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1、 摘要 数控是先进制造技术的基础技术.数控加工在现代化生产中显示出很大的优越性.对于现代制造业，数控机床非常适合那些形状复杂、精密和批量小的零件.而一般的普通机床根本无法满足这个要求.就连仿形机床和组合机床也解决不了高精度与小批量这个矛盾.因此数控加工非常适合航空、航天、电力、交通和电子等制造业的零件加工技术.本文主要讲述了数控机床的加工对象，方法，刀具的选用，加工工艺及其维护，实例说明.机床的故障分析及维修方法.浅析了数控技术和装备的发展趋势及对策.关键词：数控系统 加工精度 机床零点 参考点 硬故障 5 轴联动 目 录 第 1 章.1 1.1 数控机床.1 1.2 数控机床的维护.4 第
2、2 章 数控加工与数控系统.8 2.1 数控加工好处.8 2.2 衡量数控系统优、劣的主要指标.9 2.3 数控系统的基本程序.10 2.4 CTX400 车削中心数控加工与编程应用.12 2.5 数控系统的基本概念.18 第 3 章 数控机床刀具选用.21 3.1 数控机床刀具选用.21 3.2 数控加工常用刀具的种类及特点.21 3.3 数控加工刀具的选择.22 3.4 加工过程中切削用量的确定.24 第 4 章 数控车床编程加工工艺处理.26 4.1 数控编程的概念.26 4.2 确定工件的加工部位和具体内容.28 4.3 确定工件的装夹方式与设计夹具.28 4.4 确定加工方案.29
3、4.5 确定切削用量与进给量.32 第 5 章 数控机床的故障分析.35 5.1 NC 系统故障.35 5.1.2 软故障.36 5.2 伺服系统的故障.37 5.3 外部故障.39 第 6 章 数控技术和装备发展趋势及对策.42 6.1 数控技术的发展趋势.42 6.2 基于 UG NX 的非球面镜片五轴数控编程技术.44 6.3 智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势 52 6.4 重视新技术标准、规范的建立.53 6.5 对我国数控技术及其产业发展的基本估计.55 6.6 对我国数控技术和产业化发展的战略思考.57 参考文献.60 第 1 章 数控机床的应用与维护 1 第
4、1 章 数控机床的应用与维护 1.1 数控机床 1.1.1 数控加工的概念 数控机床的工作原理就是将加工过程所需的各种操作（如主轴变速、工件的松开与夹紧、进刀与退刀、开车与停车、自动关停冷却液）和步骤以及工件的形状尺寸用数字化的代码表示，通过控制介质（如穿孔纸带或磁盘等）将数字信息送入数控装置，数控装置对输入的信息进行处理与运算，发出各种控制信号，控制机床的伺服系统或其他驱动元件，使机床自动加工出所需要的工件.所以，数控加工的关键是加工数据和工艺参数的获取，即数控编程.数控加工一般包括以下几个内容：(1)对图纸进行分析，确定需要数控加工的部分；(2)利用图形软件（如CAXA制造工程师）对需要数
5、控加工的部分造型；(3)根据加工条件，选择合适的加工参数，生成加工轨迹（包括粗加工、半精加工、精加工轨迹）；(4)轨迹的仿真检验；(5)生成G代码；(6)传给机床加工.1.1.2 数控机床的特点 (1)具有高度柔性 第 1 章 数控机床的应用与维护 2 在数控机床上加工零件，主要取决于加工程序，它与普通机床不同，不必制造、更换许多工具、夹具，不需要经常调整机床.因此，数控机床适用于零件频繁更换的场合.也就是适合单件、小批生产及新产品的开发，缩短了生产准备周期，节省了大量工艺设备的费用.(2)加工精度高 数控机床的加工精度，一般可达到0.0050.1mm，数控机床是按数字信号形式控制的，数控装置
6、每输出一个脉冲信号，则机床移动部件移动一个脉冲当量（一般为0.001mm），而且机床进给传动链的反向间隙与丝杠螺距平均误差可由数控装置进行补偿，因此，数控机床定位精度比较高.(3)加工质量稳定、可靠 加工同一批零件，在同一机床，在相同加工条件下，使用相同刀具和加工程序，刀具的走刀轨迹完全相同，零件的一致性好，质量稳定.(4)生产率高 数控机床可有效地减少零件的加工时间和辅助时间，数控机床的主轴转速和进给量的范围大，允许机床进行大切削量的强力切削，数控机床目前正进入高速加工时代，数控机床移动部件的快速移动和定位及高速切削加工，减少了半成品的工序间周转时间，提高了生产效率.(5)改善劳动条件 数控
