数控机床与加工工艺教案

《数控机床与加工工艺》
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课题一：数控加工工艺概述（一）（时间二课时）
标题：数控加工工艺概念
一、教学目的：
明确数控加工中加工工艺的作用，以及制定加工工艺的优劣对数控加工的重大影响，理解数控加工工艺的概念，掌握数控加工工艺的主要内容。

二、教学安排：
（一）旧课复习内容：
普通加工工艺的内容与过程
（二）新课教学知识点与重点、难点：
1.1 数控加工与数控工艺
1.1.1 数控加工过程
数控加工的概念（理解）（中数控车、铣考证要求知识点）
数控加工的基本原理（理解）（中数控车、铣考证要求知识点）
1.1.2 数控加工工艺概念与工艺过程
数控加工工艺的概念（掌握）
数控加工工艺过程的概念（理解）
1.2 数控加工工艺的主要内容
数控加工工艺设计的主要内容（重点掌握）（中级数控车、铣考证要求知识点）工艺设计的优劣对数控加工的影响（理解）
（三）新课内容：
1.1 数控加工与数控工艺
1.1.1 数控加工过程
数控加工的概念
数控加工就是根据零件图样及工艺要求等原始条件，编制零件数控加工程序，并输入到数控机床的数控系统，以控制数控机床中刀具与工件的相对运动，从而完成零件的加工。

数控加工的基本原理与加工过程
虽然数控加工与传统的机械加工相比，在加工的方法和内容上有许多相似之处，但由于采用了数字化的控制形式和数控机床，许多传统加工过程中的人工操作被计算机和数控系统的自动控制所取代。

数控加工过程如图1-1所示，其具体步骤为：
第一步：
图1-1 数控加工过程
首先阅读零件图纸，充分了解图纸的技术要求，如尺寸精度、形位公差、表面粗糙度、工件的材料、硬度、加工性能以及工件数量等；
第二步：根据零件图纸的要求进行工艺分析，其中包括零件的结构工艺性分析、材料和设计精度合理性分析、大致工艺步骤等；
第三步：根据工艺分析制定出加工所需要的一切工艺信息——如：加工工艺路线、工艺要求、刀具的运动轨迹、位移量、切削用量（主轴转速、进给量、吃刀深度）以及辅助功能（换刀、主轴正转或反转、切削液开或关）等，并填写加工工序卡和工艺过程卡；
第四步：根据零件图和制定的工艺内容，再按照所用数控系统规定的指令代码及程序格式进行数控编程；
第五步：将编写好的程序通过传输接口，输入到数控机床的数控装置中。

调整好机床并调用该程序后，就可以加工出符合图纸要求的零件。

从数控加工过程可以看出，工艺分析和制定加工工艺在数控加工中起到了关键的作用，直接决定了数控加工的好坏与成败。

1.1.2 数控加工工艺概念与工艺过程
数控加工工艺的概念
数控加工工艺是采用数控机床加工零件时所运用各种方法和技术手段的总和，应用于整个数控加工工艺过程。

数控加工工艺是伴随着数控机床的产生、发展而逐步完善起来的一种应用技术，它是人们大量数控加工实践的经验总结。

数控加工工艺过程的概念
数控加工工艺过程是利用切削刀具在数控机床上直接改变加工对象的形状、尺寸、表面位置、表面状态等，使其成为成品或半成品的过程。

1.2 数控加工工艺的主要内容
数控加工工艺设计的主要内容
数控加工中进行数控加工工艺设计的主要内容包括以下：
1、选择并确定进行数控加工的内容；
2、对零件图纸进行数控加工的工艺分析；
3、零件图形的数学处理及编程尺寸设定值的确定；
4、数控加工工艺方案的制定；
5、工步、进给路线的确定；
6、选择数控机床的类型；
7、刀具、夹具、量具的选择和设计；
8、切削参数的确定；
9、加工程序的编写、校验和修改；
10、首件试加工与现场问题处理；
11、数控加工工艺技术文件的定型与归档。

