数控铣床的单件加工一、项目描述 本项目内容为数控峨床伙师考核实操试魔，要求加工}'是典型的数控铣床类零件。通过此教学项目.学生可学习数控加工的各种操作加工技能技巧和脸证学习相关的理论知识。二、学习目标 (1)了解数控铣俐加工东件图样的识m方法及加工工序的安排方法。 (2)掌握数控铣俐加工相关工艺知识及编程指令的正确使用方法， (3)掌握铣剐典型零件的加工方法三、能力目标 (1)其备快速读图能力。 (2)操作规范熟练，能在规定的时间内完成工件加工。 (3)会安排数控铣m加工工艺，以及成形曲面的加工方法。
一、加工中心工艺特点 加工中心是一种功能较全的数控机床，它集铣削、钻削、铰削、幢削、攻螺纹和切螺纹于一体，具有多种工艺手段，与普通机床加工相比，加工中心具有许多显著的工艺特点。 (一)加工精度高 在加工中心上加工时工序高度集中，一次装夹即可加工出零件上大部分甚至全部表面，避免了工件多次装夹所产生的装夹误差，因此，加工表面之间能够获得较高的相互位置精度，同时，加工中心多采用半闭环，甚至全闭环的位咒补偿功能，有较高的定位精度和重复定位精度，在加工过程中产生的尺寸误差能及时得到补偿，与普通机床相比，能获得较高的尺寸精度。 (二)精度稳定 整个加工过程由程序自动控制，不受操作者人为因素的影响，同时，没有凸轮、靠模等硬件，省去了制造和使用中磨损等所造成的误差，加工中心的位置补偿功能和较高的定位精度和重复定位精度，加工出的零件尺寸一致性好。 (三)效率高 一次装夹能完成较多表面的加工，减少了多次装夹工件所需的辅助时间。同时，减少了工件在机床与机床之间，车间与车间之间的周转次数和运输工作量。 (四)表面质童好 加工中心主轴转速和各轴进给量均是无级调速，有的甚至具有自适应控制功能，能随刀具和工件材质及刀具参数的变化，把切削参数调整到******数值，从而提高了各加工表面的质量。 (五)软件适应性大 零件每个工序的加工内容、切削用量、工艺参数都可以编人程序，可以随时修改，这给新产品试制，实行新的工艺流程和试验提供了方便。加工中心加工零件的这些特点也带来一些需要考虑的新问题，例如，因为连续进行零件的粗加工和精加工，刀具应具有更高的强度、硬度和耐磨性;悬臂切削孔时，无辅助支承，刀具还应具备良好的刚性;多工序的集中加工，易造成切屑堆积，会缠绕在工件或刀具上，影响加工顺利进行，需要采取断屑措施并及时清理切屑;在将毛坯加工成成品的过程中，零件无时效工序，内应力难以消除，技术复杂，对使用、维修、管理要求较高，对使用环境有一定要求，需要配置一定的外围设备，加工中心的操作者要具有一定的文化技术水平;加工中心机床价格高，一次性投资大，机床的加工台时费用高，零件的加工成本高.
