第一篇 數控加工工藝基礎

基礎一 數控加工工藝與編程的研究內容及任務

數控加工工藝是伴隨著數控機床的產生、發展而逐步完善起來的一種應用技術，它以機械制造工藝基本理論為基礎，結合數控機床高精度、高效率和高柔性等特點，綜合應用多方面的知識，解決數控加工中的工藝問題。數控加工工藝是以數控機床加工中的工藝問題為研究對象的一門綜合基礎技術，它是人們大量數控加工實踐的經驗總結。

數控機床的加工工藝與通用機床的加工工藝有許多相同之處，但由于數控加工采用了計算機控制系統和數控機床，使得數控加工具有加工自動化程度高、精度高、質量穩定、生成效率高、周期短、設備使用費用高等特點，使數控加工工藝與普通加工工藝具有一定的差異。在數控機床上加工零件的工藝規程比通用機床要復雜得多，數控機床在數控加工前，要將機床的運動過程、零件的工藝過程、刀具的形狀、切削用量和走刀路線等都要編入程序，這就要求程序設計人員具有多方面的知識基礎。一個合格的程序設計人員首先是一個合格的工藝人員，否則就無法做到全面、周到地考慮零件加工的全過程，以及正確、合理地編制零件的加工程序。

（一）數控加工工藝與普通加工工藝的差異

1.數控加工工藝內容要求更加具體、詳細

普通加工工藝：許多具體工藝問題，如工步的劃分與安排、刀具的幾何形狀與尺寸、走刀路線、加工余量、切削用量等，在很大程度上由操作人員根據實際經驗和習慣自行考慮和決定，一般無須工藝人員在設計工藝規程時進行過多的規定，零件的尺寸精度也可由試切保證。

數控加工工藝：是采用數控機床加工零件時所運用各種方法和技術手段的總和，應用于整個數控加工工藝過程。數控加工所有工藝問題必須事先設計和安排好，并編入加工程序中。數控工藝不僅包括詳細的切削加工步驟，還包括工夾具型號、規格、切削用量和其他特殊要求的內容，以及標有數控加工坐標位置的工序圖等。在自動編程中更需要確定詳細的各種工藝參數。

2.數控加工工藝要求更嚴密、精確

普通加工工藝：加工時，可以根據加工過程中出現的問題比較自由地進行人為調整。

數控加工工藝：自適應性較差，加工過程中可能遇到的所有問題必須事先精心考慮，否則將導致嚴重的后果。例如：

① 攻螺紋時，數控機床不知道孔中是否已擠滿切屑，是否需要退刀清理切屑再繼續加工。

② 普通機床加工可以多次“試切”來滿足零件的精度要求，數控加工過程嚴格按規定尺寸進給，要求準確無誤。

3.制訂數控加工工藝要進行零件圖形的數學處理和編程尺寸設定值的計算

編程尺寸并不是零件圖上設計尺寸的簡單再現，在對零件圖進行數學處理和計算時，編程尺寸設定值要根據零件尺寸公差要求和零件的形狀幾何關系重新調整計算，才能確定合理的編程尺寸。

4.考慮進給速度對零件形狀精度的影響

制訂數控加工工藝時，選擇切削用量要考慮進給速度對加工零件形狀精度的影響。在數控加工中，刀具的移動軌跡是由插補運算完成的。根據差補原理分析，在數控系統已定的條件下，進給速度越快，則插補精度越低，導致工件的輪廓形狀精度越差。尤其在高精度加工時這種影響非常明顯。

5.強調刀具選擇的重要性

復雜形面的加工編程通常采用自動編程方式，自動編程中必須先選定刀具再生成刀具中心運動軌跡，因此對于不具有刀具補償功能的數控機床來說，若刀具預先選擇不當，所編程序只能推倒重來。

6.數控加工工藝的特殊要求

① 由于數控機床比普通機床的剛度高，所配的刀具也較好，因此在同等情況下，數控機床切削用量比普通機床大，加工效率也較高。

② 數控機床的功能復合化程度越來越高，因此現代數控加工工藝的明顯特點是工序相對集中，表現為工序數目少，工序內容多，并且由于在數控機床上盡可能安排較復雜的工序，所以數控加工的工序內容比普通機床加工的工序內容復雜。

③ 由于數控機床加工的零件比較復雜，因此在確定裝夾方式和夾具設計時，要特別注意刀具與夾具、工件的干涉問題。

7.數控加工程序的編寫、校驗與修改是數控加工工藝的一項特殊內容

普通工藝中，劃分工序、選擇設備等重要內容對數控加工工藝來說屬于已基本確定的內容，所以制訂數控加工工藝的著重點在整個數控加工過程的分析，關鍵是確定進給路線及生成刀具運動軌跡。復雜表面的刀具運動軌跡生成需借助自動編程軟件，既是編程問題，當然也是數控加工工藝問題。這也是數控加工工藝與普通加工工藝最大的不同之處。

