数控加工工艺设计

第三章数控加工工艺设计,目录,3.1数控车削加工工艺设计一、数控车床的加工对象二、数控车削加工工艺性分析三、数控车削刀具的选用四、加工工艺路线的确定五、加工工艺参数的确定3.2数控铣削加工工艺设计一、数控铣床及加工中心的加工对象二、数控铣削加工工艺性分析三、数控铣床及加工中心刀具系统四、加工工艺路线的确定五、加工工艺参数的确定,概述,数控机床的加工工艺与普通机床加工工艺要复杂得多。在数控加工前，要将机床的运动过程、零件的工艺特点、刀具的形状、切削用量和走刀路线等都要编入程序。,数控加工工艺设计的主要内容：,1、根据零件的特征，选择数控加工机床。2、分析零件加工工艺，确定零件的装夹方式。3、选择加工刀具。4、确定走刀路线。5、确定数控加工工艺参数。6、编写数控加工工艺卡。,3.1数控车削加工工艺设计,一、数控车床的加工对象,数控车床典型加工类别,车外圆,车端面,钻孔/铰孔/攻螺纹,切槽,切断,车内孔/镗孔,车型面,车螺纹,车锥面,一、数控车床的主要加工对象,1、精度要求高的回转体零件,高精度的机床主轴,高速电机主轴,加工尺寸精度高达0.001mm或更小，特种精密数控车床可加工出几何轮廓精度高达0.0001mm、表面粗糙度Ra达0.02m的零件。,2、表面形状复杂的回转体零件,3.带特殊螺纹的回转体零件,滚珠丝杠,车削变（增/减）螺距螺纹、要求等螺距与变螺距之间平滑过渡的螺纹，以及高精度的模数螺旋零件（如圆柱、圆弧蜗杆）和端面（盘形）螺旋零件等。,主要内容,按工艺方法分,（）有自动装卸机械手的六轴数控车床,4.以特殊方式加工的零件,(1)双主轴双刀架六轴数控车床,二、数控车削加工工艺性分析,制定工艺方案之前必须要先分析零件图样，它直接影响零件加工程序的编制及加工结果。工艺分析主要有:,1、零件的结构工艺性分析零件的结构工艺性是指零件对加工方法的适应性，即所设计的零件结构应便于加工成型，如工件的装夹、对刀、测量等等。结构工艺性不好会使加工困难，浪费材料和工时，有时甚至无法加工。所以应该对零件的结构进行工艺性审查。如图3.5所示，图b所示结构工艺性较好。,（a）不合理（b）合理图3.5结构工艺性示例,2、零件轮廓几何要素分析,手工编程时要计算基点(图纸中，基本线型的交点)坐标，自动编程中要对零件轮廓进行CAD造型。因此，在分析零件图时，要分析几何元素的给定条件是否充分。由于设计等多方面的原因，可能会在图样上出现加工轮廓的条件不充分，或尺寸缺陷，将增加了编程的难度，有的甚至无法编程。,（a）（b）图3.6几何要素的缺陷,如图3.6a所示的圆弧R10与斜线的关系要求为相切，但经计算后却为相交关系。又如图3.6b所示，图样上给定几何条件自相矛盾，图上标出的各段长度之和不等于其总长。,3、精度及技术要求分析,（1）分析精度及各项技术要求是否齐全、是否合理。（2）若本工序的数控车削加工精度达不到要求（可采取磨削），则应给后续工序留有加工余量；（3）数控编程时，常取零件尺寸的“中值”，如图3.7所示。,（a）（b）图3.7零件精度分析,（4）分析图样上的形状和位置公差要求。（5）分析表面粗糙度要求。（6）分析零件材料与热处理要求。以上分析的目的是：划分加工阶段和选择加工方法(如:粗车半精车精车或磨削等)以及选择夹具与刀具等。,4、定位和装夹,（1）定位基准的选择1）粗基准的选择原则是：如图3.9，同时有加工表面和不加工表面时，为保证工件的壁厚均匀，应选择不加工表面外圆为粗基准；有多个不加工表面，应选择其中与加工表面相互位置要求高的表面为粗基准。如图3.10，几处毛面均要加工时，应以余量小的表面为粗基准，图3.10选55；若要保证某重要表面余量均匀，则以该表面为粗基准。作为粗基准的表面应尽量平整，不应有飞翅、浇口、冒口及其他缺陷，这样可减少定位误差，并使零件夹紧可靠。除第一道工序采用粗基准外（同一尺寸方向上），其余工序都应使用精基准，如图3.11，只能用30(毛面)定位一次。,图3.9图3.10图3.11,数铣工艺设计,2）精基准的选择主要从保证工件的位置精度和装夹方便这两方面来考虑。其选择原则是：,基准重合原则：可避免基准不重合而产生的定位误差。基准统一原则：基准统一可避免或减少因基准转换而带来的加工误差，有利于保证工件各加工表面的位置精度，并可以简化夹具的设计和制造。自为基准原则：有时精加工或光整加工工序要求余量小且均匀，则应以加工表面本身作为定位基准，称为自为基准原则。如拉孔、铰孔、研磨、无心磨等。互为基准原则：当被加工工件上有两个相互位置精度要求很高的表面时，采用这两个表面互相作为定位基准，反复加工另一表面，称为互为基准。互为基准可使两加工表面间获得较高的相互位置精度，且加工余量小而均匀。如加工精密齿轮的磨齿工序，先以齿面为定位基准磨内孔；然后以孔为定位基准磨齿面，这样不仅使加工余量均匀，并能保证齿面与孔之间较高的相互位置精度。精基准选择应保证工件定位准确、装夹方便。,（2）夹具的选用,数控车床夹具有二大类：轴类工件的夹具和盘类工件的夹具。数控车床上常用的夹具：通用三爪自定心卡盘，四爪单动卡盘，液压、电动及气动等自动控制夹具；1）用于轴类工件的夹具：自动夹紧拨动卡盘(图3.12)、拨齿顶尖(图3.13)、三爪拨动卡盘和快速可调万能卡盘等。