柱状薄壁件的数控加工探讨.docx

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柱状薄壁件的数控加工探讨

柱状薄壁件的数控加工探讨

学生姓名：

杨思宇

学号：

1101080120

专业班级：

机电111

指导教师：

卫建平

2014年月日

摘要

数控技术是现代制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础，离开了数控技术，先进制造技术就成了无本之木。

数控技术的广泛使用给机械制造业生产方式、生产结构、管理方式带来深刻的变化，它的关联效益和辐射能力更是难以估计。

数控技术及数控装备已成为关系国家战略和体现国家综合国力水平的重要基础性产业，其水平高低是衡量一个国家制造业现代化程度的核心标志，实现加工机床及生产过程数控化，已经成为当今制造业的发展方向。

在生产加工中，许多重要零件为薄壁结构件。

本论文主要介绍针对具有薄壁、曲面、结构复杂、刚度差、精度要求高、加工难度大的特点，分析和讨论薄壁零件数控铣削加工过程中涉及的工艺路线、装夹方案、高速加工以及切削参数等对加工质量的加工方法和工艺措施

关键词：

数控技术概念；薄壁件；加工方法；高速加工；装夹；

目录

摘要I

一、数控加工技术概念与特点1

二、数控机床零件加工前的准备要求2

2.1、数控机床的要求2

2.2、数控机床的操作者要求3

三、薄壁件数控加工举例探讨6

3.1、引言6

3.2、技术难点7

3.3、技术方案7

3.4、结论10

四、数控加工安全规则11

总结12

致谢13

参考文献14

一、数控加工技术概念与特点

简单的说就是利用数字化控制系统在加工机床上完成整个零件的加工。

这一类的机床称为数控机床。

这是一种现代化的加工手段。

同时数控加工技术也成为一个国家制造业发展的标志。

利用数控加工技术可以完成很多以前不能完成的曲面零件的加工，而且加工的准确性和精度都可以得到很好的保证。

总体上说，和传统的机械加工手段相比数控加工技术具有以下特点：

（1）数控机床优点

1、加工效率高。

利用数字化的控制手段可以加工复杂的曲面。

而加工过程是由计算机控制，所以零件的互换性强，加工的速度快。

2、加工精度高。

同传统的加工设备相比，数控系统优化了传动装置,提高分辨率,减少了人为误差，因此加工的效率可以得到很大的提高。

3、劳动强度低。

由于采用了自动控制方式，也就是说加工的全部过程是由数控系统完成，不像传统加工手段那样烦琐，操作者在数控机床工作时，只需要监视设备的运行状态。

所以劳动强度很低。

4、适应能力强。

数控加工系统就像计算机一样，可以通过调整部分参数达到修改或改变其运作方式，因此加工的范围可以得到很大的扩展。

5、工作环境好。

数控加工机床是机械控制、强电控制、弱电控制为一体高科技产物，对机床的运行温度、湿度及环境都有较高的要求。

6、就业容易、待遇高。

由于我国处于数控加工技术的大力发展阶段，大量的数控机床和先进的加工手段的快速引进，却没有大量熟练数控技术操作的人员参与，因此造成该行业严重缺乏人才。

二、数控机床零件加工前的准备要求

2.1、数控机床的要求

1.机床位置环境要求

机床的位置应远离振源、应避免阳光直接照射和热辐射的影响，避免潮湿和气流的影响。

如机床附近有振源，则机床四周应设置防振沟。

否则将直接影响机床的加工精度及稳定性，将使电子元件接触不良，发生故障，影响机床的可靠性。

2.电源要求

一般数控车床安装在机加工车间，不仅环境温度变化大，使用条件差，而且各种机电设备多，致使电网波动大。

因此，安装数控车床的位置，需要电源电压有严格控制。

