2章数控加工与编程

第二章数控加工工艺数控加工对象数控加工的工艺分析数控机床加工工件的基本过程大致如下：编制加工程序。把机床加工过程中所需的全部指令信息，都用数字化的代码来表示，由编程人员编制成规定的加工程序，这些指令信息包括加工过程所需的各种操作（如主轴变速、主轴启动和停止、工件夹紧与松开、选择刀具与换刀、刀架或工作台转位、进刀与退刀、冷却液开关等）、机床各部件的动作顺序以及刀具与工件之间的相对位移量等。程序输入并校验。把程序送入数控装置后，通过校验运行操作并结合刀具轨迹显示功能，对程序进行检查。加工零件。通过对机床的正确操作，加工出所需的工件。在此过程中，数控装置根据这些指令信息进行运算与处理，不断地发出各种指令，控制机床的伺服系统和其他执行元件（如电磁铁、液压缸等）动作，自动地完成预定的工作。零件是否适应数控切削加工数控加工工艺包括数控机床及夹具刀具选择、制定加工顺序与走刀路线、计算切削用量、编制数控工序及刀具卡片等内容问题：2．1数控加工对象1.最适应类：形状复杂、加工精度要求高，用通用机床无法加工或虽然能加工但很难保证产品质量的零件；用数学模型描述的复杂曲线或曲面轮廓零件；具有难测量、难控制进给、难控制尺寸的不开敞内腔的壳体或盒型零件；必须在一次装夹中合并完成铣、镗、锪、铰或攻丝等多工序的零件。对于上述零件，首先应考虑能不能把它们加工出来，可先不要过多地去考虑生产率与经济上是否合理，即要重点考虑加工可能性的问题，只要有可能，都应把对其进行数控加工作为优选方案。2.较适应类：在通用机床上加工时极易受人为因素干扰，如情绪波动、技术水平高低等，零件价值又高，一旦质量失控便造成重大经济损失的零件；在通用机床上加工时必须制造复杂专用工装的零件；需要多次更改设计后才能定型的零件；在通用机床上加工，需要作长时间调整的零件；在通用机床上加工，生产率很低或体力劳动强度很大的零件。这类零件在分析其可加工性以后，还要考虑生产率及经济效益等问题，一般可把它们作为数控加工的主要选择对象。3.不适应类：装夹困难或完全靠找正定位来保证加工精度的零件；加工余量很不稳定，且数控机床上无在线检测系统可自动调整零件坐标位置的；必须用特定的工艺装备协调加工的零件；这类零件采用数控加工后，在生产效率与经济性方面一般无明显改善，还可能得不偿失，故此类零件一般不应作为数控加工的选择对象。2.1.1数控铣削及加工中心的主要加工对象1.平面类零件此类零件的特点是它的所需加工面是平面，或者可以展开成平面。2.变斜角类零件如图2.1所示变斜角梁，从截面2至截面5变化时，其与水平面间的夹角从3o10ˊ均匀变化为2o32ˊ，从截面5到截面9时，又均匀变化为1o20ˊ，最后到截面12，斜角均匀变化为0o。此零件的加工面不能够展开为平面，此类表面也称作直纹曲面。3.立体曲面类零件加工面为空间曲面的零件称为立体曲面类零件。这类零件的加工面也不能展成平面，一般使用球头铣刀切削，加工面与铣刀始终为点接触，若采用其它刀具加工，易于产生干涉而铣伤邻近表面。4.结构形状复杂的箱体、模具、叶轮等类零件5.异形件如图2.5所示，异形零件的外形不规则,大都需要点、线、面多工位混合加工的零件。2.1.2数控车削及车削中心的主要加工对象数控车削及车削中心加工适于形状复杂或要求较高的回转体零件。1.精度要求高的的回转体零件2.表面粗糙度好的回转体3.表面形状复杂的回转体零件：如图2.64.带横向加工的回转体零件：如图2.7如图2.6：壳体零件封闭内腔的成型面图2.7端面、径向带孔槽的轴2.2数控加工的工艺分析工艺分析是从加工制造的角度对零件进行分析，数控加工的工艺分析就是通过分析零件图纸，得出加工该零件所需的数控工具（包括数控机床、刀具、夹具等）、加工顺序及工艺参数，并形成工艺文件以指导生产。2.2.1数控铣削加工工艺分析1.零件图工艺分析(1)分析构成工件轮廓图形的各种几何元素的条件是否充要，图纸尺寸的标注方法是否方便编程等。