第 2 章数控加工工艺

第2章数控加工工艺 （时间：2次课，4学时）

第2章数控加工工艺 • 教学目标： • 制定零件加工的工艺方案是机械加工的一项重要工作，数控切削加工也不例外。一般地，数控切削加工属于零件制造过程的一个部分，常作为获得零件各表面尺寸、形状精度和位置精度的最重要的加工过程。数控加工工艺包括数控机床及夹具刀具选择、制定加工顺序与走刀路线、计算切削用量、编制数控工序及刀具卡片等内容。然而，零件是否适应数控切削加工，即是否采用数控切削加工，是首先要解决的问题。 • 通过本章的学习，要求读者能够分析数控加工的对象。掌握典型零件的数控加工工艺分析方法和步骤。

第2章数控加工工艺 • 教学重点和难点： • 根据加工对象，合理选择数控加工设备、刀具及夹具。 • 零件的数控加工顺序及走刀路线分析。

第2章数控加工工艺 • 2.1 数控加工对象 • 2.2 数控加工的工艺分析 • 2.3 实训 • 2.4 习题

2.1 数控加工对象 • 2.1.1 数控铣削及加工中心的主要加工对象 • 2.1.2 数控车削及车削中心的主要加工对象

2.1 数控加工对象 • 根据数控加工的特点及国内外大量应用实践，一般可按适应程度将零件分为最适应数控机床加工、较适应数控机床加工和不适应数控机床加工三类。 • 1. 最适应类 • (1) 形状复杂、加工精度要求高，用通用机床无法加工或虽然能加工但很难保证产品质量的零件。 • (2) 用数学模型描述的复杂曲线或曲面轮廓零件。 • (3) 具有难测量、难控制进给、难控制尺寸的不开敞内腔的壳体或盒型零件。 • (4) 必须在一次装夹中合并完成铣、镗、锪、铰或攻丝等多工序的零件。 • 对于上述零件，首先应考虑能不能把它们加工出来，可先不要过多地去考虑生产率与经济上是否合理，即要重点考虑加工可能性的问题，只要有可能，都应把对其进行数控加工作为优选方案。

2.1 数控加工对象 • 2. 较适应类 • (1) 在通用机床上加工时极易受人为因素干扰，如情绪波动、技术水平高低等，零件价值又高，一旦质量失控便造成重大经济损失的零件。 • (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，需要作长时间调整的零件。 • (5) 在通用机床上加工，生产率很低或体力劳动强度很大的零件。 • 这类零件在分析其可加工性以后，还要考虑生产率及经济效益等问题，一般可把它们作为数控加工的主要选择对象。

2.1 数控加工对象 • 3. 不适应类 • (1) 装夹困难或完全靠找正定位来保证加工精度的零件。 • (2) 加工余量很不稳定，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。 • (3) 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，在生产效率与经济性方面一般无明显改善，还可能得不偿失，故此类零件一般不应作为数控加工的选择对象。 • 根据上述数控加工的适应性，我们就可以根据零件类型以及所拥有的数控机床来安排数控加工，或从技术改造角度来看，根据加工对象考虑是否要投资添置数控机床。

2.1.1 数控铣削及加工中心的主要加工对象 • 从结构上说，数控铣削及加工中心适于加工多种几何形状、多种位置关系的表面与孔系。例如：箱体、盘、套、板类零件；具有复杂型面的凸轮、叶轮、模具以及外形不规则的异形件。

2.1.1 数控铣削及加工中心的主要加工对象 • 1. 平面类零件 • 2. 变斜角类零件 • 3. 立体曲面类零件 • 4. 结构形状复杂的箱体、模具、叶轮等类零件 • 5. 异形件

2.1.2 数控车削及车削中心的主要加工对象 • 数控车削及车削中心加工适于形状复杂或要求较高的回转体零件。 • 1. 精度要求高的的回转体零件 • 由于数控车床的刚性好，制造和对刀精度高，以及能方便和精确地进行人工补偿甚至自动补偿，所以它能够加工尺寸精度要求高的零件。 • 一般来说，车削七级尺寸精度的零件应该没什么困难。数控车削对提高位置精度特别有效。车削零件位置精度的高低主要取决于零件的装夹次数和机床的制造精度。不少位置精度要求高的零件用传统的车床车削达不到要求，只能用磨削或其他方法弥补。在数控车床上可以用修改程序内数据的方法来校正，这样可以提高其位置精度。

