1、数控加工技术数控加工技术长春理工大学机电工程学院2022-12-1622022-12-162第四章第四章 数控铣床与加工中心的程序编制数控铣床与加工中心的程序编制 数控铣床是一种加工功能很强的数控机床，由于数控铣削工艺较为复杂，需要解决的技术问题也较多，因此，在研究数控机床加工程序编制时，数控铣削加工是一项重点内容。目前，迅速发展起来的加工中心、柔性加工单元等都是在数控铣床的基础上产生的，两者都离不开铣削方式。由于数控铣床加工和加工中心有许多共性问题，因而本章将以数控铣床的加工程序编制为基础，结合加工中心的编程特点，重点讨论加工程序编制的基本方法。第一节第一节 程序编制的基础程序编制的基础第二
2、节第二节 编程的基本方法编程的基本方法第三节第三节 图形的数学出处理图形的数学出处理第四节第四节 典型零件的程序编制典型零件的程序编制2长春理工大学机电工程学院2022-12-162022-12-1632022-12-163第一节第一节 程序编制的基础程序编制的基础一、机床的主要功能及加工对象一、机床的主要功能及加工对象二、工艺装备的特点二、工艺装备的特点三、加工工艺性分析三、加工工艺性分析四、零件的加工工艺设计四、零件的加工工艺设计五、起始平面、返回平面、进刀平面、退刀平面及安全平面的确定五、起始平面、返回平面、进刀平面、退刀平面及安全平面的确定六、切削方向、切削方式的确定六、切削方向、切削
3、方式的确定2022-12-16长春理工大学机电工程学院32022-12-1642022-12-164一、机床的主要功能及加工对象一、机床的主要功能及加工对象1机床主要功能 数控铣床、加工中心像通用铣床一样分为立式、卧式和立卧两用式，其加工功能丰富，各类机床配置的数控系统虽不尽相同，但其主要功能是相同的。数控铣床可进行铣削、钻削、镗削、螺纹等加工。加工中心相对于数控铣床的最大特点是通过自动换刀来实现工序或工步集中，因而加工中心不仅能完成数控铣床的加工内容，更适合于形状复杂、工序多、精度要求高、需用多种类型通用机床经过多次装夹才能完成加工的零件。立式加工中心主要用于Z轴方向尺寸相对较小的零件加工；
4、卧式加工中心一般具有回转工作台，特别适合于箱体类零件的加工，一次装夹，可加工箱体的四个表面；立卧两用式加工中心主轴方向能作角度旋转，零件一次装夹后，能完成除定位基准面外的五个面的加工。数控铣床一般具有下列主要功能：（1）点位控制功能、（2）连续轮廓控制功能、（3）刀具半径自动补偿功能 （4）刀具长度补偿功能、（5）镜像、比例及旋转加工功能、（6）固定循环功能、（7）特殊功能2.加工工艺范围 铣削是机械加工中最常用的加工方法之一，它主要包括平面铣削和轮廓铣削，也可以对零件进行钻、扩、锪、铰和镗孔加工与螺纹等。在铣削加工中，它特别适用于加工下列几类零件：（1）平面类零件、（2）变斜角类零件、（3）
5、曲面类（立体类）零件2022-12-16长春理工大学机电工程学院42022-12-1652022-12-165（1）点位控制功能 利用点位控制功能，数控铣床可以进行只需要做点位控制的钻孔、扩孔、锪孔、铰孔和镗孔等加工。2022-12-16长春理工大学机电工程学院52022-12-1662022-12-166（2）连续轮廓控制功能 数控铣床通过直线插补和圆弧插补，可以实现对刀具运动轨迹的连续轮廓控制，加工出有直线和圆弧两种几何要素构成的平面轮廓工件。对非圆曲线（椭圆、抛物线、双曲线等二次曲线及对数螺旋线、阿基米德螺旋线和列表曲线等）构成的平面轮廓，在经过直线或圆弧逼近后也可以加工。除此之外，还可
6、以加工一些空间曲线。2022-12-16长春理工大学机电工程学院62022-12-1672022-12-167（3）刀具半径自动补偿功能 各数控铣床大都具有半径补偿功能，为程序的编制提供方便。总的来说，该功能有以下几方面的用途：在编程时可以很方便地按工件实际轮廓形状和尺寸进行编程计算，而加工中使刀具中心自动偏离工件轮廓一个刀具半径，加工出符合要求的轮廓表面。通过改变刀具半径补偿量的方法来弥补铣刀制造的尺寸精度误差，扩大刀具直径选用范围和刀具返修刃磨得允许误差。以同一加工程序实现分层铣削和粗、精加工或用于提高加工精度。通过改变刀具半径补偿值的正负号，可以用同一加工程序加工需要相互配合的工件，如相
