型腔類零件的加工工藝分析及編程

翟梽錦 陳蕊 王雪 李賀軍

摘 要：利用數(shù)控銑床加工型腔類零件的過程中，工藝分析和編寫程序是非常重要的環(huán)節(jié)，工藝和編寫程序的好壞與最終成品的質(zhì)量、精度以及數(shù)控機(jī)床的效率有著密切的關(guān)系。本文對(duì)型腔類零件的加工工藝和程序編寫進(jìn)行重點(diǎn)分析，確定在加工中使用的刀具、設(shè)計(jì)走刀路線、計(jì)算基點(diǎn)坐標(biāo)并進(jìn)行編程，為不太復(fù)雜的零件的手工編程及加工提供參考。

關(guān)鍵詞：工藝分析;走刀路線;編程

中圖分類號(hào)：TG659文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）08-0040-03

Machining Process Analysis and Programming of Cavity Parts

ZHAI Zhijin1，2 CHEN Rui1 WANG Xue1，2 LI Hejun1，2

（1. Huanghe Jiaotong University，Jiaozuo Henan 454000;2. Jiaozuo Research Center of Manufacturing Technology and Equipment Engineering Technology for Key Parts of Material Transfer Equipment，Jiaozuo Henan 454000）

Abstract： In the process of using the CNC milling machine to process cavity parts， process analysis and programming are very important links， the quality of the process and programming is closely related to the quality and accuracy of the final product and the efficiency of the CNC machine. This paper focused on the analysis of the machining process and programming of cavity parts， determined the tools used in processing， designed the cutting route， calculated the base point coordinates and performed programming， providing a reference for manual programming and processing of less complex parts.

Keywords：? process analysis;cutting route;programming

數(shù)控機(jī)床在機(jī)械加工行業(yè)中的應(yīng)用越來越廣，不僅可以提高零件的加工精度，保證加工零件的質(zhì)量，還能不斷提高生產(chǎn)效率，改善工作人員的工作環(huán)境，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。在利用數(shù)控機(jī)床對(duì)型腔類零件進(jìn)行數(shù)控加工時(shí)，人們需要考慮加工方式、裝夾方案、刀具及其切削參數(shù)等因素，進(jìn)而保證能夠較為精確而高效地加工出相應(yīng)的產(chǎn)品。

1 零件圖分析

如圖1所示，此圖紙中，已知坯料尺寸為[Φ]100㎜，材料為45鋼，采用FANUC0i立式數(shù)控銑床加工該零件。分析可知，坯料需要加工的部位有4 ㎜×4 ㎜的圓槽，內(nèi)部有4個(gè)[Φ]6 ㎜的孔（深度3 ㎜），在坯料的最中間有一個(gè)[Φ]24 ㎜圓，其深度為4 ㎜，內(nèi)部圓均勻分布著四個(gè)相同的花槽，花槽由兩條直線和半個(gè)圓弧組成，根據(jù)圖紙要求可知，中心[Φ]24 ㎜的凹槽和手臂凹槽的表面粗糙度要求為[Ra]3.2，其余表面的要求一樣，因此在銑削加工過程中需要將粗精加工分開。

2 加工工藝方案的確定

2.1 加工方式的選擇

通過零件圖分析可知，加工零件的厚度為20 ㎜，為提高加工效率，將坯料利用車削的方式車平端面，并利用切斷刀切出長22 ㎜的零件坯料。銑削中首先加工[Φ]24㎜的中心圓槽;其次利用銑刀一加工出中間的十字花槽，最后依次加工出4 ㎜深的圓環(huán)槽和四個(gè)[Φ]6 ㎜的孔。

2.2 裝夾方案的選擇

坯料形狀為圓柱，材料為45鋼，硬度要保證能直接在三爪卡盤直接裝夾，但坯料首先在車床加工，導(dǎo)致坯料的高度較低，為防止刀具在加工過程中產(chǎn)生碰刀的現(xiàn)象，坯料底部需要增加墊鐵，與墊鐵接觸的表面需要保證平整度。

