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数控编程工作中的工艺设计是十分重要的环节，它关系到所编制的零件加工程序的正确性与合理性。由于数控加工过程是在加工程序的控制下自动进行的，因此对加工程序的正确性与合理性要求极高，不能有丝毫差错。正因如此，在编写程序前，编程人员必须对加工过程、工艺路线、刀具、切削用量等进行正确、合理的确定和选择。
虽然数控机床与普通机床的工艺处理基本相同，但又各有其特点。一般来说，数控加工的工序内容要比普通机床加工内容复杂。从编程来看，数控加工程序的编制要比普通机床编制工艺过程更复杂。有些本来可由操作者灵活掌握、随时调整的事情，在数控加工中都变成了必须事先选定和安排好的事情，这样才能保证加工的正确性。数控编程中的工艺处理主要包括数控加工的合理性分析，零件的工艺性分析，工艺过程和工艺路线的确定，零件安装方法的确定，选择刀具和确定切削用量等。
数控加工的合理性分析包括哪些零件适合于数控机床的加工，以及适合于在哪一类机床上加工。
通常，合理性分析考虑的因素是零件的技术要求能否得到保证，对提高生产率是否有利，经济上是否合算。一般来说，对于零件的复杂程度高、精度要求高、多品种和小批量的生产，采用数控加工会获得较高的经济效益。
在数控机床较多的工厂，要根据机床性能的不同和对零件要求的不同，对数控加工零件进行分类。不同类别的零件应分配在不同类型的数控机床上进行加工，以获得较高的生产效率和经济效益。数控车床适合于加工形状比较复杂的轴类零件和由复杂曲线回转形成的模具内型腔；立式加工中心适合于加工箱体、箱盖、平面凸轮、样板、形状复杂的平面，以及模具的内、外型腔等；卧式加工中心适合于加工复杂的箱体类零件、泵体、阀体、壳体等；多坐标联动的卧式加工中心可以加工各种复杂的曲线、曲面、叶轮、模具等。
零件的工艺性涉及的问题较多，在“机械制造工艺”等相关课程中均有专门介绍。这里主要从编程角度对编程的可能性与方便性进行分析。
一般来说，编程方便与否常常用来衡量零件数控加工工艺性的好坏。为了方便编程，首先，零件图样上的尺寸标注应便于计算，符合编程的可能性与方便性的原则。其次，零件的内、外形状应尽量采用统一的几何类型或尺寸。这样不仅能够减少换刀次数，还有可能应用零件轮廓加工的专用程序。由于工件圆角的大小决定着刀具直径的大小，所以很容易看出工艺的好坏，主要的数控加工零件应采用规范化设计结构及尺寸。
有些数控机床具有镜像加工的功能。因此，对于对称性的零件，只需编制其半边的程序即可；对于具有多个相同几何形状的工件，只需编制其中一个几何形状的加工程序即可。
在确定数控加工的工艺过程中应注意以下3个问题。
1.工序的划分
根据数控加工的特点，数控加工工序的划分一般按以下方法进行。
（1）刀具集中分序法是指按所用刀具划分工序，即用同一把刀加工完零件上所有可以完成的部位，然后再换其他刀进行后续加工的方法。这样可以减少换刀次数，压缩空行程时间，减少不必要的定位误差。
（2）粗、精加工分序法是指对单个零件要先进行粗加工、半精加工，最后进行精加工，或者对一批零件先全部进行粗加工、半精加工，最后再进行精加工的方法。粗、精加工之间，最好隔一段时间再进行，以便粗加工的零件得以充分地进行时效处理，从而提高零件的加工精度。
（3）加工部位分序法是指一般先加工平面、定位面，后加工孔；先加工简单的几何形状，再加工复杂的几何形状；先加工精度要求较低的部位，再加工精度要求较高的部位的方法。
在划分工序时，一定应视零件的结构与工艺性、机床的功能、零件数控加工内容的多少、安装次数及生产组织等情况灵活掌握。零件加工采用工序集中或分散的原则，要根据实际需要和生产条件来定。
2.加工顺序的安排
加工顺序的安排应该考虑零件的结构和毛坯状况，以及定位安装与夹紧的需要，重点是保证定位夹紧时工件的刚性和加工精度。加工顺序安排一般应按下列原则进行。
（1）上道工序的加工不能影响下道工序的定位与夹紧，中间穿插有通用机床加工工序的也要综合考虑。
（2）先进行内型、内腔加工工序，后进行外形加工工序。
（3）以相同定位、夹紧方式或同一把刀具加工的工序，最好连续进行，以减少重复定位的次数、换刀次数与挪动压紧元件的次数。
（4）在同一次安装中进行的多道工序，应先安排对工件刚性破坏较小的工序。
3.数控加工工序与普通工序的衔接
数控加工工艺过程并不是指从毛坯到成品的整个过程。由于数控加工工序经常穿插于零件加工的整个工艺过程中间，因此在制定数控加工工艺过程时，一定要使之与整个工艺过程协调、吻合。
