数控加工工艺设计优化技巧

由于不同的生产类型以及不同企业的生产状况，工艺规程的制订与实施也不尽相同。就数控车床的使用而言，机床操作者和编程人员有时是独立的，有时又是合二为一的。但是，不管怎样划分工种，数控车床加工工艺的基本特点是一致的。对操作者来说，各种工具的使用是其应掌握的基本技能，但数控车床受控于程序指令，加工的全过程都是按程序指令自动进行，所以要求操作者不仅要对零件的工艺过程非常了解，而且还要对包括切削用量、走刀路线，刀具尺寸及机床的运动过程非常清楚。对于编程人员来说，要对数控车床的性能特点、刀具系统、切削规范及工件的装夹方法都要非常熟悉。良好的工艺方案是数控车床发挥效率的基础，而且它将直接决定零件的加工质量。

无论是手工编程还是自动编程，数控加工的前期准备工作首先是工艺设计，即要对所加工的工件进行工艺性分析、工艺路线设计、加工工序设计，然后再针对具体的数控车床进行零件加工程序的编写工作。

1.数控车床加工工艺性分析

数控车床加工工艺性分析主要研究的是加工的可行性问题，解决的是能不能加工（可能性）、好不好加工（方便性）的问题，其主要内容包括产品的零件图样分析、结构工艺性分析和装夹方式的选择等。

（1）零件图分析 零件图分析，即习惯上的看图样，它包括两个最基本的内容。

1）构成零件轮廓的几何元素条件要完整，即零件图的每一个轮廓都要表达准确，特别是圆弧与直线、圆弧与圆弧在图样上相切，图样给出的尺寸应没有错误，如在计算相切切点（节点坐标值）时却变成了相交或相离状态，这种情况可能导致编程无法进行，或者所编写的程序在数控系统上编译时显示程序错误等。

2）尺寸的标注方法。为保持在设计基准、工艺基准、测量基准与编程原点设置的一致性方面带来方便，对数控加工来说，零件图上最好以同一基准标注尺寸或直接给出坐标尺寸。对于回转体零件而言，其径向尺寸一般不需要调整标注，其轴向尺寸要根据有关的形状公差和位置公差的要求作适当调整，并完成尺寸链的换算，将公差值计算到节点坐标中，其基准的选择最好能与对刀的基准相关联。

（2）结构工艺性分析 数控车床零件加工结构工艺性分析主要是指回转体零件加工的方便性、经济性。在常规设计规范条件下，有时结构可以作出调整，有时为了需要，必须按要求完成加工任务。在对零件结构工艺性分析的前提下，提出更好的加工方法是数控车床使用水平得以提高的重要手段。

2.数控车床加工的工艺路线设计

数控车床加工的零件特征主要包括端面、内外圆柱（锥）面、螺旋线等。数控车床加工的工艺路线设计要根据数控车床的特点来进行，即首先找出所有加工的零件表面并逐一确定各表面的加工方法（工步），然后进行工序的划分。数控车床加工除了要考虑数控加工的工艺路线设计，还要考虑数控加工同其他常规加工、热处理等工艺过程的关系。

（1）加工方法的选择 数控车床主要用于回转体零件的各种表面的车削、钻镗孔、螺纹加工等。每种不同的轮廓有不同的加工方法。在加工过程中要充分考虑到零件的材料特性、尺寸公差要求、表面粗糙度要求等诸多因素，选择合理的加工方法是保证生产的前提。加工内外圆柱（锥）面时要注意切削的效率，加工螺纹时要注意先倒角及注意螺纹的退刀槽，加工圆弧面时要注意刀具后角不要干涉，对于需要磨削加工的要留有磨削余量。

（2）加工阶段的划分 在数控机床上加工零件，一般都有较高的精度要求，所以必须把整个加工过程划分为几个阶段：

1）粗加工阶段。主要是提高生产率。在这一阶段中要切除毛坯上大量的多余材料，使其在形状和尺寸上接近零件成品。

2）半精加工阶段。为主要表面的精加工做好准备——达到一定加工精度，保证一定的加工余量，并完成一些次要表面如钻孔、攻螺纹等的加工，一般在热处理之前进行。

3）精加工阶段。保证各主要表面达到图样规定的尺寸精度和表面粗糙度要求。

4）光整加工阶段。主要目标是提高尺寸精度和减小表面粗糙度，这是对精度要求很高，表面粗糙度要求很小的零件才需要的加工阶段。光整加工一般不用于纠正位置精度。

合理划分加工阶段，可以做到：

1）保证加工质量。粗加工因加工余量大、切削力大、切削温度较高等因素造成的加工误差、工件变形，可通过半精加工和精加工阶段逐步得到改善与提高，从而保证了加工质量。

2）有利于合理使用设备。粗加工要求功率大、刚性好、生产率高、精度要求不高的设备。精加工则要求精度高的设备。划分了加工阶段，不但发挥了机床设备各自的性能特点，提高了生产率，而且也有利于延长高精度机床在使用中保持高精度的时间。