2.1.2 数控车削及车削中心的主要加工对象 • 2. 表面粗糙度好的回转体零件 • 数控车床能加工出表面粗糙度小的零件，不但是因为机床的刚性和制造精度高，还由于它具有恒线速度切削功能。在材质、刀具和精车留量已定的情况下，表面粗糙度取决于进刀量和切削速度。使用数控车床的恒线速度切削功能，这样切出的粗糙度既小又一致。数控车床还适合于车削各部位表面粗糙度要求不同的零件。

2.1.2 数控车削及车削中心的主要加工对象 • 3. 表面形状复杂的回转体零件 • 由于数控车床具有直线和圆弧插补功能，部分车床数控装置还有某些非圆曲线插补功能，所以可以车削由任意直线和平面曲线组成的形状复杂的回转体零件和难以控制尺寸的零件，如具有封闭内腔成型面的壳体零件。如图2.6所示是壳体零件封闭内腔的成型面，“口小肚大”，在普通车床上是无法加工的，而在数控车床上则很容易加工出来。

2.1.2 数控车削及车削中心的主要加工对象 • 4. 带径向加工的回转体零件 • 带有键槽或径向孔，或端面有分布的孔系以及有曲面的盘套或轴类(如图2.7所示)零件，宜选车削加工中心加工。端面有分布的孔系、曲面的盘类零件可选择立式加工中心加工，有径向孔的盘套或轴类零件常选择卧式加工中心加工。这类零件采用加工中心加工，使得一次装夹可完成多个工序的加工，减少了装夹次数，保证了加工质量的稳定性，提高了生产率。

2.1.2 数控车削及车削中心的主要加工对象 图2.6 成型内腔壳体零件

2.1.2 数控车削及车削中心的主要加工对象 图2.7 端面、径向带孔槽的轴

2.2 数控加工的工艺分析 • 2.2.1 数控铣削加工工艺分析 • 2.2.2 带孔样板的数控铣削工艺分析 • 2.2.3 数控车削加工工艺分析 • 2.2.4 球头螺纹轴的加工工艺分析

2.2 数控加工的工艺分析

2.2.1 数控铣削加工工艺分析 • 1. 零件图工艺分析 • (1) 分析构成工件轮廓图形的各种几何元素的条件是否充要，图纸尺寸的标注方法是否方便编程等。 • (2) 分析零件尺寸所要求的加工精度、尺寸公差是否都可以得到保证，尤其是薄板尺寸，由于机床振动、切削力等因素而影响加工精度，根据实践经验，当面积较大的薄板厚度小于3mm时就应充分重视这一问题。 • (3) 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。 • (4) 零件图中各加工面的凹圆弧(R与r)是否过于零乱，是否可以统一？因为在数控铣床上多换一次刀要增加不少新问题，不但编程麻烦，降低生产效率，而且也会因频繁换刀增加了工件加工面上的接刀阶差而降低了表面质量。所以，在一个零件上要力求将数值相近的圆弧半径分组靠拢，达到局部统一，以尽量减少铣刀规格与换刀次数。 • (5) 根据标注的尺寸公差和形位公差等相关信息，将加工表面区分为重要表面和次要表面，并找出其设计基准，进而遵循基准选择的原则，确定加工零件的定位基准，分析零件的毛坯是否便于定位和装夹，夹紧方式和夹紧点的选取是否会有碍刀具的运动，夹紧变形是否对加工质量有影响等。 • (6) 分析零件的形状及原材料的热处理状态，会不会在加工过程中变形？哪些部位最容易变形？因为数控铣削最忌讳工件在加工时变形，这时就应当考虑采取一些必要的工艺措施进行预防，如对钢件进行调质处理，对铸铝件进行退火处理，对不能用热处理方法解决的，也可考虑粗、精加工及对称去余量等常规方法。

