第1章 多軸數控加工專業知識

1.1 數控加工基本原理

采用數控加工能高效、高精度地加工復雜的零件，特別是曲面較為復雜的型芯和型腔零件。數控的英文全稱為Numerical Control，簡稱NC。由數控系統發出的數字脈沖信號經變換放大后變成脈沖電流，脈沖電流通過伺服電動機能產生運動距離。伺服電動機可以做成旋轉和直線運動兩種形式，因此一個脈沖信號能實現一個旋轉步距角或一個直線移動步距。在一個時段內連續發送脈沖信號，脈沖信號的數量就能精確對應旋轉電動機轉子的轉數。單位時間內的脈沖數量稱為脈沖頻率，控制脈沖頻率就能控制轉子的轉速，所以脈沖信號和能根據脈沖信號做定量運動的伺服電動機是實現數控加工的基本條件。

普通車床是固定在三爪卡盤上的工件隨主軸做旋轉主運動，固定在刀架溜板上的刀具由手工操作做相對工件的二維進給運動進行切削。普通銑床是固定在主軸上的刀具隨主軸做旋轉主運動，裝夾在工作臺上的工件由手工操作相對刀具做三維進給運動進行切削。為了實現數控加工，就按普通機床切削模式用旋轉伺服電動機通過傳動精度較高的同步帶直接驅動主軸做回轉主運動，通過控制脈沖頻率來控制主運動的轉速，從而省去了結構復雜的靠手工操作的變速齒輪箱等。同樣用旋轉伺服電動機傳動精度較高的滾珠絲杠螺母副，把旋轉運動變成直線運動；精度很高的數控機床和高速數控機床直接用直線伺服電動機產生直線運動，把中間環節減至最少。

數控系統由加工程序輸入工具、譯碼器、數據處理器和處理軟件、數據存儲器和脈沖電流輸出工具等組成。加工程序用輸入工具輸入到數控系統，由譯碼器翻譯成處理系統能識別的數據，經軟件分析計算變成智能加工數據，存放在存儲器中。加工時用輸出工具將加工數據變成脈沖電流，輸送給X、Y、Z方向的伺服電動機和主軸伺服電動機，伺服電動機通過傳動機構形成切削主運動和進給運動。測量裝置隨時監測實際主運動和進給運動與加工程序所要求的運動量之間的誤差，并反饋到數控系統，及時修正伺服電動機的轉速，從而精確控制刀具和工件之間的切削運動，這樣就實現了自動切削，使平時由半人工操作的金屬切削變成了用程序控制的切削，這就是數控加工的原理。

在數控機床上加工零件時，首先要將被加工零件的幾何信息和工藝信息數字化。先根據零件加工圖樣的要求確定零件加工的工藝過程、工藝參數、刀具參數，再按數控機床規定采用的代碼和程序格式，將與加工零件有關的信息如工件的尺寸、刀具運動中心軌跡、位移量、切削參數（主軸轉速、切削進給量、背吃刀量），以及輔助操作（換刀、主軸的正轉和反轉、切削液的開和關）等編制成數控加工程序，然后將程序輸入到數控裝置中，經數控裝置分析處理后，發出指令控制機床進行自動加工，其過程如圖1-1所示。

數控加工與普通機床加工在方法與內容上有許多相似之處，其不同點主要表現在控制方式上。在普通機床上加工零件時，是用工藝規程、工藝卡片來規定每道工序的操作程序，操作人員按規定的步驟加工零件。而在數控機床上加工零件時，要把被加工的全部工藝過程、工藝參數和位移數據編制成程序，并以數字信息的形式記錄在控制介質（如穿孔紙帶、磁盤等）上，用它來控制機床加工。因此，與普通機床相比，數控加工具有以下特點。

1. 數控加工工藝內容要求具體而詳細

在使用普通機床加工時，許多具體的工藝問題，如工藝中各工步的劃分與安排、刀具的幾何形狀及尺寸、走刀路線、加工余量、切削用量等，在很大程度上都是由操作人員根據自己的實踐經驗和習慣自行考慮和決定的，一般不需要工藝人員在設計工藝規程時進行過多的規定，零件的尺寸精度也可由試切削來保證。而在數控加工時，原本在普通機床上由操作人員靈活掌握并可通過適時調整來處理的上述工藝問題，不僅成為數控工藝設計時必須認真考慮的內容，而且編程人員必須事先設計和安排好并做出正確的選擇，編入加工程序中。數控工藝不僅包括詳細描述的切削加工步驟，而且還包括夾具型號、規格、切削用量和其他特殊要求的內容。在自動編程中更需要詳細地確定各種工藝參數。

2. 數控加工工藝要求更嚴密、精確

數控機床雖然自動化程度高，但自適應性差。它不像普通機床加工那樣，可以根據加工過程中出現的問題比較靈活自由地進行人為調整。如在攻螺紋時，數控機床不知道孔中是否已擠滿切削，是否需要退刀清理切削再繼續進行，這種情況必須事先由工藝員精心考慮，否則可能導致嚴重的后果。在普通機床上加工零件時，通常是經過多次“試切削”過程來滿足零件的精度要求，而數控加工過程是嚴格按程序規定的尺寸進給的，因此在對圖形進行數學處理、計算和編程時一定要準確無誤，以使數控加工順利進行。

3. 制定數控加工工藝要進行零件圖形的數學處理和編程尺寸設定值的計算

編程尺寸并不是零件圖上設計尺寸的簡單再現，在對零件進行數學處理和計算時，編程尺寸設定值要根據零件的形狀幾何關系重新調整計算，才能確定合理的編程尺寸。

4. 選擇切削用量時要考慮進給速度對加工零件形狀精度的影響

數控加工時，刀具怎么從起點沿運動軌跡走向終點是由數控系統的插補裝置或插補軟件來控制的。根據插補原理可知，在數控系統已定的條件下，進給速度越快，插補精度越低；插補精度越低，工件的輪廓形狀越差。因此，選擇數控加工切削用量時要考慮進給速度對加工零件形狀精度的影響，特別是高精度加工時影響非常明顯。

