加工中心及其加工工艺课件.ppt

第7章 加工中心及其加工工艺,71 加工中心加工原理及设备 72 加工中心加工工艺分析 73 加工中心加工工艺路线的拟订 74 典型零件的加工中心加工工艺分析,71 加工中心加工原理及设备,711 加工中心的主要特点及功能,加工中心（MC，Machine Center）是一种备有刀库并能通过程序或手动控制自动刀具交换装置(ATC,Autmatic Tools Changer)自动更换刀具对工件进行多工序加工的数控机床。 (1)加工中心是在数控镗床或数控铣床的基础上增加有存放着不同数量的各种刀具或检具的刀库和自动换刀装置，在加工过程中能够由程序或手动控制自动选择和更换刀具，工件在一次装夹中，可以连续进行钻孔、扩孔、铰孔、镗孔、攻螺纹以及铣削等多工步的加工，工序高度集中。图71为常见刀库种类。 (2)加工中心通常具有多个进给轴（三轴以上），甚至多个主轴，联动的轴数也较多，最少可实现三轴联动控制，实现刀具运动直线插补和圆弧插补，多的可实现五轴联动、六轴联动、七轴联动以及螺旋线插补。因此可使工件在一次装夹后，自动完成多个平面和多个角度位置的多工序加工，实现复杂零件的高精度定位和精确加工。 (3)加工中心上如果带有自动交换工作台，一个工件在工作位置的工作台上进行加工的同时，另一工件在装卸位置的工作台上进行装卸，大大缩短了辅助时间，提高加工效率。,图71 刀库种类 a) 转塔式 b) 圆盘式径向取刀 c) 圆盘式轴向取刀 d) 圆盘式顶端型 e) 链式 f) 格子式,return,712 加工中心的分类1按照机床主要结构分类,（1）立式加工中心 指主轴轴心线为垂直状态设置的加工中心，如图72所示。其结构形式多为固定立柱式，工作台为长方形，无分度回转功能，适合加工盘、套、板类零件。一般具有三个直线运动坐标，并可在工作台上安装一个水平轴的数控回转台，用以加工螺旋线类零件。对于五轴联动的立式加工中心，可以加工汽轮机叶片、模具等复杂零件。 (2)卧式加工中心 指主轴轴心线为水平状态设置的加工中心，如图73所示。通常都带有可进行分度回转运动的正方形分度工作台。卧式加工中心一般都具有3个至5个运动坐标，常见的是三个直线运动坐标（沿x、y、z轴方向）加一个回转运动坐标（回转工作台），它能够使工件在一次装夹后完成除安装面和顶面以外的其余四个面的加工，最适合加工复杂的箱体类零件。 卧式加工中心有多种形式，如固定立柱式或固定工作台式。固定立柱式的卧式加工中心的立柱固定不动，主轴箱沿立柱做上下运动，而工作台可在水平面内做前后、左右两个方向的移动；固定工作台式的卧式加工中心，安装工件的工作台是固定不动的（不做直线运动），沿坐标轴三个方向的直线运动由主轴箱和立柱的移动来实现。 (3)龙门式加工中心 如图74所示，主轴多为垂直设置，除自动换刀装置以外，还带有可更换的主轴头附件，数控装置的软件功能也较齐全，能够一机多用，尤其适用于大型或形状复杂的工件，如飞机上的梁、框、壁板等。 (4)复合加工中心 这类加工中心指立、卧两用加工中心，即具有立式加工中心的功能，又有卧式加工中心的功能，工件一次安装后能完成除安装面外的所有侧面和顶面等五个面的加工，又称立卧式加工中心、万能加工中心或五面加工中心。常见的复合加工中心有两种形式，一种是主轴可以旋转90作垂直和水平转换，可以进行立式和卧式加工；另一种是主轴不改变方向，而由工作台带着工件旋转90，完成对工件五个表面的加工。如图75所示。,图72 立式加工中心,return,图73 卧式加工中心,return,图74 龙门式加工中心,return,图75 复合加工中心,return,2按照换刀形式分类,(1)带刀库、机械手的加工中心 加工中心的换刀装置是由刀库和机械手组成，换刀机械手完成换刀工作。这是加工中心普遍采用的形式。JCS-018A型立式加工中心就属此类。 (2)无机械手的加工中心 这种加工中心的换刀是通过刀库和主轴箱的配合动作来完成。一般是采用把刀库放在主轴箱可以运动到的位置，或整个刀库或某一刀位能移动到主轴箱可以到达的位置。刀库中刀具的存放位置方向与主轴装刀方向一致。换刀时，主轴运动到刀位上的换刀位置，由主轴直接取走或放回刀具。多用于采用40号以下刀柄的中小型加工中心。如XH754型卧式加工中心。 (3)转塔刀库加工中心 一般在小型立式加工中心上采用转塔刀库形式，直接由转塔刀库旋转完成换刀。这类加工中心主要以孔加工为主。