数控加工的特点和适应性

所谓数控加工工艺，就是用数控机床加工零件的一种工艺方法。

数控加工与普通机床加工在方法和内容上有许多相似之处，不同点主要在控制方式上。以机械加工中小批零件为例，在通用机床上加工，就某工序而言，有工步的安排、机床运动的先后次序、进给路线及相关切削参数的选择等方面，虽然也有工艺文件说明，但操作上往往是由操作人员自行考虑和确定的，而且是用手工方式进行控制的。在数控机床上加工时，将工艺信息全部记录在控制介质上，即原先在通用机床上加工时需要操作人员考虑和决定的内容及动作，制作成数码信息输入数控机床的数控装置，对输入信息进行运算和控制，并不断向伺服机构发送信号，伺服机构对信号进行转换与放大处理，然后由伺服电机通过传动机构驱动机床按所编程序进行运动，加工出所需要的零件。可见，数控加工编程是关键。但必须有编程前的数控工艺准备和编程后的善后处理。严格地说，数控编程也属于数控工艺的范畴。因此，数控加工工艺主要包括以下几方面的内容：

（1）选择并确定需要进行数控加工的零件及内容。

（2）进行数控加工工艺设计。

（3）对零件图形进行必要的数学处理。

（4）编写加工程序（自动编程时为源程序，由计算机自动生成目标程序——加工程序）。

（5）按程序单制作控制介质。

（6）对程序进行校验与修改。

（7）首件试加工与现场问题处理。

（8）数控加工工艺技术文件的编写与归档。

数控加工与通用机床加工相比，在许多方面遵循基本相同的原则，在使用方法上也有很多相似之处。但由于数控机床本身自动化程度较高，设备费用较高，设备功能较强，使数控加工相应形成了如下几个特点：

（1）数控加工的工艺内容十分明确而且具体：进行数控加工时，数控机床是通过接受数控系统的指令来完成各种运动，从而实现加工的。因此，在编制加工程序之前，需要对影响加工过程的各种工艺因素，如切削用量、进给路线、刀具的几何形状，甚至工步的划分与安排等，一一作出定量描述，对每一个问题都要给出确切的答案和选择，而不能像采用通用机床加工那样，在大多数情况下对许多具体的工艺问题，由操作人员依据自己的实践经验和习惯自行考虑和决定。也就是说，本来由操作人员在加工中灵活掌握并可通过适时调整来处理的许多工艺问题，在数控加工时就转变为编程人员必须事先具体设计和明确安排的内容。

（2）数控加工的工艺工作相当准确而且严密：数控加工不能像通用机床加工时那样可以根据加工过程中出现的问题由操作人员自由地进行调整。比如加工内螺纹时，在普通机床上操作人员可以随时根据孔中是否挤满了切屑而决定是否需要退一下刀或先清理一下切屑，而数控机床是不可以的。所以在数控加工的工艺设计中必须注意加工过程中的每一个细节，做到万无一失。尤其是在对图形进行数学处理、计算和编程时，一定要准确无误。在实际工作中，一个字符、一个小数点或一个逗号的差错都有可能酿成质量事故，甚至重大机床事故。因为数控机床比同类的普通机床价格昂贵，其加工的往往也是一些形状比较复杂、价值也较高的工件，如果损坏零件会造成较大的经济损失，特别是当程序错误造成数控机床损坏时，就会造成严重的经济损失。

根据大量加工实例分析，数控工艺考虑不周和计算与编程时粗心大意是造成数控加工失误的主要原因。因此，要求编程人员除必须具备较扎实的工艺基本知识和较丰富的实际工作经验外，还必须具有耐心和严谨的工作作风。

（3）数控加工的工序相对集中：一般来说，在普通机床上加工是根据机床的种类进行单工序加工。而在数控机床上加工往往是在工件的一次装夹中完成对工件的钻、扩、铰、铣、镗、攻螺纹等多工序的加工。这种“多序合一”的现象属于“工序集中”的范畴，特定情况下，在一台加工中心上可以完成工件的全部加工内容。

1）数控加工的特点

由于数控加工的特点和数控机床本身的性能与功能，使数控加工体现出如下优点：

（1）柔性加工程度高：在数控机床上加工工件，主要取决于加工程序。它与普通机床不同，不必配备许多工装、夹具等，一般不需要很复杂的工艺装备，也不需要经常重新调整机床，就可以通过编程把形状复杂和精度要求较高的工件加工出来。因此能大大缩短产品研制周期，给产品的改型、改进和新产品研制开发提供了有利条件。

（2）自动化程度高，改善了劳动条件：数控加工过程是按输入的程序自动完成的，一般情况下，操作人员主要是进行程序的输入和编辑、工件的装卸、刀具的准备、加工状态的监测等工作，而不需要像手工操作机床那样进行繁重的重复性工作，体力劳动强度和紧张程度可以大大减弱，从而相应的改善了劳动条件。

（3）加工精度较高：数控机床是高度综合的机电一体化产品，是由精密机械和自动化控制系统组成的。数控机床本身具有很高的定位精度，机床的传动系统与机床的结构具有很高的刚度和热稳定性。在设计传动结构时采取了减少误差的措施，并由数控系统进行补偿，所以数控机床有较高的加工精度。更重要的是数控加工精度不受工件形状及复杂程度的影响，这一点是普通机床无法与之相比的。

（4）加工质量稳定可靠：由于数控机床本身具有很高的重复定位精度，又是按所编程序自动完成加工的，消除了操作人员的各种人为误差，所以提高了同批工件加工尺寸的一致性，使加工质量稳定，产品合格率高。一般来说，只要工艺设计和程序正确合理，并按操作规程精心操作，就可实现长期稳定生产。

（5）生产效率较高：由于数控机床具有良好的刚性，允许进行强力切削，主轴转速和进给量范围都较大，可以更合理地选择切削用量，而且空行程采用快速进给，从而节省了切削进给和空行程时间。数控机床加工时能在一次装夹中加工出很多待加工部位，既省去了通用机床加工时原有的一些辅助工序（如划线、检验等），同时也大大缩短了生产准备时间。由于数控加工一致性好，整批工件一般只进行首件检验，加工过程中抽检即可，从而节省了测量和检测时间。因此其综合效率比通用机床加工有明显提高。如果采用加工中心，则能实现自动换刀，工作台自动换位，一台机床上完成多工序加工，缩短半成品周转时间，生产效率的提高就更加明显。

（6）良好的经济效益：改变数控机床加工对象时，只需重新编写加工程序，不需要制造、更换许多工具、夹具和模具，更不需要更新机床。又因为加工精度高，质量稳定，减少了废品率，使生产成本下降，生产率提高，这样节省了大量工艺装备费用，获得了良好的经济效益。

（7）有利于生产管理的现代化：利用数控机床加工，可预先准确计算加工工时，所使用的工具、夹具、刀具可进行规范化、现代化管理。数控机床将数字信号和标准代码作为控制信息，易于实现加工信息的标准化管理。数控机床易于构成柔性制造系统（FMS），目前已与CAD／CAM有机地相结合。数控机床及其加工技术是现代集成制造技术的基础。

虽然数控加工具有上述许多优点，但还存在以下不足之处：

数控机床设备价格高，初期投资大，此外零配件价格也高，维修费用高，数控机床及数控加工技术对操作人员和管理人员的素质要求也较高。

因此，应该合理地选择和使用数控机床，才能提高企业的经济效益和竞争力。

2）数控加工的适应性

数控机床是一种高度自动化的机床，有一般机床所不具备的许多优点，所以数控机床加工技术的应用范围在不断扩大，但数控机床这种高度机电一体化产品，技术含量高，成本高，使用与维修都有较高的要求。根据数控加工的优缺点及国内外的大量应用实践，一般可按适应程度将零件分为下列三类：

