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机加工工艺设计基础及应用

基础概念

工艺规程

定位及基准

二

一

三

工艺路线制定 四

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工艺 使各种原材料、半成品成为产品的方法和过程

机械制造工艺 各种机械的制造方法和过程的总称

生产过程 将原材料或半成品转变为成品的各有关劳动过程的总和

包括：生产技术准备过程；毛坯制造过程；机械加工和

热处理；装配过程；生产服务过程

机械加工工艺规程 规定零件机械加工工艺过程和操作方法等的技术

文件。一般包括：工件加工的工艺路线、各工序

的具体内容及所用的设备和工艺装备、工件的检

验项目和检验方法、切削用量、时间定额等。

一、基础概念

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是生产的计划、调度，工人的操作、质量检查等活动的依据

是生产准备工作（包括技术准备工作）的依据

是新建或扩建车间（或工段）的原始依据。根据机械加工工艺规程确定机床的种类和数量，确定机床的布置和动力配置，确定生产面积和工人的数量等。

二、工艺规程——作用

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单件试制生产: 一般只编写简单的机械加工工艺过程卡片；

小批生产: 多采用机械加工工艺卡片；

大批大量生产: 要求有详细和完整的工艺文件，要求各工序都要有机械加工工序卡；

机械加工工艺规程被填写成表格（卡片）的形式, 针对批

量大小基本采用以下形式:

二、工艺规程——格式

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可靠地保证零件图纸上所有技术要求的实现。

必须能满足生产纲领的要求。

在满足技术要求和生产纲领的前提下，一般要求工艺成本最低。

尽量减轻工人的劳动强度，保障生产安全。

二、工艺规程——设计原则

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（1）审核图纸：分析零件图及产品装配图，对零件进行工艺分析。

（2）选择毛坯。

（3）选择定位基准。

（4）拟定工艺路线。

（5）确定加工余量，计算工序尺寸及公差。

（6）选择各工序的加工设备、刀具、量具及辅具。

（7）确定切削用量，计算工时定额。

（8）填写工艺文件。

二、工艺规程——步骤及内容

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1、基准及其分类

基准:在零件图上或实际的零件上，用来确定一些点、线、面位置时

所依据的那些点、线、面称为基准。

1） 设计基准：

设计人员在零件图上标注尺寸或相互位置关系时所依据的那些点、

线、面称为设计基准。

2）工艺基准：

零件在加工或装配过程中所使用的基准，称为工艺基准(也称制造

基准)。工艺基准按用途又可分为：

(1)工序基准

在工序图上标注被加工表面尺寸(称工序尺寸)和相互位置关系时，

所依据的点、线、面称为工序基准。

三、定位及基准

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(2)定位基准 工件在机床上加工时，在工件上用以确定被加工表面相对机床、夹

具、刀具位置的点、线、面称为定位基准。确定位置的过程称为定位。 加工轴类零件时，常以顶尖孔为定位基准。 加工盘类零件时，常以孔和端面为定位基准。 (3)测量基准 在工件上用以测量己加工表面位置时所依据的点、线、面称为测量

