第三章数控加工工艺设计

1、第三章数控加工工艺设计第三章数控加工工艺设计n教学要求教学要求：n全面掌握数控编程工艺基础，掌握工序划分、加工顺序安排、与普通加工的衔接、加工路线的确定、刀具与工件相对位置确定。工件定位、装夹方式与夹具的选择、刀具的选择、加工余量的确定等3.1.13.1.1数控加工工艺的概念数控加工工艺的概念 数控加工工艺：数控加工工艺：是采用数控机床加工零件时所运用各种方法和技术手段的总和，应用于整个数控加工工艺过程。 数控加工工艺过程数控加工工艺过程 ：数控加工工艺过程是利用切削刀具在数控机床上直接改变加工对象的形状、尺寸、表面位置、表面状态等，使其成为成品或半成品的过程。 3.1.2 数控加工工艺的特点

2、数控加工工艺的特点 由于数控加工采用了计算机控制系统和数控机由于数控加工采用了计算机控制系统和数控机床，使得数控加工具有加工自动化程度高、精度高、质床，使得数控加工具有加工自动化程度高、精度高、质量稳定、生成效率高、周期短、设备使用费用高等特点。量稳定、生成效率高、周期短、设备使用费用高等特点。在数控加工工艺上也与普通加工工艺具有一定的差异。在数控加工工艺上也与普通加工工艺具有一定的差异。 编程尺寸并不是零件图上设计的尺寸的简单再编程尺寸并不是零件图上设计的尺寸的简单再现，在对零件图进行数学处理和计算时，编程尺寸现，在对零件图进行数学处理和计算时，编程尺寸设定值要根据零件尺寸公差要求和零件的形

3、状几何设定值要根据零件尺寸公差要求和零件的形状几何关系重新调整计算，才能确定合理的编程尺寸。关系重新调整计算，才能确定合理的编程尺寸。 在数控加工中，刀具的移动轨迹是由插补运算完成的。根据差补原理分析，在数控系统已定的条件下，进给速度越快，则插补精度越低，导致工件的轮廓形状精度越差。尤其在高精度加工时这种影响非常明显。 5.5.要注重加工的适应性要注重加工的适应性 加工方法及加工对象要能发挥数控加工的特点，通常情况下，数控加工所承担的工作量最好占被加工零件总工作量80%以上，加工中心上加工的产品应占90%以上制定数控加工工艺时，选择切削用量要考虑进给速度对加工零件形状精度的影响。n1 1数控加

4、工的对象选择数控加工的对象选择n 、选择原则及内容选择原则及内容：n(1) (1) 普通机床无法加工的内容应作为优先选择内容。普通机床无法加工的内容应作为优先选择内容。n(2) (2) 普通机床难加工，质量也难以保证的内容应作为重点普通机床难加工，质量也难以保证的内容应作为重点选择内容。选择内容。n(3) (3) 普通机床加工效率低，工人手工操作劳动强度大的内普通机床加工效率低，工人手工操作劳动强度大的内容，可在数控机床尚有加工能力的基础上进行选择。容，可在数控机床尚有加工能力的基础上进行选择。3.1.3数控加工工艺方案设计的主要内容数控加工工艺方案设计的主要内容n、不宜选择数控加工的内容不宜

5、选择数控加工的内容： n(1) 需要用较长时间占机调整的加工内容。n(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。n(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。n此外：要考虑生产批量、生产周期、工序间周转情况等因素，要尽量合理使用数控机床，达到产品质量、生产率及综合经济效益等指标都明显提高的目的，要防止将数控机床降格为普通机床使用。 2.数控加工工艺方案设计的主要内容数控加工工艺方案设计的主要内容 (1) (1) 选择并确定进行数控加工的零件及内容；选择并确定进行数控加工的零件及内容；n(2) (2)

