轴类零件的数控加工手工编程

轴类零件的数控加工手工编程摘要：随着科学技术和社会生产力的迅速发展，人们对机械产品的质量和生产效率提出了越来越高的要求。而机械制造业的发展规模和水平，是反映国民经济和科学技术水平的重要标志之一。而数控技术又是当今先进制造技术和装备最核心的技术，随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，数控加工技术对国计民生的一些重要行业（IT、汽车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用，因为效率、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。而对于数控加工,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，确定切削用量，对一些工艺问题(如对刀点、加工路线等)也需做一些处理。并在加工过程掌握控制精度的方法,才能加工出合格的产品。本文根据数控机床的特点，针对具体零件，进行工艺方案的分析，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，数控加工程序的编制。关键词：数控刀具工艺分析加工方案编程CNCmachiningofshaftpartsmanualprogrammingAbstract：Withthecontinuousdevelopmentofnumericalcontroltechnologyandapplicationsexpand,CNCmachiningtechnologyontheeconomyofanumberofimportantsectors(IT,automotive,lightindustrial,medical,etc.)playanincreasinglyimportantrole,sincetheefficiency,qualityisthethemeofadvancedmanufacturingtechnology.High-speed,high-precisionmachiningtechnologiescangreatlyenhanceefficiency,improveproductqualityandgrades,shortentheproductioncycleandimprovemarketcompetitiveness.ForNCprocessing,whetherautomaticormanualprogrammingprogramming,programmingbeforetheprocessingofpartsforprocessanalysis,formulationandprocessingprogrammers,selectingtherighttooltodeterminethecuttingparameters,onanumberoftechnologyissues(suchasontheknifepoint,processingline,etc.)alsoneedssomework.Andprocessmasterycontrolprecision,toprocessingthequalifiedproduct.ThisarticleinaccordancewiththecharacteristicsofCNCmachinetools,tailoredtospecificparts,aprocessofanalysis,determinationoftoolingprogrammer,toolandcuttingparametersselection,determinetheorderandprocessinglinesforprocessing,theprocessingefficiency,simplifyprocesses,andotherbenefits.Keywords:numericalcontrolcuttertechnologyanalysisprogramming目录1.概述11.1国内外数控发展概况12.工艺方案分析82.1确定工艺过程82.1.1工序的划分82.1.2走刀路径的确定82.2确定零件的安装方法和对刀点、换刀点82.2.1零件的安装82.2.2对刀点和换刀点的确定93.刀具及切削用量的选择103.1刀具的选择103.2切削用量的选择103.2.1切削用量的选择原则103.2.2切削用量的选取方法104.典型轴类零件的加工114.1零件图114.2零件图的分析114.3确定加工方法114.4确定加工方案及加工路线114.5零件的定位基准和装夹方式124.6刀具的选择134.7数控编程134.8FANUC系统简介134.9FANUC系统的特点14总结15参考文献16致谢1701.概述1.1国内外数控发展概况随着计算机技术的高速发展，传统的制造业开始了根本性变革，各工业发达国家投入巨资，对现代制造技术进行研究开发，提出了全新的制造模式。在现代制造系统中，数控技术是关键技术，它集微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技术于一体，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。目前，数控技术正在发生根本性变革，由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。