2.2 数控加工工艺概述
机械加工工艺过程是指用材料去除方法改变毛坯的形状、尺寸和表面质量，使其成为达到设计要求的过程。数控机床的加工工艺与普通机床的加工工艺有许多相同之处，遵循的原则基本一致。数控加工的主要内容有：分析零件图样确定工艺过程、数值计算、编写加工程序、校对程序及首件试切。具体步骤说明如下。
（1）分析图样、确定工艺过程
在数控机床上加工零件，工艺人员拿到的原始资料是零件图。根据零件图，可以对零件的形状、尺寸精度、表面粗糙度、工件材料、毛坯种类和热处理状况等进行分析，然后选择机床、刀具，确定定位夹紧装置、加工方法、加工顺序及切削用量的大小。在确定工艺过程中，应充分考虑所用数控机床的指令功能，充分发挥机床的效能，做到加工路线合理、走刀次数少和加工工时短等。此外，还应填写有关的工艺技术文件，如数控加工工序卡片、数控刀具卡片、走刀路线图等。
（2）计算刀具轨迹的坐标值
根据零件图的几何尺寸及设定的编程坐标系，计算出刀具中心的运动轨迹，得到全部刀位数据。一般数控系统具有直线插补和圆弧插补的功能，对于形状比较简单的平面形零件（如直线和圆弧组成的零件）的轮廓加工，只需要计算出几何元素的起点、终点、圆弧的圆心（或圆弧的半径）、两几何元素的交点或切点的坐标值。如果数控系统无刀具补偿功能，则要计算刀具中心的运动轨迹坐标值。对于形状复杂的零件（如由非圆曲线、曲面组成的零件），需要用直线段（或圆弧段）逼近实际的曲线或曲面，根据所要求的加工精度计算出其节点的坐标值。
（3）编写零件加工程序
根据加工路线计算出刀具运动轨迹数据和已确定的工艺参数及辅助动作，编程人员可以按照所用数控系统规定的功能指令及程序段格式，逐段编写出零件的加工程序。编写时应注意：第一，程序书写的规范性，应便于表达和交流；第二，在对所用数控机床的性能与指令充分熟悉的基础上，各指令使用的技巧、程序段编写的技巧。
（4）将程序输入数控机床
将加工程序输入数控机床的方式有：光电阅读机、键盘、磁盘、磁带、存储卡、连接上级计算机的DNC接口及网络等。目前常用的方法是通过键盘直接将加工程序输入（MDI方式）到数控机床程序存储器中或通过计算机与数控系统的通信接口将加工程序传送到数控机床的程序存储器中，由机床操作者根据零件加工需要进行调用。现在一些新型数控机床已经配置大容量存储卡存储加工程序，当做数控机床程序存储器使用，因此数控程序可以事先存入存储卡中。
（5）程序校验与首件试切
数控程序必须经过校验和试切才能正式加工。在有图形模拟功能的数控机床上，可以进行图形模拟加工，检查刀具轨迹的正确性，对无此功能的数控机床可进行空运行检验。但这些方法只能检验出刀具运动轨迹是否正确，不能查出对刀误差、由于刀具调整不当或因某些计算误差引起的加工误差及零件的加工精度，所以有必要经过零件加工的首件试切的这一重要步骤。当发现有加工误差或不符合图纸要求时，应分析误差产生的原因，以便修改加工程序或采取刀具尺寸补偿等措施，直到加工出合乎图样要求的零件为止。随着数控加工技术的发展，可采用先进的数控加工仿真方法对数控加工程序进行校核。
2.2.1 常用刀具基础知识
（1）刀具的材料
一般用作刀杆部分的材料为优质碳素结构钢，常采用45钢。一般用作切削部分的材料如下。
①合金工具钢 含铬、钨、硅、锰等合金元素的低合金工具钢加入合金元素后使硬度及耐磨性得到提高，淬透性较好，这类钢可制造刃形较复杂的低速刀具，如铰刀、拉刀、丝锥等。常用的牌号有CrWMn 、9SiCr、GCr15、Cr12MoV等。