电源电压波动必须在允许范围内，并且保持相对稳定。

否则会影响数控系统的正常工作。

3.温度条件

数控车床的环境温度低于30摄氏度，相对温度小于80%。

一般来说，数控电控箱内部设有排风扇或冷风机，以保持电子元件，特别是中央处理器工作温度恒定或温度差变化很小。

过高的温度和湿度将导致控制系统元件寿命降低，并导致故障增多。

温度和湿度的增高，灰尘增多会在集成电路板产生粘结，并导致短路。

4.按说明书的规定使用机床

用户在使用机床时，不允许随意改变控制系统内制造厂设定的参数。

这些参数的设定直接关系到机床各部件动态特征。

只有间隙补偿参数数值可根据实际情况予以调整。

用户不能随意更换机床附件，如使用超出说明书规定的液压卡盘。

制造厂在设置附件时，充分考虑各项环节参数的匹配。

盲目更换造成各项环节参数的不匹配，甚至造成估计不到的事故。

使用液压卡盘、液压刀架、液压尾座、液压油缸的压力，都应在许用应力范围内，不允许任意提高。

2.2、数控机床的操作者要求

在这半年的实习中使我学习更多实际的技巧和加工思路，对一件活能有了比较全面和细致的加工方法，下面我结合自己的经验来谈谈初学者的机床操作要求。

首先，操作者需对操作的数控机床有一个全面的了解。

了解机床的机械结构：

要了解机床的机械构造组成；要掌握机床的轴系分布；更要牢牢地掌握机床各个数控轴的正负方向；要掌握机床的各部件的功能和使用，另外要掌握机床各辅助单元的工作原理和功能，以及机床各个安全门锁的工作原理、功能和使用方法。

牢牢地掌握机床的各操作按钮功能：

知道怎么执行程序；怎么暂停程序后检查工件加工状态后，恢复暂停状态后继续执行程序，怎么停止程序；怎么更改程序后再执行程序，诸如此类。

了解你所操作机床是什么样的操作系统；简单了解数控系统的控制原理和工作方法；系统使用什么样工作语言，机床加工使用的软件及其使用的语言。

操作者也需要对一般的操作报警的语句进行学习掌握，知道其中文是代表什么意思，怎么解决问题，怎么消除错误报警。

其次，要熟练掌握控制数控机床的手动或者自动操作，熟练掌握控制机床的各数控轴的移动。

另外操作者对数控机床的加工程序要非常熟悉；什么样的工序和操作，机床就应该有什么样的动作，都要非常熟悉。

当机床执行程序时，你才能在第一时间知道机床动作是否正确，是否需要采取制动措施。

第三，要熟练掌握程序编辑，各个工序的参数补偿和刀具直径和长度的补偿。

编程完成或修改完程序要进行仿真模拟，仿真模拟的目的是为了节省编程时间，提高机床实际利用率，减少加工工件时的调试时间，但并不代表实际的零件加工。

第四，实际加工过程中的加工技巧，认真做好准备工作，先将图纸读懂，确认要加工工件的位置，确认要加工工件部位的精度公差，然后编辑加工程序。

要将加工中需要的工件和刀具准备好，将加工过程中需要的检测仪器都准备好，将加工过程中需要的辅助工装和夹具都准备齐全。

加工第一件工件时，机床应该使用单步工作状态进行试切削，试切削时应打打刀补使工件留有余量并抬起些高度避免吃刀过深。

当机床程序每调用一个新的刀具时应该先进行对刀，检查程序动作是否正确。

工件加工时尽量采取一次装夹，完成工件加工；如果需要进行测量或者其他原因需要工件的二次装夹，那么就必须保证第二次装夹与第一次装夹的定位和加工基准的统一。

如果采取机床的自动定位装置，那么需要保持自动测量系统的测量速度一致性。

在对工件的加工精度进行检测时，最好能够在机床上完成，这样可以减少二次装夹的定位误差。

如果在机床上使用标准的测量仪器不能对工件进行测量，同时又不能把工件从机床上取下进行测量，否则影响工件的加工精度，那么可以使用特殊的卡规、塞规、量规等手段来检测，如果机床本身软件带有测量功能，那么可以使用机床本身来测量工件。