走刀路线是指数控加工过程中刀具相对于工件的运动轨迹和方向。每道工序加工路线的确定都是非常重要的，因为它与零件的加工精度和表面质量密切相关。确定走刀路线的一般原则如下所述。
（1）保证零件的加工精度和表面粗糙度。
（2）方便数值计算，减少编程工作量。
（3）缩短走刀路线，减少进/退刀时间和其他辅助时间。
（4）尽量减少程序数量，减少占用存储空间。
所确定的加工路线应保证零件的加工精度和表面粗糙度的要求。例如，在铣床上进行加工时，因刀具的运动轨迹和方向不同，可能是顺铣或逆铣，不同的加工路线所得到的零件表面的质量也不同。在铣削平面外轮廓零件时，应避免刀具沿零件外轮廓的法向切入工件，而应沿着外轮廓曲线延长线的切向切入，以避免在切入处产生刀具的刻痕，保证零件轮廓光滑。在切出工件时，应避免在工件的轮廓处直接抬刀，要沿着零件轮廓延伸线的切线逐渐切离工件，如图2-9所示。
为了减少编程的程序段，缩短纸带，减少重刀时间，提高生产率，在确定工艺路线时，应尽量使进给路线最短。最短进给路线设计如图2-10所示，按习惯先加工均匀分布于同一圆周上的一圈孔后，再加工另一圈孔（如图2-10（a）所示）。但对点位控制的数控机床来说，这不是最好的进给路线，应按图2-10（b）所示的进给路线进行加工，使其各孔间距的总和最小，这样可以节省定位时间约50%。为了减少编程工作量，还应使数值计算更为简单。
图2-9 刀具切入和切出时的轨迹
图2-10 最短进给路线设计
此外，为了提高加工精度和降低表面粗糙度，在铣削封闭的内轮廓时，因为刀具切入、切出不允许外延，所以刀具的切入点和切出点应尽量选在轮廓曲线两几何元素的交点处，如图2-9所示。
图2-11（a）所示为采用行切法加工内轮廓的进给路线，加工时不留死角，在减少每次进给重叠量的情况下，进给路线较短，但两次进给都留有残余高度，影响表面粗糙度。图2-11（b）所示为采用环切法加工的进给路线，加工时表面粗糙度较小，但刀位计算略为复杂，进给路线也较行切法长。图2-11（c）所示为采用行切法加工的进给路线，加工的最后再沿轮廓切削一周，使轮廓表面光整。
图2-11 封闭内轮廓加工进给路线比较
在轮廓铣削过程中要避免停顿，因为加工过程中工艺系统处于弹性变形状态下的平衡，停顿会引起切削力的突然变化，使得在停顿处的轮廓表面留下刀痕。当零件加工量较大时，可采用多次进给逐渐切削的方法，最后留少量的精加工裕量（一般为0.2～0.5mm）。
在数控机床上加工工件时，工序集中，往往在一次装夹中就能完成全部工序。因此，对工件的定位、夹紧要注意以下4个方面。
尽量采用组合夹具和标准化通用夹具。当工件批量较大、精度要求较高时，可以设计专用夹具，但其结构应尽量简单。
工件定位、夹紧部位应不妨碍各部位的加工、刀具更换及重要部位的测量。尤其要避免刀具与工件、刀具与夹具相撞现象的发生。
夹紧力应力求通过靠近主要支撑点或在支撑点所组成的三角形内。应力求靠近切削部位，并在刚性较好处。尽量不要在被加工孔径的上方，以减小零件变形。
工件的装夹、定位要考虑到重复安装的一致性，以减少对刀时间，提高同一批零件加工的一致性。一般，同一批工件采用同一定位基准和同一装夹方式。
编制程序时，要正确地选择对刀点和换刀点的位置。对刀点是数控加工时刀具相对运动的起点，也是程序的起点。对刀的目的是确定编程原点在机床坐标中的位置。对刀点可以选择在零件上的某一点上，也可以选择在零件外（如夹具或机床上）的某一点上，应选择在机床上容易找正，加工中便于检查，编程时便于数值计算的地方。所选择的对刀点必须与零件的定位基准有一定的坐标尺寸关系，如图2-12所示。
当对刀精度要求较高时，对刀点应尽量选在零件的设计基准或工艺基准上。例如，以孔定位的零件，选孔的中心作为对刀点较合适。在利用相对坐标系编程的数控机床上，对刀点可选在零件中心孔上或垂直平面的交线上。在利用绝对坐标系编程的数控机床上，对刀点可选在机床坐标系的原点或距原点为确定值的点上。在安装零件时，零件坐标系与机床坐标系要有确定的尺寸关系。对刀时，应使对刀点与刀位点重合。刀位点是指确定刀具位置的基准点。各类刀位点如图2-13所示。
图2-12 对刀点、换刀点设置
图2-13 各类刀位点
带有多刀加工的数控机床，在加工过程中若需换刀，编程时还要设置一个换刀点。换刀点是转换刀位置的基准点。换刀点应选在零件的外部，以避免加工过程中换刀时划伤工件或夹具，如图2-12所示。
