数控加工工艺设计基础总结

3 1概述 数控加工与普通机床加工在方法与内容上有相似之处 最大区别在控制方式上 以切削加工为例 通用机床加工零件 某道工序 其工步 机床运动先后次序 位移量 行走路线 切削参数的选择等 由操作者自行考虑 手工完成 数控加工时 将加工过程中所需的多种操作及刀具的切削用量 走刀方向 切削速度都用数字化的代码表示 编成程序 并把这些代码输入数控装置 通过计算机对输入的信息进行处理与运算 发出各种指令来控制机床的运动 加工出零件 意味着不需要操作者干预 但是要随时看着注意安全 数控加工工序与普通工序的衔接 重点的 数控加工的工艺路线设计仅是几道数控加工工艺过程 而不是毛坯到成品的整个工艺过程 数控加工工序穿插与整个工艺过程的中间 则工艺路线设计应与整个工艺过程协调 建立相互状态要求 如 留多少加工余量 定位面与定位孔的精度要求及形位公差 对毛坯的热处理状态要求 目的是达到相互能满足加工需要 且质量目标及技术要求明确 交接验收有依据 数控工艺路线设计是下一步工序设计的基础 设计质量直接影响零件的加工质量与生产效率 3 1 2数控加工的工艺特点 1 工艺内容十分具体由操作工人灵活掌握并通过适时调整来处理的许多具体工艺问题和细节 在数控加工时就转变为编程人员必须事先设计和安排的内容 2 工艺的设计非常严密自动化程度较高 但自适应性差 每一环节都要考虑 3 注重加工的适应性选择加工方法和加工对象要注意 要适合机床的加工特点 3 1 3数控工艺设计内容 一 数控加工工艺设计的主要内容 工艺设计是对工件进行数控加工的前期工艺工作 工艺方案确定以后 编程才有依据 1 根据适应性 选择零件数控加工内容2 对零件进行数控工艺性分析3 拟定加工工艺路线4 设计数控加工工序5 数学处理5 编写数控加工专用技术文件 3 2 1数控加工的工艺适应性 1 最适应性1 形状复杂 加工精度高 通用加工设备无法达到质量要求的零件2 用数学模型描述的复杂曲线或曲面轮廓零件3 难测量 难控制进给 难控制尺寸的不开敞内腔的壳体或合型零件 重点考虑的是能否加工出来 2 较适应类1 通用机床上加工时易受人为因素干扰 造成大经济损失 2 在通用机床上加工必须制造复杂的专用工装零件 3 需要多次更该设计后才能定型的零件4 在通用机床上加工需要作长时间调整的零件5 通用机床加工 生产率低或劳动强度大的零件 主要考虑生产效率和经济效益 3 不适应类1 生产批量大的零件 个别工序可以用 辩证的看 2 装夹困难或完全靠找正定位来保证加工精度的零件3 加工余量不稳定 且数控机床无在线检测系统可自动调整零件坐标位置的4 必须用特定的工艺装备协调加工的零件 1 数控加工内容的选择1 适于数控加工的内容 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 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 3 2 2数控加工工艺性分析 从可能性和方便性分析1 零件图样上尺寸数据的给出应符合编程方便的原则 1 零件图上尺寸标注方法应适应数控加工的特点同一基准引注尺寸或直接给出坐标尺寸 便于编程 便于尺寸之间的相互协调 2 构成零件轮廓的几何元素的条件应充分手工编程 要计算每个节点坐标 在自动编程时 要对构成零件轮廓的所有几何元素进行定义 2 零件各加工部位的结构工艺性应符合数控加工的特点1 零件的内腔和外形最好采用统一的几何类型 减少刀具规格和换刀次数2 内槽圆角的大小决定刀具直径的大小 因而内槽圆角半径不应太小 3 零件铣削底平面时 槽底圆角半径不应过大 4 应采用统一的基准定位保证两次装夹加工其相对位置的准确性 零件上最好有合适的孔作为定位孔作为定位基准孔 例1工件的内腔与外形应尽量采用统一的几何类型和尺寸 统一的几何类型和尺寸 2 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 例2工件内槽及缘板间的过渡圆角半径不应过小 例3工件槽底圆角半径不宜过大 