在完成整个工件的加工后，再对工件进行全面的检测。

对于成批量工件的加工。

做一胎具有时会有事半功倍的效果，可以免去反复找正、对刀，但对于精度要求较高的工件还是要每件确认原点。

当初次程序调试完成后，那么需要优化加工程序。

优化的基本原则如下：

保证加工质量的前提，优化切削参数，譬如工进速度、刀具转速、横向进给量，加工深度等等；优化加工步骤，优化加工基准，提高加工效率，使用高寿命刀具，减少换刀次数。

编辑有效可靠程序，合理设置粗精加工的余量和次数和使用适当的成型刀具，对于提高效率，保证加工质量具有较为显著的效果。

对于保证被加工工件的加工质量应该注意以下几方面：

加工时要对机床进行热机一段时间，保持机床各机械轴在工作期间的热平衡。

如果机床使用冷却液，要保持其温度恒定，冷却液的温度是影响工件加工的精度的重要因素之一，通过机床的冷却系统来保证冷却液的恒定温度。

对于一个具有多基准，有多处精度要求较高的尺寸的工件。

那么应先加工工件上有一个基准仅定义一个或两个尺寸，但尺寸精度要求较高的位置，而对同一基准有多个尺寸的部位，应先加工精度最高的部位，然后再加工精度较低的位置。

因为机床在加工高精度的部位时工件容易产生废品，那工件其余的部位就可以不加工，这样节省了加工成本。

加工的基本原则：

先粗加工，把工件的多余材料去掉，然后精加工；加工中应避免振动的发生；避免工件加工时的热变性。

造成的振动发生有很多原因，可能是负载过大，可能是机床和工件的共振，或者可能是机床的刚性不足，也可能是刀具钝化后造成的。

我们可以通过：

减小横向进给量和加工深度，检查工件装夹是否牢靠，提高刀具的转速或者降低转速可以降低共振，另外查看是否有必要的更换新的刀具来减小振动。

三、薄壁件数控加工举例探讨

3.1、引言

虽然目前先进的数控加工设备可以达到很高的刚度和精确的运动控制，但是，由于薄壁零件结构刚度差，在加工过程中，残余应力、装夹力、切削力、切削热等因素的综合作用对零件加工影响较大。

薄壁结构零件极易发生加工变形和切削震动，导致加工误差，从而难以保障零件的加工精度和表面质量，严重情况下造成零件报废。

因而，在保证加工效率的同时，如何采取有效措施控制或减少薄壁零件的加工变形，保证加工质量是一个急待解决的的问题。

以下以滚动发动机口框（见图1）为例进行介绍与讨论。

3.2、技术难点

滚动发动机口框为典型薄壁件，它具有外形较大、结构复杂、整体薄壁、定位装夹难等特点。

零件外形为500mm×400mm×105mm所有壁厚为

mm，曲面为SR533.8㎜的球面，中间圆为Ф320㎜，毛坯为LF6长方体板材，质量约56.7㎏，通过铣削加工被“掏空”，零件实际质量为0.423㎏.材料切除率为99.25%。

金属切除量大，成品薄壁，刚度低，加工中需要解决的问题是控制和减小变形，保证尺寸公差和形位公差。

针对典型薄壁零件的特点，在加工过程中因受到切削力、夹紧力以及切削热和残余应力极易产生变形，所以控制加工变形是保证薄壁零件数控加工质量的关键。

在众多的加工变形控制措施中，从制定合理的工艺路线、优化装夹方案、高速加工、优化切削参数等方面进行介绍。

3.3、技术方案

（一）、制定合理的工艺路线

在薄壁零件的数控铣削加工中，为了有效控制加工变形应尽可能降低切削力及装夹变形。

根据薄壁零件的加工精度和材料的去除量的大小，选择粗、精加工工艺。

在滚动发动机口框的加工中分粗精两道数控加工工序，粗加工为精加工留出合适的切削余量和装夹定位基准。

精加工之前，为保证零件加工精度，应选用合理的切削用量以尽量小切削力，并且合理选择工件的装夹方案，从而减小装夹变形和加工变形；同时精加工时采用高速铣削方式，以及选用合适的冷却方式，在保证加工质量的同时减小切削热对工件产生的影响。

（二）、优化装夹方案

夹具的主要作用是在加工过程中对零件经行定位、约束和支撑，这些作用是通过合理地布置夹具和支撑块的位置及合适的夹紧力来实现的。

薄壁零件的数控铣削中，夹紧力是引起零件变形的一个重要因素，装夹方案的优劣直接影响工件的加工精度、表面质量、劳动生产率和加工成本。

薄壁零件装夹方案的制定，首先应根据零件的结构特点和技术要求，进行切削过程中的受力和变形分析，特别要住注重定位和加紧的形式、装夹布局和夹紧力的选择，使工件所受的综合作用力尽可能小作用力矩尽可能小，提高零件的工艺刚度，减轻零件的装夹变形、加工变形和振动。

薄壁零件装夹方案的制定要注意以下几个方面

（滚动发动机口框夹具如图2所示，装夹完成后如图3所示）

1）合理灵活地确定工件的装夹形式，选择合适的定位支撑面。

在滚动发动机口框中用R533.8㎜的大球面作为支撑面，工装与工件接触面积尽可能大，以提高零件的装夹刚度。

工装加工过程中提高SR533.8㎜球面精度和Φ320㎜上水平面的位置精度。

2）刚性较差的薄壁零件经常采用过定位方式定位，特别是在刚性薄弱处要加支撑，以提高工件的工艺刚度。

在滚动发动机框加工中，选择腰形孔作为主定位，也提高远离压紧处的刚性，减轻在铣削中的震动和变形，选择一个Φ4.2mm的孔作为辅助定位，提高定位精度。

3）在保证零件在加工过程中可靠加紧的前提下，采用尽可能小的、均布的夹紧力，适当增加加紧点的数目和增大加紧力的作用面积；应在零件刚性好的方向施加夹紧力，加紧力要垂直作用于定位面内，并且作用于刚性好的表面上。

