第5章数控铣削加工工艺与编程

第5章数控铣削加工工艺与编程本章知识点（技能点）：1．熟悉数控铣床组成、结构、加工特点、加工对象2．熟悉数控铣削工艺基本知识3．熟悉FANUC铣削系统加工程序编制的基本知识4．学会平面、外轮廓、槽、型腔等结构铣削工艺、编程知识5．熟悉数控铣削加工工艺设计及编程综合应用先导案例：如图5-9-1为凸轮槽零件，零件毛坯为铸件，材料HT200。加工结构：平面A、B、C，23mm深的半圆槽，外轮廓，凸轮槽，配合孔φ45H8以及孔的宽度为12±0.021键槽。现对零件加工工艺规程进行设计，对重要的数控加工工序进行工艺设计和编程。完成上述任务，要求工艺人员能熟练对零件铣削加工内容和要求进行分析；熟悉各种铣削结构的加工工艺和编程特点；熟悉数控铣削加工设备，并能够选用合适CNC铣床、铣削刀具、夹具；能设计合理的铣削加工过程；能合理设计具体工步的刀具路线和切削用量等；能熟练编写数控铣削工序卡、数控铣削程序。第五章，我们将通过九节内容的教学，学习数控铣削加工设备知识、数控铣削的工艺设计知识、数控铣削编程应用知识。5．1数控铣床及其加工对象数控铣床，也称作数控铣削机床，和镗铣加工中心不同是，它没有刀库及自动换刀装置。小型数控铣床是指规格较小的升降台式数控铣床，额定功率通常不是很高，其工作台宽度多在400mm以下；规格较大的数控铣床，例如工作台宽度在500mm以上的，其功能已向加工中心靠近，进而演变成柔性加工单元。数控铣床能被CNC控制的坐标进给运动多为三坐标。其中能两轴联动的机床，也称两轴半机床，即在X、Y、Z三个坐标轴中，任意两轴可以联动，一般情况下，两轴半控制的数控铣床上只能用来加工平面曲线的轮廓。三坐标联动的数控铣床能进行X、Y、Z三个坐标轴联动加工，可以加工空间曲面，目前以三坐标数控立式铣床为发展方向。对于有特殊要求的数控铣床，还可以加一个数控分度头或数控回转工作台，即回转的A坐标或C坐标，这种四坐标的数控铣床可用来加工螺旋槽、叶片等立体曲面零件。5．1．1数控铣床类型数控铣床如同传统的通用铣床一样，按主轴在空间所处的状态，分有立式和卧式以及立、卧两用数控铣床。主轴在空间处于垂直状态的，称为立式数控铣床；主轴在空间处于水平状态的，称为卧式数控铣床。主轴可作垂直和水平转换的，称为立卧两用数控铣床。1．立式数控铣床如图5-1-1所示为立式数控铣床。立式数控铣床是数控铣床中数量最多的一种，应用范围最广。小型数控立式铣床的X、Y、Z方向的移动一般都由工作台完成，主运动为主轴旋转，与普通立式升降台铣床相似。中型数控立铣的纵向和横向移动一般由工作台完成，且工作台还可手动升降，主轴除完成主运动外，还能沿垂直方向伸缩。大型数控立铣，由于需要考虑扩大行程、缩小占地面积、刚性等技术问题，多采用龙门架沿床身作纵向移动，主轴在龙门架的横向与垂直溜板上运动。2．卧式数控铣床图5-1-1立式数控铣床图5-1-3数控铣床组成各部分卧式数控铣床的主轴水平布置，为了扩大加工范围和使用功能，通常采用增加数控转盘或万能数控转盘来实现4～5轴加工。这样不但工件侧面上的连续回转轮廓可以加工出来，而且可以实现在一次安装中，通过转盘改变工位，进行“四面加工”。尤其是万能数控转盘可以把工件上各种不同角度的加工面摆成水平面来加工，可以省去许多专用夹具或专用角度成型铣刀。对箱体类零件或在一次安装中需要改变工位的工件来说，选择带数控转盘的卧式数控铣床进行加工是非常合适的。如图5-1-2所示为卧式数控铣床。3．立、卧两用数控铣床立、卧两用数控铣床的主轴方向可以变换，能达到在一台机床上既可以进行立式加工、又可以进行卧式加工。立、卧两用数控铣床的主轴方向的更换有手动与自动两种。采用数控万能主轴头的立、卧两用数控铣床，其主轴头可以任意转换方向，可以加工出与水平面呈各种不同角度的工件表面。当立、卧两用数控铣床增加数控转盘后，就可以实现对工件的“五面加工”，即除了工件与转盘贴面的定位面外，其他表面都可以在一次安装中进行加工。