工艺夹具毕业设计44加工中心加工工艺与典型零件的加工

1 摘 要 加工中心由于备有刀库并能自动更换刀具，使得工件在一次装夹中可以完成多工序的加工。加工中心一般不需要人为干预，当机床开始执行程序后，它将一直运行到程序结束。加工中心还赋予了专业化车间一些诸多优点，如：降低机床的故障率，提高生产效率，提高加工精度，削减废料量，缩短检验时间，降低刀具成本，改善库存量等。由于加工中心的众多优势，所以它深受全球制造企业的青睐。 加工中心主要由主轴组件、回转工作台、移动工作台、刀库及自动换刀装置以及其它机械功能部件组成。其中的主轴组件是机床重要的组成部分，其运动性能直接影响机 床加工精度与表面粗糙度。本文在查阅大量国内外文献的基础上，通过研究分析不同加工中心主轴组件的性能，综合地比较了其特点，并拟定了一个较为合理的主轴组件结构方案。同时，还就主轴、轴承以及丝杠等重要零件的机械性能进行了探讨，并对这些零件的刚度和强度进行了校核。此外，本设计中所采用的陶瓷轴承能有效地增加主轴的刚度，从而提高了加工中心的可靠性和稳定性。 关键词： 主轴组件，加工中心，数控机床 2 目 录 第一章 加工中心的发展的现状和趋势 1.1.加工中心的概念 1.2 加工中心现状 及 分类 1.3 国内的加工中心厂家 1.4 发展趋势 第二章 加工工艺分析内容和过程、加工路线的设计 2.1.加工 工艺分析内容 2.1.1 加工工艺设计内容 2.1.2 加工 工艺 性分析 2.1.3 工艺路线 的设计 2.2 设计方法 2.2.1 确定走刀路线和安排加工顺序 2.2.2 确定定位和夹紧方案 2.2.3 确定与工件的相对位置 2.2.4 确定切削用量 2.3 填写加工技术文件 2.3.1 编程任务书 2.3.2 加工工艺安装和原点设定卡片 2.3.4 加工走到路线图 2.3.5 刀具卡片 2.4 加工编程几个 M 代码 2.5 加工中心参考点 及其故障诊断 第三章典型零件分析 3.1 轴类零件加工的工艺分析 3.1.1 基本加工路线 3.1.2 典型加工工艺路线过程及注意点 3.1.3 轴类 零件加工过程几点说明 结论 参考文献 3 绪 论 第一章 加工中心发展的现状 和趋势 1.1 加工中心的概念 加工中心 是指备有刀库，具有自动换刀功能，对工件一次装夹后进行多工序加工的 数控机床 。加工中心是高度 机电一体化 的产品，工件装夹后，数控系统能控制 机床 按不同工序自 动选择、更换刀具，自动对刀、自动改变主轴转速、进给量等，可连续完成钻、镗、铣、铰、攻丝等多种工序。因而大大减少了工件装夹时间，测量和机床调整等辅助工序时间，对加工形状比较复杂，精度要求较高，品种更换频繁的零件具有良好的经济效果。 1.2 加工中心的现状 及 分类 加工中心通常以主轴与工作台相对位置分类，分为卧式、立式和万能加工中心。 1 卧式加工中心：是指主轴轴线与工作台平行设置的加工中心，主要适用于加工箱体类零件。 因其加工面是垂直的，切屑易脱落 ，比较适应长时间无人操作。又因是模块结构，可以短时间内导入最适当规模的系统。因其无人操作时间较长，在成本费用方面与单机相比效果更好。 从用户需求来看，对卧式加工中心的要求更加趋向于适应多品种小批量的生产，要求加工设备能够灵活地适应工序集中导致的生产型加工件的变化。现在由于汽车厂家的设备投资呈上升趋势，需求可望进一步扩大。此外，因对于产品制造的认识和对生产体系的看法正在发生根本的转变，由此而派生的新的生产体系可能对能形成柔性线的小型机种产生需求。 着手生产以上机型的厂家在追求高速、高精度的同时 ，还在如何使机体小型化及成本控制方面下功夫。也就是说此类产品的开发重点在于机体的小型化、适应形成柔性线体系方面。 从技术开发动向来看，是谋求提高主轴转速、进给速度、提高精密度、并将对应热变位、模块化等集中体现出来。其中，作为机床基本课题的高速化研究也不断取得成果。 由于提高进给速度直接关系到产品的加工时间，以利提高生产效率，因此在高速进给技术方面，驱动装置采用直线电机的机型正在增多。同时也有厂家在 4 开发不使用直线电机，采用进给轴以大导程滚珠丝杠为驱动，进给加速度1.5G 2G、快速进给速 度 120 mm min 的高速卧式加工中心。并在主轴上采用双面约束刀具、主轴转速为 2 万 r/min、快速进给速度为 60 m/min、以尽量缩短重复定位、刀至刀等的非切削时间。为解决速度提高带来的热变位影响，防止精度下降，一般都采用独自的补正装置或主轴冷却结构、冷却装置等。 立式加工中心 主要的用户层面为 ,以看好的汽车零部件行业为首，还有模具、飞机、医疗设备、 IT、光学设备等行业。在飞机制造业因绝大多数加工件为多品种、小批量的产品，因此五轴加工机为主的立式加工中心有潜在的需求。今后电子零部件、精密机枝零部件 、半导体模具等行业也具有需求潜力。各生产厂家面对预期需求扩大的飞机、模 2 立式加工中心：是指主轴轴线与工作台垂直设置的加工中心，主要适用于加工板类、盘类、 模具 及小型壳体类复杂零件。 