左框架三维造型、数控工艺及编程毕业设计

扬州工业职业技术学院毕业设计（论文）（课程设计）课题名称：左 框 架三维造型、数控工艺及编程毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日目 录一、 数控专业的调研报告1二、 数控编程及其发展4三、 什么是不锈钢？10四、 有色金属及合金31五、 金属热处理基本知识43六、 热处理应力及其影响45七、 硬度对照表51加工阶段的划分54一、数控专业的调研报告在经济全球化浪潮的冲击下，以数字化为核心的先进设计和制造技术正促使我国传统机械行业发生深刻的变革，在这场不以人的意志为转移的变革中，上海，广东、浙江和苏南一带已远远走在了前面，这与他们相对完善的职业培训机制是分不开的，如何找准切入点，逐步缩小差距迎头赶上,这是我们职业教育必须面对的现实问题。数控加工精度好、效率高、适应性强，在发达国家已经基本取代了普通加工，正在向高速、高精发展。在我国的发展也非常迅速，但因为数控设备投资较大，运行成本比较高，目前主要应用在一些高附加值的行业，如高精度复杂零件的加工和模具加工。前者主要集中在一些大中型企业（以军工企业和外资企业为代表），而后者则集中了为数众多的中小企业（模具以单件加工为主，非常适合中小企业），他们以模具设计和加工为主，同时也兼搞零件的加工。相对而言，后者对数控人才的需求量最大,是学生就业的主要方向。然而作为“机械工业的皇后”，模具行业技术含量很高，除军工行业外，模具行业是最早应用并普及数控机床的民用行业，不仅如此，在高端三维软件应用方面也远远走在了其它行业的前面，如广东，浙江，上海，苏南等地数控加工和模具企业几年前就完成了模具由手工设计加工向软件设计和数控加工的转变，特别是PROE，UG等高端三维软件的应用，革命性地提高了模具的设计效率和加工效率，这也是以上地区模具和数控加工业高速发展的主要原因。除了非常简单的零件加工，在大部分情况下，无论是加工模具还是加工高精度复杂零件，软件编程在效率和质量上都远远超过手工编程, 软件编程水平的高低己成为数控专业人才竞争力的重要标志。这种革命性变化的产生一方面是因为“外因”:原来UG 等大型CAM（计算机辅助加工）软件只能使用计算机图形工作站，但在几年前已经推出微机版本，加上盗版软件的推出和计算机价格的大幅下降，大大加快了软件编程的推广进程。另一方面存在着“内因”：企业内部单一品种大批量生产的情况越来越少，取而代之的是“小批量，多品种”的“短平快”生产，这对企业的应变能力是一个严峻的考验，在此背景下，尽管“手工编程”在数控加工早期广泛应用，有着“辉煌”的历史，但已经很难适应生产实际中“又快又好”的要求，只能作为一种辅助手段。事实上随着软件技术的飞速发展，数控行业已经完成了由手工编程向软件编程的飞跃，这对传统思维是一种颠覆性的挑战，市场对专业人才的要求也发生了深刻的变化：几年前的要求是“懂编程会操作”，操作和编程由操作工一人完成，要求和待遇都比较高。目前的情况是操作工可以不会软件和编程，他们只需负责工件的装夹、对刀换刀等技术含量相对较低的操作，数控工艺和软件编程由专业人员完成，即出现了明显的“二极分化”趋势：对操作工要求越来越低的同时,对工艺编程人员的综合要求越来越高，待遇上的差距也越来越大。这在就业市场上也明显地反映出来：数控操作工的培养难度不大（其难度甚至低于普通机加工，一般技校学生也完全可以胜任），人员开始饱和；而合格的工艺编程人员则供不应求，显然目前所谓的“数控紧缺型高技能人才”不是也不可能是普通操作工，而是既懂工艺、工装又会软件编程的复合型人才，他们必须对图纸有深刻的理解（如设计基准和工艺基准的掌握），根据数控加工的特点，选择相应的装夹方式和工装,确定合理的工艺流程，编制数控加工程序并进行首件的试加工，试件完全符合图纸要求后才能交给操作工批量生产;必须能够进行三维曲面造型，能够进行模具的分模和数控软件编程，当然可以有所侧重，但不管是模具设计还是加工都建立在软件平台上，以往只要会一些简单的手工编程就可以轻松就业的情况已经一去不返。需要特别注意的是：相当部分职业院校的数控专业都在强调“懂编程，会操作”,但由于种种原因,对“懂编程”的概念还停留在几年前的“懂手工编程”上，很难适应市场对向高素质人才的要求。因此数控专业必须克服恋旧情结和畏维情绪，积极适应市场变化和需求，真正做到“以就业为导向”， 通过和用人单位直接沟通以及在网上查询用人单位的要求来把握市场信息，将工艺能力和软件能力作为教学重点，及时调整培养方向。不但要将教学重心由手工编程向软件编程转变，而且还要将软件编程向广度和深度发展，在目前CAD/CAM的基础上增加复杂曲面造型的设计和加工，同时另外增加模具设计课程，课程内容应符合模具行业的生产实际，以软件设计课程为主，重点讲述模具行业人才应该具备的一些主要技能，如分模和拆电极等，如果能够完成这一转型，那么学生就会具有用高端三维软件进行机械零件和工装设计，模具设计，数控编程等高端的和通用的能力，会极大提高他们在就业市场（特别是上海，浙江和苏南等发达地区就业市场）的竞争力，不但拓宽了就业面（即使不搞数控加工，也可以搞软件三维设计和造型，适应面很广），也提高了就业层次（不再局限于操作工，还能成为工艺编程人员），可喜的是，与兄弟院校相比，我们在软件编程方面已经走在了前面，2002年我们就选定了UG 作为教学软件。