应不妨碍机床对零件各表面的加工，即夹具要开敞，其定位、夹紧机构元件不能影响加工中的走刀。,4）在成批生产中还可以采用多位、多件夹具，或直接采用柔性夹具。例如在数控铣床或立式加工中心的工作台上，可安装一块与工作台大小一样的平板，如下图。它即可作为大工件的基础板，也可作为多个中小工件的公共基础板，依次加工并排装夹的多个中小工件。,新型数控夹具元件,柔性夹具,（图片中红色的为工件）,3.1.6 数控加工刀具及对刀仪,数控刀具材料,涂层硬质合金刀具,陶瓷刀片,PCBN刀片,PCD焊接式车刀,PCD转位式刀片,PCD刀片,数控加工刀具,车削加工刀具 ：常用机夹式可转位刀具 ，结构如图3-10所示。,图3-10 机夹式可转位车刀,刀片是机夹可转位刀具的一个最重要组成元件。按照国家标准GB/T 2076-1987切削刀具用转位刀片型号表示规则，可转位刀片的形状和表达特性如图3-11所示。,铣削加工刀具,1）铣刀的选择：平面零件周边轮廓的加工，常采用立铣刀。铣平面时，应选硬质合金刀片铣刀；加工凸台、凹槽时，选高速钢立铣刀；加工毛坯表面或粗加工孔时，可选镶硬质合金的玉米铣刀 ；对一些立体型面和变斜角轮廓外型的加工，常采用球头铣刀、环形铣刀、鼓形铣刀、锥形铣刀和盘形铣刀等，如图3-14 。,图3-14 常用铣刀 a) 球头铣刀 b) 环形铣刀 c) 鼓形铣刀 d) 锥形铣刀 e)盘形铣刀,孔加工刀具 常用的有钻头、镗刀、铰刀和丝锥等。,1）钻头：直径880mm的麻花钻多为莫氏锥柄，可直接装在带有莫氏锥孔的刀柄内；直径为0.120mm的麻花钻多圆柱形，可装在钻夹头刀柄上，中等尺寸麻花钻两种形式均可选用。钻削直径在2060mm、孔的深径比小于等于3的中等浅孔时，可选用图3-15所示的可转位浅孔钻 。,图3-15 可转位浅孔钻,2）镗刀： 镗刀按切削刃数量可分为单刃镗刀和双刃镗刀。镗削通孔、阶梯孔和盲孔可分别选用图3-16a、b、c所示的单刃镗刀。,图3-16 单刃镗刀 a) 通孔镗刀 b）阶梯孔镗刀 c) 盲孔镗刀 1调节螺钉 2紧固螺钉,在孔的精镗中，目前较多地选用精镗微调镗刀 ，其结构如图3-17所示。,图3-17 微调镗刀 1刀体 2刀片 3调整螺母 4刀杆 5螺母 6拉紧螺钉 7导向键,3）铰刀： 数控机床上使用的铰刀多是通用标准铰刀。此外，还有机夹硬质合金刀片单刃铰刀和浮动铰刀等。 加工精度IT8IT9级、表面粗糙度Ra为0.81.6的孔时，多选用通用标准铰刀。加工精度IT5IT7级、表面粗糙度Ra为0.7m的孔时，可采用机夹硬质合金刀片的单刃铰刀。这种铰刀的结构如图3-18所示 。,图3-18 硬质合金单刃铰刀,铰削精度为IT6IT7级，表面粗糙度Ra为0.81.6m的大直径通孔时，可选用专为加工中心设计的浮动铰刀。图3-19所示的即为加工中心上使用的浮动铰刀。,图3-19 加工中心上使用的浮动铰刀 1刀杆体 2可调式浮动铰刀体 3 圆锥端螺钉 4 螺母 5定位滑块 6螺钉,数控机床的工具系统,把通用性较强的几种装夹工具（例如装夹铣刀、镗刀、扩铰刀、钻头和丝锥等）系列化、标准化就成为通常所说的工具系统。,我国除了已制定的标准刀具系列外，还建立了TSG82数控工具系统， 如教材图3-20所示。该系统是镗铣类数控工具系统，是一个联系数控机床（含加工中心）的主轴与刀具之间的辅助系统。TSG82工具系统各种辅具和刀具具有结构简单、紧凑、装卸灵活、使用方便、更换迅速等特点 。