数控机床编程与操作6、数控铣削加工工艺.ppt

,第6讲 数控铣削加工工艺,6.1 数控铣削加工工艺的主要内容,6.2 数控铣削加工工艺与分析的步骤和方法,6.3 数控铣削工艺分析举例,第6讲 数控铣削加工工艺,数控铣削加工工艺的实质，就是在分析零件精度和表面粗糙度的基础上，对数控铣削的加工方法、装夹方式、切削加工进给路线、刀具选择和切削用量等工艺内容进行正确而合理的选择。,6.1 数控铣削加工工艺的主要内容,下列加工内容比较适宜采用数控铣削加工：,零件上的平面曲线轮廓表面（如图所示）特别是由数学表达式给出的非圆曲线和列表曲线建立的空间曲线。,由给出数学模型的空间曲面或通过测量数据建立起来的空间曲面。,形状复杂、尺寸繁多、零件画线和检测都比较困难的零件加工部位。,第6讲 数控铣削加工工艺,(a)轮廓面A(b)轮廓面B(c)轮廓面C,图6-1平面类零件,第6讲 数控铣削加工工艺,能够在一次装夹中铣削加工出多部位的零件表面或零件形状。,用普通的铣床进行加工的观察、检测困难的零件加工，以及各种内、外凹凸槽形状的零件的加工。,下列内容不适宜采用数控铣削加工：,需要进行长时间占机人工进行调整的加工和粗加工。,零件毛坯上的加工余量不大或者不太稳定的加工部位。,必须使用细长铣刀加工的部位，一般指狭长深槽和加工精度要求不高的筋板处连接曲线。,第6讲 数控铣削加工工艺,6.2 数控铣削加工工艺与分析的步骤和方法,程序编制人员在进行工艺分析时，应该具备机床说明书，编程手册，切削用量表，标准工具、夹具手册等资料，并根据被加工零件的材料、轮廓形状、加工精度等选用合适的数控机床，制定加工方案，确定零件的加工顺序，以及各工序所用的刀具、夹具和切削用量等，力求高效率地加工出合格的零件。,1.数控加工零件的工艺分析,零件图上尺寸数据的给出，应符合程序编制方便的原则,零件图上尺寸标注方法应适应数控加工编程的特点。,构成零件轮廓几何元素的条件要充分。,第6讲 数控铣削加工工艺,零件各加工部位的结构工艺性应符合数控加工的特点,零件的内腔和外形最好采用统一的几何类型和尺寸。从而减少使用刀具的规格和换刀的次数，使得编程方便，生产效率提高。,零件铣削底平面时，槽底圆角半径r不应太大。铣刀倒圆半径R越大，铣刀端刃铣削平面的能力就越低。当刀具直径D一定时，铣刀倒圆半径R越大，铣刀端刃铣削平面的面积越小，加工表面的能力越差，加工工艺性也越差。,应采用统一的定位基准。如果没有统一的定位基准，在加工过程中就会因零件的重新安装而导致部分零件尺寸的整体错位，从而造成加工零件的报废。零件上最好有合适的孔作为定位基准孔。,内槽圆角决定刀具直径的大小，因此内槽圆角半径应太小。,第6讲 数控铣削加工工艺,零件的变形分析,零件在数控铣削加工过程中会产生变形，不仅影响加工质量，而且当变形较大时使加工无法进行。这就需采取工艺措施来预防，如对钢件进行调质处理，对铸铝件进行退火处理，对不能用热处理方法解决的，可采用粗加工、精加工及对称去除余量等常规方法。,零件毛坯的工艺性分析,根据实际的使用经验，下列几方面应该作为零件毛坯工艺性分析的要点：,1）毛坯应该有充分、稳定的加工余量。,毛坯主要指锻件、铸件。由于锻件，铸件在模锻时的欠压量和允许的错模量会造成余量的大小不等；铸造时也会因为砂型误差、收缩量和金属液体流动性差不能充满型腔等因素造成余量不均匀。因此，加工时要留有充足的加工余量。,第6讲 数控铣削加工工艺,2）零件毛坯的装夹适应性,尽可能一次装夹就能够加工出较多的表面。