第7章---加工中心及其加工工艺

学习目的和要求：1、了解加工中心的加工原理及工艺特点2、了解加工中心的主要加工对象3、掌握加工中心加工工艺方案的制订方法4、能够分析加工中心加工典型零件的加工工艺第7章加工中心及其加工工艺7.1加工中心加工工艺概述第7章加工中心及其加工工艺本章主要内容如下：7.2加工中心加工工艺的制订7.3典型零件的加工中心加工工艺分析实例7.1加工中心加工工艺概述7．1．1加工中心的主要特点及功能加工中心（MC，MachineCenter）是一种备有刀库并能通过程序或手动控制自动刀具交换装置(AutmaticToolsChanger)自动更换刀具对工件进行多工序加工的数控机床。(1)加工中心是在数控铣床的基础上增加有存放着不同数量的各种刀具或检具的刀库和自动换刀装置，在加工过程中能够由程序或手动控制自动选择和更换刀具，工件在一次装夹中，可以连续进行钻孔、扩孔、铰孔、镗孔、攻螺纹以及铣削等多工步的加工，工序高度集中。(2)加工中心通常具有多个进给轴（三轴以上），甚至多个主轴，联动的轴数也较多，最少可实现三轴联动控制，实现刀具运动直线插补和圆弧插补，多的可实现五轴联动、六轴联动、七轴联动以及螺旋线插补。因此可使工件在一次装夹后，自动完成多个平面和多个角度位置的多工序加工，实现复杂零件的高精度定位和精确加工。(3)加工中心上如果带有自动交换工作台，一个工件在工作位置的工作台上进行加工的同时，另一工件在装卸位置的工作台上进行装卸，大大缩短了辅助时间，提高加工效率。刀库种类a)转塔式b)圆盘式径向取刀c)圆盘式轴向取刀d)圆盘式顶端型e)链式f)格子式7．1．2加工中心的分类1．按照机床主要结构分类（1）立式加工中心指主轴轴心线为垂直状态设置的加工中心。其结构形式多为固定立柱式，工作台为长方形，无分度回转功能，适合加工盘、套、板类零件。一般具有三个直线运动坐标，并可在工作台上安装一个水平轴的数控回转台，用以加工螺旋线类零件。对于五轴联动的立式加工中心，可以加工汽轮机叶片、模具等复杂零件。指主轴轴心线为水平状态设置的加工中心。卧式加工中心一般都具有3个至5个运动坐标，常见的是三个直线运动坐标（沿x、y、z轴方向）加一个回转运动坐标（回转工作台），它能够使工件在一次装夹后完成除安装面和顶面以外的其余四个面的加工，最适合加工复杂的箱体类零件。(2)卧式加工中心(3)龙门式加工中心主轴多为垂直设置，除自动换刀装置以外，还带有可更换的主轴头附件，数控装置的软件功能也较齐全，能够一机多用，尤其适用于大型或形状复杂的工件，如飞机上的梁、框、壁板等。(4)复合加工中心指立、卧两用加工中心，即具有立式加工中心的功能，又有卧式加工中心的功能，工件一次安装后能完成除安装面外的所有侧面和顶面等五个面的加工，又称立卧式加工中心、万能加工中心或五面加工中心。2．按照换刀形式分类(1)带刀库、机械手的加工中心加工中心的换刀装置是由刀库和机械手组成，换刀机械手完成换刀工作。(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。一般是采用把刀库放在主轴箱可以运动到的位置，或整个刀库或某一刀位能移动到主轴箱可以到达的位置。刀库中刀具的存放位置方向与主轴装刀方向一致。换刀时，主轴运动到刀位上的换刀位置，由主轴直接取走或放回刀具。多用于采用40号以下刀柄的中小型加工中心。(3)转塔刀库加工中心小型立式加工中心常采用转塔刀库形式，直接由转塔刀库旋转完成换刀。这类加工中心主要以孔加工为主。3．按照加工精度分类(1)普通加工中心这类加工中心分辨率为1μm，最大进给速度为15m／min～25m／min，定位精度为10μm左右。(2)高精度加工中心这类加工中心分辨率为0.1μm。最大进给速度为15m/min～100m/min，定位精度为2μm左右。(3)精密加工中心指定位精度介于2μm～10μm之间的加工中心。对于不同加工精度要求的工件，应选用与之相适应的加工中心。考虑机床加工精度的预留量，零件实际加工出的精度数值一般为机床定位精度的1.5倍～2倍。