7、机床加工前经调整好后，输入程序并启动，机床就能自动连续的进行加工，直至加工结束.操作者主要是程序的输入、编辑、装卸零件、刀具准备、加工状态的观测，零件的检 第 1 章 数控机床的应用与维护 3 验等工作，劳动强度极大降低，机床操作者的劳动趋于智力型工作.另外，机床一般是封闭式加工，即清洁，又安全.(6)利于生产管理现代化 数控机床的加工，可预先精确估计加工时间，所使用的刀具、夹具可进行规范化、现代化管理.数控机床使用数字信号与标准代码为控制信息，易于实现加工信息的标准化，目前已与计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）有机地结合起来，是现代集成制造技术的基础.1.1.3 数控机床使用中应注意的事
8、项 使用数控机床之前，应仔细阅读机床使用说明书以及其他有关资料，以便正确操作使用机床，并注意以下几点：(1)机床操作、维修人员必须是掌握相应机床专业知识的专业人员或经过技术培训的人员，且必须按安全操作规程及安全操作规定操作机床；(2)非专业人员不得打开电柜门，打开电柜门前必须确认已经关掉了机床总电源开关.只有专业维修人员才允许打开电柜门，进行通电检修；(3)除一些供用户使用并可以改动的参数外，其它系统参数、主轴参数、伺服参数等，用户不能私自修改，否则将给操作者带来设备、工件、人身等伤害；(4)修改参数后，进行第一次加工时，机床在不装刀具和工件的情况下用机床锁住、单程序段等方式进行试运行，确认机
9、床正常后再使用机床；第 1 章 数控机床的应用与维护 4 (5)机床的PLC程序是机床制造商按机床需要设计的，不需要修改.不正确的修改，操作机床可能造成机床的损坏，甚至伤害操作者；(6)建议机床连续运行最多24小时，如果连续运行时间太长会影响电气系统和部分机械器件的寿命，从而会影响机床的精度；(7)机床全部连接器、接头等，不允许带电拔、插操作，否则将引起严重的后果.1.2 数控机床的维护 数控系统是数控机床的核心部件，因此，数控机床的维护主要是数控系统的维护.数控系统经过一段较长时间的使用，电子元器件性能要老化甚至损坏，有些机械部件更是如此，为了尽量地延长元器件的寿命和零部件的磨损周期，防止各
10、种故障，特别是恶性事故的发生，就必须对数控系统进行日常的维护.概括起来，要注意以下几个方面.1.2.1 制订数控系统日常维护的规章制度 根据各种部件特点，确定各自保养条例.如明文规定哪些地方需要天天清理（如CNC系统的输入输出单元光电阅读机的清洁，检查机械结构部分是否润滑良好等），哪些部件要定期检查或更换（如直流伺服电动机电刷和换向器应每月检查一次）.第 1 章 数控机床的应用与维护 5 1.2.2 应尽量少开数控柜和强电柜的门 因为在机加工车间的空气中一般都含有油雾、灰尘甚至金属粉末.一旦它们落在数控系统内的印制线路或电器件上，容易引起元器件间绝缘电阻下降，甚至导致元器件及印制线路的损坏.有
11、的用户在夏天为了使数控系统超负荷长期工作，打开数控柜的门来散热，这是种绝不可取的方法，最终会导致数控系统的加速损坏.正确的方法是降低数控系统的外部环境温度.因此，应该有一种严格的规定，除非进行必要的调整和维修，不允许随便开启柜门，更不允许在使用时敞开柜门.1.2.3 定时清扫数控柜的散热通风系统 应每天检查数控系统柜上各个冷却风扇工作是否正常，应视工作环境状况，每半年或每季度检查一次风道过滤器是否有堵塞现象.如果过滤网上灰尘积聚过多，需及时清理，否则将会引起数控系统柜内温度高（一般不允许超过55），造成过热报警或数控系统工作不可靠.1.2.4 经常监视数控系统用的电网电压 FANUC公司生产的
12、数控系统，允许电网电压在额定值的85%110%的范围内波动.如果超出此范围，就会造成系统不能正常工作，甚至会引起数控系统内部电子部件损坏.第 1 章 数控机床的应用与维护 6 1.2.5 定期更换存储器用电池 FANUC公司所生产的数控系统内的存储器有两种：(1)不需电池保持的磁泡存储器.(2)需要用电池保持的CMOS RAM器件，为了在数控系统不通电期间能保持存储的内容，内部设有可充电电池维持电路，在数控系统通电时，由+5V电源经一个二极管向CMOS RAM供电，并对可充电电池进行充电；当数控系统切断电源时，则改为由电池供电来维持CMOS RAM内的信息，在一般情况下，即使电池尚未失效，也应
