机械制造技术装备及设计 MC及电加工

第三篇MCFTL和数控电加工机床MC：MachiningCenter加工中心FTL：FlexibleTransferLine柔性生产线FMS：FlexibleManufacturingSystem

柔性制造系统EDM：ElectricalDischargeMachining

电火花加工WEDM：WireEDM线切割加工RPM:RapidPrototypeManufacturing

快速原型制造第一章MCFTL和FMS第一节加工中心和车削中心一、加工中心定义：是具有自动交换刀具系统的数字控制机床特征：刀库换刀机械手功能：三轴到五轴联动，三维空间曲面型式：两大类立式卧式工艺内容：钻、铣、镗为主加工中心的特点：工序高度集中，辅助时间缩短，加工效率高；一次安装可完成大部分加工内容，加工精度高；具有较高的柔性；系统结构较复杂，对操作和维修人员有一定要求；初期投资高。数控加工中心加工中心是备有刀库，并能自动更换刀具的数控机床。适用于零件形状比较复杂、加工内容较多、精度要求较高、产品更换频繁的中小批量生产。5.8.1加工中心的特点及分类

1．加工中心的特点加工中心由于增加了自动换刀装置，使工件在一次装夹后，可以连续对工件自动进行钻孔、扩孔、铰孔、镗孔、攻螺纹、铣削等加工。它具有以下特点：（1）工序高度集中、生产效率高工件经一次装夹后，数控系统能控制机床按不同加工要求，自动选择和更换刀具，依次完成工件上多介面的加工。由于工序集中和自动换刀，减少了工件的装夹、测量和机床调整等时间，使机床的切削时间达到机床开动时间的80%左右(普通机床仅为15%一20%);同时也减少了机床与机床、车间与车间之间的工件周转·搬运和存放时间，缩短了生产周期，提高了生产效率。（2）加工质量稳定与单机、人工操作方式比较，加工中心能排除加工过程中人为干扰因素，使加工质量稳定。（3）功能完善除自动换刀功能外，加工中心还具有各种一般功能和特殊功能，以保证加工过程的自动进行，有的数控系统还能进行自动编程。加工中心的分类

加工中心型号示例：机床的类别用汉语拼音字母表示，"T"表示镗床类等；特性代号在类别代号之后也用汉语拼音字母予以表示，加工中心特性代号一般为H(自动换刀)；组、型别代号用阿拉伯数字组成，位于类别代号或特性代号之后，第一位数字表示组别，第二位数字表示型别；机床主要参数用系数表示，加工中心用两位数字表示工作台宽度的1/10；机床重大改型的顺序号，在原机床型号后用A、B、C、D等英文字母表示。加工中心的类型如下。加工中心型号示例：（1）立式加工中心立式加工中心是指主轴为垂直状态的加工中心，如图5-37所示。其结构形式多为固定立柱，工作台为长方形，无分度回转功能，适合加工盘、套、板类零件，它一般具有三个直线运动坐标轴，并可在工作台上安装一个沿水平轴旋转的回转台，用以加工螺旋线类零件。立式加工中心装卡方便，便于操作，易于观察加工情况，调试程序容易，应用广泛。但受立柱高度及换刀装置的限制，不能加工太高的零件，在加工型腔或下凹的型面时，切屑不易排出，严重时会损坏刀具，破坏已加工表面，影响加工的顺利进行。1一直流伺服电动机2一换刀机械手3一数控柜4一盘式刀库5一主轴箱;6一操作面板7一驱动电源柜8一工作台9一滑座10一床身图立式加工中心（2）卧式加工中心

卧式加工中心指主轴为水平状态的加工中心，如图5-38所示。卧式加工中心通常都带有自动分度的回转工作台，它一般具有3一5个运动坐标，常见的是三个直线运动坐标加一个回转运动坐标，工件在一次装卡后，完成除安装面和顶面以外的其余四个表面的加工，它最适合加工箱体类零件。与立式加工中心相比较，卧式加工中心加工时排屑容易，对加工有利，但结构复杂，价格较高。(3)龙门式加工中心

龙门式加工中心的形状与数控龙门铣床相似，如图5-39所示。龙门式加工中心主轴多为垂直设置，除自动换刀装置以外，还带有可更换的主轴头附件，数控装置的功能也较齐全，能够一机多用，尤其适用于加工大型工件和形状复杂的工件。(4)五轴加工中心

