加工工艺分析解析和优化方案

数控铣削加工工艺分析是编程前的重要工艺准备工作之一。数控铣床或加工中心加工零件的表面不外乎平面、曲面、孔和内螺纹等，主要应考虑所选加工方法要与零件的表面特征、所要求达到的精度及表面粗糙度相适应。

在数控镗铣床及加工中心上可铣削平面及曲面。经粗铣的平面，尺寸精度一般可达IT12～IT14级，表面粗糙度可达Ra12.5～25 μm。经粗、精铣的平面，尺寸精度可达IT7～IT9级，表面粗糙度可达Ra0.8～3.2　μm。

1.二维轮廓加工

1）刀具的选择

铣削平面类零件周边轮廓一般采用立铣刀。刀具的尺寸一般应满足：

（1）刀具半径R小于朝轮廓内侧弯曲的最小曲率半径ρmin，一般可取R＝（0.8～0.9）ρmin。

（2）刀具与零件的接触长度H≤（1/4～1/6）R，以保证刀具有足够的刚度。

如果ρmin过小，为提高加工效率，可先采用大直径刀具进行粗加工，然后按上述要求选择工具对轮廓上残留余量过大的局部区域处理后再对整个轮廓进行精加工。

2）走刀路线的选择

走刀路线的合理选择是非常重要的，因为它与零件的加工效率和表面质量密切相关，确定走刀路线的一般原则是：

（1）保证零件的加工精度和表面粗糙度要求。

（2）缩短走刀路线，减少进退刀时间和其他辅助时间。

（3）方便数值计算，减少编程工作量。

（4）尽量减少程序段数。

对于二维轮廓的铣削，无论是外轮廓或内轮廓，要安排刀具从切向进入轮廓进行加工，当轮廓加工完毕之后，要安排一段沿切线方向继续运动的退刀距离，这样可以避免刀具在工件上的切入点和退出点处留下接刀痕。而对于内轮廓的加工，其切向进、退刀路线可采用圆弧段。

此外，在铣削加工零件轮廓时，要考虑尽量采用顺铣加工方式，这样可以提高零件表面质量和加工精度，减少机床的“颤振”。要选择合理的进、退刀位置，尽可能选在不太重要的位置。

2.二维型腔加工

型腔是指具有封闭边界轮廓的平底或曲底凹坑，而且可能具有一个或多个不加工的岛屿（见图5-30），当型腔底面为平面时即为二维型腔。型腔类零件在模具、飞机零件中应用普遍，有人甚至认为80%以上的机械加工可归结为型腔加工。(www.xing528.com)

图5-30　型腔类零件

型腔的加工包括型腔区域底面的加工与轮廓（包括边界与岛屿轮廓）的加工，一般采用立铣刀或成形铣刀（取决于型腔侧壁与底面间的过渡要求）进行加工。

型腔的切削分两步，第一步切内腔，第二步切轮廓。切削内腔区域时，主要采用行切和环切两种走刀路线，如图5-31所示。其共同点是都要切净内腔区域的全部面积，不留死角，不伤轮廓，同时尽量减少重复走刀的搭接量。从加工效率（走刀路线长短）、代码质量等方面衡量，行切与环切走刀路线哪个较好，要取决于型腔边界的具体形状与尺寸以及岛屿数量、形状尺寸与分布情况。切轮廓通常又分为粗加工和精加工两步。粗加工的刀具轨迹如图5-32中粗线所示，是从型腔边界轮廓向里及从岛屿轮廓向外偏置铣刀半径并且留出精加工余量而形成，它是计算内腔区域加工走刀路线的依据。另外，型腔加工还可采用其他走刀路线（例如，行切与环切的混合）。对于一具体型腔，可采用各种不同的走刀方式，并以加工时间最短（走刀轨迹长度最短）作为评价目标进行比较，原则上可获得较优的走刀方案。

图5-31　型腔区域加工走刀路线

图5-32　型腔轮廓粗加工

尽管采用大直径刀具可以获得较高的加工效率，但对于形状复杂的二维型腔，若采用大直径刀具将产生大量的欠切削区域，需进行后续加工处理，而若直接采用小直径刀具则又会降低加工效率。因此，一般采用大直径与小直径刀具混合使用的方案。

在型腔深处进行切削时（刀具长度大于三倍直径），采用侧铣很容易产生振动，这时最好采用插铣（轴向铣削）。另外，使用整体硬质合金刀具精加工型腔壁时，一般使用顺铣，但是，加工工件壁较厚时，应选择逆铣，这样刀具产生的弯曲小。

3.曲面加工

曲面加工在飞机、模具等制造行业应用非常普遍，一直是数控加工技术的主要研究与应用对象。曲面加工应根据曲面形状、刀具形状以及加工精度要求采用不同的铣削方法，可在三坐标、四坐标或五坐标数控机床上完成，其中三坐标曲面加工应用最为普遍。

坐标曲面加工可采用球头刀、立铣刀、鼓形刀和成形刀等，其特征是加工过程中刀具轴线方向始终不变，平行于z轴。三坐标曲面加工通过x、y、z三坐标联动逐行走刀来完成，这种方法称为行切法。两相邻切削行刀具轨迹或刀具接触点之间的距离称为行距，行距的大小是影响曲面加工质量和效率的重要因素。

4.孔和内螺纹加工

孔加工的方法比较多，有钻削、扩削、铰削、铣削和镗削等。

对于直径大于φ30 mm的已铸出或锻出的毛坯孔的加工，一般采用“粗镗—半精镗—孔口倒角—精镗”的加工方案，孔径较大的可采用立铣刀“粗铣—精铣”加工方案。

对于直径小于φ30 mm无底孔的加工，通常采用“锪平端面—打中心孔—钻—扩—孔口倒角—铰”的加工方案，对有同轴度要求的小孔，需采用“锪平端面—打中心孔—钻—半精镗（或铰）”的加工方案。为提高孔的位置精度，在钻孔工步前需安排打中心孔工步。孔口倒角一般安排在半精加工之后、精加工之前，以防孔内产生毛刺。

内螺纹的加工方法根据孔径的大小来选择，一般情况下，M6～M20的螺纹，通常采用攻螺纹的方法加工。因为在加工中心上攻小直径螺纹的丝锥容易折断，M6以下的螺纹，可在加工中心上完成底孔加工，再通过其他手段攻螺纹；M20以上的内螺纹，可采用铣削（或镗削）加工。另外，还可铣外螺纹，如图5-33所示。

图5-33　铣螺纹