第1章_数控加工工艺分析 (1) 2.ppt

第1章数控加工工艺分析 1 1零件结构工艺性 零件的结构工艺性是指根据加工工艺特点 对零件的设计所产生的要求 即零件的结构设计会影响或决定工艺性的好坏 1 零件图样尺寸的正确标注由于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 垂直和平行等 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等 2 保证获得设计要求的加工精度虽然数控机床精度很高 但对一些特殊情况 例如过薄的底板与肋板 因为加工时产生的切削拉力及薄板的弹性退让极易产生切削面的振动 使薄板厚度尺寸公差难以保证 其表面粗糙度也将增大 对于面积较大 厚度小于3mm的薄板 应在工艺上充分重视这一问题 3 尽量统一零件轮廓内圆弧的有关尺寸轮廓内圆弧半径R常常限制刀具的直径 如上图所示 若工件的被加工轮廓高度低 转接圆弧半径也大 可以采用较大直径的铣刀来加工 且加工其底板面时 进给次数也相应减少 表面加工质量也会好一些 因此工艺性较好 反之 数控铣削工艺性较差 一般来说 当R 0 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 4 保证基准统一原则有些零件需要在铣完一面后再重新安装铣削另一面 这时 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 也可以专门设置工艺孔作为定位基准 如可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 5 分析零件的变形情况零件在加工时的变形 不仅影响加工质量 而且当变形较大时 将使加工不能继续进行下去 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 精加工及对称去除余量等常规方法 6 有时尚要考虑到毛坯的结构工艺性因为在数控机床上加工零件时 加工过程是自动的 毛坯加工余量的大小 如何装夹等问题在选择毛坯时就要仔细考虑好 否则 一旦毛坯不适合数控加工 加工将很难进行下去 1 毛坯加工余量应充足和尽量均匀 2 分析毛坯的装夹适应性 加工艺凸台 零件的数控铣削结构工艺性图例 1 2加工方法的选择 对于外圆面 可采用车削 磨削加工等方法 内孔加工可采用钻 扩 铰 镗 磨等加工方法 数控铣或加工中心加工零件的表面为平面 曲面 轮廓 孔和螺纹等 所选加工方法要与零件的表面特征 所要求达到的精度及表面粗糙度相适应 下面 作为重点探讨 平面 平面轮廓及曲面可通过铣削加工 经粗铣的平面 尺寸精度可达IT11 IT13级 表面粗糙度Ra值可达6 3 2 5 经粗 精铣的平面 尺寸精度可达IT8 IT10级 表面粗糙度Ra值可达1 6 3 2 一 平面加工方法的选择在数控铣床上主要采用端铣刀和立铣刀加工 当要求Ra较小时 应采用顺铣方式 二 平面轮廓加工方法选择平面轮廓多由直线和圆弧或各种曲线构成 通常采用三坐标数控铣床进行两轴半坐标加工 下图为由直线和圆弧构成的零件平面轮廓ABCDEA 采用半径为R的立铣刀沿周向加工 虚线A B C D E A 为刀具中心的运动轨迹 为保证加工面光滑 刀具沿PA 切入 沿A K切出 三 固定斜角平面加工固定斜角平面是与水平面成一固定夹角的斜面 常用如下的加工方法 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 见下图 当零件尺寸很大 斜面斜度留下残留面积 需要用钳修方法加以清除 加工斜面的最佳方法是采用五坐标数控铣床 主轴摆角后加工 可以不留残留面积 四 变斜角平面加工 1 对曲率变化较小的变斜角面 选用x y z和A四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 如图a所示 加工时 为保证刀具与零件型面在全长上始终贴和 刀具绕A轴摆动角度 a 四坐标联动加工变斜角面 b 五坐标联动加工变斜角面 2 对曲率变化较大的变斜角面 用四坐标联动加工难以满足加工要求时 可用x y z A和B 或C转轴 的五坐标联动数控铣床 以圆弧插补方式摆角加工 如下图b所示 图中夹角A和B分别是零件斜面母线与z坐标轴夹角 在zOy平面上和xOz平面上的分夹角 3 