13、每年更换一次电池，以便确保系统能正常工作.另外，一定要注意，电池的更换应在数控系统供电状态下进行.1.2.6 数控系统长期不用时的维护 为提高数控系统的利用率和减少数控系统的故障，数控机床应满负荷使用，而不要长期闲置不用，由于某种原因，造成数控系统长期闲置不用时，为了避免数控系统损坏，需注意以下两点：(1)要经常给数控系统通电，特别是在环境湿度较大的梅雨季节更应如此，在机床锁住不动的情况下（即伺服电动机不转时），让数控系统空运行.利用电器元件本身的发热来驱散数控系统内的潮气，保证电子器件性能稳定可靠，实践证明，在空气湿度较大的地区，经常通电是降低故障率的一个有效措施.(2)数控机床采用直流进给
14、伺服驱动和直流主轴伺服驱动的，应将电刷从直流电动机中取出，以免由于化学腐蚀作用，使换向器表面腐蚀，造成换向性能变坏，甚至使整台电动机损 第 1 章 数控机床的应用与维护 7 坏.第 2 章 数控加工与数控系统 8 第 2 章 数控加工与数控系统 2.1 数控加工好处 数控是先进制造技术的基础技术.数控加工在现代化生产中显示出很大的优越性.对于现代制造业，数控机床非常适合那些形状复杂、精密和批量小的零件.而一般的普通机床根本无法满足这个要求.就连仿形机床和组合机床也解决不了高精度与小批量这个矛盾.因此数控加工非常适合航空、航天、电力、交通和电子等制造业的零件加工技术.零件加工面临的一个主要问题是
15、产品的高精度、多样性和批量小的矛盾.这就要求从机床到数控都需要柔性.CNC数控系统由于采用软件控制，具有了很大的柔性.现代的数控机床其突出的优点是可以进行高精度加工和多样化加工，完全可以取代其他的加工方法.由于数控机床是按照预定的程序自动加工，加工过程不需要人工干预，加工精度还可以通过软件进行校正及补偿，因此可以提高零件的加工精度，稳定产品的质量.特别对于多品种、少批量的零件更是如此.另外采用数控机床可以提高生产率，一般可以提高生产效率23倍，对于某些复杂零件的加工精度，生产率可提高10几倍，甚至更高.一些数控机床，具有多工序、自动换刀装置，因此可以实现一机多用，不但提高了生产效率，也能节省厂
16、房面积.现在在我国市场使用较多的FANUC 0系列数控系统就是一种 第 2 章 数控加工与数控系统 9 高精度、全功能的数控系统.它具有较好的柔性，非常适合机械零件的加工.2.2 衡量数控系统优、劣的主要指标 可靠性 这些指标中最重要的是可靠性.可靠性的指标一般采用平均无故障时间(MTBF 单位为小时).有的公司采用故障率(Failure rate 单位为次/月台).数控机床的无故障时间一般为500h，这就要求数控系统的无故障时间大于它.现在国内数控系统的无故障时间可以达到5,00010,000 h，甚至更高，国外为10,000h以上.FANUC公司的FS-O系统的故障率为0.008次/月台.
17、相当于无故障时间为90,000h.功能首先要看数控系统的指令值范围是否满足机床的需要.这些指令值范围包括：最小输入增量、最小指令增量、最大编程尺寸、最大快移速度、进给率范围等.数控机床的分辨率与快速运动的速度以及加工速度范围的指标表示机床的基本要求，也是数控系统的基本指标.这些指标与数控系统的档次有关.分辨率表示系统的插补能力，而考虑整个指令范围时，它还和伺服装置的指标有关.功能主要是否能满足机床的要求.一般数控系统具有两种功能，基本功能和选择功能.前者是数控系统具有的功能，后者是用户选择时才提供的功能，每增加一个选项就要增加一定的价格.因此，为了提高数控机床的经济性，对数控系统的功能一定要根
18、据需要，仔细选择.数控系统的功能与数控系统的类别有关，例如，数控车床与数控铣床的功能就不一样，因此，对于 第 2 章 数控加工与数控系统 10 不同类别的机床要选择不同的系统功能.选择功能时一定要根据数控机床的用途而定，不同档次的系统功能也不同.片面地认为功能越多越好的想法是不对的.在我国的加工车间，一般的数控机床用途比较专业化.因此，不必要选具有很多功能的系统，那样将会增加购买的价格.经济性.2.3 数控系统的基本程序 一般的数控系统都具有3种基本的插补功能，即定位(G00)、直线插补(G01)、圆弧插补(G02，G03).把这3种插补的程序称为基本程序(请见“数控系统的功能”).G00、G
19、O1、G02、G03三种播补功能的程序举出实例说明 例(1)定位插补：其程序为G00 X25.0 Y 10.0；它的路径如图1.图1 G00示例 例(2)直线插补：其程序为(G91)G01 X200.0 Y100.0 F200.0；它的路径如 图 2.第 2 章 数控加工与数控系统 11 图2 G01示例 例(3)圆弧插补：其程序为(的圆弧180)G02 X60.0 Y20.0 R50.0 F300.0；它的路径如图3.图3 G02示例 例(4)圆弧插补：其程序为(的圆弧180)G02 X60.0 Y20.0 R-50.0 F300.0；它的路径如图3.第 2 章 数控加工与数控系统 12 2
