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2.5轴数控加工自动编程与手工编程应用对比研究摘要自1952年数控机床诞生以来，先后研究生产出2轴、2.5轴、3轴与多轴控制的机床。程序编制也随着机床的发展，先后经历了手工编程、APT语言编程和交互式图形编程。程序编制是人与数控机床交流互动的介质，它在实现加工自动化、提高加工质量和加工精度、缩短产品研制周期等方面发挥着重要的作用。研究2.5轴数控加工自动编程与手工编程应用，对于合理选择编程方法，理解编程知识，掌握编程方法，领悟数控编程思想具有重要意义。本设计首先介绍了数控机床产生与发展及我国数控机床发展状况，阐述了设计研究的背景与意义。然后介绍了有关数控加工、数控编程等相关知识。其次对给定零件凹模进行数控工艺分析（机床选择、毛坯工艺、刀具与切削用量、走刀路线、工序划分等）与程序编制。最后对凹模程序编制过程进行对比研究，总结手工编程与自动编程特点与应用流程图，总结二者应用在工艺要求、程序结构、应用后期处理等方面的区别；在工艺分析、应用范围、协调发展等方面的联系；总结自动编程与手工编程应用的适用性。关键词： 2.5轴数控加工；手工编程；自动编程The comparative study of manual and automatic programming about 2.5-axis CNC machiningAbstractCNC machine tools has graduate output 2-axis, 2.5-axis, 3 axis and multi-axis control machine tools since its inception in 1952. Programming along with the development of machine tools, has gone through the manual programming, APT programming and interactive graphics programming. Programming CNC machine tools of human interaction with the media, it is in the realization of process automation to improve processing quality and precision, shorten the product development cycle has played an important role. 2.5 axis CNC processing research automatic programming and manual programming application, for reasonable selection programming method, and understand programming knowledge, master programming method, and understand CNC programming thought to have the important meaning.This design introduces the emergence and development of CNC machine tools and the development of CNC machine tools in China, explained the background and significance of design research. Then, introduced the NC machining, CNC programming and other related knowledge. Secondly, for a given part of the die for NC process (machine selection, rough process, tool and cutting parameters, feed path, process division, etc.) and compiled. Finally, the process of die preparation of a comparative study program, summarized characteristics of manual programming and automatic programming and application flow, summed up the two applications in process requirements, program