数控加工工艺与编程教案.docx
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数控加工工艺与编程教案
序号
1
日期
班级
课题
数控程序编制的概念
重点与难点
数控编程的内容与步骤
教研室主任
年月日
教师
年月日
教学手段：
多媒体教学
引入：
由普通机床难加工零件及东芝事件引出数控机床应用（5分钟）
正课：
第一章数控加工技术概况（85分钟）
1.1数控程序编制的概念
在编制数控加工程序前，应首先了解：
数控程序编制的主要工作内容，程序编制的工作步骤，每一步应遵循的工作原则等，最终才能获得满足要求的数控程序。
1.1.1数控程序编制的定义
编制数控加工程序是使用数控机床的一项重要技术工作，理想的数控程序不仅应该保证加工出符合零件图样要求的合格零件，还应该使数控机床的功能得到合理的应用与充分的发挥，使数控机床能安全、可靠、高效的工作。
1、数控程序编制的内容及步骤
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）分析零件图样和制定工艺方案
这项工作的内容包括：
对零件图样进行分析，明确加工的内容和要求；确定加工方案；选择适合的数控机床；选择或设计刀具和夹具；确定合理的走刀路线及选择合理的切削用量等。
这一工作要求编程人员能够对零件图样的技术特性、几何形状、尺寸及工艺要求进行分析，并结合数控机床使用的基础知识，如数控机床的规格、性能、数控系统的功能等，确定加工方法和加工路线。
（2）数学处理
在确定了工艺方案后，就需要根据零件的几何尺寸、加工路线等，计算刀具中心运动轨迹，以获得刀位数据。
数控系统一般均具有直线插补与圆弧插补功能，对于加工由圆弧和直线组成的较简单的平面零件，只需要计算出零件轮廓上相邻几何元素交点或切点的坐标值，得出各几何元素的起点、终点、圆弧的圆心坐标值等，就能满足编程要求。
当零件的几何形状与控制系统的插补功能不一致时，就需要进行较复杂的数值计算，一般需要使用计算机辅助计算，否则难以完成。
（3）编写零件加工程序
在完成上述工艺处理及数值计算工作后，即可编写零件加工程序。
程序编制人员使用数控系统的程序指令，按照规定的程序格式，逐段编写加工程序。
程序编制人员应对数控机床的功能、程序指令及代码十分熟悉，才能编写出正确的加工程序。
（4）程序检验
将编写好的加工程序输入数控系统，就可控制数控机床的加工工作。
一般在正式加工之前，要对程序进行检验。
通常可采用机床空运转的方式，来检查
机床动作和运动轨迹的正确性，以检验程序。
在具有图形模拟显示功能的数控机床上，可通过显示走刀轨迹或模拟刀具对工件的切削过程，对程序进行检查。
对于形状复杂和要求高的零件，也可采用铝件、塑料或石蜡等易切材料进
行试切来检验程序。
通过检查试件，不仅可确认程序是否正确，还可知道加工精度是否符合要求。
若能采用与被加工零件材料相同的材料进行试切，则更能反映实际加工效果，当发现加工的零件不符合加工技术要求时，可修改程序或采取尺寸补偿等措施。
总结与提问：
数控机床的应用及数控机床编程步骤（10分钟）
教学手段：
多媒体教学
引入：
复习数控编程内容步骤，引出数控编程方法（5分钟）
正课：
数控编程方法（85分钟）
序号
2
日期
班级
课题
数控编程方法和指令代码
重点与难点
准备功能字G代码的含义
教研室主任
年月日
教师
年月日
2、数控程序编制的方法
数控加工程序的编制方法主要有两种：
手工编制程序和自动编制程序。
（1）手工编程
手工编程指主要由人工来完成数控编程中各个阶段的工作。
一般对几何形状不太复杂的零件，所需的加工程序不长，计算比较简单，用手工编程比较合适。
