数控加工工艺的设计过程

制订数控加工工艺过程，首先，要确定工件数控加工的内容、要求；然后，设计加工过程，选择机床和刀具，确定工件定位装夹，确定数控工序中工步和次序，确定每个工步的刀具路线、切削参数；最后，填写工艺文件和加工程序及程序校验等。数控加工工艺过程如图2-2-1所示。

当选择并决定对某个零件进行数控加工后，并非其全部加工内容都采用数控加工，宜选择那些适合、需要的内容和工序进行数控加工，注意充分发挥数控的优势。

(1)选择普通机床无法加工的复杂异形零件结构作为数控加工内容。如，数控机床依靠数控系统实现多坐标控制和多坐标联动，形成复合运动，可以进行复杂型面的加工.。

(2) 选择普通机床加工质量难以保证的内容作为数控加工内容。如，尺寸精度、形位精度和表面粗糙度等要求高的零件

(3) 选择普通机床加工效率低、工人手工操作劳动强度大的内容作为数控加工内容。如，形状复杂，尺寸繁多，划线与检测困难，普通机床上加工难以观察和控制的零件。

(4) 选择一致性要求好的零件作为数控加工内容。在批量生产中，由于数控机床本身的定位精度和重复定位精度都较高，能够避免在普通机床加工时人为因素造成的多种误差，数控机床容易保证成批零件的一致性，使其加工精度得到提高，质量更加稳定。

(1) 需要用较长时间占机调整的加工内容。

(2) 加工余量极不稳定，且数控机床上又无法自动调整零件坐标位置的加工内容。

(3) 不能在一次安装中加工完成的零星分散部位，采用数控加工很不方便，效果不明显，可以安排普通机床补充加工。

此外，在选择数控加工内容时，还要考虑生产批量、生产周期、工序间周转情况等因素，合理使用数控机床.

对适合数控加工的工件图样进行分析，以明确数控机床加工内容的加工要求。分析工件图是其加工工艺的开始，工件图提出的要求又是加工工艺的结果和目标。

工件图样用尺寸标注确定零件形状、结构大小和位置要求，是正确理解零件加工要求的主要的依据。数控加工工艺人员对零件尺寸标注的分析应注意以下几点：

①分析图样尺寸标注方法是否适应数控加工的特点。对数控加工来说，尺寸从同一基准标注，便于工艺编程时保持设计、工艺、检测基准与编程原点设置的一致。而采取不同基准的局部分散尺寸标注，常常给加工工艺设计带来诸多不便。

②分析图样中加工轮廓的几何元素是否充分。由于零件设计人员在设计过程中考虑不周或被疏忽，常常出现构成零件轮廓的几何元素条件不充分，有错、漏、矛盾、模糊不清的情况。当发生以上各项缺陷时，应向图样的设计人员或技术管理人员及时反映，解决后方可进行程序编制工作。

③分析设计基准与工艺定位基准的统一问题，分析定位基准面的可靠性，以便设计装夹方案时，采取措施减少定位误差。

分析零件图样上的公差要求，以确定控制其尺寸精度的加工工艺。影响到尺寸加工精度的工艺因素有机床的选择、刀具对刀方案、工件装夹定位选择及确定切削用量等因素。

尺寸公差，从零件的设计角度看，是表示工件尺寸所允许的误差的范围，它的大小影响零件的使用性能；从工件加工工艺的角度来解读公差，它首先是生产的命令之一，它规定加工中所有加工因素引起加工因素误差大小的总和必须在该公差范围内，或者说所有的加工因素‘分享’了这个公差，公差是所有加工因素公共的允许误差。

对数控加工而言，由机床、夹具、刀具和工件所组成的统一体称为“工艺系统”。工艺系统的种种误差，是零件产生加工尺寸误差的根源。工艺系统误差有控制系统的误差，机床伺服系统的误差，零件定位误差，对刀误差以及机床、工件、刀具的刚性等引起的其他误差等。除工艺系统误差外，还包括程序编制的坐标数据值、刀具补偿值、刀具磨损补偿值的误差等。