对于不便于装夹的毛坯，可以考虑在毛坯上另外增加装夹余量或工艺凸台和工艺凸耳等辅助基准。,3）毛坯的变形、余量的大小以及均匀性,分析毛坯在加工中和加工后的变形程度，以便考虑是否采取预防措施和补救措施。对于热轧铝板，经淬火时效后容易在加工中和加工后产生变形，最好采用经过预拉伸处理的淬火板坯。对于毛坯余量的大小以及均匀性，主要考虑在加工中是否需要分层进行切削。,第6讲 数控铣削加工工艺,2.零件图形的数学处理,在数控铣削过程中，手工编程尺寸不能简单地直接选取工件图纸上的基本尺寸，零件图形调整可按下面的方式进行：,精度高的尺寸处理：可将基本尺寸换算为平均尺寸。,几何关系的处理：保持原来重要的几何关系。如角度、相切、相交关系不变。,精度低的尺寸处理：通过调整修改一般尺寸，保持零件原有的几何关系，使之相互协调。,节点坐标尺寸的计算：按照调整后的尺寸计算有关未知节点的坐标尺寸。,编程尺寸的修正：按照调整后的尺寸编程，进行加工，测量 关键尺寸的实际分 散中心与误差，再按照误差对编程尺寸进行调整，并相应修改程序。,第6讲 数控铣削加工工艺,3.加工方法的选择与加工方案的确定,加工方法的选择,铣削加工方法的选择原则是：保证加工表面的加工精度和表面粗糙度的要求。,对于平面、平面轮廓与曲面的铣削加工，经过粗铣加工的平面，尺寸精度可达IT12IT14级，表面粗糙度Ra值可达12.525m。经过精铣加工的平面，尺寸精度可达IT7IT9级，表面粗糙度Ra值可达1.63.2m。,确定加工方案的原则,确定加工方案时，首先应根据主要表面的精度和表面粗糙度的要求，初步确定为达到这些要求所需要的加工方法。原则上数控机床仅进行较复杂零件重要基准的加工和零件的精加工。,第6讲 数控铣削加工工艺,平面类零件斜面轮廓加工方案的确定,在铣削加工中，零件按表面轮廓可分为平面类零件和曲面类零件。其中平面类零件斜面轮廓的加工又分为两种：,1）固定斜角的外轮廓加工,在加工中要根据零件的尺寸精度、倾斜角的大小、刀具的形状、零件的安装方法、编程的难易程度等因素，选择一个较好的加工方案。,2）有变斜角的外轮廓加工,从技术上讲，最好的加工方法是采用多轴联动的数控机床，这样效率高，加工质量好。但是这种机床设备投资大，生产费用高。,第6讲 数控铣削加工工艺,曲面轮廓加工方法的选择,立体曲面的加工应根据曲面的形状、刀具形状及精度要求采用不同的铣削加工方法。如两轴半、三轴、四轴及五轴等联动加工。,对曲率半径变化不大和精度要求不高的粗加工，常使用两轴半坐标的数控铣床采用行切法加工。所谓行切法是指刀具与零件轮廓的的切点轨迹是一行一行的，而行间的距离按零件加工精度的要求确定。如下图所示。,第6讲 数控铣削加工工艺,两轴半坐标行切法加工曲面,第6讲 数控铣削加工工艺,对曲率变化较大和精度要求较高的曲面的精加工，常使用X、Y、Z三坐标联动插补的行切法进行加工。,三轴行切法加工曲面,第6讲 数控铣削加工工艺,4.工序与工步的划分,（1）工序的划分,1）以零件的装夹定位方式划分工序,2）按粗、精加工划分工序,3）按所用刀具划分工序,（2）工步的划分,同一表面按粗加工、半精加工、精加工依次完成，或全部加工表面按先粗加工后精加工分开进行。,对于既有铣削平面又有镗孔加工表面的零件，可按先铣平面后镗孔进行加工。,按使用刀具来划分工步，以减少换刀次数，提高加工效率。,第6讲 数控铣削加工工艺,5.