UG是世界一流的高端CADCAMCAE（计算机辅助设计，加工，分析）三维软件，是数字化设计和制造的领军软件，原来主要用于航空，航天，汽车，模具等高端领域大型企业，但目前在发达地区如上海，浙江，广东和苏南的中小企业中，由于大量承接国外大公司的外包产品，因此必须在软件上与其保持同步，纷纷花大力气引进UG软件，“机械工程师必须面对UG”已经成为一种趋势，对这方面人才的需求也大幅增加，如果学生能在学校里打下良好的基础并在工作中灵活运用，那么他们的就业前景就非常广阔，我们的专业就能办出自己的特色和水平，就能在数控职业教育中具有较强的比较优势。如何围绕教学这个中心,做到产,学,研相结合,在打好手工编程基础的同时，着力强化学生的动手能力和软件编程能力,这是我们的工作重点也是工作难点,我们的采取的措施是：1，通过增加数控机床利用率，增加学生的上机时间由于数控机床数量有限， 始终存在人多机少的矛盾，我们为每台数控机床特别是数控加工中心和数控铣床各配置一台电脑(配置无需太高，二手机也可)。在部分学生上机床实际操作的同时，其余学生可通过电脑上的数控模拟软件编制，检查,修改并传输自己的程序，不但大幅度减少因手工输入程序导致的停机时间， 提高机床利用率,还能明显减少撞机事故和高昂的机床维修费用，尽可能保持贵重设备的精度。采取这一措施后，学生对生产中常用的编程,调试和传输有了一个全面的，系统的认识。 2，建立数控专业实验室科研要服务于教学但要高于教学，数控专业实验室主要研究一些企业里难以解决的具体课题，如一些复杂的，易变形零件的加工，这样不但可以提高教师的实战水平，还可以对生产中的经验进行总结并穿插到教学中去，将对学生来说抽象难懂的问题具体化，实施案例教学；同时还承接部分中低难度的零件，学生可以在教师指导下进行全过程的包括工艺，工装和编程在内的实际零件的加工，使学生将原来相对分散的机械设计，机械工艺，机械零件，热处理等专业基础课有机的结合起来，最大限度地符合实战的要求。数控专业只有走市场化之路，才能不断适应市场变化和需求，才能够形成自己的教学特色和核心竞争力，与时俱进不断提高教学水平，对学生负责、对学校负责、对社会负责！二、数控编程及其发展 数控编程是目前CAD/CAPP/CAM系统中最能明显发挥效益的环节之一，其在实现设计加工自动化、提高加工精度和加工质量、缩短产品研制周期等方面发挥着重要作用。在诸如航空工业、汽车工业等领域有着大量的应用。由于生产实际的强烈需求，国内外都对数控编程技术进行了广泛的研究，并取得了丰硕成果下面就对数控编程及其发展作一些介绍。 数控编程的基本概念 数控编程是从零件图纸到获得数控加工程序的全过程。它的主要任务是计算加工走刀中的刀位点（cutterlocationpoint简称CL点）。刀位点一般取为刀具轴线与刀具表面的交点，多轴加工中还要给出刀轴矢量。 1、数控编程技术的发展概况 为了解决数控加工中的程序编制问题，50年代，MIT设计了一种专门用于机械零件数控加工程序编制的语言，称为APT：AutomaticallyProgrammedTool其后，APT几经发展，形成了诸如APTII、APTIII（立体切削用）、APT（算法改进，增加多坐标曲面加工编程功能）、APT-AC（Advancedcontouring）(增加切削数据库管理系统)和APT-/SS（SculpturedSurface）(增加雕塑曲面加工编程功能)等先进版。 采用APT语言编制数控程序具有程序简炼，走刀控制灵活等优点，使数控加工编程从面向机床指令的“汇编语言”级，上升到面向几何元素.APT仍有许多不便之处：采用语言定义零件几何形状，难以描述复杂的几何形状，缺乏几何直观性；缺少对零件形状、刀具运动轨迹的直观图形显示和刀具轨迹的验证手段；难以和CAD数据库和CAPP系统有效连接；不容易作到高度的自动化，集成化。 针对APT语言的缺点，1978年，法国达索飞机公司开始开发集三维设计、分析、NC加工一体化的系统，称为为CATIA。随后很快出现了象EUCLID，UGII，INTERGRAPH，Pro/Engineering，MasterCAM及NPU/GNCP等系统，这些系统都有效的解决了几何造型、零件几何形状的显示，交互设计、修改及刀具轨迹生成，走刀过程的仿真显示、验证等问题，推动了CAD和CAM向一体化方向发展。到了80年代，在CAD/CAM一体化概念的基础上，逐步形成了计算机集成制造系统（CIMS）及并行工程（CE）的概念。目前，为了适应CIMS及CE发展的需要，数控编程系统正向集成化和智能化方向发展。 在集成化方面，以开发符合STE（StandardForTheExchangeofProductModelData）标准的参数化特征造型系统为主，目前已进行了大量卓有成效的工作，是国内外开发的热点；在智能化方面，工作刚刚开始，还有待我们去努力。 2、NC刀具轨迹生成方法研究发展现状 数控编程的核心工作是生成刀具轨迹，然后将其离散成刀位点，经后置处理产生数控加工程序。下面就刀具轨迹产生方法作一些介绍。 （1）基于点、线、面和体的NC刀轨生成方法 CAD技术从二维绘图起步，经历了三维线框、曲面和实体造型发展阶段，一直到现在的参数化特征造型。