,图3.12自动夹紧拨动卡盘图3.13拨齿顶尖结构图,2）用于盘类工件的夹具这类夹具适用于无尾座卡盘式数控车床，主要有可调卡爪式卡盘和快速可调卡盘。,图3.14可调卡爪式卡盘图3.15快速可调卡盘,三、数控车削刀具的选用,数控加工对刀具的要求,1）刚度好、强度高，以适应粗加工时的大切深和快速进给要求2）高精度，以适应数控加工的精度和自动换刀要求3）较高的可靠性和耐用度，保证加工质量和提高生产率4）具有好的断屑和排屑性能,保证机床正常运转5）安装调整方便,1、数控加工对刀具的要求,数控加工刀具的基本特征,数控加工刀具必须适应数控机床高速、高效和自动化程度高的特点。一般包括：通用刀具、通用连接刀柄及少量专用刀柄。刀柄要联接刀具并装在机床动力头上，因此数控刀具已逐渐标准化和系列化。,2、数控刀具的分类,按照刀具结构分：,整体式：钻头、立铣刀等,镶嵌式：包括刀片采用焊接和机夹式,特殊形式：复合式、减振式等,机夹式又分为不转位和可转位二种，可转位刀具得到广泛应用，数量上已达到整个数控刀具的30%40%，金属切除率占总数的80%90%。,数控刀具的分类,按照刀具材料分：,高速钢刀具,硬质合金刀具,金刚石刀具,其他：立方氮化硼、陶瓷刀具等,数控刀具的分类,按照切削工艺分：,车削刀具：外圆、内孔、螺纹、成形车刀等,铣削刀具：面铣刀、立铣刀、螺纹铣刀等,钻削刀具：钻头、铰刀、丝锥等,镗削刀具：粗镗刀、精镗刀等,车削刀具图片,钻削刀具图片,镗削刀具图片,铣削刀具图片,3、刀具材料选择,切削刀具材料的硬度和韧性,1923年发明的硬质合金(WC-Co)，其后因添加了TiC、TaC而改善了耐磨性，1969年开发了CVD技术，使涂层硬质合金快速普及。自1974年起，开发了TiC-TiN系金属陶瓷,对于金属切削用刀具材料，一般有硬度、强度、红硬性、导热性等指标要求。其中硬度和强度是二项极其重要的指标，理想的刀具材料当然是硬度、强度兼备。因此，数控加工中,刀具材料应用最多的是硬质合金和涂层硬质合金刀具。,刀具材料选择,1）高速钢刀具红硬温度：6000C硬度：63-70HRC,高速钢(HSS，钢中含较多的钨、铬、铂、钡钒等合金元素)刀具过去曾经是切削工具的主流，随着数控机床等现代制造设备的广泛应用，大力开发了各种涂层和不涂层的高性能、高效率的高速钢刀具，高速钢在强度、韧性、热硬性及工艺性等方面有着优良的综合性能。高速钢刀具在形状复杂的刀具制造中，特别是切齿刀具、拉刀制造中仍有较大的比重。高速钢刀具因其切削效率低，所以在其他类型的刀具中已被硬质合金刀具所替代。,刀具材料选择,2）硬质合金刀具红硬温度：10000C硬度：7882HRC或13001800HV,1)普通硬质合金,2)新型硬质合金,超细晶粒硬质合金,涂层硬质合金,金属陶瓷,粒径在1m以下，这种材料具有硬度高、韧性好、切削可靠性高等优异性能,保持了普通硬质合金机体的强度和韧性，又使表面有很高的硬度和耐磨性,TiC(N)基硬质合金，其性能介于陶瓷和硬质合金之间,由碳化物组成（WC、TiC、TaC、NbC等）,硬质合金的分类和标志,硬质合金的分类和标志,P类,蓝色（包括P01P50)系高合金化的硬质合金牌号。这类合金主要用于加工长切屑的黑色金属(硬度高，韧性差),黄色（包括M10M40）系中合金化的硬质合金牌号。这类合金为通用型，适于加工长切屑或短切屑的黑色金属及有色金属(中硬),按国际标准ISO分类，三大类，分别用P、M、K表示，有颜色标志。,M类,K类,红色（包括K10K40）系单纯WC的硬质合金牌号。主要用于加工短切屑的黑色金属、有色金属及非金属材料(韧性好，硬度差),我国部分硬质合金牌号与ISO硬质合金牌号对照表,刀具材料选择,3）陶瓷刀具红硬温度：14500C硬度:78HRC,不仅能对高硬度材料进行粗、精加工，也可进行铣削、刨削、断续切削和毛坯拔荒粗车等冲击力很大的加工；可加工传统刀具难以加工或根本不能加工的高硬材料；刀具耐用度比传统刀具高几倍甚至几十倍，减少了加工中的换刀次数；可进行高速切削或实现“以车、铣代磨”，切削效率比传统刀具高3-10倍。,有：氧化铝Al2O3、氮化硅si2N4等,刀具材料选择,4）超硬刀具,是指比陶瓷材料更硬的刀具材料。包括：单晶金刚石、聚晶金刚石(PCD)、聚晶立方氮化硼(PCBN)和CVD金刚石(是低压下人造的)等。超硬刀具主要是以金刚石和立方氮化硼为材料制作的刀具，其中以人造金刚石复合片(PCD)刀具及立方氮化硼复合片(PCBN)刀具占主导地位。许多切削加工概念，如绿色加工、以车代磨、以铣代磨、硬态加工、高速切削、干式切削等都因超硬刀具的应用而兴起，故超硬刀具已成为切削加工中不可缺少的重要工具。,1)立方氮化硼：红硬温度15000C，硬度:73009000HV2)人造金刚石:红硬温度8000C，硬度:5000HV3)天然金刚石:红硬温度8000C，硬度:10000HV,特别提醒：金刚石中的C与铁的亲和力强，不能加工黑色金属,4.数控车削刀具的选用,按用途分,数控车削刀具类型,右偏外圆车刀：刀具从右到左车削工件外圆。左偏外圆车刀：刀具从左到右车削工件外圆。,可转位车刀的选用,刀片的夹紧方式,各种夹紧方式是为适用于不同的应用范围设计的。为了帮助您选择具体工序的最佳刀具，按照适合性对它们分类，适合性有1-3个等级，3为最佳选择。