（1）最适应数控加工零件类：①形状复杂，加工精度要求高，用普通机床很难加工或虽然能加工但很难保证加工质量的零件。②用数学模型描述的复杂曲线或曲面轮廓零件。③具有难测量、难控制进给、难控制尺寸的非敞开式内腔的壳体或盒形零件。④必须在一次装夹中合并完成铣、镗、铰或攻螺纹等多工序的零件。

（2）较适应数控加工零件类：①在通用机床上加工时极易受人为因素干扰，零件价值又高，一旦操作失误便会造成重大经济损失的零件。②在通用机床上加工时必须制造复杂的专用工件安装的零件。③需要多次更改设计后才能定型的零件。④在通用机床上加工时需要做长时间调整的零件。⑤在通用机床上加工时，生产率很低或体力劳动强度很大的零件。

（3）不适应数控加工零件类：①生产批量大的零件（当然不排除其中个别工序用数控机床加工）。②装夹困难或完全靠找正定位来保证加工精度的零件。③加工余量很不稳定的零件，且在数控机床上无在线检测系统用于自动调整零件坐标位置。④必须用特定的工艺装备协调加工的零件。

综上所述，对于多品种小批量、结构较复杂、精度要求较高的零件，需要频繁改型的零件，价格昂贵、不允许报废的关键零件和需要最小生产周期的急需零件要采用数控加工。

图3．1表示用普通机床、数控机床和专用机床加工的零件批量数与综合费用的关系。

图3．2表示零件复杂程度及批量大小与机床的选用关系。

图3．1　零件加工批量与综合费用关系

图3．2　数控机床复杂程度与批量的关系

数控机床的种类很多，常用的有：车削中心、加工中心、数控钻床、高速铣、数控铣床、数控车床、数控磨床、线切割、电火花等。根据加工内容的不同需选择不同的数控机床进行加工（见图3．3～图3．6）。

图3．3　车削中心

图3．4　加工中心

图3．5　数控钻床

图3．6　高速铣

选择数控机床主要取决于零件加工的内容、零件的尺寸大小、精度的高低。具体要求为：

（1）数控机床的主要规格尺寸应与加工零件的外轮廓尺寸相适应，即小零件应选小机床，大零件应选大机床，做到设备合理选用。

（2）数控机床精度应与工序要求的加工精度相适应。

（3）数控机床的生产率应与加工零件的生产类型相适应。单件小批量生产选择通用设备，大批量生产选择高效的专用设备。

（4）数控机床的选择还应结合现场的实际情况。例如设备的类型、规格及精度状况、设备负荷的平衡状况及设备的分布排列情况等。

（5）就零件形状和精度而言，一般精度的回转体选择普通数控机床；精度要求高的或回转体端面需铣槽（或钻孔、局部非圆形状）的回转体零件可选择中、高档的数控机床或车削中心；箱体类零件通常选择卧式加工中心；一般零件的铣削加工选择数控铣床；模具类零件或带有曲面轮廓的零件通常选择加工中心（使用CAD／CAM软件生成加工程序）；淬火模具或要求加工时间很短的零件可选择高速铣；零件上孔特别多的可选择数控钻床进行加工。

数控加工的工艺文件就是填写工艺规程的各种卡片。常见的加工工序卡见表3．1。

表3．1　数控加工工序卡

零件工序简图

（定位、夹紧、程序原点示意）

注：G54中Z坐标值置为0，每把刀对刀得到的Z值，设定在刀具长度补偿参数中。

数控加工工序卡是数控机床操作人员进行数控加工的主要指导性工艺文件。它包括：①所用的数控设备；②程序号；③零件图号、材料；④本工序的定位、夹紧简图；⑤工步顺序、工步内容（工序具体加工内容）；⑥各工步所用刀具；⑦切削用量；⑧各工步所用检验量具等。在铣削、车削加工中心上加工，采用工序集中的方式，一个工序内有许多加工工步，通常把工艺文件分成数控工艺卡、刀具调整卡、程序清单。

刀具调整卡的内容有：刀具号、刀具名称、刀柄型号、刀具的直径和长度。常见的刀具调整卡见表3．2；程序清单为具体的程序，它存放在计算机中或在打孔纸带上，通过计算机的串行口（或读带机）送入控制器。

表3．2　刀具调整卡

1）生产过程和工艺过程

（1）生产过程：生产过程是指由原材料到制成产品之间的各个相互关联的劳动过程的总和。一般包括原材料的运输和保存、生产准备、备料及毛坯制造、毛坯经机械加工而成为零件，装配与检验和试车、油漆和包装等。

在现代化生产中，某一产品的生产往往有许多模式。但从生产过程来看，某工厂所用的原材料、半成品或部件，却是另一些工厂的成品。而本工厂的成品，往往又是另外工厂的半成品或部件。

（2）工艺过程：工艺过程是直接改变加工对象的形状、尺寸、相对位置和性能，使之成为成品的过程。工艺过程是生产过程中的主要过程；其余劳动过程如各项生产准备、质量检验、运输、保管等则是生产过程中的辅助过程。

在机械加工车间进行的那一部分工艺过程，称为机械加工工艺过程。用数控机床（数控车、数控铣、加工中心、线切割、电火花等）进行加工的工艺过程称为数控工艺过程。

这些工艺过程的有关内容写成工艺文件，称为工艺规程。它是指导生产的主要技术文件，是组织和管理生产的依据。

2）工艺过程的组成

机械加工工艺过程是由一系列的工序组合而成的，毛坯依次地通过这些工序而成为成品。工序是工艺过程的基本组成部分，也是生产计划和成本核算的基本单元。

数控加工工艺就是用数控机床加工的方法改变毛坯的形状、尺寸和材料等物理机械性质，成为所需的具有一定精度、粗糙度的零件。

（1）工序：工序是工艺过程的基本单元。它是指一个（或一组）工人在一个工作地点，对一个（或同时对几个）工件连续完成的那一部分加工过程。划分工序的要点是工人、工作地点及工件三者不变并加上连续完成。只要工人、工作地点、工件这三者中改变了任两个或不是连续完成，则将成为另一工序。

（2）安装或工位：安装就是指定位并夹紧的整个过程，又称之为装夹。工件在机床上占据的每一个加工位置称为工位。

（3）工步与进给：工步是指在一个安装或工位中，加工表面、切削刀具及切削用量都不变的情况下所进行的那部分加工。因此改变加工表面、切削刀具及切削用量三者中其中的一个就变为另一个工步。有些工件，由于余量大，需要用同一刀具，在同一转速及进给量下对同一表面进行多次（分层）切削，这每一次切削就称为进给。一个工步可能有几次走刀。走刀是构成工艺过程的最小单元。

3）生产类型及工艺特点

某种产品（包括备品和废品在内）的年产量称为该产品的年生产纲领。生产纲领对工厂的生产过程和生产组织起决定性作用。生产纲领不同，各工作地点的专业化程度，所用的工艺方法、机床设备和工艺装备亦不相同。

根据年生产纲领大小的不同，可分成三种不同的生产类型，即单件生产、成批生产和大量生产。其工艺特点如下：

（1）单件生产：指单个地制造不同结构和不同尺寸的产品，并且很少重复，甚至完全不重复。例如重型机器制造、大型船舶制造、航天设备制造、新产品试制等。

单件生产所用的机床设备，过去采用通用机床（一般的车、铣、刨、钻、磨等机床）和通用夹具、标准附件（如三爪卡盘、四爪卡盘、虎钳、分度头等），现在大部分采用数控机床，也有一些采用通用机床，用数控机床加工，生产出的产品质量好、效率高。

（2）成批生产：一年中分批地制造相同的产品，生产呈周期性的重复。每批所制造的相同零件的数量称为批量。按照批量的大小和产品的特征，成批生产又可分为小批生产、中批生产及大批生产三种。小批生产在工艺方面接近于单件生产，两者常常相提并论。大批生产在工艺方面接近于大量生产。成批生产就其效率和成本而言，用数控机床加工最合适。

