机械制造工艺学（第3版）课件：数控铣削加工

机械制造工艺学数控铣削加工车床主轴箱加工工艺如图3-1所示为某车窗主轴箱简图，材料为HT200，中小批生产，制定其机械加工工艺过程卡。箱体类零件典型特点是结构复杂，壁薄且壁厚不均匀；孔和面的尺寸精度、表面粗糙度及形位精度要求多，如何保证孔系之间的尺寸精度、形位精度，孔面之间的位置精度往往是加工的重点；加工中要特别注意定位精准的选择，以保证各形位精度的实现，毛坯多采用铸件，需进行时效处理，保证零件加工后的性能稳定性。数控铣削加工一、数控铣削加工概述数控铣削是机械加工中最常用和最主要的数控加工方法之一。它除了能铣削普通铣床所能铣削的各种零件表面外，还能铣削普通铣床不能铣削的需要2~5坐标联动的各种平面轮廓和立体轮廓，适合数控铣削的主要加工对象有以下几类：1.平面类零件平面类零件是数控铣削加工中最简单的一类零件，一般只需用三坐标数控铣床的两坐标联动(即两轴半坐标联动)就可以把它们加工出来。图3-9平面类零件2.变斜角类零件图3-10飞机上变斜角梁缘条加工面与水平面的夹角呈连续变化的零件称为变斜角类零件，如图3-10所示的飞机上变斜角梁缘条。变斜角类零件最好采用四坐标、五坐标数控铣床摆角加工，若没有上述机床，也可采用三坐标数控铣床进行两轴半近似加工。3.空间曲面轮廓零件这类零件的加工面为空间曲面，如模具、叶片、螺旋桨等。空间曲面轮廓零件不能展开为平面。加工时，铣刀与加工面始终为点接触，一般采用球头刀在三轴数控铣床上加工。当曲面较复杂、通道较狭窄、会伤及相邻表面及需要刀具摆动时，要采用四坐标或五坐标铣床加工，如图3-11所示。图3-11空间曲面轮廓零件5.螺纹内螺纹、外螺纹、圆柱螺纹、圆锥螺纹等都可以在数控铣床上加工。二、数控铣削加工工艺分析数控铣削加工工艺设计的关键在于合理安排工艺路线，协调数控铣削工序与其他工序之间的关系，确定数控铣削工序的内容和步骤，并为程序编制准备必要的条件。(一)数控铣削加工部位及内容的选择适宜采用数控铣削加工的部位：1)由直线、圆弧、非圆曲线及列表曲线构成的内外轮廓。2)空间曲线或曲面。3)形状虽然简单，但尺寸繁多，检测困难的部位。4)用普通机床加工时难以观察、控制及检测的内腔、箱体内部等。5)有严格位置尺寸要求的孔或平面。6)能够在一次装夹中顺带加工出来的简单表面或形状。7)采用数控铣削加工能有效提高生产率，减轻劳动强度的一般加工内容。(二)数控铣削加工零件的工艺性分析1.零件图及其结构工艺性分析1)分析零件的形状、结构及尺寸的特点，确定零件上是否有妨碍刀具运动的部位，是否有会产生加工干涉或加工不到的区域，零件的最大形状尺寸是否超过机床的最大行程，零件的刚性随着加工的进行是否有太大的变化等。2)检查零件的加工要求。3)在零件上是否存在对刀具形状及尺寸有限制的部位和尺寸要求，尽量使用最少的刀具进行加工，减少刀具规格、换刀及对刀次数和时间，以缩短总的加工时间。4)着重考虑零件加工中使用的工艺基准。对于一般加工精度要求，可以利用零件上现有的一些基准面或基准孔，或者专门在零件上加工出工艺基准。当零件的加工精度要求很高时，必须采用先进的统一基准定位装夹系统才能保证加工要求。5)分析零件材料的种类、牌号及热处理要求。6)充分了解零件的已加工状态。7)在分析零件图样时，务必分析几何元素的给定条件是否充分。2.零件毛坯的工艺性分析1)毛坯应有充分、稳定的加工余量。2)毛坯的装夹适应性。3)毛坯的余量大小及均匀性。(三)数控铣削加工工艺路线的拟订1.加工方法的选择序号加工表面加工方案所使用的刀具1平面内外轮廓X、Y、Z方向粗铣—内外轮廓方向分层半精铣—轮廓高度方向分层半精铣—内外轮廓精铣整体高速钢或硬质合金立铣刀机夹可转位硬质合金立铣刀2空间曲面X、Y、Z方向粗铣—曲面Z方向分层粗铣—曲面半精铣—曲面精铣整体高速钢或硬质合金立铣刀、球头铣刀机夹可转位硬质合金立铣刀、球头铣刀3孔定尺寸刀具加工麻花钻、扩孔钻、铰刀、镗刀

