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第一章数控编程基础

第二节数控加工工艺简介

数控加工工艺是伴随着数控机床的产生，不断发展和逐步完善起来的一门应用技术，研究的对象是数控设备完成数控加工全过程相关的集成化技术，最直接的研究对象是与数控设备息息相关的数控装置、控制系统、数控程序及编制方法。数控加工工艺源于传统的加工工艺，将传统的加工工艺、计算机数控技术、计算机辅助设计和辅助制造技术有机地结合在一起，它的一个典型特征是将普通加工工艺完全融入数控加工工艺中。数控加工工艺是数控编程的基础，高质量的数控加工程序，源于周密、细致的技术可行性分析、总体工艺规划和数控加工工艺设计。

编程员接到一个零件或产品的数控编程任务，主要的工作包括：根据零件或产品的设计图纸及相关技术文件进行数控加工工艺可行性分析，确定完成零件数控加工的加工方法；选择数控机床的类型和规格；确定加工坐标系、选择夹具及其辅助工具、选择刀具和刀具装夹系统，规划数控加工方案和工艺路线，划分加工区域、设计数控加工工序内容，编写数控程序，进行数控程序调试和实际加工验证，最后对所有的数控工艺文件进行完善、固化并存档等方面的内容。数控编程可以简单地理解成从零件的设计图开始，直到数控加工程序编制完成的整个过程。

数控加工工艺是数控编程的核心，只有将数控加工工艺合理、科学地融入数控编程中，编程员才能编制出高质量和高水平的数控程序。数控编程也是逐步完善数控工艺的过程。

1.2.1　数控加工工艺的特点

普通加工工艺是数控加工工艺的基础和技术保障，由于数控加工采用计算机对机械加工过程进行自动化控制，使得数控加工工艺具有如下特点。

1. 数控加工工艺远比普通机械加工工艺复杂

数控加工工艺要考虑加工零件的工艺性，加工零件的定位基准和装夹方式，也要选择刀具，制定工艺路线、切削方法及工艺参数等，而这些在常规工艺中均可以简化处理。因此，数控加工工艺比普通加工工艺要复杂得多，影响因素也多，因而有必要对数控编程的全过程进行综合分析、合理安排，然后整体完善。相同的数控加工任务，可以有多个数控工艺方案，既可以选择以加工部位作为主线安排工艺，也可以选择以加工刀具作为主线来安排工艺。数控加工工艺的多样化是数控加工工艺的一个特色，是与传统加工工艺的显著区别。

2．数控加工工艺设计要有严密的条理性

由于数控加工的自动化程度较高，相对而言，数控加工的自适应能力就较差。而且数控加工的影响因素较多且复杂，需要对数控加工的全过程深思熟虑，数控工艺设计必须具有很好的条理性，也就是说，数控加工工艺的设计过程必须周密、严谨，没有错误。

3．数控加工工艺的继承性较好

凡经过调试、校验和试切削过程验证的，并在数控加工实践中证明是好的数控加工工艺，都可以作为模板，供后续加工相类似零件调用，这样不仅节约时间，而且可以保证质量。作为模板本身在调用中也是一个不断修改完善的过程，可以达到逐步标准化、系列化的效果。因此，数控工艺具有非常好的继承性。

4．数控加工工艺必须经过实际验证才能指导生产

由于数控加工的自动化程度高，安全和质量是至关重要的。数控加工工艺必须经过验证后才能用于指导生产。在普通机械加工中，工艺员编写的工艺文件可以直接下到生产线用于指导生产，一般不需要上述的复杂过程。

1.2.2　数控加工工艺方案设计

数控加工工艺方案设计是数控编程的核心部分。其质量完全取决于编程员的技术水平和加工经验，这其中包含对数控技术等相关技术的了解程度和熟练应用能力，同时也需要一些具体的应用技巧和操作技能。数控加工工艺方案设计的水平原则上决定了数控程序的质量，这是因为编程员在进行数控编程的过程中，相当多的工作内容集中在加工工艺分析和方案设计，以及数控编程参数设置这两个阶段，因而在一定程度上决定了数控编程的质量。