在集成化基础上，数控系统实现了超薄型、超小型化；在智能化基础上，综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学科技术，数控系统实现了高速、高精、高效控制，加工过程中可以自动修正、调节与补偿各项参数，实现了在线诊断和智能化故障处理；在网络化基础上，CAD/CAM与数控系统集成为一体，机床联网，实现了中央集中控制的群控加工。长期以来，我国的数控系统为传统的封闭式体系结构，CNC只能作为非智能的机床运动控制器。加工过程变量根据经验以固定参数形式事先设定，加工程序在实际加工前用手工方式或通过CAD/CAM及自动编程系统进行编制。CAD/CAM和CNC之间没有反馈控制环节，整个制造过程中CNC只是一个封闭式的开环执行机构。在复杂环境以及多变条件下，加工过程中的刀具组合、工件材料、主轴转速、进给速率、刀具轨迹、切削深度、步长、加工余量等加工参数，无法在现场环境下根据外部干扰和随机因素实时动态调整，更无法通过反馈控制环节随机修正CAD/CAM中的设定量，因而影响CNC的工作效率和产品加工质量。由此可见，传统CNC系统的这种固定程序控制模式和封闭式体系结构，限制了CNC向多变量智能化控制发展，已不适应日益复杂的制造过程，因此，对数控技术实行变革势在必行。1.2数控技术发展趋势1.2.1性能发展方向1（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。1.2.2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2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、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。1.2.3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3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，做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。（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。1.3智能化新一代PCNC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。42.工艺方案分析2.1确定工艺过程零件工艺过程的确定包括加工表面、工序及其顺序、工位、工步、走刀路径的确定，其中还涉及机床、刀具、夹具的选择等内容。在数控机床上加工零件时，应先根据零件图样对零件的结构形状、尺寸和技术要求进行全面分析，并参照以下方法划分工序，确定走刀路径。2.1.1.工序的划分在数控机床上加工零件常见的工序划分方法有如下几种：（1）按粗、精加工划分工序根据零件的形状、尺寸精度以及刚度和变形等因素，按粗、精加工分开原则划分工序，即先粗加工，后精加工，以保证零件的加工精度和表面粗糙度。（2）按先面后孔原则划分工序当零件上既有面加工，又有孔加工时，应先加工面，后加工孔。这样可以提高孔的精度。（3）按所用刀具划分工序使用一把刀加工完相应各部位，再换另一把刀加工其他部位。以减少空行程的时间和换刀次数，消除不必要的定位误差。2.1.2.走刀路径的确定零件的走刀路径是指切削加工过程中刀具刀位点相对于被加工零件的运动轨迹和运动方向。编程时，走刀路径的确定原则是：（1）保证被加工零件的精度和表面粗糙度，且效率较高。（2）使数值计算简单，以减少编程工作量。（3）应使加工路线最短，这样既可以减少程序段，又能减少空行程时间。52.2确定零件的安装方法和对刀点、换刀点2.2.1.零件的安装在数控机床上安装零件时，应做到以下几点：（1）尽量采用可调式、组合式等标准化、通用化和自动化夹具，必要时才设计、使用专用夹具。（2）便于迅速装卸零件，以减少数控机床停机时间。（3）零件定位基准应与设计基准重合，以减少定位误差对尺寸精度的影响。（4）减少装夹次数，尽量做到一次装夹便能完成全部表面的加工。（5）夹紧力应尽量靠近主要支撑点和切削部位，以防止夹紧力引起零件变形对加工产生不良。数控加工对夹具的主要要求，一是要保证夹具在机床上安装精确；二是容易协调零件和机床坐标系的尺寸关系。2.2.2.对刀点和换刀点的确定对刀点就是在数控机床上加工零件时，刀具相对于工件运动的起点。由于程序段从该点开始执行，所以对刀点又称程序起点或起刀点。对刀点的选择原则是：（1）在机床上容易找正，加工中便于检查。（2）便于用数字处理和简化程序编制，（3）引起的加工误差小。63.刀具及切削用量的选择3.1刀具的选择数控加工所用刀具应满足安装调整方便、刚性好、精度高和耐用度好的要求。车削用刀通常有尖形车刀（以直线型切削刃为特征），如各种外圆偏刀、端面车刀、切槽刀等；圆弧形车刀（由圆弧构成主切削刃），主要用于车削各种光滑连接的成型面；还有成形车刀（切削刃的形状与被加工零件的轮廓形状相同），如螺纹车刀。3.2切削用量的选择数控车削加工中的切削用量包括背吃刀量ap、主轴转速n、切削速度vc、进给速度vf、进给量f。对于不同的加工方法，选择不同的切削用量，并编入程序中。具体数值应根据机床说明书中的要求和刀具寿命，结合实际经验采用类比的方法来确定。3.2.1切削用量的选择原则粗车时，应尽量保证较高的金属切除率和必要的刀具耐用度。选择切削用量时应首先选取尽可能大的背吃刀量ap，其次根据机床动力和刚性的限制条件，选取尽可能大的进给量f，最后根据刀具耐用度要求，确定合适的切削速度vc。增大背吃刀量ap可使走刀次数减少，增大进给量f有利于断屑。精车时，对加工精度和表面粗糙度要求较高，加工余量不大且较均匀。