復(fù)雜型面零件的數(shù)控銑削加工工藝分析

曹樹嶺 閔樹生 史秋華

摘? 要：本篇文章以某汽車變速箱零件為例，主要介紹了一種復(fù)雜曲面零件的數(shù)控加工方法。論述了復(fù)雜曲面零件的結(jié)構(gòu)、數(shù)控銑削工藝規(guī)劃的過程、零件圖的分析和加工方法、自動編程、刀具軌跡設(shè)計、刀具選擇等。

關(guān)鍵詞：數(shù)控加工中心;數(shù)控銑削加工;工藝分析

中圖分類號：TH162? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0引言

在現(xiàn)代生產(chǎn)中，數(shù)控機(jī)床已經(jīng)成為機(jī)床發(fā)展的主流。大多數(shù)數(shù)控機(jī)床不需要依靠手工操作，而是依靠數(shù)控程序?qū)α慵M(jìn)行全方位的加工，最終使其達(dá)到我們所期望的標(biāo)準(zhǔn)工件。該方法對零件加工的適應(yīng)性和靈活性強(qiáng)，可以加工形狀復(fù)雜的零件，生產(chǎn)率高，可以避免人為誤差，可以適應(yīng)大批量生產(chǎn)，易于盡早發(fā)現(xiàn)和解決問題。然而，數(shù)控機(jī)床的加工質(zhì)量不僅與自身的機(jī)械精度有關(guān)，還與數(shù)控加工工藝的確定密切相關(guān)。因此，在用數(shù)控機(jī)床加工機(jī)械零件時，為了保證生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量，需要最大限度地考慮工藝分析的合理性。要充分考慮數(shù)控加工過程中可能出現(xiàn)的問題，分析問題，制定解決方案，從而高效地保證數(shù)控機(jī)床加工零件的質(zhì)量，對于充分發(fā)揮數(shù)控機(jī)床加工精度高的優(yōu)勢，提高生產(chǎn)效率具有現(xiàn)實意義。因此，編程中的過程分析是非常復(fù)雜和重要的。它不僅要求程序員有扎實的技術(shù)基礎(chǔ)知識和豐富的實際工作經(jīng)驗，還必須有一絲不茍的工作作風(fēng)，設(shè)計中必須注意處理過程中的每一個細(xì)節(jié)，做到萬無一失。

加工工藝在零件加工中起著重要的作用，它可以給整個加工過程提供非常大的便利性，對于一個完整的零件加工過程來說這是非常重要也是不可或缺的一步。

綜上所述，本研究的目的是設(shè)計更經(jīng)濟(jì)的工藝方案，生成合理的G代碼程序，實現(xiàn)理論與實踐的結(jié)合，提高其質(zhì)量和水平，充分利用數(shù)控機(jī)床。

1對于零件工藝的分析

首當(dāng)其沖的是，對于零件的加工需要先從圖紙的繪制開始，依據(jù)其零件的二維圖形，對于圖紙進(jìn)行合理的分析，對于所需要零件進(jìn)行有效的結(jié)構(gòu)分析[1]。

根據(jù)數(shù)控機(jī)床的性能和自身在實際加工中的經(jīng)驗，對加工圖進(jìn)行工藝分析，盡量減少后續(xù)加工中可能出現(xiàn)的錯誤。當(dāng)我們分析零件繪制的過程時，我們可以主要考慮以下幾個方面：

（1）審查零件圖的完整性和正確性。對于需要加工的零件，我們需要檢查輪廓的加工尺寸以及加工尺寸之間的幾何關(guān)系是否完整。比如在實際加工中，經(jīng)常會出現(xiàn)圖紙給出的幾何尺寸出現(xiàn)問題，導(dǎo)致無法完成編程計算。或者幾何尺寸沒有問題，但是有尺寸矛盾。

