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2010机械加工工艺基础 2.pdf

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2010 机械 加工 工艺 基础
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第四章 零件表面的加工方案 返回索引 零件是由多个表面组成的,每一个 表面又可以用多种加工方法获得。因此, 应该对零件的结构特点、形状大小、技 术要求、材料性能、生产批量、设备现 状以及经济性等多方面进行分析,选择 合适的加工方法。将多种加工方法按照 一定的加工顺序链接起来,依次对各个 表面进行加工,多种加工方法的有机组 合成为加工方案。加工方案是拟订工艺 过程的基础。1. 外圆表面的加工方案 公差等级 表面粗糙度Ra( ?m) 加工方案 适用范围 IT13 ?IT11 50 ?12.5 粗车 适用于淬火 钢外的各种 金属 IT10 ?IT8 6.3 ?3.2 粗车—半精车 IT8 ?IT7 1.6 ?0.8 粗车—半精车—精 车 IT6 ?IT5 0.8 ?0.2 粗车—半精车—精 车—精细车 主要用于要 求高的有色 金属 IT8 ?IT7 0.8 ?0.4 粗车—半精车—磨 削适用于除有 色金属外的 各种金属, 特别是淬火 钢 IT7 ?IT6 0.4 ?0.1 粗车—半精车—粗 磨—精磨 IT5 ?IT3 0.1 ?0.025 粗车—半精车—粗 磨—精磨—超精磨2.平面的加工方案 公差等级 表面粗糙度 加工方案 适用范围 IT12 ?IT10 25 ?12.5 粗车 轴、套、 盘类等零 件未淬火 的端面 IT9 ?IT7 6.3 ?0.8 粗车—半精车— 精车 IT10 ?IT8 6.3 ?1.6 粗刨(铣)—精 刨(铣) 用于不淬 硬的平面 IT7 ?IT6 0.8 ?0.1 粗刨(铣)—精 刨(铣)—刮研 IT7 ?IT6 0.4 ?0.05 粗刨(铣)—精 刨(铣)—粗 磨—精磨 用于高精 度低粗糙 度的平面3. 孔的加工方案 公差等级 表面粗糙度 加工方案 适用范围 IT13 ?IT11 50 ?12.5 钻 加工除淬火钢 外各种金属实 心毛坯上较小 的孔 IT10 ?IT9 6.3 ?3.2 钻—扩 IT8 ?IT7 6.3?3.2 钻—扩 IT7 ?IT6 0.4?0.2 钻 —扩 —机铰 — 手铰 IT13 ?IT10 12.5?6.3 粗镗 除淬火钢外各 种金属,毛坯 有铸出孔或锻 出孔 IT9 ?IT8 3.2?1.6 粗镗—精镗 IT8 ?IT7 1.6?0.8 粗镗 —半精镗 — 精镗 IT7 ?IT6 0.8?0.4 粗镗 —半精镗 — 精镗—精细镗 IT7 ?IT6 0.2?0.1 粗镗—半精镗— 粗磨—精磨 主要用于淬火 钢,但不宜用 于有色金属4.齿轮的加工方案5.螺纹的加工方法螺纹的结构简单、形式多样、传动 稳定、连接可靠、调整迅速准确、装拆 方便、成本低廉,在机械行业中应用广 泛。5.1 螺纹的种类和用途 螺纹按其用途分为联接螺纹和传动螺纹 1、联接螺纹:主要起联接和调整的作用(1)普通螺纹:牙形角为60o,又分为粗牙螺纹 和细牙螺纹两种,代号为M。(2)管螺纹:牙形角为55o,常用于水管、气管、 油管等防泄露要求的场合。5.1 螺纹的种类和用途 2、传动螺纹:主要用于传递运动和动力。(1) 梯形螺纹:牙形角为30o,牙形为等腰梯形, 代号为Tr,它是传动螺纹的主要形式,如机床 丝杠等。5.1 螺纹的种类和用途 (2)矩形螺纹:主要用于力的传递,其特 点是传动效率较其它螺纹高,但强度较 低、对中准确性较差,特别是磨损后轴 向和径向的间隙较大,因此应用受到了 一定的限制。5.1 螺纹的种类和用途(3) 锯齿形螺纹:其牙形为锯齿形,代号为 B。它只用于承受单向压力,由于它的传动效率及强度比梯形螺纹高,常用于螺旋压力机及水压机等单向受力机构。5.1 螺纹的种类和用途 (4)模数螺纹:即蜗杆蜗轮螺纹,其牙形 角为40o,它具有传动比大、结构紧凑、传动平 稳、自锁性能好等特点,主要用于减速装置。