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数控加工基础知识

教研室主任（签名） 备课日期 年 月 日周

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第四章 数控加工基础

零件加工

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4 ． 1 ．零件图纸分析： 零件作用及受力情况分析：此零件为一棘轮，表面承受摩

擦力、弯曲和扭矩

零件材料： 20Cr

主要技术要求：尺寸精度 IT7

位置精度：各槽的位置度 0.05mm ；平行度： 0.03mm

表面粗糙度：槽 Ra1.6μm

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４． 2 确定数控机床上加工的内容 对于某些零件来说，并非全部加工工艺过程都适应在

数控机床上完成，而往往只是其中的一部分适应于数控加工。因此，有必要对零件图样进行仔细分析，选择那些最适合、最需要进行数控加工的内容和工序。同时，还应结合本单位的实际情况，立足于提高生产效率和充分发挥数控加工的优势，一般可按下列原则，选择数控加工内容：

(1) 通用机床无法加工的内容应作为优先选择的内容； (2) 通用机床难加工，质量也难以保证的内容应作为重点

选择的内容； (3) 通用机床加工效率低、工人手工操作劳动强度大的内

容，可在数控机床尚存富余能力的基础上进行选择。 通常情况下，上述加工内容采用数控加工后，产品的

质量、生产率与综合经济效益等指标都会得到明显的提高。

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４． 3 主要加工路线拟定： １、下料

２、正火

３、粗铣顶平面、侧面、底面

４、钻 Φ30 的中孔

５、精铣侧面、底面（精基准）

６、加工底平面、槽、 Φ14 孔、由于位置精度要求较高，因此采用数控机床加工。

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4 ． 4 数控加工工序的设计 数控加工工序设计的主要任务是进一步把本工序的加工内

容、切削用量、工艺装备、定位夹紧方式及刀具运动轨迹都确定下来，为编制加工程序做好充分准备。

1 、确定走刀路线和工步顺序

2 、定位与夹紧方案的确定

3 、刀具的选择

4 、数控加工专用技术文件的编写

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4.4.1 确定走刀路线和工步顺序 走刀路线是刀具在整个加工工序中相对于工件的运动轨迹，

不但包括了工步的内容，而且也反映出工步的顺序。走刀路线是编写程序的依据之一。

因此，在确定走刀路线时最好画一张工序简图，画出已经

拟定的走刀路线 ( 包括进、退刀路线 ) ，以方便编程。

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在确定走刀路线时，主要遵循以下原则：

（ 1 ）应能保证零件的加工精度和表面粗糙度要求。

（ 2 ）应使刀具路径最短，减少刀具空行程时间，提高加工效率。

（ 3 ）应使数值计算简单，程序段数量少，以减少编程工作量。

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当铣削二维图形零件时，多采用立铣刀侧刃切削。刀具切入、切出工件时，避免沿零件轮廓的法线方向切入或切出；应沿轮廓切线的方向切入或切出，以保证零件轮廓平滑过渡。

刀具的切入切出过渡 内轮廓切入切出过渡

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无交点内轮廓加工刀具的切入切出

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用圆弧插补方式铣削整圆外侧面时，不要在切点处直接退刀，而应让刀具沿切线方向多运动一段距离，以免取消刀补时，刀具与工件表面相碰，造成工件报废。铣削内圆弧时也要遵循从切向切入的原则，最好安排从圆弧过渡到圆弧的加工路线，这样可以提高内孔表面的加工质量。

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铣削曲面时，常用球头铣刀采用行切法进行加工。

曲面加工路线

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用行切法加工和环切法加工凹槽的走刀路线；图 (c)所示为先用行切法，最后环切一刀光整轮廓表面。三种方案中，(a) 图方案最差， (c) 图方案最好．

为提高工件表面的精度和减小粗糙度，可以采用多次走刀的方法，而且精铣时宜采用顺铣，最终轮廓安排的最后一次走刀路线应连续地将表面加工出来，以减小零件被加工表面粗糙度的数值。

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4.4.2 定位与夹紧方案的确定 工件的定位基准与夹紧方案的确定，应遵循定位基准

的选择原则与工件夹紧的基本要求。此外，还应该注意下列三点：

（ 1 ）力求设计基准、工艺基准与编程原点统一，以减少基准不重合误差和数控编程中的计算工作量。

（ 2 ）设法减少装夹次数，尽可能做到一次定位装夹后能加工出工件上全部或大部分待加工表面，以减少装夹误差，提高加工表面之间的相互位置精度，充分发挥数控机床的效率。

