最新 精品 Word 歡迎下載 可修改第1章 數(shù)控加工基礎(chǔ)本章提要本章主要介紹數(shù)控加工的基礎(chǔ)知識，內(nèi)容包括數(shù)控編程簡述、數(shù)控機床、數(shù)控加工工藝概述、高度與安全高度以及走刀路線的選擇等。1.1 數(shù)控加工概論數(shù)控技術(shù)即數(shù)字控制技術(shù)（numerical control technology），指用計算機以數(shù)字指令方式控制機床動作的技術(shù)。數(shù)控加工具有產(chǎn)品精度高、自動化程度高、生產(chǎn)效率高以及生產(chǎn)成本低等特點，在制造業(yè)及航天加工業(yè)，數(shù)控加工是所有生產(chǎn)技術(shù)中相當重要的一環(huán)。尤其是汽車和航天產(chǎn)業(yè)的零部件，其幾何外形復雜且精度要求較高，更突出了數(shù)控加工制造技術(shù)的優(yōu)點。數(shù)控加工技術(shù)集傳統(tǒng)的機械制造、計算機、信息處理、現(xiàn)代控制、傳感檢測等光機電技術(shù)于一體，是現(xiàn)代機械制造技術(shù)的基礎(chǔ)。它的廣泛應用給機械制造業(yè)的生產(chǎn)方式及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)帶來了深刻的變化。近年來，由于計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)控技術(shù)的發(fā)展相當迅速。數(shù)控技術(shù)的水平和普及程度，已經(jīng)成為衡量一個國家綜合國力和工業(yè)現(xiàn)代化水平的重要標志。1.2 數(shù)控編程簡述數(shù)控編程一般可以分為手工編程和自動編程。手工編程是指從零件圖樣分析、工藝處理、數(shù)值計算、編寫程序到程序校核等各步驟的數(shù)控編程工作，均由人工完成的全過程。該方法適用于零件形狀不太復雜、加工程序較短的情況，而對于復雜形狀的零件，如具有非圓曲線、列表曲面或組合曲面的零件，或者零件形狀雖不復雜，但是程序很長，則比較適合于自動編程。自動數(shù)控編程是從零件的設(shè)計模型（即參考模型）獲得數(shù)控加工程序的全部過程。其主要任務是計算加工走刀過程中的刀位點（Cutter Location Point，簡稱CL點），從而生成刀位數(shù)據(jù)文件。采用自動編程技術(shù)可以幫助人們解決復雜零件的數(shù)控加工編程問題，其大部分工作由計算機來完成，編程效率大大提高，還能解決手工編程無法解決的許多復雜形狀零件的加工編程問題。CATIA V5數(shù)控模塊提供了多種加工類型用于各種復雜零件的粗精加工，用戶可以根據(jù)零件結(jié)構(gòu)、加工表面形狀和加工精度要求選擇合適的加工類型。數(shù)控編程的主要內(nèi)容有分析零件圖樣、工藝處理、數(shù)值處理、編寫加工程序、輸入數(shù)控系統(tǒng)、程序檢驗及試切。（1）分析零件圖樣及工藝處理。在確定加工工藝過程時，編程人員首先應根據(jù)零件圖樣對工件的形狀、尺寸和技術(shù)要求等進行分析，然后選擇合適的加工方案，確定加工順序和路線、裝夾方式、刀具以及切削參數(shù)，為了充分發(fā)揮機床的功用，還應該考慮所用機床的指令功能，選擇最短的加工路線，選擇合適的對刀點和換刀點，以減少換刀次數(shù)。（2）數(shù)值處理。根據(jù)圖樣的幾何尺寸、確定的工藝路線及設(shè)定的坐標系，計算工件粗、精加工的運動軌跡，得到刀位數(shù)據(jù)。零件圖樣坐標系與編程坐標系不一致時，需要對坐標進行換算。形狀比較簡單的零件的輪廓加工，需要計算出幾何元素的起點、終點及圓弧的圓心，兩幾何元素的交點或切點的坐標值，有的還需要計算刀具中心運動軌跡的坐標值。對于形狀比較復雜的零件，需要用直線段或圓弧段逼近，根據(jù)要求的精度計算出各個節(jié)點的坐標值。（3）編寫加工程序。確定加工路線、工藝參數(shù)及刀位數(shù)據(jù)后，編程人員可以根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)規(guī)定的指令代碼及程序段格式，逐段編寫加工程序。此外，還應填寫有關(guān)的工藝文件，如數(shù)控刀具卡片、數(shù)控刀具明細表和數(shù)控加工工序卡片等，隨著數(shù)控編程技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在大部分的機床已經(jīng)直接采用自動編程。（4）輸入數(shù)控系統(tǒng)。即把編制好的加工程序，通過某種介質(zhì)傳輸?shù)綌?shù)控系統(tǒng)。過去我國數(shù)控機床的程序輸入一般使用穿孔紙帶，穿孔紙帶的程序代碼通過紙帶閱讀器輸入到數(shù)控系統(tǒng)。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代數(shù)控機床主要利用鍵盤將程序輸入到計算機中。隨著網(wǎng)絡技術(shù)進入工業(yè)領(lǐng)域，通過CAM生成的數(shù)控加工程序可以直接通過數(shù)據(jù)接口傳輸?shù)綌?shù)控系統(tǒng)中。（5）程序檢驗及試切。程序必須經(jīng)過檢驗和試切才能正式使用。