7、互配合的凸凹模等。2022-12-16长春理工大学机电工程学院72022-12-1682022-12-168（4）刀具长度补偿功能 利用该功能可以自动改变切削平面高度，同时可以降低在制造与返修时对刀具长度尺寸的精度要求，还可以弥补轴向对刀误差。2022-12-16长春理工大学机电工程学院82022-12-1692022-12-169（5）镜像、比例及旋转加工功能 镜像加工也称轴对称加工，对于一个轴对称形状的工件来说，利用这一功能，只要编出一个或两个象限的程序，而其余象限的轮廓可以通过镜像加工来实现。比例功能可将编好的加工程序按指定比例改变坐标值执行。旋转功能可将编好的加工程序在加工平面内旋转任
8、意角度执行。2022-12-16长春理工大学机电工程学院92022-12-16102022-12-1610（6）固定循环功能 利用数控铣床对孔进行钻、扩、锪和镗孔加工时，加工的基本动作是：刀具无切削快速到达孔位慢速切削进给快速退回。对于这种典型化动作，可以专门设计一段程序（子程序）。在需要的时候进行调用来实现上述加工循环。特别是在加工许多相同的孔，应用固定循环功能可以大大简化程序。利用数控铣床的连续轮廓控制功能时，也常常遇到一些典型化的动作，如铣整圆、方槽等，也可以实现循环加工。对于大小不等的同类几何形状（圆、矩形、三角形、平行四边形等），也可以用参数方式编制出加工个种几何形状的子程序，在加工
9、中按需要调用，并对子程序中设定的参数随时赋值，就可以加工出大小不同或形状不同的工件轮廓及孔径、孔深不同的孔。目前，已有不少数控铣床的数控系统附带有各种已编好的子程序库，并可以进行多重嵌套，用户可以直接加以调用，编程就更加方便。2022-12-16长春理工大学机电工程学院102022-12-16112022-12-1611（7）特殊功能 有些数控铣床在增加了计算机仿形加工装置后，可以在数控和靠模两种控制方式中任选一种来进行加工，从而扩大了机床使用范围。具备自适应功能的数控铣床可以在加工过程中把感受到的切削状况（如切削力、温度等）的变化，通过适应性控制系统及时控制机床改变切削用量，使铣床及刀具始终
10、保持最佳状态，从而可获得较高的切削效率和加工质量，延长刀具使用寿命。数控铣床在配置了数据采集系统后，就具备了数据采集功能。数据采集系统可以通过传感器（通常为电磁感应式、红外线或激光扫描式）对工件或实物依据（样板、模型等）进行测量和采集所需要的数据。而且，目前已出现既能对实物扫描采集数据，又能对采集到的数据进行自动处理并生成数控加工程序的系统（简称录返系统）。这种功能为那些必须按实物依据生产的工件实现数控加工带来了很大的方便，大大减少了对实物的依赖，为仿制与逆向进行设计制造一体化工作提供了有效手段。2022-12-16长春理工大学机电工程学院112022-12-16122022-12-1612（
11、1）平面类零件 平面类零件是指加工面平行、垂直于水平面或其加工面与水平面的夹角为一定值的零件。目前在数控铣床上加工的绝大多数零件属于平面类零件。这类零件的特点是，各个加工表面是平面，或可以展开为平面。图4-1所示的三个零件都属于平面类零件。其中的曲线轮廓面M和正圆台面N。展开后均为平面。平面类零件是数控铣削加工对象中最简单的一类，一般只须用三坐标数控铣床的两坐标联动（即两轴半坐标加工）就可以把它们加工出来。有些平面类零件的某些加工表面（或加工表面的母线）与水平面既不垂直也不平行，而是存在一个定角，这些斜面的加工常用以下几种方法：1）对图4-1b所示的斜面P，当工件尺寸不大时，可用斜板垫平后加工
12、，如机床主轴可以摆角，则可以摆出适当的定角来加工。当工件尺寸很大，斜面坡度又较小时，也常用行切法加工，但会在加工面上留下迭刀时的刀锋残留痕迹，采用钳修方法加以清除。当然，加工斜面的最佳方法是用五坐标铣床主轴摆角后加工，可以不留残痕。2）图4-1c所示的正圆台和斜肋表面，一般可用专用的角度成型铣刀来加工，此时若采用五坐标铣床摆角加工反而不经济。2022-12-16长春理工大学机电工程学院122022-12-16132022-12-1613（2）变斜角类零件 加工面与水平面的夹角呈连续变化的零件称为变斜角类零件。图4-2是飞机上的一种变斜角梁橼条，该零件在第2肋至第5肋的斜角从310均匀变化为23
13、2，从第5肋至第9肋再均匀变化为120，从第9肋到第12肋又均匀变化至0。变斜角类零件的变斜角加工面不能展开为平面，但在加工中，加工面与铣刀圆周接触的瞬间为一条直线。加工变斜角类零件最好采用四坐标和五坐标数控铣床摆角加工，在没有上述机床时，也可在三坐标数控铣床上进行二轴半控制的近似加工2022-12-16长春理工大学机电工程学院132022-12-16142022-12-1614（3）曲面类（立体类）零件 加工面为空间曲面的零件称为立体曲面类零件。曲面类零件的加工面不能展出平面，一般使用球头铣刀切削，加工面与铣刀始终为点接触，若采用其他刀具加工，易于产生干涉而铣伤邻近表面。加工立体曲面类零件一