手工编程的特点：
耗费时间较长，容易出现错误，无法胜任复杂形状零件的编程。
据国外资料统计，当采用手工编程时，一段程序的编写时间与其在机床上运行加工的实际时间之比，平均约为30：
1，而数控机床不能开动的原因中有20%~30%是由于加工程序编制困难，编程时间较长。
（2）计算机自动编程
自动编程是指在编程过程中，除了分析零件图样和制定工艺方案由人工进行外，其余工作均由计算机辅助完成。
采用计算机自动编程时，数学处理、编写程序、检验程序等工作是由计算
机自动完成的，由于计算机可自动绘制出刀具中心运动轨迹，使编程人员可及时检查程序是否正确，需要时可及时修改，以获得正确的程序。
又由于计算机自动编程代替程序编制人员完成了繁琐的数值计算，可提高编程效率几十倍乃至上百倍，因此解决了手工编程无法解决的许多复杂零件的编程难题。
因而，自动编程的特点就在于编程工作效率高，可解决复杂形状零件的编程难题。
根据输入方式的不同，可将自动编程分为图形数控自动编程、语言数控自动编程和语音数控自动编程等。
图形数控自动编程是指将零件的图形信息直接输入计算机，通过自动编程软件的处理，得到数控加工程序。
目前，图形数控自动编程是使用最为广泛的自动编程方式。
语言数控自动编程指将加工零件的几何尺寸、工艺要求、切削参数及辅助信息等用数控语言编写成源程序后，输入到计算机中，再由计算机进一步处理得到零件加工程序。
语音数控自动编程是采用语音识别器，将编程人员发出的加工指令声音转变为加工程序。
1.1.2数控程序的指令代码：
（1）准备功能字G准备功能字G指令是使数控机床建立起某种加工方式的指令，如插补、刀具补偿、固定循环等。
表1.1G功能字含义表
G功能字
FANUC系统
SIEMENS系统
G00
快速移动点定位
快速移动点定位
G01
直线插补
直线插补
G02
顺时针圆弧插补
顺时针圆弧插补
G03
逆时针圆弧插补
逆时针圆弧插补
G04
暂停
暂停
G05
---
通过中间点圆弧插补
G17
XY平面选择
XY平面选择
G18
ZX平面选择
ZX平面选择
G19
YZ平面选择
YZ平面选择
G32
螺纹切削
---
G33
---
恒螺距螺纹切削
G40
刀具补偿注销
刀具补偿注销
G41
刀具补偿——左
刀具补偿——左
G42
刀具补偿——右
刀具补偿——右
G43
刀具长度补偿——正
---
G44
刀具长度补偿——负
---
G49
刀具长度补偿注销
---
G50
主轴最高转速限制
---
G54～G59
加工坐标系设定
零点偏置
G65
用户宏指令
---
G70
精加工循环
英制
G71
外圆粗切循环
米制
G72
端面粗切循环
---
G73
封闭切削循环
---
G74
深孔钻循环
---
G75
外径切槽循环
---
G76
复合螺纹切削循环
---
G80
撤销固定循环
撤销固定循环
G81
定点钻孔循环
固定循环
G85
绝对值编程
绝对尺寸
G91
增量值编程
增量尺寸
G92
螺纹切削循环
主轴转速极限
G94
每分钟进给量
直线进给率
G95
每转进给量
旋转进给率
G96
恒线速控制
恒线速度
G97
恒线速取消
注销G96
G98
返回起始平面
---
G99
返回R平面
---
（2）尺寸字尺寸字用于确定机床上刀具运动终点的坐标位置。
其中，第一组X，Y，Z，U，V，W，P，Q，R用于确定终点的直线坐标尺寸；第二组A，B，C，D，E用于确定终点的角度坐标尺寸；第三组I，J，K用于确定圆弧轮廓的圆心坐标尺寸。
在一些数控系统中，还可以用P指令暂停时间、用R指令圆弧的半径等。
