车辆工程毕业设计21汽车前机盖修边模的数控加工

1 目 录 第一章 数控机床的产生 .4 第二章 数控机床的特点 .8 第三章 汽车前机盖修边模的加工 .11 第 一节 数控机床在汽车模具加工中的加工工艺 .15 第 二节 修边模的加工 步骤 .21 第四章 结束语 .28 第五章 致谢 .28 第六章 参考文献 .29 2 前 言 在世界飞速发展的 21 世纪 1，制造业已在工业生产中具有决定性的地位与作用。它对一个国家的经济地位和政治地位具有至关重要的影响。制造业一方面为社会生产日用消费品，创造价值，另一方面为国民经济各个部门提供生产资料和装备。 随着社会经济发展对制造业的要求不断提高，以及科学技术特别是计算机技术的高速发展，传统的制造业已经发生了根本性的变革。一数控技术为主的现代制造业技术占据了重要地位，数控技术及微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技术于一体，是制造业实现柔性化、自动、集成化、智能化的重要基础。这个基础是否牢固直接 影响到一个国家的经济发展和综合国力，关系到一个国家的战略地位。因此，世界上各工业发达国家均采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业。在我国，数控技术与发展亦得到了高度重视，今年来取得了相当大的进步，特别是在通用微机数控领域，基于 PC 平台的国产数控系统，已经走在了世界前列。 数控技术在模具加工中更是起着尤为重要的作用。我有幸在天津汽模实习，使我接触到了先进的加工中心，也学到了一些模具知识，这次我做的课题就是汽车前机盖修边模具的加工。使我在生产过程中学到了很多东西，也提高了自己的动手与逻辑思维能力。其 中有不足之处还请各位老师提出宝贵意见！ 3 文章摘要 ： 数控技术是实现自动化、柔性化、集成化生产的基础。数控技术的应用是提高制造业产品质量和劳动生产率必不可少的重要手段。随着中国经济的快速发展，制造业一成为国民经济的支柱产业！而数控技术的发展则是重中之重！ 关键词 ： 数控技术 数控技术 修边模 数控技术 ：数控技术是用数字化信息对某一对象进行控制的技术。 数控加工 ：数控加工是指采 用数字信息对零件加工过程进行定义，并控制机床进行自动运行的一种自动化加工方法。 修边模 ： 修边模是指带有锋利的刃口用来切除多余废料的摸具。 4 课 题 汽车前机盖修边模的加工 第一章 数控机床的产生 当今世界，工业发达国家对机床工业高度重视，竞相发展机电一体化、高精、高效、高自动化先进机床，以加速工业和国民经济的发展。长期以来，欧、美、亚在国际市场上相互展开激烈竞争，已形成一条无形战线，特别是随微电子、计算机技术的进步，数控机床在 20 世纪 80 年代以后加速 发展，各方用户提出更多需求。 早已成为四大国际机床展上各国机床制造商竞相展示先进技术、争夺用户、扩大市场的焦点。中国加入 WTO 后，正式参与世界市场激烈竞争，今后如何加强机床工业实力、加速数控机床产业发展，实是紧迫而又艰巨的任务。 数控机床的技术特点及其发展条件 1948 年美国空军部门为制造飞机杂零件，提供设备研经费，由 G&L 公司与 MIT合作研究四年，于 1952 年试制出世界第一台数控铣床，立即生产 100 台交付军工使用。在成果上显示了它是社会需求、科技水平、人员素质三者的结晶；在技术上则 显示出机电一体化机床在控制方面的巨大创新。 数控机床的技术特点 数控机床具有以下三大突出的特点： 利用二进制数学方式输入，加工过程可任意编程，主轴及进给速度可按加工工艺需要变化，且能实现多座标联动，易加工杂曲面。对于加工对象具有 “易变、多变、善变 ”的特点，换批调整方便，可实现杂件多品种中小批柔性生产，适应社会对产品多样化的需求。但价格较昂贵，需要正确分析其使用的经济合理性； 利用硬件和软件相组合，能实现信息反馈、补偿、自动加减速等功能，可进一步提高机床的加工精度、效率 、自动化程度； 是以电子控制为主的机电一体化机床，充分发挥了微电子、计算机技术特有的优点，易于实现信息化、智能化、网络化，可较易地组成各种先进制造系统，如 FMS、 FTL、FA，甚至将来的 CIMS，能最大限度地提高工业的生产率、劳动生产率。 数控机床发展的条件 任何事物都有其特点与发展条件，人们掌握后才能加速其发展。数控机床的发展条件主要包括： 它是由机、电、液、气、光等多学科各种高科技的综合性组合，特别是以电子、计算机等现代先进技术为基石，必须具有巩固的技术基础，互相配套 ，缺一不可。如不齐备，则数控机床难以顺利发展； 数控机床是由主机、各种元部件 (功能部件 )和数控系统三大部分组成，还需要先进的自动化刀具配合，才能实现加工，各个环节在技术上、质量上必须切实过关，确保工作可靠、稳定，才能保数控机床工作的精度、效率和自动化，否则，难以在生产实际中使用；它是社会需求、科技水平和人员素质三者的结合，缺一不可。 如果人员素质差、科技水平达不到，则难以满足社会需求。人是一切活动的主体，需要各种精通业务的专家、人才和熟练技术工人，互相配合，共同完成。