工艺设计的优劣对数控加工的影响
工艺设计的好坏对数控加工有重大的影响
例一：车削工件加工的先后顺序对工件加工精度的影响
例二：铣削工件选择的刀具走刀路经对工件加工精度的影响
（四）新课小结：
1、数控加工工艺是采用数控机床加工零件时所运用各种方法和技术手段的总和，它包含了确定数控加工内容；进行工艺分析和零件图形的数学处理；制定工艺方案；选择数控机床的类型；确定工步和进给路线；选择或设计刀具、夹具和量具；确定切削参数；编写、校验和修改加工程序；编写加工工艺技术文件等方面内容。

2、工艺设计的好坏直接影响了数控加工的尺寸精度和表面精度、加工时间的长短、材料和人工的耗费，甚至直接影响了加工的安全性。

所以要切实掌握好数控加工工艺的内容和制定数控加工工艺的方法。

四、作业：
1、数控加工的过程如何？
2、数控加工工艺的概念是什么？它在数控加工中起到什么样的作用？
3、进行数控加工工艺设计的主要内容有哪些？
4、工艺设计的好坏对数控加工具有哪些影响？
课题二：数控加工工艺概述（二）
标题：数控加工与工艺技术的新发展
一、教学目的：
明确数控加工中加工工艺的作用和特点，了解目前国旧课复习内容：
1、数控加工工艺过程的概念
２、数控加工工艺设计的主要内容
（二）新课教学知识点与重点、难点：
1.3 数控加工工艺的特点
数控加工工艺与普通加工工艺的区别及特点（理解）（难点）（中级数控车、铣考证要求知识点）
1.4 数控加工与工艺技术的新发展（了解）
高速切削
高精加工
（三）新课内容：
1.3 数控加工工艺的特点
数控加工工艺与普通加工工艺的区别及特点
由于数控加工采用了计算机控制系统和数控机床，使得数控加工具有加工自动化程度高、精度高、质量稳定、生成效率高、周期短、设备使用费用高等特点。

在数控加工工艺上也与普通加工工艺具有一定的差异。

1、数控加工工艺内容要求更加具体、详细
普通加工工艺：许多具体工艺问题，如工步的划分与安排、刀具的几何形状与尺寸、走刀路线、加工余量、切削用量等，在很大程度上由操作人员根据实际经验和习惯自行考虑和决定，一般无须工艺人员在设计工艺规程时进行过多的规定，零件的尺寸精度也可由试切保证。

数控加工工艺：所有工艺问题必须事先设计和安排好，并编入加工程序中。

数控工艺不仅包括详细的切削加工步骤，还包括工夹具型号、规格、切削用量和其它特殊要求的内容，以及标有数控加工坐标位置的工序图等。

在自动编程中更需要确定详细的各种工艺参数。

2、数控加工工艺要求更严密、精确
普通加工工艺：加工时可以根据加工过程中出现的问题比较自由地进行人为调
整。

数控加工工艺：自适应性较差，加工过程中可能遇到的所有问题必须事先精心考虑，否则导致严重的后果。

如：（1）攻螺纹时，数控机床不知道孔中是否已挤满切屑，是否需要退刀清理一下切屑再继续加工。

（2）普通机床加工可以多次“试切”来满足零件的精度要求，数控加工过程严格按规定尺寸进给，要求准确无误。

因此，数控加工工艺设计要求更加严密、精确。

3、制定数控加工工艺要进行零件图形的数学处理和编程尺寸设定值的计算
编程尺寸并不是零件图上设计的尺寸的简单再现，在对零件图进行数学处理和计算时，编程尺寸设定值要根据零件尺寸公差要求和零件的形状几何关系重新调整计算，才能确定合理的编程尺寸。

4、考虑进给速度对零件形状精度的影响
制定数控加工工艺时，选择切削用量要考虑进给速度对加工零件形状精度的影响。

在数控加工中，刀具的移动轨迹是由插补运算完成的。

根据差补原理分析，在数控系统已定的条件下，进给速
度越快，则插补精度越低，导致工件的轮廓形状精度越差。

尤其在高精度加工时这种影响非常明显。

5、强调刀具选择的重要性
复杂形面的加工编程通常采用自动编程方式，自动编程中必须先选定刀具再生成刀具中心运动轨迹，因此对于不具有刀具补偿功能的数控机床来说，若刀具预先选择不当，所编程序只能推倒重来。

