数控编程中的工艺分析

1.数控加工工艺的特点

数控加工工艺与常规加工工艺在工艺设计过程和设计原则上是基本相似的，但数控工艺也有不同于常规加工工艺的特点。在普通机床上加工零件时，工序卡片的内容比较简单，很多内容如走刀路线的安排、切削用量的大小等，可由操作工人自行决定；数控加工程序是数控机床的指令性文件，控制数控机床的机械机构运行，加工过程必须按照程序执行。因此，数控加工程序与普通机床工艺规程有较大差别，涉及的内容也较多。数控机床加工程序不仅包括零件加工的工艺过程，而且还要包括切削量、走刀路线、刀具尺寸以及机床的运动过程。因此，要求编程人员对数控机床的性能、特点、运动方式、刀具系统、切削规范以及工件的装夹方法都要非常熟悉。工艺方案的好坏不仅会影响机床效率的发挥，而且将直接影响到零件的加工质量。

2.数控加工工艺的主要内容

数控加工艺概括起来，主要包括以下内容：

①选择适合在数控机床上加工的零件，确定工序内容。

②分析被加工零件的图样，明确加工内容及技术要求。

③确定零件的加工方案，制定数控加工工艺路线。如划分工序、安排加工顺序以及处理与非数控加工工序的衔接等。

④加工工序的设计，如选取零件的定位基准、夹具方案的确定、划分工步、选取刀具和确定切削用量等。

⑤数控加工程序的调整。选择对刀点和换刀点，确定刀具补偿及加工路线。

⑥分配数控加工中的公差。

⑦处理数控机床上的部分工艺指令。

3.数控加工工艺分析的一般步骤与方法

（1）数控加工内容及加工方法的选择

在分析零件精度、形状及其他技术条件的基础上，考虑零件是否适合在数控机床上进行加工以及选择什么类型的数控机床加工。

通常，考虑是否选择在数控机床上加工的因素是：零件的技术要求能否保证，对提高生产率是否有利，经济上是否合适。一般来说，零件的复杂程度高、精度要求高，多品种、小批量的生产，采用数控机床加工能获得较高的经济效益。

当选择并决定某个零件进行数控加工后，并不是一定要把所有的加工内容都包下来，而可能只是对其中的一部分进行数控加工，因此必须对所要加工的零件进行仔细的工艺分析，选择那些适合于进行数控加工的内容和工序。选择数控加工内容时，应考虑以下问题：

1）优先选择普通机床上无法加工的内容，作为数控加工内容；重点选择普通机床难加工、质量也难以保证的内容，作为数控加工的内容；普通机床加工效率低、工人操作劳动强度大的内容，可考虑在数控机床上加工。

2）与上述内容比较，下列一些内容则不宜选择采用数控机床加工：

①需要通过较长占机时间调整的内容，如以毛坯的粗基准定位来加工第一个精基准的工序等。

②必须按专用工装协调孔及其他加工内容。主要原因是采集编程用的资料有困难，协调效果也不一定理想。

③不能在一次装夹中加工完成的其他零星部位，采用数控加工很麻烦，效果不明显，可安排在普通机床进行补加工。

此外，在选择数控加工内容时，也要考虑生产批量、生产周期和工序间周转情况等因素；还要注意充分发挥数控机床的效益，防止把数控机床当做普通机床使用。

（2）选择数控加工方法

1）旋转体零件的加工 这类零件一般在数控车床上加工，其毛坯多采用棒料或锻坯，零件的形状往往是阶梯形或圆柱形零件，其特点是加工余量大且不均匀。在编写加工程序时，主要考虑的问题是粗车时的加工路线。

2）孔系零件的加工 在零件上进行孔系加工时，由于孔与孔之间的位置精度要求较高，宜用点位或直线控制的数控钻镗床或数控加工中心加工。这样不仅可以减轻工人的劳动强度，提高生产率，而且还易于保证精度。加工这类零件时，孔系的定位多用快速运动，有两坐标联动的数控机床，可以指令两轴同时运动；没有联动的数控机床，则只能指令两个坐标轴依次运动。此外，在编制加工程序时，还可以采用子程序调用或循环指令的方法来减少程序段的数量，以减少加工程序的长度和提高加工的可靠性。

3）平面和曲面轮廓零件的加工 平面轮廓的零件，多采用三个或三个以上坐标联动的数控铣床或加工中心加工。为了保证加工质量和刀具受力状况良好，加工过程中尽量使刀具回转轴线与加工表面处处垂直或相切。因此，加工这类零件常采用具有旋转坐标的四坐标、五坐标联动的数控铣床加工。