20、.4 CTX400 车削中心数控加工与编程应用 2.4.1 CTX400 机床主体结构 CTX400车削中心主要由床身、一体化主轴（主轴H）、卡盘夹持/夹紧装置、Z轴进给驱动、转塔刀架、X轴进给驱动、尾架和复合滑座等部分组成.1.机床技术参数 CTX400E车削中心主轴转速范围是255000 r/min，卡盘直径为200 mm，C轴转速为100 r/min，分度精度0.04，X向快速移动速度为20 m/min，Z向快速移动速度为24m/min.机床配备12个刀位，刀柄为DIN69880标准30规格.最多可配备6把动力刀，动力刀最大直径为13，最高转速为2500 r/min.2.机床的主要特点
21、CTX400E车削中心采用四轴三联动配置，线性轴X/Y/Z及旋转C轴，C轴绕主轴旋转.机床除具备一般的车削功能外，还具备在零件的端面（G17）和外圆面（G19）上进行铣加工的功能.3.机床的操作界面 操作界面分为个菜单，如图1所示.MACHINE菜单用于加工中操作者对机床的各种参数进行设置；DIN PLUS菜单提供操作者手工编制程序的窗口；PARAMETER 菜单提供操作者对加工中刀具、卡盘、夹具和顶尖等进行定义和更改的窗口；SIMULATION 菜单为仿真窗口，通过这个菜单，可以对加工程序进行验证；SERVICE提供服务和维修的快捷方式；TURN PLUS 为自动编程模块.第 2 章 数控加
22、工与数控系统 13 2.4.2 CTX400 数控系统简介 CTX400配置HEIDENHAIN CNC PILOT 3190数控系统，运行在Windows 95环境之下，采用“人机对话，图形支持”方式进行工作.1.会话式编程方式 编程仅需从菜单中选择输入加工材质、零件毛坯、零件精加工形状，在刀库中选择刀具，设定粗、精加工参数等，就可以自动生成刀具路径.由于不必再直接编写各轴的控制指令，与普通的CNC相比较，即使没有编程经验的人员和不能自行确定切削条件的人员都可以在极短的时间内完成程序的编制，因而大幅度缩短了加工准备时间，提高了加工效率.图1 CTX400E操作界面 2.刀具路径模拟及检查 机
23、床通过G17、G18、G19三个视窗对零件加工过程实时显示.通过刀具路径检查可以对加工过程的细节进行验证，并对加工中 第 2 章 数控加工与数控系统 14 出现的非正常状况报警、提示，使程序的确认变得简单化，试切时间大幅度降低.图2为路径模拟的三个不同的角度.图2 CTX400E仿真加工示意图 3.先进的刀具寿命管理 在刀具库中，通过对每把刀具的加工负载和加工时间的记录和模拟，能迅速判断刀具的磨损，适时提醒加工者更换刀具，对于加工零件的精度保证有积极的作用.4.主轴负荷显示 对程序中每把刀具的主轴负荷和旋转速度进行记录，并显示在操作面板上，操作人员可根据主轴负荷情况对切削参数进行仔细分析，达到
24、优化切削参数的效果.5.CNC PILOT3190系统常用G代码 CTX400所配备的数控系统CNC PILOT3190.2.4.3 加工实例 在车削中心上加工如图3所示的零件，首先用程序语言段对车、铣加工外形特征进行描述如下：FERTIGTEIL FINISHED PART 第 2 章 数控加工与数控系统 15 N21 G0 X0 Z0 N22 G1 X66.813 N23 G1 X66.15 Z-19 N24 G1 X0 N25 G0 Z0 N27 STIRT_Y X80 Z0 C0 N28 G308 P-5 N29 G170 X3 Y0 N30 G171 Y-22.804 N31 G17
25、3 X3 Y22.804 R23 N32 G171 X3 Y0 N33 G309 STIRT_Y X80 Z0 C180 N36 G308 P-5 N37 G170 X3 Y0 N38 G171 Y-22.804 N39 G172 X3 Y22.804 R23 N40 G171 X3 Y0 N41 G309 图3 加工零件示意图 第 2 章 数控加工与数控系统 16 针对描述的零件进行加工，先进行车加工，然后采用动力铣刀（直径为10）加工零件端面上的两处凹槽，系统自动生成的G代码如下：BEARBEITUNG MACHINING N44 G59 Z239.681 N45 G26 S2000 N4
