数控编程与CAM应用.ppt

本讲安排 主要教学内容 ： 1 数控加工工艺内容的选择 2 数控加工工艺性分析 3 数控加工工艺路线的设计（ 重点 ） 4 定位和夹紧方案 （ 重点 ） 5 刀具的选择（ 难点 ） 数控加工工艺设计 数控机床的加工工艺与通用机床的加工工艺 有许多相同之处，但在数控机床上加工零件比通 用机床加工零件的工艺规程要复杂得多。在数控 加工前，应该将机床的运动过程、零件的工艺过 程、刀具的形状、切削用量和走刀路线等都编入 程序，这就要求程序设计人员具有多方面的知识 基础。一个合格的程序员首先是一个合格的工艺 人员，否则就无法做到全面周到地考虑零件加工 的全过程，以及正确、合理地编制零件的加工程 序。 数控加工工艺设计的工作 在进行数控加工工艺设计时，一般应进行以 下几方面的工作： 数控加工工艺内容的选择； 数控加工工艺性分析； 数控加工工艺路线的设计。 数控加工工艺设计方法 在选择了数控加工工艺内容和确定了零件加工路线 后，即可进行数控加工工序的设计。数控加工工序设计 的主要任务是进一步把本工序的加工内容、切削用量、 工艺装备、定位夹紧方式及刀具运动轨迹确定下来，为 编制加工程序作好准备。 1。确定走刀路线和安排加工顺序 走刀路线就是刀具在整个加工工序中的运动轨迹， 它不但包括了工步的内容，也反映出工步顺序。走刀路 线是编写程序的依据之一。确定走刀路线时应注意以下 几点： （ 1）寻求最短加工路线 如加工图 a所示零件上的孔系。 b图的走刀路线 为先加工完外圈孔后，再加工内圈孔。若改用 c 图的走刀路线，减少空刀时间，则可节省定位时 间近一倍，提高了加工效率。 a)零件图样 b)路线 1 c)路线 2 （ 2）最终轮廓一次走刀完成 如图 a为用行切方式加工内腔的走刀路线，这种走刀能 切除 内腔 中的全部余量，不留死角，不伤轮廓。但行切 法将在两次走刀的起点和终点间留下残留高度，而达不 到要求的表面粗糙度。所以如采用 b图的走刀路线，先 用行切法，最后沿周向环切一刀，光整轮廓表面，能获 得较好的效果。图 c也是一种较好的走刀路线方式。 a) 路线 1 b) 路线 2 c) 路线 3 图 a为 单向走刀 方式，在加工中切削方式保持不变，这样可 以保证顺铣或逆铣的一致性，但由于增加了提刀和空走刀，切削 效率较低。粗加工中，由于切削量较大，一般选用单向走刀，以 保证刀具受力均匀和切削过程的稳定性。图 b是 往复走刀 方式， 在加工过程中不提刀进行连续切削，加工效率较高，但逆铣和顺 铣交替进行，加工质量较差。一般在粗加工时由于切削量大不宜 采用往复走刀，而在半精加工和表面质量要求不高的精加工时可 选用往复走刀。图 c是 环切走刀 方式，其刀具路径由一组封闭的 环形曲线组成，加工过程中不提刀，采用顺铣或逆铣切削方式， 是型腔加工常用的一种走刀方式。 走刀方式 （ 3）提高位置精度 对于孔系加工，为了提高位置精度，可以采用单 向趋近定位点的方法，以避免传动系统的误差对定位精 度的影响。如图 a）为零件图，在该零件上镗六个尺寸 相同的孔，有两种加工路线。当按图 b）所示路线加工 时，由于 5、 6孔与 1、 2、 3、 4孔定位方向相反， Y方向 反向间隙会使定位误差增加，而影响 5、 6孔与其它孔之 间的位置精度。按图 c）所示路线，加工完 4孔后往上移 动一段距离到 P点，然后再折回来加工 5、 6孔，这样方 向一致，可避免反向间隙的引入，提高 5、 6孔与其它孔 的位置精度。但这样会使空行程增大，降低了加工效率。 （ 3）选择切入切出方向 考虑刀具的进、退刀 （切入、切出）路线时，刀 具的切出或切入点应在沿零 件轮廓的切线上，以保证工 件轮廓光滑；应避免在工件 轮廓面上垂直上、下刀而划 伤工件表面；尽量减少在轮 廓加工切削过程中的暂停 （切削力突然变化造成弹性 变形），以免留下刀痕，如 图所示。 