6、 对零件图纸进行数控加工的工艺分析；对零件图纸进行数控加工的工艺分析；n(3) (3) 数控加工的工艺设计；数控加工的工艺设计；n(4) (4) 对零件图纸的数学处理；对零件图纸的数学处理；n(5) (5) 编写加工程序单；编写加工程序单；n(6) (6) 按程序单制作控制介质；按程序单制作控制介质；n(7) (7) 程序的校验与修改；程序的校验与修改；n(8) (8) 首件试加工与现场问题处理；首件试加工与现场问题处理；n(9) (9) 数控加工工艺文件的定型与归档。数控加工工艺文件的定型与归档。n3.2.1数控加工零件的工艺性分析数控加工零件的工艺性分析 n包括内容包括内容：产品的零件图样

7、分析和结构工艺性分析两部分。：产品的零件图样分析和结构工艺性分析两部分。n(1) (1) 零件图样分析零件图样分析 n 1.尺寸标注方法分析尺寸标注方法分析 ：尺寸标注方法应适应数控加工特点。图2.5n 2.零件图样的完整性与正确性分析：零件图样的完整性与正确性分析：构成零件轮廓的几何元素是数控编程的重要依据，编程者务必分析几何元素的给定条件是否充分。n3.零件技术要求分析：零件技术要求分析：主要指尺寸精度、形状精度、位置精度、表面粗糙度及热处理等。在保证零件使用前提下，应经济合理，过高提高精度，会使工艺过程复杂、加工困难、成本高。n4.零件材料分析：零件材料分析：在满足零件功能的前提下，应选

8、用廉价、切削性能好的材料。3.2数控加工工艺设计数控加工工艺设计n(2) (2) 零件的结构工艺性分析零件的结构工艺性分析n零件的内腔与外形应尽量采用统一的几何类型和尺寸 n内槽圆角的大小决定着刀具直径的大小，所以内槽圆角半径不应太小 n零件铣槽底平面时，槽底圆角半径r不要过大。 n 应尽可能在一次装夹中完成所有能加工表面的加工，为此要选择便于各个表面都能加工的定位方式；若需要二次装夹，应采用统一的基准定位。 n(2) (2) 零件的结构工艺性分析零件的结构工艺性分析： 1）零件的内腔和外形最好采用统一的几何类型和尺寸 2）内槽圆角半径不应过小 3）零件铣槽底平面时，槽底圆角半径r不要过大；4

9、）零件的可装夹性 零件的结构应便于定位和夹紧，且装夹次数要少。 例如，有些零件需要在加工完一面后再重新安装加工另一面。这时，最好采用统一基准定位，因此零件上应有合适的孔作为定位基准孔定位基准孔。如果零件上没有基准孔，则可以专门设置工艺孔工艺孔作为定位基准，如可在毛坯上增加工艺凸台工艺凸台或在后继工序要铣去的余量上设基准孔。 工艺孔和工艺凸台在完成工件定位和零件加工后再加去除。如下图：n3.2.2数控加工的工艺路线设计数控加工的工艺路线设计n数控加工的工艺路线设计与普通机床加工的常规工艺路线拟定的区别主要在于它仅是几道数控加工工艺过程的概括，而不是指从毛坯到成品的整个工艺过程，而且要兼顾常规工序

10、的安排，使之与整个工艺过程协调吻合。 n(1) 工序的划分 n划分方法 ：n按安装次数划分工序 n按所用刀具划分工序 n按粗、精加工划分工序 n按加工部位划分工序 (2) 加工顺序的安排加工顺序的安排基面先行原则基面先行原则 加工一开始，总是先把精基面加工出来，因为定位基准的表面越精确，装夹误差就越小，所以任何零件的加工过程，总是首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。如果精基面不止一个，按照基面转换的顺序和逐步提高加工精度的原则来安排基面和主要表面的加工。先粗后精原则先粗后精原则 各个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依次进行，这样才能逐步提高加工表面的

11、精度和减小表面粗糙度。先主后次原则先主后次原则 零件上的工作表面及装配面属于主要表面，应先加工，从而能及早发现毛坯中主要表面可能出现的缺陷。自由表面、键槽、紧固用的螺孔和光孔等表面，属于次要表面，可穿插进行，一般安排在主要表面加工达到一定精度后、最终精加工之前进行。先面后孔原则先面后孔原则 对于箱体、支架和机体类零件，平面轮廓尺寸较大，一般先加工平面，后加工孔和其他尺寸。先内后外原则先内后外原则 即先进行内型内腔加工工序，后进行外形加工工序 此外：此外：上道工序的加工不能影响下道工序的定位与夹紧。上道工序的加工不能影响下道工序的定位与夹紧。以相同安装方式或用同一刀具加工的工序，最好以相同安装方