5.2 螺纹的加工 1、车螺纹:其特点是通过车床机构的调整, 能方便地车出不同螺距、不同直径、不同 线数和不同牙形的螺纹,适合于单件小批量生产。5.2 螺纹的加工 2、攻螺纹和套螺纹:攻螺纹是用丝锥在工件的光孔内加工出内螺纹 的方法,如下图左。套螺纹是用板牙在工件光轴上加工出螺纹的 方法,如下图右。5.2 螺纹的加工攻螺纹和套螺纹的特点是特别适宜于 小尺寸的螺纹加工,对于特别小的螺纹,攻 螺纹和套螺纹几乎是其它方法不能代替的。攻螺纹和套螺纹的另一特点是操作十 分灵活,特别适宜于成批大量箱体类零件上 小螺纹的加工。5.2 螺纹的加工 3、铣螺纹、磨螺纹和滚压螺纹(1)铣螺纹:是在专用的螺纹铣床上进行,也 可在万能卧式铣床上进行。铣螺纹比车螺纹的加 工精度略低、表面粗糙度略大,但铣螺纹的生产 率高,适宜于大批大量螺纹生产的粗加工和半精 加工。(2)磨螺纹:是在专用的螺纹磨床上进行,主 要是对需要热处理(硬度较高和精度要求高)的 螺纹进行精加工,一般需要磨削的螺纹是经过车 螺纹或铣螺纹等半精加工后才进行的。5.2 螺纹的加工(3)滚压螺纹:是使坯料在滚压工具的压力下产生塑性 变形,强制压制出相应的螺纹,滚压方式主要有两种:A. 搓螺纹:是在搓丝机上进行,利用搓丝机压出来 的螺纹精度高,可达5级,表面粗糙度为Ra 1.6~0.8 , 目前市场上购买的螺钉、螺栓等螺纹零件大都是由搓 丝机生产出来的。B. 滚螺纹:是在专用的滚压螺纹机上进行的,被滚 压出来的螺纹精度可达3级,表面粗糙度为Ra 0.8 ~0.2, 其优点是大大提高了螺纹的抗拉强度、抗剪强度和疲 劳强度,且生产率很高,缺点是需要贵重的专用设备, 对坯料精度要求较高,而且只能滚压外螺纹。6.典型零件的工艺过程我们对轴类、盘类以及箱体类 零件进行工艺过程分析6.1 轴类零件轴类零件按其结构特点可分为光轴、阶梯轴、 空心轴、曲轴等,其主要表面为外圆面、轴肩和 端面,某些轴类零件还有内圆面、键槽、退刀槽、 螺纹等其它表面。外圆面主要用于安装轴承和轮 系(带轮、齿轮、链轮等),轴肩的作用是使上 述零件在轴上轴向定位。轴类零件通过轴上安装 的零件起支承、传递运动和扭矩的作用。 6.1 轴类零件6.1 轴类零件1)技术要求本零件的轴颈Φ24和Φ16分别装在箱体的两 个孔中,轴通过螺纹M10和孔Φ10紧固在箱体上, 轴上Φ20h6处是用来安装滚动轴承的,轴承上装 有齿轮,轴中间对称地加工出相距22的两个平行 平面,是为了卡扳手而设计的。2)工艺分析①毛坯选择:由于轴受力不大,主要是支承 齿轮,所以可直接选用不经锻造的45钢。6.1 轴类零件② 定位基准的选择A. 以圆钢外圆面为粗基准,粗车端面并钻 中心孔;B. 为保证外圆面的位置精度,以轴两端的 中心孔为定位精基准,这样满足了基准重合和 基准统一的原则;C. 调质处理后,以外圆面定位,精车两端 面并修整中心孔;D. 以修整的两中心孔作为半精车和磨削的 定位精基准,满足了互为基准的原则。③ 制订机械加工工艺过程 单件小批量生产机床某轴的工艺过程 工序:1 名称:准备 设备:锯床 工序内容: 45 圆钢下料 150 30 ? ? 工序:2 名称:粗车 设备:普通车床 工序内容: 1.粗车一面,钻中心孔; 2.粗车另一端面,至长 145,钻中心孔; 3.粗车一端外圆,分别至 36 5 . 22 ? ? , 42 5 . 18 ? ? ; 4.粗车另一端外圆至 5 . 26 ? 工序:3 名称:热处理 设备: 工序内容: 调质 HB235 工序:4 名称:半精车 设备:普通车床 工序内容: 1.精车 5 . 18 ? 端面,修整中心孔; 2.精车另一端面,至长 143, 钻 10 M 螺纹底孔 25 5 . 8 ? ? ,孔口倒角 ? 60 ; 3.半精车一端外圆至 1 . 0 0 4 . 24 ? ? ; 4.半精车另一端外圆至 1 . 0 0 4 . 16 ? ? , 1 36 4 . 20 1 . 0 0 ? ? ? ? ,并保证 66 4 . 24 1 . 0 0 ? ? ? ; 5.切槽至 5 . 0 2 ? 。 