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1、系列解图TLong Books腾龙图书第1章 数控加工基础及操作流程第1章 数控加工基础及操作流程数控，即用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制的一种方法。数控加工就是把数控技术应用于传统的加工技术中，它覆盖几乎所有加工领域，如车、铣、刨、镗、钻、拉、电加工、板材成型等。本章主要内容有数控加工基础知识的介绍，包括工艺分析和规划、切削用量、刀具半径补偿与长度补偿、顺铣与逆铣等，以及数控加工的基本流程介绍，包括创建程序、创建几何体、创建刀具和创建操作等。本章要点& 数控加工概述& 加工工艺分析和规划& 加工工艺参数设置& 创建程序& 创建刀具& 创建几何体& 创建加工方法& 创建操作& 刀具路
2、径模拟仿真& 刀路后处理本章案例 & 入门引例1.1 数控加工概述数控（Numerical Control），即用数字、文字和符号组成的数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制的技术。它所控制的通常是位置、角度、速度等机械量和与机械能量流向有关的开关量。与传统的加工手段相比，数控加工方法的优势比较明显，主要表现在以下几个方面：（1）柔性好。所谓的柔性即适应性，是指数控机床随生产对象的变化而变化的适应能力。数控机床把加工的要求、步骤与零件尺寸用代码和数字表示为数控程序，通过信息载体将数控程序输入数控装置。经过数控装置中的计算机处理与计算发出各种控制信号，控制机床的动作，按程序加工出图纸要求的零件
3、。在数控机床中使用的是可编程的数字量信号，当被加工零件改变时，只要编写“描述”该零件加工的程序即可。数控机床对加工对象改型的适应性强，这为单件、小批零件加工及试制新产品提供了极大的便利。（2）加工精度高。数控机床有较高的加工精度，而且数控机床的加工精度不受零件形状复杂程度的影响。这对一些用普通机床难以保证精度甚至无法加工的复杂零件来说是非常重要的。另外，数控加工消除了操作者的人为误差，提高了同批零件加工的一致性，使产品质量稳定。（3）能加工复杂型面。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的加工。（4）生产效率高。数控机床的加工效率一般比普通机床高23倍，尤
4、其在加工复杂零件时，生产率可提高十几倍甚至几十倍。一方面是因为其自动化程度高，具有自动换刀和其他辅助操作自动化等功能，而且工序集中，在一次装夹中能完成较多表面的加工，省去了画线、多次装夹和检测等工序；另一方面是加工中可采用较大的切削用量，有效地减少了加工中的切削工时。（5）劳动条件好。在数控机床上加工零件自动化程度高，大大减轻了操作者的劳动强度，改善了劳动条件。（6）有利于生产管理。用数控机床加工能准确地计划零件的加工工时，简化检验工作，减轻了工夹具、半成品的管理工作，减少了因误操作而出废品及损坏刀具的可能性，这些都有利于管理水平的提高。（7）易于建立计算机通信网络。由于数控机床使用数字信息，
5、易于与计算机辅助设计和制造（CAD/CAM）系统连接，形成计算机辅助设计和制造与数控机床紧密结合的一体化系统。另外，现在数控机床通过因特网（Internet）、内联网（Intranet）、外联网（Extranet）已可实现远程故障诊断及维修，初步具备远程控制和调度、进行异地分散网络化生产的可能，从而为今后进一步实现制造过程网络化、智能化提供了必备的基础条件。但是由于数控加工本身还有一些不足之处，使其应用受到一些限制，主要表现在以下几个方面：（1）数控机床价格较贵，加工成本高，提高了起始阶段的投资。（2）技术复杂，增加了电子设备的维护成本，维修困难。（3）对工艺和编程要求较高，加工中难以调整，对