2.2.1 数控铣削加工工艺分析 • 2. 加工顺序的安排 • 在数控铣床上加工零件，工序比较集中，一般只需一次装卡即可完成全部工序的加工。安排加工顺序应根据零件的结构和毛坯状况，以及定位安装与夹紧的需要综合考虑。通常需遵循的方法及注意的问题有： • (1) 刀具集中分序法。这种方法就是按所用刀具来划分工序，用同一把刀具加工完成所有可以加工的部位，然后再换刀。这种方法可以减少换刀次数，缩短辅助时间。零件材料变形小，加工余量均匀，可以采用此方法。 • (2) 粗、精加工分序法。根据零件的形状、尺寸精度等因素，按粗、精加工分开的原则，先粗加工，再半精加工，最后精加工。粗精加工之间最好隔一段时间，以使粗加工后零件的变形得到充分恢复，再进行精加工，这种方法可以有效保证零件的加工精度。 • 若零件材料变形较大，加工余量不均匀，且精度要求较高，则应采用此方法。 • (3) 从简单到复杂的原则，先加工平面、沟槽、孔，再加工内腔、外形，最后加工曲面，先加工精度要求低的表面，再加工精度要求高的部位等。 • (4) 上道工序的加工不能影响下道工序的定位与夹紧，中间穿插有通用机床加工工序的也要综合考虑。 • (5) 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较小的工序。

2.2.1 数控铣削加工工艺分析 • 3. 进给路线的确定 • 进给路线的确定应重点考虑：在保证零件的加工精度和表面粗糙度的要求下，使走刀路线最短，数值计算简单。这样既可简化程序段，以减少编程工作量，又可减少刀具空行程时间，提高加工效率。

2.2.1 数控铣削加工工艺分析 • 4. 铣刀类型选择 • 被加工零件的几何形状是选择刀具类型的主要依据，分如下几种情况。 • (1) 加工曲面类零件时，为了保证刀具切削刃与加工轮廓在切削点相切，而避免刀刃与工件轮廓发生干涉，一般采用球头刀，粗加工用两刃铣刀，半精加工和精加工用四刃铣刀。 • (2) 铣较大平面时，为了提高生产效率和提高加工表面粗糙度，一般采用刀片镶嵌式盘形面铣刀。 • (3) 铣小平面或台阶面时一般采用通用铣刀。 • (4) 铣键槽时，为了保证槽的尺寸精度、一般用两刃键槽铣刀。 • (5) 孔加工时，可采用钻头、镗刀等孔加工刀具。 • (6) 刀具直径的选用主要考虑两个方面：一是刀具所需功率应在机床功率范围之内，二是工件的加工尺寸。

2.2.1 数控铣削加工工艺分析 • 5. 切削用量的选择 • 铣削加工的切削用量包括：切削速度、进给速度、背吃刀量或侧吃刀量。较高的切削速度、较小的背吃刀量和进给量，可以获得较好的表面粗糙度。合理的恒切削速度、较小的背吃刀量和进给量可以得到较高的加工精度。 • 影响切削用量的因素主要有：机床功率以及主轴转速范围、进给速度范围；机床的刚性、热稳定性，刚性好，热变形小，可适当加大切削用量；刀具材料是影响切削用量的重要因素；冷却条件等。因此应根据刀具的耐用度和机床说明书中的规定去选择切削用量。 • 从刀具耐用度出发，切削用量的选择方法是：先选择背吃刀量或侧吃刀量，其次选择切削速度，最后确定进给速度。

2.2.2 带孔样板的数控铣削工艺分析 • 如图2.16所示，毛坯为120mm×60mm×10mm板材，5mm深的外轮廓已粗加工过，周边留2mm余量，要求加工出外轮廓及φ20mm的孔。工件材料为45#。试分析该零件的数控铣削加工工艺(如：零件图分析、装夹方案、加工顺序、刀具卡片、工艺卡片等)。

2.2.2 带孔样板的数控铣削工艺分析 图2.16 零件图样

2.2.2 带孔样板的数控铣削工艺分析 • 1. 工艺分析 • 要求数控铣加工该零件的外凸缘轮廓及φ20mm孔，无特殊精度和位置度要求。材料切削工艺性较好。

2.2.2 带孔样板的数控铣削工艺分析 • 2. 定位基准和装夹方式 • 以底面定位，用垫块支撑、压板压紧在已经粗加工过的凸缘上。

2.2.2 带孔样板的数控铣削工艺分析 • 3. 选择机床设备 • 根据零件图样要求，选用经济型数控铣床即可达到要求。故可选用华中Ⅰ型(ZJK 7532-4型)数控铣床。

