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设计数控工艺时,必须考虑周全,否则可能事倍功半,并造成不必要的损失。
1.2.1数控加工工艺的主要内容
●选择并确定零件的数控加工内容;
●零件图纸的数控工艺性分析,明确加工内容和技术要求;
●数控加工的加工工艺路线设计;
●数控加工的工序设计,选择刀具、夹具及切削用量;
●处理特殊的工艺问题,如对刀点、换刀点确定,加工路线确定,刀具补偿,分配加工误差等。
●数控加工技术文件的编写。
1.2.2数控加工内容的选定
当选择并决定某个零件进行数控加工后,并不等于要把它所有的加工内容都由数控完成,而可能只是其中的一部分内容进行数控加工。
选定数控加工内容的出发点:
解决加工难题、提高生产效率和经济效益。
在选择时一般按如下顺序考虑:
●通用机床无法加工的内容作为优先选择的内容;
●通用机床难加工,质量也难以保证的内容应作为重点选择内容;
●通用机床加工效率低,手工操作劳动强度大的内容,可在数控机床存在富余能力的基础上进行选择。
一般来说,上述这些可加工内容采用数控加工后,在产品质量、生产率与综合经济效益等方面都会等到明显提高,相比之下,下列一些内容则不宜选择采用数控加工。
●需要通过较长时间占机调整的加工内容,如:
以毛坯的粗基准定位来加工第一个精基准的工序等。
●必须按专用工装协调加工的孔及其它内容。
主要是采集编程用的数据有困难,协调效果也不一定理想,有“费力不讨好”之感。
●按某些特定的制造依据(如样板、样件、模胎等)加工的型面轮廓。
取数据难,易与检验依据发生矛盾,增加编程难度。
●不能在一次安装中完成的其它零星部位,采用数控加工很麻烦,效果不明显,可安排通用机床补加工.
此外在选择和决定加工内容时,也要考虑生产批量,生产周期,工序间周转情况等。
1.2.3数控加工工艺性分析
(1)审查与分析零件图纸中的尺寸标注是否适合数控加工的特点
最适合数控加工的尺寸标注方法是以同一基准标注或坐标标注。
便于编程和尺寸间的协调,在保持设计、工艺、检验基准与编程原点设置的一致性方面带来很大方便.
由于数控加工精度重复定位精度都很高,不会因产生较大的积累误差而破坏使用特性,因此改动局部的分散式标注为同一基准标注或坐标式标注是完全可行的。
(2)审查与分析零件图纸中构成轮廓的几何要素是否充分以及能否加工。
●直线与圆弧、圆弧与圆弧的连接状态是相切还是相交,以及能否成立;
●零件轮廓表面能否构建(加工)出来;
●轮廓表面所给条件是否便于数学处理与计算等。
(3)审查与分析定位基准的可靠性。
数控加工特别强调定位加工,尤其是正反两面都采用数控加工的零件,以同一基准定位十分必要,否则很难保证两次定位安装加工后两个面上的轮廓位置及尺寸协调。
因此,最好采用零件上的孔或专门设置工艺结构作为定位基准。
(4)分析零件的材料及热处理状态,确定工件的变形情况,并制定解决工艺措施。
对图纸的工艺性分析与审查,一般是在零件图纸的设计和毛坯设计以后进行的,当要求根据数控加工工艺的特点,对图纸或毛坯进行较大的更改是比较困难的,所以一定要把重点放在零件图纸或毛坯图纸初步设计与设计定型之间的工艺性审查与分析上。