（3）大量生产：产品生产数量很大，大多数工作地点长期进行某一个零件的某一道工序的加工。大量生产中，广泛采用专用机床、自动机床、自动生产线及专用工艺装备。车间内机床设备都按零件加工工艺先后顺序排列，采用流水生产的组织形式。各种加工零件都有详细的工艺规程卡片。

规定零件制造工艺过程和操作方法的工艺文件，称为工艺规程。它是在具体的生产条件下，以最合理或较合理的工艺过程和操作方法，并按规定的图表或文字形式书写成工艺文件，经审批后用来指导生产的。工艺规程一般应包括下列内容：零件加工的工艺路线；各工序的具体加工内容；各工序所用的机床及工艺装备；切削用量及工时定额等。

1）工艺规程的作用

（1）工艺规程是指导生产的主要技术文件：合理的工艺规程是在工艺理论和实践经验的基础上制定的。按照工艺规程进行生产不但可以保证产品的质量，并且有较高的生产率和良好的经济效益。一切生产人员都应严格执行既定的工艺规程。

（2）工艺规程是生产管理工作的基本依据：在生产管理中，原材料及毛坯的供应、通用工艺装备的准备、机床负荷的调整、专用工艺装备的设计和制造、生产计划的制定、劳动力的组织以及生产成本的核算等，都是以工艺规程为基本依据的。

（3）工艺规程是新建或扩建工厂、车间的基本资料：在新建或扩建工厂、车间时，只有根据工艺规程和生产纲领才能正确地确定生产所需的机床和其他设备的种类、规格和数量，车间的面积，机床的布置，生产工人的工种、等级及数量以及辅助部门的安排等。

2）工艺规程制定时所需的原始资料

（1）产品装配图和零件工作图。

（2）产品的生产纲领。

（3）产品验收的质量标准。

（4）现有的生产条件和资料。它包括毛坯的生产条件或协作关系，工艺装备及专用设备的制造能力，加工和工艺设备的规格及性能，工人的技术水平以及各种工艺资料和标准等。

（5）国内外同类产品的有关工艺资料等。

3）制定工艺规程的步骤

制定工艺规程的步骤大致如下：

（1）分析研究产品图纸：了解整个产品的原理和所加工零件在整个机器中的作用。分析零件图的尺寸公差和技术要求。分析产品的结构工艺性，包括零件的加工工艺性和装配工艺性。检查整个图纸的完整性。如果发现问题，要和设计部门联系解决。

（2）选择毛坯：根据生产纲领和零件结构选择毛坯，毛坯的类型一般在零件图上已有规定。对于铸件和锻件，应了解其分模面、浇口、冒口位置和拔模率，以便在选择定位基准和计算加工余量时有所考虑。如果毛坯是用棒料或型材，则要按其标准确定尺寸规格，并决定每批加工件数。

（3）拟定工艺路线：主要有两个方面的工作，其一是确定加工顺序和工序内容。安排工序的集中和分散程度，划分工艺阶段，这项工作与生产纲领有密切关系。其二是选择工艺基准。常常需要提出几个方案，进行分析比较后再确定。

（4）确定各工序所用的加工设备和工艺装备：要确定各工序所用的加工设备（如机床）、夹具、刀具、量具及辅助工具。如果是通用的而本厂又没有则可安排生产计划或采购；如果是专用的，则要提出设计任务书及试制计划，由本厂或外单位进行研制。

（5）计算加工余量、工序尺寸及公差：当计算各工序的加工余量和总的加工余量时，如果毛坯是棒料或型材，则应按棒料或型材标准进行圆整后修改确定。计算各个工序的尺寸及公差，就是要控制各工序的加工质量以保证最终的加工质量。

（6）计算切削用量：如果有切削用量手册等资料，则可查阅并进行计算，否则就要按各工厂的实际经验来确定。目前，对单件小批生产一般不规定切削用量，而是由操作工人根据经验自行选定；数控加工中每一步切削都必须制定出切削用量；对于自动线和流水线，为了保证生产节拍，必须规定切削用量。

（7）估算工时定额：传统的普通机床的加工，通常使用切削用量手册、工时定额手册等资料，用查表或由统计资料估算（不是很准确）。用CAD／CAM生成程序在数控机床上加工，CAM系统根据操作人员设定的切削用量能自动精确地计算出确切的加工时间。

（8）确定各主要工序的技术要求及检验方法：必要时，要设计和试制专用检具。

4）定位基准

基准是指零件的设计基准或工艺基准，它是零件上的一个表面、一条线或一个点，根据这些面、线、点来确认其他的面、线、点的位置，前者称为后者的基准。

（1）基准类型：基准可分为设计基准和工艺基准两类，设计基准是指零件设计时所用的基准；工艺基准是指在数控加工过程中所采用的基准。根据用途不同，工艺基准又可分为定位基准、工序基准、测量基准。

①定位基准：加工时确定零件在机床或夹具中的位置所依据的点、线、面位置的基准，即确定被加工表面位置的基准。它是由工件定位基面与夹具定位元件的工作表面相接触的面、线、点决定的。

②工序基准：在工序图上，用以标定被加工表面位置的面、线、点称为工序基准，所标注的加工面的位置尺寸叫工序尺寸，工序基准是工序尺寸的设计基准。

③测量基准：在测量时确定零件位置或零件上被测量面所依据的面、线、点称为测量基准。即测量被加工表面尺寸、位置所依据的基准。

（2）定位基准的选择：定位基准的选择直接影响零件的加工精度、加工顺序的安排以及夹具结构的复杂程度等，所以它是制定工艺规程中的一个十分重要的问题，各工序定位基准的选择，应先根据工件定位要求来确定所需定位基准的个数，再按基准选择原则来选定每个定位基准。为使所选的定位基准能保证整个数控加工工艺过程顺利地进行，通常应先考虑如何选择精基准来加工各个表面，然后考虑如何选择粗基准把作为精基准的表面先加工出来。

①精基准的选择：选择精基准时，应从整个工艺过程来考虑如何保证工件的尺寸精度和位置精度，并使装夹方便可靠。一般应按下列原则来选择：

图3．7　主轴箱定位基准

a．基准重合原则：应选用设计基准作定位基准。如图3．7所示，为主轴箱的定位基准情况。在生产批量不大时，应以设计基准底面M和导向面E作为定位基准来镗孔Ⅰ和孔Ⅱ。

b．基准统一原则：应尽可能在多工序中选用一组统一的定位基准来加工其他各表面。采用基准统一原则可以避免基准转换所产生的误差，并可使各工序所用夹具的某些结构相同或相似，简化夹具的设计和制造。在数控加工中，加工中心带有刀库，一次安装能进行铣、钻、镗等许多工步的加工，所以精基准通常采用基准统一原则。

c．自为基准原则：有些精加工或光整加工工序要求余量小而均匀，应选择加工表面本身作为定位基准。如磨削床身导轨面，就是以导轨面本身为基准来找正定位。

d．互为基准原则：对相互位置精度要求高的表面，可以采用互为基准、反复加工的方法。例如车床主轴的主轴颈与主轴锥孔的同轴度要求高，一般先以轴颈定位加工锥孔，再以锥孔定位加工轴颈，如此反复加工来达到同轴度要求。

e．可靠、方便原则：应选定位可靠、装夹方便的表面作基准。

②粗基准的选择：选择粗基准主要是选择第一道机械加工工序的定位基准，以便为后续工序提供精基准。选择粗基准的出发点是：一要考虑如何合理分配各加工表面的余量；二要考虑怎样保证不加工表面与加工表面间的尺寸及相互位置要求。这两个要求常常是不能兼顾的，因此，选择粗基准时应首先明确哪个要求是主要的。

一般应按下列原则来选择：

a．若工件必须首先保证某重要表面的加工余量均匀，则应选该表面为粗基准。例如车床床身导轨面不仅精度要求高，而且要求耐磨。在铸造床身时，导轨面向下放置，使其表面层的金属组织细致均匀，无气孔、夹砂等缺陷。加工时要求从导轨面上只切去薄而均匀的余量，保留紧密耐磨的金属层组织。为此应选导轨面为粗基准加工床脚平面，再以床脚平面为精基准加工导轨面（见图3．8（a））。反之，若选床脚平面为粗基准，会使导轨面的加工余量大而不均匀，降低导轨面的耐磨性（见图3．8（b））。

