BOB半岛绪论本课程的性质任务和内容数控加工工艺与装备是高职高专本科院校机械类机电类近机类特别是数控技术及应用专业的专业课程它的实践性综合性灵活性较强课程的任务主要是以机械制造中的工艺基本理论为基础结合数控加工特点综合运用多方面的知识解决数控加工中的工艺问题以达到学生能规范正确地实施典型零件的机械加工工艺能规范正确地执行数控加工工序的工艺要求能编制出简单零件的机械加工工艺规程和数控加工工艺规程数控加工工艺与装备内容包括数控加工工艺基础金属切削原理与刀具数控机床夹具上工件的定位和夹紧常用夹具的介绍普通机械加

　　绪 论 本课程的性质、任务和内容： “数控加工工艺与装备”是高职高专、本科院校机械类、机电类、近机类、特别是数控 技术及应用专业的专业课程。它的实践性、综合性、灵活性较强。课程的任务主要是以机械 制造中的工艺基本理论为基础，结合数控加工特点，综合运用多方面的知识解决数控加工中 的工艺问题，以达到学生能规范、正确地实施典型零件的机械加工工艺，能规范、正确地执 行数控加工工序的工艺要求，能编制出简单零件的机械加工工艺规程和数控加工工艺规程。 数控加工工艺与装备内容包括：数控加工工艺基础；金属切削原理与刀具；数控机床夹 具上工件的定位和夹紧、常用夹具的介绍；普通机械加工、数控加工工艺规程设计；数控车 削、车削中心、数控铣削、铣削中心的加工工艺；数控磨削、冲压、电脉冲数控加工方法简 介。 数控加工工艺与装备课程实践性强，其理论源于生产实际，是长期生产实践的总结。学 习本课程必须注重理论同生产实践的结合，多深入生产实际，根据不同的现场条件灵活运用 理论知识，以获得解决生产实践问题的最佳方案。通过本课程的学习，应基本掌握数控加工 中的基本知识和理论，达到本课程要求的任务。 数控加工在制造业中的地位、作用和发展状况： 随着科学技术的飞速发展，社会对产品多样化的要求日益强烈，产品更新越来越快，多 品种、中小批量生产的比重明显增加；同时随着航空工业、汽车工业和轻工消费品生产的高 速增长，复杂形状的零件越来越多，精度要求也越来越高；此外，激烈的市场竞争要求产品 研制生产周期越来越短，传统的加工设备和制造方法已难于适应这种多样化、柔性化与复杂 形状的高效高质量加工要求。因此，近几十年来，能有效解决复杂、精密、小批多变零件加 工问题的数控（NC）加工技术得到了迅速发展和广泛应用，使制造技术发生了根本性的变化。 努力发展数控加工技术，并向更高层次的自动化、柔性化、敏捷化、网络化和数字化制造方 向推进，是当前机械制造业发展的方向。 数控技术是机械加工现代化的重要基础与关键技术。应用数控加工可大大提高生产率、 稳定加工质量、缩短加工周期、增加生产柔性、实现对各种复杂精密零件的自动化加工，易 于在工厂或车间实行计算机管理，还使车间设备总数减少、节省人力、改善劳动条件，有利 于加快产品的开发和更新换代，提高企业对市场的适应能力并提高企业综合经济效益。数控 加工技术的应用，使机械加工的大量前期准备工作与机械加工过程联为一体，使零件的计算 机辅助设计（CAD）、计算机辅助工艺规划（CAPP）和计算机辅助制造（CAM）的一体化成为现 实，使机械加工的柔性自动化水平不断提高。 数控加工技术也是发展军事工业的重要战略技术。美国与西方各国在高档数控机床与加 工技术方面，一直对我国进行封锁限制，因为许多先进武器装备的制造，如飞机、导弹、坦 1 克等的关键零件，都离不开高性能的数控机床加工。我国的航空、能源、交通等行业也从西 方引进了一些五坐标机床等高档数控设备，但其使用受到国外的监控和限制，不准用于军事 用途的零件加工。这一切均说明数控加工技术在国防现代化方面所起的重要作用。 学习本课程的目的和要求： 通过本课程的学习，使学生掌握数控加工工艺的基本理论和方法以及先进制造技术的有 关知识，从而为将来胜任不同职业和不同岗位上的专业技术工作、掌握先进制造技术手段的 应用、具备突出的工程实践能力奠定良好的基础。为实现这一目的，本课程的学习要求主要 有以下几方面： 1. 了解工艺过程的基本概念和数控加工工艺系统； 2. 对金属的切削过程、基本规律、切削参数的选择以及切削过程基本规律的应用应掌 握，同时应了解数控刀具材料。 3. 熟悉数控机床夹具上工件的定位和夹紧，了解常用的数控夹具； 4. 熟练掌握普通机械加工、数控加工工艺规程的设计；基本掌握中等复杂类零件车、 铣类及磨削、冲压、电脉冲的数控加工工艺编制的方法与技巧。 必须指出，数控加工工艺的知识是通过长期生产实践的理论总结而形成的。它源于生产 实践，服务于生产实践。因此，本门课程的学习必须密切联系生产实践，在实践中加深对课 程内容的理解，在实践中强化对所学知识的应用。 2 第 1 章 机械加工工艺基础 本章主要介绍工艺过程的基本概念、数控加工工艺系统等基础理论知识，这是学习本书 后续内容的必要准备。 1.1 工艺过程的基本概念 1.1.1 生产过程与工艺过程 生产过程是指将原材料转变为成品的全过程。在生产过程中，凡是改变生产对象的形状、 尺寸、相对位置和性质等，使其成为成品或半成品的过程称为工艺过程。 工艺就是制造产品的方法。采用机械加工的方法，直接改变毛坯的形状、尺寸和表面质 量等，使其成为零件的过程称为机械加工工艺过程（以下简称为工艺过程）。 1．生产过程 工业产品的生产过程是指由原材料到成品之间的各个相互联系的劳动过程的总和。这些 过程包括： （1）生产技术准备过程 包括产品投产前的市场调查分析，产品研制，技术鉴定等。 （2 ）生产工艺过程 包括毛坯制造，零件加工，部件和产品装配、调试、油漆和包装等。 （3 ）辅助生产过程 为使基本生产过程能正常进行所必经的辅助过程，包括工艺装备的 设计制造、能源供应、设备维修等。 （4 ）生产服务过程 包括原材料采购运输、保管、供应及产品包装、销售等。 由上述过程可以看出，机械产品的生产过程是相当复杂的。为了便于组织生产，现代机 械工业的发展趋势是组织专业化生产，即一种产品的生产是分散在若干个专业化工厂进行， 最后集中由一个工厂制成完整的机械产品。例如，制造机床时，机床上的轴承、电机、电器、 液压元件甚至其他许多零部件都是由专业厂生产的，最后由机床厂完成关键零部件和配套件 的生产，并装配成完整的机床。专业化生产有利于零部件的标准化、通用化和产品的系列化， 从而能在保证质量的前提下，提高劳动生产率和降低成本。 上述生产过程的内容十分广泛，从产品开发、生产和技术准备到毛坯制造、机械加工和 装配，影响的因素和涉及的问题多而复杂。为了使工厂具有较强的应变能力和竞争能力，现 代工厂逐步用系统的观点看待生产过程的各个环节及它们之间的关系。即将生产过程看成一 个具有输入和输出的生产系统。用系统工程学的原理和方法组织生产和指导生产，能使工厂 的生产和管理科学化；能使工厂按照市场动态及时地改进和调节生产，不断更新产品以满足 社会的需要；能使生产的产品质量更好、周期更短、成本更低。 由于市场全球化、需求多样化以及新产品开发周期越来越短，随着信息技术的发展，企 业间采用动态联盟，实现异地协同设计与制造的生产模式是目前制造业发展的重要趋势。 3 2．生产系统 （1）系统的概念 任何事物都是由数个相互作用和相互依赖的部分组成并具有特定功能 的有机整体，这个整体就是“系统”。 （2 ）机械加工工艺系统 机械加工工艺系统由金属切削机床、刀具、夹具和工件四个要 素组成，它们彼此关联、互相影响。该系统的整体目的是在特定的生产条件下，在保证机械 加工工序质量的前提下，采用合理的工艺过程，降低该工序的加工成本。 （3 ）机械制造系统 在工艺系统基础上以整个机械加工车间为整体的更高一级的系统。 该系统的整体目的就是使该车间能最有效地全面完成全部零件的机械加工任务。 （4 ）生产系统 以整个机械制造厂为整体，为了最有效地经营，获得最高经济效益，一 方面把原材料供应、毛坯制造、机械加工、热处理、装配、检验与试车、油漆、包装、运输、 保管等因素作为基本物质因素来考虑；另一方面把技术情报、经营管理、劳动力调配、资源 和能源利用、环境保护、市场动态、经营政策、社会问题和国际因素等信息作为影响系统效 果更重要的要素来考虑。 可见，生产系统是包括制造系统的更高一级的系统。 3．工艺过程 在生产过程中，那些与有原材料转变为产品直接相关的过程称为工艺过程。它包括毛坯 制造、零件加工、热处理、质量检验和机器装配等。而为保证工艺过程正常进行所需要的刀 具、夹具制造，机床调整维修等则属于辅助过程。在工艺过程中，以机械加工方法按一定顺 序逐步地改变毛坯形状、尺寸、相对位置和性能等，直至成为合格零件的那部分过程称为机 械加工工艺过程。 技术人员根据产品数量、设备条件和工人素质等情况，确定采用的工艺过程，并将有关 内容写成工艺文件，这种文件就称工艺规程。 为了便于工艺规程的编制、执行和生产组织管理，需要把工艺过程划分为不同层次的单 元。它们是工序、安装、工位、工步和走刀。