否则，数控机床难以顺利 发展。 工业发达国家发展数控机床的主要经验 数控机床出现至今的 50 年，随着科技、特别是微电子、计算机技术的进步而不断发展。美、德、日三国是当今世上在数控机床科研、设计、制造和使用上，技术最先进、 5 经验最多的国家。因其社会条件不同，各有特点。 美国的特点是，政府重视机床工业，美国国防部等部门不断提出机床的发展方向、科研任务和提供充足的经费，且网罗世界人才，特别讲究 “效率 ”和 “创新 ”，注重基础科研。 因而在机床技术上不断创新，如 1952 年研制出世界第一台数控机床、 1958 年创制 出加工中心、 70 年代初研制成 FMS、 1987 年首创开放式数控系统等。由于美国首先结合汽车、轴承生产需求，充分发展了大量大批生产自动化所需的自动线，而且电子、计算机技术在世界上领先，因此其数控机床的主机设计、制造及数控系统基础扎实，且一贯重视科研和创新，故其高性能数控机床技术在世界也一直领先。 当今美国不仅生产宇航等使用的高性能数控机床，也为中小企业生产廉价实用的数控机床 (如 Haas、 Fadal 公司等 )。其存在的教训是，偏重于基础科研，忽视应用技术，且在上世纪 80 代政府一度放松了引导，致使数控机床产量 增加缓慢，于 1982 年被后进的日本超过，并大量进口。从 90 年代起，纠正过去偏向，数控机床技术上转向实用，产量又逐渐上升。 德国政府一贯重视机床工业的重要战略地位，在多方面大力扶植。特别讲究 “实际 ”与 “实效 ”，坚持 “以人为本 ”，师徒相传，不断提高人员素质。在发展大量大批生产自动化的基础上，于 1956 年研制出第一台数控机床后，一直坚持实事求是，讲求科学精神，不断稳步前进。 德国特别注重科学试验，理论与实际相结合，基础科研与应用技术科研并重。企业与大学科研部门紧密合作，对用户产品、加工工艺、机床 布局结构、数控机床的共性和特性问题进行深入的研究，在质量上精益求精。德国的数控机床质量及性能良好、先进实用、货真价实，出口遍及世界。 尤其是大型、重型、精密数控机床。德国特别重视数控机床主机及配套件之先进实用，其机、电、液、气、光、刀具、测量、数控系统、各种功能部件，在质量、性能上居世界前列。如西门子公司之数控系统和 Heidenhain 公司之精密光栅，均为世界闻名，竞相采用。 日本政府对机床工业之发展异常重视，通过规划、法规 (如 “机振法 ”、 “机电法 ”、 “机信法 ”等 )引导发展。在重视人才及机 床元部件配套上学习德国，在质量管理及数控机床技术上学习美国，甚至青出于蓝而胜于蓝。 日本也和美、德两国相似，充分发展大量大批生产自动化，继而全力发展中小批柔性生产自动化的数控机床。自 1958 年研制出第一台数控机床后， 1978 年产量 (7,342台 )超过美国 (5,688 台 )，至今产量、出口量一直居世界首位 (2001 年产量 46,604 台，出口 27,409 台，占 59%)。战略上先仿后创，先生产量大而广的中档数控机床，大量出口，占去世界广大市场。 在上世纪 80 年代开始进一步加强科研，向高性能数控机床发 展。在策略上，首先通过学习美国全面质量管理 (TQC)，变为职工自觉群体活动，保证产品质量。进而加速发展电子、计算机技术，进入世界前列，为发展机电一体化的数控机床开道。日本在发展数控机床的过程中，狠抓关键，突出发展数控系统。 日本 FANUC 公司战略正确，仿创结合，针对性地发展市场所需各种低中高档数控系统，在技术上领先，在产量上居世界第一。该公司现有职工 3,674 人，科研人员超过 600 人，月产能力 7,000 套，销售额在世界市场上占 50%，在国内约占 70%，对加速日本和世界数控机床的发展起了重大促进作用。 中国数控机床现状及发展中的主要问题 数控机床的现状 6 目前，中国机床工业厂多人众。 2000 年，金切机床制造厂约为 358 家 (20.6 万人 )，成形机床制造厂 191 家 (约 6.5 万人 )，共计 549 家 (27.1 万人 )。其中生产数控金切机床的约 150 家，生产数控成形机床的约 30 家，共计约 180 家，占厂家总数的 1/3。2001 年金切机床产量 19.2 万台，内数控金切机床 17,521 台，约占 9%。 总的来说：数控机床产量不断增长， 2001 年为 1991 年的 3.6 倍；进口量增长较快，达 29 倍，出口量有所增加，但数目较小，为 4.8 倍；数控机床消费量增加较快，达 7.9 倍。产量满足不了社会发展的需求。 从金额上看， 2001 年数控机床进口 17,679 台，计 14.1 亿美元，出口 2,509 台，计 0.44 亿美元，进口额为出口额之 32 倍。进口大、出口小。 中国发展数控机床存在的主要问题 中国于 1958 年研制出第一台数控机床，发展过程大致可分为两大阶段。在 19581979 年间为第一阶段，从 1979 年至今为第二阶段。第一阶段中对数控机床特点、发展条件缺乏认识，在人员素质差、基础薄 弱、配套件不过关的情况下，一哄而上又一哄而下，曾三起三落、终因表现欠佳，无法用于生产而停顿。 