选择精车的切削用量时，应着重考虑如何保证加工质量，并在此基础上尽量提高生产率。因此，精车时较小的背吃刀量和进给量，并选择性能高的刀具材料和合理的几何参数，以尽可能提高切削速度。3.2.2切削用量的选取方法7（1）背吃刀量的选择粗加工时，除留下精加工余量外，一次走到尽可能切除全部余量，也可分多次走刀。精加工的加工余量一般较小，在中等功率的机床上，粗加工的背吃刀量可达810mm；半精加工时背吃刀量取0.55mm；精加工时背吃刀量取0.21.5mm。（2）进给速度（进给量）的确定粗加工时，由于对工件表面质量没有太高的技术要求，这时主要根据机床进给机构的强度和刚性、刀杆的强度和刚性、刀具材料、刀杆和工件尺寸以及已选定的背吃刀量等因素来选择进给速度。精加工时，则按表面粗糙度要求、刀具及工件材料等因素来选取进给速度。进给速度vf可以按公式vf=fn计算，式中f表示每转进给量，粗车时一般取0.30.8mm/r；精车时常取0.10.3mm/r；切断时常取0.050.2mm/r。（3）切削速度的确定切削速度vc可根据已选定的背吃刀量、进给量及刀具耐用度进行选取。实际加工过程中，也可根据生产实践经验和查表方法来选取。粗加工或工件材料的加工性能较差时，宜选用较低的切削速度。精加工或工件材料的加工性能较好时，宜选用较高的切削速度。切削速度vc确定后，可根据刀具或工件直径（D）按公式n=1000vc/D来确定主轴转速n（r/min）。84.典型轴类零件的加工4.1零件图图4.1轴的零件图4.2零件图分析该零件表面由圆柱、圆锥、顺圆弧、逆圆弧、螺纹等表面组成。尺寸标注完整，选用毛坯为45#钢，尺寸60mm180mm，无热处理和硬度要求。4.3确定加工方法加工方法的选择原则是保证加工表面的加工精度和表面粗糙度要求。由于获得同一级精度及表面粗糙度的加工方法一般有许多，因而在实际选择时，要结合零件的形状、尺寸大小和形位公差等要求全面考虑。对图样上给定的几个精度要求较高的尺寸，因其公差数值较小，所以编程时取其基本尺寸。9图样中各表面粗糙度要求可采用粗加工-精加工的加工方案，并在加工时减小进给量，加大主轴转速。4.4确定加工方案及加工路线（1）对于细长轴类零件，轴心线为工艺基准，用三爪自定心卡盘夹持60mm外圆一头，使工件伸出卡盘175mm，用顶尖顶持另一头，一次装夹完成粗精加工。加工顺序按由粗到精，由远到近（由右到做）的原则确定。先从右到左进行粗车，然后再从右到左进行精车，采用车床的固定循环加工，最后车削螺纹。（2）加工路线粗车外圆。粗车M30mm、26mm、36mm、R25mm、S50mm、R15mm、34mm、56mm各外圆及各圆锥面。自右向左精车各外圆面及圆锥面车螺纹切断4.5零件的定位基准和装夹方式确定毛坯件轴线和右端端面为定位基准。左端采用三爪自定心卡盘定心加紧，右端采用活动顶尖支撑的装夹方式。4.6刀具的选择（1）车端面：选用硬质合金45度车刀。(T0101)（2）钻中心孔：5mm的中心钻（T0202）（3）粗、精车外圆：硬质合金90度外圆车刀。（T0303）（4）车螺纹：选用60度硬质合金外螺纹车刀。（T0404）（5）切槽刀：刀宽3mm。（T0505）104.7数控编程O0010N1;（车削端面）G50X150Z100T0101M03S400F0.1G00X62Z1G01X-0.2Z2G00X62Z0G01X-0.2Z2T0100M05G28U0G28W0T0202M03S400F0.1（钻中心孔）G00X0Z10G01X0Z-5Z10T0200M05G28U0G28W0N2;（粗车外圆）T0303M03S400F0.25G00X65Z1G71U2R0.5G71P10Q20U0.4W0.1N10G01G41X28Z0X30Z-2Z-1811X28Z-25X36Z-35Z-45G03X30Z-54R15X40Z-69R25G02X40Z-99R25G03X34Z-108R15C01Z-113X56Z-135.4Z-165N20G40G00X65T0300M05G28U0G28W0N3;(精车外圆)T0303M03S600F0.1G00X65Z1G70P10Q20T0300M05G28U0G28W0N4;(车螺纹)T0404M03S300G00X50Z20G33X29.2Z-21.5F1.5X28.6X28.2X28.04G00X50Z2012T0400M05G28U0G28W0N5(切槽)T0505M03F0.05G00X31Z-23G01X26X31G00Z-25G01X26X31G00X60Z-168G01Z0T0500M05G28U0G28W0M30本次加工采用FANUC系统,程序已通过校验。4.8FANUC系统简介FANUC系统是日本富士通公司的产品，FANUC系统进入中国市场有非常悠久的历史，有多种型号产品在使用，较为广泛的产品有FANUC0、FANUC16、FANUC18、FANUC21等。在这些型号中，使用最广泛的是FANUC0系列。系统设计中大量采用模块化结构。这种结构易于拆装、各个控制板高度集成，使可靠性有很大提高，而且便于维修、更换。FANUC系统具有比较健全的自我保护电路。FANUC系统性能稳定，操作界面友好，系统各系列结构类似，具有基本统一的操作界面。且其对电压、温度等外界条件要求不是特别高，因此适应性很强。134.9FANUC系统的特点（1）刚性攻丝主轴控制回路为闭环控制，主轴电机的旋转与攻丝轴（z轴）进给完全同步，从而实现高速高精度攻丝。（2）复合加工循环复合加工循环可用简单指令生成一系列切削路径。比如定义了工件的最终轮廓，可以自动生成粗车的走刀路径，简化了车床编程（3）直接尺寸编程（4）记忆型螺距误差补偿可对丝杠螺距误差等机械