数控加工教材和数控机床编程及加工

數控加工教材1)刀具及材料2)加工基礎3)夾具車刀車刀角度前角後角余偏角刃傾角副偏角刀尖圓弧半徑前角前角前角对切削力、切屑排出、切削、刀具耐用度影响都很大。前角的影响

1.正前角大，切削刃锋利。2.前角每增加1°，切削功率减少1％。3.正前角大，刀刃强度下降；负前角过大，切削力增加。5.切削硬材料6.需切削刃强度大，以适应断续切削、切削含黑皮表面层的加工条件10.被加工材料及机床刚性差时切削排出與前角的關係前角與壽命的關係,前角變化對切削速度、主切削力、溫度的影響

後角

后角后角使刀具后面与工件间摩擦减小，使刀尖具有自由切入工件的功能。后角的影响

1.后角大，后刀面磨损小。2.后角大，刀尖强度下降。4.切削硬材料5.需切削刃强度高时7.切削软材料8.切削易加工硬化的材料刀具後角示意圖刀具後角的變化與磨損量的關係余偏角(1)余偏角等于90°减主偏角，其作用是缓和冲击力，对进给力，背向力，切削厚度都有影响。余偏角的影响1.进给量相同时，余偏角大，刀片与切屑接触的长度增加，切削厚度变薄，使切削力分散作用在长的刀刃上，刀具耐用度得以提高。2.余偏角大，分力a'也随之增加，加工细长轴时，易发生挠曲。3.余偏角大，切屑处力性能变差。4.余偏角大，切削厚度变薄，切削宽度增加，将使切屑难以碎断。

余偏角(2)小余偏角用于1.切深小的精加工2.切削细而长的工件3.机床刚性差时大余偏角用于1.工件硬度高，切削温度大时2.大直径零件的粗加工3.机床刚性高时余偏角與切削厚度的關係余偏角與切削力的關係余偏角與刀具耐用度的關係刃傾角刃倾角是前刀面倾斜的角度。重切削时，切削开始点的刀尖上要承受很大的冲击力，为防止刀尖受此力而发生脆性损伤，故需有刃倾角。推荐车削时为3°～5°；铣削时10°～15°刃倾角的影响

1.刃倾角为负时，切屑流向工件；为正时，反向排出。3.刃倾角为负时，切削刃强度增大，但切削背向力也增加，易产生振动。刃傾角示意圖刀尖圆弧半径

刀尖圆弧半径对刀尖的强度及加工表面粗糙度影响很大，

一般适宜值选进给量的2～3倍。刀尖圆弧半径的影响径大，表面粗糙度数值下降，表面质量提高。径大，刀刃强度增加。径过大，切削力增加，易产生振动。径大，刀具前、后面磨损减小。径过大，切屑处理性能恶化刀尖圆弧小用于1.切深削的精加工2.细长轴加工3.机床刚性差时刀尖圆弧半径刀尖圆弧大用于1.需要刀刃强度高的黑皮切削，断续切削径工件的粗加工3.机床刚性好时刀尖圓弧半徑與表面粗糙度的關係刀尖圓弧半徑與脆性損傷對刀具耐用度的影響刀尖圓弧半徑與刀具磨損车刀片磨损分析和改进办法–刃口磨損刃口磨损(如下圖示)提高进给量降低切削速度使用更耐磨的刀片材质应用涂层刀片材质车刀片磨损分析和改进办法–崩碎崩碎(如下圖示)使用更强韧的材质考虑对刃口强化的刀片检查工艺系统的刚性加大主偏角车刀片磨损分析和改进办法–热变形热变形(如下圖示)降低切削速度减少进给量减少切深()使用更具热硬性的材质车刀片磨损分析和改进办法–切深处破损切深处破损改变主偏角考虑对刃口强化的刀片使用不同的刀片材质车刀片磨损分析和改进办法–热裂纹正确使用冷却液降低切削速度减少进给量应用涂层刀片材质车刀片磨损分析和改进办法–积屑使用更强韧的刀片槽型和材质减少进给量减少切深()检查工艺系统的刚性车刀片磨损分析和改进办法–月牙洼磨损降低进给率降低切削速度应用涂层材质或金属陶瓷刀片使用冷却液车刀片磨损分析和改进办法–断裂提高切削速度提高进给量使用涂层材质或金属陶瓷刀片使用冷却液刃口锋利(更小的倒圆)平面铣刀切削刃各角度的功能名稱代號功能效果轴向前角A.R决定切屑排出方向正角时：切削性能良好径向前角R.R决定切削刃锋利程度负角时：切屑排出性能良好余偏角CH决定切削厚度角度大时：切削厚变薄,切削时冲击力小,但背向力大