12、式或用同一刀具加工的工序，最好连续连续进行，进行，以减少重复定位次数。以减少重复定位次数。在同一次安装中进行的多道工序，应先安排对工件刚性破坏，应先安排对工件刚性破坏较小的工序。较小的工序。（3）热处理工序的安排）热处理工序的安排预备热处理预备热处理 安排在机械加工之前，以改善材料的切削性能及消除内应力为主要目的。常用的方法有退火、正火和调质。 去除内应力热处理去除内应力热处理 主要是消除毛坯制造或工件加工过程中产生的残余应力。一般安排在粗加工之后，精加工之前，常用的方法有人工时效、退火等。 最终热处理最终热处理 以达到图样规定的零件的强度、硬度和耐磨性为主要目的，常用的方法有表面淬火、渗碳、

13、渗氮和调质、淬火等应安排在半精加工之后，磨削加工之前。渗氮处理可以放在半精磨之后，精磨之前。 另外，对于床身、立柱等铸件，常在粗加工前及粗加工后进行自然时效，以消除内应力。热处理工序的安排热处理工序的安排（4）.加工路线确定加工路线确定n加工路线（走刀路线）加工路线（走刀路线） 指刀具在整个加工工序中相对于零件的运动轨迹。指刀具在整个加工工序中相对于零件的运动轨迹。 走刀路线不但包含了工步内容，而且也反映了工作的顺序。一经走刀路线不但包含了工步内容，而且也反映了工作的顺序。一经确定，编程中各程序段的先后次序也基本确定。所以，走刀路线是编确定，编程中各程序段的先后次序也基本确定。所以，走刀路线是

14、编写程序的依据。写程序的依据。R走刀路线确定的原则：走刀路线确定的原则：u保证零件的加工精度和表面粗糙度要求；保证零件的加工精度和表面粗糙度要求； 1)1)合理地安排内外轮廓刀具的切入和切出路线；合理地安排内外轮廓刀具的切入和切出路线；n 铣削外轮廓时，刀具的切入和切出，应避免沿零件轮廓的法向，铣削外轮廓时，刀具的切入和切出，应避免沿零件轮廓的法向，而应沿外廓曲线延长线的切向，保证轮廓曲线平滑过渡。而应沿外廓曲线延长线的切向，保证轮廓曲线平滑过渡。n铣削封闭的内轮廓时，若内轮廓曲线允许外延，则应沿切线方向切入、铣削封闭的内轮廓时，若内轮廓曲线允许外延，则应沿切线方向切入、切出。若不允许外延，刀

15、具只能沿内轮廓曲线的法向切入切出，此时切出。若不允许外延，刀具只能沿内轮廓曲线的法向切入切出，此时刀具的切入切出点应尽量选在内轮廓曲线两几何元素的交点处。刀具的切入切出点应尽量选在内轮廓曲线两几何元素的交点处。a.切入和切出路线的安排2)2)避免引入反向误差避免引入反向误差 合理安排走刀路线，保证相互位置精度要求； 数控机床在反向运动时会出现反向间隙，如果在走刀路线中将反向间隙带入，就会影响刀具的定位精度，增加工件的定位误差。 避免反向误差的加工路线存在反向误差的加工路线XOY对刀点(b)(a)对刀点YOX3) 车削螺纹时，避免在进给机构加速或减速过程中切削；4)铣削曲面时，常用球头刀采用“行

16、切法”进行加工。5 )采用“行切法”和“环切法”相结合的方法加工凹槽。a)路线路线1b)路线路线2c)路线路线3 图图3-16 铣削内腔的三种走刀路线铣削内腔的三种走刀路线v应使走刀路线最短，减少刀具空行程时间（进退刀和其他辅助时间）,提高加工效率。a)零件图样b)路线1c)路线2图 3-17 最短走刀路线的设计减少空刀时间，省定位时间减少空刀时间，省定位时间3.3 数控加工工艺文件的编制数控加工工艺文件的编制 数控加工技术文件简介数控加工技术文件简介n 一、数控编程任务书一、数控编程任务书n 二、数控加工工件安装和原点设定卡片二、数控加工工件安装和原点设定卡片n 三、数控加工工序卡片三、数控

