机械加工工艺基础完整课件.pptVIP

,中南大学CentralSouthUniversity,机械制造工程训练,中南大学工程训练中心,多媒体教学课件,材料成形工艺基础：主要介绍机械零件毛坯成形方法的工艺特点、工艺参数的选择、各类零件毛坯的结构工艺性、零件的材料选择与成形方法选择的基本原则。,机械加工工艺基础：主要介绍机械加工的基本概念、切削基本原理、切削机床与刀具、切削加工基本工艺过程、选择切削加工方法的基本原则，以及零件机械加工结构工艺性。,机械加工工艺基础,中南大学工业训练中心,中南大学CentralSouthUniversity,第一章.切削加工的基础知识第二章.金属切削机床第三章.机械加工工艺过程第四章.零件表面的加工方案第五章.零件的结构工艺性第六章.数控加工技术,索引,第一章切削加工的基础知识,返回索引,1.1钳工与机械加工,钳工：通过工人手持工具进行切削加工。机械加工：采用不同的机床（如车床、铣床、刨床、磨床、钻床等）对工件进行切削加工。,2.零件表面质量的概念,零件几何参数：宏观几何参数：包括：尺寸、形状、位置等要素。微观几何参数：指：微观表面粗糙程度。,2.1加工精度,加工精度：指零件经切削加工后，其尺寸、形状、位置等参数同理论参数的相符合的程度，偏差越小，加工精度越高，它包括：a.尺寸精度：零件尺寸参数的准确程度。b.形状精度：零件形状与理想形状接近程度。c.位置精度：零件上实际要素（点、线、面）相对于基准之间位置的准确度。,2.1加工精度,国家标准规定：常用的精度等级分为20级，分别用IT01、IT0、IT1、IT2IT18表示。数字越大，精度越低。其中IT5-IT13常用。高精度：IT5、IT6通常由磨削加工获得。中等精度：IT7-IT10通常由精车、铣、刨获得。低精度：IT11-IT13通常由粗车、铣、刨、钻等加工方法获得。,2.1.1尺寸精度,25,0-0.04,零件尺寸要素的误差大小。问：精度的高低与哪两个因素有关？,基本尺寸和公差大小。,2.1.2形状精度,25轴加工后可能产生的形状误差,00.013,2.1.2形状精度,指零件上实际要素的形状与理想形状相符合的程度；国家标准规定了六类形状公差（见下表）形状精度的标注：框格分为2格，箭头指向待表达的表面，数字表示允许误差的大小，单位为毫米。,2.1.3位置精度,指零件的实际要素（点、线、面）相对于基准之间位置的准确度。,圆圈中的英文字母表示基准，框格分3格，箭头指向待表达的表面,零件精度等级及其相应的加工方法,2.2表面粗糙度,表面粗糙度：零件微观表面高低不平的程度。产生的原因：1）切削时刀具与工件相对运动产生的磨擦；2）机床、刀具和工件在加工时的振动；3）切削时从零件表面撕裂的切屑产生的痕迹；4）加工时零件表面发生塑性变形。,2.2表面粗糙度,表面粗糙度对零件质量的影响：零件的表面粗糙度对机器零件的性能和使用寿命影响较大，主要有以下几个方面：1）零件表面粗糙，将使接触面积减小，单位面积压力加大，接触变形加大，磨擦阻力增大，磨损加快；2)表面粗糙度影响配合性质。对于间隙配合，表面粗糙易磨损，造成间隙迅速加大；对于过盈配合，在装配时，可使微小凸峰挤平，有效过盈量减少，使配合件强度降低；3）零件表面粗糙，低谷处容易聚积腐蚀性物质，且不易清除，造成表面腐蚀；4）当零件承受载荷时，凹谷处易产生应力集中，以致产生裂纹而造成零件断裂。,2.2表面粗糙度评定参数：常用的是轮廓算术平均偏差Ra,2.2表面粗糙度,Ra,h1h2h3hn,2.2表面粗糙度,国家标准规定：表面粗糙度分为14个等级，分别用表示，数字越大，表面越粗糙。表面粗糙度符号上的数值Ra,单位是微米（m）。,2.2表面粗糙度表面粗糙度符号的意义及应用,2.3常见加工方法的Ra表面特征,2.4零件的加工精度与表面粗糙度的关系,精度：宏观几何参数的误差表面粗糙度：微观几何参数的误差加工精度高，必须采用一系列的高精度的加工方法，而经过高精度的加工后零件表面粗糙度一定低，反之，表面粗糙度低，零件必须采用一系列的降低表面粗糙度的加工方法，而低表面粗糙度的加工方法不一定是高精度的加工方法。实例：各种机床上的手柄：表面粗糙度非常低，但精度不高。,零件的加工精度与表面粗糙度的关系如何？,提问,机器零件的基本表面包括：外圆、内圆（孔）、平面和成型面基本表面主要由如下的加工方法获得,3.切削运动与切削用量,要完成零件表面的切削加工，刀具和工件应具备形成表面的基本运动，即切削运动切削运动：刀具和工件的相对运动切削运动分为主运动和进给运动主运动：提供切削可能性的运动。主运动只有一个进给运动：提供连续切削可能性的运动。进给运动可以有多个,3.1切削运动,3.1切削运动,机床的切削运动,3.2切削用量,切削用量包括切削速度、进给量和背吃刀量切削速度：切削刃上选定点相对于工件主运动的瞬时速度,用V表示，单位为m/s进给量：刀具在进给运动方向上相对于工件的位移量，用f表示，车、钻和铣削时单位为mm/r背吃刀量:已加工表面和待加工表面之间的垂直距离，用ap表示，单位为mm，如下图：,3.2.1车削切削速度、背吃刀量的计算,V:切削速度d:工件直径n:工件转速,背吃刀量：,切削速度：,dmax:待加工表面直径dmin:已加工表面直径ap:背吃刀量,3.3切削用量的合理选择问题,(1)粗加工按apfv的顺序选择a、粗加工的主要目的是用最少的走刀次数尽快切除多余金属，只留后续工序的加工余量，所以应根据毛坯尺寸首先选择apb、粗加工不必考虑表面粗糙度，在ap确定后，选取大的f，减少走刀时间c、ap和f确定后，在机床功率和刀具耐用度允许的前提下选择v(2)精加工按vfap的顺序选择精加工的主要目的是保证产品质量和降低零件的表面粗糙度。