数控车削加工工艺.doc

单元5 数控车削加工工艺教学目的1、 掌握数控车削的加工方法与选用；2、 掌握零件的装夹方式与选择；3、 掌握切削加工进给路线的确定；4、 掌握加工刀具的作用与选择；5、 掌握粗加工、半精加工和精加工时的切削用量选用。教学重点1、粗加工、半精加工和精加工时切削加工进给路线的确定。2、数控车床加工工艺知识的综合应用。教学难点 数控车床加工工艺知识的综合应用教学方法 讲练结合教学内容一、数控加工工艺概述1.数控加工工艺的基本特点（1）数控加工的工序内容比普通机床加工的工序内容复杂。由于数控机床比普通机床价格昂贵、加工功能强，所以在数控机床上一般安排较复杂的零件加工工序，甚至是在普通机床上难以完成的加工工序。（2）数控机床加工程序的编制比普通机床工艺规程的编制复杂。这是因为在普通机床的加工工艺中不必考虑的问题，例如工序中工步的安排、对刀点、换刀点以及走刀路线的确定等因素，在数控机床编程时必须考虑确定。2.数控加工工艺的主要内容数控加工工艺主要包括以下方面：（1）选择在数控机床上进行加工的零件，并确定加工的工序内容。（2）分析被加工零件的加工部位形状，明确加工内容与加工要求，在此基础上确定零件的加工方案，制定零件数控加工的工艺路线，如工序的划分、加工顺序的安排、与普通加工工序的衔接等。（3）设计数控加工工序。如工步的划分、零件的定位和夹具的选择、刀具的选择、切削用量的确定等。（4）数控加工中运行轨迹各节点的计算。（5）调整数控加工工序的程序。如对刀点、换刀点的选择、加工路线的确定、刀具的补偿等。（6）合理分配数控加工中的容差。（7）处理数控机床上的部分工艺指令。二、数控加工工艺分析的一般步骤与方法程序编制人员在进行工艺分析时，应该具备机床说明书、编程手册、切削用量表、标准工具夹具手册等资料，并根据被加工零件的材料、轮廓形状、加工精度等选用合适的数控机床，然后制定加工方案，并确定零件的加工顺序，以及各工序所用刀具、夹具和切削用量等，力求高效率地加工出合格的零件。1.机床的合理选用数控机床通常最适合加工具有以下特点的零件：1）多品种、小批量生产的零件或新产品试制中的零件。2）轮廓形状复杂，或对加工精度要求较高的零件。3）用普通机床加工时需用昂贵工艺装备（工具、夹具和模具）的零件。4）需要多次改型的零件。5）价值昂贵，加工中不允许报废的关键零件。6）需要最短生产周期的急需零件。2.数控加工零件的工艺性分析（1）零件图上尺寸数据的给出，应符合程序编制方便的原则（2）零件各加工部位的结构工艺性应符合数控加工的特点3.加工方法的选择与加工方案的确定（1）加工方法的选择加工方法的选择原则是：同时保证加工精度和表面粗糙度的要求。此外，还应考虑生产率和经济性的要求，以及现有生产设备等实际情况。（2）确定加工方案的原则零件上精度要求较高的表面加工，常常是通过粗加工、半精加工和精加工逐步达到的。对于这些表面，要根据质量要求、机床情况和毛坯条件来确定最终的加工方案。确定加工方案时，首先应该根据主要表面的精度和表面粗糙度的要求，初步确定为达到这些要求所需要的加工方法。此时要考虑到数控机床使用的合理性和经济性，并充分发挥数控机床的功能。原则上数控机床仅进行较复杂零件重要基准的加工和零件的精加工。4.工艺与工步的划分（1）工序的划分1）以零件的装夹定位方式划分工序由于每个零件结构形状不同，各个表面的技术要求也不同，所以在加工中，其定位方式就各有差异。一般加工零件外形时，以内形定位；在加工零件内形时以外形定位。可根据定位方式的不同来划分工序。