第一章 数控编程基础
第二节 数控加工工艺简介
1.2.10 夹具和装夹方式的选择
在数控机床上加工零件时，为保证工件的加工精度和加工质量，必须使工件位于机床上的正确位置（也就是通常所说的定位），然后将它固定（也就是通常所说的夹紧）。工件在机床上定位与夹紧的过程称为工件的装夹过程。
图1-3 数控机床的坐标轴
1．工件的定位原理
（1）六点定位原理
工件在空间有六个自由度，即沿X、Y、Z三个坐标方向的移动自由度和绕X、Y、Z三个移动轴的旋转自由度A、B、C，如图1-3所示。
要确定工件在空间的位置，需要按一定的要求安排六个支撑点（也就是通常所说的定位元件），以限制加工工件的自由度，这就是工件定位的“六点定位原理”。需要指出的是，工件形状不同，定位表面不同，定位点的布置情况也各不相同。
（2）限制自由度与工件加工要求的关系
根据工件加工表面的不同加工要求，有些自由度对加工要求有影响，有些自由度对加工要求无影响，对加工要求有影响的自由度必须限制，而不影响加工要求的自由度不必限制。
（3）完全定位与不完全定位
工件的六个自由度都被限制的定位成为完全定位，工件被限制的自由度少于六个，但不影响加工要求的定位，成为不完全定位，完全定位和不完全定位是实际加工中工件最常用的定位方式。
（4）工件安装的基本原则
在数控机床上工件安装的原则与普通机床相同，也要合理地选择定位基准和夹紧方案。为了提高数控机床的效率，在确定定位基准与夹紧方案时应注意以下几点：
① 力求设计基准、工艺基准与编程计算基准的统一。
② 尽量减少装夹次数，尽可能在一次定位和装夹后就能加工出全部待加工表面。
③ 避免采用占机调整式方案，以充分发挥数控机床的效能。
2．工件的夹紧
金属切削加工过程中，为保证工件定位时确定的正确位置，防止工件在切削力、离心力、惯性力或重力等作用下产生位移或振动，必须将工件夹紧。这种保证加工精度和安全生产的装置称为夹紧装置。
（1）对夹紧的基本要求
① 工件在夹紧过程中，不能改变工件定位后所占据的正确位置。
② 夹紧力的大小适当，既要保证工件在加工过程中的位置不能发生任何变动，又要使工件不产生大的夹紧变形；同时也要使得加工振动幅度尽可能小。
③ 操作方便、省力、安全。
④ 夹紧装置的自动化程度及复杂程度应与工件的批量大小相适应。
（2）夹紧力方向和夹紧点的确定
① 夹紧力应尽可能朝向主要定位基准，这样可以保证夹紧工件时不破坏工件的定位，影响工件的加工精度要求。
② 夹紧力方向应有利于减少夹紧力，要求能够在最小的夹紧力作用下，完成零件的加工过程。
③ 夹紧力的作用点应选在工件刚性较好的方向和方位上，这一原则对刚性较差的零件特别重要，可以保证零件的夹紧变形量最小。
④ 夹紧力作用点应尽量靠近零件的加工表面，保证主要夹紧力的作用点与加工表面之间的距离最短，可有效提高零件装夹的刚性，减轻加工过程中的振动。
⑤ 夹紧力的作用方向应在定位支撑的有效范围内，不破坏零件的定位要求。
3．夹具的选择
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；二是要保证零件与机床坐标系之间的准确尺寸关系。依据零件毛料的状态和数控机床的安装要求，应选取能保证加工质量、满足加工需要的夹具。除此之外，还要考虑以下几点：
（1）当零件加工批量不大时，应尽量采用组合夹具、可调夹具和其他通用夹具，以缩短生产准备时间，节省生产费用。在成批生产时可以考虑采用专用夹具，同时要求夹具结构简单。
（2）装夹零件要方便可靠，避免采用占机人工调整的装夹方式，以缩短辅助时间，尽量采用液压、气动或多工位夹具，以提高生产效率。
（3）在数控机床上使用的夹具，要能够安装准确，能保证工件和机床坐标系的相对位置和尺寸，力求设计基准、工艺基准与编程原点统一，以减少基准不重合误差和数控编程中的计算工作量。
（4）尽量减少装夹次数，做到一次装夹后完成全部零件表面的加工或大多数表面的加工，以减少装夹误差，提高加工表面之间的相互位置精度，达到充分提高数控机床效率的目的。
1.2.11 切削用量的选择
1．切削用量的选择原则
数控编程时，编程人员必须确定每道工序的切削用量，包括主轴转速、背吃刀量、进给速度等，并以数控系统规定的格式输入到程序中。对于不同的加工方法，需选用不同的切削用量。合理地选择切削用量，对零件的表面质量、精度、加工效率影响很大。这在实际中也很难掌握，要有丰富的实践经验才能够确定合适的切削用量。在数控编程时只能凭借编程者的经验和刀具的切削用量推荐值初步确定，而最终的切削用量将根据零件数控程序的调试结果和实际加工情况来确定。
切削用量的选择原则是：粗加工时以提高生产率为主，同时兼顾经济性和加工成本的考虑；半精加工和精加工时，应在同时兼顾切削效率和加工成本的前提下，保证零件的加工质量。值得注意的是，切削用量（主轴转速、切削深度及进给量）是一个有机的整体，只有三者相互适应，达到最合理的匹配值，才能获得最佳的切削用量。