26、6 G126 S1500 N48 G14 Q1 N49 T4 N50 G96 S300 G95 F0.25 M4 M108 N51 G0 Z2 N52 G0 X80 N53 G82 X-0.8 Z0.1 K0.5 N54 G0 Z0.1 N55 G82 X-0.8 Z0 K0.1 G95 F0.15 N56 G0 X80 第 2 章 数控加工与数控系统 17 N57 G0 Z100 N58 M5 M109 N59 G14 Q1 N61 G14 Q1 N62 T4 N63 G26 S1500 N64 G96 S500 G95 F0.25 M4 N65 G0 Z2 N66 G0 X80 M108
27、N67 G810 NS21 NE23 P1 I0.2 K0.1 N68 G890 NS21 NE23 G95 F0.2 N69 G0 X100 N70 G0 Z100 N71 M5 M109 N72 G14 Q1 N74 G14 Q1 N75 T3 N76 G197 S1000G195 F0.15M103 N77 G17 N78 M12 N79 G00X0 Y0 N80 G00Z5 N81 G840 Q1 NS28 NE33 H0 R5.5 P-1 K10 N82 G840 Q1 NS36 NE41 H0 R5.5 P-1 K10 N83 G0 X100 第 2 章 数控加工与数控系统 18
28、N84 M13 N85 M105 M109 N86 G14 Q1 ENDE END 2.5 数控系统的基本概念 2.5.1 机床零点 由机床制造商规定的机械原点.2.5.2 参考点 所谓“参考点”是沿着坐标轴的一个固定点，它可以以机床坐标原点为参考基准.2.5.3 返回参考点 定位到参考点的过程称为返回参考点.由手动操作返回参考点的过程称为“手动退回参考点”.而根据规定的G代码自动返回零点的过程称为“自动返回参考点”.图4为一般手动返回参考点的过程.在坐标轴的参考点附近设定一个减速点.第 2 章 数控加工与数控系统 19 图4 手动退回参考点 自动返回参考点由G28指令，在G28的程序段中，存
29、入了指令轴的中间点坐标值.G28程序段的指令操作如下：把指令的轴移向中间点定位(A点向B点).从中间点向参考点定位(B点向R点).如果不是机床锁住状态，返回参考点灯亮.在向参考点和中间点定位时，各轴用快速度移动.该指令一般用以自动换刀(ATC).因此，执行该指令时需要取消刀具半径补偿和刀具长度补偿.返回参考点是制订数控机床与数控系统联接的参考基准.因此是非常重要的.2.5.4 G29 指令的意义 第 2 章 数控加工与数控系统 20 图5 自动退回参考点的过程 G29是从参考点自动返回的指令.它表明指定的轴经过中间点向指定的位置定位的过程.通常在G28或G30(返回第2参考点)之后使用.G29
30、操作如图5中的(4)和(5)；(4)被指定的轴，向G28或G30定义的中间点定位(R点向B点)；(5)从中间点向被指定的点定位(B点向C点)；以快速的速度向中间、指定的点移动.21 第 3 章 数控机床刀具选用 3.1 数控机床刀具选用 数控刀具的选择和切削用量的确定是数控加工工艺中的重要内容，它不仅影响数控机床的加工效率，而且直接影响加工质量.CAD/CAM技术的发展，使得在数控加工中直接利用CAD的设计数据成为可能，特别是 DNC 系统微机与数控机床的联接，使得设计、工艺规划及编程的整个过程全部在计算机上完成，一般不需要输出专门的工艺文件.目前，许多 CAD/CAM 软件包都提供自动编程功
31、能，这些软件一般是在编程界面中提示工艺规划的有关问题，如，刀具选择、加工路径规划、切削用量设定等，编程人员只要设置了有关的参数，就可以自动生成 NC 程序并传输至数控机床完成加工.因此，数控加工中的刀具选择和切削用量确定是在人机交互状态下完成的，这与普通机床加工形成鲜明的对比，同时也要求编程人员必须掌握刀具选择和切削用量确定的基本原则，在编程时充分考虑数控加工的特点，能够正确选择刀刃具及切削用量.3.2 数控加工常用刀具的种类及特点 数控加工刀具必须适应数控机床高速、高效和自动化程度高的特点，一般应包括通用刀具、通用连接刀柄及少量专用刀柄.刀柄要联接刀具并装在机床动力头上，因此已逐渐标准化和系
