数控加工技术简介

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,*,第章先进制造技术简述,1,2,3,3,.,特种加工技术简介,.数控加工技术简介,.其他先进制造技术简介,返回,7.1,特种加工技术简介,传统的切削加工是通过刀具利用机械能切去工件上多余材料完成加工的，因而刀具的硬度必须高于被加工工件的硬度，否则无法进行加工。特种加工与传统切削加工的不同点主要是：不是主要依靠机械能，而是主要利用电、化学、光、声、热等能量来去除金属材料；工具具有硬度可以低于被加工材料的硬度；加工过程中，工具和工件之间不存在显著的机械切削力。目前生产中常用的特种加工方法见,表,。,.,.,电火花加工,电火花加工主要有电火花成形加工和电火花线切割加工，按照加工工艺方法分类见,表,.,下一页,返回,7.1,特种加工技术简介,.,电火花加工的原理,电火花加工是利用工具电极和工件电极间瞬时放电所产生的高温来熔蚀工件表面的材料，也称为放电加工或电蚀加工。电火花加工装置及原理如,图,所示。工具和工件一般都浸在工作液中（常用煤油、机油等做工作液），自动调节进给装置使工具与工件之间保持一定的放电间隙（约,.,.,），当脉冲电压升高时，使两极间产生火花放电，放电通道的电流密度约为，放电区的瞬时高温以上，使工件表面的金属局部熔化，甚至气化蒸发而被蚀除微量的材料，当电压下降，工作液恢复绝缘。这种放电循环每秒钟重复数千到数万次，就使工件表面形成许多小的凹坑，称为电蚀现象。,上一页,下一页,返回,7.1,特种加工技术简介,.,电火花加工的特点,（）可以加工传统切削加工方法难以加工或无法加工的特殊材料和复杂形状的工件。,（）加工时工具电极与工件不直接接触，两者之间无“切削力”，不受工具和工件刚度的限制，有利于实现微细加工。,（）工具电极可用较软的紫铜、石墨等容易加工的材料制造。,（）工件几乎不受热影响。,.,电火花线切割加工的原理,上一页,下一页,返回,7.1,特种加工技术简介,线切割是线电极电火花切割的简称。电火花线切割的加工原理与一般的电火花加工相同，其区别是所使用的工具不同，它不靠成形的工具电极将形状尺寸复制到工件上，而是用移动着的电极丝（一般小型线切割机采用,.,.,的钼丝，大型线切割机采用,.,左右的钼丝）以数控的加工方法按预定的轨迹进行线切割加工，适用于切割加工形状复杂、精密的模具和其他零件，加工精度可控制在,.,左右，表面结构,.,。,图,为线切割示意图。,上一页,下一页,返回,7.1,特种加工技术简介,线切割加工时，阳极金属的蚀除速度大于阴极，因此采用正极性加工即工件接高频脉冲电源的正极，工具电极（钼丝）接负极，工作液宜选用乳化液或去离子水。,.,电火花加工的应用,电火花加工主要适用于单件小批生产。,（）穿孔加工：加工型孔（圆孔、方孔、多边形孔和异形孔）、曲线孔（弯孔、螺纹孔）、小孔、微孔，例如落料模、复合模、拉丝模、喷嘴、喷丝孔等。,（）型腔加工：锻模、压铸模、挤压模、塑料模，以及整体叶轮、叶片等各种典型零件的加工。,上一页,下一页,返回,7.1,特种加工技术简介,（）线切割加工：进行线电极切割，例如切断、切割各类复杂型孔（例如冲裁模）。,（）电火花切割加工按走丝速度可分为快走丝和慢走丝两种类型。快走丝速度一般为左右，电极丝可往复移动，并可以循环反复使用。慢走丝速度通常为，为单向运动，电极丝为一次性使用。慢走丝线切割走丝平稳，无振动，电极丝损耗小，加工精度高，是发展方向。,上一页,下一页,返回,7.1,特种加工技术简介,.,.,电解加工,电解加工是继电火花加工之后发展起来的应用较广泛的一项新工艺。目前在国内外已成功地应用于枪炮、航空发动机、火箭等制造业，在汽车、拖拉机、采矿机械和模具制造中也得到了应用。,.,电解加工的原理,电解加工是利用金属在电解液中的“阳极溶解”将工件加工成形的。电解加工原理如,图,所示。加工时，工件接直流电源（电压为，电流密度为）的阳极，工具接电源的阴极。,上一页,下一页,返回,7.1,特种加工技术简介,进给机构控制工具向工件缓慢进给，使两级之间保持较小的间隙（,.,），从电解液泵出来的电解液以一定的压力（,.,）和速度（）从间隙中流过，这时阳极工件的金属被逐渐电解腐浊，电解产物被高速流过的电解液带走。,电解加工成形原理如图所示，图中细竖线表示通过阴极（工具）与阳极（工件）间的电流，竖线的疏密程度表示电流密度的大小。在加工刚开始时，工具与工件相对表面之间是不等距的，如,图（）,所示，阴极与阳极距离较近的地方通过的电流密度较大，电解液的流速也较高，阳极溶解速度也就较快。随着工具相对工件不断进给，工件表面就不断被电解，电解产物不断被电解液冲走，直至工件表面形成与阴极工作面基本相似的形状为止，如图（）所示。,上一页,下一页,返回,7.1,特种加工技术简介,.,电解加工的特点,（）加工范围广。既不受金属材料本身硬度和强度的限制，可加工硬质合金，淬火钢、耐热合金等高硬度、高强度及韧性金属材料，也可加工各种复杂型面工件，如叶片、模具等。,（）生产效率高，约为电火花加工的倍。在某些情况下，比切削加工的生产率还高，且加工生产率不直接受加工精度和表面结构的限制。,（）可以达到较小的表面结构（,.,.,）和,.,左右的平均加工精度，且不产生毛刺。,（）加工中无热作用及机械切削力的作用，加工面不产生应力、变形及变质层。,上一页,下一页,返回,7.1,特种加工技术简介,（）加工中阴极工具在理论上不会损耗，可长期使用。