2.2.2 带孔样板的数控铣削工艺分析 • 4. 确定工艺方案及加工路线 • (1) 钻孔φ20mm。 • (2) 按O'ABCDEFGO'线路铣削轮廓。采用轮廓外沿切线切入、切出方式。

2.2.2 带孔样板的数控铣削工艺分析 • 5. 选择刀具 • 现采用φ20mm的高速钢钻头，定义为T01，φ8mm的硬质合金立铣刀，定义为T02，并把该刀具的直径输入刀具参数表中。由于华中Ⅰ型数控钻铣床没有自动换刀功能，按照零件加工要求，采用手工换刀。

2.2.2 带孔样板的数控铣削工艺分析 • 6. 确定切削用量 • 根据机床、被加工表面质量要求、刀具材料、工件材料和切削用量手册选取。首先确定背吃刀量。再选取切削速度，然后利用公式vc=πdn/1000，计算主轴转速。最后选取进给速度，利用vf=nZfz求出进给速度。最后根据实践经验进行修正，计算结果如表2.3工序卡片。 • 数控加工工序卡片、刀具卡片见表2.3、表2.4。

2.2.2 带孔样板的数控铣削工艺分析

2.2.3 数控车削加工工艺分析 • 1. 零件图工艺分析 • 零件图工艺分析，对于数控车削加工应考虑以下几方面。 • (1) 几何尺寸方面。分析构成工件轮廓图形的各种几何元素的条件是否充要，图纸尺寸的标注方法是否方便编程等。 • (2) 精度方面。分析零件图样尺寸精度的要求，以判断能否利用车削工艺达到，并确定控制尺寸精度的工艺方法。分析零件图样上给定的形状和位置公差，加工时，要按照其要求确定零件的定位基准和测量基准。 • (3) 材料、表面粗糙度方面。零件图样上给定的材料与热处理、表面粗糙度的要求，是合理选择数控车床、刀具及确定切削用量的依据。

2.2.3 数控车削加工工艺分析 • 2. 加工顺序的安排 • 对于数控车削加工来说以下几种加工顺序原则使用较多。 • (1) 按所用刀具划分工序。采用这种方式可提高车削加工的生产效率。 • (2) 按粗、精加工划分工序。采用这种方式可保持数控车削加工的精度并提高生产效率。在切削加工时，应先安排粗加工工序，在较短的时间内，将精加工前大量的加工余量去掉，同时尽量满足精加工的余量均匀性要求。当粗加工后所留余量的均匀性满足不了精加工要求时，则可安排半精加工作为过渡性工序，以便使精加工余量小而均匀。针对既有外表面又有内型腔的零件，安排加工顺序时，先进行内外表面粗加工，后进行内外表面精加工。 • 同样，铣削加工中“先安排对工件刚性破坏较小的工序”、“上道工序的加工不能影响下道工序的定位与夹紧”、“基面先行”原则在车削加工中依然适用。

2.2.3 数控车削加工工艺分析 • 3. 进给路线的确定 • 加工路线的确定首先必须保持被加工零件的尺寸精度和表面质量，其次考虑数值计算简单、走刀路线尽量短、效率较高等。因精加工的进给路线基本上都是沿其零件轮廓顺序进行的，因此确定进给路线的工作重点是确定粗加工及空行程的进给路线。 • (1) 先近后远加工。这里所说的远与近，是按加工部位相对于对刀点的距离大小而言的。这样可以减少空行程时间，有利于保持毛坯件或半成品件的刚性，改善其切削条件。 • (2) 分层切削时刀具的终止位置。当某表面的余量较多需分层多次走刀切削时，从第二刀开始就要注意防止走刀到终点时切削深度的猛增。如图2.17所示，设以90°主偏角刀分层车削外圆，合理的安排应是每一刀的切削终点依次提前一小段距离e (例如可取e=0.05mm)。如果e=0，则每一刀都终止在同一轴向位置上，主切削刃就可能受到瞬时的重负荷冲击。当刀具的主偏角大于90°，但仍然接近90°时，也宜作出层层递退的安排，经验表明，这对延长粗加工刀具的寿命是有利的。 • (3) 确定最短的空行程路线和切削进给路线。依靠合理地安排起刀点和退刀点，使得空行程和切削进给路线最短，可有效地提高生产效率，降低刀具损耗等。这一点在循环加工程序中尤其重要。另外，在安排粗加工或半精加工的切削进给路线时，应同时兼顾到被加工零件的刚性及加工的工艺性等要求，不要顾此失彼。

