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数控轴类零件加工设计数控轴类零件加工设计 Nc axial parts processing design (申请学位) 专 业： 汽车机械制造技术 学 生： 李洪健 指导教师： 长春汽车工业高等专科学校 二零一二年二月 独创性声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果， 除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研 究成果，也不包含为获得 长春汽车工业高等专科学校长春汽车工业高等专科学校 或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 论文作者签名： 李洪健 签字日期： 2012 年 2 月 22 日 学位论文版权使用授权书 本论文作者完全了解 长春汽车工业高等专科学校长春汽车工业高等专科学校 有关保留、使用论文 的规定。特授权 长春汽车工业高等专科学校长春汽车工业高等专科学校 可以将论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅 和借阅。 （保密的论文在解密后适用本授权说明） 论文作者签名： 李洪健 导师签名： 签字日期： 2012 年 2 月 22 日 签字日期： 年 月 日 中文摘要中文摘要 数控技术是指用数字、文字和符号组成的数字指令来实现一台或多台机械 设备动作控制的技术。它所控制的通常是位置、角度、速度等机械量和与机械 能量流向有关的开关量。 数控的产生依赖于数据载体和二进制形式数据运算的出现。 本文根据数控机床的特点，针对具体的零件，进行了工艺方案的分析，工 装方案的确定，刀具和切削用量的选择，确定加工顺序和加工路线，数控加工 程序编制。 通过整个工艺的过程的制定，充分体现了数控设备在保证加工精度，加工 效率，简化工序等方面的优势。 关键词关键词：发展趋势；加工方案；进给路线；控制尺寸。 ABSTRACT Numerical control technology is to use Numbers, words and symbols of instructions to realize digital one or more machinery equipment control technology. Action Its control is usually position, Angle and speed, the mechanical quantity and mechanical energy to flow to the related with switch quantity. The generation of numerical control depends on data carrier and binary form data operation to appear. According to the characteristics of the numerical control machine, in specific parts of the technology, the analysis of the scheme, the scheme determination of tooling, knives and selection of cutting parameter, sure processing order and processing route, for CNC programming. Through the whole process of the formulation of process, fully embodies the numerical control equipment in the guarantee machining precision machining efficiency, simplify the process, the advantages of the. Keywords: development tendency; Processing scheme to route into; Control size. 目 录 目 录 前前 言言 .1 1 第第 1 章章 数控技术的发展简介数控技术的发展简介 .2 2 第 1.1 节 数控系统发展简史及趋势 .2 第 1.2 节 机床数控化改造的必要性 .4 第第 2 章章 浅析数控加工中切削用量的合理选择浅析数控加工中切削用量的合理选择 .7 7 第第 3 章章 加加工表面完整性对零件使用性能的影响工表面完整性对零件使用性能的影响 .1010 第第 4 章章 程序编制中的工艺分析程序编制中的工艺分析 .1212 第第 5 章章 数控车床编程指令功能简介数控车床编程指令功能简介 .1616 第第 6 章章 轴类零件编程设计轴类零件编程设计 .1717 结结 论论 .2020 参考文献参考文献 .2121 致致 谢谢 .2222 前 言 1 前前 言言 数控（NC，Numerical Control）技术是指用数字、文字和符号组成的数字 指令来实现一台或多台机械设备动作控制的技术。