数控加工与编程项目三圆弧加工教案.docx

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38mm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 整体车刀：用整体高速钢制造。 焊接车刀：焊接硬质合金或高速钢刀片。 机夹车刀：硬质合金刀片用机械夹固的方法固定在刀杆上。 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 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。 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。 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47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： 前刀面：刀具上切屑沿其流出的表面。 后刀面：刀具上与工件过渡表面相对的表面。 副后刀面：刀具上与工件已加工表面相对的表面。 主切削刃：前面与后面的交线，担任主要切削工作。 副切削刃：前面与副后面的交线，担任少量切削工作。 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k、 前角r0 、 刃倾角 xxs、后角 0、副后角 0 。图3.6 车刀几何角度 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。 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。 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。 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。 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 铜、铝：这种材料比较软，比较好加工，一般各种刀具都能加工。 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。 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 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。 切槽：选择外（内）圆车槽刀。 螺纹：选择外（内）圆螺纹车刀。 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 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。 根据加工的背吃刀量选择刀具，背吃刀量越大，刀具越大。 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。 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。 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。 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 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 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 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34mm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。 装夹34mm外圆、找正，手动车削端面； 粗加工34mm、26mm、16mm外圆，留精加工余量0.5mm； 精加工R5、R10圆弧面和34mm、26mm、16mm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： 机床转速： 外圆粗加工时为800r/min， 精加工时为1000r/min； 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 机床型号 机床型号为CK6132-型数控车床。 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：G02 X(U)_ Z(W)_ R_ F_; 逆时针圆弧插补指令：G03 X(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 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； 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 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。 加工程序清单O0001； 程序名N01 T0101； 换01号刀N02 G00 X100 Z100； 快速接近工件N03 M03 S800； 主轴正转，转速为1000r/minN04 G01 X29 Z5 F0.5； 快速走刀至起到点N05 Z-30； 粗车外圆第一步N06 X40； X向G01退刀N07 G00 Z5； Z向G00回起点N08 G01 X24 ； X向G01定位N09 Z-16； 粗车外圆第二步N10 X34； X向G01退刀N11 G00 Z5； Z向G00回起点N12 G01 X19； X向G01定位N13 Z-15； 粗车外圆第三步N14 X25； X向G01退刀N15 G00 Z5 S1000； Z向G00回起点N16 G01 X14 F0.3； X向G01定位精加工N17 Z0； G01倒角起始点定位N18 X16 Z-1； 加工倒角N19 Z-15； 16外圆加工N20 G02 X26 Z-20 R5； R5圆弧加工N21 G01 Z-27； 26外圆加工N22 G03 X34 Z-35 R10； R10圆弧加工N23 G01 Z-45； 34外圆加工N24 X40； X向G01退刀N25 G00 Z5； Z向G00回起点N26 X100 Z100； 快速退刀至起刀点N27 M30； 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：G02 X(U)_ Z(W)_ I_ K_ F_;圆弧逆时针插补：G03 X(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 I、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 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55mm 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： 对零件进行简单加工工艺分析； 要求使用刀尖半径补偿指令进行数控加工程序编制； 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38mm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/(rmin-1)进给速度/(mmmin-1)背吃刀量/mm备注123456789101112131415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8340-0.1 Ra1.610/6超差0.01扣5分，降级无分9160-0.1 Ra1.610/6超差0.01扣5分，降级无分圆弧10R10 Ra3.28/5超差降级无分11R5 Ra3.28/5超差降级无分长度12458超差无分13208超差无分14158超差无分其它150.5452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55mm 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： 对零件进行简单加工工艺分析； 要求使用刀尖半径补偿指令进行数控加工程序编制； 进行数控加工仿真。