第一章数控加工中工件装夹和定位

1、第一章数控加工中工件装夹和定位 零件的各种加工过程，如机械加工、焊接、热处理和表面处理等。 部件和产品的装配过程，包括组装、部装等。 产品的检验、调试、油漆和包装等。 （2）工艺过程 改变对象的形状、尺寸、相对位置和性质，使其成为成品或半成品的过程，称为工艺过程。工艺过程是生产过程的主体，包括机械加工工艺过程、热处理工艺过程和装配工艺过程等。 工序 一个或一组工人，在一个工作地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。 工步 在加工表面(或装配时连接面)(或装配)工具不变的情况下,所连续完成的那一部分工序内容,称为工步。划分

2、工步的依据是加工表面和工具是否变化。 进给 在一个工步内，若被加工表面需切除的余量较大，可分几次切削，每次切削称为一次进给。 安装 工件经一次装夹后所完成的那一部分工序，称为安装。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。 工位 对于回转工作台（或夹具）、移动工作台（或夹具），工件一次安装中先后处于几个不同的位置进行加工，每个位置称为一个工位。 2.1.2 2.1.2 生产纲领和生产类型生产纲领和生产类型 机械产品的制造工艺不仅与产品的结构和技术要求有很大关系，而且也与企业的生产类型有很大关系，而企业的生产类型是由企业的生产纲领决定的。 （1）生产纲领 企业在计划期内应当生产的产

3、品产量和进度计划称为生产纲领.计划期通常为一年,因此生产纲领也常称为年产量。 （2）生产类型 根据生产钢领的大小和产品品种的多少，机械加工生产类型可分为：单件生产、大量生产和成批生产三类。 单件生产 产品品种多，每一种产品的结构、尺寸不同且产量少，各个工作地点的加工对象经常改变且很少重复的生产类型。 大量生产 产品数量大，大多数工作地点长期按一定节拍进行某一个零件的某一道工序的加工。 成批生产 成批生产是指一年中分批轮流的制造几种不同的产品，每种产品有一定的数量，工作地点的加工对象同期性地重复。2 22 2 数控加工工艺分析数控加工工艺分析 规定零件制造工艺过程和操作方法等的工艺文件，称为工艺

4、规程，用于指导生产。数控加工工艺分析包括下理内容：选择适合数控加工的零件、确定数控加工的内容和数控加工零件的工艺性分析。 2.2.1 2.2.1 加工工艺规程的制订加工工艺规程的制订 （1）制订加工工艺规程的作用 是指导生产的重要文件； 是生产组织和生产准备工作的依据； 是新建和扩建工厂（车间）的技术依据。（2）工艺规程指定的原则 技术上的先进性； 经济上的合理性； 良好的劳动条件及避免环境污染。（3）制订工艺规程的步骤 计算年生产纲领，确定生产类型； 分析零件图及装配图，对零件进行工艺分析； 选择毛坯； 设计工艺路线； 确定各工序的加工余量，计算工序尺寸及公差； 确定各工序所用的设备及刀具、

5、夹具、量具和辅助工具； 确定切削用量及工时定额； 确定各主要工序的技术要求及检验方法； 填写工艺文件。 2.2.2 2.2.2 选择适合数控加工的零件选择适合数控加工的零件 一般可按适应程度将零件分为三类：最适应类（对于此类零件，首要考虑的是能否加工出来，只要有可能，应把采用数控加工作为首选方案，而不要过多的考虑生产率与成本问题）、较适应类（此类零件在分析其可加工性的基础上，还要综合考虑生产效率和经济效益，一般情况下可把它们作为数控加工的主要选择对象 ）、 不适应类（这类零件采用数控加工后，在生产率和经济性方面一般无明显改善，甚至可能得不偿失，一般不应该把此类零件作为数控加工的选择对象 ）。另

