1、第第2章章 数控加工工艺基础数控加工工艺基础 数控机床是严格按照从外部输入的程序来自动地对被加工工件进行加工的。理想的数控程序不仅应该保证能加工出符合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地发挥，以使数控机床能安全、可靠、高效的工作。数控加工工艺分析和零件图形的数学处理(又称数值计算)是数控编程前的主要准备工作，无论对于手工编程还是自动编程都是必不可少的。2.1 数控加工工艺分析2.1.1 数控加工工艺的特点与内容1数控加工工艺的特点数控加工工艺的特点（1）工序内容具体。在普通机床上加工零件时，工序卡片的内容比较简单。（2）工序内容复杂。由于数控机床的运行成本和对操作人
2、员的要求相对较高，在安排零件数控加工时，一般应首先考虑使用普通机床加工困难、使用数控加工能明显提高效率和提高质量的复杂零件。2数控加工工艺的主要内容 根据实际应用需要，数控加工工艺分析主要考虑以下内容：（1）分析零件图纸，明确加工内容、精度及技术要求；（2）制定工艺过程，确定加工方案。（3）设计工序内容，如工步的划分、工件的定位与夹紧、刀具的选择、切削用量的确定等。（4）图形的数学处理及加工路线的确定等。如基点、节点计算；对刀点、换刀点的选择；加工路线确定等。（5）编制工艺文件。包括工艺过程卡、工序卡、刀具卡、加工路线图等。2.1.2 数控加工工艺性分析1.零件图的尺寸标注应符合编程方便的原则
3、零件图的尺寸标注应符合编程方便的原则(1)零件图上的尺寸标注方法应适应数控加工的特点。(2)构成零件轮廓的几何元素的条件应充分。2.零件的结构工艺性应符合数控加工的特点零件的结构工艺性应符合数控加工的特点(1)零件的内腔和外形最好采用统一的几何类型和尺寸。(2)内腔和外形凹槽转接圆弧半径R不应过小。(3)内腔槽底圆角半径r不应过大。(4)应采用统一的基准定位。2.1.3 加工方法与加工方案的确定加工方法与加工方案的确定1.加工方法的选择加工方法的选择 加工方法的选择原则是保证加工表面的加工精度和表面粗糙度的要求。由于获得同一级精度及表面粗糙度的加工方法很多，在实际选择时，要结合零件的形状、尺寸
4、和热处理要求等全面考虑。2.加工方案的确定加工方案的确定 零件上比较精确表面的加工，常常是通过粗加工、半精加工和精加工逐步达到的。对这些表面仅仅根据质量要求选择相应的最终加工方法是不够的，还应正确的确定从毛坯到最终成形的加工方案。2.1.4 工序与工步的划分工序与工步的划分1.工序的划分工序的划分 首先应根据零件图样，考虑被加工零件是否可以在一台数控机床上完成整个零件的加工工作，若不能则应决定其中哪一部分在数控机床上加工，哪一部分在其他机床上加工，即对零件的加工工序进行划分。一般有以下几种方式。(1)按零件装卡定位方式划分工序。按零件装卡定位方式划分工序。(2)按粗、精加工分开方式划分工序。按
5、粗、精加工分开方式划分工序。(3)按所用刀具集中方式划分工序。按所用刀具集中方式划分工序。2.工步的划分工步的划分 工步的划分主要从加工精度和效率两方面考虑。在一个工序内往往需要采用不同的刀具和切削用量，对不同的表面进行加工。为了便于分析和描述较复杂的工序，在工序内又细分为工步。下面说明工步划分的原则：(1)先粗后精的原则。先粗后精的原则。(2)先面后孔的原则。先面后孔的原则。(3)刀具集中的原则。刀具集中的原则。2.1.5 零件的定位与安装1.定位安装的基本原则定位安装的基本原则 在数控机床上加工零件时，定位安装的基本原则与普通机床相同，也要合理选择定位基准和夹紧方案。为了提高数控机床的效率
