第七章-加工中心加工工艺

第七章加工中心加工工艺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自动更换刀具对工件进行多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。(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)格子式相对于普通机床，加工中心有以下工艺特点：（1）可减少工件的装夹次数，消除因多次装夹带来的定位误差，提高加工精度。（2）可减少机床数量，并相应减少操作工人，节省占用的车间面积。（3）可减少周转次数和运输工作量，缩短生产周期。（4）在制品量数量少，简化生产调度和管理。（5）使用各种刀具进行多工序集中加工，在进行工艺设计时要处理好刀具在换刀及加工时与工件，夹具甚至机床相关部位的干涉问题。（6）若在加工中心上连续进行加工和精加工，夹具既要能适应粗加工时切削力大，高刚度，夹紧力大的要求，又须适应精加工时定位精度高，零件夹紧变形尽可能小的要求。（7）由于采用自动换刀和自动回转工作台进行多工位加工，决定了卧式加工中心只能进行悬臂加工。（8）多工序的集中加工，要及时处理切屑。（9）在将毛坯加工为成品的过程中，零件不能进行时效，内应力难以消除。（10）技术复杂，对使用，维修，管理要求较高，要求操作者具有较高的技术水平。（11）加工中心一次性投资大，还需配置其他辅助装置。机床的加工工时费用高，如果零件选择不当，会增加加工成本。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。加工中心的传动系统和主要结构JCS—018A型立式加工中心外观图1-X轴的直流伺服电动机2-换刀机械手3-数控柜4-盘式刀库5-主轴箱6-操作面板7-驱动电源柜8-工作台9-滑座10-床身1．机床传动系统电动机与滚珠丝杠的连接结构（1）主运动传动系统主轴电动机采用FANUCAC12型交流伺服电动机，通过一对同步带轮将运动传给主轴，使主轴在22.5～2250r/min转速范围内可以实现无级调速。（2）进给系统传动系统JCS-018A机床的X、Y、Z三个坐标轴的进给运动分别由三台功率为1.4kw的FANUC-BESKDC15型直流伺服电动机直接带动滚珠丝杠旋转。为了保证各轴的进给传动系统有较高的传动精度，电动机轴和滚珠丝杠之间均采用了锥环无键连接和高精度十字联轴器的连接结构。图为Z轴进给装置中电动机与丝杠连接的局部视图1-电动机2-电动机轴3-轴套34-锥环5-联轴节56-轴套67-丝杠2．主轴箱（1）主轴结构（2）刀具的自动夹紧机构JCS-018A主轴箱结构简图1—主轴2—拉钉3—钢球4—前支承5—螺母6—后支承7—拉杆8—蝶形弹簧9—弹簧10—活塞11—液压缸（3）主轴准停装置主轴准停装置原理图1-主轴定向指令2-强电时序电路3-主轴伺服单元4-主轴电动机5-同步齿形带6-位置控制回路7-主轴端面键8-蝶形弹簧9-发磁体10-磁传感器11-放大器12-定向电路机床的切削扭矩由主轴上的端面键来传递，每次机械手自动装取刀具时必须保证刀柄上的键槽对准主轴的端面键，这就要求主轴具有准确定位的功能。为满足主轴这一功能而设计的装置称为主轴准停装置或称为主轴定向装置。3.刀库结构（1）自动换刀过程自动换刀过程示意图1—机械手2—刀库3—主轴4—刀套5—刀具①刀套下转90°②机械手转75°③刀具松开④机械手拔刀⑤交换两刀具位置⑥机械手插刀⑦刀具夹紧⑧机械手转180°⑨机械手反转75°⑩刀套上转90°（2）刀库结构JCS-018A刀库结构简图1-直流伺服电动机2-十字联轴节3-蜗轮4-蜗杆5-气缸6-活塞杆7-拨叉8-螺杆9-位置开关10-定位开关11-滚子12-销轴13-刀套14-刀盘刀套的结构JCS-018A刀套结构图1-弹簧2-螺纹套3-球头销钉4-刀套5-滚子6-销轴7-滚子4．机械手结构（1）机械手的结构及动作过程JCS-018A机械手传动结构示意图1-位置开关2-挡环3-位置开关4-齿轮5-连接盘6-挡环7-位置开关8-销子9-位置开关10-传动盘11-齿轮12-挡环13-位置开关14-位置开关15-液压缸16-机械手臂轴17-齿条18-液压缸19-齿条20-液压缸21-机械手机械手传动结构局部视图1-齿轮2-机械手臂轴3-连接盘4-销子5-传动盘6-销子7-齿条8-活塞杆（2）机械手抓刀部分的结构机械手抓刀部分的结构1-手臂2-弹簧3-锁紧销4-弹簧5-活动销6-锥销7-手爪8-长销这类零件端面上有平面、曲面和孔系，径向也常分布一些径向孔，如图所示的十字盘。一、既有平面又有孔系的零件（1）箱体类零件7.1.2加工中心的主要加工对象（2）盘、套、板类零件二、结构形状复杂、普通机床难加工的零件（1）凸轮类图所示为连杆锻压模具。（2）整体叶轮类（3）模具类三、外形不规则的异形零件异形零件是指如图所示的支架、拨叉这一类外形不规则的零件，大多要点、线、面多工位混合加工。四、周期性投产的零件用加工中心加工零件时，所需工时主要包括基本时间和准备时间，其中，准备时间占很大比例。例如工艺准备、程序编制、零件首件试切等，这些时间往往是单件基本时间的几十倍。五、加工精度要求较高的中小批量零件针对加工中心加工精度高，尺寸稳定的特点，对加工精度要求较高的中小批量零件，选择加工中心加工，容易获得所要求的尺寸精度和形状位置精度，并可得到很好的互换性。六、新产品试件中的零件在新产品定型之前，需经反复试验和改进。选择加工中心试制，可省去许多通用机床加工所需的试制工装。当零件被修改时，只需修改相应的程序及适当地调整夹具、刀具即可，节省了费用，缩短了试制周期。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加工中心加工工艺分析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性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加工中心加工工艺路线的拟订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。加工方法的选择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