17、加工工序卡片n 四、数控加工走刀路线图四、数控加工走刀路线图n 五、数控刀具卡片五、数控刀具卡片一、数控编程任务书一、数控编程任务书 二、工件安装和原点设定卡片（简称装夹图和零件设定卡）二、工件安装和原点设定卡片（简称装夹图和零件设定卡）原点原点三、工序卡片三、工序卡片 工序简图工序简图: 注明编程原点与对刀点，注明编程原点与对刀点， 简要编程说明简要编程说明:如机床型号如机床型号、程序编号程序编号、 刀具半径补偿刀具半径补偿、 镜向对称加工方式等镜向对称加工方式等. 切削参数切削参数:主轴转速、进给速度等主轴转速、进给速度等四、数控加工走刀路线图四、数控加工走刀路线图防止刀具在运动过程中与夹

18、具或工件发生意外碰撞，操作者必知。防止刀具在运动过程中与夹具或工件发生意外碰撞，操作者必知。 一般采用统一约定的符号表示。一般采用统一约定的符号表示。五、数控刀具卡片五、数控刀具卡片反映刀具编号、刀具结构、反映刀具编号、刀具结构、尾柄规格、组合件名称代号、尾柄规格、组合件名称代号、刀片型号和材料等。刀片型号和材料等。组装和调整刀具的依据组装和调整刀具的依据3.6数控加工刀具的选择数控加工刀具的选择n常用的数控加工刀具认识：常用的数控加工刀具认识：n1.车刀车刀1切槽（断）刀 290反（左）偏刀 390正（右）偏刀 4弯头车刀 5直头车刀 6成形车刀 7宽刃精车刀 8外螺纹车刀 9端面车刀 10

19、内螺纹车刀 11内切槽车刀 12通孔车刀 13不通孔车刀?选用刀具时应注意以下几点：选用刀具时应注意以下几点：在数控机床上铣削平面时，应采用镶装不重磨可转位硬质在数控机床上铣削平面时，应采用镶装不重磨可转位硬质合金刀片的铣刀。合金刀片的铣刀。高速钢立铣刀多用于加工凸台和凹槽，最好不要用于加工高速钢立铣刀多用于加工凸台和凹槽，最好不要用于加工毛坯面，毛坯面，加工余量较小，并且要求表面粗糙度较低时，应采用镶立加工余量较小，并且要求表面粗糙度较低时，应采用镶立方氮化硼刀片的端铣刀或镶陶瓷刀片的端铣刀。方氮化硼刀片的端铣刀或镶陶瓷刀片的端铣刀。镶硬质合金的立铣刀可用于加工凹槽、窗口面、凸台面镶硬质合金

20、的立铣刀可用于加工凹槽、窗口面、凸台面和毛坯表面。和毛坯表面。镶硬质合金的玉米铣刀可以进行强力切削，铣削毛坯表镶硬质合金的玉米铣刀可以进行强力切削，铣削毛坯表面和用于孔的粗加工。面和用于孔的粗加工。精度要求较高的凹槽加工时，可以采用直径比槽宽小一精度要求较高的凹槽加工时，可以采用直径比槽宽小一些的立铣刀，先铣槽的中间部分，然后利用刀具半径补些的立铣刀，先铣槽的中间部分，然后利用刀具半径补偿功能铣削槽的两边直到达到精度要求为止。偿功能铣削槽的两边直到达到精度要求为止。在数控铣床上钻孔，一般不采用钻模，加工钻孔深度为在数控铣床上钻孔，一般不采用钻模，加工钻孔深度为直径的直径的5 5倍左右的深孔时容