3 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 3 3 1工件的安装与夹具的选择 1 定位装夹的基本原则1 力求设计 工艺与编程计算的基准统一 2 尽量减少装夹次数 尽可能在一次定位装夹后 加工出全部待加工表面 3 避免采用占机人工调整式加工方案 以充分发挥数控机床的效能 4 夹紧力的作用点应落在工件刚性较好的部位 2 选择夹具的基本原则1 当零件加工批量不大时 应尽量采用组合夹具 可调式夹具及其它通用夹具 以缩短生产准备时间 节省生产费用 2 零件的装卸要快速 方便 可靠 以缩短机床的停顿时间 3 夹具上各零部件应不妨碍机床对零件各表面的加工 即夹具要开敞 其定位夹紧机构元件不能影响加工中的走刀 3 3 2加工工序的划分 1 按零件装夹定位方式与加工部位划分一般加工外形时 以内形定位 加工内形时则以外形定位 因而可根据定位方式的不同来划分工序 2 按粗 精加工方式划分即先粗加工再精加工 粗精加工之间 最好隔一段时间 以使粗加工后零件的变形能得到充分恢复 再进行精加工 以提高零件的加工精度 3 按所用刀具划分工序即在一次装夹中 尽可能用同一把刀具加工完成所有可能加工到的部位 然后再换另一把刀具加工其它部位 一个 或一组 工人 在一个工作地对同一个 或同时对几个 工件连续完成的那一部分加工过程 1 按零件装夹定位方式与加工部位划分由于每个零件结构形状不同 各表面的技术要求也有所不同 故加工时其定位方式各有差异 一般加工外形时 以内形定位 加工内形时则以外形定位 因而可根据定位方式的不同来划分工序 如图所示的片状凸轮 按定位方式可分为两道工序 第一道工序可在普通机床上进行 以外圆表面和B平面定位 加工端面A和 22H7的内孔 然后再加工端面B和 4H7的工艺孔 第二道工序以已加工过的两个孔和一个端面定位 在数控铣上铣削凸轮外表面曲线 加工工序的划分 三 加工工序的划分 1 按零件装夹定位方式与加工部位划分一般加工外形时 以内形定位 加工内形时则以外形定位 因而可根据定位方式的不同来划分工序 2 按粗 精加工方式划分即先粗加工再精加工 粗精加工之间 最好隔一段时间 以使粗加工后零件的变形能得到充分恢复 再进行精加工 以提高零件的加工精度 3 按所用刀具划分工序即在一次装夹中 尽可能用同一把刀具加工完成所有可能加工到的部位 然后再换另一把刀具加工其它部位 先铣平面后 经一段时间释放残余变形 然后再加工孔 可保证加工出高精度的孔 所以 应先加工平面 定位面 再加工孔 先加工形状简单的几何形状 再加工复杂的几何形状 先加工低精度部位 再加工高精度部位 一般地 为提高机床寿命 保证精度 降低成本 通常把粗加工特别是零件的基准面 定位面在普通机床上加工 加工工序的划分 2 按粗 精加工方式划分根据零件的加工精度 刚度和变形等因素来划分工序时 可按粗 精加工分开的原则来划分工序 此时可用不同的机床或不同的刀具顺次同步进行加工 通常在一次安装中 不允许将零件某一部分表面粗 精加工完毕后 再加工零件的其它表面 否则可能会在对新的表面进行大切削量加工过程中 因切削力太大而引起已精加工完成的表面变形 粗精加工之间 最好隔一段时间 以使粗加工后零件的变形能得到充分恢复 再进行精加工 以提高零件的加工精度 加工工序的划分 3 按所用刀具划分工序为了减少换刀次数 压缩空程时间 减少不必要的定位误差 可按刀具集中工序的方法加工零件 即在一次装夹中 尽可能用同一把刀具加工完成所有可能加工到的部位 然后再换另一把刀具加工其它部位 在专用数控机床和加工中心上常采用此法 加工工序的划分 2 工步的划分主要从加工精度和效率两方面考虑 一个工序内往往采用不同的刀具和切削用量 对不同的表面进行加工 工序又细分为工步 以加工中心为例说明工步划分原则1 同一表面按粗加工 半精加工 精加工依次完成 或全部加工表面按先粗后精加工分开进行 2 对于又铣又镗的零件 可先铣面后镗孔 此法可提高孔的加工精度 铣削时切削力较大 工件易发生变形 3 按刀具划分工步 