一、组合机床动力滑台 滑台与滑座配套组成一个独立的动力部件—动力滑台。滑台在滑座导轨上移动，实现机床的进给运动。滑台上可以安装各种功能的单轴工艺切411头或安装动力箱和主轴箱。图2-1所示为利用动力滑台进行加工的工序.其中有钻、扩、校、仕孔、鸽窝、倒角、刊平面、锐削、攻丝等，若安装分级进给机构可以进行深孔加工，安装转塔头可以组合成转塔式动力头。 此外.滑台还可以用作夹具和工件的愉送部件。滑台的主要参数规定为滑台台面宽度尺寸。组合机床各种通用部件的品种、规格及其配套关系也以滑台台面宽度尺寸为标准，其理由是: (1)直接反映在滑台上安装工艺切削头的能力.间接反映铣刀******直径等。在安装主抽箱时.可以反映出被加工零件加工位里的分布面积等。 (2)滑台台面宽度是一个主要结合尺寸，结合面尺寸的标准化能使组合机床各部件外型协调、美观。滑台台面宽度作为通用部件配套标准.使机床受力合理.提高组合机床的刚度。 (一)HY系列液压滑台 1.液压滑台的结构 液压滑台是由滑台、滑座和油缸三部分组成。油缸固定在滑座上，活塞杆则固定在滑台下面。当压力油进入油缸的后腔或前腔时，便可实现滑台座沿导轨向前或向后移动。控制滑台各种运动的液压系统装置则可根据滑台动作程序另外配五。液压滑台可实现的典型自动工作循环见表2-3这些自动工作am环的油路系统已有标准设计.可以成套购买，以满足工艺要求。滑座与滑台配l“单矩型”导轨用于精加工，如无导向装里的精仕孔、仕孔车端面工序等。滑座与滑台配置“双矩型”导轨用于粗加工.如钻孔、铣削及带有仕模的浮动主轴仕孔工序等。 液压滑台既可用于配里卧式机床，又可配五立式机床。当液压滑台用于配里立式或倾抖式(其倾抖角大于150)机床时。为了使滑台在滑座上移动轻便和防止滑台下滑，需要配笠平衡重锤。 2.液压滑台的技术性能 台面宽320mm以下的滑台，可以安装分级进给装五，用以进行深孔加工.根据经验规定，用于一般麻花钻头.在钢件上钻孔深度超过其直径的6倍，在铸铁上钻深孔为其直径的10---15倍.应作为深孔加工。由于加工深孔排屑困难.切屑易阻塞在孔内使钻头折断.因此.深孔加工过程中，要求刀具加工到一定深度便退出工件之外排屑和冷却.然后再行切入。其自动工作循环见表2-3分级进给机构已有标准部件。可根据工艺需要选择。液压滑台的技术性能见表2-4. (二)Hi系列机械滑台 机械滑台与液压滑台的用途及其导轨型式完全一致.滑台主要参数和互换尺寸也相同.机械滑台由滑台、滑座及传动装里三部分组成。机械滑台的传动装五采用两个电机及差速器传动.滑台的快速运动的制动由快速电机后端的傍磁式直流电磁铁实现.工作可靠.转换精度高。在传动装置中设有过扭矩保护器。将传动装里设计成单独的组合件.其目的是使相邻两个尺寸规格的滑台可以共用一个传动装置，从而提高了传动装置的通用化程度。 组合机床机械滑台的典型工作循环与液压滑台循环基本相同(见表2-3)。机械滑台安装分级进给装笠(仅用于320mm以下的滑台)也可以完成深孔加工，它所用的分级进给装里采用时间继电器拉制。因此，在钻孔深度的准确性及钻头过载保护方面不如液压滑台。机械滑台的技术性能见表2-5
