第二章铣削加工工艺基础

第二章铣削加工工艺基础第一节铣削加工的质量分析一、加工精度分析所谓加工精度，就是零件在加工以后的几何参数（尺寸、形状和相互位置）的实际值与理想值相符合的程度。符合的程度越高，精度越高；反之，则精度低。加工精度高低常用加工误差来表示，加工误差越大，则精度越低；反之，则精度高。在机械加工过程中，机床、夹具、刀具和工件构成一个系统，称为工艺系统。工艺系统中的各种误差将会不同程度地反映到工件上，成为加工误差。工艺系统的各种误差即成为影响加工精度的因素，按其性质不同，可归纳为四个方面：工艺系统的几何误差、工艺系统因受力变形引起的误差、工艺系统受热变形引起的误差和工件内应力引起的误差。一)工艺系统的几何误差工艺系统的几何误差是机床、夹具、刀具及工件本身存在的误差，又称为工艺系统的静误差。静误差主要包括加工原理误差、机床的几何误差、夹具和刀具误差及工件定位误差和调整误差等。1、加工原理误差它是指采用了近似的加工工方法所引起的误差。如加工列表曲线时用数学方程曲线逼近被加工曲线所产生的逼近误差、用直线或圆弧插补方法加工非圆曲线时产生的插补误差等，减小此类误差的方法是提高逼近和插补精度。2、机床的几何误差它包括机床的制造误差、安装误差、和使用后产生的磨损等。对加工精度影响较大的主要是机床主轴误差、导轨误差和传动误差。1)机床主轴误差机床主轴是安装工件或刀具的基准，并将切削主运动和动力传给工件或刀具。因此，主轴的回转误差直接影响工件的加工精度。机床主轴的回转误差包括径向回转误差和轴向回转误差两个部分。径向误差主要影响工件的圆度，径向误差主要影响被加工面的平面度误差和垂直度误差。2)机床导轨误差机床床身导轨是确定各主要部件相对位置的基准和运动的基准。它的各项误差直接影响工件的加工精度。它对较短工件的影响不很大，但当工件较长时，其影响就不可忽视。3)传动误差机床的切削运动是通过某些传动机构来实现的，这此机构本身的制造、装配误差和工作中的磨损，将引起切削运动的不准确。3、刀具误差、夹具误差与工件定位误差1)刀具误差机械加工中的刀具分为普通刀具、定尺寸刀具和成形刀具三类。普通刀具，如车刀、铣刀等，车刀的刀尖圆弧半径和铣刀的直径值在通过半径补偿功能进行补偿时，如果因磨损发生变化就会影响加工尺寸的准确性。定尺寸的刀具如钻头、铰刀、拉刀等，它们的尺寸、形状误差以及使用后的磨损将会直接影响加工表面的尺寸与形状；刀具的安装误差会使加工表面尺寸扩大（如铣刀安装时刀具轴线与主轴轴线不同轴，就相当于加大了刀具半径）。成形刀具的形状误差则直接影响加工表面的形装精度。2)夹具误差夹具误差主要是指定位元件、对定位装置及夹具体等零件的制造、装配误差及工作表面磨损等。夹具确定工件与刀具（机床）间的相对位置，所以夹具误差对加工精度，尤其是加工表面的相对位置精度，有很大影响。3)工件定位误差工件的定位误差是指由于定位不正确所引起的误差，它对加工精度也有直接的影响。4、调整误差在机械加工时，工件与刀具的相对位置需要进行必要的调整（如对刀、试切）才能准确。因此，除要求机床、刀具和夹具应具有一定的精度外，调整误差也是主要因素之一。影响调整误差的主要因素有：测量误差、进给机构微量位移误差、重复定位误差等。二)工艺系统受力变形引起的加工误差在机械加工过程中，工艺系统在切削力、夹紧力、传动力、重力、惯性力等外力作用下会引起相应的变形和在连接处产生位移，致使工件和刀具的相对位置发生变化，从而引起加工误差。一般情况下，这种误差往往占工件总加工误差的较大比重。工艺系统的刚度：刚度是物体或系统抵抗外力使其发生变形的能力。用变形方向上的外力与变形量的比值K来表示。KF/Y式中：F—静载外力（N）Y—在外力作用方向上的静变形量（mm）机械加工过程中，由吃刀抗力FY引起的工艺系统受力变形对加工精度影响最大，所以常用吃刀抗力测定机床的静刚度，即KFy/Y变形量YFy/K由上式可以看出，要减小因受力而引起的变形，就要提高工艺系统的刚度。