基础二 数控加工编程与工艺基础

一、生产过程和工艺过程概述

（一）基本概念

1.生产过程

机械产品制造时，把原材料转变为产品的全过程，称为生产过程。

生产过程主要包括：

① 生产技术准备过程。产品投入生产前的各项生产和技术准备工作，如产品的设计和试验、工艺设计、专用工艺装备的设计与制造、各种生产资料的准备以及生产组织等。

② 毛坯的制造过程。如铸造、锻造等。

③ 零件的各种加工过程。如机械加工、焊接、热处理等。

④ 产品的装配过程。包括部装、总装、调试等。

⑤ 各种生产服务活动。如生产中原材料、半成品和工具的供应、运输、保管，以及产品的包装和发货运输等。

2.工艺过程

改变生产对象的形状、尺寸、相对位置和性质等，使其成为成品或半成品的过程，称为工艺过程。工艺过程包括毛坯的制造过程、机械加工、热处理、装配等过程。工艺过程是生产过程的主体。

3.机械加工工艺过程

利用机械力对各种工件进行加工的过程，称为机械加工工艺过程。它主要是指使材料或毛坯改变形状、尺寸和表面质量等，使其成为成品或半成品的过程。

4.数控加工工艺过程

数控加工工艺过程主要是指机械加工工艺过程是在数控机床上完成的，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、表面质量等，使其成为成品或半成品的过程，称为数控加工工艺过程。

数控机床加工零件时所运用各种方法和技术手段的总和，称为数控加工工艺。因而数控加工工艺有别于一般的机械加工工艺，但其基本理论仍然是机械加工工艺。

（二）机械加工工艺过程的组成

1.工序

一个（或一组）工人，在一个机床（或工作地）上对一个（或同时对几个）工件所连续完成的那一部分工艺过程，称为工序。

划分工序的依据是工作地是否发生变化和工作是否连续。

如图1-1所示的阶梯轴零件，单件小批生产和大批大量生产时，按常规加工方法划分的工序分别见表1-1和表1-2。

机械加工工艺过程是由一个或若干个顺序排列的工序组成的，而工序又可分为若干个工步、装夹和进给。

注意：数控加工的工序划分比较灵活，常采用工序集中的原则。

2.工步与进给

在加工表面（或装配时连接面）和加工（或装配）工具不变的情况下，所连续完成的那一部分工艺过程，称为工步。划分工步的依据是加工表面和工具是否变化。

对在一次安装中连续进行若干个相同的工步，为简化工艺文件，常认为是一个工步。如图1-2所示零件钻削6个φ20孔，可看成一个工步——钻6×φ20孔。有时，为了提高生产效率，用几把刀具同时加工几个表面的工步（见图1-3），称为复合工步。在数控加工中，通常将一次安装下用一把刀连续切削零件上的多个表面划分为一个工步。

在一个工步内，若被加工表面需切除的余量较大，需分几次切削，每进行一次切削就称一次进给。一个工步可包括一次或几次进给。

3.装夹和工位

工件在加工前，将工件在机床或夹具中定位、夹紧的过程称为装夹。在一道工序中，工件可能只需安装一次，也可能需要安装几次。例如表1-2中的工序9，只需一次安装即可铣出键槽。

为了减少工件的装夹次数，常采用回转工作台（或夹具）、移动工作台（或夹具），使工件在一次安装中先后处于几个不同的位置进行加工，此时每个位置就称为一个工位。如图1-4所示，用移动工作台（或夹具），在一次安装中可完成铣端面、钻中心孔两个工位的加工。采用多工位加工方法，可减少安装次数，提高加工精度和效率。

（三）加工顺序的安排

1.机械加工顺序的安排原则

（1）先加工定位基准面

选定的精基准表面应安排在起始工序首先加工，以便尽早为后续工序的加工提供基准。

（2）划分加工阶段，先粗后精

对加工质量要求较高的零件，都应划分加工阶段。一般加工工艺通常划分为粗加工、半精加工和精加工三个阶段。当加工精度及表面质量要求特别高时，还应经光整加工、超精加工阶段。

粗加工阶段，主要任务是尽快地切除各表面的大部分余量。它要求有很高的生产率，但所能达到的精度和表面质量均较低；半精加工阶段，主要任务是为精加工作准备；精加工阶段，主要是保证工件加工表面达到规定的技术要求（尺寸公差要求和表面精度要求）；光整加工阶段，是从工件上切除极薄金属层或不切除金属，以获得很高表面质量（很低的表面粗糙度值或强化表面）的加工过程；超精加工阶段，是按照稳定、超微量切除原则，实现加工尺寸误差及形状误差在0.1μm以下的加工方法。

（3）先面后孔

底座、箱体、支架及连杆类零件应先加工平面，后再加工孔，这是因为平面平整，安放和定位较稳定可靠。先加工平面，再以平面作精基准加工孔，这样可以保证平面与孔的位置精度。

（4）先加工主要表面，再将次要表面的加工工序插入

例如螺孔、键、联接孔等次要表面，加工量都较少，加工比较方便，而且与主要表面有一定的相互位置要求。若把次要表面的加工穿插在各加工阶段之间进行，就能保证要求。

2.热处理工序的安排

热处理目的是为了提高材料力学性能，改善切削性能，消除零件残余应力。在制订工艺规程时，热处理工序应合理安排。

（1）预处理工序安排

预处理的目的是改善金属材料切削性能，为最终热处理作准备，消除零件残余应力，如退火、正火、时效处理。预处理一般应安放在零件粗加工前进行。调质处理是对中碳钢零件等采取的工序，以提高其综合力学性能，通常安排在粗加工之后、半精加工之前。

（2）最终热处理工序的安排

最终热处理的目的是为了提高零件表面的硬度与耐磨性，如淬火、表面淬火、渗碳淬火。这些热处理一般安排在半精加工之后、精加工之前；氮化处理安排在粗磨与精磨之间。

3.辅助工序的安排

辅助工序包括检验、去毛刺、倒棱、清洗、防锈、探伤、平衡、水密试验等。辅助工序对保证产品质量及后续工序、装配都是必需的，务必不能遗漏。

零件各表面加工前后顺序的安排，对保证加工质量，提高生产率，降低生产成本有重要作用。工艺人员必须全面地将切削加工、热处理和辅助工序综合考虑。

（四）工序集中与工序分散

工序集中与工序分散是拟订工艺过程时确定工序数目的两种不同的原则。

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，最少时，仅有一个简单的工步。

工序集中的特点：

① 可减少工件装夹次数，在一次安装中加工出多个表面，有利于提高表面间位置精度。

② 可采用高效、高自动化设备，提高加工精度与生产率。如目前越来越多地采用加工中心就是一例。

③ 减少机床、操作工人数量与生产面积。

④ 采用复杂高精度设备，投资大，调整维修复杂。

工序分散特点：

① 设备、工装比较简单，调整、维修方便，工人容易掌握，生产准备工作量少。

② 可采用最合理的切削用量，缩短基本时间。

③ 设备数量多，操作人员多，占用生产面积大。

工序集中与工序分散的选取，应根据生产规模、零件结构特征、技术要求、机床设备等条件综合考虑。一般，大批大量生产的工厂倾向于采用工序集中原则。工序集中可以广泛采用多刀机床和高效机床。由于工序集中的优点较多，现代生产的发展趋向工序集中。但对形状复杂的零件，如连杆、活塞等，不便集中工序，则可采用分散工序。分散工序便于应用结构简单的专用设备及工装，以保证加工质量，并可利用流水线生产。

（五）机械加工工艺规程

1.工艺规程的概念

工艺规程是规定产品或零部件制造工艺过程和操作方法等方面的工艺文件。其中，规定零件机械加工工艺过程和操作方法等方面的工艺文件称为机械加工工艺规程。

机械加工工艺规程是在具体的生产条件下，最合理或较合理的工艺过程和操作方法，并按规定的形式书写成工艺文件经审批后用来指导生产的，是机械制造厂最主要的技术文件之一。

2.机械加工工艺规程的制订原则

机械加工工艺规程的制订原则是优质、高产、低成本，即在保证产品质量前提下，能尽量提高劳动生产率和降低成本。在制订工艺规程时应注意以下问题。

（1）技术上的先进性

在制订机械加工工艺规程时，应在充分利用本企业现有生产条件的基础上，尽可能采用国内、外先进工艺技术和经验，并保证良好的劳动条件。

（2）经济上的合理性

在规定的生产纲领和生产批量下，可能会出现几种能保证零件技术要求的工艺方案，此时应通过核算或相互对比，一般要求工艺成本最低。充分利用现有生产条件，少花钱，多办事。

（3）有良好的劳动条件

在制订工艺方案上要注意采取机械化或自动化的措施，尽量减轻工人的劳动强度，保障生产安全，创造良好、文明的劳动条件。

由于工艺规程是直接指导生产和操作的重要技术文件，所以工艺规程还应正确、完整、统一和清晰。所用术语、符号、计量单位、编号都要符合相应标准，必须可靠地保证零件图上技术要求的实现。在制订机械加工工艺规程时，如果发现零件图某一技术要求规定得不适当，须及时向有关部门提出，不得擅自修改零件图或不按零件图去做。

3.制订机械加工工艺规程的步骤

① 计算零件年生产纲领，确定生产类型。

② 对零件进行工艺分析。在对零件的加工工艺规程进行制订之前，应首先对零件进行工艺分析。其主要内容包括：

· 分析零件的作用及零件图上的技术要求。

· 分析零件主要加工表面的尺寸、形状及位置精度、表面粗糙度以及设计基准等。

· 分析零件的材质、热处理及机械加工的工艺性。

③ 确定毛坯。毛坯的种类和质量对零件加工质量、生产率、材料消耗以及加工成本都有着密切关系。毛坯的选择应以生产批量的大小、零件的复杂程度、加工表面及非加工表面的技术要求等几方面综合考虑。正确选择毛坯的制造方式，可以使整个工艺过程更加经济合理，故应慎重对待。在通常情况下，主要应以生产类型来决定。

④ 制订零件的机械加工工艺路线。

· 确定各表面的加工方法。在了解各种加工方法特点和掌握其加工经济精度和表面粗糙度的基础上，选择保证加工质量、生产率和经济性的加工方法。

· 选择定位基准。根据粗、精基准选择原则，合理选定各工序的定位基准。

· 制订工艺路线。在对零件进行分析的基础上，划分零件粗、半精、精加工阶段，并确定工序集中与分散的程度，合理安排各表面的加工顺序，从而制订出零件的机械加工工艺路线。对于比较复杂的零件，可以先考虑几个方案，分析比较后，再从中选择比较合理的加工方案。

⑤ 确定各工序的加工余量和工序尺寸及其公差。

⑥ 选择机床及工、夹、量、刃具。机械设备的选用应当既保证加工质量，又要经济合理。在成批生产条件下，一般应采用通用机床和专用工夹具。

⑦ 确定各主要工序的技术要求及检验方法。

⑧ 确定各工序的切削用量和时间定额。单件小批量生产厂，切削用量多由操作者自行决定，机械加工工艺过程卡片中一般不作明确规定。在中批量生产厂，特别是在大批量生产厂，为了保证生产的合理性和节奏的均衡，则必须要求规定切削用量，并不得随意改动。

⑨ 填写工艺文件。进行技术经济分析，选择最佳方案，填写工艺文件。

4.工艺文件

常用的工艺文件有机械加工工艺过程卡、机械加工工序卡等。

① 机械工艺过程卡片是以工序为单位简要说明零件加工过程的一种工艺文件，见表1-3。

② 机械加工工序卡是为每一道工序编制的一种工艺文件，见表1-4。

数控加工技术文件有数控加工工序卡、数控加工进给路线图、数控刀具卡片、数控加工程序单等。文件格式可根据企业实际情况自行设计。

数控加工工序卡：与普通加工工序卡有许多相似之处，所不同的是，在工序卡简图中注明编程原点与对刀点；简要的编程说明，如程序编号、刀具半径补偿、镜像或对称加工方式等。

数控刀具卡片：刀具卡反映加工编号及相应参数，是组装刀具和调整刀具的依据。数控刀具一般可在机外对刀仪上预先调整好，见表2-5。

数控加工程序单：它阐明了工艺人员对数控加工工序的技术要求和工序说明，以及数控加工前应保证的加工余量。它是编程人员和工艺人员协调工作和编制数控程序的重要依据之一，见表1-6。

二、数控加工工艺系统简介

（一）数控加工工艺系统的组成

机械加工中，由机床、夹具、刀具和工件等组成的统一体，称为工艺系统。数控加工工艺系统是由数控机床、夹具、刀具和工件等组成的，如图1-5所示。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，以控制数控机床中刀具与工件的相对运动，从而完成零件的加工。数控加工过程是在一个由数控机床、刀具、夹具和工件构成的数控加工工艺系统中完成的。

1.数控机床

数控机床是采用数控技术，或者说装备了数控系统的机床。数控机床是具有高附加值的技术密集型产品，实现了高度的机电一体化。它集计算机技术、自动控制技术、精密测量技术、通信技术和精密机械等高新技术于一体，数控机床是实现数控加工的主体。加工程序用于控制刀具与工件之间的相对运动轨迹。

2.夹具

在机械制造中，用以装夹工件（和引导刀具）的装置统称为夹具。夹具是用来固定被加工零件，并使之占有正确的位置的装置。在机械制造工厂，夹具的使用十分广泛，从毛坯制造到产品装配以及检测的各个生产环节，都有许多不同种类的夹具。夹具是实现数控加工的纽带。

3.刀具

金属切削刀具是现代机械加工中的重要工具。无论是普通机床还是数控机床，都必须依靠刀具才能完成切削工作。刀具是实现数控加工的桥梁。

4.工件

工件是数控加工的对象。

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）数控机床的工作过程

虽然数控加工与传统的机械加工相比，在加工的方法和内容上有许多相似之处，但由于采用了数字化的控制形式和数控机床，许多传统加工过程中的人工操作被计算机和数控系统的自动控制所取代。

数控加工过程如图1-6所示，其具体步骤如下：

① 分析零件图。分析零件图的形状、大小、结构特点及加工技术要求，如尺寸精度、形位公差、表面粗糙度、工件的材料、硬度、加工性能以及工件数量等。

② 根据零件图进行工艺分析，确定加工方案、工艺参数和位移数据。其中包括零件的结构工艺性分析、材料和设计精度合理性分析等。数控加工工艺分析大致包括：工件与刀具相对运动的刀具轨迹坐标尺寸（进给执行部件的进给尺寸）；切削加工的工艺参数（主运动和进给运动的速度、切削用量、刀具参数等）；各种辅助操作（主轴变速、换刀、冷却和润滑液的启停、工件夹紧松开等）。

③ 根据零件图编程。用规定的程序代码和格式编写零件加工程序单；或利用编程软件CAD/CAM进行计算机辅助设计和自动编程，直接生成零件的加工程序文件。

④ 程序的输入或传输。手工编程时，可以通过数控机床的操作面板输入程序，由编程软件生成的程序，通过计算机的串行通信接口RS-232直接传输到数控机床的数控单元（MCU）。

⑤ 将输入/传输到数控单元的加工程序，进行试运行、刀具路径模拟等。

⑥ 加工。通过对机床的正确操作，运行程序，完成零件的加工。当执行程序时，机床CNC数控系统将加工程序语句译码、运算，转换成驱动各运动部件的动作指令，在系统的统一协调下驱动各运动部件的适时运动，自动完成对工件的加工。数控机床的加工过程可简单归纳为图1-7所示。

⑦ 检验。从数控加工过程可以看出，工艺分析和制订加工工艺在数控加工中起到了关键的作用，直接决定了数控加工的好坏与成败。

（三）数控机床的组成

数控机床由控制介质、数控装置（CNC）、伺服系统及驱动装置、位置检测反馈装置、辅助控制装置、机床本体等几部分组成，如图1-8所示。

1.控制介质

控制介质是人与数控机床之间联系的中间媒介物质，反映了数控加工中的全部信息。程序的存储介质，又称程序载体。存储介质有：穿孔纸带、盒式磁带（过时、淘汰）；软盘、磁盘、U盘；DNC网络通信、RS-232串口通信。

2.数控装置

数控装置是数控机床的中枢，是整个数控机床的灵魂所在。主要由输入装置（键盒、纸带阅读机）、输出装置（CRT显示器）、主控制系统、可编程控制器、各种I/O（输入/输出）接口电路（见图1-10）等组成。用于输入数字化的零件程序，并完成输入信息的存储、数据的变换、插补运算以及实现各种控制功能等。数控装置从内部存储器中取出或接收输入装置送来的一段或几段数控加工程序，经过数控装置的逻辑电路或系统软件进行编译、运算和逻辑处理后，输出各种控制信息和指令，控制机床各部分的工作，使其进行规定的有序运动和动作。如图1-10所示为CNC数控装置（FANUC16/18系统）。

3.伺服系统及驱动装置

伺服系统主要完成机床的运动及运动控制（包括进给运动、主轴运动、位置控制等），它由伺服驱动装置和伺服电动机组成，并与机床上的执行部件和机械传动部件组成数控机床的进给系统，是数控系统的执行部分，它接收来自数控装置的位置控制信息，将其转换成相应坐标轴的进给运动和精确的定位运动，驱动机床执行机构运动。每个进给运动的执行部件都有相应的伺服驱动系统，三轴联动的机床就有三套驱动系统。当几个进给轴联动时，可以完成定位，直线、平面曲线和空间曲线的加工。由于是数控机床的最后控制环节，它的性能将直接影响数控机床的生产效率、加工精度和表面加工质量，整个机床的性能主要取决于伺服系统。常用的伺服驱动元件有功率步进电机、电液脉冲马达、直流伺服电机和交流伺服电机等，如图1-11所示。