在二维绘图与三维线框阶段，数控加工主要以点、线为驱动对象，如孔加工，轮廓加工，平面区域加工等。这种加工要求操作人员的水平较高，交互复杂。在曲面和实体造型发展阶段，出现了基于实体的加工。实体加工的加工对象是一个实体（一般为CSG和B-REP混合表示的），它由一些基本体素经集合运算（并、交、差运算）而得。实体加工不仅可用于零件的粗加工和半精加工，大面积切削掉余量，提高加工效率，而且可用于基于特征的数控编程系统的研究与开发，是特征加工的基础。 实体加工一般有实体轮廓加工和实体区域加工两种。实体加工的实现方法为层切法（SLICE），即用一组水平面去切被加工实体，然后对得到的交线产生等距线作为走刀轨迹。本文从系统需要角度出发，在ACIS几何造型平台上实现了这种基于点、线、面和实体的数控加工。 （2）基于特征的NC刀轨生成方法 参数化特征造型已有了一定的发展时期，但基于特征的刀具轨迹生成方法的研究才刚刚开始。特征加工使数控编程人员不在对那些低层次的几何信息（如：点、线、面、实体）进行操作，而转变为直接对符合工程技术人员习惯的特征进行数控编程，大大提高了编程效率。 W.R.Mail和A.J.Mcleod在他们的研究中给出了一个基于特征的NC代码生成子系统，这个系统的工作原理是：零件的每个加工过程都可以看成对组成该零件的形状特征组进行加工的总和。那么对整个形状特征或形状特征组分别加工后即完成了零件的加工。而每一形状特征或形状特征组的NC代码可自动生成。目前开发的系统只适用于2.5D零件的加工。 LeeandChang开发了一种用虚拟边界的方法自动产生凸自由曲面特征刀具轨迹的系统。这个系统的工作原理是：在凸自由曲面内嵌入一个最小的长方块，这样凸自由曲面特征就被转换成一个凹特征。最小的长方块与最终产品模型的合并就构成了被称为虚拟模型的一种间接产品模型。刀具轨迹的生成方法分成三步完成：（1）、切削多面体特征；（2）、切削自由曲面特征；（3）、切削相交特征。 Jong-YunJung研究了基于特征的非切削刀具轨迹生成问题。文章把基于特征的加工轨迹分成轮廓加工和内区域加工两类，并定义了这两类加工的切削方向，通过减少切削刀具轨迹达到整体优化刀具轨迹的目的。文章主要针对几种基本特征（孔、内凹、台阶、槽），讨论了这些基本特征的典型走刀路径、刀具选择和加工顺序等，并通过IP（InterProgramming）技术避免重复走刀，以优化非切削刀具轨迹。另外，Jong-YunJong还在他1991年的博士论文中研究了制造特征提取和基于特征的刀具及刀具路径。特征加工的基础是实体加工，当然也可认为是更高级的实体加工。但特征加工不同于实体加工，实体加工有它自身的局限性。特征加工与实体加工主要有以下几点不同： 从概念上讲，特征是组成零件的功能要素，符合工程技术人员的操作习惯，为工程技术人员所熟知；实体是低层的几何对象，是经过一系列布尔运算而得到的一个几何体，不带有任何功能语义信息；实体加工往往是对整个零件（实体）的一次性加工。但实际上一个零件不太可能仅用一把刀一次加工完，往往要经过粗加工、半精加工、精加工等一系列工步，零件不同的部位一般要用不同的刀具进行加工；有时一个零件既要用到车削，也要用到铣削。因此实体加工主要用于零件的粗加工及半精加工。而特征加工则从本质上解决了上述问题；特征加工具有更多的智能。对于特定的特征可规定某几种固定的加工方法，特别是那些已在STEP标准规定的特征更是如此。如果我们对所有的标准特征都制定了特定的加工方法，那么对那些由标准特征够成的零件的加工其方便性就可想而知了。倘若CAPP系统能提供相应的工艺特征，那么NCP系统就可以大大减少交互输入，具有更多的智能。而这些实体加工是无法实现的；特征加工有利于实现从CAD、CAPP、NCP及CNC系统的全面集成，实现信息的双向流动，为CIMS乃至并行工程（CE）奠定良好的基础；而实体加工对这些是无能为力的。 3、现役几个主要CAD/CAM系统中的NC刀轨生成方法分析 （1）现役CAM的构成及主要功能 目前比较成熟的CAM系统主要以两种形式实现CAD/CAM系统集成：一体化的CAD/CAM系统（如：UGII、Euclid、Pro/ENGINEER等）和相对独立的CAM系统（如：Mastercam、Surfcam等）。前者以内部统一的数据格式直接从CAD系统获取产品几何模型，而后者主要通过中性文件从其它CAD系统获取产品几何模型。然而，无论是哪种形式的CAM系统，都由五个模块组成，即交互工艺参数输入模块、刀具轨迹生成模块、刀具轨迹编辑模块、三维加工动态仿真模块和后置处理模块。下面仅就一些著名的CAD/CAM系统的NC加工方法进行讨论。 （2）UGII加工方法分析 一般认为UGII是业界中最好，最具代表性的数控软件。其最具特点的是其功能强大的刀具轨迹生成方法。包括车削、铣削、线切割等完善的加工方法。其中铣削主要有以下功能： PointtoPoint：完成各种孔加工； PanarMill：平面铣削。包括单向行切，双向行切，环切以及轮廓加工等； FixedContour：固定多轴投影加工。用投影方法控制刀具在单张曲面上或 多张曲面上的移动，控制刀具移动的可以是已生成的刀具轨迹，一系列点或一组曲线； VariableContour：可变轴投影加工； Parameterline：等参数线加工。