数控车削加工质量控制研究.docx
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数控车削加工质量控制研究
毕业论文
数控车削加工质量控制研究
系部：
机电工程系
专业：
数控技术
班级：
09数控
（1）班
学生：
张星
学号：
09313112
指导教师：
刘晓秋老师职称：
讲师
2011年12月30日
摘要
数控技术是现代化机械加工的重要基础和关键技术。
应用数控技术可大大提高生产率，稳定加工质量，缩短加工周期，增加生产柔性，实现对各种复杂零件的自动化加工，但在加工过程中，会由于某些原因产生不可接受的误差，致使零件报废。
因此，对影响数控车削加工质量的因素进行分析并提出改进措施，具有重要的现实意义。
影响数控车削加工的误差因素很多，归纳起来主要有三类：
第一类是数控机床的产生的误差；第二类是程序编制过程中产生的误差；第三类是工装（包括刀具和夹具等）产生的误差。
关键字：
发展前景质量控制车削加工
Abstract
Numericalcontroltechnologyistheimportantfoundationofmodernmachineryprocessingandkeytechnology.。
Numericalcontroltechnologyapplicationcangreatlyimproveproductivity，stableprocessingqualityandshortenprocessingcycle，increaseproductionflexible，realizetheautomationofofallkindsofcomplexpartsprocessing，butinthemachiningprocess，willbeforsomereasonproducesunacceptableerror,，thescrapparts.。
Therefore，theinfluencefactorsonthequalityofthenumericalcontrolturningprocessinganalysisandputforwardtheimprovementmeasures,haveimportantpracticalsignificance。
Affectthenumericalcontrolturningprocessingerrormanyfactors，aresummedupandtherearethreemajortypes，thefirstkindisthegenerationofnumericalcontrolmachineerror，Thesecondtypeisproducedduringprogrammingerror，Thethirdtypeistooling（includingcuttingtoolsandfixtures，etc）produceerror。
Keywords：
DevelopmentprospectsQualitycontrolTurningprocessing
前言
随机械加工及技术的高速发展，现代制造企业需要提供生产率的同时，不断提高产品的质量，降低成本，使企业得到发展壮大。
在实际生产中,数控加工零件的质量受诸多因素的影响,如工艺过程,数控系统,数控编程和对刀调整等都直接影响零件的加工质量。
保证数控车床的加工质量,充分发挥数控车的高精度、高速度等优势,必须考虑合理的工艺因素,正确地进行数控车床的加工程序编制和掌握数控机床操作技能,并进行全过程控制,只有这样才能充分发挥数控加工的优势，保证加工质量，降低成本。
目录
第一章概述
1.1数控车削的概念.............................................................................4
1.2研究数控车削加工质量控制的目的.............................................5
第二章数控车削加工质量控制的发展过程
2.1数控车削加工质量控制的发展背景.............................................6
2.2数控车削加工质量控制的发展现状.............................................6
2.3数控车削加工质量控制的发展趋势.............................................7
