第四节 数控加工工艺分析-“1+X证书”制度下的数控加工理论与实践

刃呈微钝状态时的滑移、挤压、抚平作用和多次无进给光磨阶段的摩擦抛光作用，从而获得很 高的加工精度和物理力学性能良好的低粗糙度值表面。 ②采用光整加工工艺。 光整加工工艺是用粒度很细的磨料对工件表面进行微量切削和 挤压擦光的过程。 随着加工的进行，工件加工表面各点都能得到基本相同的切削，使误差逐 步均化而减小，从而获得极小的表面粗糙度值。 由于光整加工时磨具与工件间能相对浮动， 与工件定位基准间没有确定的位置，因此一般不能修正加工表面的位置误差。 常用的光整加 工方法有研磨、珩磨、超精加工及轮式超精磨等。 ③采用表面强化工艺。 表面强化工艺是通过对工件表面的冷挤压使之发生冷态塑性变 形，从而提高其表面硬度强度，并形成表面残余压应力的加工工艺。 表面强化工艺并不切除 余量，仅使表面产生塑性变形，因此修正工件尺寸误差和形状误差的能力很小，更不能修正位 置误差。 常用的表面强化工艺有喷丸和滚压。 除上述三种工艺外，采用高频淬火、氮化、渗碳、渗氮等表面热处理工艺也可使表面形成 残余压应力，也可采用振动时效等人工时效方法来消除表面层的残余应力。 （３）影响表面层金相组织变化的因素及改善措施 金属材料只有当其温度达到相变温度以上时才会发生金相组织的变化，一般的切削加工 切削热大部分被切屑带走，加工温度不高，故不会引起金相组织变化。 而磨削时砂轮对金属 切削、摩擦要消耗大量能量，每切除相同体积金属的能耗比车削平均高 ３０ 倍。 磨削的能量几乎全部转化为热能。 由于磨削层很薄，带走的热能少，绝大部分的热量传 入工件，造成工件温度升高，很容易超过金属材料的相变温度，并伴随产生残余应力甚至裂 纹。 这种现象也叫磨削烧伤。 影响表面层金相组织变化的因素取决于热源强度和作用时间。 减轻磨削热对加工的影响可从两个方面着手：一方面是减少磨削热的产生，另一方面是 尽量使已产生的热少传入工件表面层。 因此必须合理选择砂轮，正确选用磨削用量，改善润 滑冷却条件。 第四节　 数控加工工艺分析 一、数控加工内容的选择 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，选择最适合﹑ 最需要进行数控加工的内容和工序。 在考虑选择内容时，应结合本企业设备的实际，立足于 解决难题、攻克关键问题和提高生产效率，充分发挥数控加工的优势。 （１）适于数控加工的内容 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。 ４２ “１＋Ｘ 证书”制度下的数控加工理论与实践 􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍 （２）不适于数控加工的内容 一般来说，上述这些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加工余量大而又不均匀的粗加工。 此外，在选择和决定加工内容时，也要考虑生产批量、生产周期、工序间周转情况等。 总之，要尽量做到合理，达到多、快、好、省的目的。 要防止把数控机床降格为通用机床 使用。 二、选择适合数控加工的零件 数控机床在制造业的普及率逐年提高，但不是所有的零件都适合在数控机床上加工。 根据数控加工的特点和国内外大量应用实践经验，一般可按适应程度将零件分为以下 三类。 （１）最适应类 ①形状复杂，加工精度要求高，通用机床无法加工或很难保证加工质量的零件。 ②具有复杂曲线或曲面轮廓的零件。 ③具有难测量、难控制进给、难控制尺寸型腔的壳体或盒型零件。 ④必须在一次装夹中完成铣、镗、锪、铰或攻丝等多道工序的零件。 对于此类零件，首要考虑的是能否加工出来，只要有可能，就应把采用数控加工作为首选 方案，而不要过多地考虑生产率与成本问题。 （２）较适应类 ①零件价值较高，在通用机床上加工时容易受人为因素（如工人技术水平、情绪波动等） 干扰而影响加工质量，从而造成较大经济损失的零件。 ②在通用机床上加工时必须制造复杂专用工装的零件。 ③需要多次更改设计后才能定型的零件。 ④在通用机床上加工需要做长时间调整的零件。 ⑤用通用机床加工时，生产率很低或工人体力劳动强度很大的零件。 此类零件在分析其可加工性的基础上，还要综合考虑生产效率和经济效益，一般情况下 可把它们作为数控加工的主要选择对象。 （３）不适应类 ①生产批量大的零件（不排除其中个别工序采用数控加工）。 ②装夹困难或完全靠找正定位来保证加工精度的零件。 ③加工余量极不稳定，而且数控机床上无在线检测系统可自动调整零件坐标位置的 ５２ 第二章　 数控加工工艺基础 􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍 零件。 ④必须用特定的工艺装备协调加工的零件。 这类零件采用数控加工后，在生产率和经济性方面一般无明显改善，甚至有可能得不偿 失，一般不应该把此类零件作为数控加工的选择对象。 另外，数控加工零件的选择，还应该结 合本单位拥有的数控机床的具体情况。 三、数控加工零件的工艺性分析 选择并决定数控加工零件及其加工内容后，应对零件的数控加工工艺性进行全面、认真、 仔细的分析，主要内容包括产品的零件的图样分析、结构工艺性分析和安装方式等内容。 （一）零件的图样分析 首先应熟悉零件在产品中的作用、位置、装配关系和工作条件，搞清楚各项技术要求对 零件装配质量和使用性能的影响，找出主要的和关键的技术要求，然后对零件图样进行 分析。 （１）尺寸标注方法分析 零件图上尺寸标注方法应适应数控加工的特点，如图 ２⁃２（ａ）所示，在数控加工零件图上， 应以同一基准标注尺寸或直接给出坐标尺寸。 这种标注方法既便于编程，又有利于设计基 准、工艺基准、测量基准和编程原点的统一。 由于零件设计人员一般在尺寸标注中较多地考 虑装配等使用方面的特性，而不得不采用如图 ２⁃２（ｂ）所示的局部分散的标注方法，这样就给 工序安排和数控加工带来诸多不便。 由于数控加工精度和重复定位精度都很高，不会因产生 较大的累积误差而破坏零件的使用特性，因此，可将局部的分散标注法改为同一基准标注或 直接给出坐标尺寸的标注法。 图 ２⁃２　 零件尺寸标注方法分析 （２）零件图的完整性与正确性分析 构成零件轮廓的几何元素（点、线、面）的条件（如相切、相交、垂直和平行等），是数控编 程的重要依据。 手工编程时，要依据这些条件计算每一个节点的坐标；自动编程时，则要根据 这些条件才能对构成零件的所有几何元素进行定义，无论哪一条件不明确，编程都无法进行。 因此，在分析零件图样时，务必要分析几何元素的给定条件是否充分，发现问题及时与设计人 ６２ “１＋Ｘ 证书”制度下的数控加工理论与实践 􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍 员协商解决。 （３）零件技术要求分析 零件的技术要求主要是指尺寸精度、形状精度、位置精度、表面粗糙度及热处理等。 这些 要求在保证零件使用性能的前提下，应经济合理。 过高的精度和表面粗糙度要求会使工艺过 程复杂、加工困难、成本提高。 （４）零件材料分析 在满足零件功能的前提下，应选用价廉、切削性能好的材料。 而且，材料选择应立足国 内，不要轻易选用贵重或紧缺的材料。 （二）零件的结构工艺性分析 零件的结构工艺性是指所设计的零件在满足使用要求的前提下制造的可行性和经济性。 