数控加工与编程项目三圆弧加工教案

学习情境三 带圆弧阶梯轴的加工

学习情境三：带圆弧阶梯轴的加工（详案）

一、学习情景描述

给学生发放零件图，给出该零件的信息和加工要求。

图示零件为简单阶梯轴，结构要素有外圆柱面、倒角和圆弧面。毛坯为φ38mm 的棒料，材料为45钢，要求完成零件的数控加工，车削尺寸至图中要求。

图3.1 零件图

图3.2 三维图

二、制订加工工艺 （一）引入新知识 1．数控车削刀具的分类 （1）．按车刀结构分类

① 整体车刀：用整体高速钢制造。 ② 焊接车刀：焊接硬质合金或高速钢刀片。

③ 机夹车刀：硬质合金刀片用机械夹固的方法固定在刀杆上。 ④ 可转位车刀：使用可转位刀片的机夹车刀。

图3.3 车刀按结构分类

（2）．按加工内容分类

按车削加工内容分为端面车刀、外圆车刀、内孔车刀、切槽刀、螺纹车刀等。

图3.4 车刀按加工内容分类

（3）按车刀的形状分类

① 尖形车刀：以直线形切削刃为特征的车刀，刀尖由直线形成的主副切削刃构成。

② 圆弧形车刀：以圆弧形切削刃为特征的车刀，车刀圆弧刃每一点都是车刀的刀尖。

③ 成形车刀：其刀形根据工件轮廓设计。 2．车刀材料

车刀材料是指刀头部分的材料， 在数控车床上常采用高速钢、 硬质合金或涂层刀具。

（1）．高速钢

高速钢是一种含有钨、钼、铬、钒等合金元素较多的材料。高速钢刀具制造简单，

刃磨方便，韧性较好，能承受较大的冲击力。但其耐热性较差，因此不能用于高速切削。

（2）．硬质合金

硬质合金中高熔点、高硬度碳化物含量高，因此其常温硬度很高，热熔性、热硬性高，切削速度比高速钢提高4~7倍。其缺点是脆性大，抗弯强度和抗冲击韧性不强。

（3）．涂层刀具

涂层刀具是在韧性较好的硬质合金或高速钢刀具基体上，涂覆一层耐磨性较高的难熔金属化合物。常用的涂层材料有TiC 、TiN 、Al2O3 等。涂层刀具具有较高的耐磨性，加工材料硬度越高，涂层刀具效果越好。 3．车刀切削部分的组成及几何参数

（1）．车刀切削部分的组成

车刀的构造如图12.4所示，其组成包含刀柄和切削部分，切削部分主要由以下几部分组成：

① 前刀面：刀具上切屑沿其流出的表面。 ② 后刀面：刀具上与工件过渡表面相对的表面。 ③ 副后刀面：刀具上与工件已加工表面相对的表面。 ④ 主切削刃：前面与后面的交线，担任主要切削工作。 ⑤ 副切削刃：前面与副后面的交线，担任少量切削工作。 ⑥ 刀尖：主切削刃与副切削刃连接处的一小部分切削刃。

图3.5 车刀构造图

（2）．车刀几何参数

车刀的几何角度如图12.5所示， 主要包括主偏角k r 、 副偏角k ˊ、 前角r 0 、 刃倾角 xxs 、后角 0、副后角 0 。

图3.6 车刀几何角度

① 前角：对切削难易程度有很大影响。增大前角使切削刃锋利，减小切削变形，

切削容易，提高表面加工质量。但前角过大，会使散热条件变差，切削温度升高，刀具磨损加剧，刀具寿命降低。

② 后角：主要作用是减小后面与工件过渡表面之间的摩擦，减小后面的磨损。增大后角，可减少刀具后面与工件的摩擦，降低切削力和切削温度，改善加工表面质量。但后角过大，刀具易损坏，切削温度升高，刀具寿命降低。

③ 主偏角：影响刀具寿命、已加工表面粗糙度和切削力的大小。在背吃刀量和进给量不变的情况下，减小主偏角，可使刀尖角增大，对提高刀具寿命有利。但主偏角较小时，工件易变形及产生振动，切削厚度小，断屑效果差。

④ 副偏角：用来减少副切削刃与已加工表面之间的摩擦。减小副偏角，可显著减少已加工表面的残留面积，减小工件表面粗糙度，增大刀尖角，提高刀具寿命。但副偏角过小，使工件易产生振动，降低加工表面质量。

⑤ 刃倾角：影响切削刃的锋利性，刀头的强度和散热条件，切削力的大小和方向，切屑流出的方向。当刃倾角为正值时，切屑流向待加工表面，已加工表面不易被划伤，但刀尖强度较差；当刃倾角为负值时，切屑流向已加工表面，易被划伤，但刀尖强度提高。增大刃倾角可使切削刃锋利，降低切削力，提高刀具寿命。但过大会使散热不利，造成非正常损坏。 4．车刀的选用