数控加工中心铣沟槽用的铣刀 (1)三面刃铣刀三面刃铣刀除圆周表面具有主切削刃外，两侧面还具有副切削刃，从 而改善了切削条件，提高了切削效率和降低了表面粗糙度。主要用于加工凹槽和台阶面。 三面刃铣刀可分为直齿三面刃铣刀、错齿三面刃铣刀和镶齿三面刃铣刀。 如图3-19a所示为直齿三面刃铣刀，它制造简单，但切削条件较差；如图3-19b所示为 错齿三面刃铣刀，与直齿三面刃铣刀相比，它具有切削平稳，切削力小，排肩容易等优点。直 径较小的三面刃铣刀常用高速钢制成整体式，直径较大的三面刃铣刀常釆用镶齿结构，镶齿 三面刃铣刀结构如图3-19c所示。 (2)锯片铣刀如图3-20所示，锯片铣刀较薄，只在圆周上有切削刃，主要用于切断工 件和在工件上铣削窄槽。 21立铣刀(3)立铣刀如图3-21所示，立铣刀相当于带柄的小直径圆柱铣刀，既可用于加工凹 槽，也可加工平面、台阶面，利用靠模还可加工成形表面。当立铣刀直径较小时，柄部制成直 柄;直径较大时，柄部制成锥柄。立铣刀圆柱面t的切削刃是主切削刃，端面上的切削刃没 有通过中心，是副切削刃。工作时不宜作轴向运动。 (4)键槽铣刀如图3-22所示，键槽铣刀主要用于加工轴上的键槽。如图3-22a所示 键槽铣刀的外形与立铣刀相似，不同的是它只有两个刀齿，端面切削刃延伸至中心是主切削 刃，圆柱面上的切削刃是副切削刃，因此，在加工网端+通的键槽时，能沿轴向作适量的进 给。如图3-22b所示的键槽铣刀专用于在轴上加工半圆键槽。 (5)角度铣刀如图3-23所示，角度铣刀主要用于加工带角度的沟槽和斜面。图 3-23a为单角铣刀，圆锥切削刃为主切削刃，端面切削刃为副切削刃3图3-23b为双角铣刀， 两圆锥面上的切削刃均为主切削刃。它分为对称双角铣刀和不对称双角铣刀。
数控机床加工某些零件时, 除需要有沿X、Y、Z 三个坐标轴的直线进给运动之外, 还需要有绕X、Y、Z 三个坐标轴的圆周进给运动, 分别称为A、B、C 轴。 五轴联动机床也称五坐标机床, 它是在三个平动轴( 沿X、Y、Z 轴的直线运动) 的基础上增加了两个转动轴( 能实现绕X轴、Z 轴旋转运动, 即A 轴和C 轴) , 不仅可使刀具相对于工件的位置任意可控, 而且刀具轴线相对于工件的方向也在一定范围内任意可控, 由此使五坐标加工工具有以下特点:a、可避免刀具干涉，加工普通三坐标机床难以加工的复杂零件，加工适应性广，如图1(a)所示。b、对于直纹面类零件，可采用侧铣方式一刀成型，加工质量好、效率高，如图1(b)所示。c、对一般立体型面特别是较为平坦的大型表面，可用大直径端铣刀端面逼近表面进行加工，走刀次数少，残余高度小，可大大提高加工效率与表面质量，如图1(c)所示。d、对工件上的多个空间表面可一次装夹进行多面、多工序加工，加工效率高并有利于提高各表面的相互位置精度，如图1(d)所示。e、五轴加工时, 刀具相对于工件表面可处于最有效的切削状态。例如使用球头刀时可避免球头底部切削， 如图1 (e)所示，利于提高加工效率。同时，由于切削状态可保持不变，刀具受力情况一致，变形一致，可使整个零件表面上的误差分布比较均匀，这对于保证某些高速回转零件的平衡性能具有重要作用。f、在某些加工场合，如空间受到限制的通道加工或组合曲面的过渡区域加工，可采用较大尺寸的刀具避开干涉，刀具刚性好，有利于提高加工效率与精度，如图1 (f) 所示。现在，大家普遍认为，五轴联动数控机床系统是解决叶轮、叶片、船用螺旋桨、重型发电机转子、汽轮机转子、大型柴油机曲轴等加工的唯一手段。所以, 每当人们在设计、研制复杂曲面遇到无法解决的难题时，往往转向求助于五轴数控系统。