②高速工具钢 简称高速钢，又称白钢和风钢。含有大量的钨、铬、钼、钒等合金元素，形成大量的高硬度碳化物相，淬火后的硬度可达63～70HRC。不但淬火后硬度高，而且耐磨性、淬透性和回火稳定性显著提高；并有足够的韧性；当切削温度高达600℃时能保持切削加工所要求的硬度。除高钒高速钢的磨削加工性能较差外， 高速钢的工艺性也较好。所以在各种刀具材料中高速钢的性能最为理想。用高速钢制造刀具其显著的特点是制造工艺简单、韧性好、易刃磨成锋利的刃口，所以常常用高速钢制造各种复杂精密的刀具。如车刀、铣刀、铰刀和齿轮刀具等。
高速钢是综合性能较好，可以加工从有色金属到高温合金等各种材料，应用范围最广的一种刀具材料。其常用的种类和牌号有以下几种。
a.通用性高速钢。用于加工碳结钢、合结钢和普通铸铁等。常用牌号有W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2、W14Cr4VMnRe等。其中W18Cr4V应用最广。
b.钴高速钢。用于加工高硬合金、不锈钢等难加工材料。常用牌号有W2Mo9Cr4VCo8，其特点是具有良好的综合性能、硬度高（接近于70HRC），但价格较高，一般用于制造各种高精度复杂刀具。
c.超硬高速钢。用于加工调质钢材、高温合金等高难加工材料。常用牌号有W6Mo5Cr4V2Al、W10Mo4CrV3Al两种。这是我国研制成的两种不含稀有金属钴而含廉价铝的新型超硬高速钢。价格比含钴高速钢低得多，可用来制造要求耐用度高、精度高的刀具，如拉刀、滚刀等。
d.粉末冶金高速钢。这是用粉末冶金法生产的高速钢。即用高压氩气或纯氮气雾化熔融的高速钢钢水直接得到细小的高速钢粉末，经高温、高压制成刀具形状或毛坯。因此碳化物晶粒细小，分布均匀、热处理后变形小，硬度、耐磨性、耐热性显著提高且磨削加工性能好，不足之处是成本较高。因此主要用于制造断续切削刀具和精密刀具。如齿轮滚刀、拉刀和成形铣刀等。
③硬质合金 硬质合金是由难熔金属碳化物（如WC、TiC、TaC等）和金属黏合剂（Co、Ni等）经过粉末冶金的方法制成的。其特点是硬度很高，可达74～82HRC；耐磨性和耐热性亦好，它所允许的工作温度可达800～1000℃，甚至更高。所以允许的切削速度比高速钢高几倍到几十倍。可用于高速强力切削和难加工材料的切削加工。其缺点是抗弯强度较低、冲击韧性也较差，工艺性也较高速钢差得多。因此，多用于制造简单的高速切削刀具。用粉末冶金工艺制成一定规格的刀片镶嵌在或者焊接在刀体上进行使用。其常用的种类和牌号如下。
a.常用硬质合金。按化学成分分有钨钴类（YG）、钨钴钛类（YT）、钨钛钽（或铌）类（YW）和碳化钛基硬质合金（YN）四类。常用牌号有YG3、YG6、YG8、YT5、YT15、YT30、YW1、YW2、YN10。
钨钴类主要适用于加工脆性材料如铸铁和有色金属及非金属材料等。其中含钴量多，韧性较好，适用粗加工；相反则适宜精加工。
钨钴钛类适用于高速切削塑性材料及低碳钢等。如果含碳化钛量少而含钴量多适宜粗加工；相反则适宜精加工。
钨钛钽（或铌）类主要适用于加工难切削材料和连续表面。
碳化钛基类主要适用于加工合金钢、工具钢、淬硬钢等连续精加工。