5. 數控加工工藝的特殊要求

● 由于數控機床較普通機床的剛度高，所配的刀具也較好，因而在同等情況下，所采用的切削用量比普通機床大，加工效率也高。選擇切削用量時要充分考慮這些特點。

● 由于數控機床的功能復合化程度越來越高，因此，工序相對集中是現代數控加工工藝的特點，明顯表現為工藝數目少，工藝內容多，并且由于在數控機床上盡可能安排較復雜的工序，所以數控加工的工序內容要比普通機床加工的工序內容復雜。

● 由于數控加工的零件比較復雜，因此在確定裝夾方式和設計夾具時，要特別注意刀具與夾具、工件的干涉問題。

6. 程序的編寫、校驗與修改是數控加工工藝的一項特殊內容

普通機床加工工藝中劃分工序、選擇設備等重要內容對數控加工工藝來說屬于基本確定的內容，所以制定數控加工工藝的重點在于整個數控加工過程的分析，關鍵在確定進給路線及生成刀具運動軌跡。

1.2 數控銑削加工基本知識

數控銑削是機械加工中最常用和最主要的數控加工方法之一，它除了能銑削普通銑床所能銑削的各種零件表面外，還能銑削普通銑床不能銑削的需要2～5軸坐標聯動的各種平面輪廓和立體輪廓。

1.2.1 三軸數控加工原理

數控銑床的基本組成如圖1-2所示。它由床身、立柱、主軸箱、工作臺、滑鞍、滾珠絲杠、伺服電動機、伺服裝置、數控系統等組成。

床身用于支撐和連接機床各部件。主軸箱用于安裝主軸。主軸下端的錐孔用于安裝銑刀。當主軸箱內的主軸電動機驅動主軸旋轉時，銑刀能夠切削工件。主軸箱還可沿立柱上的導軌在Z向移動，使刀具上升或下降。工作臺用于安裝工件或夾具。工作臺可沿滑鞍上的導軌在X向移動，滑鞍可沿床身上的導軌在Y向移動，從而實現工件在X和Y向的移動。無論是X、Y向，還是Z向的移動都是靠伺服電動機驅動滾珠絲杠來實現的。伺服裝置用于驅動伺服電動機。控制器用于輸入零件加工程序和控制機床工作狀態。控制電源用于向伺服裝置和控制器供電。

1. 數控銑床的工作原理

根據零件形狀、尺寸、精度和表面粗糙度等技術要求制定加工工藝，選擇加工參數。通過手工編程或利用CAM軟件自動編程，將編好的加工程序輸入到控制器。控制器對加工程序處理后，向伺服裝置傳送指令。伺服裝置向伺服電動機發出控制信號。主軸電動機使刀具旋轉，X、Y和Z向的伺服電動機控制刀具和工件按一定的軌跡相對運動，從而實現工件的切削。

2. 數控銑床加工的特點

● 用數控銑床加工零件，精度很穩定。如果忽略刀具的磨損，用同一程序加工出的零件具有相同的精度。

● 數控銑床尤其適合加工形狀比較復雜的零件，如各種模具等。

● 數控銑床自動化程度很高，生產率高，適合加工批量較大的零件。

1.2.2 五軸數控加工原理

要學習五軸數控加工技術，首先需要了解五軸數控加工的原理和特點，所以本節介紹五軸數控加工的原理和應用范圍、特點等。

五軸數控加工就是指在一臺機床上至少有5個坐標軸（3個直線坐標和2個旋轉坐標），而且可在計算機數控系統控制下同時協調運動進行加工。如圖1-3所示為典型的五軸聯動數控機床。

1. 五軸數控加工特點

五軸數控加工中一臺機床至少有5個坐標軸，可在計算機控制下聯合工作，它具有以下特點：

● 可以加工一般三軸數控機床不能加工或很難一次裝夾完成加工的連續、平滑的自由曲面，如航空發動機和汽輪機的葉片、螺旋推進器等，如圖1-4所示。如采用三軸數控機床加工，由于其刀具相對于工件的姿態在加工過程中不能改變，加工某些復雜曲面時，就可能產生干涉和欠加工。而用五軸加工由于刀具的軸線可隨時調整，避免刀具與工件的干涉，并能一次裝夾完成全部加工。

● 可以提高空間自由曲面的加工精度、質量和效率。例如，三軸加工復雜曲面時，多采用球頭銑刀，球頭銑刀以點接觸，切削效率低，刀具/工件姿態在加工過程中不能調整，一般很難保證用球頭上的最佳切削點（即球頭上線速度最高點）進行切削。如果采用五軸機床加工，由于刀具/工件姿態在加工過程中能隨時調整，可獲得更高的切削速度、切削效率和切削質量。

● 符合工件一次裝夾便可完成全部或大部分加工的機床特點。當前，為了進一步提高產品性能和質量，現代產品，不僅航空、航天產品和運載工具，而且包括精密儀器、儀表、運動器械等產品的零件，都越來越多地采用整體材料銑成，而且其上面還有許多各式各樣的復雜曲面和斜孔，如果采用三軸加工，必須經過多次定位安裝才能完成，而采用五軸加工可一次裝夾完成大部分工作。

2. 五軸數控加工機床

和三軸聯動數控機床相比，五軸聯動數控機床多了兩個轉動軸。但是在結構布置方面，往往不僅僅是在三軸聯動數控機床上添加兩個轉動軸就可以的。按照主軸的位置關系五軸數控加工機床可分為以下兩大類。

1）立式五軸加工中心

如圖1-5所示是工作臺回轉的立式五軸加工中心，設置在床身上的工作臺可以環繞X軸回轉，定義為A軸，A軸一般工作范圍為+30°～-120°。工作臺的中間還設有一個回轉臺，在圖示的位置上環繞Z軸回轉，定義為C軸，C軸都是360°回轉。這樣通過A軸與C軸的組合，固定在工作臺上的工件除了底面之外，其余的5個面都可以由立式主軸進行加工。A軸和C軸最小分度值一般為0.001°，這樣又可以把工件細分成任意角度，加工出傾斜面、傾斜孔等。A軸和C軸如與X、Y、Z三直線軸實現聯動，就可加工出復雜的空間曲面，當然這需要高檔的數控系統、伺服系統，以及軟件的支持。這種設置方式的優點是主軸的結構比較簡單，主軸剛性非常好，制造成本比較低。但一般工作臺不能設計太大，承重也較小，特別是當A軸回轉大于等于90°時，工件切削時會對工作臺帶來很大的承載力矩。

