加工中心教案

现 代 数 控 加 工 中 心 教 案

工程训练中心

2006-8

概论

课程安排：

1. 理论课：讲述基本原理结构和方法。

2. 试验课：根据试验指导书的要求自己完成。

3. 参考书:立式加工中心——乔福机械工业

现代航空制造技术 ——西北工业大学

自动化制造系统 ——重庆大学

机械制造工艺学—— 机械工业出版社

4. 课时安排：

总课时40小时。其中普通机床操作4小时，理论大8小时，实际操作24小时，其它数控机床的参观演示4小时。

涉及内容：

1. 数控机床概述。

2. 数控机床工作原理。

3. 数控机床结构。

4. 数控机床分类。

5. 数控机床发展趋势。

6. 数控机床的坐标系

7. 数控系统指令代码。

8. 编制程序时的工艺处理

课程要求：

本课程是实践性较强的课程。通过课程的学习，了解软件编程和掌握手工编程，能够进行自行设计编程和加工操作。

主要掌握：

加工中心的概念。

数控机床结构。

数控机床的特点。

自行设计编程和加工操作。

1数控机床概述

数控机床简介

随着科学技术的发展，机电产品日趋精密复杂。产品的精度要求越来越高、更新换代的周期也越来越短，从而促进了现代制造业的发展。尤其是宇航、军工、造船、汽车和模具加工等行业，用普通机床进行加工（精度低、效率低、劳动度大）已无法满足生产要求，从而一种新型的用数字程序控制的机床应运而生。这种机床是一种综合运用了计算机技术、自动控制、精密测量和机械设计等新技术的机电一体化典型产品。数控机床是一种装有程序控制系统（数控系统）的自动化机床。该系统能够逻辑地处理具有使用号码，或其他符号编码指令（刀具移动轨迹信息）规定的程序。具体地讲，把数字化了的刀具移动轨迹的信息输入到数控装置，经过译码、运算，从而实现控制刀具与工件相对运动，加工出所需要的零件的机床，即为数控机床。

2 数控机床工作原理

按照零件加工的技术要求和工艺要求，编写零件的加工程序，然后将加工程序输入到数控装置，通过数控装置控制机床的主轴运动、进给运动、更换刀具，以及工件的夹紧与松开，冷却、润滑泵的开与关，使刀具、工件和其它辅助装置严格按照加工程序规定的顺序、轨迹和参数进行工作，从而加工出符合图纸要求的零件。

3. 数控机床结构

数控机床主要由控制介质、数控装置、伺服系统和机床本体四个部分组成，如图1-1-1所示。

图1-1-1 数控机床的加工过程

1）控制介质 控制介质以指令的形式记载各种加工信息，如零件加工的工艺过程、工艺参数和刀具运动等，将这些信息输入到数控装置，控制数控机床对零件切削加工。

2）数控装置 数控装置是数控机床的核心，其功能是接受输入的加工信息，经过数控装置的系统软件和逻辑电路进行译码、运算和逻辑处理，向伺服系统发

出相应的脉冲，并通过伺服系统控制机床运动部件按加工程序指令运动。

3）伺服系统 伺服系统由伺服电机和伺服驱动装置组成，通常所说数控系统是指数控装置与伺服系统的集成，因此说伺服系统是数控系统的执行系统。数控装置发出的速度和位移指令控制执行部件按进给速度和进给方向位移。每个进给运动的执行部件都配备一套伺服系统，有的伺服系统还有位置测量装置，直接或间接测量执行部件的实际位移量，并反馈给数控装置，对加工的误差进行补偿。

4）机床本体 数控机床的本体与普通机床基本类似，不同之处是数控机床结构简单、刚性好，传动系统采用滚珠丝杠代替普通机床的丝杠和齿条传动，主轴变速系统简化了齿轮箱，普遍采用变频调速和伺服控制。

4 数控机床分类

数控机床可以根据不同的方法进行分类，常用的分类方法有按数控机床加工原理分类、按数控机床运动轨迹分类和按进给伺服系统控制方式分类。

1. 按数控机床加工原理分类

按数控机床加工原理可把数控机床分为普通数控机床和特种加工数控机床。

1）普通数控机床 如数控车床、数控铣床、加工中心、车削中心等各种普通数控机床，其加工原理是用切削刀具对零件进行切削加工。

2）特种加工数控机床 如线切割数控机床，对硬度很高的工件进行切割加工；如电火花成型加工数控机床，采用电火花原理对工件的形腔进行加工。

2. 按数控机床运动轨迹分类

数控机床运动轨迹主要有三种形式：点位控制运动、直线控制运动和连续控制运动。

1）点位控制运动 点位控制运动指刀具相对工件的点定位，一般对刀具运动轨迹无特殊要求，为提高生产效率和保证定位精度，机床设定快速进给，临近终点时自动降速，从而减少运动部件因惯性而引起的定位误差。

2）直线控制运动 直线控制运动指刀具或工作台以给定的速度按直线运动。

3）连续控制运动 连续控制运动也称为轮廓控制运动，指刀具或工作台按工件的轮廓轨迹运动，运动轨迹为任意方向的直线、圆弧、抛物线或其它函数关系的曲线。这种数控系统有一个轨迹插补器，根据运动轨迹和速度精确计算并控制各个伺服电机沿轨迹运动。

