第3章数控加工的工艺设计

第3章数控加工的工艺设计任课教师：舒雨锋教学要求：重点数控加工工艺分析的基本概念；数控加工工艺分析的内容与方法，数控加工工艺文件的制定。难点数控加工工艺文件的制定。教学内容：数控加工工艺的内容及分析数控加工工艺路线的设计数控加工工序的设计编制数控加工技术文件3.1数控加工工艺内容及分析★数控加工工艺分析的重要性1.对于一个零件来说，并非全部加工工艺过程都适合在数控机床上完成，而往往只是其中的一部分工艺内容适合数控加工。2.在数控加工中无论是手工编程还是自动编程，编程以前都要对所加工的零件进行工艺分析，拟定加工方案，选择合适的刀具，确定切削用量。3.在编程中，对一些工艺问题（如对刀点、加工路线等）和图形（如图形的基点、节点等）也需做一些处理。因此程序编制中的工艺分析是一向十分重要的工作。3.1数控加工工艺内容及分析3.1.1机床的合理选用根据国内外数控机床技术应用实践，数控机床加工的适用范围可用图3-1和3-2定性分析。图3-1零件复杂程度与零件批量的关系图3-2零件批量与总加工费用的关系3.1数控加工工艺内容及分析图3-1表明了随零件的复杂程度和生产批量的不同，三种机床适用范围的变化。当零件不太复杂，生产批量不太大时，宜采用通用机床；当生产批量很大时，数控机床就显得更为适用了。图3-2表明了随生产批量的不同，采用三种机床加工时，综合费用的比较。由图可知，在多品种、小批量（100件以下）的生产情况下，使用数控机床可获得较好的经济效益。零件批量的增大，对选用数控机床是不利的。3.1数控加工工艺内容及分析数控机床通常最适合加工具有以下特点的零件1）多品种、小批量生产的零件或新产品试制中的零件。2）轮廓形状复杂，对加工精度要求较高的零件。3）用普通机床加工时，需要有昂贵的工艺装备（工具、夹具和模具）的零件。4）需要多次改型的零件。5）价值昂贵，加工中不允许报废的关键零件。6）需要最短生产周期的急需零件。3.1数控加工工艺内容及分析3.1.2数控加工工艺性分析从数控加工的可能性和方便性两方面分析其工艺性。零件图的尺寸标注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。（2）构成零件轮廓的几何元素的条件应充分。零件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和尺寸。（2）内槽圆角的大小决定着刀具直径的大小，因而内槽圆角半径不应过小。如图3-33.1数控加工工艺内容及分析图3-3数控加工工艺性对比图b与图a相比，转接圆弧半径大，可以采用较大直径的铣刀来加工。加工平面时，进给次数也相应减少，表面加工质量也会好一些，所以工艺性较好。3.1数控加工工艺内容及分析（3）零件铣削底平面时，槽底圆角半径r不应过大，如图3-4所示。（4）应采用统一的基准定位。图3-4零件底面圆弧对加工工艺的影响3.2数控加工工艺路线的设计3.2.1数控加工路线的确定在数控加工中，刀具刀位点相对于工件运动的轨迹称为加工路线。所谓“刀位点”是指刀具对刀时的理论刀尖点。如车刀、镗刀的刀尖；钻头的钻尖；立铣刀、端铣刀刀头底面的中心，球头铣刀的球头中心等。平头铣刀球头铣刀车刀钻头3.2数控加工工艺路线的设计加工路线的确定原则：1）加工路线应保证被加工零件的精度和表面粗糙度，且效率较高。2）使数值计算简单，以减少编程工作量。3）应使加工路线最短，这样既可减少程序段，又可减少空刀时间。此外，确定加工路线时，还要考虑工件的加工余量和机床、刀具的刚度等情况，确定是一次刀，还是多次走刀来完成加工，以及在铣削加工中是采用顺铣还是逆铣等。3.2数控加工工艺路线的设计车削加工路线的确定（1）最短的切削加工路线图3-5为粗车几种不同切削进给路线的安排示意图。在同等条件下，图3-5c其切削所需时间（不含空行程）最短，刀具的损耗最少。