（二）數控加工工藝的主要內容

數控加工中進行數控加工工藝設計的主要內容包括：

① 選擇并確定進行數控加工的內容；

② 對零件圖紙進行數控加工的工藝分析；

③ 零件圖形的數學處理及編程尺寸設定值的確定；

④ 數控加工工藝方案的制訂；

⑤ 工步、進給路線的確定；

⑥ 選擇數控機床的類型；

⑦ 刀具、夾具、量具的選擇和設計；

⑧ 切削參數的確定；

⑨ 加工程序的編寫、校驗和修改；

⑩ 首件試加工與現場問題處理；

? 數控加工工藝技術文件的定型與歸檔。

（三）數控加工的特點及應用范圍

與普通機床相比，數控機床是一種機電一體化的高效自動機床，它具有以下加工特點：

① 具有廣泛的適應性和較高的靈活性，當改變加工零件時，只要改變數控程序即可，所以適合于產品更新換代快的要求。

② 能夠實現復雜工件的加工。由于數控機床能夠實現多軸聯動，可加工出普通機床無法完成的空間曲線和曲面，因而在航空、航天領域和對復雜型面的模具加工中得到了廣泛應用。

③ 可以采用較高的切削速度和進給量。

④ 加工精度高，質量穩定。數控機床一般采用閉環（半閉環）位置控制，機床本身精度高，此外還可以進行間隙補償和螺距誤差補償參數的修改進行精度校正和補償。例如，加工中心一類的數控機床還配有刀庫，具有多工序加工能力，可以實現工件的一次裝夾后多道工序連續加工，從而消除了多次裝夾引起的定位誤差。

⑤ 加工生產率高。數控機床的剛性好、功率大，主軸轉速高，進給速度范圍寬，平滑無級變速，容易選擇較大及合理的切削用量，可以減少許多調整時間。此外，數控機床加工可免去畫線工序，節省加工過程的中間檢驗時間，空行程速度遠高于普通機床，因此也能省出大量的輔助時間，獲得良好的經濟效益。

⑥ 自動化程度高，勞動強度低。數控機床能夠在程序的控制下自動實現零件的加工功能，加工過程一般不需要人工干預，可大大降低工人的勞動強度。

⑦ 產品一致性好。由于數控機床按照預定的加工程序自動進行加工，加工過程消除了操作者人為的操作誤差，因而零件加工的一致性好。

⑧ 機械傳動鏈短，結構簡單。數控機床的主傳動多采用無級變速或分段無級變速，主軸箱結構簡單；進給傳動采用伺服電機驅動，省去了龐雜的進給變速箱。因此，傳動鏈短，機械結構簡單。

數控機床的性能特點決定了它的應用范圍。對于數控加工，可按適應程度將加工對象大致分為三類。

1.最適應類

① 加工精度要求高，形狀、結構復雜，尤其是具有復雜曲線、曲面輪廓的零件。

② 具有不開暢內腔的零件。這類零件用通用機床很難加工，很難檢測，質量也難保證。

③ 在一次裝夾中完成銑、鉆、絞、锪或攻螺紋等多道工序的零件。

2.較適應類

① 價格昂貴，毛坯獲得困難，不允許報廢的零件。這類零件在普通機床上加工時，有一定難度，受機床的調整、操作人員的精神和工作狀態等多種因素影響，容易產生次品或廢品。為可靠起見，可選擇在數控機床上進行加工。

② 在通用機床上加工生產效率低，勞動強度大，質量難穩定控制的零件。

③ 用于改型比較、供性能測試的零件（它們要求尺寸一致性好）。

④ 多品種、多規格、單件小批量生產的零件。

3.不適應類

① 利用毛坯作為粗基準定位進行加工或定位完全需要人工找正的零件，占機調整時間長。

② 數控機床無在線檢測系統可自動檢測調整零件位置坐標的情況下，加工余量很不穩定的零件。

③ 必須用特定的工藝裝備，或依據樣板、樣件加工的零件或加工內容。

④ 需大批量生產的零件。

⑤ 加工部位分散，需要多次安裝、設置原點的零件。

對于不適應類零件，采用數控加工很麻煩，效果不明顯，可安排通用機床補加工。

隨著數控機床性能的提高、功能的完善和成本的降低，隨著數控加工用的刀具、輔助用具的性能不斷改善與提高以及數控加工工藝的不斷改進，利用數控機床高自動化、高精度、工藝集中的特性，將數控機床用于大批量生產的情況逐漸多了起來。因此，適應性是相對的，會隨著科技的發展而發生變化。