其中工序是工艺过程中的基本单元。零件的机 械加工工艺过程由若干个工序组成。在一个工序中可能包含有一个或几个安装，每一个安装 可能包含一个或几个工位，每一个工位可能包含一个或几个工步，每一个工步可能包括一个 或几个走刀。 （1）工序 一个或一组工人，在一个工作地或一台机床上对一个或同时对几个工件连续 完成的那一部分工艺过程称为工序。划分工序的依据是工作地点是否变化和工作过程是否连 续。例如，在车床上加工一批轴，既可以对每一根轴连续地进行粗加工和精加工，也可以先 对整批轴进行粗加工，然后再依次对它们进行精加工。在第一种情形下，加工只包括一个工 序；而在第二种情形下，由于加工过程的连续性中断，虽然加工是在同一台机床上进行的， 但却成为两个工序。 工序是组成工艺过程的基本单元，也是生产计划的基本单元。 （2 ）安装 在机械加工工序中，使工件在机床上或在夹具中占据某一正确位置并被夹紧 的过程，称为装夹。有时，工件在机床上需经过多次装夹才能完成一个工序的工作内容。 安装是指工件经过一次装夹后所完成的那部分工序内容。例如，在车床上加工轴，先从 4 一端加工出部分表面，然后调头再加工另一端，这时的工序内容就包括两个安装。 （3 ）工位 采用转位 （或移位）夹具、回转工作台或在多轴机床上加工时，工件在机床 上一次装夹后，要经过若干个位置依次进行加工，工件在机床上所占据的每一个位置上所完 成的那一部分工序就称为工位。简单来说，工件相对于机床或刀具每占据一个加工位置所完 成的那部分工序内容，称为工位。为了减少因多次装夹而带来的装夹误差和时间损失，常采 用各种回转工作台、回转夹具或移动夹具，使工件在一次装夹中，先后处于几个不同的位置 进行加工。图 1-1 是在一台三工位回转工作台机床上加工轴承盖螺钉孔的示意图。操作者在 上下料工位Ⅰ处装上工件，当该工件依次通过钻孔工位Ⅱ、扩孔工位Ⅲ后，即可在一次装夹 后把四个阶梯孔在两个位置加工完毕。这样，既减少了装夹次数，又因各工位的加工与装卸 是同时进行的，从而节约安装时间使生产率可以大提高。 图 1-1 轴承盖螺钉孔的三工位加工 （4 ）工步 在加工表面不变，加工工具不变的条件下，所连续完成的那一部分工序内容 称为工步。生产中也常称为 “进给”。整个工艺过程由若干个工序组成。每一个工序可包括一 个工步或几个工步。每一个工步通常包括一个工作行程，也可包括几个工作行程。为了提高 生产率，用几把刀具同时加工几个加工表面的工步，称为复合工步，也可以看作一个工步， 例如，组合钻床加工多孔箱体孔。 （5 ）走刀 加工刀具在加工表面上加工一次所完成的工步部分称为走刀。例如轴类零件 如果要切去的金属层很厚，则需分几次切削，这时每切削一次就称为一次走刀。因此在切削 速度和进给量不变的前提下刀具完成一次进给运动称为一次走刀。 图 1-2 是一个带半封闭键槽阶梯轴两种生产类型的工艺过程实例，从中可看出各自的工 序、安装、工位、工步、走刀之间的关系。 1.1.2 工件获得尺寸精度的方法 人们在长期的生产实践中，创造出许多机械加工方法。这些方法的目的是使工件获得一 定的尺寸精度、形状精度、位置精度和表面质量。 5 图 1-2 阶梯轴加工工序划分方案比较 1．获得尺寸精度的方法 机械加工中获得工件尺寸精度的方法，主要有以下几种： （1）试切法 即先试切出很小部分加工表面，测量试切所得的尺寸，按照加工要求适当 调刀具切削刃相对工件的位置，再试切，再测量，如此经过两三次试切和测量，当被加工尺 寸达到要求后，再切削整个待加工表面。 试切法通过 “试切－测量－调整－再试切”，反复进行直到达到要求的尺寸精度为止。例 如，箱体孔系的试镗加工。 试切法达到的精度可能很高，它不需要复杂的装置，但这种方法费时（需作多次调整、 试切、测量、计算），效率低，依赖工人的技术水平和计量器具的精度，质量不稳定，所以只 用于单件小批生产。 作为试切法的一种类型——配作，它是以已加工件为基准，加工与其相配的另—工件， 或将两个（或两个以上）工件组合在一起进行加工的方法。配作中最终被加工尺寸达到的要 求是以与已加工件的配合要求为准的。 （2 ）调整法 预先用样件或标准件调整好机床、夹具、刀具和工件的准确相对位置，用 以保证工件的尺寸精度。因为尺寸事先调整到位，所以加工时，不用再试切，尺寸自动获得， 并在一批零件加工过程中保持不变，这就是调整法。例如，采用铣床夹具时，刀具的位置靠 6 对刀块确定。调整法的实质是利用机床上的定程装置或对刀装置或预先整好的刀架，使刀具 相对于机床或夹具达到一定的位置精度，然后加工一批工件。 在机床上按照刻度盘进刀然后切削，也是调整法的一种。这种方法需要先按试切法决定 刻度盘上的刻度。大批量生产中，多用定程挡块、样件、样板等对刀装置进行调整。 调整法比试切法的加工精度稳定性好，有较高的生产率，对机床操作工的要求不高，但 对机床调整工的要求高，常用于成批生产和大量生产。 （3 ）定尺寸法 用刀具的相应尺寸来保证工件被加工部位尺寸的方法称为定尺寸法。它 是利用标准尺寸的刀具加工，加工面的尺寸由刀具尺寸决定。即用具有一定的尺寸精度的刀 具（如铰刀、扩孔钻、钻头等）来保证工件被加工部位（如孔）的精度。 定尺寸法操作方便，生产率较高，加工精度比较稳定，几乎与工人的技术水平无关，生 产率较高，在各种类型的生产中广泛应用。例如钻孔、铰孔等。 （4 ）主动测量法 在加工过程中，边加工边测量加工尺寸，并将所测结果与设计要求的 尺寸比较后，或使机床继续工作，或使机床停止工作，这就是主动测量法。 目前，主动测量中的数值已可用数字显示。主动测量法把测量装置加入工艺系统（即机 床、刀具、夹具和工件组成的统一体）中，成为其第五个因素。 主动测量法质量稳定、生产率高，是发展方向。 （5 ）自动控制法 这种方法是由测量装置、进给装置和控制系统等组成。它是把测量、 进给装置和控制系统组成一个自动加工系统，加工过程依靠系统自动完成。 尺寸测量、刀具补偿调整和切削加工以及机床停车等一系列工作自动完成，自动达到所 要求的尺寸精度。例如在数控机床上加工时，零件就是通过程序的各种指令控制加工顺序和 加工精度。 自动控制的具体方法有两种： ①自动测量 即机床上有自动测量工件尺寸的装置，在工件达到要求的尺寸时，测量装 置即发出指令使机床自动退刀并停止工作。 ②数字控制 即机床中有控制刀架或工作台精确移动的伺服电动机、滚动丝杠螺母副及 整套数字控制装置，尺寸的获得（刀架的移动或工作台的移动）由预先编制好的程序通过计 算机数字控制装置自动控制。 初期的自动控制法是利用主动测量和机械或液压等控制系统完成的。目前已广泛采用按 加工要求预先编排的程序，由控制系统发出指令进行工作的程序控制机床（简称程控机床） 或由控制系统发出数字信息指令进行工作的数字控制机床（简称数控机床），以及能适应加工 过程中加工条件的变化，自动调整加工用量，按规定条件实现加工过程最佳化的适应控制机 床进行自动控制加工。 自动控制法加工的质量稳定、生产率高、加工柔性好、能适应多品种生产，是目前机械 制造的发展方向和计算机辅助制造（CAM ）的基础。 2．获得形状精度的方法 （1）轨迹法 也称刀尖轨迹法，依靠刀尖的运动轨迹获得形状精度的方法称为轨迹法。 即让刀具相对于工件作有规律的运动，以其刀尖轨迹获得所要求的表面几何形状。刀尖的运 动轨迹取决于刀具和工件的相对成形运动，因而所获得的形状精度取决于成形运动的精度。 7 数控车床、数控铣床，普通车削、铣削、刨削和磨削等均属轨迹法。图 1-3 所示为车圆锥面。 图 1-3 轨迹法 （2 ）成形法 利用成形刀具对工件进行加工的方法称为成形法。即用成形刀具取代普通 刀具，成形刀具的切削刃就是工件外形。成形刀具替代一个成形运动。成形法可以简化机床 或切削运动，提高生产率。成形法所获得的形状精度取决于成形刀具的形状精度和其他成形 运动的精度。图 1-4 所示为用成形法车球面。 图 1－4 成形法 （3 ）仿形法 刀具按照仿形装置进给对工件进行加工的方法称为仿形法。仿形法所得到 的形状精度取决于仿形装置的精度和其他成形运动的精度。仿形车、仿形铣等均属仿形法加 工。 （4 ）展成法（范成法） 利用工件和刀具作展成切削运动进行加工的方法称为展成法。 展成法所得被加工表面是切削刃和工件作展成运动过程中所形成的包络面，切削刃形状必须 是被加工面的共轭曲线。它所获得的精度取决于切削刃的形状和展成运动的精度等。 这种方法用于各种齿轮齿廓、花键键齿、蜗轮轮齿等表面的加工，其特点是刀刃的形状 与所需表面几何形状不同。例如齿轮加工，刀刃为直线 （滚刀、齿条刀），而加工表面为渐开 线。展成法形成的渐开线是滚刀与工件按严格速比转动时，刀刃的一系列切削位置的包络线 ．获得位置精度的方法 （1）一次安装法 有位置精度要求的零件的各有关表面是在工件同一次安装中完成并保 证的，如轴类零件外圆与端面的垂直度，箱体孔系中各孔之间的平行度、垂直度、同一轴线 上各孔的同轴度等。 