第3章 数控加工概论
内容提要
数控加工过程
数控车削加工
数控铣削加工
加工中心数控加工
数控夹具
正确的数控加工程序不仅应该保证加工出符合要求的合格工件，同时也应该使数控机床的功能得到合理的应用与充分的发挥，以便数控机床能安全、可靠、高效地工作。数控加工过程是一个比较复杂的工艺决策过程。此外，制定数控车削、数控铣削和加工中心的加工工艺、进行工艺分析、选择数控夹具和数控刀具等均是本章学习的重点。
3.1 数控加工过程
3.1.1 数控加工的概念和步骤
数控加工就是根据零件图样及工艺要求等原始条件，编制零件数控加工程序，并输入到数控机床的数控系统，以控制数控机床中刀具与工件的相对运动，从而完成零件的加工。
虽然数控加工与传统的机械加工相比，在加工的方法和内容上有许多相似之处，但由于采用数字化的控制形式和数控机床，许多传统加工过程中的人工操作被计算机和数控系统自动控制所取代。
数控加工过程如图3-1所示，其具体步骤为：
图3-1 数控加工过程
（1）阅读零件图纸，充分了解图纸的技术要求，如尺寸精度、形位公差、表面粗糙度、工件等加工要求。
（2）根据零件图纸的要求进行工艺分析，其中包括零件的结构工艺性分析、材料和设计精度合理性分析、大致工艺步骤等。
（3）根据工艺分析制定出加工所需要的一切工艺信息，如：加工工艺路线、工艺要求、刀具的运动轨迹、位移量、切削用量（主轴转速、进给量、吃刀深度）及辅助功能（换刀、主轴正转或反转、切削液开或关）等，并填写加工工序卡和工艺过程卡。
（4）根据零件图和制定的工艺内容，再按照所用数控系统规定的指令代码及程序格式进行数控编程。
（5）将编写好的程序通过传输接口，输入到数控机床的数控装置中。调整好机床并调用该程序后，就可以加工出符合图纸要求的零件。
3.1.2 典型数控系统
1.日本FANUC系列数控系统（如图3-2所示）
图3-2 FANUC-0i数控系统面板
FANUC公司生产的CNC产品主要有FS3、FS6、FS0、FS10/11/12、FS15、FS16、FS18、FS21/210等系列。目前我国的用户主要使用的有FS0、FS15、FS16、FS18、FS21/210等系列。
2.德国SIEMENS公司的SINUMERIK系列CNC系统（如图3-3所示）
图3-3 SIEMENS 810D数控系统面板
SINUMERIK系列CNC系统有很多系列和型号，主要有SINUMERIK3、SINUMERIK8、SINUMERIK810/820、SINUMERIK850/880和SINUMERIK840等产品。
3.华中数控系统（HNC）（如图3-4所示）
图3-4 华中Ⅰ型数控铣削系统上电屏幕
HNC系统是我国武汉华中数控系统有限公司生产的国产型数控系统。该系统是我国八六三计划的科研成果在实践中应用的成功项目，已开发和应用的产品有HNC-Ⅰ和HNC-2000两个系列共计十六种型号等。
3.1.3 数控加工的一般操作流程
数控加工的操作过程是指加载毛坯，定义工序加工的对象，设计刀具，定义加工的方式并生成相应的加工程序，然后依据加工过程的内容，如加工对象的具体参数、刀具的导动方式、切削步距、主轴转速、进给量、切削角度、进退刀点、干涉面及安全平面等详细内容来确立刀具轨迹的生成方式；仿真加工后对刀具轨迹进行相应的编辑修改、复制等；待所有的刀具轨迹设计合格后，进行后处理生成相应数控系统的加工代码进行DNC传输与数控加工，其具体流程如图3-5所示。
图3-5 数控编程加工一般操作流程图
3.2 数控车削加工
数控车床是目前使用最广泛的数控机床之一。数控车床主要用于加工轴类、盘类等回转体零件。通过数控加工程序的运行，可自动完成内外圆柱面、圆锥面、成形表面、螺纹和端面等工序的切削加工，并能进行车槽、钻孔、扩孔、铰孔等工作。车削中心可在一次装夹中完成更多的加工工序，提高加工精度和生产效率，特别适合复杂形状回转类零件的加工。针对回转体零件加工的数控车床，在车削加工工艺、车削工艺装备、编程指令应用等方面都有鲜明的特色。
数控车床的工艺装备
由于数控车床的加工对象多为回转体，一般使用通用三爪卡盘夹具（如图3-6所示），因而在工艺装备中，我们重点讨论车削刀具的选用及使用问题。