,山特车刀的夹紧方式选择,可转位车刀的选用,刀片形状的选择,正型（前角）刀片：对于内轮廓加工，小型机床加工，工艺系统刚性较差和工件结构形状较复杂应优先选择正型刀片。负型（前角）刀片：对于外圆加工，金属切除率高和加工条件较差时应优先选择负型刀片。,可转位车刀的选用,刀片形状的选择,根据加工轮廓选择刀片形状,一般外圆车削常用刀尖角为80凸三角形、四方形和80菱形刀片；仿形加工常用55、35菱形和圆形刀片；在机床刚性、功率允许的条件下，大余量、粗加工应选择刀尖角较大的刀片，反之选择刀尖角较小的刀片。,可转位车刀的选用,可转位车刀的选用,思考题,刀具的主要角度有哪些？对切削加工有何影响？,前角、后角、主偏角、副偏角、刃倾角,可转位车刀的选用,前角对切削力、切屑排出、切削、刀具耐用度影响都很大,刀具前角的作用,车刀主要角度的选择,前角的合理选择,在刀具强度允许下，应尽可能取较大的前角。对成型刀具应采用较小的前角或零前角，以减少刀具刃磨后产生的误差。具体选择原则如下：（1）工件材料加工塑性材料时，为减小切削变形，降低切削力和切削温度，应选较大的前角；而加工脆性材料时，为增加刃口强度，应取较小的前角。工件的强度低、硬度低，应选较大的前角；反之，应取较小的前角一。用硬质合金刀具切削特硬材料或高强度钢时，应取负前角。（2）刀具材料刀具材料的抗弯强度和冲击韧度较高时，应取较大的前角。如高速钢刀具的前角比硬质合金的前角约大510陶瓷刀具的韧性差，其前角应更小多在154范围)；立方氮化硼由于脆性更大，都采用负前角高速切削。,前角的合理选择,（3）加工性质粗加工，特别是断续切削时，为提高切削刃的强度，应选择较小的前角。精加工时，为使刀具锋利，提高表面加工质量，应选择较大的前角。（4）机床功率和工艺系统刚度当机床功率不足或工艺系统的刚度较差时。应取较大的前角，以减小切削力和切削功率，减轻振动。（5）成型刀具和在数控机床、自动线上不宜频繁更换的刀具为保证工作的稳定性（如不发生崩刃等）和刀具耐用度，应选较小的前角或零度前角。另外，前角的选择还与刀面形状及其他几何参数有关，尤其是和刃倾角有密切关系。带负倒棱的刀具允许采用较大前角；大前角刀具常与负刃倾角匹配来保证切削刃强度和抗冲击能力。,硬质合金车刀合理前角的参考数值,车刀主要角度的选择,刀具后角的作用,可转位车刀的选用,后角的合理选择,实验证明，合理的后角主要取决于切削厚度。具体选择原则如下：（1）工件材料工件的强度、硬度较高时，为增加切削刃的强度，应选择较小的后角。工件材料的塑性、韧性较大时，为减小刀具后刀面的摩擦，可取较大的后角。加工脆性材料时，切削力集中在刃口附近，应取较小的后角。（2）加工性质粗加工或断续切削时，为了强化切削刃，应选择较小的后角（46）；精加工或连续切削时，刀具的磨损主要发生在刀具后刀面，应选择较大的后角（812）。,后角的合理选择,(3)工艺系统刚性当工艺系统刚性较差，易出现振动时，应适当减小后角，以增强刀具对振动的阻尼作用；对于尺寸精度要求较高的精加工刀具，应选较小的后角，以减小刀具重磨后尺寸的变化。通常，为了提高刀具耐用度，可加大后角，但为了降低重磨费用，对重磨刀具可适兴减小后角。,副后角的选择原则副后角可减少副后面与己加工表面间的摩擦。为了使制造、刃磨方便，一般车刀、刨刀等的副后角等于主后角。对特殊刀具，为了保证其强度，只能取较小的副后角。例如切断刀、锯片刀等，副后角通常取（812）,硬质合金车刀合理后角的参考数值,主偏角的作用,余偏角等于90减主偏角，其作用是缓和冲击力，对进给力，背向力，切削厚度都有影响,可转位车刀的选用,车刀主要角度的选择,主偏角及副偏角的功用,（1）减小主偏角和副偏角，可降低残留面积高度，减小已加工表面的粗糙度值。（2）减小主偏角和副偏角，可提高刀尖强度.改善散热条件.提高刀具耐用度。（3）减小主偏角和副偏角，均使径向力增大，容易引起工艺系统的振动，加大工件的加工误差和表面粗糙度值，,主偏角合理选择,在一般情况下，只要工艺系统刚度允许，主偏角应尽量选取较小的值。（1）粗加工和半精加工时，硬质合金车刀应选择较大的主偏角，有利于减小振动，提高刀具的耐用度，易于断屑，例如效果显著的强力切削车刀的主偏角取75。（2）当工艺系统的刚度较好时，主偏角可取小值（3045）；当工艺系统的刚度较差或强力切削时，一般取（6075）例如，车削细长轴、薄壁套简时，为减小背向力，取90Kr93，以降低工艺系统的弹性变形和振动。,主偏角合理选择,（3）在加工高强度、高硬度的工件，例如淬硬钢和冷硬铸铁时，主偏角应取1030，以增加刀头的强度、减少单位长度切削刃上的切削力和提高刀具的耐用度。（4）选择主偏角还要视工件形状及加工条件而定。例如，车削阶梯轴时，可选主偏角为90的车刀；单件小批生产时，希望用一把车刀车削外圆、端面和倒角等所有表面，可选通用性好的主偏角45或90车刀；需从工件中间切入的车刀或仿形加工的车刀，则应适当增加主偏角和副偏角。,副偏角的作用,副偏角具有减少已加工表面与刀具摩擦的功能。一般为515,车刀主要角度的选择,可转位车刀的选用,副偏角合理选择,主要根据工件已加工表面粗糙度的要求和刀具强度来选择，在不引起振动的情况下，尽量取小值。