还可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的方法清除 如下图 由于鼓形铣刀的鼓径可以做得比球头铣刀的球径大 所以加工后的残留面积高度小 加工效果比球头铣刀好 五 曲面轮廓加工方法立体曲面的加工应根据曲面形状 刀具形状以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 曲率不大精度不高的曲面粗加工 可使用两轴半坐标行切法加工 2 曲率较大 精度要求高的曲面精加工 可使用三轴联动插补的行切法加工 三轴坐标行切法加工曲面的切削点轨迹 3 对于叶轮 螺旋桨等复杂零件 因刀具容易与相邻表面发生干涉 常采用5坐标联动机床加工 六 孔的加工方法选择加工方法 钻 扩 铰 镗和攻螺纹等 1 对于直径大于 30mm的已铸出或锻出的毛坯孔的孔加工 一般采用粗镗 半精镗 孔口倒角 精镗的加工方案 2 对于直径小于 30mm的无毛坯孔的孔加工 通常采用锪平端面 打中心孔 钻 扩 孔口倒角 铰加工方案 对有同轴度要求的小孔 需采用锪平端面 打中心孔 钻 半精镗 孔口倒角 精镗 或铰 加工方案 为提高孔的位置精度 在钻孔工步前需安排锪平端面和打中心孔工步 孔口倒角安排在半精加工之后 精加工之前 以防孔内产生毛刺 3 螺纹的加工 应根据孔径的大小 一般情况下 直径在M6 M20mm之间的螺纹 通常采用攻螺纹的方法加工 直径在M6mm以下的螺纹 在加工中心上完成基孔加工再通过其他手段攻螺纹 因为加工中心上攻螺纹不能随机控制加工状态 小直径丝锥容易折断 直径在M20mm以上的螺纹 可采用镗刀片镗削加工 1 3定位和夹紧 1 定位基准分析定位基准有粗基准和精基准两种 用未加工过的毛坯表面作为定位基准称为粗基准 用已加工过的表面作为定位基准称为精基准 除第一道工序采用粗基准外 其余工序都应使用精基准 选择定位基准要遵循基准重合原则 即力求设计基准 工艺基准和编程原点统一 这样做可以减少基准不重合产生的误差和数控编程中的计算量 并且能有效的减少装夹次数 2 装夹主要考虑以下几点 1 夹紧机构或其它元件不得影响进给 加工部位要敞开 要求夹持工件后夹具等一些组件不能与刀具运动轨迹发生干涉 2 必须保证最小的夹紧变形 3 装卸方便 辅助时间尽量短 4 可以考虑同时装夹数个工件进行加工 5 夹具结构应力求简单 6 夹具应便于与机床工作台及工件定位表面间的定位连接 六点定位原理 夹具用合理分布的六个支承点 分别限制工件的六个自由度 使工件在夹具中的位置完全确定 称为 六点定位原理 六点定位原理的应用 完全定位 工件的6个自由度全部被夹具中的定位元件所限制 六点定位原理的应用 不完全定位 根据工件加工表面的不同加工要求 定位支承点少于6个的定位 不完全定位中只设置与加工要求有关的支承点 用较少的元件达到定位要求 平板工件磨平面 工件只有厚度和平行度要求 通过电磁工作台只限制三个自由度 六点定位原理的应用 欠定位 按照加工要求应该被限制的自由度没有被限制的定位称为欠定位 装夹中不允许有欠定位 a b c 圆柱体工件 加工部位 六点定位原理的应用 a b c 过定位 工件的一个或多个自由度被不同的定位元件重复限制的定位称为过定位 过定位造成无法安装工件或工件变形 齿坯靠长销和大平面定位 定位基准的选择原则 基准 零件上用以确定其它点 线 面位置所依据的那些点 线 面 设计基准 零件图上用以确定其它点 线 面位置的基准 工艺基准 零件加工 测量和装配过程中使用的基准 分为定位基准 工序基准 测量基准和装配基准 粗基准的选择原则 选择要求保证工件上某重要表面的加工余量均匀且重要面为基准 为了保证加工面与不加工面间的位置要求 应选不加工面为基准 粗基准要求 平整光滑 有一定面积 定位可靠 夹紧方便 粗基准在同一方向上只能使用一次 对于具有较多加工表面的工件 选择粗基准时 应保证各主要表面都有足够的加工余量 粗基准的选择原则 该零件有三个不加工表面 若要求表面4与表面2所组成的壁厚均匀 则应选择不加工表面2作为粗基准来加工台阶孔 保证各主要表面都有足够的加工余量 选择毛坯余量最小的表面作为粗基准 图示的阶梯轴 应选择 55mm外圆表面作为粗基准 粗基准的选择原则 粗基准通常只能使用一次 如重复使用B面加工A面 C面 则A面和C面的轴线将产生较大的同轴度误差 精基准的选择原则 保证加工精度和工件安装方便可靠 基准重合原则 选用设计基准作为定位基准 基准统一原则 