,对刀仪,对刀仪是用来调整或测量刀具尺寸的。对刀仪结构有许多种，其对刀精度0.1-0.001mm。从结构上来讲，有直接接触式测量和光屏投影放大测量两种。读数方法也各不相同，有的用圆盘刻度或游标读数，有的则用光学读数头或数字显示器等。,图3-21是数控铣床和加工中心常用的两种对刀仪的示意图,（a） 图3-21 对刀仪,图3-21(a) 是将刀具安装在刀座上后，调整镜头，就可以在屏幕上见到放大的刀具刃口部分的影像，此时调整屏幕使米字刻线与刃口重合，即完成对刀，同时在数字显示器上可读出相应的直径和轴向尺寸值。,（b） 图3-21 对刀仪,图3-21(b)是将刀具接触压力传感器的对刀面，通过压力传感器的指示灯和机床坐标显示来进行对刀的。,加工中心自动对刀系统是由对刀器、APT信号转换器及通讯电缆及测头组成。 可自动进行刀具长度对刀、直径对刀；自动进行刀具长度及直径的补偿，并进行自动修正；工件坐标原点的位置测量。 如果机床主轴并未采用高速轴承，即不是陶瓷主轴，则可采用此刀具自动对刀系统。,车床用对刀仪 图3-22是光学对刀仪；图3-23是HPA（High Precision Arm）刀具测量系统,图3-22 光学对刀仪 3-23 HPA刀具测量系统,3.1.7 切削用量的确定,切削用量包括主轴转速（切削速度）、背吃刀量、进给量。 合理选择切削用量的原则： 粗加工时，一般以提高生产率为主，但也应考虑经济性和加工成本；半精加工和精加工时，应在保证加工质量的前提下，兼顾切削效率、经济性和加工成本。具体数值应根据机床说明书、切削用量手册，并结合经验而定。,背吃刀量ap（mm）：主要根据机床、夹具、刀具和工件的刚度来决定。在刚度允许的情况下，应以最少的进给次数切除加工余量，最好一次切净余量，以便提高生产效率。在数控机床上，精加工余量可小于普通机床，一般取（0.20.5）mm。,主轴转速n（r/min） ：主要根据切削速度v (m/min)选取。 n =1000v/D v切削速度，由刀具的耐用度决定，可查有关手册 或刀具说明书。常用几种刀具切削速度见教材附表。 D工件或刀具直径（mm）,进给量（进给速度）f（mm/min或mm/r）： 主要根据零件的加工精度和表面粗糙度要求，以及刀具、工件的材料性质选取。当加工精度，表面粗糙度要求高时，进给量数值应小些，一般在2050mm/min范围内选取。最大进给量则受机床刚度和进给系统的性能限制，并与脉冲当量有关。,在选择进给速度时，还要注意零件加工中的某些特殊因素。如在轮廓加工中，当零件轮廓有拐角时，刀具容易产生“超程”现象 。如图3-24所示 。,图3-24 超程误差与控制,3.1.8 数控加工路线的确定,在数控加工中，刀具刀位点相对于工件运动的轨迹称为加工路线。所谓“刀位点”是指刀具对刀时的理论刀尖点。如车刀、镗刀的刀尖；钻头的钻尖；立铣刀、端铣刀刀头底面的中心，球头铣刀的球头中心等。,平头铣刀 球头铣刀 车刀 钻头,加工路线的确定原则： 1）加工路线应保证被加工零件的精度和表面粗糙度，且 效率较高。 2）使数值计算简单，以减少编程工作量。 3）应使加工路线最短，这样既可减少程序段，又可减少 空刀时间。 此外，确定加工路线时，还要考虑工件的加工余量和机床、刀具的刚度等情况，确定是一次刀，还是多次走刀来完成加工，以及在铣削加工中是采用顺铣还是逆铣等。,车削加工路线的确定,（1）最短的切削加工路线 图3-25为粗车几种不同切削进给路线的安排示意图。