第三章数控车削加工质量控制的应用
3.1多次测量法在生产中的运用.........................................................9
3.2提高数控车削加工精度的措施...................................................16
第四章数控车削加工质量控制
4.1数控车削加工质量控制存在的问题...........................................21
4.2提高数控车削加工质量控制的发展对策与分析.......................22
第五章总结
致谢
参考文献
第一章概述
近几年来，随着人们对产品质量要求的越来越高，制作工业也不断发展。
在现代工厂的加工车间里，大都从采用先进的数控设备，但是很多工厂里是工程设计人员结合最新数控技术，针对自己的具体生产情况并结合常规的车削、等加工办法对原先设备和生产技术进行的数控化改造，使其具有更加经济、更加合理的性能。
本论文就是针对目前工厂里，数控车削加工过程中影响加工质量的各种因素展开研究，从而为数控车削过程中生产效率和加工质量的提高提供依据。
数控车削是数控车削加工技术之一。
随着科学技术和社会生产力的迅速发展，人们对机械产品的质量和生产率提出了越来越高的要求。
机械加工工艺过程的自动化成为实现上述要求的最重要措施之一。
它不仅能够提高产品质量、生产率、降低成本，还能极大的改善工人的劳动条件，减轻劳动强度。
另外，在市场激烈的竞争中，机械产品更新换代日趋频繁，并且越来越精密复杂。
这就给生产这些产品的各种加工设备提出了精度于效率，通用性于灵活性以及生产过程自动化的要求，数控技术正是在这种条件下发展起来的一种适用于对精度高、几何形状复杂的单件、小批机械产品加工设备的控制技术。
数控技术自产生以来一直以惊人的速度向前发展。
数控技术是现代化加工设备的基础，是最终目的的实现手段，它集微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技术于一体，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。
所以说，发展先进制造技术，必须发展数控技术。
随着制造业于数控技术结合的日益紧密，机械制造设备的数控化率已成为衡量一个国家制造技术水平的重要标志。
1.1数控车削的概念
数控车削就是在车床上，利用工件的旋转运动和刀具的直线运动或曲线运动来改变毛坯的形状和尺寸，把它加工成符合图纸的要求。
车削加工是在车床上利用工件相对于刀具旋转对工件进行切削加工的方法。
车削加工的切削能主要由工件而不是刀具提供。
车削是最基本、最常见的切削加工方法，在生产中占有十分重要的地位。
车削适于加工回转表面，大部分具有回转表面的工件都可以用车削方法加工，如内外圆柱面、内外圆锥面、端面、沟槽、螺纹和回转成形面等，所用刀具主要是车刀。
1.2研究数控车削加工质量控制的目的
在现代化的企业制造生产中，随着产品质量和精度的日益提高，车削加工质量的控制要求也随之增高！
随着高速车削与超高速车削技术的发展，以及质量检测系统的更新，对加工产品的精度有了很大的提高，在以前很多满足不了的产品，现在能够满足市场的需求，由现在的自主生产取代了进口需求。
在企业生产中，通过研究车削加工质量的方法，有效的解决了加工精度不高等问题，减轻了操作者的劳动强度，提高效率并保证加工后零件的质量。
工艺处理工作，对于数控机床程序的编制和零件的加工是非常重要的。
但工艺处理工作的实践性很强，在实际运用中，善于分析，充分利用所掌握的各项知识，理论联系实际，不断总结，提高产品质量，满足市场需求。
第二章数控车削加工质量控制的发展过程
2.1数控车削加工质量控制的发展背景
随着科学技术发展的和社会的进步，为求的高效率地生产出高质量的产品，世界各地都不惜耗费巨资，投入大量人力物力，采用最先进的技术手段，不断深入的研究探讨切削加工方法和理论。
数控车削技术在这种形势下很快成熟起来的，并向高速、超高速方向发展。
数控车削加工可用于加工铸钢、钢、纤维强化复合材料；可用于加工水平、垂直和倾斜的平面，以及台阶沟槽和成型表面等。
当前车削加工仍是很基本、很重要的加工方法之一，在航空航天、模具制造及精密微细加工等方面得到广泛应用，在很多工厂具有不可替代性。
但是要想发展车削、高速车削等技术，就必须研究影响车削加工的各种因素，如果不能对影响因素不能正确处理，是很难提高数控车削加工质量的，也更谈不上研究超高速车削等问题。
