工艺规程设计

第4章工艺规程设计4.1机械加工工艺规程设计设计机械加工工艺规程是一项技术性很强的综合性工作，其涉及面很广。下面仅讨论几个主要问题——零件图的审查、毛坯的确定、定位基准的选择和工艺路线的拟订等。4.1.1零件图的审查在制订零件的机械加工工艺规程之前，对零件进行工艺性分析，以及对产品零件图提出修改意见，是制订工艺规程的一项重要工作。1．分析零件图首先应熟悉零件在产品中的作用、位置、装配关系和工作条件，搞清楚各项技术要求对零件装配质量和使用性能的影响，找出主要的和关键的技术要求，然后对零件图样进行分析。(1)检查零件图的完整性和正确性在了解零件形状和结构之后，应检查零件视图是否正确、足够，表达是否直观、清楚，绘制是否符合国家标准，尺寸、公差以及技术要求的标注是否齐全、合理等。(2)零件的技术要求分析零件的技术要求包括下列几个方面：加工表面的尺寸精度；主要加工表面的形状精度；主要加工表面之间的相互位置精度；加工表面的粗糙度以及表面质量方面的其它要求；热处理要求；其它要求(如动平衡、未注圆角或倒角、去毛刺、毛坯要求等)。要注意分析这些要求在保证使用性能的前提下是否经济合理，在现有生产条件下能否实现。特别要分析主要表面的技术要求，因为主要表面的加工确定了零件工艺过程的大致轮廓。(3)零件的材料分析即分析所提供的毛坯材质本身的机械性能和热处理状态，毛坯的铸造品质和被加工部位的材料硬度，是否有白口、夹砂、疏松等。判断其加工的难易程度，为选择刀具材料和切削用量提供依据。所选的零件材料应经济合理，切削性能好，满足使用性能的要求。(4)合理的标注尺寸①零件图上的重要尺寸应直接标注，而且在加工时应尽量使工艺基准与设计基准重合，并符合尺寸链最短的原则。如图4-1中活塞环槽的尺寸为重要尺寸，其宽度应直接注出。②零件图上标注的尺寸应便于测量，不要从轴线、中心线、假想平面等难以测量的基准标注尺寸。如图4-2中轮毂键槽的深度，只有尺寸c的标注才便于用卡尺或样板测量。③零件图上的尺寸不应标注成封闭式，以免产生矛盾。如图4-3所示，已标注了孔距尺寸a±δa和角度α±δα，则x、y轴的坐标尺寸就不能随便标注。有时为了方便加工，可按尺寸链计算出来，并标注在圆括号内，作为加工时的参考尺寸。④零件上非配合的自由尺寸，应按加工顺序尽量从工艺基准注出。如图4-4的齿轮轴，图(a)的表示方法大部分尺寸要经换算，且不能直接测量。而图(b)的标注方式，与加工顺序一致，又便于加工测量。图4-1直接标注重要尺寸图4-2键槽深度的标注图4-3孔中心距的标注（a）（b）图4-4按加工顺序标注自由尺寸（a）错误（b）正确零件上各非加工表面的位置尺寸应直接标注，而非加工面与加工面之间只能有一个联系尺寸。如图4-5中所示，图(a)中的注法不合理，只能保证一个尺寸符合图样要求，其余尺寸可能会超差。而图(b)中标注尺寸A在加工面Ⅳ时予以保证，其它非加工面的位置直接标注，在铸造时保证。(a)(b)2．零件的结构工艺性分析图4-5非加工面与加工面之间的尺寸标注零件的结构工艺性是指在满足使(a)错误(b)正确用性能的前提下，是否能以较高的生产率和最低的成本方便地加工出来的特性。为了多快好省地把所设计的零件加工出来，就必须对零件的结构工艺性进行详细的分析。主要考虑如下几方面。(1)有利于达到所要求的加工质量①合理确定零件的加工精度与表面质量加工精度若定得过高会增加工序，增加制造成本，过低会影响机器的使用性能，故必须根据零件在整个机器中的作用和工作条件合理地确定，尽可能使零件加工方便制造成本低。②保证位置精度的可能性为保证零件的位置精度，最好使零件能在一次安装中加工出所有相关表面，这样就能依靠机床本身的精度来达到所要求的位置精度。如图4-6(a)所示的结构㎜与内孔φ60㎜的同轴度。如改成图(b)所示的结构，就能在一次安装中加工出外圆与内孔，保证二者的同轴度。(2)有利于减少加工劳动量①尽量减少不必要的加工面积(a)(b)减少加工面积不仅可减少机械加工的劳动量，图4-6有利于保证位置精度的工艺结构而且还可以减少刀具的损耗，提高装配质量。图(a)错误(b)正确4-7(b)中的轴承座减少了底面的加工面积，降低了修配的工作量，保证配合面的接触。图4-8(b)中减少了精加工的面积，又避免了深孔加工。(a)(b)(a)(b)图4-7减少轴承座底面加工面积图4-8避免深孔加工的方法(a)错误(b)正确(a)错误(b)正确②尽量避免或简化内表面的加工因为外表面的加工要比内表面加工方便经济，又便于测量。因此，在零件设计时应力求避免在零件内腔进行加工。如图4-9所示箱体，将图(a)的结构改成图(b)所示的结构，这样不仅加工方便而且还有利于装配。再如图4-10所示，将图(a)中件2上的内沟槽a加工，改成图(b)中件1的外沟槽加工，这样加工与测量就都很方便。(3)有利于提高劳动生产率①零件的有关尺寸应力求一致，并能用标准刀具加工。如图4-11(b)中改为退刀槽尺寸一致，则减少了刀具的种类，节省了换刀时间。如图4-12(b)采用凸台高度等高，则减少了加工过程中刀具的调整。如图4-13(b)的结构，能采用标准钻头钻孔，从而方便了加工。②减少零件的安装次数零件的加工表面应尽量分布在同一方向，或互相平行或互相垂直的表面上；次要表面应尽可能与主要表面分布在同一方向上，以便在加工主要表面时，(a)(b)(a)(b)图4-9将内表面转化为外表面加工图4-10将内沟槽转化为外沟槽加工(a)错误(b)正确(a)错误(b)正确(a)(a)(a)(b)(b)(b)图4-11退刀槽尺寸一致图4-12凸台高度相等图4-13便于采用标准钻头(a)错误(b)正确(a)错误(b)正确(a)错误(b)正确同时将次要表面也加工出来；孔端的加工表面应为圆形凸台或沉孔，以便在加工孔时同时将凸台或沉孔全锪出来。如：图4-14(b)中的钻孔方向应一致；图4-15(b)中键槽的方位应一致。(a)(b)(a)(b)图4-14钻孔方向一致图4-15键槽方位一致(a)错误(b)正确(a)错误(b)正确③零件的结构应便于加工如图4-16(b)、4-17(b)所示，设有退刀槽、越程槽，减少了刀具(砂轮)的磨损。图4-18(b)的结构，便于引进刀具，从而保证了加工的可能性。④避免在斜面上钻孔和钻头单刃切削如图4-19(b)所示，避免了因钻头两边切削力不等使钻孔轴线倾斜或折断钻头。(a)(b)(a)(b)图4-16应留有越程槽图4-17应留有退刀槽(a)错误(b)正确(a)错误(b)正确(a)(b)(a)(b)4-18钻头应能接近加工表面图4-19避免在斜面上钻孔和钻头单刃切削(a)错误(b)正确(a)错误(b)正确便于多刀或多件加工如图4-20(b)所示，为适应多刀加工，阶梯轴各段长度应相似或成整数倍；直径尺寸应沿同一方向递增或递减，以便调整刀具。零件设计的结构要便于多件加工，如图4-21所示，图(b)结构可将毛坯排列成行便于多件连续加工。(a)(b)图4-20便于多刀加工(a)错误(b)正确(a)(b)图4-21便于多件连续加工(a)错误(b)正确4.1.2毛坯的确定在制订机械加工工艺规程时，正确选择合适的毛坯，对零件的加工质量、材料消耗和加工工时都有很大的影响。