【硕士论文】数控加工工艺决策与切削参数规范化的研究.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 摘要 数控加工工艺决策是数控加工过程中较为复杂又非常重要的环节，与加工程序的 编制、零件加工的质量、效益都有着密切的关系。工艺决策的好坏，不仅会影响机床 效率的发挥，而且还将直接影响零件的加工质量。因此，数控加工工艺决策的研究对 提高被加工零件的精度，提高工作效率，从而提高企业的经济效益，是非常必要的。 本文通过对数控加工工艺特性的理论分析和研究，建立了基于数控加工基元c n c m e ( c n cm 触t i | | 血g - e l 锄e i l t ) 与数控加工工艺基元c n c w e ( c n cw o r k e l e m e n t ) 的 创成式c a p p 系统中具有层次化结构的数控加工工艺决策模型，阐述了数控加工工艺 决策过程中正向离散和反向集中的原理及工步、工序优先级工艺路线生成的原则。 在数控加工中，正确合理地选择切削参数对确保产品质量、提高生产率、降低生 产成本起着十分重要的作用。近年来，随着数控( n c ) 技术的普遍应用，以及各种先进 制造技术的迅速发展，生产辅助时间大大降低，相应地，切削时间所占的比重就大大 提高。因此缩短切削加工时间，对提高生产率起着重要的作用。目前，大多数工厂在 生产中凭经验或参考切削用量手册来选择切削用量，这往往达不到切削参数的最优 选。运用现代切削理论、数学建模和模型分析方法寻求切削参数的最优组合，是切削 参数选择的一个重要方向。 本文采用一种基于特征的数控加工工艺生成方式，阐述了与该方式相关的特征技 术、数控加工工艺知识与资源库、数控加工方法链以及相匹配的数控加工参数、刀 具、夹具等的产生方式。提出一种基于基因算法的切削参数优化方法一变搜索域遗传 算法。与通常的优化算法相比，该方法计算量小，计算速度快，能适应自动化制造系 统对优化切削数据快速响应的要求。在切削参数优化研究的基础上，开发了数控加工 切削参数管理和优化系统。该系统的完成和使用把工艺人员从大量的手工重复劳动中 解放出来，并实现切削参数选取的科学化、合理化，规范化，为企业创造了良好的经 济效益。 关键词：数控加工，工艺决策，切削参数，优化，遗传算法 数控加工工艺决策与切目u 参数规范化的研究 n cp r o c e s s i n gc r a rd e c i s i o n m a k i n g 锄dc 吡i n gp 撇m e t e r s t a n d a r d i z a t i o n 王沁s e a r c h a b s t 髓i c t t h en cp r o c e s s i l l gc r a f td e c i s i o n m a k i n gi nt h em l m e r i c a lc o m lp r o c e s s i n gp r o c e 蹒i s c o 玎叩l e xt h e 【n 蜘l yi m p ( r t a ml i i l l ( ，、】i ，i t l l t h ep m c e s s i l i gp r o c c d i l r ce s t a b h s h r n 锄t ，m e c o m l 埘埘l 协p r o c c s s i i l gq u a l 姆，埠b e f i ta j ll l a v et l 】峙d o r e l 撕o n s h i p c 斌d e c i s i o n 础l k i l l g 甲l a l n y ，to n l yc a i la f r e c tt h ee n g i n eb e de 佑c i e n c yt l l ei s p l a y ，m o 啪v 盯d i 咒c t l y w i l la l s oa f f e c tt h e 咖p o n 伽i 协t h ep r o c e s s i i l gq m l i t y t h e f o ，t h en cp f o c e s s i l l gc r a f t d e c i s i o n - m 赫g s e a r c ht oe n i l 孤c e si sp f o c e s s c dt h ec o m p o 玳 n t st h ep r e c i s i ，a l l l a n c e s t h ew 讲蛞n ge 丘- c i e n c y ，t h u sa l h 越i c 鹳m e 髓t c r p r ! i m ee c o n