14、般使用三坐标数控铣床，采用以下两种加工方法。1）行切加工法 采用三坐标数控铣床进行二轴半坐标控制加工，加工时只有两个坐标联动，另一个坐标按一定行距周期性进给，即行切加工法。如图4-3所示，球头铣刀沿XY平面的曲线进行直线插补加工，当一段曲线加工完成后，沿X方向进给X再加工相邻的另一曲线，依次类推，用平面曲线来逼近整个曲面。相邻两曲线间的距离X应根据表面粗糙度的要求及球头铣刀的半径进行选取。球头铣刀的球半径应尽可能选得大一些，以增加刀具刚度，提高散热性，降低表面粗糙度值。加工凹圆弧时的铣刀球头半径必须小于被加工曲面的最小曲率。2）三坐标联动加工 采用三坐标数控铣床三轴联动加工空间曲线，即进行空间
15、直线插补。如半球形，可用行切加工法加工，也可用三坐标联动的方法加工。这时，数控铣床用X，Y，Z三坐标联动的空间直线插补，实现球面加工，如图4-4所示。这种方法常用于发动机及模具等较复杂空间曲面的加工。2022-12-16长春理工大学机电工程学院142022-12-16152022-12-1615二、工艺装备的特点二、工艺装备的特点1.夹具 数控铣床和加工中心往往用于加工形状复杂的零件，夹具的任务不仅是装夹零件，而且要以定位基准为参考基准，确定零件的加工原点。零件在一次安装中，既要粗加工又要精加工，加工中心还需要多种多样的刀具，且不能使用镗套、钻套及对刀块等元件。因此，在选用夹具结构形式时，通常
16、需要考虑零件的生产批量、生产效率、质量保证及经济性等；在生产批量较小或研制时，应尽量采用组合夹具；小批量或成批生产时可考虑采用专用夹具；在生产批量较大时，可考虑采用多工位夹具和气动、液压夹具，但此类夹具结构较复杂，造价也较高，而且制造周期较长。夹具在机床上的安装误差和零件在夹具中的装夹误差对加工精度都将产生直接的影响。即使在编程原点与定位基准重合的情况下，也要求对零件在机床坐标系中的位置进行准确的调整。夹具中零件定位支承面的磨损及污垢也会引起加工误差，因此，操作者在装夹零件时一定要将污物去除干净。2.刀具 根据被加工零件材料、热处理状态、切削性能及加工余量，选择刚性好、耐用度高的刀具，是充分发
17、挥机床的生产效率和获得满意加工质量的前提。在加工中心上，为实现自动换刀功能，刀柄要满足机床主轴的自动松开和拉紧定位，适应机械手的夹持和搬运等。数控机床大多采用已经系列化、标准化的刀具，这类刀具的标准主要是针对刀柄和刀头两部分而规定的，选用刀具时应注意查阅有关使用手册。（1）铣刀类型选择、（2）铣刀结构选择、2022-12-16长春理工大学机电工程学院152022-12-16162022-12-1616（1）铣刀类型选择 被加工零件的几何形状是选择刀具类型的主要依据。常用的刀具主要有各种通用铣刀、加工曲面类零件的球头铣刀、为特定的工件或加工内容专门设计制造的成形铣刀、加工变斜角的鼓形铣刀等。加工
18、曲面类零件时，为了保证刀具切削刃与加工轮廓在切削点相切，避免刀刃与工件轮廓发生干涉，一般采用球头铣刀。粗加工用两刃铣刀，半精加工和精加工用四刃铣刀。铣较大平面时，为了提高生产效率和减小加工表面粗糙度值，一般采用盘形铣刀，铣小平面或台阶面时一般采用通用立铣刀。加工毛坯表面或加工孔可选用镶硬质合金的玉米铣刀；曲面加工常采用球头铣刀，但加工曲面较平坦的部位应采用环形铣刀；加工空间曲面、模具型腔或凸模成形表面等多选用模具铣刀；加工封闭的键槽选择键槽铣刀；选用鼓形铣刀、锥形铣刀可加工类似飞机上的变斜角零件的变斜角面。孔加工时，常采用钻头、镗刀等孔加工类刀具，如图4-6所示。2022-12-16长春理工大
19、学机电工程学院162022-12-16172022-12-1617图4-5 各种数控铣刀的形状 图4-6 孔加工刀具a）钻头 b）镗刀2022-12-16长春理工大学机电工程学院172022-12-16182022-12-1618（2）铣刀结构选择 铣刀一般由刀片、定位元件、夹紧元件和刀体组成。由于刀片在刀体上有多种定位与夹紧方式，刀片定位元件的结构又有不同类型，因此铣刀的结构形式有多种，分类方法也较多。选用时，主要可根据刀片排列方式。铣刀结构按刀片排列方式可分为平装结构和立装结构两大类。1）平装结构（刀片径向排列）平装结构铣刀（见图4-7）的刀体结构工艺性好，容易加工，并可采用无孔刀片（刀片