（2）審查零件圖中的尺寸標(biāo)準(zhǔn)方式是否適應(yīng)數(shù)控加工的特點。對于數(shù)控加工方法，最適合編程的尺寸基準(zhǔn)是用同一基準(zhǔn)標(biāo)注尺寸或直接給出坐標(biāo)尺寸，這樣更便于相互協(xié)調(diào)，為保持工藝、設(shè)計、編程原點和測試基準(zhǔn)的統(tǒng)一提供了極大的方便。但是，在制作零件圖時，設(shè)計人員往往優(yōu)先考慮安裝的機(jī)器與其他零件的配合，導(dǎo)致需要采用局部分散的方式標(biāo)注尺寸，從而在實際加工和工序安排上造成一定的困難。但是數(shù)控加工和重復(fù)定位的精度很高，很大程度上可以避免較大誤差。因此，將局部分散的標(biāo)準(zhǔn)方式改為集中標(biāo)注尺寸或坐標(biāo)是完全可能的。

（3）檢查零件圖中構(gòu)成輪廓的幾何要素是否充分。無論是自動編程還是手動編程，都需要明確每一個尺寸、長度、幾何關(guān)系。無論哪里有歧義，都會導(dǎo)致不編程，不數(shù)控加工，所以要認(rèn)真審核零件圖紙。發(fā)現(xiàn)問題后，必須及時與相關(guān)人員進(jìn)行變更，以保證數(shù)控加工的順利進(jìn)行。

該零件是板件模具，是汽車變速箱的重要零件。本文是對中間板的數(shù)控加工過程進(jìn)行分析，使數(shù)控加工過程更加簡單明了。從多方面闡述了工藝分析的內(nèi)容和方法，并根據(jù)Ranger中間板零件圖進(jìn)行了工藝分析[2]。

（4）加工工藝路線的規(guī)劃。一般而言，零件主要是具備二維平面或者三維曲面的一個復(fù)雜的零件，主要由挖孔以及對于外邊緣的深入加工為主，零件一般對于精度細(xì)度具有很高的要求，其所在的范圍大約在±0.02的范圍左右，一般情況下，加工路線包括加工方法的選擇、加工階段的劃分、工序的劃分、加工順序的安排和飼料加工路線的確定。根據(jù)零件圖的要求，厚度為1.57的薄壁和直徑為45mm的坡口應(yīng)選用半精加工方法。另外，為了不損傷薄壁，達(dá)到更高的精度，深度為8mm和10mm的坡口應(yīng)留有足夠的精加工余量。根據(jù)加工方法，零件的加工工序分為粗加工、半精加工和精加工。加工順序按先粗后精的原則確定[3]。

（5）數(shù)控加工刀具的選用。在加工零件時，應(yīng)將粗加工和精加工分開，以保證零件的加工質(zhì)量。根據(jù)零件的工藝設(shè)計，毛坯的選擇是確定余量后，確定毛坯的類型、制造方法和毛坯尺寸。零件的材料是鋼。根據(jù)技術(shù)要求，要求零件去毛刺，即外觀光滑美觀。鍛件可根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)、形狀和尺寸以及生產(chǎn)程序的大小進(jìn)行選擇。根據(jù)上述選擇原則分析，先銑外輪廓，再銑內(nèi)輪廓，最后鉆孔。毛坯的零件是用鑄鋁制成的?？紤]到鑄件的大變形，以及在NC銑削中定位和夾緊坯料的可靠性和方便性，應(yīng)留有足夠的余量。由于該零件材料具有良好的切削性能，在銑削平面、臺階面和輪廓時，要留有0.5mm的精加工余量、0.1mm的精鉸余量和0.2mm的精鏜余量。根據(jù)以上零件分析的工藝分析，選擇毛坯件，毛坯件最終尺寸為260mm×220mm×20mm。MasterCAM9.0用于MasterCAM9.0的三維建模和刀軌設(shè)計。其中，毛坯的形狀可以根據(jù)加工所需要的尺寸、形狀來進(jìn)行改變，毛坯是整個加工工藝的重要基礎(chǔ)。因此，在實際的生產(chǎn)應(yīng)用之中，需要選用質(zhì)量比較好的毛坯作為其基礎(chǔ)零件。