（1）．按工件材料选择刀具

① 铜、铝：这种材料比较软，比较好加工，一般各种刀具都能加工。 ② 钢料：对于软钢，如45钢、50钢，比较好加工，用高速钢车刀可方便加工；对于硬钢，如738、p20、S136、油钢及五金模用的合金钢等，可用合金刀具加工。

③ 淬火后的材料：一般不允许用高速钢刀具加工，应用合金刀具加工。 （2）．根据加工种类选择刀具

① 外圆加工：一般选用外圆左偏粗车刀、外圆左偏精车刀、外圆右偏粗车刀、外圆右偏精车刀、端面车刀等类型。

② 切槽：选择外（内）圆车槽刀。 ③ 螺纹：选择外（内）圆螺纹车刀。

④ 内孔：主要选择麻花钻、粗镗孔刀和精镗孔刀、扩孔钻、铰刀。 （3）．选择刀具的大小

① 尽可能选择大的刀具，可以采用大的切削用量，提高效率，加工质量有保证。

② 根据加工的背吃刀量选择刀具，背吃刀量越大，刀具越大。 ③ 根据工件大小选择刀具，工件大的选大刀具，反之选取小刀具。 （4）．机夹可转位车刀的选用

为了减少换刀时间和方便对刀，便于实现机械加工的标准化，数控车削加工时，应尽量采用机夹可转位车刀。数控车床常用的机夹可转位车刀结构形式如图3.7所示。

① 刀片材质的选择

常见刀片材料有高速钢、硬质合金、涂层硬质合金、陶瓷、立方氮化硼和金刚石等，其中应用最多的是硬质合金和涂层硬质合金刀片。

② 刀片尺寸的选择

刀片尺寸的大小取决于必要的有效切削刃长度L 。有效切削刃长度与背吃刀量ap 和车刀主偏角kr 有关，使用时可查阅有关刀具手册选取。

③ 刀片性质的选择

刀片形状主要依据被加工工件的表面形状、切削方法、刀具寿命及刀片的转位次数等因素选择。在机床刚性和功率允许的条件下，大余量、粗加工应选用刀尖角度较大的刀片；小余量、精加工时宜选用较小刀尖角的刀片。

图3.7 机夹可转位结构

2．圆弧常用加工方法

① 阶梯法

图3.8为车圆弧的阶梯切削路线：先粗车阶梯，最后一刀精车圆弧。

图3.8 阶梯法

② 同心圆法

图3.9为车圆弧的同心圆弧切削路线：用不同的半径圆来车削，最后将所需圆弧加工出来。

图3.9 同心圆法

③ 车锥法

图3.10为车圆弧的车锥法切削路线：先车一个圆锥，再车圆弧。

图3.10 车锥法

（二）零件具体加工工艺制定 1．装夹与定位

该零件为轴类零件，轴心线为工艺基准，加工外表面用三爪自定心卡盘夹持φ34mm 外圆一次装夹完成加工。 2．加工顺序

按先主后次，先粗后精，先外后内的加工原则确定加工路线。 ① 装夹φ34mm 外圆、找正，手动车削端面；

② 粗加工φ34mm 、φ26mm 、φ16mm 外圆，留精加工余量0.5mm ； ③ 精加工R5、R10圆弧面和φ34mm 、φ26mm 、φ16mm 外圆； 3．选择刀具

一把外圆车刀 4．确定切削用量

车削用量的具体数值应根据机床性能、加工工艺、相关手册并结合实际经验确定：

①机床转速： 外圆粗加工时为800r/min， 精加工时为1000r/min； ② 进给速度：粗加工外圆面时进给速度为0.5mm/r，外圆面精加工时进给速度为0.3mm/r。

5、确定加工路线

加工路线如图3.11所示

图3.11 加工路线

6．选择机床和数控系统

① 机床型号

机床型号为CK6132-Ⅱ型数控车床。 ② 数控系统

采用广数928TD 、KND 数控系统。 三、编制零件加工程序 （一）引入新知识 1．编程指令

（1）圆弧插补指令---G02/G03

顺时针圆弧插补指令：G02 X(U)_ Z(W)_ R_ F_; 逆时针圆弧插补指令：G03 X(U)_ Z(W)_ R_ F_;

