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第3章数控加工技术 3 1数控加工的工艺特点3 2数控加工工序的划分原则与内容3 3数控机床用刀具3 4数控机床的夹具3 5数控机床的使用与维护本章要点 下页 返回 图库 3 1数控加工的工艺特点 3 1 1数控加工过程概述3 1 2数控加工及特点 下页 上页 返回 图库 3 1 1数控加工过程概述 数控加工是数控机床按照事先编制好的加工程序自动对工件进行加工的过程 在数控机床上加工零件时 要把被加工零件的全部数控加工工艺过程 工艺参数和轨迹数据 以信息的形式记录在控制介质上 用控制介质上的信息来控制机床 实现零件的全部数控加工过程 数控加工的内容主要包括 分析零件图样 工艺处理 数学处理 编写程序单 制备控制介质及程序校验 首件试加工及现场问题处理 形成规范的数控加工工艺文件 加工操作等 具体步骤与要求 下页 上页 返回 图库 3 1 1数控加工过程概述 下页 上页 返回 图库 分析零件图样工艺处理确定加工方案刀具 工夹具的设计和选择数控加工用刀具选择对刀点确定加工路线确定切削用量切削用量数学处理编写零件加工程序单制备控制介质及程序校验数控加工工艺文件 3 1 2数控加工及其特点 下页 上页 返回 图库 数控加工及其特点数控加工的主要应用对象分析数控加工技术的重要性数控加工技术主要内容数控加工技术现状与趋势关键技术分析 3 1 2数控加工及其特点 下页 上页 返回 图库 由于数控机床的性能不断地改善和提高 数控装备不断地完善以及编程技术的迅速发萎 使数控加工方法获得日益广泛的应用 数控加工具有以下特点 具有复杂形状加工能力数学处理高质量高效率高柔性易于形成网络控制技术要求高 数控加工及其特点 3 1 2数控加工及其特点 下页 上页 返回 图库 形状复杂 加工精度要求高或用数学方法定义的复杂曲线 曲面轮廓公差带小 互换性高 要求精确复制的零件用通用机床加工时 要求设计制造复杂的专用工装夹具或需很长调整时间的零件价值高的零件小批量生产的零件钻 镗 铰 攻螺纹及铣削加工联合进行的零件 数控加工的主要应用对象分析 目前的数控加工主要应用于以下两个方面 常规零件加工复杂形状零件加工 3 1 2数控加工及其特点 下页 上页 返回 图库 数控技术是机械加工现代化的重要基础与关键技术 应用数控加工可大大提高生产率 亏 定加工质量 缩短加工周期 增加生产柔性 实现对各种复杂精密零件的自动化加工 易于在工厂或车间实行计算机管理 可使车间设备总数减少 节省人力 改善劳动条件 有利于加快产品的开发和更新换代 提高企业对市场的适应能力并提高企业综合经济效益 数控加工技术的重要性 3 1 2数控加工及其特点 下页 上页 返回 图库 数控加工技术是指高效 优质地实现产品零件特别是复杂形状零件加工的有关理论 方法与实现技术 它是自动化 柔性化 敏捷化和数字化制造加工的基础与关键技术 数控加工过程包括按给定的零件加工要求 零件图样 CAD数据或实物模型 进行加工的全过程 一般来说 数控加工技术涉及数控机床加工工艺和数控编程技术两大方面 数控加工技术主要内容 3 1 2数控加工及其特点 下页 上页 返回 图库 日益增多的复杂形状零件和高精 高效的加工对数控编程技术提出了越来越高的要求 面向复杂形状零件 多轴加工和加工过程优化的数控编程技术越来越重要 同时 为适应高速加工 ClMS 并行工程和敏捷制造等先进制造技术的发展 缩短产品研制生产周期 灵活与快速地响应市场需求 数控编程技术正在进一步向集成化 智能化 自动化 易使用化和面向车间编程等方向发展 