可对单张曲面或多张曲面连续加工； Zig-ZagSurface：裁剪面加工； RoughtoDepth：粗加工。将毛坯粗加工到指定深度； CavityMill：多级深度型腔加工。特别适用于凸模和凹模的粗加工； SequentialSurface：曲面交加工。按照零件面、导动面和检查面的思路对 刀具的移动提供最大程度的控制。 EDSUnigraphics还包括大量的其它方面的功能，这里就不一一列举了。 （3）STRATA加工方法分析 STRATA是一个数控编程系统开发环境，它是建立在ACIS几何建模平台上的。它为用户提供两种编程开发环境，即NC命令语言接口和NC操作C+类库。它可支持三轴铣削，车削和线切割NC加工，并可支持线框、曲面和实体几何建模。其NC刀具轨迹生成方法是基于实体模型。STRATA基于实体的NC刀具轨迹生成类库提供的加工方法包括： ProfileToolpath：轮廓加工； AreaClearToolpath：平面区域加工； SolidProfileToolpath：实体轮廓加工； SolidAreaClearToolpath：实体平面区域加工； SolidFaceToolPath：实体表面加工； SolidSliceToolPath：实体截平面加工； Language-basedToolpath：基于语言的刀具轨迹生成。 其它的CAD/CAM软件，如Euclid,Cimitron,CV,CATIA等的NC功能各有千秋，但其基本内容大同小异，没有本质区别。 现役CAM系统刀轨生成方法的主要问题 按照传统的CAD/CAM系统和CNC系统的工作方式，CAM系统以直接或间接（通过中性文件）的方式从CAD系统获取产品的几何数据模型。CAM系统以三维几何模型中的点、线、面、或实体为驱动对象，生成加工刀具轨迹，并以刀具定位文件的形式经后置处理，以NC代码的形式提供给CNC机床，在整个CAD/CAM及CNC系统的运行过程中存在以下几方面的问题： CAM系统只能从CAD系统获取产品的低层几何信息，无法自动捕捉产品的几何形状信息和产品高层的功能和语义信息。因此，整个CAM过程必须在经验丰富的制造工程师的参与下，通过图形交互来完成。如：制造工程师必须选择加工对象（点、线、面或实体）、约束条件（装夹、干涉和碰撞等）、刀具、加工参数（切削方向、切深、进给量、进给速度等）。整个系统的自动化程度较低。 在CAM系统生成的刀具轨迹中，同样也只包含低层的几何信息（直线和圆弧的几何定位信息），以及少量的过程控制信息（如进给率、主轴转速、换刀等）。因此，下游的CNC系统既无法获取更高层的设计要求（如公差、表面光洁度等），也无法得到与生成刀具轨迹有关的加工工艺参数。 CAM系统各个模块之间的产品数据不统一，各模块相对独立。例如刀具定位文件只记录刀具轨迹而不记录相应的加工工艺参数，三维动态仿真只记录刀具轨迹的干涉与碰撞，而不记录与其发生干涉和碰撞的加工对象及相关的加工工艺参数。 CAM系统是一个独立的系统。CAD系统与CAM系统之间没有统一的产品数据模型，即使是在一体化的集成CAD/CAM系统中，信息的共享也只是单向的和单一的。CAM系统不能充分理解和利用CAD系统有关产品的全部信息，尤其是与加工有关的特征信息，同样CAD系统也无法获取CAM系统产生的加工数据信息。这就给并行工程的实施带来了困难。 4数控仿真技术 （1）计算机仿真的概念及应用 从工程的角度来看，仿真就是通过对系统模型的实验去研究一个已有的或设计中的系统。分析复杂的动态对象，仿真是一种有效的方法，可以减少风险，缩短设计和制造的周期，并节约投资。计算机仿真就是借助计算机，利用系统模型对实际系统进行实验研究的过程。它随着计算机技术的发展而迅速地发展，在仿真中占有越来越重要的地位。计算机仿真的过程可通过图1所示的要素间的三个基本活动来描述：建模活动是通过对实际系统的观测或检测，在忽略次要因素及不可检测变量的基础上，用物理或数学的方法进行描述，从而获得实际系统的简化近似模型。这里的模型同实际系统的功能与参数之间应具有相似性和对应性。 仿真模型是对系统的数学模型（简化模型）进行一定的算法处理，使其成为合适的形式（如将数值积分变为迭代运算模型）之后，成为能被计算机接受的“可计算模型”。仿真模型对实际系统来讲是一个二次简化的模型。 仿真实验是指将系统的仿真模型在计算机上运行的过程。仿真是通过实验来研究实际系统的一种技术，通过仿真技术可以弄清系统内在结构变量和环境条件的影响。 计算机仿真技术的发展趋势主要表现在两个方面：应用领域的扩大和仿真计算机的智能化。计算机仿真技术不仅在传统的工程技术领域（航空、航天、化工等方面）继续发展，而且扩大到社会经济、生物等许多非工程领域，此外，并行处理、人工智能、知识库和专家系统等技术的发展正影响着仿真计算机的发展。 数控加工仿真利用计算机来模拟实际的加工过程，是验证数控加工程序的可靠性和预测切削过程的有力工具，以减少工件的试切，提高生产效率。 （2）数控仿真技术的研究现状 数控机床加工零件是靠数控指令程序控制完成的。为确保数控程序的正确性，防止加工过程中干涉和碰撞的发生，在实际生产中，常采用试切的方法进行检验。但这种方法费工费料，代价昂贵，使生产成本上升，增加了产品加工时间和生产周期。