1.3 编程加工工艺知识

在进行数控编程前，读者必须具备一定的加工工艺知识。例如，数控机床的分类、各种数控机床的加工能力和切削原理；切削刀具的规格和材料，切削参数（主轴转速、进给速度、吃刀量）的选择原则；工件材料的切削性能；切削过程中的冷却；公差配合等。只有具备了这些知识，才能编制出合理、高效的数控加工程序。

1.3.1 数控加工的优点

先进的数控加工技术是一个国家制造业发达的标志，利用数控加工技术可以加工很多普通机床不能加工的复杂曲面零件或模具，而且加工的稳定性和精度都会得到很大的保证。总体上说，数控加工比传统的加工具有以下优点：

（1）加工效率高：利用数字化的控制手段可以加工复杂的曲面，而加工过程是由计算机控制的，所以零件的互换性强，加工的速度快。

（2）加工精度高：同传统的加工设备相比，数控系统优化了传动装置，提高了分辨率，减少了人为和机械误差，因此，加工的效率得到很大的提高。

（3）劳动强度低：由于采用了自动控制方式，也就是说切削过程是由数控系统在数控程序的控制下完成的，不像传统加工手段那样利用手工操作机床来完成加工。在数控机床工作时，操作者只需要监视设备的运行状态即可，所以劳动强度低。

（4）适应能力强：数控机床在程序的控制下运行，通过改变程序即可改变所加工的产品，产品的改型快且成本低，因此，加工的柔性非常高、适应能力强。

（5）加工环境好：数控加工机床是机械控制、强电控制、弱电控制为一体的高科技产物，通常都有很好的保护措施，工人的操作环境相对较好。

1.3.2 数控机床介绍

用数控机床加工模具或零件时，首先应该编写出零件的加工程序作为数控机床的工作指令，将加工程序送到数控装置，由数控装置控制数控机床主传动的变速、起停、进给运动的方向、速度和位移量，以及其他（如刀具的选择交换、工件的夹紧与松开、冷却和润滑的开关等）动作，使刀具与工件及其他辅助装置严格地按照加工程序规定的顺序、轨迹和参数有条不紊地工件，从而加工出合乎要求的工件。数控加工主要步骤如图1-1所示。

模具加工中，常用的数控设备有数控铣床、加工中心（具备自动换刀功能的数控铣）、火花机和线切割机等，如图1-2所示。

1.数控铣床的组成

数控铣床由数控程序、输入/输出装置、数控装置、驱动装置和位置检测装置、辅助控制装置、机床本体组成。

1）数控程序

数控程序是数控机床自动加工零件的工作指令，目前常用的称为“G代码”。数控程序是在对加工零件进行工艺分析的基础上，根据一定的规则编制的刀具运动轨迹信息。编制程序的工作可由人工进行；对于形状复杂的零件，则需要用CAD/CAM进行。

2） 输入/输出装置

输入/输出装置的主要作用是提供人机交互和通信。通过输入/输出装置，操作者可以输入指令和信息，也可使其显示机床的信息。通过输入/输出装置也可以在计算机和数控机床之间传输数控代码、机床参数等。

零件加工程序输入过程有两种不同的方式：一种是边读入边加工（DNC）；另一种是一次将零件加工程序全部读入数控装置内部的存储器，加工时再从內部存储器中逐段调出进行加工。

3）数控装置

数控装置是数控机床的核心部分。数控装置从内部存储器中读取或接受输入装置送来的一段或几段数控程序，经过数控装置进行编译、运算和逻辑处理后，输出各种控制信息和指令，控制机床各部分的工作。

4）驱动装置和位置检测装置

驱动装置接受来自数控装置的指令信息，经功率放大后，发送给伺服电机，伺服电机按照指令信息驱动机床移动部件，按一定的速度移动一定的距离。

位置检测装置检测数控机床运动部件的实际位移量，经反馈系统反馈至机床的数控装置，数控装置比较反馈回来的实际位移量值与设定值，如果出现误差，则控制驱动装置进行补偿。

5）辅助控制装置

辅助控制装置的主要作用是接收数控装置或传感器输出的开关量信号，经过逻辑运算，实现机床的机械、液压、气动等辅助装置完成指令规定的开关动作。这些控制主要包括主轴起停、换刀、冷却液和润滑装置的启动停止、工件和机床部件的松开与夹紧等。

