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第三节数控技术概述

一、数控加工加工技术概述

数控加工，也称NC（NumericalControl）加工，也是以数值与符号构成的信息，控制机床实现自动运转。

数控加工经历了半个世纪的发展已成为应用于当代各个制造领域的先进制造技术。

数控加工的最大特征有两点：

一是可以极大地提高精度，包括质量精度及加工时间误差精度:

二是加工质量的重复性，可以稳定加工质量，保持加工零件质量的一致。

数控加工是根据被加工零件的图样和工艺要求，编制成以数码表示的程序出入到机床的数控装置或控制计算机中，以控制工件和刀具的相对运动，使之加工出合格零件的方法。

一般来说，数控加工技术涉及数控机床加工工艺和数控编程技术两个方面。

数控编程内容包括：

1、分析零件图样，确定工艺过程。

包括确定加工方案，选择合适的机床、刀具及夹具，确定合理的走刀路线及切削用量等。

2、数学处理。

包括建立零件的几何模型，计算加工过程中刀具相对工件的运动轨迹等。

3、编写程序单。

按照数控装置规定的指令和程序格式，编写零件的加工程序单。

4、输入程序并校验和试切削。

编写的加工程序必须通过空运行、图形动态模拟或是试切削等方法校验程序的正确性。

二、数控加工的特点

（一）自动化程度高

在数控机床上加工零件时，除手动装卸工件外，全部加工过程都可由机床自动完成。

（二）具有加工复杂形状零件的能力

数控加工运动的任意可控性使其能完成普通加工方法难以完成或者无法进行的复杂型面加工。

（三）加工精度高、生产效率高和加工质量稳定

目前，普通数控加工的尺寸精度可达±

0.005㎜，最大的尺寸精度可达±

0.005μm。

数控机床可以通过采用在线自动补偿（实时补偿）技术来消除或情绪的影响。

加工效率比普机床高2~3倍。

（四）易建立计算机通信网络

由于数控机床是使用数字信息，易与计算机辅助和制造（CAD/CAM）系统联结，形成计算机辅助设计和制造与机床紧密结合的一体化。

三、数控机床的加工原理

在数控机床上加工零件时，要事先根据零件加工图样的要求确定零件加工的工艺过程、工艺参数和刀具参数，再按照规定编写零件数控加工程序，然后通过手动数据输入（MDI—ＭanuaDatalnput）方式或与计算机通信方式将数控加工程序送到数控系统，在数控系统控制软件的支持下，经过分析与计算机发出的指令，通过伺服系统使机床按预定的轨迹运动，从而控制机床进行零件的自动加工。

四、数控机床的发展

从1952年第一台数控机床问世后，数控系统已经先后经历了两个阶段和六代的发展。

其六代是指电子管、晶体管、集成电路、小型计算机、微处理器喝给予工控PC机的通用CNC系统。

其中前三代为第一阶段，称作为硬件连接数控，简称NC系统；

后三段为第二阶段，乘坐计算及软件数控。

简称CNC系统。

五、机床的发展趋势

数控机床总的发展趋势是工序集中、高速、高效、高精度以及方便使用、提高可靠性等。

（一）工序集中

20世纪50年代末期，在一般数控机床的基础上开发了数控加工中心，即自备刀具库的自动换刀数控机床，在加工机床上，工件一次装夹后，机床的机械手可以自动更换刀具，连续的对工件进行多工种工序加工。

目前，加工中心机床的刀具库容量可达到100多把刀具，自动换刀装置的换刀时间仅需0.5~2秒。

加工中心机床使工序集中在一台机床上完成，减少了由于工序分散，工件多次安装引起的定位误差，提高了加工精度，同时也减少了机床的台数与占地面积，压缩了半成品的库存量，减少了工序间的辅助时间，有效的提高了数控机床的生产效率和数控加工的经济效益。

（二）高速、高效、高精度

高速、高效、高精度是机械加工的目标，数控机床因其价格昂贵，在上述一方面的发展也更为突出。

（三）方便使用

数控机床制造厂建立友好的人机界面、提高数控的可靠性作为提高竞争能力的主要方面。

1、加工编程方便

手工编程和自动编程已经使用了几十年，有了长足的发展，在手工方面，开发了多种加工循环、参数编程和除直线、圆弧以外的各种差补功能，CAD/CAM软件加上计算机硬件，投资较大，学习、掌握时间较长，对大多数的简单工件很不经济。

