数控车削加工工艺分析

一、任务导入

(一) 任务描述

数控车削加工工艺预先在所编制的程序中体现，由机床自动实现。因此，合理的加工工艺内容对提高数控车床的加工效率和加工精度是十分重要的。轴类零件的加工工艺，数控车床与普通车床基本相同，应遵循先粗后精基本原则。先粗后精，就是先对零件整体粗加工，然后半精加工、精加工。如图1-2-11所示的轴类零件，φ12mm、φ20mm和φ30mm外圆柱面直径处加工精度较高，其材料为45号钢。现选择毛坯尺寸为φ37mm的棒料，分析其加工工艺。

图1-2-11 轴类零件

(二) 知识目标

(1) 掌握数控车削的工艺分析。

(2) 掌握数控车床切削用量的选择。

(三) 能力目标

掌握零件的加工工艺分析。

二、知识准备

(一) 数控车削工艺分析

1. 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; 而较差的零件构造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。

1) 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。另外，零件上最好有合适的孔作为定位基准孔，若没有，则应设置工艺孔作为定位基准孔。若无法制出工艺孔，则也要使用精加工表面作为统一基准，以减少二次装夹产生的误差。

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) 注意分析零件的变形情况

零件在数控加工时的变形不仅会影响加工质量，而且当变形较大时，还将使加工不能继续进行下去。这时就应当考虑采取一些必要的工艺措施进行预防，如对钢件进行调质处理、对铸铝件进行退火处理，对不能用热处理方法解决的也可考虑粗、精加工及对称去余量等常规方法。

除了上面讲到的有关零件的结构工艺性外，有时还要考虑到毛坯的结构工艺性，因为在数控加工零件时，加工过程是自动的，毛坯余量的大小、如何装夹等问题在选择毛坯时就要仔细考虑好。否则，一旦毛坯不适合数控加工，加工过程将很难继续下去。根据经验，确定毛坯的余量和装夹应注意以下两点:

(1) 毛坯加工余量应充足和尽量均匀。

毛坯主要是锻件、铸件。因锻模时的欠压量与允许的错模量会造成余量的不等; 铸造时也会因砂型误差、收缩量及金属液体的流动性差不能充满型腔等造成余量的不等。此外锻造、铸造后，毛坯挠曲与扭曲变形量的不同也会造成加工余量不充分、不稳定。因此，除板材料外，不论是锻件、铸件还是型材，只要准备采用数控加工，其加工面均应有较充分的余量。

对于热轧件、厚铝板，经淬火时效后很容易在加工中与加工后出现变形现象，所以需要考虑在加工时要不要分层切削、分几层切削，一般尽量做到各个加工表面的切削余量均匀，以减少内应力所致的变形。

(2) 分析毛坯的装夹适应性。

主要考虑毛坯在加工时定位与夹紧的可靠性和方便性，以便在一次安装中加工出尽量多的表面。对于不便装夹的毛坯，可考虑在毛坯上另外增加装夹余量或工艺凸台、工艺凸耳等辅助基准。无论是手工编程还是自动编程，在编程前都要对所加工的零件进行工艺分析，拟订工艺方案，选择合适的刀具，确定切削用量。因此，程序编制前的工艺分析是一项十分重要的工作。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。

(二) 零件图分析

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，搞清各项技术要求对零件装配质量和使用性能的影响，找出关键的技术要求，然后对零件图样进行分析。

由于加工程序是以准确的坐标来编制的，因此，各图形几何要素间的相互关系 (如相切、相交、垂直和平行等) 应明确; 各种几何要素的条件要充分，应无引起矛盾的多余尺寸或影响工序安排的封闭尺寸等。

1. 尺寸标注方法分析

以同一基准引注尺寸或直接标注坐标尺寸的方法为统一基准标注法，这种标注方法［见图1-2-12 (a)］最符合数控机床的加工特点，既方便编程，又保持了设计基准、工艺基准、测量基准与工件原点设置的一致性。而设计人员在标注尺寸时较多考虑装配与使用特性方面的因素，常采用局部分散的标注方法［见图1-2-12 (b)］，但这种标注方法会给工序安排与数控编程带来许多不便，宜将局部分散的标注方法改为统一基准标注方法 (由于数控加工精度及重复定位精度很高，故统一基准标注方法不会产生较大的累积误差)。

图1-2-12 零件尺寸标注分析

(a) 统一基准标注尺寸; (b) 分散基准标注尺寸

2. 零件图的完整性和正确性分析

构成零件轮廓几何元素 (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。审查和分析零件图纸中构成轮廓几何元素的条件时，一定要认真仔细，看是否有构成零件轮廓的几何元素不充分或模糊不清的问题。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，则要根据这些条件才能构成对零件的所有几何元素进行定义，无论哪一条件不明确，编程都无法进行。因此，当审查与分析图样时，若发现构成零件轮廓几何元素的条件不充分，则应及时与零件设计者协商解决。

