機械制造工藝學（第3版）課件：數(shù)控銑削加工

機械制造工藝學數(shù)控銑削加工車床主軸箱加工工藝如圖3-1所示為某車窗主軸箱簡圖，材料為HT200，中小批生產(chǎn)，制定其機械加工工藝過程卡。箱體類零件典型特點是結(jié)構(gòu)復雜，壁薄且壁厚不均勻；孔和面的尺寸精度、表面粗糙度及形位精度要求多，如何保證孔系之間的尺寸精度、形位精度，孔面之間的位置精度往往是加工的重點；加工中要特別注意定位精準的選擇，以保證各形位精度的實現(xiàn)，毛坯多采用鑄件，需進行時效處理，保證零件加工后的性能穩(wěn)定性。數(shù)控銑削加工一、數(shù)控銑削加工概述數(shù)控銑削是機械加工中最常用和最主要的數(shù)控加工方法之一。它除了能銑削普通銑床所能銑削的各種零件表面外，還能銑削普通銑床不能銑削的需要2~5坐標聯(lián)動的各種平面輪廓和立體輪廓，適合數(shù)控銑削的主要加工對象有以下幾類：1.平面類零件平面類零件是數(shù)控銑削加工中最簡單的一類零件，一般只需用三坐標數(shù)控銑床的兩坐標聯(lián)動(即兩軸半坐標聯(lián)動)就可以把它們加工出來。圖3-9平面類零件2.變斜角類零件圖3-10飛機上變斜角梁緣條加工面與水平面的夾角呈連續(xù)變化的零件稱為變斜角類零件，如圖3-10所示的飛機上變斜角梁緣條。變斜角類零件最好采用四坐標、五坐標數(shù)控銑床擺角加工，若沒有上述機床，也可采用三坐標數(shù)控銑床進行兩軸半近似加工。3.空間曲面輪廓零件這類零件的加工面為空間曲面，如模具、葉片、螺旋槳等。空間曲面輪廓零件不能展開為平面。加工時，銑刀與加工面始終為點接觸，一般采用球頭刀在三軸數(shù)控銑床上加工。當曲面較復雜、通道較狹窄、會傷及相鄰表面及需要刀具擺動時，要采用四坐標或五坐標銑床加工，如圖3-11所示。圖3-11空間曲面輪廓零件5.螺紋內(nèi)螺紋、外螺紋、圓柱螺紋、圓錐螺紋等都可以在數(shù)控銑床上加工。二、數(shù)控銑削加工工藝分析數(shù)控銑削加工工藝設計的關(guān)鍵在于合理安排工藝路線，協(xié)調(diào)數(shù)控銑削工序與其他工序之間的關(guān)系，確定數(shù)控銑削工序的內(nèi)容和步驟，并為程序編制準備必要的條件。(一)數(shù)控銑削加工部位及內(nèi)容的選擇適宜采用數(shù)控銑削加工的部位：1)由直線、圓弧、非圓曲線及列表曲線構(gòu)成的內(nèi)外輪廓。2)空間曲線或曲面。3)形狀雖然簡單，但尺寸繁多，檢測困難的部位。4)用普通機床加工時難以觀察、控制及檢測的內(nèi)腔、箱體內(nèi)部等。5)有嚴格位置尺寸要求的孔或平面。6)能夠在一次裝夾中順帶加工出來的簡單表面或形狀。7)采用數(shù)控銑削加工能有效提高生產(chǎn)率，減輕勞動強度的一般加工內(nèi)容。(二)數(shù)控銑削加工零件的工藝性分析1.零件圖及其結(jié)構(gòu)工藝性分析1)分析零件的形狀、結(jié)構(gòu)及尺寸的特點，確定零件上是否有妨礙刀具運動的部位，是否有會產(chǎn)生加工干涉或加工不到的區(qū)域，零件的最大形狀尺寸是否超過機床的最大行程，零件的剛性隨著加工的進行是否有太大的變化等。2)檢查零件的加工要求。3)在零件上是否存在對刀具形狀及尺寸有限制的部位和尺寸要求，盡量使用最少的刀具進行加工，減少刀具規(guī)格、換刀及對刀次數(shù)和時間，以縮短總的加工時間。4)著重考慮零件加工中使用的工藝基準。對于一般加工精度要求，可以利用零件上現(xiàn)有的一些基準面或基準孔，或者專門在零件上加工出工藝基準。當零件的加工精度要求很高時，必須采用先進的統(tǒng)一基準定位裝夾系統(tǒng)才能保證加工要求。5)分析零件材料的種類、牌號及熱處理要求。6)充分了解零件的已加工狀態(tài)。7)在分析零件圖樣時，務必分析幾何元素的給定條件是否充分。2.零件毛坯的工藝性分析1)毛坯應有充分、穩(wěn)定的加工余量。2)毛坯的裝夾適應性。3)毛坯的余量大小及均勻性。(三)數(shù)控銑削加工工藝路線的擬訂1.加工方法的選擇序號加工表面加工方案所使用的刀具1平面內(nèi)外輪廓X、Y、Z方向粗銑—內(nèi)外輪廓方向分層半精銑—輪廓高度方向分層半精銑—內(nèi)外輪廓精銑整體高速鋼或硬質(zhì)合金立銑刀機夾可轉(zhuǎn)位硬質(zhì)合金立銑刀2空間曲面X、Y、Z方向粗銑—曲面Z方向分層粗銑—曲面半精銑—曲面精銑整體高速鋼或硬質(zhì)合金立銑刀、球頭銑刀機夾可轉(zhuǎn)位硬質(zhì)合金立銑刀、球頭銑刀3孔定尺寸刀具加工麻花鉆、擴孔鉆、鉸刀、鏜刀