主要的用户层面为 ,以看好的汽车零部件行业为首，还有模具、飞机、医疗设备、 IT、光学设备等行业。在飞机制造业因绝大多数加工件为多品种、小批量的产品，因此五轴加工 机为主的立式加工中心有潜在的需求。今后电子零部件、精密机枝零部件、半导体模具等行业也具有需求潜力。 各生产厂家面对预期需求扩大的飞机、模具、半导体等行业，正在抓紧开发五轴加工机。和几年前的以生产一般零部件为主的立式加工中心形成鲜明对比的是，突出以加工模具为主的设备方案不断从厂家出现，由此可明显地看出对高速、高效、高品位加工的需求正在增加。 针对高精度加工，一些厂家比较注重研制对不易切削材质搞重切削加工的机型。同时，以减少工件更换时间和集中工序为目的的复合化加工技术也在不断创新。为进一步提高 效率，有些厂家正在尝试在立式加工中心的控制轴方面再加上l2 个轴，形成五轴控制，这样对于形状复杂的工件和自由曲面等工件都可完成一次装卡加工。 在产品开发方面，由于用户的要求更加严格，不得不在保持低价位的同时不断追求高性能的技术。由于正在加快适应环保要求的新技术开发，因此，更加需要可以调整品种、数量的可形成柔性线结构的设备。 5 现在干式切削也在研制之中，如已经出现的使用高纯度氮气的干式加工系统，以氧化来控制精度变化。同时为改善作业环境、提高经济效率，对于切屑的处理也采用了易于回收的方式。 3 万能加工中心 (又称多轴联动型加工中心 )：是指通过加工主轴轴线与工作台回转轴线的角度可控制联动变化，完成复杂空间曲面加工的加工中心。适用于具有复杂空间曲面的叶轮转子、模具、刃具等工件的加工。 采取这种零件 -刀具的切削运动方式，取消了以往加工中的刀具交换，即可在标准机床上进行 ， 较长时间的切削加工，提高生产效率为所有的刀具都提供一个高速旋转轴。其切削运动是使用一个上装一个液 动 夹具 的四轴工作台，快速将装夹在液动 夹具 上 的零件按加工程序传送到所选好的每一把刀具前进行加工，而不是以往的刀具沿各轴方向运动，并且加工一个零件需停机多次，交换多把刀具才能完成多轴机床的问世，对传统多轴加工的概念形成了很大冲击。虽然目前还只能用于轻金属加工，但由于它可以极大地提高生产效率，简化机床结构，降低生产成本，而且还正在继续研究中，性能还在不 断改善，加工范围还将扩大，所以将会受到更多用户的喜爱，一定会有很好的市场前景 。 1.3 国内加工中心的厂家 目前生产加工中心的国内厂家主要有：青海 第一机床厂 、大河机床厂、北 京第一机床厂 、常州机床厂、南通机床厂、 天津第一机床总厂 、北京机床 研究 所等。主要输往美国、拉美、东南亚、香港等国家和地区。 1.4 新趋势 效率、质量是先进制 造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。为此日本先端技术研究会将其列为 5 大现代制造技术之一，国际生产工程学会（ CIRP）将其确定为 21 世纪的中心研究方向之一。 从 EMO2001 展会情况来看，高速加工中心进给速度可达 80m/min，甚至更高，空运行速度可达 100m/min 左右。目前世界上许多汽车厂，包括我国的上海通用汽车公司，已经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床。美国CINCINNATI 公司的 HyperMach 机床进给速度 最大达 60m/min，快速为 6 100m/min，加速度达 2g，主轴转速已达 60 000r/min。加工一薄壁飞机零件，只用 30min，而同样的零件在一般高速铣床加工需 3h，在普通铣床加工需 8h；德国 DMG 公司的双主轴车床的主轴速度及加速度分别达 12*!000r/mm 和 1g。 在加工精度方面，近 10 年来，普通级数控机床的加工精度已由 10m 提高到5m，精密级加工中心则从 3 5m，提高到 1 1.5m，并且超精密加工精度已开始进入纳米级 (0.01m)。 在可靠性方面，国外数控装置的 MTBF 值已达 6 000h 以上，伺服系统的 MTBF值达到 30000h 以上，表现出非常高的可靠性。 为了实现高速、高精加工，与之配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发展，应用领域进一步扩大。 7 第二章 加工工艺分析内容和过程、加工路线的设计 2.1 加工工艺的分析内容 数控机床的加工工艺与通用机床的加工工艺有许多相同之处， 但 在数控机床上加工零件比通用机床加工零件 的 工艺规程 要 复杂得多。在数控加工前，要将机床的运动过程、零件的工艺过程、刀具的形状、切削用量和走刀路线等都编入程序，这 就要求程序设计人员具有多方面的知识基础。合格的程序员首先是一个合格的工艺人员，否则就无法做到全面周到地考虑零件加工的全过程，以及正确、合理地 编制 零件的加工程序。 2.1.1 加工工艺设计主要内容 在进行数控加工工艺设计时，一般 应 进行以下几方面的工作： 数控加工工艺内容的选择； 数控加工工艺性分析； 数控加工工艺路线的设计。 