数控加工工艺概述

1.3.1.1 数控加工原理及加工过程

数控系统加工原理就是将预先编好的加工程序以数据的形式输入数控系统，数控系统通过译码、刀具补偿处理、插补计算等数据处理和PLC协调控制，最终实现零件的加工。

1.加工过程

数控加工就是根据零件图样及工艺要求等原始条件，编制零件数控加工程序，并输入到数控机床的数控系统，以控制机床中刀具与工件的相对运动，从而完成零件的加工。利用数控机床完成零件加工的过程如图1-22所示。

图1-22 数控加工过程

（1）分析零件图 分析零件的材料、形状、尺寸、精度及毛坯形状和热处理要求等，以便确定该零件是否适合在数控机床上加工，或适合在哪种类型的数控机床上加工。只有那些属于批量小、形状复杂、精度要求高及生产周期要求短的零件，才最适合数控加工。同时要明确加工内容和要求。

（2）制订加工工艺 在对零件图样做了全面分析的前提下，确定零件的加工方法（如采用的工具、夹具、装夹定位方法等）、加工路线（如对刀点、换刀点、进给路线）及切削用量等工艺参数（如进给速度、主轴转速、侧吃刀量和背吃刀量等）。制订数控加工工艺时，除考虑数控机床使用的合理性及经济性外，还需考虑所用夹具应便于安装，便于协调工件和机床坐标系的尺寸关系，对刀点应选在容易找正并在加工过程中便于检查的位置，进给路线尽量短，并使数值计算容易，加工安全可靠等因素。

（3）数值计算 根据工件图及确定的加工路线和切削用量，计算出数控机床所需的输入数据。数值计算主要包括计算工件轮廓的基点和节点坐标等。

（4）数控编程 根据加工路线，计算出刀具运动轨迹坐标值和已确定的切削用量以及辅助动作，依据数控装置规定使用的指令代码及程序段格式，逐段编写零件加工程序单。编程人员必须对所用的数控机床的性能、编程指令和代码都非常熟悉，才能正确编写出加工程序。

（5）程序输入数控系统 程序单编好之后，需要通过一定的方法将其输入给数控系统。常用的输入方法有以下两种：

1）手动数据输入。按所编程序单的内容，通过操作数控系统键盘上各数字键、字母键、符号键进行输入，同时利用CRT显示内容进行检查。即将程序单的内容直接通过数控系统的键盘手动键入数控系统。

2）通过机床的通信接口输入。将数控加工程序，通过与机床控制的通信接口连接的电缆直接快速输入到机床的数控装置中。

（6）校对加工程序 通常数控加工程序输入完成后，需要校对其是否有错误。一般是将加工程序上的加工信息输入给数控系统进行空运转检验，也可在数控机床上用笔代替刀具，以坐标纸代替工件进行画图模拟加工，以检验机床动作和运动轨迹的正确性。

（7）首件试加工 校对后的加工程序还不能确定出因编程计算不准确或刀具调整不当而造成加工误差的大小，因而还必须经过首件试切的方法进行实际检查，进一步考察程序单的正确性并检查工件是否达到加工精度。根据试切情况反过来进行程序单的修改以及采取尺寸补偿措施等，直到加工出满足要求的零件为止。

2.数据转换

CNC系统的数据转换过程如图1-23所示。

（1）译码 译码的主要功能是将文本格式表达的零件加工程序，以程序段为单位转换成刀具补偿处理程序的数据格式，把其中的各种零件轮廓信息（如起点、终点、直线或圆弧等）、加工速度信息（F代码）和其他辅助信息（M、S、T代码等），按照一定的语法规则解释成计算机能够识别的数据形式，并以一定的数据格式存放在指定的内存专用单元。在译码过程中，还要检查程序段的语法，若发现语法错误便立即报警。

图1-23 CNC系统的数据转换过程

（2）刀具补偿 刀具补偿包括刀具长度补偿和刀具半径补偿。通常CNC装置的零件程序以零件轮廓轨迹编程，刀具补偿作用是把零件轮廓轨迹转换成刀具中心轨迹。目前在比较好的CNC装置中，刀具补偿的工件还包括程序段之间的自动转接和过切削判别，这就是所谓的C刀具补偿。

（3）插补计算 插补的任务是在一条给定起点和终点的曲线上进行“数据点密化”。插补程序在每个插补周期运行一次，在每个插补周期内，根据指令进给速度计算出一个微小的直线数据段。通常，经过若干次插补周期后，插补加工完一个程序段轨迹，即完成从程序段起点到终点的“数据点密化”工作。(www.xing528.com)