零件的安装与夹具的选择,（1）定位基准分析,定位基准有粗基准和精基准两种，除第一道工序采用粗基准外，其余工序都使用精基准。,选择定位基准要遵循基准重合原则，基准统一的原则，这样可以减少基准不重合产生的误差和数控编程中的计算量，并且能有效地减少装夹次数。,（2）定位安装的基本原则,夹持工件后夹具等一些组件不能与刀具运动轨迹发生干涉，不得影响进给，加工部位要敞开。,必须保证最小的夹紧变形。,装卸方便，辅助时间尽量短。,第6讲 数控铣削加工工艺,对小型零件或工序时间不长的零件，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。,夹具结构应力求简单。,夹具应便于与机床工作台及工件定位表面间的定位元件连接。数控铣床工作台面上一般都有基准T型槽，转台中心上有定位孔，台面侧面有基准挡板等定位元件。固定方式一般用T型螺钉或螺栓或压板压紧。夹具上用于紧固的孔和槽的位置必须与工作台的T型槽和孔的位置相对应。,避免采用占机人工调整加工方案，以充分发挥数控机床的效能。,第6讲 数控铣削加工工艺,（3）选择夹具的基本原则,数控铣削加工的特点对夹具提出两点要求：一是要保证夹具的坐标方向要与机床的坐标方向相对固定不变；二是要协调零件和机床坐标系的尺寸关系。还要考虑以下几点：,当零件加工批量不大时，应尽量采用组合夹具、可调式夹具或其他通用夹具，以缩短生产准备时间，节省生产费用。,在成批生产时考虑使用专用夹具，力求结构紧凑、简单。还可以采用多位、多件夹具。,零件的装卸要快速、方便、可靠，尽量缩短数控机床的停顿时间。,夹具上各类零件不能妨碍机床对零件各表面的加工，既夹具要敞开，其定位夹紧机构的元件不能影响加工中的走刀运行。,第6讲 数控铣削加工工艺,此外，为了提高数控加工的效率，在成批生产中还可以采用多位、多件夹具。例如，在数控铣床或立式加工中心的工作台上，可安装一块与工作台大小一样的平板，如下图所示：它既可以作为大型零件的基础板，也可以作为多个中小型零件的公共基础板，可以依次加工出并排装夹的多个零件。,新型夹具元件,第6讲 数控铣削加工工艺,6.刀具的选择与切削用量的确定,（1）刀具的选择,铣刀材料和几何参数主要根据零件材料切削加工性、工件表面几何形状和尺寸大小选择。,（2）切削用量的选择,切削用量的选择根据零件材料特点、刀具性能以及加工精度要求确定。通常为提高切削效率要尽量选用大直径的铣刀；侧吃刀量取刀具直径的1/3-1/2，背吃刀量应大于冷硬层厚度；精铣时切削速度应提高一些。,合理选择切削用量的原则是：粗加工时，一般以提高生产率为主，半精加工和精加工时应在保证加工质量的前提下，兼顾切削效率、经济性和加工成本。,第6讲 数控铣削加工工艺,7.与起刀、进刀、退刀相关的工艺处理,（1）程序起始点、返回点、切入点、切出点的确定,1）程序起始点、返回点的确定,在同一程序或一个零件在几个程序中加工时起始点和返回点最好相同，这样操作上就比较方便，并且其坐标值都设为0。,2）切入点选择的原则,对粗加工来说，选择曲面内的最高点作为曲面的切入点。对于精加工来说，选择曲面内某个曲率比较平缓的角点作为曲面的切入点。,3）切出点选择的原则,若被加工曲面为开放型曲面，用曲面的某角点作为切出点；若被加工曲面为封闭型曲面，只能用曲面的一个角点作为切出点。,第6讲 数控铣削加工工艺,（2）程序进刀、退刀方式和进刀、退刀路线的确定,1）沿坐标轴Z轴方向直接进刀和退刀,此方式最常用。