3）为了插入必要的热处理工序，同时使热处理发挥充分的效果。例如，粗加工后工件残余应力大，可安排时效处理，消除残余应力，热处理引起的变形又可在精加工中消除。

4）粗加工各表面后可及早发现毛坯中的诸如气孔、夹砂等缺陷，以便及时作出报废或修补的补充方案，以免继续进行精加工而造成人力、物力的浪费。

（3）工序的划分 工序划分的原则包括工序集中与工序分散两种。工序集中原则就是将工件的加工，集中在少数几道工序内完成，每道工序的加工内容尽可能地多。采用工序集中原则的特点是：一般使用结构复杂、机械化、自动化程度高的专用设备和数控机床，它减少了设备、操作工人的数量和生产面积；减少了工序数目和半成品数量，简化了生产计划工作，缩短了生产周期；减少了工件的装夹次数，保证了各加工表面的位置精度，缩短了辅助时间；由于使用设备的复杂和工序的集中，它对工艺准备和操作人员的技术要求都较高，从而导致首件产品的生产准备周期较长。工序集中原则适合于技术密集的复杂零件的生产。工序分散原则就是将工件的加工，分散在较多的工序内进行。每道工序的加工内容尽可能地少。工序分散原则的特点是采用比较简单的设备和工艺装备，对工人的技术要求低；由于工序分散，每道工序的加工内容少，其生产准备工作量也小，容易变换产品；但是由于工序分散后每道工序都需要设备，导致了设备数量多、工人数量大、生产面积大。工序分散原则适合于劳动密集型的大批量生产。

数控车床要尽可能地采用工序集中原则来组织生产。在具体工序的划分上，数控车床一般可按零件加工表面或按粗、精加工来进行。如对于同轴度、垂直度要求较高的表面，要尽可能地一次装夹后完成加工，此时应按零件加工表面来划分工序；对于加工后变形较大的工件，可按粗、精加工来划分工序。(www.xing528.com)

在实际生产中，工序划分的原则首先要保证加工质量，然后要具体考虑工件材料、生产规模、企业的实际设备情况和技术能力，综合地做好技术积累和创新工作。

（4）加工顺序的安排 合理的加工顺序是生产合格产品、提高生产效率的保证。加工顺序包括切削加工工序、热处理工序和辅助工序等，它们之间常常是相互交叉的。

数控车削加工工序一般要求：

1）先基面后其他。加工的第一步总是先把精基面加工出来，以作为定位基准。在轴类零件加工中，一般是车端面、车中心孔，然后再以中心孔为精基准来加工外圆表面等。

2）先粗后精。一般按粗车、半精车、精车的顺序进行，逐渐地去除毛坯的多余材料和逐步接近并达到零件图样规定的各种技术要求。

3）先近后远。在一般情况下，为减少空行程和保证切削过程中零件的刚性，切削的部位以离对刀点近的部位先行加工，离卡盘近的后加工。

4）内外结合。对内外表面都要加工的零件，要注意内外表面的加工顺序，为保证刚性和防止变形，应在内外表面粗加工都完成后再进行精加工工作。

3.数控车床加工工序的设计

在确定了数控车床加工工艺路线、每道工序的加工内容，下面的工作便是具体着手数控车床加工工序的设计。数控车床加工工序设计的主要任务是为每一道工序选择夹具、刀具及量具，确定定位夹紧方案、走刀路线与工步顺序、加工余量、工序尺寸及其公差、切削用量等，它是编制加工程序的基础。

（1）走刀路线的确定 走刀路线是指刀具从起刀点开始，经过一定的空行程接近工件、切削加工、空行程退出工件所经过的路径。走刀路线是刀具在整个加工工序中相对于工件的运动轨迹，它不但包括了工步的内容，而且也反映出工步的顺序。在确定走刀路线时最好画一张工序简图，将已经拟定出的走刀路线画上去。不同零件的加工，其走刀路线也不同，但它们一般要求遵守以下原则。

1）尽可能短的空行程和合理的切削走刀路线。

2）在满足工件精度、表面粗糙度、生产率等要求的情况下，尽量简化数学处理时的数值计算工作量，以简化编程工作。

3）注意倒角、退刀槽的加工。

4）当某段进给路线重复使用时，为了简化编程，缩短程序长度，应使用子程序。

5）粗加工时，考虑各种固定循环的合理使用。

6）精加工时，为保证工件轮廓表面加工后的粗糙度要求，最终轮廓应安排一次走刀连续加工。

在实际加工过程中，数控加工的走刀路线考虑得越仔细，实际切削加工时生产效率越高，但相对而言，数控编程也越复杂；如果考虑的走刀路线较简单而规则，则编程的数学处理就较简单，程序的编写也就较快捷。在确定具体的走刀路线时，要具体问题具体分析，合理地协调好切削加工走刀路线与数控编程之间的关系。

（2）定位与夹紧方案的确定与夹具的选择 数控车床的装夹一般由三爪自定心或四爪单动卡盘来完成，根据需要看是否采用顶尖或其他的装夹形式。

（3）刀具的选择 数控车床要尽可能地选用机夹可转位车刀。

（4）工序加工余量的确定 加工余量是指加工过程中切去的材料层的厚度。相邻工序的工序尺寸之差称为工序余量，毛坯尺寸与零件图设计尺寸之差称为加工总余量，加工总余量等于各工序余量之和。

在数控车床加工过程中，粗加工时应选择尽可能大的工序余量，半精加工的径向单边工序余量一般在1～2mm，精加工的径向单边工序余量一般在0.2～0.5mm。

（5）切削用量的选择 数控车削加工切削用量包括主轴转速（切削速度）、背吃刀量和进给量。合理选择切削用量的原则是：粗加工时，一般以提高生产率为主，但也应考虑经济性和加工成本；半精加工和精加工时，应在保证加工质量的前提下，兼顾切削效率、经济性和加工成本。具体数值应根据机床说明书允许的切削能力，参考切削用量手册，并结合经验而定。