3．按进给伺服系统控制方式分类

由数控装置发出脉冲或电压信号，通过伺服系统控制机床各运动部件运动。数控机床按进给伺服系统控制方式分类有三种形式：开环控制系统、闭环控制系统和半闭环控制系统。

1）开环控制系统 这种控制系统采用步进电机，无位置测量元件，输入数据经过数控系统运算，输出指令脉冲控制步进电机工作，如图1-1-2所示，这种控制方式对执行机构不检测，无反馈控制信号，因此称之为开环控制系统。开环控制系统的设备成本低，调试方便，操作简单，但控制精度低，工作速度受到步进电机的限制。

图1-1-2 开环控制系统

2）闭环控制系统 这种控制系统绝大多数采用伺服电机，有位置测量元件和位置比较电路。如图1-1-3所示，测量元件安装在工作台上，测出工作台的实际位移值反馈给数控装置。位置比较电路将测量元件反馈的工作台实际位移值与指令的位移值相比较，用比较的误差值控制伺服电机工作，直至到达实际位置，误差值消除，此称之为闭环控制。闭环控制系统的控制精度高，但要求机床的刚性好，对机床的加工、装配要求高，调试较复杂，而且设备的成本高。

图1-1-3 闭环控制系统

3）半闭环控制系统(图1-1-4) 这种控制系统的位置测量元件不是测量工作台的实际位置，而是测量伺服电机的转角，经过推算得出工作台位移值，反馈至位置比较电路,与指令中的位移值相比较，用比较的误差值控制伺服电机工作。这种用推算方法间接测量工作台位移，不能补偿数控机床传动链零件的误差，因此称之为半闭环控制系统。半闭环控制系统的控制精度高于开环控制系统，调试比闭环控制系统容易，设备的成本介于开环与闭环控制系统之间。

图1-1-4 半闭环控制系统

5 数控机床发展趋势

数控机床是50年代发展起来的新型自动化机床，较好解决了形状复杂、精密、小批量零件的加工问题，具有适应性强、加工精度和生产效率高的优点。由于数控机床综合了电子计算机、自动控制、伺服驱动、精密测量和新型机械结构等诸方面的先进技术，使得数控机床的发展日新月异，数控机床的功能越来越强大。数控机床的发展趋势体现在数控功能、数控伺服系统、编程方法、数控机床的检测和监控功能、自动调整和控制技术等方面的发展。

1. 数控功能的扩展

1）数控系统插补和联动轴数的增加，有的数控系统能同时控制几十根轴。

2）数控系统中微处理器处理字长的增加，目前广泛采用32位微处理器。

3）数控系统中实现人机对话、进行交互式图形编程。

4）基于PC的开放式数控系统的发展，使数控系统得到更多硬件和软件的支持。

2. 数控伺服系统的发展

1）交流伺服系统替代直流伺服系统。

2）前馈控制技术的发展 增加了速度指令控制，使跟踪滞后误差减小。

3) 高速电主轴和程序段超前处理技术（LOOK AHEAD）使高速小线段加工得以实现。

4）多种补偿技术的发展与应用 如机械静摩擦与动摩擦非线性补偿，机床精度误差的补偿和切削热膨胀误差的补偿。

5）位置检测装置检测精度的提高 采用细分电路大大提高了检测装置的分辧率。

3. 编程方法的发展

1）在线编程技术的发展，实现前台加工操作，后台同时编程。

2）面向车间编程方法（WOP）的发展，即输入加工对象的加工轨迹，数控系统自动生成加工程序。

3）CAD／CAM技术的发展，实现计算机辅助设计与辅助制造。

4．数控机床的检测和监控功能的增强

数控机床在加工过程中对刀具和工件在线检测，发现工件超差，刀具磨损和破损及时反馈或报警处理。

5． 自动调整控制技术的应用

按加工要求，数控系统动态调整工作参数，使加工过程始终达到最佳工作状态。

综上所述，由于数控机床不断采纳科学技术发展中的各种新技术，使得其功能日趋完善，数控技术在机械加工中的地位也显得越来越重要，数控机床的广泛应用是现代制造业发展的必然趋势。

第一节机床的发展过程及现状

一、 第一台数控机床的研制

第二次世界大战结束后，美、苏两国的军备竞争日益激烈，制空权更是竞争的焦点。对新型的性能更好的飞机的需要十分的迫切。而当时的零件的加工、整体机身的装备均是依靠样板进行的，样板的数量及其惊人。而样板的加工主要依靠仿型机床或者是依靠划线后按线铣削，最后靠手工钳修打磨成形，而仿形机床的模板也是靠人工钳修打磨成形的，因此生产效率极低，精度也不高。生产一种新型机型，其生产周期需要二、三年的时间。因此，1948年美国空军部队向美国吉斯汀。路易斯公司提出了研制直升飞机螺旋桨叶片轮廓检验样板加工设备的任务。该公司经过调查研究，提出了用大量直线组成的一条折线来逼近样板曲线，使两者之间的误差允许在范围内。然后，将每一条直线在X、Y坐标上的投影量编制成一个程序记录在纸带上输给计算机，计算机根据程序指令经过插补计算，

同时给X、Y的伺服驱动装置发出不同的频率、不同的数量的指令脉冲，X 、Y两个坐标的伺服驱动装置按照各自的指令脉冲驱动各自的运动部件，从而使刀具相对于工件走了一段由两个坐标合成的并于程序相符的直线。这样，一个程序接一个程序走下去，就加工出一条符合零件要求的曲线的方案，这就是数控铣床方案，1949年经过美国空军部队的批准，该公司与美国麻省理工学院合作，开始了数控铣床研究，经过三年的研制，于1952年试制成功了第一台数控铣床。 这种机床用现在的眼光看，可以说是不屑一顾，是没有人愿意使用的。但是它毕竟是第一但数控铣床，没有他就没有以后的数控机床技术的突飞猛进，而它的结构组成依然是现代数控机床的最基本的组成，只是技术更先进了。