因此，其加工性能非常优越。5．1．2数控铣床组成结构和主要技术参数1.数控铣床组成结构由图5-1-3可见，数控铣床一般由以下几个部分组成：⑴数控系统数控系统是机床实现自动加工的核心，是整个数控机床的灵魂所在。主要由输入装置、监视器、计算机数字控制系统、可编程控制器、各类输入／输出接口等组成。⑵进给伺服系统图5-1-2卧式数控铣床数控铣床一般有多个进给方向的运动控制，如前后、左右、上下方向的运动。各方向进给运动的机械执行部件都配有一套伺服驱动系统。⑶主轴伺服系统机床主轴的运动是旋转运动，随切削加工情形的变化，要求主轴转速能够随之变化。现代数控机床要求主轴具有很高的转速和很宽的调速范围，主轴的正反方向都可以实现转动和自动加减速，并且可以在最高速与最低速间指令任意转速，属于无级调速方式。⑷辅助装置辅助装置主要包括液压控制系统、润滑装置、切削液装置、排屑装置、工件夹紧放松机构、回转工作台、过载和保护装置等。⑸机床主体铣床主体是数控铣床的机械部件，包括床身、主轴箱、铣头、工作台、进给机构等。与传统的普通铣床相比较，其整体布局、外观造型、传动机构、工具系统等方面都发生了很大的变化。如：主传动及主轴部件具有传递功率大、刚度高、抗振性好及热变形小等优点；进给传动件具有传动链短、结构简单、传动精度高等特点；机床本身具有很高的动、静刚度；采用全封闭罩壳。2．数控铣床/加工中心主要技术参数数控铣床/加工中心的主要技术参数包括工作台面积、各坐标轴行程、主轴转速范围、切削进给速度范围、刀库容量、换刀时间、定位精度、重复定位精度等。表5-1-1为DT450数控铣床/立式加工中心技术参数说明。表5-1-1数控铣床/DT450立式加工中心技术参数说明机械规格DT450机械规格DT450行程X轴（mm）450Y轴电机（kw）1.1行程Y轴（mm）350Z轴电机（kw）1.1行程Z轴（mm）450控制器FANUC主轴端面至工作台（mm）150～600快速移动速率（m/min）40/40/30工作台尺寸（mm）700x320切削进给率（mm/min）1-20000最大承重（kg）150定位精度（mm）±0.005/300主轴孔锥度规格BT40重复定位精度（mm）±0.0025主轴转速（rpm）10000气压（kg/cm2）≥6主轴电机（kw）5.5刀库（选装）20（机械手）X轴电机（kw）1.1机器重量（kg）29202．数控铣床/加工中心技术参数识读数控铣床/加工中心主要技术参数识读可分成尺寸参数、接口参数、运动参数、动力参数、精度参数、其它参数几个方面来认识。①尺寸参数。包括：工作台面积（长、宽）、承重；主轴端面到工作台的距离；交换工作台尺寸数量及交换时间；作用：影响到加工工件的尺寸范围大小重量编程范围及刀具、工件、机床之间的干涉。②接口参数。包括：工作台T型槽数；槽宽槽间距；主轴孔锥度、直径；最大刀具尺寸及重量；刀具容量交换时间（加工中心）等。作用：影响到工件、刀具安装及加工适应性和效率。③运动参数。包括：各坐标行程及摆角范围；主轴转速范围；各坐标快速进给速度、切削进给速度范围。作用：响到加工性能及编程参数。④动力参数。内容包括：主轴电机功率；伺服电机额定转矩。作用：影响到切削负荷。⑤精度参数。内容包括：定位精度和重复定位精度；回转工作台的分度精度。作用：影响到加工精度及其一致性，⑥其它参数。内容包括：外形尺寸、重量。作用：影响到使用环境。5．1．3数控铣床或加工中心选用1．数控铣床或加工中心的类型选择不同类型的数控铣床或加工中心，其使用范围也有一定的局限性，只有加工与工作条件相适合的工件，才能达到最佳的效果。一般来说，立式数控铣床及镗铣加工中心适用于加工平面凸轮、样板、箱盖、壳体等形状复杂单面加工零件，以及模具的内、外型腔等；卧式铣床和加工中心配合回转工作台适用于加工箱体、泵体、壳体有多面加工任务的零件，如果对箱体的侧面与顶面要求在一次装夹中加工，可选用五面体加工中心。