它所控制的通常是位置、角 度、速度等机械量和与机械能量流向有关的开关量。数控的产生依赖于数据载 体和二进制形式数据运算的出现。1938 年，香农在美国麻省理工学院进行了数 据快速运算和传输，奠定了现代计算机，包括计算机数字控制系统的基础。数 控技术是与机床控制密切结合发展起来的。1952 年，第一台数控机床问世，成 为世界机械工业史上一件划时代的事件，推动了自动化的发展数控技术及数控 机床在当今机械制造业中的重要地位和巨大效益，显示了其在国家基础工业现 代化中的战略性作用，并已成为传统机械制造工业提升改造和实现自动化、柔 性化、集成化生产的重要手段和标志。数控技术及数控机床的广泛应用，给机 械制造业的产业结构、产品种类和档次以及生产方式带来了革命性的变化。数 控机床是现代加工车间最重要的装备。它的发展是信息技术(1T)与制造技术(MT)结 合发展的结果。现代的 CAD/CAM、FMS、CIMS、敏捷制造和智能制造技术，都是 建立在数控技术之上的。切削用量是表示机床主运动和进给运动大小的重要参 数。切削用量的确定是数控加工工艺中的重要内容, 切削用量的大小对加工效 率、加工质量、刀具磨损和加工成本均有显著影响。现在，随着 CAD/CAM 技术 的发展，许多 CAD/CAM 软件都提供自动编程功能，这些软件一般是在编程界面 中提示工艺规划的有关问题，比如：刀具选择、加工路径规划、切削用量设定 等，编程人员只要设置了有关的参数，就可以自动生成 NC 程序并传输至数控机 床完成加工。因此，数控加工中切削用量的确定是在人机交互状态下完成的， 这与普通机床加工形成鲜明的对比，同时也要求编程人员必须掌握切削用量确 定的基本原则，在编程时充分考虑数控加工的特点来合理的选择切削用量。文 章对数控编程中必须面对切削用量的确定问题进行了探讨，给出了若干原则和 建议，且对应该注意的问题进行了讨论。 第一章 数控技术的发展简介 2 第一章第一章 数控技术的发展简介数控技术的发展简介 第一节第一节 数控系统发展简史及趋势数控系统发展简史及趋势 一、性能发展方向一、性能发展方向 (1)高速高精高效化 速度、精度和效率是机械制造技术的关键性能指标。 由于采用了高速 CPU 芯片、RISC 芯片、多 CPU 控制系统以及带高分辨率绝对式 检测元件的交流数字伺服系统，同时采取了改善机床动态、静态特性等有效措 施，机床的高速高精高效化已大大提高。 (2)柔性化 包含两方面：数控系统本身的柔性，数控系统采用模块化设计， 功能覆盖面大，可裁剪性强，便于满足不同用户的需求；群控系统的柔性，同 一群控系统能依据不同生产流程的要求，使物料流和信息流自动进行动态调整， 从而最大限度地发挥群控系统的效能。 (3)工艺复合性和多轴化 以减少工序、辅助时间为主要目的的复合加工， 正朝着多轴、多系列控制功能方向发展。数控机床的工艺复合化是指工件在一 台机床上一次装夹后，通过自动换刀、旋转主轴头或转台等各种措施，完成多 工序、多表面的复合加工。数控技术轴，西门子 880 系统控制轴数可达 24 轴。 (4)实时智能化 早期的实时系统通常针对相对简单的理想环境，其作用是 如何调度任务，以确保任务在规定期限内完成。而人工智能则试图用计算模型 实现人类的各种智能行为。科学技术发展到今天，实时系统和人工智能相互结 合，人工智能正向着具有实时响应的、更现实的领域发展，而实时系统也朝着 具有智能行为的、更加复杂的应用发展，由此产生了实时智能控制这一新的领 域。在数控技术领域，实时智能控制的研究和应用正沿着几个主要分支发展： 自适应控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制、学习控制、前馈控制等。 例如在数控系统中配备编程专家系统、故障诊断专家系统、参数自动设定和刀 具自动管理及补偿等自适应调节系统，在高速加工时的综合运动控制中引入提 前预测和预算功能、动态前馈功能，在压力、温度、位置、速度控制等方面采 用模糊控制，使数控系统的控制性能大大提高，从而达到最佳控制的目的。 二、功能发展方向二、功能发展方向 (1)用户界面图形化 用户界面是数控系统与使用者之间的对话接口。由于 不同用户对界面的要求不同，因而开发用户界面的工作量极大，用户界面成为 计算机软件研制中最困难的部分之一。当前 INTERNET、虚拟现实、科学计算可 视化及多媒体等技术也对用户界面提出了更高要求。图形用户界面极大地方便 了非专业用户的使用，人们可以通过窗口和菜单进行操作，便于蓝图编程和快 速编程、三维彩色立体动态图形显示、图形模拟、图形动态跟踪和仿真、不同 第一章 数控技术的发展简介 3 方向的视图和局部显示比例缩放功能的实现。 (2)科学计算可视化 科学计算可视化可用于高效处理数据和解释数据，使 信息交流不再局限于用文字和语言表达，而可以直接使用图形、图像、动画等 可视信息。可视化技术与虚拟环境技术相结合，进一步拓宽了应用领域，如无 图纸设计、虚拟样机技术等，这对缩短产品设计周期、提高产品质量、降低产 品成本具有重要意义。在数控技术领域，可视化技术可用于 CAD/CAM，如自动 编程设计、参数自动设定、刀具补偿和刀具管理数据的动态处理和显示以及加 工过程的可视化仿真演示等。 (3)插补和补偿方式多样化 多种插补方式如直线插补、圆弧插补、圆柱插 补、空间椭圆曲面插补、螺纹插补、极坐标插补、2D+2 螺旋插补、NANO 插补、 NURBS 插补(非均匀有理 B 样条插补)、样条插补(A、B、C 样条)、多项式插补等。 多种补偿功能如间隙补偿、垂直度补偿、象限误差补偿、螺距和测量系统误差 补偿、与速度相关的前馈补偿、温度补偿、带平滑接近和退出以及相反点计算 的刀具半径补偿等。 (4)内装高性能 PLC 数控系统内装高性能 PLC 控制模块，可直接用梯形图 或高级语言编程，具有直观的在线调试和在线帮助功能。编程工具中包含用于 车床铣床的标准 PLC 用户程序实例，用户可在标准 PLC 用户程序基础上进行编 辑修改，从而方便地建立自己的应用程序。 (5)多媒体技术应用 多媒体技术集计算机、声像和通信技术于一体，使计 算机具有综合处理声音、文字、图像和视频信息的能力。在数控技术领域，应 用多媒体技术可以做到信息处理综合化、智能化，在实时监控系统和生产现场 设备的故障诊断、生产过程参数监测等方面有着重大的应用价值。 三、体系结构的发展体系结构的发展 (1)集成化 采用高度集成化 CPU、RISC 芯片和大规模可编程集成电路 FPGA、EPLD、CPLD 以及专用集成电路 ASIC 芯片，可提高数控系统的集成度和 软硬件运行速度。应用 FPD 平板显示技术，可提高显示器性能。平板显示器具 有科技含量高、重量轻、体积小、功耗低、便于携带等优点，可实现超大尺寸 显示，成为和 CRT 抗衡的新兴显示技术，是 21 世纪显示技术的主流。应用先进 封装和互连技术，将半导体和表面安装技术融为一体。通过提高集成电路密度、 减少互连长度和数量来降低产品价格，改进性能，减小组件尺寸，提高系统的 可靠性。 (2)模块化 硬件模块化易于实现数控系统的集成化和标准化。根据不同的 功能需求，将基本模块，如 CPU、存储器、位置伺服、PLC、输入输出接口、通 讯等模块，作成标准的系列化产品，通过积木方式进行功能裁剪和模块数量的 增减，构成不同档次的数控系统。 第一章 数控技术的发展简介 4 (3)网络化 机床联网可进行远程控制和无人化操作。通过机床联网，可在 任何一台机床上对其它机床进行编程、设定、操作、运行，不同机床的画面可 同时显示在每一台机床的屏幕上。 (4)通用型开放式闭环控制模式 采用通用计算机组成总线式、模块化、开 放式、嵌入式体系结构，便于裁剪、扩展和升级，可组成不同档次、不同类型、 不同集成程度的数控系统。闭环控制模式是针对传统的数控系统仅有的专用型 单机封闭式开环控制模式提出的。由于制造过程是一个具有多变量控制和加工 工艺综合作用的复杂过程，包含诸如加工尺寸、形状、振动、噪声、温度和热 变形等各种变化因素，因此，要实现加工过程的多目标优化，必须采用多变量 的闭环控制，在实时加工过程中动态调整加工过程变量。加工过程中采用开放 式通用型实时动态全闭环控制模式，易于将计算机实时智能技术、网络技术、 多媒体技术、CAD/CAM、伺服控制、自适应控制、动态数据管理及动态刀具补偿、 动态仿真等高新技术融于一体，构成严密的制造过程闭环控制体系，从而实现 集成化、智能化、网络化。 四、智能化新一代四、智能化新一代 PCNCPCNC 数控系统数控系统 当前开发研究适应于复杂制造过程的、具有闭环控制体系结构的、智能化 新一代 PCNC 数控系统已成为可能。 智能化新一代 PCNC 数控系统将计算机智能技术、网络技术、CAD/CAM、伺 服控制、自适应控制、动态数据管理及动态刀具补偿、动态仿真等高新技术融 于一体，形成严密的制造过程闭环控制体系。 第第 2 2 节节 机床数控化改造的必要性机床数控化改造的必要性 一、微观看改造的必要性一、微观看改造的必要性 从微观上看，数控机床比传统机床有以下突出的优越性，而且这些优越性 均来自数控系统所包含的计算机的威力。 1. 可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件 由于计算机有高超的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应 该运动的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面。 2. 