（ 3 ）避免采用占机人工调整式方案，以免占机时间太多，影响加工效率。

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数控加工的特点对夹具提出了两个基本要求：一是保证夹具的坐标方向与机床的坐标方向相对固定；二是要能协调零件与机床坐标系的尺寸。除此之外，重点考虑以下几点：

（ 1 ）单件小批量生产时，优先选用组合夹具、可调夹具和其他通用夹具，以缩短生产准备时间和节省生产费用；

（ 2 ）在成批生产时，应考虑采用专用夹具，并力求结构简单；

（ 3 ）零件的装卸要快速、方便、可靠，以缩短机床的停顿时间；

（ 4 ）夹具上各零部件应不妨碍机床对零件各表面的加工，即夹具要敞开，其定位、夹紧机构元件不能影响加工中的走刀 (如产生碰撞等 ) ；

（ 5 ）为提高数控加工的效率，批量较大的零件加工可以采用多工位、气动或液压夹具。

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4.4.3 刀具的选择 刀具的选择是数控加工工艺中重要内容之一，不仅影响机

床的加工效率，而且直接影响加工质量。另外，数控机床主轴转速比普通机床高 1 ～ 2 倍，且主轴输出功率大，因此与传统加工方法相比，数控加工对刀具的要求更高。不仅要求精度高、强度大、刚度好、耐用度高，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，并合理选择刀具结构、几何参数。

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选用数控铣刀时应注意以下几点。 （ 1 ）在数控机床上铣削平面时，应尽量采用可转位式硬

质合金刀片铣刀。当两次走刀（粗铣、精铣各一次）并连续切削时，粗铣刀直径要小些以减小切削扭矩，精铣刀直径要大一些，最好能包容待加工表面的整个宽度。加工余量大且加工表面又不均匀时，刀具直径要选得小一些，否则，会因接刀刀痕过深而影响加工质量。

（ 2 ）高速钢立铣刀多用于加工凸台和凹槽，最好不要用于加工毛坯面，因为毛坯面有硬化层和夹砂现象，会加速刀具的磨损。

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（ 3 ）加工余量小，并且要求表面粗糙度较低时，应采用立方氮化硼 (CBN) 刀片端铣刀或陶瓷刀片端铣刀。

（ 4 ）加工精度要求较高的凹槽时，可采用直径比槽宽小一些的立铣刀，先铣槽的中间部分，然后利用刀具的半径补偿功能铣削槽的两边，直至达到精度要求为止。

（ 5 ）在数控铣床上钻孔，一般不采用钻模。钻深孔时，可采用固定循环指令，多次自动进退，以利于冷却和排屑。钻孔前最好先用中心钻钻一个中心孔或采用一个刚性好的短钻头锪孔引正，锪窝除了可以解决毛坯表面钻孔引正问题外，还可以替代孔口倒角。

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粗、精加工时切削用量的选择原则如下：

（ 1 ）粗加工时切削用量的选择原则 首先尽可能大的选取背吃刀量；其次要根据机床动力和刚性等限制条件，尽可能大的选取进给量；最后根据刀具耐用度确定最佳的切削速度。

（ 2 ）精加工时切削用量的选择原则 首先根据粗加工后的余量确定背吃刀量；其次根据已加工表面的表面粗糙度要求，选取较小的进给量；最后在保证刀具耐用度的前提下，尽可能选取较高的切削速度。

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对刀点与换刀点的确定 : 在编程时，应正确地选择“对刀点”和“换刀点”的位置。所谓“对刀点”就是数控机床上加工零件时，刀具相对于工件运动的起始点。“对刀点”的选择原则如下：

（ 1 ）便于用数字处理和简化程序编制； （ 2 ）在机床上找正容易，加工中便于检查； （ 3 ）有利于提高加工精度。

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4.4.4 数控加工专用技术文件的编写

为了加强技术文件管理，数控加工专用技术文件也应标准化、规范化，但目前国内尚无统一标准，下面介绍几种数控加工专用技术文件，仅供参考使用。

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数控加工刀具卡片 产品名称或代号 零件名称 零件图号

序号 刀具号 刀具规格和名称 数 量 加工表面 刀尖半径 /mm

备注

编制 审核 批准 共 页 第 页

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数控加工工序卡片

单位名称产品名称和代号 零件名称 零件图号

工序号 程序编号 夹具名称 使用设备 车间

工步号 工步内容 刀具号

刀具规格 / (mm)

主轴转速 (r./min)

进给转速(mm/min)

背吃刀量

(mm )