6、操作人员的技术水平要求较高。由于数控加工有着自身的特点，所以，在实际生产加工中，它也并不是适用于加工所有类型的零件，其主要偏向于以下几个方面的应用：（1）几何形状复杂的零件。特别是形状复杂、加工精度要求高或用数学方法定义的复杂曲线、曲面轮廓。（2）多品种小批量生产的零件。用通用机床加工时，要求设计制造复杂的专用工装或需很长调整时间。（3）必须严格控制公差的零件。（4）贵重的、不允许报废的关键零件。随着科学技术的发展，机械产品的形状和结构不断改进，对零件加工质量的要求也越来越高。尤其是随着FMS和CIMS的兴起和不断成熟，对机床数控系统提出了更高的要求，现代数控加工正在向高速化、高精度化、网络化
7、、智能化和高柔性化等方向发展。（1）高速、高精度化。速度、精度和效率是机械制造技术的关键性能指标。由于采用了高速CPU芯片、RISC芯片、多CPU控制系统以及带高分辨率绝对式检测元件的交流数字伺服系统，同时采取了改善机床动态、静态特性等有效措施，机床的高速、高精、高效化已大大提高。（2）网络化。通过机床联网，可在任何一台机床上对其他机床进行编程、设定、操作和运行，不同机床的画面可同时显示在每一台机床的屏幕上。数控装备的联网可以极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求。（3）智能化。智能化体现在数控系统的各个方面。为追求加工效率采用智能化；为提高驱动性能及使用连接方便采用智能化；为了
8、简化编程和操作而追求智能化；为智能诊断和监控追求智能化。（4）高柔性化。包含两方面的内容，即数控系统本身的柔性和群控系统的柔性。数控系统本身的柔性体现在数控系统采用模块化设计，功能覆盖面大，可裁剪性强，便于满足不同用户的需求；群控系统的柔性即同一群控系统能依据不同生产流程的要求，使物料流和信息流自动进行动态调整，从而最大限度地发挥群控系统的效能。1.2 辅助加工基础知识1.2.1 数控加工的工艺特点数控加工工艺是伴随着数控机床的产生不断发展和逐步完善起来的一门应用技术。数控加工工艺就是将传统的加工工艺、计算机数控技术、计算机辅助设计和辅助制造技术有机地结合在一起，它的一个典型特征是将数控技术融
9、入到普通加工工艺中。 普通加工工艺是数控加工工艺的基础和技术保障，由于数控加工采用计算机对机械加工过程进行自动化控制，使数控加工工艺具有以下几个方面的特点： （1）数控加工工艺比普通加工工艺复杂。数控加工工艺要考虑加工零件的工艺性及加工零件的定位基准和装夹方式，也要选择刀具并制定工艺路线、切削方法及工艺参数等，而这些在常规工艺中均可以简化处理。因此，数控加工工艺比普通加工工艺要复杂得多，影响因素也多，因而有必要对数控编程的全过程进行综合分析、合理安排，然后整体完善。相同的数控加工任务可以有多个数控工艺方案，既可以选择以加工部位作为主线安排工艺，也可以选择以加工刀具作为主线来安排工艺。数控加工工
10、艺的多样化是数控加工工艺的一个特色，也是与传统加工工艺的显著区别。（2）数控加工工艺设计要有严密的条理性。由于数控加工的自动化程度较高，相对而言，数控加工的自适应能力就较差，而且数控加工的影响因素较多，比较复杂，需要对数控加工的全过程深思熟虑。数控工艺设计必须具有很好的条理性，也就是说，数控加工工艺的设计过程必须周密、严谨，没有错误。（3）数控加工工艺的继承性较好。凡经过调试、校验和试切削过程验证的，并在数控加工实践中证明是好的数控加工工艺，都可以作为模板，供后续加工相类似的零件调用，这样不仅节约时间，而且可以保证质量。作为模板本身在调用中也是一个不断修改完善的过程，可以达到逐步标准化、系列化
