第1章数控加工工艺设计基础

•第1章数控加工工艺设计基础•教学目的：•明确数控加工工艺的概念和内容，以及在数控加工中的重要作用，能对零件进行数控加工工艺分析、设计数控加工工艺路线和数控加工工序、合理的选择机床、夹具及刀具，能独立编写数控加工工艺文件。•重点内容：1.数控加工的工艺过程及内容2.掌握数控加工和普通机加工的区别3.数控加工工艺路线和加工工序的设计•1.1工艺规程设计概述1.工艺规程的概念规定产品或零件制造工艺过程和操作方法的工艺文件，称工艺规程。其中规定零件机械加工工艺过程和操作方法等的工艺文件称为机械加工工艺规程。2.工艺规程作用1）机械加工工艺规程是生产的计划、调度，工人的操作、质量检查等活动的依据。2）机械加工工艺规程是生产准备工作（包括技术准备工作）的依据。3）机械加工工艺规程是新建或扩建车间（或工段）的原始依据。根据机械加工工艺规程确定机床的种类和数量，确定机床的布置和动力配置，确定生产面积和工人的数量等。3.工艺规程设计的原始资料（1）阅读装配图和零件图了解产品的用途、性能和工作条件，熟悉零件在产品中的地位和作用。（2）产品的验收质量标准。（3）产品的年生产纲领。（4）毛坯材料与毛坯生产条件（5）制造厂的生产条件。(6)工艺规程设计、工艺装备设计所用到的设计手册和有关标准。•4.设计机械加工工艺规程的步骤和内容(1)分析产品装配图和零件图。（2）工艺审查。（3）确定毛坯种类。（4）拟定机械加工工艺路线（5）确定满足各工序要求的工艺装备（包括机床、夹具、刀具和量具等（6）确定各主要工序的技术要求和检验方法。（7）确定各工序的加工余量、计算工序尺寸和公差。（8）确定切削用量（9）确定时间定额。（10）填写工艺文件。•1.2数控加工工艺概述•1.数控加工的工艺特点•（1）内容十分明确和具体。•（2）内容准确严密。•(3)工序相对集中。•2.数控加工工艺内容•(1)对零件图纸进行数控加工的工艺分析，确定加工方案、工艺参数和位移数据•(2)编写加工程序单；•(3)按程序单制作控制介质；•(4)程序的校验与修改，(5)首件试加工与现场问题处理，完成零件加工。2.3数控加工工艺性分析1.数控加工工艺分析的重要性（1对于一个零件来说，并非全部加工工艺过程都适合在数控机床上完成，而往往只是其中的一部分工艺内容适合数控加工。（2在数控加工中无论是手工编程还是自动编程，编程以前都要对所加工的零件进行工艺分析，拟定加工方案，选择合适的刀具，确定切削用量。（3在编程中，对一些工艺问题（如对刀点、刀具加工的轨迹路线等）也需做一些处理。因此程序编制中的工艺分析是一向十分重要的工作。根据国内外数控机床技术应用实践，数控机床加工的适用范围可用下面两个图定性分析。图1-1表明了随零件的复杂程度和生产批量的不同，三种机床适用范围的变化。当零件不太复杂，生产批量不太大时，宜采用通用机床；当生产批量较大、零件较为复杂时，数控机床就显得更为适用了。图1-2表明了随生产批量的不同，采用三种机床加工时，综合费用的比较。由图可知，在多品种、小批量（100件以下）的生产情况下，使用数控机床可获得较好的经济效益。零件批量的增大，对选用数控机床是不利的。数控机床比较适合于加工具有如下特点的零件：（1）多品种、小批量生产的零件或新产品试制中的零件。（2）轮廓形状复杂，对加工精度要求较高的零件。（3）用普通机床加工时，需要有昂贵的工艺装备（工具、夹具和模具）的零件。（4）需要多次改型的零件。（5）价值昂贵，加工中不允许报废的关键零件。（6）需要最短生产周期的急需零件。2、零件图分析零件图的分析应从以下几个方面进行（1）零件图上尺寸标注方法应适应数控加工的特点,如图1-3，以编程原点为基准。（2）构成零件轮廓的几何元素的条件应完成、准确。（3）定位基准应可靠。(4)应统一几何类型及尺寸。零件外形和内腔最好采用统一的几何类型及尺寸。3、零件的结构工艺性分析结构工艺性好是指这种结构在同样的生产条件（加工设备，工艺装备、加工方法、操作技术水平等）下，能够采用较经济的方法，保质、保量的生产出来。