多数数控系统可以用准备功能字来选择坐标尺寸的制式，如FANUC诸系统可用G21/G22来选择米制单位或英制单位，也有些系统用系统参数来设定尺寸制式。
采用米制时，一般单位为mm，如X100指令的坐标单位为100mm。
当然，一些数控系统可通过参数来选择不同的尺寸单位。
（3）进给功能字F
进给功能字的地址符是F，又称为F功能或F指令，用于指定切削的进给速度。
对于车床，F可分为每分钟进给和主轴每转进给两种，对于其它数控机床，一般只用每分钟进给。
F指令在螺纹切削程序段中常用来指令螺纹的导程。
（4）主轴转速功能字S
主轴转速功能字的地址符是S，又称为S功能或S指令，用于指定主轴转速。
单位为r/min。
对于具有恒线速度功能的数控车床，程序中的S指令用来指定车削加工的线速度数。
（5）刀具功能字T
刀具功能字的地址符是T，又称为T功能或T指令，用于指定加工时所用刀具的编号。
对于数控车床，其后的数字还兼作指定刀具长度补偿和刀尖半径补偿用。
（6）辅助功能字M
辅助功能字的地址符是M，后续数字一般为1～3位正整数，又称为M功能或M指令，用于指定数控机床辅助装置的开关动作，见表1.2。
表1.2M功能字含义表
M功能字
含义
M00
程序停止
M01
计划停止
M02
程序停止
M03
主轴顺时针旋转
M04
主轴逆时针旋转
M05
主轴旋转停止
M06
换刀
M07
2号冷却液开
M08
1号冷却液开
M09
冷却液关
M30
程序停止并返回开始处
M98
调用子程序
M99
返回子程序
1.1.3程序格式
1、程序段格式
程序段是可作为一个单位来处理的、连续的字组，是数控加工程序中的一条语句。
一个数控加工程序是若干个程序段组成的。
程序段格式是指程序段中的字、字符和数据的安排形式。
现在一般使用字地址可变程序段格式，每个字长不固定，各个程序段中的长度和功能字的个数都是可变的。
地址可变程序段格式中，在上一程序段中写明的、本程序段里又不变化的那些字仍然有效，可以不再重写。
这种功能字称之为续效字。
程序段格式举例：
N30G01X88.1Y30.2F500S3000T02M08
N40X85（本程序段省略了续效字“G01，Y30.2，F500，S3000，T02，M08”，但它们的功能仍然有效）
在程序段中，必须明确组成程序段的各要素：
移动目标：
终点坐标值X、Y、Z；
沿怎样的轨迹移动：
准备功能字G；
进给速度：
进给功能字F；
切削速度：
主轴转速功能字S；
使用刀具：
刀具功能字T；
机床辅助动作：
辅助功能字M。
总结与提问：
数控编程各种程序字的应用（10分钟）
序号
3
日期
班级
课题
第二章数控加工工艺设计
重点与难点
数控加工工艺内容的选择
教研室主任
年月日
教师
年月日
教学手段：
多媒体教学
复习：
复习数控程序字代码（5分钟）
正课：
第二章数控加工工艺设计（85分钟）
2.1数控加工工艺设计主要内容
2.1.1数控加工工艺内容的选择
1、适于数控加工的内容
在选择时，一般可按下列顺序考虑：
（1）通用机床无法加工的内容应作为优先选择内容；
（2）通用机床难加工，质量也难以保证的内容应作为重点选择内容；
（3）通用机床加工效率低、工人手工操作劳动强度大的内容，可在数控机床尚存在富裕加工能力时选择。
2、不适于数控加工的内容
一般来说，上述这些加工内容采用数控加工后，在产品质量、生产效率与综合效益等方面都会得到明显提高。
相比之下，下列一些内容不宜选择采用数控加工：
（1）占机调整时间长。
如以毛坯的粗基准定位加工第一个精基准，需用专用工装协调的内容；
（2）加工部位分散，需要多次安装、设置原点。
这时，采用数控加工很麻烦，效果不明显，可安排通用机床补加工；
（3）按某些特定的制造依据（如样板等）加工的型面轮廓。