在同等条件下，图3-25c其切削所需时间（不含空行程）最短，刀具的损耗最少。,图3-25 粗车进给路线示例,（2）大余量毛坯的阶梯切削加工路线 图3-26所示为车削大余量工件两种加工路线，图3-26a是错的阶梯切削路线，图b按15的顺序切削，每次切削所留余量相等，是正确的阶梯切削路线。,图3-26 大余量毛坯的阶梯切削路线,（ 3 ）完整轮廓的连续切削进给路线,零件精加工时，其完整轮廓应由最后一刀连续加工而成，加工刀具的进、退刀位置要考虑妥当，尽量不要在连续的轮廓中安排切入和切出或换刀及停顿，以免因切削力突然变化而造成弹性变性，致使光滑连接轮廓上产生表面划伤、形状突变或滞留刀痕等缺陷。,（4）特殊的加工路线,例如，当采用尖形车刀加工大圆弧内表面零件时，安排两种不同的进给方法如图3-27所示，其结果是不相同的。图3-28 有嵌刀现象 ，图3-29所示进给方案是较合理的。,图3-27 两种不同的进给方法,图3-28 嵌刀现象 图3-29 合理的进给方案,（5）车削螺纹加工路线,在车螺纹时，沿螺距方向的进给要有引入距离1和超越距离2。如图3-30所示。一般1为25mm，对大螺距和高精度的螺纹取大值；2一般取1的1/4左右。若螺纹收尾处没有退刀槽时，收尾处的形状与数控系统有关，一般按45°退刀收尾。,图3-30 车削螺纹时引入距离,铣削加工路线的确定 （1）顺铣和逆铣,当工件表面无硬皮，机床进给机构无间隙时，应选用顺铣； 当工件表面有硬皮，机床的进给机构有间隙时，应采用逆铣。,图3-31 刀具切入和切出外轮廓的加工路线,（2）铣削外轮廓的加工路线,刀具切入零件时，应沿切削起始点延伸线（图3-31a）或切线方向（图3-31b）逐渐切入工件，保证零件曲线的平滑过渡。同样，在切离工件时，也要沿着切削终点延伸线（图3-31a）或切线方向（图3-31b）逐渐切离工件。,（3）铣削内轮廓的加工路线,同铣削外轮廓一样，刀具同样不能沿轮廓曲线的法向切入和切出。此时刀具可以沿一过渡圆弧切入和切出工件轮廓。图3-32所示为铣切内圆的加工路线。,图3-32 刀具切入和切出内轮廓的加工路线,（4）铣削内槽的加工路线,图3-33所示为加工内槽的三种加工路线。图3-33a 和图3-33b分别用行切法和环切法加工内槽。共同点是都能切净内腔中全部面积，不留死角，不伤轮廓，同时尽量减少重复进给的搭接量。不同点是行切法的加工路线比环切法短，但行切法将在每两次进给的起点与终点间留下了残留面积，而达不到所要求的表面粗糙度；用环切法获得的表面粗糙度要好于行切法，但环切法需要逐次向外扩展轮廓线，刀位点计算稍微复杂一些。综合行、环切法的优点，采用图3-33c所示的加工路线，即先用行切法切去中间部分余量，最后用环切法切一刀，既能使总的加工路线较短，又能获得较好的表面粗糙度。,（5）铣削曲面的加工路线,采用图3-34a加工方案时，每次沿直线加工，刀位点计算简单，程序少，加工过程复合直纹面的形成，可以准确保证母线的直线度；采用图3-34b加工方案时，符合这类零件数据给出情况，便于加工后检验，叶形的准确度高，但程序较多。,图3-34 铣曲面的两种加工路线,孔加工路线的确定,孔加工时，一般是首先将刀具在xy平面内快速定位运动到孔中心线的位置上，然后刀具再沿z向（轴向）运动进行加工。,（1）确定xy平面内的加工路线,定位迅速、空行程时间短。如加工图3-35所示零件。,图3-35 最短加工路线设计示例,定位准确、避免反向间隙对孔位精度的影响。