20、价格较低，可重磨）。由于需要夹紧元件，刀片的一部分被覆盖，容屑空间较小，且在切削力方向上的硬质合金截面较小，故平装结构的铣刀一般用于轻型和中量型的铣削加工。2）立装结构（刀片切向排列）立装结构铣刀（见图4-8）的刀片只用一个螺钉固定在刀槽上，结构简单，转位方便。虽然刀具零件较少，但刀体的加工难度较大，一般需用五坐标加工中心进行加工。由于刀片采用切削力夹紧，夹紧力随切削力的增大而增大，因此可省去夹紧元件，增大了容屑空间。由于刀片切向安装，在切削力方向上的硬质合金截面较大，因而可进行大背吃刀量、大进给量切削。这种铣刀适用于重型和中量型的铣削加工。2022-12-16长春理工大学机电工程学院1820
21、22-12-16192022-12-1619（2）铣刀结构选择 端铣刀是数控铣床最常用的刀具，编程前经常要对端铣刀的几何尺寸进行选择。图4-9是一把典型的端铣刀加工简图。其中：D为铣刀直径，L为铣刀总长，l为铣刀刃长，r为铣刀端刃圆角半径，H为所要铣削的工件侧壁最大高度（或最大槽深），R为工件壁板之间的转接圆弧半径。2022-12-16长春理工大学机电工程学院19 在选择铣刀直径时，首先要认真考虑工件加工部位的几何尺寸，一般说来，为减少走刀次数和提高生产率及保证铣刀有足够的刚性，应尽量选择直径较大的铣刀。但选择铣刀直径时常常受到某些因素的制约，例如，加工区域的开敞行、内腔尺寸的大小、工件材料及
22、工件的刚性等。特别是当工件内轮廓转接圆弧（凹圆弧）R较小，而槽深或壁板高度H较大时，会将刀具限制为细长形，其刚性就很差。铣刀直径D与刃长l的比值大小能客观地反映出铣刀刚性特征，这里推荐将D/l0.5作为检验铣刀刚性的条件。为了解决当工件内转接半径R较小，而槽深或壁板高度H较大时，铣刀刚性差、加工困难的问题，通常要采取大小不同的两把铣刀进行粗、精加工来处理。在使用中要防止因盲目选用了过大直径的粗加工铣刀而产生在精加工后留下未能铣去的“死角”，或因留给精加工的余量过大而造成精加工困难等问题。2022-12-16202022-12-1620（2）铣刀结构选择 铣刀刃长以避免刀具细长提高刚性为好，故其
23、刃长只能保证将工件铣出即可。1）当加工深槽或盲孔时，选l=H+2mm；2）当加工外形或通孔、通槽时，选l=H+r+2mm；铣刀端刃圆角半径r的大小一般应与零件图样要求一致，但粗加工铣刀因尚未切削到工件的最终轮廓尺寸，也可以适当选得小些，有时甚至可选为“清根”（r=00.5mm），但在编程时需要认真考虑精加工以后留下多少余量，以保证精加工铣刀可以把图样要求的r加工出来，不要造成其根部缺损。2022-12-16长春理工大学机电工程学院202022-12-16212022-12-1621图4-7 平装结构铣刀2022-12-16长春理工大学机电工程学院212022-12-16222022-12-16
24、22图4-8 立装结构铣刀2022-12-16长春理工大学机电工程学院222022-12-16232022-12-1623三、加工工艺性分析三、加工工艺性分析 机械加工的工艺性分析关系到机械加工的效果，对于数控铣削和加工中心加工也是如此，因此加工工艺性分析是编程前的重要工艺准备工作之一，不可忽视。1.选择并确定数控加工部位及工序内容2.零件图样的工艺性分析（1）数控铣削的工艺性分析（2）加工中心的加工工艺分析3.零件毛坯的工艺性分析 进行零件铣削加工时，由于加工过程的自动化，使余量的大小、如何定位装夹等问题在设计毛坯时就要仔细考虑好。否则，如果毛坯不适合数控铣削，加工将很难进行下去。根据经验，
25、下列几方面应作为毛坯工艺性分析的要点：（1）毛坯应有充分、稳定的加工余量（2）分析毛坯在装夹定位方面的适应性（3）分析毛坯的余量大小及均匀性2022-12-16长春理工大学机电工程学院232022-12-16242022-12-16241.选择并确定数控加工部位及工序内容 在选择数控加工内容时，应充分发挥数控机床的优势和关键作用。主要选择的加工内容有：1）工件上的曲线轮廓，特别是由数学表达式给出的非圆曲线与列表曲线等曲线轮廓，如图4-10所示的正弦曲线。2）已给出数学模型的空间曲面，如图4-11所示的球面。3）形状复杂、尺寸繁多、划线与检测困难的部位。4）用通用铣床加工时难以观察、测量和控制进
