智能数控机床与编程 课件 第5章 数控加工工艺及其智能化

第5章数控加工工艺及其智能化

5.1数控加工工艺基础5.2数控加工工艺设计

5.3数控加工夹具

5.4数控加工刀具5.5数控加工工艺智能优化5.6本章小结

思维导图

（1）掌握数控加工工艺基础知识；（2）掌握数控加工工艺设计的主要内容；（3）掌握工件定位的基本原理，熟悉常见夹具功能及定位方式；（4）熟悉常用数控车床、铣床和加工中心的刀具用途；（5）了解数控加工工艺智能优化项目及方法。

学习目标

一、数控加工

二、数控加工工艺

三、数控加工工艺分析

§5.1数控加工工艺基础一、数控加工（1）数控加工的对象根据数控加工的特点，最适合于数控加工的零件是：1）多品种、多规格、中小批量的零件生产，特别适合新产品的试制生产；2）加工精度、表面粗糙度要求高的零件；3）形状、结构复杂，尤其是具有复杂曲线、曲面轮廓的零件；4）加工中的错误会造成浪费严重的贵重零件；5）在加工过程中必须进行多种加工的零件；6）在普通机床上加工生产效率低，劳动强度大，质量难以稳定控制的零件。一、数控加工（2）数控加工的步骤数控加工大致有如下几个步骤：第一步：阅读零件图样，充分了解图样的技术要求；第二步：根据零件图样的要求进行工艺分析；第三步：根据零件图和制定的加工工艺方案，再按照所用数控系统规定的指令代码及程序格式进行数控编程；第四步：将零件加工程序，存储在程序载体上（如U盘），或通过网络，输入到数控机床的数控系统内；第五步：检验与修改加工程序。数控加工步骤一、数控加工（3）机械加工精度机械加工精度是指零件加工后的实际几何参数（尺寸、几何形状和相互位置）与理想几何参数相符合的程度。零件加工后的实际几何参数与理想几何参数的偏离程度称为加工误差。加工误差的大小反映了加工精度的高低。加工精度主要包括三方面内容：1）尺寸精度；2）形状精度；3）位置精度一、数控加工（4）机械加工表面质量机械加工表面质量是指零件在机械加工后表面层的微观几何形状误差和物理、化学及力学性能。机械加工表面质量的含义有两方面的内容：一方面是表面的几何特性，另一方面是表面层的物理力学性能。表面的几何特性：1）表面粗糙度；2）表面波度；3）表面纹理方向；4）伤痕表面层的物理力学性能：主要表现在：1）加工表面的冷作硬化；2）表面层金相组织变化；3）表面层产生残余应力或造成原有残余应力的变化。表面几何特性二、数控加工工艺数控加工工艺是采用数控机床加工零件时所运用的各种方法和技术手段的总和，是人们对大量数控加工实践的总结。（1）提高机械加工表面质量的工艺措施1）选择合理的切削用量；2）选择适当的刀具几何参数；3）改善工件材料的性能；4）选择合适的切削液；5）选择合理的刀具材料；6）防止或减小工艺系统的振动（2）数控加工工艺规程设计机械加工工艺规程是零件生产中关键性的指导文件，主要包括：1）工艺规程的设计原则；2）工艺规程的设计步骤；3）数控加工工艺的主要内容三、数控加工工艺分析（1）数控加工的零件图分析首先应分析零件在产品中的作用、位置、装配关系和工作条件，搞清楚各项技术要求对零件装配质量和使用性能的影响，找出主要的和关键的技术要求，然后对零件图样进行详细分析。主要包括：1）零件图的完整性和正确性分析；2）零件的技术要求分析；3）零件材料分析；4）零件尺寸标注分析（2）数控加工零件的结构工艺性分析是指零件在满足使用性能的前提下，制造的可行性和加工的经济性。