例如，镗削下图3-36a所示零件上的4个孔。图3-36c所示加工路线避免反向间隙的引入，提高了4孔的定位精度。,（2）确定z向（轴向）的加工路线,刀具在z向的加工路线分为快移进给路线和工作进给路线。图3-37a为单孔加工路线。图3-37b为多孔加工路线。,图3-37 刀具z向加工路线设计示例 快速移动进给路线 -工作进给路线,加工不通孔时，工作进给距离：ZF = Za + H + Tt 加工通孔时，工作进给距离：ZF = Za + H + Zo + Tt,表3-4 刀具切入切出距离 （mm）,3.1.9 工艺文件的制定,零件的加工工艺设计完成后，就应该将有关内容填入各种相应的表格（或卡片）中。以便贯彻执行并将其作为编程和生产前技术准备的依据，这些表格（或卡片）被称为工艺文件。数控加工工艺文件除包括机械加工工艺过程卡、机械加工工艺卡、数控加工工序卡、数控加工刀具卡。另外为方便编程也可以将各工步的加工路线绘成文件形式的加工路线图。,1机械加工工艺过程卡 机械加工工艺过程卡是以工序为单位，简要地列出整个零件加工所经过的工艺路线（包括毛坯制造、机械加工和热处理等）。它是制订其它工艺文件的基础，也是生产准备、编排作业计划和组织生产的依据。在这种卡片中，由于各工序的说明不够具体，故一般不直接指导工人操作，而多作为生产管理方面使用。但在单件小批生产中，由于通常不编制其它较详细的工艺文件，而就以这种卡片指导生产。,2机械加工工艺卡片 机械加工工艺卡片是以工序为单位，详细地说明整个工艺过程的一种工艺文件。它是用来指导工人生产和帮助车间管理人员和技术人员掌握整个零件加工过程的一种主要技术文件，是广泛用于成批生产的零件和重要零件的小批生产中。机械加工工艺卡片内容包括零件的材料、毛坯种类、工序号、工序名称、工序内容、工艺参数、操作要求以及采用的设备和工艺装备等。,3数控加工工序卡,4数控加工刀具卡,3.2 图形的数学处理,图形的数学处理就是根据零件图样的要求，按照已确定的加工路线和允许的编程误差，计算出数控系统所需输入的数据。 图形数学处理的内容主要有三个方面，即基点和节点计算、刀位点轨迹计算和辅助计算。,3.2.1 基点计算,各几何元素间的连接点称为基点。如两直线的交点，直线与圆弧的交点或切点，圆弧与圆弧的交点或切点，圆弧或直线与二次曲线的切点或交点等。 基点计算方法：根据图纸给定条件，用几何法、解析几何法、三角函数法或用AutoCAD画图求得。,3.2.2 节点计算,在满足允许编程误差的条件下，用若干直线段或圆弧端分割逼近给定的曲线。相邻直线段或圆弧段的交点或切点称为节点。,1等间距法直线逼近节点计算,特点：每个程序段的某一个坐标增量相等。在直角坐标系中可使相邻节点的x坐标增量或y 坐标增量相等；在极坐标系中，可使相邻节点间的转角坐标增量或径向增量相等 。,从起点开始沿x轴方向x取为等间距长，由曲线方程 y = f (x) 求得yi，设xi+1 = xi +x，yi+1 = f (xi+x)，可求出一系列节点坐标值作为编程数据。,x取决于曲线的曲率和允许误差允，常根据加工精度凭经验选取，一般选取x=0.1mm，再进行误差验算。在上图中，mn为一逼近直线段，作mn平行于mn且与曲线的距离为逼近允许误差允，则mn的方程为： Ax + By + C = 0,式中：A = yn - ym，B = xn - xm，C = ymxn - xmyn。 