其优点是定义简单，缺点是在工件表面的进刀、退刀处会留下微观的停刀痕迹，影响工件表面的加工质量和精度。所以在铣平面轮廓时尽量避免这样的方法。,2）沿给定的矢量方向进刀和退刀,此方式是先定义一个矢量方向，以次来确定刀具进刀和退刀运动的方向。,3）沿曲面的切线方向以直线方式进刀和退刀,该方式是从被加工零件曲面的切线方向切入或切出工件表面。其优点是在工件表面的进刀、退刀处不会留下停刀痕迹，工件表面的加工精度好。,第6讲 数控铣削加工工艺,4）沿曲面的法线方向进刀和退刀,该方式是从被加工零件曲面切入点或切出点的法线方向切入或切出工件表面。其特点同于沿坐标轴Z轴方向直接进刀和退刀。,5）刀沿圆弧段方向进刀和退刀,该方式是以圆弧段的运动方式切入或切出工件表面。,6）沿螺旋线或斜线方式进刀和退刀,该进给方式的在两进给层之间，刀具从上一层的高度沿螺旋线或斜线，以渐进的方式切入工件，直到工件的下一层高度，进行切削加工。,对加工精度要求高的零件轮廓轨迹的加工，应该选择沿曲面的切线方向进刀和退刀，这样可以避免在工件表面的进、退刀处留下刀痕，影响加工精度。,第6讲 数控铣削加工工艺,（3）起始平面、返回平面、进刀平面、退刀平面和安全平面的确定,1）起始平面,起始平面是程序开始时刀具的初始位置所在的 Z 平面。一般定义在被加工表面的最高点之上50mm-100mm左右的某个位置上。此平面应该高于安全平面，其对应的高度称为起始高度。在安全平面上刀具以G00的速度运行。,2）返回平面,返回平面是指在程序结束时，刀具刀尖处所在的 Z 平面。一般在被加工表面的最高点之上5mm-10mm左右的某个位置上。一般与起始平面重合。返回平面对应的高度称为返回高度。在返回平面上刀具以G00的速度运行。,第6讲 数控铣削加工工艺,3）进刀平面,在铣削加工中，刀具先以G00的速度高速运行到零件开始切削位置处，然后转换为切削进给速度进入加工，此速度转折点的位置为进刀平面。,4）退刀平面,5）安全平面,在数控铣削加工结束后，刀具以切削进给速度离开工件表面一端距离（5mm-10mm）后,转换为以高速（G00）返回到安全平面和被加工零件的开始切削位置，此转折位置为退刀平面。,安全平面是指当一个曲面切削好后，刀具沿着刀轴方向返回运行一段距离后，刀尖所在的Z平面。安全平面一般定义在高出被加工零件最高点10mm-50mm左右的某个位置上。,第6讲 数控铣削加工工艺,（4）对刀点和换刀点的确定,选择对刀点的原则是：,对刀点的位置便于数学处理和简化程序编制。,对刀点在机床上容易校准。,对刀点在加工过程中便于检查。,对刀点在加工中引起的加工误差小。,对刀点可以设置在零件上，也可以设置在夹具上或机床上。为提高零件的加工精度，应尽可能设置在零件的设计基准或工艺基准上，或与零件的设计基准有一定的尺寸关系。,换刀点就是指刀架转位换换刀时的位置，为了防止换刀时刀具碰伤被加工零件，换刀点应设置在被加工零件或夹具的外部。,下面动画为数控机床的对刀方法,第6讲 数控铣削加工工艺,8.顺铣、逆铣与切削方向、切削方式的选择,铣刀的旋转方向与工件的进给方向相同时为顺铣，相反为逆铣。,第6讲 数控铣削加工工艺,（1）顺铣、逆铣的特点,逆铣时，刀具从加工表面切入，切削厚度逐渐增大，刀具的刀齿容易磨损，刀具切离工件时的垂直分力会使工件脱离工作台，所以需要较大的夹紧力。,顺铣时，刀具从待加工表面切入，切削厚度由最大逐渐减小，刀具切离工件时的垂直分力会使工件始终压向工作台，减小了工件在加工中的振动，因而提高了零件的加工精度、表面加工质量和刀具的耐用度。