数控工艺第六章

第6章数控铣床加工工艺 数控铣床加工工艺以普通铣床的加工工艺为基础 结合数控铣床的特点 综合运用多方面的知识解决数控铣床加工过程中面临的工艺问题 其内容包括金属切削原理与刀具 加工工艺 典型零件加工及工艺性分析等方面的基础知识和基本理论 本章的宗旨在于从工程实际操作应用的角度 介绍数控铣床加工工艺所涉及的基础知识和基本原则 以便于读者在操作实训过程中科学 合理地设计加工工艺 充分发挥数控铣床的特点 实现数控加工中的优质 高产 低耗 6 1数控铣床加工工艺概述 6 1 1数控铣床简介数控铣床是主要采用铣削方式加工工件的数控机床 它能够进行外形轮廓铣削 平面或曲面型铣削及三维复杂型面的铣削 如凸轮 模具 叶片 螺旋桨等 另外 数控铣床还具有孔加工的功能 通过特定的功能指令可进行一系列孔的加工 如钻孔 扩孔 铰孔 锉孔和攻螺纹等 1 数控铣床的分类数控铣床种类很多 按其体积大小可分为小型 中型和大型数控铣床 一般数控铣床是指规格较小的升降台式数控铣床 其工作台宽度多在400mm以下 规格较大的数控铣床 其功能已向加工中心靠近 进而演变成柔性加工单元 按其控制坐标的联动轴数可分为二轴半联动 三轴联动和多轴联动数控铣床等 如对于有特殊要求的数控铣床 可以加进一个回转的A坐标或C坐标 即增加一个数控分度头或数控回转工作台 这时机床数控系统为四轴联动控制的数控系统 可用来加工螺旋槽 叶片等空间曲面零件 常用的分类方法是按其主轴的布局形式分为立式数控铣床 卧式数控铣床和立卧两用数控铣床 l 按主轴布置形式分类l 立式数控铣床立式数控铣床的主轴轴线垂直于水平面 是数控铣床中最常见的一种布局形式 应用范围也最广泛 立式数控铣床中又以三坐标 x y z 联动铣床居多 其各坐标的控制方式主要有以下几种 工作台纵 横向移动并升降 主轴不动方式 目前小型数控铣床一般采用这种方式 工作台纵 横向移动 主轴升降方式 这种方式一般运用在中型数控铣床中 如图6 1所示 龙门架移动式 即主轴可在龙门架的横向与垂直导轨上移动 而龙门架则沿床身做纵向移动 许多大型数控铣床都采用这种结构 又称之为数控龙门铣床 如图6 2所示 2 卧式数控铣床卧式数控铣床的主轴轴线平行于水平面 主要用来加工箱体类零件 如图6 3所示 为了扩大功能和加工范围 通常采用增加数控转盘来实现四轴或五轴加工 这样 工件在一次加工中可以通过转盘改变工位 进行多方位加工 使配有数控转盘的卧式数控铣床在加工箱体类零件和需要在一次安装中改变工位的零件时具有明显的优势 3 立卧两用数控铣床立卧两用数控铣床的主轴轴线方向可以变换 使一台铣床具备立式数控铣床和卧式数控铣床的功能 这类铣床适应性更强 使用范围更广 生产成本也低 所以 目前两用数控铣床的数量正在逐渐增多 立卧两用数控铣床靠手动和自动两种方式更换主轴方向 有些立卧两用数控铣床采用主轴头可以任意方向转换的万能数控主轴头 使其可以加工出与水平面呈不同角度的工件表面 这可以在这类铣床的工作台上增设数控转盘 以实现对零件的 五面加工 2 按数控系统的功能分类l 经济型数控铣床经济型数控铣床一般是在普通立式铣床或卧式铣床的基础上改造而来的 采用经济型数控系统 成本低 机床功能较少 主轴转速和进给速度不高 主要用于精度要求不高的简单平面或曲面零件加工 如图6 4所示 2 全功能数控铣床全功能数控铣床一般采用半闭环或闭环控制 控制系统功能较强 数控系统功能丰富 一般可实现四坐标或以上的联动 加工适应性强 应用最为广泛 如图6 5图 3 高速铣削数控铣床我们一般把主轴转速在8000 40000r min的数控铣床称为高速铣削数控铣床 其进给速度可达10 30m min 如图6 6所示 这种数控铣床采用全新的机床结构 主体结构及材料变化 功能部件 电主轴 直线电机驱动进给 和功能强大的数控系统 并配以加工性能优越的刀具系统 