第三章数控加工工艺设计

1、.,1,第三章 数控加工工艺设计基础,.,2,一、数控加工工艺内容的选择 对于一个零件来说，并非全部加工工艺过程都适合在数控机床上完成,而往往只是其中的一部分工艺内容适合数控加工。这就需要对零件图样进行仔细的工艺分析，选择那些最适合、最需要进行数控加工的内容和工序。,.,3,在选择时，一般可按下列顺序考虑： （1）通用机床无法加工的内容应作为优先选择内容； （2）通用机床难加工，质量也难以保证的内容应作为重点选择内容； （3）通用机床加工效率低、工人手工操作劳动强度大的内容，可在数控机床尚存在富裕加工能力时选择。 （4）多品种、小批量生产的零件或新产品试制中的零件，短期急需的零件。 （5）轮廓

2、形状复杂，对加工精度要求较高的零件。,1、适于数控加工的内容,.,4,2、不适于数控加工的内容,加工内容采用数控加工后，在产品质量、生产效率与综合效益等方面都会得到明显提高。相比之下，下列一些内容不宜选择采用数控加工： （1）占机调整时间长。如以毛坯的粗基准定位加工第一个精基准，需用专用工装协调的内容； （2）加工部位分散，需要多次安装、设置原点。这时，采用数控加工很麻烦，效果不明显，可安排通用机床补加工；,（3）按某些特定的制造依据（如样板等）加工的型面轮廓。 主要原因是获取数据困难，易于与检验依据发生矛盾，增加了程序编制的难度。,.,5,二、数控加工工艺性分析 结合编程的可能性和方便性提出

3、一些必须分析和审查的主要内容: 1、尺寸标注应符合数控加工的特点 在数控编程中，所有点、线、面的尺寸和位置都是以编程原点为基准的。因此零件图样上最好直接给出坐标尺寸，或尽量以同一基准引注尺寸。 2、几何要素的条件应完整、准确 在程序编制中，编程人员必须充分掌握构成零件轮廓的几何要素参数及各几何要素间的关系。因为在自动编程时要对零件轮廓的所有几何元素进行定义，手工编程时要计算出每个节点的坐标，无论哪一点不明确或不确定，编程都无法进行。,.,6,3、定位基准可靠 在数控加工中，加工工序往往较集中，以同一基准定位十分重要。因此往往需要设置一些辅助基准，或在毛坯上增加一些工艺凸台。如左下图所示的零件，

4、为增加定位的稳定性，可在底面增加一工艺凸台，如右下图所示。 4、统一几何类型及尺寸 零件的外形、内腔最好采用统一的几何类型及尺寸，这样可以减少换刀次数，还可能应用控制程序或专用程序以缩短程序长度。,.,7,三、数控加工加工方法的选择 加工方法的选择原则是保证加工表面的加工精度和表面粗糙度的要求。由于获得同样精度所用的加工方法很多，因而实际选择时，要结合零件的形状、尺寸大小和热处理要求等全面考虑。 如：对IT7级精度的孔采用镗削、铰削、磨削等加工方法均可达到要求 但箱体上的孔一般采用镗削或铰削，而不宜采用磨削。 一般小尺寸的箱体孔选择铰孔；当孔径较大时，则应选择镗孔。 此外，还应考虑生产率和经济

5、性的要求，以及工厂的生产设备等实际情况。,.,8,数控车床适合于加工形状比较复杂的轴类零件和由复杂曲线回转形成的模具内型腔； 立式数控铣床适合于加工平面凸轮、样板、形状复杂的平面或立体零件，以及模具的内、外型腔等； 卧式数控铣床则适合于加工箱体、泵体和壳体类零件； 多坐标联动的加工中心还可以用于加工各种复杂的曲线、曲面、叶轮和模具等。,零件上比较精确表面的加工，常常是通过粗加工、半精加工和精加工逐步达到的。 确定加工方案时，首先应根据主要表面的精度和表面粗糙度的要求，初步确定为达到这些要求所需的加工方法。,.,9,.,10,四、数控加工工序的设计。 数控加工工序设计的主要任务是进一步把本工序的

