第6章数控铣削加工工艺

6.1数控铣削加工工艺概述第6章数控铣削加工工艺本章主要内容如下：6.2数控铣削加工工艺的分析6.4典型零件数控铣削加工工艺6.3数控铣削加工工艺路线的拟订学习目的和要求：1、了解数控铣床的功能及其几种类型2、了解数控铣削的主要加工对象3、了解数控铣床的机械结构、工艺装备4、掌握数控铣床加工工艺的制订方法5、了典型零件的数控铣削加工工艺6.1数控铣削加工工艺概述6.1.1数控铣床的类型1．数控铣床按其主轴位置的不同分三类（1）数控立式铣床其主轴垂直于水平面。（2）卧式数控铣床其主轴平行于水平面。为了扩大加工范围和扩充功能，卧式数控铣床通常采用增加数控转盘或万能数控转盘来实现4至5坐标，进行“四面加工”。（3）立、卧两用数控铣床它的主轴方向可以更换（有手动与自动两种），既可以进行立式加工，又可以进行卧式加工，其使用范围更广。当采用数控万能主轴头时，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。当增加数控转盘后，就可以实现对工件的“五面加工”。a)卧式升降台铣床b)立式升降台铣床c)龙门式轮廓铣床d)卧式镗铣床2.5坐标联动数控铣床（只能进行X、Y、Z三个坐标中的任意2个坐标轴联动加工）、3坐标联动数控铣床4坐标联动数控铣床5坐标联动数控铣床2．从机床数控系统控制的坐标轴数量分类6．1．2数控铣床的传动系统与主轴部件1-底座2-强电柜3-变压器箱4-垂直升降进给伺服电动机5-主轴变速手柄和按钮板6-床身7-数控柜8-保护开关9-挡铁10-操纵台11-保护开关12-横向溜板13-纵向进给伺服电动机14-横向进给伺服电动机15-升降台16-纵向工作台典型数控铣床传动系统数控铣床主传动系统6．2数控铣削加工工艺的分析6．2．1数控铣削的主要加工对象1．平面类零件加工面平行或垂直于水平面，或加工面与水平面的夹角为定角的零件为平面类零件。其特点是各个加工面是平面，或可以展开成平面。一般只需用三坐标数控铣床的两坐标联动(即两轴半坐标联动)就可以把它们加工出来。a)带平面轮廓的平面零件b)带斜平面的平面零件c)带正圆台和斜筋的平面零件2.变斜角类零件加工面与水平面的夹角呈连续变化的零件称为变斜角类零件。变斜角类零件的变斜角加工面不能展开为平面，但在加工中，加工面与铣刀圆周接触的瞬间为一条线。最好采用四坐标或五坐标数控铣床摆角加工，在没有上述机床时，可采用三坐标数控铣床，进行两轴半坐标近似加工。3．曲面类零件加工面为空间曲面的零件称为曲面类零件。曲面类零件的加工面不能展开为平面，加工时，加工面与铣刀始终为点接触。常用两轴半联动数控铣床来加工精度要求不高的曲面；精度要求高的曲面类零件一般采用三轴联动数控铣床加工；当曲面较复杂、通道较狭窄、会伤及毗邻表面及需刀具摆动时，要采用四轴甚至五轴联动数控铣床加工。1．采用数控铣削加工内容(1)工件上的曲线轮廓内、外形，特别是由数学表达式给出的非圆曲线与列表曲线等曲线轮廓。(2)已给出数学模型的空间曲线。(3)形状复杂，尺寸繁多，划线与检测困难的部位。(4)用通用铣床加工时难以观察、测量和控制进给的内、外凹槽。(5)以尺寸协调的高精度孔或面。(6)能在一次安装中顺带铣出来的简单表面或形状。6．2．2数控机床铣削加工内容的选择2．不宜采用数控铣削加工内容(1)需要进行长时间占机和进行人工调整的粗加工内容，如以毛坯粗基准定位划线找正的加工。(2)必须按专用工装协调的加工内容(如标准样件、协调平板、模胎等)。(3)毛坯上的加工余量不太充分或不太稳定的部位。(4)简单的粗加工面。(5)必须用细长铣刀加工的部位，一般指狭长深槽或高筋板小转接圆弧部位。6．2．3数控铣床加工零件的结构工艺性分析1．零件图样尺寸的正确标注构成零件轮廓的几何元素(点、线、面)的相互关系(如相切、相交、垂直和平行等)，的给定条件是否充分，应无引起矛盾的多余尺寸或影响工序安排的封闭尺寸等。2．