可对大面积的曲面进行高效率 高质量的加工 高速铣削是数控加工的一个发展方向 目前 其技术正日趋成熟 并逐渐得到广泛应用 但机床价格昂贵 使用成本较高 2 进给伺服系统由进给电动机和进给执行机构组成 按照程序设定的进给速度实现刀具和工件之间的相对运动 包括直线进给运动和旋转运动 2 数控铣床的结构如图6 7所示 数控铣床一般由数控系统 主传动系统 进给伺服系统 冷却润滑系统等几大部分组成 l 主轴箱包括主轴箱体和主轴传动系统 用于装夹刀具并带动刀具旋转 主轴转速范围和输出转矩对加工有直接的影响 3 控制系统数控铣床运动控制的中心 执行数控加工程序控制机床进行加工 4 辅助装置如液压 气动 润滑 冷却系统和排屑 防护等装置 5 机床基础件通常是指底座 立柱 横梁等 它是整个机床的基础和框架 6 工作台 6 1 2数控铣床加工的主要对象数控铣削是机械加工中最常用和最主要的数控加工方法之一 它除了能铣削普通铣床所能铣削的各种零件表面外 还能铣削普通铣床不能铣削的需要二 五坐标联动的各种平面轮廓和立体轮廓 根据数控铣床的特点 从铣削加工角度考虑 适合数控铣削的主要加工对象有以下几类 1 平面类零件加工面平行或垂直于定位面 或加工面与水平面的夹角为定角的零件为平面类零件 如图6 8所示 目前在数控铣床上加工的大多数零件属于平面类零件 其特点是各个加工面是平面 或可以展开成平面 如图6 8所示零件均为平面类零件 平面类零件是数控铣削加工中最简单的一类零件 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 2 变斜角类零件加工面与水平面的平角呈连续变化的零件称为变斜角零件 如图6 9所示的飞机变斜角梁缘条 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 加工面与铣刀圆周的瞬时接触为一条线 最好采用四坐标 五坐标数控铣床摆角加工 若没有上述机床 也可采用三坐标数控铣床进行两轴半近似加工 3 曲面类零件加工面为空间曲面的零件称为曲面类零件 如模具 叶片 螺旋桨等 曲面类零件不能展开为平面 加工时 铣刀与加工面始终为点接触 一般采用球头刀在三轴数控铣床上加工 当曲面较复杂 通道较狭窄 会伤及相邻表面及需要刀具摆动时 要采用四坐标或五坐标铣床加工 4 箱体类零件箱体类零件一般是指具有一个以上孔系 内部有一定型腔或空腔 在长 宽 高方向有一定比例的零件 箱体类零件一般都需要进行多工位孔系 轮廓及平面加工 公差严求较高 特别是形位公差要求较为严格 通常要经过铣 钻 扩 镗 铰 锪 攻螺纹等工序 需要刀具较多 在普通机床上加工难度大 工装套数多 费用高 加工周期长 需多次装夹 找正 手工测量次数多 加工时必须频繁地更换刀具 工艺难以制定 更重要的是精度难以保证 这类零件在加工中心上加工 一次装夹可完成普通机床60 95 的工序内容 零件各项精度一致性好 质量稳定 同时节省费用 缩短生产周期 加工箱体类零件的加工中心 当加工工位较多 需工作台多次旋转角度才能完成的零件 一般选卧式惶铣类加工中心 当加工的工位较少 且跨距不大时 可选立式加工中心 从一端进行加工 箱体类零件的加工方法 主要有以下几种 l 当既有面又有孔时 应先铣面 后加工孔 3 确定零件的加工方案 制定数控铣削加工工艺路线 如划分工序 安排加工顺序 处理与非数控加工工序的衔接等 4 加工工序的设计 如选取零件的定位基准 夹具方案的确定 工步划分 刀具选择和确定切削用量等 5 数控铣削加工程序的调整 如选取对刀点和换刀点 确定刀具补偿及确定加工路线等 6 2数控铣床加工工艺分析6 2 1数控铣床加工零件的工艺性分析在选择并决定数控铣床加工零件及其加工内容后 应对零件的数控铣床加工工艺性进行全面 认真 仔细的分析 主要内容包括产品的零件图样分析 零件结构工艺性分析与零件毛坯的工艺性分析等内容 