显然毛坯的尺寸和形状越接近成品零件，机械加工的劳动量就越少，但是毛坯的制造成本就越高，所以应根据生产纲领，综合考虑毛坯制造和机械加工的费用来确定毛坯，以求得最好的经济效益。1．毛坯的种类(1)铸件铸件适用于形状较复杂的零件毛坯。其铸造方法有砂型铸造、精密铸造、金属型铸造、压力铸造等。较常用的是砂型铸造，当毛坯精度要求低、生产批量较小时，采用木模手工造型法；当毛坯精度要求高、生产批量很大时，采用金属型机器造型法。铸件材料有铸铁、铸钢及铜、铝等有色金属。(2)锻件锻件适用于强度要求高、形状比较简单的零件毛坯。其锻造方法有自由锻和模锻两种。自由锻毛坯精度低、加工余量大、生产率低，适用于单件小批生产以及大型零件毛坯。模锻毛坯精度高、加工余量小、生产率高，但成本也高，适用于中小型零件毛坯的大批大量生产。(3)型材型材有热轧和冷拉两种。热轧适用于尺寸较大、精度较低的毛坯；冷拉适用于尺寸较小、精度较高的毛坯。(4)焊接件焊接件是根据需要将型材或钢板等焊接而成的毛坯件，它简单方便，生产周期短，但需经时效处理后才能进行机械加工。(5)冷冲压件冷冲压件毛坯可以非常接近成品要求，在小型机械、仪表、轻工电子产品方面应用广泛。但因冲压模具昂贵而仅用于大批大量生产。2．毛坯选择时应考虑的因素(1)零件的材料及机械性能要求零件材料的工艺特性和力学性能大致决定了毛坯的种类。例如铸铁零件用铸造毛坯；钢质零件当形状较简单且力学性能要求不高时常用棒料，对于重要的钢质零件，为获得良好的力学性能，应选用锻件，当形状复杂力学性能要求不高时用铸钢件；有色金属零件常用型材或铸造毛坯。(2)零件的结构形状与外形尺寸大型且结构较简单的零件毛坯多用砂型铸造或自由锻；结构复杂的毛坯多用铸造；小型零件可用模锻件或压力铸造毛坯；板状钢质零件多用锻件毛坯；轴类零件的毛坯，若台阶直径相差不大，可用棒料；若各台阶尺寸相差较大，则宜选择锻件。(3)生产纲领的大小大批大量生产中，应采用精度和生产率都较高的毛坯制造方法。铸件采用金属模机器造型和精密铸造，锻件用模锻或精密锻造。在单件小批生产中用木模手工造型或自由锻来制造毛坯。(4)现有生产条件确定毛坯时，必须结合具体的生产条件，如现场毛坯制造的实际水平和能力、外协的可能性等，否则就不现实。(5)充分利用新工艺、新材料为节约材料和能源，提高机械加工生产率，应充分考虑精密铸造、精锻、冷轧、冷挤压、粉末冶金、异型钢材及工程塑料等在机械中的应用，这样，可大大减少机械加工量，甚至不需要进行加工，经济效益非常显著。4.1.3定位基准的选择在制订工艺规程时，定位基准选择的正确与否，对能否保证零件的尺寸精度和相互位置精度要求，以及对零件各表面间的加工顺序安排都有很大影响，当用夹具安装工件时，定位基准的选择还会影响到夹具结构的复杂程度。因此，定位基准的选择是一个很重要的工艺问题。选择定位基准时，是从保证工件加工精度要求出发的，因此，定位基准的选择应先选择精基准，再选择粗基准。1．精基准的选择原则选择精基准时，主要应考虑保证加工精度和工件安装方便可靠。其选择原则如下：(1)基准重合原则即选用设计基准作为定位基准，以避免定位基准与设计基准不重合而引起的基准不重合误差。图4-22所示的零件，设计尺寸为a和c，设顶面B和底面A已加工好(即尺寸a已经保证)，现在用调整法铣削一批零件的C面。为保证设计尺寸c，以A面定位，则定位基准A与设计基准B不重合，见图(b)。由于铣刀是相对于夹具定位面(或机床工作台面)调整的，对于一批零件来说，刀具调整好后位置不再变动。加工后尺寸c的大小除受本工序加工误差(△j)的影响外，还与上道工序的加工误差(Ta)有关。这一误差是由于所选的定位基准与设计基准不重合而产生的，这种定位误差称为基准不重合误差。它的大小等于设计(工序)基准与定位基准之间的联系尺寸a(定位尺寸)的公差Ta。从图(c)中可看出，欲加工尺寸c的误差包括△j和Ta，为了保证尺寸c的精度，应使：△j＋Ta≤Tc显然，采用基准不重合的定位方案，必须控制该工序的加工误差和基准不重合误差的总和不超过尺寸c公差Tc。这样既缩小了本道工序的加工允差，又对前面工序提出了较高的要求，使加工成本提高，当然是应当避免的。所以，在选择定位基准时，应当尽量使定位基准与设计基准相重合。如图4-23所示，以B面定位加工C面，使得基准重合，此时尺寸a的误差对加工尺寸c无影响，本工序的加工误差只需满足：△j≤Tc即可。(a)(b)(c)图4-22基准不重合误差示例图4-23基准重合安装示意图(a)工序简图(b)加工示意图(c)加工误差显然，这种基准重合的情况能使本工序允许出现的误差加大，使加工更容易达到精度要求，经济性更好。但是，这样往往会使夹具结构复杂，增加操作的困难。而为了保证加工精度，有时不得不采取这种方案。(2)基准统一原则应采用同一组基准定位加工零件上尽可能多的表面，这就是基准统一原则。这样做可以简化工艺规程的制订工作，减少夹具设计、制造工作量和成本，缩短生产准备周期；由于减少了基准转换，便于保证各加工表面的相互位置精度。例如加工轴类零件时，采用两中心孔定位加工各外圆表面，就符合基准统一原则。箱体零件采用一面两孔定位，齿轮的齿坯和齿形加工多采用齿轮的内孔及一端面为定位基准，均属于基准统一原则。(3)自为基准原则某些要求加工余量小而均匀的精加工工序，选择加工表面本身作为定位基准，称为自为基准原则。如图4-24所示，磨削车床导轨面，用可调支承支承床身零件，在导轨磨床上，用百分表找正导轨面相对机床运动方向的正确位置，然后加工导轨面以保证其余量均匀，满足对导轨面的质量要求。还有浮动镗刀镗孔、珩磨孔、拉孔、无图4-24自为基准实例心磨外圆等也都是自为基准的实例。(4)互为基准原则当对工件上两个相互位置精度要求很高的表面进行加工时，需要用两个表面互相作为基准，反复进行加工，以保证位置精度要求。例如要保证精密齿轮的齿圈跳动精度，在齿面淬硬后，先以齿面定位磨内孔，再以内孔定位磨齿面，从而保证位置精度。再如车床主轴的前锥孔与主轴支承轴颈间有严格的同轴度要求，加工时就是先以轴颈外圆为定位基准加工锥孔，再以锥孔为定位基准加工外圆，如此反复多次，最终达到加工要求。这都是互为基准的典型实例。(5)便于装夹原则所选精基准应保证工件安装可靠，夹具设计简单、操作方便。2．粗基准选择原则选择粗基准时，主要要求保证各加工面有足够的余量，使加工面与不加工面间的位置符合图样要求，并特别注意要尽快获得精基面。具体选择时应考虑下列原则：(1)选择重要表面为粗基准为保证工件上重要表面的加工余量小而均匀，则应选择该表面为粗基准。所谓重要表面一般是工件上加工精度以及表面质量要求较高的表面，如床身的导轨面，车床主轴箱的主轴孔，都是各自的重要表面。因此，加工床身和主轴箱时，应以导轨面或主轴孔为粗基准。如图4-25所示。(2)选择不加工表面为粗基准为了保证加工面与不加工面间的位置要求，一般应选择不加工面为粗基准。如果工件上有多个不加工面，则应选其中与加工面位置要求较高的不加工面为粗基准，以便保证精度要求，使外形对称等。如图4-26所示的工件，毛坯孔与外圆之间偏心较大，应当选择不加工的外圆为粗基准，将工件装夹在三爪自定心卡盘中，把毛坯的同轴度误差在镗孔时切除，从而保证其壁厚均匀。