ZH5120型立式钻削加工中心就是转塔刀库式加工中心。,3按照加工精度分类,(1)普通加工中心 这类加工中心分辨率为1m，最大进给速度为15mmin25mmin，定位精度为10m左右。 (2)高精度加工中心 这类加工中心分辨率为0.1m。最大进给速度为15m/min100m/min，定位精度为2m左右。 (3)精密加工中心 指定位精度介于2m10m之间的加工中心。 对于不同加工精度要求的工件，应选用与之相适应的加工中心。考虑机床加工精度的预留量，零件实际加工出的精度数值一般为机床定位精度的1.5倍2倍。,713 加工中心的传动系统和主要结构,图76 JCS018A 型立式加工中心外观图 1-X轴的直流伺服电动机 2-换刀机械手 3-数控柜 4-盘式刀库 5-主轴箱 6-操作面板 7-驱动电源柜 8-工作台 9-滑座 10-床身,1机床传动系统,图77 电动机与滚珠丝杠的连接结构,（1）主运动传动系统 主轴电动机采用FANUC AC12型交流伺服电动机，通过一对同步带轮将运动传给主轴，使主轴在22.52250r/min转速范围内可以实现无级调速。 （2）进给系统传动系统 JCS-018A机床的X、Y、Z三个坐标轴的进给运动分别由三台功率为1.4kw的FANUC-BESK DC15型直流伺服电动机直接带动滚珠丝杠旋转。为了保证各轴的进给传动系统有较高的传动精度，电动机轴和滚珠丝杠之间均采用了锥环无键连接和高精度十字联轴器的连接结构。 图77为Z轴进给装置中电动机与丝杠连接的局部视图,1-电动机2-电动机轴3-轴套34-锥环 5-联轴节56-轴套67-丝杠,2主轴箱 （1）主轴结构 （2）刀具的自动夹紧机构,图78 JCS-018A主轴箱结构简图 1主轴 2拉钉 3钢球 4前支承5 螺母6 后支承7 拉杆8 蝶形弹簧9 弹簧10 活塞11 液压缸,（3）主轴准停装置,图79 主轴准停装置原理图 1-主轴定向指令 2-强电时序电路 3-主轴伺服单元 4-主轴电动机 5 -同步齿形带 6 -位置控制回路 7 -主轴端面键 8 -蝶形弹簧 9 -发磁体 10 -磁传感器 11 -放大器 12 -定向电路,机床的切削扭矩由主轴上的端面键来传递，每次机械手自动装取刀具时必须保证刀柄上的键槽对准主轴的端面键，这就要求主轴具有准确定位的功能。为满足主轴这一功能而设计的装置称为主轴准停装置或称为主轴定向装置。,3. 刀库结构 （1）自动换刀过程,图710 自动换刀过程示意图 1机械手 2刀库 3主轴 4刀套 5 刀具,刀套下转90 机械手转75 刀具松开 机械手拔刀 交换两刀具位置 机械手插刀 刀具夹紧 机械手转180 机械手反转75 刀套上转90,（2）刀库结构,图711 JCS-018A刀库结构简图 1-直流伺服电动机 2-十字联轴节 3-蜗轮 4-蜗杆 5-气缸 6-活塞杆 7-拨叉 8-螺杆 9-位置开关 10-定位开关 11-滚子 12-销轴 13-刀套 14-刀盘,刀套的结构,图712 JCS-018A刀套结构图 1-弹簧 2-螺纹套 3-球头销钉 4-刀套 5-滚子 6-销轴 7-滚子,4机械手结构 （1）机械手的结构及动作过程,图713 JCS-018A机械手传动结构示意图 1-位置开关2-挡环 3-位置开关 4-齿轮 5 -连接盘6-挡环7-位置开关8-销子 9-位置开关10-传动盘 11-齿轮 12-挡环 13-位置开关14-位置开关15-液压缸 16-机械手臂轴17-齿条 18-液压缸 19-齿条 20-液压缸21-机械手,图714 机械手传动结构局部视图 1-齿轮 2-机械手臂轴 3-连接盘 4-销子 5-传动盘 6-销子 7-齿条 8-活塞杆,（2）机械手抓刀部分的结构,图715 机械手抓刀部分的结构 1-手臂 2-弹簧 3-锁紧销 4-弹簧 5-活动销 6-锥销 7-手爪 8-长销,714 加工中心的工艺特点,1加工精度高 在加工中心上加工，其工序高度集中，一次装夹即可加工出零件上大部分甚至全部表面，避免了工件多次装夹所产生的装夹误差，因此，加工表面之间能获得较高的相互位置精度。同时，加工中心多采用半闭环，甚至全闭环的位置补偿功能，有较高的定位精度和重复定位精度，在加工过程中产生的尺寸误差能及时得到补偿，与普通机床相比，能获得较高的尺寸精度2精度稳定 整个加工过程由程序自动控制，不受操作者人为因素的影响，同时，没有凸轮、靠模等硬件，省去了制造和使用中磨损等所造成的误差，加上机床的位置补偿功能和较高的定位精度和重复定位精度，加工出的零件尺寸一致性好。 