参数：X 、Z 为绝对编程时，圆弧终点在工件坐标系中的坐标值；U 、W 为增量编程时，圆弧终点相对于圆弧起点的位移量；R 为圆弧的半径；F 为进给速度。

（2）圆弧顺逆的判断

① 圆弧插补的顺逆方向判断原则：沿圆弧所在平面（XZ 平面）的垂直坐标轴的负方向看去，顺时针方向为G02，逆时针方向为G03；

② 根据刀架的位置判断圆弧插补的顺逆如图3.3所示。

图3.12 圆弧的顺逆方向与刀架位置的关系

2．零件数控加工程序的编制 ① 编程分析

该零件结构要素有圆柱面、圆弧面等，为减少热变形和切削力变形对工件尺寸的影响，应将粗加工、精加工分开进行。

采用直径编程方式，直径尺寸编程与零件图纸中的尺寸标注一致，编程较为方便。

② 加工程序清单

O0001； 程序名 N01 T0101； 换01号刀 N02 G00 X100 Z100； 快速接近工件

N03 M03 S800； 主轴正转，转速为1000r/min N04 G01 X29 Z5 F0.5； 快速走刀至起到点 N05 Z-30； 粗车外圆第一步 N06 X40； X向G01退刀 N07 G00 Z5； Z向G00回起点 N08 G01 X24 ； X向G01定位 N09 Z-16； 粗车外圆第二步 N10 X34； X向G01退刀 N11 G00 Z5； Z向G00回起点 N12 G01 X19； X向G01定位 N13 Z-15； 粗车外圆第三步 N14 X25； X向G01退刀 N15 G00 Z5 S1000； Z向G00回起点

N16 G01 X14 F0.3； X向G01定位精加工 N17 Z0； G01倒角起始点定位 N18 X16 Z-1； 加工倒角

N19 Z-15； φ16外圆加工

N20 G02 X26 Z-20 R5； R5圆弧加工 N21 G01 Z-27； φ26外圆加工 N22 G03 X34 Z-35 R10； R10圆弧加工 N23 G01 Z-45； φ34外圆加工 N24 X40； X向G01退刀 N25 G00 Z5； Z向G00回起点 N26 X100 Z100； 快速退刀至起刀点 N27 M30； 程序结束 4．加工程序的检验、修改

学生讨论、自评、检验、修改。 教师指导、讲解。 四、数控仿真和实操加工 1．零件的数控仿真

使用数控加工仿真软件对加工程序进行检验，正确进行数控加工仿真的操作，完成零件的仿真加工。 2．零件的实操加工

通过仿真加工， 确定零件程序的正确性后， 在实训车间对该零件进行实际操作加工。

五、加工零件的检测

1．利用游标卡尺、外径千分尺、内径千分尺、表面粗糙度工艺样板等量具测量工件，学生对自己加工的零件进行检测，包括尺寸精度的检测和零件加工质量的检测。

2．教师对学生加工零件进行检测，并做出点评。 六、任务扩展

针对用圆弧插补指令加工该零件的学习情境，进行扩展创新，由教师讲授，学生课后学习、应用。

1. 圆弧插补 I 、K 指定圆心位置方式

（1）编程格式

圆弧顺时针插补：G02 X(U)_ Z(W)_ I_ K_ F_; 圆弧逆时针插补：G03 X(U)_ Z(W)_ I_ K_ F_;

参数：I 、K 表示圆弧起点到圆弧圆心矢量值在X 、Z 方向的投影值，它们是增量值，并带有正负号，即圆心的坐标值减去圆弧起点的坐标值，在绝对、增量编程时都是以增量方式指定，在直径、半径编程时I 都是半径值。

（2）编程说明

① I 、K 方向是从圆弧起点指向圆心，其正负取决于该方向与坐标轴方向的异同，相同为正，反之为负，如图3.7所示。

图3.7 圆弧起点与矢量方向

② 若在程序中同时出现I 、K 和 R 时，以 R 为优先，I 、K 无效，即以半径R 方式编程。 七、学习应用

加工图所示零件，零件毛坯为φ55mm 的棒料，材料为 45 号钢，完成零件的 数控加工，车削加工至图纸尺寸。要求： ① 对零件进行简单加工工艺分析；

② 要求使用刀尖半径补偿指令进行数控加工程序编制； ③ 进行数控加工仿真。

附件1：

学习任务单

图示零件为简单阶梯轴，结构要素有外圆柱面、倒角和圆弧面。要求最后切断。毛坯为φ38mm 的棒料，材料为45钢，要求完成零件的数控加工，车削尺寸至图中要求。

附件2：

数控加工工序卡片

附件3：

附件4：

学习应用

加工图所示零件，零件毛坯为φ55mm 的棒料，材料为 45 号钢，完成零件的 数控加工，车削加工至图纸尺寸。要求： ① 对零件进行简单加工工艺分析；

② 要求使用刀尖半径补偿指令进行数控加工程序编制； ③ 进行数控加工仿真。