檢驗的方法是直接將加工程序輸入到數(shù)控系統(tǒng)中，讓機床空運轉(zhuǎn)，即以筆代刀，以坐標紙代替工件，畫出加工路線，以檢查機床的運動軌跡是否正確。若數(shù)控機床有圖形顯示功能，可以采用模擬刀具切削過程的方法進行檢驗。但這些過程只能檢驗出運動是否正確，不能檢查被加工零件的精度，因此必須進行零件的首件試切。首件試切時，應該以單程序段的運行方式進行加工，監(jiān)視加工狀況，調(diào)整切削參數(shù)和狀態(tài)。 從以上內(nèi)容看來，作為一名數(shù)控編程人員，不但要熟悉數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)、功能及標準，而且必須熟悉零件的加工工藝、裝夾方法、刀具以及切削參數(shù)的選擇等方面的知識。1.3 數(shù) 控 機 床 數(shù)控機床的組成數(shù)控機床的種類很多，但是任何一種數(shù)控機床都主要由數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)和機床主體三大部分以及輔助控制系統(tǒng)等組成。1數(shù)控系統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機床的核心，是數(shù)控機床的“指揮系統(tǒng)”，其主要作用是對輸入的零件加工程序進行數(shù)字運算和邏輯運算，然后向伺服系統(tǒng)發(fā)出控制信號?，F(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)通常是一臺帶有專門系統(tǒng)軟件的計算機系統(tǒng)，開放式數(shù)控系統(tǒng)就是將計算機配以數(shù)控系統(tǒng)軟件而構(gòu)成的。2伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)（也稱驅(qū)動系統(tǒng)）是數(shù)控機床的執(zhí)行機構(gòu)，由驅(qū)動和執(zhí)行兩大部分組成，它包括位置控制單元、速度控制單元、執(zhí)行電動機和測量反饋單元等部分，主要用于實現(xiàn)數(shù)控機床的進給伺服控制和主軸伺服控制。它接收數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的各種指令信息，經(jīng)功率放大后，嚴格按照指令信息的要求控制機床運動部件的進給速度、方向和位移。目前數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)中，常用的位移執(zhí)行部件有步進電動機、電液馬達、直流伺服電動機和交流伺服電動機，后兩者均帶有光電編碼器等位置測量元件。一般來說，數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)，要求有好的快速響應和靈敏而準確的跟蹤指令功能。3機床主體機床主體是加工運動的實際部件，除了機床基礎(chǔ)件以外，還包括主軸部件、進給部件，實現(xiàn)工件回轉(zhuǎn)、定位的裝置和附件、輔助系統(tǒng)和裝置（如液壓、氣壓、防護等裝置）、刀庫和自動換刀裝置（Automatic Tools Changer，ATC）、自動托盤交換裝置（Automatic Pallet Changer，APC）。機床基礎(chǔ)件通常是指床身或底座、立柱、橫梁和工作臺等，它是整臺機床的基礎(chǔ)和框架。加工中心則還應具有ATC，有的還有雙工位APC等。數(shù)控機床的本體結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)機床相比，發(fā)生了很大變化，普遍采用了滾珠絲杠和滾動導軌，傳動效率更高；由于現(xiàn)代數(shù)控機床減少了齒輪的使用數(shù)量，使得傳動系統(tǒng)更加簡單。數(shù)控機床可根據(jù)自動化程度、可靠性要求和特殊功能需要，選用各種類型的刀具破損監(jiān)控系統(tǒng)、機床與工件精度檢測系統(tǒng)、補償裝置和其他附件等。 數(shù)控機床的特點隨著科學技術(shù)和市場經(jīng)濟的不斷發(fā)展，對機械產(chǎn)品的質(zhì)量、生產(chǎn)率和新產(chǎn)品的開發(fā)周期提出了越來越高的要求。為了滿足上述要求，適應科學技術(shù)和經(jīng)濟的不斷發(fā)展，數(shù)控機床應運而生了。20世紀50年代，美國麻省理工學院成功地研制出第一臺數(shù)控銑床。1970年首次展出了第一臺用計算機控制的數(shù)控機床（Computer Numerial Control，CNC）。圖1.1所示就是數(shù)控銑床，圖1.2所示是數(shù)控加工中心。圖 1.2 圖 1.1數(shù)控機床自問世以來得到了高速發(fā)展，并逐漸為各國生產(chǎn)組織和管理者接受，這與它在加工中表現(xiàn)出來的特點是分不開的。數(shù)控機床具有以下主要特點：l 高柔性。數(shù)控機床的最大特點是高柔性，即靈活、通用和萬能，可以適應加工不同形狀工件。如數(shù)控銑床一般能完成鉆孔、鏜孔、鉸孔、攻螺紋、銑平面、銑斜面、銑槽、銑削曲面和銑削螺紋等加工，而且一般情況下，可以在一次裝夾中完成所需的加工工序。