数控加工技术现状与趋势 3 1 2数控加工及其特点 下页 上页 返回 图库 关键技术分析 复杂形状零件的几何建模加工方案与加工参数的合理选择刀具轨迹生成数控加工仿真后置处理 3 2数控加工工序的划分原则与内容 下页 上页 返回 图库 3 2 1零件图样的数控工艺性分析3 2 2数控加工工序的划分 虽然数控机床是一种先进的加工设备 但也必须由人们去熟悉 掌握和合理使用它 否则 再好的设备也难以发挥其所长 大量应用实践表明 数控机床的使用效果在很大程度上取决于用户技术水平的高低和数控加工工艺拟定的合理性 数控加工工艺与普通加工工艺既有相同之处 也有差异 3 2 1零件图样的数控工艺性分析 下页 上页 返回 图库 与机械产品设计的联系数控机床的产生和发展为机械制造提供了比较完善的加工手段 某些机械设计方案中所涉及的零件结构形式 如果在普通机床上可能无法加工或难以加工 即认为是结构工艺性差的零件 但在数控机床上加工则可能轻而易举地实现 因而需要对传统的普通机械设计方案的结构工艺性进行重新评价 与数控加工工艺性的关系审察与分析零件图样中的尺寸标注方法是否适应数控加工的特点审察与分析零件图样中构成轮廓的几何元素的条件是否充分审察与分析定位基准的可靠性数控加工手段甚至使传统的结构工艺性产生相反的结果 被加工零件的数控加工工艺性问题涉及面很广 它包含从零件设计 工艺过程直到形成产品的整个过程中 作为设计员和工艺员 应了解数控加工的特点 从机械产品的设计 制璋的角度审查零件的数控加工工艺性 使之达到最佳工艺性能 充分发挥数控机床的性能 3 2 2数控加工工序的划分 下页 上页 返回 图库 工序划分的原则工序划分的方法加工路线的确定切削参数的确定编程误差及其控制数学处理零件的工艺规程 3 2 2数控加工工序的划分 下页 上页 返回 图库 工序集中原则一般情况下数控加工的工序内容要比通用机床加工内容复杂 另外考虑到数控机床的特点 通常在数控机床上加工的零件应尽可能安排较复杂的工序内容 减少零件的装夹次数 先粗后精原则根据零件形状 尺寸精度 零件刚度以及变形等因素 可按粗 精加工分开的原则划分工序基准先行原则在工序安排时 应首先安排零件粗精加工时要用到的定位基准面的加工先面后孔原则在零件上既有面加工 又有孔加工时 要采用先加工面 后加工孔的工序划分原则 这样可以提高孔的加工精度 工序划分的原则 3 2 2数控加工工序的划分 下页 上页 返回 图库 以一次安装 加工作为一道工序这种方法适合于加工内容不多的零件 加工完成后就能达到待检状态以同一把刀具加工的内容划分工序有些零件虽然能在一次安装加工多个待加工表面 但程序太长 会受到某些限制 查错和检索困难以加工部位划分工序对于加工内容很多的零件 按其结构特点将加工部位分成几个部分以粗 精加工划分工序对于易发生变形的零件 为减小加工后的变形 一般先进行粗加工 后进行精加工 并将粗 精加工工序分开综上所述 在划分工序时 一定要视零件的工艺性 机床的功能 零件数控加工内容的多少 安装次数及本单位生产组织状况灵活掌握 也要根据具体情况确定 工序划分的方法 3 2 2数控加工工序的划分 下页 上页 返回 图库 在数控机床加工过程中 每道工序加工路线的确定都是非常重要的 因为它与零件的加工精度和表面粗糙度直接相关 所谓加工路线是指数控机床在加工过程中刀具中心相对于被加工工件的运动轨迹和方向 确定加工路线就是确定刀具运动轨迹和方向 加工路线不仅包括切削加工时的加工路线 还包括刀具到位 对刀 退刀和换刀等一系列过程的刀具运动路线 确定加工路线的原则主要有下列几点 使被加工零件获得良好的加工精度和表面质量使数值计算容易 