数控高级培训_第三章 复杂形状零件的数控加工工艺

1、天津职业技术师范学院,第三章复杂形状零件的数控加工工艺,2 天,January 2003 Tianjin University of Technology and Education,天津职业技术师范学院,从加工的角度看，数控加工技术主要也就是围绕加工方法与工艺参数的合理确定及有关其实现的理论与技术。对于复杂形状零件的加工，加工方案与加工参数的合理选择是一个较复杂的问题,天津职业技术师范学院,数 控 加 工 中 的 坐 标 系,在编制零件程序以及在数控机床上加工零件时，刀具与工件的相对运动，都是在一定的坐标系中进行的，其中最主要的是机床坐标系和工件坐标系，对于复杂曲面的加工编程中，还往往使用局

2、部坐标系进行编程,天津职业技术师范学院,机 床 坐 标 系 和 坐 标 轴 的 命 名,机床坐标系就是用来描述和确定机床运动以及工件在机床上位置的坐标系。从理论上讲，机床坐标系是可随意定义的。但由于机床种类繁多、配置各异，任意选取坐标系将会给编程、使用操作以及数控系统的控制带来不便。为了方便零件程序的编制和统一，并使编制的零件程序具有通用性，ISO对数控机床坐标轴的名称及其运动方向作了统一的规定，我国也参照ISO制定了相应等效的标准,天津职业技术师范学院,机床坐标轴和运动方向的规定,天津职业技术师范学院,关于机床坐标系的原点 数控机床上各运动轴都有一个由行程开关决定的固定机械原点，也称为参考点

3、或零点，作为确定机床轴绝对运动位置的基准。机床启动后通常先要回零以建立运动基准，所谓回零就是指各运动部件回到机械原点位里机床坐标系原点可以设里为与机械原点一致，也可由数控系统设置在任意一个固定位置,天津职业技术师范学院,工 件 坐 标 系,工件坐标系是在数控编程时用来定义工件形状和刀具相对工件运动的坐标系工件坐标系是与工件固联的，为保证编程与机床上加工的一致性，工件坐标系也应是右手笛卡尔坐标系，工件装卡到机床上时，工件坐标禹与机床坐标系的坐标轴方向应保特一致。工件坐标系的原点在工件上的位置虽可任意选择，但应便于工件几何形状的描述,天津职业技术师范学院,局 部坐 标 系,局部坐标系（也称移动坐标

4、系）是在多坐标三维曲面加工时用于确定刀具相对零件表面姿态的坐标系。其坐标原点为刀具与零件表面的接触点，n为曲面上切削点处单位法矢，为曲面上切削点处沿进给方向单位切矢，=n ,(, , n)即构成曲面在切削点处的局部坐标系,天津职业技术师范学院,机 床 与 刀 具,不同类型与要求的零件应在条件具备的情况下选用相应的数控机床进行加工，以发挥数控机床的效率和特点。例如，数控车床与车削中心适于加工形状比较复杂的轴类零件，其中，车削中心由于能快速自动换刀，能一次装卡完成大部分以至全部表面的加工，可获得高的加工效率与加工精度。下面重点对数控铣床与加工中心的特点进行简要介绍,天津职业技术师范学院,三 坐 标

5、 数 控 铣 床 四 坐 标 数 控 铣 床 四坐标是指在X、Y和Z三个平动坐标轴基础上增加一个转动坐标轴A或B.）；且四个轴一般可以联动。其中，转动轴既可以作用于刀具（刀具翻动型），也可以作用于工件（工作台回转/摆动型）；机床既可以是立式的也可以是卧式的；此外，转动轴既可以是A轴（统X轴转动）也可以是B轴（绕Y轴转动）。由此可以看出，四坐标数控机床可具有多种结构类型，但除大型龙门式机床上采用刀具提动外，实际中多以工作台旋转摆动的结构居多。但不管是哪种类型，其共同特点是相对于静止的工件来说，刀具的运动位工不仅是任意可控的，而且刀具轴线的方向在刀具摆动平面内也是可以控侧的，从而可很据加工对象的几