后来又采用轨迹显示法，即以划针或笔代替刀具，以着色板或纸代替工件来仿真刀具运动轨迹的二维图形（也可以显示二维半的加工轨迹），有相当大的局限性。对于工件的三维和多维加工，也有用易切削的材料代替工件（如，石蜡、木料、改性树脂和塑料等）来检验加工的切削轨迹。但是，试切要占用数控机床和加工现场。为此，人们一直在研究能逐步代替试切的计算机仿真方法，并在试切环境的模型化、仿真计算和图形显示等方面取得了重要的进展，目前正向提高模型的精确度、仿真计算实时化和改善图形显示的真实感等方向发展。 从试切环境的模型特点来看，目前NC切削过程仿真分几何仿真和力学仿真两个方面。几何仿真不考虑切削参数、切削力及其它物理因素的影响，只仿真刀具-工件几何体的运动，以验证NC程序的正确性。它可以减少或消除因程序错误而导致的机床损伤、夹具破坏或刀具折断、零件报废等问题；同时可以减少从产品设计到制造的时间，降低生产成本。切削过程的力学仿真属于物理仿真范畴，它通过仿真切削过程的动态力学特性来预测刀具破损、刀具振动、控制切削参数，从而达到优化切削过程的目的。 几何仿真技术的发展是随着几何建模技术的发展而发展的，包括定性图形显示和定量干涉验证两方面。目前常用的方法有直接实体造型法，基于图像空间的方法和离散矢量求交法。 （3）直接实体造型法 这种方法是指工件体与刀具运动所形成的包络体进行实体布尔差运算，工件体的三维模型随着切削过程被不断更新。 Sungurtekin和Velcker开发了一个铣床的模拟系统。该系统采用CSG法来记录毛坯的三维模型，利用一些基本图元如长方体、圆柱体、圆锥体等，和集合运算，特别是并运算，将毛坯和一系列刀具扫描过的区域记录下来，然后应用集合差运算从毛坯中顺序除去扫描过的区域。所谓被扫过的区域是指切削刀具沿某一轨迹运动时所走过的区域。在扫描了每段NC代码后显示变化了的毛坯形状。 Kawashima等的接合树法将毛坯和切削区域用接合树（graftree）表示，即除了空和满两种结点，边界结点也作为八叉树（oct-tree）的叶结点，接合树的数据结构如图2。边界结点包含半空间，结点物体利用在这些半空间上的CSG操作来表示。接合树细分的层次由边界结点允许的半空间个数决定。逐步的切削仿真利用毛坯和切削区域的差运算来实现。毛坯的显示采用了深度缓冲区算法，将毛坯划分为多边形实现毛坯的可视化。用基于实体造型的方法实现连续更新的毛坯的实时可视化，耗时太长，于是一些基于观察的方法被提出来。 （4）基于图像空间的方法 这种方法用图像空间的消隐算法来实现实体布尔运算。VanHook采用图象空间离散法实现了加工过程的动态图形仿真。他使用类似图形消隐的z_buffer思想，沿视线方向将毛坯和刀具离散，在每个屏幕象素上毛坯和刀具表示为沿z轴的一个长方体，称为Dexel结构。刀具切削毛坯的过程简化为沿视线方向上的一维布尔运算，见图3，切削过程就变成两者Dexel结构的比较： CASE1：只有毛坯，显示毛坯，break； CASE2：毛坯完全在刀具之后，显示刀具，break； CASE3：刀具切削毛坯前部，更新毛坯的dexel结构，显示刀具，break； CASE4：刀具切削毛坯内部，删除毛坯的dexel结构，显示刀具，break； CASE5：刀具切削毛坯内部，创建新的毛坯dexel结构，显示毛坯，break； CASE6：刀具切削毛坯后部，更新毛坯的dexel结构，显示毛坯，break； CASE7：刀具完全在毛坯之后，显示毛坯，break； CASE8：只有刀具，显示刀具，break。 这种方法将实体布尔运算和图形显示过程合为一体，使仿真图形显示有很好的实时性。Hsu和Yang提出了一种有效的三轴铣削的实时仿真方法。他们使用z_map作为基本数据结构，记录一个二维网格的每个方块处的毛坯高度，即z向值。这种数据结构只适用于刀轴z向的三轴铣削仿真。对每个铣削操作通过改变刀具运动每一点的深度值，很容易更新z_map值，并更新工件的图形显示。 离散矢量求交法 由于现有的实体造型技术未涉及公差和曲面的偏置表示，而像素空间布尔运算并不精确，使仿真验证有很大的局限性。为此Chappel提出了一种基于曲面技术的“点-矢量”(point-vector)法。这种方法将曲面按一定精度离散，用这些离散点来表示该曲面。以每个离散点的法矢为该点的矢量方向，延长与工件的外表面相交。通过仿真刀具的切削过程，计算各个离散点沿法矢到刀具的距离s。设sg和sm分别为曲面加工的内、外偏差，如果sgsm则漏切。该方法分为被切削曲面的离散(discretization)、检测点的定位（location）和离散点矢量与工件实体的求交(intersection)三个过程。采用图像映射的方法显示加工误差图形；零件表面的加工误差可以精确地描写出来。 总体来说，基于实体造型的方法中几何模型的表达与实际加工过程相一致，使得仿真的最终结果与设计产品间的精确比较成为可能；但实体造型的技术要求高，计算量大，在目前的计算机实用环境下较难应用于实时检测和动态模拟。基于图像空间的方法速度快得多，能够实现实时仿真，但由于原始数据都已转化为像素值，不易进行精确的检测。离散矢量求交法基于零件的表面处理，能精确描述零件面的加工误差，主要用于曲面加工的误差检测。