基准。

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2、定位基准的选择

定位基准又分为粗定位基准、精定位基准和辅助定位基准，分别简

称为粗基准、精基准和辅助基准。

粗基准：以未加工过的表面进行定位的基准称粗基准，也就是第一

道工序所用的定位基准为粗基准。

精基准：以已加工过的表面进行定位的基准称精基准。

辅助基准：该基准在零件的装配和使用过程中无用处，只是为了便

于零件的加工而设置的基准称辅助基准。如轴加工用的顶尖孔等。

选择定位基准主要是为了保证零件加工表面之间以及加工表面与未

加工表面之间的相互位置精度，因此定位基淮的选择应从有相互位置精度

要求的表面间去找。

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1、加工方法的选择

(1)各种加工方法的经济加工精度和粗糙度

不同的加工方法如车、磨、刨、铣、钻、镗等，其用途各不

相同，所能达到的精度和表面粗糙度也大不一样。即使是同一种

加工方法，在不同的加工条件下所得到的精度和表面粗糙度也大

不一样，这是因为在加工过程中，将有各种因素对精度和粗糙度

产生影响，如工人的技术水平、切削用量、刀具的刃磨质量、机

床的调整质量等等。

四、工艺路线制定

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(2)加工方法和加工方案的选择

①首先要根据每个加工表面的技术要求，确定加工方法及加工方案。

选择零件表面的加工方案必须在保证零件达到图纸要求方面是稳定

而可靠的，并在生产率和加工成本方面是最经济合理的。

②决定加工方法时要考虑被加工材料的性质。

淬火钢用磨削的方法加工；而有色金属则磨削困难，一般采用金刚镗

或高速精密车削的方法进行精加工。

③选择加工方法要考虑到生产类型，即要考虑生产率和经济性的问题。

在大批、大量生产中可采用专用的高效率设备和专用工艺装备。

在大批、大量生产中可以从根本上改变毛坯的形态，大大减少切削加

工的工作量。

在单件小批生产中，就采用通用设备、通用工艺装备及一般的加工方

法。提高单件小批生产的生产率亦是目前机械制造工艺的研究课题之一。

④选择加工方法还要考虑本厂(或本车间)的现有设备情况及

技术条件。

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2、设备的选择

①机床工作区域的尺寸应当与零件的外廓尺寸相适应。

②机床的精度应该与工件要求的加工精度相适应。机床精度过低，不能满足工件加工精度的要求；过高，则是一种浪费。

③机床的功率、刚度和工作参数应该与最合理的切削用量相适应。

粗加工时选择有足够功率和足够刚度的机床，以免切削深度和进给量的选用受限制；

精加工时选择有足够刚度和足够转速范围的机床，以保证零件的加工精度和粗糙度。

④机床生产率应该与工件的生产类型相适应。

对于大批、大量生产，宜采用高效率机床、专用机床、组合机床或自动机床；

对于单件小批生产，一般选择通用机床。

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3、加工阶段的划分

粗加工阶段：是加工开始阶段，在这个阶段中，尽量将零件

各个被加工表面的大部分余量从毛坯上切除。这个阶段主要问题是如何提高生产率。

半精加工阶段：这一阶段为主要表面的精加工做好准备，切

去的余量介于粗加工和精加工之间，并达到一定的精度和粗糙度值，为精加工留有一定的余量。在此阶段还要完成一些次要表面的加工，如钻孔、攻丝、铣键槽等。

精加工阶段：在这个阶段将切去很少的余量，保证各主要表面达到较高的精度和较低的粗糙度值(精度7～10级,Ra≈0.8～3.2μm)。

光整加工阶段：主要是为了得到更高的尺寸精度和更低的粗糙度值(精度5～9级，Ra＜0.32μm)，只从被加工表面上切除极少的余量。

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将工艺过程划分粗、精加工阶段的原因是：

①在粗加工阶段，由于切除大量的多余金属，可以及早发

现毛坯的缺陷(夹渣、裂纹、气孔等)；

②粗加工阶段容易引起工件的变形，这是由于切除余量大，

一方面毛坯的内应力重新分布而引起变形，另一方面由于切削力、

切削热及夹紧力都比较大，因而造成工件的受力变形和热变形。

为了使这些变形充分表现，应在粗加工之后留有一定的时间。然

后再通过逐步减少加工余量和切削用量的办法消除上述变形。

③划分加工阶段可以合理使用机床，有利于长期保持精加

工机床的精度。

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④划分加工阶段可在各个阶段中插入必要的热处理工序。如

在粗加工之后进行去除内应力的时效处理；在半精加工后进行淬火处理等。

在某些情况下，划分加工阶段也并不是绝对的。

例如加工重型工件时，不必划分加工阶段。由于不便于多次装

夹和运输，可在粗加工后松开工件，让其充分变形，再夹紧工件进

行精加工，以提高加工的精度。

