数控车削加工工艺分析和工序设计

时间：2024-10-17 百科知识版权反馈

【摘要】：零件的加工工艺分析和工序设计就是此前的第一步工作。在模具的数控车削加工中，工序设计包括对本工序所使用的刀具、工具、量具、切削用量、加工中的刀具走刀路线和运动的起点和终点等工艺参数进行具体的选择和确定。

2.2.3　数控车削加工工艺分析和工序设计

在数控切削加工中，机床所做的所有细微动作都要提前编写进数控加工程序中，所以在数控加工程序产生之前，必须要把编写程序所需要的所有技术参数都要基本确定好。零件的加工工艺分析和工序设计就是此前的第一步工作。

1．工艺分析和工序设计的目的与内容

所谓数控加工的工艺分析和工序设计是指对所要加工零件的图样和工艺文件进行认真的阅读和技术分析，并确定数控车削加工中所必须要解决的所有加工步骤、加工方法和相关技术参数，为数控车削加工程序的编制和数控加工的顺利进行做准备。

数控加工工艺分析包括以下几项内容：工件的加工工艺性分析、数控加工工艺过程的拟定。工序设计则包括：加工刀具的选择、走刀路线的确定、切削用量的选择。

2．工件的加工工艺性分析

工件加工工艺性分析主要是通过对图样和工艺文件的阅读来解决以下三个方面的问题：

（1）了解工件的加工工艺难点和关键工序，确定这些工艺要点的加工工艺方法；

（2）了解工件工艺要点的设计基准，明确数控加工工艺过程中的工艺基准和装夹方法，以及检验测量的方法及检验基准；

（3）了解工件的材料及热处理要求，明确切削用刀具材料及冷却、润滑方案，正确地选择切削用量。

只有认真、仔细地阅读工件图样和工艺规程，才能够较全面地掌握整个零件的加工要点，包括重要的尺寸精度要求、形位公差要求、表面加工质量要求和表面硬度要求，才能够对关键尺寸和重要的公差要求做到心中有数，对后面的工艺安排把握住重点，使整个工艺过程顺利地进行。

整个加工过程都是紧紧围绕着工件的关键工序进行的。只有首先确定了关键部位、关键尺寸的加工工艺方法，然后才能够由最后的关键工序的精加工逐级地向前一步步地确定其对前一道工序的各项加工工艺方法和工艺参数的要求。

了解工艺要点的设计基准，以便合理地选择切削加工各个工艺过程中的工艺基准，并及时地解决相关的工艺尺寸链及其工艺尺寸的解算问题。

了解工件的材料及热处理要求，以便正确地选择切削加工各工序中的刀具和相应的冷却润滑方案，为切削用量的合理选择提供必要的依据。

3．数控加工工艺过程的拟定

数控加工工艺过程的拟定是指在对工件切削加工的全过程进行必要了解的基础上，正确地制订本工序的数控加工全过程。它包括数控加工方法的确定、加工工序阶段的划分与选择、各工序先后顺序的确定这三个方面的工艺选择。

（1）数控加工方法的确定

由于数控机床本身的几何精度较高，对细微运动要求的响应较理想，所以，数控机床的加工精度要比普通机床的加工精度要高。

数控加工方法的具体确定：

对于零件加工的公差等级为IT7～IT8、表面粗糙度值为Ra0.8～1.6μm的加工质量要求，采用普通的数控机床都可以满足加工要求。如果要达到IT5～IT6级公差、表面粗糙度值要达到Ra0.2～0.63μm，一般需要利用精密数控机床来加工。

（2）加工工序阶段的划分

对普通精度要求的工件，公差等级为IT7～IT8，一般在工艺安排上选择将整个工艺过程划分为粗加工、半精加工、精加工三个加工阶段即可达到加工精度的要求。

对高精度零件的加工，可以考虑划分为粗加工、半精加工、精加工和光整加工四个加工阶段。

划分不同的加工阶段的目的是为了消除前工序的加工所产生的切削温度、加工内应力和夹紧变形可能会给后面的工序所造成的不利影响。另外，也是为了在各个切削加工的不同阶段间适当地穿插相应的热处理，以便消除切削加工内应力，并降低切削加工所产生的高温和变形。

加工阶段的选择原则：

考虑到数控加工的多刀加工和多工序复合的特点，一般在数控机床上均采用工序集中原则来安排加工工序。

所谓工序集中原则是指尽可能在一次装夹条件下完成尽可能多的工序内容。只有在特别精密零件的数控加工中，为了消除粗加工的温度影响、夹紧变形的影响和加工应力的影响时，才考虑将最后的精加工与前面的半精加工在工序上有意识地分开，这种工序安排原则上称为工序分散原则。