良好的结构工艺性，可以使零件加工容易，节省工时和材料。 而较差的零件结构工艺性，会使 加工困难，浪费工时和材料，有时甚至无法加工。 因此，零件各加工部位的结构工艺性应符合 数控加工的特点。 ①零件的内腔和外形最好采用统一的几何类型和尺寸，这样可以减少刀具规格和换刀次 数，使编程方便，提高生产效率。 ②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。 对于图 ２⁃３ 所示 零件，其结构工艺性的好坏与被加工轮廓的高低、转角圆弧半径的大小等因素有关。 图 ２⁃３（ｂ） 与图 ２⁃３（ａ）相比，转角圆弧半径大，可以采用较大直径的立铣刀来加工；加工平面时，进给次 数也相应减少，表面加工质量也会好一些，因而工艺性较好。 通常 Ｒ＜０．２Ｈ 时，可以判定零件 该部位的工艺性不好。 图 ２⁃３　 内槽结构工艺性对比 ③铣槽底平面时，槽底圆角半径 ｒ 不要过大。 如图 ２⁃４ 所示，铣刀端面刃与铣削平面的最 大接触直径 ｄ＝Ｄ－２ｒ （Ｄ 为铣刀直径），当 Ｄ 一定时，ｒ 越大，铣刀端面刃铣削平面的面积越 小，加工平面的能力就越差，效率越低，工艺性也越差。 当 ｒ 大到一定程度时，甚至必须用球 头铣刀加工，这是应该尽量避免的。 ７２ 第二章　 数控加工工艺基础 􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍 图 ２⁃４　 槽底平面图 ④应采用统一的基准定位。 在数控加工中若没有统一的定位基准，则会因工件的二次装 夹而造成加工后两个面上的轮廓位置及尺寸不协调的现象。 另外，零件上最好有合适的孔作 为定位基准孔。 若没有，则应设置工艺孔作为定位基准孔。 若无法制出工艺孔，最起码也要 用精加工表面作为统一基准，以减少二次装夹产生的误差。 （三）零件的安装方式 数控机床加工时，应尽量使零件能够一次安装，完成零件所有待加工面的加工。 要合理 选择定位基准和夹紧方式，以减少误差环节。 应尽量采用通用夹具或组合夹具，必要时才设 计专用夹具。 夹具设计的原理和方法与普通机床所用夹具相同，但应使其结构简单，便于装 卸，操作灵活。 此外，还应分析零件所要求的加工精度、尺寸公差等是否可以得到保证，有没有引起矛盾 的多余尺寸或影响加工安排的封闭尺寸等。 四、数控加工阶段及工序分析 （一）加工阶段划分的目的 （１）保证加工质量 工件在粗加工时切除的金属层较厚，切削力和夹紧力都较大，切削温度较高，将会引起较 大的变形，如果不划分加工阶段，粗、精加工混在一起，将无法避免上述原因引起的加工误差。 按加工阶段进行加工，在粗加工阶段引起的加工误差可以通过半精加工和精加工进行纠正， 从而保证零件的加工质量。 （２）合理使用设备 粗加工余量大，切削用量大，可以采用功率大、刚度好、效率高而精度较低的设备。 精加 工切削力小，对机床的破坏小，可以采用高精度机床。 这样发挥了设备各自的特点，既能提高 生产效率，又能最大限度地延长精密设备的使用寿命。 （３）便于及时发现毛坯存在的缺陷 对毛坯存在的各种缺陷，如铸件的气孔、夹砂和余量不足等，粗加工后可以及时发现，便 于及时修补或决定报废，以免继续加工造成浪费。 ８２ “１＋Ｘ 证书”制度下的数控加工理论与实践 􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍 （４）便于安排热处理工序 如粗加工后，一般要安排去应力的热处理，以消除内应力。 精加工之前应安排淬火等最 终热处理，其变形可以通过精加工予以消除。 加工阶段的划分也不应该绝对化，应根据零件的质量要求、结构特点和生产量灵活掌握。 在加工质量要求不高、工件刚性较好、毛坯精度高、加工余量小、生产量较小时，可以不划分加 工阶段。 对于刚性好的重型工件，由于装夹和运输很费时，也常在一次装夹中完成全部粗、精 加工。 对于不划分加工阶段的工件，为减少粗加工中产生的各种加工变形对加工质量的影 响，在粗加工后，应松开夹紧机构，停留一段时间，让工件充分变形，然后再用较小的夹紧力重 新夹紧进行精加工。 （二）加工阶段的划分方法 当零件的加工质量要求较高时，往往不可能用一道工序来满足其要求，而要用几道工序 逐步达到所要求的加工质量。 为保证加工质量和合理地使用加工设备、人力，常常按工序性 质不同，将零件的加工过程分为粗加工、半精加工、精加工和光整加工 ４ 个阶段。 ①粗加工阶段。 其任务是切除毛坯上大部分的加工余量，如何提高生产率是该阶段所考 虑的问题。 ②半精加工阶段。 其任务是使主要表面达到一定的精度，留有一定的精加工余量，主要 为后面的精加工（如精车、精磨）做好准备，并可以完成一些次要表面的加工，如扩孔、攻螺纹 和铣键槽等。 ③精加工阶段。 其任务是保证各主要表面达到图样所规定的精度要求和表面质量要求。 ④光整加工阶段。 对零件上精度和表面质量要求很高（ＩＴ６ 级以上，Ｒａ 为 ０．２ μｍ 以上） 的表面，需要进行光整加工，其主要目的是提高尺寸精度，减小表面粗糙度值，一般不用来提 高位置精度。 数控加工工序的划分原则： ①保证精度的原则。 数控加工要求工序尽可能集中，常常粗、精加工在一次装夹后完成， 为了减小热变形和切削力引起的变形对工件形状精度、位置精度、尺寸精度和表面粗糙度的 影响，应将粗、精加工分开进行。 对于既有内表面（内腔），又有外表面需加工的零件，安排加 工工序时，应先安排内、外表面的粗加工，再进行内、外表面的精加工，切不可将零件一个表面 （内表面或外表面）加工完成之后，再加工其余表面（内表面或外表面），以保证零件表面加工 质量要求。 同时，对于一些箱体零件，为保证孔的加工精度，应先加工表面、后加工孔。 遵循 保证精度的原则，实际上就是以零件的精度为依据来划分数控加工工序。 ②提高生产效率的原则。 在数控加工中，为了减少换刀次数，节省换刀时间，应将需要用 同一把刀加工的部位加工完成之后，再换另一把刀具来加工其余部位，同时应尽量减少刀具 的空行程。 用同一把刀加工工件的多个部位时，应以最短的路线到达各加工部位。 遵循提高 生产效率的原则，实际上就是以加工效率为依据划分数控加工工序。 实际中，数控加工工序要根据具体零件的结构特点、技术要求等情况综合考虑。 （三）加工工序的划分方法 工序划分主要考虑生产纲领、所用设备及零件本身的结构和技术要求等。 大批量生产 时，若使用多轴、多刀的高效加工中心，可按工序集中原则组织生产；若在由组合机床组成的 自动生产线上加工，工序一般按分散原则划分。 随着现代数控技术的发展，特别是加工中心 ９２ 第二章　 数控加工工艺基础 􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍 的应用，工艺路线的安排更多地趋向于工序集中。 单件小批生产时，通常采用工序集中原则。 成批生产时，可按工序集中原则划分，也可按工序分散原则划分，应视具体情况而定。 对于结 构尺寸和质量都很大的重型零件，应采用工序集中原则，以减少装夹次数和运输量。 对于刚 性差、精度高的零件，应按工序分散原则划分工序。 在数控机床上加工的零件，一般按工序集中原则划分工序，划分方法如下。 ①按所用刀具划分。 以同一把刀具完成的那一部分工艺过程为一道工序。 这种方法适 用于工件的待加工表面较多、机床连续工作时间较长、加工程序的编制和检查难度较大等情 况。 加工中心常用这种方法划分。 ②按安装次数划分。 