銑削整體高速鋼或硬質(zhì)合金立銑刀機夾可轉(zhuǎn)位硬質(zhì)合金立銑刀4外螺紋螺紋銑刀銑削螺紋銑刀5內(nèi)螺紋攻螺紋絲錐

螺紋銑刀銑削螺紋銑刀(1)平面加工方法的選擇在數(shù)控銑床上加工平面主要采用端銑刀和立銑刀加工。粗銑的尺寸精度和表面粗糙度值Ra一般可達IT11~IT13、6.3~25μm;精銑的尺寸精度和表面粗糙度值Ra一般可達IT8~IT10，1.6~6.3μm。需要注意的是：當零件表面粗糙度要求較高時，應采用順銑方式。(2)平面輪廓加工方法的選擇平面輪廓多由直線和圓弧或各種曲線構(gòu)成，通常采用三坐標數(shù)控銑床進行兩軸半坐標加工。圖3-13平面輪廓銑削(3)固定斜角平面加工方法的選擇固定斜角平面是與水平面成一固定夾角的斜面，常用的加工方法如下：當零件尺寸不大時，可用斜墊板墊平后加工;如果機床主軸可以擺角，則可以擺成適當?shù)亩ń?，用不同的刀具來加?圖3-14);當零件尺寸很大，斜角平面斜度又較小時，常用行切法加工，但加工后，會在加工面上留下殘留面積，需要用鉗修方法加以清除，用三坐標數(shù)控立銑加工飛機整體壁板零件時常用此法。當然，加工斜角平面的最佳方法是采用五坐標數(shù)控銑床，主軸擺角后加工，可以不留殘留面積。圖3-14主軸擺角加工固定斜角平面

(4)變斜角面加工方法的選擇1)對曲率變化較小的變斜角面，選用X、Y、Z和A四坐標聯(lián)動的數(shù)控銑床，采用立銑刀(但當零件斜角過大，超過機床主軸擺角范圍時，可用角度成形銑刀加以彌補)以插補方式擺角加工，如圖3-15a所示。2)對曲率變化較大的變斜角面，用四坐標聯(lián)動加工難以滿足加工要求，最好用X、Y、Z、A和B(或C轉(zhuǎn)軸)的五坐標聯(lián)動數(shù)控銑床，以圓弧插補方式擺角加工，如圖3-15b所示。圖3-15四、五坐標聯(lián)動數(shù)控銑床加工零件變斜角面3)采用三坐標數(shù)控銑床兩坐標聯(lián)動，利用球頭銑刀和鼓形銑刀，以直線或圓弧插補方式進行分層銑削加工，加工后的殘留面積用鉗修方法清除，圖3-16所示。圖3-16用鼓形銑刀分層銑削變斜角面的情形(5)曲面輪廓加工方法的選擇1)對曲率變化不大和精度要求不高的曲面的粗加工，常用兩軸半坐標的行切法加工，即X、Y、Z三軸中任意兩軸做聯(lián)動插補，第三軸做單獨的周期進給。圖3-17兩軸半坐標行切法加工曲面

2)對曲率變化較大和精度要求較高的曲面的精加工，常用X、Y、Z三坐標聯(lián)動插補的行切法加工。3)對像葉輪、螺旋槳這樣的零件，因其葉片形狀復雜，刀具容易與相鄰表面干涉，常用五坐標聯(lián)動加工，其加工原理如圖3-20所示。圖3-19三坐標聯(lián)動加工曲面的刀心軌跡O1O2和切削點軌跡ab