以减少程编工作量尽量使进给路线最短 这样可使程序段数减少 缩短空走刀时间 加工路线的确定 3 2 2数控加工工序的划分 下页 上页 返回 图库 在确定进给路线时应首先考虑刀具如何切入工件 刀具切入方法 法向切入 切向切入 任意向切入 法向切入是早期数控机床常采用的方法 此法系统程序编制简单 但在零件的切入点易留下切削痕迹 故推荐使用切向切入和任意向切入方法 在铣削加工零件轮廓时 要考虑尽量采用顺铣加工方式对于二维型腔的加工 一般采用立铣刀或环形刀进行加工 型腔的切削分两步 第一步切内腔 第二步切轮廓 切轮廓通常又分为粗加工和精加工两步 粗加工以切除多余的金属为目的 精加工以成形并达到零件的精度要求为目的 切削内腔区域时 环切和行切两种进给路线在生产中应用最为广泛曲面加工可在三坐标 四坐标或五坐标数控机床上完成二坐标曲面加工可采用球头刀 平底立铣刀 环形刀 鼓形刀和锥形刀等三坐标曲面加工通常采用行切法 加工路线的确定 3 2 2数控加工工序的划分 下页 上页 返回 图库 切削参数包括切削深度或宽度 主轴速度 进给速度等 对于粗加工 精加工 钻孔 攻丝等 应选用不同的切削参数 确定切削参数的目标是尽量提高材料的切除率 同时保持稳定的切削状态和要求的加工精度 切削深度主要受机床 工件和刀具的刚度限制 在刚度允许的情况下 尽可能加大切削深度 以减少进给次数 提高加工效率 对于精度和表面粗糙度有较高要求的零件 应留有足够的精加工余量 主轴转速n根据允许的切削速度U和刀具直径D选择切削速度受刀具耐用度的限制进给速度是切削用量的主要参数 要根据零件加工精度和表面粗糙度要求以及刀具与工件材料选取 切削参数的确定 3 2 2数控加工工序的划分 下页 上页 返回 图库 影响数控加工精度的误差因素有 机床误差 系统插补误差 伺服动态误差 定位误差 对刀误差 刀具磨损误差 工件变形误差 编程误差等 编程的误差 一般应控制在零件公差要求的10 20 以内 程序编制中产生的误差主要由下述三部分组成 近似计算误差 用近似计算方法表达零件轮廓形状时所产生的误差逼近误差 用直线或圆弧段逼近零件轮廓曲线所产生的误差 在三维曲面加工时采用行切加工方法对实际型面进行近似包络成型尺寸圆整误差 计算过程中由于计算精度而引起的误差 编程误差及其控制 3 2 2数控加工工序的划分 下页 上页 返回 图库 数学处理工作就是计算出零件轮廓上或刀具中心轨迹上一些点的坐标数据 为程序编制提供准确的数据 一个零件的轮廓线可能由许多不同的几何元素组成 如直线 圆弧 二次曲线等 各几何元素间的联接点叫做基点 相邻基点间只能是一个几何元素 当零件轮廓曲线 包括圆弧 用直线段逼近时 在满足允许程编误差条件下轮廓曲线被分割成许多直线段 相邻两直线段的交点叫做节点 非圆曲线零件 在编程时所需解决的问题确定非圆曲线的插补段长度和计算节点坐标的方法 数学处理 3 2 2数控加工工序的划分 下页 上页 返回 图库 选择插补方式 即是采用直线逼近非圆曲线还是采用圆弧逼近非因曲线 插补点坐标计算 用直线逼近时 计算其插补节点坐标 用圆弧逼近时 计算各分段圆弧起点 终点坐标和圆心坐标 刀具中心轨迹的坐标计算按控制系统输入格式要求 人工或计算机编制加工程序单和穿孔纸带 数学处理 3 2 2数控加工工序的划分 下页 上页 返回 图库 等间距直线逼近的节点计算使每个插补段的一个坐标增量相等按 等插补段法 确定插补段长度和计算节点使每个插补段长度相等 因而插补误差不等按 等插补误差法 确定插补段长度和计算节点使各插补段的插补误差相等 并小于或等于允许的插补误差圆弧逼近的节点计算曲线的圆弧逼近有曲率圆法 三点圆法和相切圆法等方法 