图3-6 卡盘夹具
1.数控车床可转位刀具特点
数控车床所采用的可转位车刀，与通用车床相比一般无本质的区别，其基本结构、功能特点是相同的。但数控车床的加工工序是自动完成的，因此对可转位车刀的要求又有别于通用车床所使用的刀具，其具体要求和特点如表3-1所示。
表3-1 可转位车刀特点
2.数控车床刀具的选刀过程
数控车床刀具的选刀过程，从对被加工零件图样的分析开始，到选定刀具，共需经过十个基本步骤。其中，第一条路线为：零件图样、机床影响因素、选择刀杆、刀片夹紧系统、选择刀片形状，主要考虑机床和刀具的情况；第二条路线为：工件影响因素、选择工件材料代码、确定刀片的断屑槽型代码或ISO断屑范围代码、选择加工条件，这条路线主要考虑工件的情况。综合这两条路线的结果，才能确定所选用的刀具。具体过程如下。
（1）确定机床影响因素
为保证加工方案的可行性、经济性，获得最佳加工方案，在刀具选择前必须确定与机床有关的如下因素：
● 机床类型：数控车床、车削中心；
● 刀具附件：刀柄的形状和直径，左切和右切刀柄；
● 主轴功率；
● 工件夹持方式。
（2）选择刀杆
刀杆的类型尺寸如表3-2所示。
表3-2 刀杆类型尺寸
选用刀杆时，首先应选用尺寸尽可能大的刀杆，同时要考虑以下几个因素：
● 夹持方式；
● 切削层截面形状，即切削深度和进给量；
● 刀柄的悬伸。
（3）选择刀片夹紧系统
各种夹紧方式是为了不同的应用范围而设计的。为了选择具体工序的最佳刀具，一般按照适合性对它们分类（如刚性夹紧、杠杆夹紧、螺钉夹紧、楔块夹紧等），如图3-7所示。夹紧系统的适合性有1～3个等级，3为最佳选择。
图3-7 刀片夹紧系统
● 刀片夹紧系统常用的杠杆式夹紧系统，其特点为：定位精度高，切削流畅，操作简便，可与其他系列刀具产品通用。
● 螺钉夹紧系统，其特点为：适用于小孔径内孔及长悬伸加工。
（4）选择刀片的形状
“选择刀片形状”的图示如图3-8所示。
图3-8 根据加工轮廓选择刀片形状
一般外圆车削常用80°凸三角形、四方形和80°菱形刀片。仿形加工常用55°、35°菱形和圆形刀片。在机床刚性、功率允许的条件下，大余量、粗加工应选择刀尖角较大的刀片，反之选择刀尖角较小的刀片。表3-3为刀片形状适用场合列表。
表3-3 刀片形状适用场合
注：··表示首选 ·表示次选
● 刀尖角：刀尖角的大小决定刀片的强度，在工件结构强度和系统刚性允许的前提下，应选择尽可能大的刀尖角。通常这个角度在30°到90°之间。
● 刀片的基本类型：分为正型和负型两种。正型刀片对于内轮廓加工，小型机床加工，工艺系统刚性较差和工件结构复杂的应优先选择；负型刀片对于外圆加工，金属切除率高和加工条件时应优先选择。
（5）确定工件影响因素
选择刀具时，必须考虑以下与工件有关的因素：
● 工件形状：稳定性。
● 工件材质：硬度、塑性、韧性、可能形成的切屑类型。
● 毛坯类型：锻件、铸件等。
● 工艺系统刚性：机床夹具、刀具、工件等。
● 表面质量。
● 加工精度。
● 切削深度。
● 进给量。
● 刀具耐用度。
（6）选择工件材料代码
按照不同的机加工性能，加工材料分成6个工件材料组，它们分别与一个字母及一种颜色对应，以确定被加工工件的材料组符号代码，见表3-4。
表3-4 选择工件材料代码
（7）确定刀片的断屑槽型代码和ISO范围代码
断屑槽的参数直接影响到切削的卷曲和折断，目前刀片的断屑槽形式较多，各种断屑槽刀片的使用情况不尽相同，选用时一般参照具体的产品样本。表3-5为MITSUBISHI推荐的适用于加工钢材的断屑槽形。
表3-5 MITSUBISHI推荐的适用于加工钢材的断屑槽形
ISO的标准按照切削深度ap和进给量的大小将断屑范围分为A、B、C、D、E、F六个区，其中A、B、C、D为常用区域。WALTER标准将断屑范围分为用色块表示的区域，ISO标准和WALTER标准可结合使用。
根据选用标准，按照加工的切削深度和合适的进给量来确定刀片的WALTER断屑槽型代码和ISO的分类范围。
（8）选择加工条件
加工条件取决于机床的稳定性、刀具的夹持方式和工件的加工表面。