6、数控加工工艺的特殊要求
（1）由于数控机床比普通机床的刚度高，所配的刀具也较好，因此在同等情况下，数控机床切削用量比普通机床大，加工效率也较高。

（2）数控机床的功能复合化程度越来越高，因此现代数控加工工艺的明显特点是工序相对集中，表现为工序数目少，工序内容多，并且由于在数控机床上尽可能安排较复杂的工序，所以数控加工的工序内容比普通机床加工的工序内容复杂。

（3）由于数控机床加工的零件比较复杂，因此在确定装夹方式和夹具设计时，要特别注意刀具与夹具、工件的干涉问题。

7、数控加工程序的编写、校验与修改是数控加工工艺的一项特殊内容
普通工艺中，划分工序、选择设备等重要内容对数控加工工艺来说属于已基本确定的内容，所以制定数控加工工艺的着重点在整个数控加工过程的分析，关键在确定进给路线及生成刀具运动轨迹。

复杂表面的刀具运动轨迹生成需借助自动编程软件，既是编程问题，当然也是数控加工工艺问题。

这也是数控加工工艺与普通加工工艺最大的不同之处。

1.4 数控加工与工艺技术的新发展
随着计算机技术突飞猛进的发展，数控技术正不断采用计算机、控制理论等领域的最新技术成就，使其朝着高速化、高精化、复合化、智能化、高柔性化及信息网络化等方向发展。

整体数控加工技术向着CIMS（计算机集成制造系统）方向发展。

高速切削
受高生产率的驱使，高速化已是现代机床技术发展的重要方向之一。

主要表现在：
1、数控机床主轴高转速
作用：主轴高转速减少了切削力，也减少了切削深度，有利于克服机床振动，排屑率大大提高，热量被切屑带走，故传入零件中的热量减低，热变形大大减小，提高了加工精度，也改善了加工面粗糙度。

因此，经过高速加工的工件一般不需要精加工。

提高主轴转速的手段：采用电主轴（内装式主轴电动机），即主轴电动机的转子轴就是主轴部件，从而可将主轴转速大大提高。

日本的超高速数控立式铣床：主轴最高转速达100,000r/min
2、工作台高快速移动和高进给速度
当今知名数控系统的进给率都有了大幅度的提高。

目前的最高水平是
分辨率为1μm时：最大快速进给速度可达240m/min；
当程序段设定进给长度大于1mm时：最大进给速度达80m/min
（并且具有1.5g的加减速率）。

高精加工
高精加工是高速加工技术与数控机床的广泛应用结果。

以前汽车零件的加工精度要求在0.01mm数量级，现在随着计算机硬盘、高精度液压轴承等精密零件的增多，精整加工所需精度已提高到0.1μm ，加工精度进入了亚微米世界。

提高数控设备加工精度的方法：
（1）提高机械设备的制造精度和装配精度
（2）减小数控系统的控制误差
提高数控系统的分辨率
以微小程序段实现连续进给
使CNC控制单位精细化
提高位置检测精度，
位置伺服系统采用前馈控制与非线性控制
（3）采用补偿技术：齿隙补偿、丝杆螺距误差补偿、刀具误差补偿、热变形误差补偿、空间误差综合补偿等技术。

（四）、新课小结：
1、由于数控加工采用了计算机控制系统和数控机床，使得数控加工具有加工自动化程度高、精度高、质量稳定、生成效率高、周期短、设备使用费用高等特点。

2、随着计算机技术突飞猛进的发展，数控技术正不断采用计算机、控制理论等领域的最新技术成就，使其朝着高速化、高精化、复合化、智能化、高柔性化及信息网络化等方向发展。

五、作业：
1、数控加工工艺与普通加工工艺的区别在哪里，其特点是什么？
2、数控加工与工艺技术有哪些新发展动向？
3、实现高速切削有何优越性？如何实现数控机床主轴的高转速？
4、可以采用哪些方法实现高精加工？
课题三：数控刀具与应用（一）
标题：数控刀具概述
一、教学目的：
介绍并让学说懂得数控刀具的种类、要求与特点，数控刀具的材料、失效形式和可靠度分析，为选用刀具作好知识的准备。