（1）一般刀具的副偏角，在不引起振动的情况下，可取较小的值。例如，车刀、刨刀均可取（510）。（2）精加工时。副偏角应取得更小些（510）；而粗加工时，取1015（3）当工艺系统的刚度较差或从工件中间切入时，可取3045。（4）在加工高强度、高硬度材料或断续加工时，应取较小的副偏角（46），以提高刀尖强度，改善散热条件。（5）切断刀、锯片刀和槽铣刀等刀具，为了保证刀头强度和重磨后刀头宽度变化较小，只能取很小的副偏角（12）。（6）在精加工时，可在副切削刃上磨出一段副偏角为0、长度为（1.21.5）f（进给量）的修光刃，以减小己加工表面的粗糙度值。,硬质合金车刀合理主、副偏角的参考数值,刃倾角的作用,刃倾角是前刀面倾斜的角度。重切削时，切削开始点的刀尖上要承受很大的冲击力，为防止刀尖受此力而发生脆性损伤，故需有刃倾角。推荐车削时为35；铣削时1015,车刀主要角度的选择,可转位车刀的选用,刀尖圆弧半径对刀尖的强度及加工表面粗糙度影响很大，一般适宜值选进给量的23倍,刀尖圆弧半径的选择,可转位车刀的选用,断屑槽的参数直接影响到切削的卷曲和折断，目前刀片的断屑槽形式较多，各种断屑槽刀片的使用情况不尽相同，选用时一般参照具体的产品样本,MITSUBISHI推荐的适用于加工钢材的断屑槽形,可转位车刀的选用,断屑槽型的选择,四、加工工艺路线的确定,1、工序的划分数控车削加工，小批量生产时，一般按工序集中的原则划分工序。大批量生产时，常按零件加工表面质量及粗、精加工分开法划分工序。,（1）按加工表面质量划分工序对于位置精度要求较高的表面应安排在一次装夹下完成，以免多次装夹产生安装误差。（2）按粗、精加工划分工序对毛坏余量较大、加工精度要求较高（标注有精度和粗糙度要求）、易变形的工件，应将粗、精车加工分开，并划分为两道或更多的工序。若粗加工后余量不均匀，则要安排半精加工;若要求精度很高,则还需要安排磨削。（3）按内外交叉原则划分工序对于内、外表面均需要加工的零件，安排加工顺序时，应先进行内、外表面粗加工，后进行内、外表面的精加工。切不可将零件上的一部分表面粗、精全部加工完毕后，再加工其他表面。,2、确定走刀路线,（1）最短的空行程走刀路线1）合理选择切削加工起点，使切入、切出路线最短。2）合理选择换刀点，以减少换刀时间。3）在不发生加工干涉的前提下，空行程走刀宜尽量采用快速移动指令（G00）。4）合理安排“回零”路线。（2）最短的切削走刀路线如图3.20所示，经分析和判断后可知图3.20c）所示的矩形循环走刀路线的进给长度总和最短。因此，在同等条件下，其切削所需时间（不含空行程）也最短，刀具的损耗也最少。,a）沿工件轮廓走刀b)”三角形”走刀c）”矩形”走刀图3.20粗车进给路线示例,（3）大余量毛坯的走刀路线1）阶梯切削走刀路线采用阶梯切削法应尽可能多地去除毛坯材料。在同样背吃刀量的条件下，图3.21a余量不均匀,图3.21b余量均匀,较好。不用阶梯车削法，改用双向进刀法，依次从轴向和径向进刀、并顺着工件毛坯轮廓进行走刀（如图3.22所示），会更好。,图3.21阶梯切削走刀路线图3.22双向进刀走刀路线,2）分层切削对于大余量的阶梯轴应分层进行粗加工。（4）最后完工时切削走刀路线最后一刀应连续切削，轮廓表面才不会有接刀的刀痕。（5）刀具的切入与切出走刀路线进刀（退刀）时应尽量使刀具沿工件的轮廓的切线方向切入（切出），避免出现接刀的刀痕。,五、加工工艺参数的确定,数控车削加工切削用量包括：背吃刀量ap、主轴转速n或切削速度V（数控车削多采用恒线速切削）、进给速度Vf或进给量f。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，同时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(精度和粗糙度)的前提下，兼顾切削效率、经济性和加工成本。确定切削用量的方法：根据刀具材料、工件材料、加工方法（粗或精加工）及工件表面粗糙度要求，以机床说明书（机床功率限制）、切削用量手册或刀具制造商产品样本的刀具切削参数推荐值为依据，用查表计算法确定；或者根据实际加工经验确定。1背吃刀量ap(垂直于进给方向上的切削深度)在机床刚性及功率允许的条件下，粗车时尽可能选取较大的背吃刀量。粗车时(Ra50-12.5um),ap为123mm;半精车时(Ra6.3-3.2um)，ap为20.5mm;精车时(Ra1.6-0.8um)，ap为0.40.1mm;,2切削速度V或主轴转速n切削速度（查表）：刀具切削加工时刀尖点的线速度，与主轴转速的关系为：,式中：V切削速度，单位m/min；n主轴转速，单位r/min；D工件直径，单位mm。常规车削时的切削速度根据零件的直径、材料和刀具的材料及加工性质等条件，查表（P101表3.1）来确定切削速度。若为恒线速切削功能则直接使用切削速度值，否则应计算出主轴转速。注意：交流变频调速数控车床低速输出力矩小，因而切削速度不能太低。,3进给速度Vf或进给量f,进给速度是指单位时间内，车刀沿进给方向移动的距离（单位：mmmin）；有时也可以选用每转进给量f（单位：mmr）来表示进给速度（Vfnf）。确定进给速度应遵循以下原则：（1）在保证工件加工质量前提下，为提高生产率，可选择较高的进给速度（2000mmmin）。