(2)分析零件尺寸所要求的加工精度、尺寸公差是否都可以得到保证，尤其是薄板尺寸，由于机床振动、切削力等因素而影响加工精度，根据实践经验，当面积较大的薄板厚度小于3㎜时就应充分重视这一问题。(3)内槽圆角的大小决定着刀具直径的大小，所以内槽圆角半径不应太小。(4)零件图中各加工面的凹圆弧(R与r)是否过于零乱，是否可以统一？(5)根据标注的尺寸公差和形位公差等相关信息，将加工表面区分为重要表面和次要表面，并找出其设计基准，进而遵循基准选择的原则，确定加工零件的定位基准，分析零件的毛坯是否便于定位和装夹，夹紧方式和夹紧点的选取是否会有碍刀具的运动，夹紧变形是否对加工质量有影响等。(6)分析零件的形状及原材料的热处理状态，会不会在加工过程中变形？哪些部位最容易变形？因为数控铣削最忌讳工件在加工时变形，这时就应当考虑采取一些必要的工艺措施进行预防，如对钢件进行调质处理，对铸铝件进行退火处理，对不能用热处理方法解决的，也可考虑粗、精加工及对称去余量等常规方法。2.加工顺序的安排通常需遵循的方法及注意的问题有：(1)刀具集中分序法：这种方法就是按所用刀具来划分工序，用同一把刀具加工完成所有可以加工的部位，然后再换刀。这种方法可以减少换刀次数，缩短辅助时间。零件材料变形小，加工余量均匀，可以采用此方法。(2)粗、精加工分序法：根据零件的形状、尺寸精度等因素，按粗、精加工分开的原则，先粗加工，再半精加工，最后精加工。粗精加工之间，最好隔一段时间，以使粗加工后零件的变形得到充分恢复，再进行精加工，这种方法可以有效保证零件的加工精度。若零件材料变形较大，加工余量不均匀，且精度要求较高，则应采用此方法。（3）从简单到复杂的原则，先加工平面、沟槽、孔，再加工内腔、外形，最后加工曲面，先加工精度要求低的表面，再加工精度要求高的部位等。（4）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。（5）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.进给路线的确定在保证零件的加工精度和表面粗糙度的要求下，使走刀路线最短，数值计算简单。(1)使走刀路线最短，减少刀具空行程时间，提高加工效率。（2）铣削平面类零件外轮廓时，一般采用立铣刀侧刃进行切削。铣削表面轮廓时，铣刀的切入和切出点应沿零件轮廓曲线的延长线上切入和切出零件表面。（3）当无法沿零件曲线的切向切入、切出时，切入切出点应选在零件轮廓两几何要素的交点上，而且进给过程中要避免停顿（4）在切入工件前应该已经完成刀具半径补偿（5）综合考虑加工质量、加工速度和编程等因素的影响。①数控机床在反向运动时会出现反向间隙，影响刀具的定位精度②最终轮廓一次走刀完成③边界敞开曲面的加工一个是使得刀位点计算简单，程序少；另一个是使走刀路线符合曲面数据的给出情况，这样准确度高，也便于检验。4.铣刀类型选择被加工零件的几何形状是选择刀具类型的主要依据，分如下几种情况：加工曲面类零件时，为了保证刀具切削刃与加工轮廓在切削点相切，而避免刀刃与工件轮廓发生干涉，一般采用球头刀，粗加工用两刃铣刀，半精加工和精加工用四刃铣刀。铣较大平面时，为了提高生产效率和提高加工表面粗糙度，一般采用刀片镶嵌式盘形面铣刀。铣小平面或台阶面时一般采用通用铣刀。铣键槽时，为了保证槽的尺寸精度、一般用两刃键槽铣刀。孔加工时，可采用钻头、镗刀等孔加工刀具。刀具直径的选用主要考虑两个方面：一是刀具所需功率应在机床功率范围之内，二是工件的加工尺寸。5.切削用量的选择铣削加工的切削用量包括：切削速度、进给速度、背吃刀量或侧吃刀量。较高的切削速度、较小的背吃刀量和进给量，可以获得较好的表面粗糙度、加工精度。影响切削用量的因素主要有：机床功率以及主轴转速范围、进给速度范围；机床的刚性、热稳定性，刚性好，热变形小，可适当加大切削用量；刀具材料是影响切削用量的重要因素；冷却条件等。