近年来，发展起来的图形交互式编程系统，很受用户欢迎。

这种编程方式不使用G、M代码，而是借助图形菜单，输入整个图形块以及相应参数作为加工指令，形成加工工序，与传统加工时的思维方式类似。

图形交互编程方法在制定标准后，有可能成为各种型号的数控机床统一的编程方法。

2、使用方法

数控机床普遍采用彩色CRT进行人机对话、图形显示和图形模拟。

有的数控机床将采用说明书、编程指南、润滑指南等存入系统共使用者阅读

第四节数控铣削工艺设计

一、机床的合理选用

从加工工艺的角度分析，选用的数控机床功能必须适应被加工零件的形状、尺寸精度、数控系统和生产节拍等要求。

（一）、形状适应性

所选用的数控机床规格必须能适应被加工零件群组的形状尺寸要求。

这一点应在被加工零件工艺分析的基础上进行，如加工空间曲面形状的叶片，往往要选择四轴或五轴联动数控铣床或加工中心。

（二）、加工精度适应性

所选择的数控必须满足被加工零件群组的精度要求。

为了保证加工误差，必须分析生产厂家给出的数控机床精度指标。

（三）、生产节拍适应性

根据加工对象的批量和节拍要求决定是用一台数控机床来完成加工，还是选择几台数控机床来完成加工；

是选择柔性加工单元、柔性制造系统来完成加工，还是选择柔性生产线、专用机床和专用生产线来完成加工。

二、数控系统的选择

数控系统应根据零件的加工精度及加工形状选择。

如FANUC-T系统是车削加工用的数控系统；

FANUC-M系统是铣、镗加工的数控系统。

同一类的数控系统中，其性能差别也很大。

如FANUC-15M系统他的最高进给速度可达240m/min而同类的FANUC-OM系统只可达24m/min。

三、数控铣刀具的选择

（一）对数控铣削刀具的要求

在数控铣削过程中，根据被加工工件材料的热处理状态、切削性能及加工余量，选择刚性好、耐用度高的铣刀，是充分发挥数控铣床的生产效率和获得合格加工质量的前提。

对数控铣削刀具的要求：

切削刚性要好。

这样可以提高生产效率采用大的切削量及解决数控铣床加工过程中难以调整切削用量的特点。

铣刀的耐用度要高。

铣刀切削刃的几何参数的选择及排屑性能等也要好。

（二）铣床刀具的种类及选择

1、铣削类

面铣刀面铣刀的周围和端面上都有切削刃，端部切削刃为副切削刃。

面铣刀的直径较大一般为ø

50㎜~ø

500㎜。

刀齿数z=10~26

立铣刀普通立铣刀端面中心无切削刃主要加工凸轮、台阶面、凹槽和箱口面。

为了改善切削卷曲情况，增大容屑空间，防止切削赌赛，刀齿数比较少，容屑

槽圆弧半径则较大。

一般粗齿立铣刀齿数z=3~4，细齿立铣刀齿数z=5~8。

2、钻孔类

麻花钻工作部分包括切削部分和导向部分。

切削部分担负主要的切削工作；

导向部分起导向、修光、排屑和输送切削液的作用。

扩孔钻扩孔钻可用来扩大孔径，提高孔的加工精度，也可用于孔的终加工或铰孔、磨孔的预加工

镗孔刀它能精确地保证孔系的尺寸精度和形位精度，并纠正上道工序的误差。

按其切削刃数为单刃镗刀和双刃镗刀。

单刃镗刀刚性好，切削时易引起振动，所以镗刀的主偏角选的大，以减小径向力。

双刃镗刀对刀杆的刚度要求低，可以用较大的切削用量。

铰刀铰刀是用来已经粗加工的孔进行精加工，也可以用于磨孔或研孔前的预加工。

铰孔只能提高孔的尺寸精度、形状精度和减小表面粗糙度值，而不能提高孔的位置精度。

3.刀具的选择

数控铣刀的选择主要是铣刀结构的选择和铣刀参数的确定。

铣刀类型的选择。

铣刀类型应与工件表面形状与尺寸相适应，加工较大的平面应选择面铣刀；

加工凹槽、较小的台阶面及平面轮廓应选择立铣刀;