（2）切断、车削深孔或精车加工时，宜选择较低的进给速度。（3）刀具空行程，进给速度可大或使用G00指令。（4）进给速度应与主轴转速和背吃刀量相适应。进给量f的确定：单向进给速度（X方向进给或Z方向进给），粗车时一般取0.30.8mmr，精车时常取0.10.3mmr，切断时常取0.050.2mmr。或查P102-103表3.2和表3.3，分别为硬质合金车刀粗车外圆、端面的进给量参考值和半精车、精车的进给量参考值。,补充:车螺纹工艺知识1.螺纹加工方法由于螺纹加工属于成型加工，为了保证螺纹的导程，加工时主轴旋转一周，车刀的进给量必须正好等于螺纹的导程，因此进给量较大；另外，螺纹车刀的强度一般较差，故螺纹加工不是一次加工而成，需要多次进刀切削。螺纹加工方法有直进法和斜进法，如下图所示。,（a）斜进法（b）直进法,直进法适合加工导程较小的螺纹，用G32、G92指令；斜进法适合加工导程较大的螺纹，用G76指令。2.车螺纹前外圆直径的确定普通螺纹各基本尺寸：大径：d=D（小写字母代表外螺纹-轴，大写字母代表内螺纹-孔）中径：d2=D2=d-0.6495P（P螺纹的螺距）小径：d1=D1=d-1.0825P但在车削三角形外螺纹时，大径受车刀的挤压会胀大，故车外螺纹前的实际外圆直径应小于螺纹大径d，一般小0.20.4mm(当螺距为1.53.5mm时)。,式中：1切入空刀行程量，一般取25mm；2切出空刀行程量，一般取1/44.车螺纹时进给次数和吃刀量的确定查表。5.车螺纹时主轴转速的确定(有二种转速：低速和高速，一般选用低速车螺纹)1）经济型车床n=1200/P-k(51)2）高精度车床n=n允/P其中:n允车床车螺纹时的允许最高转速P螺纹导程（mm），k保险系数，一般取80,3.螺纹导入量与导出量的确定在数控车床上加工螺纹时，由于机床伺服系统本身具有滞后特性，会在螺纹起始段和停止段发生螺距不规则现象，所以实际加工螺纹的长度W应包括切入和切出的空行程量。即：,六、数控车削加工工艺设计举例,如图所示轴类零件，材料为45钢，无热处理和硬度要求，试对该零件进行数控车削加工工艺设计。,（1）零件图工艺分析,该零件表面由圆柱、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高的尺寸精度和表面粗糙度等要求；球面S50的尺寸公差还兼有控制该球面形状（线轮廓）误差的作用。该零件图尺寸标注完整，轮廓描述清楚。零件材料为45钢，无热处理和硬度要求。通过上述分析，可采用以下几点工艺措施。对图样上给定的几个精度要求较高的尺寸，因其公差数值较小，故编程时可不必取平均值，而全部取其基本尺寸即可。为便于装夹，坯件左端先用普通车床（也可在数控车床上手动车削）预先车出夹持部分（双点画线部分）及粗车右端面并钻好中心孔。毛坯选60棒料,长200mm。,（2）选择加工设备,根据被加工零件的外形和材料等条件，选用CK6140数控车床。,（3）确定零件的定位基准和装夹方式定位基准的确定将坯料轴线和左端大端面（设计基准）作为定位基准。装夹方法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。（4）确定加工顺序及进给路线零件图上有尺寸精度和表面粗糙度的要求，因此工件需要粗车和精车。加工顺序按照从粗到精、由近至远（从右到左）的原则确定，即先从右到左进行粗车（需留精车余量），然后从右到左进行精车，再车槽，车削螺纹，最后切断。具体安排为：1）定位与安装对这种细长轴类零件，以轴心线为工艺基准，用三爪自定心卡盘夹持56外圆一头的双点划线部分，使工件伸出卡盘175，用顶尖顶持右端中心孔，一次装夹完成粗、精加工（注：切断时将顶尖退出）。,2）加工顺序自右向左粗车外圆。留0.25的精车余量。自右向左精车外圆（含螺纹段右倒角）。车526螺纹退刀槽。车螺纹。切断。,起刀点,（5）刀具选择选用5中心钻钻削中心孔。粗车及平端面选用主偏角为900硬质合金右偏刀，为防止副后刀面与工件轮廓干涉（可用作图法检验）副偏角不宜太小，选r=350。精车选用主偏角为900硬质合金右偏刀，选择宽度为5mm的硬质合金切断刀,车螺纹选用60硬质合金外螺纹车刀，刀尖圆弧半径应小于轮廓最小圆角半径，取r=0.150.2。将所选定的刀具参数填入数控加工刀具卡片中（见下表）。,数控加工刀具卡片,（6）切削用量选择,背吃刀量的选择此零件车削余量不大，轮廓粗车时，选ap=2，精车时，选ap=0.25；螺纹车削应查螺纹切削用量表。主轴转速的选择由45钢（热轧），查表3-1选粗车切削速度vc=90m/min、精车切削速度vc=130m/min，然后利用公式n=1000vc/D计算主轴转速n（粗车为毛坯直径D=60，精车直径取平均值D=45mm）得，粗车:500r/min、精车:1000r/min。车螺纹时，主轴转速n=1200/P-k(51)=1200/2-80*2.5=320r/min。进给速度的选择由P103表3.3或下页表，选择粗车、精车每转进给量为：粗车为0.4/r，精车为0.15/r，最后根据公式vf=nf计算粗车、精车进给速度分别为200/min和150/min。,数控车削用量推荐表,综合前面分析的各项内容，填入数控加工工艺卡片。