模块五 典型零件数控铣削加工工艺分析.

模块五典型零件数控铣削加工工艺分析项目一“法兰盘”零件加工工艺的编制【工作任务】本项目完成如图5-1所示“法兰盘”零件的数控铣削加工工艺的分析与编制。材料为HT200铸铁,毛坯尺寸为170mm×110mm×50mm。图5-1“法兰盘”零件图【能力目标】1.会拟定平面及平面轮廓类零件的数控铣削加工路线；2．会选择平面及平面轮廓类零件的数控铣削加工刀具；3．会选择平面及平面轮廓类零件的数控铣削加工夹具，确定装夹方案；4．会按照平面及平面轮廓类零件的数控铣削加工工艺选择合适的切削用量与机床；5．会编制平面及平面轮廓类零件的数控铣削加工工艺文件。一、零件图的工艺分析数控铣削零件图纸工艺分析包括分析零件图纸技术要求、检查零件图的完整性和正确性、零件的结构工艺性分析和零件毛坯的工艺性分析。（一）分析零件图技术要求分析铣削零件图技术要求时，主要考虑如下方面：（1）各加工表面的尺寸精度要求；（2）各加工表面的几何形状精度要求；（3）各加工表面之间的相互位置精度要求；（4）各加工表面粗糙度要求以及表面质量方面的其他要求；（5）热处理要求及其他要求。（二）检查零件图的完整性和正确性数控铣削加工程序是以准确的坐标点来编制的，因此，各图形几何要素间的相互关系（如相切、相交、垂直、平行和同心等）应明确；各种几何要素的条件要充分，应无引起矛盾的多余尺寸或影响工序安排的封闭尺寸；尺寸、公差和技术要求是否标注齐全等。例如，在实际加工中常常会遇到图纸中缺少尺寸，给出的几何要素的相互关系不够明确，使编程计算无法完成，或者虽然给出了几何要素的相互关系，但同时又给出了引起矛盾的相关尺寸，同样给数控编程计算带来困难。另外，要特别注意零件图纸各方向尺寸是否有统一的设计基准，以便简化编程，保证零件的加工精度要求。（三）零件的结构工艺性分析零件的结构工艺性是指所设计的零件在满足使用要求的前提下制造的可行性和经济性。良好的结构工艺性,可以使零件加工容易,节省工时和材料。而较差的零件结构工艺性，会使加工困难，浪费工时和材料，有时甚至无法加工。因此，零件各加工部位的结构工艺性应符合数控加工的特点。图5-2封闭尺寸零件加工要求（1）零件图纸上的尺寸标注应方便编程在分析零件图时，除了考虑尺寸数据有否遗漏或重复、尺寸标注是否模糊不清和尺寸是否封闭等因素外。还应该分析零件图的尺寸标注方法是否便于编程。无论是用绝对、增量、还是混合方式编程，都希望零件结构的形位尺寸从同一基准出发标注尺寸或直接给出坐标尺寸。图5-3轮廓尺寸公差带的调整（2）分析零件的变形情况，保证获得要求的加工精度检查零件加工结构的质量要求，如尺寸加工精度、形位公差及表面粗糙度在现有的加工条件下是否可以得到保证，是否还有更经济的加工方法或方案。虽然数控铣床的加工精度高，但对一些过薄的腹板和缘板零件应认真分析其结构特点。均修改为对称公差），计算与编程时选用括号内的尺寸进行。（3）尽量统一零件轮廓内圆弧的有关尺寸1）零件的槽底圆角半径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。如图5-4所示的零件，其结构工艺性的好坏与被加工轮廓的高低、转角圆弧半径的大小等因素有关。图5-4内槽结构工艺性对比图（a）内槽结构工艺性不好(b)内槽结构工艺性较好2）转接圆弧半径值大小的影响转接圆弧半径大，可以采用较大铣刀加工，效率高，且加工表面质量也较好，因此工艺性较好。铣槽底平面时，槽底圆角半径ｒ不要过大。如图5-5所示，铣刀端面刃与铣削平面的最大接触直径d＝D-2r(Ｄ为铣刀直径），当Ｄ一定时，ｒ越大，铣刀端面刃铣削平面的面积越小，加工平面的能力就越差，效率越低，工艺性也越差。当ｒ大到一定程度时，甚至必须用球头铣刀加工，这是应该尽量避免的。当铣削的底面面积较大，底部圆弧r也较大时，我们只能用两把r不同的铣刀分两次进行切削。图5-5槽底平面圆弧对铣削工艺的影响（4）保证基准统一原则有些零件需要多次装夹才能完成加工时，如图5-6所示，由于数控铣削不能采用“试切法”来接刀，会因为零件的重新安装而接不好刀。