主要存在的问题是盲目性大，缺乏实事求是的科学精神。在第二阶段从日、德、美、西班牙先后引进数控系统技术，从日、美、德、意、英、法、瑞士、匈、奥、韩国、台湾省共 11 国 (地区 )引进数控机床先进技术和合作、合资生产，解决了可靠性、稳定性问题，数控机床开始正式生产和使用，并逐步向前发展。 在 20 余年间，数控机床的设计和制造技术有较大提高，主要表现在三大方面：培训一批设计、制造、使用和维护的人才；通过合作生产先 进数控机床，使设计、制造、使用水平大大提高，缩小了与世界先进技术的差距；通过利用国外先进元部件、数控系统配套，开始能自行设计及制造高速、高性能、五面或五轴联动加工的数控机床，供应国内市场的需求，但对关键技术的试验、消化、掌握及创新却较差。 至今许多重要功能部件、自动化刀具、数控系统依靠国外技术支撑，不能独立发展，基本上处于从仿制走向自行开发阶段，与日本数控机床的水平差距很大。存在的主要问题包括：缺乏像日本 “机电法 ”、 “机信法 ”那样的指引；严重缺乏各方面专家人才和熟练技术工人；缺少深入系统的科研工作； 元部件和数控系统不配套；企业和专业间缺乏合作，基本上孤军作战，虽然厂多人众，但形成不了合力。 中国加速数控机床产业发展之路 中国今后要加速发展数控机床产业，既要深入总结过往的经验教训，切实改善存在的问题，又要认真学习国外的先进经验，向正确的道路前进。建议切实做好以下几点： 中国厂多人众，极需正确的方针、政策对数控机床的发展进行有力的指引。应学习美、德、日经验，政府高度重视、正确决策、大力扶植。在方针政策上，应讲究科学精神、经济实效，以切实提高生产率、劳动生产率为原则。在方法上，深入 用户，精通工艺，低中高档并举，学习日本，首先解决量大而广的中档数控机床，批量生产，占领市场，减少进口，扩大出口。 在步骤措施上，必须使国产数控系统先进、可靠，狠抓产品质量与配套件过关，打好技术基础。近期重在打基础，建立信誉，扩大国产数控机床的国内市场份额，远期谋求赶超世界先进水平，大步走向世界市场； 必须狠抓根本，坚持 “以人为本 ”，加速提高人员素质、培养各种专家人才，从根本上改变目前低效、落后的状态。人是一切事业成败的根本，层层都要重视 “培才、选才、用才 ”，建立学习型企业，树立企业文化，加 速培育新人，培训在职人员，建立师徒相传制度，举办各种技术讲座、训练班和专题讨论会，甚至聘请外国专家、顾问等，尽力提高数控。 7 根国家计委投资研究所预测： “十五 ”期间，我国固定资产总投资额达到 22 万个亿元，年平均增长幅度为 37%。按以往固定资产投资与机械市场消费之间的互动关系推断， “十五 ”期间，我国机械市场所孕育的商机高达 320 400 亿元。 据预测，至 2010 年： 300 家机械厂商将进行技改，求购数控机床数量十分可观； 目前，国内有模具厂 1.7 万家，年产值约 220 亿元，预计 到 2005 年产值将达到460 亿元，所需的机械偏向于高精度、高效率、高速化铣削设备、虚拟轴机床、复合加工机及慢走丝切割机等。 国产数控机床市场占有率下滑即将有转机。 随着世界科技进步和机床工业的发展，数控机床作为机床工业的主流产品，已成为实现装备制造业现代化的关键设备，是国防军工装备发展的战略物资。数控机床的拥有量及其性能水平的高低，是衡量一个国家综合实力的重要标志。加快发展数控机床产业也是我国装备制造业发展的现实要求。 根据中国机床工具工业协会组织用户调查表明，航天航空、国防军工制造业 需要大型、高速、精密、多轴、高效数控机床；汽车、摩托车、家电制造业需求高效、高可靠性、高自动化的数控机床和成套柔性生产线；电站设备、造船、冶金石化设备、轨道交通设备制造业需求高精度、重型为特征的数控机床； IT 业、生物工程等高技术产业需求纳米级亚微米级超精密加工数控机床；工程机械、农业机械等传统制造行业的产业升级，特别是民营企业的蓬勃发展，需要大量数控机床进行装备。 目前我国数控机床的数量和品种，尚不能完全满足国内市场需求。据中国机床工具工业协会总干事长吴柏林 (右图 )近日透露，国家数控机床产业发展专 项规划草案已经制订完成，目前正由国家发改委修改，修改完成后，将报国务院领导审阅批准，然后正式施行。 据了解，规划施行以后，困扰我国机床工具业发展的数控机床产业化和自主开发能力偏低的问题将得到一定程度的解决，国产数控机床国内市场占有率连年下滑的局面将被扭转。 国家政策扶持数控机床产业化基地建设按照规划，未来 5 年机床工具行业将营造 20 个数控机床产业化基地和为之配套的 10 个基础功能零部件产业基地，基地企业将享受国家政策和资金上的支持。 第二章 数控机床的特点 数控系统技术的突飞猛进为 数控机床 的技术进步提供了条件。为了满足市场的需要，达到现代制造技术对数控技术提出的更高的要求，当前，世界数控技术及其装备的发展主要体现为以下几方面技术特征： 2.1 高速、高效 机 床向高速化方向发展，不但可大幅度提高加工效率、降低加工成本，而且还可提高零件的表面加工质量和精度。超高速加工技术对制造业实现高效、优质、低成本生产有广泛的适用性。 