1 零件图工艺分析首先应熟悉零件在产品中的作用 位置 装配关系和工作条件 搞清楚各项技术要求对零件装配质量和使用性能的影响 找出主要的和关键的技术要求 然后对零件图样进行分析 针对数控铣削加工的特点 下面列举出一些经常遇到的工艺性问题作为对零件图进行工艺性分析的要点来加以分析与考虑 l 图样尺寸的标注方法是否方便编程 构成工件轮廓图形的各种几何元素的条件是否充要 各几何元素的相互关系 如相切 相交 垂直和平行等 是否明确 有无引起矛盾的多余尺寸或影响工序安排的封闭尺寸 2 零件尺寸所要求的加工精度 尺寸公差是否都可以得到保证 不要以为数控机床加工精度高而放弃这种分析 特别要注意过薄的腹板与缘板的厚度公差 铣工怕铣薄 数控铣削也是一样 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 其表面粗糙度也将恶化或变坏 根据实践经验 当面积较大的薄板厚度小于3mm时就应充分重视这一问题 3 内槽及缘板之间的内转接圆弧是否过小 4 零件铣削面的槽底圆角或腹板与缘板相交处的圆角半径r是否太大 5 零件图中各加工面的凹圆弧 R与r 是否过于零乱 是否可以统一 因为在数控铣床上多换一次刀要增加不少新问题 如增加铣刀规格 计划停车次数和对刀次数等 不但给编程带来许多麻烦 增加生产准备时间而降低生产效率 而且也会因频繁换刀增加了工件加工面上的接刀阶差而降低了表面质量 在一个零件上的这种凹圆弧半径在数值上的一致性问题对数控铣削的工艺性显得相当重要 一般来说 即使不能寻求完全统一 也要力求将数值相近的圆弧半径分组靠拢 达到局部统一 以尽量减少铣刀规格与换刀次数 6 零件上有无统一基准以保证两次装夹加工后其相对位置的正确性 有些工件需要在铣完一面后再重新安装铣削另一面 由于数控铣削时不能使用通用铣床加工时常用的试削方法来接刀 往往会因为工件的重新安装而接不好刀 即与上道工序加工的面接不齐或造成本来要求一致的两对应面上的轮廓错位 为了避免上述问题的产生 减小两次装夹误差 最好采用统一基准定位 因此零件上最好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 如在毛坯上增加工艺凸耳或在后续工序要铣去的余量上设基准孔 如实在无法制出基准孔 起码也要用经过精加工的面作为统一基准 如果连这也办不到 则最好只加工其中一个最复杂的面 另一面放弃数控铣削而改由通用铣床加工 7 分析零件的形状及原材料的热处理状态 会不会在加工过程中变形 哪些部位最容易变形 因为数控铣削最忌讳工件在加工时变形 这种变形不但无法保证加工的质量 而且经常造成加工不能继续进行下去 中途而废 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 精加工及对称去余量等常规方法 此外 还要分析加工后的变形问题 采取什么工艺措施来解决 量避免的 4 应采用统一的基准定位 在数控加工中若没有统一的定位基准 则会因工件的二次装夹而造成加工后两个面上的轮廓位置及尺寸不协调现象 另外 零件件上最好有合适的孔作为定位基准孔 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 此外 还应分析零件所要求的加工精度 尺寸公差等是否可以得到保证 有没有引起矛盾的多余尺寸或影响加工安排的封闭尺寸等 有关的铣削件的结构工艺性实例见表6 1 的可靠性与方便性 以便在一次安装中加工出较多表面 对不便天装夹的毛坯 可考虑在毛坯上另外增加装夹余量或工艺凸台 工艺凸耳等辅助基准 如图6 13所示 该工件缺少合适的定位基准 在毛坯上铸出两个工艺凸耳 在凸耳上制出定位基准孔 3 分析毛坯的变形 余量大小及均匀性分析毛坯加工中与加工后的变形程度 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 