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1、第3章 数控加工工艺分析,【学习目标】,1了解数控机床加工工艺与普通机床加工工艺的不同点，明确数控加工前机床运动过程与零件工艺过程的联系 2熟悉刀具和夹具选择，以及数控刀具路径的设计方法 3熟悉数控加工切削用量的确定方法，以及典型数控零件的工艺分析,3.1 数控加工工艺性分析,3.1.1 数控加工工艺内容 1数控加工工艺的特点 （1）数控加工的内容要求更加具体、明确 （2）数控加工的工艺要求更精确、严密 （3）数控加工工序相对集中 （4）数控加工工艺的特殊要求,2数控加工工艺的主要内容 数控加工工艺主要包括：选择并确定需要进行数控加工的零件及内容，数控加工工艺设计，对零件图形进行必要的数学处理
2、，编写加工程序，程序校验与首件试加工，数控加工工艺技术文件的编写与归档等。,（1）选择并确定需要进行数控加工的零件及内容,数控加工较适应的零件包括以下几种。 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。 多品种、小批量生产的零件。 几何形状较复杂的零件。 需要频繁改型的零件。 需要最短周期的急需零件。,（2）数控加工工艺设计, 数控加工工艺分析：主要包括零件图分析、结构工艺性分析、零件安装方式的选择等内容。 工序的划分：工序划分主要考虑生产纲领、所用设备及零件本身的结构、技术要求等，数控工序的划分概念与普通机床工序划分有所不同。在数控机床上加工零件，工序划分方法有如下3
3、种。 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、机床连续工作时间过长、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。 按定位方式划分工序：这种方法一般适合于加工内容不多的工件，加工完后就能达到待检状态。通常是以一次安装及加工作为一道工序。 按粗、精加工划分：即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。, 工步的划分：工步的划分主要从加工精度和效率两方面考虑。在一个数控加工工序内往往需要采用不同的刀具和切削用量，对不同的表面进行加工。为了便于分析和描述较复杂的工序，在工序内又细分为工
4、步。工步划分的原则如下。 同一加工表面按粗加工、半精加工、精加工依次完成，或全部加工表面按先粗后精加工分开进行。若加工尺寸精度要求较高时，考虑到零件尺寸、精度、刚性等因素，可采用前者划分工步。若加工表面位置精度要求较高时，建议采用后者。 对于既有铣面又有镗孔的零件，可以采用“先面后孔”的原则划分工步。 按所用刀具划分工步。某些机床工作台回转时间比换刀时间短，可采用按刀具划分工步，以减少换刀次数，提高加工生产率。 工序与工步的划分要根据实际零件的结构特点、加工技术要求等情况综合确定。 加工顺序的安排：在确定了某个工序的加工内容后，要详细安排这些工序内容的加工顺序，如一般数控铣削采用工序集中的方式
5、，通常按照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。,数控切削加工工序通常按下列原则安排顺序：, 基面先行原则：用做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，轴类零件加工时，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，箱体类零件加工时，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。 先粗后精原则：先粗后精是指按照粗加工半精加工精加工的顺序进行加工，逐步提高加工精度。粗加工可在较短的时间内将工件表面上的大部分余量切除，一方面可提高
6、金属切除率，另一方面可满足精加工的余量均匀性要求。若粗加工后所留余量不能满足精加工要求，则应安排半精加工。 先内后外原则：内表面加工散热条件较差，为防止热变形对加工精度的影响，应先安排加工。对于有内孔和外圆表面的零件加工，通常先加工内孔，后加工外圆。同样，对于内外轮廓加工，先进行内轮廓（型腔）加工工序，后进行外形加工工序。 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。 先面后孔原则：对于有平面和孔加工的零件，应先加工孔，后加工平面。 加工顺序的安排还应根据零件的结构和毛
7、坯状况，以及定位安装与夹紧的要求综合确定。, 确定走刀进给路线：走刀进给路线是指数控机床在整个加工工序中刀具相对于工件的运动轨迹和方向，即刀具从开始运动起，直至加工程序结束所经过的路径，包括切削加工的路径及刀具切入、切出等非切削空行程。可见走刀路线不但包括了工步的内容,也反映出工步顺序。,（3）对零件图形进行必要的数学处理 在完成工艺设计的工作之后，下一步需根据零件的几何尺寸、加工路线和刀具补偿方式，计算刀具的运动轨迹，以获得刀位资料。 （4）编写加工程序 在完成工艺设计和数学处理的工作之后，编程人员应根据所使用的数控系统的程序指令的编程格式和编程方法，编写零件加工程序单。 （5）程序校验与首
8、件试加工 程序须经过校验和首件试加工后才能正式使用。程序校验可通过数控系统图形显示功能，模拟工件的切削过程，以检验程序是否正确，但这只能检验运动是否正确，不能检查零件的加工精度，因此，还必须进行零件的首件试加工，检查零件加工精度能否达到要求，如加工有误差，应综合分析误差产生的原因，找出问题所在，并加以解决。,（6）数控加工工艺技术文件的编写与归档,编写（填写）数控加工工艺技术文件是数控加工工艺设计的内容之一。这些技术文件既是数控加工的依据、产品验收的依据,也是操作者遵守、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，进行技术积累。工艺文件主要包括如下内容。 数控加工工序卡片：数控加