可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提 高 37 倍。 由于计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和存储下来，然后 按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序， 就可实现另一工件加工的自动化，从而使单件和小批生产得以自动化，故被称 为实现了柔性自动化。 第一章 数控技术的发展简介 5 3. 加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要修配。 4. 可实现多工序的集中，减少零件 在机床间的频繁搬运。 5. 拥有自动报警、监控、补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看 管加工。 二二 、 数控机床的分类及合理选用数控机床的分类及合理选用 数控机床一般可以按以下几种分类方法进行分类： （ 一 ）按工艺用途分类 1.普通数控机床 普通数控机床一般指在加工工艺过程中的一个工序上实现数字控制的自动 化机床，如数控铣床、数控车床、数控钻床、数控磨床等。普通数控机床在自 动化程度上还不够完善，刀具的更换与零件的装夹仍需人工来完成。 2.加工中心 加工中心是带有刀库和自动换刀装置的数控机床。它将数控铣床、数控镗 床、数控钻床的功能组合在一起，零件在一次装夹后，可以将其大部分加工面 进行铣、镗、钻、扩、铰及攻螺纹等多工序加工。由于加工中心能有效地避免 由于多次装夹造成的定位误差，所以适用于产品更换频繁、零件形状复杂、精 度要求高、生产批量不大而生产周期短的产品。 （ 二 ）按运动方式分类 1.点位控制系统 点位控制系统是指数控系统只控制刀具或机床工作台，从一点准确地移动 到另一点，而点与点之间运动的轨迹不需要严格控制的系统。使用这种控制系 统的主要有数控坐标镗床、数控钻床、数控冲床等。 2.点位直线控制系统 点位直线控制系统是指数控系统不仅控制刀具或机床工作台从一点准确地 移动到另一点，而且保证在两点之间的运动轨迹是一条直线的控制系统。如数 控车床、数控钻床和数控铣床等。 3.轮廓控制系统 轮廓控制系统也称连续控制系统，是指数控系统能够对两个或两个以上的 坐标轴同时进行严格连续控制系统。它不仅能控制移动部件从一点准确地移动 到另一点，而且还能控制整个加工过程每一点的速度与位移量，将零件加工成 一定的轮廓形状。如数控铣床、数控车床、加工中心等。 （ 三 ）按控制方式分类 1.开环控制系统 开环控制系统是指不带反馈装置的控制系统。 2.半闭环控制系统 第一章 数控技术的发展简介 6 3.闭环控制系统 三三 数控机床的合理选用数控机床的合理选用 在数控机床上加工零件时，一般有两种情况。第一种情况：有零件图样和 毛坯，要选择合适加工该零件的数控机床；第二种情况：已经有了数控机床， 要选择合适在该机床上加工的零件。无论哪种情况，考虑的因素主要有毛坯的 材料和类型、零件轮廓形状复杂程度、尺寸大小、加工精度、零件数量、热处 理要求等。数控机床的型号和规格有许多种，不同型号和规格的数控机床其性 能和用途有所不同。在选择数控机床之前，应了解数控机床的类型、品种、性 能、规格、特点和应用范围，以便选择最合适的数控机床。数控机床适用于多 品种、中小批量、结构复杂的零件生产，特别适合新产品的试生产。数控车床 适用于回转类的轴、盘类零件的加工。数控镗铣床、立式加工中心适用于箱体、 箱盖、板类零件、平面凸轮等的加工。多轴联动的数控镗铣床、加工中心，可 以用来加工复杂的曲面、螺旋桨以及复杂的模具等。合理选择数控机床，通常 要根据被加工零件的精度、材质、形状、数量和热处理状态等因素来选择，概 括起来主要考虑以下三个因素： （1）要保证加工零件的技术要求，加工出合格的产品。 （2）有利于提高生产率。 （3）能够降低生产成本(加工费用)。 1.数控加工程序的编制 在普通机床上加工零件时，由工艺人员事先制定好零件加工工艺规程（工 艺卡） 。在工艺规程中给出零件的加工路线、切屑参数、使用机床的规格及刀夹 具等内容。操作人员按工艺卡操作机床，加工零件。 数控加工，是指在数控机床上进行零件加工的一种工艺方法。在数控机床 上加工零件首先要根据零件图样，按规定的代码及程序格式将加工零件的全部 工艺过程、工艺参数、位移数据和方向以及操作步骤等以数据信息的形式，记 录在控制介质（如磁盘）上，然后输入给数控装置。数控装置将输入的信息进 行运算处理后转换成驱动伺服机构的指令信号，最后由伺服机构驱动控制机床 的各种动作，自动地加工出零件来。从零件图样到程序校验前的全部过程称为 数控加工的程序编制，简称数控编程。 2.程序编制的内容与步骤 数控机床程序编制的内容包括：分析工件图样、确定加工工艺过程、数值 计算、编写零件加工单、程序输入数控系统、校对加工程序和首件试加工。 