6）机床本体

数控机床的机床本体与传统机床相似，由主轴传动装置、进给传动装置、床身、工作台及辅助运动装置、液压气动系统、润滑系统、冷却装置等组成。

2.数控铣床的主要功能和加工范围

1）点定位

点定位提供了机床钻孔、扩孔、镗孔和铰孔等加工能力。在孔加工中，一般会将典型的加工方式编制为固定的程序，称为固定循环，方便常用孔加工方法的使用。

2）连续轮廓控制

常见的数控系统均提供直线和圆弧插补，高档的数控系统还提供螺旋插补和样条插补，这样就可以使刀具沿着连续轨迹运动，加工出需要的形状。连续轮廓控制为机床提供了轮廓、箱体和曲面腔体等零件的加工。

3）刀具补偿

利用刀具补偿功能，可以简化数控程序编制、提供误差补偿等功能。

3.数控铣床编程要点

1）设置编程坐标系

编程坐标系的位置以方便对刀为原则，毛坯上的任何位置均可。

2）设置安全高度

安全高度一定要高过装夹待加工件的夹具高度，但也不应太高，以免浪费时间。

3）刀具的选择

在型腔尺寸允许的情况下尽可能选择直径较大且长度较短的刀具；优先选择镶嵌式刀具，对于精度要求高的部位可以考虑使用整体式合金刀具；尽量少用白钢刀具（因为白钢刀具磨损快，换刀的时间浪费严重，得不偿失）；对于很小的刀具才能加工到的区域应该考虑使用电火花机或者线切割机床加工。

4）加工模型的准备

设置合适的编程坐标系；创建毛坯；修补切削不到的区域（例如，很小的孔、腔，没有圆角的异型孔等）。

1.3.3 铣床与加工中心操作

1.夹具与装夹

在数控铣床或加工中心上常用的夹具主要有通用夹具、组合夹具、专用夹具和成组夹具，在选择夹具时要综合考虑各种因素，选择最经济、合理的夹具。

1）螺钉压板

利用T形槽螺栓和压板将工件固定在机床工作台上即可。装夹工件时，需根据工件装夹精度要求，使用百分表校正工件。

2）机用虎钳（平口钳）

形状比较规则的零件铣削时常用虎钳进行装夹，方便灵活，适应性广。当加工精度要求较高，需要较大的夹紧力时，则需要使用较高精度的机械式或液压式虎钳。

虎钳在数控铣床工作台上的安装要根据加工精度控制钳口与X轴或Y轴的平行度，且零件夹紧时要注意避免工件变形或钳口一端上翘。

3）铣床用卡盘

当需要在数控铣床上加工回转体零件时，可以使用三爪卡盘装夹，对于非回转零件可使用四爪卡盘装夹。

2.装夹注意事项

在装夹工件时，应该注意以下问题：

（1）安装工件时，应保证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，以方便加工。同时，也应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，确保在主轴的行程范围内能使工件的加工范围和加工内容全部完成。

（2）夹具在机床工作台上的安装位置必须给刀具运动轨迹留有空间，不能和各工步刀具轨迹发生干涉。

3.对刀

对刀的目的是通过刀具或对刀工具确定工件坐标系与机床坐标系之间的空间位置关系，并将对刀数据输入到相应的存储器中。它是数控加工中最重要的操作内容，其准确性将直接影响零件的加工精度。对刀分为X、Y向对刀和Z向对刀。

1）对刀方法

根据现有条件和加工精度要求选择对刀方法，可采用试切法、寻边器对刀、对刀仪对刀和自动对刀等。其中试切法精度较低，加工中常用寻边器和Z轴设定器对刀，效率高且保证加工精度。