,电解加工的主要缺点和局限性为：,（）加工精度（,.,）及稳定性不易提高；,（）小孔、窄缝及棱角清晰零件难加工；,（）电极设计制造较麻烦，需多次修整；,（）附属设备多，一次性投资大；,（）防腐蚀及电解泥渣、废液处理问题。,.,电解加工的应用,上一页,下一页,返回,7.1,特种加工技术简介,电解加工主要用于加工各种型腔模具，各种型孔、花键孔、深孔、小孔等复杂型面（如汽轮机、航空发动机的叶片）以及套料、膛线（炮管、枪管的来复线等）等。此外还有电解抛光、倒,棱、去毛刺、切割和刻印等。电解加工适于成批和大量生产，多用于粗加工精加工。电解加工应用实例见,表,。,.,.,超声加工,上一页,下一页,返回,7.1,特种加工技术简介,超声加工也称为超声波加工。超声波是指频率在的振动波。它区别于普通声波的特点是：频率高、波长短、能量大，传播过程中反射、折射、共振、损耗等现象显著。它可使传播方向上的障碍物受到很大的压力，超声加工就是利用这种能量进行加工的。,.,超声加工的工作原理,超声加工是利用工具端作超声频振动，通过磨料悬浮液加工使工件成形的一种方法，工作原理如,图,所示。加工时，在工具和工件之间加入液体（水或煤油等）和磨料混合的悬浮液，并使工具以很小的力轻轻压在工件上。,上一页,下一页,返回,7.1,特种加工技术简介,超声发生器将工频交流电能转变为有一定功率输出的超声频电振荡，通过换能器将超声频电振荡转变为超声机械振动。其振幅很小，一般只有,.,.,，再通过一个上粗下细的变幅杆、，使振幅增大到,.,.,，固定在变幅杆上的工具即产生超声振动（频率在之间）。,迫使工作液中悬浮的磨粒不断地高速撞击、抛磨加工表面，从材料上被打击下来。虽然每次打击下来的材料很少，但由于每秒钟打击的次数多达次以上，所以仍有一定的加速度。与此同时，工作液受工具端面超声振动作用而产生的高频、交变的液压正负冲击波和“空化”作用，促使工作液钻入被加工材料的微裂缝处，加剧了机械破坏作用。,上一页,下一页,返回,7.1,特种加工技术简介,加工中的振荡还强迫磨料液在加工区工件和工具间的间隙中流动，使变钝了的磨粒能及时更新。随着工具沿加工方向以一定速度移动，实现有控制的加工，逐渐将工具的形状“复制”在工件上，加工出所要求的形状。,.,超声加工的特点,（）适合加工各种硬脆材料，特别是不导电的非金属材料，例如玻璃、陶瓷（氧化铝、氮化硅）、石英、锗、硅、石墨、玛瑙、宝石、金刚石等。对于导电的硬质金属材料如淬火钢、硬质合金等，也能进行加工但加工生产率较低。,上一页,下一页,返回,7.1,特种加工技术简介,（）由于工具可用较软的材料，可以制成较复杂的形状，故不需要使工具和工件作比较复杂的运动，因此超声加工机床的结构比较简单，操作、维修方便。,（）由于去除加工材料是靠极小磨料瞬时局部的撞击作用，故工件表面的宏观切削力很小，切削应力、切削热很小，不会引起变形及烧伤，表面结构也较小（,.,），加工精度可达,.,.,，而且可以加工薄壁、窄缝、低刚度零件。,上一页,下一页,返回,7.1,特种加工技术简介,.,超声加工的应用,主要用于对硬脆材料加工圆孔、型孔、套料微细孔（如,图,所示超声波电火花复合加工小孔原理图），对电火花加工后的各种模具进行抛磨光整加工等。,.,.,激光加工,.,激光加工的工作原理,上一页,下一页,返回,7.1,特种加工技术简介,激光加工的基本设备包括电源、激光器、光学系统及机械系统等四部分。如,图,、,图,所示，电源系统包括电压控制、储能电容组、时间控制及触发器等，它为激光器提供所需的能量。激光器是激光加工的主要设备，它把电能转变成光能，产生所需要的激光束。激光加工目前广泛采用的是二氧化碳气体激光器及红宝石、钕玻璃、（掺钕钇铝石榴石）等固体激光器。光学系统将光速聚焦并观察和调整焦点位置，包括显微镜瞄准、激光束聚焦及加工位置在投影仪上显示等。,上一页,下一页,返回,7.1,特种加工技术简介,机械系统主要包括床身、能在三坐标范围内移动的工作台及机电控制系统等。加工时，激光器产生激光束，通过光学系统把激光束聚焦成一个极小的光斑（直径仅有几微米到几十微米），获得,的能量密度以及以上的高温，从而能在千分之几秒甚至更短的时间内使材料熔化和气化，以蚀除被加工表面，通过工作台与激光束间的相对运动来完成对工件的加工。,上一页,下一页,返回,7.1,特种加工技术简介,.激光加工的特点及应用,（）加工材料范围广，激光几乎对所有的金属材料和非金属材料都可进行加工。特别适于加工高熔点材料、耐热合金及陶瓷、宝石、金刚石等硬脆材料。,（）激光加工属于非接触加工，无受力变形；受热区域小，工件热变形小，加工精度高。,（）工件可离开加工机进行加工，并可通过空气、惰性气体或光学透明介质进行加工。例如，激光能透过玻璃在真空管内进行焊接，这是普通焊接方法不能做到的。,（）可进行微细加工。激光聚焦后可实现直径.的小孔加工和窄缝切割。在大规模集成电路的制作中，可用激光进行切片。,上一页,下一页,返回,7.1,特种加工技术简介,（）加工速度快，加工效率高。如在宝石上打孔，加工时间仅为机械加工方法的。,（）不仅可以进行打孔和切割，也可进行焊接、热处理等工作。,（）可控性好，易于实现自动化。此外，激光还可用于动平衡校正、划线、薄膜蒸发等工作。,.,.,电子束加工,电子束加工是利用高能粒子束进行精密微细加工的先进技术，尤其在微电子学领域内已成为半导体（特别是超大规模集成电路制作）加工的重要工艺手段。电子束加工主要用于打孔、切槽、焊接及电子束光刻；离子束加工则主要用于离子刻蚀、离子抛光、离子镀膜、离子注入等。