2設(shè)計加工工藝的選擇及加工程序編制

目前，我國機(jī)械零件的加工方式已經(jīng)逐漸從手工加工方式轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)控加工方式。因此，在加工零件之前，我們需要詳細(xì)了解零件的數(shù)控加工工藝，以保證零件加工的質(zhì)量和精度，并根據(jù)機(jī)械零件的實際設(shè)計和加工要求，制定出適合數(shù)控機(jī)床的加工方案。

一般情況下的零件可以手動或自動編程。手動是一種手工編程，常用于外形簡單、方便、經(jīng)濟(jì)的工件;自動編程又稱計算機(jī)輔助編程，它是利用專門的計算機(jī)軟件編制數(shù)控加工程序，常用于輪廓復(fù)雜的零件，特別是三維形狀或刀軌計算繁瑣時。零件分三維表面的加工和小凸緣的加工，外形比較復(fù)雜。為提高工作效率，而且不易出錯，所以采用自動編程[4]。

3刀具切削用量的選擇

在數(shù)控銑床上按照粗加工階段和精加工階段進(jìn)行加工。通過檢查切削參數(shù)手冊選擇合適的進(jìn)給速度和每齒切削速度，然后根據(jù)公式SπD=1000Vc和F=fns計算主軸速度和進(jìn)給速度。但是在實際生產(chǎn)中，我們通常會根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗選擇合適的值。 通過分析零件圖，確定各曲面的數(shù)控加工刀具?？紤]到刀具在工作中可以合理切入和切出，應(yīng)選擇合適的刀具直徑，道具應(yīng)盡可能包括整個工件的加工寬度，以提高加工精度和效率，避免切割痕跡的出現(xiàn)。凸臺及其輪廓用端銑刀加工，刀具半徑R受輪廓最小曲率半徑限制，所以R=6mm。每個孔加工步驟的刀具直徑是根據(jù)加工余量和孔徑確定的。

根據(jù)平常的實踐經(jīng)驗，大切削深度、低進(jìn)給量適合于常規(guī)零件的粗加工，以提高加工效率。在精加工中，需要合理的切削速度、較小的進(jìn)給量和進(jìn)給速度，以獲得較好的切削深度和加工精度。零件表面的粗糙度為Ra 0.8～Ra3.2m時，在精銑，圓銑側(cè)進(jìn)給0.3～0.5mm，面銑后進(jìn)給0.5～1mm。

4機(jī)床、夾具的選擇

夾具是機(jī)床的附加裝置，用于正確確定工件與刀具的相對位置，并在加工過程中按有關(guān)規(guī)定的要求適當(dāng)、快速地夾緊。機(jī)床夾具種類繁多，選擇夾具時應(yīng)注意：夾緊機(jī)構(gòu)或其它部件不應(yīng)影響進(jìn)給，加工部分應(yīng)打開。我們這里用的夾具是機(jī)用虎鉗、組合壓板、定位銷，零件底面定位為基準(zhǔn)面。

5定位基準(zhǔn)的選擇

在機(jī)床上加工工件時，定位基準(zhǔn)是決定每個加工零件位置的重要因素。一旦定位基準(zhǔn)出現(xiàn)問題，將直接導(dǎo)致加工工件完全達(dá)不到圖紙要求。偏差嚴(yán)重時，甚至可能造成刀具碰撞，損壞刀具和工件。所以每一步的定位都很重要[5]。

