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1、第3章 数控加工工艺与图形的数学处理,3.1 数控加工工艺,3.2 图形的数学处理,思考题与习题,3.3 典型零件的数控加工工艺分析,本章小结,本章学习目标：本章讲述数控加工工艺与图形数学处理的基本内容与方法，并以典型实例讲述了零件的数控加工工艺分析及其工艺文件的制定。是数控机床编程中的基本内容，为学习后续各章内容打好基础。本章要求理解数控加工工艺分析与图形数学处理的基本概念和基本内容，掌握数控加工工艺分析与图形数学处理的方法，并能熟练地制定数控加工工艺文件。,本章教学学时：8学时,本章教学要求重点 数控加工工艺分析与图形数学处理的基本概念；数控加工工艺分析的内容与方法，数控加工工艺 文件的制
2、定。难点 数控加工工艺文件的制定。,3.1 数控加工工艺,数控加工工艺分析的重要性 1.对于一个零件来说，并非全部加工工艺过程都适合在数控机床上完成，而往往只是其中的一部分工艺内容适合数控加工。2.在数控加工中无论是手工编程还是自动编程，编程以前都要对所加工的零件进行工艺分析，拟定加工方案，选择合适的刀具，确定切削用量。3.在编程中，对一些工艺问题（如对刀点、加工路线等）和图形（如图形的基点、节点等）也需做一些处理。因此程序编制中的工艺分析是一向十分重要的工作。,3.1.1 机床的合理选用 根据国内外数控机床技术应用实践，数控机床加工的适用范围可用图3-1和3-2定性分析。,图3-1 零件复杂
3、程度与零件批量的关系 图3-2 零件批量与总加工费用的关系,图3-1表明了随零件的复杂程度和生产批量的不同，三种机床适用范围的变化。,当零件不太复杂，生产批量不太大时，宜采用通用机床；当生产批量很大时，数控机床就显得更为适用了。,图3-2表明了随生产批量的不同，采用三种机床加工时，综合费用的比较。由图可知，在多品种、小批量（100件以下）的生产情况下，使用数控机床可获得较好的经济效益。零件批量的增大，对选用数控机床是不利的。,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，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
4、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。
5、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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、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,
11、3.1.6 数控加工刀具及对刀仪,数控刀具材料,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
12、-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）
13、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
14、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
15、,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
16、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；
17、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m
18、m/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。,