保证获得要求的加工精度检查零件的加工要求，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。对一些特殊情况，如面积较大的薄板，当其厚度小于3mm时，就应在工艺上充分重视这一问题。3．零件内腔外形的尺寸统一4．尽量统一零件轮廓内圆弧的有关尺寸（1）内槽圆弧半径R的大小决定着刀具直径的大小，所以内槽圆弧半径R不应太小。一般，当R0.2H(H为被加工轮廓面的最大高度)时，可以判定零件上该部位的工艺性不好。（2）零件铣削槽底平面时，槽底面圆角或底板与肋板相交处的圆角半径r不要过大。因为铣刀与铣削平面接触的最大直径d=D—2r(D为铣刀直径)，当D越大而r越小时，铣刀端刃铣削平面的面积越大，加工平面的能力越强，铣削工艺性当然也越好。肋板高度与内孔转接圆弧对零件铣削工艺性的影响零件底面与肋板的转接圆弧对零件铣削工艺性的影响5．保证基准统一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，也可以专门设置工艺孔作为定位基准(如在毛坯上增加工艺凸台或在后继工序要铣去的余量上设基准孔)。若无法制出工艺孔，最起码也要用精加工表面作为统一基准，以减少二次装夹产生的误差。6．分析零件的变形情况零件在数控铣削加工时的变形较大时，就应当考虑采取一些必要的工艺措施进行预防。6．2．4数控铣削零件毛坯的工艺性分析1．毛坯应有充分的加工余量，稳定的加工质量毛坯主要指锻、铸件，因模锻时的久压量与允许的错模量会造成余量多少不等，铸造时也会因砂型误差、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等。2．分析毛坯的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，以便充分发挥数控铣削在一次安装中加工出较多待加工面。对于不便装夹的毛坯，可考虑在毛坯上另外增加装夹余量或工艺凸台来定位与夹紧，也可以制出工艺孔或另外准备工艺凸耳来特制工艺孔作定位基准。3．分析毛坯的余量大小及均匀性4．尽量统一零件轮廓内圆弧的有关尺寸主要是考虑在加工时要不要分层切削，分几层切削。也要分析加工中与加工后的变形程度，考虑是否应采取预防性措施与补救措施。6．3数控铣削加工工艺路线的拟订1．平面轮廓的加工方法这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6—12）。平面轮廓铣削2．固定斜角平面的加工方法固定斜角平面是与水平面成一固定夹角的斜面，常用的加工方法如下：（1）当零件尺寸不大时，可用斜垫板垫平后加工；如果机床主轴可以摆角，则可以摆成适当的定角，用不同的刀具来加工。当零件尺寸很大，斜面斜度又较小时，常用行切法加工，但加工后，会在加工面上留下残留面积，需要用钳修方法加以清除，用3坐标数控立铣加工飞机整体壁板零件时常用此法。当然，加工斜面的最佳方法是采用5坐标数控铣床，主轴摆角后加工，可以不留残留面积。（2）对于正圆台和斜筋表面，一般可用专用的角度成型铣刀加工。其效果比采用5坐标数控铣床摆角加工好。3．变斜角面的加工（1）对曲率变化较小的变斜角面，用4坐标联动的数控铣床，采用立铣刀(但当零件斜角过大，超过机床主轴摆角范围时，可用角度成型铣刀加以弥补)以插补方式摆角加工。（2）对曲率变化较大的变斜角面，用4坐标联动加工难以满足加工要求，最好用5坐标联动数控铣床，以圆弧插补方式摆角加工。（3）采用3坐标数控铣床两坐标联动，利用球头铣刀和鼓形铣刀，以直线或圆弧插补方式进行分层铣削加工，加工后的残留面积用钳修方法。两轴半坐标行切法加工曲面3轴联动行切法加工曲面的切削点轨迹4．曲面轮廓的加工方法6．3．2进给路线的确定1．顺铣和逆铣的选择a)顺铣b)逆铣1）顺铣和逆铣当工件表面无硬皮，机床进给机构无间隙时，应选用顺铣，按照顺铣安排进给路线。因为采用顺铣加工后，零件已加工表面质量好，刀齿磨损小。