,上一页,下一页,返回,7.1,特种加工技术简介,目前进行的纳米加工技术的研究，实现原子、分子为加工单位的超微细加工，采用的就是这种高能粒子束加工技术。,.,电子束加工的原理,电子束加工装置的基本结构如,图,所示。它由电子枪、真空系统、控制系统和电源等部分组成,在真空条件下，将具有很高速度和能量的电子射线聚焦（一次或二次聚焦）到被加工材料上，电子的动能大部分转变为热能，使被冲击部分材料的温度升高至熔点，瞬时熔化、气化及蒸发而去除，达到加工目的，这就是电子束加工原理。,上一页,下一页,返回,7.1,特种加工技术简介,.,电子束加工的特点,由于在极小的面积上具有高能量（能量密度可达,），故可加工微孔、窄缝等，其生产率比电火花加工高数十倍至数百倍。此外，还可利用电子束焊接高熔点金属和用其他方法难以焊接的金属，以及用电子束炉生产高熔点高质量的合金及纯金属。,（）加工中电子束的压力很微小，主要靠瞬时蒸发，所以工件产生的应力及应变均甚小。,（）电子束加工是在真空度为,.,.,的真空加工室中进行的，加工表面无杂质渗入，不氧化，加工材料范围广泛，特别是适宜加工易氧化的金属和合金材料以及纯度要求高的半导体材料。,上一页,下一页,返回,7.1,特种加工技术简介,（）电子束的强度和位置比较容易用电、磁的方法实现控制，加工过程易实现自动化，可进行程序控制和仿形加工。,.,电子束加工的应用,电子束加工也有一定的局限性，一般只用于加工微孔、窄缝及微小的特性表面，而且，因为它需要有真空设施及数万伏的高压系统，设备价格较贵。,.,.,离子束加工,.,离子束加工原理,上一页,下一页,返回,7.1,特种加工技术简介,离子束加工原理与电子束加工类似，也是在真空条件下，把氩（）、氪（）、疝（）等惰性气体，通过离子源产生离子束并经过加速、集束、聚焦后，投射到工件表面的加工部位，以实现去除加工。所不同的是离子的质量比电子的质量大千万倍，例如最小的氢离子，其质量是电子质量的倍，氩离子的质量是电子质量的,.,万倍。由于离子的质量大，故离子束加速轰击工件表面，比电子束具有更大的能量。,上一页,下一页,返回,7.1,特种加工技术简介,高速电子撞击工件材料时，因电子质量小，速度大，动能几乎全部转化为热能，使工件材料局部熔化、气化，通过热效应进行加工。而离子本身质量较大，速度较低，撞击工件材料时，将引起变形、分离、破坏等机械作用。例如加速到几十电子伏到几千电子伏时，主要用于离子溅射加工；如果加速到一万到几万电子伏，且离子入射方向与被加工表面成,角，则离子可将工件表面的原子或分子撞击出去，以实现离子铣削、离子蚀刻或离子抛光等；当加速到几十万电子伏或更高时，离子可穿过被加工材料内部，称为离子注入。,上一页,下一页,返回,7.1,特种加工技术简介,产生离子束的方法是将电离的气态元素注入电离室，利用电弧放电或电子轰击等方法，使气态原子电离为等离子体（即正离子数和负离子数相等的混合体）。用一个相对于等离子体为电极（吸极），从等离子体中吸出离子束流，再通过磁场作用或聚焦，形成密度很高的电离子束去轰击工件表面。根据离子束产生的方式和用途不同，产生离子束流的离子源有多种形式，常用的有考夫曼型离子源和双等离子管型离子源。,.,离子束加工的特点,上一页,下一页,返回,7.1,特种加工技术简介,（）易于精确控制，由于离子束可以通过离子光学系统进行扫描，使微离子束可以聚焦到光斑直径,以内进行加工，同时离子束流密度和离子的能量可以精确控制，因此能精确控制加工效果，如控制注入深度和浓度；抛光时可以一层层地把工件表面的原子抛掉，从而加工没有缺陷的光整表面；此外，借助于掩膜技术可以在半导体上刻出,宽的沟槽。,（）加工所产生的污染少，由于加工是在较高的真空中进行，离子的纯度比较高，因此特别适合于加工易氧化的金属、合金和半导体材料等。,（）加工应力小、变形小。,.,离子束加工的应用,上一页,下一页,返回,7.1,特种加工技术简介,离子束加工是靠离子撞击工件表面的原子而实现的。这是一种微观作用，宏观作用小，所以对脆性、半导体、高分子等材料都可以加工。,.,.,水射流加工,.,水射流加工基本原理,水射流加工是利用高速水流对工件的冲击来侵蚀材料的。如,图,（）所示。采用带有添加剂的水，以高达倍声速的速度冲击工件进行加工或切割。水由水泵抽出，通过增压器增压，贮液蓄能器使脉动的液流平稳。液体从人造蓝宝石喷嘴喷出，以接近倍声速的高速的速度直接压射在工件加工部位上。加工深度取决于液压压射的速度力以及压射距离。“切屑”进入液流排出，流速的功率密度达,。,上一页,下一页,返回,7.1,特种加工技术简介,切割速度主要由工件材料决定，并与功率大小成正比，和材料的厚度成反比。加工精度主要受机床精度的影响，切缝比喷嘴孔径大,.,，加工复合材料时，采用的射流速度要高，喷嘴直径要小，并具有小的前角，压射距离小。切边质量受材料性质的影响很大，塑性好的材料可以切割出高质量的切边。液压过低会降低切边质量，尤其对复合材料，容易引起材料离层或起鳞。进给速度低可以改善切割质量。,水中加入添加剂（丙三醇、聚乙烯、长链形聚合物）能改善切割性能和减少切割宽度。另外，压射距离对切口斜度的影响很大，压射距离愈小，切口斜度也愈小。高能量密度的射流束将引起温度的升高，进给速度低时有可能使某些塑料熔化，但温度不会高到影响纸质材料的切割。,上一页,下一页,返回,7.1,特种加工技术简介,.,水射流加工设备,水射流加工设备和元件要求能够承受系统压力达到，液压系统通过小的柱塞泵使液体增压到，增压后的液体，通过内外径之比达的不锈钢管道和特殊的管道配件，再经过针形阀，通过喷嘴进行加工。