6、外，数控加工零件的选择，还应该结合本单位拥有的数控机床的具体情况来选择加工对象。 2.2.3 2.2.3 确定数控加工的内容确定数控加工的内容 一般可按下原则选择数控加工内容。 通用机床无法加工的内容应作为优先选择的内容。 通用机床难加工，质量也难保证的内容应作为选择的内容。 通用机床加工效率低、工人手工操作劳动强度大的内容，可在数控机床尚存富余能力的基础上进行选择。 相比之下，下列内容不宜选择采用数控加工。 需要在机床上进行较长时间调整的加工内容，例如以毛坯的粗基准定位来加工第一个精基准的工序。 数控编程取数困难、易于和检验依据发生矛盾的型面、轮廓。 不能在一次安装中完成加工的其他零星加工表

7、面，采用数控加工又很麻烦，可采用通用机床补加工。 加工余量大而又不均匀的粗加工。 此外，选择数控加工的内容时，还应该考虑生产批量、生产周期、生产成本和工序间周转情况等因素，杜绝把数控机床当作普通机床来使用。 2.2.4 2.2.4 数控加工零件的工艺性分析数控加工零件的工艺性分析 在选择并决定数控加工零件及其加工内容后，应对零件的数控加工工艺性进行全面、认真、仔细的分析。主要内容包括产品的零件图样分析、结构工艺性分析和零件安装方式的选择等内容。 尺寸标注方法分析 零件图的完整性和准确性分析 零件技术要求分析 零件材料分析 （2）零件的结构工艺性分析 零件的结构工艺性是指所设计的零件在满足使用性

8、能要求的前提下制造的可行性和经济性。良好的结构工艺性，可以使零件加工容易，节省工时和材料。而较差的零件结构工艺性，会使加工困难，浪费工时和材料，有时甚至无法加工。因此，零件各加工部位的结构工艺性应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，这样可以减少刀具规格和换刀次数，是编程方便，提高生产率。 内槽圆角的大小决定着刀具直径的大小，所以内槽圆角半径不应太大。 铣槽底平面时，槽底圆半径r不要过大 。 应采用统一的基准定位。在数控加工中若没有统一的定位基准，则会因为工件的二次装夹而造成加工后两个面上的轮廓位置及尺寸不协调现象。 选择合适的零件安装方式 数控机床加工时，应尽量

9、使零件能够一次安装，完成零件所有待加工面的加工。要合理选择定位基准和夹紧方式，以减少误差环节。应尽量采用通用夹具和组合夹具，必要时才设计专用夹具，夹具设计的原理和方法与普通机床所用的夹具相同，但应使其结构简单，便于装卸，操作灵活。 此外，还应分析零件所要求的加工精度、尺寸公差等是否可以得到保证，有没有引起矛盾的多余尺寸或影响加工安排的封闭尺寸等。2.3 2.3 数控加工工艺路线设计数控加工工艺路线设计 工艺路线的拟定是制定工艺规程的重要内容之一，其主要内容包括：选择各加工表面的加工方法、划分加工阶段、划分工序以及安排工序的先后顺序等。 2.3.1 2.3.1 加工方法的选择加工方法的选择 机械

10、零件的形状是多种多样的，但它们都是由平面、外圆柱面、内圆柱面或曲面、成形面等基本表面组成的。每一种表面都有多种加工方法，具体选择时应根据零件的加工精度、表面粗糙度、材料、结构形状、尺寸及生产类型等因素，选用相应的加工方法和加工方案。 （1）外圆表面加工方法的选择 外圆表面的加工方案如下图所示 （2）内孔表面加工方法的选择 内孔表面加工方法有钻孔、扩孔、镗孔、拉孔、磨孔和光整加工。下图所示为常用的孔加工方案。 （3）平面加工方法的选择 平面的主要加工方法有铣削、刨削、车削、磨削和拉削等，精度要求高的平面还需要经过研磨或刮削加工。常见的平面加工方式如下图所示。 （4）平面轮廓和曲面轮廓加工方法的选