3效率高 一次装夹能完成较多表面的加工，减少了多次装夹工件所需的辅助时间。同时，减少了工件在机床与机床之间、车间与车间之间的周转次数和运输工作量。在制品数量少，简化生产调度和管理。 4表面质量好 加工中心主轴转速和各轴进给量均是无级调速，有的甚至具有自适应控制功能，能随刀具和工件材质及刀具参数的变化，把切削参数调整到最佳数值，从而提高了各加工表面的质量。 使用各种刀具进行多工序集中加工，在进行工艺设计时要处理好刀具在换刀及加工时与工件、夹具甚至机床相关部位的干涉问题。若在加工中心上连续进行粗加工和精加工，夹具既要能适应粗加工时切削力大、高刚度、夹紧力大的要求，又须适应精加工时定位精度高，零件夹紧变形尽可能小的要求。 5软件适应性大 零件每个工序的加工内容、切削用量、工艺参数都可以编入程序，可以随时修改，这给新产品试制，实行新的工艺流程和试验提供了方便。,72 加工中心加工工艺分析,721 加工中心的主要加工对象1既有平面又有孔系的零件,（1）箱体类零件 箱体类零件是指具有一个以上孔系，内部有一定型腔，在长、宽、高方向有一定比例的零件（如图716）。对于加工工位较多，工作台需多次旋转角度才能完成的零件，一般选用卧式加工中心；当加工的工位较少，且跨距不大时，可选立式加工中心，从一端进行加工。 （2）盘、套、板类零件 这类零件带有键槽、端面上有平面、曲面和孔系，径向也常分布一些径向孔（如图717）。加工部位集中在单一端面上的盘、套、板类零件宜选择立式加工中心，加工部位不是位于同一方向表面上的零件宜选择卧式加工中心。,图717 盘、套、板类典型零件,图716 组合机床主轴箱,2结构形状复杂、普通机床难加工的零件,主要表面是由复杂曲线、曲面组成的零件，加工时，需要多坐标联动加工。 （1）凸轮类 这类零件有各种曲线的盘形凸轮、圆柱凸轮、圆锥凸轮和端面凸轮等，加工时，可根据凸轮表面的复杂程度，选用三轴、四轴或五轴联动的加工中心。 （2）整体叶轮类 除具有一般曲面加工的特点外，还存在许多特殊的加工难点，如通道狭窄；刀具很容易与加工表面和邻近曲面产生干涉（图718）。加工这样的型面，可采用四轴以上联动的加工中心。,图718 轴向压缩机涡轮,图719 连杆锻压模简图,3外形不规则的异形零件,异形零件是外形不规则的零件，大多要点、线、面多工位混合加工，如支架、基座、样板、靠模等（如图720所示的支架及拨叉）。异形零件的刚性一般较差，夹压及切削变形难以控制，加工精度也难以保证。利用加工中心多工位点、线、面混合加工的特点，可以完成大部分甚至全部工序内容。实践证明 ，利用加工中心加工异形零件时，形状越复杂，精度要求越高，越能显示其优越性。,图720 异形零件,a) 支架 b) 拨叉,4特殊加工,在熟练掌握了加工中心的功能之后，配合一定的工装和专用工具，利用加工中心可完成一些特殊的工艺内容，例如在金属表面上刻字、刻线、刻图案（如图721）。在加工中心的主轴上装上高频电火花电源，可对金属表面进行线扫描，表面淬火；在加工中心上装上高速磨头，可进行各种曲线、曲面的磨削等。,图721 利用加工中心刻的字,上述是根据零件特征选择的适合加工中心加工的几种零件，此外，还有以下一些适合加工中心加工的零件：周期性投产的零件、加工精度要求较高的中小批量零件、新产品试制中的零件。,722 加工中心加工内容的选择,加工内容选择是指在零件选定之后，选择零件上适合加工中心加工的表面。这种表面通常是： （1）尺寸精度要求较高的表面。 （2）相互位置精度要求较高的表面。 （3）不便于普通机床加工的复杂曲线、曲面。 （4）能够集中加工的表面。,723 加工中心加工零件的工艺分析 1加工中心零件结构的工艺性分析,（1）零件的切削加工量要小，以便减少加工中心的切削加工时间，降低零件的加工成本。 （2）零件上光孔和螺纹的尺寸规格尽可能少，减少加工时钻头、铰刀及丝锥等刀具的数量，以防刀库容量不够。 （3）零件尺寸规格尽量标准化，以便采用标准刀具。 （4）零件加工表面应具有加工的方便性和可能性。 （5）零件结构应具有足够的刚性，以减少夹紧变形和切削变形。 表7-1中列举了部分零件的孔加工工艺性对比实例。（表71、表71续）,表7-1 零件的孔加工工艺性对比实例,2加工中心定位基准的选择,（1）尽量选择零件上的设计基准作为定位基准。 （2）一次装夹就能够完成全部关键精度部位的加工。