另外，如果工件的加工质量要求不高、工件的刚度足够、毛坯

的质量较好而切除的余量不多，则可不必划分加工阶段。

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4、工序安排

工序集中：将若干个工步集中在一个工序内完成，一个工

件的加工，只须集中在少数几个工序内完成。最大限度的集中是在一个工序内完成工件所有表面的加工。

采用工序集中可以减少工件的装夹次数，在一次装夹中可

以加工许多表面，有利于保证各表面之间的相互位置精度，也可以减少机床的数量，相应地减少工人的数量和机床的占地面积。但所需要的设备复杂，操作和调整工作也较复杂。

工序分散：工序的数目多，工艺路线长，每个工序所包括

的工步少。最大限度的分散是在一个工序内只包括一个简单的工步。

工序分散可以使所需要的设备和工艺装备结构简单、调整容易、操作简单，但专用性强。

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在确定工序集中或分散的问题上，主要根据生产规模、零件

的结构特点、技术要求和设备等具体生产条件综合考虑后确定。

在单件小批生产中：一般采用通用设备和工艺装备，尽可能

在一台机床上完成较多的表面加工，尤其是对重型零件的加工，

为减少装夹和往返搬运的次数，多采用工序集中的原则。

在成批生产中：尽可能采用效率高的通用机床(如六角机床)和

专用机床，使工序集中。

在大批、大量生产中：①常采用高效率的设备和工艺装备，

如多刀自动机床、组合机床及专用机床等，使工序集中，以便提

高生产率和保证加工质量。②但因工件特殊结构关系，各个表面

不便于集中加工。如活塞、连杆等可采用效率高、结构简单的专

用机床和工艺装备，按工序分散的原则进行生产。

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加工顺序的确定:

工件各表面的加工顺序，一般按照下述原则安排：先粗加

工后精加工；先基准面加工后其它面加工；先主要表面加工后

次要表面加工；先平面加工后孔加工。

根据上述原则，作为精基准的表面应安排在工艺过程开始

时加工。精基准面加工好后，接着对精度要求高的主要表面进

行粗加工和半精加工，并穿插进行一些次要表面的加工，然后

进行各表面的精加工。要求高的主要表面的精加工一般安排在

最后进行，这样可避免已加工表面在运输过程中碰伤，有利于

保证加工精度。有时也可将次要的、较小的表面安排在最后加

工，如紧固螺钉孔等。

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西 门 子 基 础 编 程

基础概念

部分G功能概述

M功能、R参数

二

一

三

程序章程及举例 四

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• 机床坐标系确定原则： • 1.刀具相对于静止的工件移动

• 2.远离工件为正

• 3.右手迪卡尔定则

平面 指令 进给轴

X/Y

Z/X

Y/Z

G17

G18

G19

Z

Y

X

坐标系平面选择

基础概念

XY ZX YZ

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• 使用的坐标系:

• MKS: Machine coordinate system机床坐标系

• WCS: Workpiece coordinate system工件坐标系

• 工件坐标系是编程人员在编程时使用的，编程人员选择工件上的某一点为原点（也称程序原点），建立一个坐标系，称为工件坐标系。工件坐标系一旦建立便一直有效，直到被新的工件坐标系所取代。

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各点位置举例说明：

P1： 相当于 X20 Y35

P2 ： 相当于 X50 Y60

P3 ： 相当于 X70 Y20

P1 ： 相当于 X20 Y35 ;(以原点为参考点)

P2 ： 相当于 X30 Y25 ;(以P1点位参考点)

P3 ： 相当于 X20 Y-40 ;(以P2点位参考点)

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基础概念：运动和信息

• 刀具轨迹延工件轮廓表面插补运动

• 刀具按照编程指定的F进给速度进行轮廓表面运动不表示刀具中心轨迹速度相同

• 图纸数据信息、编程数据信息和工件安装调整数据信息要进行统一，数控机床最终均按照机械原点进行运动

• 刀具移动距离可以是绝对的方式、也可以是相对的方式

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基础概念：编程语言

• N 批号地址块 • 10 批号 • G 准备功能 • X,Y,Z 位置材料 • F 进给 • S 转速 • T 工具，刀具 • D 刀具补偿号 • M 辅助功能 • H 辅助功能 • I,J,K 插补参数 • R 算术参数 • L 调用子程序 • 注：切削速度不等同于主轴转速，但相关。V=π*D*n/1000