（9）选定刀具（如图3-9所示）
图3-9 数控车刀
这项工作分为两方面：
● 选定刀片材料：根据被加工工件的材料组符号标记、WALTER槽型、加工条件，就可得出WALTER推荐刀片材料代号，见表3-6和表3-7。
表3-6 选定刀片材料（选择负型刀片）
表3-7 选定刀片材料（选择正型刀片）
● 选定刀具：根据工件加工表面轮廓，从刀杆订货页码中选择刀杆；根据选择好的刀杆，从刀片订货页码选择刀片。
3.对刀
数控切削加工中，应首先确定零件的加工原点，确立准确的加工坐标系，同时考虑不同尺寸对加工的影响，这些都需要通过对刀来解决。
● 一般对刀：是指在机床上使用相对位置检测手动对刀。为基本对刀方法，它没有跳出传统机床的“试切-测量-调整”的对刀模式，占用较多的机床上的时间，方法落后。
● 机外对刀仪对刀：机外对刀的本质是测量出刀具假想刀尖点到刀具台基准之间X及Z方向的距离。利用机外对刀仪可将刀具预先在机床外校对好，以便装上机床后将对刀长度输入相应的刀具补偿号即可使用，如图3-10所示。
图3-10 机外对刀仪对刀
● 自动对刀：是通过刀尖检测系统实现的，刀尖已设定的速度向接触式传感器靠近，当刀尖与
传感器接触并发出信号，数控系统立即记下该瞬间的坐标值，并自动修正刀具补偿值。后续工作是为数控车床正常编程加工。
3.3 数控铣削加工
数控铣床是机床设备中应用非常广泛的加工机床，它可以进行平面铣削、平面型腔铣削、外形轮廓铣削、三维及三维以上复杂型面铣削，还可进行钻削、镗削、螺纹切削等孔加工。加工中心、柔性制造单元等都是在数控铣床的基础上产生和发展起来的。
数控铣床具有丰富的加工功能和较宽的加工工艺范围，面对的工艺性问题也较多。在开始编制铣削加工程序前，一定要仔细分析数控铣削加工工艺性，掌握铣削加工工艺装备的特点，以保证充分发挥数控铣床的加工功能。
1.数控铣床的主要功能
各种类型数控铣床所配置的数控系统虽然各有不同，但各种数控系统的功能，除一些特殊功能不尽相同外，其主要功能基本相同。
（1）点位控制功能
此功能可以实现对相互位置精度要求很高的孔系加工。
（2）连续轮廓控制功能
此功能可以实现直线、圆弧的插补功能及非圆曲线的加工。
（3）刀具半径补偿功能
此功能可以根据零件图样的标注尺寸来编程，而不必考虑所用刀具的实际半径尺寸，从而减少编程时的复杂数值计算。
（4）刀具长度补偿功能
此功能可以自动补偿刀具的长短，以适应加工中对刀具长度尺寸调整的要求。
（5）比例及镜像加工功能
比例功能可将编好的加工程序按指定比例改变坐标值来执行。镜像加工又称轴对称加工，如果一个零件的形状关于坐标轴对称，那么只要编写出一个或两个象限的程序，而其余象限的轮廓就可以通过镜像加工来实现。
（6）旋转功能
该功能可将编写好的加工程序在加工平面内旋转任意角度来执行。
（7）子程序调用功能
有些零件需要在不同的位置上重复加工同样的轮廓形状，将这一轮廓形状的加工程序作为子程序，在需要的位置上重复调用，就可以完成对该零件的加工。
（8）宏程序功能
该功能可用一个总指令代表实现某一功能的一系列指令，并能对变量进行运算，使程序更具灵活性和方便性。
2.数控铣床的加工工艺范围
铣削加工是机械加工中最常用的加工方法之一，它主要包括平面铣削和轮廓铣削，也可以对零件进行钻、扩、铰、镗、锪加工及螺纹加工等。数控铣削主要适合下列几类零件的加工。
（1）平面类零件：是指加工面平行或垂直于水平面，以及加工面与水平面的夹角为一定值的零件，这类加工面可展开为平面。
（2）直纹曲面类零件：是指由直线依某种规律移动所产生的曲面类零件。
（3）立体曲面类零件：加工面为空间曲面的零件称为立体曲面类零件。这类零件的加工面不能展成平面，一般使用球头铣刀切削，加工面与铣刀始终为点接触，若采用其他刀具加工，易于产生干涉而铣伤邻近表面。加工立体曲面类零件一般使用3坐标数控铣床，采用以下两种加工方法。
● 采用3坐标数控铣床进行2轴半坐标控制加工，即行切加工法。
● 采用3坐标数控铣床3轴联动加工，即进行空间直线插补。如半球形，可用行切加工法加工，也可用3坐标联动的方法加工。这时，数控铣床用X、Y、Z三坐标联动的空间直线插补，实现球面加工。
