数控加工工艺绪论课件

1、绪论制造业在国民经济中的地位、作用和发展概况 机械制造业是国民经济的基础产业，它为国民经济各部门的发展提供所需的机器、工具等机械装备。据统计，美国68%的社会财富来源于制造业，日本国民总产值的49%是由制造业提供的，中国的制造业在工业总产值中也占有40%的比例。可以说，没有发达的制造业就不可能有国家的真正繁荣和富强，机械制造业的发展规模和水平是反映国民经济实力和科学水平的重要标志之一。第一产业第三产业第二产业农林牧鱼业建筑业工业金融保险业等12个产业部门制造业电力、煤气和水的生产和供应业采掘业 制造业在产业部门分类中的位置压力加工油漆车身装配内部装饰驱动桥装配变速箱装配轮胎装配底盘装配 车身安

2、装 最后试验发动机装配发动机试验机械加工热处理锻造熔化造型浇铸压铸油漆机械加工自动线热处理汽车生产物流示意图 我国制造技术发展现状快速成型制造技术由起步迈向成熟，应用初具规模精密成形与加工技术水平大幅度提高，在汽车零部件、重大装备制造中获广泛应用计算机辅助设计（CAD）技术得到了普及，提高了企业设计和产品开发能力热加工工艺模拟优化技术取得重要进展，使材料热加工逐步由“技艺”走向“科学”激光加工在基础研究和技术开发方面有实质性进展，产业应用获得一定经济效益 我国制造业所取得的主要成就改革开放前工业运输冶炼军事民用独立自主自力更生12000吨自由锻造水压机30000吨模锻水压机辊宽2800毫米热轧

3、和冷轧铝板轧机辊宽700毫米二十辊极薄带钢轧机锻轧火车车轮和轮箍成套设备攀枝花钢铁公司成套设备葛洲坝工程转浆式水轮发电机组等“两弹一星”核动力潜艇歼击机主战坦克改革开放后引进、消化吸收、创新激光照排机北京正负电子对撞机数字程控交换机曙光、银河及神威高性能计算机秦山300兆核电站宝钢三期工程成套设备500千伏输变电成套设备300兆瓦和600兆瓦亚临火电发电机组石油加氢裂化和精制成套设备年产50万吨腈纶大型化工成套设备大露天矿成套设备年产12千万吨级不同开采工艺的露天矿采掘和年产500万吨级井下矿采掘成套设备6000米电驱动沙漠石油钻机港口大型设备大型高技术民用船舶新型铁路机车车辆猎豹轰炸机新舟6

4、0新一代支线客机外商累计在中国投资总额为5621亿美元中国企业累计对外直接投资为370亿美元19982004年2005年中国制造业500强的平均研发投入占这些企业主营业务收入的1.88%西方先进国家企业的研发投入占主营业务收入的8%-10%2005年资本少缺少资本带来的问题及其连锁反应，一直是困扰着中国制造业快速发展的主要瓶颈优质高效低耗工艺的普及率不足10%数控机床、精密设备不足5%90%以上高档数控机床、100%的光纤制造装备、85%的集成电路（IC）制造装备、80%的石化装备、70%的轿车工业装备依赖进口技术差制造业增加值率26.2%信息产业及相关设备制造业增加值率超过57 22美国等发

5、达国家中国美国日本德国49.248.237.9效率低典型产品中技术源于本国98.4%43%制造业新产品贡献率52%5.9%产品开发周期3-6个月 12-24个月主导产品平均生命周期3年10.5年美国等发达国家中国技术创新能力十分薄弱制造业工业增加值轻工纺织制造业30.52%资源加工工业34.29%机械电子制造业33.63%其他1.56%所占比重低于工业发达国家（46%）产业结构不尽合理 制造业不是“夕阳工业”20世纪70年代把制造业称为“夕阳工业”, 结果导致美国80年代的经济衰退80年代后期重新提出“制造业仍是美国的经济基础”，要“促进先进制造技术的发展”1991年,白宫科学技术政策办公室发