一、 数控机床的发展过程

第一台数控机床的出现引起世界各国的关注，认为它的出现不仅解决了复杂曲线与型面的的加工问题，而且指出了今后机床自动化的方向，因此纷纷投入数控机床及其相关的技术的研究。经过40多年的研究发展，到现在数控机床已是集现代机械制造技术、计算机技术、通信技术、控制技术、液压气动技术和光电技术为一体的，具有高精度、高效率、高自动化和高柔性等特点的机械自动化设备。其品种不仅覆盖全部传统的切削加工机床，而且推广到锻压机床，电加工机床、焊接机、测量机等各方面。在各个加工行业中得到广泛的应用。

下面将数控机床的相关技术的发展作一简述

1． 数控装置

数控装置的发展直接影响到数控机床的应用与发展。数控机床的发展一共经过五次更新换代：

第一代数控装置是采用电子管组件，其体积大、可靠性低、价格高、因此主要用于军工部门，没有得到推广应用，产量比较小。

第二代是1958年出现的由晶体管和印刷板组成的数控装置。虽然其可靠性有所提高，体积大为缩小，但其可靠性还是低，得不到广大用户的认可，数控机床的产量和品种虽有所增加，但增加的不快。

第三代是1965年商品化的集成电路数控装置面世，它不仅大大缩小了数控装置的体积，其可靠性也得到了实质性的提高，从而成为一般用户能够接受的装置，数控机床的产量和品种均得到了较大的发展。

以上三代数控装置实质上是一种专用的计算机，主要靠硬件来实现各种控制功能，所以叫做数字控制装置，简称为NC装置。

1970年小型计算机在数控装置得到应用，称之为第四代数控装置。

1975年微处理器的应用成为第五代数控装置。

第四、五两代因为将计算机应用于数控装置，所以叫做计算机数字控制装置，简称CNC装置。

由于计算机的应用，很多控制功能可以用软件来实现，因而数控装置功能大大的提高，而价格却有较大的下降，可靠性得到了进一步的提高，使得数控机床的自动化程度得到很大的提高，数控机床得到了飞速的发展。

二、 伺服驱动装置

伺服驱动装置的性能直接影响到数控机床的精度和进给速度，是数控机床的一个很重要的环节，是研究的重点之一。伺服驱动装置的发展经过电----液---电三个阶段。

第一阶段是采用普通直流电动机作为执行电源，起工作原理和缺点前面已有较详细的叙述，此处不再重复。

第二阶段是液压机代替直流电动机作为执行单元，这在数控铣床出来以后就开始研制了，到60年代初才全面取代了直流电动机。采用液压驱动后，控制性能有了很大的提高，但寿命短、成本高、功率消耗大是致命的缺点。

到了60年代末期，迎来了第三阶段。这时一直在致力于电伺服装置的研究取得了成果。研制成功了由伺服单元、直流进给伺服电动机和反馈组件所组成的进给伺服装置。因其性能完全能够满足数控机床的要求，寿命长，可靠性好，很快就取代了液压伺服装置。

近几年又出现了数字化交流进给伺服电动机，其性能和可靠性又优于直流伺服电动机。

三、 主轴伺服驱动

最早的数控机床的主轴是不受控制的，随着数控机床的发展，对主轴的控制要求就提出来了，例如： 加工中心的出现，就要求控制主轴的启动、停止、正转、和主轴的转速，为了加工螺纹，就要求主轴与z轴联动，因此出现了直流主轴电动机。最近几年，又被交流主轴伺服电动机取代。随着对主轴转速不断的提高，出现了电动机内装式主轴，即用主轴作为电动机轴，电动机的转子安装在主轴上，定子安装在套桶内，这样就不需用齿轮传动，转速可达到每分钟几万到十几万转。

以上所述为数控机床主要组成的发展概况。其它的相关技术，例如：程序的载体和输入装置、自动监控技术也得到了很大的发展，在此就不详述了。

四、 我国数控机床的发展简介

我国数控机床开发的起步并不晚，但是因为系统不过关，多数机床没有在生产中发挥作用。80年代前期，即六五期间，在引入了日本FANUC数控技术后，我国的数控机床才真正进入小批量生产的商品化时代。通过“七五”数控技术的攻关和“八五”数控系统攻关，大大推动了我国数控机床的发展。目前我国已经有自主版权数控系统，但绝大多数全功能数控机床还是采用国外的CNC系统。从机床的整体来看，无论是可靠性、精度、生产效率和自动化程度，与国外相比，还存在着不小的差距