数控铣床的工艺装备较多，这里主要分析夹具和刀具。
3.刀具
（1）数控铣削刀具系统的要求
● 刀具切削部分几何参数及其切削参数须规范化、合理化。
● 刀具切削部分材料及切削参数选择必须与工件材料相匹配。
● 刀具磨损及耐用度值规定必须合理。
● 刀片在刀具中的定位方式及其结构必须优化。
● 刀具安装后在机床中的定位应保持一定精度。
● 换刀后刀具应在机床中仍有高的重复定位精度。
● 刀具的刀柄应有足够的强度、刚度及耐磨性。
● 刀柄及其工具对机床的重量影响应有相应的控制。
● 刀片、刀柄切入的位置、方向必须正确。
● 刀片、刀柄各参数应通用化、规格化、系列化。
● 工具系统应进一步优化。
数控铣床上所采用的刀具要根据被加工零件的材料、几何形状、表面质量要求、热处理状态、切削性能及加工余量等，选择刚性好、耐用度高的刀具。常见数控铣床刀具系统见图3-11。
图3-11 数控铣床刀具系统
被加工零件的几何形状是选择刀具类型的主要依据。
● 加工曲面类零件时，为了保证刀具切削刃与加工轮廓在切削点相切，而避免刀刃与工件轮廓发生干涉，一般采用球头刀，粗加工用两刃铣刀，半精加工和精加工用四刃铣刀。
● 铣较大平面时，为了提高生产效率和提高加工表面粗糙度，一般采用刀片镶嵌式盘形铣刀。
● 铣小平面或台阶面时一般采用通用铣刀。
● 铣键槽时，为了保证槽的尺寸精度、一般用两刃键槽铣刀。
● 孔加工时，可采用钻头、镗刀等孔加工类刀具。
（2）数控铣床的刀柄
刀柄的作用：连接主轴并夹持刀具。常见连接方式和尺寸如图3-12所示。
图3-12 刀柄的连接方式与尺寸
（3）常见的刀柄
刀柄按照刀柄结构、刀柄与主轴的连接形式、刀具的夹紧方式、允许的转速、所夹持的刀具种类、特殊刀柄等进行分类，如图3-13所示。
图3-13 常见刀柄
（4）常用刀柄的使用方法
弹簧夹头刀柄的使用如图3-14所示，其使用方法如下：
图3-14 弹簧夹头的使用
● 将刀柄放入卸刀座并锁紧；
● 根据刀具直径尺寸选择相应的卡簧，清洁工作表面；
● 将卡簧按入锁紧螺母；
● 将铣刀装入卡簧孔中，并根据加工深度控制刀具伸出长度；
● 用扳手顺时针锁紧螺母；
● 检查后，将刀柄装上主轴。
4.旋转刀具
（1）刀具种类
铣刀一般由刀片、定位元件、夹紧元件和刀体组成。由于刀片在刀体上有多种定位与夹紧方式，刀片定位元件的结构又有不同类型，因此铣刀的结构形式有多种，分类方法也较多。在数控铣床上使用的刀具主要为铣刀，包括面铣刀、立铣刀、球头铣刀、三面刃盘铣刀、环形铣刀等，除此以外还有各种孔加工刀具，如钻头（锪钻、铰刀、镗刀等）、丝锥等，如图3-15所示。
图3-15 旋转刀具
（2）刀具的选择（如图3-16、图3-17、图3-18所示）
图3-16 加工形状与铣刀的选择
图3-17 粗加工铣刀的选择
图3-18 精加工铣刀的选择
● 根据加工表面的特点和尺寸选择刀具的类型。
● 根据工件材料和加工要求选择刀片材料及尺寸。
● 根据加工条件选择刀柄。
5.刀片牌号的选择
合理选择刀片硬质合金牌号的主要依据是被加工材料的性能和硬质合金的性能。一般选用铣刀时，可按刀具制造厂提供加工的材料及加工条件，来配备相应牌号的硬质合金刀片。
由于各厂生产的同类用途硬质合金的成份及性能各不相同，硬质合金牌号的表示方法也不同。为方便用户，国际标准化组织规定，切削加工用硬质合金按其排屑类型和被加工材料分为三大类：P类、M类和K类。根据被加工材料及适用的加工条件，每大类中又分为若干组，用两位阿拉伯数字表示，每类中数字越大，其耐磨性越低、韧性越高。
P类合金（包括金属陶瓷）用于加工产生长切屑的金属材料，如钢、铸钢、可锻铸铁、不锈钢、耐热钢等。其中，组号越大，则可选用越大的进给量和切削深度，而切削速度则应越低。
M类合金用于加工产生长切屑和短切屑的黑色金属或有色金属，如钢、铸钢、奥氏体不锈钢、耐热钢、可锻铸铁、合金铸铁等。其中，组号越大，则可选用越大的进给量和切削深度，而切削速度则应越低。
K类合金用于加工产生短切屑的黑色金属、有色金属及非金属材料，如铸铁、铝合金、铜合金、塑料、硬胶木等。其中，组号越大，则可选用越大的进给量和切削深度，而切削速度则应越低。