对于数控切削加工，零件的形状和位置误差主要受机床主运动和进给运动机械运动副几何精度的影响。如沿X坐标轴运动的方向线与其主轴轴线不垂直时，则无法保证垂直度这一位置公差要求。

表面粗糙度是保证零件表面微观精度的重要要求，也是合理选择机床、刀具及确定切削用量的重要依据。机械加工时，表面粗糙度形成的原因，主要有两方面，一是几何因素，二是物理因素。

影响表面粗糙度的几何因素，主要是刀具相对工件作进给运动时，在加工表面留下的切削层残留面积。残留面积越大，表面越粗糙。残留面积的大小与进给量、刀尖圆弧半径及刀具的主副偏角有关。

物理因素是与被加工材料性质和与切削机理相关的因素。如：当刀具中速切削塑性材料时产生积屑瘤与鳞刺，使加工表面的粗糙程度高；工艺系统中的高频振动，使刀刃在加工表面留下振纹，增大了表面粗糙度值

图样上给出的零件材料要求，是选择刀具(材料、几何参数及使用寿命)和选择机床型号及确定有关切削用量等的重要依据。

零件的加工件数，对装夹与定位、刀具选择、工序安排及走刀路线的确定等都是不可忽视的因素。

合理选用机床，才能以合理的投入，获得最佳生产效果。考虑零件特点和加工要求，全面衡量数控机床特征，是选用合适的数控机床的关键。数控设备的选用应从以下几个方面考虑。

选用数控机床时总是有一定的出发点，目的是解决生产中的某一个或几个问题，选是为了用，选中的数控机床应能较好地实现预定的目标。例如考虑数控机床的加工目标是为了加工复杂的零件？还是为了提高加工效率？是为了提高精度？还是为了集中工序，缩短周期？或是实现柔性加工要求？有了明确的目标，有针对性地选用机床，才能以合理的投入，获得最佳效果。

不同工艺类型的数控机床或加工中心，其使用范围也有一定的局限性，只有加工在其工艺范围内的工件，才能达到良好的效果。

各种加工机床都有其最佳加工的典型零件。如，立式数控铣床及镗铣加工中心适用于加工平面凸轮、样板、箱盖、壳体等形状复杂单面加工零件，以及模具的内、外型腔等；卧式铣床和加工中心配合回转工作台适用于加工箱体、泵体、壳体有多面加工任务的零件，如果对箱体的侧面与顶面要求在一次装夹中加工，可选用五面体加工中心。

大多数工件可以用二轴半联动的机床来加工，有些工件需要用三轴、四轴甚至五轴联动加工。机床联动功能的冗余是也是一种浪费，而且给使用、维护、修理带来不必要的麻烦。例如：当工件只要钻削或铣削加工时，就不要选用加工中心；能用数控车床完成的工件，就不必选用数控车削中心。对机床工艺范围和类型的选择，应以够用为度，不宜盲目地追求“先进性”。

主要是指机床的工作台尺寸以及运动范围等。工件在工作台上安装时要留有适当的校正、夹紧的位置；各坐标的行程要满足加工时刀具的进、退刀要求；工件较重时，要考虑工作台的额定荷重；尺寸较大的工件，要考虑加工中不要碰到防护罩，也不能妨碍换刀动作；对数控车床主要考虑卡盘直径、顶尖间距、主轴孔尺寸、最大车削直径及加工长度等。

使用数控机床加工时，常常是粗、精加工在一次装夹下完成。因此，选用时要考虑主电动机功率是否能满足粗加工要求，转速范围是否合适；铰孔和攻螺纹时要求低速大扭矩；钻孔时，尤其钻直径较大的孔，要验算进刀力是否足够。对有恒切削速度控制的机床，其主电机功率要相当大，才能实现实时速度跟随，例如f360mm的数控机床，主电动机功率达27kW。

影响数控机床加工精度的因素很多，如编程精度、插补精度、伺服系统跟随精度、机械精度等，在机床使用过程中还会有很多影响加工精度的因素发生，如温度的影响、力、振动、磨损的影响等等。对用户选用机床而言，主要考虑的是综合加工精度，即加工一批零件，然后进行测量，统计、分析误差分布情况。