6、，在确定定位基准与夹紧方案时应注意以下三点：(1)力求设计、工艺与编程计算的基准统一。(2)尽量减少装夹次数，尽可能在一次定位装夹后，加工出全部待加工面。(3)避免采用占机人工调试加工方案，以充分发挥数控机床的效能。(4)夹紧力的作用点应落在工件刚性较好的部位。2.选择夹具的基本原则选择夹具的基本原则 数控加工的特点对夹具提出了两个基本要求：一是要保证夹具的坐标方向与机床的坐标方向相对固定；二是要协调零件和机床坐标系的尺寸关系。其次，还要考虑以下三点：(1)准备时间短。准备时间短。(2)装卸零件方便。装卸零件方便。(3)便于自动化加工。便于自动化加工。2.1.6 数控加工刀具与工具系统 刀具与
7、工具的选择是数控加工工艺中重要的内容之一，它不仅影响机床的加工效率，而且直接影响加工质量。与传统的加工方法相比，数控加工对刀具和工具的要求更高。不仅要求精度高、刚度好、耐用度高，而且要求尺寸稳定、安装调整方便等。1.数控加工刀具材料(1)高速钢。高速钢。(2)硬质合金。硬质合金。(3)涂层硬质合金。涂层硬质合金。(4)陶陶瓷材料。瓷材料。(5)立方氮化硼立方氮化硼(CBN)。(6)聚晶金刚石聚晶金刚石(PCD)。2.数控加工刀具 1)车削加工刀具 数控车床使用的刀具，无论是车刀、镗刀、切断刀还是螺纹加工刀具等均有焊接式和机夹式之分，目前数控车床上广泛使用机夹式可转位刀具，其结构如如图所示图所示
8、。2)铣削加工刀具铣削加工刀具 选择铣刀时，要使刀具的尺寸与被加工工件的表面尺寸和形状相适应。3)孔加工刀具孔加工刀具 数控孔加工刀具常用的有中心钻、钻头、镗刀、铰刀和丝锥等。所镗孔径的大小靠调整刀具的悬伸长度保证，调整较麻烦，仅用于单件小批生产。但单刃镗刀结构简单，适应性较广，粗、精加工都适用。3.数控机床的工具系统数控机床的工具系统 在加工中心上要适应多种形式零件不同部位的加工，故其刀具装夹部分的结构、形式、尺寸也是多种多样的。把通用性较强的几种装夹工具(例如装夹不同刀具的刀柄和夹头等)系列化、标准化就成为通常所说的工具系统。该工具系统，是一个联系数控机床的主轴与刀具之间的辅助系统，具有结
9、构简单、紧凑、装卸灵活、使用方便、更换迅速等特点。如图为钻头与刀柄的连接图。4.对刀仪对刀仪 对刀仪又称刀具预调仪，是用来调整或测量刀具尺寸的，是数控机床的辅助工具。从工作方式上看，对刀仪分机内测量和机外测量两种；从结构与原理上又分接触式测量和非接触式测量。机外测量需要将每把刀具依次测量其长度或直径，并输入到系统中，常用的有光学投影式对刀仪等。机内测量是将刀库中的刀具按事先设定的程序进行测量，然后与参考位置或者标准刀具进行比较得到刀具的长度或直径，并自动更新到相应的NC刀具参数表中，常用的有压电式对刀仪和激光式对刀仪等。对刀仪对刀精度一般在0.001mm左右。2.1.7 切削用量的确定 切削用
10、量包括主轴转速(或切削速度)、背吃刀量、进给量。对于不同的加工方法，需要选择不同的切削用量，并应编入程序单内。(1)背吃刀量背吃刀量ap(mm)。背吃刀量ap主要根据机床、夹具、刀具和工件的刚度来决定。在刚度允许的情况下，应以最少的进给次数切除加工余量，最好一次切净余量，以便提高生产效率。在数控机床上，精加工余量可小于普通机床，一般取0.2mm0.5mm。(2)主轴转速主轴转速n(r/min)。主轴转速n主要根据允许的切削速度v(m/min)选取。式中 v切削速度，由刀具耐用度决定，可查有关手册或刀具说明书。几种常用刀具的切削速度见附表。D工件或刀具直径(mm)。(3)进给量进给量(进给速度进
11、给速度)f(mm/min或或mm/r)。进给量(进给速度)f是数控机床切削用量中的重要参数，主要根据零件的加工精度和表面粗糙度要求以及刀具、工件的材料性质选取。1000=vnD2.1.8 数控加工路线的确定 在数控加工中，刀具的刀位点相对于工件运动的轨迹称为加工路线。所谓“刀位点”是指刀具对刀时的理论刀尖点，也是刀具定位的基准点，如图所示如图所示。1.加工路线的确定原则 编程时，加工路线的确定原则主要有以下几点：(1)加工路线应保证被加工零件的精度和表面粗糙度，且效率较高、走刀安全；(2)使数值计算简单，以减少编程工作量；(3)应使加工路线最短，这样既可减少程序段，又可减少空刀时间。2.车削加