五轴加工中心具有立式加工中心和卧式加工中心的功能，如图5-40所示。五轴加工中心，工件一次安装后能完成除安装面以外的其余五个面的加工，X、Y、Z、主轴回转、主轴或工作台旋转一定角度。常见的五轴加工中心有两种形式：一种是主轴可以旋转90，对工件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。五轴联动数控机床是一种科技含量高、精密度高专门用于加工复杂曲的机床，这种机床系统对一个国家的航空、航天、军事、科研、精密器械、高精医疗设备等等行业，有着举足轻重的影响力。现在，大家普遍认为，五轴联动数控机床系统是解决叶轮、叶片、船用螺旋桨、重型发电机转子、汽轮机转子、大型柴油机曲轴等等加工的唯一手段。可广泛适用于汽车、航空航天、机车车辆、船舶、纺织机械、印刷机械、造纸机械、机床工具等行业中对各种板类、箱体类、机架类、螺旋体和球体类，以及模具等精密零件复杂曲面的数控加工，工件一次装夹后可进行铣、镗、钻、铰、攻丝等多种工序加工；配备直角、万能等附件铣头后，还可对工件进行五面加工代表机床制造业最高境界的是五轴联动数控机床系统，从某种意义上说，反映了一个国家的工业发展水平状况。长期以来，以美国为首的西方工业发达国家，一直把五轴联动数控机床系统作为重要的战略物资，实行出口许可证制度。特别是冷战时期，对中国、前苏联等社会主义阵营实行封锁禁运。著名的“东芝事件”：上世纪末，日本东芝公司卖给前苏联几台五轴联动的数控铣床，结果让前苏联用于制造潜艇的推进螺旋桨，上了几个档次，使美国间谍船的声纳监听不到潜艇的声音了，所以美国以东芝公司违反了战略物资禁运政策，要惩处东芝公司。立式五轴加工中心这类加工中心的回转轴有两种方式，一种是工作台回转轴。设置在床身上的工作台可以环绕X轴回转，定义为A轴，A轴一般工作范围+30度至-120度。工作台的中间还设有一个回转台，在图示的位置上环绕Z轴回转，定义为C轴，C轴都是360度回转。这样通过A轴与C轴的组合，固定在工作台上的工件除了底面之外，其余的五个面都可以由立式主轴进行加工。A轴和C轴最小分度值一般为0.001度，这样又可以把工件细分成任意角度，加工出倾斜面、倾斜孔等。A轴和C轴如与XYZ三直线轴实现联动，就可加工出复杂的空间曲面。图中所示产品的A轴和B轴均由力矩电机驱动，电机最大力矩达2900Nm，最大负载为1200kg，允许转动惯量J为110kgm2。A轴的倾斜角的范围为-10(ccw)~+110(cw)，转速为30rpm，同轴度为0.01mm，轴向跳动0.012mm，分度精度为±7″。C轴台面直径为800mm，最大转速为50rpm，分度精度等与A轴相同。

在欧洲，德国FIBRO一直同许多著名的机床公司合作，按照不同的工艺要求开发新型的产品，来满足市场的需求。另一种是依靠立式主轴头的回转。主轴前端是一个回转头，能自行环绕Z轴360度，成为C轴，回转头上还带可环绕X轴旋转的A轴，一般可达±90度以上，实现上述同样的功能。这种设置方式的优点是主轴加工非常灵活，工作台也可以设计的非常大，客机庞大的机身模具、巨大的发动机壳都可以在这类加工中心上加工。五轴联动加工中心龙门式五轴联动加工中心卧式五轴加工中心此类加工中心的回转轴也有两种方式，一种是卧式主轴摆动作为一个回转轴，再加上工作台的一个回转轴，实现五轴联动加工。另一种为传统的工作台回转轴，设置在床身上的工作台A轴一般工作范围+20度至-100度。工作台的中间也设有一个回转台B轴，B轴可双向360度回转。这种卧式五轴加工中心的联动特性比第一种方式好，常用于加工大型叶轮的复杂曲面。卧式五轴联动加工中心卧式加工中心(5)虚轴加工中心