8 一次安装法一般是用夹具装夹实现的。夹具是用以装夹工件（和引导刀具）的装置。 夹具上的定位元件和夹紧元件能使工件迅速获得正确位置，并使其固定在夹具和机床上。因 此，工件定位方便，定位精度高而且稳定，装夹效率也高。当以精基准定位时，工件的定位 精度一般可达 0.0l ㎜。所以，用专用夹具装夹工件广泛用于中、大批和大量生产。但是，由 于制造专用夹具费用较高、周期较长，所以在单件小批生产时，很少采用专用夹具，而是采 用通用夹具。当工件的加工精度要求较高时，可采用标准元件组装的组合夹具，使用后元件 可拆回。 （2 ）多次安装法 零件有关表面的位置精度是加工表面与工件定位基准面之间的位置精 度决定的。如轴类零件键槽对外圆之对称度，箱体平面与平面之间的平行度、垂直度等。 根据工件安装方式不同又分为直接、找正和夹具安装法。 ①直接安装法 工件直接安装在机床上，从而保证加工表面与定位基准面之间的精度。 例如，在车床上加工与外圆同轴的内孔，可用三爪卡盘直接安装工件，如图 1-5 所示。 图 1-5 直接安装法 ②找正安装法 找正是用工具（和仪表）根据工件上有关基准，找出工件在划线、加工 （或装配）时的正确位置的过程。用找正方法装夹工件称为找正安装。通过找正保证加工表 面与定位基准面之间的精度。例如，在车床上用四爪卡盘和百分表找正后将工件夹紧，可加 工出与外圆同轴度很高的孔。如图 1-6 所示。 图 1-6 找正安装法 找正安装法可分为划线找正安装和直接找正安装两种。 划线找正安装是用划针根据毛坯或半成品上所划的线为基准找正它在机床上正确位置的 一种安装方法。如图 1-7 （b ）所示的车床床身毛坯，为保证床身各加工面和非加工面的位置 尺寸及各加工面的余量，可先在钳工台上划好线，然后在龙门刨床工作台上用可调支承支起 9 (a) (b) 图 1-7 找正安装 (a)直接找正 (b) 划线找正 床身毛坯，用划针按线找正并夹紧，再对床身底平面进行粗刨。由于划线既费时，又需技术 水平高的划线工，划线找正的定位精度也不高，所以划线找正安装只用在批量不大、形状复 杂而笨重的工件，或毛坯的尺寸公差很大而无法采用夹具装夹的工件。 直接找正安装是用划针和百分表或通过目测直接在机床上找正工件位置的装夹方法。图 1-7 （a ）所示是用四爪单动卡盘装夹套筒，先用百分表按工件外圆 A 进行找正后，再夹紧工 件进行外圆 B 的车削，以保证套筒的 A 、B 圆柱面的同轴度。此法的生产率较低，对工人的 技术水平要求高，所以一般只用于单件小批生产中。若工人的技术水平高，且能采用较精确 的工具和量具，那么直接找正安装也能获得较高的定位精度。 ③夹具安装法 通过夹具保证加工表面与定位基准面之间的位置精度，即用夹具上的定 位元件使工件获得正确位置的一种方法。这种方法定位迅速、方便，定位精度高、稳定。但 专用夹具的制造周期长、费用高，故广泛用于成批、大量生产中。 1.1.3 加工余量 1．加工余量的概念 加工余量是指加工过程中所切去的金属层厚度。余量有总加工余量和工序余量之分。由 毛坯转变为零件的过程中，在某加工表面上切除金属层的总厚度，称为该表面的总加工余量 （亦称毛坯余量）；一般情况下，总加工余量并非一次切除，而是分在各工序中逐渐切除，故 每道工序所切除的金属层厚度称为该工序加工余量 （简称工序余量）。工序余量是相邻两工序 的工序尺寸之差，毛坯余量是毛坯尺寸与零件图样的设计尺寸之差。 由于工序尺寸有公差，故实际切除的余量大小不等。 图 1-8 表示工序余量与工序尺寸的关系。 由图可知，工序余量的基本尺寸（简称基本余量或公称余量）Z 可按下式计算 对于被包容面： Z=上工序基本尺寸—本工序基本尺寸 对于包容面： Z=本工序基本尺寸—上工序基本尺寸 10 (a) (b) 图 1-8 工序余量与工序尺寸及其公差的关系 (a)被包容面(轴) (b)包容面(孔) 为了便于加工，工序尺寸都按“入体原则”标注极限偏差，即被包容面的工序尺寸取上 偏差为零；包容面的工序尺寸取下偏差为零。毛坯尺寸则按双向布置上、下偏差。 工序余量和工序尺寸及其公差的计算公式： Z=Zmin+Ta (1-1) Z =Z+T = Z +T +T max b min a b (1-2) 式中 Zmin——最小工序余量； Zmax——最大工序余量； Ta——上工序尺寸的公差； Tb——本工序尺寸的公差。 由于毛坯尺寸、零件尺寸和各道工 序的工序尺寸都存在误差，所以无论是 总加工余量，还是工序加工余量都是一 个变动值，出现了最大和最小加工余量， 它们与工序尺寸及其公差的关系可用图 1-9 说明。 由图可以看出，公称加工余量为前 工序和本工序尺寸之差，最小加工余量 为前工序尺寸的最小值和本工序尺寸的 最大值之差；最大加工余量为前工序尺 图 1-9 工序加工余量及其公差 寸的最大值和本工序尺寸的最小值之 差。工序加工余量的变动范围（最大加工余量与最小加工余量之差）等于前工序与本工序的 工序尺寸公差之和。 11 2．影响加工余量的因素 在确定工序的具体内容时，其工作之一就是合理地确定工序加工余量。加工余量的大小 对零件的加工质量和制造的经济性均有较大的影响。加工余量过大，必然增加机械加工的劳 动量、降低生产率；增加原材料、设备、工具及电力等的消耗。加工余量过小，又不能确保 切除上工序形成的各种误差和表面缺陷，影响零件的质量，甚至产生废品。由图 1-9 可知， 工序加工余量（公称值，以下同）除可用相邻工序的工序尺寸表示外，还可以用另外—种方 法表示，即：工序加工余量等于最小加工余量与前工序工序尺寸公差之和。因此，在讨论影 响加工余量的因素时，应首先研究影响最小加工余量的因素。 影响最小加工余量的因素较多，现将主要影响因素分单项介绍如下。 （1）前工序形成的表面粗糙度和缺陷层深度 （R 和D ） 为了使工件的加工质量逐步提 a a 高，一般每道工序都应切到待加工表面以下的正常金属组织，将上道工序形成的表面粗糙度 和缺陷层切掉。 （2 ）前工序形成的形状误差和位置误差 （△和△ ） 当形状公差、位置公差和尺寸公 x w 差之间的关系是独立原则时，尺寸公差不控制形位公差。此时，最小加工余量应保证将前工 序形成的形状和位置误差切掉。 以上影响因素中的误差及缺陷，有时会重叠在一起，如图 1-10 所示，图中的△ 为平面 x 度误差、△w 为平行度误差，但为了保证加工质量，可对各项进行简单叠加，以便彻底切除。 上述各项误差和缺陷都是前工序形成的，为能将其全部切除，还要考虑本工序的装夹误 差εb 的影响。如图 1-11 所示，由于三爪自定心卡盘定心不准，使工件轴线偏离主轴旋转轴线 e值，造成加工余量不均匀，为确保将前工序的各项误差和缺陷全部切除，直径上的余量应增 加 2e 。装夹误差εb 的数量，可在求出定位误差、夹紧误差和夹具的对定误差后求得。 图 1-10 影响最小加工余量的因素 图 1-11 装夹误差对加工余量的影响 综上所述，影响工序加工余量的因素可归纳为下列几点： ●前工序的工序尺寸公差（Ta ）。 ●前工序形成的表面粗糙度和表面缺陷层深度（R +D ）。 a a ●前工序形成的形状误差和位置误差（△ 、△ ）。 x w ●本工序的装夹误差（εb ）。 3．确定加工余量的方法 确定加工余量的方法有以下三种。 12 （1）查表修正法 根据生产实践和试验研究，已将毛坯余量和各种工序的工序余量数据 于手册。确定加工余量时，可从手册中获得所需数据，然后结合工厂的实际情况进行修正。 查表时应注意表中的数据为公称值，对称表面（轴孔等）的加工余量是双边余量，非对称表 面的加工余量是单边的。这种方法目前应用最广。 （2 ）经验估计法 此法是根据实践经验确定加工余量。为防止加工余量不足而产生废品， 往往估计的数值总是偏大，因而这种方法只适用于单件、小批生产。 （3 ）分析计算法 是根据加工余量计算公式和一定的试验资料，通过计算确定加工余量 的一种方法。采用这种方法确定的加工余量比较经济合理，但必须有比较全面可靠的试验资 料及先进的计算手段方可进行，故目前应用较少。 在确定加工余量时，总加工余量和工序加工余量要分别确定。总加工余量的大小与选择 的毛坯制造精度有关。用查表法确定工序加工余量时，粗加工工序的加工余量不应查表确定， 而是用总加工余量减去各工序余量求得，同时要对求得的粗加工工序余量进行分析，如果过 小，要增加总加工余量；过大，应适当减少总加工余量，以免造成浪费。 1.1.4 加工精度 1．加工精度的概念 加工精度是加工后零件表面的实际尺寸、形状、位置三种几何参数与图纸要求的理想几 何参数的符合程度。理想的几何参数，对尺寸而言，就是平均尺寸；对表面几何形状而言， 就是绝对的圆、圆柱、平面、锥面和直线等；对表面之间的相互位置而言，就是绝对的平行、 垂直、同轴、对称等。零件实际几何参数与理想几何参数的偏离数值称为加工误差。 加工精度与加工误差都是评价加工表面几何参数的术语。