自为基准原则 互为基准原则 采用同一组基准定位加工零件上尽可能多的表面 选择加工表面本身作为定位基准 工件上两个相互位置要求很高的表面加工时 互相作为基准 精基准的选择原则 自为基准 磨削床身导轨面时 就以床身导轨面作为定位基准 此时床脚平面只是起一个支承平面的作用 它并非是定位基准面 精基准的选择原则 互为基准 为保证齿轮的齿圈跳动精度 在齿面淬硬后 先以齿面定位磨内孔 再以内孔定位磨齿面 为装夹方便或实现基准统一 人为制造的一种定位基准 辅助基准的选择 辅助基准 工艺凸台 常用定位方式及定位元件 以平面定位 以圆柱孔定位 以外圆柱面定位 固定支承 可调支承 浮动支承 V形块 圆 锥 孔 圆柱销 圆锥销 辅助支承 圆柱心轴 定心夹紧装置孔 以圆锥孔定位 圆锥心轴 顶尖 见P14 15表1 5 夹具的分类 通用夹具 通用可调夹具 专用夹具 组合夹具 成组夹具 拼拆式夹具 按用途分类 夹具的分类 手动夹具 气动夹具 液压夹具 气液增压夹具 电动夹具 磁力夹具 真空夹具 离心力夹具 其它 按动力源分类 夹具的分类 车床常用夹具 三爪自定心卡盘 四爪单动卡盘 花盘 心轴 顶尖等 铣床常用夹具 虎钳结构 螺旋压板结构 偏心夹紧结构 组合夹具等 1 4工序的划分 一 工序划分原则 工序集中原则和工序分散原则数控机床加工零件 一般按工序集中原则 工序划分方法有 1 按所用刀具划分适用于工件待加工面较多 机床连续工作时间较长 程序编制和检查难度大的情况 加工中心常用此方法 当加工中使用的刀具较多时 为了减少换刀次数 缩短辅助时间 可以将一把刀具所加工的内容安排在一个工序 工步 中 2 按安装次数划分适用于工件的加工内容不多的工件 加工完后就能达到检验状态 3 按粗 精加工划分适用于加工后变形较大 需粗 精加工分开的零件 如毛坯为铸件 焊件或锻件 通常先进行所有表面的粗加工 再进行所有表面的精加工 4 按加工部位划分适用于加工表面多而复杂的零件 可按结构特点如内形 外形 曲面等划分为多道工序 数控加工中工序集中和工序分散的问题 对于单件小批 应该 对于大量大批 应该 对于重型零件 应该 对于刚性差 精度高的零件 应该 工序集中 工序集中或工序分散 工序集中 工序分散 1 5加工顺序安排 一 切削加工工序的安排 1 先粗后精当加工零件精度要求较高时都要经过粗加工 半精加工 精加工 如果精度要求更高 还包括光整加工几个阶段 2 基准面先行原则用作精基准的表面应先加工 任何零件的加工过程总是先对定位基准进行粗加工和精加工 例如轴类零件总是先加工中心孔 再以中心孔为精基准加工外圆和端面 箱体类零件总是先加工定位用的平面及两个定位孔 再以平面和定位孔为精基准加工孔系和其它平面 3 先面后孔对于箱体 支架等零件 平面尺寸轮廓较大 用平面定位比较稳定 而孔的深度尺寸又是以平面为基准 故应先加工平面 然后加工孔 4 先内后外即先加工内型腔 后加工外表面 5 先主后次即先加工主要表面 然后加工次要表面 二 热处理工序的安排预备热处理 机加工前 改善切削性能 消除内应力 最终热处理 半精加工后 精加工前 达到强度 硬度要求 去除内应力处理 粗加工后 精加工前 三 辅助工序的安排辅助工序如检验 去毛刺 倒棱边 清洗等 其中检验要安排在 1 粗加工全部结束后精加工之前2 重要工序之后3 工件在不同车间之间转移前后4 工件全部加工结束后5 特种性能检验之前 1 6确定走刀路线和工步顺序 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 也叫走刀路线 它不但包括工步内容 也反映了工步的顺序 工步顺序指在同一道工序中 各个表面加工的先后顺序 它对加工质量 效率及加工路线有直接关系 加工路线是编写程序的依据之一 确定走刀路线的一般原则 1 保证零件的加工精度和表面粗糙度 2 方便数值计算 减少编程工作量 3 缩短走刀路线 减少进退刀时间和其他辅助时间 4 尽量减少程序段数 另外 在选择走刀路线时还要充分注意以下几种情况 2 避免引入反向间隙误差 1 切入切出路径的选择 3 采用顺铣加工方式 4 立体轮廓的加工 5 内槽加工 切入点选择原则 粗加工选择曲面内的最高角点作为切入点 精加工选择曲面内某个曲率比较平缓的角点作为切入点 避免铣刀当钻头使用 否则因受力大而损坏 切入点的选择 A B C 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 