o l l l i ce 伍c i e n c y ，h a st h e n e c e s s i 锣e x 仃e m e l y 1 1 1 i s 枷d en l u g l lt on cp r o c e 蹯i n gc r a f tc h 盯a c t e r i s t i ct l l e o r e l 丘c a l 趾a l y s i s 缸d 托s e a r 曲，h 船e s l a b l i s h e db a s e do nn cp m c e 髂i n ge i 锄e mc n c m e ( c n cm 锄i l f ；蚓h i r i n g e l e m e n t ) 讹n cp c e s s i n gc r a f te l e 咖m tc n c - w e ( c n cw o r k - e l e m e m ) c r 昭t e s i i lm e 咖e c a p ps ) r s t 锄t oh a v et 量l e1 1 i e m r c m c a ls b ：t l l 他n cp r o c e s s i n gc r a f td e c i s i o n 棚a l 【i n gm o d e l ， e l 曲川a l e di nt h en cp i d c e s 咖gc m rd c c i s i o n - m 幽n gp 】f o c e s st h ep 矗n c i p l ew l l i c ht os e p a 船l c 锄dt h e v e r s ec e m r a l i s mp r i n c i p l e 舭dt l l eia _ b o rs t e p ，t h ew o r k i n gp i o c e d u p r i o r i t yc 曲 l i c ci sp d u c i i l g i nn cp r o c e 鹋i n g ，陀舶埘洲yc h o o s e st t l ec u 撕n gp a 砌e t e rt 0g i l a 瑚t e em ep i o 蛔 q u a l 时，t 0 伽妇m c ct i i ep d d u c l i 、，i t yc o r r e c t l y ，r e d u c e st h cp r o d m o n c o s t t 0p l a yt i l e e x n 啪e 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h ep a 拍m e t c rc 1 1 0 i c e 锄i n i p o n a n t d i “，c t i o n t h i sa n i c l eu s 鹤伽ek i n db a do nt h ec h a f t e r i s t i cm 瑚e r i c a lc o n 扛o lp r o s s i n gc m f t p r o d u c t i w a y c l a b o m t e d 研t l lt l l i sw a yc o r r c l a t i o nc l l a 均c t l e r i s t i c 把c l l i l o l o g y ，t h en c p l o 豁i n gc 瑁盘h o w l e d g ea n dt 量撼碍s o u r ss t o 托h o u ，t l i en cp f o c e s s 主n gs i d er n e 缸i c 曲i a j h 勰w e n 硒m a t c h e st l l en c p r o c e s s i n gp a 舢咖- t h cc 嘣i n gt o o l ，t h ej i g 姐d m ep f o d i k t i o nw a y p r o p 0 do n e k i l l d c i l a i l g e st h es e a r c ht c r r i t o r yg e n e d ca l g o r i t l l i nb a s c d t h eg e n ea l g c d t b ：mc 嘣n gp 咖咖o p t i m i z a t i o nm 劬o d c o m p a 北s 、撕mt h e 璐u a l o i 坩m i 勰da l g o r i 也m ，t h i sm e t 州p 眦撕o nl o a di ss m a l l ，t h ec 彻叩u t a t i s p 训i s q 试c k ，c 蛳a d a p tn 屺a u l 盼咖e d 仳m u f h c t 哪s y s t 锄t oo p t i i i l 胁m ec i i t t i n gd a 协船t 叩1 0 咀辩t t l cf e q u 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动化加工技术，其研究起源于飞机制造业。