某些机床工作台回转时间比换刀时间短 以刀具划分工步 减少换刀次数 提高效率 1 确定走刀路线和安排工步顺序走刀路线是刀具在整个加工工序中的运动轨迹 包括工步内容 反映工步顺序 是编程的重要依据之一 工步划分与安排根据走刀路线进行 确定走刀路线应注意 1 加工路线应保证被加工零件的精度和表面粗糙度 2 数值计算简单 以减少编程工作量 3 尽量减少进 退刀时间和其它辅助时间 使加工路线最短4 加工后变形较小的路线 例如细长轴或薄板零件 采用多次走刀加工 3 3 3加工路线的确定 确定加工路线 还考虑加工余量和机床 刀具刚度 确定一次走刀还是多次走刀 顺铣还是逆铣 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 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 a b 圆柱铣的顺铣和逆铣a逆铣b顺铣 1 铣削平面零件 一般采用立铣刀侧刃进行切削 为减少接刀痕迹 铣刀的切入和切出点要精心设计 切入与切出应沿零件轮廓曲线的延长线进行 典型的工件表面加工原则 内轮廓铣削的加工路线 外轮廓铣削的加工路线 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 2 槽形铣削 若为通槽 可采用行切法来回铣切 走刀换向在工件外部进行 若为封闭凹槽 可有图示 b c d 三种走刀方案 行切法 差 环切法 中 粗加工 先行后环 好 精加工 b 行切法 c 环切法 d 为先用行切法 最后用环切法一刀光整轮廓表面 4 孔加工时 按照加工路线短或者加工精度高的原则进行 对点位控制机床 只要求定位精度较高 定位过程尽可能快 而刀具相对于工件的运动路线无关紧要 因此 这类机床应按空程最短来安排加工路线 图3 9点位加工路线 b 好 方向一致 可避免引入反向间隙 5 对于曲面铣削 常用球头铣刀采用 行切法 进行加工 如图3 10所示大叶片类零件 当采用沿纵向来回切削的加工路线时 每次沿母线方向加工 刀位点计算简单 程序少 加工过程符合直纹面的形成 可以准确保证母线的直线度 当采用沿横向来回切削的加工路线时 符合这类零件数据给出情况 便于加工后的检验 叶形准确度高 但程序较多 3 4数控加工的机床和加工方法 总的原则 保证加工表面的加工精度和表面粗糙度的要求 数控车适合于加工形状比较复杂的轴类零件和由复杂曲线回转形成的模具内型腔 立式数控铣适合于加工平面凸轮 样板 形状复杂的平面或立体零件 以及模具的内 外型腔等 卧式数控铣则适合于加工箱体 泵体 壳体类零件 多坐标联动的加工中心还可以用于加工各种复杂的曲线 曲面 叶轮 模具等 2 选择数控加工方法 1 旋转体零件的加工数控车床或数控磨床来加工车削零件毛坯多为棒料或锻坯 加工余量较大且不均匀 因此在编程中 粗车的加工路线往往是要考虑的主要问题 2 孔系零件的加工孔数多 孔位置精度要求较高 宜采用点位直线控制的数控钻与镗床加工 减轻工人劳动强度 提高生产率 易于保证精度 3 平面与曲面轮廓零件的加工平面轮廓多为直线和圆弧组成 两坐标联动的铣床上加工 曲面轮廓的零件 多采用三个或三个以上坐标联动的铣床或加工中心 4 模具型腔的加工型腔表面复杂 不规则 表面质量及尺寸精度要求高 且常采用硬 韧的难加工材料 此时考虑选用粗铣后数控电火花成形加工 5 板材零件的加工该类零件根据零件形状采用数控剪板机 数控板料折弯机及数控冲压机加工 传统冲压工艺是按模具生产工件的形状 模具结构复杂 易磨损 价格昂贵 生产率低 数控冲压设备 能使加工过程按程序要求自动控制 采用小模具冲压加工形状复杂的大工件 一次装夹集中完成多工序加工 采用软件排样 即能保证加工精度 又能获得高的材料利用率 6 平板形零件的加工选数控电火花线切割机床加工 工件内侧角部的最小半径由金属丝直径限制外 任何复杂的内外侧形状都可以加工 2 切削用量的确定切削用量包括主轴转速 切削速度 背吃刀量和进给量 对于不同的加工方法 需要选择不同的切削用量 