前角T决定实际切削刃锋利的程度正角大时：切削性能良好,切屑难熔附负角大时：切削性能差,但切削刃强度高

刃倾角I决定切屑排出方向正角大时：排屑性能良好,但切削刃强度低

平面铣刀切削刃各角度高速、超高速刀具材料高速鋼硬質合金金剛石立方氮化硼高速鋼(1)高速钢是一种加人了较多的钨、铬、钒、相等合金元素的高合金工具钢，有良好的综合性能。其强度和韧性是现有刀具材料中最高的。高速钢的制造工艺简单，容易磨成锋利的切削刃；锻造、热处理变形小，目前在复杂的刀具，如麻花钻、丝锥、拉刀、齿轮刀具和成形刀具制造中，仍占有主要地位。

高速钢可分为普通高速钢和高性能高速钢。

普通高速钢，如W18Cr4V广泛用于制造各种复杂刀具。其切削速度一般不太高，切削普通钢料时为40-60m/min。

高速鋼(2)高性能高速钢，如W12Cr4V4Mo是在普通高速钢中再增加一些含碳量、含钒量及添加钴、铝等元素冶炼而成的。它的耐用度为普通高速钢的1.5-3倍。

粉末冶金高速钢是70年代投入市场的一种高速钢，其强度与韧性分别提高30%-40%和80%-90%．耐用度可提高2-3倍。目前我国尚处于试验研究阶段，生产和使用尚少。

硬質合金按GB2075—87(参照采用190标准)可分为P、M、K三类，P类硬质合金主要用于加工长切屑的黑色金属，用蓝色作标志；M类主要用于加工黑色金属和有色金属，用黄色作标志，又称通用硬质合金，K类主要用于加工短切屑的黑色金属、有色金属和非金属材料，用红色作标志。

P、M、K(后面的阿拉伯数字表示其性能和加工时承受载荷的情况或加工条件。数字愈小，硬度愈高，韧性愈差。

P类相当于我国原钨钛钻类，主要成分为WC+TiC+Co，代号为YT。

K类相当于我国原钨钻类，主要成分为WC+Co，代号为YG。

M类相当于我国原钨钛钽钴类通用合金，主要成分为WC+TiC+TaC(NbC)+Co，代号为YW。金剛石(PCD)PCD聚晶金剛石20世纪50年代利用高温高压技术人工合成金刚石粉以后，70年代制造出金刚石基的切削刀具即聚晶金刚石(PCD)。PCD晶粒呈无许许序排列状态．不具方向性，因而硬度均匀。它有很高的硬度和导热性，低的热胀系数。高的弹性模量和较低的摩擦系数，刀刃非常锋利。它可加工各种有色金属和极耐磨的高性能非金属材料，如铝、铜、镁及其合金、硬质合金、纤维增塑材料、金属基复合材料、木材复合材料等。