工序:5 名称:铣削 设备:立式铣床 工序内容: 按加工简图所注尺寸铣扁, 保证尺寸 22,并去毛刺。 工序:6 名称:钻孔 设备:立式铣床 工序内容: 按加工简图所注尺寸钻 10 ? 、 5 . 3 ? 深 3,二孔成形。 工序:7 名称:磨削 设备:外圆磨床 工序内容: 磨各外圆面成形,靠磨端面, 2 . 3 R a 。 工序:8 名称:钳工 设备: 工序内容: 攻 10 M 螺纹,去毛刺(切勿伤及表面) 。 工序:9 名称:检验 设备: 工序内容: 按图纸检验 6.2 盘类零件盘类零件主要由外圆面和内圆面组成,其特 征是径向尺寸大于轴向尺寸,如联轴节、法兰盘 等。6.2 盘类零件1)技术要求本零件的底板为80×80的正方形,它的周边不需 要加工,精度直接由铸造保证,底板上有四个均匀 分布的通孔Φ9,其作用是将法兰盘与其它零件相 连接,外圆面Φ60是与其它零件相配合的基孔制的 轴,内圆面Φ47是与其它零件相配合的基轴制的孔, 它们的Ra值均为3.2,本零件的精度要求较低,可 采用一般的加工工艺完成。6.2 盘类零件2)工艺分析 ① 毛坯选择:零件材料为HT100;② 工艺过程分析 :由于本零件精度要求较低,只要选 择好定位基准,则只须采用铸造→车削→画线钻孔→ 检验工艺路线;③ 定位基准的选择 A. 以Φ60的外圆面为粗基准,加工底板的的底平面;B. 以加工好的底平面和不需加工的侧面为精基准 (实际上是Φ60的轴线为精基准),以四爪卡盘和底平 面定位并夹紧,在一次安装中加工出所有车削的表面, 这样符合基准统一的原则;C. 以Φ60的外圆面的轴线为基准划线,找出孔4- Φ9、2-Φ2的中心位置,即可钻出上述小孔。3)制定单件小批生产法兰端盖的工艺过程 工序:1 名称:铸造 设备: 工序内容: 铸造毛坯, 尺寸如附图 所示;清理铸件。 工序:2 名称:车削 设备:普通车床 工序内容: 1.车 80 80 ? 底平面,保证总长 尺寸 26; 2.车 60 ? 端面,保证尺寸 0 5 . 0 23 ? ? ; 3.车 11 60 d ? 及 80 80 ? 底板的 上端面,保证尺寸 3 . 0 0 15 ? ; 4.钻 20 ? 通孔; 5.镗 20 ? 孔,至 5 . 0 0 22 ? ? ; 6.镗 5 . 0 0 22 ? ? 至 5 . 0 0 40 ? ? , 保证尺寸 3; 7. 镗 5 . 0 0 40 ? ? , 保 证 24 . 0 0 5 . 15 ; 8.倒角 ? 45 1 ? 。 工序:3 名称:钳工 设备:平台 工序内容: 按图纸要求划 9 4 ? ? 及 2 2 ? ? 孔的加工线。 工序:4 名称:钻孔 设备:立式钻床 工序内容: 根据划线找正安装,钻 9 4 ? ? 及 2 2 ? ? 。 工序:5 名称:检验 设备: 工序内容: 按图纸要求,检测零件 6.3 典型的箱体零件床头箱箱体零件的结构特点是薄壁、中空、 形状复杂,在它里面装入由齿轮、轴、轴承和拨 叉等零件,装配后,要保持各零件间正确的相互 位置,保证部件正常运转。因此,箱体零件主要 是承受压应力,工作时要求减振、耐磨,因而选 用灰口铸铁制造。 第五章 零件的结构工艺性 返回索引? 零件结构的工艺性是指这种结构的零件 加工的难易程度。 ? 零件具有使用性和工艺性两种性质。 ? 评价零件设计好坏不应偏重使用性。 ? 工艺性的好坏是相对的。随着科学技术 的进步,原来认为工艺性差的零件可能 不再难于加工。例:1.1机械零件的切削加工结构工艺性切削加工是零件获得所需结构形状、尺寸精度 和表面质量的主要途径。通常切削加工所耗费的工 时和费用是最高的。因此零件的切削加工结构工艺 性设计就显得尤为重要。为了使零件有较好的切削加工结构工艺性,在 结构设计时应考虑以下几点原则:1.应尽量采用标准化参数;2.零件的结构要素应尽量统一;3.应考虑到零件的方便装夹;4.通孔比不通孔好、外表面比内表面好加工、1.1机械零件的切削加工结构工艺性平面比台阶面好、直孔比斜孔好加工、刚性好的好 加工;5.尽可能使需精密加工的面少,使要加工的表面积 少;6.为了方便零件的加工,可以考虑零件的合理拆分 和组合;7.在满足使用要求的基础上,尽量降低零件的加工 精度和表面质量要求;8.