第6章 加工中心加工工艺

第6章加工中心加工工艺【案例引入】典型盖板类零件如图6-1所示，材料为HT150，加工数量为5000个/年。底平面、两侧面和φ40H8型腔已在前面工序加工完成，试对端盖的4个沉头螺钉孔和2个销孔进行加工中心加工工艺分析。任务制订端盖零件的沉头螺钉孔和销孔的加工中心加工工艺本章知识（或技能）要点1.加工中心的加工特点；2.加工中心的刀具系统3.加工中心加工工艺的主要内容；4.加工中心加工工艺文件的编制；5.制订加工中心加工工艺规程。6-1端盖零件图6.1加工中心简介6.1.1加工中心概述1.加工中心的含义加工中心（machiningcenter,简称MC）是指配备有刀库和自动换刀装置，在一次装卡下可实现多工序（甚至全部工序）加工的数控机床。目前主要有镗铣类加工中心和车削类加工中心两大类。通常我们所说的加工中心是指镗铣类加工中心。镗铣类加工中心是在数控铣床（镗床）的基础上演化而来的，其数控系统能控制机床自动地更换刀具，连续地对工件各加工表面自动进行铣削、钻削、扩削、铰削、镗削、攻丝等多种工序的加工，工序高度集中。2.加工中心的分类（1）按照加工中心的结构方式分类①立式加工中心立式加工中心指主轴轴线为垂直状态设置的加工中心，如图6-2所示。图6-2立式加工中心a）带刀库和机械手的加工中心b）无机械手的加工中心②卧式加工中心卧式加工中心指主轴轴线为水平状态设置的加工中心，如图6-3所示。图6-3卧式加工中心③龙门式加工中心图6-4龙门式加工中心④万能加工中心图6-5万能加工中心⑤虚轴加工中心图6-6虚轴加工中心（2）按换刀形式分类①带刀库、机械手的加工中心加工中心的换刀装置(AutomaticT00lChanger，ATC)是由刀库和机械手组成，换刀机械手完成换刀工作。这是加工中心最普遍采用的形式，如图6-2a）所示。②无机械手的加工中心这种加工中心的换刀是通过刀库和主轴箱的配合动作来完成的，如图6-2b）所示。③转塔刀库式加工中心一般在小型立式加工中心上采用转塔刀库形式，主要以孔加工为主，如图6-7所示。（3）按工作台数量和功能分类加工中心可分为单工作台加工中心、双工作台加工中心和多工作台加工中心。图6-7转塔刀库式加工中心6.1.2加工中心的主要加工对象针对加工中心的工艺特点，加工中心适宜于加工形状复杂、加工内容多、要求较高、需用多种类型的普通机床和众多的工艺装备，且经多次装夹和调整才能完成加工的零件。主要的加工对象有下列几种：1.既有平面又有孔系的零件（1)箱体类零件图6-8热电机车主轴箱体（2)盘、套、板类零件图6-9板类零件2.结构形状复杂、普通机床难以加工的零件（1)凸轮类零件（2)整体叶轮类图6-10轴向压缩机涡轮（3)模具类常见的模具有锻压模具、铸造模具、注塑模具及橡胶模具等。3.外形不规则的异形零件异形件是指支架、基座、样板、靠模等这一类外形不规则的零件。例如图6-11所示的异形支架，这类零件大多需要点、线、面多工位混合加工。图6-11异形零件6.1.3加工中心的刀具系统加工中心和数控铣床上使用的刀具由刃具和刀柄两部分组成。刃具包括铣刀、钻头、扩孔钻、镗刀、铰刀和丝锥等。刀柄是机床主轴与刀具之间的连接工具，应满足机床主轴的自动松开和夹紧定位，准确安装各种切削刃具、适应机械手的夹持和搬运、储存和识别刀库中各种刀具的要求。1.刀柄的结构刀柄的结构现已系列化、标准化，其标准有很多种，见表6-1所示。表6-1工具柄部型式代号代号工具柄部型式JT自动换刀机床用7：24圆锥工具柄GB/T10944-89BT自动换刀机床用7：24圆锥BT型工具柄JISB6339ST手动换刀机床用7：24圆锥工具柄GB/T3837.3-83MT带扁尾莫氏圆锥工具柄GB/T1443-85MW带扁尾莫氏圆锥工具柄GB/T1443-85ZB直柄工具柄GB/T6131-85图6-12加工中心/数控铣床7:24圆锥工具柄结构图6-13A型拉钉结构图6-14B型拉钉结构2.