11、的效果。因此，数控工艺具有非常好的继承性。（4）数控加工工艺必须经过实际验证才能指导生产。由于数控加工的自动化程度高，安全和质量是至关重要的。数控加工工艺必须经过验证后才能用于指导生产。在普通机械加工中，工艺员编写的工艺文件可以直接下到生产线用于指导生产，一般不需要上述的复杂过程。1.2.2 加工工艺分析和规划数控加工工艺分析和规划主要包括以下内容。（1）确定加工对象。通过对零件模型进行分析，确定这一工件的哪些部位需要加工。数控铣的工艺适应性当然也是有一定限制的，对于一些尖角、细小的筋条等部位是不适合用数控加工的，最好使用线切割或者电加工来加工；而另外一些加工部位，使用普通机床反而会有更好的经
12、济性，如孔的加工、回转体的加工。（2）规划加工区域。按零件形状、功能及精度、粗糙度等方面的要求将加工对象分割成数个加工区域。对加工区域进行合理的规划可以达到既提高加工效率又提高加工质量的目的。（3）规划工艺路线。即从粗加工到半精加工和精加工，再到清根加工的流程及加工余量的合理分配。（4）确定加工工艺和加工方式。如刀具选择、加工工艺参数和切削方式选 择等。在完成工艺分析后，还应该填写一张CAM数控加工工序表，表中的项目应该包括加工区域、走刀方式、刀具、主轴转速和切削进给等选项。完成了工艺分析和规划后，即完成了CAM数控加工大部分的工作。同时，工艺分析的水平原则上决定了NC程序的质量。1.2.3
13、加工工艺参数设置1切削用量切削用量即切削加工过程中所采用的切削速度、切削深度和进给量等工艺参数，如图1-1所示。切削速度表示工件被切削表面与刀刃之间的相对运动速度；切削深度表示在垂直于切削速度与进给方向所组成的平面内测量的车刀与工件的接触量；进给量有3种表示方法： 每分钟进给量。表示每分钟内工件与刀具之间的相对位移量。 每转或每行程进给量。表示每转或每次往复行程中工件与刀具间沿进给方向的相对位移量。 每齿进给量。表示多齿刀具相邻两齿与工件接触的时间间隔内，工件与刀具的相对位移量。图1-1 切削用量参数正确选择切削用量对于保证加工质量、提高加工效率和降低生产成本具有重要意义。所谓“合理的”切削用
14、量是指充分利用刀具切削性能和机床动力性能（功率、扭矩），在保证质量的前提下，获得高的生产率和低的加工成本的切削用量。制定切削用量时，应该考虑的要素有如下几点：（1）切削加工生产率。在切削加工中，金属切除率与切削用量三要素（切削深度、进给量、切削速度）均保持线性关系，即其中任一参数增大一倍，都可使生产率提高一倍，然而由于刀具寿命的制约，当任一参数增大时，其他两参数必须减小。因此，在制定切削用量时，三要素获得最佳组合时的高生产率才是合理的。（2）刀具寿命。切削用量三要素对刀具寿命影响的大小，按顺序为切削速度、进给量、切削深度。因此，从保证合理的刀具寿命出发，在确定切削用量时，首先应采用尽可能大的背
15、吃刀量，然后再选用大的进给量，最后求出切削速度。（3）加工表面粗糙度。精加工时，增大进给量将增大加工表面粗糙度值。因此，它是精加工时抑制生产率提高的主要因素。除此之外，还要考虑刀具和工件的材料、机床功率、机床、机床夹具、工件和刀具系统的刚度以及断屑、排屑条件等。切削用量的制定一般有着固定的程序，其制定步骤如图1-2所示。图1-2 切削用量制定步骤在实际生产加工中，为了提高生产效率，会尽可能提高切削用量。一般提高切削用量的途径有：采用切削性能更好的新型刀具材料；在保证工件机械性能的前提下，改善工件材料加工性；改善冷却润滑条件；改进刀具结构，提高刀具制造质量。2进/退刀控制在数控铣削中，由于其控制
16、方式的加强，与普通铣床只能手工控制相比有很大的差别，在进刀时可以采取更加合理的方式以达到最佳的切削状态。切削前的进刀方式有两种形式，一种是垂直方向进刀（常称为下刀）和退刀，另一种是水平方向进刀和退刀，对于数控加工来说，这两个方向的进刀都与普通铣削加工不同。（1）垂直进/退刀方式。在普通铣床上加工一个封闭的型腔零件时，一般都会分成两个工序，先预钻一个孔，再用立铣刀切削。在数控加工中，数控编程软件通常有3种垂直进刀的方式，一种是垂直向下进刀，一种是斜线轨迹进刀，一种是螺旋式轨迹进刀，如图1-3所示。图1-3 垂直进/退刀方式（2）水平方向进/退刀方式。为了改善铣刀开始接触工件和离开工件表面时的状况，