虚轴加工中心如图5-41所示。虚轴加工中心改变了以往传统机床的结构，通过连杆的运动，实现主轴多自由度的运动，对工件的复杂曲面进行加工。5.8.2加工中心的构成

加工中心有各种类型，虽然外形结构各异，但总体上是由以下几大部分组成。1.基础部件基础部件由床身、立柱和工作台等大件组成，是加工中心结构中的基础部件。这些大件有铸铁件，也有焊接的钢结构件，它们要承受加工中心的静载荷以及在加工时的切削负载，因此必须具备更高的静、动刚度，也是加工中心中质量和体积最大的部件。2.主轴部件主轴部件由主轴箱、主轴电动机、主轴和主轴轴承等零件组成。主轴的启动、停止等动作和转速均由数控系统控制，并通过装在主轴上的刀具进行切削。主轴部件是切削加工的功率输出部件，是加工中心的关键部件，其结构的好坏，对加工中心的性能有很大影响。3.数控系统数控系统由CNC装置、可编程控制器、伺服驱动装置以及电动机等部分组成，是加工中心执行顺序控制动作和控制加工过程的中心。4.自动换刀装置(ATC)加工中心与一般数控机床的显著区别是具有对零件进行多工序加工的能力，有一套自动换刀装置。五面体加工中心五轴铣五面加工中心三坐标测量机加工中心的发展与未来现在加工中心逐渐成为机械加工业中最主要的设备，它加工范围广，使用量大。近年来在品种、性能、功能方面有很大的发展。品种：有新型的立、卧五轴联动加工中心，可用于航空、航天零件加工；有专门用于模具加工的高性能加工中心，集成三维AD/CAM对模具复杂的曲面超精加工；有适用于汽车、摩托车大批量零件加工的高速加工中心，生产效率高且具备柔性化。性能：普遍采用了万转以上的电主轴，最高可达6～10万转；直线电机的应用使机床加速度达到了3-5g；执行ISO/VDI检测标准，促使制造商提高加工中心的双向定位精度。功能：糅合了激光加工的复合功能，结构上适合于组成模块式制造单元（FMC）和柔性生产线（FMS），并具有机电、通讯一体化功能。

领先一步的机床制造商正在构想2010年的“加工中心”，它将是万能型的设备，可用于车、铣、磨、激光加工等，成为真正意义上的加工中心。全自动地从材料送进，到成品产出，粗精加工、淬硬处理、超精加工，自动检测、自动校正，将无所不能。设备将重视环保、节能，呈现出绿色制造业的标志。二、车削中心定义：是在数控车床基础上发展起来的复合加工机床。特点：1.具有转塔式多工位刀架----（刀库）2.除基本的两轴联动控制外，还具有C轴控制。工艺范围：内、外回转面，端面，孔的加工；端面和圆周面上任意部位的钻削、铣削和攻丝等。第二节板材加工中心实质：CNC冲床冲模库（刀库）定义：具有自动交换模具的数控回转头压力机应用：在板材上冲各种孔独特部件：转盘同时同向旋转上转盘：凸模下转盘：模具数控系统功能：X、Y、T三轴控制第三节柔性制造系统“柔性”：自身对产品变化的适应能力柔性制造的必要性：多品种、小批量生产模式的客观要求系统柔性的内容：软件柔性：仅改变程序就适应变化硬件柔性：可重复组合使用的程度分类：柔性制造单元柔性制造线柔性制造系统1、柔性制造单元FlexibleManufacturingCell(FMC)组成：以一台或几台加工中心为主，加上工件的自动化存储和交换装置，统一的控制调度系统三大部分。特点：规模小，投资少，可靠性好。2、柔性生产线FlexibleTransferLine(FTL)组成：一定台数的数控机床和普通机床，工件传送系统，计算机控制系统特点：有一定节拍布局紧凑总体效益较高应用：同族零件的少品种、大批量生产国内第一条具有世界先进水平的柔性化生产线在上海通用汽车建成，实现了不同平台车型的共线生产。下页图。应用领域:灯具,金属家具,建筑,电器设备,汽车。集成了冲压、弯曲、成形、剪切技术