零件的结构应与先进加工方法相适应.1.1结构工艺性的一般原则 a.便于安装和加工,即便于定位和可靠的夹紧。左图中的设计方案中,上表面需要加工,加工时 必须安装在工作台上,由于底部是斜面而装夹不稳。1.1.1 斜面钻孔 ? 斜面钻孔引起钻头偏斜或折断。1.1.2 T型槽结构改进 ? b.便于加工和测量。 ? T形槽设计要考虑刀具的 进入和退出。1.1.3钻孔空间 ? 考虑钻孔时的加工 状况。钻夹头与工 件不发生碰撞。1.1.4弯曲的孔 避免弯曲的孔。1.1.5 尺寸要素的统一 ? 尽量做到刀具规格统一,减少换刀,提 高效率1.1.6 退刀槽 ? 方便刀具退出。攻丝不能 直到孔底 ? 盲孔形状 1.2 有利于保证相互位置精度 ? 图a必须两次加工,图b则可以一次加工出 来,有利与保证位置精度要求1.3 减少加工量 ? 图左的结构加工面较大,改为图右的 结构则可以减少加工量,使加工时间 缩短,降低成本、提高效率1.4 简化零件结构 ? 图a形状复杂,加工费时,图b形状简单, 有利于减少成本。指出下图中结构工艺性问题 ? 并请加以改正复习思考题 1. 设计零件时,考虑零件结构工艺性的一般原则有 哪几项? 2. 为什么要尽量减少加工时的安装次数? 3. 为什么孔的轴线应尽量与其端面垂直? 4. 为什么零件上同类结构要素要尽量统一? 5. 既然一台机器的零件数量越少越好,为什么还要 采用组合件? 6. 从切削加工的结构工艺性考虑,试改进下图所示 零件的结构。 第八章 零件表面的加工方案 第八章 零件表面的加工方案 第六章 数控加工技术 返回索引1.数控技术概述 ? 1.1 数控技术的基本概念 – 数字控制(Numerical Control Technology, NC)是一 种借助数字化信息(数字、字符)对某一工作过程(如加 工、测量、装配等)发出指令并实现自动控制的技术。 – 数控系统(Numerical Control System)采用数字控制技 术的自动控制系统。 – 数控机床(Numerical Control Machine Tools) 是采用数 字控制技术对机床的加工过程进行自动控制的一类机床。 数控机床是一种装有程序控制系统(数控系统)的高效自 动化机床。是数控技术典型应用的例子。1. 2 数控机床的产 生与发展2.制造业的发展需求产品日趋精密、复杂,改型频繁,提出高性能、高精度和 高自动化要求 一.产生背景 1.传统机床的不足 ?人工操作,劳动强度大,难以提高生产效率 ?人为误差,难以保证质量 ?难以加工复杂形状的零件 ?不利于生产管理现代化1.国外1930年,数控专利1948年,数控机床生产的萌芽1952年,第一台数控铣床1958年,第一台加工中心1968年,柔性制造系统1974年,采用微处理器1990年,采用基于工业PC的计算机数控系统 2.国内1958年,第一台数控铣床1975年,第一台加工中心20世纪90年代末,华中数控自主开发出基于 PC-NC的HNC数控系统 二.产生与发展历程 1. 2 数控机床的产 生与发展1.2 数控机床的 产生与 发展 第五代:微处理器数控(1974年) 第四代:小型机数控(1967年) 第三代:集成电路式(1965年) 第二代:晶体管分立元件式(1959年) 第一代:电子管、继电器式(1952年) 硬、软件数控 软件数控 ? ? ? t ? ? ? y ü t y ü 硬件数控 ? t ? y ü 3.数控系统的产生和发展 4.知名数控系统 日本FANUC 德国西门子SIEMENS 日本三菱MITSUBISHI 日本山崎马扎克(MAZAK) 西班牙发格(FAGOR) 华中数控系统 广州数控系统 国内知名: 1.2 数控机床的 产生与 发展 1.数控系统的发展趋势 ? 1) 高 速高精度 ? 2) 智 能化 ? (1 ) 应用自适应控制技术 ? (2 ) 自动编程技术 ? (3 ) 具有故障自动诊断功能 ? (4 ) 应用模式识别技术 ? 3) 开 放式数控系 统 三. 