扬州职业大学

机电数控车零件工艺设计及NC编程

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2011年 12月20日

目录

摘要·关键词 1

一、引言 2

二、数控概述 2

（一）数控机床简介 2

（二）数控机床的特点 2

（三）数控机床的组成 2

三、数控加工工艺分析 3

（一）数控加工工艺概念 3

（二）数控加工工艺内容 3

（三）工序与工布的划分 4

四、 数控NC程序编制 4

（一）数控编程的基本概念 4

（二）数控编程步骤 4

（三）数控车床程序的编制 5

五、数控刀具的选用 6

（一）数控机床的刀具特点 6

（二）刀具材料 6

（三）数控刀具的选择 7

六、夹具选择和装夹 7

（一）夹具的分类 7

（二）工件在数控车床上的装夹 8

七、零件加工编程实例 8

（一）零件的工艺分析 8

（二）确定加工路线 9

（三）制定加工方案 9

（四） 选择刀具及对刀 9

（五）确定工件坐标系、对刀点和换刀点 10

参考文献 11

致谢 11

数控车零件工艺设计及NC编程

摘要：

数控（英文名字：Numerical Control 简称:NC）技术是指用数字、文字和符号组成的数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制的技术。数控车床是目前使用最广泛的数控机床之一。数控车床主要用于加工轴类、盘类等回转体零件。通过数控加工程序的运行，可自动完成内外圆柱面、圆锥面、成形表面、螺纹和端面等工序的切削加工，并能进行车槽、钻孔、扩孔、铰孔等工作。

数控车床种类较多，但主体结构都是由：车床主体、数控装置、伺服系统三大部分组成。

NC编程就是将加工零件的加工顺序、刀具运动轨迹的尺寸数据、工艺参数（主运动和进给运动速度、切削深度）以及辅助操作（换刀、主轴正反转、冷却液开关、刀具夹紧、松开等）加工信息，用规定的文字、数字、符号组成的代码，按一定格式编写成加工程序。

数控机床程序编制过程主要包括：分析零件图纸、工艺处理、数学处理、编写零件程序、程序校验。

机床夹具的种类很多，按使用机床类型分类，可分为车床夹具、铣床夹具、钻床夹具、镗床夹具、加工中心夹具和其他夹具等。按驱动夹具工作的动力源分类，可分为手动夹具、气动夹具、液压夹具、电动夹具、磁力夹具和自夹紧夹具等。

关键词：数控，车床，编程，加工

一、引言

数控技术是先进制造技术的基础，它是综合应用了计算机、自动控制、电气传动、自动检测、精密机械制造和管理信息等技术而发展起来的高新科技。作为数控加工的主体设备，数控机床是典型的机电一体化产品。数控机床代表一个民族制造工业现代化的水平，随着现代化科学技术的迅速发展，制造技术和自动化水平的高低已成为衡量一个国家或地区经济发展水平的重要标志。

本文主要讨论数控车床的零件加工工艺以及程序编制，主要以FANUC数控系统为例，结合典型零件对数控车零件进行讲解。主要内容有关于数控车床的编程方法、编程的注意事项、加工工艺分析、刀具的选用、刀位轨迹计算

二、数控概述

（一）数控机床简介

数控机床是数字控制机床（Computer numerical control machine tools）的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，从而使机床动作并加工零件。

数控机床种类繁多，由数控系统通过伺服驱动系统去控制各运动部件的动作，主要用于轴类和盘类回转体零件的多工序加工，具有高精度、高效率、高柔性化等综合特点，适合中小批量形状复杂零件的多品种、多规格生产。

（二）数控机床特点

数控机床的操作和监控全部在这个数控单元中完成，它是数控机床的大脑。与普通机床相比，数控机床有如下特点：

1、加工精度高，具有稳定的加工质量；

2、可进行多坐标的联动，能加工形状复杂的零件；

3、加工零件改变时，一般只需要更改数控程序，可节省生产准备时间；

4、机床本身的精度高、刚性大,可选择有利的加工用量，生产率高（一般为普通机床的3~5倍）；

5、机床自动化程度高，可以减轻劳动强度；

6、对操作人员的素质要求较高，对维修人员的技术要求更高。

（三）数控机床的组成

数控机床一般由下列几个部分组成：

1、主机，他是数控机床的主题，包括机床身、立柱、主轴、进给机构等机械部件。他是用于完成各种切削加工的机械部件。 数控机床

2、数控装置，是数控机床的核心，包括硬件（印刷电路板、CRT显示器、键盒、纸带阅读机等）以及相应的软件，用于输入数字化的零件程序，并完成输入信息的存储、数据的变换、插补运算以及实现各种控制功能。

