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1、数控加工工艺系统数控加工工艺系统 一一 数控机床概述数控机床概述1.1 数控机床的特点n一、数控机床的加工特点：n 适应性强n 精度高，质量稳定n 生产效率高n 能实现复杂的运动n 良好的经济效益n 有利于生产管理的现代化n二、数控机床的使用特点：n1、数控机床对操作维修人员的要求n对操作人员：具有一定的工艺知识和操作经验，熟悉数控机床结构特点、工作原理，熟练操作计算机，需通过程序编制的专业考核。n对维修人员：了解数控机床的机械结构，懂得数控机床的电气原理及电子电路，具有较宽的机、电、气、液专业知识，需进行专业培训。n2、数控机床对夹具和刀具的要求n对夹具要求：定位可靠、良好的冷却排屑性能；单
2、件生产，采用通用夹具；批量生产，使用专用夹具。n对刀具要求： 较高的精度、耐用度，几何尺寸稳定、变化小； 能实现机外预调和快速换刀，加工高精度孔时要经试切削确定其尺寸； 刀具的柄部应满足柄部标准的规定； 很好地控制切屑地折断和排出； 具有良好的冷却功能。1.2 组成和工作原理n数控机床由程序编制及程序载体、输入装置、数控装置、伺服驱动及位置检测、辅助控制装置、机床本体等几部分组成。1.3 数控机床的分类n1、按加工类型分类n 金属切削类数控机床n金属切削类数控机床有数控车床、数控铣床、数控钻床、数控镗床、数控磨床、数控镗铣床等。n加工中心MC是带有刀库和自动换刀装置的数控机床。n 特种加工类数
3、控机床n数控特种加工机床有数控电火花线切割机床、数控电火花加工机床、数控激光加工机床等。n 板材加工类数控机床n金属成形类数控机床有数控折弯机、数控弯管机和数控压力机等。n2、按驱动装置的特点分类n 开环控制数控机床n 闭环控制数控机床n 半闭环控制数控机床n3按加工路线分类n数控机床按其刀具与工件相对运动的方式，可以分为点位控制、直线控制和轮廓控制。n（1）点位控制：刀具与工件相对运动时，只控制从一点运动到另一点的准确性，而不考虑两点之间的运动路径和方向。多应用于数控钻床、数控冲床、数控坐标镗床和数控点焊机等。n（2）直线控制：刀具与工件相对运动时，除控制从起点到终点的准确定位外，还要保证平
4、行坐标轴的直线切削运动。由于只作直线进给运动，因此不能加工复杂的工件轮廓。用于简易数控车床、数控铣床、数控磨床。n（3）轮廓控制： 刀具与工作相对运动时，能对两个或两个以上坐标轴的运动同时进行控制。因此可以加工平面曲线轮廓或空间曲面轮廓。有数控车床、数控铣床、数控磨床、加工中心等。n4按可控制联动的坐标轴分类n可控制联动的坐标轴，是指数控装置控制几个伺服电动机，同时驱动机床移动部件运动的坐标轴数目。n（1）两坐标联动： 数控机床能同时控制两个坐标轴联动（如图1-22所示），即数控装置同时控制X和Z方向运动，可用于加工各种曲线轮廓的回转体类零件。或机床本身有X、Y、Z三个方向的运动，数控装置中只
5、能同时控制两个坐标（如图1-23所示），实现两个坐标轴联动，但在加工中能实现坐标平面的变换，用于加工图1-24（a）所示的零件沟槽。n（2）三坐标联动： 能同时控制三个坐标轴联动，可用于加工曲面零件，如图1-24（b）所示。n（3）两轴半坐标联动： 数控机床本身有三个坐标能作三个方向的运动，但只能同时控制两个坐标，而第三个坐标只能作等距周期移动，可加工空间曲面，如图1-24（c）所示零件。数控装置在ZX坐标平面内控制X、Z两坐标联动，加工垂直面内的轮廓表面，控制Y坐标作定期等距移动，即可加工出零件的空间曲面。n（4）多坐标联动：能同时控制四个以上坐标轴联动，多坐标数控机床的结构复杂、精度要求高