因此首先应选择尽可能高的v，然后选择达到表面粗糙度要求的f，最后再根据精加工余量决定ap,4.切削刀具,刀具性能的好坏也是直接影响切削效果的一个重要因素，刀具性能主要取决于两个因素：即刀具材料和刀具的几何角度,4.1刀具材料应具备如下五个基本特性：,1.高硬度：HRC60以上;2.高的强度与韧性：保证能够承受切削力的作用而不破坏；3.高的热硬性：材料在高温下仍然保持高硬度的性能，热硬性用热硬温度表示；4.良好的耐磨性；5.良好的工艺性和经济性；,碳素工具钢：如T7、T8、T9T13等。适合于制造简单的手工工具，如锉刀、锯条等；合金工具钢：在碳素工具钢中加入少量的钨、铬、锰、硅等元素，耐热性较低，如9SiCr等，适合于制造低速成型刀具，如丝锥；高速钢：含较多的钨、铬、钒等合金元素、常用的有：W18Cr4V、W6Mo5Cr4V等。适合于制造中速精加工刀具；硬质合金：成分由WC、TiC和Co组成，采用烧结方法获得,4.1.1常用的刀具材料,4.1.1常用的刀具材料,常用的硬质合金有：钨钴钛类（牌号YT）硬质合金：适合于加工钢等塑性材料，其代号有YT5、YT15、YT30等，粗加工用YT5,精加工用YT30;钨钴类（牌号YG）硬质合金：适合于加工铸铁、青铜等脆性材料，其代号有YG3、YG6、YG8等，粗加工用YG8，精加工用YG3。,4.1.2其它刀具材料,陶瓷：常用的刀具陶瓷有两种：Al2O3基陶瓷和Si3N4基陶瓷。陶瓷刀具的最大特点是具有很高的硬度、很高的耐磨性和耐热性，其主要缺点是抗弯强度低，冲击韧性很差，不能承受较大的冲击载荷。金刚石：它分三种天然单晶金刚石刀具整体人造聚晶金刚石刀具金刚石复合刀片立方氧化硼：由软的立方氧化硼在高温高压下加入催化剂转变而成,常用的刀具材料,各种多齿刀具或复杂刀具，就其一个刀齿而言，都相当于一把车刀。车刀分为切削部分和夹持部分，切削部分由三个刀面组成：前刀面、主后刀面、副后刀面。,前刀面和主后刀面的交线叫主切削刃前刀面和副后刀面的交线叫副切削刃两条切削刃的交点叫刀尖，但刀尖并非绝对尖锐,为了研究刀具的几何角度，建立三个辅助平面：基面：通过主切削刃上的某一点，与该点切削速度方向垂直的平面。切削平面：通过主切削刃上的某一点，与该点加工表面相切的平面。正交平面：通过主切削刃上的某一点，与主切削刃在基面上的投影垂直的平面,4.2刀具的几何角度(车刀的基本形状),前角。：在正交平面中，前刀面与基面之间的夹角；后角。：在正交平面中，主后刀面与切削平面之间的夹角；主偏角Kr：在基面上，主切削刃的投影与进给方向的夹角。副偏角Kr：在基面上，副切削刃的投影与进给反方向的夹角。刃倾角s,4.2.1车刀的几何角度,4.2.2前角的正与负一般加工韧性材料，应取较大的前角；加工脆性材料，应取较小的前角；前角的取值范围常在-5+25之间。,4.2.3刃倾角s,刃倾角s：在切削平面中，主切削刃与基面之间的夹角。它主要影响刀头的强度和排屑方向。一般取s=10+10,粗加工时常取负值，增加刀头强度；精加工时常取正值，避免切屑擦伤已加工表面。,4.2.4刃倾角s的正与负,当刀尖在主切削刃上最高点时，s为正值，反之为负值。,4.3刀具角度的合理选择问题,原则：粗加工时，为了提高切削效率，切削力会较大，因此强度要高；精加工时，切削力较小，为了保证零件质量因此刀具较锋利。粗加工：前角、后角均小，强度高精加工：前角、后角均大，刀具锋利主偏角：车台阶轴：取90度既车外圆又车端面，取45度副偏角：为降低表面粗糙度，取小值：一般为：5-15度刃倾角：粗加工常取负值，精加工取正值,麻花钻由工作部分、颈部和柄部组成，工作部分又包括导向部分和切削部分,4.4麻花钻的基本形状,螺旋角：刃带切线与钻头轴线的夹角,一般=18-30度；前角：。后角：f顶角2：两个主切削刃在垂直钻头轴线平面上投影的夹角，通常2=116-120度之间；横刃斜角：它是横刃与主切削刃在钻头垂直轴线平面上投影的夹角。通常为47-55度；,4.4.1麻花钻的主要几何角度,砂轮：是磨削加工的刀具，它是由磨料和结合剂烧结而成的。磨料：磨料是砂轮的主要组成因素，担负切削作用，所以磨料有很高的硬度。粒度：是指磨料颗粒的大小。结合剂：结合剂起粘结磨粒的作用。硬度：指砂轮上的磨粒脱落的难以程度。,4.5砂轮的材料及形状,4.5.1常用的磨料的特性及用途,4.5.2砂轮的形状、代号及用途,5.刀具磨损和刀具耐用度,刀具经过一定时间的使用后，由于摩擦和切削热的作用，使刀具变钝，切削温度上升，影响加工精度和表面质量，因此必须及时刃磨。刀具耐用度是刀具从开始切削至达到磨损限度为止的切削时间。例：硬质合金焊接刀具的耐用度规定为60分钟。,刀具使用,磨钝,刃磨刀具,包括：三种磨损形式与三个磨损阶段,5.1刀具的使用过程,金属切削过程是指从工件表面切除一层多余的金属，从而形成切屑的过程：1.