32、列化.数控刀具 22 的分类有多种方法.根据刀具结构可分为：整体式；镶嵌式，采用焊接或机夹式联接，机夹式又可分为不转位和可转位两种；特殊型式，如复合式刀具、减震式刀具等.根据制造刀具所用的材料可分为：高速钢刀具；硬质合金刀具；金刚石刀具；其他材料刀具，如立方氮化硼刀具、陶瓷刀具等.从切削工艺上可分为：车削刀具，分外圆、内孔、螺纹、切割刀具等多种；钻削刀具，包括钻头、铰刀、丝锥等；镗削刀具；铣削刀具等.为了适应数控机床对刀具耐用、稳定、易调、可换等的要求，近几年机夹式可转位刀具得到广泛的应用，在数量上达到整个数控刀具的 30%40%，金属切除量占总数的 80%90%.数控刀具与普通机床上所用的刀
33、具相比，有许多不同的要求，主要有以下特点：刚性好（尤其是粗加工刀具）、精度高、抗振及热变形小；互换性好，便于快速换刀；寿命高，切削性能稳定、可靠；刀具的尺寸便于调整，以减少换刀调整时间；刀具应能可靠地断屑或卷屑，以利于切屑的排除；系列化、标准化，以利于编程和刀具管理.3.3 数控加工刀具的选择 刀具的选择是在数控编程的人机交互状态下进行的.应根据机床的加工能力、工件材料的性能、加工工序、切削用量以及其它相关因素正确选用刀具及刀柄.刀具选择总的原则是：安装调整方便、刚性好、耐用度和精度高.在满足加工要求的前提下，尽量选择较短的刀柄，以提高刀具加工的刚性.选取刀具时，要使刀具的尺寸与被加工工件的表
34、面尺寸相适应.23 生产中，平面零件周边轮廓的加工，常采用立铣刀；铣削平面时，应选硬质合金刀片铣刀；加工凸台、凹槽时，选高速钢立铣刀；加工毛坯表面或粗加工孔时，可选取镶硬质合金刀片的玉米铣刀；对一些立体型面和变斜角轮廓外形的加工，常采用球头铣刀、环形铣刀、锥形铣刀和盘形铣刀.在进行自由曲面(模具)加工时，由于球头刀具的端部切削速度为零，因此，为保证加工精度，切削行距一般采用顶端密距，故球头常用于曲面的精加工.而平头刀具在表面加工质量和切削效率方面都优于球头刀，因此，只要在保证不过切的前提下，无论是曲面的粗加工还是精加工，都应优先选择平头刀.另外，刀具的耐用度和精度与刀具价格关系极大，必须引起注
35、意的是，在大多数情况下，选择好的刀具虽然增加了刀具成本，但由此带来的加工质量和加工效率的提高，则可以使整个加工成本大大降低.在加工中心上，各种刀具分别装在刀库上，按程序规定随时进行选刀和换刀动作.因此必须采用标准刀柄，以便使钻、镗、扩、铣削等工序用的标准刀具迅速、准确地装到机床主轴或刀库上去.编程人员应了解机床上所用刀柄的结构尺寸、调整方法以及调整范围，以便在编程时确定刀具的径向和轴向尺寸.目前我国的加工中心采用 TSG工具系统，其刀柄有直柄（3 种规格）和锥柄（4 种规格）2 种，共包括 16 种不同用途的刀柄.在经济型数控机床的加工过程中，由于刀具的刃磨、测量和更换多为人工手动进行，占用辅
36、助时间较长，因此，必须合理安排刀具的排列顺序.一般应遵循以下原则：尽量减少刀具数量；一把刀具装夹后，应完成其所能进行的所有加工步骤；粗精加工的刀具应分开使用，即使是相同尺寸规格的刀具；先铣后钻；先进行曲面 24 精加工，后进行二维轮廓精加工；在可能的情况下，应尽可能利用数控机床的自动换刀功能，以提高生产效率等.3.4 加工过程中切削用量的确定 合理选择切削用量的原则是：粗加工时，一般以提高生产率为主，但也应考虑经济性和加工成本；半精加工和精加工时，应在保证加工质量的前提下，兼顾切削效率、经济性和加工成本.具体数值应根据机床说明书、切削用量手册，并结合经验而定.具体要考虑以下几个因素：切削深度
37、t.在机床、工件和刀具刚度允许的情况下，t 就等于加工余量，这是提高生产率的一个有效措施.为了保证零件的加工精度和表面粗糙度，一般应留一定的余量进行精加工.数控机床的精加工余量可略小于普通机床.切削宽度L.一般L与刀具直径d成正比，与切削深度成反比.经济型数控机床的加工过程中，一般 L 的取值范围为：L=（0.60.9）d.切削速度 v.提高 v 也是提高生产率的一个措施，但 v 与刀具耐用度的关系比较密切.随着 v 的增大，刀具耐用度急剧下降，故 v 的选择主要取决于刀具耐用度.另外，切削速度与加工材料也有很大关系，例如用立铣刀铣削合金刚 30CrNi2MoVA 时，v 可采用 8m/min