在加工工件的第一步，我們需要確定一個基準(zhǔn)面。在這次加工工藝分析中，我選擇了下端面作為基準(zhǔn)面，因為下端面只有一個臺階面，加工方便。加工上、下端面后，加工輪廓面。加工輪廓面時，首先加工前端面，然后以前端面為參照面加工其他三個輪廓面。各輪廓面加工結(jié)束之后開始加工各個孔，在研究圖紙之后決定將1號和2號孔作為定位孔，且工件裝夾的“兩銷定位法”也需要用到這兩個孔，在加工1號和2號孔時要一定注意避免人工誤差，否則后面加工的所有孔都有可能出現(xiàn)位置偏差，因而導(dǎo)致加工出來的成品不符合圖紙要求。然后加工3號孔，加工3號孔時以下端面和1號2號孔作為定位基準(zhǔn)。加工4號和5號孔時也按照加工3號孔的方式，以下端面和1號2號孔為定位基準(zhǔn)，在確定位置時以3號孔的位置進(jìn)行驗證，保證每個孔的位置都確認(rèn)無誤。在加工6號和7號孔時，根據(jù)5號孔圓心的位置和1號2號孔計算出6號和7號孔的位置，從而進(jìn)行準(zhǔn)確的加工。加工8號9號10號孔時根據(jù)5號孔的位置，再根據(jù)1號和2號孔的位置進(jìn)行驗證。加工11號和12號螺紋孔時，先根據(jù)1號和2號孔的位置鉆出中心孔，然后根據(jù)中心孔的位置來攻螺紋孔。

6數(shù)控銑削加工工藝的主要內(nèi)容

在數(shù)控加工中，大部分是小批量的或者是單件的加工，零件的輪廓復(fù)雜多樣，坯料、形狀和尺寸不同，但數(shù)控加工工藝的想法基本相同：首先要分析加工零件的零件圖;確定加工內(nèi)容和技術(shù)要求，并將尺寸公差轉(zhuǎn)換成對稱公差，方便數(shù)控的加工，確定毛坯的尺寸。然后確定零件結(jié)構(gòu)及加工方案。再然后就是設(shè)計加工的程序，確定加工的順序，選擇合理的切削參數(shù)，設(shè)計刀具軌跡。最后再利用CAM軟件對加工過程進(jìn)行仿真驗證，并調(diào)整加工程序。主要包涵以下幾方面：

（1）數(shù)控加工工藝的各個過程，包括零件圖的基本檢查內(nèi)容、加工工藝的基本內(nèi)容和影響設(shè)計的因素、如何選擇加工方法以及模具夾具、切削參數(shù)和刀具的原則[6]。

（2）定位基準(zhǔn)，定位基準(zhǔn)分為粗基準(zhǔn)定位和精基準(zhǔn)定位。在確定定位基準(zhǔn)時，盡量保證整個加工過程的定位基準(zhǔn)不變，然后說明正向銑削和反向銑削的區(qū)別，選擇數(shù)控加工中采用正向銑削還是反向銑削。

（3對零件圖紙的詳細(xì)數(shù)控加工工藝分析，確定整個數(shù)控加工步驟，加工每個平面和每個孔的順序。因為不同的孔孔徑不同，表面粗糙度不同，對應(yīng)的加工方法也不同，使用的工具自然也不同。確定每一步的工具和參數(shù)，便于實際加工，然后說明每一步定位基準(zhǔn)的選擇，最后根據(jù)這個工藝分析的全部內(nèi)容制定工藝卡。

由于數(shù)控加工的復(fù)雜性，其工藝設(shè)計非常靈活，沒有固定的加工模式。但是，只要認(rèn)真總結(jié)，對于常見的加工結(jié)構(gòu)，如平面、曲面、斜面、箱體、薄壁件等，總能找出一定的加工規(guī)律，建立工藝庫或模塊化工藝，從而不斷完善數(shù)控加工工藝。

7總結(jié)

數(shù)控加工工藝設(shè)計是制造過程中的重要環(huán)節(jié)，關(guān)系到數(shù)控機(jī)床的使用效率、零件的加工質(zhì)量、刀具的耐用度等問題。因此，數(shù)控編程人員在編制零件數(shù)控加工工藝時，應(yīng)充分、全面地進(jìn)行工藝的分析，靈活、合理地設(shè)計數(shù)控加工工藝。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2021-08-16

作者簡介：曹樹嶺（1986—），男，山東聊城人，本科，講師，研究方向：數(shù)字化制造。