基于加工中心的数控加工工艺研究

第 1 期 总第 1 5 8期 2 0 1 0年 2月 机 械 工 程 与 自 动 化 MECHANI CAL ENGI NEERI NG AUT0MATI ON No 1 Fe b 文 章 编 号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 0 1 O 0 1 0 1 9 7 0 2 基于加工 中心的数控加工工艺研 究 袁礼彬 孙 士俊 南车戚墅堰机 车车辆工 艺研 究所 有限公司 江苏 常州 2 1 3 0 1 1 摘 要 就 加工 中心的数控加工工 艺设计进行 了探讨 阐明 了工艺设计的若干原则及 方法 并对 刀具配置 工艺 参数选 择 数控编程进行 了讨论 提 出 了较 为完整 可行 的加 工思路 关键词 数控 加工 工艺路线 刀具选择 中图分类号 T G6 5 9 T H1 6 2 1 文献标 识码 B 0 引言 加工中心一般具有 自动换刀功能 可以在零件一 次装夹中完成铣 钻 镗 铰和攻螺纹等工序 工序 集中且能排除长工艺流程的许多人为干扰因素 因而 具有生产效率高和质量稳定的特点 随着技术进步和 数控机床使用范围的迅速扩大 在中小批量生产条件 下 越来越多的企业使用加工中心 从大量加工实例 分析中看出 使用中存在工艺方案考虑不周 加工路 线设计不好等问题 造成数控加工差错 制造成本成 倍上升 使价格昂贵的加工中心发挥不出良好的经济 效益 因此 对零件在加工中心上 的加工工艺进行研 究 对提高其使用效率和使用质量具有重大意义 1 加 工零 件合 理选择 采用加工中 C d m工零件的目的是提高并稳定加工 质量 较大幅度地提高劳动生产率 改善生产管理及 工艺管理方式 最终获得显著的经济效益 但不是所 有的零件都适合采用加工 中心完成加工 加工中心主 要适宜加工结构复杂 工序长 精度要求高 工艺内 容丰富 可加工性差 且采用普通机床加工时间长 工 艺装备多 工艺流程长 效率低并需多次装夹和调整 才能完成 的零件 工序单一或简单 不能充分发挥加 工中心 自动换刀功能的零件 以及加工时间较长 刀 具用量少的零件则不宜采用加工中心加工 2 加工 工艺 路线 的优 化 加工中 C J u I零件的工艺路线是工艺设计的主要 内容 它对加工中心的使用效率 加工精度 刀具数 量和经济性等问题有着直接的影响 在保证加工精度 和最大限度地提高生产率的前提下 设计加工中心的 加工工艺方案时 应尽量做到工序集 中 工艺路线最 短 空行程和其他辅助时间最少 具体如下 收稿 日期 2 0 0 9 0 5 2 5 修回 日期 2 0 0 9 0 9 一 l 3 作 者简介 袁礼彬 1 9 6 6 一 男 江 苏南通人 工程师 本科 1 在一次定位装夹中 尽可能完成所有能够加 工的表面 以减少工件的装夹次数 缩短辅助时间 2 解决好传统加工与数控加工的合理衔接 尽 量在普通机床上完成大切削量粗加工 以提高数控机 床 的利用 率 和刀 具 寿命 3 加工中心的换刀时间相对于工作台回转时间 而言较长 为了减少换刀次数 减少空程时间 若工 件无特殊要求 一般应按刀具划分加工顺序 即使用 同一把刀具加工完工 件上所 有需 该刀具加工 的部位 后 再换 下 一把 刀 4 对于位置精度要求不高的孔系加工 可按加 工路线最短的原则安排孔的加工顺序 但对于位置精 度要求较高的孔系加工 为避免反向间隙对孑 L 的位置 精度的影响 则要慎重考虑 3 装夹 方式 和夹 具 设计 加工 中心夹具 的设计 与一般夹具 的设计差异较 大 一般夹具加工工序内容单一 加工面少 刀具与 夹紧元件间的问题易于解决 而加工中心因工序集 中 加工表面多 夹具必须能适应零件粗加工时切削力 夹 紧力大以及精加工时定位精度高的要求 在设计加工 中心夹具方案时 还应考虑刀具与夹具的干涉碰撞以 及夹具和程序间的对应关系 具体来讲要注意以下几 点 尽可能选择零件的设计基准为精基准 粗基准 的选择要保证重要表面加工余量均匀 使不加工表面 的尺寸 位置符合图纸的要求 且便于装夹 尽量 减少工件装夹次数 尽可能在一次定位装夹后完成所 有 的待加工表面 如对 于一些箱体类零件 尽量采用 一 面两销的定位方式 以便加工较多的表面 加工 中心高速强力切削 定位基面要有足够的接触面积和 分布面积 以承受大的切削力且定位稳定可靠 为 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 1 9 8 机 械 工 程 与 自 动 化 2 0 1 0年第 1 期 保证工件安装定位的准确性 要求工件坐标系与加工 中心坐标系方 向保持一致 夹具应能保证在加工中心 上实现定向安装 并要求能协调工件定位面与加工 中 心之间保持一定的尺寸联系 所有需要完成的待加 工面应 充分暴 露在外 夹具尽 可 能敞开 夹 紧机 构 定 位元件与加工表面之间应保持一定的距离和空间 以 保证刀具轨迹畅通安全 同时要求尽量降低夹具的夹 紧元件位置 