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1、2.2 数控加工中的工艺分析,2.2.1 数控加工工艺基本特点数控加工的程序是数控机床的指令性文件。数控机床受控于程序指令，加工的全过程都是按程序指令自动进行的。因此，数控加工程序与普通机床工艺规程有较大差别，涉及的内容也较广。,数控机床加工程序不仅要包括零件的工艺过程，而且还要包括切削用量，走刀路线，刀具尺寸以及机床的运动过程。因此，要求编程人员对数控机床的性能、特点、运动方式、刀具系统、切削规范以及工件的装夹方法都要非常熟悉。,2.2.2 数控加工工艺分析主要内容数控加工工艺概括起来主要包括如下内容。（1）选择适合在数控机床上加工的零件，确定工序内容。（2）分析被加工零件的图纸，明确加工内
2、容及技术要求。,（3）确定零件的加工方案，制定数控加工工艺路线。如划分工序、安排加工顺序以及处理与非数控加工工序的衔接等。（4）加工工序的设计。如选取零件的定位基准、夹具方案的确定、划分工步、选取刀辅具和确定切削用量等。,（5）数控加工程序的调整。选取对刀点和换刀点，确定刀具补偿，确定加工路线。（6）分配数控加工中的容差。（7）处理数控机床上的部分工艺指令。虽然数控加工工艺内容较多，但有些内容与普通机床加工工艺非常相似。,2.2.3 数控加工工艺分析的一般步骤与方法2.2.3.1 数控加工内容及加工方法的选择1选择数控加工内容选择数控加工内容时，应考虑以下问题,（1）优先选择普通机床上无法加工
3、的内容，作为数控加工的内容；（2）重点选择普通机床难加工、质量也难以保证的内容，作为数控加工的内容；（3）普通机床加工效率低、工人操作劳动强度大的内容，可考虑在数控机床上加工。,与上述内容比较，下列一些内容则不宜选择采用数控机床加工：（1）需要通过较长时间占机调整的内容，如以毛坯的粗基准定位来加工第一个精基准的工序等；,（2）必须按专用工装协调的孔及其他加工内容。主要原因是采集编程用的资料有困难，协调效果也不一定理想；（3）不能在一次装夹中加工完成的其他零星部位，采用数控加工很麻烦，效果不明显，可安排在普通机床进行补加工。,2选择数控加工方法（1）旋转体零件的加工这类零件一般在数控车床上加工。
4、（2）孔系零件的加工宜用点位元直线控制的数控钻镗床或数控加工中心加工。,（3）平面和曲面轮廓零件的加工加工曲面轮廓的零件，多采用三个或三个以上坐标联动的数控铣床或加工中心加工。（4）模具型腔的加工此时可考虑选用数控电火花机床成形加工。（5）平板形零件的加工该类零件可考虑选择数控线切割机床加工。,2.2.3.2 加工工序的划分工序划分的原则有两种：工序集中原则和工序分散原则。工序集中的特点是：（1）有利于采用高生产率的专用设备和数控机床，可大大提高劳动生产率；（2）设备数量少，减少了操作工人和操作面积：,（3）工序数目少，工艺路线短，简化了生产计划和生产组织工作；（4）工件安装次数少，缩短了辅助
5、时间，容易保证加工表面的相互位置精度；（5）数控机床、专用设备和工艺装备投资大，尤其是专用设备和工艺装备调整和维修比较麻烦，生产准备工作量大，新产品转换周期长。,工序分散的特点是：（1）设备与工艺装备比较简单，调整方便，工人容易掌握，生产准备工作量少，容易适应产品的更换；（2）便于采用最合理的切削用量，减少基本时间；（3）设备数量少，操作人员多，生产面积大。,加工工序划分时，除应考虑工序集中和工序分散外，还需考虑如下一些原则。（1）按粗、精加工划分工序（2）按先面后孔划分工序（3）按所用刀具划分工序,2.2.3.5 进给路线的选择1数控车床进给路线的选择（1）最短的切削进给路线（2）最短的空行
6、程路线（3）大余量毛坯的阶梯切削进给路线,2数控铣床进给路线的选择（1）铣削外轮廓表面的进给路线（2）铣削内轮廓表面的进给路线,3顺铣和逆铣的选择当工件表面无硬皮，机床进给机构无间隙时，应选用顺铣，按照顺铣安排进给路线。当工件表面有硬皮，机床的进给机构有间隙时，应选用逆铣，按照逆铣安排进给路线。因为逆铣时，刀齿是从已加工表面切入，不会崩刀；机床进给机构的间隙不会引起振动和爬行,2.2.3.6 数控加工余量的选择1查表法查表法是根据各工厂的生产实践和实验研究积累的资料，先制成各种表格，再汇集成手册。2经验估算法经验估算法是根据工艺编制人员的实际经验确定加工余量。,3分析计算法分析计算法是根据一定