1 9 5 2 年世界上第一台数控机床三坐标 立式铣床问世，它可控制铣刀进行连续空间曲面的加工，揭开了数控加工技术的序幕 嘲。 国外十分重视数控加工技术的研究。日本自7 0 年代起便把许多精力投入到数控加 工技术的开发和应用上，并取得了巨大的经济效益。近年来由于国际市场的竞争日益 激烈，工业发达国家纷纷投入巨资发展数控加工技术，并取得了丰硕的研究成果【3 l 。 我国数控加工技术方面的研究工作自“七五”以来取得了一大批研究成果。在数 控加工自动化工艺设计方面，我国研究人员从零件特征信息的获取、表达、输入到多 工艺方案的设计与决策等各方面开展了大量的研究工作【4 捌。目前，主要在曲面造型、 刀位规划、刀位仿真、干涉检查等方面取得了较多的成果。自主开发了一批软件系 统，其中有些系统已接近国际先进水平，投入市场并在生产中发挥了重大作用【l o l 。 虽然我国的数控加工技术有了较大的发展，但与世界先进水平相比仍有很大差别 i l l i1 2 1 。一方面国内还没有比较成熟、功能全、适应性强的数控加工系统。另一方面表 现在应用水平落后，不仅绝大多数生产厂家主要依靠国外引进软件进行复杂曲面的多 坐标数控加工，而且还表现在数控加工的效率低，加工表面质量差等方面。数控机床 的利用率不高，远未发挥出现有数控机床应有的技术经济效益。许多技术方面的问题 如数控工艺数据准备、供状设计、刀具使用、机床操作及设备维护等，需要进一步解 决。数控加工设备的生产能力没能得到充分发挥，而且机床的很多功能也没充分利 数控加工工艺决策与切削参数规范化的研究 用。特别是加工中心机床，由于工装夹具、编程技术的不配套，其生产能力远没有被 发挥，和国际先进水平相比差距较大。数控切削加工工艺参数的选择仍主要以经验判 断为主，在一定程度上制约了数控加工技术的发展p j 。 ( 2 ) 数控加工技术是机械加工现代化的重要基础与关键技术。应用数控加工可大大 提高生产率，稳定加工质量，缩短加工周期，增加生产柔性，实现对各种复杂零件的 自动化加工，易于在工厂或车间实行计算机管理，还使车间设备总数减少，节省人 力，改善劳动条件，有利于加快产品的开发和更新换代，提高企业对市场的适应，使 零件的计算机辅助设计( c a d ) ，计算机辅助工艺规划( c a p p ) 和计算机辅助制造( c a m ) 的一体化成为现实，使机械加工的柔性自动化水平不断提高1 2 】。 对制造业而言，每个企业都面临持续多变和不可完全预测的全球化市场竞争，竞 争的核心是以知识为基础的新产品的竞争。 速度( 1 ) 、最好的质量( q ) 、最低的成本( c ) 、 为提高竞争力，制造业必须以最快的上市 最优的服务( s ) 及最清洁的环境( e ) 来满足不 同顾客对新产品的需求和社会可持续发展的需要。一个工厂数控加工能力的大小已成 为进行新产品开发，参与国内外市场竞争的主要前提和条件，因而使现代企业数控设 备的投资一般占整个工厂固定资产的l 3 1 4 以上。 数控技术和数控装备是制造业工业现代化的重要基础。这个基础是否牢固直接影 响到一个国家的经济发展和综合国力，关系到一个国家的战略地位。数控加工技术也 是发展军事工业的重要战略技术。因此，世界上各工业发达国家均采取重大措旌来发 展自己的数控技术及其产业【1 3 彤l 。 1 1 2 影响数控加工工艺决策和切削参数的主要因素 工艺决策知识是人们在工艺设计实践中所积累的认识和经验的总和。工艺设计经 验性强，技巧性高，工艺设计理论也不成熟。使工艺决策知识的获取更加困难。当 然，工艺设计也有一定的原则和方法可供遵循一些工艺决策知识可以从书本或资料 中直接获取，而大多数工艺决策知识，必须从具有丰富实践经验的工艺设计师那里获 取【1 确。 数控加工工艺的决策支持，其中包括数控加工方法的选择，确定夹具、刀具、数控 加工参数以及数控加工设备。数控工艺工序内容需详细描述，在工艺决策时应遵循工 沈阳工业大学硕士学位论文 序、工步内容详尽的规则，即详细制定工艺决策中机床、刀具、切削参数、走刀路线自 动选择匹配等规则，使决策后的工序内容简洁详尉1 7 】。 