并应编入程序单内 合理选择切削用量的原则是 粗加工时 一般以提高生产率为主 但也应考虑经济性和加工成本 通常选择较大的背吃刀量和进给量 采用较低的切削速度 半精加工和精加工时 应在保证加工质量的前提下 兼顾切削效率 经济性和加工成本 通常选择较小的背吃刀量和进给量 并选用切削性能高的刀具材料和合理的几何参数 以尽可能提高切削速度 具体数值应根据机床说明书 切削用量手册并结合经验而定 1 背吃刀量阿ap mm 亦称切削深度 主要根据机床 夹具 刀具和工件的刚度来决定 在刚度允许的情况下 应以最少的进给次数切除加工余量 最好一次切除余量 以便提高生产效率 精加工时 则应着重考虑如何保证加工质量 并在此基础上尽量提高生产率 在数控机床上 精加工余量可小于普通机床 一般取 0 2 0 5 mm 2 主轴转速n r min 主要根据允许的切削速度 c m min 选取 式中 vc 切削速度 由刀具的耐用度决定 D 工件或刀具直径 mm 主轴转速n要根据计算值在机床说明书中选取标准值 并填入程序单中 3 进给量 进给速度 f mm min或mm r 是数控机床切削用量中的重要参数 主要根据零件的加工精度和表面粗糙度要求以及刀具 工件材料性质选取 最大进给量则受机床刚度和进给系统的性能限制并与脉冲当量有关 当加工精度 表面粗糙度要求高时 进给速度 进给量 应选小些 一般在20 50mm min范围内选取 粗加工时 为缩短切削时间 一般进给量就取得大些 工件材料较软时 可选用较大的进给量 反之 应选较小的进给量 车 铣 钻等加工方式下的切削用量可参考表1 2 1 3 1 4和1 5选取 表1 2数控车削用量推荐表 表1 3铣刀的切削速度 m min 表1 4铣刀进给量 mm 每齿 表1 5高速钢钻头的切削用量 v m mm f mm r 1 背吃刀量ap 切削深度 根据加工余量来确定粗加工 Ra10 80 一次尽量切削所有余量半精加工 Ra1 25 10 ap0 5 2mm精加工 Ra0 32 1 25 ap0 2 0 4mm 2 进给量f 进给速度Vf Vf fn fzzn粗加工 根据加工材料 刀具尺寸 ap来确定半精加工 精加工 根据工件材料和切削速度来确定如 精铣20 25mm minVf精车0 1 0 2mm rf 3 切削速度Vc 主轴转速n 根据选定的ap f以及刀具耐用度选择切削速度n 1000Vc D 2 2 1数控铣削加工工艺分析 5 切削用量的选择铣削加工的切削用量包括 切削速度 进给速度 背吃刀量或侧吃刀量 较高的切削速度 较小的背吃刀量和进给量 可以获得较好的表面粗糙度 合理的恒切削速度 较小的背吃刀量和进给量可以得到较高的加工精度 影响切削用量的因素主要有 机床功率以及主轴转速范围 进给速度范围 机床的刚性 热稳定性 刚性好 热变形小 可适当加大切削用量 刀具材料是影响切削用量的重要因素 冷却条件等 因此应根据刀具的耐用度和机床说明书中的规定去选择切削用量 从刀具耐用度出发 切削用量的选择方法是 先选择背吃刀量或侧吃刀量 其次选择切削速度 最后确定进给速度 3 5 2对刀点和换刀点的确定 对刀点与换刀点的确定 对刀点 是数控加工时刀具相对运动的起点 也是程序的起点 刀位点 是指确定刀具位置的基准点 换刀点 是转换刀位置的基准点 平头立铣刀 球头铣刀 钻头 车刀 镗刀 二 数控加工的切削用量选择 1 切削用量的选用原则 1 背吃刀量 p的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 为了保证加工表面质量 可留少许精加工余量 一般为0 1 0 2mm 2 切削速度v的确定切削速度是指切削时 铣刀切削刃上某一点相对待加工表面在主运动方向上的瞬时速度 m min 又称为线速度 与普通铣削加工时一样 根据零件上被加工部位的直径 并按零件和刀具的材料及加工性质等条件所允许的切削速度来确定 主要根据实践经验来确定 3 进给量f的确定进给量是指工件旋转一周 车刀沿进给方向移动的距离 单位为mm r 它与背吃刀量 p有着较密切的关系 