数控加工工艺方案设计的主要内容包括确定加工方法，确定零件的定位和装夹方案，安排加工顺序，以及安排热处理、检验及其辅助工序等。设计者应从生产实践中总结出一些综合性的工艺原则，结合实际的生产条件提出几个方案进行分析对比，选择经济、合理的最佳方案。合理的工艺方案能保证零件的加工精度、表面质量的要求。影响数控加工方案的主要因素如图1-1所示。

图1-1　影响数控加工方案的主要因素

1．数控加工工艺方案设计的主要内容

（1）零件加工工艺性分析

对零件的设计图和技术要求进行综合分析。

（2）加工方法的选择

选择零件具体的加工方法和切削方式。

（3）机床的选择

选择合适的机床，既能满足零件加工的外廓尺寸，又能满足零件的加工精度。

（4）工装的选择

数控设备尽管减少了对于夹具的依赖程度，但还不能完全取消，在满足零件加工精度和技术要求的前提下，工装越简单越好。

（5）加工区域规划

对加工对象进行分析，按其形状特征、功能特征及精度、粗糙度要求将加工对象划分成数个加工区域。对加工区域进行规划可以达到提高加工效率和加工质量的目的。

（6）加工工艺路线规划

合理安排零件从粗加工到精加工的数控加工工艺路线，进行加工余量分配。

（7）刀具的选择

根据加工零件的特点和精度要求，选择合适的刀具以满足零件加工的要求。

（8）切削参数的确定

确定合理的切削用量。

（9）数控编程方法的选择

根据零件的难易程度，采用手工或自动编程的方式，按照确定的加工规划内容进行数控加工程序编制。

2．影响数控加工工艺方案设计的主要因素

数控加工工艺设计的内容非常具体、详细，在确定工艺方案时，要考虑的因素较多，如零件的结构特点、表面形状、精度等级和技术要求、表面粗糙度要求等，毛料的状态，切削用量以及所需的工艺装备，刀具等。以下是设计工艺方案必须考虑的几个重要环节：

（1）加工方法的选择

零件的结构形状是多种多样的，但它们都是由平面、外圆柱面、内圆柱面或曲面、成型面等基本表面所组成的。每一种表面都有多种加工方法，具体选择时应根据零件的加工精度、表面粗糙度、材料、结构形状、尺寸及生产类型等选用相应的加工方法和加工方案。例如，外圆表面的加工方法主要是车削和磨削。当表面粗糙度要求较小时，还要进行光整加工。

（2）工艺基准的选择

工艺基准是保证零件加工精度和形位公差的一个关键步骤，工艺基准的选择应与设计基准一致。基于零件的加工性考虑，选择的工艺基准也可能与设计基准不一致，但无论如何，在加工过程中，选择的工艺基准必须保证零件的定位准确、稳定，加工测量方便，装夹次数最少。

（3）确定加工步骤

工序安排的一般原则是先加工基准面后加工其他面，先粗加工后精加工，粗精分开。具体操作还应考虑两个重要的影响因素，一是尽量减少装夹次数，既提高效率，又保证精度；二是尽量让有位置公差要求的型面在一次装夹中完成加工，充分利用设备的精度来保证产品的精度。

（4）工艺保证措施

关键尺寸和技术要求的工艺保证措施对设计工艺方案非常重要。由于加工零件是由不同的型面组成的，一个普通型面通常包括3个方面的要求——尺寸精度、形位公差和表面粗糙度，必须在这些关键特征上有可靠的技术保障，避免如装夹变形、热变形、工件震动导致加工波纹等因素影响到零件的加工质量，进行工艺方案设计时必须考虑以上因素的影响，采取相应的工艺方法和工艺措施来保证，如预留工艺装夹止口，精加工前先让工件冷却，精加工用较小的切削用量，以及在零件上加或缠减震带等方法。

