数控铣削工艺性分析及优化

数控铣削加工工艺性分析是编程前的重要工艺准备工作之一,根据加工实践,数控铣削加工工艺分析所要解决的主要问题大致可归纳为以下几个方面。

1.选择并确定数控铣削加工部位及工序内容

在选择数控铣削加工内容时,应充分发挥数控铣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4-7所示的正弦曲线。

②已给出数学模型的空间曲面,如图4-8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铣出来的简单表面或形状。

⑦用数控铣削方式加工后,能成倍提高生产率,大大减轻劳动强度的一般加工内容。

图4-7　Y＝sin(X)曲线

图4-8　球面

2.零件图样的工艺性分析

根据数控铣削加工的特点,对零件图样进行工艺性分析时,应主要考虑以下一些问题。

(1)零件图样尺寸的正确标注

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,各种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。例如,零件在用同一把铣刀、同一个刀具半径补偿值编程加工时,由于零件轮廓各处尺寸公差带不同,如在图4-9中,就很难同时保证各处尺寸在尺寸公差范围内。这时一般采取的方法是：兼顾各处尺寸公差,在编程计算时,改变轮廓尺寸并移动公差带,改为对称公差,采用同一把铣刀和同一个刀具半径补偿值加工。图4-9中括号内的尺寸,其公差带均作了相应改变,计算与编程时用括号内尺寸来进行。

图4-9　零件尺寸公差带的调整

(2)统一内壁圆弧的尺寸

加工轮廓上内壁圆弧的尺寸往往限制刀具的尺寸。

①内壁转接圆弧半径R。

如图4-10所示,当工件的被加工轮廓高度H较小,内壁转接圆弧半径R较大时,则可采用刀具切削刃长度L较小,直径D较大的铣刀加工。这样,底面A的走刀次数较少,表面质量较好,因此,工艺性较好。反之,如图4-11所示,其铣削工艺性则较差。

通常,当R＜0.2H时,工艺性较差。

②内壁与底面转接圆弧半径r。

如图4-12所示,铣刀直径D一定时,工件的内壁与底面转接圆弧半径r越小,铣刀与铣削平面接触的最大直径d＝D－2r就越大；铣刀端刃铣削平面的面积越大,则加工平面的能力越强,因而,铣削工艺性越好。反之,工艺性越差。如图4-13所示。

当底面铣削面积大,转接圆弧半径r也较大时,只能先用一把r较小的铣刀加工,再用符合要求r的刀具加工,分两次完成切削。

总之,一个零件上内壁转接圆弧半径尺寸的大小和一致性,影响着加工能力、加工质量和换刀次数等。因此,转接圆弧半径尺寸大小要力求合理,半径尺寸尽可能一致,至少要使半径尺寸分组靠拢,以改善铣削工艺性。

图4-10　R较大时

图4-11　R较小时

图4-12　r较小

图4-13　r较大

(3)保证基准统一的原则

有些工件需要在铣削完一面后,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方法来接刀,因此,最好采用统一基准定位。

(4)分析零件的变形情况

铣削工件在加工时如发生变形,将影响加工质量。这时,可采用常规方法如粗、精加工分开及对称去余量法等,也可采用热处理的方法,如对钢件进行调质处理,对铸铝件进行退火处理等方法解决。加工薄板时,切削力及薄板的弹性退让极易使切削面发生振动,使薄板厚度尺寸公差和表面粗糙度难以保证,这时,应考虑合适的工件装夹方式。(www.xing528.com)

总之,加工工艺取决于产品零件的结构形状、尺寸和技术要求等。

3.数控加工工艺路线的确定

数控加工工艺路线设计与通用机床加工工艺路线设计的主要区别在于它往往不是指从毛坯到成品的整个工艺过程,而仅是几道数控加工工序工艺过程的具体描述。因此在工艺路线设计中一定要注意到,由于数控加工工序一般都穿插于零件加工的整个工艺过程中,因而要与其他加工工艺衔接好。常见工艺流程如图4-14所示。

图4-14　工艺流程

在数控加工中,刀具(严格说是刀位点)相对于工件的运动轨迹和方向称为加工路线。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。加工路线的确定首先必须保证被加工零件的尺寸精度和表面质量,其次考虑数值计算简单、走刀路线尽量短、效率较高等。