数控加工工艺内容的选择 对于 一 个零件来说，并非全部加工工艺过程都适合在数控机床上完成 ,而往往只是其中的一部分工艺内容适合数控加工。这就需要对零件图样进行仔细的工艺分析 ，选择那些最适合、最需要进行数控加工的内容和工序。在考虑选择内容时，应结合本企业设备的实际，立足于解决难题、攻克关键 问题 和提高生产效率，充分发挥数控加工的优势。 1、适于数控加工的内容 在选择时，一般可按下列顺序考虑： （ 1）通用机床无法加工的内容应作为优先选择内容； （ 2）通用机床难加工，质量也难以保证的内容应作为重点选择内容； （ 3）通用机床加工效率低、工人手工操作劳动强度大的内容，可在数控机床尚存在富裕加工能力时选择。 2、不适于数控加工的内容 一般来说，上述这些加工内容采用数控加工后 ，在产品质量、生产效率与综合效益等方面都会得到明显提高。相比之下，下列一些内容不宜选择采用数控加工： （ 1）占机调整时间长。如以毛坯的粗基准定位加工第一个精基准，需用专用工 8 装协调的内容； （ 2）加工部位分散， 需 要多次安装、设置原点。这时，采用数控加工很麻烦，效果不明显，可安排通用机床补加工； （ 3）按某些特定的制造依据（如样板等）加工的型面轮廓。主要原因是获取数据困难，易于与检验依据发生矛盾，增加了程序编制的难度。 此外，在选择和决定加工内容时，也要考虑生产批量、生产周期、工序间周转情况等等。总之，要尽量做 到合理，达到多、快、好、省的目的。要防止把数控机床降格为通用机床使用。 2.1.2 加工工艺性分析 被加工零件的数控加工工艺性问题涉及面很广，下面结合编程的可能性和方便性提出一些必须分析和审查的主要内容。 1、尺寸标注应符合数控加工的特点 在数控编程中，所有点、线、面的尺寸和位置都是以编程原点为基准的。因此零件图 样 上最好直接给出坐标尺寸，或尽量以同一基准引注尺寸。 2、几何要素的条件应完整、准确 在程序编制中，编程人员必须充分掌握构成零件轮廓的几何要素参数及各几何要素间的关系。因为在自动编程时要对 零件轮廓的所有几何元素进行定义，手工编程时要计算出每个节点的坐标，无论哪一点不明确或不确定，编程都无法进行。但由于零件设计人员在设计过程中考虑不周或被忽略，常常出现参数不全或不清楚，如圆弧与直线、圆弧与圆弧是相切还是相交或相离。所以在审查与分析图纸时，一定要仔细 核算 ，发现问题及时与设计人员联系。 3、定位基准可靠 在数控加工中，加工工序往往较集中，以同一基准定位十分重要。因此往往需要设置一些辅助基准，或在毛坯上增加一些工艺凸台。如图 2.1a 所示的零件，为增加定位的稳定性，可在底面增加一工艺凸台，如图 2.1b 所示。在完成定位加工后再除去。 9 a)改进前的结构 b)改进后的结构 图 2.1 工艺凸台的应用 4、统一几何类型 及 尺寸 零件的外形、内腔最好采用统一的几何类型 及 尺寸，这样可以减少换刀次数，还可能应用控制程序或专用程序以缩短程序长度。零件的形状尽可能对称，便于利用数控机床的镜向加工功能来编程，以节省编程时间。 2.1.3 数控加工工艺路线的 设计 数控加工工艺路线设计与通用机床加工工艺路线设计的主要区别 ,在于它往往不是指从毛坯到成品的整个工艺过程，而仅是几道数控加工工序工艺过程的具体描述。因此在工艺路线设计中一定要注意到，由于数控加工工序一般都穿插于零件加工的整个工艺过程中，因而要与 其它 加工工艺衔接好。 常见 工艺流程如图 2.2 所示。 数控加工工艺路线设计 中应注意以下几个问题： 1、工序的划分 根据数控加工的特点，数控加工工序的划分一般可按下列方法进行： （ 1）以一次安装、加工作为一道工序。这种方法适合于加工内容较少的 零 件，加工完后就能达到待检状态。 （ 2）以同一把刀具加工的内容划分工序。有些 零 件虽然能在一次安装中加工出很多待加工表面，但考虑到程序太长，会受到某些限制，如控制系统的限制（主要是内存容量），机床连续工作时间的限制（如一道工序在一个工作班内不能结图 2.2 工艺流程 10 束）等。此外，程序太长会增加出错与检索的困难。因此程序不能太长，一道工序的内容不能太多。 （ 3）以 加工部位划分工序。对于加工内容很多的工件，可按其结构特点将加工部位分成几个部分，如内腔、外形、曲面或平面，并将每一部分的加工作为一道工序。 （ 4）以粗、精加工划分工序。对于经加工后易发生变形的工件，由于 对 粗加工后可能发生的变形需要进行校形，故一般来说，凡要进行粗、精加工的 过程， 都要将工序分开。 2、顺序的安排 顺序的安排应根据零件的结构和毛坯状况，以及定位 、 安装与夹紧的需要来考虑。顺序安排一般应按以下原则进行： （ 1）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应综合考虑； （ 2）先进行内腔加工，后进行外形加工； （ 3）以相同定位、夹紧方式 加工 或 用 同一把刀具加工的工序，最好连续加工，以减少重复定位次数、换刀次数与挪动压板次数； 3、数控加工工艺与普通工序的衔接 数控加工工序前后一般都穿插有其它普通加工工序，如衔接得不好就容易产生矛盾。