第三节数控加工的工艺设计

第三节数控加工的工艺设计工艺设计是对工件进行数控加工的前期工艺准备工作,它必须在程序编制工作以前完成，因为只有工艺方案确定以后，编程才有依据。前面已经提到，工艺方面考虑不周是造成数控加工差错的主要原因之一，工艺设计搞不好，往往要成倍增加工作量，有时甚至要推倒重来。因此，一定要注意先把工艺设计好，不要先急急忙忙考虑编程。一、数控加工工艺设计的主要内容数控加工工艺设计主要包括下列内容：（1）根据数控加工的适应性，选择并决定零件的数控加工内容；（2）对零件进行数控工艺性分析；（3）拟定数控加工的工艺路线；（4）设计数控加工工序；（5）编写数控加工专用技术文件。二、数控加工工艺的设计数控加工工艺设计的原则和内容在许多方面与普通工艺相同，下面仅针对不同点分别进行简析。（一）选择并决定进行数控加工的内容当选择并决定某个零件进行数控加工后，并不等于要把它所有的加工内容都包下来，而可能只是其中的一部分进行数控加工，因此必须对零件图纸进行仔细的工艺分析，选择那些适合、需要进行数控加工的内容和工序。在选择并作出决定时，应结合本单位的实际，立足于解决难题、攻克关键和提高生产效率，充分发挥数控加工的优势。选择时，一般可按下列顺序考虑：（1）普通机床无法加工的内容应作为优先选择内容；（2）普通机床难加工，质量也难以保证的内容应作为重点选择内容；（3）普通机床加工效率低，工人手工操作劳动强度大的内容，可在数控机床尚存在富余能力的基础上进行选择。一般来说，上述这些加工内容采用数控加工后，在产品质量、生产率与综合经济效益等方面都会得到明显提高。相比之下，下列一些加工内容则不宜选择采用数控加工：需要通过较长时间占机调整的加工内容（如：以毛坯的粗基准定位来加工第一个精基准的工序等）；必须按专用工装协调的孔及其它加工内容（主要原因是采集编程用的数据有困难，协调效果也不一定理想);按某些特定的制造依据（如：样板、样件、模胎等）加工的型面轮廓（主要原因是取数据难，易与检验依据发生矛盾，增加编程难度);不能在一次安装中加工完成的其它零星部位，采用数控加工很麻烦，效果不明显，可安排普通机床补加工。此外，在选择和决定加工内容时，也要考虑生产批量，生产周期，工序间周转情况等等。总之，要尽量做到合理，达到多、快、好、省的目的。要防止把数控机床降格为普通机床使用。（二）选择效控加工方法1．旋转体零件的加工这类零件用数控车床或数控图1-9旋转体零件的加工（点击观看动画）磨床来加工。由于车削零件毛坯多为棒料或锻坯，加工余量较大且不均匀，因此在编程中，粗车的加工线路往往是要考虑的主要问题。图1-9为手柄加工实例，其轮廓由三个弧组成，由于加工余量较大而且又不均匀，因此，比较图1－9旋转体零件的加工。合理的方案是先用直线、斜线程序车掉图中虚线所示的加工余量，再用圆弧程序精加工成形。影响旋转体加工的因素，还有刀具的受力与强度，排屑与冷却等诸多因素，必须根据具体情况，酌情合理选择。2．孔系零件的加工这类零件孔数较多，孔间位置精度要求较高，宜用点位直线控制的数控钻与螳床加工。这样不仅可以减轻工人的劳动强度，提高生产率，而且还易于保证精度。这类零件加工时，孔系的定位都用快速运动，有两坐标联动功能的数控机床，可以指令两轴同时运动，对没有联动的数控机床，则只能指令两个坐标轴依次运动。此外，在编制加工程序时，还应采用于程序调用的方法来减少程序段的数量，以减小加工程序的长度和提高加工的可靠性。3．平面与曲面轮廓零件的加工图1-10平面轮廓加工实例（点击观看动画）平面轮廓零件的轮廓多由直线和圆弧组成，一般在两坐标联动的铣床上力工。图1-10为铣削平面轮廓实例，工件轮廓由直线和圆弧组成，若选用的铣刀半径为R，则点划线为刀具中心的运动轨迹。具有曲面轮廓的零件，多采用三个或三个以上坐标联动的铣床或加工中心加工，为了保证加工质量和刀具受力状况良好，加工中尽量使刀具回转中心线与加工表面处处垂直或相切。为此加工这类零件，常采用具有旋转坐标的四坐标、五坐标联动功能的铣床加工。