b.钢结硬质合金。由TiC、WC作硬质相、以高速钢作黏合剂组成的一种新型刀具材料，其性能介于高速钢和常用硬质合金之间。钢结硬质合金烧结体经退火后可进行切削加工，经淬火后具有常用硬质合金的高硬度（69～73HRC）和好的耐磨性，可进行锻造和焊接。可用于制造拉刀、铣刀、钻头等形状复杂、耐用度高的刀具。
c.超细晶粒硬质合金。碳化物（WC）晶粒尺寸在1μm以下，Co黏合剂可做到0.2～0.4μm，所以硬度高，韧性好。可用以加工高温合金或高强度合金等难加工材料。
d.涂层硬质合金。在韧性好的硬质合金基体上用气相沉积法等涂覆一层几微米厚且硬度高、耐磨性好的金属化合物（TiC、TiN、ZrC、陶瓷等）而制成的材料称为涂层硬质合金。制成的刀片（粒）适用于无冲击的半精加工和粗加工。
④其他新型刀具材料 随着科学技术的发展，新型刀具材料被不断研制出来，如陶瓷、金属陶瓷、聚晶金刚石、立方氮化硼等超硬材料，用这些材料制成的刀片（粒），用于精加工、半精加工或对特殊材料进行加工，其生产效率和加工质量都很高。
各类刀具常用材料性能见表2-1。
表2-1 各类刀具常用材料性能
金属切削时，刀具材料硬度要大于工件硬度，选用刀具参照表2-2。
表2-2 刀具材料与工件材料选择
（2）刀具的结构
常见刀具的结构，按工作部分组成结构有整体式、焊接式和机械夹固式三种。如图2-5所示。
图2-5 常见刀具结构形式
整体结构是在刀体上做出切削刃；焊接结构是把刀片钎焊到钢的刀体上；机械夹固结构又有两种，一种是把刀片夹固在刀体上，另一种是把钎焊好的刀头夹固在刀体上。硬质合金刀具一般制成焊接结构或机械夹固结构；陶瓷刀具都采用机械夹固结构。
（3）刀具几何角度的选用
各类金属切削刀具形状大不相同，但就刀具的切削部分而言，放大观察是一样的，如图2-6所示。
下面以车刀为例（车刀是单刃切削刀具，便于理解）简述刀具的几何角度及作用。车刀的各部分名称如图2-7所示。车刀的几何角度如图2-8所示。
图2-6 不同刀具切削简化示意图
图2-7 车刀的组成
图2-8 车刀的几何角度示意图
γ0—前角；α0—后角；λs—刃倾角；κr—主偏角；κ'r—副偏角
刀具几何角度的作用及选择原则，见表2-3。
表2-3 刀具几何角度的作用及选择原则
2.2.2 切削液的选用
切削过程中，切屑、刀具和工件相互摩擦会产生很高的切削热。在正确使用刀具的基础上合理选用切削液，可以减少切削过程中的摩擦，从而降低切削温度，减小切削力，减少工件的热变形，对提高加工精度和表面质量尤其是对提高刀具耐用度起着很重要的作用。
（1）切削液的作用
①冷却作用 切削液浇注到切削区域后，通过切削热的热传递和汽化，能吸收和带走切削区大量的热量，而改善散热条件，使切屑、刀具和工件上的温度降低，尤为重要的是降低前刀面上的温度。切削液冷却作用的好坏，取决于它的热导率、比热容、汽化潜热、汽化速度、流量和流速等。一般水溶液的冷却性能最好，油类最差，乳化液介于两者之间而接近于水溶液。
②润滑作用 车削加工时，切削液渗透到工件与刀具、切屑的接触表面之间形成边界润滑而达到润滑作用。所谓边界润滑，就是在切削时，刀具前刀面与切屑接触，接触表面间压力较大，温度较高，使部分润滑膜厚度逐渐减小，直到消失，造成金属表面波峰直接接触。而其余部位，仍保持着润滑膜，从而减小金属直接接触面积，降低摩擦系数。
