第2章 數(shù)控加工工藝設計

1、第2章 數(shù)控加工工藝設計數(shù)控機床的加工工藝與通用機床的加工工藝有許多相同之處，但在數(shù)控機床上加工零件比通用機床加工零件的工藝規(guī)程要復雜得多。在數(shù)控加工前，要將機床的運動過程、零件的工藝過程、刀具的形狀、切削用量和走刀路線等都編入程序，這就要求程序設計人員具有多方面的知識基礎。合格的程序員首先是一個合格的工藝人員，否則就無法做到全面周到地考慮零件加工的全過程，以及正確、合理地編制零件的加工程序。 2.1 數(shù)控加工工藝設計主要內(nèi)容 在進行數(shù)控加工工藝設計時，一般應進行以下幾方面的工作：數(shù)控加工工藝內(nèi)容的選擇； 數(shù)控加工工藝性分析； 數(shù)控加工工藝路線的設計。 2.1.1數(shù)控加工工藝內(nèi)容的選擇 對于一

2、個零件來說，并非全部加工工藝過程都適合在數(shù)控機床上完成,而往往只是其中的一部分工藝內(nèi)容適合數(shù)控加工。這就需要對零件圖樣進行仔細的工藝分析，選擇那些最適合、最需要進行數(shù)控加工的內(nèi)容和工序。在考慮選擇內(nèi)容時，應結合本企業(yè)設備的實際，立足于解決難題、攻克關鍵問題和提高生產(chǎn)效率，充分發(fā)揮數(shù)控加工的優(yōu)勢。1、適于數(shù)控加工的內(nèi)容 在選擇時，一般可按下列順序考慮：（1）通用機床無法加工的內(nèi)容應作為優(yōu)先選擇內(nèi)容； （2）通用機床難加工，質(zhì)量也難以保證的內(nèi)容應作為重點選擇內(nèi)容； （3）通用機床加工效率低、工人手工操作勞動強度大的內(nèi)容，可在數(shù)控機床尚存在富裕加工能力時選擇。2、不適于數(shù)控加工的內(nèi)容一般來說，上述這

3、些加工內(nèi)容采用數(shù)控加工后，在產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率與綜合效益等方面都會得到明顯提高。相比之下，下列一些內(nèi)容不宜選擇采用數(shù)控加工：（1）占機調(diào)整時間長。如以毛坯的粗基準定位加工第一個精基準，需用專用工裝協(xié)調(diào)的內(nèi)容；（2）加工部位分散，需要多次安裝、設置原點。這時，采用數(shù)控加工很麻煩，效果不明顯，可安排通用機床補加工；（3）按某些特定的制造依據(jù)（如樣板等）加工的型面輪廓。主要原因是獲取數(shù)據(jù)困難，易于與檢驗依據(jù)發(fā)生矛盾，增加了程序編制的難度。此外，在選擇和決定加工內(nèi)容時，也要考慮生產(chǎn)批量、生產(chǎn)周期、工序間周轉情況等等。總之，要盡量做到合理，達到多、快、好、省的目的。要防止把數(shù)控機床降格為通用機床使用。

4、2.1.2 數(shù)控加工工藝性分析被加工零件的數(shù)控加工工藝性問題涉及面很廣，下面結合編程的可能性和方便性提出一些必須分析和審查的主要內(nèi)容。1、尺寸標注應符合數(shù)控加工的特點在數(shù)控編程中，所有點、線、面的尺寸和位置都是以編程原點為基準的。因此零件圖樣上最好直接給出坐標尺寸，或盡量以同一基準引注尺寸。2、幾何要素的條件應完整、準確在程序編制中，編程人員必須充分掌握構成零件輪廓的幾何要素參數(shù)及各幾何要素間的關系。因為在自動編程時要對零件輪廓的所有幾何元素進行定義，手工編程時要計算出每個節(jié)點的坐標，無論哪一點不明確或不確定，編程都無法進行。但由于零件設計人員在設計過程中考慮不周或被忽略，常常出現(xiàn)參數(shù)不全或不