图4-25床身加工的粗基准选择图4-26粗基准选择的实例(3)选择加工余量最小的表面为粗基准在没有要求保证重要表面加工余量均匀的情况下，如果零件上每个表面都要加工，则应选择其中加工余量最小的表面为粗基准，以避免该表面在加工时因余量不足而留下部分毛坯面，造成工件废品。(4)选择较为平整光洁、加工面积较大的表面为粗基准以便工件定位可靠、夹紧方便。(5)粗基准在同一尺寸方向上只能使用一次因为粗基准本身都是未经机械加工的毛坯面，其表面粗糙且精度低，若重复使用将产生较大的误差。实际上，无论精基准还是粗基准的选择，上述原则都不可能同时满足，有时还是互相矛盾的。因此，在选择时应根据具体情况进行分析，权衡利弊，保证其主要的要求。3．定位基准选择示例例4-1图4-27所示为车床进刀轴架零件，若已知其工艺过程为：(1)划线；(2)粗精刨底面和凸台；(3)粗精镗φ32H7孔；(4)钻、扩、铰φl6H9孔。试选择各工序的定位基准并确定各限制几个自由度。图4-27车床进刀轴架解：第一道工序划线。当毛坯误差较大时，采用划线的方法能同时兼顾到几个不加工面对加工面的位置要求。选择不加工面R22㎜外圆和R15㎜外圆为粗基准，同时兼顾不加工的上平面与底面距离18㎜的要求，划出底面和凸台的加工线。第二道工序按划线找正，刨底面和凸台。第三道工序粗精镗φ32H7孔。加工要求为尺寸32±0.1㎜、6±0.1㎜及凸台侧面K的平行度0.03㎜。根据基准重合的原则选择底面和凸台为定位基准，底面限制三个自由度，凸台限制两个自由度，无基准不重合误差。第四道工序钻、扩、铰φ16H9孔。除孔本身的精度要求外，本工序应保证的位置要求为尺寸4±0.1㎜、51±0.1㎜及两孔的平行度要求0.02㎜。根据精基准选择原则，可以有三种不同的方案：(1)底面限制三个自由度，K面限制两个自由度此方案加工两孔采用了基准统一原则。夹具比较简单。设计尺寸4±0.1㎜基准重合；尺寸51±0.1㎜的工序基准是孔φ32H7的中心线，而定位基准是K面，定位尺寸为6±0.1㎜，存在基准不重合误差，其大小等于0.2㎜；两孔平行度0.02㎜也有基准不重合误差，其大小等于0.03㎜。可见，此方案基准不重合误差已经超过了允许的范围，不可行。(2)φ32H7孔限制四个自由度，底面限制一个自由度此方案对尺寸4±0.1㎜有基准不重合误差，且定位销细长，刚性较差，所以也不好。(3)底面限制三个自由度，φ32H7孔限制两个自由度此方案可将工件套在一个长的菱形销上来实现，对于三个设计要求均为基准重合，唯φ32H7孔对于底面的平行度误差将会影响两孔在垂直平面内的平行度，应当在镗φ32H7孔时加以限制。综上所述，第三方案基准基本上重合，夹具结构也不太复杂，装夹方便，故应采用。4.1.4加工工艺路线的制定零件机械加工的工艺路线是指零件生产过程中，由毛坯到成品所经过的工序先后顺序。在拟定工艺路线时，除了首先考虑定位基准的选择外，还应当考虑各表面加工方法的选择，工序集中与分散的程度，加工阶段的划分和工序先后顺序的安排等问题。目前还没有一套通用而完整的工艺路线拟定方法，只总结出一些综合性原则，在具体运用这些原则时，要根据具体条件综合分析。拟定工艺路线的基本过程见图4-28所示。1．表面加工方法的选择表面加工方法的选择，就是为零件上每一个有质量要求的表面选择一套合理的加工方法。在选择时，一般先根据表面的精度和粗糙度要求选定最终加工方法，然后再确定精加工前准备工序的加工方法，即确定加工方案。由于获得同一精度和粗糙度的加工方法往往有几种，在选择时除了考虑生产率要求和经济效益外，还应考虑下列因素：(1)工件材料的性质例如，淬硬钢零件的精加工要用磨削的方法；有色金属零件的精加工应采用精细车或精细镗等加工方法，而不应采用磨削。(2)工件的结构和尺寸例如，对于IT7级精度的孔采用拉削、铰削、镗削和磨削等加工方法都可。但是箱体上的孔一般不用拉或磨，而常常采用铰孔和镗孔，直径大于60㎜的孔不宜采用钻、扩、铰。(3)生产类型选择加工方法要与生产类型相适应。大批大量生产应选用生产率图4-28工艺路线拟定的基本过程高和质量稳定的加工方法。例如，平面和孔采用拉削加工。单件小批生产则采用刨削、铣削平面和钻、扩、铰孔。又如为保证质量可靠和稳定，保证较高的成品率，在大批大量生产中采用珩磨和超精加工工艺加工较精密零件。(4)具体生产条件应充分利用现有设备和工艺手段，不断引进新技术，对老设备进行技术改造，挖掘企业潜力，提高工艺水平。表4-1外圆表面加工方案序号加工方案经济精度级表面粗糙度Ra值／μm适用范围1粗车IT11以下50～12.5适用于淬火钢以外的各种金属2粗车一半精车IT8～106.3～3.23粗车一半精车一精车IT7～81.6～0.84粗车一半精车一精车一滚压（或抛光）IT7～80.2～0.0255粗车一半精车一磨削IT7～80.8～0.4主要用于淬火钢，也可用于未淬火钢，但不宜加工有色金属6粗车一半精车一粗磨一精磨IT6～70.4～0.17粗车一半精车一粗磨一精磨一超精加工（或轮式超精磨）IT50.1～Rz0.18粗车一半精车一精车一金刚石车IT6～70.4～0.025主要用于要求较高的有色金属加工9粗车一半精车一粗磨一精磨一超精磨或镜面磨IT5以上0.025～Rz0.05极高精度的外圆加工10粗车一半精车一粗磨一精磨一研磨IT5以上0.1～Rz0.05表4-2孔加工方案序号加工方案经济精度级表面粗糙度Ra值/μm适用范围1钻IT11～1212.5加工未淬火钢及铸铁的实心毛坯，也可用于加工有色金属（但表面粗糙度稍大，孔径小于15～20㎜)2钻—铰IT93.2～1.63钻—铰—精铰IT7～81.6～0.84钻—扩IT10～1112.5～6.3同上，但孔径大于15～20㎜5钻—扩—铰IT8～93.2～1.66钻—扩—粗铰—精铰IT71.6～0.87钻—扩—机铰—手铰IT6～70.4～0.18钻—扩—拉IT7～91.6～0.1大批大量生产（精度由拉刀的精度而定）9粗镗（或扩孔）IT11～1212.5～6.3除淬火钢外各种材料，毛坯有铸出孔或锻出孔10粗镗（粗扩）—半精镗（精扩）IT8～93.2～1.611粗镗（扩）—半精镗（精扩）—精镗（铰）IT7～81.6～0.812粗镗（扩）—半精镗（精扩）—精镗—浮动镗刀精镗IT6～70.8～0.413粗镗（扩）—半精镗—磨孔IT7～80.8～0.2主要用于淬火钢也可用于未淬火钢，但不宜用于有色金属14粗镗（扩）—半精镗—粗磨—精磨IT6～70.2～0.115粗镗—半精镗—精镗—金钢镗IT6～70.4～0.05主要用于精度要求高的有色金属加工16钻—（扩）—粗铰—精铰—珩磨；钻—（扩）—拉—珩磨；粗镗—半精镗—精镗—珩磨IT6～70.2～0.025精度要求很高的孔17以研磨代替上述方案中的珩磨IT6级以上表4-3平面加工方案序号加工方案经济精度级表面粗糙度Ra值/μm适用范围1粗车—半精车IT96.3～3.22粗车—半精车—精车IT7～IT81.6～0.8端面3粗车—半精车—磨削IT8～IT90.8～0.24粗刨（或粗铣）—精刨（或精铣）IT8～IT96.3～1.6一般