3、柔性制造系统FlexibleManufacturingSystem(FMS)定义：由统一的信息控制系统、物料储运系统和一组数字控制加工设备组成的，能适应多品种、中小批量加工对象变换的自动化机械制造系统。组成：1.数控机床或制造单元2.零件和刀具的传送系统3.协调系统各部分的总监控系统4.中央刀具库及其管理系统5.自动化仓库及其管理系统1．加工子系统根据工件的工艺要求，加工子系统差别很大。如图1-11是一个FMS组成实例。加工子系统由数控车床（单元1）、数控端面外圆磨床（单元2）、数控车床（单元3）、立式加工中心（单元4）、卧式加工中心（单元5）组成，五个加工单元配有四台工业机器人，单元2还配有中心孔清洗机。该系统可以加工伺服电机的轴类、法兰盘类、支架体类、壳体类共14种零件。2．物流子系统该系统由自动输送小车、各种输送机构、机器人、工件装卸站。工件存储工位、刀具输入输出站、刀库等构成。物流子系统在计算机的控制下自动完成刀具和工件的输送工作。如图1-11中物流子系统由四个机器人、自动仓库、工件出入托盘站，机床前托盘站等五个和一辆自动搬运车组成。3．信息流子系统由主计算机、分级计算机及其接口、外围设备和各种控制装置的硬件和软件组成。信息流子系统的主要功能是实现各子系统之间的信息联系，对系统进行管理，确保系统的正常工作。对一个复杂系统，只有通过计算机分级管理才能对系统进行更有成效的管理，保证在工作时各部分保持协调一致。板材加工FMS是由仓库单元、冲孔单元、剪切单元、数字控制单元及分选单元组成。第二章数控电加工机床电火花加工(EDM)（电火花）线切割加工(WEDM)激光加工快速原型制造（RPM)第一节数控电火花机床一、电火花加工原理火花放电的正面应用：瞬时高温凹坑脉冲电源工具电极与工件工具电极材料：石墨铜铜钨合金钼要求：易加工导电性好熔点较高保持恒定放电间隙：由机床实现工作液：粘度较低闪点较高性能稳定二、数控电火花机床机床组成：机床机械本体脉冲电源工作液循环过滤系统主轴头：安装电极垂直进给运动保持放电间隙0.01～0.2mm工作台：工作台X、Y向交、直流伺服电机微量移动，修光侧面。测量电极间的间隙以测量间隙的电压间接进行，由电压值控制加工过程。电火花机床数控电火花轮胎模具雕花三、脉冲电源关键部分：影响生产率和加工质量作用：把工频的交流电转变成为一定频率的单向脉冲电流。主要参数：电压电流脉冲宽度脉冲间隔分为粗、中、精三档四、加工形式电极相对工件进给或运动有单电极和多电极：粗、精加工分解电极：主型腔和细部加工第二节数控线切割机床一、工作原理线状电极火花放电切割工件电极：铜丝或钼丝垂直运动工作台：带工件作X、Y方向运动二、数控电火花线切割机床按电极丝运动速度分为两大类：

快走丝：8~10m/s，我国主流

慢走丝：低于0.2m/s，国外：日本线切割加工的基本原理与电火花成形加工相同，但加工方式不同，它是用细金属丝作电极。线切割加工时，线电极一方面相对于工件不断地移动(慢速走丝是单向移动，快速走丝是往返移动)，另一方面，装夹工件的十字工作台，由数控伺服电动机驱动，在x、y轴方向实现切割进给，使线电极沿加工图形的轨迹运动对工件进行切割加工。

线切割加工的原理电火花线切割加工是利用工具电极（钼丝）和工件两极之间脉冲放电时产生的电腐蚀现象对工件进行尺寸加工。电火花腐蚀主要原因：两电极在绝缘液体中*近时，由于两电极的微观表面是凹凸不平，其电场分布不均匀离得最近凸点处的电场度最高，极间介质被击穿，形成放电通道，电流迅速上升。在电场作用下，通道内的负电子高速奔向阳极，正离子奔向阴极形成火花放电，电子和离子在电场作用下高速运动时相互碰撞，阳极和阴极表面分别受到电子流和离子流的轰击，使电极间隙内形成瞬时高温热源，通道中心温度达到10000度以上。以致局部金属材料熔化和气化。电火花线切割加工能正常运行，必须具备下列条件：

1.

钼丝与工件的被加工表面之间必须保持一定间隙，间隙的宽度由工作电压、加工量等加工条件而定。

2.