在滚动发动机口框装夹中，先均压在Φ320mm园内的四个凸台上，再轻压腰形孔上辅助盖板。

4）工装的设计要求装卸简单和测量方便。

在滚动发动机口框中装夹圆凸台与定位腰形凸台形成锐角，保证定位面的完整，以腰形凸台的角度铣削圆凸台干涉部位。

为了方便测量尺寸

mm，工装的外形比零件的外形四周均小2mm。

（三）、薄壁零件的高速加工

高速加工对薄壁零件精加工的优点有：

1）由于切削力小，所以在加工薄壁零件时工件产生的让力变形和相应减小，易于保证零件的尺寸精度和形位精度；

2）高速切削时由于切削热大部分由于切削带走，工作温度上不高，工作的热变形小，这对于减小薄壁零件的变形非常有利；

3）高速切削时，道具的激振的频率提高，所以加工薄壁零件时可以在较高范围内选择主轴转速，使激振频率避开薄壁结构工艺系统的震动频率范围，从而避免切削振动，实现平稳切削。

在滚动发动机口框的加工中采用的是德国DMU125P五轴联动高速铣削加工中心，它的主要工作参数是，主轴转速n-20180r/min，沿x，y，z轴的行程分别为1250mm，1000mm，最大直线进给速60m/min，完全满足滚动发动几口框的加工条件。

优化高速铣削加工切削方式，首先需要注意避免传统的大切深小进给的加工模式，应采用小切深，快进给。

加工刀路尽量采用环切方式，刀具平滑切入、切出，减少急速转向，突然改变走刀方向和进给速度，尽可能保持切削平稳。

在滚动发动几口框加工中先去除腰形凸台和圆形凸台中间余量，再用环形切削分别加工腰形凸台和圆形凸台到尺寸。

（四）、优化切削参数

高速铣削粗加工仍以提高材料切出率为主，一般其切削深度Ap、径向切深Ap,和每齿尽量给Fz比较大，面精加工以达到加工精度和表面质量为主，切削速度Vc更高。

通过刀具厂商提供的参数和实际加工经验，确认高速铣削塑性铝合金材料时，应当选取铣削线速度至少选取Vc＞804m/min，以便使切削力和切削温度随着Vc的提高显著下降，同时减小加工变形、提高加工质量和效率、限机床最高转数、铣刀直径、刀具悬伸和环境温度等制约条件，在实际加工中镶片Φ32立铣刀切削速度Vc﹦100m/min。

Φ20合金球头铣刀切削速度Vc=804m/min，Φ10合金球头铣刀切削速度Vc=471m/min。

粗加工镶片Φ32立铣刀的切削深度Ap=1mm,径向切深Ae=24mm，每齿切削用量Fz=0.2mm。

根据

Vc﹦π×D×n（D为刀具直径，n为刀具转速）可以计算出刀具转速n=11000r/min。

进给速度F=Fz×Z×n=0.2×2×11000=4400㎜/min。

在精加工中，随着表面质量的提高、粗加工余量不同、刀具直径的减小，每齿切削用量也随之递减，在滚动发动机口框加工中Φ20合金球头铣刀的Fz选择为0.1mm/z。

Φ10合金球头铣刀的Fz选择为0.05mm/z.根据上述公式计算刀具切削用量如表1所示。

工件在铣削过程中，切削力及切削热的大小与切削参数的选取直接相关，切削参数的具体确定取决于刀具材料、道具长度、工件材料、机床和CNC系统的能力及工件是加工精度和表面质量要求。

3.4、结论

通过合理的工艺路线安排，提高薄壁零件工艺刚性；采用是适当的装夹方法，有效地减小和控制薄壁零件的加工变形；发挥高速切削加工的优势，优化切削参数，保证零件质量，提高加工效率。