此外，在選擇和決定加工內容時，也要考慮生產批量、生產周期、工序間周轉情況等。總之，要盡量做到合理，達到多、快、好、省的目的。要防止把數控機床降格為通用機床使用。

（四）數控加工與工藝技術的新發展

隨著計算機技術突飛猛進的發展，數控技術正不斷采用計算機、控制理論等領域的最新技術成就，使其朝著高速度、高精度、復合化、智能化、信息網絡化等方向發展。整體數控加工技術向著CIMS（計算機集成制造系統）方向發展。數控加工與工藝技術的新發展具體體現在以下幾個方面。

1.高速度

受高生產率的驅使，高速化已成為現代機床技術發展的重要方向之一，主要表現在以下幾個方面。

（1）數控機床主軸高轉速

提高主軸轉速的手段主要是采用電主軸（內裝式主軸電動機），即主軸電動機的轉子軸就是主軸部件，從而可將主軸轉速大大提高。日本的超高速數控立式銑床，主軸最高轉速達100，000r/min。

主軸高轉速減少了切削力，也減少了切削深度，有利于克服機床振動，排屑率大大提高，熱量被切屑帶走，故傳入零件中的熱量減低，熱變形大大減小，提高了加工精度，也改善了加工面粗糙度。因此，經過高速加工的工件一般不需要精加工。

（2）工作臺高快速移動和高進給速度

當今知名數控系統的進給率都有了大幅度的提高。目前，最高水平是分辨率為1μm時，最大快速進給速度可達240m/min；當程序段設定進給長度大于1mm時，最大進給速度可達80m/min。

2.高精度

高精加工是高速加工技術與數控機床的廣泛應用的結果。以前汽車零件的加工精度要求在0.01mm數量級，現在隨著計算機硬盤、高精度液壓軸承等精密零件的增多，精整加工所需精度已提高到0.1μm，加工精度進入了亞微米級。提高數控設備加工精度的方法有以下幾種：

① 提高機械設備的制造精度和裝配精度。

② 減小數控系統的控制誤差，提高數控系統的分辨率，以微小程序段實現連續進給，使CNC控制單位精細化，提高位置檢測精度，位置伺服系統采用前饋控制與非線性控制。

③ 采用齒隙補償、絲桿螺距誤差補償、刀具誤差補償、熱變形誤差補償、空間誤差綜合補償等技術。

3.復合化

機床的復合化加工是通過增加機床的功能，減少工件加工過程中的多次裝夾、重新定位、對刀等輔助工藝時間，來提高機床利用率。復合化加工的兩重含義：

① 工序和工藝的集中。一次裝夾可完成多工種、多工序的加工。

② 工藝的成套。企業向復合型發展，為用戶提供成套服務。

4.智能化

數控技術智能化程度不斷提高，主要體現在以下幾個方面：

① 加工過程自適應控制技術——監測加工過程中的刀具磨損、破損、切削力、主軸功率等信息并進行反饋，利用傳統的或現代的算法進行調節運算，實時修調加工參數或加工指令，使設備處于最佳運行狀態，以提高加工精度和設備運行安全性。

② 加工參數的智能優化與選擇——將加工專家的經驗、切削加工的一般規律與特殊規律，按人工智能中知識表達的方式建立知識庫存入計算機，以加工工藝參數數據庫為支撐，建立專家系統，并通過它提供經過優化的切削參數，使加工系統始終處于最優和最經濟的工作狀態，從而達到提高編程效率和加工工藝技術水平，縮短生產準備時間的目的。目前，已開發出的自帶學習功能的“神經網絡電火花加工專家系統”，帶有人工智能式自動編程功能的7000系列數控系統（日本大隈公司）。

③ 故障自診斷功能——故障診斷專家系統為數控設備提供了一個包括二次監測、故障診斷、安全保障和經濟策略等方面在內的智能診斷及維護決策信息集成系統。采用智能混合技術，可在故障診斷中實現以下功能：故障分類、信號提取與特征提取、故障診斷專家系統、維護管理等。

④ 智能化交流伺服驅動裝置。目前，已開始研究能自動識別負載，并自動調整參數的智能化伺服系統，包括智能主軸交流驅動裝置和智能化進給伺服裝置。這種驅動裝置能自動識別電動機及負載的轉動慣量，并自動對控制系統參數進行優化和調整，使驅動系統獲得最佳運行。

5.信息網絡化

網絡功能正逐漸成為現代數控機床、數控系統的特征之一。諸如現代數控機床的遠程故障診斷、遠程狀態監控、遠程加工信息共享、遠程操作（危險環境的加工）、遠程培訓等都是以網絡功能為基礎的。例如，美國波音公司利用數字文件作為制造載體，首次利用網絡功能實現了無圖紙制造波音777新型客機。