2.2数控车削加工质量控制的发展现状
在数控车削方面，美、日、法、德等国家的技术已相当成熟，他们早在上世纪六七十年代，就很好的解决了数控车削加工中出现的一些技术问题，目前正在高速车削（在常规切削数度下几倍、十几倍的条件下进行的切削）方向发展。
例如美国，在七十年代及研制出最高转速2000r/min的车床，近几年来日本在这方面进展也很快，把高端车削列为五大现代制造技术之一。
目前我国在这个领域的研究和取得的成果相对欧美、日本等先进国家整体上还有一定的差距，不过在某些方面还是取得了令人满意的成绩。
例如我国一些高校在数控车削方面取得了一些成果，在切削机理方面清华大学高技术陶瓷有限公司开发的氮化硅基陶瓷刀具以1020m/min的超高速车削灰铸钢，可获得46~52min的刀具耐用度；北京理工大学较为系统研究了软钢、灰铸钢、高强度装甲钢的超高速车削和粹硬钢、钨合金和硅铁的超高度切削机理（刀具磨损及刀具可靠性 切削力和表面粗糙度）及刀具的安全结构问题；上海交通大学研究超高速切削硬铝时切削力和切削温度的动态规律，表明只有超过一定临界速度（706m/min），车削力和车削温度才开始明显下降，西北工业大学研究超高速车削钛合金时的刀具适配和参数优化问题；在超高速机床方面，沈阳工学院研制超高速数控车铣床；已取得阶段性成果。
2.3数控车削加工质量控制的发展趋势
随着新兴的制造技术——数字化制造技术的出现,数控车削加工技术得到了广泛的应用,同时以制造业为主要服务对象的车削刀具制造及应用技术也得到迅速发展。
大量高速、高效、柔性、复合、环保的数控车削加工刀具及应用新技术不断涌现,使传统的切削加工技术发生了根本的变化。
如今,硬切削、干式切削、高速高效加工已成为现代切削技术的重要标志,并带动着切削加工技术水平的全面提高,已成为数控加工的关键技术。
数控车削刀具材料的发展状况刀具材料发展的主要特点表现在以下两个方面；一方面硬质合金取代高速钢成为主要的刀具材料;另一方面超硬刀具材料使用比重大幅增加。
1、硬质合金刀具对车削的开发越来越有针对性
随着技术的发展,新材料的品种也越来越多,各种材料的加工性能也是各有千秋,针对于现代加工分工越来越细,刀具的使用也越来越有针对性,各个刀具公司也开发出相应的刀具。
例如美国Kennametal公司仅针对不同被加工材料的车削加工牌号就有:
加工钢材的KC9110、加工不锈钢的KC9225、加工铸铁的KY1310、加工耐热合金的KC5410、加工淬硬材料的KC5510、加工非铁材料的KY1615,新牌号比原牌号平均可提高切削效率15%～20%。
同时在新牌号的开发中重视基体和涂层的优化组合。
对于适合高速加工的牌号,其基体应有较高抗塑性变形的能力和富钴的表层及抗月牙磨损的涂层;对于适合断续切削的牌号,基体和涂层都要有较好的韧性。
例如Sandvik公司车削铸铁的专用牌号GC3205、GC3210、GC3215为CVD涂层硬质合金,分别用于灰铸铁的高速加工、球墨铸铁的高速加工、各种铸铁的中低速的断续切削加工,这3种牌号分别采用不同的硬质合金基体和不同厚度的Al2O3、MT-TiCN涂层。
2、刀具涂层技术取得较大发展
先进的涂层设备为涂层技术的发展创造了重要条件,尤其是PVD涂层工艺技术,一方面,在改进控制技术,提高等离子体密度、提高磁场强度、改进阴极靶的形状、实现过程的计算机全自动控制等关键技术上取得了全面的进展,从而使涂层与基体的结合强度、涂层的性能有显著的提高。
如CemeCon公司开发的CC800/9涂层设备采用磁控溅射技术,从根本上避免多弧工艺的“液滴”问题,为解决磁控溅射沉积速率低、结合力低的缺陷,开发了HIS（高电离化溅射）技术,并在此基础上开发了H.I.P（高电离化脉冲）技术,推出了能同时具有氧化物涂层的化学稳定性及硬质涂层的物理特性的Supernitrides系列涂层。
另一方面,涂层的品种也从常规的TiN、TiCN、TiAlN迅速扩展到特殊TiAlN、AlTiN、TiAlCN、CrN、CBC（DLC）等涂层以及各种复合涂层和纳米涂层,并能对涂层的组分、百分比、结构在更大范围内加以控制和改变,以适应不同的被加工材料和不同的切削条件,从而显著地提高了刀具的切削性能。
日立公司开发的9种涂层自成体系,除了常规的TiN、TiCN、TiAlN以外,还开发了以Si元素代替Al元素的涂层,有适用于硬切削的TiSiN涂层;有润滑性的CrSiN涂层,在Cr中添加Si使涂层细微化进一步降低摩擦系数,更适用于铝、不锈钢等粘附性强的材料的加工;有超强耐氧化能力的AlCrSiN涂层和在高温下具有低摩擦系数的TiBON涂层。