（4）PLC控制 CNC系统对机床的控制，分为对各坐标轴的速度和位置的“轨迹控制”，以及对机床动作的“顺序控制”，或称“逻辑控制”。PLC控制可以在数控机床运行过程中，以CNC内部和机床各行程开关、传感器、按钮、继电器等开关信号状态为条件，按预先规定的逻辑关系对诸如主轴的启停、换向，刀具的更换，工件的夹紧、松开，液压、冷却、润滑系统的运行等进行控制。

1.3.1.2 数控加工工艺特点

由于数控加工采用了计算机控制系统和数控机床，使得数控加工与普通加工相比，具有加工自动化程度高、精度高、质量稳定、生成效率高、周期短、设备使用费用高等特点。数控加工工艺与普通加工工艺也具有一定的差异。

1.数控加工工艺内容要求更加具体、详细

（1）普通加工工艺 许多具体工艺问题，如工步等的划分与安排、刀具的几何形状与尺寸、走刀路线、加工余量等，在很大程度上由操作人员根据实际经验和习惯自行考虑和决定，一般无需工艺人员在设计工艺规程时进行过多的规定，零件的尺寸精度也可由试切保证。

（2）数控加工工艺 所有工艺问题必须事先设计和安排好，并编入加工程序中。数控加工工艺不仅包括详细的切削加工步骤，还包括工具和夹具型号、规格、切削用量和其他特殊要求的内容，以及标有数控加工坐标位置的工序图等。在自动编程中更需要确定详细的各种工艺参数。

2.数控加工工艺要求更严密、精确

（1）普通加工工艺 加工时，可以根据加工过程中出现的问题，比较自由地进行调整。

（2）数控加工工艺 自适应性较差，加工过程中可能遇到的所有问题必须事先精心考虑，否则导致严重的后果。如攻螺纹时，数控机床不知道空隙中是否已挤满切屑，是否要退刀清理一下切屑再继续加工。又如非数控机床加工，可以多次“试切”来满足零件的精度要求；而数控加工过程中，严格规定尺寸进给，并要求准确无误。因此，数控加工工艺设计要求更加严密、精确。

3.定制数控加工工艺要进行零件图形的数学处理和编程尺寸定值的计算

编程尺寸并不是零件图样上尺寸的简单再现。在对零件图进行数学处理和计算时，编程尺寸设定值要根据零件尺寸公差要求和零件的形状几何关系重新调整计算，才能确定合理的编程尺寸。

4.考虑进给速度对零件形状的影响

制订数控加工工艺时，选择切削用量要考虑进给速度对加工零件形状精度的影响。在数控加工中，刀具的移动轨迹是由插补运算完成的。根据插补原理分析，在数控系统已定的条件下，进给速度越快，则插补精度越低，从而导致工件的轮廓形状精度越差。尤其在高精度加工时，这种影响非常明显。

5.强调刀具选择的重要性

复杂型面的加工编程通常采用自动编程方式。在自动编程中，必须先选定刀具再生成刀具中心运动轨迹，因此对于不具有刀具补偿功能的数控机床来说，若刀具预先选择不当，则所编程序只能重新编制。

6.数控加工工艺的特殊要求

1）由于数控机床比普通机床的刚度高，所配的刀具也比较好，因此在同等情况下，数控机床的切削用量比普通机床大，加工效率也较高。

2）数控机床的功能复合化程度越来越高，因此现代数控加工工艺的明显特点是工序相对集中，表现为工序数目少，工序内容多，并且由于数控机床上尽可能安排复杂的工序，所以数控加工的工序内容比普通机床加工的工序内容复杂。

3）由于数控机床加工的零件比较复杂，因此在确定装夹方式和夹具设计时，要特别注意刀具与夹具、工件的干涉问题。

7.数控加工程序的编写、校验与修改是数控加工工艺的一项特殊内容

普通加工工艺中的划分工序、选择设备等重要内容，对于数控加工工艺来说属于已基本确定的内容，所以制订数控加工工艺的重点是整个数控加工过程的分析，关键在于确定进给路线及生成刀具运动轨迹。复杂表面的刀具运动轨迹生成需借助自动编程软件，这既是编程问题，也是数控加工工艺问题。这也是数控加工工艺与普通加工工艺的最大不同。