脉冲当量：每一个脉冲信号使机床移动部件移动的位移量。常用的脉冲当量为0.001mm/脉冲。对于步进电机来说，每一个脉冲信号使电机转过一个角度，进而带动机床移动部件移动一个微小距离。

4.位置检测反馈装置

该装置由测量部件和响应的测量电路组成，其作用是检测速度和位移。位置检测装置将数控机床各坐标轴的实际位移量检测出来，经反馈系统输入到机床的数控装置之后，数控装置将反馈回来的实际位移量值与设定值进行比较，控制驱动装置按照指令设定值运动。常用的测量部件有脉冲编码器、光栅、旋转变压器、感应同步器和磁尺等。

5.辅助装置

指数控机床的一些必要的配套部件，辅助控制装置的主要作用是接收数控装置输出的开关量指令信号，经过编译、逻辑判别和运动，再经功率放大后驱动相应的电器，带动机床的机械、液压、气动等辅助装置完成指令规定的开关量动作。这些控制包括主轴运动部件的变速、换向和启停，刀具的选择和交换，冷却、润滑装置的启动停止，工件和机床部件的松开、夹紧，分度工作台转位分度等开关辅助动作。由于可编程逻辑控制器（PLC）具有响应快，性能可靠，易于使用、编程和修改程序并可直接启动机床开关等特点，现已广泛用作数控机床的辅助控制装置。

6.机床本体

它是数控机床的机械结构实体，包括机床的基础大件（如床身、底座、立柱）、主轴传动装置、进给传动装置、工作台等用于完成各种切削加工的机械部件，如图1-12所示。

（四）数控刀具

1.数控刀具的要求与特点

① 要有很高的切削效率。提高切削速度至关重要，硬质合金刀具切削速度可达500～600m/min，陶瓷刀具可达800～1000m/min。

② 要有很高的精度和重复定位精度，一般为3～5μm或者更高。

③ 要有很高的可靠性和耐用度，是选择刀具的关键指标。

④ 实现刀具尺寸的预调和快速换刀，缩短辅助时间，提高加工效率。

⑤ 具有完善的模块式工具系统，储存必要的刀具以适应多品种零件的生产。

⑥ 建立完备的刀具管理系统，以便可靠、高效、有序地管理刀具系统。

⑦ 要有在线监控及尺寸补偿系统，监控加工过程中刀具的状态，提高加工可靠度。

以上是选择和评价刀具的依据。数控机床上用的刀具还应满足安装调整方便、刚性好、精度高、耐用度好等要求。

2.数控加工刀具的种类

（1）根据数控机床刀具系统的发展分类

① 整体式刀具系统。

② 模块化刀具系统，模块化刀具是发展方向。

（2）数控刀具依据结构的分类

① 整体式：工艺简单，应用广泛。几种常见的整体式刀具如图1-33和图1-44所示。

② 镶嵌式：可分为焊接式和机夹式。常见镶嵌式刀具如图1-15和图1-16所示。

③ 减振式：当刀具的工作臂长与直径之比较大时，为了减少刀具的振动，提高加工精度，多采用此类刀具。主要用于镗孔。

④ 内冷式：切削液通过刀体内部由喷孔喷射到刀具的切削刃部。如深孔加工。

⑤ 特殊型式：如复合刀具、可逆攻螺纹刀具等。

目前，数控刀具主要采用机夹可转位刀具。

（3）按制造所采用的材料分类

① 高速钢刀具：比普通工具钢耐磨、比硬质合金韧性高，具有良好的热稳定性。

② 硬质合金刀具：切削速度比高速钢提高4～7倍，抗弯强度和抗冲击韧性不强。硬质合金刀片切削性能优异，在数控加工中被广泛使用。

（4）按切削工艺分类

① 车削刀具：分外圆、内孔、外螺纹、内螺纹，切槽、切端面、切端面环槽、切断、孔加工刀具（包括中心钻、钻头、镗刀、丝锥等）等。数控车床一般使用标准的机夹可转位刀具。机夹可转位刀具的刀片和刀体都有标准，刀片材料采用硬质合金、涂层硬质合金以及高速钢。

② 钻削刀具：分小孔、短孔、深孔、攻螺纹、铰孔等刀具。钻削刀具可用于数控车床、车削中心，又可用于数控镗铣床和加工中心。

③ 镗削刀具：分粗镗、精镗等刀具。镗刀从结构上可分为整体式镗刀柄、模块式镗刀柄和镗头类。从加工工艺要求上可分为粗镗刀和精镗刀。

④ 铣削刀具：分面铣刀（见图1-17）、立铣刀（见图1-18）、三面刃铣刀等。

⑤ 特殊型刀具：有带柄自紧夹头、强力弹簧夹头刀柄、可逆式（自动反向）攻螺纹夹头刀柄、增速夹头刀柄、复合刀具和接杆类等。

3.数控刀具的选择

刀具的选择是数控加工工艺中重要内容之一。选择刀具通常要考虑机床的加工能力、工序内容、工件材料等因素。选取刀具时，要使刀具的尺寸和形状相适应。刀具选择应考虑的主要因素有：

① 被加工工件的材料、性能。如金属、非金属，其硬度、刚度、塑性、韧性及耐磨性等。

② 加工工艺类别。如车削、钻削、铣削、镗削或粗加工、半精加工、精加工和超精加工等。

③ 加工工件信息如工件的几何形状、加工余量、零件的技术经济指标。

④ 刀具能承受的切削用量（切削用量三要素），包括主轴转速、切削速度与切削深度等。

⑤ 辅助因数。如操作间断时间、振动、电力波动或突然中断等。

（五）数控加工工艺设计

在进行数控加工工艺设计时，一般应进行以下几方面的工作：

① 数控加工工艺内容的选择。

② 数控加工工艺性分析。

③ 数控加工工艺路线的设计。

④ 数控加工工序设计。

⑤ 数控加工技术文件的编写。

1.数控加工工艺内容的选择

对于一个零件来说，并非全部加工工艺过程都适合在数控机床上完成，而往往只是其中的一部分工艺内容适合数控加工。这就需要对零件图样进行仔细的工艺分析，选择那些最适合、最需要进行数控加工的内容和工序。在选择内容时，应结合本企业设备的实际，立足于解决难题、攻克关键问题和提高生产效率，以充分发挥数控加工的优势。

2.数控加工工艺性分析

被加工零件的数控加工工艺性问题涉及面很广，下面结合编程的可能性和方便性提出一些必须分析和审查的主要内容。

（1）尺寸标注应符合数控加工的特点

在数控编程中，所有点、线、面的尺寸和位置都是以编程原点为基准的。因此，零件图样上最好直接给出坐标尺寸，或尽量以同一基准引注尺寸。

（2）几何要素的条件应完整、准确

在程序编制中，编程人员必须充分掌握构成零件轮廓的几何要素参数及各几何要素间的关系。因为在自动编程时要对零件轮廓的所有几何元素进行定义，手工编程时要计算出每个节点的坐标，无论哪一点不明确或不确定，编程都无法进行。但由于零件设计人员在设计过程中考虑不周或被忽略，常常出现参数不全或不清楚，如圆弧与直线、圆弧与圆弧是相切还是相交或相离。所以在审查与分析图纸时，一定要仔细核算，发现问题及时与设计人员联系。

（3）定位基准可靠

在数控加工中，加工工序往往较集中，以同一基准定位十分重要。因此往往需要设置一些辅助基准，或在毛坯上增加一些工艺凸台。

如图1-19（a）所示的零件，为增加定位的稳定性，可在底面增加一工艺凸台，如图1-19（b）所示，在完成定位加工后再除去。

（4）统一几何类型及尺寸

零件的外形、内腔最好采用统一的几何类型及尺寸，这样可以减少换刀次数，还可能应用控制程序或专用程序以缩短程序长度。零件的形状尽可能对称，便于利用数控机床的镜向加工功能来编程，以节省编程时间。

（5）零件的加工精度和尺寸公差是否可以保证

零件切削加工过程中会产生切削力，从而引起工件的受力变形。特别是薄壁零件和刚性差的零件，要注意加工部位的刚性，防止变形的产生。

（6）对零件毛坯的工艺性分析

在对零件图进行工艺性分析后，还应结合数控加工的特点，对所用毛坯（常为板料、铸件、自由锻及模锻件）进行工艺性分析，否则若毛坯不适合数控加工，加工将很难进行，甚至会造成前功尽弃的后果。毛坯的工艺性分析一般从下面几个方面考虑：

① 毛坯的加工余量是否充分，批量生产时的毛坯余量是否稳定。毛坯主要指锻、铸件，因模锻时的欠压量与允许的错模量会造成加工余量多少不等，铸造时也会因砂型误差、收缩量及金属液体的流动性差不能充满型腔等造成余量不等。此外，锻、铸后，毛坯的翘曲与扭曲变形量的不同也会造成加工余量不充分、不稳定。

② 分析毛坯在安装定位方面的适应性。考虑毛坯在加工时的安装定位方面的可靠性与方便性，可以充分发挥数控机床的优势，以便在一次安装中加工出许多待加工面。在分析毛坯安装定位时，主要考虑要不要另外增加装夹余量或工艺凸台来定位与夹紧，在什么地方可以制出工艺孔或要不要另外准备工艺凸耳来特制工艺孔等问题。

③ 分析毛坯的余量大小及均匀性。毛坯的余量大小及均匀性决定数控加工时要不要分层切削及分几层切削，影响到加工中与加工后的变形程度，决定了数控加工是否采取预防性措施与补救性措施。

（7）机床的选择

不同类型的零件应在不同的数控机床上加工，要根据零件的设计要求选择机床。数控车床适于加工形状比较复杂的轴类零件和由复杂曲线回转形成的模具内型腔。数控立式镗铣床和立式加工中心适于加工箱体、箱盖、平面凸轮、样板、形状复杂平面或立体零件以及模具的内外型腔。数控卧式镗铣床和卧式加工中心适于加工各种复杂的箱体类零件、泵体、阀体、壳体等。多坐标联动的卧式加工中心还可用于加工各种复杂的曲线、曲面、叶轮、模具等。

3.数控加工工艺路线的设计

数控加工工艺路线设计与通用机床加工工艺路线设计的主要区别在于，它往往不是指从毛坯到成品的整个工艺过程，而仅是几道数控加工工序工艺过程的具体描述。因此在工艺路线设计中一定要注意到，由于数控加工工序一般都穿插于零件加工的整个工艺过程中，因而要与其他加工工艺衔接好。

常见工艺流程如图1-20所示。

数控加工工艺路线设计中应注意以下几个问题。

（1）工序的划分

根据数控加工的特点，数控加工工序的划分一般可按下列方法进行：

① 按安装次数划分工序，即一次安装，加工的所有内容作为一道工序。这种方法适合于加工内容较少的零件，加工完后就能达到待检状态。

② 按所用的刀具划分工序，即同一把刀具加工的内容作为一道工序。有些零件虽然能在一次安装中加工出很多待加工表面，但考虑到程序太长，会受到某些限制，如控制系统的限制（主要是内存容量），机床连续工作时间的限制（如一道工序在一个工作班内不能结束）等。此外，程序太长会增加出错与检索的困难。因此程序不能太长，一道工序的内容不能太多。

③ 以加工部位划分工序。对于加工内容很多的工件，可按其结构特点将加工部位分成几个部分，如内腔、外形、曲面或平面，并将每一部分的加工作为一道工序。

④ 以粗、精加工划分工序。对于经加工后易发生变形的工件，由于对粗加工后可能发生的变形需要进行校形，故一般来说，凡要进行粗、精加工的过程，都要将工序分开。

（2）加工顺序的安排

加工顺序的安排应根据零件的结构和毛坯状况，以及定位、安装与夹紧的需要来考虑。顺序安排一般应按以下原则进行：

① 上道工序的加工不能影响下道工序的定位与夹紧，中间穿插有通用机床加工工序的也应综合考虑。

② 先进行内腔加工，后进行外形加工。

③ 以相同定位、夹紧方式加工或用同一把刀具加工的工序，最好连续加工，以减少重复定位次数、换刀次数与挪动压板次数。

④ 一次安装中进行多道工序的加工，应先安排对工件刚性破坏小的工序。

（3）加工方法的选择

加工方法的选择原则是保证加工表面的加工精度和表面粗糙度的要求。由于获得同一级精度及表面粗糙度的加工方法一般有许多，因而在实际选择时，要结合零件的形状、尺寸大小和热处理要求等全面考虑。例如，对于IT7级精度的孔采用镗削、铰削、磨削等加工方法均可达到精度要求，但箱体上的孔一般采用镗削或铰削，而不宜采用磨削。一般小尺寸的箱体孔选择铰孔，当孔径较大时则应选择镗孔。此外，还应考虑生产率和经济性的要求，以及工厂的生产设备等实际情况。

（4）加工方案确定的原则

确定加工方案时，应根据主要表面的尺寸精度和表面粗糙度的要求，初步确定为达到这些要求所需要的加工方法。例如，对于孔径不大的IT7级精度的孔，最终加工方法确定为精铰时，则精铰孔前通常要经过钻孔、扩孔和粗铰孔等加工。

（5）加工余量的选择

加工余量泛指毛坯实体尺寸与工件（图样）尺寸之差。工件加工就是把大于工件（图样）尺寸的毛坯实体加工掉，使加工后的工件尺寸、精度、表面粗糙度均能符合图样的要求。通常要经过粗加工、半精加工和精加工才能达到最终要求。因此，工件总的加工余量应等于中间工序加工余量之和。工序间加工余量的选择应按以下两条原则进行。

① 采用最小加工余量原则，以求缩短加工时间，降低工件的加工费用。

② 应有充分的加工余量，特别是最后的工序。加工余量应能保证达到工件图样上所规定的要求。

在选择加工余量时，还应考虑下列3种情况：

① 由于工件的大小不同，切削力、内应力引起的变形差异，工件越大，变形会增加，因此要求加工余量也相应地大一些。

② 工件热处理时引起的变形，适当地增大一点加工余量。

③ 加工方法、装夹方式和工艺装备的刚性可能引起的工件变形，过大的加工余量也会由于切削力增大引起工件的变形。

（6）加工刀具的选择

数控机床，特别是加工中心，其主轴转速较普通机床的主轴转速高1～2倍，某些特殊用途的数控机床，加工中心主轴转速高达每分钟数万转，因此数控机床用刀具的强度与寿命至关重要。目前，涂层刀具与立方氮化硼等刀具已广泛用于加工中心，陶瓷刀具与金刚石刀具也开始在加工中心上运用。一般来说，数控机床用刀具应具有较高的寿命和刚度，刀具材料抗脆性好，有良好的断屑性能和可调易更换等特点。

（7）数控加工工艺与普通工序的衔接

数控加工工序前后一般都穿插有其他普通加工工序，如衔接得不好就容易产生矛盾。因此在熟悉整个加工工艺内容的同时，要清楚数控加工工序与普通加工工序各自的技术要求、加工目的、加工特点。如要不要留加工余量，留多少；定位面与孔的精度要求及形位公差是什么；对校形工序的技术要求如何；对毛坯的热处理状态如何等。这样才能使各工序达到相互满足加工需要，且质量目标及技术要求明确，交接验收有依据。

4.数控加工工序的设计

在选择了数控加工工艺内容和确定了零件加工工艺路线后，即可进行数控加工工序的设计。数控加工工序设计的主要任务是进一步把本工序的加工内容、切削用量、工艺装备、定位夹紧方式及刀具运动轨迹确定下来，为编制加工程序作好准备。

1）确定走刀路线和安排加工顺序

走刀路线就是刀具在整个加工工序中的运动轨迹，它不但包括了工步的内容，也反映出工步顺序。走刀路线是编写程序的依据之一。确定走刀路线时应注意以下几点。

（1）寻求最短加工路线

如加工图1-21（a）所示零件上的孔系。图1-21（b）所示的走刀路线为先加工完外圈孔后，再加工内圈孔。若改用图1-21（c）所示的走刀路线，减少空刀时间，则可节省定位时间近一半，提高了加工效率。

（2）最终轮廓一次走刀完成

为保证工件轮廓表面加工后的粗糙度要求，最终轮廓应安排在最后一次走刀中连续加工出来。

如图1-22（a）所示为用行切方式加工内腔的走刀路线，这种走刀能切除内腔中的全部余量，不留死角，不伤轮廓。但行切法将在两次走刀的起点和终点间留下残留高度，而达不到要求的表面粗糙度；所以如采用图1-22（b）所示的走刀路线，先用行切法，最后沿周向环切一刀，光整轮廓表面，能获得较好的效果。图1-22（c）所示路线也是一种较好的走刀路线方式。

（3）选择切向切入切出方向

考虑刀具的进、退刀（切入、切出）路线时，刀具的切出或切入点应在沿零件轮廓的切线上，以保证工件轮廓光滑；应避免在工件轮廓面上垂直上、下刀而划伤工件表面；尽量减少在轮廓加工切削过程中的暂停（切削力突然变化造成弹性变形），以免留下刀痕，如图1-23所示。