因此在熟悉整个加工工艺内容的同时，要清楚数控加工工序与普通加工工序各自的技术要求、加工目的、加工特点，如要不要留加工余量，留多少；定位面与孔的精度要求及形位公差；对校形工序的技术要求；对毛坯的热处理状态等，这样才能使各工序达到相互满足加工需要 ，且质量目标及技术要求明确，交接验收有依据。 2.2 数控加工工艺设计方法 在选择了数控加工工艺内容和确定了零件加工路线后，即可进行数控加工工序的设计。数控 加工 工序设计的主要任务是进一步把本工序的加工内容、切削用量、工艺装备、定位夹紧方式及刀具运动轨迹确定下来，为编制加工程序作好准备。 11 2.2.1 确定走刀路线和安排加工顺序 走刀路线就是刀具在整个加工工序中的运动轨迹，它不但包括了工步的内容，也反映出工步顺序。走刀路线是编写程序的依据之一。确定走刀路线时应注意以下几点： 1、寻求最短加工路线 如加工图 2.3a所示零件上的孔系。 2.3b图的走刀路线为先加工完外圈孔后，再加工内圈孔。若改用 2.3c 图的走刀路线，减少空刀时间 ， 则可节省定位时间近一倍 ， 提高 了 加工效率。 a)零件图样 b)路线 1 c)路线 2 图 2.3 最短走刀路线的设计 2、 最终轮廓一次走刀完成 为保证工件轮廓表面加工后的粗糙度要求，最终轮廓应安排在最后一次走刀中连续加工出来。 如图 2.4a 为用行切方式加工内腔的走刀路线，这种走刀能切除内腔中的全部余量，不留死角，不伤轮廓。但行切法将在两次走刀的起点和终点间留下残留高度，而达 不到要求的表面粗糙度。所以如采用 2.4b 图的走刀路线，先用行切法，最后 沿周向 环切一刀，光整轮廓表面，能获得较好的效果。图 2.4c 也是一种较好的走刀路线方式。 12 a)路线 1 b)路线 3 c)路线 3 图 2.4 铣 削 内腔的三种走刀路线 3、 选择切入切出方向 考虑刀具的进、退刀（切入、切出）路线时，刀具的切出或切入点应在沿零件轮廓的切线上，以保证工件轮廓光滑；应避免在工件轮廓面上垂直上、下刀而划伤工件表面；尽量 减少在轮廓加工切削过程中的暂停（切削 力突然变化造成弹性变形），以免留下刀 痕，如图 2.5 所示。 图 2.5 刀具切入和切出时的外延 4、选择使工件在加工后变形小的路线 对横截面积小的细长零件或薄板零件应采用分几次走刀加工到最后尺寸或对称去除余量法安排走刀路线。安排工步时，应先安排对工件刚性破坏较小的工步。 2.2.2 确定定位和夹紧方案 13 在确定定位和夹紧方案时应注意以下几个问题： （ 1）尽可能做到设计基准、工艺基准与编程计算基准的统一； （ 2）尽量将工序集中，减少装夹次数，尽可能在一次装夹后能加工出全部待加工表面； （ 3）避免采用占机人工调整时间长的装夹方案； （ 4）夹紧力的作用点应落在工件刚性较好的部位。 如图 2.6a 薄壁套的轴向刚性比径向刚性好，用卡爪径向夹紧时工件变形大，若沿轴向施加夹紧力，变形会小得多。在夹紧图 2.6b 所示的薄壁箱体时，夹紧力不应作用在箱体的顶面，而应作用在刚性较好的凸边上，或改为在顶面上三点夹紧，改变着力点位置，以减小夹紧变形 ,如图 2.6c 所示。 a) 薄壁套 b) 改进方法 2 c)改进方法 2 图 2.6 夹紧力作用点与夹紧变形的关系 2.2.3 确定刀具与工件的相对位置 14 对于数控机床来说，在加工开始时，确定刀具与工件的相对位置是很重要的，这一相对位置是通过确认对刀点来实现的。对刀点是指通过对刀确定刀具与工件相对位置的基准点。对刀点可以设置在被加工零件上，也可以设 置 在夹具上与零件定位基准有一定尺寸联系的某一位置，对刀点往往就 选择在 零件的加工原点。对刀点的选择原则如下： （ 1）所选的对刀 点应使程序编制简单； （ 2）对刀点应选择在容易找正、便于确定零件加工原点的位置； （ 3）对刀点应 选 在加工时检验方便、可靠的位置； （ 4） 对刀点的选择应 有利于提高加工精度。 例如，加工图 2.7 所示零件时，当按照图示路线来编制数控加工程序时，选择夹具定位元件圆柱销的中心线与定位平面 A 的交点作为加工的对刀点。显然，这里的对刀点也恰好是加工原点。 在使用对刀点确定加工原点时，就需要进行 “ 对刀 ” 。所谓对刀是指使 “ 刀位点 ” 与 “ 对刀点 ” 重合的操作。每把刀具的半径与长度尺寸都是不同的，刀具装在机床上后，应在控制系统 中设置刀具的基本位置。 “ 刀位点 ” 是指刀具的定位基准点。如图 2.8 所示，圆柱铣刀的刀位点是刀具中心线与刀具底面的交点；球头铣刀的刀位点是球头的球心点 或球头顶点 ；车刀的刀位点是刀尖或刀尖圆弧中心；钻头的刀位点是钻头顶点。各类数控机床的对刀方法是不完全一样的，这一内容将结合各类机床分别讨论。 图 2.7 对刀点 15 换刀点是为加工中心、数控车床等 采用 多刀 进行 加工 的 机床而设置的，因为这些机床在加工过程中要自动换刀。对于手动换刀的数控铣床，也应确定相应的换刀位置。为防止换刀时碰伤零件、刀具或夹具，换刀点常常设置在被加工零件的轮廓之外，并 留有一定的安全量。 