9、工工序卡与普通加工工序卡很相似，表述了数控加工工艺内容。它是操作人员配合数控程序进行数控加工的主要指导性工艺资料。 工序卡应包括设备名称、工步名称、工序加工简图、定位装夹方式、本工序加工尺寸及精度、刀具名称及规格、切削用量、技术要求等内容。 数控加工刀具调整单：主要包括数控刀具卡片（简称刀具卡）和数控刀具明细表（简称刀具表）两部分。其主要反映刀具编号、刀具结构、尾柄规格甚至刀片型号材料等。它是组装刀具和调整刀具的依据。刀具表是调刀人员调整刀具、机床操作人员进行刀具数据输入的主要依据。 数控加工走刀路线图：设计好数控加工走刀路线是编制合理加工程序的重要前提。通过确定刀具运动路线，防止刀具在运动中
10、与工件、夹具等发生碰撞。同时，根据走刀路线和走刀顺序正确编制加工程序。 数控加工程序单：是实现数控加工的主要依据，是记录数控加工工艺过程、工艺参数、位移资料的清单。不同的数控系统，程序单的格式可能不同。,3.1.2 零件数控加工工艺性分析 1数控加工零件图的工艺性分析 数控加工零件的加工内容确定后，应对零件的数控加工工艺进行全面、仔细、认真的分析。主要是零件图分析、结构工艺性分析、零件安装方式的选择等内容。 （1）尺寸标注方式分析 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。如图3-1
11、所示，将图（b）所示分散的尺寸标注方式改为图（a）所示的坐标标注方式较为合理。,（a）同一基准标注 （b）较分散的标注 图3-1 尺寸标注方式,（2）轮廓几何要素分析 由于手工编程时，要计算每个基点的坐标，在自动编程时，要对构成轮廓的所有几何要素进行定义，在分析零件图时，要分析几何要素的给定条件是否充分。在零件图设计时，如果出现构成加工轮廓的条件不充分，尺寸模糊不清，将使编程存在困难。 （3）精度及技术要求分析 在确定加工方法、装夹方式、刀具及切削用量之前，必须对零件的加工精度及技术要求进行分析。分析的主要内容有4个方面：一是分析精度及各项技术要求是否齐全合理；二是分析机床的加工精度能否达到加
12、工要求；三是找出有位置精度要求的表面，这些表面应安排在一次安装中完成；四是对表面粗糙度要求较高的表面应采取恒线速度切削功能进行加工。,2零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。 零件的内腔和外形应尽量采用统一的几何类型和尺寸，尤其是加工面转接处的凹圆弧半径，一根轴上直径差不大的各轴肩处的退刀槽宽度最好统一尺寸。这样可以减少刀具规格和换刀次数，使编程方便，提高生
13、产效率。 对于零件上有多个外圆槽时，如图3-2所示。,图3-2 轴上槽宽, 内槽及缘板之间转接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3-3所示零件，被加工轮廓低、转角圆弧半径的大则其结构工艺性好。,图3-3 内槽结构工艺性, 铣削零件槽底平面时，槽底圆角半径r不要过大。如图3-4所示，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，铣刀端面刃与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。,图3-4 零件槽底平面圆弧的影响,3应采用统一的基准定位,在数控加工
14、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，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。 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。,3.2 数控加工刀具路径,刀具路径是指数控机床在整个加工工序中刀具中心（严格说来是刀位点）相对于工件的运动轨迹和方向。在确定刀具路径时，主要遵循以下原则。 应能保证零件具有良好的加工精度和表面质量。 应尽量缩短加工路线，减少空刀时间以
15、提高加工效率。 应使数值计算简单，程序段数量少。 确定轴向移动尺寸时，应考虑刀具的引入距离和超越距离。,3.2.1 数控车削刀具路径,1进给路线的选择 （1）最短的切削进给路线 选择最短的切削进给路线，直接缩短加工时间，可提高生产率，降低刀具磨损，因此，在安排粗加工或半精加工切削路线时，应综合考虑被加工工件的刚性和加工的工艺性等要求，制定最短的切削路线。 图3-5所示为3种不同的切削路线，其中图（a）所示为利用复合循环指令沿零件轮廓加工的切削路线，图（b）所示为按“三角形”轨迹加工的切削路线，图（c）所示为利用矩形循环指令加工的切削路线。通过分析和判断，按矩形循环轨迹加工的进给路线的长度总和最
16、短，因此，在同等条件下，其切削所需时间（不含空行程）最短，刀具的损耗最小。,图3-5 不同粗车进给路线示意,（2）大余量毛坯的切削进给路线,图3-6所示为车削大余量的两种加工进给路线，其中图（a）所示的由“小”到“大”的切削方法，在同样的背吃刀量的条件下，所剩余量过大；而按图（b）所示由“大”到“小”的切削方法，则可保证每次的车削所留余量基本相等，因此，该方法切削大余量较为合理。,图3-6 大余量毛坯的切削进给路线,（3）车螺纹时的加工路线和轴向进给距离,车螺纹时，刀具沿轴向的进给应与工件旋转保持严格的速比关系。考虑到刀具从停止状态加速到指定的进给速度或从指定的进给速度降至零时，驱动系统有一个过渡过程，因此，刀具沿轴向进给的加工路线长度，除保证螺纹加工的长度外，还应增加1（25 mm）的刀具引入距离和2（12 mm）的刀具切出距离，如图3-7所示，以便保证螺纹切削时，在升速完成后才使刀具接触工件，在刀具离开工件