金剛石(PCD)PCD焊接性、机械磨削性和断裂韧性最高，抗磨损性和刃口质量居中，抗腐蚀性最差。金剛石(CVD)CVD厚膜CVD金刚石膜中不含任何粘结剂，其多晶结构又使其在各个方向具有几乎相同的硬度，且没有解理面，因此其综合机械性能兼具单晶金刚石和聚晶金刚石(PCD)的优点，而在一定程度上又克服了它们的不足，而且价格低廉。它不仅可代替天然金刚石、高压人造单晶金刚石和聚晶金刚石在机械领域应用而且大大拓宽了其应用范围：如制造各种适合拉制软硬丝的高性能拉丝模具；焊接型CVD金刚石工具(使用寿命超过PCD工具的1-3倍)；制作形状较为复杂的CVD金刚石涂层硬质合金刀具(使用寿命比涂层前提高10-50倍)；其低摩擦系数还可用于摩擦部件如轴承的耐磨涂层等。据国外专家统计，仅应用于超硬材料方面就可以开发、改造出二千多种新产品。CVD厚膜抗腐蚀性最好，机械磨削性、刃口质量和断裂韧性和抗磨损性居中，可焊接性差。金剛石(單晶金剛石)單晶金剛石人工合成单晶金刚石刃口质量、抗磨损性和抗腐蚀性最好，焊接性、机械磨削性和断裂韧性最差。總結

金刚石刀具是目前高速切削(2500~5000m/min)铝合金较理想的刀具材料，但由于碳对铁的亲和作用，特别是在高温下，金刚石能与铁发生化学反应，因此它不宜于切削铁及其合金工件立方氮化硼(CBN)與聚晶立方氮化硼(PCBN)CBN立方氮化硼(CBN)是纯人工合成的材料。它是20世纪50年代末用制造金刚石相似的方法合成的第二种超硬材料——CBN微粉,CBN的烧结性能很差PCBNPCBN是由CBN微粉与少量粘结相(Co、Ni或TiN、TiC或Al2O3)在高温高压下烧结而成。CBN是氮化硼的致密相，有很高的硬度(仅次于金刚石)和耐热性(1300、1500度)，优良的化学稳定件(远优于金刚石)和导热性，低的摩擦系数。PCBN与Fe族元素亲和性很低，所以它是高速切削黑色金属较理想的刀具材料。PCBN刀具在使用前有必要用油石轻轻对刃口倒角，以保护其刃口夹具1.机床夹具的概念

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，以使工件获得相对于机床和刀具的正确位置，并把工件可靠地夹紧。

装夹:定位+夹紧2.机床夹具的分类（1）按专门化程度分类1）通用夹具通用夹具是指已经标准化的，在一定范围内可用于加工不同工件的夹具。例如，车床上三爪卡盘和四爪单动卡盘，铣床上的平口钳、分度头和回转工作台等。这类夹具一般由专业工厂生产，常作为机床附件提供给用户。其特点是适应性广，生产效率低，主要适用于单件、小批量的生产中。2）专用夹具专用夹具是指专为某一工件的某道工序而专门设计的夹具。其特点是结构紧凑，操作迅速、方便、省力，可以保证较高的加工精度和生产效率，但设计制造周期较长、制造费用也较高。当产品变更时，夹具将由于无法再使用而报废。只适用于产品固定且批量较大的生产中。3）通用可调夹具和成组夹具其特点是夹具的部分元件可以更换，部分装置可以调整，以适应不同零件的加工。用于相似零件的成组加工所用的夹具，称为成组夹具。通用可调夹具与成组夹具相比，加工对象不很明确，适用范围更广一些。夹具4）组合夹具组合夹具是指按零件的加工要求，由一套事先制造好的标准元件和部件组装而成的夹具。由专业厂家制造，其特点是灵活多变，万能性强，制造周期短、元件能反复使用，特别适用于新产品的试制和单件小批生产。5）随行夹具随行夹具是一种在自动线上使用的夹具。该夹具既要起到装夹工件的作用，又要与工件成为一体沿着自动线从一个工位移到下一个工位，进行不同工序的加工。（2）按使用的机床分类由于各类机床自身工作特点和结构形式各不相同，对所用夹具的结构也相应地提出了不同的要求。按所使用的机床不同，夹具又可分为：车床夹具、铣床夹具、钻床夹具、镗床夹具、磨床夹具、齿轮机床夹具和其他机床夹具等。（3）按夹紧动力源分类根据夹具所采用的夹紧动力源不同，可分为：手动夹具、气动夹具、液压夹具、气液夹具、电动夹具、磁力夹具、真空夹具等。3.机床夹具的组成