第二章 浅析数控加工切削用量的合理选择 7 第二章第二章 浅析数控加工中切削用量的合理选择浅析数控加工中切削用量的合理选择 切削用量是表示机床主运动和进给运动大小的重要参数。切削用量的确定 是数控加工工艺中的重要内容, 切削用量的大小对加工效率、加工质量、刀具 磨损和加工成本均有显著影响。现在，随着 CAD/CAM 技术的发展，许多 CAD/CAM 软件都提供自动编程功能，这些软件一般是在编程界面中提示工艺规 划的有关问题，比如：刀具选择、加工路径规划、切削用量设定等，编程人员 只要设置了有关的参数，就可以自动生成 NC 程序并传输至数控机床完成加工。 因此，数控加工中切削用量的确定是在人机交互状态下完成的，这与普通机床 加工形成鲜明的对比，同时也要求编程人员必须掌握切削用量确定的基本原则， 在编程时充分考虑数控加工的特点来合理的选择切削用量。文章对数控编程中 必须面对切削用量的确定问题进行了探讨，给出了若干原则和建议，且对应该 注意的问题进行了讨论。 切削用量包括切削速度( 主轴转速) 、背吃刀量、进给量，通常称为切削 用量三要素。数控加工中选择切削用量，就是在保证加工质量和刀具耐用度的 前提下，充分发挥机床性能和刀具切削性能，使切削效率最高，加工成本最低。 粗、精加工时切削用量的选择原则如下。 粗加工时，一般以提高生产效率为主，但也应考虑经济性和加工成本。切 削用量的选择原则首先选取尽可能大的背吃刀量；其次要根据机床动力和刚性 的限制条件等，选取尽可大的进给量；最后根据刀具耐用度确定最佳的切削速 度。 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。 切削用量的选择原则首先根据粗加工后的余量确定背吃刀量； 其次根据已加工表面的粗糙度要求，选取较小的进给量；最后在保证刀具耐用 度的前提下，尽可能选取较高的切削速度。具体数值应根据机床说明书、切削 用量手册，并结合实践经验而定。 一、一、背吃刀量背吃刀量 ap(mm)ap(mm)的选择的选择 背吃刀量 ap 根据加工余量和工艺系统的刚度确定。在机床、工件和刀具刚 度允许的情况下，ap 就等于加工余量, 这是提高生产率的一个有效措施。为了 保证零件的加工精度和表面粗糙度，一般应留一定的余量进行精加工。数控机 床的精加工余量可略小于普通机床。具体选择如下： 粗加工时，在留下精加工、半精加工的余量后，尽可能一次走刀将剩下的 余量切除；若工艺系统刚性不足或余量过大不能一次切除，也应按先多后少的 第二章 浅析数控加工切削用量的合理选择 8 不等余量法加工。第一刀的 ap 应尽可能大些，使刀口在里层切削，避免工件表 面不平及有硬皮的铸锻件。 当冲击载荷较大（如断续表面）或工艺系统刚度较差（如细长轴、镗刀杆、 机床陈旧）时，可适当降低 ap，使切削力减小。 精加工时，ap 应根据粗加工留下的余量确定，采用逐渐降低 ap 的方法， 逐步提高加工精度和表面质量。一般精加工时，取 ap=0.050.8mm；半精加工 时，取 ap=1.03.0 二、宽度二、宽度 L L（mmmm） 一般 L 与刀具直径 d 成正比，与切削深度成反比。在数控加工中，一般 L 的取值范围为: L=(0.60.9)d。 三、给量三、给量( (进给速度进给速度)f(mm/min)f(mm/min 或或 mm/r)mm/r)的选择的选择 进给量( 进给速度)是数控机床切削用量中的重要参数，根据零件的表面粗 糙度、加工精度要求、刀具及工件材料等因素，参考切削用量手册选取。对于 多齿刀具, 其进给速度 vf、刀具转速 n、刀具齿数 Z 及每齿进给量 fz 的关系 为: Vf=fn=fzzn。 粗加工时, 由于对工件表面质量没有太高的要求, f 主要受刀杆、刀片、 机床、工件等的强度和刚度所承受的切削力限制，一般根据刚度来选择。工艺 系统刚度好时，可用大些的 f；反之，适当降低 f。 精加工、半精加工时，f 应根据工件的表面粗糙度 Ra 要求选择。Ra 要求小 的，取较小的 f，但又不能过小，因为 f 过小，切削厚度 hD 过薄，Ra 反而增大， 且刀具磨损加剧。刀具的副偏角愈大，刀尖圆弧半径愈大，则 f 可选较大值。 一般，精铣时可取 2025mm/min, 精车时可取 0.100.20mm/r。还应注意零件 加工中的某些特殊因素。比如在轮廓加工中，选择进给量时，应考虑轮廓拐角 处的超程问题。特别是在拐角较大、进给速度较高时，应在接近拐角处适当降 低进给速度，在拐角后逐渐升速，以保证加工精度。 四、速度四、速度 VcVc（m/minm/min）的选择）的选择 根据已经选定的背吃刀量、进给量及刀具耐用度选择切削速度。可用经验 公式计算，也可根据生产实践经验在机床说明书允许的切削速度范围内查表选 取或者参考有关切削用量手册选用。在选择切削速度时，还应考虑：应尽量避 开积屑瘤产生的区域；断续切削时，为减小冲击和热应力，要适当降低切削速 度；在易发生振动的情况下，切削速度应避开自激振动的临界速度；加工大件、 细长件和薄壁工件时, 应选用较低的切削速度；加工带外皮的工件时，应适当 降低切削速度；工艺系统刚性差的，应减小切削速度。 