二、教学安排：
（二）旧课复习内容：
1、数控加工的概念
２、数控加工工艺过程
（二）新课教学知识点与重点、难点：
2.1 数控刀具的类型与特点
数控刀具的分类（了解）
数控刀具的要求与特点（掌握）（中级数控车铣考证要求知识点）
2.2 数控刀具的材料
数控刀具的材料（了解）
2.3 数控刀具的失效形式及可靠性
数控刀具的失效形式、影响与对策（掌握）（中级数控车铣考证要求知识点）数控刀具的可靠度（了解）
（三）新课内容：
2.1 数控刀具的类型与特点
数控刀具的种类
（介绍、了解数控刀具的种类，以便选择先进、合适的数控刀具）（准备各式刀具）
１、从结构上可分为：整体式，镶嵌式，内冷式，减振式，机夹可转位刀具等。

２、从加工工艺上可分为：车刀，钻刀（钻头），镗刀，铣刀。

３、数控“刀具”的发展趋势：由整体式工具系统向模块式工具系统发展。

有利于提高劳动生产率，提高加工效率，提高产品质量。

数控刀具的要求与特点
（让学生懂得数控刀具为什么要具备下述条件和特点，这是选择和评价刀具的依据）
１、要有很高的切削效率。

提高切削速度致关重要，硬质合金刀具切削速度可达500—600m/min,陶瓷刀具可达800—1000m/min
２、要有很高的精度和重复定位精度，一般3—5µ或者更高。

３、要有很高的可靠性和耐用度，是选择刀具的关键指标,
４、实现刀具尺寸的预调和快速换刀，缩短辅助时间提高加工效率
５、具有完善的模块式工具系统，储存必要的刀具以适应多品种零件的生产６、建立完备的刀具管理系统，以便可靠、高效、有序的管理刀具系统
７、要有在线监控及尺寸补偿系统，监控加工过程中刀具的状态，提高加工可靠度。

2.2 数控刀具的材料
数控刀具的材料
（主要介绍材料的宏观力学性能，为选择刀具作知识准备）
（学习刀具材料掌握其性能，以便依据工件材料、加工要求和机床等加工条件，选用先进、合适的刀具）
１、高速钢（High speed steel）,分W系和Mo系两大类，具有回火二次硬化功能高于淬火硬度又具有较好的韧度，比普通工具钢耐磨、比硬质合金韧性高。

２、硬质合金（Cemented carbide）,分钨钴类（WC）、钨钛钴类（ＷC—TiC）、钨钛钽（铌）钴类（WC
－TiC－TaC），按ISO标准分为
（１）Ｋ类，即国标YG，适合加工短切屑黑色金属（铸铁）和有色金属及非金属。

（２）Ｐ类，即国标YT，适合加工长切屑黑色金属（塑性好的材料低碳钢）（３）Ｍ类，即国标YW，综合性能好，既可加工铸铁又可加工钢材及有色金属３、陶瓷（Ceramics），分为两大类，纯氧化铝类（白色陶瓷）和TiC添加类（黑色陶瓷），陶瓷特耐高温，在2000度条件下，仍具有高的硬度，非常耐磨，但是，韧性很低，不能承受冲击，适用于精加工和高速切削
４、立方碳化硼（Cubic boron nitride ,CBN），是在高温、高压条件下人工合成的新型刀具材料，其性能与金刚石相似，能高速切削淬火钢和耐热钢，是高速切削的首选刀具材料。

５、聚晶金刚石（Polymerize crystal diamond,PCD）即人工合成的金刚石，是在高温、高压下合成的新型刀具材料，硬度极高，但是，与铁系材料有很强的亲和力，易使碳元素扩散而磨损，只适用于加工有色金属、非金属如陶瓷等极硬的材料。

2.3 数控刀具的失效形式及可靠性
控刀具失效形式、原因、影响与控制失效对策
（结合实际，讲述数控刀具的各种主要失效形式、分析其原因、产生的影响、以及控制失效的办法与对策）
（结合实际，讲述数控刀具的各种主要失效形式、分析其原因、产生的影响、以及控制失效的办法与对策）
刀具可靠性分析
1、刀具可靠性：在规定的切削条件和时间R（t）+F(t)=1
3、靠耐用度：tr是指刀具能达到规定的可靠度r时的耐用度即R(tr)=r 则tr=R¯¹(t)
多齿刀具可靠度Rｚ(t)=[R(t)]ｚ因一齿损坏则刀具损坏，因此可靠度比单齿低。