以一次安装完成的那一部分工艺过程为一道工序。 这种方法适用 于加工内容不多的工件，加工完成后就能达到待检状态。 ③按粗、精加工划分。 以粗加工中完成的那一部分工艺过程为一道工序，精加工中完成 的那一部分工艺过程为一道工序。 这种划分方法适用于加工后变形较大，需粗、精加工分开 的零件，如毛坯为铸件、焊接件或锻件的零件。 ④按加工部位划分。 以完成相同型面的那一部分工艺过程为一道工序，对于加工表面多 而复杂的零件，可按其结构特点（如内形、外形、曲面和平面等）划分成多道工序。 （四）加工顺序的安排 在选定加工方法、划分工序后，工艺路线拟定的主要内容就是合理安排这些加工方法和 加工工序的顺序。 零件的加工工序通常包括切削加工工序、热处理工序和辅助工序（包括表 面处理、清洗和检验等），这些工序的顺序直接影响零件的加工质量、生产效率和加工成本。 因此，在设计工艺路线时，应合理安排好切削加工、热处理和辅助工序的顺序，并解决好工序 间的衔接问题。 （１）切削加工工序的安排 切削加工工序通常按以下原则安排顺序。 ①基面先行原则。 用作精基准的表面应优先加工出来，因为定位基准的表面越精确，装 夹误差就越小。 例如加工轴类零件时，总是先加工中心孔，再以中心孔为精基准加工外圆表 面和端面。 又如箱体类零件总是先加工定位用的平面和两个定位孔，再以平面和定位孔为精 基准加工孔系和其他平面。 ②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，逐步提高表面的加工精度和减小表面粗糙度。 ③先主后次原则。 零件的主要工作表面、装配基面应先加工，从而能及早发现毛坯中主 要表面可能出现的缺陷。 次要表面可穿插进行，放在主要加工表面加工到一定程度后、最终 精加工之前进行。 ④先面后孔原则。 对箱体、支架类零件，平面轮廓尺寸较大，一般先加工平面，再加工孔 和其他尺寸，这样安排加工顺序，一方面用加工过的平面定位，稳定可靠；另一方面在加工过 的平面上加工孔，比较容易，并能提高孔的加工精度，特别是钻孔，孔的轴线不易偏斜。 （２）热处理工序的安排 为提高材料的力学性能、改善材料的切削加工性和消除工件的内应力，在工艺过程中要 适当安排一些热处理工序。 热处理工序在工艺路线中的安排主要取决于零件的材料和热处 ０３ “１＋Ｘ 证书”制度下的数控加工理论与实践 􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍 理的目的。 ①预备热处理。 目的是改善材料的切削性能，消除毛坯制造时的残余应力，改善组织。 其工序位置多在机械加工之前，常用的有退火、正火等。 ②消除残余应力热处理。 由于毛坯在制造和机械加工过程中产生的内应力会引起工件 变形，影响加工质量，因此要安排消除残余应力热处理。 消除残余应力热处理最好安排在粗 加工之后、精加工之前，对精度要求不高的零件，一般将消除残余应力的人工时效和退火安排 在毛坯进入机加工车间之前进行。 对精度要求较高的复杂铸件，在机加工过程中通常安排两 次时效处理：铸造→粗加工→时效→半精加工→时效→精加工。 对高精度零件，如精密丝杠、 精密主轴等，应安排多次消除残余应力热处理，甚至采用冰冷处理以稳定尺寸。 ③最终热处理。 目的是提高零件的强度、表面硬度和耐磨性，常安排在精加工工序（磨削 加工）之前。 常用的有淬火、渗碳、渗氮和碳氮共渗等。 （３）辅助工序的安排 辅助工序主要包括检验、清洗、去毛刺、去磁、倒棱边、涂防锈油和平衡等。 其中检验工序 是主要的辅助工序，是保证产品质量的主要措施之一，一般安排在粗加工全部结束后精加工 之前、重要工序之后、工件在不同车间之间转移前后和工件全部加工结束后。 （４）数控加工工序与普通工序的衔接 数控工序前后一般都穿插有其他普通工序，如衔接不好就容易产生矛盾，因此要解决好 数控工序与非数控工序之间的衔接问题。 最好的办法是建立相互状态要求，例如：要不要为 后道工序留加工余量，留多少；定位面与孔的精度要求及形位公差等。 其目的是达到相互能 满足加工需要，且质量目标与技术要求明确，交接验收有依据。 关于手续问题，如果是在同一 个车间，可由编程人员与主管该零件的工艺员协商确定，在制订工序工艺文件中互审会签，共 同负责；如果不是在同一个车间，则应用交接状态表进行规定，共同会签，然后反映在工艺规 程中。 当数控加工工艺路线确定之后，各道工序的加工内容已基本确定，接下来便可以着手数 控加工工序设计。 五、加工余量的确定 （一）加工余量的概念 加工余量一般分为总余量和工序间的加工余量。 零件由毛坯加工为成品，在加工面上切 除金属层的总厚度称为该表面的加工总余量。 每个工序切掉的表面金属层厚度称为该表面 工序间的加工余量。 工序间的加工余量又分为最小余量、最大余量和公称余量。 ①最小余量指该工序切除金属层的最小厚度。 对外表面而言，相当于上工序为最小尺 寸，而本工序是最大尺寸的加工余量。 ②最大余量相当于上工序为最大尺寸，而本工序是最小尺寸的加工余量。 ③公称余量为该工序的最小余量加上上工序的公差。 图 ２⁃５ 所示为外表面加工顺序示意图。 １３ 第二章　 数控加工工艺基础 􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍 图 ２⁃５　 外表面加工顺序示意图 从图 ２⁃５ 中可知： Ｚ ＝ Ｚｍｉｎ ＋ δ１ Ｚｍａｘ ＝ Ｚ ＋ δ２ ＝ Ｚｍｉｎ ＋ δ１ ＋ δ２ 式中　 Ｚ———本工序的公称余量； Ｚｍｉｎ———本工序的最小余量； Ｚｍａｘ———本工序的最大余量； δ１———上工序的工序尺寸公差； δ２———本工序的工序尺寸公差。 但要注意，平面的余量是单边的，圆柱面的余量是两边的。 余量是垂直于被加工表面来 计算的。 内表面的加工余量的其余概念与外表面相同。 由工艺人员手册查出来的加工余量和计算切削用量时所用的加工余量，都是指公称余 量。 但在计算第一道工序的切削用量时应采用最大余量。 总余量不包括最后一道工序的公差。 （二）加工余量的确定 加工余量的大小，直接影响零件的加工质量和生产率。 加工余量过大，不仅会增加机械 加工劳动量，降低生产率，而且会增加材料、工具和电力的消耗，增加成本。 但若加工余量过 小，又不能消除前工序的各种误差和表面缺陷，甚至产生废品。 因此，必须合理地确定加工 余量。 加工余量的确定方法有： ①经验估算法。 经验估算法是根据工艺人员的经验来确定加工余量。 为避免产生废品， 所确定的加工余量一般偏大，适于单件小批量生产。 ②查表修正法。 根据有关手册查得加工余量的数值，然后根据实际情况进行适当修正， 这是一种广泛使用的方法。 ③分析计算法。 这是对影响加工余量的各种因素进行分析，然后根据一定的计算式来计 算加工余量的方法。 此法确定的加工余量较合理，但需要全面的试验资料，计算也较复杂，故 很少应用。 ２３ “１＋Ｘ 证书”制度下的数控加工理论与实践 􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍 确定加工余量时应该注意下面几个问题： ①采用最小加工余量原则在保证加工精度和加工质量的前提下，余量越小越好，余量小 可以缩短加工时间，减少材料消耗，降低加工成本。 ②余量要充分，防止因余量不足造成废品。 ③余量中应包含热处理引起的变形。 ④大零件取大余量。 ⑤加工总余量（毛坯余量）和工序间的加工余量要分开确定，加工总余量的大小与选择的 毛坯制造精度有关。 