（4）选择使工件在加工后变形小的路线

对横截面积小的细长零件或薄板零件应采用分几次走刀加工到最后尺寸或对称去除余量法安排走刀路线。安排工步时，应先安排对工件刚性破坏较小的工步。

2）确定定位和夹紧方案

在确定定位和夹紧方案时应注意以下几个问题：

① 尽可能做到设计基准、工艺基准与编程计算基准的统一。

② 尽量将工序集中，减少装夹次数，尽可能在一次装夹后加工出全部待加工表面。

③ 避免采用占机人工调整时间长的装夹方案。

④ 夹紧力的作用点应落在工件刚性较好的部位。

如图1-24（a）所示薄壁套的轴向刚性比径向刚性好，用卡爪径向夹紧时工件变形大，若沿轴向施加夹紧力，变形会小得多。在夹紧图1-24（b）所示的薄壁箱体时，夹紧力不应作用在箱体的顶面，而应作用在刚性较好的凸边上；或改为在顶面上三点夹紧，改变着力点位置，以减小夹紧变形，如图1-24（c）所示。

3）确定刀具与工件的相对位置

对于数控机床来说，在加工开始时，确定刀具与工件的相对位置是很重要的，这一相对位置是通过确认对刀点来实现的。对刀点是指通过对刀确定刀具与工件相对位置的基准点。对刀点可以设置在被加工零件上，也可以设置在夹具上与零件定位基准有一定尺寸联系的某一位置，对刀点往往选择在零件的加工原点（或编程原点）上。

对刀点是数控加工中刀具相对工件运动的起点。通常对刀点即为程序（工件）原点。对刀点的选择原则如下：

① 所选的对刀点应使程序编制简单。

② 对刀点应选择在容易找正、便于确定零件加工原点的位置。

③ 对刀点应选在加工时检验方便、可靠的位置。

④ 对刀点的选择应有利于提高加工精度。

刀位点是指刀具的定位基准点。在使用对刀点确定加工原点时，就需要进行“对刀”。所谓对刀是指使“刀位点”与“对刀点”重合的操作。每把刀具的半径与长度尺寸都是不同的，刀具装在机床上后，应在控制系统中设置刀具的基本位置。圆柱铣刀的刀位点是刀具中心线与刀具底面的交点；球头铣刀的刀位点是球头的球心点或球头顶点；车刀的刀位点是刀尖或刀尖圆弧中心；钻头的刀位点是钻头顶点。几种刀位点示意图如图1-25所示。注意，各类数控机床的对刀方法是不完全一样的。

换刀点是为加工中心、数控车床等采用多刀进行加工的机床而设置的，因为这些机床在加工过程中要自动换刀。对于手动换刀的数控铣床，也应确定相应的换刀位置。为防止换刀时碰伤零件、刀具或夹具，换刀点常常设置在被加工零件的轮廓之外，并留有一定的安全量。

4）切削用量的确定

对于高效率的金属切削机床加工来说，被加工材料、切削刀具、切削用量是三大要素。这些条件决定着加工时间、刀具寿命和加工质量。经济的、有效的加工方式，要求必须合理地选择切削条件。

切削用量包括切削速度、背吃刀量、进给量三要素。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。

① 背吃刀量ap（mm）主要根据机床、夹具、刀具和工件的刚度来决定。在刚度允许的情况下，应以最少的进给次数切除加工余量，最好一次切净余量，以便提高生产效率。对于表面粗糙度和精度要求较高的零件，要留有足够的精加工余量，在数控机床上，精加工余量可小于普通机床，一般取0.2～0.5mm。

② 进给量f（mm/r）或进给速度F（mm/min） 是数控加工切削用量中的重要参数，要根据工件的加工精度、表面粗糙度、刀具和工件材料来选择。最大进给速度受机床刚度和进给驱动及数控系统的限制。

③ 切削速度vc（m/min） 主运动的线速度叫切削速度，计算公式为

vc=nπD/1000

式中，

n——主轴轴转速（r/min）；

D——工件或刀具直径（mm）。

主轴转速n要根据计算值在机床说明书中选取标准值，并填入程序单中。

影响切削速度的因素很多，概括起来有：

① 刀具材质。刀具材料不同，允许的最高切削速度也不同。高速钢刀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及以上，陶瓷刀具的耐高温切削速度可高达1000m/min。

② 工件材料。工件材料硬度高低会影响刀具切削速度，同一刀具加工硬材料时切削速度需降低，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率。反之，可采用较高的切削速度。

④ 背吃刀量与进给量。背吃刀量与进给量大，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。

总之，编程人员在确定每道工序的切削用量时，应根据刀具的耐用度和机床说明书中的规定去选择。也可以结合实际经验用类比法确定切削用量。在选择切削用量时要充分保证刀具能加工完一个零件，或保证刀具耐用度不低于一个工作班，最少不低于半个工作班的工作时间。车削加工时根据切削条件选择切削速度参考数据表见表1-7。

5.填写数控加工专用技术文件

填写数控加工专用技术文件是数控加工工艺设计的内容之一。这些技术文件既是数控加工的依据、产品验收的依据，也是操作者遵守、执行的规程。技术文件是对数控加工的具体说明，目的是让操作者更明确加工程序的内容、装夹方式、各个加工部位所选用的刀具及其他技术问题。

数控加工专用技术文件主要有：数控加工工序卡片、数控加工走刀路线图、数控加工程序单、数控刀具卡片、工件安装和原点设定卡片等。以下提供了常用技术文件格式，文件格式可根据企业实际情况自行设计。

数控加工程序单、数控刀具卡片见前文的范例。

（1）数控加工工件安装和原点设定卡片（简称装夹图和零件设定卡）

它应表示出数控加工原点定位方法和夹紧方法，并应注明加工原点设置位置和坐标方向、使用的夹具名称和编号等。其示例见表1-8。

（2）数控加工工序卡

与普通加工工序卡有许多相似之处，所不同的是：在工序卡简图中注明编程原点与对刀点；简要的编程说明，如程序编号、刀具半径补偿、镜向或对称加工方式等。其示例见表1-9。

（3）数控加工走刀路线图

在数控加工中，常常要注意并防止刀具在运动过程中与夹具或工件发生意外碰撞，为此必须设法告诉操作者关于编程中的刀具运动路线（如从哪里下刀、在哪里抬刀、哪里是斜下刀等）。为简化走刀路线图，一般可采用统一约定的符号来表示。不同的机床可以采用不同的图例与格式。

表1-10为数控加工走刀路线图。

（4）数控刀具卡片

数控加工时，对刀具的要求十分严格，一般要在机外对刀仪上预先调整刀具直径和长度。刀具卡反映刀具编号、刀具结构、尾柄规格、组合件名称代号、刀片型号和材料等。它是组装刀具和调整刀具的依据。其示例见表1-11。

不同的机床或不同的加工目的可能会需要不同形式的数控加工专用技术文件。在工作中，可根据具体情况设计文件格式。

提示：机械加工工艺基础知识，是编制实用、理想数控加工程序的重要基础。

（六）典型零件的数控加工工艺

1.数控车削加工工艺

下面以图1-26所示轴承套为例，介绍数控车削加工工艺（单件小批量生产），所用机床为CJK6240。

（1）零件图工艺分析

该零件表面由内外圆柱面、内圆锥面、顺圆弧、逆圆弧及外螺纹等表面组成，其中多个直径尺寸与轴向尺寸有较高的尺寸精度和表面粗糙度要求。零件图尺寸标注完整，符合数控加工尺寸标注要求；轮廓描述清楚完整；零件材料为45钢，切削加工性能较好，无热处理和硬度要求。

通过上述分析，采取以下几点工艺措施：

① 零件图样上带公差的尺寸，因公差值较小，故编程时不必取其平均值，而取基本尺寸即可。

② 左、右端面均为多个尺寸的设计基准，相应工序加工前，应该先将左、右端面车出来。

③ 内孔尺寸较小，镗1∶20锥孔、φ32孔及15°斜面时需掉头装夹。

（2）确定装夹方案

内孔加工时以外圆定位，用三爪自动定心卡盘夹紧。如图1-27（a）所示，加工外轮廓时，为保证一次安装加工出全部外轮廓，需要设一圆锥心轴装置，用三爪卡盘夹持心轴左端，心轴右端留有中心孔并用尾座顶尖顶紧，以提高工艺系统的刚性。

（3）确定加工顺序及走刀路线

加工顺序的确定按由内到外、由粗到精、由近到远的原则确定，在一次装夹中尽可能加工出较多的工件表面。结合本零件的结构特征，可先加工内孔各表面，然后加工外轮廓表面。由于该零件为单件小批量生产，走刀路线设计不必考虑最短进给路线或最短空行程路线，外轮廓表面车削走刀路线可沿零件轮廓顺序进行，如图1-27（b）所示。

（4）刀具选择

将所选定的刀具参数填入轴承套数控加工刀具卡片（见表1-12）中，以便于编程和操作管理。

（5）切削用量选择

根据被加工表面质量要求、刀具材料和工件材料，参考切削用量手册或有关资料选取切削速度与每转进给量，计算结果填入表1-13所列的工序卡中。

背吃刀量的选择因粗、精加工而有所不同。粗加工时，在工艺系统刚性和机床功率允许的情况下，尽可能取较大的背吃刀量，以减少进给次数；精加工时，为保证零件表面粗糙度要求，背吃刀量一般取0.1～0.4mm较为合适。

（6）数控加工工艺卡片拟订

将前面分析的各项内容综合成表1-13所列的数控加工工艺卡片。

2.支撑套的加工工艺

如图1-28所示为升降台铣床的支撑套，在两个互相垂直的方向上有多个孔要加工，若在普通机床上加工，则需多次安装才能完成，且效率低，在加工中心上加工，只需一次安装即可完成，现将其工艺介绍如下。

（1）分析图样并选择加工内容

支撑套的材料为45钢，毛坯选棒料。支撑套φ35H7孔对φ100f9外圆、φ60孔底平面对φ35 H 7孔、2 ×φ15 H 7孔对端面C及端面C对内φ100f9外圆均有位置精度要求。为便于在加工中心上定位和夹紧，将φ100f9外圆、尺寸两端面、尺寸上平面均安排在前面工序中由普通机床完成。其余加工表面（2×φ15H7孔、φ35H7孔、φ60mm孔、2×φ11孔、2×φ17孔、2×M8-6H螺孔）确定在加工中心上一次安装加工完成。

（2）选择加工中心

因加工表面位于支撑套互相垂直的两个表面（左侧面及上平面）上，需要两工位加工才能完成，故选择卧式加工中心。加工工步有钻孔、扩孔、镗孔、锪孔、铰孔及攻螺纹等，所需刀具不超过20把。国产XH754型卧式加工中心可满足上述要求。该机床工作台尺寸为400mm×400mm，x轴行程为500mm，z轴行程为400mm，y轴行程为400mm，主轴中心线至工作台距离为100～500mm，主轴端面至工作台中心线距离为150～550mm，主轴锥孔为ISO40，定位精度和重复定位精度分别为0.02mm和0.01mm，工作台分度精度和重复分度精度分别为7″和4″。

（3）工艺设计

① 选择加工方法 所有孔都是在实体上加工，为防钻偏，均先用中心钻钻引正孔，然后再钻孔。为保证φ35H7孔及2×φ15H7孔的精度，根据其尺寸，选择铰削作其最终加工方法。对φ60孔，根据孔径精度，孔深尺寸和孔底平面要求，用铣削方法同时完成孔壁和孔底平面的加工。各加工表面选择的加工方案如下。

φ35 H 7孔：钻中心孔—钻孔—粗镗—半精镗—铰孔。

φ15 H 7孔：钻中心孔—钻孔—扩孔—铰孔。

φ60孔：粗铣—精铣。

φ11孔：钻中心孔—钻孔。

φ17孔：锪孔（在φ11 m m底孔上）。

M6-6H螺孔：钻中心孔一钻底孔一孔端倒角一攻螺纹。

② 确定加工顺序 为减少变换工位的辅助时间和工作台分度误差的影响，各个工位上的加工表面在工作台一次分度下按先粗后精的原则加工完毕。具体的加工顺序是：

第一工位（B0°）：钻φ35H7孔、2×φ11中心孔—钻φ35H7孔—钻2×φ11孔—锪2×φ17孔—粗镗φ35H7孔—粗铣、精铣φ60×12孔—半精镗φ35H7孔—钻2×M6-6H螺纹中心孔—钻2×M6-6H螺纹底孔—2×M6-6H螺纹孔端倒角—攻2×M6-6H螺纹——铰φ35H7孔；

第二工位（B90°）：钻2×φ15H7中心孔—钻2×φ15H7孔——扩2×φ15H7孔—铰2×15H7孔。

③ 确定装夹方案和选择夹具 φ35H7孔、φ60孔、2×φ11孔及2×φ17孔的设计基准均为φ100f9外圆中心线，遵循基准重合原则，选择φ100f9外圆中心线为主要定位基准。因φ100 f9外圆不是整圆，故用V形块作定位元件。在支撑套长度方向，若选右端面定位，则难以保证φ17孔深度尺寸（因工序尺寸80与11无公差），故选择左端面定位。所用夹具为专用夹具，工件的装夹简图如图1-29所示。在装夹时应使工件上平面在夹具中保持垂直，以消除转动自由度。

④ 选择刀具 各工步刀具直径根据加工余量和孔径确定，详见表1-14所列数控加工刀具卡片。刀具长度与工件在机床工作台上的装夹位置有关，在装夹位置确定之后，再计算刀具长度。

⑤ 数控加工工艺卡片拟订。将前面分析的各项内容综合成表1-15所列的数控加工工艺卡片。

三、数控机床常用夹具简介

（一）数控机床夹具概述

1.机床夹具的概念

夹具是一种装夹工件的工艺装备，它广泛地应用于机械制造过程的切削加工、热处理、装配、焊接和检测等工艺过程中，在金属切削机床上使用的夹具统称为机床夹具。在机械加工中，为了迅速、准确地确定工件在机床上的位置，进而正确地确定工件与机床、刀具的相对位置关系，并在加工中始终保持这个位置的工艺装备称为机床夹具。在现代生产中，机床夹具是一种不可缺少的工艺装备，它直接影响着工件加工的精度、劳动生产率和产品的制造成本等。应用机床夹具，有利于保证工件的加工精度、稳定产品质量；有利于提高劳动生产率和降低成本；有利于改善工人劳动条件，保证安全生产；有利于扩大机床工艺范围，实现“一机多用”。

2.机床夹具的类型

机床夹具的种类繁多，可以从不同的角度对机床夹具进行分类。常用的分类方法有以下几种。

（1）按夹具的使用特点分类

根据夹具在不同生产类型中的通用特性，机床夹具可分为通用夹具、专用夹具、可调夹具、组合夹具和拼装夹具五大类。

① 通用夹具 通用夹具是结构、尺寸已标准化、系列化，且具有一定的通用性的夹具。如三爪自定心卡盘、四爪单动卡盘、万能分度头、顶尖、中心架、电磁吸盘、回转工作台、机床用平口虎钳等。其优点是适应性较强，不需调整或稍加调整就可使用。其缺点是定位与夹紧费时，生产率较低，且较难装夹形状复杂的工件，只适用于单件小批量生产。

② 专用夹具 专用夹具是针对某一工件的某一工序而专门设计和制造的。这类夹具专用性强、操作方便。由于这类夹具设计与制造周期较长，产品变更后无法利用，因此适用于大批大量生产。

③ 可调夹具 可调夹具是针对通用夹具和专用夹具的缺陷而发展起来的，它是在加工某种工件后，经过调整或更换个别定位元件和夹紧元件，即可加工另外一种工件的夹具。它一般又可分为通用可调夹具和成组夹具两种。前者的通用范围比通用夹具更大；后者则是一种专用可调夹具。它按成组原理设计，用于加工形状相似和尺寸相近的一组工件，故在多品种，中、小批生产中使用有较好的经济效果。

④ 组合夹具 组合夹具是一种由一套标准元件组装而成的夹具。这种夹具用后可拆卸存放，当重新组装时又可循环重复使用。由于组合夹具的标准元件可以预先制造备存，还具有多次反复使用和组装迅速等特点，所以在单件，中、小批生产，数控加工和新产品试制中特别适用。

⑤ 拼装夹具 用专门的标准化、系列化的拼装零部件拼装而成的夹具，称为拼装夹具。它具有组合夹具的优点，但比组合夹具精度高、效能高、结构紧凑。它的基础板和夹紧部件中常带有小型液压缸。此类夹具更适合在数控机床上使用。

（2）按使用机床类型分类

可分为车床夹具、铣床夹具、钻床夹具、镗床夹具、齿轮机床夹具、自动机床夹具、自动线随行夹具、加工中心夹具和其他机床夹具等。

（3）按驱动夹具工作的动力源分类

可分为手动夹具、气动夹具、液压夹具、电动夹具、磁力夹具、真空夹具和自夹紧夹具等。

3.机床夹具的作用

机床夹具的作用有以下几个方面：

① 保证加工精度，稳定加工质量。使用夹具的作用之一就是保证工件加工表面的尺寸与位置精度。由于受操作者技术的影响，同批生产零件的质量也不稳定。因此在成批生产中使用夹具就显得非常必要。