（1）零件的内腔和外形最好采用统一的几何类型和尺寸。（2）内槽圆角的大小决定着刀具直径的大小，因而内槽圆角半径不应过小。如图1-4（3）铣削零件底平面时，槽底圆角半径不应过大。当半径大到一定程度时，甚至无法用球头铣刀加工，应该尽量避免，如图1-5。图1-3尺寸集中与尺寸分散图1-4数控加工工艺性对比图b与图a相比，转接圆弧半径大，可以采用较大直径的铣刀来加工。加工平面时，进给次数也相应减少，表面加工质量也会好一些，所以工艺性较好。图1-5零件底面圆弧对加工工艺的影响•1.4数控加工内容的选择及数控机床的合理选择•1.数控加工内容的选择•①选择原则及内容：•(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，可在数控机床尚有加工能力的基础上进行选择。•②不宜选择数控加工的内容：•(1)需要用较长时间占机调整的加工内容。•(2)加工余量极不稳定，且数控机床上又无法自动调整零件坐标位置的加工内容。•(3)不能在一次安装中加工完成的零星分散部位，采用数控加工很不方便，效果不明显，可以安排普通机床补充加工。•此外：要考虑生产批量、生产周期、工序间周转情况等因素，要尽量合理使用数控机床，达到产品质量、生产率及综合经济效益等指标都明显提高的目的，要防止将数控机床降格为普通机床使用。•2.数控机床的合理选择•选择时应遵循的原则：•（1）生产上适用。•1）要保证对工艺的适用性要求。如轴类、盘类、型腔、板类、箱体等•2）要保证加工工件的尺寸的适用性要求。注意机床的行程范围和功率。•3）要保证工件的加工精度要求。•（2）技术上先进。机床的精度与工件要求的精度一致，选用先进的机床，提高效率。•（3）经济上合理。不要把数控机床降为普通机床使用。•1.5数控加工工艺路线的设计•工艺路线：零件生产过程中，由毛坯到成品所经过的工序先后顺序。•需要考虑的问题：定位基准选择；表面加工方法；工序集中与分散；加工阶段划分和工序先后安排。•1.定位基准的选择•定位基准的选择从保证工件加工精度出发，优先选择精基准，再选择粗基准•1）精基准的选择原则：•（1）基准重合原则；2）基准统一原则；（3）自为基准的原则•（4）互为基准原则；（5）便于装夹的原则。•2）粗基准的选择原则•（1）重要面，保证加工表面加工余量合理分配。•（2）不加工面，保证相互位置要求的原则。•（3）加工余量最小面。•（4）平整光洁、加工面积较大的面，便于工件装夹的原则。•（5）粗基准一般不得重复使用的原则2.加工方法的选择根据主要表面的精度和表面的粗糙度的要求，初步确定为达到这些要求所需要的加工方法。除考虑生产效率和经济效益外，还应考虑下列因素：（1）加工材料；（2）工件的结构和尺寸；（3）生产类型;(4)具体的生产条件例如，对于孔径不大的IT7级精度的孔，最终加工方法取精铰时，则精铰孔前通常要经过钻孔、扩孔和粗铰孔等加工。1）外圆表面加工方法的选择外圆表面的主要加工方法是车削和磨削。当表面粗糙度要求较高时，还要经光整加工。2）内孔表面加工方法的选择内孔表面加工方法有钻孔、扩孔、铰孔、镗孔、拉孔、磨孔和光整加工3）平面加工方法的选择平面的主要加工方法有车削、刨削、铣削、磨削和拉削等，精度要求高的平面最终还需要研磨或刮削加工4）平面类零件斜面轮廓加工方法的选择（1）有固定斜角的外形轮廓面如图1-9所示（2）有变斜角的外形轮廓面如图1-10所示图1-9固定斜角斜面加工图1-10变斜角斜面加工5）平面轮廓和曲面轮廓加工方法的选择（1）平面轮廓类零件如图1－11所示，其常用的加工方法有数控铣、线切割和磨削等。（2）立体曲面主要用数控铣削的方法进行加工，在铣削时，通常用球头铣刀，以“行切法”进行加工，如图1－12所示。图1-11平面轮廓类零件图1-12立体曲面的行切法示意图3.工序的划分根据数控加工的特点，加工工序划分按下列方法进行：（1）同一把刀具加工的内容。