21、易拆坏钻头，钻孔时应注意倍左右的深孔时容易拆坏钻头，钻孔时应注意冷却和排屑。冷却和排屑。3.7.数控加工切削用量的选择数控加工切削用量的选择n数控编程时，编程人员必须确定每道工序的切削用量，并数控编程时，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。切削用量包括以指令的形式写入程序中。切削用量包括主轴转速（切削主轴转速（切削速度）速度）、背吃刀量背吃刀量及及进给量进给量等。等。 n切削用量的选择原则是：切削用量的选择原则是：n 保证零件加工精度和表面粗糙度，充分发挥刀具切削性能，保证合理的刀具耐用度；考虑机床工艺系统的刚度前提下，最大限度提高生产率，降低成本。?确定切削用量时应

22、注意以下几点：要充分保证刀具能加工完一个工件或保证刀具的耐用度不低于一个工作班，最少也不低于半个班的工作时间。在机床刚度允许的情况下，尽可能使切削深度等于工件的加工余量。对于表面粗糙度和精度要求高的零件，要留有足够的精加工余量。主轴的转速S(r/min)要根据切削速度 (m/min)来选择。 S=1000v /（D）进给量（进给速度）f (mm/min)，根据工件的加工精度和表面粗糙度要求，以及刀具和工件材料的性质选取。 粗加工：粗加工：大切削深度aP，大进给量F，合理切削速度V； 精加工：精加工：小切削深度aP和进给量F，较高的切削速度V。R车刀粗车时的进给量参考数值车刀精车时的进给量参考数

23、值背吃刀量确定背吃刀量确定n背吃刀量根据机床、工件和刀具的刚度来决定。在刚度允许的条件下，应尽可能使背吃刀量等于工件的加工余量，这样可以减少走刀次数，提高生产效率。如半精加工时，背吃刀量可取0.5-2mm；精加工时时，背吃刀量一般为0.10.5mm。 4.对刀点和换刀点的确定对刀点和换刀点的确定n对刀点（对刀点（起刀点起刀点） ：就是在数控机床上加工零件时，刀具相对于工件运动的起点,而是程序的起点。由于程序段从该点开始执行，所以对刀点又称为“程序起点”或“起刀点”。 或：指通过对刀确定刀具与工件相对位置的指通过对刀确定刀具与工件相对位置的基准点基准点。n 对刀点对刀点 可以是工件或夹具上的点，

24、或者与它们相关的易于测量的点。n 对刀点确定之后，机床坐标系与工件坐标系的相对关系就确定了。q 刀位点刀位点： 用于确定刀具在机床坐标系中位置的刀具上的特定点。即指刀具的定位基准点。 不同刀具的刀位点是不同的。 a)钻头的刀位点b)车刀的刀位点c)圆柱铣刀的刀位点d)球头铣刀的刀位点图刀位点图刀位点对刀对刀: 指使指使“刀位点刀位点”与与“对刀点对刀点”重合的重合的操作。操作。对刀的过程就是对刀的过程就是建立工件坐标系与机床坐标系之间关系的过程。建立工件坐标系与机床坐标系之间关系的过程。换刀点换刀点: 多刀加工的机床需设置，因为要多刀加工的机床需设置，因为要自动换刀自动换刀。n 选择对刀点的原

25、则：选择对刀点的原则： q选在零件的设计基准或工艺基准上，或与之相关的位置上。q选在对刀方便，便于测量的地方。q选在便于坐标计算的地方 q换刀点：为实现刀具换刀点：为实现刀具交换所确定的空间参交换所确定的空间参考点考点 对刀点和换刀点工艺分析 实例完成如图1所示零件的加工。毛坯尺寸50114。n图1 车削加工实例n1、图纸分析、图纸分析（1）加工内容：此零件加工包括车端面，外圆，倒角，圆弧，螺纹，槽等。（2）工件坐标系：该零件加工需调头，从图纸上尺寸标注分析应设置2个坐标系，2个工件零点均定于装夹后的右端面（精加工面）装夹50外圆，平端面，对刀对刀，设置第1个工件原点。此端面做精加工面，以后不