三、什么是不锈钢？通常，人们把含铬量大于12%或含镍量大于8%的合金钢叫不锈钢。这种钢在大气中或在腐蚀性介质中具有一定的耐蚀能力，并在较高温度(450)下具有较高的强度。含铬量达16%18%的钢称为耐酸钢或耐酸不锈钢，习惯上通称为不锈钢。 钢中含铬量达12%以上时，在与氧化性介质接触中，由于电化学作用，表面很快形成一层富铬的钝化膜，保护金属内部不受腐蚀；但在非氧化性腐蚀介质中，仍不易形成坚固的钝化膜。为了提高钢的耐蚀能力，通常增大铬的比例或添加可以促进钝化的合金元素，加Ni、Mo、Mn、Cu、Nb、Ti、W、Co等，这些元素不仅提高了钢的抗腐蚀能力，同时改变了钢的内部组织以及物理力学性能。这些合金元素在钢中的含量不同，对不锈钢的性能产生不同的影响，有的有磁性，有的无磁性，有的能够进行热处理，有的则不能热处理。 由于不锈钢所具有的上述特性，越来越广泛地应用于航空、航天、化工、石油、建筑和食品等工业部门及日常生活中。所含的合金元素对切削加工性影响很大，有的甚至很难切削。 1、不锈钢的分类？不锈钢按其成分，可分为以铬为主的铬不锈钢和以铬、镍为主的铬镍不锈钢两大类。 工业上常用的不锈钢一般按金相组织分类，可分为以下五大类： （1） 马氏体不锈钢：含铬量12%18%，含碳量0.1%0.5%(有时达1%)，常见的有1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13、1Cr17Ni2、9Cr18、9Cr18MoV、30Cr13Mo等。 （2） 铁素体不锈钢：含铬量12%30%，常见的有0Cr13、0Cr17Ti、0Cr13Si4NbRE、1Cr17、1Cr17Ti、1Cr17M02Ti、1Cr25Ti、1Cr28等。 （3） 奥氏体不锈钢：含络量12%25%，含镍量7%20%(或20%以上)，最典型的代表是1Cr18Ni9Ti，常见的还有00Cr18Ni10、00Cr18Ni14Mo2Cu2、0Cr18Ni12Mo2Ti、0Cr18Ni18Mo2Cu2Ti、0Cr23Ni28M03Cu3Ti、1Cr14Mn14Ni、2Cr13Mn9Ni4、1Cr18Mn8Ni5N等。 （4） 奥氏体+铁素体不锈钢：与奥氏体不锈钢相似，仅在组织中含有一定量的铁素体，常见的有0Cr21Ni5Ti、1Cr21Ni5Ti、1Cr18Mn10Ni5M03N、0Cr17Mn13Mo2N、1Cr17Mn9Ni3M03Cu2N、Cr2bNi17M03CuSiN、1Cr18Ni11Si4AlTi等。 （5） 沉淀硬化不锈钢：含有较高的铬、镍和很低的碳，常见的有0Cr17Ni4Cu4Nb、0Cr17Ni7Al、0Cr15Ni7M02Al等。前两类为铬不锈钢，后三类为铬镍不锈钢。 2、不锈钢的物理、力学性能？(1) 马氏体不锈钢：能进行淬火，淬火后具有较高的硬度、强度和耐磨性及良好的抗氧化性，有的有磁性，但内应力大且脆。经低温回火后可消除其应力，提高塑性，切削加工较困难，有切屑擦伤或粘结的明显趋向，刀具易磨损。 当钢中含碳量低于0.3%时，组织不均匀，粘附性强，切削时容易产生积屑瘤，且断屑困难，工件已加工表面质量低。含碳量达0.4%0.5%时，切削加工性较好。 马氏体不锈钢经调质处理后，可获得优良的综合力学性能，其切削加工性比退火状态有很大改善。 (2) 铁素体不锈钢：加热冷却时组织稳定，不发生相变，故热处理不能使其强化，只能靠变形强化，性能较脆，切削加工性一般较好。切屑呈带状，切屑容易擦伤或粘结于切削刃上，从而增大切削力，切削温度升高，同时可能使工件表面产生撕裂现象。 (3) 奥氏体不锈钢：由于含有较多的镍(或锰)，加热时组织不变，故淬火不能使其强化，可略改善其加工性。通过冷加工硬化可大幅度提高强度，如果再经时效处理，抗拉强度可达25502740 MPa。 奥氏体不锈钢切削时的带状切屑连绵不断，断屑困难，极易产生加工硬化，硬化层给下一次切削带来很大难度，使刀具急剧磨损，刀具耐用度大幅度下降。 奥氏体不锈钢具有优良的力学性能，良好的耐蚀能力，较突出的是冷变形能力，无磁性。 (4) 奥氏体+铁素体不锈钢：有硬度极高的金属间化合物析出，强度比奥氏体不锈钢高，其切削加工性更差。 (5) 沉淀硬化不锈钢：含有能起沉淀硬化的铊、铝、钼、钛等合金元素，它们在回火时时效析出，产生沉淀硬化，使钢具有很高的强度和硬度。由于含碳量低保证了足够的含铬量，因此具有良好的耐腐蚀性能。3、不锈钢的切削特点?不锈钢的切削加工性比中碳钢差得多。以普通45号钢的切削加工性作为100%，奥氏体不锈钢1Cr18Ni9Ti的相对切削加工性为40%；铁素体不锈钢1Cr28为48%；马氏体不锈钢2Cr13为55%。其中，以奥氏体和奥氏体+铁素体不锈钢的切削加工性最差。不锈钢在切削过程中有如下几方面特点： (1) 加工硬化严重：在不锈钢中，以奥氏体和奥氏体+铁素体不锈钢的加工硬化现象最为突出。如奥氏体不锈钢硬化后的强度sb达14701960MPa，而且随sb的提高，屈服极限ss升高；退火状态的奥氏体不锈钢ss不超过的b30%45%，而加工硬化后达85%95%。加工硬化层的深度可达切削深度的1/3或更大；硬化层的硬度比原来的提高1.42.2倍。