圆柱铣刀在加工中相当于一个悬臂梁，其长径比就决定了其刚度的大小，加工时就要注意根据切削用量选择合适的铣刀长径比。三)工艺系统热变形所引起的加工误差工艺系统在各种热源作用下将产生复杂的热变形，使工件和刀具的相对位置发生变化，或因加工后工件冷却收缩，从而引起加工误差。数控机床大多进行精密加工，由于工艺系统热变形引起的加工误差约占总误差的40-70%。因此，许多数控机床要求工作环境保持恒温，在加工过程中使用冷却液等方法可以有效地减小工艺系统的热变形。四)工件内应力所引起的变形所谓内应力是指当外部的载荷去除以后，仍然残存在工件内部的应力。如果零件的毛坯或半成品有内应力，则在继续加工时被切去一层金属，破坏了原有表面上的平衡，内应力将重新分布，工件发生变形，这种情况在粗加工时最为明显。引起内应力的主要原因是热变形和力变形。在铸、锻、焊、热处理等热加工过程中，由于毛坯各部分冷却收缩不均匀而引起的应力称为热应力。在进行冷轧、冷校直和切削时，由于毛坯或工件受力不均匀，产生局部变形所引起的内应力称为塑变应力。去除工件内应力的方法是进行时效处理，时效处理分为自然时效和人工时效两种，自然时效是在大气温度变化的影响下使内应力逐渐消失的时效处理方法，一般需要二、三个月甚至半年以上的时间。人工时效是使毛坯或半成品加热后随加热炉缓慢冷却，达到加快内应力消失的时效处理方法，用时效短。大型零件、精度要求高的零件在粗加工后要经过时效处理才能进行精加工；精度要求特别高的工件要经过几次时效处理。二﹑表面质量分析零件的表面质量包括表面粗糙度、表面波度和表面层物理力学性能等三个方面的内容。表面粗糙度是指表面微观几何形状误差，表面波度是指周期性的几何形状误差，表面层物理力学性能主要是指表面冷作硬化和残余应力等。影响表面质量的因素1、影响表面粗糙度的的因素1)刀具切削刃的几何形状刀具相对工件作进给运动时，在加工表面上留下了切削层残留面积，其形状完全是刀具切削刃形状在加工过程中的复映。残留面积越大，表面粗糙度越大。在减小切削层残留面积可以采取减小刀具主、副偏角和增大刀尖圆弧半径等措施。2)工件材料的性质切削塑性材料时，切削变形大，切屑与工件分离产生的撕裂作用，加大了表面粗糙度。所以在切削中、低碳钢时，为改善切削性能可在加工前进行调质或正火处理。一般情况下，硬度在HB170-230范围内的材料切削性能较好。切脆性材料进，切屑呈碎粒状，由于切屑崩碎时会在表面留下麻点，使表面粗糙。如果降低切削用量，使用煤油润滑冷却，则可减轻切屑崩碎现象，减小表面粗糙度。3)切削用量在一定的切削速度范围内，加工塑性材料容易产生积屑瘤或鳞刺，应避开这个切削速度范围（一般为小于80m/min时）。适当减小进给量可减小残留面积，减小粗糙度值。一般背吃刀量对表面粗糙度值影响不大。4)工艺系统的振动工艺系统的振动分为强迫振动和自激振动两类。强迫振动是由外界周期性干扰力的作用而引起的，如断续切削，旋转零、部件不平衡，以及传动系统的制造和装配误差等引起的振动是强迫振动。自激振动是在切削过程中，由工艺系统本身激发的，自激振动伴随整个切削过程。减小强迫振动的主要途径是消除振源，采取隔振措施和提高系统刚度等。抑制自激振动的主要措施是合理地确定切削用量和刀具的几何角度，提高工艺系统各环节的抗振性（如增加接触刚度，加工时增加工件的辅助支承）以及采用减振器等措施。2、影响表面冷硬、残余应力的因素1)影响表面冷硬的因素影响表面冷硬的主要因素是刀具的几何形状和切削用量。刀具的刃口圆弧半径大，对表面层的挤压作用大，使冷作硬化现象严重。增大刀具前角，可减小切削层塑性变形程度，冷硬现象减小。切削速度适当增大，切削层塑性变形增大，冷硬严重，此外，工件材料塑性大，冷硬也严重。2)影响表面残余应力的因素如切削温度不高，表面层以冷塑变形为主，将产生残余压应力；如切削温度高，表面层产生热塑变形，将产生残余拉应力，表面残余应力将引起工件变形，尤其是表面拉应力将会降低其疲劳强度。表面残余应力可通过光整加工、表面强化、表面热处理和时效处理等方法消除。