a)钻头的刀位点 b)车刀的刀位点 c)圆柱铣刀的刀位点 d)球头铣刀的刀位点 图 2.8 刀位点 2.2.4 确定切削用量 对于高效率的金属切削机床加工来说，被加工材料、切削刀具、切削用量是三大要素。这些条件决定着加工时间、刀具寿命和加工质量。经济的、有效的加工方式，要求必须合理地选择切削条件。 编程人员在确定每道工序的切削用量时， 应根据刀具的耐用度和机床说明书中的规定去选择。也可以结合实际经验用类比法确定切削用量。在选择切削用量时要充分保证刀具能加工完一个零件，或保证刀具耐用度不低于一个工作班，最少不低于半个工作班的工作时间。 背吃刀量主要受机床刚度的限制，在机床刚度允许的情况下，尽可能使背吃刀量等于工序的加工余量，这样可以减少走刀次数，提高加工效率。对于表面粗 16 糙度和精度要求较高的零件，要留有足够的精加工余量，数控加工的精加工余量可比通 用 机床加工的余量小一些。 编程人员在确定切削用量时，要根据被加工工件材料、硬度、切削状态、背吃 刀量、进给量，刀具耐用度，最后选择合适的切削速度。表 2.1 为车削加工时的选择切削条件的参考数据。 表 2.1 车削加工的切削 速度 (m/min) 被切削材料名称 轻切削 切深 0.510.mm 进给量 0.050.3mm/r 一般切削 切深 1 4mm 进给量 0.2 0.5mm/r 重切削 切深 512mm 进给量 0.4 0.8mm/r 优质碳素结构钢 10# 100 250 150 250 80 220 45# 60 230 70 220 80 180 合金钢 b750MPa 100 220 100 230 70 220 b750MPa 70 220 80 220 80 200 2.3 填写数控加工技术文件 填写数控加工专用技术文件是数控加工工艺设计的内容之一。这些技术文件既是数控加工的依据、产品验收的依据，也是操作者遵守、执行的规程。技术文件是对数控加工的具体说明，目的是让操作者更明确加工程序的内容、装夹方式、各个加工部位所选用的刀具及其它 技术 问题。数控加工技术文件主要有： 数控编程任务书 、 工件安装和 原 点设定卡片 、 数控加工工序卡片 、 数控加工走刀路线图 、 17 数控刀具卡片 等。以下提供了常用文件格式，文件格式可根据企业实际情况自行设计。 2.3.1 数控编程任务书 它阐明了工艺人员对数控加工工序的技术要求和工序说明 ， 以及数控加工前应保证的加工余量。它是编程人员和工艺人员协调工作和编制数控程序的重要依据之一，详见表 2.2。 表 2.2 数控编程任务书 工艺处 数控编程任务书 产品零件图号 任务书编号 零件名称 使用数控设备 共 页第 页 主要工序说明及技术要求： 编程收到日期 月 日 经手人 编制 审核 编程 审核 批准 2.3.2 数控加工工件安装和 原 点设定卡片 （简称装夹图和零件设定卡） 它应表示出数控加工 原点 定位方法和夹紧方法，并应注明 加工原 点设 置 位置和坐标方向，使用的夹具名称和编号等，详见表 2.3。 18 表 2.3 工件安装和 原 点设定卡片 零件图号 J30102-4 数控加工工件安装和 原 点设定卡片 工序号 零件名称 行星架 装夹次数 3 梯形槽螺栓 2 压板 1 镗铣夹具板 GS53-61 编制（日期） 审核（日期） 批准（日期） 第 页 共 页 序号 夹具名称 夹具图号 19 2.3.3 数控加工工序卡片 数控加工工序卡与普通加工工序卡有许多相似之处，所不同的是：工序 简 图中应注明编程原点与对刀点，要进行简要编程说明（如：所用机床型号、程序编号 、刀具半径补偿、镜向对称加工方式等）及切削参数（即程序编入的主轴转速、进给速度、最大背吃刀量或宽度等）的选择，详见表 2.4。 表 2.4 数控加工工序卡片 单位 数控加工工序卡片 产品名称或代号 零件名称 零件图号 工序简图 车 间 使用设备 工艺序号 程序编号 夹具名称 夹具编号 工步号 工 步 作 业 内 容 加工面 刀 具 号 刀 补 量 主轴转速 进给速度 背 吃 刀 量 备注 20 编制 审核 批准 年月日 共 页 第 页 2.3.4 数控加工走刀路线图 在数控加工中，常常要注意并防止刀具在运动过程中与夹具或工件发生意外碰撞，为此必须设法告诉操作者关于编程中的刀具运动路线（如：从哪里下刀、在哪里抬刀、哪里是斜下刀等）。为简化走刀路线图，一般可采用统一约定的符号来表示。不同的机床可以采用不同的图例与格式，表 2.5 为一种常用格式。 表 2.5 数控加工走刀路线图 数控加工走刀路线 图 零件图号 NC01 工序号 工步号 程序号 O100 机床型号 XK5032 程序段号 N10N170 加工内容 铣轮廓周边 共 1 页 第 页 编程 校对 审批 符号 含义 抬刀 下刀 编程原点 起刀点 走刀方向 走刀线相交 爬斜坡 铰孔 行切 21 2.3.5 数控刀具卡片 数控加工时 ，对 刀具 的 要求十分严格，一般要 在机外对刀仪上预先调整刀具直径和长度。刀具卡反映刀具编号、刀具结构、尾柄规格、组合件名称代号、刀片型号和材料等。