11、择 平面轮廓常用的加工方法有数控铣、线切割及磨削等，对如下图所示的内平面轮廓。 立体曲面加工方法主要是数控铣削，多用球头铣刀，以“行切法”加工，如右下图所示。 2.3.2 加工阶段的划分加工阶段的划分 为保证加工质量和合理地使用设备、人力，零件的加工过程通常按工序性质不同，可分为粗加工、半精加工、精加工和光整加工四个阶段。 粗加工阶段 其任务是切除毛坯上大部分多余的金属，使毛皮在形状和尺寸上接近零件成品，因此，其主要目标是提高生产率。 半精加工阶段 其任务是使主要表面达到一定的精度，留有一定的加工余量，为主要表面的精加工（如精车、精磨）做好准备。 精加工阶段 其任务是保证各主要表面达到规定尺寸

12、精度和表面粗糙度要求。主要目标是全面保证加工质量。 光整加工阶段 对零件上精度和表面粗糙度要求很高（IT6级以上）的表面，需进行光整加工。 划分加工阶段的目的：划分加工阶段的目的： 保证加工质量 合理使用设备 便于安排热处理工序 便于及时发现毛坯缺陷 加工阶段的划分也不应绝对化，应根据零件的质量要求、结构特点和生产纲领灵活掌握。在加工质量要求不高、工件刚性好、毛坯精度高、加工余量小、生产纲领不大时，可不必划分加工阶段。 2.3.3 2.3.3 工序的划分工序的划分 （1）工序划分的原则 工序划分可以采用两种不同原则，即工序集中原则和工序分散原则。 工序集中原则 是指每道工序包含尽可能多的加工内

13、容，从而使工序的总数减少。 工序分散原则 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。 （2）工序划分方法 在数控机床上加工的零件，一般按工序集中原则划分工序，划分方法如下。 按所用刀具划分 以同一把刀具完成的那一部分工艺过程为一道工序 按安装次数划分 以一次安装完成的那一部分工艺过程为一道工序 按加工部位划分 即以完成相同型面的那一部分工艺过程为一道工序 按粗、精加工划分 即粗加工中完成的那一部分工艺过程为一道工序，精加工中完成的那一部分工艺过程为一道工序。 2.3.4 2.3.4 加工顺序的安排加工顺序的安排 在选定加工方法、划分工序后，工艺路线拟定的主要内容就是合理安

14、排这些加工方法和加工工序的顺序。零件的加工工序通常包括切削加工工序、热处理工序和辅助工序 。 （1）切削加工工序的安排 基面先行原则 先粗后精原则 先面后孔原则 先主后次原则 （2）热处理工序的安排 预备热处理 消除残余应力热处理 最终热处理 （3）辅助工序的安排 辅助工序主要包括:检验、清洗、去毛刺、去磁、倒棱边、涂防锈油和平衡等。其中检验工序是主要的辅助工序，是保证产品质量的主要措施之一，一般安排在粗加工全部结束后精加工之前、重要工序之后、工件在不同车间之间转移前后和工件全部加工结束后。 （4）数控加工工序与普通工序的衔接 数控工序前后一般都穿插有其他普通工序，如衔接不好就容易产生矛盾，因

15、此要解决好数控工序与非数控工序之间的衔接问题。最好的办法是建立互相状态要求，例如：要不要为后道工序留加工余量，留多少；定位面与孔的精度要求及形位公差等。 2.4 2.4 数控加工工序设计数控加工工序设计 数控加工工序设计的主要任务是每一道工序选择机床、夹具、刀具及量具，确定定位夹紧方案、走刀路线与工步顺序、加工余量、工序尺寸及其公差、切削用量和工时定额等，为编织加工程序做好充分准备。 2.4.1 2.4.1 走刀路线与工步顺序的确定走刀路线与工步顺序的确定 走刀路线是刀具在整个加工工序中相对于工件的运动轨迹，它不但包括了工步的内容，而且也反映出工步的顺序。 工步顺序是指同一道工序中，各个表面加