structure, application of different post-processing, etc.; in the process analysis, application, coordination Development of ties; summary of automatic programming and manual programming application applicability.Key words: 2.5-axis NC machining; manual programming; automatic programming目录第一章 绪论1第一节 数控机床产生与发展1第二节 我国数控机床发展概况2第三节 论文研究内容及意义3第四节 本章小结4第二章 2.5轴数控加工与编程技术5第一节 概述5第二节 数控机床组成及工作原理6第三节 数控机床编程技术8第四节 本章小结10第三章 凹模零件数控加工工艺分析11第一节 零件图及加工要求11第二节 识图与毛坯工艺分析11第三节 凹模零件数控工艺分析12第四节 工序划分与工艺编制16第五节 本章小结17第四章 凹模零件手工编程18第一节 数控工艺分析18第二节 基点数值计算19第三节 程序编制检查20第四节 本章小结26第五章 凹模零件自动编程27第一节 CAXA制造工程师2006基础知识27第二节 加工工艺分析28第三节 零件几何建模29第四节 凹模数控加工31第五节 生成G代码39第六节 本章小结41第六章 2.5轴数控加工编程应用对比42第一节 手工编程应用特点42第二节 自动编程应用特点43第三节 自动编程与手工编程区别联系46一 自动编程与手工编程区别46二 自动编程与手工编程联系48第四节 自动编程与手工编程应用总结49第五节 本章小结50结论51致谢52参考文献53第一章 绪论第一节 数控机床产生与发展一 数控机床产生数控机床的研制最早是从美国开始的。1948年，美国帕森斯公司在完成加工直升机浆叶轮廓用检查样板的加工机床任务时，提出了研制数控机床的初步设想。1949年，在美国空军后勤部的支持下，帕森斯公司正式接受委托，与麻省理工学院伺服机构实验室合作，开始数控机床的研制。经过3年的研究，世界上第一台数控机床试验样机于1952年试制成功。这是一台采用脉冲乘法器原理的直线插补三坐标连续控制系统铣床，其数控系统全部采用电子管元件，其数控装置体积比机床本体还要大。后经过3年的改进和自动编程研究，该机床于1955年，进入试用阶段。二 数控机床发展概况自1952年美国研制成功第一台数控机床以来，随着电子技术、计算机技术、自动控制和精密测量等技术的发展，数控机床也在迅速地发展和不断的更新换代，先后经历了5个发展阶段。第1代数控机床：1952-1959年，采用电子管元件构成的专用数控装置（Numerical Control，NC）。第2代数控机床：从1959年开始采用晶体管电路的NC系统。第3代数控机床：从1965年，开始采用小、中规模集成电路的NC系统。第4代数控机床：从1970年，开始采用大规模集成电路的小型通用电子计算机控制的系统（Computer Numerical Control，CNC）。第5代数控机床：从1974年开始采用微型计算机控制系统（Microcomputer Numerical Control ，MNC）。三 数控技术发展趋势为了满足市场和科学技术发展的需要，为了达到现代制造技术对数控技术提出更高的要求，当前，世界数控技术及其装备发展方向主要体现在以下几个方面。1.高速、高效、高精度、高可靠性效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。在加工精度方面，近10年来，普通级数控机床的加工精度已由10um提高到5um，精密级加工中心则从35um，提高到15um，并且超精密精度已开始进入纳米级（0.01um）。2.五轴联动加工和复合加工机床快速发展采用五轴联动对三维曲面工件的加工，可用刀具最佳几何形状进行切削，不仅光洁度高，而且效率也大幅度提高。当前电主轴的出现，使得实现五轴联动加工的复合主轴头结构大为简单化，其制造难度和成本大幅度降低，数控系统的价格差距缩小，极大的促进了复合主轴头类型五轴联动机床和复合加工机床的发展。3.模块化、智能化、柔性化和集成化21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控、方便系统的诊断及维修等。4.开放性所谓的开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象（数控功能），形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统，形成具有鲜明个性的名牌产品。