金属在刀具前刀面的作用下，受到挤压产生弹性变形。2.应力逐渐变大，产生塑性变形滑移。3.应力达到强度极限，剪切滑移被挤裂形成切屑。4.切离。,1弹性变形2塑性变形3挤裂切屑,6.金属的切削过程,常见的切屑有如下三种：a.带状切屑：用大前角刀具、高切削速度、小进给量加工塑性材料时出现。形成带状切屑时，切削力平稳，表面光洁，但切屑连续不断，不安全或容易刮伤已加工表面。b.节状切屑：用低切削速度，大进给量加工中等硬度的钢材时出现。形成这种切屑时，金属经弹性变形、塑性变形、挤裂和切离阶段，是典型的切削过程，但切削力波动大，工件表面粗糙。c.崩碎切屑：加工铸铁、黄铜等脆性材料时出现，形成这种切屑时，切削热和切削力均集中在刀刃和刀尖，刀具容易磨损。,6.1金属的切屑类型,6.2积屑瘤,积屑瘤：当切屑沿前刀面流出时，与前刀面接触的切屑底层受到摩擦阻力，速度变慢，形成滞流层，于是，金属粘附在切削刃附近，形成了积屑瘤。,积屑瘤的影响：1、保护切削刃，粗加工时，希望产生积屑瘤2、本身不断形成和脱落，会引起振动，影响工件表面粗糙度，精加工不希望产生积屑瘤。,6.3切削力,1、切向力（切削力）Fz：总切削力在主运动方向上的正投影，其大小约占总切削力的9599%,是三个分力中最大的。消耗功率最多的分力，它是机床动力、重要零件的强度和刚度设计和校核的主要依据；2、轴向力（进给力）Fx:总切削力在进给方向上的正投影，其大小约占总切削力的15%,它是设计和验算机床进给机构必须的参数；3、径向力（背向力）Fy:总切削力在垂直工作平面上的分力，它作用在工件刚性较差的方向，容易使工件变形，同时引起振动，影响加工精度。所以加工刚性较差的工件（如细长轴）时，应该力求减少切削力。,6.3切削力,Fy,切削力Fr的方向如左下图：可以沿三个方向分解为：1.切向力Fz2.轴向力Fx3.径向力Fy,6.3切削力,主偏角影响径向力的分配：,6.4切削热,切削热产生原因：1.切屑变形；2.工件与刀具的摩擦；切削热传出途径：a.由切屑带走，带走越多越有利；b.由周围空气和冷却介质带走，同样带走越多越有利；c.传入工件，使工件温度升高，引起工件变形，产生误差；d.传入刀具，使刀具温度升高。刀具硬度降低，磨损加快。,6.5降低切削温度的措施,1.减少切削热的产生：包括选择合理的刀具几何角度和切削用量，比如适当增大刀具的前角以减少切屑变形，选用大的背吃刀量和小的进给量。2.改善散热条件：包括使用冷却液等各种冷却措施；冷却液一般有：水溶液：比热大，导热性好，但不能起润滑作用，如苏打水，苏打用于防锈。用于粗磨。切削油：如矿物油；比热小，但有润滑作用。乳化液：具有良好的流动性和导热性，它由乳化油加水稀释而成，应用最广泛。,第八章零件表面的加工方案,复习思考题1、试说明下列加工方法的主运动和进给运动：（1）车端面；（2）在车床上钻孔；（3）在钻床上钻孔；（4）在铣床上铣平面；（5）在平面磨床上磨平面；（6）在外圆磨床上磨孔。2、试说明车削的切削用量（包括名称、定义、代号和单位），简述切削用量选择的原则。,3、对刀具材料的性能有那些要求？4、高速钢和硬质合金在性能上的主要区别是什么？各适合做什么刀具？5、积屑瘤是如何形成的？它对切削加工有何影响？6、试分析车外圆时各切削分力的作用和影响。7、切削热对切削加工有什么影响？8、简述车刀前角、后角、主偏角、副偏角和刃倾角的作用及选择原则。,第八章零件表面的加工方案,9、切削液的主要作用是什么？常根据哪些主要因素选用切削液？10、已知下列车刀的主要角度，试画出它们切削部分的示意图：（1）外圆车刀：o=10o=8=60=10s=4(2)切断刀：o=10o=6=90=2s=011、车削外圆时，工件转速n360r/min，切削速度v=150m/min,试求工件直径d。12、为什么不宜用碳素工具钢制造铣刀、钻花等复杂刀具？为什么目前常采用高速钢制造这类刀具？而较少采用硬质合金？,第二章金属切削机床,返回索引,1、机床的类型,金属切削机床是用来对工件进行加工的机器，故称为“工作母机”，习惯上称机床。按加工性质和所用刀具分类：分为车床、铣床、钻床、磨床、齿轮加工机床等12大类；按精度分类：分为普通精度、精密和高精度三种；按重量分类：分为一般机床、大型机床和重型机床。机床的型号：如：C6136表示,2、机床的基本结构,1.主传动部件：用来实现机床主运动；2.进给传动部件：主要用来实现机床进给运动；3.工件安装装置：用来安装工件；4.刀具安装装置：用来安装刀具；5.支承件：用来支承和连接机床各零部件，是机床的基础构件；6.机床动力部件：为机床提供动力。,3、机床的传动,机床的传动有机械、液压、气动、电气等多种形势，最常见的是机械传动和液压传动。机械传动包括皮带传动、齿轮传动、涡轮蜗杆传动、齿轮齿条传动和丝杆螺母传动,3.1皮带传动,皮带传动是靠胶带与带轮之间的磨擦作用，将主动皮带轮的转动传递到另一个被动皮带轮上去的。皮带传动的优点是传动平稳、轴间距较大，结构简单、制造维修方便，过载时皮带打滑。不易引起机器损坏；其缺点是不能保证精确的传动比，且磨擦损失大，传动效率较低。