16、工的先后次序。它对零件的加工质量、加工效率和数控加工中的走刀路线有直接影响，应根据零件的结构特点和工序的加工要求等合理安排。 2.4.2 定位与夹紧方案的确定定位与夹紧方案的确定 力求设计基准、工艺基准与编程原点统一，以减少基准不重合误差和数控编程中的计算工作量。 设法减少装夹次数，尽可能做到一次定位装夹后能加工出工件上全部或大部分待加工表面，以减少装夹误差，提高加工表面之间的相互位置精度，充分发挥数控机床的效率。 避免采用占机人工调整式方案，以免占机时间太多，影响加工效率。 2.4.3 2.4.3 夹具的选择夹具的选择 数控加工的特点对夹具提出了两个基本要求：一是保证夹具的坐标方向与机床的坐

17、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，重点考虑以下几点。 单件小批量生产时，优先选用组合夹具、可调夹具和其他通用夹具，以缩短生产准备时间和节省生产费用。 在成批生产时，才考虑采用专用夹具，并力求结构简单。 零件装卸要快速、方便、可靠，以缩短机床的停顿时间。 夹具上各零部件应不妨碍机床对零件各表面的加工，即夹具要敞开，其定位、夹紧机构元件不能影响加工中地走刀（如产生碰撞等）。 为提高数控加工的效率，批量较大的零件加工可以采用多工位、气动或液压夹具。 2.4.4 2.4.4 刀具的选择刀具的选择 刀具的选择是数控加工工序设计的重要内容之一，它不仅影响机床的加工效率，而且直接

18、影响加工质量。另外，数控机床主轴转速比普通机床高12倍，且主轴输出功率大，因此与传统加工方法相比，数控加工对刀具的要求更高，不仅要求精度高、强度大、刚度好、耐用度高，而且要求尺寸稳定、安装调整方便。 刀具的选择应考虑工件材质、加工轮廓类型、机床允许的切削用量和刚性以及刀具耐用度等因素。 2.4.5 2.4.5 机床的选择机床的选择 当工件表面的加工方法确定之后，机床的种类也就基本上确定了。但是，每一类机床都有不同的型式，其工艺范围、技术规格、加工精度、生产率及自动化程度都各不相同。为了正确的为每一道工序选择机床，除了充分了解机床的性能外，尚需考虑以下几点。 机床的类型应与工序划分的原则相适应。

19、 机床的主要规格尺寸应与工件的外形尺寸和加工表面的有关尺寸相适应。 机床的精度与工序要求的加工精度相适应。 2.4.6 2.4.6 量具的选择量具的选择 数控加工主要用于单件小批量生产，一般采用通用量具，如游标卡尺、百分表等。对于成批生产和大批大量生产中部分数控工序，应采用各种量规和一些高生产率的专用检具与量仪等，量具精度必须与加工精度相适应。 2.4.7 2.4.7 工序加工余量的确定工序加工余量的确定 （1）加工余量的概念 加工余量是指加工过程中，所切去的金属层厚度。加工余量有工序加工余量和加工总余量之分。相邻两工序的工序尺寸之差为工序加工余量。毛坯尺寸与零件设计尺寸之差为加工总余量,它等

20、于各工序加工余量之和，即 =注意：平面的加工余量是单边余量，而内孔与外圆的加工余量是双边余量。 （2）影响加工余量的因素 余量太大，会造成材料及工时浪费，增加机床、刀具及动力消耗；余量太小，则无法消除上一道工序留下的各种误差、表面缺陷和本工序的装夹误差。因此，应根据影响余量大小的因素合理地确定加工余量。影响加工余量的因素有下列几种。 上工序的表面粗糙度 和缺陷层 如下图所示，本工序余量应切到正常组织层。aRaD 上工序的尺寸公差 由图2-19可知，本工序余量应包含上工序的尺寸公差 。 本工序的装夹误差 包括定位误差、装夹误差（夹紧变形）及夹具本身的误差。 上工序的形位误差 如下图所示的小轴，上

21、工序轴线的直线度误差 ，须在本工序中纠正，则直径方向的加工余量应增加2 。aTaTab （3）确定加工余量的方法：经验估算法、查表修正法、分析计算法。 确定加工余量时应注意的几个问题如下。 采用最小加工余量原则。 余量要充分，防止因余量不足而造成废品。 总加工余量（毛坯余量）和工序余量要分别确定。 大零件取大余量。零件越大，切削力、内应力引起的变形越大。 余量中应包含热处理引起的变形。 2.4.8 工序尺寸及其偏差的确定工序尺寸及其偏差的确定 零件上的设计尺寸一般要经过几道加工工序才能得到，每道工序尺寸及其偏差的确定，不仅取决于设计尺寸、加工余量及各工序所能达到的经济精度，而且还与定位基准、工