因此应根据刀具的耐用度和机床说明书中的规定去选择切削用量。从刀具耐用度出发，切削用量的选择方法是：先选择背吃刀量或侧吃刀量，其次选择切削速度，最后确定进给速度。（1）背吃刀量ap或侧吃刀量ae背吃刀量或侧吃刀量的选取主要由加工余量和对表面质量的要求决定：当工件表面粗糙度值要求为Ra=12.5～25μm时，在工艺系统和机床允许条件下，粗铣一次进给可以达到5--6㎜的加工余量。当工件表面粗糙度值要求为Ra=3.2～12.5μm时，应分为粗铣和半精铣两步进行。粗铣时背吃刀量或侧吃刀量选取同前。给半精铣留0.5～1.0㎜余量。当工件表面粗糙度值要求为Ra=0.8～3.2μm时，应分为粗铣、半精铣、精铣三步进行。半精铣时背吃刀量或侧吃刀量取1.5～2㎜；精铣时，圆周铣侧吃刀量取0.2～0.5㎜，面铣刀背吃刀量取0.3～1㎜。（2）切削速度Vc，求出铣刀转速n。（3）进给量f（㎜/r）与进给速度Vf（㎜/min的选择表2.2铣刀每齿进给量参考值2.2.2带孔样板的数控铣削工艺分析毛坯为120㎜×60㎜×10㎜板材，5㎜深的外轮廓已粗加工过，周边留2㎜余量，要求加工出的外轮廓及φ20㎜的孔。工件材料为45#。试分析该零件的数控铣削加工工艺（如：零件图分析、装夹方案、加工顺序、刀具卡片、工艺卡片等）。1.工艺分析要求数控铣加工该零件的外凸缘轮廓及φ20㎜孔，无特殊精度和位置度要求。材料切削工艺性较好。2.定位基准和装夹方式以底面定位，用垫块支撑、压板压紧在已经粗加工过的凸缘上。3.选择机床设备根据零件图样要求，选用经济型数控铣床即可达到要求。故可选用华中Ⅰ型（ZJK7532-4型）数控铣床。4.确定工艺方案及加工路线。（1）钻孔φ20㎜。（2）按O’ABCDEFGO’线路铣削轮廓。采用轮廓外沿切线切入、切出方式。5.选择刀具现采用φ20㎜的高速钢钻头，定义为T01,φ8㎜的硬质合金立铣刀，定义为T02，并把该刀具的直径输入刀具参数表中。6.确定切削用量首先确定背吃刀量。再选取切削速度，然后利用公式vc=πdn/1000，计算主轴转速。最后选取进给速度，利用vf=nZfz求出进给速度。最后根据实践经验进行修正，计算结果如表2.3工序卡片。数控加工工序卡片、刀具卡片见表2.3、2.4。表2.3数控加工工序卡片单位名称产品名称零件名称零件图号凸轮01工序号程序号夹具名称使用设备车间001压板螺栓ZJK7532-4数控实训室工步工步内容刀具号背吃刀量mm主轴转速r/min进给速度mm/min备注1钻孔T01100040自动2铣凸缘外轮廓T02100080自动编制审核批准表2.4数控加工刀具卡片：产品名称零件名称凸轮零件图号01序号刀具号刀具规格名称数量加工表面刀尖半径备注1T01φ20㎜的高速钢钻头1φ20㎜孔2T02Ф8㎜硬质合金立铣刀1凸缘外轮廓编制审核批准2.2.3数控车削加工工艺分析1.零件图工艺分析零件图工艺分析，对于数控车削加工应考虑以下几方面：（1）几何尺寸方面。（2）精度方面。（3）材料、表面粗糙度方面。2.加工顺序的安排对于数控车削加工来说以下几种原则使用较多：（1）按所用刀具划分工序。采用这种方式可提高车削加工的生产效率。（2）按粗、精加工划分工序。采用这种方式可保持数控车削加工的精度并提高生产效率。同样，铣削加工中“先安排对工件刚性破坏较小的工序”、“上道工序的加工不能影响下道工序的定位与夹紧”、“基面先行原则”在车削加工中依然适用。3.进给路线的确定加工路线的确定首先必须保持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。因精加工的进给路线基本上都是沿其零件轮廓顺序进行的，因此确定进给路线的工作重点是确定粗加工及空行程的进给路线。（1）先近后远加工。这里所说的远与近，是按加工部位相对于对刀点的距离大小而言的。这样可以减少空行程时间，有利于保持毛坯件或半成品件