确定定位和夹紧方案 在确定定位和夹紧方案时应注意以下几个问题： （ 1）尽可能做到设计基准、工艺基准与编程计算 基准的统一； （ 2）尽量将工序集中，减少装夹次数，尽可能在 一次装夹后能加工出全部待加工表面； （ 3）避免采用占机人工调整时间长的装夹方案； （ 4）夹紧力的作用点应落在工件刚性较好的部位。 例 1 如图 a薄壁套的 轴向刚性比径向刚 性好，用卡爪径向 夹紧时工件变形大， 若沿轴向施加夹紧 力，变形会小得多。 图 a 例 2 在夹紧图 b所示的薄壁箱体时，夹紧力不应作用 在箱体的顶面，而应作用在刚性较好的凸边上， 或改为在顶面上 三点夹紧 ，改变着力点位置，以 减小夹紧变形 ,如图 c所示。 图 b 图 c 改进方法 2 或者 确定切削用量 1 对于高效率的金属切削机床加工来说， 被加工材 料 、 切削刀具 、 切削用量 是三大要素。这些条件决定着 加工时间、刀具寿命和加工质量。经济的、有效的加工 方式，要求必须合理地选择切削条件。 编程人员在确定每道工序的切削用量时，应根据刀 具的耐用度和机床说明书中的规定去选择。也可以结合 实际经验用类比法确定切削用量。在选择切削用量时要 充分保证刀具能加工完一个零件，或保证刀具耐用度不 低于一个工作班，最少不低于半个工作班的工作时间。 工件每转一周，车刀所移动的距离，称为进给量，以 (mm/r) 表示；车刀每一次切去的金属层的厚度，称为切削深度，以 (mm) 表示。 优质碳素结构钢 （ 45） 材料的化学成分 C Si Mn P S Ni Cr Cu P C Si Mn S 0.42- 0.50 0.17- 0.37 0.50- 0.80 0.03 5 0.03 5 0.2 5 0.2 5 0.2 5 0.0 35 0.42- 0.49 0.2 0 0.6 0 0.0 40 材料的物理性能 密度 g/cm3 7.85 材料的电阻率、电阻温度系数 电阻率 M 电阻率试验温 0.122 20 材料的用途 具有较高强度，一定的塑性和韧性，切削性能良好，调质后可得到很好综合力学性能，淬透性较差， 焊接性不好，冷变形塑性低，是一种较高强度的中碳钢，一般淬火及回火后使用。用于制造较高强 度的运动零件，如空压机、泵活塞、汽轮机的叶轮、重型机械中的轴、边杆、蜗杆、齿条、齿轮、 销子等；可代替渗碳钢用以制造表面耐磨零件，此时，需经高频或火焰表面淬火， 如曲轴，齿轮、 机床主轴、活塞销、传动轴等，还用于农机中等负荷的轴、脱粒滚筒、链轮、齿轮及钳工工具等 （工程材料数据库） 认识被加工材料（利用检索的方法） 确定切削用量 2 背吃刀量（切深）主要受机床刚度的限制，在机床 刚度允许的情况下，尽可能使背吃刀量等于工序的加工 余量，这样可以减少走刀次数，提高加工效率。对于表 面粗糙度和精度要求较高的零件，要留有足够的精加工 余量，数控加工的精加工余量可比通用机床加工的余量 小一些。 编程人员在确定切削用量时，要根据被加工工件材 料、硬度、切削状态、背吃刀量、进给量，刀具耐用度， 最后选择合适的切削速度。表 1为车削加工时的选择切 削条件的参考数据。 车削加工的切削速度 (m/min) 被切削材料名称 轻切削 切深 0.5 10.mm 进给量 0.05 0.3mm/r 一般切削 切深 1 4mm 进给量 0.2 0.5mm/r 重切削 切深 5 12mm 进给量 0.4 0.8mm/r 优质碳素结构钢 10# 100 250 150 250 80 220 45# 60 230 70 220 80 180 合金钢 b75 0MPa 100 220 100 230 70 220 b750 MPa 70 220 80 220 80 200 表 1 确定主轴转速 主轴 转 速 应根据允许的切削速度和工件 (或刀具 )直径来选择。