2）按粗、精工序划分加工根据零件的加工精度、刚度和变形等因素来划分工序时，可按粗、精加工分开的原则来进行划分工序，即先进行粗加工，再进行精加工。此时可以使用不同的机床或不同的刀具进行加工。通常在一次安装中，不允许将零件的某一部分表面加工完毕后，再加工零件的其它表面。为了减少换刀次数，缩短空行程运行时间，减少不必要的定位误差，可以按照使用相同刀具来集中加工工序的方法来进行零件的加工工序划分。尽可能使用同一把刀具加工出能加工到的所有部位，然后再更换另一把刀具加工零件的其它部位。在专用数控机床和加工中心中常常采用这种方法。（2）工步的划分工步的划分主要从加工精度和生产效率两方面来考虑。在一个工序内往往需要采用不同的切削刀具和切削用量对不同的表面进行加工。为了便于分析和描述复杂的零件，在工序内又细分为工步。工步划分的原则是：1）同一表面按粗加工、半精加工、精加工依次完成，或全部加工表面按先粗加工后精加工分开进行。2）对于既有铣削平面又有镗孔加工表面的零件，可按先铣削平面后镗孔进行加工。因为按此方法划分工步，可以提提高孔的加工精度。因为铣削平面时切削力较大，零件易发生变形。先铣平面后镗孔，可以使其有一段时间恢复变形，并减少由此变形引起对孔的精度的影响。3）按使用刀具来划分工步。某些机床工作台的回转时间比换刀时间短，可以采用按使用刀具划分工步，以减少换刀次数，提高加工效率。5.零件的安装与夹具的选择（1）定位安装的基本原则1）力求设计基准、工艺基准和编程计算基准统一。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加工方案，以便能充分发挥出数控机床的效能。（2）选择夹具的基本原则数控加工的特点对夹具提出了两点要求：一是要保证夹具的坐标方向要与机床的坐标方向相对固定不变；二是要协调零件的和机床坐标系的尺寸关系。除此之外，还应该考虑以下几点：1）当零件加工批量不大时，应该尽量采用组合夹具、可调式夹具或其它通用夹具，以缩短生产准备时间，节省生产费用。2）在成批生产时才考虑使用专用夹具。3）零件的装卸要快速、方便、可靠，以缩短数控机床的停顿时间。4）夹具上各零部件应该以不妨碍机床对零件各表面的加工。夹具要敞开，其定位夹紧机构的元件不能影响加工中的走刀运行。6.刀具的选择与切削用量的确定（1）刀具的选择数控加工的刀具材料，要求采用新型优质材料，一般原则是尽可能选用硬质合金；精密加工时，还可选择性能更好更耐磨的陶瓷、立方氮化硼和金刚石刀具，并应优选刀具参数。（2）切削用量的确定合理选择切削用量的原则是：粗加工时，一般以提高生产率为主，但也应该考虑加工成本。半精加工和精加工时，一般应在保证加工质量的前提下，兼顾切削效率和经济性和加工成本。1）确定切削深度t（mm）。在机床、工件和刀具刚度允许的情况下，应以最少的进给次数切除待加工余量，最好一次切除待加工余量，以提高生产效率。2）确定切削速度V（m/min）。加大切削速度，也能提高生产效率。但提高生产效率的最有效措施还是应尽可能采用大的切削深度t。3）确定进给速度f（mm/min或mm/r）。进给速度是数控机床切削用量中的重要参数。主要根据零件的加工精度和表面粗糙度要求以及刀具与零件的材料性质来选取。当加工精度和表面粗糙度要求高时，进给速度f应该选择得小些。最大进给速度受机床刚度和进给系统的性能决定，并与数控系统脉冲当量的大小有关。6.对刀点和换刀点的确定选择对刀点的原则是：（1）选择的对刀点便与数学处理和简化程序编制；（2）对刀点在机床上容易校准；（3）加工过程中便于检查；（4）引起的加工误差小。7.