铣削整体高速钢或硬质合金立铣刀机夹可转位硬质合金立铣刀4外螺纹螺纹铣刀铣削螺纹铣刀5内螺纹攻螺纹丝锥

螺纹铣刀铣削螺纹铣刀(1)平面加工方法的选择在数控铣床上加工平面主要采用端铣刀和立铣刀加工。粗铣的尺寸精度和表面粗糙度值Ra一般可达IT11~IT13、6.3~25μm;精铣的尺寸精度和表面粗糙度值Ra一般可达IT8~IT10，1.6~6.3μm。需要注意的是：当零件表面粗糙度要求较高时，应采用顺铣方式。(2)平面轮廓加工方法的选择平面轮廓多由直线和圆弧或各种曲线构成，通常采用三坐标数控铣床进行两轴半坐标加工。图3-13平面轮廓铣削(3)固定斜角平面加工方法的选择固定斜角平面是与水平面成一固定夹角的斜面，常用的加工方法如下：当零件尺寸不大时，可用斜垫板垫平后加工;如果机床主轴可以摆角，则可以摆成适当的定角，用不同的刀具来加工(图3-14);当零件尺寸很大，斜角平面斜度又较小时，常用行切法加工，但加工后，会在加工面上留下残留面积，需要用钳修方法加以清除，用三坐标数控立铣加工飞机整体壁板零件时常用此法。当然，加工斜角平面的最佳方法是采用五坐标数控铣床，主轴摆角后加工，可以不留残留面积。图3-14主轴摆角加工固定斜角平面

(4)变斜角面加工方法的选择1)对曲率变化较小的变斜角面，选用X、Y、Z和A四坐标联动的数控铣床，采用立铣刀(但当零件斜角过大，超过机床主轴摆角范围时，可用角度成形铣刀加以弥补)以插补方式摆角加工，如图3-15a所示。2)对曲率变化较大的变斜角面，用四坐标联动加工难以满足加工要求，最好用X、Y、Z、A和B(或C转轴)的五坐标联动数控铣床，以圆弧插补方式摆角加工，如图3-15b所示。图3-15四、五坐标联动数控铣床加工零件变斜角面3)采用三坐标数控铣床两坐标联动，利用球头铣刀和鼓形铣刀，以直线或圆弧插补方式进行分层铣削加工，加工后的残留面积用钳修方法清除，图3-16所示。图3-16用鼓形铣刀分层铣削变斜角面的情形(5)曲面轮廓加工方法的选择1)对曲率变化不大和精度要求不高的曲面的粗加工，常用两轴半坐标的行切法加工，即X、Y、Z三轴中任意两轴做联动插补，第三轴做单独的周期进给。图3-17两轴半坐标行切法加工曲面

2)对曲率变化较大和精度要求较高的曲面的精加工，常用X、Y、Z三坐标联动插补的行切法加工。3)对像叶轮、螺旋桨这样的零件，因其叶片形状复杂，刀具容易与相邻表面干涉，常用五坐标联动加工，其加工原理如图3-20所示。图3-19三坐标联动加工曲面的刀心轨迹O1O2和切削点轨迹ab