五、 数控机床今后发展趋势

1、 数控机床的发展情况

（1） 高精度化 （几何精度、定位精度、重复定位精度提高。）

（2） 高速化 主轴转速的提高和非切削时间的减少。（主

轴转数 4000---1200r/min 快速定

位 20----30m/min）

（3） 高自动化 （自动换刀、自动交换工件、刀具寿命的管理、

自动更换备用刀具、刀具尺寸自动测量和补偿、工件的尺寸自

动测量和补偿、切削参数的调整等功能）

（4） 高复合化 （它可以完成钻、铣、镗、扩孔、铰孔、甚至

车、磨、等等于一体）

（5） 新型结构的数控机床不断出现

近年来，美国、瑞士、俄罗斯等国开发了所谓六条腿的加工中心。这种加工中心突破了原数控机床结构技术。它采用可以伸缩六条腿（伺服轴）支撑并连接上平台（安装有主轴头）与下平台（安装有工件）的结构型式，取代了传统的机床、立柱等支撑结构，而没有任何导轨和滑板的所谓“虚轴机床”，具有机械结构简单化和运动轨迹计算复杂化的特征，其

最显着的优点是机床的基本性能高，精度相当于坐标测量机。与传统的加工中心相比，精度高2---10倍，加工效率高5----10倍。

2、 自动化生产系统的发展

（1） 计算机直接数字控制系统（DNC）

（2） 柔性制造系统（FMS）

（3） 自动化工厂(FA)

计算机集成制造系统（CIMS）

6数控机床的坐标系

在编写数控加工程序过程中，为了确定刀具与工件的相对位置，必须通过机床参考点和坐标系描述刀具的运动轨迹。在国际ISO标准中，数控机床坐标轴和运动方向的设定均已标准化，我国机械工业部1982年颁布的JB3052-82标准与国际ISO标准等效。

1 坐标系及运动方向

1. 坐标系的确定原则

1）刀具相对于静止工件而运动的原则 这个原则规定不论数控机床是刀具运动还是工件运动，编程时均以刀具的运动轨迹来编写程序，这样可按零件图的加工轮廓直接确定数控机床的加工过程。

2）标准坐标系的规定 标准坐标系是一个直角坐标系，如图2-1-1（a）所示，按右手直角坐标系规定，右手的拇指、食指和中指分别代表X、Y、Z三根直角坐标轴的方向；如图2-1-1（b）所示，旋转方向按右手螺旋法则规定，四指顺着轴的旋转方向，拇指与坐标轴同方向为轴的正旋转，反之为轴的反旋转，图中A、B、C分别代表围绕X、Y、Z三根坐标轴的旋转方向。

图2-1-1 右手直角坐标系

3）坐标轴正负的规定 使刀具与工件之间距离增大的方向规定为轴的正方向，反之为轴的反方向。

2. 机床坐标轴的确定方法

Z轴表示传递切削动力的主轴，X轴平行于工件的装夹平面，一般取水平位置，根据右手直角坐标系的规定，确定了X和Z坐标轴的方向，自然能确定Y

轴

的方向。

1）车床坐标系

如图2-1-2所示，Z坐标轴与车床的主轴同轴线，刀具横向运动方向为X坐标轴的方向，旋转方向C表示主轴的正转。

图2-1-2 车床坐标系

2）立式铣床坐标系

如图2-1-3所示，Z坐标轴与立式铣床的直立主轴同轴线，面对主轴，向右为X坐标轴的正方向，根据右手直角坐标系的规定确定Y坐标轴的方向朝前。

图2-1-3 立铣床坐标系

3）卧式铣床坐标系

如图2-1-4所示，Z坐标轴与卧式铣床的水平主轴同轴线，面对主轴，向左为X坐标轴的正方向，根据右手直角坐标系的规定确定Y坐标轴的方向朝上。

图2-1-4 卧铣床坐标系

数控机床的两种坐标系

数控机床坐标系有机床坐标系和工件坐标系，其中工件坐标系又称为编程坐标系。

1. 机床坐标系

机床坐标系XYZ是生产厂家在机床上设定的坐标系，其原点是机床上的一个固定点，作为数控机床运动部件的运动参考点，在一般数控车床中，如图2-1-5所示，原点为卡盘端面与主轴轴线的交点；在一般数控立铣床中，原点为运动部件在X、Y、Z三根坐标轴反方向运动的极限位置的交点，即在此状态下的工作台左前角上。

图2-1-5 数控车床坐标系的原点

2. 工件坐标系

设定工件坐标系XpYpZp目的是为了编程方便。设置工件坐标系原点的原则尽可能选择在工件的设计基准和工艺基准上，工件坐标系的坐标轴方向与机床坐标系的坐标轴方向保持一致。在数控车床中，如图2-1-6所示，原点Op点一般设定在工件的右端面与主轴轴线的交点上。在数控铣床中，如图2-1-7所示，

Z

轴的原点一般设定在工件的上表面，对于非对称工件，X、Y轴的原点一般设定在工件的左前角上；对于对称工件，X、Y轴的原点一般设定在工件对称轴的交点上。

图2-1-6 数控车床工件坐标系的原点

图2-1-7 数控铣床工件坐标系的原点

绝对坐标和相对坐标

1. 绝对坐标表示法

将刀具运动位置的坐标值表示为相对于坐标原点的距离，这种坐标的表示法称之为绝对坐标表示法。如图2-1-8所示。大多数的数控系统都以G90指令表示使用绝对坐标编程。

图2-1-8 绝对坐标表示法

2. 相对坐标表示法

将刀具运动位置的坐标值表示为相对于前一位置坐标的增量，即为目标点绝对坐标值与当前点绝对坐标值的差值，这种坐标的表示法称之为相对坐标表示法。如图2-1-9所示。

图2-1-9 相对坐标表示法

大多数的数控系统都以G91指令表示使用相对坐标编程，有的数控系统用X、Y、Z表示绝对坐标代码，用U、V、W表示相对坐标代码。在一个加工程序中可以混合使用这二种坐标表示法编程。