不淬硬平面（端铣表面粗糙度较细）5粗刨（或粗铣）—精刨（或精铣）—刮研IT6～IT70.8～0.1精度要求较高的不淬硬平面；批量较大时宜采用宽刃精刨方案6以宽刃刨削代替上述方案刮研IT70.8～0.27粗刨（或粗铣）—精刨（或精铣）—磨削IT70.8～0.2精度要求高的淬硬平面或不淬硬平面8粗刨（或粗铣）—精刨（或精铣）—粗磨—精磨IT6～IT70.4～0.029粗铣—拉IT7～IT90.8～0.2大量生产，较小的平面（精度视拉刀精度而定）10粗铣—精铣—磨削—研磨IT6级以上0.1～Rz0.05高精度平面表4-4各种加工方法的经济精度和表面粗糙度(中批生产)被加工表面加工方法经济精度IT表面粗糙度Ra（μm）外圆和端面粗车半精车精车粗磨精磨研磨超精加工精细车（金刚车）11～138～117～98～116～8555～650～12.56.3～3.23.2～1.63.2～0.80.8～0.20.2～0.0120.2～0.0120.8～0.05孔钻孔铸锻孔的粗扩（镗）精扩粗铰精铰半精镗精镗（浮动镗）精细镗（金刚镗）粗磨精磨研磨珩磨拉孔11～1311～139～118～96～79～117～96～79～117～966～77～950～6.350～12.56.3～3.26.3～1.63.2～0.86.3～3.23.2～0.80.8～0.16.3～3.21.6～0.40.2～0.0120.4～0.11.6～0.8平面粗刨、粗铣半精刨、半精铣精刨、精铣拉削粗磨精磨研磨11～138～116～87～88～116～85～650～12.56.3～3.23.2～0.81.6～0.86.3～1.60.8～0.20.2～0.0122．加工阶段的划分对于那些加工质量要求较高或较复杂的零件，通常将整个工艺路线划分为以下几个阶段：(1)粗加工阶段——主要任务是切除各表面上的大部分余量，其关键问题是提高生产率。(2)半精加工阶段——完成次要表面的加工，并为主要表面的精加工做准备。(3)精加工阶段——保证各主要表面达到图样要求，其主要问题是如何保证加工质量。(4)光整加工阶段——对于表面粗糙度要求很细和尺寸精度要求很高的表面，还需要进行光整加工阶段。这个阶段的主要目的是提高表面质量，一般不能用于提高形状精度和位置精度。常用的加工方法有金刚车(镗)、研磨、珩磨、超精加工、镜面磨、抛光及无屑加工等。划分加工阶段的原因：(1)保证加工质量粗加工时，由于加工余量大，所受的切削力、夹紧力也大，将引起较大的变形，如果不划分阶段连续进行粗精加工，上述变形来不及恢复，将影响加工精度。所以，需要划分加工阶段，使粗加工产生的误差和变形，通过半精加工和精加工予以纠正，并逐步提高零件的精度和表面质量。(2)合理使用设备粗加工要求采用刚性好、效率高而精度较低的机床，精加工则要求机床精度高。划分加工阶段后，可避免以精干粗，可以充分发挥机床的性能，延长使用寿命。(3)便于安排热处理工序，使冷热加工工序配合的更好粗加工后，一般要安排去应力的时效处理，以消除内应力。精加工前要安排淬火等最终热处理，其变形可以通过精加工予以消除。(4)有利于及早发现毛坯的缺陷(如铸件的砂眼气孔等)粗加工时去除了加工表面的大部分余量，若发现了毛坯缺陷，及时予以报废，以免继续加工造成工时的浪费。应当指出：加工阶段的划分不是绝对的，必须根据工件的加工精度要求和工件的刚性来决定。一般说来，工件精度要求越高、刚性越差，划分阶段应越细；当工件批量小、精度要求不太高、工件刚性较好时也可以不分或少分阶段；重型零件由于输送及装夹困难，一般在一次装夹下完成粗精加工，为了弥补不分阶段带来的弊端，常常在粗加工工步后松开工件，然后以较小的夹紧力重新夹紧，再继续进行精加工工步。3．加工顺序的安排(1)切削加工顺序的安排①先粗后精先安排粗加工，中间安排半精加工，最后安排精加工和光整加工。②先主后次先安排零件的装配基面和工作表面等主要表面的加工，后安排如键槽、紧固用的光孔和螺纹孔等次要表面的加工。由于次要表面加工工作量小，又常与主要表面有位置精度要求，所以一般放在主要表面的半精加工之后，精加工之前进行。③先面后孔对于箱体、支架、连杆、底座等零件，先加工用作定位的平面和孔的端面，然后再加工孔。这样可使工件定位夹紧稳定可靠，利于保证孔与平面的位置精度，减小刀具的磨损，同时也给孔加工带来方便。④基面先行用作精基准的表面，要首先加工出来。所以，第一道工序一般是进行定位面的粗加工和半精加工(有时包括精加工)，然后再以精基面定位加工其它表面。例如，轴类零件顶尖孔的加工。(2)热处理工序的安排热处理可以提高材料的力学性能，改善金属的切削性能以及消除残余应力。在制订工艺路线时，应根据零件的技术要求和材料的性质，合理地安排热处理工序。①退火与正火退火或正火的目的是为了消除组织的不均匀，细化晶粒，改善金属的加工性能。对高碳钢零件用退火降低其硬度，对低碳钢零件用正火提高其硬度，以获得适中的较好的可切削性，同时能消除毛坯制造中的应力。退火与正火一般安排在机械加工之前进行。②时效处理以消除内应力、减少工件变形为目的。为了消除残余应力，在工艺过程中需安排时效处理。对于—般铸件，常在粗加工前或粗加工后安排一次时效处理；对于要求较高的零件，在半精加工后尚需再安排一次时效处理；对于一些刚性较差、精度要求特别高的重要零件(如精密丝杠、主轴等)，常常在每个加工阶段之间都安排一次时效处理。③调质对零件淬火后再高温回火，能消除内应力、改善加工性能并能获得较好的综合力学性能。一般安排在粗加工之后进行。对一些性能要求不高的零件，调质也常作为最终热处理。④淬火、渗碳淬火和渗氮它们的主要目的是提高零件的硬度和耐磨性，常安排在精加工(磨削)之前进行，其中渗氮由于热处理温度较低，零件变形很小，也可以安排在精加工之后。(3)辅助工序的安排检验工序是主要的辅助工序，除每道工序由操作者自行检验外，在粗加工之后，精加工之前，零件转换车间时，以及重要工序之后和全部加工完毕、进库之前，一般都要安排检验工序。除检验外，其它辅助工序有：表面强化和去毛刺、倒棱、清洗、防锈等。正确地安排辅助工序是十分重要的。如果安排不当或遗漏，将会给后续工序和装配带来困难，甚至影响产品的质量，所以必须给予重视。4．工序的集中与分散经过以上所述，零件加工的工步顺序已经排定，如何将这些工步组成工序，就需要考虑采用工序集中还是工序分散的原则。(1)工序集中就是将零件的加工集中在少数几道工序中完成，每道工序加工内容多，工艺路线短。其主要特点是：①可以采用高效机床和工艺装备，生产率高；②减少了设备数量以及操作工人人数和占地面积，节省人力、物力；③减少了工件安装次数，利于保证表面间的位置精度；④采用的工装设备结构复杂，调整维修较困难，生产准备工作量大。(2)工序分散工序分散就是将零件的加工分散到很多道工序内完成，每道工序加工的内容少，工艺路线很长。其主要特点是：①设备和工艺装备比较简单，便于调整，容易适应产品的变换；②对工人的技术要求较低；③可以采用最合理的切削用量，减少机动时间；④所需设备和工艺装备的数目多，操作工人多，占地面积大。在拟定工艺路线时，工序集中或分散的程度，主要取决于生产规模、零件的结构特点和技术要求，有时，还要考虑各工序生产节拍的一致性。