图3-5粗车进给路线示例3.2数控加工工艺路线的设计（2）大余量毛坯的阶梯切削加工路线图3-6所示为车削大余量工件两种加工路线，图3-6a是错的阶梯切削路线，图b按1~5的顺序切削，每次切削所留余量相等，是正确的阶梯切削路线。图3-6大余量毛坯的阶梯切削路线3.2数控加工工艺路线的设计（3）完整轮廓的连续切削进给路线零件精加工时，其完整轮廓应由最后一刀连续加工而成，加工刀具的进、退刀位置要考虑妥当，尽量不要在连续的轮廓中安排切入和切出或换刀及停顿，以免因切削力突然变化而造成弹性变性，致使光滑连接轮廓上产生表面划伤、形状突变或滞留刀痕等缺陷。（4）特殊的加工路线例如，当采用尖形车刀加工大圆弧内表面零件时，安排两种不同的进给方法如图3-7所示，其结果是不相同的。图3-8有嵌刀现象，图3-9所示进给方案是较合理的。3.2数控加工工艺路线的设计图3-7两种不同的进给方法图3-8嵌刀现象图3-9合理的进给方案3.2数控加工工艺路线的设计（5）车削螺纹加工路线在车螺纹时，沿螺距方向的进给要有引入距离δ1和超越距离δ2。如图3-10所示。一般δ1为2~5mm，对大螺距和高精度的螺纹取大值；δ2一般取δ1的1/4左右。若螺纹收尾处没有退刀槽时，收尾处的形状与数控系统有关，一般按45°退刀收尾。图3-10车削螺纹时引入距离3.2数控加工工艺路线的设计铣削加工路线的确定（1）顺铣和逆铣当工件表面无硬皮，机床进给机构无间隙时，应选用顺铣；当工件表面有硬皮，机床的进给机构有间隙时，应采用逆铣。3.2数控加工工艺路线的设计图3-11刀具切入和切出外轮廓的加工路线（2）铣削外轮廓的加工路线刀具切入零件时，应沿切削起始点延伸线（图3-11a）或切线方向（图3-11b）逐渐切入工件，保证零件曲线的平滑过渡。同样，在切离工件时，也要沿着切削终点延伸线（图3-11a）或切线方向（图3-11b）逐渐切离工件。3.2数控加工工艺路线的设计（3）铣削内轮廓的加工路线同铣削外轮廓一样，刀具同样不能沿轮廓曲线的法向切入和切出。此时刀具可以沿一过渡圆弧切入和切出工件轮廓。图3-12所示为铣切内圆的加工路线。图3-12刀具切入和切出内轮廓的加工路线3.2数控加工工艺路线的设计（4）铣削内槽的加工路线图3-13所示为加工内槽的三种加工路线。图3-13a和图3-13b分别用行切法和环切法加工内槽。共同点是都能切净内腔中全部面积，不留死角，不伤轮廓，同时尽量减少重复进给的搭接量。不同点是行切法的加工路线比环切法短，但行切法将在每两次进给的起点与终点间留下了残留面积，而达不到所要求的表面粗糙度；用环切法获得的表面粗糙度要好于行切法，但环切法需要逐次向外扩展轮廓线，刀位点计算稍微复杂一些。综合行、环切法的优点，采用图3-13c所示的加工路线，即先用行切法切去中间部分余量，最后用环切法切一刀，既能使总的加工路线较短，又能获得较好的表面粗糙度。3.2数控加工工艺路线的设计图3-13铣内槽的三种加工路线a)行切法b)环切法c)先行切后环切3.2数控加工工艺路线的设计（5）铣削曲面的加工路线采用图3-14a加工方案时，每次沿直线加工，刀位点计算简单，程序少，加工过程复合直纹面的形成，可以准确保证母线的直线度；采用图3-14b加工方案时，符合这类零件数据给出情况，便于加工后检验，叶形的准确度高，但程序较多。图3-14铣曲面的两种加工路线3.2数控加工工艺路线的设计孔加工路线的确定孔加工时，一般是首先将刀具在xy平面内快速定位运动到孔中心线的位置上，然后刀具再沿z向（轴向）运动进行加工。（1）确定xy平面内的加工路线①定位迅速、空行程时间短。如加工图3-15所示零件。图3-15最短加工路线设计示例3.2数控加工工艺路线的设计②定位准确、避免反向间隙对孔位精度的影响。例如，镗削下图3-16a所示零件上的4个孔。图3-16c所示加工路线避免反向间隙的引入，提高了4孔的定位精度。3.2数控加工工艺路线的设计（2）确定z向（轴向）的加工路线刀具在z向的加工路线分为快移进给路线和工作进给路线。图3-17a为单孔加工路线。图3-17b为多孔加工路线。