6、、程序编制复杂，主要应用于加工形状复杂的零件。五轴联动铣床加工曲面形状零件，如图1-24(d)所示。图1-24 空间平面和曲面的数控加工(a)零件沟槽面加工 (b)三坐标联动曲面加工 (c)两坐标联动加工曲面 (d)五轴联动 n5按数控装置的类型分类n（1）硬件数控： 早期的数控装置基本上都属于硬件数控（NC）类型，主要由固化的数字逻辑电路处理数字信息，于20世纪60年代投入使用。由于其功能少、线路复杂和可靠性低等缺点已经淘汰。n（2）计算机数控：用计算机处理数字信息的计算机数控（CNC）系统，于20世纪70年代初期投入使用。随着微电子技术的迅速发展，微处理器功能越来越强，价格越来越低，现在数
7、控系统的主流是微机数控系统（MNC）。n6按数控系统的功能水平分类n数控系统一般分为高级型、普及型和经济型三个档次。数控系统并没有确切的档次界限，其参考评价指标包括：CPU性能、分辨率、进给速度、联动轴数、伺服水平、通信功能和人机对话界面等。n（1）高级型数控系统 该档次的数控系统采用32位或更高性能的CPU，联动轴数在5轴以上，分辨率0.1m，进给速度24mmin（分辨率为1m时）或10mmin（分辨率为0.1m） 。n（2）普及型数控系统 该档次的数控系统采用16位或更高性能的CPU，联动轴数在5轴以下，分辨率在1m以内，进给速度24mmin。n（3）经济型数控系统 该档次的数控系统采用8
8、位CPU或单片机控制，联动轴数在3轴以下，分辨率为0.01，进给速度在68mmin。 1.4 数控机床的发展趋势n1、高可靠性、高可靠性n 提高元器件和系统的可靠性提高元器件和系统的可靠性n 采用抗干扰技术，提高数控系统对环境的适应能力采用抗干扰技术，提高数控系统对环境的适应能力n 使数控系统模块化、通用化和标准化使数控系统模块化、通用化和标准化n 提高自诊断及保护功能提高自诊断及保护功能n2、高柔性化、高柔性化n 柔性：指机床适应加工对象变化的能力柔性：指机床适应加工对象变化的能力n3、高精度化、高精度化n 利用数控系统的补偿功能利用数控系统的补偿功能n采用高分辨率，高响应性的绝对位置传感技
9、术采用高分辨率，高响应性的绝对位置传感技术n 提高数控机床机械本体结构刚性和热稳定性提高数控机床机械本体结构刚性和热稳定性n4、高速度化、高速度化 机械方面：提高切削速度和减少辅助时间机械方面：提高切削速度和减少辅助时间 数控系统：数控系统：CPUn5、复合化、复合化 工序复合化工序复合化 功能复合化功能复合化n6、制造系统自动化、制造系统自动化加工单元柔性制造单元 柔性制造系统（FMS）二二 数控机床的自动换刀装置数控机床的自动换刀装置 2.1 自动换刀装置的形式一、回转刀架换刀二、更换主轴换刀三、带刀库的自动换刀系统一、回转刀架换刀数控车床的回转刀架1、刀架抬起2、刀架转位3、刀架压紧4、
10、转位液压缸复位二、更换主轴换刀换主轴换刀三、带刀库的自动换刀系统刀库与机床为整体式刀库与机床为分体式2.2 刀库一、刀库的功能二、刀库的形式三、刀库的容量二、刀库的形式n直线刀库: an圆盘刀具: b c d e f gn链式刀库: h In其它刀库: j k三、刀库的容量加工工件与刀具数量的关系2.3 刀具系统及刀具选择一、刀具系统二、刀具的选择方式三、刀具识别装置二、刀具的选择方式1、顺序选择刀具2、任意选择刀具a）刀具编码方式b）刀座编码方式c）刀具和刀座编码方式刀具编码的结构 刀座编码的结构 三、刀具识别装置1、接触式刀具识别装置2、非接触式刀具识别装置a）非接触式磁性识别法b）非接触
11、式光电识别法接触式刀具识别装置的原理 非接触式磁性识别原理图光导纤维刀具识别原理图2.4 刀具交换装置一、刀具交换方式1、无机械手换刀2、机械手换刀二、自动换刀动作顺序钩刀机械手的换刀过程三、自动换刀特殊机构1.主轴准停机构2.主轴内部刀具自动夹紧松开机构三三 主运动及进给运动主运动及进给运动 3.1 主轴驱动及其结构主轴驱动及其结构n一、一、 数控机床对数控机床对主传动的要求主传动的要求1 . 1 . 数控机床要有宽的调速范围、静刚度；数控机床要有宽的调速范围、静刚度；2. 2. 尽可能实现无级变速；尽可能实现无级变速；3. 3. 加工中心要求主轴具有高精度的准停控制；加工中心要求主轴具有高