各厂生产的硬质合金虽然有各自编制的牌号，但都有对应国际标准的分类号，选用十分方便。
3.4 加工中心的数控加工
1.加工中心简介
加工中心是高效、高精度数控机床，工件在一次装夹中便可自动完成多道工序的加工。同时还备有刀具库，并且有自动换刀功能。加工中心能实现三轴或三轴以上的联动控制，以保证刀具进行复杂表面的加工。加工中心除具有直线插补和圆弧插补功能外，还具有各种加工固定循环、刀具半径自动补偿、刀具长度自动补偿、加工过程图形显示、人机对话、故障自动诊断、离线编程等功能。
加工中心是从数控铣床发展而来的。与数控铣床的最大区别在于加工中心具有自动交换加工刀具的能力，通过在刀库上安装不同用途的刀具，可在一次装夹中通过自动换刀装置改变主轴上的加工刀具，实现多种加工功能。
（1）加工中心组成（如图3-19所示）
图3-19 立式加工中心
（2）加工中心的特点
● 具有自动换刀装置，能自动地更换刀具，在一次装夹中完成铣削、镗孔、钻削、扩孔、铰孔、攻丝等加工，工序高度集中。
● 带有自动摆角的主轴或回转工作台的加工中心，在一次装夹后，自动完成多个面和多个角度的加工。
● 带有可交换工作台的加工中心，可同时加工工件和装夹工件，具有极高的加工效率。
（3）加工中心的主要加工对象
加工中心适用于形状复杂、工序多、精度要求高、需要多种类型普通机床经过多次安装才能完成加工的零件。其主要加工对象为：
● 箱体类零件；
● 复杂曲面类零件；
● 异形件；
● 板、套、盘类零件；
● 特殊加工。
（4）加工中心的分类
● 立式加工中心：主轴轴心线设置在垂直状态的加工中心。
● 卧式加工中心：主轴轴心线设置在水平状态的加工中心。
● 龙门式加工中心：具有可移动的龙门框架、主轴头装在龙门框架上、主轴轴心线设置在垂直状态。更适宜于加工大型复杂的工件。
● 复合加工中心：立卧两用加工中心，具有立式和卧式加工中心的功能。复合加工中心分为主轴旋转和工作台旋转两种类型。
2.加工中心自动换刀装置
自动换刀装置（ATC）的用途是按照加工需要，自动地更换装在主轴上的刀具。自动换刀装置是一套独立、完整的部件（如图3-20所示），可分为刀库换刀和机械手换刀两类。
图3-20 自动换刀装置
（1）对自动换刀装置的基本要求
● 换刀时间短；
● 刀具重复定位精度高；
● 有足够的刀具储存量；
● 刀库占地面积小及安全可靠。
（2）自动换刀装置的形式
1）回转刀架换刀（如图3-21所示）
图3-21 回转刀架换刀
● 回转刀架结构要求：良好的强度和刚性；
● 回转刀架的换刀动作：刀架抬起，刀架转位，刀架压紧。
2）更换主轴换刀
优点：换刀时间短，换刀的可靠性强。
缺点：主轴系统的刚度较差。
适用场合：适用于工序较少、精度要求不太高的机床。
3）更换主轴箱换刀
适用场合：适用于箱体类零件的加工。
4）带刀库的自动换刀系统
带刀库的自动换刀系统由刀库、选刀系统、刀具交换机构、刀具自动装卸机构组成。
特点：结构较复杂，换刀过程动作多，换刀时间长。
适用场合：多用于钻床、镗铣床和数控组合机床。
3.刀库
（1）刀库的功能
储存加工工序所需的各种刀具及辅助工具。
（2）刀库的种类
1）直线式（如图3-22所示）
图3-22 直线式刀库
特点：结构简单，刀库容量小，一般可容纳8～12把刀具，故较少使用。
2）鼓轮式（也叫做圆盘式）
● 单鼓轮式
刀具与鼓轮轴线平行（如图3-23所示）
图3-23 刀具与鼓轮轴线平行刀库
刀具与鼓轮轴线垂直（如图3-24所示）
图3-24 刀具与鼓轮轴线垂直刀库
刀具与鼓轮轴线成锐角（如图3-25所示）
图3-25 刀具与鼓轮轴线成锐角刀库
特点：结构简单紧凑，应用较多，但刀具单环排列，空间利用率低，适用于刀库容量较小的场合，一般不多于50～60把刀。
鼓轮端面上双环排列（如图3-26所示）
特点：刀库空间利用率较高，但装刀、取刀机构复杂，仅适用于机床空间有限制而刀库容量较大的场合。
鼓轮端面上多环排列
鼓轮弹仓式
图3-26 鼓轮端面上双环排列刀库
● 多鼓轮式
双鼓轮式（如图3-27（a）所示）
三鼓轮式（如图3-27（b）所示）