图3-20曲面的五坐标联动加工2.工序的划分1)当加工中使用的刀具较多时，为了减少换刀次数，缩短辅助时间，可以将一把刀具所加工的内容安排在一个工序(或工步)中。2)按照加工表面的性质和要求，将粗加工、精加工分为依次进行的不同工序(或工步)。先进行所有表面的粗加工，然后再进行所有表面的精加工。3.加工顺序的安排一般数控铣削采用工序集中的方式，通常按照从简单到复杂的原则，先加工平面、沟槽、孔，再加工外形、内腔，最后加工曲面，先加工精度要求低的部位，再加工精度要求高的部位等。4.加工路线的确定1)应能保证零件的加工精度和表面粗糙度要求。如图3-21所示，当铣削平面零件外轮廓时，一般采用立铣刀侧刃切削。铣削封闭的内轮廓表面时，若内轮廓曲线允许外延，则应沿切线方向切入切出。若内轮廓曲线不允许外延(图3-22)，刀具只能沿内轮廓曲线的法向切入切出，此时刀具的切入切出点应尽量选在内轮廓曲线两几何元素的交点处。图3-21外轮廓加工刀具的切入和切出

图3-22内轮廓加工刀具的切入和切出

当内部几何元素相切无交点时(图3-23)，为防止刀补取消时在轮廓拐角处留下凹口(图3-23a)，刀具切入切出点应远离拐角(图3-23b)。图3-23无交点内轮廓加工刀具的切入和切出图3-24所示为圆弧插补方式铣削外整圆时的加工路线图。当整圆加工完毕时，不要在切点处直接退刀，而应让刀具沿切线方向多运动一段距离，以免取消刀补时，刀具与工件表面相碰，造成工件报废。铣削内圆弧时也要遵循切向切入的原则，最好安排从圆弧过渡到圆弧的加工路线(图3-25)，这样可以提高内孔表面的加工精度和加工质量。图3-24外圆铣削

图3-25内圆铣削

在精镗孔系时，镗孔路线一定要注意各孔的定位方向一致，即采用单向趋近定位点的方法，以避免传动系统反向间隙误差或测量系统的误差对定位精度的影响。如图3-26a所示的孔系加工路线，在加工孔Ⅳ时，X方向的反向间隙将会影响Ⅲ、Ⅳ两孔的孔距精度;如果改为图3-26b所示的加工路线，可使各孔的定位方向一致，从而提高了孔距精度。图3-26孔系加工路线方案比较铣削曲面时，常用球头铣刀采用行切法进行加工。所谓行切法是指刀具与零件轮廓的切点轨迹是一行一行的，而行间的距离是按零件加工精度的要求确定的。对于边界敞开的曲面加工，可采用两种加工路线。如图3-27所示发动机大叶片，采用图3-27a所示的加工方案时，每次沿直线加工，刀位点计算简单，程序少，加工过程符合直纹面的形成，可以准确保证母线的直线度。当采用图3-27b所示的加工方案时，符合这类零件数据给出情况，便于加工后检验，叶形的准确度较高，但程序较多。图3-27曲面加工的加工路线2)应使加工路线最短，减少刀具空行程时间，提高加工效率。图3-28b)更符合加工路线最短原则3)应使数值计算简单，程序段数量少，以减少编程工作量。图3-28正确选择钻孔加工路线(四)数控铣削加工工序的设计1.夹具的选择数控铣床上的装夹方法与普通铣床一样，要求有简单的定位、夹紧机构就可以，但要将加工部位敞开，不能因装夹而影响进给和切削加工。选择夹具时，应注意减少装夹次数，尽量做到在一次安装中能把零件上所有要加工表面都加工出来。2.刀具的选择(1)铣刀刚性要好(2)铣刀的耐用度要高除上述两点之外，铣刀切削刃的几何角度参数的选择与排屑性能等也非常重要。(五)数控铣削加工中的装刀与对刀技术1.对刀点的选择对刀点是工件在机床上定位装夹后，设置在工件坐标系中，用于确定工件坐标系与机床坐标系空间位置关系的参考点。图3-29对刀点的选择

①对刀点可以设置在工件