数控加工及其工艺概述

任务描述

通过相关知识的学习，了解数控加工工艺的作用，掌握数控加工工艺的主要内容。

能力目标

1.能阐述数控加工中加工工艺的作用；

2.能说出数控加工工艺的概念；

3.能阐述数控加工工艺的主要内容；

4.能说出数控加工工艺的发展趋势。

相关知识

“数控加工工艺”是以数控机床加工中的工艺问题为研究对象的一门综合基础技术课程。它以机械制造中的工艺基本理论为基础，结合数控机床高精度、高效率和高柔性等特点，综合应用多方面的知识，解决数控加工中的工艺问题。

一、数控加工工艺过程的概念

数控加工工艺是采用数控机床加工零件时所运用各种方法和技术手段的总和，应用于整个数控加工工艺过程。

数控加工工艺是伴随着数控机床的产生、发展而逐步完善起来的一种应用技术。它是人们大量数控加工实践的经验总结。

数控加工工艺过程是利用切削刀具在数控机床上直接改变加工对象的形状、尺寸、表面位置及表面状态等，使其成为成品或半成品的过程。

利用数控机床完成零件数控加工的过程如图1-1-1所示。它主要包括以下内容：

图1-1-1　数控加工的过程

①根据零件加工图样进行工艺分析，确定加工方案、工艺参数和位移数据。

②用规定的程序代码和格式编写零件加工程序，或用自动编程软件进行CAD/CAM工作，直接生成零件的加工程序文件。

③程序输入或传输。手工编程时，可通过数控机床的操作面板输入加工程序；由编程软件生成的程序，可通过计算机的串行通信接口直接传输到数控机床的数控单元（MCU）。

④调试输入或传输到数控单元的加工程序，进行试运行、刀具路径模拟等。

⑤通过对机床的正确操作，运行程序，完成零件的加工。

由图1-1-1 可知，数控加工过程是在一个由数控机床、刀具、夹具及工件构成的数控加工工艺系统中完成的。数控机床是零件加工的工作机械，刀具直接对零件进行切削，夹具用来固定被加工零件并使之占有正确的位置，加工程序控制刀具与工件之间的相对运动轨迹。

图1-1-2 是数控加工工艺系统的构成及相互关系。工艺系统性能的好坏直接影响零件的加工精度和表面质量。

二、数控加工工艺设计的主要内容

在数控加工中，进行数控加工工艺设计主要包括以下内容：

①选择并确定进行数控加工的内容。

②对零件图纸进行数控加工的工艺分析。

③零件图形的数学处理及编程尺寸设定值的确定。

④数控加工工艺方案的制订。

图1-1-2　数控加工工艺系统

⑤工步、进给路线的确定。

⑥选择数控机床的类型。

⑦刀具、夹具、量具的选择和设计。

⑧切削参数的确定。

⑨加工程序的编写、校验和修改。

⑩首件试加工与现场问题处理。

⑪数控加工工艺技术文件的定型与归档。

三、数控加工工艺的特点

数控加工通过使用计算机控制系统和数控机床，使数控加工具有加工自动化程序高、精度高、质量稳定、生成效率高、周期短及设备使用费用高等特点。数控加工在加工工艺上，也与普通加工工艺有一定的差异。

1.数控加工工艺内容要求更具体、更详细

普通加工工艺：许多具体工艺问题，如工步的划分与安排、刀具的几何形状与尺寸、走刀路线、加工余量及切削用量等，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，一般无须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。

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。数控工艺不仅包括详细的切削加工步骤，还包括工夹具型号、规格、切削用量及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、更精确

普通加工工艺：加工时，可根据加工过程中出现的问题较自由地进行人为调整。

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有精心的考虑，否则将导致严重的后果。

①在攻螺纹时，数控机床无法得知孔中是否已挤满切屑，因此，必须考虑是否需要退刀清理一下切屑再继续加工。

②普通机床加工可通过多次“试切”来满足零件的精度要求，数控加工过程必须严格按规定尺寸进给，要求准备无误。

3.制订数控加工工艺要求进行零件图形的数学处理和编程尺寸设定值的计算

编程尺寸并不是零件图上设计的尺寸的简单再现，而是在对零件图进行数学处理和计算时，编程尺寸设计值要根据零件尺寸公差要求和零件形状的几何关系重新调整与计算，才能确定合理的编程尺寸。(www.xing528.com)

4.考虑进给速度对零件形状精度的影响

在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。根据分析插补原理，在数控系统已定的条件下，进给速度越快，插补精度越低，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

复杂形面的加工编程通常采用自动编程方式，而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，所配的刀具也较好，因此，在同等情况下，数控机床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序越来越高，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，并且在数控机床上尽可能安排较复杂的工序。数控加工的工序内容比普通机床加工的工序内容复杂。

③由于数控机加工的零件较复杂，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

在普通加工工艺中，划分工序、选择设备等重要内容对数控加工工艺来说属于已基本确定的内容，因此，制订数控加工工艺的着重点在整个数控加工过程的分析，关键在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，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最大的不同之处。

四、数控加工的新发展

随着计算机技术突飞猛进的发展，数控技术正不断地采用计算机、控制理论等领域的最新技术成就，使其朝着高速化、高精化、复合化、智能化、高柔性化及信息网络化等方向发展。整体数控加工技术向着CIMS（计算机集成制造系统）方向发展。