加工對象改變，除相應更換刀具和解決工件裝夾方式外，只需改變相應的加工程序即可。特別適應于目前多品種、小批量和變化快的生產(chǎn)特征。l 高精度，加工重復性高。目前，普通數(shù)控加工的尺寸精度通?？蛇_到0.005mm。數(shù)控裝置的脈沖當量（即機床移動部件的移動量）一般為0.001mm，高精度的數(shù)控系統(tǒng)可達0.0001mm。數(shù)控加工過程中，機床始終都在指定的控制指令下工作，消除了人工操作所引起的誤差，不僅提高了同一批加工零件尺寸的統(tǒng)一性，而且產(chǎn)品質(zhì)量能得到保證，廢品率也大為降低。l 高效率。機床自動化程度高，工序和刀具可自行更換和檢測。例如，加工中心在一次裝夾后，除定位表面不能加工外，其余表面均可加工；生產(chǎn)準備周期短，加工對象變化時，一般不需要專門的工藝裝備設(shè)計制造時間；切削加工中可采用最佳切削參數(shù)和走刀路線。數(shù)控銑床一般不需要使用專用夾具和工藝裝備。在更換工件時，只需調(diào)用儲存于計算機中的加工程序、裝夾工件和調(diào)整刀具數(shù)據(jù)即可，可大大縮短生產(chǎn)周期。更主要的是數(shù)控銑床的萬能性帶來高效率，如一般的數(shù)控銑床都具有銑床、鏜床和鉆床的功能，工序高度集中，提高了勞動生產(chǎn)率，并減少了工件的裝夾誤差。l 大大減輕了操作者的勞動強度。數(shù)控銑床對零件加工是根據(jù)加工前編好的程序自動完成的。操作者除了操作鍵盤、裝卸工件、中間測量及觀察機床運行外，不需要進行繁重的重復性手工操作，可大大減輕勞動強度。l 易于建立計算機通信網(wǎng)絡。數(shù)控機床使用數(shù)字信息作為控制信息，易于與CAD（Computer Aided Design）系統(tǒng)連接，從而形成CAD/CAM（Computer Aided Manufacturing）一體化系統(tǒng)，它是FMS（Flexible Manufacturing System）、CIMS（Computer Integrated Manufacturing System）等現(xiàn)代制造技術(shù)的基礎(chǔ)。l 初期投資大，加工成本高。數(shù)控機床的價格一般是普通機床的若干倍，且機床備件的價格也高；另外，加工首件工件需要進行編程、程序調(diào)試和試加工，時間較長，因此使零件的加工成本也大大高于普通機床。 數(shù)控機床的分類數(shù)控機床的分類有多種方式。1按工藝用途分類按工藝用途分類，數(shù)控機床可分為數(shù)控鉆床、車床、銑床、磨床和齒輪加工機床等，還有壓床、沖床、電火花切割機、火焰切割機和點焊機等也都采用數(shù)字控制。加工中心是帶有刀庫及自動換刀裝置的數(shù)控機床，它可以在一臺機床上實現(xiàn)多種加工。工件只需一次裝夾就可以完成多種加工，這樣既節(jié)省了工時，又提高了加工精度。加工中心特別適用于箱體類和殼類零件的加工。車削加工中心可以完成所有回轉(zhuǎn)體零件的加工。2按機床數(shù)控運動軌跡劃分（1）點位控制數(shù)控機床。指在刀具運動時，只控制刀具相對于工件位移的準確性，不考慮兩點間的路徑。這種控制方法用于數(shù)控鉆床、數(shù)控沖床和數(shù)控點焊設(shè)備，還可以用在數(shù)控坐標鏜銑床上。（2）點位直線控制數(shù)控機床。就是要求在點位準確控制的基礎(chǔ)上，還要保證刀具運動是一條直線，且刀具在運動過程中還要進行切削加工。采用這種控制的機床有數(shù)控車床、數(shù)控銑床和數(shù)控磨床等，一般用于加工矩形和臺階形零件。（3）輪廓控制數(shù)控機床。輪廓控制（亦稱連續(xù)控制）是對兩個或更多的坐標運動進行控制（多坐標聯(lián)動），刀具運動軌跡可為空間曲線。它不僅能保證各點的位置，而且還能控制加工過程中的位移速度，也就是刀具的軌跡。既保證尺寸的精度，還能保證形狀的精度。在運動過程中，同時向兩個坐標軸分配脈沖，使它們能走出所要求的形狀來，這就叫插補運算。插補運算是一種軟仿形加工，而不是硬（靠模）仿形，這種軟仿形加工的精度比硬仿形加工的精度高很多。這類機床主要有數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控線切割機和加工中心等。在模具行業(yè)中，對于一些復雜曲面的加工，使用這類機床較多，如3個坐標以上的數(shù)控銑或加工中心。3按伺服系統(tǒng)控制方式劃分（1）開環(huán)控制是無位置反饋的一種控制方法，它采用的控制對象、執(zhí)行機構(gòu)多半是步進式電動機或液壓轉(zhuǎn)矩放大器。因為沒有位置反饋，所以其加工精度及穩(wěn)定性差，但其結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、控制方法簡單，對于精度要求不高、且功率需求不大的地方，是比較適用的。（2）半閉環(huán)控制是在絲杠上裝有角度測量裝置作為間接的位置反饋。因為這種系統(tǒng)未將絲杠螺母副和齒輪傳動副等傳動裝置包含在閉環(huán)反饋系統(tǒng)中，因而稱為半閉環(huán)控制系統(tǒng)，它不能補償傳動裝置的傳動誤差，但卻得以獲得穩(wěn)定的控制特性。這類系統(tǒng)介于開環(huán)與閉環(huán)之間，精度沒有閉環(huán)高，調(diào)試比閉環(huán)方便。