编程人员不但要积极参与审查和做仔细地工作,还要与设计人员密切合作,并尽力说服他们在不损害零件使用特性的许可范围内,更多地满足数控加工工艺的各种要求。
1.2.4加工方法选择及加工方案的确定
1.2.4.1机床的的选用
在数控机床上加工零件,一般有以下两种情况:
●一种是有零件图样和毛坯,要选择适合加工该零件的数控机床;
●另一种是已经有了数控机床要选择适合该机床加工的零件。
无论哪种情况,考虑的因素主要有毛坯的材料和类型、零件轮廓形状的复杂程度、尺寸大小、加工精度、零件数量、热处理要求等。
数控机床的选用要满足以下要求:
●保证加工零件的技术要求,能够加工出合格的工件;
●有利于提高生产率;
●可以降低生产成本。
1.2.4.2加工方法的选择
加工方法的选择原则是保证加工表面的精度和表面粗糙度的要求。
由于获得同一级精度及表面粗糙度的加工方法一般有许多,因而在实际选择时,要结合零件的形状、尺寸大小和热处理要求等全面考虑。
1.外圆表面:
加工方法主要是车削和磨削。
2.内孔表面:
钻、扩、铰、镗、拉、磨孔以及光整加工等。
3.平面:
铣、刨、车(端面)、磨及拉削等。
4.平面轮廓:
数控铣削、线切割及磨削等。
●数控铣削加工适用于除淬火钢以外的各种金属;
●数控线切割加工可用于各种金属。
●对曲率半径较小的内轮廓,宜采用线切割;
●淬火后再加工的钢件,宜采用线切割;
●零件切削层深度很大的工件,可考虑采用线切割。
●数控磨削适用于除有色金属以外的各种金属
5.曲面轮廓:
主要是数控铣削。
多采用球状铣刀,以“行切法”加工。
根据曲面形状、刀具形状以及精度要求等通常采用二轴半联动或三轴联动。
对精度和表面粗糙度要求高的曲面,当采用三轴联动的“行切法“加工不能满足要求时,
可用模具铣刀,采用四坐标或五坐标联动加工。
表面加工方法的选择,除了考虑加工质量、零件的结构形状和尺寸、零件的材料和硬度以及生产类型外,还要考虑到加工的经济性。
在选择加工方法时,应根据工件的精度要求选择与经济精度相适应的加工方法。
1.2.5数控加工的加工工艺路线设计
数控加工的工艺路线仅仅是零件加工工艺过程中的数控加工部分,一般均穿插在零件加工的整个过程中。
因此,在设计数控加工工艺路线时,一定要考虑周全,使之与整个工艺路线协调吻合。
在数控工艺路线设计中主要应注意以下问题:
1.2.5.1工序的划分
在数控机床上加工零件,工序应比较集中,在一次装夹中应尽可能完成大部分工序,首先应根据零件图样,考虑被加工零件是否可以在一台数控机床上完成整个零件的加工工作。
若不能,则应选择哪一部分零件表面需用数控机床加工,即对零件进行工序划分。
一般工序划分有以下几种方式:
●按所用刀具划分工序。
即以同一把刀具完成的哪一部分工艺过程为一道工具。
目的:
减少安装次数,提高加工精度;
减少换刀次数,缩短辅助时间,提高加工效率。
适用于工件的待加工表面较多,机床连续工作时间过长(如在一个工作班内不能完成),加工程序的编制和检查难度较大等情况。
●按安装次数划分工序
即以一次安装完成的那一部分工艺过程为一道工序.