数控加工工艺决策规则与普通机床加工工艺决策规则的区别主要体现在：a ) 加工阶 段划分的决策规则不同；b ) 工序、工步集中与分散的决策规则不同；c ) 工序、工步归 并与排序的决策规则不同：d ) 工序、工步内容详尽与简略要求不同；e ) 刀具、切削参 数、走刀路线决策规则不同f 嘲。 数控切削参数是在数控加工过程中直接反映产品加工状态的数据信息，主要包 括：机床主轴转速，机床进给速度( 凡硼，切削宽度( o ，切削深度( 啦) ，切削线 速度( 功，每齿迸给量( 勿，材料去除率( q ) ，切削力( 囝和加工功率( 刃等。 切削参数的规范化主要包括切削速度、切削深度、切削宽度和进给量，这些参数 确定的好坏不仅关系到整个零件加工的效率和成本，同时也决定了零件加工的表面质 量。因此，在数控加工中，对于确定的工艺装备和工艺路线，如何选择切削参数是非 常关键的问题【1 9 1 。 数控切削参数是数控加工过程中的关键因素，取决于数控加工环境中各种相关信 息资源，如产品设计信息、数控机床设备、数控切削刀具，加工材料等众多要素。这 些复杂的信息资源分布于数控加工环境中，呈现分散性、关联性、多样性的特点，因 此首先必须进行有效地管理，才能高效、准确地进行数控加工工艺决策与切削参数的 规范化。 1 2 研究的目的及主要内容 本论文结合数控加工工艺决策和切削参数规范化课题，收集、整理了大生产实际 中数控机床的技术资料，围绕如何进行数控加工工艺决策及对切削参数进行规范化、 系列化，建立切削参数数据库等方面开展研究，并探讨了如何对数控加工中切削用量 进行优化和推荐选择。切削参规范化是制造业向自动化发展的必然要求。本文主要进 行了以下几个方面的研究； ( 1 ) 以零件数控加工工艺设计过程为研究对象，通过特征技术，为零件的数控加工 工艺设计提供了方便高效的手段。 数控加工工艺决策与切削参数规范化的研究 ( 2 ) 研究在数控加工工艺设计中汇集数控加工工艺专家智慧，并且充分利用这些数 控加工工艺知识，进行逻辑判断推理，以期探索出一条有效提高数控加工工艺设计质 量，缩短时间的途径，从而辅助数控加工工艺设计人员的数控加工工艺决策过程。 ( 3 ) 主要对影响零件加工质量的要素进行分析，讨论相应加工参数的确定原则，并 对影响这些参数选择的因素进行了综合分析，初步得出了些理想的选择方案和确定 原则。 ( 4 ) 分析切削参数规范化的方法和过程，实现以单工序最低成本为目标的切削参数 的优化。 1 3 研究的意义 现代数控加工与传统加工技术相比，无论在加工工艺，加工的自动控制，还是在 加工设备与工装等诸多方面均有所不同。用数控机床加工零件比用普通机床加工零件 更应重视加工之前的工艺分析。实现数控加工的关键在编程。但光有编程还不行，数 控加工还包括编程前必须要做的一系列准备工作及编程后的善后处理工作。数控加工 中的工艺设计和工艺决策是数控编程中重要的环节，处理正确与否，直接关系到数控 机床的使用效率、零件的加工质量、刀具数量和经济性等问题。 数控加工的工艺设计与工艺决策是数控加工中的重要环节，处理正确与否，关系 到所编制零件加工程序的正确性与合理性，其工艺方案的好坏，直接影响数控加工的 质量、效益以及程序编制的效率。选择合理、高效的工艺方法和加工路线，对编制高 质量的数控加工程序，提高零件的加工质量、数控机床的生产效率和经济效益都有重 要意义。数控加工工艺设计与工艺决策对工艺设计人员的要求很高，不仅需要懂得数 控加工设备和编程技术，而且还必须具有丰富的数控工艺工装知识和具有较丰富的实 际操作经验。只有在此基础上，运用正确的设计方法，通过认真细致的工作，才能完 成高质量的数控加工工艺设计。这样，才能在数控机床上完成零件的正确加工，避免 产生不必要的废品【2 0 1 。 工艺决策是数控加工过程中较为复杂又非常重要的环节，与加工程序的编制、零 件加工的质量、效益都有着密切的关系。工艺决策的好坏，不仅会影响机床效率的发 沈阳工业大学硕士学位论文 挥，而且还将直接影响零件的加工质量。因此，对数控加工中的工艺决策问题进行研 究，具有十分重要的意义。 数控加工切削参数是数控切削加工过程中的基本控制量。数控加工切削参数规范 化是数控切削加工工艺过程优化的基础，它不仅决定着数控加工技术水平和效率，也 决定着产品的制造质量和使用效果。以提高数控切削加工效率，降低加工成本，获得 高质量的产品为目的，进行数控切削参数规范化的研究，具有重要的现实意义和深远 的历史意义口1 j 。 切削参数数据库的建立带来的经济效益是非常可观的。美国在c u t d a t a 建库初 期就为工业部门节约了l6 亿美元。德国的师o s 可使单件生产时间下降1 0 ，生产 成本下降1 0 。据c i r p 对切削数据库经济效益的调查表明，切削数据库可使加工成 本下降l o 以上阱】。 