备注

编制 审核 批准 共 页 第 页

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MasterCam 加工

由 MasterCam 生成 NC 加工程序，首先要生成 NCI刀具路径文件，即含有刀具轨迹数据以及辅助加工数据的文件，它是由已建立的工件几何模型生成的，然后由后处理器将零件的 NCI 文件翻译成具体的 NC 加工程序。

在数控机床加工系统中，生成刀具路径之前首先需要对加工工件的大小、材料及刀具等参数进行设置。

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4.5 工件设置 在主菜单中顺序选择 Toolpaths→Job setup 选项后，打开 Job

setup （工作设置）对话框。 对于铣床加工，可以采用以下几种方法来设置工件外形尺寸： 在“ Job setup” 对话框的 X 、 Y 和 Z输入框中输入工件长、宽、高的尺寸。

单击“ Select corners” 按钮，在绘图区选取工件的两个对角点。 单击“ Bounding box” 按钮后，在绘图区选取几何对象，系统

用选取对象的包络外形来定义工件的大小。 在 Mastercam 铣 床 加 工系统中 ， 工 件坐标 原 点 可 以直接

在“ Stock Origin” 输入框中输入工 件 原 点 的坐标 ， 也 可 单击“ Select origin” 按扭，在绘图区选取一点作为工件的原点。

在 “ Job setup”对话框中选 Display stock复选框后，将在屏幕中显示出毛坯边界。进行全屏显示时毛坯边界不作为图形显示。选中 Fit screen to stock复选框后，在进行全屏显示操作时，显示对象包括毛坯边界。

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“ Job setup”对话框

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4.6 刀具设置 在生成刀具路径前，首先要选取该加工中使用的刀具。

加工作业所用刀具由刀具管理器管理。单击“ Job Setup” 对话框中的“ Tools” 按钮，或在主菜单中顺序选择 NC utils→Def.tools→ Current 选项，打开刀具管理器，通过该管理器可以对当前刀具进行设置。

在“刀具管理器”对话框中的任意位置单击鼠标右键，打开快捷菜单，可通过该快捷菜单各选项对刀具进行设置。

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1. Edit tools （编辑刀具参数）

Edit tools 选项用来编辑当前已选刀具的参数。选择该选项后，打开 “ Define tools” 对话框。对于不同外形的刀具，该选项卡的内容不尽相同，一般包括以下几个参数：

Diameter ：刀具直径。

Flute ：刀具排屑槽长度。

Shoulder ：刀具从刀尖到切口肩的长度。

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Overall ：刀具外露长度。

Arbor ：刀柄直径。

Holder ：设置夹头的长度与直径。

Tools# ：刀具编号，刀具在数控机床刀具库中的编号。 Station ：刀具位置号，数控机床中的刀具如果是以刀座位置编号，则可在此添入编号。

Capable of ： 设 置 刀 具 适 用 的 加 工类型， 分别为Rough （粗加工）、 Finish （精加工）、 Both （都可以用）。

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“ Define Tool”对话框

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由于系统默认的刀具类型为 Flat End Mill （端铣刀 ） ，若要 选取其他类型的 刀 具 ， 则 可 以 单击“ Define Tools” 对话框中的 Tools Type 标签，在 “ Tools Type” 对话框中选择需要的刀具类型。当选定了刀具类型后，返回到该类型刀具的参数设置选项卡。

单击 Parameters 标签，打开 “ Parameters” 对话框。该选项卡主要用于设置刀具在加工时的有关参数。主要参数的含义如下：

Rough XY step （ % ）：粗加工时在垂直于刀具进给方向的步距增量，按刀具直径的百分比计算该步距量。

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Finish XY step ：精加工时在垂直于刀具进给方向的步距增量，按刀具直径的百分比计算该步距量。

Rough Z step ：粗加工时在沿刀具轴向的步距增量，按刀具直径的百分比计算步距量。

Finish Z step ：精加工时在沿刀具轴向的步距增量，按刀具直径的百分比计算该步距量。

Required Pilot dia ：镗孔、攻丝时的底孔直径。

Dia offset number ：刀具半径补偿号，此号为有刀具半径补偿功能的数控机床中的刀具半径补偿器号码。

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“ Parameters”对话框

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Length offset number ：刀具长度补偿号，此号为有刀具长度补偿功能的数控机床中的刀具半径补偿器号码。

Feed rate ：进给量。 Plunge rate ：主轴进刀速率。 Retract rate ：主轴退刀速率。 Spindle speed ：主轴转速。 Number of flutes ：刀具切削槽数。 % of Matl cutting ：切削速度的百分比。 % of Matl Feed per ：进刀量（每齿）的百分比。 Spindle rotation ：主轴旋转方向。 Coolant ：加工时的冷却方式。