（3）閉環(huán)控制是對機床移動部件的位置直接用直線位置檢測裝置進行檢測，再把實際測量出的位置反饋到數(shù)控裝置中去，與輸入指令比較是否有差值，然后把這個差值經(jīng)過放大和變換，最后去驅(qū)動工作臺向減少誤差的方向移動，直到差值符合精度要求為止。這類控制系統(tǒng)，因為把機床工作臺納入了位置控制環(huán)，故稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以消除包括工作臺傳動鏈在內(nèi)的運動誤差，因而定位精度高、調(diào)節(jié)速度快。但由于該系統(tǒng)受到進給絲杠的拉壓剛度、扭轉(zhuǎn)剛度、摩擦阻尼特性和間隙等非線性因素的影響，給調(diào)試工作造成較大的困難。如果各種參數(shù)匹配不當，將會引起系統(tǒng)振蕩，造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，影響定位精度。由于閉環(huán)伺服系統(tǒng)復雜和成本高，故適用于精度要求很高的數(shù)控機床，如超精密數(shù)控車床和精密數(shù)控鏜銑床等。4按聯(lián)動坐標軸數(shù)劃分（1）兩軸聯(lián)動數(shù)控機床。主要用于3軸以上控制的機床，其中任意兩軸做插補聯(lián)動，第三軸做單獨的周期進給，常稱為2.5軸聯(lián)動。如圖1.3所示，在數(shù)控銑床上用球頭銑刀采用行切法加工三維空間曲面。行切法加工所用的刀具通常是球刀銑頭。用這種刀具加工曲面，不易干涉相鄰表面，計算比較簡單。球狀銑刀的刀頭半徑應選得大一些，有利于降低加工表面粗糙度、增加刀具剛度以及散熱等，但刀頭半徑應小于曲面的最小曲率半徑。由于2.5軸聯(lián)動加工的刀心軌跡為平面曲線，故編程計算較為簡單，數(shù)控邏輯裝置也不復雜，常用于曲率變化不大以及精度要求不高的粗加工。（2）三軸聯(lián)動數(shù)控機床。X、Y和Z軸可同時進行插補聯(lián)動，在加工曲面時，通常也用行切方法。如圖1.4所示，三軸聯(lián)動的刀具軌跡可以是平面曲線或空間曲線。三坐標聯(lián)動加工常用于復雜曲面的精確加工，但編程計算較為復雜，所用的數(shù)控裝置還必須具備三軸聯(lián)動功能。圖 1.3XYZ圖 1.4OOb（3）四軸聯(lián)動數(shù)控機床。除了同時控制X、Y和Z 3個直線坐標軸聯(lián)動之外，還有工作臺或者刀具的轉(zhuǎn)動。如圖1.5所示的工件，若在三坐標聯(lián)動的機床上用圓頭銑刀按行切法加工，不但生產(chǎn)效率低，而且表面粗糙高。若采用圓柱銑刀周邊切削，并用四坐標銑床加工，即除3個直角坐標運動外，為保證刀具與工件型面在加工過程中始終貼合，刀具還應繞O1（或O2）做擺角聯(lián)動。由于擺角運動，導致直角坐標系（圖中Y軸）需做附加運動，其編程計算較為復雜。圖 1.5 O OAXZY（4）五軸聯(lián)動數(shù)控機床。除了同時控制X、Y和Z 3個直線坐標軸聯(lián)動以外，還同時控制圍繞這些直線坐標軸旋轉(zhuǎn)的A、B和C坐標軸中的兩個坐標，即同時控制5個坐標軸聯(lián)動。這時刀具可以被定位在空間的任何位置。螺旋槳是五軸聯(lián)動加工的典型零件之一，其葉片形狀及加工原理如圖1.6所示。在半徑為R的圓柱面上與葉面的交線MN為螺旋線的一部分，螺旋角為，葉片的徑向葉形線（軸向剖面）的傾角為后傾角。螺旋線聯(lián)動MN用極坐標加工方法并以折線段逼近。逼近線段ab是由C坐標旋轉(zhuǎn)與Z坐標位移Z的合成。當MN加工完后，刀具徑向位移X（改變R），再加工相鄰的另一條葉形線，依次加工，即可形成整個葉面。由于葉面的曲率半徑較大，所以常用端面銑刀加工，可以提高生產(chǎn)率并簡化程序。因此，為保證銑刀端面始終與曲面貼合，銑刀還應當相對于坐標A和坐標B做擺角運動，在擺角運動的同時，還應做直角坐標的附加直線運動，以保證銑刀端面中心始終處于編程值位置上，所以需要Z、C、X、A和B五坐標聯(lián)動加工。這種加工的編程計算很復雜，程序量較大。圖 1.6 （a）ZCA BabXY（c）Z（b）Z數(shù)控機床的坐標系統(tǒng)，包括坐標系、坐標原點和運動方向，它對于數(shù)控加工及編程，是一個十分重要的概念。每一個數(shù)控編程員和操作者，都必須對數(shù)控機床的坐標系統(tǒng)有一個很清晰的認識。為了使數(shù)控系統(tǒng)規(guī)范化及簡化數(shù)控編程，ISO（International Standards Organization）對數(shù)控機床的坐標系統(tǒng)做了若干規(guī)定。關(guān)于數(shù)控機床坐標和運動方向命名的詳細內(nèi)容，可參閱JB/T 30511999的規(guī)定。 機床坐標系是機床上固有的坐標系，是機床加工運動的基本坐標系。它也是考察刀具在機床上的實際運動位置的基準坐標系。對于具體機床來說，有的是刀具移動工作臺不動，有的則是刀具不動而工作臺移動。然而不管是刀具移動還是工件移動，機床坐標系永遠假定刀具相對于靜止的工件而運動。同時，運動的正方向是增大工件和刀具之間距離的方向。為了編程方便，一律規(guī)定為工件固定、刀具運動。標準的坐標系是一個右手直角坐標系，如圖1.7所示。拇指指向為X軸，食指指向為Y軸，中指指向為Z軸。一般情況下，主軸的方向為Z坐標，而工作臺的兩個運動方向分別為X和Y坐標。