粗加工工序的加工余量不能用查表法确定，其应等于加工总余量减去其 他各工序间加工余量之和。 六、选择加工方法和确定加工路线 （一）加工方法的选择 在数控机床上加工零件，一般有以下两种情况，一种是有零件图样和毛坯，要选择适合该 零件加工的数控机床；另一种是已经有了数控机床，要选择适合该机床加工的零件。 无论哪 种情况，都应该根据零件的种类与加工内容选择合适的数控机床和加工方法。 （１）机床的选择 应该根据不同的零件选择最适合的机床进行加工。 数控车床适合加工形状比较复杂的 轴类零件或由复杂曲线回转形成的内型腔；立式数控铣床和加工中心适合加工平面凸轮样 板、形状复杂的平面和立体轮廓，以及模具内外型腔等；卧式数控铣床适合加工箱体、泵体、壳 体类零件；多坐标中联动的加工中心适合加工各种复杂的曲线、曲面、叶轮和模具等。 （２）加工方法的选择 加工方法的选择应以满足加工精度和表面粗糙度的要求为原则。 由于获得同一级加工 精度及表面粗糙度的加工方法一般有很多，故在实际选择时，要结合零件的形状、尺寸和热处 理要求等全面考虑。 例如，加工 ＩＴ７ 级精度的孔，采用镗削、铰削、磨削等加工方法均可达到精度要求。 如果 加工箱体类零件的孔，一般采用镗削或铰削，而不宜采用磨削加工。 一般小尺寸箱体孔选择 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性的要求，以及生产设备的 实际情况。 对于直径大于 ３０ ｍｍ 且已经铸造出或者锻造出毛坯孔的孔加工，一般采用粗镗→ 半精镗→孔口倒角→精镗的加工方案。 大直径孔可以采用粗铣→精铣的加工方案。 对于直径小于 ３０ ｍｍ 且无毛坯孔的孔加工，通常采用锪平端面→打中心孔→钻孔→ 扩孔→孔口倒角→铰孔的加工方案。 有同轴度要求的小孔，一般采用锪平端面→打中心孔→钻孔→半精镗→孔口倒角→精镗 （或铰孔）的加工方案。 为了提高孔的位置精度，在钻孔工步前推荐安排锪平端面和打中心孔 的工步，孔口倒角安排在半精加工之后、精加工之前是为了防止孔内产生毛刺。 ３３ 第二章　 数控加工工艺基础 􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍 对于内螺纹的加工一般根据孔径大小而定。 直径在 Ｍ５～Ｍ２０ 的内螺纹通常采用攻螺纹 的加工方法，直径小于 Ｍ５ 的内螺纹，一般在加工中心上钻完底孔后，再采用其他手工方法攻 螺纹，防止小丝锥断裂；直径大于 Ｍ２５ 的内螺纹，一般采用镗刀片镗削加工。 图 ２⁃６ 所示为平面加工方法与加工精度的关系。 图 ２⁃６　 平面加工方法与加工精度的关系 图 ２⁃７ 所示为孔加工方法与加工精度之间的相互关系。 图 ２⁃７　 孔加工方法与加工精度之间的相互关系 图 ２⁃８ 所示为外圆表面加工方法与加工精度的关系。 有关的详细内容可查阅相关工艺手册。 ４３ “１＋Ｘ 证书”制度下的数控加工理论与实践 􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍 图 ２⁃８　 外圆表面加工方法与加工精度的关系 （二）加工路线的确定 （１）加工路线的定义 加工路线是指数控机床在加工过程中刀具的刀位点相对于被加工零件的运动轨迹与方 向，即确定加工路线就是确定刀具的运动轨迹和方向。 妥善地安排加工路线，对提高加工质 量和保证零件的技术要求是非常重要的。 加工路线不仅包括加工时的进给路线，还包括刀具 定位、对刀、退刀和换刀等一系列过程的刀具运动路线。 （２）加工路线的确定原则 加工路线是刀具在整个加工过程中相对于工件的运动轨迹，包括工序的内容，反映工序 的顺序，是编写程序的依据之一。 在确定加工路线时，主要遵循以下原则。 ①保证零件的加工精度和表面粗糙度。 在铣削加工零件轮廓时，因刀具的运动轨迹和方向不同，可将铣分为顺铣或逆铣，其不同 的加工路线所得到的零件表面的质量不同。 究竟采用哪种铣削方式，应视零件的加工要求、 工件材料的特点以及机床刀具等具体条件综合考虑。 数控机床一般采用滚珠丝杠传动，其运 动间隙很小，顺铣优于逆铣，所以在精铣内、外轮廓时，为了改善表面粗糙度，应采用顺铣走刀 路线的加工方案。 对于铝镁合金、钛合金和耐热合金等材料，建议采用顺铣加工，这对降低表面粗糙度值和 提高刀具耐用度都有利。 但如果零件毛坯为黑色金属锻件或铸件，表皮硬而且余量较大，这 时粗加工采用逆铣较为有利。 ②寻求最短加工路线，减少刀具空行程，提高加工效率。 以加工如图 ２⁃９ （ａ）所示零件上的孔的加工路线为例。 按照一般习惯，总是先加工均布 于同一圆周上的一圈孔后，再加工另外一圈孔，如图 ２⁃９（ｂ）所示的走刀路线，这种走刀路线不 是最好的。 若改用图 ２⁃９（ｃ）所示的走刀路线，则可减少空刀时间，节省定位时间，提高加工效 率。 因此，从寻求最短加工路线、减少刀具空行程、提高加工效率考虑，图 ２⁃９ （ｃ）所示加工方 案是最佳的。 ５３ 第二章　 数控加工工艺基础 􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍 图 ２⁃９　 最短走刀路线的设计 　 　 对于点位控制机床，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引入而影响孔位精度。 如图 ２⁃１０ 所示零件，若按图 ２⁃１０ （ｂ）所示路线加工，由于 ３、４ 孔与 １、２ 孔定位方向相反，Ｙ 方 向反向间隙会使定位误差增加，影响 ３、４ 孔与其他孔的位置精度。 按图 ２⁃１０ （ｃ）所示路线， 加工完 ２ 孔后往上多移动一段距离到 Ｐ 点，然后再折回来加工 ４、３ 孔，使方向一致，可避免引 入反向间隙。 图 ２⁃１０　 点位加工路线 图 ２⁃１１　 轴向加工尺寸的确定 上述点位控制的数控机床，还应该计算刀具加工时的轴向 运动尺寸，即轴向加工路线的长度。 这个长度由被加工零件轴 向尺寸加工要求来确定，并需要考虑一些辅助尺寸。 如图 ２⁃１１ 所示的情况，图中的Ｚｄ是孔的深度，ΔＺ 为引入的距离（一 般光滑表面取 ２ ｍｍ，粗糙表面取 ５ ｍｍ），Ｚｐ为钻尖锥尖长，Ｚ 为 轴向加工路线的长度。 Ｚｐ ＝ ｄ ２ ｃｏｔ θ 式中　 ｄ———钻头直径； θ———钻头半锥角。 ６３ “１＋Ｘ 证书”制度下的数控加工理论与实践 􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍 所以，Ｚ ｆ ＝Ｚｄ＋ΔＺ＋Ｚｐ，Ｚ 就是程序中 Ｚ 向的坐标尺寸。 ③最终轮廓一次连续走刀完成。 为保证工件轮廓表面加工后的表面粗糙度要求，最终轮廓应安排在最后一次走刀中连续 加工出来。 比如型腔的切削通常分两步完成，第一步粗加工切内腔，第二步精加工切轮廓。 粗加工尽量采用大直径的刀具，以获得较高的加工效率，但对于形状复杂的二维型腔，若采用 大直径的刀具将产生大量的欠切削区域，不便后续加工，而采用小直径的刀具又会降低加工 效率。 因此，采用大直径刀具还是小直径刀具视具体情况而定。 精加工的刀具则主要取决于 内轮廓的最小曲率半径。 图 ２⁃１２ （ａ）所示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。 所以采用图 ２⁃１２（ｂ）所示的走刀路线，先用行切法加 工，最后再沿轮廓切削一周，使轮廓表面光整。 