选择机床的精度等级应根据被加工工件关键部位的加工精度要求来确定，一般来说，批量生产零件时，实际加工出的精度公差数值为机床定位精度公差数值的1.5～2倍。

设备故障是最令人头痛的问题，特别是同类设备台数少时，设备故障将直接影响生产。机床稳定可靠性高，既有数控系统的问题，也有机械部分的问题，尤其是数控系统部分。选择的设备一个是要少出故障，同时还要考虑排除故障要及时。

衡量设备可靠性的两个指标。

①平均无故障时间（MTBF），其值可表示成：MTBF=总工作时间/总故障次数（小时）。

②平均排除故障时间（MTTR），即从出现故障直到故障排除恢复正常为止的平均时间。

机床配置主要包括换刀装置、冷却装置、排屑装置等。

数控机床的转塔刀架有4~12把刀，大型机床还多些，有的机床具有双刀架或三刀架。按加工零件的复杂程度，一般选取8~12把刀已足够（其中包括备用刀）。加工中心的刀库容量有10~40把、60把、80把、120把等配置。选用时以够用为原则，同时考虑换刀时间、相配的刀具系统。

现代数控机床都使用大流量的冷却液，不仅可以降低切削区的温度，保证高效率地切削，而且可以起着冲屑的作用。

配有排屑装置时，可以保证加工自动连续地进行。

数控机床的加工方案的内容包括：

对选用的数控机床进行调整，以满足加工的精度要求；对数控加工工序内容进行合理划分，确定安装次数和工步数目，确定加工的先后顺序；确定装夹方案、定位基准、工件坐标系；确定工步，包括工步的刀具的选用、刀具的路线、刀具的切削用量等内容；确定对刀方案和刀具的补偿方案并对刀具预调。

(1)装夹方案：

选用合适夹具，保证定位和夹紧要求，做到工件装夹快速有效。

(2)选择合适的刀具

根据工件加工要求、材料性能、切削用量、机床特性等因素，正确选择刀具的刀具类型、刀具材料、刀具几何参数，并使刀具安装调整方便等。

(3)工步划分和加工余量的选择

数控机床加工面余量的大小等于加工同一表面的各工步或工序加工余量的总和，加工同一表面的各工步或工序间的加工余量的选择可根据下列方法进行：

①尽量采用最小的加工余量总和，以便缩短加工时间，降低零件加工费用。

②加工余量又要足够，保证加工同一表面的各工步或工序的最终的加工能得到图纸上所规定的精度和表面粗糙度要求；

③加工余量要与加工零件的尺寸大小相适应，一般来说零件越大，由于切削力、内应力所引起的变形也越大，故加工余量也相应大些；

④决定加工余量时应考虑到零件热处理引起的变化，以免产生废品；

⑤决定加工余量时应考虑加工方法和加工设备的刚性，以免零件发生变形。

(4)选择合理的刀具路线

刀具路线是加工过程中，刀具点相对工件进给运动轨迹和方向。合理地选择刀具路线要兼顾到刀具进给运动的安全性、加工质量、加工效益。

(5)确定合理的切削用量

合理确定刀具切削运动过程中主运动、进给运动的大小，即合理选用切削速度、背吃刀量及进给量，以满足加工质量要求，充分发挥加工潜能，力求降低加工成本。

(6)数控机床加工方案合理制定和方案优化：

在数控机床加工过程中，加工对象复杂多样，由于工件结构形状大小、技术要求的不同、毛坯的不同、材料不同、批量不同等因素的变化，具体零件在制定加工方案时，除参考典型工件的数控加工方案，还应针对具体加工内容、要求具体分析，灵活处理或特别对待，只使所制定的加工方案更为合理。

确定加工方案时，对于同一工件的加工方案可以有很多个，应选择最经济、最合理、最完善的加工工艺方案，从而达到质量优、效率高和成本低的目的，即对加工方案存在优化的要求。