5、清楚，如圓弧與直線、圓弧與圓弧是相切還是相交或相離。所以在審查與分析圖紙時，一定要仔細核算，發(fā)現(xiàn)問題及時與設計人員聯(lián)系。3、定位基準可靠在數(shù)控加工中，加工工序往往較集中，以同一基準定位十分重要。因此往往需要設置一些輔助基準，或在毛坯上增加一些工藝凸臺。如圖2.1a所示的零件，為增加定位的穩(wěn)定性，可在底面增加一工藝凸臺，如圖2.1b所示。在完成定位加工后再除去。a)改進前的結構b)改進后的結構圖2.1 工藝凸臺的應用 4、統(tǒng)一幾何類型及尺寸零件的外形、內(nèi)腔最好采用統(tǒng)一的幾何類型及尺寸，這樣可以減少換刀次數(shù)，還可能應用控制程序或專用程序以縮短程序長度。零件的形狀盡可能對稱，便于利用數(shù)控機床的鏡向加

6、工功能來編程，以節(jié)省編程時間。2.1.3數(shù)控加工工藝路線的設計圖2.2 工藝流程數(shù)控加工工藝路線設計與通用機床加工工藝路線設計的主要區(qū)別,在于它往往不是指從毛坯到成品的整個工藝過程，而僅是幾道數(shù)控加工工序工藝過程的具體描述。因此在工藝路線設計中一定要注意到，由于數(shù)控加工工序一般都穿插于零件加工的整個工藝過程中，因而要與其它加工工藝銜接好。常見工藝流程如圖2.2所示。數(shù)控加工工藝路線設計中應注意以下幾個問題：1、工序的劃分根據(jù)數(shù)控加工的特點，數(shù)控加工工序的劃分一般可按下列方法進行：（1）以一次安裝、加工作為一道工序。這種方法適合于加工內(nèi)容較少的零件，加工完后就能達到待檢狀態(tài)。（2）以同一把刀具加

7、工的內(nèi)容劃分工序。有些零件雖然能在一次安裝中加工出很多待加工表面，但考慮到程序太長，會受到某些限制，如控制系統(tǒng)的限制（主要是內(nèi)存容量），機床連續(xù)工作時間的限制（如一道工序在一個工作班內(nèi)不能結束）等。此外，程序太長會增加出錯與檢索的困難。因此程序不能太長，一道工序的內(nèi)容不能太多。（3）以加工部位劃分工序。對于加工內(nèi)容很多的工件，可按其結構特點將加工部位分成幾個部分，如內(nèi)腔、外形、曲面或平面，并將每一部分的加工作為一道工序。（4）以粗、精加工劃分工序。對于經(jīng)加工后易發(fā)生變形的工件，由于對粗加工后可能發(fā)生的變形需要進行校形，故一般來說，凡要進行粗、精加工的過程，都要將工序分開。2、順序的安排順序的安

8、排應根據(jù)零件的結構和毛坯狀況，以及定位、安裝與夾緊的需要來考慮。順序安排一般應按以下原則進行：（1）上道工序的加工不能影響下道工序的定位與夾緊，中間穿插有通用機床加工工序的也應綜合考慮；（2）先進行內(nèi)腔加工，后進行外形加工；（3）以相同定位、夾緊方式加工或用同一把刀具加工的工序，最好連續(xù)加工，以減少重復定位次數(shù)、換刀次數(shù)與挪動壓板次數(shù)；3、數(shù)控加工工藝與普通工序的銜接數(shù)控加工工序前后一般都穿插有其它普通加工工序，如銜接得不好就容易產(chǎn)生矛盾。因此在熟悉整個加工工藝內(nèi)容的同時，要清楚數(shù)控加工工序與普通加工工序各自的技術要求、加工目的、加工特點，如要不要留加工余量，留多少；定位面與孔的精度要求及形位