② 扩大机床的功能。例如，在车床的床鞍上或摇臂钻床的工作台上装上镗模，就可以进行箱体或支架类零件的镗孔加工，用以代替镗床加工；在刨床上加装夹具后可代拉床进行拉削加工。

③ 提高劳动生产率。使用夹具后，不仅省去划线找正等辅助时间，而且有时还可采用高效率的多件、多位、机动夹紧装置，缩短辅助时间，从而大大提高劳动生产率。

④ 降低生产成本。在批量生产中使用夹具时，由于劳动生产率的提高和允许使用技术等级较低的工人操作，故可明显地降低生产成本。但在单件生产中，使用夹具的生产成本仍较高。

⑤ 改善劳动条件，降低对工人的技术要求。用夹具装夹工件方便、省力、安全。当采用气动、液压等夹紧装置时，可减轻工人的劳动强度，保证安全生产。

4.机床夹具的组成

机床夹具按其作用和功能通常可由定位元件、夹紧装置、夹具体、连接元件、对刀元件和导向元件等几个部分组成。钻模夹具的组成如图1-30所示。

① 定位元件 夹具上用来确定工件位置的一些元件称定位元件。定位元件是夹具的主要功能元件之一，其功能是确定工件在夹具上的正确位置。图1-30中，定位销2即是定位元件。

② 夹紧装置 它通常包括夹紧元件（如压板、压块）、中间传力机构（如杠杆、螺旋、偏心轮）和动力装置（如汽缸、液压缸）等组成部分。夹紧装置也是夹具的主要功能元件之一，其功能是确保工件定位后获得的正确位置在加工过程中各种力的作用下保持不变。图1-30中，快卸垫圈5、螺母7及定位销2上的螺栓构成了夹紧装置。

③ 夹具体 是夹具的基础件，用来连接夹具上各个元件或装置，使之成为一个整体。夹具体也用来与机床的有关部位相连接，如图1-30中夹具体6。

④ 连接元件 用于确定夹具在机床上的位置，从而保证工件与机床之间的正确加工位置。

⑤ 对刀元件 对刀元件用于确定刀具与工件的位置，如对刀块。

⑥ 导向元件 导向元件用来调整刀具的位置，并引导刀具进行切削。图1-30中的钻套3就是引导钻头用的导向元件。

⑦ 其他元件或装置 根据加工需要，有些夹具上还可有分度装置、靠模装置、上下料装置、顶出器和平衡块等其他元件或装置。

5.数控机床夹具的要求

现代自动化生产中，数控机床的应用已越来越广泛。数控机床夹具必须适应数控机床的高精度、高效率、多方向，同时加工、数字程序控制及单件小批生产的特点。数控加工的特点对夹具提出了两个基本要求：一是要保证夹具的坐标方向与机床的坐标方向相对固定；二是要能协调零件与机床坐标系的尺寸。除此之外，主要考虑下列几点：

① 当工件加工批量小时，尽量采用组合夹具，可调式夹具及其他通用夹具。

② 当小批或成批生产时才考虑采用组合夹具，但应力求结构简单。

③ 夹具要开敞，其定位、夹紧机构元件不能影响加工中的进给（如碰撞）。

④ 夹紧力应力求通过靠近主要支撑点或在支撑点所组成的三角形内；力求靠近切削部位，并在刚性较好的地方。尽量不要在被加工孔的上方，以减少工件变形。

⑤ 装卸工件要方便可靠，以缩短准备时间，有条件时，批量较大的工件应采用气动或液压夹具、多工位夹具。

⑥ 容易排除和清理切屑。

⑦ 夹具推行标准化、系列化和通用化；发展组合夹具和拼装夹具，降低生产成本。

⑧ 提高夹具的高效自动化水平，提高夹具的精度。

（二）数控机床夹具简介

1.数控机床通用夹具

（1）数控车床夹具

数控车床夹具主要有三爪自定心卡盘、四爪单动卡盘、花盘等。三爪自定心卡盘如图1-31所示，可自动定心，装夹方便，应用较广，但它夹紧力较小，不便于夹持外形不规则的工件。四爪单动卡盘如图1-32所示，其四个爪都可单独移动，安装工件时需找正，夹紧力大，适用于装夹毛坯及截面形状不规则和不对称的较重、较大的工件。四爪单动卡盘装夹精度较高，不受卡爪磨损的影响，但装夹不如三爪自定心卡盘方便。

花盘如图1-33所示，材料为铸铁，用螺纹或定位孔形式直接装在车床主轴上。它的工作平面与主轴轴线垂直，平面上开有长短不等的T形槽（或通槽），用于安装螺栓紧固工件和其他附件。用于装夹不对称、形状复杂、不规则的异形工件，装夹工件时需反复校正和平衡。

（2）数控铣床夹具

数控铣床常用夹具是平口钳。先把平口钳固定在工作台上，找正钳口，再把工件装夹在平口钳上，这种方式装夹方便，应用广泛，适于装夹形状规则的小型工件，如图1-34所示。

（3）加工中心夹具

数控回转工作台是各类数控铣床和加工中心的理想配套附件，有立式工作台、卧式工作台和立卧两用回转工作台等不同类型产品。立卧两用回转工作台在使用过程中可分别以立式和水平两种方式安装于机床工作台上。工作台工作时，利用机床的控制系统或专门配套的控制系统，完成与机床相协调的各种必需的分度回转运动。

为了扩大加工范围，提高生产效率，加工中心除了沿X，Y，Z三个坐标轴的直线进给运动之外；往往还带有A，B，C三个回转坐标轴的圆周进给运动。数控回转工作台作为机床的一个旋转坐标轴由数控装置控制，并且可以与其他坐标联动，使主轴上的刀具能加工到工件除安装面及顶面以外的周边。回转工作台除了用来进行各种圆弧加工或与直线坐标进给联动进行曲面加工以外，还可以实现精确的自动分度。因此，回转工作台已成为加工中心一个不可缺少的部件。

除以上通用夹具外，数控机床夹具主要采用拼装夹具、组合夹具、可调夹具和数控夹具。

2.组合夹具

组合夹具是一种标准化、系列化、通用化程度很高的工艺装备，我国目前已基本普及。组合夹具由一套预先制造好的不同形状、不同规格、不同尺寸的标准元件及部件组装而成。图1-35（a）为被加工盘类零件钻径向孔工序图，用来钻径向分度孔的组合夹具立体图及其分解图见图1-35（b）。

1）组合夹具的特点

组合夹具一般是为某一工件的某一工序组装的专用夹具，也可以组装成通用可调夹具或成组夹具。组合夹具适用于各类机床，但以钻模和车床用得最多。组合夹具把专用夹具的设计、制造、使用、报废的单向过程变为组装、拆散、清洗入库、再组装的循环过程。可用几小时的组装周期代替几个月的设计制造周期，从而缩短了生产周期；节省了工时和材料，降低了生产成本；还可减少夹具库房面积，有利于管理。组合夹具的元件精度高、耐磨，并且实现了完全互换，元件精度一般为IT6～IT7级。用组合夹具加工的工件，位置精度一般可达IT9～IT8级，若精心调整，可以达到IT7级。由于组合夹具有很多优点，又特别适用于新产品试制和多品种小批量生产，所以近年来其发展迅速，应用较广。组合夹具的主要缺点是体积较大、刚度较差、一次投资多、成本高，这使组合夹具的推广应用受到一定限制。

2）组合夹具的分类

组合夹具分为槽系和孔系两大类。

（1）槽系组合夹具

① 槽系组合夹具的规格。为了适应不同工厂、不同产品的需要，槽系组合夹具分大、中、小型三种规格，其主要参数见表1-16所示。

② 槽系组合夹具的元件。

· 基础件 如图1-36所示，有长方形、圆形、方形及基础角铁等。它们常作为组合夹具的夹具体。如图1-35（b）中的基础件为长方形基础板作的夹具体。

· 支撑件 如图1-37所示，有V形支撑、长方支撑、加肋角铁和角度支撑等。它们是组合夹具中的骨架元件，数量最多，应用最广。它可作为各元件间的连接件，又可作为大型工件的定位件。图1-35（b）中支撑件2将钻模板与基础板连成一体，并保证钻模板的高度和位置。

· 定位件 如图1-38所示，有平键、T形键、圆形定位销、菱形定位销、圆形定位盘、定位接头、方形定位支撑、六菱定位支撑座等，主要用于工件的定位及元件之间的定位。图1-35（b）中，定位件3为菱形定位盘，用作工件的定位；支撑件2与基础件1、钻模板之间的平键、合件（端齿分度盘）8与基础件1之间的T形键，均用作元件之间的定位。

· 导向件 如图1-39所示，有固定钻套、快换钻套、钻模板、左右偏心钻模板、立式钻模板等。它们主要用于确定刀具与夹具的相对位置，并起引导刀具的作用。图1-35（b）中，安装在钻模板上的导向件4为快换钻套。

· 夹紧件 如图1-40所示，有弯压板、摇板、U形压板、叉形压板等。它们主要用于压紧工件，也可用作垫板和挡板。图1-35（b）中的夹紧件5为U形压板。

· 紧固件 如图1-41所示，有各种螺栓、螺钉、垫圈、螺母等，它们主要用于紧固组合夹具中的各种元件及压紧被加工件。由于紧固件在一定程度上影响整个夹具的刚性，所以螺纹件均采用细牙螺纹，可增加各元件之间的连接强度。同时所选用的材料、制造精度及热处理等要求均高于一般标准紧固件。图1-35（b）中紧固件6为关节螺栓，用来压紧工件，且各元件间均采用槽用方头螺栓、螺钉、螺母、垫圈等紧固件紧固。

· 其他件 如图1-42所示，有三爪支撑、支撑环、手柄、连接板、平衡块等。它们是指以上六类元件之外的各种辅助元件。图1-35（b）中四个手柄就属此类元件，用于夹具的搬运。

· 合件 如图1-43所示，有尾座、可调V形块、折合板、回转支架等。合件由若干零件组合而成，在组装过程中不拆散使用的独立部件。使用合件可以扩大组合夹具的使用范围，加快组装速度，简化组合夹具的结构，减小夹具体积。图1-35（b）中的合件8为端齿分度盘。

随着组合夹具的推广应用，为满足生产中的各种要求，出现了很多新元件和合件。图1-44所示为密孔节距钻模板。本体1与可调钻模板2上均有齿距为1mm的锯齿，加工孔的中心距可在15～174mm范围内调节，并有I形、L形和T形等。图1-45所示为带液压缸的基础板。基础板内有油道连通七个液压缸4，利用分配器供油，使活塞6上、下运动，作为夹紧机构的动力源，活塞通过键5与夹紧机构连接。这种基础板结构紧凑、效率高，但需配备液压系统，价格较高。

（2）孔系组合夹具

目前许多发达国家都有自己的孔系组合夹具。图1-46所示为德国BIUCO公司的孔系组合夹具组装示意图。元件与元件间用两个销钉定位，一个螺钉紧固。定位孔孔径有10，12，16，24mm四个规格；相应的孔距为30，40，50，80mm；孔径公差为H7，孔距公差为±0.01mm。孔系组合夹具的元件用一面两圆柱销定位，属允许使用的过定位；其定位精度高，刚性比槽系组合夹具好，组装可靠，体积小，元件的工艺性好，成本低，可用作数控机床夹具。但组装时元件的位置不能随意调节，常用偏心销钉或部分开槽元件进行弥补。

3.拼装夹具

拼装夹具是在成组工艺基础上，用标准化、系列化的夹具零部件拼装而成的夹具。它有组合夹具的优点，比组合夹具有更好的精度和刚性，更小的体积和更高的效率，因而较适合柔性加工的要求，常用作数控机床夹具。图1-47所示为镗箱体孔的数控机床夹具，需在工件6上镗削A，B，C三孔。工件在液压基础平台5及三个定位销钉3上定位；通过基础平台内两个液压缸8、活塞9、拉杆12、压板13将工件夹紧；夹具通过安装在基础平台底部的两个连接孔中的定位键10在机床T形槽中定位，并通过两个螺旋压板11固定在机床工作台上。可选基础平台上的定位孔2作夹具的坐标原点，与数控机床工作台上的定位孔1的距离分别为X0、Y0。三个加工孔的坐标尺寸可用机床定位孔1作为零点进行计算编程，称固定零点编程；也可选夹具上方便的某一定位孔作为零点进行计算编程，称浮动零点编程。拼装夹具主要由以下元件和合件组成。

（1）基础元件和合件

图1-48所示为普通矩形平台，只有一个方向的T形槽1，使平台有较好的刚性。平台上布置了定位销孔2，如B—B剖视图所示，可用于工件或夹具元件定位，也可作数控编程的起始孔。D—D剖面为中央定位孔。基础平台侧面设置紧固螺纹孔系3，用于拼装元件和合件。两个孔4（C—C剖面）为连接孔，用于基础平台和机床工作台的连接定位。如图1-47所示数控机床夹具中所示的液压基础平台5，比普通基础平台增加了几个液压缸，用作夹紧机构的动力源，使拼装夹具具有高效能。

（2）定位元件和合件

图1-49（a）所示为平面安装可调支撑钉；图1-49（b）所示为T形槽安装可调支撑钉；图1-49（c）所示为侧面可调支撑钉。

图1-50所示为定位支撑板，可用作定位板或过渡板。

图1-51所示为可调V形块，以一面两销在基础平台上定位、紧固，两个V形块4和5可通过左、右螺纹螺杆3调节，以实现不同直径工件6的定位。

（3）夹紧元件和合件

图1-52所示为手动可调夹紧压板，均可用T形螺栓在基础平台的T形槽内连接。

图1-53所示为液压组合压板，夹紧装置中带有液压缸。

（4）回转过渡花盘

用于车、磨夹具的回转过渡花盘如图1-54所示。

（三）工件的定位与夹紧

1.工件的定位

在机床上加工工件时，为了在工件的某一部位加工出符合工艺规程要求的表面，加工前需要使工件在机床上占有正确的位置，此即定位。

1）工件的定位方法

① 直接找正法 工件定位时直接用量具或仪表直接找正工件上某一表面，使工件处于正确的位置，称为直接找正装夹。这种装夹方式所需时间长，结果也不稳定，只适合于单件小批量生产。

② 划线找正法 这种装夹方式是先按加工表面的要求在工件上划线，加工时在机床上按线找正以获得工件的正确位置。这种方法受到划线精度的限制，定位精度较低，多用于批量较小、毛坯精度较低以及大型零件的粗加工中。

③ 在夹具上定位 常用的有通用夹具和专用夹具。使用夹具时，工件在夹具中迅速而正确的定位，不需找正就能保证工件与机床、刀具间的正确位置。这种方式生产率高，定位精度好，广泛用于成批以上生产和单件小批量的生产的关键工序中。

2）工件定位的基本原理

（1）六点定位原理

如图1-55所示，工件在空间具有六个自由度，即沿x，y，z三个直角坐标轴方向的移动自由度和绕这三个坐标轴的转动自由度。因此，要完全确定工件的位置，就必须消除这六个自由度，通常用适当分布的6个支撑点（即定位元件）来限制工件的六个自由度，其中每一个支撑点限制相应的一个自由度。如图1-56所示，在xOy平面上，不在同一直线上的三个支撑点限制了工件的三个自由度，这个平面称为主基准面；在yOz平面上，沿长度方向布置的两个支撑点限制了工件的两个自由度，这个平面称为导向平面；工件在xOz平面上，被一个支撑点限制了一个自由度，这个平面称为止动平面。

综上所述，若要使工件在夹具中获得唯一确定的位置，就需要在夹具上合理设置相当于定位元件的6个支撑点，使工件的定位基准与定位元件紧贴接触，即可消除工件的所有6个自由度，这就是工件的六点定位原理。

（2）六点定位原理的应用

六点定位原理对于任何形状工件的定位都是适用的，如果违背这个原理，工件在夹具中的位置就不能完全确定。然而，用工件六点定位原理进行定位时，必须根据具体加工要求灵活运用，工件形状不同，定位表面不同，定位点的布置情况会各不相同，宗旨是使用最简单的定位方法，使工件在夹具中迅速获得正确的位置。

① 完全定位 工件的6个自由度全部被夹具中的定位元件所限制，而在夹具中占有完全确定的唯一位置，称为完全定位。

② 不完全定位 根据工件加工表面的不同加工要求，定位支撑点的数目可以少于6个。有些自由度对加工要求有影响，有些自由度对加工要求无影响，只要分布与加工要求有关的支撑点，就可以用较少的定位元件达到定位的要求，这种定位情况称为不完全定位。不完全定位是允许的，下面举例说明。

五点定位如图1-57所示，钻削加工ΦD小孔，工件以内孔和一个端面在夹具的心轴和平面上定位，限制工件5个自由度，相当于5个支撑点定位。工件绕心轴的转动不影响对小孔ΦD的加工要求。

四点定位如图图1-58所示，铣削加工通槽，工件以长外圆在夹具的双V形块上定位限制工件的4个自由度，相当于4个支撑点定位。工件的两个自由度不影响对通槽的加工要求。

③ 欠定位 按照加工要求应该限制的自由度没有被限制的定位称为欠定位。欠定位是不允许的，因为欠定位保证不了加工要求。如铣削图1-59所示零件上的通槽，应该限制三个自由度，以保证槽底面与A面的平行度及尺寸两项加工要求；应该限制两个自由度，以保证槽侧面与B面的平行度及尺寸30 ± 0.1两项加工要求自由度不影响通槽加工，可以不限制。如果没有限制就无法保证；如果或没有限制，槽底与A面的平行度就不能保证。