正确选择刀具是数控加工工艺中的重要内容。选择刀具时，通常应考虑工件材料、加工型面类型、机床的切削用量、刀具的耐用度、刚性及热处理等因素。
编制程序时，经常需要预先规定好刀具的结构尺寸和调整尺寸，特别是带有自动换刀的数控机床，在将刀具安装到机床上前，应根据编程时确定的参数，在机床外的预调整装置中调整到所需要的尺寸。
在用立铣刀切削平面零件外部轮廓时，铣刀半径r 刀 应小于零件外部轮廓的最小曲率半径R min ，一般r 刀 =（0.8～0.9）R min ；零件的加工高度H≤（1/4～1/6）r 刀 ；为使刀具有足够的刚性，粗加工内轮廓时，铣刀的最大直径为
式中，D 1 为轮廓最小圆角直径；δ 1 为圆角邻边夹角等分线上的精加工裕量；δ 2 为精加工裕量；θ为圆角两邻边的最小夹角，如图2-14所示。
图2-14 粗加工立铣刀直径计算法
对于立体型面和变斜角轮廓的外形，常采用球头铣刀、环形刀、鼓形刀、锥形刀和盘铣刀。
切削用量包括主轴转速、切削深度、切削宽度及进给速度等。不同的加工方法需要选用不同的数值，具体数值应根据说明书和使用手册并结合经验来确定。
切削用量应保证零件加工精度和表面粗糙度；充分发挥刀具切削性能，保证合理的刀具耐用度；充分发挥机床的性能；最大限度地提高生产率，降低成本。
一般切削深度应根据机床、刀具和工件的刚度来选取。在刚度允许的条件下，应尽可能取最大值或使切削深度等于零件的加工裕量，以减少进给次数，提高加工效率。为提高加工零件的表面质量，可留少量精加工裕量，再进行一次精加工。
主轴转速应根据工件材料和直径及允许的切削速度来选择。主轴转速与切削速度的关系为：
式中，v为切削速度（m/min）；n为主轴转速（r/min），编程时用代码S表示；D n 为工件直径或刀具直径（mm）。
进给速度通常根据零件加工精度和表面粗糙度的要求来选定。精加工时，进给量一般按表面粗糙度的要求来选择。表面粗糙度较小时，应选较小的进给量。在用硬质合金刀具高速切削钢件时，进给量不能过小，因为小于一定的限度后，实际表面粗糙度反而增大，这是由于圆弧刃有一定的切削厚度所致。进给速度在编程时给出的方式有多种，有的在程序中直接给出进给速度F（mm/min）；有的在程序中给出进给率数FRN（Feed Rata Number）。
直线插补的FRN（1/min）为
式中，F为刀具进给速度（mm/min）；L为程序段的加工长度（mm）。
L也表示刀具沿工件所走的有效距离。计算 FRN 时，L 为 Δx 与 Δy 的矢量和，即 L=
，在多坐标系的数控机床上，这点应特别注意。
圆弧插补的FRN（1/min）为
图2-15 超程误差和控制
式中，R为插补圆弧的半径（mm）。
在轮廓加工中选择进给速度时，应注意由于惯性作用，在轮廓拐角处会出现“超程”的现象。当拐角较大、进给速度较高时，应采取在接近拐角处适当降速，在拐角后再逐渐升速的办法来保证加工精度，如图2-15所示。另外还应注意，在轮廓加工中，当刀具改变运动方向时，由于运动的滞后，还会产生“欠程”现象，导致“欠程误差”。
程序编制中的误差控制主要由下述3部分组成。
1）逼近误差 逼近误差是用近似计算方法逼近零件轮廓时所产生的误差，也称为一次逼近误差。生产中经常需要仿制已有零件的备件，但又无法考证零件外形的准确数学表达式，这时只能实测一组离散点的坐标值，用样条曲线或曲面拟合后编程。用近似方程所表示的形状与原始零件之间有误差，一般情况下很难确定这个误差的大小。
2）插补误差 插补误差是指用直线或圆弧段逼近零件轮廓曲线时所产生的理论曲线与插补加工出的线段之间的误差。减少这一误差的最简单的方法是加密插补点，但这样会增加插补运算量。
3）圆整化误差 圆整化误差是指将工件尺寸换算成机床的脉冲当量时，由于圆整化所产生的误差。数控机床的最小位移量是一个脉冲当量，小于一个脉冲的数据不能简单地用四舍五入的方法来处理，而应采用累计进位法以避免产生累计误差。
在点位数控加工中，程编误差只包含一项圆整化误差，而在轮廓加工中，程编误差主要由插补误差组成。按零件的分布形式划分，插补误差有3种：在零件轮廓的外侧；在零件轮廓的内侧；在零件轮廓的两侧，具体的选用取决于零件图纸的要求。
零件图上给出的公差允许分配给编程误差的只占一小部分，还有很多其他误差，如控制系统误差、拖动系统误差、零件系统误差、对刀误差、刀具磨损误差和工件变形误差等。其中，拖动系统误差和定位系统误差经常是加工误差的主要来源，因此编程误差一般应控制在零件公差的10%～20%以内。