现行刀具的可靠度评价以长期生产经验为依据。

（四）、新课小结：
1、数控“刀具”的发展趋势：由整体式工具系统向模块式工具系统发展。

有利于提高劳动生产率，提高加工效率，提高产品质量。

2、数控刀具的要求与特点五、作业：
１、数控刀具的材料有那些？分别按硬度和韧性分析其性能。

２、分析刀具失效的主要形式及产生的原因和对策。

课题四：数控刀具与应用（二）
标题：数控刀具分析、选择与运用
一、教学目的：
介绍数控刀具特点与要求，选择刀具及刀具系统应考虑的因素，以实例说明选择刀具的过程，使学生学习和掌握依据加工环境正确选择和使用加工刀具的方法。

二、教学安排：
（三）旧课复习２）、刀片尺寸选择：有效切削韧长度、被吃刀量、主偏角等
３）、刀片形状选择：依据表面形状、切削方式、刀具寿命、转位次数等４）、刀片的刀尖半径选择：
Ａ、粗加工、工件直径大、要求刀刃强度高、机床刚度大时选大刀尖圆弧Ｂ、精加工、切深小、细长轴加工、机床刚度小选小刀尖圆弧
刀具系统（模块式工具系统）
１、组成；刀片（刀具）、刀杆（或柄体）、主轴或刀片（刀具）、工作头、连接杆、主柄、主轴所组成
２、数控铣削刀具的选择
１）、铣刀类型的选择：
Ａ、加工较大平面选择面铣刀，
Ｂ、加工凸台、凹槽、小平面立铣刀，
Ｃ、加工毛坯面和粗加工孔选择镶硬质合金玉米铣刀，
Ｄ、曲面加工选择球头铣刀，
Ｅ、加工空间曲面模具型腔与凸模表面选择模具铣刀，
Ｆ、加工封闭键槽选键槽铣刀，等等
２）、铣刀参数的选择
Ａ、面铣刀主要参数选择
a)、标准可转位面铣刀直径在Φ16－Φ630）：粗铣时直径选小的，精铣时铣刀直径选大的，b)、依据工件材料和刀具材料以及加工性质确定其几何参数：
铣削加工通常选前角小的铣刀，强度硬度高的材料选负前角，工件材料硬度不大选大后角、硬的选小后角，粗齿铣刀选小后角，细齿铣刀取大后角，铣刀的刃倾角通常在-５－-１５度，主偏角在４５－９０度
Ｂ、立铣刀主要参数选择
a)、刀具半径r应小于零件内轮廓最小曲率半径ρ
b)、零件的加工高度H≤（1/4－1/6）r
c)、不通孔或深槽选取l=H+(5~10)mm
d)、加工外形及通槽时选取l=H+rε+(5~10)mm
e)、加工肋时刀具直径为D=(5~10)b
f)、粗加工内轮廓面时，铣刀最大直径D
D=d+2[δsin(φ/2)-δ1]/[1-sin(φ/2)]
３、加工中心刀具的选择
加工中心刀具通常由刃具和刀柄两部分组成,刃具有面加工用的各种铣刀和孔加工用的各种钻头、扩孔钻、镗刀、铰刀及丝锥等，刀柄要满足机床主轴自动松开和夹紧定位，并能准确地安装各种刃具和适应换刀机械手的夹持等要求。

１）、对加工中心刀具的基本要求
Ａ、刀具应有较高的刚度
Ｂ、重复定位精度高
Ｃ、刀刃相对主轴的一个定位点的轴向和径向位置应能准确调整
２）、孔加工刀具的选择
Ａ、钻孔刀具及其选择
Ｂ、扩孔刀具及其选择
Ｃ、镗孔刀具及其选择，应特别重视刀杆的刚度
３）、刀具尺寸的确定
主要是刀具的长度和直径的选择，如加工孔依据其深度和孔径选择４、刀柄的选择
１）、依据被加工零件的工艺选择刀柄
２）、刀柄配备的数量：与被加工零件品种、规格、数量、难易程度、机床负荷有关
３）、正确选择刀柄柄部形式
４）、坚持选择加工效率高的刀柄
５）、综合考虑合理选用模块式和复合式刀柄
工具系统
１、工具系统发展趋势：向着柔性制造系统和模块化组合结构发展
２、车削类工具系统
３、镗铣类工具系统：分整体失和模块式工具系统
４、刀具管理系统：
１）、是柔性制造系统中一个很重要、技术难度很大的系统
２）、刀具管理系统的任务
３）、刀具管理系统的基本功能
原始资料、系统计划、硬件配置和软件系统等等。