第二节 我国数控机床发展概况我国从1958年开始由北京机床研究所和清华大学等单位首先研制数控机床，并试制成功第一台电子管数控机床。从1965年开始研制晶体管数控系统，直到20世纪60年代末至70年代初，研制的劈锥数控铣床、非圆插齿机等获得成功。与此同时，还开展了数控铣床加工平面零件自动编程的研究。19721979年是数控机床的生产和使用阶段，例如清华大学成功研制了集成电路数控系统。从20世纪80年代开始，随着改革开放政策的实施，我国先后从日本、美国、德国等国家引进先进的数控技术。如北极机床研究所从日本FANUC公司引进FANUC3、FANUC5系统产品的制作技术。到“八五”末期，我国数控机床的品种已有200多个，产量已经达到年产10000台的水平，是1980年的500倍。我国数控机床在品种、性能以及控制水平上都有了新的飞跃，数控技术已经进入了一个继往开来的发展阶段。近年来，国家高度重视包括数控机床在内的装备制造业发展，相继出台的一系列政策措施，进一步确立了数控机床产业的战略地位，为数控行业的发展创造了有利条件。使得我们机床行业发展迅速，在质和量上都取得了飞跃。我国虽然是机床生产大国，但不是机床制造强国，国产机床的发展仍然难以支持国民经济和国防军工的需要。第三节 论文研究内容及意义一 论文研究的内容第一章：介绍了数控机床的产生与发展，并简述了我国数控机床的发展情况；第二章：2.5轴数控加工与编程技术。介绍了2.5轴数控机床组成、原理及编程的一些基础知识；第三章：凹模零件数控加工工艺分析。分析凹模零件的数控加工工艺（零件图纸分析、定位基准与装夹、刀具与切削用量选择、划分工序、确定走刀路线、编制工艺文件等）；第四章：凹模零件手工编程。根据FANUC OI系统，对凹模零件进行了手工编程；第五章：凹模零件自动编程。利用CAXA制造工程师，对凹模零件进行自动编程；第六章：对比研究凹模零件手工编程与自动编程过程，总结自动编程与手工编程特点、应用流程；总结2.5轴数控加工自动编程与手工编程二者区别与联系。二 论文研究的意义在多轴控制的数控机床中，2.5轴数控机床是其他机床的发展基础。数控铣床是数控机床家族中最常见的一类数控机床，它可以进行平面铣削、平面型腔、外形轮廓等铣削，还可以进行钻削、镗削、螺纹切削等孔加工。其中2.5轴数控铣床是最具代表性的一种，广泛应用于平面轮廓和平面区域类零件的钻铣加工。如模具的凹槽，凸轮外轮廓加工，简单形状的凸模等。目前数控铣削技术从机床、刀具、编程等已自成体系，其核心之一是数控编程。它在实现加工自动化、提高加工质量和加工精度、缩短产品研制周期等方面发挥着重要的作用。通过对凹模零件进行手工编程与自动编程，研究对比2.5轴数控加工编程过程，总结出自动编程与手工编程应用中编程人员要求、数控工艺分析、程序结构等方面的区别；二者在零件工艺、应用范围、协调发展等方面的联系，进行自动编程与手工编程应用的适用性总结。深刻了解二者各自的特点、应用，理解二者差异性及其原因，对于数控加工中程序编制方法的选择，数控编程的发展具有重要的意义。第四节 本章小结自1952年数控机床诞生以来，先后研究发展出2轴、2.5轴、3轴和多轴控制的机床。程序编制也随着机床的发展，先后经历了手工编程、APT语言编程和图形交互式自动编程两个阶段。我国从1958年开始由北京机床研究所和清华大学等单位首先研制数控机床，并试制成功第一台电子管数控机床。从20世纪80年代开始，我国先后从日本、德国等国家引进先进的数控技术。目前，我国已成为数控机床生产大国，但还不是数控机床制造强国。2.5轴数控机床是其他多轴控制机床的基础。研究2.5轴数控加工自动编程与手工编程，对于合理选择编程方法，理解编程知识，掌握编程方法，领悟编程思想具有重要意义。本设计通过对给定零件凹模进行数控加工工艺分析，分别完成自动编程与手工编程。结合凹模零件的程序编制过程，对比研究自动编程与手工编程，总结二者的区别与联系。第二章 2.5轴数控加工与编程技术第一节 概述数字控制，简称数控（Numerical Control，NC）,就是用数字化的信息对机床的运动及其加工过程进行控制的一种方法。具体来说，数控就是采用计算机或专用计算机装置进行数字计算、分析处理、发出相应指令，对机床的各个动作及加工过程进行自动控制的一门技术。数控机床，就是装备有数控系统的自动化机床。数控加工，是指在数控机床上进行工件切削加工的一种工艺方法，即根据工件图样和工艺要求等原始条件编制工件数控加工程序输入数控系统，控制机床刀具与工件相对运动，从而实现工件加工。数控加工技术集传统的机械制造、计算机、现代控制、传感检测、信息处理、光机电等技术于一体，已成为现代机械制造技术的基础。它的广泛应用，给机械制造业的生产方式、产品结构带来了深刻的变化。数控技术的水平和普及程度，已成为一个国家综合国力和工业现代水平的重要标志。加工中心、柔性制造单元等都是在数控铣床的基础上产生和发展起来的。