数控加工与编程项目三圆弧加工教案.docx
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数控加工与编程项目三圆弧加工教案
学习情境三带圆弧阶梯轴的加工
学习情境
带圆弧阶梯轴的加工
参考
学时
教学内容
1．圆弧顺时针插补指令G02、圆弧逆时针插补指令G03；
2．圆弧顺时针插补、逆时针插补的方向判断；
3.圆弧插补指令的两种编程方式；
4.零件数控加工工艺的制订；
教学目标
1.职业能力目标
（1）具有与设计人员、工艺人员、操作人员沟通的能力；
（2）具有分析零件图、掌握设计意图和零件工艺分析的能力；
（3）具有数控编程和数控机床操作的基本能力；
（4）查阅资料及相关应用手册的能力；
（5）善于观察、思考、自主学习及创新设计能力。
2.专业知识目标
（1）掌握圆弧面零件的数控程序编制；
（2）掌握车床孔的加工方法；
（3）能够对轴类零件进行数控程序编制和加工。
3.社会能力
（1）团队协作意识及方法；
（2）语言表达能力。
教学重点
难点与解决方法
1．教学重点
（1）圆弧插补指令的编程方式；
（2）圆弧插补顺时针/逆时针方向判断。
2．教学难点
（1）圆弧顺/逆插补方向的判断；
（2）I、K指定圆心方式编程。
3.解决方法
（1）图形示例，零件加工仿真；
（2）查阅专业书籍及相关设计手册；
（3）咨询企业相关人员或教师；
教学
条件
1．教室、多媒体；
2．校内实训机房、数控加工仿真软件；
3．生产性实习车间、数控车床。
教学方法
多媒体讲授理论知识；仿真软件练习掌握数控机床操作面板及基本指令加工；数控机床实际操作练习掌握基本能力。
学习情境三：
带圆弧阶梯轴的加工（详案）
教
学
过
程
的
实
施
步骤
教学内容
教学方法
时间
情景描述
（咨询）
1．给出零件图；
2．给出零件的信息及加工要求；
3．分析零件特点，指导学生自学内容。
教师介绍
0.5课时
制定加工工艺
（计划）
1．工件的装夹与定位；
2．加工路线的确定；
3．切削用量的选择；
4．刀具的选择；
5．机床及数控系统的选择。
学生自学
教师辅导
1.5课时
编制零件加工程序
（决策）
1.G00/G03圆弧插补指令编程；
2.F、S、T代码的合理使用；
3.内部轮廓加工刀具的工件坐标系建立；
4．编程分析、编写零件的数控加工程序；
5．查阅资料、进行讨论。
学生为主
教师点评
5课时
数控仿真和实操加工
（实施）
1．零件数控仿真加工；
2．零件实操加工。
教师指导
学生操作
1课时
检测加工零件
（检查）
1．零件的尺寸精度检测；
2．零件加工质量评估；
3．总结。
教师点评
0.5课时
任务扩展
1.圆弧插补I、K编程方式；；
2．车床上孔的加工；
3．学习应用
教师讲授
课后自学
1.5课时
评价
完成情况（60%）
方法能力（20%）
创新意识（20%）
一、学习情景描述
给学生发放零件图，给出该零件的信息和加工要求。
图示零件为简单阶梯轴，结构要素有外圆柱面、倒角和圆弧面。
毛坯为φ38mm的棒料，材料为45钢，要求完成零件的数控加工，车削尺寸至图中要求。
图3.1零件图
图3.2三维图
二、制订加工工艺
（一）引入新知识
1．数控车削刀具的分类
（1）．按车刀结构分类
①整体车刀：
用整体高速钢制造。
②焊接车刀：
焊接硬质合金或高速钢刀片。
③机夹车刀：
硬质合金刀片用机械夹固的方法固定在刀杆上。
④可转位车刀：
使用可转位刀片的机夹车刀。
图3.3车刀按结构分类
（2）．按加工内容分类
按车削加工内容分为端面车刀、外圆车刀、内孔车刀、切槽刀、螺纹车刀等。
图3.4车刀按加工内容分类
（3）按车刀的形状分类
①尖形车刀：
以直线形切削刃为特征的车刀，刀尖由直线形成的主副切削刃构成。
②圆弧形车刀：
以圆弧形切削刃为特征的车刀，车刀圆弧刃每一点都是车刀的刀尖。
③成形车刀：
其刀形根据工件轮廓设计。
2．车刀材料
车刀材料是指刀头部分的材料，在数控车床上常采用高速钢、硬质合金或涂层刀具。