20 世纪 90 年代以来 ，欧、美、日各国争相开发应用新一代高速 数控机床 ，加快机床高速化发展步伐。高速主轴单元 (电主轴，转速 15000 100000r/min)、高速且高加 /减速度的进给运动部件 (快移速度 60120m/min，切削进给速度高达 60m/min)、高性能数控和伺服系统以及数控工具系统都出现了新的突破，达到了新的技术水平。随着超高速切削机理、超硬耐磨长寿命刀具材料和 磨料 磨具，大功率高速电主轴、高加 /减速度直线电机驱动进给部件以及高性能控制系统 (含监控系统 )和防护装置等一系列技术领 8 域中关键技术的解决，为开发应用新一代高速 数控机床 提供了技术基础。 目前，在超高速加工中，车削和铣削的切削速度已达到 50008000m/min 以上；主轴转数在 30000 转 /分 (有的高达 10 万 r/min)以上；工作台的移动速度 (进给速度 )：在分辨率为 1 微米时，在 100m/min(有的到 200m/min)以上，在分辨率为 0.1 微米时，在24m/min以上；自动换刀速度在 1秒以内；小线段插补进给速度达到 12m/min。 2.2 高精度 从精密加工发展到超精密加工，是世界各工业强国致力发展的方向。其精度从微米级到亚微米级，乃至纳米级 (10nm)，其应用范围日趋广泛。 当前，在机械加工高精度的要求下，普通级 数控机床 的加工精度已由 10m 提高到 5m ；精密级 加工中心 的加工精度则从 35m ，提高到 11.5m ，甚至更高；超精密加工精度进入纳米级 (0.001 微米 )，主轴回转精度要求达到 0.010.05 微米，加工圆度为 0.1 微米，加工表面粗糙度 Ra=0.003 微米等。这些机床一般都采用矢量控制的变频驱动电主轴 (电机与主轴一体化 )，主轴径向跳动小于 2m，轴向窜动小于 1m，轴系不平衡度达到 G0.4 级。 高速高精加工机床的进给驱动，主要有 “ 回转伺服电机加精密高速滚珠丝杠 ” 和“ 直线电机直接驱动 ” 两种类型。此外，新兴的并联机床也易于实现高速进给。 滚珠丝杠由于工艺成熟，应用广泛，不仅精度能达到较高 (ISO3408 1 级 )，而且实现高速化的成本也相对较低，所以迄今仍为许多高速加工机床所采用。当前使用滚珠丝杠驱动的高速加工机床最大移动速度 90m/min，加速度 1.5g。 滚珠丝杠属机械传动，在传动过程中不可避免存在弹性变形、摩擦和反向间隙，相应地造成运动滞后和其它非线性误差，为了排除这些误差对加工精度的影响， 1993年开始在机床上应用直线电机直接驱动，由于是没有中间环节的 “ 零传动 ” ，不仅运动惯量小、系统刚度大、响应快，可以达到很高的速度和加速度，而且其行程长度理论上不受限制，定位精度在高精度位置反馈系统的作用下也易达到较高水平，是高速高精加工机床特别是中、大型机床较理想的驱动方式。目前使用直线电机的高速高精加工机床最大快移速度已 达 208 m/min，加速度 2g，并且还有发展余地。 2.3 高可靠性 随着 数控机床 网络化应用的发展， 数控机床 的高可靠性已经成为数控系统制造商和数控机床 制造商追求的目标。对于每天工作两班的无人工厂而言，如果要求在 16 小时内连续正常工作，无故障率在 P(t) 99%以上，则 数控机床 的平均无故障运行时间 MTBF就必须大于 3000 小时。我们只对一台 数控机床 而言，如主机与数控系统的失效率之比为 10:1(数控的可靠比主机高一个数量级 )。此时数控系统的 MTBF 就要大于 33333.3 小时，而其中的数控装置、主轴及驱动等的 MTBF 就必须大于 10万小时。 当前国外数控装置的 MTBF值已达 6000 小时以上，驱动装置达 30000 小时以上，但是，可以看到距理想的目标还有差距。 2.4 复合化 在零件加工过程中有大量的无用时间消耗在工件搬运、上下料、安装调整、换刀和主轴的升、降速上，为了尽可能降低这些无用时间，人们希望将不同的加工 功能整合在同一台机床上，因此，复合功能的机床成为近年来发展很快的机种。 柔性制造范畴的机床复合加工概念是指将工件一次装夹后，机床便能按照数控加工程 9 序，自动进行同一类工艺方法或不同类工艺方法的多工序加工，以完成一个复杂形状零件的主要乃至全部车、铣、钻、镗、磨、攻丝、铰孔和扩孔等多种加工工序。就棱体类零件而言， 加工中心 便是最典型的进行同一类工艺方法多工序复合加工的机床。事实证明，机床复合加工能提高加工精度和加工效率，节省占地面积特别是能缩短零件的加工周期。 2.5 多轴化 随着 5 轴联动数控系统和编程软件的普及， 5 轴联动控制的 加工中心 和数控 铣床 已经成为当前的一个开发热点，由于在加工自由曲面时， 5 轴 联动控制对球头 铣刀 的数控编程比较简单，并且能使球头 铣刀 在铣削 3 维曲面的过程中始终保持合理的切速，从而显着改善加工表面的粗糙度和大幅度提高加工效率，而在 3轴联动控制的机床无法避免切速接近于零的球头 铣刀 端部参予切削，因此， 5 轴联动机床以其无可替代的性能优势已经成为各大机床厂家积极开发和竞争的焦点。 