9、公差；對校形工序的技術要求；對毛坯的熱處理狀態(tài)等，這樣才能使各工序達到相互滿足加工需要，且質(zhì)量目標及技術要求明確，交接驗收有依據(jù)。2.2 數(shù)控加工工藝設計方法在選擇了數(shù)控加工工藝內(nèi)容和確定了零件加工路線后，即可進行數(shù)控加工工序的設計。數(shù)控加工工序設計的主要任務是進一步把本工序的加工內(nèi)容、切削用量、工藝裝備、定位夾緊方式及刀具運動軌跡確定下來，為編制加工程序作好準備。2.2.1確定走刀路線和安排加工順序走刀路線就是刀具在整個加工工序中的運動軌跡，它不但包括了工步的內(nèi)容，也反映出工步順序。走刀路線是編寫程序的依據(jù)之一。確定走刀路線時應注意以下幾點：1、尋求最短加工路線如加工圖2.3a所示零件上的孔

10、系。2.3b圖的走刀路線為先加工完外圈孔后，再加工內(nèi)圈孔。若改用2.3c圖的走刀路線，減少空刀時間，則可節(jié)省定位時間近一倍，提高了加工效率。a)零件圖樣b)路線1c)路線2圖2.3 最短走刀路線的設計2、最終輪廓一次走刀完成為保證工件輪廓表面加工后的粗糙度要求，最終輪廓應安排在最后一次走刀中連續(xù)加工出來。如圖2.4a為用行切方式加工內(nèi)腔的走刀路線，這種走刀能切除內(nèi)腔中的全部余量，不留死角，不傷輪廓。但行切法將在兩次走刀的起點和終點間留下殘留高度，而達不到要求的表面粗糙度。所以如采用2.4b圖的走刀路線，先用行切法，最后沿周向環(huán)切一刀，光整輪廓表面，能獲得較好的效果。圖2.4c也是一種較好的走刀

11、路線方式。a)路線1b)路線3c)路線3 圖2.4銑削內(nèi)腔的三種走刀路線3、選擇切入切出方向考慮刀具的進、退刀（切入、切出）路線時，刀具的切出或切入點應在沿零件輪廓的切線上，以保證工件輪廓光滑；應避免在工件輪廓面上垂直上、下刀而劃傷工件表面；盡量減少在輪廓加工切削過程中的暫停（切削力突然變化造成彈性變形），以免留下刀痕，如圖2.5所示。 圖2.5刀具切入和切出時的外延4、選擇使工件在加工后變形小的路線對橫截面積小的細長零件或薄板零件應采用分幾次走刀加工到最后尺寸或對稱去除余量法安排走刀路線。安排工步時，應先安排對工件剛性破壞較小的工步。2.2.2確定定位和夾緊方案在確定定位和夾緊方案時應注意以

12、下幾個問題：（1）盡可能做到設計基準、工藝基準與編程計算基準的統(tǒng)一；（2）盡量將工序集中，減少裝夾次數(shù)，盡可能在一次裝夾后能加工出全部待加工表面；（3）避免采用占機人工調(diào)整時間長的裝夾方案；（4）夾緊力的作用點應落在工件剛性較好的部位。如圖2.6a薄壁套的軸向剛性比徑向剛性好，用卡爪徑向夾緊時工件變形大，若沿軸向施加夾緊力，變形會小得多。在夾緊圖2.6b所示的薄壁箱體時，夾緊力不應作用在箱體的頂面，而應作用在剛性較好的凸邊上，或改為在頂面上三點夾緊，改變著力點位置，以減小夾緊變形,如圖2.6c所示。a) 薄壁套b) 改進方法2c)改進方法2 圖2.6 夾緊力作用點與夾緊變形的關系2.2.3確定

13、刀具與工件的相對位置圖2.7 對刀點對于數(shù)控機床來說，在加工開始時，確定刀具與工件的相對位置是很重要的，這一相對位置是通過確認對刀點來實現(xiàn)的。對刀點是指通過對刀確定刀具與工件相對位置的基準點。對刀點可以設置在被加工零件上，也可以設置在夾具上與零件定位基準有一定尺寸聯(lián)系的某一位置，對刀點往往就選擇在零件的加工原點。對刀點的選擇原則如下：（1）所選的對刀點應使程序編制簡單；（2）對刀點應選擇在容易找正、便于確定零件加工原點的位置；（3）對刀點應選在加工時檢驗方便、可靠的位置；（4）對刀點的選擇應有利于提高加工精度。例如，加工圖2.7所示零件時，當按照圖示路線來編制數(shù)控加工程序時，選擇夾具定位元件圓