（1）．高速钢
高速钢是一种含有钨、钼、铬、钒等合金元素较多的材料。
高速钢刀具制造简单，
刃磨方便，韧性较好，能承受较大的冲击力。
但其耐热性较差，因此不能用于高速切削。
（2）．硬质合金
硬质合金中高熔点、高硬度碳化物含量高，因此其常温硬度很高，热熔性、热硬性高，切削速度比高速钢提高4~7倍。
其缺点是脆性大，抗弯强度和抗冲击韧性不强。
（3）．涂层刀具
涂层刀具是在韧性较好的硬质合金或高速钢刀具基体上，涂覆一层耐磨性较高的难熔金属化合物。
常用的涂层材料有TiC、TiN、Al2O3等。
涂层刀具具有较高的耐磨性，加工材料硬度越高，涂层刀具效果越好。
3．车刀切削部分的组成及几何参数
（1）．车刀切削部分的组成
车刀的构造如图12.4所示，其组成包含刀柄和切削部分，切削部分主要由以下几部分组成：
①前刀面：
刀具上切屑沿其流出的表面。
②后刀面：
刀具上与工件过渡表面相对的表面。
③副后刀面：
刀具上与工件已加工表面相对的表面。
④主切削刃：
前面与后面的交线，担任主要切削工作。
⑤副切削刃：
前面与副后面的交线，担任少量切削工作。
⑥刀尖：
主切削刃与副切削刃连接处的一小部分切削刃。
图3.5车刀构造图
（2）．车刀几何参数
车刀的几何角度如图12.5所示，主要包括主偏角kr、副偏角kˊ、前角r0、刃倾角xxs、后角0、副后角0。
图3.6车刀几何角度
①前角：
对切削难易程度有很大影响。
增大前角使切削刃锋利，减小切削变形，
切削容易，提高表面加工质量。
但前角过大，会使散热条件变差，切削温度升高，刀具磨损加剧，刀具寿命降低。
②后角：
主要作用是减小后面与工件过渡表面之间的摩擦，减小后面的磨损。
增大后角，可减少刀具后面与工件的摩擦，降低切削力和切削温度，改善加工表面质量。
但后角过大，刀具易损坏，切削温度升高，刀具寿命降低。
③主偏角：
影响刀具寿命、已加工表面粗糙度和切削力的大小。
在背吃刀量和进给量不变的情况下，减小主偏角，可使刀尖角增大，对提高刀具寿命有利。
但主偏角较小时，工件易变形及产生振动，切削厚度小，断屑效果差。
④副偏角：
用来减少副切削刃与已加工表面之间的摩擦。
减小副偏角，可显著减少已加工表面的残留面积，减小工件表面粗糙度，增大刀尖角，提高刀具寿命。
但副偏角过小，使工件易产生振动，降低加工表面质量。
⑤刃倾角：
影响切削刃的锋利性，刀头的强度和散热条件，切削力的大小和方向，切屑流出的方向。
当刃倾角为正值时，切屑流向待加工表面，已加工表面不易被划伤，但刀尖强度较差；当刃倾角为负值时，切屑流向已加工表面，易被划伤，但刀尖强度提高。
增大刃倾角可使切削刃锋利，降低切削力，提高刀具寿命。
但过大会使散热不利，造成非正常损坏。
4．车刀的选用
（1）．按工件材料选择刀具
①铜、铝：
这种材料比较软，比较好加工，一般各种刀具都能加工。
②钢料：
对于软钢，如45钢、50钢，比较好加工，用高速钢车刀可方便加工；对于硬钢，如738、p20、S136、油钢及五金模用的合金钢等，可用合金刀具加工。
③淬火后的材料：
一般不允许用高速钢刀具加工，应用合金刀具加工。
（2）．根据加工种类选择刀具
①外圆加工：
一般选用外圆左偏粗车刀、外圆左偏精车刀、外圆右偏粗车刀、外圆右偏精车刀、端面车刀等类型。
②切槽：
选择外（内）圆车槽刀。
③螺纹：
选择外（内）圆螺纹车刀。
④内孔：
主要选择麻花钻、粗镗孔刀和精镗孔刀、扩孔钻、铰刀。
（3）．选择刀具的大小
①尽可能选择大的刀具，可以采用大的切削用量，提高效率，加工质量有保证。
②根据加工的背吃刀量选择刀具，背吃刀量越大，刀具越大。
③根据工件大小选择刀具，工件大的选大刀具，反之选取小刀具。
（4）．机夹可转位车刀的选用
为了减少换刀时间和方便对刀，便于实现机械加工的标准化，数控车削加工时，应尽量采用机夹可转位车刀。
数控车床常用的机夹可转位车刀结构形式如图3.7所示。
①刀片材质的选择
