数控加工的工艺路线分析

理想的加工程序不仅应保证加工出符合图样的合格工件，同时应能使数控机床的功能得到合理的应用和充分的发挥。数控机床是一种高效率的自动化设备，它的效率高于普通机床的2～3倍，所以，要充分发挥数控机床的这一特点，必须熟练掌握其性能、特点、使用操作方法，同时还必须在编程之前正确地确定加工方案。由于生产规模的差异，对于同一零件的加工方案是有所不同的，应根据具体条件，选择经济、合理的工艺方案。一、加工工序划分在数控机床上加工零件，工序可以比较集中,一次装夹应尽可能完成全部工序。与普通机床加工相比，加工工序划分有其自己的特点，常用的工序划分原则有以下两种。1．保证精度的原则数控加工要求工序尽可能集中，常常粗、精加工在一次装夹下完成，为减少热变形和切削力变形对工件的形状、位置精度、尺寸精度和表面粗糙度的影响，应将粗、精加工分开进行。对轴类或盘类零件，将各处先粗加工，留少量余量精加工，来保证表面质量要求。同时，对一些箱体工件，为保证孔的加工精度，应先加工表面而后加工孔。2．提高生产效率的原则数控加工中，为减少换刀次数，节省换刀时间，应将需用同一把刀加工的加工部位全部完成后，再换另一把刀来加工其它部位。同时应尽量减少空行程，用同一把刀加工工件的多个部位时，应以最短的路线到达各加工部位。实际中，数控加工工序要根据具体零件的结构特点、技术要求等情况综合考虑。二、加工路线的确定在数控加工中，刀具（严格说是刀位点）相对于工件的运动轨迹和方向称为加工路线。即刀具从对刀点开始运动起，直至结束加工程序所经过的路径，包括切削加工的路径及刀具引入、返回等非切削空行程。加工路线的确定首先必须保证被加工零件的尺寸精度和表面质量，其次考虑数值计算简单，走刀路线尽量短，效率较高等。下面举例分析数控机床加工零件时常用的加工路线。1．车圆锥的加工路线分析数控车床上车外圆锥，假设圆锥大径为D，小径为d，锥长为L，车圆锥的加工路线如图2-1所示。按图2-1a的阶梯切削路线，二刀粗车，最后一刀精车；二刀粗车的终刀距S要作精确的计算，可有相似三角形得：此种加工路线，粗车时，刀具背吃刀量相同，但精车时，背吃刀量不同；同时刀具切削运动的路线最短。按图2-1b的相似斜线切削路线，也需计算粗车时终刀距S，同样由相似三角形可计算得：按此种加工路线，刀具切削运动的距离较短。按图2-1c的斜线加工路线，只需确定了每次背吃刀量ap，而不需计算终刀距，编程方便。但在每次切削中背吃刀量是变化的，且刀具切削运动的路线较长。2．车圆弧的加工路线分析应用G02（或G03）指令车圆弧，若用一刀就把圆弧加工出来，这样吃刀量太大，容易打刀。所以，实际车圆弧时，需要多刀加工，先将大多余量切除，最后才车得所需圆弧。下面介绍车圆弧常用加工路线。图2-2为车圆弧的阶梯切削路线。即先粗车成阶梯，最后一刀精车出圆弧。此方法在确定了每刀吃刀量ap后，须精确计算出粗车的终刀距S，即求圆弧与直线的交点。此方法刀具切削运动距离较短，但数值计算较繁。图2-3为车圆弧的同心圆弧切削路线。即用不同的半径圆来车削，最后将所需圆弧加工出来。此方法在确定了每次吃刀量ap后，对90°圆弧的起点、终点坐标较易确定，数值计算简单，编程方便，常采用。但按图2-3b加工时，空行程时间较长。图2-4为车圆弧的车锥法切削路线。即先车一个圆锥，再车圆弧。但要注意，车锥时的起点和终点的确定，若确定不好，则可能损坏圆锥表面，也可能将余量留得过大。确定方法如图2-4所示，连接OC交圆弧于D，过D点作圆弧的切线AB。由几何关系CD=OC-OD=-R=0.414R，此为车锥时的最大切削余量，即车锥时，加工路线不能超过AB线。由图示关系，可得AC=BC=0.586R，这样可确定出车锥时的起点和终点。当R不太大时，可取AC=BC=0.5R。此方法数值计算较繁，刀具切削路线短。3．车螺纹时轴向进给距离的分析车螺纹时，刀具沿螺纹方向的进给应与工件主轴旋转保持严格的速比关系。