38、 左右；而用同样的立铣刀铣削铝合金时，v 可选200m/min 以上.主轴转速 n(r/min).主轴转速一般根据切削速度v来选定.计算公式为：v=nd/1000.数控机床的控制面板上一般备有主轴转速修调（倍率）开关，可在加工过程中对主轴转速进行整倍数调整.进给速度 vF.vF 应根据零件的加工精度和表面粗糙度要求以及刀具和工件材料来选择.vF 的增加也可以提高生产效率.加工表面 25 粗糙度要求低时，vF 可选择得大些.在加工过程中，vF 也可通过机床控制面板上的修调开关进行人工调整，但是最大进给速度要受到设备刚度和进给系统性能等的限制.随着数控机床在生产实际中的广泛应用，量化生产线的形成，
39、数控编程已经成为数控加工中的关键问题之一.在数控程序的编制过程中，要在人机交互状态下即时选择刀具和确定切削用量.因此，编程人员必须熟悉刀具的选择方法和切削用量的确定原则，从而保证零件的加工质量和加工效率，充分发挥数控机床的优点，提高企业的经济效益和生产水平.第 4 章 数控车床编程加工工艺处理 26 第 4 章 数控车床编程加工工艺处理 4.1 数控编程的概念 在普通机床上加工零件时，一般是由工艺人员按照设计图样事先制订好零件的加工工艺规程.在工艺规程中制订出零件的加工工序、切削用量、机床的规格及刀具、夹具等内容.操作人员按工艺规程的各个步骤操作机床，加工出图样给定的零件.也就是说零件的加工过
40、程是由人来完成.在由凸轮控制的自动机床或由仿形机床加工零件时，虽然不需要人对它进行操作，但必须根据零件的特点及工艺要求，设计出凸轮的运动曲线或靠模，由凸轮、靠模控制机床运动，最后加工出零件.在这个加工过程中，虽然避免了操作者直接操纵机床，但每一个凸轮机构或靠模，只能加工一种零件.当改变被加工零件时，就要更换凸轮、靠模.因此，它只能用于大批量、专业化生产中.数控机床和以上两种机床是不一样的.它是按照事先编制好的加工程序，自动地对被加工零件进行加工.我们把零件的加工工艺路线、工艺参数、刀具的运动轨迹、位移量、切削参数(主轴转数、进给量、背吃刀量等)以及辅助功能(换刀、主轴正转、反转、切削液开、关等
41、)，按照数控机床规定的指令代码及程序格式编写成加工程序单，再把这程序单中的内容记录在控制介质上(如穿孔纸带、磁带、磁盘、磁泡存储器)，然后输入到数控机床的数控装置中，从而指挥机床加工零件.这种从零件图的分析到制成控制介质的全部过程叫数控程序的 第 4 章 数控车床编程加工工艺处理 27 编制.数控机床与普通机床加工零件的区别在于控机床是按照程序自动加工零件，而普通机床要由人来操作，我们只要改变控制机床动作的程序就可以达到加工不同零件的目的.因此，数控机床特别适用于加工小批量且形状复杂要求精度高的零件.从外观看，数控机床都有 CRT 屏幕，我们可以从屏幕上看到加工各种工艺参数等内容.从内部结构来
42、看，数控机床没有变速箱，主运动和进给运动都是由直流或交流无级变速伺服电动机来完成另外，数控机床一般都有工件测量系统，在加工过程中，可以减工件进行人工测量的次数.所以数控机床在各行各业中的使用将来越普及.由于数控机床要按照程序来加工零件，编程人员编制好程序以后，输入到数控装置中来指挥机床工作.程序的输入是通过控制介质来的.具体的方法有多种，如穿孔纸带、数据磁带、软磁盘及手动输入即 MDI.1、穿孔纸带：它是把数控程序按一定的规则制成穿孔纸带，数控机床通过纸带阅读装置识别信号，进行控制、运算与输出，达到对机床的控制.2、数据磁带：这种方法是将编制好的程序录制在数据磁带上，在加工零件时，再将程序从数
43、据磁带上读出来，从而控制机床动作.3、软磁盘：编程人员在计算机上使用自动编程软件进行编程，然后把计算机与数控机床上的RS232 标准串行接口连接起来，实现计算机与机床之间的通信.这是通过通信方式，把加工指令直接送入数控系统，指挥机床进行加工，提高了系统的可靠性和信息传递效率.4、MDI：MDI 即手动数据输入方式.它是利用数控机床操作面板上的键盘，将编好的程序直接输入到数控系统中，并可以通过显示器显示有关内容.MDI 的特点是输入简单，检验与校核、修改方便，适用于 第 4 章 数控车床编程加工工艺处理 28 形状简单、程序不长的零件.4.2 确定工件的加工部位和具体内容 确定被加工工件需在本机
44、床上完成的工序内容及其与前后工序的联系.工件在本工序加工之前的情况.例如铸件、锻件或棒料、形状、尺寸、加工余量等.前道工序已加工部位的形状、尺寸或本工序需要前道工序加工出的基准面、基准孔等.本工序要加工的部位和具体内容.为了便于编制工艺及程序，应绘制出本工序加工前毛坯图及本工序加工图.4.3 确定工件的装夹方式与设计夹具 根据已确定的工件加工部位、定位基准和夹紧要求，选用或设计夹具.数控车床多采用三爪自定心卡盘夹持工件；轴类工件还可采用尾座顶尖支持工件.由于数控车床主轴转速极高，为便于工件夹紧，多采用液压高速动力卡盘，因它在生产厂已通过了严格的平衡，具有高转速(极限转速可达 40006000r