行星鼓轮式（如图3-27（c）所示）
图3-27 多鼓轮式刀库
特点：不同类型的刀具及轻重型刀具可分别放置，空间利用率高，但传动机构和运动控制装置复杂，适用于刀库容量大的场合。
● 链式
单环链式（如图3-28（a）所示）
图3-28 链式刀库
特点：结构紧凑，刀库容量大，可充分利用空间，通常为轴向取刀，位置精度较低，适用于刀库容量大的场合。
多环链式（如图3-28（b）所示）
加长链式（如图3-28（c）所示）
● 格子箱式
单面网格式（如图3-29（a）所示）
图3-29 格子箱式刀库
特点：刀库结构紧凑，空间利用率高，但换刀时间较长，小直径刀具为轴向取刀，大直径刀具为径向取刀，布局不灵活，通常刀库安置在工作台上，应用较少。
多面网格式（如图3-29（b）所示）
特点：刀库容量大，辅助装置较复杂，用于刀库容量大的机床。
4.刀库的容量
格子箱式刀库的刀具数与可加工件的比率关系如图3-30所示。
图3-30 格子箱式刀库
5.加工中心的刀具系统（如图3-31所示）
图3-31 加工中心刀具系统
加工中心对刀具有如下的要求：
● 良好的切削性能，能承受高速切削和强力切削并且性能稳定。
● 较高精度，刀具的精度指刀具的尺寸精度和刀具与装卡装置的位置精度。
● 完善的工具系统，满足各种加工及连续加工要求。
加工中心上使用的刀具分为刃具部分和连接刀柄部分。
刃具部分与数控铣所使用的刀具基本相同。刀柄部分与一般数控铣床用刀炳部分不同。加工中心用的刀柄带有夹持槽供机械手夹持。
刀具系统已经系列化、标准化，如：TSG整体式工具系统。TSG工具系统中的刀柄，其代号由四部分组成，各部分的含义如右图所示。
工具柄部型式代号如表3-8所示。
表3-8 工具柄部型式代号
工具柄部型式主要有以下两种。
（1）整体式：刀柄和夹持刀具的工作部分做成一体，如图3-32所示。
图3-32 整体式
（2）模块式：刀具的柄部和工作部分分开，制成各种系列化的模块，然后通过不同的模块组装成所需要的刀具，如图3-33所示。
图3-33 模块式
6.加工中心的加工工艺与工装
（1）加工中心的工艺特点
● 可减少工件的装夹次数，消除因多次装夹带来的定位误差，提高加工精度。
● 可减少机床数量，并相应减少操作工人，节省占用的车间面积。
● 可减少周转次数和运输工作量，缩短生产周期。
● 在制品数量少，简化生产调度和管理。
● 使用各种刀具进行多工序集中加工，在进行工艺设计时要处理好刀具在换刀及加工时与工件、夹具甚至机床相关部位的干涉问题。
● 若在加工中心上连续进行粗加工和精加工，夹具应既能适应粗加工时切削力大、高刚度、夹紧力大的要求，又须适应精加工时定位精度高，零件夹紧变形尽可能小的要求。
● 由于采用自动换刀和自动回转工作台进行多工位加工，决定了卧式加工中心只能进行悬臂加工。
● 多工序的集中加工，要及时处理切屑。
● 在将毛坯加工为成品的过程中，零件不能进行时效处理，内应力难以消除。
● 技术较复杂，对使用、维修、管理要求较高。
● 加工中心一次性投资大，还需配置其他辅助装置，如刀具预调设备、数控工具系统或三坐标测量机等，机床的加工工时费用高，如果零件选择不当，会增加加工成本。
（2）加工中心工艺路线设计
设计加工中心加工零件的工艺路线时，本着经济合理的原则，安排加工中心的加工顺序，以期最大程度地发挥加工中心的作用。目前国内很多企业中，由于多种原因，加工中心仅被当作数控铣床使用，且多为单机作业，远远没有发挥出加工中心的优势。
单台加工中心或多台加工中心构成的FMC或FMS，在工艺设计上有较大的差别。
1）单台加工中心
其工艺设计与数控铣床的相类似，主要注意以下方面：
● 安排加工顺序时，要根据工件的毛坯种类，现有加工中心机床的种类、构成和应用习惯，确定零件是否要进行加工中心工序前的预加工及后续加工。
● 要照顾各个方向的尺寸，留给加工中心的余量要充分且均匀。
● 最好在加工中心上一次定位装夹中完成预加工面在内的所有内容。
● 加工质量要求较高的零件，应尽量将粗、精加工分开进行。
● 在具有良好冷却系统的加工中心上，可在加工中心上一次或两次装夹完成全部粗、精加工工序。
