數控機床零件加工工藝分析、加工方案制定、夾具的選擇

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數控機床根據被加工工件的材料、輪廓形狀、加工精度等選用合適的機床,加工方案制定,確定零件的加工順序,各工序所用刀具,夾具和切削用量等。

一、機床的合理選用

　　在數控機床上加工零件時，一般有兩種情況。

　　第一種情況：有零件圖樣和毛坯，要選擇適合加工該零件的數控機床。

　　第二種情況：已經有了數控機床，要選擇適合在該機床上加工的零件。

　　無論哪種情況，考慮的因素主要有，毛坯的材料和類、零件輪廓形狀複雜程度、尺寸大小、加工精度、零件數量、熱處理要求等。概括起來有三點：

① 要保證加工零件的技術要求，加工出合格的產品。

② 有利於提高生產率。

③ 儘可能降低生產成本(加工費用)。

二、數控加工零件工藝性分析

　　數控加工工藝性分析涉及面很廣，在此僅從數控加工的可能性和方便性兩方面加以分析。

(一) 零件圖樣上尺寸數據的給出應符合編程方便的原則

1．零件圖上尺寸標註方法應適應數控加工的特點

　　在數控加工零件圖上，應以同一基準引注尺寸或直接給出坐標尺寸。這種標註方法既便於編程，也便於尺寸之間的相互協調，在保持設計基準、工藝基準、檢測基準與編程原點設置的一致性方面帶來很大方便。由於零件設計人員一般在尺寸標註中較多地考慮裝配等使用特性方面，而不得不採用局部分散的標註方法，這樣就會給工序安排與數控加工帶來許多不便。由於數控加工精度和重複定位精度都很高，不會因產生較大的積累誤差而破壞使用特性，因此可將局部的分散標註法改為同一基準引注尺寸或直接給出坐標尺寸的標註法。

2．構成零件輪廓的幾何元素的條件應充分

　　在手工編程時要計算基點或節點坐標。在自動編程時，要對構成零件輪廓的所有幾何元素進行定義。因此在分析零件圖時，要分析幾何元素的給定條件是否充分。如圓弧與直線，圓弧與圓弧在圖樣上相切，但根據圖上給出的尺寸，在計算相切條件時，變成了相交或相離狀態。由於構成零件幾何元素條件的不充分，使編程時無法下手。遇到這種情況時，應與零件設計者協商解決。

(二) 零件各加工部位的結構工藝性應符合數控加工的特點

1) 零件的內腔和外形最好採用統一的幾何類型和尺寸。這樣可以減少刀具規格和換刀次數，使編程方便，生產效益提高。

2) 內槽圓角的大小決定著刀具直徑的大小，因而內槽圓角半徑不應過小。零件工藝性的好壞與被加工輪廓的高低、轉接圓弧半徑的大小等有關。

3) 零件銑削底平面時，槽底圓角半徑r不應過大。

4) 應採用統一的基準定位。在數控加工中，若沒有統一基準定位，會因工件的重新安裝而導致加工後的兩個面上輪廓位置及尺寸不協調現象。因此要避免上述問題的產生，保證兩次裝夾加工後其相對位置的準確性，應採用統一的基準定位。

　　零件上最好有合適的孔作為定位基準孔，若沒有，要設置工藝孔作為定位基準孔(如在毛坯上增加工藝凸耳或在後續工序要銑去的餘量上設置工藝孔)。若無法制出工藝孔時，最起碼也要用經過精加工的表面作為統一基準，以減少兩次裝夾產生的誤差。此外，還應分析零件所要求的加工精度、尺寸公差等是否可以得到保證、有無引起矛盾的多餘尺寸或影響工序安排的封閉尺寸等。

三、加工方法的選擇與加工方案的確定

(一)加工方法的選擇

　　加工方法的選擇原則是保證加工表面的加工精度和表面粗糙度的要求。由於獲得同一級精度及表面粗糙度的加工方法一般有許多，因而在實際選擇時，要結合零件的形狀、尺寸大小和熱處理要求等全面考慮。例如，對於IT7級精度的孔採用鏜削、鉸削、磨削等加工方法均可達到精度要求，但箱體上的孔一般採用鏜削或鉸削，而不宜採用磨削。一般小尺寸的箱體孔選擇鉸孔，當孔徑較大時則應選擇鏜孔。此外，還應考慮生產率和經濟性的要求，以及工廠的生產設備等實際情況。常用加工方法的經濟加工精度及表面粗糙度可查閱有關工藝手冊。