4）模具型腔的加工 该类零件通常型腔表面复杂、不规则，尺寸精度及表面质量要求高，且加工材料硬度高、韧性大，此时可考虑选用数控电火花机床成形加工。用该法加工零件时，由于电极与工件不接触，没有机械加工时的切削力，故特别适宜加工低刚度工件和进行细微加工。

5）平板类零件的加工 该类零件可考虑选择数控线切割机床加工。这种加工方法除了内侧角部的最小半径由金属丝直径限制外，任何复杂的内外侧形状都可以加工，而且加工余量少，加工精度高，而无需考虑工件的硬度如何，只要是导体或半导体材料均可。

（3）加工工序的划分

工序划分的原则有两种：工序集中原则和工序分散原则。

工序集中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较多。工序集中的特点是：

①有利于采用高生产率的专用设备和数控机床，可大大提高劳动生产率。

②设备数量少，减少了操作工人和操作面积。

③工序数目少，工艺路线短，简化了生产计划和生产组织工作。

④工件安装次数少，缩短了辅助时间，容易保证加工表面的相互位置精度。

⑤数控机床、专用设备和工艺装备投资大，尤其是专用设备和工艺装备的调整和维修比较麻烦，生产准备工作量大，新产品转换周期长。

工序分散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很少。工序分散的特点是：

①设备与工艺装备比较简单，调整方便，工人容易掌握，生产准备工作量少，容易适应产品的更换。

②便于采用最合理的切削用量，减少基本时间。

③设备数量少，操作人员多，生产面积大。

在拟订工艺路线时，工序集中与分散的程度，即工序数目的多少，主要取决于生产规模、现有的生产条件、零件的结构特点和技术要求。在数控机床上加工零件，一般采用工序集中的原则安排工序，同时考虑到数控机床的特点及保持数控机床的精度，延长数控机床的使用寿命，降低数控机床的使用成本。零件的粗加工应尽可能安排在普通机床上，完成以后再装夹到数控机床上进行加工。

加工工序划分时，除应考虑工序集中和工序分散外，还需考虑以下一些原则：

①按粗、精加工划分工序。考虑到零件的加工精度、刚度和变形等因素，应将零件的粗、精加工工序分开进行，即先进行粗加工、半精加工，而后进行精加工。这样，一方面可使粗加工引起的各种变形得到恢复，另一方面能及时发现毛坯的各种缺陷，并能发挥粗加工的效率。在粗加工后精加工前，最好有段时间间隔或安排时效处理后再进行后续工序，以消除由于粗加工时工件产生的内应力，提高零件的加工精度。

②按先面后孔划分工序。对箱体类零件，为提高孔的位置精度，应先加工面后加工孔，这与在普通机床上加工的原则相同。

③按所用刀具划分工序。在数控机床上，为了减少换刀次数，缩短辅助时间，减少不必要的定位误差，可按刀具集中工序的方法加工零件，即在一次装夹中应尽可能用同一把刀具加工完零件上要求相同的部位后，再用另一把刀具加工其他部位。

（4）工件的装夹方式

与普通机床一样，在数控机床上工件进行定位安装时，也要合理选择定位基准和夹紧方案。所选择的定位方式应具有较高的定位精度，没有过定位干涉现象且便于工件的安装，绝不允许出现欠定位。同时，选择定位方式时应尽量减少定位误差。考虑夹紧方案时，要注意夹紧力的作用点和作用力方向，夹紧力作用点应靠近主要支撑点或在支撑点所组成的三角形区域内。

选择定位和夹紧方式时，应注意以下几个方面：

①尽可能选用标准夹具（组合夹具），在成批生产时才考虑专用夹具，并力求夹具结构简单。

②装卸工件要方便可靠，以缩短辅助时间和保证安全。

③工件定位夹紧的部位应不妨碍各部位的加工、刀具更换及重要部位的测量，尤其要避免刀具与工件、刀具与夹具产生碰撞的现象。

④夹具的安装要准确可靠，同时应具备足够的强度和刚度，以减小其变形对加工精度的影响。

⑤应尽可能采用气、液压夹具。有时为了提高加工效率，还可以采用多位多件夹具，它可以同时装夹多个中小工件进行加工。

（5）对刀点和换刀点的确定

“对刀点”是指数控加工时刀具相对工件运动的起点，这个起点也是编程时程序的起点。因此，“对刀点”也称“程序起点”或“起刀点”。在编程时应正确选择对刀点的位置，选择的原则如下：