第二节工件的装夹与定位基准的选择铣床和加工中心加工零件时一般只要求有简单的定位、夹紧机构，其原理与通用镗、铣床夹具是相同的，常用的夹具有各种压板、虎钳、分度头和三爪自定心卡盘等，小批量生产可以使用组合夹具、可调夹具，大批量生产可以使用专用夹具。一、常用的工件装夹方法铣削件在机床上的安装大多采用一面两销定位，直接在工件上找正，有夹具则在夹具上找正。所谓找正，是指把千分表或百分表固定在机床床身某个位置，表针压在工件或夹具的定位基准面上，然后使机床工作台沿垂直于表针的方向移动，调整工件或夹具的位置使指针基本保持不动，则说明工件的定位基准面与机床该方向的导轨平行。如图2-1所示。对加工内容多的零件应利用夹具采用一面两销的方式装夹，对夹具的基本要求是：1)夹紧机构或其他元件不能影响进给，加工部位要开敞。为保持工件在本工序中所有需要完成的待加工面充分暴露在外，夹具要尽可能开敞，因此要求夹持工件后夹具上一些组成件（如定位块、压块和螺栓等）不能与刀具运动轨迹发生干涉。图2-1在工作台上找正工件夹紧机构元件与加工面之间应保持一定的安全距离，同时要求夹紧机构元件能低则低，以防止夹具与机床主轴套筒或刀套、刀具在加工过程中发生碰撞。2)为保持零件安装方位与机床坐标系及编程坐标系方向的一致性，夹具应能保证在机床上实现定向安装，还要求能使零件定位面与机床之间保持一定的坐标联系。3)夹具的刚性和稳定性要好。夹紧力应尽量靠近主要支撑点，尽量不采用在加工过程中更换夹紧点的设计。二、定位基准的选择1、选择定位基准的基本要求：遵循六点定位原则，在选择定位基准时要全面考虑各个工位的加工情况，满足三个要求：1)所选基准应能保证工件定位准确，装卸方便、迅速，夹紧可靠，夹具结构简单。2)所选基准与各加工部位间的各个尺寸计算简单。3)保证各项加工精度。2、选择定位基准的原则1)尽量选择零件上的设计基准作为定位基准。这样不仅可以避免因基准不重合引起的定位误差，保证加工精度，而且可以简化程序编制。2)当零件的定位基准与设计基准不能重合且加工面与基设计基准又不能在一次安装内同时加工时，应认真分析装配图纸，确定该零件设计基准的设计功能，通过尺寸链的计算，严格规定定位基准与设计基准间的公差范围，确保加工精度。3)当无法同时完成包括设计基准在内的全部表面加工时，要考虑用所选基准定位后，一次装夹能够完成全部关键精度部位的加工。4)定位基准的选择要保证完成尽可能多的加工内容，为此，要考虑便于各个表面都能被加工的定位方式。5)批量加工时，零件定位基准应尽可能与建立工件坐标系的对刀基准重合。可直接按定位基准对刀，减少对刀误差。但在单件加工（每加工一件对一次刀）时，工件坐标系原点和对刀基准的选择主要考虑便于编程和测量，可不与定位基准重合。6)必须多次安装时应遵从基准统一原则。第三节工艺规程一、走刀路线和加工顺序的确定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，它不但包括了工步的内容，而且也反映出工步加工的顺序。工步顺序是指同一道工序中，各个表面加工的先后顺序。它对零件的加工质量、加工效率和数控加工中的走刀路线有直接影响，应根据零件的结构特点和工序的加工要求等合理安排。在确定走刀路线时，主要考虑以下几点：1、对点位加工的数控机床，如钻、镗床要考虑尽可能缩短走刀路线，以减少空程时间，提高加工效率。2、为保证工件轮廓表面加工后的粗糙度要求，最终轮廓应安排最后一次走刀连续加工。3、刀具的进退刀路线必须认真考虑，要尽量避免在轮廓处停刀或垂直切入切出工件，以免留下刀痕。在铣削零件外轮廓时，铣刀应从轮廓的延长线上切入切出，或从轮廓的切向切入切出。在铣削内轮廓时，应从轮廓的切向切入切出，如图2－2。应尽量避免如图2－3所示的径向直进刀，以避免在工件表面上留下刀痕。4、铣削轮廓的加工路线要合理，一般采用双向切削、单向切削和环形的走刀方式如图2-4所示。在铣削封闭的内轮廓时，刀具的切入或切出不允许外延，最好选在两面的交界