26、给的内外凹槽。5）以尺寸协调的高精度孔和面。6）能在一次安装中顺带加工出来的简单表面或形状。7）用数控切削方式加工后，能成倍提高生产率，大大减轻劳动强度的一般加工内容。2022-12-16长春理工大学机电工程学院242022-12-16252022-12-1625（1）数控铣削的工艺性分析1）零件图样的正确标注2）检查加工范围3）保证基准统一的原则4）尽量统一零件轮廓内圆弧的有关尺寸5）分析零件的变形情况6）注意加工内容的衔接 总之，加工工艺取决于产品零件的结构形状、尺寸和技术要求。在表4-1中给出了改进零件结构提高工艺性的一些实例。2022-12-16长春理工大学机电工程学院252022-1
27、2-16262022-12-16261）零件图样的正确标注 由于加工程序是以准确的坐标点来编制的，因此，各图形几何元素间的相互关系（如相切、相交、垂直和平行等）应明确，各个几何元素的条件要充分，应无引起矛盾的多余尺寸或者影响工序安排的封闭尺寸等。尺寸、形位公差、表面粗糙度的标注和技术要求、零件材料应填写完整，并符合我国的国家标准。同时，要特别注意，图样上应尽量采用统一的设计基准，从而简化编程，保证零件的精度要求，如图4-12所示中的零件图样。在图4-12a中，A、B两面均已在前面工序中加工完毕，在加工中心上只进行所有孔的加工。以A、B两面定位时，由于高度方向没有统一的设计基准，48H7孔和上方
28、两个25H7与B面的尺寸是间接保证的，欲保证32.50.1和52.50.04尺寸，须在上道工序中对1050.1尺寸公差进行压缩。若改为如图4-12b所示标注尺寸，各孔位置尺寸都以A面为基准，基准统一，且工艺基准与设计基准重合，各尺寸都容易保证。2022-12-16长春理工大学机电工程学院262022-12-16272022-12-16272）检查加工范围 根据零件图样和数学模型分析零件的形状、结构及尺寸的特点，检查零件上是否有妨碍刀具运动的部位，是否有产生加工干涉或加工不到的区域，零件的最大加工尺寸是否超过机床的工作范围。2022-12-16长春理工大学机电工程学院272022-12-1628
29、2022-12-16283）保证基准统一的原则 有些工件需要在铣完一面后再重新安装铣削另一面。由于数控铣削时不能使用通用铣床加工时常用的试切法来接刀，往往会因为工件的重新安装而产生接刀误差。零件的加工精度很高时，如尺寸公差要求为0.005mm，零件因多次定位产生的定位误差累积将导致零件加工报废，这时就必须采用先进的统一基准定位的装夹系统才能保证加工要求。一般可以利用零件上现有的一些基准面或基准孔作为基准，也可专门设置工艺基准，并在使用完后再去除。2022-12-16长春理工大学机电工程学院282022-12-16292022-12-16294）尽量统一零件轮廓内圆弧的有关尺寸 轮廓内圆弧半径R
30、常常限制刀具的直径。如图4-13所示，如工件的被加工轮廓高度低，转接圆弧半径也大，可以采用较大直径的铣刀来加工，加工其底板面时，进给次数也相应减少，表面加工质量也会好一些，因此工艺性较好；反之，数控铣削工艺性较差。一般来说，当R0.2H（被加工轮廓面的最大高度）时，可以判定为零件该部位的工艺性不好。2022-12-16长春理工大学机电工程学院292022-12-16302022-12-16304）尽量统一零件轮廓内圆弧的有关尺寸 铣削面的槽底面圆角或底板与肋板相交处的圆角半径r（见图4-14）越大，铣刀端刃铣削平面的能力越差，效率也越低。当铣刀半径r大到一定程度时甚至必须用球头铣刀加工，这是应
31、当避免的。因为铣刀与铣削平面接触的最大直径d=D2r(D为铣刀直径)。当D越大而r越小时，铣刀端刃铣削平面的面积越大，加工平面的能力越强，铣削工艺性当然也越好。有时，当铣削的底面面积较大，底部圆弧r也较大时，我们只能用两把r不同的铣刀(一把刀的r小些，另一把刀的r符合零件图样的要求)分两次进行切削。在一个零件上的这种凹圆弧半径在数值上的一致性问题对数控铣削的工艺性显得相当重要。一般来说，即使不能寻求完全统一，也要力求将数值相近的圆弧半径分组靠拢，达到局部统一，以尽量减少铣刀规格与换刀次数，并避免因频繁换刀增加了工件加工面上的接刀阶差而降低了表面质量。2022-12-16长春理工大学机电工程学院