,通过喷嘴把高压液体转变成高速射流，为了使侵蚀最小，喷嘴材料应是极其坚硬的，但为了有光滑的轮廓结构，材料应具有韧性和易机械加工特性。可以利用黏结的金刚石或蓝宝石材料作为喷嘴，并可把它们放进钢套里作为镶嵌件使用，以满足强度和韧性的需要。,上一页,下一页,返回,7.1,特种加工技术简介,金刚石、碳化钨硬质合金和特种钢，也已经成功地用于制造优质的喷嘴。图（）所示为喷嘴的组件。喷嘴喷口的直径一般为,.,.,，喷射时会产生一股长达的聚合射流，例如用相对分子量为万的聚乙烯氧化物作为添加物，可以使液体的黏度大为提高，使聚合射流的长度达到直径的倍。,.,水射流加工的特点,（）可切割范围广，可以切割绝大部分材料，如：金属，大理石，玻璃等。,（）切割质量好，平滑的切口，不会产生粗糙的有毛刺的边缘。,（）无热加工，因为它是采用水和磨料切割，在加工过程中不会产生热（或产生极少热量），这种效果对被热影响的材料的加工是非常理想的。,上一页,下一页,返回,7.1,特种加工技术简介,（）环保性，这种机器采用水和沙切割，这种沙在加工过程中不会产生毒气，可直接排出，较环保。,（）无需更换刀具，你不需要更换切割机装置，一个喷嘴就可以加工不同类型的材料和形状，节约成本和时间。,（）减少毛刺，采用磨料砂的水加工切割，切口只有较少的毛刺。,.,水射流加工应用水射流加工的液体流束直径为,.,.,，可以加工很薄、很软的金属和非金属材料，例如加工铜、铝、铅、塑料、木材、橡胶、纸等多种材料。,上一页,下一页,返回,7.1,特种加工技术简介,水射流加工可以代替硬质合金切槽刀具切割加工，而且切边的质量很好。所加工的材料厚度少则几毫米，多则几百毫米，例如切割厚的吸声天花板，采用的水压为，切割速度为。可加工厚度玻璃绝缘材料。由于水射流加工的切缝较窄，故可节约材料和降低加工成本,又由于加工温度较低，因而可以加工木板和纸品，还能在一些化学加工的零件保护层表面上划线等。,上一页,返回,7.2,数控加工技术简介,由于产品改型频繁，在一般机械加工中，单件和中小批量产品占的比重越来越大。为了保证产品质量，提高生产率和降低成本，要求机床不仅具有较好的通用性和灵活性，而且在加工过程中要具有较高的自动化程度。数控加工技术就是在这种环境下发展起来的一种由数控机床的数字控制装置控制的、适用于精度高、零件形状复杂的单件和中小批量生产的高效、柔性的自动化加工技术。,.,.,基本概念,数控机床是实现数控加工的一种设备，它综合应用了自动控制、电子计算机、精密测量和传动元件、结构设计等方面的技术，是一种高效、柔性加工的机电一体化的设备。目前，数控机床发展迅速，几乎所有类型的机床均已实现数控化，应用领域已从航空工业部门普及扩大到汽车、机床等制造业及其他中小批生产的机械制造行业中。,下一页,返回,7.2,数控加工技术简介,机床是早期的硬件式数控机床。这种机床的控制功能是由专用逻辑电路实现的，具有专用性，比如说铣床的控制系统就不适用于其他类型机床，一般来说，不同的数控设备需要使用不同的硬件逻辑电路。采用数控技术进行控制的机床（数控机床），是一种高效的自动化加工设备，它能严格按照加工要求，可自动完成对被加工零件进行加工，如,图,、,图,所示。,（）机床是现代软件式数控机床。利用通用计算机技术组成的系统，可采用微机作为控制单元，其主要功能由软件实现。对于不同的系统，只需编制不同的软件就可以实现不同的控制功能，而硬件几乎可以通用。,上一页,下一页,返回,7.2,数控加工技术简介,.,.,数控机床的组成及工作过程,.,数控机床的组成,数控机床由两大部分组成：一部分是数控系统；另一部分是工作本体，如,图,所示。,数控机床的数控系统一般包含以下部分：,（）数控介质（数字信息的载体），它的功能是用于记载以加工程序所表示的各种加工信息，如零件加工的工艺过程、工艺参数等，以控制机床的运动和各种动作，实现零件的机械加工。常用的信息载体有穿孔纸带、磁带和磁盘。,上一页,下一页,返回,7.2,数控加工技术简介,（）输入装置，信息载体上的各种加工信息要经输入装置（磁盘驱动器，盘和扩展槽）输送给数控装置。对于用微机数控系统控制的数控机床，还可以通过通信接口从其他计算机获取加工信息。也可用操作面板上的按钮和键盘将信息直接用手工方式（）输入，并将加工程序存入数控装置的存储器中。根据不同的控制介质，输入装置可以是光电读带机、录音机或软盘驱动器。有很多数控设备可以不用任何介质，而是将加工程序单上的内容通过数控装置上的键盘直接传输给数控装置。目前普遍采用的是将加工程序由编程计算机用通信方式传输给数控装置。,上一页,下一页,返回,7.2,数控加工技术简介,（）数控装置及强电控制装置，数控装置是数控设备的核心，它接受输入装置送来的脉冲信号，经过数控装置的控制软件和逻辑电路进行编译、运算和逻辑处理，然后将各种信息指令输入给伺服系统，使设备各部分进行规定的、有序的动作。这些指令主要是经插补运算决定的各坐标轴的进给速度、进给方向和位移量；主轴的变速、换向和启停信号；选择和交换刀具的指令信号；切削液的启停信号；工件的松夹、分度工作台的转位等辅助指令信号等。强电控制装置是介于数控装置与设备之间的装置，主要作用是接收数控装置输出的主轴变速、刀具选择交换、辅助装置动作等指令信号，经过必要的编译、逻辑判断和功率放大后直接驱动相应的电器、液压、气动和机械部件，以完成指令所规定的各种动作。