切削液的润滑性能，直接与形成润滑膜的牢固有关。边界润滑膜具有物理吸附或化学吸附两种结合性质。物理吸附润滑膜主要是靠切削液中的油性添加剂，如动植物油、油酸、胺类、醇类及脂类中极性分子吸附而成。油性添加剂主要应用于低压、低温状态下的边界润滑。在高压、高温边界润滑状态下，即极压润滑状态下，切削液中必须添加极压添加剂形成另外一种性质的润滑膜。常用的极压添加剂含硫、磷、氯、碘等有机化合物。这些化合物与金属表面起化学反应而生成新的化合物薄膜，如硫化铁、氯化亚铁、氯化铁等润滑膜，使边界润滑层有较好的润滑作用。
③清洗作用 浇注切削液能冲、带走在车削过程中产生的碎、细切屑，从而起到清洗、防止刮伤已加工表面和车床导轨面的作用。
④防锈作用 在切削液中加入防锈添加剂，如亚硝酸钠、磷酸三钠和石油磺酸钡等，使金属表面生成保护膜，使机床、工件不受空气、水分和酸等介质的腐蚀，从而起到防锈作用。
（2）常用切削液种类及其选用
常用切削液有水溶液、乳化液和切削油三大类。
①水溶液 主要成分是加入了防锈添加剂的切削液的水，主要起冷却作用。一般用于精车和铰孔等。
②乳化液 是将乳化油用水稀释而成的液体。而乳化油则是由矿物油、乳化剂及添加剂配成的。常用的有三乙醇胺油酸皂、69-1防锈乳化油和极压乳化油等。使用时，按产品说明配制而成。低浓度主要起冷却作用，适用于粗加工；高浓度主要起润滑作用，适用于精加工和复杂工序加工。
③切削油 包括有机械油、轻柴油、煤油等矿物油，还有豆油、菜籽油、蓖麻油、鲸油等动植物油。普通车削、攻螺纹、铰孔等可选用机油；加工有色金属和铸铁时应选用黏度小、浸润性好的煤油与其他矿物油的混合油；自动机床可选用黏度小、流动性好的轻柴油。
总之，切削液的选用应根据工件材料、刀具材料、加工方法和加工要求来确定，而不是一成不变。相反，如果选择不当就得不到应有的效果。
选用切削液参照表2-4。
表2-4 切削液种类及用途
2.2.3 量具的选用
数控加工中常用到的几种量具，见表2-5。
表2-5 常用量具
2.2.4 机床夹具
在数控机床上加工工件时，为了保证加工精度，加工前首先要使工件在机床上有一个正确的位置，即定位，然后将其夹紧。工件定位与夹紧的过程又称为工件的装夹，在机床上用于装夹工件的工艺装备就称为机床夹具。
（1）机床夹具的作用
机床夹具是机械加工过程中必不可少的部分。在机床加工过程中，其最主要的作用是用于装夹工件，使工件在机床上有一个正确的定位。在定位的基础上，机床夹具能起到以下作用。
①有利于保证工件的加工精度。使用夹具能有效保证工件加工质量，提高机床加工精度等级。如在摇臂钻床上使用钻夹具加工平行孔系时，其位置精度可达到0.10～0.20mm，而按普通的划线找正法加工时，其位置精度仅能控制在0.40～1.0mm。同时由于受操作者的影响，同批生产零件的质量也不稳定。
②可扩大机床的工艺范围。如在数控车床的床鞍上或摇臂钻床的工作台上装上镗模，就可以进行箱体或支架类零件的镗孔加工，用以代替镗床加工；在刨床上加装夹具后可代替拉床进行拉削加工等。
③可提高生产率。使用夹具后，不仅可省去划线找正等辅助时间，而且有时还可采用高效率的多件、多位、机动夹紧装置，缩短辅助时间，从而大大提高劳动生产率。
④可减轻劳动强度，如采用气动、电动夹紧。
（2）机床夹具的类型
机床夹具的种类很多，按使用机床的类型可分为车床夹具、铣床夹具、钻床夹具、镗床夹具、加工中心夹具和其他机床夹具等；按驱动夹具工作的动力源可分为手动夹具、气动夹具、液压夹具、电动夹具、磁力夹具、真空夹具和自夹紧夹具等；按其专门化程度，机床夹具一般可分为以下五种类型。