加工空间曲面、模具型腔或凸模成形表面等多选用模具铣刀；

加工变斜角零件的变斜面应选用鼓形铣刀；

加工各种直的或圆弧的凹槽、斜面、特殊孔等应选用成形铣刀。

铣刀参数的选择。

刀具半径R应小于零件内轮廓面得最小曲率半径Rmin，一般取R=（0.8~0.9）Rmin

零件的加工高度H≤（1/4~1/6）R，保证刀具有足够的刚度。

对不通孔（深槽）L=H＋r＋（5~10）㎜（L为刀具切削部分长度，H为零件高度）。

铣刀的直径应根据铣削宽度、深度选择，一般铣前深度、宽度越大，刀具直径也就越大。

精铣时刀具直径要大些

钻孔时，钻孔深度应小于直径的5倍左右。

划窝一般采用ø

8~ø

15㎜的钻头

四、夹具的选择

基于数控加工的特点和加工需要，目前常用夹具的类型有通用夹具、可调夹具、组合夹具、成组夹具和专用夹具。

一般选择平口虎钳、压板螺钉等通用夹具。

批量生产优先考虑组合夹具，其次考虑可调夹具，最后考虑组合夹具和专用夹具。

根据上述对夹具的基本要求，要综合考虑各种因素，选用经济、合理的夹具形式。

对其夹具要求如下：

（一）敞开加工部位并且不发生干涉

夹紧机构及其其他元件不得影响刀具进给，加工部位要敞开，夹紧元件的空间位置尽量的低，要求夹持工件后夹具上的组件不能与刀具轨迹发生干涉。

（二）必须使夹紧变形最小

由于加工时一般都是一次装夹完成粗、精加工。

因此，慎重选择夹具的支撑点、定位点和夹紧点。

（三）装卸方便，辅助时间短

由于加工时效率高，故要求配套夹具在使用中要装卸快捷而方便。

（四）夹具应便于机床工作台及工件定位面间的定位连接

数控机床工作台是夹具和工件定位于安装的基础，工作台面上一般都有基础T形槽，转台中心有定位孔、工作台侧面有基准挡板等定位元件。

（五）夹具结构应力求简单

由于在批量生产较小，零件更换周期短，夹具的标准化、通用化和自动化对加工效率的提高及加工费用的降低有很大影响。

通用夹具有自定心卡盘、台虎钳，压板。

五、切削用量的选择

铣削切削用量包括：

切削速度、进给量、背吃刀量和侧吃刀量。

切削用量的基本选择原则是：

在保证加工质量和刀具耐用度得前提下，使生产效率达到最大，从而获得最大的切削效益。

一般而言，切削用量的确定顺序是：

粗加工时，先选取尽可能大的背吃刀量或侧吃刀量，其次选定可能大的进给速度，最后根据刀具耐用度确定最佳切削速度。

精加工时，先根据粗加工后的余量确定背吃刀量，其次根据零件表面粗糙度要求，选取较小的进给速度，最后在保证刀具耐用度的前提下尽可能选取较大的切削速度。

（一）、背吃刀量（端铣）或侧吃刀量（圆周铣）

背吃刀量或侧吃刀量的选取主要由加工余量的多少和对表面质量的要求决定。

一般半精加工选取ap=0.5~2㎜，精加工取ap=0.1~0.4㎜

（二）、进给量

主要受加工精度和表面粗糙度的限制。

可参考表6-2

（三）、切削速度

半精加工、精加工的切削速度主要受刀具寿命的限制。

为防止中速时易产生积屑瘤和鳞刺，硬质合金刀具常采用较高的切削速度（1.33~1.6m/s）高速钢刀具常采用较低的切削速度（0.05~0.13m/s）.