其计算公式为： n= 1000v/ D 式中： v 切削速度 ,切削刃上选定点相对于 工件的主运动的瞬时速度 ，由刀具的耐用度决 定； n 主轴转速，单位为 r/min， D 工件直径 或刀具直径，单位为 mm。计算的主轴转速 n， 最后要选取机床有的或较接近的转速。 确定进给速度 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、工件 的材料性质选取。最大进给速度受机床刚度和进给系统 的性能限制。确定进给速度的原则：当工件的质量要求 能够得到保证时，为提高生产效率，可选择较高的进给 速度。一般在 100mm/min 200mm/min范围内选取； 在切断、加工深孔或用高速钢刀具加工时，宜选择较低 的进给速度，一般在 20mm/min 50mm/min范围内选 取；当加工精度，表面粗糙度要求高时，进给速度应选 小些，一般在 20mm/min 50mm/min范围内选取；刀 具空行程时，特别是远距离“回零”时，可以设定该机 床数控系统设定的最高进给速度。 填写数控加工技术文件 填写数控加工专用技术文件是数控加工工艺设计的 内容之一。这些技术文件既是数控加工的依据、产品验 收的依据，也是操作者遵守、执行的规程。技术文件是 对数控加工的具体说明，目的是让操作者更明确加工程 序的内容、装夹方式、各个加工部位所选用的刀具及其 它技术问题。数控加工技术文件主要有：数控编程任务 书、工件安装和原点设定卡片、数控加工工序卡片、数 控加工走刀路线图、数控刀具卡片等。以下提供了常用 文件格式，文件格式可根据企业实际情况自行设计 数控编程任务书 它阐明了工艺人员对数控加工工序的技术要求和工序说明，以及数控加 工前应保证的加工余量。它是编程人员和工艺人员协调工作和编制数控程序 的重要依据之一，详见下表 。 工艺处 数控编程任务书 产品零件图号 任务书编号 零件名称 使用数控设备 共 页第 页 主要工序说明及技术要求： 编程收到日期 月 日 经手 人 编 制 审 核 编 程 审核 批 准 数控加工工件安装和原点设定卡片 简称装 夹图和零件 设定卡 ，它 应表示出数 控加工原点 定位方法和 夹紧方法， 并应注明加 工原点设置 位置和坐标 方向，使用 的夹具名称 和编号等， 详见右表。 零件图号 J30102-4 数控加工工件安装和原点设定卡片 工序号 零件名称 行星架 装夹次数 3 梯形槽螺栓 2 压板 1 镗铣夹具板 GS53-61 编制（日期） 审核（日 期） 批准（日期） 第 页 共 页 序号 夹具名称 夹具图号 单位 数控加工工序卡片 产品名称或代 号 零件名称 零件 图号 工序简图 车 间 使用设备 工艺序号 程序编号 夹具名称 夹具编号 工步号 工 步 作 业 内 容 加 工 面 刀 具 号 刀 补 量 主 轴 转 速 进 给 速 度 背 吃 刀 量 备注 编制 审 核 批准 年月 日 共 页 第 页 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：工序简图 中应注明编程原 点与对刀点，要 进行简要编程说 明（如：所用机 床型号、程序编 号、刀具半径补 偿、镜向对称加 工方式等）及切 削参数（即程序 编入的主轴转速、 进给速度、最大 背吃刀量或宽度 等）的选择，详 见表。 数控加工工序卡片 数控加工走刀路线图 在数控加工中，常常要注意并防止刀具在运 动过程中与夹具或工件发生意外碰撞，为此必须 设法告诉操作者关于编程中的刀具运动路线（如： 从哪里下刀、在哪里抬刀、哪里是斜下刀等）。 为简化走刀路线图，一般可采用统一约定的 符号来表示。不同的机床可以采用不同的图例与 格式，下面以一种常用的格式作说明。 数 控 加 工 走 刀 路 线 图 数控刀具卡片 数控加工时，对刀具的要求十分严格，一般 要在机外对刀仪上预先调整刀具直径和长度。