7、的试验资料和上述的加工余量计算公式，分析影响加工余量的各项因素，并计算确定加工余量。,2.2.3.3 工件的装夹方式（1）尽可能选用标准夹具（组合夹具），在成批生产时才考虑专用夹具，并力求夹具结构简单。（2）装卸工件要方便可靠，以缩短辅助时间和保证安全。（3）工件定位夹紧的部位应不妨碍各部位的加工、刀具更换及重要部位的测量。尤其要避免刀具与工件、刀具与夹具产生碰撞的现象。,（4）夹具的安装要准确可靠，同时应具备足够的强度和刚度，以减小其变形对加工精度的影响。（5）应尽可能采用气、液压夹具。,2.2.3.7 数控加工刀具的选择1数控刀具的选择目前涂镀刀具，立方氮化硼等刀具已广泛用于加工中心，陶瓷
8、刀具与金刚石刀具也开始在加工中心上运用。,2数控刀具的使用特点数控刀具应具有较高的耐用度和刚度，刀头材料热脆性好，有良好断屑性能，和可调、易更换等特点。（1）铣削加工的刀具平面铣削应该用不重磨硬质合金端铣刀或立铣刀。,立铣刀和镶硬质合金刀片的立铣刀主要用于加工凸轮，凹槽和箱口面。为了提高槽宽的加工精度减少铣刀的种类，加工时可采用直径比槽宽小的铣刀，先铣槽的中间部分，然后用刀具半径补偿功能来铣槽的两边，以达到提高槽的加工精度的目的。,（2）钻孔刀具的使用特点在加工中心上钻孔都是无钻模直接钻孔，因此一般钻孔深度约为直径的5倍左右，细长孔子的加工易于折断，要注意冷却和倒屑。,（3）镗孔刀具的使用特点
9、在加工中心上进行镗削加工通常是采用悬臂式的加工，因此要求镗刀有足够的刚性和较好的精度。在镗孔过程中一般采用移动工作台或立柱完成Z向进给（卧式），保证悬伸不变，从而获得进给的刚性。,（4）螺孔攻丝刀具的使用特点（5）数控车刀特点及选用图2-20所示为一现代数控车刀，它主要由刀体、刀片和刀片紧固系统3部分组成。机夹式车刀按刀片紧固方法的差异可分为杠杆式、契块式、螺钉式、上压式。图2-21是上压式紧固系统结构图，它由楔块式夹具、销、刀垫和螺丝钉组成。,车刀刀片的材料主要有高速钢、硬质合金、涂层硬质合金、陶瓷和金刚石等，其中应用最多的是硬质合金和涂层硬质合金刀片。,2.2.3.8 切削用量的选择影响切
10、削条件的因素有：（1）机床、工具、刀具及工件的刚性；（2）切削速度、切削深度、切削进给率；（3）工件精度及表面粗糙度；（4）刀具预期寿命及最大生产率；,（5）切削液的种类、冷却方式；（6）工件材料的硬度及热处理状况；（7）工件数量；（8）机床的寿命。上述诸因素中以切削速度、切削深度、切削进给率为主要因素。,决定切削速度的因素很多，概括有如下几种（1）刀具材质。（2）工件材料。（3）刀具寿命。（4）切削深度与进刀量。（5）刀具的形状。（6）冷却液使用。（7）机床性能。,数控加工工艺分析,选择合适的对刀点 对刀点（起刀点）：确定刀具与工件相对位置的点。对刀点可以是工件或夹具上的点，或者与它们相关的
11、易于测量的点。如图所示的对刀点，当该工件安装到机床上以后，可通过该点采用“对刀”的办法来确定它和刀具的相对位置，或者说确定机床坐标系与工件坐标系的相对关系。,数控加工工艺分析,刀位点：用于确定刀具在机床坐标系中位置的刀具上的特定点。,数控加工工艺分析,对刀：就是使“对刀点”与“刀位点”重合的操作。该操作是工件加工前必需的步骤，即在加工前采用手动的办法，移动刀具或工件，使刀具的刀位点与共建的对刀点重合。选择对刀点的原则：选在零件的设计基准或工艺基准上，或与之相关的位置上，以保证工件的加工精度。选在对刀方便，便于测量的地方，以保证对刀的准确性。选在便于坐标计算的地方，以简化和方便加工程序的编制。,
12、2.2.3.4 对刀点和换刀点的确定“对刀点”是指数控加工时，刀具相对工件运动的起点，这个起点也是编程时程序的起点。因此，“对刀点”也称“程序起点”或“起刀点”。在编程时应正确选择对刀点的位置。选择的原则如下：,（1）选定的对刀点位置应便于数学处理和使程序编制简单；（2）在机床上容易找正；（3）加工过程中便于检查；（4）引起的加工误差小。,对刀时，应使刀位点与对刀点重合。“刀位点”一般是指车刀、镗刀的刀尖；钻头的钻尖；立铣刀、面铣刀刀头底面的中心；球头铣刀的球头中心。,2.2.4 数控加工工艺文件数控加工工艺文件是编程员编制的与程序单配套的有关技术文件，它是操作者必须遵守、执行的规程。,1工艺