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2. Delete tools （删除刀具） 选择该项后，在当前刀具管理器列表中删除刀具。

3. Save to library （保存刀具） 选择该项后，将选取的刀具添加到刀具库中，此功能

可用于自定义刀具的保存。

4. Create new tools （添加新刀具） 该选项用来在刀具列表中添加新的刀具，单击该选项

可以设置刀具的有关参数。对刀具进行编辑的方法与Edit tools 选项设置刀具参数的方法相同。

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5. Get from library （从刀具库中选取刀具） 该选项可以从刀具库中选择一个刀具添加到当前刀

具 列 表 中 。 选 择该选项后 ，打开刀 具库中 列 表的“ Tools Manager” 对话框，在列表中选择一个刀具，即可将该刀具添加到当前刀具列表中。

由于刀具库中的刀具数量较大，选取刀具时比较困难。为了简化刀具的选取，“ Tools Manager” 对话框中提供了刀具过滤功能。单击“ Filter” 按钮后，打开 “ Tools list Filter” 对话框。

可以根据刀具类型、刀具直径、刀具材料等参数进行设置。当选中对话框中的“ Filter Active”复选框时，确认后在刀具列表中会列出满足设置条件的所有刀具。

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“ Tools list Filter”对话框

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6. Change library （改变刀具库） 选择该选项后，打开 “ Select Tools library” 对话框，

可以在该对话框中选择新的刀具库。7. convert a library to text （将 TL9 文件转换为文本文

件） 该选项可将刀具库文件（ TL9 ）转换为文本文件

（ TXT ）并进行保存。8. Crete a library form text （将文本文件转换为 TL9 文

件） 该选项可将写有刀具库信息的文本文件（ TXT ）转换为刀具库文件（ TL9 ）并进行保存。

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9. Doc file （刀具记录） 该选项可以建立一个文档，其中包含所用刀具的基

本信息，包括当前刀具库、刀具名、类型、几何参数等信息。

10. Detail doc file （刀具详细记录） 该选项可以建立一个文档，其中列出所用刀具的详

细信息，将有关刀具的基本信息及所有相关信息进行记录。

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4.7 材料设置

工件材料的选择直接会影响到进给量、主轴转速等加工参数。工件材料参数的设置与刀具参数设置的方法相似，可以直接从系统材料库中选择要使用的材料，也 可 以 设 置 不 同 的参数 来 定义材 料 。 单击“ Job Setup” 对话框 Material 选项组的“ Select” 按钮或在主菜单区顺序选择 NC utils→Def. matls 选项，则可打开“ Material List” 对话框，通过该对话框可以对当前材料列表进行设置并选取工件的材料。

在“ Material list” 对话框中的任意位置单击鼠标右键，打开快捷菜单，主要通过该快捷菜单来实现对材料列表的设置。

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“ Material List”对话框

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1. Get from library （从材料库中选取） 该选项可以显示材料列表，从中选择要使用的材料

并添加到当前材料列表中。

2. Create new （设置材料参数） 通过设置材料各参数来定义材料。选择该选项后，打开 “ Material definition” 对话框。可通过该对话框设置毛坯材料的参数。

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4.8 其他参数设置 在 “工作参数设置”对话框中，除了工件、刀具参数

设置，还可以进行以下几类参数的设置： 1. 刀具路径设置 Output operation comments to NCI ：生成的 NCI

文件中包括操作注解。 Generate Toolspath immediately ：在编辑刀具路径

后，立即更新 NCI 文件。 Save Toolspath in MC9 file ：在 MC9 文件中存储刀

具路径信息。

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Assign Tools number sequentially ：在设置当前刀具列表时，系统自动依序制定刀具号。

Use Tools’s step,peck,coolant ：加工中使用刀具的步距、步进、冷却设置等参数。

Search Tools library when entering Tools ：当在“ Tools parameter” 选项卡中输入刀具号时，系统自动使用刀具库中对应刀具号的刀具。

2. 刀具偏置 Tools Offset Registers 选项组用来设置刀具偏置量。3. 进给量计算 Feed Calculation 选项组用来设置在加工时进给量

的计算方法。

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4.9 操作管理 对于零件的所有加工操作，可以使用操作管理器来进