7．1．3加工中心的工艺特点1．加工精度高2．精度稳定3．效率高4．表面质量好5．软件适应性大1一床身2一滑座3-工作台4一润滑油箱5一立柱6一数控柜7-刀库8一机械手9一主轴箱10一主轴11一驱动电柜12一按钮站JCS一018立式镗铣加工中心1．既有平面又有孔系的零件（1）箱体类零件箱体类零件是指具有一个以上孔系，内部有一定型腔，在长、宽、高方向有一定比例的零件。对于加工工位较多，工作台需多次旋转角度才能完成的零件，一般选用卧式加工中心；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。（2）盘、套、板类零件这类零件带有键槽、端面上有平面、曲面和孔系，径向也常分布一些径向孔。加工部位集中在单一端面上的盘、套、板类零件宜选择立式加工中心，加工部位不是位于同一方向表面上的零件宜选择卧式加工中心。7．1．4加工中心的主要加工对象2．结构形状复杂、普通机床难加工的零件主要表面是由复杂曲线、曲面组成的零件，加工时，需要多坐标联动加工。（1）凸轮类根据表面的复杂程度，选用三轴、四轴或五轴联动的加工中心。（2）整体叶轮类存在许多特殊的加工难点，如通道狭窄；刀具很容易与加工表面和邻近曲面产生干涉。加工这样的型面，可采用四轴以上联动的加工中心。轴向压缩机涡轮连杆锻压模简图3．外形不规则的异形零件异形零件是外形不规则的零件，大多要点、线、面多工位混合加工，如支架、基座、样板、靠模等。异形零件的刚性一般较差，夹压及切削变形难以控制，加工精度也难以保证。利用加工中心多工位点、线、面混合加工的特点，可以完成大部分甚至全部工序内容。实践证明，利用加工中心加工异形零件时，形状越复杂，精度要求越高，越能显示其优越性。a)支架b)拨叉7．2．1加工中心加工内容的选择加工内容选择是指在零件选定之后，选择零件上适合加工中心加工的表面。这种表面通常是：（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。（3）不便于普通机床加工的复杂曲线、曲面。（4）能够集中加工的表面。7．2加工中心加工工艺的制订1．加工中心零件结构的工艺性分析（1）零件的切削加工量要小，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、铰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方便性和可能性。（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。7．2．2加工中心加工零件的工艺分析零件的孔加工工艺性对比实例序号A工艺性差的结构B工艺性好的结构说明lA结构不便引进刀具，难以实现孔的加工2B结构可避免钻头钻入和钻出时因工件表面倾斜而造成引偏或断损3B结构节省材料，减小了质量，还避免了深孔加工4A结构不能采用标准丝锥攻螺纹5B结构减少配合孔的加工面积6B结构孔径从一个方向递减或从两个方向递减，便于加工7B结构可减少深孔的螺纹加工8B结构刚性好2．加工中心定位基准的选择（1）尽量选择零件上的设计基准作为定位基准。（2）一次装夹就能够完成全部关键精度部位的加工。（3）当在加工中心上既加工基准又完成各工位的加工时，其定位基准的选择需考虑完成尽可能多的加工内容。（4）当零件的定位基准与设计基准难以重合时，应认真分析装配图纸，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。对于带有自动测量功能的加工中心，可在工艺中安排坐标系测量检查工步，即每个零件加工前由程序自动控制用测头检测设计基准，系统自动计算并修正坐标系，从而确保各加工部位与设计基准间的几何关系。图示铣头体中φ80H7、φ80K6、φ90K6、φ95H7、φ140H7孔及D-E孔两端面要在加工中心上加工。下图所示的电动机端盖，在加工中心上一次安装可完成所有加工端面及孔的加工。