,3.1皮带传动,如果考虑皮带与皮带轮之间的滑动，其传动比为：i=(d1/d2)=(n2/n1)式中：d1主动皮带轮的直径d2被动皮带轮的直径n1主动皮带轮的转速n2被动皮带轮的转速滑动系数，约为0.98,3.2齿轮传动,齿轮传动是目前机床中应用最多的一种传动方式，这种传动方式种类多，如直齿、斜齿、人字齿、圆弧齿轮传动等，最常见的是直齿圆柱齿轮。设：z1和n1分别为主动轮的齿数和转速z2和n2分别为被动轮的齿数和转速传动比i=(z1/z2)=(n2/n1),3.3涡轮、蜗杆传动,采用这种方式，只能由蜗杆带动蜗轮传动，其传动的优点是：可获得较大的降速比，传动平稳、噪音小，结构紧凑。其缺点是传动效率低，并需要良好的润滑条件,3.4齿轮、齿条传动,齿轮齿条传动机构可将旋转运动转变为直线运动（当齿轮为主动轮时），也可将直线运动转变为旋转运动（当齿条为主动件时），在实际运用中，以前者居多。齿轮齿条传动的效率很高，但制造精度不高时，传动的平稳性和准确性较差。,3.5丝杆、螺母传动,丝杆、螺母传动可使旋转运动变成直线运动，例如在车床上车螺纹时，丝杆旋转，合上开合螺母后，刀架便作纵向运动。其传动的优点是工作平稳，无噪音，其缺点是传动效率较低。,4、机床的变速机构,在一般的通用机床上通过变速机构实现接近理想值的切削速度。变换机床转速的主要装置是机床的齿轮箱，齿轮箱变速机构的形式多样，最常见的为滑动齿轮变速机构和离合器式齿轮变速机构,4.1滑动齿轮变速机构,带长键的从动轴上装有滑动齿轮z2,z4,z6,通过手柄上的拨叉可使它们分别与固定在主动轴上的齿轮z1,z3,z5相啮合，其传动比i1=z1/z2i2=z3/z4i3=z5/z6轴的转速分别为：n2=i1n1或n2=i2n1或n2=i3n1（式中n1为轴的转速,n2为轴的转速）,4.2离合器式齿轮变速机构,从动轴两端空套有齿轮z2和z4，它们分别与固定在主动轴上的齿轮z1和z3啮合。轴中部带有键3，并装有压嵌式离合器4。当手柄左移或右移离合器时，离合器的爪1与齿轮z2啮合或爪2与齿轮z4啮合，这样轴可得到两种不同的转速，其传动比是：i1=z1/z2i2=z3/z4,5、车床的基本结构,主电机及变速机构,挂轮箱,床头箱,进给箱,卡盘,中心架,溜板箱,尾架,丝杆,光杆,5.1车床的主传动,车削的进给量,如果工件的转速加快，进给量是否会变化？答：所谓进给量，是指主轴转一圈（一个工作循环）、刀架沿进给方向移动的距离，只要进给箱的挂轮手柄没有调整，主轴到进给箱的传动比没有变化，进给量就不会发生变化。,5.1.1车床的传动框图,5.2车削的加工范围,车削是以加工回转体为主要加工目的。在车床上可以加工：外圆、端面、锥度、钻孔、钻中心孔、镗孔、铰孔、切断、切槽、滚花、车螺纹、车成型面、绕弹簧等。,5.3车削的工艺特点,粗加工：经济精度可达到IT10，表面粗糙度在25-12.5之间;精加工：经济精度可达IT7左右，表面粗糙度Ra6.3-1.6之间。2.易于保证相互位置精度要求。一次装夹可加工几个不同的表面，避免安装误差。3.刀具简单，制造、刃磨和安装方便，容易选用合理的几何形状和角度，有利于提高生产率。4.应用范围广泛，几乎所有绕定轴心旋转的内外回转体表面及端面，均可以用车削方法达到要求。5.可以用精细车的办法实现有色金属零件的高精度的加工（有色金属的高精度零件不适合采用磨削）,6铣削加工,主轴箱,主轴,横溜板,工作台,升降台,底座,6.1立式铣床的基本结构,6.2铣削的主要加工范围,6.3铣床的分度加工功能,分度头手柄,工件,铣刀,卡盘,尾架,扇形夹,1.分度头手柄与卡盘中心轴之间的传动比为40：1，即手柄转40圈，卡盘或工件转1圈。2.孔圈和扇形夹的张开角度用于非整数圈的定位,孔圈,问题：今欲在铣床上加工一个12等分的零件，分度手柄应转多少圈，用分度盘的哪个孔圈，扇形夹应张开多少个孔距？（已知：分度盘孔圈孔数有：24、25、28、30、37）解：因为主轴上固定有齿数为40的蜗轮，它与单头蜗杆相啮合。当分度手柄转一圈的同时，主轴(工件)转动了1/40转即设工件等分数为Z，则每次分度时，工件应转过1/Z，因此手柄转数根据题中已知条件，可选孔圈数24、扇形夹张开孔距为8孔，可选孔圈数30，扇形夹张开孔距为10孔,6.3铣床的分度加工功能,6.4逆铣和顺铣,逆铣：铣刀旋向（或铣削力）与进给方向相反顺铣：铣刀旋向与进给方向一致,F,F,V,V,齿轮的种类和用途,6.5铣削的工艺特点,1.铣削加工的精度可达IT10-IT7，表面粗糙度可达6.3-1.6左右2.生产效率高，铣刀是多刀齿刀具，铣削时有几个刀齿同时参加切削，主运动是刀具的旋转，所以铣削的生产效率比刨削高。3.容易产生振动，铣刀的刀齿切入和切出时产生振动，加工过程中切削面积和切削力变化较大。4.刀齿的散热条件较好，在刀具旋转过程的不切削时间内，刀具可以得到一定的冷却。5.与刨床相比，铣床价格高，适用于批量生产。,7.刨（插）削加工,刨床主要有牛头刨床和龙门刨床两种,牛头刨床:刨刀的直线往复运动是主运动，工件在刨刀返回行程将结束时作横向进给运动。牛头刨床主要用于加工中小型零件,龙门刨床:工作台往复运动，横梁上的刀架可以水平或垂直运动龙门刨床主要用于加工大型零件,7.1牛头刨床的摆杆机构,牛头刨床的摆杆机构摆杆齿轮带动摇杆左右摆动，摇杆带动滑枕做往复运动。