图 ２⁃１２ （ｃ）所示为采用环切法加工，表面粗糙 度较小，走刀路线也较行切法长。 三种方案中，图 ２⁃１２ （ａ）所示方案最差，图 ２⁃１２ （ｂ）所示方 案最佳。 图 ２⁃１２　 铣削内腔的三种走刀路线 对于带岛屿的槽形铣削，如图 ２⁃１３ 所示，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 ２⁃１３（ａ）所示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。 若按图 ２⁃１３ （ｂ）所示方 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。 如图 ２⁃１３（ｃ） 所示，若岛屿间形成的槽缝小于刀具直径，则必然将槽分隔成几个区域，若以最短工时考虑， 则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。 ④选择切入、切出方式。 确定加工路线时首先应考虑切入、切出点的位置和切入、切出工件的方式。 切入、切出点应尽量选在不太重要的位置或表面质量要求不高的位置，因为在切入、切出 点，切削力的变化会影响该点的加工质量。 切入、切出工件的方式有法向切入、切出，切向切入、切出，以及任意切入、切出三种方式。 因法向切入、切出在切入、切出点会留下刀痕，故一般不用该法，而是推荐采用切向切入、切出 和任意切入、切出的方法。 对于二维轮廓的铣削，无论是内轮廓还是外轮廓都要求刀具从切 向切入、切出；对外轮廓，一般是直线切向切入、切出；而对内轮廓，一般是圆弧切向切入、切 出。 刀具切入和切出时的外延如图 ２⁃１４ 所示。 ７３ 第二章　 数控加工工艺基础 􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍 图 ２⁃１３　 带岛屿的槽形铣削 １—建立刀具半径补偿；２—圆弧切入；３—铣削整圆轮廓；４—圆弧切出；５—撤销刀具半径补偿 图 ２⁃１４　 刀具切入和切出时的外延 　 　 另外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。 ⑤选择使工件在加工后变形小的加工路线。 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 量法安排走刀路线。 安排工步时，应先安排对工件刚性破坏较小的工步。 此外，确定加工路 线时，还要考虑工件的加工余量和机床、刀具的刚度等情况，确定是一次走刀还是多次走刀来 完成加工，以及在铣削加工中是采用顺铣还是采用逆铣等。 此外，对一些比较特殊的加工内容，在设计加工路线时要结合具体特征进行。 比如在数 控车床上车削螺纹时，沿螺距方向的 Ｚ 向进给应和工件（主轴）转动保持严格的传动比关系， 因此应该避免在进给机构加速或减速的过程中切削。 考虑到 Ｚ 向从停止状态到达指令的进 ８３ “１＋Ｘ 证书”制度下的数控加工理论与实践 􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍 给量（ｍｍ ／ ｒ），驱动系统总要有一定的过渡过程，因此在安排 Ｚ 向加工路线时，应使车刀的起 点距待加工面（螺纹）有一定的引入距离，如图 ２⁃１５ 所示。 图 ２⁃１５　 螺纹切削时的引入、引出距离 螺纹切削时的引入距离δ１一般可为 ２～５ ｍｍ，其具体大小与机床拖动系统的动态特性、螺 纹的螺距和精度以及加工螺纹时的转速有关。 对于大螺距和高精度的螺纹，其δ１值最好取得 大一些，以保证螺纹切削时在加速完成后才使刀具接触工件。 同时还应增加刀具超越距离 δ２（１～２ ｍｍ），并在刀具离开后才开始减速。 七、工件的定位、装夹和夹具选择 （一）工件定位、装夹的基本原则 ①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。 ②设法减少装夹次数，尽可能做到在一次定位装夹中，能加工出工件上全部或大部分 待加工表面，以减少装夹误差，提高加工表面之间的相互位置精度，充分发挥数控机床的 效率。 ③避免采用占机人工调整方案，以免占机时间太长，影响加工效率。 （二）夹具的选择 在数控加工中采用夹具的作用主要是保证加工精度、提高生产率、降低成本、扩大机床的 工艺范围、减轻工人的劳动强度。 数控加工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；二是要能协调零件与机床坐标系的尺寸。 具体选择夹具时应考虑的其他几点： ①单件小批量生产时，优先选用组合夹具、可调夹具和其他通用夹具，以缩短生产准备时 间和节省生产费用。 ②在成批生产时，才考虑采用专用夹具，并力求结构简单。 ③零件的装卸要快速、方便、可靠，以缩短机床的停顿时间，减少辅助时间。 ④为满足数控加工精度，要求夹具定位、夹紧精度高。 ⑤夹具上各零部件应不妨碍机床对零件各表面的加工，即夹具要敞开，其定位、夹紧元件 ９３ 第二章　 数控加工工艺基础 􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍 不能影响加工中的走刀（如产生碰撞等）。 ⑥为提高数控加工的效率，批量较大的零件加工可采用气动或液压夹具、多工位夹具。 （三）常用的数控夹具 （１）数控车床夹具 数控车床夹具除常用三爪自定心卡盘、四爪单动卡盘、花盘以及大批量加工中使用的便 于自动控制的液压、电动和气动夹具外，还有许多其他夹具，它们主要分为两类，即用于轴类 工件的夹具和用于盘类工件的夹具。 ①用于轴类工件的夹具。 数控车床轴类零件加工时，坯料工件装在主轴顶尖和尾座顶尖 上，工件由主轴上的拨盘或拨齿顶尖带动旋转。 这类夹具在粗车时能够传递足够大的转矩， 以适应主轴高速旋转车削。 车削空心轴时常采用圆柱心轴、圆锥心轴、花键心轴或者各种锥 套轴和堵头等作为定位装置。 ②用于盘类工件的夹具。 这类夹具使用在无尾座的卡盘式数控车床上，用于盘类工件的 夹具主要有可调卡爪式卡盘和快速可调万能卡盘等。 （２）数控铣床夹具 数控铣床夹具一般安装在工作台上，其形式根据被加工零件的特点有多种多样，如通用 台虎钳、数控回转工作台等。 八、数控刀具的选择 数控加工刀具一般优先选用标准刀具，必要时也可考虑采用各种高效复合刀具或专用刀 具。 此外，应结合生产具体情况，尽可能选用各种先进的刀具，如可转位刀具、整体式硬质合 金刀具和陶瓷刀具等。 刀具的类型、规格、精度等级应符合加工要求，刀具材料应与工件材料 适应。 在刀具性能上，数控加工刀具应该优于普通加工使用的刀具。 因此，选择数控机床刀具 时，还应该考虑以下因素。 （１）加工性能好 为了适应刀具在粗加工或对难加工材料加工时，能进行大吃刀和快进给，要求刀具必须 具有足够的强度，以及能够承受高速切削和强力切削工作条件的性能；对于刀杆细长的刀具 （如深孔车削），还必须具有较好的抗振性能。 （２）精度高 为了适应数控加工高精度和自动换刀等要求，刀具及刀夹必须具有较高的精度。 如有的 整体式立铣刀的径向尺寸精度高达 ０．００５ ｍｍ 等。 （３）可靠性好 为保证数控加工过程中不会因发生刀具意外损坏及潜在缺陷而影响加工的顺利进行，要 求刀具及与之组合的附件必须具有良好的可靠性和较强的适应性。 （４）使用寿命长 刀具在使用过程中的不断磨损，会使得刀刃变钝、切削阻力增大、工件表面质量下降，还 会造成零件加工尺寸的变化，导致零件报废。 