2）对刀注意事项

（1）根据加工要求选择合适的对刀工具，控制对刀误差。

（2）在对刀过程中，可通过改变微调进给量来提高对刀精度。

（3）对刀时需谨慎操作，防止刀具在移动的过程中碰撞工件。

（4）对刀数据一定要存储在与程序对应的存储地址中，防止因调用错误而产生严重后果。

4.塑料模具加工的步骤

1）加工前的确认

（1）首先核对模具图、连络单、程序单、装夹图、版次是否一致。

（2）对工件外形尺寸、前工段尺寸、外观进行检查是否符合图纸要求。

（3）对程序进行确认，根据程序文件与图纸进行核对，检查图档尺寸与图纸尺寸是否一致。

（4）如果发现工件加工外形与图纸不合，应填写好加工异常记录表。

2）工件的装夹

（1）在装夹前应先将工件的毛刺、油渍去除干净。

（2）注意要根据工件的基准角进行装夹。

（3）根据工件的形状和材质选择合适的夹具进行装夹。

（4）如果使用虎钳进行装夹，应该考虑其压力大小，以防将工件压变形。

（5）装夹完成后要将工作台面清理干净。

3）装刀

（1）根据程序单，选择好第一把刀，对出工件Z轴零点。

（2）装刀时应该考虑刀具的有效长度与刀具的总伸出长度是否符合程序要求。

（3）若采用自动换刀加工，将所有刀具按要求安装好，并放入刀库中，并记录每把刀的刀号。

4）程序修改

5）执行

6）检查有无异常

7）完工处理

（1）去油污，去毛刺。

（2）用高度尺、卡尺确定加工尺寸。

（3）填写完工文件。

1.3.4 数控刀具介绍及使用

1.刀具的介绍

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，一般包括通用刀具、通用连接刀柄及少量专用刀柄。刀柄要连接刀具并装在机床动力头上，因此已逐渐标准化和系列化。数控刀具的分类有多种方法。根据刀具结构分类：①整体式；②镶嵌式，采用焊接或机夹式连接，机夹式又可分为不转位和可转位两种；③特殊形式，如复合式刀具、减震式刀具等。根据制造刀具所用的材料分类：①高速钢刀具；②硬质合金刀具；③金刚石刀具；④其他材料刀具，如立方氮化硼刀具、陶瓷刀具等。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，在使用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%。

数控铣刀从形状上主要分为平底刀（端铣刀）、圆鼻刀和球刀，如图1-3所示，从刀具使用性能上分为白钢刀、飞刀和合金刀。在工厂实际加工中，最常用的刀具有D63R6， D50R5，D35R5，D32R5，D30R5，D25R5，D20R0.8，D17R0.8，D13R0.8，D12，D10， D8，D6，D4，R5，R3，R2.5，R2，R1.5，R1和R0.5等。

（1）平底刀：主要用于粗加工、平面精加工、外形精加工和清角加工。其缺点是刀尖容易磨损，影响加工精度。

（2）圆鼻刀：主要用于模胚的粗加工、平面粗精加工，特别适用于材料硬度高的模具开粗加工。

（3）球刀：主要用于非平面的半精加工和精加工。

数控刀具与普通机床上所用的刀具相比，有许多不同的要求，主要有以下特点：

（1）刚性好（尤其是粗加工刀具）、精度高、抗振及热变形小。

（2）互换性好，便于快速换刀。

（3）寿命高，切削性能稳定、可靠。

（4）刀具的尺寸便于调整，以减少换刀时间。

（5）刀具应能可靠地断屑或卷屑，以利于切屑的排除。

（6）系列化、标准化，以利于编程和刀具管理。

2.刀具的使用

在数控加工中，刀具的选择直接关系到加工精度的高低、加工表面质量的优劣和加工效率的高低。选择合适的刀具并设置合理的切削参数，将可以使数控加工以最低的成本和最短的时间达到最佳的加工质量。刀具选择总的原则：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。