主要原因是获取数据困难，易于与检验依据发生矛盾，增加了程序编制的难度。
2.1.2数控加工工艺性分析
1、尺寸标注应符合数控加工的特点
在数控编程中，所有点、线、面的尺寸和位置都是以编程原点为基准的。
因此零件图样上最好直接给出坐标尺寸，或尽量以同一基准引注尺寸。
2、几何要素的条件应完整、准确
在程序编制中，编程人员必须充分掌握构成零件轮廓的几何要素参数及各几何要素间的关系。
因为在自动编程时要对零件轮廓的所有几何元素进行定义，手工编程时要计算出每个节点的坐标，无论哪一点不明确或不确定，编程都无法进行。
但由于零件设计人员在设计过程中考虑不周或被忽略，常常出现参数不全或不清楚，如圆弧与直线、圆弧与圆弧是相切还是相交或相离。
所以在审查与分析图纸时，一定要仔细核算，发现问题及时与设计人员联系。
3、定位基准可靠
在数控加工中，加工工序往往较集中，以同一基准定位十分重要。
因此往往需要设置一些辅助基准，或在毛坯上增加一些工艺凸台。
4、统一几何类型及尺寸
零件的外形、内腔最好采用统一的几何类型及尺寸，这样可以减少换刀次数，还可能应用控制程序或专用程序以缩短程序长度。
零件的形状尽可能对称，便于利用数控机床的镜向加工功能来编程，以节省编程时间。
总结与提问：
数控加工工艺内容的选择（10分钟）
序号
4
日期
班级
课题
数控加工工艺路线的设计
重点与难点
数控加工工序的安排
教研室主任
年月日
教师
年月日
教学手段：
多媒体教学
复习：
数控加工内容选择（5分钟）
正课：
数控加工工艺路线的设计（85分钟）
1、工序的划分
根据数控加工的特点，数控加工工序的划分一般可按下列方法进行：
（1）以一次安装、加工作为一道工序。
这种方法适合于加工内容较少的零件，加工完后就能达到待检状态。
（2）以同一把刀具加工的内容划分工序。
有些零件虽然能在一次安装中加工出很多待加工表面，但考虑到程序太长，会受到某些限制，如控制系统的限制（主要是内存容量），机床连续工作时间的限制（如一道工序在一个工作班内不能结束）等。
此外，程序太长会增加出错与检索的困难。
因此程序不能太长，一道工序的内容不能太多。
（3）以加工部位划分工序。
对于加工内容很多的工件，可按其结构特点将加工部位分成几个部分，如内腔、外形、曲面或平面，并将每一部分的加工作为一道工序。
（4）以粗、精加工划分工序。
对于经加工后易发生变形的工件，由于对粗加工后可能发生的变形需要进行校形，故一般来说，凡要进行粗、精加工的过程，都要将工序分开。
2、顺序的安排
顺序的安排应根据零件的结构和毛坯状况，以及定位、安装与夹紧的需要来考虑。
顺序安排一般应按以下原则进行：
（1）上道工序的加工不能影响下道工序的定位与夹紧，中间穿插有通用机床加工工序的也应综合考虑；
（2）先进行内腔加工，后进行外形加工；
（3）以相同定位、夹紧方式加工或用同一把刀具加工的工序，最好连续加工，以减少重复定位次数、换刀次数与挪动压板次数；
3、数控加工工艺与普通工序的衔接
数控加工工序前后一般都穿插有其它普通加工工序，如衔接得不好就容易产生矛盾。
因此在熟悉整个加工工艺内容的同时，要清楚数控加工工序与普通加工工序各自的技术要求、加工目的、加工特点，如要不要留加工余量，留多少；定位面与孔的精度要求及形位公差；对校形工序的技术要求；对毛坯的热处理状态等，这样才能使各工序达到相互满足加工需要，且质量目标及技术要求明确，交接验收有依据。
总结与提问：
数控加工工序安排原则（10分钟）
序号
5
日期
班级
课题
数控加工工艺设计方法
重点与难点
对刀点、数控加工切削用量的确定
教研室主任
年月日
教师
年月日
教学手段：
多媒体教学
复习：