7 数控系统指令代码

1.2.1 加工程序简介

加工程序使用数控装置能识别的指令代码和数字代码描述数控机床的工艺过程，国际上广泛使用ISO标准G指令和M指令，我国机械工业部制订的标准JB3208－83与国际ISO标准等效。

1. 程序段格式

程序段由程序序号、地址符、数字值和程序段结束符组成。 例如：

N＿＿ G＿＿ F＿＿ T＿＿ S＿＿ M＿＿ ； 式中：

程序序号地址符； 准备功能地址符； 进给速度地址符； 刀具号地址符； 主轴转速地址符； 辅助功能地址符； 程序段结束地址符。 2. 加工程序的组成

一个完整的加工程序由程序名、程序段和程序结束指令组成。其中程序名由符号（如%、O、P或其它符号）与后面的2-4位数字组成；程序结束指令一般为M02或M30。

例如： %0001

N0010 G00 X0 Y0 Z2 T01 S2000 M03 ； N0020 G01 Z-10 F200 ；

------

N0100 M30 ； 3. 编程方法

编程方法有手工编程与自动编程二种方法。

1）手工编程 直接在数控机床上进行编程的方法为手工编程，一般加工简单零件用这种方法编程。

2）自动编程 对于复杂的零件，其轮廓线不是在简单的平面上，而是由复杂的空间曲线和空间曲面组成，用手工编程方法编程很困难，则需要使用自动编程方法编程。即使用专用软件进行编程，过去用APT软件描述加工过程，称为自动编程，现代自动编程是指通过CAD/CAM处理后自动生成NC程序的编程方法。

2 数控系统功指令代码

数控系统的指令代码分为三大类：准备功能代码和辅助功能代码其它功能指令。

准备功能代码主要用于控制刀具对工件进行切削加工，准备功能Ｇ代码由地址字符Ｇ与后面的二位数字组成，由于国内外数控系统实际使用的G功能指令标准化程度较低，只有G01～G04、G17～G19、G40～G42的指令定义在各个数控系统中基本相同，因此编程时必须遵照所用数控机床的使用说明书编写加工程序。

指令分三类：1.准备功能指令2.辅助功能指令3.其它功能指令(N F T S )。

1. 准备功能指令

这类指令的代码是以字母G为首，后面紧跟1—3为数字。例如：G01 G02 G03 等等。

辅助功能指令代码是以字母M为首，后面紧跟1—2位数字。例如：M01、M03、等等。

（1） F指令

F指令为进给速度指令，指令代码是由字母F及后面的数字组成。 例如：N60 G90 G54 G01 X100. Y50. F60； （2） S指令

S指令为主轴转速指令，指令代码是由字母S及后面的数字组成。 例如：S 1000；指主轴转速每分钟1000转。 （3） T指令

T指令为指定刀具指令，指令代码是由字母T及后面的数字组成。 例如：T02；表示指定2号刀具，及调用刀库上的第2号刀具为加工刀具。

8编制程序时的工艺处理

编制程序时，编程人员需要做如下的工艺处理工作。

一、 分析工件的图样 需要分析工件的材料、形状、尺寸、精度、表面粗糙度及毛坯尺寸和热处理要求等，以便制定出最佳的加工方安来保证达到工件图样的要求。

二、 确定工件的装夹方法和选择夹具

（1） 要求装夹方法要有利于编程时的数学计算的简便性和

精确性。

（2） 要求便于工作坐标系的建立，也就是便于精确地确定工

作坐标系零点和坐标轴的位置。

（3） 要求尽量选用组合夹具、通用夹具，避免采用专用夹具。 三、 确定工作坐标系

在工件装夹方式确定后，工作坐标系的X、Y、Z、等各轴对应于零件的相应方向以及零点的位置也就确定了。

这时把工件坐标系G54----G59于工件基准重合。 四、 选择刀具和确定切削用量

数控机床对刀具的选择比较严格。所选择的刀具应满足安装调整方便、刚性好、精度高、使用寿命长等要求。

切削用量的选择、应根据机床性能、切削原理并结合实践经验来确定。

五、 确定加工工序和加工路线

加工路线是指数控机床加工过程中，刀具相对于工件的运动轨迹。刀具从何处进刀，经过何处。又从何处退刀等的加工路线必须在程序编制前确定好。

一、零件图的工艺分析

数控镗铣、加工中心对零件图进行工艺分析的主要内容包括： 1． 选择数控镗铣、加工中心的加工内容

数控铣床、加工中心与普通铣床相比，具有加工精度高、加工零件的形状复杂、加工范围广等特点。但是数控铣床价格较高，加工技术较复杂，零件的制造成本也较高。因此，正确选择适合数控铣削加工的内容就显得很有必要。通常选择下列部位为其加工内容：

1） 零件上的曲线轮廓 指要求有内、外复杂曲线的轮廓，特别是由数学表达式等给出其轮廓为非圆曲线和列表曲线等曲线轮廓；

2）空间曲面 由数学模型设计出的，并具有三维空间曲面的零件。 3）形状复杂、尺寸繁多、划线与检测困难的部位；

4）用通用铣床加工难以观察、测量和控制进给的内外凹槽；

5）高精度零件 尺寸精度、形位精度和表面粗糙度等要求较高的零件。如发动机缸体上的多组高精度孔或型面。

6）能在一次安装中顺带铣出来的简单表面；

7）采用数控铣削后能成倍提高生产率，大大减轻体力劳动强度的一般加工内容。

虽然数控铣床加工范围广泛，但是因受数控铣床自身特点的制约，某些零件仍不适合在数控铣床上加工。如简单的粗加工面，加工余量不太充分或不太稳定的部位，以及生产批量特别大，而精度要求又不高的零件等。 2．零件结构工艺性分析