工艺加工路线的确定确定工艺加工路线的原则是：（1）保证零件的加工精度和表面粗糙度；（2）方便数值计算，减少编程工作量；（3）缩短加工运行路线，减少空运行行程。在确定工艺加工路线时，还要考虑零件的加工余量和机床、刀具的刚度，需要确定是一次走刀，还是多次走刀来完成切削加工，并确定在数控铣削加工中是采用逆铣加工还是顺铣加工等。三、数控车削工艺1.选择确定数控车削加工的内容选择数控车削加工工艺的内容时，一般应该根据下列顺序进行考虑：（1）通用机床无法加工的内容应该作为首选内容（2）通用机床难以加工和质量难以保证的内容应该作为重点选择内容（3）用通用机床加工效率低、手工操作劳动强度大的加工内容，可以选择数控机床加工。2.对零件图进行数控加工工艺分析（1）结构工艺性分析在进行数控加工工艺性分析时，工艺人员应该根据所掌握的数控加工特点、数控机床的功能和实际经验，把准备工作做细、做好，减少失误和返工。1）零件结构工艺性零件结构工艺性是指在满足使用要求的前提下，零件加工的可行性和经济性，换言之，就是使设计的零件结构要便于加工成型而且成本低、效率高。2）零件结构工艺性分析的内容 审查与分析零件图纸中的尺寸标注方法是否符合数控加工的特点 审查与分析零件图纸中构成轮廓的几何元素的条件是否充分、正确。 审查与分析在数控车床上进行加工时零件结构的合理性。（2）零件精度与技术要求分析零件精度与技术要求分析的主要内容包括：1）分析零件精度与各项技术要求是否齐全、合理。对采用数控车削加工的表面，其精度要求应该尽量一致，以便最后能够一次走刀连续加工。2）分析工序中的数控加工精度能否达到图纸要求。注意给后续工序留有足够的加工余量。3）找出零件图纸中有较高位置精度的表面，决定这些表面能否在一次安装下完成。4）对零件表面粗糙度要求较高的表面或对称表面，确定使用恒线速功能进行切削加工。3.零件图形的数学处理和编程尺寸的计算（1）编程原点的选择（2）编程尺寸设定值的确定编程尺寸值理论上应该为该尺寸的误差分散中心，但是由于事先不知道分散中心的确切位置，因此可以先由平均尺寸替代，最后根据试加工结果进行修正，来消除编程尺寸值误差的影响。1）编程尺寸值确定的步骤： 零件精度高时的尺寸处理：将零件的基本尺寸换算成平均尺寸。 零件轨迹曲线几何关系的处理：保持原来重要的几何关系不变，例如角度、相切或相交等。 零件精度低时的尺寸处理：通过修改一般尺寸，来确保零件原有的几何关系，使之协调。 节点坐标尺寸的计算：按照调整后的尺寸计算有关未知节点的坐标尺寸。 编程尺寸的修正：按照调整后的尺寸编程，加工一组零件，测量零件关键尺寸的实际分散中心，并且求出几何误差，再按照此误差调整编程尺寸并相应修改编制的加工程序。2）应用举例典型轴类曲面零件加工编程尺寸的确定。4.数控车削加工工艺过程的拟订（1）零件表面数控加工方案的选择一般应根据零件的加工精度、表面粗糙度、材料、结构形状、尺寸和生产类型等因素来确定零件表面的车削加工方法和加工方案。1）数控车削加工外圆回转体零件与端面加工方案的选择 加工精度为IT7IT8级、表面粗糙度Ra1.63.2m的除淬火钢以外的常用金属，可以采用普通型数控车床，按粗车、半精车、精车的方案进行加工； 加工精度为IT5IT6级、表面粗糙度Ra0.20.8m的除淬火钢以外的常用金属，可以采用精密型数控车床，按粗车、半精车、精车、细车的方案进行加工； 加工精度高于IT5、表面粗糙度Ra0.08m的除淬火钢以外的常用金属，可以采用高档精密型数控车床，按粗车、半精车、精车、精密车的方案进行加工； 对淬火钢等难加工材料，在淬火前可以采用粗车、半精车的方法，淬火后安排磨削加工； 