数控铣床是数控机床家族中最常见的一类数控机床，它可以进行平面铣削、平面型腔铣削、外形轮廓铣削、三维及三维以上复杂型面铣削，还可以进行钻削、镗削、螺纹切削等孔加工。一般按照数控系统控制的坐标轴数量，又可将数控铣床分为两轴半联动铣床（2.5轴数控铣床）、三轴联动铣床、四轴联动铣床及五轴联动铣床等。2.5轴数控机床加工，刀具沿XY平面的曲线进行直线插补或圆弧插补，用平面曲线来逼近整个曲面。在数控机床中,机床坐标系的X轴和Y轴可以联动。当X轴和Y轴不进行加工时，Z轴可以有上下的移动。适用于曲率半径变化不大和精度要求不高的曲面的粗、精加工。如图2.1所示。图2.1 2.5轴数控机床控制轴运动原理第二节 数控机床组成及工作原理一 数控机床的组成数控机床作为一种典型的机电一体化设备，其组成主要包括控制系统和机床本体两大部分。与普通机床相比，数控机床的主要特征是具有功能强大的、智能化的控制系统，即计算机控制系统。一般标准型数控机床的组成如图2.2所示。图2.2 数控机床构成1.控制介质控制介质是信息的载体，通常也称为输入、输出设备。输入设备的主要功能是将工件加工程序、机床参数及刀补值、间补值等数据输入到机床计算机数控装置，主要有键盘、光电阅读机、磁盘及磁带接口、通信接口等；输出设备主要是将工件加工过程和机床运行状态等打印或显示输出，以便于工作人员操作，主要有CRT显示器、LED显示器、LCD显示器以及各种信号指示灯、报警蜂鸣器等。RS23接口是一种标准串行的输入、输出接口，可实现工件加工程序的打印、数控机床之间或机床和计算机之间的数据通信等。2.数控装置数控装置（CNC装置）是数控机床的核心。其主要功能是接收输入设备输入的加工信息，完成数据的存储、计算、逻辑判断、输入输出控制等，并向机床各驱动机构发出运动指令，指挥机床各部件协调、准确地执行工件加工程序。3.机床本体机床本体是数控机床的主体，是用来完成各种切削加工的机械部分。数控机床的机械结构，除了主运动系统、进给系统以及液压、气动、冷却和润滑部分等辅助装置外，还有些特殊部件，如刀库、自动换刀装置（ATC）、自动托盘交换装置等。与普通机床的主要差别在于机械传动结构及功能性部件。4.检测系统位置检测装置的作用，主要是对机床的转速及进给实际位置进行检测并反馈回计算机数控装置，进行位置控制与补偿处理。运动部分通过传感器，将角位移或直线位移转换成电信号，输送给计算机数控装置，并与给定位置进行比较，由计算机数控装置通过计算，继续向伺服机构发出运动指令，对产生的误差进行补偿，使机床工作台精确地移动到要求的位置。二 数控机床工作过程（一） 数控机床的基本工作过程数控机床的基本工作过程如图2.3所示。1.操作人员根据工件加工图样的要求确定工件加工的工艺过程、工艺参数和刀具位移数据。2.按编程手册的有关规定编写工件加工程序。3.通过键盘、穿孔纸带、计算机联机通信或MDI(Manul Date Input),即手动数据输入等方式，将加工工件程序输入到计算机数控装置。4.在数控系统内部的控制软件支持下，经过处理与计算后，发出相应的运动指令。5.伺服系统接到执行的信息指令后，立即驱动机床进给机构严格按指令的要求进行位移，以进行工件的自动切削加工。图2.3 数控机床工作过程（二） 数控机床的工作原理数控机床的工作原理如图2.4所示。按照零件加工的技术要求和工艺要求，编写零件的加工程序，然后将加工程序输入到数控装置，通过数控装置控制机床的主轴运动、进给运动、更换刀具，以及工件的夹紧与松开，冷却、润滑泵的开与关，使刀具、工件和其它辅助装置严格按照加工程序规定的顺序、轨迹和参数进行工作，从而加工出符合图纸要求的零件。图2.4 数控机床工作原理图第三节 数控机床编程技术数控机床是一种高效的自动化加工设备，它严格按照加工程序，自动地对被加工工件进行加工。从数控系统外部输入的直接用于加工的程序称为数控加工程序或数控程序，它是机床数控系统的应用软件。数控编程技术包含了数控加工与编程、金属加工工艺、CAD/CAM软件操作等多方面知识与经验，其主要任务之一是计算加工走刀中的刀位点。数控系统的种类繁多，使用的数控程序语言规则和格式也不尽相同。一 数控程序编制的内容、步骤数控编程是指从零件图纸到获得数控加工程序的全部过程。在编制数控加工程序前，首先应了解数控程序编制的主要工作内容、程序编制的工作步骤、每一步应遵循的工作原则，然后才能编制出满足要求的数控加工程序。图2.5表示了数控程序编制的内容及步骤。图2.5 数控程序编制的内容及步骤1.分析零件图样和制定工艺方案。这项工作实际上是根据图样要求制定出零件的数控加工工艺方案，主要内容包括：对零件图样进行分析，明确加工的内容和要求；确定加工方案；选择合适的数控机床；选择或设计刀具、夹具；确定合理的走刀路线；选择合理的切削用量等。2.数学处理。确定工艺方案后，根据零件的几何尺寸、加工路线等，需要计算出刀具中心的运动轨迹，以获得刀位数据，可通过手工计算实现或使用计算机辅助制造（CAM）软件自动实现。