3. 零件技术要求与零件材料分析

零件的技术要求主要是指尺寸精度、形状精度、位置精度、表面粗糙度及热处理等，这些要求在保证零件使用性能的前提下，应经济合理。过高的精度和表面粗糙度要求会使工艺过程复杂、加工困难、成本提高。

虽然数控机床精度很高，但对一些特殊情况，例如过薄的底板与肋板，因为加工时产生的切削拉力及薄板的弹性退让极易产生切削面的振动，使薄板厚度尺寸公差难以保证，故其表面粗糙度也将增大。根据实践经验，对于面积较大的薄板，当其厚度小于3mm时，就应在工艺上充分重视这一问题。

1) 尺寸公差要求

在确定控制零件尺寸精度的加工工艺时，必须分析零件图样上的公差要求，从而正确选择刀具及确定切削用量等。

在尺寸公差要求的分析过程中，还可以同时进行一些编程尺寸的简单换算，如中值尺寸及尺寸链的解算等。在数控编程时，常常根据零件要求的尺寸取其最大和最小极限尺寸的平均值 (即“中值”) 作为编程的尺寸依据。

2) 形状和位置公差要求

图样上给定的形状和位置公差是保证零件精度的重要要求。在工艺准备过程中，除了按其要求确定零件的定位基准和检测基准并满足其设计基准的规定外，还可以根据机床的特殊需要进行一些技术性处理，以便有效地控制其形状和位置误差。

3) 表面粗糙度要求

表面粗糙度是保证零件表面微观精度的重要要求，也是合理选择机床、刀具及确定切削用量的重要依据。

4) 材料要求

图样上给出的零件毛坯材料及热处理要求是选择刀具 (材料、几何参数及使用寿命)及确定加工工序、切削用量和选择机床的重要依据。

5) 加工数量

零件的加工数量对工件的装夹与定位、刀具的选择、工序的安排及走刀路线的确定等都是不可忽视的参数。

此外，在满足零件功能的前提下，应选用廉价、切削性能好的材料，而且材料选择应立足国内，不要轻易选用贵重或紧缺的材料。

(四) 确定加工路线

加工路线，也就是走刀路线，是指数控机床在整个加工工序中刀具中心 (严格来说是刀位点) 相对于工件的运动轨迹和方向。走刀路线是编写程序的依据之一，在编写加工程序时，主要是编写刀具的运动轨迹和方向，它不但包括了工步的内容，而且也反映出工步的顺序。因此，在确定走刀路线时最好画一张工序简图，将已经拟定出的走刀路线画上去(包括进、退刀路线)，这样可为编程提供不少方便。

工步顺序是指在同一道工序中，各个表面加工的先后次序，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。一般可随走刀路线来进行工步的划分与安排。

1. 加工路线与加工余量的关系

在数控车床还未达到普及使用的条件下，一般应把毛坯件上过多的余量，特别是含有锻、铸硬皮层的余量安排在普通车床上加工。如必须用数控车床加工，则要注意程序的灵活安排。

1) 对大余量毛坯进行阶梯切削时的数控车进给路线 (见图1-2-13)

图1-2-13所示为车削大余量工件的两种加工路线，图1-2-13 (a) 所示为错误的阶梯切削路线，因为在同样背吃刀量的条件下，其加工所剩的余量过多; 图1-2-13 (b)所示为按1→5的顺序切削，每次切削所留余量相等，是正确的阶梯切削路线。

根据数控加工的特点，还可以放弃常用的阶梯车削法，改用依次从轴向和径向进刀、顺工件毛坯轮廓走刀的路线，如图1-2-14所示的数控车进给路线。

图1-2-13 车削大余量毛坯的阶梯路线

(a) 错误的阶梯切削路线; (b) 正确的阶梯切削路线

2) 分层切削时刀具的终止位置

当某表面的余量较多需分层多次走刀切削时，从第二刀开始就要注意防止走刀到终点时切削深度的猛增。如图1-2-15所示的数控车进给路线，设以90°主偏角刀分层车削外圆，合理的安排应是每一刀的切削终点依次提前一小段距离e (例如可取e=0.05mm)。如果e=0，则每一刀都终止在同一轴向位置上，主切削刃就可能受到瞬时的重负荷冲击。当刀具的主偏角大于90°，但仍然接近90°时，也宜做出层层递退的安排，经验表明，这对延长粗加工刀具的寿命是有利的。

图1-2-14 双向进刀走刀路线

图1-2-15 分层切削时刀具的终止位置

2. 刀具的切入和切出

在数控机床上进行加工时，要安排好刀具的切入、切出路线，尽量使刀具沿轮廓的切线方向切入、切出。尤其是车螺纹时，必须设置升速段δ1和降速段δ2(见图1-2-16)，这样可避免因车刀升降而影响螺距的稳定。