镗铣类工具系统由于在加工中心和数控铣床上要适应多种形式零件不同部位的加工，故刀具装夹部分的结构、形式、尺寸也是多种多样的。把通用性较强的几种装夹工具（例如装夹铣刀、镗刀、铰刀、钻头和丝锥等）系列化、标准化就发展成为不同结构的镗铣类工具系统。镗铣类工具系统一般分为整体式结构和模块式结构两大类。（1）整体式工具系统整体式工具系统把工具柄部和装夹刀具的工作部分做成一体。不同品种和规格的工作部分都必须带有与机床主轴相连接的柄部。其优点是：结构简单，使用方便、可靠，更换迅速等。缺点是所用的刀柄规格品种和数量较多。图6-15为TSG工具系统图，表6-2为TSG工具系统用途代号的含义。图6-15TSG工具系统图表6-2TSG工具系统用途代号的含义代号代号的含义代号代号的含义代号代号的含义J装接长刀杆用锥柄KJ用于装扩、铰刀TF浮动镗刀Q弹簧夹头BS倍速夹头TK可调镗刀头KH7：24锥柄快换夹头H倒锪端面刀X用于装铣削刀具Z(J)用于装钻夹头（莫氏锥度注J）T镗孔刀具XS装三面刃铣刀MW装无扁尾莫氏锥柄刀具TZ直角镗刀XM装面铣刀M装有扁尾莫氏锥柄刀具TQW倾斜型微调镗刀XDZ装直角端铣刀G攻螺纹夹头TQC倾斜型粗镗刀XD装端铣刀C切内槽刀具TZC直角型粗镗刀注：用数字表示工具的规格，其含义随工具不同而异：对于有些工具，该数字为轮廓尺寸（D-L）；对另一些工具，该数字表示应用范围；还有表示其他参数值的，如锥度号等。（2）模块式工具系统把工具的柄部和工作部分分开，制成系统化的主柄模块、中间模块和工作模块，每类模块中又分为若干小类和规格，然后用不同规格的中间模块，组装成不同用途、不同规格的模块式工具。这样既方便了制造，也方便了使用和保管，大大减少了用户的工具储备。目前，模块式工具系统已成为数控加工刀具发展的方向。图6-16为TMG工具系统的示意图。图6-16TMG工具系统示意图6.2加工中心加工工艺的主要内容6.2.1零件图的工艺分析1.加工中心加工内容的选择一般选择下列表面在加工中心上加工：（1）尺寸精度要求较高的表面。（2）相互位置精度要求较高的表面。需要多次调整的工件必须在一次装夹中完成各工序的表面。（3）普通机床加工难以保证的复杂曲线、曲面或难以通过测量调整进给的不够敞开的复杂型腔表面。（4）能够集中在一次装夹中合并完成的多工序（或工步）表面。在选择和决定加工中心的加工内容时，还要考虑生产批量、生产周期以及工序间的周转情况等，要合理利用加工中心，以达到产品质量、生产率及综合经济效益都为最佳的目的。2.加工中心加工零件的结构工艺性分析结构工艺性除应符合第五章数控铣削结构工艺性外，还应具备以下几点要求：（1）切削余量要小，以减少切削时间，降低加工成本。（2）零件上孔和螺纹孔的尺寸规格尽可能少，以减少相应刀具的数量和换刀时间，同时防止刀库容量不够。（3）零件的尺寸尽量标准化，以便采用标准刀具。（4）零件加工表面应具有加工的方便性和可能性。（5）零件的刚性应足够，以减少夹紧和切削中的变形。表6-3列出了部分零件的孔加工工艺性对比实例。6.2.2加工阶段的划分和加工顺序的安排1.加工阶段的划分在加工中心上加工，加工阶段的划分主要依据工件的精度要求确定，同时还需考虑到生产批量、毛坯质量、加工中心的加工条件等因素。①一般情况下，在加工中心上加工的零件已经过粗加工，加工中心只是完成最后的精加工，因此，可以不划分加工阶段。②对零件的加工精度要求不高，而毛坯质量较高、加工余量不大、生产批量又很小的零件，则可在加工中心上利用加工中心的良好冷却系统，把粗、精加工合并进行，完成加工工序的全部内容，但粗、精加工应划分成两道工序分别完成。在加工过程中，对于刚性较差的零件，可采取相应的工艺措施，如粗加工后安排暂停指令，由操作者将压板等夹紧元件（装置）稍稍放松一些，以恢复零件的弹性变形，然后再用较小夹紧力将零件夹紧，最后再进行精加工。2.加工顺序的安排①在安排加工顺序时同样要遵循“基面先行”、“先面后孔”、“先主后次”及“先粗后精”的一般工艺原则。