图3．8　床身加工粗基准比较

b．若工件每个表面都要求加工，为了保证各表面都有足够的余量，应选加工余量最小的表面为粗基准。如图3．9所示的阶梯锻轴，两段轴有3mm的偏心，应选小端外圆面为粗基准。

图3．9　阶梯轴的粗基准选择

图3．10　套的粗基准选择

c．若工件必须保证某不加工表面与加工表面之间的尺寸或位置要求，则应选该不加工表面为粗基准。如图3．10所示的零件要求壁厚均匀，应选不加工的外圆面为粗基准来镗孔。

d．选作粗基准的表面应尽可能平整，没有飞边、浇口、冒口或其他缺陷。粗基准一般只允许使用一次。若两次装夹使用同一粗基准，则此两次装夹所加工的表面之间会产生较大的位置误差。只有当重复使用某一粗基准所产生的定位误差在允许的范围之内时，该粗基准才可以重复使用。

5）加工余量

加工余量是指加工过程中，所切去的金属层厚度。余量有工序余量和加工总余量之分，工序余量是相邻两工序的尺寸之差；加工总余量是毛坯尺寸与零件图设计的尺寸之差，它等于各工序余量之和。

加工总余量的大小对零件的加工质量和制造的经济性有较大的影响。余量过大会浪费原材料、增加加工工时、机床刀具及能源的消耗；余量过小则不能消除上一道工序留下的各种误差、表面缺陷和本工序的装夹误差，容易造成废品。工序余量太大（或是局部太大），精加工时刀具受到的切削力大（切削力变化大），刀具受力变化大，容易产生形变误差；余量太小精加工时影响表面粗糙度。数控加工余量的选用原则与普通加工相同，可采用经验估算、查表修正和分析计算等方法。但同时要考虑到机床的刚性、工艺系统的刚性、机床参数的范围，从而合理确定加工余量。

机床夹具的定义及组成

（1）定义：机床夹具是将工件进行定位、夹紧，并将刀具进行导向或对刀，以保证工件和刀具间的相对位置关系的附加装置，简称夹具。将工件在机床上进行定位、夹紧的装置，称为辅助工具。

图3．11　加工拨叉的铣床夹具

（2）组成：通常夹具由定位元件、夹紧装置、导向元件、对刀装置和连接元件等部分组成。图3．11是一个加工拨叉零件的铣床夹具（如果拨叉较长容易引起震动）。

①定位元件：它起定位作用，保证工件相对于夹具的位置，可用六点定位原理来分析其所限制的自由度。常用的定位元件有固定支承钉、板，可调支承钉，V形块等。如图3．12所示。

②夹紧装置：将工件夹紧，保证在加工时保持所限制的自由度。常见的手动夹紧机构根据动力源的不同，可分为手动、气动、液动和电动等方式。

图3．12　常用的各种定位支承元件

③导向元件和对刀装置：它是用来保证刀具相对于夹具的位置，对于钻头、扩孔钻、铰刀、镗刀等孔加工刀具用导向元件；对于铣刀、刨刀等用对刀装置，如图3．11所示。

④连接元件：它是用来保证夹具和机床工作台之间的相对位置，对于铣床夹具，有定位键与铣床工作台上的T形槽相配以进行定位，再用螺钉夹紧，如图3．13所示。对于钻床夹具，由于孔加工时只是沿轴向进给就可完成，用导向元件就可以保证相对位置（如钻模板上的钻套等），因此，在将夹具装在工作台上时，用导向元件直接对刀具进行定位，不必再用连接元件定位了，所以一般的钻床夹具没有连接元件。

⑤夹具体：它是夹具的本体。定位元件、夹紧装置、导向元件、对刀装置、连接元件等都装在它上面，因此夹具体一般都比较复杂，它保证了各元件之间的相对位置。

⑥其他元件及装置：如动力装置的操作系统等。

图3．13　常见的夹紧机构

（3）夹具的作用：①保证加工质量、提高机床加工精度等级：如相对位置精度的保证，精度的一致性等；②提高生产率：用夹具来定位、夹紧工件，避免了手工找正等操作，缩短了安装工件的时间；③减轻劳动强度：如可用气动、电动夹紧；④扩大机床的工艺范围：在机床上安装一些夹具就可以扩大其工艺范围，如在数控铣床上加一个数控分度盘，就可以在圆柱面上加工螺旋槽。

（4）夹具的分类：它有多种分类方法：从专业化程度分；从使用机床的类型分；从动力来源分，等等。以下从专业化程度来分，可分为：

①通用夹具：如常见的三爪卡盘、平口钳、V形块、分度头和转台等。通常作为数控机床、通用机床的附件。

②专用夹具：根据零件工艺过程中某工序的要求专门设计的夹具，此夹具仅用于该工序的零件加工用，都是用于成批和大量生产中。

③组合夹具：由许多标准件组合而成，可根据零件加工工序的需要拼装，用完后再拆卸，可用于单件、小批生产。数控铣床、加工中心用得较多。

（1）工序的划分：零件的加工质量要求较高时，应把整个加工过程划分为以下几个阶段：

①粗加工阶段：其任务是切除大部分加工余量，使毛坯在形状和尺寸上接近零件成品，目标是获得高的生产率。

②半精加工阶段：其主要任务是使主要表面达到一定的精度，为主要表面的精加工做好准备。并完成一些次要表面的加工。

③精加工阶段：使各主要表面达到图纸规定的质量要求。

④光整加工阶段：对于质量要求很高（IT6及其以上，Ra≤0．32μm）的表面，特别是曲面加工，需进行光整加工，主要用于进一步提高尺寸精度和减小表面粗糙度值（不能用来提高位置精度）。

（2）划分加工阶段的原因

①可保证加工质量：因为粗加工切除的余量大，切削力、夹紧力和切削热都较大（高速切削零件加工完后，零件不太热，热变形很小），致使工件产生较大的变形。同时，加工表面被切除一层金属后，内应力要重新分布，也会使工件变形。如果不划分加工阶段，则安排在前面的精加工工序的加工效果，必然会被后续的粗加工工序所破坏。而划分加工阶段，则粗加工造成的误差可通过半精加工和精加工予以消除。而且各加工阶段之间的时间间隔有自然时效的作用，有利于使工件消除内应力和充分变形，以便在后续工序中修正。

②可合理使用机床：粗加工采用功率大、普通精度的设备；精加工采用精度较高的机床。这样有利于合理发挥设备的效能，保持高精度机床的工作精度。

③粗加工阶段可发现毛坯缺陷从而及时报废或修补。

④可适应热处理的需要：为了便于穿插必要的热处理工序，并使它发挥充分的效果，就自然而然地将加工过程划分成几个阶段。例如精密主轴加工，在粗加工后进行时效处理，在半精加工后进行淬火，在精加工后进行冰冷处理及低温回火，最后进行光整加工。

⑤表面精加工安排在最后，可使这些表面少受或不受损伤。应当指出：加工阶段的划分不是绝对的。对于刚性好、余量小、加工要求不高或内应力影响不大的工件（如高速切削铝合金材料），可以不划分加工阶段。

（3）在高速铣削中由于切削速度很大，通常可达到（1　000m／min），与普通切削产生的切削热的传导有很大的不同，工件得到的热量很少，所以在高速铣削或加工中心加工中通常采用工序集中的加工方式，粗、精加工并不分开。节省了零件的装夹时间，更容易保证零件的位置精度。

1）机械加工工序的安排原则

（1）先基面后其他：先用粗基准定位加工出精基准面，再以精基准定位加工其他表面。如果精基准面需要变换，则应按基准转换次序和逐步提高加工精度的原则来安排基面和主要表面的加工。