若有旋轉(zhuǎn)軸時，規(guī)定繞X、Y、Z軸的旋轉(zhuǎn)軸分別為A、B、C軸，其方向為右旋螺紋方向，如圖1.8所示。旋轉(zhuǎn)軸的原點一般定在水平面上。圖1.9是典型的單立柱立式數(shù)控銑床加工運動坐標系示意圖。刀具沿與地面垂直的方向上下運動，工作臺帶動工件在與地面平行的平面內(nèi)運動。機床坐標系的Z軸是刀具的運動方向，并且刀具向上運動為正方向，即遠離工件的方向。當面對機床進行操作時，刀具相對于工件的左右運動方向為X軸，并且刀具相對于工件向右運動（即工作臺帶動工件向左運動）時為X軸的正方向。Y軸的方向可用右手法則確定。若以X、Y、Z表示工作臺相對于刀具的運動坐標軸，而以X、Y、Z表示刀具相對于工件的運動坐標軸，則顯然有X=-X、Y=-Y、Z=-Z。圖 1.7+X+Y+Z+A+B+C+X+Y+Z圖 1.8圖 1.9XZYZXY 1.4 數(shù)控加工工藝概述 數(shù)控加工工藝的特點數(shù)控加工工藝與普通加工工藝基本相同，在設(shè)計零件的數(shù)控加工工藝時，首先要遵循普通加工工藝的基本原則與方法，同時還需要考慮數(shù)控加工本身的特點和零件編程的要求。由于數(shù)控機床本身自動化程度較高，控制方式不同，設(shè)備費用也高，使數(shù)控加工工藝相應形成了以下幾個特點。1工藝內(nèi)容具體、詳細數(shù)控加工工藝與普通加工工藝相比，在工藝文件的內(nèi)容和格式上都有較大區(qū)別，如加工順序、刀具的配置及使用順序、刀具軌跡和切削參數(shù)等方面，都要比普通機床加工工藝中的工序內(nèi)容更詳細。在用普通機床加工時，許多具體的工藝問題，如工藝中各工步的劃分與順序安排、刀具的幾何形狀、走刀路線及切削用量等，在很大程度上都是由操作工人根據(jù)自己的實踐經(jīng)驗和習慣自行考慮而決定的，一般無需工藝人員在設(shè)計工藝規(guī)程時進行過多的規(guī)定。而在數(shù)控加工時，上述這些具體工藝問題，必須由編程人員在編程時給予預先確定。也就是說，在普通機床加工時，本來由操作工人在加工中靈活掌握并可通過適時調(diào)整來處理的許多具體工藝問題和細節(jié)，在數(shù)控加工時就轉(zhuǎn)變?yōu)榫幊倘藛T必須事先設(shè)計和安排的內(nèi)容。2工藝要求準確、嚴密數(shù)控機床雖然自動化程度較高，但自適性差。它不能像普通機床在加工時根據(jù)加工過程中出現(xiàn)的問題，可以自由地進行人為調(diào)整。例如，在數(shù)控機床上進行深孔加工時，它就不知道孔中是否已擠滿了切屑，何時需要退一下刀，待清除切屑后再進行加工，而是一直到加工結(jié)束為止。所以，在數(shù)控加工的工藝設(shè)計中，必須注意加工過程中的每一個細節(jié)。尤其是對圖形進行數(shù)學處理、計算和編程時，一定要力求準確無誤，以使數(shù)控加工順利進行。在實際工作中，由于個小數(shù)點或一個逗號的差錯就可能釀成重大機床事故和工件質(zhì)量事故。3應注意加工的適應性由于數(shù)控加工自動化程度高，可多坐標聯(lián)動、質(zhì)量穩(wěn)定、工序集中，但其價格昂貴、操作技術(shù)要求高等特點也比較突出，因此在選擇加工方法和對象時更要特別慎重，甚至有時還要在基本不改變工件原有性能的前提下，對其形狀、尺寸和結(jié)構(gòu)等做適應數(shù)控加工的修改，這樣才能既充分發(fā)揮出數(shù)控加工的優(yōu)點，又達到較好的經(jīng)濟效益。 4可自動控制加工復雜表面在進行簡單表面的加工時，數(shù)控加工與普通加工沒有太大的差別。但是對于一些復雜曲面或有特殊要求的表面，數(shù)控加工就表現(xiàn)出與普通加工根本不同的加工方法。例如，對于一些曲線或曲面的加工，普通加工是通過畫線、靠模、鉗工和成形加工等方法進行加工，這些方法不僅生產(chǎn)效率低，而且還很難保證加工精度；而數(shù)控加工則采用多軸聯(lián)動進行自動控制加工，這種方法的加工質(zhì)量是普通加工方法所無法比擬的。5工序集中由于現(xiàn)代數(shù)控機床具有精度高、切削參數(shù)范圍廣、刀具數(shù)量多、多坐標及多工位等特點，因此在工件的一次裝夾中可以完成多道工序的加工，甚至可以在工作臺上裝夾幾個相同的工件進行加工，這樣就大大縮短了加工工藝路線和生產(chǎn)周期，減少了加工設(shè)備和工件的運動量。6采用先進的工藝裝備數(shù)控加工中廣泛采用先進的數(shù)控刀具和組合夾具等工藝裝備，以滿足數(shù)控加工中高質(zhì)量、高效率和高柔性的要求。 數(shù)控加工工藝的主要內(nèi)容工藝安排是進行數(shù)控加工的前期準備工作，它必須在編制程序之前完成，因為只有在確定工藝設(shè)計方案以后，編程才有依據(jù)；否則，往往會成倍增加工作量，有時甚至出現(xiàn)加工事故。可以說，數(shù)控加工工藝分析決定了數(shù)控加工程序的質(zhì)量。因此，編程人員在編程之前，一定要先把工藝設(shè)計做好。概括起來，數(shù)控加工工藝主要包括如下內(nèi)容。l 選擇適合在數(shù)控機床上加工的零件，并確定零件的數(shù)控加工內(nèi)容。l 分析零件圖樣，明確加工內(nèi)容及技術(shù)要求。l 確定零件的加工方案，制定數(shù)控的加工工藝路線，如工序劃分及加工順序的安排等。