表4 1为一些资料上切削用量推荐数据 供使用时参考 表4 1切削用量推荐数据 2 选择切削用量时应注意的几个问题 1 切削用量选择的一般原则是 粗车时 宜选择大的背吃刀量 p 较大的进给量f 较低的切削速度v 以提高生产率 半精车或精车时 应选用较小 但不能太小 的背吃刀量 p和进给量f 较高的切削速度v 以保证零件加工精度和表面粗糙度 2 主轴转速由于交流变频调速数控低速输出力矩小 因而切削速度不能太低 主轴转速n可用下式计算 n 1000v d 3 6程序编制中的数学处理 根据被加工零件图样 按照已经确定的加工工艺路线和允许的编程误差 计算数控系统所需要输入的数据 称为数学处理 数学处理一般包括两个内容 根据零件图样给出的形状 尺寸和公差等直接通过数学方法 如三角 几何与解析几何法等 计算出编程时所需要的有关各点的坐标值 零件图给出的条件不足 根据所采用加工条件 对零件原图形及有关尺寸进行必要的数学处理或改动 才可进行各点的坐标计算和编程工作 3 6 2数控处理的任务 数值计算主要内容为 1 基点和节点的计算2 刀位点轨迹的计算3 辅助计算 3 6 2数控处理的任务零件的轮廓是由许多不同的几何要素所组成 如直线 圆弧 二次曲线等 各几何要素之间的连接点称为基点 基点坐标是编程中必需的重要数据 A B C D E为基点 数控系统一般只能作直线插补和圆弧插补的切削运动 如果工件轮廓是非圆曲线 数控系统就无法直接实现插补 而需要通过一定的数学处理 数学处理的方法是 用直线段或圆弧段去逼近非圆曲线 逼近线段与被加工曲线交点称为节点 例如 对下图所示的曲线用直线逼近时 其交点A B C D E F等即为节点 基点 节点 零件轮廓 系统插补功能 如 椭圆 双曲线 抛物线等 被加工曲线 逼近线段 交点 节点 零件轮廓 系统插补功能 节点 基点 2刀位点轨迹的计算 刀位点是标志刀具所处不同位置的坐标点 不同类型的刀具刀位点不同 数控系统控制刀位点运动轨迹 零件轮廓由刀具的切削刃加工出来 刀位点与切削刃一般不重合 编程轨迹与零件轮廓不重合 半径补偿与长度补偿 使刀位点按一定的规则自动偏离编程轨迹 实现正确加工 3辅助计算 辅助计算包括增量计算 辅助程序段的数值计算等增量计算 由绝对坐标数据到增量坐标数据的转换 辅助程序段是指开始加工时 刀具从对刀点到切入点 或加工完了时 刀具从切出点返回到对刀点而特意安排的程序段 切入点和切出点等的计算 辅助计算比较简单 1 基点与节点计算方法 方法 联立方程组 几何元素间的三角函数关系 64 2786 39 5507 64 2786 51 5507 3 6 3数控处理的方法 2非圆曲线的逼近处理 数控加工中把除直线与圆弧以外的平面轮廓曲线称为非圆曲线 可用方程表达的曲线 列表曲线 直线逼近法数学处理较简单 但计算的坐标数据较多 且各直线段间连接处存在尖角 不利于加工表面质量的提高 圆弧逼近法可大大减少程序段数目 相邻圆弧彼此相切 工件表面光滑 有利于加工表面质量的提高 但其数学处理过程比直线逼近法复杂 一般地 对于曲率半径较大的曲线用直线逼近 反之 曲率半径较小的曲线可用圆弧逼近 常用的非圆曲线逼近方法 直线段逼近和圆弧段逼近 2非圆曲线的逼近处理 数值计算过程 选择逼近方法 确定允许的插补误差 允 1 5 1 10 零件公差 确定计算方法 根据算法计算节点坐标 非圆曲线的节点计算 1 用直线逼近零件轮廓曲线时的节点计算 1 等间距法 2 等步长法 3 等误差法2 用圆弧逼近零件轮廓曲线的节点计算 1 圆弧分割法 2 三点做图法 直线逼近法1 等间距法基本原理 将某一坐标轴划分成相等的间距 方法 沿X轴方向取为等间距长 根据已知曲线方程 可由xi求得yi 如此求得的一系列点就是节点 等间距法计算简单 但由于为定值 当曲率半径变化较大时 程序段数目较多 计算工作量较大 2 等步长法基本原理 使每个程序段的线段长度相等 方法 由于零件轮廓曲线的曲率各处不等 因此各段的插补误差不相等 必须使插补误差小于允许的1 2 1 3 零件轮廓曲线的曲率半径最小