数控车削加工工艺制订技巧研究

由于数控车削过程是由程序控制自动完成的，因此在数控编程之前，首先要制订合理的加工工艺，包括定位装夹方案、工序、进给路线、刀具、切削用量等内容的确定，才能编制出正确合理的加工程序，保证零件的加工质量并提高加工效率。

1.数控车削加工工艺的主要内容

1）分析图样，明确加工内容和技术要求。

2）制订加工方案，确定工序和装夹方式。

3）制订工艺路线。

4）选择合适的夹具、刀具，确定合理的切削用量。

2.零件图工艺分析

分析零件图是工艺制订中的首要工作，主要包括以下内容：

（1）结构工艺性分析 即根据数控车削的特点，分析零件结构设计的合理性，判断是否便于加工成形，发现问题后应及时向设计人员提出修改意见。

（2）轮廓几何要素分析 即分析零件图上几何要素的给定条件是否充分，尺寸缺陷和尺寸错误容易给编程带来困难。

（3）精度及技术要求分析 这一步工作是零件图工艺分析的重要内容，只有在分析零件加工精度和表面粗糙度的基础上，才能对加工方法、装夹方式、刀具及切削用量进行正确合理的选择。

精度及技术要求分析的主要内容：

1）分析精度及各项技术要求是否齐全、合理。

2）分析本工序的数控车削加工精度能否达到图样要求，若达不到，需采取其他措施（如磨削）弥补，则应给后续工序留有加工余量。

3）找出图样上有位置精度要求的表面，这些表面应尽量在一次安装下完成。

4）对表面粗糙度要求较高的表面，应确定用恒线速切削。

3.工序和装夹方式的确定

在数控车床上加工零件，应按工序集中的原则划分工序，在一次安装下尽可能完成大部分甚至全部表面的加工。根据零件的结构形状不同，通常选择外圆、端面或内孔、端面装夹，并力求设计基准、工艺基准和编程原点的统一。在批量生产中，常用下列几种方法划分工序：

（1）以一次定位装夹能够进行的加工划分工序 将位置精度要求较高的表面安排在一次安装下完成，以免多次安装所产生的安装误差影响位置精度。

（2）按照刀具可以完成的加工内容划分工序 对于加工内容较多的零件，可以按照零件的结构特点将这些内容分为若干部分，将可以使用同一把刀具完成的内容作为一道工序。

（3）按粗、精加工划分工序 对毛坯余量较大和加工精度要求较高的零件，应将粗车和精车分开，划分成两道或多道工序。如果条件允许，在批量生产时，可以将粗车安排在精度较低、功率较大的数控车床上，将精车安排在精度较高的数控车床上。

下面以车削图2-1a所示的手柄零件为例，说明工序的划分及装夹方式的选择。

图2-1 手柄零件及加工示意图

该零件加工所用坯料为ϕ30mm的棒料，批量生产，加工时用一台数控车床。工序的划分及装夹方式如下：

1）夹棒料外圆面，粗、精车端面和ϕ16mm及ϕ24mm的两外圆面，如图2-1b所示。

2）用ϕ16mm外圆装夹，车端面，保证总长要求。

3）先粗车外圆至ϕ26.4mm，如图2-1c所示，然后粗车圆弧面。

4）将圆弧表面连续精车成形，如图2-1d所示。

4.加工顺序的确定

制订零件车削加工顺序一般遵循下列原则：

（1）先粗后精 按照粗车—半精车—精车的顺序进行，逐步提高加工精度。通过粗车，在较短的时间内将工件表面上的大部分加工余量切掉，一方面提高金属切除率，另一方面满足精车的余量均匀性要求。若粗车后所留余量的均匀性满足不了精加工的要求时，则要安排半精车，以此为精车作准备。通过精车，保证零件加工精度和表面质量，满足图样要求。

（2）内外交叉 对既有内腔型面，又有外表面需加工的零件，安排加工顺序时，应先进行内外表面粗加工，后进行内外表面精加工。将零件上的一部分表面全部加工完毕后，再加工其他表面的加工进给路线是不可取的。

（3）保证工件刚性 在同一次安装中，应该优先安排对零件的刚性破坏小的工序。

（4）同一把刀具尽量连续加工 此原则的含义是指在加工中能够使用同一把刀具加工的型面最好集中在一起连续进行加工，以便减少换刀次数，缩短刀具移动的空行程距离。当此原则与“先粗后精”原则相矛盾时，以满足加工精度和表面粗糙度要求为准。

5.进给路线的确定

进给路线泛指刀具从换刀点开始运动，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切入、切出等非切削空行程。