一般情况下，箱体零件加工可参考的加工方案为：铣大平面→粗镗孔→半精镗孔→立铣刀加工→打中心孔→钻孔、铰孔→攻螺纹→精镗、精铣等。
2）多台加工中心构成的FMC或FMS
当加工中心处在FMC或FMS中时，其工艺设计应着重考虑每台加工设备的加工负荷、生产节拍、加工要求的保证及工件的流动路线等问题，并协调好刀具的使用，充分利用固定循环、宏指令和子程序等简化程序的编制。对于各加工中心的工艺安排，一般通过FMC或FMS中的工艺决策模块（工艺调度）来完成。
3）加工中心的工步设计
设计加工中心机床的加工工艺实际就是设计各表面的加工工步，主要从精度和效率两方面考虑，有以下方面：
● 同一加工表面按粗加工、半精加工、精加工次序完成，或全部加工表面按先粗加工，然后半精加工、精加工分开进行。
● 对于既要铣面又要镗孔的零件，如各种发动机箱体，可以先铣面后镗孔。
● 相同工位集中加工，应尽量按就近位置加工，以缩短刀具移动距离，减少空运行时间。
● 按所用刀具划分工步。
● 当加工工件批量较大而工序又不太长时，可在工作台上一次装夹多个工件同时加工，以减少换刀次数。
● 考虑到加工中存在着重复定位误差，对于同轴度要求很高的孔系，应该在一次定位后，通过顺序连续换刀，顺序连续加工完该同轴孔系的全部孔后，再加工其他坐标位置孔，以提高孔系同轴度。
● 在一次定位装夹中，尽可能完成所有能够加工的表面。
注意
在机床选用上，应了解各类加工中心的规格、最佳使用范围和功能特点。
（3）工件的定位与装夹
1）加工中心定位基准的选择原则
● 尽量选择零件上的设计基准作为定位基准。
● 一次装夹就能够完成全部关键精度部位的加工。
● 当在加工中心上既加工基准又完成各工位的加工时，其定位基准的选择需考虑完成尽可能多的加工内容。
● 当零件的定位基准与设计基准难以重合时，应认真分析装配图纸，确定该零件设计基准的设计功能，通过尺寸链的计算，严格规定定位基准与设计基准间的公差范围，确保加工精度。
2）加工中心夹具的选择和使用的原则
● 根据加工中心机床特点和加工需要，目前常用的夹具类型有专用夹具、组合夹具、可调夹具、成组夹具及工件统一基准定位装夹系统。
● 加工中心的高柔性要求其夹具比普通机床结构更紧凑、简单，夹紧动作更迅速、准确，尽量减少辅助时间，操作更方便、省力、安全，而且要保证足够的刚性，能灵活多变。因此常采用气动、液压夹紧装置。
● 为保持工件在本次定位装夹中所有需要完成的待加工面充分暴露在外，夹具要尽量开敞，夹紧元件的空间位置能低则低，必须给刀具运动轨迹留有空间。
● 考虑机床主轴与工作台面之间的最小距离和刀具的装夹长度，夹具在机床工作台上的安装位置应确保在主轴的行程范围内能使工件的加工内容全部完成。
● 自动换刀和交换工作台时不能与夹具或工件发生干涉。
● 有些时候，夹具上的定位块是安装工件时使用的，在加工过程中，为满足前后左右各个工位的加工，防止干涉，工件夹紧后即可拆去。对此，要考虑拆除定位元件后，工件定位精度的保持问题。
● 尽量不要在加工中途更换夹紧点。
3）通过刀具预调、对刀点和工艺设计的要求，确定零件在机床工作台上的最佳加工位置。
3.5 数控夹具
1.数控夹具的要求
● 精度要求：比普通机床的精度和刚度高，减少定位误差、夹紧误差和粗加工的变形误差。
● 定位要求：完全定位，每个定位面相对数控机床的坐标原点均应有精确的坐标尺寸，简化定位和安装要求。
● 空间要求：各运动件、固定件之间相互之间不干涉。
● 快速重调要求：夹具在更换加工工件的过程中能具有快速重调或更换定位、夹紧的功能，提高机床利用率。
2.数控夹具的选用方法
在数控加工中使用的夹具有通用夹具、专用夹具、组合夹具，以及较先进的工件统一基准定位装夹系统等，主要根据零件的特点和经济性选择使用。选用夹具时，通常考虑以下几点：
● 尽量选用可调整夹具，组合夹具及其他适用夹具，避免采用专用夹具，以缩短生产准备时间。
● 在成批生产时，才考虑采用专用夹具，并力求结构简单。
● 装卸工件要迅速方便，以减少机床的停机时间。
● 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。
在选择夹具时遵循以下几条通用原则：