6、表了总数为22项的美国国家关键技术，其中制造技术占4项，标志着美国科技政策的转变美国的教训克林顿时代大力支持制造业，把先进制造技术列为六大国防关键技术之首美国在机械工业、汽车工业、航空工业及信息产业等方面取得了明显的进展，使美国的经济连续8年取得了2-3%的增长率，而且还同时保持低通胀率和低失业率。日本的经验汽车制造 上世纪70-80年代，占领了全世界的市场，大举进入了美国市场重视制造业微电子制造 日产的微电子芯片成为美国高技术产品的关键元件1991年海湾战争结束后，日本人说美国赢得这场战争是靠日本的芯片。“日本的芯片打败了伊拉克的钢片”东南亚经济危机1998一个国家，如果把经济的基础放在股票

7、、旅游、金融、房地产、信息、服务业上，而无自己的制造业，这个国家的经济就容易形成泡沫经济，一有风吹草动就会产生经济危机！新加坡、台湾都有自己的制造业，因此受经济危机的影响小一些。瑞士的经验发达的制造业BECDA手表国际驰名军刀风靡全球精密机械产品出口量是我国的8倍国家人口仅700万年人均国民生产总值达4.3万美元以上，居世界第一位信息化不能取代制造业推进信息化是覆盖我国现代化建设全局的战略举措，但是信息化互联网软件提高效率的工具不能生产粮食、布匹不能生产汽车、电脑不能信息技术的发展不可能取代作为国民经济基础的农业和作为国家实力支柱的工业尤其是制造业，一切信息等先进技术及产业离开了制造业将无从谈

8、起。制造业不是夕阳产业！1.2.4 制造业的发展趋势绿色制造 面对日趋严峻的资源和环境约束，世界各国都在制定可持续发展规划德国制定了产品回收法规日本提出了减量化、再利用再循环3R战略美国提出了再制造及无废弃物制造的新理念排放CO2、SO2 NOX投入产出中国提出4R战略 （Reduce减量化, Reuse再利用, Recycle再循环, Remanufacture再制造）与信息技术相融合极端条件下制造 信息技术与制造技术相融合将进一步给制造技术带来巨大，甚至是革命性的变化。 设计及制造过程的数字化、信息化与智能化的最终目标不仅是要快速开发出产品或装备，而且要努力实现大型复杂产品一次开发成功。在

9、经济全球化的格局下，基于网络的设计与制造技术将得到广泛应用，制造装备和制造系统的柔性与可重组将成为21世纪制造技术的显著特点。 极端制造是指在极端条件或环境下，制造极端尺度或极高功能的产品、器件和系统。当前极端制造集中表现在巨系统制造、强场(如强能量场)、微细制造及超精密制造等。现代机械制造技术的发展方向 机械制造工艺方法的进一步完善与创新 刀具材料（硬质合金刀具、兔层硬质合金刀具、新型陶瓷刀具等） 测试手段（如扫描电镜、电子探针、激光等) 超高速切削 难加工材料和新型工程材料切削技术的研究 自动化生产中刀具和工具系统的开发和研究 磨削加工（高速和强力磨削、高精度和成形磨削、砂带磨削和超硬磨料

10、磨削） 特种加工（适应新材料、高精度等要求） 机械加工技术向自动化方向发展 第一阶段（自动化单机和自动生产线） 第二阶段（数控机床、加工中心） 第三阶段（柔性制造系统FMS和柔性生产线FML） 第四阶段（计算机集成制造系统CIMS) 第五阶段 （以CIMS基础的现代集成制造系统“六化”：数字化、网络化、虚拟化、智能化、绿色化、集成化）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 数控加工工艺过程是利

11、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。 数控加工工艺设计的主要内容 选择并确定进行数控加工的内容 数控加工的工艺分析 零件图形的数学处理及编程尺寸设定值的确定 制定数控加工工艺方案确定工步和进给路线选择数控机床的类型 选择和设计刀具、夹具与量具确定切削参数编写、校验和修改加工程序首件试加工与现场问题处理 数控加工工艺技术文件的定型与归档 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