常见刀片材料有高速钢、硬质合金、涂层硬质合金、陶瓷、立方氮化硼和金刚石等，其中应用最多的是硬质合金和涂层硬质合金刀片。
②刀片尺寸的选择
刀片尺寸的大小取决于必要的有效切削刃长度L。
有效切削刃长度与背吃刀量ap和车刀主偏角kr有关，使用时可查阅有关刀具手册选取。
③刀片性质的选择
刀片形状主要依据被加工工件的表面形状、切削方法、刀具寿命及刀片的转位次数等因素选择。
在机床刚性和功率允许的条件下，大余量、粗加工应选用刀尖角度较大的刀片；小余量、精加工时宜选用较小刀尖角的刀片。
图3.7机夹可转位结构
2．圆弧常用加工方法
①阶梯法
图3.8为车圆弧的阶梯切削路线：
先粗车阶梯，最后一刀精车圆弧。
图3.8阶梯法
②同心圆法
图3.9为车圆弧的同心圆弧切削路线：
用不同的半径圆来车削，最后将所需圆弧加工出来。
图3.9同心圆法
③车锥法
图3.10为车圆弧的车锥法切削路线：
先车一个圆锥，再车圆弧。
图3.10车锥法
（二）零件具体加工工艺制定
1．装夹与定位
该零件为轴类零件，轴心线为工艺基准，加工外表面用三爪自定心卡盘夹持φ34mm外圆一次装夹完成加工。
2．加工顺序
按先主后次，先粗后精，先外后内的加工原则确定加工路线。
①装夹φ34mm外圆、找正，手动车削端面；
②粗加工φ34mm、φ26mm、φ16mm外圆，留精加工余量0.5mm；
③精加工R5、R10圆弧面和φ34mm、φ26mm、φ16mm外圆；
3．选择刀具
一把外圆车刀
4．确定切削用量
车削用量的具体数值应根据机床性能、加工工艺、相关手册并结合实际经验确定：
①机床转速：
外圆粗加工时为800r/min，精加工时为1000r/min；
②进给速度：
粗加工外圆面时进给速度为0.5mm/r，外圆面精加工时进给速度为0.3mm/r。
5、确定加工路线
加工路线如图3.11所示
图3.11加工路线
6．选择机床和数控系统
①机床型号
机床型号为CK6132-Ⅱ型数控车床。
②数控系统
采用广数928TD、KND数控系统。
三、编制零件加工程序
（一）引入新知识
1．编程指令
（1）圆弧插补指令---G02/G03
顺时针圆弧插补指令：
G02X（U）_Z（W）_R_F_;
逆时针圆弧插补指令：
G03X（U）_Z（W）_R_F_;
参数：
X、Z为绝对编程时，圆弧终点在工件坐标系中的坐标值；U、W为增量编程时，圆弧终点相对于圆弧起点的位移量；R为圆弧的半径；F为进给速度。
（2）圆弧顺逆的判断
①圆弧插补的顺逆方向判断原则：
沿圆弧所在平面（XZ平面）的垂直坐标轴的负方向看去，顺时针方向为G02，逆时针方向为G03；
②根据刀架的位置判断圆弧插补的顺逆如图3.3所示。
图3.12圆弧的顺逆方向与刀架位置的关系
2．零件数控加工程序的编制
①编程分析
该零件结构要素有圆柱面、圆弧面等，为减少热变形和切削力变形对工件尺寸的影响，应将粗加工、精加工分开进行。
采用直径编程方式，直径尺寸编程与零件图纸中的尺寸标注一致，编程较为方便。
②加工程序清单
O0001；程序名
N01T0101；换01号刀
N02G00X100Z100；快速接近工件
N03M03S800；主轴正转，转速为1000r/min
N04G01X29Z5F0.5；快速走刀至起到点
N05Z-30；粗车外圆第一步
N06X40；X向G01退刀
N07G00Z5；Z向G00回起点
N08G01X24；X向G01定位
N09Z-16；粗车外圆第二步
N10X34；X向G01退刀
N11G00Z5；Z向G00回起点
N12G01X19；X向G01定位
N13Z-15；粗车外圆第三步
N14X25；X向G01退刀
N15G00Z5S1000；Z向G00回起点
N16G01X14F0.3；X向G01定位精加工
N17Z0；G01倒角起始点定位
N18X16Z-1；加工倒角
N19Z-15；φ16外圆加工
N20G02X26Z-20R5；R5圆弧加工
N21G01Z-27；φ26外圆加工
N22G03X34Z-35R10；R10圆弧加工