纳米涂层的开发和推广应用,将进一步提高切削加工的效率。
3、复合刀具是数控车削发展的趋势
开发多功能的复合刀具是当前刀具结构发展中的一个趋势。
为了发挥以车削加工中心和镗铣类加工中心为代表的数控加工技术的优势,对复杂零件在一次安装中进行多工序的集中加工,并淡化传统的车、铣、镗、螺纹加工等不同切削工艺的界限,是当前提高数控机床效率、加快产品开发的重要途径。
为此,也对刀具提出了新的要求,除了刀具模块化以外,还要求一种刀具要尽可能多地完成对零件不同工序的加工。
减少换刀次数,节约频繁换刀时间;同时,还可以减少刀具的数量和库存量,有利于管理和降低制造成本。
这类专用高效刀具已经成为现代自动生产线的特色,对减少投资费用、保证生产节拍和产品质量发挥了重要作用,也反映出刀具与工艺在制造技术中的紧密关系,甚至是开发新工艺、设计新的生产线的前提。
4、数控切削技术的发展对车削行业提出了更高的要求
高精度、高效率、高可靠性和专用化是先进数控车削加工技术的基本特征,现代刀具企业最响亮的竞争口号,就是为制造业提供效率最高的切削刀具。
制造业也认识到通过采用高效率刀具提高劳动生产率来降低成本,比单纯节省刀具费用更加有利。
所以,在现代刀具的制造和使用领域,“效率优先”已经代替了传统的“性能价格比”老概念。
现代刀具发展的重要特征之一是专业化、复合化和多功能化,导致刀具结构日趋复杂,形状变得十分特异。
传统的刀具工艺技术——普通机床和卡具已经无法保证刀具和刀片的安装基准和切削单元之间的空间位置精度。
因此,多轴联动的数控加工技术已经成为现代刀具企业不可缺少的手段。
由于刀具制造工艺的特殊性,刀具制造的专用数控机床通常由刀具企业自行研究开发,机床企业协作制造。
所以,刀具专用数控技术和装备的开发和应用已经成为现代工具企业的一个重要工作内容。
由此可见,“三高一专”刀具产品的研究、生产和推广服务,成为企业竞争的焦点,谁发展慢一点,就要被淘汰出局。
这种竞争的结果,使国际刀具工业的发展日趋集中化,那些具有强大研发能力和经济实力的企业在竞争中脱颖而出,成为推动和领导行业发展的主力。
第三章数控车削加工质量控制的应用
3.1数控车削在实际生产中的应用
在现代化的生产加工中，车削加工已经成为不可替代的作用，在很多的场合中，车削技术已经在生产业中不可替代。
使用数控车床加工形状简单、尺寸较小的零件时，容易达到较高的尺寸精度，而在加工形状复杂、尺寸较大的零件时，要达到较高的尺寸精度就不容易了。
本文通过反复实践总结出一个行之有效的方法，能有效而又快捷地提高数控车削加工精度。
3.1.1影响数控车削加工精度的因素
在实际生产中，影响数控车削加工的因素可能有很多，机床本身几何精度、运动精度的高低，刚度的强弱，夹具的制造、安装精度，夹紧力的大小、方向，刀具的安装误差，刃片的磨损，工件残余应力的分布状况，对刀与测量误差等等。
这些因素或多或少都会存在，都会对加工精度造成影响，这就需要通过一定的方法来减小误差的影响，提高加工精度。
本文通过以下几个方面简略说明各因素对加工精度的影响！
1、表面质量对使用性能的影响
表面质量对金属的使用性能各有影响。
表面粗糙度值越大，抗疲劳破坏能力越差，抗腐蚀性也越差，同时也会使零件配合精度降低。
表面残余拉应力的存在会促使裂纹扩展，而残余压应力能够阻止裂纹扩展；表面金相组织的变化会导致表层硬度发生变化，影响零件的耐磨性。
表层加工硬化适度会提高疲劳强度。
由于加工质量的问题，造成零件的腐蚀开裂，降低零件腐蚀性。
2、影响零件表面质量的因素主要在于以下几个方面
（1）对表面粗糙度的影响
刀具相对于工件作进给运动时，在加工表面留下了切削层残留面积,其形状时刀具几何形状的复映。
从图1可看出进给量f,刀具主偏角kr,副偏角kr和刀尖圆弧半径Tr都会影响残留面积的高度H。
残留面积越大，H值也越大，表面就越粗糙。
图1残留面积
（2）使工件冷硬加强
机械加工过程中因切削作用产生的塑性变形，使晶格扭曲，畸变，晶粒间产生剪切滑移，晶粒被拉长和纤维化，甚至破碎，这些都会使表面层金属的硬度和强度提高，这种现象叫称作冷作硬化。
表面层金属硬化的结果会增大金属的变形的阻力，减小金属的塑性，金属的物理性质也会发生变化，使金属表面变形增大。
切削刃钝圆半径增大，对表层金属的挤压作用增强，塑性变形加剧导致冷硬增强。
如果刀具后刀面磨损增大，后刀面与被加工面的摩擦加剧，塑性变形增大，也会导致冷硬程度增加。
（3）切削用量的影响
1）对表面粗糙度的影响