12、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、精确普通加工工艺数控加工工艺加工

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

14、形状精度的影响。 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。 5、强调刀具选择的重要性6、数控加工工艺的特殊要求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。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。由于数控机床加工的零件比较复杂，因此在

15、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。 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。 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。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

16、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 高速加工技术是自上个世纪80年代发展起来的一项高新技术，其研究应用的一个重要目标是缩短加工时的切削与非切削时间，对于复杂形状和难加工材料及高硬度材料减少加工工序，最大限度地实现产品的高精度和高质量。由于不同加工工艺和工件材料有不同的切削速度范围，因而很难就高速加工给出一个确切的定义。目前，一般的理解为切削速度达到普通加工切削速度的510倍即可认为是高速加工。TOSHIBA四轴高速加工镗铣床FIDIA五轴高速铣床 高速切削 高速加工与传统的数控加工方法相比没有什么本质的区别，两者牵涉到同样的工艺参数，但

17、其加工效果相对于传统的数控加工有着无可比拟的优越性： 高速切削 简化了传统加工工艺；经济效益显著提高。有利于提高生产率；有利于改善工件的加工精度和表面质量；有利于延长刀具的使用寿命和应用直径较小的刀具；有利于加工薄壁零件和脆性材料； 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：数控机床主轴高转速工作台高快速移动和高进给速度 高速切削 目前，高速加工涉及到的新技术主要有： 高速切削 高速加工是通过大幅度提高主轴转速和加工进给速度来实现的，为了适应这种高速切削加工，主轴设计采用了先进的主轴轴承、润滑和散热等新技术；高速主轴五轴高速铣削头 高速切削 高速切削 高速伺服进给

18、系统高速加工通常要求在高主轴转速下，使用在很大范围内变化的高速进给。高速进给的需求已引起机床结构设计上的重大变化：采用直线伺服电机来代替传统的电机丝杠驱动； 高速切削 适于高速加工的数控系统高速加工数控系统需要具备更短的伺服周期和更高的分辨率，同时具有待加工轨迹监控功能和曲线插补功能，以保证在高速切削时，特别是在4-5轴坐标联动加工复杂曲面轮廓时仍具有良好的加工性能。 高速切削 刀具技术刀具性能和质量对高速切削加工具有重大影响，新型刀具材料的采用，使切削加工速度大大提高，从而提高了生产率，延长了刀具寿命。 高速切削 刀夹装置及快速刀具交换技术在高速加工中，切削时间和每个托盘化零件加工时间已显著

19、缩短。高速、高精度定位的托盘交换装置已成为今后的发展方向。 高速加工作为一种新的技术，其优点是显而易见的，它给传统的数控加工带来了一种革命性的变化，但是，目前既便是在加工机床水平先进的瑞士、德国、日本、美国，对这一崭新技术的研究也还处在不断的摸索研究中。有许多问题有待于解决：如高速机床的动态、热态特性；刀具材料、几何角度和耐用度问题；机床与刀具间的接口技术（刀具的公平衡、扭矩传输）；冷却润滑液的选择；CAD/CAM的程序后处理问题；高速加工时刀具轨迹的优化问题等等。国内在这一方面的研究采尚处于起步阶段，要赶上并尽快缩小与国外同行业间的差距，还有许多路要走。 高速切削 高精加工是高速加工技术与数

20、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0.1m ，加工精度进入了亚微米世界。 高精加工高精加工提高机械设备的制造精度和装配精度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 机床的复合化加工是通过增加机床的功能，减少工件加工过程中的多次装夹、重新定位、对刀等辅助工艺时间，来提高机床利用率。复合化加工复合化加工的两重含义