3、驱动装置，他是数控机床执行机构的驱动部件，包括主轴驱动单元、进给单元、主轴电机及进给电机等。他在数控装置的控制下通过电气或电液伺服系统实现主轴和进给驱动。当几个进给联动时，可以完成定位、直线、平面曲线和空间曲线的加工。

4、辅助装置，指数控机床的一些必要的配套部件，用以保证数控机床的运行，如冷却、排屑、润滑、照明、监测等。它包括液压和气动装置、排屑装置、交换工作台、数控转台和数控分度头，还包括刀具及监控检测装置等。

5、编程及其他附属设备，可用来在机外进行零件的程序编制、存储等。

三、数控加工工艺分析

（一）数控加工工艺概念

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中。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，是利用切削工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。

（二）数控加工工艺内容

1、 选择并确定进行数控加工的内容。

2、 对零件图样进行数控加工工艺分析。

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、校验与修改。

10、首件试切加工与现场问题处理。

（三）工序与工布的划分

工序的划分：在数控机床上加工零件，工序可以比较集中，在一次装夹中尽可能完成大部分或全部工序。首先应根据图样，考虑是否可以在一台机床上完成整个零件的加工工作。若不能，则应决定其中那一部分在数控机床上加工，那一部分在其他机床上完成。一般工序划分有以下几种方式：

1、按零件装卡定位方式划分工序 由于每个零件结构形状不同，各加工表面的技术要求也有所不同，故加工时，其定位方式则各有差异。一般加工外形时，以内形定位；加工内形时又以外形定位。因而可根据定位方式的不同来划分工序。

2、按粗、精加工划分工序 根据零件的加工精度、刚度和变形等因素来划分工序时，可按粗、精加工分开的原则来划分工序，即先粗加工再精加工。此时可用不同的机床或不同的刀具进行加工。通常在一次安装中，不允许将零件某一部分表面加工完毕后，再加工零件的其他表面。

四、数控NC程序编制

（一）数控编程的基本概念

编程就是将加工零件的加工顺序、刀具运动轨迹的尺寸数据、工艺参数（主运动和进给运动速度、切削深度）以及辅助操作（换刀、主轴正反转、冷却液开关、刀具夹紧、松开等）加工信息，用规定的文字、数字、符号组成的代码，按一定格式编写成加工程序。数控机床程序编制过程主要包括：分析零件图纸、工艺处理、数学处理、编写零件程序、程序校验。

（二）数控编程步骤

数控编程是指从零件图纸到获得数控加工程序的全部工作过程。

1、分析零件图样和工艺处理

根据图样对零件的几何形状尺寸，技术要求进行分析，明确加工的内容及要求，决定加工方案、确定加工顺序、设计夹具、选择刀具、确定合理的走刀路线及选择合理的切削用量等。 同时还应发挥数控系统的功能和数控机床本身的能力，正确选择对刀点，切入方式，尽量减少诸如换刀、转位等辅助时间。

2、数学处理

编程前，根据零件的几何特征，先建立一个工件坐标系，根据零件图纸的要求，制定加工路线，在建立的工件坐标系上，首先计算出刀具的运动轨迹。对于形状比较简单的零件（如直线和圆弧组成的零件），只需计算出几何元素的起点、终点、圆弧的圆心、两几何元素的交点或切点的坐标值。

3、编写零件程序清单

加工路线和工艺参数确定以后，根据数控系统规定的指定代码及程序段格式，编写零件程序清单。

4、程序输入

5、程序校验与首件试切

（三）数控车床程序的编制

数控车削加工包括内外圆柱面的车削加工、端面车削加工、钻孔加工、螺纹加工、复杂外形轮廓回转面的车削加工等。

1、 F功能：

F功能指令用于控制切削进给量。在程序中，有两种使用方法：F后面的数字表示的是主轴每转进给量，单位为mm/r；F后面的数字表示的是每分钟进给量，单位为 mm/min。