最近，国外还在研究 6轴联动控制使用非旋转刀具的 加工中心 ，虽然其加工形状不受限制且切深可以很薄，但加工效率太低一时尚难实用化。 2.6 智能化 智能 化是 21世纪制造技术发展的一个大方向。智能加工是一种基于神经网络控制、模糊控制、数字化网络技术和理论的加工，它是要在加工过程中模拟人类专家的智能活动，以解决加工过程许多不确定性的、要由人工干预才能解决的问题。智能化的内容包括在数控系统中的各个方面： 为追求加工效率和加工质量的智能化，如自适应控制，工艺参数自动生成； 为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等； 简化编程、简化操作的智能化，如智能化的自动编程，智能化 的人机界面等； 智能诊断、智能监控，方便系统的诊断及维修等。 世界上正在进行研究的智能化切削加工系统很多，其中日本智能化数控装置研究会针对钻削的智能加工方案具有代表性。 2.7 网络化 数控机床 的网络化，主要指机床通过所配装的数控系统与外部的其它控制系统或上位计算机进行网络连接和网络控制。 数控机床 一般首先面向生产现场和企业内部的局域网，然后再经由因特网通向企业外部，这就是所谓 Internet/Intranet 技术。 随着网络技术的成熟和发展，最近业界又提出了数字制造的概念。数字制造，又称“e -制造 ” ，是机械制造企业现代化的标志之一，也是国际先进机床制造商当今标准配置的供货方式。随着信息化技术的大量采用，越来越多的国内用户在进口 数控机床 时要求具有远程通讯服务等功能。机械制造企业在普遍采用 CAD/CAM的基础上，越加广泛地使用数控加工设备。数控应用软件日趋丰富和具有 “ 人性化 ” 。虚拟设计、虚拟制造等高端技术也越来越多地为工程技术人员所追求。通过软件智能替代复杂的硬件，正在成为当代机床发展的重要趋势。在数字制造的目标下，通过流程再造和信息化改造， ERP等一批先进企业管理软件已经脱颖而出，为企业创造出更高的经济效益。轴的升、降速上，为了尽可能降低这些无用时间，人们希望将不同的加工功能整合在同一台机床上，因此，复合功能的机床成为近年来发展很快的机种。 10 柔性制造范畴的机床复合加工概念是指将工件一次装夹后，机床便能按照数控加工程序，自动进行同一类工艺方法或不同类工艺方法的多工序加工，以完成一个复杂形状零件的主要乃至全部车、铣、钻、镗、磨、攻丝、铰孔和扩孔等多种加工工序。就棱体类零件而言， 加工中心 便是最典型的进行同一类工艺方法多工序复合加工的机床。事实证明，机床复合加工能提高加工精度和加工效率，节省占地面积特别是能缩短零件的加工周期。 第三章 汽车前机盖修边模的加工 选用机床 FANUC 机床类型 加工中心 模具材料 铸铁 第一节 加工中心的概述 一 加工中心的选用 3.1.1被加工对象的选定 确定选购对象之前，首先要明确准备加工的对象。一般来说：具备下列 特点的零件适合在加工中心加工： 多工序集约型工件 指在一个工件上需要用许多把刀具进行加工。 定位繁琐的工件 例如有一定位孔距精度要求的多孔加工， 利用机床定位精度高的特点，很方便实施。 重复生产型的工件 适合加工单件小批量生产。小批量指在 1-100 件，每批数量不多，但又需要重复生产。另外，即使工件形状尺寸不同，但又是相似工件， 易于实现成组加工（ GT）工艺的零件。 复杂形状的零件 模具、航空零件等复杂形状工件，能借助自动程序编制技术在加工中心上加工各种异形零件。 箱体类、板类零 件 在卧式加工中心上利用回转工作台，对箱体零件进行多面加工，如主轴箱体、泵体、阀体、内燃机缸体等。如果连顶面也要一次装夹中加工，可选用五面体加工中心。立式加工中心适合加工箱盖缸盖、平面凸轮等。龙门加工中心用于加工大型箱体、板类零件，如内燃机车缸体、加工中心立柱、床身、印刷墙板机等。 3.1.2 机床规格的选定 根据确定的加工工件的大小尺寸，相应确定所需机床的工作台尺寸和三个直线坐标系的行程。工作台尺寸应保证工件在其上面能顺利装夹工件，加工尺寸则必须在各坐标行程内，此外还要考虑换刀空间和各坐标干涉区的限制。 3.1.3 机床精度的选定 加工中心的精度分类为普通型和精密型，其主要精度项目见下表： 精度项目 普通型（ mm） 精密型（ mm） 直线定位精度 0.01/全程 0.005/全程 重复定位精度 0.006 0.002 11 铣圆精度 0.03-0.04 0.015 用户根据工件的加工精度要求，选用相应精度等级的机床，批量生产的零件，实际加工出的精度数值可能是定位精度的 1.5-2 倍。普通型机床批量加工 8 级精度工件，精密机床加工精度可达 5-6 级，但要有恒温等工艺条件，所以精密型机床使用严格，价格高。 3.1.4 刀库容量的选定 加工中心的制造厂家对同一种规格的机床，通常都设 2-3 种不同容量刀库，例如卧式加工中心刀库容量有 30、 60、 80 等，立式加工中心有 16、 24、 32 把容量的刀库。 用户在选定时，可以根据被加工工件的工艺分析结果来确定所需数量，通常以需要一个零件在一次装夹中所需刀具数来确定刀库的容量，因为换另一零件加工时，需要重新安排刀具，否则刀具管理复杂并容易出错。 