摆杆机构的特点：返回行程比工作行程时间快。,7.2刨削加工的范围,3.1插削加工,插床又称立式刨床，其运动原理与牛头刨床相似，主要用于孔内表面加工，如方孔、多边形孔、键槽等的加工。,工件在工作台上可做纵向、横向和回转的运动，滑枕做上下往复运动。,7.3插削主要加工范围,7.4刨削加工的工艺特点,1.加工精度通常为：精刨：IT7-IT10，粗糙度Ra为6.3-1.6之间。2.通用性好，刨床简单、价格低、调整和操作简便，刨刀形状简单，制造、刃磨方便。3.生产率一般比较低，主运动为往复直线运动，返回行程不参加切削。4.适用于单件小批生产。,8.钻削加工,钻床包括台式钻床、立式钻床和摇臂钻床。如图：工件直径12mm的孔一般使用台式钻床加工，孔径0;若点（X,Z）在直线下方，则：ZXe-XZe0时，NC发出移动微指令，使控制轴向+X方向移动一个步长；当F0时，NC发出移动微指令，使控制轴向+Z方向移动一个步长；当F=0时，可以规定NC使控制轴向+X或+Z方向移动一个步长这样可以不断地趋向终点，图中，带箭头的折线轨迹是机床实际运动的插补轨迹，直线OA是理论轨迹，由于插补运算所取的步长很小，所以可以近似地认为插补轨迹就是直线OA的理论轨迹。,刀具补偿原理：是指NC对编程时零件轮廓轨迹与刀具实际运行轨迹差值进行补偿的功能。如右图所示：用一个半径为R的刀具加工图中的实线表示的工件，刀具运行的实际中心轨迹应为图中的虚线所示，于是刀具离开工件的这一个距离就是偏置（二者之间相差一个刀具半径R），偏置量(offsetvalue)是一个二维的矢量，可正可负,同理：在刀具长度方向上，每种刀具长度不一致，也是采用同样的方法进行补偿，称刀具长度补偿。刀具补偿又可以分为形状补偿(geometryoffset)和磨损补偿(wearoffset)，运行程序前的刀具标称半径或长度是形状补偿量，在加工过程中，刀具由于磨损的作用发生细微的尺寸变化，这时，将磨损量输入到磨损补偿号中，可以不必改动形状补偿号。方便操作。,3.数控加工编程基础,.1机床坐标系,.1.1机床坐标系和主运动方向,1标准坐标系的规定对数控机床中的坐标系和运动方向的命名，ISO标准和我国JB305282部颁标准都统一规定采用标准的右手笛卡儿直角坐标系，一个直线进给运动或一个圆周进给运动定义一个坐标轴。,标准中规定直线进给运动用右手直角笛卡儿坐标系X、Y、Z表示，常称基本坐标系。X、Y、Z坐标轴的相互关系用右手定则决定。如图-1所示，图中大拇指的指向为X轴的正方向，食指指向为Y轴的正方向，中指指向为Z轴的正方向。围绕X、Y、Z轴旋转的圆周进给坐标轴分别用A、B、C表示。根据右手螺旋法则，可以方便地确定A、B、C三个旋转坐标轴。以大拇指指向X、Y、Z方向，则食指、中指等的指向是圆周进给运动A、B、C方向。,图3-1右手直角笛卡儿坐标系,如果数控机床的运动多于X、Y、Z三个坐标，则可用附加坐标轴U、V、W分别表示平行于X、Y、Z三个坐标轴的第二组直线运动；如果在回转运动A、B、C外还有第二组回转运动，可分别指定为D、E、F。然而，大部分数控机床加工的动作只需三个直线坐标轴及一个旋转轴便可完成大部分零件的数控加工。,2运动方向的确定数控机床的进给运动，有的是由刀具向工件运动来实现的，有的是由工作台带着工件向刀具来实现的。为了在不知道刀具、工件之间如何作相对运动的情况下，便于确定机床的进给操作和编程，统一规定标准坐标系X、Y、Z作为刀具(相对于工件)运动的坐标系，增大刀具与工件距离的方向为坐标正方向，即坐标系的正方向都是假定工件静止、刀具相对于工件运动来确定的。考虑到刀具与工件是一对相对运动，即刀具向某一方向运动等同于工件向其相反方向运动的特点，图3-1中虚线所示的X、Y、Z必然是工件(相对于刀具)正向运动的坐标系。,3坐标轴的确定(1)Z轴的确定。统一规定与机床主轴重合或平行的坐标为Z轴，远离工件的方向为正方向。机床主轴是传递切削动转矩的轴。如数控车床、数控外圆磨床是主轴带动工件旋转，数控铣床、数控钻床等是主轴带动刀具旋转。对于没有主轴的机床，规定垂直于工件装夹表面的方向为Z坐标轴的方向，正向是使刀具离开工件的方向。,(2)X轴的确定。X轴为水平的、平行于工件装夹面的轴。对于加工过程中主轴带动工件旋转的机床，如数控车床、数控磨床等，X轴沿工件的径向并平行于横向拖板，刀具或砂轮离开工件旋转中心的方向为X轴的正向。对于如铣床、钻床、镗床等刀具旋转的机床，若Z轴水平(主轴是卧式的)，当从主轴(刀具)向工件看时，X轴的正向指向右边，如数控卧式镗床、铣床；若Z轴垂直(主轴是立式的)，对于单立柱机床，当从主轴向立柱看时，X轴的正向指向右边，对于双立柱机床，当从主轴向左侧立柱看时，X轴的正向指向右边。,(3)Y轴的确定。根据X、Z轴及其方向，可按右手直角笛卡儿坐标系，利用右手螺旋法则确定轴。根据X、Y、Z轴及其方向，利用右手螺旋法则即可确定A、B、C的方向。一些数控机床的坐标系如图3-2所示。,3.1.2机床原点和机床参考点1机床原点机床原点是机床基本坐标系的原点，是工件坐标系、机床参考点的基准点，又称机械原点、机床零点，它是机床上的一个固定点，其位置是由机床设计和制造单位确定的，通常不允许用户改变，如图3-3所示。