12、精度的准停控制；4. 4. 旋转精度和运动精度、耐磨性、热变形等。旋转精度和运动精度、耐磨性、热变形等。n二、二、 主传动的主传动的调速方式调速方式1. 1. 带有二级齿轮变速带有二级齿轮变速2. 2. 带传动的主传动带传动的主传动3. 3. 有主轴电动机直接驱动有主轴电动机直接驱动n 三、三、 主轴的主轴的支撑支撑3.2 3.2 机床进给传动机构机床进给传动机构n一、数控机床对进给运动的一、数控机床对进给运动的要求要求： 减少运动件的磨擦阻力：丝杠和导轨结构的滚动减少运动件的磨擦阻力：丝杠和导轨结构的滚动化是减少摩擦的重要措施之一；化是减少摩擦的重要措施之一； 提高传动精度和刚度；（油的压缩
13、刚度很低，必提高传动精度和刚度；（油的压缩刚度很低，必须限制油缸的最大行程）须限制油缸的最大行程） 减少运动惯量；减少运动惯量； 稳定性好、寿命长：低速下不产生爬行，适应稳定性好、寿命长：低速下不产生爬行，适应外加载荷的变化而不发生共振。外加载荷的变化而不发生共振。 使用维修方便。使用维修方便。n二、进给传动机构二、进给传动机构 联轴器。联轴器。 减速机构：减速机构： a a：齿轮传动机构：齿轮传动机构 b b：同步齿形带：同步齿形带n三、转换装置n 滚珠丝杠螺母副：提高进给系统的灵敏度、定位滚珠丝杠螺母副：提高进给系统的灵敏度、定位精度和防止爬行。精度和防止爬行。a a：滚珠丝杠的工作原理；
14、：滚珠丝杠的工作原理；b b：轴向间隙的消除；：轴向间隙的消除；c c：滚珠丝杠的支撑；：滚珠丝杠的支撑；d d：滚珠丝杠的保护。：滚珠丝杠的保护。 制动装置制动装置 齿侧间隙补偿机构齿侧间隙补偿机构 键连接间隙补偿机构键连接间隙补偿机构n四、导向装置 对机床导轨的要求a：导向精度高b：耐磨性好 c：足够的刚度d：低速运动平稳性e：结构简单、工艺性好四四 数控机床刀具数控机床刀具 4.1. 数控加工工艺系统的组成n数控加工工艺 系统是由数控 机床、夹具、 刀具和工件等 组成。4.2、数控刀具的主要种类n1数控加工刀具的种类n数控加工刀具可分为常规刀具和模块化刀具两大类。模块化刀具是发展方向。n
15、模块化刀具优点：减少换刀停机时间，提高生产加工时间；加快换刀及安装时间，提高小批量生产的经济性；提高刀具的标准化和合理化的程度；提高刀具的管理及柔性加工的水平；扩大刀具的利用率，充分发挥刀具的性能；有效地消除刀具测量工作的中断现象，可采用线外预调。n（）从结构上可分为n整体式n镶嵌式可分为焊接式和机夹式。n减振式当刀具的工作臂长与直径之比较大时，为了减少刀具的振动，提高加工精度，多采用此类刀具；n内冷式切削液通过刀体内部由喷孔喷射到刀具的切削刃部；n特殊型式如复合刀具等。 n（）从制造所采用的材料上可分为n高速钢刀具：高速钢通常是型坯材料，韧性较硬质合金好，硬度、耐磨性和红硬性较硬质合金差，不
16、适于切削硬度较高的材料，也不适于进行高速切削。高速钢刀具使用前需生产者自行刃磨，且刃磨方便，适于各种特殊需要的非标准刀具。n硬质合金刀具：硬质合金刀片切削性能优异，在数控车削中被广泛使用。硬质合金刀片有标准规格系列产品。n陶瓷刀具n立方氮化硼刀具n金刚石刀具n（）从切削工艺上可分为n车削刀具：分外圆、内孔、外螺纹、内螺纹，切槽、切端面、切端面环槽、切断等。n从切削方式上分为三类：圆表面切削刀具、端面切削刀具和中心孔类刀具。n钻削刀具分小孔、短孔、深孔、攻螺纹、铰孔等。n镗削刀具分粗镗、精镗等刀具。n铣削刀具分面铣、立铣、三面刃铣等刀具。n面铣刀（也叫端铣刀） 面铣刀的圆周表面和端面上都有切削刃