12、工路线的确定1)最短的车削加工路线最短的车削加工路线车削进给路线为最短，可有效地提高生产效率，降低刀具的损耗等。图为粗车几种不同车削进给路线的安排示意图。其中图(a)表示利用数控系统具有的封闭式复合循环功能控制车刀沿着工件轮廓进行进给的路线；图(b)为利用其程序循环功能安排的“三角形”进给路线；图(c)为利用其矩形循环功能而安排的“矩形”进给路线。2)车削螺纹加工路线车削螺纹加工路线在数控机床上车螺纹时，刀具沿螺纹方向的进给应和机床主轴的旋转保持严格的速比关系，因此应避免进给机构加速或减速过程中车削。为此要有切入距离1和切出距离2。如图所示，1和2 的数值不仅与机床拖动系统的动态特性有关，还与
13、螺纹的导程和螺纹的精度有关，一般1为2mm5mm，对大螺距和高精度的螺纹取大值；2一般取1的（1/21/4）左右。若螺纹收尾处没有退刀槽时，系统控制刀具按45退刀收尾。3.铣削加工路线的确定铣削加工路线的确定 1)顺铣和逆铣顺铣和逆铣 铣削有顺铣和逆铣两种方式。当工件表面无硬皮，机床进给机构无间隙时，应选用顺铣，按照顺铣安排加工路线。因为采用顺铣加工后，零件已加工表面质量好，刀齿磨损小。精铣时，尤其是零件材料为铝镁合金、钛合金或耐热合金时，应尽量采用顺铣。当工件表面有硬皮，机床的进给机构有间隙时，应采用逆铣，按照逆铣安排加工路线。因为逆铣时，刀齿是从已加工表面切入，不会崩刃；机床进给机构的间隙
14、不会引起振动和爬行。2)铣削外轮廓的加工路线铣削外轮廓的加工路线 铣削平面零件外轮廓时，一般是采用立铣刀侧刃切削。刀具切入零件时，应避免沿零件外轮廓的法向切入，以免在切入处产生刀具的刻痕，而应沿切削起始点延伸线(图a)或切线方向(图b)逐渐切入零件，保证零件曲线的平滑过渡。同样，在切离零件时，也应避免在切削终点处直接抬刀，要沿着切削终点延伸线(图a)或切线方向(图b)逐渐切出零件。3)铣削内轮廓的加工路线铣削封闭的内轮廓表面时，同铣削外轮廓一样，刀具同样不能沿轮廓曲线的法向切入和切出，此时刀具可以沿一过渡圆弧切入和切出工件轮廓。下图所示为铣切内圆的加工路线，图中R1为零件圆弧轮廓半径，R2为过
15、渡圆弧半径。4)铣削内槽的加工路线铣削内槽的加工路线 内槽在模具零件较常见，都采用平底立铣刀加工，刀具圆角半径应符合内槽的图样要求。下图所示为加工内槽的三种加工路线。图(a)和图(b)分别用行切法和环切法加工内槽。综合行、环切法的优点，采用图(c)所示的加工路线。4.孔加工路线的确定孔加工路线的确定1)确定确定xy平面内的加工路线平面内的加工路线 安排加工路线时，要避免机械进给系统的反向间隙对孔位精度的影响。例如，镗削图a所示零件上的四个孔。按图b所示加工路线加工，由于4孔与1、2、3孔定位方向相反，y向反向间隙会使定位误差增加，从而影响4孔与其它孔的位置精度。按图c所示加工路线，就可避免反向
16、间隙的引入，提高了4孔的定位精度。2)确定确定z向向(轴向轴向)的加工路线的加工路线 刀具在z向的加工路线分为快速移动进给路线和工作进给路线。刀具先从初始平面快速运动到距工件加工表面一定定距离的R平面(距工件加工表面一切入距离的参考平面)上，然后按工作进给速度运动进行加工。图a所示为加工单个孔时刀具的加工路线。对多孔加工，为减少刀具空行程进给时间，加工中间孔时，刀具不必退回到初始平面，只要退到R平面即可，其加工路线如图b所示。2.1.9 工艺文件的制定工艺文件的制定1.机械加工工艺过程卡机械加工工艺过程卡 机械加工工艺过程卡是以工序为单位，简要地列出整个零件加工所经过的工艺路线（包括毛坯制造、