圖3-20曲面的五坐標聯(lián)動加工2.工序的劃分1)當加工中使用的刀具較多時，為了減少換刀次數(shù)，縮短輔助時間，可以將一把刀具所加工的內(nèi)容安排在一個工序(或工步)中。2)按照加工表面的性質(zhì)和要求，將粗加工、精加工分為依次進行的不同工序(或工步)。先進行所有表面的粗加工，然后再進行所有表面的精加工。3.加工順序的安排一般數(shù)控銑削采用工序集中的方式，通常按照從簡單到復雜的原則，先加工平面、溝槽、孔，再加工外形、內(nèi)腔，最后加工曲面，先加工精度要求低的部位，再加工精度要求高的部位等。4.加工路線的確定1)應能保證零件的加工精度和表面粗糙度要求。如圖3-21所示，當銑削平面零件外輪廓時，一般采用立銑刀側(cè)刃切削。銑削封閉的內(nèi)輪廓表面時，若內(nèi)輪廓曲線允許外延，則應沿切線方向切入切出。若內(nèi)輪廓曲線不允許外延(圖3-22)，刀具只能沿內(nèi)輪廓曲線的法向切入切出，此時刀具的切入切出點應盡量選在內(nèi)輪廓曲線兩幾何元素的交點處。圖3-21外輪廓加工刀具的切入和切出

圖3-22內(nèi)輪廓加工刀具的切入和切出

當內(nèi)部幾何元素相切無交點時(圖3-23)，為防止刀補取消時在輪廓拐角處留下凹口(圖3-23a)，刀具切入切出點應遠離拐角(圖3-23b)。圖3-23無交點內(nèi)輪廓加工刀具的切入和切出圖3-24所示為圓弧插補方式銑削外整圓時的加工路線圖。當整圓加工完畢時，不要在切點處直接退刀，而應讓刀具沿切線方向多運動一段距離，以免取消刀補時，刀具與工件表面相碰，造成工件報廢。銑削內(nèi)圓弧時也要遵循切向切入的原則，最好安排從圓弧過渡到圓弧的加工路線(圖3-25)，這樣可以提高內(nèi)孔表面的加工精度和加工質(zhì)量。圖3-24外圓銑削

圖3-25內(nèi)圓銑削

在精鏜孔系時，鏜孔路線一定要注意各孔的定位方向一致，即采用單向趨近定位點的方法，以避免傳動系統(tǒng)反向間隙誤差或測量系統(tǒng)的誤差對定位精度的影響。如圖3-26a所示的孔系加工路線，在加工孔Ⅳ時，X方向的反向間隙將會影響Ⅲ、Ⅳ兩孔的孔距精度;如果改為圖3-26b所示的加工路線，可使各孔的定位方向一致，從而提高了孔距精度。圖3-26孔系加工路線方案比較銑削曲面時，常用球頭銑刀采用行切法進行加工。所謂行切法是指刀具與零件輪廓的切點軌跡是一行一行的，而行間的距離是按零件加工精度的要求確定的。對于邊界敞開的曲面加工，可采用兩種加工路線。如圖3-27所示發(fā)動機大葉片，采用圖3-27a所示的加工方案時，每次沿直線加工，刀位點計算簡單，程序少，加工過程符合直紋面的形成，可以準確保證母線的直線度。當采用圖3-27b所示的加工方案時，符合這類零件數(shù)據(jù)給出情況，便于加工后檢驗，葉形的準確度較高，但程序較多。圖3-27曲面加工的加工路線2)應使加工路線最短，減少刀具空行程時間，提高加工效率。圖3-28b)更符合加工路線最短原則3)應使數(shù)值計算簡單，程序段數(shù)量少，以減少編程工作量。圖3-28正確選擇鉆孔加工路線(四)數(shù)控銑削加工工序的設計1.夾具的選擇數(shù)控銑床上的裝夾方法與普通銑床一樣，要求有簡單的定位、夾緊機構(gòu)就可以，但要將加工部位敞開，不能因裝夾而影響進給和切削加工。選擇夾具時，應注意減少裝夾次數(shù)，盡量做到在一次安裝中能把零件上所有要加工表面都加工出來。2.刀具的選擇(1)銑刀剛性要好(2)銑刀的耐用度要高除上述兩點之外，銑刀切削刃的幾何角度參數(shù)的選擇與排屑性能等也非常重要。(五)數(shù)控銑削加工中的裝刀與對刀技術(shù)1.對刀點的選擇對刀點是工件在機床上定位裝夾后，設置在工件坐標系中，用于確定工件坐標系與機床坐標系空間位置關(guān)系的參考點。圖3-29對刀點的選擇

①對刀點可以設置在工件