数控车床的机床原点一般在卡盘前端面或后端面的中心；数控铣床的机床原点，各生产厂不一致，有的在机床工作台的中心，有的在进给行程的终点。,图3-3数控机床的机床原点与参考点,2机床参考点机床参考点是机床坐标系中一个固定不变的点，是机床各运动部件在各自的正向自动退至极限的一个点(由限位开关精密定位)，如图3-3所示。机床参考点已由机床制造厂测定后输入数控系统，并记录在机床说明书中，用户不得更改。实际上，机床参考点是机床上最具体的一个机械固定点，既是运动部件返回时的一个固定点，又是各轴启动时的一个固定点，而机床零点(机床原点)只是系统内运算的基准点，处于机床何处无关紧要。机床参考点对机床原点的坐标是一个已知定值，可以根据该点在机床坐标系中的坐标值间接确定机床原点的位置。,在机床接通电源后，通常要做回零操作，使刀具或工作台运动到机床参考点。注意，通常我们所说的回零操作，其实是指机床返回参考点的操作，并非返回机床零点。当返回参考点的工作完成后，显示器即显示出机床参考点在机床坐标系中的坐标值，表明机床坐标系已经自动建立。机床在回参考点时所显示的数值表示参考点与机床零点间的工作范围，该数值被记忆在CNC系统中，并在系统中建立了机床零点作为系统内运算的基准点。也有机床在返回参考点时，显示为零(X0，Y0，Z0)，这表示该机床零点被建立在参考点上。,3.1.3工件坐标系和工件原点工件坐标系是编程人员在编程时使用的，由编程人员以工件图纸上的某一固定点为原点所建立的坐标系，编程尺寸都按工件坐标系中的尺寸确定。为保证编程与机床加工的一致性，工件坐标系也应该是右手笛卡儿坐标系，而且工件装夹到机床上时，应使工件坐标系与机床坐标系的坐标轴方向保持一致。工件坐标系的原点称为工件原点或编程原点。工件原点在工件上的位置可以任意选择，为了有利于编程，工件原点最好选在工件图样的基准上或工件的对称中心上，例如回转体零件的端面中心、非回转体零件的角边、对称图形的中心等。,在数控车床上加工零件时，工件原点一般设在主轴中心线与工件右端面或左端面的交点处如图3-4(a)所示；在数控铣床上加工零件时，工件原点一般设在工件的某个角上或对称中心上，如图3-4(b)所示。,图3-4工件原点设置(a)数控车床；(b)数控铣床,3.1.4工件坐标系和机床坐标系的关系编程时，尺寸都按工件坐标系中的尺寸确定，不必考虑工件在机床上的安装位置和安装精度，但在加工时需要确定机床坐标系、工件坐标系、刀具起点三者的位置才能加工。工件装夹在机床上后，可通过对刀确定工件在机床上的位置。所谓对刀，就是确定工件坐标系与机床坐标系的相互位置关系。在加工时，工件随夹具在机床上安装后，测量工件原点与机床原点之间的距离，这个距离称为工件原点偏置，如图3-5所示。在用绝对坐标编程时，该偏置值可以预存到数控装置中，在加工时工件原点偏置值可以自动加到机床坐标系上，使数控系统可按机床坐标系确定加工时的坐标值。,图3-5机床坐标系与工件坐标系,对刀过程一般从各坐标方向分别进行，可理解为通过找正刀具与一个在工件坐标系中有确定位置的点(即对刀点)来实现。对刀点可以设在工件、夹具或机床上，但必须与工件的定位基准(相当于工件坐标系)有已知的准确关系，这样才能确定工件坐标系与机床坐标系的关系。选择对刀点的原则是：便于确定工件坐标系与机床坐标系的相互位置，容易找正，加工过程中便于检查，引起的加工误差小。当对刀精度要求较高时，对刀点应尽量选在零件的设计基准或工艺基准上。,对刀时直接或间接地使对刀点与刀位点重合。所谓刀位点，是指编制数控加工程序时用以确定刀具位置的基准点。对于平头立铣刀、面铣刀类刀具，刀位点一般取为刀具轴线与刀具底端面的交点；对球头铣刀，刀位点为球心；对于车刀、镗刀类刀具，刀位点为刀尖；钻头取为钻尖等，如图3-6(a)(d)所示。刀具起始运动的刀位点称为起刀点。,图3-6刀位点(a)平头铣刀；(b)钻头；(c)球头铣刀；(d)车刀、镗刀,数控系统从对刀点开始控制刀位点运动，并由刀具切削部分加工出要求的零件轮廓，如用球头刀加工三坐标立体型面的零件时，数控系统控制球头刀球心轨迹，而由外圆切削刃加工出零件轮廓。对数控车床、加工中心等数控机床，如加工过程中要换刀，在编程时应考虑选择合适的换刀位置，为了防止换刀时刀具碰伤工件，换刀点必须设在零件的外部。,3.1.5相对坐标与绝对坐标表示法,其中A点（10，10）用绝对坐标指令表示为X10Z10;B点（25，30）用绝对坐标指令表示为X25Z30;B点用相对坐标指令表示为U15W20,相对坐标与绝对坐标表示法,3.1.6直径指定与半径指定,数控车床系统的X轴方向的指令值，X轴方向是零件的半径或直径方向，在工程图纸中，通常标注的是轴类零件的直径，如果按照数控车的工件原点，X轴的指令值应是工件的半径，这样在编程时会造成很多直径值转化为半径值的计算，给编程造成很多不必要的麻烦，因此，数控车的NC系统在设计时通常采用直径指定，所谓直径指定即数控车的X轴的指令值按坐标点在X轴截距的2倍，即表示的是工件的直径，如X20,那么在数控车系统中表示的是X方向刀具与工件原点的距离是10mm而不是20mm。,3.2数控加工程序格式,3.2.1程序基本格式1数控加工程序的结构一个完整的数控加工程序可分为程序号、程序段、程序结束指令等几个部分。