2）数控车削加工内圆回转体零件加工方案的确定 加工精度为IT8IT9级、表面粗糙度Ra1.63.2m的除淬火钢以外的常用金属，可以采用普通型数控车床，按粗车、半精车、精车的方案进行加工； 加工精度为IT6IT7级、表面粗糙度Ra0.20.8m的除淬火钢以外的常用金属，可以采用精密型数控车床，按粗车、半精车、精车、细车的方案进行加工； 加工精度为IT5、表面粗糙度Ra0.2m的除淬火钢以外的常用金属，可以采用高档精密型数控车床，按粗车、半精车、精车、精密车的方案进行加工； 对淬火钢等难加工材料，在淬火前可以采用粗车、半精车的方法，淬火后安排磨削加工。（2）工序的划分1）数控车削加工工序的划分对于需要多台不同的数控机床和多道工序才能完成加工的零件，工序划分自然以机床为单位来进行。而对于需要少量数控机床就能完成全部加工的的零件，数控车削加工工序的划分可按照下列方法进行： 以一次安装能够进行的加工为一道工序 以一个完整的数控程序能够进行连续加工的内容为一道工序 以零件的类同结构内容使用一把刀具进行加工为一道工序 以粗加工精加工划分工序2）回转类零件非数控车削加工工序的安排 零件上有不适合数控车削加工的表面，如渐开线齿形、键槽、花键表面等形状，必须安排相应的非数控车削加工工序。 零件表面硬度与精度要求较高，热处理需要安排在数控车削加工之后，在热处理工序之后一般安排磨削加工。 零件要求特殊，不能使用数控车削加工来完成全部加工要求的零件，必须另外安排其它工序加工，例如喷丸、滚压加工、抛光等。 如果根据实际条件，零件上有些表面采用非数控车削加工更为合理，此时可安排这些工序在其它设备上进行加工，例如铣削端面、打中心孔等。3）数控车削加工工序与普通工序的衔接数控车削加工工序前后不少都穿插有普通的加工工序，如果衔接的不好，就会在加工中产生冲突和矛盾，此时应该建立相互状态要求。其目的就是使数控车削加工工序和普通加工工序都能够达到相互满足各自加工的需要，而且质量目标与技术要求明确。（3）工序顺序的安排制定零件数控车削加工工序，一般应该遵循下列原则：1）先加工定位面，即前道工序的加工能够为后面的工序提供精加工基准和合适的装夹表面。制定零件的整个工艺路线实质上就是从最后一道工序开始从后往前推，按照前道工序为后道工序提供基准的原则来进行安排的。2）先加工平面后加工孔，先加工简单的几何形状，后加工复杂的几何形状。3）对于零件精度要求高，粗、精加工需要分开的零件，先进行粗加工后进行精加工。4）以相同定位、夹紧方式安装的工序，应该连接进行，以便减少重复定位次数和夹紧次数。5）加工中间穿插有通用机床加工工序的零件加工，要综合考虑合理安排加工顺序。（4）工步顺序和进给路线的安排1）工步顺序安排的一般原则 先粗后精 先近后远 内外交叉 保证工件加工刚度原则 同一把车刀尽量连续加工原则2）数控车削加工进给路线的确定确定数控车削加工进给路线的主要原则： 首先按照拟定的工步顺序，确定零件各加工表面进给路线的顺序； 确定的进给路线应该能保证工件轮廓表面加工后的精度和表面粗糙度要求； 寻求最短的进给路线（包括空行程路线和进给加工路线），以便提高加工效率； 要选择工件在加工时变形小的路线，对细长零件或薄壁零件应该采用分几次走刀加工到最后尺寸，或者用对称地去除加工余量的方法来安排进给路线。确定进给加工路线的重点，主要在于确定粗加工切削过程与空行程的进给路线；精加工切削过程的进给路线，基本上都是沿着零件轮廓的顺序进行的。5.数控车削粗加工进给路线的确定（1）常用的粗加工进给路线1）“矩形”循环进给路线。