采用以上工艺优化措施，滚动发动机口框主要形状和位置尺寸精度合格，尺寸

mm实测为2.04～2.08㎜之间，表面粗糙度Ra≤3.2µm，完全达到了图纸要求。

四、数控加工安全规则

1、进入车间实习时，要穿好工作服，大袖口要扎紧，衬衫要系入裤内。

不得穿凉鞋、拖鞋、高跟鞋、背心、裙子和戴围巾进入车间。

注意：

不允许戴手套操作机床；

2、注意不要移动或损坏安装在机床上的警告标牌；

3、注意不要在机床周围放置障碍物，工作空间应足够大；

4、某一项工作如需要俩人或多人共同完成时，应注意相互间的协调一致；

5、不允许采用压缩空气清洗机床、电气柜及NC单元；

6、应在指定的机床或计算机上进行操作。

未经允许，其它机床设备、工具或电器开关等均不得乱动。

总结

此次毕业设计是我们从大学毕业生走向未来工程师重要的一步。

其间，查找资料，老师指导，与同学交流，每一个过程都是对自己能力的一次检验和充实。

经过这几周的设计,成功地完成了本次毕业设计。

通过本次设计，我对数控加工地整个过程有了较全面的理解。

经过设计中选择刀具，我对数控机床工具系统的特点和数控刀具材料和使用范围有了较深的了解，基本掌握了数控机床刀具的选用方法；经过设计加工工艺方案，进一步了解了工件定位的基本原理、定位方式和定位元件及数控机床用夹具的种类与特点，对教材中有关定位基准的选择原则和数控加工夹具的选择方法有了更深的理解；经过编制零件的加工程序，基本熟悉数控编程的主要内容及步骤、编程的种类、程序的结构与格式，对数控编程前数学处理的内容、基点坐标、辅助程序段的数值计算有了进一步的认识。

此次毕业设计是对我专业知识和专业基础知识一次实际检验和巩固，同时也是走向工作岗位前的一次热身。

但是毕业设计也暴露出自己专业基础的很多不足之处。

比如缺乏综合应用专业知识的能力，对材料的不了解，等等。

这次实践是对自己大学三年所学的一次大检阅，使我明白自己知识还很浅薄，虽然马上要毕业了，但是自己的求学之路还很长，以后更应该在工作中学习，努力使自己成为一个对社会有所贡献的人，为中国数控制造业添上自己的微薄之力。

致谢

本人在毕业课题的设计中，学习了不少的新知识，体会到了学习的重要性，同时，感谢学校具远瞻的规划与教育，给予我们良好的学习环境，并提供给我们对学业及个人生涯发展的多元信息，帮助我们成长。

感谢学校领导对我的关怀和重视，使我得以发挥自己的特长，找到人生的价值。

感谢两年来陪伴我们学习与生活的恩师，感谢您们对我精心的教育，感谢您们没使我的学习变成劳作而成为一种快乐，感谢您们让我明白自身的价值，感谢您们帮助我发现了自己的专长，而且让我把事情做得更好。

感谢您们容忍我的任性与错误，不仅教会了我知识，更教会了我如何做事，如何做人。

此次毕业课题设计的顺利完成离不开指导教员的大力撑持,在这里，我特别要感谢我的指导教员，是他在本身紧张的工作中抽出时间督促我抓紧学习。

在毕业课题的设计中，用到了以前所学的常识，最开始王老师就教给了我碰到问题，如何去分析问题、处理完成问题的要领，使我得益非浅，从确定预设题目迄今完成毕业预设论文的过程当中，尤其是在课题预设的前期筹办工作和预设的过程当中，王老师提出了许许多多宝贵的预设意见起到很大的鼓舞效用，将使得我终身得益，谨此向高老师抒发我发自内心的感谢和崇高的敬意！

在此，我还要感谢机电系所有老师，正是由于他们的鼓励和撑持，才使我不畏坚苦，迎难而上，不断地克服一个又一个的坚苦，直到毕业预设的尘埃落定。

感谢两年来陪伴我一起的同学们，伙伴们，所有的欢笑和泪水、成功和失败、骄傲和苦恼，我们曾一起分享；那是我们青春中最灿烂的一页，最辉煌的回忆，而回忆中的每个人，都是栩栩如生，这些都将是我一生的财富。

三年时间虽然短暂，但它必将在我的记忆里永恒。

最后，发自内心感谢首钢工学院机电工程系老师多年来的辛劳造就和教诲。

参考文献

（1）.李福生.数控机床技术手册.北京：

北京出版社，1996

（2）.路冬.航空整体结构件加工变形预测及装夹布局优化.济南：

山东大学，2007

（3）.卢小平主编.数控加工与编程.西安：

电子科技大学出版社，1999

（4）.王宁生主编.夹具布局和夹紧力的优化方法研究.中国机械工程，2007

（5）.张超英.数控机床加工工艺编程及操作实训.北京：

高等教育出版社，2003