从机械加工的角度考虑，在加工中心上加工的零件，其结构工艺性应具备以下几点要求。

1）零件的切削加工量要小，以便减少加工中心的切削加工时间，降低零件的加工成本。

2）零件上光孔和螺纹的尺寸规格尽可能少，减少加工时钻头、铰刀及丝锥等刀具的数量，以防刀库容量不够。

3）零件尺寸规格尽量标准化，以便采用标准刀具。 4）零件加工表面应具有加工的方便性和可能性。

5）零件结构应具有足够的刚性，以减少夹紧变形和切削变形。

在数控加工时应考虑零件的变形。变形不仅影响加工质量，而且当变形较大时，将使加工不能继续进行下去。这时就应当采取一些必要的工艺措施进行预防，如对钢件进行调质处理，对铸铝件进行退火处理，对不能用热处理方法解决的，也可考虑粗、精加工及对称去余量等常规方法。

2． 零件毛坯的工艺性分析

零件在进行数控铣削加工时，由于加工过程的自动化，使余量的大小、如何装夹等问题在设计毛坯时就要仔细考虑好。否则，如果毛坯不适合数控铣削，加工将很难进行下去。因此，在对零件图进行工艺分析后，还应结合数控铣削的特点，对零件毛坯进行工艺分析。

1）毛坯的加工余量 毛坯的制造精度一般都很低，特别是锻、铸件。因模锻时的欠压量与允许的错模量会造成余量的多少不等；铸造时也会因砂型误差、收缩量及金属液体的流动性差不能充满型胶等造成余量的不等。此外，锻造、铸造后，毛坯的烧曲与扭曲变形量的不同也会造成加工余量不充分或不均匀。毛坯加工余量的大小，是数控铣削前必须认真考虑的问题。因此，除板料外，不论是锻件、铸件还是型材，只要准备采用数控铣削加工，其加工面均应有较充分的余量。

2）毛坯的装夹 主要考虑毛坯在加工时定位和夹紧的可靠性与方便性，以便在一次安装中加工出较多表面。对不便于装夹的毛坯，可考虑在毛坯上另外增加装夹余量或工艺凸台、工艺凸耳等辅助基准。

3）毛坯的余量的均匀性 主要是考虑在加工时要不要分层切削，分几层切削以及加工中及加工后的变形程度等因素，考虑是否应采取相应的预防或补救的措施。如对于热轧中、厚铝板，经淬火时效后很容易在加工中与加工后变形，最好采用经预拉伸处理的淬火板坯。

二、铣削方式

1． 逆铣与顺铣的概念

铣刀的旋转方向和工件的进给方向相反时称为逆铣，相同时称为顺铣。 2． 逆铣与顺铣的特点

如图所示，逆铣时，刀具从已加工表面切入，切削厚度从零逐渐增大。铣刀刃口有一钝圆半径rβ，当rβ大于瞬时切削厚度时，实际切削前角为负值，刀齿在加工表面上挤压、滑行，切不下切屑，使这段表面产生严重的冷硬层。下一个刀齿切入时，又在冷硬层表挤压、滑行，使刀齿容易磨损，使工件表面粗糙度增大。同时刀齿切离工件时垂直方向的分力FV的方向使工件脱离工作台，需较大的夹紧力。但刀齿从已加工表面切入，不会造成就从毛坯面切入而打刀的问题。顺铣时，如图所示，刀具从待加工表面切入，刀齿的切削厚度从最大开始，避免了挤压、滑行现象的产生。同时垂直方向的分力FV始终压向工作台，减小了工件上下的振动，因而能提高铣刀耐用度和加工表面质量。

铣床工作台的纵向进给运动一般是依靠工作台下面的丝杠和螺母来实现的，螺母固定不动，丝杠一面转动一面带动工作台移动。如果在丝杠与螺母传动副中存在着间隙情况下采用顺铣，当纵向分力Fl逐渐增大超过工作台摩擦力时，使工作台带动丝杠向左窜动，丝杠与螺母传动副右侧面出现间隙，如图所示，严重时会使铣刀崩刃。此外，在进行顺铣时遇到加工表面有硬皮，也会加速刀齿磨损甚至打刀。在逆铣时，纵向分力风与纵向进给方向相反，使丝杠与螺母间传动面始终紧贴，如图所示，故工作台不会发生窜动现象，铣削较平稳。

逆铣与顺铣 l一螺母； 2一丝杠

3． 逆铣、顺铣的确定

根据上面分析，当工件表面有硬皮，机床的进给机构有间隙时，应选用逆铣。因为逆铣时，刀齿是从已加工表面切入，不会崩刃；机床进给机构的间隙不会引起振动和爬行，因此粗铣时应尽量采用逆铣。当工件表面无硬皮，机床进给机构无间隙时，应选用顺铣。因为顺铣加工后，零件表面质量好，刀齿磨损小因此，精铣时，尤其是零件材料为铝镁合金、钛合金或耐热合金时，应尽量采用顺铣。