加工精度用公差等级衡量，等 级值越小，其精度越高；加工误差用数值表示，数值越大，其误差越大。加工精度高，就是 加工误差小，反之亦然。 任何加工方法所得到的实际参数都不会绝对准确，从零件的功能看，只要加工误差在零 件图要求的公差范围内，就认为保证了加工精度。 机器的质量取决于零件的加工质量和机器的装配质量，零件加工质量包含零件加工精度 和表面质量两大部分。 机械加工精度是指零件加工后的实际几何参数（尺寸、形状和位置）与理想几何参数相 符合的程度。它们之间的差异称为加工误差。加工误差的大小反映了加工精度的高低。误差 越大加工精度越低，误差越小加工精度越高。 加工精度包括三个方面内容： ●尺寸精度 指加工后零件的实际尺寸与零件尺寸的公差带中心的相符合程度。 ●形状精度 指加工后的零件表面的实际几何形状与理想的几何形状的相符合程度。 ●位置精度 指加工后零件有关表面之间的实际位置与理想位置相符合程度。 2．原始误差与加工误差的关系 在机械加工过程中，刀具和工件加工表面之间位置关系合理时，加工表面精度就能达到 加工要求，否则就不能达到加工要求，加工精度分析就是分析和研究加工精度不能满足要求 13 时各种因素，即各种原始误差产生的可能性，并采取有效的工艺措施进行克服，从而提高加 工精度。 在机械加工中，机床、夹具、工件和刀具构成一个完整的系统，称为工艺系统。由于工 艺系统本身的结构和状态、操作过程以及加工过程中的物理力学现象而产生刀具和工件之间 的相对位置关系发生偏移的各种因素称为原始误差。它可以照样、放大或缩小地反映给工件， 使工件产生加工误差而影响零件加工精度。一部分原始误差与切削过程有关；一部分原始误 差与工艺系统本身的初始状态有关。这两部分误差又受环境条件、操作者技术水平等因素的 影响。 （1）与工艺系统本身初始状态有关的原始误差 ①原理误差 即加工方法原理上存在的误差。 ②工艺系统几何误差 ●工件与刀具的相对位置在静态下已存在的误差，如刀具和夹具制造误差，调整误差以 及安装误差； ●工件和刀具的相对位置在运动状态下存在的误差，如机床的主轴回转运动误差，导轨 的导向误差，传动链的传动误差等。 （2 ）与切削过程有关的原始误差 ①工艺系统力效应引起的变形，如工艺系统受力变形、工件内应力的产生和消失而引起 的变形等造成的误差。 ②工艺系统热效应引起的变形，如机床、刀具、工件的热变形等造成的误差。 3．影响加工精度的因素 工艺系统中的各组成部分，包括机床、刀具、夹具的制造误差、安装误差、使用中的磨 损都直接影响工件的加工精度。也就是说，在加工过程中工艺系统会产生各种误差，从而改 变刀具和工件在切削运动过程中的相互位置关系而影响零件的加工精度。这些误差与工艺系 统本身的结构状态和切削过程有关，产生加工误差的主要因素有： （1）系统的几何误差 ①加工原理误差 加工原理误差是由于采用了近似的加工运动方式或者近似的刀具轮廓而产生的误差，因 在加工原理上存在误差，故称加工原理误差。只要原理误差在允许范围内，这种加工方式仍 是可行的。 ②机床的几何误差 机床的制造误差、安装误差以及使用中的磨损，都直接影响工件的加工精度。其中主要 是机床主轴回转运动、机床导轨直线运动和机床传动链的误差。 ③刀具的制造误差及磨损 刀具的制造误差、安装误差以及使用中的磨损，都影响工件的加工精度。刀具在切削过 程中，切削刃、刀面与工件、切屑产生强烈摩擦，使刀具磨损。当刀具磨损达到一定值时， 工件的表面粗糙度值增大，切屑颜色和形状发生变化，并伴有振动。刀具磨损将直接影响切 削生产率、加工质量和成本。 ④夹具误差 14 夹具误差包括定位误差、夹紧误差、夹具安装误差及对刀误差等。这些误差主要与夹具 的制造和装配精度有关。下面将对夹具的定位误差进行详细的分析。 工件在夹具中的位置是以其定位基面与定位元件相接触（配合）来确定的。然而，由于 定位基面、定位元件工作表面的制造误差，会使各工件在夹具中的实际位置不相一致。加工 后，各工件的加工尺寸必然大小不一，形成误差。这种由于工件在夹具上定位不准而造成的 加工误差称为定位误差，用△D表示。它包括基准位移误差和基准不重合误差。在采用调整法 加工一批工件时，定位误差的实质是工序基准在加工尺寸方向上的最大变动量。采用试切法 加工，不存在定位误差。 定位误差产生的原因是工件的制造误差和定位元件的制造误差，两者的配合间隙及工序 基准与定位基准不重合等。 ●基准不重合误差 当定位基准与工序基准不重合时而造成的加工误差，称为基准不重合误差，其大小等于 定位基准与工序基准之间尺寸的公差，用△B表示。 ●基准位移误差 工件在夹具中定位时，由于工件定位基面与夹具上定位元件限位基面 的制造公差和最小配合间隙的影响，导致定位基准与限位基准不能重合，从而使各个工件的 位置不一致，给加工尺寸造成误差，这个误差称为基准位移误差，用△Y表示。图 1-12a是圆 套铣键槽的工序简图，工序尺寸为A和B 。图 1-12b是加工示意图，工件以内孔D在圆柱心轴 上定位，O是心轴轴心，C是对刀尺寸。尺寸A 的工序基准是内孔轴线，定位基准也是内孔轴 线 。但是，由于工件内孔面与心轴圆柱面有制造公差和最小配合间隙， 使得定位基准（工件内孔轴线）与限位基准（心轴轴线）不能重合，定位基准相对于限位基 准下移了一段距离，由于刀具调整好位置后在加工一批工件过程中位置不再变动（与限位基 准的位置不变）。所以，定位基准的位置变动影响到尺寸A 的大小，给尺寸A造成了误差，这 个误差就是基准位移误差。 基准位移误差的大小应等于因定位基准与限位基准不重合造成工序尺寸的最大变动量。 由图 1-12b 可知，一批工件定位基准的最大变动量为 △i ＝Amax －Amin 式中：△——一批工件定位基准的最大变动量； i Amax——最大工序尺寸； Amin——最小工序尺寸。 当定位基准的变动方向与工序尺寸的方向相同时，基准位移误差等于定位基准的变动范 围，即 △ ＝△ y i 此时：△ ＝ i －i i max min Amax——定位基准的最大位移； Amin——定位基准的最小位移。 15 当定位基准的变动方向与工序尺寸的方向不同时，基准位移误差等于定位基准的变动范 图 1-12 圆套铣键槽工序的基准位移误差 （a）工序简图 （b）加工示意图及基准位移误差 围在加工尺寸方向上的投影，如图 1-13 所示，即 △ ＝△cosα y i 式中：α——定位基准的变动方向与工序尺寸方向间的夹角。 y △ α α △i （a） （b） 图 1-13 铰孔加工工序的基准位移误差 （a）工序简图 （b）加工示意图及基准位移误差 （２）工艺系统的受力变形 由机床、夹具、工件、刀具所组成的工艺 系统是一个弹性系统，在加工过程中由于切削 力、传动力、惯性力、夹紧力以及重力的作用， 会产生弹性变形，从而破坏了刀具与工件之间 的准确位置，产生加工误差。例如车削细长轴 时（图 1-14），在切削力的作用下，工件因弹性 变形而出现“让刀”现象。随着刀具的进给， 在工件的全长上切削深度将会由多变少，然后 再由少变多，结果使零件产生腰鼓形。 图 1-14 细长轴车削时受力变形 16 ①工艺系统受力变形对加工精度的影响主要有： ●切削过程中受力点位置变化引起的加工误差 切削过程中，工艺系统的刚度随切削力着力点位置的变化而变化，引起系统变形的差异， 使零件产生加工误差。 在两顶尖间车削粗而短的光轴时，由于工件刚度较大，在切削力作用下的变形相对机床、 夹具和刀具的变形要小得多，故可忽略不计。此时，工艺系统的总变形完全取决于机床床头、 尾架（包括顶尖）和刀架（包括刀具）的变形，工件产生的误差为双曲线圆柱度误差。 在两顶尖间车削细长轴时，由于工件细长，刚度小，在切削力作用下，其变形大大超过 机床夹具和刀具的受力变形。因此，机床、夹具和刀具的受力变形可略去不计，此时，工艺 系的变形完全取决于工件的变形，工件产生腰鼓形圆柱度误差。 ●毛坯加工余量不均，材料硬度变化导致切削力大小变化引起的加工误差——误差复映 工件的毛坯外形虽然具有粗略的零件形状，但它在尺寸、形状以及表面层材料硬度均匀性上 都有较大的误差。毛坯的这些误差在加工时使切削深度不断发生变化，从而导致切削力的变 化，进而引起工艺系统产生相应的变形，使得零件在加工后还保留与毛坯表面类似的形状或 尺寸误差。当然工件表面残留的误差比毛坯表面误差要小得多，这种现象称为“误差复映规 律”，所引起的加工误差称为“复映误差”。 ②减小工艺系统受力变形的措施主要有： 一是提高工件加工时的刚度；二是提高工件安装时的夹紧刚度；三是提高机床部件的刚 度。 （３）工艺系统的热变形 机械加工中，工艺系统在各种热源的作用下产生一定的热变形。由于工艺系统热源分布 的不均匀性及各环节结构、材料的不同，使工艺系统各部分的变形产生差异，从而破坏了刀 具与工件的准确位置及运动关系，产生加工误差，尤其对于精密加工，热变形引起的加工误 差占总误差的一半以上。