2、 S功能：

S后面的数字表示主轴转速，单位为r/min。S后面的数字表示的是最高转速：r/min。S后面的数字表示的是恒定的线速度：m/min。

3、 T功能：

T功能指令用于选择加工所用刀具。T后面通常有两位数表示所选择的刀具号码。但也有T后面用四位数字，前两位是刀具号，后两位是刀具长度补偿号，又是刀尖圆弧半径补偿号。

4、 M功能：

M00：程序暂停，可用NC启动命令（CYCLE START）使程序继续运行；

M01：计划暂停，与M00作用相似，但M01可以用机床“任选停止按钮”选择是否有效；

M03：主轴顺时针旋转；

M04：主轴逆时针旋转；

M30：程序停止，程序复位到起始位置。

例如一些常用的编程代码：

G90 绝对值输入； G31 等导程螺纹切削

G91 相对值输入； G32 跳步功能

G00 快速点定位； M02、M03 程序结束

五、数控刀具的选用

（一）数控机床的刀具特点

数控加工对刀具的要求不仅精度高、强度大、刚度好、寿命长。而且要求尺寸稳定、安装调整方便。切削刀具由传统的机械工具实现了向高科技产品的飞跃，刀具的切削性能有显著的提高。切削技术由传统的切削工艺向创新制造工艺的飞跃，大大提高了切削加工的效率。刀具工业由脱离使用、脱离用户的低级阶段向面向用户、面向使用的高级阶段的飞跃，成为用户可利用的专业化的社会资源和合作伙伴。切削刀具从低值易耗品过渡到全面进入“三高一专（高效率、高精度、高可靠性和专用化）”的数控刀具时代，实现了向高科技产品的飞跃。成为现代数控加工技术的关键技术。与现代科学的发展紧密相连，是应用材料科学、制造科学、信息科学等领域的高科技成果的结晶。

（二）刀具材料

数控车床使用的刀具材料一般为高速钢、硬质合金、涂层硬质合金和陶瓷。在数控切削加工时，数控刀具切削部分与切屑、工件相互接触的表面上承受很大的压力和摩擦，数控刀具在高温下进行切削的同时，还承受切削力、冲击和振动，因此数控刀具材料应满足以下基本条件：

1、硬度 刀具材料必须具有高于工件材料的硬度，常温硬度应在62HRC以上，并要求保持较高的高温硬度。

2、耐磨性 耐磨性表示刀具抵抗磨损的能力，它是刀具材料力学性能、组织结构和化学性能的综合反映。

3、强度和韧性 一种好的刀具材料，应根据它的使用要求，兼顾硬度和耐磨性两方面的性能，有所侧重。满足高切削力、冲击和振动的条件。

4、耐热性 数控刀具材料应在高温下保持较高的硬度、耐磨性、强度和韧性，并有良好的抗扩散、抗氧化能力。

5、导热性和膨胀系数 在其他条件相同的情况下，刀具材料的热导率越大，则由刀具传出的热量越多，有利于降低切削温度和提高刀具使用寿命。线膨胀系数小，则可减少刀具的热变形。

6、工艺性 为了便于制造，要求数控刀具材料有较好的可加工性，包括锻、轧、焊、切削加工和可耐磨性、热处理特性。材料的高温特性对热轧刀具十分重要。

（三）数控刀具的选择

1、刀片形状的选择：正型（前角）刀片：对于内轮廓加工，小型机床加工，工艺系统刚性较差和工件结构形状较复杂应优先选择正型刀片。负型（前角）刀片：对于外圆加工，金属切除率高和加工条件较差时应优先选择负型刀片。

2、一般外圆车削常用80°凸三角形、四方形和80°菱形刀片；仿形加工用55°、35 °菱形和圆形刀片；在机床刚性、功率允许的条件下，大余量、粗加工应选择刀尖角较大的刀片，反之选择刀尖角较小的刀片。

3、前角的作用。大负前角用于：切削硬材料；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。 大正前角用于：切削软质材料易切削材料被加工材料及机床刚性差时。