本文的研究首先是针对企业实际问题的解决，遭过建立高效率、实用的数控加工 工艺决策系统及切削参数规范化系统，大大提高了数控生产效率，切削参数应用研究 水平，改变目前落后、低效的数控加工决策和切削参数分析方式，从而提高数控加工 工艺决策和切削参数决策的准确性、合理性和智能化水平 1 4 论文的章节安排 本课题将研究在数控加工工艺设计中汇集数控加工工艺专家智慧，并且充分利用 这些数控加工工艺知识，进行逻辑判断推理，以期探索出一条有效提高数控加工工艺 设计质量，缩短时间的途径，从而辅助数控加工工艺设计人员的数控加工工艺决策过 程。 本论文共分五章，各章内容安排如下： 第一章绪论主要介绍选题背景、研究目的和意义。 第二章数控加工工艺设计基础介绍数控加工工艺基础知识，这是制定正确合 理的工艺决策的基础。 第三章数控加工工艺决策模型提出数控加工工艺创成模型加工工艺模型。 数控加工工艺决策与切削参数规范化的研究 第四章数控加工工艺参数规范化采用遗传算法对切削参数的优化进行分析和 实验论证。 第五章结论 沈阳工业大学硕士学位论文 2 数控加工工艺设计 2 1 数控加工工艺的特点 根据大量加工实例分析，数控加工中失误的主要原因多为工艺方面考虑不周和计 算与编程时粗心大意。在编制数控工艺和数控程序中必须注意加工过程中的每一个细 节。若数控加工的工艺设计方案不合理，往往要成倍增加工作量，有时甚至要推翻重 来，造成些不必要的损失。因此数控加工的工艺设计是数控加工中的重要环节，处 理正确与否，关系到所编制零件加工程序的正确性与合理性，其工艺方案的好坏，直 接影响数控加工的质量、效益以及程序编制的效率。数控加工工艺的特点： ( 1 ) 数控加工工艺的“内容十分具体、工艺设计工作相当严密”数控机床加工工艺 与普通机床加工工艺相比较，由于采用数控机床加工具有加工工序少，所需专用工装 数量少等特点，克服了普通传动工艺方法的弱点，一般说来，数控加工的工序内容要 比普通机床加工的工序内容复杂。从编程来看，加工程序的编制要比普通机床编制工 艺规程复杂。 ( 2 ) 数控加工的工艺“复合性”。采用数控加工后，工件在一次装夹下能完成镗、 铣、铰、攻丝等多种加工，因此，数控加工工艺具有复合性特点，也可以说数控加工 工艺的工序把传统工艺中的工序“集成”了，这使得零件加工所需的专用夹具数量大 为减少，零件装夹次数及周转时间也大大减少了，从而使零件的加工精度和生产效率 有了较大的提高。 数控加工工艺设计是对工件进行数控加工的前期工艺准备工作，无论是手工编程 还是自动编程，这项工作必须在程序编制工作以前完成。为了优化数控程序设计、提 高编程效率、合理使用数控机床，我们有必要对数控加工工艺设计等技术问题加以分 析、研究，以做好数控机床加工前的技术准备工作。 2 2 零件的数控加工工艺性分析 2 2 1 零件数控加工的合理性分析 审核零件数控加工的合理性，选择数控机床加工内容时不可“大材小用”，要防 数控加工工艺决策与切削参数规范化的研究 止把数控机床降格为普通机床使用。当选择并决定某个零件进行数控加工后，并不等 于把它所有的加工内容都包下来，而可能只是其中一部分进行数控加工。应选择那些 最合适、最需进行数控加工的内容和工序进行数控加工。通常零件数控加工的合理性 考虑的因素是： ( 1 ) 零件的复杂程度高，精度要求高，多品种、小批量的生产，采用数控加工会获 得较高的经济效益：( 2 ) 根据机床性能的不同和对零件要求的不同，对数控加工零件进 行分类，不同类别的零件分配在不同类型的机床上加工，以获得较高的生产效率和经 济效益。应尽量在普通机床上完成零件的大切削量粗加工，以提高数控机床加工效 率。 2 2 2 零件数控加工的工艺性分析 数控加工前，必须首先对零件图纸进行仔细的数控加工工艺性分析，应重点从数 控加工的方便性与可能性两个角度进行审查和分析。例如： ( 1 ) 首先分析零件图纸中的尺寸数据的给出是否符合编程方便的原则。零件图纸 中的尺寸标注方法是否适应数控加工的特点：构成零件轮廓的几何元素的条件是否 充分。因为在手工编程时，要计算构成零件轮廓的每一个基点坐标；在自动编程时， 要对构成零件轮廓的所有几何元素进行定义，如果某一条件不充分，则无法计算零件 轮廓的基点坐标，无法表达零件轮廓的几何元素，导致无法进行编程，因此在分析零 件图时，要分析几何元素的给定条件是否充分。 ( 2 ) 其次分析零件各加工部位的结构工艺性是否符合数控加工的特点。零件的内 腔和外形最好采用统一的几何类型和尺寸。因为这样可以减少刀具规格和换刀次数， 使编程方便。分析零件定位基准的可靠性。数控加工应尽量采用统一的基准定位， 否则会因工件的安装定位误差而导致工件加工的位置误差和形状误差。 ( 3 ) 应分析零件所要求的加工精度等是否可以得到保证。 