为了避免精加工后的零件再经过多次非重要的尺寸加工，多次周转，造成零件变形、磕碰划伤，在考虑一次完成尽可能多的加工内容(如螺孔、自由孔、倒角、非重要表面等)的同时，一般将加工中心上完成的工序安排在最后。 （3）当在加工中心上既加工基准又完成各工位的加工时，其定位基准的选择需考虑完成尽可能多的加工内容。为此，要考虑便于各个表面都能被加工的定位方式，如对于箱体，最好采用一面两销的定位方式，以便刀具对其他表面进行加工。 （4）当零件的定位基准与设计基准难以重合时，应认真分析装配图纸，确定该零件设计基准的设计功能，通过尺寸链的计算，严格规定定位基准与设计基准间的公差范围，确保加工精度。对于带有自动测量功能的加工中心，可在工艺中安排坐标系测量检查工步，即每个零件加工前由程序自动控制用测头检测设计基准，系统自动计算并修正坐标系，从而确保各加工部位与设计基准间的几何关系。 图722所示为铣头体。图723所示为机床变速机构中的拨叉。如图724a所示的电动机端盖。,图722所示为铣头体,图示铣头体中80H7、80K6、90K6、95H7、140H7孔及D-E孔两端面要在加工中心上加工。,图722 铣头体简图,图723 所示为机床变速机构中的拨叉,图示机床变速机构中的拨叉。选择在卧式加工中心上加工的表面为16H8孔、16A11槽、14H11槽及8处R7圆弧。,图723 拔叉简图,如图724a所示的电动机端盖,如图a所示的电动机端盖，在加工中心上一次安装可完成所有加工端面及孔的加工。但表面上无合适的定位基准，因此，在分析零件图时，可向设计部门提出，改成图b所示的结构，增加三个工艺凸台，以此作为定位基准。,图724 电动机端盖简图,a) b),73 加工中心加工工艺路线的拟订,731 加工中心加工方案的选择,1平面、平面轮廓及曲面加工 平面、平面轮廓及曲面加工在镗铣类加工中心上唯一的加工方法是铣削。经粗铣的平面，尺寸精度可达IT12IT14级(指两平面之间的尺寸)，表面组糙度Ra值可达12.550m。经粗、精铣的平面，尺寸精度可达IT7IT9级，表面粗糙度Ra值可达1.63.2m。2孔加工 （1）对于直径大于30mm的已铸出或锻出毛坯孔的孔加工，一般采用粗镗-半精镗-孔口倒角-精镗加工方案，孔径较大的可采用立铣刀粗铣-精铣加工方案。有空刀槽时可用锯片铣刀在半精镗之后、精镗之前铣削完成，也可用镗刀进行单刀镗削，但单刀镗削效率低。 （2）对于直径小于30mm的无毛坯孔的孔加工，通常采用锪平端面-打中心孔-钻-扩-孔口倒角 -铰加工方案，有同轴度要求的小孔，须采用锪平端面-打中心孔-钻-半精镗-孔口倒角精镗(或铰)加工方案。为提高孔的位置精度，在钻孔工步前须安排锪平端面和打中心孔工步。孔口倒角安排在半精加工之后、精加工之前，以防孔内产生毛刺。3螺纹的加工 螺纹的加工根据孔径大小，一般情况下，直径在M6M20之间的螺纹，通常采用攻螺纹方法加工。直径在M6以下的螺纹，可在加工中心上完成底孔加工，再通过其它手段攻螺纹，因为在加工中心上攻螺纹不能随机控制加工状态，小直径丝锥容易折断。直径在M20以上的内螺纹，可采用镗刀片镗削加工或铣削加工。另外，还可铣外螺纹，如图725所示。,图725 铣螺纹,return,732 加工中心加工阶段的划分,若零件已在其它机床上经过粗加工，加工中心只是完成最后的精加工，则不必划分加工阶段。1加工质量要求较高的零件 对加工质量要求较高的零件，若其主要表面在上加工中心加工之前没有经过粗加工，则应尽量将粗、精加工分开进行。使零件粗加工后有一段自然时效过程，以消除残余应力和恢复切削力、夹紧力引起的弹性变形、切削热引起的热变形，必要时还可以安排人工时效处理，最后通过精加工消除各种变形。 2加工精度要求不高 对加工精度要求不高，而毛坯质量较高，加工余量不大，生产批量很小的零件或新产品试制中的零件，利用加工中心的良好的冷却系统，可把粗、精加工合并进行。但粗、精加工应划分成两道工序分别完成。粗加工用较大的夹紧力，精加工用较小的夹紧力。,733 加工中心加工顺序的安排,加工中心上加工零件，一般都有多个工步，使用多把刀具，因此加工顺序安排得是否合理，直接影响到加工精度、加工效率、刀具数量和经济效益。在安排加工顺序时同样要遵循“基面先行”、“先粗后精”、“先主后次”及“先面后孔”的一般工艺原则。此外还应考虑：1减少换刀次数，节省辅助时间 一般情况下，每换一把新的刀具后，应通过移动坐标，回转工作台等将由该刀具切削的所有表面全部完成。 