数控机床的发展趋势1.2 数控机床的 产生与 发展 4 ) 基 于网络的数 控系统(1)数控系统内部的CNC装置与数字伺服间的 通信,主要通 过SERCOS链式网络传送数字伺服控制信息;(2)数控系统与上级主计算机间的通信;(3)与车间现场设备及I/O装置的通信,主要通过现场总线, 如PROFIBUS等进行通讯;(4)通过因特网与服务中心的通信,传递维修数据;(5)通过因特网与另一个工厂交换制造数据。1.2 数控机床的 产生与 发展 2. 数控机床的发展趋势 l 运行高速 化 l 加工高精 化 l 功能复合 化 l 控制智能 化 l 体系开放 化 l 交互网络 化1.3 数控机床的工作过程数控机床仍采用刀具和磨具对材料进行切削加工,这点 在本质上和普通机床并无区别。但在如何控制切削运动等方 面则与传统切削加工存在本质上的差别,如下图。 零件图 编制工艺卡 工人操作机床 编制程序 零件图 键盘输入 加工运动 数控装置 伺服装置 加工运动 检测 ( a)普通机床加工 ( b )数控机床加工 信息反馈数控车床的结构 控制面板 显示器 滚珠丝杆 刀 架 主 轴1.4 数控加工技术的特点(1)生产效率高,由于加工过程是自动进行的,且机床能自 动换刀、自动不停车变速和快速空行程等功能,使加工时 间大大减少(2)能稳定地获得高精度,数控加工时人工干预减少,可以 避免人为误差,且机床重复精度高(3)由于机床自动化程度大大提高,减轻了工人劳动强度, 改善了劳动条件(4)加工能力提高,应用数控机床可以很准确的加工出曲线、 曲面、圆弧等形状非常复杂的零件,因此,可以通过编写 复杂的程序来实现加工常规方法难以加工的零件1.5 数控系统的组成 ? 现代数控机床一般由数控装置(NC unit)、伺服系统 (servo system)、位置测量与反馈系统(feedback system)、辅助控制单元(accessory control unit) 和机床主机(main engine)组成,下图是各组成部分 的逻辑结构简图: 数控装置是数控机床的核心,能完成信息的输入、存储、 变换、插补运算以及实现各种功能;伺服系统是接受数控装置的指令,驱动机床执行机构运 动的驱动部件,它包括主轴驱动单元(主要是速度控制)、 进给驱动单元(主要有速度控制和位置控制)、主轴电机和 进给电机等。位置测量与反馈系统由检测元件和相应电路组成,其作 用是检测速度与位移,并将信息反馈给数控装置,形成闭环 控制;但不一定每种数控机床都装备位置测量与反馈系统 (图中虚线部分表示该模块不是基本配置),没有测量与反 馈系统的数控装置称开环控制系统(如运动简单的中低档数 控车床),常用的测量元件有脉冲编码器、旋转变压器、感 应同步器、光栅尺等。辅助控制单元用以控制机床的各种辅助动作,包括:冷 却泵的启停等各种辅助操作。机床主机包括床身、主轴、进给机构等机械部件。 滚珠丝杠螺母机构,在丝杠1 和螺母4上各加工有圆弧,当螺母 4旋转时,丝杠1的旋转面经滚珠2 推动螺母4轴向移动,同时滚珠2 沿螺旋形滚道滚动,使丝杠1和螺 母4之间的滑动摩擦转为滚珠与丝 杠1、螺母4之间的滚动摩擦。螺 母螺旋槽的两端用回珠管3连接起 来,使滚珠2能够从一端重新回到 另一端,构成一个闭合的循环回 路。各类中小型数控机床普遍采用 滚珠丝杠。 1.6 数控机床主机中的传动机构为了适应数控机床加工范围广,工艺适应性强和自动 化程度高的特点,要求主传动装置具有很宽的变速范围,并 能无级变速,随着全数字化交流调速技术的日趋完善,齿轮 分级变速传动在逐渐减少,大多数数控机床采用电动机直接 驱动主轴的结构。数控机床的进给传动装置,灵敏度和稳定性,将直接影 响到工件的加工质量,因此常采用不同于普通机床的进给机 构,例如采用线性导轨、塑料导轨或静压导轨代替普通滑动 导轨,用滚珠丝杠螺母机构代替普通的滑动丝杠螺母机构, 以及采用可以消除间隙的齿轮传动副和可以消除间隙的键连 接等 数控加工过程所需的各种操作(如主轴变速、 松夹工件、进刀与退刀、开车与停车、选择刀具、供 给冷却液等)和步骤以及与工件之间的相对位移等都 用数字化的代码表示,并按工艺先后顺序组织成“NC 程序”, 数控机床之所以能够加工一些几何形状复杂的零 件,就是因为数控机床的坐标轴能够联动,编程人员 在编写NC程序时,使用规定的NC代码体系,只给出联 动轴的起终点坐标及插补速度等的代码,而完成联动 轴在起终点间的运动过程参数要由NC自动求出。 