图1-2-16 车螺纹时的引入距离和超越距离

3. 确定最短的空行程路线

在确定数控车进给路线时，为了提高机械加工效率，可以确定最短的走刀路线，除了依靠大量的实践经验外，还应善于分析，必要时辅以一些简单计算。现将实践中的部分设计方法或思路介绍如下。

1) 巧用起刀点

图1-2-17 (a) 所示为采用矩形循环方式的数控车进给路线进行粗车的一般情况示例。其起刀点A的设定是考虑到精车等加工过程中需方便地换刀，故设置在离坯料较远的位置处，同时将起刀点与对刀点重合在一起，按三刀粗车的走刀路线安排如下:

第一刀为A→B→C→D→A;

第二刀为A→E→F→G→A;

第三刀为A→H→I→J→A。

图1-2-17 (b) 所示为将起刀点与对刀点分离，并设于图1-2-17 (b) 所示B点位置的数控车进给路线，仍按相同的切削用量进行三刀粗车，其走刀路线安排如下:

起刀点与对刀点分离的空行程为A→B;

第一刀为B→C→D→E→B;

第二刀为B→F→G→H→B;

第三刀为B→I→J→K→B。

显然，如图1-2-17 (b) 所示的走刀路线短。

图1-2-17 巧用起刀点

(a) 起刀点和对刀点重合的数控车进给路线; (b) 起刀点和对刀点分离的数控车进给路线

2) 巧设换刀点

为了考虑换 (转) 刀的方便和安全，有时将换 (转) 刀点设置在离坯件较远的位置(如图1-2-17中A点)，那么，当换第二把刀后，进行精车时的空行程路线必然也较长;如果将第二把刀的换刀点也设置在图1-2-17 (b) 所示中的B点位置上，则可缩短空行程距离。

3) 合理安排“回零”路线

当手工编制较复杂轮廓的加工程序时，为使其计算过程尽量简化，既不易出错，又便于校核，编程者 (特别是初学者) 有时将每一刀加工完后的刀具终点通过执行“回零”(即返回对刀点) 指令，使其全都返回到对刀点位置，然后再进行后续程序。这样会增加走刀路线的距离，从而大大降低生产效率。因此，在合理安排“回零”路线时，应使其前一刀终点与后一刀起点间的距离尽量减短或者为零，即可满足走刀路线为最短的要求。

4. 确定最短的切削进给路线

切削进给路线短，可有效地提高生产效率、降低刀具损耗等。在安排粗加工或半精加工的切削进给路线时，应同时兼顾到被加工零件的刚性及加工的工艺性等要求，不要顾此失彼。

图1-2-18所示为粗车工件时几种不同切削进给路线的安排示例。其中，图1-2-18 (a)所示为利用数控系统具有的封闭式复合循环功能而控制车刀沿着工件轮廓进行走刀的路线; 图1-2-18 (b) 所示为利用其程序循环功能安排的“三角形”走刀路线;图1-2-18 (c) 所示为利用其矩形循环功能而安排的“矩形”走刀路线。

图1-2-18 数控车进给路线示例

(a) 沿工件轮廓走刀; (b) “三角形”走刀; (c) “矩形”走刀

对以上三种切削进给路线进行分析和判断后可知，矩形循环进给路线的走刀长度总和为最短。因此，在同等条件下，其切削所需时间 (不含空行程) 为最短，刀具的损耗小。另外，矩形循环加工的程序段格式较简单，所以这种进给路线的安排在制定加工方案时应用较多。

当数控车削加工工艺分析方案确定之后就可以确定进给路线了，加工路线的确定必须保持被加工零件的尺寸精度和表面质量，即必须使零件精度符合图纸要求; 其次要考虑数值计算简单、走刀路线尽量短、效率较高等。否则将直接影响加工成本。

(二) 数控车床切削用量的选择

数控编程时，编程人员必须确定每道工序的切削用量，并以指令的形式写入程序中，所以编程前必须确定合适的切削用量。

1. 背吃刀量的确定

在工艺系统刚性和机床功率允许的条件下，应尽可能选取较大的背吃刀量，以减少进给次数，当零件的精度要求较高时，应考虑适当留出精车余量，其所留精车余量一般为0.1～0.5mm。

2. 主轴转速的确定

1) 光车时的主轴转速

光车时的主轴转速应根据零件上被加工部位的直径，按零件、刀具的材料、加工性质等条件所允许的切削速度来确定。切削速度除了计算和查表选取外，还可根据实践经验确定。需要注意的是，交流变频调速数控车床低速输出力矩小，因而切削速度不能太低。切削速度确定之后，就用式 (2-1) 计算主轴转速。表1-2-2所示为硬质合金外圆车刀切削速度的参考值，选用时可参考选择。