（2）先粗后精：当零件需要划分加工阶段时，先安排各表面的粗加工，中间安排半精加工，最后安排主要表面的精加工和光整加工。

（3）先主后次：先加工零件上的装配基面和工作表面等主要表面，后加工键槽、紧固用的光孔与螺纹孔等次要表面。因为次要表面的加工面积较小，它们又往往与主要表面有一定的相互位置要求，所以一般应放在主要表面半精加工之后进行加工。

（4）先面后孔：对于箱体、支架等类零件，由于平面的轮廓尺寸较大，以平面为精基准来加工孔，定位比较稳定可靠，故应先加工平面，后加工孔。

2）热处理工序的安排

热处理工序在工艺路线中的位置安排，主要取决于热处理的目的。一般可分为：

（1）预备热处理：退火与正火常安排在粗加工之前，以改善切削加工性能和消除毛坯的内应力；调质一般应放在粗加工之后、半精加工之前进行，以保证调质层的厚度；时效处理用以消除毛坯制造和机械加工中产生的内应力。对于精度要求不太高的工件，一般在毛坯进入机械加工之前安排一次人工时效即可。对于机床床身、立柱等结构复杂的铸件，应在粗加工前后都要进行时效处理。对一些刚性差的精密零件（如精密丝杠），在粗加工、半精加工和精加工过程中要安排多次人工时效。

（2）最终热处理：主要用以提高零件的表面硬度和耐磨性以及防腐、美观等。淬火、渗碳淬火、淬火—回火等安排在半精加工之后、磨削加工之前进行；氮化处理由于温度低，变形小，且氮化层较薄，故应放在精磨之后进行。表面装饰性镀层、发蓝处理，应安排在机械加工完毕之后进行。

3）辅助工序的安排

检验工序是数控加工主要的辅助工序。在每道工序中，首件一定要检查，尺寸不合格或尺寸不在公差范围之内，修改补偿尺寸后再确认一次。以后加工一定数量，就要进行抽检，如刀具磨损要进行及时的补偿或换新的刀具，防止成批不合格件流向下道工序。除工序自检之外，还要独立安排抽检工序，做到不合格材料不投产，不合格毛坯不加工，不合格工序不转入下道工序。具体的抽检时间顺序安排为：重要和复杂毛坯加工之前；重要和费工时的工序之后；完工、入库之前。

此外，去毛刺、倒钝锐边、去磁、清洗及涂防锈油等都是不可忽视的辅助工序。

安排了加工顺序之后，需将各加工表面的各次加工，按不同的加工阶段和加工顺序组合成若干个工序，从而拟定出零件加工的工艺路线。组合时可采用工序集中或工序分散的原则。

（1）工序集中是把零件的加工集中在少数几道工序内完成。其特点是：

①有利于采用高效的专用设备和工艺装备，生产效率高。

②由于工件装夹次数少，不仅可减少辅助时间，缩短生产周期，而且可在一次安装中加工许多表面，容易保证它们的相互位置精度。

③工序数目少，可以减少机床数量，相应地减少了操作人员数和生产面积，并可简化生产计划和生产组织工作。

（2）工序分散是把零件的加工分散到许多工序内完成。其特点是：

①机床与工艺装备比较简单，容易调整。生产准备工作量小，容易适应产品变换。

②对工人的技术要求低。

③设备数量多，操作工人多，生产面积大。

工序集中与工序分散各有优缺点，应根据生产类型、零件的结构特点与技术要求以及现有设备条件等来确定工序集中或分散的程度。a．单件小批生产宜于工序集中，采用通用机床或数控机床。b．中小批量生产通常采用数控机床（加工中心）加工，一次安装可进行钻、铣、镗等加工，加工方式是工序顺序集中或组织集中。c．大批量生产可采用多刀、多轴等高效、专用机床将工序集中，加工方式是工序平行集中；也可按工序分散组织流水生产，加工方式是工序分散。

数控加工中进给路线对加工时间、加工精度和表面质量有直接的影响。

铣削有顺铣和逆铣两种方式。当工件表面无硬皮，机床进给机构无间隙时，应选用顺铣，用顺铣方式安排进给路线。因为采用顺铣加工，已加工零件表面质量好，刀齿磨损小。精铣时，尤其是零件材料为铝镁合金、钛合金或耐热合金时，应尽量采用顺铣。当工件表面有硬皮，机床的进给机构有间隙时，应选用逆铣，按照逆铣安排进给路线。因为逆铣时，刀齿是从已加工表面切入，不会崩刃；机床进给机构的间隙不会引起振动和“爬行”。

1）铣削外轮廓的进给路线

铣削平面零件外轮廓时，一般是采用立铣刀侧刃切削。刀具切入零件时，应避免沿零件外轮廓的法向切入，以避免在切入处产生刀具的接刀痕，而应沿切削起始点延伸线或切线方向逐渐切入工件，保证零件曲线的平滑过渡。同样，在切离工件时，也应避免在切削终点处直接抬刀，要沿着切削终点延伸线或切线方向逐渐切离工件。如图3．14所示。

图3．14　刀具切入和切出外轮廓的进给路线

2）铣削内轮廓的进给路线

铣削封闭的内轮廓表面时，同铣削外轮廓一样，刀具同样不能沿轮廓曲线的法向进刀和退刀。此时刀具可以沿过渡圆弧切入和切出工件轮廓。图3．15所示为铣切内腔的进给路线。

图3．15　内腔精加工切入／切出路径

3）铣削曲面的进给路线与加工效果

对于曲面加工不论是精加工还是粗加工都有多种切削方式，针对不同的加工零件形状，选择一种进给路径较短的方式。图3．16（b）所示的路径比图3．16（a）的路径短。

图3．16　曲面加工的不同走刀路径

此外还必须考虑残余量大小的一致性，如平行铣削方式，平行X轴方向走刀，垂直走刀路径的曲面上残余量小，平行走刀路径的曲面上残余量大，如图3．17（a）所示。这种粗加工结果不符合精加工切削用量均匀一致的要求。若改用45°方向走刀，效果如图3．17（b）所示，虽然还有局部残余量还比较大，但整体残余量最大值变小，且其一致性比较好。

图3．17　铣削曲面的两种进给路线

曲面精铣时如图3．18所示，使用平头刀和球头刀进给路径相同，但使用平头刀和球头刀的效果是不同的。图3．18（b）是使用球头刀铣削的，圆圈中所示的最大残余量比图3．18（a）用平头刀铣削的最大残余量的值要小，但底面（平面）的铣削用平头刀比球头刀效果好。

图3．18　曲面铣削使用不同类型刀具的不同效果

在高速铣削中选择走刀路径方式，既要考虑刀具路径的长短，又要考虑刀具的受力。高速铣削方式下为了使切削力和脉动都小，在槽切削中通常采用摆线式切削。如图3．19所示。

图3．19　传统切削方式与高速摆线切削方式

4）Z向进给

通常采用二刃键槽铣刀直接进刀，进刀路线短，但该方式进刀速率较小，加工效率不高，而且端面刀刃刀具中心部位的切削速度接近零，刀刃容易损坏。当采用直径较大的镶片立铣刀或高速铣削方式下，当采用坡走铣或螺旋式Z向进刀方式，中心部位刀刃有一定的切削速度，在刀具端面中心部位没有刀刃的情况下，也能连续地Z向进刀，且刀刃不容易损坏。图3．20 （a）所示为坡走铣、图3．20（b）所示为螺旋式Z向进刀方式。高速切削的薄壁件，如图3．21所示。

总之，确定进给路线的原则是在保证零件加工精度和表面粗糙度的条件下，尽量缩短进给路线，以提高生产率。

图3．20　坡走铣与螺旋式Z向进刀方式

图3．21　高速切削的薄壁件示例

工艺路线确定之后，各道工序的内容已基本确定，接下来便可进行工序设计。工序设计时，由于所用机床不同，工序设计的要求也不一样。对普通机床的加工工序，有些细节问题可不必考虑，由操作人员在加工过程中处理。对数控机床的加工工序，针对数控机床高度自动化、自适应性差的特点，要充分考虑到加工过程中的每一个细节，工序设计必须十分严密。