一般情况下，单件小批生产时，只能工序集中，在一台普通机床上加工出尽量多的表面；大批大量生产时，既可以采用多刀、多轴等高效、自动机床，将工序集中，也可以将工序分散后组织流水生产。批量生产应尽可能采用效率较高的半自动机床，使工序适当集中，从而有效地提高生产率。对于重型零件，为了减少工件装卸和运输的劳动量，工序应适当集中；对于刚性差且精度高的精密工件，则工序应适当分散。据统计，在我国的机械产品中，属于中小批量生产性质的企业已超过了企业总数的90%，单件中小批量生产方式占绝对优势。随着数控技术的普及，多品种中小批量生产中，越来越多地使用加工中心机床，从发展趋势来看，倾向于采用工序集中的方法来组织生产。4.2数控加工工艺设计4.2.1数控加工的基本过程数控加工，就是泛指在数控机床上进行零件加工的工艺过程。数控机床是一种用计算机来控制的机床，用来控制机床的计算机，不管是专用计算机、还是通用计算机都统称为数控系统。数控机床的运动和辅助动作均受控于数控系统发出的指令。而数控系统的指令是由程序员根据工件的材质、加工要求、机床的特性和系统所规定的指令格式(数控语言或符号)编制的。所谓编程，就是把被加工零件的工艺过程、工艺参数、运动要求用数字指令形式(数控语言)记录在介质上，并输入数控系统。数控系统根据程序指令向伺服装置和其它功能部件发出运行或终断信息来控制机床的各种运动。当零件的加工程序结束时，机床便会自动停止。任何一种数控机床，在其数控系统中若没有输入程序指令，数控机床就不能工作。机床的受控动作大致包括机床的起动、停止；主轴的启停、旋转方向和转速的变换；进给运动的方向、速度、方式；刀具的选择、长度和半径的补偿；刀具的更换，冷却液的开起、关闭等。图4-29是数控机床加工过程框图。从框图中可以看出在数控机床上加工零件所涉及的范围比较广，与相关的配套技术有密切的关系。合格的编程员首先应该是一个很好的工艺员，应熟练地掌握工艺分析、工艺设计和切削用量的选择，能正确地选择刀辅具并提出零件的装夹方案，了解数控机床的性能和特点，熟悉程序编制方法和程序的输入方式。图4-29数控机床加工过程框图数控加工程序编制方法有手工(人工)编程和自动编程之分。手工编程，程序的全部内容是由人工按数控系统所规定的指令格式编写的。自动编程即计算机编程，可分为以语言和绘画为基础的自动编程方法。但是，无论是采用何种自动编程方法，都需要有相应配套的硬件和软件。可见，实现数控加工编程是关键。但光有编程是不行的，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。一般来说数控加工工艺主要包括的内容如下：(1)选择并确定进行数控加工的零件及内容；(2)对零件图纸进行数控加工的工艺分析；(3)数控加工的工艺设计；(4)对零件图纸的数学处理；(5)编写加工程序单；(6)按程序单制作控制介质；(7)程序的校验与修改；(8)首件试加工与现场问题处理；(9)数控加工工艺文件的定型与归档。4.2.2数控加工工艺设计的主要内容数控加工前对工件进行工艺设计是必不可少的准备工作。无论是手工编程还是自动编程，在编程前都要对所加工的工件进行工艺分析、拟定工艺路线、设计加工工序。因此，合理的工艺设计方案是编制加工程序的依据，工艺设计做不好是数控加工出差错的主要原因之一，往往造成工作反复，工作量成倍增加的后果。编程人员必须首先搞好工艺设计，再考虑编程。1．数控加工内容的选择当选择并决定对某个零件进行数控加工后，并非其全部加工内容都采用数控加工，数控加工可能只是零件加工工序中的一部分。因此，有必要对零件图样进行仔细分析，立足于解决难题、提高生产效率，注意充分发挥数控的优势，选择那些最适合、最需要的内容和工序进行数控加工。一般可按下列原则选择数控加工内容：(1)普通机床无法加工的内容应作为优先选择内容。(2)普通机床难加工，质量也难以保证的内容应作为重点选择内容。(3)普通机床加工效率低，工人手工操作劳动强度大的内容，可在数控机床尚有加工能力的基础上进行选择。相比之下，下列一些加工内容则不宜选择数控加工：(1)需要用较长时间占机调整的加工内容。(2)加工余量极不稳定，且数控机床上又无法自动调整零件坐标位置的加工内容。(3)不能在一次安装中加工完成的零星分散部位，采用数控加工很不方便，效果不明显，可以安排普通机床补充加工。此外，在选择数控加工内容时，还要考虑生产批量、生产周期、工序间周转情况等因素，要尽量合理使用数控机床，达到产品质量、生产率及综合经济效益等指标都明显提高的目的，要防止将数控机床降格为普通机床使用。2．数控加工零件的工艺性分析对数控加工零件的工艺性分析，主要包括产品的零件图样分析和结构工艺性分析两部分。其中4.1.1所述“零件图的审查”内容同样适用于数控加工。(1)零件图样分析①零件图上尺寸标注方法应适应数控加工的特点，如图4-30(a)所示，在数控加工零件图上，应以同一基准标注尺寸或直接给出坐标尺寸。这种标注方法既便于编程，也便于尺寸之间的相互协调，又有利于设计基准、工艺基准、测量基准和编程原点的统一。零件设计人员在尺寸标注时，一般总是较多地考虑装配等使用特性，因而常采用如图4-30(b)所示的局部分散的标注方法，这样就给工序安排和数控加工带来诸多不便。由于数控加工精度和重复定位精度都很高，不会因产生较大的累积误差而破坏零件的使用特性，因此，可将局部的分散标注法改为同一基准标注或直接标注坐标尺寸。(a)(b)图4-30零件尺寸标注分析(a)同基准标注(b)分散标注②分析被加工零件的设计图纸，根据标注的尺寸公差和形位公差等相关信息，将加工表面区分为重要表面和次要表面，并找出其设计基准，进而遵循基准选择的原则，确定加工零件的定位基准，分析零件的毛坯是否便于定位和装夹，夹紧方式和夹紧点的选取是否会有碍刀具的运动，夹紧变形是否对加工质量有影响等。为工件定位、安装和夹具设计提供依据。③构成零件轮廓的几何元素(点、线、面)的条件(如相切、相交、垂直和平行等)，是数控编程的重要依据。手工编程时，要依据这些条件计算每一个节点的坐标；自动编程时，则要根据这些条件对构成零件的所有几何元素进行定义，无论哪一个条件不明确，都会导致编程无法进行。因此，在分析零件图样时，务必要分析几何元素的给定条件是否充分，发现问题及时与设计人员协商解决。(2)零件的结构工艺性分析①零件的内腔与外形应尽量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，方便编程，提高生产效益。②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小。对于图4-31所示零件，其结构工艺性的好坏与被加工轮廓的高低、转角圆弧半径的大小等因素有关。图(b)与(a)相比，转角圆弧半径R大，可以采用直径较大的立铣刀来加工；加工平面时，进给次数也相应减少，表面加工质量也会好一些，因而工艺性较好。反之，工艺性较差。通常R＜0.2H(H为被加工工件轮廓面的最大高度)时，可以判定零件该部位的工艺性不好。③零件铣槽底平面时，槽底圆角半径r不要过大。