它是组装刀具和调整刀具的依据，详见表 2.6。 表 2.6 数控刀具卡片 零件图号 J30102-4 数 控 刀 具 卡 片 使用设备 刀具名称 镗刀 TC-30 刀具编号 T13006 换刀方式 自动 程序编号 刀 具 组 成 序号 编号 刀具名称 规格 数量 备注 1 T013960 拉钉 1 2 390、 140-50 50 027 刀柄 1 3 391、 01-50 50 100 接杆 50100 1 4 391、 68-03650 085 镗刀杆 1 5 R416.3-122053 25 镗刀组件 41-53 1 6 TCMM110208-52 刀片 1 7 2 GC435 备注 编制 审校 批准 共页 第页 不同的机床或不同的加工 目的可能会需要不同形式的数控加工专用技术文件。在工作中，可根据具体情况设计文件格式。 22 2.4 中心 编程 时 几个 M 代码 1、 M00、 M01、 M02 和 M30 的区别与联系 在初学 加工 中心 编程 时 ，对以上几个 M 代码容易混淆，主要原因对加工中心加工缺乏认识，加上个别 教材 叙 述不详细。它们的区别与联系如下： M00 为程序暂停 指令 。程序执行到此进给停止，主轴停转。重新 按启动按钮后，再继续执行后面的程序段。主要用于编程者想在加工中使机床暂停（检验工件、调整、排屑等）。 M01 为程序选择性暂停指令。程序执行时控制面板上 “ 选择停止 ” 键处于 “ON” 状态时此功能才能有效，否则该指令无效。执行后的效果与 M00相同，常用于关键尺寸的检验或临时暂停。 M02 为主程序结束指令。执行到此指令，进给停止，主轴停止，冷却液关闭。但程序光标停在程序末尾。 M30 为主程序结束指令。功能同 M02，不同之处是，光标返回程序头位置，不管 M30 后是否还有其他程序段。 2、 刀具 补偿数地址 D、 H 的应用 在部分数控系统（如 FAUNC）中，刀具补偿参数 D、 H 具有相同的功能，可以任意互换，它们都表示数控系统中补偿寄存器的地址名称，但具体补偿值是多少，关键是由它们后面补偿号地址中的数值来决定。所以在加工中心中，为了防止出错，一般 人 为规定 H 为刀具 长 度补偿地址，补偿号从 1 20号， D 为刀具半径补偿地址，补偿号从 21 号开始（ 20 把刀的刀库）。 例如： G00G43H1Z60.0; G01G41D21X30.0Y45.0F150; 3、 G92 与 G54 G59 的应用 G54 G59 是调用加工前设定好的坐标系，而 G92 是在程序中设定的坐标系，用了 G54 G59 就没有必要再使用 G92，否则 G54 G59 会被替换，应当避免。 注意：（ 1）一旦使用了 G92 设定坐标系，再使用 G54 G59 不起任何作用，除非断电重新启动系统，或接着用 G92 设定所需新的工件坐标系。（ 2）使用 G92 的程序结束后，若机床没有回到 G92 设定的原点，就再次启动此程 23 序，机床当前所在位置就成为新的工件坐标原点，易发生事故。所以，一定要慎用。 4、暂停指令 G04X_/P_ 是指刀具暂停时间（进给停止，主轴不停止），地址 P 或 X 后的数值是暂停时间。 X 后面的数值要带小数点，否则以此数值的千分之一计算，以秒（ s）为单位， P 后面数值不能带小数点（即整数表示），以毫秒（ ms）为单位。 2.5 加工中心参考点及其故障诊断 所谓加工中心参考点又名原点或零点，是机床的机械原点和电气原点相重合的点，是原点复归后机械上固 定的点。每台机床可以有一个参考原点，也可以据需要设置多个参考原点，用于自动刀具交换（ ATC）或自动拖盘交换（ APC）等。参考点作为工件坐标系的原始参照系，机床参考点确定后，各工件坐标系随之建立。所谓机械原点，是基本 所谓 加工 中心考点又名原点或零点，机床的 机械 原点和电气原 点相重合的点，是原点复归后机械上固定的点。每台机床可以有一个参考原点，也可以据需要 设置 多个参考原点，用于自动 刀具 交换（ ATC）或自动拖盘交换（ APC）等。参考点作为工件坐标系的原始参照系，机床参考点确定后，各工件坐标系随之建 立。所谓机械原点，是基本机械坐标系的基准点，机械零部件一旦装配完毕，机械原点随即确立。所谓电气原点，是由机床所使用的检测反馈元件所发出的栅点 信号或零标志信号确立的参考点。为了使电气原点与机械原点重合，必须将电气原点到机械原点的距离用一个设置原点偏移量的参数进行设置。重合的点就是机床原点。在加工中心使用过程中，机床手动或者自动回参考点操作是经常进行的动作。不管机床检测反 馈元件是配用增量式脉冲编码器还是绝对式脉冲编码器，在某些情况下，如进行 ATC 或 APC 过程中，机床某一轴或全部轴都要先回参考原点。 按机床检测元件检测原点信号方式的不同，返回机床参考点的方法有两种。一种为栅点法，另一种为磁 开关 法。在栅点法中，检测器随着 电机 一转信号同时产生一个栅点或一个零位脉冲，在机械本体上安装一个减速撞块及一个减速开关后，数控系统检测到的第一个栅点或零位信号即为原点。