图3-17刀具z向加工路线设计示例—→—快速移动进给路线---→---工作进给路线3.2数控加工工艺路线的设计加工不通孔时，工作进给距离：ZF=Za+H+Tt加工通孔时，工作进给距离：ZF=Za+H+Zo+Tt3.3数控加工工序的设计3.3.1加工方法与加工方案的确定加工方法的选择选择原则：保证加工表面的加工精度和表面粗糙度的要求。1.结合零件的形状、尺寸大小和热处理要求等全面考虑。例如，对于IT7级精度的孔采用镗削、铰削、磨削等加工方法均可达到精度要求，但箱体上的孔一般采用镗削或铰削。一般小尺寸的箱体孔宜选择铰孔，当孔径较大时则应选择镗孔。2.考虑生产率和经济性的要求，以及工厂的生产设备等实际情况。常用加工方法的经济加工精度及粗糙度可查阅有关工艺手册。加工方案的确定根据主要表面的精度和表面的粗糙度的要求，初步确定为达到这些要求所需要的加工方法。例如，对于孔径不大的IT7级精度的孔，最终加工方法取精铰时，则精铰孔前通常要经过钻孔、扩孔和粗铰孔等加工。3.3数控加工工序的设计3.3.2工序与工步的划分数控加工工艺路线设计与普通机床加工工艺路线设计的主要区别,在于它往往不是指从毛坯到成品的整个工艺过程，而仅是几道数控加工工序工艺过程的具体描述。因此在工艺路线设计中一定要注意到，由于数控加工工序一般都穿插于零件加工的整个工艺过程中，因而要与其它加工工艺衔接好。常见工艺流程如右图所示。3.3数控加工工序的设计工序的划分（1）按零件装卡定位方式划分工序。图3-18片状凸轮如图3-18所示的片状凸轮，按定位方式可分为两道工序，第一道工序可在数控机床上也可普通机床上进行。以外圆表面的B平面定位加工端面A和直径φ22H7的内孔，然后再加工端面B和φ4H7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，在另一台数控铣床或加工中心上铣削凸轮外表面轮廓。3.3数控加工工序的设计（2）按粗、精加工划分工序（即先粗加工再精加工）如图3-19所示批量生产的零件，第一道工序在数控车床上进行粗车削时，应切除整个零件的大部分余量；第二道工序在另一台数控车床上进行半、精车削，以保证加工精度和表面粗糙度的要求。图3-19车削加工的零件3.3数控加工工序的设计（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出可能加工的所有部位，然后再换另一把刀加工其他部位。在专用数控机床和加工中心中常采用这种方法。工步的划分先粗后精的原则先面后孔的原则刀具集中的原则3.3数控加工工序的设计3.3数控加工工序的设计1.加工余量的概念3.3.3加工余量加工余量是指加工过程中所切去的金属层厚度工序余量总加工余量2．影响加工余量的因素(1)前工序形成的表面粗糙度和缺陷层深度(Ra和Da)(2)前工序形成的形状误差和位置误差(△x和△w)3．确定加工余量的方法(1)查表修正法(2)经验估计法(3)分析计算法3.3数控加工工序的设计3.3.4加工精度1．加工精度的概念加工精度是加工后零件表面的实际尺寸、形状、位置三种几何参数与图纸要求的理想几何参数的符合程度。加工精度包括三个方面的内容：尺寸精度、形状精度、位置精度2.影响加工精度的因素(1)系统的几何误差①机床的几何误差②加工原理误差③夹具误差④刀具的制造误差及磨损(2)工艺系统的受力变形①切削过程中受力点位置变化引起的加工误差②毛坯加工余量不均，材料硬度变化导致切削力大小变化引起的加工误差——复映误差。3.3数控加工工序的设计(3)工艺系统的热变形工艺系统的热源主要有内部热源和外部热源两大类。减少工艺系统热变形的措施主要有①减少工艺系统的热源及其发热量②加强冷却，提高散热能力③控制温度变化，均衡温度④采用补偿措施⑤改善机床结构⑥注意合理选材(4)工件残余应力引起的误差(5)调整误差(6)数控机床产生误差的独特性①机床重复定位精度的影响②检测反馈装置的影响③刀具误差的影响3.4数控加工技术文件的编制3.4.1工艺文件的制