l 數(shù)控加工工序的設(shè)計，如零件定位基準的選取、夾具方案的確定、工步的劃分、刀具的選取及切削用量的確定等。l 數(shù)控加工程序的調(diào)整，對刀點和換刀點的選取，確定刀具補償，確定刀具軌跡。l 分配數(shù)控加工中的容差。l 處理數(shù)控機床上的部分工藝指令。l 數(shù)控加工專用技術(shù)文件的編寫。數(shù)控加工專用技術(shù)文件不僅是進行數(shù)控加工和產(chǎn)品驗收的依據(jù)，同時也是操作者遵守和執(zhí)行的規(guī)程，還為產(chǎn)品零件重復生產(chǎn)積累了必要的工藝資料，并進行了技術(shù)儲備。這些由工藝人員做出的工藝文件，是編程人員在編制加工程序單時所依據(jù)的相關(guān)技術(shù)文件。不同的數(shù)控機床，其工藝文件的內(nèi)容也有所不同。一般來講，數(shù)控銑床的工藝文件應包括如下內(nèi)容。 l 編程任務書。l 數(shù)控加工工序卡片。l 數(shù)控機床調(diào)整單。l 數(shù)控加工刀具卡片。l 數(shù)控加工進給路線圖。l 數(shù)控加工程序清單。其中最為重要的是數(shù)控加工工序卡片和數(shù)控刀具卡片。前者說明了數(shù)控加工順序和加工要素，后者是刀具使用的依據(jù)。為了加強技術(shù)文件管理，數(shù)控加工工藝文件也應向標準化、規(guī)范化方向發(fā)展。但目前國家尚無統(tǒng)一的標準，各企業(yè)可根據(jù)本部門的特點制訂上述有關(guān)工藝文件。 數(shù)控工序的安排1工序劃分的原則在數(shù)控機床上加工零件，工序可以比較集中，一次裝夾應盡可能完成全部工序。與普通機床加工相比，加工工序劃分有其自己的特點，常用的工序劃分有以下兩項原則。 l 保證精度的原則：數(shù)控加工要求工序盡可能集中，通常粗、精加工在一次裝夾下完成，為減少熱變形和切削力變形對工件的形狀精度、位置精度、尺寸精度和表面粗糙度的影響，應將粗、精加工分開進行。對軸類或盤類零件，將各處先粗加工，留少量或余量精加工，以保證表面質(zhì)量要求。同時，對一些箱體工件，為保證孔的加工精度，應先加工表面而后加工孔。 l 提高生產(chǎn)效率的原則：數(shù)控加工中，為減少換刀次數(shù)和節(jié)省換刀時間，應將需用同一把刀加工的加工部位全部完成后，再換另一把刀來加工其他部位。同時應盡量減少空行程，用同一把刀加工工件的多個部位時，應以最短的路線到達各加工部位。 實際中，數(shù)控加工工序要根據(jù)具體零件的結(jié)構(gòu)特點和技術(shù)要求等情況綜合考慮。2工序劃分的方法在數(shù)控機床上加工零件，工序應比較集中，在一次裝夾中應該盡可能完成盡量多的工序。首先應根據(jù)零件圖樣，考慮被加工的零件是否可以在一臺數(shù)控機床上完成整個零件的加工工作。若不能，則應該選擇出那些需要用數(shù)控機床加工的零件表面。根據(jù)數(shù)控加工的特點，一般工序劃分可按如下方法進行。1）按零件裝卡定位方式劃分工序?qū)τ诩庸?nèi)容很多的零件，可按其結(jié)構(gòu)特點將加工部位分成幾個部分，如內(nèi)形、外形、曲面或平面等。一般加工外形時，以內(nèi)形定位；加工內(nèi)形時，以外形定位。因而可以根據(jù)定位方式的不同來劃分工序。2）以同一把刀具加工的內(nèi)容劃分工序為了減少換刀次數(shù)，壓縮空程時間，減少不必要的定位誤差，可按刀具集中工序的方法加工零件。雖然有些零件能一次安裝加工出很多待加工面，但考慮到程序太長，會受到某些限制，如控制系統(tǒng)的限制（主要是內(nèi)存容量）、機床連續(xù)工作時間的限制（如一道工序在一個班內(nèi)不能結(jié)束）等。此外，程序太長會增加出錯率，查錯與檢索也相應比較困難，因此程序不能太長，一道工序的內(nèi)容也不能太多。3）以粗、精加工劃分工序根據(jù)零件的加工精度、剛度和變形等因素來劃分工序時，可按粗、精加工分開的原則來進行工序劃分，即先粗加工再進行精加工。特別對于易發(fā)生加工變形的零件，由于粗加工后可能發(fā)生較大的變形而需要進行校形，因此一般來說，凡要進行粗、精加工的工件都要將工序分開。此時可用不同的機床或不同的刀具進行加工。通常在一次裝夾中，不允許將零件某一部分表面加工完后，再加工零件的其他表面。綜上所述，在劃分工序時，一定要根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)與工藝性、機床的功能、零件數(shù)控加工的內(nèi)容、裝夾次數(shù)及本單位生產(chǎn)組織狀況等來靈活協(xié)調(diào)。對于加工順序的安排，還應根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)和毛坯狀況，以及定位安裝與夾緊的需要來考慮，重點是工件的剛性不被破壞。加工順序安排一般應按下列原則進行。l 要綜合考慮上道工序的加工是否影響下道工序的定位與夾緊，中間穿插有普通機床加工工序等因素。l 先安排內(nèi)形加工工序，后安排外形加工工序。 l 在同一次安裝中進行多道工序時，應先安排對工件剛性破壞小的工序。l 在安排以相同的定位和夾緊方式或用同一把刀具加工工序時，最好連續(xù)進行，以減少重復定位次數(shù)、換刀次數(shù)與挪動壓板次數(shù)。 