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第一章数控编程基础

第二节数控加工工艺简介

1.2.6　数控加工工序规划

加工工序规划是针对整个工艺过程而言的，不能以某一工序的性质和某一表面的加工来判断。例如有些定位基准面，在半精加工阶段甚至在粗加工阶段中就需加工得很准确。有时为了避免尺寸链换算，在精加工阶段中，也可以安排某些次要表面的半精加工。

当确定了零件表面的加工方法和加工阶段后，就可以将同一加工阶段中各表面的加工组合成若干个工步。

1．加工工序划分的方法

在数控机床上加工的零件，一般按工序集中的原则划分工序，划分的方法有以下几种：

（1）按所使用刀具划分

以同一把刀具完成的工艺过程作为一道工序，这种划分方法适用于工件的待加工表面较多的情形。加工中心常采用这种方法完成。

（2）按工件安装次数划分

以零件一次装夹能够完成的工艺过程作为一道工序。这种方法适合于加工内容不多的零件，在保证零件加工质量的前提下，一次装夹完成全部的加工内容。

（3）按粗精加工划分

将粗加工中完成的那一部分工艺过程作为一道工序，将精加工中完成的那一部分工艺过程作为另一道工序。这种划分方法适用于零件有强度和硬度要求，需要进行热处理或零件精度要求较高，需要有效去除内应力，以及零件加工后变形较大，需要按粗、精加工阶段进行划分的零件加工。

（4）按加工部位划分

将完成相同型面的那一部分工艺过程作为一道工序。对于加工表面多而且比较复杂的零件，应合理安排数控加工、热处理和辅助工序的顺序，并解决好工序间的衔接问题。

2．加工工序划分的原则

零件是由多个表面构成的，这些表面有自己的精度要求，各表面之间也有相应的精度要求。为了达到零件的设计精度要求，加工顺序安排应遵循一定的原则。

（1）先粗后精的原则

各表面的加工顺序按照粗加工—半精加工—精加工—光整加工的顺序进行，目的是逐步提高零件加工表面的精度和表面质量。

如果零件的全部表面均由数控机床加工，工序安排一般按粗加工—半精加工—精加工的顺序进行，即粗加工全部完成后再进行半精加工和精加工。粗加工时可快速去除大部分加工余量，再依次精加工各个表面，这样可提高生产效率，又可保证零件的加工精度和表面粗糙度。该方法适用于位置精度要求较高的加工表面。

但这并不是绝对的，如对于一些尺寸精度要求较高的加工表面，考虑到零件的刚度、变形及尺寸精度等要求，也可以考虑这些加工表面分别按粗加工—半精加工—精加工的顺序完成。但在粗加工—精加工工序之间，零件最好搁置一段时间，使粗加工后的零件表面应力得到完全释放，减小零件表面的应力变形程度，这样有利于提高零件的加工

精度。

（2）基准面先加工原则

加工一开始，总是把用作精加工基准的表面加工出来，因为定位基准的表面精确，装夹误差就小，所以任何零件的加工过程，总是先对定位基准面进行粗加工和半精加工，必要时还要进行精加工。例如，轴类零件总是对定位基准面进行粗加工和半精加工，再进行精加工。再如，轴类零件总是先加工中心孔，再以中心孔面和定位孔为精基准加工孔系和其他表面。如果精基准面不止一个，则应该按照基准转换的顺序和逐步提高加工精度的原则来安排基准面的加工。

（3）先面后孔原则

对于箱体类、支架类、机体类等零件，平面轮廓尺寸较大，用平面定位比较稳定可靠，故应先加工平面，后加工孔。这样，不仅使后续的加工有一个稳定可靠的平面作为定位基准面，而且在平整的表面上加工孔，加工变得容易一些，也有利于提高孔的加工精度。通常，可按零件的加工部位划分工序，一般先加工简单的几何形状，后加工复杂的几何形状；先加工精度较低的部位，后加工精度较高的部位；先加工平面，后加工孔。

（4）先内后外原则

对于精密套筒，其外圆与孔的同轴度要求较高，一般采用先孔后外圆的原则，即先以外圆作为定位基准加工孔，再以精度较高的孔作为定位基准加工外圆，这样可以保证外圆和孔之间具有较高的同轴度要求，而且使用的夹具结构也很简单。

（5）减少换刀次数的原则

在数控加工中，应尽可能按刀具进入加工位置的顺序安排加工顺序，这就要求在不影响加工精度的前提下，尽量减少换刀次数，减少空行程，节省辅助时间。零件装夹后，尽可能使用同一把刀具完成较多的加工表面。当一把刀具完成可能加工的所有部位后，尽量为下道工序做些预加工，然后再换刀完成精加工或加工其他部位。对于一些不重要的部位，尽可能使用同一把刀具完成同一个工位的多道工序的加工。

（6）连续加工的原则

在加工半封闭或封闭的内外轮廓时，应尽量避免数控加工中的停顿现象。由于零件、刀具、机床这一工艺系统在加工过程中暂时处于动态的平衡状态下，若设备由于数控程序安排出现突然进给停顿的现象，由于切削力会明显减少，就会失去原工艺系统的稳定状态，使刀具在停顿处留下划痕或凹痕。因此，在轮廓加工中应避免进给停顿的现象，以保证零件的加工质量。