6、加工内容、加工顺序、切削用量、工艺装备、定位夹紧方式及刀具运动轨迹确定下来，为编制加工程序作好准备。,.,11,（一） 确定走刀路线和安排加工顺序 走刀路线就是刀具在整个加工工序中的运动轨迹，它不但包括了工步的内容，也反映出工步顺序。走刀路线是编写程序的依据之一。确定走刀路线时应注意以下几点： 1、寻求最短加工路线 如加工下图所示零件上的孔系。中图的走刀路线为先加工完外圈孔后，再加工内圈孔。若改用右图的走刀路线，减少空刀时间，则可节省定位时间近一倍，提高了加工效率。,.,12,对点位控制机床，只要求定位精度较高，定位过程尽可能快，而刀具相对于工件的运动路线无关紧要。因此，这类机床应按空程最短来

7、安排加工路线。,但对孔位精度要求较高的孔系加工，还应注意在安排孔加工顺序时，防止将机床坐标轴的反向间隙带入而影响孔位精度。,.,13,.,14,若按(a)图所示路线加工时，由于5、6孔与1、2、3、4孔定位方向相反，Y方向反向间隙会使定位误差增加，影响5、6孔与其他孔的位置精度。,按(b)图路线，加工完4孔后往上多移动一段距离到P点，然后再折回来加工5、6孔，使方向一致，可避免引入反向间隙。,.,15,2、最终轮廓一次走刀完成 为保证工件轮廓表面加工后的粗糙度要求，最终轮廓应安排在最后一次走刀中连续加工出来。 如下图为用行切方式加工内腔的走刀路线，这种走刀能切除内腔中的全部余量，不留死角，不伤

8、轮廓。但行切法将在两次走刀的起点和终点间留下残留高度，而达不到要求的表面粗糙度。所以如采用中图的走刀路线，先用行切法，最后沿周向环切一刀，光整轮廓表面，能获得较好的效果。右图也是一种较好的走刀路线方式。,.,16,3、选择切入切出方向 考虑刀具的进、退刀（切入、切出）路线时，刀具的切出或切入点应在沿零件轮廓的切线上，以保证工件轮廓光滑；应避免在工件轮廓面上垂直上、下刀而划伤工件表面；尽量减少在轮廓加工切削过程中的暂停（切削力突然变化造成弹性变形），以免留下刀痕，如右图所示。 4、选择使工件在加工后变形小的路线 对横截面积小的细长零件或薄板零件应采用分几次走刀加工到最后尺寸或对称去除余量法安排走

9、刀路线。安排工步时，应先安排对工件刚性破坏较小的工步。,.,17,铣削平面零件时，一般采用立铣刀侧刃进行切削。为减少接刀痕迹，保证零件表面质量，应对刀具的切入和切出程序精心设计。,如图所示，铣削外表面轮廓时，铣刀的切入、切出点应沿零件轮廓曲线的延长线上切向切入和切出零件表面，而不应沿法线方向直接切入零件，引入点选在尖点处较妥。,.,18,铣削内轮廓表面时，切入和切出无法外延，这时铣刀可沿法线方向切入和切出或加引入引出弧改向，并将其切入、切出点选在零件轮廓两几何元素的交点处。但是，在沿法线方向切入/切出时，还应避免产生过切的可能性。,.,19,对于槽形铣削，若为通槽，可采用行切法来回铣切，走刀换

10、向在工件外部进行，,.,20,若为封闭凹槽，可有图示(b)、(c)、(d)三种走刀方案。图(b)为行切法，图(c)为环切法，图(d)为先用行切法，最后用环切法一刀光整轮廓表面。这三种方案中，(b)图方案最差，(d)图方案最好。,.,21,对于带岛屿的槽形铣削，若封闭凹槽内还有形状凸起的岛屿，则以保证每次走刀路线与轮廓的交点数不超过两个为原则，按图(a)方式将岛屿两侧视为两个内槽分别进行切削，最后用环切方式对整个槽形内外轮廓精切一刀。,.,22,若按图(b)方式，来回地从一侧顺次铣切到另一侧，必然会因频繁地抬刀和下刀而增加工时。,.,23,如图(c)所示，当岛屿间形成的槽缝小于刀具直径，则必然将