另一種是依靠立式主軸頭的回轉，如圖1-6所示。主軸前端是一個回轉頭，能自行環繞Z軸360°，稱為C軸，回轉頭上還帶可環繞X軸旋轉的A軸，一般可達±90°以上，實現上述同樣的功能。這種設置方式的優點是主軸加工非常靈活，工作臺也可以設計得非常大，客機龐大的機身、巨大的發動機殼都可以在這類加工中心上加工。

2）臥式五軸加工中心

如圖1-7所示為傳統的工作臺回轉軸式五軸加工中心，設置在床身上的工作臺A軸一般工作范圍為+20°～-100°。工作臺的中間也設有一個回轉臺B軸，B軸可雙向360°回轉。這種臥式五軸加工中心的聯動特性比較好，常用于加工大型葉輪的復雜曲面。回轉軸也可配置圓光柵尺反饋，分度精度達到幾秒，當然這種回轉軸結構比較復雜，價格也昂貴。

從旋轉軸和直線運動軸之間的關系來看，五軸聯動數控機床的結構形式主要有雙旋轉轉臺機床、雙轉主軸頭機床和一個旋轉工作臺一個旋轉主軸頭機床這樣三大類，如圖1-8～圖1-10所示。

1.2.3 控制軸和加工坐標系

進行數控加工首先要了解控制軸和加工坐標系的相關知識，下面進行簡單介紹。

由數控系統控制的機床運動軸稱為控制軸，如圖1-11所示。數控機床通過各個移動件的運動產生刀具與工件之間的相對運動來實現切削加工。為表示各移動件的移動方位和方向（機床坐標軸），在ISO標準中統一規定采用右手直角坐標系對機床的坐標系進行命名，直線軸用X、Y、Z表示，用A、B、C分別表示繞X、Y、Z的旋轉軸。

確定機床坐標軸時，一般是先確定Z軸，再確定X軸和Y軸。

1. 定Z軸

對于有主軸的機床，如車床、銑床等以機床主軸軸線方向作為Z軸方向。對于沒有主軸的機床，如刨床，則以與裝卡工件的工作臺相垂直的直線作為Z軸方向。如果機床有幾個主軸，則選擇其中一個與機床工作臺面相垂直的主軸作為主要主軸，并以它來確定Z軸方向。

2. 定X軸

X軸一般位于與工件安裝面相平行的水平面內。對于機床主軸帶動工件旋轉的機床，如車床、磨床等，則在水平面內選定垂直于工件旋轉軸線的方向為X軸，且刀具遠離主軸軸線方向為X軸的正方向。對于機床主軸帶動刀具旋轉的機床，當主軸是水平的，如臥式銑床、臥式鏜床等，則規定人面對主軸，選定主軸左側方向為X軸正方向；當主軸是豎直時，如立式銑床、立式鉆床等，則規定人面對主軸，選定主軸右側方向為X軸正方向。對于無主軸的機床，如刨床，則選定切削方向為X軸正方向。

3. 定Y軸

Y軸方向可以根據已選定的Z軸、X軸方向，按右手直角坐標系來確定。

1.2.4 數控銑削加工工藝制定

1. 零件數控加工工藝分析

加工工藝分析就是指對零件的加工順序進行規劃，其具體安排應該根據零件的結構、材料特性、夾緊定位、機床功能、加工部位的數量，以及安裝次數等進行靈活劃分，一般可根據“粗精加工”進行劃分。

● 粗加工階段：粗加工階段是為了去除毛坯上大部分的余量，使毛坯在形狀和尺寸上基本接近零件的成品狀態，這個階段最主要的問題是如何獲得較高的生產率。

● 半精加工階段：半精加工階段是使零件的主要表面達到工藝規定的加工精度，并保留一定的精加工余量，為精加工做好準備。半精加工階段一般安排在熱處理之前進行，在這個階段，可以將不影響零件使用性能和設計精度的零件次要表面加工完畢。

● 精加工階段：精加工階段的目的是保證加工零件達到設計圖樣所規定的尺寸精度、技術要求和表面質量要求。零件精加工的余量都很小，主要考慮的問題是如何達到最高的加工精度和表面質量。

2. 設置加工工藝參數

加工工藝參數的選擇是數控加工關鍵因素之一，它直接影響到加工效率、刀具壽命或零件精度等問題。合理的選擇切削用量要有豐富的實踐經驗才行，在數控編程時，只能憑借編程者的經驗和刀具切削用量的推薦值初步確定，而最終的切削用量將根據刀具數控程序的調試結果和實際加工情況來確定。

合理確定加工工藝參數的原則是粗加工時，為了提高效率，在保證刀具、夾具和機床剛性足夠的條件下，切削用量選擇的順序是：首先把切削深度選大一些，其次選擇較大的進給量，然后選擇適當的切削速度。精加工時，加工余量小，為了保證工件的表面粗糙度，盡可能增加切削速度，這時可適當減少進給量。

● 粗加工：粗加工是大體積切除工件材料，表面質量要求很低。工件表面粗糙度Ra要達到12.5～25μm，可以取軸向切削深度為3～6mm，徑向切深為2.5～5mm，為后續半精加工留1～2mm的加工余量。如果粗加工后直接精加工，則留0.5～1mm的加工余量。

● 半精加工：半精加工是把粗加工后的表面加工得光滑一點，同時切除凹角的殘余材料，給精加工留厚度均勻的加工余量。半精加工后工件表面的粗糙度Ra要達到3.2～12.5μm，軸向切削深度和徑向切削深度可取1.5～2mm，給后續精加工留0.3～0.5mm的加工余量。

● 精加工：精加工是最后達到尺寸精度和表面粗糙度要求的加工。工件的表面粗糙度Ra要達0.8～3.2μm，軸向切削深度可取0.5～1mm，徑向切削深度可取0.3～0.5mm。