适合于加工内容不多的工件,加工完成后就能达到待检状态。
●以粗、精加工划分工序
即粗加工中完成的那一部分工艺过程为一道工序,精加工中完成的那一部分工艺过程为一道工序。
适用于加工变形大,需要粗、精加工分开的零件,如薄壁件或毛坯为铸件和锻件,也适用于需要穿插热处理的零件。
●以加工部位划分工序。
即完成相同型面的那一部分工艺过程为一道工序。
适用于加工表面多而复杂的零件,此时,可按其结构特点(如内形、外形、曲面和平面)将加工划为分几个部分。
1.2.5.2工步的划分
工步的划分主要从加工精度和效率两方面考虑。
在一个工序内往往采用不同刀具和切削用量,对不同表面进行加工。
为了便于分析和描述复杂的工序,在工序内又细分为工步。
以加工中心为例说明工步划分的原则。
●同一表面按粗加工、半精加工、精加工依次完成,整个加工表面按先粗后精分开进行。
●对于既有铣面又有镗孔的零件,可先铣面后镗孔,以提高孔的加工精度。
因铣削时切削力较大,工件易发生变形,先铣面后镗孔,使其有一段时间恢复,可减少由变形而引起的对孔精度的影响。
●某些机床的工作台回转时间比换刀时间短,可采用按刀具划分工步,以减少换刀次数,提高加工效率。
总之,工序与工步的划分要根据零件的结构特点、技术要求等情况综合考虑。
1.2.5.3加工顺序的安排
顺序的安排应根据零件的结构和毛坯状态,定位安装与夹紧的要求来考虑,重点是不能破坏工件的刚性。
顺序安排的原则如下:
①上道工序的加工不能影响下道工序的定位与夹紧,中间穿插有通用机床加工工序的也要综合考虑;
②先进行内形、内腔的加工,再进行外形的加工;
③以相同定位、夹紧方式或同一刀具加工的工序,最好连续进行,以减少重复定位次数、换刀次数与挪动压板次数。
④在同一安装中进行的多道工序,应先安排对工件刚性破坏较小的工序。
1.2.5.4数控工序与普通工序的衔接
数控工序前后一般都穿插有其它普通工序,如衔接得不好就容易产生矛盾,最好的办法是相互建立状态要求,如:
要不要留加工余量,留多少;
;
定位面、孔的精度要求及形位公差;
对校形工序的技术要求;
毛坯的热处理状态等。
目的是达到相互能满足加工需要,且质量目标及技术要求明确,交接验收有依据。
关于手续问题,如果在同一车间,可由编程人员与主管该零件的工艺员共同协商确定,在制订工序工艺文件中互相会签,共同负责;
如不是同一车间,则应使用交接状态表进行规定,共同会签,然后反映在工艺规程中。
1.2.6数控加工工序的设计
主要任务是将本工序的加工内容、切削用量、工装、刀具、定位夹紧方式及刀具运动轨迹等具体确定下来,为程序编制做好充分准备。
1.2.6.1确定走刀路线和工步顺序
走刀路线是刀具刀位点在整个加工工序中的运动轨迹,它不但包含了工步的内容,也反映了工步的顺序。
走刀路线确定原则:
①寻求最短路径,减少空刀时间以提高加工效率;
②为保证加工精度和粗糙度要求,应安排粗精加工,精加工轮廓应在一次走刀中连续加工出来。
③刀具切入、切出工件时最好沿切线方向进行,以避免在工件表面形成接刀痕。
④应选择对加工变形小的走刀路线,对薄板类零件应采用分层切削或对称切削的走刀路线。
⑤使数值计算简单,以减少编程运算量。
1.2.6.2定位基准与夹紧方案的确定
①力求工艺、计算、编程的基准与设计基准重合;
②尽量减少装夹次数,以提高形位精度;
③避免采用占机人工调整方式。
1.2.6.3对刀点、工序起点、换刀点
1.对刀点
对刀点就是刀具相对工件运动的起点,也称程序起点。
其作用是确定编程原点在工件上的位置,因此其位置必须与工件的定位基准有固定尺寸关联。
选择原则:
●便于数学处理和程序编制;
●找正容易;
●对刀误差小;
●退回对刀点便于检测;
●工件装夹方便。