由于精加工切削过程的进给路线基本上都是沿着零件轮廓顺序进行的，因此确定进给路线的工作重点，主要在于确定粗加工及空行程的进给路线。

在保证加工质量的前提下，使加工过程具有最短的进给路线，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及机床进给机构滑动部件的磨损。

进给路线的确定一般要遵循以下原则：在保证零件加工精度和表面粗糙度的前提下，尽量缩短进给路线，并减少空行程。

实现最短的进给路线，除了依靠大量的实践经验外，还应善于分析，必要时可进行一些简单计算。

（1）最短的空行程路线

1）合理设置起刀点。图2-2为粗车外圆和锥面的进给路线。A点为换刀点，如果将它设为起刀点，如图2-2a所示，每一刀切削完毕都返回该点，然后进行下一刀切削，空行程太长；如果将起刀点设置在毛坯附近的B点，可以有效地缩短空行程，如图2-2b所示。

图2-2 粗车外圆和锥面的进给路线

a）进给路线一 b）进给路线二

2）合理安排返回换刀点路线。在选择返回换刀点指令时，在不发生加工干涉现象的前提下，宜尽量采用X、Z坐标轴双向同时“回零”指令，减少空行程。

（2）最短的切削进给路线 切削进给路线为最短，可有效地提高生产率，减少刀具的磨损。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。

粗车图2-3所示的零件，有两种切削进给路线，图2-3a为采用G71循环指令的切削进给路线，图2-3b为采用G73循环指令的切削进给路线，通过比较，前一种路线较短，可以优先采用。

图2-3 切削进给路线比较

a）G71循环指令的切削进给路线 b）G73循环指令的切削进给路线

（3）完工轮廓的连续精车进给路线 在安排零件的精加工工序时，零件的完工轮廓应尽量由最后一刀连续加工而成。要合理安排刀具的进、退刀位置，尽量不要在连续的轮廓中安排切入和切出或换刀及停顿，以免因切削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、形状突变或明显的接刀痕。

6.夹具的选择

为了充分发挥数控机床高效、高精度的优势，应该选择合适的夹具对工件进行正确的定位和装夹。数控车床的夹具分为通用夹具和专用夹具。通用夹具是指能够装夹两种或两种以上工件的同一夹具，例如三爪自定心卡盘、四爪单动卡盘、弹簧夹套、通用心轴等；专用夹具是专门为加工某一指定工件的某一工序而设计的夹具。

（1）三爪自定心卡盘 三爪自定心卡盘是车床上最常用的通用夹具，它最大的优点是可以自动定心，夹持范围大，装夹速度快，但定心精度存在误差，不适合同轴度要求高的工件的二次装夹。三爪自定心卡盘主要用来装夹假定横截面为圆形、正六边形的中小型轴类、盘套类工件，当工件直径较大用正爪不便装夹时，可换上反爪进行装夹，如图2-4所示。

图2-4 三爪自定心卡盘结构

a）外形 b）内部构造 c）反爪形式

1—卡爪 2—大锥齿轮 3—小锥齿轮 4—反爪

工件用三爪自定心卡盘装夹时必须装正夹牢，夹持长度一般不小于10mm。在车床开动时，工件不能有明显的摇摆、跳动，否则要重新装夹或找正。

三爪自定心卡盘有机械式和液压式两种。液压卡盘装夹迅速、方便，但夹持范围变化小，尺寸变化大时需重新调整卡爪位置。液压卡盘适合批量加工。

（2）四爪单动卡盘 四爪单动卡盘的四个卡爪可独立移动，适用于装夹方形、椭圆形或形状不规则的较大型工件，夹紧力较大，装夹精度较高；装夹工件时，需要分别调整四个卡爪，所以不如三爪自定心卡盘装夹方便。四爪单动卡盘在装夹时应根据工件被装夹处的尺寸调整卡爪，且工件被夹持部分不宜太长。

（3）心轴 车削空心轴时常用圆柱心轴、圆锥心轴或各种锥套轴等。(www.xing528.com)

（4）两顶尖拨盘 两顶尖定位的优点是定心正确可靠，安装方便。顶尖的作用是定心、承受工件的重量和切削力。顶尖分为前顶尖和后顶尖，前顶尖与主轴一起旋转，后顶尖插入尾座套筒。工件由主轴上的拨盘带动旋转。这类夹具在粗车时可以传递足够大的转矩，以适应主轴高速旋转车削。