17、机械加工和热处理等）。它是制订其他工艺文件的基础，也是生产准备、编排作业计划和组织生产的依据。在这种卡片中，由于各工序的说明不够具体，故一般不直接指导工人操作，而多作为生产管理方面使用。但在单件小批生产中，由于通常不编制其它较详细的工艺文件，就以这种卡片指导生产。其格式见机械加工工艺有关手册。2.机械加工工艺卡机械加工工艺卡 机械加工工艺卡是以工序为单位，详细地说明整个工艺过程的一种工艺文件。它是用来指导工人生产和帮助车间管理人员和技术人员掌握整个零件加工过程的一种主要技术文件，是广泛用于成批生产的零件和重要零件的小批生产中。加工工艺卡内容包括零件的材料、毛坯种类、工序号、工序名称、工序内容、
18、工艺参数、操作要求以及采用的设备和工艺装备等。其格式见机械加工工艺有关手册。3.数控加工工序卡数控加工工序卡 数控加工工序卡片是根据机械加工工艺卡为一道工序制订的。它更详细地说明整个零件各个工序的要求，是用来具体指导工人操作的工艺文件。在这种卡片上要画工序简图，说明该工序每一工步的内容、工艺参数、操作要求以及所用的设备与工艺装备。同时还要注明程序编号、编程原点和对刀点等。4.数控加工刀具卡数控加工刀具卡 数控加工刀具卡主要包括刀具的详细资料，有刀具号、刀具名称及规格、刀辅具等。不同类型的数控机床刀具卡也不完全一样。数控加工刀具片同数控加工工序卡一样，是用来编制零件加工程序和指导生产的重要工艺文
19、件。2.2 图形的数学处理2.2.1 基点计算 一个零件的轮廓曲线常常有不同的几何元素组成，如直线、圆弧、二次曲线等。各几何元素间的连接点称为基点，如两直线的交点，直线与圆弧的交点或切点，圆弧与圆弧的交点或切点，圆弧或直线与二次曲线的切点或交点等。零件平面轮廓大多由直线和圆弧组成，所以零件轮廓曲线的基点计算较简单。基点的计算一般可根据图纸给定条件，用几何法、解析几何法、三角函数法或用计算机绘图求得。2.2.2 节点计算 如果零件的轮廓曲线不是由直线或圆弧构成（如可能是椭圆、双曲线、抛物线、一般二次曲线、阿基米德螺旋线等曲线），而数控装置又不具备其他曲线的插补功能时，要采取用直线（图a）或圆弧（
20、图b）逼近的数学处理方法。即在满足允许编程误差的条件下，用若干直线段或圆弧端分割逼近给定的曲线。相邻直线段或圆弧段的交点或切点称为节点。如图所示1、2、3点为节点。最大偏差允，允一般取零件公差的1/51/10。1.等间距法直线逼近节点计算等间距法直线逼近节点计算 等间距法直线逼近节点计算特点是每个程序段的某一个坐标增量相等，根据曲线的表达式求出另一个坐标值，即可求得节点坐标。如图所示，由起点开始沿x轴方向x取为等间距长，再由曲线方程 y=f(x)求得yi，设xi+1=xi+x，yi+1=f(xi+x)，可求出一系列节点坐标值作为编程数据。这种方法的关键是确定间距值，x取决于曲线的曲率和允许误差
21、允，常根据加工精度凭经验选取，一般选取x=0.1mm，再进行误差验算。若不满足允，则减小x的取值。2.等步长法直线逼近节点计算等步长法直线逼近节点计算 这种方法的特点是使所有逼近线段的长度相等，亦即每个程序段的长度相等，如图所示。3等误差法（变步长法）直线逼近节点计算等误差法（变步长法）直线逼近节点计算 等误差法计算节点的特点是使零件轮廓曲线上各逼近线段的逼近误差相等，且小于或等于允，各逼近线段的长度不相等，如图所示。4曲率圆法圆弧逼近轮廓的节点计算曲率圆法圆弧逼近轮廓的节点计算 圆弧逼近轮廓求节点的方法有曲率圆法、三点圆法和相切圆法等。这里介绍曲率圆法，它是一种等误差圆弧逼近法，应用于曲线