（3）加工工序的前后顺序安排

为了保证加工过程的安排合理性，我们一般遵守以下工序安排顺序原则：

① 先面后孔　先加工各种平面和外表面，后加工内孔；

② 先主要后次要　先加工主要表面，后加工次要表面；

③ 先粗后精　先进行粗加工，后进行精加工；

④ 先基准后其他　先加工基准面，后加工非基准面和其他表面。

4．工序设计

机械加工中的工序设计是指对每一个具体的加工工序进行所有工艺参数的选择和确定。在模具的数控车削加工中，工序设计包括对本工序所使用的刀具、工具、量具、切削用量、加工中的刀具走刀路线和运动的起点和终点等工艺参数进行具体的选择和确定。关于刀具和工具的合理选择、切削用量的选择等工艺参数，我们将在其他章节中详细探讨，这里只讨论数控车削的走刀路线问题。

5．数控车削走刀路线的科学安排

所谓走刀路线是指切削加工过程中，刀具相对于工件的移动轨迹，也称为刀具路径、切削路线、刀具轨迹等。走刀路线中不光有进给运动，也常常包含有快速移动。

数控车削加工的走刀路线一般比较简单，基本上是遵循机床预先设置好的各种车削循环路线来安排的。在安排车削加工的走刀路线时，一般需要掌握以下原则：

（1）纵、横分开原则　为了避免刀具相对于工艺系统的运动过程中发生意外碰撞，应掌握在刀具进入切削区域的运动中要先纵向后径向的原则，即刀具由离工件的远点快速趋近工件时，应该尽量先纵向移动，在距离工件较近后再进行径向移动，这样可以避免刀具过早地与工件发生碰撞。在退出切削区域时，则应先径向移动，待刀具退到较安全的位置时，再进行纵向移动，如图2-23所示。

纵、横移动分开原则是出于安全移动的考虑，也可以说是一种安全原则，安全是数控机床生产中最首要的问题，无论什么情况下，机床安全运行永远是第一位的要求。

在对一台新机床的运动性能不是十分有把握的情况下，应尽量避免直接采用斜方向的快速移动。例如，快速点定位指令G00，许多早期的数控系统是不能够预先确定其刀具路线的，许多机床是首先沿着45°方向进行直线移动，执行完x和z两个移动方向中距离短的那一个坐标方向的移动，然后沿剩余运动的坐标方向将其余的移动执行完，如图2-24所示。这就有可能在G00快速移动中发生碰撞，所以，比较安全的移动应该是将两个坐标方向的移动分开来，在内孔加工时，应该先纵向（轴向）退刀，再径向退刀。外圆切削加工中，应该掌握先径向退刀，再纵向退刀。这种移动方法在移动距离上要比直接走斜线长些，用时间要稍微多点，但却是安全的。

图2-23　防止刀具碰撞的措施

图2-24　G00快速移动方式

纵横分开原则是为了避免碰撞，如果刀具已经移出了工作区域，后面的快速运动可以保证是安全的，则应该考虑路线最短原则了。

（2）路线最短原则　运动路线短，工时就用得少，加工效率就高。为了使粗车加工的路线短，在车床的粗车加工走刀路线安排中，一般应该考虑首先将工件外端面光车一刀。因为数控车削加工的外圆车削循环在前端面处的进给方式为快速进给，如图2-25所示，为了防止刀具与工件的毛坯边发生碰撞，外圆车削循环的起点势必要设立在离前端面较远的位置，如图2-26中的D点，这就会多占用许多非切削时间。而如果先把前端面清理一刀，循环起点就可以离切过一刀的前端面很近，如图2-26中的C点所示，这样既可以有效避免发生碰撞，又可以为加工过程节省许多的时间。所以，先车端面往往是许多工艺人员安排刀具路线时的首选。

（3）余量均匀原则　所谓余量均匀是指粗加工要给后面的精加工创造条件，尽量给精加工留下比较均匀的切削余量。

图2-25　外圆车削循环的切削路线

图2-26　先切端面后的循环起点

如图2-27所示的圆弧曲面的粗加工，可以采用不同的4种加工路线，如图2-27（a）所示为同心圆形式，如图2-27（b）所示为等直径圆弧形式，如图2-27（c）所示为采用了三角形走刀路线，如图2-27（d）所示采用梯形路线。这几种路线各有自己的特点，其中程序段最少的是两种圆弧路线，走刀路线最短的是同心圆弧路线，切削力分布合理的方案是梯形路线，而精加工余量最均匀的是同心圆路线。综合以上分析，采用同心圆的走刀路线的优点是比较明显的。图2-28所示为采用普通的阶梯式粗切刀具路线留下的精加工余量非常不均匀，而图2-29是采用圆弧切削所得到的均匀精切余量。而圆弧路线对于数控加工来说则是件很容易的事。所以，当毛坯表面是不均匀的曲线曲面时，采用如图2-30所示的图形循环对精加工是有利的。但从另一角度来说，图形循环通常也是各种方案中路线最长、用时最多的方案，所以要根据工件加工的具体精度要求和加工工时要求来综合取舍。同样道理，对于如图2-31所示的圆弧的粗加工，采用任何直线形的刀具走刀路线都不如采用圆弧路线给精切留下的余量更为均匀，但刀尖在工件前端面处要作大量的非切削圆弧进给，会误掉很多的空走刀工时。