4．模具型腔的加工一般情况下，该类零件型腔表面复杂、不规则，表面质量及尺寸精度要求高，且常采用硬、韧的难加工材料，此时可考虑选用数控电火花成形加工。用该法加工零件时，由于电极与工件不接触，没有机械加工时的切削力，故特别适宜加工低刚度工件和进行细微加工。5．板材零件的加工这类零件可根据零件形状考虑采用数控剪板机，数控板料折弯机及数控冲压机加工。传统的冲压工艺是按模具生产工件的形状，然而模具结构复杂，易磨损，价格昂贵，生产率低。采用数控冲压设备，能使加工过程按程序要求自动控制，可采用小模具冲压加工形状复杂的大工件，一次装夹集中完成多工序加工。采用软件排样，既能保证加工精度，又能获得高的材料利用率。所以采用数控板材冲压技术，节省模具、材料，生产效率高，特别是工件形状复杂，一精度要求高，品种更换频繁时，更具有良好的技术经济效益。6．平板形零件的加工该类零件可选择数控电火花线切割机床加工。这种加工方法除了工件内侧角部的最小半径由金属丝直径限制外，任何复杂的内、外侧形状都可以加工，而且加工余量少，加工精度高，无论被加工零件的硬度如何，只要是导体或半导体材料都能加工。（三）对零件图进行数控加工工艺性分析一般情况下，在选择和决定数控加工内容的过程中，有关工艺人员必定对零件图作过一些工艺性分析，但还不够具体与充分。在进行数控加工的工艺性分析时，编程人员应根据所掌握的数控加工基本特点及所用数控机床的功能和实际工作经验，力求把这一前期准备工作做得更仔细、更扎实一些，以便为下面要进行的工作铺平道路，减少失误和返工，不留遗患。关于数控加工的工艺性问题，其涉及面很广，这里仅从数控加工的可能性与方便性几个角度提出一些必须分析和审查的主要内容。1．审查与分析零件图纸中的尺寸标注方法是否适应数控加工的特点对数控加工来说，最倾向于以同一基准引注尺寸或直接给出坐标尺寸。这种标注法，既便于编程，也便于尺寸之间的相互协调，在保持设计、工艺、检测基准与编程原点设置的一致性方面带来很大方便。由于零件设计人员往往在尺寸标注中较多地考虑装配、使用等，而不得不采取局部分散的标注方法，这样会给工序安排与数控加工带来诸多不便。事实上，由于数控加工精度及重复定位精度都很高，不会因产生较大的积累误差而破坏使用特性，因而改动局部的分散标注法为集中引注或坐标式尺寸是完全可行的。2．审查与分析零件图纸中构成轮廓的几何元素的条件是否充分准确由于零件设计人员在设计过程中考虑不周或被忽略，常常遇到构成零件轮廓的几何元素的条件不充分或模糊不清。如：圆弧与直线、圆弧与圆弧到底是相切还是相交，含糊不清；有些是明明画得相切，但根据图纸给出的尺寸计算相切条件不充分而变为相交或相离状态，使编程无从下手；有时，所给条件过多，以至自相矛盾或相互干涉，增加了数学处理与节点计算的难度。因为在自动编程时要对构成轮廓的所有几何元素进行定义，手工编程时要计算出每一个节点坐标，无论哪一点不明确或不确定，编程都无法进行。所以，在审查与分析图纸时，一定要仔细认真，发现问题及时找设计人员更改。对于某些不适应数控加工的零件结构，必要时，还可在基本不改变使用性能的前提下，对零件的结构形状与尺寸进行修改，当然这要与有关方面协商，以求共识。3．审查与分析定位基准的可靠性数控加工工艺特别注重定位加工，尤其是正反两面都采用数控加工的零件，以同一基准定位十分必要，否则很难保证两次定位安装加工后两个面上的轮廓位置及尺寸协调。所以，如零件本身有合适的孔，最好就用它来作定位基准孔，即使零件上没有合适的孔，也要想办法专门设置工艺孔作为定位基准。如零件上实在无法找工艺孔，可以考虑以零件轮廓的基坯上增加工艺凸耳，在完成定位加工后再除去的方法。此外，在数控铣削工艺中也常常需要对零件轮廓的凹圆弧半径及毛坯的有关问题有一些特殊要求。