从统计数据来看立式加工中心选用 20 把刀左右的刀库，卧式加工中心则选用 40 把刀左右的刀库为宜。当然要根据实际需要最后确定 。用于柔性制造单元（ FMC）或柔性制造系统（ FMS）的加工中心机床，其刀库容量应选大容量刀库，甚至配置可交换刀库。 3.1.5 机床选择功能及附件的选定 选定加工中心机床时，除了基本功能和基本件以外，还有提供用户根据自身要求选用的功能和附件，选择功能、选择附件（任选附件）。随着数控技术的发展，可供选择的内容越来越多，其构成价格在主机中所占的比例也越来越大，所以不明确目的大量选用附件也是不经济的，所谓“有备无患”的订购指导思想实质上是浪费。因此选订时要全面分析，还要适当考虑长远因素。 选择功能主要对于数 控系统而言，对那种价格增加不多，但对使用带来许多方便的功能，应适当配置齐全一点，而对可以多台机床公用的附件，就可以考虑一机多用，但必须考虑接口是通用的。 3.1.6 加工节拍与机床台数估算 根据已经选定的工件，然后分析工艺路线，在这个工艺路线中选出准备在加工中心上加工的工序，对这些工序作工时节拍估算。 根据现用工艺参数，估算每道工序的切削时间，而辅助时间通常取切削时间的 10% 20%。另外中小型加工中心的每次换刀时间约需 10-20 秒，这样单工序时间为： t 单序 =t 切 +t 辅 +（ 10-20s） =t 切 +（ 10%-20%） t 切 +（ 10-20s） 有了单工序时间就不难计算出年产量。一年 300个工作日，机床开动率按 75%-85%计算，如果计算结果产量达不到目标值，但相差不多、修改工艺参数；如果差距很大，应考虑增加机床台数配置。 12 二 加工中心的安装 3.2.1 加工中心的调试 机床调试的目的是考核机床安装是否稳固，各传动、操纵、控制等系统是否正常和灵敏可靠。 调试试运行工作依以下步骤进行： 按说明书的要求给个润滑点加油，给液压油箱灌入合乎要求的液压油，接通气源。 通电，各部件分 别供电或各部件一次通电试验后，再全面供电。观察各部件有无报警、手动各部件观察是否正常，各安全装置是否起作用。即使机床的各个环节都能操作和运动起来。 灌浆，机床初步运转后，粗调机床的几何精度，调整经过拆装的主要运动部件和主机的相对位置。将机械手、刀库、交换工作台、位置找正等。这些工作做好后，即可用快干水泥灌死主机和各附件的地脚螺栓，将各地脚螺栓预留孔灌平。 调试，准备好各种检测工具，如精密水平仪、标准方尺、平行方管等。 精调机床的水平，使机床的几何精度达到允许误差的范围内，采用多点垫支 撑，在自由状态下将床身调成水平，保证床身调整后的稳定性。 用手动操纵方式调整机械手相对于主轴的位置，使用调整心棒。安装最大重量刀柄时，要进行多次刀库到主轴位置的自动交换，做到准确无误，不撞击。 将工作台运动到交换位置，调整托盘站与交换工作台的相对位置，达到工作台自动交换动作平稳，并安装工作台最大负载，进行多次交换。 检查数控系统和可编程控制器 PLC 装置的设定参数是否符合随机资料中的规定 数据，然后试验各主要操作功能、安全措施、常用指令的执行情况等。 检查附件的工作状况，如机床 的照明、冷却防护罩、各种护板等。 一台加工中心安装调试完毕后，由于其功能繁多，在安装后，可在一定负载下经过长时间的自动运行，比较全面的检查机床的功能是否齐全和稳定。运行的时间可每天 8小时连续运行 2 到 3 天或每 24 小时连续运行 1 到 2 天。连续运行可运用考机程序。 3.2.2 加工中心的验收 加工中心的验收是一项复杂的检测技术工作。它包括对机床的机、电、液、气等各部分的综合性能检测及机床静、动态精度的检测。在我国有专门的机构，即国家机床产品质量检测中心。用户的验收工作可依照该机构的验收方法进行，也可 请上述机构进行验收。主要集中在两个方面： (1)加工中心几何精度检查 加工中心的几何精度是组装后几何形状误差，其检查内容如下： 工作台的平面度 各坐标方向移动的相互垂直度 X 轴方向移动到工作台面的平行度 Y 轴方向移动到工作台面的平行度 X 轴方向移动对工作台上下型槽侧面的平行度 主轴的轴向窜动 主轴孔的径向跳动 主轴箱沿 Z 坐标方向移动对主轴轴心线的平行度 主轴回转轴心线对工作台面的垂直度 13 主轴箱在 Z 坐标方向移动的直线度 常用的检测工具有：精密水平仪、直角尺、精密方箱、平尺、平行光 管、千分表或测微仪、高精度主轴心棒及刚性好的千分表杆。每项几何精度按照加工中心的验收条件的规定进行检测。注意：检测工具的等级必须比所测的几何精度高一等级。同时，必须在机床稍有预热的状态下进行，在机床通电后，主轴按中等转速回转 15 分钟以后再进行检验。 (2)机床性能验收 根据金属切削机床实验规范总则规定的试验项目如下： 可靠性 空运转振动 热变形 静刚度 抗振性切削 噪声 激振 定位精度 做全面性能试验必须高精度的检测仪器。在具体的机床验收时，各验收内容可按照机床厂标准 主轴回转精度 直 线运动不均匀性 加工精度 对机床和行业标准进行。 