2.工序起点
某工步走刀路线的起点。
工序起点合理与否,直接影响本工步走刀路线的长短。
工步走刀路线结束时,一般应回到工序起点,也可直接移动到下一工步工序起点或返回对刀点。
3.换刀点
换刀点是指加工中心在加工过程中自动换刀时刀具所处位置。
为防止换刀时刀具和工件或夹具相撞,一般换刀点设在工件的外边或机床上某一固定位置。
1.2.6.4夹具的选用
1.基本要求:
①夹具应能保证在机床上定向安装,以保证零件安装方位与机床坐标系及编程坐标系的方向一致,还要求协调零件定位面与机床之间保持一定的坐标尺寸联系。
②夹具应尽可能开敞,夹紧元件与加工面间应有一定的安全距离,且夹紧元件因尽可能低;
③夹具的刚性与稳定性要好,在加工过程中尽量不要更换夹紧点。
2.选用原则:
①批量很小时,尽量采用组合夹具,可调式夹具及其它通用夹具;
②小批量或成批生产时,可考虑专用夹具,但应力求简单;
③批量较大时,可采用气动、液动夹具或多工位夹具。
1.2.6.5刀具的选择
刀具的选择是数控加工工艺中的重要内容之一,不仅影响机床的加工效率,而且直接影响加工质量。
编程时通常考虑机床的加工能力、工序内容、工件材料等因素。
基本要求:
①刚性好
可采用大切削用量提高生产效率,另外当加工余量很不均匀时,可基本不用调整切削用量,或不需要采用分层切削。
②耐用度要高
可避免因刀具磨损而影响加工精度,以及换刀操作。
③几何参数合理、排屑性能好。
1.2.6.6切削用量
切削用量主要包括切削深度、主轴转速(切削速度)、进给量。
对于不同的加工方法,需要选择不同的切削用量,并编入相应的程序单中。
合理选择切削用量的原则是:
●粗加工时,一般以提高生产率为主,但也要考虑经济性和加工成本。
●半精加工和精加工时,应在保证加工质量的前提下,兼顾切削效率、经济性和加工成本。
具体数值应根据工件材料、热处理状态、表面粗糙度以及刀具材料等确定,确定时应努力寻求切削速度、切削深度、进给量相互适应的最佳参数。
也可根据刀具厂商提供的推荐值选用并试切调整。
在选择进给速度时,还要注意零件加工中的特殊因素。
如在轮廓加工中,当零件轮廓有拐角时,刀具易产生“超程”现象,从而导致加工误差,如下图所示。
解决的办法是,在编程时,在接近拐角前适当降低进给速度,过拐角后再逐渐增加进给速度。
但这一问题在目前的数控系统中并不明显,原因是现在的数控系统一般都具有在工件拐角处自动进行加减速处理的能力,只有在较老的数控系统中,才需考虑该问题。
另外也还可以通过机床上的速度倍率旋钮进行适当修正。
2.数控车削加工工艺
2.1数控车床的主要加工对象
1.精度要求高的回转体零件
因数控车床刚性好,制造精度、对刀精度、重复定位精度高,具有刀具补偿功能,使其可加工尺寸精度要求高的零件。
数控车床的刀具运动通过高精度插补运算和伺服驱动实现,可加工对母线直线度、圆度、圆柱度等形状精度要求高的零件。
数控车床的制造精度高,工件装夹次数少,对提高零件的位置精度有利。
2.表面粗糙度要求高的回转体
数控车床具有恒线速度切削功能,能以最佳线速度切削,使各加工面获得均匀一致的表面粗糙度。
3.轮廓形状复杂的零件
数控车床具有直线和圆弧插补功能,可车削任意直线和曲线组成的形状复杂的回转体零件。
例:
球面、方程曲线、列表曲线
4.带特殊类型螺纹的回转体零件
●可加工任何等导程的直、锥、端面螺纹,也可加工增、减导程螺纹,以及要求等导程与变导程间平滑过渡的螺纹。
●主轴无需变向,螺纹车削效率高。
●螺纹精度高,表面粗糙度小。
2.2数控车削加工工艺的制订
制订工艺时,应遵循一般工艺原则,并结合数控车床的特点制订。
制订数控工艺时,必须考虑周全,否则可能事倍功半,并造成不必要的损失.