(二)加工方案確定的原則

　　零件上比較精密表面的加工，常常是通過粗加工、半精加工和精加工逐步達到的。對這些表面僅僅根據質量要求選擇相應的最終加工方法是不夠的，還應正確地確定從毛坯到最終成形的加工方案。確定加工方案時，首先應根據主要表面的精度和表面粗糙度的要求，初步確定為達到這些要求所需要的加工方法。例如，對於孔徑不大的IT7級精度的孔，最終加工方法取精鉸時，則精鉸孔前通常要經過鑽孔、擴孔和粗鉸孔等加工。

四、工序與工步的劃分

(一) 工序的劃分

　　在數控機床上加工零件，工序可以比較集中，在一次裝夾中儘可能完成大部分或全部工序。首先應根據零件圖樣，考慮被加工零件是否可以在一台數控機床上完成整個零件的加工工作，若不能則應決定其中哪一部分在數控機床上加工，哪一部分在其他機床上加工，即對零件的加工工序進行劃分。

（二)工步的劃分

　　工步的劃分主要從加工精度和效率兩方面考慮。在一個工序內往往需要採用不同的刀具和切削用量，對不同的表面進行加工。為了便於分析和描述較複雜的工序，在工序內又細分為工步。下面以加工中心為例來說明工步劃分的原則：

1) 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後精加工分開進行。

2) 對於既有銑面又有鏜孔的零件，可先銑面後鏜孔。按此方法劃分工步，可以提高孔的精度。因為銑削時切削力較大，工件易發生變形。先銑面後鏜孔，使其有一段時間恢復，減少由變形引起的對孔的精度的影響。

3) 按刀具劃分工步。某些機床工作台迴轉時間比換刀時間短，可採用按刀具劃分工步，以減少換刀次數，提高加工效率。

總之，工序與工步的劃分要根據具體零件的結構特點、技術要求等情況綜合考慮。

五、零件的安裝與夾具的選擇

(一) 定位安裝的基本原則

1) 力求設計、工藝與編程計算的基準統一。

2) 盡量減少裝夾次數，儘可能在一次定位裝夾後，加工出全部待加工表面。

3) 避免採用占機人工調整式加工方案，以充分發揮數控機床的效能。

(二) 選擇夾具的基本原則

　　數控加工的特點對夾具提出了兩個基本要求：一是要保證夾具的坐標方向與機床的坐標方向相對固定；二是要協調零件和機床坐標系的尺寸關係。除此之外，還要考慮以下四點：

1) 當零件加工批量不大時，應盡量採用組合夾具、可調式夾具及其他通用夾具，以縮短生產準備時間、節省生產費用。

2) 在成批生產時才考慮採用專用夾具，并力求結構簡單。

3) 零件的裝卸要快速、方便、可靠，以縮短機床的停頓時間。

4) 夾具上各零部件應不妨礙機床對零件各表面的加工，即夾具要開敞其定位、夾緊機構元件不能影響加工中的走刀(如產生碰撞等)。

六、刀具的選擇與切削用量的確定

(一) 刀具的選擇

　　刀具的選擇是數控加工工藝中重要內容之一，它不僅影響機床的加工效率，而且直接影響加工質量。編程時，選擇刀具通常要考慮機床的加工能力、工序內容、工件材料等因素。與傳統的加工方法相比，數控加工對刀具的要求更高。不僅要求精度高、剛度好、耐用度高，而且要求尺寸穩定、安裝調整方便。這就要求採用新型優質材料製造數控加工刀具，並優選刀具參數。

　　選取刀具時，要使刀具的尺寸與被加工工件的表面尺寸和形狀相適應。生產中，平面零件周邊輪廓的加工，常採用立銑刀。銑削平面時，應選硬質合金刀片銑刀；加工凸台、凹槽時，選高速鋼立銑刀；加工毛坯表面或粗加工孔時，可選鑲硬質合金的玉米銑刀。選擇立銑刀加工時，刀具的有關參數，推薦按經驗數據選取。曲面加工常採用球頭銑刀，但加工曲面較平坦部位時，刀具以球頭頂端刃切削，切削條件較差，因而應採用環形刀。在單件或小批量生產中，為取代多坐標聯動機床，常採用鼓形刀或錐形刀來加工飛機上一些變斜角零件加鑲齒盤銑刀，適用於在五坐標聯動的數控機床上加工一些球面，其效率比用球頭銑刀高近十倍，並可獲得好的加工精度。