①选定的对刀点位置应便于数学处理和使程序编制简单。

②在机床上容易找正。

③加工过程中便于检查。

④引起的加工误差小。

对刀点可以选在工件（如工件的设计基准或定位基准）上，也可选在夹具或机床上（夹具或机床上应设相应的对刀装置）。若对刀点选择在夹具或机床上，则必须与工件的定位基准有一定的尺寸关系，以保证机床坐标系与工件坐标系的关系，如图2-2所示。

为了减少由于对刀所引起的加工误差，对刀点应尽量选在工件的设计基准或工艺基准上。例如以孔定位的工件，对刀点可选在孔的中心；用增量值编程时，对刀点可选在工件中心孔上或垂直半面的交线上；用绝对值编程时，对刀点可选在机床坐标系的原点或距机床原点为确定值的参考点上（参考点与机床原点之间的位置由行程控制组件控制），而工件定位时，工件坐标系与机床坐标系应有确定的尺寸关系。

图2-2 对刀点和换刀点的确定

对刀时，应使刀位点与对刀点重合。“刀位点”一般是指车刀、镗刀的刀尖，钻头的钻尖，立铣刀刀头低面的中心，球头铣刀的中心。

对刀点不仅是程序的起点，往往也是程序的终点。因此在批量生产中，要考虑对刀点的重复定位精度。一般情况下，刀具在加工一段时间后或每次起动机床时，都要进行一次刀具回机床原点或参考点的操作，以减少对刀点累积误差的产生。

对多刀数控机床换刀时，还要考虑换刀点的设置。为避免在加工过程中换刀时，刀具与工件、夹具、机床发生碰撞，换刀点应设置在工件外合适的位置，如图2-2所示。

（6）进给路线的选择

进给路线是指数控加工过程中，刀具相对于工件的运动轨迹和方向。进给路线除了作为编程时轨迹坐标计算的依据外，还应保证工件的加工精度和表面粗糙度，同时还应考虑尽量缩短进给路线，减少进退刀时间和其他辅助时间，并能简化程序，减少编程工作量。因此，选择进给路线时，应充分考虑上述要求，使确定的进给路线合理、实用。

在不同的数控机床上加工零件，选择进给路线所考虑的内容不完全一致。下面仅以数控车床和数控铣床加工零件时确定进给路线的方法为例进行讨论。

1）数控车床进给路线的选择 在数控车床上加工旋转体零件时，由于加工余量大和各旋转面间余量不均匀，往往不是一刀就能加工出最终形状来的，而是经过几次进给，先进行粗加工，然后沿着零件轮廓进行精加工，得到零件最终形状。这时，确定进给路线所考虑的重点是：在保证加工质量的前提下如何使加工程序具有最短的进给路线。这样不仅可以节省整个加工过程的执行时间，还能减少一些不必要的刀具损耗以及机床进给机构滑动部件的磨损等。

下面介绍几种如何保证加工精度和实现最短进给路线的方法。

①最短的切削进给路线。(www.xing528.com)

图2-3为粗车零件外形时几种不同切削进给路线的安排示意图。其中，图2-3a表示利用复合循环功能使车刀沿着工件轮廓进给的路线，图2-3b为利用程序循环功能安排的三角形进给路线，图2-3c为利用矩形循环功能而安排的矩形进给路线。

图2-3 粗车进给路线示例

a）沿工件轮廓的路线 b）三角形进给路线 c）矩形进给路线

对以上三种切削进给路线分析后可知，矩形循环进给路线的进给长度总和最短。因此，在同等条件下，其切削所需时间最短，刀具的损耗最少。

②最短的空行程路线。

图2-4 起刀点和程序原点

a）起刀点和程序原点重合 b）起刀点和程序原点分离

在安排进给路线时，为缩短行程，还要考虑使刀具的空行程尽量缩短。通常，通过合理选择起刀点、合理安排“回空路线”都能使空行程路线缩短。图2-4为采用矩形循环方式进行粗车而安排的两种不同进给路线示例。