如果在立式铣床和加工中心上加工适合卧式铣床和加工中心加工的典型零件，则当对零件的多个加工面、多工位加工时，需要更换夹具和倒换工艺基准，这样会降低加工精度和生产效率。如果将适合在立式铣床和立式加工中心的典型工件在卧式铣床或加工中心上加工，则常常需要增加弯板夹具，从而降低工件加工工艺系统的刚性。为了保持数控铣床及镗铣加工中心的精度，降低生产成本，延长使用寿命，又通常把零件的粗加工，零件基准面、定位面的加工安排在普通机床上进行。2．机床规格的选择应根据被加工典型工件大小尺寸选用相应规格的数控机床。数控机床的主要规格包括工作台尺寸、几个数控进给坐标的行程范围和主轴电动机功率。选用合适的工作台尺寸保证工件在其上面能顺利装夹；选择合适的进给坐标行程保证工件的加工尺寸在各坐标有效行程内。CNC铣床或加工中心的工作台面尺寸和三个直线坐标行程都有一定比例关系，如机床的工作台为500mm×500mm，其X轴行程一般为700～800mm，Y轴为550～700mm，Z轴为500～600mm，因此工作台的大小基本确定了加工空间的大小。此外，选择数控机床时还应考虑工件与换刀空间的干涉及工作台回转时与护罩等附件干涉等一系列问题，而且还要考虑机床工作台的承载能力。对机床的主要的技术参数认识是确定机床能否满足加工的重要依据。3．机床精度的选择选择机床的精度等级应根据被加工工件关键部位的加工精度要求来确定，一般来说，批量生产零件时，实际加工出的精度公差数值为机床定位精度公差数值的1.5～2倍。数控铣床和加工中心按精度分为普通型和精密型，其主要精度项目如表5-1-2所示。普通型CNC机床可批量加工IT8级精度的工件；精密型CNC铣床和加工中心加工精度可达IT5～6级，但对使用环境要求较严格，以及要有恒温等工艺措施。CNC铣床和加工中心的直线定位精度和重复定位精度综合反映了该轴各运动元部件的综合精度。尤其是重复定位精度，它反映了该控制轴在全行程内任意点定位稳定性，这是衡量该控制轴能否稳定可靠工作的基本指标。铣圆精度是综合评价CNC铣床和加工中心有关数控轴的伺服跟随运动特性和数控系统插补功能的指标。由于数控机床具有一些特殊功能，因此，在加工中等精度的典型工件时，一些大孔径圆柱面和大圆弧面可以采用高切削性能的立铣刀铣削，测定每台机床的铣圆精度的方法是用一把精加工立铣刀铣削一个标准圆柱试件，中小型机床圆柱试件的直径一般在φ200～φ300mm左右。将铣削后加工得到的标准圆柱试件放到圆度仪上，测出加工圆柱的轮廓线，取其最大包络圆和最小包络圆，两者间的半径差即为其精度。表5-1-2数控铣床和加工中心主要精度项目精度项目普通型(mm)精密型(mm)直线定位精度±0．01／全程±0．005／全程重复定位精度±0．006土0．002铣圆精度0．03～0．040．025．1．4数控铣削加工对象1.数控铣削加工特点⑴灵活、通用：数控铣床、加工中心适合多品种不同结构形状工件的加工，能完成钻孔、镗孔、铰孔、铣平面、铣斜面、铣槽、铣曲面（凸轮）、攻螺纹等加工。⑵加工精度高：数控铣床、加工中心具有较高的加工精度，一般情况下都能保证工件精度。另外，数控加工还避免了操作人员的操作失误，同一批加工零件的尺寸同一性好，大大提高了产品质量。⑶生产效率高：数控铣床、加工中心具有铣床、镗床和钻床的功能，使工序高度集中，大大提高了生产效率并减少了工件装夹误差。数控铣床的主轴转速实现无级变速，有利于选择最佳切削用量。数控铣床具有快进、快退、快速定位功能，可大大减少机动时间。⑷能加工形状复杂：它除了能铣削普通铣床所能铣削的各种零件表面外，还能铣削普通铣床不能铣削的平面曲线轮廓和空间曲面轮廓，这是由于数控机床有多个进给坐标轴联动的特点。⑸减轻操作者劳动强度：数控铣床对零件加工是按事先编好的加工程序自动完成的，操作者除了操作键盘、装卸刀具、工件和中间测量及观察机床运行外，不需要进行繁重的重复性手工操作，大大减轻了劳动强度。2.适合数控铣削的加工内容数控铣床与普通铣床相比，具有加工精度高、加工零件的形状复杂、加工范围广等特点。