例：N710 G0 G54 G60 G90 G601 B=DC(0)

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基础概念：程序类型与格式

• WKS 工件程序文件夹(目前主要放置主程序)

• MPF 主程序（OP0040_01.MPF）

• SPF 子程序（L833.SPF）

• CST 西门子标准循环

• CMA 制造商循环子程序（CLAMP_OP0050_01）

• CUS 用户循环子程序

• DEF 全局变量、宏定义程序

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基础概念：轴的名称和联动

• 基本直线轴由X、Y、Z组成，与其对应的旋转轴名称为A、B、C，与其对应的附加的直线轴名称为U、V、W。

Machine view

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1.绝对坐标

2.增量坐标

G90/G91 是模态指令

AC/IC 是非模态指令

G90或X=AC(....) Y=AC(....) Z=AC(....)

G91或 X=IC(....) Y=IC(....) Z=IC(....)

绝对坐标、增量坐标：

注意：

部分G功能概述：

举例：G90 X100 与 X=AC（100）之间的区别？ 在于G90为模态指令，下面的行中除非G91出现否则G90一直有效；

而 AC（）只是本程序段中起作用的一个非模态指令，它不对下一程序段起作用。

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• 旋转轴指令： • A=DC(…) B=DC(…) C=DC(…)

• 或

• A=ACP(…) B=ACP(…) C=ACP(…)

• 或

• A=ACN(…) B=ACN(…) C=ACN(…)

A B C 旋转轴名称

DC 旋转轴沿最短轨迹运行到用绝对坐标编程的位置处，最多移动180°

ACP 旋转轴以正旋转方向运行到用绝对坐标编程的位置处

ACN 旋转轴以负旋转方向运行到用绝对坐标编程的位置处

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移动指令：

• G0 快速移动

• G1 直线插补

• G2\G3 圆弧插补

• G40\G41\G42刀具半径补偿

• G331\G332 刚性攻丝

路径指令：

• G60 准停

• G601 精准停

• G602 粗准停

• G64 轮廓模式

• BRISK 轨迹轴快速加速

• SOFT 轨迹轴软加速

G04 暂停

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N10 G17 S400 M3 ;选择工件平面, 主轴正转

N20 G0 X20 Y20 Z2 ;快速运动到开始点位置

N30 G1 Z-2 F40 ;刀具开始切削

N40 X80 Y80 Z-15 ;刀具切削

N50 G0 Z100 M30 ;刀具快速退回，程序结束

G00、G01：

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N10 G0 X67.5 Y80.211

N20 G3 X17.203 Y38.029 I–17.500 J–30.211

F500

N10 G0 X67.5 Y80.211

N20 G3 X17.203 Y38.029 I=AC(50) J=AC(50)

N10 G0 G90 X133 Y44.48 S800 M3 ;快速运动到起始位置，主轴正转

N20 G17 G1 Z-5 F1000 ;刀具Z向切削

N30 G2 X115 Y113.3 I-43 J25.52 ;圆弧终点坐标, 对圆心的增量坐标(起点看圆心)

或

N30 G2 X115 Y113.3 I=AC(90) J=AC(70) ;圆弧终点坐标，中心点绝对坐标

G02、G03：

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刀具半径补偿：

G40 取消刀具半径补偿

G41 激活刀具半径左补

G42 激活刀具半径右补偿

刀具半径补偿条件：

1. 刀具号 T/刀刃号或刀具偏置号 D

2. 补偿方向 G41, G42

3. 加工平面 G17 to G19

激活/取消刀具半径补偿：

刀具半径起始段只能用 G0 or G1.这个移动命令在选定的工作平面内至少需指定一根轴方向的移动.

G40、G41、G42：

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激活/取消刀具半径补偿 刀具半径起始段只能用 G0 or G1.这个移动命令在选定的工作平面内至少需指定一根轴方向的移动.