选择刀具时，要使刀具的尺寸与模胚的加工尺寸相适应。如模腔的尺寸是80mm×80 mm，则应该选择D25R5或D16R0.8等刀具进行开粗；如模腔的尺寸大于100 mm×100 mm，则应该选择D30R5、D32R5或D35R5的飞刀进行开粗；如模腔的尺寸大于300 mm×300 mm，那应该选择直径大于D35R5的飞刀进行开粗，如D50R5或D63R6等。另外，刀具的选择由机床的功率所决定，如功率小的数控铣床或加工中心，则不能使用大于D50R5的刀具。

在实际加工中，常选择立铣刀加工平面零件轮廓的周边、凸台、凹槽等；选择镶硬质合金刀片的玉米铣刀加工毛坯的表面、侧面及型腔开粗；选择球头铣刀、圆鼻刀、锥形铣刀和盘形铣刀加工一些立体型面和变斜角轮廓外形，如图1-4所示。

3.刀具切削参数的设置

合理选择切削用量的原则：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5个因素：

（1）切削深度ap（mm）：在机床、工件和刀具刚度允许的情况下，ap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。

（2）切削宽度L（mm）：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=（0.6～0.9）D。

（3）切削速度v（m/min）：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，切削热升高，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可选用8m/min左右；而用同样的立铣刀铣削铝合金时，v可选用200m/min以上。

（4）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=π nD/1000 （D为刀具直径，单位mm）。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在一定范围内进行调整。

（5）进给速度f（mm/min）：f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。f的增加也可以提高生产效率。加工表面粗糙度要求低时，f可选择得大些。在加工过程中，f 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，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。

表1-1～表1-3分别列出了白钢刀、飞刀和合金刀的参数设置（这些切削参数仅供参考，实际确定切削用量还应根据具体的机床性能、零件形状和材料、装夹状况等进行调整）。

1.3.5 编程的工艺流程

编程时，应该遵守编程的工艺流程，否则极容易出现错误。首先需要分析图纸、编写工艺卡等，接着需要编写模具的加工程序，然后将程序输入到数控机床，最后进行程序检验和进行试切。

1）分析图纸

在数控机床上加工模具，编程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性能，充分发挥其功能，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）编制程序

编程人员应根据工艺分析的结果和编程软件的特点，选择合理的加工方法及切削参数，编制高效的程序。如本书使用UG软件进行编程，则应要熟悉UG的各种编程方法及各项参数的意义。

3）输入程序

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、RS-232接口及网络等。目前常用的方法：通过键盘输入程序；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（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，作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）；还可以一边由计算机给机床传输程序，一边加工（这种方式一般称为DNC，程序并不保存在机床存储器中）。

4）检验程序和进行试切

数控程序必须经过校验和试切才能正式加工。一般可以利用数控软件的仿真模块，首先在计算机上进行模拟加工，以判断是否存在撞刀、少切及多切等情况。

也可以在有图形模拟功能的数控机床上，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。但这种方法只能检验出刀具运动轨迹是否正确，不能查出刀具及对刀误差。由于刀具调整不当或因某些计算误差引起的加工误差，所以有必要进行首件试切这一重要步骤。当发现有加工误差不符合图纸要求时，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，直到加工出合乎图纸要求的模具为止。

1.3.6 模具结构的认识

编程者必须对模具结构有一定的认识，如模具中的前模（型腔）、后模（型芯）、行位（滑块）、斜顶、枕位、碰穿面、擦穿面和流道等。一般情况下前模的加工要求比后模的加工要求高，所以前模面必须加工得非常准确和光亮，该清的角一定要清；但后模的加工就有所不同，有时有些角不一定需要清得很干净，表面也不需要很光亮。另外，模具中一些特殊的部位的加工工艺要求也不相同，如模具中的角位需要留0.02mm的余量待打磨师傅打磨；前模中的碰穿面、擦穿面需要留0.05mm的余量用于试模。

图1-6所示为模具中的一些常见结构。