26、再加工。调头装夹48外圆，平端面，测量总长度，设置第2个工件原点（设在精加工端面上）（3）换刀点：（120，200）（4）公差处理：尺寸公差取中值。 n2、工艺处理、工艺处理（1）工步和走刀路线的确定，按加工过程确定走刀路线如下：装夹50外圆表面，探出65mm,粗加工零件左侧外轮廓：245倒角，48外圆，R20，R16，R10圆弧。精加工上述轮廓。手工钻孔，孔深至尺寸要求。粗加工孔内轮廓。精加工孔内轮廓。调头装夹48外圆，粗加工零件右侧外轮廓：245倒角，螺纹外圆，36端面，锥面，48外圆到圆弧面。精加工上述轮廓。切槽。螺纹加工。（2）刀具刀具的选择和切削用量的确定，根据加工内容确定所用刀具如

27、图2所示：n n图2 刀具选择图nT0101外轮廓粗加工：刀尖圆弧半径0.8mm,切深2mm，主轴转速800r/min,进给速度150mm/min。T0202外轮廓精加工：刀尖圆弧半径0.8mm,切深0.5mm，主轴转速1500r/min,进给速度80mm/min。T0303切槽：刀宽4mm，主轴转速450r/min,进给速度20mm/min。T0404加工螺纹：刀尖角60，主轴转速400r/min,进给速度2mm/r（螺距）。T0505钻孔：钻头直径16mm，主轴转速450r/min。T0606内轮廓粗加工：刀尖圆弧半径0.8mm,切深1mm，主轴转速500r/min,进给速度100mm/m

28、in。T0707内轮廓精加工：刀尖圆弧半径0.8mm,切深0.4mm，主轴转速800r/min,进给速度60mm/min。3 3、数值计算、数值计算未知点坐标计算：P1(40.7,-33.52),P2(42.95,-53.36)螺纹尺寸计算：螺纹外圆32-0.2=31.84 4、编程、编程设经对刀后刀尖点位于（120，200），加工前各把n刀已经完成对刀。装夹50外圆，探出65mm，n手动平端面。 数控加工工艺路线制订毛坯为100mm80mm27mm的方形坯料，材料45钢 该零件可以先在普通机床上把底面和四个轮廓面加工好（基面先行原（基面先行原则），则），其余的顶面、孔及沟槽安排在立式加工中心

29、上完成（工序集中原（工序集中原则），则），加工中心工序按“先面后孔先面后孔”、“粗精分开粗精分开”、“先主后次先主后次”等原则可以划分如下15个工步： 9 9、精铣顶面。、精铣顶面。1010、铰、铰1212孔至尺寸。孔至尺寸。1111、精镗、精镗3232孔至尺寸。孔至尺寸。1212、精铣、精铣6060沉孔及沟槽至尺寸沉孔及沟槽至尺寸1313、1212孔口倒角。孔口倒角。1414、3 366、4 4M8M8孔口倒角。孔口倒角。1515、攻、攻4 4M8M8螺纹螺纹1 1、粗铣顶面。、粗铣顶面。2 2、钻、钻3232、1212孔中心孔。孔中心孔。3 3、钻、钻3232、1212孔至孔至11.511

30、.5。4 4、扩、扩3232孔至孔至3030。5 5、钻、钻3 366孔至尺寸。孔至尺寸。6 6、粗铣、粗铣6060沉孔及沟槽。沉孔及沟槽。7 7、钻、钻4 4M8M8底孔至底孔至6.86.8。8 8、镗、镗3232孔至孔至31.731.7。n数控加工工艺守则数控加工工艺守则n数控加工应遵守普通加工通用工艺守则的有关规定数控加工应遵守普通加工通用工艺守则的有关规定,还须遵守下表还须遵守下表“数控加工工艺守则数控加工工艺守则”的规定的规定 项项 目目要要 求求 内内 容容加工前加工前的准的准备备(1) 操作者必须根据机床使用说明书熟悉机床的性能、加工范围和精度，操作者必须根据机床使用说明书熟悉机床的性能、加工范围和精度，并要熟练地掌握机床及其数控装置或计算机各部分的作用及操作方法。并要熟练地掌握机床及其数控装置或计算机各部分的作用及操作方法。(2) 检查各开关、旋钮和手柄是否在正确位置。检查各开关、旋钮和手柄是否在正确位置。(3) 启动控制电