　　在加工中心上，各種刀具分別裝在刀庫上，按程序規定隨時進行選刀和換刀工作。因此必須有一套連接普通刀具的接桿，以便使鑽、鏜、擴、鉸、銑削等工序用的標準刀具，迅速、準確地裝到機床主軸或刀庫上去。作為編程人員應了解機床上所用刀桿的結構尺寸以及調整方法，調整範圍，以便在編程時確定刀具的徑向和軸向尺寸。目前我國的加工中心採用TSG工具系統，其柄部有直柄(三種規格)和錐柄(四種規格)兩種，共包括16種不同用途的刀。

(二) 切削用量的確定

　　切削用量包括主軸轉速(切削速度)、背吃刀量、進給量。對於不同的加工方法，需要選擇不同的切削用量，並應編入程序單內。合理選擇切削用量的原則是，粗加工時，一般以提高生產率為主，但也應考慮經濟性和加工成本；半精加工和精加工時，應在保證加工質量的前提下，兼顧切削效率、經濟性和加工成本。具體數值應根據機床說明書、切削用量手冊，並結合經驗而定。

七、對刀點與換刀點的確定

　　在編程時，應正確地選擇「對刀點」和「換刀點」的位置。「對刀點」就是在數控機床上加工零件時，刀具相對於工件運動的起點。由於程序段從該點開始執行，所以對刀點又稱為「程序起點」或「起刀點」。

對刀點的選擇原則是：

1. 便於用數字處理和簡化程序編製；

2. 在機床上找正容易，加工中便於檢查；

3. 引起的加工誤差小。

　　對刀點可選在工件上，也可選在工件外面(如選在夾具上或機床上)但必須與零件的定位基準有一定的尺寸關係。為了提高加工精度，對刀點應盡量選在零件的設計基準或工藝基準上，如以孔定位的工件，可選孔的中心作為對刀點。刀具的位置則以此孔來找正，使「刀位點」與「對刀點」重合。工廠常用的找正方法是將千分表裝在機床主軸上，然後轉動機床主軸，以使「刀位點」與對刀點一致。一致性越好，對刀精度越高。所謂「刀位點」是指車刀、鏜刀的刀尖；鑽頭的鑽尖；立銑刀、端銑刀刀頭底面的中心，球頭銑刀的球頭中心。

　　零件安裝後工件坐標系與機床坐標系就有了確定的尺寸關係。在工件坐標系設定後，從對刀點開始的第一個程序段的坐標值；為對刀點在機床坐標系中的坐標值為(X0，Y0)。當按絕對值編程時，不管對刀點和工件原點是否重合，都是X2、Y2；當按增量值編程時，對刀點與工件原點重合時，第一個程序段的坐標值是X2、Y2，不重合時，則為(X1十X2)、Y1+ Y2)。對刀點既是程序的起點，也是程序的終點。因此在成批生產中要考慮對刀點的重複精度，該精度可用對刀點相距機床原點的坐標值(X0，Y0)來校核。

　　所謂「機床原點」是指機床上一個固定不變的極限點。例如，對車床而言，是指車床主軸迴轉中心與車頭卡盤端面的交點。加工過程中需要換刀時，應規定換刀點。所謂「換刀點」是佰刀架轉位換刀時的位置。該點可以是某一固定點(如加工中心機床，其換刀機械手的位置是固定的)，也可以是任意的一點(如車床)。換刀點應設在工件或夾具的外部，以刀架轉位時不碰工件及其它部件為準。其設定值可用實際測量方法或計算確定。

八、加工路線的確定

　　在數控加工中，刀具刀位點相對於工件運動的軌跡稱為加工路線。編程時，加工路線的確定原則主要有以下幾點：

1) 加工路線應保證被加工零件的精度和表面粗糙度，且效率較高。

2) 使數值計算簡單，以減少編程工作量。

3) 應使加工路線最短，這樣既可減少程序段，又可減少空刀時間。 度等情況，確定是一次走刀，還是多次走刀來完成加工以及在銑削加工中是採用順銑還是採用逆銑等。

　　對點位控制的數控機床，只要求定位精度較高，定位過程儘可能快，而刀具相對工件的運動路線是無關緊要的，因此這類機床應按空程最短來安排走刀路線。除此之外還要確定刀具軸向的運動尺寸，其大小主要由被加工零件的孔深來決定，但也應考慮一些輔助尺寸，如刀具的引入距離和超越量。

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