④ 过定位 工件的一个或几个自由度被不同的定位元件重复限制的定位称为过定位。当过定位导致工件或定位元件变形，影响加工精度时，应该严禁采用。但当过定位并不影响加工精度，反而对提高加工精度有利时，也可以采用，零具体情况具体分析。

3）工件的定位方法及其定位元件

在实际生产中，常用的定位方法和定位元件主要有以下几种：

① 工件以平面定位。

② 工件以圆孔定位。

③ 工件以外圆柱面定位。

2.工件的夹紧

由于在加工过程中工件受到切削力、重力、振动、离心力、惯性力等作用，所以还应采用一定的机构，使工件在加工过程中始终保持在原先确定的位置上，此即夹紧。

夹紧是工件装夹过程中的重要组成部分。工件定位后必须通过一定的机构产生夹紧力，把工件压紧在定位元件上，使其保持准确的定位位置，不会由于切削力、工件重力、离心力或惯性力等力的作用而产生位置变化和振动，以保证加工精度和安全操作。这种产生夹紧力的机构称为夹紧装置。

（1）夹紧装置应具备的基本要求

① 夹紧过程可靠，不改变工件定位后所占据的正确位置。

② 夹紧力的大小适当，既要保证工件在加工过程中其位置稳定不变、振动小，又要使工件不会产生过大的夹紧变形。

③ 操作简单方便、省力、安全。

④ 结构性好，夹紧装置的结构力求简单、紧凑，便于制造和维修。

（2）夹紧力方向和作用点的选择

① 夹紧力应朝向主要定位基准。

② 夹紧力的作用点应落在定位元件的支撑范围内，并应靠近支撑元件的几何中心；否则夹紧力作用在支撑面之外，易导致工件的倾斜和移动，破坏工件的定位。

③ 夹紧力的方向应有利于减小夹紧力的大小。

④ 夹紧力的方向和作用点应施加于工件刚性较好的方向和部位。

⑤ 夹紧力作用点应尽量靠近工件加工表面，以提高工件加工部位的刚性，防止或减少工件产生振动。

3.定位与夹紧的关系

定位与夹紧的任务是不同的，两者不能互相取代。若认为工件被夹紧后，其位置不能动了，所以自由度都已限制了，这种理解是错误的。图1-60所示为定位与夹紧的关系示意，工件在平面支撑1和两个长圆柱销2上定位，工件放在实线和虚线位置都可以夹紧，但是工件在x方向的位置不能确定，钻出的孔其位置也不确定（出现尺寸A1和A2）。只有在x方向设置一个挡销时，才能保证钻出的孔在x方向获得确定的位置。若认为工件在挡销的反方向仍然有移动的可能性，因此位置不确定，这种理解也是错误的。定位时，必须使工件的定位基准紧贴在夹具的定位元件上，否则不称其为定位，而夹紧则使工件不离开定位元件。

4.常见夹紧机构

（1）斜楔夹紧机构

采用斜楔作为传力元件或夹紧元件的夹紧机构，称为斜楔夹紧机构。图1-61（a）所示为斜楔夹紧机构的应用示例，敲入斜楔1大头，使滑柱2下降，装在滑柱上的浮动压板3可同时夹紧两个工件4。加工完后，敲斜楔1的小头，即可松开工件。采用斜楔直接夹紧工件的夹紧力较小、操作不方便，因此实际生产中一般与其他机构联合使用。图1-61（b）所示为斜楔与螺旋夹紧机构的组合形式，当拧紧螺旋时楔块向左移动，使杠杆压板转动夹紧工件；当反向转动螺旋时，楔块向右移动，杠杆压板在弹簧力的作用下松开工件。

（2）螺旋夹紧机构

采用螺旋直接夹紧或采用螺旋与其他元件组合实现夹紧的机构，称为螺旋夹紧机构。螺旋夹紧机构具有结构简单、夹紧力大、自锁性好和制造方便等优点，很适用于手动夹紧，因而在机床夹具中得到广泛的应用。其缺点是夹紧动作较慢，因此在机动夹紧机构中应用较少。螺旋夹紧机构分为简单螺旋夹紧机构和螺旋压板夹紧机构。

图1-62所示为最简单的螺旋夹紧机构。图1-62（a）螺栓头部直接对工件表面施加夹紧力，螺栓转动时，容易损伤工件表面或使工件转动。解决这一问题的办法是在螺栓头部套上一个摆动压块，如图1-62（b）所示，这样既能保证与工件表面有良好的接触，防止夹紧时螺栓带动工件转动，还可避免螺栓头部直接与工件接触而造成压痕。摆动压块的结构已经标准化，可根据夹紧表面来选择。

实际生产中使用较多的是如图1-63所示的螺旋压板夹紧机构。它利用杠杆原理实现对工件的夹紧，杠杆比不同，夹紧力也不同。其结构形式变化很多，图1-63（a）、（b）所示为移动压板，图1-63（c）、（d）为转动压板，其中图1-63（d）所示的增力倍数最大。

（3）偏心夹紧机构

用偏心件直接或间接夹紧工件的机构，称为偏心夹紧机构，如图1-64所示。图1-64 （a）、（b）偏心件为圆偏心轮，图1-64（c）所示为偏心件为偏心轴，图1-64（d）所示为偏心件为偏心叉。

偏心夹紧机构操作简单、夹紧动作快，但夹紧行程和夹紧力较小，一般用于没有振动或振动较小、夹紧力要求不大的场合。

四、影响数控加工产品质量的工艺因素

零件的加工质量主要包括加工精度和表面质量两个方面。

1.加工精度和表面质量的基本概念

（1）加工精度

加工精度是指零件加工后的实际几何参数对理想几何参数的符合程度，两者之间的偏离程度（偏差）称为加工误差。加工误差越大则加工精度越低，反之越高。生产中加工精度的高低是用加工误差的大小来表示的，加工精度包括三个方面。

① 几何形状精度 限制加工表面的宏观几何形状误差，如圆度、圆柱度、直线度和平面度等。

② 尺寸精度 限制加工表面与其基准间尺寸误差不超过一定的范围。

③ 相互位置精度 限制加工表面与其基准间的相互位置误差，如平行度、垂直度和同轴度等。

（2）表面质量

表面质量是指零件要加工后的表层状态，它是衡量机械加工质量的一个重要方面。表面质量包括以下几个方面。

① 表面粗糙度 指零件表面微观几何形状误差。它是衡量表面质量的重要指标。

② 表面波纹度 指零件表面周期性的几何形状误差。

③ 表面冷作硬化 表层金属因在加工中产生强烈的塑性变形而引起的强度和硬度提高的现象。

④ 表面残余应力 工件表层及其与基体材料的交界处产生相互平衡的弹性应力。

⑤ 表面层金相组织变化 表层金属因切削热而引起的金相组织变化（通常称为烧伤）。

2.影响加工精度的工艺因素及改善措施

1）产生加工误差的原因

从工艺因素的角度考虑，产生加工误差的原因可分为下述几种。

① 加工原理误差（理论误差） 加工原理误差是采用近似的加工运动、近似的刀具轮廓和近似的加工方法所产生的原始误差。例如常用的齿轮滚刀就有两种原理误差：一是近似造形原理误差，即由于制造上的困难，采用阿基米德蜗杆代替渐开线基本蜗杆；二是由于滚刀必须是具有有限的前后刀面和切削刃才能滚切齿，而不是连续的蜗杆，滚切的齿轮齿形实际上是一根折线，和理论上光滑的渐开线是有差异的。因此，滚齿是一种近似的加工方法。

② 工艺系统的几何误差 由于工艺系统中各组成环节的实际几何参数和位置相对于理想几何参数和位置发生偏离而引起的误差，统称为几何误差。主要包括机床、刀具、夹具的制造和磨损，系统调整误差，工件定位误差和夹具、刀具安装误差等。

③ 工艺系统力效应产生变形引起的误差 工艺系统在切削力、夹紧力、重力和惯性力等作用下会产生变形，从而破坏工艺系统各组成部分的相互位置关系，产生加工误差并影响加工过程的稳定性。同时工件经过冷热加工后也会产生一定的内应力。通常情况下，内应力处于平衡状态，但对具有内应力的工件进行加工时，工件原有的内应力平衡状态被破坏，从而使工件产生变形。

④ 工艺系统受热变形引起的误差 在加工过程中，由于受切削热、摩擦热以及工作场地周围热源的影响，温度会产生变化，工艺系统就会发生变形，导致系统中各组成部分正确相对位置的改变，使工件与刀具之间产生相对位置和相对运动的误差。

⑤ 测量误差 在工序调整及加工过程中测量工件时，由于测量方法、量具精度以及工件和环境温度等因素对测量结果准确性的影响而产生的误差，统称为测量误差。

2）减少加工误差的措施

（1）减少工艺系统受力变形的措施

① 提高接触刚度 常用的方法是改善工艺系统主要零件接触面的配合质量。如机床导轨副的刮研等。

② 设辅助支撑，提高局部刚度，减少受力变形。如细长轴加工时采用跟刀架，提高切削时的刚度。

③ 合理装夹工件，减少夹紧变形。

④ 采用补偿或转移变形的方法。

（2）减少和消除内应力的措施

① 改善零件结构，设计时尽量简化零件结构、提高零件刚度、使壁厚均匀等。

② 合理安排工艺过程，如粗、精加工分开，使粗加工后有充足的时间让内应力重新分布，减少对精加工的影响。

③ 增加消除残余应力的专门工序。

（3）减少工艺系统受热变形的措施

① 机床结构设计采用对称式结构。

② 采用主动控制方式均衡关键件的温度。

③ 采用切削液进行冷却。

④ 加工前先让机床空转一段时间，使之达到热平衡状态后再加工。

⑤ 改变刀具及切削参数。

⑥ 大型或长工件，在夹紧状态下应使其末端能自由伸缩。

3.影响表面粗糙度的工艺因素及改善措施

零件在切削加工过程中，由于刀具几何形状和进给量的影响，切削运动引起的残留面积、刀刃上积屑瘤划出的沟纹、工件与刀具之间的振动以及刀具后刀面磨损造成擦痕等原因，使零件表面上产生了粗糙度。影响表面粗糙度的工艺因素可归纳为工件材料、切削用量、刀具材料和几何参数及切削液四个方面。

（1）工件材料

塑性材料的韧性越大大，加工后表面粗糙度也越大，对于同种材料，在相同的切削条件下，其晶粒组织越粗大则加工表面粗糙度值也越大。因此，为了减小加工表面粗糙度，常在切削加工前对材料进行调质或正火处理，以获得均匀细密的晶粒组织和较大的硬度。

（2）切削用量

切削速度对表面粗糙度的影响也很大。在中速切削塑性材料时，由于容易产生积屑瘤，且塑性变形较大，因此加工后零件表面粗糙度较大。通常采用低速或高速切削塑性材料，特别是高速切削塑性材料可有效地避免积屑瘤的产生，这对减小表面粗糙度有积极作用。

如图1-65所示，ABE所包围的面积称为残留面积，残留面积的高度（最大轮廓高度） H，直接影响已加工表面的粗糙度（见图1-66），其计算公式为

若刀尖呈圆弧形，则最大轮廓高度H为

从式（1-1）和式（1-2）可以看出，进给量会显著影响加工后切削层残留面积高度，从而对零件表面粗糙度也有明显影响。进给量越大，残留面积高度越高，零件表面粗糙度越大。因此，减小进给量可有效地减小表面粗糙度。

（3）刀具材料和几何参数

刀具材料与被加工材料金属分子和亲和力大时，切削过程中易产生积屑瘤。

刀具几何参数方面，由式（1-1）和式（1-2）可知，主偏角κr、副偏角κ′r及刀尖圆弧半径rε对零件表面粗糙度有直接影响。在进给量一定的情况下，减小主偏角κr和副偏角κ′r，或增大刀尖圆弧半径rε，可减小表面粗糙度。另外，适当增大前角和后角，减小切削变形和前后刀面间的摩擦，抑制积屑瘤的产生，也可减小表面粗糙度。

（4）切削液

切削液的冷却作用会降低切削温度，切削液的润滑作用能减小刀具和被加工表面之间的摩擦，使切削层金属表面的塑性变形程度下降并抑制鳞刺和积屑瘤的生长，对降低表面粗糙度有显著的作用。

五、其他数控加工工艺简介

1.数控磨床及其加工工艺简介

常用的数控磨床有数控外圆磨床、内圆磨床、万能外圆磨床（外圆、内孔磨削）、平面磨床等。万能磨床自动更换外圆磨砂轮和内圆磨砂轮构成磨削中心。数控磨床种类繁多，见表1-17，但编程相对来说较简单。

（1）数控磨床特点

数控磨床结构布局与普通磨床类似，但加工中各种运动是按程序自动进行的。以外圆磨床为例介绍其特点：

① 磨头横向自动进刀。

② 轴向进给，砂轮转速可调，自动往复。

③ 床头座回转，主轴无级调速。

④ 安装床头\顶尖座\滑板可回转调节锥度。

⑤ 砂轮修正架自动修正砂轮，随即进行尺寸补偿。

⑥ 测量轴肩用轴向定位器进入、退出工作位，需进行测量修正。

⑦ 主轴测量仪自动进入、退出工作位。

⑧ 具有砂轮自动平衡装置，及平衡情况执行装置。

（2）数控磨床坐标系及坐标轴

以外圆磨床为例，其坐标系及坐标轴介绍如下：工件坐标系与车床相同，直径方向为X，轴向为Z，机床原点在卡盘法兰安装面上，工件坐标原点由机床原点转移而来。砂轮修正时，砂轮为工件，“金刚石笔”为“车刀”。砂轮原点（即刀位点）在砂轮中心线所处水平面上，为砂轮左端面与外圆的交点，如图1-67所示。通过用砂轮试磨外圆、端面确定工件原点。

（3）工艺特点

砂轮切削用量的选择等与普通磨床相同，砂轮移近工件编程时需编入安全距离（如图1-68所示），磨削方式可分为粗磨、半精磨、精磨、无火花磨削等。

安全距离要考虑到工序尺寸余量公差、工件变形等因素，有的数控机床装有振动传感器，当砂轮快速前进接触到工件时能发出信号，自动转入正常磨削，则可不考虑安全距离。

2.数控冲压加工工艺简介

不同控制系统的数控冲床其数控编程指令是不相同的。数控冲孔加工的编程是指将钣金零件展开成平面图，放入X，Y坐标系的第一象限，对平面图中的各孔系进行坐标计算的过程。在数控冲床上进行冲孔加工的过程是：零件图—编程—程序制作—输入NC控制柜—按启动按钮—加工。

数控冲床加工操作顺序是，先准备好加工工件的毛坯和加工程序，然后按以下步骤进行操作：

① 确认以下灯是亮的：X原点灯；Y原点灯、转盘原点灯、C轴原点灯。

② 选择机床自动操作模式：纸带（TYPE）、内存（MEMORY）、手动（MDI）、RS-232输入模式，旋转模式开关至相应的工作方式，将要加工的程序输入数控系统中。

③ 踩下脚踏开关的压板，使工件夹具打开，“夹具打开”灯亮，将加工工件放在工作台上，升起“X”轴定位标尺，“X”轴定位标尺灯亮，将工件靠紧两个工件夹具和“X”轴定位标尺边，再踩下脚踏开关的压板，使工件夹具闭合，“夹具打开”灯熄灭，降下“X”轴定位标尺，“X”轴定位标尺灯熄灭。

④ 确认指示灯至熄灭，同时确认“急停”按钮处于释放状态。

⑤ 确认LSK及ABS符号出现在CRT的右下角。

⑥ 按机床“启动”按钮，开始进行加工。

3.数控电火花加工工艺简介

（1）电火花加工

电火花加工又称放电加工或电蚀加工。它是20世纪40年代由苏联科学家拉扎连柯根据有害的电腐蚀现象发明的，之后随着脉冲电源和控制系统的改进，迅速发展起来。这是一种直接利用电能和热能进行加工的新工艺，与金属切削加工的原理完全不同。

（2）电火花加工的分类

按照工具电极的形式及其与工件之间相对运动的特征，可将电火花加工方式分为五类：

① 利用成型工具电极，相对工件做简单进给运动的电火花成型加工。

② 利用轴向移动的金属丝作工具电极，工件按所需形状和尺寸做轨迹运动，以切割导电材料的电火花线切割加工。

③ 利用金属丝或成型导电磨轮作工具电极，进行小孔磨削或成型磨削的电火花磨削。

④ 电火花共扼回转加工，用于加工螺纹环规、螺纹塞规、齿轮等。

⑤ 小孔加工、刻印、表面合金化、表面强化等其他种类的加工。

（3）电火花加工的特点与应用

① 脉冲放电的能量密度高，便于加工用普通的机械加工方法难于加工或无法加工的特殊材料和复杂形状的工件。不受材料硬度影响，不受热处理状况影响。

② 脉冲放电持续时间极短，放电时产生的热量传导扩散范围小，材料受热影响范围小。

③ 加工时，工具电极与工件材料不接触，两者之间宏观作用力极小。工具电极材料无须比工件材料硬，因此，工具电极制造容易。

④ 可以改善工件结构，简化加工工艺，提高工件使用寿命，降低工人劳动强度。

⑤ 加工后表面产生变质层，在某些应用中须进一步去除，工作液的净化和加工中产生的烟雾污染处理比较麻烦。

电火花加工主要用于加工具有复杂形状的型孔和型腔的模具和零件；加工各种硬、脆材料，如硬质合金和淬火钢等；加工深细孔、异形孔、深槽、窄缝和切割薄片等；加工各种成型刀具、样板和螺纹环规等工具和量具。