三、加工方法的选择

加工中心加工零件的表面不外乎平面、平面轮廓、曲面、孔和螺纹等。所选加工方法要与零件的表面特征、所要求达到的精度及表面粗糙度相适应。

1． 面加工方案分析

平面、平面轮廓及曲面在镗铣类加工中心上唯一的加工方法是铣削。经粗铣的平面，尺寸精度可达IT12~IT14级（指两平面之间的尺寸），表面粗糙度Ra值可达12.5~50μm。经粗、精铣的平面，尺寸精度可达IT7~IT9级，表面粗糙度Ra值可达里，1.6~3.2μm。

1）平面轮廓加工 平面轮廓多由直线和圆弧或各种曲线构成，通常采用三坐标数控铣床进行两轴半坐标加工。

2）固定斜角平面加工 固定斜角平面是与水平面成一固定夹角的斜面，常用如下的加工方法。

（1）当零件尺寸不大时，可用斜垫板垫平后加工；如果机床主轴可以摆角，则可以摆成适当的定角，用不同的刀具来加工。当零件尺寸很大，斜面斜度又较小时，常用行切法加工。

（2）对于正圆台和斜筋表面，一般可用专用的角度成型铣刀加工。其效果

比采用五坐标数控铣床摆角加工好。

3）变斜角面加工常用的加工方案有下列二种：

（1）对曲率变化较小的变斜角面，选用x、y、z和A四坐标联动的数控铣床，采用立铣刀以插补方式摆角加工。

（2）对曲率变化较大的变斜角面，用四坐标联动加工难以满足加工要求，最好用x、y、z、A和B（或C转轴）的五坐标联动数控铣床，以圆弧插补方式摆角加工。

2． 孔加工方法分析

有钻削、扩削、铰削和镗削等。大直径孔还可采用圆弧插补方式进行铣削加工。

1）对于直径大于φ30mm的已铸出或锻出毛坯孔的孔加工，一般采用粗镗一半精镗一孔口倒角一精镗加工方案，孔径较大的可采用立铣刀粗铣一精铣加工方案。有空刀槽时可用锯片铣刀在半精镗之后、精镗之前铣削完成，也可用镗刀进行单刀镗削，但单刀镗削效率低。

2）对于直径小于φ30nnn的无毛坯孔的孔加工，通常采用锪平端面一打中心孔一钻一扩一孔口倒角一铰加工方案，有同轴度要求的小孔，须采用锪平端面一打中心孔一钻一半精镗一孔口倒角一精镗（或铰）加工方案。为提高孔的位置精度，在钻孔工步前须安排锪平端面和打中心孔工步。孔口倒角安排在半精加工之后、精加工之前，以防孔内产生毛刺。

3）螺纹的加工根据孔径大小，一般情况下，直径在M6~M20mm之间的螺纹，通常采用攻螺纹方法加工。直径在M6mm以下的螺纹，在加工中心上完成底孔加工，通过其它手段攻螺纹。因为在加工中心上攻螺致节能源机控制加工状态，小直径丝锥容易折断。直径在M20mm以上的螺纹，可采用镗刀片镗削加工。

四、加工阶段的划分

在加工中心上加工的零件，其加工阶段的划分主要根据零件是否已经过粗加工、加工质量要求的高低、毛坯质量的高低以及零件批量的大小等因素确定。

若零件已在其它机床上经过粗加工，加工中心只是完成最后的精加工，则不必划分加工阶段。

对加工质量要求较高的零件，若其主要表面在上加工中心加工之前没有经过粗加工，则应尽量将租、精加工分开进行。使零件粗加工后有一段自然时效过程，以消除残余应力和恢复切削力、夹紧力引起的弹性变形、切削热引起的热变形，必要时还可以安排人工时效处理，最后通过精加工消除各种变形。

对加工精度要求不高，而毛坯质量较高，加工余量不大，生产批量很小的零件或新产品试制中的零件，利用加工中心的良好的冷却系统，可把粗、精加工合并进行。但粗、精加工应划分成两道工序分别完成。粗加工用较大的夹紧力，精加工用较小的夹紧力。

五、加工顺序的安排

在加工中心上加工零件，一般都有多个工步，使用多把刀具，因此加工顺序安排得是否合理，直接影响到加工精度、加工效率、刀具数量和经济效益。在安排加工顺序时同样要遵循“基面先行”、“先粗后精”、“先主后次”及“先面后孔”的一般工艺原则。此外还应考虑：

1．减少换刀次数，节省辅助时间。一般情况下，每换一把新的刀具后，应通过移动坐标，回转工作台等将由该刀具切削的所有表面全部完成。

2．每道工序尽量减少刀具的空行程移动量，按最短路线安排加工表面的加

工顺序。

安排加工顺序时可参照采用粗铣大平面一粗镗孔、半精健孔一立铣刀加工一加工中心孔一钻孔一攻螺纹一平面和孔精加工（精铣、铰、镗等）的加工顺序。

六、进给路线的确定

确定进给路线时，要在保证被加工零件获得良好的加工精度和表面质量的前提下，力求计算容易，走刀路线短，空刀时间少。进给路线的确定与工件表面状况、要求的零件表面质量、机床进给机构的间隙、刀具耐用度以及零件轮廓形状等有关。确定进给路线主要考虑以下几个方面：