当用中等切削速度切削塑性金属易产生积屑瘤和鳞刺，积屑瘤既不规则又不稳定，不规则部分代替刀刃切削，会留下深浅不一的痕迹，一部分脱落的积屑瘤还可能嵌入工件已加工表面形成振动和毛刺，使表面粗糙度增大。
2）对冷硬性的影响
当切削速度增大，刀具与工件的作用时间缩短，使塑性变形扩展深度减小，而且切削速度增大后，切削热在工件表面层上的作用时间也缩短，将使冷硬程度增加。
当进给量增大后切削力也增大，零件表面层金属的塑性变形加剧，冷硬作用加强。
（4）工件材料的影响
1）对粗糙度的影响
加工塑性材料时，由刀具对金属的挤压产生了塑性变形，加之刀具迫使切屑与工件分离的撕裂作用，使表面粗糙度值加大。
工件材料韧性愈好，金属的塑性变形愈大，加工表面就愈粗糙。
加工脆性材料时，其切屑呈碎粒状，由于切屑的崩碎而在加工表面留下许多麻点，使表面粗糙。
（5）残余应力的影响
已加工表面层常有残余应力，有残余张应力和残余压应力之别。
残余张应力会降低零件的疲劳强度，有时甚至在切削加工之后，就会使零件表面产生微裂纹；而残余压应力有时却能提高零件的疲劳强度。
各部分的残余应力由于分布不均匀，会使工件发生变形，影响工件的形状和尺寸精度。
一个机器零件的已加工表面如果存在残余张应力，那么零件的疲劳强度便会比存在残余压应力时低很多。
（6）振动的影响
刀具和工件安装不牢固或者机床受周围环境的影响使刀具工件或机床部件产生周期性振动会使已加工工件表面出现周期性的波纹，使表面粗糙度变大。
3、提高表面质量的措施
（1）刀具方面
1）加强切割作用，减小推挤作用
从前面的分析中可以看到刀具的前角与刃口圆弧的大小在这方面有影响到是很大的。
因此可以通过在刃磨刀具时加大前角，减小圆弧半径来实现。
在切削时采用斜刃切削也有利于提高表面质量。
2）提高刃磨质量控制磨损量，合理选择刀具
降低前、后刀面的粗糙度可以减小刀具和加工面之间的摩擦，降低切削变形和切削力，抑制积屑瘤和鳞刺。
根据工件的材料和具体加工条件合理选择刀具材料，提高加工表面质量。
（2）零件方面
提高毛坯外形的几何精度，保证其硬度及组织的均匀性，以减小切削力的波动，使振动及刀具磨损减小，有利于提高表面质量。
通过热处理提高塑性较大材料的硬度，可改善表面质量。
如对20钢在切削前进行正火处理，可改善它的切削加工性。
（3）切削用量方面
提高切削速度可以减小切削变形，降低切削力，使表面质量提高。
同时在高速下，积屑瘤和鳞刺高度会降低或消失。
当切削速度受到限制时，应针对影响表面质量的主要因素确定合理的切削速度。
在精加工中，常采用较小的切削深度和走刀量。
（4）冷却润滑方面
根据具体情况选用冷却润滑液，并与适当的冷却润滑方法相配合，能够有效地降低塑性变形、摩擦、切削力、切削温度和刀具磨损，显著提高表面质量。
（5）其他方面
提高机床刚性及运动精度。
控制残余应力的平衡，在切削加工中控制残余应力的分布，使其平衡，就能够避免或减小零件的变形，如采__用对称切削法等。
3.1.2提高数控车加工精度的方法的应用
下面举一个实例来说明提高数控车加工精度的方法的应用，零件图如下所示：
根据零件图，确定工件坐标系为工件右端面中心处（如图），选择1号刀为粗车外圆车刀，主偏角90°，副偏角5°，2号刀为精车外圆车刀，主偏角100°副偏角10°。
我校使用大连机床生产的SIEMENS802S系统数控车床，编写程序如下：
CJG.MPF粗加工主程序
N10M03S400
N20T01
N30G00X100Z100
N40X60Z10
N50G158X1可编程零点偏置（增大余量2mm）
N60CNAME=LK
R105=1R106=0R108=1.5R109=0
R110=2R111=0.2R112=0.1
LCYC95
N70G00X100
N80Z100
N90G158取消可编程零点偏置
N100M2
JJG.MPF精加工主程序
N10M03S700
N20T02
N30G0X100Z100
N40X60Z10
N50G158X1
N60CNAME=LK
R105=5R106=0R108=0.5R109=0
R110=2R111=0.2R112=0.1
LCYC95
N70G00X100
N80Z100
N90G158
N100M2
LK.SPF轮廓子程序
N10G01X0Z0
N20G03X30Z-15CR=15
N30G01Z-30
N40X37.5
N50X45Z-52.5
N60Z-78
N70G02X54Z-82.5CR=4.5
N80G01Z-105
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