1.6 数控加工工艺
(1)数控加工工艺与数控编程的关系
数控加工工艺分析与处理是数控编程的前提和依据,没有符合实际的、科学合理的数控加工工艺,就不可能有真正可行的数控加工程序。而数控编程就是将制定的数控加工工艺内容程序化。
(2)数控加工工艺特点
数控加工工艺的内容十分具体。数控加工工艺内容要求详细、具体和完整,因为加工过程严格按程序指令自动进行,如工件在机床(或夹具)上装夹位置、工序内工步的安排、刀具选用、切削用量、走刀路线等,都必须在工艺设计中认真考虑和明确规定。
数控加工的工艺处理相当严密。数控加工工艺处理应十分严密、准确,因为数控加工自行调整能力较差,必须注意到加工中的每一个细节,如每个坐标尺寸的计算、对刀点和换刀点的确定、攻螺纹时的排屑动作等。程序须经验证正确后,方可进行正式加工。
(3)数控加工工艺分析的内容
①选择适合在数控机床上加工的零件,确定进行数控加工的数控机床的类型。
②分析被加工零件的图纸,明确加工内容及技术要求。在此基础上,确定零件的加工方案,制定数控加工工艺路线,如划分工序、安排加工顺序、与传统加工工序的衔接等。
③加工工序的设计,如选取零件的定位基准、工步的划分、装卡与定位方案的确定、刀辅具的选取、切削用量的确定等。
④数控加工程序的调整,如选取对刀点和换刀点,确定刀具补偿等。
⑤处理数控机床上的部分工艺指令。
(4)加工工序划分
在数控机床上加工零件,工序可以比较集中,一次装夹应尽可能完成全部工序。与普通机床加工相比,加工工序划分有其自己的特点,常用的工序划分原则有以下两种。
①保证精度的原则 数控加工要求工序尽可能集中,常常粗、精加工在一次装夹下完成,为减小热变形和切削力变形对工件的形状、位置精度、尺寸精度和表面粗糙度的影响,应将粗、精加工分开进行。对轴类或盘类零件,将各处先粗加工,留少量余量精加工,来保证表面质量要求。同时,对一些箱体工件,为保证孔的加工精度,应先加工表面而后加工孔。
②提高生产效率的原则 数控加工中,为减少换刀次数,节省换刀时间,应将需用同一把刀加工的加工部位全部加工完后,再换另一把刀来加工其他部位。同时应尽量减少空行程,用同一把刀加工工件的多个部位时,应以最短的路线到达各加工部位。
实际中,数控加工工序要根据具体零件的结构特点、技术要求等情况综合考虑。
(5)选择合适的对刀点和换刀点
①刀位点 每把刀具的半径与长度尺寸都是不同的,刀具装在机床上后,应在控制系统中设置刀具的基本位置。在实际的数控编程和加工过程中,都是把刀具当作一点来考虑,用于表示刀具特征的点也是对刀和加工的基准点,该点称为刀位点。数控车刀的刀位点如图1-39所示,尖形车刀的刀位点通常是指刀具的刀尖;圆弧形车刀的刀位点是指圆弧刃的圆心。数控铣刀及钻头的刀位点如图1-40所示,立铣刀和端铣刀的刀位点是刀具中心线与刀具底面的交点;球头铣刀的刀位点是球头的球心点或球头顶点;钻头的刀位点是钻头顶点。
图1-39 数控车刀的刀位点
图1-40 数控铣刀及钻头的刀位点
②对刀点 刀具究竟是从什么位置开始移动到指定的位置的呢?所以在程序执行的一开始,必须确定刀具在工件坐标系下开始运动的位置,这一位置即为程序执行时刀具相对于工件运动的起点,所以称为程序起始点或起刀点。此起始点一般通过对刀来确定,所以,该点又称对刀点。在编制程序时,要正确选择对刀点的位置。对刀点设置原则是:便于数值处理和简化程序编制,易于找正并在加工过程中便于检查,引起的加工误差小。对刀点可以设置在加工零件上,也可以设置在夹具上或机床上;为了提高零件的加工精度,对刀点应尽量设置在零件的设计基准或工艺基准上。实际操作机床时,可通过手工对刀操作把刀具的刀位点放到对刀点上,将刀位点与对刀点重合。手动对刀操作的对刀精度较低,且效率低。因此有些工厂采用光学对刀镜、对刀仪、自动对刀装置等,以减少对刀时间,提高对刀精度。
③换刀点 加工过程中需要换刀时,应规定换刀点。所谓换刀点是指刀架转动换刀时的位置,换刀点应设在工件或夹具的外部,以换刀时不碰工件及其他部件为准。换刀点是为加工中心、数控车床等采用多刀进行加工的机床而设置的,因为这些机床在加工过程中要自动换刀。对于手动换刀的数控铣床,也应确定相应的换刀位置。换刀点应根据工序内容的安排进行设置。为防止换刀时碰伤零件、刀具或夹具,换刀点常常设置在被加工零件的轮廓之外,并留有一定的安全量。
(6)加工路线