龙门加工中心滚珠丝杠与电动机的连接方式主要有以下三种：1．通过丝杆联轴器直接联接(这是一种最简单的联接形式。这种结构形式的优点是：具有******的扭转刚度；传动机构本身无间隙，传动精度高；而且结构简单；安装、调整方便。但是，它可以提供设计选择的参数只有丝杠螺距和电动机转速，因此，在大、中型机床上使用，难以发挥伺服电动机高速、低转矩的特性。2.通过齿轮联接,这种结构的优点是：可以降低滚珠丝杠、工作台的惯量在系统中所占的比重，提高龙门加工中心进给系统的快速性。可以充分利用伺服电动机高转速、低转矩的性能，使其变为低转速、大转矩输出，获得更大的进给驱动力.缺点是：第一、传动装置结构复杂，降低传动效率，增加噪声。3．通过同步带联接，同步齿形带传动具有带传动和链传动的共同优点，与齿轮传动相比它结构更简单，制造成本更低，安装调整更方便。而且，传动不打滑、不需要大的张紧力；传动效率可以达到98％-99.5％，最高线速度可以达到80m/s故可以广泛用于一般数控机床和高速、高精度的数控机床传动。但必须对同步带轮的平行性进行调节，以防止不平行产生的传动带边缘张力，引起传动带磨损。为了消除间隙，同步带必须通过张力调整进行预紧。此外，还有皮带连接、链条连接，但不常用。
一、刀具材料应具备的性能(1）高的硬度刀具要从工件上切除材料层，因此，其切削部分的硬度必须大于工件材料的硬度。一般刀具材料的常温硬度应高于60 以上。(2)高的耐磨性刀具材料应具有较高的耐磨性，以抵抗工件与切肩对刀具的磨损。 这一性能一方面取决于刀具材料的硬度，另一方面还与其化学成分、显微组织有关。刀具材 料硬度越高，耐磨性就越好；刀具材料中含有耐磨的合金碳化物越多，晶粒越细，分布越均匀，耐磨性也越好。(3)足够的强度与韧度切削过程中，刀具承受着各种应力、冲击和振动，故要求切削 部分的材料必须具备足够的强度和韧度，以抵抗崩刃和打刀。通常用材料的抗弯强度ab和冲击钿度ak表不。(4)高的耐热性耐热性是在高温条件下，刀具切削部分材料保持常温硬度、强度和韧 度的能力，也可用红硬性或高温硬度表示。耐热性越好，材料允许的切削速度就越高。.它是 衡量刀具材料性能的主要标志。(5)良好的工艺性为了便于制造，刀具切削部分的材料应具有良好的工艺性能，如切 削加工性、磨削加工性、锻造、焊接、热处理等性能。同时，还应尽可能采用资源丰富和价格 低廉的刀具材料。
可编程控制器的逻辑电路 一、加工中心的PLC的IO点分配 由本章第二节我们知道.H400加工中心的开关、传感器、电磁阀、显示灯、报瞥灯等器件.作为数控系统内置PLC(即PMC)的I"O"需要由型号为IN(DN-EQ的1T)中继梭板接入.一块INCON-EQ只具有32点输入和16点愉出.因此必须对加工中心所需要的控制信号进行合理分配.既满足运行要求，又节省扩展板。H400卧式加工中心上需要进入PLC逻辑控制的信号有: (1) PLC与第二操作面板间的连接伯号从第二操作面板各操作按钮发向PLC的输入信号有:急停、超程复位、主轴速度+、主轴速度一、主轴速度100、循环起动、进给保持、主轴正转、主轴反转、主轴停止、开冷却液及上轴准停按钮输入信号.从第二操作面板的工作方式转换开关发向PLC的输入信号有:SWO SWI SW2SW3和SW4, 山PLC愉出至第二操作面板的显示信号有:循环起动显示灯、进给保持显示灯、冷却液指示灯、主轴正转指示灯、主轴反转指示灯、主轴停止指示灯、程序结束指示灯及报警指示灯。 (2) PLC与手轮之fnJ的连接信号PLC发向手轮的轴选信号X Y Z和倍率选样伯号xl x10 x100"共6个。手轮的脉冲编码器信号直接进入数控系统. (3) PLC与手动操作面板fnl的连接信号加T.中心的手动操作面板只与PLC发生联系且仅在调整时使用。从手动操作面板各操作按钮发向PLC的愉入信号有:刀库步进、交换台手动/fl动转换、交换台上升、交换台卜降、交换台旋转、工作台放松、工作台锁紧、编N超程解除及鞍座旋转按钮信号.