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、刀具的进给路线、加工余量、工序尺寸及其公差、切削用量及工时定额等。

图3．22　工件在空间的六个自由度

1）工件的定位

（1）六点定位原理：工件在空间具有六个自由度，即沿X、Y、Z三个坐标轴方向的移动自由度X、Y、Z和绕X、Y、Z三个坐标轴的转动自由度，如图3．22所示。因此，要完全确定工件的位置，就需要按一定的要求布置六个支承点（即定位元件）来限制工件的六个自由度。其中每个支承点限制相应的一个自由度。这就是工件定位的“六点定位原理”。

如图3．23所示的长方形工件，底面A放置在不在同一直线上的三个支承上，限制了工件的、、Z三个自由度；工件侧面B紧靠在沿长度方向布置的两个支承点上，限制了X、两个自由度；端面C紧靠在一个支承点上，限制了Y自由度。

图3．23　长方形工件的六点定位

图3．24　盘状工件的六点定位

图3．24所示为盘状工件的六点定位情况。平面放在三个支承点上，限制了、、Z三个自由度；圆柱面靠在侧面的两个支承点上，限制了X、Y两个自由度；在槽的侧面放置一个支承点，限制了自由度。

由图3．23和图3．24可知，工件形状、定位表面不同，定位点的布置情况会各不相同。

（2）限制工件自由度与加工要求的关系：根据工件加工表面加工要求的不同，有些自由度对加工要求有影响，有些自由度对加工要求无影响。工件定位时，影响加工要求的自由度必须限制，不影响加工要求的自由度不必限制。

（3）完全定位与不完全定位：工件的六个自由度都被限制的定位称为完全定位（如图3．23、图3．24所示）。工件被限制的自由度少于六个，但不影响加工要求的定位称为不完全定位。

（4）过定位与欠定位：按照加工要求应限制的自由度没有被限制的定位称为欠定位。欠定位是不允许的，因为欠定位保证不了加工要求。工件的一个或几个自由度被不同的定位元件重复限制的定位称为过定位。当过定位导致工件或定位元件变形，影响加工精度时，应严禁采用；但当过定位不影响工件的正确定位，并能提高工件刚度，有利于提高加工精度时，就可以采用。

2）工件的定位方式与定位元件

（1）工件以平面定位：工件以平面作为定位基准时，常用的定位元件如下所述。

①主要支承：主要支承用来限制工件的自由度，起定位作用。

a．固定支承：固定支承有支承钉和支承板两种形式。在使用过程中，可根据坯料的情况（已加工表面或毛坯）选择不同头部结构的支承钉。

b．可调支承：可调支承用于在工件定位过程中，支承钉的高度需要调整的场合。大多用于工件毛坯尺寸、形状变化较大，以及粗加工定位等情况。

c．自位支承（浮动支承）：自位支承是在工件定位过程中，能自动调整位置的支承。相当于一个定位支承点，只限制工件一个自由度。用于提高工件的刚性和稳定性。

②辅助支承：辅助支承用来提高工件的装夹刚性和稳定性，不起定位作用，也不允许破坏原有的定位。

（2）工件以外圆柱面定位：有支承定位和定心定位两种。

图3．25　较长工件定位用V形块

①支承定位：支承定位最常见的是V形块定位。图3．25（a）为常见V形块结构，用于较短工件精基准定位；图3．25（b）用于较长工件粗基准定位；如果定位基准与长度较大，则V形块不必做成整体钢件，而采用铸铁底座镶淬火钢垫，如图3．25 （c）所示。长V形块限制工件的四个自由度，短V形块限制工件的两个自由度。V形块两斜面的夹角有60°、90°和120°三种，其中以90°最为常用。

②定心定位：定心定位能自动地将工件的轴线确定在要求的位置上，如常见的三爪自动定心卡盘和弹簧夹头等。此外也可用套筒作为定位元件。图3．26是套筒定位的实例，图3．26 （a）是短套筒孔，相当于两点定位，限制工件的两个自由度；图3．26（b）是长套筒孔，相当于四点定位，限制工件的四个自由度。

图3．26　套筒定位

图3．27　一面两孔定位

（3）工件以圆孔定位：工件以圆孔内表面定位时，常用定位元件有：定位销、圆柱心轴、圆锥销、锥度心轴等。

（4）工件以一面两孔定位：图3．27为一面两孔定位简图。利用工件上的一个大平面和与该平面垂直的两个圆孔作定位基准进行定位。夹具上如果采用一个平面支承（图中3，限制、和Z三个自由度）和两个圆柱销（都限制X和Y两个自由度）作定位元件，则在两销连心线方向产生过定位（重复限制X自由度）。为了避免过定位，将其中一销做成削边销（见图中2）。削边销不限制X自由度，限制自由度。

3）定位误差

一批工件逐个在夹具上定位时，各个工件在夹具上所占据的位置不可能完全一致，所以加工后各工件的工序尺寸存在误差。这种因工件定位而产生的工序基准在工序尺寸方向上的最大变动量，称为定位误差，用ΔD表示。

（1）定位误差产生的原因

①基准不重合误差：定位基准与设计基准不重合时所产生的加工误差，称为基准不重合误差。在工艺文件上，设计基准已转化为工序基准，设计尺寸已转化为工序尺寸，此时基准不重合误差就是定位基准与工序基准之间尺寸的公差，用ΔB表示。

②基准位移误差：一批工件定位基准相对于定位元件的位置最大变动量（或定位基准本身的位置变动量）称为基准位移误差，用ΔY表示。

（2）常见定位方式的定位误差　①工件以圆柱面配合定位的基准位移误差：a．定位副固定单边接触。b．定位副任意边接触：当心轴垂直放置时，工件可以与心轴任意边接触，此时定位误差为单边接触的双倍（不考虑定位孔与定位心轴间的最小配合间隙时）。

图3．28　工件以外圆在V形块上定位

ΔY＝Dmax－dmin＝TD＋Td（3．1）

式中：TD——工件定位孔直径公差；Td——定位心轴直径公差。

②工件以外圆在V形块上定位的误差：如图3．28所示，工件以外圆在V形块上定位，定位基准是工件外圆轴心线，因工件外圆柱面直径有制造误差，因此产生的工件在垂直方向上的基准位移误差为：

对于图3．28（b）中的三种工序尺寸标注，其定位误差分别为：当工序尺寸标为h1时，因基准重合，ΔB＝0，所以

当工序尺寸标为h2时，工序基准为外圆柱面下母线，与定位基准不重合，两者以（d－Td）／2相联系。所以ΔB＝Td／2。由于工序基准在定位基面上，因此ΔD＝｜ΔY±ΔB｜。符号的确定：当定位基面直径由大变小时，定位基准朝下运动，使h2变大；当定位基面直径由大变小时，假定定位基准不动，工序基准相对于定位基准向上运动，使h2变小。两者变动方向相反，故有：

当工序尺寸标为h3时，工序基准为外圆柱面上母线，基准不重合，误差仍为ΔB＝Td／2；当定位基准面直径由大变小时，ΔB和ΔY都使h3变小，故有：

4）工件的装夹

加工过程中，为保证工件定位时确定的位置正确，防止工件在切削力、离心力、惯性力、重力等作用下产生位移和振动，需将工件夹紧。这种保证加工精度和安全生产的装置，称为夹紧装置。

（1）对夹紧装置的基本要求：夹紧装置的自动化程度及复杂程度应与工件的产量和批量相适应。

①夹紧过程中，不改变工件定位后所占据的正确位置。

②夹紧力的大小适当：既要保证工件在加工过程中其位置稳定不变、震动小，又要使工件不产生较大的夹紧变形。

③操作方便、省力、安全。

（2）夹紧力方向和作用点的选择

①夹紧力应朝向主要定位基准：如图3．29（a）所示，被加工孔与左端面有垂直度要求，因此，要求夹紧力FJ朝向定位元件A面。如果夹紧力改朝B面，由于工件左端面与底面的夹角误差，夹紧时将破坏工件的定位，影响孔与左端面的垂直度要求。又如图3．29（b）所示，夹紧力FJ朝向V形块，使工件的装夹稳定可靠。但是，如果改为朝向B面，则夹紧时工件有可能会离开V形块的工作面而破坏工件的定位。