一、毛坯种类及选择

二、定位基准的选择

三、表面加工方法的选择

四、加工阶段的划分

五、加工顺序的安排

§5.2数控加工工艺设计六、加工余量的确定七、切削用量的确定八、走刀路线的确定九、数控加工工艺文件的编制一、毛坯种类及选择（1）毛坯种类机械零件常用的毛坯种类有铸件、锻件、焊接件、冲压件、型材等。铸件：铸件形状一般不受限制，可以用于形状较复杂的零件毛坯锻件：锻件适用于机械强度和韧性较高、形状比较简单的零件毛坯焊接件：焊接件尺寸和形状一般不受限制，根据需要将型材或钢板等焊接而成的毛坯件冲压件：冲压件是在冲床上用冲模将板料冲制而成，冲压件毛坯可以非常接近成品要求，在小型机械、仪表、轻工电子产品方面应用广泛型材：型材主要用于形状简单的零件一、毛坯种类及选择（2）毛坯选择数控加工中，选择合适的毛坯，对零件的加工质量、加工成本、生产效率都有很大的影响。所以应根据生产类型及生产条件，综合考虑毛坯制造和机加工的费用来确定毛坯，以取得最佳效果。毛坯选择时应考虑下列因素：1）零件的材料及其力学性能；2）生产类型；3）零件的结构形状和外形尺寸；4）生产条件二、定位基准的选择定位基准有粗基准和精基准之分，选择定位基准时，为了保证零件的加工精度，首先考虑的是选择精基准，精基准选定之后，再考虑合理选择粗基准。（1）精基准的选择原则：1）基准重合原则；2）基准统一原则；3）自为基准原则；4）互为基准反复加工原则；5）便于装夹原则（2）粗基准的选择原则：1)重要表面原则；2）相互位置要求原则；3）加工余量合理分配原则；4）不重复使用原则；5）便于装夹原则三、表面加工方法的选择选择表面加工方法时,一般先根据零件的加工要求，查表或根据经验来确定哪些加工方法能达到所要求的加工精度，然后再确定精加工前准备工序的加工方法。由于获得同一精度和粗糙度的加工方法往往有几种，在选择时除了考虑生产率要求和经济效益外，还应根据零件的材料、结构形状、尺寸、生产类型及企业的具体生产条件等因素，选择相应的加工方法和加工方案。四、加工阶段的划分零件的加工质量要求较高时，通常将整个工艺路线划分为粗加工、半精加工和精加工三个阶段。加工质量要求特别高时，还要增加光整加工和超精密加工阶段。五、加工顺序的安排复杂零件的数控加工工艺路线一般包括切削加工、热处理和辅助工序。（1）切削加工顺序的安排原则：1）先粗后精原则；2）基面先行原则；3）先主后次原则；4）先面后孔原则（2）热处理工序的安排：1）预备热处理；2）最终热处理（3）辅助工序的安排辅助工序的种类较多，如检验、去毛刺、倒棱、去磁、清洗、平衡、涂防锈漆和包装等。六、加工余量的确定加工余量是指加工过程中从加工表面上所切去的金属层厚度。加工余量根据零件的不同结构，有单边余量和双边余量之分。对于平面，加工余量是单边余量，等于实际切削的金属层厚度。对于外圆和内孔等旋转表面，加工余量是指双边余量，实际切削的金属层厚度是直径上的加工余量的一半。确定加工余量的方法通常有以下三种：（1）查表修正法；（2）经验估计法；（3）分析计算法七、切削用量的确定切削用量包括切削速度（主轴转速）、背吃刀量、进给速度。（1）切削用量的选择原则：1）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；2）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。从刀具的耐用度出发，切削用量的选择顺序是：1）选取尽可能大的背吃刀量ap；2）其次根据机床动力和刚性限制条件或已加工表面粗糙度的要求，选取尽可能大的进给速度f；3）最后利用切削用量手册选取或者用公式计算确定切削速度vc七、切削用量的确定（2）背吃刀量的选定确定背吃刀量的一般方法：1）在工件表面粗糙度值要求为Ra12.5μm～25μm时，如果数控加工的加工余量小于5mm~6mm，粗加工一次进给就可以达到要求。但在余量较大，工艺系统刚性较差或机床动力不足时，可分多次进给完成。2）在工件表面粗糙度值要求为Ra3.2μm～12.5μm时，可分粗加工和半精加工两步进行。粗加工时的背吃刀量选取同前。粗加工后留0.5mm～1.0mm余量，在半精加工时切除。3）在工件表面粗糙度值要求为Ra0.8μm～3.2μm时，可分粗加工、半精加工、精加工三步进行。半精加工时的背吃刀量取1.5mm～2mm。精加工时背吃刀量取0.3mm～0.5mm。七、切削用量的确定（3）进给量的确定进给量f(mm/r)或进给速度vf(mm/min)主要根据零件的加工精度和表面粗糙度要求以及刀具、工件的材料选取。（4）切削速度的选择切削速度的选取原则是：1）粗车时，因背吃刀量和进给量都较大，切削速度受刀具耐用度和机床功率的限制，应选较低的切削速度；2）精加工时，背吃刀量和进给量都较小，切削速度主要受工件加工质量和刀具耐用度的限制，一般应选较高的切削速度。八、走刀路线的确定确定走刀路线时，要综合考虑工件的形状与刚度、加工余量大小、机床与刀具的刚度等情况，遵循以下几点原则：1）走刀路线应保证被加工零件的精度和表面粗糙度；2）应使加工路线最短，来缩短数控加工程序，提高加工效率；3）要尽量简化数值计算，以减少编程工作量。八、走刀路线的确定（1）数控车削加工走刀路线数控车削加工应按其形状特点规划走刀路线。主要有：1）外圆车削；2）台肩车削；3）仿形车削；4）切槽；5）阶梯切削路线；6)双向切削进给路线（2）数控铣削加工走刀路线包括：1）铣削加工的切入和切出；2）铣削内槽；3）曲面加工；4）型腔粗加工；5）型腔精加工；6）铣槽；7）铣削曲面九、数控加工工艺文件的编制数控加工工艺文件既是数控加工和产品验收的依据，也是操作者遵守和执行的规程，同时还为企业零件重复生产积累了必要的工艺资料。数控加工工艺文件主要有：1）数控加工工序卡片；2）数控加工刀具卡片；3）数控加工走刀路线图