4、后角的作用：小后角用于：切削硬材料；需切削刃强度高时。大后角用于：切削软材料；切削易加工硬化的材料。

5、主偏角的作用：大主偏角用于：切深小的精加工；切削细而长的工件；机床刚性差时。小主偏角用于：工件硬度高，切削温度大时；大直径零件的粗加工；机床刚性高时。

6、副偏角具有减少已加工表面与刀具摩擦的功能。一般为5°～15°。

7、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°。

六、夹具选择和装夹

（一）夹具的分类：

机床夹具的种类很多，按使用机床类型分类，可分为车床夹具、铣床夹具、钻床夹具、镗床夹具、加工中心夹具和其他夹具等。按驱动夹具工作的动力源分类，可分为手动夹具、气动夹具、液压夹具、电动夹具、磁力夹具和自夹紧夹具等。按专门化程度可分为以下几种类型的夹具：

通用夹具是指已经标准化、无需调整或稍加调整就可以用来装夹不同工件的夹具。如三爪卡盘、四爪卡盘、平口虎钳和万能分度头等。这类夹具主要用于单件小批生产。

专用夹具是指专为某一工件的某一加工工序而设计制造的夹具。结构紧凑，操作方便，主要用于固定产品的大量生产。

组合夹具是指按一定的工艺要求，由一套预先制造好的通用标准元件和部件组装而成的夹具。使用完毕后，可方便地拆散成元件或部件，待需要时重新组合成其他加工过程的夹具。适用于数控

加工、新产品的试制和中、小批量的生产。

可调夹具包括通用可调夹具和成组夹具，它们都是通过调整或更换少量元件就能加工一定范围内的工件，兼有通用夹具和专用夹具的优点。通用可调夹具适用范围较宽，加工对象并不十分明确；成组夹具是根据成组工艺要求，针对一组形状及尺寸相似、加工工艺相近的工件加工而设计的，其加工对象和范围很明确，又称为专用可调夹具。

数控机床夹具常用通用可调夹具、组合夹具。

（二）工件在数控车床上的装夹

1、常用装夹方式：三爪自定心卡盘装夹；两顶尖之间装夹；卡盘和顶尖装夹；双三爪定心卡盘装夹。

2、采用找正的方法：找正装夹时必须将工件的加工表面回转轴线（同时也是工件坐标系Z轴）找正到与车床主轴回转中心重合。一般为打表找正。通过调整卡爪，使工件坐标系Z轴与车床主轴的回转中心重合。

3、薄壁零件的装夹：薄壁零件容易变形，普通三爪卡盘受力点少，采用开缝套筒或扇形软卡爪，可使工件均匀受力，减小变形。也可以改变夹紧力的作用点，采用轴向夹紧的方式。

七、零件加工编程实例

（一）零件的工艺分析

零件图 图2

1、分析零件图样：

如图2所示,该零件包括有圆柱、圆锥、顺圆弧、逆圆弧及双线螺纹等表面；其多个直径尺寸有

较严的尺寸公差和表面粗糙度值等要求；球面SΦ50mm的尺寸公差还兼有控制该球面形状（线轮廓）误差的作用。

该零件材料为45#钢，可以用Φ60mm棒料，无热处理和硬度要求。

2、选定设备：

根据被加工零件的外形和材料等条件，选定数控车床；其数控系统为FNAUC。

3、确定零件的定位基准和装夹方式：

定位基准：确定坯件轴线和左端大端面（设计基准）为定位基准。

装夹方式：左端采用三爪自定心卡盘夹紧、右端采用活动顶尖支顶的装夹方式。

4、确定切削用量

（1）背吃刀量：粗车时，确定其背吃刀量为3mm左右；精车时为0.25mm。

（2）主轴转速：

车直线和圆弧轮廓时的主轴转速。参考表1并根据实践经验确定其切削速度为90m/min；粗车时确定主轴转速为500r/min，精车时确定主轴转速为800 r/min。编程中还可以对直线、圆弧采用不同的主轴转速。

车螺纹时的主轴转速。主轴转速定为320 r/min。

（3）进给速度：粗车时，按式时，按式υf=nf可选择υf1=200mm /min；精车时，兼顾到圆弧插补运行，故选择其υf2=60mm /min左右；短距离空行程的υf3=300mm /min。