mn的方程为： Ax + By = C ± 式中：为直线mn与mn间的距离。 允，一般取允为零件公差的1/51/10。 联立上述二方程得： Ax + By = C ± y= f(x),2等步长法直线逼近节点计算,特点：使所有逼近线段的长度相等，亦即每个程序段的长度相等。,（1）求曲线最小曲率半径Rmin 曲线y= f(x)上任一点的曲率半径为： R = 令dR/dx = 0得： 由 y=f(x) 求得 、 、 ，从而可得到x轴坐标，再代入 曲率半径公式即可求得Rmin。,（2）确定步长,以Rmin为半径作曲率圆（图3-40）。允对应的弦长l为：,图3-40 等步长法求节点,（3）求节点 以曲线起点a为圆心，以l半径作圆，求出该圆与已知曲线的交点b，即解方程组： ( x - x0 )2 + ( y - y0 )2 = l 2 y = f(x) 其解作为节点b的坐标。顺次以b、c 为圆心，重复（3）及可求出各节点的坐标值。,3等误差法（变步长法）直线逼近节点计算,特点：使零件轮廓曲线上各逼近线段的逼近误差相等，且小于或等于允，各逼近线段的长度不相等 。,（1）以起点（x0，y0）为圆心，允为半径作圆，方程为：(x - x0) 2+ (y - y0) 2 = 允2,（2）求圆与轮廓曲线公切线的斜率k 设公切线方程为： y = kx + b 式中：k = (Y1 - Y0) / (X1 - X0)。因此求k即相当于求出两切点的坐标，即（X0，Y0），（X1，Y1）。,联立方程得： Y1 - Y0 = f(X1) · (X1 - X0) （曲线切线方程） (X0 - x0)2 + (Y0- y0)2 = 允2 （圆方程） Y1 - Y0 = F(X0) · (X1- X0) （圆切线方程） Y1 = f (X1) （曲线方程） 其中F(x)表示圆的方程。由此可解得 (X0，Y0)，(X1，Y1)。,（3）求节点 过起点（x0，y0）作斜率为k的直线y - y0 = k (x - x0) 与曲线方程联立：y - y0 = k（x - x0） y = f (x) 求得第一个节点的坐标（x1，y1），再重复计算可得其余各节点。,4圆弧逼近轮廓的节点计算,零件轮廓曲线可用一段段的圆弧逼近，常用的有曲率圆法、三点圆法和相切圆法等。本书介绍曲率圆法，它是一种等误差圆弧逼近法，应用于曲线 y = f (x) 为单调的情形。若不是单调曲线则可以在拐点处分段，使每段曲线为单调。,（1）从轮廓曲线y = f (x) 的起点(xn，yn)开始作曲率圆（图3-42） 半径： 圆心坐标： n = xn - yn· 1+(yn)2yn n = yn + 1 + (yn)2yn,图3-42 曲率圆法求节点,（2）求偏差圆与曲线的交点，即解联立方程组 (x -n)2 + (y-n)2 = (Rn ± 允)2 y = f (x) 得交点（xn+1，yn+1）。当曲线曲率递减时取（Rn+允），当曲线曲率递增时，取(Rn-允)。,（3）求过（xn，yn）和（xn+1，yn+1）两点，半径为Rn的圆的圆心，即解联立方程组。 （x - xn）2 +（y - yn）2 = Rn2 （x - xn+1）2 +（y - yn+1）2 = Rn2 得圆心坐标（m，m）。 （4）重复上述计算可依次求得其他逼近圆弧。 上述计算均可用计算机程序完成。,3.2.3 刀位点轨迹计算,刀位点轨迹计算又称刀具中心轨迹计算，实际就是被加工零件轮廓的等距线计算。 