总之，在数控机床上加工零件时，应先根据零件图样对零件进行全面分析，弄清 零件的结构形状、尺寸和技术要求，由此确定零件加工的工艺过程和工艺路线网。 一8 一 沈阳工业大学硕士学位论文 2 3 零件数控加工的工艺设计原则 2 3 1 零件加工工序的划分方法 设计零件的工艺过程，就是确定零件的哪些表面需要数控加工，经过哪些工序以 及怎么安排这些工序顺序等等。一般在数控机床上划分零件加工工序有以下几种方法： ( 1 ) 按所用刀具划分工序。为了减少换刀次数和空程时间，可以采用刀具集中的原 则划分工序。在一次装夹中用一把刀完成可以加工的全部加工部位，然后再换第二把 刀，加工其它部位。在专用数控机床或加工中心上大多采用这种方法。 ( 2 ) 按粗、精加工划分工序。对易产生加工变形的零件，考虑到工件的加工精度、 变形等因素，可按粗、精加工分开的原则来划分工序，即先粗后精。 ( 3 ) 按加工部位划分工序。这种方法一般适应加工内容不多的工件，主要是将加工 部位分为几个部分，每道工序加工其中一部分。如加工外形时，以内腔夹紧；加工内腔 时，以外形夹紧。 在工序的划分中，一定要视零件的结构与工艺性、工件的安装方式、数控机床的 功能、零件数控加工内容的多少、安装次数及工厂生产组织与管理状况等因素，灵活 掌握，力求合理。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 紧的重要性来考虑，重点在于工件的刚性不被破坏，以保证整体零件的加工精度。 2 3 2 零件加工的数控加工工艺设计原则 设计零件数控加工的工艺过程时应遵循以下原则： ( 1 ) 工序最大限度集中、一次定位的原则。一般在数控机床上，特别是在加工中心 上加工零件，工序可以最大限度集中，即零件在一次装夹中应尽可能完成本台数控机 床所能加工的大部分或全部工序。数控加工倾向于工序集中，可以减少机床数量和工 件装夹次数，减少不必要的定位误差，生产率高。对于同轴度要求很高的孔系加工， 应在一次安装后，通过顺序连续换刀来完成该同轴孔系的全部加工，然后再加工其它 坐标位置的孔，以消除重复定位误差的影响，提高孔系的同轴度。 ( 2 ) 先粗后精的原则。在进行数控加工时，根据零件的加工精度、刚度和变形等因 素来划分工序时，应遵循粗、精加工分开原则来划分工序，即先粗加工全部完成之后 数控加工工艺决策与切削参数规范化的研究 再进行半精加工、精加工。对于某一加工表面，应按粗加工半精加工精加工 顺序完成。粗加工时应当在保证加工质量、刀具耐用度和机床夹具刀具 工件工艺系统的刚性所允许的条件下，充分发挥机床的性能和刀具切削性能，尽量采 用较大的切削深度、较少的切削次数得到精加工前的各部余量尽可能均匀的加工状 况，即粗加工时可快速切除大部分加工余量、尽可能减少走刀次数，缩短粗加工时 间。精加工时主要保证零件加工的精度和表面质量，故通常精加工时零件的最终轮廓 应由最后一刀连续精加工而成。为保证加工质量，一般情况下，精加工余量以留0 2 0 6 舳为宜。粗、精加工之间，最好隔一段时间，以使粗加工后零件的变形得到充分恢 复，再进行精加工，以提高零件的加工精度。 ( 3 ) 先近后远、先面后孔的原则。按加工部位相对于对刀点的距离大小而言，在一 般情况下，离对刀点近的部位先加工，离对刀点远的部位后加工，以便缩短刀具移动距 离，减少空行程时问。对于车削而言，先近后远还有利于保持坯件或半成品的刚性， 改善其切削条件。对于既有铣平面又有镗孔的零件的加工中，可按先铣平面后镗孔顺 序进行。因为铣平面时切削力较大，零件易发生变形，先铣面后镗孔，使其有一段时 间恢复，待其恢复变形后再镗孔，有利于保证孔的加工精度，其次，若先镗孔后铣平 面，孔口就会产生毛刺、飞边，影响孔的装配。 ( 4 ) 先内后外、内外交叉原则。对既有内表面( 内型、内腔) ，又有外表面需加工的 零件，安排加工顺序时，通常应安排先加工内表面，后加工外表面，应先进行内外表 面粗加工，后进行内外表面精加工。通常在一次装夹中，切不可将零件上某一部分表 面( 外表面或内表面) 加工完毕后。再加工零件上的其它表面( 内表面或外表面) 。 ( 5 ) 刀具最少调用次数原财。在数控加工时，为了减少换刀次数，压缩空程时间， 应按所用刀具来划分工序和工步。即可按刀具集中工序的方法加工零件。为了减少换 刀时间。同一把刀具工序尽可能集中，尽可能用同一把刀具加工完零件表面上的相同 切削部分，以避免同一把刀具的多次调用、安装。即在一次装夹中，尽可能用同一把 刀具加工完工件上所有需要用该刀具加工的各个部位后，再换第二把刀具加工其它部 位。 沈阳工业大学硕士学位论文 ( 6 ) 附件最少调用次数原则。