11、槽分隔成几个区域，若以最短工时考虑，可将各区视为一个独立的槽，先后完成粗、精加工后再去加工另一个槽区。若以预防加工变形考虑，则应在所有的区域完成粗铣后，再统一对所有的区域先后进行精铣。,.,24,对于曲面铣削，常用球头铣刀采用“行切法”进行加工。如图1-29所示大叶片类零件，当采用图示沿纵向来回切削的加工路线时，每次沿母线方向加工，刀位点计算简单，程序少，加工过程符合直纹面的形成，可以准确保证母线的直线度。,.,25,当采用图1-29(b)所示沿横向来回切削的加工路线时，符合这类零件数据给出情况，便于加工后的检验，叶形准确度高，但程序较多。,.,26,1、在确定定位和夹紧方案时应注意以下几个问

12、题： （1）尽可能做到设计基准、工艺基准与编程计算基准的统一； （2）尽量将工序集中，减少装夹次数，尽可能在一次装夹后能加工出全部待加工表面； （3）避免采用占机人工调整时间长的装夹方案； （4）夹紧力的作用点应落在工件刚性较好的部位。,（二） 确定定位和夹紧方案,.,27,2选择夹具的基本原则 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；二是要协调零件和机床坐标系的尺寸关系。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、可调式夹具和其他通用夹具，以缩短生产准备时间，节省生产费用。当达到一定批量生产时才考虑用专用夹

13、具，并力求结构简单。 (2) 零件的装卸要快速、方便、可靠，以缩短机床的停顿时间。 (3) 夹具上各零部件应不妨碍机床对零件各表面的加工。 此外，为提高数控加工的效率，在成批生产中，还可采用多位、多件夹具。,.,28,如图左图薄壁套的轴向刚性比径向刚性好，用卡爪径向夹紧时工件变形大，若沿轴向施加夹紧力，变形会小得多。在夹紧中图所示的薄壁箱体时，夹紧力不应作用在箱体的顶面，而应作用在刚性较好的凸边上，或改为在顶面上三点夹紧，改变着力点位置，以减小夹紧变形,如右图所示。,.,29,切削用量包括主轴转速（切削速度）、背吃刀量和进给量。对于不同的加工方法，需要选择不同的切削用量，并应编入程序单内。,粗

14、加工时，考虑经济性和加工成本，通常选择较大的背吃刀量和进给量，采用较低的切削速度；半精加工和精加工时，通常选择较小的背吃刀量和进给量，并选用切削性能高的刀具材料和合理的几何参数，以尽可能提高切削速度。,具体数值应根据机床说明书、切削用量手册并结合经验而定。,（三） 确定切削用量,.,30,（1）背吃刀量 (mm)，亦称切削深度。主要根据机床、夹具、刀具和工件的刚度来决定。,精加工时，则应着重考虑如何保证加工质量，并在此基础上尽量提高生产率。,在数控机床上，精加工余量可小于普通机床，一般取（0.20.5）mm。,.,31,（2）主轴转速n（r/min）主要根据允许的切削速度c(m/min)选取。

15、,式中： vc切削速度，由刀具的耐用度决定； D工件或刀具直径(mm)。 主轴转速n要根据计算值在机床说明书中选取标准值，并填入程序单中。,.,32,（3）进给量（进给速度）（mm/min或mm/r）是数控机床切削用量中的重要参数，主要根据零件的加工精度和表面粗糙度要求以及刀具、工件材料性质选取。最大进给量则受机床刚度和进给系统的性能限制并与脉冲当量有关。,当加工精度、表面粗糙度要求高时，进给速度（进给量）应选小些。粗加工时，一般进给量就取得大些。工件材料较软时，可选用较大；反之，应选较小的。,车、铣、钻等加工方式下的切削用量可参考表1-2、1-3、1-4和1-5选取。,.,33,表1-2 数

16、控车削用量推荐表,.,34,表1-3 铣刀的切削速度 (m/min),.,35,表1-4 铣刀进给量 (mm/每齿),.,36,表1-5 高速钢钻头的切削用量 (v：m/mm，f：mm/r),.,37,（四） 确定刀具与工件的相对位置 对于数控机床来说，在加工开始时，确定刀具与工件的相对位置是很重要的，这一相对位置是通过确认对刀点来实现的。对刀点是指通过对刀确定刀具与工件相对位置的基准点。对刀点可以设置在被加工零件上，也可以设置在夹具上与零件定位基准有一定尺寸联系的某一位置，对刀点往往就选择在零件的编程原点。对刀点的选择原则如下：,（1）所选的对刀点应使程序编制简单； （2）对刀点应选择在容易