22、序基准、测量基准、编程原点的确定及基准的转换有关。 （1）基准重合时工序尺寸及其公差的计算 当定位基准、工序基准、测量基准、编程原点与设计基准重合时，工序尺寸及其公差直接由各工序的加工余量和所能达到的精度确定的。其计算方法是由最后一道工序开始向前推算，具体步骤如下。 确定毛坯总余量和工序余量。 确定工序公差。 标注工序尺寸公差。 计算工序基本尺寸。 例如某车床主轴箱主轴孔的设计尺寸为 mm，表面粗糙度为=0.8 ，毛坯为铸铁件。已知其加工工艺过程为粗镗半精镗精镗浮动镗。用查表法或经验估算法确定毛坯总余量和各工序余量，其中粗镗余量由毛坯余量减去其余各工序余量之和确定，各道工序的基本余量为：035

23、. 00100m 浮动镗 精镗 半精镗 毛坯 Z=8mm 粗镗 Z=8- （）mm=5mm 最后一道工序浮动镗的公差等于设计尺寸公差，其余各工序按所能达到的经济精度查表确定，各工序尺寸公差分别为： 浮动镗 精镗 半精镗 粗镗 毛坯 各工序的基本尺寸计算如下： 浮动镗 D=100mm 精镗 D=（） 半精镗 D=（） 粗镗 D=(99.4-2.4)mm=97mm 毛坯 D=（97-5）mm=92mm 按工艺要求分布公差，最终得到各工序尺寸及其偏差为：毛坯 ；粗镗 ；半精镗 ；精镗 ；浮动镗 。2 . 12 . 19246. 009723. 004 .9954. 009 .99035. 00100

24、 图2-23 余量、公差及工序尺寸分布孔加工余量、公差及工序尺寸分布图如图2-23所示。 （2）基准不重合时工序尺寸及其公差的确定 当工序基准、测量基准、定位基准或编程原点与设计基准不重合时，工序尺寸及其公差的确定，需要借助工艺尺寸链的基本尺寸和计算方法才能确定。 工艺尺寸链的概念 在机器装配或零件加工过程中，由互相联系且按一定顺序排列的尺寸组成的封闭链环，称为尺寸链。 图2-24所示为用调整法加工凹槽时定位基准与设计基准不重合的工艺尺寸链 图2-25为测量基准与设计基准不重合的工艺尺寸链 由上述两图可知，在零件的加工过程中，为了加工和检验的方便，有时需要进行一些工艺尺寸的计算。为使这种计算迅

25、速准确，按尺寸链的基本原理，将这些互相联系的尺寸以一定顺序首尾排列成一封闭的尺寸系统，即构成了零件的工艺尺寸链，简称工艺尺寸链。 工艺尺寸链的特征 a.关联性 任何一个直接保证的尺寸及其精度的变化，必须影响间接保证的尺寸及其精度。 b.封闭性 尺寸链中的各个尺寸首尾相接组成封闭的链环。 工艺尺寸链的组成 尺寸链中的每个尺寸称为尺寸链的环，尺寸链的环按性质分为组成环和封闭环两类。封闭环是由其他尺寸最终间接得到的尺寸。 建立工艺尺寸链的步骤 1)确定封闭环，即加工后间接得到的尺寸； 2)找出组成环； 3)按照各组成环对封闭环的影响，确定其为增环或减环。 工艺尺寸链的基本计算公式 尺寸链计算的关键是