1.2.5 銑削加工刀具與材料

1. 刀具材料

刀具材料對刀具使用壽命、加工效率、加工質量和加工成本都有很大影響，因此必須合理選擇。常用的刀具材料包括以下幾種。

1）高速鋼

高速鋼全稱高速合金工具鋼，也稱為白鋼，19世紀研制而成。高速鋼是含有較多鎢、鉬、鉻、釩等元素的高合金工具鋼。具有較高的硬度（熱處理硬度達HRC62～67）和耐熱性（切削溫度可達550～600℃），切削速度比碳素工具鋼和合金工具鋼高1～3倍（因此而得名），刀具耐用度高10～40倍，甚至更多，可以加工從有色金屬到高溫合金范圍的材料。

2）硬質合金

硬質合金是用高耐熱性和高耐磨性的金屬碳化物（碳化鎢、碳化鐵、碳化鉭、碳化鈮等）與金屬粘結劑（鈷、鎳等）在高溫下燒結而成的粉末冶金制品。常用的硬質合金有鎢鈷類（YG類）、鎢鈦鈷類（YT類）和通用型硬質合金（YW類）3類。

● 鎢鈷類硬質合金（YG類）：主要由碳化鎢和鈷組成，抗彎強度和沖擊韌性較好，不易崩刃，很適宜切削切屑呈崩碎狀的鑄鐵等脆性材料；YG類硬質合金的刃磨性較好，刃口可以磨得較鋒利，故切削有色金屬及合金的效果也較好。

● 鎢鈦鈷硬質合金（YT類）：主要由碳化鎢、碳化鈦和鈷組成。由于YT類硬質合金的抗彎強度和沖擊韌性較差，故主要用于切削切屑一般呈帶狀的普通碳鋼及合金鋼等塑性材料。

● 鎢鈦鉭（鈮）鈷類硬質合金（YW類）：在普通硬質合金中加入了碳化鉭或碳化鈮，從而提高了硬質合金的韌性和耐熱性，使其具有較好的綜合切削性能，主要用于不銹鋼、耐熱鋼、高錳鋼的加工，也適用于普通碳鋼和鑄鐵的加工，因此被稱為通用型硬質合金。

3）涂層刀具

涂層刀具是在韌性較好的硬質合金或高速鋼刀具基體上，涂覆一薄層耐磨性高的難熔金屬化合物而獲得的。常用的涂層材料有碳化鈦、氮化鈦、氧化鋁等。碳化鈦的硬度比氮化鈦高，抗磨損性能好，對于會產生劇烈磨損的刀具，碳化鈦涂層較好。氮化鈦與金屬的親和力小，潤濕性能好，在容易產生粘結的條件下，氮化鈦涂層較好。在高速切削產生大量熱量的場合，以采用氧化鋁涂層為好，因為氧化鋁在高溫下有良好的熱穩定性能。

涂層硬質合金刀片的耐用度至少可提高1～3倍，涂層高速鋼刀具的耐用度則可提高2～10倍。加工材料的硬度越高，則涂層刀具的效果越好。

4）陶瓷材料

陶瓷材料是以氧化鋁為主要成分，經壓制成形后燒結而成的一種刀具材料。它的硬度可達到HRA91～95，在1200℃的切削溫度下仍可保持HRA80的硬度。另外，它的化學惰性大，摩擦系數小，耐磨性好，加工鋼件時的壽命為硬質合金的10～12倍。其最大缺點是脆性大，抗彎強度和沖擊韌性低。因此，它主要用于半精加工和精加工高硬度、高強度鋼和冷硬鑄鐵等材料。常用的陶瓷刀具材料有氧化鋁陶瓷、復合氧化鋁陶瓷及復合氧化硅陶瓷等。

5）人造金剛石

人造金剛石是通過合金催化劑的作用，在高溫高壓下由石墨轉化而成的。人造金剛石具有極高的硬度（顯微硬度可達HV10000）和耐磨性，其摩擦系數小，切削刃可以做的非常鋒利。因此，用人造金剛石做刀具可以獲得很高的加工表面質量，多用于在高速下精細車削或鏜削有色金屬及非金屬材料。尤其是用它切削加工硬質合金、陶瓷、高硅鋁合金及耐磨塑料等高硬度、高耐磨性的材料時，具有很大的優越性。

6）立方氮化硼（CBN）

立方氮化硼是由六方氮化硼在高溫高壓下加入催化劑轉變而成的超硬刀具材料。它是20世紀70年代才發展起來的一種新型刀具材料，立方氮化硼的硬度很高（可達到HV8000～9000），并具有很高的熱穩定性（在1370℃以上時才由立方晶體轉變為六面晶體而開始軟化），它最大的優點是在高溫（1200～1300℃）時也不易與鈦族金屬起反應。因此，它能勝任淬火鋼、冷硬鑄鐵的粗車和精車，同時還能高速切削高溫合金、熱噴涂材料、硬質合金及其他難加工材料。

2. 銑刀種類

數控加工中要選擇合適的銑刀類型，刀具類型的選擇直接影響到加工范圍和加工質量，如圖1-12所示。

1）端銑刀

端銑刀是數控銑加工中最常用的一種銑刀，廣泛用于加工平面類零件，如圖1-13所示為兩種最常見的端銑刀。端銑刀除用其端刃銑削外，也常用其側刃銑削，有時端刃、側刃同時進行銑削，端銑刀也可稱為圓柱銑刀。

2）成形銑刀

成形銑刀一般都是為特定的工件或加工內容專門設計制造的，適用于加工平面類零件的特定形狀（如角度面、凹槽面等），也適用于特形孔或臺。如圖1-14所示為幾種常用的成形銑刀。

3）球頭銑刀

適用于加工空間曲面零件，有時也用于平面類零件較大的轉接凹圓弧的補加工。如圖1-15所示是一種常見的球頭銑刀。

1.2.6 切削用量的確定

數控切削用量主要包括“進給速度”、“切削深度”和“切削速度”等。合理選擇切削用量的原則是：粗加工時，一般以提高生產率為主，但也應考慮經濟性和加工成本；半精加工和精加工時，應在保證加工質量的前提下，兼顧切削效率、經濟性和加工成本。具體數值應根據機床說明書切削用量手冊，并結合經驗而定。

1. 進給速度

進給速度表示單位時間內刀具沿進給方向移動的距離，以vf表示。

vf應根據零件的加工精度和表面粗糙度要求，以及刀具和工件材料來選擇。vf的增加也可以提高生產效率。加工表面粗糙度要求低時，vf可選擇得大些。在加工過程中，vf也可通過機床控制面板上的修調開關進行人工調整，但是最大進給速度要受到設備剛度和進給系統性能等的限制。