刀 具卡反映刀具编号、刀具结构、尾柄规格、组合 件名称代号、刀片型号和材料等。它是组装刀具 和调整刀具的依据。 不同的机床或不同的加工目的可能会需要不 同形式的数控加工专用技术文件。在工作中，可 根据具体情况设计文件格式。下面以一种常用的 格式作说明。 刀具 a）端铣刀：主要用 来铣削较大的平面 b）立铣刀 ：主要用 于加工平面和沟槽的 侧面 c）钻头类 d）镗刀类 e）成型刀具类 f）球头铣刀、鼓形铣刀 g）车刀类 用来加工各种形状的内腔、沟槽 适用于加工空间曲面和平面间的转角圆弧，鼓形 铣刀则主要用于加工变斜角的空间曲面。 精加工曲面常用 球头刀 加工曲面和变斜角轮廓外形时常用 球头刀 、环形 刀、鼓形刀和锥形刀等。加工曲面时球头刀的应用最普 遍，但是越接近球头刀的底部，切削条件就越差，因此 近来有用环形刀 (包括平底刀 )代替球头刀的趋势。鼓形 刀和锥形刀都是用来加工变斜角零件，这是单件或小批 量生产中取代四坐标或五坐标机床的一种变通措施，鼓 形刀的缺点是刃磨困难，切削条件差，而且不适应于加 工内缘表面。锥形刀的情况相反，刃磨容易，切削条件 好，加工效率高，工件表面质量也较好，但是加工变斜 角零件的灵活性小。当工件的斜角变化范围大时需要中 途分阶段换刀，留下的金属残痕多，增大了手工锉修量。 刀具定义 在模具铣削加 工中，常用的刀具有 平端立铣刀、圆角立 铣刀、球头刀和锥度 铣刀等，如图所示。 对于凹形表面，在半精加工和精加工时，应选择球头刀，以得 到好的表面质量，但在粗加工时宜选择平端立铣刀或圆角立铣刀， 这是因为球头刀切削条件较差；对凸形表面，粗加工时一般选择平 端立铣刀或圆角立铣刀，但在精加工时宜选择圆角立铣刀，这是因 为圆角铣刀的几何条件比平端立铣刀好；对带脱模斜度的侧面，宜 选用锥度铣刀，虽然采用平端立铣刀通过插值也可以加工斜面，但 会使加工路径变长而影响加工效率，同时会加大刀具的磨损而影响 加工的精度。 选择刀片形状 刀尖角 刀尖角的大小决定了刀片的强度。在工件结构形状 和系统刚性允许的前提下，应选择尽可能大的刀尖角。 这个角度常在 35度到 90度之间。如果半径太小，刀具 的锋利尖点就不能使加工表面精度达到要求，而且刀具 寿命也会缩短。 如 R型圆刀片，在重切削时具有较好的稳定性，切 削刃最多，允许采用较高的进给速度，但易产生较大的 径向力，且对所能完成的任务有限制。 刀片形状的选择 刀片形状主要依据被加工工件的表面形状、切削方法、刀具 寿命和刀片的转位次数等因素选择。 正三角形刀片可用于主偏角为 60度或 90度的外圆车刀、端 面车刀和内孔车刀。由于此刀片刀尖角小、强度差、耐用度低、 故只宜用较小的切削用量。 正方形刀片的刀尖角为 90度，比正三角形刀片的 60度要大， 因此其强度和散热性能均有所提高。这种刀片通用性较好，主要 用于主偏角为 45度、 60度、 75度等的外圆车刀、端面车刀和镗 孔刀。 正五边形刀片的刀尖角为 108度，其强度、耐用度高、散热 面积大。但切削时径向力大，只宜在加工系统刚性较好的情况下 使用。 菱形刀片和圆形刀片主要用于成形表面和圆弧表面的加工， 其形状及尺寸可结合加工对象参照国家标准来确定。 主偏角的选用原则：首先考虑 车床、夹具和刀具组成的车工 工艺系统的刚性，如车工工艺 系统刚性好，主偏角应取小值， 这样有利于提高车刀使用寿命 和改善散热条件及表面粗造度。 其次要考虑加工工件的几何形 状，当加工台阶时，主偏角应 取 90 ，加工中间切入的工件， 主偏角一般取 60 。 前角选择的原则：前 角的大小主要解决刀 头的坚固性与锋利性 的矛盾。因此首先要 根据加工材料的硬度 来选择前角。加工材 料的硬度高，前角取 小值 (负 )，反之取大值 (正 ) 。其次要根据加 工性质来考虑前角的 大小，粗加工时前角 要取小值，精加工时 前角应取大值。