17、找正、便于确定零件加工原点的位置； （3）对刀点应选在加工时检验方便、可靠的位置；（4）对刀点的选择应有利于提高加工精度。,.,38,在使用对刀点确定加工原点时，就需要进行“对刀”。 所谓对刀是指使“刀位点”与“对刀点”重合的操作。 每把刀具的半径与长度尺寸都是不同的，刀具装在机床上后，应在控制系统中设置刀具的基本位置。“刀位点”是指刀具的定位基准点。,.,39,如下图所示，圆柱铣刀（平头立铣刀、端铣刀）的刀位点是刀具中心线与刀具底面的交点；球头铣刀的刀位点是球头的球心点或球头顶点；车刀（镗刀类）的刀位点是刀尖或刀尖圆弧中心；钻头的刀位点是钻头顶点（转尖）。,.,40,数控机床对刀时常采用千分

18、表、对刀测头或对刀瞄准仪进行找正对刀，具有很高的对刀精度。对有原点预置功能的CNC系统，设定好后，数控系统即将原点坐标存储起来。在编程时，应正确地选择“对刀点”的位置。,.,41,对刀点与换刀点,.,42,换刀点是为加工中心、数控车床等采用多刀进行加工的机床而设置的，因为这些机床在加工过程中要自动换刀。对于手动换刀的数控铣床，也应确定相应的换刀位置。为防止换刀时碰伤零件、刀具或夹具，换刀点常常设置在被加工零件的轮廓之外，并留有一定的安全量。 如在铣床上，常以机床参考点为换刀点；在加工中心上，以换刀机械手的固定位置点为换刀点；在车床上，则以刀架远离工件的行程极限点为换刀点。选取的这些点，都是便于

19、计算的相对固定点。,.,43,（五） 刀具的选择,刀具刚性要好,刀具耐用度要高,刀具精度要高,采用先进的刀具材料 优选刀具参数 尽可能采用机夹可转位刀片,数控加工对刀具的要求（教材：P27）,刀具可靠性要高,刀具要有可靠的断削功能,.,44,刀具参数选择：,铣刀：,铣内凹轮廓： r=(0.80.9)Rmin 铣外凸轮廓时，r尽量大,零件加工高度：H(1/41/6)r,钻孔：,L/D5,镗孔：,尽量采用对称的两刃或两刃以上的镗刀头,精镗宜采用微调镗刀。,选择镗刀主偏角接近90，大于75。,.,45,由于数控加工一般不用钻模，钻孔刚度较差。所以要求孔的高径比应不大于5，钻头两主刀刃应刃磨得对称以减

20、少侧向力。,钻孔前应用大直径钻头先锪一个内锥坑或顶窝，作为钻头切入时的定心锥面，同时也作为孔口的倒角。钻大孔时，可采用刚度较大的硬质合金扁钻；钻浅孔时，宜用硬质合金的浅孔钻，以提高效率和质量。,.,46,用加工中心铰孔可达IT7IT9级精度，表面粗糙度Ra1.60.8 微米。铰前要求小于Ra6.3 微米。精铰可采用浮动铰刀，但铰前孔口要倒角。,铰刀两刀刃对称度要控制在0.020.05 mm之内。镗孔则是悬臂加工，应采用对称的两刃或两刃以上的镗刀头进行切削，以平衡径向力，减轻镗削振动。振动大时可采用减振镗杆。,对阶梯孔的镗削加工采用组合镗刀，以提高镗削效率。精镗宜采用微调镗刀。,.,47,数控车

21、床兼作粗精车削。粗车时，要选强度高、耐用度好的刀具，以便满足粗车时大吃刀量、大进给量的要求。,精车时，要选精度高、耐用度好的刀具，以保证加工精度的要求。此外，为减少换刀时间和方便对刀，应尽可能采用机夹刀和机夹刀片。夹紧刀片的方式要选择得比较合理，刀片最好选择涂层硬质合金刀片。,.,48,铣削加工选取刀具时，要使刀具的尺寸与被加工工件的表面尺寸和形状相适应。,在生产中加工平面零件周边轮廓时，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，可选镶硬质合金的立铣刀或玉米铣刀；,对一些立体形面和变斜角轮廓外形的加工，常采用球头铣刀、环形铣刀、鼓形刀、