第二章数控加工工艺与编程基础

第2章数控加工工艺与编程基础2.1数控机床与工艺适应性2.2数控加工的刀具和夹具2.3数控加工工艺基本原则和工序设计2.4数控加工工艺文件的编制2.1数控机床与工艺适应性2.1.1分类一）按工艺用途分类1．金属切削类2．金属成型类3．特种加工类1．金属切削类这类数控机床包括数控车床、数控铣床、数控镗床、数控磨床、数控钻床、数控拉床、数控刨床、数控切断机床、数控齿轮加工机床以及各类加工中心。2．金属成型类这类数控机床包括数控板料折弯机、数控直角剪板机、数控冲床、数控弯管机、数控压力机等。这类机床起步较晚，但目前发展较快。3．特种加工类这类数控机床包括数控线（电极）切割机床、数控电火花切割机床、数控电火花成型机床、带有自动换电极的电加工中心、数控激光切割机床、数控激光热处理机床、数控激光板材成型机床、数控等离子切割机床、数控火焰切割机等。二）按功能档次分按控制系统的功能，可把数控机床分为低档（经济型）、中档、高档三类。三个档次的数控机床主要区别于以下几个方面：1．低档数控机床2．中档数控机床3．高档数控机床1．低档数控机床低档数控机床的技术指标一般为：脉冲当量0.01mm~0.005mm，进给速度4~10m/min，开环步进电机驱动，数码管或简单CRT显示，主CPU一般为8位或16位。一般无通信功能。2．中档数控机床中档数控机床的技术指标一般为：脉冲当量0.005~0.001mm，进给速度15~24m/min，半闭环直流或交流伺服系统，有较齐全的CRT显示：可显示字符和图形、人机对话、自诊断等。主CPU一般为16位或32位。可有RS232C、RS485等通信接口。3．高档数控机床高档数控机床的技术指标一般为：脉冲当量0.001~0.0001mm，进给速度15~100m/min，闭环直流或交流伺服系统，CRT显示具备中档的功能外，还具有三维图形显示等，主CPU一般为32位或64位。有制造自动化协议MAP通信接口，具有联网功能。三）按控制坐标轴数分类1.两坐标数控机床：两轴联动，用于加工各种曲线轮廓的回转体，如数控车床。2.三坐标数控机床：三轴联动，多用于加工曲面零件，如数控铣床、数控磨床。3.多坐标数控机床：四轴或五轴联动，多用于加工形状复杂的零件。三）按是否有刀库分类1.普通型数控机床2.数控加工中心加工中心加工中心是带有刀库和自动换刀装置的数控机床。它将铣削、镗削、钻削、攻螺纹等功能集中在一台设备上，使其有多种工艺手段。加工中心的刀库可容纳10~100多把各种刀具或检具，在加工过程中由程序自动选用和更换。这是它与普通数控机床的主要区别。2.1.2数控车床的特点与工艺范围1、数控车床主要加工对象类型数控车削是数控加工中用得最多的加工方法之一。其工艺范围较普通车床宽的多，凡是能在数控车床上装夹的回转体零件都能在数控车床上加工，特别是形状复杂的轴类或盘类零件。针对数控车床的特点，下列几种零件最适合数控车削加工：①精度要求高的回转体零件由于数控车床刚性好、制造、对刀精度高，加工过程中，经过数控系统的高精度插补运算和伺服系统的伺服驱动作用，所以能加工出直线度、圆度、圆柱度等形状、尺寸和位置精度要求高的零件。②轮廓形状复杂的回转体零件因车床数控装置都具有直线和圆弧插补功能，还有部分车床数控装置具有某些非圆曲线插补功能，故能车削由任意平面曲线轮廓所组成的回转体零件。③表面粗糙度好的回转体零件数控车床具有恒线速切削功能，能加工出表面粗糙度值小而均匀的零件。恒线速度切削也叫固定线速度切削，是在车削非圆柱形内、外径时，车床主轴转速可以连续变化，以保持实时切削位置的切削线速度不变(恒定)。中挡以上的数控车床一般都有这个功能。使用此功能不但可以提高工效，还可以提高加工表面的质量，即切削出的端面或锥面等的表面粗糙度一致性好。④特殊螺纹的回转体零件不但能车削任何等导程的直、锥和端面螺纹，而且能车增导程、减导程，以及要求等导程与变导程之间平滑过渡的螺纹，还可以车高精度的模数螺旋零件（如圆柱、圆弧蜗杆）和端面（盘形）螺旋零件等。