使用数控系统具有的矩形循环功能而安排的“矩形”循环进给路线。2）沿轮廓形状等距线循环进给路线。使用数控系统具有的封闭式复合循环功能控制车刀沿着工件的轮廓进行等距线循环的进给路线。3）阶梯切削路线。4）双向切削进给路线。利用数控车床加工的特点，还可以使用横向和径向双向进刀，沿着零件毛坯轮廓进给的加工路线。（2）最短的粗加工进给路线切削进给加工路线减短，可以有效的降低刀具的损耗，提高生产效率。6. 数控车削精加工进给路线的确定（1）零件成型轮廓的进给路线在安排进行一刀或多刀加工的精车进给路线时，零件的最终成型轮廓应该由最后一刀连续加工完成，并且要考虑到加工刀具的进刀、退刀位置；尽量不要在连续的轮廓轨迹中安排切入、切出以及换刀和停顿，以免造成工件的弹性变形、表面划伤等缺陷。 （2）加工中需要换刀的进给路线主要根据工步顺序的要求来决定各把加工刀具的先后顺序以及各把加工刀具进给路线的衔接。（3）刀具切入、切出以及接刀点的位置选择加工刀具的切入、切出以及接刀点，应该尽量选取在有空刀槽，或零件表面间有拐点和转角的位置处，曲线要求相切或者光滑连接的部位不能作为加工刀具切入、切出以及接刀点的位置。（4）如果零件各加工部位的精度要求相差不大，应以最高的精度要求为准，一次连续走刀加工完成零件的所有加工部位；如果零件各加工部位的精度要求相差很大，应把精度接近的各加工表面安排在同一把车刀的走刀路线内来完成加工部位的切削，并应先加工精度要求较低的加工部位，再加工精度要求较高的加工部位。7.最短空行程进给加工路线的确定在保证加工质量的前提下，让加工程序有着最短的进给路线，不仅可以节省整个加工过程的运行时间，还可以减少机床进给机构的磨损。8.数控车削加工余量、工序尺寸与公差的确定（1）数控车削加工余量的确定数控车削加工余量的确定，可以采用查表法来确定零件毛坯的余量选取。（2）数控车削加工工序尺寸与公差的确定不论编程原点与设计基准或定位基准或测量基准重合与否，只有在零件的设计基准与定位基准或与测量基准不重合，而且设计基准与零件被加工表面不同时加工时，才会产生基准不重合误差。9.切削用量的选择此部分内容参阅单元4。10.首件试切加工与现场问题处理此部分内容参阅单元8（SIEMENS数控系统）或单元9（FANUC数控系统）的数控车床操作。四、数控车削工艺零件分析举例例5.1 轴类零件数控车削加工工艺分析举例零件如图所示。材料：45#钢，毛坯尺寸66100（mm），零件的径向尺寸公差0.01mm，角度公差0.1，生产批量40件。1.图纸分析（1）加工内容：零件加工包括车端面、外圆、倒角、锥面、圆弧、螺纹等。（2）工件坐标系：该零件在加工中需要二次掉头装夹加工，从图纸上进行尺寸标注分析，应设置两个工件坐标系，两个工件坐标系的工件原点均应选定在零件装夹后的右端面（精加工面）。2.工艺处理（1）装夹定位方式此工件必须分两次装夹完成加工。（2）换刀点换刀点选定为（200.0；220.0）。（3）公差处理取尺寸公差中值。（4）工步和走刀路线按加工内容确定走刀路线如下：1） 工序1： 用三爪卡盘夹紧工件左端，加工6438圆柱面。2）工序2：调头用三爪卡盘夹紧6438圆柱面，在工件左端面打中心孔。3）工序3： 用三爪卡盘夹紧工件64一端，另一端用顶尖顶紧，加工2462圆柱面。4）工序4： 钻螺纹底孔；精车加工2062圆柱面、加工14锥面、加工螺纹端平面；攻螺纹。 工序3的加工内容 工序4的加工内容5）工序5： 加工SR19.4圆弧面、26圆柱面、15锥面、15倒锥面、装夹方式如下图所示。工序5的加工过程： 先用循环指令分若干次一层层加工，逐渐切削至由EFGHI等基点组成的回转面。