手工计算一般用于加工圆弧和直线组成的较简单的平面零件，只需要计算出零件轮廓上相邻几何要素的交点或切点的坐标值，得出各几何要素的起点、终点、圆弧的圆心坐标值等，就能满足编程要求。当零件的几何形状复杂，采用CNC系统的基本插补功能不能实现时，就需要进行较复杂的数值计算，一般需要使用计算机辅助计算，否则难以完成。3.编写零件加工程序。完成上述两步步骤之后，即可编写零件加工程序。此时编程人员应按照相应数控系统的编程手册所规定的程序指令和程序格式，逐段编写加工程序。4.程序检验。程序检验是正式加工前采用机床空运转或用铝件、塑料、石蜡等易切材料进行试切来检查机床动作和运动轨迹的正确性。在具有图形模拟显示功能的数控机床上或具有轨迹仿真的CAM软件中，也可通过显示走刀轨迹或模拟刀具对工件的切削过程。当发现加工的零件不符合加工技术要求时，可修改程序或采取尺寸补偿措施。二 数控程序编制的方法编制数控加工程序的方法主要有两种：手工编制程序和自动编制程序。1.手工编程。手工编程是指由人工来完成数控编程中各个阶段的工作，要求编程人员应对具体的数控机床的功能、程序指令及代码十分熟悉，否则难以编写出正确的加工程序。一般情况下，对几何形状不太复杂、所需的加工程序不长、计算较简单的零件，用手工编程比较合适。2.计算机自动编程。自动编程是指在编程过程中，编程人员只需分析零件图样和制定工艺方案，其余各步工作（数学处理、编写程序、程序校验）均由计算机辅助完成。采用计算机自动编程时，计算机可自动绘制出刀具中心的运动轨迹，编程人员可及时检查程序正确性，并根据需要及时进行修改，以获得正确的程序。用计算机自动编程代替编程人员完成繁琐的数值计算，可提高编程效率几十倍乃至上百倍。计算机自动编程也解决了手工编程无法解决的许多复杂零件的编程难题。第四节 本章小结数控（数字控制），用数字化的信息对机床的运动及其加工过程进行控制，其集传统的机械制造、计算机、现代控制、传感检测、信息处理、光机电等技术于一体，已成为现代机械制造技术的基础。2.5轴数控机床广泛被应用在平面区域和平面轮廓加工。2.5数控机床一般由控制介质、数控装置、机床本体、检测系统四部分组成。其工作流程为分析零件图样、程序设计与编制、指令输入送进到数控装置、指令传到伺服系统，驱动机床主体加工制成零件。在数控加工中，程序的编制是数控技术的核心环节之一，主要的编程方法有手工编程与自动编程。程序编制的主要内容有零件图样分析、制定工艺方案、数学处理、编写程序、程序校验等。第三章 凹模零件数控加工工艺分析第一节 零件图及加工要求如图3.1所示凹模工件零件图，毛坯外形尺寸为90mm90mm25mm，材料为45钢，生产10件。图3.1 凹模零件图第二节 识图与毛坯工艺分析制订零件的数控铣削加工工艺时，首先要对零件图进行工艺分析，即针对零件图纸分析零件的加工要素、结构工艺性、基准与装夹、机床工具选择。一 凹模零件识图零件图纸直接反应零件结构，而零件的结构设计会影响或决定工艺性好坏。根据铣削加工特点，可以从以下几个方面来考虑结构工艺性特点。1.零件图样尺寸的正确标注2.保证获得要求的加工精度3.尽量统一零件轮廓内圆弧的有关尺寸4.保证基准统一通过零件结构分析发现凹模工件复杂程度一般，但各被加工部分的尺寸、形位、表面粗糙度值等要求较高，其中凹模零件的表面、外轮廓、孔的加工表面粗糙度精度要求为Ra=1.6um，孔的尺寸精度要求150.015mm，外凹槽尺寸精度要求为100.036mm，内凹槽的尺寸精度要求为60.045mm，凹模外轮廓对称度要求为0.025。对于凹模工件，其外凹槽外轮廓圆弧过渡半径为R=12mm，内轮廓圆弧过渡半径为R=6mm，为此采用直径为8mm的立铣刀。数控加工中，采用保证基准统一定位。对于凹模零件，其毛坯形状规则，以工件上表面为刀具长度补偿后的Z向坐标原点，工件中间位置孔15mm为XOY的零点。二 毛坯工艺分析在数控铣削加工零件时，加工过程是自动的，毛坯余量的大小、如何装夹等问题在选择毛坯时就要仔细考虑好，否则，一旦毛坯不适合数控铣削，加工将很难进行下去。根据经验，确定毛坯的余量和装夹应注意以下两点。1.毛坯加工余量应充足并尽量均匀2.分析毛坯的装夹适应性通过零件结构分析发现凹模零件的毛坯形状规则，直接选用机械或液压平口钳装夹工件如图3.2所示。毛坯材料为45钢，中碳钢，含碳量是0.42-0.5，广泛用于机械制造，这种钢的机械性能良好。为此粗加工余量不应过大，留有0.2mm的余量即可。 图3.2 机械平口钳与液压平口钳第三节 凹模零件数控工艺分析一 数控机床的选择不同类型的零件在不同的数控机床上加工。数控车床适用于加工形状比较复杂的轴类零件和由复杂曲线回转形成的模具内型腔。数控立式镗铣床和立式加工中心适合于加工箱体、箱盖等。卧式镗铣床和卧式加工中心适合于加工复杂的箱体类零件、泵体、壳体等。多坐标联动的卧式加工中心还可以用于加工各种复杂的曲线、曲面、叶轮、模具等。