确定切削用量时应根据加工性质、加工要求、工件材料及刀具的尺寸和材料性能等方面的具体要求，通过查阅切削手册并结合经验加以确定。确定切削用量时除了遵循一般的原则和方法外，还应考虑以下因素的影响：
（1）刀具差异的影响——不同的刀具厂家生产的刀具质量差异很大，所以切削用量需根据实际应用刀具和现场经验加以修正。
（2）机床特性的影响——切削性能受数控机床的功率和机床的刚性限制，必须在机床说明书规定的范围内选择。避免因机床功率不够发生闷车现象，或刚性不足产生大的机床振动现象，影响零件的加工质量、精度和表面粗糙度。
（3）数控机床生产率的影响——数控机床的工时费用较高，相对而言，刀具的损耗成本所占的比重较低，应尽量采用高的切削用量，通过适当降低刀具寿命来提高数控机床的生产率。
2．切削用量的选择
（1）确定背吃刀量ap（mm）
背吃刀量的大小主要依据机床、夹具、刀具和工件组成的工艺系统的刚度来决定，在系统刚度允许的情况下，为保证以最少的进给次数去除毛坯的加工余量，根据被加工零件的余量确定分层切削深度，选择较大的背吃刀量，以提高生产效率。在数控加工中，为保证零件必要的加工精度和表面粗糙度，建议留少量的余量（0.2～0.5mm），在最后的精加工中沿轮廓走一刀。粗加工时，除了留有必要的半精加工和精加工余量外，在工艺系统刚性允许的条件下，应以最少的次数完成粗加工。留给精加工的余量应大于零件的变形量和确保零件表面完整性。
（2）确定主轴转速n（r/min）
主轴转速n主要根据刀具允许的切削速度VC（mm/min）确定：
其中：VC——切削速度；
d——零件或刀具的直径（mm）。
切削速度VC与刀具耐用度关系比较密切，随着VC的加大，刀具耐用度将急剧下降，故VC的选择主要取决于刀具耐用度。
主轴转速n确定后，必须按照数控机床控制系统所规定的格式写入数控程序中。在实际操作中，操作者可以根据实际加工情况，通过适当调整数控机床控制面板上的主轴转速倍率开关，来控制主轴转速的大小，以确定最佳的主轴转速。
（3）选择进给量或进给速度F（mm/r，mm/min）
进给速度F是切削时单位时间内零件与铣刀沿进给方向的相对位移量，单位为mm/r或mm/min。
进给量或进给速度在数控机床上是使用进给功能字母F表示的，F是数控机床切削用量中的一个重要参数，主要依据零件的加工精度和表面粗糙度要求，以及所使用的刀具和工件材料来确定。零件的加工精度要求越高，表面粗糙度要求越低时，选择的进给量数值就越小。实际操作中，应综合考虑机床、刀具、夹具和被加工零件精度、材料的机械性能、曲率变化、结构刚性、工艺系统的刚性及断屑情况，选择合适的进给速度。
进给率数FRN（Feed Rate Number的缩写）是一个特殊的进给量表示方法，即进给率的时间倒数，对于直线插补的进给率数为：
其中：F——进给量（m/min）；
L——程序段的加工长度，是刀具沿工件所走的有效距离（mm）。
程序段中编入了进给率数FRN，实际上就规定了执行该程序段的时间T，它们之间的关系是：
程序编制时选定进给量F后，刀具中心的运动速度就确定了。在直线切削时，切削点（刀具与加工表面的切点）的运动速度就是程序编制时给定的进给量。但是在做圆弧切削时，切削点实际进给量并不等于程序编制时选定的刀具中心的进给量。
采用FRN编程，在做直线切削时，由于刀具中心运动的距离与程序中直线加工的长度经常是不同的，故实际的进给量与程序编制预定的FRN所对应的值也不同。在做圆弧切削时，刀具的进给角速度是固定的，所以切削点的进给量与编程预定的FRN所对应的值是一致的。由此可知，当一种数控装置既可以用F编制程序，也可以用FRN编制程序时，做直线切削适宜采用进给量F编制程序，做圆弧切削时宜采用FRN编制程序。
在轮廓加工中选择进给量F时，应注意在轮廓拐角处的“超程”问题，特别是在拐角较大而且进给量也较大时，应用在接近拐角处适当降低速度，而在拐角过后再逐渐提速的方法来保证加工精度。
数控编程时，编程人员必须确定每道工序的切削用量，并以指令的形式写入程序中。切削用量包括主轴转速、背吃刀量及进给速度等。对于不同的加工方法，需要选用不同的切削用量。为了获得最高的生产率和单位时间的最高切除率，在保证零件加工质量和刀具耐用度的前提下，应合理地确定切削参数。
随着数控机床在生产实践中的广泛应用，数控编程已经成为数控加工中的关键问题之一。在数控程序的编制过程中，要在人机交互状态下即时选择刀具和确定切削用量。因此，编程人员必须熟悉刀具的选择方法和切削用量的确定原则，从而保证零件的加工质量和加工效率，充分发挥数控机床的优点，提高企业的经济效益和生产水平。
NX CAM初级编程实践教程
- 作者：
- 唐秀梅*李海泳*杨涧石*张军*杨楠
- 类别：
- 产品创新数字化
- 出版社：
- 清华大学出版社
- 出版时间：
- 2013.10
- 定价：
- ￥46.00
- 京东价：￥39.10
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