2每道工序尽量减少刀具的空行程移动量，按最短路线安排加工表面的加工顺序 安排加工顺序时可参照采用粗铣大平面-粗镗孔、半精镗孔-立铣刀加工-加工中心孔-钻孔-攻螺纹-平面和孔精加工(精铣、铰、镗等)的加工顺序。,734 进给路线的确定 1孔加工时进给路线的确定 （1）确定xy平面内的进给路线,定位要迅速。对于圆周均布孔系的加工路线，要求定位精度高，定位过程尽可能快，则需在刀具不与工件、夹具和机床碰撞的前提下，应使进给路线最短，减少刀具空行程时间或切削进给时间，提高加工效率。（如图726） 定位要准确。对于位置精度要求高的孔系加工的零件，安排进给路线时，一定要注意孔的加工顺序的安排和定位方向的一致，即采用单向趋近定位点的方法，要避免机械进给系统反向间隙对孔位精度的影响。（如图727） 定位迅速和定位准确有时两者难以同时满足。这时应抓主要矛盾，若按最短路线进给能保证定位精度，则取最短路线，反之，应取能保证定位准确的路线。,图726 圆周均布孔的最短进给路线设计示例,return,图727 孔系的准确定位进给路线设计示例,return,（2）确定z向(轴向)的进给路线,刀具在z向的进给路线分为快速移动进给路线和工作进给路线。刀具先从初始平面快速运动到距工件加工表面一定距离的R平面(距工件加工表面一切入距离的平面)上，然后按工作进给速度运动进行加工。 图728a所示为加工单个孔时刀具的进给路线。图728b所示为对多孔加工。,图728 刀具z向进给路线设计示例 快速移动进给路线 工作进给路线,图729 工作进给距离计算图 a)加工不通孔时的工作进给距离 b)加工通孔时的工作进给距离,在工作进给路线中，工作进给距离ZF包括被加工孔的深度H、刀具的切入距离Za和切出距离Zo(加工通孔)，如图729所示。 加工不通孔时，工作进给距离为 ZF=Za+H+Tt 加工通孔时，工作进给距离为 ZF=Za+H+Tt+Zo,2铣削加工时进给路线的确定,铣削加工的表面有平面、平面轮廓、各种槽及空间曲面等，表面形状不同，进给路线也就不一样。但总的可分为切削进给和z向快速移动进给两种路线。铣削加工进给路线对加工中心铣削加工同样适用。z向快速移动进给路线（见图30）。（1）铣削开口不通槽时，铣刀在z向可直接快速移动到位，不需工作进给。（2）铣削封闭槽(如键槽)时，铣刀需有一切入距离，先快速移动到距工件表面一切入距离的位置上，然后以工作进给速度进给至铣削深度。 （3）铣削轮廓及通槽时，铣刀需有一切出距离，可直接快速移动到距工件加工表面一切出距离的位置上。,a)铣削开口不通槽的z向进给路线 b)铣削封闭槽的z向进给路线 c)铣削轮廓及通槽的z向进给路线 图730 铣刀在z向的进给路线,735 加工中心装夹方案的确定和夹具的选择,1夹紧机构或其它元件不得影响进给，加工部位要敞开 要求夹持工件后夹具上一些组成件(如定位块、压块和螺栓等)不能与刀具运动轨迹发生干涉（图731）。对有些箱体零件加工可以利用内部空间来安排夹紧机构，将其加工表面敞开（如图732）。 2必须保证最小的夹紧变形 工件在粗加工时，切削力大，需要夹紧力大，但又不能把工件夹压变形。否则，松开夹具后零件发生变形。因此，必须慎重选择夹具的支承点、定位点和夹紧点。 3装卸方便，辅助时间尽量短4多件加工 对小型零件或工序不长的零件，可以考虑在工作台上同时装夹几件进行加工，以提高加工效率（如图733）。 5夹具结构应力求简单 对批量小的零件应优先选用组合夹具。对形状简单的单件小批量生产的零件，可选用通用夹具，如三爪卡盘、台钳等。只有对批量较大，且周期性投产，加工精度要求较高的关键工序才设计专用夹具，以保证加工精度和提高装夹效率。 6夹具应便于与机床工作台面及工件定位面间的定位连接 加工中心工作台面上一般都有基准T形槽，转台中心有定位圆、台面侧面有基准挡板等定位元件。固定方式一般用T形槽螺钉或工作台面上的紧固螺孔，用螺栓或压板压紧。夹具上用于紧固的孔和槽的位置必须与工作台上的T形槽和孔的位置相对应。,图731 不影响进给的装夹示例 1-定位装置 2-工件 3-夹紧装置,图732 敞开加工表面的装夹示例1-定位装置 2-工件 3-夹紧装置,return,图733 新型数控夹具元件,return,736 刀具的选择 1刀柄及其选择（1）刀柄,刀柄是机床主轴和刀具之间的连接工具。刀柄除了能够准确地外，还应满足机床主轴的自动松开和拉紧定位、刀库中的存储和识别以及换刀机械手的夹持和搬运等需要。