以防夹具与主轴套筒或刀具在加工过程 中发生干涉或碰撞 对于加工 中心来说 尤其是卧 式加工中心 要注意其轴有最低限度 设计夹具时夹 具体应考虑加工中心主轴与工作 台面之 间的最小距 离 为 了在 一次安装 下能 加工工 件上各 个 与底 面相 交 的表面 夹具应设置能将工件托起一定高度的等高元 件 由于J J u c中心交换工作台 或托盘 具有纵 横 向移动和旋转动作 因而夹具设计时要充分考虑防止 夹具与机床的空间干涉 4 数 控加 工程序编 制 数控加工程序编制是加工中心加工工艺设计中最 关键的环节 只有正确地选择编程方法 编制高效率 的加工程序 才能提高加工中心的使用效率 充分发 挥其作用 1 分析加工零件图纸 根据零件图样对零件的 形状 尺寸 精度 表面质量 材料等要求进行详细 的加工路线设计 程序零点选择在易于计算的确定位 置 使对刀容易 换刀不干涉 2 粗加工时 一般先 IJ 3 2 1 轮廓 再加工内轮 廓 对 加工精 度和表 面粗糙 度质 量要求 高 的零 件应 留 出精加 工余量 3 应根据加工零件的特点 材料以及机床和刀 具的刚度等采取刀具补偿 选择合理的进 退刀位置 尽量避免沿零件 的轮廓法向切入和中途停顿 进退刀 位置应选在不重要的位置 刀具的切入切出应使其能 够平滑过渡 使刀具沿零件的直线延长线或圆弧的切 线 方 向切 入切 出 4 必须考虑好正确的落刀点和抬刀点 要特别 注意 z轴的落刀与抬刀运动 落刀点尽可能选在加工 实体的外面 特别是小刀具切削时 当加工平面变化 或加工完成时 应注意抬起刀具 抬刀时应尽量切离 工件 防止零件表面产生切痕 影响加工质量 5 使用子程序可以减少不必要的重复编程 从 而达到简化编程的 目的 也可以优化程序 有利于程 序的修改和重复调用 使用子程序时应注意 子程序 中的坐标系一般用相对坐标系 G9 1 或者局部坐标系 G9 2 孔加工程序的刀具长度补偿 轮廓加工 中的刀 具半径补偿应该在子程序中加入 子程序 中的所有循 环指令 刀具补偿功能应该在该子程序结束时取消 5正确选择 刀 具 正确选择刀具是加工中心加工工艺设计中的重要 内容 选择刀具时应考虑机床的加工能力 工序 内容 工件材料 机床的切削用量 刀具的耐用度等因素 加 工 中心使用朐 刀具为旋转类刀具系统 主要 由工具系 统 可转 位镗 刀 孔 加工 刀具 可转 位铣刀 和可转位 刀片等组成 1 分析相关加工产品的技术资料 包括零件材 料 切削加工性能及加工技术要求 根据材料的类型 性能参数和热处理状态来区别不同材料的切削加工性 能 2 分析加工中心机床技术资料与加工夹具 包 括 工作台规格 承载重量 加工轴数 刀柄接 口类 型 刀具最大重量 刀具最大尺寸 刀库容量 换刀 时间 冷却方式 夹具的精度要求 夹具的结构 刚 度 和空间 尺寸 3 考虑生产率要求 生产的节拍必须满足生产 率的要求 与生产类型相一致 4 根据零件加工类型确定刀具型式和结构 铣 削加工有面铣 方肩铣 槽铣和曲面铣等 孑 L 加工有 钻孔 粗镗 精镗等 5 根据零件材料性质确定刀片的材质 包括硬 质合金 涂层 C B N P C D 陶瓷和粉末冶金高速钢 等 6 根据切削加工条件确定刀片的槽型和具体牌 号 6 切 削用 量的选 择 切削用量是加工中心加工的重要参数 它对切削 力 刀具磨损 刀具耐用度 加工精度和表面质量等 均有明显的影响 合理选择切削用量对提高切削效率 保证加工质量和降低加工成本具有重要的作用 切削 用量包括切削深度 切削速度 及进给量 正确选 择切削用量的原则是 粗加工时 以提高生产率为主 半精加工和精加工时 应在保证加工质量的前提下 综 合考虑切削效率 经济性和加工成本来确定切削参数 1 切削深度 n 主要根据机床 夹具 刀具和零 件的刚度来决定 在加工中心系统刚度允许的条件下 增大切削深度是提高生产率的一个有效措施 为了保 证零件的加工精度和表面粗糙度 一般应留一定的余 量进行精加工 加工中心的精加工余量可略小于普通 机床 2 切削速度 与刀具耐用度的关系比较密切 当 切削深度 以 和进给量 厂确定之后 随着切削速度 口的 增大 刀具耐用度急剧下降 故切削速度 的选择主 要取决 于刀 具 的耐用 度 3 进给量 厂应根据零件 的加工精度 表面粗糙 度要求以及刀具和零件材料来选择 粗加工进给量的 选择主要考虑工艺系统刚度 切削力大小和刀具的尺 寸等 但是最大进给速度要受到加工 中心刚度和进给 系统性能等的限制 粗加工时 进给量的确定要保证 机床 刀具不致因切削力太大而损坏 切削力所造成 的误差不致超出零件精度 在进行半精加工和精加工 时 要按粗糙度要求 零件材料等选择进给量 下转第 2 0 1页 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 2 0 1 0年 第 1期 机 械 工 程 与自 动 化 2 01 刀具的制造误差 安装误差以及使用 中的磨损 都 影响工件的加工精度 3夹 具误 差 夹 具误 差包括 定 位误 差 夹 紧误 差 夹具 