对图纸的工艺性分析与审查，一般是在零件图纸设计和毛坯设计以后进行的，特别是在把原来采用通用机床加工的零件改为数控加工的情况下，零件设计都已经定型，我们再要求根据数控加工工艺的特点，对图纸或毛坯进行较大更改，一般是比较困难的，所以一定要把重点放在零件图纸或毛坯图纸初步设计与设计定型之间的工艺性审查与分析上。编程人员不但要积极参与审查和作过细的工作，还要与设计人员密切合作，并尽力说服他们在不损害零件使用特性的许可范围内，更多地满足数控加工工艺的各种要求。（四）数控加工的工艺路线设计在数控工艺路线设计中主要应注意以下几个问题。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可按下列方法进行：（1）以一次安装、加工作为一道工序。这种方法适合于加工内容不多的工件，加工完后就能达到待检状态；（2）以同一把刀具加工的内容划分工序。有些零件虽然能在一次安装加工出很多待加工面，但考虑到程序太长，会受到某些限制，如：控制系统的限制（主要是内存容量），机床连续工作时间的限制（如一道工序在一个工作班内不能结束）等。此外，程序太长会增加出错率，查错与检索困难。因此程序不能太长，一道工序的内容不能太多；（3）以加工部位划分工序。对于加工内容很多的零件，可按其结构特点将加工部位分成几个部分，如内形、外形、曲面或平面等；（4）以粗、精加工划分工序。对于易发生加工变形的零件，由于粗加工后可能发生较大的变形而需要进行校形，故一般来说凡要进行粗、精加工的都要将工序分开。综上所述，在划分工序时；一定要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，安装次数及本单位生产组织状况灵活掌握。什么零件宜采用工序集中的原则还是采用工序分散的原则，也要根据实际需要和生产条件来确定，要力求合理。2．加工顺序的安排工顺序的安排应根据零件的结构和毛坯状况，以及定位安装与夹紧的需要来考虑，重点是保证定位夹紧时工件的刚性和利于保证加工精度。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，最好接连进行，以减少重复定位次数，换刀次数与挪动压紧元件次数；（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的工艺路线设计常常仅是几道数控加工工艺过程，而不是指毛坯到成品的整个工艺过程。由于数控加工工序常常穿插于零件加工的整个工艺过程中间，因此在工艺路线设计中一定要全面，瞻前顾后，使之与整个工艺过程协调吻合。如果协调衔接得不好就容易产生矛盾，最好的办法是建立相互状态要求，如：要不要留加工余量，留多少；定位面与定位孔的精度要求及形位公差；对校形工序的技术要求；对毛坯的热处理状态要求等。目的是达到相互能满足加工需要，且质量目标及技术要求明确，交接验收有依据。关于手续问题，如果是在同一个车间，可由编程人员与主管零件的工艺员共同协商确定，在制订工序工艺文件中互审会签，共同负责；如不是同一车间，则应用交接状态表进行规定，共同会签，然后反映在工艺规程中。数控工艺路线设计是下一步工序设计的基础，其设计的质量会直接影响零件的加工质量与生产效率。设计工艺路线时应对零件图、毛坯图认真消化，结合数控加工的特点灵活运用普通加工工艺的一般原则，尽量把数控加工工艺路线设计得更合理一些。（五）数控加工工序的设计当数控加工工艺路线设计完成后，各道数控加工工序的内容已基本确定。接下来便可以着手数控加工工序设计。数控加工工序设计的主要任务是拟定本工序的具体加工内容、切削用量、定位夹紧方式及刀具运动轨迹，选择刀具、夹具。量具等工艺装备，为编制加工程序作好充分准备。以下为在工序设计中应着重注意的几个方面。1．确定走刀路线和安排工步顺序走刀路线是刀具在整个加工工序中的运动轨迹，它不但包括了工步的内容，也反映出工步顺序。走刀路线是编写程序的重要依据之一，因此，在确定走刀路线时最好画一张工序简图，将已经拟定出的走刀路线画上去（包括进、退刀路线），这样可为编程带来不少方便。工步的划分与安排一般可根据走刀路线来进