①通用夹具 通用夹具是指夹具的结构、尺寸已经标准化，使用时无需调整或稍加调整就可用于装夹不同工件的夹具。如三爪自定心卡盘、四爪单动卡盘、平口虎钳、万能分度头、顶尖、中心架等。采用这类夹具可缩短生产准备周期，减少夹具品种，从而降低生产成本。其缺点是定位与夹紧费时，生产率较低。通用夹具一般用于单件、小批量的生产。
②专用夹具 专用夹具是针对某一工件的某一加工工序而专门设计和制造的夹具。其最大特点是结构紧凑、操作方便。由于这类夹具是专门为某一工件的某一工序而专门制造的，产品变更后便无法利用，因而只适用于产品固定的大批量生产。
③可调夹具 可调夹具是针对通用夹具和专用夹具的缺陷而发展起来的，它是在加工完某一工件后，通过调整或更换个别元件，即可加工另外一种形状相似、尺寸相近的工件。可调夹具多用于多品种，中、小批生产，有较好的经济效果。
④组合夹具 组合夹具是按一定的工艺要求，由一套通用标准元、部件组合而成的夹具。这种夹具使用结束后可拆卸或重新组装，并且组装迅速。组合夹具能有效缩短生产周期，减少专用夹具的品种和数量，适用于单件、中小批生产及新产品的试制。
⑤随行夹具 随行夹具是在自动加工线中针对某一工件所采用的一种夹具。此类夹具除了担负一般夹具的装夹任务外，还担负着自动加工线输送工件的任务。
（3）机床夹具的组成
机床夹具的种类很多，但它们的组成基本是相同的，主要由定位元件、夹紧装置、连接元件、导向元件和夹具体等几个部分组成。
①定位元件 起定位作用，用于确定工件在夹具中的正确位置。定位元件是夹具的主要功能元件之一，其定位精度将直接影响工件的加工精度。常用的定位元件有支承钉（板）、V形铁、定位销、定位块等。
②夹紧装置 用于保持工件在夹具中的既定位置，使工件在加工时不致因受到切削力、重力、离心力等外力作用而产生移动。夹紧装置也是夹具的主要功能元件之一，通常包括夹紧元件（如压板、压块）、传动装置和动力装置等组成部分。
③连接元件 用来保证夹具和机床工作台之间的相对位置。对于钻床夹具，由于孔加工时只要沿轴向进给就可完成，用导向元件就能保证相对位置，不必再用连接元件定位，所以一般的钻床夹具没有连接元件。
④导向元件 用于确定刀具相对于夹具的位置，并引导刀具进行加工的元件，称为导向元件。
⑤夹具体 是夹具的本体，用来连接夹具上各个元件或装置，使之成为一个整体，并能保证各元件之间的相对位置。夹具体也用来与机床的有关部位相连接。
⑥其他元件或装置 根据加工需要，有些夹具上还可有分度装置、靠模装置、顶出器、定位键及平衡块等其他元件或装置。
数控加工对夹具主要有两点要求：一是要保证夹具本身在机床上安装准确；二是要能协调零件和机床坐标系的尺寸关系。在选择夹具时，一般应注意以下几点：
①夹具的结构力求简单。夹具应尽可能利用通用元件拼装的组合可调夹具，避免采用专用夹具，以缩短生产准备周期。在成批生产时才考虑采用专用夹具，并力求结构简单。
②装卸零件要快速方便，以缩短机床的停顿时间。
③要使加工部位敞开，夹紧机构上的各部件不得妨碍走刀。
④夹具在机床上安装要准确可靠，以保证工件在正确的位置上加工。
知识应用与拓展
1.常用刀具的材料有哪些？适合制作哪些刀具？
2.简述刀具角度对加工的影响。
3.如何选用切削液？
4.如何选用机床夹具？