最后两次循环的走刀路线均与BCDEFGHIB相似。使用G71指令完成粗加工，使用G70指令完成精加工（指FANUC数控系统）；走刀路线为BCDEFGHIB。 应用固定循环指令加工出最后一个15的倒锥面，如图所示。工序5的加工内容 工序5的其它加工内容例5.2 套类零件数控车削加工工艺分析举例零件如图所示。材料：45#钢，毛坯尺寸80110。 套类零件数控车削工艺分析举例1.图纸分析（1）加工内容：零件加工包括车端面、外圆、倒角、内锥面、圆弧、螺纹、退刀槽等。（2）工件坐标系：零件在加工中需要二次掉头装夹，从图纸上进行尺寸标注分析，应设置两个工件坐标系，两个工件坐标系的工件原点均应选在零件装夹后的右端面（精加工面）。2.工艺处理（1）装夹定位方式此工件必须分两次装夹。由于工件右端外表面为螺纹，不适于做装夹表面，52圆柱面较短，也不适于做装夹表面，所以第一次装夹工件右端，加工左端，使用三爪卡盘夹持。第一次装夹完成左端面、2450倒角、50外圆、58台阶、R5圆弧、2450倒角、78外圆的粗、精加工；钻通孔；内锥面、32内圆的粗、精加工； 第二次装夹完成工件右端面、2450倒角、螺纹、42退刀槽、52外圆、轴肩、2450倒角的粗、精加工。零件的一次装夹 零件的二次装夹（2）换刀点换刀点选定为（200.0；300.0）。（3）公差处理取尺寸公差中值。（4）工步和走刀路线按加工内容确定走刀路线如下：1）工序1的第1步： 装夹80表面，粗车零件左侧端面、2450倒角、50外圆、58台阶、R5圆弧、2450倒角、78外圆。2）工序1的第2步： 钻中心孔、钻通孔。3）工序1的第3步：粗加工20与32内轮廓。4）工序2：第一次掉头装夹50外圆，粗车零件右端面、2450倒角、螺纹外径。5）工序3的第1步：装夹78表面，精加工20与32内轮廓。6）工序3的第2步：精加工零件左侧端面、2450倒角、50外圆、58台阶、R5圆弧、2450倒角、78外圆。7）工序4的第1步： 第二次掉头装夹50外圆，精加工右端面、2450倒角、螺纹外径、42退刀槽、52外圆、轴肩、2450倒角。8）工序4的第2步： 螺纹加工。（5）刀具的选择和切削用量的确定五、数控加工工艺文件数控加工工艺文件既是数控加工、产品验收的依据，也是操作者必须遵守、执行的规程。它是编程人员在编制加工程序单时必须编制的技术文件。数控加工工艺文件要比普通机床加工的工艺文件复杂，它不但是零件数控加工的依据，也是必不可少的工艺资料档案。1.编程任务书用来阐明工艺人员对数控加工工序的技术要求、工序说明、数控加工前应该留有的加工余量。是编程员与工艺人员协调工作和编制数控加工程序的重要依据之一。 2.数控加工工件安装和零点设定卡此表卡的作用，在于表达数控加工零件的定位方式和夹紧方法，并应标明被加工零件的零点设置位置和坐标方向，以及使用的夹具名称、编号等。3.数控加工工艺卡数控加工工序卡与普通加工工序卡相似之处是由编程员根据被加工零件，编制数控加工的工艺和作业内容；与普通加工工序卡不同的是，此卡中还应该反映使用的辅具、刀具切削参数、切削液等。它是操作人员用数控加工程序进行数控加工的主要指导性工艺资料。工序卡应该按照已经确定的工步顺序填写。数控加工工序卡如下表所示。被加工零件的工步较少或工序加工内容较简单时，此工序卡也可以省略。但此时应该将工序加工内容填写在数控加工工件安装和零点设定卡上。4.数控加工刀具卡数控加工时对刀具的要求十分严格。数控加工刀具卡上要反映刀具编号、刀具结构、刀杆型号、刀片型号及材料或牌号等。它是组装数控加工刀