一、工件定位的基本原理

二、常见定位方式及定位元件

三、工件的装夹

四、数控机床夹具

五、数控车床常用夹具

六、数控铣床与加工中心常用夹具

§5.3数控加工夹具一、工件定位的基本原理定位就是限制自由度。一个在空间处于自由状态的工件有六个自由度，如图所示，即沿X、Y、Z三个直角坐标轴方向的移动自由度x、y、z和绕这三个坐标轴的转动自由度x、y、z。要完全确定工件的位置（定位），就需要按一定的要求合理布置六个支承点（即定位元件）来限制工件的六个自由度，这就是工件定位的“六点定位原理”。工件的六个自由度二、常见定位方式及定位元件工件的定位是通过工件上的定位基准面和夹具上定位元件工作表面之间的配合或接触实现的，一般应根据工件上定位基准面的形状，选择相应的定位元件。主要定位元件包括：（1）工件以平面定位（2）工件以圆孔定位（3）工件以外圆柱面定位（4）工件以一面两孔定位三、工件的装夹工件从定位到夹紧的整个过程称为工件的装夹。正确的装夹是保证加工精度的重要条件。数控加工时，工件装夹的基本原则与普通机床相同，都要根据具体情况合理选择定位基准和夹紧方案，但应注意以下几点：1）力求设计基准、工艺基准与编程计算的基准统一；2）尽量减少工件的装夹次数和辅助时间，即尽可能在工件的一次装夹中加工出全部待加工表面；3）避免采用占机人工调整方案，以充分发挥数控机床的效能；4）对于加工中心，工件在工作台上的安放位置要兼顾各个工位的加工，要考虑刀具长度及其刚度对加工质量的影响。四、数控机床夹具机床夹具是在机床上用来快速、准确、方便地安装工件的工艺装备。（1）机床夹具的类型按专门化程度分类有以下几种：1）通用夹具；2）专用夹具；3）可调夹具；4）组合夹具（2）机床夹具的组成虽然机床夹具种类很多，但它们的基本组成是相同的，都包括：1）定位装置；2）夹紧装置；3）夹具体；4）其他元件及装置五、数控车床常用夹具数控车床要尽量选用已有的通用夹具，且应尽量做到一次装夹中把零件所有待加工表面都加工出来。工件定位基准应尽量与设计基准重合。由于工件的形状大小和加工数量不同，常采用以下装夹方法：1）四爪卡盘；2）三爪卡盘；3）两顶尖间装夹工件；4）一夹一顶装夹工件；5）软爪；6）自动卡盘；7）弹簧夹头；8）中心架；9）跟刀架六、数控铣床与加工中心常用夹具铣床与加工中心夹具主要用于加工工件上的平面、键槽、缺口及成形表面等，加工的切削力较大，又是断续切削，容易引起振动，因此要求夹具具有足够的强度，夹紧力足够大，有较好的自锁性。主要包括的夹具有：1）通用夹具2）专用夹具3）组合夹具4）成组夹具5）气动或液压夹具6）真空夹具