由PLC输出至手动操作面板的显示信号为各按钮内部的显示灯信号. (4) PLC与机床主体之间的连接信号加工中心主体上有许多电磁阀由PLC的输出进行控制。如冷却液阀、刀库前进阀、刀具放松阀、刀库正转阀、刀库反转阀、松刀吹气阀、鞍座旋转阀、交换台旋转阀、工作台放松及吹气阀、交换台上升阀、交换台卜降阀、鞍座放松阀、鞍座定位钠阀等. 加工中心上体上还有许多传感器的信号要传送到PLC的输入点.如刀库前进到位、刀库后退到位、主轴松刀到位、主轴抓刀到位、刀具计数信号、准停到位信号、刀库位置信号、鞍座原位信号、鞍座旋转计数信号、鞍座气压、工作台位置、工作台放松到位、工作台锁紧到位、交换台旋转到位、交换台上升到位、交换台卜降到位、鞍座插m到位、鞍座锁紧到位等传感器信号. (5) PLC与各轴W动单元之间的连接信号从主轴及X Y Z轴驱动单元发向PLC的输入倍号主要是各轴的报警信号及工作状态信号。PLC将上轴驱动单元及各个伺服驭动单元的运行状态向数控系统NC模块发送。 PLC向主轴驱动单元传送的输出信号是给主轴的正转、反转、准停指令;PLC向伺服驭动单元传送的输出信号只有各轴刹车指令。 (6)其他信号除了上述信号之外.其他PLC输入信号有:冷却液电动机、主轴冷却电动机、排屑电动机、鞍座电动机、交换电动机、刀库电动机的过载保护价号及空压机气压价号。输出信号有:控制强电起动的NC就绪信号。 经上述分析，在H400卧式加工中心上共使用了两块F lo中继模板，PLC总点数为输入64点，输出32点，共96个I'D点.IO点的具体定义如表3-6所示
一、数控系统的现状与发展趋势 数控系统是数控机床的控制指挥中心。机床的各个执行部件在数控系统的统一指挥下，有条不紊地工作，自动地按给定N序进行机械零件加工。数控系统随着电子技术的发展而发展，先后经历了电子管、品体管、集成电路、小型计算机、微处理器及基于工控PC机的通用型系统六代.其中前三代称为硬线联接数控，简称NC数控。目前已被淘汰;后三代称为软件数控，也称CNC系统·CNC系统的核心是计算机，即由计算机通过执行其存储器内的程序，来实现部分或全部数控功能.也就是说CNC系统由硬件和软件两大部分组成，硬件是软件活动的舞台.软件是整个系统的灵魂.筷个CNC系统的活动均依靠系统软件来指挥.软件和硬件各有不同的特点:软件设计灵活，适应性强.但处理速度慢:硬件处理速度快.但成木高。 20世纪80年代以来，国际上数控技术发展很快。形成了一批著名的专业生产厂。国际上数控装置的80%--90%由这些专业生产厂生产.如日本的FAUNC、三菱电机、关国的AB公司、德国的西门子、Bosch,意大利的FIDIA西班牙的FAGOR和法国的NUMB.数控技术的进步突出地表现在数控装置性能大为提高，总结起来可概括为以卜三点:1、数控系统智能化 数控系统的钾能化包括在数控系统中各个方面:为追求加工效率和加工质量方而的智能化，如加工过程的t7适应控制，工艺参数自动生成;为提高骡动性能及使用连接方使的智能，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载、r!动选定模型、自整定等;简化编程、简化操作方而的钾能化.如钾能化的自动编程、钾能化的人机界面等;还有钾能诊断、智能监控等。2、数控系统结构开放式设计 20世纪90年代.数控系统完成了16位机向32位机的转变.以及伺服骡动从直流式向交流全数字式的转变.系统体系结构从封闭转向开放.