● 车床加工回转零件选通用快速自动夹紧卡盘。
● 加工以底面作定位的箱体零件，选槽系或孔系为基座的组合夹具。
● 加工不规则工件，或同时加工多个相同或不同零件时，选择专用夹具。
3.各类数控夹具的典型结构
（1）车床类夹具
数控车床上的夹具主要有两类：一类用于盘类或短轴类零件，工件毛坯装夹在可调卡爪的卡盘（三爪、四爪）中，由卡盘传动旋转；另一类用于轴类零件，毛坯装在主轴顶尖和尾座顶尖间，工件由主轴上的拨动卡盘传动旋转。
对此类夹具的要求：装卸快、夹紧可靠、变形小、一次装夹完成加工。
（2）钻、铣、镗类和加工中心用夹具
对数控钻、铣、镗类夹具定位有以下几点共同要求：
● 工件在夹具上的定位一般是完全定位并与数控加工原点相联系。
圆柱体工件：基准重合，以内孔、外圆或中心孔作为定位基准。
壳体零件：用三坐标平面作定位基准。
零件一次安装需同时加工多方向表面时，一面两孔定位。
● 夹具在机床上定位
为减少更换夹具的时间，应该力求采用无校正的定位方式，如在机床上设置与夹具相配的定位元件，在组合夹具的基座上设计定位孔，以便保证编程原点的位置。
对于夹具定位件在机床上的安装方式，由于数控机床主要加工批量不大的小批和成批零件，在机床工作台上会经常更换夹具，这样易磨损机床台面上的定位槽，而且在槽中装卸定位件十分费力。
在机床上用槽定向的夹具，其定位元件常常不固定在夹具体上而固定在机床工作台上，当夹具向机床上安装时，夹具体上有引导棱边的淬火套导向。
（3）夹具的主要结构类型
● 通用型夹具
小批可供多次重复使用的不可调通用夹具；
适用于成组加工由基础组合件组装，仅制造少量专用调整安装件的可调通用夹具；
适用于成批生产的通用性强的机床标准附件。
例如虎钳、三爪卡盘、四爪卡盘、平口虎钳和万能分度头等，都属于通用型夹具，如图3-34、图3-35、图3-36所示。
图3-34 三爪卡盘
图3-35 四爪卡盘
图3-36 虎钳
● 组合夹具类（如图3-37、图3-38所示）
图3-37 孔系组合夹具及实例
图3-38 槽系组合夹具实例
与机床相配套的夹具要求有柔性，能及时地适应加工品种和规模变化的需要。柔性化的重要方法是组合法。
组合夹具可分为孔系和槽系两种基本形式。孔系为新兴结构，与槽系相比具有以下优点：
● 结构刚性比有纵横交错的槽好。
● 孔比槽易加工，制造工艺好。
● 安装方便，组装中依靠高精度的销孔定位，比槽系操作简单。
● 计算机辅助组装设计，孔系优于槽系。
有三类孔：网格孔、阶梯光孔、定位孔。
● 专用夹具
专用夹具结构固定仅适用于一个具体零件的具体工序。图3-39所示的是连杆加工专用夹具，该夹具靠工作台T形槽和夹具体上定位键确定其在数控铣床上的位置，并用T形螺栓紧固。
图3-39 连杆加工专用夹具
3.6 本章小结
本章主要介绍了数控加工的流程、车削、铣削、加工中心加工工艺、数控刀具和数控夹具等。学习本章为重点掌握UG数控加工的仿真加工过程和刀具等基本参数的设置和选择奠定基础。同时，大家应注意的是，本章内容是为了学习后面的内容做准备的，将该章所学内容融会贯通到后续其他章节，以达到学以致用的目的。
3.7 思考与练习
练习题
（1）数控加工一般操作流程包括哪些内容？
（2）数控加工常用刀具的类型及特点有哪些？
（3）合理安排刀具的一般原则是什么？
（4）简略介绍设置切削量时应考虑的原则。
（5）加工中心的类型及特点有哪些？
（6）加工中心与数控铣床有什么异同？
（7）加工中心适合加工什么样的零件？
（8）加工中心加工选择定位基准的要求有哪些？应遵循的原则是什么？
（9）加工中心加工对夹具的要求有哪些？常用的夹具种类有哪些？
（10）加工中心的对刀方法有哪些？使用对刀仪对刀应注意哪些问题？
（11）在加工中心上加工的零件，其结构工艺性应具备哪些要求？适合在加工中心上加工的零件表面通常有哪些？
（12）加工中心上孔的加工方案如何确定？进给路线应如何考虑？
（13）质量要求高的零件在加工中心上加工时，为什么应尽量将粗、精加工分两阶段进行？
（14）确定加工中心加工零件的余量时，其大小应如何考虑？
（15）数控刀具工具系统有几种类型？各有何特点？