1.2.7　数控机床的选择

选择数控机床时，一般应考虑以下几个方面的问题：

（1）数控机床主要规格的尺寸应与工件的轮廓尺寸相适应。即小的工件应当选择小规格的机床加工，而大的工件则选择大规格的机床加工，做到设备的合理使用。

（2）机床结构取决于机床规格尺寸、加工工件的重量等因素的影响。表1-1列出了数控设备最常见的重要规格和性能指标。

表1-1　数控设备的规格和性能指标

（3）机床的工作精度与工序要求的加工精度相适应。根据零件的加工精度要求选择机床，如精度要求低的粗加工工序，应选择精度低的机床；精度要求高的精加工工序，应选用精度高的机床。

（4）机床的功率与刚度以及机动范围应与工序的性质和最合适的切削用量相适应。如粗加工工序去除的毛坯余量大，切削余量选得大，就要求机床有大的功率和较好的刚度。

（5）装夹方便、夹具结构简单也是选择数控设备时需要考虑的一个因素。选择采用卧式数控机床，还是选择立式数控机床，将直接影响所选择的夹具的结构和加工坐标系，直接关系到数控编程的难易程度和数控加工的可靠性。

应当注意的是，在选择数控机床时应充分利用数控设备的功能，根据需要进行合理的开发，以扩大数控机床的功能，满足产品的需要。然后，根据所选择的数控机床，进一步优化数控加工方案和工艺路线，根据需要适当调整工序的内容。

选择加工机床，首先要保证加工零件的技术要求，能够加工出合格的零件；其次是要有利于提高生产效率，降低生产成本。选择加工机床一般要考虑到机床的结构、载重、功率、行程和精度。还应依据加工零件的材料状态、技术状态要求和工艺复杂程度，选用适宜、经济的数控机床，综合考虑以下因素的影响。

（1）机床的类别（车、铣、加工中心等）、规格（行程范围）、性能（加工材料）。

（2）数控机床的主轴功率、扭矩、转速范围，刀具以及刀具系统的配置情况。

（3）数控机床的定位精度和重复定位精度。

（4）零件的定位基准和装夹方式。

（5）机床坐标系和坐标轴的联动情况。

（6）控制系统的刀具参数设置，包括机床的对刀、刀具补偿以及ATC等相关功能。

1.2.8　量具的选择

量具的选择主要根据工序中检验要求的精度和生产批量的大小决定。在单件小批量生产中，广泛采用通用量具，如游标卡尺、百分表等。在大批量生产中，主要采用各种界限量规和一些高生产率的专用量具与测量仪等。量具的精度必须与加工精度相适应，以提高工件的测量精度。

1.2.9　数控加工刀具的选择

在编制程序时，正确地选择数控刀具是很重要的。对数控刀具总的要求是安装调整方便、刚性好、精度高、耐用度好，在此基础上综合考虑工件材料的切削性能、机床的加工能力、数控加工工序的类型、切削用量以及与机床和数控装置工作范围有关的诸多因素。

1．影响数控刀具选择的因素

在选择刀具的类型和规格时，主要考虑以下因素的影响：

（1）生产性质

在这里，生产性质指的是零件的批量大小，主要从加工成本上考虑对刀具选择的影响。例如，在大量生产时采用特殊刀具可能是合算的，而在单件或小批量生产时，选择标准刀具则更适合一些。

（2）机床类型

完成该工序所用的数控机床对选择的刀具类型（钻、车刀或铣刀）的影响。在能够保证工件系统和刀具系统刚性好的条件下，允许采用高生产率的刀具，例如高速切削车刀和大进给量车刀。

（3）数控加工方案

不同的数控加工方案可以采用不同类型的刀具。例如，孔的加工可以用钻及扩孔钻，也可用钻和镗刀来进行加工。

（4）工件的尺寸及外形

工件的尺寸及外形也影响刀具类型和规格的选择。例如，特型表面要采用特殊的刀具来加工。

（5）加工表面粗糙度

加工表面粗糙度影响刀具的结构形状和切削用量。例如，毛坯粗铣加工时，可采用粗齿铣刀，精铣时最好用细齿铣刀。

（6）加工精度

加工精度影响精加工刀具的类型和结构形状。例如，孔的最后加工依据孔的精度可用钻、扩孔钻、铰刀或镗刀来加工。

（7）工件材料

工件材料将决定刀具材料和切削部分几何参数的选择，刀具材料与工件的加工精度、材料硬度等有关。

2．数控刀具的性能要求

由于数控机床具有加工精度高、加工效率高、加工工序集中和零件装夹次数少的特点，对所使用的数控刀具提出了更高的要求。从刀具性能上讲，数控刀具应高于普通机床所使用的刀具。

选择数控刀具时，首先应优先选用标准刀具，必要时才可选用各种高效率的复合刀具及特殊的专用刀具。在选择标准数控刀具时，应结合实际情况，尽可能选用各种先进刀具，如可转位刀具、整体硬质合金刀具、陶瓷刀具等。