即在保证加工质量的前提下，一次附件调用后，每次 最大限度进行加工切削，以避免同一附件的多次调用、安装。 ( 7 ) 走刀路线最短原则。在保证加工质量的前提下，使加工程序具有最短的走刀路 线，不仅可以节省加工时间，还能减少一些不必要的刀具磨损及其它消耗。走刀路径 的选择主要在于粗加工及空行程的走刀路径的确定，因精加工切削过程的走刀路线基 本上都是沿着其零件轮廓顺序进行的。一般情况下，若能合理选择起刀点、换刀点， 合理安排各路径问空行程衔接，都能有效缩短空行程长度。 ( 8 ) 程序段最少原则。在加工程序的编制工作中，总是希望以最少的程序段数即可 实现对零件的加工，以使程序简洁，减少出错的几率及提高编程工作的效率，而且能 减少程序段输入的时间及计算机内存容量的占有数。 ( 9 ) 数控加工工序和普通工序的衔接原则。数控加工工序前后一般都穿插有其它普 通工序，如衔接得不好，就容易产生矛盾，最好的办法是各道工序需要相互建立状态 要求，各道工序必须前后兼顾，综合考虑，如：要不要留加工余量、留多少：基准面 与孔的精度要求、对毛坯的热处理状态等，目的是达到相互能满足加工要求，且质量 目标及技术要求明确；各道工序交接验收有依据。 ( 1 0 ) 特殊情况特殊处理的原则。 上述的原则也不是一成不变的，对于某些特殊的情况，可根据实际情况，工艺设 计则需要采取灵活可变的方案。这些有赖于编程者对实际加工经验的不断积累与学习 嗍。 2 4 零件数控加工的走刀路线设计原则 走刀路线是指切削加工过程中刀具( 严格说是刀位点) 相对于被加工零件的运动轨 迹和运动方向，即指刀具从对刀点开始运动起，直至返回该点并结束加工程序所经过 的路径，包括切削加工的路径及刀具引入、返回等非切削空行程。走刀路线是编制程 序的依据之一。 在确定走刀路线时最好画一张工序简图，将已拟定的加工路线画上去，包括刀具 进退路线，这样可为编程带来不少方便。 数控加工工艺决策与切削参数规范化的研究 2 4 1 确定走刀路线原则 ( 1 ) 走刀路线应保证被加工工件的精度和表面粗糙度。为保证工件轮廓表面加工的 表面粗糙度要求，最终轮廓表面应安排最后一次走刀连续加工出来； ( 2 ) 应尽量使加工路线最短，减少空行程时间，以提高加工效率； ( 3 ) 合理选用铣削加工中的顺铣或逆铣方式。一般来说，数控机床采用滚珠丝杠， 运动间隙很小，因此，顺铣优点多于逆铣。 ( 4 ) 选择工件加工变形小的加工路线。在一次安装加工多道工序中，先安排对工件 刚往破坏较小的工序。 ( 5 ) 使数值计算最简单和减少程序段，以减少编程工作量。 ( 6 ) 根据工件的形状、刚度、加工余量、机床系统的刚度等情况，确定循环加工次 数。 ( 7 ) 合理设计刀具的切入与切出的方向。采用单向趋近定位方法，避免传动系统反 向间隙而产生的定位误差。刀具的进退方向及路线要认真考虑，以尽量减少接刀痕 迹。 ( 8 ) 在切削过程中，刀具不能与工件轮廓发生干涉。 2 4 ，2 铣削加工中加工路线的选择要点 ( 1 ) 在数控铣床上铣削外轮廓零件时，为了保证轮廓表面质量的要求减少接刀的 痕迹，应设计合理的刀具切入和切出时的进、退刀位置。一般采用立铣刀侧刃切削， 设计迸给路线时应沿外轮廓的沿长线切向切入，尽量避免沿零件轮廓法向切入和进给 中途停顿，尽量不要在连续的轮廓中安排切入和切出或换刀及停顿，以免因切削力突 然变化而造成弹性变形，致使光滑连续轮廓上产生表面划伤、形状突变或滞留刀痕等 疵病。见图2 1 。退刀时应注意不要从工件的轮廓外直接退刀，应沿零件外轮廓延长线 的切向逐渐切离工件 沈阳工业大学硕士学位论文 起点 终点 x 图2 1 铣削外轮廓零件的刀具切入和切出 f 嘻2 1o u t s i d et 1 1 em i l l i n gt h co u t l i n ec o m p o n 印协c u n i n gt lc u 忸i r l t o 锄dc l 吐s ( 2 ) 铣削封闭内轮廓表面零件时也要注意刀具切入和切出时的运动轨迹。为了提高 加工精度和减少表面粗糙度，在铣削封闭的内轮廓时，因刀具切入、切出不允许外 延，此时刀具的切入和切出点尽量选在内轮廓曲线两几何元素的交点处或者以圆弧切 向进刀。图2 2 所示铣凹槽的3 种加工路线：图2 2 a 为用行切法加工凹槽，其加工路 线最短，但表面租糙度差，适用于对表面粗糙度要求不太高的粗加工或半精加工。图 2 2 b 为环切法加工凹槽，其表面粗糙度最好，但加工路线最长。图2 2 c 为采用综合法 加工凹槽，即先采用行切法粗加工，最终轮廓用环切法再沿轮廓切削一周进行精加 工，使凹槽轮廓表面光整，易保证凹槽侧面达到所要求的表面质量。而其加工路线介 于前两者之间，所以图2 2 c 的加工路线方案最为合理。 