但表面上无合适的定位基准，因此，在分析零件图时，可向设计部门提出，改成图b所示的结构，增加三个工艺凸台，以此作为定位基准。a)b)7．2．3加工中心加工方案的选择1．平面、平面轮廓及曲面加工平面、平面轮廓及曲面加工在镗铣类加工中心上唯一的加工方法是铣削。经粗铣的平面，尺寸精度可达IT12～IT14级(指两平面之间的尺寸)，表面组糙度Ra值可达12.5～50μm。经粗、精铣的平面，尺寸精度可达IT7～IT9级，表面粗糙度Ra值可达1.6～3.2μm。2．孔加工（1）对于直径大于ф30mm的已铸出或锻出毛坯孔的孔加工，一般采用粗镗-半精镗-孔口倒角-精镗加工方案，孔径较大的可采用立铣刀粗铣-精铣加工方案。有空刀槽时可用锯片铣刀在半精镗之后、精镗之前铣削完成，也可用镗刀进行单刀镗削，但单刀镗削效率低。（2）对于直径小于ф30mm的无毛坯孔的孔加工，通常采用锪平端面-打中心孔-钻-扩-孔口倒角-铰加工方案，有同轴度要求的小孔，须采用锪平端面-打中心孔-钻-半精镗-孔口倒角—精镗(或铰)加工方案。为提高孔的位置精度，在钻孔工步前须安排锪平端面和打中心孔工步。孔口倒角安排在半精加工之后、精加工之前，以防孔内产生毛刺。3．螺纹的加工螺纹的加工根据孔径大小，一般情况下，直径在M6～M20之间的螺纹，通常采用攻螺纹方法加工。直径在M6以下的螺纹，可在加工中心上完成底孔加工，再通过其它手段攻螺纹，因为在加工中心上攻螺纹不能随机控制加工状态，小直径丝锥容易折断。直径在M20以上的内螺纹，可采用镗刀片镗削加工或铣削加工。另外，还可铣外螺纹。铣螺纹7．2．4加工中心加工路线（1）加工质量要求较高的零件对加工质量要求较高的零件，若其主要表面在上加工中心加工之前没有经过粗加工，则应尽量将粗、精加工分开进行。使零件粗加工后有一段自然时效过程，以消除残余应力和恢复切削力、夹紧力引起的弹性变形、切削热引起的热变形，必要时还可以安排人工时效处理，最后通过精加工消除各种变形。（2）加工精度要求不高对加工精度要求不高，而毛坯质量较高，加工余量不大，生产批量很小的零件或新产品试制中的零件，利用加工中心的良好的冷却系统，可把粗、精加工合并进行。但粗、精加工应划分成两道工序分别完成。粗加工用较大的夹紧力，精加工用较小的夹紧力。1。加工中心加工阶段的划分2．加工中心加工顺序的安排加工中心上加工零件，一般都有多个工步，使用多把刀具，因此加工顺序安排得是否合理，直接影响到加工精度、加工效率、刀具数量和经济效益。在安排加工顺序时同样要遵循“基面先行”、“先粗后精”、“先主后次”及“先面后孔”的一般工艺原则。此外还应考虑：1．减少换刀次数，节省辅助时间一般情况下，每换一把新的刀具后，应通过移动坐标，回转工作台等将由该刀具切削的所有表面全部完成。2．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安排加工顺序时可参照采用粗铣大平面-粗镗孔、半精镗孔-立铣刀加工-加工中心孔-钻孔-攻螺纹-平面和孔精加工(精铣、铰、镗等)的加工顺序。（1）．孔加工时进给路线的确定1）确定xy平面内的进给路线①定位要迅速。对于圆周均布孔系的加工路线，要求定位精度高，定位过程尽可能快，则需在刀具不与工件、夹具和机床碰撞的前提下，应使进给路线最短，减少刀具空行程时间或切削进给时间，提高加工效率。②定位要准确。对于位置精度要求高的孔系加工的零件，安排进给路线时，一定要注意孔的加工顺序的安排和定位方向的一致，即采用单向趋近定位点的方法，要避免机械进给系统反向间隙对孔位精度的影响。定位迅速和定位准确有时两者难以同时满足。这时应抓主要矛盾，若按最短路线进给能保证定位精度，则取最短路线，反之，应取能保证定位准确的路线。3．进给路线的确定圆周均布孔的最短进给路线设计示例孔系的准确定位进给路线设计示例2）确定z向(轴向)的进给路线刀具在z向的进给路线分为快速移动进给路线和工作进给路线。刀具先从初始平面快速运动到距工件加工表面一定距离的R平面(距工件加工表面一切入距离的平面)上，然后按工作进给速度运动进行加工。刀具z向进给路线设计