加工路线就是刀具(严格来说是刀位点)在整个加工工序中的运动轨迹,即刀具从对刀点开始运动起,直至结束加工程序所经过的路径,包括切削加工的路径及刀具引入、返回等非切削空行程,也称为刀具运动轨迹或走刀路线。加工路线是编写数控程序的主要依据之一。
加工路线选择原则是指在保证加工精度和表面粗糙度的前提下,数值计算最简单、走刀路线最短、空行程少、编程量小、程序短、简单易行的刀具路径。粗加工时走刀路线一般选择高效走刀路线,即最短走刀路线。精加工时一般选择较高的转速和较小的进给量,采用精度较高的走刀路线。此外,确定加工路线时,还要考虑工件的加工余量和机床、刀具的刚度等情况,确定是一次还是多次走刀来完成加工,以及在铣削加工中是采用顺铣还是逆铣等。
①车削加工路线的确定
a.最短的切削加工路线。图1-41为粗车时几种不同切削进给路线的安排示意图。在同等条件下,图1-41(c)所示切削方式所需时间(不含空行程)最短,对刀具的损耗最少。
图1-41 粗车切削加工路线
b.大余量毛坯的阶梯切削加工路线。图1-42所示为车削大余量工件的两种加工路线。图1-42(a)所示是错的阶梯切削路线;图1-42(b)所示按1~5的顺序切削,每次切削所留余量相等,是正确的阶梯切削路线。
图1-42 大余量毛坯的阶梯切削加工路线
c.车削外圆锥切削加工路线。按图1-43(a)所示的阶梯切削路线进行切削,两刀粗车,最后一刀精车。该加工路线刀具切削运动的路线最短,粗车时刀具背吃刀量相同,但精车时背吃刀量不同。
图1-43 外圆锥切削加工路线
按图1-43(b)所示的相似斜线切削路线进行切削,刀具切削运动的距离较短。
按图1-43(c)所示的斜线加工路线进行切削,只需确定了每次背吃刀量ap,而不需计算终刀距,编程方便。但在每次切削中背吃刀量是变化的,且刀具切削运动的路线较长。
d.车削圆弧加工路线。应用G02(或G03)指令车圆弧,若用一刀就把圆弧加工出来,则吃刀量太大,容易打刀。所以,实际车圆弧时,需要多刀加工,先将大多余量切除,最后才车得所需圆弧。
图1-44所示为车圆弧的阶梯切削路线,即先粗车成阶梯,最后一刀精车出圆弧。该方法在确定了每刀吃刀量ap后,须精确计算出粗车的终刀距S,即求圆弧与直线的交点。阶梯切削方法刀具切削运动距离较短,但数值计算较繁琐。
图1-44 阶梯切削路线车圆弧
图1-45所示为车圆弧的同心圆弧切削路线,即用不同的半径圆来车削,最后将所需圆弧加工出来。此方法在确定了每次吃刀量ap后,对90°圆弧的起点、终点坐标较易确定,数值计算简单,编程方便,常采用。但按图1-45(b)所示方法加工时,空行程时间较长。
图1-45 同心圆法车圆弧
图1-46所示为车圆弧的车锥法切削路线,即先车一个圆锥,再车圆弧。注意车锥时的起点和终点的确定,若确定不好,则可能损坏圆弧表面,也可能将余量留得过大。确定方法如图1-46所示,连接OC交圆弧于D,过D点作圆弧的切线AB。由几何关系得CD=OC-OD=R-R≈0.414R,这是车锥时的最大切削余量,即车锥时加工路线不能超过AB线。由图1-46所示关系,可得AC=BC≈0.586R,这样可确定出车锥时的起点和终点,当R不太大时,可取AC=BC≈0.5R。车锥法车圆弧刀具切削路线短,但数值计算较繁琐。
图1-46 车锥法车圆弧
e.完整轮廓的连续切削进给路线。零件精加工时,其完整轮廓应由最后一刀连续加工而成,加工刀具的进、退刀位置要考虑妥当,尽量不要在连续的轮廓中安排切入和切出或换刀及停顿,以免因切削力突然变化而造成弹性变性,致使光滑连接轮廓上产生表面划伤、形状突变或滞留刀痕等缺陷。
f.特殊的加工路线。当采用尖形车刀加工大圆弧内表面零件时,安排两种不同的进给方法如图1-47所示,其结果是不相同的。图1-47(a)所示方案有嵌刀现象,图1-47(b)所示进给方案是较合理的。
图1-47 大圆弧内表面加工路线
g.车削螺纹加工路线。在车螺纹时,刀具沿螺纹方向的进给应与工件主轴旋转保持严格的速比关系。考虑到刀具从停止状态到达指定的进给速度或从指定的进给速度降至零,驱动系统必有一个过渡过程,沿轴向进给的加工路线长度,除保证加工螺纹长度外,还应增加导入空刀量δ1(取1~2倍螺距值)和导出空刀量δ2(取大于0.5倍螺距的值),如图1-48所示(f表示进给方向)。这样来保证切削螺纹时,在升速完成后使刀具接触工件,刀具离开工件后再降速。