具体求法：首先分别写出零件轮廓曲线各程序段的等距线方程（距离为刀具半径r刀），再求出各相邻程序段等距线的基点或节点坐标，即求解等距线方程的公共解。,直线的等距线方程为： 圆的等距线的方程为：（x-）2 +（y -）2 =（R ± r刀）2,例：如图3-43所示的零件轮廓，求解刀位点b的坐标 (r刀 = 5mm)。联立圆弧ab和直线bc的等距线方程： 解得b的坐标为（24.395，19.220）。,图3-43 按刀具中心编程的基点计算,3.2.4 零件轮廓为列表曲线的数学处理,列表曲线的数学处理较为复杂，一般的处理方法是根据列表点选择一个或多个插值方程描述（常称为第一次曲线拟合），再根据插值方程采用直线圆弧插补方法逼近列表曲线或曲面（常称为第二次曲线拟合）。,1三次样条函数拟合,样条函数是模拟绘图样条而得出的一个分段多项式函数，常利用样条函数插值法对列表曲线进行逼近。在相邻三个列表点间建立的样条函数称为二次样条，而在四个列表点间建立的样条函数称为三次样条函数。,圆弧样条拟合是一种较简单的曲线拟合方法，它利用样条的思想，使用圆弧这一最简单的二次曲线产生圆弧样条，用若干相切的圆弧拟合轮廓曲线。具体方法是：对于给定的n+1个列表点（又称型值点）Pi (i = 0、1、3、，n)，要求过每一点作一段圆弧，并且使相邻圆弧在相邻两节点弦的垂直平分线上相切，如图3-44所示。编程时取圆弧样条中两个相切圆弧的参数（曲率半径、圆心、节点等）编制两个圆弧程序段，总体曲线程序段数与列表点相等。,2圆弧样条拟合,图3-44 圆弧样条原理,3.2.5 工件轮廓为简单三坐标立体型面的数值计算,球头铣刀数控加工一般只有3个垂直移动坐标的数控机床上进行，要求刀轴方向始终保持不变（一般为z轴方向），因此要求立体型面在刀轴方向上为单调曲面，如图3-45所示。为改善切削性能，有益于加工速度的改善和加工表面质量的提高，将加工曲面平坦方向倾斜一定角度（如图3-46b所示）。,图3-45,图3-46,1刀位点坐标的计算,球头铣刀加工到曲面的任一点时其刀位点的向量： rc = rp + R n 式中 rc 刀位点的点矢； rp 曲面上刀具切触点P的点矢； R 球头铣刀半径； n 曲面在切触点P处的单位法向量。,由于刀轴（z轴）方向保持不变，刀轴向量也不变。上式的分量式为： xc = xp + R nx yc = yp + R ny zc = zp + R nz 其中nx，ny，nz 为刀轴向量在x，y，z轴的投影 。,2简单立体型面加工的计算,简单立体型面是指以某一直线为母线，沿生成线轨迹运动而形成的立体型面。这类立体型面一般都采用球头铣刀以行切法加工。如图3-48。简单立体型面行切法的数值计算主要由行距与加工截面内刀具有效半径的计算。,图3-48 空间曲面的行切法加工,（1）行距的计算 两次刀具进给的距离，即行距。行距的确定要依据加工表面粗糙度所允许的h允值和铣刀半径R的值。,用球头铣刀加工立体型面时，刀痕在行间构成加工表面不平度h，称为切残量。由图3-49b中的OAB可知：,图3-49,（略去h2允）,式中为母线的倾角，由图可知= 90°-。当母线为曲线时，角取决于曲线在该点处的斜率。,（2）加工截面内刀具有效半径的计算,如图3-49中刀具有效半径为：r = R sin,3球头铣刀半径的选择,（1）球头铣刀半径应小于加工表面凹处的最小曲率半径，即：,（2）在允许切残量h允相同的条件下，选择较大的刀具半径可 提高加工效率。 （3）刀具半径的大小应与加工表面的大小相匹配，不要采用半 径很大的球头刀加工很小的表面，否则刀具容易与工件表 面发生干涉。,3.2.6 辅助计算,1增量值计算 增量值计算仅就增量坐标的数控系统或绝对坐标中某些数据仍要求以增量方式输入时，所进行的由绝对坐标数据到增量坐标数据的转换。 其换算公式为： 增量坐标值 = 终点坐标值 - 起点坐标值,例如：要求以直线插补方式，使刀具从a点（起点）运动到b点（终点），已计算出a点坐标为（Xa，Ya）,b点坐标为（Xb，Yb），若以增量方式表示时，其X、Y轴方向上的增量分别为X = Xb - Xa，Y = Yb - Ya。,2辅助程序段计算,辅助程序段是指开始加工时，刀具从起始点到切入点，或加工完了时，刀具从切出点返回到起始点而特意安排的程序段。切入点位置的选择应依据零件加工余量的情况，适当离开零件一段距离。切出点位置的选择，应避免刀具在快速返回时发生撞刀，也应留出适当的距离（见表3-4）。,3螺纹牙顶、牙底计算,普通螺纹的牙型理论高度H=0.866P（P为螺距） ，实际加工时，由于螺纹车刀刀尖半径的影响和安装的需要，螺纹实际牙型高度 为： h = H 2 (H/8) = 0.6495 H,式中 H螺纹三角形高度，H=0.866P(mm)； P螺距(mm)。,螺纹牙顶d'和牙底可用下式计算： d' = d -0.2165P d1= d' -1.299P,式中 d 螺纹公称尺寸（螺纹大径）(mm)； d1螺纹牙底尺寸(mm)；d' 螺纹实际牙顶尺寸(mm)。,如果螺纹牙型较深、螺距较大，可分几次进给。每次进给的背吃刀量用螺纹深度减去精加工背吃刀量所得的差按递减规律分配，如下图。常用螺纹切削的进给次数与背吃刀量可参考表3-7选取。,',表3-7 常用螺纹切削的进给次数与背吃刀量 （mm）,3.3 典型零件的数控加工工艺分析,3.3.1 轴类零件的数控车削加工工艺,以右图零件为例，介绍其数控车削加工工艺。用MJ460数控车床加工。,1零件图工艺分析,该零件表面有圆柱、圆锥、顺圆弧、逆圆弧及螺纹等表面组成。其中多个直径尺寸有较严格的尺寸精度和表面粗糙度等要求；球面S50mm的尺寸公差还兼有控制该球面形状（线轮廓）误差的作用。尺寸标注完整，轮廓描述清楚。零件材料为45号钢，无热处理和硬度要求。 通过上述分析，采取以下几点工艺措施。 1）对图样上给定的几个精度（IT7IT8）要求较高的尺寸，因其公差数值较小，故编程时不必取平均值，而全部取其基本尺寸即可。 2）在轮廓曲线上，有三处为过象限圆弧，其中两处为既过象限又改变进给方向的轮廓曲线，因此在加工时应进行机械间隙补偿，以保证轮廓曲线的准确性。 3）为便于装夹，毛坯件左端应预先车出夹持部分（双点划线部分），右端面也应先车出并钻好中心孔。毛坯选60mm棒料。,2确定装夹方案 确定毛坯件轴线和左端大端面（设计基准）为定位基准。左端采用三爪自定心卡盘定心夹紧、右端采用活动顶尖支承的装夹方式。,3确定加工顺序 加工顺序按由粗到精的原则确定。即先从右到左进行粗车（留0.20mm精车余量），然后从右到左进行精车，最后车削螺纹。MJ460数控车床具有粗车循环和车螺纹循环功能，只要正确使用编程指令，机床数控系统就会自行确定其加工路线，因此，该零件的粗车循环和车螺纹循环不需要人为确定其加工路线。但精车的加工路线需要人为确定，该零件是从右到左沿零件表面轮廓进给加工。