通常根據主軸轉速、刀具材料、切削毛坯材料等因素，選擇較大的進給率以提高加工效率，一般設定為300～600mm/min。

2. 切削深度

切削時銑刀的端面和一個方向的側面切入工件，端面切入工件的深度稱為軸向切削深度，側面切入工件的深度稱為側向切削深度。

在機床、工件和刀具剛度允許的情況下，背吃刀量就等于加工余量，這是提高生產率的一個有效措施。但是為了保證零件的加工精度和表面粗糙度，一般應留一定的余量進行精加工。在數控加工中，為保證零件必要的加工精度和表面粗糙度，建議留少量的余量（0.2～0.5mm），在最后的精加工中沿輪廓走一刀。粗加工時，除了留有必要的半精加工和精加工余量外，在工藝系統剛性允許的條件下，應以最少的次數完成粗加工。留給精加工的余量應大于零件的變形量和確保零件表面完整性。

3. 切削速度

切削速度表示銑刀的圓周切線速度稱為切削速度，通常用主軸轉速n表示。

提高切削速度也是提高生產率的一個措施，但切削速度與刀具耐用度的關系比較密切。隨著切削速度的增大，刀具耐用度急劇下降，故切削速度的選擇主要取決于刀具耐用度。

通常經驗值高速鋼φ3～φ16mm刀具，一般設置主軸轉速為500～1800r/m，硬質合金刀具為1500～3000r/m（高速加工除外）。

1.3 車削數控加工基本知識

數控車削是數控加工中用得最多的加工方法之一，由于數控車床具有加工精度高、能作直線和圓弧插補，以及在加工過程中能自動變速的特點，因此凡是能在數控車床上裝夾的回轉體零件都能在數控車床上加工。

1.3.1 車削數控加工原理

數控車床主要由5部分組成，如圖1-16所示。

● 機床主機：即數控車床的機械部分，主要包括床身、主軸箱、刀架、尾座、進給傳動機構等。

● 數控系統：即控制系統，是數控車床的控制核心，其中包括CPU、存儲器、CRT等部分。

● 驅動系統：即伺服系統，是數控車床切削工作的動力部分，主要實現主運動和進給運動。

● 輔助裝置：為加工服務的配套部分，如液壓、氣動裝置，冷卻、照明、潤滑、防護和排屑裝置。

● 機外編程器：在普通的計算機上安裝的一套編程軟件，使用這套編程軟件，以及相應的后置處理軟件，就可以生成加工程序。通過車床控制系統上的通信接口或其他存儲介質，把生成的加工軟件輸入到車床的控制系統中，完成零件的加工。

普通車床與數控車床相比，其結構基本相同。但是，在普通車床中，主運動和進給運動的動力都來源于同一臺電動機，它的運動是由電動機經過主軸箱變速，傳動至主軸，實現主軸的轉動，同時經過交換齒輪架、進給箱、光杠或絲杠、溜板箱傳動到刀架，實現刀架的縱向進給移動和橫向進給移動。主軸轉動與刀架移動的同步關系依靠齒輪傳動鏈來保證。而數控車床則與之完全不同，其主運動和進給運動是由不同的電動機來驅動的，即主運動由主軸電動機驅動，主軸采用變頻無級調速的方式進行變速，驅動系統采用伺服電動機驅動，經過滾珠絲杠傳送到機床滑板和刀架，以連續控制的方式，實現刀具的縱向進給運動（Z向）和橫向進給運動（X向）。數控車床主運動和進給運動的同步信號來源于安裝在主軸上的脈沖編碼器，當主軸旋轉時，脈沖編碼器便向數控系統發出檢測脈沖信號，數控系統對脈沖編碼器的檢測信號進行處理后傳給伺服系統中的伺服控制器，伺服控制器再去驅動伺服電動機移動，從而使主運動與刀架的切削進給保持同步。

1.3.2 數控車削加工的用途和加工對象

數控車削能夠加工軸類或盤類的回轉體零件，如圖1-17所示。由于數控車床能自動完成內外圓柱面、圓錐面、圓弧面、端面、螺紋等工序的切削加工，并能進行切槽、鉆孔、鉸孔等加工。所以，除此之外，數控車床還特別適合加工形狀復雜、精度要求高的軸類或盤類零件。

數控車削是數控加工中用得最多的加工方法之一，由于數控車床具有加工精度高、能做直線或圓弧，以及在加工過程中能自動變速等特點，因此其工藝范圍較普通車床寬得多。針對數控車床的特點，下列幾種零件最適合數控車削加工。

1. 輪廓形狀復雜的回轉體零件

由于數控車床具有直線和圓弧插補功能，部分車床數控裝置還有某些非圓曲線插補功能，所以能車削由任意直線和平面曲線組成的形狀復雜的回轉體零件和難于控制尺寸的零件，如具有封閉內成形面的殼體零件。

組成零件輪廓的曲線可以是數控方程式描述的曲線，也可以是列表曲線。對于由直線或圓弧組成的輪廓，直接利用機床的直線或圓弧插補功能。對于由非圓曲線組成的輪廓，可以用非圓曲線插補功能；若所選機床沒有非圓曲線插補功能，則應先用直線或圓弧逼近，然后再用直線或圓弧插補功能進行插補切削。

2. 精度要求高的回轉體零件

由于數控車床的剛性好，制造和對刀精度高，以及能方便和精確地進行人工補償，甚至自動補償，所以能夠加工尺寸精度要求高的零件。一般來說，車削IT7級尺寸精度的零件應該沒有什么困難。在有些場合可以以車代磨。此外，由于數控車削時刀具運動是通過高精度插補運算和伺服驅動來實現的，再加上機床的剛性好和制造精度高，所以它能加工對直線度、圓度、圓柱度要求高的零件。對圓弧及其他曲線輪廓的形狀，加工出的形狀和圖樣上的目標幾何形狀的接近程度，比仿形車床要好得多。數控車削對提高位置精度特別有效，不少位置精度要求高的零件用傳統的車床車削達不到要求，只能用磨削或其他方法彌補。車削零件位置精度的高低主要取決于零件的裝夾次數和機床的制造精度，在數控車床上加工，如果發現要求位置精度較高，可以用修改程序內數據的方法來校正，這樣可以提高其位置精度，而傳統車床上加工是無法做這種校正的。