6、何特征按保持有效切阴状态或根据遨免刀具干涉等盆要来调整刀具相对零件表面的姿态。因此，四坐标加工可以获得比三坐标加工更广的工艺范围和更好的加工效果,天津职业技术师范学院,刀 具 类 型 及 其 工 艺 特 点,要实现高速、高精与高效的数控加工，除数控机床要具有高速（主轴转速和进给速度）、高精能力和高自动化程度外，刀具的性能及如何根据加工对象选用合适的刀具有着极为重要的影响。在刀具性能方面，随着刀具材料性能的提高与结构特性的改善，数控加工用刀具在耐用度、刚度、抗脆性、断屑和调整更换等方面的性能已大大改善，例如，目前涂层刀具、立方氮化翻刀具以至陶瓷刀具与金刚石刀具等可使刀具的切削速度大幅度提高。然而

7、，从如何加工的角度看，加工刀具类型与工艺方案的合理选择则极为重要,天津职业技术师范学院,应用于数控铣削加工的主要刀具,天津职业技术师范学院,平底立铣刀 平底立铣刀制造方便，主要以周边切削刃进行切削，切削性能好，是倪削加工的主要刀具。除用于平面铣削（如凸台、结合、凹槽 ）切削加工常用刀具以及平底型腔等）和二维零件的周边轮廓铣削外，同时也是立体轮廓粗加工和多坐标精加工的主要刀具，而且也可应用于立体轮廓的三坐标精加工。 在多坐标加工情况下，平底立铣刀的应用有侧铣和端铣两种方式。侧铁方式主要应用于以直线为母线进行旋转、平移或其合成所形成的一类型面（称为直纹面）的加工，是多坐标加工的重要应用场合，可由立

8、铣刀周边切削刃一次成型，加工效率高，并可有效保证型面质量。显然，对于由固定或变化的平坦曲线运动所形成的一般型面，采用多坐标侧铣加工亦可大大减少走刀次数并提高型面质量。端铣方式主要应用于不适合侧铣加工的其他情况，它采用一行一行的行切方式加工。从工艺范围看，它是多坐标加工的主要友式。它在保证刀具不与型面干涉的前提下，尽可能使平底立铣刀底部贴近被加工表面进行加工，切削条件好，并可有效抑制切削行间的残余高度，从而减少走刀次数。 然而，在三坐标加工情况下，采用平底立铣刀加工内凹的型面时可能产生超出公差范围的局部欠切削区域，此时还需采取一定的后续处理措施,天津职业技术师范学院,端 铣 刀 端铣刀主要用于面

9、积较大的平面铣削和较平坦的立体轮廓（如大型叶片、螺旋桨、模具等）的多坐标铣削，以减小走刀次数，提高加工效率与表面质量,天津职业技术师范学院,球头刀 球头刀是三维立体轮廓加工特别是三坐标加工的主要刀具。球头刀加工的刀具中心轨迹是由零件轮廓沿其外法线方向偏置一个刀具半径而成，即使在三坐标加工情况下，除了内凹的暗角，球头刀均可加工。因此，球头刀对加工对象的适应能力很强，且编程与使用也较方便，但球头刀加工也存在一些不足之处。除其制造较困难外，球头切削刃上各点的切削情况不一，越接近球头刀的底部其切削条件越差（切削速度低、容屑空间小等）。因此，在需要刀具底部切削（如型面平坦部位的加工等）的情况下，加工效率

10、难以提高且刀具容易磨损。另外，球头刀加工时的走刀行距一般也比相同直径的其他刀具加工时小，因此效率较低,天津职业技术师范学院,环形刀 环形刀是在周边切削刃与底面切削刃之间以一段小圆弧过渡，主要用于凹摺、平底型腔等平面铣削和立体轮廓的加工，其工艺特点与平底立铣刀类似，切削性能较好。而且，与平底立铣刀相比，由于环形刀的切削部位是圆环面，切削刃强度较好且不易磨损。另外，它还可以用于如下图所示的一些特殊加工情况。但是，环形刀的刃磨和编程相对困难一些,天津职业技术师范学院,鼓形刀 鼓形刀多用来对飞机结构件等零件中与安装面倾斜的表面进行三坐标加工。由于这种表面最理想的加工方案是多坐标侧铣，因此，采用鼓形刀加