图3．29　夹紧力朝向主要定位面

②夹紧力方向应有利于减小夹紧力：当夹紧力与切削力、工件重力同方向时，加工过程所需的夹紧力可最小。

③夹紧力的作用点应选在工件刚性较好的方向和部位：这对刚性差的工件特别重要。

④夹紧力的作用点应尽量靠近工件加工面：这样既提高了工件的装夹刚性，又减少了加工过程中的振动。

⑤夹紧力作用点应落在定位支承范围内。

5）夹具的选择

单件小批量生产时，应优先选用组合夹具、通用夹具或可调夹具，以节省费用和缩短生产准备时间。成批生产时，可考虑采用专用夹具，但力求结构简单。

装卸工件要方便可靠，以缩短辅助时间，有条件且生产批量较大时，可采用液动、气动或多工位夹具，以提高加工效率。除上述几点外，还要求夹具在数控机床上安装准确，能协调工件和机床坐标系的尺寸关系。

1）机床刀具

（1）刀具材料应具备的性能：切削时，刀具切削部分不仅要承受很大的切削力，而且要承受切削变形和摩擦所产生的高温。要使刀具能在这样的条件下工作而不至于很快地变钝或损坏，保持其切削能力，就必须使刀具材料具有如下的性能：

①高的硬度和耐磨性：刀具材料的硬度必须远远高于被加工材料的硬度，否则在高温高压下，就不能保持刀具锋利的几何形状。通常刀具材料的硬度都在60HRC以上。

②足够的强度与韧性：刀具切削部分的材料在切削时要承受很大的切削力和冲击力。

③良好的耐热性和导热性：刀具材料的耐热性是指刀具材料在高温下保持其切削性能的能力。

④良好的工艺性：为了便于制造，要求刀具材料有较好的可加工性，包括锻压、焊接、切削加工、热处理、可磨性等。

⑤经济性：选择刀具材料时应注意经济效益，在满足要求的情况下，力求价格低廉。

（2）刀具材料的种类：目前最常用的刀具材料有高速钢和硬质合金。陶瓷材料和超硬刀具材料（金刚石和立方氮化硼）应用也越来越多，它们的硬度很高，具有优良的抗磨损性能，刀具耐用度高，能保证高的加工精度。

①高速钢：高速钢是含有较多的钨、铬、钼、钒等合金元素的高合金工具钢。按用途不同分为通用型高速钢和高性能高速钢。

②硬质合金：硬质合金是由硬度和熔点都很高的碳化物（WC、TiC、TaC、NbC等），用Co、Mo、Ni作粘结剂制成的粉末冶金制品。在国内常用的硬质合金有三大类：钨钴类硬质合金（YG）、钨钛钴类硬质合金（YT）、钨钛钽（铌）类硬质合金（YW）。

③其他刀具材料：有涂层刀具材料、陶瓷、金刚石、立方氮化硼（CBN）。

近年来国内外，硬质合金涂层刀具用地很多，刀具的耐磨性、综合切削性比较好。国际上刀具牌号的分类为：P类加工钢材；M类加工不锈钢等；F类加工铸铁；N类加工有色金属；S类加工耐热合金；H类加工淬过火的高硬材料。

（3）刀具分类：按刀具结构分类，有整体式、焊接式和机夹可转位式刀片等。按刀具切削刃数量划分，可分为单刃刀具、多刃刀具等。

①整体式刀具：使用较多的整体式刀具有高速钢车刀、立铣刀等，如图3．30所示。近年来由于刀具制造技术的发展，整体式硬质合金键槽铣刀、球头铣刀使用越来越多。

图3．30　常见铣削刀具

②焊接式刀具：焊接式刀具结构简单，刚性好，可根据加工要求较方便地刃磨出所需的几何形状，应用十分普遍。但焊接后的硬质合金刀具，经刃磨后易产生内应力和裂纹，使切削性能下降，影响生产率的提高。如图3．31（c）所示。

图3．31　常见的夹固式和焊接式车刀

③机夹可转位刀片式刀具（机夹不重磨式刀具）：以机夹可转位刀片式车刀为例，如图3．31的（a）、（b）所示，这种刀具具有一定几何角度的多边形刀片，以机械紧固的方法，装夹在标准刀杆上。当刀片磨钝后，将夹紧机构松开，将刀片转位后即可继续切削。使用机夹不重磨刀具能提高硬质合金刀具的耐用度和刀片利用率，节约了刀杆和刃磨砂轮的消耗，简化了刀具的制造过程，有利于刀具标准化和生产组织管理。对于旋转刀具，目前也大量采用可转位刀片刀具，如图3．32所示为可转位刀片面铣刀，图3．33所示为可转位刀片球头铣刀。

图3．32　可转位刀片面铣刀

1、4—螺钉；2—起子；3—刀垫；5—内六角扳手

图3．33　可转位刀片球头铣刀

1、4—螺钉；2—起子；3—刀垫；5—内六角扳手

（4）刀具几何角度：刀具切削部分组成要素：刀具种类繁多，结构各异，但其切削部分的几何形状和参数都有共性，总是近似地以普通外圆车刀的切削部分为基础，确定刀具一般性定义，分析刀具切削部分的几何参数。普通外圆车刀刀具角度标注如图3．34所示。夹固式的夹紧机构如图3．35所示。

车刀角度名称：γ0：前角；α0：后角；β0：楔角；Kγ：主偏角；K′γ：副偏角。

图3．34　外圆车刀刀具角度标注

图3．35　夹固式的夹紧机构

（5）刀具的工作角度：上述的刀具角度是在刀具静止参考系中定义的角度，即在不考虑刀具的具体安装情况和运动影响的条件下而定义的刀具标注角度。实际上，在切削加工中，由于进给运动的影响或刀具相对于工件安装位置发生变化时，常常使刀具实际的切削角度发生变化。这种在实际切削过程中起作用的刀具角度，称为工作角度。通常进给运动对刀具角度的影响趋势为前角增大、后角减小。刀尖安装高度高于旋转中心时对刀具角度的影响与进给运动相同，低于则影响相反。

2）刀具的选择

一般优先采用标准刀具，必要时也可采用各种高生产率的复合刀具及其他一些专用刀具。此外，应结合实际情况，尽可能选用各种先进刀具，如可转位刀具、整体硬质合金刀具、陶瓷涂层刀具等。刀具的类型、规格和精度等级应符合加工要求，刀具材料应与工件材料相适应。

（1）对刀具性能的要求：在刀具性能上，数控机床加工所用刀具应高于普通机床加工所用刀具。所以选择数控机床加工刀具时，还应考虑以下几个方面：

①切削性能好：为使刀具在切削粗加工或难加工材料的工件时，能采用大的背吃刀量和高速进给，刀具必须具有能够承受高速切削和强力切削的性能。同时，同一批刀具在切削性能和刀具寿命方面一定要稳定，以便实现按刀具使用寿命换刀或由数控系统对刀具寿命进行管理。

②精度高：为适应数控加工的高精度和自动换刀等要求，刀具必须具有较高的精度。如有的整体式立铣刀的径向尺寸精度高达0．005mm等。

③可靠性高：要保证数控加工中不会发生刀具意外损坏及因潜在缺陷而影响到加工的顺利进行等情况，要求刀具及与之组合的附件必须具有很好的可靠性及较强的适应性。

④耐用度高：数控加工的刀具，不论在粗加工或精加工中，都应比普通机床加工所用刀具具有更高的耐用度，以尽量减少更换（或修磨刀具）及对刀的次数，从而提高数控机床的加工效率，保证加工质量。