1．铣削零件表面时，要正确选用铣削方式。

2．进给路线尽量短，以减少加工时间。

3．进刀、退刀位置应选在零件不太重要的部位，并且使刀具沿零件的切线方向进刀、退刀，以避免产生刀痕。在铣削内表面轮廓时，切入切出无法外延，铣刀只能沿法线方向切入和切出，此时，切入切出点应选在零件轮廓的两个几何元素的交点上。

4．先加工外轮廓，后加工内轮廓。

加工中心编程实例1：

点划线为加工轨迹

%

O0001

N10 G90 G54 G00 X0 Y0 S1000 M03; N20 Z50 ;

N30 X10 Y10;

N40 G01 Z5 F1000;

N50 G01 Z-1 F100;

N60 X30 Y40;

N70 G01 Z5 F1000;

N80 X10 Y40;

N90 G01 Z-1 F100;

N100 X30 Y10;

N110 Z5 F1000;

N120 X40 Y40;

N130 G01 Z-1 F100;

N140 X50 Y25;

N150 Y10;

N160 Z5 F1000;

N170 X60 Y40;

N180 G01 Z-1 F100;

N190 X50 Y25;

N200 G01 Z5 F1000;

N210 X70 Y40;

N220 G01 Z-1 F100;

N230 X90;

N240 X70 Y10;

N250 X90;

N260 G01 Z5 F1000;

N270 G00 Z200;

N280 M30;

%

加工中心编程实例2：

T01(直径20立铣刀)

T02(直径6钻头)

%

O0002

N10 M05 T01

N20 G90 G54 GO X-10.Y10. S1000 N30 G43 H02 Z100. M03

N40 G01 Z-4. F100

N50 G01 G41 X0. Y0.D50 F60

N60 X30.

N70 G02 Y-40. R20. F60

N80 G01 X0. F100

N90 Y-30.

N100 G03 Y-10. R10.F60

N110 G01 Y0.

N120 G01 G40 X-10.Y10.F100

N130 G01 Z50. F1000

N140 M05

N150 T02

N160 G90 G54 G0 X0.Y0.S600

N170 G43 H03 Z100. M03

N180 G81 X20. Y-10. R20. Z-6. F50 N190 Y-30.

N200 G80

N210 G01 Z40. F1000

N220 G0 Z200

N230 M05

N240 M30

%

T01(直径20立铣刀)

T02(直径6钻头)

加工中心编程实例3：

阿基米德螺旋线

零件图：

各点坐标图：

各点坐标与半径R值如下：

1点 x55 y0

2点 x39.486 y-35.715 R54.35

3点 x4.035 y-51.277 R52.06

4点 x-26.731 y-42.147 R50.84

5点 x-45.494 y-16.278 R48.79

6点 x-43.278 y17.233 R47.71

7点 x-19.308 y40.439 R45.40

8点 x8.052 y42.557 R44.23

9点 x31.080 y27.867 R42.20

10点 x40.038 y0.861 R41.14

11点 x28.912 y-25.106 R38.86

12点 x7.77 y-35.936 R37.69

13点 x-15.442 y-31.591 R35.62 14点 x-30.725 y-13.282 R34.55 15点 x-29.969 y10.347 R32.26

16点 x-16.919 y24.991 R31.10

17点 x2.237 y28.474 R29.01

18点 x11.937 y24.979 R28.25

19点 x19.665 y18.18 R26.93

20点 x24.064 y9.589 R26.43

21点 x25 y0 R25.19

%

O0003

N10 G90 G00 G54 X0 Y0 S1000;

N20 G43 H02 Z50 M03;

N30 G01 X55 Y0 F1000;

N40 Z5 ;

N50 Z-8. F100;

N60 G02 X39.486 Y-35.715 R54.35 F100; N70 X4.035 Y-51.277 R52.06;

N80 X-26.731 Y-42.147 R50.84; N90 X-45.494 Y-16.278 R48.79; N100 X-43.278 Y17.233 R47.71; N110 X-19.308 Y40.439 R45.40; N120 X8.052 Y42.557 R44.23;

N130 X31.080 Y27.867 R42.20;

N140 X40.038 Y0.861 R41.14;

N150 X28.912 Y-25.106 R38.86; N160 X7.77 Y-35.936 R37.69;

N170 X-15.442 Y-31.591 R35.62; N180 X-30.725 Y-13.282 R34.55;

N190 X-29.969 Y10.347 R32.26; N200 X-16.919 Y24.991 R31.10; N210 X2.237 Y28.474 R29.01; N220 X11.937 Y24.979 R28.25; N230 X19.665 Y18.18 R26.93; N240 X24.064 Y9.589 R26.43; N250 X25 Y0 R25.19;

N260 G01 Z5 F600;

N270 G00 Z100;

N280 M30;

%

加工中心编程实例4：

凸轮的加工程序

%

O0004

N10 G90 G00 G54 X0 Y0 S1000;

N20 G43 H01 Z50 M03;

N30 G01 Z5 F1000;

N40 X-9.614 Y20.618;

N50 G01 Z-1 F100;

N60 G01 X13.145 Y33.704;

N70 G02 X42.268 Y27.248 R24.5; N80 G03 X47.619 Y22.284 R93.5; N90 G02 X44.784 Y-10.119 R23; N100 G03 X42.105 Y-13.311 R12; N110 G02 X40.962 Y-19.441 R45.34; N120 G02 X12.058 Y-29.962 R21.75; N130 G01 X-9.614 Y-20.618;

N140 G02 X-9.614 Y20.618 R22.75; N150 G01 Z5 F1000;

N160 G00 Z200;

N170 M30;

%