图1-2简要地概括了数控加工工艺制定的全过程。

图1-2　数控加工工艺流程图

1.2.3　零件数控加工工艺分析

零件的数控加工工艺分析是编制数控程序中最重要但又极其复杂的环节，也是数控加工工艺方案设计的核心工作，必须在数控加工方案制定前完成。一个合格的编程人员对数控机床及其控制系统的功能及特点，以及影响数控加工的每个环节都要有一个清晰、全面的了解，这样才能避免由于工艺方案考虑不周而可能出现的产品质量问题，造成无谓的人力、物力等资源的浪费。全面合理的数控加工工艺分析是提高数控编程质量的重要保障。

在数控加工中，从零件的设计图纸到零件成品合格交付，不仅要考虑到数控程序的编制，还要考虑到诸如零件加工工艺路线的安排、加工机床的选择、切削刀具的选择、零件加工中的定位装夹等一系列因素的影响，在开始编程前，必须要对零件设计图纸和技术要求进行详细的数控加工工艺分析，以最终确定哪些是零件的技术关键，哪些是数控加工的难点，以及数控程序编制的难易程度。

零件工艺性分析也是数控规划的第一步，在此基础上，方可确定零件数控加工所需的数控机床、加工刀具、工艺装备、切削用量、数控加工工艺路线，从而获得最佳的加工工艺方案，最终满足零件工程图纸和有关技术文件的要求。

1．数控加工工艺路线制定所需的原始资料

（1）零件设计图纸、技术资料，以及产品的装配图纸。

（2）零件的生产批量。

（3）零件数控加工所需的相关技术标准，如企业标准和工艺文件等。

（4）产品验收的质量标准。

（5）现有的生产条件和资料。工艺装备及专用设备的制造能力、加工设备和工艺装备的规格及性能、工人的技术水平。

2．毛坯状态分析

大多数零件设计图纸只定义了零件加工时的形状和大小，而没有指定原始毛坯材料的数据，包括毛料的类型、规格、形状、热处理状态以及硬度等。编程时，对毛料的深入了解是一个重要的开始，利用这些原始信息，有利于数控程序规划。

（1）产品的装配图和零件图分析

对于装配图的分析和研究，主要是为了熟悉产品的性能、用途和工作条件，明确零件在产品中的相互装配位置及作用，了解零件图上各项技术条件制定的依据，找出其主要技术关键问题，为制定正确的加工方案奠定基础。当然，对普通零件进行工艺分析时，可以不进行装配图的分析研究。

（2）零件图的工艺性分析

对零件图的分析和研究主要是对零件进行工艺审查，如检查设计图纸的视图、尺寸标注、技术要求是否有错误或遗漏之处，尤其对结构工艺性较差的零件，如果可能应和设计人员进行沟通或提出修改意见，由设计人员决定是否进行必要的修改和完善。

① 零件图的完整性和正确性分析

零件图应符合国家标准的要求，位置准确，表达清楚；几何元素（点、线、面）之间的关系（如相切、相交、平行）应准确；尺寸标注应完整、清晰。

② 零件技术要求分析

零件的技术要求主要包括尺寸精度、形状精度、位置精度、表面粗糙度及热表处理要求等，这些技术要求应当是能够保证零件使用性能前提下的极限值。进行零件技术要求分析，主要是分析这些技术要求的合理性以及实现的可能性，重点分析重要表面和部位的加工精度和技术要求，为制定合理的加工方案做好准备。同时通过分析以确定技术要求是否过于严格，因为过高的精度和过小的表面粗糙度要求会使工艺过程变得复杂，加工难度加大，增加不必要的成本。

③ 尺寸标注方法分析

零件图的尺寸标注方法有局部分散标注法、集中标注法和坐标标注法等。对在数控机床上加工的零件，零件图上的尺寸在能够保证使用性能的前提下，应尽量采取集中标注或以同一基准标注（即标注坐标尺寸）的方式，这样既方便了数控程序编制，又有利于设计基准、工艺基准与编程原点的统一。