45、/min)、高夹紧力(最大推拉力为20008000N)、高精度、调爪方便、通孔、使用寿命长等优点.还可使用软爪夹持工件，软爪弧面由操作者随机配制，可获得理想的夹持精度.通过调整油缸压力，可改变卡盘夹紧力，以满足夹持各种薄壁和易变形工件的特殊需要.为减少细长轴加工时受力变形，提高加工精度，以及在加工带孔轴类工件内孔时，可采用液压自动定心中心架，第 4 章 数控车床编程加工工艺处理 29 定心精度可达 0.03mm.4.4 确定加工方案 4.4.1 确定加工方案的原则 加工方案又称工艺方案，数控机床的加工方案包括制定工序、工步及走刀路线等内容.在数控机床加工过程中，由于加工对象复杂多样，特别是轮廓
46、曲线的形状及位置千变万化，加上材料不同、批量不同等多方面因素的影响，在对具体零件制定加工方案时，应该进行具体分析和区别对待，灵活处理.只有这样，才能使所制定的加工方案合理，从而达到质量优、效率高和成本低的目的.制定加工方案的一般原则为：先粗后精，先近后远，先内后外，程序段最少，走刀路线最短以及特殊情况特殊处理.a.先粗后精 为了提高生产效率并保证零件的精加工质量，在切削加工时，应先安排粗加工工序，在较短的时间内，将精加工前大量的加工余量去掉，同时尽量满足精加工的余量均匀性要求.当粗加工工序安排完后，应接着安排换刀后进行的半精加工和精加工.其中，安排半精加工的目的是，当粗加工后所留余量的均匀性满
47、足不了精加工要求时，则可安排半精加工作为过渡性工序，以便使精加工余量小而均匀.在安排可以一刀或多刀进行的精加工工序时，其零件的最终轮廓应由最后一刀连续加工而成.这时，加工刀具的进退刀位置要考虑妥当，尽量不要在连续的轮廓中安排切人和切出或换刀及停顿，以免因切削 第 4 章 数控车床编程加工工艺处理 30 力突然变化而造成弹性变形，致使光滑连接轮廓上产生表面划伤、形状突变或滞留刀痕等疵病.b.先近后远 这里所说的远与近，是按加工部位相对于对刀点的距离大小而言的.在一般情况下，特别是在粗加工时，通常安排离对刀点近的部位先加工，离对刀点远的部位后加工，以便缩短刀具移动距离，减少空行程时间.对于车削加工
48、，先近后远有利于保持毛坯件或半成品件的刚性，改善其切削条件.c.先内后外 对既要加工内表面(内型、腔)，又要加工外表面的零件，在制定其加工方案时，通常应安排先加工内型和内腔，后加工外表面.这是因为控制内表面的尺寸和形状较困难，刀具刚性相应较差，刀尖(刃)的耐用度易受切削热影响而降低，以及在加工中清除切屑较困难等.d.走刀路线最短 确定走刀路线的工作重点，主要用于确定粗加工及空行程的走刀路线，因精加工切削过程的走刀路线基本上都是沿其零件轮廓顺序进行的.走刀路线泛指刀具从对刀点(或机床固定原点)开始运动起，直至返回该点并结束加工程序所经过的路径，包括切削加工的路径及刀具引入、切出等非切削空行程.在
49、保证加工质量的前提下，使加工程序具有最短的走刀路线，不仅可以节省整个加工过程的执行时间，还能减少一些不必要的刀具消耗及机床进给机构滑动部件的磨损等.优化工艺方案除了依靠大量的实践经验外，还应善于分析，必要时可辅以一些简单计算.第 4 章 数控车床编程加工工艺处理 31 上述原则并不是一成不变的，对于某些特殊情况，则需要采取灵活可变的方案.如有的工件就必须先精加工后粗加工，才能保证其加工精度与质量.这些都有赖于编程者实际加工经验的不断积累与学习.4.4.2 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.
50、如必须用数控车床加工时，则要注意程序的灵活安排.安排一些子程序对余量过多的部位先作一定的切削加工.1)对大余量毛坯进行阶梯切削时的加工路线 2)分层切削时刀具的终止位置 3)车螺纹时的主轴转速 数控车床加工螺纹时，因其传动链的改变，原则上其转速只要能保证主轴每转一周时，刀具沿主进给轴(多为Z轴)方向位移一个螺距即可，不应受到限制.但数控车床加工螺纹时，会受到以下几方面的影响：a)螺纹加工程序段中指令的螺距(导程)值，相当于以进给量(mm/r)表示的进给速度 F，如果将机床的主轴转速选择过高，其换算后的进给速度(mm/min)则必定大大超过正常值；b)刀具在其位移的始/终，都将受到伺服驱动系统升