26、正确判定封闭环，常用计算方法有极值法和概率法。生产中一般用极值法，其公式如下。,111minmjjiAAAmin11max1maxjnmjimiAAA,max11min1minjnmjimiAAAjiAnmjAmiAEIESES111,111jiAnmjAmiAESEIEI11niiAAATEIEST 在极值算法中，封闭环的公差大于任一组成环的公差。当封闭环的公差一定时，若组成环数目较多，各组成环的公差就会过小，造成加工困难。因此，分析尺寸链时，应使尺寸链的组成环数目为最少，即遵循尺寸链最短原则。 工序尺寸及其公差计算实例 重点以数控编程原点与设计基准不重合为例。以图2-26所示阶梯轴为例，轴

27、上部轴向尺寸 为设计尺寸，编程原点在左端面与轴线的交点上，与 尺寸的设计基准不重合，编程时按工序尺寸 编程。为此必须计算工序尺寸 及其偏差。所用尺寸链分别如图2-25（b）(c)(d)（e）所示， 为封闭环，计算过程从略。计算结果如下。 、21ZZ6Z5432ZZZZ、21ZZ6Z、5432ZZZZ、5432ZZZZ、,4228. 06 . 02Z,1426 . 008. 13Z,16428. 054. 04Z24. 058. 05184Z 图2-26 编程原点与设计基准不重合时的工艺尺寸链 2.4.9 2.4.9 切削用量的确定切削用量的确定 切削用量的确定应根据加工性质、加工要求、工件材料

28、及刀具的材料和尺寸等查阅切削用量手册并结合实践经验确定。除了遵循切削用量的选择原则和方法外，还应考虑如下因素。 (1)刀具差异 (2)数控机床生产率 (3)机床特性 2.4.10 2.4.10 间定额的确定间定额的确定 时间定额是指在一定生产条件下，规定生产一件产品或完成一道工序所需消耗的时间。 完成一个零件的一道工序的时间定额，称为单件时间定额。包括下列几部分。 基本时间 是直接切除工序余量所消耗的时间（包括切入和切出时间），可通过计算求出。 bT 以图2-27所示外圆车削为例，其基本时间为： )()(21nfiLLLTb式中 进给次数。i图2-27 外圆车削 辅助时间 是指装卸工件、开停机

29、床等各中辅助动作所消耗的时间。 布置工作地时间 指为使加工正常进行，工人照管工地（清理切削、润滑机床、收拾工具等）所消耗的时间。一般按作业时间的27计算。 休息与生理需要时间 指工人在工作班内为恢复体力和满足生理需要所消耗的时间。一般按作业时间的24计算。 准备与终结时间 为生产一批产品或零部件，进行准备和结束工作所消耗的时间。aTsTTeT 2.4.11 2.4.11 提高机械加工生产率的途径提高机械加工生产率的途径 劳动生产率是指工人在单位时间内制造的合格产品的数量或制造单件产品所消耗的劳动时间。劳动生产率是一项综合性的技术经济指标。提高劳动生产率，必须正确处理好质量、生产率和经济性三者的

30、关系。这里仅就缩短单件时间来提高机械加工生产率的工艺途径作一简要说明。 (1)缩短基本时间 提高切削用量 减少加工余量 多件加工 采用多刀同时切削 （2）缩短辅助时间 （3）缩短布置工作地时间 （4）缩短准备和终结时间 2.4.12 2.4.12 工艺成本组成工艺成本组成 工艺成本由可变费用和不变费用两大部分组成。 （1）可变费用 可变费用是与年产量有关并与之成正比的费用。 （2）不变费用 不变费用是与年产量的变化没有直接的关系的费用。 2.4.13 2.4.13 数控加工工艺文件的填写数控加工工艺文件的填写 (1)数控加工工序卡片 (2)数控加工进给路线图 (3)数控加工刀具卡片 目前，数控加工工艺卡片、数控加工刀具卡片及数控加工进给路线图还没有统一的标准格式，都是由各个单位结合具体情况自行确定。2.5 2.5 对刀点与换刀点的选择对刀点与换刀点的选择 对刀点与换刀点的确定，是数控加工工艺分析的重要内容之一。“对刀点”是数控加工时刀具相对零件运动的起点，又称“起刀点”，也就是程序运行的起点。对刀点选定后，即确定了机床坐标系和零件坐标系之间的相互位置关系。2.6