一、常用刀具材料及性能

二、数控车削刀具

三、数控铣床与加工中心刀具

§5.4数控加工刀具一、常用刀具材料及性能常用刀具材料及性能包括：1）高速钢，高速钢的强度高、韧度好、性能比较稳定、工艺性好；2）硬质合金，硬质合金具有高速钢的韧性，高切削速度下的耐磨性与红硬性，特别是涂层技术的应用，使涂层硬质合金成为机夹刀片的首选；3）陶瓷，陶瓷刀具材料具有高硬度、高耐磨性、优良的化学稳定性和低摩擦系数，尤其是其优良的红硬性，适用于高速切削和高速重切削，但其缺点是抗弯强度和冲击韧性较差；4）立方氮化硼，立方氮化硼的硬度仅次于金刚石，是高硬度、高耐磨性和高热硬性的刀具材料；5）人造金刚石，人造金刚石是目前最硬的刀具材料，耐磨性很高。二、数控车削刀具数控车削刀具可完成工件的外圆、端面、内孔、切槽或切断，以及车内外螺纹等加工工艺。按车刀所加工的表面特征来分有外圆车刀、端面车刀、内（外）切槽车刀、内（外）螺纹车刀、内孔车刀、切断刀等，如图所示。常用车刀的种类、形状和用途二、数控车削刀具（1）机夹可转位车刀的选用数控车床一般选用硬质合金可转位车刀，把经过研磨的可转位多边形刀片用夹紧组件夹在刀杆上。由于可转位刀片的形式多种多样，并采用多种刀具结构和几何参数，因此可转位车刀的品种越来越多，使用范围很广。刀片和刀具选择应注意下列问题：1）刀片材料的选择2）刀片形状的选择3）刀片后角的选择4）刀尖圆弧半径的选择5）刀杆头部形式选择6）左右手柄的选择二、数控车削刀具（2）数控车削用工具系统数控车削加工用工具系统的构成和结构，与机床刀架的形式、刀具类型及刀具是否需要动力驱动等因素有关。数控车削工具系统必须根据刀架刀盘结构形式进行选择。数控车削加工用工具系统的一般结构体系三、数控铣床与加工中心刀具数控铣床和加工中心上使用的刀具主要有铣削用刀具和孔加工用刀具两大类。（1）铣削刀具的选择数控铣削加工要求铣刀钢性要好、耐用度要高。除此以外，铣刀切削刃几何角度的参数选择及排屑性能等也非常重要。（2）常用铣刀被加工零件的几何形状是选择刀具类型的主要依据。常用铣刀包括：1）面铣刀；2）立铣刀；3）模具铣刀；4）键槽铣刀；5）成形铣刀三、数控铣床与加工中心刀具（3）加工中心对刀具的基本要求1）刀具的切削性能强；2）刀具的精度要求高（4）典型孔加工刀具1）钻孔加工；2）扩孔加工；3）镗孔加工；4）铰孔加工（5）加工中心工具系统工具系统作为刀具与机床的接口，除包含刀具本身外，还包括实现刀具快换所必需的定位、夹紧、抓取及刀具保护等机构。数控铣床与加工中心工具系统主要为镗铣类工具系统。工具系统从结构上可分为整体式与模块式两种。

一、数控机床智能编程工艺优化

二、曲面加工工艺优化

§5.5数控加工工艺智能优化一、数控机床智能编程工艺优化目前数控自动编程还主要是借助CAM软件完成，输入CAM的内容来自CAD的零件设计信息和CAPP（computeraidedprocessplanning，计算机辅助工艺规划）的零件工艺信息，这些信息通过CAM软件在自动或人工干预下生成数控程序，包