凹模零件包括的加工要素分别有平面、外轮廓、凹槽、孔，其中平面、外轮廓的尺寸精度均达到Ra=1.6mm，中间位置孔的要求为150.015mm。为此采用2.5轴数控铣床即可满足加工工艺要求。二 选择加工刀具刀具选择的原则：一是根据加工表面特点及尺寸选择刀具类型；二是根据工件材料及加工要求选择刀片材料及尺寸；三是根据加工条件选取刀柄。刀具材料对切削性能的影响也非常重要。常用的刀具材料有高速钢、硬质合金、陶瓷材料和超硬材料，前两者为常用材料，且硬质合金材料在车刀中应用最普遍。高速钢刀具不适合于高速刀削，耐热温度低，而硬质合金比高速钢硬、耐磨、耐热。表3.1列出了各种刀具材料的特征和用途。表3.1 刀具材料的特征和用途材 料主 要 特 性用 途优 点高速钢比工具钢硬低速或不连续切削刀具寿命长，加工的表面较平滑高性能高速钢强韧、抗边缘磨损性强可粗切或精切几乎任何材料，包括铁钢、不锈钢、高温合金、非铁和非金属材料切削速度比高速钢高，强度和韧性较粉末冶金高速钢好粉末冶金高速钢良好的抗热性和抗碎片磨损切削钢、高温合金、不锈钢、铝、碳钢及合金钢和其他不易加工的材料切削速度比高性能高速钢高15硬质合金耐磨损、耐热可锻铸铁、碳钢、合金钢、不锈钢、铝合金的精加工寿命比一般工具钢高1020倍陶瓷高硬度、耐热冲击性好高速粗加工，铸铁和钢的精加工，也适合加工有色金属和非金属材料。不适合加工铝、镁、钛及其合金可用于高速加工立方氮化硼(CBN)超强硬度、耐磨性好硬度大于450 HBW材料的高速切削刀具寿命长，可实现超精表面加工聚晶金刚石（PCD）超强硬度、耐磨性好粗切和精切铝等有色金属和非金属材料刀具寿命长，可实现超精表面加工三 对刀点与换刀点确定在编程时，应正确选择对刀点和换刀点的位置。对刀点就是在数控机床上加工零件时，刀具对于工件运动的起点。由于程序段从该点开始执行，所以对刀点又称为程序起点或起刀点。对刀点的选择原则：一是便于用数字处理和简化程序编制；二是在机床上找正容易，加工中便于检查；三是引起的加工误差小。加工过程中需要换刀时，应规定换刀点。所谓“换刀点”是指刀架转位换刀时的位置。数控机床在加工过程中如果要换刀，则需要预先设置换刀点并编入程序中，选择换刀点的位置应根据工序内容确定，要保证换刀时刀具及刀架不与工件、机床部件及工装夹具相碰。常用机床参考点作为换刀点。凹模零件设定对刀点如图3.3所示的对刀点，对刀点尽量与基准重合。换刀点如图3.4所示。 图3.3 对刀点的设定 图 3.4 换刀点的设定四 走刀路线确定在数控加工过程中，每道工序的走刀路线直接影响零件的加工精度与表面粗糙度。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，包括切削加工的路径和刀具切入、切出等空行程。在普通机床加工中，走刀路线由操作者靠工作经验直接把握，工序设计时则无需考虑。确定加工路线的一般原则是：首先必须保证被加工零件的精度要求和表面粗糙度要求；其次考虑数值计算简单，缩短走刀路线，减少进退刀时间和其他辅助时间，效率较高等。对于凹模零件，端铣刀铣削凹模毛坯上下表面；立铣刀先粗加工后精加工毛坯外轮廓、外凹槽、内凹槽；麻花钻钻中间位置孔，镗刀精镗中间位置孔。五 切削用量确定数控铣削用量即铣削参数包括主轴转速（切削速度）、铣削深度与宽度、进给量、行距、残留高度、层高等。对于不同的加工方法，需要选择不同的切削用量，并写入程序单内。数控加工中，切削用量主要包括以下几个主要因素：1.主轴转速：主轴转速应低于机床主轴的最大转速，可用机床控制面板上的主轴转速修调开关调整主轴转速。2.切削速度：切削速度的选择主要取决于刀具耐用度和被加工工件材料。切削速度增大，刀具耐用度急剧下降。3.轴向切削深度：根据机床、工件和刀具的刚度来决定，在刚度允许的条件下，应尽可能使背吃刀量等于工件的加工余量，这样可以减少走刀次数，提高生产效率。为了保证加工表面质量，可留少量精加工余量，一般留0.2mm0.5mm。4.径向切削深度：与刀具直径成正比，与轴向切削深度成反比。取值范围ae=（0.60.9）De，通常取ae=0.75De。常用切削参数术语如表3.2所示。表3.2 切削参数常用计算公式端铣飞刀、端铣刀参数计算切削速度/（m/min）Vc=Dcn/1000Vc：刀具切削刃作圆周运动时的线速度Dc：刀具切削位置直径ap：轴向切削深度ae：径向切削深度fz：每齿进给量Zn：刀具齿数Vf：进给速度主轴转速/(r/min)n=1000Vc/Dc进给速度/（mm/min）Vf=fznZn综合第三章中凹模零件数控加工工艺分析，毛坯材料为45钢，中碳钢，含碳量是0.42-0.5，含Si含量为0.170.37%，Mn含量0.500.80%，Cr含量=0.25%，Ni含量=0.30%。广泛用于机械制造，这种钢的机械性能良好。为此采用150盘形硬质合金端铣刀，8硬质合金的立铣刀，14.5高速钢麻花钻，15硬质合金镗刀。硬质合金铣刀切削参数推荐值如表3.3所示。