（2）以加工部分划分工序。（3）以粗、精加工划分工序。4.工序顺序的安排（1）上道工序的加工不能影响下道工序的定位与加紧，中间穿插有通用机床加工工序的也要综合考虑。（2）先内型腔后外型腔加工。（3）优先安排对工件刚性破坏小的工序。（4）尽量使工件的装夹次数、工作台转动次数、刀具更换次数及所有空行程时间减至最少，提高加工精度和生产率。1.6.数控加工工序的设计数控工艺的严密性和准确性。主要任务是什么？细化工序的加工内容：加工工步、切削用量、工艺装备、定位加紧方式、刀具轨迹等1.走刀路线和工步顺序的确定走刀路线：刀具在整个加工工序中相对于工件的运动轨迹，不但包括工序的内容，而且反应工序的顺序。工序顺序：指同一个工序中，各个表面加工的先后顺序。工序顺序可按走刀路线来进行。确定走刀路线时，主要遵循的原则：（1）应能保证零件的精度和加工粗糙度的要求。1）铣削平面外轮廓，采用立铣刀侧刃铣削。遵循切向切入和切出的原则。2）铣削封闭内轮廓表面，内轮廓允许外延，沿切线方向切入切出；否则沿法线切入切出，避免交点处；为避免凹口，切入切出应远离拐角。3）圆弧插补方式铣削外整圆，加工完毕不要再切点处直接退刀，沿切线方向多运动一段距离，避免取消刀补时与工件相碰，造成工件报废。切入点的选择。。。ABC应尽量避免在连续几何图素的中间切入×虽然是两几何图素的交点，但在这里刀具沿切线方向切出后将影响已加工表面精度可沿图形轮廓切向切入切出，且保证轮廓封闭×√4）铣削内圆弧时，遵循从切向切入的原则，最好安排从圆弧过渡到圆弧的加工路线，提高加工精度和质量。5）对于孔位置精度要求较高的零件，精镗孔系时，镗孔路线要注意各孔的定位方向一致。采用单向趋近定位点的方法，避免反向间隙或测量系统误差对定位精度产生影响。6）铣削曲面时，常用球头铣刀采用行切法进行加工。行切法：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的。环切法：以型腔轮廓的等距线作为刀具的轨迹。⑤ⅠⅡⅣⅢ①②④③XOY对刀点(b)(a)对刀点YOX③④②①ⅢⅣⅡⅠ[1]边界敞开，可采用两种走刀路线。如下图所示发动机大叶片，当采用图a所示的加工方案时，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b所示的加工方案时，符合这类零件数据给出情况，便于加工后检验，叶形的准确度较高，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。[2]加工内槽的走刀路线，（a)直接行切，表面最差，周边有大量的残余。（b)采用环切，走刀路线最长，编程计算工作量大。（c)先行切，最后环切一刀光整轮廓表面。[3]轮廓加工时应避免进给停顿，能破坏系统平衡状态，且在零件轮廓留下刻痕。[4]为提高精度和减小粗糙度，采用多次走刀。[5]精铣时宜采用顺铣，减小粗糙度值。（2）应使走刀路线最短，减小刀具空行程时间，提高加工效率。2、工件的安装与夹具的选择1）工件的安装要遵循定位基准的选择原则和工件加紧的基本要求，此外，还要注意3点（1）力求设计基准、工艺基准与编程原点统一。（2）减少装夹次数，尽量一次装夹。（3）避免采用占机人工调整方案。2）夹具的选择数控加工的特点对夹具提出了两个基本要求：一是要保证夹具的坐标方向与机床的坐标方向相对固定；二是要协调零件和机床坐标系的尺寸关系。此外，还要考虑以下四点：（1）当零件加工批量不大时，应尽量采用组合夹具、可调式夹具及其他通用夹具，以缩短生产准备时间、节省生产费用。（2）在成批生产时才考虑专用夹具，并力求结构简单。（3）零件的装卸要快速、方便、可靠，以缩短机床的停顿时间。（4）为满足数控加工精度，要求夹具定位、夹紧的（5）夹具上各零部件应不妨碍机床对零件各表面的加工，即夹具要开敞，其定位、夹紧机构元件不能影响加工中的走刀。3、刀具的选择刀具的选择应根