1.高速切削

高速加工与传统的数控加工方法相比并没有什么本质的区别，两者牵涉同样的工艺参数，但其加工效果相对于传统的数控加工有着无可比拟的优越性：

☆有利于提高生产率；

☆有利于改善工件的加工精度和表面质量；

☆有利于延长刀具的使用寿命和应用直径较小的刀具；

☆有利于加工薄壁零件和脆性材料；

☆经济效益显著提高；

☆简化了传统加工工艺。

受高生产率的驱使，高速化已是现代机床技术发展的重要方向之一。它主要表现在：

1）数控机床主轴高转速

作用：主轴高转速减少了切削力，也减少了切削深度，有利于克服机床振动，排屑率大大提高，热量被切屑带走，故传入零件中的热量减少，热变形大大减小，提高了加工精度，也改善了加工表面粗糙度。因此，经过高速加工的工件一般不需要精加工。

提高主轴转速的手段：采用电主轴（内装式主轴电动机），即主轴电动机的转子轴就是主轴部件，从而使主轴转速大大提高。

日本的超高速数控立式铣床的主轴最高转速达100 000 r/min。

2）工作台高速移动和高进给速度

目前的最高水平是：当分辨率为1 μm 时，最大快速进给速度可达240 m/min；当程序段设定进给长度大于1 mm 时，最大进给速度达80 m/min。

2.高精加工

高精加工是高速加工技术与数控机床的广泛应用结果。以前汽车零件的加工精度要求在0.01 mm 数量级，现在随着高精度液压轴承等精密零件的增多，精整加工所需精度已提高到0.1 μm，加工精度进入了亚微米世界。

提高数控设备加工精度的方法如下：

①提高机械设备的制造精度和装配精度。

②减小数控系统的控制误差。提高数控系统的分辨率，以微小程序段实现连续进给，使CNC 控制单位精细化提高位置检测精度，位置伺服系统采用前馈控制与非线性控制。

③采用补偿技术，如齿隙补偿、丝杠螺距误差补偿、刀具误差补偿、热变形误差补偿及空间误差综合补偿等技术。

3.复合化

以减少工序、辅助时间为主要目的的复合加工正朝着多轴、多系列控制功能方向发展。数控机床的工艺复合化是指工件在一台机床上一次装夹后，通过自动换刀、旋转主轴头或转台等各种措施，完成多工序、多表面的复合加工，以减少非加工时间。由于在零件加工过程中有大量的无用时间消耗在工件搬运、上下料、安装调整、换刀及主轴的升降速上，因此，具有复合功能的机床是近年来发展很快的机种，其核心是在一台机床上要完成车、铣、钻、镗、攻丝、铰孔及扩孔等多种操作工序。此外，数控切削加工方法与特种加工（如电加工、激光加工和超声加工等）方法或热加工（如焊接）方法的复合，也形成各种新的复合加工机。这些复合加工技术的机床已开始越来越多地在航空航天产品制造中得到应用。例如，数控车铣复合加工机床应用于导弹筒体、飞机弹射器滑座壳体和机翼连接件等加工，车焊一体化数控机床解决航空产品上的大型薄壁筒体的回转面切削加工与对焊，等等。

4.智能化

智能化加工是一种基于知识处理理论和技术的加工方式。发展智能加工的目的是解决加工过程中众多不确定性的、要求人工干预才能解决的问题。计算机软硬件技术的发展和人工智能技术的发展促进了机床数控系统智能化的进程。

数控加工智能化趋势有以下两个方面：

①采用自适应控制技术，以提高加工质量和效率。把精细的程序控制和连续的适应调节结合起来，使系统的运行达到最优。其追求目标是：保护刀具和工件，适应材料的变化，改善尺寸控制，提高加工精度，保持稳定的质量，寻求最高的生产率和最低的成本消耗，简化零件程序的编制，以及降低对操作人员经验和熟练程度的要求等。

②在现代数控机床上装备多种监控和检测装置，对工件、刀具等进行监测，实时监视加工的全部过程，发现工件尺寸超差、刀具磨损或崩刃破损便立即报警，并给予补偿或调换刀具。在故障诊断中，除了采用专家系统外，还将模糊数学和神经网络应用其中，并取得良好的效果。

5.高柔性化

柔性是指机床适应加工对象变化的能力。提高数控机床柔性化正朝着两个方向努力：一是提高数控机床的单机柔性化；二是向单元柔性化和系统柔性化发展。

机器人使柔性化组合效率更高，机器人与主机的柔性化组合使柔性更灵活，功能进一步扩展，加工效率更高。机器人与加工中心、车铣复合机床、磨床、齿轮加工机床、工具磨床、电加工机床、锯床、冲压机床及激光加工机床等组成多种形式的柔性生产线，并已开始应用。

6.互联网络化

网络功能正逐渐成为现代数控机床、数控系统的特征之一。例如，现代数控机床的远程故障诊断、远程状态监控、远程加工信息共享、远程操作（危险环境的加工）及远程培训等都是以网络功能为基础的。

巩固与提高

1.简述数控加工工艺过程的概念。

2.简述数控加工工艺设计的主要内容。

3.简述数控机床的发展趋势。