图2-4a所示为程序原点和起刀点重合在一起，均为A点。按三刀粗车的走刀路线安排如下：

第一刀：A—B—C—D—A；

第二刀：A—E—F—G—A；

第三刀：A—H—I—J—A。

图2-4b所示为程序原点A与起刀点B分离，仍按相同的切削量进行三刀粗车，其走刀路线安排如下：

程序原点至起刀点空行程：A—B；

第一刀：B—C—D—E—B；

第二刀：B—F—G—H—B；

第三刀：B—I—J—K—B。

显然，图2-4b所示的进给路线短。上例中将程序原点A设置在离工件较远处的原因，是考虑到粗车后精车时换刀的方便和安全。

图2-5所示为车削大余量工件的三种阶梯切削进给路线。按图2-5a中1～5的顺序切削，每次切削所留余量基本相等，可以保证精加工时的余量均匀；若按图2-5b所示的方法加工，在同样背吃刀量的条件下，加工后所剩余量过多且不均匀，不利于后续精加工质量的保证；图2-5c所示是根据数控加工的特点可以不采用阶梯车削法，而改用X、Z轴插补功能，沿工件毛坯轮廓进给的路线加工，从而更能保证精加工时的余量均匀。

图2-5 大余量毛坯的切削路线

a）切削路线一 b）切削路线二 c）切削路线三

2）数控铣床进给路线的选择 数控铣削加工中，进给路线对零件的加工精度和表面质量有直接的影响。同时，进给路线的长短及合理与否，还会影响到铣削加工的生产率。因此，如何确定合理的进给路线，是保证铣削加工精度和表面质量、提高生产率的工艺措施之一。确定铣削进给路线时，考虑的因素有铣削表面的形状、零件的表面质量要求、机床进给机构的间隙、刀具耐用度等因素。下面对常见的几种轮廓形状如何确定进给路线进行介绍。

①铣削外轮廓表面的进给路线。

图2-6所示为零件外轮廓表面铣削加工示意图。为防止在刀具切入、切出时产生刀痕，应沿轮廓切线方向切入、切出，而不应沿法向方向。同时，在编程时最好沿切线方向延长一段距离来计算刀具的切入点和切出点坐标，以避免在取消刀具补偿时，刀具与工件产生碰撞而损伤工件。

②铣削内轮廓表面的进给路线。

图2-7所示为铣削内轮廓表面的三种进给路线示意图。图2-7a表示采用行切法的进给路线。图2-7b表示采用环切法的进给路线。图2-7c表示先采用行切法，最后一刀用环切法的进给路线。图2-7a方案中由于表面不是连续加工完成的，在两次接刀之间表面会留下刀痕。所以表面质量较差，但加工路线较短；图2-7b方案中克服了表面加工不连续的缺点，但进给路线太长，效率较低；图2-7c方案克服了前两种方案的不足，先采用行切法，最后环切一刀，光整表面轮廓，获得较好的效果。

图2-6 外轮廓表面铣削

图2-7 内轮廓表面铣削

a）行切法 b）环切法 c）先行切后环切

图2-8顺铣和逆铣

1、2—刀齿 a）逆铣 b）顺铣

③顺铣和逆铣的选择。

铣削有顺铣和逆铣两种方式。图2-8a所示为铣刀切削速度v与工件进给速度v_f的方向相反，称为逆铣；图2-8b所示为铣刀切削速度v与工件进给速度v_f的方向相同，称为顺铣。当工件表面无硬皮、机床进给机构无间隙时，应选用顺铣，按照顺铣安排进给路线。因为采用顺铣加工后，零件已加工表面质量好，刀齿磨损小。精铣时，尤其是工件材料为铝镁合金、钛合金或耐热合金时，应尽量采用顺铣。当工件表面有硬皮、机床的进给机构有间隙时，应选用逆铣，按照逆铣安排进给路线。因为逆铣时，刀齿是从已加工表面切入，不会崩刀；机床进给机构的间隙不会引起振动和爬行。

另外，在安排铣削进给路线时，应尽量避免在轮廓加工中进给停顿。因为在加工过程中，由机床、刀具、夹具、工件组成的工艺系统处于弹性变形平衡状态下；进给停顿时，切削力减小会改变系统的平衡状态，刀具会在进给停顿处的零件表面留下凹痕。进给停顿对零件表面的影响如图2-9所示。

以上分别对数控车削和数控铣削加工的进给路线安排进行了介绍。在其他加工中，例如数控钻削加工和镗削加工应按照尽量缩短进给路线、减少进退刀时间和其他辅助时间，能简化程序、减少编程工作量的原则合理安排进给路线，以保证加工精度的要求和提高生产率。