在选择数控机床加工刀具时，还应考虑以下几方面的问题：

（1）数控刀具的类型、规格和精度等级应能够满足加工要求，刀具材料应与工件材料相适应。

（2）切削性能好。为适应刀具在粗加工或对难加工材料的工件加工时能采用大的背吃刀量和高进给量，刀具应具有能够承受高速切削和强力切削的性能。同时，同一批刀具在切削性能和刀具寿命方面一定要稳定，以便实现按刀具使用寿命换刀或由数控系统对刀具寿命进行管理。

（3）精度高。为适应数控加工的高精度和自动换刀等要求，刀具必须具有较高的精度，如有的整体式立铣刀的径向尺寸精度高达0.005mm。

（4）可靠性高。要保证数控加工中不会发生刀具意外损伤及潜在缺陷而影响到加工的顺利进行，要求刀具及与之组合的附件必须具有很好的可靠性及较强的适应性。

（5）耐用度高。数控加工的刀具，不论在粗加工或精加工中，都应具有比普通机床加工所用刀具更高的耐用度，以尽量减少更换或修磨刀具及对刀的次数，从而提高数控机床的加工效率和保证加工质量。

（6）断屑及排屑性能好。数控加工中，断屑和排屑不像普通机床加工那样能及时由人工处理，切屑易缠绕在刀具和工件上，可能会损坏刀具和划伤工件已加工表面，甚至会发生伤人和设备事故，影响加工质量和机床的安全运行，所以要求刀具具有较好的断屑和排屑性能。

3．刀具的选择方法

刀具的选择是数控加工工艺中的重要内容之一，不仅影响机床的加工效率，而且直接影响零件的加工质量。由于数控机床的主轴转速及范围远远高于普通机床，而且主轴输出功率较大，因此与传统加工方法相比，对数控加工刀具提出了更高的要求，包括精度高、强度大、刚性好、耐用度高，而且要求尺寸稳定、安装调整方便。这就要求刀具的结构合理，几何参数标准化、系列化。数控刀具是提高加工效率的先决条件之一，它的选用取决于被加工零件的几何形状、材料状态、夹具和机床选用刀具的刚性。选择刀具时应考虑以下几方面：

（1）根据零件材料的切削性能选择刀具。如车或铣高强度钢、钛合金、不锈钢零件，建议选择耐磨性较好的可转位硬质合金刀具。

（2）根据零件的加工阶段选择刀具。即粗加工阶段以去除余量为主，应选择刚性较好、精度较低的刀具；半精加工、精加工阶段以保证零件的加工精度和产品质量为主，应选择耐用度高、精度较高的刀具。粗加工阶段所用刀具的精度最低，而精加工阶段所用刀具的精度最高。如果粗、精加工选择相同的刀具，建议粗加工时选用精加工淘汰下来的刀具，因为精加工淘汰的刀具磨损情况大多为刃部轻微磨损，涂层磨损修光，继续使用会影响精加工的加工质量，但对粗加工的影响较小。

（3）根据加工区域的特点选择刀具和几何参数。在零件结构允许的情况下应选用大直径、长径比值小的刀具；切削薄壁、超薄壁零件的过中心铣刀端刃应有足够的向心角，以减小刀具和切削部位的切削力。加工铝、铜等较软材料零件时应选择前角稍大一些的立铣刀，齿数也不要超过4齿。

选取刀具时，要使刀具的尺寸与被加工工件的表面尺寸相适应。生产中，平面零件周边轮廓的加工，常采用立铣刀；铣削平面时，应选硬质合金刀片铣刀；加工凸台、凹槽时，选高速钢立铣刀；加工毛坯表面或粗加工孔时，可选取镶硬质合金刀片的玉米铣刀；对一些立体型面和变斜角轮廓外形的加工，常采用球头铣刀、环形铣刀、锥形铣刀和盘形铣刀。

在进行自由曲面加工时，由于球头刀具的端部切削速度为零，因此，为保证加工精度，切削行距一般很小，故球头铣刀适用于曲面的精加工。而端铣刀无论是在表面加工质量上还是在加工效率上都远远优于球头铣刀，因此，在确保零件加工不过切的前提下，粗加工和半精加工曲面时，尽量选择端铣刀。另外，刀具的耐用度和精度与刀具价格关系极大，必须引起注意的是，在大多数情况下，选择好的刀具虽然增加了刀具成本，但由此带来的加工质量和加工效率的提高，则可以使整个加工成本大大降低。

在加工中心上，所有刀具全都预先装在刀库里，通过数控程序的选刀和换刀指令进行相应的换刀动作。必须选用适合机床刀具系统规格的相应标准刀柄，以便数控加工用刀具能够迅速、准确地安装到机床主轴上或返回刀库。编程人员应能够了解机床所用刀柄的结构尺寸、调整方法以及调整范围等方面的内容，以保证在编程时确定刀具的径向和轴向尺寸，合理安排刀具的排列顺序。

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