22、y=f(x)为单调的情形。若不是单调曲线则可以在拐点处分段，使每段曲线为单调。其计算方法如图所示。2.2.3 辅助计算辅助计算 1.增量值计算增量值计算 描述机床（或刀具）运动和位置有两种坐标形式，一是直角坐标；二是极坐标。直角坐标又分绝对值坐标和增量值坐标。绝对值坐标是当前点相对于坐标原点的坐标，而增量值坐标是当前点相对于前一点的相对坐标，也就是说当前点的增量坐标值是当前点的绝对坐标值与前一点的绝对坐标值之差。2.螺纹实际牙顶、实际牙底尺寸计算螺纹实际牙顶、实际牙底尺寸计算 螺纹牙型高度是指在螺纹牙型上，牙顶到牙底之间垂直于螺纹轴线的理论高度H，如图所示。2.3 典型零件的数控加工工艺分析下
23、面以图所示零件为例，介绍其数控车削加工工艺。1.零件图工艺分析通过上述分析，采取以下几点工艺措施。（1）对图样上给定的几个精度（IT7IT8）要求较高的尺寸，因其公差数值较小，故编程时不必取平均值，而全部取其基本尺寸即可。（2）在轮廓曲线上，有三处为过象限圆弧，其中两处为既过象限又改变进给方向的轮廓曲线，因此在加工时应进行机械间隙补偿，以保证轮廓曲线的准确性。（3）为便于装夹，毛坯件左端应预先车出夹持部分（双点划线部分），右端面也应先车出并钻好中心孔。毛坯选 棒料。2.确定装夹方案确定装夹方案 确定毛坯件轴线和左端大端面（设计基准）为定位基准。左端采用三爪自定心卡盘定心夹紧、右端采用活动顶尖支
24、承的装夹方式。3.确定加工顺序确定加工顺序 加工顺序按由粗到精的原则确定。即先从右到左进行粗车（留0.20mm精车余量），然后从右到左进行精车，最后车削螺纹。4.数值计算数值计算 为方便编程，可利用AutoCAD画出零件图形，然后取出必要的基点坐标值；利用公式对螺纹实际牙顶、实际牙底进行计算。（1）基点计算。）基点计算。以下图上O点为工件坐标原点，则A、B、C三点坐标分别为：XA=40mm（直径量）、ZA=69 mm；XB=38.76 mm（直径量）、ZB=-99 mm；XC=56 mm（直径量）、ZC=154.09 mm。（2）螺纹实际牙顶）螺纹实际牙顶、实际牙底、实际牙底 计算。计算。5.
25、选择刀具选择刀具（1）粗车、精车均选用35菱形涂层硬质合金外圆车刀，副偏角48，刀尖半径0.4mm，为防与工件轮廓发生干涉，必要时应用AutoCAD作图检验或用仿真软件检验。（2）车螺纹选用硬质合金60外螺纹车刀，取刀尖圆弧半径0.2mm。6.确定切削用量确定切削用量（1）背吃刀量。）背吃刀量。粗车循环时，确定其背吃刀量ap=2mm；精车时，确定其背吃刀量ap=0.2mm。M30螺纹共分5次车削，但每次背吃刀量不同，查表2-2确定为（直径量）：0.9、0.6、0.6、0.4、0.1（mm）。（2）主轴转速。）主轴转速。查表取粗车时的切削速度v=90m/min，精车时的切削速度v=120m/mi
26、n，根据坯件直径（精车时取平均直径），利用式n=1000v/d计算，并结合机床说明书取：粗车时主轴转速n=500r/min；精车时主轴转速n=1200r/min。车螺纹时取主轴转速n=320r/min。（3）进给速度。）进给速度。粗车时选取进给量f=0.3 mm/r，精车时选取f=0.05 mm/r。车螺纹的进给量等于螺纹导程，即f=2mm/r。7.数控加工工艺文件的制定数控加工工艺文件的制定 按加工顺序将各工步的加工内容、所用刀具及其切削用量等填入表2-3数控加工工序卡片中；将各工步所用刀具的型号、刀片型号、刀片牌号及刀尖圆弧半径等填入表2-4数控加工刀具卡片中。2.4 小小 结结 从保证零件的技术要求、提高生产效率和尽可能降低生产成本考虑，数控加工工艺分析主要包括加工方法与加工方案的确定、工序与工步的划分、零件的定位与安装、刀具与工具的选用、切削用量与数控加工路线的确定等。其主要内容应写入数控加工工艺文件中，作为数控机床编程的依据。零件图形数学处理（又称数值计算）是数控编程前的主要准备工作，无论对于手工编程还是自动编程都是必不可少的。图形数学处理的内容主要有三个方面，即基点计算、节点计算和辅助计算等。