为避免两次装夹误差，最好采用统一基准定位，因此零件上应有合适的孔作为定位基准孔，如果零件上没有基准孔，可专门设置工艺孔作为定为基准（如在毛坯上增加工艺凸耳设基准孔）。如实在无法制出基准孔，也要用经过精加工的面作为统一基准。图5-6必须两次安装加工的零件（四）零件毛坯的工艺性分析（1）分析毛坯余量毛坯主要指锻件、铸件。锻件在锻造时欠压量与允许的错模量会造成余量不均匀；铸件在铸造时因砂型误差、收缩量及金属液体的流动性差不能充满型腔等造成余量不均匀。此外，毛坯的挠曲和扭曲变形量的不同也会造成加工余量不充分、不稳定。经验表明，数控铣削中最难保证的是加工面与非加工面之间的尺寸。因此，在对毛坯的设计时就加以充分考虑，即在零件图样注明的非加工面处增加适当的余量。（2）分析毛坯装夹适应性主要考虑毛坯在加工时定位和夹紧的可靠性与方便性，以便在一次安装中加工出较多表面。对不便装夹的毛坯，可考虑在毛坯上另外增加装夹余量或工艺凸台、工艺凸耳等辅助基准。图5-7增加毛坯辅助基准二、数控铣削加工工艺路线的确定（一）加工方法选择1．平面加工方法的选择数控铣削平面主要采用端铣刀、立铣刀和面铣刀加工。粗铣的尺寸精度和表面粗糙度一般可以达到IT10～IT12，表面粗糙度Ra6.3～25µm；精铣的尺寸精度和表面粗糙度一般可以达到IT7～IT9，表面粗糙度Ra1.6～6.3µm；当零件表面粗糙度要求较高时，应采用顺铣方式。2．平面轮廓的加工方法平面轮廓类零件的表面多由直线和圆弧或各种曲线构成，通常采用3坐标数控铣床进行两轴半坐标加工。图5-8平面轮廓铣削3．曲面轮廓的加工方法立体曲面的加工应根据曲面形状、刀具形状及精度要求采用不同的铣削加工方法，如两轴半、三轴、四轴及五轴等联动加工。（1）对曲率变化不大和精度要求不高的曲面粗加工，常采用两轴半坐标的”行切法”加工，即X、Y、Z三轴中任意两轴作联动插补，第三轴作单独的周期进给。图5-9两轴半坐标行切法加工曲面（2)对曲率变化较大和精度要求较高的曲面精加工，常用X、Y、Z三坐标联动插补的行切法加工。如图5-10所示为3轴联动行切法加工曲面的切削点轨迹。（3）对像叶轮、螺旋浆这样的复杂零件，因其叶片形状复杂，刀具容易与相邻表面干涉，常用X、Y、Z、A和B的五坐标联动数控铣床加工。图5-103轴联动行切法加工曲面的切削点轨迹1．加工阶段的划分（1）粗加工阶段—主要任务是切除各表面上的大部分余量，其目的是提高生产率。（2）半精加工阶段—其任务是使主要表面达到一定的精度，留有一定的精加工余量，为主要表面的精加工（精铣或精磨）做好准备，并完成一些次要表面加工，如扩孔、攻螺纹、铣键槽等。（3）精加工阶段—保证各主要表面达到图纸规定的尺寸精度和表面粗糙度要求，其主要目标是如何保证加工质量。（4）光整加工阶段—任务是对零件上精度和表面粗糙度要求很高的表面，需要进行光整加工。其目的是提高尺寸精度、减小表面粗糙度。（二）划分加工阶段2．划分加工阶段的目的(1)保证加工质量使粗加工产生的误差和变形，通过半精加工和精加工予以纠正，并逐步提高零件的加工精度和表面质量。(2)合理使用设备避免以精干粗，充分发挥机床的性能，延长使用寿命。(3)便于安排热处理工序，使冷热加工工序配合的更好，热处理变形可以通过精加工予以消除。(4)有利于及早发现毛坯的缺陷，粗加工时发现毛坯缺陷，及时予以报废，以免继续加工造成资源的浪费。在数控铣床上加工零件，工序比较集中，一般只需一次装夹即可完成全部工序的加工。为了提高数控铣床的使用寿命，保持数控铣床的精度，降低零件的加工成本，通常是把零件的粗加工，特别是零件的基准面、定位面在普通机床上加工。单件小批生产时，通常采用工序集中原则；成批生产时，可按工序集中原则划分，也可按工序分散原则划分，应视具体情况而定。对于结构尺寸和重量都很大的重型零件，应采用工序集中原则，以减少装夹次数和运输量。对于刚性差、精度高的零件，应按工序分散原则划分工序。