32、302022-12-16312022-12-16315）分析零件的变形情况 数控铣削工件在加工时的变形，不仅影响加工质量，而且当变形较大时，将使加工不能继续进行下去。这时就应当考虑采取必要的工艺措施进行预防，如对钢件进行调质处理，对铸铝件进行退火处理。对不能用热处理方法解决的，也可考虑粗、精加工及对称去余量等常规方法。此外，还要分析加工后的变形问题，采取什么工艺措施来解决。2022-12-16长春理工大学机电工程学院312022-12-16322022-12-16326）注意加工内容的衔接 当零件上的一部分内容已加工完成，这时应充分了解零件的已加工状态，数控铣削加工的内容与已加工内容之间的关系
33、，尤其时位置、尺寸关系。这些内容之间在加工时如何衔接、协调，要采用适当的方式或基准保证加工要求。2022-12-16长春理工大学机电工程学院322022-12-16332022-12-1633表4-1 提高工艺性2022-12-16长春理工大学机电工程学院332022-12-16342022-12-16342022-12-16长春理工大学机电工程学院342022-12-16352022-12-1635（2）加工中心的加工工艺分析 加工中心的加工工艺是以数控铣削的加工工艺为基础的。同时，还应特别注意以下几点：1）首先分析零件结构、加工内容等是否适合加工中心加工 加工中心最适合加工形状复杂，工序较
34、多，要求较高，需用多种类型的通用机床、刀具和夹具，经多次装夹和调整才能完成加工的零件。2）减少、消除定位误差，提高加工精度 通过减少工件的装夹次数，清除因多次装夹带来的定位误差，提高加工精度。当零件各加工部位的位置精度要求较高时，采用加工中心加工能在一次装夹中将各个部位加工出来，避免了工件多次装夹所带来的定位误差，既有利于保证各加工部位的位置精度要求，同时可减少装卸工件的时间，节省大量的专用和通用工艺装备，降低生产成本。3）多工序集中加工应注意的问题 由于采用自动换刀和自动回转工作台进行多工位加工，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。若在加工中心上连续进行粗加工和
35、精加工，夹具既要能适应粗加工时的切削力大、高刚度、夹紧力大的要求，又要能适应精加工时定位精度高、零件夹紧变形尽可能小的要求。由于较难在加工中设置支架等辅助装置，应尽量使用刚性好的刀具，并解决刀具的振动和稳定性问题。另外，出于受刀库、机械手的限制，刀具的直径、长度、重量一般都不允许超过机床说明书所规定的范围。2022-12-16长春理工大学机电工程学院352022-12-16362022-12-1636（1）毛坯应有充分、稳定的加工余量 毛坯主要指缎、铸件，因模锻时的欠压量与允许的错模量会造成余量的多少不等，铸造时也会因砂型误差、收缩量及金属液体的流动性差不能充满型腔等造成余量的不等。此外，除板
36、料外，不管是锻件、铸件还是型材，只要准备采用数控铣削加工，其加工面均应有较充分的余量。经验表明，数控铣削中最难保证的时加工面与非加工面之间的尺寸，这一点应该特别重视。在这种情况下，如果已确定或准备采用数控铣削，就应事先对毛坯的设计进行必要更改或在设计时就加以充分考虑，即在零件图样注明的非加工面处也增加适当的余量。一般板料和型材毛坯留23mm的余量，铸件、锻件毛坯要留56mm的余量。如有可能，尽量使各个表面上的余量均匀。2022-12-16长春理工大学机电工程学院362022-12-16372022-12-1637（2）分析毛坯在装夹定位方面的适应性 应考虑毛坯在加工时的装夹定位方面的可靠性与方
37、便性，以便使数控铣床在一次安装中加工出更多的待加工面。主要是考虑要不要另外增加装夹余量或工艺凸台来定位与夹紧，什么地方可以制出工艺孔或要不要另外准备工艺凸耳来特制工艺孔。如图4-15所示，该工件缺少定位用的基准孔，用其它方法很难保证工件的定位精度，如果在图示位置增加四个工艺凸台，在凸台上制出定位基准孔，这一问题就能得以解决。对于增加的工艺凸耳或凸台，可以在它们完成作用后通过补加工去掉。2022-12-16长春理工大学机电工程学院372022-12-16382022-12-1638（3）分析毛坯的余量大小及均匀性 主要考虑在加工时是否要分层切削，分几层切削，也要分析加工中与加工后的变形程度，考虑
38、是否应采取预防性措施与补救措施。如对于热轧的中、厚铝板，经淬火时效后很容易在加工中与加工后变形，最好采用经预拉伸处理后的淬火板坯。2022-12-16长春理工大学机电工程学院382022-12-16392022-12-1639四、零件的加工工艺设计四、零件的加工工艺设计 加工工艺设计的关键是从现有加工条件出发，根据工件结构形状特点合理选择定位基准，确定工件各个加工表面的加工顺序，协调数控铣削工序和其它工序之间的关系，初步设计数控铣削加工工序以及考虑整个加工工艺方案的经济性等。1.机床加工能力2.切削性能3.孔系加工顺序4.加工方案5.加工工序设计（1）数控铣削的加工工序 根据加工部位的性质，刀