2.3 刀具及其切削參數(shù)選擇

在加工零件時(shí)，為保障較高的加工效率，在加工第一步，選擇刀具為2刃的[Φ]20 ㎜的鍵槽銑刀。第三步加工中心十字花槽時(shí)，考慮到凹面槽曲率半徑對(duì)刀具半徑的要求，一般選取的刀具半徑應(yīng)滿足[γ=（0.8～0.9）p][1]，[p]為凹槽的最小曲率半徑，在零件圖上，已知其為7 ㎜，故此刀具的半徑范圍[γ=（5.6～6.3）]mm，因此加工時(shí)選擇2刃的[Φ]12 ㎜的鍵槽銑刀。加工圓環(huán)槽時(shí)，為減少刀具的換刀時(shí)間，將圓環(huán)槽和孔一起考慮，最終選擇2刃的[Φ]4 ㎜的鍵槽銑刀，將圓環(huán)槽一次加工成型，孔的加工也采用2刃的[Φ]4 ㎜的鍵槽銑刀。

為保證刀具在加工過程中具有足夠的剛度，人們需要嚴(yán)格控制刀具和工件的接觸厚度[Η]，[Η≤（13～14）R][2]，因此刀具的被吃刀量[ap≤（13～14）R]，其中，需要用到的刀具分別為[Φ]20 ㎜、[Φ]12 ㎜、[Φ]4 ㎜的2刃鍵槽銑刀，所以選用的刀具的被吃刀量分別為[ap≤（6.7～5）mm]、[ap≤（4～3）mm]、[ap≤（1.34～1）mm]。

根據(jù)計(jì)算公式[n=1 000VC/（πd）]，其中，[d]為所選刀具的直徑，查切削手冊(cè)，選取切削速度[VC]=40 m/min，帶入上述公式可知，[Φ]20 ㎜、[Φ]12 ㎜、[Φ]4 ㎜三把刀所需的轉(zhuǎn)速分比為636.94、1 061.57、3 184.71 r/min，最終選取的轉(zhuǎn)速為650、1 100、3 200 r/min。

進(jìn)給速度公式為[Vi=fznZ]，查閱資料選取[fz=0.03 mm/r]，計(jì)算可得，[Φ]20 ㎜、[Φ]12 ㎜、[Φ]4 ㎜三把刀的進(jìn)給速度依次為39、66、192 mm/min。

2.4 走刀路線的規(guī)劃

如圖2所示，刀具從參考點(diǎn)開始移動(dòng)至工件中心，首先開始加工中心圓槽，先從0點(diǎn)向下運(yùn)動(dòng)至預(yù)定位置，再運(yùn)動(dòng)至點(diǎn)3位置，然后刀具做圓周運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)至點(diǎn)4的位置，刀具再重新回到0點(diǎn)位置;加工十字形腔時(shí)，刀具運(yùn)動(dòng)至0點(diǎn)，然后從0點(diǎn)開始加工，首先運(yùn)動(dòng)至點(diǎn)5位置，按照數(shù)字順序依次加工，到點(diǎn)16位置后沿著直線再運(yùn)動(dòng)至點(diǎn)5位置，最后重新回到0點(diǎn)位置;加圓槽時(shí)，首先加工圓槽，刀具運(yùn)動(dòng)至1點(diǎn)位置的上方，接著向下運(yùn)動(dòng)至預(yù)定深度，然后刀具做圓周運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)至2位置后，刀具升起;加工孔時(shí)，刀具先運(yùn)動(dòng)至點(diǎn)17的正上方，向下加工至預(yù)定孔的深度，刀具做圓周運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)到點(diǎn)18的位置后，刀具抬至工件上方1～2 ㎜處，移動(dòng)至點(diǎn)19位置的正上方，刀具重復(fù)第一個(gè)孔的加工過程，依次加工第三個(gè)、第四個(gè)孔，直至最后加工完成。

2.5 基點(diǎn)坐標(biāo)的計(jì)算

坯料形狀為圓形坯料，內(nèi)部型腔也為中心對(duì)稱圖形，因此將工件坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)建立在坯料上表面的對(duì)稱中心上，方便計(jì)算和對(duì)刀[3-4]。

由工件坐標(biāo)系的位置和零件圖的尺寸分析可知，0、1、3、17、19、21、23點(diǎn)的坐標(biāo)值顯而易得，這里就不做過多介紹;由于中心十字形腔是中心對(duì)稱圖形，只需要知道一部分的數(shù)據(jù)即可通過坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)確定其他點(diǎn)的坐標(biāo)值，由零件圖可知，14、15、16四點(diǎn)的坐標(biāo)值分別為（10.31，10.31），（6.91，31.13），（-6.91，31.13）。