7.刀具的选择

刀具的选择是数控加工工艺设计中的重要内容之一。刀具选择的合理与否不仅影响机床的加工效率，而且还直接影响加工质量。选择刀具通常要考虑机床的加工能力、工序内容、工件材料等因素。

（1）刀具材料的性能 与传统的车削方法相比，数控车削对刀具的要求更高。不仅要求精高度、刚性好、寿命长，而且要求尺寸稳定、安装调整方便。这就要求采用新型优质材料制造数控加工刀具，并优选刀具参数。

刀具材料应具备以下基本性能：

1）高硬度。刀具材料的硬度必须高于被加工工件材料的硬度，这是刀具材料应该具备的基本性能。高速钢的硬度一般为63～70HRC，硬质合金的硬度为89～93HRA。

2）足够的强度和韧性。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，这就要求刀具材料必须具有足够的强度和韧性。

3）高耐磨性和耐热性。刀具材料的耐磨性是指抵抗磨损的能力，耐热性通常是指材料在高温下保持较高硬度的能力，即高温硬度，或“红硬性”。耐热性差的刀具材料，由于高温下硬度显著下降，因而会很快磨损乃至发生塑性变形，丧失切削能力。

此外，刀具材料还应该具有良好的导热性、工艺性、经济性、抗粘接性和化学稳定性等。选择刀具材质，主要依据被加工工件的材料，被加工表面的精度、表面质量要求，切削载荷的大小以及切削过程中有无冲击和振动等。

（2）常用刀具材料 车刀刀片的材料主要有高速钢、硬质合金、涂层硬质合金、陶瓷、立方氮化硼和金刚石等。其中应用最多的是高速钢和硬质合金。

1）高速钢。高速钢是综合性能较好的一种刀具材料，热处理后硬度可达62～66HRC，抗弯强度约3.3GPa，耐热性为600℃左右，可以承受较大的切削力和冲击力。此外，高速钢还具有热处理变形小、能锻造、易磨出较锋利的刃口等优点。高速钢品种繁多，常见的有W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2、W9Mo3Cr4V等。

2）硬质合金。硬质合金是用高硬度、难熔的金属化合物（WC、TiC、TaC、NbC等）粉末与Co、Mo、Ni等金属粘结剂烧结而成的粉末冶金制品。硬质合金中的高温碳化物的含量超过高速钢，具有硬度高、熔点高、化学稳定性和热稳定性好等特点，切削效率是高速钢刀具的5～10倍。硬质合金的缺点是韧性差、脆性大，承受冲击和振动的性能差。常用的硬质合金有钨钴类硬质合金、钨钛钴类硬质合金、通用硬质合金、碳化钛基硬质合金等。

（3）车刀的种类和用途 由于工件材料、生产批量、加工精度以及机床类型、工艺方案的不同，车刀的种类也非常繁多。

根据与刀体的连接固定方式的不同，车刀主要可分为焊接式与机夹可转位两大类。

1）焊接式车刀。将硬质合金刀片用焊接的方法固定在刀体上称为焊接式车刀。这种车刀的优点是结构简单，制造方便，刚性较好；缺点是由于存在焊接应力，使刀具材料的使用性能受到影响，甚至出现裂纹。另外，刀杆不能重复使用，刀片不能充分回收利用，造成刀具材料的浪费。

根据工件加工表面以及用途不同，焊接式车刀又可分为切断刀、外圆车刀、端面车刀、内孔车刀、螺纹车刀以及成形车刀等，如图2-5所示。

图2-5 焊接式车刀的种类

1—切断刀 2—90°左偏刀 3—90°右偏刀 4—弯头车刀 5—直头车刀 6—成形车刀 7—宽刃精车刀 8—外螺纹车刀 9—端面车刀 10—内螺纹车刀 11—内槽车刀 12—通孔车刀 13—不通孔车刀

2）机夹可转位车刀。机夹可转位车刀的结构如图2-6所示，机夹可转位车刀由刀杆1、刀片2、刀垫3以及夹紧元件4组成。刀片每边都有切削刃，当某切削刃磨损钝化后，只需松开夹紧元件，将刀片转一个位置便可继续使用。图2-7为数控车削加工中几种常见的机夹可转位车刀。

刀片是机夹可转位车刀的一个最重要组成元件。按照国标GB/T 2076—2007，大致可分为带圆孔、带沉孔以及无孔三大类，形状有三角形、正方形、五边形、六边形、圆形以及菱形等共17种。图2-8所示为常见的几种刀片形状及角度。