工序安排（5分钟）
正课：
数控加工工艺设计方法（85分钟）
数控加工工序设计的主要任务是进一步把本工序的加工内容、切削用量、工艺装备、定位夹紧方式及刀具运动轨迹确定下来，为编制加工程序作好准备。
2.2.1确定走刀路线和安排加工顺序
走刀路线就是刀具在整个加工工序中的运动轨迹，它不但包括了工步的内容，也反映出工步顺序。
走刀路线是编写程序的依据之一。
确定走刀路线时应注意以下几点：
1、寻求最短加工路线
2、最终轮廓一次走刀完成
为保证工件轮廓表面加工后的粗糙度要求，最终轮廓应安排在最后一次走刀中连续加工出来。
3、选择切入切出方向
考虑刀具的进、退刀（切入、切出）路线时，刀具的切出或切入点应在沿零件轮廓的切线上，以保证工件轮廓光滑；应避免在工件轮廓面上垂直上、下刀而划伤工件表面；尽量减少在轮廓加工切削过程中的暂停（切削力突然变化造成弹性变形），以免留下刀痕，
4、选择使工件在加工后变形小的路线
对横截面积小的细长零件或薄板零件应采用分几次走刀加工到最后尺寸或对称去除余量法安排走刀路线。
安排工步时，应先安排对工件刚性破坏较小的工步。
2.2.2确定定位和夹紧方案
在确定定位和夹紧方案时应注意以下几个问题：
（1）尽可能做到设计基准、工艺基准与编程计算基准的统一；
（2）尽量将工序集中，减少装夹次数，尽可能在一次装夹后能加工出全部待加工表面；
（3）避免采用占机人工调整时间长的装夹方案；
（4）夹紧力的作用点应落在工件刚性较好的部位。
2.2.3确定刀具与工件的相对位置
对刀点的选择原则如下：
（1）所选的对刀点应使程序编制简单；
（2）对刀点应选择在容易找正、便于确定零件加工原点的位置；
（3）对刀点应选在加工时检验方便、可靠的位置；
（4）对刀点的选择应有利于提高加工精度。
在使用对刀点确定加工原点时，就需要进行“对刀”。
所谓对刀是指使“刀位点”与“对刀点”重合的操作。
每把刀具的半径与长度尺寸都是不同的，刀具装在机床上后，应在控制系统中设置刀具的基本位置。
“刀位点”是指刀具的定位基准点。
2.2.4确定切削用量
对于高效率的金属切削机床加工来说，被加工材料、切削刀具、切削用量是三大要素。
这些条件决定着加工时间、刀具寿命和加工质量。
经济的、有效的加工方式，要求必须合理地选择切削条件。
编程人员在确定每道工序的切削用量时，应根据刀具的耐用度和机床说明书中的规定去选择。
在选择切削用量时要充分保证刀具能加工完一个零件，或保证刀具耐用度不低于一个工作班，最少不低于半个工作班的工作时间。
背吃刀量主要受机床刚度的限制，在机床刚度允许的情况下，尽可能使背吃刀量等于工序的加工余量.对于表面粗糙度和精度要求较高的零件，要留有足够的精加工余量，数控加工的精加工余量可比通用机床加工的余量小一些。
总结与提问：
对刀点、切削用量的确定原则。
（10分钟）
序号
6
日期
班级
课题
第四章数控车床程序编制
重点与难点
对刀的步骤
教研室主任
年月日
教师
年月日
教学手段：
多媒体教学
引入：
数控车床的应用市场使学生产生兴趣（5分钟）
正课：
数控车床的程序编制（85分钟）
4.1数控车床程序编制的基础
4.1.1数控车床的工艺装备
由于数控车床的加工对象多为回转体，一般使用通用三爪卡盘夹具，因而在工艺装备中，我们将以WALTER系列车削刀具为例，重点讨论车削刀具的选用及使用问题。
1、数控车床可转位刀具特点
数控车床所采用的可转位车刀，与通用车床相比一般无本质的区别，其基本结构、功能特点是相同的。
但数控车床的加工工序是自动完成的，因此对可转位车刀的要求又有别于通用车床所使用的刀具。
2、数控车床刀具的选刀过程
（1）机床影响因素
“机床影响因素”图标如图3.2所示。