17、，端部切削刃为副切削刃。n立铣刀 立铣刀是数控机床上用得最多的一种铣刀。立铣刀的圆柱表面和端面上都有切削刃，它们可同时进行切削，也可单独进行切削。n模具铣刀 模具铣刀由立铣刀发展而成，可分为圆锥形立铣刀、圆柱形球头立铣刀和圆锥形球头立铣刀三种。它的结构特点是球头或端面上布满切削刃，圆周刃与球头刃圆弧连接，可以作径向和轴向进给。n键槽铣刀n成形铣刀 n2 数控加工刀具的特点n为了达到高效、多能、快换、经济的目的，数控加工刀具与普通金属切削刀具相比应具有以下特点：n刀片及刀柄高度的通用化、规格化、系列化。n刀片或刀具的耐用度及经济寿命指标的合理性。n刀具或刀片几何参数和切削参数的规范化、典型化。n
18、刀片或刀具材料及切削参数与被加工材料之间应相匹配。n刀具应具有较高的精度，包括刀具的形状精度、刀片及刀柄对机床主轴的相对位置精度、刀片及刀柄的转位及拆装的重复精度n刀柄的强度要高、刚性及耐磨性要好。n刀片、刀柄的定位基准及自动换刀系统要优化。n数控机床上用的刀具应满足安装调整方便、刚性好、精度高、耐用度好等要求。 五五 数控机床夹具数控机床夹具 5.1 类型和特点n应用机床夹具，有利于保证工件的加工精度、稳定产品质量；有利于提高劳动生产率和降低成本；有利于改善工人劳动条件，保证安全生产；有利于扩大机床工艺范围，实现“一机多用”。n一机床夹具的类型n夹具是一种装夹工件的工艺装备，它广泛地应用于机
19、械制造过程的切削加工、热处理、装配、焊接和检测等工艺过程中。n在金属切削机床上使用的夹具统称为机床夹具。在现代生产中，机床夹具是一种不可缺少的工艺装备，它直接影响着工件加工的精度、劳动生产率和产品的制造成本等。n（）按夹具的使用特点分类n根据夹具在不同生产类型中的通用特性，机床夹具可分为通用夹具、专用夹具、可调夹具、组合夹具和拼装夹具五大类。n通用夹具 已经标准化的可加工一定范围内不同工件的夹具，称为通用夹具，其结构、尺寸已规格化，而且具有一定通用性，如三爪自定心卡盘、四爪单动卡盘、台虎钳、万能分度头、顶尖、中心架和磁力工作台等。这类夹具适应性强，可用于装夹一定形状和尺寸范围内的各种工件。n这
20、些夹具已作为机床附件由专门工厂制造供应，只需选购即可。其缺点是夹具的精度不高，生产率也较低，且较难装夹形状复杂的工件，故一般适用于单件小批量生产中。n专用夹具 专为某一工件的某道工序设计制造的夹具，称为专用夹具。在产品相对稳定、批量较大的生产中，采用各种专用夹具，可获得较高的生产率和加工精度。专用夹具的设计周期较长、投资较大。n专用夹具一般在批量生产中使用。除大批大量生产之外，中小批量生产中也需要采用一些专用夹具，但在结构设计时要进行具体的技术经济分析。n可调夹具 某些元件可调整或更换，以适应多种工件加工的夹具，称为可调夹具。可调夹具是针对通用夹具和专用夹具的缺陷而发展起来的一类新型夹具。对不
21、同类型和尺寸的工件，只需调整或更换原来夹具上的个别定位元件和夹紧元件便可使用。n 组合夹具 采用标准的组合元件、部件，专为某一工件的某道工序组装的夹具，称为组合夹具。组合夹具是一种模块化的夹具。标准的模块元件具有较高精度和耐磨性，可组装成各种夹具。夹具用毕可拆卸，清洗后留待组装新的夹具。由于使用组合夹具可缩短生产准备周期，元件能重复多次使用，并具有减少专用夹具数量等优点，因此组合夹具在单件，中、小批量多品种生产和数控加工中，是一种较经济的夹具。n（）按使用机床分类n夹具按使用机床不同，可分为车床夹具、铣床夹具、钻床夹具、镗床夹具、齿轮机床夹具、数控机床夹具、自动机床夹具、自动线随行夹具以及其他
22、机床夹具等。n（）按夹紧的动力源分类n夹具按夹紧的动力源可分为手动夹具、气动夹具、液压夹具、气液增力夹具、电磁夹具以及真空夹具等。n二数控加工夹具的特点n作为机床夹具，首先要满足机械加工时对工件的装夹要求。同时，数控加工的夹具还有它本身的特点。这些特点是：n（1）数控加工适用于多品种、中小批量生产，为能装夹不同尺寸、不同形状的多品种工件，数控加工的夹具应具有柔性，经过适当调整即可夹持多种形状和尺寸的工件。n（2）传统的专用夹具具有定位、夹紧、导向和对刀四种功能，而数控机床上一般都配备有接触试测头、刀具预调仪及对刀部件等设备，可以由机床解决对刀问题。数控机床上由程序控制的准确的定位精度，可实现夹
