第一篇 数控加工工艺基础

基础一 数控加工工艺与编程的研究内容及任务

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，它以机械制造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。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，它是人们大量数控加工实践的经验总结。

数控机床的加工工艺与通用机床的加工工艺有许多相同之处，但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，使数控加工工艺与普通加工工艺具有一定的差异。在数控机床上加工零件的工艺规程比通用机床要复杂得多，数控机床在数控加工前，要将机床的运动过程、零件的工艺过程、刀具的形状、切削用量和走刀路线等都要编入程序，这就要求程序设计人员具有多方面的知识基础。一个合格的程序设计人员首先是一个合格的工艺人员，否则就无法做到全面、周到地考虑零件加工的全过程，以及正确、合理地编制零件的加工程序。

（一）数控加工工艺与普通加工工艺的差异

1.数控加工工艺内容要求更加具体、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、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：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

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事先精心考虑，否则将导致严重的后果。例如：

① 攻螺纹时，数控机床不知道孔中是否已挤满切屑，是否需要退刀清理切屑再继续加工。

② 普通机床加工可以多次“试切”来满足零件的精度要求，数控加工过程严格按规定尺寸进给，要求准确无误。

3.制订数控加工工艺要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精度的影响

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。根据差补原理分析，在数控系统已定的条件下，进给速度越快，则插补精度越低，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，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，所编程序只能推倒重来。

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，并且由于在数控机床上尽可能安排较复杂的工序，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，所以制订数控加工工艺的着重点在整个数控加工过程的分析，关键是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，当然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。

（二）数控加工工艺的主要内容

数控加工中进行数控加工工艺设计的主要内容包括：

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；

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）数控加工的特点及应用范围

与普通机床相比，数控机床是一种机电一体化的高效自动机床，它具有以下加工特点：

① 具有广泛的适应性和较高的灵活性，当改变加工零件时，只要改变数控程序即可，所以适合于产品更新换代快的要求。

② 能够实现复杂工件的加工。由于数控机床能够实现多轴联动，可加工出普通机床无法完成的空间曲线和曲面，因而在航空、航天领域和对复杂型面的模具加工中得到了广泛应用。

③ 可以采用较高的切削速度和进给量。

④ 加工精度高，质量稳定。数控机床一般采用闭环（半闭环）位置控制，机床本身精度高，此外还可以进行间隙补偿和螺距误差补偿参数的修改进行精度校正和补偿。例如，加工中心一类的数控机床还配有刀库，具有多工序加工能力，可以实现工件的一次装夹后多道工序连续加工，从而消除了多次装夹引起的定位误差。

⑤ 加工生产率高。数控机床的刚性好、功率大，主轴转速高，进给速度范围宽，平滑无级变速，容易选择较大及合理的切削用量，可以减少许多调整时间。此外，数控机床加工可免去画线工序，节省加工过程的中间检验时间，空行程速度远高于普通机床，因此也能省出大量的辅助时间，获得良好的经济效益。

⑥ 自动化程度高，劳动强度低。数控机床能够在程序的控制下自动实现零件的加工功能，加工过程一般不需要人工干预，可大大降低工人的劳动强度。

⑦ 产品一致性好。由于数控机床按照预定的加工程序自动进行加工，加工过程消除了操作者人为的操作误差，因而零件加工的一致性好。

⑧ 机械传动链短，结构简单。数控机床的主传动多采用无级变速或分段无级变速，主轴箱结构简单；进给传动采用伺服电机驱动，省去了庞杂的进给变速箱。因此，传动链短，机械结构简单。

数控机床的性能特点决定了它的应用范围。对于数控加工，可按适应程度将加工对象大致分为三类。

1.最适应类

① 加工精度要求高，形状、结构复杂，尤其是具有复杂曲线、曲面轮廓的零件。

② 具有不开畅内腔的零件。这类零件用通用机床很难加工，很难检测，质量也难保证。

③ 在一次装夹中完成铣、钻、绞、锪或攻螺纹等多道工序的零件。

2.较适应类

① 价格昂贵，毛坯获得困难，不允许报废的零件。这类零件在普通机床上加工时，有一定难度，受机床的调整、操作人员的精神和工作状态等多种因素影响，容易产生次品或废品。为可靠起见，可选择在数控机床上进行加工。