加工中心操作要点 作为一个熟练的操作人员，必须在了解加工零件的要求、工艺路线、机床特性后，方可操纵机床完成各项加工任务。因此，整理几项操作要点供参考： 为了简化定位与安，夹具的每个定位面相对加工中心的加工原点，都应有精确的坐标尺寸。 为保证零件安装方位与编程中所选定的工件坐标系及机床坐标系方向一致性，及定向安装。 能缩短时间的拆卸，改成适合新工件的夹具。由于加工中心的辅助时间已经压缩得很短，配套夹具的装卸不能占 用太多时间。 夹具应具有尽可能少的元件和较高的刚度。 夹具要尽量敞开，夹紧元件的空间位置能低则低，安装夹具不能与工步刀具轨迹发生干涉。 保证在主轴的行程范围内使工件的加工内容全部完成。 对于有交互工作台的加工中心，由于工作台的移动、上托、下托和旋转等动作，夹具设计必须防止夹具和机床的空间干涉。 尽量在一次装夹中完成所有的加工内容。当非要更换夹紧点时，要特别注意不能因更换夹紧点而破坏定位精度，必要时在工艺文件中说明。 夹具底面与工作台的接触，夹具的底面平面度必须保证在 0.01 0.02mm 以内，表面粗糙度不大于 Ra3.2um。 14 加工中心的生产管理技术 加工中心的使用是一项具有一定规模的复杂的技术工程。它涉及到生产管理、技术管理、人才培训等一系列工作。各项工作都应遵行一定的原则运行。这个原则就是充分发挥加工中心效益的保证系统。因此，重视使用技术是一方面，重视管理技术又是必不可少的另一方面。 我国各机械制造厂中已把加工中心作为高效率自动化装备，作为重点设备。但在设备管理上却参差不齐。在加工中心的管理上，必须提倡加工 中心的生产特点和它所需配合的各环节的生产节拍。不能将普通机床的管理方法移到数控机床上，在管理上应注意以下几点： 充分发挥机床的全部功能 在机床投入使用时，为了充分发挥机床具有的全部功能，应认真阅读使用说明书，深刻理解机床的各种功能及其能力。根据本厂加工零件的性质，合理安排加工的对象、工序，选择相应的配套件和附件。对易损件准备好备件。 设置数控工段 将数控机床集中在一个专门的部门，工艺技术准备、生产管理准备由工厂技术部门统一进行。生产车间设有专门的技术人员。避免单台数控机床分散在个车间，只加 工少量关键零件，造成大量生产时间闲置的局面。设置专门的工段，便于维修的管理。 合理安排生产节拍、技术准备周期 在向加工中心安排生产任务时，应先将工艺部门的工艺文件、加工工序、工具卡片准备齐全，再送加工零件到加工位置上。 以免操作者停机去找工具、修改程序、组装夹具而造成长时间停机。 选择合适的规章制度如数控机床管理制度、安全操作规程、数控机床使用规定、数控机床保养、点检等制度。同时，要及时向制造和设计部门反馈信息。 重视技术队伍的建设 对一台包括多种技术成果的复杂设备，完全掌握使用需要一个训练 有素的技术班子，包括工艺、操作、机电维修等，人员的培养要有一个过程，领导管理设备的部门对此要有全面认识。 三 工装夹具的应用 在多品种小批量的生产过程中，工件的安装、拆卸和清洗、托板的自动交换、切屑的排出等在整个制造过程中是频繁发生的。为了提高加工中心的加工效率，在加工设备上搞高速化和高性能化是一方面，缩短安装时间，降低消耗是另一重要方面。夹具在制造厂来说属于工装部分，它是保证零件准确定位、有效加工的必要手段。对于加工中心来说，要求夹具定位精度高、装卸方便，适于粗加工、精加工和各种多工序复合加工的形式 。 国内加工中心的使用尚处于初期阶段，夹具设计采用手工设计方式较多，备有CAD/CAM 系统的还较少。下面仅就加工中心常见的装夹定位的使用方式作一介绍： 3.3.1 加工中心加工定位基准的选择 在确定工艺方案之前，合理地选择定位基准对保证加工中心的加工精度，提高加工中心的应用效率有着决定性的意义。在选择定位基准时要全面考虑各个工位的加工情况，达到下面三个目的： 所选基准应能保证工件定位准确，装卸方便、迅速，夹紧可靠，且夹具结构简单。 所选定的基准与加工部位的各个尺寸计算简单。 保证各项加工精度。 15 3.3.2 确定零件夹具 在加工中心上，夹具的任务不仅是夹紧工件，而且还要以各个方向的定位面为参考基准，确定工件编程的原点。加工中心的高柔性要求其夹具比普通机床结构更紧凑、简单，夹紧动作更迅速、准确，尽量减少辅助时间。在加工机床上，要想合理应用好夹具，首先要对加工中心的加工特点有比较深刻的理解和掌握，同时还要考虑加工零件的精度、批量大小、制造周期和制造成本。 根据加工中心机床特点和加工需要，目前常用的夹具类型有专用夹具、组合夹具、可调夹具和成组夹具。一般的选择顺序是单件生产中尽量用虎钳、压板螺钉等通用夹具，批量生产 时优先考虑组合夹具，其次考虑可调夹具，最后选用专用夹具和成组夹具。在选择时要综合考虑各种因素，选择最经济的、最合理的夹具形式。 3.3.3 加工中心夹具设计及组装时应注意的问题 为了简化定位与安，夹具的每个定位面相对加工中心的加工原点，都应有精确的坐标尺寸。 为保证零件安装方位与编程中所选定的工件坐标系及机床坐标系方向一致性，及定向安装。 能缩短时间的拆卸，改成适合新工件的夹具。由于加工中心的辅助时间已经压缩的很短，配套夹具的装卸不能占用太多时间。 夹具应具有尽可能少的元件和较高的刚度 。 