,第6讲 数控铣削加工工艺,（2）顺铣、逆铣的确定,铣削加工时，采用顺铣还是逆铣，对加工后的表面粗糙度有影响。应根据零件的加工要求、被加工零件的材料特点以及机床刀具的具体条件综合考虑。,当零件表面有硬皮，机床的进给机构有间隙时，应该选用逆铣，因为逆铣符合粗铣的要求，所以，对于余量大、硬度高的零件粗铣加工时尽量选用逆铣。,当零件表面无硬皮，机床的进给机构无间隙时，应该选用顺铣，顺铣符合精铣的要求。所以对于耐热材料、余量小和精铣削加工时尽量选用顺铣。,由于数控机床采用滚珠丝杠，其运动间隙小，而且顺铣的优点多于缺点，所以铣削加工中尽量采用顺铣。,第6讲 数控铣削加工工艺,9.工艺加工路线的确定,在数控铣削加工中，工艺加工路线是指数控加工过程中刀位点相对于被加工零件的运动轨迹。即刀具从对刀点开始运动起，直至结束加工时所经过的路径，包括切削加工的路径以及刀具引入、刀具返回等非切削的空行程。,确定数控铣削工艺加工路线的原则的是：在保证零件加工精度和表面粗糙度的前提下，方便数值计算，减少编程工作量，尽量缩短加工路线，提高生产效率。,在确定数控铣削工艺加工路线时，还应考率零件的加工余量和机床、刀具的刚度，确定是一次走刀，还是多次走刀来完成切削加工。并确定是采用顺铣加工还是逆铣加工。,第6讲 数控铣削加工工艺,1）铣削内外圆时加工路线,铣削整圆时，要安排刀具从切向进入圆周铣削加工，当整圆加工完毕之后，不要在切点处取消刀补和退刀，要安排一段沿切线方向继续运动的距离，这样可以避免在取消刀补时，刀具与工件相撞而造成工件和刀具报废。铣切外圆加工路线见图a所示。当铣切内圆时也应该遵循从切入的方法。最好安排从圆弧过渡到圆弧的加工路线。切出时也应多安排一段过渡圆弧再退刀，这样可以降低接刀处的接痕，从而可以降低孔加工的粗糙度和提高孔加工的精度，图b是铣切内圆的加工路线示意图。,第6讲 数控铣削加工工艺,图a,图b,第6讲 数控铣削加工工艺,2）铣削内表面轮廓时，铣刀的切入点和切出点无法外延。此时铣刀可沿着零件轮廓的法线方向切入、切出，并应该尽量将切入、切出点选择在零件轮廓的交接处。,如下图为用行切方式加工内腔的走刀路线，这种走刀能切除内腔中的全部余量，不留死角，不伤轮廓。但行切法将在两次走刀的起点和终点间留下残留高度，而达不到要求的表面粗糙度。所以如采用中图的走刀路线，先用行切法，最后沿周向环切一刀，光整轮廓表面，能获得较好的效果。右图也是一种较好的走刀路线方式。,第6讲 数控铣削加工工艺,a为防止刀补取消时在轮廓拐角处留下过切 b刀具切入切出点应远离拐角,下图为无交点内轮廓加工刀具的切入和切出,第6讲 数控铣削加工工艺,3）在铣削加工曲面时，常使用球头铣刀采用“行切法”进行加工。,4）在铣削加工边界敞开的曲面时，可采用以下两种加工路线：,a 沿参数曲面的Y向采用行切,特点是：每次直线走刀，刀位点计算简单，程序短小，加工过程符合直纹曲面的形成规律。,b 沿参数曲面的X向采用行切和环切,特点是：便于加工后的检查，零件曲面的准确度高，但程序较长。,x,第6讲 数控铣削加工工艺,（a）,（b）,第6讲 数控铣削加工工艺,10.平面和曲面轮廓的加工,（1）平面轮廓的数控加工,（2）曲面轮廓的数控加工,对平面轮廓为任意曲线的数控加工，需要采用直线段和圆弧段逼近的方法进行“节点”计算，并按照节点来划分程序段。