按车刀刀头的形状，数控车削常用的车刀一般分为三类，即尖形车刀、圆弧形车刀和成形车刀。

图2-6 机夹可转位式车刀结构

1—刀杆 2—刀片 3—刀垫 4—夹紧元件

①尖形车刀。以直线形切削刃为特征的车刀一般称为尖形车刀。这类车刀的刀尖（同时也为其刀位点）为直线形的主、副切削刃的交点，如90°内、外圆车刀，左、右端面车刀，切槽（断）车刀及刀尖倒棱很小的各种外圆和内孔车刀。用这类车刀加工零件时，其零件的轮廓形状主要由一个独立的刀尖和一条直线形主切削刃位移后得到。

图2-7 数控车削加工中几种常见机夹可转位车刀

a）外圆车刀 b）内孔车刀 c）螺纹车刀

图2-8 常见的机夹可转位车刀刀片形状及角度

a）T型 b）F型 c）W型 d）S型 e）P型 f）D型 g）R型 h）C型

②圆弧形车刀。圆弧形车刀是较为特殊的数控加工用车刀。其特征是：主切削刃为一圆度误差或轮廓误差很小的圆弧。该圆弧上的每一点都是圆弧形车刀的刀尖。因此，刀位点不在圆弧上，而在该圆弧的圆心上，编程时要进行刀具半径补偿。圆弧形车刀可以用于车削内、外表面，特别适宜于车削精度要求较高的凹曲面或较大的外圆弧面。

③成形车刀。成形车刀俗称样板车刀，其加工零件的轮廓形状完全由车刀切削刃的形状和尺寸决定。数控车削加工中，常见的成形车刀有小半径圆弧车刀、非矩形车槽刀和螺纹车刀等。在数控加工中，应尽量少用或不用成形车刀，当确实有必要选用时，则应在工艺文件或加工程序单上进行详细说明。

8.切削用量的选择

数控车削加工中的切削用量包括：背吃刀量、主轴转速或切削速度（用于恒线速切削）、进给速度或进给量。

（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，尽可能选取较大的背吃刀量，以减少进给次数、提高生产率。当零件的精度要求较高时，则应考虑适当留出精车余量，其所留精车余量一般比普通车削时所留余量少，常取0.1～0.5mm。

（2）主轴转速n的确定

1）光车时的主轴转速。光车时主轴转速应根据零件上被加工部位的直径、零件和刀具的材料及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，如果数控车床采用的是交流变频调速电动机，由于其低速输出力矩小，因而所选择的切削速度不能太低。

实际编程时，切削速度v_c确定后，主轴转速n（r/min）可根据式（2-1）计算得出

2）车螺纹时的主轴转速。在车螺纹时，车床的主轴转速将受到螺纹的螺距（或导程）大小、驱动电动机的升降频特性及螺纹插补运算速度等多种因素影响，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车螺纹时的主轴转速如下

式中 P——工件螺纹的螺距或导程，单位为mm；

k——保险系数，一般取为80。

（3）进给速度或进给量的确定 进给速度是指在单位时间内，刀具沿进给方向移动的距离，单位为mm/min。进给量是指主轴每旋转一周，刀具沿进给方向移动的距离，单位为mm/r。

1）确定进给速度或进给量的原则。

①粗车时，为提高生产率，在满足工艺系统强度和刚性要求的前提下，可选择较高的进给速度或较大的进给量，进给量一般取为0.2～0.8mm/r。

②切断、车削深孔或精车时，宜选择较低的进给速度或较小的进给量，进给量一般取为0.05～0.3mm/r。

③刀具空行程，特别是远距离“回零”时，可以设定较高的进给速度或较大的进给量。

④进给速度或进给量应与主轴转速和背吃刀量相适应。

表2-1为硬质合金车刀粗车外圆及端面的进给量参考值。

2）进给速度的计算。

①单向进给速度v_f的计算。单向进给速度包括纵向进给速度和横向进给速度，其值按v_f=nf计算（式中，f为进给量，n为转速）。

②合成进给速度v_fH的计算。合成进给速度是指刀具作合成（斜线及圆弧插补等）运动时的进给速度，如加工零件的锥面和圆弧面时，刀具的进给速度由纵、横两个坐标轴同时运动的速度决定，即

表2-1 硬质合金车刀粗车外圆及端面的进给量参考值

注：1.加工断续表面及有冲击的工件时，表中进给量应乘系数k=0.75～0.85。

2.在无外皮加工时，表中进给量应乘系数k=1.1。

3.加工耐热钢及合金时，进给量不大于1mm/r。

4.加工淬硬钢时，进给量应减小。当钢的硬度为44～56HRC时，乘系数k=0.8；当钢的硬度为57～62HRC时，乘系数k=0.5。