（4）数控电火花线切割加工的工艺过程

① 分析零件图纸及其技术要求。

② 加工前的工艺准备。

③ 选择切割参数及确定切割路线，进行工件装夹找正。

④ 编制加工程序。

⑤ 线切割加工。

⑥ 线切割后工件清理与检验。

（5）数控电火花成型机床加工的工艺过程

① 打开机床电源开关。

② 电极的安装、调整、校正和定位。

③ 工件的装夹与定位。

④ 调整主轴头及其附件位置。

⑤ 工作液槽注油。

⑥ 选择电规准。

⑦ 开始加工。

⑧ 转换电规准。

⑨ 当工件达到预定的加工要求后，停车、关机。

六、数控编程概述

数控机床是一种高效的自动化加工设备，它严格按照加工程序，自动地对被加工工件进行加工。我们把从数控系统外部输入的直接用于加工的程序称为数控加工程序，简称为数控程序，它是机床数控系统的应用软件，与数控系统应用软件相对应的是数控系统内部的系统软件，系统软件是用于数控系统工作控制的，它不在本教程的研究范围内。

数控系统的种类繁多，它们使用的数控程序语言规则和格式也不尽相同，本教程以ISO国际标准为主来介绍加工程序的编制方法。当针对某一台数控机床编制加工程序时，应该严格按机床编程手册中的规定进行程序编制。

（一）数控程序编制

编制数控加工程序是使用数控机床的一项重要技术工作，理想的数控程序不仅应该保证加工出符合零件图样要求的合格零件，还应该使数控机床的功能得到合理的应用与充分的发挥，使数控机床能安全、可靠、高效的工作。

数控编程是指从零件图纸到获得数控加工程序的全部工作过程，如图1-69所示。编程工作主要包括以下内容。

（1）分析零件图样

对零件图样进行分析，分析零件的形状、结构、尺寸及形位公差要求，明确加工的内容和要求。

（2）制订工艺方案

确定加工方案：选择合适的数控机床；选择或设计刀具和夹具；确定合理的走刀路线及选择合理的切削用量等。这一工作要求编程人员能够对零件图样的技术特性、几何形状、尺寸及工艺要求进行分析，并结合数控机床使用的基础知识，如数控机床的规格、性能、数控系统的功能等，确定加工方法和加工路线。

（3）数学处理

在确定了工艺方案后，就需要根据零件的几何尺寸、加工路线等，计算刀具中心运动轨迹，以获得刀位数据。数控系统一般均具有直线插补与圆弧插补功能，对于加工由圆弧和直线组成的较简单的平面零件，只需要计算出零件轮廓上相邻几何元素交点或切点的坐标值，得出各几何元素的起点、终点、圆弧的圆心坐标值等，就能满足编程要求。当零件的几何形状与控制系统的插补功能不一致时，就需要进行较复杂的数值计算，一般需要使用计算机辅助计算，否则难以完成。

（4）编写零件加工程序

在完成上述工艺处理及数值计算工作后，即可编写零件加工程序。程序编制人员使用数控系统的程序指令，按照规定的程序格式，逐段编写加工程序。程序编制人员应对数控机床的功能、程序指令及代码十分熟悉，才能编写出正确的加工程序。

（5）程序检验

将编写好的加工程序输入数控系统，就可控制数控机床的加工工作。一般在正式加工之前，要对程序进行检验。通常可采用机床空运转的方式，来检查机床动作和运动轨迹的正确性，以检验程序。在具有图形模拟显示功能的数控机床上，可通过显示走刀轨迹或模拟刀具对工件的切削过程，对程序进行检查。对于形状复杂和要求高的零件，也可采用铝件、塑料或石蜡等易切材料进行试切来检验程序。通过检查试件，不仅可确认程序是否正确，还可知道加工精度是否符合要求。若能采用与被加工零件材料相同的材料进行试切，则更能反映实际加工效果。当发现加工的零件不符合加工技术要求时，可修改程序或采取尺寸补偿等措施。

（二）数控程序编制的方法

数控加工程序的编制方法主要有两种：手工编制程序和自动编制程序。

1.手工编程

手工编程指主要由人工来完成数控编程中各个阶段的工作。对编程人员素质要求高，编程人员不但要具备机械工艺知识，而且要有一定的数值计算能力，并熟悉数控代码和编程规则。对于几何形状比较简单的零件或一般的点位加工零件，手工编程比较适合，此时经济、省时。

手工编程的步骤：分析零件图—确定加工工艺过程—数值计算—编写零件的加工程序单—程序输入数控系统—校对加工程序—首件试加工。

手工编程流程如图1-70所示。

手工编程的特点主要有耗费时间较长，容易出现错误，无法胜任复杂形状零件的编程。据国外资料统计，当采用手工编程时，一段程序的编写时间与其在机床上运行加工的实际时间之比，平均约为30∶1，而数控机床不能开动的事故中有20%～30%是因加工程序编制困难、编程时间较长造成的。

2.计算机自动编程

自动编程是指在编程过程中，除了分析零件图样和制订工艺方案由人工进行外，其余工作均由计算机辅助完成。采用计算机自动编程时，数学处理、编写程序、检验程序等工作是由计算机自动完成的。由于计算机可自动绘制出刀具中心运动轨迹，使编程人员可及时检查程序是否正确，需要时可及时修改，以获得正确的程序。又由于计算机自动编程代替程序编制人员完成了烦琐的数值计算，可提高编程效率，因此解决了手工编程无法解决的许多复杂零件的编程难题。自动编程的特点就在于编程工作效率高，可解决复杂形状零件的编程难题。它适合于几何形状复杂的零件或有复杂曲面的零件或几何形状并不复杂，但程序量很大的零件。这类零件若手工编程，则效率低、易出错。

根据输入方式的不同，可将自动编程分为以下几种。

① 数控语言编程：将加工零件的几何尺寸、工艺要求、切削参数及辅助信息等用数控语言编写成源程序后，输入到计算机中，再由计算机进一步处理得到零件加工程序。

② 图形交互式编程：将零件的图形信息直接输入计算机，通过自动编程软件的处理，得到数控加工程序。目前，图形数控自动编程是使用最为广泛的自动编程方式。

③ 语音式自动编程：采用语音识别器，将编程人员发出的加工指令声音转变为加工程序。

④ 实物模型式自动编程。

自动编程的步骤：零件的几何建模—加工方案与加工参数的合理选择—刀具轨迹生成—数控加工仿真—后置处理—首件试加工。

自动编程的流程如图1-71所示。

3.图形交互式编程和CAD/CAE/CAPP/CAM/PDM

CAD/CAM（计算机辅助设计及制造）与PDM（产品数据管

理）构成了一个现代制造型企业计算机应用的主干。制造的发展，与设计、制造水平和产品的质量、成本及生产周期息息相关。人工设计、单件生产这种传统的设计与制造方式已无法适应工业发展的要求。采用CAD/CAM的技术已成为整个制造行业当前和将来技术发展的重点。

CAD/CAM技术特点：

① 产品开发的集成性，见图1-72。

② 产品相关性，见图1-73。

③ 并行协作，图1-74。

CAD是企业应用计算机辅助技术的基础，由CAD建立的产品零件三维相关参数化模型是实施并行协作产品开发过程的主模型。

（三）数控机床坐标系

关于数控机床的坐标轴和运动方向，ISO组织对作了统一的规定，并制订了ISO841标准，这与我国有关部门制订的相应标准JB3051—1982相当。

1.数控机床坐标系的确定

（1）数控机床假设工件静止，刀具运动

不同的机床其进给运动部件不同，有的机床是刀具做实际的进给运动，如车床；有的是工作台带着工件做实际的进给运动，如铣床。为便于编程，数控机床统一假设工件静止，刀具相对于工件作进给运动，编程人员在不考虑机床上工件与刀具具体运动的情况下，就可以依据零件图样编程，确定机床的加工过程。

（2）机床坐标系采用右手笛卡儿直角坐标系

在数控机床上，机床的动作是由数控装置来控制的，为了确定数控机床上的成型运动和辅助运动，必须先确定机床上运动的位移和运动的方向，这就需要通过坐标系来实现，这个坐标系被称为机床坐标系。

标准机床坐标系中X，Y，Z坐标轴的相互关系用右手笛卡儿直角坐标系决定：

① 伸出右手的大拇指、食指和中指，使其成为90°，则大拇指代表X坐标，食指代表Y坐标，中指代表Z坐标。

② 大拇指的指向为X坐标的正方向，食指的指向为Y坐标的正方向，中指的指向为Z坐标的正方向。

③ 围绕X，Y，Z坐标旋转的旋转坐标分别用A，B，C表示，根据右手螺旋定则，大拇指的指向为X，Y，Z坐标中任意轴的正向，则其余四指的旋转方向即为旋转坐标A，B，C的正向，如图1-75所示。

④XYZ基本坐标系又称第一坐标系，它表示最靠近主轴的坐标系。此外，若有平行于基本坐标系、稍远于主轴的坐标系称为第二坐标系，其坐标轴用U，V，W轴表示，称为扩展轴，它们分别平行于X，Y，Z轴。若还有平行于基本坐标系、更远于主轴的坐标系称为第三坐标系，其坐标轴用P，Q，R轴表示，它们也分别平行于X，Y，Z轴。同理，A，B，C称为第一回转坐标系；若有其他回转运动轴则用D轴、E轴、F轴表示。五轴联动坐标轴和六轴加工中心坐标轴分别如图1-76和图1-77所示。

（3）运动方向的规定

增大刀具与工件距离的方向即为各坐标轴的正方向，如图1-78和图1-79所示为数控车床上两个运动的正方向。

2.坐标轴方向的确定

（1）Z坐标轴

Z轴坐标的运动方向是由传递切削动力的主轴所决定的，即平行于主轴轴线的坐标轴即为Z坐标轴，Z坐标轴的正向为刀具离开工件的方向。

① 对于有且只有一个主轴的机床，则规定平行于机床主轴的坐标轴为Z坐标轴；Z轴正方向是假定工件不动，刀具远离工件的方向；图1-80和图1-81所示为数控机床的Z坐标轴。

② 若机床上没有主轴，则规定垂直于工件装夹面的坐标轴为Z轴，如刨床。

③ 若机床上有几根主轴：则规定选垂直于工件装夹面的一根主轴作为主要主轴，Z轴即为平行于主要主轴的坐标轴。

（2）X坐标轴

X坐标轴平行于工件的装夹平面，一般在水平面内。X坐标轴都是水平的。确定X轴的方向时，要考虑以下情况：

① 如果工件作旋转运动，则规定X轴在工件的径向，且平行于横向滑座，X轴正向为刀具远离工件旋转中心线的方向。

② 如果刀具做旋转运动，则分为两种情况：

若Z轴是垂直的（立式机床），则规定从主轴向立柱看去，X轴正方向指向右边。立式加工中心坐标系如图1-82所示。

若Z轴是水平的（卧式机床），则规定从主轴（刀具）的后端向工件看去，X轴正方向指向右边。卧式加工中心坐标系如图1-83所示。

③ 对于刀具和工件都不旋转的机床，则规定刀具切削方向为X轴正向，如刨床。

（3）Y坐标轴

当Z，X坐标轴都确定后，可由右手定则确定Y坐标轴正向。卧式镗床坐标系如图1-84所示。

3.机床坐标系和机床原点

机床坐标系是用来确定工件坐标系的基本坐标系；是机床本身所固有的坐标系；是机床生产厂家设计时自定的，其位置由机械挡块决定，不能随意改变。该坐标系的位置必须在开机后，通过手动回参考点的操作建立。机床在手动返回参考点时，返回参考点的操作是按各轴分别进行的。

机床坐标系原点也称机械原点、机床零点。机床坐标系原点是三维面的交点，通过坐标轴的零点作相应的切面，这些切面的交点即为机床坐标系的原点（O点）。

（1）数控车床的原点

在数控车床上，机床原点一般取在卡盘端面与主轴中心线的交点处，如图1-85所示。同时，通过设置参数的方法，也可将机床原点设定在X，Z坐标的正方向极限位置上。

（2）数控铣床（加工中心）的原点

在数控铣床上，机床原点一般取在X，Y，Z坐标轴的正方向极限位置上，如图1-86所示。

4.数控机床参考点

机床参考点是用于对机床运动进行检测和控制的固定位置点。机床参考点的位置是由机床制造厂家在每个进给轴上用限位开关精确调整好的，坐标值已输入数控系统中。因此，参考点对机床原点的坐标是一个已知数。通常在数控铣床上机床原点和机床参考点是重合的；而在数控车床上机床参考点是离机床原点最远的极限点。图1-87所示为数控车床的参考点与机床原点。

数控机床开机时，必须先确定机床原点，而确定机床原点的运动就是刀架返回参考点的操作，这样通过确认参考点，就确定了机床原点。只有机床参考点被确认后，刀具（或工作台）移动才有基准。

5.工件坐标系与工件原点

工件坐标系是编程人员在编写程序时，在工件上建立的坐标系。工件坐标系的原点位置为工件零点（原点）。理论上，工件零点设置是任意的，但实际上，它是编程人员为了编程方便根据零件特点以及尺寸的直观性而设定的。选择工件坐标系及原点时应注意：

① 工件原点尽量选择在零件的设计基准或工艺基准上，各轴的方向应该与所使用的数控机床相应的坐标轴方向一致，这样便于坐标值的计算，并减少错误。

② 工件零点尽量选在精度较高的工件表面，以提高被加工零件的加工精度。

③ 对于对称零件，工件零点设在对称中心上。

④ 对于一般零件，工件零点设在工件轮廓某一角上。

⑤Z轴方向上零点一般设在工件表面。

⑥ 对于卧式加工中心最好把工件零点设在回转中心上，即设置在工作台回转中心与Z轴连线适当位置上。

⑦ 编程时，应将刀具起点和程序原点设在同一处，这样可以简化程序，便于计算。

6.加工坐标系与加工原点

加工坐标系是指以确定的加工原点为基准所建立的坐标系。

加工原点也称为程序原点，是指零件被装夹好后，相应的编程原点在机床坐标系中的位置。

在加工过程中，数控机床是按照工件装夹好后所确定的加工原点位置和程序要求进行加工的。编程人员在编制程序时，只要根据零件图样就可以选定编程原点、建立编程坐标系、计算坐标数值，而不必考虑工件毛坯装夹的实际位置。对于加工人员来说，则应在装夹工件、调试程序时，将编程原点转换为加工原点，并确定加工原点的位置，在数控系统中给予设定（即给出原点设定值），设定加工坐标系后就可根据刀具当前位置，确定刀具起始点的坐标值。在加工时，工件各尺寸的坐标值都是相对于加工原点而言的，这样数控机床才能按照准确的加工坐标系位置开始加工。图1-88和图1-89中O2即为机床上的加工原点。

（四）基本功能指令

不同的系统其编程指令是不同的，即便是相同的系统，在不同的机床上，其指令也不尽相同，以下根据FANUC-0i系统来介绍数控机床的编程指令及编程方法。

1.准备功能G指令

准备功能也称G功能或G代码，FANUC-0i系统的G代码见表1-18和表1-19。需要注意的是，当一个程序中指定了两个以上属于同组的G代码时，则仅最后一个被指令的G代码有效；在固定循环中，如果规定了01组中任一G代码，固定循环功能就被自动取消，系统处于G80状态，而且01组G代码不受任何固定循环G代码的影响。

2.辅助功能M指令

辅助功能字的地址符是M，后续数字一般为1～3位正整数，又称为M功能或M指令，用于指定数控机床辅助装置的开关动作，详见表1-20。

M00——程序停止 执行完含有该指令的程序后，主轴的转动、进给、切削液都将停止，以便进行某一手动操动，如换刀、工件重新装夹、测量工件尺寸等，重新启动机床后，继续执行后面的程序。

M0l——计划停止（选择性停止） M01与M00功能基本相似，不同的是，只有在按下机床“选择停止”键后，M01才有效，否则机床继续执行后面的程序段。该指令一般用于抽查关键尺寸等情况，检查完后，按机床上的“循环启动”键，继续执行后面的程序。

M02——程序结束 该指令编在最后一个程序段中，它表示执行完程序内所有指令后，主轴停止、进给停止、切削液关闭，机床处于复位状态，机床CRT显示程序结束。

M30——程序结束M30除具有M02功能外，并返回到程序头，准备下一个工件的加工，机床CRT显示程序开始。

M06——主轴刀具与刀库上位于换刀位置的刀具交换 执行时先完成主轴准停的动作，然后才执行换刀动作。

3.进给功能

（1）G0快速进给速度

快速进给速度功能用于指定快速移动时的移动速度。快速移动的速度由各个轴的参数设定，不需在程序中指定。快速进给速度可以用机床面板上的快速修调开关进行修调，共分为F0，25%，50%，100%四挡。F0为每轴参数设定的速度，其余为各轴快速移动速度的倍率。