,上一页,下一页,返回,7.2,数控加工技术简介,（）伺服系统，伺服系统包括伺服驱动电路和伺服驱动元件，它们与工作本体上的机械部件组成数控设备的进给系统。其作用是把数控装置发来的速度和位移指令（脉冲信号）转换成执行部件的进给速度和位移。每个进给运动的执行部件都配有一套伺服系统，而相对于每一个脉冲信号，执行部件都有一个相应的位移量。这一位移量称为最小设定单位，又称为脉冲当量，其值越小，加工精度就越高。数控系统的精度主要取决于伺服系统。伺服系统的执行元件主要有功率步进电机、电液脉冲马达、自流伺服电机和交流伺服电机等，其作用是将电控信号的变化转换成电动机输出轴的角速度和角位移的变化，从带动工作本体的机械部件作进给运动。,上一页,下一页,返回,7.2,数控加工技术简介,（）测量反馈装置，测量反馈装置是对运动部件的实际位移、速度及当前的环境（温度、振动、摩擦和切削力等因素的变化）等参数加以检测，转变为电信号后反馈给数控装置，通过比较，得出实际运动与指令运动的误差并发出误差指令，纠正所产生的误差。测量反馈装置的引入，大大提高了零件的加工精度。,数控机床的工作本体的组成是：,数控机床的工作本体的功能是执行数控系统发出的各种运动和动作命令，完成机械零件的加工任务。其主要包括主轴运动部件，进给运动部件，工作台（或滑板）和床身立柱等支承部件，冷却、润滑、转位和夹紧等辅助装置，存放刀具的刀架、刀库及交换刀具的自动换刀机构等。工作本体的主要部件要有足够的精度、刚度和振动稳定性，传动链要尽量短，以便实现自动控制。,上一页,下一页,返回,7.2,数控加工技术简介,.,数控机床的工作过程,数控设备是根据所输入的工作程序，由数控装置控制设备的执行机构完成生产过程。不同的数控设备，其生产对象、执行机构的运动形式、设备的结构形式等有所不同，但数控设备的主要组成和工作原理却是基本相同的。数控机床的工作过程如,图,所示。首先根据零件的要求编制相应的加工程序（可由人工或计算机编程），存储在软盘、磁带等介质中；再将加工程序输入机床的数控装置；数控装置按加工程序控制伺服驱动系统和其他驱动系统；伺服驱动系统和其他驱动系统驱动机床的工作台、主轴、自动换刀装置等，从而完成零件的加工；最后将自动检测结果、工件工时、机床负荷等信息输出到管理系统。,上一页,下一页,返回,7.2,数控加工技术简介,.,.,数控机床的分类,数控机床品种繁多，各行业都有自己的数控机床和分类方法。数控机床的品种已多达,多种，通常从以下不同角度进行分类。如,图,所示。,.,按工艺用途分类,（）普通数控机床,普通数控机床根据不同的工艺需要，与通用机床一样，可分为数控车、铣、镗、磨、钻床等，这类机床的工艺性能与通用机床相似，所不同的是它能按数控指令自动进行加工。如,图,（,）、（）、（）、（）所示。,上一页,下一页,返回,7.2,数控加工技术简介,（）数控加工中心,数控加工中心是带有刀库和自动换刀装置的数控机床。在加工中心上，零件一次装夹后可进行多种工艺、多道工序的集中加工，减少了零件装卸次数、更换刀具等辅助时间，机床的生产效率高。如图（）、（）所示。,（）数控特种加工机床,数控特种加工机床主要指非切削加工的数控机床，如数控电火花加工机床、数控线切割机床、数控激光切割机床等。如图（）、（）所示。,上一页,下一页,返回,7.2,数控加工技术简介,.,按控制运动的方式分类,（）点位控制系统,点位控制系统是指数控系统只控制刀具或机床工作台，从一点准确地移动到另一点，而点与,点之间运动的轨迹不需要严格控制的系统。如,图,所示为点位控制系统的加工示意图。为了减少移动刀具或机床工作台的运动与定位时间，一般先将其快速移动到终点附近位置，然后低速准确移动到终点定位位置，以保证良好的定位精度（移动过程中刀具不进行切削）。使用这类控制系统的数控机床主要有数控钻床、数控坐标镗床和数控冲床等。,（）直线控制系统,上一页,下一页,返回,7.2,数控加工技术简介,直线控制系统是指数控系统不仅控制刀具或工作台从一个点准确地移动到另一个点，而且保证在两点之间的运动轨迹是一条直线的控制系统。应用这类控制系统的有数控车床、数控钻床和数控铣床等。数控铣床的加工示意图如,图,所示。,（）连续切削控制系统,连续切削控制系统（也称轮廓控制系统）是指数控系统能够同时对个或个以上的坐标轴进行严格连续控制的系统。它不仅能将刀具或机床工作台从一个点准确地移动到另一个点，而且还能控制整个加工过程每一个点的速度与位移量，可加工带有曲线或曲面轮廓的零件。应用这类控制系统的有数控铣床、数控车床和加工中心等。如,图,所示为连续切削控制系统加工示意图。,上一页,下一页,返回,7.2,数控加工技术简介,.,按伺服系统类型分类,（）开环控制系统,在开环控制系统中，数控装置输出的指令脉冲通过环形分配器和驱动电路，不断改变供电状态，使步进电机转过相应的转角，再通过齿轮副或联轴器带动滚珠丝杠旋转，通过滚珠丝杠螺母装置把角位移转换为移动部件的直线位移。移动部件的移动速度与位移量是由输入脉冲的频率和脉冲数所决定的。如,图,所示为开环控制系统的结构框图。由于没有反馈装置，开环控制系统的步距误差及机械传动误差不能进行校正补偿，所以控制精度较低。但开环控制系统成本低、结构简单、运行平稳、使用维修方便，因此可用于精度控制要求不高的经济型数控系统中。,上一页,下一页,返回,7.2,数控加工技术简介,（）半闭环控制系统,半闭环控制系统是在伺服电机输出轴或丝杠轴端装有角位移检测装置（如感应同步器或光电编码器等），通过测量丝杠的角位移，在根据丝杠的螺距计算出移动部件的直线位移，然后再反馈至数控装置中。