(1)定位元件它与工件的定位基准相接触，用于确定工件在夹具中的正确位置，从而保证加工时工件相对于刀具和机床加工运动间的相对正确位置。如图6-1中的定位销6。

夹具(2)夹紧装置用于夹紧工件，在切削时使工件在夹具中保持既定位置。如图6-1中的螺母5和开口垫圈4。

(3)对刀、引导元件或装置这些元件的作用是保证工件与刀具之间的正确位置。用于确定刀具在加工前正确位置的元件，称为对刀元件，如对刀块。用于确定刀具位置并导引刀具进行加工的元件，称为导引元件。如图6-1中的快换钻套1。

图为用于钻轴套工件上φ6H7孔的钻床夹具，工件以内孔及端面为定位基准，在夹具的定位销6及其端面上定位，即确定了工件在夹具中的正确位置。拧紧螺母5，通过开口垫圈4可将工件夹紧，然后由装在钻模板3上的快换钻套1导引钻头进行钻孔。

图6-1钻床夹具1—快换钻套2—导向套3—钻模板4—开口垫圈5—螺母6—定位销7—夹具体

(4)连接元件

使夹具与机床相连接的元件，保证机床与夹具之间的相互位置关系。

(5)夹具体用于连接或固定夹具上各元件及装置，使其成为一个整体的基础件。它与机床有关部件进行连接、对定，使夹具相对机床具有确定的位置。如图6-1中的夹具体7。

夹具(6)其它元件及装置有些夹具根据工件的加工要求，要有分度机构，铣床夹具还要有定位键等。以上这些组成部分，并不是对每种机床夹具都是缺一不可的，但是任何夹具都必须有定位元件和夹紧装置，它们是保证工件加工精度的关键，目的是使工件定准、夹牢。

4、机床夹具的功用1）能稳定地保证工件的加工精度用夹具装夹工件时，工件相对于刀具及机床的位置精度由夹具保证，不受工人技术水平的影响，使一批工件的加工精度趋于一致。2）能减少辅助工时，提高劳动生产率使用夹具装夹工件方便、快速，工件不需要划线找正，可显著地减少辅助工时；工件在夹具中装夹后提高了工件的刚性，可加大切削用量；可使用多件、多工位装夹工件的夹具，并可采用高效夹紧机构，进一步提高劳动生产率。3）能扩大机床的使用范围，实现一机多能根据加工机床的成形运动，附以不同类型的夹具，即可扩大机床原有的工艺范围。例如在车床的溜板上或摇臂钻床工作台上装上镗模，就可以进行箱体零件的镗孔加工。

二、工件在夹具中的定位夹具(一)六点定位原理

任何未定位的工件在空间直角坐标系中都具有六个自由度。工件定位的任务就是根据加工要求限制工件的全部或部分自由度。工件的六点定位原理是指用六个支撑点来分别限制工件的六个自由度，从而使工件在空间得到确定定位的方法。

(二)完全定位与不完全定位

工件的六个自由度完全被限制的定位称为完全定位。按加工要求，允许有一个或几个自由度不被限制的定位称为不完全定位。图6-2a所示，在工件上加工不通槽。槽宽由刀具直径保证，但是要保证尺寸A，就需要限制,要保证尺寸B，需要限制，要保证尺寸C，需要限制，所以六个自由度都要限制。

图6-3b所示，在工件上加工通槽，不需要保证尺寸C，所以也不必限制，只需要限制其它五个自由度就可以了。这种定位虽然没有完全限制工件的六个自由度，但保证加工精度的自由度已全部限制，因此也是合理的定位，在实际夹具定位中普遍存在。