,立体曲面轮廓的数控加工，应该根据曲面形状、刀具形状以及精度要求采用不同的铣削方法来进行加工，如采用具有两轴半、三轴、四轴和五轴等插补联动功能的数控铣床来进行加工。,第6讲 数控铣削加工工艺,1）两轴半坐标加工,第6讲 数控铣削加工工艺,2）三轴联动加工,第6讲 数控铣削加工工艺,3）四轴联动加工,第6讲 数控铣削加工工艺,4）五轴联动加工,飞机螺旋桨是五轴联动加工的典型零件代表，其叶片形状如下图所示：,第6讲 数控铣削加工工艺,6.3 数控铣削工艺分析举例,平面凸轮零件是数控加工中常见的零件之一。其轮廓曲线由直线圆弧、圆弧圆弧、圆弧非圆曲线以及非圆曲线等组成。加工中多采用两轴以上联动的数控铣床，加工工艺过程也大同小异。下面以下图所示的平面槽形凸轮为例，分析其数控铣削加工工艺。,第6讲 数控铣削加工工艺,平面槽形凸轮,第6讲 数控铣削加工工艺,1.零件图纸分析,此零件是一种平面槽形零件，需要在两轴联动的数控铣床上进行加工，零件材料为铸铁，切削性能较好。在数控铣削加工前，零件的基准孔35G7、12H7，零件的最大直径280mm，厚度为18mm的两端面，均已经过粗加工。,选择零件底平面X及其35G7、12H7两孔作为定位基准。,凸轮槽内外轮廓对X面的垂直度要求，利用提高平面凸轮的装夹精度，使零件X面与铣刀轴线保持垂直即可保证；35G7对X面的垂直度要求由前道车削工序予以保证。,第6讲 数控铣削加工工艺,2确定零件的定位基准和装夹方式（1）定位基准 采用“一面两孔”定位，即用圆盘X面和两个基准孔作为定位基准。（2）根据工件特点，用一块32032040的垫块，在垫块上分别精镗35及12两个定位销安装孔，孔距为800.015，垫块平面度为0.05，该零件在加工前，先固定夹具的平面，使两定位孔的中心连线与机床x轴平行，夹具平面要保证与工作台面平行，并用百分表检查。如下图所示：,第6讲 数控铣削加工工艺,凸轮零件加工装夹示意图,1开口垫圈；2带螺纹圆柱销；3压紧螺母；4带螺纹削边销；5垫圈；6工件；7垫块,第6讲 数控铣削加工工艺,整个零件的加工顺序的拟订按照基面先行、先粗后精的原则确定。即应先加工用作定位基准的35及12两个定位孔、X面，然后再加工凸轮槽内外轮廓表面。走刀路线包括平面内进给走刀和深度进给走刀两部分路线。平面内的进给走刀，对外轮廓是从切线方向切入；对内轮廓是从过渡圆弧切入。在数控铣床上加工时，对铣削平面槽形凸轮，深度进给有两种方法：一种是在xz（或yz）平面内来回铣削逐渐进刀到既定深度；另一种是先打一个工艺孔，然后从工艺孔进刀到既定,3确定加工顺序及走刀路线,第6讲 数控铣削加工工艺,深度。进刀点选在P(150，0)点，刀具来回铣削，逐渐加深到铣削深度，当达到既定深度后，刀具在xy平面内运动，铣削凸轮轮廓。为了保证凸轮的轮廓表面有较高的表面质量，采用顺铣方式，即从P点开始，对外轮廓按顺时针方向铣削，对内轮廓按逆时针方向铣削。4刀具和切削用量的选择 根据零件结构特点，铣削凸轮槽内、外轮廓（即凸轮槽两侧面）时，铣刀直径受槽宽限制，同时考虑铸铁属于一般材料，加工性能较好，选用18硬质合金立铣刀。,第6讲 数控铣削加工工艺,凸轮槽内、外轮廓精加工时留0.2铣削用量，确定主轴转速与进给速度时，先查切削用量手册，确定切削速度与每齿进给量，然后利用公式vc=dn/1000计算主轴转速n，利用vf=nZfz 计算进给速度。精铣时的切削速度应该选择高些，以便尽量提高零件表面的加工质量。,