13、规程卡数控加工工艺规程卡是数控加工工艺文件重要组成部分之一，它规定了工序内容、加工顺序、加工面回转中心的距离（立式加工中心无此项）、刀具编号（码）、刀具类型和规格、刀辅具（工具）型号和规格、主轴转速、进给量和切削深度等。,2刀具调整卡刀具调整卡是指导机外对刀、预置、调整或修改刀具尺寸的工艺性文件。3数控加工程序单数控加工程序单是数控机床运动的指令，也是技术准备和生产作业指令性文件。该文件记录了数控加工的工艺过程、切削用量、走刀路线、刀具尺寸以及机床运动的全过程。,数控加工的工艺特点,升降速曲线注意：在升降速的过渡过程，伺服系统的刚度较差，当对运动距离要求严格时，此时刀具就不能接触工件进行切削,
14、数控加工的工艺特点,工序、工步划分的原则 1。保证精度的原则 工序集中，粗精加工一次装夹下完成，先粗后精 对箱体零件，先面后孔 加工孔时，先定中心，再钻孔 冷却液喷淋，减少热变形 2。提高生产效率的原则 减少换刀次数 减少空行程数控机床对刀具的要求：强度、刚度好、耐用度高、尺寸稳定、排屑性能好、安装调整方便,数控加工方法,平面孔系零件的加工方法 这类零件的孔通常都有形状精度和位置精度（由数控机床保证）、尺寸精度（由刀具尺寸和数数控机床精度保证）的要求较高的零件，采用数控钻床或数控铣床、加工中心中的镗削功能加工。,旋转体类零件的加工方法 对旋转体类零件采用数控车床或数控磨床加工。在车削零件时，毛
15、坯多为棒料或锻坯，加工余量较大且不均匀，因此在规划其加工方案时，应重点考虑合理选择粗车的加工线路。,先用直线程序进行粗加工，再按零件轮廓进行精加工,可先按图中的方法进行14次粗加工，再精加工成形。,数控加工方法,对较难加工部位，要特别注意选择合理的加工方案，例如图(a)为陀螺转子示意图，其全部表面均采用数控车床加工，通常是先加工左边部分，再掉头加工右边部分，其中右边（图(a)中用红色圆圈框起来的部分）为较难加工部位，其局部放大图如图(b、c)所示，该部分为一喇叭口形，既深又窄，常用“小脚刀”加工，刀头半径一般在0.3mm左右，强度极差。若采用图(b)方法按矩形走刀线路加工，当处在轴向进刀时，成
16、为不自由切削，切削力会陡增而且排屑不畅，极易引起崩刃。此时可采用图(c)方法按斜线走刀线路加工，由于没有单独的轴向进刀，切削条件大为改善，而且程序段数还可减少一半。实践证明，这种方案是行之有效的加工方法。,数控加工方法,平面轮廓零件的加工方法：这类零件常用NC铣床加工。在编程时则应注意，为保证加工平滑，在加工线路中应增加切入和切出程序段，若加工的轮廓曲线是数控机床所不具备插补功能的曲线时，则应先采用数控机床所具备的插补线型（直线、圆弧）去逼近该零件的轮廓。,数控加工方法,空间轮廓表面的加工方法 空间轮廓表面的加工可根据曲面形状、机床功能、刀具形状以及零件的精度要求，有不同加工方法：三轴两联动加
17、工“行切法”。以X、Y、Z轴中任意两轴作插补运动，另一轴（轴）作周期性进给。这时一般采用球头或指状铣刀，在可能的条件下，球半径应尽可能选择大一 些，以提高零件表面光洁度。该方法加工的表面光洁度较差。,数控加工方法,三轴联动加工图为内循环滚珠螺母的回珠器示意图。其滚道母线SS为空间曲线，可用空间直线去逼近，因此，可在具有空间直线插补功能的三轴联动的数控机床上进行加工，但由于编程计算复杂，宜采用自动编程。,数控加工方法,四轴联动加工方法如右图所示的飞机大梁，其加工面为直纹扭曲面，若采用三坐标联动加工，则只能用球头刀，不仅效率低，而且加工表面粗糙，为此可采用如图所示的圆柱铣刀周边切削方式在四轴联动机