程序号又名程序名，置于程序开头，用作一个具体加工程序存储、调用的标记。目前的计算机数控(CNC)机床，能将程序存储在内存中，为了区别不同程序，在程序的最前端加上程序号码以区分，以便进行程序检索。程序号码以地址O、P、%以及19999范围内的任意数字组成，通常FANUC系统用“O”，SINUMERIC系统用“%”作为程序号的地址码。编程时要根据说明书的规定作指令，否则系统是不会执行的。,工件加工程序由若干个程序段组成，程序段是控制机床的一种语句，表示一个完整的运动或操作。程序结束指令用M02或M30代码，放在最后一个程序段作为整个程序的结束。举例如下，如图3-7所示。,图3-7编程示例,O2001；(程序号)N10G50X200Z150T0100；(建立工件坐标系，选择T01号刀)N20G96S150M03；(恒线速设定，主轴正转)N25G50S2000；(设定主轴转速)N30G00X20Z6T0101；(建立刀具补偿)N40G01Z-30F0.25；(20圆柱加工)N50X50；(50轴肩加工)N60X60Z-70；(50圆锥加工)N70X90；(60轴肩加工)N80G00X200Z150T00M05；(刀具回位)N90M02；(程序结束),上例为一个完整的零件加工程序，程序号为O2001。以上程序中每一行即称为一个程序段，共由10个程序段组成，每个程序段以序号“N”开头。M02作为整个程序的结束。,2程序段的组成一个程序段表示一个完整的加工工步或动作。程序段由程序段号、若干程序字和程序段结束符号组成。程序段号N又称程序段名，由地址N和数字组成。数字大小的顺序不表示加工或控制顺序，只是程序段的识别标记。在编程时，数字大小可以不连续，也可以颠倒，也可以部分或全部省略。但一般习惯按顺序并以5或10的倍数编程，以备插入新的程序段。,程序字由一组排列有序的字符组成，如G00、G01、X120、M02等，表示一种功能指令。每个“字”是控制系统的具体指令，由一个地址文字(地址符)和数字组成，字母、数字、符号统称为字符。例如X250为一个字，表示X向尺寸为250mm；F200为一个字，表示进给速度为200mm/min(具体值由规定的代码方法决定)。每个程序段由按照一定顺序和规定排列的“字”组成。程序段末尾的“；”为程序段结束符号，有时也用“LF”表示程序段结束。,3程序段的格式程序段格式指程序中的字、字符、数据的安排规则。不同的数控系统往往有不同的程序段格式，格式不符合规定，数控系统便不能接受，则程序将不被执行而出现报警提示，故必须依据该数控装置的指令格式书写指令。程序段的格式可分为固定顺序程序段格式、分隔符程序格式和可变程序段格式。数控机床发展初期采用的固定顺序程序段格式以及后来的分隔符程序格式，现已不用或很少使用，最常用的是地址可变程序段格式，简称字地址程序格式。其形式如下：,N_G_X_Y_Z_F_S_T_M_；例如：N10G01X40Z0F0.2；其中：N为程序段地址码，用于指令程序段号；G为指令动作方式的准备功能地址，G01为直线插补指令；X为坐标轴地址，后面的数字表示刀具移动的目标点坐标；F为进给量指令地址，后面的数字表示进给量。,在程序段中除程序段号与程序段结束字符外，其余各字的顺序并不严格，可先可后，但为便于编写，习惯上可按N，G，X，Y，Z，F，S，T，M的顺序编程。字地址程序格式具有程序简单、可读性强、易于检查的特点。程序段的长短，随字数和字长(位数)都是可变的，一个程序段中字的数目与字的位数(字长)可按需给定，不需要的代码字以及与上段相同的续效字可以不写，使程序简化、缩短。现代数控机床中广泛采用这种格式。,3.2.2程序指令分类,1G功能G指令是使数控机床建立起某种加工指令方式，如规定刀具和工件的相对运动轨迹(即规定插补功能)、刀具补偿、固定循环、机床坐标系、坐标平面等多种加工功能。G指令由地址符G和后面的两位数字组成，从G00到G99共100种。G代码是程序的主要内容，JB/T32081999标准规定如表2-1所示。,表3-1G代码(JB/T32081999),表3-1G代码(JB/T32081999),表3-1G代码(JB/T32081999),表3-1G代码(JB/T32081999),2辅助功能(M指令)辅助功能指令用于指定主轴的启停、正反转、冷却液的开关、工件或刀具的夹紧与松开、刀具的更换等。辅助功能由指令地址符M和后面的两位数字组成，也有M00M99共100种。M指令也有续效指令与非续效指令。JB/T32081999标准规定如表3-2所示。,表3-2辅助功能M代码(JB/T32081999),表3-2辅助功能M代码(JB/T32081999),表3-2辅助功能M代码(JB/T32081999),续表,常用M指令如下：(1)M00程序停止指令。M00使程序停止在本段状态，不执行下段。执行完含有M00的程序段后，机床的主轴、进给、冷却都自动停止，但全部现存的模态信息保持不变，重按控制面板上的循环启动键，便可继续执行后续程序。该指令可用于自动加工过程中停车进行测量工件尺寸、工件调头、手动变速等操作。(2)M01计划停止指令。