夹具要尽量敞开，夹紧元件的空间位置能低则低，安装夹具不能与工步刀具轨迹发生干涉。 保证在主轴的行程范围内使工件的加工内容全部完成。 对于有交互工作台的加工中心，由于工作台的移动、上托、下托和旋转等动作，夹具设计必须防止夹具和机床的空间干涉。 尽量在一次装夹中完成所有的加工内容。当非要更换夹紧点时，要特别注意不能因更换夹紧点而破坏定位精度，必要时在工艺文件中说明。 夹具底面与工作台的接触，夹具的底面平面度必须保证在 0.01 0.02mm 以内，表面粗糙度不大于 Ra3.2um。 16 第 二节 数控机床在汽车模具加工中的加工工艺 数字 技术是制造业信息化工程的关键技术之一，数控加工是现代制造重要的组成部分。自 1952 年在美国出现了世界上第一台数控铣床，按控制器的技术发展至今已经历了 5代，同时，数控编程技术也从手工编程发展到自动编程。早期的数控程序由手工编写，只能针对点位加工或几何形状不太复杂的零件。自动编程是用计算机来协助完成数控加工编程编制，又从 APT（ Automatically Pro 上，并以 35的速度持续增长。随着急速跟进的跨跃式的技术升级，业内对掌握数控编程、加工 等现代制造技术的新型人才也形成了巨大的需求。 中国重汽集团济南卡车股份有限公司工具厂自 1987 年开始引进大型仿形 /数控铣床，在一段时期内只能用于靠模仿形加工， 1995 年购买了三维造型软件，基于数模的数控加工工艺才开始在制造中逐渐发展起来。 2001 年中国重汽集团公司重组，重组后的工具厂开始对冲模、大型锻模、电极的制造全面改为数控加工，并形成一定规模。 2002年工具厂在人员比 1997 年减少 52的情况下，模具工装产值却增长了 131； 2003 年人员较上一年又减少 16，预计年产值将增长 27左右。如 此的高速跨步，其中与CAD/CAM 技术的应用与兴旺有着必然的联系。今天，数字技术作为一种巨大的生产力，在制造业已经被越来越多的人认识到了。 数控加工编程及 CAM 软件的工艺特点 数模与 CAD/CAM软件 数模即图像编程中加工零件的计算机三维造型，是数控加工程序的母体，重卡工具厂近几年大部分模具、全部电极的数控加 工都需要自己创建数模。目前国内用于工业 CAD三维设计的软件大多数来自欧、美等国，较热门的有 PTC公司的 Pro/Engineer； EDS公司的 Unigraphics、 I-Deas、 SolidEdge； IBM/DASSAULT 公司的 Catia；还有 SolidWorks、Cimatron 以及 Autodesk 公司的 MDT、 Inventor 等等，其中多为交互式 CAD/CAE/CAM 系统。常用的数控加工软件一般分为两类，一为大型 CAD软件的一体化 CAM模块，如 UG、CATIA 等，其编程功能强大，但要用好也有一定的难度；还有一类是 CAD 功能相对较弱而 CAM模块比较出名的中型软件，主要特点是功能实用又相对较容易掌握，可谓高手新手都能用的，如以色列的 Cimatron； CNC公司的 MasterCAM； DelCAM 公司的 PowerMill等。作者使用过 PRO/E、 Catia、 UG、 Cimatron 等软件，感觉综合应用还是 UG较为理想，它的混合建模给予了用户很大的个性化空间，加工编程模块功能强大，提供的后处理编译器可为不同的机床系统作出适合的后处理文件。下文所谈及的编程实例，均为使用 UG软件。 数控加工工艺。 数控加工一般的粗框架工艺路线是：粗加工 -清根 -半精加工 -清根 -精加工 -清根。 粗加工 17 粗加工的目的，是以较快的速度大面积地去除材料余 量，使残留的毛坯接近零件形状，同时要做到安全、经济。粗加工的对象一般有两种情况，一种是方料毛坯，即从平面开始加工；再一种是铸钢件、钢板焊接件等带有一定零件形状的坯料，这是汽车车身模具中使用较多的。数控程序的原则是尽量保持连续切削，刀具频繁出入切削材料容易被损坏，同时增加了机床操作难度。对方料毛坯进行粗加工多采用分层切削的方法，每层环形走刀或平行走刀，层间螺旋下刀。切削层间下刀的角度取值一般小于 15 ，深度取刀直径的 12 25为宜，每层的步距根据模具材料不同一般不大于刀具直径的 30。我们的干法是： 少拉快 跑，活好刀好 ，即取较小的切削量、较快的进给速度，保证了工件的加工质量和效益，保护了刀具。对于复杂的型腔，可以采用大、小几把刀具分别开粗，把上一道工序加工完的几何体作为下一道工序的毛坯来使用，以提高加工效率和连续进刀率。图 2是用 UG软件做粗加工时，参考毛坯与不参考毛坯生成的刀轨的比较。 铸造、钢焊毛坯的粗加工是数控编程的难点之一，由于不是从平面开始，初始毛坯不易确定，如果简单地用分层加工的方法会有许多空跑刀，大大降低了效率。 这时要仔细分析加工量，可先用投影线在型腔的典型部位分别拉几 刀，测得实际加工量以后再酌情确定加工工艺。 UG软件的粗加工可以对零件的不同范围分别设置不同的毛坯厚度及参数，自动计算加工层数，程序一次完成。 特别需要注意的是粗加工中出现的材料过切问题。在排除程序错误的前提下产生过切