② 在通用机床上加工生产效率低，劳动强度大，质量难稳定控制的零件。

③ 用于改型比较、供性能测试的零件（它们要求尺寸一致性好）。

④ 多品种、多规格、单件小批量生产的零件。

3.不适应类

① 利用毛坯作为粗基准定位进行加工或定位完全需要人工找正的零件，占机调整时间长。

② 数控机床无在线检测系统可自动检测调整零件位置坐标的情况下，加工余量很不稳定的零件。

③ 必须用特定的工艺装备，或依据样板、样件加工的零件或加工内容。

④ 需大批量生产的零件。

⑤ 加工部位分散，需要多次安装、设置原点的零件。

对于不适应类零件，采用数控加工很麻烦，效果不明显，可安排通用机床补加工。

随着数控机床性能的提高、功能的完善和成本的降低，随着数控加工用的刀具、辅助用具的性能不断改善与提高以及数控加工工艺的不断改进，利用数控机床高自动化、高精度、工艺集中的特性，将数控机床用于大批量生产的情况逐渐多了起来。因此，适应性是相对的，会随着科技的发展而发生变化。

此外，在选择和决定加工内容时，也要考虑生产批量、生产周期、工序间周转情况等。总之，要尽量做到合理，达到多、快、好、省的目的。要防止把数控机床降格为通用机床使用。

（四）数控加工与工艺技术的新发展

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，使其朝着高速度、高精度、复合化、智能化、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。数控加工与工艺技术的新发展具体体现在以下几个方面。

1.高速度

受高生产率的驱使，高速化已成为现代机床技术发展的重要方向之一，主要表现在以下几个方面。

（1）数控机床主轴高转速

提高主轴转速的手段主要是采用电主轴（内装式主轴电动机），即主轴电动机的转子轴就是主轴部件，从而可将主轴转速大大提高。日本的超高速数控立式铣床，主轴最高转速达100，000r/min。

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低，热变形大大减小，提高了加工精度，也改善了加工面粗糙度。因此，经过高速加工的工件一般不需要精加工。

（2）工作台高快速移动和高进给速度

当今知名数控系统的进给率都有了大幅度的提高。目前，最高水平是分辨率为1μm时，最大快速进给速度可达240m/min；当程序段设定进给长度大于1mm时，最大进给速度可达80m/min。

2.高精度

高精加工是高速加工技术与数控机床的广泛应用的结果。以前汽车零件的加工精度要求在0.01mm数量级，现在随着计算机硬盘、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0.1μm，加工精度进入了亚微米级。提高数控设备加工精度的方法有以下几种：

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 采用齿隙补偿、丝杆螺距误差补偿、刀具误差补偿、热变形误差补偿、空间误差综合补偿等技术。

3.复合化

机床的复合化加工是通过增加机床的功能，减少工件加工过程中的多次装夹、重新定位、对刀等辅助工艺时间，来提高机床利用率。复合化加工的两重含义：

① 工序和工艺的集中。一次装夹可完成多工种、多工序的加工。

② 工艺的成套。企业向复合型发展，为用户提供成套服务。

4.智能化

数控技术智能化程度不断提高，主要体现在以下几个方面：

① 加工过程自适应控制技术——监测加工过程中的刀具磨损、破损、切削力、主轴功率等信息并进行反馈，利用传统的或现代的算法进行调节运算，实时修调加工参数或加工指令，使设备处于最佳运行状态，以提高加工精度和设备运行安全性。

② 加工参数的智能优化与选择——将加工专家的经验、切削加工的一般规律与特殊规律，按人工智能中知识表达的方式建立知识库存入计算机，以加工工艺参数数据库为支撑，建立专家系统，并通过它提供经过优化的切削参数，使加工系统始终处于最优和最经济的工作状态，从而达到提高编程效率和加工工艺技术水平，缩短生产准备时间的目的。目前，已开发出的自带学习功能的“神经网络电火花加工专家系统”，带有人工智能式自动编程功能的7000系列数控系统（日本大隈公司）。

③ 故障自诊断功能——故障诊断专家系统为数控设备提供了一个包括二次监测、故障诊断、安全保障和经济策略等方面在内的智能诊断及维护决策信息集成系统。采用智能混合技术，可在故障诊断中实现以下功能：故障分类、信号提取与特征提取、故障诊断专家系统、维护管理等。

④ 智能化交流伺服驱动装置。目前，已开始研究能自动识别负载，并自动调整参数的智能化伺服系统，包括智能主轴交流驱动装置和智能化进给伺服装置。这种驱动装置能自动识别电动机及负载的转动惯量，并自动对控制系统参数进行优化和调整，使驱动系统获得最佳运行。

5.信息网络化

网络功能正逐渐成为现代数控机床、数控系统的特征之一。诸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）、远程培训等都是以网络功能为基础的。例如，美国波音公司利用数字文件作为制造载体，首次利用网络功能实现了无图纸制造波音777新型客机。