C轴加工螺旋槽⑤超精密、超低表面粗糙度的零件在高精度、高功能的数控车床上可加工要求超高的磁盘、复印机的回转鼓、录像机的磁头、照相机等光学设备的透镜及其模具，以及隐形眼镜等。2.1.3数控钻削类数控钻床是数字控制的以钻削为主的孔加工机床。数控钻床按其布局形式及功能特点可划分为数控立式钻床、钻削中心、数控深孔钻床及其它大型数控钻床等。可完成钻、扩、绞、攻丝等多道工序，适用于孔间距离有一定精度要求的零件的生产。数控立式钻床的数控系统一般是点位控制系统。数控钻床的类型较多，其结构特点各异，数控系统也各不相同，功能主要包括：孔加工循环、插补、刀具补偿、工件坐标系设定、宏程序等。2.1.4数控铣削类机床1.半封闭或全封闭防护2.主轴无级调速,转速范围宽3.手动换刀，刀具装夹方便4.一般三坐标联动5.应用广泛一数控铣床特点立式数控铣床二、数控铣床分类卧式数控铣床龙门数控铣床龙门数控铣床经济型数控铣床全功能数控铣床高速数控铣床1.直线插补（1）平面直线（2）空间直线三数控铣床主要加工对象一、数控铣床主要功能（3）逼近直线2.圆弧插补（1）平面圆弧（2）逼近圆弧3.孔加工固定循环（1）钻孔（2）铰孔（3）锪孔（3）镗孔（4）攻丝二、数控铣床主要加工对象加工精密、复杂的平面类、曲面类零件数控铣削加工的零件数控铣削加工的零件数控铣削加工的零件数控铣削加工的零件数控铣削加工的零件数控铣削加工的零件数控铣削加工的零件数控铣削加工的零件数控铣削加工的零件数控铣削加工的零件数控铣削加工的零件数控铣削加工的零件2.2数控加工的刀具和夹具2.2.1数控刀具系统时间国家姓名产品1783年法国勒内铣刀1792年英国莫兹利丝锥和板牙1822年----麻花钻之前----整体高碳工具钢Vc=5m/min1868年英国穆舍特制成含钨的合金工具钢1898年美国泰勒和．怀特高速钢1923年德国施勒特尔硬质合金时间国家名称结构1949-1950年美国采用可转位刀片1938年德国德古萨公司生产陶瓷刀具1969年瑞典瑞典山特维克钢厂生产碳化钛涂层硬质合金刀片1972年美国通用电气公司聚晶人造金刚石和聚晶立方氮化硼刀片1972年美国邦沙和拉古兰发展了物理气相沉积法，在硬质合金或高速钢刀具表面涂覆碳化钛或氮化钛硬质层为了保证数控机床的正常运行，只有配置了与数控机床性能相适应的刀具才能使其性能得到充分发挥，也可说配置刀具的优异（合理性、先进性）直接影响到数控机床功能和作用的发挥。数控刀具的定义：数控刀具是指与数控机床（数控车床、数控铣床、数控钻床、数控镗铣床、加工中心、自动线以及柔性制造系统）相配套使用的各种刀具的总称。数控刀具的选择根据刀具结构可分为各种刀具的结构都由装夹部分和工作部分组成整体式:刀具为一体，由一个坯料制造而成，不分体.如白钢刀焊接式:采用焊接方法连接，分刀头和刀杆.绝大部分硬质合金刀是采用焊机夹式：机夹式又可分为不转位和可转位两种；通常数控刀具采用机夹式！特殊型式：如复合式刀具，减震式刀具等。舍弃式刀具/电脑锣刀具阶梯式刀具1.根据制造刀具所用的材料可分为：高速钢刀具；硬质合金刀具；金刚石刀具；其他材料刀具，如立方氮化硼和陶瓷刀具等。50按照切削工艺分：车削刀具：外圆、内孔、螺纹、成形车刀等铣削刀具：面铣刀、立铣刀、螺纹铣刀等数控刀具的类型与特点钻削刀具：钻头、铰刀、丝锥等镗削刀具：粗镗刀、精镗刀等51外圆车刀内孔车刀螺纹车刀数控刀具的类型与特点常用车刀52面铣刀方肩铣刀仿形铣刀三面刃和螺纹铣刀整体硬质合金铣刀数控刀具的类型与特点常用铣刀53铰刀钻头丝锥数控刀具的类型与特点钻削刀具54粗镗刀精镗刀数控刀具的类型与特点镗削刀具55数控刀具的材料高速钢刀具高速钢(HSS)刀具过去曾经是切削工具的主流，随着数控机床等现代制造设备的广泛应用，大力开发了各种涂层和不涂层的高性能、高效率的高速钢刀具，高速钢凭藉其在强度、韧性、热硬性及工艺性等方面优良的综合性能，在切削某些难加工材料以及在复杂刀具，特别是切齿刀具、拉刀和立铣刀造中仍有较大的比重。