精铣时，尤其是零件材料为铝镁合金、钛合金或耐热合金时，应尽量采用顺铣。当工件表面有硬皮，机床的进给机构有间隙时，应选用逆铣，按照逆铣安排进给路线。因为逆铣时，刀齿是从已加工表面切入，不会崩刀；机床进给机构的间隙不会引起振动和爬行。2）顺铣和逆铣的选用2．铣削外轮廓的进给路线（1）铣削平面零件外轮廓时，一般采用立铣刀侧刃切削。刀具切入工件时，应避免沿零件外轮廓的法向切入，而应沿切削起始点的延伸线逐渐切入工件，保证零件曲线的平滑过渡。在切离工件时，也应避免在切削终点处直接抬刀，要沿着切削终点延伸线逐渐切离工件。（2）当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，而应让刀具沿切线方向多运动一段距离，以免取消刀补时，刀具与工件表面相碰，造成工件报废。3．铣削内轮廓的进给路线（1）铣削封闭的内轮廓表面，若内轮廓曲线不允许外延，刀具只能沿内轮廓曲线的法向切入、切出，此时刀具的切入、切出点应尽量选在内轮廓曲线两几何元素的交点处。当内部几何元素相切无交点时，为防止刀补取消时在轮廓拐角处留下凹口,刀具切入、切出点应远离拐角。（2）当用圆弧插补铣削内圆弧时也要遵循从切向切入、切出的原则，最好安排从圆弧过渡到圆弧的加工路线，提高内孔表面的加工精度和质量。4．铣削内槽的进给路线所谓内槽是指以封闭曲线为边界的平底凹槽。一律用平底立铣刀加工，刀具圆角半径应符合内槽的图纸要求。下图所示为加工内槽的三种进给路线。分别为用行切法和环切法加工内槽。两种进给路线的共同点是都能切净内腔中的全部面积，不留死角，不伤轮廓，同时尽量减少重复进给的搭接量。不同点是行切法的进给路线比环切法短，但行切法将在每两次进给的起点与终点间留下残留面积，而达不到所要求的表面粗糙度；用环切法获得的表面粗糙度要好于行切法，但环切法需要逐次向外扩展轮廓线，刀位点计算稍微复杂一些。采用图c所示的进给路线，即先用行切法切去中间部分余量，最后用环切法环切一刀光整轮廓表面，既能使总的进给路线较短，又能获得较好的表面粗糙度。5．铣削曲面轮廓的进给路线铣削曲面时，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的。对于边界敞开的曲面加工，可采用两种加工路线，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。6．3．3夹具的选择（1）为保持工件在本工序中所有需要完成的待加工面充分暴露在外，夹具要做得尽可能开敞，因此夹紧机构元件与加工面之间应保持一定的安全距离，同时要求夹紧机构元件能低则低，以防止夹具与铣床主轴套筒或刀套、刃具在加工过程中发生碰撞。（2）为保持零件安装方位与机床坐标系及编程坐标系方向的一致性，夹具应能保证在机床上实现定向安装，还要求能协调零件定位面与机床之间保持一定的坐标联系。（3）夹具的刚性与稳定性要好。尽量不采用在加工过程中更换夹紧点的设计，当非要在加工过程中更换夹紧点不可时，要特别注意不能因更换夹紧点而破坏夹具或工件定位精度。1、夹具的要求2．常用夹具种类（1）万能组合夹具适合于小批量生产或研制时的中、小型工件在数控铣床上进行铣削加工。（2）专用铣削夹具这是特别为某一项或类似的几项工件设计制造的夹具，一般在年产量较大或研制时非要不可时采用。（3）多工位夹具可以同时装夹多个工件，可减少换刀次数，也便于一面加工，一面装卸工件，有利于缩短辅助时间，提高生产率，较适宜于中批量生产。（4）气动或液压夹具适用于生产批量较大，采用其他夹具又特别费工、费力的工件，能减轻工人劳动强度和提高生产率，但此类夹具结构较复杂，造价往往较高，而且制造周期较长。（5）通用铣削夹具一次安装工件，同时可从四面加工坯料。槽系组合夹具组装过程示意图分度工作台通用可调夹具系统a）b）c)d)数控回转台(座)在选用夹具时，通常需要考虑产品的生产批量、生产效率、质量保证及经济性，选用时可