（2）切削进给速度F

① 刀具切削进给速度由F代码后面的数值指定，即F____。F用在直线插补、圆弧插补和固定循环中。直线移动时，F是沿直线的速度；在圆弧移动时，F是切线方向的速度。

② 每分钟进给速度 使用每分钟进给时，F代码后面的数值为每分钟进给量，在公制单位下，F的直线速度单位为mm/min；英制单位下，F的直线速度单位为in/min；如为回转轴，则速度的单位为（°）/min。

③ 每转进给速度 使用每转进给时，F代码后面的数值为每转进给量（mm/r）。此时，机床主轴上必须装有位置编码器。

④ 进给倍率 每分钟进给速度可以利用机床面板上的进给倍率开关进行修调，但在螺纹加工时，进给倍率被禁止。

4.主轴转速功能字S

主轴转速功能字的地址符是S，又称为S功能或S指令，用于指定主轴转速。单位为r/min。如S1200表示主轴的转速为1200r/min。

对于具有恒线速度功能的数控车床，程序中的S指令也可用来指定车削加工的线速度。如Fanuc0i-T车床，G96S200表示采用恒线速度vc=200m/min。

5.刀具功能字T

刀具功能字的地址符是T，又称为T功能或T指令，用于指定加工时所用刀具的编号。

对于数控车床，其后的数字还兼作指定刀具长度补偿和刀尖半径补偿用，如T0202。

对于加工中心，T功能是用来进行选择刀具，它是把指令了刀号的刀具转换到换刀位置，为下次换刀做好准备，用Txx表示（xx表示刀具号）。Txx是为下次换刀使用的，本次所用刀具应在前面程序段中写出。刀具交换是指刀库上正位于换刀位置的刀具与主轴上的刀具进行自动换刀，这一动作是通过换刀指令M06来实觋的，有些机床则不需要指定M06便可实现换刀动作。

在一个程序段中，同时包含T指令与M06指令，如T____M06；

6.尺寸设定单位

数控编程中的尺寸设定单位一般有英制、公制和脉冲当量三种。若采用英制尺寸设定单位，则移动轴尺寸单位为英寸，旋转轴尺寸单位为度；若采用公制尺寸设定单位，则移动轴尺寸单位为毫米，旋转轴尺寸单位为度；若采用轴脉冲当量设定单位，则移动轴尺寸单位为移动轴脉冲当量，旋转轴尺寸单位为旋转轴脉冲当量；系统的最小设定单位是一个脉冲当量，即相对于每一个脉冲信号，机床移动部件的位移量。如直线位移时0.001mm/脉冲，角位移时0.001度/脉冲。

（五）常用编程指令格式

数控加工程序是由各种功能字按照规定的格式组成的。正确地理解各个功能字的含义，恰当地使用各种功能字，按规定的程序指令编写程序，是编好数控加工程序的关键。程序编制的规则，首先是由所采用的数控系统来决定的，所以应详细阅读数控系统编程、操作说明书，以下按常用数控系统的共性概念进行说明。

1.绝对尺寸和增量尺寸

绝对尺寸指机床运动部件的坐标尺寸值相对于坐标原点给出，增量尺寸指机床运动部件的坐标尺寸值相对于前一位置给出。在加工程序中，绝对尺寸和增量尺寸有两种表达方法。

（1）G功能字指定（数控铣床和加工中心）

G90指定尺寸值为绝对尺寸；G91指定尺寸值为增量尺寸。G90，G91均为模态代码。

在G90方式下，刀具运动的终点坐标一律用该点在工作坐标系下相对于坐标原点的坐标值表示。

在G91方式下，刀具运动的终点坐标是执行本程序段时刀具终点相对于前一个点的增量值。

如图1-90所示，移动程序段可编写如下：

    绝对值编程  G90G1X100.Y30.F200
              G90G1X40.Y70.；
    增量值编程  G90G1X100.Y30.F200
              G91G1X-60.0Y40.0；

这种表达方式的特点是，同一条程序段中只能用一种编程方式，不能混用；同一坐标轴方向的尺寸字的地址符是相同的。

（2）用地址符指定（FANUC系统的车床）

绝对尺寸的尺寸字的地址符为X，Y，Z；增量尺寸的尺寸字的地址符为U，V，W。这种表达方式的特点是，同一程序段中绝对尺寸和增量尺寸可以混用，这给编程带来很大方便。

2.坐标系指令

数控机床的自动运行是靠指定各轴坐标值进行的。编程时，可指定不同形式坐标系下的坐标值，主要包括机床坐标系、工件坐标系和局部坐标系。机床坐标系在实际加工中应用较少，加工零件编程主要是在工件坐标系内进行的。

（1）机床坐标系（G53）

指令格式：（G90）G53X____Y____Z____；

说明：该指令为非模态代码，且只能用绝对值指令，用增量值指令时无效。

机床坐标系指令的使用比较烦琐，故在实际中应用较少。

（2）G92指令设定工件坐标系

G92通过当前刀具所在位置来设定加工坐标系的原点。这一指令不产生机床运动。

指令格式：G90G92X____Y____Z____；

式中X____Y____Z____是指主轴上刀具的基准点在新坐标系中的坐标值，因而是绝对值指令。以后被指令的坐标值就是这个坐标系中的位置。

因G92指令是以刀具基准点为基准的，所以在使用中要注意刀具的位置，若位置有误，则坐标系便被偏移。尤其当重复使用时，要使刀具仍回到起始位置。G92工件坐标系的设定值，在编程时编程人员无法确定，必须待工件在机床上安装后，经操作实测后方能填入。若程序再次使用，必须在工件安装后，操作者再次修改设定值，所以加工中心一般很少使用。线切割机床常采用G92指令。

（3）工件坐标系

① 工件坐标系的设定：通过CRT/MDI面板设定机床零点到各坐标系原点的距离，便可设定六个工件坐标系，如图1-91所示的G54～G59指令程序。

② 工件坐标系的选择：对事先设定了工件原点偏置值的工件坐标系，可用G54～G59分别选择。G54～G59分别对应工件坐标系01～06。

图1-92中OO′为偏移坐标系，其数据将分别与其他工件坐标系数据累加，用于坐标系偏移。

如果未选择工件坐标系，系统便按默认值选择其中一个。一般情况下，把G54设定为默认值，具体情况要看机床厂的设定。在绝对值移动时，与刀具位置无关，不需操作者修改程序。当再次使用时，程序也不需修改，程序与工件安装的位置无关，也与刀具的位置无关，在加工中被广泛应用。

（4）局部坐标系（G52）

在工件坐标系中编程时，对某些图形若用另一个坐标系描述更简便，如不想将原坐标系偏移时，可用局部坐标系设定指令。

指令格式：G52X____Y____Z____；

式中X____Y____Z____指令局部坐标系原点在工件坐标系中的位置。

它适合于所有的工件坐标系1～6。因是局部坐标系，只在指令的工件坐标系内有效，而不影响其余的工件坐标系，因其使用方便而被广泛使用。

如图1-92，调用局部坐标系的程序段可编写如下：

    G90G52X100.0Y100.0；
        …

此时，O′为新的坐标系原点，若想重新启用坐标系（G54指令指定）原点O，则执行指令：

    G90G52X0Y0；

3.坐标平面选择指令

坐标平面选择指令是用来选择圆弧插补的平面和刀具补偿平面的，各坐标平面如图1-91所示。

G17表示选择X Y平面，G18表示选择Z X平面，G19表示选择YZ平面。

一般地，数控车床默认在ZX平面内加工，数控铣床默认在XY平面内加工。

4.快速点定位G00指令

快速点定位指令控制刀具以点位控制的方式快速移动到目标位置，其移动速度由机床参数来设定。指令执行开始后，刀具沿着各个坐标方向同时按机床参数设定的速度移动，最后减速到达终点，如图1-94（a）所示。注意：在各坐标方向上有可能不是同时到达终点。刀具移动轨迹是几条线段的组合，不是一条直线。例如，在FANUC系统中，运动总是先沿45°角的直线移动，最后再在某一轴单向移动至目标点位置，如图1-94（b）所示。编程人员应了解所使用的数控系统的刀具移动轨迹情况，以避免加工中可能出现的碰撞。

编程格式：G00X____Y____Z____；

式中，X____Y____Z____的值是快速点定位的终点坐标值。

例如，如图1-94（a）所示，从A点到B点快速移动的程序段为

G90G00X20Y30，

5.直线插补指令

直线插补指令用于产生按指定进给速度F实现的空间直线运动。

程序格式：G01X____Y Z____F____；

其中，X____Y____Z____的值是直线插补的终点坐标值，F为进给速度。

例如，实现图1-95中从A点到B点的直线插补运动，其程序段为

绝对方式编程：G90G01X10Y10F100；

增量方式编程：G91G01X-10Y-20F100；

6.圆弧插补指令

G02为按指定进给速度的顺时针圆弧插补指令，G03为按指定进给速度的逆时针圆弧插补指令。

圆弧顺逆方向的判别：沿着不在圆弧平面内的坐标轴，由正方向向负方向看，顺时针方向G02，逆时针方向G03，如图1-96所示。

各平面内圆弧情况：图1-97（a）表示XY平面的圆弧插补；图1-97（b）表示ZX平面圆弧插补；图1-97（c）表示YZ平面的圆弧插补。

圆弧插补指令程序格式如下。

在XY平面上的圆弧：

在ZX平面上的圆弧：

在YZ平面上的圆弧：

其中：

①X，Y，Z的值是指圆弧插补的终点坐标值， F为进给速度。

②I，J，K是指圆弧起点到圆心的增量坐标，矢量指向圆心，与G90，G91无关。

③R为指定圆弧半径，当圆弧的圆心角≤180°时，R值为正，当圆弧的圆心角＞180°时，R值为负。

注意：整圆编程时不能用R，否则机床不动作，只能用I，J，K圆心矢量编写程序。

例：在图1-98中，当圆弧A的起点为P1，终点为P2，圆弧插补程序段为

    G02X321.65Y280I40J140F50；
或G02X321.65Y280R-145.6F50；

当圆弧A的起点为P2，终点为P1时，圆弧插补程序段为

    G03X160Y60I-121.65J-80F50；
或G03X160Y60R-145.6F50；

7.暂停（G04）

在程序段结束时暂停一定的时间，以推迟下一个程序段的执行。当指令的暂停时间达到时，系统自动开始执行下一个程序段。G04指令可使刀具作无进给短暂的光整加工，一般用于镗孔底平面、锪孔等场合。G04指令为非模态指令，仅在所出现的程序段中有效。

暂停指令程序有两种格式：

①G04X____；使用X时，必须用小数点且单位为秒。如G04X30.表示在执行完上一程序段后，机床作30s无进给的加工后才执行下一程序段。

②G04P____；使用P时，不用小数点且单位为毫秒。如G04P100表示暂停0.1s。

8.自动返回参考点G27，G28，G29，G30

（1）返回参考点校验G27

程序格式：G27X____Y____Z____；

指令中X____Y____Z____表示参考点在工件坐标系中的坐标值。执行该指令后，如果刀具可以定位到参考点上，则相应轴的参考点指示灯就亮。使用该指令应注意以下几点：

① 在刀具补偿值中使用该指令，刀具到达的位置将是加上补偿量的位置。此时刀具将不能到达参考点，因而参考点指示灯也不亮。因此执行该指令前，应取消刀补。

②若希望执行该程序段后让程序停止，应在该程序段后加上M01或M00指令，否则程序将不停止而继续执行后面的程序段。

③ 假如不要求每次执行程序时都执行返回参考点的操作，应在该指令前加上“/”，以便在不需要时跳过该程序段。

（2）自动返回参考点G28

执行G28指令，可以使刀具以点位方式经中间点快速返回到参考点，中间点的位置由该指令后面的X____Y____Z坐标值决定。

程序格式：G28X____Y____Z____；

指令中X____Y____Z____表示中间点，其坐标值可以用绝对值，也可以用增量值。若为增量值时，则是指中间点相对于刀具当前点的增量值。设置中间点，是为防止刀具返回参考点时与工件或夹具发生干涉。使用这条指令时，应注意以下问题：

① 通常G28指令用于自动换刀、测量及装卸工件。指令如下：

    G91G28Z0；
    G91G28Y0；

②在G28程序段中不仅记忆移动指令值，而且记忆了中间点坐标值。也就是对于在使用G28的程序段中没有被指令的轴，以前G28中的坐标值就作为那个轴的中间点坐标值，

例如：

    N01G90G00X100.0Y100.0Z100.0；
    N02G28X200.0Y300.0；    （中间点是（200，300））
    N03G28Z150.0；          （中间点是（200，300，150））

（3）自动从参考点返回G29

执行G29指令，可使刀具从参考点出发经过一个中间点到达由这个指令后面X____Y____Z____坐标值所指定的位置，中间点的坐标值由前面的G28所规定。因此，这条指令需和G28成对使用，但在使用G28之后，这条指令不是必需的，使用G00指令定位有时更方便。

程序格式：G29X____Y____Z____；

指令中X____Y____Z____表示到达点的坐标值，是绝对值还是增量值，由G90/G91状态决定。若为增量值时，则是指到达点相对于G28中间点的增量值。

G28和G29应用举例（以图1-99所示为例）：

    G91G28X1000.0Y200.0；   （由A经B返回参考点）
    G29X500.0Y-400.0；   （从参考点经B返回到C点）

执行该程序，刀具从A点出发，以快速点定位的方式经由B点到达参考点，换刀后执行G29指令，刀具从参考点先运动到B点再到达C点，B点至C点的增量值为X500.0Y-400.0。

（4）自动返回第二、三、四参考点（G30）

当自动换刀（ATC）位置不在G28指令的参考点上时，通常用G30指令。返回参考点后，相应轴的参考点返回指示灯亮。

指令格式：G30PnX____Y____Z____；

其中，n=2，3，4，表示选择第二、三、四参考点。若不写则表示选择第二参考点。

9.刀具补偿和偏置功能

在加工过程中由于刀具的磨损、实际刀具尺寸与编程时规定的刀具尺寸不一致以及更换刀具等原因，都会直接影响最终加工尺寸，造成加工误差。为了最大限度地减小因刀具尺寸变化等原因造成的加工误差，数控系统通常都具备刀具尺寸补偿功能。通过刀具补偿功能指令，数控系统可以根据实际刀具尺寸或者输入补偿量，使机床自动地加工出符合零件图纸所要求的尺寸和形状。

刀具补偿可分为刀具长度补偿和刀具半径补偿，这里拟用一种程序格式对刀具长度补偿功能进行介绍，目的在于进一步强调不同的数控系统对同一编程功能可能采用不同的程序格式。

1）刀具半径补偿指令

在零件轮廓铣削加工时，由于刀具半径尺寸影响，刀具的中心轨迹与零件轮廓往往不一致。为了避免计算刀具中心轨迹，直接按零件图样上的轮廓尺寸编程，数控系统提供了刀具半径补偿功能，如图1-100所示。

（1）编程格式

G41为刀具半径左补偿指定，定义为假设工件不动，沿刀具运动方向向前看，刀具在零件的左侧即左补偿；

G42为刀具半径右补偿指定，定义为假设工件不动，沿刀具运动方向向前看，刀具在零件的右侧即右补偿。

G40为刀具半径补偿撤销指令。

程序格式：

    G00/G01G41/G42X____Y____D____    （建立补偿程序段）
    …                                （/轮廓切削程序段）
    G00/G01G40X____Y____            （补偿撤销程序段）

其中：

G41/G42程序段中的X，Y值是建立补偿直线段的终点坐标值；

G40程序段中的X，Y值是撤销补偿直线段的终点坐标。

D为刀具半径补偿代号地址字，后面一般用两位数字表示代号（如D01），代号与刀具半径值一一对应。刀具半径补偿值可在CRT/MDI方式输入数控系统，改变刀具半径补偿值可方便实现零件的粗精加工。

① 刀具半径补偿建立时，一般是直线且为空行程，以防过切。

② 刀具半径补偿一般只能平面补偿。

③ 刀具半径补偿结束用G40指令撤销，撤销时同样要防止过切。

④ 建立和取消半径补偿需与G01或G00指令配合使用。

补偿程序段的注意事项如下：

① 建立补偿的程序段，必须是在补偿平面内不为零的直线移动。

② 建立补偿的程序段，一般应在切入工件之前完成。

③ 撤销补偿的程序段，一般应在切出工件之后完成。

④ 刀具半径补偿量的改变。一般刀具半径补偿量的改变，是在补偿撤销的状态下重新设定刀具半径补偿量。如果在已补偿的状态下改变补偿量，则程序段的终点是按该程序段所设定的补偿量来计算的，如图1-101所示。

⑤ 刀具半径补偿量的符号。一般刀具半径补偿量的符号为正，若取为负值时，会引起刀具半径补偿指令G41与G42的相互转化。

（2）过切

通常过切有以下两种情况：

① 刀具半径大于所加工工件内轮廓转角时产生的过切，如图1-102所示。

② 刀具直径大于所加工沟槽时产生的过切，如图1-103所示。

（3）刀具半径补偿的其他应用

应用刀具半径补偿指令加工时，刀具的中心始终与工件轮廓相距一个刀具半径距离。当刀具磨损或刀具重磨后，刀具半径变小，只需在刀具补偿值中输入改变后的刀具半径，而不必修改程序。在采用同一把半径为R的刀具，并用同一个程序进行粗、精加工时，设精加工余量为Δ，则粗加工时设置的刀具半径补偿量为R+Δ，精加工时设置的刀具半径补偿量为R，就能在粗加工后留下精加工余量Δ，然后在精加工时完成切削。运动情况如图1-104所示。