②若零件的尺寸精度要求较高，考虑零件尺寸精度、零件刚性和变形等因素，则采用同一表面粗加工—半精加工—精加工顺序完成。③若零件的加工位置精度要求较高，则全部加工表面按先粗加工，然后半精加工、最后精加工的顺序分开进行。④在不影响加工精度的前提下，为了减少换刀次数、空行程和不必要的定位误差，应采取刀具集中的原则安排加工顺序。刀具集中原则是指一把刀具将零件上所有由该刀具加工的表面全部加工完后，再换下一把刀具进行加工。⑤对于同轴度要求很高的孔系，不能采取刀具集中原则。应该在一次定位后，通过顺序连续换刀，顺序连续加工完该同轴孔系的全部孔后，再加工其他坐标位置孔，以提高孔系同轴度。⑥对于既有铣面又有镗孔的零件应先铣后镗，以提高孔的加工精度。因为铣削时，切削力较大，工件易发生变形。先铣面后镗孔，使其有一段时间恢复，减少由变形引起的对孔的精度的影响。反之，如果先镗孔后铣面，则铣削时，必然在孔口产生飞边、毛刺，从而破坏孔的精度。⑦每道工序尽量减少刀具的空行程移动量，按最短路线安排加工表面的加工顺序。6.2.3装夹方案的确定1.定位基准的选择加工中心定位基准的选择，主要注意以下几方面：①尽量选择零件上的设计基准作为定位基准，可避免基准不重合误差，提高零件的加工精度。②保证一次装夹中完成尽可能多的加工内容。为此，需考虑便于各个表面都能被加工的定位方式，如对箱体类零件加工，最好采用“一面两销（孔）”的定位方案，以便刀具对其他表面进行加工，若工件上没有合适的孔，可增加工艺孔进行定位。③当零件的定位基准与设计基准不能重合，且加工面与其设计基准又不能在一次装夹中同时加工时，应认真分析装配图样，确定该零件设计基准的设计功能，通过尺寸链的计算，严格规定定位基准与设计基准间的公差范围，确保加工精度。④批量生产时，零件定位基准应尽可能与对刀基准重合，以减少对刀误差。但在单件加工时（每加工一件对一次刀），工件坐标系原点和对刀基准的选择应主要考虑便于编程和测量，可不与定位基准重合。如图6-17所示零件，在加工中心上单件加工4×￠25H7孔。4×￠25H7孔都以￠80H7孔为设计基准，编程原点应选在￠80H7孔中心上，加工时以￠80H7孔中心为对刀基准建立工件坐标系，而定位基准为A、B两面，定位基准与对刀基准和编程原点不重合，这样的加工方案同样能保证各项精度。但批量加工时，工件采用A、B面为定位基准，即使将编程原点选在￠80H7孔中心上并按￠80H7孔中心对刀，仍会产生基准不重合误差。因为再安装的工件的￠80H7孔中心的位置是变动的。图6-17工件坐标系原点的确定⑤必须多次装夹时应遵从基准统一原则。如图6-18所示的铣头体，其中￠80H7、￠80K6、￠90K6、￠95H7、￠140H7孔及D-E孔两端面要在卧式加工中心上加工，显然必须经两次装夹才能完成上述孔和面的加工。第一次装夹加工￠80K6、￠90K6、￠80H7孔及D-E孔两端面；第二次装夹加工￠95H7及￠140H7孔。为保证孔与孔之间、孔与面之间的相互位置精度，应选用同一定位基准。根据该零件的结构及技术要求，可选A面和A面上2×￠16H6孔作为一面两孔的定位基准，这样可减少因定位基准转换而引起的定位误差。图6-18铣头体2.夹具的选择加工中心常用的夹具包括通用夹具、组合夹具和专用夹具等。一般夹具的选择顺序是：在单件生产中尽可能采用通用夹具；批量生产时优先考虑组合夹具，其次考虑可调夹具，最后考虑成组夹具和专用夹具；当装夹精度要求很高时，可配置工件统一基准定位装夹系统。6.2.4加工方法选择在加工中心上可以采用铣削、钻削、扩削、铰削、镗削和攻螺纹等加工方法，完成平面、平面轮廓、曲面、孔和螺纹等加工，所选加工方法要与零件的表面特征、所要达到的精度及表面粗糙度相适应。1.平面、平面轮廓及曲面在铣镗类加工中心上的加工方法就是铣削，见第五章。2.孔加工的方法加工中心有钻孔、扩孔，锪孔、铰孔、镗孔及铣孔等孔加工方式。孔的具体加工方案可按下述方法确定：①对于直径小于￠30mm