如图4-32所示，铣刀端面刃与铣削平面的最大接触直径d＝D-2r(D为铣刀直径)，当D一定时，r越大，铣刀端面刃铣削平面的面积越小，加工平面的能力就越差，效率越低，工艺性也越差。当r大到一定程度时，甚至必须用球头铣刀加工，这是应该尽量避免的。(a)(b)图4-31内槽结构工艺性图4-32零件底面圆弧半径对工艺性的影响④应尽可能在一次装夹中完成所有能加工表面的加工，为此要选择便于各个表面都能加工的定位方式；若需要二次装夹，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，会因工件重新安装产生定位误差，从而使加工后的两个面上的轮廓位置及尺寸不协调，因此，为保证二次装夹加工后其相对位置的准确性，应采用统一的定位基准。3．数控加工的工艺路线设计与常规工艺路线拟定过程相似，数控加工工艺路线的设计，最初也需要找出零件所有的加工表面并逐一确定各表面的加工方法，其每一步相当于一个工步。然后将所有工步内容按一定原则排列成先后顺序。再确定哪些相邻工步可以划为一个工序，即进行工序的划分。最后再将所需的其它工序如常规工序、辅助工序、热处理工序等插入，衔接于数控加工工序序列之中，就得到了要求的工艺路线。数控加工的工艺路线设计与普通机床加工的常规工艺路线拟定的区别主要在于它仅是几道数控加工工艺过程的概括，而不是指从毛坯到成品的整个工艺过程，由于数控加工工序一般均穿插于零件加工的整个工艺过程之中，因此在工艺路线设计中，一定要兼顾常规工序的安排，使之与整个工艺过程协调吻合。(1)工序的划分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：①按安装次数划分工序以一次安装完成的那一部分工艺过程为一道工序。该方法一般适合于加工内容不多的工件，加工完毕就能达到待检状态。如图4-33所示的凸轮零件，其两端面、R38外圆以及φ22H7和φ4H7两孔均在普通机床上加工，然后在数控铣床上以加工过的两个孔和一个端面定位安装，在一道工序内铣削凸轮剩余的外表面轮廓。②按所用刀具划分工序以同一把刀具完成的那一部分工艺过程为一道工序。这种方法适用于工件的待加工表面较多，机床连续工作时间过长，加工程序的编制和检查难度较大等情况。在专用数控机床和加工中心上常用这种方法。③按粗、精加工划分工序考虑工件的加工精度要求、刚度和变形等因素来划分工序时，可按粗、精加工分开的原则来划分工序，即以粗加工中完成的那部分工艺过程为一道工序，精加工中完成的那部分工艺过程为另一道工序。一般来说，在一次安装中不允许将工件的图4-33凸轮零件图某一表面粗、精不分地加工至精度要求后再加工工件的其它表面。④按加工部位划分工序以完成相同型面的那一部分工艺过程为一道工序。有些零件加工表面多而复杂，构成零件轮廓的表面结构差异较大，可按其结构特点(如内型、外形、曲面或平面等)划分成多道工序。综上所述，在划分工序时，一定要视零件的结构与工艺性、机床的功能、零件数控加工内容的多少、安装次数以及生产组织等实际情况灵活掌握。(2)加工顺序的安排加工顺序安排得合理与否，将直接影响到零件的加工质量、生产率和加工成本。应根据零件的结构和毛坯状况，结合定位及夹紧的需要综合考虑，重点应保证工件的刚度不被破坏，尽量减少变形。加工顺序的安排除遵循“4.1.4中3.加工顺序的安排”原则外，还应遵循下列原则：①尽量使工件的装夹次数、工作台转动次数、刀具更换次数及所有空行程时间减至最少，提高加工精度和生产率。②先内后外原则，即先进行内型内腔加工，后进行外形加工。③为了及时发现毛坯的内在缺陷，精度要求较高的主要表面的粗加工一般应安排在次要表面粗加工之前；大表面加工时，因内应力和热变形对工件影响较大，一般也需先加工。④在同—次安装中进行的多个工步，应先安排对工件刚性破坏较小的工步。⑤为了提高机床的使用效率，在保证加工质量的前提下，可将粗加工和半精加工合为一道工序。⑥加工中容易损伤的表面(如螺纹等)，应放在加工路线的后面。下面通过一个实例来说明这些原则的应用：如图4-34所示零件，可以先在普通机床上把底面和四个轮廓面加工好(“基面先行”)，其余的顶面、孔及沟槽安排在立式加工中心上完成(工序集中原则)，加工中心工序按“先粗后精”、“先主后次”、“先面后孔”等原则可以划分为如下15个工步：粗铣顶面。钻φ32、φ12等孔的中心孔（预钻凹坑）。钻φ32、φ12孔至φ11.5。扩φ32孔至φ30。钻3×φ6的孔至尺寸。粗铣φ60沉孔及沟槽。钻4×M8底孔至φ6.8。镗φ32孔至φ31.7。精铣顶面。铰φ12孔至尺寸。精镗φ32孔至尺寸。精铣φ60沉孔及沟槽至尺寸。φ12孔口倒角。3×φ6、4×M8孔口倒角。攻4×M8螺纹完成。(3)数控加工工序与普通工序的衔接这里所说的普通工序是指常规的加工工序、热处理工序和检验等辅助工序。数控工序前后一般都穿插其它普通工序，若衔接不好就容易产生矛盾。较好的解决办图4-34零件简图法是建立工序间的相互状态联系，在工艺文件中做到互审会签。例如是否预留加工余量，留多少、定位基准的要求、零件的热处理等，这些问题都需要前后衔接，统筹兼顾。4．数控加工工序的设计数控加工工序设计的主要任务是为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、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，为编制加工程序做好充分准备。(1)确定走刀路线和工步顺序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，不但包括了工步的内容，而且也反映出工步的顺序。走刀路线是编写程序的依据之一。在确定走刀路线时，主要遵循以下原则：①保证零件的加工精度和表面粗糙度例如在铣床上进行加工时，因刀具的运动轨迹和方向不同，可能是顺铣或逆铣，其不同的加工路线所得到的零件表面的质量就不同。究竟采用哪种铣削方式，应视零件的加工要求、工件材料的特点以及机床刀具等具体条件综合考虑，确定原则与普通机械加工相同。数控机床一般采用滚珠丝杠传动，其运动间隙很小，并且顺铣优点多于逆铣，所以应尽可能采用顺铣。在精铣内外轮廓时，为了改善表面粗糙度，应采用顺铣的走刀路线加工方案。对于铝镁合金、钛合金和耐热合金等材料，建议也采用顺铣加工，这对于降低表面粗糙度值和提高刀具耐用度都有利。但如果零件毛坯为黑色金属锻件或铸件，表皮硬而且余量较大，这时采用逆铣较为有利。加工位置精度要求较高的孔系时，应特别注意安排孔的加工顺序。若安排不当，就可能将坐标轴的反向间隙带入，直接影响位置精度。如图4-35，镗削图(a)所示零件上六个尺寸相同的孔，有两种走刀路线。按图(b)所示路线加工时，由于5、6孔与1、2、3、4孔定位方向相反，X向反向间隙会使定位误差增加，从而影响5、6孔与其它孔的位置精度。按图(c)所示路线加工时，加工完4孔后往上多移动一段距离至P点，然后折回来在5、6孔处进行定位加工，从而，使各孔的加工进给方向一致，避免反向间隙的引入，提高了5、6孔与其它孔的位置精度。(a)(b)(c)图4-35镗削孔系走刀路线比较(a)零件图(b)差(c)好刀具的进退刀路线要尽量避免在轮廓处停刀或垂直切入切出工件，以免留下刀痕。