刀柄的选用要和机床的主轴孔相对应，并且已经标准化和系列化。 加工中心上一般都采用7：24圆锥刀柄，如图734所示。这类刀柄不能自锁，换刀比较方便，比直柄有较高的定心精度和刚度。其锥柄部分和机械抓拿部分均有相应的国际和国家标准。固定在刀柄尾部且与主轴内拉紧机构相适应的拉钉也已标准化(图735、图736）。,图734 自动换刀机床用7:24圆锥工具柄部简图,图735 A型拉钉,图736 B型拉钉,return,（2）工具系统,把通用性较强的几种装夹工具(例如装夹铣刀、镗刀、扩铰刀、钻头和丝锥等)系列化、标准化就成为通常所说的工具系统。工具系统分为整体式结构和模块式结构两大类。 整体式结构镗铣类工具系统把工具柄部和装夹刀具的工作部分连成一体。不同品种和规格的工作部分都必须带有与机床主轴相连接的柄部。其优点是结构简单、使用方便、可靠、更换迅速等。缺点是所用的刀柄规格品种和数量较多。图737所示的TSG82工具系统就是这类系统，选用时一定要按图示进行配置。 模块式结构是把工具的柄部和工作部分分开，制成系统化的主柄模块、中间模块和工作模块，每类模块中又分为若干小类和规格，然后用不同规格的中间模块，组装成不同用途、不同规格的模块式工具。这样，既方便了制造、也方便了使用和保管，大大减少了用户的工具储备。目前，模块式工具系统已成为数控加工刀具发展的方向。图738所示为TMG工具系统的示意图。国内的TMGl0和TMG21工具系统就是属于这一类。,图737 TSG82工具系统,return,图738 TMG工具系统,return,（3）选择刀柄的注意事项,刀柄结构形式的选择，需要考虑多种因素。对一些长期反复使用，不需要拼装的简单刀柄，如在零件外轮廓上加工时用的面铣刀刀柄、弹簧夹头刀柄及钻夹头刀柄等以配备整体式刀柄为宜。当加工孔径、孔深经常变化的多品种、小批量零件时，以选用模块式工具为宜。当应用的加工中心较多时，应选用模块式工具。 刀柄数量应根据要加工零件的规格、数量、复杂程度以及机床的负荷等配置。一般是所需刀柄的23倍。 刀柄的柄部应与机床相配。加工中心的主轴孔多选定为不自锁的7:24锥度。在选择刀柄时，应弄清楚选用的机床应配用符合哪个标准的工具柄部，要求工具的柄部应与机床主轴孔的规格(40号、45号还是50号)相一致；工具柄部抓拿部位要能适应机械手的形态位置要求；拉钉的形状、尺寸要与主轴里的拉紧机构相匹配。,2孔加工刀具及其选择（1）对加工中心刀具的基本要求,针对加工中心刀具的结构特点，有以下几点基本要求： 刀具的长度在满足使用要求的前提下尽可能短。因为在加工中心上加工时无辅助装置支承刀具，刀具本身应具有较高的刚性。 同一把刀具多次装入机床主轴锥孔时，刀刃的位置应重复不变。 刀刃相对于主轴的一个固定点的轴向和径向位置应能准确调整。即刀具必须能够以快速简单的方法准确地预调到一个固定的几何尺寸。,（2）孔加工刀具的选择 钻孔刀具及其选择,钻孔刀具较多，有普通麻花钻、可转位浅孔钻及扁钻等。应根据工件材料、加工尺寸及加工质量要求等合理选用。 在加工中心上钻孔，大多是采用普通麻花钻。麻花钻有高速钢和硬质合金两种（如图739所示），它主要由工作部分和柄部组成。麻花钻工作部分包括切削部分和导向部分。根据柄部不同，麻花钻有莫氏锥孔和圆柱柄两种。麻花钻有标准型和加长型。 钻削直径在2060mm、孔的深径比小于等于3的中等浅孔时，可选用图740所示的可转位浅孔钻。 对深径比大于5而小于100的深孔，因其加工中散热差，排屑困难，钻杆刚性差，易使刀具损坏和引起孔的轴线偏斜，影响加工精度和生产率，故应选用深孔刀具加工。图741为用于深孔加工的喷吸钻。 钻削大直径孔时，可采用刚性较好的硬质合金扁钻（如图742所示）。,图739 麻花钻的组成,return,return,图740 可转位浅孔钻,图741 喷吸钻 1-工件 2-夹爪 3-中心架 4-支持座 5-联接套 6-内管 7-外管 8-钻头,图742 装配式扁钻,return,扩孔刀具及其选择,扩孔多采用扩孔钻，也有采用镗刀扩孔的。 标准扩孔钻一般有34条主切削刃，切削部分的材料为高速钢或硬质合金，结构形式有直柄式、锥柄式和套式等（图743所示）。在小批量生产时，常用麻花钻改制。扩孔直径较小时，可选用直柄式扩孔钻，扩孔直径中等时，可选用锥柄式扩孔钻，扩孔直径较大时，可选用套式扩孔钻。 扩孔直径在2060mm之间时，且机床刚性好、功率大，可选用图744所示的可转位扩孔钻。