如,图,所示为半闭环控制系统的结构框图。,由于角位移检测装置比直线位移检测装置体积小，且结构简单、安装方便、稳定性能好、价格低，精度高于开环控制系统，故其应用较为广泛。但反馈系统中未包含丝杠螺母副、齿轮传动副等传动链，故其达不到较高的控制精度。,（）闭环控制系统,上一页,下一页,返回,7.2,数控加工技术简介,闭环控制系统需要在移动部件和床体之间装有直线位置检测装置，系统将测量出的移动部件的实际位移值反馈到数控装置中，与输入的位移值进行比较，用差值进行补偿，移动部件就能够按照给定的位移量实现精确定位。,图,所示为闭环控制系统的结构框图。,由于闭环控制系统有位置反馈装置，而这种反馈包含了丝杠螺母副和齿轮副的传动误差，闭环控制系统对这些误差全部予以补偿，因而可达到很高的控制精度，可广泛地应用在高精度的大型精密数控系统中。,.,按控制坐标轴数分类,数控机床的移动部件较多，现多按直角坐标系对机床移动部件的运动进行分类和数字控制。数控机床的坐标数目或轴数是指数控装置机床移动部件的联动坐标数目。,上一页,下一页,返回,7.2,数控加工技术简介,（）两坐标数控机床,两坐标数控机床是指同时控制两个坐标联动的数控机床。如数控车床中的数控装置可同时控制车床切深方向的和主轴回转中心线方向的运动，实现两坐标联动，可用于加工各种曲线轮廓的回转体类零件。数控铣床本身虽有、三个方向的运动，但数控装置如果同时只控制两个坐标，实现两坐标联动，则可以在加工中用、，、，、实现坐标平面转换，用于加工如,图,所示形状的零件顶面和沟槽。,（）三坐标数控机床,上一页,下一页,返回,7.2,数控加工技术简介,三坐标数控机床的数控装置可同时控制三个坐标，实现三个坐标联动。如三坐标数控铣床可加工,图,所示的曲面零件。,（）两个坐标数控机床,这种数控机床本身有三个坐标，能作三个方向的运动，但其数控装置只能同时控制两个坐标，第三个坐标仅能作等距离的周期移动。如用两个半坐标数控机床加工如,图,所示的空间曲面形状的零件时，在坐标平面内控制、两坐标联动，以加工竖截面内的轮廓表面，而控制坐标作等距离周期移动，即能将零件的空间曲面加工出来。,（）多坐标数控机床,上一页,下一页,返回,7.2,数控加工技术简介,四坐标以上的数控机床称为多坐标数控机床。多坐标数控机床结构复杂，机床精度高，加工程序设计复杂，主要用于加工形状复杂的零件。如,图,所示。,.,按数控装置功能水平分类,按数控装置的功能水平通常把数控机床分为经济型、普及型和高级型三档。就目前的发展水平来看，见,表,的一些功能及指标将其分为三类。其中高、中档一般称为全功能数控或标准型数控，而把低档的称之为经济型数控。经济型数控是指单板机、单片机和步进电机组成的数控系统和其他功能简单、价格低的数控系统，主要用于车床、线切割机床以及其他普通机床的数控改造。,上一页,下一页,返回,7.2,数控加工技术简介,随着微电子技术、计算机技术、自动控制技术、传感器与检测技术以及精密机械加工技术的发展，数控加工设备已经有了较快的发展。机械制造业中的自动化技术目前已经进入了（柔性制造系统）和（计算机集成制造系统）的发展进程，数控机床正是这一进程中的重要角色。,现代数控机床的系统采用了位或多技术、高速存储技术等计算机技术，以及交流伺服系统、高速响应检测系统。现代控制理论等，实现了数控机床的高速进给性能和高精度加工性能。,上一页,下一页,返回,7.2,数控加工技术简介,新型的数控系统还具有自动编程的功能，不仅有在线编程能力，而且可以在编程过程中，根据加工要求自动选择最佳刀具和切削用量等。,数控加工设备将依靠科学技术的进步向着更高的速度、更高的精度、更高的可靠性和功能更加完善的方向发展。,.,.,机床坐标系与工件坐标系,.,机床坐标系,数控装置为了确定数控机床上运动的位移量和运动的方向，需要通过数控机床坐标系来实现。,数控铣床（含加工中心）与数控车床坐标系分别如,图,、,图,所示。,上一页,下一页,返回,7.2,数控加工技术简介,.,工件坐标系,工件坐标系即零件编程坐标系，编程时为了计算被加工零件的交、切点坐标，应先根据被加工零件的特点建立工件坐标系，如,图,所示。,.,机床坐标系原点,机床原点是指在机床上设置的一个固定点，即机床坐标系的原点。它在机床装配、调试时就已确定下来，是数控机床进行加工运动的基准参考点。如,图,所示展示了机床原点与工件坐标系原点相互之间的位置关系。,数控机床在运行程序前，一般应使机床先回机床参,考点，以便确定机床原点与安装在机床工作台上的工件,之间的相对位置。,上一页,下一页,返回,7.2,数控加工技术简介,.,.,数控机床的特点及应用,.,数控机床的特点,（）加工精度高且质量稳定，由于数控机床本身制造精度高，又是按照预定程序自动加工，避免了人为操作误差，使同批零件一致性好，产品质量稳定。,（）生产效率高，由于能在一次装夹中加工出零件的多个部位，省去了许多中间工序（如划线等），一般只需进行首件检验，大大缩短了生产准备时间，故生产率高。,（）自动化程度高，除手工装夹毛坯外，全部加工过程都由机床自动完成。减轻了操作者的劳动强度，改善了劳动条件。,上一页,下一页,返回,7.2,数控加工技术简介,（）适应性，数控加工一般不需很复杂的工艺装备，当加工对象改变时，只需重新编制数控程序，更换新的数控介质，一般不需要重新设计工装，即可实现对零件的加工。大大缩短了产品研制周期，给新产品开发研制提供了捷径。,（）便于生产管理的现代化，数控机床加工零件，能准确计算零件的加工工时，并简化了检验和工夹具、半成品的管理工作，利于生产管理现代化。