如对于热轧中 厚铝板 经淬火时效后很容易在加工中与加工后变形 这时最好采用经预拉伸处理的淬火板坯 6 2 2数控铣床加工工艺路线的拟定铣削加工工艺路线的拟订是制定铣削工艺规程的重要内容之一 其主要内容包括 选择各加工表面的加工方法 划分和加工阶段 划分工序以及安排工序的先后顺序等 设计者应根据从生产实践中总结出来的一些综合性工艺原则 结合本厂的实际生产条件 提出几种方案 通过对比分析 从中选择最佳方案 1 加工方法的选择对于数控铣床 应重点考虑几个方面 能保证零件的加工精度和表面粗糙度的要求 使走刀路线最短 既可简化程序段 又可减少刀具空行程时间 提高加工效率 应使数值计算简单 程序段数量少 以减少编程工作量 l 内孔表面加工方法的选择在数控铣床上加工内孔表面加工方法主要有钻孔 扩孔 铰孔 镗孔和攻螺纹等 应根据被加工孔的加工要求 尺寸 具体生产条件 批量的大小及毛坯上有无预制孔等情况合理选用 l 加工精度为IT9级的孔 当孔径小于10mm时 可采用钻 铰方案 当孔径小于30mm时 可采用钻 扩方案 当孔径大于30mm时 可采用钻 镗方案 工件材料为淬火钢以外的各种金属 2 加工精度为IT8级的孔 当孔径小于20mm时 可采用钻 铰方案 当孔径大于20mm时 可采用钻 扩 铰方案 此方案适用于加式淬火钢以外的各种金属 但孔径应在20 80mm 此外 也可采用最终工序为精镗的方案 3 加工精度为IT7级的孔 当孔径小于12mm时 可采用钻 粗铰 精铰方案 当孔径在12 60mm范围时 可采用钻 扩 粗铰 精铰方案 当毛坯上已铸出或锻出孔 可采用粗镗 半精镗 精镗方案 最终工序为铰孔适用于未淬火钢 铸铁和有色金属 4 加工精度为IT6级的孔 最终工序可采用精细镗 工件材料为非淬火钢 2 平面加工方法的选择在数控铣床上加工平面主要采用端铣刀和立铣刀加工 粗铣的尺寸精度和表面粗糙度一般可达ITll IT13 Ra6 3 25 精铣的尺寸精度和表面粗糙度一般可达IT8 IT10 Ra1 6 6 3 需要注意的是 当零件表面粗糙度要求较高时 应采用顺铣方式 3 平面轮廓加工方法的选择平面轮廓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 14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 4 固定斜角平面加工方法的选择固定斜角平面是与水平成一固定夹角的斜面 常用的加工方法如下 l 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 如图6 15 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 用三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五坐标数控铣床 主轴摆角后加工 可以不留残留面积 2 对于图6 15所示的正圆台和斜盘表面 一般可用专用的角度成形铣刀加工 其效果比采用五坐标数控铣床摆角加工好 2 对刀工具 l 寻边器寻边器主要用于确定工件坐标系原点在机床坐标系中的x y值 也可以测量工件的简单尺寸 寻边器有偏心式 图6 32 和光电式 图6 33 等类型 其中以光电式较为常用 光电式寻边器的测头一般为10mm的钢球 用弹簧拉紧在光电式寻边器的测杆上 碰到工件时可以退让 并将电路导通 发出光信号 通过光电式寻边器的指示和机床坐标位置即可得到被测表面的坐标位置 具体使用方法见下述对刀实例 2 Z轴设定器z轴设定器主要用于确定工件坐标系原点在机床坐标系的z轴坐标 即确定刀具在机床坐标系中的高度 z轴设定器有光电式和指针式等类型 通过光电指示或指针判断刀具与对刀器是否接触 对刀精度一般可达0 