加工精度機械加工精度是指零件加工后的實際幾何參數(shù)（尺寸、形狀及相互位置）與理想幾何參數(shù)符合的程度。其符合程度越高，精度愈高。反之，兩者之間的差異即為加工誤差。加工誤差是指加工后得到的零件實際幾何參數(shù)偏離理想幾何參數(shù)的程度，如圖1.10所示，加工后的實際型面與理論型面之間存在著一定的誤差。加工精度和加工誤差是評定零件幾何參數(shù)準確程度這個問題的兩個方面。加工誤差越小，則加工精度越高。實際生產(chǎn)中，加工精度的高低往往是以加工誤差的大小來衡量的。在生產(chǎn)過程中，任何一種加工方法所能達到的加工精度和表面粗糙度都是有一定范圍的，不可能也沒必要把零件做得絕對準確，只要把這種加工誤差控制在性能要求的允許（公差）范圍之內(nèi)即可，通常稱之為“經(jīng)濟加工精度”。圖 1.10刀具零件的加工精度包含尺寸精度、形狀精度和位置精度3個方面的內(nèi)容。通常形狀公差應限制在位置公差之內(nèi)，而位置誤差也應限制在尺寸公差之內(nèi)。當尺寸精度高時，相應的位置精度、形狀精度也高。但是當形狀精度要求高時，相應的位置精度和尺寸精度不一定高，這需要根據(jù)零件加工的具體要求來決定。一般情況下，零件的加工精度越高，則加工成本相應的越高，生產(chǎn)效率則會相應的越低。數(shù)控加工的特點之一就是具有較高的加工精度，因此對于數(shù)控加工的誤差必須加以嚴格控制，以達到加工要求。這首先就要了解在數(shù)控加工中可能造成加工誤差的因素及其影響。由機床、夾具、刀具和工件組成的機械加工工藝系統(tǒng)（簡稱工藝系統(tǒng)）會有各種各樣的誤差產(chǎn)生，這些誤差在各種不同的具體工作條件下都會以各種不同的方式（擴大或縮小）反映為工件的加工誤差。工藝系統(tǒng)的原始誤差主要有工藝系統(tǒng)的原理誤差、幾何誤差、調(diào)整誤差、裝夾誤差、測量誤差、夾具的制造誤差與磨損、機床的制造誤差、安裝誤差及磨損、工藝系統(tǒng)的受力變形引起的加工誤差、工藝系統(tǒng)的受熱變形引起的加工誤差以及工件內(nèi)應力重新分布引起的變形等。在交互圖形自動編程中，一般僅考慮兩個主要誤差：一是插補計算誤差，二是殘余高度。刀軌是由圓弧和直線組成的線段集合近似地取代刀具的理想運動軌跡，兩者之間存在著一定的誤差，稱為插補計算誤差。插補計算誤差是刀軌計算誤差的主要組成部分，它與插補周期成正比，插補周期越大，插補計算誤差越大。一般情況下，在CAM軟件上通過設(shè)置公差帶來控制插補計算誤差，即實際刀軌相對理想刀軌的偏差不超過公差帶的范圍。殘余高度是指在數(shù)控加工中相鄰刀軌間所殘留的未加工區(qū)域的高度，它的大小決定了加工表面粗糙度，同時決定了后續(xù)的拋光工作量，是評價加工質(zhì)量的一個重要指標。在利用CAM軟件進行數(shù)控編程時，對殘余高度的控制是刀軌行距計算的主要依據(jù)。在控制殘余高度的前提下，以最大的行間距生成數(shù)控刀軌是高效率數(shù)控加工所追求的目標。1.5 高度與安全高度安全高度是為了避免刀具碰撞工件或夾具而設(shè)定的高度，即在機床坐標系Z軸上的偏移值。在銑削過程中，如果刀具需要轉(zhuǎn)移位置，將會退到這一高度，然后再進行G00插補到下一個進刀位置，一般情況下這個高度應大于零件的最大高度（即高于零件的最高表面）。起止高度是指在程序開始時，刀具將先到達這一高度，同時在程序結(jié)束后，刀具也將退回到這一高度。起止高度大于或等于安全高度，如圖1.11所示。刀具從起止高度到接近工件開始切削，需要經(jīng)過快速進給和慢速下刀兩個過程。刀具先以G00快速下刀到指定位置，然后慢速下刀到加工位置。如果刀具不是經(jīng)過先快速再慢速的過程接近工件，而是以G00的速度直接下刀到加工位置，這樣會很不安全。因為假使該加工位置在工件內(nèi)或工件上，在采用垂直下刀方式的情況下，刀具很容易與工件相碰，這在數(shù)控加工中是不允許的。即使是在空的位置下刀，如果不采用先快后慢的方式下刀，由于慣性的作用也很難保證下刀所到位置的準確性。但是慢速下刀的距離不宜取得太大，因為此時的速度往往比較慢，太長的慢速下刀距離將影響加工效率。圖 1.11抬刀切削快速進給在加工過程中，當?shù)毒咴趦牲c間移動而不切削時，如果設(shè)定為抬刀，刀具將先提高到安全高度平面，再在此平面上移動到下一點，這樣雖然延長了加工時間，但是比較安全。特別是在進行分區(qū)加工時，可以防止兩區(qū)域之間有高于刀具移動路線的部分與刀具發(fā)生碰撞。一般來說，在進行大面積粗加工時，通常建議使用抬刀，以便在加工時可以暫停，對刀具進行檢查；在精加工或局部加工時，通常使用不抬刀以提高加工速度。1.6 走刀路線的選擇在數(shù)控加工中，刀具（嚴格地說是刀位點）相對于工件的運動軌跡和方向稱為加工路線，即刀具從對刀點開始運動，至結(jié)束加工程序所經(jīng)過的路徑，包括切削加工的路徑及刀具引入、返回等非切削空行程。走刀路線是刀具在整個加工工序中相對于工件的運動軌跡，它不但包括了工序的內(nèi)容，而且也反映出工序的順序。走刀路線是編寫程序的依據(jù)之一。確定加工路線時首先必須保證被加工零件的尺寸精度和表面質(zhì)量，其次應考慮數(shù)值計算簡單、走刀路線盡量短、效率較高等。工序順序是指同一道工序中各個表面加工的先后次序。