39、具使用情况以及现有的加工条件，可将加工内容安排在一个或几个工序中。一般情况下，为了减少工件加工中的周转时间，提高数控铣床的利用率，保证加工精度要求，在数控铣削工序划分的时候，工序尽量集中。当数控铣床的数量比较多，同时有相应的设备、技术措施保证零件的定位精度，为了更合理的均匀机床负荷、协调生产组织，也可以将加工内容适当分散。（2）加工中心的加工工序2022-12-16长春理工大学机电工程学院392022-12-16402022-12-16401.机床加工能力 一般主轴功率在57kW左右，最大切削进给速度为510m/min左右时，机床加工能力一般。若零件的加工余量较大而且不均匀时，数控铣削的效率就
40、比较低。为充分发挥数控加工的优势，可以与通用机床配合使用，由通用机床进行粗加工或半精加工。数控铣床主要进行精加工，在其间穿插安排热处理及其它工序，这样能够得到较好的加工效果，加工成本也较低。这时要注意采用必要的措施保证数控铣削加工工序中的加工表面与普通加工工序中的加工表面之间的位置尺寸关系，一般可以采用同一基准进行协调，而即使这样，由于多次安装，仍然会有较大的累积定位误差，所以必须确定这种方式是否满足零件的位置精度要求。当机床能够进行高速加工、超硬加工，且数控系统功能丰富，可进行四或五坐标联动时，加工能力很强，铣削能够达到很高的效率。这时，为减少装夹次数，可采用数控加工方式使粗加工、半精加工和
41、精加工在一次装夹中完成，并采用合理选择切削参数、进行完全且充分冷却等方法，来解决粗加工中产生的受力、受热变形等问题。当采用高速加工技术及超硬加工的刀具时，精加工可以安排在最后工序进行，且精加工后不需要后续工序。2022-12-16长春理工大学机电工程学院402022-12-16412022-12-16412.切削性能 分析零件材料的种类、牌号及热处理要求，了解零件材料的切削加工性能，才能合理选择刀具材料和切削参数。同时要考虑热处理对零件的影响，如热处理变形，并在工艺路线中安排相应的工序消除这种影响。而零件的最终热处理状态也将影响工序的前后顺序。2022-12-16长春理工大学机电工程学院412
42、022-12-16422022-12-16423.孔系加工顺序 对位置精度要求较高的孔系加工，要特别注意安排孔的加工顺序，安排不当，就有可能将传动副的反向间隙带入，直接影响位置精度。例如，安排如图4-16a所示零件的孔系加工顺序时，若按照图4-16b所示路线加工时，由于5、6孔的定位方向与1、2、3、4孔在Y向的定位方向相反，Y方向的反向运行间隙会使定位误差增加，从而影响5、6孔的位置精度。按图4-16c所示路线，加工完4孔后向上多移动一段距离，然后再折回来加工6、5孔，这样一来，5、6孔的定位方向与1、2孔的定位方向相同，可以避免Y方向的反向运行间隙的影响和引入，从而提高和保证5、6孔的位置
43、精度。2022-12-16长春理工大学机电工程学院422022-12-16432022-12-16434.加工方案 针对数控铣床和加工中心的主要加工表面，一般可以采用如表4-2所示的加工方案。加工中心在箱体零件的加工中，可参考以下加工方案：铣平面粗镗孔半精镗孔打中心孔钻孔铰孔攻螺纹精镗孔精铣面等。2022-12-16长春理工大学机电工程学院43序号加工表面加工方案所使用的刀具1平面内外轮廓粗铣内外轮廓方向分层半精铣轮廓高度方向分层半精铣内外轮廓精铣整体高速钢或硬质合金立铣刀机夹可转位硬质合金立铣刀2空间曲面粗铣曲面Z方向分层粗铣曲面半精铣曲面精铣整体高速钢或硬质合金立铣刀、球头铣刀机夹可转位硬
44、质合金立铣刀、球头铣刀3孔定尺寸刀具加工麻花钻、扩孔钻、铰刀、镗刀铣削整体高速钢或硬质合金立铣刀机夹可转位硬质合金立铣刀4外螺纹螺纹铣刀铣削螺纹铣刀5内螺纹攻螺纹丝锥螺纹铣刀铣削螺纹铣刀2022-12-16442022-12-1644（1）数控铣削的加工工序1）当加工中使用的刀具较多时，为了减少换刀次数，缩短辅助时间，可以将一把刀具所加工的内容安排在一个工序（或工步）中。2）按照零件加工表面的性质和要求，将粗加工、精加工分为依次进行的不同工序（或工步）。先进行所有表面的粗加工，然后再进行所有表面的精加工。3）按照从简单到复杂的原则，先加工平面、沟槽、孔，再加工外形、内腔，最后加工曲面；先加工精