21、：复合化加工一台装夹可完成多工种、多工序企业向复合型发展，为用户提供成套服务工序和工艺的集中工艺的成套即即 数控技术智能化程度不断提高，体现在以下几个方面：控制智能化加工过程自适应控制技术加工参数的智能优化与选择故障自诊断功能智能化交流伺服驱动装置 智能CAD把工程数据库及其管理系统、知识库及其专家系统、拟人化用户接口管理系统集于一体。 控制智能化 智能制造技术 包括专家系统、模糊推理和人工神经网络三大部分。控制智能化控制智能化专家系统先是采集领域专家的知识，然后将知识分解为事实与规则，存储于知识库中，通过推理作出决策。模糊推理模糊推理又称模糊逻辑，它是依靠模糊集和模糊逻辑模型进行多个因素的综

22、合考虑，采用关系矩阵算法模型、隶属度函数、加权、约束等方法，处理模糊的、不完全的乃至相互矛盾的信息。人工神经网络神经网络是人脑部分功能的某些抽象、简化与模拟，由数量巨大的以神经元为主的处理单元互连构成，通过神经元的相互作用来实现信息处理。 网络功能正逐渐成为现代数控机床、数控系统的特征之一。诸如现代数控机床的远程故障诊断、远程状态监控、远程加工信息共享、远程操作（危险环境的加工）、远程培训等都是以网络功能为基础的。互联网络化美国波音公司利用数字文件作为制造载体，首次利用网络功能实现了无图纸制造波音777新型客机。 图示为波音公司利用计算机辅助设计对777客机的零部件进行信息化处理。 互联网络化

23、 现代意义上的快速成型技术始于70年代末期出现的立体光刻技术（SLA）,它是汹涌而来的数字化浪潮在加工领域中不可避免的延拓，连续的曲面被离散成用STL文件表达的三角面片，零件在加工方向上被离散成若干层。这种离散化使得任意复杂的零件原型都可以加工出来，加工过程也大大简化了。快速原型创意测量计 算 机辅助设计计 算 机工艺设计计 算 机辅助制造数控加工构思草图快速原型现代产品开发模式图形文档数控代码工艺文档产 品快速原型 快速原型的英文缩写为RP，在RP出现的初期，其用途主要是加工产品原型，随着成型工艺、材料的进步以及快速制模技术的发展，RP已发展成能直接或间接制造功能零件和模具的快速成型制造,奠

24、定了在制造业中的位置,并且形成了一个不断扩大的RP/RT市场。据Wholers Associates 的统计，全球RP设备已有近7000台，分布在58个国家。快速原型 RP技术发展到今天已有20余年的历史，新的快速成型工艺不断产生、功能不断完善、精度不断提高、成型速度不断提高。快速原型例如：随着固态激光技术的突破，高达1000mw的紫外激光器应用在SLA设备中，使其成型速度得到大大提高，激光器的使用寿命由最初的2500小时延长到上万小时。 RP技术发展到今天已有20余年的历史，新的快速成型工艺不断产生、功能不断完善、精度不断提高、成型速度不断提高。快速原型例如：新型高性能光敏树脂的出现，解决了

25、SLA的收缩变形和强度等问题。EOS公司的EOSINT_M激光金属粉末烧结快速成型设备可直接成型金属零件或注塑模具。 RP技术发展到今天已有20余年的历史，新的快速成型工艺不断产生、功能不断完善、精度不断提高、成型速度不断提高。快速原型例如：在软件方面，STL文件的处理软件不断专业化，使得各种文件的转换和STL文件的修复、处理、操作等功能日臻完善，形成了基于STL的CAD平台。 从RP/RT技术的现状来看，未来几年的主要发展趋势如下：快速原型提高RP系统的速度、控制精度和可靠性开发专门用于检验设计、模拟制品可视化，而对尺寸精度、形状精度和表面粗糙度要求不高的概念机。研究开发成本低、易成形、变形小、强度高、耐久及无污染的成形材料。研究开发新的成形方法研究新的高精度快速模具工艺 经自动化工厂“通信网络”连接的各个子系统，可构成一个有机联系的整体，即自动化工厂。计算