数控车削工艺的主要内容有:
●零件图纸的数控工艺性分析;
●数控加工的工序设计;
2.2.1零件图纸的数控工艺性分析
1.审查与分析图纸中的尺寸标注是否适合数控加工的特点
最适合与数控加工的尺寸标注方法是以同一基准标注或坐标标注。
2.结构工艺性分析
零件的结构工艺性是指零件对加工方法的适应性,即所设计的零件结构应便于加工成型。
在数控车床上加工零件时,应根据数控车削的特点,认真审视零件结构的合理性。
(如零件上槽宽是否统一)。
3.轮廓几何要素分析
在手工编程时,要计算每个节点坐标,在自动编程时要定义零件轮廓的所有几何元素进行定义,因此分析零件图时,要分析几何元素的给定条件是否充分以及能否成立(如:
尺寸是否完整;
图纸中直线与圆弧.圆弧与圆弧的连接状态与由尺寸关系决定的是否一致;
尺寸是否有冲突的地方等)
4.精度及技术要求分析
对被加工零件的精度和技术要求进行分析是零件工艺性分析的重要内容,只有在分析零件尺寸精度和表面粗糙度的基础上,才能对加工方法、装夹方式、刀具及切削用量进行正确而合理的选择。
分析的主要内容有:
●分析精度及各项技术要求是否齐全、合理;
●分析本工序的数控车削加工精度能否达到图样要求,如达不到,需采取其它措施(如磨削)弥补,应给后续工序留余量;
●图样上有位置精度要求的表面,应在一次装夹下完成;
●粗糙度要求较高的表面应确定用恒线速切削。
2.2.2工序和装夹方式的确定
1.工序的划分
在数控车床上加工零件时,应按工序集中的原则划分工序,在一次装夹下尽可能完成大部分甚至全部表面。
●按零件加工表面划分:
将位置精度要求较高的表面安排在一次装夹下完成,以免安装误差影响位置精度。
●按粗、精加工表面划分:
对毛坯余量较大或加工精度要求较高的零件,应将粗车和精车分开,划分成两道或更多的工序。
2.装夹方式的确定
根据零件结构的不同,通常选择外圆、端面或内孔、端面装夹,并力求设计基准、工艺基准和编程原点统一。
定位方式:
利用主轴内锥面加定位挡块,以工件左端面定位;
在卡盘上设定位块,以工件左端面或左侧台阶定位;
2.2.3工步顺序的确定
制订零件车削加工顺序一般遵循下列原则:
1.先粗后精
按照粗车—半精车—精车的顺序,遂步提高加工精度
●粗车去除大余量,以提高金属切除率,满足精车余量均匀性要求;
●如粗车后余量均匀性不能满足精车要求,应安排半精车;
●
精车时,应在一次走刀中安图样尺寸切出零件轮廓,以保证加工精度.