在数控铣床上加工的零件，一般工序的划分方法有以下几种：（三）划分加工工序（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。这种方法可减少不必要的定位误差。（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。（3）加工部位分序法即先加工平面、定位面，再加工孔；先加工形状简单的几何形状，再加工复杂的几何形状；先加工精度比较低的部位，再加工精度比较高的部位。（4）安装次数分序法以一次安装完成的那一部分工艺过程作为一道工序。这种划分方法适用于工件的加工内容不多，加工完成后就能达到待检状态。（四）确定加工工序铣削加工零件划分工序后，各工序的先后顺序安排通常要遵循如下原则：（1）基面先行原则用作精基准的表面，要首先加工出来。因为定位基准的表面越精确，装夹误差就越小。（2）先粗后精原则各个表面的加工顺序按照粗加工—半精加工—精加工—光整加工的顺序依次进行，逐步提高表面的加工精度和减小表面粗糙度。（3）先主后次原则零件的主要工作表面、装配基面应先加工，从而能及早发现毛坯中主要表面可能出现的缺陷。次要表面可穿插进行，如键槽、紧固用的光孔和螺纹孔等加工，可放在主要加工表面加工到一定程度后、最终精加工之前进行。（4）先面后孔原则对箱体、支架类零件，平面轮廓尺寸较大，一般先加工平面，再加工孔和其他尺寸，这样安排加工顺序，一方面用加工过的平面定位，稳定可靠；另一方面在加工过的平面上加工孔，孔加工的编程数据比较容易确定（如R点的高度），并能提高孔的加工精度，特别是钻孔时的轴线不易歪斜。（五）数控铣削工序的各工步顺序安排工步时除考虑通常的工艺要求之外，还应考虑下列因素：（1）以相同定位、夹紧方式或同一把刀具加工的内容，最好接连进行，以减少刀具更换次数，节省辅助时间。如图5-11所示可以用同一把钻头把不在同一高度的中心孔一次加工完。图5-11不在同一高度的中心孔一次加工完成（2）在一次安装的工序中进行的多个工步，应先安排对工件刚性破坏较小的工步。（3）工步顺序安排和工序顺序安排一些考虑是类似的，如都遵循由粗到精原则。先进行重切削、粗加工，去除毛坯大部分加工余量，然后安排一些发热小、加工要求不高的加工内容（如钻小孔、攻螺纹等），最后再精加工。如对箱体类零件的结构加工，集中原来普通机床需要的多个工序，成为CNC加工中心中一个工序，该工序的各个工步加工顺序建议参照下列次序：粗铣大端面→粗镗孔、半精镗孔→立铣刀加工→加工中心孔→钻孔→攻螺纹→孔和平面精加工。（4）考虑走刀路线，减少空行程。如决定某一结构的加工顺序时，还应兼顾到邻近的加工结构的加工顺序，考虑相邻加工结构的一些相似的加工工步能否统一起来，用一把刀接连加工，减少换刀次数和空行程移动量。1．铣削加工的特点和方式（1)铣削特点概述数控铣削与数控车削比较有如下特点：1）多刃切削：铣刀同时有多个刀齿参加切削，生产率高。2）断续切削：铣削时，刀齿依次切入和切出工件，易引起周期性的冲击振动。3）半封闭切削：铣削的刀齿多，使每个刀齿的容屑空间小，呈半封闭状态，容屑和排屑条件差。（2)周铣和端铣铣刀对平面的加工，存在周铣与端铣两种方式，如图5-12。周铣平面时，平面度的好坏主要取决于铣刀的圆柱素线的直线度。因此，在精铣平面时，铣刀的圆柱度一定要好。用端铣的方法铣出的平面，其平面度的好坏主要取决于铣床主轴轴线与进给方向的垂直度。（六）进给加工路线的确定（a）（b）（c）（d）图5-12铣刀平面加工的周铣和端铣（a）圆柱铣刀的周铣（b）端铣刀的端铣（c）立铣刀同时周、端铣（d）键槽铣刀的周、端铣1）端铣用的面铣刀其装夹刚性较好，铣削时振动较小。而周铣用的圆柱铣刀刀杆较长、直径较小、刚性较差，容易产生弯曲变形和引起振动。2）端铣时同时工作的刀齿数比较周铣时多，工作较平稳。这时因为端铣时刀齿在铣削层宽度的范围内工作。而周铣时刀齿仅在铣削层侧向深度的范围内工作。一般情况下