表3.3 硬质合金铣刀切削参数推荐值工件材料切削速度进刀量fz （mm/齿）备注（m/min）Dc6mmDc12mmDc25mmDc：刀具切削位置直径低碳钢601530.0100.0380.0380.0760.0760.178中碳钢30750.0050.0250.0250.050.050.125硬质钢7370.0050.0130.0130.0250.0250.076我们可以得出，数控加工过程中，凹模工件的切削速度3075m/min，根据主轴转速公式： Vc=Dcn/1000 式(1)可计算出主轴转速n=19004777r/min。径向切削深度ae与刀具直径成正比，ae=（0.60.9）DC ,通常ae=0.75DC。即可得到ae=6mm。轴向切削深度ap=刀具直径的0.51倍，即ap=48mm。第四节 工序划分与工艺编制一 工序划分数控机床加工零件的工序划分方法如下：1.刀具集中划分工序。用同一把刀加工完零件上所有可以完成的部位，再用第二把、第三把刀完成它们可以完成的其他部位。这样可以减少换刀次数，压缩空程时间，减少不必要的定位误差。2.粗、精加工分序法。单个零件要先粗加工、半精加工，而后精加工；或者一批零件，先全部进行粗加工、半精加工，最后进行精加工。粗、精加工之间，最好隔一段时间，以使粗加工后的零件得以充分的时效，再进行精加工，以提高零件的加工精度。3.加工部位分序法。一般先加工平面、定位面，后加工孔；先加工简单的几何形状，再加工复杂的几何形状；先加工精度要求较低的部位，再加工精度要求较高的部位。总之，在数控机床上加工零件，其加工工序的划分要视加工零件的具体情况具体分析。根据加工工序划分中刀具集中、加工部位分序原则，凹模零件在数控加工过程中，可划分为三个工序。大致过程如下：1.端铣刀，加工凹模毛坯的上表面、下表面，精加工凹模毛坯的上表面；2.立铣刀，先粗加工后精加工加工凹模毛坯的轮廓、外凹槽、内凹槽；3.中间位置孔的钻与镗。二 工艺编制综合上述凹模零件数控工艺分析，安排的加工工步、加工内容、刀具规格、切削参数如表3.4所示。D、H用于刀具半径补偿与刀具长度补偿，根据实际情况输入：D2=4.5，D3=4;粗加工余量为0.2。表3.4 凹模零件工艺卡加工步骤刀具与切削参数序号工步内容刀具规格主轴转速/(r/min)进给速度/(mm/min)刀具补偿类型长度半径1粗加工毛坯上表面150盘形端铣刀3000180H1/T1D12粗加工毛坯下表面3精加工毛坯表面40001504粗加工毛坯侧面8立铣刀3000160H2/T2D25粗加工深6mm的外凹槽25001206粗加工深10mm的内凹槽25001007精加工毛坯侧面4000508精加工深6mm的外凹槽3500459精加工深10mm的内凹槽35004010钻中间位置孔14.5麻花钻350080H5/T5D511精镗中间位置孔15镗刀300035H6/T6D6第五节 本章小结数控加工工艺与普通机床的加工工艺有许多相同之处，但数控工艺规程要复杂的多。数控加工是严格按照加工程序，自动地对被加工工件进行加工，所以必须将数控机床的运动过程、零件的加工工艺过程、刀具的几何形状、切削用量及走刀路线等等都编入加工程序，这就要求程序设计人员必须具有多方面的知识基础和一定的工作经验。根据数控加工工艺分析内容、凹模零件加工要求，采用2.5轴数控铣床，机械平口钳或液压平口钳装夹；根据凹模结构分析，采用8立铣刀、14.5麻花钻等硬质合金刀具；根据数控加工中基准统一原则，确定对刀点与换刀点；根据刀具集中、加工部位分序原则，确定走刀路线；根据毛坯材料和刀具，确定切削用量。编制凹模零件加工工艺卡，完成凹模数控工艺分析。第四章 凹模零件手工编程第一节 数控工艺分析一 工艺分析通过零件结构分析发现工件的毛坯形状规则，直接选用机械或者液压平口钳装夹工件。工件的复杂程度一般，但各被加工部分的尺寸、形位、表面粗糙度值等要求较高。工件中心孔15非常重要，它的精度关系到诸多要素的加工精度，编程时以工件上表面为刀具长度补偿后的Z向坐标零点，工件上表面中间15孔的中心位置为XOY零点（如下图4.1所示）。图4.1 凹模工件对刀点加工要保证工件X、Y轴零点找正，平口钳一定要夹紧工件，刀具长度补偿利用Z轴定位器设定，利用刀具半径补偿来区分粗、精加工，并利用系统的子程序、固定循环功能简化编程。二 刀具选择根据第三章凹模零件数控加工工艺分析，加工过程中采用的刀具有150mm盘形硬质合金端铣刀，8mm硬质合金立铣刀，14.5mm高速钢麻花钻，15mm硬质合金镗刀。三 切削用量根据第三章凹模零件数控加工工艺分析，采用主轴转速n为19004777r/min，轴向切削深度为48mm，切削速度为3075m/min，径向切削深度为6mm。四 走刀路线结合第三章凹模零件数控工艺分析中走刀路线确定，对于凹模零件，端铣刀铣削凹模毛坯上下表面；立铣刀先粗加工后精加工毛坯外轮廓、外凹槽、内凹槽；麻花钻钻中间位置孔，镗刀精镗中间位置孔。