2.2.3 数控车削加工工艺分析 • 4. 刀具选择 • 刀具选定工作分两方面：①选定刀片材料。根据被加工工件的材料组符号标记、刀片的断屑槽型、加工条件，选出刀片材料代号。②选定刀具。根据工件加工表面轮廓，选择刀杆(包括刀杆类型、刀杆尺寸等)。根据选择好的刀杆，选择刀片(包括刀片形状、断屑槽型等)。这些选择都是参考刀具手册和刀杆、刀片订货页码以及实践经验而得出来的。

2.2.3 数控车削加工工艺分析 图2.17 分层切削时刀具的终止位置

2.2.3 数控车削加工工艺分析 • 5. 切削用量的选择 • 粗车时，首先考虑选择一个尽可能大的背吃刀量ap，其次选择一个较大的进给量f，最后确定一个合适的切削速度v。增大背吃刀量ap可使走刀次数减少，增大进给量f有利于断屑，因此根据以上原则选择粗车切削用量对于提高生产效率，减少刀具消耗，降低加工成本是有利的。 • 精车时，加工精度和表面粗糙度要求较高，加工余量不大且较均匀，因此选择精车切削用量时，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。因此精车时应选用较小的背吃刀量ap和进给量f，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v。

2.2.4 球头螺纹轴的加工工艺分析 • 车削加工如图2.18所示的球头螺纹轴零件，材料为45#圆钢，试分析该零件的数控车削加工工艺(如：零件图分析、装夹方案、加工顺序、刀具卡片、工艺卡片等)。

2.2.4 球头螺纹轴的加工工艺分析 图2.18 球头螺纹轴

2.2.4 球头螺纹轴的加工工艺分析 • 1. 工艺分析 • 该零件表面由圆柱、凸圆弧、凹圆弧及螺纹等表面组成，零件表面粗糙度要求较高，尺寸精度要求一般，可采用粗车——精车加工路线，精车余量0.4mm。 • 一次装夹，分别从右、左加工外圆。 • 工件坐标系设定在零件的左端面。装夹方案采用三爪卡盘夹紧。

2.2.4 球头螺纹轴的加工工艺分析 • 2. 零件的加工顺序 • (1) 平端面。三爪卡盘卡毛坯一端，用90°右偏刀加工端面。 • (2) 粗、精加工右端外表面。用90°右外圆偏刀从右至左进行加工。 • (3) 粗、精加工左端外表面。用90°左外圆偏刀从左至右进行加工。 • (4) 切退刀槽。用宽度为3mm的切断刀分两次切削。 • (5) 加工螺纹。用60°螺纹车刀进行加工。 • (6) 切断工件。

2.2.4 球头螺纹轴的加工工艺分析 • 3. 设备 • 可选用CKA6140数控车床。

2.2.4 球头螺纹轴的加工工艺分析 • 4. 刀具选择 • 选用硬质合金刀具。

2.2.4 球头螺纹轴的加工工艺分析 • 5. 确定切削用量 • 根据机床、被加工表面质量要求、刀具材料、工件材料和切削用量手册选取。确定背吃刀量。选取切削速度，然后利用公式vc=dn/1000，计算主轴转速。选取进给速度，利用vf=nf，求出进给速度。最后根据实践经验进行修正，计算结果如表2.6工序卡片。 • 数控加工工序卡片、刀具卡片见表2.6、表2.7。

2.2.4 球头螺纹轴的加工工艺分析

2.3 实训 • 1. 实训目的： • (1) 了解一般零件的数控加工工艺分析方法。 • (2) 通过对两个典型零件的数控加工工艺分析，掌握零件数控加工的分析方法和步骤。 • 2. 实训内容： • 对如图2.19所示的零件进行工艺分析，给出机床类型、加工顺序、装夹方式、所用刀具及数控工艺文件。 • (图2.19所示零件，材料HT200，毛坯尺寸：长×宽×高为170mm×110mm×50mm)

第 2 章 数控加工工艺