005mm Z轴设定器带有磁性表座 可以牢固地附着在工件或夹具上 其高度一般为50mm或100mm 如图6 31示 无论采用哪种刀具 都是使数控机床主轴中心与对刀点重合 利用机床的坐标显示确定对刀点在机床坐标系中的位置 从而确定工件坐标系在机床坐标系中的位置 简单的说 对刀就是告诉机床工件装夹在机床工作台的什么地方 7 3加工中心加工艺制定7 3 1零件的工艺分析零件的工艺分析是制定加工中心加工工艺的首要工作 其任务是分析零件技能要求 检查零件图的完整性和正确性 分析零件的结构工艺性 选择加工中心加工内容等 1 分析零件技术要求与常规的零件工艺分析一样 分析零件技术要求时主要考虑l 各加工表面的尺寸精度要求 2 各加工表面的几何形状精度要求 3 各加工表面之间的相互位置精度要求 4 各加工表面粗糙度要求以及表面质量方面的其他要求 5 热处理要求以及其他要求 首先 要根据零件在产品中的功能 研究分析零件与部件或产品的关系 从而认识零件的加工质量对整个产品质量的影响 并确定零件的关键加工部位和精度要求较高的加工表面等 认真分析上述各精度和技术要求是否合理 其次要考虑在加上中心上加工能否保证零件的各项精度和技术要求 进而具体考虑在哪一种加工中心加工最为合理 2 检查零件图的完整性和正确性一方面要检查零件图是否正确 尺寸 公差和技术要求是否标注齐全 另一方面要特别注意准备在加工中心上加工的零件 其各个方向上的尺寸是否有一个统一的设计基准 从而简化编程 保证零件图的设计精度要求 当工件已确定在加工中心上加工后 如发现零件图中没有统一的设计基准 则应向设计部门提出 要求修改图样或考虑选择统一的工艺基准 计算转化各尺寸 并标注在工艺附图上 3 分析零件结构的工艺性在加工中心上加工的零件 其结构工艺性应具备以下几点要求 l 零件的切削加工余量要小 以便减少加工中心的切削加工时间 降低零件的加工成本 2 零件上光孔和螺纹的尺寸规格尽可能少 减少加工时钻头 绞刀及丝锥等刀具的数量 以防刀库容量不够 3 零件尺寸规格尽量标准化 以便采用标准刀具 4 零件加工表面应具有加工的可能性和方便性 5 零件结构应具有足够的刚性 以减少夹紧变形和切削变形 零件的孔加工工艺性对比实例可参考铣削加工 4 加工中心加工内容的选择这里的加工内容选择是指在选定零件在加工中心上加工之后 选择零件上适合加工中心加工的表面 l 用数学模型描述的复杂曲线或曲面 2 难测量 难控制进给 难控制尺寸的不开敞内腔的表面 3 尺寸精度要求较高的表面 4 零件上不同类型表面之间有较高的位置精度要求 更换机床加工时很难保证位置精度要求 必须在一次装夹中集中完成铣 镗 锪 铰或攻螺纹等多工序的表面 5 镜像对称加工的表面等 对于上述表面 我们可以先不要过多地去考虑生产率与经济上是否合理 而首先应考虑能不能把它们加工出来 要着重考虑可能性问题 只要有可能 都应把加工中心加工作为优选方案 由于加工中心的台时费用高 在考虑工序负荷时 不仅要考虑机床加工的可能性 还要考虑加工的经济性 例如 用加工中心可以进行复杂的曲面加工 但如果企业数控机床类型较多 有多坐标联动的数控铣床 则在加工复杂的成形表面时 应优先选择数控铣床 因有些成形表面加工时间很长 刀具单一 在加工中心上加工并不是最佳选择 这要视企业拥有的数控设备类型 功能及加工能力 具体分析决定 7 3 2加工中心的选用一般来说 规格相近的加工中心 卧式加工中心的价格要比立式加工中心贵50 100 因此 从经济性角度考虑 完成同样工艺内容 宜选用立式加工中心 当立式加工中心不能满足加工要求时才选卧式加工中心 1 加工中心类型的选用l 立式加工中心适用于只需单工位加工的零件 如各种平面凸轮 端盖 箱盖等板类零件和跨距较小的箱体等 2 卧式加工中心适用于加工两工位以上的工件或在四周呈径向辐射状排列的孔系 面等 3 当工件的位置精度要