②使走刀路线最短，减少刀具空行程时间，提高加工效率。图4-36所示为正确选择钻孔加工路线的例子。按照一般习惯，总是先加工均布于同一圆周上的一圈孔后，再加工另一圈孔，如图4-36(a)所示，这不是最好的走刀路线。对点位控制的数控机床而言，要求定位精度高，定位过程尽可能快。若按图4-36(b)所示的进给路线加工，可使各孔间距的总和最小，空程最短，从而节省定位时间。(a)(b)图4-36最短加工路线选择③最终轮廓一次走刀完成图4-37(a)所示为采用行切法加工内轮廓。加工时不留死角，在减少每次进给重叠量的情况下，走刀路线较短，但两次走刀的起点和终点间留有残余高度，影响表面粗糙度。图(b)是采用环切法加工，表面粗糙度较小，但刀位计算略为复杂，走刀路线也较行切法长。采用图(c)所示的走刀路线，先用行切法加工，最后再沿轮廓切削一周，使轮廓表面光整。三种方案中，图(a)方案最差，图(c)方案最佳。(a)(b)(c)图4-37封闭内轮廓加工走刀路线(a)行切法(b)环切法(c)先行切再环切(2)工件的定位与夹紧方案的确定工件的定位基准与夹紧方案的确定，应遵循前面所述有关定位基准的选择原则与工件夹紧的基本要求。此外，还应该注意下列三点：①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。②设法减少装夹次数，尽可能做到在一次定位装夹中，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。③避免采用占机人工调整方案，以免占机时间太多，影响加工效率。(3)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：①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；②在成批生产时，才考虑采用专用夹具，并力求结构简单；③零件的装卸要快速、方便、可靠，以缩短机床的停顿时间，减少辅助时间；④为满足数控加工精度，要求夹具定位、夹紧精度高；⑤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、夹紧元件不能影响加工中的走刀(如产生碰撞等)；⑥为提高数控加工的效率，批量较大的零件加工可采用气动或液压夹具、多工位夹具。(4)刀具的选择刀具的选择是数控加工工艺中重要的内容之一，不仅影响机床的加工效率，而且直接影响加工质量。与传统加工方法相比，数控加工对刀具的要求，尤其在刚性和耐用度方面更为严格。应根据机床的加工能力、工件材料的性能、加工工序、切削用量以及其他相关因素正确选用刀具及刀柄。刀具选择总的原则是：既要求精度高、强度大、刚性好、耐用度高，又要求尺寸稳定，安装调整方便。在满足加工要求的前提下，尽量选择较短的刀柄，以提高刀具的刚性。当代所使用的金属切削刀具材料主要有五类：高速钢、硬质合金、陶瓷、立方氮化硼(CBN)、聚晶金刚石。①根据数控加工对刀具的要求，选择刀具材料的一般原则是尽可能选用硬质合金刀具。只要加工情况允许选用硬质合金刀具，就不用高速钢刀具。②陶瓷刀具不仅用于加工各种铸铁和不同钢料，也适用于加工有色金属和非金属材料。使用陶瓷刀片，无论什么情况都要用负前角，为了不易崩刃，必要时可将刃口倒钝。陶瓷刀具在下列情况下使用效果欠佳：短零件的加工；冲击大的断续切削和重切削；铍、镁、铝和钛等的单质材料及其合金的加工(易产生亲合力，导致切削刃剥落或崩刃)。③金刚石和立方氮化硼都属于超硬刀具材料，它们可用于加工任何硬度的工件材料，具有很高的切削性能，加工精度高，表面粗糙度值小。一般可用切削液。聚晶金刚石刀片一般仅用于加工有色金属和非金属材料。立方氮化硼刀片一般适用加工硬度＞450HBS的冷硬铸铁、合金结构钢、工具钢、高速钢、轴承钢以及硬度≥350HBS的镍基合金、钴基合金和高钴粉末冶金零件。④从刀具的结构应用方面，数控加工应尽可能采用镶块式机夹可转位刀片以减少刀具磨损后的更换和预调时间。⑤选用涂层刀具以提高耐磨性和耐用度。(5)切削用量的确定切削用量包括主轴转速(切削速度)、背吃刀量和进给量(进给速度)。主轴转速要根据机床和刀具允许的切削速度来确定；背吃刀量主要受机床刚度的制约，在机床刚度允许的情况下，尽可能加大背吃刀量；进给量要根据零件的加工精度、表面粗糙度、刀具和工件材料来选。切削用量的合理选择将直接影响加工精度、表面质量、生产率和经济性，其确定原则与普通加工相似。具体数据应根据机床使用说明书、切削用量手册，并结合实际经验加以修正确定。切削用量的确定除了遵循“2.3.3切削用量的选择”的有关规定外，还应考虑如下因素：①刀具差异不同厂家生产的刀具质量差异较大，因此切削用量须根据实际所用刀具和现场经验加以修正。②机床特性切削用量受机床电动机的功率和机床刚性的限制，必须在机床说明书规定的范围内选取。避免因功率不够而发生闷车、刚性不足而产生大的机床变形或振动，影响加工精度和表面粗糙度。③数控机床的生产率数控机床的工时费用较高，刀具损耗费用所占比重较低，应尽量用高的切削用量，通过适当降低刀具寿命来提高数控机床的生产率。5．数控加工工艺守则数控加工除遵守普通加工通用工艺守则的有关规定外，还应遵守表4-5“数控加工工艺守则”的规定。表4-5数控加工工艺守则项目要求内容加工前的准备(1)操作者必须根据机床使用说明书熟悉机床的性能、加工范围和精度，并要熟练地掌握机床及其数控装置或计算机各部分的作用及操作方法。(2)检查各开关、旋钮和手柄是否在正确位置。(3)启动控制电气部分，按规定进行预热。(4)开动机床使其空运转，并检查各开关、按钮、旋钮和手柄的灵敏性及润滑系统是否正常等。(5)熟悉被加工件的加工程序和编程原点。刀具与工件的装夹(1)安放刀具时应注意刀具的使用顺序，刀具的安放位置必须与程序要求的顺序和位置一致。(2)工件的装夹除应牢固可靠外，还应注意避免在工作中刀具与工件或刀具与夹具发生干涉。加工(1)进行首件加工前，必须经过程序检查(试走程序)、轨迹检查、单程序段试切及工件尺寸检查等步骤。(2)在加工时，必须正确输人程序，不得擅自更改程序。(3)在加工过程中操作者应随时监视显示装置，发现报警信号时应及时停车排除故障。(4)零件加工完后，应将程序纸带、磁带或磁盘等收藏起来妥善保管，以备再用。4.2.3数控加工程序编制1．坐标系统为了保证数控机床的正确运动，避免工作的不一致性，简化程序的编制方法，并使所编程序有互换性，ISO标准和我国国家标准都统一规定了数控机床坐标轴及其运动方向，这给数控系统和机床的设计、使用及维修带来了极大的方便。(1)机床坐标系与运动方向为了确定机床的运动方向和移动距离，就要在机床上建立一个坐标系，该坐标系就叫机床坐标系，也叫标准坐标系。数控机床上的坐标系采用右手直角笛卡尔坐标系，如图4-38所示。右手的大拇指、食指和中指保持相互垂直，拇指的方向为X轴的正方向，食指为Y轴的正方向，中指为Z轴的正方向。图4-38右手直角笛卡尔坐标系A、B、C分别表示其轴线平行于X、Y和Z坐标的旋转运动。