11、工是在单件或小批量生产中取代多坐标加工的一种变通方案。鼓形刀的刃口纵剖面为半径R较大的圆弧因而不仅对表面上各处的倾斜角变化具有一定的适图3-4环形刀的特殊应用图3-5三坐标鼓形刀加工应性，而且能有效减少走刀次数（相对于球头刀），提高加工效率与表面质量。圆弧半径Rl越小，刀具所能适应的斜角变化范围就越广，但是行切得到的工件表面质量就越差或效率越低。除上述加工应用外，鼓形刀也应用于一般表面的多坐标侧铣（如图3一6所示），而且它比圆柱面或圆锥面侧铣的适应能力强。鼓形刀的缺点是刃磨较困难、切削条件较差，而且不适宜r一一、于加工图3一7中所示的内缘表面。斗一一一仁寻,天津职业技术师范学院,锥形刀 锥形刀

12、的应用目的与鼓形刀有些相似，在时如模具起模面）可一次成型，并可加工内缘表面（如图3一7所示）。而且，锥形刀刃磨容易，切削条件好，可获得高的加工效率与表面质量。在多坐标机床上，锥形刀可代替圆柱立铣刀侧铣或端铣，特别是对于如图3一8所示的底部狭窄的通道等情况的加工，采用锥形刀可在满足结构空间限制的前提下增加刀具的刚度，从而利于提高加工效率与精度,天津职业技术师范学院,复杂形状零件数控加工工艺方案,二维轮廓加工 刀具的选择 刀具半径R小于朝轮廓内侧弯曲的最小曲率半径min，一般可取R（0.80.9） min。 刀具与零件的接触长度H（1/41/6）R，以保证刀具有足够的刚度。 走刀路径的选择 保证路

13、径的加工精度和表面粗糙度要求 缩短走刀路线，减少进退刀时间和其他辅助时间 方便数值计算，减少编程工作量 尽量减少程序段落,天津职业技术师范学院,天津职业技术师范学院,二 维 型 腔 加 工,型腔是指具有封闭边界轮廓的平底或曲底凹坑，而且可能具有一个或多个不加工的岛屿，当型腔底面为平面时即为二维型腔。 型腔类零件在模具、飞机零件加工中应用普遍，有人甚至认为80%以上的机械加工可归结为型腔加工。 型腔的加工包括型腔区域的加工与轮廓（包括边界与岛屿轮廓）的加工，一般采用立铣刀或环形刀（取决于型腔侧壁与底面间的过渡要求）进行加工。 型腔的切削分两步，第一步切内腔，第二步切轮廓。切轮廓通常又分为粗加工和

14、精加工两步,天津职业技术师范学院,天津职业技术师范学院,二维型腔加工,天津职业技术师范学院,天津职业技术师范学院,天津职业技术师范学院,天津职业技术师范学院,三 坐 标 曲 面 加 工,曲面加工在模具、飞机、动力设备等众多制造部门中具有重要地位，一直是数控加工技术的主要研究与应用对象。曲面加工可在三坐标、四坐标或五坐标数控机床上完成，其中三坐标曲面加工应用最为普遍,天津职业技术师范学院,天津职业技术师范学院,三坐标曲面加工可采用球头刀、平底立铣刀、环形刀、鼓形刀和锥形刀等，其特征是加工过程中刀具轴线方向始终不变，平行于Z坐标轴,天津职业技术师范学院,天津职业技术师范学院,三坐标曲面加工通过逐行

15、加工走刀来完成（称为行切），通过刀具沿各切削行的运动，近似包络出被加工曲面。两相邻切削行刀具轨迹或刀具接触点路经之间的距离称为走刀行距，行距的大小是影响曲面加工质量和效率的重要因素。行距过小将使加工时间成倍增加，同时还导致零件程序的膨胀；行距过大则表面残余高度增大，后续处理工作量加大，整体效率降低。因此，为了既满足加工精度和表面粗糙度的要求，又要有较高的生产效率，应确定合适的加工方案以使在满足残余高度要求的前提下使走刀行距尽可能大,天津职业技术师范学院,天津职业技术师范学院,行 距 的 影 响 因 素 与 优 化 措 施,刀具形状与尺寸：刀具形状与尺寸对加工带的形状有着直接的影响。 零件表面几

16、何形状与安装方位。 走刀进给方向。 允许的表面残余高度要求：允许的表面残余高度越大，则行距越大,天津职业技术师范学院,天津职业技术师范学院,刀具参数、零件形状与安装方位、走刀进给方向对行距的影响存在以下规律,球头刀加工时，零件形状与安装方位及走刀方向的变化对走刀行距的影响较小。 平底刀加工时，行距对零件形状、安装方位及走刀方向的变化非常敏感。 环形刀加工时，其影响规律介于平底刀与球头刀之间。 鼓形刀加工时，行距对零件形状、安装方位及走刀进给方向的变化也很敏感，但与平底刀和环形刀加工时的规律相反,天津职业技术师范学院,天津职业技术师范学院,加大走刀行距以提高加工效率，可采取以下优化措施,合理选择