因此，在近代精密加工中，控制热变形对加工精度的影响已成为重 要的任务和研究课题。 在加工过程中，工艺系统的热源主要有内部热源和外部热源两大类。内部热源来自切削 过程，主要包括切削热、摩擦热、派生热源。外部热源主要来自于外部环境，主要包括环境 温度和热辐射。这些热源产生的热造成工件、刀具和机床的热变形。 减少工艺系统热变形的措施主要有：一是减少工艺系统的热源及其发热量；二是加强冷 却，提高散热能力；三是控制温度变化，均衡温度； 四是采用补偿措施；五是改善机床结构。 此外，还应注意改善机床结构，减小其热变形。首先考虑结构的对称性。一方面传动元件（轴 承、齿轮等）在箱体内安装应尽量对称，使其传给箱壁的热量均衡，变形相近；另一方面， 有些零件（如箱体）应尽量采用热对称结构，以便受热均匀。还应注意合理选材，对精度要 求高的零件尽量选用膨胀系数小的材料。 （４）调整误差 零件加工的每一个工序中，为了获得被加工表面的形状、尺寸和位置精度，总得对机床、 夹具和刀具进行这样或那样的调整。任何调整工作必然会带来一些原始误差，这种原始误差 即调整误差。 调整误差与调整方法有关。调整方法主要有： 17 ①试切法调整 试切法调整，就是对被加工零件进行“试切－测量－调整－再试切”，直至达到所要求的 精度。它的调整误差来源有：测量误差；微量进给时，机构灵敏度所引起的误差；最小切削 深度影响。 ②用定程机构调整 ③用样件或样板调整 （５）工件残余应力引起的误差 残余应力是指当外部载荷去掉以后仍存留在工件内部的应力。残余应力是由于金属发生 了不均匀的体积变化而产生的。其外界因素来自热加工和冷加工。有残余应力的零件处于一 种不稳定状态。一旦其内应力的平衡条件被打破，内应力的分布就会发生变化，从而引起新 的变形，影响加工精度。 ①内应力产生的原因主要有：毛坯制造中产生的内应力；冷校正产生的内应力；切削加 工产生的内应力。 ②减小或消除内应力的措施 一是采用适当的热处理工序。二是给工件足够的变形时间。 三是零件结构要合理，结构要简单，壁厚要均匀。 （６）数控机床产生误差的独特性 数控机床与普通机床的最主要差别有两点：一是数控机床具有“指挥系统”——数控系 统；二是数控机床具有执行运动的驱动系统——伺服系统。 在数控机床上所产生的加工误差，与在普通机床上产生的加工误差，其来源有许多共同 之处，但也有独特之处，例如伺服进给系统的跟踪误差、检测系统中的采样延滞误差等，这 些都是普通机床加工时所没有的。所以在数控加工中，除了要控制在普通机床上加工时常出 现的那一类误差源以外，还要有效地抑制数控加工时才可能出现的误差源。这些误差源对加 工精度的影响及抑制的途径主要有以下几个方面： ①机床重复定位精度的影响 数控机床的定位精度是指数控机床各坐标轴在数控系统的控制下运动的位置精度，引起 定位误差的因素包括数控系统的误差和机械传动的误差。而数控系统的误差则与插补误差、 跟踪误差等有关。机床重复定位精度是指重复定位时坐标轴的实际位置和理想位置的符合程 度。 ②检测装置的影响 检测反馈装置也称为反馈元件，通常安装在机床工作台或丝杠上，相当于普通机床的刻 度盘和人的眼睛，检测反馈装置将工作台位移量转换成电信号，并且反馈给数控装置，如果 与指令值比较有误差，则控制工作台向消除误差的方向移动。数控系统按有无检测装置可分 为开环、闭环与半闭环系统。开环系统精度取决于步进电动机和丝杠精度，闭环系统精度取 决于检测装置精度。检测装置是高性能数控机床的重要组成部分。 ③刀具误差的影响 在加工中心上，由于采用的刀具具有自动交换功能，因而在提高生产率的同时，也带来 了刀具交换误差。用同一把刀具加工一批工件时，由于频繁重复换刀，致使刀柄相对于主轴 锥孔产生重复定位误差而降低加工精度。 抑制数控机床产生误差的途径有硬件补偿和软件补偿。过去一般多采用硬件补偿的方法。 18 如加工中心采用螺距误差补偿功能。随着微电子、控制、监测技术的发展，出现了新的软件 补偿技术。它的特征是应用数控系统通信的补偿控制单元和相应的软件，以实现误差的补偿， 其原理是利用坐标的附加移动来修正误差。 （７）提高加工精度的工艺措施 保证和提高加工精度的方法，大致可概括为以下几种：减小原始误差法、补偿原始误差 法、转移原始误差法BOB半岛、均分原始误差法、均化原始误差法、“就地加工”法。 ①减少原始误差 这种方法是生产中应用较广的一种基本方法。它是在查明产生加工误差的主要因素之后， 设法消除或减少这些因素。例如细长轴的车削，现在采用了大走刀反向车削法，基本消除了 轴向切削力引起的弯曲变形。若辅之以弹簧顶尖，则可进一步消除热变形引起的热伸长的影 响。 ②补偿原始误差 误差补偿法，是人为地造出一种新的误差，去抵消原来工艺系统中的原始误差。当原始 误差是负值时人为的误差就取正值，反之，取负值BOB半岛，并尽量使两者大小相等；或者利用一种 原始误差去抵消另一种原始误差，也是尽量使两者大小相等，方向相反，从而达到减少加工 误差，提高加工精度的目的。 ③转移原始误差 误差转移法实质上是转移工艺系统的几何误差、受力变形和热变形等。 误差转移法的实例很多。如当机床精度达不到零件加工要求时，常常不是一味提高机床 精度，而是从工艺上或夹具上想办法，创造条件，使机床的几何误差转移到不影响加工精度 的方面去。如磨削主轴锥孔保证其和轴颈的同轴度，不是靠机床主轴的回转精度来保证，而 是靠夹具保证。当机床主轴与工件之间用浮动联接以后，机床主轴的原始误差就被转移掉了。 ④均分原始误差 在加工中，由于毛坯或上道工序误差（以下统称“原始误差”）的存在，往往造成本工序 的加工误差，或者由于工件材料性能改变，或者上道工序的工艺改变（如毛坯精化后，把原 来的切削加工工序取消），引起原始误差发生较大的变化，这种原始误差的变化，对本工序的 影响主要有两种情况： ●误差复映，引起本工序误差； ●定位误差扩大，引起本工序误差。 解决这个问题，最好是采用分组调整均分误差的办法。这种办法的实质就是把原始误差 按其大小均分为 n 组，每组毛坯误差范围就缩小为原来的 1/n，然后按各组分别调整加工。 ⑤均化原始误差 对配合精度要求很高的轴和孔，常采用研磨工艺。研具本身并不要求具有高精度，但它 能在和工件作相对运动过程中对工件进行微量切削，高点逐渐被磨掉（当然，模具也被工件 磨去一部分）最终使工件达到很高的精度。这种表面间的摩擦和磨损的过程，就是误差不断 减少的过程。这就是误差均化法。它的实质就是利用有密切联系的表面相互比较，相互检查 从对比中找出差异，然后进行相互修正或互为基准加工，使工件被加工表面的误差不断缩小 和均。 在生产中，许多精密基准件（如平板、直尺、角度规、端齿分度盘等）都是利用误差 均化法加工出来的BOB半岛。 19 ⑥就地加工法 在加工和装配中有些精度问题，牵涉到零件或部件间的相互关系，相当复杂，如果一味 地提高零、部件本身精度，有时不仅困难，甚至不可能，若采用就地加工法（也称自身加工 修配法）的方法，就可能很方便地解决看起来非常困难的精度问题。就地加工法在机械零件 加工中常用来作为保证零件加工精度的有效措施。 1.1.5 表面质量 机械加工表面质量，是指零件在机械加工后表面层的微观几何形状误差和物理、化学及 力学性能。产品的工作性能、可靠性、寿命在很大程度上取决于主要零件的表面质量。 机器零件的损坏，在多数情况下都是从表面开始的，这是由于表面是零件材料的边界， 常常承受工作负荷所引起的最大应力和外界介质的侵蚀，表面上有着引起应力集中而导致破 坏的根源，所以这些表面直接与机器零件的使用性能有关。在现代机器中，许多零件是在高 速、高压、高温、高负荷下工作的，对零件的表面质量，提出了更高的要求。 １．机械加工表面质量含义 任何机械加工方法所获得的加工表面都不可能是绝对理想的表面，总存在着表面粗糙度、 表面波度等微观几何形状误差。表面层的材料在加工时还会发生物理、力学性能变化，以及 在某些情况下发生化学性质的变化。图 1-15(a)表示加工表层沿深度方向的变化情况。在最外 层生成氧化膜或其他化合物，并吸收、渗进了气体、液体和固体的粒子，称为吸附层，其厚 度一般不超过 8µm。压缩层即为表面塑性变形区，由切削力造成，厚度约为几十至几百微米， 随加工方法的不同而变化。其上部为纤维层，是由被加工材料与刀具之间的摩擦力所造成的。 另外，切削热也会使表面层产生各种变化，如同淬火、回火一样使材料产生相变以及晶粒大 小的变化等。因此，表面层的物理力学性能不同于基体，产生了如图 1-15(b) 、(c)所示的显微 硬度和残余应力变化。 （a） （b） （c） 图 1-15 加工表面层沿深度方向的变化情况 （a）加工变质层 （b）变质层显微硬度 （c）变质层残余应力 20 机械零件的加工质量，除了加工精度外，还包含表面质量 （表面完整性）BOB半岛。了解影响机械 加工表面质量的主要工艺因素及其变化规律，对保证产品质量具有重要意义。 