考虑到刀具从停止状态到达指定的进给速度或从指定的进给速度降至零，驱动系统必有一个过渡过程，沿轴向进给的加工路线长度，除保证加工螺纹长度外，还应增加δ1（２～5mm）的刀具引入距离和δ2（１～2mm）的刀具切出距离，如图2-5所示。这样来保证切削螺纹时，在升速完成后使刀具接触工件，刀具离开工件后再降速。4．轮廓铣削加工路线的分析对于连续铣削轮廓，特别是加工圆弧时，要注意安排好刀具的切入、切出，要尽量避免交接处重复加工，否则会出现明显的界限痕迹。如图2-6所示，用圆弧插补方式铣削外整圆时，要安排刀具从切向进入圆周铣削加工，当整圆加工完毕后，不要在切点处直接退刀，而让刀具多运动一段距离，最好沿切线方向，以免取消刀具补偿时，刀具与工件表面相碰撞，造成工件报废。铣削内圆弧时，也要遵守从切向切入的原则，安排切入、切出过渡圆弧，如图2-7所示，若刀具从工件坐标原点出发，其加工路线为1→2→3→4→5，这样，来提高内孔表面的加工精度和质量。5．位置精度要求高的孔加工路线的分析对于位置精度要求精度较高的孔系加工，特别要注意孔的加工顺序的安排，安排不当时，就有可能将沿坐标轴的反向间隙带入，直接影响位置精度。如图2-8所示，图a为零件图，在该零件上加工的六个尺寸相同的孔，有两种加工路线。当按b图所示路线加工时，由于5、6孔与1、2、3、4孔定位方向相反，在Y方向反向间隙会使定位误差增加，而影响5、6孔与其它孔的位置精度。按图c所示路线，加工完4孔后，往上移动一段距离到P点，然后再折回来加工5、6孔，这样方向一致，可避免反向间隙的引入，提高5、6孔与其它孔的位置精度。6．铣削曲面的加工路线的分析铣削曲面时，常用球头刀采用“行切法”进行加工。所谓行切法是指刀具与零件轮廓的切点轨迹是一行一行的，而行间的距离是按零件加工精度的要求确定。对于边界敞开的曲面加工，可采用两种加工路线。如图2-9所示，对于发动机大叶片，当采用图2-9a的加工方案时，每次沿直线加工，刀位点计算简单，程序少，加工过程符合直纹面的形成，可以准确保证母线的直线度。当采用图2-9b的加工方案时，符合这类零件数据给出情况，便于加工后检验，叶形的准确度高，但程序较多。由于曲面零件的边界是敞开的，没有其他表面限制，所以曲面边界可以延伸，球头刀应由边界外开始加工。以上通过几例分析了数控加工中常用的加工路线，实际生产中，加工路线的确定要根据零件的具体结构特点，综合考虑，灵活运用。而确定加工路线的总原则是：在保证零件加工精度和表面质量的条件下，尽量缩短加工路线，以提高生产率。被涂刀具表面应是光亮的磨光面，刀具各工作表面上不得有锈斑、磨糊、氧化、崩刃等缺陷，要求刃口上无毛刺。前、后刀面上的表面粗糙度应达到Ra0.8~1.25μm。表面粗糙度值愈小，涂层的结合度愈好。此外，刀具表面的清洗质量也十分重要。刀具基体材料涂层刀具的基体材料与涂层材料应合理匹配，须根据不同的加工要求选用。涂层高速钢刀具的基体，既可用W6Mo5Cr4V2(M2)的通用型高速钢，也可用含钴的超硬高速钢和粉末冶金高速钢(PMHSS)。因粉末冶金的基体均匀，故使用效果好。加工钛合金时，推荐用含钴超硬高速钢如W2Mo9Cr4VCo8(M42)作为刀具的基体材料。对於涂层滚刀，当以正常切削速度(45m/min)加工齿轮时，崩刃是滚刀磨损的主要原因，因此应选择韧性较好的W6Mo5Cr4V2高速钢作为刀具的基体材料；而在高速滚齿时(切削速度大於100m/min)，月牙洼磨损是滚刀磨损的主要原因，因此应选用耐热性和耐磨性较高的含钴超硬高速钢或CW9Mo3Cr4VN高速钢为刀具的基体材料。涂层硬质合金刀具的基体，在加工钢材时，宜选择加工钢材的硬质合金，如WC-TiC-Co或WC-TiC-TaC-Co类合金(P30用得较多)；加工铸铁和有色金属时，宜选择WC-Co类合金(K20用得较多)。被加工材料的硬度及切削加工性，对涂层刀具的使用效果也有一定影响。试验证实，涂层刀具最适於切削高硬度和耐磨合金一类难加工材料。