数学处理 3 2 2数控加工工序的划分 下页 上页 返回 图库 零件的工艺规程是指用机械加工的方法按规定的顺序把毛坯 或半成品 变成零件的全过程 对于数控加工的零件工艺规程的编制 就是综合不同的工序内容 最终确定出每道工序的加工路线和切削参数等 这个用工艺文件形式规定下来的工艺过程就叫做工艺规程 工艺规程的作用可归纳工艺规程是组织生产的指导性文件工艺规程是生产准备工作的依据零件的工艺过程要能可靠地保证图样上所有技术要求的实现 这是制定工艺规程的基本原则 工艺规程的制定要依据零件的毛坯形状和材料的性质等因素来决定 数控加工工序卡与普通加工工序卡有许多相似之处 所不同的是 工序图中应注明编程原点与对刀点 要进行编程简要说明及切削参数的选定 零件的工艺规程 3 3数控机床用刀具 下页 上页 返回 图库 要实现高速度 高精度与高效率的数控加工 除数控机床要具有高速 主轴转速和进给速度 高精能力和高自动化程度外 刀具的性能及如何根据加工对象选用合适的刀具有着极为重要的影响 在刀具性能方面 随着刀具材料性能的提高与结构特性的改善 数控加工用刀具在耐用度 刚度 抗脆性 断屑和调整更换等方面的性能己大大改善 然而 从如何加工的角度看 加工刀具类型与工艺方案的合理选择则极为重要 数控刀具的类型数控车床刀具数控铣床 加工中心用刀具 3 3 1数控刀具的类型 下页 上页 返回 图库 机夹可转位刀具机夹可转位数控刀具常见的品种 规格有2000种以上 并要求有各种各样的可转位硬质合金刀片 陶瓷刀片等其他材质刀片与之配套 常见的有各种铣刀 孔加工刀具 车刀及 钻 扩 镗 复合刀具等类型 机夹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 高速钢刀具 整体高速钢刀具外径多小于25mm 常见的有钻头 立铣刀 一般要求PVD涂层 丝锥及 钻 扩 铰 复合刀具等类型 整体硬质合金刀具 整体硬质合金刀具外径多小于1Omm 硬质合金焊接刀具外径为16 63mm 常见的有钻头 立铣刀 铰刀等类型 超硬材料刀具氮化硼刀具 CBN 用于加工淬火钢 可进行铣削 车削的精加工金刚石刀具 PCD 用于加工有色金属 多用于铣 车 钻 铰削的精加工和超精加工陶瓷刀具可用于车削及铣削加工 3 3 2数控车床刀具 下页 上页 返回 图库 数控车刀从使用特征来看 它们与普通车刀类似 外表面车刀内表面车刀工 按用途分类 数控车床刀具种类繁多 功能互不相同 数控车床刀具的分类方法通常按以下方式进行 刀具从结构上来看整体式车刀焊接装配式车刀机械紧固刀片的车刀根据刀体结构的不同 又可分为 不转位刀片车刀可转位刀片车刀 目前数控机床用刀具的主流 常见紧固方式 按车刀的结构分类 常用车刀 3 3 3数控铣床 加工中心用刀具 下页 上页 返回 图库 工具柄部 数控铣床 加工中心类机床所用的刀具由与机床主轴孔相适应的工具柄部 与工具柄部相联接的工具装夹部分和各种刀具部分组成 在数控铣床 加工中心类机床上一般都采用7 24圆锥柄工具 不自锁 换刀比较方便 并且与直柄相比有较高的定心精度和较高的刚性 对于有自动换刀装置的加工中心类机床 在加工工件时主轴上的工具要频繁地更换 为了达到较高的换刀精度 工具柄部必须有较高的制造精度 由于加工中心类机床要适应多种形式零件的不同部位加工 故工具装夹部分的结构 形式 尺寸也是多种多样的 按工具系统的结构形式可分为 整体式结构 刀具的刀刃和刀体是一个整体 刀具磨损后需要重新刃磨模块式结构 刀刃采用硬质合金刀片 并通过一定的方式固定在导体上 刀具磨损后只需更换同规格的刀片即可刀具按工艺用途可分为铣削类 镗削类 