,图743 扩孔钻,图744 可转位扩孔钻,镗孔刀具及其选择,镗孔所用刀具为镗刀。镗刀种类很多，按切削刃数量可分为单刃镗刀和双刃镗刀。 镗削通孔、阶梯孔和盲孔可分别选用图7-45a、b、c所示的单刃镗刀。在孔的精镗中，目前较多地选用精镗微调镗刀（如图746所示） 。 镗削大直径的孔可选用图747所示的双刃镗刀。,图746 微调镗刀 1-刀体 2-刀片3-调整螺母 4-刀杆 5-螺母 6-拉紧螺钉7-导向键,图747 大直径不重磨可调镗刀系统,图745 单刃镗刀 a)通孔镗刀 b)阶梯孔镗刀 c)盲孔镗刀 1-调节螺钉 2-紧固螺钉,铰孔刀具及其选择,加工中心上使用的铰刀多是通用标准铰刀。此外，还有机夹硬质合金刀片单刃铰刀和浮动铰刀等。 通用标准铰刀（如图748所示），有直柄、锥柄和套式三种。锥柄铰刀直径为1032mm，直柄铰刀直径为620mm，小孔直柄铰刀直径为16mm，套式铰刀直径为2580mm。加工精度为IT8IT9级、表面粗糙度Ra为0.81.6m的孔时，多选用通用标准铰刀。 加工IT5IT7级、表面粗糙度Ra为0.7m的孔时，可采用机夹硬质合金刀片的单刃铰刀（如图749所示）。 铰削精度为IT6IT7级，表面祖糙度Ra为0.81.6m的大直径通孔时，可选用专为加工中心设计的浮动铰刀。图750所示的即为加工中心上使用的浮动铰刀。,图748 机用铰刀a)直柄机用铰刀 b)锥柄机用铰刀 c)套式机用铰刀 d)切削校准部分角度,return,图749 硬质合金单刃铰刀 1、7-螺钉 2-导向块 3-刀片 4-楔套 5-刀体 6-销子,图750 加工中心上使用的浮动铰刀 1-刀杆体 2-可调式浮动铰刀体 3-圆锥端螺钉 4-螺母 5-定位滑块 6-螺钉,return,（3）刀具尺寸的确定,刀具尺寸包括直径尺寸和长度尺寸。 孔加工刀具的直径尺寸根据被加工孔直径确定 。 在加工中心上，刀具长度一般是指主轴端面至刀尖的距离，包括刀柄和刃具两部分，如图751所示。刀具长度的确定原则是：在满足各个部位加工要求的前提下，尽量减小刀具长度，以提高工艺系统刚性。 制订工艺时，一般不必准确确定刀具长度，只需初步估算出刀具长度范围，以方便刀具准备。刀具长度范围可根据工件尺寸、工件在机床工作台上的装夹位置以及机床主轴端面距工作台面或中心的最大、最小距离等确定。,图751 加工中心刀具长度,加工部位位于卧式加工中心工作台中心和机床主轴之间(见图752)。 加工部位位于卧式加工中心工作台中心和机床主轴两者之外(见图753)。,图752 加工中心刀具长度的确定(一),图753 加工中心刀具长度的确定(二),刀具最小长度为 TL=A-B-N+L+ZO+Tt 刀具长度范围为,刀具最小长度为 TL=A-B+N+L+ZO+Tt 刀具长度范围为,满足式TLA-B-N+L+ZO+Tt或式TLA-B+N+L+ZO+Tt可避免机床负z向超程，满足式TLA-N或式TLA+N可避免机床正z向超程。,737 切削用量的选择,1. 主轴转速 主轴转速n(单位为rmin)根据选定的切削速度vc(单位为m/min)和加工直径或刀具直径来计算：,2. 进给速度 孔加工工作进给速度根据选择的进给量和主轴转速按式vf=nf计算。铣削加工工作进给速度按式vf=fzzn计算。 攻螺纹时进给量的选择决定于螺纹的导程，由于使用了带有浮动功能的攻螺纹夹头，攻螺纹时工作进给速度vf (单位为mm/min)可略小于理论计算值，即 vfPn。,在确定工作进给速度时，要注意一些特殊情况：,（1）例如在高速进给的轮廓加工中，由于工艺系统的惯性在拐角处易产生如图754所示的“超程”和“过切”现象，因此在拐角处应选择变化的进给速度，接近拐角时减速，过了拐角后加速。,（2）当加工圆弧段时，切削点的实际进给速度vT并不等于选定的刀具中心进给速度vf（如图755）。,a)超程 b)过切 图754 拐角处的超程和过切,图755 切削圆弧的进给速度,加工外圆弧时，切削点实际进给速度为,即vTvf；,加工内圆弧时，,即vTvf,如果Rr时，则切削点的实际进给速度将变得非常大，有可能损伤刀具或工件。所以要考虑到圆弧半径对工作进给速度的影响。,74 典型零件的加工中心加工工艺分析,741 加工中心加工箱体类零件,图756所示为一座盒零件图，其立体图见图757a，零件材料为YLl2CZ，毛坯尺寸(长宽高)为190mmllOmm35mm，采用TH5660A立式加工中心加工，单件生产。