又由于使用数字信息，容易形成计算机辅助设计与制造紧密结合的一体化系统。但数控机床造价高，技术复杂，维修困难，要求管理及操作人员素质较高。,.,数控机床的应用,数控机床通常最适合加工具有以下特点的零件。,上一页,下一页,返回,7.2,数控加工技术简介,（）多品种、小批量生产的零件，如,图,所示，表示了三类机床的零件加工批量数与综合费用的关系。通常数控机床加工的合理生产批量数在件之间。,（）结构复杂、精度要求高的零件，如,图,所示，表示了三类机床的被加工零件的复杂程度与零件批量数的关系。通常数控机床适于加工结构较复杂的零件，在非数控机床上则加工需昂贵的工艺装备的零件。,（）加工频繁改型的零件，利用数控机床可节省大量的工装费用，使综合费用下降。,（）价值昂贵、不允许报废的关键零件。,（）需最短生产周期的急需件。,上一页,下一页,返回,7.2,数控加工技术简介,.,.,数控加工程序编写,程序编制就是从分析零件图纸到制成控制媒体的过程。,.,数控加工程序编制的一般步骤,如,图,表示了程序编制的一般过程。,（）分析零件图样和工艺处理对零件图样进行分析，以明确加工内容及要求，确定加工方案、选择合适的数控机床、设计夹具、选择刀具、确定合理走刀路线及选择合理的切削用量等。,（）数学处理在完成工艺处理后，再根据零件的几何尺寸、加工路线、计算刀具中心运动轨迹，以获得刀位数据。,上一页,下一页,返回,7.2,数控加工技术简介,（）编写零件加工程序单，制作控制媒体及程序检验在完成上述工作的基础上，编写零件加工程序单。编程人员使用数控系统的程序指令，按规定的程序格式，逐段编写零件加工程序单。,程序编写好后，需制作控制媒体。程序单和所制作的控制媒体必须经过校验和试切检查后，才能用于正式加工。,.,数控加工程序编制方法,数控加工程序编制方法有两种：手工编程和自动编程。,（）手工编程,上一页,下一页,返回,7.2,数控加工技术简介,数控加工程序编制各个阶段的工作由人工来完成的称为手工编程。为了设计、制造、维修和使用的方便，在输入代码、坐标系统、加工指令、辅助功能及程序格式等方面逐渐形成了两种国际通用标准，即国际标准化组织标准及美国电子工业协会标准。我国正式使用,数控机床穿孔带程序段格式中的准备功能和辅助功能的代码,标准。但由于各类机床使用的代码、指令含义不一定完全相同，编程人员须按照数控机床使用手册的具体规定进行程序编制。,上一页,下一页,返回,7.2,数控加工技术简介,常用程序编制指令，准备功能指令（指令）从到共有种。指令的作用是指定数控机床的运动方式，为数控系统的插补运算做好准备。所以程序段中指令一般位于坐标字指令的前面。辅助功能指令（指令）从到共种。指令是用于机床加工操作时的工艺性指令。, 零件加工程序结构与格式，一个完整的加工程序由若干程序组成，而程序段是由一个,或若干字组成，每个字又由字母和数字、数据组成，每个字母、数字符号称为字符。程序开头写有程序号（程序编号）、结束时写有程序结束指令（、或,等）。,上一页,下一页,返回,7.2,数控加工技术简介,程序段的格式是一个程序段中字母、字符、数据的表现形式。不同数控系统往往有不同的程序格式。目前国内外广泛采用字地址可变程序段格式：,其他坐标,。其中，,程序段的顺序号，常由和三位数字表示；,准备功能字指令；、,位移信息，表示沿坐标轴平移；、,位移信息，常用来表示圆弧的圆心坐标；,进给功能指令，规定切削的进给速度；,主轴转速功能指令，指定主轴转速；,刀具功能指令，指定加工所用刀具号；,辅助功能指令；,程序段结束。,上一页,下一页,返回,7.2,数控加工技术简介,（）自动编程,对于较复杂的零件，手工编程效率低，通常采用自动编程。自动编程是利用计算机及外围设备（如打印机、穿孔机、绘图仪等）自动完成编程的大部分或全部工作。如,图,为语言类自动编程流程图。,由图可知，自动编程时，编程人员需根据零件图样要求，用数控语言编写零件加工源程序，并输入计算机。其他如交、切点坐标或刀具位置数据的计算、加工程序的编制等工作均有计算机及外围设备自动完成，通过屏幕显示器或绘图仪绘制刀具中心轨迹图形，仿真模拟机床加工可检查数控加工程序的正确性。书写零件源程序的数控语言，国际上最流行的是美国的语言。,上一页,下一页,返回,7.2,数控加工技术简介,用数控语言编写的零件源程序输入计算机前，必须事先配备一套编译程序，即数控软件，开机后存放在计算机内存中，计算机才能将零件源程序处理为数控加工程序。,自动编程可减轻编程人员的劳动强度，缩短编程时间，提高编程精度，减少差错，从而提高了数控机床的加工效率。,上一页,下一页,返回,7.2,数控加工技术简介,目前，广泛采用的自动编程系统是图形交互式自动编程系统。图形交互式自动编程系统是在计算机上交互式建立被加工零件的几何图形信息（二维或三维几何模型），然后在计算机屏幕上指定被加工部位，并根据工艺分析输入相应的工艺参数与走刀方式，计算机便能编制出数控加工程序，并在计算机屏幕上显示出刀具的加工轨迹，以及加工过程的动态模拟等。这种编程方式的主要特点是形象、直观、灵活简便、易于查错及易于被编程人员所掌握。它一出现便被国内外先进的软件普遍采用，并以迅猛的速度得到广泛应用。,上一页,返回,7.3,其他先进制造技术简介,随着现代科学技术的迅速发展，机械制造领域发生了深刻而广泛的变化。