为了向机床计算机描述刀具路线（刀具路线数据化），有必要设定适当的工件坐标系，计算组成刀具运动轨迹各个线段的起点和终点坐标数据。

对于由直线和圆弧组成的比较简单的零件加工，要计算出零件轮廓相邻几何元素的切点或交点(统称为基点)的坐标值，获得各几何元素的起点、终点、圆弧的圆心坐标，作为进给运动轨迹描述的依据。

对于形状复杂的零件(如特殊曲线、曲面组成的零件)的加工，如果数控系统本身没有此类曲线的插补功能时，需采用小直线段或圆弧段拟合逼近法，根据加工精度的要求计算出各节点(逼近线段的交点或切点称为节点)坐标值，这往往需要借助于计算机辅助完成。

刀具路线、工艺参数(如切削用量等)以及刀位数据确定后，按数控系统规定的功能指令代码和程序段格式，编写零件加工程序单，并把加工程序输入到CNC。

编制好的程序必须经过校验和试切才能用于正式加工。可在带有刀具轨迹动态模拟显示功能的数控系统上，切换到CRT图形显示状态下模拟运行所编程序，据自动报警内容及所显示的刀具轨迹或零件图形是否正确来调试、修改。还可采用不装刀具、工件，开车空运行来检查、判断程序执行中机床运动是否符合要求。

以上方法只能检验机床运动是否正确，而不能检验被加工零件的实际加工质量，因此需要进行零件的首件试切。对于较复杂的零件，可先采用塑料或铝等易切削材料进行首件试切。当首件试切有误差时，应分析产生原因并加以修改。

零件程序通过校验和首件试切合格后，可进行正式批量加工生产。生产过程中，由于刀具磨损等原因，要适时检测所加工零件尺寸，进行刀具补偿。操作者还要注意观察运行情况，以免发生意外。对经过实践检验的加工工艺进行整理修改并定稿存档。

编写数控加工专用技术文件是数控加工工艺设计的内容之一。这些专用技术文件既是数控加工及产品验收的依据，也是需要操作者遵守、执行的规程，有的则是加工程序的具体说明或附加说明，目的是让操作者更加明确程序的内容、装夹方式、各个加工部位所选用的刀具及其他问题。下面介绍几种数控加工专用技术文件，供参考使用。

1、数控加工工序卡

数控加工工序卡简明扼要地说明数控工序的加工工艺。包括：安装次数、工步数目、加工顺序；各工步的主要加工内容、要求；各工步所用刀具及刀号、切削参数。其它工艺信息如：所用机床型号、刀具补偿、程序编号等信息。参见第八章表8-10-2的数控加工工序卡片。

2、数控刀具调整单

数控加工时，对刀具管理十分严格，一般要对刀具组装、编号，并在机外对刀仪或机内，事先调整好刀具直径和长度。数控刀具调整单主要包括数控刀具明细表(简称刀具表)和数控刀具卡片(简称刀具卡)两部分。

数控刀具明细表，表明数控加工工序所用刀具的刀号、规格、用途，是操作人员调整刀具的主要依据。参见第八章表8-10-1的刀具明细表。

刀具卡主要反映刀具编号、刀具结构、尾柄规格、组合件名称代号、刀片型号和材料等，它是组装刀具的依据。数控刀具卡片的格式见表2-2-1。

表2-2-1数控刀具卡片例

3、数控加工程序及说明

实践证明，仅依据加工程序单和数控加工工序卡来进行实际加工还有许多不足之处。由于操作者对程序的内容不够清楚，对编程人员的意图不够理解，经常需要编程人员在现场进行口头解释、说明与指导，这种做法对单件加工情况还能应付，而对于长期批量的生产，会遇到许多麻烦。因此，对加工程序进行必要的详细说明是很有用的，特别是对于那些需要长时间保留和使用的程序尤其重要。

在数控加工中，常常要注意并防止刀具在运动中与夹具、工件等发生意外的碰撞，为此必须设法告诉操作者关于编程中的刀具运动路线，使操作者在加工前就有所了解，同时应计划好夹紧位置并控制夹紧元件的高度，这样可以减少事故的发生。此外，对有些被加工零件由于工艺性问题必须在加工中挪动夹紧位置的，也需要事先告诉操作者，以防出现安全问题。