14、柱銷的中心線與定位平面A的交點作為加工的對刀點。顯然，這里的對刀點也恰好是加工原點。在使用對刀點確定加工原點時，就需要進行“對刀”。所謂對刀是指使“刀位點”與“對刀點”重合的操作。每把刀具的半徑與長度尺寸都是不同的，刀具裝在機床上后，應在控制系統(tǒng)中設置刀具的基本位置?！暗段稽c”是指刀具的定位基準點。如圖2.8所示，圓柱銑刀的刀位點是刀具中心線與刀具底面的交點；球頭銑刀的刀位點是球頭的球心點或球頭頂點；車刀的刀位點是刀尖或刀尖圓弧中心；鉆頭的刀位點是鉆頭頂點。各類數(shù)控機床的對刀方法是不完全一樣的，這一內(nèi)容將結合各類機床分別討論。換刀點是為加工中心、數(shù)控車床等采用多刀進行加工的機床而設置的，因為這

15、些機床在加工過程中要自動換刀。對于手動換刀的數(shù)控銑床，也應確定相應的換刀位置。為防止換刀時碰傷零件、刀具或夾具，換刀點常常設置在被加工零件的輪廓之外，并留有一定的安全量。 a)鉆頭的刀位點b)車刀的刀位點c)圓柱銑刀的刀位點d)球頭銑刀的刀位點圖2.8刀位點2.2.4 確定切削用量對于高效率的金屬切削機床加工來說，被加工材料、切削刀具、切削用量是三大要素。這些條件決定著加工時間、刀具壽命和加工質(zhì)量。經(jīng)濟的、有效的加工方式，要求必須合理地選擇切削條件。編程人員在確定每道工序的切削用量時，應根據(jù)刀具的耐用度和機床說明書中的規(guī)定去選擇。也可以結合實際經(jīng)驗用類比法確定切削用量。在選擇切削用量時要充分保

16、證刀具能加工完一個零件，或保證刀具耐用度不低于一個工作班，最少不低于半個工作班的工作時間。背吃刀量主要受機床剛度的限制，在機床剛度允許的情況下，盡可能使背吃刀量等于工序的加工余量，這樣可以減少走刀次數(shù)，提高加工效率。對于表面粗糙度和精度要求較高的零件，要留有足夠的精加工余量，數(shù)控加工的精加工余量可比通用機床加工的余量小一些。編程人員在確定切削用量時，要根據(jù)被加工工件材料、硬度、切削狀態(tài)、背吃刀量、進給量，刀具耐用度，最后選擇合適的切削速度。表2.1為車削加工時的選擇切削條件的參考數(shù)據(jù)。表2.1 車削加工的切削速度(m/min)被切削材料名稱 輕切削切深0.510.mm進給量0.050.3mm/

17、r 一般切削 切深14mm 進給量 0.20.5mm/r 重切削切深512mm 進給量 0.40.8mm/r 優(yōu)質(zhì)碳素結構鋼 10# 100250 150250 80220 45# 60230 70220 80180 合金鋼 b750MPa100220 100230 70220 b>750MPa70220 80220 80200 2.3 填寫數(shù)控加工技術文件填寫數(shù)控加工專用技術文件是數(shù)控加工工藝設計的內(nèi)容之一。這些技術文件既是數(shù)控加工的依據(jù)、產(chǎn)品驗收的依據(jù)，也是操作者遵守、執(zhí)行的規(guī)程。技術文件是對數(shù)控加工的具體說明，目的是讓操作者更明確加工程序的內(nèi)容、裝夾方式、各個加工部位所選用的刀具及