2. 数控加工原理? 插补原理:插补是在已知曲线的起终点之间,确定一 些中间点坐标的一种计算方法,机械零件大部 分由直线和圆弧组成,因此NC都具有直线和圆 弧的插补功能。 ? 零件程序中提供了直线的起点和终点坐标,圆 弧的起点坐标以及圆弧走向(顺时针或逆时针) 或圆心相对于起点的偏移量或圆弧半径。插补 的任务,是根据偏程进给速度的要求,完成从 轮廓起点到终点的中间点坐标值的计算。? 如图所示,刀具由O至A,直线OA是其理论轨迹。 如何确定控制轴X、Z的走向呢? ? 用逐点比较法:每走一步与理论轨迹比较一下, 从而确定下一步的走向。 ? 起点坐标(0,0),终点坐标(Xe,Ze) ? 于是直线OA的方程为:X/Z=Xe/Ze; ? 即:ZXe-XZe=0; ? ① 若点(X,Z)在直线上方,则:ZXe-XZe>0; ? ② 若点(X,Z)在直线下方,则:ZXe-XZe0时,NC发出移动微指令,使控 制轴向+X方向移动一个步长; ?当F<0时,NC发出移动微指令,使控 制轴向+Z方向移动一个步长; ?当F=0时,可以规定NC使控制轴向+X 或+Z方向移动一个步长 这样可以不断地趋向终点,图中,带 箭头的折线轨迹是机床实际运动的插 补轨迹,直线OA是理论轨迹,由于插 补运算所取的步长很小,所以可以近 似地认为插补轨迹就是直线OA的理论 轨迹。 ? 刀具补偿原理:是指NC对编程 时零件轮廓轨迹与刀具实际运 行轨迹差值进行补偿的功能。 ? 如右图所示:用一个半径为R的 刀具加工图中的实线表示的工 件,刀具运行的实际中心轨迹 应为图中的虚线所示,于是刀 具离开工件的这一个距离就是 偏置(二者之间相差一个刀具 半径R),偏置量(offset value )是一个二维的矢量,可 正可负 ? 同理:在刀具长度方向上,每种刀具 长度不一致,也是采用同样的方法进 行补偿,称刀具长度补偿。 ? 刀 具 补 偿 又 可 以 分 为 形 状 补 偿 (geometry offset)和磨损补偿(wear offset),运行程序前的刀具标称半 径或长度是形状补偿量,在加工过程 中,刀具由于磨损的作用发生细微的 尺寸变化,这时,将磨损量输入到磨 损补偿号中,可以不必改动形状补偿 号。方便操作。3. 数控加工编程基础 3.1 机 床 坐 标 系 3.1.1 机床坐标系和主运动方向 1.标准坐标系的规定对数控机床中的坐标系和运动方向的命名,ISO标准和我 国JB3052—82部颁标准都统一规定采用标准的右手笛卡儿直 角坐标系,一个直线进给运动或一个圆周进给运动定义一个 坐标轴。 标准中规定直线进给运动用右手直角笛卡儿坐标系X、Y、 Z表示,常称基本坐标系。X、Y、Z坐标轴的相互关系用右手定 则决定。如图3-1所示,图中大拇指的指向为X轴的正方向, 食指指向为Y轴的正方向,中指指向为Z轴的正方向。围绕X、Y、 Z轴旋转的圆周进给坐标轴分别用A、B、C表示。根据右手螺旋 法则,可以方便地确定A、B、C三个旋转坐标轴。以大拇指指 向+X、+Y、+Z方向,则食指、中指等的指向是圆周进给运 动+A、+B、+C方向。 +Y +Z +X +Z +C +Y′ +A +X +Z′ +B +Y +X′ +X、+Y或+Z +A、+B 或+C 图3-1 右手直角笛卡儿坐标系 如果数控机床的运动多于X、Y、Z三个坐 标,则可用附加坐标轴U、V、W分别表示平行 于X、Y、Z三个坐标轴的第二组直线运动;如 果在回转运动A、B、C外还有第二组回转运动, 可分别指定为D、E、F。然而,大部分数控机 床加工的动作只需三个直线坐标轴及一个旋转 轴便可完成大部分零件的数控加工。2.运动方向的确定数控机床的进给运动,有的是由刀具向工件运动来实 现的,有的是由工作台带着工件向刀具来实现的。为了在 不知道刀具、工件之间如何作相对运动的情况下,便于确 定机床的进给操作和编程,统一规定标准坐标系X、Y、Z 作为刀具(相对于工件)运动的坐标系,增大刀具与工件距 离的方向为坐标正方向,即坐标系的正方向都是假定工件 静止、刀具相对于工件运动来确定的。