夹具图6-2不同加工要求的工件

(四)欠定位与过定位

按工序的加工要求，工件应该限制的自由度而未予限制的定位，称为欠定位。在确定工件定位方案时，欠定位时绝对不允许的。

工件的同一自由度背二个或二个以上的支撑点重复限制的定位，称为过定位。在通常情况下，应尽量避免出现过定位。

图6-3a为某工件以孔与端面联合定位情况，长销与工件孔配合限制工件四个自由度，支承大端面限制工件三个自由度，可见被两个定位元件重复限制，出现过定位。

图6-3工件过定位情况及改善措施

消除过定位及其干涉一般有两个途径：①改变定位元件的结构，以消除被重复限制的自由度；如图6-3b中将大端面改为小端面，图6-3c中在工件与大端面间加球形垫圈。②提高工件定位基面之间及夹具定位元件工作表面之间的位置精度，以减少或消除过定位引起的干涉。

数控机床编程及加工机械工程实验教学中心实验目的通过数控机床的加工程序编制，掌握编程的方法及技巧；将在计算机上用OpenSoftCNC软件模拟显示加工过程校验程序，然后在数控机床上对工件进行加工；结合机械加工工艺，实现最优化编程，提高加工质量和生产效率。机械工程实验教学中心数控编程的基本原理数控编程的目的；数控编程的内容；编程步骤。机械工程实验教学中心数控编程的基本原理所谓编程，就是把零件的图形尺寸、工艺过程、工艺参数、机床的运动以及刀具位移等内容，按照数控机床的编程格式和能识别的语言记录在程序单上的全过程。这样编制的程序还必须按规定把程序单制备成控制介质如程序纸带、磁带等，变成数控系统能读懂的信息，再送入数控机床，数控机床的CNC装置对程序经过处理之后，向机床各坐标的伺服系统发出指令信息，驱动机床完成相应的运动。机械工程实验教学中心数控编程的目的数控编程的基本原理①分析零件图纸，确定加工工艺过程；②计算走刀轨迹，得出刀位数据；③编写零件加工程序；④制作控制介质；⑤校对程序及首件试加工。机械工程实验教学中心数控编程的内容数控编程的基本原理机械工程实验教学中心数控编程的步骤零件图纸分析零件图纸制定工艺规程数学处理编写程序文件制作控制介质程序校验及试切数控机床OpenSoftCNC软件介绍OpenSoftCNC软件包括数控车床模拟仿真和数控铣床模拟仿真系统，由软件+标准硬件系统构成，不要求专用硬件或运动控制卡，所有数控功能和逻辑控制功能均由软件完成，操作界面由系统操作和机床控制两大部分组成。机械工程实验教学中心OpenSoftCNC软件介绍机械工程实验教学中心为例，软件提供下列指令：以数控车床模拟仿真系统（OpenSoftCNC01T）组别指令功能编程格式模态

1G00快速线性移动G00X(U)_Z(W)_√G01直线插补G01X(U)_Z(W)_√G02顺时针圆弧插补G02I_K_X(U)_Z(W)_√G03逆时针圆弧插补G03I_K_X(U)_Z(W)_√G32恒螺距公制螺纹插补G32X(U)_Z(W)_K_I_H√G33恒螺距英制螺纹插补G33X(U)_Z(W)_K_I_H√G27X轴返回程序零点G27

G28Z轴返回程序零点G28

G92定义绝对坐标系G92X_Z_√2G04延时G04E_

3M00暂停M00

M02程序结束M02

4M03主轴正转M03√M04主轴反转M04√M05主轴停M05√5M08开冷却液M08√M09关冷却液M09√

6M97程序跳转M97P_

M98子程序调用M98P_L_

M99子程序返回M99

7M20自定义开关1有效M20√M21自定义开关1无效M21√8M22自定义开关2有效M22√M23