N23G01Z-45；φ34外圆加工
N24X40；X向G01退刀
N25G00Z5；Z向G00回起点
N26X100Z100；快速退刀至起刀点
N27M30；程序结束
4．加工程序的检验、修改
学生讨论、自评、检验、修改。
教师指导、讲解。
四、数控仿真和实操加工
1．零件的数控仿真
使用数控加工仿真软件对加工程序进行检验，正确进行数控加工仿真的操作，完成零件的仿真加工。
2．零件的实操加工
通过仿真加工，确定零件程序的正确性后，在实训车间对该零件进行实际操作加工。
五、加工零件的检测
1．利用游标卡尺、外径千分尺、内径千分尺、表面粗糙度工艺样板等量具测量工件，学生对自己加工的零件进行检测，包括尺寸精度的检测和零件加工质量的检测。
2．教师对学生加工零件进行检测，并做出点评。
六、任务扩展
针对用圆弧插补指令加工该零件的学习情境，进行扩展创新，由教师讲授，学生课后学习、应用。
1.圆弧插补I、K指定圆心位置方式
（1）编程格式
圆弧顺时针插补：
G02X（U）_Z（W）_I_K_F_;
圆弧逆时针插补：
G03X（U）_Z（W）_I_K_F_;
参数：
I、K表示圆弧起点到圆弧圆心矢量值在X、Z方向的投影值，它们是增量值，并带有正负号，即圆心的坐标值减去圆弧起点的坐标值，在绝对、增量编程时都是以增量方式指定，在直径、半径编程时I都是半径值。
（2）编程说明
①I、K方向是从圆弧起点指向圆心，其正负取决于该方向与坐标轴方向的异同，相同为正，反之为负，如图3.7所示。
图3.7圆弧起点与矢量方向
②若在程序中同时出现I、K和R时，以R为优先，I、K无效，即以半径R方式编程。
七、学习应用
加工图所示零件，零件毛坯为φ55mm的棒料，材料为45号钢，完成零件的
数控加工，车削加工至图纸尺寸。
要求：
①对零件进行简单加工工艺分析；
②要求使用刀尖半径补偿指令进行数控加工程序编制；
③进行数控加工仿真。
附件1：
学习任务单
图示零件为简单阶梯轴，结构要素有外圆柱面、倒角和圆弧面。
要求最后切断。
毛坯为φ38mm的棒料，材料为45钢，要求完成零件的数控加工，车削尺寸至图中要求。
附件2：
数控加工工序卡片
单位
名称
德州
科技
职业
学院
产品名称或代号
零件名称
零件图号
夹具名称
使用设备
车间
工步号
工步内容
刀具号
刀具类型
主轴转速
/（r·min-1）
进给速度
/（mm·min-1）
背吃刀量/mm
备注
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
附件3：
评分表
数控车工考核评分表
班级姓名学号
检测项目
技术要求
配分
评分标准
检测结果
得分
机
床
操
作
1
按步骤开机、检查、润滑
2
不正确无分
2
回机床参考点
2
不正确无分
3
按程序格式输入程序，检查及修改
2
不正确无分
4
程序轨迹检查
2
不正确无分
5
工、夹、刀具正确安装
2
不正确无分
6
按指定方式对刀
2
不正确无分
7
检查对刀
2
不正确无分
外圆
8
Φ340-0.1Ra1.6
10/6
超差0.01扣5分，降级无分
9
Φ160-0.1Ra1.6
10/6
超差0.01扣5分，降级无分
圆弧
10
R10Ra3.2
8/5
超差降级无分
11
R5Ra3.2
8/5
超差降级无分
长度
12
45
8
超差无分
13
20
8
超差无分
14
15
8
超差无分
其它
15
0.5х45°
2
不符无分
16
未注倒角
2
不符无分
17
安全操作规程
违反扣总分10分/次
总配分
100
总得分
零件名称
图号
加工日期
年月日
加工开始
时分
停工时间分钟
加工时间
检测
加工结束
时分
停工原因
实际时间
评分
附件4：
学习应用
加工图所示零件，零件毛坯为φ55mm的棒料，材料为45号钢，完成零件的
数控加工，车削加工至图纸尺寸。
要求：
①对零件进行简单加工工艺分析；
②要求使用刀尖半径补偿指令进行数控加工程序编制；
③进行数控加工仿真。
升级会员 