2.先远后近
指加工部位相对对刀点的距离远近。
●离对刀点远的部位后加工,有利于缩短刀具移动距离,减小空行程时间。
●先远后近,有利于保持毛坯或半成品的刚性,改善切削条件。
3.内外交叉
对既有内表面(内型、腔),又有外表面需加工的零件,安排加工顺序时,应先进行内外表面的粗加工,后进行内外表面的精加工。
●先内后外有利于保持工件的刚性;
●先内后外、先粗后精,可使工件在粗加工中产生的变形在精加工中充分消除。
注意:
●切不可在粗精加工完内(外)表面后,再加工剩余的表面(外/内表面);
●对薄壁件,粗精加工应分工序进行,以使工件在粗加工后有足够时间进行变形,消除应力集中,有利于精加工保证加工精度。
2.2.4走刀路线的确定
走刀路线指刀具从对刀点(或机床原点)开始运动起,直至返回该点并结束
加工所经过的路径,包括切削加工的路径及刀具切入、切出等非切削空行程。
它不但包含了工步的内容,也反映了工步的顺序。
确定走刀路线时,主要确定粗加工及空行程的进给路线(精加工一般沿零件轮廓进行)。
2.2.4.1走刀路线设计原则
●保证加工精度和表面粗糙度;
●最短走刀路线,减少空行程时间;
●最终轮廓应在精加工走刀中连续加工出来。
●认真考虑切入和切出问题,以免产生扎刀或在工件表面留下接刀痕。
●毛坯粗加工时,可考虑安排单独走刀来去除外圆及端面处的氧化层,以利于后续走刀和减小刀具磨损。
2.2.4.2走刀路线的设计方法
1.最短的空行程路线
(1)合理确定工步起点
在确定工步起点时,应尽可能将其靠近工件,以使空行程路线最短。
使用复合循环去除余量时,工步起点处直径应略小于毛坯外径,以免产生第一刀吃刀量不够或空切。
(2)合理确定退刀时的让刀量
在保证让刀安全的前提下,应尽可能的减小让刀量,以减小空行程距离。
如:
使用单一固定循环去除余量时,可将循环起点遂步内(外)移。
(3)巧设换刀点
在换刀时,为方便和安全起见,通常将换刀点放在对刀点或机床第二参考点,但这会增加空行程的距离。
如果在起刀点附近换刀是安全的话,可考虑将换刀点放在起刀点。
这对于快速运动速度还是很高的数控机床来说,可显著减小空行程时间。
(4)合理安排“回零”路线
回零指本工步加工完成后让刀具返回对刀点。
在手工编制较复杂轮廓的加工程序时,每一工步完成后,进行“回零”,可使计算简化,不易出错且便于校核,但会增加空行程。
因此应尽可能少的进行“回零”,在上一工步完成后,刀具直接定位到下一工步起刀点,有利于缩短空行程。
2.最短的切削进给路线
切削进给路线最短可提高生产效率,降低刀具损耗。
在安排粗加工、半精加工的切削进给路线时,应兼顾工件的刚性和加工工艺性要求。
常见的切削进给路线有如下三种:
(1)“矩形”进给路线:
适用于棒料毛坯,进给路线较短。
可用内外径粗车复合循环、端面粗车复合循环、单一固定循环实现。
(2))“三角形”进给路线:
适用于棒料毛坯,进给路线较长。
可用程序循环或单一固定循环实现。
(3)“仿形”进给路线:
用于铸、锻件毛坯时进给路线较短。
可用仿形(封闭)粗车复合循环实现。
3.大余量毛坯的切削进给路线
(1)阶梯切削进给进给路线
应注意让每次切削所留余量均匀。
(2)双向进刀切削进给路线
4.精加工轮廓的连续进给切削路线
在精加工工序中,零件的最终轮廓应在一次连续走刀中完成。
此时,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、切出或换刀及停顿,以免因切削力的突然变化而造成弹性变形,使工件产生表面划伤、形状突变或滞留刀痕等缺陷。
2.2.5夹具的选择
主要有通用三爪自定心卡盘,四爪卡盘,液动、电动及气动卡盘等。
可分为两类:
1、用于轴类工件的夹具
有:
自动夹紧拔动卡盘、拔齿顶尖、三爪拔动卡盘和快速可调万能卡盘等。
2、用于盘类工件的夹具
主要有:
可调卡爪式卡盘和快速可调万能卡盘。
2.2.6刀具的选择
刀具的选择是数控工艺设计中的重要内容之一,刀具选择合理与否不仅影响机床的加工效率,而且还直接影响加工质量。
选择刀具通常要考虑机床的加工能力、工序内容、零件材质的切削性能、毛坯余量、工件尺寸精度和表面粗糙度等。
1.对刀具的要求
●对粗车刀要求强度高、刚性好、耐用度好;
●对精车刀要求精度高、刚性好、耐用度好;
●尺寸稳定、安装调整方便。
2.车刀和刀片的种类
根据与刀体的联接固定方式不同,车刀可分为
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