23、具中的刀具导向功能。因此数控加工中的夹具一般不需要导向和对刀功能，只要求具有定位和夹紧功能，就能满足使用要求，这样可简化夹具的结构。n（3）为适应数控加工的高效率，数控加工夹具应尽可能使用气动、液压、电动等自动夹紧装置快速夹紧，以缩短辅助时间。n（4）夹具本身应有足够的刚度，以适应大切削用量切削。数控加工具有工序集中的特点，在工件的一次装夹中既要进行切削力很大的粗加工，又要进行达到工件最终精度要求的精加工，因此夹具的刚度和夹紧力都要满足大切削力的要求。n（5）为适应数控多方面加工，要避免夹具结构包括夹具上的组件对刀具运动轨迹的干涉，夹具结构不要妨碍刀具对工件各部位的多面加工。n（6）夹具的定位
24、要可靠，定位元件应具有较高的定位精度，定位部位应便于清屑，无切屑积留。如工件的定位面偏小，可考虑增设工艺凸台或辅助基准。n（7）对刚度小的工件，应保证最小的夹紧变形，如使夹紧点靠近支承点，避免把夹紧力作用在工件的中空区域等。六六 数控机床编程数控机床编程 5.1 数控机床程序编制的内容和步骤数控机床程序编制的内容和步骤 一、一、步骤步骤：a. a. 明确加工目的，确定工艺参数明确加工目的，确定工艺参数b. b. 算基点与节点算基点与节点c. c. 按规定的程序格式，逐条写程序按规定的程序格式，逐条写程序d. d. 程序输入程序输入: : 键盘、接口键盘、接口e. e. 程序校验首件试切程序校验
25、首件试切 : : 空刀运动空刀运动 大批量生产（试切一件）大批量生产（试切一件） 三维动态显示三维动态显示n好的编程人员，要熟悉：好的编程人员，要熟悉： a. a. 机床结构、性能机床结构、性能 b. b. 数控系统数控系统 c. c. 加工工艺加工工艺n数控机床编程的方法数控机床编程的方法n 手工编程手工编程 手工编程时间：加工时间手工编程时间：加工时间=30=30：1 1n 自动编程自动编程n国际上已形成了两个通用的标准：国际上已形成了两个通用的标准：nISOInternational Standard Organization ISOInternational Standard Orga
26、nization nEIAElectronic Industries AssociationEIAElectronic Industries Association二、程序结构与格式二、程序结构与格式G91：相对坐标：相对坐标 G04：暂停：暂停n N3 G00 X10 Z10 M03 S650; N3 G00 X10 Z10 M03 S650;n 1 . 1 . 程序段号程序段号: :查找、跳转查找、跳转 程序按排列程序按排列的先后次序执行。的先后次序执行。n 2 . 2 . 功能字功能字（1 1）准备功能字）准备功能字G G代码代码: G00: G00G99G99共共100100种。种。 G G代码（使机床做某种操作的指令）：代码（使机床做某种操作的指令）：（2 2）坐标字（尺寸字）坐标字（尺寸字） X Y Z U V W I J K X Y Z U V W I J K 有有“+” “-”“+” “-”之分之分, “+”, “+”可以省略可以省略n（3）进给功能字F: F是指各坐标方向速度的矢量和 G94 F200 200mm/min n（4）主轴转速功能字S: 规定主轴转速： S300 300r/minn（5）刀具功能字T: T03 = T3n（6） 辅助功能字(M功能) M00M99 : M00:程序停止 n谢谢！n 数控机床加工工件的基本过程