利用刀具半径补偿指令编制图1-105所示工件的加工程序。

    N100G91G28Z0；
    N102T01M06；
    N104G90G54G00X-40.0Y-40.0S800M03；
    N106G43Z100.0H01；
    N108Z5.0；

    N110G01Z-5.0F30；
    N112G41X-20.0Y-20.0D01F100；
    N114Y20.0；
    N116X20.0；
    N118Y-20.0；
    N120X-20.0；
    N122G40X-40.0Y-40.0；
    N124G00Z100.0；
    N126M05；
    N128M30；

2）刀具长度补偿指令

使用刀具长度补偿指令，在编程时就不必考虑刀具的实际长度及各把刀具不同的长度尺寸。加工时，用MDI方式输入刀具的长度尺寸，即可正确加工。当由于刀具磨损、更换刀具等原因引起刀具长度尺寸变化时，只要修正刀具长度补偿量，而不必调整程序或刀具。

G43为正补偿指令，即将Z坐标尺寸值与H代码中长度补偿的量相加，按其结果进行Z轴运动。

G44为负补偿指令，即将Z坐标尺寸值与H中长度补偿的量相减，按其结果进行Z轴运动。

G49为撤销刀具长度补偿指令。

编程格式为：

    G01G43/G44Z   H      （建立刀具长度补偿程序段）
    …                       （切削加工程序段）
    G49                   （补偿撤销程序段）

例：图1-106中，（a）图所对应的程序段为G01G43Z50H；（S为Z向程序指令点；假若S点Z值为50），（b）图所对应的程序段为G01G44Z50H；（Z为建立长度补偿的Z终点坐标值）。

H为刀具长度补偿代号地址字，后面一般用两位数字表示代号，代号与长度补偿量一一对应。刀具长度补偿量可用CRT/MDI方式输入。如果用H00，则刀具长度补偿值为0。

（六）数控加工程序的结构

1.程序的构成

一个完整的零件加工程序是由一个个程序段组成，每个程序段是由代码字（或称指令字）组成，每个代码字又是由地址符和地址符后带符号的数字组成。程序的构成如图1-107所示。

一个完整的加工程序必须包括三部分内容：

① 程序开始：常用O、P或%表示，后面随上该程序的程序名。

② 程序内容：为整个程序的核心部分，由若干程序段组成，主要用来表示机床要完成的全部动作。

③ 程序结束：常以程序结束指令M30或M02表示该程序运行结束。

例：O1000—— 程序开始

N5 M02——程序结束

2.程序段的组成与格式

一个程序由若干个程序段组成，一个程序段由若干个代码字组成，代码字又可称为功能字，是组成程序的最基本单元。

程序段由程序段号、地址符、数据字、符号组成，包含加工信息。

程序段格式是指程序书写的规则，一般有以下几种。

（1）字地址、可变程序段格式（较通用）

在这种格式里，以地址符为首，如上一段已有的字在本程序段里不变化、仍有效的，可以不再重写；在尺寸字里只写有效数字，不需每个字都写满固定位，用这种格式写出的各个程序段长度与数据个数都是可变的，故称为可变程序段格式。这种程序段格式的优点是程序简单、直观、可读性强、易于检查。

如：N10 G00 X25 Y45 Z15；

N20 Z2；

N30 M05；

（2）使用分隔符的可变程序段格式

如：BXBYBTBE，这种格式预先输入所有可能出现字的顺序，每个数据字前以一个分隔字符B为首，可以不再使用地址符，只要按预定顺序把相应的一串数字跟在分隔符后就可以了。

（3）固定程序段格式

不用地址字，也不用分隔符，规定所有可能出现的字的顺序、位数，不足前面补0，重复字不可省，所有程序段长度不变。

注：

① 程序段排列次序和程序段号。程序中程序段必须按加工工步或动作的先后顺序排列；程序段号用自然数表示；相邻的程序段号可以连续，也可不连续；有些数控机床的数控加工程序中，程序段号可以省略不写。

② 代码字（指令字）由地址符和地址符带符号数字组成，一般符合ISO标准，表示控制系统的一个具体指令，用来描述工艺系统的各种操作和运动特征。数控程序中主要包含的代码字的地址符见表1-21。

3.主程序和子程序

数控加工程序总体结构上可分为主程序和子程序。子程序是单独抽出来按一定的格式编写、可被主程序调用的连续的程序段。主程序和子程序必须在一个程序文件中。合理地使用子程序可简化编程。

（1）子程序

在一些零件上往往会有几处的形状与尺寸相似或相同，为了简化编程，我们可以先根据一处的加工图形，编写一些加工程序，然后反复调用该程序加工出全部形状，这些被反复调用的程序就称为子程序。

子程序的程序段格式与主程序的程序段格式相同，但它有自己的程序名，便于主程序调用。

子程序可以被主程序调用，同时子程序也可以调用另一个子程序。如图1-108所示为用子程序方式加工的零件，图1-109所示子程序的调用。

（2）子程序的格式

    Oxxxx
    N1000…
    N1010…
    N1020…
    N1030 M99

在子程序的开头，继“O”（EIA）或“：”（ISO）之后规定子程序号，子程序号由4位数字组成，前边的“O”可省略。M99为子程序结束指令。M99不一定要独立占用一个程序段，如G00X____Y____Z____M99也是可以的。

（3）子程序的调用

调用子程序的格式为：

    M98 Pxxxxxxxx

其中M98是调用子程序指令，地址P后面前4位为重复调用次数，后4位数字为子程序号，若调用次数为“1”可省略不写，系统允许调用次数为9999次。主程序调用某一子程序需要在M98后面写上子程序号Pxxxx。

（4）子程序的执行过程

以下列程序为例说明子程序的执行过程。

    主程序                子程序
    O0001…           O1010…
    N0010…           N1020…
    N0020 M98 P21010；  N1030…
    N1030…           N1040…
    N0040 M98 P1010；   N1050…
    N0050…           N1060 M99；

主程序执行到N0020时就调用执行P1010子程序，重复执行两次后，返回主程序，继续执行N0020后面的程序段；在N0040时再次调用P1010子程序一次，返回时又继续执行N0050及其后面程序。当一个子程序调用另一个子程序时，其执行过程同上。

（5）子程序的特殊调用方法

①子程序中用P指令返回的地址。除子程序结束时用M99指令返回主程序外，还可以在M99程序段中加入Pxxxx，则子程序在返回时，将返回到主程序中顺序号为Pxxxx程序段。如上例中把子程序中N1060程序段中的M99改成M99P0010，则子程序结束时，便会自动返回到主程序N0010程序段，但这种情况只用于储存器工作方式而不能用于纸带方式。

② 自动返回到程序头。如果在主程序（或子程序）中执行M99，则程序将返回到程序开头位置并继续执行后面的程序，这种情况下通常是写成/M99，以便在不需要重复执行时，跳过程序段；也可以在主程序（或子程序）中插入/M99Pxxxx，其执行过程如前文所述；还可以在使用M99的程序段前面写入/M02或/M30以结束程序的调用。

（七）典型零件的编程

如图1-110所示零件，需要加工4个φ10mm的小孔，深度为22mm；加工φ20H8通孔；加工四边形和五边形的外轮廓。采用FANUC-0iM数控系统。

（1）确定数控铣削加工工艺

① 工装：采用机用虎钳装夹工件，底部用垫块垫起。

② 加工工艺路线。

· 使用φ20的立铣刀铣外四边形。

· 使用φ20的立铣刀铣外五边形。

· 用A2中心钻钻4个φ10小孔及φ20孔的中心定位孔。

· 使用φ10麻花钻钻4×φ10孔。

· 用φ18麻花钻钻φ20底孔。

· 使用φ19.7麻花钻扩孔至φ19.7。

· 使用φ20H8铰刀铰孔至尺寸。

（2）工、量、刃具清单

多边形零件加工的工量、刀具清单见表1-22。

（3）刀具与合理的切削用量

刀具与合理的切削用量详见表1-23。

（4）加工准备

① 阅读零件图，并按毛坯图检查坯料的尺寸。

② 开机，机床回参考点。

③ 编写并输入程序并检查该程序（程序见后）。

④ 安装夹具，夹紧工件。工件安装时，基准面B为定位安装面，选择该零件下表面及两侧面作安装基准，用平行垫铁垫起毛坯，零件的底面要保证垫出一定厚度的标准块，用机用虎钳装夹工件，伸出钳口8mm左右。定位时要利用百分表调整工件前后侧面与机床X轴的平行度，将其控制在0.05mm之内。

⑤ 备刀具。选用刀具有A2中心钻（钻定位孔）、φ10麻花钻（加工盲孔）、φ18麻花钻、φ19.7扩孔钻、φ20 H 8铰刀及φ20立铣刀。

（5）对刀操作

略。

（6）输入及修改刀具补偿值

在加工前，可适当加大铣削四边形凸台和正五边形凸台所用刀具（φ20立铣刀）的半径补偿值；可以在加工时预留量。试切完毕后，可根据实际尺寸再修正刀具半径补偿值。

（7）程序校验

略。

（8）工件加工

略。

（9）尺寸测量

在加工结束后，返回设定高度，主轴停止，用量具检查工件尺寸，如果有必要，调整刀具半径及长度补偿，再加工一次。

（10）结束加工

加工完毕，检查工件各部位尺寸及表面粗糙度，卸下工件，清理机床。

注意：

① 安装虎钳时要对虎钳固定钳口进行找正。

② 工件安装时要放在钳口的中间部位，以免钳口受力不匀。

③ 工件在钳口上安装时，下面要垫平行垫铁，必要时用百分表找正工件上表面，使其保持水平。

④ 工件上表面应高出钳口20～25mm，以免对刀或操作失误时损坏刀具或钳口。

⑤ 用寻边器确定工件坐标系原点坐标值。

⑥ 除钻中心孔外，在进行其他工序加工时，应充分浇注冷却液。

（11）零件的数控加工程序

    O8001；
    N1 M03 S560；
    N2 G00 G90 G54 X0 Y0；
    N3 G43 Z100 H01；
    N4 Y-60；
    N5 Z5；
    N6 G01 Z-15 F80；
    N7 G01 G41 X15 D01；
    N8 G03 X0 Y-45 R15；
    N9 G0 1 X-35；
    N10 G02 X-45 Y-35 R10；
    N11 G01 Y35；
    N12 G02 X-35 Y45 R10；
    N13 G01 X35；
    N14 G02 X45 Y35 R10；
    N15 G01 Y-35；
    N16 G02 X3 5 Y-45 R10；
    N17 G01 X0；
    N18 G03 X-15 Y-60 R15；
    N19 G40 G01 X0；
    N20 Z-10 F100；
    N21 G90 G41 X27.64 D01；
    N22 G03 X0 Y-32.36 R27.64 F50；
    N23 G01 X-23.51；
    N24 X-38.04 Y12.36；
    N25 X0 Y40；
    N26 X38.04 Y12.36；
    N27 X23.51 Y-32.36；
    N28 X0；
    N29 G03 X-27.64 Y-60 R27.64；
    N30 G01 G40 X0 F100；
    N31 G00 Z100 M09；
    N32 M05；
    N3 3 M00；
    N34 G00 G90 G54 X0 Y0 M03 S1000；
    N3 5 G43 Z30，H02 M08；
    N3 6 G99 G81 X-35 Y-35 Z-14 R10 F50；
    N37 Y35；
    N38 X35；
    N39 Y-35；
    N40 X0 Y0；
    N41 G00 G80 Z100；
    N42 G00 X0 Y0 M09；
    N43 M05；
    N44 M00；
    N45 G00 G90 G54 X0 Y0 M03 S560；
    N46 G43 H03 Z100 M08；
    N47 G99 G81 X-35 Y-35 Z-35 R5 F60；
    N48 Y35；
    N49 X35；
    N50 Y-35；
    N51 G00 G80 Z1 00；
    N52 G00 X0 Y0 M09；
    N53 M05；
    N54 M00；
    N55 G00 G90 G54 X0 Y0 M03 S400；
    N56 G43，H04 Z10 M08；
    N57 G99 G83 X0 Y0 Z-45 R5 Q5 F80；
    N58 G00 G80 Z100；
    N59 G00 X0 Y0 M09；
    N60 M05；
    N61 M00；
    N62 G00 G90 G54 X0 Y0 M03 S350；
    N63 G43 H05 Z10 M08；
    N64 G8 1 X0 Y0 Z-45 R5 F100；
    N65 G00 G80 Z100；
    N66 G00 X0 Y0 M09；
    N67 M05；
    N68 M00；
    N70 G43 H06 Z100 M08；
    N71 G81 X0 Y0 Z-45 R5 F60；
    N72 G00 G80 Z100；
    N73 G00 X0 Y0 M09；
    N74 M05；
    N75 M30；

（八）程序编制中的数学处理

根据被加工零件图样，按照已经确定的加工工艺路线和允许的编程误差，计算数控系统所需要输入的数据，此过程称为数学处理。数学处理一般包括两个内容：根据零件图样给出的形状、尺寸和公差等直接通过数学方法（如三角、几何与解析几何法等），计算出编程时所需要的有关各点的坐标值；当按照零件图样给出的条件不能直接计算出编程所需的坐标，也不能按零件给出的条件直接进行工件轮廓几何要素的定义时，就必须根据所采用的具体工艺方法、工艺装备等加工条件，对零件原图形及有关尺寸进行必要的数学处理或改动，才可以进行各点的坐标计算和编程工作。

1.选择编程原点

从理论上讲编程原点选在零件上的任何一点都可以，但实际上，为了换算尺寸尽可能简便，减少计算误差，应选择一个合理的编程原点。

车削零件编程原点的X向零点应选在零件的回转中心。Z向零点一般应选在零件的右端面、设计基准或对称平面内。车削零件的编程原点选择如图1-111所示。

铣削零件的编程原点，X、Y向零点一般可选在设计基准或工艺基准的端面或孔的中心线上，对于有对称部分的工件，可以选在对称面上，以便用镜像等指令来简化编程。Z向的编程原点，习惯选在工件上表面，这样当刀具切入工件后Z向尺寸字均为负值，以便于检查程序。铣削零件的编程原点如图1-112所示。

编程原点选定后，就应把各点的尺寸换算成以编程原点为基准的坐标值。为了在加工过程中有效地控制尺寸公差，按尺寸公差的中值来计算坐标值。

2.基点

零件的轮廓是由许多不同的几何要素所组成，如直线、圆弧、二次曲线等，各几何要素之间的连接点称为基点。基点坐标是编程中所必需的重要数据。

例：图1-113所示零件中，A，B，C，D，E为基点。A，B，D，E的坐标值从图中很容易找出，C点是直线与圆弧切点，要联立方程求解。以B点为计算坐标系原点，联立下列方程：

直线方程 Y=cot（α+β）X

圆弧方程 （X－80）2+（Y－14）2=302

可求得（64.2786，39.5507），换算到以A点为原点的编程坐标系中，C点坐标为（64.2786，51.5507）。

可以看出，对于如此简单的零件，基点的计算都很麻烦。对于复杂的零件，其计算工作量可想而知，为提高编程效率，可借助于CAD/CAM软件辅助计算或CAM软件自动编程。

3.非圆曲线数学处理的基本过程

数控系统一般只能作直线插补和圆弧插补的切削运动。如果工件轮廓是非圆曲线，数控系统就无法直接实现插补，而需要通过一定的数学处理。数学处理的方法是，用直线段或圆弧段去逼近非圆曲线，逼近线段与被加工曲线交点称为节点。

例如，对图1-112所示的曲线用直线逼近时，其交点A，B，C，D，E，F等即为节点。

在编程时，首先要计算出节点的坐标，节点的计算一般都比较复杂，靠手工计算已很难胜任，必须借助CAD/CAM计算机辅助软件处理。求得各节点后，就可按相邻两节点间的直线来编写加工程序。

这种通过求得节点再编写程序的方法，使得节点数目决定了程序段的数目。图1-114中有6个节点，即用五段直线逼近了曲线，因而就有五个直线插补程序段。

节点数目越多，由直线逼近曲线产生的误差δ越小，程序的长度则越长。可见，节点数目的多少，决定了加工的精度和程序的长度。因此，正确确定节点数目是个关键问题。

4.数控加工误差的组成

数控加工误差Δ数加是由编程误差Δ编、机床误差Δ机、定位误差Δ定、对刀误差Δ刀 等误差综合形成。即

Δ数加=f（Δ编+Δ机+Δ定+Δ刀）

其中：

① 编程误差Δ编 由逼近误差δ、圆整误差组成。逼近误差δ是在用直线段或圆弧段去逼近非圆曲线的过程中产生，如图1-115所示。圆整误差是在数据处理时，将坐标值四舍五入圆整成整数脉冲当量值而产生的误差。脉冲当量是指每个单位脉冲对应坐标轴的位移量。普通精度级的数控机床，一般脉冲当量值为0.01mm；较精密数控机床的脉冲当量值为0.005mm或0.001mm等。

② 机床误差Δ机 由数控系统误差、进给系统误差等原因产生。

③ 定位误差Δ定 是当工件在夹具上定位、夹具在机床上定位时产生的。

④ 对刀误差Δ刀 是在确定刀具与工件的相对位置时产生。