18、床上进行加工，再加工过程中，除了X、Y 轴联动形成大梁的基线，为了保证刀具与工件型面在全长上始终贴合，同时刀具还应作B 轴摆动（绕Y 轴旋转的运动），由于摆动运动，则需直线移动座标进行补偿，即可能进行X、Y、Z 三个方向的补偿，所以需四轴联动。由于计算较复杂，故一般采用自动编程。,数控加工方法,五轴联动加工：螺旋桨是典型零件，一般采用端铣刀加工，为了保证端铣刀的端面加工处的曲面的切平面重合，铣刀除了需要三个移动轴（X、Y、Z）外，还应作与螺旋角、后倾角相对应的摆动运动。并且还要作相应的附加补偿运动（摆动中与铣刀的刀位点不重合）。综上所述，叶面的加工需要五轴（X、Y、Z、A、B）联动，这种编程只
19、能采用自动编程系统。,加工线路的确定 加工线路加工过程中刀具相对于工件的运动轨迹次序。对于不同的加工方法，有不同的考虑原则，简述如下：,孔类加工（钻孔、镗孔）：原则：由于孔的加工属于点位控制，在设计加工线路时，要考虑孔的位置精度，即对位精度要求较高的孔，应该考虑采用单边定位的方法；另外，在满足精度要求的前提下，尽可能减少空行程，即要尽量使运动路线总和为最短。,n 个,),)(,1,),1,(,2,b,a,n,a,n,b,+,-,=,-,+,=,（,黄线长,红线长,b,a,+切入/出段,+切入/出段,数控加工工艺分析,车削或铣削：在采用这类加工工艺时，首先其加工线路的切入（出）段，应尽量从切向切
20、入（出），以避免由于径向切入（出）时，刀具改变方向时速度的减慢，造成该处零件表面加工质量的降低。另外，设计的加工线路应考虑尽量减少程序段，应有利于工艺处理。,车削或铣削：原则：尽量采用切向切入/出，不用径向切入/出，以避免由于 切入/出路线的不当降低零件的表面加工质量。,切向切入,径向切入,数控加工工艺分析,在铣削带岛槽型零件时，为了避免刀具多次嵌入式切入，应正确选择加工路线。下图为加工槽型零件，内部有两个岛不加工，图中列出了两种不同的加工路线：图中（a）为行切法，刀具沿着与坐标轴线平行（或成一定角度）的方向作往复运动，除在开始下刀点有嵌入式切入以外，在两个岛周围有多处嵌入式切入，虚线两端表示
21、刀具抬刀和下刀。图中（b）为环切加工法，采用这种方式加工可以减少嵌入式切入点，可以避免图a的现象，因此选用图（b）的加工路线为佳。,数控加工工艺分析,空间曲面的加工对空间曲面的加工除考虑尽量减少加工线路外，还应考虑加工方法对零件表面粗糙度的影响以及加工过程中零件的受力变形对加工精度的影响。例如下面的曲面有三种加工方法：,空间曲面的加工从减少加工线路和提高零件表面粗糙度考虑，方法C最好，但受到零件长度的限制；对于方法A和B，从加工线路的长度来看，两种方法差不多，但从加工过程中零件的受力情况来看，方法A要优于方法B，因为对于方法B当刀具到零件中间进行纵向加工时，零件可能会由于受力让刀而影响加工精度
22、。,加工线路的选择应遵从的原则：尽量缩短走刀路线，减少空走刀行程以提高生产率。保证零件的加工精度和表面粗糙度要求。保证零件的工艺要求。利于简化数值计算，减少程序段的数目和程序编制的工作量。,数控加工工艺分析,程序编制中的误差 数控加工误差是由多种因素造成的，包括控制系统误差、机床进给系统误差、零件定位误差、对刀误差以及编程误差，其中影响较大的是进给误差和定位误差，因此允许的编程误差较小。通常为零件公差的10%20%。一般数控机床，只具有直线插补和圆弧插补的功能。对于非圆曲线，只能用直线段或圆弧段来逼近零件轮廓，造成编程误差。如图所示。如果已知允许的编程逼近误差，则可以用弦高差法求出各点弦长L1
23、，L2，L3等。允许弦长l 可由下式求出，式中：l=AB 弦长，mn 允许逼近误差，曲线A点处的曲率半径。,数控加工工艺分析,对于曲面加工，当用行切法加工时，还应正确选取行距，以保证加工表面的粗糙度要求。如图采用球头刀加工曲面F，刀具01从点A 移动行距AB到02的点B 时，称为行距 S，产生残留区域，其高度为H。假定曲面在A点处的曲率半径(OA)，球头刀的半径为r,则可根据允许的残留高度H，求出编程中的加工行距的允许值S，计算公式如下：,工艺上应注意的几个问题,刀具引入、退出距离：210mm加工螺纹时引入距离：3P（P-螺距）退出距离：2P铣削轮廓时应切向切入，切向切出，避免法向切入法向切出 设计合理的切入、切出辅助轮廓 选择合理的加工路径以减少空行程，如：行切、环切、先行切再环切等,