为保证加工方案的可行性、经济性，获得最佳加工方案，在刀具选择前必须确定与机床有关的如下因素：
1）机床类型：
数控车床、车削中心；
2）刀具附件：
刀柄的形状和直径，左切和右切刀柄；
3）主轴功率；
4）工件夹持方式。
（2）选择刀杆
选用刀杆时，首先应选用尺寸尽可能大的刀杆，同时要考虑以下几个因素：
1）夹持方式；
2）切削层截面形状，即切削深度和进给量；
3）刀柄的悬伸。
（3）刀片夹紧系统
刀片夹紧系统常用杠杆式夹紧系统，
1）杠杆式夹紧系统
杠杆式夹紧系统是最常用的刀片夹紧方式。
其特点为：
定位精度高,切屑流畅,操作简便,可与其它系列刀具产品通用。
2）螺钉夹紧系统
特点：
适用于小孔径内孔以及长悬伸加工
（4）选择刀片形状
1）刀尖角
刀尖角的大小决定了刀片的强度。
在工件结构形状和系统刚性允许的前提下，应选择尽可能大的刀尖角。
通常这个角度在35o到85o之间。
2）刀片基本类型
刀片可分为正型和负型两种基本类型。
正型刀片：
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。
（5）工件影响因素
（6）选择工件材料代码
（7）确定刀片的断屑槽型代码或ISO断屑范围代码
（8）选择加工条件脸谱
三类脸谱代表了不同的加工条件:
很好、好、不足。
（9）选定刀具
4.1.2对刀
数控车削加工中，应首先确定零件的加工原点，以建立准确的加工坐标系，同时考虑刀具的不同尺寸对加工的影响。
这些都需要通过对刀来解决。
1、一般对刀
一般对刀是指在机床上使用相对位置检测手动对刀。
下面以Z向对刀为例说明对刀方法，见图3.11。
刀具安装后，先移动刀具手动切削工件右端面，再沿X向退刀，将右端面与加工原点距离N输入数控系统，即完成这把刀具Z向对刀过程。
手动对刀是基本对刀方法，但它还是没跳出传统车床的“试切--测量--调整”的对刀模式，占用较多的在机床上时间。
此方法较为落后。
2、机外对刀仪对刀
机外对刀的本质是测量出刀具假想刀尖点到刀具台基准之间X及Z方向的距离。
利用机外对刀仪可将刀具预先在机床外校对好，以便装上机床后将对刀长度输入相应刀具补偿号即可以使用，如图3.12所示。
3、自动对刀
自动对刀是通过刀尖检测系统实现的，刀尖以设定的速度向接触式传感器接近，当刀尖与传感器接触并发出信号，数控系统立即记下该瞬间的坐标值，并自动修正刀具补偿值
总结与提问：
数控车床工艺编制注意问题。
（10分钟）
教学手段：
多媒体教学
序号
7
日期
班级
课题
数控车床的编程特点
重点与难点
加工坐标系及F、S、T功能
教研室主任
年月日
教师
年月日
复习：
数控车床工艺编制（5分钟）
正课：
数控车床的编程特点（85分钟）
1、加工坐标系
加工坐标系应与机床坐标系的坐标方向一致，X轴对应径向，Z轴对应轴向，C轴（主轴）的运动方向则以从机床尾架向主轴看，逆时针为＋C向，顺时针为－C向。
加工坐标系的原点选在便于测量或对刀的基准位置，一般在工件的右端面或左端面上。
2、直径编程方式
在车削加工的数控程序中，X轴的坐标值取为零件图样上的直径值，如图3.15所示：
图中A点的坐标值为（30，80），B点的坐标值为（40，60）。
采用直径尺寸编程与零件图样中的尺寸标注一致，这样可避免尺寸换算过程中可能造成的错误，给编程带来很大方便。
3、进刀和退刀方式
对于车削加工，进刀时采用快速走刀接近工件切削起点附近的某个点，再改用切削进给，以减少空走刀的时间，提高加工效率。
切削起点的确定与工件毛坯余量大小有关，应以刀具快
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