若调用刀具半径补偿时只指定了一根轴，最后一点位置自动添加到第二根轴，以两根轴偏移运动。 例: N10 G0 X50 T1 D1 N20 G1 G41 Y50 F200 N30 Y100 在程序段N10中只有刀具长度补偿有效。趋近X50时不带补偿，在程序段N20中刀具补偿开始有效，趋近点X50/Y50补偿有效。

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G331、G332：

SPOS=0

G331 Z-50 K2 S500

G332 Z5 K2

G331 Z=R3 K=R31 S1=R94

G332 Z=R2 K=R31 S1=R94*2

R3：深度

R2：退回距离

R31：螺距

R94：转速

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G60、G601、G602、G64、G04：

G60准停，模态

G601若准确到达定位窗口，则此步有效

G602若近似到达定位窗口，则此步有效

G64 轮廓加工方式 模态.在轮廓加工

方式中，是尽可能的以恒定轨迹速度进行轮廓加工。恒定的速度可创造很好的加工条件，因此可提高表面加工的质量并可以缩短加工时间。 G04 :

G4 F….

G4 S….

G4 暂停时间生效

F…. 以秒为单位的时间

S…. 以主轴旋转次数确定的时间

BRISK 轨迹轴快速加速

SOFT 轨迹轴软加速

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• M功能： • M00 程序无条件停止 • M01 有条件停止（选择性停止） • M02 程序停止 • M03 主轴顺时针旋转（正转） • M04 主轴逆时针旋转（反转） • M05 主轴停转 • M06 刀具交换 • M07 高压切削液开（刀具内冷） • M08 低压切削液开（主轴外冷） • M09 切削液关闭 • M17 子程序结束 • M30 程序结束并复位返回 • M40 齿轮自动交换 • M41 低速档 • M42 高速档

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主轴转速S，主轴转向M3, M4, M5

•编程

•M3 or M4 or M5

•M1=3 or M1=4 or M1=5

•S…

•Sn=…

•命令解释

•M1=3 M1=4 M1=5 主轴1顺时针/逆时针转，停。其它主轴由M2=…M3=…来定义

•M3 主轴正传

•M4 主轴反转

•M5 主轴停

•Sn=… 主轴号n转速rpm

•S… 主轴转速rpm

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算术参数 R • 算术参数使用场合,程序中变量参数值的赋值和数值计算。在程序执行

期间控制系统可以设置和计算所需要的值。其它可能性是通过操作设置算术参数值。如果值已经赋到算术参数，那么这些值可以分配到程序中的其它NC地址，地址的值是灵活的。

• 赋值范围±(0.000 0001 ... 9999 9999)

• ‧ 对于整数值小数点可省略

• ‧ 正号也可省略

• 例如:

• R1=3.5678 R2=-37.3 R3=2 R4=-7

• R5=-45678.1234

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• 举例R参数运算： • N10 R1=R1+1； 新的R1由旧的R1加上1 • N20 R1=R2+R3 R4=R5-R6 R7=R8* R9 R10=R11/R12 • N30 R13=SIN(25.3)； R13 等于 25.3度的正弦 • N40 R14=R1*R2+R3； 乘除优先于加减

R14=(R1*R2)+R3 • N50 R14=R3+R2*R1； 结果和程序段N40相同 • N60 R15=SQRT(R1*R1+R2*R2)；表示: R15等于R12+R22 和的

平方根

编程举例: 轴地址分配算术值

N10 G1 G91 X=R1 Z=R2 F300

N20 Z=R3

N30 X=-R4

N40 Z=-R5

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• 程序章程： • 总体: • 子程序 (制造商循环, 标准循环, 用户循环或子程序) 能被呼叫，在一些主程序中。 • 主程序名称举例： OP0050_01 • …………….01 程序类型 • OP0050…… 操作号码（工序号） • 程序说明举例： OP0050_01 加工程序，类型1 • OP0050_02 加工程序，类型2 • OP0050_64 在不带有工件的通过程序（空运行） • 子程序说明举例： OP0050_NPV_01 原点偏置程序 • HOME_POS 正常回原点程序 • PO0050_HOME OP50的回原点程序（取决于主程序） • RT_START B和A轴开始重新定位 • RT_STOP B和A轴停止重新定位 • L833 攻螺纹子程序 • L830 铣螺纹子程序 •

