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“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。