五、轴转速五、轴转速 n(r/min)n(r/min) 主轴转速一般根据切削速度 VC 来选定。 第二章 浅析数控加工切削用量的合理选择 9 计算公式为: n=1000VC/D 式中，D 为工件或刀具直径（mm）。 数控机床的控制面板上一般备有主轴转速修调(倍率)开关，可在加工过程 中对 轴整。 第三章 加工表面完整性对零件使用性能的影响 10 第三章第三章 加工表面完整性对零件使用性能的影响加工表面完整性对零件使用性能的影响 一、表面粗糙度对零件使用性能的影响表面粗糙度对零件使用性能的影响 表面粗糙度反映已加工表面的微观不平度高度。已加工表面粗糙度按其在 加工过程中的形成方向分为纵向和横向粗糙度，一般将沿切削速度方向的粗糙 度称为纵向粗糙度，垂直于切削速度方向(沿进给运动方向)的粗糙度称为横向 粗糙度。一般纵向粗糙度主要决定于切削过程中产生的积屑瘤、鳞刺、刀具的 边界磨损及加工过程中的变形与振动；横向粗糙度的产生除上述原因外，更重 要的是受残留面积高度及副刀刃对已加工表面的挤压而产生的材料隆起等因素 所支配，一般横向粗糙度比纵向粗糙度大得多。 当两个互相摩擦的零件配合时，由于零件表面粗糙不平，只有零件表面一 些凸峰相互接触，而不是全部表面配合接触。由于实际接触面积小，因此单位 面积上压力很大。当零件相互摩擦时，表面凸峰很快被压扁压平，产生剧烈磨 损，从而影响零件的配合性质。同时，粗糙表面的耐腐蚀性比光滑表面差，因 为腐蚀性物质容易聚集在粗糙表面的凹谷里和裂缝处，并逐渐扩大其腐蚀作用。 二、冷作硬化对零件使用性能的影响二、冷作硬化对零件使用性能的影响 表面冷作硬化通常对常温下工作的零件较为有利，有时能提高其疲劳强度， 但对高温下工作的零件则不利。由于零件表面层硬度在高温作用下发生改变， 零件表面层会发生残余应力松驰，塑性变形层内的原子扩散迁移率就会增加， 从而导致合金元素加速氧化和晶界层软化。此时，冷作硬化层越深、冷作硬化 程度越大、温度越高、时间越长，塑性变形层内上述变化过程就越剧烈，进而 导致零件沿冷作硬化层晶界形成表面起始裂纹。起始裂纹进一步扩展就会成为 疲劳裂纹，从而使零件疲劳强度下降。切削加工后表面层的硬化程度取决于金 属在切削过程中强化、弱化和相变作用的综合结果。当切削过程中强烈变形起 主导作用时，已加工表面就产生加工硬化；而当切削温度起主导作用时，往往 引起工件表层硬度降低和相变。因此，在加工中增大变形和摩擦都将加剧加工 硬化现象，而较高的温度、较低的工件材料熔点则会减轻冷作硬化作用。 三、残余应力对零件使用性能的影响三、残余应力对零件使用性能的影响 残余应力是指在没有外力作用情况下零件内部为保持平衡而存留的应力。残余 应力的产生原因，一是在切削过程中由于塑性变形而产生的机械应力；二是由 于切削加工中切削温度的变化而产生的热应力；三是由于相变引起体积变化而 产生的应力。其中，切削表面层由于塑性变形，表面被拉长，基体的弹性变形 易恢复，而表层的塑性变形不能恢复，因此表层受压，基体受拉，在表层产生 残余压应力；切削温度的升高导致工件温度升高，但工件表层温度高于基体温 第三章 加工表面完整性对零件使用性能的影响 11 度，待工件全部冷却后，表层冷却收缩受到基体的牵制，表面产生残余拉应力。 影响残余应力的因素多而复杂，试验表明：凡能减小塑性变形和降低切削温度 的因素都能使已加工表面的参与应力减小。 第四章 程序编制中的工艺分析 12 第四章第四章 程序编制中的工艺分析程序编制中的工艺分析 无论是手工编程还是自动编程，在编程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，确定切屑用量，对数控加工中的一些工 艺问题（如对刀点、换刀点、进给路线等）也要进行处理。因此，程序编制中 的工艺分析是一项非常重要的工作。 一、数控加工工艺分析概述一、数控加工工艺分析概述 所谓数控加工工艺，就是使用数控机床加工零件时所运用的各种工艺方法 和工艺手段。加工过程是自动进行的，因此具数控加工工艺分析有重要意义。 数控加工工艺分析主要包括以下内容: 1) 选择合适在数控机床上加工的零件，并确定数控工序的加工内容。 2）分析零件图样，进一步明确数控加工的工艺内容及技术要求。 3）制定数控加工工序的加工方案，划分工序、工步及处理好与传统加工工 序的衔接。 4）确定零件的定位、夹紧方案，选择或设计夹具。处理好定位、夹紧点与 刀具运动间的关系，避免刀具与夹具或工件发生碰撞。 5）选择刀具及对刀具进行编号并确定每把刀具在加工时合理的切削用量。 6）确定程序原点、对刀点、换刀点的位置、确定刀具走刀时的进给路线。 7）分配数控加工中的容许误差以及处理数控机床上部分工艺指令。 二、零件的安装与夹具的选择二、零件的安装与夹具的选择 1定位安装的基本原则 在数控机床上加工零件时，定位安装的基本原则是合理选择定位基准和夹 紧方案。