机械加工表面质量的含义有两方面的内容： （１）表面的几何特性 如图 1-16 所示，加工表面的几何形状，总是以“峰”“谷”形式交替出现，其偏差又有 宏观、微观的差别。 ①表面粗糙度 它是指加工表面的微观几何形状误差，如图 1-16 所示，其波长L ３与波高 H3 的比值一般小于 50，主要由刀具的形状以及切削过程中塑性变形和振动等因素决定。 ②表面波度 它是介于宏观几何形状误差 （L1 ／H 1000 ）与微观表面粗糙度 （L ／ 1 3 H350 ）之间的周期性几何形状误差。它主要是由机械加工过程中工艺系统低频振动所引起 的，如图 1-16 所示，其波长L 与波高H 的比值一般为 50～1000。一般以波高为波度的特征 2 2 图 1-16 表面几何特性 参数，用测量长度上五个最大的波幅的算术平均值 ω表示，即 ω＝（ω ＋ω ＋ω ＋ω ＋ω ）／5 （1-4） 1 2 3 4 5 ③表面纹理方向 它是指表面刀纹的方向，取决于该表面所采用的机械加工方法及其主 运动和进给运动的关系。一般对运动副或密封件有纹理方向的要求。 ④伤痕 在加工表面的一些个别位置上出现的缺陷。它们大多是随机分布的，例如砂眼、 气孔、裂痕和划痕等： （２）表面层物理、化学和力学性能 由于机械加工中切削力和切削热的综合作用，加工表面层金属的物理、力学和化学性能 发生一定的变化，主要表现在以下三个方面： ●表面层加工硬化（冷作硬化）。 ●表面层金相组织变化及由此引起的表层金属强度、硬度、塑性及耐腐蚀性的变化。 ●表面层产生残余应力或造成原有残余应力的变化。 ２．加工表面质量对零件使用性能的影响 （１）表面质量对零件耐磨性的影响 零件的耐磨性与摩擦副的材料、润滑条件和零件的表面加工质量等因素有关。特别是在 前两个条件已确定的前提下，零件的表面加工质量就起着决定性的作用。 21 零件的磨损可分为三个阶段，如图 1-17 所示。第Ⅰ阶段称初期磨损阶段。由于摩擦副开 始工作时，两个零件表面互相接触，一开始只是在两表面波峰接触，实际的接触面积只是名 义接触面积的一小部分。当零件受力时，波峰接触部分将产生很大的压强，因此磨损非常显 著。经过初期磨损后，实际接触面积增大，磨损变缓，进入磨损的第Ⅱ阶段，即正常磨损阶 段。这一阶段零件的耐磨性最好，持续的时间也较长。最后，由于波峰被磨平，表面粗糙度 参数值变得非常小，不利于润滑油的储存，且使接触表面之间的分子亲和力增大，甚至发生 分子粘合，使摩擦阻力增大，从而进入磨损的第Ⅲ阶段，即急剧磨损阶段。 表面粗糙度对摩擦副的初期磨损影响很大，但也不是表面粗糙度参数值越小越耐磨。图 1-18 是表面粗糙度对初期磨损量影响的实验曲线。从图中看到，在一定工作条件下，摩擦副 表面总是存在一个最佳表面粗糙度参数值，最佳表面粗糙度Ra值约为 0.32～1.25µm。 表面纹理方向对耐磨性也有影响，这是因为它能影响金属表面的实际接触面积和润滑液 的存留情况。轻载时，两表面的纹理方向与相对运动方向一致时，磨损最小；当两表面纹理 方向与相对运动方向垂直时，磨损最大。但是在重载情况下，由于压强、分子亲和力和润滑 液的储存等因素的变化，其规律与上述有所不同。 表面层的加工硬化，一般能提高耐磨性 0.5～l 倍。这是因为加工硬化提高了表面层的强 度，减少了表面进一步塑性变形和咬焊的可能。但过度的加工硬化会使金属组织疏松，甚至 出现疲劳裂纹和产生剥落现象，从而使耐磨性下降。所以零件的表面硬化层必须控制在一定 的范围之内。 图 1-17 磨损过程的基本规律 图 1-18 表面粗糙度与初期磨损量 （２）表面质量对零件疲劳强度的影响 零件在交变载荷的作用下，其表面微观不平的凹谷处和表面层的缺陷处容易引起应力集 中而产生疲劳裂纹，造成零件的疲劳破坏。试验表明，减小零件表面粗糙度值可以使零件的 疲劳强度有所提高。因此，对于一些承受交变载荷的重要零件，如曲轴的曲拐与轴颈交界处， 精加工后常进行光整加工，以减小零件的表面粗糙度值，提高其疲劳强度。 加工硬化对零件的疲劳强度影响也很大。表面层的适度硬化可以在零件表面形成一个硬 化层，它能阻碍表面层疲劳裂纹的出现，从而使零件疲劳强度提高。但零件表面层硬化程度 过大，反而易于产生裂纹，故零件的硬化程度与硬化深度也应控制在一定的范围之内。 表面层的残余应力对零件疲劳强度也有很大影响，当表面层为残余压应力时，能延缓疲 劳裂纹的扩展，提高零件的疲劳强度；当表面层为残余拉应力时，容易使零件表面产生裂纹 而降低其疲劳强度。 （３）表面质量对零件耐腐蚀性的影响 22 零件的表面粗糙度在一定程度上影响零件的耐腐蚀性。零件表面越粗糙，越容易积聚腐 蚀性物质，凹谷越深，渗透与腐蚀作用越强烈。因此，减小零件表面粗糙度值，可以提高零 件的耐腐蚀性能。 零件表面残余压应力使零件表面紧密，腐蚀性物质不易进入，可增强零件的耐腐蚀性， 而表面残余拉应力则降低零件的耐腐蚀性。 （４）表面质量对配合性质及零件其他性能的影响 相配零件间的配合关系是用过盈量或间隙值来表示的。在间隙配合中，如果零件的配合 表面粗糙，则会使配合件很快磨损而增大配合间隙，改变配合性质，降低配合精度；在过盈 配合中，如果零件的配合表面粗糙，则装配后配合表面的凸峰被挤平，配合件间的有效过盈 量减小，降低配合件间连接强度，影响配合的可靠性。因此对有配合要求的表面，必须限定 较小的表面粗糙度参数值。 零件的表面质量对零件的使用性能还有其他方面的影响。例如，对于液压缸和滑阀，较 大的表面粗糙度值会影响密封性；对于工作时滑动的零件，恰当的表面粗糙度值能提高运动 的灵活性，减少发热和功率损失；零件表面层的残余应力会使加工好的零件因应力重新分布 而变形，从而影响其尺寸和形状精度等。 总之，提高加工表面质量，对保证零件的使用性能、提高零件的使用寿命是很重要的。 3．加工表面粗糙度及其影响因素 加工表面几何特性包括表面粗糙度、表面波度、表面加工纹理几个方面。表面粗糙度是 构成加工表面几何特征的基本单元。 用金属切削刀具加工工件表面时，表面粗糙度主要受几何因素、物理因素和机械加工工 艺因素三个方面的作用和影响。 （1）几何因素 从几何的角度考虑，刀具的形状和几何角度，特别是刀尖圆弧半径、主偏角、副偏角和 切削用量中的进给量等对表面粗糙度有较大的影响。 （2 ）物理因素 从切削过程的物理实质考虑，刀具的刃口圆角及后面的挤压与摩擦使金属材料发生塑性 变形，严重恶化了表面粗糙度。在加工塑性材料而形成带状切屑时，在前刀面上容易形成硬 度很高的积屑瘤。它可以代替前刀面和切削刃进行切削，使刀具的几何角度、背吃刀量发生 变化。积屑瘤的轮廓很不规则，因而使工件表面上出现深浅和宽窄都不断变化的刀痕。有些 积屑瘤嵌入工件表面，更增加了表面粗糙度。 切削加工时的振动，使工件表面粗糙度参数值增大。 （3 ）工艺因素 从工艺的角度考虑其对工件表面粗糙度的影响，主要有与切削刀具有关的因素、与工件 材质有关的因素和与加工条件有关因素等。 23 1.2 数控加工工艺系统 1.2.1 数控加工工艺系统的基本组成 1. 数控机床加工工件的基本过程 从图 1-19 可以看出数控机床加工工件的基本过程即从零件图到加工好零件的整个过程。 图 1-19 数控机床加工工件的基本过程 2. 数控加工工艺系统的组成 机械加工中，由机床、夹具、刀 具和工件等组成的统一体，称为工艺 系统。数控加工工艺系统是由数控机 床、夹具、刀具和工件等组成的，如 图 1-20 所示。 （１）数控机床 采用数控技术，或者说装备了数 控系统的机床，称为数控机床。它是 一种技术密集度和自动化程度都比较 高的机电一体化加工装备。数控机床 是实现数控加工的主体。 （２）夹具 在机械制造中，用以装夹工件（和 引导刀具）的装置统称为夹具。在机 械制造工厂，夹具的使用十分广泛， 图 1-20 工艺系统的组成 从毛坯制造到产品装配以及检测的各 24 个生产环节，都有许多不同种类的夹具。夹具是实现数控加工的纽带。 （３）刀具 金属切削刀具是现代机械加工中的重要工具。无论是普通机床还是数控机床都必须依靠 刀具才能完成切削工作。刀具是实现数控加工的桥梁。 （４）工件 工件是数控加工的对象。 1.2.2 数控机床的主要类型 随着数控技术的发展，数控机床出现了许多分类方法，但通常按以下最基本的几个方面 进行分类： 1．按加工方式和工艺用途分类 这种分类方法和普通机床的分类方法相似，按切削方式不同，可分为数控车床、数控铣 床、数控钻床、数控镗床、数控磨床等。 有些数控机床具有两种以上切削功能，例如以车削为主兼顾铣、钻削的车削中心；具有 铣、镗、钻削功能，带刀库和自动换刀装置的镗铣加工中心（简称加工中心）。 另外，还有数控电火花线切割、数控电火花成型、数控激光加工、等离子弧切割、火焰 切割、数控板材成型、数控冲床、数控剪床、数控液压机等各种功能和不同种类的数控加工 机床。 2．按加工路线分类 数控机床按其刀具与工件相对运动的方式，可以分为点位控制、直线控制和轮廓控制， 如图 1-21 所示。 (a) (b) (c) 图 1-21 数控机床分类 (a)点位控制 (b)直线控制 (c)轮廓控制 （1）点位控制 点位控制方式就是刀具与工件相对运动时，只控制从一点运动到另一点 的准确性，而不考虑两点之间的运动路径和方向，如图 1-21 （a ）所示。这种控制方式多应用 于数控钻床、数控冲床、数控坐标镗床和数控点焊机等。 （2 ）直线控制 直线控制方式就是刀具与工件相对运动时，除控制从起点到终点的准确 25 定位外，还要保证平行坐标轴的直线切削运动。由于只作平行坐标轴的直线进给运动，因此 不能加工复杂的工件轮廓，如图 1-21 （b ）所示。这种控制方式用于简易数控车床、数控铣 床、数控磨床。 （3 ）轮廓控制 轮廓控制就是刀具与工作相对运动时，能对两个或两个以上坐标轴的运 动同时进行控制。因此可以加工平面曲线轮廓或空间曲面轮廓，如图 1-2 1 （c ）所示。采用这 类控制方式的数控机床有数控车床、数控铣床、数控磨床、加工中心等。 3 ．按可控制联动的坐标轴分类 所谓数控机床可控制联动的坐标轴，是指数控装置控制几个伺服电动机，同时驱动机床 移动部件运动的坐标轴数目。 （1）两坐标联动 数控机床能同时控制两个坐标轴联动 （如图1-22 所示），即数控装置 同时控制 X 和 Z 方向运动，可用于加工各种曲线轮廓的回转体类零件。或机床本身有 X 、Y 、 Z 三个方向的运动，数控装置中只能同时控制两个坐标（如图 1-23 所示），实现两个坐标轴 联动，但在加工中能实现坐标平面的变换，用于加工图 1-24 （a ）所示的零件沟槽。 图 1-22 卧式车床 图 1-23 立式升降台铣床 （2 ）三坐标联动 数控机床能同时控制三个坐标轴联动 （如图 1-23 所示），此时，铣床 称为三坐标数控铣床，可用于加工曲面零件，如图 1-24 （b ）所示。 （3 ）两轴半坐标联动 数控机床本身有三个坐标能作三个方向的运动，但控制装置只能 同时控制两个坐标，而第三个坐标只能作等距周期移动，可加工空间曲面，如图 1-24 （c ）所 示零件。数控装置在 ZX 坐标平面内控制 X 、Z 两坐标联动，加工垂直面内的轮廓表面，控 制 Y 坐标作定期等距移动，即可加工出零件的空间曲面。 （4 ）多坐标联动 数控机床能同时控制四个以上坐标轴联动，多坐标数控机床的结构复 杂、精度要求高、程序编制复杂，主要应用于加工形状复杂的零件。五轴联动铣床加工曲面 形状零件，如图 1-24(d)所示。 26 图 1-24 空间平面和曲面的数控加工 (a)零件沟槽面加工 (b)三坐标联动 曲面加工 (c)两坐标联动加工曲面 (d)五轴联动 4 ．按数控装置的类型分类 （1）硬件数控 早期的数控装置基本上都属于硬件数控（NC ）类型，主要由固化的数 字逻辑电路处理数字信息，于 20 世纪 60 年代投入使用。由于其功能少、线路复杂和可靠性 低等缺点已经淘汰，因而这种分类没有实际意义。 （2 ）计算机数控 用计算机处理数字信息的计算机数控（CNC ）系统，于 20 世纪 70 年代初期投入使用。随着微电子技术的迅速发展，微处理器功能越来越强，价格越来越低， 现在数控系统的主流是微机数控系统 （MNC ）。根据数控系统微处理器 （CPU ）的多少，可 分为单微处理器数控系统和多微处理器数控系统。 5 ．按伺服系统有无检测装置分类 按伺服系统有无检测装置可分为开环控制和闭环控制数控机床。在闭环控制系统中，根 据检测装置的位置不同又可分为全闭环和半闭环两种。 6 ．按数控系统的功能水平分类 数控系统一般分为高级型、普及型和经济型三个档次。数控系统并没有确切的档次界限， 其参考评价指标包括：CPU 性能、分辨率、进给速度、联动轴数、伺服水平、通信功能和人 机对线）高级型数控系统 该档次的数控系统采用 32 位或更高性能的 CPU，联动轴数在 5 轴以上，分辨率≤0.1µm ，进给速度≥24m ／min （分辨率为 1µm 时）或≥10m ／min （分辨 率为 0.1µm 时），采用数字化交流伺服驱动，具有 MAP 高性能通信接口，具备联网功能，有 三维动态图形显示功能。 27 （2 ）普及型数控系统 该档次的数控系统采用 16 位或更高性能的 CPU，联动轴数在 5 轴以下，分辨率在 1µm 以内，进给速度≤24m ／min ，可采用交、直流伺服驱动，具有RS232 或 DNC 通信接口，有 CRT 字符显示和平面线 ）经济型数控系统 该档次的数控系统采用 8 位 CPU 或单片机控制，联动轴数在 3 轴以下，分辨率为 0.01 ㎜，进给速度在 6～8m ／min ，采用步进电动机驱动，具有简单的 RS232 通信接口，用数码管或简单的 CRT 字符显示。 1.2.3 数控刀具的主要种类 1．数控加工刀具的种类 数控加工刀具可分为常规刀具和模块化刀具两大类。模块化刀具是发展方向。发展模块 化刀具的主要优点：减少换刀停机时间，提高生产加工时间；加快换刀及安装时间，提高小 批量生产的经济性；提高刀具的标准化和合理化的程度；提高刀具的管理及柔性加工的水平； 扩大刀具的利用率，充分发挥刀具的性能；有效地消除刀具测量工作的中断现象，可采用线 外预调。事实上，由于模块刀具的发展，数控刀具已形成了三大系统，即车削刀具系统、钻 削刀具系统和镗铣刀具系统。 （１）从结构上可分为 ①整体式 ②镶嵌式 可分为焊接式和机夹式。机夹式根据刀体结构不同，分为可转位和不转位； ③减振式 当刀具的工作臂长与直径之比较大时，为了减少刀具的振动，提高加工精度， 多采用此类刀具； ④内冷式 切削液通过刀体内部由喷孔喷射到刀具的切削刃部； ⑤特殊型式 如复合刀具、可逆攻螺纹刀具等。 （２）从制造所采用的材料上可分为 ①高速钢刀具 高速钢通常是型坯材料，韧性较硬质合金好，硬度、耐磨性和红硬性较 硬质合金差，不适于切削硬度较高的材料，也不适于进行高速切削。高速钢刀具使用前需生 产者自行刃磨，且刃磨方便，适于各种特殊需要的非标准刀具。 ②硬质合金刀具 硬质合金刀片切削性能优异，在数控车削中被广泛使用。硬质合金刀 片有标准规格系列产品，具体技术参数和切削性能由刀具生产厂家提供。 硬质合金刀片按国际标准分为三大类：P 类，M 类，K 类。 P 类——适于加工钢、长屑可锻铸铁（相当于我国的 YT 类） M 类——适于加工奥氏体不锈钢、铸铁、高锰钢、合金铸铁等（相当于我国的 YW 类） M-S 类——适于加工耐热合金和钛合金 K 类——适于加工铸铁、冷硬铸铁、短屑可锻铸铁、非钛合金（相当于我国的 YG 类） K-N 类——适于加工铝、非铁合金 K-H 类——适于加工淬硬材料 ③陶瓷刀具 ④立方氮化硼刀具 28 ⑤金刚石刀具 （３）从切削工艺上可分为 ①车削刀具 分外圆、内孔、外螺纹、内螺纹，切槽、切端面、切端面环槽、切断等。 数控车床一般使用标准的机夹可转位刀具。机夹可转位刀具的刀片和刀体都有标准，刀 片材料采用硬质合金、涂层硬质合金以及高速钢。 数控车床机夹可转位刀具类型有外圆刀具、外螺纹刀具、内圆刀具、内螺纹刀具、切断 刀具、孔加工刀具（包括中心孔钻头、镗刀、丝锥等）。 机夹可转位刀具夹固不重磨刀片时通常采用螺钉、螺钉压板、杠销或楔块等结构。 常规车削刀具为长条形方刀体或圆柱刀杆。 方形刀体一般用槽形刀架螺钉紧固方式固定。圆柱刀杆是用套筒螺钉紧固方式固定。它 们与机床刀盘之间的联接是通过槽形刀架和套筒接杆来联接的。在模块化车削工具系统中， 刀盘的联接以齿条式柄体联接为多，而刀头与刀体的联接是“插入快换式系统”。它既可以用 于外圆车削又可用于内孔镗削，也适用于车削中心的自动换刀系统。 数控车床使用的刀具从切削方式上分为三类：圆表面切削刀具、端面切削刀具和中心孔 类刀具。 ②钻削刀具 分小孔、短孔、深孔、攻螺纹、铰孔等。 钻削刀具可用于数控车床、车削中心，又可用于数控镗铣床和加工中心。因此它的结构 和联接形式有多种。有直柄、直柄螺钉紧定、锥柄、螺纹联接、模块式联接（圆锥或圆柱联 接）等多种。 ③镗削刀具 分粗镗、精镗等刀具。 镗刀从结构上可分为整体式镗刀柄、模块式镗刀柄和镗头类。从加工工艺要求上可分为 粗镗刀和精镗刀。 ④铣削刀具 分面铣、立铣、三面刃铣等刀具。 ●面铣刀（也叫端铣刀） 面铣刀的圆周表面和端面上都有切削刃，端部切削刃为副切 削刃。面铣刀多制成套式镶齿结构和刀片机夹可转位结构，刀齿材料为高速钢或硬质合金， 刀体为 40Cr 。 ●立铣刀 立铣刀是数控机床上用得最多的一种铣刀。立铣刀的圆柱表面和端面上都有 切削刃，它们可同时进行切削，也可单独进行切削。结构有整体式和机夹式等，高速钢和硬 质合金是铣刀工作部分的常用材料。 ●模具铣刀 模具铣刀由立铣刀发展而成，可分为圆锥形立铣刀、圆柱形球头立铣刀和 圆锥形球头立铣刀三种，其柄部有直柄、削平型直柄和莫氏锥柄。它的结构特点是球头或端 面上布满切削刃，圆周刃与球头刃圆弧连接，可以作径向和轴向进给。