图2-9 进给停顿对零件表面的影响

（7）数控加工余量的选择

加工余量指的是切削过程中，所切去金属层的厚度。目前，确定加工余量的常用方法如下。

1）查表法 查表法是根据各工厂的生产实践和实验研究积累的资料，先制成各种表格，再汇集成手册。确定加工余量时先查阅这些手册，并结合工厂的实际情况进行适当修改后确定。目前，我国各工厂普遍采用查表法。

2）经验估算法 经验估算法是根据工艺编制人员的实际经验确定加工余量。一般情况下，为了防止因余量过小而产生废品，故经验估算法的数值总是偏大。经验估算法常用于单件小批量生产。

3）分析计算法 分析计算法是根据一定的试验资料和上述的加工余量计算公式，分析影响加工余量的各项因素，并计算确定加工余量。这种方法比较合理，但必须有比较全面和可靠的试验资料。

目前，该法只在材料十分贵重，以及少数大量生产的工厂或军工生产中采用。

在确定加工余量时，要分别确定加工总余量（毛坯余量）和工序余量。加工总余量的大小与所选择的毛坯制造精度有关。用查表法确定工序余量时，粗加工工序余量不能用查表法得到，而是由总余量减去其他各上道工序的余量而得。

（8）切削用量的选择

在程序设计时，编程人员必须确定每道工序的切削用量。编程人员选择切削用量时，一定要充分考虑影响切削加工的各种因素，正确地选择切削条件，合理地确定切削用量，可有效地提高机械加工质量和产量。影响切削条件的因素有：

①机床、工具、刀具及工件的刚性。

②切削速度、背吃刀量、切削进给率。

③工件精度及表面粗糙度。

④刀具预期寿命及最大生产率。

⑤切削液的种类、冷却方式。

⑥工件材料的硬度及热处理状况。

⑦工件数量。

⑧机床的寿命。

上述诸因素中，切削速度、背吃刀量、切削进给率为主要因素。

切削速度（切削表面速度）是指单位时间内刀具从工件表面所切过的距离，通常用m/min或m/s表示。切削速度直接影响切削效率，若切削速度过慢，则切削时间会加长，刀具无法发挥其功能；若切削速度太快，虽然切削时间可以缩短，但是刀具容易产生高热，影响刀具的寿命。决定切削速度的因素很多，概括起来有以下几种。

①刀具材质。刀具材料不同，允许的最高切削速度也不同。高速钢工具耐高温切削速度不到50m/min，碳化物刀具耐高温切削速度可达100m/min以上，陶瓷刀具的耐高温切削速度可高达1000m/min。

②工件材料。工件材料硬度会影响刀具切削速度，同一刀具在加工硬材料时，切削速度会降低；而加工较软材料时，切削速度可以提高。

③刀具寿命。刀具使用时间（寿命）要求长，则应采用较低的切削速度；反之，可采用较高的切削速度。

④背吃刀量与进给率。背吃刀量与进给率大，切削抗力也大，切削热会增加，故切削速度应降低。

⑤刀具的形状。刀具的形状、角度的大小、刃口的锋利程度都会影响切削速度的选取。

⑥切削液使用。在切削时使用切削液，可有效降低切削热，从而可以提高切削速度。

⑦机床性能。机床刚性好、精度高，可提高切削速度；反之，则需降低切削速度。

（9）数控加工工艺文件

数控加工工艺文件是操作者必须遵守、执行的规程，是编程员编制的与程序清单相配套的有关技术文件。数控加工文件的好坏将直接影响加工的质量和效益，因此在编制文件前，应对工件毛坯质量、刀辅具系统、夹具状况和机床的性能特点进行调查研究，熟悉和掌握涉及数控加工的有关技术信息，力求编出高质量的文件来，当零件的加工工艺设计之后（即工艺过程确定之后），就应该将与加工有关的内容填入各种相应的卡片中，以便贯彻执行，并将其作为生产前的技术准备的依据。常用的数控加工工艺文件有工艺规程卡（也称工艺卡）刀具调正卡和加工程序单。加工中心的加工工艺文件，由于工件复杂，加工部位多，涉及的刀辅具也多，因此务必详细研究工件图样，细致地安排每一道工序，乃至全部工序。对十分复杂或者毛坯状态和前面加工内容不太明确的工件，必要时还需绘制出毛坯状态图、辅助工艺图等图样。