⑤断屑及排屑性能好：数控加工中，断屑和排屑不像普通机床加工那样，能及时由人工处理，切屑易缠绕在刀具和工件上，会损坏刀具和划伤工件已加工表面，甚至会发生伤人和设备事故，影响加工质量和机床的顺利、安全运行，所以要求刀具应具有较好的断屑和排屑性能。

（2）立铣刀受力分析：从刀具受力，使用的方便性、经济性，特别是从学生实习的方便性角度来分析。三刃立铣刀的刀刃螺旋角大，切削时对于某一刀刃来讲，刀刃与工件的接触从切入时的一点逐渐增大到最大，然后减小到最小直至离开，当一个刀刃的切削力由大开始减小时另一个刀刃又已经开始切入，刀具受力变化小，受冲击小。二刃键槽铣刀，刀刃的螺旋角小，刀刃一旦切入工件，切削力几乎很快就达到最大值，当一个刀刃离开工件时另一个刀刃可能还没有切入工件，刀具受到的冲击力大。所以工厂里的铣工通常喜欢使用三刃铣刀，因其受冲击力小，铣削过程平稳，震动小，而键槽铣刀主要的一个优点是在精铣键槽时，二刃刀受力对称，铣出的键槽直线性好，通常用于铣削键槽，也是二刃刀被称为键槽铣刀的原因。就使用方便性而言，二刃铣刀能在工件中间进刀，使用三刃铣刀必须在下刀点预先钻孔，因为三刃铣刀在刀具端面中心处有一个刃磨用的顶针孔，刀刃不到中心部，所以Z向不能直接进刀，在CAM加工中，可选择坡走铣或螺旋下刀方式，而二刃铣刀刀刃到中心部，可以Z向直接进刀，所以使用方便，特别是对于学生实习。球头模具铣刀刀刃到中心部，也可以Z向直接进刀。从经济性考虑，普通立铣刀与球头模具立铣刀相比形状简单，要便宜得多。选择原则：二维轮廓的粗、精铣，三维曲面的粗铣选择键槽铣刀或镶片式立铣；三维曲面的精铣为了给后道工序留下较小的抛光余量，选择球头模具立铣刀。

粗加工铣削斜面时在相同的切削深度的情况下，键槽铣刀与球头模具铣刀铣削的残余量大小如图3．36所示。

图3．36　铣刀对残余量大小的影响

3）切削用量的选择

（1）刀具耐用度的定义：刀具由开始切削一直到磨损量达到磨钝标准为止的总切削时间称为刀具耐用度，以符号C来表示。

刀具耐用度与刀具寿命这两个名词含义不同。刀具寿命是表示一把新刀从投入切削起，到报废为止总的实际切削时间，其中包括该刀具多次重磨，因此刀具寿命等于这把刀的刃磨次数（包括新刀开刃）乘以刀具的耐用度。

（2）切削用量与刀具耐用度的关系：切削速度对刀具耐用度影响最大，其次是进给量，最后是切削深度。

（3）金属切除率与切削用量的选择：对于粗加工，要尽可能保证较高的单位时间金属切除量（金属切除率）和必要的刀具耐用度。在车削加工中，单位时间内的金属切除量可以用下式计算：式中：Zω——单位时间内的金属切除量（mm3／s）；v——切削速度（m／s）；f——进给量（mm／r）；ap——切削深度（mm）。

提高切削速度、增大进给量和切削深度，都能提高金属切除率。同时考虑到切削用量与刀具耐用度的关系，所以，在选择粗加工切削用量时，应优先采用大的切削深度，其次考虑采用大的进给量，最后才选择合理的切削速度。

工厂中实际切削用量制定的通常方法是：

①经验估算法：凭工艺人员的实践经验估计切削用量。

②查表修正法：将工厂生产实践和试验研究积累的有关切削用量的资料制成表格，并汇编成册。确定切削用量时根据零件材料、刀具材料从手册中查出切削速度v（m／min）和每转进给量S0（mm／r），以此计算出主轴转速和进给速度，再结合工厂的实际情况进行适当修正。计算公式如下（其中D为刀具直径，n为主轴转速，F为进给速度）：

切削深度应根据工件的加工余量和机床—夹具—刀具—工件系统的刚性来确定。在保留半精加工、精加工必要余量的前提下，应当尽量将粗加工余量一次切掉。只有当总加工余量太大，一次实在切削不完时，才考虑分几次走刀。走刀次数多，从辅助时间来说，是不合适的。粗加工时限制进给量提高的因素是切削力。进给量主要根据机床—夹具—刀具—工件系统的刚性和强度来确定。在工艺系统的刚性和强度好的情况下，可选用大一些的进给量；在切削细长轴类、铣削大平面薄板件等刚性差的零件时，首先要考虑怎样提高加工系统的刚性，切削用量的选择要使加工系统的变形、震动控制在不影响加工精度的范围内。

断续切削时为了减少冲击，应降低一些切削速度和进给量。车削内孔时刀杆刚性差，应适当采用小一些的切削深度和进给量。车削端面时可适当提高一些切削速度，使平均速度接近车削外圆时的数值。

加工大型工件时，机床和工件的刚性较好，可采用较大的切削深度和进给量，但切削速度则应降低，以保证必要的刀具耐用度，同时也使工件旋转时的离心力不致太大。

（4）加工精度、表面质量与切削用量选择的关系：半精加工、精加工时首先要保证加工精度和表面质量，同时应兼顾必要的刀具耐用度和生产效率。

半精加工、精加工时的切削深度根据粗加工留下的余量确定。限制进给量提高的主要因素是表面粗糙度。为了减小工艺系统的弹性变形，减小已加工表面的残留余量的大小，半精加工尤其是精加工时一般多采用较小的切削深度和进给量。在曲面加工和带有曲面的模具加工中，为了保证加工精度，粗加工选择切削用量时，通常采用小切深，快进给。以便给精加工留下均匀一致且比较小的残余量，使得精加工切削时切削力小，工艺系统的弹性变形小，应变引起的切削误差小。在切削深度和进给量确定之后，一般也是在保证合理刀具耐用度的前提下确定合理的切削速度。

为了抑制积屑瘤和鳞刺的产生，以提高表面质量，用硬质合金刀具进行精加工时一般多采用较高的切削速度，高速钢刀具则一般多采用较低的切削速度。例如，硬质合金精车刀的切削速度一般在80～100m／min。

精加工时刀尖磨损往往是影响加工精度的重要因素，因此应选用耐磨性好的刀具材料，并尽可能使之在最佳切削速度范围内工作。

在钻、扩、铰的工序中，通常为了保证孔的位置精度，先打中心孔，然后再钻、扩、铰，扩、铰的加工余量大小还可以根据钻夹头的跳动情况适当修改，一般情况采用附录1表格中的数据即可。当钻夹头的跳动很小时，可减小扩孔加工余量到0．75mm，铰加工余量到0．1mm。在铸铁上加工直径为30mm（或32mm）的孔时，可直接用28mm（或30mm）钻头预钻一次。

但对于具体的数控机床，如小型数控车床、铣床，教学型的数控车床、铣床，应按相应的数控机床的刚性情况减小到所允许的合理切削用量范围内。

（1）何为工艺过程？它对组织生产有何作用？

（2）对零件图进行工艺分析，分析的内容是什么？作用是什么？

（3）粗、精加工基准选择原则是什么？

（4）工序集中与工序分散各有那些优缺点？加工中心加工通常采用哪种方式，为什么？

（5）加工工序安排的主要原则有哪些？

（6）数控机床所用的夹具通常有哪些？其作用是什么？

（7）针对以下不同情况：粗、精加工；大批量、小批量；自动编程、手动编程，刀具、刀具材料的选择原则是什么？

（8）试论述硬质合金、高速钢底基涂层（陶瓷、硬质合金等）、高速钢刀具材料的性能，实际加工中如何选择？

（9）粗、精加工切削用量的选择原则是什么？

（10）试分析进刀方式的选择与加工精度要求和刀具类型的关系。