铣刀工作部分用高速 钢或硬质合金制造。 ●键槽铣刀 ●鼓形铣刀 ●成形铣刀 （4 ）特殊型刀具 特殊型刀具有带柄自紧夹头、强力弹簧夹头刀柄、可逆式（自动反向）攻螺纹夹头刀柄、 增速夹头刀柄、复合刀具和接杆类等。 29 2． 数控加工刀具的特点 为了达到高效、多能、快换、经济的目的，数控加工刀具与普通金属切削刀具相比应具 有以下特点： ●刀片及刀柄高度的通用化、规格化、系列化。 ●刀片或刀具的耐用度及经济寿命指标的合理性。 ●刀具或刀片几何参数和切削参数的规范化、典型化。 ●刀片或刀具材料及切削参数与被加工材料之间应相匹配。 ●刀具应具有较高的精度，包括刀具的形状精度、刀片及刀柄对机床主轴的相对位置 精度、刀片及刀柄的转位及拆装的重复精度。 ●刀柄的强度要高、刚性及耐磨性要好。 ●刀柄或工具系统的装机重量有限度。 ●刀片及刀柄切入的位置和方向有要求。 ●刀片、刀柄的定位基准及自动换刀系统要优化。 数控机床上用的刀具应满足安装调整方便、刚性好、精度高、耐用度好等要求。 1.2.4 数控机床夹具的类型和特点 应用机床夹具，有利于保证工件的加工精度、稳定产品质量；有利于提高劳动生产率和 降低成本；有利于改善工人劳动条件，保证安全生产；有利于扩大机床工艺范围，实现“一 机多用”。 １．机床夹具的类型 夹具是一种装夹工件的工艺装备，它广泛地应用于机械制造过程的切削加工、热处理、 装配、焊接和检测等工艺过程中。 在金属切削机床上使用的夹具统称为机床夹具。在现代生产中，机床夹具是一种不可缺 少的工艺装备，它直接影响着工件加工的精度、劳动生产率和产品的制造成本等。 机床夹具的种类繁多，可以从不同的角度对机床夹具进行分类。常用的分类方法有以下 几种。 （１）按夹具的使用特点分类 根据夹具在不同生产类型中的通用特性，机床夹具可分为通用夹具、专用夹具、可调夹 具、组合夹具和拼装夹具五大类。 ①通用夹具 已经标准化的可加工一定范围内不同工件的夹具，称为通用夹具，其结构、 尺寸已规格化，而且具有一定通用性，如三爪自定心卡盘、机床用平口虎钳、四爪单动卡盘、 台虎钳、万能分度头、顶尖、中心架和磁力工作台等。这类夹具适应性强，可用于装夹一定 形状和尺寸范围内的各种工件。这些夹具已作为机床附件由专门工厂制造供应，只需选购即 可。其缺点是夹具的精度不高，生产率也较低，且较难装夹形状复杂的工件，故一般适用于 单件小批量生产中。 ②专用夹具 专为某一工件的某道工序设计制造的夹具，称为专用夹具。在产品相对稳 定、批量较大的生产中，采用各种专用夹具，可获得较高的生产率和加工精度。专用夹具的 30 设计周期较长、投资较大。 专用夹具一般在批量生产中使用。除大批大量生产之外，中小批量生产中也需要采用一 些专用夹具，但在结构设计时要进行具体的技术经济分析。 ③可调夹具 某些元件可调整或更换，以适应多种工件加工的夹具，称为可调夹具。可 调夹具是针对通用夹具和专用夹具的缺陷而发展起来的一类新型夹具。对不同类型和尺寸的 工件，只需调整或更换原来夹具上的个别定位元件和夹紧元件便可使用。它一般又可分为通 用可调夹具和成组夹具两种。前者的通用范围比通用夹具更大；后者则是一种专用可调夹具， 它按成组原理设计并能加工一族相似的工件，故在多品种BOB半岛，中、小批量生产中使用有较好的 经济效果。 ④组合夹具 采用标准的组合元件、部件，专为某一工件的某道工序组装的夹具，称为 组合夹具。组合夹具是一种模块化的夹具。标准的模块元件具有较高精度和耐磨性，可组装 成各种夹具。夹具用毕可拆卸，清洗后留待组装新的夹具。由于使用组合夹具可缩短生产准 备周期，元件能重复多次使用，并具有减少专用夹具数量等优点，因此组合夹具在单件，中、 小批量多品种生产和数控加工中，是一种较经济的夹具。 ⑤拼装夹具 用专门的标准化、系列化的拼装零部件拼装而成的夹具，称为拼装夹具。 它具有组合夹具的优点，但比组合夹具精度高、效能高、结构紧凑。它的基础板和夹紧部件 中常带有小型液压缸。此类夹具更适合在数控机床上使用。 （２）按使用机床分类 夹具按使用机床不同，可分为车床夹具、铣床夹具、钻床夹具、镗床夹具、齿轮机床夹 具、数控机床夹具、自动机床夹具、自动线随行夹具以及其他机床夹具等。 （３）按夹紧的动力源分类 夹具按夹紧的动力源可分为手动夹具、气动夹具、液压夹具、气液增力夹具、电磁夹具 以及线．数控加工夹具的特点 作为机床夹具，首先要满足机械加工时对工件的装夹要求。同时，数控加工的夹具还有 它本身的特点。这些特点是： (1) 数控加工适用于多品种、中小批量生产，为能装夹不同尺寸、不同形状的多品种工 件，数控加工的夹具应具有柔性，经过适当调整即可夹持多种形状和尺寸的工件。 (2) 传统的专用夹具具有定位、夹紧、导向和对刀四种功能，而数控机床上一般都配备 有接触试测头、刀具预调仪及对刀部件等设备，可以由机床解决对刀问题。数控机床上由程 序控制的准确的定位精度，可实现夹具中的刀具导向功能。因此数控加工中的夹具一般不需 要导向和对刀功能，只要求具有定位和夹紧功能，就能满足使用要求，这样可简化夹具的结 构。 (3) 为适应数控加工的高效率，数控加工夹具应尽可能使用气动、液压、电动等自动夹 紧装置快速夹紧，以缩短辅助时间。 (4) 夹具本身应有足够的刚度，以适应大切削用量切削。数控加工具有工序集中的特点， 在工件的一次装夹中既要进行切削力很大的粗加工，又要进行达到工件最终精度要求的精加 工，因此夹具的刚度和夹紧力都要满足大切削力的要求。 31 (5) 为适应数控多方面加工，要避免夹具结构包括夹具上的组件对刀具运动轨迹的干涉， 夹具结构不要妨碍刀具对工件各部位的多面加工。 (6) 夹具的定位要可靠，定位元件应具有较高的定位精度，定位部位应便于清屑，无切 屑积留。如工件的定位面偏小，可考虑增设工艺凸台或辅助基准。 (7) 对刚度小的工件，应保证最小的夹紧变形，如使夹紧点靠近支承点，避免把夹紧力 作用在工件的中空区域等。当粗加工和精加工同在一个工序内完成时，如果上述措施不能把 工件变形控制在加工精度要求的范围内，应在精加工前使程序暂停，让操作者在粗加工后精 加工前变换夹紧力（适当减小），以减小夹紧变形对加工精度的影响。 本 章 小 结 本章从两个方面介绍了数控加工工艺的基础知识，力图使学生对工艺过程的基本概念、 数控加工工艺系统有所掌握。在工艺过程的基本概念部分，重点介绍了生产过程和工艺过程、 工件获得尺寸精度的方法、加工余量、加工精度和表面质量等内容。在数控加工工艺系统部 分，重点介绍了工艺系统的组成、数控机床的主要类型、数控刀具的主要种类和数控机床夹 具的类型和特点等内容。 习 题 1 1.1 什么是生产过程和工艺过程？ 1.2 获得零件加工精度有哪些方法？ 1.3 什么是加工余量、工序加工余量和总加工余量？ 1.4 试述影响加工精度的主要因素。 1.5 机械零件的加工表面质量包括哪些主要内容？它们对零件的使用性能有何影响？ 1.6 数控加工工艺的主要内容有哪些？ 1.7 数控加工有何优缺点？ 1.8 数控加工刀具有什么特点？ 1.9 数控专用夹具的作用主要有哪些？ 32 第 2 章 金属切削原理与刀具 数控加工是普通金属加工技术的一种发展，是一种自动化程度更高的普通加工，它同样 满足一般的金属切削加工规律。本章主要讲述金属切削原理和刀具的基础知识，目的是掌握 金属加工中的一般规律。 2.1 金属切削过程 2.1.1 切削层与切削参数 金属切削的过程是刀具与工件相互运动、相互作用的过程。刀具与工件的相对运动可以 分解为两个方面，一个是主运动，另一个是进给运动。使工件与刀具产生相对运动而进行切 削的最主要的运动，称为主运动。刀刃上选定点相对于工件的主运动速度称为切削速度。主 运动特点是运动速度最高，消耗功率最大。主运动一般只有一个。保证金属的切削能连续进 行的运动，称为进给运动。工件或刀具每转或每一行程时，工件和刀具在进给运动方向的相 对位移量，称为进给量。进给运动的特点是运动速度低，消耗功率小。进给运动可以有几个， 可以是连续运动，也可以是间歇运动。如图 2-1 所示外圆的车削运动。 υ为切削刃某点切削 c 速度， υ为同一点的进给运动速度， υ为两个运动的合成速度。 f e 图2-1 外圆车削的切削运动与加工表面 金属切削过程是通过刀具切削工件切削层而进行的。在切削过程中，刀具的刀刃在一次 走刀中从工件待加工表面切下的金属层，被称为切削层。切削层的截面尺寸被称为切削层参 数。此外，在切削层中需介绍一重要概念－背吃刀量a ，对于外圆车削，它指已加工表面与 p 待加工表面间的垂直距离。 数控加工中最常用的是数控车与数控铣两种加工方式。现以这两种加工方式为例说明切 削层参数的定义。 33 1．车削切削层参数 如图 2-2 所示，刀具车削工件外圆时，切削刃上任一点走的是一条螺旋线运动轨迹，整 个切削刃切削出一条螺旋面。工件旋转一周，车刀由位置 I 移动到位置 II，移动一个进给量 f。