因为不锈钢的塑性大，塑性变形时品格歪扭，强化系数很大；且奥氏体不够稳定，在切削应力的作用下，部分奥氏体会转变为马氏体；再加上化合物杂质在切削热的作用下，易于分解呈弥散分布，使切削加工时产生硬化层。前一次进给或前一道工序所产生的加工硬化现象严重影响后续工序的顺利进行。 (2) 切削力大：不锈钢在切削过程中塑性变形大，尤其是奥氏体不锈钢(其伸长率超过45号钢的1.5倍以上)，使切削力增加。同时，不锈钢的加工硬化严重，热强度高，进一步增大了切削抗力，切屑的卷曲折断也比较困难。因此加工不锈钢的切削力大，如车削1Cr18Ni9Ti的单位切削力为2450MPa，比45号钢高25%。 (3) 切削温度高：切削时塑性变形及与刀具间的摩擦都很大，产生的切削热多；加上不锈钢的导热系数约为45号钢的，大量切削热都集中在切削区和刀屑接触的界面上，散热条件差。在相同的条件下，1Cr18Ni9Ti的切削温度比45号钢高200左右。 (4) 切屑不易折断、易粘结：不锈钢的塑性、韧性都很大，车加工时切屑连绵不断，不仅影响操作的顺利进行，切屑还会挤伤已加工表面。在高温、高压下，不锈钢与其他金属的亲和性强，易产生粘附现象，并形成积屑瘤，既加剧刀具磨损，又会出现撕扯现象而使已加工表面恶化。含碳量较低的马氏体不锈钢的这一特点更为明显。 (5) 刀具易磨损：切削不锈钢过程中的亲和作用，使刀屑间产生粘结、扩散，从而使刀具产生粘结磨损、扩散磨损，致使刀具前刀面产生月牙洼，切削刃还会形成微小的剥落和缺口；加上不锈钢中的碳化物(如TiC)微粒硬度很高，切削时直接与刀具接触、摩擦，擦伤刀具，还有加工硬化现象，均会使刀具磨损加剧。 (6) 线膨胀系数大：不锈钢的线膨胀系数约为碳素钢的1.5倍，在切削温度作用下，工件容易产生热变形，尺寸精度较难控制。4、 切削不锈钢时怎样选择刀具材料？合理选择刀具材料是保证高效率切削加工不锈钢的重要条件。根据不锈钢的切削特点，要求刀具材料应具有耐热性好、耐磨性高、与不锈钢的亲和作用小等特点。目前常用的刀具材料有高速钢和硬质合金。 (1) 高速钢的选择：高速钢主要用来制造铣刀、钻头、丝锥、拉刀等复杂多刃刀具。普通高速钢W18Cr4V使用时刀具耐用度很低已不符合需要，采用新型高速钢刀具切削不锈钢可获得较好的效果。 在相同的车削条件下，用W18Cr4V和95w18Cr4V两种材料的刀具加工1Cr17Ni2工件，刀具刃磨一次加工的件数分别为23件和12件，用95w18Cr4V的刀具耐用度提高了几倍。这是由于提高了钢的含碳量，从而增加了钢中碳化物含量，常温硬度提高2HRC红硬性更好，600时由W18Cr4V的HRC48.5上升到HRC5152，耐磨性比W18Cr4V提高23倍。 应用高钒高速钢W12Cr4V4Mo制作型面铣刀加工1Cr17Ni2可以获得较高的刀具耐用度。因为含钒量增加，可在钢中形成硬度很高的VC，细小的VC存在于晶介，可以阻止晶粒长大，提高钢的耐磨性；W12Cr4V4Mo的红硬性很好，600时硬度可达HRC51.7，因此适合于制作切削不锈钢的各种复杂刀具。但其强度(sb=3140 MPa)及冲击韧性(ak=2.5 J/cm3)略低于W18Cr4V，使用时要稍加注意。 随着刀具制作技术的不断发展，对于批量大的工件，采用硬质合金多刃、复杂刀具进行切削加工效果会更好。 (2) 硬质合金的选择：YG类硬质合金的韧性较好，可采用较大的前角，刀刃也可以磨得锋利些，使切削轻快，且切屑与刀具不易产生粘结，较适于加工不锈钢。特别是在振动的粗车和断续切削时，YG类合金的这一优点更为重要。另外，YG类合金的导热性较好，其导热系数比高速钢高将近两倍，比YT类合金高一倍。因此YG类合金在不锈钢切削中应用较多，特别是在粗车刀、切断刀、扩孔钻及铰刀等制造中应用更为广泛。 较长时期以来，一般都采用YG6、YG8、YG8N、YW1、YW2等普通牌号的硬质合金作为切削不锈钢的刀具材料，但均不能获得较理想的效果；采用新牌号硬质合金如813、758、767、640、712、798、YM051、YM052、YM10、YS2T、YD15等，切削不锈钢可获得较好的效果。而用813牌号硬质合金刀具切削奥氏体不锈钢效果很好，因为813合金既具有较高的硬度(HRA91)、强度(sb=1570MPa)，又具有良好的高温韧性、抗氧化性、抗粘结性，其组织致密耐磨性好。5、 切削不锈钢时怎样选择刀具几何参数？(1) 前角g0：不锈钢的硬度、强度并不高，但其塑性、韧性都较好，热强性高，切削时切屑不易被切离。在保证刀具有足够强度的前提下，应选用较大的前角，这样不仅能够减小被切削金属的塑性变形，而且可以降低切削力和切削温度，同时使硬化层深度减小。 车削各种不锈钢的前角大致为1230。对马氏体不锈钢(如2Cr13)，前角可取较大值；对奥氏体和奥氏体+铁素体不锈钢，前角应取较小值；对未经调质处理或调质后硬度较低的不锈钢，可取较大前角；直径较小或薄壁工件，宜采用较大的前角。 高速钢铣刀取gn=1020，硬质合金铣刀取gn=510；铰刀一般取g0=812；丝锥一般取g0=1520(机用)或g0=20(手用)。 (2) 后角a0：加大后角能减小后刀面与加工表面的摩擦，但会使切削刃的强度和散热能力降低。后角的合理值取决于切削厚度，切削厚度小时，宜选较大后角。 