3. 表面粗糙度要求高的回轉體零件

數控車床具有恒線速度切削功能，能加工出表面粗糙度值小而均勻的零件。因為在材質、精車余量和刀具已定的情況下，表面粗糙度取決于進給量和切削速度。切削速度變化，致使車削后的表面粗糙度不一致。使用數控車床的恒線速度切削功能，就可選用最佳線速度來切削錐面、球面和端面等，使車削后的表面粗糙度值小而均勻。

4. 帶橫向加工的回轉體零件

帶有鍵槽或徑向孔或端面有分布的孔系，以及有曲面的盤套或軸類零件，如帶有法蘭的軸套、帶有鍵槽或方頭的軸類零件等，這類零件適合選擇車削加工中心加工。當然端面有分布的孔系、曲面的盤類零件也可以選擇立式加工中心加工。這類零件如果采用普通機床加工，工序分散，工序數目多。采用加工中心后，由于有自動換刀系統，使得一次裝夾可完成普通車床的多個工序的加工，減少了裝夾次數，實現了工序集中的原則，保證了加工質量的穩定性，提高了生產率，降低了生產成本。

5. 帶特殊螺紋的回轉體零件

普通車床所能車削的螺紋相當有限，它只能車等導程的直、錐面米制或英制螺紋，而且一臺車床只能限定加工若干導程的螺紋。數控車床不但能車削任何等導程的直、錐和端面螺紋，而且能車增導程、減導程及要求等導程與變導程之間平滑過渡的螺紋，還具有高精密螺紋切削功能，再加上一般采用硬質合金成形刀具，以及可以使用較高的轉速，所以車削出來的螺紋精度高，表面粗糙度小。

1.3.3 數控車削加工工藝制定

數控車床是按事先編制好的加工程序對零件進行自動加工的，對于手工編制的加工程序，其水平的高低將直接影響零件的加工質量、生產率和刀具壽命。數控車床是一種高效率的自動化設備，它的效率是普通機床的2～3倍，所以要充分發揮數控機床的這一特點，必須熟練掌握其性能、特點、使用操作方法，同時還必須在編程之前正確地確定加工方案。

1. 加工方案的確定

在數控車床上，能夠完成內外回轉體表面的車削、鉆孔、鏜孔、鉸孔和攻螺紋等加工操作，具體選擇時要根據零件的加工精度、表面粗糙度、材料、結構形狀、尺寸及生產類型等因素，選擇相應的加工方法和加工方案。

1）數控車削外回轉表面及端面的加工方案確定

● 加工精度為IT7～IT8級，表面粗糙度Ra0.8～1.6μm的除淬火鋼以外的常用金屬，可采用普通型數控車床，按粗車、半精車、精車的方案進行。

● 加工精度為IT5～IT6級，表面粗糙度Ra0.2～0.63μm的除淬火鋼以外的常用金屬，可采用精密型數控車床，按粗車、半精車、精車、精細車的方案進行。

● 加工精度高于IT5級，表面粗糙度Ra小于0.08μm的除淬火鋼以外的常用金屬，可采用高檔精密型數控車床，按粗車、半精車、精車、精密車的方案進行。

● 對于淬火鋼等難車削材料，其淬火前可采用粗車、半精車的方法，淬火后安排磨削加工。

2）數控車削內回轉表面的加工方案確定

● 加工精度為IT8～IT9級，表面粗糙度Ra1.6～3.2μm的除淬火鋼以外的常用金屬，可采用普通型數控車床，按粗車、半精車、精車的方案進行。

● 加工精度為IT6～IT7級，表面粗糙度Ra0.2～0.63μm的除淬火鋼以外的常用金屬，可采用精密型數控車床，按粗車、半精車、精車、精細車的方案進行。

● 加工精度高于IT5級，表面粗糙度Ra小于0.08μm的除淬火鋼以外的常用金屬，可采用高檔精密型數控車床，按粗車、半精車、精車、精密車的方案進行。

● 對于淬火鋼等難車削材料，其淬火前可采用粗車、半精車的方法，淬火后安排磨削加工。

2. 加工工序劃分

對于需要多臺不同的數控機床、多道工序才能完成加工的零件，工序劃分自然以機床為單位來進行。而對于需要很少的數控機床就能加工完零件全部內容的情況，數控加工工序的劃分一般可按下列方法進行。

1）以一次安裝所進行的加工作為一道工序

將位置精度要求較高的表面安排在一次安裝下完成，以免多次安裝所產生的安裝誤差影響位置精度。

2）以一個完整數控程序連續加工的內容為一道工序

有些零件雖然能在一次安裝中加工出很多待加工面，但考慮到程序太長，會受到某些限制。

3）以工件上的結構內容組合用一把刀具加工為一道工序

有些零件結構較復雜，既有回轉表面也有非回轉表面，既有外圓、平面也有內腔、曲面。對于加工內容較多的零件，按零件結構特點將加工內容組合分成若干部分，每一部分用一把典型刀具加工。這時可以將組合在一起的所有部位作為一道工序。

4）以粗、精加工劃分工序

對于容易發生加工變形的零件，通常粗加工后需要進行矯形，這時粗加工和精加工作為兩道工序，可以采用不同的刀具或不同的數控車床加工。對毛坯余量較大和加工精度要求較高的零件，應將粗車和精車分開，劃分成兩道或更多的工序。

3. 加工順序的確定

在數控車床上加工零件，應按照工序集中的原則劃分工序，在一次安裝下盡可能完成大部分或全部表面的加工。根據零件的結構形狀不同，通常選擇外圓、端面或內孔、端面裝夾，并力求設計基準、工藝基準和編程原點的統一。在對零件圖進行認真和仔細的分析后，制定加工方案的一般原則為先粗后精、先近后遠、先內后外、程序段最少、走刀路線最短。

1）先粗后精

為了提高生產效率并保證零件的精加工質量，在切削加工時，應先安排粗加工工序，在較短的時間內，將精加工前的大部分加工余量去除掉，同時盡量滿足精加工余量均勻性要求。當粗加工工序安排完后，接著安排換刀后進行的半精加工和精加工，其中安排半精加工的目的是：當粗加工后所留余量的均勻性滿足不了精加工要求時，則可安排半精加工作為過渡性工序，以便使精加工余量小而均勻。