电火花线切割机床加工时，必须在有一定绝缘性能的液体介质中进行，如煤油、皂化油、去离子水等，要求教高绝缘性是为了利于产生脉冲性的火花放电，液体介质还有排除间隙内电蚀产物和冷却电极作用。钼丝和工件被加工表面之间保持一定间隙，如果间隙过大，极间电压不能击穿极间介质，则不能产生电火花放电；如果间隙过小，则容易形成短路连接，也不能产生电火花放电。ti为脉冲宽度、to为脉冲间隔、tp为脉冲周期。在脉冲间隔内，使间隙介质消除电离，使下一个脉冲能在两极间击穿放电。

各种零件的加工棱锥体形件冷冲凸模的加工多孔窄缝加工线切割加工零件1．快走丝线切割机床线电极运行速度较快(300—700m／min)。可双向往复运行，即丝电极可重复使用，直到丝电极损耗到一定程度或断丝为止。常用线电极为：钼丝(Φ0.1～Φ0.2mm)。工作液通常为：乳化液或皂化液。由于电极丝的损耗和电极丝运动过程中换向的影响，其加工精度要比慢走丝差，表面粗糙度要高；尺寸精度：0.015～0.02mm；表面粗糙度Rɑ：1．25～2.5μm。一般，尺寸精度最高可达到：0．01mm，表面粗糙度Rɑ为：0.63～1.25μm。走丝速度对切割速度的影响：主要是通过改变排屑条件来实现的。提高走丝速度有利于：电极丝把工作液带入较大厚度的工件放电间隙中；电蚀产物的排出，使加工稳定，提高加工速度。走丝速度过高：会导致机械振动加大、加工精度降低和表面粗糙度增大，并易造成断丝。对快走丝线切割，应考虑由于丝电极速度的改变所产生的换向切割条纹对表面粗糙度的影响。2.慢走丝线切割机床线电极运行速度较低(0.5～15m/min)。线电极只能单向运动，不能重复使用，这样可避免电极损耗对加工精度的影响。丝电极有：紫铜、黄铜、钨、钼和各种合金，直径一般为0.1～0.35mm。工作液：去离子水、煤油。尺寸精度：±0.001mm表面粗糙度：Ry0.3μm。快走丝线切割机床快走丝线切割机床快走丝线切割机床慢走丝线切割机床快走丝线切割机床快走丝线切割机床线切割加工机床的型号国标规定的数控电火花线切割机床的型号。如：D

K

7

7

25机床工作台宽度为320mm特性代号，数控机床类别代号，电加工机床组代号，电火花加工机床系代号，快走丝线切割机床走丝速度对加工的影响：高速走丝机床：电极丝高速往复运动，生产率较高，电极丝可重复使用一段时间。使用ø0.08～ø0.2mm的钼丝。走丝速度一般为6m/s~10m/s。低速走丝机床：电极丝以0.2m/s的速度运动，振动小，切削过程稳定，因此加工质量高。使用ø0.03～ø0.3mm的镀锌黄铜丝。DK77120型线切割机床,行程1200mm×1600mm该机刚性好,结构先进,线架可自动

切割机床简介

总体上都可分为：主机，数控装置，脉冲电源。组成机床本体脉冲电源数控系统工作液循环系统快走丝线切割机床１．机床本体：主要由床身、工作台、运丝机构和丝架等组成。２．脉冲电源：

电火花线切割加工的脉冲电源与电火花成型加工作用的脉冲电源在原理上相同，不过受加工表面粗糙度和电极丝允许承载电流的限制，线切割加工脉冲电源的脉宽较窄(2～60μs)，单个脉冲能量、平均电流(1～5A)一般较小，所以线切割总是采用正极性加工。3．数控系统：作用轨迹控制脉冲电源

精确地控制电极丝相对于工件的运动轨迹，使零件获得所需的形状和尺寸。

根据放电间隙大小与放电状态控制进给速度，使之与工件材料的蚀除速度相平衡，保持正常的稳定切割加工。

主要组成工作液箱工作液泵流量控制阀作用

及时地从加工区域中排除电蚀产物，并连续充分供给清洁的工作液，以保证脉冲放电过程稳定而顺利地进行。（一般采用专用乳化液）3．工作液循环系统：进液管回液管过滤网罩慢走丝线切割机床主要组成主体结构走丝系统电极丝送丝装置北京阿奇工业电子有限公司某型号慢走丝线切割机床的送丝图线切割主要工艺指标1．切割速度：切割速度最高切割速度

在保证一定的表面