根据右手螺旋定则，分别以大拇指指向+X、+Y、+Z方向，其余四指则分别指向+A、+B、+C轴的旋转方向。Z轴通常把传递切削力的主轴定为Z轴。对于工件旋转的机床，如车床、磨床等，工件转动的轴为Z轴；对于刀具旋转的机床，如镗床、铣床、钻床等，刀具转动的轴为Z轴；如图4-39所示。Z轴的正方向取为刀具远离工件的方向。X轴X轴一般平行于工件装夹面且与Z轴垂直。对于工件旋转的机床(如车床、磨床等)，X坐标的方向是在工件的径向上，且平行于横向滑座，刀具远离工件旋转中心的方向为X轴的正向；对于刀具旋转的机床(如铣床、镗床、钻床等)，若Z轴是垂直的，当从刀具主轴向立柱看时，X轴正向指向右；若Z轴是水平的，当从主轴向工件看时，X轴正向指向右。Y轴当X轴与Z轴确定之后，Y轴垂直于X轴和Z轴，其方向可按右手定则确定。(a)(b)图4-39数控机床的标准坐标系(a)数控车床(b)数控铣床(2)工件坐标系工件坐标系是由编程人员根据零件图样及加工工艺，以零件上某一固定点为原点建立的坐标系。又称为编程坐标系或工作坐标系。工件坐标系一般供编程使用，确定工件坐标系时不必考虑工件在机床上的实际装夹位置。(3)附加坐标系为了编程和加工的方便，如果还有平行于X、Y、Z坐标轴的坐标，有时还需设置附加坐标系，可以采用的附加坐标系有：第二组U、V、W坐标，第三组P、Q、R坐标。2．几个重要术语(1)机床原点机床原点又称为机械原点，是机床坐标系的原点。该点是机床上一个固定的点，其位置是由机床设计和制造单位确定的，通常不允许用户改变。机床原点是工件坐标系、机床参考点的基准点，也是制造和调整机床的基础。数控车床的机床原点一般设在卡盘后端面的中心，如图4-40(a)所示。数控铣床的机床原点，各生产厂不一致，有的设在机床工作台的中心，有的设在进给行程的终点，如图4-40(b)所示。(2)机床参考点机床参考点是机床上的一个固定点，用于对机床工作台、滑板与刀具相对运动的测量系统进行标定和控制。其位置由机械挡块或行程开关来确定。机床参考点对机床原点的坐标是(a)(b)图4-40数控机床的机床原点与机床参考点(a)数控车床(b)数控铣床一个已知定值，也就是说，可以根据机床参考点在机床坐标系中的坐标值间接确定机床原点的位置。在机床接通电源后，通常都要做回零操作，使刀具或工作台退离到机床参考点。当回零操作完成后，显示器即显示出机床参考点在机床坐标系中的坐标值，表明机床坐标系已自动建立。可以说回零操作是对基准的重新核定，可消除由于种种原因产生的基准偏差。机床参考点已由机床制造厂测定后输入数控系统，并且记录在机床说明书中，用户不得更改。一般数控车床、数控铣床的机床原点和机床参考点位置如图4-40所示。也有些数控机床的机床原点与机床参考点重合。(3)工件原点工件坐标系的原点称为工件原点或编程原点。工件原点在工件上的位置虽可任意选择，但一般应遵循以下原则：①工件原点选在工件图样的设计基准或工艺基准上，以利于编程。②工件原点尽量选在尺寸精度高、粗糙度值低的工件表面上。③工件原点最好选在工件的对称中心上。④要便于测量和检验。数控车床上加工工件时，工件原点一般设在主轴中心线与工件右端面(或左端面)的交点处，如图4-41(a)所示。数控铣床上加工工件时，工件原点一般设在进刀方向一侧工件外轮廓表面的某个角上或对称中心上，如图4-41(b)所示。(4)绝对坐标与相对坐标绝对坐标是指所有点的坐标值都是相对于坐标原点计量的；相对坐标又叫增量坐标，是指运动终点的坐标值是以前一个点的坐标作为起点来计量的。在数控程序中绝对坐标与相对坐标可单独使用，也可在不同程序段上交叉使用，数控车床上还可以在同一程序段中混合使用，使用原则主要是看那种方式编程更方便。(a)(b)图4-41工件原点设置(a)数控车床(b)数控铣床(5)对刀与对刀点在数控加工中，工件坐标系确定后，还要确定刀尖点在工件坐标系中的位置。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，即常说的对刀问题。数控机床的装备不同，所采用的对刀方法也不同。如果数控机床自带对刀仪或配有机外对刀仪，那么对刀问题会比较简单，对刀精度也较高；否则，只能采用手动对刀，对刀过程相对复杂，效率也低。在数控车床上，常用的对刀方法为试切对刀。对于数控铣床来说，通常工件坐标系的确定，是通过对刀的过程来实现的，即使用对刀点来确定工件原点。对刀点是指通过对刀确定刀具与工件相对位置的基准点。对刀点可以设在工件上，也可以设在与工件的定位基准有一定关系的夹具某一位置上。其选择原则是：①所选的对刀点应使程序编制简单；②对刀点应选在容易找正、便于确定零件加工原点的位置；③对刀点应选在加工过程中检查方便、可靠的位置；④对刀点的选择应有利于提高加工精度。当对刀精度要求较高时，对刀点应尽量选在零件的设计基准或工艺基准上，对于以孔定位的工件，一般取孔的中心作为对刀点。对刀点往往与工件原点重合。若二者不重合，在设置机床零点偏置时，应当考虑到两者的差值。(6)换刀点换刀点是为加工中心、数控车床等采用多刀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，在编程时应考虑选择合适的换刀位置。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。3．数控代码数控代码是数控加工程序的基本单元，它由规定的文字、数字和符号组成。我国制定的有关准备功能G代码和辅助功能M代码的标准，与国际上使用的ISO标准基本一致。(1)表示地址符的英文字母的含义一个数控加工程序是由若干个程序段组成的，程序段是其中的一条语句。程序段由程序段号、地址、数字、符号等组成。在程序段中表示地址的英文字母的含义见表4-6。表4-6表示地址符的英文字母的含义功能地址字母意义程序号O、P程序编号，子程序号的指定程序段号N程序段顺序编号准备功能G指令动作的方式坐标字X、Y、Z坐标轴的移动指令A、B、C；U、V、W附加轴的移动指令I、J、K圆弧圆心坐标进给速度F进给速度的指令主轴功能S主轴转速指令（r·min-1）刀具功能T刀具编号指令辅助功能M、B主轴、冷却液的开关，工作台分度等补偿功能H、D补偿号指令暂停功能P、X暂停时间指定循环次数L子程序及固定循环的重复次数圆弧半径R实际是一种坐标字(2)准备功能G代码准备功能G代码是建立机床或控制系统工作方式的一种指令，如插补、刀具补偿、固定循环等。G代码分为模态代码和非模态代码。模态代表该代码一经在一个程序中指定，直到出现同组的另一个代码时才失效；非模态代码只在写有该代码的程序中才有效。国标中规定G代码由字母G及其后面的二位数字组成，从G00~G99共100种代码。见表4-7。(3)辅助功能M代码辅助功能M代码用于指定主轴的旋转方向、启动、停止、冷却液的开关，刀具的更换等各种辅助动作及其状态。辅助功能M代码由字母M及其后面的二位数字组成，也有M00~M99共100种代码。见表4-8。4.2.4数控加工工艺文件编制数控加工工艺文件不仅是进行数控加工和产品验收的依据，也是操作者遵守和执行的规程，同时还为产品零件重复生产积累了必要的工艺资料，完成了技术储备。这些技术文件是对数控