但经过市场探索一些高端产品逐步已被硬质合金工具代替。56硬质合金刀具普通硬质合金数控刀具的材料新型硬质合金超细晶粒硬质合金涂层硬质合金金属陶瓷粒径在1μm以下，这种材料具有硬度高、韧性好、切削刀可靠性高等优异性能保持了普通硬质合金机体的强度和韧性，又使表面有很高的硬度和耐磨性TiC(N)基硬质合金，其性能介于陶瓷和硬质合金之间57新型硬质合金刀具加工实例数控刀具的材料加工示意图加工切削参数毛坯尺寸和材料使用刀具主轴转速(r/min)进给速度(mm/min)侧吃刀量(mm)背吃刀量(mm)100X80X50（HRC50）Φ8，4齿（超细晶硬质合金）1000030000.21058数控刀具的材料陶瓷刀具不仅能对高硬度材料进行粗、精加工，也可进行铣削、刨削、断续切削和毛坯拔荒粗车等冲击力很大的加工；可加工传统刀具难以加工或根本不能加工的高硬材料；刀具耐用度比传统刀具高几倍甚至几十倍，减少了加工中的换刀次数；可进行高速切削或实现“以车、铣代磨”，切削效率比传统刀具高3-10倍。数控刀具的材料超硬刀具是指比陶瓷材料更硬的刀具材料。包括：单晶金刚石、聚晶金刚石(PCD)、聚晶立方氮化硼(PCBN)和CVD金刚石等。超硬刀具主要是以金刚石和立方氮化硼为材料制作的刀具，其中以人造金刚石复合片(PCD)刀具及立方氮化硼复合片(PCBN)刀具占主导地位。许多切削加工概念，如绿色加工、以车代磨、以铣代磨、硬态加工、高速切削、干式切削等都因超硬刀具的应用而起，故超硬刀具已成为切削加工中不可缺少的重要手段。60超硬刀具加工实例数控刀具的材料加工模具示意图高速加工切削参数毛坯尺寸和材料使用刀具主轴转速(r/min)进给速度(mm/min)背吃刀量(mm)加工时间(min)60X60X50（HRC60）R1X8（CBN）2000020000.0250.361可转位车刀的选用刀片形状的选择根据加工轮廓选择刀片形状一般外圆车削常用80°凸三角形、四方形和80°菱形刀片；仿形加工常用55°、35°菱形和圆形刀片；在机床刚性、功率允许的条件下，大余量、粗加工应选择刀尖角较大的刀片，反之选择刀尖角较小的刀片。62刀具前角的作用大负前角用于切削硬材料需切削刃强度大，以适应断续切削、切削含黑皮表面层的加工条件大正前角用于切削软质材料易切削材料被加工材料及机床刚性差时前角对切削力、切屑排出、切削、刀具耐用度影响都很大前角的影响正前角大，切削刃锋利前角每增加1°，切削功率减少1％正前角大，刀刃强度下降；负前角过大，切削力增加刀具后角的作用后角的影响后角大，后刀面磨损小后角大，刀尖强度下降小后角用于切削硬材料需切削刃强度高时大后角用于切削软材料切削易加工硬化的材料主偏角的作用大主偏角用于切深小的精加工切削细而长的工件机床刚性差时小主偏角用于工件硬度高，切削温度大时大直径零件的粗加工机床刚性高时主偏角等于90°减主偏角，其作用是缓和冲击力，对进给力，背向力，切削厚度都有影响65副偏角的作用副偏角具有减少已加工表面与刀具摩擦的功能。一般为5°～15°副偏角的影响副偏角小，切削刃强度增加，但刀尖易发热副偏角小，背向力增加，切削时易产生振动粗加工时副偏角宜小些；而精加工时副偏角则宜大些66刃倾角的作用刃倾角的影响刃倾角为负时，切屑流向工件；为正时，反向排出刃倾角为负时，切削刃强度增大，但切削背向力也增加，易产生振动刃倾角是前刀面倾斜的角度。重切削时，切削开始点的刀尖上要承受很大的冲击力，为防止刀尖受此力而发生脆性损伤，故需有刃倾角。推荐车削时为3°～5°；铣削时10°～15°67刀尖圆弧半径的作用刀尖圆弧半径的影响刀尖圆弧半径大，表面粗糙度下降刀尖圆弧半径大，刀刃强度增加刀尖圆弧半径过大，切削力增加，易产生振动刀尖圆弧半径大，刀具前、后面磨损减小刀尖圆弧半径过大，切屑处理性能恶化刀尖圆弧半径对刀