在选择时应注意以下几点： 1）力求设计、工艺和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后，加工出全部待加工表面。 3）避免采用占机人工调整式加工方案，以充分发挥数控机床的效能。 2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。除此 之外，还要考虑以下几点： 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。 第四章 程序编制中的工艺分析 13 2）在成批生产时才考虑采用专用夹具，并力求结构简单。 第四章 程序编制中的工艺分析 14 3）零件的装卸要快速、方便、可靠，以缩短机床的停顿时间。 4）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（如产生碰撞等） 。 三、刀具的选择与切屑用量的确定三、刀具的选择与切屑用量的确定 1刀具的选择 刀具材料是指刀具切削部分的材料，应具备以下基本性能： 高硬度 这是刀具材料应具备的最基本特征。 足够的强度和韧性 承受切削力和冲击力。 高耐磨性和耐热性 耐热性通常用它在高温下保持较高硬度的性能即高 温硬度（或叫红硬性）来衡量。 良好的导热性 降低切削部分的温度，减轻刀具磨损。 良好的工艺性好和经济性 抗粘接性 化学稳定性 刀具材料的种类及其选用 要求掌握下列常用刀具材料的种类、特点及应用场合： （1）高速钢（High Speed Steel，HSS） 高速钢是一种含钨（W） 、钼（MO） 、铬（Cr） 、钒（V）等合金元素较多的工 具钢，它具有较好的力学性能和良好的工艺性，可以承受较大的切削力和冲击。 普通高速钢 不适于高速和硬材料切削。 高性能高速钢 添加 Co、Al 等合金元素，提高耐热性、耐磨性，热稳定性 高，可用于制造出口钻头、铰刀、铣刀等。 粉末冶金高速钢 用于加工超高强度钢、不锈钢、钛合金等难加工材料； 用于制造大型拉刀和齿轮刀具，特别是切削时受冲击载荷的刀具效果更好。 （2）硬质合金（Cemented Carbide） 切削效率是高速钢刀具的 510 倍。 普通硬质合金 WC+Co 类（YG）：主要用于加工铸铁及有色金属。Co 含量高，韧性好，适 合粗加工；含 Co 量少用于精加工。 TiC+WC+Co 类（YT）：含 TiC 量多，含 Co 量少，耐磨性好，适合精加工； 含 TiC 量少，含 Co 量多，承受冲击性能好，适合粗加工。 新型硬质合金 钨钛钽（铌）钴类（YW）：添加 TaC 或 NbC，提高高温硬度、强度、耐磨性。 用 第四章 程序编制中的工艺分析 15 于加工难切削材料和断续切削。常用牌号：YW1、YW2。 碳化钛基类（YN）：TiC+Ni+Mo，硬度高、抗粘接、抗月牙洼磨损和抗氧化 能力强。用于合金钢、工具钢、淬火钢的连续精加工。牌号：YN05、YN10。 （3）新型刀具材料 涂层刀具 较好地解决了材料硬度及耐磨性与强度及韧性的矛盾。常用 的涂层材料有 TiN、TiC、Al2O3 和超硬材料涂层。 陶瓷刀具材料（Ceramics） Al2O3 基陶瓷刀具：适用于各种铸铁及钢料的精加工、粗加工。 Si3N4 基陶瓷刀具：适于端铣和切有氧化皮的毛坯工件等。此外，可对铸 铁淬硬钢等高硬材料进行精加工和半精加工。 超硬刀具材料 聚晶金刚石（Poly Crystalline Diamond，PCD）：用于加工各种有色金属、 钛合金、金、银、铂、各种陶瓷、和各种非金属材料，不能加工黑色金属（金 刚石和铁的亲和力强） 。 立方氮化硼（Cubic Boron Nitride, CBN）：可加工以前只能用磨削方法 加工的特种钢，非常适合数控机床加工。 2.数控加工切削用量确定 合理选择切削用量原则，粗加工时，一般以提高生产率为主，但也应考虑 经济性加工成本；半精加工精加工时，应保证加工质量前提下，兼顾切削效率、 经济性加工成本。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。 切削深度 t。机床、工件刀具刚度允许情况下，t 就等于加工余量，这提 高生产率一个有效措施。为了保证零件加工精度表面粗糙度，一般应留一定余 量进行精加工。数控机床精加工余量可略小于普通机床。 切削宽度 L。一般 L 与刀具直径 d 成正比，与切削深度成反比。经济型 数控加工，一般 L 取值范围为：L=（0.60.9）d。 切削速度 v。提高 v 也提高生产率一个措施，但 v 与刀具耐用度关系比 较密切。随着 v 增大，刀具耐用度急剧下降，故 v 选择主要取决于刀具耐用度。 另外，切削速度与加工材料也有很大关系，例如用立铣刀铣削合金刚 30CrNi2MoVA 时，v 可采用 8m/min 左右；而用同样的立铣刀铣削铝合金时，v 可选 200m/min 以上。 主轴转速 n(r/min)。主轴转速一般根据切削速度 v 来选定。 数控机床控制面板上一般备有主轴转速修调（倍率）开关，可加工过程对 主轴转速进行整倍数调整。 