刀具的几何角度由於涂层的润滑性好，所以涂层刀具工作时常会在工件表面上打滑，为此涂层刀具上的後角应比未涂层刀具的後角略大。实践表明，对铰刀等一类精加工刀具，加大後角後，可使刃口锋利，切屑形成容易，打滑现象明显减少，刀具的使用性能提高。切削用量和切削液为了充分发挥涂层刀具的性能，必须正确选用切削用量和切削液。涂层刀具由于耐热性好，抗月牙洼磨损能力强，故可采用较大进给量和切削速度工作，但首先应选取较大进给量。通常涂层高速钢刀具采用的进给量比未涂层刀具提高10%~100%，提高20%~30%的切削速度是合适的。为了提高工效，涂层硬质合金刀具也可采用比未涂层刀具高25%~70%的切削速度进行切削。目前，用涂层硬质合金通用刀具加工中碳结构钢时的切削速度，立铣刀可达100~150m/min，钻头可达80~100m/min；丝锥加工铸铁为20~40m/min。实践证明，使用20号机械油加10%煤油冷却时，可使涂层高速钢镗刀的寿命提高1~2倍。TiN涂层高速钢滚刀加工20CrMnTi(197HBS)钢制斜齿圆柱齿轮(模数m=5)时，使用20号机械油和煤油混合润滑，刀具寿命可提高5倍左右，即使重磨后也可提高2~3倍，干切时寿命仅提高1倍。涂层刀具使用时还要求机床的精度好、刚性高和振动小，刀具或刀片的夹持也应牢固。涂层刀具的重磨和重涂涂层刀具磨损后必须进行重磨。涂层刀具重磨时，须将刀具上的磨损部分全部磨掉。对于只需重磨前刀面的刀具(如拉刀、齿轮滚刀和插齿刀等)或只需重磨后刀面的刀具(如钻头和铰刀等)，若在其毗连切削刃的另一个刀面(如钻头的螺旋出屑槽)上的涂层未受损伤，刀具耐磨性即可提高。重新刃磨后的涂层刀具，其刀具寿命可达原来新涂层刀具寿命50%左右或更长，仍比未涂层刀具的寿命要高。刃磨涂层硬质合金刀具所用砂轮可采用金刚石砂轮。但刃磨涂层高速钢刀具时，用立方氮化硼(CBN)砂轮磨削有较好效果。刀具的磨损处应全部磨去，涂层不能剥落，又不能使刀具退火。使用涂层刀具的一个重要问题是重磨后刀具切削性能恢复的问题，即刀具每次刃磨(开口)后可否再进行重复涂层(重涂)的问题。对于重磨的成形刀具，只有进行重涂，才能保证刀具的总寿命提高3~5倍以上。凡重涂刀具首先必须按工艺要求将各几何参数磨好，其磨光部分不允许存在各种质量缺陷，如磨糊、毛刺等。重涂时可采用局部屏蔽技术只对刃磨面进行涂层。对於不采用屏蔽技术的重涂，在重涂4~6次后，刀具的非刃磨面的涂层厚度就会过大，从而影响刀具的精度和产生局部剥落现象，此时要对刀具进行脱膜处理后再重涂。重涂后的刀具切削性能一般不低於第一次新涂层刀具，刀具可重涂多次，直到报废为止。由上可知，重涂对提高刀具耐磨性和生产率是有很大潜力的。但重磨后是否要重涂，还要看该刀具在技术上可否重涂和在经济上是否合算而定。一．西门子3系统的维修1)电源接通后无基本画面显示(a)电路板03840号板上无监控灯显示(b)03840号电路板上监控灯亮①监控灯闪烁。如果监控灯闪烁频率为1Hz，则EPROM有故障；如果闪烁频率为2Hz，则PLC有故障；如以4Hz频率闪烁，则保持电池报警，表示电压已不足。②监控灯左灭右亮。表示操作面板的接口板03731板有故障或CRT有故障。③监控灯常亮。这种故障，通常的原因有：CPU有故障；EPROM有故障；系统总线(即背板)有故障、电路板上设定有误、机床数据错误、以及电路板(如存储器板、耦合板、测量板)的硬件有故障。2)CRT上显示混乱(a)保持电池(锂电池)电压太低，这时一般能显示出711号报警。(b)由于电源板或存储曾被拔出，从而造成存储区混乱。这是一种软故障，只要将CNC内部程序清除并重新输入即可排除故障。(c)电源板或存储器板上的硬件故障造成程序显示混乱。(d)如CRT上显示513号报警，表示存储器的容量不够。3)在自动方式下程序不能启动(a)如此时产生351号报警，表示CNC系统启动之后，未进行机床回基准点的操作。(b)系统处于自动保持状态。(c)禁止循环启动。检查PLC与NC间的接口信号Q64.3。4