45、度要求低的表面，再加工精度要求高的部位。4）对于既要铣面又要镗孔的零件，可以先铣面后镗孔。铣削时，切削力较大，工件易发生变形。先铣面后镗孔，使其有一段时间的恢复，可减少由变形对孔的精度的影响。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。因而，这种划分工步的方法，可以提高孔的加工精度。5）应尽量按就近位置加工，以缩短刀具移动距离，减少空运行时间。6）在一次定位装夹中，尽可能完成所有能够加工的表面。2022-12-16长春理工大学机电工程学院442022-12-16452022-12-1645（1）数控铣削的加工工序7）确定进给路线在数控加工中，刀具相对于零件运动
46、的每一细节都应在编程时确定。这时，除考虑零件轮廓、对刀点、换刀点及装夹方便外，在采用圆柱铣刀的圆周刀齿进行周铣法铣削轮廓表面时，由于主轴系统和刀具的刚度变化，当沿法向切入工件时，会在切入处产生刀痕，所以应避免，而应像图4-17所示，由零件轮廓曲线的延长线上切入零件的轮廓，以避免在加工表面产生痕迹。在切出时，也是如此，而且在刀具切入切出时，均应考虑有一定的外延，以保证零件轮廓光滑过渡。2022-12-16长春理工大学机电工程学院452022-12-16462022-12-1646（1）数控铣削的加工工序 在铣削内表面轮廓时，铣刀的切入点和切出点无法外延。此时铣刀可沿零件轮廓的法线方向切入、切出，
47、并应该尽量将切入、切出点选择在零件轮廓的几何元素交接处。图4-18为加工零件凹槽轮廓的三种加工路线。图a为行切法加工凹槽的加工工艺路线，图b为环切法加工凹槽的加工工艺路线，图c为先行切法后环切法加工凹槽的加工工艺路线。上述方案中，图a方案最差，图c方案最好。在轮廓铣削加工中，应该避免进给停顿。因为进给停顿时切削力减小，因此改变切削系统的平衡状态，使得刀具在进给停顿处的零件轮廓上留下痕迹，破坏零件轨迹曲线的平滑。2022-12-16长春理工大学机电工程学院462022-12-16472022-12-1647（1）数控铣削的加工工序 铣削加工曲面时，常使用球头铣刀采用“行切法”进行加工。所谓行切法
48、，是指刀具与零件轮廓的切点轨迹是一行一行的，而行间距离是按照零件的加工精度要求确定的。铣削加工边界敞开的曲面时，可以采用两种加工工艺路线，如图4-19所示。图a为沿参数曲面的Y向采用行切；图b为沿参数曲面的X向采用行切和环切。采用图b加工方案的优点在于：因为每次沿直线走刀，刀位点计算简单，程序短小，而且加工过程符合直纹曲面的形成规律；采用图a的加工方案的优点在于：便于加工后的检验，零件曲面的准确度高，但程序较长。确定数控铣削工艺走刀路线的总体原则是：在保证零件加工精度和表面确定数控铣削工艺走刀路线的总体原则是：在保证零件加工精度和表面粗糙度的前提下，尽量缩短加工路线，以提高生产效率。粗糙度的前
49、提下，尽量缩短加工路线，以提高生产效率。2022-12-16长春理工大学机电工程学院472022-12-16482022-12-1648（2）加工中心的加工工序 在遵循以上数控铣削工序设计原则的基础上，还应注意以下几点：1）加工尺寸精度要求较高时，考虑零件尺寸、精度、刚性和变形等因素，应采取同一加工表面按粗加工、半精加工、精加工次序完成的方法；加工的位置精度要求较高时，可采取全部加工表面按先粗加工，然后半精加工、精加工分开进行的方法。2）按所用刀具划分工步时，当加工中心工作台回转时间比换刀时间短，在不影响精度的前提下，为了减少换刀次数，减少空行程，减少不必要的定位误差，可以采取刀具集中工序，即
50、用同一把刀将零件上相同的部位都加工完，再换第二把刀继续加工；对于同轴度要求很高的孔系，应该在一次定位后，通过顺序连续换刀，加工完成该同轴孔系的全部孔后，再加工其它坐标位置孔，即用刀具分散工序，以避免重复定位误差，提高孔系同轴度。在实际生产中，应根据具体情况，综合运用以上原则，从而制定出较完善、较合理的切削加工工艺。2022-12-16长春理工大学机电工程学院482022-12-16492022-12-1649五、起始平面、返回平面、进刀平面、退刀平面及安全平面的确定五、起始平面、返回平面、进刀平面、退刀平面及安全平面的确定1起始平面。是程序开始时刀具的初始位置所在的Z平面，如前所述，一般定义在