表1-2-2 硬质合金外圆车刀切削速度的参考值

2) 车螺纹时的主轴转速

切削螺纹时，数控车床的主轴转速将受到螺纹螺距 (或导程) 的大小、驱动电动机的升降频率特性、螺纹插补运算速度等多种因素的影响，故对于不同的数控系统，推荐不同的主轴转速选择范围。例如，大多数经济型数控车床的数控系统，推荐切削螺纹时的主轴转速为:

式中，p——工件螺纹的螺距或导程 (T)，mm;

k——保险系数，一般取80。

3. 进给量的确定

1) 单向进给量计算

单向进给量包括纵向进给量和横向进给量。粗车时一般取0.3～0.8mm/r，精车时常取0.1～0.3mm/r，切断时常取0.05～0.2mm/r。表1-2-3所示为硬质合金车刀粗车外圆或端面的进给量的参考值，表1-2-4所示为按表面粗糙度选择进给量的参考值，供参考选用。

表1-2-3 硬质合金车刀粗车外圆或端面的进给量参考值

表1-2-4 按表面粗糙度选择进给量的参考值

续表

2) 合成进给速度的计算

合成进给速度是指刀具做合成运动 (斜线及圆弧插补等) 时的进给速度，例如加工斜线及圆弧等轮廓零件时，刀具的进给速度由纵、横两个坐标轴同时运动的速度合成获得，即:

由于计算合成进给速度的过程比较烦琐，所以除特别情况需要计算外，在编制数控加工程序时，一般凭实践经验或通过试切确定合成进给速度值。

三、方案设计

1. 分析零件图

图1-2-21所示为由外圆柱面构成的轴类零件，φ12mm、φ20mm和φ30mm外圆柱面直径处加工精度较高，其材料为45号钢。选择毛坯尺寸为φ37mm的棒料，故在安排粗加工之后还要安排精加工。

2. 制定加工方案

本零件为简单轴类零件，因是单件加工，故采用自定心卡盘装夹，用工件的外圆定位。以零件右端面中心O作为工件坐标系原点，设定工件坐标系。

将零件的所有加工内容都安排在数控车床上进行，其加工路线如下:

从右至左粗加工各面 →— 从右至左精加工各面 →— 切断

3. 零件的装夹

采用数控车床本身的标准三爪卡盘，毛坯伸出三爪卡盘外100 mm左右，并找正夹紧。

4. 刀具的选择

该零件较简单，只需完成外圆柱表面的加工和切断，故选择: 1号刀具为93°硬质合金外圆车刀，用于粗车、精车外圆和端面; 2号刀具为切断刀，刀片宽度为3mm，用于切断工件。

5. 切削用量的选择

采用的切削用量主要依据刀具供应商提供的切削参数，考虑加工精度要求并兼顾提高刀具的耐用度、机床寿命等因素做合理的修正。确定1号刀具主轴转速n=1000r/min，进给量粗车为f=0.3mm/r、精车为f=0.15mm/r; 确定2号刀具主轴转速n=350r/min，进给量为f=0.1mm/r。详见表1-2-5。

表1-2-5 刀具及切削用量

四、任务实施

1. 编写零件加工程序

零件的加工程序见表1-2-6。

表1-2-6 零件的加工程序

续表

2. 零件的加工

(1) 开机并进行机床检查。

(2) 输入程序。

(3) 装夹刀具和工件。

(4) 对刀，测量刀补值。

(5) 检查程序与模拟加工。正确与否可用数控仿真加工验证，如图1-2-19所示。

图1-2-19 轴的仿真加工

五、任务考核

零件的考核内容见表1-2-7。

表1-2-7 任务考核

续表

六、拓展练习

试分析图1-2-20所示零件图，完成零件的加工工艺分析，并根据编制好的加工程序，在斯沃仿真软件上将零件仿真出来。

图1-2-20 拓展练习

技术要求:

(1) 未注倒角为C2。

(2) 未注尺寸公差按GB/T1804—m处理。

(3) 未注形位公差按K级。

参考程序如下:

O2024

N10 T0101;

N20 M03 S1000;

N30 G00 X40 Z2 M08;

N40 G71 U2 R1;

N50 G71 P60 Q150 U0.2 W0.1 F0.2;

N60 G00 X6;

N70 G01 X6 Z0 F0.1;

N80 X10 Z-2;

N90 Z-18;

N110 X17;

N120 X21 Z-20;

N125 Z-40;

N130 X28;

N140 X32 Z-42;

N150 Z-63;

N160 G70 P60 Q150;

N170 G00 X150 Z150;

N180 T0100;

N190 T0202;

N200 M03 S400;

N210 G00 X35 Z-63;

N220 G01 X0 Z-63 F0.05;

N230 G00 X150 Z150 T0200;

N240 M09;

N250 M05;

N260 M30;