不锈钢车刀或镗刀通常取a0=1020(精加工)或a0=610(粗加工)；高速钢端铣刀取a0=1020，立铣刀取a0=1520；硬度合金端铣刀取a0=510，立铣刀取a0=1216；铰刀和丝锥取a0=812。图1 双刃倾角断屑车刀(3) 主偏角kr、副偏角kr，和re：减小主偏角可增加刀刃工作长度，有利于散热，但在切削过程中使径向力加大，容易产生振动，常取kr=4575，若机床刚性不足，可适当加大。副偏角常取kr=815。为了加强刀尖，一般应磨出e=0.51.0 mm的刀尖圆弧。 (4) 刃倾角ls：为了增加刀尖强度，刃倾角一般取ls=-8-3，断续切削时取较大值ls=-15-5。 生产实践中，为了加大切屑变形，提高刀尖强度与散热能力，采用双刃倾角车刀，取得了良好的断屑效果，也加宽了断屑范围，如图1所示。第一刃倾角ls10，第二刃倾角在接近刀尖部位，ls2-20，第二刃倾角的刀刃长度lls2。ap/3。 当双刃倾角车刀的g0=20、a0=68、kr=90或75、倒棱前角g01=-10、re=0.150.2 mm时，在Vc=80100 m/min、f=0.20.3 mm/r、ap=415 mm的条件下切削，断屑效果良好，刀具耐用度高。 要求刀具前后刀面的表面粗糙度值小，刀具磨钝标锥VB为加工一般材料的1/2。图2 切削不锈钢的断(卷)屑槽6、切削不锈钢时怎样选择刀具断(卷)屑槽和刃口形式？切削不锈钢时还应选择合适的刀具断(卷)屑槽，以便控制连绵不断的切屑，通常采用全圆弧形或直线圆弧形断(卷)屑槽。断(卷)屑槽的宽度Bn=35 mm，槽深h=0.51.3 mm，Rn=28 mm。一般情况下，粗车时ap、f大，断(卷)屑槽宜宽而浅；精车时ap、f小，应窄而深些。断(卷)屑槽的形式见图2。 切削加工过程中，如果发生切屑缠绕在工件或刀具上的现象，表示断(卷)屑槽过宽过浅，可加大进给量，使切屑折断；如果切屑挤轧在槽内，发出吱吱叫声，或切屑飞溅伤人，表示断(卷)屑槽太窄太深，这时可减小进给量。同时还要注意控制断(卷)屑槽的位置。断(卷)屑槽的尺寸见表3、表4和表5。表3 外圆车刀断(卷)屑槽尺寸工件直径(mm)半径Rn(mm)宽度Bn(mm)前角g0()倒棱尺寸bg(mm)201.5242精车：0.050.10粗车：0.100.202.5337204033303.53.5304430408044304.54.5305530802005.5527精车：0.100.20粗车：0.150.3065.5276.5627.52006.5627.576.527.57.5727.5表4 镗刀断(卷)屑槽尺寸镗孔直径(mm)半径Rn(mm)加工1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢及中等硬度2Cr13马氏体不锈钢加工耐浓硝酸不锈钢及较硬的2Cr13、3Cr13等马氏体不锈钢宽度Bn (mm)前角g0 ()宽度Bn (mm)前角g0 ()201.62.0391.6302.02.5392.0302.53.0372.53020402.02.5392.0302.53.0372.5303.03.5362.82840604.04.0303.2244.54.5303.5235.05.0304.02460804.54.5303.5235.05.0304.0246.06.0305.024.5805.04.0243.520.56.05.024.54.52276.025.55.021表5 切断刀断(卷)屑槽尺寸切断直径 (mm)202050508080120半径Rn (mm)2.53.24.23.24.55.54.25.56.55.56.58宽度Bn (mm)345456567678前角g0 ()373936.53930.53336.53332.53332.5307 、切削不锈钢时怎样选择切削用量？切削用量对加工不锈钢时的加工硬化、切削力、切削热等有很大影响，特别是对刀具耐用度的影响较大。选择的切削用量合理与否，将直接影响切削效果。 （1）切削速度Vc：加工不锈钢时切削速度稍微提高一点，切削温度就会高出许多，刀具磨损加剧，耐用度则大幅度下降。为了保证合理的刀具耐用度，就要降低切削速度，一般按车削普通碳钢的40%60%选取。镗孔和切断时，由于刀具刚性、散热条件、冷却润滑效果及排屑情况都比车外圆差，切削速度还要适当降低。 不同种类的不锈钢的切削加工性各不相同，切削速度也需相应调整。一般1Cr18Ni9Ti等奥氏体不锈钢的切削速度校正系数Kv为1.0，硬度在HRC28以下的2cr13等马氏体不锈钢的Kv为1.31.5，硬度为HRC2835的2Cr13等马氏体不锈钢的Kv为0.91.1，硬度在HRC35以上的2Cr13等马氏体不锈钢的Kv为0.70.8，耐浓硝酸不锈钢的Kv为0.60.7。 （2）切削深度ap：粗加工时余量较大，应选用较大的切深，可减少走刀次数，同时可避免刀尖与毛坯表皮接触，减轻刀具磨损。但加大切深应注意不要因切削力过大而引起振动，可选ap=25 mm。精加工时可选较小的切削深度，还要避开硬化层，一般采用ap=0.20.5 mm。 （3）进给量f：进给量的增大不仅受到机床动力的限制，而且切削残留高度和积屑瘤高度都随进给量的增加而加大，因此进给量不能过大。为提高加工表面质量，精加工时应采用较