先进机械制造技术主要表现在以下两个方面：一是以提高加工效率和加工精度为特点，向纵深方向发展，如微型机械、特种加工、新型表面技术、快速激光造型技术以及超高速切削和磨削等；二是以机械制造与设计一体化、机械制造与微电子一体化、机械制造与管理一体化为特征，向综合化方向发展，如成组技术（）、柔性制造系统（）、计算机集成制造系统（）、智能制造技术（）等。,.,.,成组技术,下一页,返回,7.3,其他先进制造技术简介,由于工艺技术的飞速发展和社会需求的多样化，产品更新周期日益缩短。多品种和小批量生产是现代机械制造业的基本特征。世纪年代出现了成组技术（），它是一项将生产技术与生产组织、计划、管理密切结合的综合技术，目的在于促使生产合理化。,成组技术发展至今，已突破了工艺的范畴，扩展成为综合性的成组技术，被系统地运用到产品设计、制造工艺、生产管理及企业的其他领域，并成为现代数控技术、柔性制造系统和高度自动化集成制造系统的基础。,.,成组技术的基本原理,成组技术虽然是一门涉及多学科和多部门的综合性技术，然而其核心仍然是成组工艺，成组工艺的基本原理如,图,所示。,上一页,下一页,返回,7.3,其他先进制造技术简介,事物之间存在着继承性和相似性，因此，看似零乱无序的客观事物，却可以利用它们的继承性和相似性，并通过分类技术而将它们归并成组。然后针对同组相似事物的共性问题，在合理化和标准化的基础上，使之按统一的标准原则和标准方法去解决，如,图,所示零件分类前后的比较。,成组技术能对同类问题给出统一的标准解决办法，由此避免产生解决同类问题方法的不统一与不必要的多样化，从而可重复利用解决同类问题已有的信息与资源，正因为成组技术具有这些特点，简化了生产技术的准备工作，加快了新产品的开发和上市速度，有效扩大批量，便于经济合理地采用先进制造技术，可以方便地组织专业化生产，实际上，成组技术是一种使企业生产合理化和现代化的制造哲理。,上一页,下一页,返回,7.3,其他先进制造技术简介,.,零件组的划分,成组技术是利用有关事物的相似性将相似的问题归类成组，并寻求解决这一组问题的最优方案。在机械加工工厂中，应用成组技术将该厂产品中的被加工零件，按其结构形状、尺寸大小、材料及加工工艺的相似性进行分类成组，可达到扩大零件批量的目的。,在成组技术中，将零件归类成组是关键。分类的合理与否直接影响到成组技术的效果，因此国内外对成组技术的分类方法十分重视。随着计算机技术的发展，现已广泛采用电子计算机进行零件的分类。为此，必须用数字化信息描述零件的结构形状、尺寸大小、材料、加工工艺、加工精度等特征。成组技术的核心问题是按相似性将零件分类成组，并根据各个零件组设计主样件。,.,成组工艺规程,上一页,下一页,返回,7.3,其他先进制造技术简介,零件分类成组后，就可以制定合适于组内各零件的成组工艺规程。编制成组工艺规程的方法有两种：综合零件法和综合路线法。,综合零件又称主样件，它包含一组零件的全部形状要素，有一定的尺寸范围，它可能是组内的一个实际零件，而当组内无任何可充当样件时，也可以把组内零件的全部形状要素叠加成一个假想的零件。综合路线法是通过分析零件组的全部工艺路线，从中选出一个工序最多，加工过程安排合理并有代表性的工艺路线。然后以它为基础，再把组内他零件特有的工序按合理顺序加到代表性工艺路线上，使其成为一个工序齐全、安排合理、适用于组内每一个零件的加工。综合路线法适用于结构复杂的零件。,上一页,下一页,返回,7.3,其他先进制造技术简介,.,成组工艺的生产组织形式,成组工艺的生产组织形式基本上可以分为三大类：,（）成组加工单机，是独立的成组加工机床或成组加工柔性制造单元，主要用于形状简单、相似程度较高的零件。它能把零件组内全部零件的加工在一台机床上完成，是成组加工初级组织形式。如图（）所示。,（）成组生产单元，是成组加工和一般加工的混合生产线，主要用于形状较复杂、相似程度较低的零件。它需要多台机床才能完成零件组的全部工序，在这些机床中，既有进行成组加工的成组加工机床，也有通用机床，甚至还有专用机床。这种生产系统是工厂充分利用现有设备进行技术改造的一种有效的组织形式，是目前国内应用成组工艺最多的一种形式。如,图（）,所示。,上一页,下一页,返回,7.3,其他先进制造技术简介,（）成组加工生产线或成组加工柔性制造系统，是严格按照零件组的工艺过程组织起来的，零件组的工序全部由成组加工机床完成，其自动化程度和生产效率大大提高，是成组工艺的最高形式。如图（）所示。,.,.,柔性制造系统,.,柔性制造系统的组成和结构,柔性制造系统的组成如,图,所示，由加工系统、物流系统和控制与管理系统三部分组成，各个系统又有许多子系统组成。各系统间的关系如,图,所示。,上一页,下一页,返回,7.3,其他先进制造技术简介,储存和搬运系统搬运的物料有毛坯、工件、刀具、夹具、检具和切屑等；储存物料的方法有平面布置的托盘库，也有储存量较大的桁道式立体仓库。,毛坯一般先由工人装入托盘上的夹具中，并储存在自动仓库中的特定区域内，然后由自动搬运系统根据物料管理计算机的指令送到指定的工位。固定轨道式台车和传送滚道适用于按工艺顺序排列设备的，自动引导台车搬送物料的顺序则与设备排列位置无关，具有较大灵活性。,磨损了的刀具可以逐个从刀库中取出更换，也可由备用的子刀库取代装满待换刀具的刀库。车床卡盘的卡爪、特种夹具和专用加工中心的主轴箱也可以自动更换。切屑运送和处理系统是保证连续正常工作的必要条件，一般根据切屑的形状、排除量和处理要求来选择经济的结构方案。,上一页,下一页,返回,7.3,其他先进制造技术简介,柔性制造系统的主要加工设备是加工中心和数控机床等，目前以铣削加工中心和车削加工中心占多数，一般多由台机床组成。,柔性制造系