④ 零件材料分析

在满足零件功能的前提下，应选用廉价的材料，选择材料时应立足于国内，不要轻易选择贵重和紧缺的材料。

⑤ 零件的结构工艺性分析

零件的结构工艺性分析是指对所设计的零件，在能够满足使用性能要求的前提下分析制造的可行性和经济性。好的结构工艺性会使零件加工容易，节省成本，节省材料；而较差的结构工艺性会使零件加工困难，加大成本，浪费材料，甚至无法加工。通过对零件的结构特点、精度要求和复杂程度进行分析的过程，可以确定零件所需的加工方法和数控机床的类型和规格。

1.2.4　加工阶段的划分

当零件的加工质量要求较高时，应把整个数控加工过程划分为几个阶段，通常划分为粗加工、半精加工和精加工3个阶段。如果零件的精度要求很高，还需要安排专门的光整加工阶段。必要时，如果毛坯表面比较粗糙，余量也较大，还需要安排先进行荒加工和初始基准加工。

1．粗加工阶段

粗加工阶段是为了去除毛料或毛坯上大部分的余量，使毛料或毛坯在形状和尺寸上基本接近零件的成品状态，这个阶段最主要的问题是如何获得较高的生产效率。

2．半精加工阶段

半精加工阶段是使零件的主要表面达到工艺规定的加工精度，并保留一定的精加工余量，为精加工做好准备。半精加工阶段一般安排在热处理之前进行，在这个阶段，可以将不影响零件使用性能和设计精度的零件次要表面加工完毕。

3．精加工阶段

精加工阶段的目标是保证加工零件达到设计图纸所规定的尺寸精度、技术要求和表面质量要求。零件精加工的余量都较小，主要考虑的问题是如何达到最高的加工精度和表面质量。

4．光整加工阶段

当零件的加工精度要求较高，如尺寸精度要求为IT6级以上，以及表面粗糙度要求较小（Ra≤0.2µm）时，在精加工阶段之后就必须安排光整加工，以达到最终的设计要求。

1.2.5　划分加工阶段的原因

1．有利于保证零件的加工质量

零件分阶段进行加工有利于消除或减小变形对加工精度的影响。在粗加工阶段中切除的余量较多，切削力大，切削温度高，所需的夹紧力也大，因而零件会产生较大的弹性变形和热变形，残余在工件中的内应力也会使工件产生变形。加工过程分阶段进行的优点在于，粗加工后零件的变形和加工误差可以通过后续的半精加工和精加工消除和修复，因而有利于保证零件最终的加工质量。

2．有利于合理使用设备

粗加工阶段主要考虑的是加工效率，对零件的精度要求不高，因此可以选择功率较大、刚性较好、精度较低的数控机床，精加工的目的是达到零件的最终设计要求，应当选择满足零件加工精度的数控机床，相对而言，对机床的精度要求较高。划分加工阶段后，就可以充分发挥各种数控机床的优势，做到设备的合理使用，也有利于维护高精数控设备的精度。

3．便于及时发现毛坯的缺陷

先安排零件的粗加工，可及时发现零件毛料的各种缺陷，如存在气孔、砂眼和加工余量不足等，以便采取补救措施，对于无法挽救的毛料及时报废也可以避免直接加工所导致的无谓浪费。

4．便于热处理工序的安排

对于有高强度和硬度要求的零件，必须在加工工序之间插入必要的热处理工序，这就自然而然地把加工过程划分为几个阶段，每个阶段都要安排相应的热处理以满足零件的性能要求。例如主轴类零件的强度和表面硬度都较高，在粗加工后需要进行去应力处理，在半精加工后进行淬火以提高表面硬度，在精加工后采取表面硬化处理和低温回火以提高表面硬度和零件的强度，最后进行光整加工以保证零件的配合精度要求。

5．有利于保护加工表面

精加工、光整加工安排在最后，可避免精加工和光整加工后的表面由于零件周转过程中可能出现的碰伤、划伤现象。

划分零件加工阶段并不是绝对的，并非所有的零件都要划分加工阶段。例如加工质量要求较低、刚性好的零件可以直接加工到最终尺寸；对于毛坯精度高、加工余量小的零件，也可以不划分加工阶段；单件生产通常也不划分加工阶段；对于刚性好且较重的零件，周转次数应尽量少些，最好通过一次装夹，完成尽可能多的加工内容。

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