主要内容包括：工步顺序、工步内容、各工步所用的刀具及切削用量等。,典型轴类零件数控加工工艺卡片,3.2数控铣削加工工艺设计,一、数控铣床、加工中心的主要功能及加工对象,1）直线插补平面直线空间直线,1、数控铣床主要功能,2）圆弧插补平面圆弧空间圆弧,3）孔加工固定循环钻孔铰孔锪孔镗孔攻丝,4）刀具补偿刀具半径补偿平面轮廓加工刀具长度补偿设置刀具长度刀具空间位置补偿曲面加工5）镜向、旋转、缩放、平移加工程序的控制，简化程序编制。6）自动加减速控制自动调整进给速度，保持正常而良好的加工状态7）数据输入输出及DNC功能输入输出数据执行大的加工程序计算机直接数控,8）子程序功能9）自诊断功能自诊断是数控系统在运转中的自我诊断，它是数控系统的一项重要功能，对数控机床的维修具有重要的作用。,用子程序方式加工的零件,2、数控铣床主要加工对象加工精密、复杂的平面类、曲面类零件,数控铣削加工的零件,箱体类零件、复杂曲面、异形件、盘、套、板类零件,二、数控铣削加工工艺性分析,1适合数控铣削加工的对象,（1）尺寸精度要求较高或形位精度要求较高的孔或面。（2）零件上的曲线轮廓，特别是由数学表达式描绘的非圆曲线和列表曲线等曲线轮廓。（3）不便于普通机床加工的复杂曲线、曲面。（4）零件形状复杂、尺寸繁多，划线与检测困难的部位。（5）用普通机床加工难以控制进给的内外凹槽。（6）适合加工中心集中加工的孔、面。（7）能在一次安装中顺带铣出来的简单表面。（8）采用数控铣、加工中心能成倍提高生产率，大大减轻劳动强度的一般零件加工。,2、零件结构工艺性分析,（1）零件图样的尺寸标注应符合数控加工的特点对称公差问题。例如，在用同一把铣刀、同一个刀具半径补偿值在编写零件加工程序时，由于零件轮廓各处尺寸公差带不同，如下图所示，加工时很难同时保证各处尺寸在尺寸公差范围内。这时一般采取的方法是：兼顾各处尺寸公差，在编程计算时，改变轮廓尺寸并移动公差带，改为对称公差。如图中括号内的尺寸，其公差带均作了相应改变，计算与编程时用括号内尺寸来进行。即：尺寸改为中值，公差改为对称公差进行编程。,（2）特殊零件的工艺安排要特别留意特殊零件的工艺问题，要在装夹方式、加工顺序、刀具角度、热处理等方面都要特别注意。虽然数控机床加工精度很高，但在一些特殊情况下，例如过薄的底板与肋板零件，切削加工时所产生的切削拉力及薄板的弹性退让使切削面极易产生振动，薄板的厚度尺寸公差难以保证，表面粗糙度也将增大。实践经验表明：厚度小于3mm而面积较大的薄板零件，在加工工艺上应有特殊的措施。,（3）刀具尺寸与零件轮廓尺寸要合适,（）R较大时,（）R较小时,图3.31轮廓内壁圆弧半径R、高度H对加工工艺的影响,（b）r较大时,（a）r较小时,图3.32内壁与底面过渡圆弧半径r对加工工艺的影响,图3.31轮廓内壁圆弧半径R、高度H对加工工艺的影响,(4）定位基准要统一尽量使设计、加工、检测、使用基准统一。必要时，增加工艺头或工艺凸台，在完成定位加工后再除去该部位。,图3.33工艺凸台的应用,（5）必须考虑零件加工变形的影响铣削加工时的变形，将影响加工质量，可采用常规加工方法（如粗、精加工分开及对称去余量法等）、也可采用热处理的方法（如对钢件进行调质处理，对铸铝件进行退火处理等）等工艺措施预防变形。（6）毛坯的余量应足够且均匀，并便于装夹。,3、定位和装夹,（1）定位基准的选择复习数控车定位基准的选择,（2）夹具的选用数控铣床、加工中心常用的夹具类型：通用夹具、专用夹具、组合夹具、可调夹具和成组夹具(见后页)。选择夹具，首先要掌握机床的加工特点，同时还要考虑加工零件的精度、批量、制造周期和制造成本。选择夹具的一般原则为：单件生产时尽量选用虎钳、螺钉压板等通用夹具；批量生产时优先考虑组合夹具，其次考虑可调夹具，最后才考虑选用专用夹具或成组夹具。并考虑采用多工位夹具和气动、液压夹紧方式。,1）通用夹具：螺钉压板、精密平口钳、机用虎钳、角铁、V形块等。这类夹具适用于单件或小批量生产。,用螺钉压板装夹零件,通用夹具(机用虎钳),2）组合夹具,孔系组合夹具槽系组合夹具,3）专用夹具专用夹具主要针对特定的工件形状或批量而设计，结构较简单，生产效率高。使用这类夹具安装工件，定位方便准确，夹紧迅速可靠。例如，加工下图a)所示的凸轮零件的凸轮曲面时，可采用图b)中所示的凸轮夹具。其中，两个定位销3、5与定位块4组成一面两销的六点定位，压板6与夹紧螺母7实现夹紧。,1-凸轮零件2-夹具体3-圆柱定位销4-定位块5-菱形定位销6-压板7-夹紧螺母,（3）定位与装夹设计应注意的问题:尽可能做到设计基准、工艺基准与编程基准统一。零件定位、夹紧的部位应不妨碍各部位的加工、刀具更换及重要部位的测量。尽量将工序集中，减少装夹次数。夹紧力应靠近主要支承点或在支承点所组成的三角形内，且靠近切削部位，并在刚性较好的地方。夹具结构简单。对于小型零件或工序时间不长的零件，可以考虑在工作台上同时装夹多件进行加工，以提高加工效率。,如下图中的左图所示薄壁箱体夹紧时，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。若无凸边的右图，可改为在顶面上三点夹紧，改变着力点位置，以减小夹紧变形。