在安排可以一刀或多刀進行的精加工工序時，其零件的最終加工輪廓應由最后一刀連續加工而成。這時，刀具的進、退刀位置要考慮妥當，盡量不要在連續的輪廓中安排切入和切出或換刀及停頓，以免因切削力突然變化而造成彈性變形，致使光滑連接輪廓上產生表面劃傷、形狀突變或滯留刀痕等。

2）先近后遠

先近后遠是指加工部位相對于對刀點的距離大小而言的，一般情況下，特別是在粗加工時，通常安排離對刀點近的部位先加工，離對刀點遠的部位后加工，以便縮短刀具移動距離，減少空行程時間。

3）內外交叉

在加工既有內表面又有外表面需加工的零件時，應先安排進行內外表面粗加工，后進行內外表面精加工，易于控制其內外表面的尺寸和表面形狀的精度。切不可將零件上一部分表面（外表面或內表面）加工完畢后，再加工其他表面。

4）程序段最少

按照每個單獨的幾何要素（直線、斜線和圓弧等）分別編制出相應的加工程序，其構成加工程序的各條程序即程序段。在加工程序的編制工作中，總是希望以最少的程序段數實現零件的加工，以使程序簡潔，減少出錯的幾率及提高編程工作的效率。

由于機床數控裝置普遍具有直線和圓弧插補運算的功能，除了非圓曲線外，程序段數可以由構成零件的幾何要素及由工藝路線確定的各條程序段得到。對于非圓曲線軌跡的加工，所需主程序段數要在保證其加工精度的條件下，進行計算后才能得知。這時，一條非圓曲線應按逼近原理劃分成若干個主程序段（大多為直線或圓弧），當能滿足其精度要求時，所劃分的若干個主程序段的段數仍應為最少。這樣，不但可以大大減少計算的工作量，而且能減少輸入的時間及計算機內存容量的占有數。

5）走刀路線最短

確定走刀路線的工作重點，主要在于確定粗加工及空行程的走刀路線，因精加工切削過程的走刀路線基本上都是沿其零件輪廓順序進行的。走刀路線泛指刀具從對刀點開始運動起，直至返回該點并結束加工程序所經過的路徑，包括切削加工的路徑及刀具引入、切出等非切削空行程。

1.3.4 數控車削用量的選擇

數控車削加工中的切削用量包括背吃刀量αp、主軸轉速n或切削速度vc（用于恒線速度切削）、進給速度vf或進給量f。

1. 切削用量的選用原則

粗車時，應盡量保證較高的金屬切除率和必要的刀具耐用度。選擇切削用量時應首先選取盡可能大的背吃刀量αp，其次根據機床動力和剛性的限制條件，選取盡可能大的進給量 f，最后根據刀具耐用度要求，確定合適的切削速度 vc。增大背吃刀量 αp可使走刀次數減少，增大進給量f有利于斷屑。

精車時，對加工精度和表面粗糙度要求較高，加工余量不大且較均勻。選擇精車的切削用量時，應著重考慮如何保證加工質量，并在此基礎上盡量提高生產率。因此，精車時應選用較小（但不能太小）的背吃刀量和進給量，并選用性能高的刀具材料和合理的幾何參數，以盡可能地提高切削速度。

2.切削用量的選取方法

1）背吃刀量的選擇

粗加工時，除留下精加工余量外，一次走刀盡可能切除全部余量，也可分多次走刀。精加工的加工余量一般較小，可一次切除。在中等功率機床上，粗加工的背吃刀量可達8～10mm；半精加工的背吃刀量取0.5～5mm；精加工的背吃刀量取0.2～1.5mm。

2）進給速度（進給量）的確定

粗加工時，由于對工件的表面質量沒有太高的要求，這時主要根據機床進給機構的強度和剛性、刀桿的強度和剛性、刀具材料、刀桿和工件尺寸，以及已選定的背吃刀量等因素來選取進給速度。精加工時，則按表面粗糙度要求、刀具及工件材料等因素來選取進給速度。

進給速度vf可以按下面的公式計算：

vf=f×n

公式中，f表示每轉進給量，粗車時一般取0.3～0.8mm/r；精車時常取0.1～0.3mm/r；切斷時常取0.05～0.2mm/r。

3）切削速度的確定

切削速度vc可根據己經選定的背吃刀量、進給量及刀具耐用度進行選取。實際加工過程中，也可根據生產實踐經驗和查表的方法來選取。粗加工或工件材料的加工性能較差時，宜選用較低的切削速度。精加工或刀具材料、工件材料的切削性能較好時，宜選用較高的切削速度。切削速度vc確定后，可根據刀具或工件直徑（D）按公式n=l000vc/πD來確定主軸轉速n（r/min）。

1.4 數控線切割加工基本理論

1.4.1 線切割機床的加工原理

電火花切割加工簡稱“線切割”，它是利用移動著的細金屬絲（銅絲或鉬絲）作工具電極，并在金屬絲與工件之間通以脈沖電流，利用脈沖放電的電腐蝕作用對工件進行切割加工的。其加工原理如圖1-18所示，電極絲4穿過工件5上預先鉆好的小孔，經導輪3由貯絲桶2帶動做往復交替移動。工件通過絕緣板7安裝在工作臺上，由數控裝置1按加工程序發出指令，控制兩臺步進電機11，以驅動工作臺在水平面上沿X、Y兩個坐標方向移動而合成任意平面曲線軌跡。由高頻脈沖發生器8對電極絲與工件施加脈沖電壓，噴嘴6將工作液以一定的壓力噴向加工區，當脈沖電壓擊穿電極絲和工件之間的間隙時，兩者之間隨即產生電火花放電而切割工件，圖中9、10分別為液壓泵和油箱。

線切割有許多無可比擬的優點，如線切割具有加工余量小、加工精度高、生產周期短、制造成本低等突出優點，線切割已在生產中獲得廣泛的應用。電火花線切割加工能正常運行，必須具備下列條件：