17、刀具：与球头刀相比，采用平底刀、环形刀或鼓形刀等非球面刀加工不但可改善切削条件，而且还可增大走刀行距。若选择了合适的进给方向和工件安装方位，将可获得较高的加工效率和较好的表面质量。因此，除了凹曲面时为避免干涉而必须采用球头刀加工外，应优先考虑使用非球面刀进行加工以获得较高的加工效率和较好的表面质量。此外，还应选择较大直径的刀具加工以提高刀具刚度和增大行距。 合理选择工件安装方位：平底刀或环形刀加工时，应使工件表面各处法矢与z轴的夹角尽可能小以增大行距，因此应合理地安装工件。此外，在加工凹曲面时选择的工件安装方位应不存在刀具干涉。鼓形刀加工时，应使工件表面各处法矢与z轴的夹角尽可能大以增大行距。

18、 合理选择进给方向：平底刀或环形刀加工时，选择的进给方向应使进给方向角尽可能小。而鼓形刀加工时则相反。此外，应选择曲面曲率较小的方向作为行进给方向，但它对行距的影响比进给方向对行距的影响小,天津职业技术师范学院,天津职业技术师范学院,走 刀 路 线 的 选 择,曲面加工的走刀路线较二维加工要复杂得多，有参数线型、截面线型、放射线型、环型等多种走刀路线方式，对于不同形状的零件采用不同的走刀方式对加工效率、加工质量、编程计算复杂性和零件程序长度等有着重要影响，因此，如何根据曲面形状、刀具形状以及零件加工要求，合理选择走刀路线既是一个十分重要的问题同时也是一个十分复杂的问题，其优化选择的分析方法仍有

19、待进一步的研究,天津职业技术师范学院,天津职业技术师范学院,为加工参数曲面时可采取的三种走刀路线，即沿参数曲面的u向参数线走刀、沿v向参数线走刀和环切走刀。参数线走刀的特点是刀具轨迹的规划和刀位计算简单，适合于参数线分布较均匀的情况。例如，图(a)与图( b)的方案相比，图(a)中的刀具轨迹分布较均匀（与截面线型刀具轨迹基本相当），因而具有较高的加工效率与代码质量。图（c）所示的环切方案则编程相对麻烦，主要应用于边界受限制的零件（如型腔类零件）的加工中。而且，在加工螺旋桨桨叶等类零件时，由于工件刚度小，加工变形问题突出，因此采用从里到外的环切时，刀具切削部位的四周可受到毛坯刚性边框的支持，有利

20、于减小工件在加工过程中的变形。 当工件的边界开敞时，为保证加工的表面质量，应从工件的边界外进刀和退刀，如图(a)和图( b)中所示,天津职业技术师范学院,天津职业技术师范学院,曲 面 粗 加 工,曲面零件的加工一般也需经过粗、半精和精加工过程。 精加工的目的是准确地得到需要的零件形状与尺寸，加工精度是考虑的重点。 粗加工则是从毛坯上快速切除多余的材料，其考虑的事点是加工效率。当零件毛坯与最终零件形状存在较大差别时，其粗加工时间可能长达精加工的510倍以至更多。因此，提高租加工效率对曲面加工效率及降低加工成本具有重要意义,天津职业技术师范学院,天津职业技术师范学院,对刀点与换刀点的确定 所谓对刀是确定工件在机床上的位置，也即是确定工件坐标系与机床坐标系的相互位置关系。 编程误差及其控制 程序编制中产生的误差主要由下述两部分组成： 几何建模误差 逼近误差,天津职业技术师范学院,天津职业技术师范学院,曲面粗加工一般可采用两种方法： 偏置法和层切法,天津职业技术师范学院,天津职业技术师范学院,偏置法适合于毛坯形状与零件形状相似的情况，如铸造与锻造毛坯，否则将产生较多的空行程而影响加工效率，例如图a)所示情况。此时，采用层切法加工是合理的选择。 层切法用一系列假想水