,三、数控铣床及加工中心刀具系统,1、铣刀的种类,铣削刀具的类型,面铣刀球头铣刀（普通）立铣刀键槽（立）铣刀成形铣刀鼓形铣刀,2、可转位刀具的选择,可转位铣刀的选用,类型的选择,可转位面铣刀、立铣刀、槽铣刀、专用铣刀等,可转位铣刀的角度有前角、后角、主偏角、副偏角、刃倾角等。为满足不同的加工需要，有多种角度组合型式,刀片牌号和断屑槽形的选择,可转位铣刀直径的选用主要取决于设备的规格和工件的加工尺寸,为满足不同用户的需要，同一直径的可转位铣刀一般有粗齿、中齿、密齿三种类型,齿数的选择,角度的选择,直径的选择,合理选择刀片硬质合金牌号的主要依据是被加工材料的性能和硬质合金的性能。用于铣削的刀片槽形一般有轻型、中型和重型,可转位铣刀类型的选择,可转位铣刀的类型,可转位面铣刀：主要用于加工较大平面选择，主要有平面粗铣刀、平面精铣刀、平面粗精复合铣刀三种,可转位槽铣刀：主要有三面刃锯片铣刀、两面刃铣刀、精切槽铣刀,可转位立铣刀：主要用于加工凸台、凹槽、小平面、曲面等。主要有普通立铣刀、孔槽铣刀、球头立铣刀、R立铣刀、T型槽铣刀、倒角铣刀、螺旋立铣刀、套式螺旋立铣刀等,可转位专用铣刀：用于加工某些特定零件，其型式和尺寸取决于所用机床和零件的加工要求,被加工零件的几何形状是选择刀具类型的主要依据,可转位铣刀齿数（齿距）的选择,可转位铣刀的齿数,粗齿铣刀：大余量粗加工、软材料、切削宽度较大、机床功率较大,中齿铣刀：通用系列，使用范围广泛，具有较高的金属切除率和切削稳定性,密齿铣刀：用于铸铁、铝合金和有色金属的大进给速度切削加工,不等分齿距铣刀：防止工艺系统出现共振，使切削平稳，在铸钢、铸铁件的大余量粗加工中建议优先选用不等分齿距的铣刀,粗齿铣刀：大余量粗加工、软材料、切削宽度较大、机床功率较大,中齿铣刀：通用系列，使用范围广泛，具有较高的金属切除率和切削稳定性,粗齿铣刀：大余量粗加工、软材料、切削宽度较大、机床功率较大,密齿铣刀：用于铸铁、铝合金和有色金属的大进给速度切削加工,中齿铣刀：通用系列，使用范围广泛，具有较高的金属切除率和切削稳定性,粗齿铣刀：大余量粗加工、软材料、切削宽度较大、机床功率较大,不等分齿距铣刀：防止工艺系统出现共振，使切削平稳，在铸钢、铸铁件的大余量粗加工中建议优先选用不等分齿距的铣刀,密齿铣刀：用于铸铁、铝合金和有色金属的大进给速度切削加工,中齿铣刀：通用系列，使用范围广泛，具有较高的金属切除率和切削稳定性,粗齿铣刀：大余量粗加工、软材料、切削宽度较大、机床功率较大,可转位铣刀角度的选择,可转位铣刀的角度,主偏角：可转位铣刀的主偏角有90、88、75、70、60、45等几种（选择：见P115）,前角：铣刀的前角可分解为径向前角和轴向前角。常用的前角组合形式如下：双负前角、双正前角、正负前角(轴向正前角、径向负前角)三种,各种角度中最主要的是主偏角和前角(制造厂的产品样本中对刀具的主偏角和前角一般都有明确说明),面铣刀切削刃各角度的功能,基本刃形,前角的正负,基本刃形的组合,可转位铣刀直径的选择,立铣刀直径选择：铣内轮廓时：粗加工，铣刀半径R=min，(min零件最小内轮廓半径)；精加工，铣刀半径R=0.8min,面铣刀直径选择：主要是根据工件宽度选择，同时要考虑机床的功率、刀具的位置和刀齿与工件接触形式等；也可将机床主轴直径作为选取的依据，面铣刀直径可按D1.5d（d为主轴直径）选取。标准可转位面铣刀直径范围为16630mm,面铣刀的最大直径D1.5d，若一次走刀应是切宽的1.31.6倍,多次走刀铣削加工时，轨迹之间要有重叠部分，切削宽度通常75%刀具直径,可转位铣刀直径的选择,可转位铣刀直径的选择,可转位铣刀直径的选择,可转位铣刀直径的选择,面铣刀的最大直径D1.5d，若一次走刀应是切宽的1.31.6倍,可转位铣刀直径的选择,多次走刀铣削加工时，轨迹之间要有重叠部分，切削宽度通常75%刀具直径,面铣刀的最大直径D1.5d，若一次走刀应是切宽的1.31.6倍,可转位铣刀直径的选择,3、工具系统选择,镗铣类整体式工具系统,工具系统：即刀柄。有：模块式和整体式,工具系统分类,镗式铣工类具模系块统,模块式刀柄通过将基本刀柄、接杆和加长杆（如需要）进行组合，可以用很少的组件组装成非常多种类的刀柄。整体式刀柄用于刀具装配中装夹不改变，或不宜使用模块式刀柄的场合。,工具系统选择,工具系统型号表示方法,1.柄部型式及尺寸JT：表示采用国际标准ISO7388号加工中心机床用锥柄柄部；BT：表示采用日本标准MAS403号加工中心机床用锥柄柄部；其后数字为相应的ISO锥度号：如50和40分别代表大端直径69.85和44.45的7:24锥度。2.刀柄用途及主参数XD-装三面铣刀刀柄MW-无扁尾氏锥柄刀柄XS-装三面刃铣刀刀柄M-有扁尾氏锥柄刀柄Z（J）-装钻夹头刀柄（贾式锥度加J）XP-装削平柄铣刀刀柄用途后的数字表示工具的工作特性，其含义随工具不同而异。3.工作长度,工具系统选择,常用刀柄,面铣刀刀柄,整体钻夹头刀柄,ER弹簧夹头刀柄,ER弹簧夹头,侧压式立铣刀柄,工具系统中的配件,ISO7388及DIN69871的A型拉钉,ISO7388及DIN69871的B型拉钉,MASBT的拉钉,拉钉是带螺纹的零件，常固定在各种工具柄的尾端。机床主轴内的拉紧机构借助它把刀柄拉紧在主轴中。