通過坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)可得到其他點(diǎn)的坐標(biāo)值，5、6、7三點(diǎn)是由14、15、16三點(diǎn)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°得到的，由于是逆時(shí)針，因此需要將[X]、[Y]的坐標(biāo)值交換，并且需要在[X]的坐標(biāo)值前添加“-”;8、9、10是三點(diǎn)旋轉(zhuǎn)180°得到的，坐標(biāo)值不發(fā)生變化，但符號(hào)需要改變;11、12、13三點(diǎn)是由其順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°得到的，所以11、12、13三點(diǎn)的坐標(biāo)是需要將14、15、16三點(diǎn)的[X]、[Y]坐標(biāo)值交換，并在[Y]坐標(biāo)值前加“-”得到的，最終所有點(diǎn)的坐標(biāo)值如表1所示。

3 程序編寫

零件最終的厚度為20 ㎜，坯料的厚度為22 ㎜，可以在建立工件坐標(biāo)系后，利用面銑刀直接銑削至零件要求厚度，并將[Φ]20 ㎜、[Φ]12 ㎜、[Φ]4 ㎜的刀具編號(hào)為1、2、3，將其相應(yīng)的刀具半徑補(bǔ)償輸入到相應(yīng)的半徑補(bǔ)償位置中，方便后期調(diào)用。由于零件加工需要粗、精加工分開，本次手工編程以簡化程序?yàn)闇?zhǔn)，零件的加工程序不再發(fā)生變化，在粗加工時(shí)可以將刀具半徑補(bǔ)償值增大為“刀具半徑值+0.5 ㎜”，則三個(gè)刀具的半徑補(bǔ)償值分別為10.5、6.5、2.5 ㎜。

3.1 中心槽的加工程序

G54 G90 G17 G40 G49 G50 G00 X0 Y0 Z50.0;

G41 G00 X0 Y-12.0 D01;

G01 Z-4.0 F40.0;

G02 X0 Y-12.0 I0 J12.0;

G01 Z5.0;

中心圓槽深度為8 ㎜，需要加工兩次，第二次加工時(shí)，刀具下切的深度為8 ㎜，再按照上面的切削程序運(yùn)行一次即可加工出中心圓槽。

3.2 十字形腔加工程序

G41 G00 X0 Y0 D02;

G01 Z-4.0 F66.0;

X-10.31 Y10.31;

X-31.13 Y-6.91;

G03 X-31.13 Y-6.91 I1.31 J-6.91;

G01 X-10.31 Y-10.31;

Z5.0;

G68 X0 Y0 R90.0;

十字形腔有四個(gè)，形狀完全一樣，故在編程加工時(shí)，采用坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)指令，加工完第一個(gè)后，將刀具抬起來，坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)，然后加工第二個(gè)，每一次坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)90°，直至十字形腔加工結(jié)束后再取消坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)指令。

3.3 孔的加工程序

G41 G00 X-30.0 Y0 D03;

G01 Z-4.0 F192.0;

G03 X-30.0 Y0 I30.0 J0;

G01 Z5.0;

孔的數(shù)量也是四個(gè)，且全部都一樣，因此可以采用和十字形腔同樣的加工方法，采用坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)指令，依次加工四個(gè)孔，直至加工完成。

圓環(huán)槽的加工只走一個(gè)圓弧，只用到一個(gè)圓弧加工指令，需要注意的是，整圓加工和圓弧加工指令是不一樣的。

前面刀具半徑補(bǔ)償時(shí)，補(bǔ)償值比實(shí)際刀具半徑值大，于是將0.5㎜作為精加工的切削量，由于不改變加工程序，因此可以通過進(jìn)給倍率開關(guān)來調(diào)節(jié)速度，修改精加工的進(jìn)給速度。

4 結(jié)語

數(shù)控加工已經(jīng)成為當(dāng)今企業(yè)最為主流的加工方式，型腔類零件的數(shù)控加工需要較為明確的加工要求，制定相應(yīng)的加工工藝流程，手工編程時(shí)需要盡可能簡化編寫程序，此次零件的結(jié)構(gòu)是中心對(duì)稱，所以可以采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系或者子程序來編制，減少編寫時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。在進(jìn)行手工編程時(shí)，合理選擇編程指令，可以降低編程難度，時(shí)間更快，修改也較為容易。

參考文獻(xiàn)：

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