下面举例分析数控机床加工零件时常用的加工路线。

(1)轮廓铣削加工路线的分析

如图4-15所示,当铣削平面零件外轮廓时,一般采用立铣刀侧刃切削。刀具切入工件时,应避免沿零件外廓的法向切入,而应沿外廓曲线延长线的切向切入,以避免在切入处产生刀具的刻痕而影响表面质量,保证零件外廓曲线平滑过渡。同理,在切离工件时,也应避免在工件的轮廓处直接退刀,而应该沿零件轮廓延长线的切向逐渐切离工件。

铣削封闭的内轮廓表面时,若内轮廓曲线允许外延,则应沿切线方向切入切出。若内轮廓曲线不允许外延(图4-16),刀具只能沿内轮廓曲线的法向切入切出,此时刀具的切入切出点应尽量选在内轮廓曲线两几何元素的交点处。当内部几何元素相切无交点时(图4-17),为防止刀具在轮廓拐角处留下凹口(图4-17(a)),刀具切入切出点应远离拐角(图4-17(b))。

图4-15　铣削外轮廓时刀具切入切出方式

图4-16　内轮廓加工刀具的切入和切出过渡

如图4-18所示,用圆弧插补方式铣削外整圆时,当整圆加工完毕,不要在切点处直接退刀,而应让刀具沿切线方向多运动一段距离,以免取消刀补时,刀具与工件表面相碰,造成工件报废。铣削内圆弧时也要遵循从切向切入的原则,最好安排从圆弧过渡到圆弧的加工路线,如图4-19所示,这样可以提高内孔表面的加工精度和加工质量。

图4-17　无交点内轮廓加工刀具的切入和切出

图4-18　铣削外圆

注：走刀路线为1-2-3-4-5

图4-19　铣削内圆

注：走刀路线为1-2-3-4-5

图4-20　孔系加工路线方案比较

(2)平面孔系零件加工路线的分析

对于孔位置精度要求较高的零件,在精镗孔系时,走刀路线一定要注意各孔的定位方向一致,即采用单向趋近定位点的方法,以避免传动系统反向间隙误差或测量系统的误差对定位精度的影响。例如,图4-20(a)所示的孔系加工路线,在加工孔Ⅳ时,X方向的反向间隙将会影响Ⅳ、Ⅲ两孔的孔距精度；如果改为图4-20(b)所示的加工路线,可使各孔的定位方向一致,从而提高了孔距精度。

图4-21　曲面加工的加工路线

(3)铣削曲面的加工路线的分析

①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确定。对于边界敞开的曲面加工,可采用两种加工路线。如图4-21所示,对于发动机大叶片,当采用图4-21(a)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4-21(b)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,所以曲面边界可以延伸,球头刀应由边界外开始加工。

②考虑工件强度及表面质量：如图4-22(b)所示,该形状的工件受力后,强度较图4-22(a)的差,图4-22(c)的表面质量最好。

图4-22　工件强度、表面质量与加工的关系

4.顺铣和逆铣对加工的影响

在铣削加工中,采用顺铣还是逆铣方式是影响加工表面粗糙度的重要因素之一。逆铣时切削力F的水平分力FX的方向与进给运动vf的方向相反,顺铣时切削力F的水平分力FX的方向与进给运动vf的方向相同。铣削方式的选择应视零件图样的加工要求、工件材料的性质、特点以及机床、刀具等条件综合考虑。通常,由于数控机床传动采用滚珠丝杠结构,其进给传动间隙很小,顺铣的工艺性就优于逆铣的。

图4-23(a)所示为采用顺铣切削方式精铣外轮廓,图4-23(b)所示为采用逆铣切削方式精铣型腔轮廓,图4-23(c)所示为顺、逆铣时的切削区域。

同时,为了降低表面粗糙度值,提高刀具耐用度,对于铝镁合金、钛合金和耐热合金等材料,尽量采用顺铣加工。但如果零件毛坯为黑色金属锻件或铸件,表皮硬而且余量一般较大,这时采用逆铣较为合理。

图4-23　顺铣和逆铣切削方式

(a)顺铣；(b)逆铣；(c)切入和退刀区