数控机床刀柄有不同的标准，机床刀柄拉紧机构也不统一，故拉钉有多种型号和规格,拉钉的选择：根据数控机床说明书选择；对机床自带的拉钉进行测量后来确定,注意：如果拉钉选择不当，装在刀柄上使用可能会造成事故。,拉钉的种类及选择,四、加工工艺路线的确定,1、加工顺序的安排,1）先粗后精：一般零件加工都经粗加工和精加工两个阶段。高精度零件加工应采用粗加工半精加工精加工，如果精度要求更高，还应进行光整加工。2）基面先行：即用作精基准的表面、定位孔应先进行粗加工和精加工。3）先面后孔：一般来说零件的平面轮廓尺寸较大，用平面定位比较稳定，对于孔，其深度尺寸是以平面为基准的，故应先加工平面，后加工孔。4）先主后次：即先加工主要表面，后加工次要表面。在加工中心上加工零件，为了达到好的加工精度、加工效率、经济效益，并减少刀具数量，安排加工顺序时应遵循上述原则外，还应考虑：减少换刀次数，节省辅助时间。尽量减少刀具的空行程量，按最短路线安排加工表面的加工顺序。,加工顺序安排时应注意：上道工序的加工不能影响下道工序的定位与夹紧，中间穿插有通用机床加工工序的也应综合考虑；先进行内腔加工，后进行外形加工；以相同定位、夹紧方式加工或用同一把刀具加工的工序，最好连续加工，以减少重复定位次数、换刀次数与挪动压板次数。数控加工工艺与普通工序的衔接：数控加工工序前后一般都穿插有其它普通加工工序，若衔接不好就容易产生矛盾。因此在熟悉整个加工工艺内容的同时，要清楚数控加工工序与普通加工工序各自的技术要求、加工目的、加工特点，如：加工余量留多少；定位面与孔的精度及形位公差；对校形工序的技术要求；对毛坯的热处理状态等。,对刀点的选择要恰当：所选的对刀点应使程序编制简单；对刀点应选择在容易找正、便于确定零件加工原点的位置；对刀点应选在加工时检验方便、可靠的位置；对刀点的选择应有利于提高加工精度。例如，加工如右图所示零件时，当按照图示路线来编制数控加工程序时，选择夹具定位元件圆柱销的中心线与定位平面A的交点作为加工的对刀点。显然，这里的对刀点也恰好是加工原点。,几个名词解释：刀位点：是指刀具上的定位基准点，如下图所示。对刀及对刀点：对刀就是找到零件在加工坐标系的原点，并“告诉”数控机床。对刀操作是使刀具上的“刀位点”与工件上的“对刀点”重合。因为每把刀具的半径与长度尺寸都是不同的，若要数控机床能正确加工，就必须“知道”刀具的位置参数，进而确定加工坐标系的原点。换刀点：是为加工中心、数控车床等采用多刀进行加工的机床而设置的，因为这些机床在加工过程中要自动换刀。对于手动换刀的数控铣床，也应确定相应的换刀位置。为防止换刀时碰伤零件、刀具或夹具，换刀点一定设置在被加工零件的轮廓之外，并留有一定的安全量。,2、走刀路线的确定刀具相对于工件的运动轨迹和方向称为加工路线或走刀路线。确定加工路线的一般原则：首先必须保证被加工零件的精度和表面粗糙度要求；其次数值计算简单，缩短走刀路线，减少进退刀时间和其他辅助时间，提高效率等。,数控加工可能只是零件加工中的一部分工艺内容（见右图所示），所以在设计数控加工工艺路线时应注意：数控加工工序一般都穿插于零件加工的整个工艺过程中，因此，要与其它加工工艺衔接好。,零件加工过程图,(1)如无特别要求应按最短加工路线进行安排如加工图a）所示零件上的孔系。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，则减少了空刀时间，节省定位时间近一倍，提高了加工效率。,abc,孔系加工顺序的安排,(2)孔系加工中，若要定位迅速，则按图a)进行安排，图a）加工路线:1-2-3-4(3)孔系加工中，若要定位准确，则按图b)进行安排，图b）加工路线:1-2-3-5-4(可避免反向间隙),孔系加工顺序的安排,（4）外（内）轮廓加工走刀路线,切入、切出方式及走刀路线：包括外轮廓和内轮廓的加工。应安排刀具从轮廓切向切入工件，在轮廓加工完毕之后，也应沿轮廓切向切出，这样可以避免刀具在工件上的切人点和退出点处留下接刀痕，如左图所示。,刀具切入和切出时的外延,轮廓加工时的切入切出走刀路线,思考题：铣削如图所示大平面工件，确定加工路线？1）粗加工时；2）精加工时；,800,500,（5）深轮廓铣削加工走刀路线：主要考虑刀具的刚度。通常刀具悬长不得大于刀具直径的5倍，铣削夹紧不良的工件时刀具悬长不得大于刀具直径的3倍。否则可采用插铣加工，如右图所示。,深轮廓加工走刀路线,深轮廓加工走刀路线,深轮廓加工走刀路线,（6）对横截面积小的细长零件或薄板零件加工路线:主要考虑加工后变形小的路线。应采用多次、分层走刀加工到最后尺寸或对称去除余量法安排走刀路线。安排工步时，应先安排对工件刚性破坏较小的工步。（7）型腔加工（平面区域）走刀路线型腔加工有二个重要的问题需要考虑：一是下刀方法；二是走刀方式。,1）型腔加工下刀方法：型腔加工下刀方法主要有三种（P118）。（1）垂直下刀：a)选用普通平底立铣刀。需预先钻孔。铣刀通过入刀孔底时因切削力突变会产生振动，常常会导致刀具损坏。b)选用键槽铣刀。可直接垂直下刀，先钻孔后铣削型腔，一般零件选用此方法加工。（2）倾斜下刀（坡走铣）：选键槽铣刀，坡走铣是型腔加工最佳的下刀方法之一，该方法使用X、Y和Z方向的线性坡走切削，刀具逐渐切入工件，切削力