考虑到刀具与工件 是一对相对运动,即刀具向某一方向运动等同于工件向其 相反方向运动的特点,图3-1中虚线所示的+X'、+Y'、 +Z'必然是工件(相对于刀具)正向运动的坐标系。3.坐标轴的确定(1) Z轴的确定。统一规定与机床主轴重合或平行的 坐标为Z轴,远离工件的方向为正方向。机床主轴是传递 切削动转矩的轴。如数控车床、数控外圆磨床是主轴带 动工件旋转,数控铣床、数控钻床等是主轴带动刀具旋 转。对于没有主轴的机床,规定垂直于工件装夹表面的 方向为Z坐标轴的方向,正向是使刀具离开工件的方向。 (2) X轴的确定。X轴为水平的、平行于工件装夹 面的轴。对于加工过程中主轴带动工件旋转的机床,如数 控车床、数控磨床等,X轴沿工件的径向并平行于横向 拖板,刀具或砂轮离开工件旋转中心的方向为X轴的正 向。对于如铣床、钻床、镗床等刀具旋转的机床,若Z 轴水平(主轴是卧式的),当从主轴(刀具)向工件看时, X轴的正向指向右边,如数控卧式镗床、铣床;若Z轴 垂直(主轴是立式的),对于单立柱机床,当从主轴向 立柱看时,X轴的正向指向右边,对于双立柱机床,当 从主轴向左侧立柱看时,X轴的正向指向右边。 (3) Y轴的确 定。根据X、Z轴及 其方向,可按右手 直角笛卡儿坐标系, 利用右手螺旋法则 确定轴。根据X、Y、Z轴 及其方向,利用右 手螺旋法则即可确 定A、B、C的方向。 一些数控机床的坐 标系如图3-2所示。 (b) (a) +Y (c ) +X +Z +Y O +W +V +Y +A +X′ (d) +Z +X + C′ +Z +Z +Y +Z +Y +X -X +X′ +Z +X +U +Y +Z +W +X′ +B′ +C +Z O O3.1.2 机床原 点和机床参 考点 1.机床原点机床原点是机床基本坐标系的原点,是工件坐标系、机床 参考点的基准点,又称机械原点、机床零点,它是机床上的一 个固定点,其位置是由机床设计和制造单位确定的,通常不允 许用户改变,如图3-3所示。数控车床的机床原点一般在卡盘 前端面或后端面的中心;数控铣床的机床原点,各生产厂不一 致,有的在机床工作台的中心,有的在进给行程的终点。工件原点 +Z 机床参考点 +X 机床原点 图3-3 数控机床的机床原点与参考点 2.机床参考点机床参考点是机床坐标系中一个固定不变的点,是机床各 运动部件在各自的正向自动退至极限的一个点(由限位开关精 密定位),如图3-3所示。机床参考点已由机床制造厂测定后输 入数控系统,并记录在机床说明书中,用户不得更改。实际上,机床参考点是机床上最具体的一个机械固定点, 既是运动部件返回时的一个固定点,又是各轴启动时的一个固 定点,而机床零点(机床原点)只是系统内运算的基准点,处于 机床何处无关紧要。机床参考点对机床原点的坐标是一个已知 定值,可以根据该点在机床坐标系中的坐标值间接确定机床原 点的位置。 在机床接通电源后,通常要做回零操作,使刀具或工作台 运动到机床参考点。注意,通常我们所说的回零操作,其实是 指机床返回参考点的操作,并非返回机床零点。当返回参考点 的工作完成后,显示器即显示出机床参考点在机床坐标系中的 坐标值,表明机床坐标系已经自动建立。机床在回参考点时所 显示的数值表示参考点与机床零点间的工作范围,该数值被记 忆在CNC系统中,并在系统中建立了机床零点作为系统内运算 的基准点。也有机床在返回参考点时,显示为零(X0,Y0,Z0), 这表示该机床零点被建立在参考点上。3.1.3 工件坐 标系和工件 原点工件坐标系是编程人员在编程时使用的,由编程人员以工 件图纸上的某一固定点为原点所建立的坐标系,编程尺寸都按 工件坐标系中的尺寸确定。为保证编程与机床加工的一致性, 工件坐标系也应该是右手笛卡儿坐标系,而且工件装夹到机床 上时,应使工件坐标系与机床坐标系的坐标轴方向保持一致。工件坐标系的原点称为工件原点或编程原点。工件原点在 工件上的位置可以任意选择,为了有利于编程,工件原点最好 选在工件图样的基准上或工件的对称中心上,例如回转体零件 的端面中心、非回转体零件的角边、对称图形的中心等。 在数控车床上加工零件时,工件原点一般设在主轴中心线 与工件右端面或左端面的交点处如图3-4(a)所示;在数控铣床 上加工零件时,工件原点一般设在工件的某个角上或对称中心 上,如图3-4(b)所示。 (a) 工件原点 +Z +X 机床原点 (b) +Z +Z′ +Y′ +Y 工件原点 X′ X 机床原点 图3-4 工件原点设置 (a) 数控车床;(b) 数控铣床 3.1.4 工 件坐标系和 机床坐标系的关 系编程时,尺寸都按工件坐标系中 的尺寸确定,不必考虑工件在机床上 的安装位置和安装精度,但在加工时 需要确定机床坐标系、工件坐标系、 刀具起点三者的位置才能加工。工件 装夹在机床上后,可通过对刀确定工 件在机床上的位置。所谓对刀,就是确定工件坐标系 与机床坐标系的相互位置关系。在加 工时,工件随夹具在机床上安装后, 测量工件原点与机床原点之间的距离, 这个距离称为工件原点偏置,如图3-5 所示。在用绝对坐标编程时,该偏置 值可以预存到数控装置中,在加工时 工件原点偏置值可以自动加到机床坐 标系上,使数控系统可按机床坐标系 确定加工时的坐标值。 工件坐标系 工件原点偏置 机床坐标系 Y Y X X 图3-5 机床坐标系与工件坐标系 对刀过程一般从各坐标方向分别进行,可理解为通过找正 刀具与一个在工件坐标系中有确定位置的点(即对刀点)来实现。 对刀点可以设在工件、夹具或机床上,但必须与工件的定位基 准(相当于工件坐标系)有已知的准确关系,这样才能确定工件 坐标系与机床坐标系的关系。选择对刀点的原则是:便于确定 工件坐标系与机床坐标系的相互位置,容易找正,加工过程中 便于检查,引起的加工误差小。当对刀精度要求较高时,对刀 点应尽量选在零件的设计基准或工艺基准上。 对刀时直接或间接地使对刀点与刀位点重合。所谓刀位点, 是指编制数控加工程序时用以确定刀具位置的基准点。对于平 头立铣刀、面铣刀类刀具,刀位点一般取为刀具轴线与刀具底 端面的交点;对球头铣刀,刀位点为球心;对于车刀、镗刀类 刀具,刀位点为刀尖;钻头取为钻尖等,如图3-6(a)~(d)所 示。刀具起始运动的刀位点称为起刀点。 (a) (b) (c) (d) 图3-6 刀位点 (a) 平头铣刀;(b) 钻头;(c) 球头铣刀;(d) 车刀、镗刀 数控系统从对刀点开始控制刀位点运动,并由刀具切削部 分加工出要求的零件轮廓,如用球头刀加工三坐标立体型面的 零件时,数控系统控制球头刀球心轨迹,而由外圆切削刃加工 出零件轮廓。对数控车床、加工中心等数控机床,如加工过程中要换刀, 在编程时应考虑选择合适的换刀位置,为了防止换刀时刀具碰 伤工件,换刀点必须设在零件的外部。3.1.5 相对坐标与绝对坐标表示法 ? 其中A点(10,10)用绝对坐标指令表示为X10 Z10; B点(25,30)用绝对坐标指令表示为 X25 Z30; B点用相对坐标指令表示为U15 W20 相对坐标与绝对坐标表示法 3.1.6 直径指定与半径指定 ? 数控车床系统的X轴方向的指令值,X轴方向是 零件的半径或直径方向,在工程图纸中,通常 标注的是轴类零件的直径,如果按照数控车的 工件原点,X轴的指令值应是工件的半径,这 样在编程时会造成很多直径值转化为半径值的 计算,给编程造成很多不必要的麻烦,因此, 数控车的NC系统在设计时通常采用直径指定, 所谓直径指定即数控车的X轴的指令值按坐标 点在X轴截距的2倍,即表示的是工件的直径, 如X20,那么在数控车系统中表示的是X方向刀 具与工件原点的距离是10mm而不是20mm。3.2 数控加工程序格式 3.2.1 程序基 本格式 1.数控加工程序的结构一个完整的数控加工程序可分为程序号、程序段、程序结 束指令等几个部分。程序号又名程序名,置于程序开头,用作一个具体加工程 序存储、调用的标记。目前的计算机数控(CNC)机床,能将程 序存储在内存中,为了区别不同程序,在程序的最前端加上程 序号码以区分,以便进行程序检索。程序号码以地址O、P、% 以及1~9999范围内的任意数字组成,通常FANUC系统用“O”, SINUMERIC系统用“%”作为程序号的地址码。编程时要根据 说明书的规定作指令,否则系统是不会执行的。
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