,4数值计算 为方便编程，可利用AutoCAD画出零件图形，然后取出必要的基点坐标值；利用公式对螺纹牙顶、牙底进行计算。 （1）基点计算 以图O点为工件坐标原点，则A、B、C三点坐标（mm）分别为： XA=40mm（直径量）、ZA=-69 mm；XB=38.76 mm（直径量）、ZB=-99 mm；XC=56 mm（直径量）、ZC=-154.09 mm。 (2) 螺纹牙顶d' 、牙底d1计算 d' = d -0.2165P=(30-0.2165×2)mm=29.567 mm； d1= d' -1.299P=(29.567-1.299×2)mm=26.969mm。,5选择刀具 1）粗车、精车均选用35°菱形涂层硬质合金外圆车刀，副偏角48°，刀尖半径0.4mm，为防与工件轮廓发生干涉，必要时应用AutoCAD作图检验。 2）车螺纹选用硬质合金60°外螺纹车刀，取刀尖圆弧半径0.2mm。 6选择切削用量 （1）背吃刀量 粗车循环时，确定其背吃刀量ap=2mm；精车时，确定其背吃刀量ap=0.2mm。M30螺纹共分5次车削，但每次背吃刀量不同，查表3-7确定为（直径量）：0.9、0.6、0.6、0.4、0.1（mm）。,（2）主轴转速 1）车直线和圆弧轮廓时的主轴转速：查表取粗车时的切削速度v=90m/min ,精车时的切削速度v=120m/min，根据坯件直径（精车时取平均直径），利用式n=1000v/d计算，并结合机床说明书选取：粗车时，主轴转速n=500r/min；精车时，主轴转速n=1200r/min。 2）车螺纹时的主轴转速：按公式np1200（n为主轴转速，p为螺距）。取主轴转速n=320r/min。 （3）进给速度 粗车时，选取进给量f = 0.3 mm/r，精车时选取f = 0.05 mm / r。车螺纹的进给量等于螺纹导程，即f = 2mm/r。,7数控加工工艺文件的制定 1）数控加工工序卡片,2）数控加工刀具卡片,3.3.2 平面凸轮零件的数控铣削加工工艺,图3-53为平面槽形凸轮，试分析其数控铣削加工工艺。2轴以上联动数控铣床加工。,1零件图纸工艺分析 该零件是平面槽形凸轮，其轮廓由圆弧和直线组成，需要两轴以上联动的数控铣床加工。毛坯材料为铸铁，切削加工性能较好。该零件在数控铣削加工前，是一个经过加工、含有两个基准孔、外直径为280mm、厚度为18mm的圆盘。圆盘底面A及35G7和12H7两孔可用作定位基准。凸轮槽内外轮廓面对A面有垂直度要求，只要提高装夹精度，使A面与铣刀轴线垂直，即可保证。,图3-53,2确定装夹方案 根据凸轮的结构特点，采用“一面两孔”定位，设计下图“一面两销”专用夹具。用一块320mm×320mm×40mm的垫块，在垫块上分别精镗35mm及12mm两个定位销安装孔。孔距为80±0.015mm，垫块平面度为0.05mm，加工前先固定垫块，使两定位销孔的中心连线与机床的x轴平行，垫块的平面要保证与工作台面平行，并用百分表检查。,1开口垫圈 2带螺纹圆柱销 3压紧螺母 4带螺纹削边销 5垫圈 6工件 7垫块,3确定加工路线 加工路线包括平面内进给和深度进给两部分路线。对平面内进给，对外凸轮廓从切线方向切入，对内凹轮廓从过渡圆弧切入。在2.5轴联动的数控铣床上，对铣削平面槽形凸轮，深度进给有两种方法：一种方法是在xz(或yz)平面内来回铣削逐渐进刀到既定深度；另一种方法是先打一个工艺孔，然后从工艺孔进刀到既定深度。