行管理。使用“操作管理器”对话框可以产生、编辑、计算新刀具加工路径，并可以进行加工模拟、仿真模拟、后处理等操作，以验证刀具路径是否正确。

在主菜单中顺序选择 Toolspaths→Operations项，打开 “ Operations Manager” 对话框，可以打开一个 MC9 文件时的操作管理器。可以在此管理器中移动某个操作的位置来改变加工程序，也可以通过改变刀具路径参数、刀具及与刀具路径关联的几何模型等对原刀具路径进行修改。对各类参数进行重新设置后，单击“ Regen Path” 按钮即可生成新的刀具路径。

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操作管理器

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4.10 刀具路径模拟

对一个或多个操作进行刀具路径模拟，可在主菜单中顺序选择NC utils→Backplot 选项或单击操作管理器中的“ Backplot” 按钮，可打开 “ Backplot”子菜单。“ Backplot”子菜单中各选项可以对刀具路径模拟的各项参数进行设置。该功能可以在机床加工前进行检验，提前发现错误。

刀具路径子菜单

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1. 刀具路径模拟方式 Step （单段）：点击该选项一次，刀具就执行一次

走刀，即执行 NC 加工程序中的一行，直到刀具路径完全结束。

Run （自动运行）：点击该选项，刀具自动从起点开始走完整个路径。

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2. 显示方式设置 Show path （刀具路径）：该选项设置为 Y 时，显示模拟的刀具路径。

Show Tools （显示刀具）：该选项设置为 Y 时，在路径模拟过程中显示出刀具。

Show hold （显示夹头）：该选项只有在 Show Tools 选项设 置 为 Y 时才能 进 行 设 置 。当“ Show hold” 选项设置为 Y 时，在路径模拟过程中显示出刀具的夹头。以便检验加工中刀具和刀具夹头是否会与工件碰撞。

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4.11 仿真加工

在主菜单中顺序选择 NC utils→Verify 选项或在操作管理器中选择一个或几个操作。生成刀具路径后，可以单击“ Verify”按钮，在绘图区显示出工件和 Verify

工具栏，这时可以对选取的操作进行仿真加工操作。

“ Verify”工具栏

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4.12 后处理 经过模拟加工后，如果对加工比较满意，即可进行

后处理。后处理就是将 NCI 刀具路径文件翻译成数控NC 程 序 。 在公共管理菜单或操 作管理器中 单击“ Post” 按钮，这时打开“后处理”对话框。用该对话框来设置后处理中的有关参数。

用户应根据机床数控系统的类型选择相应的后处理器，系统默认的 后处理器为 MPFAN.PST （ 日 本FANUC 控 制器） 。若要使用 其他的 后处理器， 单击“ Chang Post” 按钮， 在打开的 “ Specify File Name to Read” 对话框中，选择与用户数控系统相对应的后处理器后，单击“ Open” 按钮，系统即用该后处理器进行后处理。

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“后处理”对话框

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NCI file 选项组和 NC file 选项组可以让通过设置各参数来对后处理过程中生成的 NCI 和 NC 文件进行设置。选中 Overwrite 选项时，系统自动对原 NCI 文件和 NC 文件进行更新；当选中“ Ask”单选按钮时，可以在输入框输入文件名，生成新文件或对已有文件覆盖；选中 Edit 选项时，生成 NCI 、 NC 文件后自动打开文件编辑器，用户可以查看和编辑 NCI 文件和NC 文件。编辑器中生成的 NC 文件。

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4.13 加工报表

由上述操作生成数控程序后，还可以生成一个数控加工工艺文件，为生产加工人员提供各种与加工有关的数据，这就是加工报表。

加工报表有文本格式与图形格式两种形式。按〈 Alt 〉+ 〈 F8〉键进入“ System Configuration” （系统设置）对话框，在 NC Settings 选项卡中的 Setup Sheet选项组中设置加工报表格式。选择 Post （ uses.SET file ）选项时，可生成文本格式加工报表。选择 Using Graphical Inter 选项时，可生成图形格式加工报表。

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文本格式加工报表

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“图形报表”对话框

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当设置为文本格式时，顺序选择主菜单中的 NC utils→Setup sheet 选项，在出现的对话框中输入文件名，即可产生文本格式的加工报表。

如果设置为图形格式，单击主菜单中的 NC utils→Setup sheet 选项，可以打开“图形报表”对话框。在 Operation 选项卡中单击标有刀具图符的大按钮可以打印刀具清单，在“ Text fields”选项卡中，可以设置加工报表中要实现的文本选项，在“ General”选项卡中可以设置工件、坐标、刀具轨迹、栅格大小以及材料大小等参数。设置完成后单击应用按钮，即可产生图形格式的加工报表。

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图形格式的加工报表