工序順序?qū)α慵募庸べ|(zhì)量、加工效率和數(shù)控加工中的走刀路線有直接影響，應根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特點和工序的加工要求等合理安排。工序的劃分與安排一般可隨走刀路線來進行，在確定走刀路線時，主要考慮以下幾點。（1）對點位加工的數(shù)控機床，如鉆床、鏜床，要考慮盡可能使走刀路線最短，減少刀具空行程時間，提高加工效率。如圖1.12（a）所示，按照一般習慣，總是先加工均布于外圓周上的8個孔，再加工內(nèi)圓周上的4個孔。但是對點位控制的數(shù)控機床而言，要求定位精度高，定位過程應該盡可能快，因此這類機床應按空程最短來安排走刀路線，以節(jié)省時間，如圖1.12（b）所示。圖 1.12（b）（a）（2）應能保證零件的加工精度和表面粗糙度要求。當銑削零件外輪廓時，一般采用立銑刀側(cè)刃切削。刀具切入工件時，應沿外輪廓曲線延長線的切向切入，避免沿零件外輪廓的法向切入，以免在切入處產(chǎn)生刀具的刻痕而影響表面質(zhì)量，保證零件外輪廓曲線平滑過渡。同理，在切離工件時，應該沿零件輪廓延長線的切向逐漸切離工件，避免在工件的輪廓處直接退刀影響表面質(zhì)量，如圖1.13所示。銑削封閉的內(nèi)輪廓表面時，如果內(nèi)輪廓曲線允許外延，則應沿切線方向切入或切出。若內(nèi)輪廓曲線不允許外延，則刀具只能沿內(nèi)輪廓曲線的法向切入或切出，此時刀具的切入切出點應盡量選在內(nèi)輪廓曲線兩幾何元素的交點處。若內(nèi)部幾何元素相切無交點時，刀具切入切出點應遠離拐角，以防止刀補取消時在輪廓拐角處留下凹口，如圖1.14所示。圖 1.13圖 1.14對于邊界敞開的曲面加工，可采用兩種走刀路線。第一種，每次沿直線加工，刀位點計算簡單，程序少，加工過程符合直紋面的形成，以保證母線的直線度，如圖1.15（a）所示。第二種走刀路線如圖1.15（b）所示，便于加工后檢驗，曲面的準確度較高，但程序較多。由于曲面零件的邊界是敞開的，沒有其他表面限制，所以邊界曲面可以延伸，球頭刀應由邊界外開始加工。圖 1.15（a） YZX（b）XYZ如圖1.16（a）和圖1.16（b）所示，分別為用行切法加工和環(huán)切法加工凹槽的走刀路線，而圖1.16（c）是先用行切法，最后環(huán)切一刀整個輪廓表面。所謂行切法是指刀具與零件輪廓的切點軌跡是一行一行的，而行間的距離是按零件加工精度的要求確定的；環(huán)切法則是指刀具與零件輪廓的切點軌跡是一圈一圈的。這3種方案中，圖1.16（a）所示的方案在周邊留有大量的殘余，表面質(zhì)量最差；圖1.16（b）所示的方案和圖1.16（c）所示的方案都能保證精度，但圖1.16（b）所示的方案走刀路線稍長，程序計算量大。圖 1.16（c）（a）（b） 此外，輪廓加工中應避免進給停頓。因為加工過程中的切削力會使工藝系統(tǒng)產(chǎn)生彈性變形并處于相對平衡狀態(tài)，進給停頓時，切削力突然減小會改變系統(tǒng)的平衡狀態(tài)，刀具會在進給停頓處的零件輪廓上留下刻痕。為提高工件表面的精度和減小表面粗糙度，可以采用多次走刀的方法，精加工余量一般以0.20.5mm為宜。而且精銑時宜采用順銑，以減小零件被加工表面粗糙度的值。1.7 對刀點與換刀點的選擇“對刀點”是數(shù)控加工時刀具相對零件運動的起點，又稱“起刀點”，也是程序的開始。在加工時，工件可以在機床加工尺寸范圍內(nèi)任意安裝，要正確執(zhí)行加工程序，必須確定工件在機床坐標系的確切位置。確定對刀點的位置，也就確定了機床坐標系和零件坐標系之間的相互位置關(guān)系。對刀點是工件在機床上定位裝夾后，再設(shè)置在工件坐標系中。對于數(shù)控車床、加工中心等多刀具加工的數(shù)控機床，在加工過程中需要進行換刀，所以在編程時應考慮不同工序之間的換刀位置，即“換刀點”。換刀點應選擇在工件的外部，避免換刀時刀具與工件及夾具發(fā)生碰撞，以免損壞刀具或工件。刀點的選擇原則，主要是考慮對刀方便，對刀誤差小，編程方便，加工時檢查方便、可靠。對刀點的設(shè)置沒有嚴格規(guī)定，可以設(shè)置在工件上，也可以設(shè)置在夾具上，但在編程坐標系中必須有確定的位置，如圖1.17所示的X1和Y1。對刀點可以與編程原點重合，也可以不重合，主要取決于加工精度和對刀的方便性。當對刀點與編程原點重合時，X1= 0，Y1= 0。圖 1.17XYYX1X2Y2OY1Y0X0OXO為了提高零件的加工精度，對刀點要盡可能選擇在零件的設(shè)計基準或者工藝基準上。例如，零件上孔的中心點或兩條相互垂直的輪廓邊的交點可以作為對刀點，有時零件上沒有合適的部位，可以加工出工藝孔來對刀。生產(chǎn)中常用的對刀工具有百分表、中心規(guī)和尋邊器等。對刀操作一定要仔細，對刀方法一定要與零件的加工精度相適應。 1.8 輪 廓 控 制在數(shù)控編程中，不少時候需要通過輪廓來限制加工范圍，而在某些刀軌的生成中，輪廓是必不可少的因素，缺少輪廓將無法生成刀路軌跡。輪廓線需要設(shè)定其偏置補償?shù)姆较?，對于輪廓線會有三種參數(shù)選擇，即刀具在輪廓上、輪廓內(nèi)或輪廓外。（1）刀具在輪廓上（On）：刀具中心線完全處于窗口輪廓上，如圖1.18（a）所示。 （2）刀具在輪廓內(nèi)（To）：刀具軸將觸到輪廓，相差一個刀具半徑，如圖1.18（b）所示。（3）刀具在輪廓外（Past）：刀具完全越過輪廓線，超過輪廓線一個刀具半徑，如圖1.18（c）所示。圖 1.18（c）（a）（b）