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• 程序类型 / 程序路径 • 程序类型: • 工作部件 %_N_...................._MPF • 子程序 %_N_...................._SPF • 工件程序 %_N_...................._MPF • 制造商循环 %_N_...................._SPF • 标准循环 %_N_...................._SPF • 用户循环 %_N_...................._SPF • 程序路径: • Workpieces ;$PATH=/_N_WCS_DIR/_N_OP0050_WPD • Sub-programs ;$PATH=/_N_SPF_DIR • Parts programs ;$PATH=/_N_MPF_DIR • Manufacturer cycles ;$PATH=/_N_CMA_DIR • Standard cycles ;$PATH=/_N_CST_DIR • User cycles ;$PATH=/_N_CUS_DIR

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程序类型 / 程序路径 举例：

• 主程序:

• %_N_OP0050_01_MPF

• ;$PATH=/_N_WCS_DIR/_N_OP0050_WPD

• WPD = WorkPieceDirectory(工作部件地址)

• 子程序:

• %_N_OP0010_NPV_01_SPF

• ;$PATH=/_N_SPF_DIR

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位置参数 R2= 安全平面位置 R3= 加工深度 R9= 换刀后的起始点 R10= 返回平面

•R

3

•R

2

•R

10

•R

9

常规加工程序分析：

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主轴参数、进给参数：

N1270 R2=25.64 R3=0.64 R9=25.64 R10=25.64 N1275 R30=708 R96=2360 ;-------------------------- BB01 + BB04 -------------------------- N1305 X-54 Y-69.5 Z=R9 Z_2=R9+SPI_2_L1 M1=3 M2=3 S1=R96

S2=R96 F=R30 D1 N1310 G64 Z=R2 Z_2=R2+SPI_2_L1 N1315 G1 G60 Z=R3 Z_2=R3+SPI_2_L1 N1320 G0 G64 Z=R10 Z_2=R10+SPI_2_L1

常规加工程序例举：

;R30=Feed ;R96=Speed

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• ;============== PROGRAM JUMP IN （程序跳转）==================================

• N160 IF (LAST_TOOL <> 0)

LAST_TOOL:赋了下一把刀的数值情况下，通过跳转程序防止引起程序加工内容遗漏 。

• N165 WHEN TRUE DO $R21=1 • N170 IF LAST_TOOL<=9999 • N175 T=(<<"MB-T0"<<LAST_TOOL) • N180 ELSE • N185 T=(<<"MB-T"<<LAST_TOOL) • N190 ENDIF • N195 IF LAST_TOOL<=9999 • N200 GOTOF (<<"MB_T0"<<LAST_TOOL) • N205 ELSE • N210 GOTOF (<<"MB_T"<<LAST_TOOL) • N215 ENDIF • N220 ENDIF • N225 WHEN TRUE DO $R21=0

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程序跳转：

IF 条件

GOTOB 往上跳转到目的地的跳转指令（朝程序开头）

GOTOF 往下跳转到目的地的跳转指令（朝程序结尾）

LABEL 目的地(标注在程序中);

LABEL: 跳转目的地的标号，目的地标号后面跟一个冒号“：”

= = 等于，＝是变量赋值

<> 不等于

> 大于

< 小于

>= 大于等于

<= 小于等于

<< 串的连接

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编程举例：

IF R1>R2 GOTOF MARKE1

如果R1大于R2则跳转到MARKE1目标位置

IF R7<=(R8+R9)*743 GOTOB MARKE1

以表达式的比较作为跳转条件

IF R10 GOTOF MARKE1

也可以指定一个变量，变量值为0则条件不满足FALSE，除0外的任何值都满足条件TRUE 。

IF R1==0 GOTOF MARKE1 IF R1==1 GOTOF MARKE2

几个条件判断在一个程序段中

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• 编程举例：

• N40 R1=30 R2=60 R3=10 R4=11 R5=50 R6=20；初始值赋值

• N41 MA1: G0 X=R2*COS(R1)+R5 ->

• -> Y=R2*SIN(R1)+R6； 计算赋值到轴地址

• N42 R1=R1+R3 R4=R4-1； 变量确定

• N43 IF R4>0 GOTOB MA1； 条件跳转语句

• N44 M30 程序结束

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