因此，数控加工中的刀具，不论是在粗加工、精 加工还是特殊加工中，都应具有比普通加工刀具更高的使用寿命，以尽量减少更换或者修磨 刀具及对刀次数，从而保证零件的加工质量，提高生产效率。 ０４ “１＋Ｘ 证书”制度下的数控加工理论与实践 􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍 （５）断屑及排屑性好 数控加工中的断屑和排屑不像普通加工中能及时由操作人员进行清除，切屑缠绕在刀具 或工件上，会造成刀具损坏或工件已加工表面的划伤，甚至会伤人或损坏设备，影响加工质量 和机床的安全运行，所以要求数控加工刀具应具有良好的断屑及排屑性能。 （６）结构合理 数控刀具的结构应尽可能实现刀具的预调。 目前广泛应用的数控刀具材料主要有金刚石刀具、立方氮化硼刀具、陶瓷刀具、涂层刀 具、硬质合金刀具和高速钢刀具等。 刀具材料总牌号多，其性能相差很大。 表 ２⁃１ 所示为各种 刀具材料的主要性能指标。 表 ２⁃１　 各种刀具材料的主要性能指标 种类 密度 ／ （ｇ·ｃｍ－３） 耐热性 ／ ℃ 硬度 抗弯强度 ／ ＭＰａ 热导率 ／ ［Ｗ·（ｍ·Ｋ）－１］ 热膨胀系数 ×１０－６ ／ ℃ 聚晶金刚石 ３．４７～３．５６ ７００～８００ ＞９ ０００ＨＶ ６００～１ １００ ２１０ ３．１ 聚晶立方氮化硼 ３．４４～３．４９ １ ３００～１ ５００ ４ ５００ＨＶ ５００～８００ １３０ ４．７ 陶瓷刀具 ３．１～５．０ ＞１ ２００ ９１～９５ＨＲＡ ７００～１ ５００ １５．０～３８．０ ７．０～９．０ 常用 硬质 合金 Ｐ 类 ９．０～１４．０ ９００ ８９．５～９２．３ＨＲＡ ７００～１ ７５０ ２０．９～６２．８ Ｋ 类 １４．０～１５．５ ８００ ８８．５～９２．３ＨＲＡ １３５０～１ ８００ ７４．５～８７．９ Ｍ 类 １２．０～１４．０ １ ０００～１ １００ ８８．９～９２．３ＨＲＡ １ ２００～１ ８００ — ７．０～９．０ 高速钢 ８．０～８．８ ６００～７００ ６２～７０ＨＲＣ ２ ０００～４ ５００ １５．０～３０．０ ８～１２ 数控加工用刀具材料必须根据所加工的工件和加工性质来选择。 刀具材料的选用应与 加工对象合理匹配，切削刀具材料与加工对象的匹配主要是指二者的力学性能、物理性能和 化学性能相匹配，以获得最长的刀具寿命和最大的切削加工生产率。 （１）切削刀具材料与加工对象的力学性能匹配 切削刀具材料与加工对象的力学性能匹配问题主要是指刀具与工件材料的强度、韧性和 硬度等力学性能参数要相匹配。 具有不同力学性能的刀具所适合加工的工件有所不同。 ①刀具材料硬度顺序为：金刚石＞立方氮化硼＞陶瓷＞硬质合金＞高速钢。 ②刀具材料抗弯强度顺序为：高速钢＞硬质合金＞陶瓷＞金刚石和立方氮化硼。 ③刀具材料韧度大小顺序为：高速钢＞硬质合金＞立方氮化硼、金刚石和陶瓷。 高硬度的工件材料，必须用更高硬度的刀具来加工，刀具材料的硬度必须高于工件材料 的硬度，一般要求在 ６０ＨＲＣ 以上。 刀具材料的硬度越高，其耐磨性就越好。 例如，硬质合金 中含钴量增多时，其强度和韧性增加，硬度降低，适合于粗加工；含钴量减少时，其硬度及耐磨 性增加，适合于精加工。 具有优良高温力学性能的刀具尤其适合高速切削加工。 陶瓷刀具优良的高温性能使其 能够以高的速度进行切削，允许的切削速度可比硬质合金高 ２～１０ 倍。 （２）切削刀具材料与加工对象的物理性能匹配 具有不同物理性能的刀具，例如，高导热和低熔点的高速钢刀具、高熔点和低热胀的陶瓷 １４ 第二章　 数控加工工艺基础 􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍 刀具、高导热和低热胀的金刚石刀具等，所适合加工的工件材料有所不同。 加工导热性差的 工件时，应采用导热较好的刀具，以使切削热得以迅速传出而降低切削温度。 金刚石由于导 热系数及热扩散率高，切削热容易散出，不会产生很大的热变形，这对尺寸精度要求很高的精 密加工刀具来说尤为重要。 ①各种刀具材料的耐热温度：金刚石为 ７００～８００ ℃、ＰＣＢＮ 为 １ ３００～１ ５００ ℃，陶瓷刀具为 １ １００～１ ２００ ℃、ＴｉＣ（Ｎ）基硬质合金为 ９００～１ １００ ℃、ＷＣ 基超细晶粒硬质合金为 ８００～９００ ℃、 ＨＳＳ 为 ６００～７００ ℃。 ②各种刀具材料的导热系数顺序：ＰＣＤ＞ＰＣＢＮ＞ＷＣ 基硬质合金＞ＴｉＣ（Ｎ）基硬质合金＞ ＨＳＳ＞Ｓｉ３Ｎ４基陶瓷＞Ａｌ２Ｏ３基陶瓷。 ③各种刀具材料的热胀系数大小顺序：ＨＳＳ＞ＷＣ 基硬质合金＞ＴｉＣ（Ｎ） ＞Ａｌ２Ｏ３ 基陶瓷＞ ＰＣＢＮ＞Ｓｉ３Ｎ４基陶瓷＞ＰＣＤ。 ④各种刀具材料的抗热振性大小顺序：ＨＳＳ＞ＷＣ 基硬质合金＞Ｓｉ３Ｎ４基陶瓷＞ＰＣＢＮ＞ＰＣＤ＞ ＴｉＣ（Ｎ）基硬质合金＞Ａｌ２Ｏ３ 基陶瓷。 （３）切削刀具材料与加工对象的化学性能匹配 切削刀具材料与加工对象的化学性能匹配问题主要是指刀具材料与工件材料化学亲和 性、化学反应、扩散和溶解等化学性能参数要匹配。 材料不同的刀具所适合加工的工件材料 有所不同。 ①各种刀具材料抗黏结温度高低（与钢）为：ＰＣＢＮ＞陶瓷＞硬质合金＞ＨＳＳ。 ②各种刀具材料抗氧化温度高低为：陶瓷＞ＰＣＢＮ ＞硬质合金＞金刚石＞ ＨＳＳ。 ③各种刀具材料的扩散强度大小（对钢铁）为：金刚石＞ Ｓｉ３Ｎ４基陶瓷＞ＰＣＢＮ ＞Ａｌ２Ｏ３基陶 瓷。 扩散强度大小（对钛）为：Ａｌ２Ｏ３基陶瓷＞ＰＣＢＮ＞ＳｉＣ＞Ｓｉ３Ｎ４＞金刚石。 一般而言，ＰＣＢＮ、陶瓷刀具、涂层硬质合金及 Ｔｉ（ＣＮ）基硬质合金刀具适合钢铁等黑色金 属的数控加工；而 ＰＣＤ 刀具适合 Ａｌ、Ｍｇ、Ｃｕ 等有色金属材料及其合金和非金属材料的加工。 表 ２⁃２ 列出了常用数控加工刀具材料所适合加工的一些工件材料。 表 ２⁃２　 数控加工刀具材料所适合加工的工件材料 刀具 高硬钢 耐热 合金 钛合金 镍基 高温合金 铸铁 纯钢 高硅 铝合金 ＦＲＰ 复合材料 ＰＣＤ 不适合 不合适 优 不合适 不合适 不合适 优 优 ＰＣＢＮ 优 优 良 优 优 — 可用 可用 陶瓷刀具 优 优 不合适 优 优 可用 不合适 不合适 涂层硬质 合金 良 优 优 可用 优 优 可用 可用 ＴｉＣ（Ｎ） 基硬质合金 可用 不合适 不合适 不合适 优 可用 不合适 不合适 ２４ “１＋Ｘ 证书”制度下的数控加工理论与实践 􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍 　 　 表 ２⁃３ 列出了数控加工硬质合金类刀具选用与切削用量的关系。 表 ２⁃３　 数控加工硬质合金类刀具与切削用量的关系 Ｐ 类 Ｐ０１ Ｐ１０ Ｐ２０ Ｐ３０ Ｐ４０ Ｋ 类 Ｋ０１ Ｋ１０ Ｋ２０ Ｋ３０ Ｋ４０ Ｍ 类 Ｍ０１ Ｍ１０ Ｍ２０ Ｍ３０ Ｍ４０ 进给量 → 背吃刀量 → 切削速度 九、对刀点和换刀点的确定 （一）刀位点 在进行数控加工编程时，往往将整个刀具浓缩为一个点，这就是“刀位点”，它是在加工时 用于表现刀具加工位置的参照点，即“刀位点”就是刀具的定位基准点。 镗刀、车刀的刀位点 为刀尖或刀尖圆弧中心；平底立铣刀或端铣刀的刀位点是刀具轴线与刀具底面的交点；球头 铣刀的刀位点是球头的球心；钻头的刀位点是钻尖等。 （二）对刀点 刀具究竟从什么位置开始移动到指定的位置呢？ 所以在程序执行的一开始，必须确定刀 具在工件坐标系下开始运动的位置，这一位置即为程序执行时刀具相对于工件运动的起点， 称为程序起始点或起刀点。 此起始点一般通过对刀来确定，所以该点又称为对刀点。 在编制 程序时，要正确选择对刀点的位置。 对刀点设置原则如下： ①便于数值处理和简化程序编制，对于建立了绝对坐标系的工件，对刀点最好选在工件 坐标系坐标原点或已知坐标值的点上。 ②便于操作，易于找正并在操作过程中便于观察和检查。 ③引起的加工误差小。 为了提高零件的加工精度，对刀点应尽量设置在零件的设计基准 或工艺基准上。 实际操作机床时，可通过手工对刀操作把刀具的刀位点放到对刀点上，即“刀 位点”与“对刀点”重合；对刀点也可以设置在夹具或机床上，这时必须保证对刀点与工件定 位基准有明确的尺寸联系，从而保证工件坐标系与机床坐标系的关系。 对刀点不仅是程序起点，往往也是程序的终点。 因此，在批量生产中要考虑对刀点的重 复定位精度。 刀具加工一段时间后或每次机床启动时，都要进行刀具回机床原点或参考点的 操作，以减小对刀点的累积误差。 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，它是通过对 刀来实现的。 手动对刀，对刀精度较低，且效率低。 而有些工厂采用光学对刀镜、对刀仪、自 动对刀装置等，以减少对刀时间，提高对刀精度。 （三）换刀点 换刀点是指数控加工过程中需要换刀时刀具与工件的相对位置点。 换刀点常常设在工 件的外部，离工件有一定的安全换刀距离，以便顺利换刀，不碰到工件或其他部件。 ３４ 第二章　 数控加工工艺基础 􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍 在数控铣床上，常用机床参考零点为换刀点；在加工中心上，常以换刀机械手的固定位置 点为换刀点；在数控车床上，刀架远离工件，以换刀时不碰工件及其他部件为准。 十、切削用量的选择 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［所谓“合理的”切削用量是指充分利用刀具切削性能和机床动力性能 （功率、扭矩），在保证质量的前提下，获得高的生产率和低的加工成本的切削用量］，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：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。 确定切削用量时除遵循一般的原则和 方法外，还应考虑以下因素的影响： 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 际所用刀具和现场经验加以修正。 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，应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。 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。 （一）背吃刀量的确定 切深是根据工件的余量、形状、机床功率、刚度及刀具刚度确定的。 切深变化对刀具寿命 影响很大。 ①切深过大，切削力超过刀刃的承受力，从而产生崩刃，导致刀尖报废。 ②切深过小，微切深时，刀具并没有进行正常切削，只是在工件表面刮擦，导致切削加工 时产生硬化层，使刀具耐用度降低，而且工件的表面粗糙度差。 ③切削铸铁表面和黑皮表面层时，应该在机床功率允许的条件下，尽量增大切深，否则切 削刃尖端会因切削工件表面硬化层，而使切削刃崩刃，发生异常磨损。 ④不同材质的工件或同一材质但热处理硬度不同的工件，加工时的切深会有所不同，要 根据实际情况决定。 ⑤经验有效切削刃长度： ４４ “１＋Ｘ 证书”制度下的数控加工理论与实践 􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍 Ｃ 型刀片： ２ ３ ×刃长 ｌ Ｗ 型刀片： １ ４ ×刃长 ｌ Ｖ 型刀片： １ ４ ×刃长 ｌ Ｔ 型刀片： １ ２ ×刃长 ｌ Ｄ 型刀片： １ ２ ×刃长 ｌ 在工件表面粗糙度值 Ｒａ 要求为 １２．５～２５ μｍ 时，如果数控加工的加工余量小于 ６ ｍｍ，粗 加工一次进给就可以达到要求，但在余量较大、工艺系统刚度较差或者机床动力不足时，可以 分为几次进给完成。 在工件表面粗糙度值 Ｒａ 要求为 ３．２～１２．５ μｍ 时，可分为粗加工和半精加工，粗加工背吃 刀量选取同上述，粗加工后留 ０．５～１ ｍｍ 的余量，半精加工时再切除。 在工件表面粗糙度值 Ｒａ 要求为 ０．８～３．２ μｍ 时，可分为粗加工、半精加工和精加工，半精 加工背吃刀量选取 １．５～２ ｍｍ，精加工背吃刀量选取 ０．３～０．５ ｍｍ。 （二）进给量的确定 进给量与加工表面粗糙度有很大的关系，通常按表面粗糙度要求确定进给量。 ①进给量应大于倒棱宽度，否则无法断屑，一般取倒棱宽度的两倍左右。 ②进给量大，切屑层厚度增加，切削力增大，加工效率高，需较大的切削功率。 ③进给量大，切削温度升高，后刀面磨损增大，但对刀具耐用度影响比切削速度小。 ④进给量小，后面磨损大，刀具耐用度很快降低，进给量为 ０．１ ～ ０．４ ｍｍ，对后刀面的影响 较小，视具体情况而定。 经验公式： ｆ粗 ＝ ０．５ × 刀尖圆弧半径 　 　 具体选择进给量时，一般根据零件加工精度和表面粗糙度以及刀具和零件材料选取。 最 大进给速度受机床和工艺系统刚度性能的限制。 在保证零件加工质量的情况下，为了提高加工效率，可以选取较大的进给速度。 一般数 控加工中的进给速度为 １００～２００ ｍｍ ／ ｍｉｎ。 在切断、加工深孔和用高速钢刀具时，一般取较小的进给速度，为 ２０ ～ ５０ ｍｍ ／ ｍｉｎ。 当精 加工，表面质量要求较高时，一般取较小的进给速度，为 ２０ ～ ５０ ｍｍ ／ ｍｉｎ。 当非切削或回零过 程中，可以选择机床数控系统设定的最大进给速度。 （三）切削速度的确定 ①切削速度对刀具耐用度的影响很大，提高切削速度可缩短加工时间、提高加工效率。 但线速度过高，切削温度会上升，刀具耐用度也将大大缩短。 每家公司的刀具使用寿命都有 一个具体时间，一般按该公司样本规定的线速度加工时，每刃连续加工 １５～２０ ｍｉｎ 即到寿命。 ５４ 第二章　 数控加工工艺基础 􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍 如果线速度高于样本规定线速度的 ２０％ ，刀具寿命将降低为原来的 １ ／ ２；如果提高到 ５０％，刀 具寿命将只有原来的 １ ／ ５。 ②低切削速度（切削速度为 ２０～４０ ｍ ／ ｍｉｎ）时，工件易振动，刀具耐用度也低。 ③同种材料，硬度高，切削速度应下降；硬度低，切削速度应上升。 ④切削速度提高，表面粗糙度好；切削速度下降，表面粗糙度差。 主轴转速应根据允许的切削速度和工件（或刀具）直径来选择。 其计算公式为 ｎ ＝ １ ０００ ｖＤ π 式中　 ｖ———切削速度，由刀具的耐用度决定，ｍ ／ ｍｉｎ； ｎ———主轴转速，ｒ ／ ｍｉｎ； Ｄ———工件直径或刀具直径，ｍｍ。 计算的主轴转速 ｎ 最后要根据机床说明书选取机床有的或较接近的转速。 （四）数控机床切削用量选择应注意的特殊因素 （１）拐角处的超程问题 在轮廓加工中，特别是在拐角较大、进给速度较高时，应在接近拐角处适当降低进给速 度，在经过拐角后逐渐升速，以保证加工精度。 （２）拐角处可能产生“欠程” 加工过程中，由于切削力的作用，机床、工件、刀具系统产生变形，可能会使刀具运动滞 后，从而在拐角处可能产生“欠程”。 （３）自然断屑问题 充分考虑切削的自然断屑问题，通过选择刀具几何形状和对切削用量的调整，使排屑处 于最顺畅状态。 （４）刀具耐用度问题 自动换刀数控机床主轴或装刀所费时间较多，所以选择切削用量时要保证刀具加工完一 个零件，或保证刀具耐用度不低于一个工作班，最少不低于半个工作班。 总之，切削用量的具体数值应根据机床性能、相关的手册并结合实际经验用类比法确定。 同时，使主轴转速、切削深度及进给速度三者能相互适应，以形成最佳的切削用量。 另外，在确定精加工和半精加工的进给速度时，要注意避开积屑瘤和鳞刺的产生区域；在 易发生振动的情况下，进给速度的选取要避开自激振动的临界速度；在加工带硬皮的铸、锻 件，加工大件、细长件盒薄壁件，以及断续切削时，要注意采用较低的进给速度。 提高切削用量的途径： ①采用切削性能更好的新型刀具材料； ②在保证工件机械性能的前提下，改善工件材料的加工性能； ③改善冷却润滑条件； ④改进刀具结构，提高刀具制造质量。 ６４ “１＋Ｘ 证书”制度下的数控加工理论与实践 􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍 十一、加工程序的编制、校验和首件试切 （一）数控加工程序的编制方法 数控加工程序的编制就是将零件的工艺过程、工艺参数、刀具位移量与方向以及其他辅 助功能（换刀、冷却、夹紧等），按运动顺序和所用数控机床规定的指令代码及程序格式编成加 工程序单，再将程序单中的全部内容记录在控制介质上，然后输送给数控装置，从而指挥数控 机床加工。 这种从零件图纸到控制介质的过程称为数控加工的程序编制。 一般数控加工程序的编制有两种。 ①手工编程：从零件图样分析、工艺处理、数值计算、程序单编制、程序输入和校验全过 程，全部或主要由人工进行。 其主要用于几何形状不太复杂的简单零件，所需的加工程序不 多，坐标计算也较简单，出错的概率小。 这时用手工编程就显得经济而且及时。 因此，手工编 程至今仍广泛地应用于简单的点位加工及直线与圆弧组成的轮廓加工中。 ②自动编程：利用计算机专用软件编制数控加工程序的过程。 其由计算机来完成数控编 程的大部分或全部工作，如数学处理、加工仿真、数控加工程序生成等。 自动编程方法减轻了 编程人员的劳动强度，缩短了编程时间，提高了编程质量，同时解决了手工编程无法解决的复 杂零件的编程难题，也利于与 ＣＡＤ 集成。 自动编程主要用于一些复杂零件，特别是具有非圆 曲线、曲面的表面（如叶片、复杂模具）；或者零件的几何元素并不复杂，单程序量很大的零件 （如复杂的箱体或一个零件上有千百个矩阵钻孔）；或者是需要进行复杂的工步与工艺处理的 零件（如数控车削和加工中心机床的多工序集中加工）。 自动编程方法种类很多，发展也很迅速。 根据信息输入方式及处理方式的不同，主要分 为语言编程、图形交互式编程、语音编程等方法。 语言编程以数控语言为基础，需要编写包含 几何定义语句、刀具运动语句、后置处理语句的“零件源程序”，经编译处理后生成数控加工程 序。 这是数控机床出现早期普遍采用的编程方法。 图形交互式编程是基于某一 ＣＡＤ ／ ＣＡＭ 软件或 ＣＡＭ 软件，人机交互完成加工图形的定义、工艺参数的设定后，经软件自动处理生成 刀具轨迹和数控加工程序。 图形交互式编程是目前最常用的方法。 语音编程是通过语音把 零件加工过程输入计算机，经软件处理后生成数控加工程序。 由于技术难度较大，故尚不 通用。 一般图形交互自动编程的基本步骤如下： ①分析零件图样，确定加工工艺：在图形交互自动编程中，同一个曲面，往往可以有几种 不同的生成方法，生成方法的不同导致加工方法不同。 所以本步骤主要是确定合适的加工 方法。 ②几何造型：把被加工零件的加工要求用几何图形描述出来，作为原始信息输入计算机， 作为图形自动编程的依据，即原始条件。 ③对几何图形进行定义：面对一个几何图形，编程系统并不是立即明白如何处理，需要编 程员对几何图形进行定义，定义的过程就是告诉编程系统处理该几何图形的方法。 不同的定 义方法导致不同的处理方法，最终采用不同的加工方法。 ④输入必需的工艺参数：把确定的工艺参数，通过“对话”的方式告诉编程系统，以便编程 ７４ 第二章　 数控加工工艺基础 􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍 系统在确定刀具运动轨迹时使用。 ⑤产生刀具运动轨迹：计算机自动计算被加工曲面、补偿曲面和刀具运动轨迹，自动产生 刀具轨迹文件，储存起来，供随时调用。 ⑥自动产生数控程序：自动产生数控程序是由自动编程系统的后置处理程序模块来完成 的。 不同的数控系统，数控程序指令形式不完全相同，只需修改、设定一个后置程序，就能产 生与数控系统一致的数控程序来。 ⑦程序输出：由于自动编程系统在计算机上运行，所以其具备计算机所具有的一切输出 手段。 值得一提的是利用计算机和数控系统都具有的通信接口，只要自动编程系统具有通信 模块即可完成计算机与数控系统的直接通信，把数控程序直接输送给数控系统，控制数控机 床进行加工。 （二）数控加工程序的校验和首件试切 程序单和所制备的控制介质必须经过校验和试切削才能正式使用。 一般的方法是将控 制介质上的内容直接输入 ＣＮＣ 装置进行机床的空运转检查，即在机床上用笔代替刀具、坐标 纸代替工件进行空运转画图，检查机床轨迹的正确性。 在具有 ＣＲＴ 屏幕图形显示的数控机床上，用图形模拟刀具相对工件的运动，则更为方便。 但这些方法只能检查运动是否正确，不能查出由于刀具调整不当或编程计算不准而造成工件 误差的大小。 因此必须用首件试切的方法进行实际切削检查。 它不仅可以查出程序单和控制介质的 错误，还可检查加工精度是否符合要求。 当发现尺寸有误差时，应分析错误的原因，或者修改 程序单，或者进行适当补偿。 第五节　 数控加工文件的编写与归档 一、工艺文件的填写 数控加工工艺文件不仅是进行数控加工和产品验收的依据，也是操作者遵守和执行的规 程，同时还为产品零件重复生产积累了必要的工艺资料，完成了技术储备，有的则是加工程序 的具体说明，目的是让操作者进一步明确加工程序的内容、装夹方式、各个加工部位所选用的 刀具及其他技术问题。 填写工艺文件主要是指填写数控加工编程任务书、数控加工工序卡 片、数控加工刀具卡片、数控加工进给路线图、数控加工程序单等。 （１）数控加工编程任务书 阐明了工艺人员对数控加工工序的技术要求、工序说明和数控加工前应保证的加工余 量，是编程人员进行工艺协调工作和编制数控程序的重要依据之一。 （２）数控加工工序卡片 这种卡片是编制数控加工程序的主要依据和操作人员配合数控程序进行数控加工的主 要指导性文件。 主要包括工步顺序、工步内容、各工步所用刀具及切削用量等。 当工序加工 十分复杂时，也可把工序简图画在工序卡片上。 数控加工工序卡片参考格式见表 ２⁃４。 ８４ “１＋Ｘ 证书”制度下的数控加工理论与实践 􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