从而使数控系统可充分利用计算机技术的丰富资源,能根据控制对象的要求迅速、灵活地更换软硬件，并能及时吸收新技术，使得数控技术发展步伐加快.开发周期缩短.1名的数控系统生产厂家.平均梅三年就有一种新型号数控系统产品诞生.数控机床的应用也从解决疑难零件加工、批量零件fi动化生产，到进入家庭作坊，越来越广泛地应用到各种场合，同时也不断对数控系统的软件提出新的要求。集中地表现在要求有开放式结构的数控系统、适应技术发展的用户门己开发的功能。 开放式数控系统的墓木结构有硬件平台、软件平台、一个用户可扩展的硬软件空间和应开发环境。硬件平台:由数控系统生产厂提供。或是选择通用的标准模块.但其配置可由用户在较大范围内选抒.如控制轴数、控制方式、各种外部设备等;软件平台:由数控系统生产厂提供，或CNC软件开发商提供，它是系统的核心软件，即CNC PLC的基木软件.同时提供良好的用户开发应用软件的环境;应用软件:用户在数控系统生产厂家提供的硬软件平台的基础上，开发专用软件、硬件，实现用户要求的控制功能。以PC为基础的CNC系统结构方式有以下三种: 1)把数控系统生产厂开发的数控专用硬件和软件装到PC的母板上，用ISA或PCI线.保留原PC的整体形象.如图1一所示. 2)数控系统生产厂，在h己生产的数控系统中嵌入PC机的主板，展现的是生产厂’的整体结构特点.使用生产厂’的专用总线或棍合总线结构，这种嵌入式结构.如图1-6所示。 3)使PC经光缆.用高速串行口总线(或ARCNET等)和数控系统生产厂开发的专用硬软件进行通信，如图1-7所示.3、数控系统网络功能增强 从20世纪90年代初，数控机床的数控系统开始采用墓于PC机开放式结构以来，通过因特网可以实现远程通信.使用户与生产厂商的联系更加快捷.更能满足用户的需要。目前.数控机床已发展成采用PC和NC触合的数控系统，外界的信息可很快地反映到机床上，建立起与用户快速的反映系统.
数控加工中心机械结构构成 典型数控加工中心的机械结构主要有基础支承件、加工中心主轴系统、进给传动系统、工作台交换系统、回转工作台、刀库及n动换刀装置以及其他机械功能部件组成。图2-1所示为H400加工中心结构图. 加丁中心基础支承件是指床身、立柱、横梁、工作台、底座等结构件，它构成了机床的基木框架。精础支承件对加工中心各部件起支承和异向作用.因而要求A础支承件具有较高的刚性、较高的固有频率和较大的阻尼。主轴系统为加工中心的主要组成部分，它由主轴电动机、主轴传动系统以及主轴组件组成.和常规机床主轴系统相比.加工中心主轴系统要具有更高的转速、更高的回转精度以及更高的结构刚性和抗振性。 加工中心进给驭动机械系统直接实现直线或旋转运动的进给和定位。对加工的精度和质量形响很大，因此对加工中心进给系统的要求是运动精度、运动稳定性和快速响应能力。 根据工作要求，回转工作台通常分成两种类型.即数控转台和分度转台。数控转台在加工过程中参与切削，相当于进给运动坐标轴;分度转台只完成分度运动.主要要求分度精度和在切削力作用下位置保持不变. 为了在一次安装后能尽可能多地完成同一工件不同部位的加工要求，并尽可能减少加工中心的非故障停机时问，数控加工中心通常具有自动换刀装置、刀库和fl动托盘交换装置。对自动换刀装置的基本要求主要是结构简单、功能可靠、交换迅速。 其他机械功能部件主要指冷却、润滑、排屑和监控装置。由于数控加工中心生产效率极高·并可长时间实现自动化加工，因而冷却、润滑、排屑等问题比常规机床更为突出。大切削量的加工需要强力冷却和及时排屑.人呈冷却和润滑液的作用还对系统的密封和泄翻提出更高的要求，从而导致半封闭、全封闭结构机床的实现。