18、其它技術問題。數(shù)控加工技術文件主要有：數(shù)控編程任務書、工件安裝和原點設定卡片、數(shù)控加工工序卡片、數(shù)控加工走刀路線圖、數(shù)控刀具卡片等。以下提供了常用文件格式，文件格式可根據(jù)企業(yè)實際情況自行設計。2.3.1數(shù)控編程任務書它闡明了工藝人員對數(shù)控加工工序的技術要求和工序說明，以及數(shù)控加工前應保證的加工余量。它是編程人員和工藝人員協(xié)調(diào)工作和編制數(shù)控程序的重要依據(jù)之一，詳見表2.2。表2.2數(shù)控編程任務書工藝處 數(shù)控編程任務書 產(chǎn)品零件圖號   任務書編號 零件名稱     使用數(shù)控設備   共 頁第 頁 主要工序說明及技術要求：   編程收到日期 月 日

19、 經(jīng)手人           編制   審核   編程   審核   批準   2.3.2數(shù)控加工工件安裝和原點設定卡片（簡稱裝夾圖和零件設定卡） 它應表示出數(shù)控加工原點定位方法和夾緊方法，并應注明加工原點設置位置和坐標方向，使用的夾具名稱和編號等，詳見表2.3。表2.3 工件安裝和原點設定卡片零件圖號J30102-4數(shù)控加工工件安裝和原點設定卡片工序號零件名稱行星架裝夾次數(shù)  3梯形槽螺栓  2壓板  1鏜銑夾具板GS53-61編制（

20、日期）審核（日期） 批準（日期）第頁      共頁序號夾具名稱夾具圖號2.3.3數(shù)控加工工序卡片數(shù)控加工工序卡與普通加工工序卡有許多相似之處，所不同的是：工序簡圖中應注明編程原點與對刀點，要進行簡要編程說明（如：所用機床型號、程序編號、刀具半徑補償、鏡向對稱加工方式等）及切削參數(shù)（即程序編入的主軸轉速、進給速度、最大背吃刀量或寬度等）的選擇，詳見表2.4。表2.4 數(shù)控加工工序卡片單位 數(shù)控加工工序卡片 產(chǎn)品名稱或代號 零件名稱 零件圖號       工序簡圖 車 間 使用設備  

21、  工藝序號 程序編號     夾具名稱 夾具編號     工步號 工 步 作 業(yè) 內(nèi) 容 加工面 刀 具 號 刀 補 量 主軸轉速 進給速度 背吃刀量 備注                                                        

22、                                                                                      

23、;                                       編制   審核   批準   年月日 共 頁 第 頁 2.3.4數(shù)控加工走刀路線圖在數(shù)控加工中，常常要注意并防止刀具在運動過程中與夾具或工件發(fā)生意外碰撞，為此必須設法告訴操作者關于編程中的刀具運動路線（如：從哪里下刀、在哪里抬刀、哪里是斜下刀等）。為簡化走刀路線圖，一般可采用統(tǒng)一約定的符號來表示。不

24、同的機床可以采用不同的圖例與格式，表2.5為一種常用格式。表2.5 數(shù)控加工走刀路線圖數(shù)控加工走刀路線圖零件圖號NC01工序號工步號程序號O100機床型號XK5032程序段號N10N170加工內(nèi)容銑輪廓周邊共1頁第 頁編程校對審批符號含義抬刀下刀編程原點起刀點走刀方向走刀線相交爬斜坡鉸孔行切2.3.5數(shù)控刀具卡片數(shù)控加工時，對刀具的要求十分嚴格，一般要在機外對刀儀上預先調(diào)整刀具直徑和長度。刀具卡反映刀具編號、刀具結構、尾柄規(guī)格、組合件名稱代號、刀片型號和材料等。它是組裝刀具和調(diào)整刀具的依據(jù)，詳見表2.6。表2.6 數(shù)控刀具卡片零件圖號J30102-4數(shù) 控 刀 具 卡 片使用設備刀具名稱鏜刀TC-30刀具編號T13006換刀方式自動程序編號刀具組成序號編號刀具名稱規(guī)格數(shù)量備注1T013960拉釘12390、140-50 50 027刀柄13391、01-50 50 100接桿50×10014391、68-03650 085鏜刀桿15R416.3-122053 25鏜刀組件41-5316TCMM110208-52刀片