进给速度 F 。F 应根据零件加工精度表面粗糙度要求以及刀具工件材料来选 第四章 程序编制中的工艺分析 16 择。 第四章 程序编制中的工艺分析 17 F 增加也可以提高生产效率。加工表面粗糙度要求低时，F 可选择得大些。 加工过程，F 也可通过机床控制面板上修调开关进行人工调整，但最大进给速 度要受到设备刚度进给系统性能等限制。 随着数控机床生产实际广泛应用，数控编程已经成为数控加工关键问题之 一。数控程序编制过程，要人机交互状态下即时选择刀具确定切削用量。因此， 编程人员必须熟悉刀具选择方法切削用量确定原则，从而保证零件加工质量加 工效率，充分发挥数控机床优点，提高企业经济效益生产水平。 四、零件材料的选择四、零件材料的选择 1.碳素结构钢 碳素结构钢的硫、磷含量较多，但碳含量低，由于冶炼容易，工艺性好，价格 便宜，具有较高的强度和良好的塑性与韧生。因此，碳素结构钢广泛用于一般 建筑、工程结构及普通机械零件。约占钢材总量的 70。Q195、Q215、Q235 塑 性好，有一定的强度，用于制造受力不大的零件，如：螺钉、螺母、垫圈等， 焊接件、冲压件及桥梁建筑等金属结构件 。Q255、Q275 强度较高，用于制造 承受中等载荷的零件，如：小轴、销子、连杆、农机零件等。 2.优质碳素结构钢 Ws、Wp 均0.035。这类钢随钢号数字增加，其碳的含量增加，组织中的珠 光体量增加，铁素体量减少，因此钢的强度也随之增加，而塑性指标越来越低。 08F、10F 钢的含碳量低，塑性好，焊接性能好，主要用于制造冲压和焊接件。 15、20、25 钢属于渗碳钢。这类钢强度低，但塑性和韧性较高，焊接性和冷冲 压性都好，可以制造各种受力不大，但要求高韧性的零件，此外还可用作冷冲 压件和焊接件。渗碳钢经渗碳、淬火低温回火后，表面硬度可达 60HRC 以上， 耐磨性好，而心部具有一定的强度和韧性，可用来制作表面耐磨并能承受冲击 载荷的零件。 30、35、40、45、50、55 钢属于调质钢，经淬火高温回火后，具有良好的综 合力学性能，主要用于要求强度、塑性和韧性都较高的机械零件，如轴类零件。 这类钢在机械制造中应用最广泛，其中以 45 钢更为突出。 第五章 数控车床编程指令功能简介 18 第五章第五章 数控车床编程指令功能简介数控车床编程指令功能简介 一、准备功能（一、准备功能（G G 功能）代码功能）代码 准备功能也叫 G 功能或 G 代码。它是使机床或数控系统建立起某种加工方 式的指令。G 代码由地址 G 和后面的两位数字组成，从 G00G99 共 100 种。 G 代码分为模态代码（又称续效代码）和非模态代码。模态代码表示该代 码一经在一个程序段中指定，直到出现同组的另一个 G 代码时才失效。非模态 代码，只在写有该代码的程序段中有效。 二、辅助功能（二、辅助功能（M M 功能）代码功能）代码 辅助功能也称为 M 功能。M 功能的作用在于控制机床或者系统的辅助功能 动作，例如冷却泵的开、关；主轴的正反转；程序的结束等。辅助功能用字母 M 及后在两位数字组成。M00M99 共 100 个。 三、进给功能（三、进给功能（F F 功能）代码功能）代码 进给功能也称为 F 功能，用 F 功能可以直接指定坐标轴移动的进给速度。 一般有两种表示方法； 1）代码法 即 F 后面跟两位数字，表示机床进给量数列的序号，它不直接表示进给速 度的大小。 2）直接代码法 F 后面的数字就是进给速度的大小，用字母 F 与其后的 4 位整数和 3 位小 数表示。例如 F300 表示刀具的进给速度为 300mm/min。 F 代码为续效代码，一经设定后，再未被重新指定前，则表示先前所设定 的进给速度持续有效。 四、主轴转速功能（四、主轴转速功能（S S 功能）代码功能）代码 主轴功能也称主轴转速功能或 S 功能，用来指定主轴的转速，用字母 S 和 其后的 1-4 位数字表示。S 功能的单位是 r/min。在编程时， S 功能代码只是 设定主轴转速的大小，并不会使主轴反转，必须用 M 指令指定正、反转时，主 轴才开始转动。 五、刀具功能（五、刀具功能（T T 功能）代码功能）代码 刀具功能也称 T 功能，用来进行刀具的选择。刀具功能用字母 T 及后面的数字 表示。程序中 T 代码的数值直接表示选择的刀具号码。例如 T10B 表示 10 号刀。 在数控车床中的 T 代码后面的数字即包含所选刀具号，也包含刀具补偿号，例 如 T0402 表示选择 4 号刀，调用 2 号刀具补偿参数进行刀具长度和半径的补偿。 第六章 轴类零件编程设计 19 第六章第六章 轴类零件编程设计轴类零件编程设计 一、设计图及尺寸要求一、设计图及尺寸要求 图图 6161 图图 6262 加工如图 61 和图 62 所示零件，需进行精加工，选用具有直线和圆弧插补 功能的 CKI-6132 华中世纪星数控车床加工该零件。所用材料为 45#钢，总长 第六章 轴类零件编程设计 20 度为 100mm，直径为 32mm。 二、分析零件图二、分析零件图 确定工艺方