（四）、新课小结：
1、数控刀具要求精度高、刚性好、装夹调整方便，切削性能强、耐用度高。

合理选用既能提高加工效率又能提高产品质量。

2、刀具选择应考虑的主要因素。

3、工具系统向着柔性制造系统和模块化组合结构发展。

五、作业：
１、选择面铣刀和立铣刀参数时应考虑那些因素？
２、选择加工中心刀柄时应注意什么？
３、刀具管理系统的任务和基本功能是什么？
课题五：工件在数控机床上的装夹（一）
标题：机床夹具概述
一、教学目的：
掌握夹具的分类、组成和作用，了解各典型夹具的结构和功能。

二、教学安排：
（一）旧课复习内容：
1、数控刀具的材料。

2、数控刀具的选择。

（二）新课教学知识点与重点、难点：
3.1 机床夹具概述
3.1.1 工件的安装
工件安装的内容、方法（掌握）（中级数控车铣考证要求知识点）；
3.1.2 夹具的分类（了解）
3.1.3夹具的组成和作用（掌握）
3.1.4 典型夹具介绍（掌握）（中级数控车铣考证要求知识点）；
（三）新课内容：
3.1 机床夹具概述
3.1.1 工件的安装
机床夹具是机床上用以装夹工件（和引导刀具）的一种装置。

其作用是将工件定位，以使工件获得相对的于机床和刀具的正确位置，并把工件可靠地夹紧。

工件安装的内容包括：
定位：使工件相对于机床及刀具处于正确的位置。

夹紧：工件定位后，将工件紧固，使工件在加工过程中不发生位置变化。

定位与夹紧的关系：是工件安装中两个有联系的过程，先定位后夹紧，
安装的方法：
1、用找正法安装：
1)方法：
a)把工件直接放在机床工作台上或放在四爪卡盘、机用虎钳等机床附件中，根据工件的一个或几个表面用划针或指示表找正工件准确位置后再进行夹紧；b)先按加工要求进行加工面位置的划线工序，然后再按划出的线痕进行找正实现装夹。

2)特点：
a)这类装夹方法劳动强度大、生产效率低、要求工人技术等级高；
b)定位精度较低，由于常常需要增加划线工序，所以增加了生产成本；
c)只需使用通用性很好的机床附件和工具，因此能适用于加工各种不同零件的各种表面，特别适合于单件、小批量生产。

2、用夹具装夹安装：
1)工件装在夹具上，不再进行找正，便能直接得到准确加工位置的装夹方式。

2)特点：避免了找正法划线定位而浪费的工时，还可以避免加工后的工件的加工误差分散范围扩大，夹装方便。

虎钳装夹
找正法与用夹具装夹工件的对比
设加工工件如上图所示
1、采用找正法装夹工件的步骤：
1)先进行划线，划出槽子的位置；
2)将工件放在立式铣床的工作台上，按划出的线痕进行找正，找正完成后用压板或虎钳夹紧工件。

3)根据槽子线痕位置调整铣刀相对工件的位置，调整好后才能开始加工。

4)加工中需先试切一段行程，测量尺寸，根据测量结果再调整铣刀的相对位置，直至达到要求为止。

5)每加工一个工件均重复上述步骤。

因此这种装夹方法不但费工费时，而且加工出一批工件的加工误差分散范围较大。

2、采用夹具装夹
采用夹具装夹方法，不需要进行划线就可把工件直接放入夹具中去。

工件的A 面支承在两支承板2上；B面支承在两齿纹顶支承钉3上；端面靠在支承钉4上，这样就确定了工件在夹具中的位置，然后旋紧螺母9通过压板8把工件夹紧，完。