切出点选择原则 能连续完整的加工曲面 非加工时间短 铣削外圆的切入切出路径 切入切出路径 当铣切内表面轮廓形状时 也应该尽量遵循从切向切入的方法 但此时切入无法外延 最好安排从圆弧过渡到圆弧的加工路线 当实在无法沿零件曲线的切向切入 切出时 铣刀只有沿法线方向切入和切出 在这种情况下 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 切入切出路径 铣削内轮廓的切入切出路径 从尖点切入铣削内轮廓 铣削内轮廓的切入切出路径 避免引入反向误差 数控机床在反向运动时会出现反向间隙 如果在走刀路线中将反向间隙带入 就会影响刀具的定位精度 增加工件的定位误差 避免反向误差的加工路线 存在反向误差的加工路线 镗铣加工路线图 避免引入反向误差 顺铣和逆铣加工 顺铣 逆铣 在铣削加工中 铣刀切入工件时切削速度方向与工件进给方向相同 用于当工件表面无硬皮 机床进给机构无间隙 精铣加工的场合 在铣削加工中 铣刀切入工件时切削速度方向与工件进给方向相反 用于当工件表面有硬皮 机床进给机构间隙较大 粗铣加工的场合 由于数控机床传动采用滚珠丝杠结构 其进给传动间隙很小 顺铣的工艺性优于逆铣 顺铣和逆铣加工 采用顺铣加工方式 顺铣和逆铣 铣削内沟槽的侧面 顺铣和逆铣加工 立体轮廓的加工 立体轮廓的加工 加工一个曲面时可能采取的三种走刀路线 即沿参数曲面的u向行切 沿w向行切和环切 内槽加工 内槽是指以封闭曲线为边界的平底凹坑 加工内槽一律使用平底铣刀 刀具边缘部分的圆角半径应符合内槽的图纸要求 内槽的切削分两步 第一步切内腔 第二步切轮廓 切轮廓通常又分为粗加工和精加工两步 1 7切削用量的选择 数控编程时 编程人员必须确定每道工序的切削用量 并以指令的形式写入程序中 切削用量包括主轴转速 切削速度 背吃刀量及进给量等 切削用量的选择原则是 保证零件加工精度和表面粗糙度 充分发挥刀具切削性能 保证合理的刀具耐用度 考虑机床工艺系统的刚度前提下 最大限度提高生产率 降低成本 主轴转速与切削速度 主轴转速应根据允许的切削速度和工件 或刀具 直径来选择 其计算公式为 n 1000v D 式中 v 切削速度 单位为m min 由刀具的耐用度决定 n 主轴转速 单位为r min D 工件直径或刀具直径 单位为mm 计算的主轴转速n最后要根据机床说明书选取机床有的或较接近的转速 进给量 进给速度 的确定 进给量主要根据零件的加工精度和表面粗糙度要求以及刀具 工件的材料性质选取 最大进给速度受机床刚度和进给系统的性能限制 在轮廓加工中 在接近拐角处应适当降低进给量 以克服由于惯性或工艺系统变形在轮廓拐角处造成 超程 或 欠程 现象 进给量的确定原则 当工件的质量要求能够得到保证时 为提高生产效率 可选择较高的进给速度 一般在100 200mm min范围内选取 在切断 加工深孔或用高速钢刀具加工时 宜选择较低的进给速度 一般在20 50mm min范围内选取 当加工精度 表面粗糙度要求高时 进给速度应选小些 一般在20 50mm min范围内选取 刀具空行程时 特别是远距离 回零 时 可以使用机床数控系统设定的最高进给速度 背吃刀量确定 背吃刀量根据机床 工件和刀具的刚度来决定 在刚度允许的条件下 应尽可能使背吃刀量等于工件的加工余量 这样可以减少走刀次数 提高生产效率 如半精加工时 背吃刀量可取0 5 2mm 精加工时时 背吃刀量一般为0 2 0 5mm 表切削用量的选取 高速钢立铣刀 粗铣 切削用量的选择 针对切削用量三要素主轴转速 切削速度 背吃刀量及进给量等的选择原则 根据车削 铣削 钻镗削工艺的不同要求 结合课本表1 6至表1 13中的推荐值 要求学会灵活掌握 1 零件图纸工艺分析图样分析主要分析凸轮轮廓形状 尺寸和技术要求 定位基准及毛坯等 1 9典型零件的数控加工工艺分析 两轴联动铸铁 含有两个基准孔 直径为 280mm 厚度为18mm的圆盘 圆盘底面A及 35G7和 12H7两孔可用作定位基准 形位公差比较容易保证 1 8数控加工工艺文件工序卡 刀具调整单 程序清单 2 确定装夹方案一般大型凸轮可用等高垫块垫在工作台上 然后用压板螺栓在凸轮的孔上压紧 外轮廓平面盘形凸轮的垫块要小于凸轮的轮廓尺寸 不与铣刀发生干涉 对小型凸轮 一般用心轴定位 压紧即可 采用 一面两孔 定位 设计一 一面两销 专用夹具 削边销 可避免工件定位时出现的干涉现象 支撑板