,图756 座盒零件图,a）正面,b）反面,图757 座盒立体图,1零件图工艺分析 该零件主要由平面、型腔以及孔系组成。零件尺寸较小，正面有4处大小不同的矩形槽，深度均为20mm，在右侧有2个10，1个8的通孔，反面是1个176mm94mm，深度为3mm的矩形槽。该零件形状结构并不复杂，尺寸精度要求也不是很高，但有多处转接圆角，使用的刀具较多，要求保证壁厚均匀，中小批量加工零件的一致性高。 零件材料为YLl2，切削加工性较好，可以采用高速钢刀具。该零件比较适合采用加工中心加工。主要的加工内容有平面、四周外形、正面四个矩形槽、反面一个矩形槽以及三个通孔。该零件壁厚只有2mm，加工时除了保证形状和尺寸要求外，主要是要控制加工中的变形，因此外形和矩形槽要采用依次分层铣削的方法，并控制每次的切削深度。孔加工采用钻、铰即可达到要求。,2确定装夹方案 由于零件的长宽外形上有四处R2的圆角，最好一次连续铣削出来，同时为方便在正反面加工时零件的定位装夹，并保证正反面加工内容的位置关系，在毛坯的长度方向两侧设置30mm左右的工艺凸台和2个8工艺孔，如图758所示。,图758 工艺凸台及工艺孔,3确定加工顺序及进给路线 根据先面后孔的原则，安排加工顺序为：铣上下表面-打工艺孔-铣反面矩形槽-钻、铰8、10孔-依次分层铣正面矩形槽和外形-钳工去工艺凸台。由于是单件生产，铣削正、反面矩形槽(型腔)时，可采用环形走刀路线(见图759)。,a）反面加工 b）正面加工 图759 座盒加工,4刀具选择 铣削上下平面时，为提高切削效率和加工精度，减少接刀刀痕，选用125硬质合金可转位铣刀。根据零件的结构特点，铣削矩形槽时，铣刀直径受矩形槽拐角圆弧半径R6限制，选择10mm高速钢立铣刀，刀尖圆弧r半径受矩形槽底圆弧半径Rl限制，取r=1mm。加工8、10孔时，先用7.8、9.8钻头钻削底孔，然后用8、10铰刀铰孔。所选刀具及其加工表面见表710座盒零件数控加工刀具卡片。5切削用量的选择 精铣上下表面时留0.1mm铣削余量，铰8、10两个孔时留0.1mm铰削余量。选择主轴转速与进给速度时，先查切削用量手册，确定切削速度vc 与每齿进给量fZ(或进给量f)，然后按式vc=dn/1000、vf=nf、vf=nZfz计算主轴转速与进给速度(计算过程从略)。 注意：铣削外形时，应使工件与工艺凸台之间留有lmm左右的材料连接，最后钳工去除工艺凸台。6填写数控加工工序卡片 各工步的加工内容、所用刀具和切削用量见表711座盒零件数控加工工序卡片等。,表710 座盒零件数控加工刀具卡片,表711 座盒零件数控加工工序卡片,742 加工中心加工支承套零件的加工工艺,图760所示为升降台铣床的支承套，在两个互相垂直的方向上有多个孔要加工，在加工中心上加工，只需一次安装即可完成。,图760 支承套简图,1分析图样并选择加工内容 支承套的材料为45钢，毛坯选棒料。支承套35H7孔对100f9外圆、60mm孔底平面对35H7孔、215H7孔对端面C及端面C对100f9外圆均有各位置精度要求。为便于在加工中心上定位和夹紧，将199f9外圆、80mm尺寸两端面、78mm尺寸上平面均安排在前面工序中由普通机床完成。其余加工表面(215H7孔、35H7孔、60mm孔、211mm孔、217mm孔、2M6-6H螺孔)确定在加工中心上一次安装完成。2选择加工中心 因加工表面位于支承套互相垂直的两个表面(左侧面及上平面)上，需要两工位加工才能完成，故选择卧式加工中心。加工工步有钻孔、扩孔、镗孔、锪孔、铰孔及攻螺纹等，所需刀具不超过20把。国产XH754型卧式加工中心可满足上述要求。该机床工作台尺寸为400mm400mm，x轴行程为500mm，z轴行程为400mm，y轴行程为400mm，主轴中心线至工作台距离为100500mm，主轴端面至工作台中心线距离为150550mm，主轴锥孔为ISO40，刀库容量30把，定位精度和重复定位精度分别为0.02mm和0.011，工作台分度精度和重复分度精度分别为7和4。,3选择加工方法 所有孔都是在实体上加工，为防钻偏，均先用中心钻钻引正孔，然后再钻孔。为保证35H7孔及215H7孔的精度，根据其尺寸，选择铰削作其最终加工方法。对60的孔，根据孔径精度，孔深尺寸和孔底平面要求，用铣削方法同时完成孔壁和孔底平面的加工。各加工表面选择的加工方案如下：35H7孔：钻中心孔-钻孔-粗镗-半精镗-铰孔；15H7孔：钻中心孔-钻孔-扩孔-铰孔；60孔：粗铣-精铣；11孔：钻