五 加工工步综合第三章凹模零件数控工艺分析，凹模零件的加工工步安排如下：1.铣削毛坯上平面，选用150盘形端铣刀；2.翻转装夹毛坯，铣削下平面，选用150盘形端铣刀；3.粗加工毛坯侧面，选用8立铣刀；4.粗加工深6mm的外凹槽，选用8立铣刀；5.粗加工深10mm的内凹槽，选用8立铣刀；6.精加工毛坯侧面，选用8立铣刀；7.精加工深6mm的外凹槽，选用8立铣刀；8.精加工深10mm的内凹槽，选用8立铣刀；9.钻中间位置孔，选用14.5麻花钻；10.精镗15中间位置孔，选用15镗刀。第二节 基点数值计算手工编程中，需要根据零件图的几何尺寸、确定的工艺路线及设定的坐标系，计算零件粗、精加工运动的轨迹，得到刀位数据。对于形状比较简单的零件（如由直线和圆弧组成的零件）的轮廓加工，要计算出几何元素的起点、终点、圆弧的圆心、两几何元素的交点或切点的坐标值，如果数控装置无刀具补偿功能，还要计算刀具中心的运动轨迹坐标值。对于形状比较复杂的零件（如由非圆曲线、曲面组成的零件），需要用直线段或圆弧段逼近，根据加工精度的要求计算出节点坐标值，这种数值计算一般要用计算机来完成。结合第三章凹模零件数控工艺分析中建立以工件上表面为刀具长度补偿后的Z向坐标零点，工件上表面中间15孔的中心位置为XOY零点的坐标系。凹模外凹槽、孔加工的基点坐标都比较简单，可由凹模零件图直接算出。内凹槽用圆弧过渡，其关键点坐标计算可利用计算机辅助计算。第三节 程序编制检查一 程序编制日本FANUC公司自50年代末期生产数控系统以来，已开发出40多种系统的数控系统，特别是70年代中期开发出FS5、FS7系统以后，所生产的系统都是CNC系统。从此，FANUC公司的CNC系统大量进入中国市场，在中国CNC市场上处于举足轻重的地位。FANUC公司目前生产的数控装置有F0、F10/F11/F12、F15、F16、F18系列。FANUC 0I系列：0IMA用于加工中心、铣床；0ITA用于车床，可控制4轴。 FANUC数控系统的特点：1.系统在设计中大量采用模块化结构；2.具有很强的抵抗恶劣环境影响的能力；3.有较完善的保护措施；4.FANUC系统所配置的系统软件具有比较齐全的基本功能和选项功能；5.提供大量丰富的PMC信号和PMC功能指令；6.具有很强的DNC功能；7.提供丰富的维修报警和诊断功能。综合第三章凹模零件数控加工工艺分析中，刀具集中、加工部位分序原则和刀具的选择，先采用150盘形端铣刀铣削凹模零件的上表面，再次装夹零件，铣削凹模零件的下表面；采用8立铣刀加工凹模轮廓、外凹槽、内凹槽，由于外凹槽与内凹槽比较深，刀具进给量比较小，可编制子程序，简化主程序结构。采用麻花钻和镗刀进行钻孔和精镗孔。在程序编制中，刀具长度补充根据刀具实际长度输入；刀具半径补偿：D2=4.2，D3=4;粗加工余量为0.2。采用FANUC系统编程，编制程序如表4.1。表4.1 FANUC 0I系统加工程序FANUC 0I系统加工程序程序内容注释O0001主程序N01. G54G90G49G00X0Y0程序初始化；建立工件坐标系；绝对编程N02. M03S3000F180采用150mm端铣刀粗加工凹模表面N03. G00Z100N04. G00X-120Y0N05. G00G43Z10H1N06. G01Z-0.1N07. G01X120Y0N08. G00G49Z100H1N09. G00X0Y0N10. M30程序停止O0002主程序N01. G54G90G49G00X0Y0程序初始化；建立工件坐标系；绝对编程N02. M03S3000F180采用150mm端铣刀粗加工凹模表面N03. G00Z100N04. G00X-120N05. G00G43Z10H1G00X-120N06. G01Z-0.1N07. G00Z100N08. S4000F150采用150mm端铣刀精加工凹模表面N09. G00Z10N10. G01Z-0.2N11. Z10N12. G00G49Z100H1N13. S3000F160T2更换8mm立铣刀N14. G41G00X-43Y43D2建立刀具长度补偿，半径补偿，粗加工凹模侧面N15. G00G43Z10H2N16. G01 Z-3.5N17. X43N18. Y-43N19. X-43N20. Y43N21. G01Z-6.5N22. X43N23. Y-43N24. X-43N25. Y43N26. G01Z-9.5N27. X43N28. Y-43N29. X-43N30. Y43N31. G01Z-12.5N32. X43N33. Y-43N34. X-43N35. Y43N36. G01Z-15N37. X43N38. Y-43N39. X-43N40. Y43N41. G01Z10N42. M03S2500F120粗加工深6mm的外凹槽，调用子程序O0003N43. G00X-39Y27