该指令与M00相似，不同的是必须预先在控制面板上按下“任选停止”键，当执行到M01时程序才停止；否则，机床仍不停地继续执行后续的程序段。该指令常用于工件尺寸的停机抽样检查等，当检查完成后，可按启动键继续执行以后的程序。,(3)M02程序结束指令。用此指令使主轴、进给、冷却全部停止，并使机床复位。M02必须出现在程序的最后一个程序段中，表示加工程序全部结束。(4)M03、M04、M05主轴正/反转、停止指令。M03表示主轴正转，M04表示主轴反转，M05表示主轴停止。(5)M06换刀指令。该指令用于具有自动换刀装置的机床。,3进给功能(F功能)F指令为进给速度指令，用来指定坐标轴移动进给的速度。F代码为续效代码，一经设定后如未被重新指定，则先前所设定的进给速度继续有效。该指令一般有以下两种表示方法：(1)代码法。代码法后面的数字不直接表示进给速度的大小，而是机床进给速度数列的序号。(2)直接指定法。F后跟的数字就是进给速度的大小，如F150，表示进给速度为150mm/min。这种方法比较直观，目前大多数数控机床都采用直接指定法。,4S功能S指令用来指定主轴转速，用字母及后面的14位数字表示，有恒转速(单位为r/min)和恒线速(单位为m/min)两种指令方式。S指令只是设定主轴转速的大小，并不会使主轴回转，必须有M03(主轴正转)或M04(主轴反转)指令时，主轴才开始旋转。S指令是续效代码。,3.T功能T指令用于选择所需的刀具，同时还可用来指定刀具补偿号。一般加工中心程序中的T代码后的数字直接表示所选择的刀具号码，如T12，表示12号刀；数控车床程序中的T代码后的数字既包含所选择的刀具号，也包含刀具补偿号，如T0102，表示选择01号刀，调用02号刀补参数。需要说明的是：尽管数控代码是国际通用的，但是各个数控系统制造厂家往往自定了一些编程规则，不同的系统有不同的指令方法和含义，具体应用时要参阅该数控机床的编程说明书，遵守编程手册的规定，这样编制的程序才能为具体的数控系统所接受。,3.2.3程序编制步骤数控机床是一种按照输入的数字信息进行自动加工的机床，因此，在数控机床上加工零件有一个零件程序的编制问题。程序编制就是根据加工零件的图样和加工工艺，将零件加工的工艺过程及加工过程中需要的辅助动作，如换刀、冷却、夹紧、主轴正/反转等，按照加工顺序和数控机床中规定的指令代码及程序格式编成加工程序单，再将程序单中的全部内容输入到数控机床的数控装置的过程。,程序编制的一般过程如下：1)分析零件图样首先要根据零件的材料、形状、尺寸、精度、毛坯形状和热处理要求等确定加工方案，选择合适的机床。,2)工艺处理工艺处理涉及的问题较多，主要考虑以下几点：(1)确定加工方案。此时应按照充分发挥数控机床功能的原则，使用合适的数控机床，确定合理的加工方法。(2)刀具、夹具的选择。数控加工用刀具由加工方法、切削用量及其他与加工有关的因素来确定。数控加工一般不需要专用的、复杂的夹具，在选择夹具时应特别注意要迅速完成工件的定位和夹紧过程，以减少辅助时间，所选夹具还应便于安装，便于协调工件和机床坐标系的尺寸关系。,(3)选择对刀点。对刀点是程序执行的起点，也称“程序原点”，程序编制时正确地选择对刀点是很重要的。对刀点的选择原则是：所选的对刀点应使程序编制简单；对刀点应选在容易找正、加工过程中便于检查的位置；为提高零件的加工精度，对刀点应尽量设置在零件的设计基准或工艺基准上。(4)确定加工路线。确定加工路线时要尽量缩短加工路线，减少进刀和换刀次数，保证加工安全可靠。,(5)确定切削用量。即确定切削深度、主轴转速、进给速度等，具体数值应根据数控机床使用说明书的规定、被加工工件的材料、加工工序以及其他要求并结合实际经验来确定。同时，对毛坯的基准面和加工余量要有一定的要求，以便毛坯的装夹，使加工能顺利进行。,3)刀具运动轨迹计算(数学处理)工艺处理完成后，根据零件的几何尺寸、加工路线计算数控机床所需的输入数据。一般的数控系统都具有直线插补和圆弧插补的功能，所以对于由直线和圆弧组成的较简单的平面零件，只需计算出零件轮廓的相邻几何元素的交点或切点(称为基点)的坐标值；对于较复杂的零件或零件的几何形状与数控系统的插补功能不一致时，就需要进行较为复杂的数值计算。例如非圆曲线，需要用直线段或圆弧段来逼近，计算出相邻逼近直线或圆弧的交点或切点(称为节点)的坐标值，编制程序时要输入这些数据。,4)编写加工程序单完成工艺处理与运动轨迹运算后，根据计算出的运动轨迹坐标值和已确定的加工顺序、加工路线、切削参数和辅助动作，以及所使用的数控系统的指令、程序段格式，按数控机床规定使用的功能代码及程序格式，编写加工程序单。,5)程序输入编好的程序可以通过几种方式输入数控装置：可以按规定的代码存入穿孔纸带、磁盘等程序介质中，变成数控装置能读取的信息，送入数控装置；可以用手动方式，通过操作面板的按键将程序输入数控装置；如果是专用计算机编程或用通用微机进行的计算机辅助编程，可以通过通信接口，直接传入数控装置。,6)程序校验编好的程序在正式加工之前，需要经过检测。一般采用空走刀检测，在不装夹工件的情况下启动数控机床，进行空运行，观察运动轨迹是否正确。也可采用空运转画图检测，在具有CRT屏幕图形显示功能的数控机床上，进行工件图形的模拟加工，检查工件图形的正确性。,7)首件试切以上这