安装 误 差及对刀误差等 工件在夹具 中的位置是以其定位基 面与定位元件相接触 配合 来确定的 由于定位基面 定位元件工作表面的制造误差 会使各工件在夹具中 的实际位置不相一致 加工后 各工件的加工尺寸必 然 大小 不一 形成 误 差 4 提 高加 工精 度的措 施 1 减 少原始 误 差 查 明产生 加工 误差 的 主要 因 素 设法消除或减少这些因素 例如细长轴的车削 现 在采用了大走刀反 向车削法 基本消除了轴向切削力 引起 的弯 曲变形 2 补偿原始误差 人为地制造出一种新的误差 去抵 消原 来 工艺 系统 中的原 始误 差 3 转移原始误差 误差转移法就是转移工艺系 统的几何误差 受力变形和热变形等 4 均分原始误差 这种办法就是把原始误差按 其大小均分为 组 每组毛坯误差范 围就缩小为原来 的 1 n 然后按各组分别调整加工 5 均化原始误差 利用有密切联 系的表面相互 比较 相互检查从对 比中找出差异 然后进行相互修 正或互为基准加工 使工件被加工表面的误差不断缩 小 和均 匀 6 就地加工法 采用就地加工的方法 能很方 便地解决看起来非常困难的精度问题 就地加工法在 机械零件加工中常用来作为保证零件加工精度的有效 措施 5 结语 机床加工过程中的误差因素很多 提高机床加工 精度有很强的实践性 它和实际生产条件及生产工艺 有很大关系 要想生产出精度很高的产品比较困难 这 需要工艺人员不断尝试 通过积累每次工艺数据 来 验证 自己的设计数据 并在 以后的设计中予以更正 参考文献 E 1 3 何兆风 公差与配合 M 北京 机械 工业 出版社 2 0 0 8 E 2 技 工学校机械类 通用教材编 审委 员会 车工工艺学 E M 第 4版 北京 机械工业 出版社 2 0 0 6 Ana l y s i s o f M a c h i ne Er r o r a nd I m p r o v e m e nt o f M a c h i ni ng Ac c u r a c y SU M i ng qi J i a n g s u Xu z h o u Hi g h e r Vo c a t io n a l S c h o o l o f El e c t r ic a l a n d Me c h a n i c a l Eng i n e e r i n g Xu z h o u 2 2 1 O i 1 Ch i n a Abs t r ac t The l a t he c r a f t s ys t e m wi l l pr o duc e va r i o us e r r o r s i n t he c our s e o f pr oc e s si n g whi c h i n f l ue n c e t he ma c hi ni ng a c c ur a c y of t he p ar t s Th e ma c hi ni ng a c c ur a c y of t he wor kpi e c e de pe n ds on t he p r e c i s i on of t h e l a t he t o a g r e a t e xt e nt St udy o n t h e pr oc e s s i ng e r r o r o f t h e l a t h e a n d t h e p r e v e n t i v e me a s u r e s h a s i mp o r t a n t me a n i n g f o r i mp r o v i n g t h e ma c h i n i n g a c c u r a c y o f t h e l a t h e Ke y wo r ds mac h i n e t ool s pr oc e s s i ng e r r or s a c c u r a c y 上接 第 1 9 8页 7结束 语 加工中心加工工艺规划是对工件进行数控加工的 前期工艺准备工作 这项工作必须在程序编制以前完 成 只有 正确 地对 加工 中心 加工 工艺 进行 仔 细研究 选 择合适的定位装夹方案 有效利用各种加工刀具 设定 最佳切削用量 提高编程效率 才能切实有效地保证零 件加工质量 提高生产效率 参考文献 1 孙德茂 数 控机床铣 削加工直 接编程技术 M 北京 机械 工业 出版社 2 0 0 6 2 刘雄伟 数 控加工理论与编程技术 M 北京 机械工业 出 版社 2 0 0 1 I nv e s t i g a t i o n 0 f NC M a c h i ni n g Pr o c e s s Ba s e d 0 n M a c h i ni ng Ce nt e r YUAN Li b i n S UN S h i j u n CS R Qi s h u y a n Lo c o mo t i v e b Ro l l i n g S t o c k Te