表6-2各种铣刀切削用量

工件材料

抗拉强度（N.m）

刀具材料

粗加工

精加工

切削速度

（m/min）

进给量

（mm/r）

钢

500~700

P25

80~120

0.3~0.4

100~120

0.1

700~1000

P40

60~100

0.15~0.4

80~100

铸铁

200~300HB

K20

60~90

0.3~0.5

黄铜

80~120HB

150~220

170~300

青铜

60~100HB

100~180

140~250

六、加工路线与加工余量的选择

（一）加工路线的确定原则

在数控加工中，刀具刀位点相对于工件运动的轨迹称为加工路线。

确定加工路线是编写程序前的重要步骤，加工路线的确定应遵循以下原则。

1、加工路线应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，又可以减少空刀时间。

此外，确定加工路线时，还要考虑工件的加工余量和机床、刀具的刚度等情况，确定是一次走刀，还是多次走刀来完成加工。

（二）加工余量的概念及其影响因素

在选择了毛坯，拟订出加工工艺路线之后，就需确定加工余量，计算各工序的工序尺寸。

加工余量大小与加工成本有密切关系，加工余量过大不仅浪费材料，而且增加切削工时，增大刀具和机床的磨损，从而增加成本；

加工余量过小，会使前一道工序的缺陷得不到纠正，造成废品，从而也使成本增加，因此，合理地确定加工余量，对提高加工质量和降低成本都有十分重要的意义。

1、确定加工余量应考虑的因素

为切除前工序在加工时留下的各种缺陷和误差的金属层，又考虑到本工序可能产生的安装误差而不致使工件报废，必须保证一定数值的最小工序余量。

为了合理确定加工余量，首先必须了解影响加工余量的因素。

影响加工余量的主要因素有：

（1）前工序的尺寸公差由于工序尺寸有公差，上工序的实际工序尺寸有可能出现最大或最小极限尺寸。

为了使上工序的实际工序尺寸在极限尺寸的情况下，本工序也能将上工序留下的表面粗糙度和缺陷层切除，本工序的加工余量应包括上工序的公差。

（2）前工序的形状和位置公差当工件上有些形状和位置偏差不包括在尺寸公差的范围内时，这些误差又必须在本工序加工纠正，在本工序的加工余量中必须包括它。

（3）前工序的表面粗糙度和表面缺陷为了保证加工质量，本工序必须将上工序留下的表面粗糙度和缺陷层切除。

（4）本工序的安装误差安装误差包括工件的定位误差和夹紧误差，若用夹具装夹，还应有夹具在机床上的装夹误差。

这些误差会使工件在加工时的位置发生偏移，所以加工余量还必须考虑安装误差的影响。

2、确定加工余量的方法

确定加工余量的方法有3种：

分析计算法、经验估算法和查表修正法。

（1）分析计算法

本方法是根据有关加工余量计算公式和一定的试验资料，对影响加工余量的各项因素进行分析和综合计算来确定加工余量。

用这种方法确定加工余量比较经济合理，但必须有比较全面和可靠的试验资料。

目前，只在材料十分贵重，以及军工生产或少数大量生产的工厂中采用。

（2）经验估算法

本方法是根据工厂的生产技术水平，依靠实际经验确定加工余量。

为防止因余量过小而产生废品，经验估计的数值总是偏大，这种方法常用于单件小批量生产。

（3）查表修正法

此法是根据各工厂长期的生产实践与试验研究所积累的有关加工余量数据，制成各种表格并汇编成手册，确定加工余量时，查阅有关手册，再结合本厂的实际情况进行适当修正后确定，目前此法应用较为普遍。