国画圄 a l b )c ) 图2 2 铣凹槽的3 种加工路线 a ) 行切法b ) 环切法c ) 综合法 f i g 2 21 1 m ek i n do f p m c s i l l g n eo f m i l ls c o 叩c h 锄e l a ) r o w”s 哪u n d c ) m i x e d m e t l l o d 数控加工工艺决策与切削参数规范化的研究 ( 3 ) 用圆弧插补铣削整圆时，当整圆加工完毕后，不要在切点处直接退刀，要让刀 具最好沿切线方向多运动一段距离，以免取消刀具补偿时，刀具与工件表面发生碰 撞，造成工件报废。同样铣削内圆时也要遵守切向切入的原则，以提高内孔表面的加 工精度及表面质量，见图2 3 和图2 4 。 圆弧切入点x t 切出时多走的距离 图2 3 铣削外圆 f i g 2 3m i l l i n g o u 协i d e f o u i l d 澎 斗i 原点3 1 、 础 粼、黑 图2 4 铣削内圆 f i g 2 4 m i l l i i l g m d h o l e ( 4 ) 在铣肖零件时，要根据工件的材料等因素考虑铣削方式，一般情况下选择顺铣 这种方式可以提高3 0 左右的切削速度，节省机床3 5 的动力，改善l 2 级粗糙 度，但要求走刀具有消除间隙的机构。如果采用逆铣 加工方式，刀具容易磨损，并影响表面加工质量， 但是工件表面有硬皮时，应采用逆铣的加工路线进 行加工。 ( 5 ) 在铣削圆弧与直线的连接处，可能由于刀具的 原因会产生“欠切”现象，这时在设计进给路线时， 须选用直径较小的刀具，采用补加工的方式消除欠切 现象。同样，在空载运行过快和高速进给的轮廓加工 中，由于工艺系统的惯性容易出现过切现象。那么在 - 太 。 图2 5 过切 f i g 2 5m 珊i n g n 圮l i m n 沈阳工业大学硕士学位论文 加工过程中，采用先快后慢的进给方式，特别是拐角处应通过进给修调的方式，选择 变化的迸给速度进行加工，见图2 5 【2 7 r2 8 1 。 2 4 3 钻削加工加工路线的选择要点 对加工精度要求较高的孔系时，安排的镗孔路线一定要注意各孔的定位方向要一 致，即采用单向趋近定位的方法，以避免传动系统或检测系统的误差对定位精度的影 响，见图2 6 。如果按2 6 a 图方案加工时，x 方向的反向间隙将会影响i i 、i 两孔 的孔距精度。如果按2 6 b 图的迸给路线进行加工，可使各个孔之间的定位方向一致。 2 4 4 其它情况的选择要点 ( 1 ) 在表面加工时，应尽量避免加工停顿现象。如果出现停顿，切削力会明显减 小，刀具会在停顿处留下划痕或凹痕，影响加工质量。同时在过象限的圆弧加工过程 当中，应选择适当的进给量，以避免产生“爬行”现象。 图2 6 孔系的加工路线方案 f i g 2 6d e p a 咖l e n t j sp r o c s i f l gr o u t ep l 缸s a )b ) ( 2 ) 在确定加工路线时，同时也要兼顾工序集中原则，尽量在一次装夹中，尽可能 使用同一把刀具完成较多的加工表面，以减少换刀次数，装夹次数，从而简化加工路 线，缩短辅助时间。同样也可以考虑粗精加工的工序集中原则，但粗精加工的进给路 线要加以区别。 数控加工工艺决策与切参数规范化的研究 ( 3 ) 在安排加工路线过程中，为缩短行程，应考虑尽量缩短刀具的空行程，通常通 过合理的选择起刀点、换刀点来合理安排空行程的路线，在图2 7 中若按2 7 b 图的加 工线路比较2 7 a 图来说，可以缩短空行程，提高生产效率。 图2 7 最短加工路线的方案 f i 吕2 7p f o c 髂s 嚣t i i c 砌_ i t es h o r t d ”p l 柚 a )b ) ( 4 ) 在使用加工中心的过程中，多数零件应尽量采用子程序、镜像功能、宏程序的 调用、固定循环的使用等，这样不但减少了编程的工作量，也使进给路线更加规律 化。 上述基础工艺问题解决后就可进入数控程序的编制阶段，同时，当解决了上面的 具体工艺问题后，编程人员就能编制出操作者满意的程序，而评价数控程序的优劣也 不在于程序有多玄奥，而在于具体工序、刀具、切削用量参数的合理性。 2 5 刀具的选择 2 5 1 数控加工常用刀具的种类及性能 数控加工刀具必须适应数控机床高速、高效和自动化程度高的特点，一般应包括 通用刀具、通用连接刀柄。刀柄要联接刀具并装在机床动力头上，因此已逐渐标准化 和系列化。 数控刀具的分类有多种方法。根据刀具结构可分为：整体式，镶嵌式。 沈阳工业大学硕士学位论文 根据制造刀具所用的材料可分为；高速钢刀具；硬质合金刀具；金刚石刀 具；陶瓷