图1-48 车削螺纹时导入空刀量和导出空刀量
②铣削加工路线的确定
a.顺铣和逆铣。铣刀旋转切线方向与工件进给方向相同称为顺铣,如图1-49(a)所示(f表示进给方向)。当工件表面无硬皮,机床进给机构无间隙时,应选用顺铣。
铣刀旋转切线方向与工件进给方向相反称为逆铣,如图1-49(b)所示。当工件表面有硬皮,机床的进给机构有间隙时,应采用逆铣。
图1-49 铣削方式
b.铣削外轮廓的加工路线。刀具切入零件时,应沿切削起始点延伸线[图1-50(a)]或切线方向图[图1-50(b)]逐渐切入工件,保证零件曲线的平滑过渡,避免在工件轮廓面上垂直上、下刀而划伤工件表面;应尽量减少在轮廓加工切削过程中的暂停(切削力突然变化造成弹性变形),以免留下刀痕。同样,在切离工件时,也要沿着切削终点延伸线图[图1-50(a)]或切线方向[图1-50(b)]逐渐切离工件,以免取消刀具补偿时,刀具与工件表面相碰撞,造成工件报废。
图1-50 刀具切入和切出外轮廓的加工路线
c.铣削内轮廓的加工路线。同铣削外轮廓一样,刀具同样不能沿轮廓曲线的法向切入和切出。此时刀具可以沿一过渡圆弧切入和切出工件轮廓。图1-51所示为铣削内圆的加工路线。
图1-51 刀具切入和切出内轮廓的加工路线
d.铣削内槽的加工路线。图1-52所示为加工内槽的三种加工路线。图1-52(a)、(b)所示为分别用行切法和环切法加工内槽。这两种方法的共同点是:都能切净内腔中全部面积,不留死角,不伤轮廓,同时尽量减少重复进给的搭接量。这两种方法的不同点是:行切法的加工路线比环切法短,但行切法将在每两次进给的起点与终点间留下残留面积,而达不到所要求的表面粗糙度;用环切法获得的表面粗糙度要好于行切法,但环切法需要逐次向外扩展轮廓线,刀位点计算稍微复杂一些。综合行、环切法的优点,采用图1-52(c)所示的加工路线,即先用行切法切去中间部分余量,最后用环切法切一刀,既能使总的加工路线较短,又能获得较好的表面粗糙度。
图1-52 铣内槽的三种加工路线
e.铣削曲面的加工路线。铣削曲面时,常用球头刀采用“行切法”进行加工。所谓行切法是指刀具与零件轮廓的切点轨迹是一行一行的,而行间的距离是按零件加工精度的要求进行确定的。对于边界敞开的曲面加工,可采用两种加工路线。如图1-53所示,对于发动机大叶片,当采用图1-53(a)所示的加工方案时,每次沿直线加工,刀位点计算简单,程序少,加工过程符合直纹面的形成,可以准确保证母线的直线度。当采用图1-53(b)所示的加工方案时,符合这类零件数据给出情况,便于加工后检验,叶形的准确度高,但程序较多。由于曲面零件的边界是敞开的,没有其他表面限制,因此曲面边界可以延伸,球头刀应由边界外开始加工。
图1-53 铣曲面的两种加工路线
③孔加工路线的确定 孔加工时,一般是首先将刀具在XY平面内快速定位运动到孔中心线的位置上,然后刀具再沿Z向(轴向)运动进行加工。
a.确定XY平面内的加工路线
• 定位迅速,空行程时间短。如加工图1-54(a)所示零件的10个孔,图1-54(b)所示加工路线最短,但定位精度相对较差;而图1-54(c)所示加工路线较长,但定位精度较高。
图1-54 最短加工路线设计示例
• 定位准确,避免反向间隙对孔位精度的影响。对于位置精度要求精度较高的孔系加工,特别要注意孔的加工顺序的安排,安排不当时,就有可能将沿坐标轴的反向间隙带入,直接影响位置精度。图1-55(a)为零件图,对于在该零件上加工的四个尺寸相同的孔,有两种加工路线。当按图1-55(b)所示路线加工时,由于4孔与1、2、3孔定位方向相反,在Y方向反向间隙会使定位误差增加,而影响4孔与其他孔的位置精度。按图1-55(c)所示路线,加工完3孔后,往上移动一段距离到P点,然后再折回来加工4孔,这样方向一致,可避免反向间隙的引入,提高4孔与其他孔的位置精度。
图1-55 孔加工路线
b.确定Z向(轴向)的加工路线。刀具在Z向的加工路线分为快移进给路线和工作进给路线。如图1-56(a)所示为单孔加工路线,如图1-56(b)所示为多孔加工路线,图中所示快速移动进给路线用实线表示,工作进给路线用虚线表示。
图1-56 刀具Z向加工路线
加工如图1-57(a)所示不通孔时,工作进给距离。加工如图1-57(b)所示通孔时,工作进给距离,其中,为刀具直径。
图1-57 通孔与不通孔加工