在磁开关法中，在机械本体上安装磁铁及磁感应原点开关，当磁感应原点开关检测到原点信号后，伺服 24 电机立即停止，该停止点被认作原点。栅点方法的特点是如果接近原点速度小于某一固定值，则伺服电机总是停止于同一点，也就是说，在进行回原点操作后，机床原点的保持性好。磁开关法的特点是软件及硬件简单，但原点位置随着伺服电机速度的变化而成比例地漂移，即原点不确定。目前 ，几乎所有的机床都采用栅点法。 使用栅点法回机床原点的几种情形如下： 1 使用增量检测反馈元件的机床开机后的第一次回机床原点； 2 使用绝对式检测反馈元件的机床安装后调试时第一次机床开机回原点； 3 栅点偏移量参数设置调整后机床第一次手动回原点。 按照检测元件测量方式的不同分为以绝对脉冲编码器方式归零和以增量脉冲编码器方式归零。在使用绝对脉冲编码器作为测量反馈元件的系统中，机床调试前第一次开机后，通过参数设置配合机床回零操作调整到合适的参考点后，只要绝对脉冲编码器的后备电 池有效，此后的每次开机，不必进行回参考点操作。在使用增量脉冲编码器的系统中，回参考点有两种模式，一种为开机后在参考点回零模式各轴手动回原点，每一次开机后都要进行手动回原点操作；另一种为使用过程中，在 存储器 模式下的用 G 代码 指令 回原点。 使用增量式脉冲编码器作为测量反馈元件的机床开机手动回原点的动作过程一般有以下三种： 1.手动回原点时，回原点轴先以参数设置的快速进给速度向原点方向移动，当原点减速撞块压下原点减速开关时，伺服电机减速至由参数设置的原点接近速度继续向前移动，当减速撞块释放原点减速开关后，数控系统检测到编码器发出的第一个栅点或零标志信号时，归零轴停止，此停止点即为机床参考点。 2.回原点轴先以快速进给速度向原点方向移动，当原点减速开关被减速撞块压下时，回原点轴制动到速度为零，在以接近原 点速度向相反方向移动，当减速撞块释放原点接近开关后，数控系统检测到检测反馈元件发出的第一个栅点或零标志信号时，回零轴停止，该点即机床原点。 3.回原点时，回原点轴先以快速进给速度向原点方向移动，当原点减速撞块压下原点减速开关时，回归原点轴制动到速度为零，再向相反方向微动，当减速撞块释放原点减速开关时，归零轴又反向沿原快速进给方向移动，当减速撞块再 25 次压下原点减速开关时，归零轴以接近原点速度前移，减速撞块释放减速开关后，数控系统检测到第一个栅点或零标志信号时，归零轴停止，机床原点随之确立。 使用增量 式检测反馈元件的机床开机第一次各伺服轴手动回原点大多采用撞块式复归，其后各次的原点复归可以用 G 代码指令以快速进给速度高速复归至第一次原点复归时记忆的参考点位置。 进一步从数控系统控制过程来分析机床原点的复归，机床在回机床原点模式下，伺服电机以大于某一固定速度的进给速度向原点方向旋转，当数控系统检测到电机一转信号时，数控系统内的参考计数器被清零。如果通过参数设置了栅点偏移量，则参考计数器内也自动被设定为和栅点偏移量相等的值。此后，参考计数器就成为一个环行计数器。当计数器对移动指令脉冲计数到参考计数器设定 的值时被复位，随着一转信号的出现产生一个栅点。当减速撞块压下原点减速开关时，电机减速到接近原点速度运行，撞块释放原点减速开关后，电机在下一个栅点停止，产生一个回原点完成标志信号，参考位置被复位。 电源 开启后第二次返回原点，由于参考计数器已设置，栅点已建立，因此可以直接返回原点位置。使用绝对检测反馈元件的机床第一次回原点时，首先数控系统与绝对式检测反馈元件进行 数据 通信 以建立当前的位置，并计算当前位置到机床原点的距离及当前位置到最近栅点的距离，将计算值赋给计数器，栅点被确立。 当加工中心回参考点出现故障时，首先由简单到复杂进行检查。先检查原点减速憧块是否松动，减速开关固定是否牢固，开关是否损坏，若无问题，应进一步用百分表或激光测量仪检查机械相对位置的漂移量，检查减速撞块的 度，检查回原点起始位置、减速开关位置与原点位置的关系，检查回原点模式，是否是在开机后的第一次回原点，是否采用绝对脉冲编码器，伺眼电机每转的运动量、指令倍比及检测倍乘比，检查回原点快速迸给速度的参数设置、接近原点速度的参数设置及快速进给时间常数的参数设置是否合适，检查系统是全闭环 还是半闭环，检查参考计数器设置是否适当等。 回原点故障现象及诊断调整步骤如下： 1机床回原点后原点漂移检查是否采用绝对脉冲编码器，如果采用，诊断及调整步骤见使用绝对脉冲编码器的机床回原点时的原点漂移；若是采用增量脉冲编码器的机床，应确定系统是全闭环还是半闭环，若为全闭环系统，诊断调整 26 步骤见全闭环系统中的原点偏移；若为半闭环系统，用百分表或激光测量仪检查机械相对位置是否漂移。若不漂移，只是位置显示有偏差，检查是否为工件坐标系偏置无效。在机床回原点后，机床 CRT 位置显示为一非零值，该值取决于某些诸 如工件坐标系偏置一类的参数设置。若机械相对位置偏移，确定偏移量。若偏移量为一栅格，诊断方法见原点漂移一栅点的处理步骤。若漂移量为数个脉冲，见原点漂移数个脉冲的诊断步骤。否则检查脉冲数量和参考计数器的值是否匹配。