第五节零件加工工艺分析

一、零件图纸

图1-01

图1-02

一、数控铣床的选用

目前我国内较广泛运用的数控机床上都是SIEMENS802D和FANUCOIT数控系统铣床，所以就以这两类来选取。

必须指出的是，在使用某型号的数控机床时，数控系统的不同按键的功能也不同，还需要查阅机床厂提供的使用说明书，以确定系统功能在本机床上的有效性。

数控机床的数控系统有两大类指令代码：

G代码、M代码、F代码和T代码，分别为准备代码、辅助代码、进给功能代码和刀具功能代码以及特殊的代码。

根据此工件的设计图纸、程序编写、加工时间、经济效益等一系列条件，因此选用华中数控HNC-21M立式铣床。

二、零件的工艺分析

（二）四边圆角配合套件加工工艺

1.加工零件图样分析

该套件由图可知，套件的四个侧面以及上下表面为不加工表面，全部加工表面都集中上部在型腔。

且无精度要求。

从工序集中和便于定位两个方面考虑，选择华中数控HNC-21M立式铣床加工，即可满足上述要求。

以中心圆R10凹槽为定位基中。

材料的选择：

该零件材料为110×

80×

10的45#钢。

2.工艺设计

（1）加工方法对R5通孔和R10凹槽采用钻中心孔-钻底孔方（钻凹槽）案进行。

采用ø

10立铣刀对深3mm的型腔编写宏程序铣削，每次铣削1.5mm，对四个圆角以及深5mm编写程序铣削至加工要求。

（2）确定加工顺序先孔后槽、先粗后精的原则确定。

具体加工顺序为钻定位孔R5和R10、镗R10凹槽。

用粗、精铣深3mm的内型腔和深5mm的内型腔.具体顺序详见表6-1工序卡。

（3）确定装夹方案和选择刀具该套件形状简单，四个侧面较光整，且较薄和中间需要加工。

加工面与不加工面之间的位置精度要求不高，选用通用夹具平口虎钳，不仅提高工效又方便装夹。

所以要选用平口虎钳固定夹紧并且底部加垫片以便通孔加工。

（4）刀具选择所需刀具有立铣刀、镗刀、中心钻、麻花钻，其规格根据加工尺寸选择。

深3mm型腔粗铣时刀具直径应选小一些，以减少切削力矩，但不能太小，以免影响加工效率；

精铣时铣刀直径应选大一些，以减少接刀痕迹，但要考虑到刀库允许装刀直径，也不能太大。

刀柄柄部根据主轴锥孔和拉紧机构选择。

具体所选刀具及刀柄见表6-2加工刀具卡片。

表6-2数控刀具明细表

零件图号

零件名称

材料

数控刀具明细表

程序编号

车间

使用设备

2009402118

四边圆角配合套件

45#钢

O0018

机加工车间

华中数控HNC-21M

立式铣床

工步号

刀具号

刀具名称

刀柄型号

刀具

刀补地址

换刀方式

加工部位

直径/mm

刀长/mm

1

T01

中心钻

BT40-Z10-45

Ø

10

170

半径/mm

长度/mm

自动

R10和R5

2

T02

麻花钻

BT40-M1-45

5

3

T03

镗刀

BT40-TQC50-180

2.5

自动

R10

4

T04

立铣刀

BT40-XM32-75

凹槽

T05

20

凹槽

编制

谢超

审核

批准

共1页

第1页

表6-03数控加工工序卡

09数控班

数控加工工序卡

产品名称或代号

2008402130

工艺序号

夹具名称

毛坯规格

18

平口虎钳

110×

10mm

华中数控HNC-21M立式铣床

工步内容

加工面

刀具规格

/mm

主轴转速

/r.min

进给速度/mm.min

切削深度/mm

备注

中心钻钻引导孔

工件表面

10H170

400

用麻花钻钻孔

500

5mm

镗孔

R10内圆

600

粗铣3mm型腔

工件凹槽

800

精铣3mm型腔

1.5型腔

20H170

1000

0.5

第1页

共1页

（5）确定进给路线所有孔加工进给路线均按最短路线确定，因为孔的位置精度要求不高，机床的定位精度完全能保证，3mm型腔粗、精铣削加工进给路线根据铣刀直径和零件最小型腔确定，应选ø

10mm立铣刀，故安排沿X正方向绕型腔铣削6圈，每次铣削深1.5mm。

（6）设计型腔铣削宏程序并编写程序。

三、切削用量的确定

（一）背吃刀量粗车时，确定其背吃刀量为3mm左右；

精车时为0.25mm。

（二）主轴转速

（1）车直线和圆弧轮廓时的主轴转速。

参考表4-3并根据实践经验确定其切削速度为90m/min；

粗车时确定主轴转速为600r/min，精车时确定主轴转速为800r/min。

（2）车螺纹时的主轴转速。

主轴转速定位320r\min。

（3）进给速度粗车时，按式vf=nf可选择vf1=200mm/min;

精车时，兼顾到圆弧插补运行，故选择其vf2=60mm/min左右；

短距离空行程的vf13=300mm/min。

表4-3常用切削用量推荐表

加工内容

/（m.min-1）

/（mm.r-1）

碳素钢

δb>

600Mpa

5~7

60~80

0.2~0.4

YT类

2~3

2~6

120~150

0.1~0.2

钻中心孔

500~800r`min-1

W18Cr4V

钻孔

25~30

切断（宽度<

5mm）

70~110

HBS<

200

50~70

YG类

70~100