● 鉬絲與工件的被加工表面之間必須保持一定間隙，間隙的寬度由工作電壓、加工量等加工條件而定。

● 電火花線切割機床加工時，必須在有一定絕緣性能的液體介質中進行，如煤油、皂化油、去離子水等，要求較高絕緣性是為了利于產生脈沖性的火花放電，液體介質還有排除間隙內電蝕產物和冷卻電極的作用。鉬絲和工件被加工表面之間保持一定間隙，如果間隙過大，極間電壓不能擊穿極間介質，則不能產生電火花放電；如果間隙過小，則容易形成短路連接，也不能產生電火花放電。

● 必須采用脈沖電源，即火花放電必須是脈沖性、間歇性，在脈沖間隔內，使間隙介質消除電離，使下一個脈沖能在兩極間擊穿放電。

1.4.2 線切割加工特點與應用范圍

1. 線切割加工特點

線切割加工具有很多優點，發展速度很快，得到了廣泛的應用，其優點如下。

1）加工精度高

線切割是通過高溫熔化或氣化局部金屬而達到材料的切除，因此工件和電極之間沒有切削力，工件不存在力學變形。線切割采用移動的電極絲進行加工，因此電極絲在單位長度上的損耗較少，對加工精度的影響也小。線切割加工自動化程度高，可以對影響加工精度的加工參數（脈沖寬度、脈沖間隙、加工電流）進行調節和控制，提高切割精度。

2）加工形狀復雜的零件

線切割可以加工其他方法難以加工或根本無法加工的零件，如凸輪、異形槽、沖模等外形復雜的精密零件和狹縫，尺寸精度可達到±0.01mm，表面粗糙度Ra為1.25～2.5μm。

3）材料的利用率高

線切割加工的切縫很窄，只對工件進行輪廓切割加工，實際的金屬的腐蝕量很小，材料的利用率高，適合于貴重金屬的加工。

2. 線切割加工應用

線切割廣泛應用于加工各種硬質合金和淬火鋼格沖模、樣板、各種外形復雜的精細小零件、窄縫等，并可多件疊加起來加工，能獲得一致的尺寸。因此，線切割工藝為新產品試制、精密零件和模具的制造開辟了一條新的途徑。具體的應用如下：

● 加工各種模具，如凸、凹模，粉末冶金。

● 加工成形工具，如加工帶錐度型腔的電極板、微細復雜形狀的電極和各種形狀的樣板、成形刀具。

● 加工微細孔、槽、窄縫、激光器件等。

● 各種稀有金屬和貴重金屬的加工。

● 加工各種由直線組成的直紋面，如圓錐面、螺旋面及各種二維曲面等。

● 同時切割凹凸模。利用線切割機的錐度切割功能，可一次加工出達到所需配合間隙的一幅沖裁模具。

1.4.3 四軸數控線切割加工原理

如圖1-19所示為四軸線切割加工原理圖，在NC控制裝置的作用下，工作臺做X-Y方向的移動，上、下導向器做U-V方向移動，構成四軸聯動控制，使電極絲傾斜一定的角度，從而實現錐度切割和上、下異形截面形狀的加工。

1.4.4 線切割加工工藝內容

利用線切割機床進行加工時，經常會遇到如何解決加工速度與表面粗糙度的矛盾、加工速度的提高與減少電極絲損耗的矛盾，以及如何避免斷絲等。要正確解決這些問題，就必須制定出合理的線切割加工工藝。線切割加工工藝的制定包括以下內容。

1. 電極絲

電極絲的粗細影響切割縫隙的寬窄，電極絲直徑越小，切縫越小。電極絲直徑最小的可達φ0.05，但太小時，電極絲強度太低容易折斷。一般采用直徑為0.1～0.3mm的電極絲。

2. 電極絲移動速度

根據電極絲移動速度的大小分為高速走絲線切割和低速走絲線切割。低速走絲線切割的加工質量高，但設備費用、加工成本也高。高速走絲時，電極線采用高強度鉬絲，鉬絲以8～10m/s的速度做往復運動，加工過程中鉬絲可重復使用。低速走絲時，多采用銅絲，電極絲以小于0.2m/s的速度做單方向低速移動，電極絲只能一次性使用。

3. 切割起點與切割路線的選擇

切割起點是起始切割點，往往也是幾何圖形的終止點。起點選擇不當會使工件切割表面留下痕跡。起始點應盡量選在幾何圖形的拐角處；起始點應盡量選在工件表面粗糙度值要求高的一側，且盡可能選在工件切割后容易修磨的表面上。

切割路線的選擇主要以防止或減少工件變形為原則，一般應考慮靠近裝夾這一邊圖形為最后切割為宜。一般情況下，最好將工件與夾持部分分割的線段安排在切割路線的末端。

4. 穿絲孔的選擇

穿絲孔是工件上為穿過電極絲而預先鉆出的小孔。穿絲孔的大小應便于鉆孔或鏜孔加工，不宜過大或過小，一般在3～10mm范圍內取整數值。穿絲孔常用做加工基準，因此，穿絲孔一般在較高精度的機床上進行，或采用電火花穿孔，以保證穿絲孔的位置、尺寸精度。

5. 電參數的選擇

脈沖寬度越寬加工效率越高，加工越穩定，但表面粗糙度值會增大，反之亦然。因此，根據不同工件的加工要求選擇合適的脈沖寬度。

脈沖間隔小，使切割速度提高，但會給排屑帶來困難，加工不穩定。脈沖間隔大，使排屑有充裕的時間，使切割速度下降。

放電峰值的選擇會影響切割速度和斷絲。低速走絲機床峰值電流一般為100～150A，最大達1000A。工件較厚、粗切削時采用較大的放電峰值電流。

空載電壓的大小會直接影響到放電間隙的大小，進而引起切割速度和加工精度的變化，對斷絲影響也較大。當電極絲直徑較小（0.1mm）、切縫較窄，或要減小加工面腰鼓形時，應選較低的空載電壓。當要改善拐角的塌角時，應盡量選擇較高的空載電壓，一般低速走絲機床選150V。

1.5 本章小結

本章簡要介紹了數控銑削、車削、線切割加工的基本原理，以及加工工藝參數的設置。讀者通過學習，將對數控加工的專業知識有一個大致的了解，為后面的多軸數控加工學習打下基礎。