如不匹配，修正参考计数器的值使之匹配；如果匹配，则脉冲编码器坏，需要更换。 2.使用绝对脉冲编码器的机床回原点时的原点漂移 首先检查并重新设置与机床回原点有关的检测绝对位置的有关参数，重新再试一次回原点操作，若原点仍漂移，检查机械相对是否有变化。如无漂移，只是位置显示有偏差，则检查工件坐标偏置 是否有效；若机械位置偏移，则绝对脉冲编码器故障。 3全闭环系统中的原点漂移 先检查半闭环系统回原点的漂移情况，如果正常，应检查电机一转标志信号是否由半闭环系统提供，检查有关参数设置及信号电缆联接。如参数设置正常，则光栅尺等线性测量元件不良或其 接口电路 故障。如参数设置不正确，则修正设置重试。 4原点漂移一个栅点 先减小由参数设置的 接近原点速度，重试回原点操作，若原点不漂移，则为减速撞块太短或安装不良。可通过改变减速撞块或减速开关的位置来解决，也可通过设置栅点偏移改变电气原点解决。当一个减速信号由硬件输出后，到数字伺服软件识别这个信号需要一定时间，因此当减速撞块离原点太近时软件有时捕捉不到原点信号，导致原点漂移。 如果减小接近原点速度参数设置后，重试原点复归，若原点仍漂移，可减小 快速进给速度或快速进给时间常数的参数设置，重回原点。若时间常数设置太大或减速撞块太短，在减速撞块范围内，进给速度不能到达接近原点速度，当接近开关被释放 时，即使栅点信号出现，软件在未检测进给速度到达接近速度时，回原点操作不会停止，因而原点发生漂移。 27 若减小快进时间常数或快速进给速度的设置，重新回原点，原点仍有偏移，应检查参考计数器设置的值是否有效，修正参数设置。 5原点漂移数个脉冲 若只是在开机后第一次回原点时原点漂移，则为零标志信号受干扰失效。为防止噪声干扰，应确保电缆屏蔽线接地良好，安装必要的火花抑制器，不要使检测反馈元件的通信电缆线与强电线缆靠得大近。若并非仅在开机首次回原点时原点变化，应修正参考计数器的设定值。 如果通过上 述步骤检查仍不能排除故障，应检查编码器电源 电压 是否太低，编码器是否损坏，伺服电机与工作台的联轴器是否松动，系统主电路板是否正常，有关伺服轴电路板是否正常及伺服放大器板是否正常等。 原点故障例： 1台湾 DM4400M 加工中心发生 Z 轴方向加工尺寸不稳定，尺寸超差且无规律的故障，也就是说， Z 轴原点出现无规律的漂移， CRT 及伺服放大器无任何报警显示。该加工中心 采用三菱 M3 系统，半闭环控制方式，交流伺服电机与滚珠丝杠通过联轴器直接联接。根据故障现象结合该机采用的控制方式、联接方式进行分析，故障原因可能是联轴器联接螺钉松动，导致联轴器与滚珠丝杠或伺服电机轴间滑动。对 Z 轴联轴器联接进行检查，发现联轴器六只紧定螺钉都出现松动。紧定螺钉后，故障排除。 2台湾 DM4400M 加工中心使用中出现换刀位置有的班次不对，有的班次正常的故障。换刀位置发生变化时，被加工工件的 Z 向加工尺寸也相应变化，且与换刀位置的变化相对应。无任何报警显示。该加工中心采用三菱 M3 数控系统。开机回 参考点采用下列方式：安装于伺服电机端部的位置编码器每转 360有一定数量的等距离的栅点，两个栅点间的距离叫栅点间隔。开机手动回参考点时，轴先以参数设定的回参点速度向参考点快速移动，当接近参考点减速撞块压下回参考点减速行程开关时，轴以参数设立的较低的接近速度移动，当接近参考点撞块离开回参考点减速行段开关时，编码器检测到的第一个栅点的位置为参考点复归的位置。由于机械有其固有的机械原点，故要求电气原点要和机械原点一致。机械原点和电气原点问的偏移叫参考点偏移，在 G28sft 参数中设定。当参考点减速开关离开接近参考点 减速撞块时的位置，不在栅点间隔中心附近时，参 28 考点有时会发生偏移，可以通过参数 grmask 栅点屏蔽的设定防止参考点位置偏移。机床换刀点由机床的第二参考原点设定，而第二参考原点是由机床第一参考原点确定的。由于机床所出现的故障有的班次有，有的班次没有，因此怀疑该机床开机手动回参考点时出现问题。经查， Z 轴回参考点减速行程开关固定板与立柱固定不牢，严重松动，导致原点漂移。 第三章典型零件分析 3.1 轴类零件加工的工艺分析 3.1.1 轴类零件加工的工艺路线 基本加工路线 外圆加工的方法很多 ，基本加工路线可归纳为四条。 粗车 半精车 精车 对于一般常用材料，这是外圆表面加工采用的最主要的工艺路线。 粗车 半精车 粗磨 精磨 对于黑色金属材料，精度要求高和表面粗糙度值要求较小、零件需要淬硬时，其后续工序只能用磨削而采用的加工路线。 粗车 半精车 精车 金刚石车 对于有色金属，用磨削加工通常不易得到所要求的表面粗糙度，因为有色金属一般比较软，容易堵塞沙粒间的空隙，因此其最终工序多用精车和金刚石车。 粗车 半精 粗 磨 精磨 光整加工 对于黑色金属材料的淬硬零件，精度要求高和表面粗糙度值要求很小，常用此加工路线。 29 3.1.2 典型加工工艺路线 轴类零件的主要加工表面是外圆表面，也还有常见的特特形表面，因此针对各种精度等级和表面粗糙度要求，按经济精度选择加工方法。 对普通精度的轴类零件加工，