钻削类等 按刀具刃部形状可分为平底立铣刀 端铣刀 球头刀 环形刀 鼓形刀和锥形刀等 工具装夹部分和刀具部分 下页 上页 返回 图库 应用于数控铣削加工的刀具主要有平底立铣刀 主要以周边切削刃进行切削 用于平面铣削和二维零件的周边轮廓铣削外 同时也是立体轮廓相加工和多坐标相加工的主要刀具 而且也可应用于立体轮廓的三坐标精加工 在多坐标加工情况下 平底立铣刀的应用有侧铣和端铣两种方式 侧铣用于以直线为母线进行旋转 平移或其合成所形成的一类型面的加工端铣用于不适合侧铣加工的其他情况 采用一行一行的行切方式加工端铣刀 用于面积较大的平面铣削和较平坦的立体轮廓的多坐标铣削球头刀 三维立体轮廓加工特别是三坐标加工环形刀 用于凹槽 平底型腔等平面铣削和立体轮廓的加工鼓形刀 多用来对飞机结构件等零件中与安装面倾斜的表面进行三坐标加工锥形刀 应用目的与鼓形刀有些相似 在二坐标机床上 数控铣床 加工中心上常用刀具 3 3 3数控铣床 加工中心用刀具 3 4数控机床的夹具 下页 上页 返回 图库 对数控机床用夹具的要求数控机床夹具的选用方法数控夹具的典型结构 3 4 1对数控机床用夹具的要求 下页 上页 返回 图库 精度要求 对数控机床夹具也就要求比一般机床夹具精度与刚度都高定位 装夹要求 定位与在普通机床上定位原理相同 一般都按六点定位原则消除自由度空间要求 零件定位 夹紧的部位应考虑到不妨碍各部位的加工 更换刀具以及重要部位的测量夹紧力要求 夹紧力大小适当 应力求通过主要支承点上或在支承点所组成的三角形内 尽量靠近切削部位 并作用在刚性较好的地方快速夹紧调整要求 零件在夹具中装夹要迅速 调整要方便可靠 减少非加工时间 提高加工效率 3 4 2数控机床夹具的选用方法 下页 上页 返回 图库 数控机床夹具的选用一般应以通用夹具 组合夹具为主 不建议采用专用夹具 特殊情况除外在数控车床 车削中心和磨床上加工回转体工件 一般采用能适应一定直径范围的通用快速自动夹紧卡盘在数控铣床 加工中心上加工以底面作定位的箱体零件时 则可选用当前较新颖的以槽系或孔系为基座的组合夹具 再配以一定量的定位 夹紧元件组合即可在加工中心上加工不规则形状工件 或同时在托板上需加工多个相同或不相同的工件时 则需设计与配备专用夹具 3 4 3数控机床夹具的典型结构 下页 上页 返回 图库 数控车床类夹具 数控铣床和加工中心用夹具 三爪卡盘 加工盘 套类零件的自动定心自定心中心架 通过安装架与机床导轨相连 工作时由主机发信号 通过液压或气动装置夹紧或松开工件 润滑则采用中心润滑系统 通用夹具 不可调通用夹具 小批生产可供多次重复使用可调通用夹具 成组加工由基础组合件组装 仅制造少量专用调整安装件通用性强的机床标准附件 成批生产组合夹具类 槽系 传统组合夹具的基本形式 生产与装配积累的经验多 沿槽可调性好孔系 元件结构简单 以孔定位 螺栓连接 定位精度高 刚性好专用夹具 指专为某一工件的某一加工工序而设计制造的夹具 结构紧凑 操作方便 主要用于固定产品的大批大量生产 3 5数控机床的使用与维护 下页 上页 返回 图库 数控机床的使用预防性维护方法 3 5 1数控机床的使用 下页 上页 返回 图库 确定被加工工件 确定选购对象之前 首先要明确准备加工的对象机床规格的选择 应根据被加工典型工件大小尺寸选用相应规格的数控机床 数控机床的主要规格包括工作台尺寸 各个数控坐标的行程范围和主轴电动机功率 机床精度的选择 选择机床的精度等级应根据被加工工件关键部位加工精度的要求来确定 批量生产的零件实际加工出的精度数值一般为机床定位精度的1 5 2倍 数控机床的直线定位精度和重复定位精度综合反映了该