（二）确定加工路线

按由粗到精、由近到远（由右到左）的原则，确定加工路线。加工路线自右向左加工，先用1号刀用G70粗加工出零件外轮廓，具体路线为先倒角（2×45°）→切削螺纹实际外径Φ29.6→切削Φ26→切削Φ36→切削圆弧部分→切削Φ34→切削锥度部分→切削Φ56,最后切削螺纹。

（三）制定加工方案

1、用1号刀粗车外形，留1.0mm（直径量）的半精车余量。

2、用2号刀车螺纹。

螺纹大径d1=d-0.1P=30-0.1*1.5=29.85mm

螺纹小径d2= d1-1.3P=29.85-1.3*1.5=27.9mm

3、用2号刀精车全部外形。

（四）选择刀具及对刀

1、粗、精车用刀具：

（1）硬质合金90°外圆车刀，副偏角以为60°，断屑性能应较好。

（2） 硬质合金60°外螺纹车刀，刀尖角取为59°30′，刀尖圆弧半径取为0.2mm。

2、对刀

（1）将粗车用90°外圆车刀安装在绝对刀号自动转位刀架的1号刀位上，并定为1号刀。

（2）将精车外形（含外螺纹）用60°外螺纹车刀安装在绝对刀号自动转位刀架的2号刀位上，并定为2号刀。

（3）在对刀过程中，同时测定出2号刀相对于1号刀的刀位偏差。

（五）确定工件坐标系、对刀点和换刀点

1、加工坐标系如图3所示：O为坐标原

坐标点示意图 图3

2、确定对刀点及换刀点位置：

（1）确定对刀点：确定对刀点距离车床主轴轴线30 mm，距离坯件右端端面140 mm；其对刀点在正X和正Z方向并处于消除机械间隙状态。

（2）确定换刀点：为使其各车刀在换刀过程中不致碰撞到尾座上的顶尖，故确定换刀点距离车床主轴轴线60mm，即在正X方向距离对刀点30mm，距离坯件右端端面0 mm，即在Z方向与对刀点一致

参考文献

（1）张超等,数控机床加工工艺,北京；高等教育出版社，1998，9

（2）王洪主编，数控加工程序编制，北京；机械工业出版社，2001.6

（3）文生主编，数控机床及应用，北京；电子工业出版社1997.3

致谢

时光匆匆如流水，转眼便是大学毕业时节，春梦秋云，聚散真容易。在这个美好的季节里，我在电脑上敲出了最后一个字，心中涌现的不是想象已久的欢欣，却是难以言喻的失落。是的，随着论文的终结，意味着我生命中最纯美的学生时代即将结束，尽管百般不舍，这一天终究会在熙熙攘攘的喧嚣中决绝的来临。

本次毕业设计是在指导教师的悉心指导下展开的。从设计题目的提出到论文的完成，指导老师都在关注我们的进度，赵老师一丝不苟的治学态度和高度的责任感，在做毕业设计的过程中时刻影响和教育着我，使我难忘和感动。在此论文完成之际，谨向赵老师以最衷心的感谢。

三年寒窗，所收获的不仅仅是愈加丰厚的知识，更重要的是在阅读、实践中所培养的思维方式、表达能力和广阔视野。很庆幸这些年来我遇到了许多恩师益友，无论在学习上、生活上还是工作上都给予了我无私的帮助和热心的照顾，让我在诸多方面都有所成长。感恩之情难以用语言量度，谨以最朴实的话语致以最崇高的敬意。

还要感谢我的父母，给予我生命并竭尽全力给予了我接受教育的机会，养育之恩没齿难忘； 他们不仅培养了我对中国传统文化的浓厚的兴趣，让我在漫长的人生旅途中使心灵有了虔敬的归依，而且也为我能够顺利的完成毕业论文提供了巨大的支持与帮助。在未来的日子里，我会更加努力的学习和工作，不辜负父母对我的殷殷期望！我一定会好好孝敬和报答他们！

然后还要感谢大学三年来所有的老师，为我们打下机械专业知识的基础；同时还要感谢所有的同学们，正是因为有了你们的支持和鼓励。此次毕业设计才会顺利完成。最后桂林电子科技大学职业技术学院三年来对我的大力栽培。

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